Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ khớp gối luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật cơ khí

Hỗ trợ lực có hai loại:  Chịu tải thay cho khớp giúp cơ thể nâng vật nặng  Truyền momen lực cho khớp làm tăng khả năng chịu tải của khớp B ng 1.1 Phân biệt giữa hỗ trợ lực và nâng vật

M ỤC LỤC

TRANG Trang tựa

Quyết định giao đề tài

Ch ng 2 C SỞ LÝ THUYẾT

Ch ng 3.CÁC V N ĐỀ CẦN PHÁT TRIỂN VÀ KẾT QU CHẾ T O

3.6 Thiết kế chi tiết 48

Hình 3.5.Kết quả thử nghiệm cảm biến momen trên cơ cấu 26

Hình 3.9.Chi tiết ghép nối được tạo hình bằng compsite 32

Hình 3.11.Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 1 khớp 34

Hình 3.12.Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 2 khớp 35

Hình 3.13.Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 3 khớp 36

Hình 3.20.Các bậc tự do thụ động được bố trí trên hệ trục tọa độ Decac 40

Hình 3.21.Momen cản sinh ra trên các bậc tự do thụ động 41

Hình 3.24.Mô hình hóa các btd thụ động ở khớp cổ chân 45

Hình 3.32.Các thông số của thanh trượt – ray trượt bi 52

Hình 3.33 Hướng chịu tải của thanh trượt – ray trượt bi 53

Hình 4.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển (bộ điều khiển momen tương tác) 58

Hình 4.2.Sự tương quan giữa chu kỳ bước đi và trạng thái của khớp gối 59

Hình 4.3.Nguyên lý điều khiển theo các pha của bước đi 60

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 3.1:Mối liên hệ giữa trạng thái khớp gối với các điểm tiếp xúc trên bàn chân 24

B ng 3.2:Các ký hiệu, thông số của thanh trượt – ray trượt bi 24

B ng 3.3: Thông số tải trọng của thanh trượt – ray trượt bi 24

Ch ng 1

1.1 T ng quan v các thi t b b x ng ngoƠi hỗ tr lực

1.1.1 Hỗ tr lực cho kh p gối

Vì sao ph i h ỗ tr lực cho kh p gối?

Khi cơ thể mang vác vật nặng và di chuyển, trọng lượng của vật phân phối lên khắp cơ

thể, trong đó chân vừa phải chịu trọng lượng của vật và trọng lượng cơ thể đồng thời đảm nhiệm chức năng di chuyển.Hệ vận động của chân làm việc với cường độ nhiều

H ỗ tr lực là gì?

Hỗ trợ lực là cung cấp lực ( momen) cho các khớp giúp tăng khả năng chịu tải

hoặc tăng tốc độ di chuyển của các khớp đó Hỗ trợ lực có hai loại:

 Chịu tải thay cho khớp giúp cơ thể nâng vật nặng

 Truyền momen (lực) cho khớp làm tăng khả năng chịu tải của khớp

B ng 1.1 Phân biệt giữa hỗ trợ lực và nâng vật nặng

Khái niệm Cung cấp momen (lực) cho các

khớp để hỗ trợ hoặc cản trở chuyển động của khớp

Tải trọng của vật nặng được đặt lên thiết bị cơ khí

Tính chất Truyền momen ( lực) lên các khớp

sinh học Truylên các khền momen ( lực) ớp của cơ

cấu cơ khí

ng dụng Phục hồi chức năng, thiết bị tập

luyện nâng cao sức bền cho cơ Các thiết bị hỗ trợ mang vật nặng, bộ

xuơng ngoài trợ lực

1.1.2 Các ng d ng, phân lo i hỗ tr lực

ng dụng hỗ trợ lực: Giúp người sử dụng mang vác vật nặng

Hình 1.2 Các các công việc phải mang vác nặng

ng dụng hỗ trợ khớp trong phục hồi chức năng hệ cơ khớp cho các bệnh nhân:

o Có vấn đề vệ hệ cơ khớp, cứng khớp, co cơ, khiến người bệnh không thể thực

hiện các động tác bình thường trong đời sống hằng ngày

o Cần tăng cường vận động cho các bệnh nhân cần phục hồi hậu phẫu thuật (về

hệ cơ khớp)  Bài tập hỗ trợ lực (thiết bị cung cấp mô-men, lực cho khớp), hoặc bài tập tăng cường sức mạnh cho hệ cơ (thiết bị cung cấp mô-men, lực

