Tính toán tối ưu hệ thống khung xe lăn đa chức năng

Nội dung text: Tính toán tối ưu hệ thống khung xe lăn đa chức năng

1. TÍNH TOÁN TỐI ƯU HỆ THỐNG KHUNG XE LĂN ĐA CHỨC NĂNG Calculation And Optimization For Wheelchair Multi Function Framework 1 Nguyễn Minh Quân Khoa: Cơ Khí Máy Đại Học Sư Phạm Kĩ ThuậtTP.HCM minhquancokhimay@gmail.com Tóm tắt - Xe lăn đa chức năng là sự kết hợp giữa xe lăn truyền thống và thiết bị hỗ trợ bệnh nhân trong việc nâng hạ xuống giường bệnh. Thiết bị này có thể di chuyển linh hoạt, giúp lấy đồ vật ở trên cao, hỗ trợ thay đổi vị trí ngồi và phục hồi chức năng đi lại cho người sử dụng. Để có thể thực hiện được các chức này đòi hỏi xe lăn phải có hệ thống khung bảo đảm về độ bền, độ linh hoạt , độ ổn định cũng như kiểu dáng phù hợp với người sử dụng. Chính vì vậy, chúng tôi tiến hành thiết kế hệ thống khung xe và tính toán lại nhằm đưa ra được kết cấu tối ưu nhất về khối lượng hệ thống khung xe nhưng vẫn bảo đảm về tính kinh tế và kĩ thuật. Chúng tôi sử dụng phần mềm soilwork 2010 trong việc thiết kế và phần mềm ansys trong việc tính toán tối ưu. Abstract— Multi-functional wheelchair is a combination of traditional wheelchair and equipment in support of lifting patients into hospital beds. This device can move flexibly, to help get things from above, supports change seating position and movement rehabilitation for users. To perform this function requires the wheelchair to ensure system reliability framework, flexibility, reliability and style suit the user. Therefore, we conducted system design chassis and recalculate to identify the optimal structure in terms of volume but the system chassis guarantee the economic and technical. We use software Soilwork 2010 in the design and ANSYS software to calculate optimal. Keywords- Optimal structure, wheelchair, Structure analysis.
2. I. TỔNG QUAN Cuộc sống ngày càng được cải thiện do sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế xã hội, điều này làm tuổi thọ của con người cũng tăng lên. Theo nghiên cứu thì hiện nay hơn 10% dân số của thế giới là những người trên 60 tuổi và đến năm 2050 thì tỉ lệ này sẽ tăng lên hơn gấp đôi và tỉ lệ tăng lớn nhất là trong số những người 85 tuổi và những người già hơn nữa [2]. Chính vì điều này mà số lượng người dùng để chăm sóc những người già cũng phải tăng theo để đáp nhu cầu của xã hội. Nhưng theo một nghiên cứu thì số lượng những người cần cho việc chăm sóc người già ngày càng ít đi, Vào năm 1950 thì có 8 người trưởng thành chăm sóc, hỗ trợ một người 65 tuổi hay lớn hơn . Ngày nay tỉ lệ này là 5 người trên một người già và đến năm 2020 thì chỉ còn 3 người trưởng thành chăm sóc một người già [3]. Do tính chất công việc nặng nhọc và nhàm chán nên tỉ lệ này giảm là một điều tất yếu vì vậy cần một thiết bị hỗ trợ cho những người già để họ có thể độc lập trong mọi hoạt động hằng ngày. Thiết bị này có thể di chuyển linh hoạt, giúp lấy đồ vật ở trên cao, hỗ trợ thay đổi vị trí ngồi và phục hồi chức năng đi lại cho người sử dụng và được thể hiện ở hình 1. (a) (b) (c) (d) Hình 1. Các chức năng chính của xe lăn đa chức năng (a). Hỗ trợ di chuyển. (b). Hỗ trợ đi vệ sinh. (c). Hỗ trợ lấy đồ trên cao. (d). Hỗ trợ phục hồi chức năng
