Trapklimmende rolstoel met PA-17-POT Actuator

Voor mensen met beperkte of geen beenmobiliteit zijn vaak mobiliteitshulpmiddelen nodig die ruw terrein, kleine trapjes, losse treden en besneeuwde omstandigheden aankunnen. Hoewel er rolstoeloplossingen op de markt zijn, pakken die deze uitdagingen vaak niet afdoende aan of zijn ze te duur voor veel gebruikers die betaalbare oplossingen nodig hebben. Het CMD‑project (Collapsible Mobile Device) heeft als doel rolstoelgebruikers essentiële mobiliteitsoplossingen tegen een betaalbare prijs te bieden door een rolstoelaanbouw te ontwikkelen die sterk is geïnspireerd op moderne sneeuwscooters. In dit artikel belichten we de hoogtepunten van het trapklimmende‑rolstoelproject van Team CMD dat onze PA‑17‑POT actuator gebruikt!

Uitdagingen bij het gebruik van rolstoelen

Arshak Petrosyan ging in gesprek met stakeholders Aaron en Emmanuel en focuste op de dagelijkse uitdagingen die zij als studenten ervaren. Deze kernproblemen omvatten de moeilijkheid van rolstoelbediening bij slecht weer, het nemen van hobbels en trappen, en de hoge kosten van deze hulpmiddelen. Topmodellen kunnen meer dan $8.000 CAD kosten en bestaande trapklimmende varianten zelfs meer dan $50.000 CAD. Om deze uitdagingen aan te pakken, zou de ideale oplossing het volgende omvatten:

• Mogelijkheden om trappen te beklimmen, om de meest voorkomende obstakels voor rolstoelgebruikers te overwinnen.
• Zelfbalancering, zodat de rolstoelzitting zichzelf in balans houdt en zich automatisch aanpast op basis van de traphoek voor comfort en veiligheid.
• Functionaliteit voor winterse omstandigheden, om te kunnen omgaan met bijvoorbeeld Canadees winterweer.
• Betaalbare prijsniveaus die financiële drempels verlagen en de toegankelijkheid vergroten.

Het ontstaan van Team CMD

Om de door de stakeholders beschreven problemen aan te pakken, vormde een groep studenten Werktuigbouwkunde van de University of Waterloo Team CMD. Het CMD (Collapsible Mobile Device) is een door studenten geleid ontwerp‑eindproject met als doel rolstoelgebruikers een betaalbare toekomst te bieden met de vrijheid en het comfort om elk terrein te doorkruisen.

Nigel Fernandes - CEO & Manager Businessafdeling

Abhi Gupta - CTO & Manager afdeling Elektronica & Besturing

Mohamed Moustafa - Manager Softwareafdeling

Arshak Petrosyan - CMO & Manager aandrijflijn

Avinash Yarram - Manager chassis & dynamica

Samen zetten zij zich in om het concept van de rolstoel te revolutioneren en deze te veranderen van een barrière in een symbool van vrijheid, onafhankelijkheid en inclusiviteit. 

Het ontwerpen en bouwen van het CMD‑project

Het CMD werkt als een add‑on voor traditionele rolstoelen en stelt gebruikers in staat om ruw terrein, kleine hobbels en trappen in winterse omstandigheden aan te kunnen. Het houdt de gebruiker veilig en comfortabel gedurende een hele dag op één acculading, zonder de rolstoel te hoeven verlaten. Dankzij de functies kunnen gebruikers het apparaat naar behoefte aan‑ en afkoppelen om obstakels buitenshuis te overwinnen. Dit voorkomt de noodzaak om een nieuwe rolstoel te kopen en helpt de afmetingen en het gewicht tot een minimum te beperken. Het chassis is opgebouwd uit vierkante aluminium buizen als sterke maar lichte oplossing, waarbij uitgebreide kracht‑ en bewegingsanalyses zijn uitgevoerd om een effectief ontwerp en structurele integriteit te waarborgen.

CAD‑ontwerpen en schema’s

De software die het meest is gebruikt en het nuttigst was tijdens het ontwerpproces, was SolidWorks voor alle mechanische ontwerpen en de finite‑elementanalyse (FEA). Voor het elektrische werk hielp een programma genaamd RapidHarness om alle elektronica te organiseren en een elektrische kabelboom uit te tekenen, terwijl KiCad werd gebruikt voor alle elektrische schema’s.

