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. 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. Error! Bookmark not defined. Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined. Error! Bookmark not defined. Tình hình nghiên cứu. Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu đề tài. Cách tiếp cận và hƣớng nghiên cứu.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Error! Bookmark not defined. Nội dung nghiên cứu. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU.
Quá trình thiết kế máy và chi tiết máy. Phân tích và lựa chọn kết cấu. Chế độ làm việc của xe. Nguyên lý làm việc của xe.
Các phƣơng án đề xuất cho cơ cấu di chuyển. Di chuyển bằng chân. Di chuyển bằng xích. Di chuyển bằng bánh xe cao su.
Các loại bánh xe. Các phƣơng án đề xuất cho cơ cấu nâng. Cơ nâng nâng bằng xi lanh thủy lực. Cơ nâng nâng bằng tời kéo cáp.
Cơ nâng nâng bằng bánh răng thanh răng. Cơ nâng nâng bằng trục vít me đai ốc bi. THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU. Lý thuyết về nhân trắc học trong thiết kế không gian xe.
Thiết kế cơ khí. Thiết kế khung chính. Thiết kế khung nâng. Thiết kế khung ghế xoay.
Lắp ráp toàn bộ hệ thống khung. Tính toán kết cấu xe. Chọn động cơ xoay trục vít me bi. Chọn động cơ đẩy.
Chọn động cơ xoay ghế ngồi. Chọn động đỡ ngƣời. Động học bánh lái xe lăn. Đánh giá kết cấu khung xe.
Kết quả mô phỏng ứng suất và chuyển vị của xe. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong phân tích kết cấu. Kết quả mô phỏng. Tối ƣu hóa hệ thống khung.
Lý thuyết tối ƣu hóa kết cấu. Đánh giá kết quả. 60 Tài liệu tham khảo .61 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Các kiểu xe lăn đầu tiên.
Sự phát triển của xe lăn hỗ trợ bệnh nhân. Sự phát triển của thiết bị nâng hỗ trợ bệnh nhân. Chiếc xe lăn PET .6: Các sản phẩm xe lăn của công ty Kiến Tường. Xe lăn điện ứng dụng ERGONOMICS.
Mô hình xe lăn đa chức năng. Sự sắp xếp chân của các loài động vật khác nhau. Robot di chuyển bằng chân. Robot di chuyển bằng bánh xích.
Xe lăn và Robot di chuyển bằng bánh xe. Các loại bánh xe sử dụng cho mobile robot. Các cách bố trí bánh xe cho mobile robot. Cơ cấu di chuyển cho xe lăn đa chức năng.
Mô hình xe lăn sử dụng cơ cấu nâng bằng xi lanh thủy lực .Mô hình xe lăn sử dụng cơ cấu nâng bằng tời kéo cáp. Mô hình xe lăn sử dụng cơ cấu nâng bằng bánh răng thanh răng. Mô hình xe lăn sử dụng cơ cấu nâng bằng trục vít me đai ốc bi. Các kích thước tham chiếu về nhân trắc học.
Kích thước thiết kế của khung chính. Kích thước thiết kế của khung nâng. Kích thước thiết kế của khung ghế xoay. Lắp ráp hệ thống khung.
Bản vẽ tháo lắp chi tiết của xe lăn đa chức năng. Sơ đồ hệ thống truyền động của xe lăn. Bộ truyền vít me đai ốc bi và truyền xích sau khi chế tạo. Bộ truyền bánh răng nón cho cơ cấu lái sau khi chế tạo.
Sơ đồ tính lực nâng đỡ người. Mô hình dẫn động xe lăn. Mô hình động học hệ thống dẫn động. Mô hình xe lăn sau khi chế tạo.
Kết quả mô phỏng ứng suất sinh ra tại ổ đỡ khi ghế ngồi ở vị trí cao nhất với góc quay là 1800. Kết quả mô phỏng ứng suất ổ bi và trục được tách ra. Kết quả mô phỏng chuyển vị toàn phần của xe khi ghế ngồi ở vị trí thấp nhất với góc quay là 0o. Biểu đồ kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa ứng suất với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (60kg).
Biểu đồ kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa chuyển vị với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (60kg). Biểu đồ kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa ứng suất với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (70kg). Biểu đồ mô phỏng thể hiện mối quan hệ giữa chuyển vị với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (70kg). Biểu đồ kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa ứng suất với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (80kg).
Biểu đồ kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa chuyển vị với góc quay tương ứng với các chiều cao nâng (80kg). Sơ đồ kiểm tra độ chuyển vị của xe lăn. Mô hình thí nghiệm đo chuyển vị thực tế. Đồ thị kết quả đo chuyển vị giữa mô phỏng và thực tế của khung xe 55 Hình 4.
Mô hình đặt tải và các điều kiện ràng buộc. Kết quả sau khi tối ưu hóa mẫu số 1 và số 2. Kết quả mô phỏng ứng suất của mẫu số 1 và số 2. Kết quả mô phỏng chuyển vị của mẫu số 1 và số 2.
59 x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. So sánh ưu nhược điểm của các cơ cấu di chuyển. Kích thước tham chiếu về nhân trắc học. Giá trị áp suất cho phép.
Giá trị ψH và ψh. Thông số kỹ thuật xe lăn. Khối lượng của các chi tiết trong máy. Cơ tính của các loại thép sử dụng.
Bảng giá trị ứng suất mô phỏng tại ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 60kg. Bảng giá trị chuyển vị mô phỏng tại ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 60kg. Bảng giá trị ứng suất tại mô phỏng ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 70kg. Bảng giá trị chuyển vị mô phỏng tại ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 70kg.
Bảng giá trị ứng suất mô phỏng tại ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 80kg. Bảng giá trị chuyển vị mô phỏng tại ổ trục (MPa) trong trường hợp người có khối lượng 80kg. 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.