Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính, hiện nay hơn 10% dân số thế giới là người trên 60 tuổi và dự báo đến năm 2050, tỷ lệ này sẽ tăng gấp đôi, đặc biệt nhóm người trên 85 tuổi tăng nhanh nhất. Tại Việt Nam, tỷ lệ người cao tuổi đã tăng từ 7,2% năm 1989 lên 9,45% năm 2007 và dự kiến đạt 16,8% vào năm 2029. Song song đó, số người chăm sóc người già giảm từ 8 người trưởng thành trên một người già năm 1950 xuống còn 3 người vào năm 2020. Điều này đặt ra nhu cầu cấp thiết về các thiết bị hỗ trợ giúp người già và người tàn tật có thể tự chủ trong sinh hoạt và di chuyển.

Luận văn tập trung nghiên cứu và phát triển xe lăn đa chức năng phục vụ người già và tàn tật, nhằm đáp ứng các yêu cầu về di chuyển linh hoạt, nâng hạ, thay đổi vị trí ngồi và hỗ trợ phục hồi chức năng. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Việt Nam trong giai đoạn 2010-2012, với mục tiêu thiết kế và chế tạo xe lăn có kết cấu cơ khí tối ưu, đảm bảo độ bền, tính kinh tế và phù hợp với đặc điểm nhân trắc học người Việt. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng cuộc sống cho người cao tuổi và người khuyết tật, đồng thời góp phần giảm tải cho người chăm sóc và phát triển thị trường thiết bị hỗ trợ trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết thiết kế máy và chi tiết máy, trong đó quá trình thiết kế bao gồm xác định nhu cầu, yêu cầu kỹ thuật, nguyên lý hoạt động, lựa chọn sơ đồ nguyên lý, tính toán công suất, chọn vật liệu và kiểm nghiệm độ bền. Ngoài ra, lý thuyết nhân trắc học được áp dụng để thiết kế kích thước xe phù hợp với người Việt Nam, dựa trên các nguyên tắc vàng về không gian với tới và không gian chiếm chỗ.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào hai cơ cấu chính của xe lăn đa chức năng: cơ cấu di chuyển và cơ cấu nâng hạ. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Cơ cấu di chuyển bằng bánh xe tiêu chuẩn có thể lái được, đảm bảo sự ổn định và linh hoạt.
  • Cơ cấu nâng bằng trục vít me đai ốc bi, giúp nâng hạ êm ái, tải trọng lớn và kích thước gọn nhẹ.
  • Hệ thống khung xe gồm khung chính, khung nâng và khung ghế xoay, được thiết kế dựa trên tiêu chuẩn nhân trắc học.
  • Phân tích kết cấu và tính toán động lực học nhằm đảm bảo độ bền và an toàn khi vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu nhân trắc học người Việt Nam, các tiêu chuẩn kỹ thuật về vật liệu và kết cấu, cùng các kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế. Phần mềm SolidWorks 2010 được sử dụng để thiết kế mô hình 3D của xe lăn, trong khi phần mềm ANSYS hỗ trợ phân tích ứng suất và chuyển vị nhằm tối ưu hóa kết cấu.

Phương pháp phân tích kết cấu dựa trên lý thuyết phần tử hữu hạn, kết hợp với tính toán động học và lựa chọn động cơ phù hợp cho từng cơ cấu truyền động. Cỡ mẫu nghiên cứu là một xe lăn đa chức năng được chế tạo thử nghiệm hoàn chỉnh. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong hai năm (2010-2012), bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn cơ cấu di chuyển: Qua so sánh ưu nhược điểm của các cơ cấu di chuyển (bánh xe, bánh xích, chân robot), cơ cấu di chuyển bằng bánh xe tiêu chuẩn có thể lái được được chọn vì tính đơn giản, chi phí thấp và phù hợp với địa hình bằng phẳng. Cơ cấu này đảm bảo sự ổn định tĩnh với ba bánh xe, trong đó bánh sau vừa dẫn động vừa lái.

  2. Lựa chọn cơ cấu nâng: Trong bốn loại cơ cấu nâng phổ biến (xi lanh thủy lực, tời kéo cáp, bánh răng thanh răng, trục vít me đai ốc bi), cơ cấu nâng bằng trục vít me đai ốc bi được ưu tiên do kết cấu gọn nhẹ, khả năng tải lớn (tải trọng nâng 100 kg), vận hành êm, có khả năng tự hãm và độ bền cao.

  3. Thiết kế khung xe: Kích thước khung chính là 860x600x1600 mm, sử dụng thép hộp 80x40x1 mm, khung nâng sử dụng thép hộp 60x30x1 mm, khung ghế xoay sử dụng thép hộp 40x40x1 mm. Thiết kế dựa trên dữ liệu nhân trắc học người Việt Nam với chiều cao trung bình nam 165 cm, nữ 155 cm, khối lượng tương ứng 68 kg và 56 kg.

  4. Tính toán động cơ: Động cơ cho trục vít me đai ốc bi có công suất 0,18 kW, động cơ đẩy có công suất 0,212 kW, động cơ lái 100 W, động cơ xoay ghế 100 W, động cơ đỡ người chịu tải 600 N mỗi chiếc. Các động cơ được lựa chọn dựa trên tính toán công suất cần thiết, hiệu suất bộ truyền và điều kiện làm việc thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng ứng suất và chuyển vị trên phần mềm ANSYS cho thấy hệ thống khung xe đạt được độ bền và độ ổn định cao, với ứng suất tối đa tại các điểm chịu lực không vượt quá giới hạn cho phép của vật liệu thép sử dụng. Biểu đồ mô phỏng mối quan hệ giữa ứng suất và góc quay, cũng như chuyển vị và góc quay, được sử dụng để đánh giá hiệu quả của thiết kế ở các tải trọng khác nhau (60 kg, 70 kg, 80 kg).

So với các nghiên cứu trước đây về xe lăn đa chức năng, thiết kế này có ưu điểm về sự phù hợp với đặc điểm nhân trắc học người Việt, kết cấu đơn giản, dễ sản xuất hàng loạt và chi phí hợp lý. Việc sử dụng cơ cấu nâng trục vít me đai ốc bi giúp giảm tiếng ồn và tăng độ chính xác khi nâng hạ, đồng thời đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Các kết quả đo đạc thực tế về chuyển vị khung xe tương đồng với kết quả mô phỏng, chứng tỏ tính chính xác của mô hình và phương pháp tính toán. Điều này khẳng định tính khả thi của thiết kế trong ứng dụng thực tế, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người già và người tàn tật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển sản phẩm hàng loạt: Tổ chức sản xuất xe lăn đa chức năng theo quy mô công nghiệp trong vòng 2 năm tới, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường người cao tuổi và người khuyết tật tại Việt Nam.

  2. Nâng cao tính năng điều khiển: Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển điện tử thông minh, như joystick đa chức năng và cảm biến an toàn, để tăng tính tiện dụng và an toàn cho người sử dụng.

  3. Tối ưu hóa vật liệu: Áp dụng các vật liệu nhẹ, bền và chống ăn mòn như hợp kim nhôm hoặc composite để giảm trọng lượng xe, nâng cao khả năng di chuyển và tiết kiệm năng lượng.

  4. Đào tạo và hỗ trợ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho nhân viên bảo trì và người dùng cuối nhằm đảm bảo vận hành, bảo dưỡng xe hiệu quả, kéo dài tuổi thọ sản phẩm.

  5. Mở rộng nghiên cứu: Tiếp tục nghiên cứu phát triển các phiên bản xe lăn đa chức năng phù hợp với các nhóm đối tượng đặc thù như trẻ em khuyết tật hoặc người cao tuổi có bệnh lý phức tạp, nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà sản xuất thiết bị y tế: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm xe lăn đa chức năng phù hợp với thị trường trong nước, giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Các trung tâm phục hồi chức năng: Sử dụng xe lăn đa chức năng để hỗ trợ người già và người tàn tật trong quá trình tập luyện và sinh hoạt hàng ngày, tăng hiệu quả phục hồi.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí: Tham khảo phương pháp thiết kế, tính toán kết cấu và ứng dụng phần mềm mô phỏng trong phát triển sản phẩm cơ khí chuyên dụng.

  4. Cơ quan quản lý y tế và xã hội: Dựa trên nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển thiết bị trợ giúp người cao tuổi và người khuyết tật, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xe lăn đa chức năng có thể chịu tải trọng tối đa bao nhiêu?
    Xe được thiết kế để chịu tải trọng nâng lên đến 100 kg, phù hợp với trọng lượng trung bình của người Việt Nam trưởng thành, đảm bảo an toàn khi sử dụng.

  2. Cơ cấu nâng trục vít me đai ốc bi có ưu điểm gì so với các cơ cấu khác?
    Cơ cấu này có kết cấu gọn nhẹ, vận hành êm ái, khả năng tự hãm tốt, giúp nâng hạ chính xác và an toàn, đồng thời giảm tiếng ồn và tiêu thụ năng lượng thấp.

  3. Phần mềm nào được sử dụng để thiết kế và phân tích xe lăn?
    SolidWorks 2010 được dùng để thiết kế mô hình 3D, trong khi ANSYS hỗ trợ phân tích ứng suất và chuyển vị nhằm tối ưu kết cấu và đảm bảo độ bền.

  4. Xe lăn có thể di chuyển trên địa hình nào?
    Xe phù hợp với địa hình bằng phẳng và nền đất cứng, vận tốc di chuyển khoảng 3-5 km/h, đáp ứng nhu cầu di chuyển trong nhà và các khu vực đô thị.

  5. Làm thế nào để bảo trì và sửa chữa xe lăn đa chức năng?
    Việc bảo trì bao gồm kiểm tra định kỳ các bộ phận truyền động, động cơ và khung xe; đào tạo người dùng và kỹ thuật viên giúp phát hiện và xử lý kịp thời các hỏng hóc, đảm bảo tuổi thọ sản phẩm.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công xe lăn đa chức năng phù hợp với đặc điểm nhân trắc học người Việt, đáp ứng các yêu cầu về di chuyển, nâng hạ và thay đổi vị trí ngồi.
  • Lựa chọn cơ cấu di chuyển bằng bánh xe tiêu chuẩn có thể lái và cơ cấu nâng trục vít me đai ốc bi giúp tối ưu kết cấu, đảm bảo độ bền và tính kinh tế.
  • Sử dụng phần mềm SolidWorks và ANSYS trong thiết kế và phân tích kết cấu giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả nghiên cứu.
  • Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế cho thấy thiết kế đạt yêu cầu kỹ thuật và có tính ứng dụng cao trong thực tế.
  • Đề xuất triển khai sản xuất hàng loạt, nâng cấp tính năng và mở rộng nghiên cứu nhằm phục vụ tốt hơn nhu cầu của người già và người tàn tật trong tương lai.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các đơn vị sản xuất và trung tâm phục hồi chức năng để đưa sản phẩm vào ứng dụng thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến nhằm nâng cao chất lượng và đa dạng hóa sản phẩm.