Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân

TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN Đồ án trình bày thiết kế chế tạo sản phẩm mẫu thiết bị đo khớp cổ chân Thiết bị đo khớp cổ chân thiết kế chế tạo nhằm hỗ trợ cho đo đạc góc độ cổ chân người Dữ liệu đo đạc được sử dụng để xác định vị trí tức thời khớp cổ chân (IHA) Trong thiết kế này, sử dụng cấu song song dạng cầu kết nối nối tiếp với bàn chân người sử dụng, đạt cấu bậc tự Phương pháp đo trình bày kết thí nghiệm lần thực nghiệm Tổng quát, thiết bị đo khớp cổ chân vận hành dựa chương trình quay ổn định cho cổ chân người dùng Hệ thống ứng dụng chuyển động quay động DC encoder có hộp số thơng qua truyền bánh ma sát dẫn động đến cấu thiết bị, điều khiển PID với biên độ tần số Thơng qua cảm biến moment tính tốn, đo khả chịu lực khớp cổ chân người dùng phản hồi lực cho khớp cổ chân Thiết bị đo khớp cổ chân thiết kế dựa yêu cầu đo góc lực cổ chân bệnh nhân sau phẫu thuật Chúng phát triển thiết bị đo khớp cổ chân với kỳ vọng giúp bệnh nhân đo giúp phục hồi chức khớp cổ chân sau phẫu thuật Hệ thống giúp cho người thư giãn sau thời gian làm việc căng thẳng Vì thế, hệ thống cần dễ dàng vận hành, ổn định lập trình để xây dựng chương trình khác, phát triển phù hợp với trường hợp cụ thể iv ABSTRACT Design & manufacture measurement device for ankle joint This thesis presents the design and the manufacture of a first model measurement device for the first time for ankle joint This device measures the angular displacements of the ankle joint in all the three directions The measured data can also be used to identify the instantaneous helical axis (IHA) of the joint In the design, we use a Parallel configuredtype structure connected serially to foot below surface to form a degrees of freedom mechanism The algorithm for the determination of IHA is presented and first experimental results on healthy subject will be discussed In general, Measurement device for ankle joints operates base on the programs on providing rough and fine rotations for the user's ankle joint The system applies rotational motions using DC encoder motors had gear reduction box and friction drive mechanism transmitte to main-mechnism, which controlled by PID algorithms with different amplitudes and frequencies With moment sensor, we can measure, calculate the amount of forces that user’s ankle can handle or force feedback for ankle joints Measurement device for ankle joint was designed and made on purpose to measure the angle, force of patient’s ankle joint after the surgery We develop a Measurement device for ankle joint, which is expected to help patient measuring or can restore their ankle joint functions after surgery operations It may also use to help people relaxing, after stressful work time Therefore, the system need to easy to operate, providing stable control and reprogrammable to build different programs, improvement and suitable for each specific case v MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi TỔNG QUAN xii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Giới hạn đề tài 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Các ứng dụng thực tế số sản phẩm bật CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu trúc giải phẫu ống gót 2.1.1 Vị trí 2.1.2 Cấu tạo 2.2 Thiết bị đo khớp cổ chân 2.2.1 Bậc tự 2.2.2 Mối quan hệ hình học 2.3 Phản hồi giá trị moment điều khiển động điện 2.3.1 Động 2.3.2 Cảm biến moment 2.3.3 Thiết kế điều khiển PID 10 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG CƠ KHÍ 16 3.1 Phần khí 16 vi 3.1.1 Lựa chọn khí truyền động 16 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 21 4.1 Kết thực nghiệm thiết kế 21 4.1.1 Cảm biến moment 21 4.1.2 Thiết bị đo khớp cổ chân 23 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 25 5.1 Ưu điểm 25 5.2 Nhược điểm 25 5.3 Hướng phát triển 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 PHỤ LỤC 27 Phục lục D 32 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các hạn chế khớp cổ chân Bảng 2.2: Bảng tìm thơng số PID theo phương pháp thứ 12 Bảng 2.3: Bảng thơng số tính tốn số PID 13 viii DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ tả lý thuyết đo phương pháp Lunge Hình 1.2 Đo khả vận động khớp cổ chân phương pháp Lunge Hình 1.3 Thước đo khớp y sinh - Model F00630 Hình 1.4 Đo góc lực tải cổ chân phương pháp thủ công Hình 1.5 thiết bị đo khớp cổ chân thụ động IAROM Hình 1.6 Thiết bị đo khớp cổ chân Con-Trex MJ system (Isokinetic machine) Hình 1.7 Hệ thống đo cổ chân thụ động JACE A330, bậc tự Hình 1.8 Hệ thống cổ đo chân thụ động hai bậc tự Optiflex Hình 1.9 Hệ thống đa khớp Biodex Multi-Joint System Pro Hình 2.1 Sơ đồ ống gót (mạch máu thần kinh) - Tầng ống gót gồm có: gân lớp sâu khu cẳng chân sau xuống (gân cẳng chân sau, gân gấp chung, gân gấp dài ngón cái), động tĩnh mạch gan chân thần kinh gan chân Hình 2.2 Thiết đồ cắt đứng ngang qua ống gót - Tầng ống gót gồm có: vng gan chân (cơ Sylvius), động mạch gan chân thần kinh gan chân ngồi Hình 2.3 Các xương cổ chân Hình 2.4 Cấu trúc giải phẫu vùng gót chân 10 Hình 2.5 Mơ tả chuyển động gập/ duỗi cổ chân 10 Hình 2.6 Mơ tả chuyển động nghiêng trong/ cổ chân 11 Hình 2.7 Chuyển động cổ chân 11 Hình 2.8 Cơ cấu hồn chỉnh Hình 2.9 Cơ cấu song song dạng cầu Hình 2.10 Đế xoay cho tốn cấu Hình 2.11 Đặt trục so sánh Hình 2.12 Sơ đồ mạch cầu Wheatstone Hình 2.13 Mơ hình mơ cảm biến moment Hình 2.14 Kích thước thiết kế cảm biến moment Hình 2.15 Tác động lực xoay lên cảm biến moment Hình 2.16 Vị trí điện trở chịu biến dạng để đo lực tịnh tiến Hình 2.17 Vị trí điện trở bị biến dạng để đo moment xoay Hình 2.18 Cảm biến đo với lực phá hủy Hình 2.19 Mẫu đổ keo dán miếng điện trở lên khung cảm biến Hình 2.20 Khung cảm biến dán toàn điện trở Hình 2.21 Cảm biến moment chế tạo hoàn chỉnh 10 Hình 2.22 Hình Bộ điều khiển PID 11 Hình 2.23: Setpoint đáp ứng đầu 11 Hình 2.24: Phân tích biểu đồ đáp ứng hệ hở 11 Hình 2.25: Sơ đồ khối hệ có khâu tỷ lệ Kp 12 Hình 2.26: Xác định hệ số khuếch đại tới hạn 12 Hình 3.1 Cơ cấu truyền động 16 Hình 4.1 Mơ hình thí nghiệm, kiểm tra cảm biến moment 21 Hình 4.2 Đồ thị moment nhận từ cảm biến moment chưa qua lọc 21 Hình 4.3 Giá trị moment nhận từ cảm biến moment qua lọc trung bình 22 Hình 4.4 So sánh đồ thị trước sau lọc trung bình 22 ix Hình 4.5 Sự tuyến tính cảm biến moment 23 Hình 4.6 Mơ hình thiết bị đo khớp cổ chân 23 Hình 4.7 Mơ hình thiết bị với người dùng 24 Hình A.5.1 Board TS-STM32F107VCT6 27 Hình B.5.2 Mạch cầu H MC33883 29 Hình C.5.3 Mạch khuếch đại INA128U 30 Hình C.5.4 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu INA128U 30 Hình D.5.5 Tấm điện trở kim loại BF350 32 Hình E.5.6 Đế đỡ tồn cấu 33 Hình E.5.7 Đế xoay 33 Hình E.5.8 Khâu chữ V 34 Hình E.5.9 Gá trục truyền động số 34 Hình E.5.10 Gá trục truyền động số 35 Hình E.5.11 Gá trục truyền động số 35 Hình E.5.12 Pad chữ L gá động nằm ngang 36 Hình E.5.13 Thanh dài khớp song song dạng cầu 36 Hình E.5.14 Thanh dài nối đế đặt chân 37 Hình E.5.15 Thanh gá cấu ép 37 Hình E.5.16 Cảm biến moment gắn trục truyền động 38 Hình E.5.17 Đế ép lị xo 38 Hình E.5.18 Đầu gắng trục ép 39 Hình E.5.19 Thanh dài nối trục truyền động 39 Hình E.5.20 Thanh ngắn nối trục truyền động 40 Hình E.5.21 Thanh ngắn khớp song song dạng cầu 40 Hình E.5.22 Trục trượt khớp song song dạng cầu 40 Hình E.5.23 Chốt chặn ổ bi 41 Hình E.5.24 Trục ổ bi 41 Hình E.5.25 Trục truyền động 42 Hình E.5.26 Chốt lăn ép pulley 42 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing CAP Computer Aided Planning CNC Computerized Numerical Control AFTA ASEAN Free Trade Area WCPT World Confederation for Physical Therapy DIP Distal InterPhalangeal IP InterPhalangeal MTP MetaTarsoPhalangeal PIP Proximal InterPhalangeal D-H Denavit Hartenberg PID Proportional – Integral – Derivative CAE Computer Aided Engineering DC Direct Current UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter USART Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver & Transmitter xi TỔNG QUAN Hiện nay, xu hướng khoa học giới tập trung vào phát triển cơng nghiệp xuất đến yếu tố người Các phát minh hướng đến giải phóng sức lao động sức khỏe người Hướng mở đầu cho cách mạng cơng nghệ y sinh Đã có nhiều đề tài ứng dụng công nghệ y học X quang, quét não, đo điện tim,… Với phát triển khoa học kỹ thuật y học, ca phẫu thuật ngày trở nên đại an toàn Đặt yêu cầu phục vụ sức khỏe người Với yêu cầu kiểm tra chất lượng khớp cổ chân trước sau phẫu thuật Hoặc thu thập giá trị cổ chân để làm mẫu, định mức chuẩn cho phẫu thuật sau Thì cần phải có thiết bị đảm dương nhiệm vụ đo đạc đưa số liệu cụ thể Các phương pháp đánh giá khả vận động (Range of motion) khớp cổ chân thực phương pháp thủ công nhờ thiết bị hỗ trợ Phương pháp đo thủ công thực nhờ kỹ thuật viên Phương pháp tay sử dụng phương pháp Lunge Gần đây, thiết bị đo tự động nghiên cứu với mục tiêu gia tăng độ xác giảm áp lực cho kỹ thuật viên Năm 2002, Zhang đồng nghiệp phát triển thiết bị kéo dãn để điều trị chứng co cứng cổ chân bệnh nhân bị suy giảm thần kinh Thiết bị cho phép kiểm tra khả vận động khớp cổ chân trình vận động Gần hơn, Rydahl Brouwer nghiên cứu hệ thống đo độ cứng dịch chuyển góc khớp cổ chân cho bệnh nhân nhân đột quỵ Thiết bị Rydahl Brouwer sử dụng cảm biến lực để đo phạm vi di chuyển khớp cổ chân Jason Wilkin đồng trường Đại học Iowa (Hoa Kỳ) chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân thụ động gọi IAROM (Iowa ankle range of motion) cho phép đo góc lệch bàn chân với cẳng chân, độ cứng khớp cổ chân Thiết bị bao gồm lót bàn chân 30x30 cm, gắn liền với giá đỡ có kích thước 30x40 cm Hai dây đai Velcro rộng10 cm giúp cố định thiết bị vào chân bệnh nhân Một khối bọt cứng cao cm đặt cổ chân để hỗ trợ xương chày Cảm biến góc nghiêng cảm biến lực đặt lót bàn chân Trong q trình đo, kỹ thuật viên tác dụng lực tăng dần lên lót bàn chân, cảm biến góc nghiêng ghi nhận góc lệnh bàn chân cẳng chân IAROM cho phép kiểm tra khớp cổ chân tương đối xác Tuy nhiên, thiết bị nhiều hạn chế như: có khả đo độ dịch chuyển khớp cổ chân theo phương, không đánh giá khả vận động khớp cổ chân di chuyển Roy đồng xây dựng hệ thống đo độ cứng cho khớp cổ chân bệnh nhân bị liệt nửa người Hệ thống sử dụng thiết bị dựa thiết kế thiết bị hỗ trợ cổ chân MIT có cấu trúc dạng xương ba bậc tự Hệ thống cho phép thực việc đo góc bàn chân va cổ chân với độ xác 10; đồng thời cung cấp moment xoắn liên tục ~25 N.m chuyển động duỗi bàn chân ~15 N.m chuyển động gập bàn chân xii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Chấn thương khớp cổ chân thương tích phổ biến phát sinh q trình tham gia mơn thể thao vận động mạnh Tuy nhỏ khớp gối khớp háng, bề mặt sụn khớp cổ chân mỏng, độ dày trung bình 3-4mm phải chịu toàn trọng lượng thể người Lực gấp 2-4 lần bộ, 6-8 lần chạy; ra, khớp cổ chân phải đảm nhiệm nhiệm vụ phức tạp loại vận động "đa trục" (gấp mu bàn chân, xoay ngồi, nghiêng ngồi; lấp lịng/xoay trong, nghiêng trong) đó, chấn thương nhỏ ảnh hưởng lớn tới chức vận động Nếu không điều trị cách đầy đủ chấn thương bệnh lý cổ chân trở thành mãn tính Bệnh nhân bị sưng đau đợt, kéo dài dai dẳng, ảnh hưởng đến việc đứng hàng ngày Khi điều trị nội khoa nhiều đợt khơng hiệu vấn đề phẫu thuật khớp cổ chân đặt Sau phẫu thuật, việc đo xác thay đổi khả vận động khớp cổ chân vơ quan trọng Nó cho phép đánh giá kết việc điều trị, từ đưa quy trình hồi phục chức phù hợp giúp bệnh nhân khơi phục lại chức vận động Có nhiều nghiên cứu thiết bị đo kiểm tra khả vận động khớp cổ chân Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung vào vấn đề đo độ cứng khớp cổ chân mà không khác biệt di chuyển khớp cổ chân bệnh nhân sau phẫu thuật người bình thường Đề tài xoay quanh việc thiết kế thiết bị có chức đo khớp cổ chân Thiết bị bao gồm cảm biến lực, động DC Thiết bị hồi tiếp giá trị trả thông qua chuẩn giao tiếp RS232 (hay COM) thông qua phần cứng UART Điều giúp đánh giá xác khả vận động bệnh nhân sau phẫu thuật Đề tài thực bối cảnh nhóm nghiên cứu Cơ Điện Tử ứng dụng – Bộ môn Cơ Điện Tử thực mục tiêu tiếp cận với lĩnh vực y sinh Ở đề tài này, nhóm giao nhiệm vụ “Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân” Nhằm đưa thiết bị vào ứng dụng thực tế đời sống người 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Nhằm mục đích học tập nghiên cứu lĩnh vực điện tử y sinh nhóm chọn đề tài “Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân” - Tham gia nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực y sinh - Nghiên cứu sản phẩm đáp ứng nhu cầu thực tiễn phục vụ người 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Tính tốn, thiết kế mơ cho “Thiết bị đo khớp cổ chân” sử dụng phần mềm Solidworks - Chế tạo mơ hình “Thiết bị đo khớp cổ chân” sử dụng phần mềm Solidworks - 2Way RS232 serial interface (using the straightthrough serial cable, serial port support them all the way ISP download) Road CAN bus communication interface (CAN Transceiver: SN65VHD230D) RS485 communication interface (485 Transceivers: SP3485) RJ4510/100M Ethernet network interface (Ethernet PHY: DP83848) DA output interface (USB sound card can experiments onboard speaker and speaker output driver) AD input interface (adjustable potentiometer input) Color Touch screen LCD display interface (which can take 2.8inch or 3.2inch color TFT 320X240) USB2.0 Interface, USB host and USB Device Interface SD / MMC card (SPI) interface (available with FAT12, FAT16, FAT32 file system) IIC Interface EEPROM chip, 24LC08BI/SN, 8Kbit SPI serial FLASH interfaces (AT45DB161D) (Data Flash) (optional) user keys, function keys and the INT0 Reset button, LED lights Five keys to enter the joystick (Joystick) Serial ISP download function (no need to set jumpers), the standard JTAG download, simulation debugging interface Integrated USB emulator: simulation and debug capabilities to support online and support KEIL, IAR and other mainstream development environment Pptional external 5V power supply or USB input to provide 5V power supply Leads all the IO, userfriendly external circuit to the secondary development of other applications 28 Phục lục B Mạch cầu H MC33883 Hình B.5.2 Mạch cầu H MC33883 Board cầu H-Bridge dùng IC kích MC33883 hãng FreeScale Đặc tính kỹ thuật: Phần công suất dùng POWER MOFETs IRF3205 có thơng số: VDSS = 55V, RDS (on) = 8.0mΩ, ID = 110A Điện áp cấp ngõ vào từ +12V đến +40VDC Sử dụng opto xung 6N137, IC lái MC33883 nên tần số PWM đáp ứng lên đến 100Khz Ngõ vào opto cách ly PWM+, PWM-, DIR+, DIR- Sử dụng IC kích fet chuyên dụng MC33883 Freescale, nên duty PWM đạt 100%, ưu điểm so với IC kích fet khác Có Led báo nguồn, Led báo chiều động PWM 29 Phục lục C Mạch khuếch đại tín hiệu INA128U Hình C.5.3 Mạch khuếch đại INA128U Hình C.5.4 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu INA128U Các mảnh điện trở Strain gauge nối thành mạch cầu Wheatstone Bốn dây tín hiệu mạch khuếch đại S+; S-; E+; E- Trong đó: S+; S-: Dây tín hiệu E+; E-: Dây cấp nguồn 30 Mạch khuếch đại thuật toán (Opamp - INA128U) khuếch đại tín hiệu S+ S- lên nhiều lần theo tỉ số điều chỉnh nhở biến trở R2 Để calip mức cảm biến, tín hiệu mức mạch REF điều chỉnh biến trở R5 Các khối lại mạch nguồn xung tạo điện áp 10V -2.5V cấp cho mạch khuếch đại mạch cầu Wheatstone 31 Phục lục D Tấm điện trở kim loại - LoadCell BF350 Hình D.5.5 Tấm điện trở kim loại BF350 Thông Số Kỹ Thuật: - BF350: Trở Kháng: Hệ số nhạy cảm: Cấp xác: Căng giới hạn: Kích thước khối: Là hợp chất Constantan 349,8 +/-0,1 2.0-2.20 0.02 2,0% 7.1x4.5MM 32 Phục lục E Các thành phần khí Hình E.5.6 Đế đỡ tồn cấu Hình E.5.7 Đế xoay 33 Hình E.5.8 Khâu chữ V Hình E.5.9 Gá trục truyền động số 34 Hình E.5.10 Gá trục truyền động số Hình E.5.11 Gá trục truyền động số 35 Hình E.5.12 Pad chữ L gá động nằm ngang Hình E.5.13 Thanh dài khớp song song dạng cầu 36 Hình E.5.14 Thanh dài nối đế đặt chân Hình E.5.15 Thanh gá cấu ép 37 Hình E.5.16 Cảm biến moment gắn trục truyền động Hình E.5.17 Đế ép lị xo 38 Hình E.5.18 Đầu gắng trục ép Hình E.5.19 Thanh dài nối trục truyền động 39 Hình E.5.20 Thanh ngắn nối trục truyền động Hình E.5.21 Thanh ngắn khớp song song dạng cầu Hình E.5.22 Trục trượt khớp song song dạng cầu 40 Hình E.5.23 Chốt chặn ổ bi Hình E.5.24 Trục ổ bi 41 Hình E.5.25 Trục truyền động Hình E.5.26 Chốt lăn ép pulley 42 ... (Hoa Kỳ) chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân thụ động gọi IAROM (Iowa ankle range of motion) cho phép đo góc lệch bàn chân với cẳng chân, độ cứng khớp cổ chân Thiết bị bao gồm lót bàn chân 30x30... 1.4 Đo góc lực tải cổ chân phương pháp thủ cơng Hình 1.5 thiết bị đo khớp cổ chân thụ động IAROM Hình 1.6 Thiết bị đo khớp cổ chân Con-Trex MJ system (Isokinetic machine) Hình 1.7 Hệ thống đo cổ. .. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Tính tốn, thiết kế mô cho ? ?Thiết bị đo khớp cổ chân? ?? sử dụng phần mềm Solidworks - Chế tạo mơ hình ? ?Thiết bị đo khớp cổ chân? ?? sử dụng phần mềm Solidworks - Tính