Thiết kế chế tạo mô hình xe lăn điện cho người khuyết tật

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài Thiết kế chế tạo mô hình xe lăn điện cho ngư.

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình xe lăn điện cho người khuyết tật

Mã số đề tài: 21/1DL03

Chủ nhiệm đề tài: Lưu Đặng Anh Nguyên

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Động lực

Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 05 năm 2022

LỜI CẢM ƠN

Đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình xe lăn điện cho người khuyết tật” xuất phát từ mục đích nhân văn nhằm hướng đến những cá nhân kém may mắn trong xã hội ngày nay, mà ý tưởng ấy được khởi xướng bởi người cố vấn thân thuộc của nhóm là Th.S Phan Văn Nhựt Qua nhiều khó khăn và thử thách, cùng với sự khắt khe cũng như sự tận tâm của thầy mà nhóm đã đạt được những thành quả nhất định trong quá trình thực hiện đề tài khoa học Xin gửi lời cảm ơn đến thầy vì sự chỉ bảo và tận tình đó đã giúp nhóm hoàn thành đề tài khoa học Cảm ơn thầy rất nhiều

Bên cạnh đó, phòng QLKH&HTQT đã tạo “sân chơi” cho sinh viên trường Đại Học Công Nghiệp TP HCM nói chung và sinh viên Khoa Công Nghệ Động Lực nói riêng có cơ hội được giao lưu, học hỏi và phát triển bản thân thông qua các hoạt động mang tính thi đua

và cạnh tranh công bằng Đồng thời phòng QLKH&HTQT đã cung cấp thông tin và hỗ trợ các thủ tục nói chung cho sinh viên để hoàn thiện đề tài khoa học của bản thân Xin chân thành cảm ơn công tác hỗ trợ của phòng QLKH&HTQT đã giúp nhóm hoàn thiện đề tài khoa học

Để hoàn thành các công việc cuối cùng trong quá trình hoàn thiện đề tài, không thể không kể đến sự hỗ trợ đến từ khoa Công nghệ Động lực đã cố gắng tổ chức những buổi họp để đưa ra những hoạt động tổng kết đề tài giúp cho sinh viên khoa Công nghệ Động lực

nỗ lực hoàn thành đề tài của mình

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại Học Công Nghiệp TP HCM đã hỗ trợ kinh phí cho các sinh viên tham gia nghiên cứu đề tài khoa học Nhờ đó, nhóm đã hoàn thiện được sản phẩm dựa vào sự hỗ trợ kinh phí đến từ nhà trường

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

I Thông tin tổng quát

1.1 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình xe lăn điện cho người khuyết tật

1.2 Mã số: 21/1DL03

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Họ và tên

(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 Lưu Đặng Anh Nguyên

(Sinh viên) Khoa CN Động Lực Chủ nhiệm đề tài

2 Nguyễn Thị Khánh Huyền

(Sinh viên) Khoa CN Động Lực Thành viên chính

3 Trần Nguyễn Minh Châu

(Sinh viên) Khoa CN Động Lực Thành viên chính

4 Trần Ngọc Sinh

(Sinh viên) Khoa CN Động Lực Thành viên chính

(Sinh viên) Khoa CN Động Lực Thành viên chính

1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Công nghệ Động lực

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 3 năm 2021 đến tháng 10 năm 2021

1.5.2 Gia hạn: Không gia hạn

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng … năm … đến tháng … năm …

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

Thay đổi về tổ chức thực hiện so với thuyết minh ban đầu:

Do yếu tố khách quan là Đại dịch Covid nên các hoạt động tiếp cận đề tài bị hạn chế, trì trệ

và các công việc chuẩn bị hồ sơ thủ tục bắt buộc hoãn lại dẫn đến thời gian nghiệm thu và thanh lý đề tài bị chậm trễ so với thời gian dự kiến đã nêu trong thuyết minh ban đầu (7 tháng tính từ ngày 17 tháng 3 năm 2021)

Thay đổi về Tổng kinh phí thực hiện đề tài so với Tổng kinh phí được duyệt:

Quá trình làm hồ sơ nghiệm thu đề tài phát hiện thiếu bài báo IUH đã đăng ký trong thuyết minh ban đầu nên nhóm cùng Phòng QLKH&HTQT đã làm các thủ tục cần thiết và trình lên Ban giám hiệu nhà trường xin phép nghiệm thu đề tài với kinh phí giảm từ 15 triệu đồng xuống còn 6 triệu đồng mà không có bài báo IUH

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: Sáu triệu đồng

II Kết quả nghiên cứu

2.1 Đặt vấn đề

- Lý do chọn đề tài:

Các hộ gia đình có người khuyết tật hiện nay thường khó khăn về tài chính hơn so với các hộ gia đình bình thường do nguồn thu nhập của họ không dễ dàng khi phần lớn các công việc hiện nay cần rất nhiều sự linh hoạt của cơ thể, việc tiếp cận môi trường học tập của họ cũng gặp nhiều khó khăn dù cho chính phủ đã có những chính sách hỗ trợ tích cực Vì vậy, ý tưởng về chiếc xe lăn điện giá thấp được thực hiện với mong muốn có thể

hỗ trợ họ di chuyển bình thường một cách độc lập mà không phải nhờ người giám hộ

- Đối tượng nghiên cứu:

