Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, lĩnh vực thiết kế và phát triển sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất lao động, tối ưu hóa quy trình sản xuất và hạ giá thành sản phẩm. Nhu cầu rèn luyện sức khỏe thông qua các bài tập thể dục tại nhà (đặc biệt là các bài tập cardio) ngày càng gia tăng đối với các nhóm dân cư đô thị nhằm tiết kiệm thời gian di chuyển bên ngoài. Đồng thời, thị trường đòi hỏi các thiết bị tập luyện phải đáp ứng tiêu chuẩn cao về độ chính xác, độ tin cậy, tính thẩm mỹ công nghiệp và khả năng hoạt động bền bỉ. Đề tài "Thiết kế xe đạp thể dục thông minh" được nhóm sinh viên ngành Cơ điện tử, Trường Cơ khí – Ô tô thuộc Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội thực hiện trong khuôn khổ học phần Thiết kế phát triển sản phẩm dưới sự hướng dẫn của GVHD Nguyễn Văn Quê (năm học 2024 – 2025).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Xác định nhu cầu của người tiêu dùng và phân tích các ràng buộc kỹ thuật đối với dòng xe đạp tập thể dục thông minh.
  2. Thiết lập bộ thông số kỹ thuật mục tiêu thông qua khảo sát thị trường và đối sánh với các sản phẩm thương mại hiện hữu.
  3. Tạo lập, đánh giá và lựa chọn concept sản phẩm tối ưu đáp ứng các tiêu chí công năng, giá thành và thẩm mỹ.
  4. Xây dựng cấu trúc hệ thống, bố trí hình học thô, phân rã nhóm chức năng và lập danh mục chi tiết kỹ thuật cho concept được chọn.
  5. Đề xuất phương án tối ưu hóa thiết kế phục vụ chế tạo và lắp ráp (Design for Manufacturing and Assembly - DFMA), ước tính chi phí sản xuất và cải tiến cụm linh kiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị xe đạp tập thể dục thông minh đặt cố định trong nhà tích hợp đồng hồ cảm biến và kết nối thông minh.
  • Phạm vi không gian: Khảo sát tập trung tại các thành phố lớn (Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Đà Nẵng), các khu đô thị quy mô lớn (Vinhomes Smart City, Bắc Thăng Long, Nam Thăng Long) và một số khu vực nông thôn có nhu cầu tập luyện tại gia.
  • Phạm vi thời gian: Dữ liệu nghiên cứu, khảo sát và xây dựng thiết kế được thực hiện trong năm học 2024 – 2025, với kế hoạch phát triển dự án dự kiến kéo dài 6 tháng hướng tới thương mại hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng phương pháp luận thiết kế và phát triển sản phẩm công nghiệp theo quy trình chuẩn từ nghiên cứu thị trường đến thiết kế chi tiết:

  • Phương pháp thu thập dữ liệu và khảo sát khách hàng: Kết hợp phỏng vấn trực tiếp tại các hộ gia đình, phòng gym, trung tâm fitness vừa và nhỏ; phát phiếu khảo sát trực tuyến qua nền tảng Google Forms, Facebook, Zalo với bảng câu hỏi gồm 25 câu; kết hợp quan sát tại các hội thảo và giải thể thao phong trào.
  • Phương pháp biên dịch dữ liệu và đánh giá trọng số: Chuyển đổi dữ liệu thô (tiếng nói khách hàng) thành các yêu cầu kỹ thuật và phân nhóm chức năng; đánh giá mức độ quan trọng của các tiêu chí trên thang điểm từ 1 đến 5 với mẫu chuyên gia/người dùng gồm 10 người.
  • Phương pháp tra cứu bằng sáng chế và đối sánh cạnh tranh (Benchmarking): Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật từ Bằng sáng chế số US 8,585,561 (cấp ngày 19/11/2013 của Jonathan B.) về hệ thống phanh từ tính trên bánh đà xe đạp tập; thu thập và so sánh thông số kỹ thuật từ các mẫu xe thương mại gồm Peloton Bike, Xiaomi Yesoul M2/S3 và ELIP Alexander – White.
  • Phương pháp ma trận quyết định (Decision Matrix): Sử dụng ma trận chấm điểm có trọng số (13 tiêu chí đánh giá) để định lượng và lựa chọn concept thiết kế khả thi nhất.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mục tiêu sản phẩm

Chương 1 tập trung mô tả tổng quan sản phẩm, xác định các mục tiêu kỹ thuật, kế hoạch kinh doanh, đối tượng thụ hưởng và các ràng buộc của dự án.

