Pavel DOLEJŠÍ1 STUDIE A NÁVRH VŠESMĚROVÉHO KOLA INVALIDNÍHO VOZÍKU SE ZVÝŠENOU MOBILITOU Abstrakt Práce se zabývá návrhem všesměrového kola s integrovaným pohonem, který byl zpracován v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky. Kolo je určeno pro použití na inovativním invalidním vozíku. Návrh byl zpracován do úrovně koncepčního řešení. Krátce byly zmíněny možnosti pro zlepšení trakce kol pro terénní použití. Klíčová slova Všesměrové kolo, Invalidní vozík, Integrovaný pohon.
1
ÚVOD
V rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky byly vytvořeny odborné stáže ve spolupracujících společnostech v rámci Moravskoslezského kraje. Jedním z těchto podniků se stala společnost Slezská mechatronika a. s. se sídlem v Ostravě a vývojovým pracovištěm v Horní Suché, kde se stáže zúčastnili tři studenti Vysoké školy báňské, Technické univerzity Ostrava. Náplní stáže byl vývoj nového typu invalidního vozíku s důrazem na inovativní přístup a zároveň spolupráci mezi zúčastněnými.
2
ZADÁNÍ A VIZE PROJEKTU
Zadáním projektu byl návrh inovativního invalidního vozíku na všesměrových kolech pro použití především ve vnitřním prostředí. Takový vozík by umožnil svým uživatelům výrazně vyšší pohyblivost i ve stísněných prostorech. Vhodně řešená sedačka by pak umožnila i dostupnost jinak, například výškově, nedosažitelných míst. I přesto, že takový
1
Ing. Pavel Dolejší, Katedra robototechniky, Fakulta strojní, VŠB-Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, tel.: (+420) 597 329 364, e-mail:
[email protected].
1
vozík znamená vyšší složitost a s tím spojené pořizovací náklady, přinesl by výrazné zkvalitnění života zdravotně postiženým i nemocným lidem. Protože projekt pokročilého invalidního vozíku je značně komplexní a byl na něj dostupný pouze omezený časový rámec, byl rozdělen na tři samostatné podsystémy a ty přiděleny jednotlivým studentům. Dílčí podsystémy jsou nosný rám vozíku s podvozkem a polohováním sedačky, všesměrová kola s integrovanými pohony a řídicí systém vozíku. Autor článku se zabýval všesměrovými koly, proto bude dále hovořeno především o nich.
Obr. 1 Všesměrové kolo Z hlediska všesměrového kola bylo zadání dosti obecné, spíše s naznačenými směry očekávaného vývoje než s konkrétními požadavky. Pro co největší kompaktnost a jednoduchost vozíku byla snaha vyvinout kolo jako kompletní blok i s pohonem, který se pouze namontuje na přírubu podvozku a elektricky propojí. Tento blok by přitom měl zabírat co nejméně místa, především na šířku, a mít co nejmenší hmotnost. Při tom ale nesměly být příliš zhoršeny jízdní vlastnosti kola, protože tím by se znehodnotil celý projekt vozíku. Protože rozměry a jízdní vlastnosti kola jsou v přímém rozporu, byly hned od počátku stanoveny předběžně očekávané rozměry bloku kola, a sice na průměr okolo 300mm a šířku od 100mm do 200mm. Tyto rozměry byly odhadnuty jako dobrý počáteční kompromis, ačkoliv jejich dodržení nebylo bezpodmínečně požadováno. Přestože byl navrhovaný vozík určen pro použití v interiéru, byla hned od počátku zmíněna možnost nasadit jej i ve venkovním prostředí, nebo dokonce v terénu. Tím by se použitelnost vozíku ještě dále zvýšila a jeho univerzálnost by dokázala i ospravedlnit očekávanou vyšší cenu. Tento požadavek byl vedený pouze jako sekundární, ale byla mu při návrhu kladena váha.
