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

Nội dung chính của đồ án: - Thiết kế và mô phỏng chuyển động của thiết bị đo khớp cổ chân sử dụng phần mềm Solidworks.. Thông qua cảm biến moment chúng ta có thể tính toán, đo được khả n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN

GVHD: TS CÁI VIỆT ANH DŨNG SVTH: PHAN PHƯƠNG BÌNH MSSV: 11146224

SKL004263

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2015

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

Giảng viên hướng dẫn:TS CÁI VIỆT ANH DŨNG

Sinh viên thực hiện:

Lớp:

Khóa:

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2015

Bộ môn Cơ điện tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Tên đề tài:

Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân

2 Nội dung chính của đồ án:

- Thiết kế và mô phỏng chuyển động của thiết bị đo khớp cổ chân sử dụng phần mềm Solidworks

- Chế tạo mẫu cơ bản đầu tiên của thiết bị đo khớp cổ chân

4 Các sản phẩm dự kiến

Tạo ra sản phẩm mẫu cơ bản đầu tiên “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân”

5 Ngày giao đồ án:

6 Ngày nộp đồ án:

 Được phép bảo vệ ………

(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

LỜI CAM KẾT

- Tên đề tài: Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân

trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện Tôi 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, tôixin chịu hoàn toàn trách nhiệm”

Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 01 năm 2015

Ký tên

LỜI CẢM ƠN

Được sự cho phép của ban lãnh đạo khoa Cơ khí chế tạo máy trường Đại Học SưPhạm Kỹ Thuật Tp HCM, sự đồng ý của Giảng viên hướng dẫn TS.Cái Việt Anh Dũng,

chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân”

trong thời gian vừa qua

Chúng tôi không thể theo đuổi và thực hiện đề tài này nếu không có sự giúp đỡ và

hỗ trợ từ những người thân, bạn bè và thầy cô Vì vậy, chúng tôi vô cùng biết ơn và trântrọng những sự quan tâm ấy Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người thân tronggia đình, bạn bè xung quanh đã hết sức hỗ trợ để chúng tôi có được điều kiện tốt nhấthoàn thành đồ án này

Chúng tôi cũng xin chân thành cảm ơn Giảng viên hướng dẫn TS Cái Việt AnhDũng đã tận tình, chu đáo hướng dẫn chúng tôi thực hiện đề tài trong thời gian qua

Cuối cùng chúng tôi cũng xin cảm ơn tất cả thầy cô trong khoa Cơ khí chế tạo máy,

bộ môn Cơ Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã trang bị cho chúng tôinhững kiến thức chuyên môn, cũng như kỹ năng làm việc trong thời gian làm đề tài

Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 01 năm 2015

Nhóm sinh viên thực hiện

Phan Phương Bình

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN

Đồ án này trình bày thiết kế và chế tạo cơ bản sản phẩm mẫu cơ bản đầu tiên của thiết

bị đo khớp cổ chân Thiết bị đo khớp cổ chân được thiết kế và chế tạo nhằm hỗ trợ cho đođạc 3 góc độ của cổ chân người Dữ liệu đo đạc được có thể được sử dụng để xác định vị trítức thời của khớp cổ chân (IHA) Trong thiết kế này, chúng tôi sử dụng cơ cấu song songdạng cầu kết nối nối tiếp với bàn chân người sử dụng, đạt được cơ cấu 3 bậc tự do Phươngpháp đo sẽ được trình bày và kết quả thí nghiệm lần đầu tiên trên thực nghiệm Tổng quát,thiết bị đo khớp cổ chân vận hành dựa trên chương trình quay ổn định cho cổ chân ngườidùng Hệ thống ứng dụng chuyển động quay của động cơ DC encoder có hộp số thông qua

bộ truyền bánh ma sát dẫn động đến cơ cấu chính của thiết bị, được điều khiển bởi PID vớibiên độ và tần số Thông qua cảm biến moment chúng ta có thể tính toán, đo được khả năngchịu lực của khớp cổ chân người dùng hoặc phản hồi lực cho khớp cổ chân

Thiết bị đo khớp cổ chân được thiết kế dựa trên yêu cầu đo góc và lực của cổ chânbệnh nhân sau phẫu thuật Chúng tôi phát triển thiết bị đo khớp cổ chân với kỳ vọng giúpbệnh nhân có thể đo hoặc có thể giúp phục hồi chức năng khớp cổ chân sau phẫu thuật

Hệ thống này cũng có thể giúp cho con người thư giãn sau thời gian làm việc căng thẳng

Vì thế, hệ thống cần được dễ dàng vận hành, ổn định và có thể lập trình được để xâydựng các chương trình khác, phát triển và phù hợp với từng trường hợp cụ thể

Nhóm sinh viên thực hiệnPhan Phương Bình

Design & manufacture measurement device for ankle joint

This thesis presents the design and the manufacture of a first model measurementdevice for the first time for ankle joint This device measures the angular displacements

of the ankle joint in all the three directions The measured data can also be used toidentify the instantaneous helical axis (IHA) of the joint In the design, we use a Parallelconfigured-type structure connected serially to foot below surface to form a 3 degrees offreedom mechanism The algorithm for the determination of IHA is presented and firstexperimental results on healthy subject will be discussed In general, Measurementdevice for ankle joints operates base on the programs on providing rough and finerotations for the user's ankle joint The system applies rotational motions using DCencoder motors had gear reduction box and friction drive mechanism transmitte to main-mechnism, which controlled by PID algorithms with different amplitudes andfrequencies With moment sensor, we can measure, calculate the amount of forces thatuser’s ankle can handle or force feedback for ankle joints

Measurement device for ankle joint was designed and made on purpose to measure theangle, force of patient’s ankle joint after the surgery We develop a Measurement device forankle joint, which is expected to help patient measuring or can restore their ankle jointfunctions after surgery operations It may also use to help people relaxing, after stressful worktime Therefore, the system need to easy to operate, providing stable control and re-programmable to build different programs, improvement and suitable for each specific case

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI CAM KẾT

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

ABSTRACT

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1Tính cấp thiết của đề tài

1.2Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.3Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

1.4Giới hạn đề tài

1.4.1Đối tượng nghiên cứu

1.4.2Phạm vi nghiên cứu

1.5Phương pháp nghiên cứu

1.6Các ứng dụng thực tế và một số sản phẩm nổi bật

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1Cấu trúc giải phẫu ống gót

2.1.1Vị trí

2.1.2Cấu tạo

2.2Thiết bị đo khớp cổ chân

2.2.1Bậc tự do

2.2.2Mối quan hệ hình học

2.3Phản hồi giá trị moment và điều khiển bằng động cơ điện

2.3.1Động cơ

2.3.2 Cảm biến moment

2.3.3Thiết kế bộ điều khiển PID

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CƠ KHÍ

3.1Phần cơ khí

3.1.1 Lựa chọn cơ khí truyền động 16

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 21

4.1 Kết quả thực nghiệm về thiết kế 21

4.1.1 Cảm biến moment 21

4.1.2 Thiết bị đo khớp cổ chân 23

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 25

5.1 Ưu điểm 25

5.2 Nhược điểm 25

5.3 Hướng phát triển 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

PHỤ LỤC 27

Phục lục D 32

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các hạn chế của khớp cổ chân 1Bảng 2.2: Bảng tìm thông số PID theo phương pháp thứ nhất 12Bảng 2.3: Bảng thông số tính toán bộ số PID 13

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô tả lý thuyết đo của phương pháp Lunge 3

Hình 1.2 Đo khả năng vận động của khớp cổ chân bằng phương pháp Lunge 3

Hình 1.3 Thước đo khớp y sinh - Model F00630 3

Hình 1.4 Đo góc và lực tải của cổ chân bằng phương pháp thủ công 4

Hình 1.5 một thiết bị đo khớp cổ chân thụ động IAROM 4

Hình 1.6 Thiết bị đo khớp cổ chân bằng Con-Trex MJ system (Isokinetic machine) 4

Hình 1.7 Hệ thống đo cổ chân thụ động JACE A330, một bậc tự do 5

Hình 1.8 Hệ thống cổ đo chân thụ động hai bậc tự do Optiflex 5

Hình 1.9 Hệ thống đa khớp Biodex Multi-Joint System 4 Pro 5

Hình 2.1 Sơ đồ ống gót (mạch máu và thần kinh) - Tầng trên ống gót gồm có: gân cơ ở lớp sâu khu cẳng chân sau xuống (gân cơ cẳng chân sau, gân cơ gấp chung, gân cơ gấp dài ngón cái), động tĩnh mạch gan chân trong và thần kinh gan chân trong 7

Hình 2.2 Thiết đồ cắt đứng ngang qua ống gót - Tầng dưới ống gót gồm có: cơ vuông gan chân (cơ Sylvius), động mạch gan chân ngoài và thần kinh gan chân ngoài 8

Hình 2.3 Các xương cổ chân 9

Hình 2.4 Cấu trúc giải phẫu vùng gót chân 10

Hình 2.5 Mô tả chuyển động gập/ duỗi của cổ chân 10

Hình 2.6 Mô tả chuyển động nghiêng trong/ ngoài của cổ chân 11

Hình 2.7 Chuyển động cơ bản có thể của cổ chân 11

Hình 2.8 Cơ cấu hoàn chỉnh 1

Hình 2.9 Cơ cấu song song dạng cầu 1

Hình 2.10 Đế xoay cho toán bộ cơ cấu 2

Hình 2.11 Đặt trục so sánh 3

Hình 2.12 Sơ đồ mạch cầu Wheatstone 4

Hình 2.13 Mô hình mô phỏng cảm biến moment 5

Hình 2.14 Kích thước thiết kế cảm biến moment 6

Hình 2.15 Tác động lực xoay lên cảm biến moment 7

Hình 2.16 Vị trí điện trở chịu biến dạng để đo lực tịnh tiến 7

Hình 2.17 Vị trí điện trở bị biến dạng để đo moment xoay 8

Hình 2.18 Cảm biến được đo với lực phá hủy 8

Hình 2.19 Mẫu đổ keo dán miếng điện trở lên khung cảm biến 9

Hình 2.20 Khung cảm biến đã được dán toàn bộ điện trở 9

Hình 2.21 Cảm biến moment đã được chế tạo hoàn chỉnh 10

Hình 2.22 Hình Bộ điều khiển PID 11

Hình 2.23: Setpoint và đáp ứng đầu ra 11

Hình 2.24: Phân tích biểu đồ đáp ứng của hệ hở 11

Hình 2.25: Sơ đồ khối của hệ khi có khâu tỷ lệ Kp 12

Hình 2.26: Xác định hệ số khuếch đại tới hạn 12

Hình 3.1 Cơ cấu truyền động 16

Hình 4.1 Mô hình thí nghiệm, kiểm tra cảm biến moment 21

Hình 4.2 Đồ thị moment nhận về từ cảm biến moment khi chưa qua bộ lọc 21

Hình 4.3 Giá trị moment nhận về từ cảm biến moment khi đã qua bộ lọc trung bình 22

Hình 4.4 So sánh đồ thị trước và sau khi lọc trung bình 22

Hình 4.5 Sự tuyến tính của cảm biến moment 23

Hình 4.6 Mô hình thiết bị đo khớp cổ chân 23

Hình 4.7 Mô hình thiết bị với người dùng 24

Hình A.5.1 Board TS-STM32F107VCT6 27

Hình B.5.2 Mạch cầu H MC33883 29

Hình C.5.3 Mạch khuếch đại INA128U 30

Hình C.5.4 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu INA128U 30

Hình D.5.5 Tấm điện trở kim loại BF350 32

Hình E.5.6 Đế chính đỡ toàn bộ cơ cấu 33

Hình E.5.7 Đế xoay 33

Hình E.5.8 Khâu chữ V 34

Hình E.5.9 Gá trục truyền động số 1 34

Hình E.5.10 Gá trục truyền động số 2 35

Hình E.5.11 Gá trục truyền động số 3 35

Hình E.5.12 Pad chữ L gá động cơ nằm ngang 36

Hình E.5.13 Thanh dài khớp song song dạng cầu 36

Hình E.5.14 Thanh dài nối đế đặt chân 37

Hình E.5.15 Thanh gá cơ cấu ép 37

Hình E.5.16 Cảm biến moment gắn trên trục truyền động 38

Hình E.5.17 Đế ép lò xo 38

Hình E.5.18 Đầu gắng trục ép 39

Hình E.5.19 Thanh dài nối trục truyền động 39

Hình E.5.20 Thanh ngắn nối trục truyền động 40

Hình E.5.21 Thanh ngắn khớp song song dạng cầu 40

Hình E.5.22 Trục trượt khớp song song dạng cầu 40

Hình E.5.23 Chốt chặn ổ bi 41

Hình E.5.24 Trục ổ bi 41

Hình E.5.25 Trục truyền động 42

Hình E.5.26 Chốt con lăn của ép pulley 42

TỔNG QUAN

Hiện nay, xu hướng khoa học của thế giới ngoài tập trung vào phát triển công nghiệp thì

đã xuất hiện đến yếu tố con người Các phát minh đều hướng đến giải phóng sức lao động vàsức khỏe của con người Hướng đi mới này mở đầu cho cuộc cách mạng công nghệ y sinh

Đã có nhiều đề tài về các ứng dụng công nghệ trong y học như X quang, quét não, đo điệntim,… Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và y học, những ca phẫu thuật ngày càng trởnên hiện đại và an toàn Đặt ra những yêu cầu mới về phục vụ sức khỏe con người Với yêucầu kiểm tra chất lượng của khớp cổ chân trước và sau khi phẫu thuật Hoặc thu thập các giátrị của cổ chân để làm mẫu, định mức chuẩn cho các cuộc phẫu thuật sau này Thì cần phải

có một thiết bị đảm dương nhiệm vụ đo đạc và đưa ra số liệu cụ thể

Các phương pháp đánh giá khả năng vận động (Range of motion) của khớp cổ chân

có thể được thực hiện bằng phương pháp thủ công hoặc nhờ các thiết bị hỗ trợ Phươngpháp đo thủ công được thực hiện nhờ các kỹ thuật viên Phương pháp bằng tay hiện tạiđang được sử dụng là phương pháp Lunge

Gần đây, các thiết bị đo tự động đang được nghiên cứu với mục tiêu gia tăng độchính xác và giảm áp lực cho các kỹ thuật viên Năm 2002, Zhang và các đồng nghiệp đãphát triển một thiết bị kéo dãn để điều trị chứng co cứng cổ chân của bệnh nhân bị suygiảm thần kinh Thiết bị cho phép kiểm tra khả năng vận động của khớp cổ chân trongquá trình vận động Gần đây hơn, Rydahl và Brouwer nghiên cứu một hệ thống đo độcứng và dịch chuyển góc của khớp cổ chân cho bệnh nhân nhân đột quỵ Thiết bị củaRydahl và Brouwer sử dụng cảm biến lực cơ để đo phạm vi di chuyển của khớp cổ chân

