Nghiên cứu, phát triển và tích hợp tính năng massage cho giường nằm lắp trên xe khách Trường Hải

Nội dung text: Nghiên cứu, phát triển và tích hợp tính năng massage cho giường nằm lắp trên xe khách Trường Hải

1. NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ TÍCH HỢP TÍNH NĂNG MASSAGE CHO GIƯỜNG NẰM LẮP TRÊN XE KHÁCH TRƯỜNG HẢI RESEARCHING, DEVELOPING AND INTEGRATING MASSAGE FUNCTIONS INSTALLED ON TRUONG HAI COACHES KS. Nguyễn Văn Hoàng Khánh1, TS. Nguyễn Bá Hải2 1Trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức, 2Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Tóm tắt Massage là cách phục hồi và duy trì thể lực tốt nhờ các tác động đến các mô mềm của cơ thể theo nhiều hình thức[1]. Vận dụng các cơ cấu cơ khí để tạo nên những phương thức massage có thể thay thế cho cách massage truyền thống bằng đôi tay người. Có 3 loại hình massage thường được áp dụng để chế tạo ra những chiếc ghế, chiếc giường massage là sử dụng các con lăn, túi khí và các thiết bị rung được gắn lên những chiếc ghế hoặc chiếc giường massage. Những chiếc ghế, chiếc giường massage này có thể tìm thấy được ở những siêu thị, các nhà ga, trong nhà, hoặc trên những xe ô tô sang trọng mục đích xua tan sự mệt mỏi của con người. Sự kết hợp những cách thức massage vào cho những chiếc giường nằm được lắp trên xe khách đó là một giải pháp có thể giúp hành khách sẽ cảm thấy thoải mái, dễ chịu hơn khi đi xe buýt. Trong bài báo này sử dụng phương pháp massage bằng thiết bị rung là motor rung được gắn trên chiếc giường nằm của xe khách Trường Hải, sử dụng vi điều khiển PIC16F887 để điều khiển các motor rung đó. Nhằm tạo ra giường massage rung ở phần lưng của người hành khách giúp giảm đi những mệt mỏi của cơ thể khi phải nằm một chỗ trong suốt chuyến hành trình. Từ khóa: Ghế massage, giường massage, đệm massage cho ô tô, massage rung. Abstract Massage is a way of revitalizing and promoting your well – being by means of influencing on soft tissues in many ways[1]. The application of engineering structures makes the traditional massage by hands changed. There are three kinds of massage known as rollers, air bubbles and vibrating devices installed on the massage chairs or massage beds which are found in supermarkets, railway stations, at home or luxury cars with the purpose of making passengers relaxed. The article presents the vibrating devices, specifically vibrating motors with a microprocessor PIC16F887 installed on Truong Hai coaches used to refresh the passengers during the trip. Key words: Massage chair; massage bed; massage pillow; vibrating massage. 1. Giới thiệu 1
2. Trước đây, khi chúng ta di chuyển bằng xe buýt thì hầu hết mọi người đều cảm thấy mệt mỏi, nóng bức và cảm thấy khó chịu khi di chuyển trên một đoạn đường dài. Nhưng từ khi có sự xuất hiện của dòng xe khách giường nằm là một đáp số để giải đáp cho bài toán tạo nên sự tiện nghi và thoải mái cho hành khách khi di chuyển với một đoạn đường dài. Nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại đều được áp dụng trên xe giường nằm nói chung và xe khách giường nằm Thaco MobiHome nói riêng có hệ thống ghế ngồi được thiết kế lại thành giường nằm giúp cho hành khách được ngã lưng và nằm thoải mái trên đó, hệ thống điều hòa không khí trong xe giúp hành khách thoải mái hơn, hệ thống đa phương tiện giúp hành khách giải trí trong suốt quãng đường của mình. Thời gian gần đây một số xe đã gắn thêm tính năng phát Wifi để cho những hành khách sử dụng điện thoại hoặc máy tính cá