Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ mềm cho người khuyết tật

Trang vii MC LC Trang tựa. Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân. i Lời cam đoan. iii Cảm tạ. iv Tóm tắt. v Mục lục. vii Danh sách các chữ viết tắt. ix Danh sách các hình. x Danh sách các bảng. xii Chng 1: TỔNG QUAN . 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cu, các kết quả nghiên cu trong và ngoài nớc đư công bố. 1 1.2 Mục đích ca đề tài. 7 1.3 Nhiệm vụ ca đề tài và đối tợng nghiên cu, giới hạn đề tài. 7 1.3.1 Nhiệm vụ ca đề tài. 7 1.3.2 Đối tợng nghiên cu ca đề tài. 8 1.3.3 Giới hạn ca đề tài. 8 1.4 Phơng pháp nghiên cu. 8 Chng 2: C SỞ LÝ THUYẾT . 9 2.1 Đờng cong tham số Bezier. 9 2.1.1 Biểu diễn đờng cong Bezier. 9 2.1.2 Các tính chất ca đờng cong Bezier. 14 Trang viii 2.2 Lý thuyết cơ cấu mềm. 15 2.2.1 Định nghĩa 15 2.2.2 u nhợc điểm. 16 2.2.3 Một số cơ cấu mềm thông dụng. 17 2.3 Giải thuật di truyền. 19 Chng 3: PHNG HỚNG VÀ CÁC GII PHÁP . 26 3.1 Yêu cầu đặt ra. 26 3.2 Phơng án thiết kế. 26 3.2.1 Phơng án 1. 26 3.2.2 Phơng án 2. 27 3.2.3 Lựa chọn phơng án. 28 3.3 Cở sở lựa chọn vật liệu. 28 Chng 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN . 29 4.1 Nguyên lý hoạt động ca khớp mắt cá chân. 29 4.2 Thiết kế. 32 4.3 Tính toán tối u hóa. 36 4.4 Mô phỏng. 38 Chng 5: CHẾ TO - THỰC NGHIM . 44 5.1 Vật liệu. 44 5.2 Chế tạo. 45 5.3 Thực nghiệm. 50 5.4 Thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân. 54 Chng 6: KẾT LUẬN ậ ĐỀ NGH . 55 TÀI LIU THAM KHO . 57 PH LC Trang ix DANH SÁCH CÁC CH VIẾT TT ESAR : Elastic energy storage and return FEM: Finite Element Method: Phần tử hữu hạn FF: Foot Flat HO: Heel Only POM: Polyoxymethylene TO: Toe Only Trang x DANH MC CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi 4 Hình 1.2: Bàn chân có khớp một trục 4 Hình 1.3: Bàn chân có khớp đa trục. 5 Hình 1.4: Bàn chân Cacbon 6 Hình 2.1: Các dạng đờng Bezier 11 Hình 2.2: Đồ thị hàm cơ sở ca đờng cong Bezier bậc ba 12 Hình 2.3: Một số cơ cấu cng truyền thống (a) cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền, (b) cơ cấu kìm cộng lực. 15 Hình 2.4: Kìm cộng lực bằng cơ cấu mềm 16 Hình 2.5: Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro 17 Hình 2.6: Hình ảnh “quả bóng trên đỉnh đồi” mô phỏng cho nguyên lý cơ cấu song ổn định. . 19 Hình 2.7: Một dạng cơ cấu mềm song ổn định (a) vị trí ổn định ban đầu, (b) vị trí ổn định th hai 19 Hình 2.8: Một thế hệ mới đợc hình thành qua pha chọn lọc và pha tái tổ hợp 22 Hình 3.1: Mô hình khớp mắt cá chân bằng các chi tiết lắp ráp 26 Hình 3.2: Khớp mắt cá chân giả nguyên khối bằng vật liệu đàn hồi 27 Hình 4.1: Chân giả cụt dới gối 29 Hình 4.2: Các giai đoạn chính trong một chu kỳ bớc đi với bàn chân đàn hồi (ESAR). 30 Hình 4.3: (a) Một sơ đồ cơ cấu mềm mắt cá chân, (b) Kích thớc rằng buộc đối với không gian thiết kế. 33 Hình 4.4: Mô hình lới phần tử dạng thanh sử dụng trong FEM 36 Hình 4.5: Đồ thị phân bố dân số ca nhiều thế hệ trong quá trình tối u hóa 38 Trang xi Hình 4.6: Mô phỏng ba trờng hợp: Chạm gót (a),Tiếp xúc bàn (b) và Nhấc mũi(c). 