Jason Wilkin và các đồng sự tại trường Đại học Iowa (Hoa Kỳ) đã chế tạo một thiết bị

đo khớp cổ chân thụ động gọi là IAROM (Iowa ankle range of motion) cho phép đo góc lệchgiữa bàn chân với cẳng chân, và độ cứng của khớp cổ chân Thiết bị này bao gồm một tấmlót bàn chân 30x30 cm, gắn liền với một giá đỡ có kích thước 30x40 cm Hai dây đai Velcrorộng10 cm giúp cố định thiết bị vào chân bệnh nhân Một khối bọt cứng cao 3 cm đặt dưới cổchân để hỗ trợ xương chày Cảm biến góc nghiêng và cảm biến lực được đặt dưới tấm lót bànchân Trong quá trình đo, kỹ thuật viên sẽ tác dụng lực tăng dần lên tấm lót bàn chân, cảmbiến góc nghiêng ghi nhận góc lệnh giữa bàn chân và cẳng chân

IAROM cho phép kiểm tra khớp cổ chân tương đối chính xác Tuy nhiên, thiết bịvẫn còn nhiều hạn chế như: chỉ có khả năng đo độ dịch chuyển của khớp cổ chân theo 1phương, không đánh giá được khả năng vận động của khớp cổ chân khi di chuyển

Roy và các đồng sự cũng đã xây dựng một hệ thống đo độ cứng cho khớp cổ chân

ởnhững bệnh nhân bị liệt nửa người Hệ thống sử dụng thiết bị dựa trên thiết kế của thiết

bị hỗ trợ cổ chân MIT có cấu trúc dạng bộ xương ngoài ba bậc tự do Hệ thống cho phépthực hiện việc đo góc giữa bàn chân va cổ chân với độ chính xác ít hơn 10; đồng thời cóthể cung cấp một moment xoắn liên tục ~25 N.m trong chuyển động duỗi bàn chân và

~15 N.m trong chuyển động gập bàn chân

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Chấn thương khớp cổ chân là một trong những thương tích phổ biến nhất phát sinhtrong quá trình tham gia các môn thể thao hoặc khi vận động mạnh Tuy nhỏ hơn khớp gối vàkhớp háng, bề mặt sụn của khớp cổ chân mỏng, độ dày trung bình 3-4mm nhưng nó phảichịu toàn bộ trọng lượng cơ thể người Lực đó gấp 2-4 lần khi đi bộ, 6-8 lần khi chạy; ngoài

ra, khớp cổ chân phải đảm nhiệm những nhiệm vụ phức tạp là loại vận động "đa trục" (gấp

mu bàn chân, xoay ngoài, nghiêng ngoài; lấp lòng/xoay trong, nghiêng trong)

do đó, chỉ một chấn thương nhỏ cũng ảnh hưởng lớn tới chức năng vận động Nếu khôngđược điều trị đúng cách và đầy đủ thì các chấn thương hoặc bệnh lý của cổ chân có thểtrở thành mãn tính Bệnh nhân sẽ bị sưng đau từng đợt, kéo dài dai dẳng, ảnh hưởng đếnviệc đi đứng hàng ngày Khi điều trị nội khoa nhiều đợt không hiệu quả thì vấn đề phẫuthuật khớp cổ chân sẽ được đặt ra

Sau phẫu thuật, việc có thể đo chính xác những thay đổi về khả năng vận động củakhớp cổ chân là vô cùng quan trọng Nó cho phép đánh giá kết quả của việc điều trị, từ

đó đưa ra một quy trình hồi phục chức năng phù hợp giúp bệnh nhân có thể khôi phục lạichức năng vận động

Có rất nhiều nghiên cứu về thiết bị đo và kiểm tra khả năng vận động của khớp cổchân Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ tập trung vào vấn đề đo độ cứng của khớp cổ chân

mà không chỉ ra sự khác biệt khi di chuyển của khớp cổ chân giữa bệnh nhân sau phẫuthuật và người bình thường

Đề tài này xoay quanh việc thiết kế một thiết bị có chức năng đo khớp cổ chân.Thiết bị bao gồm cảm biến lực, động cơ DC Thiết bị có thể hồi tiếp các giá trị trả vềthông qua chuẩn giao tiếp cơ bản RS232 (hay COM) thông qua phần cứng UART Điềunày giúp đánh giá chính xác khả năng vận động của bệnh nhân sau phẫu thuật

Đề tài này được thực hiện trong bối cảnh nhóm nghiên cứu Cơ Điện Tử ứng dụng– Bộ môn Cơ Điện Tử đang thực hiện mục tiêu tiếp cận với lĩnh vực y sinh Ở đề tài này,nhóm được giao nhiệm vụ “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân” Nhằm đưa thiết

bị vào những ứng dụng thực tế trong đời sống con người

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Nhằm mục đích học tập và nghiên cứu lĩnh vực cơ điện tử y sinh nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân”

- Tham gia nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực y sinh

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

- Tính toán, thiết kế và mô phỏng cho “Thiết bị đo khớp cổ chân” sử dụng phần mềm Solidworks

- Tính toán và lựa chọn các chi tiết, mạch, nguyên liệu chế tạo, lắp ráp cho thiết bị có cơ cấu cơ khí đơn giản và hoạt động hiệu quả.

