Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị phục hồi chức năng khớp gối sử dụng cơ cấu tác động phỏng sinh học

Với những ưu điểm đó, mục đích chính của luận văn này sẽ nghiên cứu ứng dụng cơ cấu tác động phỏng sinh học trong lĩnh vực phục hồi chức năng khớp gối.. Luận văn gồm có 4 phần: Phần 1 :

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-oOooOooOo -

-TRẦN THANH KHIẾT TRẦN THANH KHIẾT

NGHIIIIÊÂÂÂN CỨÙÙÙU THIIIIẾÁÁÁT KẾÁÁÁ VÀØØØ CHẾÁÁÁ TẠÏÏÏO THIIIIẾÁÁÁT BỊỊỊỊ PPPPHỤÏÏÏC HỒÀÀÀIIII CHỨÙÙÙC NĂÊÊÊNG KHỚÙÙÙPPPP GỐÁÁÁIIII SSSSỬÛÛÛ DỤÏÏÏNG CƠ CẤÁÁÁU TÁÙÙÙC

ĐỘÄÄÄNG PPPPHỎÛÛÛNG SSSSIIIINH HỌÏÏÏC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINHĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2007

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp.HCM, ngày tháng năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN THANH KHIẾTTRẦN THANH KHIẾT Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 01/ 06/ 1982 Nơi sinh: Tiền Giang

I I I I –––– TÊN ĐỀ TÀI TÊN ĐỀ TÀI TÊN ĐỀ TÀI :::: NGHIÊN CỨU THIENGHIÊN CỨU THIENGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC ÁT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC

HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI SỬ DỤNG CƠ CẤU TÁC ĐỘNG PHỎNG

SINH HỌC

SINH HỌC

II

II –––– NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị phục hồi chức năng khớp gối sử

dụng cơ cấu tác động phỏng sinh học

- Nghiên cứu ứng dụng neural network để điều khiển thiết bị

- Xây dựng chương trình điều khiển đảm bảo các yêu cầu sau : thay đổi linh

hoạt các thông số điều khiển (góc co – dũi, đáp tuyến, tốc độ co – dũi), và

phải có tính ổn định cao trong các điều kiện thay đổi khác nhau của bệnh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪNCÁN BỘ HƯỚNG DẪNCÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN CN BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGHÀNH QL CHUYÊN NGHÀNH QL CHUYÊN NGHÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông

LỜI CÁM ƠN LỜI CÁM ƠN

Xin chân thành cảm ơn thầy Từ Diệp Công Thành, người đã hướng dẫn, hỗ trợ, và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn Luâïn văn này sẽ không thể hoàn thành nếu không có được sự giúp đỡ, hỗ trợ và hướng dẫn của thầy

Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô đã dành thời gian để duyệt và đóng góp ý kiến cho luận văn được hoàn thiện

Xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giảng dạy chuyên ngành cao học công nghệ chế tạo máy trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã truyền thụ nhiệt tình những kiến thức và kinh nghiệm trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại trường

Xin cảm ơn Đỗ Anh Lâm, và các bạn của tôi, những người đã giúp tôi rất nhiều trong khoảng thời gian tôi làm luận văn

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn ba mẹ và các anh chị của tôi, những người đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi yên tâm học hành và luôn động viên mỗi khi tôi gặp khó khăn

Sau cùng, xin chúc ba mẹ, quý thầy cô, các anh chị và các bạn sức khỏe và thành đạt

Tháng 7 năm 2007 Trần Thanh Khiết

TÓM TẮT LUẬN VĂN TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, cơ cấu tác động phỏng sinh học đã và đang được nghiên cứu ứng trong kỹ thuật người máy sinh học (Bio-Robotics) và trong kỹ thuật cơ khí y sinh học (Bio-Mechanics) Cơ cấu tác động này có những đặc tính nổi trội hơn so với các cơ cấu tác động truyền thống (điện, thủy lực, ) như tỉ số công suất / trọng lượng, và công suất / thể tích lớn, nhẹ, ngoài ra, nó còn có moat số đặc tính rất hay đó là tính an toàn cao và khả năng chìu theo chuyển động Với những ưu điểm đó, mục đích chính của luận văn này sẽ nghiên cứu ứng dụng cơ cấu tác động phỏng sinh học trong lĩnh vực phục hồi chức năng khớp gối

Luận văn gồm có 4 phần:

Phần 1 : Tìm hiểu về sự sơ cứng khớp gối và cơ cấu tác động phỏng sinh học (PAM), khảo sát các thiết bị phục hồi chức năng khớp gối hiện có trên thị trường Phần 2 : Tính toán thiết kế thiết bị, và tìm hiểu các giải thuật điều khiển : giải thuật điều khiển PID phi tuyến dựa trên mạng nơron (Nonlinear PID control based on neural network), và giải thuật bù PID dùng mạng nơron

Phần 3 : Trình bày kết quả thực nghiệm của các giải thuật trên

Phần 4 : Kết luận và hướng phát triển của đề tài

ABSTRACT ABSTRACT

In recent times, Pneumatic Artificial Muscle (PAM) is being researched to apply in Bio-Robotics and Bio-Machanics fields PAM has many characteristics better than the traditional actuator (electrics, hydraulics…) : extremely high power/weight and power/volume ratios, light-weight, and safe, in addition, PAM has a special characteristic that is the compliance From these advantages, the goal of this study is going to apply PAM in the knee rehabilitation devices

The structure of the thesis is following:

Part 1 : Researching the joint stiffness and overview of PAM, surveying the knee rehabilitation equipments is existing in Viet Nam and on over the world Part 2 : Computing for device, and researching the control algorithm :

- Nonlinear PID control based on neural network

- Intelligent control based on neural network ( the algorithm cosists of the a neural network controller, which is installed in parallel with conventional PID controller to compensate the deficiency of the conventional PID controller)

Part 3 : Sofware and experimental resultss

Part 4 : Conclusion and the future work

MỤC LỤC

MỤC LỤC

PHẦN I PHẦN I : TỔNG QUAN: TỔNG QUAN: TỔNG QUAN ……… 1

Chương 1 : Các vấn đề về chấn thương khớp gốiChương 1 : Các vấn đề về chấn thương khớp gốiChương 1 : Các vấn đề về chấn thương khớp gối ……… 2

1- Sự sơ cứng khớp gối ……… 3

1.1- Bệnh lý của sự sơ cứng khớp gối ……… 3

1.2- Quá trình tiến triển của sự sơ cứng khớp gối ……… 5

2- Giải pháp phục hồi chức năng khớp gối ……… 6

3- Đề nghị sử dụng CPM ……… 7

Chương 2 : TổnChương 2 : TổnChương 2 : Tổng quan về cơ cấu tác động phỏng sinh họcg quan về cơ cấu tác động phỏng sinh họcg quan về cơ cấu tác động phỏng sinh học……… 9

1- Định nghĩa, cấu tạo và hoạt động của PAM ……… 10

1.1- Định nghĩa ……… 10

1.2- Cấu tạo ……… 10

1.3- Hoạt động của PAM ……… 10

2- Những đặc tính của PAM ……… 13

2.1- Hoạt động của PAM với tải trọng không đổi ……… 13

2.2- Hoạt động của PAM với áp suất không đổi ……… 14

2.3- Ưu và nhược điểm của PAM ……… 15

3- Cơ dạng bện (Braided Muscles) ……… 15

3.1- Cơ McKibben ……… 16

3.2- Cơ khí Festo ……… 19

4- Độ cứng/sự chiều theo của PAM ……… 19

ChươngChươngChương 3 3 3 : Nhiệm vụ luận văn : Nhiệm vụ luận văn : Nhiệm vụ luận văn ……… 21

1- Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi chức năng khớp gối ở Việt Nam ……… 22

2- Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi chức năng khớp gối trên thế giới ……… 23

3- Hướng nghiên cứu luận văn ……… 25

PHẦN 2 : TÍNH PHẦN 2 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TOÁN THIẾT KẾ TOÁN THIẾT KẾ VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂNVÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂNVÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ………… 27

Chương 4 : Tính toán thiết kếChương 4 : Tính toán thiết kếChương 4 : Tính toán thiết kế ……… 28

1- Lựa chọn phương án ……… 29

1.1- Yêu cầu của thiết bị ……… 29

1.2- Lựa chọn phương án ……… 29

2- Động học ……… 32

2.1- Chuyển vị góc, vận tốc góc, gia tốc góc của tay quay ……… 32

2.2- Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của con trượt ……… 33

3- Động lực học ……… 34

3.1- Thiết bị đang ở vị trí duỗi ra hết mức (góc hoạt động là 100), và trong trường hợp thiết bị có kích thước lớn nhất ……… 35

3.2- Thiết bị đang ở vị trí co lại hết mức (góc hoạt động là 1200), và

trong trường hợp thiết bị có kích thước lớn nhất ……… 41

3.3- Con trượt đang ở vị trí giữa của thanh dẫn, và trong trường hợp thiết bị có kích thước lớn nhất ……… 46

3.4- Tính toán chọn PAM ……… 51

3.5- Tính toán chọn thanh dẫn hướng ……… 52

3.6- Tính toán chọn ổ cho khớp nối giữa tay quay và thanh truyền …… 54

3.7- Tính toán chọn ổ cho khớp nối giữa tay quay và giá ……… 57

3.8- Tính toán chọn ổ cho khớp nối giữa thanh truyền và con trượt …… 58

3.9- Tính toán chọn trục ròng rọc ……… 59

Chương 5 : Giải thuật điều khiểnChương 5 : Giải thuật điều khiểnChương 5 : Giải thuật điều khiển ……… 63

1- Thuật toán PID ……… 65

2- Giải thuật PID phi tuyến dùng mạng nơron (Nonlinear PID based on neural network) ……… 67

3- Giải thuật bù PID dùng mạng nơron (Neural PID)……….72

3.1- Tổng quan về hệ thống điều khiển ……… 72

3.2- Bộ điều khiển mạng nơron ……… 73

3.2.1- Cấu trúc của bộ điều khiển mạng nơron ……… 74

3.2.2- Thuật toán học ……… 75

PHẦN 3 : PHẦN 3 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆMKẾT QUẢ THỰC NGHIỆMKẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 78

Chương 6 : Chương 6 : Chương 6 : Kết quả thực nghiệm Kết quả thực nghiệm Kết quả thực nghiệm ……… 79

1- Phần mềm điều khiển .80

2- Kết quả thực nghiệm .80

2.1- Trường hợp không tải 81

2.1.1- Kết quả thực nghiệm khi thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình Sin, chu kỳ 50 (s), biên độ 600 ……… 81

2.1.2- Kết quả thực nghiệm khi thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình Thang, chu kỳ 60 (s), biên độ 600 ……… 83

2.2- Trường hợp có tải ……… 86

2.2.1- Kết quả thực nghiệm khi thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình Sin, chu kỳ 50 (s), biên độ 600……… 86

2.2.2- Kết quả thực nghiệm khi thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình Thang, chu kỳ 60 (s), biên độ 600 ……… 88

2.3- So sánh đáp ứng của các bộ điều khiển ……… 91

2.3.1- So sánh đáp ứng của bộ điều khiển PID trong trường hợp thiết bị hoạt động có tải và không tải ……… 91

2.3.2- So sánh đáp ứng của bộ điều khiển Nonlinear PID trong trường hợp thiết bị hoạt động có tải và không tải ……… 92

2.3.3- So sánh đáp ứng của bộ điều khiển Neural PID trong trường hợp

thiết bị hoạt động có tải và không tải ……… 93

2.3.4- So sánh đáp ứng của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển Nonlinear PID và bộ điều khiển Neural PID trong trường hợp có tải ………… 95

PHẦN 4 : KẾT LUẬN PHẦN 4 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀIVÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀIVÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ……… 98

1- Những kết quả đạt được ……… 99

2- Những hạn chế của luận văn ……… 99

3- Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo ……… 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO

- 1 -

PHAÀN I

PHAÀN I TOÅNG QUAN

TOÅNG QUAN

- 2 -

CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ VỀ CÁC VẤN ĐỀ VỀ CÁC VẤN ĐỀ VỀ CHẤN THƯƠNG KHỚP GỐI

CHẤN THƯƠNG KHỚP GỐI

1.1 Bệnh lý của sự sơ cứng khớp Bệnh lý của sự sơ cứng khớp Bệnh lý của sự sơ cứng khớp gối gối gối

Vào năm 1926, Von Riemke, chủ tịch hiệp hội phẩu thuật Đan Mạch đã phát biểu rằng “ Mọi chấn thương của khớp nên được điều trị kịp thời Sự vận động cần phải bắt đầu vào những ngày đầu tiên, rất chậm, nhưng phải nhiều và liên tục” Sau này, Salter dựa trên một chuỗi những nghiên cứu bằng thực nghiệm đã đưa ra khái niệm của sự vận động bị động liên tục, gọi tắt là CPM (Continuous Passive Motion) Năm 1960, Salter và Field chỉ ra rằng : sự bất động cưỡng bức của khớp gối một con thỏ sẽ dẫn tới sự hoại thư của sụn gối Năm 1965, Salter đã trình bày những ảnh hưởng có hại do sự bất động trên sụn khớp của thỏ (trong y học gọi là “sự thoái hóa của sụn khớp”) Ông lập luận, không vận động thì rõ ràng không tốt cho khớp, và rằng, nếu vận động không liên tục thì tốt hơn cho cả khớp bình thường và khớp bị chấn thương, thì sự vận động liên tục thậm chí còn tốt hơn rất nhiều Ông tin rằng CPM có những ưu điểm, cụ thể, nếu sự vận động là chậm vừa phải, thì ta có thể áp dụng ngay một sự vận động chậm vừa phải ngay sau khi chấn thương hay ngay sau khi phẩu thuật mà không gây đau quá mức cho bệnh nhân Điều này đã được kiểm nghiệm trên nhiều bệnh nhân, và được chứng minh là có tính khả thi Ngày nay, những nghiên cứu về CPM khẳng định sự vận động liên tục sẽ thúc đẩy việc chữa lành vết thương và tái sinh sụm khớp

Để hiểu cách mà CPM có thể giúp bệnh nhân trong việc duy trì khả năng chuyển động của khớp sau chấn thương hay sau phẩu thuật, ta cần có những hiểu biết cơ bản về bệnh lý của sự sơ cứng khớp Sự sơ cứng của khớp sau phẩu thuật hay sau khi chấn thương là một quá trình tiến triển qua 4 giai đoạn: sự chảy máu, chứng phù, giai đoạn mô kết thành hột, và chứng sơ hóa

- 4 -

Bước 1: Sự chảy máu

Giai đoạn đầu tiên xảy ra trong vài phút đến vài giờ sau khi phẩu thuật khớp hay sau khi chấn thương, giai đoạn này gây ra sự chảy máu, kết quả là làm sưng phòng bao vỏ khớp và sự sưng lên của mô quanh khớp Phụ thuộc vào từng khớp riêng biệt, bao vỏ đạt thể tích lớn nhất tại một góc khớp nào đó Thông thường, thể tích lớn nhất của bao vỏ khớp gối xảy ra tại góc khoảng 350 của sự co lại Bất cứ sự co lại hay dũi của một khớp tới vị trí vượt ra ngoài thể tích lớn nhất, khi khớp và/hay những mô xung quanh khớp bị sưng lên, tạo áp suất thủy tĩnh rất lớn trong khớp và những mô quanh khớp Áp suất cao này gây đau đớn và làm giảm khả năng vận động của khớp Ngay sau khi bị chấn thương hay sau khi phẩu thuật khớp, khuynh hướng tự nhiên là giữ khớp trong vị trí của thể tích khớp lớn nhất để làm tối thiểu sự đau đớn do sự căng của bao vỏ khớp và áp suất bên trong khớp

Giai đoạn 3: Quá trình mô kết thành hột

Giai đoạn 4: Chứng sơ hóa

Giai đọan 4 của chứng sơ cứng thể hiện ở chứng sơ hóa Trong suốt giai đoạn này, mô kết thành hột đã phát triển hoàn thiện, định hình dày đặc, tạo thành sẹo của mô cứng Những mô bị sẹo này có một sự tập trung của chất tạo keo kiểu sợi I trong thể mẹ ngoại bào của nó

1.2

1.2 Quá trình Quá trình Quá trình tiến triển của tiến triển của tiến triển của sự sự sự sơ sơ sơ cứng khớp gối.cứng khớp gối.cứng khớp gối

Khi vết mổ đã kín, gối có một khoảng vận động nào đó Nếu đưa bệnh nhân trở lại phòng phẩu thuật từ phòng phục hồi sau 2 giờ và gối bệnh nhân được khám lại trong tình trạng bị gây tê, nó sẽ không di chuyển một cung đầy đủ Bởi vì sự tích tụ máu bên trong và xung quanh gối, gây ra sự căng và mất tính chiều theo của những mô xung quanh khớp Tuy nhiên, nếu máu được đưa ra ngoài ( hay không cho phép tích tụ), tính vận động của gối sẽ lập tức được phục hồi

Một đến hai ngày sau, nếu bác sĩ tập lại gối bệnh nhân một lần nữa trong tình trạng bị gây tê, tất nhiên là nó sẽ không chuyển động một cung đầy đủ Sự mất khả năng chuyển động này là do sự tích tụ chất dịch, thể hiện ở giai đoạn thứ hai, chứng phù Có thể loại bỏ chất dịch từ những mô xung quanh khớp , nhưng cần duy trì việc đưa chất dịch ra xa vùng của khớp

Nhiều ngày sau đó, gối có cảm giác cứng do không thể loại bỏ được chất dịch ra khỏi vùng khớp gối Trong giai đoạn thứ ba sự lắng động mô kết thành hột, thể

Nhiều tuần hay nhiều tháng sau đó, khi chứng sơ hóa xảy ra trong giai đoạn thứ

tư của sự sơ cứng, thể mẹ ngoại bào và những mô kết thành hột trở nên dày đặc, mô có thẹo kết dính vào nhau Điều này dẫn đến một sự chống lại chuyển động rất lớn và mất khả năng chuyển động thậm chí bằng tay

2222 Giải pháp phục hồi chức năng kh Giải pháp phục hồi chức năng kh Giải pháp phục hồi chức năng khớp gốiớp gốiớp gối

Hiểu được quá trình tiến triển của sự sơ cứng khớp gối, điều này sẽ giúp mọi người hiểu được mục tiêu sau cùng là ngăn ngừa sự tích tụ của chất dịch bên trong và xung quanh những mô quanh khớp Việc ngăn ngừa được thực hiện bằng cách đưa máu và chất dịch gây phù này ra khỏi vùng khớp gối Bằng cách ngăn ngừa sự tích tụ dịch bên trong và quanh khớp , nó ngăn ngừa sự lắng động của mô hạt và chứng sơ hóa của những mô quanh khớp

Sử dụng lý thuyết này, vai trò của CPM trong việc ngăn ngừa sự cứng của khớp có thể dễ hiểu hơn Trong những ngày đầu sau khi chấn thương hay sau khi phẩu thuật, CPM thì chủ yếu có ích trong việc làm giảm tối thiểu sự tích tụ máu bầm và chất dịch gây phù quanh và trong khớp

CPM gây ra một dao động hình sin bên trong khớp, được trình bày trong hình 1.1, điều này làm tăng việc loại bỏ máu trong khớp (hình 1.2) Với việc bơm chất dịch

ra khỏi khu vực quanh khớp, CPM ngăn ngừa sự tích lũy chất gây phù trong những mô mềm quanh khớp Vì vậy, CPM thì rất có ích và rất quan trọng trong vài giờ đầu và vài ngày đầu sau khi phẩu thuật CPM thì ít ảnh hưởng đến giai đoạn thứ ba của sự cứng và không hưởng đến giai đoạn thứ tư

- 7 -

Hình 1.1 : Áp suất bên trong khớp gối trong suốt quá trình CPM

được thực hiện, áp suất dao động theo dạng hình sin.

