Nghiên cứu thiết kế và chế tạo ghế tựa để mang lại sự thoải mái cho người dùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ====o0o==== Báo Cáo Môn Học Cơ Sinh Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chế Tạo Ghế Tựa Để Mang Lại Sự Thoải Mái Cho Người Dùng Giáo viên: Dr. Nguyễn Phan Kiên Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngoc Thanh Hoàng Trọng Vinh Nguyễn Văn Vú Nguyễn Trung Hiếu Lớp: kỹ thuật y sinh-k54 Contents Executive summary Trong kỳ học này, tôi tham gia môn học biomechanic đc giảng dạy bởi tiến sỹ Nguyễn Phan Kiên khoa điện tử viễn thông đại học bách khoa Hà Nội. Một trong những yêu cầu của môn học này dựa trên cơ sở kiến thức của môn học này để thiết kế và chế tạo 1 sản phẩm phục vụ việc năng cao sức khỏe của con người. Trong những ngày đầu tiên tôi thành lập 1 nhóm với 4 thành viên đồng thời thống nhất phương hướng hoạt động của nhóm trong project này. Tiếp theo chúng tôi cùng nhau suy nghĩ để chọn chủ đề cho project lần này, sau 1 tuần bần bạc nhóm chúng tôi đã đi đến thống nhất chọn chủ đề:” thiết kế và chế tạo ghế tựa tạo cảm giác thoải mái cho lưng và cổ”. Ngay sau khi chọn đc chủ đề chúng tôi bắt đầu suy nghĩ về những tồn tại mà các thiết kế hiện có đang mắc phải đó là chưa đặt người dùng vào 1 tư thế ngồi chuẩn và thiếu những điểm nâng đỡ quan trọng để giảm tối đa hoạt động cảu hệ cơ lưng. Tiếp theo đó chúng tối bắt đầu tìm hiểu cấu tạo của hệ xương và cơ phần lưng và hông của cơ thể người, sau đó là những tư thế ngồi chuẩn. Sau quá trình tìm hiểu vầ giải phẫu chúng tôi đã quyết định lựa chọn tư thế mà người dùng sẽ ngồi khi sử dụng chiếc ghế của mình,cùng với đó chúng tôi đưa ra thiết kế sơ bộ của chiếc ghế, cùng với bản dự trù về các vật liệu sẽ dùng trong việc chế tạo chiêc ghế này. Trong các tuần tiếp theo chúng tôi tiếp tục hoàn thiện thiết kế tổng thể của chiếc ghế cùng với đó là việc gặp trực tiếp khách hàng đặt làm ghế Mr.Cruise để đo đạc các thông số kích thước cơ thể của cơ thể ông ấy. Sau khi có đc số liệu chúng tôi nhanh chóng hoàn thiện bản thiết kế chi tiết của mình cùng với đó là tìm hiểu và làm quen với phần mềm vẽ mô phỏng solid work mà tiến sỹ Kiên đã giới thiệu. Chúng tôi chính thức hoàn thành bản thiết kế chi tiết cùng với đó là việc lực chọn vật liệu cho việc làm khung của chiếc ghế. Sau nhiều tranh luận chúng tôi đã quyết định dùng ống inox. Trong 1 tuần sau đó chúng tôi đã đi tham khảo các của hàng kinh doanh inox cũng như các cơ sở sản xuất chế tạo và gia công inox. sau khi tham khảo các xưởng gia công, chúng tôi quyết định sẽ tự chế tạo thay vì đặt làm ở xưởng. Chính vì thế chúng tôi mất 1 tuần để chế tạo các công cụ cần thiết cho việc chế tạo khung ví dụ như ống uốn, nẹp giữ ống, lò rèn than, quạt định hướng. Trước khi chế tạo sản phẩm nhằm tránh những lỗi kĩ thuật chúng tôi dành vài ngày để uốn thử và làm chủ những khúc uốn có trong bản thiết kế. Chúng tôi mất 4 ngày để uốn xong phần khung của chiếc ghế, và mất thêm 1 ngày nữa để hàn những thanh đỡ phía sau lưng và phần dưới mặt ghế. Sau khi hoàn thành phần khung chúng tôi bắt đầu chế tạo phần mặt ghế. Vật liệu mà chúng tôi lựa chọn là A-lô-mếch theo sự tư vấn của tiến sỹ Kiên. Do gặp khá nhiều khó khăn trong việc uốn và gia công A-lô-mếch chúng tôi mất 1 tuần để làm xong phần mặt ghế với nhiều chi tiết lồi lõm. Sau đó chúng tôi đi vào hoàn thiện chiếc ghế với việc chế tác phần đệm mút và da bọc cho chiếc ghế. Do chưa có nhiều kinh nghiệm về phần này nên chúng tôi mất tới hơn 2 tuần để hoàn thiện chiếc ghế. Vào những tuần cuối của kì học chúng tôi tập trung vào việc test và đánh giá chiếc ghế. Sau khi nhận đc sự chấp nhận của khách hàng Mr.Cruise và sự hài lòng của hơn 20 người dùng thử chúng tôi chính thức kết thúc việc chế tạo của mình. 1 tuần cuối cùng của kì học là thời gian dành cho việc hoàn thiện report ,paper và bản present cuối cùng. Chúng tôi hi vọng với thiết kế mới là, sự điều chỉnh mang tính giải phẫu cao và chật lượng của những vật liệu cao cấp sản phẩm của chúng tôi sẽ đc chào đón trên thị trường. Background imformation Client need Mr.Cruise yêu cầu chúng tôi thiết kế và chế tạo 1 chiếc ghế tựa dành riêng cho ông ấy, với các số đo và hình dáng cấu tạo đc đo trực tiếp từ cơ thể ông ấy. Chiếc ghế cần có thiết kế mới là sọ với những mẫu đã có trên thị trường, mang lại cảm giác thoải mái cho phần lưng và cổ của người dùng, các vật liệu bền, đẹp và rẻ. Tất cả công việc phải đc thực hiện trong 15 tuần học của kì 1. Problem statement Những thiết kế đã có chưa có những điểm đỡ quan trọng xương cụt, thắt lưng và sau gáy. Đặc biệt là phần đỡ xương cụt. Ngoài việc đưa ra đc thiết kế lạ mắt, việc tìm kiếm vật liệu và chế tạo cũng gặp nhiều khó khăn. Bên cạnh đó chiếc ghế của chúng tôi cần phải ép ngừoi dùng vào những tư thế ngồi chuẩn để có được sự nâng đỡ tốt nhất cho lưng và cổ. Cuối cùng là những khó khăn trong việc chế tạo các vật liệu khó gia công như, và việc thiếu kinh nghiệm cũng như tay nghề trong việc chế tác các vật liệu từ da. Design process Quá trình nghiên cứu giải phẫu 1 xương cột sống Tổng thể ở người có tất cả 33 đốt xương cột sống. Từ đốt sống thứ nhất (nối với hộp sọ) tới đốt sống thứ 7 là các đốt sống cổ, (7 cervical) Từ đốt sống thứ 8 đến thứ 19 là đốt sống ngực(12 thoracic) Từ đốt sống thứ 20 đến thứ 24 là đốt sống lưng(5 lumbar) Từ đốt sống thứ 25 đến thứ 29 là đốt xương cùng,(5 sacral) Từ đốt sống thứ 30 đến thứ 33 là đốt xương cụt (xương đuôi) (4 coccygeal) Bảy xương đầu tiên trên đầu cột sống gọi là các đốt sống cổ. Đốt đầu tiên nằm ở ngay đáy hộp sọ và đốt thứ bảy nằm ở chân cổ. Chúng là những đốt xương sống nhỏ nhất và có góc quay rộng nhất cho phép chúng ta xoay, cúi và giữ đầu được. Mười hai xương kế tiếp là các đốt sống ngực. Các đốt xương này có kích thước lớn hơn những đốt xương cổ và nối liền các xương sườn và phần cột sống này không được di động lắm. Năm đốt xương sống còn lại gọi là các đốt sống thắt lưng. Các đốt xương này có kích thước lớn nhất và chúng nằm tại vị trí thắt nhất của lưng. Do phải chịu toàn bộ trọng lượng của phần thân trên và có nhiều cơ lớn nên chúng rất dễ bị lạm dụng quá mức dẫn đến tổn thương và gây đau nhức. Đốt xương cùng và xương cụt là hai bộ xương nối nằm tại khung xương chậu. Hai xương này khi vận động sẽ cùng nhau di chuyển thành một khối. Cấu tạo 1 đốt xương Gồm 3 phần Phần trước (mầu tía) cấu tạo như hình trống để có thể chóng đỡ đc trọng lượng cơ thể và các lực ép xuống Phần 2 màu xanh lá cây vòng tròng rỗng để bảo vệ tủy và hệ thần kinh bên trong Phần 3 gồm các khớp để liên kết vs nhau và là nơi các bó cơ gắn vào xương Cấu tạo đĩa đệm Mặc dù các đốt xương sống được nối với nhau bằng các mấu khớp nhưng vẫn phân cách nhau bằng phần trống xương. Trống xương được phân cách giữa đốt sống trên và đốt sống dưới bằng đĩa đệm và chính đĩa đệm này sẽ đóng vai trò như một lớp đệm và giảm chấn. Cột sống có tổng cộng tất cả 23 đĩa đệm, chiếm ¼ chiều dài cột sống. Vùng đệm giữa các đốt sống chứa đựng 3 chất sau: phần sụn cứng kẹp chặt đĩa đệm với các đốt sống, phần sợi cơ bao quanh đĩa đệm và phần ở giữa đĩa đệm có dạng nhầy và nhớt giống như thạch (tủy sống). Các xương kết nối với nhau như thế nào Hệ cơ lưng - Cơ dưới vai (m. subscapularis) bám từ mặt trước xương bả vai tới bám vào mấu động bé xương cánh tay có tác dụng xoay trong cánh tay. - Cơ trên gai (m. suraspinatus) bám vào hố trên sống tới bám vào mấu động to của xương cánh tay có tác dụng dạng và xoay ngoài cánh tay. - Cơ dưới gai (m. infraspinatus) bám từ hố dưới sống tới bám vào mấu động to của xương cánh tay có tác dụng dạng và xoay ngoài cánh tay. - Cơ tròn bé (m. teres minor) bám từ bờ ngoài xương bả vai tới mấu động to của xương cánh tay có tác dụng dạng và xoay ngoài cánh tay. - Cơ tròn to (m. teres major) bám từ bờ ngoài, góc dưới xương bả vai tới bám vào đáy rãnh cơ nhị đầu xương cánh tay có tác dụng khép cánh tay và nâng xương vai. - Cơ lưng rộng (m. latissimus dorsi) là một cơ to rộng dẹt phủ ở phần sau dưới của lưng và bám vào phần dưới cột sống, mào chậu tới góc dưới xương bả vai rồi các thớ cơ vặn ra phía trước tới bám vào mép trong rãnh cơ nhị đầu của xương cánh tay (được nhắc lại ở cơ thân mình). Tác dụng kéo cánh tay vào trong va ra sau. Tìm kiếm ý tưởng và phác thảo thiết kế trên giấy Phác thảo thiết kế Do đã có ý tưởng tù trước khi bắt đầu dự án nên công việc phác thảo thiết kế của chúng tôi không mất nhiều thời gian lắm. Dưới đây là bản phác thảo trên giấy chiếc ghế Khung của ghế đc uốn từ 1 ống inox nguyên hạn chế tối đa các mối hàn. 2 bên thành ghế là 2 lò xo lớn để tăng khả năng nâng đỡ cũng như đàn hồi của ghế. Hai bên có giá đõ tay được làm từ gỗ bọc da. Phần mặt của ghế là sự kết hợp của đệm và được bọc da. Tính toán lực và trọng tải lớn nhất Sau khi phác thảo thiết kế chúng tôi đã tính toán sơ lược về trọng tải lớn nhất mà ghế chịu được, các điểm chịu lực của ghế, cũng như các mômen tác dụng lên ghé khi có người ngồi. Giả sử người dùng có trọng lượng 100kg At one end of the spring, the normal force is applied: PA PA = 12 m × g PX So, the force makes spring compress is: PX=PA × sin75º= 12 m × g × sin75º If m= 100kg PX= 12 × 100 kg × 9.8 Nkg × sin75º = 473.3 N Ngoài ra các điểm M1 và M2 còn phải chịu những mômen lớn và đây là những điểm yếu nhất của chiếc ghế. Dự trù tình huống tai xấu nhất Sau khi tính toán lực và trọng tải chúng tôi tính đến những tình huống xấu nhất. Khi ghế bị gãy ở các điểm yếu nhất như điểm A, M1, M2 thì tư thế ngã của người dùng sẽ như thế nào. Cụ thể khi ghế gãy ở điểm M1, khi đó cả cơ thể của người ngồi sẽ bị ngả về phía sau, phần mông sẽ tiếp đất trước nhưng không gây ra chấn thương cho ngừoi dùng và nhất là vùng quan trọng như đầu và sống lưng. Trong trường hợp ghế bị gãy ở điểm A, cả cơ thể người ngồi sẽ bị đổ về phía trước toàn bộ trọng lực sẽ dồn vào chân nên không thể gây trấn thương cho các phần trên cơ thể. Đánh giá và hiệu chỉnh thiết kế. Hoàn thành thiết kế chi tiết Sau khi bản thiết kế sơ bộ đươc thầy Kiên góp ý nhóm đã hiệu chỉnh 1 số chi tiết như Tăng độ dốc của mặt ghế nhằm ép người dùng ngồi đúng tư thế mình mong muốn Thêm phần đỡ đốt xương cụt mà bản thiết kế trước còn chưa rõ ràng. Tiếp đó theo như sự hướng dẫn của thầy giáo chúng tôi đã dành 2 tuần để làm quen với phần mềm vẽ mô phỏng Solid Work Một số bài tutorial để làm quen với phần mềm solid work Vẽ mô phỏng khung của ghế Sau khi vẽ mô phỏng