3. II. THIẾT KẾ CƠ KHÍ HỆ THỐNG KHUNG XE A. Cấu tạo của khung xe Hệ thống khung xe lăn đa chức năng bao gồm hai phần chính đó là cơ cấu di chuyển và cơ cấu nâng. Trong đó cơ cấu di chuyển thì sử dụng cơ cấu di chuyển bằng bánh cao su do có kết cấu đơn giản hơn so với cơ cấu di chuyển bằng các chân và bằng xích. Cơ cấu này có 3 bánh xe trong đó có một bánh vừa dẫn động vừa có nhiệm vụ lái, hai bánh còn lại là hai bánh bị động. Còn cơ cấu nâng thì sử dụng cơ cấu đai ốc trục vít me do khi hoạt động cơ cấu làm việc êm, khối lượng và chiều cao nâng lớn và đảm bảo về hình dáng gọn, nhẹ. Hình 2 mô tả sự hoạt động của hệ thống khung. 1. Hình 2. Mô hình xe lăn đa chức năng 1. Cơ cấu di chuyển, 2. Cơ cấu nâng, 3. Khung ghế xoay B. Chế độ làm việc của xe Xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng có nền đất cứng nên cơ cấu di chuyển bằng bánh xe rất phù hợp trong việc chế tạo. Vận tốc của xe là 3 km/h, vận tốc này tương đương với các xe lăn có gắn động cơ hỗ trợ người tàn tật hiện phổ biến trên thị trường.Tải trọng nâng của xe là 100 kg, chiều cao nâng của khung là 0,8 m .Vận tốc nâng của khung là 0,05 m/s và góc quay của nghế ngồi là 0 ÷1800. C. Thiết kế khung chính Khung chính được thiết kế dựa trên hình dáng của khung xe nâng bằng tay hình 3.(a) có kích thước chế tạo là 860x600x1600 mm. Vật liệu sử dụng là thép hộp kích thước 80x40x1.5mm. Ngoài ra trên khung còn có lắp hai thanh trượt có chiều dài 800mm dùng để định hướng chuyển lên xuống của khung nâng. Bên cạnh đó còn chế tạo trên khung các giá đỡ có nhiệm vụ lắp đặt các bánh xe và các thiết bị điều khiển bao gồm ắc qui, bảng điều khiển, động cơ,
4. D. Thiết kế khung nâng Khung nâng được chế tạo khá đơn giản có kích thước như hình 3.(b) .Vật liệu sử dụng để chế tạo là thép hộp kích thước 60x30x1.5mm. Trên khung nâng có gắn con trượt để lắp ráp với thanh trượt trên khung chính, điều này giúp cho khung nâng có thể chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng. Cơ cấu truyền động trục vít đai ốc bi giúp khung lên xuống êm, tải trọng nâng lớn và kích thước gọn. Các thông số để chế tạo bao gồm trục vít L= 1100mm, Φ =25mm, bước ren 5mm. E. Thiết kế khung ghế xoay Khung ghế xoay có kích thước như hình 3.(c) và vật liệu sử dụng để chế tạo là thép hộp kích thước 40x40x1.5mm. Khung này được lắp với khung nâng, và đây là nơi người sử dụng thao tác để điều khiển xe thông qua các cần lái và điều khiển. Trên khung có lắp thiết bị hỗ trợ người sử dụng trong quá trình thay đổi vị trí, nghế ngồi và chỗ để chân có thể thu gọn lại được khi cần. F. Lắp ráp toàn bộ hệ thống khung xe Sau khi tiến hành thiết kế từng cơ cấu bao gồm cơ cấu di chuyển, cơ cấu nâng và khung ghế xoay. Chúng tôi tiến hành lắp ráp theo các yêu cầu về điều kiện chuyển động, các mặt tiếp xúc. Sau đó sử dụng mô hình hệ thống khung như hình 3.(d) cho việc tính toán tối ưu và sử dụng phần mềm ansys cho việc phân tích và tính toán nhằm mục đích đưa ra một hệ thống khung có khối lượng thấp nhất nhưng vẫn bảo đảm các yêu cầu kĩ thuật như độ bền , độ ổn định. (a) (b) (c) (d) Hình 3. Kết cấu khung xe (a). Cơ cấu di chuyển (b). Cơ cấu nâng (c). Khung ghế xoay (d). Lắp ráp khung
