Luận văn Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho nguời khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu thiết kế chế tạo bàn chân giả cho nguời khuyết tật với khớp linh hoạt ứng dụng cơ cấu mềm (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ MINH NHẬT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÀN CHÂN GIẢ CHO NGUỜI KHUYẾT TẬT VỚI KHỚP LINH HOẠT ỨNG DỤNG CƠ CẤU MỀM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 5 0 8 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ LÊ MINH NHẬT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÀN CHÂN GIẢ CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT VỚI KHỚP LINH HOẠT ỨNG DỤNG CƠ CẤU MỀM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ LÊ MINH NHẬT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÀN CHÂN GIẢ CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT VỚI KHỚP LINH HOẠT ỨNG DỤNG CƠ CẤU MỀM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. PHẠM HUY TUÂN Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ và Tên: Lê Minh Nhật Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 07/10/1987 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 77, Tổ 3, Ấp Tân Xuân, Bảo Bình, Cẩm Mỹ, Đồng Nai Điện thoại: 0937540470 Email: leminhnhata@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo: từ 2010 đến 2012 Nơi học (trường, thành phố) : Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Ngành học: Công Nghệ Cơ Khí Nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: bảo vệ đồ án tốt nghiệp 7/2012 tại trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Người hướng dẫn: Đinh Văn Bằng III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty cổ phần kỹ thuật hàng Từ 2015 - nay Nhân viên kỹ thuật không Ngôi Sao Việt i
5. IV. CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI [1]. Pham Huy Tuan, Le Minh Nhat, Nguyen Van Khien “Design of Amulti-Axis Fully Compliant Prosthetic Foot for Amputee” Proceedings of The 4th International Confernce On Sustainable Energy. October 28, 2015 Ho Chi Minh City University of Technology, Ho Chi Minh City, Vietnam, pp. 223 – 228. [2]. Phạm Huy Tuân, Nguyễn Hà Ngọc Hiếu, Lê Minh Nhật “Nghiên cứu thiết kế cơ cấu đàn hồi với lực đầu ra không đổi ứng dụng trong thiết bị đầu cuối cánh tay máy” Hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc về cơ khí –Lần thứ IV. TP.Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 11 năm 2015, trang 79 – 86. ii
6. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lê Minh Nhật iii
7. LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã hổ trợ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường. Cảm ơn quý Thầy, Cô Phòng Đào tạo sau đại học và Khoa Cơ Khí Máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đối với Thầy TS. Phạm Huy Tuân đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ động viên tôi hoàn thành tốt luận văn này. Lê Minh Nhật iv
8. TÓM TẮT Chân giả thụ động có ưu điểm là nhẹ, kết cấu đơn giản và giá thành thấp so với chân giả sử dụng động cơ. Tuy đã có nhiều mẫu thiết kế chân giả thụ động trên thị trường hiện nay nhưng chưa có thiết kế nào có khả năng đáp ứng đủ bậc tự do cần thiết cho khớp mắt cá chân giả hoạt động một cách tự nhiên, gây khó khăn cho người khuyết tật khi vận động và di chuyển. Trong nghiên cứu này tác giả giới thiệu một thiết kế chân giả với khớp mắt cá linh hoạt ứng dụng cơ cấu đàn hồi với khả năng đáp ứng các chuyển động linh hoạt của chân khi di chuyển. Đó là khả năng giảm chấn khi tiếp xúc gót, khả năng uốn khi chuyển pha giữa các giai đoạn của chu kỳ bước và khả năng xoay lật khớp khi di chuyển ở địa hình phức tạp giúp chân linh hoạt giảm ảnh hưởng đến mỏm cụt. Khớp mắt cá chân được thiết kế bằng cơ cấu đàn hồi giúp kết cấu đơn giản, có khả năng dự trữ năng lượng và giảm trọng lượng. Thuật toán tối ưu hóa được áp dụng để chọn ra độ cứng phù hợp cho từng vị trí thiết kế. Việc tối ưu hóa đã mang lại một thiết kế khớp mắt cá chân giả với khả năng cung cấp momen xoắn và xoay lắc phù hợp có khả năng di chuyển tương tự như chân tự nhiên. Bằng phương pháp thực nghiệm, kiểm tra tải trọng thật bằng mô hình con lắc và khả năng tải - biến dạng trên máy kéo nén. Từ kết quả độ cứng của từng khâu thu được khi thực nghiệm, ta có kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm là gần giống nhau điều này cho thấy phương pháp thiết kế được sử dụng trong nghiên cứu này là tương đối chính xác. Từ khóa: chân giả, mắt cá chân, khớp đàn hồi, khớp đa trục, giải thuật di truyền. v
9. ABSTRACT Passive compliant prosthetic ankles have the advantage of energy saving, light weight, simple structure and competitive cost compared to powered devices. Despite of the variety of commercial products, these designs do not provide adequate degree- of-freedom (DOF) for the artificial flexural ankle foot. It hampers disable people from walking comfortably especially on undulating and rough terrains. This research presents a novel design of a multi-axis fully compliant prosthetic ankle. Its capability of bending and compression helps to propel the body forward due to the elastic energy storage transferred from kinetic energy. On the other hand, it can also swing to two sides when persons with disability move on rough road. An optimization scheme based on genetic algorithm is applied to design appropriate stiffness for each phase during the walking cycle. The designed prosthetic foot could provide sufficient twisting and rotating torque that resembles natural legs. This characteristic makes it more versatile and reduces the impact force on residual limbs. From the optimization results, a prototype of the multi-axis fully compliant prosthetic ankle was fabricated using the CNC milling method. Experiments were also set up to check for the loading walking cycle pattern with a pendulum model and the stiffness of the device at each loading configuration was tested by using the INSTRON tensile test machine. There is not much discrepancy between the calculated results and the experiments. This proves for the effectiveness of the design approach applied in this research. Keywords: artificial foot, prosthetic ankle, flexure hinge, genetic optimization. vi
10. MỤC LỤC Mục lục Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Abstract vi Mục lục vii Danh sách chữ viết tắt x Danh sách các ký hiệu dung trong các công thức xi Danh sách các bảng xii Danh sách các hình xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1 1.1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1 1.1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước 1 1.1.1.2 Các nghiên cứu trong nước 3 1.1.2 Các loại bàn chân giả thường gặp 5 1.2 Tính cấp thiết của đề tài 7 1.3 Mục đích của đề tài 7 1.4 Nhiệm vụ, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 7 1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài 7 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu 8 1.4.3 Phạm vi nghiên cứu 8 1.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 8 vii
11. 1.5.1 Cách tiếp cận 8 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 8 1.6 Hiệu quả trong giáo dục đào tạo và kinh tế - xã hội 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Cấu trúc giải phẫu ống gót 10 2.1.1 Vị trí 10 2.1.2 Cấu tạo 10 2.2 Đường cong tham số Bezier 14 2.2.1 Dạng tổng quát đường cong Bezier 14 2.2.2 Đường cong Bezier bậc nhất 15 2.2.3 Đường cong Bezier bậc hai 15 2.2.4 Đường cong Bezier bậc ba 16 2.2.5 Dạng ma trận 17 2.2.6 Các tính chất của đường cong Bezier 18 2.3 Lý thuyết cơ cấu mềm 19 2.3.1 Định nghĩa 19 2.3.2 Ưu nhược điểm 20 2.3.3 Một số cơ cấu mềm thông dụng 20 2.3.3.1 Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro 20 2.3.3.2 Cơ cấu đàn hồi song ổn định, Bistable mechanism (BM) 21 2.3.4 Một số cơ cấu thường gặp 22 2.4 Giải thuật di truyền 23 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 29 3.1 Giả thuyết thiết kế 29 3.2 Phương án thiết kế 29 3.2.1 Phương án 1 29 3.2.2 Phương án 2 30 3.3 Lựa chọn phương án 31 3.4 Lựa chọn vật liệu 31 viii