40 Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn lực, biến dạng, độ cng ca Tiếp xúc bàn, Chạm gót và Nhấc mũi. 41 Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn năng lợng và biến dạng ca Chạm gót (a), Tiếp xúc bàn (b), Nhấc mũi (c). 42 Hình 5.1: Bản vẽ thiết kế 2D bằng AUTOCAD. 45 Hình 5.2: Bản vẽ thiết kế 3D bằng Inventer 46 Hình 5.3: Sản phẩm thu đợc khi gia công trên máy phay CNC. 47 Hình 5.4: Mô hình kết nối với núm liên kết 47 Hình 5.5: Quy trình chế tạo vỏ chân giả 48 Hình 5.6: Sản phẩm chân giả hoàn thiện, các chi tiết đư đợc lắp ráp với nhau 49 Hình 5.7: Mô hình gá đặt khớp mắt cá chân giả vào máy trong thực nghiệm 51 Hình 5.8: Mô hình gá đặt khớp mắt cá chân giả vào máy có gia tải 52 Hình 5.9: Đồ thị quan hệ giữa khối lợng và biến dạng 52 Trang xii DANH MC CÁC BNG BNG TRANG Bng 1 : Giá trị tối u ca các biến thiết kế………………………………………………… 37 Trang 1 CHNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tng quan chung v lĩnh vc nghiên cứu, các kt qu nghiên cứu trong và ngoƠi nc đƣ công bố. 1.1.1 Các loi chân gi [12] 1.1.1.1 Trong nc Trớc khi tìm hiểu về những sản phẩm đơng đại ta nhìn nhận lại một số sản phẩm truyền thống đư đợc sản xuất  Việt Nam. a. Chơn gi bằng da gò vƠ  mỏm ct bằng da gò Loại chân giả này có thể đợc xuất hiện vào đầu thế kỷ 19, sau chân giả gỗ và cùng thi với chân giả nhôm. Nó đợc gọi là chân giả bằng da nhng thực chất những chi tiết ổn định, chịu tải, chịu mài mòn đều đợc gia cố bằng kim loại. Phần lớn đợc ng dụng cho mỏm cụt vùng cổ chân và bàn chân. Loại da thng dùng là loại da đế bò thuộc bằng tananh (chất làm ổn định và chống phân huỷ da là chất đợc chiết xuất từ thực vật). u điểm: Trọng lợng nhẹ, dễ tạo dáng, định hình khi thoát nớc, thấm không khí, thấm mồ hôi gây cảm giác mát mẻ cho mỏm cụt; không dị ng với mỏm cụt nên không cần mỏm cụt phụ; trong quá trình sử dụng ổ mỏm cụt, mỏm cụt tự ôm form và rất dễ sửa chữa, thay đổi kích thớc. Nhợc điểm: Độ bền vững kém, biến dạng khi gặp nớc. b. Chân gi bằng gỗ vƠ  mỏm ct bằng gỗ Chân giả bằng gỗ phải đợc xem nh loại chân giả xuất hiện sớm nhất, theo dạng chân cà kheo. Nhng cũng phải đến đầu thế kỷ 20 ngi ta mới khai thác hết những u điểm vốn có ca gỗ trong chế tạo chân giả. Là sản phẩm sẵn có trong thiên nhiên, rất Trang 2 thuận lợi trong việc chế tạo trớc  dạng bán thành phẩm, thuận lợi trong công nghệ dóng hàng theo không gian 3 chiều. Gỗ dẫn điện, dẫn nhiệt kém, không có dị ng với cơ thể ngi, đặc biệt là có cảm giác mát mẻ đối với mỏm cụt. Trong công nghệ chế tạo gỗ dễ tạo hình, dễ thay đổi kích thớc, khi đi chân giả ít phát tiếng kêu. Nhợc điểm lớn nhất ca gỗ là thấm thoát nớc nên có sự giưn n gây hiện tợng nt vỡ, mục. Tuy nhiên cho đến nay ngi ta vẫn cho rằng chân giả bằng gỗ có nhiều u điểm hơn hẳn các vật liệu nhân tạo khác, thậm chí còn đợc coi là loại sản phẩm cao cấp. c. Chơn gi lƠm bằng hp kim nhẹ Chân giả hợp kim ra đi rất sớm, nhng hợp kim nhôm đợc ng dụng rộng rưi trong lĩnh vực chỉnh hình lại là đầu thế kỷ th 20. Chân giả nhôm kết hợp với thép thể hiện sự hơn hẳn về độ bền sử dụng và làm đơn giản công nghệ chế tạo. Nhng nó cũng bộc lộ rất nhiều nhợc điểm: Nhôm là vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt tốt cộng thêm sự không thích nghi khi tiếp xúc với cơ thể nên phải có ổ mỏm cụt phụ. Trong quá trình sử dụng thng phát ra tiếng kêu. Có hiện tợng khớp giả (chuyển động đồng thi) do sự kém chặt chẽ và chính xác giữa mỏm cụt với ổ mỏm cụt và giữa ổ mỏm cụt với chân giả. Cục s hữu trí tuệ vừa cấp bằng sáng chế số 5673 cho TS Phan Văn An, Trung tâm công nghệ vật liệu với sản phẩm ống chân giả composite cacbon. Chân giả bằng nhựa composite cacbon đợc chế tạo từ loại vật liệu gồm hai lớp sợi cacbon bện chéo kết hợp với 4 - 6 lớp sợi bazan cùng một loại nhựa tổng hợp. Nh vậy chân giả này có ống chân nhẹ, độ bền cao và chịu lực tốt. Cấu tạo khớp gối có độ nảy, độ văng tốt hơn và do có lò xo nên dễ dàng lắp ráp, hỏng bộ phận nào thay bộ phận đó. 1.1.1.2 NgoƠi nc Chân giả Proprio ca Trng đại học Johns Hopkins Mỹ. Thiết bị ca chân giả này sử dụng các cảm biến, các bộ vi xử lý và điều khiển theo trí thông minh nhân tạo để đo các chuyển động theo chế độ thi gian thực; phản hồi thông tin về cách thc chuyển Trang 3 động và các góc cần quay ca các khớp nhân tạo tới cơ cấu chấp hành phù hợp với chuyển động ca ngi sử dụng. Ngoài ra thiết bị này còn sử dụng công nghệ BlueTooth, có thể truyền dữ liệu tới bộ vi xử lý để điều khiển chân di chuyển theo cách tự nhiên nhất. Proprio cũng có thể nhớ chính xác cách di chuyển lên cầu thang, xuống dốc, đồng thi có thể học đợc nhiều cách di chuyển  nhiều địa hình khác nhau và ghi nhớ lại. Để tạo các chân tay giả loại mới này, các nhà khoa học đư ng dụng nhiều tiến bộ trong khá nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau nh hệ thống năng lợng, robot, khoa học thần kinh, công nghệ cảm biến và cơ cấu chấp hành, nhng giá thành quá cao. Một nghiên cu, phát minh mới ca các nhà khoa học đến từ trng Đại học Vanderbilt, Nashville, Mỹ sẽ là giải pháp hữu ích giúp cho những ngi tàn tật có đợc dáng đi tự nhiên nh ngi bình thng. Nó đợc trang bị bộ cảm biến để theo dõi những chuyển động ca ngi sử dụng. Bên cạnh đó, nó cũng sử dụng bộ vi xử lý đư đợc lập trình để dự đoán những việc mà ngi dùng đang cố gắng để thực hiện và điều khiển thiết bị này theo những cách thuận tiện nhất cho sự di chuyển. Những tiến bộ ca công nghệ hiện nay đư tạo điều kiện thuận lợi để các kỹ s thuộc trng Đại học Vanderbilt chế tạo một thiết bị nặng khoảng 9 pounds, nhẹ hơn nhiều so với những chiếc chân giả hiện nay, và có thể hoạt động liên tục trong 3 ngày, tơng đơng 13 – 14 km một lần sạc. Đồng thi, thiết bị này cũng giảm đáng kể lợng tiếng ồn phát ra. Một trong những tính năng nổi bật mà các kỹ s đư trang bị thêm cho thiết bị mới này là khả năng chống vấp ngã nh vào bộ cảm biến sinh học. Bộ chân giả Computer Leg, còn gọi là C - Leg, có giá đến 15.000 euro, do công ty Otto Bock HealthCare, Đc sản xuất, có thể phân tích thi gian thực tế hoạt động ca đùi để tác động đến cử động ca đầu gối và mắt cá chân giả nhằm giúp cả hai cử động nhuần nhuyễn nh đợc trang bị những kích thy lực siêu nhỏ. Đợc đa vào sử dụng từ cuối năm 2005 cho những ngi bị mất chân (phía trên đầu gối). Trang 4 1.1.2 Các loi bàn chân gi [12] 1.1.2.1 Bàn chân vi khp mt cá đặc vƠ gót chơn đƠn hi Tên ca bàn chân đợc đặt đúng với đặc điểm ca nó bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi đợc. Đợc thiết kế đơn giản với một lõi bằng gỗ, composite hay bằng nhựa cng, đợc đúc bên ngoài là vật liệu xốp, đàn hồi (PU, cao su) theo hình dáng thẩm mỹ ca bàn chân. Về chc năng ca bàn chân thì rất hạn chế so với các bàn chân khác, nhng bù lại với thiết kế đơn giản và giá thành thấp nên đợc sử dụng nhiều  các nớc đang phát triển. 1.1.2.2 Bàn chân có khớp một trục Bàn chân có khớp một trục đợc thiết kế với hai phần riêng biệt. Khớp cổ chân thng đợc đúc bằng các vật liệu có độ bền cao nh hợp kim nhôm, titan hay cũng có thể bằng thép, inox. Phần bàn chân có lõi gỗ hoặc composite đợc đúc từ những vật liệu xốp mềm (PU) giúp bàn chân có tính thẩm mỹ hơn. Hình 1.2: Bàn chân có khớp một trục Hình 1.1: Bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi [...]... án thiết kế, chế tạo khắc phục những nh ợc điểm này Vì một số nguyên nhân trên đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cho người khuyết tật là cần thiết, đ ợc tiến hành với mục đích: Trang 6 - Cải thiện dáng đi cho ng - Giảm giá thành sản phẩm - Tiết kiệm vật liệu - Dễ gia công và chế tạo - Giúp giảm chi phí lắp ráp - Tích trữ năng l ợng giúp ng i khuyết tật i đi chân. .. u, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cho ng i khuyết tật đi với tốc độ bình th ng trên nhiều loại địa hình (bằng phẳng, nhấp nhô, lên dốc, lên/xuống cầu thang, …) Các công việc tính toán, thiết kế, chế tạo đ ợc triển khai chi tiết Các thiết bị liên quan khác không thuộc phạm vi nghiên c u c a đề tài 1.4 Ph ng pháp nghiên cứu - Nghiên c u, phân tích lý thuyết - Xây dựng biên dạng bằng. .. giúp ng i khuyết tật i đi chân giả, đi chân nhẹ nhàng và giảm tổn hao năng l ợng - Có khả năng giảm chấn làm giảm áp lực trực tiếp lên mỏm cụt, khớp gối và khớp hông 1.2 Giảm tiếng ồn phát ra từ chân giả, tăng độ chính xác và giảm độ mài mòn M c đích của đ tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cho người khuyết tật - Cải thiện dáng đi cho ng - Giảm giá thành sản phẩm thông... hình khớp mắt cá chân bằng các chi tiết lắp ráp Trang 26 u điểm: - Vì chế tạo từ ba thanh r i khi bị h hỏng một trong ba thanh thì ta thay thế đ ợc Nh ợc điểm: - Giá thành cao - Tốn nhiều nguyên công trong chế tạo và lắp ráp - Chế tạo ph c tạp - Trọng l ợng nặng - Khó bảo d ỡng 3.2.2 Ph ng án 2 Thiết kế khớp mắt cá chân giả nguyên khối bằng vật liệu đàn hồi nh mô hình (3.2) Hình 3.2: Khớp mắt cá chân. .. ng i khuyết tật i khuyết tật có dáng đi tự nhiên, thoải mái và giảm tổn hao năng l ợng - Có khả năng giảm chấn làm giảm áp lực trực tiếp lên mỏm cụt - Giảm tiếng ồn phát ra từ chân giả, tăng độ chính xác và giảm độ mài mòn 1.3 Nhi m v của đ tài và đối t ng nghiên cứu, gi i h n đ tài 1.3.2 Nhi m v của đ tài - Tính toán, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cho ng i khuyết tật. .. Hình 2.4 cho chi tiết kìm cộng lực Hình 2.4: Kìm cộng lực bằng cơ cấu mềm Cơ cấu mềm có thể phân thành dạng mềm một phần hoặc mềm hoàn toàn Cả hai loại trên đều có cấu tạo bao gồm các khâu c ng (rigid segments) và mềm (flexible segments) xen kẽ nhau Trong khi loại cơ cấu mềm một phần sử dụng sự kết hợp giữa các khớp động học truyền thống (khớp xoay, khớp tr ợt, cơ cấu cam, …) với các khâu mềm để thực... công, dễ chế tạo, không dẫn điện, không bị ôxi hóa, không thấm n ớc, không bị ăn mòn hóa học, phổ biến trên thị tr ng và thân thiện với môi tr ng Trang 28 CH NG 4 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN 4.1 Nguyên lý ho t đ ng của kh p m t cá chân [11], [19] Hình 4.1 là mô hình khối thiết kế khớp mắt cá chân giả, đây là mô hình thiết kế khớp mắt cá chân giả đ ợc mô tả sự hoạt động nh chân thật Các chi tiết chính tạo thành... giả cụt d ới gối Ngoài các chi tiết chính đ ợc mô tả trên, toàn bộ khớp mắt cá đàn hồi còn đ ợc bao bọc trong vỏ bàn chân Vỏ chân giả có nhiệm vụ chính là bảo vệ các thanh đàn hồi bên trong và giúp cố định gót bàn chân, các ngón chân Ngoài ra vỏ bao này còn có Trang 29 ch c năng tăng tính thẩm mỹ cho bàn chân giả Khi chế tạo vỏ chân, tác giả đư cố gắng tạo rỗng bên trong để các đ ng cong có thể tự... phần mềm đa năng MATLAB và ABAQUS để mô phỏng tr ng ng suất, biến dạng và năng l ợng đàn hồi tích trữ trong khớp mắt cá chân giả Trang 7 - Tính toán tối u hóa thiết kế bằng giải thuật di truyền - Kiểm nghiệm, độ c ng, biến dạng từ đó điều chỉnh thiết kế 1.3.3 Đối t ng nghiên cứu của đ tài Khớp mắt cá chân giả làm bằng vật liệu POM (Poly Oxy Methylene) 1.3.4 Gi i h n của đ tài Đề tài tập trung nghiên. .. (b) cơ cấu kìm cộng lực Cơ cấu mềm (compliant mechanism) cũng truyền hay thay đổi chuyển động, lực hay năng l ợng Tuy nhiên không giống cơ cấu c ng, cơ cấu mềm thực hiện ít nhất một hoặc một vài chuyển động c a mình nh sự biến dạng c a các khâu đàn hồi (flexible members) ch không chỉ dựa vào các khớp động Một ví dụ minh họa cho Trang 15 việc chuyển đổi một cơ cấu c ng truyền thống bằng cơ cấu mềm nh . Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cho người khuyết tật là cần thiết, đợc tiến hành với mục đích: Hình 1.4: Bàn chân cacbon Trang 7 - Cải thiện dáng đi cho ngi. cụt, khớp gối và khớp hông. - Giảm tiếng ồn phát ra từ chân giả, tăng độ chính xác và giảm độ mài mòn. 1.2 Mc đích của đ tài. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm. đ tài và đối tng nghiên cứu, gii hn đ tài. 1.3.2 Nhim v của đ tài. - Tính toán, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cho ngi khuyết tật. - Dùng phơng