Thiết kế, chế tạo thiết bị phục hồi chức năng khớp gối

iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI Thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng khớp gối dùng để hỗ trợ lực cho khớp sinh học với hai động cơ được gắn để gấp

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 CƯ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI

GVHD: Th.S LÊ THANH TÙNG SVTH: NGUYỄN THANH DƯƠNG MSSV: 11146025

SVTH: LÊ VĂN TUẤN MSSV: 11146136 SVTH: VÕ VĂN QUANG MSSV: 11146086

Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016

S K L 0 0 4 2 6 9

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

Giảng viên hướng dẫn: TH.S LÊ THANH TÙNG

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THANH DƯƠNG 11146025

Sinh viên thực hiện: LÊ VĂN TUẤN 11146136

Sinh viên thực hiện: VÕ VĂN QUANG 11146086

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Bộ môn Cơ Điện Tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: Th.s Lê Thanh Tùng

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Dương MSSV: 11146025

Lê Văn Tuấn MSSV: 11146136

Võ Văn Quang MSSV: 11146086

1 Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị phục hồi chức năng khớp gối

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

 Thiết bị bộ xương ngoài đã được nghiên cứu và công bố

 Nghiên cứu tài liệu để kế thừa thành tựu

 Đồ án “ Thiết kế, chế tạo robot phồi chức năng khớp gối”, Nguyễn Quang Tuấn,

2014

3 Nội dung chính của đồ án:

 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị phục hồi chức năng cho khớp gối

 Thiết bị thực hiện 2 chức năng: gấp mở và kéo giãn khớp gối

 Thiết bị đảm bảo sự an toàn và thoải mái cho người sử dụng

4 Các sản phẩm dự kiến

 Thiết bị phục hồi chức năng khớp gối

5 Ngày giao đồ án: 07/09/2015

6 Ngày nộp đồ án: 11/01/2016

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ ………

(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

Email: spkt.11146025@gmail.com

- Họ tên sinh viên: Lê Văn Tuấn 11146136

Lớp: 111461B Địa chỉ sinh viên: Dĩ An, Bình Dương SĐT: 0933169619

Email: lvtspkt22071993@gmail.com

- Họ tên sinh viên: Võ Văn Quang 11146086

Lớp: 111461A Địa chỉ sinh viên: Lê văn việt, Q.9, Tp.Hcm SĐT: 01666652434

Email: vovanquang1992@gmail.com

- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 11/01/2016

- Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình

do chính nhóm nghiên cứu và thực hiện Nhóm không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”

Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 01 năm 2016

Ký tên

Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Thanh Tùng, giảng viên Bộ môn

Cơ Điện Tử - người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm khoá luận và thầy Cái Việt Anh Dũng đã có những góp ý để nhóm có thể hoàn thiện hơn

đồ án của mình

Nhóm cũng xin chân thành cảm ơn các giảng viên đã và đang giảng dạy tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh nói chung, các giảng viên trong Bộ môn Cơ Điện Tử nói riêng đã dạy dỗ cho chúng em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, nhóm xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên nhóm trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức mình, nhưng đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót Chúng em kính mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý Thầy Cô

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thanh Dương

Lê Văn Tuấn

Võ Văn Quang

iv

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI

Thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng khớp gối dùng để hỗ trợ lực cho khớp sinh học với hai động cơ được gắn để gấp mở và kéo giãn khớp gối Cơ cấu được sử dụng là cơ cấu đẳng tĩnh để đảm bảo an toàn và thoải mái cho người sử dụng, giúp bệnh nhân dễ dàng vận động khớp gối, rút ngắn thời gian phục hồi chức năng Thiết kế và cài đặt bộ điều khiển đồng bộ hai chức năng: kéo giãn và đóng mở khớp Thiết bị sử dụng bộ truyền động bánh ma sát và bánh đai, vừa loại bỏ độ rơ của cơ cấu, vừa đảm bảo độ an toàn cho người sử dụng

Sinh viên thực hiện Nguyễn Thanh Dương

Lê Văn Tuấn

Võ Văn Quang

v

ABSTRACT

DESIGN AND MANUFACTURING THE DEVICE SUPPORTS

REHABILITATION OF KNEE JOINT

The device supports rehabilitation of knee joint used to support resources for biological joints with two engines attached to the fold open and stretch the knee joint The structure used is the isostatic structures to ensure safety and comfort for users, help patients to easily mobilize knee, shorten the rehabilitation period Design and installation

of the controller to sync two functions: stretch and close the open joints Used equipment friction gear transmission and gear belt, just remove the speed and of the structure, just ensure the safety for the user

vi

MỤC LỤC

Trang

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM KẾT ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

1.4 Đối tượng nghiên cứu 1

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp 2

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 3

2.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 3

2.1.1 Khớp gối 3

2.1.2 Phục hồi chức năng trong điều trị chấn thương 8

2.2 Một số thành tựu đã công bố 9

2.2.1 Trong nước 9

2.2.2 Nước ngoài 10

CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

3.2 Kéo giãn chi dưới và PHCN sau mổ tái tạo dây chăng chéo trước 16

3.2.1 Kéo giãn chi dưới 16

3.2.2 PHCN sau mỗ tái tạo dây chằng chéo trước 17

3.3 Bậc tự do 19

vii

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM 21

4.1 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 21

4.1.1 Trình tự tiến hành 21

4.1.2 Các phương pháp thiết kế dẫn động cơ khí 22

4.1.3 Lựa chọn phương án thiết kế 25

4.1.4 Bậc tự do và mô hình thiết kế của thiết bị 25

4.1.5 Kéo giãn khớp gối bằng bộ truyền tang cuốn ma sát và cáp 26

4.1.6 Thiết kế hộp giảm tốc 32

4.1.7 Chế tạo thử nghiệm 48

4.2 Mạch điều khiển 50

4.2.1 Mạch cầu H-Bridge HA300 50

4.2.2 Mạch xử lí trung tâm Arduino Mega2560 51

CHƯƠNG 5: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN – THIẾT KẾ LƯU ĐỒ 52

5.1 Sơ đồ nguyên lý tổng thể 52

5.2 Đọc tín hiệu encoder 54

5.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển 55

5.3.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển tổng quát 55

5.3.2 Lưu đồ giải thuật chi tiết 56

5.4 Giao diện giám sát sử dụng phần mềm Visual Studio 59

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 61

6.1 Đồ thị thực nghiệm chế độ Manual 61

6.2 Đồ thị thực nghiệm chế độ Auto 62

6.3 Đồ thị thực nghiệm thay đổi góc gấp mở 63

KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 1 66

PHỤ LỤC 2 70

PHỤ LỤC 3 73

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 4.1: Thông số cơ thể người 27

Bảng 4.2: Giá trị momen 34

Bảng 4.3: Hiệu suất của các bộ truyền 35

Bảng 4.4: Thông số của vật liệu inox 38

ix

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Trang

Hình 2.1: Lược đồ giải phẩu khớp gối 3

Hình 2.2: Các cơ chính của khớp gối: nhìn từ phía trước 4

Hình 2.3: Các cơ chính của khớp gối: nhìn từ phía sau 4

Hình 2.4: Nhìn phía trước của đầu gối gấp 90° 5

Hình 2.5: Gốc vận động của khớp gối 6

Hình 2.6: Các hình thái tổn thương dây chằng chéo trước 7

Hình 2.7: Đứt dây chằng chéo sau 8

Hình 2.8: Bộ xương ngoài 10

Hình 2.9: Thiết bị hạn chế khớp gối Joint Active System (JAS) 10

Hình 2.10: Thiết bị phản hồi sinh học 11

Hình 2.11: Bionic Exoskeleton 11

Hình 3.1: Cấu trúc của khớp chuyển động tự do - Khớp gối 12

Hình 3.2: Biểu diễn quy tắc lồi lõm 13

Hình 3.3: Cấu trúc của khớp gối 14

Hình 3.4: Các thành phần lực khi gấp/mở 14

Hình 3.5: Góc mở quy ước 15

Hình 3.6: Lực tác động lên khớp gối tại thời điểm gối đang gấp 15

Hình 3.7: Kéo giãn khớp gối có sự hỗ trợ của kỹ thuật viên 17

Hình 4.1: Sơ đồ khối thiết kế phần cơ khí 21

Hình 4.2: Bậc tự do của thiết bị 21

Hình 4.3: Mô hình 3D của thiết bị PHCN khớp gối 26

Hình 4.3: Sơ đồ truyền lực 26

Hình 4.5: Sơ đồ cấu tạo bộ truyền tang cuốn và ma sát 28

Hình 4.6: Lực căng trên tang cuốn 30

Hình 4.7: Puly chỉnh hướng cáp 31

Hình 4.8: Mô hình hộp giảm tốc 33

Hình 4.9: Góc độ của khớp gối 33

Hình 4.10: Các bộ phận chủ yếu trên trục 35

x

Hình 4.11: Thông số của trục 36

Hình 4.12: Lực đặt vào trục 1 38

Hình 4.13: Lực đặt vào trục 2 39

Hình 4.14: Bộ truyền bánh ma sát 39

Hình 4.15: Bộ truyền bánh ma sát trụ (bên trái) và bánh ma sát nón 40

Hình 4.16: Hiện tượng trượt hình học 41

Hình 4.17: Lực trong bộ truyền bánh ma sát trụ 42

Hình 4.18: Bộ truyền ma sát trong cơ cấu 44

Hình 4.19: Lò xo nén 45

Hình 4.20: Bộ truyền đai 46

Hình 4.21: Đai dẹt, đai thang, đai tròn 46

Hình 4.22: Đai răng 46

Hình 4.23: Thông số hình học của bộ truyền đai 47

Hình 4.24: Thiết bị PHCN khớp gối được chế tạo thử nghiệm 49

Hình 4.25: Mạch H-Bridge HA300 50

Hình 4.26: Board Arduino Mega 2560 50

Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý tổng thể 52

Hình 5.2: Sơ đồ thiết bị 52

Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật đọc encoder 54

Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật điều khiển tổng quát 55

Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật điều khiển chế độ Manual 56

Hình 5.6: Tay cầm điều khiển 57

Hình 5.7: Lưu đồ giải thuật chế độ Auto 58

Hình 5.8: Giao diện kết nối 59

Hình 6.1: Thực nghiệm thiết bị 59

Hình 6.2: Đồ thị thực nghiệm ở chế độ Manual 61

Hình 6.3: Đồ thị thực nghiệm chế độ Auto ở góc nâng 30° 61

Hình 6.4: Đồ thị thực nghiệm chế độ Auto ở góc nâng 60° 62

Hình 6.5: Đồ thị thực nghiệm chế độ Auto ở góc nâng 80° 62

Hình 6.6: Đồ thị biểu diễn trạng thái gấp mở của khớp gối 63

xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PHCN Phục Hồi Chức Năng

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Hiện nay, các thiết bị cơ điện tử được ứng dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực PHCN, vật lý trị liệu Các thiết bị này hỗ trợ để hạn chế chuyển động của khớp, thay thế chức năng của một bộ phận hoặc trợ giúp một nhóm cơ Thiết kế, chế tạo thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng khớp gối không chỉ mang lại khả năng ứng dụng vào thực tế chữa trị tại các bệnh viện chuyên về phục hồi chức năng mà còn góp một phần nhỏ vào quá trình nghiên cứu Cơ Điện Tử - Y Sinh trong nước

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài được xây dựng nhằm mục tiêu nghiên cứu đưa các ứng dụng vào trong chế tạo công cụ vật lý trị liệu, phục hồi chức năng tự động nhằm hỗ trợ cho công việc của các nhân viên phục hồi chức năng

Ứng dụng kỹ thuật robot bộ xương ngoài đẳng tĩnh vào việc chế tạo thiết bị phục hồi chức năng cho các khớp Chế tạo thiết bị cho khớp gối để thẩm định kỹ thuật này Thiết bị có khả năng truyền lực tạo chuyển động ở các mức độ khác nhau cho khớp gối của bệnh nhân, đồng thời bảo đảm an toàn cho người dùng Tính chất đẳng tĩnh của cơ cấu sẽ giúp điều khiển thiết bị di chuyển thụ động theo chuyển động của khớp dễ dàng và chân sẽ chuyển động tự nhiên khi ở chế độ không bị tác động của thiết bị

1.4 Đối tượng nghiên cứu

 Kỹ thuật robot bộ xương ngoài đẳng tĩnh

 Các chấn thương cũng như phương pháp phục hồi chức năng khớp gối

 Các phương pháp truyền động cơ khí, điều khiển tự động

2

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu để kế thừa thành tựu: robot bộ xương ngoài, thiết

bị phục hồi chức năng, giải phẩu khớp gối cũng như cơ khí chế tạo, điều khiển, cảm biến

đo góc,

Thiết kế thiết bị với sự giúp đỡ trực tiếp của các thầy cô thuộc Bộ môn Cơ điện tử Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: tính toán, thiết kế trên lý thuyết, thi công chế tạo thực tế và rút kinh nghiệm, khắc phục những thiếu sót

1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án gồm sáu chương với các nội dung sau:

Chương 1: Giới thiệu Giới thiệu lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài,…

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài Trình bày tổng quan, sơ lược về lĩnh vực nghiên cứu, các thành tựu nghiên cứu trong và ngoài nước

Chương 3: Cơ sở lý thuyết Trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện đề tài

Chương 4: Tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm Trình bày các phương án thiết kế; tính toán, thiết kế phần cơ khí, mạch điện; chế tạo thử nghiệm thiết bị

