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 0 3 6 0 8

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012


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


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


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC
Họ và Tên: NGUYỄN MINH QUÂN

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 05-01-1985

Nơi sinh: TP.HCM

Địa chỉ liên lạc: 687, QL13, KP3, P. Hiệp Bình Phƣớc, Q. Thủ Đức, TP.HCM
Điện thoại: 01642193312

Email:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
1. Đại học
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo: năm 2007-2009

Nơi học: Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh
Địa chỉ: 02-Nguyễn Văn Bảo, P. 4, Q. Gò Vấp, TP. Hồ Chí Minh.
Nghành học: Công nghệ Cơ Khí
2. 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


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất cứ công trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 10 năm 2012

ii


LỜI CẢM ƠN

Học viên xin chân thành cảm ơn công sức của tất cả các Thầy, Cô giáo trƣờng
Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy học viên trong
suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng. Học viên xin chân thành cảm ơn tất
cả quý Thầy Cô giáo của phòng đào tạo sau đại học và 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 đối với thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng và TS. Nguyễn
Trƣờng Thịnh đã tận tình hƣớng dẫn cho học viên trong quá trình thực hiện luận
văn tốt nghiệp.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn sự góp ý và chia sẻ của các tất cả các chị học
viên trong lớp.

iii


TÓM TẮT

Xe lăn tự hành đa chức năng là sự kết hợp giữa xe lăn truyền thống và thiết bị
hỗ trợ bệnh nhân trong việc nâng hạ xuống giƣờng bệnh. Thiết bị này có thể di
chuyển linh hoạt, giúp lấy đồ vật ở trên cao, hỗ trợ thay đổi vị trí ngồi và phục hồi
chức năng đi lại cho ngƣời sử dụng. Để có thể thực hiện đƣợc các chức này đòi hỏi
xe lăn phải có hệ thống khung bảo đảm về độ bền, độ linh hoạt, độ ổn định cũng
nhƣ kiểu dáng phù hợp với ngƣời sử dụng. Chính vì vậy, chúng tôi tiến hành thiết
kế hệ thống khung xe và tính toán lại nhằm đƣa ra đƣợc kết cấu tối ƣu về khối
lƣợng của hệ thống khung xe nhƣng vẫn bảo đảm về tính kinh tế và kĩ thuật. Để làm
đƣợc những nhiệm vụ này, chúng tôi sử dụng phần mềm soilwork 2010 trong việc

thiết kế và phần mềm ansys trong việc tính toán tối ƣu.

iv


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


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 1. TỔNG QUAN ........................................ Error! Bookmark not defined.
1.1. Tình hình nghiên cứu ........................................ Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Nƣớc ngoài ................................................... Error! Bookmark not defined.

1.1.2. Trong nƣớc .....................................................................................................4
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................7
1.3. Mục tiêu đề tài ....................................................................................................7
1.4. Cách tiếp cận và hƣớng nghiên cứu ....................................................................8
1.5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................... Error! Bookmark not defined.
1.6. Nội dung nghiên cứu ...........................................................................................8
Chƣơng 2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU ...............................................9
2.1. Quá trình thiết kế máy và chi tiết máy ................................................................ 9
2.2. Phân tích và lựa chọn kết cấu ...........................................................................10
2.2.1. Chế độ làm việc của xe .................................................................................10
2.2.2. Nguyên lý làm việc của xe ...........................................................................10
2.3. Các phƣơng án đề xuất cho cơ cấu di chuyển ..................................................11
2.3.1. Di chuyển bằng chân ....................................................................................11
2.3.2. Di chuyển bằng xích .....................................................................................12
2.3.3. Di chuyển bằng bánh xe cao su ....................................................................13

vi


2.3.4. Các loại bánh xe............................................................................................ 15
2.4. Các phƣơng án đề xuất cho cơ cấu nâng ..........................................................17
2.4.1. Cơ nâng nâng bằng xi lanh thủy lực ............................................................. 17
2.4.2. Cơ nâng nâng bằng tời kéo cáp ....................................................................18
2.4.3. Cơ nâng nâng bằng bánh răng thanh răng ....................................................19
2.4.4. Cơ nâng nâng bằng trục vít me đai ốc bi ......................................................20
Chƣơng 3. THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ................................ 22
3.1. Lý thuyết về nhân trắc học trong thiết kế không gian xe ..................................22
3.2. Thiết kế cơ khí ..................................................................................................23
3.2.1. Thiết kế khung chính ....................................................................................23
3.2.2. Thiết kế khung nâng .....................................................................................24

