Metodi di progettazione industriale - Tesina "Carrozzina innovativa per disabili"

TP = C (4)s η ηcing trasm

Dove v è la velocità, C è un coefficiente di sicurezza che tiene conto della potenza necessaria allo spunto, η ed η sono rispettivamente il rendimento di cingoli, che tiene conto delle perdite imputabili agli attriti presenti nei cingoli, e il rendimento di trasmissione tra motore e pulegge dei cingoli.

Mentre F è la forza di trazione necessaria, calcolabile banalmente ipotizzando un’accelerazione Ta costante per un certo ∆t tramite l’Eq. 5. u (5)F = ma + F = m a + gaT R m

In cui m è la massa complessiva carrozzina-persona pari a 190 kg; a supposta pari a 0.1 ; g è sul’accelerazione di gravità; è il rapporto tra la distanza del risultante delle pressioni di contatto R tra ruota e terreno dall’asse baricentrico della ruota in direzione longitudinale ed il raggio R della ruota del cingolo, supposto pari a 0,025.

Da tali valori si è calcolato semplicemente la F e assumendo C = 1.5 , η = 0.8, η = ...

1. 0.7s cing trasmTsi è ottenuta una potenza P = 292.8 W
2. Durante la salita poichè i cingoli sono a contatto con gli spigoli dei gradini il termine relativo

Riferimento: Invacare G1

8 32 8 32sedile

Robustezza strutturale 4 7 28 7 28

Leggerezza sistema 5 8 40 7 35

Complessità del meccanismo 3 7 21 6 18

Punteggio totale 314 323

Classifica 2 1

Figura 48: Screening e scoring funzione variazione altezza da terra

Figura 49: Concept finale

All'attrito volvente può essere trascurato. Si è trascurato inoltre il termine dovuto alle forze d'inerzia, considerando soltanto la componente del peso in direzione parallela alle scale F = mg sin(α) dove α = 40 gradi, si è ottenuta una potenza P = 891.4 W, ovvero la massima potenza meccanica. Sono stati installati quindi 2 motori DC brushed con una potenza meccanica massima erogabile ciascuno pari a P = 446 W. La potenza elettrica assorbita dal motore vale P = 594.7 W, dove si è assunto η = 0.75. Si installano quindi due motori che hanno le seguenti caratteristiche:

• 24 V
• 600 W el
• diametro esterno di 11.4

cm• ingombro longitudinale di 10 cm

• velocità nominale 2500 rpm

• massa 9 kg

Poichè la velocità di rotazione dei cingoli alla velocità di 6 km/h in piano è pari a N = 212 rpm, è necessario chiedere ad un’azienda specializzata la produzione di due motori DC accoppiati ad un riduttore con un rapporto di trasmissione costante pari a τ = 0.08.

Figura 50: Motore DC 24V - 450 W - con riduttore

4.1.2 Batterie

Si sono scelte di conseguenza due batterie da 24 V. La corrente erogata da ciascuna è pari a P elI = 24.8 A e considerando un funzionamento a massima potenza per 2 ore la capacità della batteria deve essere C = It = 24.8 A * 2 h = 49.6 Ah.

Si installano allora 2 batterie al Litio con le seguenti caratteristiche:

• 24 V

• 50 Ah

• dimensioni 28 x 19 x 7 cm

• massa CENCIONI

Si determina infine l’autonomia della batteria quando la carrozzina procede in piano alla velocità massima di 6 km/h, considerando prima la potenza in regime

stazionario pari a P =F vT = 208 W erogata dai due motori. Successivamente la potenza elettrica assorbitaC s η ηcing trasm 50Figura 51: Batteria al litio 24V - 50 AhP/2 = 163 W e quindi la corrente che deve erogare la batteriadal singolo motore è pari P =el ηDCvale I = 6.8 A. CL’autonomia è dunque t = = 7.35 h, la quale risulta eccessiva poichè si è trascurata la coppiaIallo spunto e quindi i vari transitori; considerando la probabilità di avere tali transitori in uncerto periodo di tempo si rimarrebbe comunque in condizioni cautelative sulla durata.

4.1.3 Attuatore rotativoPer la rotazione dei cingoli mobili si è scelto un attuatore rotativo elettromagnetico in grado diessere controllato elettronicamente; viene mostrato in figura 52.

Figura 52: Attuatore rotativo

4.1.4 Sistema di trasmissione cingolidisegno trasmissione

4.1.5 Sistema di variazione altezza e inclinazione sedileIl sistema di variazione altezza da terra è quello mostrato in figura 44(e) funge

Anche da meccanismo di inclinazione del sedile durante le fasi di salita/discesa gradino/scale, in particolare:

1. Si inclina utilizzando l'attuatore facendo ruotare il braccio 1
2. Si inclina utilizzando l'attuatore facendo ruotare il braccio 2

Il primo si ha nel caso di salita/discesa scale e discesa gradino mentre la seconda nel caso di salita gradino.

514.2 Logica di controllo

Salita gradino

Partendo dalla condizione di marcia in piano si ha una configurazione che prevede entrambi i cilindri sollevati.

Si considera che l'utente effettui la salita del gradino in marcia avanti.

In prossimità del gradino l'utente tramite un pulsante attiva il funzionamento di due sensori di distanza laser situati nella parte anteriore della carrozzina.

Un sensore S1 è posizionato ad un'altezza rispetto al terreno pari a 10 cm; l'altro S2 è posizionato sulla verticale passante per S1 ad un'altezza rispetto al terreno pari a 20.5 cm.

Nell'avvicinamento al

gradino S1 rileva una distanza d1 e S2 rileva la distanza d2.

Se d2 è uguale a d1 allora vuol dire che il gradino è più alto di 20 cm e quindi il superamento del gradino è automaticamente bloccato e la centralina comunica all'utente un apposito messaggio.

Se invece d2 è maggiore di d1 allora vuol dire che il gradino è minore di 20 cm e quindi il superamento è consentito.

In questo caso la centralina 'comanda' alla carrozzina di avanzare fino a che la distanza d1 è pari a 20 cm.

Questo perché fissando l'altezza massima del gradino pari a 20 cm, tale distanza d1 comporta un'inclinazione del cingolo di 45 gradi che è ritenuta accettabile per il superamento del gradino.

Nel caso in cui il gradino abbia un'altezza inferiore ai 20 cm si avrà una diversa inclinazione del cingolo ma il superamento sarà comunque garantito.

Raggiunta la distanza d1 la centralina 'comanda' all'attuatore rotativo anteriore di abbassare il cingolo.

cingolo fino a riportare la carrozzina nella configurazione di marcia in piano.

Salita scale Partendo dalla condizione di marcia in piano si ha una configurazione che prevede entrambi i cingoli sollevati. Si considera che l'utente effettui la salita delle scale in marcia all'indietro. Analogamente alla parte anteriore, anche posteriormente sono applicati 2 sensori S3 e S4 di distanza laser per valutare la possibilità della carrozzina di salire le scale e per posizionare la carrozzina alla giusta distanza dal primo gradino. Se l'altezza del gradino è minore di 20 cm allora il cingolo anteriore viene ruotato fino a quando non entra in contatto con il terreno e il cingolo mobile posteriore si porta a contatto con lo spigolo del gradino. Tale contatto viene assicurato dal raggiungimento di un certo valore di coppia da parte dell'attuatore rotativo che viene comunicato alla centralina affinché essa comandi ai motori di iniziare la salita delle scale. Durante la salita

L'inclinometro a telaio verifica che la pendenza delle scale sia inferiore a quella massima consentita, altrimenti la centralina blocca i motori e comunica all'utente un messaggio di allerta.

Un secondo inclinometro permette di mantenere l'inclinazione del sedile costante durante l'intera procedura di salita scale.

Per garantire una maggiore stabilità della carrozzina viene abbassato il cingolo posteriore fino a portarlo allineato con gli altri cingoli.

Data la lunghezza dei cingoli tutti distesi, la carrozzina avrà terminato la salita delle scale senza che il cingolo anteriore sia entrato in contatto con l'ultimo gradino.

Quindi la configurazione finale con la carrozzina sul piano orizzontale prevede i due cingoli anteriore e posteriore allineati a quello intermedio.

Sarà l'utente che comanderà alla centralina di tornare alla configurazione di marcia in piano facendo alzare i due cingoli.

Discesa gradino Partendo

Dalla condizione di marcia in piano si ha una configurazione che prevede entrambi i cingoli sollevati. Si considera che l'utente effettui la discesa del gradino in marcia avanti. Mentre la carrozzina si avvicina al gradino un sensore di distanza laser posizionato sotto la pedana rileva la distanza h1. Viene fatta poi avanzare la carrozzina fino a che il sensore non rileva una distanza h2 maggiore di h1. La centralina misura la differenza h2-h1, pari all'altezza del gradino. Se questa è maggiore di 20 cm la centralina interviene cambiando le polarità del motore.