Chương 5: Thuật toán điều khiển – Thiết kế lưu đồ Giới thiệu phần mềm giao diện, xây dựng lưu đồ

Chương 6: Kết quả thực nghiệm Trình bày kết quả thực nghiệm của thiết bị

3

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

2.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

2.1.1 Khớp gối

2.1.1.1 Giải phẩu khớp gối [10]

Khớp gối là một khớp bản lề, lớn nhất cơ thể, nằm ngay dưới da, bao gồm đầu dưới xương đùi, đầu trên xương chầy và xương bánh chè (Hình 1) Các thành phần này được kết nối với nhau bởi hệ thống các dây chằng, bao khớp, trong đó quan trọng nhất là dây chằng chéo trước và dây chằng chéo sau Hai dây chằng này giữ cho đầu trên xương chầy

và đầu dưới xương đùi không bị trượt theo chiều trước sau khi khớp gối vận động Ngoài

ra, hệ thống dây chằng bên trong và dây chằng bên ngoài giữ cho gối không bị trượt sang bên Lót giữa lồi cầu đùi (hình cầu) và mâm chầy (phẳng) là sụn chêm trong và sụn chêm ngoài, làm gia tăng diện tiếp xúc, phân bố đều lực tác động lên gối

Hình 2.1 Lược đồ giải phẩu khớp gối [10]

Mặc dù chức nǎng thiết yếu của đầu gối là chức nǎng khớp bản lề, nhưng khi duỗi cẳng chân, xương chầy hơi cong ra ngoài một chút và khi gập cẳng chân, xương chầy lại hơi cong vào trong một chút Điều này không có tác động của nhóm cơ làm quay vào trong hay quay ra ngoài của cẳng chân, mà do sự gắn bó dây chằng ở trong và xung quanh khớp gối Ngoài ra, có sự lướt nhẹ về phía trước của xương đùi trên xương chầy trong khi gập Đầu dưới xương đùi có hai ụ tròn, lồi cầu giữa và bên, nó ǎn khớp vào diện lõm nông của đoạn gần xương chầy Giữa hai lồi cầu của xương đùi là một khe, nơi xương bánh chè nằm lên trên, tạo nên phần trước của khớp gối Sụn chêm giữa và bên được gắn vào rìa của đoạn gần xương chầy và hoạt động như các giảm xóc giữa các lồi

Hình 2.2 Các cơ chính của khớp gối: nhìn từ phía trước [13]

Giải đai chậu - chầy bám vào xương chầy và là cấu trúc quan trọng đem lại sự ổn định mặt bên của đầu gối Nhóm gân khoeo (xem hình 2.3) bám vào mặt sau của xương chầy và giúp đề phòng duỗi quá mức của khớp gối

Hình 2.3 Các cơ chính của khớp gối: nhìn từ phía sau [13]

5

Hình 2.4 Nhìn phía trước của đầu gối gấp 90° [13]

Dây chằng phụ bên đi từ mỏm gò bên xương đùi đến đầu xương mác Dây chằng này vượt qua đường nối khớp ở mặt sau bên Nó có thể vào sâu trước gân cơ 2 đầu đùi để bám vào đầu xương mác Nhận thấy nó dễ nhất khi đầu gối gập 90° và ở tư thế khép Dây chằng phụ giữa gồm có một phần nông và các sợi sâu, chúng nối mỏm trên lồi cầu giữa xương đùi và mặt giữa xương chầy Nó thực sự liên kết vào trong bao khớp Các sợi sâu bám dọc bờ xương chầy và phần nông chạy xa hơn để bám vào chỗ loe ra của xương chầy Phần nông đem lại sự ổn định khi đầu gối gập ở mọi mức độ Phần sâu của dây chằng góp vào sự ổn định chủ yếu khi khớp duỗi hoàn toàn

Dây chằng bắt chéo trước nổi lên trong vùng liên lồi cầu trước của xương chầy và bám vào mặt giữa sau của mỏm trên lồi cầu bên xương đùi Nó hạn chế độ chuyển động

ra phía trước của xương chầy trong quan hệ với xương đùi

Dây chằng bắt chéo sau xuất hiện từ xương chầy sau vượt qua gian khớp để bám vào mặt giữa của mỏm trên lồi cầu giữa xương đùi Nó hạn chế mức độ chuyển động sau của xương chầy trong quan hệ với xương đùi

Những cấu trúc sụn chêm giữa và bên này giúp "định tâm" những lồi cầu xương đùi khi chúng quay trên mâm chầy Sụn chêm gắn vào mép giữa và bên của xương chầy bởi các dây chằng vành Sụn chêm bên di động nhiều hơn sụn chêm giữa, nên sụn chêm bên

ít bị rách hơn Các sụn chêm sờ thấy rõ nhất khi đầu gối gập

Xương bánh chè là một xương lớn, dẹt, phình ra như hạt vừng, nằm ở mặt trước khớp gối Nó nằm ở giữa bao gân chung của các cơ duỗi của đầu gối (nhóm cơ tứ đầu đùi tạo ra bởi cơ thẳng đùi, cơ rộng trung gian, cơ rộng bên và cơ rộng giữa) Xương bánh

6

chè làm ổn định khớp gối, làm tǎng thêm lợi ích cơ học của cơ tứ đầu khi chúng chạy qua khớp gối để bám vào củ xương chầy

2.1.1.2 Biên độ và tầm hoạt động của khớp gối [3]

Gối có hai chế độ hoạt động: gấp - duỗi là cử động chính và xoay là cử động phụ (chỉ thực hiện được khi gối gấp) 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 Xoay chủ động của gối: chỉ thực hiện khi gối gấp là 400 với xoay ngoài và 300 với xoay trong Trên thực

tế, người ta coi tầm vận động của khớp gối (theo phương pháp Zero) là 1350 (duỗi là 00

và gấp là 1350)

Hình 2.5 Gốc vận động của khớp gối [5]

Các cơ tham gia chi phối tầm vận động khớp gối:

Gấp cẳng chân vào đùi: cơ bán mạc, cơ bán gân, cơ nhị đầu đùi Khi đã 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 cầu trước xương chày), cơ căng cân đùi Cơ thẳng trước của tứ đầu đùi còn tham gia gấp đùi vào bụng 2.1.1.3 Chấn thương khớp gối [4]

Chấn thương gối là một trong những thương tích hay gặp nhất trong thể thao, lao động và sinh hoạt vì khớp gối phải chịu sức nặng cơ thể Động tác chủ yếu của khớp gối

là gập và duỗi, còn cử động sang bên hoặc quay rất hạn chế Vì vậy, khớp gối dễ bị tổn thương bởi những chấn thương từ hai bên hay từ phía trước hoặc do vặn- xoay Bên cạnh

