(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu thiết kế cơ cấu hỗ trợ xe lăn đi cầu thang

Phương pháp nghiên cứu

Hiện nay, trên thế giới, các thiết bị như xe lăn leo cầu đã được sản xuất với nhiều loại khác nhau, từ tự động hóa cao đến những loại cần sự trợ giúp của người Tuy nhiên, khi nhập khẩu về Việt Nam, những thiết bị này thường ít được sử dụng do giá thành quá cao so với thu nhập trung bình của người dân Điều này dẫn đến việc các sản phẩm này vẫn chưa phổ biến tại thị trường Việt Nam, mặc dù đã có một số người chế tạo xe lăn leo cầu trong nước.

TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về người khuyết tật và những khó khăn trong cuộc sống

Lịch sử phát triển của xe lăn

Theo các tài liệu gần đây, xe lăn được phát minh vào năm 1959 bởi vua Philip II (1527-1598).

Chiếc xe lăn đẩy tay của vua Philip II đã được sử dụng cho đến năm 1655, khi Stephen Farfler, một thợ sửa đồng hồ bị bại liệt, phát minh ra xe lăn với ghế ba chân Bằng cách kết nối ghế vào khung với ba bánh xe, Stephen có thể tự đẩy mình tới phía trước một cách nhẹ nhàng và dễ dàng.

Vào năm 1783, John Dawson đã phát triển một phiên bản mới của xe lăn, được gọi là “chiếc ghế tắm Dawson”, với thiết kế ba bánh và tay lái kết hợp với tay cầm Đây là một phát kiến quan trọng trong lịch sử xe lăn Sau đó, phát minh của ông đã được nhân bản và cải tiến, bao gồm các tính năng như mui che và kính phía trước, giúp nâng cao tiện ích và sự thoải mái cho người sử dụng.

Đến thế kỷ 18, xe lăn đã được cải tiến đáng kể, với thiết kế bánh sau lớn giúp người sử dụng có thể tự di chuyển một cách dễ dàng và tiện lợi hơn.

Vào đầu thế kỷ 19, xe lăn đã có nhiều cải tiến đáng kể về hình dáng và kỹ thuật, với việc lắp đặt nan hoa ở bánh xe, cùng với các bộ phận như nơi để tay, tựa đầu và gác chân Bên cạnh đó, một số loại xe lăn cũng được nâng cấp bằng cách sử dụng những thân cây mềm được bện trên khung kim loại.

Vào năm 1916, các kỹ sư Anh đã phát minh ra chiếc xe lăn động cơ đầu tiên Mặc dù đã được cơ giới hóa, người sử dụng vẫn ưa chuộng xe lăn đẩy tay do giá thành rẻ hơn Bên cạnh đó, xe lăn động cơ còn gặp khó khăn vì kích thước cồng kềnh và khó khăn trong việc gập gọn để di chuyển bằng ô tô.

Hình 2.1: Xe lăn tay cải tiến dùng bộ truyền cơ

Năm 1932, tại Los Angeles, kỹ sư Harry Jennings đã thiết kế chiếc xe lăn gấp cho bạn mình, Hebert Everest Nhận thấy sự tiện lợi và tiềm năng phát triển của sản phẩm, cả hai đã thành lập công ty chuyên sản xuất xe lăn Đến nay, loại xe này vẫn được sử dụng rộng rãi và mang lại nhiều lợi ích cho người dùng.

Hình 2.2: Xe lăn tay và xe lăn đẩy dạng căn bản có thể xếp lại

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG

Hình 2.4: Xe lăn chạy điện cải tiến

Hình 2.5: Xe lăn cải tiến

Người tàn tật không chỉ có nhu cầu di chuyển để làm việc mà còn mong muốn tham gia các hoạt động thể thao như những người bình thường Để đáp ứng nhu cầu này, xe lăn đã được sản xuất đặc biệt dành cho người tàn tật, giúp họ có thể tham gia vào các môn thể thao một cách dễ dàng và thoải mái.

Hình 2.6: Xe lăn tay thể thao

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

2.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Hiện nay, nhiều sáng chế đã được phát triển nhằm hỗ trợ người tàn tật trong việc di chuyển xe lăn qua cầu thang Các cơ cấu này có thể được tích hợp vào xe lăn hoặc thiết kế tách rời Chúng chủ yếu được phân loại thành ba loại: loại sử dụng bánh xe để di chuyển trên cầu thang, loại sử dụng đai để hỗ trợ di chuyển, và loại sử dụng thanh để leo cầu thang.

2.3.1.1 Loại cơ cấu hỗ trợ có tính tự động hoá cao :

Cơ cấu tự động hóa tích hợp vào xe lăn cho phép người sử dụng dễ dàng điều khiển di chuyển tới, lui trên đường bằng hoặc lên xuống cầu thang chỉ bằng cần điều khiển và các nút bấm.

Hình 2.7: Xe đa năng iBOT 4000

Hình 2.8: Hình ảnh các chức năng của xe đa năng iBOT 400

2.3.1.2 Loại cơ cấu bán tự động chuyên dùng:

Cơ cấu bán tự động này được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ việc di chuyển lên cầu thang, với khả năng tách rời dễ dàng Người sử dụng chỉ cần ngồi trên xe lăn, kết nối với cơ cấu qua cần gạt tay, sau đó động cơ sẽ tự động di chuyển xe lăn lên cầu thang một cách an toàn và thuận tiện.

Hình 2.10: Stairmax một cơ cấu bán tự động chuyên dùng hỗ trợ xe lăn lên và xuống cầu thang

2.3.1.3 Loại cơ cấu hỗ trợ xe lăn vượt cầu thang có người trợ giúp:

Cơ cấu hỗ trợ xe lăn lên và xuống cầu thang là một giải pháp thiết thực, tuy nhiên, khác với các loại cơ cấu tự động, nó yêu cầu sự trợ giúp từ người dùng Dưới đây là một số loại cơ cấu điển hình hiện có trên thị trường.

2.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Hình 2.11: Xe lăn leo cầu thang của Anh Võ Đình Minh

Hiện nay, tại Việt Nam, nghiên cứu về xe lăn hỗ trợ di chuyển trên cầu thang còn hạn chế, nhưng anh Võ Đình Minh ở Quy Nhơn, Bình Định đã thành công trong việc chế tạo xe lăn có khả năng leo cầu thang Bị bại liệt từ nhỏ với tỷ lệ thương tật 81%, sau 4 năm nghiên cứu, anh Minh đã phát triển một chiếc xe lăn đặc biệt với các bộ phận chính gồm mô tơ điện, 14 bộ nhông - sên, 2 bộ nhông răng, 2 bánh sau và 4 bánh trước Khi mô tơ được kích hoạt, chuyển động được truyền qua các bộ nhông, giúp xe lăn di chuyển lên hoặc xuống bậc cầu thang Chiếc xe lăn nặng khoảng 50 kg có khả năng chở người khuyết tật nặng từ 30 - 40 kg lên cầu thang với độ dốc khoảng 30 độ.

Dù hoạt động trên địa hình phức tạp, người điều khiển luôn được đảm bảo an toàn và giữ thăng bằng nhờ vào bộ phận thắng đĩa điều khiển bằng tay cùng ghế ngồi thiết kế hợp lý Đây là mẫu xe lần đầu tiên xuất hiện tại Việt Nam, do anh Minh, người đã sáng chế hộp số lùi cho xe gắn máy dành cho người khuyết tật, phát triển.

Xe lăn điện mang lại nhiều ưu điểm, trong đó người điều khiển luôn giữ được tư thế thăng bằng và an toàn nhờ vào hệ thống thắng đĩa và ghế ngồi thiết kế phù hợp Đặc biệt, người tàn tật có thể tự điều khiển mà không cần sự hỗ trợ từ người khác.

Xe lăn leo cầu thang có nhược điểm là thiết kế cồng kềnh, không linh động trong việc tháo lắp để gắn vào các loại xe lăn truyền thống.

Phương pháp nghiên cứu

2.1 Tổng quan về người khuyết tật và những khó khăn trong cuộc sống

Theo thống kê của Liên hợp quốc, khoảng 10% dân số toàn cầu là người khuyết tật Tại Việt Nam, các báo cáo từ Bộ Lao động Thương binh và Xã hội, Bộ Y tế, cùng với dữ liệu từ mạng lưới chỉnh hình phục hồi chức năng và ý kiến cộng đồng, cho thấy thực trạng người tàn tật được phản ánh qua nhiều tài liệu nghiên cứu và khảo sát của các tổ chức quốc tế [Nguồn: http://nccd.molisa.gov.vn/index.php/infomation/so-lieu-thong-ke]

Dạng tật Vận động Thị giác Thính giác Ngôn ngữ Trí tuệ Thần kinh

Nguyên nhân của các dạng tật:

- Các bảng trên đây cho thấy người tàn tật về cơ quan vận động chiếm tỉ lệ

Thứ tự Nguyên nhân Tỉ lệ % so với người tàn tật

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cầu thang và các dạng cầu thang

Cầu thang dạng gấp khúc

Cầu thang này có thiết kế bậc thang giống như cầu thang thẳng, nhưng khác biệt ở chỗ giữa cầu thang có mặt phẳng chuyển tiếp (chiếu nghỉ) giúp đổi hướng theo nguyên tắc xây dựng cầu thang Loại cầu thang này rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày.

Hình 3.3: Cầu thang dạng gấp khúc

Cầu thang dạng cong

Cầu thang hình rẽ quạt có bậc thang được thiết kế theo độ cong của cầu thang, với các bậc gần vị trí cong nhỏ nhất tuân thủ nguyên tắc xây dựng: chiều rộng cộng 2 lần chiều cao bằng 600 mm Loại cầu thang này ít được sử dụng trong thực tế.

Hình 3.4: Cầu thang dạng cong

Ý TƯỞNG VÀ GIẢI PHÁP 4.1 Yêu cầu đặt ra

Phân loại cơ cấu theo mức

- Các cơ cấu hỗ trợ xe lăn vƣợt cầu thang về cơ bản đƣợc chia làm 3 mức đó là :

Cơ cấu hỗ trợ tự động hóa cao được tích hợp cố định vào xe lăn, cho phép người sử dụng chỉ cần điều khiển bằng cần và nút bấm để di chuyển dễ dàng trên đường bằng hoặc lên xuống cầu thang.

Cơ cấu bán tự động chuyên dụng là thiết bị hỗ trợ leo cầu thang, hoạt động tách rời Người sử dụng ngồi trên xe lăn sẽ kết nối với cơ cấu bằng cần gạt tay, sau đó động cơ của cơ cấu sẽ giúp xe lăn di chuyển lên cầu thang một cách dễ dàng.

Cơ cấu hỗ trợ xe lăn vượt cầu thang có người trợ giúp là một giải pháp chuyên dụng giúp người dùng di chuyển lên và xuống cầu thang Khác với các cơ cấu tự động, loại này yêu cầu sự hỗ trợ từ người khác Dưới đây là một số loại cơ cấu điển hình hiện có trên thị trường.

So sánh phân tích các mức và lựa chọn phương án nghiên cứu

- Dựa vào 3 mức sản phẩm đã phân loại trên chúng ta có sự so sánh giữa ba mức sản phẩm nhƣ sau :

Mức sản phẩm Ƣu điểm Nhƣợc điểm

Loại cơ cấu hỗ trợ có tính Độ linh động rất tốt Kích thước khá lớn, nặng,

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 5.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với cơ cấu

Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của cơ cấu

Sơ đồ hoạt động của cơ cấu đƣợc thể hiện ở hình 5.1

Cơ cấu sử dụng 2 cặp bánh xe, một cặp bánh xe trong (3a, 3b) và một cặp bánh xe ngoài (2a, 2b) Được thể hiện như hình vẽ bên dưới:

1a,1b: Các má phanh bánh xe ngoài

4a,4b: Các má phanh bánh xe trong

2a,2b: Cặp bánh xe ngoài thực hiện quá trình xuống cầu thang

3a,3b: Cặp bánh xe trong thực hiện quá trình lên cầu thang

Cặp bánh xe trong (3a, 3b) đảm nhiệm việc leo cầu thang, trong khi cặp bánh xe ngoài (2a, 2b) thực hiện quá trình xuống cầu thang Sơ đồ hoạt động minh họa nguyên lý hoạt động của cơ cấu leo cầu thang một cách rõ ràng.

Xe lăn hoạt động trên bề mặt phẳng với các cặp bánh xe đồng tâm, cho phép di chuyển tự do mà không cần động cơ hoặc thắng Khi xe chạm vào bậc thang đầu tiên, thắng sẽ được kích hoạt và động cơ hoạt động, giúp cặp bánh xe bên trong (3a, 3b) leo lên bậc Xe lăn lúc này được hỗ trợ bởi các bánh xe này, trong khi cặp bánh xe bên ngoài (2a, 2b) tiếp tục di chuyển lên Khi tất cả bánh xe đã lên bậc thang đầu tiên, chúng sẽ đồng tâm và di chuyển đến bậc tiếp theo Quá trình leo xuống cũng diễn ra tương tự, với cặp bánh xe bên ngoài thực hiện việc quay xuống Khi xe đến mép bậc thang, thắng sẽ được kích hoạt để giữ bánh xe lại, bắt đầu quá trình di chuyển xuống cầu thang theo chiều ngược lại.

Hình 5.2: Quá trình leo cầu thang của thiết bị

Tính toán thiết kế kích thước bánh xe

Việc lựa chọn kích thước bánh xe phù hợp với kích thước cầu thang tại Việt Nam là rất quan trọng, nhằm đảm bảo bánh xe nhỏ gọn nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu di chuyển lên và xuống cầu thang một cách an toàn và hiệu quả.

Kích thước bánh xe leo cầu thang phụ thuộc vào chiều cao và chiều rộng của bậc thang, nhưng chủ yếu là chiều cao của cầu thang Để thiết kế bánh xe phù hợp với điều kiện ở Việt Nam, cần hiểu rõ đặc điểm và nguyên tắc xây dựng cầu thang.

*Nguyên tắc xây dựng cầu thang:

Nghiên cứu thiết kế cơ cấu hỗ trợ xe lăn đi cầu thang yêu cầu bậc cầu thang có kích thước cụ thể: chiều rộng cộng với hai lần chiều cao phải đạt 600 mm, với giá trị có thể điều chỉnh trong khoảng từ 550 mm đến 700 mm.

Hình 5.3: Chiều cao và chiều rộng bậc thang

- Khoảng trống trên mỗi bậc thang là 2000 mm

- Bậc phải cao bằng nhau

- Số liệu về kích thước, độ dốc cầu thang thường sử dụng xây dựng ở nước ta:

Chiều rộng thân thang được xác định từ mặt tường đến mép ngoài tay vịn, với kích thước cho nhà ở thông thường dao động từ 1000 mm đến 1400 mm, trong khi đó, nhà công nghiệp yêu cầu chiều rộng từ 1200 mm đến 1800 mm.

+ Độ dốc và kích thước bậc thang: được thể hiện trong (bảng 1.1) và (bảng 1.2) theo kích thước độ dốc và theo tính chất công trình

- Theo [Nguồn: Quy chuẩn xây dựng Việt Nam ( QCXDVN 05: 2008/BXD]ta sẽ có các số liệu cụ thể cho ở bảng dưới

Bảng: Giới hạn chiều cao và chiều rộng bậc thang

STT Loại cầu thang bộ Chiều cao tối đa

1 Cầu thang bộ của các công trình công cộng

2 Cầu thang bộ của nhà ở 190 ** 250

CHÚ THÍCH: thiểu là 250mm

Chiều cao bậc tối đa của cầu thang bộ dành cho người tàn tật phải tuân thủ Quy chuẩn xây dựng, nhằm đảm bảo sự tiếp cận và sử dụng thuận tiện cho người khuyết tật.

Chiều cao lớn nhất của bậc thang là 190 mm, vì vậy tôi sẽ dựa vào kích thước này để thiết kế đường kính bánh xe Mục tiêu là tối ưu hóa kích thước đường kính bánh xe nhỏ nhất có thể, nhưng vẫn đảm bảo quá trình leo lên và xuống cầu thang diễn ra dễ dàng.

- Nhìn trên hình minh họa ở dưới ta thấy được các kích thước cơ bản của bánh xe trong đó

+ a : là khoảng cách từ tâm bánh đến tâm đĩa xính

+ R: là bán kính bánh xe

Khi cơ cấu hoạt động với góc nghiêng từ 60° đến 65°, việc tính toán đường kính bánh xe là rất quan trọng để đảm bảo kích thước nhỏ nhất có thể, đồng thời vẫn hỗ trợ quá trình leo lên và xuống cầu thang một cách dễ dàng.

- Ta sẽ có hình vẽ như hình bên dưới khi cơ cấu làm việc

- Từ hình vẽ trên để bánh xe bước lên được các bậc thang thì điều kiện là :

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 6.1 Kết quả đạt đƣợc

Kết cấu khung đỡ dưới

Khung đỡ dưới xe lăn được chế tạo từ ống Inox vuông 30x30x1,5 mm hàn chắc chắn, với hai tấm inox dày 5 mm được uốn cong theo bánh xe và hàn vào khung Mục đích của khung này là để hỗ trợ toàn bộ xe lăn và người sử dụng khi di chuyển lên hoặc xuống cầu thang.

Hình 6.3 : Kết cấu khung đỡ dưới trên mô hình 3D

Hình 6.4 : Các chi tiết trong bộ khung đỡ dưới

Hình 6.5 : Kết cấu khung đỡ dưới khi chế tạo thực tế

Kết cấu khung đỡ trên

Khung đỡ xe lăn được thiết kế với tay vịn và cơ cấu kẹp giữ xe lăn, tất cả đều làm từ Inox chất lượng cao Tay vịn được chế tạo từ ống Inox có đường kính 22 mm, được uốn cong theo hình dáng tiện lợi Tay cầm được kết nối với khung thông qua hai pê đan xe đạp, trong khi khung chính được tạo thành từ các ống Inox lồng vào nhau, cho phép điều chỉnh chiều cao khung phù hợp với từng người hỗ trợ.

Hình 6.6: Kết cấu khung đỡ trên trên mô hình 3D

Cụm bánh xe di chuyển

- Cụm bánh xe đƣợc làm từ thép C45 gồm các chi tiết đƣợc gia công và ghép lại với nhau

Hình 6.7: Hình cụm bánh xe đỡ trên trên mô hình 3D

Cụm truyền động

- Kết cấu tổng thể của thiết bị nhƣ hình 6.1

Hình 6.1 : Kết cấu tổng thể của thiết bị trên mô hình 3D

- Kết cấu tổng thể ủa thiết bị gồm các phần chính sau :

+ Vỏ bên ngoài của cơ cấu

+ Cụm truyển động gồm: động cơ, hộp giảm tốc trục vít bánh vít, bộ truyền xích, bộ truyền đai răng

Hình 6.2 : Mô hình thực tế khi chế tạo

6.1.1 Kết cấu khung đỡ dưới :

Khung đỡ dưới của xe lăn được chế tạo từ các ống Inox vuông 30x30x1,5 mm hàn chắc chắn với nhau, kết hợp với hai tấm inox dày 5 mm uốn cong theo hình dạng bánh xe và hàn vào khung Mục đích của khung đỡ này là để nâng đỡ toàn bộ xe lăn và người sử dụng khi di chuyển lên hoặc xuống cầu thang.

Hình 6.3 : Kết cấu khung đỡ dưới trên mô hình 3D

Hình 6.4 : Các chi tiết trong bộ khung đỡ dưới

Hình 6.5 : Kết cấu khung đỡ dưới khi chế tạo thực tế

6.1.2 Kết cấu khung đỡ trên :

Khung đỡ xe lăn được thiết kế với tay vịn và cơ cấu kẹp giữ, cả hai đều làm từ Inox bền bỉ Tay vịn được chế tạo từ ống Inox có đường kính 22 mm, được uốn cong để tạo sự thoải mái Tay cầm được kết nối với khung thông qua hai pê đan xe đạp, trong khi khung chính được làm từ các ống Inox lồng vào nhau, cho phép điều chỉnh chiều cao linh hoạt, phù hợp với từng người hỗ trợ.

Hình 6.6: Kết cấu khung đỡ trên trên mô hình 3D

6.1.3 Cụm bánh xe di chuyển :

- Cụm bánh xe đƣợc làm từ thép C45 gồm các chi tiết đƣợc gia công và ghép lại với nhau

Hình 6.7: Hình cụm bánh xe đỡ trên trên mô hình 3D

6.1.4 Kết cấu vỏ bên ngoài :

Vỏ ngoài của thiết bị được chế tạo từ thép tấm C45 dày 5 mm, gia công trên máy phay CNC theo thiết kế, vừa bảo vệ các bộ phận bên trong vừa hỗ trợ các trục truyền động, hộp giảm tốc và động cơ Các tấm vỏ này được lắp ghép bằng bulông và chốt định vị, đảm bảo độ chắc chắn và ổn định cho thiết bị.

Hình 6.8: Kết cấu 3D vỏ bên ngoài của cơ cấu

Hình 6.9: Kết cấu tấm vỏ bên ngoài gia công trên máy phay cắt dây

Hình 6.10: Kết cấu ghép 2 tấm thép với nhau

Hình 6.11: Cụm truyền động của thiết bị

Hình 6.12: Các đĩa xích và housing đỡ ổ bi

Hình 6.13: Quá trình chế tạo cơ cấu và chạy thử nghiệm cụm truyền động

Hình 6.14: Cơ cấu khi gắn liền với xe lăn di chuyển trên đường bằng

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	6,7 MB