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

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TẠ THỊ HOÀNG THÂN MÔ HÌNH HOÁ LỰC TÁC ĐỘNG TẠI CÁC KHỚP CHÂN NGƢỜI KHI VẬN ĐỘNG CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS HOÀNG VỊ THÁI NGUYÊN - 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Tạ Thị Hoàng Thân Nơi công tác: Trƣờng Trung cấp nghề Lào Cai Tên đề tài: Mô hình hóa lực tác động khớp chân người vận động Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: Tôi xin cam đoan toàn luận văn thân thực hướng dẫn TS Hoàng Vị Các kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố tài liệu Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2012 Ngƣời viết TẠ THỊ HOÀNG THÂN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình TS Hoàng Vị suốt nghiên cứu đến hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Ban giám hiệu trường ĐH kỹ thuật công nghiệp, Thầy giáo giảng dạy lớp cao học K13 – CTM tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn Khoa sau đại học trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp, Ban giám hiệu đồng nghiệp trường Trung cấp nghề Lào Cai giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa……………………………………………………………………… i Lời cam đoan……………………………………………………………………… ii Lời cảm ơn………………………………………………………………………….iii Mục lục…………………………………………………………………………… iv Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt…………………………………… viii Danh mục bảng……………………………………………………………….viii Danh mục hình……………………………………………………………… ix MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… …….1 CHƢƠNG TỔNG QUAN……………………………………………… …… 1.1 Tổng quan kỹ thuật Biomechanics……………………………………… 1.2 Tổng quan hệ xương khớp chi dưới………………………………… 1.2.1 Cấu trúc xương khớp chi dưới………………………………………… 1.2.1.1 Xương chậu……………………………………………………… 1.2.1.2 Xương đùi………………………………………………………… 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 chi dưới………………………………………… 16 1.2.3 Hoạt động đặc trưng lý hệ xương khớp chi dưới……… 17 1.3 Tổng quan vấn đề nghiên cứu xu hướng phát triển hệ xương khớp chi dưới……………………………………………………………… 18 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v 1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ luận văn……………………………………… 20 1.5 Kết luận chương 1……………………………………………………… 20 CHƢƠNG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ XƢƠNG KHỚP CHI DƢỚI…………………………………………………………………… 21 2.1 Xây dựng mô hình hệ bậc tự hệ xương khớp chi dưới………… .21 2.1.1 Các giả thiết………………………………………………………… 21 2.1.2 Mô hình hình học hệ xương khớp chi 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 xây dựng mô hình vật lý 22 2.2.2 Mô hình vật lý hệ xương khớp chi 23 2.3 Mô hình toán động lực học hệ xương khớp chi dưới…………………………24 2.3.1 Xác định vecto tọa độ khối tâm khâu………………………… 24 2.3.2 Xác định ma trận Jacobi tịnh tiến……………………………………… 25 2.3.3 Xác định vecto vận tốc góc toán tử sóng……………………… 25 2.3.4 Xác định ma trận Jacobi quay, đạo hàm chúng, ma trận quán tính khối……………………………………………………………………………26 2.3.5 Xác định lực ngẫu lực khâu……………………………… 26 2.3.7 Phương trình vi phân Newton-Euler hệ…………………………… 29 2.4 Khảo sát mô hình toán phương pháp số……………………………… 34 2.4.1 Xác định thông số đầu vào…………………………………………… 34 2.4.2 Thuật toán khảo sát mô hình toán động lực học hệ bậc tự ……… 38 2.4.3 Kết khảo sát mô hình toán động lực học hệ ……………………… 40 2.5 Mô hình hoá động lực học hệ xương khớp chi phần mềm MatlabSimulink………………………………………………………………………… 46 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi 2.5.1.Giới thiệu Matlab- Simulink…………………………………………… 46 2.5.2 Mô hình hệ xương khớp chi Matlab- Similink………………… 46 2.5.3 Kết khảo sát mmo hình Similink mô tả hệ động lực học……………….50 2.6 Kết luận chương 2…………………………………………………………….53 CHƢƠNG TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÁC KHỚP CHI DƢỚI KHI VẬN ĐỘNG…………………………………………………………………55 3.1 Khảo sát phản lực liên kết khớp chi dưới………………………55 3.1.1 Các giả thiết…………………………………………………………………55 3.1.2 Phản lực khớp B………………………………………………………….55 3.1.3 Phản lực khớp A…………………………………………………………57 3.1.4 Phản lực khớp O…………………………………………………………58 3.1.5 Kết xây dựng mmo hình toán phản lực khớp………………… 60 3.2 Khảo sát mô hình toán phản lực liên kết khớp chi dưới……………………………………………………………………………… 61 3.3 Kết khảo sát mô hình toán phản lực liên kết