5. III. TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG KHUNG XE Từ mô hình được xây dựng ta nhận thấy bài toán tối ưu hoá kết cấu đặt ra có. Biến thiết kế là bộ thông số đặc trưng kích thước mặt cắt ngang của các thanh dầm trong kết cấu, hay phần tử trong các mô hình cần tối ưu [1]. Biến trạng thái: Là điều kiện ràng buộc hay giới hạn giá trị ứng suất cực đại trong tất cả các phần tử, đảm bảo độ bền kết cấu trong tất cả các trường hợp chịu tải. Hàm mục tiêu: Mong muốn đặt ra là cực tiểu hoá tổng khối lượng toàn bộ kết cấu, do vật liệu là đồng nhất và đẳng hướng nên có thể xem hàm mục tiêu là tổng thể tích tất cả các phần tử trong mô hình. Giả sử một kết cấu chia thành G nhóm, một nhóm bất kì kí hiệu là nhóm g. Trong mỗi nhóm, cấu kiện đầu tiên có số thứ tự là I, cấu kiện cuối cùng có số thứ tự là Ii. Gọi tổng chiều dài của các cấu kiện trong nhóm g là Lg, diện tích trong nhóm g là Ag. Vậy giá vật liệu kết cấu G (1) CCAL  g  g g g g 1 Cg - giá vật liệu trên đơn vị trọng lượng. Hàm C trong phương trình (1) gọi là hàm mục tiêu hay hàm giá cả. Để tiến hành công việc tối ưu hóa cho hệ thống khung xe chúng tôi tiến hành khảo sát các vị trí nâng và góc quay để tìm ra ứng suất và chuyển vị lớn nhất của hệ thống khung. Hình 4 là biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất, chuyển vị với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng. Hình 4. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất, chuyển vị với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng
6. Hình 5. Mô hình đặt tải và các điều kiện ràng buộc IV. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Sau khi tìm ra vị trí sinh ra ứng suất và chuyển vị lớn nhất. Chúng tôi sử dụng phần mềm ansys 13 [5] cho việc mô phỏng tính toán về ứng suất và độ biến dạng của hệ thống khung xe tại vị trí này. Với tải trọng đặt tại ghế ngồi có giá trị 2000N và các điều kiện ràng buộc được thể hiện như hình 5. Hình 6 biểu diễn kết quả sau khi tối ưu, những vùng màu cam là vùng sẽ bị bỏ đi, điều này làm cho khối lượng khung xe giảm nhưng vẫn bảo đảm về điều kiện bền. Từ các kết quả mô phỏng từ hình 6 và 7. Chúng tôi đã đưa ra sự so sánh giữa hai mẫu 1và 2, bảng 1 thể hiện kết quả về khối lượng, ứng suất và chuyển vị sau khi tối ưu. Hình 6. Kết quả sau khi tối ưu hóa mẫu số 1 và số 2
7.    (a) (b) Hình 7. Kết quả ứng suất (a) và chuyển vị (b) của khung xe (mẫu số 1 và 2) ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Kết quả ứng suất và độ biến dạng của hai hệ thống khung xe trước và sau khi thiết kế lại không có nhiều thay đổi. Nhưng về mặt khối lượng của khung xe đã giảm đi đáng kể cũng như hình dạng của khung trở nên thẩm mĩ và gọn nhẹ hơn. Tuy nhiên công việc chế tạo cũng đòi hỏi công nghệ cao hơn. BẢNG 1: KẾT QUẢ SAU KHI TỐI ƯU STT Khối lượng Ứng suất Chuyển vị (Kg) (Mpa) (mm) Mẫu 1 53.604 181.89 19.222 Mẫu 2 47.196 184.45 19.384 V. THỰC NGHIỆM Tiến hành đo chuyển vị thực tế của khung xe khi có tải trọng và so sánh với kết quả mô phỏng trên phần mềm ansys. Thí nghiệm được mô tả như hình 8. Với dụng cụ đo là đồng hồ so với độ chính xác 0.01mm và khối lượng của người tham gia thí nghiệm là 62Kg tương đương với trọng lượng 620N. Thí nghiệm này chỉ thực hiện các kết quả đo tại vị trí có ứng suất và chuyển vị lớn nhất đó là khung nâng ở vị trí cao nhất và tương ứng với các góc quay của ghế ngồi từ 0 đến 3600.
