(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 (Ký tên ghi rõ họ tên) Lê Minh Nhật iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh hổ trợ tơi suốt thời gian học tập nghiên cứu trường Cảm ơn q Thầy, Cơ Phịng Đào tạo sau đại học Khoa Cơ Khí Máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc chân thành Thầy TS Phạm Huy Tuân tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn tốt nghiệp Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ động viên tơi hồn thành tốt luận văn Lê Minh Nhật iv TÓM TẮT Chân giả thụ động có ưu điểm nhẹ, kết cấu đơn giản giá thành thấp so với chân giả sử dụng động Tuy có nhiều mẫu thiết kế chân giả thụ động thị trường chưa có thiết kế có khả đáp ứng đủ bậc tự cần thiết cho khớp mắt cá chân giả hoạt động cách tự nhiên, gây khó khăn cho người khuyết tật vận động di chuyển Trong nghiên cứu tác giả giới thiệu thiết kế chân giả với khớp mắt cá linh hoạt ứng dụng cấu đàn hồi với khả đáp ứng chuyển động linh hoạt chân di chuyển Đó khả giảm chấn tiếp xúc gót, khả uốn chuyển pha giai đoạn chu kỳ bước khả xoay lật khớp di chuyển địa hình phức tạp giúp chân linh hoạt giảm ảnh hưởng đến mỏm cụt Khớp mắt cá chân thiết kế cấu đàn hồi giúp kết cấu đơn giản, có khả dự trữ lượng giảm trọng lượng Thuật tốn tối ưu hóa áp dụng để chọn độ cứng phù hợp cho vị trí thiết kế Việc tối ưu hóa mang lại thiết kế khớp mắt cá chân giả với khả cung cấp momen xoắn xoay lắc phù hợp có khả di chuyển tương tự chân tự nhiên Bằng phương pháp thực nghiệm, kiểm tra tải trọng thật mơ hình lắc khả tải - biến dạng máy kéo nén Từ kết độ cứng khâu thu thực nghiệm, ta có kết mơ thực nghiệm gần giống điều cho thấy phương pháp thiết kế sử dụng nghiên cứu tương đối xác Từ khóa: chân giả, mắt cá chân, khớp đàn hồi, khớp đa trục, giải thuật di truyền v ABSTRACT Passive compliant prosthetic ankles have the advantage of energy saving, light weight, simple structure and competitive cost compared to powered devices Despite of the variety of commercial products, these designs not provide adequate degreeof-freedom (DOF) for the artificial flexural ankle foot It hampers disable people from walking comfortably especially on undulating and rough terrains This research presents a novel design of a multi-axis fully compliant prosthetic ankle Its capability of bending and compression helps to propel the body forward due to the elastic energy storage transferred from kinetic energy On the other hand, it can also swing to two sides when persons with disability move on rough road An optimization scheme based on genetic algorithm is applied to design appropriate stiffness for each phase during the walking cycle The designed prosthetic foot could provide sufficient twisting and rotating torque that resembles natural legs This characteristic makes it more versatile and reduces the impact force on residual limbs From the optimization results, a prototype of the multi-axis fully compliant prosthetic ankle was fabricated using the CNC milling method Experiments were also set up to check for the loading walking cycle pattern with a pendulum model and the stiffness of the device at each loading configuration was tested by using the INSTRON tensile test machine There is not much discrepancy between the calculated results and the experiments This proves for the effectiveness of the design approach applied in this research Keywords: artificial foot, prosthetic ankle, flexure hinge, genetic optimization vi MỤC LỤC Mục lục Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Abstract vi Mục lục vii Danh sách chữ viết tắt x Danh sách ký hiệu dung công thức xi Danh sách bảng xii Danh sách hình xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Các nghiên cứu nước 1.1.1.1 Các nghiên cứu nước 1.1.1.2 Các nghiên cứu nước 1.1.2 Các loại bàn chân giả thường gặp 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiệm vụ, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu 1.4.3 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu vii 1.5.1 Cách tiếp cận 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Hiệu giáo dục đào tạo kinh tế - xã hội CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Cấu trúc giải phẫu ống gót 10 2.1.1 Vị trí 10 2.1.2 Cấu tạo 10 2.2 Đường cong tham số Bezier 14 2.2.1 Dạng tổng quát đường cong Bezier 14 2.2.2 Đường cong Bezier bậc 15 2.2.3 Đường cong Bezier bậc hai 15 2.2.4 Đường cong Bezier bậc ba 16 2.2.5 Dạng ma trận 17 2.2.6 Các tính chất đường cong Bezier 18 2.3 Lý thuyết cấu mềm 19 2.3.1 Định nghĩa 19 2.3.2 Ưu nhược điểm 20 2.3.3 Một số cấu mềm thông dụng 20 2.3.3.1 Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro 20 2.3.3.2 Cơ cấu đàn hồi song ổn định, Bistable mechanism (BM) 21 2.3.4 Một số cấu thường gặp 22 2.4 Giải thuật di truyền 23 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 29 3.1 Giả thuyết thiết kế 29 3.2 Phương án thiết kế 29 3.2.1 Phương án 29 3.2.2 Phương án 30 3.3 Lựa chọn phương án 31 3.4 Lựa chọn vật liệu 31 viii CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU 32 4.1 Nguyên lý hoạt động bàn chân giả với khớp linh hoạt 32 4.2 Thiết kế 34 4.2.1 Thiết kế cho phần khớp lắc cổ chân 34 4.2.2 Thiết kế cho phần bàn chân 37 4.3 Tính tốn tối ưu hóa 40 4.4 Mô 41 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO – THỬ NGHIỆM 47 5.1 Chế tạo 47 5.2.1 Vật liệu 47 5.2.2 Chế tạo chân giả 48 5.2 Thử nghiệm khả tải chu kỳ bước 49 5.2.1 Bố trí thí nghiệm 49 5.2.2 Thực thí nghiệm 51 5.2.3 Kết thí nghiệm 53 5.3 Kiểm nghiệm khả chịu tải máy kéo nén 54 5.3.1 Bố trí thí nghiệm 54 5.3.2 Kết thí nghiệm 57 5.4 Thử nghiệm thực tế bệnh nhân 60 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 63 6.1 Kết luận 63 6.2 Kiến nghị 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC (Các cơng trình cơng bố ) 67 ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CAD : Computer Aided Design CAE : Computer Aided Engineering FEM : Finite Element Method: Phần tử hữu hạn POM : PolyOxyMethylene : Nhựa POM DOF : Degree of Freedom x DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG CÁC CÔNG THỨC Vi : vector biểu diễn n + điểm điều khiển Bi,n(t): hàm sở đường cong Bezier X={X1 .Xk}: Khởi tạo quần thể ban đầu P : cặp cha-mẹ{u}: véc tơ độ lệch khớp [C]: Ma trận độ mềm u1ip   C1ip  F1ip  {F}: véc tơ lực tác dụng u1y: Khoảng chuyển vị điểm theo phương y u1z: Khoảng chuyển vị điểm theo phương z θ1x: Góc xoay điểm quay quanh trục x E: modun đàn hồi vật liệu cần tính (GPa) w: độ dày khớp tính mặt phẳng (mm) Ke : độ cứng mong đợi KFF : độ cứng khâu tiếp xúc bàn KHO : độ cứng khâu tiếp xúc gót KTO : độ cứng khâu tiếp xúc mũi xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 4.1 Mơ hình tốn học tốn tối ưu 39 Bảng 4.2 Giá trị biến thiết kế thứ 20 hệ thứ 100 40 Bảng 4.3 Biểu đồ quy trình tối ưu hóa giả thuật di truyền………………… 42 xii Trang 78 Trang 79 Trang 80 Trang 81 Trang 82 Trang 83 Trang 84 Trang 85 Trang 86 Trang 87 Trang 88 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức, TP.HCM - Tel: 84-8-37220594 PHIẾU KHẢO SÁT Ý KIẾN BỆNH NHÂN (Về chất lượng mong muốn sử dụng bàn chân giả ) Trước hết, xin chân thành cảm ơn quan tâm, hợp tác Quý vị! Với mục tiêu thiết kế chế tạo bàn chân giả ngày tốt hơn, kính mong Quý vị bớt chút thời gian cho ý kiến đánh giá chất lượng sản phẩm mong muốn bàn chân giả chúng tôi, cách trả lời câu hỏi “PHIẾU KHẢO SÁT Ý KIẾN BỆNH NHÂN” bên Sự hợp tác Quý vị giúp thiết kế ngày tốt đáp ứng tốt yêu cầu bệnh nhân A THƠNG TIN CHUNG Thơng tin bệnh nhân Họ Tên: Địa chỉ: Số điện thoại: Email (nếu có): Vị trí thương tật anh/chị : Vui lòng đánh dấu () vào ô chọn  Trên gối, chân phải  Dưới gối, chân phải  Trên gối, chân trái  Dưới gối, chân trái  Khác (xin ghi rõ): …………………………………………………………………… Anh/chị sử dụng chân giả ?     - năm - năm - năm Khác (xin ghi rõ) …………………………………………………………………… B SẢN PHẨM VÀ MONG MUỐN Theo anh/chị bàn chân giả tốt bán với giá phù hợp ?     500 nghìn đồng đến triệu đồng triệu đồng đến triệu đồng triệu đồng đến 10 triệu đồng Ý kiến khác (vui lòng ghi rõ):…………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Nếu có vướng mắc điền phiếu xin vui lịng liên hệ với nhóm thiết kế trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Hotline: 84.937540470( A.Nhật ) – 84.919636515(A.Tuân) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức, TP.HCM - Tel: 84-8-37220594 Anh/chị đánh giá chất lượng chân giả mà anh/chị sử dụng?     Tốt Bình thường Khơng tốt Ý kiến khác (vui lòng ghi rõ): ………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Tiêu chí anh/chị quan tâm chọn mua chân giả (có thể chọn nhiều phương án):      Giá Tính Hổ trợ tận tình nơi lắp đặt Chất lượng Ý kiến khác (vui lòng ghi rõ): ………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Anh/chị thay chân thường lý gì?  Nứt gãy  Muốn chân khác tốt  Xấu (theo thời gian)  Ý kiến khác (vui lòng ghi rõ): ………………………………………………………… Theo anh/chị độ bền chân giả lâu chấp nhận được?     năm năm 10 năm Trên 10 năm Theo anh/chị, chân giả mà anh chị sử dụng cần cải tiến để tốt hơn? Xin trân trọng cảm ơn kính chúc Anh/chị sức khỏe dồi dào, an khang thịnh vượng! Nếu có vướng mắc điền phiếu xin vui lịng liên hệ với nhóm thiết kế trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Hotline: 84.937540470( A.Nhật ) – 84.919636515(A.Tuân) ... chưa nghiên cứu rộng rãi, thiết bị phục vụ trực tiếp cho đối tượng bệnh nhân nước Vì với đề tài ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cấu mềm? ??... khả giảm chấn 1.4 Nhiệm vụ, đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài  Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cấu mềm  Sử dụng. .. tạp, giảm chấn, tích trữ lượng có khả hoạt động chân thật tác giả tiến hành thực đề tài ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bàn chân giả cho người khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cấu mềm? ?? 1.3