đó chấn thương gối còn do viêm nhiễm khuẩn, viêm lao, thấp khớp cấp, bệnh gout chuyển hóa, loãng xương, Nếu không được chẩn đoán, xử trí đúng đắn, kịp thời, chấn thương gối dễ để lại những hệ quả phiền toái cho người bệnh, ảnh hưởng đến chức năng vận động của khớp

7

Các dạng chấn thương gối thường gặp:

Trật khớp gối: nếu chấn thương mạnh có thể bị trật khớp gối với các biểu hiện đau, không cử động được khớp gối, biến dạng khớp gối Tổn thương có thể làm gãy xương, vỡ sụn, rách bao hoạt dịch, đứt rách dây chằng Khi đó, phải điều trị tại bệnh viện bằng cách nắn chỉnh, phẫu thuật phục hồi khớp

Thoái hóa khớp gối là tình trạng lão hóa của khớp Ở người cao tuổi, sụn khớp bị lão hóa trở nên sần sùi, mất độ trơn nhẵn, giảm đàn hồi, khô và nứt nẻ, mòn, khuyết Mức

độ lão hóa từng người khác nhau, tùy thuộc điều kiện sống của mỗi người Ba triệu chứng thường gặp ở bệnh thoái hóa khớp gối là đau khớp, sưng khớp và hạn chế cử động Điều trị cần dùng các loại thuốc giảm đau, chống viêm, bổ sung chất nhầy cho khớp, thuốc tăng dinh dưỡng cho sụn khớp, thuốc bổ gân - xương

Dây chằng chéo trước (ACL) bám từ lồi cầu xương đùi tới diện trước mâm chầy, giữ cho mâm chầy không bị trượt ra trước và xoay trong Tổn thương dây chằng chéo trước thường gặp khi nhảy cao chân tiếp đất trong tư thế không thuận, hoặc xoay người chuyển hướng đột ngột trong khi bàn chân giữ nguyên Khoảng một nửa số bệnh nhân bị tổn thương dây chằng chéo trước khớp gối có kèm theo các tổn thương khác như rách sụn chêm, bong sụn khớp, tổn thương các dây chằng khác của khớp (dây chằng chéo sau, dây chằng bên…) Khi dây chằng chéo trước bị đứt, quan hệ động học giữa xương đùi và xương chày thay đổi, sự phân phối và truyền lực từ đùi xuống cẳng chân không bình thường, từ đó dẫn đến hai tổn thương thứ phát là rách sụn chêm thứ phát và thoái hóa khớp gối

Hình 2.6 Các hình thái tổn thương dây chằng chéo trước [10]

8

Nếu như dây chằng chéo trước giữ cho mâm chầy không bị trượt ra trước và xoay trong thì dây chằng chéo sau (PCL) lại giữ cho mâm chầy không bị trượt ra sau và xoay ngoài Tổn thương dây chằng chéo sau có thể gặp đơn thuần (38%), nhưng thường phối hợp với các tổn thương khác (56%) Cũng giống như tổn thương dây chằng chéo trước, hậu quả của tổn thương dây chằng chéo sau nếu không được phục hồi dễ gây tổn thương sụn chêm thứ phát và thoái hóa khớp gối về sau Tuy nhiên, sự phiền toái trên lâm sàng không lớn như tổn thương dây chằng chéo trước

Hình 2.7 Đứt dây chằng chéo sau [10]

Ngoài ra còn có một số chấn thương thường gặp như: tổn thương dây chằng chéo trong, chéo ngoài, sụn chêm, sụn khớp

Điều trị tổn thương khớp gối dù có phẫu thuật hay không phẫu thuật thì tập luyện đều đóng vai trò rất quan trọng, việc tập luyện giúp bệnh nhân sớm trở lại với cuộc sống sinh hoạt bình thường

2.1.2 Phục hồi chức năng trong điều trị chấn thương

Mục đích chính của phục hồi chức nǎng là làm giảm sự mất mát không thể tránh khỏi do không hoạt dộng bắt buộc Chúng ta không chỉ quan tâm đến sự lành lại của cấu trúc bị tổn thương, mà còn chú ý đến điều kiện của các cơ và dây chằng hỗ trợ khác, cũng như sự khoẻ mạnh của toàn bộ cơ thể Phục hồi chức năng không chỉ cải thiện sức mạnh

cơ mà còn cải thiện chất lượng của sụn khớp Tập luyện thường xuyên còn giúp giảm cân

từ đó giúp giảm trọng tải lên khớp Tuy nhiên, quá trình tập luyện rất dễ bị thất bại vì đa

số bệnh nhân thường khó duy trì việc tự tập luyện khi triệu chứng đau đã giảm mặc dù đã được bác sĩ phục hồi chức năng hướng dẫn Để đạt được hiệu quả tốt thì việc tập luyện

và dễ được áp dụng là đạp xe, khi đó các cơ được vận động tối đa mà rất ít gây tải trọng lên các khớp

Đối với khớp gối, PHCN đóng vai trò vô cùng quan trọng Các bài tập phục hồi chức năng nhằm mục đích tăng sức mạnh cho cơ đùi, duy trì biên độ khớp gối Nếu bệnh nhân có phẫu thuật, phục hồi chức năng chú trọng đầu tiên là việc lấy lại biên độ của khớp và sau đó là tập cơ đùi và cơ quanh khớp Các bài tập tiếp theo sẽ tăng dần theo thời gian liền gân và ổn định của mảnh ghép

2.2 Một số thành tựu đã công bố:

Hiện nay, các thiết bị cơ điện tử được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực phục hồi chức năng, chỉnh hình Các thiết bị này hỗ trợ để hạn chế chuyển động của khớp, thay thế chức năng của một bộ phận hoặc trợ giúp một nhóm cơ Các thiết bị thường được thiết kế dưới dạng bộ xương ngoài để giúp đỡ các kỹ thuật viên trong phục hồi chức năng cho bệnh nhân; đồng thời thu thập các thông tin để có một lượng dữ liệu phục vụ cho việc chẩn đoán và điều trị tốt hơn

2.2.1 Trong nước

Khó khăn về kỹ thuật cũng như tài chính khiến cho việc nghiên cứu về các thiết bị phục hồi chức năng tại Việt Nam gặp nhiều khó khăn mặc dù khả năng ứng dụng của thiết bị trong thực tiễn rất lớn

2.2.2.1 Thiết bị hạn chế chuyển động khớp gối

Hình 2.9 Thiết bị hạn chế khớp gối Joint Active System (JAS) [3]

Thiết bị này, giúp bệnh nhân giảm các chuyển động cần hạn chế nhưng khớp gối không bị bó cứng, giúp kiểm soát tầm vận động Thiết bị có kích thước tương đối gọn gàng nên bệnh nhân có thể mang trong theo trong suốt quá trình điều trị

11

2.2.2.2 Thiết bị phản hồi sinh học

Hình 2.10 Thiết bị phản hồi sinh học [5]

