Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Thiết kế và Chế tạo Khung bất động ngoài dạng Hexapod

Dựa trên nền tảng đó, khung bat động ngoài dangHexapod được các bác sỹ chỉ định sử dụng trong các ca phẫu thuật chỉnh hình và đểđiều trị các ca gãy xương phức tạp hoặc biến dạng xương..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HO VÀ TEN HỌC VIÊN: NGUYEN HOANG VAN

TEN DE TAI LUAN VAN THAC SI:THIET KE VA CHE TAO KHUNG BAT DONG NGOAI

TRƯỜNG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHQG -HCMCán bộ hướng dẫn khoa học : TS Trần Nguyên Duy Phương

Cán bộ chấm nhận xét Ï : - G22 EE S3 EESESEEESEEEEEESESEEEEeErErsrsrseree

Cán bộ cham nhận xét 2 : :-i- (te SeEE S3 EESESEEESEEEEEESESEEEEeErErsrsrseree

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM.Ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, hoc hàm, học vi của Hội đông châm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành

sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA

KHOA CƠ KHÍ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

000 -Tp HCM, ngay thang nam 20

NHIEM VU LUẬN VAN THAC SĨ

1- TEN DE TÀI: Thiết kế và Chế tao Khung bất động ngoài dạng Hexapod

2- NHIỆM VỤ LUAN VĂN:

- _ Nghiên cứu tong quan kiến thức cơ y sinh liên quan đến việc thiết kế chế tao

khung bât động ngoài.

- _ Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế cho khung bat động ngoài dang Hexapod.- _ Chế tao 1 mẫu khung bất động ngoài dạng Hexapod

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/20134- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DÂN: TS Trần Nguyên Duy Phương.Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.Cán bộ hướng dẫn Chủ nhiệm Bộ môn — Khoa Quản lý Chuyên ngành

Em xin gửi lời cám ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Trần Nguyên DuyPhương, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em thực hiện thành công luận van nay.Những ý kiến và định hướng giá trị của thầy giúp em giải quyết các vướng mắc trong quá trình

thực hiện luận văn.

Em xin cám ơn tới các thay cô trong khoa Cơ Khí, trường DH Bách Khoa và ĐHQG TP.H6 Chí Minh những người dạy bảo và truyền đạt tri thức cho em trong suốt thời gian học tập

tại tường DH Bách Khoa.

Em xin cám ơn tới các thầy cô phòng sau đại học những người luôn giải đáp và hướng dẫnthực hiện tốt học vụ tại trường

Cuối cùng, xin cam ơn tới gia đình, bạn bè và tập thé lớp cao hoc ngành Ché tao máy nhữngngười luôn bên cạnh chia sẻ cô vũ và động viên.

HVTH

Nguyễn Hoang Van

dụng cơ cau Stewart-Gough Thiết kế này tận dụng những ưu điểm của cơ cau sáu bậc tự do déđiều chỉnh các sai lệch không gian của xương gãy trong chan thương chỉnh hình Nội dungchính của luận văn tập trung vào nghiên cứu, đề xuất phương án thiết kế, phân tích độ bền của

khung và chê tạo mâu.

ABSTRACT: This Thesis is research, analysis and proposes a design of an extenalfixator using Stewart-Gough mechanism The design takes advantage of this six dofmechanism The main content of thesis is concentrate to: research, analysis and propose ofstructure, analyise of strength grade, and manufacture a sample.

MỤC LUC.

LỜI NÓI ĐÂU _— —— 3CHƯƠNG 1: TONG HOP CÁC KIÊN THUC VE CƠ Y SINH CHI DƯỚI - 4

1.1 Đặc tính giải phẫu của xương chân 5< Ss SE 3111131311 E1 111111111 211818111111 rro 4

1.1.1 Đặc điểm giải phẫu căng chân - G2 s SE EEEE211111EEEEEEEE12111511E7ET11511E 1E EEEETrtkg 41.2 Các dạng biến dạng, gãy chân ¬ 6CHƯƠNG 2: KHAO SAT CAC DẠNG KHUNG BAT ĐỘNG NGOÀI VA TINH HINHSỬ DUNG TREN THI TRUONG HIEN NAY G5 s21 1 E112 1E tre ereeg 8

2.1 Vài nét về khung bất động ngoai ec cceccceccccsscecsesesesecevscsvsesececscevsvevsesesecevevevevsnseseseceveesen 8

2.1.1 So lược lich sử của phương pháp 00.0.0 cc ccccccccceccceceseeeeesesseeeeeeestsaeeeeeeesaeeeeeens 8

2.1.2 Phân loại khung bat động ngoài - 1c t3 SE EE13215111EEE71E111511EEEEE TT Errrrki 9

2.1.3 Các cách cố định ngoài -.- c1 n3 TT E111 151 11151111515111ETTETE1ETE1EEEEEEETEEErrrrrred 9

2.2 Tình huống dẫn đến chỉ định sử khung bat động ngoài dạng Hexapod . - 12

2.2.1 Phương pháp điều trị bằng bó bột 5-1 Sz 21213 EEEEEEEE215111EE 7E ErrErrrki 12

2.2.2 Phương pháp điều trị bằng phẫu thuật đóng đinh kín 5-5 SE +EzE+EcxeEersred 12

2.3 Câu tạo chung của KBDN dạng Hexapod c- t2 E111 1151112 E111 EEEErrrrerrei 14

"ID N4: :-8i:ii 0 0 14“o0 .ăằằằ 5 152.4 Quy Trinh áp dụng khung bat động ngoài dạng HeXapod: cccceieererree 152.5 Tình hình nghiên cứu va sử dụng khung bat động ngoài dé điều tri gãy hở ở thé giới vàmy 0 ằằa 17

2.5.1 Tình hình nghiên cứu khung bat động ngoài điều trị gãy hở xương trên thé gidi 18

2.5.2 Tình hình nghiên cứu khung bắt động ngoài điều tri gãy hở xương ở Việt Nam 18

CHUONG 3: PHAN TICH DONG HOC VA DONG LUC HOC KHUNG BAT DONG

NGOÀI DANG HEXAPOD o.oo cccccccccccscsssesssscsvsscecscevsucevsvevsecevsvsusecsvsneavevevsusavevsusecevsvesevevsvenseee 20

3.1 Tính toán động học - + 2112 2222211111222311 1111128211111 1520111111 111g vn che 203.1.1 Khái M16 oie ee eee cceccceeeececccceccuueecccccecauueeecececauaveseeceseuausesecececeuaueceserecerauaeseteceeeans 20

EM? iu úaaiaaaaiẦỤẦ 203.1.3 Phân tích vị trí của cơ cầu SONG SONE c2 S132 SE 2111511121111 Errrrrki 213.1.4 Mô tả hình học của cơ cầu SONG SONG e.eeeccsseesssesesesececsvsvevscecececevsvevstsesececavecevsvsseees 223.1.5 Jacobian của cơ cầu SONG SONG o.c.cesceccsececesssevscsvsesesececevecsvsvsvsusecececevevsvsusecececavevsveeseeeees 233.1.6 Phân tích tinh và độ cứng vững của khung chỉnh hình có định ngoài dạng Hexapod 243.2 Tính toán động lực học của cơ cầu song SONE ¿5c St v12 EE 2111511121 EEEEESErrerrreio 27

