Khảo sát động học khung cố định ngoài và các phương án kết cấu khung cố định ngoài dạng Hexapod và tiến hành tối ưu hình học của thiết kế đề xuất nhằm giảm khối lượng khung.. Tiếp tục ng
TỔNG QUAN
Khái quát về cố định ngoài
Khung cố định ngoài (CĐN) là một phương tiện cố định trong điều trị chấn thương (gãy xương), chỉnh hình bao gồm một khung cố định và các đinh (kim), trong đó:
- Các đinh (kim) được cắm vào các đoạn xương khác nhau để cố định các vòng cố định với xương
- Các đinh được cố định vào nhau bởi một bộ khung đặt bên ngoài cơ thể gọi là khung cố định ngoài
Hình 1.1 Cố định ngoài Cố định ngoài (External fixator) thường được biết đến như là phương tiện dùng để cố định xương trong điều trị gãy xương hở, kéo dài chi, khớp giả, dị tật và một số bệnh lý chấn thương chỉnh hình khác
Về nguyên tắc Khung cố định ngoài được sử dụng như một hệ thống đỡ và điều chỉnh xương gãy vào vị trí ban đầu, cố định xương giúp quá trình phục hồi được nhanh chóng Khung này cố định vững chắc xương gãy, kỹ thuật đặt khung không mấy phức tạp và là loại khung đơn giản gọn nhẹ, giúp cho việc chăm sóc vết thương sau mổ dễ dàng, điều trị các khuyết hổng phần mềm, xương và thiếu da thuận lợi
Tuy nhiên khung cố định ngoài hiện tại đã bộc lộ một số khuyết điểm do khả năng điều chỉnh trong không gian bị hạn chế, nên việc điều trị phức tạp và không thể thực hiện được tại các ca gãy xương phức tạp Do đó, cần thiết phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo dạng khung cố định ngoài có độ cứng vững cao, khả năng điều chỉnh linh hoạt để đáp ứng các nhu cầu thực tiễn cho việc điều trị các ca gãy xương phức tạp và cũng để có thể đáp ứng việc điều trị phù hợp với thể trạng người Việt Nam
1.1.2 Trường hợp chỉ định dùng khung cố định ngoài
* Vị trí của xương đối với chi:
- Xương lệch tâm: sát da - Xương chính tâm: Được gân, cơ, mạch máu, thần kinh bao quanh
- Vùng an toàn: vùng xương sát da
- Vùng ít an toàn: vùng xương có gân, cơ
- Vùng nguy hiểm: vùng xương có mạch máu, thần kinh
* Tại sao lại dùng cố định ngoài?
Kết hợp xương cấp cứu
Nguy cơ nhiễm trùng ổ gãy do dị vật
-Chỗ xương gãy không vững
-Săn sóc vết thương khó
* Chỉ định cố định ngoài
- Gãy xương hở độ III (tổn thương mô mềm nhiều): nguy cơ nhiễm trùng cao, cần chăm sóc vết thương
- Nắn chỉnh biến dạng chi bẩm sinh mắc phải
- Kéo nắn các co rút khớp
- Bất động chống sốc trong gãy khung chậu
Trong một số trường hợp, cố định ngoài gắn vào xương nhưng không phải là điều trị chính cho xương bị gãy mà để bất động tạm thời xương- vết thương, tạo điều kiện cho việc cắt lọc các vết thương phức tạp kèm xương gãy nát vụn, khâu nối các tổn thương mạch máu, thần kinh Đặc biệt sau mổ, tạo thuận lợi cho việc tiếp tục cắt lọc và thay băng vết thương nhiều lần, ít gây đau đớn do xương đã dược cố định
Cố định ngoài còn cho phép tập phục hồi chức năng sớm, tránh teo cơ, cứng khớp, là những di chứng đáng sợ sau những chấn thương cận khớp, gãy hở độ III, dập nát phần mềm nhiều Nếu bó bột sẽ không tránh khỏi những di chứng này
Hình 1.2 Mộ số trường hợp chỉ định dùng khung cố định ngoài
1.1.3 Nguyên tắc chung khi đặt khung cố định ngoài
- Xác định cố định ngoài là phương pháp tốt nhất?
- Sử dụng loại cố định nào để điều trị?
- Đơn thuần hay phối hợp?
