Thiết bị bộ xương ngoài phục hổi chức năng cho khớp gối với 6 bậc tự do

Nghiên cứu này trình bày thiết kế chi tiết của thiết bị phục hồi chức năng chủ động cho khớp gối. Thiết bị có gắn động cơ, cảm biến mô-men và các cảm biến đo chuyển động cho phép hoạt động trong cả 2 chế độ: Thụ động và chủ động. Ở chế độ thụ động, thiết bị vận hành theo một quỹ đạo được thiết lập sẵn, đồng thời cung cấp số liệu đo chuyển động khớp và mô-men tương tác với khớp gối.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh THIẾT BỊ BỘ XƯƠNG NGỒI PHỤC HỔI CHỨC NĂNG CHO KHỚP GỐI VỚI BẬC TỰ DO DESIGN OF A D.O.F ACTIVE EXOSKELETON FOR THE FUNCTIONAL REHABILITATION OF HUMAN KNEE JOINT Huỳnh Long Triết Giang 1,* , Cái Việt Anh Dũng 2,*, Hồ Quang Hưng3, Nguyễn Việt Thắng2, Nguyễn Minh Tâm4 Trường đại học Công Nghệ Sài Gòn, Việt Nam Trường đại học Quốc Tế Miền Đơng, Bình Dương, Việt Nam Bệnh viện Chợ Rẫy, TP.HCM, Việt Nam Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 20/4/2020, ngày phản biện đánh giá 27/4/2020, ngày chấp nhận đăng 15/5/2020 TĨM TẮT Nghiên cứu trình bày thiết kế chi tiết thiết bị phục hồi chức chủ động cho khớp gối Thiết bị có gắn động cơ, cảm biến mô-men cảm biến đo chuyển động cho phép hoạt động chế độ: thụ động chủ động Ở chế độ thụ động, thiết bị vận hành theo quỹ đạo thiết lập sẵn, đồng thời cung cấp số liệu đo chuyển động khớp mô-men tương tác với khớp gối Ở chế độ chủ động, mô-men tương tác điều khiển, cho phép thiết bị cung cấp lực cản trở, hỗ trợ thời điểm cần thiết trình chuyển động khớp Thiết kế sử dụng chuyển động khớp xoay khớp tịnh tiến tạo thành bậc tự chuyển động không gian, giúp thiết bị không tạo hạn chế học cho người sử dụng vận hành Từ khóa: Phục hồi chức khớp gối; Thiết bị xương cho chi dưới; Cơ cấu đẳng tĩnh cho khớp sinh học; Động học khớp gối; Điều khiển mô-men tương tác ABSTRACT This paper describes the design of a knee joint active exoskeleton The device has one motorized degree of freedom to create motions at the knee level of the user It is also equipped with a torque sensor and a set of optical encoders (position sensors) which allow the system to operate both in passive and active modes In passive mode, the device provides motions according to a preprogrammed trajectory, meanwhile providing measuring data of the knee kinematics as well as of the interaction torque that is transmitted from the device to the knee In active mode, the interaction torque is controlled in closed-loop, allowing the system to provide resistive or assistive torques to the knee during its motions The design comprises the use of prismatic and rotative mechanical joints that together form degrees of freedom serial kinematic chain, eliminating then all residual force/torque components which may constraint the natural motion of the user’s knee Keywords: Knee functional rehabilitation; Lower limb exoskeleton; Isotatic mechanisms for anatomical joints; Knee joint kinematics; Interaction torque control GIỚI THIỆU Trong trình phục hồi chức khớp gối, kỹ thuật viên cần xác định xác thay đổi khả vận động khớp nhằm đánh giá kết điều trị Việc đánh giá từ lâu thực chủ yếu phương pháp thủ công Nhược điểm lớn phương pháp độ tin cậy thấp phụ thuộc vào cảm giác phán đoán kỹ thuật viên chuyên gia, mà cảm giác thay đổi theo người 2 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Việc thu thập liệu xác chuyển động sinh học khớp có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao chuẩn hóa chẩn đoán điều trị Trong lĩnh vực sinh