tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật mô hình hoá lực tác động tại các 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.. Từ các kết quả tính toán, mô phỏng

TÓM TẮT LUẬN VĂN

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 mà một trong những bộ phận đó

Trong cuộc sống con người, 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, 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 các khớp chân người khi vận động” là một vấn đề nghiên cứu rất cần thiết và có ý nghĩa.

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

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 tư thế vận động ấy

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu chi dưới người khi vận động

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

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học:

- Xây dựng được mô hình hình học và vật lý mô tả gần đúng với chi dưới người

2

- Xây dựng được mô hình toán học để khảo sát các thông số động học, động lực học (ĐH, ĐLH) của chi dưới bằng lý thuyết cơ học hệ nhiều vật Xác định các thông số cần thiết phục vụ việc tính toán khảo sát áp lực và mô phỏng chi dưới

- 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

- 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

3

Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn được chia thành 4 chương, cuối luận văn là kiến nghị cho

hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm:

Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

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 vận động

Chương 4: Mô phỏng động lực học hệ xương khớp chi dưới

Những vấn đề còn tồn tại của luận văn: Để đơn giản hoá quá trình tính toán

tác giả đã phải dựa trên nhiều giả thiết dẫn đến kết quả còn chưa thật phù hợp

với thực tế, độ chính xác chưa cao

1.1 Tổng quan về kỹ thụât Biomanchanic

Phần này đã đưa ra một số khái niệm định nghĩa:

- Khái niệm kỹ thuật Biomanchanic và các bứơc tính toán thường gặp

trong kỹ thuật Biomanchanic

- Tổng quan về quá trình phát triển của kỹ thuật Bimanchanic

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 nhấtbao gồm:

1.2.1 Cấu trúc xương khớp chi dưới

- Xây dựng được bài toán động lực học chi dưới và thuật toán giải, sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng, lập trình giải bài toán động lực học chi dưới Đưa ra các kết quả động học, động lực học của chi dưới trong các trường hợp khác nhau

- Tìm hiểu và nghiên cứu các phầm mềm hiện đại sử dụng cho việc mô hình hóa và tính toán động lực học chi dưới

- Áp dụng các kỹ thuật máy tính để mô phỏng động lực học chi dưới người khi vận động Sử dụng phần mềm Inventor để mô hình hóa chi dưới người.

Ứng dụng phần mềm Ansys để thiết lập và giải bài toán động lực học của mô hình chi dưới

- Phương pháp mô hình hóa, tính toán bằng phương pháp số, mô phỏng bằng kỹ thuật máy tính áp dụng trong luận văn có thể áp dụng cho việc tính toán tại tất cả các khớp của cơ thể ngưuời, các mô hình cơ học tương tự, trong

kỹ thuật rô bốt …

4.4 Kết luận chương 4.

Chương này có nội dung chính là tìm hiểu các phần mềm mô phỏng và tính

toán động lực học Từ đó nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng chi dưới

bằng Inventor, nhập mô hình trong môi trường Ansys, thiết lập các điều kiện

đầu và tiến hành giải bài toán động lực học chi dưới trong phần mềm Ansys

Đưa ra các kết quả mô phỏng động lực học Các kết quả bao gồm: Vận tốc, gia

tốc, chuyển vị các khâu, các phản lực tại các khớp

Từ các kết quả mô phỏng động lực học bằng phần mềm Ansys ta thấy: Từ

các thiết lập ban đầu của bài toán trong Ansys, tương ứng với trường hợp 1

trong bài toán khảo sát bằng phương pháp số, các kết quả giải trong 2 trường

hợp có sự sai khác tuy nhiên giá trị sai số là không đáng kể, sai số ở đây có thể

là do các thiết lập điều kiện đầu trong Ansys và trong khi khảo sát bằng

phương pháp số là không hợp lý

Từ kết quả mô phỏng động lực học trong Ansys ta thấy trong trường hợp

khảo sát (tương đương trường hợp 1 khi khảo sát bằng phương pháp số) phản

lực tại các khớp của chi dưới không quá lớn

KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN

Luận văn đã có được những đóng góp mới trong lĩnh vực nghiên cứu, khảo

sát mô hình hoá lực tác động tại các khớp chân người khi vận động, cụ thể là:

- Trên cơ sở phân tích đặc điểm giải phẫu học và các đặc trưng cơ lý của

hệ xương khớp chi dưới, thiết lập các bộ thông số, xây dựng mô hình cơ hệ, từ

đó thiết lập các phương trình vi phân chuyển động của chi dưới Xây dựng các

công thức tính phản lực khớp động tại các 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

1.2.2 Tầm quan trọng của chi dưới 1.2.3 Hoạt động và các đặc trưng cơ lý của hệ xương khớp chi dưới

- Cử động của đùi

- Cử động của đầu gối

- Các đặc trưng cơ lý của xương khớp chi dưới

1.3 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu và các xu hướng phát triển về hệ xương khớp chi dưới.

Các nhà khoa học mô phỏng của nhóm nghiên cứu cơ sinh học (Biomechanics Research Group) viết tắt là BRG, hợp tác với nhiều công ty chỉnh hình, thiết bị thể thao, và các công ty giải trí, các viện nghiên cứu vừa mới phát triển những công cụ máy tính dựa trên sản phẩm phần mềm nổi tiếng

là hệ thống tự động phân tích cơ học động (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical) gọi tắt là ADAMS 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

Các nghiên cứu chính thiết lập trong công nghệ BRG.LifeMOD được

dùng để 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

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn.

