Nghiên cứu và phát triển xe lăn đa chức năng phục vụ cho người già và tàn tật

iv TÓM TT Xeălĕnăt hành đaăchcănĕngălƠăs kt hợp giaăxeălĕnătruyền thống và thit b hỗ trợ bnh nhân trong vic nâng h xuốngăging bnh. Thit b này có th di chuyn linh hot, giúp lyăđ vt  trên cao, hỗ trợ thayăđi v trí ngi và phc hi chcănĕngăđiăliăchoăngi sử dng.ăĐ có th thc hinăđợc các chcănƠyăđòiăhỏi xeălĕnăphi có h thống khung boăđm về đ bền,ăđ linh hot,ăđ năđnhăcũngă nhăkiu dáng phù hợp viăngi sử dng. Chính vì vy, chúng tôi tin hành thit k h thống khung xe và tính toán li nhằmă đaăraăđợc kt cu tốiă u về khối lợng ca h thốngăkhungăxeănhngăvn boăđm về tính kinh t vƠăkĩăthut. Đ làm đợc nhng nhim v này, chúng tôi sử dng phn mềm soilwork 2010 trong vic thit k và phn mềm ansys trong vic tính toán tốiău. v 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. vi MỤC LỤC LÝ LCH KHOA HC Error! Bookmark not defined. LIăωAMăĐτAσ Error! Bookmark not defined. LI CMăσ Error! Bookmark not defined. TÓM TT Error! Bookmark not defined. SUMMARY Error! Bookmark not defined. ωhngă1.ăTNG QUAN Error! Bookmark not defined. 1.1. Tình hình nghiên cu Error! Bookmark not defined. 1.1.1. σc ngoài Error! Bookmark not defined. 1.1.2. Trongănc 4 1.2. Tính cp thit caăđề tài 7 1.3. Mcătiêuăđề tài 7 1.4. Cách tip cn và hng nghiên cu 8 1.5. Đốiătợng và phm vi nghiên cu Error! Bookmark not defined. 1.6. Ni dung nghiên cu 8 ωhngăβ.ăPHÂN TÍCH VÀ LA CHN KT CU 9 2.1. Quá trình thit k máy và chi tit máy 9 2.2. Phân tích và la chn kt cu 10 2.2.1. Ch đ làm vic ca xe 10 2.2.2. Nguyên lý làm vic ca xe 10 2.3. ωácăphngăánăđề xut choăcăcu di chuyn 11 2.3.1. Di chuyn bằng chân 11 2.3.2. Di chuyn bằng xích 12 2.3.3. Di chuyn bằng bánh xe cao su 13 vii 2.3.4. Các loi bánh xe 15 2.4. ωácăphngăánăđề xutăchoăcăcu nâng 17 2.4.1. ωănơngănơngăbằng xi lanh thy lc 17 2.4.2. ωănơngănơngăbằng ti kéo cáp 18 2.4.3. ωănơngănơngăbằng bánhărĕngăthanhărĕng 19 2.4.4. ωănơngănơngăbằng trc vít meăđaiăốc bi 20 ωhngăγ.ăTHIT K ωăKHệ VÀ TÍNH TOÁN KT CU 22 3.1. Lý thuyt về nhân trc hc trong thit k không gian xe 22 3.2. Thit k căkhí 23 3.2.1. Thit k khung chính 23 3.2.2. Thit k khung nâng 24 3.2.3. Thit k khung gh xoay 25 3.2.4. Lp ráp toàn b h thống khung 25 3.3. Tính toán kt cu xe 27 3.3.1. Chnăđngăcăxoayătrc vít me bi 31 3.3.2. Chnăđngăcăđẩy 33 3.3.3. Chnăđngăcălái 34 3.3.4. Chnăđngăcăxoayăgh ngi 35 3.3.5. Chnăđng đỡ ngi 36 3.4. Đng hcăbánhăláiăxeălĕn 36 ωhngă4. THC NGHIM 39 4.1. Đánhăgiáăkt cu khung xe 39 4.2. Kt qu mô phỏng ng sut và chuyn v ca xe 42 4.2.1. Phngăphápăphn tử hu hn trong phân tích kt cu 42 viii 4.2.2. Kt qu mô phỏng 44 4.3. Thc nghim 53 4.4. Tốiăuăhóaăh thống khung 56 4.4.1. Lý thuyt tốiăuăhóaăkt cu 56 4.4.2. Mô phỏng 57 4.4.β.ăĐánhăgiáăkt qu 59 ωhngă5. KT LUN 60 Tài liu tham kho 61 ix DANH MC CÁC HÌNH Hình 1.1. Các kiểu xe lăn đầu tiên 1 Hình 1.2. Sự phát triển của xe lăn hỗ trợ bệnh nhân 2 Hình 1.3. Xe lăn Permovel 3 Hình 1.4. Sự phát triển của thiết bị nâng hỗ trợ bệnh nhân 3 Hình 1.5. Chiếc xe lăn PET 4 Hình 1.6: Các sản phẩm xe lăn của công ty Kiến Tường 5 Hình 1.7. Xe lăn điện ứng dụng ERGONOMICS 6 Hình 2.1. Mô hình xe lăn đa chức năng 13 Hình 2.2. Sự sắp xếp chân của các loài động vật khác nhau 14 Hình 2.3. Robot di chuyển bằng chân 14 Hình 2.4. Robot di chuyển bằng bánh xích 15 Hình 2.5. XeălĕnăvƠăRobot di chuyển bằng bánh xe 16 Hình 2.6. Các loại bánh xe sử dụng cho mobile robot 17 Hình 2.7. Các cách bố trí bánh xe cho mobile robot 17 Hình 2.8. Cơ cấu di chuyển cho xe lăn đa chức năng 18 Hình 2.9. Mô hình xe lăn sử dụng cơ cấu nâng bằng xi lanh thủy lực 19 Hình 2.10.Mô hình xe lăn sử dụng cơ cấu nâng bằng tời kéo cáp 19 Hình 2.11. Mô hình xe lăn sử dụng cơ cấu nâng bằng bánh răng thanh răng 20 Hình 2.12. Mô hình xe lăn sử dụng cơ cấu nâng bằng trục vít me đai ốc bi 21 Hình 3.1. Các kích thước tham chiếu về nhân trắc học 23 Hình 3.2. Kích thước thiết kế của khung chính 24 Hình 3.3. Kích thước thiết kế của khung nâng 24 Hình 3.4. Kích thước thiết kế của khung ghế xoay 25 Hình 3.5. Lắp ráp hệ thống khung 26 Hình 3.6. Bản vẽ tháo lắp chi tiết của xe lăn đa chức năng 26 Hình 3.7. Sơ đồ hệ thống truyền động của xe lăn 27 Hình 3.8. Bộ truyền vít me đai ốc bi và truyền xích sau khi chế tạo 33 Hình 3.9. Bộ truyền bánh răng nón cho cơ cấu lái sau khi chế tạo 35 x Hình 3.10. Sơ đồ tính lực nâng đỡ người 36 Hình 3.11. Mô hình dẫn động xe lăn 36 Hình 3.12. Mô hình động học hệ thống dẫn động 37 Hình 4.1. Mô hình xe lăn sau khi chế tạo 39 Hình 4.2. Kết quả mô phỏng ứng suất sinh ra tại ổ đỡ khi ghế ngồi ở vị trí cao nhất với góc quay là 180 0 41 Hình 4.3. Kết quả mô phỏng ứng suất ổ bi và trục được tách ra 41 Hình 4.4. Kết quả mô phỏng chuyển vị toàn phần của xe khi ghế ngồi ở vị trí thấp nhất với góc quay là 0 o 42 Hình 4.5. Biểu đồ kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa ứng suất với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (60kg) 46 Hình 4.6. Biểu đồ kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa chuyển vị với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (60kg) 46 Hình 4.7. Biểu đồ kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa ứng suất với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (70kg) 48 Hình 4.8. Biểu đồ mô phỏng thể hiện mối quan hệ giữa chuyển vị với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (70kg) 48 Hình 4.9. Biểu đồ kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa ứng suất với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (80kg) 50 Hình 4.10. Biểu đồ kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa chuyển vị với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (80kg) 50 Hình 4.11. Sơ đồ kiểm tra độ chuyển vị của xe lăn 54 Hình 4.12. Mô hình thí nghiệm đo chuyển vị thực tế 54 Hình 4.13. Đồ thị kết quả đo chuyển vị giữa mô phỏng và thực tế của khung xe 55 Hình 4.14. Mô hình đặt tải và các điều kiện ràng buộc 58 Hình 4.15. Kết quả sau khi tối ưu hóa mẫu số 1 và số 2 58 Hình 4.16. Kết quả mô phỏng ứng suất của mẫu số 1 và số 2 58 Hình 4.17. Kết quả mô phỏng chuyển vị của mẫu số 1 và số 2 59 xi DANH MC CÁC BNG Bảng 2.1. So sánh ưu nhược điểm của các cơ cấu di chuyển 14 Bảng 3.1. Kích thước tham chiếu về nhân trắc học 23 Bảng 3.2. Giá trị áp suất cho phép 28 Bảng 3.3. Giá trị ψ H và ψ h 28 Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật xe lăn 40 Bảng 4.2. Khối lượng của các chi tiết trong máy 41 Bảng 4.3. Cơ tính của các loại thép sử dụng 41 Bảng 4.4. Bảng giá trị ứng suất mô phỏng tại ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 60kg 47 Bảng 4.5. Bảng giá trị chuyển vị mô phỏng tại ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 60kg 47 Bảng 4.6. Bảng giá trị ứng suất tại mô phỏng ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 70kg 49 Bảng 4.7. Bảng giá trị chuyển vị mô phỏng tại ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 70kg 49 Bảng 4.8. Bảng giá trị ứng suất mô phỏng tại ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 80kg 51 Bảng 4.9. Bảng giá trị chuyển vị mô phỏng tại ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 80kg 51 Bảng 4.10. Kết quả sau khi tối ưu 59 1 Chng 1 TNG QUAN Cuc sống ngày cƠngăđợc ci thin do s phát trin mnh m về kinh t xã hi, chtălợng cucăcũngătĕngălênăđiều này làm tui th ca con ngiăcũngătĕngă lên. Theo nghiên cu thì hinănayăhnă10%ădơnăsố ca th gii là nhngăngi trên 60 tuiăvƠăđnănĕmăβ0η0ăthìăt l này s tĕngălênăhnăgpăđôiăvƠăt l tĕngăln nht là nhngăngi 85 tui và nhngăngiăgiƠăhnăna [1]. Theo y ban Quốcăgiaăσgi cao tui Vit Nam cho bit,  Vit Nam số lợng ngi cao tuiăngƠyăcƠngătĕngăvƠătĕngănhanhătrongănhngănĕmăgnăđơy.ăσĕmă1989 tỷ l ngi cao tui chim 7,2% dân số và nĕmăβ007ălƠă9,4η%ă.ăD báo tỷ l này s tĕngăđt bin từ nĕmăβ010ăvƠăcóăth đtă1θ,8%ăvƠoănĕmăβ0β9ă[10]. ωhínhăvìăđiều này mà số lợngăngiădùngăđ chĕmăsócănhngăngiăgiƠăcũngăphi tĕngă theoă đ đápă nhuă cu ca xã hi.ă σhngă theoă mt nghiên cu thì số lợng nhngăngi cn cho vicăchĕmăsócăngiăgiƠăngƠyăcƠngăítăđi,ăvƠoănĕmă19η0 thì có 8ăngiătrngăthƠnhăchĕmăsócăvƠăhỗ trợ mtăngi 65 tui hay lnăhn. Ngày nay t l nƠyălƠăηăngi trên mtăngiăgiƠăvƠăđnănĕmăβ0β0ăthìăch cònăγăngiătrng thƠnhăchĕmăsócămtăngi già [2]. Do tính cht công vic nặng nhc và nhàm chán nên t l này gim là mtăđiều tt yu vì vy rt cn mt thit b hỗ trợ cho nhngăngiăgiƠăđ h có th đc lp trong mi hotăđng hằng ngày. Thit b này có th di chuyn linh hot, giúp lyăđ vt  trên cao, hỗ trợ thayăđi v trí ngi và phc hi chc nĕngăđiăli choăngi sử dng. Đ hiu rõ thêm về tình hình s phát trin ca các thit b hỗ trợ choăngi già và tàn tt,ătôiăđƣătin hành tìm hiu tình hình nghiên cu phát trin ca các thit b này  trongăvƠăngoƠiănc. 2 1.1. Tình hình nghiên cu 1.1.1. σc ngoài Theoănhăđnhănghĩaăthìăxeălĕnă(Wheelchair)ălƠăphngătin hỗ trợ có bánh xe, giúp nhngăngi gặpă khóăkhĕnătrongă vicăđiăli có th di chuynăđợc trong không gian t điăhoặcăcóăngiăkhácăđẩyăđi. Chică xeă lĕnă đuă tiênă đợcăphátă minhănĕmă 1η9η,ă đợc thit k dành cho vua Philip II ca Tây Ban Nha bi mt nhà phát minh vô danh. Hìnhă1.1.ăωácăkiuăxeălĕnăđuătiên [4] σĕmă1θηη,ăStenphenăFarflerălƠămt thợ sửaăđng h b lităβăchơnăđƣăto nên mt chic gh t đẩyăđiătrênăbaăbánh xe. VƠoănĕmă178γ, John Dawson ca thành phố Bath  ncăAnhăđƣăphátăminhăraăchic xeălĕnăđợcăđặt theo tên riêng ca thành phố ψath.ăDawsonăđƣăthit k 2 cái bánh tht ln và thêm 2 cái bánh nhỏ k bên. Chicăxeălĕnăψathăđợc bán rngărƣiăhnătt c nhng xe khác vào nhngănĕmăđu ca th k 19. Tuy nhiên, chicăxeălĕnăca Bath không hoàn toàn thoiămáiăvƠăđƣăcóărt nhiều ci tinăchoăxeălĕnănƠy.ăVƠoănĕmă18θ9,ăquyền sáng ch xeălĕnăđƣăđợc công nhnăvƠăđƣă trìnhălƠngămôăhìnhăđu tiên vi b điều khin bánh xe và nhng cái bánh nhỏ giúp điều khin tốtăhn.ăVƠoănhngănĕmă18θ7-1875, nhngănhƠăphátăminhăđƣăđaăthêm nhng ming cao su rỗngăvƠoăbánhăxeătngăt sử dngătrongăxeăđp trên vành kim [...]... cănĕng cho ng i b nh,ăng i già và tàn t t Ch t o thử nghi m hoàn ch nhă1 xe lĕn đa ch cănĕng. Xe đ ợc thi t k phù hợp v i nh ng tiêuăchíăđóălƠăcóăk t c uăc ăkhíăđ năgi n và hi u qu , kh nĕngădiăchuy n linh ho t, phù hợp v i s n xu t hàng lo t 1.4 CÁCH TI P CẬN, PH NG PHÁP NGHIÊN C U 1 Cách ti p c n Nghiên c u, tham kh o và rút kinh nghi m từ m u xe lĕnădiăđ ng tiêu bi u c a các hãng s n xu t, các vi n nghiên. .. b b nh li t c hai chân Herbert Everest Và k từ đó cho đ n nay các m u xe lĕnăliênăt căđ ợc c i ti n phát tri n c về hình dáng và m căđ linh ho t, chúng giúp cho ng i sử d ng c m th y tho i mái và t tinăh n Hình 1.2 th hi n s phát tri n c a các lo i xe lĕnăc về hình dáng, s ti n lợi Hìnhă1.β.ăS phát tri năc aăcácălo i xe lĕnăhỗătrợăb nhănhơnă[1] G năđơyăcác nhƠ nghiên c uăσh tăd năđ uăb iăMasaharuăKomori,ăm... U 1.ăĐốiăt ợng nghiên c u Đ bền c a xe lĕnăkhiăho tăđ ng có t i tr ng thay đ i,ătínhătoánăcácăc ăc u sao cho b oăđ m về đ bền,ăđ m b o cho xe ho tăđ ng năđ nh và an toàn 2 Ph m vi nghiên c u Nghiên c u các thông số bao g m tốcăđ c a xe, v n tốc nâng h , chiều cao nâng kh nĕngămangăt i,ăđ từ đóăđ aăraăđ ợc thi t k tốiă u 1.6 N I DUNG NGHIÊN C U Nghiên c u thi t k và ch t o ph n k t c uăc ăkhíăbao g... u 2.2.1 Ch đ làm vi c c a xe Xe di chuy n d dàng trên đ a hình bằng phẳng có nềnăđ t c ng V n tốc c a xe là 3 km/h, v n tốc này phù hợp v iăcác xe lĕnăcóăg năđ ngăc ăhỗ trợ ng i già và tàn t t T i tr ng nâng c a xe là 100 kg, chiều cao nâng c a khung là 0,8 m V n tốc nâng c a khung là 0,05 m/s và góc quay c a ngh ng i là 1800 2.2.2 Nguyên lí ho t đ ng H thốngăkhung xe lĕn đa ch cănĕngăbaoăg m ba ph... quay quanh tr c bánh xe và quay quanh đi m ti p xúc v i mặtăđ t Bánh xe tiêu chuẩn có th láiă đ ợc có ba b c t do là quay quanh tr c bánh xe, quay quanh tr