nhằm cản trở chuyển động của khớp)

o Người lớn tuổi, khớp chân bị yếu, viêm khớp…

Hình 1.3 Các trường hợp gặp vần đề khớp gối

1.1.3 Gi i thi u kh p g ối - Biên đ và t m v n đ ng cho kh p gối

Hình 1.4Đầu gối phải trong tư thế gấp Khớp gối được tạo thành bởi 3 xương: xương đùi, xương chày và xương bánh chè Giữa mặt khớp lồi cầu đùi - mâm chày có cấu trúc sụn gọi là sụn chêm.Sụn chêm nằm chêm giữa mặt sụn khớp lồi cầu đùi và mâm chày có tác dụng giảm xóc khi sụn khớp lồi cầu đùi và mâm chày tiếp xúc khi vận động và giữ cho khớp gối được vững vàng.Hệ thống dây chằng bên trong, bên ngoài và hai dây chằng chéo trước và chéo sau nhằm giữ cho khớp gối vững chắc.Dây chằng chéo trước có tác dụng chính là giữ không cho mâm chày trượt ra trước và dây chằng chéo sau giữ cho mâm chày không bị trượt ra sau.Dây chằng bên ngoài giúp gối không bị vẹo trong, dây chằng bên trong giúp cho gối không bị vẹo ra ngoài.Toàn bộ khớp gối được bao bọc bởi một lớp màng hoạt dịch có tác dụng tiết ra dịch khớp để bôi trơn trong quá trình vận động

Gi i ph u kh p gối: khớp gối là một khớp phức tạp gồm hai khớp, khớp giữa

xương đùi với xương chày và khớp giữa xương đùi với xương bánh chè

Diện khớp: Đầu dưới xương đùi có ba diện: lồi cầu trong, lồi cầu ngoài và diện bánh chè hay ròng rọc.Đầu trên xương chày: là hai diện khớp trên để tiếp xúc với hai lồi cầu xương đùi

Mặt sau xương bánh chè: tiếp khớp ở sườn ngoài và sườn trong ròng rọc xương đùi.Sụn chêm: có hai sụn chêm đệm ở giữa hai đầu xương đùi và xương chày là sụn chêm trong hình chữ C và sụn chêm ngoài hình chữ O; hai sụn này là mô sụn sợi nằm trên hai diện khớp trên của xương chày để giảm bớt sự không tương xứng của các diện khớp và làm giảm nhẹ các va chạm khi vận động; hai sụn chêm nối với nhau bởi dây chằng ngang gối, hai đầu mỗi sụn lại bám vào các củ gian lồi cầu xương chày; bờ ngoài sụn dày, phía trung tâm mỏng và giới hạn bởi một bờ vòng sắc; sụn chêm có ý nghĩa lớn trong các động tác của khớp: nó di chuyển ra sau khi gấp cẳng chân và di chuyển ra trước khi duỗi cẳng chân

Biên đ và t m v n đ ng c a kh p gối:

- Gối có hai chế độ hoạt động: gấp - duỗi và xoay nhưng động tác xoay chỉ là phụ

và chỉ thực hiện được khi gối gấp

- Độ gấp-duỗi là cử động chính của khớp gối Biên độ cử động gấp-duỗi của gối: Duỗi khi để cẳng chân theo trục đùi và duỗi tối đa khi duỗi chủ động là 00 (thụ động có thể đạt -50 duỗi) Gấp: biên độ gấp gối chủ động thay đổi theo tư thế của háng, khoảng

1400 khi háng gấp, 1200

khi háng duỗi (gấp thụ động đạt 1600

và cho phép gót chạm mông)

- Xoay chủ động của gối: chỉ thực hiện khi gối gấp là 400 với xoay ngoài và 300

với xoay trong

Hình 1.5Góc vận động của khớp gối

- Chức năng vận động: cử động chủ yếu của khớp gối là gấp-duỗi Trên thực tế, người ta coi, 640 để lên được thang gác, 850 để xuống thang, tầm vận động của khớp gối (theo phương pháp Zero) là 1350 (duỗi là 00

và gấp là 1350

) [9]

