Thông tin tài liệu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÀN CHÂN GIẢ VỚI KHỚP LINH HOẠT ĐA CHỨC NĂNG ỨNG DỤNG CƠ CẤU MỀM MÃ SỐ: T2017-23TĐ SKC 0 6 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÀN CHÂN GIẢ VỚI KHỚP LINH HOẠT ĐA CHỨC NĂNG ỨNG DỤNG CƠ CẤU MỀM Mã số: T2017-23TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS PHẠM HUY TUÂN Luan van MỤC LỤC Trang Danh sách bảng iv Danh sách chữ viết tắt v Danh sách hình vi Thông tin kết nghiên cứu ix PHẦN A TỔNG QUAN 1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.1 Các nghiên cứu nước 1.1.1 Các nghiên cứu nước 1.1.2 Các nghiên cứu nước 1.2 Các loại bàn chân giả thường gặp Tính cấp thiết đề tài Mục đích đề tài Nhiệm vụ, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4.1 Nhiệm vụ đề tài 4.2 Đối tượng nghiên cứu 4.3 Phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách tiếp cận 5.2 Phương pháp nghiên cứu Hiệu giáo dục đào tạo kinh tế - xã hội PHẦN B KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 1.1 Cấu trúc giải phẫu ống gót 10 1.1.1 Vị trí 10 1.1.2 Cấu tạo 10 1.2 Đường cong tham số Bezier 14 1.2.1 Dạng tổng quát đường cong Bezier 14 1.2.2 Đường cong Bezier bậc 15 i Luan van 1.2.3 Đường cong Bezier bậc hai 15 1.2.4 Đường cong Bezier bậc ba 16 1.2.5 Dạng ma trận 17 1.2.6 Các tính chất đường cong Bezier 18 1.3 Lý thuyết cấu mềm 19 1.3.1 Định nghĩa 19 1.3.2 Ưu nhược điểm 20 1.3.3 Một số cấu mềm thông dụng 20 1.3.3.1 Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro 20 1.3.3.2 Cơ cấu đàn hồi song ổn định, Bistable mechanism (BM) 21 1.3.4 Một số cấu thường gặp 22 1.4 Giải thuật di truyền 23 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 29 2.1 Giả thuyết thiết kế 29 2.2 Phương án thiết kế 29 2.2.1 Phương án 29 2.2.2 Phương án 30 2.3 Lựa chọn phương án 31 2.4 Lựa chọn vật liệu 31 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU 32 3.1 Nguyên lý hoạt động bàn chân giả với khớp linh hoạt 32 3.2 Thiết kế 34 3.2.1 Thiết kế cho phần khớp lắc cổ chân 34 3.2.2 Thiết kế cho phần bàn chân 37 3.3 Tính tốn tối ưu hóa 40 3.4 Mô 41 CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO – THỬ NGHIỆM 47 4.1 Chế tạo 47 4.2.1 Vật liệu 47 4.2.2 Chế tạo chân giả 48 4.2 Thử nghiệm khả tải chu kỳ bước 49 4.2.1 Bố trí thí nghiệm 49 ii Luan van 4.2.2 Thực thí nghiệm 51 4.2.3 Kết thí nghiệm 53 4.3 Kiểm nghiệm khả chịu tải máy kéo nén 54 4.3.1 Bố trí thí nghiệm 54 4.3.2 Kết thí nghiệm 57 4.4 Thử nghiệm thực tế bệnh nhân 60 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 63 5.1 Kết luận 63 5.2 Kiến nghị 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC Các công bố liên quan đến đề tài PHỤ LỤC Phiếu nhận xét dành cho đơn vị thử nghiệm sản phẩm PHỤ LỤC Hướng dẫn cao học (Quyết định, tốt nghiệp) PHỤ LỤC Bản thuyết minh đề tài phê duyệt iii Luan van DANH MỤC CÁC BẢNG BẢNG Trang Bảng 3.1 Mơ hình tốn học toán tối ưu 39 Bảng 3.2 Giá trị biến thiết kế thứ 20 hệ thứ 100 40 iv Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CAD : Computer Aided Design CAE : Computer Aided Engineering FEM : Finite