De juiste lineaire actuator vinden

Aangezien het CMD buitenshuis geschikte IP‑klassificaties, zware capaciteiten en positionele terugkoppeling vereist, bleek de PA‑17‑8‑2000‑POT industriële lineaire actuator de beste keuze voor deze toepassing. Dit model heeft een gelijkstroommotor met borstels die werkt op 12 VDC, biedt terugkoppeling via een potentiometer en heeft een Slaglengte van 8" die is ontworpen om 2000 lbs kracht aan te kunnen.

Onze BRK‑17 zware montagebeugel zorgt voor een veilige montage tijdens het installatieproces. De actuator wordt gebruikt om de rolstoelzitting te kantelen, zodat de gebruiker evenwijdig aan de grond blijft bij het nemen van trappen. Hiervoor is een kippersysteem toegepast, zoals hieronder geïllustreerd.

Selectie en programmering van microcontrollers

Het team plande oorspronkelijk het STM32 Nucleo‑board als microcontroller, maar koos uiteindelijk voor de Arduino Mega 2560 omdat Arduino‑ondersteuning aanzienlijk toegankelijker is en beter aansluit bij de vaardigheden van het team. De software is ontwikkeld in de programmeertaal C, zodat gebruikers het apparaat eenvoudig kunnen bedienen met twee analoge sticks. Dit geeft de gebruiker de handen vrij om het intuïtieve stuursysteem te bedienen en zorgt er, met behulp van sensor‑terugkoppeling, voor dat de gebruiker tijdens het traplopen veilig en in balans blijft. De sensoren zijn op de microcontroller aangesloten met voldoende stroomvoorziening en GPIO‑poorten.

Bescherming van het elektrische systeem en zekeringen

De berekeningen van de batterijcapaciteit leidden tot de keuze voor een 35Ah‑, 12V‑accu van Fortress Scooters, die ruimschoots voldoende vermogen levert voor langdurig gebruik. Door de accu’s parallel met elkaar te verbinden, werd de totale gebruiksduur van het apparaat vergroot. 

Aangezien het CMD krachtig is en een hoge Stroom trekt uit de loodzuuraccu’s, bestaat het risico dat stroompieken essentiële elektrische componenten beschadigen. Daarom wordt elke belangrijke elektrische component die met de accu’s is verbonden eerst aangesloten op een zekering met de juiste stroomwaarde. Daarnaast is er als veiligheidsvoorziening een noodstopschakelaar geïnstalleerd, waarmee de gebruiker de Stroom naar alle onderdelen van het CMD onmiddellijk kan onderbreken.

Tests en eindresultaten van het CMD

Het CMD‑project was niet alleen een belangrijke leerervaring, maar ook een aanzet om verbeterpunten in het ontwerp te identificeren. Sommige ontwerpbeslissingen werden ingegeven door tijdsbeperkingen, andere door een beperkt budget. Uiteindelijk bedroegen de werkelijke uitgaven $2611.44, wat $940.90 minder is dan de aanvankelijk begrote kosten voor het CMD.  

De huidige CMD‑prototype kan geen gebogen trappen nemen. Met verdere ontwikkeling zal de volgende versie van Team CMD deze beperking echter aanpakken door twee kleinere rupsbanden te integreren, waardoor het vermogen om trappen te manoeuvreren en obstakels te omzeilen wordt vergroot. Voor meer details over het CMD‑project vind je hieronder het PDF‑eindrapport (capstone) en de link naar de website van Team CMD:

Trapklimmende rolstoel Waterloo eindrapport (capstone).pdf

https://cmd-business.webflow.io/

SAMENVATTING

Onze PA‑17‑POT biedt capaciteiten voor zware toepassingen met positionele terugkoppeling, geschikt voor vele toepassingen, waaronder de kantelverstelling van trapklimmende rolstoelen. Dank aan Team CMD van de University of Waterloo voor het delen van jullie geweldige projecten!

We hopen dat je dit net zo informatief en interessant vond als wij, zeker als je op zoek was naar inspirerende ideeën om rolstoelen te upgraden. Als je vragen hebt of onze producten verder wilt bespreken, neem dan gerust contact met ons op! We zijn experts in wat we doen en helpen je graag waar we kunnen.

sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123