Metodi di progettazione industriale - Tesina "Carrozzina innovativa per disabili"

Università degli Studi di Perugia

C.d.L. Magistrale in Ingegneria Meccanica

A.A. 2017-2018

Metodi di Progettazione Industriale

Carrozzina innovativa per disabili

Marco Maurizi - Matricola 295692

Andrea Proietti - Matricola 296693

Luca Cencioni - Matricola 295746 Relatore: Prof. Paolo Conti

Indice

1 Introduzione 3

2 Pianificazione di prodotto 3

2.1 Dichiarazione di intenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3 Progettazione concettuale 4

3.1 Individuazione bisogni dei clienti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3.2 Specifiche di prodotto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3 Generazione concetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3.1 Analisi concorrenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3.2 Letteratura scientifica e brevetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.3.3 Funzione gradino-scale-marcia in piano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3.4 Funzione variazione altezza da terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4 Selezione concetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4 Soluzione scelta 47

4.1 Dimensionamento di massima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.1 Motori DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.2 Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.1.3 Attuatore rotativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.1.4 Sistema di trasmissione cingoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.1.5 Sistema di variazione altezza e inclinazione sedile . . . . . . . . . . . . . . 51

4.2 Logica di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5 Allegato 1 54

6 Allegato 2 54

Riferimenti Normativi e Bibliografici 55

2

1 Introduzione

La difficoltà di deambulazione per le persone aventi una disabilità motoria è stata da sempre

una problematica rilevante e ad oggi non si è ancora trovata una soluzione efficace.

Come si evince da [1] la percentuale di persone sopra i 15 anni con disabilità motorie negli Stati

Uniti è dell’ 1, 5 % della popolazione.

Confrontando i vari dati presenti in letteratura si può stimare che circa l’ 1 % della popolazione

dei Paesi sviluppati ha problemi nella deambulazione; per tali ragioni si è intensificata negli

ultimi anni la ricerca e l’innovazione in questo ambito. La tecnica ha risposto nel tempo all’e-

sigenza dei portatori di handicap motori tramite due strade: progettando città in modo tale da

eliminare le cosiddette barriere architettoniche e strumenti per superare tali barriere, ovvero le

carrozzine(wheelchair).

I disagi, quotidiani e non, legati ad una disabilità di deambulazione non si riducono ovviamente

alle barriere architettoniche, ma sono molteplici, come vedremo in seguito.

Si è scelto nel presente progetto di puntare allo sviluppo di un prodotto innovativo che consenta

al portatore di handicap di superare le barriere e i problemi riscontrati(Cf. paragrafo 3.1).

2 Pianificazione di prodotto

2.1 Dichiarazione di intenti

Si vuole ora precisare ed esplicare la mission statement, ovvero i principali obiettivi di prodotto

e finanziari e i vari vincoli a cui sottostare nello sviluppo del progetto in esame.

La necessità a cui verrà data risposta è la richiesta di autonomia di persone disabili, in par-

ticolare paraplegici, ovvero costretti ad utilizzare una carrozzina. Si riportano nel seguito i

principali obiettivi suddetti e le caratteristiche base del prodotto, nel rispetto delle normative

EN-ISO armonizzate.

Prodotto

Carrozzina innovativa in grado di aumentare l’autonomia dei disabili: salire e scendere sca-

le e gradini, spostamento verticale e longitudinale.

Clienti

Disabili con ridotte capacità di deambulazione.

Caratteristiche base

Ottimo rapporto qualità prezzo, facilità di utilizzo, flessibilità e rapidità nei movimenti, po-

co ingombrante.

Tempo di sviluppo

3 mesi.

Mercati

Mercato primario: privati.

Mercato secondario: enti pubblici.

Vincoli normativi 3

Rispetto delle normative armonizzate EN 12183 , EN 12184 (Cf. [2], [3]) , rispettivamente

per carrozzine manuali ed elettriche; unitamente alla normativa ISO 7176-28:2012 (Cf. [4])

specifica per montascale e UNI 10804-1999 (Cf. [5]) per la standardizzazione di scale interne,

esterne , pubbliche e private.

3 Progettazione concettuale

Obiettivo principale del prodotto in esame è l’aumento dell’autonomia di un disabile, in parti-

colare soddisfare il bisogno di poter superare ostacoli, scale e risolvere altri problemi nella vita

quotidiana, evidenziati nel seguito.

Si sono anzitutto analizzate le diverse esigenze dei clienti, attraverso un’ indagine di mercato:

ciò è stato necessario per evidenziare i bisogni che il prodotto dovrebbe soddisfare. Successiva-

mente tali bisogni sono stati oggetto di valutazione in funzione della loro importanza, sotto-

ponendoli al giudizio dei clienti, onde evitare pregiudizi da parte dei sottoscritti progettisti.

Le esigenze dei clienti sono state tradotte poi in metriche , ovvero in parametri in grado di

quantificare il livello di soddisfacimento del bisogno, andando a ricercare per ciascun bisogno le

metriche corrispondenti. Si è poi costruita una matrice bisogni-metriche , evidenziando cosı̀ ,

in prima istanza, l’importanza relativa delle metriche; come secondo parametro di valutazione

dell’importanza è stata utilizzata l’analisi della concorrenza unitamente al metodo QFD(Quality

Function Deployment).

Attraverso l’analisi della concorrenza si sono definiti i valori ideali e marginali delle metriche.

Successivamente sono stati generati i concetti ed infine selezionati attraverso specifici metodi

qualitativi e quantitativi (Cf. sezione 3.4).

3.1 Individuazione bisogni dei clienti

In questa fase si sono raccolti i dati relativi alle esigenze dei clienti sottoponendo, tramite

Facebook, ad un campione un questionario a domande aperte.

Sono state intervistate 42 persone facenti parte dei gruppi Facebook ”Carrozzine & Ausili per

disabili e anziani ” e ”Amici dei disabili Onlus”.

Si riporta in Allegato 1 (capitolo 5) il suddetto questionario e le relative risposte; quest’ultime

sono state quindi interpretate in termini di bisogno , ovvero come caratteristiche della carrozzina.

Per ciascuna domanda sono state selezionate ed estratte le risposte più significative, eliminando

quelle ridondanti; si riportano in tabella 1 e 2 tali domande e risposte, unitamente ai bisogni.

Lo step successivo è stato quello di determinare l’importanza di tali bisogni, in modo da avere

una loro gerarchizzazione.

A tale scopo è stato redatto un questionario a domande chiuse, riportato in Allegato 2 (capitolo

6), in cui sono presenti i bisogni e 6 livelli di risposta, da 0 a 5 , in cui 0 rappresenta molto

basso e 5 molto alto.

Suddetto questionario è stato proposto, analogamente al precedente, ai due gruppi Facebook

già menzionati, ricevendo 12 risposte.

Sono riportate nel seguito(nelle figure 3 , 4 , 5) per ogni domanda i livelli di importanza attribuiti

dai clienti. Da tali frequenze relative sono stati calcolati i valori medi per ciascun bisogno(vedi

tabella 6). Per evidenziare le differenze relative di importanza tra i vari bisogni suddetti valori

medi sono stati prima riscalati per un fattore 2 e poi approssimati all’intero più vicino; dato i

m

4

L'entrata in ascensore, in alcune La carrozzina ha un ingombro

stanze dove le porte sono più ridotto.

strette.

L'aderenza delle ruote su alcuni La carrozzina ha aderenza su

materiali, parquet o tappeti. pavimenti esterni.

Sbattere i piedi negli spigoli, La carrozzina evita gli urti contro i

perché non ho propriocezione piedi.

dal petto in giù. Per il resto, casa

Quali problematiche dovute mia è arredata per un disabile

alla disabilità incontra in un quindi tutto a posto.

ambiente domestico? Ambienti piccoli e carrozzina La carrozzina ha un ingombro e uno

che, inevitabilmente, urta tutti i spazio di manovra ridotti .

mobili, tavoli e porte.

Il non arrivare a prendere cose La carrozzina è elevabile.

messe in alto.

Riuscire a cucinare e ad La carrozzina è verticalizzante.

esempio scolare la pasta!

Barriere architettoniche come

marciapiede, strade disconnesse,

difficoltà di manovrare su alcuni La carrozzina supera il gradino del

marciapiede non livellato ma marciapiede e si sposta agevolmente

leggermente inclinati. su terreni disconnessi ed inclinati.

Scalini, marciapiedi

inaccessibili e manto stradale

ostico (sanpietrini, giardini

pubblici in sterrato o con

brecce).

Quali invece al di fuori Dura da spingere. La carrozzina necessita di poco

dell'abitazione? sforzo muscolare per il suo

avanzamento.

Superare gradini e piccoli La carrozzina è stabile durante il

cordoli delle rampe che superamento degli ostacoli.

rischiano di far ribaltare la

carrozzina.

Marciapiedi pieni di buchi sia Il sistema di locomozione permette il

piccoli che grossi in cui le ruote superamento di buche e sconnessioni

anteriori, che sono piccole, ci evitando la caduta del disabile.

entrano e il disabile rischia il

90% di cadere in avanti

La pavimentazione stradale e la La carrozzina ha un sistema

mancanza di ammortizzatori ammortizzante.

sulla carrozzina

Visibilità notturna La carrozzina ha un sistema di

illuminazione.

Nello spingere la carrozzina La locomozione della carrozzina è

quando esco. autonoma.

Percorsi tortuosi e salite. La carrozzina si muove

autonomamente su salite/discese.

Figura 1: Domande, risposte e corrispondenti bisogni

5

Per spostarmi dalla carrozzina al ad

In quale attività ha bisogno water o sui lettini per le terapie. adagiarsi su letti e water.

di un assistente? Per fare la spesa. fare la spesa.

No, non sono accessibili La

Riesce ad utilizzare i mezzi pressoché mai. Tanto vale mezzi pubblici.

pubblici di trasporto? Se sì, prendere la macchina.

come? Marciapiedi, gradini alti La carrozzina consente il

superamento di un gradino e delle

rotte. sconnessioni delle strade.

Spazio insufficiente per La carrozzina ha un ingombro

Quali sono le principali carrozzina. ridotto.

barriere architettoniche (es: Tombini. Il sistema di locomozione permette il

marciapiede) che incontra in superamento di buche e sconnessioni

città? evitando la caduta del disabile.

Tombini. Avvallamenti che La carrozzina ha le pedane che non

spesso fanno toccare le pedane. entrano in contatto con il terreno.

Facile da spingere, traspirante. La carrozzina favorisce di per sé

la carrozzina ha un sedile e uno

schienale traspiranti.

Pieghevole autonomamente. La carrozzina ha chiusura/apertura

Qual è la principale automatica.

funzione che dovrebbe avere

una carrozzina innovativa? Comandi a voce. La carrozzina è dotata di comandi

vocali.

Comodità e leggerezza per poter La carrozzina è richiudibile.

essere caricata in auto senza

problema.

Superare gli ostacoli senza far La carrozzina consente

male al proprio corpo (schiena).

Essere più maneggevole senza

necessità di avere bisogno di

una persona.

Troppo alta per i tavoli. La carrozzina permette la variazione

Quali aspetti non rendono la Le ruote anteriori sono forse Il sistema di locomozione permette

sua carrozzina confortevole? troppo piccole, si infilano nei un andamento continuo ed uniforme.

pertugi tra le pietre degli

acciottolati.

Figura 2: Domande, risposte e corrispondenti bisogni

6

Figura 3: Grafici frequenza relativa livelli di importanza

7

Figura 4: Grafici frequenza relativa livelli di importanza

8

Figura 5: Grafici frequenza relativa livelli di importanza

9

Bisogno Valore medio Importanza scalata

N. importanza

1 La carrozzina è leggera. 4.3 9

2 La carrozzina ha ingombro ridotto. 4.3 9

3 La carrozzina è in grado di superare un gradino singolo. 4.75 10

4 La carrozzina è in grado di salire/scendere le scale. 3.9 8

5 La carrozzina ha l’altezza della seduta variabile. 4 8

6 La carrozzina è verticalizzante. 3.6 7

7 La carrozzina ha aderenza su pavimentazione liscia o 3.8 8

sdrucciolevole.

8 La carrozzina ha la capacità di salire/scendere da un 3.7 7

autobus senza l’ausilio della pedana.

9 La carrozzina è richiudibile. 3.6 7

10 La carrozzina ha chiusura/apertura automatica. 3 6

11 La carrozzina facilita il posizionamento sui sanitari. 3.3 7

12 Lo schienale della carrozzina si distende completamente. 2.6 5

13 La carrozzina attenua le vibrazioni trasmesse dal terreno. 4.25 9

14 Il sedile/schienale della carrozzina è traspirante. 3.4 7

15 La carrozzina è in grado di spostarsi su superfici 4.2 8

disconnesse.

16 La carrozzina è dotata del pulsante di SOS. 2.75 6

17 La carrozzina ha elevata autonomia. 4 8

18 La carrozzina è modulare. 3.2 6

19 Lo spazio di manovra della carrozzina è ridotto. 4.3 9

20 Il design della carrozzina è gradevole. 3.7 7

21 La carrozzina prevede un sistema di illuminazione. 3.3 7

22 La carrozzina è economica. 4.4 9

23 La carrozzina è dotata di comandi vocali. 2.8 6

Figura 6: Bisogni e valori medi importanza

10

il valor medio dell’importanza del singolo bisogno e i l’importanza riscalata , si ottiene:

b2i c

i = (1)

m

d2i e

i = (2)

m

In cui vale la 1 se i è più vicino all’intero inferiore mentre la 2 se vale il viceversa; nel caso sia

m

equidistante si arrotonda all’intero superiore.

Da tali dati si evince, in prima analisi, come il bisogno più importante per il campione analizza-

to risulta il superamento del singolo gradino; unitamente ad esso risultano prioritari leggerezza,

ingombro ridotto, attenuazione vibrazioni, spazio di manovra ed economicità.

Il superamento di scale secondo tale analisi evidenzia una priorità leggermente minore ai sud-

detti, pur rimanendo ai primi posti rispetto agli altri bisogni.

3.2 Specifiche di prodotto

Per giungere alle specifiche obiettivo di prodotto, sono state poi determinate le metriche cor-

rispondenti ai vari bisogni, come riportato in tabella 7. Per determinare l’importanza relativa

delle metriche e per avere una loro rappresentazione grafica più intuitiva è stata costruita la

matrice bisogni-metriche, come riportato in figura 8. Da tale matrice si evince immedia-

tamente come le metriche che influenzano più bisogni sono la potenza di propulsione, la

larghezza e la lunghezza in prima battuta; secondariamente troviamo le metriche 4, 6, 8, 9.

Si è supposto che l’importanza di una metrica a cui corrisponde un solo bisogno sia proprio

l’importanza di tale bisogno mentre nel caso di più bisogni associati si è considerato, in prima

analisi, il valor medio delle importanze e successivamente questo è stato modificato attraverso

l’analisi della concorrenza e dei questionari(vedi figura 7).

Per ottenere un’importanza relativa delle metriche in funzione della correlazione con i bisogni

è stato utilizzato il metodo QFD(House of Quality), ottenendo la matrice di figura 9. Per ogni

coppia metrica-bisogno è stato assegnato un grado di correlazione scelto tra i valori 9-5-1 , in

cui 9 corrisponde a fortemente legato, 5 moderatamente legato e 1 debolmente legato.

Si è poi eseguito il prodotto tra suddetta correlazione e la priorità del bisogno e infine per ogni

metrica si sono sommati tali prodotti.

Tale procedura ci ha consentito di ottenere dei valori di importanza che tengono conto princi-

palmente della correlazione con i bisogni: le metriche 8,9,6,2,3,5,29,19,1,32,30,12 sono , in

ordine decrescente di importanza, i principali parametri tecnici che probabilmente determine-

ranno il successo o meno del prodotto poichè influenzano un maggior numero di bisogni e sono

strettamente correlati con essi.

Per poter determinare dei valori delle metriche ideali di progetto è stato eseguito un confronto

tra le varie wheelchair , cosı̀ da valutare le relative differenze in termini di parametri che quan-

tificano il livello di soddisfacimento dei bisogni. Tale benchmarking è mostrato nella tabella 10.

Sono state selezionate dal panorama commerciale 3 carrozzine: TopChair , B-Free e Observer

Maximus; è stata aggiunta una wheelchair prototipo, la Scewo, probabilmente in commercio a

breve, per evidenziare meglio lo stato dell’arte.

Le carrozzine suddette sono state scelte in quanto presentano caratteristiche tecniche misurabili

tramite le metriche di maggior importanza sopraelencate.

E’ evidente come tali carrozzine non presentano alcune caratteristiche in grado di soddisfare i

bisogni messi in luce precedentemente(Cf.7) , come la verticalizzazione, l’apertura/chiusura , la

distensione dello schienale , il segnale di allarme, i comandi vocali e la modularità.

Per tale ragione una volta migliorate le performance relative alle metriche principali (prima

viste) è stato possibile analizzare soluzioni che integrino anche le funzioni assenti nella concor-

renza(vedi capitolo 3.3).

Da tale confronto si sono determinati i valori ideali delle metriche che dovrà assumere il pro-

dotto , migliorando il livello di performance laddove presente la caratteristica e adottando un

11

Metrica Bisogni Metrica Imp. Unità

n. n.

1 1 Massa della carrozzina. 9 kg

2 2,11,19 Larghezza della carrozzina. 9 cm

3 2,11,19 Lunghezza della carrozzina. 9 cm

4 2,11 Altezza del sedile da terra(minima se variabile). 8 cm

5 3,4,8 Potenza propulsione. 9 W

6 3,8 Massima altezza dell’ostacolo da superare. 8 cm

7 4 Inclinazione massima della scala. 8 °

8 3,4 Angolo tra sedile e piano orizzontale durante il 9 °

superamento del gradino/scale

9 3,4 Ampiezza dell’oscillazione del sedile durante il 9 °

superamento del gradino/scale

10 5 Tempo di alzata tra minima e massima altezza del sedile 8 s