8. (a) (b) Hình 8. Thí nghiệm đo chuyển vị (a). Mô hình thí nghiệm trước khi có tải trọng (b). Mô hình thí nghiệm sau khi có tải trọng Sau khi tiến hành đo ta được các giá trị chuyển vị của khung xe chúng tôi đã tiến hành xử lí số liệu đã đo đươc và vẽ biểu đồ thể hiện trên hình 9. Nó thể hiện kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng. Từ đó đưa ra nhận xét về kết cấu, mức độ chuyển vị và khả năng làm việc của xe. Hình 9. Kết quả chuyển vị giữa mô phỏng và thực tế Qua biểu đồ thể hiện kết quả chuyển vị giữa mô phỏng và đo thực tế là có sai số khoảng 15% ta thấy chuyển vị khi đo thực tế lớn hơn đó là do sự không đồng nhất về vật liệu, khi chế tạo có sai số do các liên kết chủ yếu là các mối hàn và trong quá trình đo có sai số . Tuy nhiên khung vẫn bảo đảm về độ bền.
9. VI. KẾT LUẬN Xe lăn đa chức năng là sự kết hợp giữa xe lăn truyền thống và thiết bị hỗ trợ bệnh nhân trong việc nâng hạ xuống giường bệnh. Thiết bị này có thể di chuyển linh hoạt, giúp lấy đồ vật ở trên cao, hỗ trợ thay đổi vị trí ngồi và phục hồi chức năng đi lại cho người sử dụng. Để có thể thực hiện được các chức này đòi hỏi xe lăn phải có hệ thống khung bảo đảm về độ bền, độ linh hoạt , độ ổn định cũng như kiểu dáng phù hợp với người sử dụng. Qua việc thiết kế và tính toán lại dựa trên các phần mềm kĩ thuật trong việc tối ưu hóa hệ thống khung xe đã đem lại nhiều hiệu quả đó là không những làm giảm khối lượng của khung xe mà còn đưa ra được hình dáng và kết cấu tối ưu nhất mà vẫn đảm bảo về yêu cầu kĩ thuật và độ bền. Công việc tiếp theo của chúng tôi là tiếp tục cải thiện về hình dáng và sử dụng các vật liệu nhẹ hơn để bảo đảm tính kinh tế và kĩ thuật. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] VÕ NHƯ CẦU. Tính Kết Cấu Theo Phương Pháp Tối Ưu. NXB Xây Dựng, 2003 . [2] Pollack, M. (2004). Intelligent Technology for Adaptive Aging Presentation, AAAI-04 American Association for Artificial Intelligence Conference Keynote Address, 2004. [3] Wasatch Digital iQ. (2003) “InTouch Healthxs Remote Presence Robot Used by Healthcare Experts [4] SAEED MOAVENI. Finite Element Analysis Theory and Application with Ansys. Prentice- Hall. Inc. [5] ANSYS HELP. Design Optimization, Structural Analysis . Ansy
10. 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.