nhân có thể cập nhật tin tức, trò chuyện với bạn bè, Những tính năng trên xe khách giường nằm được tích hợp trên xe với mục tiêu luôn mang lại cảm giác thoải mái và tiện nghi cho hành khách. Một vấn đề đặt ra là khi hành khách đi xe khách giường nằm trong tư thế nằm ngửa quá lâu sẽ dẫn đến tình trạng ê ẩm và nhức mỏi cơ thể. Ý tưởng tại sao không có một hệ thống massage tại chỗ được thiết kế trên giường nằm để cho hành khách đập tan những cơn mệt mỏi khi phải nằm ngửa quá lâu. Đề tài: “Nghiên cứu, phát triển và tích hợp tính năng massage cho giường nằm lắp trên xe khách Trường Hải”. Để góp phần tăng thêm tính tiện nghi và thoải mái cho xe khách giường nằm nói chung và xe khách Trường Hải nói riêng. 2. Cơ sở lý thuyết 2.1. Tiêu chuẩn về tần số rung phù hợp với con người Rung động là những dao động cơ học phát sinh từ các động cơ và dụng cụ sản xuất. Những dao động đó là dao động điều hòa hoặc không điều hòa. Trong dao động điều hòa, vật chuyển từ vị trí xuất phát về vị trí này hoặc phía xa vị trí kia sau đó trở về vị trí xuất phát trong một thời gian nhất định. Các đại lượng đặc trưng cho rung động: Tần số dao động (f): Số lần dao động trong đơn vị thời gian (Hz). Chu kỳ (T): Thời gian để thực hiện một dao dộng toàn phần. Biên độ (A): Độ rời lớn nhất của vật thể kể từ vị trí cân bằng (mm). Vận tốc rung (v): Đại lượng dẫn xuất của độ rời theo thời gian (m/s). Gia tốc rung (a): Đại lượng dẫn xuất của vận tốc theo thời gian (m/s2). Tiêu chuẩn về tần số rung tác dụng lên con người được chia làm 2 thành phần riêng biệt và có mức tần số khác nhau là: rung động toàn thân và rung động truyền qua cánh tay. Trong luận văn này, sẽ dùng tần số rung động toàn thân để tính toán, thiết kế giường massage. Tiêu chuẩn về tần số rung sẽ được trình bày trong bảng dưới đây: 2
3. Khu vực trên cơ thể Tần số (Hz) Vai 4 – 5 Ngực 50 – 100 Vùng dưới cánh tay 30 – 40 Cột sống 10 – 12 Vùng bụng 4 - 8 Tay 50 – 200 Đầu 20 – 30 Cầu mắt 25 Bảng 2.1: Tần số rung động của các bộ phận trên cơ thể người Bảng tần số trên dựa theo các tiêu chuẩn: NIOSH 1998 (do viện quốc gia về an toàn và sức khỏe nghề nghiệp Hoa Kỳ ban hành).[2] 2.2. Điều xung PWM Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Các PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau về độ rộng sườn dương hoặc là sườn âm. PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Lấy điển hình nhất là điều khiển tốc độ động cơ và các bộ băm xung áp, điều áp, Sử dụng PWM điều khiển tốc độ quay nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa là ổn định tốc độ động cơ. Hình 2.2: Độ rộng xung PWM ảnh hưởng tới độ sáng của bóng đèn 3
4. Độ sáng của bóng đèn tỉ lệ với duty cycle của xung. Với duty cycle = 20% bóng đèn sáng rất yếu, duty cycle = 40% bóng đèn sáng hơn rất nhiều, duty cycle = 90% bóng đèn hoạt động gần hết công suất.[3] 3. Đề xuất, tính toán và thiết kế giường massage loại rung cho xe khách giường nằm Trường Hải 3.1. Tính toán và thiết kế motor rung Rung động sinh ra trên giường massage loại rung là do sự hoạt động của các motor rung (động cơ gắn đĩa lệch tâm). Dùng motor RS28 có tốc độ không tải là 3200 vòng/phút tương đương khoảng 50Hz phù hợp với tần số rung tiêu chuẩn ở ngực con người từ 50 -100Hz. Mặt khác, công suất tiêu thụ điện của 1 motor nhỏ (30W) và khối lượng nhẹ (65g) cũng là những mặt lợi thế về việc giảm tiêu hao điện cho xe. Hơn thế nữa, với giá khoảng 165.000 VNĐ/motor rẻ hơn các dòng motor khác trên thị trường đem lại một ưu thế cạnh trạnh về mặt