3.2.3. Thiết kế khung ghế xoay ..............................................................................25
3.2.4. Lắp ráp toàn bộ hệ thống khung ...................................................................25
3.3. Tính toán kết cấu xe ..........................................................................................27
3.3.1. Chọn động cơ xoay trục vít me bi ................................................................ 31
3.3.2. Chọn động cơ đẩy .........................................................................................33
3.3.3. Chọn động cơ lái ...........................................................................................34
3.3.4. Chọn động cơ xoay ghế ngồi ........................................................................35
3.3.5. Chọn động đỡ ngƣời .....................................................................................36
3.4. Động học bánh lái xe lăn ..................................................................................36
Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM .....................................................................................39
4.1. Đánh giá kết cấu khung xe ................................................................................39
4.2. Kết quả mô phỏng ứng suất và chuyển vị của xe .............................................42
4.2.1. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong phân tích kết cấu ................................ 42

vii


4.2.2. Kết quả mô phỏng .........................................................................................44
4.3. Thực nghiệm .....................................................................................................53
4.4. Tối ƣu hóa hệ thống khung ...............................................................................56
4.4.1. Lý thuyết tối ƣu hóa kết cấu .........................................................................56
4.4.2. Mô phỏng .....................................................................................................57
4.4.2. Đánh giá kết quả ...........................................................................................59
Chƣơng 5. KẾT LUẬN ............................................................................................. 60
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................61

viii


DANH MỤC 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. Xe lăn và Robot 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

ix

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 1800 ...................................................................... 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 0o .................................................................. 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

x


DANH MỤC CÁC BẢNG
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 ψH và ψh ..................................................................................... 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

xi


Chƣơng 1

TỔNG QUAN
Cuộc sống ngày càng đƣợc cải thiện do sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế xã
hội, chất lƣợng cuộc cũng tăng lên điều này làm tuổi thọ của con ngƣời cũng tăng
lên. Theo nghiên cứu thì hiện nay hơn 10% dân số của thế giới là những ngƣời trên
60 tuổi và đến năm 2050 thì tỉ lệ này sẽ tăng lên hơn gấp đôi và tỉ lệ tăng lớn nhất là
những ngƣời 85 tuổi và những ngƣời già hơn nữa [1].
Theo Ủy ban Quốc gia Ngƣời cao tuổi Việt Nam cho biết, ở Việt Nam số lƣợng
ngƣời cao tuổi ngày càng tăng và tăng nhanh trong những năm gần đây. Năm 1989
tỷ lệ ngƣời cao tuổi chiếm 7,2% dân số và năm 2007 là 9,45% . Dự báo tỷ lệ này sẽ
tăng đột biến từ năm 2010 và có thể đạt 16,8% vào năm 2029 [10].
Chính vì điều này mà số lƣợng ngƣời dùng để chăm sóc những ngƣời già cũng phải
tăng theo để đáp nhu cầu của xã hội. Nhƣng theo một nghiên cứu thì số lƣợng
những ngƣời cần cho việc chăm sóc ngƣời già ngày càng ít đi, vào năm 1950 thì có
8 ngƣời trƣởng thành chăm sóc và hỗ trợ một ngƣời 65 tuổi hay lớn hơn. Ngày nay
tỉ lệ này là 5 ngƣời trên một ngƣời già và đến năm 2020 thì chỉ còn 3 ngƣời trƣởng
thành chăm sóc một ngƣời già [2].
Do tính chất công việc nặng nhọc và nhàm chán nên tỉ lệ này giảm là một điều tất
yếu vì vậy rất cần một thiết bị hỗ trợ cho những ngƣời già để họ có thể độc lập
trong mọi hoạt động hằng ngày. Thiết bị này có thể di chuyển linh hoạt, giúp lấy đồ
vật ở trên cao, hỗ trợ thay đổi vị trí ngồi và phục hồi chức năng đi lại cho ngƣời sử
dụng.
Để hiểu rõ thêm về tình hình sự phát triển của các thiết bị hỗ trợ cho ngƣời già và
tàn tật, tôi đã tiến hành tìm hiểu tình hình nghiên cứu phát triển của các thiết bị này
ở trong và ngoài nƣớc.

1


1.1. Tình hình nghiên cứu

1.1.1.

Nƣớc ngoài

Theo nhƣ định nghĩa thì xe lăn (Wheelchair) là phƣơng tiện hỗ trợ có bánh xe,
giúp những ngƣời gặp khó khăn trong việc đi lại có thể di chuyển đƣợc trong
không gian tự đi hoặc có ngƣời khác đẩy đi.
Chiếc xe lăn đầu tiên đƣợc phát minh năm 1595, đƣợc thiết kế dành cho vua
Philip II của Tây Ban Nha bởi một nhà phát minh vô danh.

Hình 1.1. Các kiểu xe lăn đầu tiên [4]
Năm 1655, Stenphen Farfler là một thợ sửa đồng hồ bị liệt 2 chân đã tạo nên một
chiếc ghế tự đẩy đi trên ba bánh xe.
Vào năm 1783, John Dawson của thành phố Bath ở nƣớc Anh đã phát minh ra chiếc
xe lăn đƣợc đặt theo tên riêng của thành phố Bath. Dawson đã thiết kế 2 cái bánh
thật lớn và thêm 2 cái bánh nhỏ kế bên. Chiếc xe lăn Bath đƣợc bán rộng rãi hơn tất
cả những xe khác vào những năm đầu của thế kỉ 19.
Tuy nhiên, chiếc xe lăn của Bath không hoàn toàn thoải mái và đã có rất nhiều cải
tiến cho xe lăn này. Vào năm 1869, quyền sáng chế xe lăn đã đƣợc công nhận và đã
trình làng mô hình đầu tiên với bộ điều khiển bánh xe và những cái bánh nhỏ giúp
điều khiển tốt hơn. Vào những năm 1867-1875, những nhà phát minh đã đƣa thêm
những miếng cao su rỗng vào bánh xe tƣơng tự sử dụng trong xe đạp trên vành kim

2


loại. Vào năm 1881, dụng cụ đẩy để tự đẩy về phía trƣớc đƣợc phát minh. Năm
1900, bánh xe căm đầu tiên đƣợc xuất hiện và đƣợc sử dụng trong bánh xe. Năm
1916, bánh xe có motor đầu tiên đƣợc sản xuất ở Luân Đôn.
Năm 1932, kĩ sƣ Harry Jennings đã tạo nên bánh xe lăn thép hình ống. Đó chính là

chiếc xe thép hình ống đầu tiên trên thế giới tƣơng tự nhƣ xe đƣợc sử dụng ngày
nay. Chiếc xe này đƣợc tạo nên dành cho ngƣời bạn của Jenny bị bệnh liệt cả hai
chân Herbert Everest. Và kể từ đó cho đến nay các mẫu xe lăn liên tục đƣợc cải tiến
phát triển cả về hình dáng và mức độ linh hoạt, chúng giúp cho ngƣời sử dụng cảm
thấy thoải mái và tự tin hơn. Hình 1.2 thể hiện sự phát triển của các loại xe lăn cả về
hình dáng, sự tiện lợi.

Hình 1.2. Sự phát triển của các loại xe lăn hỗ trợ bệnh nhân [1]
Gần đây các nhà nghiên cứu Nhật dẫn đầu bởi Masaharu Komori, một giáo sƣ về kỹ
thuật trong y khoa cộng tác với trƣờng đại học Kyoto, đã phát minh ra chiếc
Permoveh, hay Phƣơng tiện Di chuyển Cá nhân (Personal Mobility Vehicle) đƣợc
thể hiện ở hình 1.3. Đây là một mẫu thiết kế xe lăn thế hệ mới đƣợc trông đợi sẽ hỗ
trợ và nâng cao chất lƣợng cuộc sống cho những ngƣời khuyết tật [6].
Chiếc xe lăn Permovel có tới bốn bánh xe cùng kích thƣớc, và mỗi bánh xe đƣợc
gắn 32 con lăn có thể xoay vuông góc với vành bánh xe. Nhờ các con lăn này, chiếc
xe lăn có thể di chuyển theo bất cứ hƣớng nào theo mong muốn của ngƣời sử dụng
với điểu khiển cầm tay.

3


Hình 1.3. Xe lăn Permovel [6]
Bên cạnh sự phát triển của xe lăn còn có sự phát triển của các thiết bị hỗ trợ nâng
hạ, thiết bị này giúp ngƣời chăm sóc không bị mất sức cũng nhƣ chấn thƣơng xảy ra
trong quá trình thay đổi vị trí của bệnh nhân nhƣ từ xe lăn lên giƣờng bệnh hay lên
ô tô hoặc ngƣợc lại. Hình 1.4 thể hiện các thiết bị nâng hỗ trợ bệnh nhân.

Hình 1.4. Sự phát triển của thiết bị nâng hỗ trợ bệnh nhân [1]
1.1.2.

Trong nƣớc

Hiện nay ở Việt Nam, những loại xe dành cho ngƣời khuyết tật khá đa dạng về
chủng loại. Tuy nhiên, hầu hết những sản phẩm này đều có xuất xứ từ nƣớc ngoài,
giá thành cao, bảo hành, bảo dƣỡng khó khăn, hơn nữa đa số các xe lăn bằng tay
hoặc cần có ngƣời đẩy, hạn chế khả năng của ngƣời khuyết tật. Trƣớc nhu cầu thực

4


tế của nhiều ngƣời khuyết tật, bệnh nhân cũng nhƣ ngƣời có tuổi cần có các phƣơng
tiện đi lại, dễ sử dụng, giá thành rẻ.
Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và sáng tạo công nghệ, Khoa Điện, Đại học Bách
khoa dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Tạ Cao Minh đã tiến hành nghiên cứu và chế
tạo ra chiếc xe lăn điện với tên gọi PET đƣợc thể hiện nhƣ hình 1.5, đây một giải
pháp di chuyển mới cho ngƣời già và ngƣời khuyết tật. Điểm đặc biệt nhất của
chiếc xe này là rất cơ động, sử dụng cùng lúc hai động cơ điện một chiều không
chổi than, mỗi động cơ điều khiển một bánh xe. Nhờ vậy, hệ thống truyền động của
xe trở nên đơn giản hơn so với các xe cùng loại của nƣớc ngoài sản xuất, do đó hạn
chế đƣợc các hỏng hóc cũng nhƣ tiêu tốn năng lƣợng ít hơn.

Hình 1.5. Chiếc xe lăn PET [7]
Công ty Kiến Tƣờng là một trong những nhà sản xuất xe lăn lớn tại Việt Nam đã
tạo ra nhiều sản phẩm đáp ứng đƣợc nhu cầu của thị trƣờng. Còn các xe lăn tự động
nhiều chức năng chủ yếu là nhập từ nƣớc ngoài với chi phí rất cao.
Các sản phẩm ở hình 1.6 thể hiện một trong những sản phẩm mới của công ty Kiến
Tƣờng, đã đƣợc đƣa ra thị trƣờng và đã góp phần hỗ trợ việc di chuyển của những
ngƣời già và tàn tật.

5

(a)

(b)

(c)

Hình 1.6. Các sản phẩm xe lăn của công ty Kiến Tƣờng [8]
(a). Xe lăn vƣợt địa hình
(b). Xe lăn điện
(c). Xe lăn bàn đa năng
Nếu nhƣ các thiết kế về xe lăn điện trƣớc đây chỉ đơn thuần sử dụng trong việc đi
lại thì thiết kế lần này của các SV ĐH Bách khoa Đà Nẵng còn mang tính hỗ trợ
sinh hoạt tối đa. Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng ERGONOMICS vào thiết kế và
chế tạo hoàn chỉnh một chiếc xe lăn điện với nhiều tính năng phục vụ cho ngƣời tàn
tật và ngƣời già trong sinh hoạt hàng ngày và đƣợc thể hiện ở hình 1.7.
Tất cả các chuyển động của xe đƣợc điều khiển bằng một cần điều khiển (Joystick)
duy nhất.

Hình 1.7. Xe lăn điện ứng dụng ERGONOMICS [9]

6


1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Tình hình chăm sóc sức khỏe cho ngƣời dân đã đƣợc cải thiện nhƣng vẫn còn
rất hạn chế so với các nƣớc trong khu vực. Đặc biệt là các thiết bị hỗ trợ các nhân
viên y tế không bị những chấn thƣơng trong việc thay đổi vị trí của ngƣời bệnh nhƣ
giúp nâng bệnh nhân từ xe lăn lên giƣờng bệnh hay ngƣợc lại và thiết bị này cũng

giúp những bệnh nhân cao tuổi, ngƣời tàn tật và những ngƣời cần phục hồi chức
năng trong việc đi lại. Các thiết bị này giúp họ tự chủ động trong di chuyển, tuy
nhiên hiện nay đang rất thiếu.
Đây là một điều đáng tiếc vì nƣớc ta số lƣợng ngƣời cao tuổi và tàn tật là tƣơng đối
nhiều, và đây là một thị trƣờng đầy tiềm năng. Nếu đƣợc chế tạo và đƣa vào sử
dụng sẽ góp phần làm cho cuộc sống của những ngƣời sử dụng nó trở nên thoải mái
và tự tin hơn.
1.3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo xe lăn mang tính chất đa chức năng
phù hợp với ngƣời Việt Nam. Xe này có thể thực hiện đƣợc các chức năng di
chuyển, nâng hạ, thay đổi vị trí, phục hồi chức năng cho ngƣời bệnh, ngƣời già và
tàn tật.
Chế tạo thử nghiệm hoàn chỉnh 1 xe lăn đa chức năng. Xe đƣợc thiết kế phù hợp
với những tiêu chí đó là có kết cấu cơ khí đơn giản và hiệu quả, khả năng di chuyển
linh hoạt, phù hợp với sản xuất hàng loạt.
1.4. CÁCH TIẾP CẬN, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Cách tiếp cận
Nghiên cứu, tham khảo và rút kinh nghiệm từ mẫu xe lăn di động tiêu biểu của
các hãng sản xuất, các viện nghiên cứu và các trƣờng đại học các nƣớc tiên tiến trên
thế giới để từ đó lựa chọn công nghệ phù hợp và giải pháp tối ƣu.

7


Tham khảo các kết quả nghiên cứu đã có trong nƣớc để kế thừa, cũng nhƣ tìm hiểu
khả năng, điều kiện công nghệ chế tạo của ta, đề ra phƣơng án thiết kế phù hợp.
2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Sử dụng lí thuyết về thiết kế máy kết hợp với phần mềm solidwork để tạo mô
hình cần tính toán và để chế tạo. Sử dụng lí thuyết thiết kế và phát triển sản phẩm
trong việc lựa chọn các cơ cấu, hình dáng tối ƣu cho sản phẩm. Sau khi đã có mô

hình sản phẩm tiến hành tính toán độ bền bằng cách sử dụng các lí thuyết về động
lực học của cơ cấu và tiến hành đánh giá.
Chế tạo ra mô hình sản phẩm giống nhƣ đã thiết kế và tính toán, tiến hành đo độ
bền của xe khi có tải, độ biến dạng thực tế của xe so với tính toán bằng phần mềm,
sau đó đánh giá lại kết quả.
1.5. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1. Đối tƣợng nghiên cứu
Độ bền của xe lăn khi hoạt động có tải trọng thay đổi, tính toán các cơ cấu sao cho
bảo đảm về độ bền, đảm bảo cho xe hoạt động ổn định và an toàn.
2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các thông số bao gồm tốc độ của xe, vận tốc nâng hạ, chiều cao nâng
khả năng mang tải, để từ đó đƣa ra đƣợc thiết kế tối ƣu.
1.6. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo phần kết cấu cơ khí bao gồm kiểu dáng, đƣa ra
các mô hình thiết kế sau đó tiến hành đánh giá ƣu nhƣợc điểm của từng mô hình và
chọn ra mô hình tối ƣu nhất cho việc thiết kế và tính toán độ bền của các kết cấu sau
đó chế tạo ra mô hình thực tế. Tiến hành đo đạc và đánh giá kết quả đạt đƣợc.

8


Chƣơng 2

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU
Tại chƣơng này chúng tôi tiến hành phân tích các yêu cầu kĩ thuật của xe nâng
cũng nhƣ nguyên lí hoạt động để từ đó đƣa ra các kết cấu hợp lí nhất ở đây bao gồm
hai cơ cấu đó là cơ cấu di chuyển và cơ cấu nâng.
2.1 Lý thuyết về quá trình thiết kế máy và chi tiết máy
Quá trình thiết kế máy không chỉ đơn thuần là lựa chọn các chi tiết máy mà là
một quá trình sáng tạo, thể hiện ý tƣởng của ngƣời thiết kế. Thông thƣờng ngƣời

thiết kế có thể lựa chọn một trong rất nhiều chi tiết để thực hiện một chức năng nào
đó trong hệ thống cơ khí. Do đó khi đƣợc cung cấp kiến thức đầy đủ về chi tiết máy
thì việc thiết kế máy càng tốt hơn. Để thỏa mãn các yêu cầu chung của máy, quá
trình thiết kế máy cũng tƣơng tự quá trình thiết kế một sản phẩm [14], bao gồm các
nội dung sau:
-

Xác định nhu cầu thị trƣờng về máy thiết kế.

-

Xác định yêu cầu kỹ thuật cho máy.

-

Xác định nguyên lý hoạt động và chế độ làm việc của máy dự định thiết kế,
lựa chọn phƣơng án các sơ đồ nguyên lý để chọn ra sơ đồ hợp lý nhất. Hình
thành bộ phận công tác.

-

Lập sơ đồ động chung toàn máy và các bộ phận máy thỏa mãn các yêu cầu
cho trƣớc. Đề xuất một số phƣơng án thực hiện, đánh giá và so sánh để tìm
ra các phƣơng án hợp lý nhất, đáp ứng tốt nhất các yêu cầu đã đặt ra. Chọn
chủng loại chi tiết phù hợp trên sơ đồ động.

-

Tính công suất cần thiết, chọn động cơ và phân bố tỉ số truyền cho hệ thống
truyền động. Xác định các trị số và đặc tính tải trọng tác dụng lên các bộ

phận máy.

-

Chọn vật liệu thích hợp nhằm sử dụng tính chất đa dạng và khác biệt của vật
liệu để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy làm việc của máy.

9


-

Tiến hành tính toán động học, lực tác dụng và tính toán thiết kế (kết hợp thiết
kế tối ƣu) nhằm định ra các kích thƣớc gần đúng của chi tiết máy và để thỏa
mãn các chỉ tiêu làm việc của chúng. Trên cơ sở đó kết hợp với các yêu cầu
về tiêu chuẩn hóa, lắp ráp, công nghệ chế tạo và các yêu cầu cụ thể khác để
xác định lần cuối kích thƣớc của chi tiết máy, bộ phận máy và toàn máy.
Tính toán kiểm nghiệm sau khi đã biết kết cấu để bảo đảm khả năng làm
việc, an toàn và tin cậy cho máy…

-

Sản xuất thử, điều chỉnh, sửa chữa lại thiết kế…

-

Lập tài liệu thiết kế: thuyết minh, hƣớng dẫn sử dụng, bảo dƣỡng và sửa
chữa máy.

2.2. Phân tích và lựa chọn kết cấu

2.2.1. Chế độ làm việc của xe
Xe di chuyển dễ dàng trên địa hình bằng phẳng có nền đất cứng. Vận tốc của xe là
3 km/h, vận tốc này phù hợp với các xe lăn có gắn động cơ hỗ trợ ngƣời già và tàn
tật. Tải trọng nâng của xe là 100 kg, chiều cao nâng của khung là 0,8 m .Vận tốc
nâng của khung là 0,05 m/s và góc quay của nghế ngồi là 1800.
2.2.2. Nguyên lí hoạt động
Hệ thống khung xe lăn đa chức năng bao gồm ba phần chính đó là khung chính,
khung nâng, khung ghế quay.Trong đó khung nâng và khung ghế xoay đƣợc lắp trên
khung chính. Khung chính có lắp đặt cơ cấu di chuyển bằng bánh xe .Cơ cấu này có
3 bánh xe trong đó có một bánh vừa dẫn động vừa có nhiệm vụ lái, hai bánh còn lại
là hai bánh bị động. Còn khung nâng di chuyển lên xuống theo trục thẳng đứng
nhằm thay đổi chiều cao. Khung ghế xoay đƣợc lắp với khung nâng và khung này
quay quanh trục thẳng đứng. Ngƣời sử dụng ngồi trên ghế để điều khiển hoạt động
của xe .Hình 2.1 mô tả nguyên lí hoạt động của hệ thống khung xe lăn.

10


1- Khung chính , 2- Khung nâng, 3- Khung ghế xoay
Hình 2.1. Mô hình xe lăn đa chức năng
2.3. Phƣơng án đề xuất cho cơ cấu di chuyển
Để một mobile robot có thể di chuyển theo ý muốn của ngƣời sử dụng thì
không thể thiếu cơ cấu di chuyển. Hiện nay mobile robot có rất nhiều cách để di
chuyển nhƣ bƣớc đi, nhảy, chạy, bơi, lăn,… Nhƣng các cơ cấu di chuyển đƣợc sử
dụng rộng rãi hiện nay bao gồm các cơ cấu di chuyển bằng các chân robot, di
chuyển bằng bánh xích, di chuyển bằng bánh xe.
2.3.1. Di chuyển bằng chân
Mobile robot di động bằng chân là loại robot có những chuyển động phức tạp
bằng cách rời rạc hoá việc tiếp xúc với mặt đất theo các điểm, việc chuyển động
nhƣ vậy làm cho loại robot này có ƣu thế trên các địa hình phức tạp, gồ ghề và

không liên tục. Tuy có ƣu điểm nêu trên, nhƣng loại robot này khó điều khiển và
khó chế tạo cũng nhƣ tiêu thụ rất nhiều năng lƣợng, ở trong hình 2.3 thể hiện hình
dáng và kết cấu của robot di chuyển bằng chân. Bởi vì mobile robot di chuyển bằng
chân lấy cảm hứng từ các loài động vật và côn trùng nên tùy thuộc vào số chân mà
ngƣời ta phân chia thành các loại robot một chân, hai chân (biped), bốn chân
(quadruped), sáu chân (hexaped) hoặc nhiều hơn và đƣợc thể hiện nhƣ ở hình 2.2.
Vấn đề cần tập trung nghiên cứu khi thiết kế mobile robot di chuyển bằng chân đó

11