Ing. Radim Benek 1 NÁVRH INVALIDNÍHO VOZÍKU SE VŠESMĚROVÝMI KOLY Abstrakt Článek ukazuje na stručný pohled průběhu odborné praxe v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky ve firmě Slezská mechatronika, a.s. Tato firma je partnerem Moravskoslezského klastru, který tento projekt zaštiťuje. Projekt byl zaměřen na vývoj invalidního vozíku se všesměrovými koly. Zde je uvedena jeho část, která se zabývá vývojem nosného subsystému vozíku s mechanismy pro polohování křesla. klastr Klíčová slova Elektrický invalidní vozík, Slezská mechatronika, a.s., Moravskoslezský energetický 1 ÚVOD V rámci Moravskoslezského energetického klastru (MSEK) a projektu Partnerství v oblasti energetiky, jsem se zúčastnil odborné praxe u firmy Slezská mechatronika, a.s. Je to vědecko-výzkumná firma, řešící problematiku z oblasti mechatronických systémů, zasahujících do oblasti energetiky, mobilních systémů, zdravotnictví i oblasti bezpečnosti a záchranných systémů. Náplní práce byl projekt s názvem Vývoj transportního prostředku se všesměrovými koly. Na projektu dále spolupracovali další dva stážisti. Práce byla rozdělena na tři části. Mým úkolem bylo navrhnout vlastní rám podvozku, mechanismy polohování křesla a celková kompletace zařízení. Během stáže probíhalo proškolení se softwarem Goldfire Innovator. Tento software značně napomáhá při tvorbě nových projektů, hlavně v začátcích práce, kdy nabízí mnoho nových inovativních nápadů, myšlenek, postupů práce apod. 2 ELEKTRICKÉ INVALIDNÍ VOZÍKY Elektrické invalidní vozíky jsou v dnešní době, už poměrně známý pojem a mnoho lidí by si bez nich nemohla představit svůj život. Použití elektrických invalidních vozíků je 1 Ing. Radim Benek, Katedra robototechniky, Fakulta strojní, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, 708 33 Ostrava-Poruba. 1
mnohostranné, jsou vhodné pro seniory, tělesně handicapované a nemohoucí osoby. Tyto vozíky lidem ulehčují pohyb na delší vzdálenosti. Elektrické invalidní vozíky si volí převážně ti, kteří chtějí být opět svobodní a aktivní. Umožní lidem zajet si samostatně do obchodu, k doktorovi, navštívit přátelé nebo se projet po okolí či do parku. Handicapovaných lidí, kteří invalidní vozíky používají, je celá řada, a jejich postižení může být různého typu, jako například ochrnutí spodních končetin, ochrnutí celého těla nebo to mohou být lidé, co mají problémy s delší chůzí apod. Z tohoto důvodu jsou elektrické vozíky vyráběny v mnoha provedeních a s různými nadstandardními funkcemi. Například, je jasné, že pro osoby co mají horní končetiny v pořádku, je ovládání vozíku jednodušší, než pro osoby co se nemůžou hýbat vůbec. Pro tyto osoby je nutno invalidní vozík vybavit speciálním ovládáním, které umožňuje řízení vozíků například změnou pohybu očí a úst. Vozíky umožňují mnoho nadstandardních funkcí, jako je změna výšky křesla, jeho polohování, jednoduchá demontáž apod. Tyhle funkce jsou realizovány elektronicky, nebo mechanicky. Dále se uživatelé mohou pohybovat s vozíky v různých prostředích, které se dají v podstatě rozdělit na venkovní a vnitřní, kde jsou různé překážky a členitosti povrchu, jako například schody, prahy, písek, sníh, tráva apod. Proto je důležité, aby podvozek byl pro tyto překážky konstruován. Samozřejmě se složitostí vozíku, roste i jeho cena, proto je při výběru vozíku nutné uvážit, jaké technické vybavení a funkce jsou pro danou osobu potřebné. Hlavní prvky elektrického invalidního vozíku Polohovací mech. Zvedací mech. Akumulátory Řídicí systém Ovládací joystick Opěrky rukou Křeslo Opěrky nohou Rám podvozku Hnací náprava Odpružení kol Otočná kola Obr. 1: Popis invalidního vozíku [3] Pohon kola 2
CLOU Tento vozík je určen především pro pohyb v místnostech. Má velmi dobré manévrovací schopnosti, např. mezi nábytkem, protože v případě potřeby se otočí kolem svislé osy, tedy bez jakéhokoliv poloměru otáčení. Předpokladem pro jízdu venku je kvalitní zpevněný povrch (asfalt, beton apod.), bez výraznějších terénních nerovností. Vozík je moderní koncepce, s motory vestavěnými přímo do hnacích kol. Samočinné elektromagnetické brzdy zajišťují bezpečnost uživatele vozíku v jakékoliv situaci. [2] Vozík má proporcionální řízení, rychlost jízdy je tedy úměrná sklonění ovládací páčky. Vozík má možnost plynulé předvolby maximální rychlosti jízdy. Obr. 2: CLOU [2] Špičková elektronika, kterou je vozík vybaven, sleduje neustále v průběhu provozu stav všech agregátů a v případě jakékoliv poruchy vozík zabrzdí a světelně signalizuje závadu způsobem, z něhož lze určit, v čem závada spočívá. Vozík je vybaven signalizací stavu dobití baterií. [2] Vozík je určen pro uživatele do váhy 90 kg. Rychlost jízdy je volitelná v rozsahu 0 až 6 km/hod. Na jedno nabití má vozík dojezd cca 15 km a při plném zatížení má stoupavost 12 %. Váha vozíku včetně baterií je cca 62 kg. Po vyjmutí pouzder s bateriemi lze vozík složit obdobným způsobem jako mechanický (ruční) vozík. Odejmout lze i postranice, stupačky a opěrku zad. Vozík lze pak snadno transportovat v jakémkoliv osobním automobilu. K demontáži a opětnému sestavení vozíku není potřeba žádného nářadí a jeho provedení trvá cca 1 minutu. [2] ERA 607 CS Tento vozík je určen především pro ty uživatele, jejichž postižení není tak rozsáhlé. Vozík je koncipován tak, aby jeho cena byla co nejnižší. Vozík má velmi tuhý rám s odpruženou zadní nápravou a výkyvně uloženou přední poloosou, díky tomu je vhodný nejen pro pohyb v místnosti, ale také pro jízdu po nezpevněných cestách venku. Vozík je vybaven předním i zadním osvětlením a má odklopitelné a odnímatelné stupačky s možností délkového nastavení. [2] Vozík Era 607 CS se dodává v šíři sedačky 41 nebo 46 cm a je určen pro uživatele do maximální hmotnosti 130 kg. [2] Ovladač může být umístěn na pravé nebo levé Obr. 3: ERA 607 CS [2] straně. Stupačky jsou délkově nastavitelné, sklopitelné a odnímatelné. Přední kola mají rozměr 9, zadní 14 a lze je osadit nafukovacími nebo plnými plášti. Je možno zvolit kyselinové nebo bezúdržbové (gelové) baterie (2 x 60 Ah). Tyto baterie zajistí na jedno nabití dojezd vozíku (v závislosti na charakteru terénu) cca 35 km a maximální rychlost 10 km/h. Vozík je osazen špičkovou elektronikou, která neustále kontroluje stav všech agregátů a v případě poruchy vozík zastaví. Na ovládací skříňce je též neustále signalizován stav nabití baterií. Součástí dodávky vozíku je nabíječka baterií, bezpečnostní pás, sedákový polštář a sada nářadí. [2] 3
Permobil C 500 Elektrický vozík má větší kola vpředu, což umožňuje snadné manévrování při jízdě v interiéru. Lze jej samozřejmě použít i v exteriéru. Jeho velká přednost je však v tom, že je možno jej dodat v provedení, doplněném o vertikalizační (vzpřimovací) sedačku. [2] Permobil C 500 je vybaven sedačkou a zádovou opěrkou Corpus, má celou řadu rozměrových variant. Vozík je standardně dodáván s rychlostí jízdy 8 km/h. Dvě pohonné baterie s kapacitou 73 Ah umožní na jedno nabití ujet vzdálenost cca 40 km. [2] Nosnost vozíku je 140 kg, vertikalizační sedačku je však možno použít pouze do 120 kg hmotnosti uživatele. Moderní řídící elektronika umožňuje ovládání vertikalizace Obr. 4: Permobil C500 [2] sedačky joystickem. Lze jím i plynule měnit rychlost průběhu vzpřimování. Do paměti elektroniky je možno uložit až 4 různé lékařem předepsané či oblíbené vertikalizované polohy. [2] 3 VLASTNÍ NÁVRH VARIANT ŘEŠENÍ Na základě požadavkového listu byly navrženy čtyři varianty řešení zavěšení kol a dvě varianty polohovacího mechanismu křesla. Řešení je pouze principiální, ale zahrnuje všechny důležité aspekty problematiky návrhu, tak aby bylo možné porovnat a vybrat nejschůdnější variantu řešení pro detailnější pokračování v návrhu elektrického invalidního vozíku. 3.1 Návrh zavěšení kol Varianta A1 Náprava je řešena pro každé kolo zvlášť, je tvořena tuhým ramenem, uloženým v kluzných ložiscích k rámu. Uložení je masivní, tak aby boční deformace ramena byla co nejmenší. A to z důvodu uložení všesměrových kol, které nesmí být zkřížené vůči sobě. Tlumení je zajištěno tlumiči, které se používají u horských kol k tlumení rázů zadního kola. Chod tlumení kola je 25mm. 4
Rám Náprava Tlumič Rameno nápravy Obr. 5: Návrh zavěšení kol varianty A1 Varianta A2 Zadní i přední náprava je tvořena jako celistvá tyč, kde nedochází ke zkřížení všesměrových kol. Jsou zde použity tlumiče jako u varianty A1, ale jsou uloženy pomocí kulových čepů. Náprava má 2 stupně volnosti. Její rám zabírá poměrně dost zástavbového prostoru a celé řešení je poměrně složité. Chod tlumení kola je 24mm. Pohyblivé části jsou uloženy v kluzných ložiscích. Náprava Rám Tlumič Dvouosý kloub Obr. 6: Návrh zavěšení kol varianty A2 Varianta A3 Zavěšení kola je tvořeno kompaktní tlumící jednotkou, která by se musela celá navrhnout. Je to poměrně jednoduché řešení, ale samotný návrh a realizace tlumiče, by byly poměrně složité, hlavně z důvodu dodržení minimálních bočních deformací, tak aby nedocházelo ke zkřížení všesměrových kol. Jednotka je kompaktní, pro každé kolo je stejná. Připevnění k rámu je řešeno pomocí šroubů a polohovacího kolíku. Zdvih tlumení by byl závislý na konstrukci tlumiče. 5
Rám Kompaktní tlumící jednotka Obr. 7: Návrh zavěšení kol varianty A3 Varianta A4 Poměrně jednoduché řešení zavěšení kol, používané třeba u vozíků pro auta či přívěsů apod. Jedná se o torzní pružiny. V návrhu je tvořena jeklem čtvercového průřezu. Vně jsou pryžové pruty a osa nápravy, která je pro každé kolo zvlášť. K ose nápravy je připevněno kyvné rameno, na kterém je usazeno kolo. Znovu je nutné zajistit minimální boční deformace a tuhost nápravy. Průřez torzní pružinou je znázorněn na obrázku 9. Chod tlumení kola je závislý na konkrétní konstrukci torzní pružiny. Obr. 8: Návrh zavěšení kol varianty A4 Obr. 9: Princip torzních pružin [1] 2.2 Návrh zvedacího a polohovacího mechanismu křesla Varianta B1 Je postavena na podvozku varianty A1. Zdvih křesla je řešen na základě nůžkové zdviže. Hnací člen je tvořen lineárním pohonem firmy LINAK, umístěný vodorovně ve spodní části nůžkové zdviže, tak aby zvedák zabíral co nejméně místa, s co největším zdvihem a nosností. Dále je zde řešeno naklopení sedadla a to do zadu o 15 a dopředu o 5, taktéž lineárním pohonem. Polohování sklonu zádové opěrky křesla by bylo mechanické, zde není řešeno. 6
Křeslo Opěrka nohou Nůžková zdviž Pohon (naklápění) Rám Pohon (zdvih) Obr. 10: Návrh polohovacích mechanismů křesla varianty B1 Varianta B2 Je postavena na podvozku varianty A3. Zdvih sedadla je řešen pomocí lineárního sloupku firmy LINAK se zdvihem 264mm a nosností 2000N. Je to kompaktní jednoduché řešení, ale zabírá poměrně dost místa v oblasti rámu, kde jsou uloženy baterie a elektronika. Náklon sedadla je jen znázorněn. Rozpohybován by byl taktéž lineárním pohonem. U tohoto řešení by mohl nastat problém se zástavbovým prostorem pro tento pohon, který by se musel pohybovat se zdvižným sloupkem. Polohování sklonu opěrky křesla by bylo mechanické, jako u varianty A1. Křeslo Opěrka nohou Pohon (zdvih) Rám Obr. 11: Návrh polohovacích mechanismů varianty B2 7
