(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN GVHD: TS CÁI VIỆT ANH DŨNG SVTH: PHAN PHƯƠNG BÌNH MSSV: 11146224 SKL004263 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH ───────────────────── BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN Giảng viên hướng dẫn:TS CÁI VIỆT ANH DŨNG Sinh viên thực hiện: Lớp: Khóa: Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2015 Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS Cái Việt Anh Dũng Sinh viên thực hiện: Phan Phương Bỉnh MSSV: 11146224 1.Tên đề tài: Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân 2.Nội dung đồ án: - Thiết kế mô chuyển động thiết bị đo khớp cổ chân sử dụng phần mềm Solidworks - Chế tạo mẫu thiết bị đo khớp cổ chân - Thiết kế chế tạo cảm biến moment Các sản phẩm dự kiến Tạo sản phẩm mẫu “Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân” Ngày giao đồ án: Ngày nộp đồ án:  TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Được phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i LỜI CAM KẾT - - Tên đề tài: Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân - GVHD: TS Cái Việt Anh Dũng - Họ tên sinh viên: Phan Phương Bình MSSV: 11146224 Lớp: 111463A - Địa sinh viên: 312/43G Tôn Đản, Phường 4, Quận 4, Tp.HCM - Số điện thoai liên lạc: 01222444662 - Email: phanphuongbinhspk@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 13/01/2015 Lời cam kết: “chúng Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 01 năm 2015 Ký tên ii LỜI CẢM ƠN Được cho phép ban lãnh đạo khoa Cơ khí chế tạo máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM, đồng ý Giảng viên hướng dẫn TS.Cái Việt Anh Dũng, định thực đề tài “Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân” thời gian vừa qua Chúng theo đuổi thực đề tài khơng có giúp đỡ hỗ trợ từ người thân, bạn bè thầy Vì vậy, vô biết ơn trân trọng quan tâm Chúng xin gửi lời cảm ơn đến người thân gia đình, bạn bè xung quanh hỗ trợ để có điều kiện tốt hồn thành đồ án Chúng xin chân thành cảm ơn Giảng viên hướng dẫn TS Cái Việt Anh Dũng tận tình, chu đáo hướng dẫn chúng tơi thực đề tài thời gian qua Cuối xin cảm ơn tất thầy cô khoa Cơ khí chế tạo máy, mơn Cơ Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM trang bị cho kiến thức chuyên môn, kỹ làm việc thời gian làm đề tài Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 01 năm 2015 Nhóm sinh viên thực Phan Phương Bình iii TĨM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN Đồ án trình bày thiết kế chế tạo sản phẩm mẫu thiết bị đo khớp cổ chân Thiết bị đo khớp cổ chân thiết kế chế tạo nhằm hỗ trợ cho đo đạc góc độ cổ chân người Dữ liệu đo đạc được sử dụng để xác định vị trí tức thời khớp cổ chân (IHA) Trong thiết kế này, sử dụng cấu song song dạng cầu kết nối nối tiếp với bàn chân người sử dụng, đạt cấu bậc tự Phương pháp đo trình bày kết thí nghiệm lần thực nghiệm Tổng quát, thiết bị đo khớp cổ chân vận hành dựa chương trình quay ổn định cho cổ chân người dùng Hệ thống ứng dụng chuyển động quay động DC encoder có hộp số thơng qua truyền bánh ma sát dẫn động đến cấu thiết bị, điều khiển PID với biên độ tần số Thơng qua cảm biến moment tính tốn, đo khả chịu lực khớp cổ chân người dùng phản hồi lực cho khớp cổ chân Thiết bị đo khớp cổ chân thiết kế dựa yêu cầu đo góc lực cổ chân bệnh nhân sau phẫu thuật Chúng phát triển thiết bị đo khớp cổ chân với kỳ vọng giúp bệnh nhân đo giúp phục hồi chức khớp cổ chân sau phẫu thuật Hệ thống giúp cho người thư giãn sau thời gian làm việc căng thẳng Vì thế, hệ thống cần dễ dàng vận hành, ổn định lập trình để xây dựng chương trình khác, phát triển phù hợp với trường hợp cụ thể Nhóm sinh viên thực Phan Phương Bình iv ABSTRACT Design & manufacture measurement device for ankle joint This thesis presents the design and the manufacture of a first model measurement device for the first time for ankle joint This device measures the angular displacements of the ankle joint in all the three directions The measured data can also be used to identify the instantaneous helical axis (IHA) of the joint In the design, we use a Parallel configured-type structure connected serially to foot below surface to form a degrees of freedom mechanism The algorithm for the determination of IHA is presented and first experimental results on healthy subject will be discussed In general, Measurement device for ankle joints operates base on the programs on providing rough and fine rotations for the user's ankle joint The system applies rotational motions using DC encoder motors had gear reduction box and friction drive mechanism transmitte to mainmechnism, which controlled by PID algorithms with different amplitudes and frequencies With moment