3.2.1 Xác định các ma trận Jacoblann - - - LG c c1 11112121111 SE TT TS nu 29

3.2.2 Xác định các lực XOMN cco eeccccccccccccsssccesseveesesassesesssvavsssessssessevavstssvassesasseatssvassevacsevavsetecees 313.2.3 Phương trình chuyển động - + 2s s t3 SE EE1211111E1E71111E115E 11511111 EEEEEErrkd 32CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KE KHUNG BAT ĐỘNG NGOÀI DANG

0090) ỐỐỐỐỐỐốỐỐốỐốỐốốốốốốee.e 34

4.1 Các phương án thiết kế KBĐN dạng Hexapod - -c-s c2 EEx SE EEEEEEEskrkererrreerrei 344.1.1 Cơ câu bánh bánh răng thanh răng 5c St 1231115 21115111551 TT EEEEErrrrrrki 344.1.2 Cơ câu thanh ren — dai Ốc ¿s1 1E 111 1E1111111111111121111 0111 111121111111 ru 354.1.3 Cơ câu điều khiển bằng thủy lực - is cc S211 E3 1E EE2151 1 1E rrekg 364.2 Lựa chọn phương án thiết kế, mô hình hóa và phân tích băng phương pháp PTHH cho

E6 an di 545.1.5 Cum khop cac dang trén occ 55

5.1.6 Vòng cố định, di GOng oc eccecccccccccsecccecesesscscsesesececevscsvsesesececevscsvesusececevevevevsnsesececevevevaees 555.2 Tổ hop lì Tố ốc 56

CHƯƠNG 6: KET LUẬN - - 1 21123 5121221511 111 111101101111 01 H110 01 HH 0x rà u 57

TÀI LIEU THAM KHẢO - 5 St 1 3 12151151112115E11511711E 1115 TTE2EEETETEETEEEEEHrrrrrrrree 58

LỜI NÓI ĐẦU

Do tình hình kinh tê, xã hội phát triên, nên tình hình giao thông và mật độ giao

thông ngay càng cao, ngoài ra, do các ngành nghề ngay càng phức tạp nên các chanthương ngày càng phức tap Các ca gay nhiều xương, gãy xương phức tạp và gãy xươnghở ngày cảng phô biến

Ngày nay, theo sự tiến bộ của công nghệ chế tao trong va ngoài nước, các phátminh trong lĩnh vực chấn thương chỉnh hỉnh ngay càng cải tiến và tiến bộ, giúp chongười phẫu thuật viên, các bác sỹ có thêm nhiều sự lựa chọn phù hợp với các loại chân

thương của bệnh nhân.

Khung bất động Ilizarov đã ra đời hơn nửa thé kỷ nhưng vẫn đóng nhiều vai tròtrong ngành chan thương chỉnh hình Dựa trên nền tảng đó, khung bat động ngoài dangHexapod được các bác sỹ chỉ định sử dụng trong các ca phẫu thuật chỉnh hình và đểđiều trị các ca gãy xương phức tạp hoặc biến dạng xương Khung bat động ngoài dangHexapod dựa trên co cầu Stewart-Gough, thiết bị bao gồm 2 vòng mang kim cùng 6thanh chống, mỗi thanh chống có thé kéo dài hoặc rút ngắn một cách độc lập Sau khiliên kết với xương bằng hệ dây hoặc kim, vòng mang kim được di chuyển theo 6 bậc tựdo Nhờ các chuyền động đó, xương được đưa về khớp với vị trí trước khi gãy Khungbất động ngoài Hexapod sử được cho người lớn, trẻ em, cả xương căng chân lẫn xươngđùi Ngoài việc cố định các xương gãy, khung bất động ngoài Hexapod còn được sửdụng chỉnh hình các hệ xương lệch hoặc di tật bam sinh

Ở Việt Nam, tuy có số lượng ca chan thương cao và có nhu câu lớn trong việc sửdụng khung bat động ngoài cho các ca phức tạp nhưng các nghiên cứu về thiết bi nayvẫn còn nhiều hạn chế

Với mong muốn thúc đây việc nghiên cứu các thiết bị điều trị cho các ca gayxương phức tạp Tác giả thực hiện luận văn Thạc sỹ với tên gọi: Thiết kế và Chế tạoKhung bất động ngoài dang Hexapod Với mục tiêu xây dựng được qui trình thiết kế

khung bất động ngoài dạng Hexapod dựa trên cơ cầu Stewart-Gough, chế tao thử một

mẫu khung bất động ngoài dạng Hexapod

HVTH

Nguyễn Hoang Van

CHƯƠNG 1: TONG HỢP CÁC KIÊN THỨC VE CƠ Y SINH CHI DƯỚI.

1.1 Đặc tính giải phẫu của xương chân

1.1.1 Đặc điểm giải phẫu cang chân

Các xương của

cảng chân phảiNhìn trước Nhìn sau

“———-cò gian lồi cầu——— ————— cò gian lồi cau,Củ gian Củ gian Củ „ Củ -

tồi cầu tồi cầu trong gian loi gian lõi

wens ven ° ắ R cầu trong Câu ngoài Các diện khớpA £ ngoài Vung gianlối cầu trước gtrên (các diện

trong va ngoài)

2 2

loi cau sau

Loi cau ngoai Lồi cầu =

trong ^ L6i cầu ngoài

Chom U Gordy : Đỉnh

Có (bảm tân cua , ; Chom

cua ` dai chau chay) 4 cổ

xương mác của

Đưởng chèo lớn ong

Ranh cho

aye ác bam tan gan

Lối cu chảy cơ bán mảng

Mat trong Mat sau ——————

Mao trongMat trong F

Diện khop dưới Dien khớp Diện khớp duci `mat ca

Hình 1.1 Xương căng chân

— Căng chân gôm 2 xương, xương chày là xương chính ở phía trước, xương mác ở

với xương dui, một mình chịu sự tỳ nén của cả than người Than xương chày hình lăng

trụ tam giác trên to dưới nhỏ gồm 3 mặt (trong, ngoài, sau) và 3 bờ Bờ trước cứng

nên thuận lợi cho việc bat các cọc vit (fiche)

Cơ rộng ngoai Cơ rộng trong

R Cơ nhí đầu đủi

Gân cơ tử đấu dui Xương bảnh chẻ Cơ bán mảng

ô ối trô Thần kinh chả

Dai chậu-chảy Động mạch gối trên trong Cơ thon lần kinh chây

Dây chẳng bên chảy Thần kinh mắc chungĐông mạch gối trên ngoài Động va finn mạch kheo

Mạc giữ banh chẻ trong Đông mach gối trên ngoải

-Gan cơ nhị đấu đủi ———”””] Đông mạch gối trên trong Cơ gan chanNhánh dưới banh ché (đả cat) của

2 4 Cơ bung chan (da ả

Động mach gối dưới ngoải Than kinh hiển (đá cat) Cơ bụng chân (đầu tong) g chân (đầu ngoải)Than kinh mắc chung Bao khớp Than kinh bi bắp chân ngoải (da cat)Thần kinh cho cơ dép

Chỏm xương mắc — Dây chẳng bánh chẻ Thần kinh bi bắp chan trong (da car)

Bam tận của cơ mayLối củ cháy Tinh mạch hiến bẻ

Cơ chày trước Cơ bụng chânCơ bụng chân › ưu es es

Cơ duỗi các ngón chân dải ụ Gan cơ gan chan

Gần cơ gấp các ngón chan dải

MEER I Gan co mắc dai' Gân cơ chảy sau

Mạc gid gắn duỗi trên _ Mắt cá trong y - ;

v 3 Gan cơ mac ngắn

Mắt cá ngoài Động vả finh mạch chảy sauẫ Shiney U66 £ R Gan got (gan Achilles)

Mac giứ gan đuôi đưởi Than kinh chảy

F Nhánh trong của thấn kinh mắc sau , Mat cả ngoái

Gân cơ mắc ba Gan cơ duỗi ngôn chan cai dai Mac giữ cơ mac trênGân cơ gấp ngón chan cải dải

Các nhánh mu ngón chân của thần kinh mac Nhánh gót của Các nhánh gót của động mạch mác

z động mach chảy sau ài 8

sau gma Lõi cu xương gotCác than kinh mu ngón chân

Hình 1.2 Cơ cang chân— Sự phân bố các cơ ở căng chân không đều, mao chày và mặt trong xương chày ở

ngay dưới da, không có cơ nào che phủ; da vùng này dính vào xương và kém di động.

Mặt trước ngoài có các cơ duỗi che phủ nhưng ở phía trước cũng rất mỏng Riêng mặtsau xương chày được các cơ gấp nhất là cơ tam đầu căng chân to, dày che phủ có lực cogấp mạnh gấp 4 lần các cơ duỗi Do vậy nên khi bi chan thương gãy xương chảy thi rấtdễ gãy hở do đầu xương chọc thủng da ở mặt trước trong va những trường hợp lực chanthương mạnh sé gây lóc da rộng, bam dập cơ nhiều

- Mạch máu nuôi xương chảy có ba hệ thống chính 1a:+ Hệ thống trong ống tuý

+ Hệ thống đầu hành xương+ Hệ thống màng xương

„ Động và finh mạch chày trướcCơ chày trước “va Qị fgy va than kinh mac sauCơ duỗi ngón chân cái dai Xương chàyCơ duỗi các ngón chân dai _~ Màng gian cốtSY

_———— Tinh mạch hiển lớnThần kinh mác nông —~ à thần kinh hiể

và thần kinh hiển

Mạc cẵng chân = = Cơ chảy sauVách gian trước “ = Cơ gấp các ngón

chân dàiCơ mác dài

—==-Động va finh mach mac

Co mac ngan

= Động-fnh mach chày sau

Vách gian cơ sau ˆ và thần kinh chày

Xương mác F =— _ :

Cơ gấp ngón

Thần kinh bi bắp chân ngoài chân cái dài

SS z Pi

Vach gian co ngang Mac cang chan

Co dép ⁄ Gân cơ gan chân

ề ~~

a 4 `

Cơ bụng chân (bụng ngoài Cơ bụng chân (bụng trongoài) g)

f Ñ + A ` ¿ F

Nhánh nối mác của thần kinh bì THAI ĐEN) TU: DANH HH! KG

bắp chân ngoài Tinh mạch hiển bé

Hình 1.3 Thiết đồ ngang ngay trên điểm giữa căng chân trái— Hệ thống tĩnh mach trong ống tuy qua các vi tĩnh mach trong vỏ xương nối với

—_ Tác giả Couchoix (1957) dựa vào thương tôn da đã phân ra 3 loại

— Tác gia Duparc và Huten (1981) dựa trên cách phân loại của tác giả Couchoix đã

dé nghị một bảng phân loại có tính tiên lượng Cách phân loại này cũng chủ yếu dựa

vào thương tôn phân mêm.

Đa số các tác giả ở Bệnh viện Việt Đức, Saint-Paul, Bệnh viện Quan đội 108, 103,v.v đều dựa theo cách phân loại của tác giả GUSTILO (Mỹ) Cách phân loại này tính

dén cả tôn thương phân mềm và xương.

Phân loại Mô ta thương tonĐộ I Vết thương sạch đường kính < lem

Đồ II Vết thương đường kính > lem nhưng không có ton thương phan

CHƯƠNG 2: KHAO SÁT CÁC DẠNG KHUNG BAT ĐỘNG NGOÀI VÀ TINH

HÌNH SỬ DỤNG TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY.2.1 Vài nét về khung bất động ngoài

2.1.1 Sơ lược lịch sử của phương pháp.

- Thời Hypocrate đã dé ra phương pháp cô định 6 gãy từ xa gồm 2 vòng dai da đặt dướigối và trên mat cá cùng 4 thanh gỗ đặt dọc theo trục căng chân dé điều trị các bệnh nhângãy 2XCC Đây được coi là ý tưởng đầu tiên về phương pháp BĐN

- Năm 1627 Fabricius Hydannus chế tạo một bộ dụng cụ gồm 2 vít kim loại gắn vàomỗi đầu xương, phần đỉnh ở ngoài gan với một khung kim loại có khả năng nắn chỉnh

được.

- Năm 1853 Malgaigne là người đầu tiên sáng chế ra khung bất động ngoài điều trị cho

bệnh nhân gãy xương bánh chè.

- Năm 1902, Alain Lambotte sử dụng khung bất động ngoài một bên để điều trị 1trường hợp gãy kín thân xương đùi ở nhiều mảnh rời

- Năm 1938, Raoul Hoffmann sáng chế ra khung BĐN một bên mang tên Osteotaxis.- Năm 1956 Robert va Jean Judet cải tiễn khung BDN cua Judet don gian, dé str dung,cô định vững chắc hon

- Năm 1951 Ilizarov sáng chế loại khung BĐN vòng ôm quanh đoạn chi KhungIlizarov có nhiều ưu điểm là cỗ định 6 gãy rat vững chắc, chỉnh được các di lệch và còntạo được một lực nén đàn hồi theo trục xuong

- Khung BDN ngày càng có nhiều cải tiễn và ra đời nhiều loại khung mới di tinh ưu việtcủa nó trong điều trị gãy xương hở Như khung FESSA của quân đội Pháp, khung

EXFIX của quân đội Đức, khung Orthofix của Mỹ, khung Standard, Hybrid của hiệp

hội kết xương Thuy Sĩ (AO), khung Muller Kalnberz.* Chỉ định điều trị của khung bất động ngoài:Khung bất động ngoài được chỉ định điều trị cho gãy 2XCC trong các trường hợp sau:- Nhóm chỉ định tuyệt đối:

+ Các trường hop gay mở từ độ IIIa trở lên theo phân loại của Gustilo.

+ Những trường hợp gãy mở độ I, độ II đến muộn sau 6 giờ.+ Các trường hợp khớp giả nhiễm khuẩn

+ Đóng cứng khớp trong điều kiện khớp bị nhiễm trùng.

+ Kéo dai chi.

- Nhóm các chỉ định cần cân nhắc:

+ Những trường hợp gãy mở độ I, độ II.

