PROGETTO DI UNA SEDIA A ROTELLE POLIFUNZIONALE

UNIVERSITA DEGLI STUDI di ROMA TOR VERGATA Facolta di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Medica Disegno Assistito al Calcolatore Prof. Pezzuti Studenti: Chiara Trombetta Claudio Vergari PROGETTO DI UNA SEDIA A ROTELLE POLIFUNZIONALE Introduzione L obiettivo del progetto consiste nella realizzazione di una sedia a rotelle che sia adattabile a diverse esigenze e situazioni. Abbiamo sviluppato una sedia a rotelle polifunzionale con telaio unico predisposto all aggancio di accessori che la adattino a diversi ambiti: on the road sportivo da spiaggia I componenti sono stati disegnati partendo da modelli o brevetti esistenti e sono stati adattati alle esigenze di polifunzionalità preposte. Per questo stesso scopo sono stati introdotti un sistema di ammortizzamento per il sellino e un meccanismo per inclinarlo. La rielaborazione del design è stato un altro obiettivo che ci siamo preposti, in particolare ci siamo focalizzati su un target giovanile. Caratteristiche delle configurazioni: Base Ruote a raggi Sedile con seduta orizzontale 1

Parafanghi laterali Maniglie posteriori ribaltabili Braccioli Modello base: on the road 2

Sportiva Ruote lenticolari Mozzo con inclinazione della ruota a 15 Sedile con seduta inclinata a 15 Ruota posteriore regolabile Modello sportivo 3

da spiaggia Ruote da sabbia Copertura per il sole regolabile Modello da spiaggia 4

Telaio Abbiamo sviluppato una sedia a rotelle polifunzionale con telaio unico predisposto all aggancio di accessori. Il telaio è stato disegnato sulla base di modelli esistenti e già in commercio, in particolare quelli sportivi. Per creare una sedia con design originale e giovanile la struttura del telaio è stata elaborata in modo da avere una struttura a linee curve. Per la realizzazione sono stati utilizzati come strumenti di schizzo le spline. In seguito sono stati aggiunti al telaio unico i sistemi di aggancio per i vari accessori. Telaio Modello Kuschall della Invacare Modello R33 della Invacare 5

Telaio del sedile Il meccanismo di sostegno e regolazione del sedile e una rielaborazione del brevetto US6979010B1, di cui e mostrato un dettaglio a destra. Le piastre sottili forate fissate al telaio (30) permettono di regolare il sedile (18) in altezza. I fori sul supporto a mezzaluna (10) permettono invece di variare l inclinazione del sedile in posizioni prestabilite, assetti utili per lo sport. Il pistone (20) ha funzione di ammortizzatore. A destra e mostrata la nostra realizzazione della struttura. Rispetto all originale abbiamo sostituito il supporto centrale alla mezzaluna con due barre curve, dalle forme arrotondate e piu aggraziate. Per diminuirne il peso hanno struttura cava, visibile nell immagine renderizzata, con un setto interno per tutta la lunghezza. Brevetto US6979010B1 Per aumentare la rapidita di cambio assetto, abbiamo sostituito i bulloni di fissaggio della mezzaluna al pistone e ai supporti posteriori con due semplici Telaio del sedile e meccanismo di regolazione 6

meccanismi composti da tre perni ciascuno ed un tappo fissato a loro con una molla per tenerli in posizione. L ammortizzatore, di cui e mostrata una vista esplosa renderizzata in basso, e composto da tre cilindri concentrici di cui due interni con funzione strutturale, ed uno esterno che funge da guida per lo scorrimento. Due molle interposte assicurano l elasticita del sostegno. Vista esplosa dell ammortizzatore 7