học, nhiều nhóm nghiên cứu tiến hành thực nghiệm vấn đề Năm 2000, Wilson cộng thực nghiên cứu mức vận động khớp gối cách cố định xương chày bề mặt làm việc, sau gấp mở xương đùi để tạo chuyển động Bằng phương pháp thủ công này, nhóm nghiên cứu quan sát ghi nhận chuyển động khớp [1] Năm 2004, Li cộng dùng trực tiếp xương chày xương đùi để đo chuyển động góc hai xương tìm hiểu mối liên quan việc chịu tải bó [2] Năm 2016, Ricardo nhóm nghiên cứu thí nghiệm trực tiếp xương chày xương đùi, sử dụng công nghệ xử lý ảnh để mơ hình ảnh dạng 3D đồng thời cung cấp liệu trục quay tức thời khớp gối [3] Các phương pháp phục hồi chức hệ xương khớp phổ biến tiến hành theo cách: sử dụng tập thủ cơng có tiếp xúc trực tiếp người kỹ thuật viên, sử dụng thiết bị máy móc hỗ trợ Năm 2008, Thompson cải tiến máy tập thụ động (CPM - continuous passive motion), thiết bị sử dụng động hỗ trợ cho hoạt động gấp mở khớp gối Tuy nhiên, máy tập thụ động có bậc tự gấp mở khiến cho cẳng chân phần đùi khơng thoải mái, đồng thời thiết bị khơng có chức bảo vệ có cố khơng có chức tập lực chủ động [4] Năm 2011, Cai đồng xây dựng thiết bị xương cho khớp gối với bậc tự do, gồm chuyển động xoay chuyển động tịnh tiến Thiết bị sử dụng truyền động ma sát trượt cho phép bảo vệ khớp sinh học cách điều chỉnh ngưỡng trượt bánh ma sát Việc thêm vào bậc tự thụ động cấu giúp loại bỏ thành phần lực & mô-men ràng buộc, sinh từ lệch trục trục động trục sinh học, cho phép người sử dụng có cảm giác di chuyển cách linh hoạt, tự nhiên [5] Có nhiều nghiên cứu thiết bị hỗ trợ phục hồi khớp gối Hầu hết tập trung vào bậc tự chuyển động khớp gối (gấp/mở) bỏ qua bậc tự khác, cung cấp liệu đo đầy đủ chuyển động sinh học khớp 3D, điều giúp q trình chẩn đốn trở nên xác Trong báo này, chúng tơi mơ tả thiết kế thiết bị phục hồi chức chủ động cho khớp gối với bậc tự chủ động (gấp/mở) Cũng giống thiết bị giới thiệu [5], phiên có tổng cộng bậc tự do, với thiết kế tối ưu Thiết kế gồm bậc tự quay bậc tự trượt, cho phép phân biệt bậc tự quay trượt khớp sinh học, đồng thời tối ưu hóa số điều hịa cấu [6] Ngoài ra, phạm vi vận động khớp gối xác định nhờ vào cảm biến đo chuyển động (encoder) đặt khớp thiết bị Tại khớp (gấp/mở), cảm biến mô-men lắp đặt cho phép đo lực vận động chân, đồng thời cho phép xác định giới hạn lực khớp gối người sử dụng THIẾT KẾ CƠ KHÍ Thiết bị thiết kế với sáu bậc tự không gian, bao gồm chuyển động xoay chuyển động tịnh tiến, phù hợp với độ linh hoạt khớp sinh học không gian, vật rắn gọi tự bậc tự chuyển động không bị hạn chế Hình Thiết kế 3D thiết bị Thiết kế 3D thiết bị mô tả Hình Thiết bị kết nối với đùi cẳng chân miếng ốp composite Thiết kế cho phép đùi chuyển động linh hoạt Cảm biến mơ-men để đo lực sáu cảm biến đo góc (encoder) đặt khớp học Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh để đo chuyển động vị trí (Hình 2) Dữ liệu từ encoder cảm biến mô-men truyền máy tính để xử lý tính tốn Hình Cách bố trí cảm biến thiết bị Cảm biến đo góc (encoder) bố trí vị trí thiết bị loại encoder 1024 xung, encoder dùng để đo chuyển động xoay, encoder dùng đo chuyển động tịnh tiến Thiết bị sử dụng cấu truyền động đai để biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động xoay Sử dụng encoder, ta dễ dàng đọc giá trị góc quay, từ suy vị trí chuyển động khớp tịnh tiến hình 3 giúp ích cho việc chẩn đoán vẽ phác đồ hồi phục khớp gối người sử dụng MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC Sơ đồ động học thiết bị đo khớp gối bao gồm khớp xoay khớp tịnh tiến tạo thành thiết bị đo bậc tự không gian Với việc sử dụng khớp tịnh tiến có trục vng góc với đơi sử dụng khớp các-đăn với trục quay vng góc giao cho góc quay [7], độ cứng vững thiết bị đảm bảo q trình tính tốn tốn động học trở nên đơn giản Thiết bị đồng thời cho phép hiệu chỉnh kích thước theo độ dài chi nhiều người sử dụng khác Hình Hệ trục tọa độ thiết bị Hình Cách gắn encoder khớp trượt nhằm đo chuyển động tịnh tiến khớp Bằng cách sử dụng puli đầu khớp tịnh tiến, encoder gắn cố định vào pulley hình dây đai kết nối vào trượt Khi khớp chuyển động tịnh tiến đoạn puli xoay số lượng xung tương ứng Cảm biến mô-men lắp thiết bị khớp khớp xoay Thiết bị cho phép phát giới hạn vị trí góc quay khớp gối, giúp người sử dụng chủ động tìm giới hạn khớp gối cách chủ động Đồng thời việc sử dụng giá trị encoder với cảm biến mơ-men Hình thể sơ đồ động học xây dựng cho thiết bị, theo nguyên tắc đặt thông số Denavit-Hartenberg biến đổi (Modified D.H Notation) [8] Các thông số D.H thiết bị liệt kê bảng bên Bảng Bảng thông số D.H biến đối αi di θi Joint 0 θ1 Joint π/2 r2 -π/2 Joint -π/2 θ3 Joint π/2 θ4 Joint -π/2 r5 -π/2 Joint -π/2 r6 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Phương trình (1) biểu diễn ma trận chuyển đổi D-H (Modified Denavit-Hartenberg), thể mối tương quan khớp thứ i-1 i Ti-1,i  Ci  C S  i i  S i Si    Si C i Ci S i Ci 0  S i C i   di S i  di C i    (1) Các ma trận biến đổi đồng hệ trục tọa độ liền kề cấu viết theo công thức (1) Ở đây, ma trận Jacobi nhóm tác giả chọn viết điểm P hệ trục tọa độ R3(x3, y3, z3) Các ma trận biến đổi đồng (R3) (R0) (R3) (R6) viết sau:   S1S3  S1C3 C1 r2 S1    C S C1C3 S1 r2C1  T03   ;  C3 S3 0    0    S C  1 0 T36    C S  0 0 r6C  r5 S   ; r6 S  r5C    Các tóoc-xơ vận tốc viết điểm P cho khớp cấu xác định sau: z  $1/ R     PO1  z  / R3  C3     S3  0   ;   r6 S3C  r5 S3C  r2 S3C3   r C C  r C C  r C 2     r S C  r S S  r S 2    / R3 0  $ 2/ R     z  / R3 (2) 0    0  0    ;  S     C      / R3  z3  $ 3/ R     PO  z  / R3 0    0  1    ; 0   r6C  r5 S    0  / R3 z  $ 4/ R     PO  z  / R3 0     1  0    ;   r6C  r5C  0     r6C  r5 S  / R3 d 06  R T06   06   T03 T36   Ngoài phương pháp đạo hàm phần phương trình động học thuận, ma trận Jacobi cịn thiết lập cách gộp tóoc-xơ vận tốc tất khớp cấu (với điều kiện cấu nối tiếp – khơng có vịng kín động học) Quy tắc viết thể phương trình (3) (4) đây: z  $i / R   i  với khớp quay j  PO i  z i  / Rj (3) 0  $i / R    j  z i  / Rj (4) với khớp trượt 0  $5/ R     z  / R3 0    0  0    ;   S  0     C  / R3 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 0  $6/ R     z  / R3 Các góc quay khớp gối (gấp/mở, xoay trong/xoay ngồi, vẹo trong/vẹo ngồi) xác định góc ψ, θ, φ, định nghĩa theo Grood and Suntay (1983) [9] Các ma trận quay góc quay định nghĩa sau: 0    0  0     C  0    S    / R3 Theo quy tắc truyền động, chuyển động điểm P cấu tổng chuyển động tạo khớp riêng biệt Do đó, ma trận Jacobi hệ thống, viết điểm P, hệ trục tọa độ (R3), xác định cách gộp vec-tơ lại với nhau, tạo thành ma trận 6x6 sau: $2 $3 $4 $5 $6 / R  1     C  S  ;  S C     C S    R    ;   S C    (8) R G  R R R  (5) Ma trận 3x6 J ω hợp dòng ma trận Jacobi gọi ma trận Jacobi vận tốc góc Ma trận 3x6 J v (P) hợp dòng cuối ma trận Jacobi gọi ma trận Jacobi vận tốc thẳng Vec-tơ vận tốc góc vận tốc thẳng điểm P xác định phương trình động học vận tốc thuận: ω     J(P)/ R3 q  v P / R3  1C3      1S3    ; ω / R  R 03 ω / R    3 / R3  C C  S S S   S C  C S S  C S   S C C C S C S  S S C   S S  C S C   C C  (9) Bằng cách so sánh ma trận quay R0f cấu với RG, ta xác định góc θ, φ ψ này: R 0f  R 06 R 6f  RG (10) Ở đây, ma trận R6f cho phép chuyển hệ quy chiếu từ (R6) sang hệ quy chiếu Grood and Suntay [9], có giá trị sau: (6) Trong nội dung báo này, nhóm tác giả đo chuyển động quay khớp gối Dữ liệu vec-tơ vận tốc góc ω hệ thống sử dụng cho mục đích Từ phương trình (5) (6), cơng thức tính giá trị vec-tơ xác định cụ thể sau: ω/ R3  C  S    R   S C  ; R  0   Ma trận quay RG tạo góc quay θ, φ ψ xác định sau:  Jω  J(P)/ R     J v (P)  / R   $1  1    R 6f   1 0   0 1    Các góc quay Euler xác định trực tiếp từ phương trình (9), (10) (11) sau:   arctan 2( R0 f (1, 2), R0 f (2, 2));   arctan 2( R0 f (3,1),  R0 f (3,3)); (7) (11) S  R0 f (3, 2); C    S 2    arctan 2( S , C  ); (12) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình Bộ điều khiển mơ-men tương tác Giá trị đặt điều khiển mô-men tương tác xác định dựa theo công thức sau: M  Mi  M g (14) Với Mi mô-men tương tác mong muốn điều khiển, Mg mô-men sinh khối lượng khâu cấu tác động lên trục quay thứ Kết thực nghiệm thí nghiệm thứ 1, thứ thứ trình bày hình 7a, 7b, 7c; 8a, 8b, 8c 9a, 9b, 9c Hình Thiết bị chế tạo thực tế Hình mô tả thiết bị chế tạo Thiết bị gắn chặt lên thành ghế Trước sử dụng, thiết bị cố định vị trí cho trước để đảm bảo thơng số khớp xác vị trí ban đầu Lúc ta có: 1  90     r2  l20 ; r5  l50  r  l  60 3  (13) Để thử nghiệm hệ thống, nhóm tác giả thực thí nghiệm: - TN1: Điều khiển hệ thống di chuyển theo ý muốn người sử dụng - TN2: Điều khiển cản trở theo chiều mở khớp gối - TN3: Điều khiển cản trở theo chiều gấp khớp gối Để thực thí nghiệm này, nhóm cài đặt điều khiển vịng kín mơ-men tương tác cho thiết bị thơng qua cảm biến mô-men gắn đầu trục quay thứ cấu (xem hình 6) Đây trục quay điều khiển trực tiếp động DC Hình 7a TN1: Các thành phần vec-tơ vận tốc góc đo hệ quy chiếu R0 (1): wx0, (2): wy0, (3): wz0 Hình 7b TN1: Các góc quay sinh học khớp gối (1): Gấp – Mở, (2): Vẹo – Vẹo ngoài, (3): Xoay – Xoay Ngồi Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình 7c TN1: Dữ liệu đo mô-men tương tác đo cảm biến mô-men Hình 8c TN2: Dữ liệu đo mơ-men tương tác đo cảm biến mơ-men Hình 8a TN2: Các thành phần vec-tơ vận tốc góc đo hệ quy chiếu R0 (1): wx0, (2): wy0, (3): wz0 Hình 9a TN3: Các thành phần vec-tơ vận tốc góc đo hệ quy chiếu R0 (1): wx0, (2): wy0, (3): wz0 Hình 8b TN2: Các góc quay sinh học khớp gối (1): Gấp – Mở, (2): Vẹo – Vẹo ngoài, (3): Xoay – Xoay Ngồi Hình 9b TN3: Các góc quay sinh học khớp gối (1): Gấp – Mở, (2): Vẹo – Vẹo ngoài, (3): Xoay – Xoay Ngồi Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh người sử dụng Quan sát giá trị cảm biến mơ-men hình 7c, ta thấy mô-men tương tác tăng vọt lên tới 1N.m người sử dụng đảo chiều chuyển động Đây mô-men sinh lực quán tính cấu đảo chiều chuyển động Để triệt tiêu mô-men này, khiến hệ thống trở nên “trong suốt” hơn, thiết cần phải cài đặt dự đoán chuyển động người sử dụng Hình 9c TN3: Dữ liệu đo mơ-men tương tác đo cảm biến mơ-men Hình 7a, 8a, 9a thể thành phần vec-tơ vận tốc khớp hệ quy chiếu (R0) Hướng vec-tơ hướng quay trục quay sinh học khớp gối Ngồi ra, quan sát thêm góc quay khớp gối hình 7b, 8b, 9b, ta thấy rõ minh chứng chuyển động khớp gối chuyển động khơng gian với đủ thành phần Ngồi chuyển động gấp mở chuyển động với biên độ lớn nhất, chuyển động lại (vẹo trong/ vẹo ngồi, xoay trong/xoay ngồi) có biên độ đáng kể, chuyển động xoay trong/ xoay ngoài, với biên độ lên tới 30º khớp