Умная инвалидная коляска-трансформер

Привет Хабр!

Хочу рассказать о нашем проекте создания вездеходной инвалидной коляски с электроприводом. В техническом понимании это не просто коляска, а настоящий робот, я бы даже сказал – робот-трансформер.





Какой должна быть эта коляска?

1. Большинство инвалидов не может иметь несколько электроколясок, поэтому она должна быть максимально универсальной. Чтоб на ней можно было передвигаться и дома, и на улице, и в лесу, и чтоб можно было самостоятельно подняться по лестнице и на бордюр залезть. Отсюда же вытекает и второй пункт.
2. Ширина коляски не более 650 мм, чтоб можно было в любой проем и лифт заехать. Длина не более 1100 мм.
   
3. Безопасной.
   
4. Дешевой. Думаю, здесь комментарии излишни.
   
5. Энергоэффективной, так как аккумуляторы стоят дорого.
   

Главный вопрос, требующий кардинальных конструктивных подходов — это, конечно же, подъем по лестнице. Было рассмотрено очень большое количество вариантов реализации, начиная от обычных колес большого диаметра с глубоким протектором и заканчивая колесом-трансформером, превращающимся в шагающее устройство. Везде возникали свои проблемы: какие-то решения не были безопасными, какие-то варианты подходили только под один тип лестниц (определенная высота и глубина ступени) и т.д. Наилучшим вариантом оказался гусеничный движитель.

Наша первая классная идея, обреченная на провал
Идея была следующей: 4 мотор-редуктора (полный привод), поворотное кресло, поворотная задняя платформа и 4 шкив-колеса с натянутыми траками. Фишка шкив-колес в том, что на ровной поверхности трака земли не касается и, соответственно, не создает вибраций и дополнительного трения. Коляска едет на резиновых подушках шкив-колес. А при наезде на препятствие, например на лестницу, трака вступает в зацепление с этим самым препятствием.





Движение по лестнице осуществляется следующим образом:

1. Поворотная платформа опускается для удобного заезда на лестницу.
2. После заезда задняя платформа опускается в одну линию с основной платформой. Таким образом, суммарная длина гусеничной базы обеспечивает хорошее сцепление и безопасность от переворота.
3. При съезде с лестницы задняя платформа опускается вниз для предотвращения резкого падение.

Во время подъема кресло автоматически поворачивается, сохраняя свое горизонтальное положение. Спуск с лестницы происходит точно по такой же схеме, но в обратном порядке.

Создание первого прототипа

Для проверки идеи мы взялись за создание прототипа. Управляющую электронику решили пока не изобретать, а использовать 2 пульта от других электроколясок (каждый из которых управляет 2-ми двигателями). Привода кресла и задней платформы управлялись с помощью трехпозиционных тумблеров.

Изготовление трак – это вообще отдельная история. Основа самодельных трак – это ремни ГРМ от Импрезы. Ремни сшиты между собой. В качестве грунтозацепов были нарезаны сегменты клинового ремня и нашиты саморезами.



Приемы использовались колхозные, так как финансировалось все со своего кармана. Стоимость изготовления 4-х таких трак по чертежам (даже в Китае) начинается от 70 тыс. руб. (включая изготовление оснастки). В результате самодельных трак хватило, чтобы коляска поднялась по лестнице без пассажира. От полезной нагрузки трака порвалась в месте соединения.

На создание первого прототипа ушло около 80 тыс. руб., включая аренду гаражной мастерской.

По результатам испытаний стало ясно:

1. На траке с грунтозацепами подняться по лестнице можно. Даже если ступени разного размера и сколоты.
2. Идея с поворотной задней платформой работает.
3. Схема с шкив-колесом обречена на провал.

Основная проблема заключается в том, что для подъема по лестнице и движения по ровной поверхности нужны принципиально разные скорости и моменты, отличающиеся примерно в 10 раз. Конечно, можно установить приводы большей мощности, тогда при движении на плоскости нагрузка на двигатель будет значительно меньше номинальной, а при подъеме по лестнице напряжение ниже номинального (чтобы снизить скорость). При таком раскладе про низкую стоимость и энергоэффективность можно забыть.

Электроколяска – трансформер.
Было несколько вариантов решения данной проблемы:

1. Сделать редуктор с переключением скоростей. Точнее, 4 редуктора или как минимум 2 (на левую и правую стороны).
2. Гусеницы и колеса вращать от разных приводов.
3. Разделить колесную и гусеничную базы. При этом колесо и трака будут приводиться в движение одним приводом с редукцией на траку.

После плотного анализа и проведенных расчетов выяснилось, что последний вариант самый недорогостоящий и технически реализуемый.



На ровной поверхности гусеничные базы (нижняя и задняя) находятся в крайнем верхнем положении и совершенно не мешают движению коляски. При необходимости преодоления препятствия нижняя и задняя платформы опускаются, и коляска встает на гусеницы. В итоге, за счет механической передачи от вала двигателя до ведущего шкива траки и разницы диаметров колеса и шкива удалось достичь проектной десятикратной разницы в скоростях и моментах.



Реализация идеи в железе
На этот раз к изготовлению прототипа подошли более основательным образом: заказали в Поднебесной нужные траки, привода, закупили электронику. Механическую обработку, лазерную резку и гибку заказали на предприятиях Новосибирска. Сборку и сварку, естественно, осуществляли сами. Все работы как в классическом стартапе проводили в гаражной мастерской.

Управляющая система состоит из пульта и исполнительного модуля, которые общаются по блютузу. Беспроводной пульт особенно необходим в случае, когда инвалид не может сам управлять джойстиком, и коляской управляет сопровождающее лицо. При подъеме на лестницу сопровождающему не нужно тянуться к ручке кресла за джойстиком, держа пульт в руке, он визуально контролирует движение.

Автоматическая система поддержания горизонтальности кресла основана на акселлерометре. Так как система не высокодинамична, можно обойтись без гироскопа и сократить математические расчеты. На механизмах опускания-подъема нижней и задней платформ есть датчики обратной связи. Информация о положении платформ передается на пульт. Питание системы обеспечивается гелиевыми аккумуляторами 24 В (в следующих версиях будем использовать литий-ион).

Испытания проводили на ступенях многоэтажки:


Проблем, требующих решения, все еще достаточно. Но одно можно сказать точно – это работает! На разработку колесно-гусеничной системы с опускающимися платформами подана заявка на патент. Дальнейшие наши действия направлены на доработку электроники, увеличение момента на гусеницах, изменения профиля траки для наилучшего зацепления и, конечно же, создание презентабельного облика продукта.

На тему важности данной разработки мы сняли видеоролик:


Теперь мы сможем дать инвалиду свободу передвижения. Лестница дома, магазина, кинотеатра, пара лестничных пролетов на пути к другу или подруге покажутся для них сущими пустяками.

Источник: habrahabr.ru/post/222645/