Người khuyết tật về chân nhưng 2 tay bình thường và đầu óc minh mẫn có thể điều khiển xe

Người lớn tuổi sức yếu, khả năng di chuyển kém

- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn, quy mô và phạm vi ứng dụng:

Hình 2.1 Xe lăn điện

Hình 2.2 Xe lăn điện được xếp gập

Thiết kế xe có kết cấu chịu mức cân nặng trung bình của người già và người khuyết tật

=> Cân nặng xe lăn hiện có thể chịu lên đến 70 kg

Khối lượng hiện tại của xe là 40 kg

Chế tạo xe hoạt động trong thời gian dài => Xe hoạt động liên tục trong 1 tiếng với pin

đã sạc đầy

Đạt được một cần điều khiển hướng di chuyển của xe

Không bị giật hay tăng tốc đột ngột => Vẫn còn hạn chế

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Thiết kế khung sườn:

Khung sườn xe được thiết kế trên phần mềm CATIA chuyên vẽ 3D của ngành cơ khí Khung sườn vật liệu chế tạo là inox 304, với kích thước (DxRxC): 1050 x 590 x 985

mm, độ dày của inox là 1,4mm

Hình 2.3 Khung sườn xe lăn điện cho người khuyết tật

- Mô phỏng lực tác dụng lên khung xe bằng phần mềm Catia, với lực là 1000N tương đương với tải trọng lên đến 100kg

Bảng thông số chính của vật liệu:

Young Modulus (mô đun đàn hồi E):

1,37e+11 N/m3

Poison Ratio (chuyển vị): 0,28

Density (khối lượng riêng): 7860 (kg/m3)

Thermal Expansion (nhiệt độ nóng chảy):

1,17e-005 K

Yield Strength (độ bền uốn): 2,93e+8 N/m2

Sau đó suất ứng suất uốn ở các vị trí của khung sườn xe,

ta có thể thấy được những biến dạng của khung khi chịu

lực

Công thức ứng suất uốn:

Trong đó: M là momen uốn, W là momen cản uốn

Hình 2.4 Thông số vật liệu

Hình 2.5 Khung tựa lưng Nhận xét:

Hình trên biểu diễn ứng suất của khung tựa lưng khi ngồi, bỏ qua lực khi người ngồi tựa lưng khi xe đứng yên để đơn giản tính toán Thang đo ứng suất được phân bố theo màu, nơi

có màu đỏ là vùng có ứng suất lớn nhất (7,19e+007 N/m2) và nơi có màu xanh là nơi ứng suất thấp nhất (1,37e-038 N/m2) Ở hình trên ta thấy ứng suất max vẫn nhỏ hơn độ bền uốn, ngoài ra độ chuyển vị nhỏ (max là 0,884) chứng tỏ khung không bị biến dạng quá nhiều

 Khung trên đảm bảo độ bền

Hình 2.6 Khung mặt ngồi Nhận xét:

Ứng suất lớn nhất là 2,209e+7 N/m2 tập trung nhiều ở các mỗi hàn nối giữa các thanh inox, nhìn chung khung mặt ngồi khá yếu do có nhiều chi tiết hàn Màu ứng suất chủ yếu là xanh

lá nhỏ hơn độ bền uốn của vật liệu Về chuyển vị ta thấy khung mặt ngồi không biến dạng nhiều (max là 0,102 mm)

 Khung xe đảm bảo độ bền

Hình 2.7 Khớp mặt ngồi với khung xe Nhận xét:

Ứng suất cao nhất (8,1e+7 N/m2) phân bố chủ yếu ở các cung bo Vì edge fillet là khá nhỏ nên không tránh khỏi khả năng ứng suất tập trung ở đây, nhưng ứng suất trên vẫn nhỏ hơn

độ bền uốn của vật liệu là sắt (3,1e+8 N/m2) Chuyển vị lớn nhất là 0,061mm rất nhỏ

 Nhìn chung khung trên vẫn đảm bảo độ bền cho phép

Hình 2.8 Thanh nối bánh trước Nhận xét:

Đây là chi tiết chịu lực phức tạp nhất khi chuyển động, nên chỉ xét trường hợp tải tĩnh tác dụng Ở đây, ứng suất lớn nhất (7,99e+7 N/m2) phân bố chủ yếu ở các nơi có uốn và mối hàn nối giữa các khối, tuy nhiên ứng suất trên vẫn nhỏ hơn độ bền uốn của vật liệu, đồng thời chuyển vị là 0,173mm vẫn ở mức nhỏ

 Chi tiết trên vẫn đảm bảo bền, tuy nhiên khi di chuyển góc chữ L dễ bị móp méo nếu gặp va chạm thực tế Nên ta cần phải chọn ống dày khi gia công để đủ bền

Hình 2.9 Khung nâng đỡ mặt ngồi Nhận xét:

Đây là chi tiết chịu lực nhiều nhất của khung xe, các chi tiết pad và hàn nhiều và phức tạp, chính vì thế cần phải dùng ống có độ dày lớn hơn nhằm đảm bảo không bị biến dạng khi gia công và khi có tải Ứng xuất lớn nhất (1,87e+8 N/m2) tập trung ở phần giữa của khung nơi

có các chi tiết pad chịu lực tác dụng, ứng xuất trên vẫn nhỏ hơn độ bền uốn cho phép đồng thời chuyển vị thu được có lớn nhưng vẫn không đáng kể

 Chi tiết đủ bền khi chịu tải trọng

Hình 2.10 Khung đỡ pin và phụ kiện Nhận xét:

Chi tiết này là khung đỡ của pin và phụ kiện nên nhìn chung tải trọng tác dụng lên khung không đáng kể Ứng suất lớn nhất (9,93e+6 N/m2) nhỏ hơn độ bền uốn của vật liệu, chuyển

vị là 0,033mm rất nhỏ để nhìn thấy

 Chi tiết trên đã đủ bền

Hình 2.11 Khung chịu lực chính Nhận xét:

Chi tiết trên có nhiều mối hàn và các chi tiết phức tạp nên dùng sắt để dễ chế tạo Ứng suất lớn nhất (5,335e+7 N/m2) nhỏ hơn giới hạn chảy của sắt (3,1e+8 N/m2) và chuyển vị là 0,046mm khá nhỏ, độ biến dạng rất nhỏ

 Chi tiết trên đã đủ bền

Nhìn chung các chi tiết trên là các bộ phận chịu tải trọng tĩnh chủ yếu trên khung xe lăn và

xe lăn trên phần mềm thiết kế hoàn toàn đáp ứng được mục tiêu thiết kế đưa ra

Thiết kế mạch điện điều khiển:

Sơ đồ mạch điện:

Hình 2.12 Mạch điện điều khiển động cơ

Nguyên lý hoạt động:

Điều khiển động cơ:

+ Khi công tắc đóng lại, mạch điều khiển và mạch thi hành 1,2 được cấp nguồn chờ tín hiệu từ tay điều khiển

+ Mạch điều khiển được cấp nguồn thì trong mạch tạo được một điện áp 5v dùng để cấp nguồn thường trực cho tay điều khiển và làm tín hiệu cho mạch thi hành 1&2

+ Tay điều khiển theo hướng tiến lùi – quy định là phương Y

+ Khi người sử dụng đẩy tay điều khiển về phía trước, lúc này mạch điều

khiển sẽ nhận được tín hiệu (0 5v) và khi đó mạch điều khiển sẽ kích dẫn chân

RPWM của hai mạch thi hành, còn chân LPWM của mạch thi hành không được

kích dẫn Do đó, 2 motor nhận cùng 1 tín hiệu nên quay cùng chiều và cùng vận tốc

+ Khi người sử dụng đẩy tay điều khiển về phía sau, lúc này mạch điều

khiển sẽ nhận được tín hiệu (0 -5v) và khi đó mạch điều khiển sẽ kích dẫn chân

LPWM của hai mạch thi hành, còn chân RPWM của mạch thi hành không được

kích dẫn Do đó, 2 motor nhận cùng 1 tín hiệu nên quay cùng chiều và cùng vận tốc nhưng ngược lại với khi tay điều khiển ở phía trước

+ Tay điều khiển theo hướng sang trái và phải – quy định là phương X

- Khi người sử dụng đẩy tay điều khiển về bên phải, lúc này mạch điều khiển sẽ

nhận được tín hiệu (0 5v) và khi đó mạch điều khiển sẽ kích dẫn chân RPWM1, chân LPWM1 không được kích dẫn làm cho motor 1 quay theo chiều tiến Mạch điều khiển kích dẫn chân LPWM2, chân RPWM2 không được kích dẫn và làm cho motor2 quay theo chiều lùi Khi lập trình thì tín hiệu xung từ 2 đầu ra khác nhau sẽ làm cho xe quay qua bên phải, không bị xoay tròn

- Khi người sử dụng đẩy tay điều khiển về bên trái, lúc này mạch điều khiển sẽ nhận được tín hiệu (0 -5v) và khi đó mạch điều khiển sẽ kích dẫn chân RPWM1, chân LPWM1 không được kích dẫn làm cho motor 1 quay theo chiều lùi Mạch điều khiển kích dẫn chân LPWM2, chân RPWM2 không được kích dẫn và làm cho motor2 quay theo chiều tiến Khi lập trình thì tín hiệu xung từ 2 đầu ra khác nhau sẽ làm cho xe quay qua bên trái, không bị xoay tròn

+ Khi ta đặt tay điều khiển ở trung tâm của 2 trục XY thì mạch điều khiển nhận được tín hiệu 0v và không kích dẫn hai mạch thi hành và lúc này hai motor sẽ không nhận được điện áp và xe sẽ dừng tại chỗ

Điều khiển cơ cấu an toàn:

- Khi công tắc nguồn ở vị trí ON

+ Đèn chiếu sáng: công tắc đèn SW1 ở vị trí ON, (+) 12V từ nguồn  công tắc đèn  đèn đầu xe  (–) 12V Đèn đầu xe hoạt động

+ Đèn đuôi xe: Công tắc đèn SW3 ở vị trí ON, (+) 12V từ nguồn  công tắc đèn đuôi

 (–) 12 VDC Đèn đuôi xe hoạt động

+ Kèn xe : Khi công tắc SW2 ở vị trí ON, (+) 12V từ nguồn  công tắc kèn  kèn  (–) 12V Kèn hoạt động

Tính toán chọn động cơ

- Các lực tác dụng lên xe khi vận hành:

Giả sử xe leo dốc, độ dốc là 12 , hệ số cản lăn của đường là 0,2

Xe di chuyển đều với vận tốc 4 km/h

- Theo điều kiện chuyển động là:

- Suy ra, Lực kéo cần để kéo bánh sau là:

- Công suất để kéo bánh xe sau là:

Với tốc độ của xe = 4 km/h = 1,11 m/s

- Hiệu suất truyền lực:

- Công suất moto để kéo bánh sau:

- Công suất cho một moto:

Một số loại động cơ thông dụng trên thị trường hiện nay:

Bảng 2.1 Một số loại động cơ thông dụng

Tên motor Điện áp

(V)

Công suất (W)

Số vòng quay (vg/ph)

Số vòng quay sau giảm tốc

khả năng vận hành và độ bền bỉ theo thời gian kém Vì vậy động cơ My1016z2 có công

suất 250W và điện áp 24V đã được chọn để vận hành xe lăn điện

Tính ổn định của xe trong các điều kiện vận hành:

Ổn định tĩnh:

Xe đứng yên quay đầu lên dốc phanh 2 bánh sau:

Hình 2.13 Xe lên dốc phanh 2 bánh sau

Xe đứng yên quay đầu xuống dốc phanh 2 bánh sau:

Hình 2.14 Xe xuống dốc phanh 2 bánh sau

Ổn định động:

Xe di chuyển lên dốc

Hình 2.15 Xe chuyển động đều lên dốc

Xe di chuyển xuống dốc

Hình 2.16 Xe chuyển động xuống dốc Bảng 2.2 Độ dốc an toàn của xe

Xe đứng yên Quay đầu lên dốc

Quay đầu xuống dốc

Xe di chuyển Lên dốc

Xuống dốc

Tính lực phanh của xe:

Điều kiện khảo sát: xe di chuyển ở đường bằng

Phản lực :

Phản lực :

Hình 2.17 Xe đi đường bằng Tổng phản lực của mặt đường

Lực phanh của xe:

Momen phanh:

Tính toán thời gian sạc và sử dụng của pin:

Thời gian làm việc liên tục của pin trên lý thuyết

Với = 24V và hiệu suất làm việc của pin là

Trường hợp làm việc khi tải lớn nhất:

Trường hợp làm việc khi tải trung bình:

Thời gian làm việc thực tế của pin

Với và hiệu suất làm việc của pin

Trường hợp làm việc khi tải lớn nhất:

Trường hợp làm việc khi tải trung bình:

Thời gian sạc đầy của pin:

Lưu ý: Đây chỉ là dung lượng pin phục vụ mục đích thử nghiệm để giảm chi phí mô hình, nếu đưa ra thị trường có thể tăng dung lượng lên cao hơn

2.4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Bảng 2.3 Thông số xe lăn điện sau khi hoàn thiện

XE LĂN ĐIỆN XHXCN99

Kích thước (D x R x C) 1050mm x 590mm x 990mm

Chi phí trên là chi phí chế tạo mô hình Đối với tính thương mại, chi phí có thể thay đổi

Một số lưu ý khi sử dụng xe lăn điện:

- Trước và sau khi sử dụng xe cần chú ý dung lượng pin xem đủ quãng đường di chuyển hay không

- Đối với người mới sử dụng không nên chạy xe đến nơi đông người Không di chuyển quá nhanh trên mọi loại địa hình để đảm bảo an toàn

- Đối với người đi 1 mình, không nên di chuyển qua các đoạn đường bùn đất, vượt qua chướng ngại vật cao hơn 8cm, không băng qua đường tàu, không chở quá nhiều đồ, gây mất an toàn cho người điều khiển

2.5 Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

- Về phần kinh phí:

 Mức giá mười hai triệu đồng vẫn chưa thực sự thấp như mong muốn, do các yếu tố chính là động cơ điện, vật liệu làm khung và pin là các mục bắt buộc phải đáp ứng các thông số quan trọng giúp xe có thể di chuyển Việc thay đổi xuống mức giá thấp hơn có thể khiến chất lượng xe giảm và mất sự ổn định

- Về phần mô hình:

 Xe đáp ứng mức cân nặng trung bình của người khuyết tật và người già, chỗ ngồi thoải mái, thao tác điều khiển xe di chuyển cùng với các hệ thống tín hiệu trên xe dễ dàng, phanh tay thao tác bằng tay giúp người điều khiển an tâm khi gặp những tình huống bất ngờ hoặc hệ thống điện có sự cố

 Khi di chuyển xe chưa thực sự êm ái, nếu tăng tốc quá đột ngột thì xe vẫn còn hiện tượng giật mạnh, nhiều nút được lắp đặt khiến xe khó tiếp cận đối với người mới sử dụng

- Kết luận:

 Đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình xe lăn điện dành cho người khuyết tật” đã hoàn thành và đạt được những mục tiêu mà nhóm mong muốn một chiếc xe lăn điện mang lại cho người dùng những gì Giúp những người khuyết tật giảm bớt nỗi lo về khiếm khuyết trên cơ thể và có thể thuận lợi di chuyển qua lại, làm việc và sinh hoạt như những người bình thường

Hình 2.18 Người lớn tuổi sử dụng xe lăn điện

 Xe lăn điện đang ngày một hoàn thiện và phát triển hơn ở Việt Nam cũng như các nước khác trên thế giới Nó không chỉ là một chiếc xe, nó là một sản phẩm

đa năng có thể hỗ trợ con người một cách tốt nhất bằng các chức năng đang được phát triển mỗi ngày, mong muốn rằng Việt Nam chúng ta sẽ không có ai phải tự ti về những khiếm khuyết của cơ thể, có thể tiếp cận công nghệ và dùng công nghệ để bản thân có thể sống một cách hạnh phúc nhất

2.6 Tóm tắt kết quả

Xe lăn điện sử dụng pin lithium ion thay vì sử dụng ắc quy, giúp giảm khối lượng, tăng độ bền và thời gian sử dụng cho xe Xe có cơ cấu xếp gập giúp người dùng dễ dàng gấp gọn vận chuyển đi xa, có thể mang xe bên mình mọi lúc Ngoài ra hệ thống đèn, kèn, phanh

và dây đai giúp bảo vệ người ngồi trên xe, giúp người dùng vừa cảm thấy an toàn lại tiện lợi Mạch điện điều khiển dùng mạch Arduino và giúp xe có thể dễ dàng cải tiến thêm về nhiều chức năng tiện lợi hơn, đa dạng người sử dụng hơn Tuy vậy, vẫn còn một số hạn chế nhất định về các thao tác điều khiển và cách sử dụng

Electric wheelchairs use lithium-ion batteries instead of batteries, helping to reduce weight, increase durability and use the time for the vehicle The wheelchair has a folding mechanism that makes it easy for users to fold and transport long distances and can carry the vehicle with them at all times In addition, the system of lights, trumpets, brakes, and belts helps to protect the occupants, helping users feel both safe and convenient The control circuit uses Arduino circuitry and makes it easy to improve the wheelchair for more convenient functions and more diverse users However, there are still certain limitations in terms of controls and usage

1 Xe lăn điện XHXCN99

Giá thành thấp: < 15 triệu vnd

Xe có đèn – đèn tín hiệu, còi, dây đai và phanh tay

Tốc độ xe: 5 – 18 km/h Thời gian vận hành: tối thiểu

3 tiếng Chịu cân nặng: <= 75 kg

2 Sơ đồ mạch điện điều khiển Tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam 

3 Bản vẽ thiết kế (lắp) của khung xe

lăn điện

Tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam 

4 Biểu đồ tiêu thụ điện năng ứng với

sự thay đổi tải trọng

Tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam 

5 Lưu đồ thuật toán điều khiển xe Tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam 

6 Sơ đồ mạch điện hệ thống an toàn

phanh tay của xe

Tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam 

IV Tình hình sử dụng kinh phí

Kinh phí được duyệt

(đồng)

Kinh phí thực hiện

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con 1,500,000 1,500,000

2 Sơ đồ mạch điện phanh tay của xe lăn điện

3 Biểu đồ thể hiện sự tiêu hao năng lượng theo tải trọng

4 Lưu đồ thuật toán điều khiển

PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

(báo cáo tổng kết sau khi nghiệm thu, đã bao gồm nội dung góp ý của hội đồng nghiệm thu)

MỤC LỤC MỤC LỤC 28

DANH SÁCH CÁC HÌNH 29

DANH SÁCH CÁC BẢNG 31

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 32

1.1.Tổng quan đề tài 32

1.2.Đối tượng nghiên cứu: 34

1.3.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn, quy mô và phạm vi ứng dụng: 34

1.4 Mục tiêu nghiên cứu: 34

2 PHƯƠNG PHÁP – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 35

2.1.Phương pháp nghiên cứu: 35

2.2.Nội dung nghiên cứu: 46

2.2.1.Thiết kế khung sườn xe lăn điện 46

2.2.2 Tính ổn định của xe trong các điều kiện vận hành: 55

2.2.3 Chọn động cơ 61

2.2.4 Nguồn điện 62

2.2.5 Thiết kế mạch điều khiển 64

2.2.6 Lắp đặt và hoàn thiện xe lăn điện 68

2.2.7 Kiểm nghiệm khả năng vận hành của xe 72

3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 80

3.1 Chức năng 80

3.2 Tải trọng cho phép 80

3.3 Thời gian làm việc 80

3.4 Thống kê giữa lý thuyết và thực tế sau kiểm nghiệm 81

3.5 Tổng kinh phí sau khi hoàn thiện mô hình 82

3.6 Một số lưu ý khi sử dụng xe lăn điện 82

3.7 Hướng phát triển 82

4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 85

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Người khuyết tật chân 32Hình 1.2 Xe lăn truyền thống và xe lăn điện 32Hình 1.3 Xe lăn điện TM064 33Hình 1.4 Xe lăn điện E114 33Hình 1.5 Xe lăn điện E104 34Hình 2.1 Nhà vật lý học Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) 35Hình 2.2 Nhà vật lý John Ambrose Fleming (1849-1945) 35Hình 2.3 Quy tắc bàn tay trái của Flemin 36Hình 2.4 Cấu tạo động cơ điện một chiều có chổi than 36Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động 37Hình 2.6 Chiều của từ trường và dòng điện 38Hình 2.7 Động cơ Servo có chổi than 38Hình 2.8 Cơ cấu bánh răng giảm tốc 39Hình 2.9 Mạch động cơ Servo DC 39Hình 2.10 Momen quay 40Hình 2.11 Xe lăn điện chuyển động lên dốc 42Hình 2.12 Mối quan hệ giữa góc dốc và độ dốc 42Hình 2.13 Khung sườn xe lăn điện cho người khuyết tật 46Hình 2.14 Thông số vật liệu 47Hình 2.15 Khung tựa lưng 48Hình 2.16 Khung mặt ngồi 49Hình 2.17 Khớp mặt ngồi với khung xe 50Hình 2.18 Thanh nối bánh trước 51Hình 2.19 Khung nâng đỡ mặt ngồi 52Hình 2.20 Khung đỡ pin và phụ kiện 53Hình 2.21 Khung chịu lực chính 54Hình 2.22 Xe leo dốc 55Hình 2.23 Xe lên dốc phanh 2 bánh sau 56Hình 2.24 Xe xuống dốc phanh 2 bánh sau 57Hình 2.25 Xe chuyển động đều lên dốc 58Hình 2.26 Xe chuyển động xuống dốc 59Hình 2.27 Xe đi đường bằng 60

Hình 2.28 Cell pin chính và mạch bảo vệ 63Hình 2.29 Bộ sạc pin lithium 63Hình 2.30 Điện năng tiêu thụ ứng với tải trọng 64Hình 2.31 Thuật toán điều khiển xe lăn điện 65Hình 2.32 Mạch điện điều khiển động cơ 66Hình 2.33 Mô hình xe lăn điện trên phần mềm thiết kế 68Hình 2.34 Chế tạo khung xe và lựa chọn bánh xe 68Hình 2.35 Khung xe thực tế 69Hình 2.36 Thử nghiệm gập khung xe 69Hình 2.37 Tinh chỉnh khung xe 70Hình 2.38 Hộp điều khiển và pin lithium 70Hình 2.39 Gắn đèn xe 71Hình 2.40 Gắn đèn đuôi xe 71Hình 2.41 Gắn kèn xe và đai an toàn 72Hình 2.42 Gắn tựa lưng và mặt ghế ngồi và cơ cấu phanh tay 72Hình 2.43 Hướng tiến 73Hình 2.44 Hướng lùi 73Hình 2.45 Sang trái 73Hình 2.46 Sang phải 74Hình 2.47 Leo dốc 74Hình 2.48 Gấp xe 75Hình 2.49 Xếp xe và di chuyển xe 75Hình 2.50 Mở xe 76Hình 2.51 Đèn chiếu sáng trước xe 76Hình 2.52 Đèn đuôi xe tích hợp đèn phanh 77Hình 2.53 Kiểm nghiệm đai an toàn 77Hình 2.54 Phanh động cơ trên dốc 78Hình 2.55 Phanh tay 78Hình 2.56 Khối lượng người ngồi là 70kg 79Hình 2.57 Bác Vương chạy thử mô hình 79Hình 3.1 Xe lăn điện hoàn thiện 80

DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 So sánh động cơ có chổi than và động cơ không có chổi than 40 Bảng 2.2 Ưu nhược điểm động cơ có chổi than và không có chổi than 41 Bảng 2.3 Hệ số cản lăn theo loại đường 43 Bảng 2.4 Hệ số bám dọc theo loại đường 45 Bảng 2.5 Độ dốc an toàn của xe 59 Bảng 2.6 Thông số khung xe 61 Bảng 2.7 Một số loại động cơ thông dụng 62 Bảng 3.1 Thông số xe lăn điện sau khi hoàn thiện 81 Bảng 3.2 Chi phí thực hiện 82

sự hỗ trợ kỹ thuật của UNICEF, người khuyết tật ở Việt Nam chiếm một tỉ lệ đáng kể Hơn 7% dân số từ 2 tuổi trở lên – khoảng hơn 6,2 triệu người Việt Nam là người khuyết tật [8]

Hình 1.1 Người khuyết tật chân Các gia đình có người khuyết tật cũng nghèo hơn so với các gia đình bình thường bởi những người khuyết tật ít có khả năng kiếm thu nhập và ít được tiếp cận môi trường học tập, mặc dù chính phủ đã có những chính sách hỗ trợ tích cực Đối với người khuyết tật chân, việc sống và hòa nhập với môi trường bình thường cũng là một rào cản đối với họ dù cho những hoạt động khác trên cơ thể vẫn bình thường và ổn định, họ dễ dàng rơi vào mặc cảm hơn do mất đi khả năng đi lại Đồng thời cũng tạo ra khó khăn cho gia đình người khuyết tật

về việc chữa bệnh và mua các thiết bị y tế hỗ trợ

Hình 1.2 Xe lăn truyền thống và xe lăn điện

Song, việc sử dụng một chiếc xe lăn truyền thống giá rẻ, có thể di chuyển được, nhưng lại cần một người hỗ trợ đẩy xe di chuyển, hoặc một chiếc xe lăn tay, người ngồi trên xe tự lăn bánh để di chuyển thì lại không di chuyển được xa, mất sức và không phù hợp với người già chân tay yếu Từ đó, ý tưởng vê một chiếc xe lăn điện giá rẻ ra đời

Xe lăn điện đã được phát triển từ lâu, nhưng hiện nay trên thị trường giá của một chiếc

xe lăn điện khá cao, đối với tầng lớp công nhân, người lao động cần cân nhắc rất nhiều để

bỏ ra một khoản tiền lớn để có cho mình chiếc xe lăn điện để phục vụ việc di chuyển, vì thế cần tạo ra một chiếc xe lăn điện giá rẻ là mục tiêu cần đạt được

Một số mẫu xe lăn điện trên thị trường:

Xe lăn điện đa năng có thể gấp gọn nhẹ và tiện lợi TM064:

 Gấp gọn dễ dàng

 Song song 2 chế độ phanh tay và điện

 Nhanh chóng, dễ dàng gấp gọn

 Bộ điều khiển đơn giản

 Sử dụng phanh điện tử thông minh

Hình 1.4 Xe lăn điện E114

Xe lăn điện cao cấp giá rẻ cho người già, người khuyết tật MEDI-PROCARE MP-WHEEL-E104

 Gấp gọn dễ dàng

 Sử dụng lốp đặc, chống trơn trượt, độ bám cao

1.2 Đối tượng nghiên cứu:

Người khuyết tật về chân nhưng 2 tay bình thường và đầu óc minh mẫn có thể điều khiển xe

Người lớn tuổi sức yếu, khả năng di chuyển kém

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn, quy mô và phạm vi ứng dụng:

1.4 Mục tiêu nghiên cứu:

- Đánh giá khách quan xe lăn điện hiện nay trên thị trường về công suất, thời gian hoạt động, độ ổn định và an toàn, giá thành

- Thực nghiệm phải sát với các thông số công suất, momen, trọng tâm, phản lực, độ bám, độ lật nghiêng, khả năng chịu tải, vận tốc,…đã tính toán

- Thiết kế lại kết cấu khung sườn xe và kiểm tra độ cứng vững của khung xe đối với tải trọng cho phép

- Hoàn thiện bản vẽ kích thước của bộ phận và khung xe

- Tiến hành gia công và chế tạo xe lăn điện

- Thực nghiệm độ ổn định, an toàn, khả năng leo dốc và chịu tải, cơ cấu an toàn của xe

và các trải nghiệm thực tế của đối tượng sử dụng xe

- Đánh giá được ưu và nhược điểm của sản phẩm so với các mẫu xe trên thị trường

- Tải trọng của xe từ 50-70kg

- Có tính thẩm mỹ, có khả năng xếp gập gọn gàng

- Thời gian hoạt động của xe từ 4-5 giờ, thời gian sạc pin nhanh

2 PHƯƠNG PHÁP – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu:

Cơ sở lý thuyết:

Định luật Kirchhoff:

Định luật Kirchhoff 1 và 2 là hai phương trình mô tả mối

quan hệ của cường độ dòng điện và điện áp Các định luật này

được Gustav Kirchhoff xây dựng vào năm 1845

Định luật Kirchhoff 1 hay còn gọi là định luật nút, nói về

cường độ dòng điện Được phát biểu rằng: “Tổng đại số dòng

điện tại 1 nút bằng 0 hay tại bất kỳ nút (ngã rẽ) nào trong một

mạch điện thì tổng cường độ dòng điện chạy đến nút phải bằng

tổng cường độ dòng điện từ nút chạy đi.” Nếu dòng điện đi

vào nút mang dấu cộng, thì dòng điện đi ra nút mang dấu trừ

hoặc ngược lại Ta có công thức : trong đó n là

tổng số các nhánh với dòng điện chạy vào nút hay từ nút ra

Định luật Kirchhoff 2 hay còn gọi là định luật vòng kín, nói

về điện thế Được phát biểu rằng : “Tổng đại số điện áp của

các phần tử trong một vòng kín bất kì thì bằng 0.” Ta có công

thức : , trong đó n là tổng số các điện áp được đo

Quy tắc bàn tay trái:

Quy tắc bàn tay trái (còn gọi là quy tắc bàn tay trái của

Fleming) là một trong 2 quy tắc trực quan Quy tắc bàn tay

trái cho động cơ điện, quy tắc bàn tay phải cho máy phát

điện, phát hiện bởi kỹ sư, nhà vật lý học John Ambrose

Fleming, vào cuối thế kỷ 19, như một cách đơn giản để tìm ra

hướng chuyển động trong động cơ điện, hoặc hướng của

dòng điện trong máy phát điện

Hình 2.1 Nhà vật lý học Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)

Hình 1.2 Nhà vật lý John Ambrose Fleming (1849-

1945)

Khi một dòng điện chạy qua một cuộn dây được

đặt trong một từ trường của nam châm, cuộn dây dẫn

sẽ chịu tác động bởi một lực vuông góc với hướng của

cả từ trường và dòng điện chạy qua Quy tắc bàn tay

trái, minh họa ảnh bên, ngón tay cái, ngón trỏ và ngón

giữa để biểu diễn các trục hay hướng của các đại

lượng vật lý, ngón cái biểu diễn chiều chuyển động

của lực, ngón trỏ chỉ hướng của từ trường và ngón

giữa là chiều của dòng điện chạy qua

Quy ước: Hướng của lực cơ học là theo nghĩa đen,

hướng của từ trường là từ bắc xuống nam, hướng của

dòng điện là dòng điện thông thường, từ dương sang âm Quy tắc này dựa trên cơ sở lực từ tác động lên dây điện theo biểu thức toán học:

Động cơ điện một chiều:

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là động cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói dễ hiểu hơn thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều

Hình 2.4 Cấu tạo động cơ điện một chiều có chổi than Cấu tạo của một động cơ điện một chiều gồm các bộ phận chính như sau: Bộ phận đứng yên là Stator, có cấu tạo là một cặp nam châm vĩnh cửu Bộ phận quay là Rotor có cấu tạo là một trục lõi quấn các cuộn dây xung quanh tạo thành nam châm điện Và để giúp rotor thành một nam châm điện cần có nguồn điện một chiều cấp vào thông qua 2 bộ phận đó là

Hình 2.3 Quy tắc bàn tay trái của

Flemin

chổi than và cổ góp Cổ góp tiếp xúc trực tiếp với 2 đầu dây của cuộn dây quấn, số điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây quấn trên rotor

Nguyên lý hoạt động:

Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động được mô tả tóm gọn qua 3 pha hoạt động Pha 1, từ trường của stato và roto cùng cực đẩy nhau, tạo ra lực đẩy chúng ra xa nhau Ở pha 2, roto tiếp tục quay trong từ trường của roto Và cuối cùng ở pha 3, bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường của stato và roto quay lại pha 1

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài) Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng

Cơ chế sinh lực:

Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây và làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor

sẽ quay theo quán tính

Hình 2.6 Chiều của từ trường và dòng điện Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor

Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ:

- Bằng cách thay đổi cường độ dòng điện - dùng biến trở Hoặc các cuộn dây có công suất khác nhau

- Điều khiển góc nghiêng tương đối của phương gắn chổi than với phương của từ trường để kiểm soát tốc độ tối đa

- Điều khiển bằng cách quấn nhiều cuộn dây tạo ra số cặp cực khác nhau

- Điều khiển bằng biến tần, cho ta độ chính xác tương đối tốt Trong phương pháp này sử dụng hệ thống servo cho độ chính xác điều khiển tốc độ, vị trí rất cao

DC Servo Motor có chổi than:

Hình 2.7 Động cơ Servo có chổi than Loại động cơ này thường bao gồm một động cơ điện một chiều và một cơ cấu hộp số giảm tốc Có cấu tạo tương tự động cơ điện một chiều và kèm theo cơ cấu giảm tốc

Cơ cấu hộp số giảm tốc:

Hình 2.2 Cơ cấu bánh răng giảm tốc Động cơ sử dụng cơ cấu bánh răng giảm tốc, với tốc độ moto tạo ra là 3300 vòng/phút Sau cơ cấu bánh răng giảm tốc, đầu ra động cơ còn 337 vòng/phút

Mạch điện động cơ Servo:

Hình 2.3 Mạch động cơ Servo DC Tốc độ quay của roto tỷ lệ với sức điện động sinh ra trong cuộn dây phần ứng

Sức điện động ngược sinh ra trong cuộn dây phần ứng khi động cơ hoạt động:

(2.2)

a - số đôi mạch mắc song song trong rotor

- hệ số động cơ,

N - số dây dẫn trong rotor

Số vòng quay của rotor được xác định bởi:

Theo định luật Kirchhoff ta có thể viết:

(bỏ qua phần điện cảm vì rất nhỏ) dòng điện trong cuộn dây rotor

điện trở trong cuộn dây rotor

độ sụt thế điện áp chổi điện, điện trở chổi than

n được xác định: