Ing. Michal Kvita 1 NÁVRH INVALIDNÍHO VOZÍKU SE VŠESMĚROVÝMI KOLY Abstrakt Článek popisuje přehled práce uskutečněné na odborné praxi ve firmě Slezská mechatronika, a.s., která je partnerem Moravskoslezského klastru v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky. Práce se týkala vývoje transportního prostředku se všesměrovými koly, konkrétně byla orientována na vývoj zdrojového a řídícího subsystému včetně ovládání a vytvoření elektroprojektu. Klíčová slova Elektrický invalidní vozík, Slezská mechatronika, ovládací panel, elektroprojekt 1 ÚVOD V rámci Moravskoslezského energetického klastru a projektu Partnerství v oblasti energetiky, jsem se zúčastnil odborné praxe u firmy Slezská mechatronika, a.s. Jedná se o vědecko-výzkumnou firmu, která řeší problematiku mechatronických systémů. Týká se oblasti mobilních systémů, energetiky, zdravotnictví, zásahových systémů a dalších. Projekt zadaný Slezskou mechatronikou nese název Vývoj transportního prostředku se všesměrovými koly. Na tomto projektu dále spolupracovali dva stážisti. Každý ze stážistů měl firmou vyspecifikovanou část práce týkající se transportního prostředku. Mým úkolem bylo vyspecifikování hardware potřebného pro zajištění funkčnosti a také vytvořit ovládací panel transportního prostředku s elektroprojektem. Současně se během stáže konaly semináře k získání znalostí v programu Goldfire Inovation. Využití tohoto programu velmi napomáhá k získávání inovativních nápadů, postupů apod., potřebných při začátcích tvorby nových projektů. 1 Bc. Pavel Keresztes, Katedra energetiky, Fakulta strojní, VŠB Technická univerzita Ostrava, Tylova 4/2779, 700 30 Ostrava-Zábřeh, tel.: 737 633 778, email: pavel.keresztes.st@vsb.cz. 1
2 ELEKTRICKÝ INVALIDNÍ VOZÍK Elektrický invalidní vozík je kompenzační pomůcka určená pro seniory, tělesně handicapované a nemohoucí osoby. Dále je vozík určen pro tělesně postižené osoby, které mají dostatečně dobrou funkci horních končetin. Elektrické invalidní vozíky jsou konstruovány pro využití v interiéru i exteriéru. Díky snadnému ovládání se mohou lidé snadno začlenit do běžného života a bez pomoci ostatních si obstarat co potřebují. Mohou si zajet do obchodu, k doktorovi, do banky, za přáteli. Stávají se samostatnějšími a aktivnějšími. Vozík je sestaven tak, aby uživateli umožnil také pohyb v terénu, např. na zahradě, po cyklostezce apod. Výhodou je snadné ovládání, díky čemuž se mohou osoby, využívající elektrický invalidní vozík pohybovat na delší vzdálenosti. Na rozdíl od mechanického invalidního vozíku, u kterého je nezbytné pro pohyb na delší vzdálenosti přítomnost jiné osoby nebo dobrá fyzická kondice. Cestování s elektrickým invalidním vozíkem je snadné a pohodlné. Základní typy vozíků lze také dovybavit podle potřeb uživatele. Při konstrukci se dbá nejen na jejich funkčnost, ale také na design. U invalidních vozíků na obrázcích 1 a 2 můžeme vidět, co vše lze elektricky ovládat. Kupříkladu invalidní vozík na obrázku 1 obsahuje teleskopický sloup, který zvedá křeslo s osobou do určité výšky. Vozík z obrázku 2 dokáže pomocí mechanismu docílit změnu polohy křesla. Rozložené křeslo do vertikální polohy přinese člověku úlevu z nepřetržitého sezení, ulehčí svalům a zabrání vzniku proleženin. Takové vozíky mají spojité řízení pohybu. Přídavné pohyby vozíku, jako například náklony opěrek, změna polohy nožních stupaček, různé polohy opěrek křesla a mnohé další, které také mohou být řízeny spojitě. Ovládání celého vozíku se provádí pomocí ovládacího panelu. Na panelu je umístěn joystick a tlačítka pro volbu ovládaných prvků. V útrobách vozíku se nachází baterie a řídící jednotka. Baterie slouží k napájení veškeré elektroniky a elektrického vybavení. Jsou využívány 12V baterie zapojené do série k získání jmenovité hodnoty napětí 24V. Obr. 1: Elektrický invalidní vozík Ascend [1] 2