Element Method POM : PolyOxyMethylene DOF : Degree of Freedom v Luan van DANH MỤC CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình Bản vẽ CAD cho bàn chân carbon năm 1993 Hình Các kết cấu bàn chân giả Jeffray et al (2003) Hình Kết cấu chân giả Roland et al (2008) Hình Bàn chân giả phương pháp tạo mẫu nhanh Brian et al (2010) Hình Ống chân giả carbon TS Phan Văn An Hình Mơ hình chân giả cấu mềm (Pham Huy Tuan, 2014) Hình a) Bàn chân SACH, b) Bàn chân khớp trục, c) Bàn chân khớp đa trục, d) Bàn chân carbon Hình 1.1 Sơ đồ ống gót (mạch máu thần kinh) 11 Hình 1.2 Thiết đồ cắt đứng ngang qua ống gót 11 Hình 1.3 Các xương cổ chân 12 Hình 1.4 Cấu trúc giải phẩu vùng gót chân 12 Hình 1.5 Mơ tả chuyển động gập/duỗi cổ chân 13 Hình 1.6 Mơ tả chuyển động nghiêng trong/ngồi cổ chân 13 Hình 1.7 Chuyển động cổ chân 14 Hình 1.8 Các dạng đường cong Bezier (Nguyễn Hữu Lộc, 2010) 15 Hình 1.9 Đồ thị hàm sở đường cong Bezier bậc ba 17 Hình 1.10 Một số cấu cứng truyền thống (a) cấu trục khuỷu- truyền, (b) cấu kìm cộng lực 19 Hình 1.11 Kìm cộng lực cấu mềm 19 Hình 1.12 Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro (Phạm Huy Hồng 2008) 20 Hình 1.13 “Quả bóng đỉnh đồi” mơ cho ngun lý cấu song ổn định 22 vi Luan van Hình 1.14 Một dạng cấu mềm song ổn định a) vị trí ổn định ban đầu, b) vị trí ổn định thứ 22 Hình 1.15 Các cấu mềm thường gặp 23 Hình 1.16 Một hệ hình thành qua pha chọn lọc tái tổ hợp 26 Hình 2.1 Mơ hình khớp mắt cá chân với khớp lắp ghép 29 Hình 2.2 Khớp mắt cá chân giả khớp đa trục 30 Hình 3.1 Khớp mắc cá chân giả đa trục 32 Hình 3.2 Chu kỳ hoạt động chân di chuyển 33 Hình 3.3 Mơ hình bàn chân thật người 34 Hình 3.4 Khả hoạt động bàn chân giả với khớp linh hoạt 34 Hình 3.5 Khớp linh hoạt 36 Hình 3.6 Nguyên lý hoạt động khớp đàn hồi 36 Hình 3.7 Mơ 2D khớp đàn hồi đặt tải 37 Hình 3.8 Vị trí biến thiết kế 38 Hình 3.9 Mơ hình FEM bàn chân giả 40 Hình 3.10 Sơ đồ phân bố biến thiết kế gen tiến hóa thứ 100 41 Hình 3.11 Mơ hình 2D giai đoạn tiếp xúc gót Abaqus 42 Hình 3.12 Mơ hình 2D giai đoạn tiếp xúc bàn abaqus 42 Hình 3.13 Mơ hình 2D giai đoạn tiếp xúc mũi Abaqus 43 Hình 3.14 Đồ thị thể độ cứng biến dạng giai đoạn tiếp xúc bàn, tiếp xúc mũi tiếp xúc gót 43 Hình 3.15 Đồ thị thể ứng suất biến dạng giai đoạn tiếp xúc bàn, tiếp xúc mũi tiếp xúc gót 44 Hình 3.16 Đồ thị lượng tích trữ biến dạng giai đoạn tiếp xúc bàn, tiếp xúc mũi tiếp xúc gót 45 Hình 4.1 Bản vẽ chi tiết mơ hình bàn chân giả với khớp đa trục 47 vii Luan van Hình 4.2 Mơ hình thiết kế bàn chân giả 3D bẳng phần mềm CREO 47 Hình 4.3 Chi tiết gia cơng máy Phay CNC 48 Hình 4.4 Bàn chân giả vật liệu POM 48 Hình 4.5 Mơ hình bố trí thí nghiệm tiếp xúc bàn 49 Hình 4.6 Vị trí tiếp xúc gót 50 Hình 4.7 Vị trí tiếp xúc mũi 51 Hình 4.8 Mơ hình thí nghiệm với chân có vỏ bọc 51 Hình 4.9 Mơ hình thí nghiệm với chân có mang giày 52 Hình 4.10 Biểu đồ thí nghiệm Chuyển vị chu kỳ bước 52 Hình 4.11 Thiết bị đo INSTRON S559A 54 Hình 4.12 Bố trí thí nghiệm vị trí tiếp xúc gót 55 Hình 4.13 Bố trí thí nghiệm vị trí tiếp xúc bàn 55 Hình 4.14 Bố trí thí nghiệm vị trí tiếp xúc mũi 56 Hình 4.15 Bố trí thí nghiệm vị trí tiếp xúc cạnh 56 Hình 4.16 Biểu đồ thực nghiệm gia tải vị trí tiếp xúc gót 57 Hình 4.17 Biểu đồ thực nghiệm gia tải vị trí tiếp xúc bàn 58 Hình 4.18 Biểu đồ thực nghiệm gia tải vị trí tiếp xúc mũi 59 Hình 4.19 Biểu đồ thực nghiệm gia tải vị trí tiếp xúc cạnh 59 Hình 4.20 Lắp điều chỉnh chân cho bệnh nhân 61 Hình 4.21 Bệnh nhân sau lắp chân giả 61 Hình 4.22 Bệnh nhân đứng chân chân giả 62 viii Luan van Hình 4.18. Biểu đồ thực nghiệm gia tải tại vị trí tiếp xúc mũi Tiếp xúc cạnh chân: vị trí tiếp xúc này mơ phỏng q trình giẫm phải chướng ngại vật hay chân di chuyển ở mặt phẳng nghiêng, góc 150 được chọn để kiểm tra độ cứng của khớp. Máy gia tải một tải trọng là 40 kg ta thu được chuyển vị 1,839 mm, ta thu được độ cứng 243 N/mm độ cứng này khá gần với với độ cứng mơ phỏng là 250 N/mm (hình 4.19) Hình 4.19. Biểu đồ thực nghiệm gia tải tại vị trí tiếp xúc cạnh Trang 59 Luan van 5.4 Thử nghiệm thực tế bệnh nhân Sau khi kiểm tra độ bền chân bằng các thiết bị, đã kiểm chứng được độ tin cậy của chân. Tác giả tiến hành lắp đặt và thử nghiệm trực tiếp trên bệnh nhân tại Trung Tâm Chỉnh Hình và Hồi Phục Chức Năng TP.HCM đã thu được những phản hồi tốt từ bệnh nhân sử dụng. Hình 4.20. Chân được lắp vào ống chân để chuẩn bị bắt vào chân bệnh nhân Để lắp đặt chân giả trên bệnh nhân bàn chân cần được lắp vào ống chân, ống chân có chiều dài phù hợp với từng bệnh nhân tùy vào vị trí cụt. Sau đó ống chân lắp vào ống đỡ mõm cụt, trên mõm cụt có đai da dung để buộc ống đỡ kết nối chặt vào mõm cụt. Trang 60 Luan van Hình 4.20. Lắp đặt và điều chỉnh chân cho bệnh nhân Chân được tiến hành lắp cho bệnh nhân tên Hiền có trọng lượng 56 Kg, vị trí cụt dưới gối chân phải. Trong q trình lắp đặt và đi thử bệnh nhân được kỹ thuật viên điều chỉnh vị trí lắp chân sao cho phù hợp nhất. Hình 4.21. Bệnh nhân sau khi được lắp chân giả Trang 61 Luan van Hình 4.22. Bệnh nhân đứng một chân bằng chân giả Trang 62 Luan van CHƯƠNG KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Trong kết quả nghiên cứu này tác giả giới thiệu một thiết kế chân giả với khớp mắt cá linh hoạt ứng dụng cơ cấu đàn hồi với khả năng đáp ứng linh hoạt các chuyển động của chân khi di chuyển, khả năng giảm chấn khi tiếp xúc gót, khả năng uốn khi chuyển pha giữa các giai đoạn của chu kỳ bước và khả năng xoay lật khớp khi di chuyển ở địa hình phức tạp giúp chân linh hoạt và giảm ảnh hưởng đến mỏm cụt. Khớp mắt cá chân được thiết kế bằng cơ cấu đàn hồi giúp kết cấu đơn giản, có khả năng dự trữ lực và giảm trọng lượng. Thuật tốn tối ưu hóa được áp dụng để chọn ra độ cứng phù hợp cho từng vị trí thiết kế. Việc tối ưu hóa đã mang lại một thiết kế khớp mắt cá chân giả với khả năng cung cấp momen xoắn và xoay lắc phù hợp có khả năng di chuyển tương tự như chân tự nhiên. Việc áp dụng cơ cấu mềm vào thiết kế đã đem lại sự linh hoạt gần giống với hoạt động chân của cơ thể người nhất, kết cấu khối đồng chất đem lại sự đơn giản trong thiết kế và chế tạo. Việc thực hiện nghiên cứu với một quy trình rõ ràng và khoa học nhằm tạo một cơng thức chung cho các thiết kế cải tiến trong tương lai. 5.2 Kiến nghị Với các kết quả đã đạt được trong đề tài, nghiên cứu đã nâng cao các tính năng của bàn chân giả thụ động, dần thu hẹp khoảng cách giữa u cầu y sinh và khả năng đáp ứng của thiết kế cơ khí. Nhưng với sự giới hạn về thời gian và kinh phí thực hiện, đề tài vẫn cịn có nhiều thiếu sót cần khắc phục như vật liệu, tính thẩm mỹ cơng nghiệp. Với mong muốn hồn thiện thiết kế có tính thẩm mỹ cao hơn, khả năng đáp ứng chủ động ở nhiều trường hợp di chuyển. Về phần thiết kế có hai đề xuất mới cho việc phát triển đề tài: Thứ nhất là trong thiết kế góc lắc trong và lắc ngồi tác giả đã tiến hành sẽ đơi gót chân để giảm độ cứng, kết quả thực nghiệm cho kết quả góc lắc trong và ngồi được cải thiện Trang 63 Luan van Thứ hai là việc bố trí lại kết cấu tổng thể chân, phần lịng bàn chân có thể chia làm 2 phần. Một phần từ gót đến 2/3 bàn chân. Đây sẽ là 2 điểm tiếp xúc mặt đất khi đi. Và 1/3 cịn lại thì cong lên. Nghĩa là tổng cộng ta sẽ chia tồn bộ chân ra làm 4 đường cong Hướng phát triển tiếp cho đề tài là dùng vật liệu Composite Carbon thay cho vật liệu nhựa POM. Nghiên cứu quy trình chế tạo vỏ chân bằng silicon, cao su tạo thẩm mỹ cho thiết kế. Tiến hành tính tốn và kiểm nghiệm lại hai đề xuất mới. Khảo sát thực nghiệm và thống kê kết quả khi sử dụng trên cơ thể người để tạo tiền đề cho việc thương mại hóa sản phẩm trong tương lai. Trang 64 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bùi Quý Lực. (2006). Phương pháp xây dựng bề mặt cho CAD/CAM. NXB Khoa Học và kỹ thuật, Hà Nội. [2] Nguyễn Đình Thú. (2001). Lập Trình Tiến Hóa. NXB Giáo Dục. [3] Nguyễn Hữu Lộc. (2010). Kỹ thuật CAD/CAE. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [4] Nguyễn Văn Khiển. (2013). “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân cấu mềm cho người khuyết tật”. luận văn Thạc sỹ, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. [5] Nguyễn Viết Trung. (2003). Thiết kế tối ưu. NXB Xây Dựng, Hà Nội. [6] Phạm Huy Hồng, Trần Văn Thùy. (2008). “Thiết kế hình dạng và mơ phỏng hoạt động của cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro”. Tạp chí Phát Triển Khoa Học Và Cơng Nghệ, tập 11, số 3. [7] Phạm Thúy, Hồng Hữu Phê. (2012). Sách hướng dẫn quản lý cung cấp chân giả- thông tin chân giả cho nhóm phẫu thuật chỉnh hình. Trung tâm đào tạo kỹ thuật viên chỉnh hình Việt Nam. [8] Phan Thị Hồi Phương. (2001). “Giải thuật di truyền giải tốn cất vật tư chiều kích cỡ vật liệu thơ”. Luận án Tiến sỹ, Viện KH & CN Việt Nam. Tiếng Anh [9] Brian J. South et al.,. (2010). “Manufacture of Energy Storage and Return Prosthetic Feet Using Selective Laser Sintering”. Journal of Biomechanical Engineerring. Vol. 132, 015001-1. [10] Daniel L. Wilcox, and Larry L. Howell. (2005). “Fully Compliant Tensural Bistable Micromechanisms (FTBM)”. Journal of MicroElectromechanical Systems. Vol. 14(6), pp.1223-1235. [11] Howell L.L. (2001). Compliant Mechanisms. John Wiley & Son, New York. [12] James C.H. Goh, S. Toh, and T.E. Tay. (1993). “Energy storing composite prosthetic foot”, US Patent, No. 5,258,039. Trang 65 Luan van [13] Jeffrey L. Doddroe et al.,. (2003). “Prosthetic foot having shock absorption” US Patent, No 09,502,455. [14] Leslie Torburn, et al.,. (1990). “Below-knee amputee gait with dynamic elastic response prosthetic feet: A pilot study” Journal of Rehabilitation Research and Development. Vol. 27(4), pp. 369-384. [15] Lobontiu, Nicolae. (2003). “Compliant mechanisms: Design of flexure hinges” CRC Press. [16] Pham Huy-Tuan, Nguyen Van-Khien, Mai Van-Trinh. (2014). Shape Optimization and Fabrication ff a Parametric Curved-Segment Prosthetic Foot for Amputee". Journal of Science & Technologies: Technical Universities. Vol.102, pp. 89-95. [17] Roland J. Christensen. (2008). “Prosthetic foot with energy transfer including variable orifice”. US Patent, No. 11,098,828. [18] Samuel K. Au, Hugh Herr, Jeff Weber, and Ernesto C. Martinez-Villalpando. (2007). “Powered Ankle-Foot Prosthesis for the Improvement of AmputeeAmbulation” Conference of the IEEE EMBS,Cité Internationale, Lyon, France,August 23-26. [19] Ziegler-Graham, K, Mackenzie, E.J, Ephraim, P.L, Travison, T.G., and Brookmeyer, R., (2008), “Estimating the Prevalence of limb loss in the United States; 2005 to 2050,” Arch Phys Med Rehabil., 89(3), pp. 422-429. Trang 66 Luan van PHỤ LỤC (CÁC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI) [1]. Pham Huy Tuan, Le Minh Nhat, Nguyen Van Khien “Design of A Multi-Axis Fully Compliant Prosthetic Foot for Amputee” Proceedings of the 4th International Conference on Sustainable Energy, (ICSE 2015), Oct. 28, 2015 Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnam, pp. 223 – 228. [2]. Huy-Tuan Pham, Minh-Nhat Le, Van-Trinh Mai, 2016, “A Novel Multi-axis Compliant Prosthetic Ankle Foot to Support the Rehabilitation of Amputees,” The 3rd International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2016), Nov. 24-25, Kaohsiung, Taiwan, IEEE Conference Publishing Services, pp. 238-243 Trang 67 Luan van PHỤ LỤC PHIẾU NHẬN XÉT DÀNH CHO ĐƠN VỊ THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM Trang 68 Luan van PHỤ LỤC (HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN CAO HỌC) Trang 69 Luan van PHỤ LỤC (THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐÃ ĐƯỢC PHÊ DUYỆT) Trang 70 Luan van Trang 71 Luan van Trang 72 Luan van Luan van ... KHOA CƠ KHÍ MÁY Tp HCM, ngày tháng 10 năm 2017 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả với khớp linh hoạt đa chức ứng dụng cấu mềm. .. tạp, giảm chấn, tích trữ? ?năng? ?lượng và có khả? ?năng? ?hoạt? ?động như? ?chân? ?thật tác? ?giả? ? đã tiến hành thực hiện đề tài ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả với khớp linh hoạt đa chức ứng dụng cấu mềm (Mã số: T2017-23TĐ)” Mục đích đề tài Tạo? ?ra sản phẩm có khả? ?năng? ?cải thiện dáng đi cho người khuyết tật. ... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÀN CHÂN GIẢ VỚI KHỚP LINH HOẠT ĐA CHỨC NĂNG ỨNG DỤNG
Ngày đăng: 02/02/2023, 10:11
Xem thêm:
