Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cho người khuyết tật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN KHIỂN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP MẮT CÁ CHÂN BẰNG CƠ CẤU MỀM CHO NGƯỜI K

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN KHIỂN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP MẮT CÁ CHÂN BẰNG CƠ CẤU MỀM CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 4 0 0 6

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN KHIỂN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP MẮT

CÁ CHÂN BẰNG CƠ CẤU MỀM CHO NGƯỜI

KHUYẾT TẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN KHIỂN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP MẮT

CÁ CHÂN BẰNG CƠ CẤU MỀM CHO NGƯỜI

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Phạm Huy Tuân

(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên,, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT,

Ngày 03 tháng 05 năm 2013

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC

Họ và Tên: Nguyễn Văn Khiển Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10/07/1983 Nơi sinh: Hà Nội

Địa chỉ liên lạc: 47 Cao Lỗ, Phường 4, Quận 8, TP.HCM

Điện thoại: 0977446847 Email: dongpho05@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

11/2009 – 08/2010 Tổng công ty công nghiệp

ô tô Việt Nam Nhân viên kỹ thuật 08/2010 đến nay Trường trung cấp kỹ thuật

và nghiệp vụ Nam Sài Gòn Giáo viên cơ khí

IV CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

[1] Pham Huy Tuan and Nguyen Van Khien, “A monolithic flexural – based prosthetic for

amputee,” The 2012 International Conference on Green Technology and Sustainable

Education

[2] Pham Huy-Tuan, Nguyen Van-Khien, “A Monolithic Flexural-Based Prosthetic Foot For Amputee” Journal of Engineering Technology and Education, National Kaohsiung University

of Applied Sciences, Vol 9, 2013, pp 461-467

[3] Huy-Tuan Pham, Van-Khien Nguyen and Van-Trinh Mai, “Shape optimization and fabrication of a parametric curved-segments prosthetic foot for amputee,” Journal of

Biomechanical Engineering, (submitted)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 04 năm 2013

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Cảm ơn quý Thầy, Cô Phòng Đào tạo sau đại học và Khoa Cơ Khí Máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đối với

Thầy - TS Phạm Huy Tuân đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy Th.S Nguyễn Văn Sơn (Khoa Cơ Khí Máy) đã giúp đỡ em trong việc chế tạo trên máy CNC ở Trung Tâm Công Nghệ Cao Cảm ơn cô Th.S Vương Thị Ngọc Hân

(Phòng thí nghiệm cơ học, Khoa xây dựng dân dụng và Cơ học Ứng dụng) với sự giúp đỡ của cô

trong việc đo độ cứng và biến dạng Cảm ơn anh Mai Văn Trình Giám đốc Trung Tâm Chỉnh

Hình và Phục Hồi Chức Năng TP.HCM đã giúp đỡ cho em thực hiện kiểm nghiệm trực tiếp trên bệnh nhân Cảm ơn sự hỗ trợ tài chính từ Phòng Quản lý Khoa học và Quan hệ Quốc tế trường

ĐH SPKT TP.HCM, Mã số đề tài T2013-35TĐ Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn

bè và đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên và truyền cảm hứng cho em hoàn thành tốt luận văn này

TÓM TẮT

Luận văn này tập trung nghiên cứu một loại khớp mắt cá chân giả mới bằng cơ cấu mềm dùng cho người khuyết tật Mặc dù các sản phẩm chân giả đàn hồi đang được thương mại rộng rãi trên thị trường, các sản phẩn này vẫn chưa thực sự tận dụng triệt để các ưu điểm của nhóm cơ cấu mềm Các thiết kế trong nghiên cứu này sẽ giúp giảm chi phí chế tạo và lắp ráp nhưng vẫn duy trì sự linh hoạt của chân giả như chân thật đây là đặc điểm quan trọng để cải thiện dáng đi cho người khuyết tật Tác giả đã xây dựng một giải thuật tối ưu hóa hình dạng và kích thước dựa trên thuật toán di truyền và mô phỏng số để tìm ra thiết kế phù hợp Sản phẩm mẫu có độ cứng, năng lượng lưu trữ và biến dạng được điều chỉnh dễ dàng với các phương pháp thiết kế đã đề xuất Kết quả nghiên cứu này tác giả đã chế tạo và kiểm nghiệm thành công

Từ khoá: Cơ cấu mềm, chân giả, lưu trữ năng lượng đàn hồi, cụt, dáng đi

ABSTRACT

A new type of compliant prosthetic ankle-foot for amputee is developed While current elastic energy storage and return feet have been widely commercialized, those designs still haven’t fully taken advantage of compliant mechanisms The design in this research would help

to reduce the fabrication and assembly cost but still preserves the flexibility which is the key characteristic to improve amputee gait A shape and size optimization scheme via genetic algorithm and finite element method is undertaken to design the device Model stiffness and levels of energy stored, deformation could be easily regulated with the proposed design methodology In order to confirm the effectiveness of the device, prototypes of the device are fabricated using a simple milling process and are successfully validated by experiments The ease of fabrication possibilities for this monolithic design is another benefit over some current commercial products which require for troublesome assembly procedures

KEYWORDS: compliant mechanism, prosthetic foot, elastic energy storage, amputee, gait

MỤC LỤC

Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan iii

Cảm tạ iv

Tóm tắt v

Mục lục vii

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các hình x

Danh sách các bảng xii

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1

1.2 Mục đích của đề tài 7

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và đối tượng nghiên cứu, giới hạn đề tài 7

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 7

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 8

1.3.3 Giới hạn của đề tài 8

1.4 Phương pháp nghiên cứu 8

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Đường cong tham số Bezier 9

2.1.1 Biểu diễn đường cong Bezier 9

2.1.2 Các tính chất của đường cong Bezier 14

2.2 Lý thuyết cơ cấu mềm 15

2.2.1 Định nghĩa 15

2.2.2 Ưu nhược điểm 16

2.2.3 Một số cơ cấu mềm thông dụng 17

2.3 Giải thuật di truyền 19

Chương 3: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP 26

3.1 Yêu cầu đặt ra 26

3.2 Phương án thiết kế 26

3.2.1 Phương án 1 26

3.2.2 Phương án 2 27

3.2.3 Lựa chọn phương án 28

3.3 Cở sở lựa chọn vật liệu 28

Chương 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN 29

4.1 Nguyên lý hoạt động của khớp mắt cá chân 29

4.2 Thiết kế 32

4.3 Tính toán tối ưu hóa 36

4.4 Mô phỏng 38

Chương 5: CHẾ TẠO - THỰC NGHIỆM 44

5.1 Vật liệu 44

5.2 Chế tạo 45

5.3 Thực nghiệm 50

5.4 Thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân 54

Chương 6: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ESAR : Elastic energy storage and return

FEM: Finite Element Method: Phần tử hữu hạn

DANH MỤC CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1: Bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi 4

Hình 1.2: Bàn chân có khớp một trục 4

Hình 1.3: Bàn chân có khớp đa trục 5

Hình 1.4: Bàn chân Cacbon 6

Hình 2.1: Các dạng đường Bezier 11

Hình 2.2: Đồ thị hàm cơ sở của đường cong Bezier bậc ba 12

Hình 2.3: Một số cơ cấu cứng truyền thống (a) cơ cấu trục khuỷu- thanh truyền, (b) cơ cấu kìm cộng lực 15

Hình 2.4: Kìm cộng lực bằng cơ cấu mềm 16

Hình 2.5: Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro 17

Hình 2.6: Hình ảnh “quả bóng trên đỉnh đồi” mô phỏng cho nguyên lý cơ cấu song ổn định 19

Hình 2.7: Một dạng cơ cấu mềm song ổn định (a) vị trí ổn định ban đầu, (b) vị trí ổn định thứ hai 19

Hình 2.8: Một thế hệ mới được hình thành qua pha chọn lọc và pha tái tổ hợp 22

Hình 3.1: Mô hình khớp mắt cá chân bằng các chi tiết lắp ráp 26

Hình 3.2: Khớp mắt cá chân giả nguyên khối bằng vật liệu đàn hồi 27

Hình 4.1: Chân giả cụt dưới gối 29

Hình 4.2: Các giai đoạn chính trong một chu kỳ bước đi với bàn chân đàn hồi (ESAR) 30

Hình 4.3: (a) Một sơ đồ cơ cấu mềm mắt cá chân, (b) Kích thước rằng buộc đối với không gian thiết kế 33

Hình 4.4: Mô hình lưới phần tử dạng thanh sử dụng trong FEM 36

Hình 4.5: Đồ thị phân bố dân số của nhiều thế hệ trong quá trình tối ưu hóa 38

Hình 4.6: Mô phỏng ba trường hợp: Chạm gót (a),Tiếp xúc bàn (b) và Nhấc mũi(c)

40

Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn lực, biến dạng, độ cứng của Tiếp xúc bàn, Chạm gót và Nhấc mũi 41

Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn năng lượng và biến dạng của Chạm gót (a), Tiếp xúc bàn (b), Nhấc mũi (c) 42

Hình 5.1: Bản vẽ thiết kế 2D bằng AUTOCAD 45

Hình 5.2: Bản vẽ thiết kế 3D bằng Inventer 46

Hình 5.3: Sản phẩm thu được khi gia công trên máy phay CNC 47

Hình 5.4: Mô hình kết nối với núm liên kết 47

Hình 5.5: Quy trình chế tạo vỏ chân giả 48

Hình 5.6: Sản phẩm chân giả hoàn thiện, các chi tiết đã được lắp ráp với nhau 49

Hình 5.7: Mô hình gá đặt khớp mắt cá chân giả vào máy trong thực nghiệm 51

Hình 5.8: Mô hình gá đặt khớp mắt cá chân giả vào máy có gia tải 52

Hình 5.9: Đồ thị quan hệ giữa khối lượng và biến dạng 52

DANH MỤC CÁC BẢNG

BẢNG TRANG Bảng 1: Giá trị tối ưu của các biến thiết kế……… 37

bò thuộc bằng tananh (chất làm ổn định và chống phân huỷ da là chất được chiết xuất

từ thực vật)

Ưu điểm: Trọng lượng nhẹ, dễ tạo dáng, định hình khi thoát nước, thấm không khí, thấm mồ hôi gây cảm giác mát mẻ cho mỏm cụt; không dị ứng với mỏm cụt nên không cần mỏm cụt phụ; trong quá trình sử dụng ổ mỏm cụt, mỏm cụt tự ôm form và rất dễ sửa chữa, thay đổi kích thước

Nhược điểm: Độ bền vững kém, biến dạng khi gặp nước

b Chân giả bằng gỗ và ổ mỏm cụt bằng gỗ

Chân giả bằng gỗ phải được xem như loại chân giả xuất hiện sớm nhất, theo dạng chân cà kheo Nhưng cũng phải đến đầu thế kỷ 20 người ta mới khai thác hết những ưu điểm vốn có của gỗ trong chế tạo chân giả Là sản phẩm sẵn có trong thiên nhiên, rất

thuận lợi trong việc chế tạo trước ở dạng bán thành phẩm, thuận lợi trong công nghệ dóng hàng theo không gian 3 chiều Gỗ dẫn điện, dẫn nhiệt kém, không có dị ứng với

cơ thể người, đặc biệt là có cảm giác mát mẻ đối với mỏm cụt Trong công nghệ chế tạo gỗ dễ tạo hình, dễ thay đổi kích thước, khi đi chân giả ít phát tiếng kêu

Nhược điểm lớn nhất của gỗ là thấm thoát nước nên có sự giãn nở gây hiện tượng nứt vỡ, mục Tuy nhiên cho đến nay người ta vẫn cho rằng chân giả bằng gỗ có nhiều

ưu điểm hơn hẳn các vật liệu nhân tạo khác, thậm chí còn được coi là loại sản phẩm cao cấp

c Chân giả làm bằng hợp kim nhẹ

Chân giả hợp kim ra đời rất sớm, nhưng hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chỉnh hình lại là đầu thế kỷ thứ 20 Chân giả nhôm kết hợp với thép thể hiện sự hơn hẳn về độ bền sử dụng và làm đơn giản công nghệ chế tạo Nhưng nó cũng bộc lộ rất nhiều nhược điểm: Nhôm là vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt tốt cộng thêm sự không thích nghi khi tiếp xúc với cơ thể nên phải có ổ mỏm cụt phụ Trong quá trình

sử dụng thường phát ra tiếng kêu Có hiện tượng khớp giả (chuyển động đồng thời) do

sự kém chặt chẽ và chính xác giữa mỏm cụt với ổ mỏm cụt và giữa ổ mỏm cụt với chân giả

Cục sở hữu trí tuệ vừa cấp bằng sáng chế số 5673 cho TS Phan Văn An, Trung

tâm công nghệ vật liệu với sản phẩm ống chân giả composite cacbon Chân giả bằng

nhựa composite cacbon được chế tạo từ loại vật liệu gồm hai lớp sợi cacbon bện chéo kết hợp với 4 - 6 lớp sợi bazan cùng một loại nhựa tổng hợp Nhờ vậy chân giả này có ống chân nhẹ, độ bền cao và chịu lực tốt Cấu tạo khớp gối có độ nảy, độ văng tốt hơn

và do có lò xo nên dễ dàng lắp ráp, hỏng bộ phận nào thay bộ phận đó

1.1.1.2 Ngoài nước

Chân giả Proprio của Trường đại học Johns Hopkins Mỹ Thiết bị của chân giả này

sử dụng các cảm biến, các bộ vi xử lý và điều khiển theo trí thông minh nhân tạo để đo các chuyển động theo chế độ thời gian thực; phản hồi thông tin về cách thức chuyển

động và các góc cần quay của các khớp nhân tạo tới cơ cấu chấp hành phù hợp với chuyển động của người sử dụng Ngoài ra thiết bị này còn sử dụng công nghệ BlueTooth, có thể truyền dữ liệu tới bộ vi xử lý để điều khiển chân di chuyển theo cách

tự nhiên nhất Proprio cũng có thể nhớ chính xác cách di chuyển lên cầu thang, xuống dốc, đồng thời có thể học được nhiều cách di chuyển ở nhiều địa hình khác nhau và ghi nhớ lại Để tạo các chân tay giả loại mới này, các nhà khoa học đã ứng dụng nhiều tiến

bộ trong khá nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau như hệ thống năng lượng, robot, khoa học thần kinh, công nghệ cảm biến và cơ cấu chấp hành, nhưng giá thành quá cao Một nghiên cứu, phát minh mới của các nhà khoa học đến từ trường Đại họcVanderbilt, Nashville, Mỹ sẽ là giải pháp hữu ích giúp cho những người tàn tật có được dáng đi tự nhiên như người bình thường Nó được trang bị bộ cảm biến để theo dõi những chuyển động của người sử dụng Bên cạnh đó, nó cũng sử dụng bộ vi xử lý đã được lập trình để dự đoán những việc mà người dùng đang cố gắng để thực hiện và điều khiển thiết bị này theo những cách thuận tiện nhất cho sự di chuyển Những tiến

bộ của công nghệ hiện nay đã tạo điều kiện thuận lợi để các kỹ sư thuộc trường Đại học Vanderbilt chế tạo một thiết bị nặng khoảng 9 pounds, nhẹ hơn nhiều so với những chiếc chân giả hiện nay, và có thể hoạt động liên tục trong 3 ngày, tương đương 13 –

14 km một lần sạc Đồng thời, thiết bị này cũng giảm đáng kể lượng tiếng ồn phát ra Một trong những tính năng nổi bật mà các kỹ sư đã trang bị thêm cho thiết bị mới này

là khả năng chống vấp ngã nhờ vào bộ cảm biến sinh học

Bộ chân giả Computer Leg, còn gọi là C - Leg, có giá đến 15.000 euro, do công tyOtto Bock HealthCare, Đức sản xuất, có thể phân tích thời gian thực tế hoạt động của đùi để tác động đến cử động của đầu gối và mắt cá chân giả nhằm giúp cả hai cử động nhuần nhuyễn nhờ được trang bị những kích thủy lực siêu nhỏ Được đưa vào sử dụng

từ cuối năm 2005 cho những người bị mất chân (phía trên đầu gối)

1.1.2 Các loại bàn chân giả [12]

1.1.2.1 Bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi

Tên của bàn chân được đặt đúng với đặc điểm của nó bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi được Được thiết kế đơn giản với một lõi bằng gỗ, composite hay bằng nhựa cứng, được đúc bên ngoài là vật liệu xốp, đàn hồi (PU, cao su) theo hình dáng thẩm mỹ của bàn chân Về chức năng của bàn chân thì rất hạn chế so với các bàn chân khác, nhưng bù lại với thiết kế đơn giản và giá thành thấp nên được sử dụng nhiều ở các nước đang phát triển

1.1.2.2 Bàn chân có khớp một trục

Bàn chân có khớp một trục được thiết kế với hai phần riêng biệt Khớp cổ chân thường được đúc bằng các vật liệu có độ bền cao như hợp kim nhôm, titan hay cũng có thể bằng thép, inox Phần bàn chân có lõi gỗ hoặc composite được đúc từ những vật liệu xốp mềm (PU) giúp bàn chân có tính thẩm mỹ hơn

Hình 1.2: Bàn chân có khớp một trục Hình 1.1: Bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi