Mô hình hóa lực tác động tại các khớp chân người khi vận động

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TẠ THỊ HOÀNG THÂN MÔ HÌNH HOÁ LỰC TÁC ĐỘNG TẠI CÁC KHỚP CHÂN NGƢỜI KHI VẬN ĐỘNG CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. HOÀNG VỊ THÁI NGUYÊN - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Tạ Thị Hoàng Thân Nơi công tác: Trƣờng Trung cấp nghề Lào Cai. Tên đề tài: Mô hình hóa lực tác động tại các khớp chân người khi vận động. Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy. Mã số: Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Vị. Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì một tài liệu nào. Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2012 Ngƣời viết TẠ THỊ HOÀNG THÂN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS. Hoàng Vị trong suốt quá nghiên cứu đến khi hoàn thành luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo trong Ban giám hiệu trường ĐH kỹ thuật công nghiệp, các Thầy giáo giảng dạy lớp cao học K13 – CTM đã tạo điều kiện và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn Khoa sau đại học trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại trường Trung cấp nghề Lào Cai đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa……………………………………………………………………… i Lời cam đoan……………………………………………………………………… ii Lời cảm ơn………………………………………………………………………….iii Mục lục…………………………………………………………………………… iv Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt…………………………………… viii Danh mục các bảng……………………………………………………………….viii Danh mục các hình……………………………………………………………… ix MỞ ĐẦU……………………………………………………………………. …….1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN………………………………………………. …… 4 1.1. Tổng quan về kỹ thuật Biomechanics……………………………………… 4 1.2. Tổng quan về hệ xương khớp chi dưới………………………………… 5 1.2.1. Cấu trúc xương khớp chi dưới………………………………………… 5 1.2.1.1. Xương chậu……………………………………………………… 6 1.2.1.2. Xương đùi………………………………………………………… 8 1.2.1.3. Xương bánh chè………………………………………………… 9 1.2.1.4. Xương chày……………………………………………………… 10 1.2.1.5. Xương mác……………………………………………………… 11 1.2.1.6. Các xương bàn chân……………………………………………… 11 1.2.1.7. Khớp hông………………………………………………………… 12 1.2.1.8. Khớp gối………………………………………………………… 14 1.2.1.9. Các khớp bàn chân………………………………………………… 15 1.2.2. Tầm quan trọng của chi dưới………………………………………… 16 1.2.3. Hoạt động và các đặc trưng cơ lý của hệ xương khớp chi dưới……… 17 1.3. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu và các xu hướng phát triển về hệ xương khớp chi dưới……………………………………………………………… 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v 1.4. Mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn……………………………………… 20 1.5. Kết luận chương 1……………………………………………………… 20 CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ XƢƠNG KHỚP CHI DƢỚI…………………………………………………………………… 21 2.1. Xây dựng mô hình cơ hệ 3 bậc tự do hệ xương khớp chi dưới………… 21 2.1.1. Các giả thiết………………………………………………………… 21 2.1.2. Mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới 21 2.1.3. Các thông số hình học ………………………… 22 2.2. Xây dựng mô hình vật lý 22 2.2.1.Các giải thiết khi xây dựng mô hình vật lý 22 2.2.2. Mô hình vật lý của hệ xương khớp chi dưới 23 2.3. Mô hình toán động lực học hệ xương khớp chi dưới…………………………24 2.3.1. Xác định các vecto tọa độ khối tâm của các khâu………………………… 24 2.3.2. Xác định các ma trận Jacobi tịnh tiến……………………………………… 25 2.3.3. Xác định các vecto vận tốc góc và các toán tử sóng……………………… 25 2.3.4. Xác định các ma trận Jacobi quay, các đạo hàm của chúng, các ma trận quán tính khối……………………………………………………………………………26 2.3.5. Xác định lực và ngẫu lực đối với từng khâu………………………………. 26 2.3.7. Phương trình vi phân Newton-Euler của cơ hệ…………………………… 29 2.4. Khảo sát mô hình toán bằng phương pháp số……………………………… 34 2.4.1. Xác định các thông số đầu vào…………………………………………… 34 2.4.2. Thuật toán khảo sát mô hình toán động lực học cơ hệ 3 bậc tự do ……… 38 2.4.3. Kết quả khảo sát mô hình toán động lực học cơ hệ ……………………… . 40 2.5. Mô hình hoá động lực học hệ xương khớp chi dưới bằng phần mềm Matlab- Simulink…………………………………………………………………………. 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi 2.5.1.Giới thiệu về Matlab- Simulink……………………………………………. 46 2.5.2. Mô hình hệ xương khớp chi dưới bằng Matlab- Similink…………………. 46 2.5.3. Kết quả khảo sát mmo hình Similink mô tả hệ động lực học……………….50 2.6. Kết luận chương 2…………………………………………………………….53 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÁC KHỚP CHI DƢỚI KHI VẬN ĐỘNG…………………………………………………………………55 3.1. Khảo sát phản lực liên kết trong các khớp của chi dưới………………………55 3.1.1. Các giả thiết…………………………………………………………………55 3.1.2. Phản lực tại khớp B………………………………………………………….55 3.1.3. Phản lực tại khớp A…………………………………………………………57 3.1.4. Phản lực tại khớp O…………………………………………………………58 3.1.5. Kết quả xây dựng mmo hình toán phản lực tại các khớp………………… 60 3.2. Khảo sát mô hình toán phản lực liên kết trong các khớp của chi dưới………………………………………………………………………………. 61 3.3. Kết quả khảo sát mô hình toán phản lực liên kết trong các khớp của chi dưới………………………………………………………………………………. 61 3.4. Kết luận chương 3……………………………………………………………. 64 CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC………………………………. 66 4.1. Mô hình chi dưới bằng Inventor…………………………………………… 66 4.1.1. Giới thiệu về phần mềm Inventor…………………………………… …….66 4.1.2. Các giả thiết khi xây dựng mô hình chi dưới trong Inventor……………….66 4.1.3. Mô hình chi dưới trong Inventor…………………………………… 66 4.2. Mô phỏng động lực học chi dưới bằng phần mềm ANSYS………………….71 4.2.1. Mô hình chi dưới trong ANSYS…………………………………………… 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii 4.2.2. Thiết lập các điều kiện đầu và điều kiện biên cho bài toán trong ANSYS…………………………………………………………………………….72 4.2.3. Các kết quả tính toán động lực học trong ANSYS………………………… 77 4.3. Kết luận chương 4…………………………………………………………….89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….92 PHỤ LỤC 1: CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC………….94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu Tên gọi Đơn vị m 1 Khối lượng bộ phận đùi kg m 2 Khối lượng bộ phận cẳng chân kg m 3 Khối lượng bộ phận bàn chân kg 1  Góc quay của đùi rad 2  Góc quay của cẳng chân rad 3  Góc quay của bàn chân rad KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải Ghi chú ĐH Động học ĐLH Động lực học TH Trường hợp Khớp B Khớp cổ chân Khớp A Khớp gối Khớp O Khớp hông DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN VĂN TT Bảng Tên gọi Trang 1 Bảng 2.1 Các thông số khối lượng, kích thước của các bộ phận chi dưới 36 2 Bảng 2.2 Các thông số khối lượng, kích thước các bộ phận chi dưới cụ thể 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ix 3 Bảng 2.3 Các thông số đầu vào trong từng trường họp khảo sát cụ thể 37 4 Bảng 4.1 Bảng các thông số của các chi tiết trong Ansys 73 5 Bảng 4.2 Bảng thông số điều kiện biên của các chi tiết 75 6 Bảng 4.3 Bảng tải trọng thiết lập theo các bước 76 DANH MỤC CÁC HÌNH DÙNG TRONG LUẬN VĂN TT Hình Tên gọi Trang 1 Hình 1.1 Mô hình ngiên cứu của Leonardo da vinci 5 2 Hình 1.2 Cấu trúc chung của hệ xương khớp chi dưới 6 3 Hình 1.3 Khung chậu 8 4 Hình 1.4 Xương đùi 9 5 Hình 1.5 Xương chày 11 6 Hình 1.6 Các xương cổ chân 12 7 Hình 1.7 Khớp hông 13 8 Hình 1.8 Khớp cổ chân (nhìn từ trong) 15 9 Hình 1.9 Mô hình chi dưới trong BRG.LifeMOD 19 10 Hình 2.1 Mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới 22 11 Hình 2.2 Mô hình vật lý hệ xuơng khớp chi dưới 23 12 Hình 2.3 Mô hình tính toán véc tơ lực và mô men ngẫu lực của khâu 1 27 13 Hình 2.4 Mô hình tính toán véc tơ lực và mô men ngẫu lực của khâu 2 27 14 Hình 2.5. Mô hình tính toán véc tơ lực và mô men ngẫu lực 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn x của khâu 3 15 Hình 2.6 Sơ đồ kích thước các bộ phận cơ thể người [10] 35 16 Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán giải hệ phương trình vi phân động lực học 39 17 Hình 2.8 Đồ thị chuyển vị khâu 1 theo thời gian ( TH1) 40 18 Hình 2.9 Đồ thị vận tốc khâu 1 theo thời gian ( TH1) 40 19 Hình 2.10 Đồ thị gia tốc khâu 1 theo thời gian ( TH1) 40 20 Hình 2.11 Đồ thị chuyển vị khâu 2 theo thời gian ( TH1) 40 21 Hình 2.12 Đồ thị vận tốc khâu 2 theo thời gian ( TH1) 41 22 Hình 2.12 Đồ thị gia tốc khâu 2 theo thời gian ( TH1) 41 23 Hình 2.14 Đồ thị chuyển vị khâu 3 theo thời gian ( TH1) 41 24 Hình 2.15 Đồ thị vận tốc khâu 3 theo thời gian ( TH1) 41 25 Hình 2.16 Đồ thị gia tốc khâu 3 theo thời gian ( TH1) 41 26 Hình 2.17 Đồ thị chuyển vị khâu 1 theo thời gian ( TH2) 42 27 Hình 2.18 Đồ thị vận tốc khâu 1 theo thời gian ( TH2) 42 28 Hình 2.19 Đồ thị gia tốc khâu 1 theo thời gian ( TH2) 42 29 Hình 2.20 Đồ thị chuyển vị khâu 2 theo thời gian ( TH2) 42 30 Hình 2.21 Đồ thị vận tốc khâu 2 theo thời gian ( TH2) 43 31 Hình 2.22 Đồ thị gia tốc khâu 2 theo thời gian ( TH2) 43 32 Hình 2.23 Đồ thị chuyển vị khâu 3 theo thời gian ( TH2) 43 33 Hình 2.24 Đồ thị vận tốc khâu 3 theo thời gian ( TH2) 43 34 Hình 2.25 Đồ thị gia tốc khâu 3 theo thời gian ( TH2) 43 [...]... tài: Mô hình hoá lực tác động tại các khớp chân ngƣời khi vận động là một vấn đề nghiên cứu rất cần thiết và có ý nghĩa 2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục tiêu chính của đề tài là: Mô hình hóa chi dưới: Xây dựng mô hình hình học, vật lý và mô hình toán học mô tả động lực học hệ xương khớp chi dưới Từ đó tìm ra được các quy luật động lực học, xác định được phản lực tại các khớp của chi dưới khi người vận động. .. http://www.lrc-tnu.edu.vn xii 58 Hình 2.49 51 59 Hình 2.50 Chuyển vị khâu 2 51 60 Hình 2.51 Vận tốc khâu 2 52 61 Hình 2.52 Gia tốc khâu 2 52 62 Hình 2.53 Chuyển vị khâu 3 52 63 Hình 2.54 Vận tốc khâu 3 53 64 Hình 2.55 Gia tốc khâu 3 53 65 Hình 3.1 Mô hình vật lý khảo sát phản lực tại khớp B 55 66 Hình 3.2 Mô hình vật lý khảo sát phản lực tại khớp A 57 67 Hình 3.3 Mô hình vật lý khảo sát phản lực tại khớp O 58 68 Hình 3.4... 42 Hình 2.33 Đồ thị vận tốc khâu 3 theo thời gian ( TH3) 45 43 Hình 2.34 Đồ thị gia tốc khâu 3 theo thời gian ( TH3) 45 44 Hình 2.35 Mô hình các phần tử A11,B11 47 45 Hình 2.36 Mô hình các phần tử A12,A21,B12 47 46 Hình 2.37 Mô hình các phần tử A13,B13,A31 47 47 Hình 2.38 47 48 Mô hình các phần tử A22,B22 Hình 2.39 Mô hình các phần tử A23, A32, B23 49 Hình 2.40 Mô hình các phần tử A33,B33 48 50 Hình. .. góc của đùi 85 107 Hình 4.31 Đồ thị gia tốc của đùi 85 108 Hình 4.32 109 Hình 4.33 110 Hình 4.34 111 Hình 4.35 112 Hình 4.36 113 Hình 4.37 86 Kết quả phản lực tại khớp cổ chân 86 Đồ thị phản lực tại khớp cổ chân 87 Kết quả phản lực tại khớp gối 87 Đồ thị phản lực tại khớp gối 88 Kết quả phản lực tại khớp hông 88 Đồ thị phản lực tại khớp hông Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn... 3.4 Đồ thị áp lực tại khớp O theo thời gian (TH1) 61 69 Hình 3.5 Đồ thị áp lực tại khớp B theo thời gian (TH1) 61 70 Hình 3.6 Đồ thị áp lực tại khớp A theo thời gian (TH1) 62 71 Hình 3.7 Đồ thị áp lực tại khớp O theo thời gian (TH2) 62 72 Hình 3.8 Đồ thị áp lực tại khớp B theo thời gian (TH2) 62 73 Hình 3.9 Đồ thị áp lực tại khớp A theo thời gian (TH2) 63 74 Hình 3.10 Đồ thị áp lực tại khớp O theo thời... sên với xương gót - Khớp gót sên ghe - Khớp gót hộp - Khớp chêm ghe c) Các khớp cổ bàn chân Nối 3 xương chêm, sương hộp và các đầu gần xương bàn chân d) Các khớp gian đốt bàn chân Nối các mặt bên của đầu xương bàn chân e) Các khớp đốt bàn đốt ngón Nối các đầu xa xương bàn chân với các đốt gần ngón chân f) Các khớp gian đốt bàn chân Nối các đốt ngón chân Nhìn chung các khớp bàn chân có biên độ rất nhỏ... các phần tử A33,B33 48 50 Hình 2.41 Mô hình các phần tử C11, C22, C33 48 51 Hình 2.41 Mô hình các phần tử D11,D21, D31 48 52 Hình 2.43 Mô hình phần tử  1 48 53 Hình 2.44 Mô hình phần tử  2 49 54 Hình 2.45 Mô hình phần tử  3 49 55 Hình 2.46 Mô hình khảo sát hệ động lực học xương khớp chi 50 48 dưới 56 Hình 2.47 57 Hình 2.48 50 Chuyển vị khâu 1 51 Vận tốc khâu 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học... và hệ xương khớp chi dưới; Xây dựng mô hình hình học, mô hình vật lý và mô hình toán học cho hệ động lực học chi dưới người, giải nghiệm mô hình toán học bằng máy tính, sử dụng ngôn ngữ lập trình matlab Mô hình hóa bằng phần mềm Matlab-Simulink Tìm hiểu các phần mềm hiện đại được sử dụng trong mô phỏng và tính toán động lực học, sử dụng phần mềm Inventor để mô hình hóa chi dưới, nhập mô hình vào Ansys,... Động tác Động tác chủ yếu của khớp là gấp và duỗi Tuy nhiên khi cẳng chân gấp, khớp có thể làm động tác dạng, khép, xoay trong và xoay ngoài rất ít 1.2.1.9 Các khớp bàn chân a) Khớp cổ chân: Là khớp giữa xương sên và đầu dưới của xương chày mác Hình 1.8 Khớp cổ chân (nhìn từ trong) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 b) Các khớp gian cổ chân: Gồm có: - Khớp. .. hiểu các kỹ thuật máy tính để áp dụng vào việc tính toán và mô phỏng động học, động lực học của chi dưới khi người vận động Từ các kết quả tính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 toán, mô phỏng đưa ra một số nhận xét về các tư thế vận động của con người và lực tác dụng tại các khớp chi dưới trong các trường hợp ấy 3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu chi dưới người . là: Mô hình hóa chi dưới: Xây dựng mô hình hình học, vật lý và mô hình toán học mô tả động lực học hệ xương khớp chi dưới. Từ đó tìm ra được các quy luật động lực học, xác định được phản lực tại. 47 47 Hình 2.38 Mô hình các phần tử A22,B22 47 48 Hình 2.39 Mô hình các phần tử A23, A32, B23 48 49 Hình 2.40 Mô hình các phần tử A33,B33 48 50 Hình 2.41 Mô hình các phần tử. lực tại các khớp của chi dưới khi người vận động. Tìm hiểu các kỹ thuật máy tính để áp dụng vào việc tính toán và mô phỏng động học, động lực học của chi dưới khi người vận động. Từ các kết