sensor, we can measure, calculate the amount of forces that user’s ankle can handle or force feedback for ankle joints Measurement device for ankle joint was designed and made on purpose to measure the angle, force of patient’s ankle joint after the surgery We develop a Measurement device for ankle joint, which is expected to help patient measuring or can restore their ankle joint functions after surgery operations It may also use to help people relaxing, after stressful work time Therefore, the system need to easy to operate, providing stable control and reprogrammable to build different programs, improvement and suitable for each specific case v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM KẾT LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1Tính cấp thiết đề tài 1.2Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4Giới hạn đề tài 1.4.1Đối tượng nghiên cứu 1.4.2Phạm vi nghiên cứu 1.5Phương pháp nghiên cứu 1.6Các ứng dụng thực tế số sản phẩm bật CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1Cấu trúc giải phẫu ống gót 2.1.1Vị trí 2.1.2Cấu tạo 2.2Thiết bị đo khớp cổ chân 2.2.1Bậc tự 2.2.2Mối quan hệ hình học 2.3Phản hồi giá trị moment điều khiển động điện 2.3.1Động 2.3.2 Cảm biến moment 2.3.3Thiết kế điều khiển PID CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG CƠ KHÍ 3.1Phần khí vi 3.1.1 Lựa chọn khí truyền động 16 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 21 4.1 Kết thực nghiệm thiết kế 21 4.1.1 Cảm biến moment 21 4.1.2 Thiết bị đo khớp cổ chân 23 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 25 5.1 Ưu điểm 25 5.2 Nhược điểm 25 5.3 Hướng phát triển 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 PHỤ LỤC 27 Phục lục D 32 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các hạn chế khớp cổ chân Bảng 2.2: Bảng tìm thơng số PID theo phương pháp thứ 12 Bảng 2.3: Bảng thơng số tính tốn số PID 13 viii Phục lục B Mạch cầu H MC33883 Hình B.5.2 Mạch cầu H MC33883 Board cầu H-Bridge dùng IC kích MC33883 hãng FreeScale Đặc tính kỹ thuật: Phần cơng suất dùng POWER MOFETs IRF3205 có thơng số: VDSS = 55V, RDS (on) = 8.0mΩ, ID = 110A Điện áp cấp ngõ vào từ +12V đến +40VDC Sử dụng opto xung 6N137, IC lái MC33883 nên tần số PWM đáp ứng lên đến 100Khz Ngõ vào opto cách ly PWM+, PWM-, DIR+, DIR- Sử dụng IC kích fet chuyên dụng MC33883 Freescale, nên duty PWM đạt 100%, ưu điểm so với IC kích fet khác Có Led báo nguồn, Led báo chiều động PWM 29 Phục lục C Mạch khuếch đại tín hiệu INA128U Hình C.5.3 Mạch khuếch đại INA128U Hình C.5.4 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu INA128U Các mảnh điện trở Strain gauge nối thành mạch cầu Wheatstone Bốn dây tín hiệu mạch khuếch đại S+; S-; E+; E- Trong đó: S+; S-: Dây tín hiệu E+; E-: Dây cấp nguồn 30 Mạch khuếch đại thuật tốn (Opamp - INA128U) khuếch đại tín hiệu S+ S- lên nhiều lần theo tỉ số điều chỉnh nhở biến trở R2 Để calip mức cảm biến, tín hiệu mức mạch REF điều chỉnh biến trở R5 Các khối lại mạch nguồn xung tạo điện áp 10V -2.5V cấp cho mạch khuếch đại mạch cầu Wheatstone 31 Phục lục D Tấm điện trở kim loại - LoadCell BF350 Hình D.5.5 Tấm điện trở kim loại BF350 Thông Số Kỹ Thuật: - - BF350:Là hợp chất Constantan Trở Kháng: Hệ số nhạy cảm: Cấp xác: Căng giới hạn: Kích thước khối: 32 Phục lục E Các thành phần khí Hình E.5.6 Đế đỡ tồn cấu Hình E.5.7 Đế xoay 33 Hình E.5.8 Khâu chữ V Hình E.5.9 Gá trục truyền động số 34 Hình E.5.10 Gá trục truyền động số Hình E.5.11 Gá trục truyền động số 35 Hình E.5.12 Pad chữ L gá động nằm ngang Hình E.5.13 Thanh dài khớp song song dạng cầu 36 Hình E.5.14 Thanh dài nối đế đặt chân Hình E.5.15 Thanh gá cấu ép 37 Hình E.5.16 Cảm biến moment gắn trục truyền động Hình E.5.17 Đế ép lị xo 38 Hình E.5.18 Đầu gắng trục ép Hình E.5.19 Thanh dài nối trục truyền động 39 Hình E.5.20 Thanh ngắn nối trục truyền động Hình E.5.21 Thanh ngắn khớp song song dạng cầu Hình E.5.22 Trục trượt khớp song song dạng cầu 40 Hình E.5.23 Chốt chặn ổ bi Hình E.5.24 Trục ổ bi 41 Hình E.5.25 Trục truyền động Hình E.5.26 Chốt lăn ép pulley 42 ... BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN Đồ án trình bày thiết kế chế tạo sản phẩm mẫu thiết bị đo khớp cổ chân Thiết bị đo khớp cổ chân thiết kế chế tạo nhằm hỗ trợ cho đo đạc góc độ cổ chân người Dữ liệu đo đạc... tạo thiết bị đo khớp cổ chân 2.Nội dung đồ án: - Thiết kế mô chuyển động thiết bị đo khớp cổ chân sử dụng phần mềm Solidworks - Chế tạo mẫu thiết bị đo khớp cổ chân - Thiết kế chế tạo cảm biến... đến cấu thiết bị, điều khiển PID với biên độ tần số Thông qua cảm biến moment tính tốn, đo khả chịu lực khớp cổ chân người dùng phản hồi lực cho khớp cổ chân Thiết bị đo khớp cổ chân thiết kế dựa