Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đời sống xã hội hiện đại, nhu cầu di chuyển độc lập của người khuyết tật, đặc biệt là những người bị tổn thương chức năng vận động chi dưới và người cao tuổi, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sinh hoạt và khả năng hòa nhập cộng đồng. Thực tiễn tại Việt Nam cho thấy phần lớn phương tiện hỗ trợ đi lại dành cho người khuyết tật chân vẫn là các loại xe lăn cơ học truyền thống hoạt động dựa trên lực đẩy tay, khiến người dùng nhanh mệt mỏi, tốc độ di chuyển thấp và phạm vi hoạt động bị thu hẹp. Trong khi đó, các dòng xe lăn điện hiện đại nhập khẩu từ nước ngoài tuy sở hữu tính năng linh hoạt nhưng giá thành cao, chưa tương thích với điều kiện kinh tế của đa số người dân, nguồn linh kiện thay thế khan hiếm và thiết kế khung gầm thấp khó thích ứng với địa hình gồ ghề ngoài trời. Ngược lại, các mẫu xe điện tự chế tạo tại các cơ sở cơ khí nhỏ lẻ trong nước tuy có giá thành dễ tiếp cận hơn nhưng thiếu các tính năng hỗ trợ chuyên biệt, người sử dụng vẫn bắt buộc phải có người thân trợ giúp mỗi khi lên hoặc xuống xe.

Nhằm giải quyết các bất cập trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình xe lăn điện tích hợp cơ cấu nâng hạ ghế ngồi, cho phép người khuyết tật điều khiển bằng cần gạt Joystick và tự lực lên xuống xe an toàn.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài được xác định bao gồm:

  1. Vận dụng tổng hợp kiến thức chuyên ngành cơ khí và điện tử để thiết kế, chế tạo thử nghiệm một mô hình xe lăn điện hoàn chỉnh gồm 4 bánh (2 bánh dẫn động chính và 2 bánh phụ tự lựa).
  2. Xây dựng kết cấu khung gầm cao nhằm tăng tính linh hoạt khi vận hành trên cả bề mặt phẳng lẫn địa hình phức tạp, gồ ghề.
  3. Thiết kế và tích hợp cơ cấu nâng hạ ghế ngồi bằng hệ thống cơ khí chuyên dụng, hỗ trợ người khuyết tật chân tự lên xuống xe mà không cần người trợ giúp.
  4. Nghiên cứu, xây dựng và hoàn thiện hệ thống điều khiển công suất động cơ sử dụng vi điều khiển PIC16F887 lập trình bằng ngôn ngữ C.
  5. Tiến hành chạy thử nghiệm thực tế, nhận định các ưu nhược điểm, đánh giá tính khả thi kỹ thuật và khả năng kinh tế của sản phẩm.
  6. Xác định các điểm còn hạn chế phát sinh trong chế tạo để đề xuất biện pháp khắc phục cho các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nhu cầu trợ giúp vận động của người khuyết tật chân; các dòng xe lăn điện chuyên dụng trong nước và quốc tế; cơ cấu truyền động nâng hạ tải trọng nhỏ; hệ thống điều khiển điện tử sử dụng cần điều khiển Joystick.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong việc thiết kế kết cấu cơ khí (hệ thống khung xe, hệ thống dẫn động một cầu qua bộ truyền xích, cơ cấu nâng hạ yên xe bằng vít me – đai ốc) và hệ thống điện – điều khiển (mạch vi điều khiển trung tâm PIC16F887, mạch công suất cầu H/relay điều khiển 2 động cơ di chuyển 24V tổng công suất 500W, mạch điều khiển động cơ nâng hạ ghế ngồi, giao tiếp hiển thị LCD 16x2 và nguồn cấp từ bình ắc quy 24VDC).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp nền tảng lý thuyết cơ học truyền động, hệ thống dẫn động ô tô và kỹ thuật vi điều khiển để xây dựng mô hình tính toán:

  • Lý thuyết về hệ thống dẫn động: Tác giả phân tích các hệ thống dẫn động phổ biến gồm dẫn động cầu trước (FWD), dẫn động cầu sau (RWD), dẫn động 4 bánh bán thời gian (4WD) và dẫn động 4 bánh toàn thời gian (AWD). Trên cơ sở đối chiếu về tính chất phân bố tải trọng, độ bám đường khi tăng tốc và độ phức tạp kết cấu, cấu hình dẫn động cầu sau kết hợp bánh tự lựa được lựa chọn làm cơ sở phát triển cho xe lăn điện.
  • Lý thuyết truyền động xích: Sử dụng bộ truyền xích ống con lăn để truyền công suất từ động cơ điện đến trục bánh xe dẫn động. Hệ thống công thức tính toán hình học bao gồm đường kính vòng chia đĩa xích $d_c = \frac{t}{\sin(\pi / Z)}$, bước xích tiêu chuẩn ($t$), số răng đĩa xích ($Z_{min} \ge 15 \div 17$, ưu tiên chọn số răng lẻ để mòn đều), khoảng cách trục hợp lý $A = (30 \div 50)t$ và số mắt xích ($X$).
  • Lý thuyết truyền động vít me – đai ốc: Áp dụng nguyên lý biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến có khả năng chịu tải trọng lớn, tốc độ dịch chuyển chậm, tự hãm tốt và độ ổn định cao để thiết kế cụm bàn trượt nâng hạ ghế ngồi. Vật liệu chế tạo vít me là các nhóm thép chế tạo máy (CT, C45, C50, 40X) kết hợp đai ốc bằng đồng thanh hoặc gang xám.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai đồng bộ qua ba hướng tiếp cận:

  • Phương pháp phân tích – tổng hợp tài liệu: Thu thập và kế thừa các công thức tính toán từ các giáo trình chuyên ngành cơ khí chế tạo máy, sổ tay thiết kế cơ khí và tài liệu nghiên cứu xe lăn điện trên Internet.
  • Phương pháp quan sát và khảo sát thực tế: Phân tích cấu trúc các mẫu xe lăn cơ, xe nhập khẩu và xe điện gia công tự phát tại Việt Nam nhằm định vị các thông số kỹ thuật tối ưu.
  • Phương pháp thiết kế – thực nghiệm: Mô hình hóa 2D/3D các cụm cơ khí, thiết kế mạch nguyên lý, mô phỏng hoạt động điều khiển trên phần mềm chuyên dụng và chế tạo nguyên mẫu vật lý để thử tải thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống xe lăn điện được thiết kế và chế tạo bao gồm hai phân hệ chính: hệ thống cơ khí khung gầm và hệ thống điện – điều khiển tự động.

Phân hệ / Cụm chức năng Chi tiết kỹ thuật và linh kiện sử dụng Đặc tính vận hành
Khung xe & Hệ thống treo Thép hộp định hình, thép tấm, sắt khối gia công hàn liên kết; cụm tay giữ bánh xe trước và sau liên kết ổ trục với khung. Gầm cao vượt chướng ngại vật; tích hợp cụm lò xo giảm xóc độc lập cho các cụm bánh xe.
Hệ thống di chuyển 04 bánh xe: 02 bánh dẫn động chủ động, 02 bánh phụ tự lựa; dẫn động thông qua bộ truyền xích ống con lăn. 02 động cơ điện 24VDC với tổng công suất 500W; khả năng quay vòng linh hoạt trong không gian hẹp.
Cơ cấu nâng hạ ghế ngồi Cụm bàn trượt nghiêng/đứng dẫn hướng, trục vít me – đai ốc, động cơ điện kéo vít me chuyên dụng. Hỗ trợ nâng hạ yên xe đón người khuyết tật; tích hợp cơ chế ngắt di chuyển khi ghế đang hạ xuống.
Khối điều khiển trung tâm Vi điều khiển Microchip PIC16F887 (kiến trúc Harvard, xử lý tín hiệu ADC, tạo xung PWM). Thu nhận tín hiệu từ Joystick, tính toán góc lái và điều biến độ rộng xung PWM cấp cho mạch công suất.
Khối điều khiển đầu vào Cần điều khiển Joystick Analog 2 trục (X, Y) tích hợp biến trở, nút bấm chọn chế độ. Điều khiển hướng tiến/lùi, rẽ trái/phải và điều tốc bằng một tay thông qua sự thay đổi điện áp analog.
Mạch công suất & Hiển thị Mạch đảo chiều dùng relay SRD-12VDC-SL-C / mạch bán dẫn, khối nguồn hạ áp 24V sang 5V, màn hình LCD 16x2. Màn hình LCD hiển thị dung lượng pin và 3 chế độ lái: Đi bộ, Bình thường, Chạy nhanh (tốc độ tối đa 15 km/h).
Môi trường phần mềm Trình biên dịch MikroC PRO for PIC, phần mềm mô phỏng mạch điện tử Proteus. Lập trình thuật toán điều khiển động cơ bằng ngôn ngữ C, kiểm chứng mô phỏng logic trước khi nạp chip.

Nguyên lý an toàn được thiết kế liên động chặt chẽ: khi ghế ngồi ở trạng thái hạ thấp để tiếp nhận người sử dụng, hệ thống điều khiển sẽ tự động khóa lệnh di chuyển của động cơ kéo nhằm tránh hiện tượng xe bị trôi hoặc mất trọng tâm gây nguy hiểm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của người khuyết tật vận động chi dưới trong bối cảnh xã hội hiện đại. Tác giả phân tích những hạn chế của các phương tiện lưu hành nội địa (chủ yếu là xe đẩy tay tốn sức hoặc xe tự chế chưa hỗ trợ lên xuống) và xe nhập khẩu (giá thành cao, phụ tùng khó thay thế). Trên cơ sở đó, đồ án xác định rõ mục tiêu chế tạo xe lăn điện 4 bánh gầm cao, sử dụng vi điều khiển PIC16F887, điều khiển bằng Joystick, có khả năng nâng hạ ghế ngồi và đánh giá hiệu quả kinh tế – kỹ thuật.

Chương 2: Tổng quan

Chương này tổng thuật lịch sử phát triển của các công cụ hỗ trợ người khuyết tật chân từ những chiếc xe lăn đầu tiên (thế kỷ XVI–XIX) đến các dòng xe lăn điện thông minh hiện đại. Tác giả phân loại công cụ hỗ trợ thành phương tiện đi lại (xe lăn cơ, xe điện) và công cụ đi lại (nạng, chân robot). Chương 2 phân tích đặc điểm các dòng xe lăn điện trên thế giới (như dòng xe nhẹ gấp gọn A17 của Australia, xe vượt địa hình 6 bánh Hexhog của Anh) và tại Việt Nam (xe nhập khẩu 112A của Anh, xe tự sản xuất tại các xưởng cơ khí nhỏ). Từ các phân tích so sánh, tác giả định hình phương án thiết kế của nhóm: dẫn động 2 bánh qua xích, 2 bánh tự lựa, ghế nâng hạ bằng điện, điều khiển Joystick và sử dụng nguồn ắc quy 24V an toàn, dễ sửa chữa gia công trong nước.

Chương 3: Lý thuyết về hệ thống dẫn động trên ôtô (Cơ sở lý thuyết)

Chương 3 tập trung phân tích lý thuyết kỹ thuật làm nền tảng cho việc tính toán thiết kế. Nội dung gồm ba phần chính:

  1. Phân tích các dạng dẫn động ô tô (FWD, RWD, 4WD, AWD) nhằm làm rõ bản chất phân phối mô-men xoắn và độ bám đường, từ đó áp dụng cấu hình dẫn động phù hợp cho xe lăn.
  2. Lý thuyết bộ truyền xích: Trình bày cấu tạo xích ống con lăn, đĩa xích, các công thức tính toán bước xích ($t$), số răng ($Z$), khoảng cách trục ($A$), chiều dài xích ($L$) và số mắt xích ($X$).
  3. Lý thuyết truyền động vít me – đai ốc: Phân tích nguyên lý biến đổi chuyển động, ưu nhược điểm, vật liệu chế tạo trục vít (thép CT, 45, 50, 40X) và đai ốc (đồng thanh, gang xám), cùng phương pháp tính toán độ bền mòn cho cơ cấu nâng hạ.

Chương 4: Thiết kế cơ khí

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thiết kế và hoàn thiện phần kết cấu cơ khí của xe:

  • Lựa chọn vật liệu khung xe từ các loại sắt hộp và sắt khối định hình nhằm đảm bảo độ cứng vững và khả năng chịu tải.
  • Thiết kế hệ thống di chuyển 4 bánh với sơ đồ bố trí 2D chi tiết, gồm cụm tay giữ bánh xe trước/sau, các ổ trục liên kết tay giữ với khung xe và bộ giảm xóc.
  • Thiết kế cụm cơ cấu nâng hạ ghế ngồi: Xây dựng bản vẽ bàn trượt, khung ghế ngồi và bố trí động cơ truyền động trục vít me để thực hiện chuyển động nâng trượt êm dịu, chắc chắn.
  • Trình bày hình ảnh tổng thể mô hình cơ khí xe lăn điện sau khi hoàn thiện gia công, lắp ráp.

Chương 5: Hệ thống mạch điều khiển

Chương 5 trình bày thiết kế và chế tạo hệ thống điện – điện tử điều khiển xe lăn:

  • Sơ đồ khối tổng thể hệ thống điện, bao gồm khối nguồn hạ áp (chuyển đổi 24V sang 5V), khối xử lý trung tâm vi điều khiển PIC16F887, khối cảm biến Joystick Analog, khối hiển thị LCD 16x2 và khối công suất.
  • Thiết kế nguyên lý và mạch in thực tế cho mạch công suất điều khiển động cơ di chuyển (sử dụng relay SRD-12VDC-SL-C kết hợp điều biến PWM) và mạch điều khiển động cơ nâng hạ ghế ngồi.
  • Xây dựng thuật toán và mã nguồn điều khiển trên trình biên dịch MikroC PRO for PIC, thực hiện mô phỏng logic trên phần mềm Proteus trước khi triển khai phần cứng thực tế.

Chương 6: Thực nghiệm - Đánh giá

Chương 6 ghi nhận và phân tích các vấn đề kỹ thuật phát sinh trong quá trình vận hành chạy thử mô hình thực tế, kèm các giải pháp điều chỉnh:

  • Hiện tượng bánh xe bị đảo: Khắc phục bằng cách gia công lại ổ trục và căn chỉnh độ đồng tâm của cụm trục bánh xe.
  • Trục bánh xe chịu tải kém: Thiết kế lại kết cấu trục bánh xe bằng vật liệu có độ bền cao hơn và gia tăng đường kính chịu lực.
  • Hệ thống giảm xóc hoạt động chưa hiệu quả: Căn chỉnh lại góc đặt giảm xóc và điều chỉnh độ cứng đàn hồi của lò xo.
  • Bộ điều khiển hoạt động không ổn định: Xử lý triệt để hiện tượng nhiễu xung từ động cơ công suất bằng cách bổ sung tụ lọc, cách ly tín hiệu và tối ưu đường dây cấp nguồn.
  • Tiếng ồn tại hệ thống nâng hạ ghế ngồi và truyền động di chuyển: Căn chỉnh ray trượt bàn trượt vít me, bố trí cơ cấu căng xích và bôi trơn định kỳ bộ truyền xích con lăn.

Chương 7: Kết luận

Chương cuối tổng kết toàn bộ kết quả đạt được của đồ án, chỉ ra các mặt tồn tại cần tiếp tục khắc phục và đề xuất các định hướng phát triển nhằm nâng cao tính tiện nghi, thẩm mỹ và khả năng tự động hóa cho xe lăn điện.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công một mô hình thực nghiệm xe lăn điện dành cho người khuyết tật với các thông số và tính năng kỹ thuật cụ thể:

  • Hoàn thiện kết cấu khung cơ khí 4 bánh chịu tải trọng người ngồi tối đa 60 kg, gầm cao giúp thích ứng tốt với địa hình phẳng và mấp mô nhẹ.
  • Trang bị hệ thống động cơ điện tổng công suất 500W sử dụng nguồn ắc quy 24VDC, vận hành ổn định qua 3 cấp tốc độ lựa chọn (Đi bộ, Bình thường, Chạy nhanh với vận tốc cực đại đạt 15 km/h).
  • Tích hợp thành công cơ cấu nâng hạ ghế ngồi sử dụng vít me – đai ốc, cho phép người khuyết tật tự thực hiện thao tác lên xuống xe mà không cần sự trợ giúp thể lực từ người khác.
  • Xây dựng mạch điều khiển nhúng sử dụng vi điều khiển PIC16F887, thu nhận tín hiệu mượt mà từ cần gạt Joystick Analog 2 trục, hiển thị trạng thái pin và chế độ vận hành trên màn hình LCD 16x2.
  • Đề xuất giải pháp khóa an toàn liên động: tự động ngắt truyền động di chuyển khi ghế ngồi đang hạ thấp để bảo đảm an toàn cho người sử dụng.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc làm chủ quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo một sản phẩm cơ điện tử y sinh có tính ứng dụng cao, tận dụng nguồn linh kiện sẵn có trên thị trường Việt Nam nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất so với các dòng xe nhập khẩu đắt tiền.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được ghi nhận từ văn bản đồ án bao gồm:

  • Tải trọng thiết kế còn ở mức khiêm tốn (tối đa 60 kg), chưa đáp ứng được người sử dụng có thể trạng lớn.
  • Hệ thống truyền động bằng xích trần và trục vít me còn phát sinh tiếng ồn cơ khí trong quá trình làm việc, đòi hỏi phải bảo dưỡng và bôi trơn thường xuyên.
  • Bộ điều khiển điện tử còn chịu ảnh hưởng nhất định bởi xung nhiễu điện từ khi động cơ làm việc ở chế độ tải nặng.
  • Kết cấu xe chưa tích hợp cảm biến cân bằng góc nghiêng tự động để chống lật khi di chuyển trên địa hình quá dốc.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Nâng cấp kết cấu cơ khí và công suất động cơ để nâng mức tải trọng chịu đựng lên trên 80–100 kg.
  • Nghiên cứu thay thế bộ truyền xích bằng động cơ liền trục (hub motor) hoặc hộp giảm tốc kín nhằm giảm thiểu tiếng ồn và tăng độ bền bỉ.
  • Ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại (như điều khiển PID tốc độ) và tích hợp cảm biến siêu âm/hồng ngoại hỗ trợ phát hiện vật cản tự động cảnh báo cho người điều khiển.
  • Cải tiến khung cơ khí theo hướng cho phép gập gọn để thuận tiện vận chuyển trên các phương tiện công cộng hoặc cốp xe ô tô.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tế hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành:

  • Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp tích hợp hệ thống điều khiển nhúng vi điều khiển PIC16F887 với các khối ngoại vi (ADC từ Joystick, điều chế xung PWM, mạch điều khiển công suất động cơ và màn hình LCD).
  • Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo máy: Tham khảo quy trình tính toán, thiết kế bộ truyền xích ống con lăn, cơ cấu trượt dẫn hướng và bộ truyền vít me – đai ốc nâng hạ chịu tải.
  • Kỹ thuật Y sinh và Thiết bị hỗ trợ: Cung cấp ý tưởng thiết kế các cơ cấu trợ lực lên xuống chuyên biệt dành cho người khuyết tật vận động chi dưới.
  • Người nghiên cứu các đề tài tương tự có thể khai thác giá trị thực nghiệm từ Chương 6 để chủ động nhận diện và xử lý các lỗi kỹ thuật thường gặp (lỗi đảo bánh, thiếu độ cứng vững trục, nhiễu mạch điều khiển và tiếng ồn cơ khí).

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng bộ vi điều khiển nào và giải pháp phần mềm gì để điều khiển hệ thống xe lăn?
Đồ án sử dụng vi điều khiển Microchip PIC16F887 (kiến trúc Harvard) làm bộ xử lý trung tâm. Phần mềm điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ C trên môi trường biên dịch MikroC PRO for PIC và kiểm chứng mô phỏng logic trên phần mềm Proteus trước khi nạp vào phần cứng.

2. Cơ chế an toàn trong quá trình nâng hạ ghế ngồi của xe được thiết lập như thế nào?
Hệ thống được thiết lập logic khóa an toàn liên động: khi cơ cấu ghế ngồi hạ xuống vị trí thấp nhất để đón người khuyết tật lên hoặc xuống xe, hệ thống điều khiển sẽ ngắt toàn bộ mạch cấp nguồn/tín hiệu điều khiển di chuyển, ngăn không cho xe chuyển động để đảm bảo an toàn tuyệt đối.

3. Xe lăn điện trong đồ án có bao nhiêu chế độ vận tốc và tốc độ tối đa đạt được là bao nhiêu?
Xe được thiết kế với 3 chế độ vận hành lựa chọn thông qua công tắc gạt gồm: Đi bộ, Bình thường và Chạy nhanh, với vận tốc tối đa ghi nhận đạt 15 km/h.

4. Trong giai đoạn thử nghiệm thực tế, hệ thống đã gặp những sự cố kỹ thuật nào và giải pháp xử lý ra sao?
Các sự cố gồm: bánh xe bị đảo (gia công lại ổ trục và căn chỉnh mặt bích), trục bánh chịu tải kém (thiết kế lại trục với vật liệu thép bền hơn và tăng đường kính), bộ điều khiển không ổn định (bổ sung mạch lọc nhiễu và cách ly nguồn), cùng tiếng ồn cơ khí ở bộ truyền xích và vít me (căn chỉnh ray trượt, lắp cơ cấu tăng xích và bôi trơn).

5. Giải pháp truyền động chính của xe và cơ cấu nâng hạ yên xe sử dụng nguyên lý nào?
Hệ thống di chuyển sử dụng 02 động cơ điện 24VDC (tổng công suất 500W) truyền động tới trục 2 bánh dẫn động qua bộ truyền xích ống con lăn kết hợp 2 bánh tự lựa. Cơ cấu nâng hạ yên xe sử dụng bộ truyền biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến dạng trục vít me – đai ốc kết hợp bàn trượt nghiêng dẫn hướng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế xe lăn dành cho người tàn tật" của tác giả Trần Lê Quý đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thành công một mẫu xe lăn điện 4 bánh gầm cao tích hợp tính năng nâng hạ ghế ngồi tự động. Sản phẩm thể hiện sự kết hợp hài hòa giữa cơ cấu cơ khí chịu lực và hệ thống điều khiển điện tử nhúng sử dụng PIC16F887 với Joystick Analog trực quan. Các kết quả thực nghiệm và giải pháp khắc phục sự cố được trình bày chi tiết trong đồ án mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật thiết thực cho các nghiên cứu phát triển thiết bị cơ điện tử hỗ trợ người khuyết tật tại Việt Nam.