Hình 1.2 : Sự co và dũi của khớp bằng CPM làm tăng và giảm áp

suất thủy tĩnh trong khớp và những mô quanh khớp, kết quả của “hiệu

quả bơm” đưa chất dịch ra khỏi khớp và ra khỏi những mô quanh khớp

3333 Đề nghị sử dụng CPMĐề nghị sử dụng CPM

CPM tác động để làm giảm sự tích tụ máu và chất dịch ở trong và xung quanh khớp sau khi bị chấn thương hay sau khi phẩu thuật Theo cách này, CPM thì hữu ích trong việc tránh sự phát triển chứng sơ cứng của khớp xảy ra sau đó trong một vài giờ đầu tiên hay những ngày đầu tiên

CPM được dùng để ngăn ngừa sự cứng và để duy trì sự chuyển động đạt được tại thời điểm sau phẩu thuật, đặc biệt là sau khi thay thế khớp, giảm bớt sự co cứng, và sự dính lại của những cơ quanh khớp Nó bị cấm dùng nếu những dây chằng mô mềm không đủ, nếu khớp không vững chắc hay nếu sự dính lại của chỗ nứt không đạt được độ cứng cần thiết Theo những hướng dẫn này và tuân thủ

- 9 -

CHƯƠNG 2

CHƯƠNG 2 TỔNG Q

TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU UAN VỀ CƠ CẤU UAN VỀ CƠ CẤU TÁC ĐỘNG PHỎ

HỌC HỌC

1.1 Định nghĩa Định nghĩa Định nghĩa

Cơ nhân tạo hoạt động nhờ khí nén (Pneumatic Artificial Muscle-PAM) là một thiết bị có chuyển động co lại và chuyển động của nó là thẳng, nó hoạt động được là nhờ áp suất của khí nén

1.2

1.2 Cấu tạoCấu tạoCấu tạo

Cấu tạo của cơ cấu tác động này gồm có một ống cao su được bao phủ bởi một lưới bện, hai đầu của nó được buộc lại, nơi mà năng lượng cơ được truyền lên tải Khi ống cao su được bơm đầy không khí, hay khí được hút ra, nó phồng ra hay bị nén lại Đồng thời với sự giãn ra hay co lại theo hướng hướng kính, ống cao su co lại theo hướng dọc trục và tạo ra một lực kéo trên tải Do đó, lực và chuyển động được tạo ra bởi cơ cấu tác động này là tuyến tính và đẳng hướng

Hình 2.1 : Cấu tạo của PAM

PAM cũng được biết với những tên gọi khác như : cơ cấu tác động cơ khí nén (Pneumatic Muscle Actuator, Caldwell, 1993a), cơ cấu tác động chất lưu (Fluid Actuator, Yarlott, 1972), cơ cấu tác động áp lực được dẫn động bằng chất lưu (Fluid-Drive Tension Actuator, Paynter, 1988b), cơ cấu tác động có thể co lại theo hướng dọc trục (Axially Contractible Actuator, Immega và Kukolj, 1990, Kukolj, 1988), cơ cấu tác động áp lực (Tension Actuator, Immega, 1989, Paynter, 1988a)

1.3

1.3 Hoạt động của PAM Hoạt động của PAM Hoạt động của PAM

dWm = pdV (2.1) trong cùng khoảng thời gian dt, chiều dài của cơ cấu tác động thay đổi một lượng là dl và để tải được di chuyển đi một đoạn bằng với lượng thay đổi chiều dài của PAM, cần tạo ra một công là:

dWl = -Fdl (2.2) Để làm biến dạng ống cao su bên trong, cần một công là dWd Ước lượng công này phụ thuộc vào ứng xử của vật liệu : tính đàn hồi, tính dẻo Bỏ qua công biến dạng của ống cao su bên trong, và giả sử những điều kiện gần như là tĩnh hoàn toàn, lúc đó ta có

dWl = dWm

hay

F = - pdV

dl (2.3)

vì vậy lực sẽ tăng

Hình 2.2 : Nguyên lý hoạt động của PAM

Hình trên trình bày hoạt động của một loại PAM bất kỳ và hình dạng được giữ ở áp suất không đổi Về lý thuyết, có một số kiểu có lực rất lớn khi nó ở trạng thái dài nhất, nhưng bởi vì tính chảy của vật liệu nên điều này sẽ không thể có trong thực tế Khi PAM co lại, thể tích sẽ tăng đến mức lớn nhất, tại điểm này lực sẽ giảm xuống tới 0, và sự co sẽ tiến đến giá trị lớn nhất của nó Hơn nữa, sự co

2222 Những đặc tính của PAM Những đặc tính của PAM Những đặc tính của PAM

PAM hoạt động được là nhờ áp suất của khí, và nó co lại khi được bơm phồng lên PAM được cấu tạo gồm một ống cao su có thể được bơm phồng lên, được gia cố bởi những sợi dây nhỏ, và được lắp đầu nối để mang tải ở cả hai đầu của nó Khi ống cao su bị ép bởi áp suất khí, nó sẽ phình ra theo hướng hướng kính, trong khi đó nó co ngắn lại theo hướng dọc trục Trong quá trình co ngắn lại theo hướng dọc trục, PAM sẽ tạo ra lực kéo tại hai đầu của nó Lực này được tạo ra từ sự co lại và làm di chuyển tải theo một hướng nhất định Để hiểu những đặc tính của PAM ta xét hai trường hợp sau:

2.2 Hoạt động của Hoạt động của Hoạt động của PAM với áp suất không đổiPAM với áp suất không đổiPAM với áp suất không đổi

Hình 2.4 : Hoạt động của PAM với áp suất không đổi

Lúc này PAM được giữ ở áp suất không đổi, trong khi khối lượng được giảm từ giá trị ban đầu của tải bên ngoài 2M, như ở hình 2.4 (a) Khi khối lượng giảm xuống tới giá trị M, hình 2.4 (b), PAM co ngắn lại, trong khi thể tích của nó tăng lên Khi khối lượng được loại bỏ hoàn toàn, hình 2.4 (c), nó sẽ phồng ra hết cỡ, đồng thời nó thu ngắn lại đến chiều dài nhỏ nhất Lmim, lực kéo bây giờ giảm xuống 0 Tại điểm này, PAM không thể co lại thêm được nữa Từ đây, ta có thể

0, khi đó thể tích của nó là lớn nhất

2.3

2.3 Ưu và nhược điểm của PAMƯu và nhược điểm của PAMƯu và nhược điểm của PAM

Theo các nghiên cứu, PAM là cơ cấu có hệ số Công suất /Khối lượng và Công suất/Thể tích lớn nhất trong tất cả các cơ cấu tác động thông thường (điện, thủy lực,…) PAM có một đặc tính rất hay, đó là khả năng chìu theo chuyển động của đối tượng chịu tác động, chính điều này làm cho PAM có ưu thế trong các lĩnh vực người máy sinh học và cơ khí y sinh học Nguồn năng lượng cho PAM là khí nén, đây là nguồn năng lượng sạch và có sẵn trong tự nhiên

Tuy nhiên, do PAM được cấu tạo bởi các vật liệu dẻo và đàn hồi nên tính chất của chúng dễ thay đổi theo nhiệt độ Đặc tính này cùng với tính phi tuyến và tính trể (đặc tính của khí nén) gây ra những khó khăn chính sau đây : khó điều khiển chính xác và nhạy với sự thay đổi của tải trọng (đặc trưng cho tính chìu theo của PAM) Ngoài ra, việc ứng dụng PAM trong thực tế còn có những khó khăn sau : cần phải có thiết bị nén và tồn trữ khí, tuổi thọ không cao, lượng co lại của PAM phụ thuộc vào chiều dài ban đầu (khoảng 20% đến 30% chiều dài của PAM), hiện tượng trễ ở PAM do ma sát khô (do ma sát giữa ống cao su bên trong và lưới bao bên ngoài, giữa những dây bện với nhau)

3333 Cơ dạng bện (Braided Muscles) Cơ dạng bện (Braided Muscles)

Cơ dạng bện gồm một ống cao su đàn hồi kín khí, được bao bọc bởi một lớp lưới bện Hình bên dưới trình bày một kiểu đặc biệt của loại này

Những dây bện quấn theo đường xoắn ốc dọc theo chiều dài của PAM tại một góc (góc bước, góc bện, góc dệt) +θ và -θø Khi ống được giữ ở áp suất không

Hình 2.5 : Cấu tạo của PAM dạng bện

Ứng xử chung của những cơ này có liên quan đến hình dạng của nó, sự co lại và sự căng lên khi được bơm phồng lên sẽ phụ thuộc vào hình dạng của ống đàn hồi

ở bên trong và của dây bện tại trạng thái nghỉ, và dựa vào loại vật liệu được sử dụng Thường thì cơ dạng bện có dạng hình trụ bởi ruột của nó có dạng trụ và góc bước của dây bện không đổi từ đầu đến cuối

3.1

3.1 Cơ McKibben Cơ McKibben Cơ McKibben

Đó là một cơ dạng bện hình trụ, cả ống cao su bên trong và lưới bện bao bên ngoài của nó đều được buộc lại ở hai đầu để không chỉ truyền sức căng của

Lưới bao ngoài Ống bên trong

Bị kéo

Ở trạng thái nghĩ

Bị bơm phồng lên

n vòng quấn

cơ Thường thì giá trị của góc bước, được cho bởi Cadlwell (1995), là 59,30 cho trạng thái bơm phồng lên lớn nhất, và 200 cho trạng thái bị kéo hoàn toàn Từ phương trình (2.3), ta có thể tìm được mối quan hệ giữa sức căng và góc dệt là:

0

1 l

l

ε = − (2.6) Với l là chiều dài thực của cơ và l0 là chiều dài của cơ ở trạng thái nghỉ Ta có thể tìm được mối quan hệ giữa sức căng và độ co lại như sau:

Biểu thức sức căng có thể được mở rộng ra bằng cách thêm vào lực ma sát giữa dây bọc bên ngoài và ống bên trong, và giữa những dây bện, và sự biến dạng của ống bên trong Ma sát và biến dạng dẻo của ống sẽ thể hiện tính trể và áp suất ngưỡng (áp suất tương đối để thắng sự biến dạng lúc bắt đầu của ống cao su bên trong), trong khi biến dạng đàn hồi sẽ căng ít hơn Lực cần để kéo dài hay nén ống lại có liên quan đến chiều dài của ống ở trạng thái nghỉ của nó, lực này có thể được mô hình như là một lực lò xo động tác động song song với lực tác động được tính ở (2.3) Lực bị động này làm tăng sức căng khi l > l0 và làm giảm sức căng khi l < l0

Đây là loại cơ được sử dụng nhiều nhất bởi : thiết kế của nó đơn giản, dễ lắp ráp, giá thành thấp Mặc khác tuổi thọ của nó không cao lắm

Hình 2.6 : Cơ cấu tác động McKibben (McKibben Actuator)

Cơ cấu tác động McKibben đã được thương mại bởi công ty Shadow Robot Cơ cấu tác động McKibben có những nhược điểm sau : nhược điểm chính của McKibben Muscle là ma sát khô vốn có của nó và áp suất bị giới hạn, không có khả năng làm việc ở áp suất cao, nếu làm việc ở áp suất cao, lưới bao quanh ống cao su bị bung ra Vì lý do này mà Shadow đề nghị sử dụng cơ cấu tác động

3.2 Cơ khí Festo Cơ khí Festo Cơ khí Festo

Một biến thể của cơ cấu tác động McKibben được gọi là cơ khí Festo đã được thương mại bởi Festo Inc Không giống như cơ cấu tác động McKibben, lưới được dệt theo đường xoắn ốc trong cơ cấu tác động Festo nằm ở phần giữa của ống cao

su Với cấu trúc như vậy cơ cấu tác động Festo có thể làm việc được ở áp suất 6 bar, do đó nó sẽ tạo ra được lực lớn hơn Tuy nhiên cơ cấu tác động Festo có những nhược điểm sau : thứ nhất, cơ cấu tác động Festo có hai đầu nối bằng nhôm có kích thước lớn, điều này làm tăng khối lượng và làm giảm khả năng căng của nó Thứ hai là bởi vì ống của nó dày, nên áp suất thổi phồng lên lúc đầu thì cao hơn cơ cấu tác động McKibben Thứ ba là do ống dày nên có thể làm cho nó cứng khi nó không được bơm phồng lên

Hình 2.7 : Cơ cấu tác động Festo:

(a) Đầu nối lúc đầu của cơ khí Festo (b) Đầu nối đã được sửa đổi

Những nhược điểm của cơ cấu tác động Festo đã được giải quyết Kingsley đã giải quyết những vấn đề này bằng cách thay thế hai đầu cuối của cơ cấu tác động Festo bởi những đầu nhỏ hơn và bằng nhựa

4444 Độ cứng/sự chiều theo của PAM: Độ cứng/sự chiều theo của PAM: Độ cứng/sự chiều theo của PAM:

Nếu cơ cấu tác động kín, số hạn thứ nhất có liên quan trực tiếp tới tính chịu nén của khí, và được xác định như sau:

n

dV = − V (2.10) Với khí khô hệ số n nằm trong khoảng từ 1 đến 1,4 Tính chịu nén có thể được viết lại như sau:

Số hạng thứ hai là điển hình của những cơ cấu tác động cơ : nó thể hiện độ cứng của cơ trong những điều kiện đẳng áp Nếu sự điều chỉnh của áp suất là đủ nhanh, chỉ có số hạng này sẽ xác định tính chiều theo Từ phương trình (2.8) và (2.10) cho thấy rằng : tăng áp suất, độ cứng tăng và giảm bớt tính chiều theo

CHƯƠNG 3

CHƯƠNG 3 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

1111 Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi chức năng chức năng chức năng khớp gối ở Việt Namkhớp gối ở Việt Namkhớp gối ở Việt Nam::::

Ở nước ta hiện nay, các thiết bị hỗ trợ co duỗi khớp gối trong việc ngừa sự sơ cứng khớp gối sau phẩu thuật hay sau khi bị chấn thương là rất ít và có rất ít công

ty sản xuất các thiết bị này Mặc khác, các thiết bị này được thiết kế rất thô sơ, đơn giản

Sản phẩm của công ty Phana : thiết bị thô sơ, đơn giản, thiếu nhiều tính năng

- 23 -

• Tốc độ : 0,8 – 4,60/giây

• Có thể nhớ lưu trữ chương trình cho từng bệnh nhân

2222 Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi chức năng chức năng chức năng khớp gối khớp gối khớp gối trên thế giớitrên thế giớitrên thế giới::::

Ngày nay, các thiết bị y tế phục hồi chức năng khớp gối đã và đang tiếp tục hoàn thiện thêm với nhiều tính năng ưu việt, được các công ty trên thế giới sản xuất và đưa vào sử dụng như :

Jace K Jace K 100 100 100

Giá thành : 1295 USD

- 24 -

ARTROMOT K

ARTROMOT K 3 Knee3 Knee3 Knee

Giá thành : 5995 USD

Góc gập: -5 o ~115 o

ARTROMOT KARTROMOT K 4 Knee4 Knee4 Knee Giá thành : 6995 USD Góc gập: -10 o ~120 o

OptiFlex Knee CPM

Giá thành : 2000 USD

Knee CPM by Mckelor IndustriesKnee CPM by Mckelor Industries

Giá thành : 2300 USD Gốc gập : -5 o ~110 o

Qua khảo sát trên, ta thấy các thiết bị trong nước còn thiếu rất nhiều và các thiết

bị hiện có này rất thô sơ, thiếu nhiều tính năng, còn thiết bị ngoại nhập thì giá rất

- 25 -

đắt Ngoài ra, các thiết bị ngoại nhập đều sử dụng động cơ là cơ cấu truyền động,

cơ cấu truyền động này có tỉ số công suất / khối lượng thấp, không mềm dẻo và không linh hoạt và bị hạn chế về tính an toàn

3333 Hướng nghiên cứu của luận vănHướng nghiên cứu của luận vănHướng nghiên cứu của luận văn : : :

Với ưu điểm của PAM, tính an toàn và khả năng chiều theo chuyển động, nên trong luận văn này sẽ nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị phục hồi chức năng khớp gối sử dụng cơ cấu tác động phỏng sinh học Ở đây, ta tập trung nghiên cứu các giải thuật điều khiển thiết bị, mà cụ thể là điều khiển PAM

Thiết bị phục hồi chức năng khớp gối có những tính năng sau :

• Góc co duỗi của thiết bị là 100 - 1200

• Thích hợp cho mọi bệnh nhân có chiều cao từ 1,4 (m) đến 1,9 (m)

• Chương trình tập luyện thay đổi linh hoạt : thay đổi linh hoạt các thông số của bài tập (tốc độ co – duỗi, góc co – duỗi, đáp tuyến), tính ổn định cao trong các điều kiện thay đổi khác nhau của bệnh nhân

Ý nghĩa của đề tàiÝ nghĩa của đề tàiÝ nghĩa của đề tài::::

• Giải quyết vấn đề thiếu nhân lực về vật lý trị liệu, phục hồi chức năng trong các bệnh viện, trung tâm chấn thương chỉnh hình, cá trung tâm huấn luyện thể dục thể thao ở tất cả các tỉnh thành trong cả nước

• Hiện đại hóa trang thiết bị phục vụ ngành y tế, nâng cao năng suất và hiệu quả công việc

• Thay thế dần các thiết bị đã lỗi thời và thiếu nhiều tính năng hiện đang được sử dụng trong hầu hết các bệnh viện, trung tâm chấn thương chỉnh hình, cá trung tâm huấn luyện thể dục thể thao, hoặc thay thế các thiết bị ngoại nhập bằng những thiết bị y tế – y sinh học, giá thành rẻ

- 27 -

PHẦN 2

PHẦN 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

- 28 -

CHƯƠNG 4

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

- 29 -

1111 Lựa chọn phương án Lựa chọn phương án Lựa chọn phương án

1.11.11.1 Yêu cầu của thiết bị : Yêu cầu của thiết bị : Yêu cầu của thiết bị :

Chân người gồm có ba khớp chính : khớp đùi, khớp gối, khớp cổ chân Sau khi phẩu thuật hay sau khi bị chấn thương khớp gối, khớp gối cần được vận động co duỗi để đưa máu bầm và chất dịch ra khỏi khớp, không cần đến chuyển động của khớp cổ chân, do đó trong cơ cấu này, ta không xét đến khớp cổ chân Khớp đùi là khớp cầu ba bậc tự do, khớp gối có hai bậc tự do, nên hệ này gồm có năm bậc tự do Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, trong việc điều trị chấn thương khớp gối,

ta chỉ cần chuyển động co duỗi của chân, nên khớp gối sẽ được xem như khớp bản lề một bậc tự do Khớp đùi chỉ giữ vai trò hỗ trợ chuyển động co duỗi của khớp gối, để đơn giản, khớp đùi được xem như khớp bản lề

Từ những phân tích trên, cơ cấu được chọn cho thiết bị là cơ cấu tay quay con trượt

Hình 4.1 : Nguyên lý hoạt động của thiết bị phục hồi chức năng khớp gối

Thiết bị phục hồi chức năng khớp gối có những yêu cầu sau :

• Góc co duỗi của thiết bị là 100 đến 1200

• Thích hợp cho mọi bệnh nhân có chiều cao từ 1,4 (m) đến 1,9 (m)

• Chương trình tập luyện thay đổi linh hoạt : thay đổi linh hoạt các thông số của bài tập (tốc độ co – duỗi, góc co – duỗi, đáp tuyến), tính ổn định cao trong các điều kiện thay đổi khác nhau của bệnh nhân

1.2

1.2 Lựa chọn phương án: Lựa chọn phương án: Lựa chọn phương án:

• Với cách bố trí này thì chiều rộng của thiết bị sẽ lớn

• Việc tập chân phải sẽ gặp khó khăn do chân trái bị vướng vào phần hông của thiết bị, nơi đặt PAM

• Thiết bị có 3 sóng trượt, nên sẽ khó khăn trong việc lắp ráp, và chế tạo

Hình 4.2 : Phương án một

1.2.2- Phương án hai: đặt PAM nằm dọc theo thiết bị

Hình 4.3 : Phương án hai

1.2.3- Phương án ba: PAM được đặt dọc theo thiết bị

Hình 4.4 : Phương án ba

Ưu điểm :

• Hệ thống ròng rọc được bố trí gọn hơn, nên chiều dài của thiết bị được giảm xuống