Thiết bị được kiểm tra hoạt động đúng theo tọa độ Trong bài tập này, chỗ ngồi là cạnh của bàn và thấp hơn chân theo phương đứng Khi đạt đến một điểm nào đó, nơi mà không thể kéo dài được chân thì thiết bị phản hồi sinh học EMG sẽ gởi dữ liệu này Mạch

dữ liệu logic sẽ đọc và so sánh dữ liệu trên encoder quay Nếu tín hiệu trên EMG đạt đến một ngưỡng thì được lưu lại, encoder quay sẽ lưu lại; e-stim được kích hoạt E-stim giúp con người xác định được việc kéo giãn đầy đủ Sau khi có kết quả, các ngưỡng giới hạn

sẽ được tập hợp và e-stim sẽ được kích hoạt ở giữa các bài tập

2.2.2.3 Bộ xương ngoài Bionic Exoskeleton

Bộ xương ngoài Bionic Exoskeleton được phát triển bởi tập đoàn Ekso Bionics, có chức năng chính là hỗ trợ cho những người bị liệt chân phải ngồi xe lăn hoặc những người bị tổn thương cột sống lấy lại khả năng đi đứng

Hình 2.11 Bionic Exoskeleton[8]

12

CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT3.1 Động học khớp [6]

Khớp là các phần tử cơ học quyết định khả năng chuyển động của các khâu gắn lên

nó và khả năng chuyển động của cả cơ cấu Trong cơ học máy, một hê thống các khớp cơ bản cùng với khả năng chuyển động tương ứng (số bậc tự do - BTD) của chúng đã được xây dựng Khớp xương trong cơ thể người cũng có nhiệm vụ đảm bảo các chuyển động của cơ cấu, nhưng rất đa dạng và có cấu tạo hết sức phức tạp Khi nghiên cứu về khía cạnh cơ sinh học của hệ khớp xương, cần thiết lập mô hình và mô phỏng các khớp trong

cơ thể theo những nguyên tắc nhất định

Các nhà giải phẫu phân loại các khớp xương theo cấu tạo (khớp sợi, khớp sụn, khớp hoạt dịch), theo hình thể (khớp răng cưa, khớp vẩy, khớp mào, ) Cơ sinh học quan tâm đến khả năng hoạt động của khớp nên phân loại khớp theo độ phức tạp, hình dạng hoặc khả năng chuyển động Với mục đích thiết kế ra thiết bị phù hợp với chuyển động của cơ thể, khả năng chuyển động của khớp được quan tâm hàng đầu

Khớp chuyển động tự do rất ít hạn chế khả năng chuyển động Cấu tạo của khớp này

gồm có phần sụn, màng bao khớp bên trong chứa dịch để giảm chấn và bôi trơn (hình 3.1) Lớp sụn có 2 tác dụng: biến dạng khi có tải tác dụng, làm tăng diện tích tiếp xúc, do

đó giảm ứng suất tiếp xúc và giảm ma sát giữa 2 bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau Sụn có thể giảm ứng suất tới 50% hoặc hơn; còn ma sát chỉ bằng 17-33%

ma sát giữa lưỡi dao và băng của giày trượt băng, bằng một nửa ma sát trong các ổ của máy có bôi trơn

a: sơ đồ cấu tạo đơn giàn; b- sơ đồ cấu tạo chí tiết, gồm khớp, dây chằng và cơ

Hình 3.1 Cấu trúc của khớp chuyển động tự do - Khớp gối [6]

- Khớp chuyển động nhẹ có khả năng giảm lực và cho phép chuyển động nhỏ Trong

số khớp này có loại khớp liên kết các xương bằng lớp sụn (như xương ức), hoặc

13

trong vùng chuyển động tương đối giữa các xương có lớp sụn ngăn cách (như trong đốt sống)

- Khớp bất động có cấu tạo dạng thớ, ghép các mảnh xương với nhau, có khả năng

giảm chấn, hấp thụ lực, không cho phép hoặc cho phép các mảnh di chuyển nhỏ với nhau

Để đảm bảo sự tồn tại của khớp, chuyển động lăn và chuyển động trượt phải luôn

luôn xảy ra đồng thời Quy luật phối hợp chuyển động lăn và trượt được mô tả trong Quy tắc lồi - lõm (Rules of Concavity and Convexity) - Kaltenbom 1989

Quy tắc này được phát biểu như sau:

- Nếu mặt lõm cố định, mặt lồi chuyển động trên mặt lõm thì chuyển động trượt ngược chiều chuyển động lăn (hình 3.2-b)

- Nếu mặt lồi cố định, mặt lõm chuyển động trên mặt lồi thì chuyển động trượt cùng chiều chuyển động lăn (hình 3.2-c)

Hình 3.2 Biểu diễn quy tắc lồi lõm [5]

Cấu trúc của khớp gối cho phép chịu tải dọc trục lớn, đồng thời chuyển động co - duỗi một góc rất rộng Khớp gồm 3 thành phần, được bọc chung trong 1 túi khớp Hai đầu khớp xương có vai trò chính khi chịu tải, còn xương bánh chè có tác dụng hạn chế chuyển động duỗi của khớp Khớp gối có hình dạng giống khớp soan (2 bậc tự do), có khả năng co, duỗi và chuyển động xoay, được giữ ổn định nhờ hệ thống dây chằng

14

Hình 3.3 Cấu trúc của khớp gối [5]

Theo mô hình cơ sinh học, khớp gối có chức năng như khớp bản lề, chỉ cho phép quay quanh trục ngang (co - duỗi) Tuy nhiên chỉ chuyển động gập xuống là được tự do, còn khả năng gập lên trên bị hạn chế bởi xương bánh chè Trong mô hình, ta có thể thay khớp gối bằng khớp bản lề (1 bậc tự do), có hạn chế góc xoay theo chiều gập lên

15

Mở rộng thụ động của đầu gối:

Mức độ ổn định trong dây chằng trong quá trình mở thụ động khớp gối cho đến 10

độ cuối cùng vẫn còn gặp khó khăn

Lực trong ghép tối thiểu là gần 40 độ uốn và tăng lên khi đầu gối gập lại được hoặc

mở rộng từ vị trí này Lực trung bình trong ghép quá căng lớn hơn đáng kể (p ≤ 0,05) so với lực trung bình tương ứng ở ghép tại lỏng lẻo kết hợp trước khi căng thẳng cho tất cả các góc uốn Tại phần mở rộng đầy đủ, lực trong nguyên vẹn trước dây chằng dao động

từ 18 đến 110 N Ngược lại, các lực lượng trong ghép vào phần mở rộng đầy đủ trong khoảng từ 50 đến 297 N tại lỏng lẻo kết hợp trước khi căng thẳng và 145-467 N trong tình trạng quá căng

Hình 3.5 Góc mở quy ước [5]