khớp chi dưới……………………………………………………………………………… 61 3.4 Kết luận chương 3…………………………………………………………… 64 CHƢƠNG MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC……………………………… 66 4.1 Mô hình chi Inventor…………………………………………… 66 4.1.1 Giới thiệu phần mềm Inventor…………………………………… …….66 4.1.2 Các giả thiết xây dựng mô hình chi Inventor……………….66 4.1.3 Mô hình chi Inventor…………………………………… 66 4.2 Mô động lực học chi phần mềm ANSYS………………….71 4.2.1 Mô hình chi ANSYS…………………………………………… 71 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii 4.2.2 Thiết lập điều kiện đầu điều kiện biên cho toán ANSYS…………………………………………………………………………….72 4.2.3 Các kết tính toán động lực học ANSYS………………………… 77 4.3 Kết luận chương 4…………………………………………………………….89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….92 PHỤ LỤC 1: CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC………….94 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu Tên gọi Đơn vị m1 Khối lượng phận đùi kg m2 Khối lượng phận cẳng chân kg m3 Khối lượng phận bàn chân kg 1 Góc quay đùi rad 2 Góc quay cẳng chân rad 3 Góc quay bàn chân rad KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải ĐH Động học ĐLH Động lực học TH Trường hợp Khớp B Khớp cổ chân Khớp A Khớp gối Khớp O Khớp hông Ghi DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN VĂN TT Bảng Bảng 2.1 Bảng 2.2 Tên gọi Trang Các thông số khối lượng, kích thước phận chi Các thông số khối lượng, kích thước phận chi cụ thể Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 36 http://www.lrc-tnu.edu.vn ix Các thông số đầu vào trường họp khảo Bảng 2.3 Bảng 4.1 Bảng thông số chi tiết Ansys 73 Bảng 4.2 Bảng thông số điều kiện biên chi tiết 75 Bảng 4.3 Bảng tải trọng thiết lập theo bước 76 sát cụ thể 37 DANH MỤC CÁC HÌNH DÙNG TRONG LUẬN VĂN Tên gọi TT Hình Trang Hình 1.1 Mô hình ngiên cứu Leonardo da vinci Hình 1.2 Cấu trúc chung hệ xương khớp chi Hình 1.3 Khung chậu Hình 1.4 Xương đùi Hình 1.5 Xương chày 11 Hình 1.6 Các xương cổ chân 12 Hình 1.7 Khớp hông 13 Hình 1.8 Khớp cổ chân (nhìn từ trong) 15 Hình 1.9 Mô hình chi BRG.LifeMOD 19 10 Hình 2.1 Mô hình hình học hệ xương khớp chi 22 11 Hình 2.2 Mô hình vật lý hệ xuơng khớp chi 23 12 Hình 2.3 13 Hình 2.4 14 Hình 2.5 Mô hình tính toán véc tơ lực mô men ngẫu lực khâu Mô hình tính toán véc tơ lực mô men ngẫu lực khâu Mô hình tính toán véc tơ lực mô men ngẫu lực Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 27 27 28 x khâu 15 16 Hình 2.6 Sơ đồ kích thước phận thể người [10] Sơ đồ thuật toán giải hệ phương trình vi phân động Hình 2.7 35 39 lực học 17 Hình 2.8 Đồ thị chuyển vị khâu theo thời gian ( TH1) 40 18 Hình 2.9 Đồ thị vận tốc khâu theo thời gian ( TH1) 40 19 Hình 2.10 Đồ thị gia tốc khâu theo thời gian ( TH1) 40 20 Hình 2.11 Đồ thị chuyển vị khâu theo thời gian ( TH1) 40 21 Hình 2.12 Đồ thị vận tốc khâu theo thời gian ( TH1) 41 22 Hình 2.12 Đồ thị gia tốc khâu theo thời gian ( TH1) 41 23 Hình 2.14 Đồ thị chuyển vị khâu theo thời gian ( TH1) 41 24 Hình 2.15 Đồ thị vận tốc khâu theo thời gian ( TH1) 41 25 Hình 2.16 Đồ thị gia tốc khâu theo thời gian ( TH1) 41 26 Hình 2.17 Đồ thị chuyển vị khâu theo thời gian ( TH2) 42 27 Hình 2.18 Đồ thị vận tốc khâu theo thời gian ( TH2) 42 28 Hình 2.19 Đồ thị gia tốc khâu theo thời gian ( TH2) 42 29 Hình 2.20 Đồ thị chuyển vị khâu theo thời gian ( TH2) 42 30 Hình 2.21 Đồ thị vận tốc khâu theo thời gian ( TH2) 43 31 Hình 2.22 Đồ thị gia tốc khâu theo thời gian ( TH2) 43 32 Hình 2.23 Đồ thị chuyển vị khâu theo thời gian ( TH2) 43 33 Hình 2.24 Đồ thị vận tốc khâu theo thời gian ( TH2) 43 34 Hình 2.25 Đồ thị gia tốc khâu theo thời gian ( TH2) 43 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... Hình 2.2 Mô hình vật lý hệ xuơng khớp chi 23 12 Hình 2.3 13 Hình 2.4 14 Hình 2.5 Mô hình tính toán véc tơ lực mô men ngẫu lực khâu Mô hình tính toán véc tơ lực mô men ngẫu lực khâu Mô hình tính... chày 11 Hình 1.6 Các xương cổ chân 12 Hình 1.7 Khớp hông 13 Hình 1.8 Khớp cổ chân (nhìn từ trong) 15 Hình 1.9 Mô hình chi BRG.LifeMOD 19 10 Hình 2.1 Mô hình hình học hệ xương khớp chi 22 11 Hình. ..ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Tạ Thị Hoàng Thân Nơi công tác: Trƣờng Trung cấp nghề Lào Cai Tên đề tài: Mô hình hóa lực tác động khớp chân người vận động Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: Tôi