nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ khớp gối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN LÊ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN LÊ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN LÊ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: TS CÁI VIỆT ANH DŨNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Văn Lê Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 08/02/1986 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: 247/AT, xã An Phú Trung, huyện Ba Tri, tỉnh Bến Tre Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 58/33 Tân Lập 1, p Hiệp Phú, quận 9, TP.HCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: levan.eng11@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ…/… đến …/ … Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2009 đến 8/ 2011 Nơi học (trường, thành phố): trường ĐHSPKT, TP.HCM Ngành học: Kỹ thuật khí Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Chế tạo thiết bị cho tôm ăn tự động Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 7/2014, khoa khí chế tạo máy, trường ĐHSPKT, TP.HCM Người hướng dẫn: Th.S Phan Minh Thanh III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 10/20115/2013 6/2013-nay Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Cty CP Hoa Nước Thiết kế, giám sát công trình Cty CP Tôn Đông Á Thiết kế, bảo dưỡng dây chuyền sản xuất i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii CẢM TẠ Trong thời gian nghiên cứu thực luận văn này, nhận giúp đỡ nhiệt tình quan, tổ chức cá nhân Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới tất tập thể, cá nhân tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình thực nghiên cứu luận văn Trước hết xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP, Phòng Đào tạo Khoa Cơ khí chế tạo máy nhà trường thầy cô giáo, người trang bị kiến thức cho suốt trình học tập Với lòng biết ơn chân thành sâu sắc nhất, xin trân trọng cảm ơn thầy giáo- Tiến sĩ Cái Việt Anh Dũng, người thầy trực tiếp bảo, hướng dẫn khoa học giúp đỡ suốt trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn tất bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ nhiệt tình đóng góp nhiều ý kiến quý báu để hoàn thành luận văn Do thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn hẳn tránh khỏi sơ suất, thiếu sót, mong nhận đuợc đóng góp thầy cô giáo toàn thể bạn đọc Xin trân trọng cảm ơn! TP.HCM, tháng 10 năm 2014 Nguyễn Văn Lê iii TÓM TẮT Các thiết bị máy móc để thay sức lao động ngày phát triển hoàn thiện Tuy nhiên, nhu cầu nâng cao khả chịu đựng, khả làm việc thể phổ biến.Hỗ trợ cho thể chủ yếu chi, khớp gối làm việc với cường độ cao đa số công việc Việc hỗ trợ cho khớp gối cần giải vấn đề sau: Xác định vị trí khớp sinh học để lắp cấu song song với chi Do cấu tạo khớp sinh học phức tạp nên xác định vị trí cách xác.Nếu khớp sinh học không trùng với khớp cấu sinh lực (momen) cản, thành phần lực tác động lên chi gây đau bước khó khăn mang cấu Do cần phải thêm vào bậc tự thụ động để loại bỏ momen cản Việc tính toán, lắp thử nghiệm bậc tự thụ động cho hợp lý giúp cấu làm việc linh hoạt, hiệu suất làm việc cao chiếm phần quan trọng đề tài nghiên cứu Qua trình nghiên cứu, thử nghiệm nhiều cấu khác đưa cấu với số bậc tự thụ động thích hợp Lắp thiết bị lên thể: Khi thiết bị làm việc, lực (momen) từ cấu truyền lên thể (chi) Khi vị trí lắp với cấu chịu áp lực, áp lực gây đau tổn thương bắp cơ.Để giải vấn đề cần phải có thiết bị ghép nối (cơ cấu với chi) cho hợp lý Thiết bị ghép nối phải đáp ứng yêu cầu sau: o Có diện tích tiếp xúc đủ rộng để giảm áp lực o Có biên đạng phù hợp với chi vị trí ghép nối o Nhẹ o Đủ độ bền o Đủ dẻo để đeo vào thể dễ dàng Tính toán, thiết kế chi tiết thiết bị Lắp thiết bị cảm biến điều khiển cấu: o Điều khiển cảm biến lực: Cảm biến lực lắp khâu thụ động vị trí phù hợp Khi bước sinh thành phần momen lên khâu thụ động, thành phần momen tác động lên cảm biến lực, tín hiệu thu iv điều khiển động gấp/mở cấu góc hợp lý cho momen tương tác cấu với chân không cấu di chuyển theo, momen tương tác khác không cấu hỗ trợ lực cản trở chuyển động o Điều khiển dựa vào pha di chuyển bước Dựa sở thuật toán switch để nhận pha di chuyển, pha pha di chuyển theo pha pha cần hỗ trợ lực v ABSTRACT The labor-saving machinery is being developed and perfected However, the demand to improve the body’s stamina and work capacity is stilluniversal The body is supported mainly by the limbs, in which the knee joints work with most intensity in the majority of tasks To accomplishing the task of supporting the knee joints, we have to solve the following problems: Determining the location of the biological joints to assemble a structure paralleled to the legs Due to their structural complexity, biological joints cannot be correctly positioned The joints’ failing to coincide with the biological structure will generate power (torque) block, causing pain and difficulty in walking while wearing the device Therefore we need to add in passive degrees of freedom to remove the torque The appropriate calculation and experimental installation of passive degrees of freedom to help the structure work flexibly with high performance accounts for an important part in this research The research and testing processes of many different structures have resulted in a structure with appropriate passive degrees of freedom When the device operates, power (torque) is transmitted from device to the body (legs) Then, the body part in contact with the device will be under pressure, the pressure will cause pain and damage muscles To solve this problem, we need to have reasonable coupling devices (device to legs) Coupling devices must meet the following requirements: o Contact area is large enough to reduce the pressure o Profile in accordance with the coupling position o Light o Durable enough o Flexible enough to put on the body easily vi Calculating and designing the components of the device Installing sensors and controlling device: Controling by loadcell: the loadcell isset up on the passive stage in appropriate positions On its operating, the device will produce torque to the passive stage; the main torque component will affect the loadcell, the received signal will control the engine to fold / open the device at such a reasonable angle that the device-feet interaction torque is zero if the device moves in, and other than zero if the device supports with force or hinders movement The control based on the movement phase of the step Based on the switch algorithm to recognize the movement phases, which phase is the phase that moves after and which one needs force support vii Khi có lực (momen) tác động làm cho cảm biến lực bị uốn lúc điện trở strain gause sẻ thay đổi với giá trị tương đương 4.1.1.2 Nguyên lý điều khiển Khi bước đi, cấu sẻ sinh momen cản lên bậc tự thụ động Cảm biến lực đo momen để điều khiển động quay theo hỗ trợ lực Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển (bộ điều khiển momen tương tác) Tín hiệu điều khiển: u = k egauge Trong đó:  K: Hệ số điều chỉnh  U: Tín hiệu điều khiển  Egauge: tín hiệu cảm biến lực (tín hiệu điện trở straingauge trên, e = 510 cho ta giá trị momen không) 4.1.2 Điều khiển dựa vào pha di chuyển bƣớc 4.1.2.1 Nguyên lý điều khiển Các cảm biến tiếp xúc lắp vào gót mũi hai bàn chân Động điều khiển theo tín hiệu cảm biến 58 Pha Trạng thái khớp gối (động cơ) I T duỗi P co II T co P co, giữ III T co P duỗi IV T duỗi P duỗi I' T co P duỗi MP Các điểm GP tiếp xúc MT GT Hình 4.2 Sự tương quan chu kỳ bước trạng thái khớp gối Hình 4.3Nguyên lý điều khiển theo pha bước 4.1.2.2 Thuật toán swich 59 Mục đích thuật toán 4swich để phát pha pha hỗ trợ lực pha pha di chuyển theo Dựa vào momen tương tác cấu với chân mà cảm biến lực nhận để điều khiển momen cho động hỗ trợ hợp lý Hình 4.4Vị trí cảm biến bàn chân Bảng 4.1 Thuật toán swich SW1 SW2 SW3 SW4 Pha trụ 1 Pha đánh gót 1 0 Pha duỗi chân 0 Pha đá chân 1 Pha chuyển bước  Pha di chuyển: Chân phải hỗ trợ lực, chân trái di chuyển theo  Pha đánh gót: Chân phải hỗ trợ lực, chân trái di chuyển theo  Pha đá chân: Chân phải hỗ trợ lực, chân trái di chuyển theo  Pha chuyển bước: Chân phải di chuyển theo, chân trái hỗ trợ lực 4.2 Hệ thống điều khiển 4.2.1 Sơ đồ mạch nguyên lý 4.2.1.1 Mạch điều khiển 60 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 4.2.1.2 Mạch cầu H Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 4.2.1.3 Loadcell 61 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại 4.2.1.4 Mạch nguồn Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 4.2.1.5 Nút nhấn 62 Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch nút nhấn, điều khiển 4.3 Vận hành thử nghiệm cấu 63 Bộ điều khiển, pin nguồn 24v đặt ốp lưng Tấm ốp lưng, vật liệu composite, có biên dạng ôm sát thể Khớp cầu tương ứng với btd xoay Khâu chịu lực, vật liệu composite: nhẹ, bền Các btd thụ động: xoay, tịnh tiến Encoder 1024 xung DC motor Cảm biến lực Loadmax = 50kg Các công tắc thường mở, phát pha bước Hình 4.10 Vận hành thiết bị hỗ trợ lực 64 Hình Biểu đồ momen hỗ trợ bước 65 Hình Biểu đồ góc gấp mở khớp gối Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận: Khi đeo thiết bị, toàn trọng lượng cấu tì xuống bàn chân (tì xuống đất chân chạm đất), thể chịu lượng thiết bị 66 Khi điều khiển momen tương tác không cấu di chuyển theo khớp (chân) Khi điều khiển momen tương tác khác không:  Momen tương tác trái dấu với momen động → cản trở chuyển động Thiết bị sử dụng cho tập thể lực cho khớp gối mà không ảnh hưởng tới khớp khác  Momen tương tác dấu với momen động → hỗ trợ chuyển động Thiết bị sử dụng để hỗ trợ cho người có khớp gối bị yếu, người bình thường mang vào giảm mệt mỏi, tăng khả làm việc Do sử dụng truyền trục vít – bánh vít nên cấu di chuyển có tượng bị giật (có khoảng rơ truyền động đảo chiều) Ngoài momen tác dụng lên cảm biến lực có thành phần momen khác tương tác cấu với chân Sử dụng cảm biến lực sẻ không đo tất thành phần momen tương tác dẫn đến điều khiển động không xác Tín hiệu momen mà cảm biến lực nhận vị trí bước (góc quay khớp gối) không tuyến tính, lực tương tác cấu với chân có trọng lượng cấu tì lên bậc tự thụ động Khi bước đi, góc quay cổ chân làm thay đổi momen tương tác (tín hiệu cảm biến lực nhận thay đổi) Kết cấu bậc tự thụ động chưa hợp lý Còn tồn bậc tự tịnh tiến khớp gối trùng phương với lực (momen) tương tác cấu với chân Do phần momen tương tác cấu với chân bị triệt tiêu 5.2 Kiến nghị Từ khuyết điểm cấu trình thử nghiệm đưa số kiến nghị sau: - Sử dụng truyền ma sát truyền động cáp kết hợp để có tỉ số truyền lớn (1/100), thiết bị gọn nhẹ, khoảng rơ động đảo chiều 67 - Thay cảm biến lực cảm biến momen để thu tín hiệu momen tương tác xác - Tối ưu hóa bậc tự thụ động phương vị trí lắp Sau khắc phục khuyết điểm cải tiến cấu hỗ trợ khớp gối thành thiết bị nâng vật nặng cách lắp thêm động khớp chịu lực khác (khớp cổ chân khớp háng) TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy, Nhà xuất Đại Học Trung Học Chuyên Nghiệp, Hà Nội, 1969 GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot Công Nghiệp, NXB Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội,2004 68 Nguyễn Hoa Thịnh,Vật liệu composite Cơ Học & Công Nghệ NXB Khoa học kỹ thuật, 2002 PGS.TS Nguyễn Văn Yến, Giáo trình Chi tiết máy, Nhà xuất Giao Thông Vận Tải,2005 TIẾNG NƢỚC NGOÀI A.H.A Stienen, E.E.G Hekman, Dampace :Design of an exoskeleton for force coordination training in upper-extremity rehabilitation Journal of Medical Devices Transaction on ASME, 3, 2009 Viet Anh Dung Cai, Self-adjusting, Isostatic Exoskeleton for The Human Knee Joint Annual International Conference of the IEEE EMBS, 2011 V.A.D Cai, Contribution l'étude d'exosquelettes isostatiques pour la rééducation fonctionnelle, application la conception d'orthèses pour le genou PhD Thesis, University Pierre et Marie Curie – Paris 6, France, 2011 TRANG WEB Http://www.ishida.com Load cell Http://gmlab.vn 10 Http://scantechvn.com 11 http://www.footbionics.com/Patients/The+Gait+Cycle.html, the gate cycle 12 http://thietbimaycokhi.com/chi-tiet-san-pham/thanh-truot-t-r-s-v-118.html 13 http://uk.farnell.com/vishay-sfernice/320-371/ball-joint-pair/dp/3666815 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Các ký hiệu, thông số trượt – ray trượt bi 69 Phụ lục 2: Thông số tải trọng trượt – ray trượt bi (9) Phụ lục 3:Thông số tải trọng khớp cầu (3) 70 71