gối gấp mở Ở thí nghiệm thứ Giá trị đặt điều khiển mô-men tương tác đặt mức Khi người sử dụng gấp mở khớp gối sinh mô-men tương tác, điều khiển tạo chuyển động chiều để đưa mô-men mức Do đó, thiết bị di chuyển theo chuyển động cẳng chân Hình 8c 9c cho thấy rõ tác động điều khiển mô-men tương tác nhằm cản trở/hỗ trợ chuyển động người sử dụng Mô-men tương tác vọt lên giá trị tối đa thiết bị lập trình cản trở chuyển động gần với thiết bị không lập trình cản trở chuyển động KẾT LUẬN Bài báo trình bày thiết kế chi tiết thiết bị xương ứng dụng việc hỗ trợ thực tập phục hồi chức cho khớp gối Thiết bị gồm cấu bậc tự do, với khớp trượt khớp xoay Ở khớp có gắn cảm biến đo vị trí khớp Động gắn khớp quay thứ cấu, cho phép điều khiển gấp mở khớp gối người sử dụng Cảm biến mô-men lắp khớp quay đầu tiên, nhằm đo điều khiển mơ-men tương tác Các thí nghiệm ban đầu thực cho kết hợp lý, trùng khớp với dự đốn nhóm nghiên cứu Trong tương lai gần, kỹ thuật nhanh chóng nghiên cứu để phát triển thành sản phẩm thương mại, áp dụng hỗ trợ cho tập phục hồi chức hệ xương khớp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] Wilson, D R., Feikes, J D., Zavatsky, A B., & O'Connor, J J., 2000 The components of passive knee movement are coupled to flexion angle Journal of Biomechanics 33, 465-473 Li, G., Zayontz, S., DeFrate, L E., Most, E., Suggs, J F., & Rubash, H E., 2004 Kinematics of the knee at high flexion angles: an in vitro investigation Journal of Orthopaedic Research 22, 90-95 Ricardo Manuel Millan - Vaquero - Enhanced Visualization of the Knee Joint Functional Articulation Based on Helical Axis – 2016 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh [4] [5] [6] [7] [8] [9] Thompson, Julie Design, Construction, and Validation of a Cadaver Knee Motion Testing Device Hicks JH The mechanics of the foot I The joints J Anat 1953; 87:345-357 Viet Anh Dung Cai, Philippe Bidaud, Vincent Hayward, Florian Gosselin, Eric Desailly Self-adjusting, isostatic exoskeleton for the human knee joint 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, pp 612-618 Cai, V A D and Bidaud, P Self-adjusting isostatic exoskeleton for the elbow joint: Mechanical design Advances on Theory and Practice of Robots and Manipulators, Springer, 2014 Sopanen, Jussi Studies on Torsion Vibration of a Double Cardan Joint Driveline 1996 Retrieved 2008-01-22 Craig, J.J Introduction to Robotics ‐Mechanics and Control 3rd ed Upper Saddle River: Pearson Prentice Hall, 2005 Grood, E S and Suntay, W J A Joint Coordinate System for the Clinical Description of Three Dimensional Motions: Application to the Knee Journal of Biomechanical Engineering, 1983 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Huỳnh Long Triết Giang Khoa Cơ Khí – Đại Học Cơng Nghệ Sài Gịn Email: huynhlong.cdt@gmail.com Cái Việt Anh Dũng Khoa Kỹ Thuật – Đại Học Quốc Tế Miền Đông Email: dung.cai@eiu.edu.vn ... tập phục hồi chức cho khớp gối Thiết bị gồm cấu bậc tự do, với khớp trượt khớp xoay Ở khớp có gắn cảm biến đo vị trí khớp Động gắn khớp quay thứ cấu, cho phép điều khiển gấp mở khớp gối người sử... bậc tự do, với thiết kế tối ưu Thiết kế gồm bậc tự quay bậc tự trượt, cho phép phân biệt bậc tự quay trượt khớp sinh học, đồng thời tối ưu hóa số điều hịa cấu [6] Ngoài ra, phạm vi vận động khớp. .. khơng có chức tập lực chủ động [4] Năm 2011, Cai đồng xây dựng thiết bị xương cho khớp gối với bậc tự do, gồm chuyển động xoay chuyển động tịnh tiến Thiết bị sử dụng truyền động ma sát trượt cho phép