* Chuẩn bị sẵn dụng cụ cố định ngoài:
- Vết thương và vị trí xương gãy: Tránh thần kinh, mạch máu
- Đinh ở phía khớp càng gần khớp, càng xa ổ gãy càng tốt, các đinh phía gần ổ gãy càng gần ổ gãy càng tốt
- Rạch da bằng dao tại vị trí đặt đinh
- Sau khi rạch da, nếu đặt đinh lớn thì dùng một Kelly tách mô mềm dẫn đường, hoặc ống bảo vệ
- Khoan mồi trước bằng mũi khoan với tốc độ chậm
- Khi gắn đinh vào xương nên dùng khoan tay hoặc dụng cụ vặn đinh bằng tay
- Chọn đinh Schanz sao cho phần răng chỉ bắt qua vỏ xương bên kia
- Đặt các khớp trong tư thế thích hợp nhất
- Trước khi kết thúc phải: lau sạch, siết ốc
- Săn sóc chân đinh: thay băng hàng ngày, đắp thuốc sát trùng lên chân đinh - Nếu cần nắn chỉnh (cho các loại khung nắn chỉnh được) thì kéo dần hết di lệch chồng ngắn sau đó mới chỉnh các di lệch khác
- Kiểm tra thường xuyên các đai ốc, bù-lon
- Tập vận động chủ động nhẹ nhàng
- Đánh giá mức độ vững chắc để cho bệnh nhân tập đi sớm
1.1.4 Ưu, nhược điểm khung cố định ngoài
- Bất động xương gãy khá tốt, ít di lệch thứ phát
- Dụng cụ bất động xa ổ gãy hở nên ít nhiễm trùng, dễ dàng chăm sóc vết thương
Hình 1.3 Dễ dàng chăm sóc vết thương - Không bất động khớp nên có khả năng tập luyện phục hổi chức năng sớm - Kéo – nén được các đoạn xương gãy
- Có thể nắn chỉnh các di lệch
- Cồng kềnh, gây khó chịu cho bệnh nhân
Hình 1.4 Khung cố định ngoài cồng kềnh, gây khó chịu - Đau, nhất là vùng đinh xuyên da
- Dùng không đúng quy cách, theo dõi không tốt cũng có thể dẫn đến kết quả tồi:
+ Di lệch thứ phát (lỏng đinh) + Can lệch
1.1.5 Tình hình nghiên cứu khung cố định ngoài trong và ngoài nước
Thiết bị này gồm 5 phần chính:
• Các kim để xuyên xương
• Các đai ốc để giữ và di chuyển các vòng
• Các trục để liên kết các vòng
Ngoài ra còn các trục được chia vạch mm để tính độ keo dãn hoặc nén ép, có bản lề để gập góc các thiết bị và các con trượt để điều chỉnh ngang Thiết bị này có bộ phận căng kim nằm ngay trên vòng Về kích thước thì vòng có đường kính 160 mm, bước ren trên trục là 1,5 mm, kim sử dụng cho thiết bị là kim có chiều dài 250 mm và đường kính 1,5 mm
Thiết bị này dùng trong điều trị gãy xương ( gãy thân xương), kéo dài chi và lợi dụng gập góc của nó để điều trị co rút khớp, đặc biệt là khớp gối
Hình 1.5 Thiết bị của M.VVolkov-O.V.Oganesian
Chươ trong ngoài ra ông còn m
Hình nhà phát minh qu ngư
1.1.5.2 Trong n ngư trùng và kh đư ph m qu
- Thi ế t b Được c trong điều tr ngoài ra ông còn m
Hình 1.6 Thi Ngoài ra còn r nhà phát minh qu người Việt Nam nên
Từ nh ngược (CERNC) trùng và kh được sử dụng r
Từ nh phố Hồ Chí Minh, tác gi mẫu khung Judet quả tốt
Tổng quan t b ị c ủ a John David Ross, Jr, c cấp bằng sáng ch u trị kéo dài xươ ngoài ra ông còn một số
Thiết bị củ Ngoài ra còn rấ nhà phát minh quốc t t Nam nên đ
1.1.5.2 Trong nước những năm 1976, tác gi c (CERNC) để đi trùng và khớp giả nhi ng rất rộng rã những năm 1977 Chí Minh, tác gi u khung Judet điều tr a John David Ross, Jr, ng sáng chế ngày 16 tháng 6 n kéo dài xương và bi ột số bằng sáng ch ủa John David Ross, Jr, ất nhiều các nghiên c c tế nghiên c t Nam nên đòi hỏi việc nghiên c ăm 1976, tác gi điều trị các nhiễm trùng thu ng rã ở các bệ ăm 1977 đến 1986, t Chí Minh, tác giả Vũ Tam u trị cho 57 tr a John David Ross, Jr, Mikhail L Samchuk ngày 16 tháng 6 n ng và biến dạng xươ ng sáng chế đượ a John David Ross, Jr, u các nghiên c nghiên cứu nhưng th c nghiên cứ m 1976, tác giả Nguyễ trường hợp m trùng thu được k ệnh viện quân y và dân y trong c n 1986, tại trung tâm ch ũ Tam Tình và c cho 57 trường hợ
Mikhail L Samchuk là bác sĩ chỉnh hình người Mỹ gốc Bungari, có công trình nghiên cứu về gãy xương chân ở Việt Nam Ngay 16/6/1998, ông đã thành lập Trung tâm chỉnh hình phục hồi chức năng tại Bệnh viện Từ Dũ, TP.HCM Kết quả sau nghiên cứu cho thấy, số người gãy xương đùi ở Việt Nam cao gấp đôi so với các nước khác Nghiên cứu của ông đã góp phần nâng cao chất lượng điều trị gãy xương đùi cho bệnh nhân tại Việt Nam.
Mikhail L Samchuk ăm 1998 của M bằng sáng ch ố như: US5681309
Mikhail L Samchuk khung cố định ngoài ất lại không t Nam là rất c n Nhân đã sáng ch ương hở, đặc ốt Hiện nay CERNC v n quân y và dân y trong c i trung tâm chấn thương ch ự đã sử dụng khung t ương hở cẳng chân thu
Mikhail L Samchuk và John G Birch a Mỹ, cơ cấ ng sáng chế: US5766173 A,
Samchuk và John G Birch nh ngoài đã i không phù hợp v t cần thiết ã sáng chế ra cọ biệt là gãy n nay CERNC v n quân y và dân y trong cả nước ương chỉnh hình thành ng khung t ng chân thu
John G Birch ấu sử dụng US5766173 A, US5968043
John G Birch ã được các p với tạng ọc ép răng gãy hở nhiễm n nay CERNC vẫn đang nh hình thành ng khung tự tạo theo ng chân thu được kết ng US5766173 A, c các ng ăng m đang nh hình thành o theo t
Hình 1.7 Mẫu khung Judet cơ bản Riêng khung bất động ngoài kiểu FESSA tuy mới được áp dụng nhưng do tính chất cố định cứng vững chắc nên đã có triển vọng được sử dụng rộng rãi ở các bệnh viện Việt Đức, Sain – Paul
Phân loại khung cố định ngoài
Hình 1.8 Khung CĐN loại thẳng, chỉ kéo nén (không chỉnh di lệch) chỉ cần nắn chỉnh trước khi cố định
- Cố định ngoài dạng vòng:
Hình 1.9 Khung CĐN dạng vòng, kéo-nén và nắn chỉnh chủ động - Cố định ngoài dạng kết hợp:
Hình 1.10 Khung CĐN dạng kết hợp, kéo-nén (không chỉnh di lệch) và nắn chỉnh thụ động Dùng cho gãy xương gần khớp
Các phương án thiết kế KCĐN dạng Hexapod đang nghiên cứu
- Cố định đơn thuần - Cố định và kéo nén - Cố định, kéo nén và nắn thụ động - Cố định, kéo nén và nắn chủ động
1.2.3 Theo cơ chế chịu lực
- Cố định ngoài một mặt phẳng: các đinh, kim trên mỗi đoạn gãy chỉ nằm trên một mặt phẳng chứa trục dọc thân xương
- Cố định ngoài hai mặt phẳng: các đinh, kim trên mỗi đoạn gãy nằm trên hai mặt phẳng khác nhau chứa trục dọc thân xương
- Cố định ngoài một bên: các đinh, kim chỉ xuyên qua thân xương, không xuyên ngang qua chi Có thể găm đinh vào vùng an toàn, mức độ vững chắc vừa phải
- Cố định ngoài hai bên: các đinh, kim xuyên ngang qua xương và qua chi
Phải găm đinh vào vùng ít an toàn, mức độ vững chắc khá hơn
1.3 Các phương án thiết kế khung cố định ngoài dạng Hexapod nghiên cứu
Hình 1.11 Mô hình cơ cấu Stewart-Gough Cơ cấu Stewart-Gough bao gồm 6 chân và một đĩa di động (hình vẽ) Các chân gồm 02 phân đoạn và 03 khớp Vị trí của đĩa di động trong không gian được điều khiển tùy ý bởi 06 chân thông qua các khớp Đặc biệt, có 6 chuyển động tịnh tiến được điều khiển và sự chuyển động của đĩa di động phụ thuộc vào sự chuyển động của 6 chân
1.3.2 Khung cố định ngoài dạng Hexapod ứng dụng cơ cấu Stewart-Gough
* Khung cố định ngoài dạng Hexapod điều chỉnh bằng ren: a) b) Hình 1.12 Kết cấu đề xuất của KCĐN dạng Hexapod - Ưu điểm:
+ Dễ dàng tạo ra những không gian khác nhau của các vòng mang kim
+ Cố định xương gãy tương đối vững chắc + Ít di lệch thứ phát, dụng cụ bất động xa ổ gãy, dễ dàng chăm sóc vết thương
+ Tránh được dị vật ở ổ gãy hở
+ Không cố định khớp, bệnh nhân tập cử động sớm được (trừ các trường hợp có chỉ định cố định khớp)
- Nhược điểm: Khả năng điều chỉnh chưa đạt được độ chính xác cao về việc điều chỉnh chiều dài các khâu và phải điều chỉnh từng khâu nên mấy nhiều thời gian
* Khung cố định ngoài dạng Hexapod điều chỉnh bằng thủy lực (Hình 1.12.b)
+ Đảm bảo được các ưu điểm của khung cố định ngoài dạng Hexapod
+ Nâng cao độ chính xác điều khiển và thuận tiện trong quá trình sử dụng
- Nhược điểm: Khối lượng của cơ cấu hiện nay còn lớn, chưa thực sự phù hợp với thể trạng của người Việt Nam
- Tối ưu trọng lượng của khung mà vẫn đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với điều trị bằng khung cố định ngoài
- Thiết kế khung cố định ngoài phù hợp với thể trạng của người Việt Nam.
Mục tiêu của luận văn
Hiện nay việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo khung bất động ngoài Hexapod tại Việt Nam còn đang ở mức tiềm năng, mặc dù đã có những sản phẩm được nghiên cứu nhưng vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu sử dụng trong y học Đề tài tiếp tục nghiên cứu phát triển tối ưu hình học khung bất động ngoài dạng Hexapod sử dụng thủy lực làm cơ sở tiếp cận sâu hơn về sản phẩm, tiến tới áp dụng vào thực tế sử dụng
Chế tạo một mẫu khung cố định ngoài thực tế theo thiết kế đề xuất đảm bảo đúng theo các yêu cầu đề ra
1.5 Nội dung của luận văn
Nghiên cứu tổng quan về khung cố định ngoài hiện đang được sử dụng trong y học trong nước và trên thế giới Phân tích ưu nhược điểm của các khung cố định ngoài hiện đang sử dụng thực tế Đề tài thực hiện khảo sát yêu cầu cũng như vấn đề tải trọng đối với khung CĐN từ đó tiến hành tối ưu trọng lượng khung bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm để đề xuất thiết kế mới, đảm bảo giảm tối đa trọng lượng, tăng khả năng sử dụng
Thực hiện chế tạo một khung mới theo thiết kế đề xuất, đánh giá khả năng ứng dụng của khung mẫu
1.6 Cấu trúc luận văn Lời nói đầu
Lời cảm ơn CHƯƠNG 1 Tổng quan CHƯƠNG 2 Phân tích động học cơ cấu
CHƯƠNG 3 Tối ưu hình học khung Hexapod
CHƯƠNG 4 Chế tạo mẫu khung cố định ngoài
CHƯƠNG 5 Kết luận và hướng phát triển đề tài
Chương 1 đã đưa ra cái nhìn chung nhất về khung cố định ngoài và việc sử dụng khung cố định ngoài trong nước và trên thế giới Chương 1 cũng đi vào phân tích đặc điểm, phân loại khung cố định ngoài, ưu, nhược điểm của các loại khung cố định ngoài hiện có và khả năng áp dụng vào thể trạng người Việt Nam để từ đó đưa ra được mục tiêu và nội dung cần thực hiện của luận văn là tối ưu hình học, khối lượng của khung và chế tạo một mẫu khung cố định dựa trên các phân tích và chỉ tiêu tối ưu.
Kết luận
Chương 1 đã đưa ra cái nhìn chung nhất về khung cố định ngoài và việc sử dụng khung cố định ngoài trong nước và trên thế giới Chương 1 cũng đi vào phân tích đặc điểm, phân loại khung cố định ngoài, ưu, nhược điểm của các loại khung cố định ngoài hiện có và khả năng áp dụng vào thể trạng người Việt Nam để từ đó đưa ra được mục tiêu và nội dung cần thực hiện của luận văn là tối ưu hình học, khối lượng của khung và chế tạo một mẫu khung cố định dựa trên các phân tích và chỉ tiêu tối ưu
Bài toán ng tính toán k đế
- Khung ch ộng học song song, th
- Kết c ộng (Moving Platform) Hai t
-Vì các chân ít ch ộng học song song có
Phân tích v ộng học cơ c
- Bài toán thu biến khớp
- Bài toán ngh ộng của ph Đối vớ Bài toán ngư tính toán kế ến bài toán ng
Hình ng 2 Động học cơ
NG HỌC CƠ C ng học cơ cấu.
Khung chỉnh hình c c song song, thư t cấu 1 tay máy ng (Moving Platform) Hai t
Vì các chân ít ch c song song có đ
Phân tích vị trí củ cơ cấu song song Bài toán thuận: xác
Bài toán nghịch: xác a phần công tác. ới một cơ c Bài toán ngược có thể ết cấu cần bi n bài toán ngược
Hình 2.1 Cơ c cơ cấu khung c Ơ CẤU KHUNG C
nh hình cố định ngoài d c song song, thường đượ u 1 tay máy song song th ng (Moving Platform) Hai tấm này
Vì các chân ít chịu tải trọng u c song song có độ cứng vữ trí của phần công tác ủa phần công tác n u song song Có 2 lo n: xác định v ch: xác định giá tr n công tác ơ cấu song song thì bài toán ng ể có nhiều nghi n biết chiều dài các chân c
Cơ cấu không gian 6xSPS (Stewart
Trang khung cố định ngoài d
ĐỘNG HỌC CƠ CẤU KCĐN NGOÀI DẠNG HEXAPOD 22 2.1 Động học cơ cấu
Phân tích vị trí của phần công tác
- Tối ưu trọng lượng của khung mà vẫn đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với điều trị bằng khung cố định ngoài
- Thiết kế khung cố định ngoài phù hợp với thể trạng của người Việt Nam
1.4 Mục tiêu của luận văn
Việt Nam hiện hữu tiềm năng về nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khung bất động ngoài dạng Hexapod nhưng chưa đáp ứng được nhu cầu ứng dụng trong lĩnh vực y tế Do đó, đề tài này tiếp tục nghiên cứu tối ưu hình học của khung bất động ngoài dạng Hexapod, ứng dụng thủy lực làm cơ sở để tiếp cận sâu hơn về sản phẩm, hướng đến mục tiêu đưa vào sử dụng thực tế.
Chế tạo một mẫu khung cố định ngoài thực tế theo thiết kế đề xuất đảm bảo đúng theo các yêu cầu đề ra
1.5 Nội dung của luận văn
Nghiên cứu tổng quan về khung cố định ngoài hiện đang được sử dụng trong y học trong nước và trên thế giới Phân tích ưu nhược điểm của các khung cố định ngoài hiện đang sử dụng thực tế Đề tài thực hiện khảo sát yêu cầu cũng như vấn đề tải trọng đối với khung CĐN từ đó tiến hành tối ưu trọng lượng khung bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm để đề xuất thiết kế mới, đảm bảo giảm tối đa trọng lượng, tăng khả năng sử dụng
Thực hiện chế tạo một khung mới theo thiết kế đề xuất, đánh giá khả năng ứng dụng của khung mẫu
1.6 Cấu trúc luận văn Lời nói đầu
Lời cảm ơn CHƯƠNG 1 Tổng quan CHƯƠNG 2 Phân tích động học cơ cấu
CHƯƠNG 3 Tối ưu hình học khung Hexapod
CHƯƠNG 4 Chế tạo mẫu khung cố định ngoài
CHƯƠNG 5 Kết luận và hướng phát triển đề tài
Chương 1 đã đưa ra cái nhìn chung nhất về khung cố định ngoài và việc sử dụng khung cố định ngoài trong nước và trên thế giới Chương 1 cũng đi vào phân tích đặc điểm, phân loại khung cố định ngoài, ưu, nhược điểm của các loại khung cố định ngoài hiện có và khả năng áp dụng vào thể trạng người Việt Nam để từ đó đưa ra được mục tiêu và nội dung cần thực hiện của luận văn là tối ưu hình học, khối lượng của khung và chế tạo một mẫu khung cố định dựa trên các phân tích và chỉ tiêu tối ưu
Bài toán ng tính toán k đế
- Khung ch ộng học song song, th
- Kết c ộng (Moving Platform) Hai t
-Vì các chân ít ch ộng học song song có
Phân tích v ộng học cơ c
- Bài toán thu biến khớp
- Bài toán ngh ộng của ph Đối vớ Bài toán ngư tính toán kế ến bài toán ng
Hình ng 2 Động học cơ
NG HỌC CƠ C ng học cơ cấu.
Khung chỉnh hình c c song song, thư t cấu 1 tay máy ng (Moving Platform) Hai t
Vì các chân ít ch c song song có đ
Phân tích vị trí củ cơ cấu song song Bài toán thuận: xác
Bài toán nghịch: xác a phần công tác. ới một cơ c Bài toán ngược có thể ết cấu cần bi n bài toán ngược
Hình 2.1 Cơ c cơ cấu khung c Ơ CẤU KHUNG C
nh hình cố định ngoài d c song song, thường đượ u 1 tay máy song song th ng (Moving Platform) Hai tấm này
Bài toán xác định chiều dài các chân cột song song sẽ có nhiều nghiệm khả thi nếu có giá trị đủ vững của phần công tác song song Việc xác định được các nghiệm này có ý nghĩa quan trọng vì nó giúp cho thiết kế kết cấu cọc được tối ưu, tiết kiệm chi phí, đồng thời đảm bảo khả năng chịu tải và độ bền của kết cấu móng.
Cơ cấu không gian 6xSPS (Stewart
Trang khung cố định ngoài d
CHƯƠNG 2 U KHUNG CỐ nh ngoài d ợc gọi là Stewart Gough Platform song song thường g m này được n ng uốn và tả ững cơ học n công tác n công tác nằm trong s Có 2 loại bài toán phân tích v nh vị trí và hư nh giá trị các bi song song thì bài toán ng u nghiệm, tùy thu u dài các chân c không gian 6xSPS (Stewart
Trang 22 nh ngoài dạng Hexapod ƯƠNG 2 ĐỊNH NGOÀI D nh ngoài dạng Hexapod là d i là Stewart Gough Platform ng gồm giá c c nối với nhau b ải được phân b c rất cao, kh m trong số nh i bài toán phân tích v trí và hướng phầ các biến khớ song song thì bài toán ngượ m, tùy thuộc vào s u dài các chân của cơ c không gian 6xSPS (Stewart ng Hexapod
NH NGOÀI DẠNG HEXAPOD ng Hexapod là dạng khung có k i là Stewart Gough Platform m giá cố định (Fixed Base), giá chuy i nhau bằng các chân (Limb). c phân bố cho nhi t cao, khả năng tải l những bài toán c i bài toán phân tích vị trí: ần công tác khi bi ớp để đảm b ợc đơn giản h c vào số bậc t ơ cấu nên chúng ta ch không gian 6xSPS (Stewart-Gough Platform) ng Hexapod
NG HEXAPOD ng khung có k i là Stewart Gough Platform nh (Fixed Base), giá chuy ng các chân (Limb). cho nhiều chân nên c i lớn, quán tính nh ng bài toán cơ bả n công tác khi biết giá tr m bảo quy lu n hơn bài toán thu c tự do thừ nên chúng ta chỉ
NG HEXAPOD ng khung có kết cấu nh (Fixed Base), giá chuyển ng các chân (Limb) u chân nên cơ cấu n, quán tính nhỏ ản nhất của t giá trị các o quy luật chuyển n bài toán thuận ừa và trong ỉ quan tâm
Gough Platform) u n u a các n n a và trong quan tâm
Chương 2 Động học cơ cấu khung cố định ngoài dạng Hexapod