Obr. 2: Elektrický invalidní vozík Squod [1] Každý invalidní vozík obsahuje odlišnou škálu vybavenosti, co lze elektricky ovládat. Základní elektrické vybavení invalidních vozíků: Baterie Řídicí jednotka Pohonná jednotka pojezdu Ovládací panel s joystickem Osvětlení Klakson Přídavné elektrické vybavení invalidních vozíků: Pohonné jednotky obsluhující pohyb křesla Pohonné jednotky obsluhující pohyb opěrek křesla Pohonné jednotky obsluhující pohyb opěrek rukou a nohou Ovládání vozíků pomocí jazyku Dotykový ovládací panel s joystickem Doplňující pohonné jednotky pro pojezd křesla 3
3 NÁVRH BLOKOVÉHO SCHÉMATU INVALIDNÍHO VOZÍKU Blokové schéma zapojení prvků vstupující do elektronické části invalidního vozíku zobrazuje obrázek 3. Jedná se o blokové schéma počítající s variantou podvozku, který umožní výměnu kol mezi standartními a všesměrovými. Každá náprava by byla obsluhována pouze jedním měničem, který by byl schopen ovládat dvě pohonné jednotky. Řídicí jednotka obsluhuje veškeré elektrické vybavení - koncové spínače, světla i pohonné lineární jednotky, které slouží k polohování křesla. Napájení veškeré použité elektroniky zajišťuje blok dvou 12V baterií zapojených do série. Každá baterie je propojena přes BMS (Battery Management Systém), který se o ni stará, a tím zajišťuje její delší životnost. Veškeré elektronické vybavení je ovládáno prostřednictvím ovládacího pultu. Veškerou komunikaci mezi jednotlivými bloky zajišťuje sběrnice CAN. Obr. 3: Blokové schéma zapojení 4 BATERIE INVALIDNÍHO VOZÍKU V invalidních vozících se nejčastěji používají dvě 12V trakční baterie zapojené do série, aby bylo docíleno napájecího napětí 24V. Z důvodu neustálého používání invalidního vozíku a tedy permanentního odběru elektrické energie jsou využívány trakční baterie. Trakční baterie se od automobilové (startovací) baterie liší hodnotou konstantně využívaného proudu. Automobilové baterie jsou konstruovány pro vznik velkého špičkového proudu během krátké doby. Trakční baterie se skládají ze sestavy článků, které se pravidelně používají k napájení elektrických zařízení, u kterých dochází k opakovanému vybíjení a nabíjení. U výběru trakční baterie je nezbytné zohlednit, na jakou aplikaci má být baterie využívána. Zejména jak často bude zatěžována. 4
Trakční baterie se liší podle použitého elektrolytu. GEL, AGM a WET. Rozdělují se do tří kategorií: Kategorie A Základní trakční baterie s nejkratší dobou životnosti Baterie vhodné pro volný čas. Hobby využití, sezónní (víkendový) provoz, tzn. nepravidelné zatěžování. Počítáno s 40-50 cykly za rok při hloubce vybití 30%. Kategorie B Trakční baterie pro náročnější aplikace, časté využití Baterie vhodné pro různá vozítka jako například golfový vozík, či využití v karavanech. Počítáno s 60-150 cykly za rok. Kategorie C - Trakční baterie pro nejnáročnější aplikace (Průmyslové) Baterie vhodné pro náročné aplikace, jako například u vysokozdvižných vozíků, kde je každodenní využití s hlubokým vybíjením. Počítáno s 1400 cykly za rok při hloubce vybití 80%. Průmyslové (kat. C) Časté využití (kat. B) Sestava dvou baterií (plus mezera 5 mm) Battery délka šířka výška váha podstava [mm] [mm] [mm] [kg] [mm 2 ] Lithium Battery 12V/40Ah 225 255 208 18 57375 Lithium Battery 12V/60Ah 282 255 230 26 71910 T. baterie Dry Bull DB 40 FT, 40Ah, 12V 197 