Đồ án Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân (Phần 1)

1. 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 S K L 0 0 4 2 6 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH ───────────────────── BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN Giảng viên hướng dẫn: TS. CÁI VIỆT ANH DŨNG Sinh viên thực hiện: PHAN PHƯƠNG BÌNH 11146224 Lớp: 111463A Khóa: 2011 - 2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2015
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS. Cái Việt Anh Dũng Sinh viên thực hiện: Phan Phương Bỉnh MSSV: 11146224 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. - Thiết kế và chế tạo cảm biến moment. 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: TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân - GVHD: TS. Cái Việt Anh Dũng - Họ tên sinh viên: Phan Phương Bình - MSSV: 11146224 Lớp: 111463A - Địa chỉ sinh viên: 312/43G Tôn Đản, Phường 4, Quận 4, Tp.HCM - Số điện thoai liên lạc: 01222444662 - Email: phanphuongbinhspk@gmail.com. - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 13/01/2015 - Lời cam kết: “chúng Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công 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, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 01 năm 2015 Ký tên ii
5. LỜI CẢM ƠN Được sự cho phép của ban lãnh đạo khoa Cơ khí chế tạo máy trường Đại Học Sư Phạm 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 trân trọng những sự quan tâm ấy. Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè xung quanh đã hết sức hỗ trợ để chúng tôi có được điều kiện tốt nhất hoàn thành đồ án này. Chúng tôi cũng xin chân thành cảm ơn Giảng viên hướng dẫn TS. Cái Việt Anh Dũng 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 tôi những 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 iii
6. 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 đo đạc 3 góc độ của cổ chân người. Dữ liệu đo đạc được có thể được sử dụng để xác định vị trí tức thời của khớp cổ chân (IHA). Trong thiết kế này, chúng tôi sử dụng cơ cấu song song dạng cầu kết nối nối tiếp với bàn chân người sử dụng, đạt được cơ cấu 3 bậc tự do. Phương pháp 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 người dùng. 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 với biên độ và tần số. Thông qua cảm biến moment chúng ta có thể tính toán, đo được khả năng chịu 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 chân bệnh nhân sau phẫu thuật. Chúng tôi phát triển thiết bị đo khớp cổ chân với kỳ vọng giúp bệnh 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 xây dựng các chương trình khác, phát triển và phù hợp với từng trường hợp cụ thể. Nhóm sinh viên thực hiện Phan Phương Bình iv
7. ABSTRACT Design & manufacture measurement device for ankle joint This thesis presents the design and the manufacture of a first model measurement device 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 to identify the instantaneous helical axis (IHA) of the joint. In the design, we use a Parallel configured- type structure connected serially to foot below surface to form a 3 degrees of freedom mechanism. The algorithm for the determination of IHA is presented and first experimental results on healthy subject will be discussed. In general, Measurement device for ankle joints operates base on the programs on providing rough and fine rotations for the user's ankle joint. The system applies rotational motions using DC encoder motors had gear reduction box and friction drive mechanism transmitte to main-mechnism, which controlled by PID algorithms with different amplitudes and frequencies. With moment sensor, we can measure, calculate the amount of forces that user’s ankle can handle or force feedback for ankle joints. Measurement device for ankle joint was designed and made on purpose to measure the angle, force of patient’s ankle joint after the surgery. We develop a Measurement device for ankle joint, which is expected to help patient measuring or can restore their ankle joint functions after surgery operations. It may also use to help people relaxing, after stressful work time. 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. v
8. 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 CÁC TỪ VIẾT TẮT xi TỔNG QUAN xii 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 Giới hạn đề tài 2 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 2 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 2 1.5 Phương pháp nghiên cứu 2 1.6 Các ứng dụng thực tế và một số sản phẩm nổi bật 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Cấu trúc giải phẫu ống gót 6 2.1.1 Vị trí 6 2.1.2 Cấu tạo 6 2.2 Thiết bị đo khớp cổ chân 1 2.2.1 Bậc tự do 1 2.2.2 Mối quan hệ hình học 3 2.3 Phản hồi giá trị moment và điều khiển bằng động cơ điện 4 2.3.1 Động cơ 4 2.3.2 Cảm biến moment 4 2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển PID 10 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CƠ KHÍ 16 3.1 Phần cơ khí 16 vi
9. 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 vii
10. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các hạn chế của khớp cổ chân 1 Bảng 2.2: Bảng tìm thông số PID theo phương pháp thứ nhất. 12 Bảng 2.3: Bảng thông số tính toán bộ số PID. 13 viii
11. 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 ix
12. 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 x
13. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing CAP Computer Aided Planning CNC Computerized Numerical Control AFTA ASEAN Free Trade Area WCPT World Confederation for Physical Therapy DIP Distal InterPhalangeal IP InterPhalangeal MTP MetaTarsoPhalangeal PIP Proximal InterPhalangeal D-H Denavit Hartenberg PID Proportional – Integral – Derivative CAE Computer Aided Engineering DC Direct Current UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter USART Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver & Transmitter xi
14. 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 và sức 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 điện tim, Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và y học, những ca phẫu thuật ngày càng trở nên hiện đại và an toàn. Đặt ra những yêu cầu mới về phục vụ sức khỏe con người. Với yêu cầu kiểm tra chất lượng của khớp cổ chân trước và sau khi phẫu thuật. Hoặc thu thập các giá trị 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. Phương pháp đo thủ công được thực hiện nhờ các kỹ thuật viên. Phương pháp bằng tay hiện tại đang được sử dụng là phương pháp Lunge. Gần đây, các thiết bị đo tự động đang được nghiên cứu với mục tiêu gia tăng độ chính xác và giảm áp lực cho các kỹ thuật viên. Năm 2002, Zhang và các đồng nghiệp đã phát triển một thiết bị kéo dãn để điều trị chứng co cứng cổ chân của bệnh nhân bị suy giảm thần kinh. Thiết bị cho phép kiểm tra khả năng vận động của khớp cổ chân trong quá trình vận động. Gần đây hơn, Rydahl và Brouwer nghiên cứu một hệ thống đo độ cứng và dịch chuyển góc của khớp cổ chân cho bệnh nhân nhân đột quỵ. Thiết bị của Rydahl 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 lệch giữa bàn chân với cẳng chân, và độ cứng của khớp cổ chân. Thiết bị này bao gồm một tấm lót bàn chân 30x30 cm, gắn liền với một giá đỡ có kích thước 30x40 cm. Hai dây đai Velcro rộng10 cm giúp cố định thiết bị vào chân bệnh nhân. Một khối bọt cứng cao 3 cm đặt dưới cổ chân để hỗ trợ xương chày. Cảm biến góc nghiêng và cảm biến lực được đặt dưới tấm lót bàn chân. Trong quá trình đo, kỹ thuật viên sẽ tác dụng lực tăng dần lên tấm lót bàn chân, cảm biến 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 bị vẫn còn nhiều hạn chế như: chỉ có khả năng đo độ dịch chuyển của khớp cổ chân theo 1 phương, 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 ở những 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 phép thực hiện việc đo góc giữa bàn chân va cổ chân với độ chính xác ít hơn 10; đồng thời có thể 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. xii
15. 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 sinh trong quá trình tham gia các môn thể thao hoặc khi vận động mạnh. Tuy nhỏ hơn khớp gối và khớp háng, bề mặt sụn của khớp cổ chân mỏng, độ dày trung bình 3-4mm nhưng nó phải chịu 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 không được điều trị đúng cách và đầy đủ thì các chấn thương hoặc bệnh lý của cổ chân có thể trở thành mãn tính. Bệnh nhân sẽ bị sưng đau từng đợt, kéo dài dai dẳng, ảnh hưởng đến việc đi đứng hàng ngày. Khi điều trị nội khoa nhiều đợt không hiệu quả thì vấn đề phẫu thuật khớp cổ chân sẽ được đặt ra. Sau phẫu thuật, việc có thể đo chính xác những thay đổi về khả năng vận động của khớp 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 lại chức năng vận động. Có rất nhiều nghiên cứu về thiết bị đo và kiểm tra khả năng vận động của khớp cổ chân. 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 phẫu thuật 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 về thông qua chuẩn giao tiếp cơ bản RS232 (hay COM) thông qua phần cứng UART. Điều này 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. - Nghiên cứu sản phẩm đáp ứng nhu cầu thực tiễn phục vụ con người. 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. - Chế tạo mô hình “Thiết bị đo khớp cổ chân” sử dụng phần mềm Solidworks. 1
16. - 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 - Động lực học Thiết bị đo khớp cổ chân. - Thuật toán điều khiển Thiết bị đo khớp cổ chân. - Giao tiếp người dùng và ứng dụng. 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 mạng internet nhằm nắm được nguyên lý đo của khớp cổ chân ở thời điểm hiện tại. Từ đó rút ra một 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 văn của 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 Cơ điện 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 tính toán 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 vận hành 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 dụng một phần trọng lượng cơ thể của bệnh nhân đặt lên chân đã được phẫu thuật của bệnh nhân. 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: (1) Bệnh nhân đứng đối diện cách tường khoảng 10 cm tính từ chân đến tường. (2) Một chân lùi ra sau một chiều dài bàn chân của bệnh nhân. (3) Khụy gối đến khi nào đầu gối chạm tường (Giữ cho gót chân chạm đất) (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. 2
17. (6) Thực hiện bước (5), (6) cho đến khi đầu gối có thể chạm tường mà gót chân vẫn chạm đất. (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 tay nghề 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 3
18. 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) 4
19. 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 5
20. 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 lõm thành một đường rãnh, và có cơ dạng ngón chân cái bắt ngang như một nhịp cầu từ sau ra trước 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 cẳng chân 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). 6
21. 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 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4