kinh tế khi đưa vào sản xuất. Lợi dụng sự mất cân bằng khi quay của đĩa lệch tâm để tạo ra sự rung. Sự rung trong trường hợp này là do lực quán tính ly tâm. Lực rung được tính như công thức : 2 Fql me sin(t ) Trong đó: m (kg): Khối lượng của đĩa lệch tâm ω (rad/s): Vận tốc góc của rô to e (m): Khoảng lệch tâm Fql (N): Lực quán tính ly tâm Vì hai thông số m và e là không đổi nên để thay cường độ rung hay độ lớn lực quán tính ly tâm ta thay đổi ω. Vì đĩa được gắn trên trục động cơ DC nên việc thay đổi tốc độ của đĩa quay cũng chính là thay đổi tốc độ quay của động cơ DC. Như vậy cường độ rung chỉ còn phụ thuộc vào tốc độ của động cơ DC. Số rung động trong một chu kỳ phụ thuộc vào tần số rung động f. Tần số rung được tính theo công thức: f = Trong đó: n (Vòng/ phút): Tốc độ quay của rô to. f (Hz): Tần số rung. 4
5. Nhận xét: tần số f càng lớn thì sự rung sẽ càng nhanh, nghĩa là số lần rung trong một chu kỳ sẽ càng nhiều. Do vậy, tần số của motor rung sẽ được thay đổi theo số vòng quay của motor. Mà việc thay đổi số vòng quay của motor thì phụ thuộc vào việc lập trình điều xung PWM. Hình 3.1: Motor được gắn bánh lệch tâm 3.2. Thiết kế hộp motor rung và lắp đặt lên giường nằm Hộp motor rung được thiết kế với vât liệu là nhựa dẻo PVC, loại vật liệu với khả năng uốn cao và chịu lực tốt rất phù hợp với điều kiện làm việc của ghế massage trên xe khách. Các chi tiết của hộp được liên kết với nhau bằng 10 bulông loại 3mm. Bên trong lót hai tấm cao su nhằm tránh động cơ rung bị dịch chuyển khi hoạt động.Hộp motor rung được thiết kế để ôm gọn hoàn toàn motor nhằm mục đích nhận toàn bộ lực rung truyền từ motor ra ngoài vỏ hộp. Hộp motor rung Chiều dài(mm) Chiều rộng(mm) Chiều cao(mm) Kích thước 105 88 50 Hình 3.2: Hộp motor rung 5
6. Việc bố trí các động cơ rung như trên hình 3.3 thì các động cơ rung sẽ tập trung massage vào ba điểm trên cơ thể người nơi tập trung nhiều các huyệt đạo cũng như nhóm cơ. Đó là vùng vai, vùng lưng và vùng hông. Cách bố trí này sẽ giúp cho cơ thể hành khách sẽ được massage đều khắp cơ thể từ vùng thắt lưng đến vùng vai. Hình 3.3: Bố trí các hộp motor rung lên giường nằm 4. Thiết kế sơ đồ mạch điện và lập trình vi điều khiển hoạt động của các motor rung 4.1. Sơ đồ mạch điện điểu khiển các motor rung Hình 4.1: Sơ đồ mạch điện điều khiển các motor rung tại các vị trí vai, lưng và hông Sơ đồ mạch điện được chia làm ba khối: 6
7. Khối điều khiển: gồm 8 nút nhấn nằm ở bộ điều khiển (remote) Khối vi xử lý: gồm một vi mạch có chứa vi xử lý PIC16F887 Khối thực thi: gồm 2 driver motor L298 và 6 motor rung được đặt tại ba vùng vai, lưng và hông. 4.2. Cấu tạo mạch điều khiển các motor rung 4.2.1. PIC16F887 PIC16F887 là một vi điều khiển họ PIC16 dễ sử dụng và khá phổ biến trong lĩnh vực lập trình điện tử trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Với thư viện các câu lệnh đa dạng, ngôn ngữ lập trình tương tác dễ hiểu. PIC16F887 là lựa chọn tối ưu cho việc điều khiển các hệ thống cơ điện tử. Hình 4.2: Hình thực tế vi mạch vi điều khiển PIC16F887 4.2.2. Driver Motor L298: Nhận tín hiệu xung PWM từ vi điều khiển để điều khiển điện áp cung cấp cho motor rung hoạt động tùy thuộc vào tỉ lệ % xung PWM. Hình 4.3: Driver motor L298 4.2.3. Mạch giảm áp LM2596 Do điện áp trên xe giường nằm là 24VDC không thể cung cấp trực tiếp cho giường massage được. Để tạo nguồn điện áp cung cấp cho vi xử lý PIC16F887 là 5VDC và điện áp cung 7
8. cấp cho Driver Motor L298 là 5VDC và 12VDC cho 3 cặp motor rung nên tôi quyết định chọn mạch giảm áp LM2596 DC-DC làm kết nối trung gian với nguồn điện 24VDC của xe giường nằm cung cấp điện năng cho mạch điều khiển massage. Hình 4.4: Mạch giảm áp LM2596 4.2.4. Hộp điều khiển (Remote) Gồm 8 nút nhấn được bố trí trên một mạch in, một nguồn điện +5VDC chờ tại các nút nhấn và một dây điện xoắn được kết nối từ các nút nhấn tới các chân của vi xử lý PIC16F887 theo hình sơ đồ mạch điện điều khiển motor rung. Công dụng của các nút nhấn: Nút nhấn số 1: massage ở mức độ nhẹ. Nút nhấn số 5: massage ở chế độ auto. Nút nhấn số 2: massage ở mức độ vừa. Nút nhấn số 6: massage ở hông. Nút nhấn số 3: massage ở mức độ mạnh. Nút nhấn số 7: massage ở lưng. Nút nhấn số 4: massage ngừng hoạt động. Nút nhấn số 8: massage ở vai. Trên hộp điều khiển còn bố trí một công tắc ON/OFF để tắt mở hệ thống massage. Hình 4.5. Hộp điều khiển (remote) 4.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển các motor rung Các chế độ massage hoạt động được khi tác động tới các nút nhấn tại hộp điều khiển. Khi công tắc ON/OFF ở trạng thái OFF thì toàn bộ hệ thống không hoạt động. Khi ấn công tắc chuyển sang vị trí ON thì hệ thống massage mới được cấp nguồn nhưng các tính năng massage vẫn chưa hoạt động. 8
9. Khi ấn nút nhấn “VAI” thì hộp điều khiển (remote) sẽ đưa tín hiệu đến cho vi xử lý báo kích hoạt tính năng massage. Lúc này bộ vi xử lý sẽ xuất xung PWM theo từng tỉ lệ khi lập trình đến Driver Motor L298, điều khiển hai motor rung ở vùng vai hoạt động. Mặc định khi ấn nút nhấn “VAI” thì hệ thống sẽ hoạt động tại mức độ mạnh. Nếu người dùng muốn giảm cường độ massage thì nhấn các nút nhấn “VỪA” sẽ massage ở cường độ trung bình, khi ấn nút nhấn “NHẸ” thì sẽ massage ở cường độ nhẹ. Nếu muốn quay trở về chế độ mạnh thì ấn lại nút nhấn “MẠNH” sẽ massage lại chế độ mặc định là cường độ mạnh. Tương tự, khi ấn nút nhấn “LƯNG” hoặc “HÔNG” thì cũng hoạt động như khi ấn nút nhấn “VAI” nhưng vùng massage sẽ thay đổi tương ứng tại vùng lưng hoặc hông. Mỗi chế độ massage tại ba vùng vai, lưng và hông thì sẽ được lập trình hoạt động trong vòng 4 phút. Với từng chế độ này người dùng có thể cho hoạt động một cặp motor rung hay 2 hoặc 3 cặp motor tại ba vị trí cùng một lúc đều được. Khi ấn nút nhấn “AUTO” thì sẽ được massage ba chế độ khác nhau: Chế độ cuộn sóng: các cặp motor rung tại ba vị trí vai, lưng và hông sẽ luân phiên thay nhau hoạt động. Mỗi cặp motor sẽ rung trong vòng 20 giây. Chế độ này hoạt động 4 phút Chế độ từng cặp: các cặp motor rung tại ba vị trí vai, lưng và hông sẽ hoạt động song song từng cặp và luân phiên. Các cặp motor rung tại vùng vai – lưng hoạt động trong 55 giây thì nghỉ 5 giây, sau đó các cặp motor rung tại vùng lưng – hông hoạt động trong 55 giây thì nghỉ 5 giây, tiếp theo sau đó là các cặp motor tại vùng vai – hông hoạt động trong 55 giây thì nghỉ 5 giây. Chế độ này cũng hoạt động 4 phút. Chế độ đồng loạt: các cặp motor rung tại các vùng vai – lưng – hông hoạt động đồng loạt trong vòng 55 giây thì nghỉ 5 giây. Chế độ này cũng hoạt động 4 phút. Khi ấn nút nhấn “AUTO” thì chế độ massage sẽ hoạt động trong 12 phút và mặc định massage với cường độ mạnh. Người dùng có thể giảm cường độ massage bằng cách ấn các nút nhấn “VỪA” hoặc “NHẸ”. Cũng như muốn trở lại cường độ mạnh thì ấn nút nhấn “MẠNH”. Khi ấn nút nhấn “STOP” sẽ dừng chế độ massge ngay lập tức. 5. Thử nghiệm 5.1. Đối tượng thử nghiệm Giường massage có thể sử dụng đa dạng cho các đối tượng. Tuy nhiên, các trường hợp như phụ nữ đang mang thai, người bị loãng xương cấp độ nặng, bệnh nhân bị gãy xương, hậu 9