c thẳng đ ng và tr cănƠyăđiăquaătơmăc aăbánh xe vƠăquayăquanhăđi m ti p xúc v i mặtăđ t Bánh xe Cartor có hai b c t do là quay tr c bánh xe và tr c thằngăđ ng, tuy nhiên tr c thẳngăđ ngănƠyăkhôngăđiăquaătơmătr c bánh xe Bánh xe Swedish có ba b c... - Bánh xe hình c u t do; tiêu chuẩn d năđ ng; iă đơyă lƠă cácă - Bánh xe tiêu chuẩn t do; - Bánh xe tiêu chuẩnăláiăđ ợc; - Bánh xe - Hai bánh xe đ ợc g n cùng tr c Hình 2.7 Các cách bố trí bánh xe cho mobile robot [3] Đ đ tăđ ợc s tâm c a xe nằm đ đ tăđ ợc s năđ nhătĩnh thì số l ợng bánh xe yêu c u th p nh t là hai, n u tr ng d i tr c nốiăhaiăbánh xe. ăTuyănhiênăđ năđ nh Thôngăth ng kính bánh xe ph i... aăcácăSVăĐHăψáchăkhoaăĐƠăσẵng còn mang tính hỗ trợ sinh ho t tối đa. ăĐơyălƠăđề tài nghiên c u ng d ng ERGONOMICS vào thi t k và ch t o hoàn ch nh m t chi c xe lĕnăđi n v i nhiềuătínhănĕngăph c v cho ng t tăvƠăng i già trong sinh ho tăhƠngăngƠyăvƠăđ ợc th hi n i tàn hình 1.7 T t c các chuy năđ ng c a xe đ ợcăđiều khi n bằng m t c năđiều khi n (Joystick) duy nh t Hình 1.7. Xe lĕnăđi n ngăd ngăERGτστMIωS [9] 6 1.2 TÍNH... ng c đẩyă đ t đẩy về phíaă tr că đ ợc phát minh σĕmă 1900, bánh xe cĕmăđ uătiênăđ ợc xu t hi n và đ ợc sử d ngătrongăbánh xe. ăσĕmă 191θ,ăbánh xe cóămotorăđ uătiênăđ ợc s n xu t LuơnăĐôn σĕmă19γβ,ăkĩăs ăHarryăJenningsăđƣăt oănênăbánh xe lĕnăthépăhìnhăống.ăĐóăchínhălƠă chi c xe thép hình ốngăđ u tiên trên th gi iă t nay Chi c xe nƠyăđ ợc t oănênădƠnh cho ng ng t nh xe đ ợc sử d ng ngày i b n c a Jenny... ba b c t do là quay quanh tr c bánh xe, quay quanh tr căcácăconălĕnăvƠăđi m ti p xúc v i mặtăđ t.Tùy theo m căđíchăvƠăyêuăc uăkĩăthu tămƠăng phù hợp 15 i sử d ng s l a ch n cho Bánh xe tiêu chuẩn Bánh xe tiêu Bánh xe Bánh xe ψánh xe c u chuẩnăcóăth ă Castor Swedish láiăđ ợc Hình 2.6 Các lo i bánh xe sử d ng cho mobile robot [3] Có r t nhiều cách bố trí các bánh xe tùy theo yêu c u,ă tuyă nhiênă d cách... n phẩm T ng ng ωònăcác xe lĕnăt đ ng c ngoài v i chi phí r t cao hình 1.6 th hi n m t trong nh ng s n phẩm m i c a công ty Ki n ng,ăđƣăđ ợcăđ aăraăth tr ngăvƠăđƣăgópăph n hỗ trợ vi c di chuy n c a nh ng i già và tàn t t 5 (a) (b) (c) Hình 1.6 Các s n phẩm xe lĕnăc a công ty Ki năT ng [8] (a). Xe lĕnăv ợtăđ a hình (b). Xe lĕnăđi n (c). Xe lĕnăbƠn đa nĕng N uănh ăcácăthi t k về xe lĕnăđi nătr căđơyăch . kiểu xe lăn đầu tiên 1 Hình 1.2. Sự phát triển của xe lăn hỗ trợ bệnh nhân 2 Hình 1.3. Xe lăn Permovel 3 Hình 1.4. Sự phát triển của thiết bị nâng hỗ trợ bệnh nhân 3 Hình 1.5. Chiếc xe lăn. của xe lăn đa chức năng 26 Hình 3.7. Sơ đồ hệ thống truyền động của xe lăn 27 Hình 3.8. Bộ truyền vít me đai ốc bi và truyền xích sau khi chế tạo 33 Hình 3.9. Bộ truyền bánh răng nón cho cơ. 2.5. Xe lĕnăvƠăRobot di chuyển bằng bánh xe 16 Hình 2.6. Các loại bánh xe sử dụng cho mobile robot 17 Hình 2.7. Các cách bố trí bánh xe cho mobile robot 17 Hình 2.8. Cơ cấu di chuyển cho xe lăn