Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ khớp gối luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật cơ khí

viii MỤC LỤC TRANG Trang ta Quy tài Lý lch cá nhân i L ii Cm t iii Tóm tt iv Mc lc v Danh sách các ch vit tt vii Danh sách các hình viii Danh sách các bng x Chng 1. TỔNG QUAN 1.1. Tng quan v robot 1 1.2. Các kt qu nghiên cc công b 3 1.3. M tài 7 1.4. Nhim v và gii hn c tài 7 1.5. u 8 Chng 2. C SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Khâu, khp, b 9 2.2. Các dng bài toán robot 10 2.3. Truyn u khin robot 17 2.4. Lý thuyt chuyng ca khp gi 23 Chng 3.CÁC VN ĐỀ CẦN PHÁT TRIỂN VÀ KẾT QU CHẾ TO 3.1. V nghiên cu 24 3.2. Thit k cm bin momen 26 3.3. Thit k u chu lc cho khp gi 29 3.4. u 44 3.5. Tính toán công sut 47 ix 3.6. Thit k chi tit 48 Chng 4. VẬN HÀNH THỬ NGHIM C CU 4.1. u khiu 59 4.2. H thu khin 60 4.3. Vn hành và th nghiu 60 Chng 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kt lun 65 5.2. Kin ngh 66 TÀI LIU THAM KHO PHỤ LỤC x DANH SÁCH CÁC CH VIẾT TT 1. Btd: Bc t do 2. Btdtt: Bc t do th ng 3. Ctm: Chi tit máy 4. Cbl: Cm bin lc xi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1. c vt nng 1 Hình 1.2.Mt s công vic phi mang vác vt nng 2 Hình 1.3.Các ng hp gp v v khp gi 3 Hình 1.4.u g gp 4 Hình 1.5.Góc vng ca khp gi 6 Hình 1.6. 6 Hình 1.7.Robot 7 Hình 1.8.AL 8 Hình 1.9.K 9 Hình 1.10.Honda_Walking_Assist_Device 10 Hình 1.11. 10 Hình 1.12.  11 Hình 2.1. 17 Hình 2.2.ncorder 20 Hình 2.3. nguyên lý ca loadcell 21 Hình 2.4.Nguyên lý làm vic ca loadcell chu un. 22 Hình 3.1. u 2 khp lch tâm 22 Hình 3.2. bin dng ca lò xo 24 Hình 3.3.Cm bin momen 25 Hình 3.5.Kt qu th nghim cm biu 26 Hình 3.6. Ly khuôn chân bng thch cao 30 Hình 3.7.u bng bê tông 34 Hình 3.8.Phn ng ni ngang ca phân t UPE 31 Hình 3.9.Chi tit ghép nc to hình bng compsite 32 Hình 3.10. 33 Hình 3.11.S bc t do th ng ca u có 1 khp. 34 xii Hình 3.12.S bc t do th ng cu có 2 khp 35 Hình 3.13.S bc t do th ng cu có 3 khp. 36 Hình 3.14.Kt qu th nghim ln 1. 37 Hình 3.15.Kt qu ch to th nghim ln 2 38 Hình 3.16.Kt qu th nghim ln 3 39 Hình 3.20.Các bc t do th c b trí trên h trc t Decac 40 Hình 3.21.Momen cn sinh ra trên các bc t do th ng 41 Hình 3.22.B trí cm bin momen 41 Hình 3.23.Chu k c 42 Hình 3.24.Mô hình hóa các btd th ng  khp c chân 45 Hình 3.25.Mô hình hóa các btd th ng  khp gi 46 Hình 3.26.Mô hình hóa các btd th ng  khp háng 46 Hình 3.27.Trng tâm c ng lên 47 Hình 3.28.Trng tâm c  48 Hình 3.29.Kht 49 Hình 3.30.Khp xoay 50 Hình 3.31.Giá lp motor 51 Hình 3.32.Các thông s ct  t bi 52 Hình 3.33. ng chu ti ct  t bi 53 Hình 3.34.Cu to chi tit cu 55 Hình 3.35.Kt qu ch to thit b h tr khp gi 58 Hình 4.1. nguyên u khin (b u khi 58 Hình 4.2.S a chu k ng thái ca khp gi 59 Hình 4.3.u khin theo các pha ca  60 Hình 4.4.V trí các cm bin trên bàn chân 61 Hình 4.5. nguyên lý mch u khin 62 Hình 4.6. nguyên lý mch cu H 62 Hình 4.7. nguyên lý mch khui 63 Hình 4.8 nguyên lý mch ngun 63 Hình 4.9.  