  • Đặc tính sản phẩm: Xe đạp tập thể dục cố định tại nhà, kích thước tổng thể dự kiến 110 x 48 x 108 cm, tổng trọng lượng 30 kg, tải trọng chịu lực tối đa 120 kg. Khung xe bằng hợp kim thép không gỉ nặng 20 kg; bánh đà thép trọng lượng 4 kg (bán kính 15 cm); yên xe kích thước 27 x 20 cm có đệm và nút xoay điều chỉnh; tay cầm bọc cao su; tích hợp đồng hồ cảm biến thông minh, nút kháng lực và giá đặt thiết bị di động.
  • Mục tiêu chất lượng: Đảm bảo 100% sản phẩm vận hành ổn định trước khi xuất xưởng, các bộ phận chịu va đập tốt, khung xe không bị biến dạng ở tải trọng 120 kg.
  • Mục tiêu kinh doanh: Thời gian thiết kế và phát triển trong 6 tháng; dự kiến ra mắt thị trường vào Quý 1/2026 (hoặc tháng 1/2027), đạt 20% thị phần tại Việt Nam vào Quý 1/2027 với doanh thu mục tiêu 10 triệu USD và tỷ suất lợi nhuận 25%; mục tiêu chiếm lĩnh 10% thị phần khu vực Đông Nam Á vào năm 2027.
  • Phân khúc thị trường: Thị trường chính là người trẻ tuổi (20–40 tuổi) và các phòng gym; thị trường thứ cấp gồm các hộ gia đình và người cao tuổi.
Giai đoạn nhiệm vụ Thời gian thực hiện
Nghiên cứu và lên ý tưởng 1 tháng
Thiết kế mẫu thử 2 tháng
Sản xuất thử nghiệm 1 tháng
Thử nghiệm và cải tiến 2 tháng
Sản xuất hàng loạt và ra mắt 2 tháng

Chương 2: Thiết kế sản phẩm

Chương 2 trình bày toàn bộ tiến trình khảo sát nhu cầu thị trường, biên dịch dữ liệu khách hàng và xác lập thông số kỹ thuật mục tiêu.