10. phẫu đang trong quá trình hồi phục và trẻ em dưới 16 tuổi( chưa phát triển đầy đủ về hệ xương) thì không được sử dụng. 5.2. Tiêu chí thử nghiệm Giường massage phải có kích thước tương tự giường nằm trên xe khách. Việc điều khiển các tính năng massage phải dễ dàng. Dễ lắp đặt trên xe khách và không gây ra tiếng ồn khi hoạt động. Giường massage được lắp trên xe không gây ảnh hưởng các hệ thống điện trên xe. 5.3. Thử nghiệm trực tiếp trên xe khách Chiếc giường massage sẽ được lắp trên xe khách giường nằm Thaco Mobihome HB120 của công ty cổ phần Thuận Thảo; Địa chỉ: số 03 – Hải Dương – Tp. Tuy Hòa – Tỉnh Phú Yên; Điện thoại: 057.3824229; Website: www.thuanthao.com.vn. Chiếc giường massage này được lắp vào một trong những chiếc giường trên xe và kết nối với nguồn điện trên xe. Chiếc xe khách này sẽ khởi hành từ Sài Gòn đến Phú Yên và ngược lại. Thử nghiệm chiếc giường này cũng phụ thuộc vào lộ trình của chiếc xe. Tác giả sẽ ở trên xe và một vị khách ngẫu nhiên sẽ nằm vào chiếc giường có tính năng massage này đi tuyến đường Sài Gòn – Phú Yên. Đầu tiên tác giả sẽ giới thiệu cho vị khách về chiếc giường nằm này có tính năng massage và cách thức điều khiển những tính năng massage này. Trong chuyến hành trình thì tác giả sẽ gặp lại người khách nằm trên chuyến hành trình Sài Gòn – Phú Yên và thực hiên phỏng vấn vị khách này một số câu hỏi gợi mở sau: Câu 1: Chiếc giường có gây cho quý khách về sự khó chịu khi nằm không? Câu 2: Chiếc giường massage này có những tính năng masage mà quý khách đã biết chưa? Câu 3: Những tính năng massage này quý khách đã sử dụng hết chưa? Câu 4: Quý khách có cảm thấy thoải mái khi sử dụng những tính năng massage của chiếc giường không? Nếu có hoặc không? Tại sao? Câu 5: Quý khách có góp ý cho chiếc giường này không? Sau đây là những ý kiến của những vị khách ngẫu nhiên nằm trên chiếc giường này: Vị khách trên tuyến hành trình Sài Gòn – Phú Yên: anh Đằng Công Thương, 46 tuổi: “thoải mái, dễ sử dụng giường massage, thích tất cả các chế độ massage ở mức độ mạnh, không có ý kiến cải tiến chiếc giường này”. Vị khách trên xe tuyến hành trình Phú Yên – Sài Gòn: anh Phạm Văn Cao Thắng, 24 tuổi: “cảm thấy thoải mái khi sử dụng; biết sử dụng sơ sơ vài tính năng; thích 10
11. massage ở chế độ auto với mức độ vừa; chế độ massage ở phần vai gây khó chịu, buồn nôn; bố trí remote âm vào thành xe tránh hư hỏng”. 6. Kết Luận Những mục tiêu đặt ra cho luận văn đã đạt được như:  Thiết kế của chiếc giường không thay đổi so với kích thước tiêu chuẩn của chiếc giường cũ  Các chỉ tiêu tiêu hao năng lượng của chiếc giường massage này thấp, dễ dàng điều khiển  Thử nghiệm thực tế cho chiếc giường massage thành công. Vẫn còn tồn tại một số vấn đề như:  Tiếng ồn của những chiếc motor rung hơi lớn  Kết cấu hộp điều khiển còn quá lớn  Massage bị phân tán chưa tập trung một vùng nhất định. Hướng phát triển của đề tài:  Thứ nhất là hoàn thiện hơn nữa về mặt kết cấu và tính năng của chiếc giường massage có thể massage toàn bộ cơ thể của người hành khách.  Thứ hai là thiết kế vi mạch vi điều khiển, driver motor L298 trên một bo mạch để tinh gọn hơn.  Thứ ba là tính năng massage đa dạng ở nhiều chế độ, mức độ.  Thứ tư là có thể lắp đặt được hầu hết các xe giường nằm. Tài liệu tham khảo [1] [2] Tiêu chuẩn về tần số rung động với cơ thể con người: NIOSH (Hoa Kì), ISO 2631 và Chỉ thị 2002/44/EU (Liên minh châu Âu). [3] 11
12. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.