nguyên lý các nút nhu khin 63 Hình 4.10.Vn hành thit b h tr lc 64 xiii DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bng 2.1: Phân bit gia h tr lc và nâng vt nng 8 Bng 3.1:Mi liên h gia trng thái khp gi vm tip xúc trên bàn chân 24 Bng 3.2:Các ký hiu, thông s ct  t bi 24 Bng 3.3: Thông s ti trng ca thanh t  t bi 24 Bng 3.4: Thông s ti trng ca khp cu 24 Bng 4.1. Thut toán 4 Switch 61 1 Chng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tng quan v các thit b b xng ngoƠi hỗ tr lực 1.1.1. Hỗ tr lực cho khp gối Vì sao phi hỗ tr lực cho khp gối?  mang vác vt nng và di chuyn, trng ca vt phân phi lên kh tha phi chu trng ca vt và tr ng thi m nhim ch chuyn.H vng ca chân làm vic v nhiu nht khi ta mang vác vt nng. Theo các nghiên cu v  mang vt nng trong an toàn v ng cho thy khi nhc vt np gi làm vic nhiu nht: Hình 1.1  c vt nng (2) (2) Ngun: Http://www.suckhoe.vn. 2 Hỗ tr lực là gì? H tr lc là cung cp lc ( momen) cho các kh u ti ho di chuyn ca các kh. H tr lc có hai loi:  Chu ti thay cho kh nâng vt nng  Truyn momen (lc) cho kh u ti ca khp Bng 1.1 Phân bit gia h tr lc và nâng vt nng H tr lc Nâng vt nng Khái nim Cung cp momen (lc) cho các kh h tr hoc cn tr chuyn ng ca khp Ti trng ca vt nng t lên thit b  khí Tính cht Truyn momen ( lc) lên các khp sinh hc Truyn momen ( lc) lên các khp c c ng dng Phc hi cht b tp luyn nâng cao sc b Các thit b h tr mang vt nng, b  lc. 1.1.2. Các ng dng, phân loi hỗ tr lực ng dng h tr li s dng mang vác vt nng 3 Hình 1.2 Các các công vic phi mang vác nng ng dng h tr khp trong phc hi ch p cho các bnh nhân: o Có v v h p, cng khi bnh không th thc hii sng hng ngày o Cng vng cho các bnh nhân cn phc hi hu phu thut (v h p)  Bài tp h tr lc (thit b cung cp mô-men, lc cho khp), hoc bài tng sc mnh cho h t b cung cp mô-men, lc nhm cn tr chuyng ca khp). o i ln tui, khp chân b yu, viêm kh Hình 1.3 ng hp gp v khp gi 4 1.1.3. Gii thiu khp gối - Biên đ và tm vn đng cho khp gối. Hình 1.4     thành  3     chày và  bánh chè.       - mâm chày có  trúc   là   chêm  chêm        và mâm chày có tác   xóc khi      và mâm chày  xúc khi   và  cho       dây  bên trong, bên ngoài và hai dây  chéo  và chéo sau   cho      chéo  có tác  chính là  không cho mâm chày  ra  và dây  chéo sau  cho mâm chày không   ra sau.Dây  bên ngoài giúp  không   trong, dây  bên trong giúp cho  không   ra ngoài.Toàn     bao     màng   có tác   ra    bôi  trong quá trình   Gii phu khp gối:   là      hai        chày    trên  chày: là hai   trên   xúc  hai     [...]... án kết nối cơ cấu với khớp gối, lựa chọn phương thức dẫn động Lựa chọn phương thức điều khiển, hồi tiếp tín hiệu Chế tạo mô hình thử nghiệm trên cơ thể thực 1.4.2 Gi i h n c a đ tài Phần lớn chỉ thiết kế chế tạo phần cứng Chỉ đặt động cơ ở khớp gối Thử nghiệm một số chứa năng cơ bản của thiết bị, nhằm hướng tới các ứng dụng trong các bài tập phục hồi chức năng cho khớp gối 1.5 Ph ng pháp nghiên c u... khiển từng khớp riêng rẽ trở nên dễ dàng hơn, qua đó đơn giản hóa thuật toán điều khiển thiết bị, cho phép bảo đảm độ ổn định của hệ thống khi vận hành trong thực tế Các ứng dụng tiềm năng: 11 Nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ cho khớp gối, giúp tăng khả năng mang vác đồ vật ( tăngkhối lượng vật mang, tăng tốc độ di chuyển) Hỗ trợ cho những người làm các công việc phải mang vác vật nặng trong... phục hồi chức năng cho khớp gối Được ứng dụng để hỗ trợ chức năng vận động (phục hồi chức năng vận động) cho khớp gối Bậc tự do chính của có chức năng truyền lực (momen) lên khớp gối, các bậc tự do bổ trợ có chức năng triệt tiêu các momen do các chuyển động tương đối giữa cơ cấu và chân gây ra 1.3 M c đích c a đ tài Thiết lập một nguyên lý thiết kế cơ khí cho việc thiết kế thiết bị bộ xương ngoài cho... động của khớp gối (theo phương pháp Zero) là 1350 (duỗi là 00 và gấp là 1350) [9] Hình 1.6 Góc của khớp gối khi lên và xuống cầu thang Các c tham gia chi phối t m v n đ ng kh p gối - Gấp cẳng chân vào đùi: cơ bán mạc, cơ bán gân, cơ nhị đầu đùi Khi đư gấp cẳng chân vào đùi cơ bán gân, cơ bán mạc xoay đùi vào trong; cơ nhị đầu đùi xoay ra 6 ngoài Ngoài ra, cơ khoeo cũng tham gia gấp cẳng chân, cơ may... chục km mỗi ngày, công nhân trong các nhà máy lắp ráp cơ khí Hỗ trợ di chuyển cho những người có khớp gối bị yếu 1.4 Nhi m v c a đ tài và gi i h n đ tài 1.4.1 Nhi m v c a đ tài Phân tích chức năng vận động của chân Tìm hiểu kết cấu sinh học, khả năng vận động (các hướng hoạt động, các góc xoay…) Nghiên cứu, tìm hiểu cơ cấu phù hợp với khớp gối Đưa ra cơ cấu có các bậc tự do, các góc quay phù hợp với chân... tục phát triển nguyên lý thiết kế bộ xương ngoài đẳng tĩnh cho khớp sinh học, được trình bày trong luận văn tiến sĩ của (Cai, 2011) Nguyên lý thiết kế mới này được thiết lập cho một thiết bị hoạt động cùng lúc với nhiều khớp sinh học khác nhau Mục tiêu hướng tới là tách r i, phân bi t các lực tương tác phát sinh giữa mỗi khớp sinh học và cơ cấu, khiến việc điều khiển từng khớp riêng rẽ trở nên dễ dàng... mục tiêu nghiên cứu đưa ra các phương pháp nghiên cứu phù hợp  Tìm hiểu tài liệu  Nghiên cứu, thiết kế  Tìm hiểu, lựa chọn 12  Chế tạo, thử nghiệm Ch C ng 2 SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khâu, kh p, b c t do 2.1.1 Khâu Làmột hay nhiều chi tiết máy lắp chặt với nhau thành một vật cứng; có chuyển động tương đối với cácvật cứngkhác 2.1.2 Kh p • Bậc tự do: khả năng chuyển động độc lập • Ràng buộc: bậc tự do bị triệt... n đ nghiên c u 3.1.1 Lựa chọn c c u Khi kết nối cơ cấu với khớp sinh học sẽ có 1 cấu trúc động học đóng “ cơ cấu – khớp sinh học”.Do các khớp sinh học không có tâm quay cố định nên không thể xác định chính xác vị trí các khớp trên cơ cấu trùng với khớp sinh học, vì thế khi kết nối cơ cấu với khớp sinh học sẽ sinh ra các momen làm cản trở chuyển động, để cố gắng di chuyển sẽ làm tổn thương các khớp. .. có biên dạng giống như biên dạng của chân tại vị trí ghép với thiết bị (tăng diện tích tiếp xúc để tăng ma sát)  Nhẹ  Để thỏa mãn các yếu tố trên ta chọn vật liệu composite Thiết bị được tạo hình theo khuôn, khuôn được lấy trực tiếp từ chân của người mang thiết bị Quá trình chế tạo bao gồm các bước: Lấy khuôn từ chân→ tạo mẫu → tạo khuôn→ tạo hình chi tiết từ composite 3.3.1.1 Quá trình t o m u Mẫu... giữa khâu sinh học và cơ cấu dựa vào góc quay Ө Tuy nhiên góc quay Ө rất nhỏ (do cơ cấu được nối chặt vào khâu sinh học), do đó khó xác định được momen cần thiết để điều khiển động cơ Trong trường hợp này ta có thể dùng thiết bị khác để có thể đo được lực tương tác giữa cơ cấu với khâu sinh học Hình 3.5 Kết quả thử nghiệm cảm biến momen trên cơ cấu 3.3 Thi t k c c u ch u lực cho kh p gối 25 3.3.1 Thi t . TỔNG QUAN 1.1. Tng quan v các thit b b xng ngoƠi hỗ tr lực 1.1.1. Hỗ tr lực cho khp gối Vì sao phi hỗ tr lực cho khp gối?  mang vác vt nng và di chuyn, trng. chp gi. 1.5. Phng pháp nghiên cu ng vi các mc tiêu nghiên cu phù hp  Tìm hiu tài liu  Nghiên cu, thit k  Tìm hiu, la chn. Lý thuyt chuyng ca khp gi 23 Chng 3.CÁC VN ĐỀ CẦN PHÁT TRIỂN VÀ KẾT QU CHẾ TO 3.1. V nghiên cu 24 3.2. Thit k cm bin momen 26 3.3. Thit k u chu lc cho khp