chúng tôi đã làm 1 mô hình của khung với tỉ lệ 1:10 bằng vật liệu nhôm. Tìm kiếm nguyên vật liệu Phần khung ghế có rất nhiều lựa chọn nhưng sau khi tham khảo giá cả trên thị trường và đánh giá trên các yếu tố như độ bền, thẩm mỹ nhóm đã đi đến thống nhất chọn ống Inox làm vật liệu làm khung. Tiếp theo là phần mặt của ghế ban đầu chúng tôi dự định chọn tấm nhự dẻo nhưng theo như tư vấn của thầy giáo chúng tôi đã quyết định chọn tấm hợp kim nhôm nhựa hay còn gọi là Alu để làm mặt đỡ của ghế. Phần đệm và mặt ghế vẫn là các chất liệu truyền thống và sẵn có trên thị trường đó là da nhân tạo và mút công nghiệp. Chế tạo sản phẩm Chúng tôi bắt đầu chế tạo phần đầu tiên của ghế phần khung. Theo như thiết kế ban đầu phần khung là một ống Inox được uốn theo thiết kế. Nhưng trong quá trình thực hiện do thiếu kiến thức và tay nghề trong việc uốn một vật liệu rất cứng như Inox chúng tôi đã chuyển sang phương án kết hợp những đoạn uốn và các mối hàn. Phần khung được chia ra làm hai phần đôi xứng nhau sau đó hàn lại. Tiếp đó là phần mặt ghế, chúng tôi đã hàn thêm các thanh đỡ ngang để có thể ghép mặt Alu vào chắc chắn. Sau đó là các liên kết xung quanh khung được cố định bởi ốc vít. Do thời gian có hạn nên phần mặt đệm chúng tôi ko dành nhiều công sức lắm chính vì thế nên các chi tiết da không được đẹp và còn thiếu nhiều điểm cần cố định. Đánh giá , hiệu chỉnh và hoàn tất sản phẩm Sau khi việc chế tạo hoàn tất chúng tôi đã tiến hành đo đạc độ biến dạng của ghế khi người dùng có trong lượng khác nhau ngồi vào. Cụ thể là đặt các trọng lượng khác nhau vào ghế và đo sự thay đổi góc giữa các thanh của khung ghế. Cùng với đó là tham khảo thêm cảm nhận của người dùng thử ghế. Conclusion Đánh giá kết quả làm việc của nhóm Kết quả của nhóm đã đạt được là tìm hiểu nghiên về cấu tạo giải phẫu của phần lưng người, hoàn thành sản phẩm và đưa vào sử dụng, thu thập ý kiến đánh giá của ngừoi dùng thử. Nhìn chung, nhóm đã hoàn thành cơ bản các yêu cầu của cuộc nghiên cứu tuy nhiên vẫn còn nhiều điểm tồn tại trong quá trình nghiên cứu. Thứ nhất là chưa đáp ứng được đúng tiến độ và tiến trình nghiên cứu như trong dự thảo đề ra. Thứ hai là trong quá trình chế tạo do thiếu kinh nghiệm nên chưa chuẩn bị được hết tình huống xấu có thể xảy ra. Thứ ba là kĩ năng làm việc theo nhóm chưa được tốt. Bên cạnh đó nhóm cũng có một số ưu điểm như tinh thần dám nghĩ dám làm, khả năng xoay sở. Tóm lại sau quá trình nghiên cứu chúng tôi đã thu được rất nhiều kiến thức chuyên môn cũng như đời sống. Dự định trong tương lai Nếu trong tương lai chúng tôi có cơ hội hoàn thiện hơn nữa sản phẩm của mình, thì chúng tôi sẽ cố gắng thực hiện những ý tưởng sau Tìm kiếm vật liệu làm khung tốt hơn hiện tại ví dụ như hợp kim titan, sợi cacbon, Thay đổi thiết kế để có được sản phẩm hấp dẫn, bắt mắt hơn, Thực hiện nhiều thử nghiệm với nhiều người dùng hơn để đánh giá tác dụng của của ghế. Nếu có thể thì chúng tôi mong muốn có được một kế hoạch sản xuất hàng loạt để sản phẩm có thể được đưa vào ứng dụng phổ thông. Lời kết Việc chế tạo ghế tựa không phải là mới, song quá trình nghiên cứu và chế tạo đã mang lại một vài điểm khác biệt đó là điểm đỡ ở đốt xương cụt và thiết kế hơi dốc của mặt dưới ép ngừoi dùng vào đúng tư thế ngồi chuẩn. Bên cạnh đó là thiết kế mới lạ chưa có trên thị trường. Trên đây là một vài điểm đáng chú ý của nghiên cứu này. Qua quá trình thực hiện đề tài chúng tôi đã thu được nhiều kiến thức cũng như kĩ năng cần thiết.