2
3
ZÁKLADNÍ NÁVRH KOLA
3.1 Koncepce Všesměrových kol byla v minulosti vyvinuta celá řada, přestože jen několik typů je běžně používaných. Pro návrh byly zvoleny kola typu Mecanum (Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.), s válečky v úhlu 45 stupňů k ose otáčení kola. Zásadní výhodou tohoto kola a současně důvod jeho použití je v tom, že umožňuje klasické uspořádání čtyř kol na dvou nápravách a v případě přímé jízdy se chovají téměř identicky ke kolům klasickým (z hlediska řízení). To má vliv jednak na intuitivnost ovládání vozíku, ale i na relativně malé opotřebovávání válečků, které se při přímé jízdě vůči kolu nepohybují. Navíc se tím vytváří relativně jednoduchá cesta zvýšení terénní průchodnosti výměnou celých kol bez změn podvozku. Podvozek se všesměrovými koly tohoto typu již byl ve firmě realizován a odzkoušen ve formě transportního Robostretcheru, přestože kvůli velikostním omezením na něj nebylo možné navázat.
Obr. 2 Robostretcher Všesměrová kola typu Mecanum je dále možné navrhnout ve dvou provedeních, podle místa uchycení válečků. Buď s děleným válečkem, uchyceným ve středu (viz Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.), nebo s neděleným válečkem uchyceným na krajích.
3
Obr. 3 Kolo s nedělenými válečky Obě koncepce mají své výhody, pro návrh vozíku ale byla zvolena koncepce s nedělenými válečky. Důvodem byla především větší nosnost válečků, ale také větší uživatelský komfort, protože u dělených válečků nutně vznikají při otáčení vibrace, v důsledku „propadu“ povrchu válečku při přechodu přes střed. Ze stejných důvodů byla dříve stejná koncepce použita u zmíněného Robostretcheru, což umožnilo z něj částečně vycházet.
3.2 Geometrie Geometrie kola je určena hlavně počtem válečků, který přitom záleží především na rozměrech kola. Počet válečků musí být tak vysoký, aby při otáčení kola bod kontaktu se zemí plynule přecházel z jednoho válečku na druhý – tzn. aby bylo dostatečné překrytí válečků. Pro nalezení vhodné konfigurace byl použit program Creo 2.0 a v něm výpočtová šablona převzatá z Robostretcheru. Po zadání patřičných parametrů bylo vygenerováno několik variant, z nichž bylo následně vybráno kolo se 14 válečky a rozměry 300 x 110 mm. 14 válečků je na tento typ kola dost vysoké číslo, ale je způsoben malou šířkou kola. Překrytí mezi válečky je v této konfiguraci asi 20%, což by mělo zajistit plynulou jízdu.
Obr. 4 Základní geometrie kola V této fázi se návrh geometrie výrazněji nezabývá zbytkem kola, například rámem držícím válečky. To je z toho důvodu, že geometrie zbytku kola hodně závisí na koncepci
4
pohonu kola, ale také dostupnou technologií. Protože ale geometrie a uspořádání válečků je v této chvíli nejdůležitější, takový návrh zatím postačuje.
3.3 Uspořádání pohonu Základním požadavkem konstrukce byla integrace (elektrického) pohonu do bloku kola. To má potenciální výhody hlavně v zjednodušení konstrukce celého vozidla, ale i zlepšení jízdních vlastností díky nižšímu těžišti a rovnoměrném rozložení hmotnosti. Vhodně vyřešená integrace by navíc i mohla přinést snížení ceny a hmotnosti celého systému. Pohon může být do bloku kola integrován více způsoby, přičemž některé varianty byly předběžně zpracovány. Rozměrově ideální a ve světě v současnosti hodně oblíbený způsob je přímá integrace frameless motorů do kola, bez převodovky nebo spojky. Značnou nevýhodou je ale horší dostupnost vhodných motorů. Ty musí zvládat široký rozsah otáček a současně vysoké krouticí momenty. Do budoucna se dá očekávat zvětšení nabídky, v současnosti jsou ale možnosti omezené. Pro toto uspořádání byl zpracován předběžný model na Obr. 5.
Obr. 5 Koncept kola s frameless motorem Jádrem je upravený frameless motor určený pro jízdní kola, jenž je k tomuhle účelu firmě Slezská mechatronika dostupný. Uspořádání motoru je pro lepší viditelnost zobrazeno na Obr. 6
5
Obr. 6 Frameless motor Druhá předběžně zpracovaná varianta kola je s pohonem konvenčním elektromotorem s planetovou převodovkou. Ta má mnohem lepší dostupnost a výběr použitelných motorů, což ji dělá dost lákavou. Navíc díky použití převodovky může být motor výrazně menší a lehčí, protože může pracovat ve vyšších otáčkách. Zásadní nevýhodou jsou ale rozměry. I když z hlediska průměru jsou na tom motory lépe, na délku jsou mnohonásobně větší. Jejich montáž přímo do osy kola se tak stává fakticky nemožná, protože takový vozík by byl příliš široký. Konkrétně zpracovaná varianta využívá elektronicky komutované servomotory jedné z předních značek, rovnou z výroby doplněné o brzdu a převodovku. Problém s osovou délkou byl vyřešen zalomením na dodatečné úhlové převodovce. Tím bylo dosaženo poměrně přijatelné šířky bloku kola, ačkoliv je mnohem hůře využit vnitřní prostor.
