چكيده

صندلي چرخدار الكتريكي وسيله مناسبي براي كمك به افرادي است كه از ناتواناييهاي حاد حركتي رنج مي برند و به آنها تا حد زيادي استقلال مي دهد. در اين پروژه يك صندلي چرخدار با نيروي رانش الكتريكي كه كاربر توسط جوي استيك آنرا هدايت مي كند، ساخته شد. با بررسي هاي مختلف خواهيم ديد كه موتور مناسب براي اين منظور، موتورDCمغناطيس دائم است كه به منظور استفاده در صندلي چرخدار الكتريكي طراحي شده است. منبع انرژي دو عدد باتري سرب- اسيد 12 V, 60 Ah انتخاب شد و مدار تحريك موتور برشگر PWM مي باشد كه در آن عمل برشگري توسط ماسفت انجام مي گيرد. براي كنترل سيستم ابتدا پايداري ديناميك ثابت آنرا با استفاده از ماتريسهاي تبديل دوران، در حالت كلي بررسي كرده و سپس يك مدار خطي از مجموعه را در نظر گرفتن پارامترهاي شخص راننده ارائه كرديم. با وجود همه ساده سازيهاي ممكن خواهيم ديد كه مدل به دست آمده از پيچيدگي زيادي برخوردار است و براي كنترل حلقه بسته آن بايد از روشهاي پيشرفته كنترل وفقي مبتني بر شبكه هاي عصبي و منطق فازي استفاده كرد. در صورت عدم استفاده از كنترل حلقه، بسته، هدايت صندلي در محيطهايي با موانع زياد، با دشواري همراه خواهد بود.

فهرست مطالب

فهرست شكلها

فهرست جداول

فصل اول

مقدمه

معلوليت دگرگونيهايي از نظر آناتومي و فيزيولوژي در بدن فرد ايجاد مي كند كه در يك مقطع شخص بيمار محسوب مي شود ولي بعد از درمان، علي رعم داشتن ضايعه، بايد تا حد امكان زندگي طبيعي داشته باشد. وسايل كمكي در اين بين نقش مهمي دارند. از جمله اين وسايل كمكي، صندلي چرخدار است كه در صورت استفاده و تجويز درست، وسيله مناسبي براي دادن كمكهاي حركتي به افراد معلوليت دار بوده و به آنها در انجام امور شخص تا حد زيادي استقلال مي دهد. صندلي چرخدار داراي انواع و اقسام مختلفي است كه بسته به نوع و ميزان معلوليت فرد و شرايط ديگر تجويز مي شود. [1]. صندلي هاي چرخدار در يك سيستم تقسيم بندي به دو گروه كه در يكي نيروي محركه توسط انسان و در ديگري از طريق يك موتور سوختي يا الكتريكي تأمين مي گردد. هدف در اين پروژه طراحي و ساخت صندلي چرخدار الكتريكي مي باشد. صندلي چرخدار الكتريكي نخستين بار در اوايل قرن بيستم اختراع شد [2]. اما به دليل مشكلاتي كه وجود داشت مصرف عمومي پيدا نكرد. در دهه 1940 استفاده از باتري اتومبيل و موتورهاي استارتر، امكان ساخت صندليهاي ساده تري را فراهم كرد. البته سيستم هاي اوليه فقط با يك سرعت حركت مي كردند. كمي بعد با استفاده از روشهاي مكانيكي مثل كلاچ، امكان كنترل سرعت براي صندليها ايجاد شد. از دهه 1960 به بعد استفاده از ترانزيستور دو قطبي[1] دو طراحي كنترل كننده هاي سرعت ايمني صندليها بسيار بالا رفت. در حال حاضر از ماسفت قدرت [2] براي كنترل سرعت موتورهاي DC در صندلي چرخدار الكتريكي استفاده مي شود. علي رغم سابقه زياد صندلي چرخدار الكتريكي در دنيا، اين وسيله تاكنون در ايران ساخته نشده است. هدف پروژه آغاز گاهي در اين مسير مي باشد. البته وسيله اي كه ساخته شد در ظاهر يك صندلي چرخدار الكتريكي نيست ولي با توجه به مطالعات و بررسي هاي انجام شده، مي توان در زماني كوتاه روشهاي به كار رفته در اين پروژه را براي ساخت صندلي چرخدار الكتريكي عملي به كار برد. در فصل دوم توضيحاتي كلي در مورد صندلي چرخدار و مشخصات آن از نظر ابعاد، استحكام و غيره آورده شده است. در تجويز صندلي چرخدار نكات متعددي بايد در نظر گرفته شود كه وزن، ابعاد صندلي و چرخها از آن جمله است. صندلي چرخدار از چند جزء اصلي تشكيل شده است كه شامل سيستم نگهدارنده بدن، سيستم رانش، چرخها و اسكلت بدنه مي باشد [14]. در اين فصل در مورد مشخصات صندليهاي چرخدار الكتريكي و نكاتي كه در طراحي آنها بايد مد نظر قرار داد، توضيح داده شده است. از جمله اين نكات مهم حداكثر سرعت، شيب مسير، نحوه اتصال موتور و باتريها به صندلي و منبع تغذيه است. صندلي چرخدار الكتريكي را مي توان با روشهاي دستي و در صورتي كه ممكن نباشد با روشهاي غير دستي كنترل نمود. از روشهاي كنترل غير دستي مي توان كنترل چانه كنترل زبان لبها يا دندان، كنترل بر اساس دميدن و مكيدن كنترل صوتي نام برد.

فصل سوم در مورد انتخاب ادوات مورد نياز مي باشد. خود صندلي چرخدار مهمترين قسمت است. به دلايل مختلف به جاي صندلي چرخدار استاندارد مدلي از آن ساخته شد. اين مدل شامل يك صفحه فلزي است كه در زير آن چهار چرخ نصب شده است. دو چرخ عقب آن نقش انتقال نيرو و هدايت كننده را دارند و دو چرخ جلو هرزگرد هستند. جزئيات مربوط به انتخاب قسمتهاي مكانيكي شامل بلبرينگ[3]. چرخها و نحوه انتقال نيرو از موتور به چرخها و غيره كاملاً توضيح داده شده است. بعد از قسمتهاي مكانيكي، نوبت به انتخاب موتور الكلتريكي مي رسد. در اين زمينه بررسي هاي متعددي انجام گرفت و در نهايت موتور DC خاص صندلي چرخدار براي اين منظور انتخاب گرديد. اين موتور در حجم كم توان بالايي دارد و در طراحي آن حجم و وزن از مهمترين پارامترها بوده اند. جعبه دنده[4] نصب شده بر روي موتور سرعت آن را تا حد مورد نياز كاهش داده و به حدود 500 دور در دقيقه رسانيده است. با محاسبه توان مورد نياز براي حركت صندلي با سرعت m/s3 و وزن Kg150 خواهيم ديد كه توان يك موتور به اين منظور كافي نبوده و ناچاريم كه از دو موتور استفاده كنيم كه علاوه بر داشتن توان كافي، مزاياي ديگري نيز خواهد داشت. موتور يك مبدل انرژي الكتريكي به مكانيكي است ؛ بنابراين بايد منبع انرژي الكتريكي همراه موتور باشد. با اين توضيح مشخص است كه بايد از باتري به اين عنوان استفاده كنيم. در اين فصل، باتريهاي قابل شارژ مجدد مانند نيكل- كادميوم و سرب- اسيد بررسي كنيم. در اين فصل باتريهاي قابل شارژ مجدد آنها و همچنين محافظتهاي مورد نياز، توضيح داده شده است. قسمت بعدي مدار تحريك است كه با كنترل كاربر، انرژي را از باتري گرفته و به موتور منقل مي كند. از آنجا كه موتور از نوع DC بود و منبع تغذيه نيز DC است. بنابراين مدار تحريك از نوع DC/DC خواهد بود. مبدل [5]DC/DC اصطلاحاً برشگر[6] ناميده مي شود. برشگرها با قطع و وصل ولتاژ DC ثابت بر روي بار، متوسط ولتاژ دو سر بار را تغيير مي دهند كه اين عمل بايد توسط يك عنصر قدرت انجام گيرد. به اين منظور المانهاي مختلف بررسي شدند و در نهايت از ماسف قدرت استفاده كرديم. در ادامه انواع مختلف برشگرها بررسي شده و نوع مناسب انتخاب گرديده است. خاصيت مهمي كه بعضي از انواع برشگرها دارند اين است كه وقتي بار ‌آنها موتور DC است هنگام كاهش سرعت و يا توقف كامل مي تواند انرژي جنبي ذخيره شده موتور را به منبع DC بازگردانند. به اين خاصيت بازيابي انرژي [7] گفته مي شود.اين عمل باعث افزايش راندمان، مجموعه مي گردد. با بررسي اين موضوع خواهيم ديد كه به دلايل مختلف، ميزان انرژي تحويل شده به منبع در مقابل پيچيدگي مدار، ناچيز است. بنابراين از انجام اين كار صرف نظر خواهد شد. با در نظر گرفتن اين فرض كه كاربر فردي نيمه فلج و يا كاملاً مفلوج است، براي هدايت صندلي از جوي استيك[8] استفاده كرديم. جوي استيك ازدو مقاومت متغير تشكيل شده است كه مقدار مقاومت يكي از آنها با حركت جوي استيك در راستاي جلو و عقب، از صفر تا حداكثر تغيير مي كند و مقاومت ديگر همين عمل را در جهت چپ و راست انجام مي دهد. در فص چهارم در مورد تعريف چگونگي حركت صندلي چرخدار با توجه به حركت جوي استيك، توضيحاتي آورده شده است.

فصل چهارم در مورد كنترل صندلي چرخدار الكتريكي مي باشد. در ابتدا پروتكل حركت صندلي بر اساس حركت جوي استيك بيان شده و سپس روابطي كه با استفاده از آن مي توان سرعت خطي و سرعت زاويه اي صندلي را بر حسب دور موتورها بدست آورد، معرفي شده اند. در ادامه ديناميك ثابت [9] صندلي چرخدار الكتريكي مورد بررسي قرار گرفته است و حداكثر سرعت خطي صندلي چرخدار براي آنكه پايداري آن حول محور x (راستاي حركت) حفظ شود، بدست آمده است. اين بررسي در حالت كلي است و با استفاده از ماتريسهاي دوران، شيب مسير در جهت هاي مختلف را در نظر مي گيرد. در ادامه اين فصل، با كوچك فرض كردن تغييرات، يك مدل خطي از سيستم صندلي چرخدار الكتريكي با در نظر گرفتن هدايت انسان، ارائه مي كنيم. در اين سيستم خطي، ورودي، مسير دلخواه شخص و خروجي، نوسانات مجموعه حول محور x (راستاي حركت) مي باشد. همانطور كه خواهيم ديد اين سيستم پيچيدگي زيادي خواهد داشت؛ بنابراين در صندليهاي پيشرفته جديد، كنترل كننده هاي وفقي [10]كه با استفاده از شبكه هاي عصلي و منطق فازي طراحي مي شوند، كاربرد فراوان دارند. در پايان فصل در مورد سازگاري الكترومغناطيسي [11] و استانداردهاي مربوط به صندلي چرخدار الكتريكي در اين زمينه، توضيحاتي آورده شده است.

[1]- BJT (Bipclar Junction Transistor)

[2]- Power MOSFET

[3]- Ball bearing

[4]-Gear box

[5]- Convertor

[6]-Chopper

[7]- Regeneration

[8]- Joystick

[9]- Fixed dinamic

[10]- Adaptive Controllers

[11]- Electromagnatic Compatibility