(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu và phát triển xe lăn đa chức năng phục vụ cho người già và tàn tật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH QUÂN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN XE LĂN ĐA CHỨC NĂNG PHỤC VỤ CHO NGƯỜI GIÀ VÀ TÀN TẬT NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, năm 2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH QUÂN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN XE LĂN ĐA CHỨC NĂNG PHỤC VỤ CHO NGƯỜI GIÀ VÀ TÀN TẬT NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204 Hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, năm 2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH QUÂN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN XE LĂN ĐA CHỨC NĂNG PHỤC VỤ CHO NGƯỜI GIÀ VÀ TÀN TẬT NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204 Tp Hồ Chí Minh, năm 2012 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ Tên: NGUYỄN MINH QUÂN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 05-01-1985 Nơi sinh: TP.HCM Địa liên lạc: 687, QL13, KP3, P Hiệp Bình Phƣớc, Q Thủ Đức, TP.HCM Điện thoại: 01642193312 Email: minhquancokhimay@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: năm 2007-2009 Nơi học: Trƣờng Đại Học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Địa chỉ: 02-Nguyễn Văn Bảo, P 4, Q Gò Vấp, TP Hồ Chí Minh Nghành học: Cơng nghệ Cơ Khí Cao học Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: năm 2010-2012 Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Địa chỉ: 01-Võ Văn Ngân, P Linh Chiểu, Q Thủ Đức, Tphcm Nghành học: Cơ Khí Máy i Luan van LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 10 năm 2012 ii Luan van LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn công sức tất Thầy, Cô giáo trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh giảng dạy học viên suốt thời gian học tập nghiên cứu trƣờng Học viên xin chân thành cảm ơn tất quý Thầy Cô giáo phịng đào tạo sau đại học Khoa Cơ Khí Máy trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt học viên xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng TS Nguyễn Trƣờng Thịnh tận tình hƣớng dẫn cho học viên trình thực luận văn tốt nghiệp Cuối xin chân thành cảm ơn góp ý chia sẻ tất chị học viên lớp iii Luan van TÓM TẮT Xe lăn tự hành đa chức kết hợp xe lăn truyền thống thiết bị hỗ trợ bệnh nhân việc nâng hạ xuống giƣờng bệnh Thiết bị di chuyển linh hoạt, giúp lấy đồ vật cao, hỗ trợ thay đổi vị trí ngồi phục hồi chức lại cho ngƣời sử dụng Để thực đƣợc chức đòi hỏi xe lăn phải có hệ thống khung bảo đảm độ bền, độ linh hoạt, độ ổn định nhƣ kiểu dáng phù hợp với ngƣời sử dụng Chính vậy, chúng tơi tiến hành thiết kế hệ thống khung xe tính toán lại nhằm đƣa đƣợc kết cấu tối ƣu khối lƣợng hệ thống khung xe nhƣng bảo đảm tính kinh tế kĩ thuật Để làm đƣợc nhiệm vụ này, sử dụng phần mềm soilwork 2010 việc thiết kế phần mềm ansys việc tính tốn tối ƣu iv Luan van ABSTRACT Multi-functional wheelchair is a combination of traditional wheelchair and equipment in support of lifting patients