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

Kết quả phản lực tại các khớp

Gia tốc góc của các khâu

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

Vận tốc góc

của các khâu

Chuyển vị

của các khâu

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 1 = khoảng cách giữa 2 khớp O và khớp A: l1 = OA

- Chiều dài khâu 2 = khoảng cách giữa 2 khớp A và khớp B: l2 = OB

- Chiều dài khâu 3: l3

- Khoảng cách từ vị trí khớp O đến trọng tâm khâu 1: a1 = O1O

- Khoảng cách từ vị trí khớp A đến trọng tâm khâu 2: a2 = O2A

- Khoảng cách từ vị trí khớp B đến trọng tâm khâu 3: a3 = O3B

- 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

4.2 Mô phỏng động lực học chi dưới bằng phần mềm ANSYS 4.2.1 Mô hình chi dưới trong ANSYS

4.2.2 Thiết lập các điều kiện đầu và điều kiện biên cho bài toán trong ANSYS

a) Các thuộc tính của các chi tiết trong mô hình b) Thiết lập các vị trí ban đầu và các điều kiện của các chi tiết.

c) Thiết lập tải trọng 4.2.3 Các kết quả tính toán động lực học trong ANSYS

29 8

Do đó trong cuộc sống của con người, cần tránh những trường hợp cơ thể

tiếp đất chịu tác dụng của các lực đột ngột, đối với những người phải vận động

với cường độ cao (như vận động viên) thì phải có chế độ theo dõi và kiểm tra

hệ xương khớp liên tục để tránh những chấn thương do áp lực tại các khớp là

lớn hơn nhiều so với các trường hợp vận động khác

Khi hoạt động bình thường để giảm thiểu tác động lên các khớp chi dưới là

nhỏ nhất, con người nên giữ cho thân người ở tư thế thẳng đứng, tiếp đất bằng

cả bàn chân, và bước đi với tần số vừa phải

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC

4.1 Mô hình hóa chi dưới bằng Inventor

4.1.1 Giới thiệu về phần mềm Inventor

4.1.2 Các giả thiết khi xây dựng mô hình chi dưới trong Inventor

4.1.3 Mô hình chi dưới trong Inventor

a) Mô phỏng chi tiết đùi:

b) Mô phỏng chi tiết cẳng chân

c) Mô phỏng chi tiết bàn chân

d) Lắp ráp các chi tiết mô phỏng chi dưới người

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: RX, RY là các phản lực của mặt đất theo phương X, Y tác dụng lên

bàn chân

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

Mô hình toán của hệ động lực học chi dưới được xây dựng theo lý thuyết cơ

học hệ nhiều vật, áp dụng phương pháp Newton-Eler

Hệ phương trình Newton-Eler được xây dựng theo các bước sau:

1 Xác định các Vec tơ tọa độ khối tâm của các khâu.`

2 Xác định các ma trận Jacobi tịnh tiến và các đạo hàm của chúng

3 Xác định các vecto vận tốc góc và các toán tử sóng

4 Xác định các ma trận Jacobi quay, các đạo hàm của chúng, các ma trận quán

tính khối

5 Xác định lực và ngẫu lực đối với từng khâu

Xác định phản lực tại các khớp liên kết bằng phương pháp tách khâu

và xét cân bằng các khâu đó

Xác định phản lực tại khớp B

Xác định phản lực tại khớp A

Xác định phản lực tại khớp O

6 Xác định phương trình vi phân Newton-Euler của cơ hệ

Dạng tổng quát của phương trình Newton-Eler:

3.3 Kết luận chương 3.

Chương này đã nghiên cứu giải quyết được các nội dung sau: Đưa ra các giả thiết khi phân tích động lực học của mô hình chi dưới, bằng phương pháp tách riêng và xét cân bằng với từng khâu đã đưa ra được mô hình vật lý để khảo sát áp lực tại các khớp động Từ đó xây dựng các mô hình toán mô tả áp lực tại các khớp Kết hợp với kết quả giải bài toán động học để giải mô hình toán áp lực tại các khớp bằng phương pháp số, và đưa ra kết quả khảo sát áp lực tại các khớp của chi dưới Từ các kết quả giải bằng phương pháp số ta rút

ra một số kết luận sau:

Nhận thấy trong 3 trường hợp mà ta đưa ra để xét đối với mô hình cơ hệ, với các thông số và điều kiện tải khác nhau, thì trong trường hợp 2 tức là khi người ở tư thế ngồi, lực tác dụng từ mặt đất vuông góc với bàn chân thì phản lực tại các khớp có giá trị và thay đổi với biên độ nhỏ nhất

Trường hợp 1: Khi người đi lại bình thường, thân người thẳng đứng và tiếp đất bằng cả bàn chân thì phản lực tác các khớp không lớn hơn nhiều so với trọng lượng cơ thể

Trường hợp gây phản lực tại các khớp lớn nhất chính là trường hợp 3 khi

cơ thể người tiếp đất bằng mũi bàn chân, cẳng chân và đùi đang ở tư thế co (có thể là tư thế con người đang vận động)

Từ đó ta có thể thấy khi con người vận động với cường độ cao, thì phản lực tại các khớp là lớn hơn nhiều so với trọng lượng cơ thể, tần số và biên độ thay đổi của các áp lực đó cũng lớn hơn nhiều so với các trường hợp khác

( , ) ( , , )

M q T q k q q t   Q

10