Il sedile Nella realizzazione del sedile abbiamo cercato di raggiungere una forma il piu possibile comoda ed ergonomica. La superficie prevede due incavi a sostegno delle cosce e un sedile parzialmente avvolgente per sostenere il busto, con lo schienale lievemente inclinato indietro cosi da seguire la naturale curva della schiena durante l appoggio. Abbiamo realizzato la superficie con un loft guidato da quattro curve guida, e diverse sezioni intermedie per controllare sia le superfici di appoggio per gambe e schiena, sia la porzione laterale, quasi lineare, deputata ad interfaccia con il telaio. Quest ultima e caratterizzata da quattro estrusioni, sottostanti il sedile, che permettono di presentare delle facce piane al telaio. Abbiamo pensato il fissaggio al telaio con 8 viti dalla testa svasata, passanti le estrusioni e rientranti nel sedile, cosi da non presentare un pericolo per graffi e ferite. L appoggio alle aste posteriori del telaio avviene invece mediante due parti in plastica, collegato al sedile da due guide Sedile in plastica rigida Interfaccia con il telaio Dettaglio: alloggiamenti delle viti 8

Aggancio del sedile Aggancio del sedile 9

Poggiapiedi Il poggiapiedi è stato realizzato seguendo gli stessi criteri del telaio, ovvero avere un design originale con linee curvilinee. La struttura quindi è stata disegnata utilizzando delle spline. Sulla base del poggiapiedi sono stati disegnati dei fori rettangolari per permettere l inserimento delle fascie che vengono utilizzate per bloccare i piedi in molte attività sportive. La sedia deve essere adattabile quindi abbiamo reso il poggiapiedi regolabile e abbiamo inserito un meccanismo di aggancio pratico. Poggiapiedi 10

Aggancio poggiapiedi Il sistema di aggancio utilizzato per il poggiapiedi è lo stesso che veniva utilizzato per il telaio delle tende. Due perni vengono spinti manualmente in modo da comprimere la molla, in seguito si fa scorrere il componente fino a posizione, a questo punto la molla ritorna allo stato di riposo e spinge i perni che bloccano la parte. Nella figura sottostante è mostrata il disegno renderizzato del sistema di aggancio. Aggancio per poggiapiedi 11

Le ruote Ruota con raggi Le tre configurazioni proposte sono caratterizzate da tre diverse ruote. La configurazione base, mostrata in questa pagina, e dotata di una ruota a raggi con copertone intagliato. Il cerchio e il copertone sono curati nei dettagli, dallo studio della sezione alle rifiniture per gli agganci dei raggi. Il copertone e dotato di due anelli metallici di rinforzo. Riportiamo anche la sezione di riferimento che abbiamo usato come base per la realizzazione del cerchio. La nostra realizzazione non comprende la camera d aria. Ruota con raggi Schema di riferimento Sezione della ruota realizzata Dettaglio del copertone 12

Il centro ruota e l hub A destra sono mostrati il centro ruota di riferimento ( Spinergy wheel ) e la nostra realizzazione al Solidworks. La testa dei raggi ha una forma differente, piu coerente con le forme tondeggianti proposte. L hub (sistema di aggancio per la ruota) e stato realizzato prendendo spunto dal brevetto GB 2414971, mostrato in basso. Il sistema permette un aggancio e sgancio rapido, in linea con i propositi di modularita e adattabilita della sedia. I cuscinetti fanno parte del toolbox di Solidworks, e seguono gli standard ISO. Brevetto GB2414971 La nostra realizzazione dell hub Realzizzazione del centro ruota 13

Ruota lenticolare Le ruote lenticolari vengono utilizzate nel ciclismo per le prove a cronometro: sono in grado di aumentare le prestazioni della bici ad alta velocita. Ovviamente queste velocita non sono raggiunte dalla sedia a rotelle, quindi in questo caso la ruota lenticolare, che abbiamo inserito nella configurazione sportiva, ha sola funzione estetica. E stato molto difficile trovare in rete schemi, progetti o viste in sezione di queste ruote quindi per la realizzazione del modello ci siamo basati su foto e descrizioni tecniche. A destra sono mostrati una delle foto di riferimento e la renderizzazione della ruota realizzata. Abbiamo riprodotto il logo e la grafica mediante decalcomanie.i forami del nostro modello hanno pura funzione estetica, per alleggerire le Ruota lenticolare Ghibli della Campagnolo La nostra realizzazione linee. La ruota monta lo stesso copertone della ruota a raggi, mentre il cerchio e un adattamento del cerchio gia descritto.l hub per il fissaggio e il rapido rilascio e anch esso lo stesso, mentre il centro ruota e ovviamente di nuova progettazione, per essere in grado di alloggiare i dischi di supporto. 14

Ruote da sabbia La configurazione da spiaggia è caratterizzata da ruote larghe anteriori e laterali che permettono di procedere su fondo sabbioso senza affondare. Per la realizzazione ci siamo basati su modelli in commercio, riportiamo la foto di una ruota da spiaggia a lato. Per le caratteristiche del terreno sabbioso il copertone per le ruote da sabbia non necessita si una superficie intagliata, come si può notare anche nella foto. Per cui nel disegno in basso il nostro copertone è una superficie liscia. Il cerchione è stato rielaborato per creare comunque un design particolare. La superficie del cerchione è liscia sia internamente che esternamente. Foto ruota da spiaggia Ruota da sabbia 15

Per evitare problemi di slittamento tra la superficie liscia del copertone e quella del cerchione sono state inserite delle estrusioni (1) sulla superficie di interfaccia dei due componenti. 1 Tali estrusioni possono essere evitate se si crea una superficie ruvida sulla parte di interfaccia che impedisca lo slittamento. Per bloccare le ruote in posizione abbiamo utilizzato un meccanismo a clip. Una volta inserita la ruota nel mozzo questa verrà bloccata semplicemente mediante un aggancio che ha la stessa curvatura del mozzo da un un lato e dall altro invece è lineare per poter entrare nel foro. Questo tipo di aggancio non Cerchione solo viene utilizzato da alcuni produttori di sedie a rotelle ma in macchinari per il giardinaggio. Nella figura accanto è mostrato il sistema di aggancio da noi disegnato. Sistema di fissaggio 16

Ruote anteriori Per disegnare le ruote ci siamo basati sulle ruote per i pattini in linea, poichè rispetto alle altre hanno un design originale. Abbiamo rielaborato il design ma abbiamo mantenuto il materiale in gomma trasparente. Per le ruote abbiamo anche ridisegnato i cuscinetti, come si può vedere nella figura a lato, e il distale. Le strutture di aggancio sono state create in modo da consentire sia la rotazione della ruota che quella della struttura di aggancio in modo da facilitare i cambiamenti di direzione. L aggancio della ruota al telaio avviene attraverso un perno. Nella figura in basso è mostrato l aggancio della ruota. Assieme ruota Cuscinetto Aggancio ruote anteriori 17

Ruote posteriori La ruota posteriore hanno le stesse caratteristiche di quella anteriore. Quello che cambia è l aggancio tra la ruota e il telaio. La ruota posteriore è utile soprattutto in ambito sportivo poiché permette di avere una maggiore stabilità. Poiché ogni sport è caratterizzato da diversi movimenti la lunghezza della ruota varia secondo le esigenze, quindi l aggancio della ruora deve essere regolabile in lunghezza. Nella foto in basso è mostrato il sistema di aggancio, ovvero l asta. Assieme ruota Asta ruota posteriore 18

Copertura da spiaggia La versione spiaggia comprende una copertura per il sole, montata sulla sedia a rotelle mediante bracci a tre snodi per poterne regolare al posizione e l orientazione. La realizzazione attuale e in materiale plastico semitrasparente, con struttura portate in metallo. Eventualmente potrebbero essere aggiunte delle costolature per sostituire la copertura plastica con la tela. In questa pagina sono mostrate alcune viste renderizzate della copertura, e in dettaglio le superfici di aggancio con la struttura sottostante. La copertura di protezione è regolabile in posizione e angolazione mediante due coppie di bracci snodati. Il bloccaggio tra i bracci avviene mediante il meccanismo a due meta simmetriche, di cui una meta e mostrata nella pagina seguente, che viene stretto da due manopole. In basso nella pagina seguente sono mostrate le manopole filettate usate per stringere il meccanismo che blocca i sostegni della copertura 19

Braccio e meccanismo di blocco della copertura da spiaggia Manopole per copertura da spiaggia 20

Parafango La versione da strada comprende due parafanghi interposti tra il sedile e le ruote. Abbiamo immaginato la loro realizzazione in plastica, leggera e flessibile, in grado di piegarsi senza problemi in caso di urto con le braccia. L aggancio al telaio avviene mediante due supporti circolari che si adattano rispettivamente al mozzo e al montante: anche in questo caso viene sfruttata la compliance del materiale per il bloccaggio. Abbiamo realizzato la superficie del parafango con un loft di superficie su tre linee guida, e diverse sezioni intermedie per controllarne l andamento; la superficie e stata in seguito ispessita. I supporti curvi sono invece realizzati con loft di volume, di sezione ovale e con due linee guida ciascuno per controllare la regolarita della sezione e la torsione. In basso e mostrata una vista posteriore del parafango. Parafango, vista posteriore 21

In questa pagina è riportata la figura renderizzata dei due parafanghi in posizione sul telaio. Parafanghi montati sul telaio 22

Bracciolo Si riportano le figure con il componente e i particolare. Bracciolo Particolare del bracciolo Particolar del sistema di aggancio 23

Maniglie regolabili Le maniglie sono state disegnate in modo da avere una forma ergonomia per le mani. La parte nera è una copertura in gomma che serve ad avere più presa con le mani. Le maniglie sono regolabili possono essere ruotate per ridurre l ingombro. Nella figura a lato è mostrata la maniglia, invece nella figura in basso la maniglia è accoppiata al telaio in posizione di utilizzo. Maniglie regolabili Maniglie sul telaio del sedile 24

Mozzo Mozzo Mozzo 15 Mozzo perno 25

Mozzo ruote anteriori da spiaggia 26

Analisi statica Nonostante esuli dagli obiettivi del progetto, abbiamo svolto alcune indagini sulle capacita meccaniche di alcune parti che ci sembravano sospette nei meccanismi che abbiamo riprodotto. Ad esempio non ci siamo fidati dell effettiva resistenza dei supporti per il telaio del sedile. A destra e mostrato lo schema di vincolo e carico, non in scala, che abbiamo utilizzato per l analisi dei supporti. Abbiamo imposto come materiale Schema dei vincoli e carichi l acciaio cast (modulo elastico 1.9*10 11 ) e 80Kg di forza peso (da notare che abbiamo volontariamente caricato con l intero peso corporeo solo due supporti, invece dei quattro presenti nel meccanismo, per maggiore sicurezza). σ vonmises Il fattore di sicurezza risultante σ calcolato Limite e effettivamente confortante, come si può notare nel grafico della pagina seguente: il punto piu a rischio si trova sul supporto anteriore, piu sottile del posteriore, ma e comununque circa 6. Questo implica che il meccanismo puo essere caricato in sicurezza con un peso sei volte maggiore degli 80 Kg utilizzati. Inoltre in condizione normale i supporti lavorano parallelamente in coppia, quindi questo valore puo essere ulteriormente raddoppiato. Anche gli spostamenti sono contenuti, come si può vedere dal grafico sono limitati ai 9.6*10-3 mm. 27

Fattore di sicurezza Spostamenti Un altro componente che abbiamo controllato è il sistema di aggancio del poggiapiedi. Anche in questo caso non eravamo sicuri della resistenza e abbiamo imposto un peso eccessivo di 20 kg, pari al peso delle gambe in posizione seduta, su un solo perno, anche se in effetti di perni ce ne sono quattro, due per lato. A destra e mostrato lo schema di vincolo e carico, non in scala, che abbiamo utilizzato per l analisi. Il fattore di sicurezza risultante calcolato e buono, come si può notare nel grafico della pagina seguente. Infatti il punto piu a rischio che si trova nella zona di interfaccia tra il telaio e il perno e pari a 2 circa. Questo implica che il meccanismo puo essere caricato in sicurezza con un peso due volte maggiore a Schema dei vincoli e carichi quello imposto. Anche gli spostamenti sono contenuti, come si può vedere dal grafico sono limitati ai 9.94*10-4 mm. 28

Fattore di sicurezza Spostamenti In entrambi i casi quindi possiamo concludere di essere in sicurezza in caso di un carico normale. 29