341 175 28,8 67177 T. bat. Dry Bull DB 55, 55Ah, 12V 261 275 230 38 71775 Baterie EXIDE EQUIPMENT GEL 40Ah, 12V 210 355 175 30 74550 Baterie EXIDE EQUIPMENT GEL 56Ah, 12V 278 355 190 41,6 98690 Baterie CSB EVX12400, 40Ah, 12V 197 335 170 25,46 65995 Baterie CSB EVX12650, 65Ah, 12V 350 335 174 44,4 117250 T. bat. Varta Prof. Deep Cycle AGM 12V, 60Ah 265 337 188 42 89305 T. bat. Banner Energy Bull 12V, 60Ah 241 355 190 30 85555 Tab. 1: Tabulka rozměrů sestavených možných trakčních baterií [2] Baterie pro invalidní vozík bude vybrána z kategorií B a C, kde hlavním kritériem budou rozměry a váha, při podobných hodnotách kapacity. Dalším aspektem pro konečnou volbu bateriového bloku je cena a zkušenost s konkrétními bateriemi. 5
Životnost baterie ovlivňuje počet nabíjecích cyklů. Prodloužení životnosti baterie lze docílit jejím správným nabíjením. K tomu slouží zařízení BMS (Battery Management Systém). Toto zařízení kontroluje stav baterie při nabíjení a provozu. Hloubka vybití baterie Životnost počet cyklů 100% 150 75% 225 50% 350 30% 700 10% 1800 Tab. 2: Tabulka s určením životnosti baterie [2] 5 OVLÁDÁNÍ INVALIDNÍHO VOZÍKU Elektrické invalidní vozíky jsou ovládány pomocí ovládacího panelu umístěného k rámu u jedné z opěrek na předloktí vozíku. Existuje celá řada různých ovladačů lišících se tvarem samotného ovladače a pojetím samotného ovládání invalidního vozíku. Ovladače jsou navrhovány pro snadnou obsluhu a jednoduchost ovládání. Většina ovladačů obsahují joystick, kterým se ovládá pojezd invalidního vozíku. Mezi další prvky na ovladači patří tlačítka, kterými se zapínají/vypínají jednotlivé periferní části vozíku, jako například světla. Dále tlačítka pro volbu režimů například pojezd či výběr ovládaného pohonu. Na ovladač bezesporu patří zobrazení stavu baterie a tlačítko pro zapnutí a vypnutí celého vozíku. Na obrázku 4 lze vidět joystick a panel s tlačítky. Obsahuje tlačítka pro zapnutí a vypnutí vozíku, světel, blinkrů, výstražných světel. Dále se zde nachází klakson, režimy rychlosti, volby ovládání jednotlivých pohonných jednotek, které obsluhují křeslo. Ve spodní části je indikace baterie. Obr. 4: Ovládací panel invalidního vozíku 1 [1] 6
Obrázek 5 zobrazuje ovládací panel, který obsahuje daleko menší počet tlačítek. Ta jsou nahrazena jinými, které slouží pro výběr mezi jednotlivými funkcemi. Pro snazší orientaci je ovladač doplněn o LCD displej. Obr. 5: Ovládací panel invalidního vozíku 2 [1] 6 NÁVRH OVLÁDACÍHO PANELU Na základě požadavkového listu byly sestaveny varianty vzhledu ovládacího panelu s rozložením ovládacích prvků. Dle vytvořených jednoduchých konceptů ovládacího panelu, byla následně vytvořena konečná varianta ovládacího panelu. 6.1 Varianty ovládacích panelů Varianta A Jedná se o jednoduchý tvar ovládacího panelu s joystickem, s využitím dotykové folie pro funkci tlačítek. Obr. 6: Ovládací panel varianta A 7
Varianta B Jedná se o jednoduchý tvar ovládacího panelu s joystickem. Tato varianta vychází z varianty A. Nevýhodou této varianty je nesymetričnost. Mezi výhodu lze zařadit lepší viditelnost a manipulovatelnost s ovládací plochou. Obr. 7: Ovládací panel varianta B Varianta C Jedná se o jednoduchý tvar ovládacího panelu s joystickem. Tuto variantu lze rozdělit do dvou verzí. První verze ovládacího panelu obsahuje LCD displej a tlačítka k volbě jednotlivých funkcí. Druhá verze kombinuje tlačítka s dotykovým LCD displejem. Obr. 8: Ovládací panel varianta C 7 KONEČNÁ VARIANTA OVLÁDACÍHO PANELU Na základě vytvořených variant ovládacího panelu byl sestaven model ovládacího panelu. Jedná se o verzi, která není finální. Z důvodu nedostatečného množství času, který byl na průběh stáže určený, není model kompletně dokončen. 8
Design ovládacího panelu byl naprosto změněn, dotyková folie pro zajištění tlačítek byla zachována. Stav baterie On/Off Klakson Vizualizace Módy pohybů Výstražné osvětlení Joystick Šipky Komunikační konektor Blinkry Světla Obr. 9: Konečná varianta ovládacího panelu Ovládací panel disponuje celou řadou tlačítek. Zapnutí a vypnutí vozíku, klaksonem, výstražnými světly, blinkry a světly. Zmáčknutí těchto tlačítek se projeví rozsvícením patřičného znaku v oblasti vizualizace. Rovněž se zobrazuje aktuální stav baterie. Pomocí šipek lze volit předdefinované maximální rychlosti pojezdu vozíku. Hodnota předdefinované volby se zobrazí na sedmi-segmentovém displeji. Jako poslední se na panelu nacházejí tlačítka módů pohybů. Volba pohybu všesměrových kol směrem do strany a dále tlačítka, která aktivují pohony křesla. Sklápění zádové opěrky a zdvih samotného křesla. Pohyb se řídí pomocí šipek. Ovladač je vybaven konektory pro diagnostiku a pro komunikaci s řídící jednotkou. Na zadní straně ovladače se nachází reproduktor simulující klakson. 8 SCHÉMA ZAPOJENÍ DESKY OVLÁDACÍHO PANELU Dle navrženého ovládacího panelu a vyspecifikované dotykové fólie bylo vytvořeno schéma zapojení ovládacího panelu. Obsahuje procesorovou jednotku, která má I/O piny. Procesor obsluhuje ovladač a získané informace bude předávat do nadřazené úrovně řídící jednotky, která obsluhuje periferie umístěné na invalidním vozíku. 9
Obr. 10: Schéma zapojení ovládacího panelu 9 ZÁVĚR Stáž probíhala u firmy Slezská mechatronika, a.s., která se podílela na projektu Partnerství v oblasti energetiky. Na první schůzce jsem seznámil vedení společnosti a její zaměstnance se svým krátkým životopisem. Následně jsem hovořil o mé bakalářské a diplomové práci. Takový úvod měli i moji dva další spolupracovníci. Na základě našich zkušeností, které si vyslechli, nám přidělili jednotlivé úkoly, které se týkaly jednotného projektu. Projekt se týkal Vývoje transportního prostředku se všesměrovými koly. Mým úkolem bylo vyspecifikování hardware potřebný pro zajištění funkčnosti a vytvořit ovládací panel transportního prostředku s elektroprojektem. Práce obsahuje stručnou rešerži, kde jsou nastíněny jednotlivé funkce invalidního vozíku, dle kterých se specifikoval požadavkový list. Na základě těchto informací bylo vytvořeno blokové schéma, které vycházelo i ze vzájemné dohody všech pracovníků zapojených do projektu. Následující část práce byla věnována další rešerži týkající se bateriového systému. Mezi hlavní část práce patří tvorba ovládacího panelu, které předcházely základní návrhy panelu. Po dokončení 3D podoby ovládacího panelu, která není stále konečná, pokračovala má práce na tvorbě elektroprojektu. Vytvořil jsem schéma zapojení ovládacího panelu, dle požadavků. Současně byla prováděna školení v software GoldFire Inovation, kde nám byly ukázány výhody tohoto tvůrčího programu. Z důvodu krátkého trvání stáže a mého prvního osobního zapojení v takovémto projektu není práce dokončena kompletně. Cílem práce bylo odevzdat zpracované úkoly vedoucímu konstrukce. Tato data poslouží pracovníkům společnosti k dokončení samotného projektu, nebo také jako inspirace k dalším projektům. 10
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] Invalidní vozíky [online]. 2013 [citace 2013-11-01]. Dostupný z WWW: http://www.acumobil.cz/voziky.html [2] Baterie [online]. 2013 [citace 2013-11-01]. Dostupný z WWW: http://www.acumobil.cz/voziky.html 11