into hospital beds This device can move flexibly, to help get things from above, supports change seating position and movement rehabilitation for users To perform this function requires the wheelchair to ensure system reliability framework, flexibility, reliability and style suit the user Therefore, we conducted system design chassis and recalculate to identify the optimal structure in terms of volume but the system chassis guarantee the economic and technical In oder to make these works, we use software Soilwork 2010 in the design and ANSYS software to calculate optimal Keywords- Optimal structure, wheelchair, Structure analysis v Luan van MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC Error! Bookmark not defined LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined TÓM TẮT Error! Bookmark not defined SUMMARY Error! Bookmark not defined Chƣơng TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Tình hình nghiên cứu Error! Bookmark not defined 1.1.1 Nƣớc Error! Bookmark not defined 1.1.2 Trong nƣớc .4 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Cách tiếp cận hƣớng nghiên cứu 1.5 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Error! Bookmark not defined 1.6 Nội dung nghiên cứu Chƣơng PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU .9 2.1 Quá trình thiết kế máy chi tiết máy 2.2 Phân tích lựa chọn kết cấu 10 2.2.1 Chế độ làm việc xe 10 2.2.2 Nguyên lý làm việc xe 10 2.3 Các phƣơng án đề xuất cho cấu di chuyển 11 2.3.1 Di chuyển chân 11 2.3.2 Di chuyển xích .12 2.3.3 Di chuyển bánh xe cao su 13 vi Luan van 2.3.4 Các loại bánh xe 15 2.4 Các phƣơng án đề xuất cho cấu nâng 17 2.4.1 Cơ nâng nâng xi lanh thủy lực 17 2.4.2 Cơ nâng nâng tời kéo cáp 18 2.4.3 Cơ nâng nâng bánh 19 2.4.4 Cơ nâng nâng trục vít me đai ốc bi 20 Chƣơng THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ TÍNH TỐN KẾT CẤU 22 3.1 Lý thuyết nhân trắc học thiết kế không gian xe 22 3.2 Thiết kế khí 23 3.2.1 Thiết kế khung 23 3.2.2 Thiết kế khung nâng .24 3.2.3 Thiết kế khung ghế xoay 25 3.2.4 Lắp ráp toàn hệ thống khung 25 3.3 Tính tốn kết cấu xe 27 3.3.1 Chọn động xoay trục vít me bi 31 3.3.2 Chọn động đẩy 33 3.3.3 Chọn động lái 34 3.3.4 Chọn động xoay ghế ngồi 35 3.3.5 Chọn động đỡ ngƣời .36 3.4 Động học bánh lái xe lăn 36 Chƣơng THỰC NGHIỆM .39 4.1 Đánh giá kết cấu khung xe 39 4.2 Kết mô ứng suất chuyển vị xe .42 4.2.1 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn phân tích kết cấu 42 vii Luan van Bảng 4.6 Bảng giá trị ứng suất mô ổ trục (MPa) trƣờng hợp ngƣời có khối lƣợng 70kg Độ cao Vị trí (độ) 45 90 135 180 225 893.7 1024.4 1154 1193 1154 270 315 1024.4 893.7 360 917 917 200 956 991 1110 1262 1282 1262 1110 991 956 400 1038 1027 1151 1328 1330 1328 1151 1027 1038 600 1073 1041 1186 1364 1381 1364 1186 1041 1073 700 1089 1056 1201 1376 1401 1376 1201 1056 1089 Bảng 4.7 Bảng giá trị chuyển vị mơ tồn phần lớn khung nâng trƣờng hợp ngƣời có khối lƣợng 70Kg Độ cao Vị trí (độ) 45 90 135 180 225 270 315 360 2.83 2.81 3.1 3.23 3.55 3.23 3.1 2.81 2.83 200 3.2 3.31 3.56 3.78 3.87 