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

Các kết quả nghiên cứu đó giúp cho các nhà khoa học đánh giá đúng được các tác động từ quá trình vận động đến cơ thể người mà cụ thể là hệ xương khớp.. Vì vậy, đề tài: “Mô hình hoá lực t

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG VỊ

THÁI NGUYÊN - 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Tạ Thị Hoàng Thân

Nơi công tác: Trường 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

Người viết

TẠ THỊ HOÀNG THÂN

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

CHƯƠNG 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

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn……… 20

1.5 Kết luận chương 1……… 20

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ XƯƠNG KHỚP CHI DƯỚI……… 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

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

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÁC KHỚP CHI DƯỚI 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

CHƯƠNG 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

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: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC………….94

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN VĂN

3 Bảng 2.3 Các thông số đầu vào trong từng trường họp khảo

DANH MỤC CÁC HÌNH DÙNG TRONG LUẬN VĂN

35 Hình 2.26 Đồ thị chuyển vị khâu 1 theo thời gian ( TH3) 44

67

81 Hình 4.5 Chi tiết mô phỏng bộ phận bàn chân của chi dưới

trong Inventor

71

104 Hình 4.28 Kết quả gia tốc góc của cẳng chân 84

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu về cơ thể người là một lĩnh vực khoa học đã có lịch sử lâu đời và đang ngày càng phát triển Đó là một lĩnh vực khoa học rộng lớn gồm nhiều bộ phận hợp thành Nghiên cứu về hệ vận động của con người là một trong những bộ phận đó

Có thể nói trong cuộc sống con người thì sự vận động của cơ thể là một hoạt động thường xuyên và phổ biến nhất Dựa trên những thành tựu của khoa học kỹ thuật, vấn

đề nghiên cứu về hệ vận động của con người đã thu được rất nhiều kết quả to lớn Các kết quả nghiên cứu đó giúp cho các nhà khoa học đánh giá đúng được các tác động từ quá trình vận động đến cơ thể người mà cụ thể là hệ xương khớp Từ đó đưa ra được các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả vận động của con người đồng thời tìm được các biện pháp để giảm tác động xấu đến cơ thể người, làm cho con người vận động thoải mái và an toàn nhất

Khi con người vận động thì chi dưới chính là bộ phận chính thực hiện quá trình ấy

và nó cũng là bộ phận đầu tiên tiếp nhận các tác động cơ học tác dụng vào cơ thể người Nghiên cứu về chi dưới trong quá trình vận động là một vấn đề rất phức tạp, từ

sự phức tạp của bản thân cấu tạo chi dưới và quá trình vận động Dựa trên những thành tựu khoa học kỹ thuật ta có thể đơn giản sự phức tạp ấy để đưa ra các giải pháp nghiên cứu đơn giản hơn mà kết quả của nó có thể đạt được độ chính xác tương đối đảm bảo

Vì vậy, đề tài: “Mô hình hoá lực tác động tại các khớp chân người 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 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 quả tính

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 TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu chi dưới người khi vận động

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong quá trình nghiên cứu luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp phân tích tổng hợp để xây dựng các mục tiêu, các nhiệm vụ

và các mô hình tính toán của luận văn

- Phương pháp toán học để phân tích và giải các bài toán theo mô hình tính toán trong luận văn

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Đã xác định được quy luật thay đổi giá trị chuyển vị, vận tốc và gia tốc của các bộ phận của chi dưới, xác định được quy luật thay đổi phản lực liên kết tại các khớp liên kết của chi dưới

- Đã mô hình hóa được bằng phần mềm Matlab-Simulink mô hình toán học hệ xương khớp chi dưới

- Xây dựng được mô hình mô phỏng chi dưới khi vận động, áp dụng kỹ thuật máy tính để mô phỏng động lực học khảo sát và kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

- Tìm hiểu được các phương pháp tính toán hiện đại bằng máy tính để giải các bài toán động lực học

- Từ kết quả của luận văn, có thể xây dựng được một phương pháp giải các bài toán động lực học có thể áp dụng cho tất cả các khớp trong cơ thể người

* Ý nghĩa thực tiễn:

- Ứng dụng kỹ thuật máy tính để mô hình hóa chi dưới và giải bài toán động lực học Kết quả khảo sát bằng phương pháp số trên Matlab, Matlab-Simulink và kết qủa mô phỏng trên ANSYS chính là cơ sở để đưa ra các nhận xét về các lực tác động tại các khớp của chi dưới khi người vận động, từ đó có thể ứng dụng trong các nghiên cứu về y học, thể thao Thêm vào đó phương pháp nghiên cứu

sử dụng có thể áp dụng cho các mô hình cơ học tương tự

6 BỐ CỤC LUẬN VĂN

Luận văn được bố cục theo các nội dung sau:

+ Mở đầu

+Chương 1: Tổng quan

+ Chương 2: Tính toán động lực học hệ xương khớp chi dưới

+ Chương 3: Khảo sát quy luật thay đổi lực tác dụng lên các khớp của chi dưới khi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về kỹ thuật Biomechanics

Biomechanics được hiểu là Cơ sinh học, là kỹ thuật nghiên cứu cấu trúc, chức năng

hệ thống sinh học của con người, động vật, thực vật bằng các phương pháp cơ học

Cơ sinh học liên quan chặt chẽ đến kỹ thuật vì nó sử dụng các khoa học kỹ thuật truyền thống để nghiên cứu, phân tích hệ thống sinh học

Thông thường thì hệ thống sinh học phức tạp hơn nhiều so với các hệ thống được con người xây dựng, do đó nghiên cứu về Cơ sinh học được thực hiện trong một quá trình và được lặp đi lặp lại nhiều lần, sử dụng các giả thiết để đơn giản hóa quá trình tính toán Một vài bước tính toán thường gặp trong kỹ thuật Biomechanics là: Mô hình hóa, mô phỏng máy tính và tiến hành các phép đo thực nghiệm

Leonardo da vinci được xem là người đầu tiên tiếp cận về kỹ thuật Biomechanics, ông đã nghiên cứu giải phẫu người dưới góc nhìn của nhà Cơ học

Leonardo da vinci đã đưa ra các mô hình cơ học để tính toán các lực tại hệ thống xương khớp người Các nghiên cứu này về sau được Galileo Galilei và Descartes phát triển

Trong thế kỷ 19, Étienne-Jules Marey sử dụng khoa học điện ảnh để nghiên cứu về

hệ vận động của con người, ông là người đầu tiên mở ra hướng nghiên cứu hiện đại về

hệ vận động của con người và phản ứng của nó với các tác động bên ngoài Cũng trong thời kỳ này cơ học vật liệu bắt đầu phát triển mạnh tại Pháp và Đức theo yêu cầu của cuộc cách mạng công nghiệp Do vậy các kết quả nghiên cứu đã đưa lại nhiều ứng dụng trong việc chế tạo các bộ phận, chi tiết thay thế, hỗ trợ cho các hệ thống vận động của con người Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là với sự hỗ trợ của máy tính thì kỹ thuật Biomechanics đã đạt được những kết quả

to lớn, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chỉnh hình để thiết kế cấy ghép chỉnh hình cho các khớp của con người, các bộ phận thay thế, bản định hình bên ngoài

và các mục đích y tế khác

Hình 1.1 Mô hình ngiên cứu của Leonardo da vinci 1.2 Tổng quan về hệ xương khớp chi dưới

Nghiên cứu về hệ xương khớp chi dưới đã được trình bày trong rất nhiều tài liệu về giải phẫu người nói chung và giải phẫu về hệ xương khớp nói riêng, trong luận văn này, tác giả chỉ trình bày những đặc điểm chung nhất, liên quan cần thiết cho vấn để nghiên cứu trong luận văn

1.2.1 Cấu trúc xương khớp chi dưới

Chi dưới bao gồm một đai, gọi là đai chi dưới hay đai chậu và phần tự do của chi dưới bao gồm đùi, cẳng chân và bàn chân

Đai chi dưới tạo thành bởi 2 xương chậu, xương cùng và xương cụt thành khung chậu

Đùi gồm xương đùi và xương bánh chè

Cẳng chân gồm xương chày và xương mác

Bàn chân có các xương cổ chân, các xương bàn chân và các xương đốt ngón chân.Các xương chi dưới được liên kết với nhau bằng các khớp động giống như chi trên

Hình 1.2 Cấu trúc chung của hệ xương khớp chi dưới 1.2.1.1 Xương chậu

a) Mô tả

Xương chậu là một xương đôi, hình cánh quạt, xương chậu bên này nối tiếp với xương chậu bên đối diện và xương cùng phía sau thành khung chậu Khung chậu hình cái chậu thắt ở giữa, chỗ thắt là eo chậu trên Khung chậu có nhiệm vụ chứa đựng các

tạng trong ổ bụng và chuyển trọng lượng thân mình xuống chi dưới

- Xương mu: Ổ trước, gồm có: Thân và hai ngành là ngành trên và ngành dưới

- Xương ngồi: Ổ sau, gồm có thân xương ngồi và ngành xương ngồi

c) Ðặc điểm giải phẫu học

Xương chậu là xương dẹt có 2 mặt và 4 bờ

*) Mặt ngoài

Ở giữa có hố lõm hình chén gọi ổ cối để tiếp khớp chỏm xương đùi Trên ổ cối là diện mông để các cơ mông bám Dưới ổ cối là lỗ bịt, có màng bịt che phủ, phía trước lỗ bịt có rãnh (ống) bịt để cho mạch máu và thần kinh bịt đi qua

*) Mặt trong

Ở giữa là đường cung, chạy chếch từ trên xuống dưới ra trước; Hai đường cung hai xương chậu cùng ụ nhô xương cùng phía sau tạo thành eo chậu trên Eo chậu trên chia khung chậu làm hai phần, phía trên là chậu lớn, dưới là chậu bé Eo chậu trên rất quan trọng trong sản khoa Trên đường cung là hố chậu, sau hố chậu có diện khớp hình vành tai là diện nhĩ để khớp với xương cùng Dưới đường cung là diện vuông tương ứng với

ổ cối phía sau, dưới diện vuông là lỗ bịt

Có một số chi tiết sau:

- Gai chậu trước trên là mốc giải phẫu quan trọng

- Gò chậu mu

- Củ mu có dây chằng bẹn bám Mặt trong và dưới của củ mu có diện mu để khớp với xương mu bên đối diện

*) Bờ sau

Cũng có nhiều chỗ lồi lõm, có các chi tiết:

- Gai chậu sau trên

1 Khớp cùng chậu 2 Xương cùng 3 Xương chậu 4 Xương cụt

5 Khớp mu 6 Eo chậu trên

1.2.1.2 Xương đùi

Xương đùi là một xương dài gồm có thân và hai đầu

a) Thân xương

Hình lăng trụ tam giác gồm ba mặt: trước, trong, ngoài; ba bờ: trong, ngoài và sau

Bờ sau lồi và sắc gọi đường ráp có nhiều cơ bám

b) Ðầu trên

Có chỏm đùi, cổ đùi, mấu chuyển lớn và mấu chuyển bé

- Chỏm đùi: hình 2/3 khối cầu, hướng lên trên vào trong và ra trước

- Cổ đùi: Nối chỏm với hai mấu chuyển, nghiêng lên trên và vào trong Trục của cổ

1 Mấu chuyển lớn 2 Chỏm đùi 3 Thân xương đùi 4 Cổ khớp

5 Đường ráp 6 Lồi cầu trong 7 Lồi cầu ngoài

1.2.1.3 Xương bánh chè

Là một xương dẹt hình tam giác, đáy ở trên đỉnh ở dưới Xương bánh chè được bọc trong gân cơ tứ đầu đùi nên được gọi là xương vừng Có vai trò trong động tác duỗi cẳng chân

1.2.1.4 Xương chày

Là xương chính của cẳng chân, chịu gần toàn bộ sức nặng cơ thể từ trên dồn xuống Xương chày là một xương dài có một thân và hai đầu

a) Thân xương

Hình lăng trụ tam giác hơi cong lồi ra trước Có ba mặt và ba bờ:

- Trong ba mặt có mặt trong phẳng, sát da

- Trong ba bờ có bờ trước sắc, sát da Bờ trước cũng như mặt trong nằm sát da nên xương chày khi bị gãy dễ đâm ra da gây gãy hở, đồng thời xương khó lành khi tổn thương

b) Ðầu trên

Loe rộng để đỡ lấy xương đùi, gồm có:

- Lồi cầu trong

- Lồi cầu ngoài, lồi hơn lồi cầu trong, phía dưới và sau có diện khớp mác để tiếp khớp đầu trên xương mác

Mặt trên mỗi lồi cầu có một diện khớp trên tương ứng để tiếp khớp lồi cầu xương đùi

Mặt trước của hai lồi cầu có củ nằm ngay dưới da là lồi củ chày, nơi bám của dây chằng bánh chè

c) Ðầu dưới

Nhỏ hơn đầu trên, gồm có:

- Mắt cá trong: do phần trong đầu dưới xuống thấp tạo thành, sờ được dưới da

- Diện khớp dưới: tiếp khớp diện trên của ròng rọc xương sên

- Khuyết mác: ở mặt ngoài tiếp khớp đầu dưới xương mác

Hình 1.5 Xương chày

A Nhìn từ trước B Nhìn từ phía ngoài C Nhìn từ phía sau

1 Lồi củ chày 2 Mặt trong 3 Mắt cá trong 4 Đầu trên

5 Thân xương 6 Đầu dưới 7 Mặt sau

1.2.1.6 Các xương bàn chân

Các xương bàn chân gồm có: Các xương cổ chân, các xương đốt bàn chân, các xương đốt ngón chân

a) Các xương cổ chân

Gồm 7 xương sắp xếp thành hai hàng:

- Hàng sau: có hai xương là xương sên và xương gót

- Hàng trước: có 5 xương là xương ghe, xương hộp và ba xương chêm

Hình 1.6 Các xương cổ chân

1 Xương sên 2 Xương ghe 3 Xương chêm II 4 Xương chêm I

5 Các xương đốt bàn 6 Xương chêm III 7 Xương hộp 8 Xương gót

1 Cơ thẳng đùi 2 Gân quặt ngược của cơ thẳng đùi 3.Bao khớp

4.Cơ mông nhỡ 5 Bao hoạt dịch 6 Cơ vuông đùi

7 Dây chằng ngồi đùi 8 Dây chằng vòng đùi 9 Cơ thắt lưng chậu

b) Phương tiện nối khớp

- Bao khớp: là bao sợi chắc

- Dây chằng: có hai loại:

+ Dây chằng chậu đùi: ở mặt trước và trên bao khớp, rộng và dài, dây chằng khỏe nhất của khớp hông Dây chằng này rất chắc và che phủ gần hết mặt trước nên khi bị trật khớp do chấn thương thường trật khớp ra sau

Khớp hông tuy không linh hoạt bằng khớp vai nhưng cũng có nhiều động tác giúp

150, dạng 450, khép 300, xoay vòng ngoài 450, xoay vòng trong 300 và quay vòng) 1.2.1.8 Khớp gối

a) Cấu tạo

Khớp gối là khớp phức hợp của cơ thể gồm hai khớp:

- Khớp giữa xương đùi và xương chày thuộc khớp lồi cầu

- Khớp giữa xương đùi và xương bánh chè thuộc loại khớp phẳng

b) Phương tiện nối khớp

- Bao khớp: Bao khớp gối mỏng, về phía xương đùi bao khớp bám trên diện ròng dọc, trên hai lồi cầu và hố gian lồi cầu Về phía xương chày bao khớp bám ở phía dưới hai diện khớp Phía trước bao khớp bám vào các bờ của xương bánh chè, phía ngoài bao khớp bám vào sụn sên

- Các dây chằng: Khớp gối có 4 hệ thống dây chằng gồm: Dây chằng trước, dây chằng sau, dây chằng bên và dây chằng chéo

Hai dây chằng bên chày và bên mác rất chắc, đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho khớp khỏi trật ra ngoài hay vào trong

Hai dây chằng chéo rất chắc đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho khớp gối khỏi trật theo chiều trước sau

c) Bao hoạt dịch

Bao hoạt dịch khớp gối khá phức tạp Nó lót bên trong bao khớp cũng như bao khớp, bao hoạt dịch bám vào sụn chêm Các dây chằng chéo đều nằm ngoài bao hoạt dịch

Tóm lại khớp gối được coi như 2 khớp lồi cầu Mỗi khớp gồm 1 lồi cầu của xương đùi, một diện khớp của xương chày Khớp được giữ cho khỏi trật sang bên bởi dây chằng bên và khỏi trật ra trước hay sau bởi dây chằng chéo

c) 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)

1.2.2 Tầm quan trọng của chi dưới

Chi dưới có một vai trò quan trọng trong cuộc sống, có chức năng đi lại, chạy nhảy nên chi dưới là một bộ phận chịu lực của cơ thể, mang tải trọng và chịu nhiều tác động

va chạm trong quá trình làm việc hay hoạt động thể thao, đặc biệt là các khớp lớn như: Khớp hông, khớp gối, khớp cổ chân … Do vậy chi dưới là bộ phận của cơ thể chịu nhiều nguy cơ tổn thương về cơ, xương, khớp Hậu quả là gây hạn chế hoạt động của con người

Việc điều trị bệnh nhân về cơ, xương, khớp không chỉ về mặt bệnh học mà còn về vấn đề phục hồi chức năng Muốn vậy cơ chế hoạt động của nó phải được hiểu rõ hơn

Một vấn đề quan trọng là xác định tầm độ hoạt động của khớp, các giới hạn hoạt động của khớp để giám định mức độ tổn thương nhất định trong các tai nạn giao thông, các tai nạn lao động và các di chứng biến dạng, hạn chế hoạt động của khớp là vấn đề thường gặp

1.2.3 Hoạt động và các đặc trưng cơ lý của hệ xương khớp chi dưới

a) Cử động của đùi

- Khi gấp, đùi hướng ra phía trước và lên trên Biên độ tăng khi đầu gối gấp do dãn các cơ sau đùi, các cơ này hạn chế cử động khi đầu gối duỗi Sự gấp còn rõ nét đối với các cử động thụ động, thí dụ, ở tư thế ngồi xổm hay tư thế của vận động viên cử tạ, gập người dưới thanh tạ Hai cơ gấp là cơ thắt lưng chậu và cơ thẳng trước Khi duỗi, đùi đưa ra phía sau Nó bị hạn chế bởi sức căng của tất cả dây chằng cơ khớp Các cơ

đó liên quan trước hết đến cơ mông và đôi chút đến cơ mông cẳng chân Khi dạng, đưa đùi ra phía ngoài, nó bị hạn chế bởi dây chằng thấp nhất của cơ khớp cũng như của các

b) Cử động của đầu gối

Đầu gối thực hiện nhiều cử động Sự gấp đưa mặt đùi sau gần lại mặt cẳng chân sau, gấp được sinh ra nhờ các cơ cẳng chân ụ ngồi và khoeo chân

- Sự kéo dài ra, nói đúng hơn là sự ngửa ứng với cử động ngược lại và do cơ tứ dầu gây ra

- Các cử động xoay, chỉ có thể xảy ra khi đầu gối đã gập, các cử động xoay này nếu

là xoay ngoài thì hướng chân ra ngoài và nếu là xoay trong thì hướng chân vào phía trong Các cơ xoay ngoài là: Cơ nhị đầu và cơ căng cân đùi, các cơ xoay trong là cơ may, cơ bán gân, cơ thẳng trong

- Các cử động ngang – phải và trái – thực tế là không có, nhất là khi đầu gối duỗi

- Các dây chằng chéo chìa ra ở khoảng phân cách các lồi cầu ở bên trên khỏi các ổ chảo ở phía dưới thực tế thường luôn luôn chìa ra trong các cử động

c) Các đặc trưng cơ lý của xương khớp chi dưới

- Xương là nơi bám của các cơ nên được coi như một hệ đòn bẩy mà điểm tựa là các

nén khoảng 10 kg/mm2 Các xương chi dưới được liên kết với nhau bằng các khớp động

- Các đặt trưng cơ lý của hệ xương

hệ thống tự động phân tích cơ học động (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical) gọi tắt là ADAMS Kết quả là cho ra đời công cụ mô hình hóa cơ sinh học nổi tiếng: BRG.LifeMOD Biomechanics Modeler

Sử dụng BRG.LifeMOD trong sự phát triển của mô hình máy tính để hiểu rõ hơn

về sự di chuyển và hoạt động của con người, loài người được xem như một hệ thống cơ học Như thế cơ thể loài người bao gồm các chi tiết, các khớp, lực và một hệ thống điều khiển phản xạ của các chi, khớp, cơ và hệ thống thần kinh cơ Cơ thể người di chuyển và tương tác với môi trường bằng những phản ứng của hệ thống thần kinh cơ, tạo ra các tải trọng lên xương, khớp và cơ

Các nghiên cứu chính thiết lập trong công nghệ BRG.LifeMOD được dung dể ước lượng chuyển động của toàn bộ cơ thể người Mô hình đầy đủ của con người được sử dụng như là một công cụ nghiên cứu để hiểu hơn về cơ học di chuyển của con người

Từ những mô hình động học này, quan hệ tham gia của những hoạt động uốn/duỗi có thể được đánh giá nhằm hiểu đầy đủ hơn về chức năng xoay chủ yếu của con người Hiện nay BRG.LifeMOD được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ y khoa, thể thao cho đến các lĩnh vực công nghệ chế tạo vật liệu… mà con người là đối tượng của chúng Chẳng hạn như tìm các vật liệu thay thế xương, chế tạo khớp giả, giày, dép, khung xe, ghế ngồi… chúng phải như thế nào để tạo cảm giác thoải mái tối đa khi sử dụng đồng thời giảm các tác động không mong muốn lên cơ thể người

Hình 1.9: Mô hình chi dưới trong BRG.LifeMOD 1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn

Luận văn thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ chính sau: Tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật Biomechanics 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, thiết lập các điều kiện ban đầu và tải cho mô hình và đưa ra các kết quả tính toán động lực học trong Ansys Rút ra các kết luận từ kết quả nghiên cứu

1.5 Kết luận chương 1

Nội dung trong chương này đã trình bày tổng quan về hệ xương khớp chi dưới: Cấu trúc, tầm quan trọng, hoạt động và các đặc trưng cơ lý của hệ xương khớp chi dưới Tổng quan các công trình đã nghiên cứu về hệ xương khớp chi dưới Từ

việc phân tích các nội dung trên, cho phép xây dựng mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ XƯƠNG KHỚP CHI DƯỚI 2.1 Xây dựng mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới

2.1.1 Các giả thiết

- Khi khảo sát động lực học của chi dưới ta giả thiết thân người cố định, các bộ phận đùi, cẳng chân, bàn chân coi như là các khâu phẳng có khối lượng tập trung đặt tại trọng tâm của nó

- Các khớp hông, khớp gối, khớp tại cổ bàn chân là các khớp quay Trọng tâm các khâu nằm trên đường thẳng nối tâm của các khớp quay

2.1.2 Mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới

Xây dựng mô hình chi dưới là cơ hệ gồm 4 khâu phẳng như hình vẽ (Hình 2.1)

Cơ hệ gồm 4 khâu:

- Thân người coi như cố định đóng vai trò là giá

- Đùi là khâu 1 nối với giá bằng khớp quay O

- Cẳng chân là khâu 2 nối với khâu 1 bằng khớp quay A

- Bàn chân là khâu 3 nối với khâu 2 bằng khớp quay B

Chọn hệ trục tọa độ cố định Oxy như hình vẽ

Số bậc tự do của cơ hệ là: Cơ hệ là cơ cấu phẳng, sử dụng công thức tính số bậc tự

do của cơ cấu phẳng: W = 3S – 2P5 – P4 - WS

Trong đó: W là số bậc tự do của cơ hệ

S là số khâu động có trong cơ cấu : S = 3

P5 là số khớp thấp trong cơ hệ: P5 = 3

P4 là số khớp cao trong cơ hệ: P4 = 0

WS là số rằng buộc thừa trong cơ hệ: WS = 0

Suy ra: Số bậc tự do của cơ hệ: W = 3.3 – 2.3 – 0 - 0 = 3

2.1.3 Các thông số hình học của mô hình

- Chiều dài khâu 3: l3

- Các góc quay của các khâu 1, 2, 3 quanh các khớp O, A, B theo phương thẳng đứng là : φ1 , φ2, φ3

Hình 2.1 Mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới 2.2 Xây dựng mô hình vật lý

2.2.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình vật lý

- Bỏ qua ma sát trong các khớp

- Phản lực của mặt đất tác dụng lên bàn chân là lực tập trung, có điểm đặt và phương chiều phụ thuộc vào từng vị trí tiếp đất Phản lực mặt đất đóng vai trò là lực dẫn động cho cơ hệ

- Chi dưới hoạt động bình thường, không có ngoại lực tác dụng

2.2.2 Mô hình vật lý của hệ xương khớp chi dưới

Hình 2.2 Mô hình vật lý hệ xuơng khớp chi dưới

Trong đó:

P3 = m3g là trọng lượng của bàn chân (khâu 3), đặt tại trọng tâm của khâu 3 – O3

P2 = m2g là trọng lượng của bàn chân (khâu 2), đặt tại trọng tâm của khâu 2 – O2

P1 = m1g là trọng lượng của bàn chân (khâu 1), đặt tại trọng tâm của khâu 1 – O1

2.3 Mô hình toán động lực học hệ xương khớp chi dưới

Sử dụng phương pháp Newton-Euler để xây dựng mô hình toán học động lực học hệ

xương khớp chi dưới.Phương trình Newton-Euler của cơ hệ có dạng:

0 0

0 0

0 0