Hình 1.6 Góc của khớp gối khi lên và xuống cầu thang

Các c tham gia chi phối t m v n đ ng kh p gối

- Gấp cẳng chân vào đùi: cơ bán mạc, cơ bán gân, cơ nhị đầu đùi Khi đư gấp cẳng chân vào đùi cơ bán gân, cơ bán mạc xoay đùi vào trong; cơ nhị đầu đùi xoay ra

ngoài Ngoài ra, cơ khoeo cũng tham gia gấp cẳng chân, cơ may vừa gấp cẳng chân vừa kéo đùi vào trong và gấp đùi vào bụng

- Duỗi cẳng chân: cơ tứ đầu đùi (qua xương bánh chè bám ở lồi củ trước xương chày), cơ căng cân đùi Cơ thẳng trước của tứ đầu đùi còn tham gia gấp đùi vào bụng

1.2 Các k t qu ngiên c u đƣ đ c công bố

1.2.1 Các k t qu đƣ đ c công bố n c ngoài

Hiện nay trên các quốc gia như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc đang ngày càng có nhiều

cống hiến về lĩnh vực các thiết bị hỗ trợ (bộ xương ngoài)

1.2.1.1 B x ng ngoƠiRaytheon Sarcos

Hình 1.7 RobotXOS 2, phiên bản cải tiến của dòng XOS

Thiết bị bộ xương ngoài của Raytheon Sarcos được thiết kế chủ yếu cho các mục đích quân sự, nó cho phép người mặc nâng hoặc mang vác liên tục những vật có khối lượng khoảng 100kg mà không mệt mỏi.Đây là một trong những bộ khung robot bao phủ toàn thân Phần lớn các khung robot hiện nay chỉ là các “ống tay” hoặc “ống chân”, tức bao phủ phần tay hoặc phần chân Với bộ khung này, một binh sĩ có thể mang vác những vật nặng qua những quảng đường dài, cứu những binh sĩ bị thương trên chiến trường một cách dễ dàng hoặc một mình khiêng các loại vũ khí vốn cần đến

2 người mới mang được.Thách thức lớn nhất hiện nay cho sản phẩm của Raytheon Sarcos là làm sao tìm được một nguồn năng lượng đủ để hoạt động từ 4 đến 24 giờ

Hiện XOS không thể hoạt động lâu mà không nhận được các nguồn năng lượng bổ sung liên tục từ bên ngoài

1.2.1.2 B x ng ngoƠihỗ tr chơn HAL

Hình 1.8 Bộ xương ngoài hỗ trợ chân HAL Khung hỗ trợ chân người, viết tắt là HAL, là một dạng robot “nửa người nửa máy”, được thiết kế để giúp những người có vấn đề về di chuyển, trong quá trình phục hồi và để nâng vật nặng HAL không chỉ chú trọng vào mặt thẩm mỹ.Nó có hẳn "bộ óc" cùng với vẻ ngoài hoàn mỹ.HAL có thể đọc suy nghĩ của người sử dụng nhờ vào các tín hiệu điện tử gửi từ nưo xuống các cơ liên quan đến chuyển động.Kế đến, nó tính toán sức mạnh cần thiết để thực hiện một hành động và truyền ngay thông tin trên với đầy đủ dữ liệu cần thiết đến những khớp nối tương ứng trên bộ khung.Khả năng tham gia vào các chuyển động cho phép HAL di chuyển sớm hơn phản ứng của người sử dụng khoảng 1 giây, cung cấp một sự tương tác trơn tru giữa người và robot

1.2.1.3 B x ng ngoƠiHULC (Human Universal Load Carrier)

Hình 1.9 Khung xương chân HULC

Là sản phẩm của Berkley Bionics tại Berkley, California (Mỹ), HULC là thiết bị

bộ xương ngoài dành cho 2 chi dưới.Nó cho phép người sử dụng khiêng vật nặng hàng chục ký trên lưng trong suốt những quưng đường dài và trên địa hình khắc nghiệt HULC nặng khoảng 25kg và chạy bằng pin, nhưng nó có thể được trang bị thêm máy phát điện để hoạt động liên tục suốt 3 ngày Vấn đề duy nhất là máy phát điện nặng đến 38kg

1.2.1.4 Thi t b tr giúp chuy n đ ng c a Honda

Thiết bị trợ giúp chuyển động của Honda là một khung robot cho phần chân, được thiết kế để giảm sức căng khi bước đi ở người già và những người gặp vấn đề đi đứng

Hình 1.10 Honda_Walking_Assist_Device 1.2.1.5 B x ng ngoƠi MIT

Hình 1.11 Bộ xương ngoài MIT Được thiết kế để sử dụng lực ít hơn và nhẹ hơn các thiết bị robot tương tự, bộ khung của các chuyên gia tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) là một loại robot

có thể mặc được ở phần thân dưới Mục đích bộ khung này là hỗ trợ người sử dụng nâng vác vật nặng trên lưng, hoàn toàn thích hợp cho những nhà leo núi, binh sĩ và học sinh sinh viên phải vác cả đống sách vở đến lớp mỗi ngày Không giống những bộ khung robot khác, vốn cần đến 3.000 watt mới hoạt động được, phát minh của MIT chỉ cần 1 watt Tuy nhiên, thiết bị này can thiệp vào chuyển động bình thường của người mặc, khiến họ phải tiêu thụ nhiều oxygen hơn khi sử dụng nó

1.2.1.6 B x ng ngoƠi đẳng tĩnh cho kh p gối nhơn t o

Hình 1.12 Thiết bị phục hồi chức năng cho khớp gối Được ứng dụng để hỗ trợ chức năng vận động (phục hồi chức năng vận động) cho khớp gối Bậc tự do chính của có chức năng truyền lực (momen) lên khớp gối, các bậc

tự do bổ trợ có chức năng triệt tiêu các momen do các chuyển động tương đối giữa cơ cấu và chân gây ra

1.3 M c đích c a đ tài

Thiết lập một nguyên lý thiết kế cơ khí cho việc thiết kế thiết bị bộ xương ngoài cho 2 chi dưới Trong đề tài này, tác giả đư tiếp tục phát triển nguyên lý thiết kế bộ xương ngoài đẳng tĩnh cho khớp sinh học, được trình bày trong luận văn tiến sĩ của (Cai, 2011) Nguyên lý thiết kế mới này được thiết lập cho một thiết bị hoạt động cùng lúc với nhiều khớp sinh học khác nhau Mục tiêu hướng tới là tách r i, phân bi t các

lực tương tác phát sinh giữa mỗi khớp sinh học và cơ cấu, khiến việc điều khiển từng

khớp riêng rẽ trở nên dễ dàng hơn, qua đó đơn giản hóa thuật toán điều khiển thiết bị, cho phép bảo đảm độ ổn định của hệ thống khi vận hành trong thực tế

Các ứng dụng tiềm năng:

Nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ cho khớp gối, giúp tăng khả năng mang vác đồ vật ( tăngkhối lượng vật mang, tăng tốc độ di chuyển)

Hỗ trợ cho những người làm các công việc phải mang vác vật nặng trong thời gian dài, trong các điều kiện làm việc mà máy móc không thể thay thế được, chẳng hạn như: Binh lính phải mang khối lượng quân trang khá lớn (lên đến 50kg) đi bộ hàng chục km

mỗi ngày, công nhân trong các nhà máy lắp ráp cơ khí…

Hỗ trợ di chuyển cho những người có khớp gối bị yếu

1.4 Nhi m v c a đ tài và gi i h n đ tài

ng với các mục tiêu nghiên cứu đưa ra các phương pháp nghiên cứu phù hợp

 Tìm hiểu tài liệu

 Nghiên cứu, thiết kế

 Tìm hiểu, lựa chọn

• Bậc tự do: khả năng chuyển động độc lập

• Ràng buộc: bậc tự do bị triệt tiêu do 2 khâu luôn tiếp xúc nhau theo một cách nào

- Phân loại theo số ràng buộc tạo ra: khớp loại k có k ràng buộc

- Phân loại theo bề mặt tiếp xúc: khớp cao tiếp xúc theo điểm hay đường;

khớp thấp tiếp xúc theo mặt

2.1.3 B c t do c c u

Với:

2.2.1.1 Phép bi n đ i t nh ti n (Translation)

Giả sử cần tịnh tiến một điểm hoặc một vật thể theo vectơ dẫn

Trước hết ta có định nghĩa của ma trận chuyển đổi H :

Gọi u là vectơ biểu diễn điểm cần tịnh tiến :

u = [x y z w]T

Thì v là vectơ biểu diễn điểm đư biến đổi tịnh tiến được xác định bởi :

Tóm lại: v = Trans(a,b,c) u

2.2.1.2 Phép quay (R otation) quanh các tr c to đ

Giả sử ta cần quay một điểm hoặc một vậtthể xung quanh trục toạ độ nào đó với góc quay góc θo, ta lần lượt có các ma trận chuyển đổi như sau :

2.2.1.3 Phép quay t ng quát

Trong mục trên, ta vừa nghiên cứu các phép quay cơ bản xung quanh các trục toạ

độ x,y,z của hệ toạ độ chuẩn O(x,y,z) Trong phần này, ta nghiên cứu phép quay quanh một vectơ k bất kỳ một góc θo Ràng buộc duy nhất là vectơ k phải trùng với gốc của một hệ toạ độ xác định trước

2.2.1.6 Bi n đ i h to đ vƠ mối quan h gi a các h to đ bi n đ i

Phép bi n đ i t nh ti n

Giả sử cần tịnh tiến gốc toạ độ Đề cát O(0, 0, 0) theo một vectơ dẫn

h =4i -3j+7k (hình 2.12) Kết quả của phép biến đổi là:

Ví dụ trên đây ta đư chọn Hệ tọa độ cơ sở làm hệ qui chiếu và thứ tự thực hiện các phép biến đổi là từ Phải sang Trái Nếu thực hiện các phép biến đổi theo thứ tự ngược lại từ Trái sang Phải thì hệ qui chiếu được chọn là các hệ toạ độ trung gian

2.2.2 BƠi toán đ ng học

B ng thông số Denavit-Hartenbert c a tay máy:

Hình 2.1 Các thông số của khâu : θ, d, a và α

2.3 Truy n đ ng và đi u khi n robot

2.3.1 Đi u khi n t l sai l ch (PE : Propotional Error)

Hàm sai lệch:ε = θ d - θ(t), ở đây θd là góc quay mong muốn và θ(t) là giá trị quay thực tế của biến khớp, ta sẽ gọi θd là "góc đặt" Khi ε= 0 thì khớp đạt được vị trí mong muốn Nếu ε< 0, thì khớp đư di chuyển quá mức và cần chuyển động ngược lại.Như vậy, kiểu điều khiển chuyển động nầy là luôn có chiều hướng làm cho sai lệch εấp xỉ zero

Năng lượng (momen động) cung cấp: ε= θd ậθ Chúng ta hưy áp dụng một tín hiệu

điều khiển mà nó tỉ lệ với ε:F = Kp(θd - θ(t))

2.3.2 Đi u khi n t l - đ o hƠm (PD : Propotional Derivative):

Phương pháp điểu khiển tỉ lệ sai lệch còn nhiều nhược điểm như: Hệ dao động lớn khi ma sát nhỏ (tình trạng vượt quá) và ở trạng thái tĩnh, khi ε →0 thì momen cũng gần bằng không, nên không giữ được vị trí dưới tác dụng của tải Để khắc phục điều trên,

có thể chọn phương pháp điều khiển tỉ lệ - đạo hàm (PD), với lực tổng quát :

Trong đó :ε- Sai lệch vị trí của khớp động ε= θd - θ(t)

Hình 2.2Nguyên lý hoạt động của encorder xung

Có nhiều nguyên lý khác nhau, nhưng phổ biến nhất là quang học, chủ yếu dùng

để đo góc/tốc độ quay của động cơ u thế lớn nhất là độ chính xác và độ phân giải cao ( có loại lên đến vài chục ngàn xung/ vòng) Loại Incremental encoder, khi thay đổi vị trí góc quay, số xung sinh ra cho biết khoảng dịch chuyển so với vị trí ban

đầu.Loại Absolute encoder, có biến nhớ vị trí đư dịch chuyển, kể cả khi mất điện cấp

nguồn (hay dùng trong các hệ thống có sự dịch chuyển hữu hạn, nhưng lại cần biết vị trí tuyệt đối như cần cẩu, máy CNC v.v.)

2.3.4.2 Loadcell (c m bi n lực)

S l c v loadcell

Loadcell là bộ chuyển đổi từ trọng lượng hoặc phản lực tương tác sang tín hiệu điện Cấu tạo cơ bản của 1 loadcell bao gồm một mảnh hợp kim nhôm đàn hồi, strain gauges (cảm biến đo biến dạng) Strain gauges được đặt tại 4 vị trí của thanh kim loại

bị biến dạng đàn hồi

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của loadcell

Nguyên lý làm vi c c a loadcell

Nguyên lý làm việc của loadcell tuân thủ theo định luật Hooke, có nghĩa là độ biến

dạng đàn hồi của thanh kim loại luôn tỷ lệ thuận với tải trọng đặt vào loadcell Trong hình vẽ, khi đặt tải trọng vào loadcell thanh kim loại sẽ bị biến dạng tại bốn vùng kim

loại có mặt cắt nhỏ, trên đó ta thấy có hai vùng kim loại bị nén và hai vùng bị kéo Giá

trị của loadcell đo được bằng điện áp thông qua độ biến dạng của thanh kim loại

Hình2.4 Nguyên lý làm việc của loadcell chịu uốn(1)

Hình 2.5 Loadcell (cảm biến lực) VLC 134 VMC USA

(1) Nguồn: Http://www.ishida.com Load cell

Khi kết nối cơ cấu với khớp sinh học sẽ có 1 cấu trúc động học đóng “ cơ cấu –

khớp sinh học”.Do các khớp sinh học không có tâm quay cố định nên không thể xác định chính xác vị trí các khớp trên cơ cấu trùng với khớp sinh học, vì thế khi kết nối cơ

cấu với khớp sinh học sẽ sinh ra các momen làm cản trở chuyển động, để cố gắng di chuyển sẽ làm tổn thương các khớp Cho nên muốn cơ cấu hoạt động được ta cần thêm vào các bậc tự do phụ trợ để loại bỏ các momen không cần thiết

Ta lấy 1 ví dụ về 1 cơ cấu có hai khâu mắc song song có khớp không đồng tâm

Khi có lực tác dụng sẽ tạo ra góc quay Ө, ứng với góc quay Ө ta tính được ∆l từ đó xác định được Fkéo của lò xo:

Hình 3.2 a, Độ biến dạng của lò xo xoắn Hình3.2 b, Độ biến dạng của lò xo kéo

Dựa vào biểu đồ biến dạng(1)

của hai loại lò xo ta thấy đường biểu diễn mối quan

hệ giữa lực và độ biến dạng của lò xo xoắn ốc là tuyến tính, do đó độ đàn hồi của lò xo xoắn ốc sẽ ổn định hơn

3.2.2 K t qu nghiên c u, ch t o

Hình 3.3 Cảm biến momen sử dụng lò xo xoắn

(4) Nguồn: http://vi.wikipedia.org/wiki/L%C3%B2_xo

Hình 3.4 Cảm biến momen sử dụng lò xo kéo

3.2.3 Th nghi m trên c c u

Khi bước đi sẽ sinh ra lực tương tác giữa cẳng chân với cơ cấu (cẳng chân và cơ

cấu lệch nhau một góc Ө) Cảm biến momen được đặt ở vị trí phù hợp để đo được lực tương tác này

Qua quá trình thử nghiệm cho kết quả như sau: Cảm biến momen đo được lực tương tác (momen) giữa khâu sinh học và cơ cấu dựa vào góc quay Ө Tuy nhiên góc quay Ө rất nhỏ (do cơ cấu được nối chặt vào khâu sinh học), do đó khó xác định được momen cần thiết để điều khiển động cơ Trong trường hợp này ta có thể dùng thiết bị khác để có thể đo được lực tương tác giữa cơ cấu với khâu sinh học

Hình 3.5 Kết quả thử nghiệm cảm biến momen trên cơ cấu

3.3 Thi t k c c u ch u lực cho kh p gối

3.3.1 Thi t k ch t o thi t b ghép n ối bằng ph ng pháp th công

Giữa cơ cấu chịu lực và chân có các bậc tự do thụ động do đó cần phải có thiết bị ghép nối giữa các chi tiết máy vào chân người Thiết bị này phải đảm bảo các yêu cầu

kỹ thuật sau:

 Đủ bền để có thể chịu được lực tương tác giữa cơ cấu với chân

 Có độ đàn hồi thích hợp để lắp vào chân

 Có bề mặt đủ lớn để giảm tải trọng tập trung lên cơ thể

 Phải có biên dạng giống như biên dạng của chân tại vị trí ghép với thiết bị (tăng diện tích tiếp xúc để tăng ma sát)