3.78 3.56 3.31 3.2 400 3.71 3.67 4.02 4.29 4.26 4.29 4.02 3.67 3.71 600 4.12 4.08 4.46 4.75 4.8 4.75 4.46 4.08 4.12 700 4.35 4.29 4.7 4.97 5.06 4.97 4.7 4.29 4.35 49 Luan van Hình 4.8 Đồ thị mơ mối quan hệ ứng suất góc quay tƣơng ứng với chiều cao nâng Hình 4.7: Đồ thị mơ mối quan hệ chuyển vị góc quay tƣơng ứng với chiều cao nâng 50 Luan van Bảng 4.8 Bảng giá trị ứng suất mô ổ trục (MPa) trƣờng hợp ngƣời có khối lƣợng 80kg Độ cao (mm) Vị trí (độ) 45 90 135 180 225 270 315 360 1025 1001 1140 1301 1332 1301 1140 1001 1025 200 1069 1088 1240 1406 1435 1406 1240 1088 1069 400 1155 1128 1286 1474 1495 1474 1286 1128 1155 600 1197 1162 1320 1524 1542 1524 1320 1162 1197 800 1221 1183 1350 1528 1564 1528 1350 1183 1221 Bảng 4.9 Bảng giá trị chuyển vị mơ tồn phần lớn khung nâng trƣờng hợp ngƣời có khối lƣợng 80Kg Độ cao (mm) Vị trí (độ) 45 90 135 180 225 270 315 360 3.18 3.15 3.47 3.66 3.75 3.66 3.47 3.15 3.18 200 3.56 3.66 4.02 4.24 4.32 4.24 4.02 3.66 3.56 400 4.15 4.06 4.5 4.77 4.85 4.77 4.5 4.06 4.15 600 4.6 4.54 4.96 5.3 5.35 5.3 4.96 4.54 4.6 800 4.85 4.78 5.25 5.55 5.65 5.55 5.25 4.78 4.85 51 Luan van Hình 4.9 Đồ thị kết mô mối quan hệ ứng suất góc quay tƣơng ứng với chiều cao nâng Hình 4.10 Đồ thị kết mơ mối quan hệ chuyển vị góc quay tƣơng ứng với chiều cao nâng Nhận xét kết mô phỏng: Từ kết nhƣ hình 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 4.10 ta kết luận nhƣ sau: 52 Luan van - Ứng suất chuyển vị tăng cao độ ghế ngồi tăng giá trị lớn ghế ngồi vị trí cao - Ứng suất chuyển vị tăng góc quay tăng cực đại góc 1800, sau ứng suất chuyển vị giảm góc quay tăng lớn 1800 - Ứng suất chuyển vị tăng khối lƣợng tải trọng tăng 4.3 Thực nghiệm Sau mơ hình xe lăn đa chức đƣợc chế tạo tiến hành thí nghiệm đo chuyển vị thực tế khung xe có tải trọng Thí nghiệm đƣợc mơ tả nhƣ sau bánh xe xe lăn đƣợc cố định ngƣời điều khiển khung nâng lên đến vị trí cao Sau đồng hồ so đƣợc đặt vào vị trí khung cần đo độ chuyển vị Tiếp theo ngƣời ngồi xe điều khiển cho khung ghế xoay từ vị trí 00 đến vị trí 1800 để xác định độ chuyển vị vị trí cần khảo sát hình 4.11 thể thí nghiệm hình 4.12 thể cách đo chuyển vị thực tế Tiến hành đo chuyển vị thực tế khung xe có tải trọng so sánh với kết mô phần mềm ansys Với dụng cụ đo đồng hồ so với độ xác 0.01mm khối lƣợng ngƣời tham gia thí nghiệm 62Kg tƣơng đƣơng với trọng lƣợng 620N Thí nghiệm thực kết đo vị trí có ứng suất chuyển vị lớn khung nâng vị trí cao tƣơng ứng với góc quay ghế ngồi từ đến 1800 53 Luan van Đồng hồ đo, Khung đo chuyển vị Hình 4.11 Sơ đồ kiểm tra độ chuyển vị khung xe lăn Hình 4.12 Mơ hình thí nghiệm đo chuyển vị thực tế 54 Luan van Hình 4.13 Đồ thị kết đo chuyển vị mô thực tế khung xe Qua biểu đồ hình 4.13 thể kết chuyển vị mơ đo thực tế có sai số khoảng 15% ta thấy chuyển vị đo thực tế lớn khơng đồng vật liệu, chế tạo có sai số liên kết chủ yếu mối hàn q trình đo có sai số Tuy nhiên khung bảo đảm độ bền Qua phƣơng pháp thu thập liệu mô kết cấu khung xe lăn chịu tải trọng khác vị trí (cao độ, góc quay) khác độ bền đƣợc bảo đảm, độ cứng tức chuyển vị lớn dẫn đến độ ổn định không cao Qua thực nghiệm chuyển vị khung nâng, khung có chuyển vị riêng cao nhất, độ sai lệch phép đo thực tế mô vào khoảng 15% Một số vấn đề gặp phải trình đo thực nghiệm làm xuất sai số: dụng cụ đo điều kiện đo không đạt yêu cầu, đo chuyển vị riêng khung nâng cần đo chuyển vị riêng khung chính, bên cạnh đo chuyển vị riêng theo phƣơng Y( phƣơng có chuyển vị lớn nhất) xuất chuyển vị phƣơng khác mà thực tế khơng có đủ phƣơng tiện để đo đạc.Tuy nhiên kết mô kết cấu khung đạt đƣợc phù hợp với trình thực nghiệm xe đảm bảo độ bền, chuyển vị 55 Luan van lớn khung nâng khung ghế xoay, độ ổn định không cao dẫn đến tần số dao động lớn trình xe hoạt động Những vấn đề cịn tồn tại: Từ kết mơ kết cấu khung xe trình hoạt động thực tế cho thấy vấn đề nhƣ sau:  Độ cứng hệ thống đƣợc đảm bảo  Do khả giữ lại hình thái biến dạng ban đầu khơng cao nên dao động lớn hoạt động, tính ổn định không cao  Chuyển vị tƣơng đối lớn Đề xuất phƣơng pháp giải vấn đề:  Cần thêm liên kết khung số khung số để đảm bảo tính ổn định, chống giao động xe thay đổi giảm chuyển vị  Cần tối ƣu hóa kích thƣớc để giảm khối lƣợng cho hệ thống, giảm giá thành 4.4 Tối ƣu hóa kết cấu 4.4.1 Lí thuyết tối ƣu kết cấu Từ mơ hình đƣợc xây dựng ta nhận thấy toán tối ƣu hố kết cấu [15] đặt có: Biến thiết kế: Là thơng số đặc trƣng kích thƣớc mặt cắt ngang dầm kết cấu, hay phần tử mơ hình cần tối ƣu Biến trạng thái: Là điều kiện ràng buộc hay giới hạn giá trị ứng suất cực đại tất phần tử, đảm bảo độ bền kết cấu tất trƣờng hợp chịu tải Hàm mục tiêu: Mong muốn đặt cực tiểu hố tổng khối lƣợng tồn kết cấu, vật liệu đồng đẳng hƣớng nên xem hàm mục tiêu tổng thể tích tất phần tử mơ hình 56 Luan van Giả sử kết cấu chia thành G nhóm, nhóm kí hiệu nhóm g Trong nhóm, cấu kiện có số thứ tự I, cấu kiện cuối có số thứ tự Ii Gọi tổng chiều dài cấu kiện nhóm g Lg, diện tích nhóm g Ag Vậy giá vật liệu kết cấu C  G  C  g 1 g g Ag Lg (4.7) Cg - giá vật liệu đơn vị trọng lƣợng Hàm C phƣơng trình (4.7) gọi hàm mục tiêu hay hàm giá Để tiến hành cơng việc tối ƣu hóa cho hệ thống khung xe lăn đa chức năng, tiến hành khảo sát vị trí nâng góc quay để tìm ứng suất chuyển vị lớn hệ thống khung 4.4.2 Mơ Sau tìm vị trí sinh ứng suất chuyển vị lớn Chúng sử dụng phần mềm ansys 13 cho việc mơ tính tốn ứng suất độ biến dạng hệ thống khung xe vị trí Với tải trọng đặt ghế ngồi có giá trị 2000N điều kiện ràng buộc đƣợc thể nhƣ hình 4.14 Hình 4.15 biểu diễn kết sau tối ƣu, vùng màu cam vùng bị bỏ điều làm cho khối lƣợng khung xe giảm nhƣng bảo đảm điều kiện bền Từ kết mơ từ hình 4.15, 4.16, 4.17 Chúng đƣa so sánh hai mẫu1và 2, bảng thể kết khối lƣợng, ứng suất chuyển vị sau tối ƣu 57 Luan van Hình 4.14 Mơ hình đặt tải điều kiện ràng buộc Hình 4.15 Kết mơ sau tối ƣu hóa mẫu số số Hình 4.16 Kết mơ ứng suất mẫu số số 58 Luan van Hình 4.17 Kết mơ chuyển vị mẫu số số 4.4.3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Kết ứng suất độ biến dạng hai hệ thống khung xe trƣớc sau thiết kế lại khơng có nhiều thay đổi Nhƣng mặt khối lƣợng khung xe giảm đáng kể nhƣ hình dạng khung trở nên thẩm mĩ gọn nhẹ Tuy nhiên công việc chế tạo địi hỏi cơng nghệ cao Bảng 4.10 Kết sau tối ƣu hai mẫu STT Khối lƣợng (Kg) Ứng suất (Mpa) Chuyển vị (mm) Mẫu 53.604 181.89 19.222 Mẫu 47.196 184.45 19.384 59 Luan van Chƣơng KẾT LUẬN Xe lăn đa chức kết hợp xe lăn truyền thống thiết bị hỗ trợ bệnh nhân việc nâng hạ xuống giƣờng bệnh Thiết bị di chuyển linh hoạt, giúp lấy đồ vật cao, hỗ trợ thay đổi vị trí ngồi phục hồi chức lại cho ngƣời sử dụng Để thực đƣợc chức địi hỏi xe lăn phải có hệ thống khung bảo đảm độ bền, độ linh hoạt, độ ổn định nhƣ kiểu dáng phù hợp với ngƣời sử dụng Qua việc thiết kế tính tốn lại dựa phần mềm kĩ thuật việc tối ƣu hóa hệ thống khung xe đem lại nhiều hiệu khơng làm giảm khối lƣợng khung xe mà cịn đƣa đƣợc hình dáng kết cấu tối ƣu mà đảm bảo yêu cầu kĩ thuật độ bền Công việc tiếp tục cải thiện hình dáng, giảm thêm khối lƣợng xe, cải tiến cho xe lắp ráp xếp gọn gàng để thuận tiện cho việc vận chuyển sử dụng vật liệu nhẹ để bảo đảm tính kinh tế kĩ thuật 60 Luan van Tài liệu tham khảo Pollack, M (2004) Intelligent Technology for Adaptive Aging Presentation, AAAI-04 American Association for Artificial Intelligence Conference Keynote Address, 2004 Wasatch Digital iQ (2003) “InTouch Healthxs Remote Presence Robot Used by Healthcare Experts Roland Siegwart and Illah R Nourbakhsh “Introduction to Autonomous Mobile Robots” 2004 Massachusetts Institute of Technology http://bandotiepcan.wordpress.com/2012/02/17/lich_su_xe_lan/ http://www.geeky-gadgets.com/disabled-u-k-man-forbidden-to-ride-histracked-wheelchair-22-012011/&docid=83uXPk748vfZSM&imgurl http://www.smosh.com/smosh-pit/photos/20-drive-thru-rebels http://pwd.vn/tu-xe-lan-dien-ap-u-giac-mo-oto-dien.html http://www.kientuong.net/Pages/xelanxelac.aspx http://www.ud.edu.vn/posts/view/347/83/sinh-vien-dai-hoc-bach-khoa-dhda-nang-thiet-ke-xe-lan-dien-cho-nguoi-khuyet-tat.html 10 http://www.vietnamplus.vn/Home/2010-Ty-le-nguoi-cao-tuoi-Viet-Nam-setang-dot-bien/200812/2477.vnplus 11 http://www.slipperybrick.com/2007/06/hubo-fx-1-walking-chair-robot/ 12 http://roymechx.co.uk/Useful_Tables/Human/Human_sizes.html 13 http://www.docstoc.com/docs/31477434/anthropometric-data 14 Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, NXB ĐHQGTP Hồ Chí Minh, 2004 61 Luan van 15 Chu Quốc Thắng, Phƣơng pháp phần tử hữu hạn, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 1997 16 Võ Nhƣ Cầu, Tính kết cấu theo phƣơng pháp tối ƣu, NXB XÂY DỰNG, 2003 62 Luan van S K L 0 Luan van ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH QUÂN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN XE LĂN ĐA CHỨC NĂNG PHỤC VỤ CHO NGƯỜI GIÀ VÀ TÀN TẬT NGÀNH:... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH QUÂN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN XE LĂN ĐA CHỨC NĂNG PHỤC VỤ CHO NGƯỜI GIÀ VÀ TÀN TẬT NGÀNH:... chuyển ngƣời già tàn tật Luan van (a) (b) (c) Hình 1.6 Các sản phẩm xe lăn công ty Kiến Tƣờng [8] (a) Xe lăn vƣợt địa hình (b) Xe lăn điện (c) Xe lăn bàn đa Nếu nhƣ thiết kế xe lăn điện trƣớc