Obr. 7 Koncept kola s konvenčním elektromotorem Kromě toho byly zvažovány i jiné koncepce pohonů, včetně například hydraulických či pneumatických. Po diskuzi však byly možnosti omezeny na pouze dvě výše uvedené elektrické varianty. Po další úvaze byla vybrána pouze varianta s frameless motorem, především protože se jedná o inovativnější řešení s vyšším stupněm integrace a v případě realizace by mělo mnohem širší možnosti použití.
6
4
DETAILY KONSTRUKCE
Návrh kola s frameless motorem určeným pro jízdní kola byl dále rozpracován a doplněn o detaily. Celkový pohled na vytvořený model kola je na Obr. 8, jednotlivé detaily z konstrukce budou rozebrány níže.
Obr. 8 pohled na navrženou variantu kola
4.1 Konstrukce válečků Rozměry všesměrového kola vyžadují velký počet malých válečků a zároveň co nejnižší cenu a vysokou odolnost. S ohledem na to byla konstrukce maximálně zjednodušena. Navržený váleček se skládá z lehké hliníkové trubky, na které je pryžový návlek, dodávající válečku patřičný tvar, a do trubky jsou ze stran vloženy plastová kluzná pouzdra. Po namontování do rámu kola se v pouzdrech celý váleček otáčí na nehybné ocelové hřídeli.
Obr. 9 Řez válečkem Plastová kluzná pouzdra jsou lehká a odolná proti rázovému zatížení, ale jejich problém spočívá v dlouhodobé odolnosti, která rychle klesá s rychlostí otáčení válečku, respektive s délkou pohybu. K odvalování válečků ale dochází pouze při pohybu kola do stran, případně při otáčení na místě, což představuje zatížení, které by nikdy nemělo trvat další dobu. Proto je možné odolnost zanedbat a případně ji vyřešit pojistkou v řídicím programu, která by zabraňovala jejich přílišnému opotřebovávání (např. snížením rychlosti jízdy do boku).
7
4.2 Rám kola Celý rám kola je navržen jako skupina hliníkových obrobků. Protože kolo v této chvíli není určeno pro sériovou výrobu, nebyl brán takový ohled na dostupnost technologií či produktivitu. V případě potřeby ale je možné hliníkové díly s menšími úpravami vyrábět jako odlitky, s minimální potřebou dodatečného opracování. Alternativně jde rám vyrobit i z jiných materiálů (např. Obr. 3 – rám z lisovaného ocelového plechu), pro návrh a případný prototyp byl ale z designových i výrobních důvodů zvolen hliník.
4.3 Brzda Protože má výsledný vozík vozit lidi, je nutné dbát na bezpečnost. Důležité jsou především brzdy, díky kterým dokáže vozík zastavit a zůstat stát na místě. Zastavení pohybujícího vozíku není tak zásadní problém, protože je možné kola brzdit motorem. Ať už aktivně, proudem z řídicího systému, nebo pasivně vyzkratováním vinutí motoru při výpadku napájení. Zásadnější je parkovací brzda. Elektrický motor totiž dokáže jen velice obtížně brzdit při velmi nízkých či nulových rychlostech. Proto byl motor doplněn o elektromagnetickou třecí brzdu. Brzdný účinek je vyvoláván tlakem pružin na brzdící kotouč, přičemž za chodu motoru je jejich účinek potlačen elektromagnetem. Při zastavení či výpadku napájení ale elektromagnet přestane působit a kolo se zabrzdí. Velikost brzdy byla zvolena taková, aby udržela vozík na místě i na šikmé ploše. Pro potřeby manipulace je navíc uvolnitelná ruční pákou. Konkrétně byla zvolena prověřená komerčně dostupná brzda pro elektromotory. Její osazení bohužel zvětšuje délku motoru, ale to je nutná daň za bezpečnost. Do budoucna by šlo navrhnout i vlastní typ brzdy a aplikovat ji do aktuálně nevyužitého prostoru mezi motorem a válečky kola. V průběhu stáže ale tento návrh nebyl realizován.
Obr. 10 Motor kola s brzdou
8
5
DIMENZOVÁNÍ A PARAMETRY KOLA
Aby bylo kolo použitelné, musí splňovat určité výkonové parametry. Ty představují jednak rychlost a zrychlení na rovině, ale důležitější je schopnost stoupání a přejezdu přes překážky. Rychlost je v konfiguraci s frameless motorem podřízená výhradně maximálním otáčkám motoru, respektive průměru kola. Ta je za ideálních podmínek přes 10km/h, čili plně dostačující. Důležité je také zrychlení. Pokud budeme předpokládat vozík o hmotnosti 300kg (i s uživatelem), dokáží jej teoreticky motory dostat na plnou rychlost za dobu kolem deseti sekund. Rychlost i zrychlení na rovině jsou více než dostatečné a pravděpodobně budou ještě omezovány řídicím systémem. Proto z tohoto hlediska kolo vyhovuje. Situace se ale zhoršuje při jízdě vozíku do kopce, respektive po rampě. Zde již není nutné počítat s maximální rychlostí, ani zrychlením, ale je nutné vkládat hodně energie pro zvedání těžiště celého vozíku. Byl sestaven obecný výpočet a po dosazení výpočtu vyšel maximální sklon rampy, kterou vozík osazený koly dokáže vyjet ustálenou rychlostí na 8°. To není špatná hodnota a obecně odpovídá klasickým elektrickým vozíkům, nicméně není to ani nijak špičková hodnota a v některých situacích by nemusela stačit. Maximální úhel sklonu lze navýšit pro krátké rampy. Jednak je možné najet na ně s malým rozjezdem, a jednak je možné krátkodobě motory přetížit. To by bylo možné zařadit do řídicího systému, spolu se senzory měřícími teplotu vinutí na motoru. Není s tím ale možné počítat pro dlouhé stoupání. Posledním zatížením je přejezd přes překážku. V prvotní fázi návrhu mu nebyla věnována významná pozornost, následně se ale ukázal jako hlavní omezení. Přejezd přes překážku byl počítán jako modifikace jízdy po rampě a vycházel z podmínek, kdy se vozík rozjíždí z nulové rychlosti proti překážce (tzn. před šplháním na překážku se zcela zastaví). Z výpočtu vyšla maximální výška překážky bez přetěžování motorů pouze 13 mm. To je sice v bezbariérové domácnosti dosažitelná hodnota, ale přesto to znamená velké omezení mobility vozíku. Stejně jako v případě rampy je možné počítat s přetížením motorů, které zde i dává smysl, protože překážky bývají osamocené. Pak se maximální výška překážky zvedne na už přijatelnějších 25 mm. Největší zatížení motorů je v první chvíli „šplhání! a pak rychle klesá, takže by k přejetí překážky mohl hodně pomoci drobný rozjezd, přesto je však na toto výkonové omezení nutné pamatovat. Hodně by ale pomohlo i odlehčení celého vozíku.
6
MOŽNOSTI PRO DODATEČNÉ ZVÝŠENÍ TERÉNNÍ PRŮCHODNOSTI
Jedním z požadavků známých už od počátku byl najít způsob, jak dodatečně zvýšit terénní průchodnost vozíku s navrženými všesměrovými koly. Problémů všesměrových kol v terénu je více. Tím zřejmým je například hladký povrch válečků a citlivost na znečištění. Větší problém ale vyplyne při analýze sil, v kterém je vidět, že všesměrová kola mají vrozený problém s trakcí. Jednou polovinou problému je kontaktní plocha. I přes šířku všesměrového kola dochází vzhledem k tvaru válečků pouze k bodovému kontaktu se zemí. To znamená vysoký tlak na povrch a zároveň je veškerá třecí síla přenášena pouze přes tento jediný bod. Navíc třecí síla nemůže působit tak jako u klasického kola ve směru jízdy, ale musí působit ve směru osy válečku. Což znamená, že je skutečně působící síla ještě vyšší (síla je násobena koeficientem odmocnina ze dvou). V zásadě jsou dvě možnosti zvýšení průchodnosti. Zlepšení trakce všesměrového kola, nebo jeho výměna za konvenční kolo.
9
6.1 Možnosti zlepšení trakce všesměrového kola Problém zlepšení trakce všesměrového kola byl řešen už na větším počtu vývojových pracovišť, proto můžeme několik řešení shrnout. Nejpřímější variantou je vzorek na povrchu válečků. Tím se vlastnosti trochu zlepší, ale na úkor plynulosti jízdy na rovném povrchu. Perspektivnější možnost je aplikace brzdy válečků. Pokud jednotlivé válečky zabrzdíme, tak sice znemožníme jízdu do boku, ale fakticky proměníme kolo v terénní s velmi hrubým vzorkem. Brzdit válečky ale znamená zvyšovat složitost kola. Z hlediska složitosti je zajímavější varianta změna úhlu válečků ze základních 45 stupňů. Pokud je úhel jiný, tak se mění rozklad sil na válečcích, čímž se zlepšuje trakce v jednom směru a zhoršuje v druhém. Při použití například v servisní robotice by takový kompromis byl nevhodný, pro použití na invalidním vozíku to však je zajímavá varianta. Protože vozík jezdí většinu času v přímém směru a do boku se pohybuje jen příležitostně a spíše na pevném povrchu, mohlo by toto řešení vyhovovat. Pokud by se úhel válečků zmenšil na 30 stupňů od osy kola, zlepšila by se trakce v přímém směru o téměř 20% ( 0,87 násobek klasického kola). Cenou je ale zhoršení trakce do boku o 40% (na polovinu trakce klasického kola). Zároveň by bylo nutné počítat s nutnou úpravou řídicího systému.
6.2 Výměna všesměrového kola za klasické kolo Výměna za klasické kolo je jednodušší způsob řešení problému. Při dobrém návrhu kola by mělo stačit vyměnit blok kola, nebo jen samotné kolo bez motoru a jednoduše ho nahradit. Nevýhodou je, že se tím změní jízdní vlastnosti. Především při zatáčení stejným způsobem by nutně muselo docházet ke smyku kol. Alternativou by bylo vyměnit celou nápravu za kus s Ackermanovým řízením, tím ale stoupá složitost systému. Výměna za klasické kolo byla nakonec přijata jako hlavní varianta řešení zvýšení průchodnosti. Kolo bylo navrženo tak, aby bylo možné z motorového bloku ve středu demontovat všesměrovou část a nahradit ji konvenčním kolem. Řízení bylo navrženo smykové, protože motory v kolech na to mají dostatek síly. Alternativně byla navržena varianta doplnění podvozku o pomocný podvozek s volně otočnými koly, kdy by byl podvozek řízen diferenciálně. V tom případě by ale zabíraly jen dvě kola, což znamená, že v této konfiguraci by byl vozík vhodný pouze do mírnějšího terénu.
Obr. 11 Varianta s konvenčním kolem
10
7
ZÁVĚR
Během stáže v rámci programu Partnerství v oblasti energetiky Byl zpracován koncepční návrh provedení vozíku všesměrových kol. V tomto dokumentu byla popsána evoluce a některé faktory při vývoji bloků všesměrových kol vozíku. V důsledku omezeného času nebyl návrh zpracován až do fáze, kdy by bylo možné jej zrealizován, nicméně může být přímo firmou dodatečně dopracován, či na něj může být navázáno v rámci budoucích projektů.
Poděkování Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080.
11
[1] [2] [3]
Literatura ADĂSCĂLIŢEI, Florentina a Ioan DOROFTEI. Practical Applications for Mobile Robots based on Mecanum Wheels -a Systematic Survey. s. 11s. DIEGEL, Olaf, Aparna BADVE, Glen BRIGHT, Johan POTGIETER a Sylvester TLALE. Improved Mecanum Wheel Design for Omni-directional Robots. 5s. FAN, Han-Tai, Tsong-Li LEE, Chien-Hung CHIEN a Tsung-Sheng HO. The Omnidirectional Wheelchair for The Elderly. 3s.
STUDY AND PROPOSAL OF OMNIDIRECTIONAL WHEEL FOR WHEELCHAIR WITH IMPROVED MOBILITY Keywords Omnidirectional wheel, Wheelchair, Integrated drive. Summary Article deals with design proposal of omnidirectional wheel with integrated drive, which was developed for project “Partnerství v oblasti energetiky”. Intended use of wheel is on inovative omnidirectional wheelchair. Wheel was designet as concept solution. Possibilities for improvement of traction were briefly described
12