  • Khảo sát khách hàng: Xây dựng bộ công cụ 25 câu hỏi xoay quanh các yếu tố: mục đích tập luyện (giảm cân, tim mạch, thư giãn), tính năng mong muốn (đo calo, nhịp tim, kết nối ứng dụng), mức chi trả (dưới 5 triệu, 5–10 triệu, 10–20 triệu VNĐ), thời gian bảo hành, mức độ thoải mái của yên xe, độ ồn và khả năng gập gọn.
  • Biên dịch và gom nhóm nhu cầu: Chuyển hóa 20 phát biểu thô của người dùng thành các nhóm chức năng chính gồm: nhóm chức năng làm việc (đa chức năng, làm việc tự động, tăng tốc tức thời, dễ thay thế linh kiện), nhóm chức năng an toàn (độ bền hóa học/cơ học, vệ sinh đơn giản, vật liệu tái chế), nhóm chức năng thông minh (kết nối Bluetooth, cảnh báo xâm nhập, tự đứng yên) và nhóm chức năng mẫu mã (nhỏ gọn, thẩm mỹ, tiện lợi).
  • Đánh giá mức độ quan trọng: Thang điểm trung bình ghi nhận: Thiết kế nhỏ gọn (3.7/5 - Độ quan trọng: 4), Sử dụng vật liệu tái chế (3.6/5 - Độ quan trọng: 4), Thân thiện môi trường (3.5/5 - Độ quan trọng: 4), Dễ tìm kiếm thông tin (3.5/5 - Độ quan trọng: 4), Dễ thay thế linh kiện (3.4/5 - Độ quan trọng: 3), Hệ thống báo lỗi (3.3/5 - Độ quan trọng: 3), Giá thành phù hợp (3.2/5 - Độ quan trọng: 4), Dễ vệ sinh/bảo trì (3.1/5 - Độ quan trọng: 3).
  • Đối sánh sản phẩm và xác lập thông số mục tiêu: So sánh các chỉ số giữa Peloton Bike và Yesoul M2 để đưa ra giá trị biên và giá trị mong muốn cho sản phẩm thiết kế:
Đại lượng (Metric) Đơn vị Peloton Bike Yesoul M2 Giá trị mong muốn Giá trị biên
Độ bền sản phẩm Năm >4 >4 4 – 6 $\ge 4$
Khối lượng (NW/GW) kg 30/38 31/35 29 – 31 30
Trọng lượng bánh đà kg 8 6 8 – 13 12
Tải trọng người dùng kg 125 120 120 – 140 $\ge 110$
Kích thước (D x R x C) mm 1210x600x1260 1010x510x1165 1000–1230 x 436–510 x 1160–1265 1200 x 500 x 1165
Vật liệu khung xe - Thép Carbon, hợp kim Thép Carbon, hợp kim Thép Carbon, thép hợp kim Thép hợp kim
Vật liệu vỏ xe - Nhựa ABS Nhựa ABS Nhựa ABS Nhựa ABS
Thời hạn bảo hành Tháng 24 12 12 – 24 12

Chương 3: Thiết kế Concept

Chương 3 triển khai quá trình phân rã cây chức năng, tìm kiếm giải pháp kỹ thuật, xây dựng 3 phương án concept và tiến hành đánh giá, lựa chọn phương án tối ưu.

  • Tìm kiếm giải pháp kỹ thuật: Ứng dụng nguyên lý phanh từ tính gắn trên giá đỡ xoay quanh bánh đà theo sáng chế US 8,585,561; phân tích ưu nhược điểm của các đối thủ (Peloton có ghế da êm ái, LCD nhưng chịu tải kém; Yesoul S3 kháng lực từ tính êm nhưng giá cao; ELIP Alexander có đồng hồ hiển thị nhưng dùng lâu phát tiếng ồn và khó lắp ráp).
  • Đặc trưng 3 phương án Concept:
    • Concept 1: Thiết kế kiểu dáng đứng hiện đại, khung thép cứng, màu sắc đen/trắng pha xanh nâu. Tích hợp màn hình cảm ứng kết nối ứng dụng lớp học trực tuyến, tự động điều chỉnh kháng lực theo bài tập, tính năng an toàn chống trượt và tự giảm tốc khi có sự cố, sử dụng nguồn điện AC 110V/220V với mức tiêu thụ điện năng thấp, tối ưu chi phí và độ bền.
    • Concept 2: Khung thép carbon/hợp kim, màn hình cảm ứng lớn 21.5 inch, tích hợp AI hướng dẫn bằng giọng nói để sửa lỗi sai của học viên; tuy nhiên độ bền vật liệu kém hơn và tiêu thụ lượng điện năng lớn.
    • Concept 3: Vỏ làm bằng nhựa cứng, màn hình 20 inch, giá thành thấp (khoảng 80% so với thị trường) nhưng độ bền kém, dễ hỏng hóc.
  • Đánh giá và lựa chọn: Áp dụng hệ thống 13 tiêu chí có trọng số: Kích thước nhỏ gọn (8%), Dễ sử dụng (5%), Công suất phù hợp (14%), Phụ kiện đầy đủ (1%), Tích hợp AI (10%), Thời gian sử dụng lâu (7%), Độ an toàn cao (10%), Tuổi thọ lớn (8%), Giá thành vừa phải (8%), Dễ sản xuất (5%), Tính công thái học (7%), Chức năng đa dạng (12%), Thân thiện môi trường (5%). Kết quả ma trận quyết định xác định Concept 1 đạt điểm số cao nhất nhờ tính cân bằng giữa giá thành, độ bền, độ an toàn và sự tiện dụng.
  • Phân rã kiến trúc và sơ đồ làm việc: Hệ thống được chia thành 3 khối chính (Cơ khí, Điện, Điều khiển) với 12 bộ phận chức năng; xác lập tương tác giữa các module và phân chia sơ đồ tần suất phối hợp làm việc giữa nhóm thiết kế và nhóm chi tiết theo chu kỳ ngày (daily), tuần (weekly) và tháng (monthly).

Chương 4: Tối ưu hóa thiết kế cho sản phẩm

Chương 4 hoàn thiện thiết kế công nghiệp, tối ưu hóa các điều kiện chế tạo, lắp ráp (DFMA) và dự toán chi phí.

  • Dự toán chi phí sản xuất từng cụm chi tiết:
Phân nhóm Bộ phận, chi tiết Ước tính chi phí (VNĐ)
Phần cơ khí Khung máy 1.000.000
Tay cầm có cảm biến 300.000
Bánh tạ xe (bánh đà) 500.000
Hộp xích và bàn đạp 300.000
Phần điện, điện tử Màn hình hiển thị 1.000.000
Mạch điều khiển 300.000
Phần chức năng Nút điều chỉnh kháng lực 50.000
Nút điều khiển hoạt động 50.000
  • Chiến lược giảm chi phí: Tiêu chuẩn hóa các chi tiết cơ khí và ốc vít để dễ tìm kiếm trên thị trường; giảm bớt số lượng mối nối phức tạp để hạ thời gian lắp ráp.
  • Cải tiến cụm bàn đạp: Khắc phục nhược điểm của bàn đạp thế hệ cũ (dễ trượt khi ra mồ hôi, không có đai giữ chân chắc chắn, làm bằng vật liệu cứng gây đau chân khi đạp lâu, cần cờ lê chuyên dụng để lắp/chỉnh). Nhóm đề xuất thiết kế bàn đạp thế hệ mới có kiểu dáng ôm chân dạng đôi dép, sử dụng vật liệu cao su mềm tăng độ ma sát, tạo cảm giác êm ái và thuận tiện khi sử dụng.

Thiết kế và triển khai

Căn cứ trên các yêu cầu kỹ thuật đã xác lập, đề tài tiến hành phân rã hệ thống và xây dựng danh mục cấu thành chi tiết (Bill of Materials - BOM) cho sản phẩm:

1. Phân loại cấu trúc hệ thống

Hệ thống xe đạp thể dục thông minh gồm 12 bộ phận chức năng được phân thành 3 phân nhóm chính:

  • Nhóm Cơ khí: Khung sườn xe (định hình kiểu dáng, chịu lực), Tay cầm (giữ thăng bằng), Bàn đạp (thao tác chân), Yên xe (chỗ ngồi), Nút vặn điều chỉnh yên xe (chỉnh vị trí/hướng yên), Nút kháng lực (điều chỉnh độ nặng), Dây curoa (hệ thống truyền động quay), Bánh xe/bánh đà (cơ cấu chấp hành quay).
  • Nhóm Điện: Nguồn điện (cung cấp điện cho hệ thống), Màn hình hiển thị (giao tiếp thông tin).
  • Nhóm Điều khiển: Bộ cảm biến (thu thập dữ liệu nhịp tim, vận tốc, calo), Bộ điều khiển (xử lý tín hiệu cảm biến và truyền dữ liệu lên màn hình hiển thị).

2. Danh mục chi tiết lắp ráp (BOM)

Bản vẽ lắp ráp tổng thể của sản phẩm bao gồm 33 hạng mục linh kiện và phụ kiện tiêu chuẩn:

Mã số Mô tả chi tiết Số lượng Mã số Mô tả chi tiết Số lượng
1 Khung chính 1 18 Đai ốc Allen M8x15 4
2 Ổn định phía sau (chân đế sau) 1 19 Đệm lò xo d8 4
3 Ổn định phía trước (chân đế trước) 1 20 Vít đóng chéo ST5x15 2
4 Cột yên 1 21 Vít chở M8x73 4
5 Thanh trượt yên 1 22 Đệm cung $\phi 8.2 \times 2 \times \phi 19 \times \text{R}30$ 4
6 Cột tay cầm 1 23 Nut nắp M8 4
7 Bàn đạp (trái/phải) 1 đôi 24 Tay cầm 1
8 Yên xe 1 25 Tấm bảo vệ trên tay cầm 1
9 Nút chốt Pop Pin M16x1.5 3 26 Tấm bảo vệ dưới tay cầm 1
10 Vít điều chỉnh căng M8x41 1 27 Đệm washer phẳng d8.5 4
11 Giá đựng bình nước 1 28 Bánh đai (trái/phải) 1 đôi
12 Bình nước 1 29 Bao tay bọc xốp 2
13 Vòng bít nhựa 2 30 Đồng hồ đo / Màn hình hiển thị 1
14 Vòng bít nhựa 2 31 Giá đỡ đồng hồ 1
15 Nắp đầu vuông 1 32 Dây cảm biến 1
16 Vít đóng chéo ST4x12 2 33 Cảm biến 1
17 Đệm washer phẳng d4 2

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính đạt được

  • Bộ thông số kỹ thuật rõ ràng: Xác định kích thước bao $110 \times 48 \times 108\text{ cm}$, khối lượng xe $30\text{ kg}$, tải trọng tối đa $120\text{ kg}$, sử dụng bánh đà thép khối lượng $4\text{ kg}$ cùng khung thép hợp kim không gỉ nặng $20\text{ kg}$.
  • Concept thiết kế tối ưu: Tuyển chọn thành công Concept 1 thông qua ma trận 13 tiêu chí đánh giá; hoàn thiện bản vẽ bố trí không gian hình học thô, sơ đồ tương tác module và bản vẽ chi tiết các bộ phận yên xe, màn hình, chân đế, bánh đà.
  • Giải pháp tối ưu hóa sản xuất: Lập bảng dự toán chi phí sản xuất theo từng cụm linh kiện và hoàn thành thiết kế cải tiến bàn đạp cao su kiểu dáng đôi dép giúp tăng độ bám, chống trơn trượt và nâng cao sự thoải mái cho người tập.

2. Đóng góp về mặt kỹ thuật và đào tạo

  • Vận dụng chặt chẽ quy trình thiết kế phát triển sản phẩm công nghiệp (PPD) vào một bài toán thiết bị cơ điện tử dân dụng cụ thể.
  • Kết hợp nghiên cứu sở hữu trí tuệ (bằng sáng chế phanh từ tính) với khảo sát thực nghiệm thị trường Việt Nam để đưa ra sản phẩm có tính khả thi về mặt kỹ thuật và chế tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Mẫu khảo sát đánh giá độ quan trọng của các tiêu chí mới dừng lại ở quy mô nhỏ (10 người), mang tính chất tham khảo bước đầu cho nhóm thiết kế.
    • Báo cáo tập trung chủ yếu vào giai đoạn thiết kế concept, mô hình hóa hình học, sơ đồ tương tác và DFMA; chưa có số liệu đo kiểm thực nghiệm trên mẫu chế tạo thực tế (prototype vật lý).
    • Bảng ước tính chi phí sản xuất mới liệt kê các cụm linh kiện chính, chưa hạch toán chi tiết chi phí nhân công, khấu hao khuôn mẫu và kiểm định chất lượng xuất xưởng.
  • Hướng phát triển:
    • Tiến hành chế tạo mẫu thử nghiệm vật lý theo danh mục BOM 33 chi tiết trong thời gian 2 tháng như kế hoạch.
    • Thực hiện thử nghiệm độ bền khung xe ở tải trọng $120\text{ kg}$, đo kiểm mức tiêu hao điện năng thực tế của mạch điều khiển và màn hình hiển thị.
    • Hoàn thiện lập trình vi điều khiển và kết nối Bluetooth với ứng dụng điện thoại di động trước khi chuyển sang giai đoạn sản xuất thử nghiệm hàng loạt.

Giá trị tham khảo

Báo cáo bài tập lớn này là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Thiết kế Công nghiệp: Nắm bắt quy trình từng bước khi thực hiện đồ án thiết kế phát triển sản phẩm (khảo sát người dùng, phân tích đối thủ, tra cứu patent, lập ma trận quyết định concept, phân rã BOM và tối ưu DFMA).
  • Nhóm nghiên cứu và phát triển (R&D) thiết bị thể thao/gia dụng: Tham khảo phương pháp tiếp cận chuyển hóa yêu cầu khách hàng thành thông số kỹ thuật (Metric) và giải pháp cải tiến chi tiết tiếp xúc người dùng (bàn đạp, yên xe).

Câu hỏi thường gặp

1. Sản phẩm xe đạp thể dục thông minh được thiết kế chịu tải trọng tối đa bao nhiêu và trọng lượng khung xe là bao nhiêu?
Khung xe được làm bằng hợp kim thép không gỉ nặng 20 kg, tổng trọng lượng toàn xe là 30 kg và có khả năng chịu tải trọng người dùng tối đa là 120 kg mà không bị biến dạng.

2. Nhóm tác giả đã tham khảo bằng sáng chế nào để phát triển cơ cấu kháng lực cho xe?
Nhóm tham khảo Bằng sáng chế số US 8,585,561 cấp ngày 19/11/2013 của nhà phát minh Jonathan B., mô tả hệ thống phanh từ tính sử dụng nam châm gắn trên giá đỡ xoay quanh bánh đà để thay đổi lực cản quay.

3. Vì sao Concept 1 được lựa chọn thay vì Concept 2 (có tích hợp AI) và Concept 3 (giá rẻ)?
Concept 1 đạt điểm số cao nhất trong ma trận quyết định 13 tiêu chí nhờ đảm bảo độ bền cao, giá thành sản xuất hợp lý, kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm điện năng và dễ bảo trì; trong khi Concept 2 tiêu thụ nhiều điện và có độ bền kém hơn, còn Concept 3 dùng nhựa cứng dễ hỏng hóc.

4. Cụm bàn đạp đã được nhóm thiết kế cải tiến như thế nào so với thế hệ cũ?
Bàn đạp thế hệ cũ làm bằng vật liệu cứng, không có đai giữ chắc chắn, dễ trơn trượt khi ra mồ hôi và khó điều chỉnh. Nhóm đã tối ưu hóa sang thiết kế bàn đạp dạng đôi dép bằng chất liệu cao su nhằm tăng độ ma sát, tạo sự êm ái và không gây đau chân khi đạp lâu.

5. Kế hoạch tài chính và mục tiêu thị phần của dự án được đặt ra như thế nào?
Dự án đặt mục tiêu chiếm 20% thị phần xe đạp tập tại Việt Nam vào Quý 1/2027, đạt doanh thu 10 triệu USD với tỷ suất lợi nhuận 25%, đồng thời hướng tới chiếm 10% thị phần tại các nước Đông Nam Á vào năm 2027.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế xe đạp thể dục thông minh" của nhóm sinh viên Khoa Cơ điện tử – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã hoàn thành đầy đủ quy trình thiết kế phát triển sản phẩm công nghiệp từ khảo sát nhu cầu, xây dựng thông số kỹ thuật mục tiêu đến phân rã hệ thống và tối ưu hóa chế tạo. Sản phẩm được xác lập cấu trúc 3 cụm chức năng (Cơ khí, Điện, Điều khiển) với danh mục 33 chi tiết, sử dụng cơ chế kháng lực từ tính và khung chịu tải 120 kg. Các giải pháp cải tiến công thái học như bàn đạp cao su định hình và bảng dự toán chi phí sản xuất cung cấp cơ sở kỹ thuật vững chắc cho việc chế tạo mẫu thử nghiệm trong các giai đoạn tiếp theo.