2.1.2.1 Mô tả hình học của cơ cấu công tác Để mô tả vị trí vòng di động so với vòng cố định ta gắn hệ tọa độ A(x, y, z) lên vòng cố định và hệ tọa độ B(x, y, z) lên vòng di động như hình 2.1 Chuyển vị của vòng di động so với vòng cố định được thay thế bằng chuyển vị giữa hệ tọa độ B(u, v, w) so với hệ tọa độ A(x, y, z) và được biển diễn bằng vector chuyển vị p và ma trận quay R A B Ký hiệu u, v, w là các vector đơn vị trong hệ tọa độ di động B(u, v, w), mà trận quay R A B có thể viết như sau:
( ) ( ) ( ) cos cos , cos cos , cos cos , cos cos , cos cos , cos cos , cos cos , cos cos , cos cos , x x x
Là các vector đơn vị, các phần tử của ma trận R A B phải thõa mãn đồng thời các điều kiện:
Ký hiệu ai = [aix, aiy, aiz] và b B i = [biu, biv, biv] là các vector biểu diễn vị trí của tâm khớp cầu A i , B i ( với i=1, 2, 3, , 6) trong hệ tọa độ A( x, y, z), có thể viết phương trình vector vòng kín tương ứng với chân thứ i như sau:
Chiều dài d i của chân thứ i nhận được bằng cách nhân vô hướng vector A B i i với chính nó:
2 [ A B ] [ T A B ] T i B i i B i i d = +p R b −a p R b+ −a với i= 1, 2, , 6 (2.9) Khai triển vế phải của biểu thức (3.9), ta được:
Chương 2 Động học cơ cấu khung cố định ngoài dạng Hexapod Hệ 6 phương trình dạng (2.10) biểu diễn vị trí của vòng di động so với vòng cố định, trong đó b i B và a i là các vector hằng , phụ thuộc vào kết cấu của cơ cấu song song
2.1.2.2 Động học ngược Đối với bài toán động học ngược, đã biết vector chuyển vị p và ma trận quay R A B của hệ tọa độ B so với A Do đó, chiều dài các chân d i (i= 1, 2, , 6) là:
Với i =1,2,…,6 Ứng với mỗi vị trí bệ, có 2 nghiệm khả dĩ cho mỗi nhánh Tuy nhiên di chỉ nhận giá trị dương Khi nghiệm di là số phức, vị trí bệ di động là không thể đạt được
Xác định các thành phần trong bài toán động học ngược:
Hình 2.2 Xác định các thông số động học ngược
- Xác định vecto vị trí p:
Tọa độ vecto vị trí p trùng với tọa độ gia công tại vị trí đang xét Phương và chiều vecto p hướng từ tọa độ cố định đến vị trí đầu dụng cụ
- Xác định ma trận quay R A B :
TỐI ƯU HÌNH HỌC KHUNG HEXAPOD
Các phương án thiết kế
Từ tình hình nghiên cứu thực tế và các phương án mà các nghiên cứu trước đã đưa ra, ta có các phương án thiết kế kết cấu như sau:
3.3.1 Cơ cấu bánh bánh răng-thanh răng kết hợp với trục vít-bánh vít
Mô hình áp dụng cơ cấu thanh răng - bánh răng thực hiện quá trình biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Nhờ đó, chiều dài của các chân khung bất động ngoài có thể thay đổi linh hoạt.
Với kết cấu này, việc thay đổi chiều dài các khâu được thực hiện thông qua cơ cấu trục vít-bánh vít kết hợp với cơ cấu bánh răng thanh răng, trong đó việc xoay trục vít làm cho bánh vít quay Bánh vít đồng trục với bánh răng sẽ làm bánh răng quay theo Thông qua cơ cấu thanh răng-bánh răng sẽ cho phép thay đổi chiều dài các chân Việc giữ cho chiều dài chân cố địnhnhờ đặc tính tự hãm của cơ cấu trục vít-bánh vít Tuy nhiên phương án này cơ cấu tương đối cồng kềnh và khối lượng là tương đối lớn
Chương 3 Tối ưu hình học khung cố định ngoài Hình 3.8 Bản vẽ phân rã phương ándùng thanh răng-bánh răng và trục vít-bánh vít
3.3.2 Phương án sử dụng xylanh-piston
Với kết cấu này, việc thay đổi chiều dài các chân được thực hiện thông qua việc cấp lưu chất bằng bằng bơm thủy lục.Độ di chuyển của các chân được tính toán để đưa ra lượng lưu chất cần cấp cho từng chân riêng biệt Việc điều tiết lưu lượng lưu chất cũng như cố định chiều dài chân nhờ các van điều khiển
Hình 3.9 Bản vẽ phân rã phương án sử dụng thủy lực
Chương 3 Tối ưu hình học khung cố định ngoài
3.3.3 Phương án sử dụng xylanh-piston ( khớp cầu )
Việc thay đổi chiều dài các chân được thực hiện thông qua việc cấp lưu chất bằng bằng bơm thủy lục.Độ di chuyển của các chân được tính toán để đưa ra lượng lưu chất cần cấp cho từng chân riêng biệt.Các chân được cố định thông qua việc siết chặt khớp cầu, lưu chất được lấy ra khỏi xylanh
Hình 3.10 Bản vẽ phân rã phương án sử dụng thủy lực
Phương án sử dụng đai thép bọc ngoài thích hợp cho những vết gãy nhỏ, độ biến dạng của vết gãy không quá lớn Các ưu điểm của phương án này bao gồm khả năng giảm tải trọng của khung, khóa chuyển động của cầu trong ống cầu và cố định khung chắc chắn.
Chương 3 Tối ưu hình học khung cố định ngoài
Bảng 3.4 Bảng đánh giá các phương án
Tiêu chuẩn Trọng số Ý tưởng
Dễ thay thế chi tiết 6 H S S S
Giá thành thành thấp 6 - S S Điều khiển 5 S S S
Từ bảng 3.4, phương án 3 có số điểm cao nhất, phương án này có ưu điểm về điều khiển, thời gian điều chỉnh nhanh, tính thẩm mỹ cao, giá thành vừa phải, điểm mới là có thể sử dụng thủy lực và có thể tiếp tục giảng khối lượng khung do đó đề tài lựa chọn phương án tối ưu là phương án 3 Sử dụng xilanh thủy lực và khớp cầu.
Vật liệu
Vật liệu là yếu tố quyết định đến chất lượng cũng như các yêu cầu kỹ thuật của cơ cấu Việc sử dụng các loại vật liệu thế nào cũng là một bài toán khó được đặt ra Với thực tế tình hình tại Việt Nam thì lựa chọn vật liệu đáp ứng tốt các yêu cầu là một vấn đề quan trọng, trong đó vấn đề giá cả cũng là một trong những yêu cầu quan trọng cần được giải quyết
Titan là một kim loại nhẹ, cứng, bề mặt bóng láng, chống ăn mòn tốt (giống như platin) Nó có thể chống ăn mòn kể cả với axít, khí clo và với các dung dịch muối thông thường
Chương 3 Tối ưu hình học khung cố định ngoài
Bảng 3.5.Đặc tính vật liệu titan
Hệ số Poisson 0,32 Độ cứng theo thang Mohs 6,0 Độ cứng theo thang Vickers 970 N/mm 2 Độ cứng theo thang Brinell 716 N/mm 2
Hợp kim Titan là loại vật liệu dược sử dụng phổ biến trong lĩnh vực cấy ghép y khoa bởi những tích chất ưu việt của nó như: trọng lượng nhẹ hơn các loại hợp kim khác, độ bền cao, thích ứng tốt với cơ thể đồng thời còn tương thích với máy CT/MRT không gây cản trở việc theo dõi tình trạng thiết bị cấy ghép sau khi phẫu thuật
Hợp kim Ti6Al4V là vật liệu tiêu chuẩn chế tạo khớp hông, khớp gối, thanh nẹp, ốc vít, nha khoa, thiết bị phẫu thuật
Giá thành vật liệu Titan đắt, chưa phù hợp với điều kiện kinh tế của người Việt Nam
So với thép Các-bon thấp thì thép không gỉ Inox 304 có tốc độ hóa bền rèn cao, độ dẻo, độ cứng và độ bền cao hơn Ngoài ra, Inox 304 có độ bền nóng, độ chịu ăn mòn, độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn và phản ứng từ kém hơn (chỉ với thép austenit) Do đó, Inox 304 sử dụng phù hợp trong các thiết bị y tế, chế biến thực phẩm, hóa chất, dầu khí.v.v Thành phần cấu tạo của Inox 304 như bảng 3.6
Chương 3 Tối ưu hình học khung cố định ngoài
Bảng 3.6 Thành phần cấu tạo của Inox 304
Silic, Si