 Nhẹ

 Để thỏa mãn các yếu tố trên ta chọn vật liệu composite Thiết bị được tạo hình theo khuôn, khuôn được lấy trực tiếp từ chân của người mang thiết bị Quá trình chế tạo bao gồm các bước: Lấy khuôn từ chân→ tạo mẫu → tạo khuôn→ tạo hình chi tiết từ composite

3.3.1.1 Quá trình t o m u

Mẫu được lấy trực tiếp từ chân người nên vật liệu cũng như quá trình tạo mẫu phải đảm bảo an toàn, quá trình lấy mẫu phải nhanh để cơ thể có thể giữ nguyên vị trí Có

thể sử dụng sodium alginate(C5H7O4COONa )để lấy mẫu, vật liệu này được chiết suất

từ rong biển nên an toàn cho người sử dụng tuy nhiên giá thành khá đắt Ngoài ra thạch cao(thạc cao khan - CaSO4.0,5H2O) cũng có thể sử dụng để lấy mẫu, trong quá trình đông kết thạch cao có tỏa nhiệt tuy nhiên nhiệt độ không cao không gây nguy hiểm và

thạch cao có giá thành khá rẻ Do đó ta có thể sử dụng thạch cao để lấy mẫu

B c 1: Tạo khuôn thạch cao: Trộn bột thạch cao với nước theo tỷ lệ: thạch cao/

nước = 0.5 – 0.7, thời gian giữ dẻo ≤ 3 phút, thời gian đông kết 3- 30 phút.Quá trình

tạo vữa thạch cao không quá 3 phút sau đó đổ thạch cao, mẫu trong trường hợp này là chân người do đó ta phải giữ nguyên vị trí của chân trong 30 phút Khuôn thạch cao

sau khi đông cứng và tách ra khỏi chân được sử dụng để làm khuôn đúc ra chi tiết, chi tiết sau này có biên dạng giống như chân tại vị trí lấy khuôn

Hình 3.6Lấy khuôn chân bằng thạch cao

B c 2: Tạo mẫu.Do quá trình phản ứng của composite có sinh nhiệt cao (khoảng

300°C ), nên ta phả chọn vật liệu làm mẫu chịu được nhiệt độ tương đương Tạo ra

mẫu bằngvữa xi măng – cát - đá

Hình 3.7 Đúc mẫu bằng bê tông

3.3.1.2 Ch t o thi t b

Chi tiết được chế tạo từ composite nền polime cốt sợi thủy tinh Thành phần chính của composite được sử dụng bao gồm: Chất nền polime, chất xúc tác, cốt sợi thủy tinh

Chất nền polime được sử dụng là loại nhựa nhiệt rắn poliester không no (UPE), cốt sợi

thủy tinh (sử dụng sợi dệt dạng tấm-lưới)

Quá trình đóng r n c a nhựa UPE:

Chất xúc tác thêm vào là MEKP (Methyl Ethyl Ketone Peroxide - C8H16O4(5) )có tên công nghiệp là trigonox V388 Khi cho chất xúc tácMEKP vào UPE sẽ chuyển sang thể rắn nhờ quá trình phản ứng nối ngang

+ Styren

Hình 3.8 Phản ứng nối ngang của phân tử UPE

Trong quá trình đóng r n c n chú ý các đặc đi m sau:

o Chất xúc tác thêm tác thêm vào làm đổi màu nhựa UPE

o Thừa chất xúc tác thời gian gel quá nhanh

o Thiếu chất xúc tác quá trình đóng rắn sẽ không hoàn toàn

o Trong quá trình đóng rắn, độ co ngót 4-8 %, làm biến dạng, nguy cơ gây

K t qu ch t o:

Hình 3.9Chi tiết ghép nối được tạo hình bằng compsite

3.3.2 Thi t k ch t o thi t b ghép n ối bằng ph ng pháp tự đ ng 3.3.2.1 L y m u chân b ằng ph ng pháp scan 3D

Nguyên lý c a máy quét 3D laser (7)

Hình 3.10 Nguyên lý của máy quét 3D Máy quét 3D không tiếp xúc sử dụng tia laser hoặc ánh sáng trắng để lấy dữ liệu hình học (theo toạ độ X, Y và Z) của 1 vật

Sử dụng dải ánh sáng để phát dải ánh sáng ngang thông qua ống kính hình trụ đến vật quét Ánh sáng được phản xạ từ vật quét được thu nhận bởi ống kính CCD, và sau đó được chuyển sang bởi dạng tam giác để lấy thông tin về dải đo, khoảng cách

Quá trình này được lặp lại bởi dải quét ánh sáng chiều dọc lên bề mặt vật quét

sử dụng gương điện kế, để thu giữ dữ liệu ảnh 3D của vật quét

Thêm vào đó, màu sắc của vật quét cũng được thu nhận bởi ống kính CCD thông qua bộ lọc RGB trong khi dải ánh áng không được phát (1 dải quét qua bộ lọc được sử dụng khi dải ánh sáng được phát.)

u đi m c a ph ng pháp scan 3D:

 Rút ngắn thời gian thiết kế sản phẩm

 Độ chính xác cao

 Nâng cao tính sáng tạo trong thiết kế sản phẩm

 Đảm bảo tính toàn vẹn của mẫu quét

(7) Nguồn: http://scantechvn.com

3.3.2.2 T o m u nhanh

T o m u: là phương pháp đắp từng lớp vật liệu tương ứng với mô hình 3D CAD thông qua các máy in 3D Để thực hiện quy trình đó, dữ liệu thiết kế được xử lý và chuyển về dạng lưới tam giác STL ( Stereolithography),rồi phần mềm chuyên dụng đi kèm theo máy in 3D sẽ chia mô hình thành các lớp phục vụ cho quá trình tạo mẫu

3.3.2 Thi t k ch t o c c u ch u lực

3.3.2.1 Tính toán s ố b c tự do th đ ng

Để kết nối và giao tiếp với các khâu sinh học cần có các bậc tự do thụ động Tính toán, lựa chọn số bậc tự do thụ động hợp lý để điều khiền cơ cấu

S ố b c c a c c u xét trên 1 kh p sinh học: Để cơ cấu chuyển động linh hoạt

phải có đủ 6 BTD, do đó ta chọn 6BTD giao tiếp giữa khâu của cơ cấu với khâu sinh

học

Hình 3.11 Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 1 khớp

Số bậc tự do của cơ cấu theo công thức (3.1):

Trong đó cơ cấu có:

 7 khâu: nc = 7

 7 khớp loại 1: ui = 7.5

Do đó: m = 6 ( 7 – 1 ) – 7.5 = 1

Cơ cấu có 1 bậc tự do, do đó chỉ cần sử dụng 1 động cơ để điều khiển

S ố b c c a c c u xét trên 2 kh p sinh học:

Hình 3.12Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 2 khớp

Cơ cấu có 13 khâu, 14 khớp Số bậc tự do của cơ cấu: m = 6 ( 13 – 1 ) – 14.5 = 2

Cơ cấu có 2 bậc tự do, nếu sử dụng 1 động cơ để điều khiển thì cơ cấu còn thừa 1

bậc tự do

S ố b c c a c c u xét trên 3 kh p sinh học:

• Trường hợp ta xem các khớp sinh học (khớp hông, khớp gối, khớp cổ chân) là

khớp loại 1

Hình 3.13,a Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có3 khớp

Cơ cấu có 21 khâu, 24 khớp loại 1

Số bậc tự do của cơ cấu: m = 6(21-1)-24.5= 0

 Cơ cấu đẳng tĩnh, không di chuyển được

• Trường hợp khớp gối là khớp loại 1, khớp hông và khớp cổ chân là khớp loại 3

Hình 3.13,b Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có3 khớp đư cải tiến

Cơ cấu có 21 khâu, 22 khớp loại 1, 2 khớp loại 3

Số bậc tự do của cơ cấu: m = 6(21-1) –(22.5 + 2.3) = 4

Trong trường hợp này nếu ta dùng 1 động cơ để vận hành 1 bậc tự do 3 bậc tự do còn lại sẽ tự chuyển động không theo mong muốn Do đó ta cần hạn chế số bậc tự do

của cơ cấu sao cho thỏa mãn hai điều kiện sau:

o Số bậc tự do bằng 1

o Cơ cấu chuyển động linh hoạt