Khớp gối mở 600 trong vòng khoảng 9s, thêm 2s tiếp theo để đạt 1000, nếu giảm góc với lực lớn nhất từ 1000 đến 600 thì vận tốc trung bình khoảng 160/s Với lực tác dụng tối

đa sẽ mất 4-5s để đạt góc của khớp gối là 600

Hình 3.6 Lực tác động lên khớp gối tại thời điểm gối đang gấp[5]

16

3.2 Kéo giãn chi dưới và PHCN sau mổ tái tạo dây chăng chéo trước:

3.2.1 Kéo giãn chi dưới [11]

Kéo giãn là thuật ngữ chung dùng để mô tả bất kỳ một thao tác kỹ thuật được thiết

kế để kéo dài cấu trúc của mô mềm bị co ngắn do bệnh lý và nhờ đó tăng tầm vận động khớp Kéo giãn thụ động khi người bệnh thư giãn, dùng một lực bên ngoài bằng tay hay bằng máy làm dài tổ chức bị ngắn Kéo giãn thụ động bằng tay: người điều trị sử dụng lực bên ngoài và kiểm soát hướng đi tốc độ và thời gian kéo giãn tối đa 15-30 giây, cường độ và thời gian làm tùy thuộc vào sức chịu đựng của người bệnh, sức bền và tính kiên trì của người điều trị Kéo giãn thụ động bằng cơ học: lực kéo bên ngoài cường độ thấp được áp dụng cho các trường hợp tổ chức bị ngắn trong thời gian dài bằng dụng cụ

cơ học Kéo giãn chủ động: tự người bệnh thực hiện bằng cách sử dụng trọng lượng cơ thể như một lực kéo giãn

Mục đích của kéo giãn là đạt được tái thiết lập tầm vận động của khớp và vận động của tổ chức mềm bao quanh khớp, đề phòng co rút vĩnh viễn, tăng tính mềm dẻo chung của phần cơ thể trước khi tập mạnh các cơ, đề phòng hoặc hạn chế tối thiểu nguy cơ tổn thương gân-cơ liên quan đến các hoạt động của lực, đặc biệt là thể thao

Chỉ định kéo giãn: khi tầm vận động bị hạn chế do hậu quả của co rút, dính khớp và hình thành sẹo của tổ chức, dẫn đến các cơ - tổ chức liên kết và da bị ngắn lại; khi co rút làm gián đoạn các hoạt động chức năng và chăm sóc điều dưỡng; khi cơ bị yếu và tổ chức bị căng Các cơ bị yếu phải được kéo giãn dài trước khi các cơ yếu có thể được tập mạnh có hiệu quả

Chống chỉ định kéo giãn: khi khối xương gãy gây giới hạn tầm vận động khớp; sau gãy xương mới; viêm cấp hoặc quá trình nhiễm trùng trong khớp hoặc quanh khớp; bất

cứ khi nào có đau cấp hay đau nhói khi cử động khớp khi có khối máu tụ hoặc các dấu hiệu khác của chấn thương phần mềm

Kéo giãn khớp gối cần chú ý tư thế của háng trong suốt thời gian kéo giãn sẽ ảnh hưởng đến độ mềm dẻo của các cơ gấp và cơ duỗi gối Phải đánh giá độ mềm dẻo của cơ tam đầu đùi và cơ thẳng đùi một cách riêng lẻ để các cơ khỏi ảnh hưởng tới vận động khớp gối Kéo giãn khớp gối chủ yếu là kéo giãn nhóm cơ ụ ngồi Một số tư thế kéo giãn khớp gối: người bệnh ngồi dài chân, hông gập, ngả người về phía trước, với đưa hai tay

về phía các ngón; người bệnh ngồi, một chân đặt trên bàn, chân còn lại nâng đỡ trọng lượng thân thể, ngả người về phía trước, hai tay giữ gối thẳng; người bệnh nằm ngửa, kỹ thuật viên gập hông thụ động và dùng tay đẩy gối duỗi

17

Hình 3.7 Kéo giãn khớp gối có sự hỗ trợ của kỹ thuật viên [11]

3.2.2 PHCN sau mỗ tái tạo dây chằng chéo trước [ Bác sĩ Phan Thanh Tuấn – Khoa Chấn thương chỉnh hình – Bệnh viện Chợ Rẫy]

Sau mổ nội soi tái tạo dây chằng chéo trước cũng như sau các cuộc mổ chỉnh hình khác, người bệnh cần phải trải qua giai đoạn quan trọng là tập luyện Tùy theo tính chất tổn thương của dây chằng, tùy theo kỹ thuật mổ và chất liệu mảnh ghép được sử dụng mà mỗi bệnh nhân sau mổ tái tạo dây chằng chéo trước có những bài tập tương đối khác nhau Tuy nhiên, quy trình luyện tập đều dựa trên những nguyên tắc chung, qua từng giai đoạn sau đây:

 Giai đoạn I: từ tuần thứ 0 - 2

- Mang nẹp bất động gối tư thế duỗi cả khi nằm ngủ

- Di động xương bánh chè (lên trên xuống dưới, sang hai bên)

Hình 3.8 Tập day bánh chè [10]

18

- Hằng ngày tháo nẹp, tập gấp duỗi gối thụ động, biên độ tăng dần (duỗi hết gối, gấp tối đa có thể đến 90 độ, ngày 3-4 lần)

- Lúc đầu tập thụ động, sau tập chủ động hoặc chủ động có hỗ trợ

- Tập gồng cơ đùi, cơ cẳng chân trong nẹp

- Tập nâng bổng chân có nẹp khỏi mặt giường, dạng - khép chân

- Tuỳ một phần trọng lượng cơ thể, trong tư thế chân đặt nẹp duỗi gối tối đa

- Băng chun, chườm đá vùng gối trong những ngày đầu sau mổ

- Đặt nẹp bất động gối tư thế duỗi khi ngủ

=> Mục đích của giai đoạn này:

- Gối duỗi hết, gấp đến 90 độ

- Cơ tứ đầu khỏe

- Tập được dáng đi bình thường

 Giai đoạn II: từ tuần thứ 3- 4

- Tiếp tục gấp gối tăng dần, đạt 120 độ ở tuần thứ 4

- Tập cơ tứ đầu và cơ Hamstring: Tập gấp, duỗi gối chủ động có sức cản

- Đi lại được khi không dùng nạng, không tập tễnh

 Giai đoạn III: từ tuần thứ 5-6

- Bỏ nẹp gối

- Tiếp tục tập tăng biên độ gối, đến tuần thứ 6 phải gấp hết gối

- Tập nhún đùi (xuống tấn) trong giới hạn khớp gối duỗi dần từ 90-40 độ

- Tập bước lên xuống cầu thang ít bậc

- Tập nâng đùi có bao cát khi gối gấp 90 độ, tăng dần trọng lượng

 Giai đọan IV: từ tuần thứ 7-10

19

- Tiếp tục các bài tập như trên, tăng dần cường độ

- Chạy bước nhỏ trên đường phẳng, chạy tới và lùi

 Giai đoạn V: từ tuần thứ 11-20

- Tiếp tục tăng cường các bài tập như trên

- Tập chạy tăng tốc độ dần, chạy ngang, bước lên xuống cầu thang nhiều bậc

 Giai đoạn VI: từ tháng thứ 5-6

- Bắt đầu chơi các môn thể thao

Sau 6 tháng, có thể trở lại chơi thể thao bình thường khi:

- Biên độ gối phải đạt được > 130 độ

- Cơ Hamstring (nếu còn) đạt sức khỏe > 90% bình thường

- Cơ tứ đầu phải đạt được sức khỏe > 85% bình thường

- Các môn thể thao định chơi là những môn đã được huấn luyện thành thạo

- Duy trì được 2-3 lần chơi trong một tuần

3.3 Bậc tự do

Bậc tự do (BTD) của cơ cấu là thông số độc lập cần thiết để xác định vị trí của cơ

cấu, nó cũng là số khả năng chuyển động tương đối độc lập của cơ cấu đó (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp

hành của thiết bị phải đạt được một số bậc tự do, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:

.

6

p in

g

t 1 1 0

) (

) 1

20

λ : bậc tự do của vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm việc của cơ

cấu (λ= 3, ứng với không gian làm việc trong mặt phẳng; λ = 6, ứng với không gian làm việc trong không gian)

n : số khâu, kể cả khâu cố định

f1 : bậc tự do ở khớp thứ i

g : tổng số khớp của cơ cấu

f0 : số bậc tự do thừa

21

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM

Chế tạo thử nghiệm thiết bị để ứng dụng trong gian đoạn đầu tiên của bài tập PHCN sau phẩu thuật tái tạo dây chằng chéo trước (giai đoạn từ 0 đến 1 tuần sau phẩu thuật) Với bài tập này, thiết bị sẽ có hai động cơ: động cơ chính được sử dụng để gấp mở khớp trong phạm vi từ 0-90°; động cơ phụ để kéo giãn trước khi thực hiện bài tập gấp mở Vì đây là thiết bị PHCN nên nhóm đặc biệt quan tâm đến yếu tố an toàn và thoải mái cho người sử dụng

4.1 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí

Việc thiết kế cơ khí ảnh hưởng tới khả năng hoạt động ổn định của thiết bị Mục tiêu của thiết bị nhỏ gọn nhất có thể trong khả năng cho phép Người dùng cảm thấy thoải mái, an toàn khi mang thiết bị vào người

4.1.1 Trình tự tiến hành

Muốn chế tạo, trước tiên cần có thiết kế sơ bộ, phác thảo về thiết bị Thiết kế là quá trình quan trọng trong quá trình hình thành nên sản phẩm, nó định hình ý tưởng cũng như các phác thảo sơ bộ giữa các chi tiết với nhau

Quá trình thiết kế phần cơ khí được thể hiện theo lưu đồ như sau:

Sau đó, thiết kế từng chi tiết bằng phần mềm vẽ 3D, sử dụng phần mềm Solidworks

để thiết kế 3D, phần mềm cho phép điều chỉnh kích thước Vì thiết bị là tổ hợp của nhiều chi tiết nên kích thước các chi tiết phải có mối quan hệ, ảnh hưởng tới nhau

Trong quá trình thiết kế, để thuận tiện cho việc lắp ráp các chi tiết với nhau, ta có thể vừa vẽ chi tiết vừa láp ráp với các chi tiết liên quan, sau đó chỉnh sửa kích thước, hình dạng chi tiết trong môi trường lắp ráp cho đến khi phù hợp với yêu cầu

Tìm hiểu,

tham khảo

Đưa ra ý tưởng

Thiết kế từng chi tiết

Lắp ráp các chi tiết

22

Sau khi gia công, chế tạo chi tiết từ các bản vẽ, tiến hành lắp ráp các chi tiết lại với nhau sau đó hiệu chỉnh, chỉnh sửa các chi tiết cho hoàn thiện để cuối cùng hoàn thiện thiết bị

4.1.2 Các phương pháp thiết kế dẫn động cơ khí [1]

4.1.2.1 Bộ truyền bánh răng

- Ưu điểm của bộ truyền bánh răng:

+ Bộ truyền bánh răng có kích thước nhỏ gọn hơn các bộ truyền khác, khi làm việc với cùng công suất, số vòng quay và tỷ số truyền như nhau

+ Bộ truyền bánh răng có khả năng tải cao hơn so với các bộ truyền khác, khi có cùng kích thước

+ Tỷ số truyền không thay đổi, số vòng quay n2 ổn định

+ Hiệu suất truyền động cao hơn các bộ truyền khác

+ Làm việc chắc chắn, tin cậy, có tuổi bền cao

- Nhược điểm của bộ truyền bánh răng:

+ Bộ truyền bánh răng yêu cầu gia công chính xác cao, cần phải có dao chuyên dùng, giá thành tương đối đắt

+ Bộ truyền làm việc có nhiều tiếng ồn, nhất là khi vận tốc làm việc cao

+ Khi sử dụng cần phải chăm sóc, bôi trơn đầy đủ

- Phạm vi sử dụng của bộ truyền bánh răng:

+ Bộ truyền bánh răng được dùng nhiều nhất so với các bộ truyền khác Nó được dùng trong tất cả các loại máy, trong mọi ngành kinh tế

+ Bộ truyền bánh răng có thể truyền tải trọng từ rất nhỏ đến rất lớn, tải trọng cực đại có thể đến 300 Kw

+ Bộ truyền có thể làm việc với vận tốc từ rất nhỏ đến rất lớn Vận tốc lớn nhất có thể đến 200 m/s

+ Tỷ số truyền thường dùng từ 1 đến 7 Tỷ số truyền tối đa cho một bộ truyền thông dụng không nên quá 12

+ Hiệu suất trung bình trong khoảng 0,97 đến 0,99

4.1.2.2 Bộ truyền đai

- Ưu điểm của bộ truyền đai:

+ Bộ truyền đai có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp

+ Bộ truyền đai có khả năng truyền chuyển động giữa hai trục khá xa nhau, mà kích thước của bộ truyền không lớn lắm

+ Bộ truyền làm việc êm, không có tiếng ồn

23

+ Đảm bảo an toàn cho động cơ khi có quá tải

- Nhược điểm của bộ truyền đai:

+ Bộ truyền đai có trượt, nên tỷ số truyền và số vòng quay n2 không ổn định + Bộ truyền có khả năng tải không cao Kích thước của bộ truyền lớn hơn các bộ truyền khác, khi làm việc với tải trọng như nhau

+ Tuổi thọ của bộ truyền tương đối thấp, đặc biệt khi làm việc với vận tốc cao + Lực tác dụng lên trục lớn, có thể gấp 2,73 lần so với bộ tuyền bánh răng

- Phạm vi sử dụng của bộ truyền đai:

+ Bộ truyền đai được dùng nhiều trong các máy đơn giản khi cần truyền chuyển động giữa các trục xa nhau Kết hợp dùng làm cơ cấu an toàn để bảo vệ động

+ Tỷ số truyền thường dùng từ 1 đến 3 cho đai dẹt, từ 2 đến 6 cho đai thang Tỷ

số truyền tối đa cho một bộ truyền đai dẹt không nên quá 5, cho bộ truyền đai thang không nên quá 10

+ Hiệu suất trung bình trong khoảng 0,92 đến 0,97

4.1.2.3 Bộ truyền bánh ma sát

- Ưu điểm của bộ truyền bánh ma sát:

+ Bộ truyền bánh ma sát có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp

+ Một bộ truyền bánh ma sát có thể thực hiện biến đổi vô cấp tốc độ

+ Bộ truyền làm việc êm, không gây tiếng ồn

- Nhược điểm của bộ truyền bánh ma sát:

+ Bộ truyền bánh ma sát có trượt, nên tỷ số truyền và số vòng quay n2 không ổn định

+ Bộ truyền có hiệu suất truyền động rất thấp

+ Khả năng tải của bộ truyền thấp, và khó xác định chính xác

24

+ Bộ truyền có thể làm việc với vận tốc nhỏ và trung bình, không nên cho bộ truyền làm việc với vận tốc quá 20 m/s

+ Tỷ số truyền thường dùng không nên quá 7

+ Hiệu suất trung bình trong khoảng 0,8 đến 0,95

4.1.2.4 Bộ truyền vít - đai ốc

- Ưu điểm của bộ truyền vít - đai ốc:

+ Bộ truyền vít - đai ốc có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành không cao, có kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng

+ Bộ truyền có khả năng tải cao, làm việc tin cậy, không gây tiếng ồn

+ Có tỷ sổ truyền rất lớn, tạo ra được lực dọc trục lớn, trong khi chỉ cần đặt lực nhỏ vào tay quay

+ Có thể thực hiện được di chuyển chậm, độ chính xác cao

- Nhược điểm của bộ truyền vít - đai ốc:

+ Hiệu suất của bộ truyền rất thấp

+ Ren bị mòn nhanh, nên tuổi bền không cao, nhất là khi phải làm việc với tốc độ lớn

- Phạm vi sử dụng của bộ truyền vít - đai ốc:

+ Được sử dụng trong các thiết bị nhằm tạo lực dọc trục lớn, như kích vít, vít ép + Dùng làm cơ cấu thực hiện chuyển vị chính xác, như cơ cấu chạy dao của các máy cắt, các dụng cụ đo, thiết bị định vị và điều chỉnh

4.1.2.5 Bộ truyền tang cuốn ma sát và cáp

+ Khả năng truyền động lớn, đây là một trong nhưng ưu điểm quan trọng

+ Làm việc êm, ít tiêng ồn

+ Hệ số ổn định cao

+ Được sử dụng trong các thiết bị có yêu cầu cao về tiếng ồn và kích thước

4.1.3 Lựa chọn phương án thiết kế

Sau khi phân tích các bộ truyền động khác nhau và đối chiếu yêu cầu thiết kế :

4.1.4 Bậc tự do và mô hình thiết kế của thiết bị

Thiết bị được thiết kế với số bậc tự do phù hợp với độ linh hoạt của khớp sinh học Trong không gian, một vật rắn được gọi là tự do khi sáu chuyển động không bị hạn chế Khớp gối có một bậc tự do chủ động do động cơ thực hiện Trên thiết bị có động cơ kéo giãn khớp gối ( bậc tự do thứ 2 )

Hinh 4.2 Bậc tự do của thiết bị

26

Trong cơ cấu thiết kế (hình 4.2) : λ=6, ứng với không gian làm việc trong không gian; n = 7; f1 = 1, các khớp trong cơ cấu chỉ có một bậc tự do; g = 7, f0 = 0

Thay vào công thức (3.1)

f = 6.(7 - 1) – 7.(6 - 1) – 0 = 36 – 35 = 1 => cơ cấu có một bậc tự do

 Mô hình thiết kế

Hình 4.3 Mô hình 3D của thiết bị PHCN khớp gối

Hình 4.4 Sơ đồ truyền lực 4.1.5 Kéo giãn khớp gối bằng bộ truyền tang cuốn ma sát và cáp

27

Thông số chi dưới được thể hiện tại bảng 4.1

Các bộ phận chi dưới % Khối lượng Vị trí trọng tâm

Bảng 4.1: Thông số cơ thể người [12]

Cơ thể người đang xét có đặc điểm nhân trắc học như sau:

+ Tổng khối lượng : 50-70 kg

+ Chiều cao : 1,5-1,7 m

Khối lượng cẳng chân và bàn chân được tính gần đúng là = 60.0,06 = 3,6kg

Từ bảng 5.1 ta tính được khoảng cách từ khớp gối tới trọng tâm như sau:

Khoảng cách từ khớp gối tới trọng tâm của cẳng chân chiếm 37.1% chiều cao cẳng chân: = 400.0,371 = 148,4 = 0.1484 (với chiều dài cẳng chân là 400mm)

Khối lượng của chân và cơ cấu phân bố từ khớp gối trở xuống như sau: Tổng khối lượng phần cơ cấu gắn ở cẳng chân khoảng 2.5kg, trọng lượng phần cẳng chân và cơ cấu gắn vào cẳng chân:

= = ( + 2.5) 9,81 = (3,6 + 2.5) 9,81 = 59,84 (4.1) Phản lực tác dụng lên thanh trượt : R= 59,84 N

Hệ số ma sát của thanh trượt và con trượt: f = 0.2

Hiệu suất của bộ truyền tang cuốn cáp : μcáp= 0,98

Vận tốc làm việc (vận tốc kéo giãn) : V m/s

Công suất làm việc: P= F.V (4.9) ; với F= R f= 59,84.0,2= 12 N (4.2)

Do đó: P= 2.12.V= (24V) W

Công suất trên đầu ra của trục động cơ: 24.

0.98

t cap

P    = (24,5V) W (4.3) Chọn động cơ có sẵn có công suất trục ra Pdc ≥ (24,5.V) W

Với V là vận tốc kéo giãn của cơ cấu

Qua thực nghiệm ( cùng với yêu cầu ở mục 3.2.1), nhóm đã chọn động cơ DC có công suất P=40W cho cơ cấu kéo giãn với những thông số sau:

Điện áp: 24V

Công suất định mức trên trục ra: P = 40 W

Tốc độ trên trục ra: n= 3000 v/p