- Nghiên cứu tính toán để điều khiển “Thiết bị đo khớp cổ chân”

- Lập trình các chức năng cho thiết bị

- Kiểm tra và thử nghiệm vận hành thiết bị

1.4 Giới hạn đề tài

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

- Thuật toán điều khiển Thiết bị đo khớp cổ chân

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu ứng dụng của thiết bị trong thực tế

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Nhóm tiến hành tham khảo các mẫu thiết kế có sẵn trên thị trường thông qua mạnginternet nhằm nắm được nguyên lý đo của khớp cổ chân ở thời điểm hiện tại Từ đó rút ramột số kinh nghiệm cho sản phẩm của nhóm

Nguồn tài liệu chủ yếu từ các bài báo nghiên cứu khoa học quốc tế và các luận văncủa nước ngoài, bên cạnh đó có tham khảo đồ án khóa trước về phục hồi khớp cổ tay,cảm biến lực Sự góp ý từ phía giảng viên hướng dẫn và các giảng viên thuộc Bộ môn Cơđiện tử

Từ tài liệu và các kinh nghiệm bên trên, nhóm tiến hành đưa ra kế hoạch thực hiện

và các phương án thiết kế, tính toán động học, nghiên cứu giải thuật điều khiển và tínhtoán sức bền của thiết bị

Sau khi hoàn thiện phần cơ khí của thiết bị, tiến hành chạy thử và kiểm tra các lỗi,

cố gắn khắc phục các vẫn đề phát sinh và tăng độ ổn định, khảo sát các sai lệch khi vậnhành và rút ra kết luận

1.6 Các ứng dụng thực tế và một số sản phẩm nổi bật

Phương pháp Lunge (Weight-bearing Lunge Test): Đây là phương pháp mà sử dụngmột phần trọng lượng cơ thể của bệnh nhân đặt lên chân đã được phẫu thuật của bệnhnhân Vì khi bước đi, mỗi chân sẽ phải chịu sức nặng của toàn bộ cơ thể lên chân trụ.Phương pháp này được mô tả như sau:

(4)Nếu đầu gối không thể chạm tường mà gót chân không nhấc lên, di chuyển chân đến gần tường hơn Và lặp lại từ các động tác từ bước 1

(5)Nếu đầu gối có thể chậm tường mà không cần nhấc gót, di chuyển chân ra xa tường hơn Và lặp lại từ các động tác từ bước 1

(6)Thực hiện bước (5), (6) cho đến khi đầu gối có thể chạm tường mà gót chân vẫn chạmđất.

(7)Đo các chỉ số: a) Khoảng cách giữa tường và ngón cái (<9-10cm được xem là hạn chế) hoặc b) Đo góc tạo bởi xương chày và cẳng chân thẳng (<35-38 độ được coi là hạn chế)

(8)Đổi chân và thực hiện tương tự cho chân còn lại (Lý tưởng là thực hiện đối xứng với bên còn lại)

Tuy nhiên, phương pháp đo này có độ chính xác không cao vì phụ thuộc chủ quan vào taynghề của kỹ thuật viên

Hình 1.1 Mô tả lý thuyết đo của phương pháp Lunge

Hình 1.2 Đo khả năng vận động của khớp cổ chân bằng phương pháp Lunge

Đo góc cổ chân sử dụng thiết bị cầm tay thước đo khớp y sinh (Biplane Goniometer)

Hình 1.3 Thước đo khớp y sinh - Model F00630

Hình 1.4 Đo góc và lực tải của cổ chân bằng phương pháp thủ công

Hình 1.5 một thiết bị đo khớp cổ chân thụ động IAROM

Hình 1.6 Thiết bị đo khớp cổ chân bằng Con-Trex MJ system

(Isokinetic machine)

Hình 1.7 Hệ thống đo cổ chân thụ động JACE A330, một bậc tự do

Hình 1.8 Hệ thống cổ đo chân thụ động hai bậc tự do Optiflex

Hình 1.9 Hệ thống đa khớp Biodex Multi-Joint System 4 Pro

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cấu trúc giải phẫu ống gót

2.1.1 Vị trí

Ống gót thuộc vùng cổ chân, ở sau dưới mắt cá trong, do mặt trong xương gót lõmthành một đường rãnh, và có cơ dạng ngón chân cái bắt ngang như một nhịp cầu từ sau ratrước biến thành một đường ống gọi là ống gót

Trong ống gót có bó mạch thần kinh chày sau, các gân cơ của lớp sâu khu cẳngchân sau đi xuống gan chân

2.1.2 Cấu tạo

Ống gót gồm có 2 thành

- Thành ngoài là mặt trong xương gót

- Thành trong là cơ dạng ngón cái

Ống gót lại được chia làm 2 tầng: tầng trên và tầng dưới ống gót được ngăn cách

nhau bởi 1 chế cân ngang (cân của cơ dạng ngón cái)

Hình 2.1 Sơ đồ ống gót (mạch máu và thần kinh) - Tầng trên ống gót gồm có: gân cơ ở lớp sâu khu cẳng chân sau xuống (gân cơ cẳng chân sau, gân cơ gấp chung, gân cơ gấp dài ngón cái), động tĩnh mạch gan chân

trong và thần kinh gan chân trong.