Zde uvedené varianty jsou řešeny pouze koncepčně a je na nich znázorněn princip funkcí, rozmístění komponent a orientační rozměrová náročnost. Varianty jsou řešeny tak, aby bylo možné posoudit jejich výhody a nevýhody, na základě kterých bylo vybráno ideální řešení pro pokračování na konkrétní koncepci. Tento výběr byl uskutečněn na jedné z firemních schůzek v okruhu více konstruktérů. Pro pokračování bylo rozhodnuto, že se bude dále rozpracovávat varianta, která kombinuje podvozek se zavěšením kol pomoci torzních pružin a zvedáku na principu nůžkové zdviže. 3 KONEČNÝ STAV NÁVRHU INVALIDNÍHO VOZÍKU Po výběru nejschůdnější varianty řešení a ujasnění hlavních funkčních celků invalidního vozíku, bylo přistoupeno ke kompletaci celé sestavy a podrobné konstrukci jednotlivých konstrukčních uzlů. V rámci časové dispozice, která zbývala do konce stáže, byl dále upraven elektrický invalidní vozík do podoby, jež je znázorněna na obrázcích 12 a 13. Byly řešeny jednotlivé konstrukční uzly a to kompletní nůžková zdviž, mechanismus naklápění sedadla, opěrky nohou, rám z hlediska jak funkčního tak designového, krytování a celková kompletace sestavy. Popis celku Křeslo Zvedací mechanismus Opěrka nohy Lineární pohon (náklon) Torzní tlumič Lineární pohon (zdvih) Rám podvozku Všesměrové kolo Akumulátory Obr. 12: Popis konečného stavu návrhu 8
Obr. 13: Konečný stav návrhu invalidního vozíku 5 ZÁVĚR Stáž probíhala u firmy Slezská mechatronika, a.s., která se podílela na projektu Partnerství v oblasti energetiky. Na začátku stáže mi byla představena společnost a její představenstvo. Podíval jsem se do sídla firmy a prošel jsem si jednotlivá pracoviště. Dále jsem se představil já (kde, jsem studoval, co jsem studoval, na jaké jsem jazykové úrovni, ukázal jsem svou diplomovou práci a praktické zkušenosti s firmami, či jinými absolvovanými kurzy). Během prvního sezení mi byl představen projekt Vývoj transportního prostředku se všesměrovými koly, na kterém jsem dále spolupracoval s dalšíma dvěma stážisty. Projekt byl rozdělen na tři části, (Vývoj vlastního rámu podvozku, mechanizmů sedadla a kompletace celé sestavy, Vývoj všesměrového kola s pohonem a Vývoj zdrojového a řídicího subsystému včetně řízení). V článku je stručně popsán postup práce, na části projektu návrhu invalidní vozíku se všesměrovými koly, zabývající se vývojem vlastního rámu podvozku a mechanismů polohování křesla. V úvodu je uvedena stručná problematika elektrických invalidních vozíku s uvedením některých konkrétních invalidních vozíků. Na základě rešerše byl doplňován požadavkový list, v kterém jsou uvedeny požadované funkce, které by měl navržený elektrický vozík splňovat. V průběhu stáže docházelo k pravidelným schůzkám s vedoucím konstrukce a dalšími pracovníky firmy Slezská mecahtronika, a.s., na základě kterých jsem postupně pokračoval v práci. Dále jsou popsány jednotlivé varianty řešení, na jejich základě bylo vybrané optimální řešení, které se podrobně rozpracovávalo. Protože projekt byl časově poměrně náročný a během stáže navíc probíhalo školení v programu Goldfire inovation, nebyl dostatek času k dokončení celého projektu. Proto výsledky práce se mohou zdát nedostačující. Na konci stáže jsem dosažené výsledky předal vedoucímu konstrukce, s tím že mohou posloužit k dalším úpravám a realizaci projektu, kterému se budou věnovat samotní pracovníci firmy. 9
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. Literatura [1] Torzní pružina [online]. 2012 [citace 2013-09-11]. Dostupný z WWW: http://www.streetrod-trailers.com/technical.html [2] Invalidní vozíky [online]. 2012 [citace 2013-08-03]. Dostupný z WWW: http://www.ortoservis.cz/pages/elektricke_voziky/elektricke_voziky.php [3] Invalidní vozík [online]. 2012 [citace 2013-8-09]. Dostupný z WWW: http://www.vermeiren.cz/wozki_elektryczne/springer.htm 10