+ Những trường hợp gãy kin không vững, những trường hợp chậm liền xương ma da vaphần mém không cho phép thực hiện ngay các phẫu thuật kết xương bên trong

2.1.2 Phân loại khung bất động ngoài

Trải qua quá trình phát triển hơn 150 năm, KBĐN hiện nay có khoảng hơn 30kiểu khác nhau, nhưng nói chung gồm những loại sau đây:

* Theo cau trúc của khung:- Nhóm khung bất động ngoài 2 thành phan: Gồm có đỉnh xuyên xương và thanh liênkết (thanh trục) như khung FESSA, khung Judet, khung Muller

- Nhóm khung bất động ngoài 3 thành phần: Gồm 2 thành phan trên và có thêm bộ phậncán nối, nhờ vậy có thể nắn chỉnh được như khung Ilizarov, khung Hoffmann,

Orthofix

* Theo đặc tính co học của khung bat động:- Nhóm cố định vững chắc như khung FESSA.- Nhóm cố định động như khung ASIF, Orthofix - Nhóm cô định đàn hồi như khung ILizarov

Các loại khung BDN, ngoài độ vững chắc can thiết dé có định xương, một khungBĐN lý tưởng cần đạt các yêu cau:

+ Kéo nén được.

+ Nắm chỉnh được di lệch một cách chủ động.+ Ít gây nhiễm trùng

Các loại khung kiểu này có các khung như Judet, FESSA, Hoffmann, Muller Có thé cố định 1 bên 1 bình diện hoặc 2 bình diện.

Do cố định 1 bên nên cau tạo của khung gồm có đỉnh có ren đường kính từ 4 5,5mm và các thanh liên kết (thanh trục) Nếu cố định 1 bên 2 bình diện thì có thanh nốigiữa 2 thanh liên kết

-Do các đỉnh có ren nên bat được chặt vào xương nên cô định 6 gãy vững chắc,không bi lỏng đỉnh, trôi trượt định như dùng định trơn Mặt khác, do bố trí đỉnh vakhung ở mặt trước trong xương chày nên không xuyên qua cơ, tránh được thương tốnmạch máu thần kinh và có thể xoay chuyển các vạt có cuồng mạch liền ở mặt sau, mặtngoải căng chân ra trước dé che phủ những khuyết hỗng phần mềm lớn hoặc tạo điềukiện chăm sóc vết thương được thuận lợi

- Uu điểm:+ Cố định 6 gãy vững chắc Nhiéu tác giả như Behrens F va Johnson K., Weber,

Fleming B, Muller đã chứng minh khung bat động ngoài một bên một bình diện cua

AO, Hoffmann, ASIF bảo đảm có định vững chắc các 6 gãy trong mọi hình thái gãy,và cho rang 90% các trường hợp gay 2XCC chỉ cần cố định bằng khung BĐN 1 bên 1bình diện của AO là đủ vững chắc cho đến khi liền xương

+ Cho phép tập vận động sớm, do đó tránh được teo cơ, cứng khớp và quá trình liền

xương sẽ thuận lợi và nhanh chóng hơn.

+ Không phải bóc tách rộng cốt mạc xung quanh 6 gãy, không dua những phương tiệnkết xương kim loại vào 6 gãy, vì thế tránh được các ảnh hưởng không thuận lợi cho quatrình liền xương va là phương pháp kết xương thường được chỉ định trong các trườnghợp gãy xương hở có thương ton phan mềm nhiều, gãy hở đến muộn, gãy hở nhiễmkhuẩn và khớp giả nhiễm khuẩn

+ Thuận lợi cho thay băng chăm sóc vết thương, cắt lọc hoại tử, thực hiện được cácphương pháp tạo hình phủ b6 sung bang các vạt có cuống mạch liền để điều trị biếnchứng khuyết hồng phần mềm lộ xương mà không phải tháo khung

+ Đối với một số khung BĐN, sau phẫu thuật kết xương vẫn có thể chủ động chỉnh tiếpmột số di lệch và cho phép chỉnh 2 mặt gãy luôn áp khít nhau để có định vững chắc vàgiúp cho quá trình liền xương nhanh hơn

+ Bệnh nhân không phải chịu thêm một cuộc mồ dé tháo bỏ phương tiện kết xương vacòn tránh được các biến chứng do phẫu thuật lay phương tiện kết xương gây ra

tháo ra và xuyên thay lại định ở vi trí khác.

e Độ 4: Viêm tuỷ xương Điều trị giống như độ 3 nhưng sau khi tháo đỉnh ra phảinạo sạch tổ chức hoại tử, lay bo xuong chét, khoan rong chan dinh va co khi phaitháo bỏ khung BĐN dé thay biện pháp có định

+ Di lệch thứ phat do lỏng đỉnh, lỏng các ốc kép làm cho hệ thống có định mat vữnghoặc do cong đỉnh, gãy đỉnh do lực tác dụng lớn Nguyên nhân gây lỏng đính do nhiễmkhuẩn chân đinh hoặc do khi nén hoặc căng dãn và tập đi sẽ dẫn đến tiêu xương quanhlỗ chân đinh,

+ Lực cố định chỉ ở 1 bên nên độ vững chắc không băng cỗ định 2 bên cân đối và khónăn chỉnh hơn

b Cách cô định 2 bên cân doi:Do lực cố định cân xứng đều 2 bên nên cách cỗ định nảy có ưu điểm là dễ năn

chỉnh được các di lệch gập góc hoặc mở sang bên.

Nhược điểm : Là do dùng các định Steinmann trơn nên sau một thời gian có địnhdé bị trôi đỉnh nên không vững chắc Khi tôn thương có KHPM lớn cần phải chuyển cácvạt có cuồng mạch liền thì sẽ khó khăn do bi cản trở Ngoài ra, do cố định 2 bên nên cóthé gây tốn thương bó mach thần kinh hoặc hạn chế vận động khớp do phải xuyên qua

cơ.

c Cách cô định vòng tron:

- Ưu điểm: Lực căng dan và nén trên toàn bộ chu vi xương va có thể nắn chỉnh được.Chi tiết độc đáo nhất của khung Ilizarov đó là các đỉnh Kirschner, nhờ đó mà khung batđộng đàn hồi vững, chỉ cho phép một kiểu biến dạng duy nhất đó là căng dan và néntheo dọc trục xương Vì vậy mà quá trình liền xương được nhanh hơn.

- Nhược điểm: công kênh, phức tạp khó lắp ráp, không thuận lợi cho việc chăm sóc vếtthương và tạo hình phủ Vì vậy khung này chỉ thường áp dụng trong chỉnh hình và điều

xương đùi ở trẻ em cũng khó khăn tương tự như người lớn vì:

- Khó nắn chỉnh được các đầu gãy, mảnh gãy của xương về đúng vị trí giải phẫu banđầu do xương dui to, có nhiều cơ lớn khỏe bám vao va co kéo Nếu có nan được tươngđối hoàn hảo thì cũng dễ bị di lệch thứ phát trong bột, do bột không thể cố định vữngchắc suốt thời gian dài để cho xương liền vững

- Thời gian liền 6 gãy thân xương dui ở cũng tương đối dai, từ 1,5 đến 2,5 tháng.Trong thời gian mang bột dài như thế, dễ xảy ra loét các điểm tì, viêm phối, viêmđường tiết niệu, gây hạn chế hầu hết các sinh hoạt cá nhân của các cháu

- Khi xương liền vững, bệnh nhân tập vận động tích cực, song vẫn có tỷ lệ cao bịteo cơ, cứng khớp, ngắn chỉ, ảnh hưởng tới sức khỏe, thâm mỹ sau này

2.2.2 Phương pháp điều trị bằng phẫu thuật đóng đỉnh kín

Phương pháp mới nảy đã bắt đầu được áp dụng tại Bệnh viện Việt Đức (Hà Nội).Thay vì mồ hở như trước đây, các bác sĩ chỉ mở một lỗ nhỏ khoảng 5-7 em ở phía saucánh tay rồi đưa định vào dé có định vết gay Việc nan chỉnh xương và đóng đỉnh được

thực hiện dưới màn hình tăng sáng.

- Do không phải mở 6 gãy nên tránh được các bién chứng như nhiễm khuẩn, tốnthương than kinh quay trong m6 do phẫu thuật

- Không phải lay khối máu tụ ở 6 gãy và không động đến màng xương nên xươngliền nhanh hơn và ít tạo thành khớp giả

- Thời gian m6 và năm viện ngắn Vết mồ nhỏ nên chăm sóc hậu phẫu đơn giản,

bệnh nhân ít đau, thuận lợi cho việc tập vận động phục hồi chức năng sau mô.

- Phương pháp này còn ưu việt ở chỗ hạn chế tối đa phương tiện dụng cụ đặt trongvùng 6 gãy hở, không cản trở và làm ton thương phần mềm vùng lân cận quanh vếtthương, tạo điều kiên thuận lợi khi cần làm các thủ thuật bố trợ để che phủ khuyết hồngphần mém, che phủ xương.

- Khi cần tháo bỏ phương tiện thì đơn giản và nhẹ nhàng Hạn chế của phương pháplà ở chỗ cần phải có man tăng sáng, ban chỉnh hình va đòi hỏi kinh nghiệm của kíp phẫuthuật Nhưng với sự phát triển kinh tế và trình độ y học ngày càng tiễn bộ chắc chan sẽkhắc phục được những hạn chế trên ở các cơ sở chan thương chỉnh hình trên cả nước.Xương sau khi liền tốt (khoảng 2-3 tháng) thì mọi thứ sẽ dan dan trở về bình thường

2.2.3 Phương pháp điều trị bang khung bat động ngoài

Do đặc điểm giải phẫu, các xương thường nằm ngay sát dưới da nên dễ dẫn đếngãy hở, mô mềm ton thương nang, kha năng nhiễm ban nhiều, nguy cơ nhiễm khuẩncao sẽ gây khó khăn cho điều trị Các phương pháp cắt lọc cố định bằng bột, kết hợpxương bên trong hay xuyên đính kéo liên tục đã bộc lộ các nhược điểm, đặc biệt làtrong các trường hop tồn thương mô mềm nặng và đến muộn

Trong thực tế hiện nay việc xử trí gãy hở hai xương căng chân ở các tuyến cònmột số sai sót gây nhiều tai biến và biến chứng Ngoài ra, một số trường hợp bệnh nhângãy hở hai xương căng chân đến viện chỉ sơ cứu rồi chuyển về các bệnh viện tuyến trêngây sự tốn kém, chậm thời gian phẫu thuật và gây nên sự quá tải ở các bệnh viện tuyến

Sau.

Trong thời gian gần đây việc sử dụng có định ngoài (BDN) dé cố định xương gãy kèm theo một số biện pháp can thiệp như tưới rửa dưới áp lực, cắt lọc triệt để và chephủ xương băng các vạt tại chỗ trong các trường hợp lộ hoặc khuyết hồng xương đãđược nhiều tác giả trong và ngoài nước áp dụng có kết quả (hình 2)

Khung bất động này cô định vững chắc xương gãy, kỹ thuật đặt khung khôngmay phức tạp va là loại khung đơn giản gọn nhẹ, giúp cho việc chăm sóc vết thương saumồ dé dàng, điều trị các khuyết hong phần mềm, xương và thiếu da thuận lợi Tuynhiên khung bất động ngoài đã bộc lộ một số khuyết điểm do khả năng điều chỉnh trongkhông gian bị hạn chế, nên việc điều trị phức tạp và không thê thực hiện được tại các cagãy xương phức tạp Do đó, cần thiết phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo dạng khung bấtđộng ngoài có độ cứng vững cao, khả năng điều chỉnh linh hoạt dé đáp ứng các nhu cầuthực tiễn cho việc điều trị các ca gãy xương phức tạp.

2.3 Cầu tạo chung của KBĐN dạng Hexapod

Khung bất động ngoài dạng Hexapod dựa trên cơ cấu Stewart-Gough, thiết bibao gôm 2 vòng mang kim cùng 6 thanh chống, mỗi thanh chống có thể kéo dài hoặcrút ngăn một cách độc lập Theo sơ đỗ nguyên lý :

nội tủy liên kêt trực tiêp với xương.

2.5 Các loại vong cô định

2.3.2 Chân.

Khung bất động ngoài dạng Hexapod dựa trên nguyên lý của Stewart - Goughgồm có 6 chân có chiều dài thay đổi được, 6 chân này liên kết với 2 vòng mang kimbang các khớp các đăng 2 và 3 bậc tự do Chân được thiết kế chiều dài có thé thay đôiđược để có thé thay đổi vị trí và hướng của vòng mang kim di động (Proximal ring)(hình 2.6) Do đó, cơ cầu nay có thể định vị bất kỳ vị trí, hướng nào trong không gian.Với ưu điểm kết câu đơn giản, độ cứng vũng cao, độ chính xác, ôn định cao với quỹ đạophức tạp nên khung bất động ngoài dạng Hexapod ngày càng được nghiên cứu và phổbiến rộng rãi trong lĩnh vực chan thương chỉnh hình

Hình 2.6

2.4 Quy Trình áp dụng khung bất động ngoài dạng Hexapod:

Bước 1: Xác định các thông số của xương gãy

Các bác sỹ phẫu thuật chỉnh hình phải đánh giá các thông số của biến dạngxương dựa vao các Phương pháp chụp X-quang để tìm ra tất cả độ sai lệch của xương

cũng như các nhóm cơ bị ảnh hưởng trong vùng xương bị gãy.

Tương tự như một bộ phận chân hoặc tay ở vị trí giải phẫu như hình 2.7, haimảnh xương hợp tại gốc Với xương gãy hoặc bị biến dạng, 2 mảnh xương bị lệch gócvà dịch chuyển, độ dịch chuyển phải được đo từ tất cả các điểm tham khảo cho đếnđiểm gốc, dọc theo trục của xương gãy, từ đó ta có vòng tròn quỹ đạo điểm sai lệch

tham

Ỷ khảo

ĐiêmC(iôc

Hình 2.7Độ lệch đôi với các sai lệch phức tạp (xoăn trong hay xoăn ngoài), các sai lệch

này được đo băng sự phân kỳ của đường tâm của mỗi mảnh xương bị gãy bằng kiểm tra

lâm sàng hoặc các phương pháp chụp phim đặc biệt.

Góc lệch sovới đường tâm

ÁN L„

Bước 2: Cô định xương và điều trị

Sau khi xác định được các thông số sai lệch bằng các phương pháp chuẩn đoánlâm sàng và phim chụp X quang, vòng giá cô định (Distal Ring) được cô định bang kim

hoặc dây vào xương như hình 2.9.

Hình 2.9

Các biến dạng góc, tịnh tiến, quay và thời gian bị gãy được dùng làm thông sốđầu vao cùng với kích thước vòng, chiều dài chân dé tính toán ra các thông số cần điềuchỉnh cho mỗi chân của khung bất động Các thanh chống sẽ thay đối chiều dài hangngày dựa vào kết quả tính toán dé dan dân khôi phục các biến dạng Việc sửa chữa cácbiến dạng này thường mất từ 3 - 4 tuần để khôi phục biến dạng như ban dau

Sau khi các biến dạng được khôi phục, khung sẽ được để đó cho đến khi xươnglành, quá trình nay thường kéo dai từ 3- 6 tháng tùy theo mức độ biến dạng và tuổi tác

của bệnh nhân.

2.5 Tình hình nghiên cứu và sử dụng khung bất động ngoài để điều trị gãy hở ởthế giới và Việt Nam

2.5.1 Tình hình nghiên cứu khung bất động ngoài điều trị gãy hở xương trên thế

W.N.Ueng và C.H.Shih (Đài Loan - 1990) công bố kết quả điều trị 80 trườnghợp viêm xương sau mồ gãy hở xương chày kết xương Trong đó có 12 ca dùng khungHoffmann cho biết kết quả xương tốt với thời gian liền xương trung bình là 5,2 tháng

Ở Hy Lạp, G.Anastopoulos và A.Asimakapoulos (1987 - 1990) đã sử dụngkhung có đỉnh ngoài một bên để điều trị cho 32 trường hop gãy thân xương chảy va

xương đùi cùng bên Trong đó có 22 ca gãy hở xương chày vào 7 ca gãy hở xương đùi.

Cả 32 ca với 6 gãy xương chày dù kín hay hở đều kết xương bằng khung bất động ngoàimột bên còn xương đùi 29/32 ca đóng đỉnh nội tủy, 3 ca kết xương cố định ngoài Kếtquả liền xương tốt là 89% Kết quả trung bình và xấu là 11% Thời gian liền xươngtrung bình của xương chảy là 18.5 tuần, còn xương đùi là 15.5 tuần

Rindenco, Kors đã công bố kết quả điều trị 45 trường hợp gãy thân 2 XCC bằngkhung BDN SKDI trong 2 năm 1987 - 1988 Có 10 ca mở vào 6 gãy nắn chỉnh, thờigian mang khung bất động ngoài là 8 — 12 tuần, sau đó tháo khung bó bột ôm gối thêm2 — 3 tháng Kết quả liền xương và hồi phục chức năng tốt

C.Krettek, N.Hass và H.Tseherne (Mỹ) từ 1982 - 1986 đã điều trị 202 trườnghợp gãy chân xương chảy bang khung bất động ngoài một bên gồm có 70 gãy xương

kín và 132 gay xương ho.

Thời gian liền xương trung bình từ 15,4 đến 18,4 tuần Tỷ lệ nhiễm trùng trong gãy hở là 5,1%, gãy kín là 0% Nhiễm trùng chân đinh 2,5%, không liền xương

khớp giả nhiễm trùng thu được kết quả tốt Hiện nay CERNC vẫn đang được sử dụng

rât rộng rã ở các bệnh viện quân y và dân y trong cả nước.

Từ những năm 1977 đến 1986, tại Trung tâm chấn thương chỉnh hình thànhphố Hỗ Chí Minh, tác giả Vũ Tam Tỉnh và cộng sự đã sử dụng khung tự tạo theo mẫukhung Judet điều trị cho 57 trường hợp gãy xương hở căng chân thu được kết quả tốt

Tại Viện quân y 108, quân y 103, CERNC và khung Ilizarov đã được sử dụng

khá phố biến dé điều tri gãy xương hở căng chân va di chứng Từ tháng 5/1993 —5/1994 tại khoa chan thương chỉnh hình Viện quân ý 108 đã dié trị cho 42 bệnh nhângãy xương căng chân bằng CERNC và khung Ilizarov Kết quả liền xương tốt 71.7%

nhiễm trùng chân đinh là 38%

Trong 3 nam 1991 - 1994 tại bệnh viện Saint-Paul đã sử dụng khung cốđịnh ngoài để điều trị cho 20 bệnh nhân gãy hở 2 xương căng chân, kết quả liền xươngtốt, trong đó có 10 bênh nhân nhiễm trùng chân đỉnh Thời gian liền xương trung bình là20 tuần Trong đó có 4 trường hợp ghép xương sớm, liền xương sau 6-7 tháng

Riêng khung bất động ngoài kiểu FESSA tuy mới được áp dụng nhưng do tínhchất cô định cứng vững chắc nên đã có triển vọng được sử dụng rộng rãi ở các bệnh

viện Việt Duc, Sain — Paul.

Khung bất động ngoài dạng Hexapod hiện nay chỉ mới trong quá trình nghiêncứu và tiếp cận Chưa có trường hợp nào được áp dụng trong việc điều trị ở Việt Nam,nên tiềm năng ứng dụng khung bất động dạng này vào Việt Nam tương đối lớn

CHUONG 3: PHAN TÍCH ĐỘNG HỌC VA ĐỌNG LỰC HỌC KHUNG BAT

DONG NGOAI DẠNG HEXAPOD.3.1 Tính toán động học

3.1.1 Khái niệm

- Khung chỉnh hình cố định ngoài dạng Hexapod là dạng khung có kết cấu động học

song song, thường được gọi la Stewart Gough Platform.

- Kết cau 1 tay máy song song thường gồm giá cô định (Fixed Base), giá chuyển động(Moving Platform) Hai tam này được nói với nhau bằng các chân (Limb)

-Vì các chân ít chiu tai trọng uốn và tải được phân bố cho nhiều chân nên cơ cau độnghọc song song có độ cứng vững cơ học rất cao, khả năng tải lớn, quán tính nhỏ

- Các phương án có thé dé bó trí khớp trên mỗi chân như hình 3.1

` aad

` wed 4

Hình 3.1

3.1.2 Đặc điểm- Số chân băng số bậc tự do của tam chuyên động.- Loại và số lượng khớp được phân đều trên các chân là như nhau.- Số lượng và vị trí của các khớp chủ động trên các chân là như nhau.- Số bậc tự do của tay máy song song:

Khảo sát cơ cấu động hoc song song kiểu Stewart Gough như hình 3.2 bên dưới :

Hình 3.2 Tay máy không gian 6xSPS (Stewart-Gough Platform)

+ Cau trúc gồm 6 trụ nối với giá động và giá có định bang 6 khớp câu (ký hiệu C) Aivà 6 khớp cau ký hiệu Bi với i = 1,2,3 6.

+ Các trụ là khâu tịnh tiễn (ký hiệu T) có kết cấu trục vit — đai ốc hoặc xylanh thủylực Các trụ có thé thay đổi chiều dai dé điều khiến giá động các điểm gan với Ai với i= 1,2,3 6 là giá cô định, các điểm gan với Bi với i = 1,2,3 6 là giá động

Cơ cấu có :

e 14 khâu.

e 6 khớp tịnh tiến.e 12 khớp cau.Trong bai toán này ta có 2 giả thuyết

e Điểm P là trọng tâm của khớp cầu Bi và nam trong cùng mat phăng với cáctâm cau

e Điểm O là trong tâm của các khớp câu Ai và nằm trong mặt phang chứa tâm

câu.

Số bậc tự do được tính là :F = A(n —j — 1) + Xjfj — fp = 6(14-— 18 — 1) +

12x3+6x1-6 =6

À: là bậc tự do của khâu trong không gian (A = 6).

n: là tổng số khâu trong cơ cấu.j: là tổng số khớp trong cơ cấu

fi: là tổng sô bậc tự do của các khớp trong cơ cấu.fp: là tong số bậc tự do thừa của cơ cấu

Như vậy, giá động có 6 bậc tự do trong không gian.

3.1.3 Phân tích vị trí của cơ cấu song song

- Phân tích vi trí của phân công tác năm trong sô những bài toán cơ bản nhât của độnghọc tay may Có 2 loại bài toán phân tích vi trí:

+ Bài toán thuận: xác định vị trí và hương phan công tác khi biết giá trị các biến khớp.+ Bài toán nghịch: xác định giá trị các biễn khớp dé đảm bảo quy luật chuyển động củaphân công tác

Đối với một tay máy song song thì bài toán ngược đơn giản hơn bài toán thuận.Bài toán ngược có thể có nhiều nghiệm, tùy thuộc vào số bậc tự do thừa và trong tínhtoán kết cau cần biết chiều dài các chân của tay máy nên chúng ta chỉ quan tâm đến bài

toán ngược.

3.1.4 Mô ta hình học của cơ cấu song song- Dé mô tả vị trí tam di động so với dé ta gan hệ tọa độ A(x, y, z) lên dé và hệ tọa độB(x, y, z) lên tam di động như hình 3.2 Chuyên vị của tam di động so với dé được thaythé bang chuyển vị giữa hệ tọa độ B(u, v, w) so với hệ tọa độ A(x, y, z) và được biếndiễn bang vector chuyển vị p và ma trận quay RˆÊp Ký hiệu u, v, w là các vector đơn vịtrong hệ tọa độ di động B(u, v, w), mà trận quay R“s có thể viết như sau:

u,v, +1, +u,y, =0 (3.5)UW, +19, +u,w, =0 (3.6)vw +v,w, +v.w, =0 (3.7)

- Ky hiệu aj = [aix, aiy, aj] và b?, = [bu bi, bi] là các vector biểu diễn vị tri của tâmkhớp cầu A;, B; (với i=1, 2, 3, , 6) trong hệ tọa độ A( x, y, z), có thé viết phương trình

vector vòng kín tương ứng với chân thứ 1 như sau:

AB, = p+ Rib} -a, (3.8)- Chiều dai d; của chân thứ i nhận được bằng cách nhân vô hướng vector AB voi chinhno:

d? =[p+R,b’ -a]'[p+R,b’-a] voii=1, 2, , 6 (3.9)- Khai triển về phải của biểu thức (3.9), ta được:

d; = p' p+|h”Ïb,"]+aia,+2p [Ryo |-2p'a, Reb," Va, (3.10)

- Hệ 6 phương trình biéu diễn vi trì của tam di động so với dé, trong đó bŸ và a; là cácvector hằng , phụ thuộc vào kết cấu của tay máy.

3.1.5 Jacobian của co cau song song- Jacobi là một ma trận dùng dé chuyền đổi vận tốc trong không gian khớp sang vận tốctrong không gian công tác và ngược lại Do tồn tại nhiều vòng động học kín nên bàitoán vận tốc của tay máy song song rất phức tạp

- Thông số đầu vào của bài toán là vector vận tốc q = [đ,.4 đ, |’, còn thông số đầu ra

là vector, được mô tả bởi vận tốc của gốc P của hệ tọa độ di dộng và vận tốc sóc cuatắm di động:

J được gọi là ma trận Jacobian

3.1.6 Phân tích tĩnh và độ cứng vững của khung chỉnh hình cố định ngoài dang

Hexapod.

Phân tích KBĐN dạng Hexapod nhằm xác định lực tác động lên các cơ cầu vàtrang thái cân bang của chúng Kết quả phân tích tinh dùng dé đánh giá tính ôn định củacác cơ cau khi làm việc Mặt khác, giá trị lực và momen tác động lên các khâu, khớpcho phép cho pháp tính toán độ bên của các khâu

Mục này trình bày phương pháp biểu diễn lực tĩnh tác dụng lên tay máy vàchuyển đối lực giữa các hệ tọa độ Sự phân tích tĩnh KBĐN dạng Hexapod cũng dẫnđến phân tích độ cứng vững.Quan hệ giữa lực tác dụng lên phan công tác với chuyền vịcủa nó được biểu diễn thông qua ma trận độ cứng (Stiffness matrix)

3.1.6.1 Phân tích tĩnh

a Phương pháp cân bằng lực- Các chân của KBĐN dạng Hexapod được cầu tạo bởi 2 khâu Chúng liên kết vớicác tam bằng các khớp quay hoặc khớp cầu Nếu không có ngoại lực tac động thì chúngthường chỉ chịu lực kéo hoặc nén dọc trục, lực này đi qua tâm 2 khớp cầu

- Gia su gốc O của hệ tọa độ cỗ định nằm tại trọng tâm của dé và các trục X.Y namtrong mặt phăng chưa các tâm khớp cau A; Tương tự, gốc P của hệ tọa độ di động namtrong mặt phăng chưa các tâm khớp cau B;

- Lực va momen tại các khớp trượt được coi là nội lực Do 2 đầu dùng khớp cầu nênkhông có momen nào được truyền qua các chân Mặt khác, phản lực tại các khớp cầuphải hướng theo đường A,B; nối tâm các khớp Vi vậy lực do chân thứ i (i=1, 2, , 6) tácdụng lên tắm di động được viết như sau:

b Phương pháp công khả dĩ

Có 2 loại khớp: khớp chủ động và khớp bị động Giả thuyết bỏ qua ma sát tại các

khớp và trong lực thì phản lực tại các khớp bi động sẽ gay nên công khả di.Ky hiệu:

A=[F M I là vector lực va momen do phan công tác sinh ra

t=[% Ty T, I là vector của các momen hoặc lực phát động tại các khớp.q4=|[mã đ› đ, i là các vector chuyển vi của các khớp chủ động

x=[6x, ổa; 64, I là vector chuyển vi của phan công tác

Như vậy, công gây nên bởi tất cả các lực tác dụng bằng:

rạ-Ax=0 (3.23)Mặt khác, giữa chuyền vị của các khớp q và chuyên vị của phần công tác SX có mối

liên hệ:

q=Jx (3.24)

Thay biểu thức (2.24) vào (2.23), ta được:

Vi chuyén vi x khi có lực tác động luôn luôn khác 0 nên

3.1.6.2 Độ cứng vững của khung chỉnh hình cô định ngoài dạng Hexapod

Khi chịu lực tác động, do biến dạng đàn hồi của các khâu, khớp mà phan congtac của KBDN dang Hexapod bi di chuyén ra khỏi vị tri ban đầu Độ lớn chuyền vị phụthuộc vào giá tri lực tác dụng va độ cứng vững chung của cơ hệ Gia thiết các khâu làcứng vững tuyệt đối và nguồn gây chuyền vi là hệ truyền động cơ khí

Thay biểu thức (3.24) vào (3.23) rồi thay kết quả vào (3.27), ta được:

A=KAX (3.31)Trong đó K là ma trận độ cứng cua KBDN:

Do độ cứng của các chân là như nhau do vậy:

K=kJJ (3.33)Từ công thức (3.33), suy ra nếu biết độ cứng k của các chân, thông qua ma trậnJacobian ta dễ dàng xác định độ cứng K của cơ cấu

3.2 Tính toán động lực học của cơ cau song songPhần này áp dụng phương pháp công khả dĩ, quy ước các ký hiệu như sau:fi- lực tong hop đặt tai trọng tâm của khâu thứ 1

wn

I;

^

Hi

f; - lực quán tinh đặt tai trọng tam của khâu thứ i Fi =

f,- lực tong hop dat tai trong tam cua tắm di dongf - luc quan tinh dat tai trong tam cua tam di dongn;- momen tong hop (kế cả momen phát động) tai trọng tâm của khâu thứ i

n¡ - momen quán tính đặt tai trọng tâm của khâu thứ 1

n;- momen tong hop dat tai trong tam cua tam di dongny,- momen quán tính đặt tai trong tam cua tam di dongq- vector độ dài của chân chủ động, g=[d, d, d, ifx;- vector 6 thành phan mô tả vi tri và hướng của khâu thứ i

x„~ vector 6 thành phan mô tả van toc dài và van toc góc của xylanh (j=1) hoặc piston

° 2 nw roe ° ể

(=2) cua chân thứ i, x; = | Ys +V + Vie |

T- vector momen hoac luc phat dong

ở - chuyén vi khả diF; là tong hợp xoắn ( lực va momen tác dung quán tính)

Chuyển vi dg của khớp chủ động có quan hệ chyén vị của tam di động ox, thông qua

ma trận Jacobian J, của khâu thứ 1:

Ox, = J,0X, (3.37)Thay (3.36) va (3.37) vào (3.35), ta được:

J, THF + Qi, =0 (3.39)Các lực xoắn trong công thức (3.39) được giả thiết là đặt tại trọng tâm của các khâu Vìvậy, nếu có lực nào đặt ngoài các điểm trên thì cần quy ước về đó trước khi thay vảo

công thức.

Trên KBĐN, số khớp chủ động bang số bậc tu do của cơ cau nên nên vector lực phát

động 7được xác định như sau:

,

t=-J, "(Fi + » J, F) (3.40)

Ap dụng phương pháp trên cho so đồ hình 3.3 Trong so dé này, gốc O của hệtọa độ tĩnh được đặt tại tọa độ trọng tâm của dé, còn gốc P của hệ tọa độ di động đượcđặt tại trọng tâm của tắm di động Chân thứ 1 được đại diện bởi vector dj Gắn vào mỗichân một hệ toa độ C (x¡, y;, Z¡), trong đó gốc trùng với tâm khớp cầu A; trục Z¡ hướng

theo đường A;B;; trục y; song song với vector tích có hướng của các vector đơn vi

hướng theo trục z; và z; trục x; được xác định từ y; và z; theo quy tac bàn tay phải

Hình 3.3 So đô tính toán động lực học khung chỉnh hình dang Hexapod

Các bước tính toán như sau:

J bie = ox sœ,sở, cO, —b,s®,cØ,—b,cØ, b„c®Œ,sổ + b,.cO,; — b,,c®,s6, + b,,s®,s6, |

Su dụng các ma trận hang ở trên, có thé xác định được vận tốc của các chân như sau:

fy | ¡

đa, đ, — S sic, Xp (3.44)Sve |

Tu phương trình (2.44), ta có 6 phương trình cho 6 chân va gop chúng thành ma trậndưới dạng:

Ký hiệu e¡ là khoảng cách giữa A; và tọa độ trọng tâm của xilanh thứ i, e; là khoảng

cách giữa B; so với toa độ trọng tâm của piston thứ 1 Vận tốc của điểm B; so với tọa độ

trọng tâm của chân thứ 1 có thê tính từ vận tôc góc ø của nó:

v,, = đ,@j's;+ di S, (3.47)Tu day ta tinh được vận tốc góc của chan thứ I1:

Xụ = J) Xp (3.54)

X; =J/ X, (3.55)

laJ |CS by

Trong đó Ji -1) ° | (3.56)

đ, mí

VẤN

'(đ, — 6; Win |

(d; a4 eI ry,

Sic| 60

là các ma tran Jacobian của xilanh va piston trên chân thứ 1

3.2.2 Xác định các lực xoắnGiả thiết lực duy nhất tác dụng lên KBDN là trọng lực, vector tong hop cua cac luc

xoan quan tinh va luc xoan tac dung tai trong tam cua gia cố định bằng:

Trong đó /,*=R,°1,"R,’ là momen quan tính của tắm di động quanh trọng tâm của nó

Tương tự, vector tong cac ngoai luc va luc quan tinh tai trong tam cua xilanh va piston,

tinh theo hệ toa độ trên chân:

d,fz |

CHUONG 4: TÍNH TOÁN, THIET KE KHUNG BAT ĐỘNG NGOÀI DẠNG

Với kết cau này, việc thay đổi chiều dài các khâu được thực hiện thông qua cơcau trục vít bánh vít kết hop với co cau bánh răng thanh răng, trong đó việc xoay cáctrục vít làm cho bánh vít quay Bánh vít gắn liền trục với bánh răng sẽ làm bánh răngquay theo Thông qua cơ cấu bánh răng thanh răng sẽ cho phép thay đối chiều dài các

khâu.

Ngoài nhiệm vụ là cơ cau tiếp nhận chuyển động chính làm thay đổi chiều daicác khâu, cơ cau trục vít bánh vít còn thực hiện nhiệm vụ giữ cho chiều dài khâu cốđịnh sau khi thay đôi nhờ đặc tính tự hãm Việc sử dụng cơ cầu trục vít bánh vit cũngcho phép tăng độ chính xác của việc điều chỉnh chiều dài các khâu nhờ tỷ số truyền cao

của cơ câu này 5

Hình 4.1 Kết cấu dé suất của khung bat động ngoài dạng hexapod sử dung cơ cấu

bánh rang-thanh răng.

Tuy nhiên, do là cơ cau bánh răng thanh răng kết hop với cơ cấu trục vit- bánhvít, nên công nghệ và chỉ phí tương đối cao trong quá trình triển khai chế tạo Bản vẽKBĐN dạng Hexapod cơ cau bánh bánh răng thanh răng trình bay trong Phụ lục 4.4.1.2 Cơ cau thanh ren — đai ốc.

Tương tự như cơ cấu bánh răng thanh răng, cơ cấu thanh ren — đai 6c dựa vaonguyên chuyển đối chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiễn nhằm thay đổi chiềudải các chân của khung bất động ngoài Thiết kế này đã được giới thiệu trong bài báoCT-23 tại Hội nghị Khoa học Công nghệ Đại học Bách Khoa lần thứ 13 — Nghiên cứuThiết kế và chế tạo khung bất động ngoài dạng hexapod — Tác giả : Nguyễn HoàngVan, Huỳnh Đông Giang, Trần Nguyên Duy Phương — Phụ Lục 2

Hình 4.2 trình bày phương án thiét kế kết cau với đặc điểm sử dụng co cấu thanhren-đai ốc Khung được thiết kế gồm những chỉ tiết như sau: vòng dưới (1), khớpcardan (2), cụm thanh ren-đai Ốc (3), khớp cardan và một bậc tự do xoay (4), vòng trên

(5).

Hình 4.2 KBĐN dạng Hexapod — Thanh ren dai 6c.Trong kết cấu này, việc thay đổi chiều dai các khâu được thực hiện thông quaviệc xoay các các đai Ốc trong các cụm chuyển động quay làm thanh ren chuyển độnglên xuống nhằm thay đổi chiều dai mỗi chân, từ đó đưa vòng trên (vòng di động) đến vị

trí mong muôn.