1.Gân gót

2.Thần kinh chày

3.Bao của gân cơ chày sau

4.Bao của gân cơ gấp chung ngón chân

5.Động mạch chày sau

6.Bao của cơ gấp riêng ngón cái

7.Bó mạch thần kinh gan chân trong Hình 3.40 Sơ đồ ống gót (mạch máu và thần kinh) Tầng trên ống gót gồm có: gân cơ ở lớp sâu khu cẳng chân sau xuống (gân cơ cẳng chân sau, gân cơ gấp chung, gân cơ gấp dài ngón cái), động tĩnh mạch gan chân trong và thần kinh gan chân trong

-Hình 2.2 Thiết đồ cắt đứng ngang qua ống gót - Tầng dưới ống gót gồm có: cơ vuông gan chân (cơ Sylvius), động mạch gan chân ngoài và thần kinh gan chân ngoài.

1.Gân cơ chày sau

2.Gân cơ gấp dài các ngón chân

3.Gân cơ gấp dài ngón I

4.Cơ dạng ngón cái

5.Cơ vuông gan chân

6.Bó mạch thần kinh gan chân ngoài

7.Bó mạch thần kinh gan chân trong Hình 3.41 Thiết đồ cắt đứng ngang qua ống gót Tầng dưới ống gót gồm có: cơ vuông gan chân (cơ Sylvius), động mạch gan chânngoài và thần kinh gan chân ngoài

Hình 2.4 Cấu trúc giải phẫu vùng gót chân

Xương: Có hai xương dài là xương chày và xương mác thuộc về cẳng chân, vànhững xương khác nhỏ và ngắn hơn thuộc vùng bàn chân (xương gót, xương sên, …).Dây chằng: Có rất nhiều dây chằng, là các sợi gần nối liền những xương đó vớinhau Trong đó các dây chằng phía bên ngoài cổ chân rất dễ bị chấn thương (dãn, rách)khi cổ chân bị lật

Khớp cổ chân chỉ có một bậc tự do, có nghĩa là nó chỉ có thể tạo chuyển động trong

1 mặt phẳng Khớp cổ chân là một khớp xoay có chuyển động gập lên (dorsiflexion) và duỗi thẳng (plantarflexion)

Hình 2.5 Mô tả chuyển động gập/ duỗi của cổ chân

Với sự kết hợp của cẳng chân, nó có thể điều khiển được chuyển động lấplòng/xoay trong, nghiêng trong (inversion), xoay ngoài, nghiêng ngoài (eversion) so vớimặt phẳng thẳng

Hình 2.6 Mô tả chuyển động nghiêng trong/ ngoài của cổ chân

Hình 2.7 Chuyển động cơ bản có thể của cổ chân

Duỗi thẳngGập

Nghiêng trongNghiêng ngoài

Bảng 2.1 Các hạn chế của khớp cổ chân

2.2 Thiết bị đo khớp cổ chân

2.2.1 Bậc tự do

Hình 2.8 Cơ cấu hoàn chỉnh

Hình 2.9 Cơ cấu song song dạng cầu

Số bậc tự do trong cơ cấu có thể được tính theo công thức tính:

s: số bậc tự do nội trong cơ cấu (bậc tự do thừa)

Số khớp loại 5 gồm 8 khớp bản lề trong cơ cấu bình hành:

5

=1

Vậy cơ cấu trên có 2 bậc tự do

Hình 2.10 Đế xoay cho toán bộ cơ cấu

Để đo được góc xoay của bàn chân thì cần them một bậc tự do xoay nữa Ta bổ sung vào

hệ thống này cơ cấu xoay để chịu toàn bộ cơ cấu 2 bậc tự do kia

2

Vậy cơ cấu này hiện tại có ba bậc tự do.

2.2.2 Mối quan hệ hình học

Hình 2.11 Đặt trục so sánh

Có mối quan hệ giữa góc quay của động cơ và cơ cấu mặt phẳng làm việc Với hệ trụcđặt tại trục động cơ so với trục của cơ cấu làm việc lệch nhau một góc α = 45° Ta gọigóc xoay của bàn chân là β

Ví dụ: Chuyển động duỗi chân, nghiêng về phía trước một góc 20° xoay quanh trục x Ta 20

2.3 Phản hồi giá trị moment và điều khiển bằng động cơ điện

2.3.1 Động cơ

Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng động cơ SHINANO Kenshi DCG-5216-038Motor DC – Servo –24V, 50W để điều khiển thiết bị Các moment của động cơ sẽ đượctruyền động đến tay cầm thông qua cơ cấu chấp hành Chúng tôi sử dụng hộp giảm tốc đikèm và cơ cấu truyền động ma sát để giảm tốc cho động cơ

Mạch vi điều khiển STM32F107VCT6 được sử dụng để điều khiển động cơ thôngqua cảm biến moment tự chế Góc quay của động cơ được xác định dựa vào encoder gắntrên trục truyền động cho cơ cấu

2.3.2 Cảm biến moment

Cảm biến được sử dụng trong đề tài này được chế tạo và tính toán để có được cảmbiến moment đo một trục Các linh kiện được sử dụng để chế tạo cảm biến moment là cáctấm điện trở Các miếng điện trở này được mắc theo nguyên lý của sơ đồ mạch cầuWheatstone Lượng moment mà cảm biến phụ thuộc vào chiều dày, vật liệu chế tạo nêncảm biến Ở đây cảm biến sử dụng nhôm công nghiệp (Nhôm 6061-T6) để tiến hành chếtạo mẫu

2.3.2.1 Nguyên lý đo biến dạng sử dụng mạch cầu Wheatstone

Hình 2.12 Sơ đồ mạch cầu Wheatstone

Mạch cầu Wheatstone là mạch được sử dụng thường xuyên để đo độ biến dạngcủa vật liệu với strain gauge Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:

Điện áp đo được giữa 2 đầu dây tín hiệu (Vs +

và Vs

-) được tính theo công thức:

∆ = + − − = ∙

Mạch cầu ở trạng thái cân bằng khi Vs + = Vs - Nếu như ta chọn R1 = R2 = R3 = R4

thì khi ta đặt điện áp bất kỳ nào vào mạch trên thì điện áp đầu ra sẽ có giá trị là 0V Lúcnày ta gọi sơ đồ đang ở trạng thái cân bằng Khi có sự thay đổi điện trở của một hay các

điện trở trên so với giá trị ban đầu thì lúc này mạch mất cân bằng, lúc này trong mạch sẽ

có một điện áp tương ứng ở đầu ra Vs +

và Vs

-

Do giá trị của 4 điện trở là như nhau, ta có thể đặt: R1 = R2 = R3 = R4 = R0 Dướitác dụng của biến dạng trên bề mặt vật liệu, giá trị điện trở của từng strain gauge sẽ thayđổi Khi đó, ta có thể đặt các giá trị điện trở tương ứng với từng strain gauge như sau:

∆

= 0 +∆ = 0 (1+ 0 ), =1÷4;

Ở đây, ta có ∆ ≪ 0 , do đó khi có lực tác dụng làm thay đổi các giá trị điện trở của

0

các strain gauge, phương trình (a) có thể được viết lại dưới dạng sau (các thành phần bậc

2 đã được đơn giản hóa):

∆ = + − − ≈

Điện áp này có thể được tính như công thức (b) Và công thức này được sử dụngtrong việc đo độ biến dạng đàn hồi của vật liệu bằng cách sử dụng các strain gauge

2.3.2.2 Thiết kế cảm biến moment

Mô hình thiết kế cảm biến đo moment xoắn 1 trục được trình bày trong Hình 2.10.Cảm biến được cấu tạo bởi phần đế cố định hình tròn ở vòng ngoài và phần lõi di động bêntrong Phần lõi di động và phần đế cố định được nối với nhau bởi 4 thanh dầm Trên 2 thanhdầm có khoét 4 rãnh nhằm tạo biến dạng khi có mô-men xoắn tác động lên phần lõi di động.Các strain gauge được dán trên 2 mặt ngoài của các thanh dầm, ngay tai vị trí bị biến dạngnhiều nhất khi tác dụng lực trên đó Các straingage dược nối với nhau từng cặp

1để tạo nên mạch cầu Wheatstone Sơ đồ nối chân các straigauge được trình bày như trong hình 2.11

Hình 2.13 Mô hình mô phỏng cảm biến moment

5

Độ dài dầm đàn hồi l = 26mm, độ rộng dầm a =10mm, độ dày dầm h = 4mm,khoảng cách từ trục cảm biến đến đường tâm dầm R = 35mm Các dầm đàn hồi được bốtrí vuông góc với nhau theo hình chữ thập và liên kết với nhau bởi 2 vành tròn, một vànhđược ngàm cố định, vành còn lại chịu tác dụng của moment xoắn M.

Hình 2.14 Kích thước thiết kế cảm biến moment

Nguyên lý đo: Cũng giống như trường hợp cảm biến lực một trục, ở đây ta có E+

và E- là 2 đầu của điện áp không đổi cấp cho straingage S+ và S- là các ngõ ra tín hiệu

> Vs Trường hợpmoment M tác động theo chiều ngược lại, ta có Vs +

< Vs Sự khác biệt của 2 giá trị điện

-áp này chính là tín hiệu đầu ra của cảm biến

Hình 2.15 Tác động lực xoay lên cảm biến moment

Sau khi đã có được thông số tối đa mà cảm biến cần phải chịu được thì ta tiếnhành thiết kế hình dạng Hình dạng của cảm biến phụ thuộc vào chi tiết mà ta muốn đo Ởđây, cảm biến được dùng để đo moment truyền động trong cơ cấu truyền động của thiết

bị đo khớp cổ chân Vì thế, sử dụng cơ cấu hình tròn để phù hợp với hình dạng của cơcấu truyền động Sau khi đã có được khung cơ khí của cảm biến Ta tiến hành các bướcdán điện trở miếng

Dán cảm biến có nhiều phương pháp khác nhau Chẳng hạn như: Epoxy, Silicon,…

độ dẻo đàn hồi cho miếng điện trở Còn Silicon thì quá dẻo, miếng điện trở dễ bị bongtróc ra khỏi về mặt cần đo biến dạng Keo A-B đáp ứng được tiêu chí không quá dẻo, dánchắc và dễ dàng tìm mua ở mọi nơi trong thành phố Còn một điều nữa, tùy theo cách đo

mà ta phải có phương pháp chọn vị trí dán cảm biến khác nhau (xoay hoặc tinh tiến) Ởđây, ta tiến hành đo moment xoắn nên chọn cách dán vị trí cảm biến đo moment xoắn

Đo tịnh tiến: Cặp điện trở thay đổi theo nguyên lý của mạch cầu Wheatstone Ta nối dây theo như hình thì đo được lực tịnh tiến

Hình 2.16 Vị trí điện trở chịu biến dạng để đo lực tịnh tiến

Để đo moment xoắn, ta lắp và kết nối các miếng dán điện trở theo vị trí và thử tựdây của mạch cầu Wheatstone như hình để đo được moment xoắn

Hình 2.17 Vị trí điện trở bị biến dạng để đo moment xoay

Ta tiến hành chọn vị trí dán cảm biến bằng cách tính toán chịu lực sức bền củakhung cảm biến Sau đó, ta kiểm nghiệm lại bằng phần mềm Ansys được cài đặt chungvới Solidworks 2015 Nhìn vào dưới chúng ta thấy được các đường màu đỏ thể hiện chonơi mà lực moment tập trung nhiều nhất Và cũng so sánh với modul đàn hồi nhận thấyđược với 100N.m thì thiết bị được thiết kế tốt tránh được tình trang biến dạng Ta đánhdấu và chọn dán 4 Strain gauge trên hai dầm đàn hồi các Strain gauge cách đầu của mỗidầm 1 đoạn là ¼ l = 8 mm

Hình 2.18 Cảm biến được đo với lực phá hủy

Các bước tiến hành dán cảm biến:

(1) Bề mặt dán cảm biến phải được chà nhám hột lớn, chà nhám hột mịn và làm sạch.(2) Ta tiến hành nhỏ một, hai giọt hỗn hợp A-B (Tỉ lệ trộn keo A-B là 3-1, sử dụng dụng

cụ là ống tiêm y tế) Thoa đều hỗn hợp lên toàn bộ bề mặt cảm biến Sau đó ta phơi nắngchờ cho bề mặt hơi khô

(3) Ta tiến hành dán cảm biến lên vị trí trên bề mặt được mô phòng và tính toán là nơichịu biến dạng nhiều nhất Các miếng cảm biến này phải được dán sao cho thật đối xứngvới nhau Ta lại tiếp tục chờ cảm biến dính chắt trên bề mặt.

(4) Ta tiến hành nối dây vào miếng điện trở, hàn được dây nào vào điện trở thì cố địnhlại dây đó ngay Sau khi nối dây toàn bộ miếng điện trở và cố định dây, ta tiến hành đo lạiđiện trở của các miếng cảm biến này để kiểm tra miếng điện trở có bị hư (chết) Nếumiếng điện trở bị hư, ta tiến hành lại bắt đầu từ công đoạn chà nhám Nếu toàn bộ cácmiếng điện trở đều đã kiểm tra ổn định thì ta đổ hỗn hợp keo A-B bịt kín toàn bộ bề mặtdán biến trở Độ dày sử dụng ở đây là 2 mm tính từ bề mặt tiếp xúc với miếng điện trở

Ta chờ đến khi toàn bộ bề mặt đều khô

Hình 2.19 Mẫu đổ keo dán miếng điện trở lên khung cảm biến

Hình 2.20 Khung cảm biến đã được dán toàn bộ điện trở

Khi đã có được một cảm biến hoàn chỉnh, ta tiến hành cấp điện gắn vào mạch khuếchđại để lấy giá trị ngõ ra để xem xét có đúng với những tính toán ban đầu Lúc này, sử dụngcác cảm biến căn chỉnh có độ chính xác khá tốt để kiểm tra cảm biến vừa được chế tạo.

Hình 2.21 Cảm biến moment đã được chế tạo hoàn

chỉnh 2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID- Proportional Integral Derivative) là một cơchế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điềukhiển công nghiệp Bộ điều khiển PID có khả năng tính toán một giá trị "sai số" là hiệu

số giữa giá trị đo thông số biến đổi hồi tiếp về và giá trị đặt mong muốn.Bộ điều khiển sẽgiảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.Để đạt được kết quả tốtnhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệthống, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 khâu riêng biệt, do đó đôi khi nócòn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và vi phân, viết tắt P, I, và

D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác độngcủa tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai

số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tửđiều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy,những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại,

I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vàotốc độ thay đổi hiện tại

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điềukhiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển cóthể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt

lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống