Luận văn Nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ khớp gối (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ khớp gối (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 NGUYỄN VĂN LÊ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 0 4 3 4 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN LÊ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN LÊ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: TS. CÁI VIỆT ANH DŨNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Văn Lê Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 08/02/1986 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: 247/AT, xã An Phú Trung, huyện Ba Tri, tỉnh Bến Tre. Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 58/33 Tân Lập 1, p. Hiệp Phú, quận 9, TP.HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: levan.eng11@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2009 đến 8/ 2011 Nơi học (trường, thành phố): trường ĐHSPKT, TP.HCM Ngành học: Kỹ thuật cơ khí Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Chế tạo thiết bị cho tôm ăn tự động. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 7/2014, khoa cơ khí chế tạo máy, trường ĐHSPKT, TP.HCM. Người hướng dẫn: Th.S Phan Minh Thanh. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2011- Cty CP Hoa Nước Thiết kế, giám sát công trình. 5/2013 Thiết kế, bảo dưỡng dây 6/2013-nay Cty CP Tôn Đông Á chuyền sản xuất. i
5. 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 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
6. CẢM TẠ Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các cơ quan, các tổ chức và các cá nhân. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất tới tất cả các tập thể, cá nhân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu luận văn này. Trước hết tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP, Phòng Đào tạo và Khoa Cơ khí chế tạo máy của nhà trường cùng các thầy cô giáo, những người đã trang bị kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập. Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo- Tiến sĩ Cái Việt Anh Dũng, người thầy đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn khoa học và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn tất các bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn này. Do thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn của tôi chắc hẳn không thể tránh khỏi những sơ suất, thiếu sót, tôi rất mong nhận đuợc sự đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể bạn đọc. Xin trân trọng cảm ơn! TP.HCM, tháng 10 năm 2014 Nguyễn Văn Lê iii
7. TÓM TẮT Các thiết bị máy móc để thay thế sức lao động ngày càng được phát triển và hoàn thiện. Tuy nhiên, nhu cầu nâng cao khả năng chịu đựng, khả năng làm việc của cơ thể cũng rất phổ biến.Hỗ trợ cho cơ thể chủ yếu là ở các chi, trong đó khớp gối làm việc với cường độ cao nhất trong đa số các công việc. Việc hỗ trợ cho khớp gối cần giải quyết các vấn đề sau: Xác định vị trí của các khớp sinh học để lắp một cơ cấu song song với chi. Do cấu tạo của khớp sinh học khá phức tạp nên không thể xác định được vị trí một cách chính xác.Nếu khớp sinh học không trùng với khớp của cơ cấu sẽ sinh ra các lực (momen) cản, các thành phần lực này tác động lên chi gây đau và bước đi khó khăn khi mang cơ cấu. Do đó cần phải thêm vào các bậc tự do thụ động để loại bỏ các momen cản này. Việc tính toán, lắp thử nghiệm các bậc tự do thụ động sao cho hợp lý giúp cơ cấu làm việc linh hoạt, hiệu suất làm việc cao chiếm một phần quan trọng trong đề tài nghiên cứu này. Qua quá trình nghiên cứu, thử nghiệm nhiều cơ cấu khác nhau đã đưa ra cơ cấu với số bậc tự do thụ động thích hợp. Lắp thiết bị lên cơ thể: Khi thiết bị làm việc, lực (momen) từ cơ cấu truyền lên cơ thể (chi). Khi đó tại vị trí lắp với cơ cấu sẽ chịu áp lực, các áp lực sẽ gây đau và tổn thương các bắp cơ.Để giải quyết vấn đề này cần phải có các thiết bị ghép nối (cơ cấu với chi) cho hợp lý. Thiết bị ghép nối phải đáp ứng được các yêu cầu sau: o Có diện tích tiếp xúc đủ rộng để giảm áp lực o Có biên đạng phù hợp với chi tại vị trí ghép nối. o Nhẹ o Đủ độ bền o Đủ dẻo để đeo vào cơ thể dễ dàng. Tính toán, thiết kế các chi tiết của thiết bị. Lắp các thiết bị cảm biến và điều khiển cơ cấu: o Điều khiển bằng cảm biến lực: Cảm biến lực được lắp trên khâu thụ động ở vị trí phù hợp. Khi bước đi sẽ sinh ra các thành phần momen lên các khâu thụ động, thành phần momen chính sẽ tác động lên cảm biến lực, tín hiệu thu iv
8. được sẽ điều khiển động cơ gấp/mở cơ cấu một góc hợp lý sao cho momen tương tác giữa cơ cấu với chân bằng không nếu là cơ cấu di chuyển theo, momen tương tác khác không nếu là cơ cấu hỗ trợ lực hoặc cản trở chuyển động. o Điều khiển dựa vào các pha di chuyển của bước đi. Dựa trên cơ sở thuật toán 4 switch để nhận ra các pha di chuyển, pha nào là pha di chuyển theo và pha nào là pha cần hỗ trợ lực. v
9. ABSTRACT The labor-saving machinery is being developed and perfected. However, the demand to improve the body’s stamina and work capacity is stilluniversal. The body is supported mainly by the limbs, in which the knee joints work with most intensity in the majority of tasks. To accomplishing the task of supporting the knee joints, we have to solve the following problems: Determining the location of the biological joints to assemble a structure paralleled to the legs. Due to their structural complexity, biological joints cannot be correctly positioned. The joints’ failing to coincide with the biological structure will generate power (torque) block, causing pain and difficulty in walking while wearing the device. Therefore we need to add in passive degrees of freedom to remove the torque. The appropriate calculation and experimental installation of passive degrees of freedom to help the structure work flexibly with high performance accounts for an important part in this research. The research and testing processes of many different structures have resulted in a structure with appropriate passive degrees of freedom. When the device operates, power (torque) is transmitted from device to the body (legs). Then, the body part in contact with the device will be under pressure, the pressure will cause pain and damage muscles. To solve this problem, we need to have reasonable coupling devices (device to legs). Coupling devices must meet the following requirements: o Contact area is large enough to reduce the pressure o Profile in accordance with the coupling position. o Light o Durable enough o Flexible enough to put on the body easily vi
10. Calculating and designing the components of the device. Installing sensors and controlling device: Controling by loadcell: the loadcell isset up on the passive stage in appropriate positions. On its operating, the device will produce torque to the passive stage; the main torque component will affect the loadcell, the received signal will control the engine to fold / open the device at such a reasonable angle that the device-feet interaction torque is zero if the device moves in, and other than zero if the device supports with force or hinders movement. The control based on the movement phase of the step. Based on the 4 switch algorithm to recognize the movement phases, which phase is the phase that moves after and which one needs force support. vii
11. MỤC LỤC TRANG Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các chữ viết tắt vii Danh sách các hình viii Danh sách các bảng x Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về robot 1 1.2. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố 3 1.3. Mục đích của đề tài 7 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 7 1.5. Phương pháp nghiên cứu 8 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Khâu, khớp, bậc tư do 9 2.2. Các dạng bài toán robot 10 2.3. Truyền động và điều khiển robot 17 2.4. Lý thuyết chuyển động của khớp gối 23 Chƣơng 3.CÁC VẤN ĐỀ CẦN PHÁT TRIỂN VÀ KẾT QUẢ CHẾ TẠO 3.1. Vấn đề nghiên cứu 24 3.2. Thiết kế cảm biến momen 26 3.3. Thiết kế cơ cấu chịu lực cho khớp gối 29 3.4. Mô hình hóa cơ cấu 44 3.5. Tính toán công suất 47 viii
12. 3.6. Thiết kế chi tiết 48 Chƣơng 4. VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM CƠ CẤU 4.1. Điều khiển cơ cấu 59 4.2. Hệ thống điều khiển 60 4.3. Vận hành và thử nghiệm cơ cấu 60 Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận 65 5.2. Kiến nghị 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC ix
13. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. Btd: Bậc tự do 2. Btdtt: Bậc tự do thụ động 3. Ctm: Chi tiết máy 4. Cbl: Cảm biến lực x
14. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1.Các tư thế đúng khi nhấc vật nặng 1 Hình 1.2.Một số công việc phải mang vác vật nặng 2 Hình 1.3.Các trường hợp gặp vấn để về khớp gối 3 Hình 1.4.Đầu gối trong tư thế gấp 4 Hình 1.5.Góc vận động của khớp gối 6 Hình 1.6.Góc của khớp gối khi lên xuống cầu thang 6 Hình 1.7.RobotXOS 2, phiên bản cải tiến của dòng XOS 7 Hình 1.8.Bộ xương ngoài hỗ trợ chân HAL 8 Hình 1.9.Khung xương chân HULC 9 Hình 1.10.Honda_Walking_Assist_Device 10 Hình 1.11.Bộ xương ngoài MIT 10 Hình 1.12. Thiết bị phục hồi chức năng cho khớp gối 11 Hình 2.1.Các thông số của khâu : θ, d, a và α 17 Hình 2.2.Nguyên lý hoạt động của encorder 20 Hình 2.3.Sơ đồ nguyên lý của loadcell 21 Hình 2.4.Nguyên lý làm việc của loadcell chịu uốn. 22 Hình 3.1. Cơ cấu 2 khớp lệch tâm 22 Hình 3.2.Độ biến dạng của lò xo 24 Hình 3.3.Cảm biến momen 25 Hình 3.5.Kết quả thử nghiệm cảm biến momen trên cơ cấu 26 Hình 3.6. Lấy khuôn chân bằng thạch cao 30 Hình 3.7.Đúc mẫu bằng bê tông 34 Hình 3.8.Phản ứng nối ngang của phân tử UPE 31 Hình 3.9.Chi tiết ghép nối được tạo hình bằng compsite 32 Hình 3.10.Nguyên lý của máy quét 3D 33 Hình 3.11.Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 1 khớp. 34 xi
15. Hình 3.12.Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 2 khớp 35 Hình 3.13.Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 3 khớp. 36 Hình 3.14.Kết quả thử nghiệm lần 1. 37 Hình 3.15.Kết quả chế tạo thử nghiệm lần 2 38 Hình 3.16.Kết quả thử nghiệm lần 3 39 Hình 3.20.Các bậc tự do thụ động được bố trí trên hệ trục tọa độ Decac 40 Hình 3.21.Momen cản sinh ra trên các bậc tự do thụ động 41 Hình 3.22.Bố trí cảm biến momen 41 Hình 3.23.Chu kỳ của bước đi 42 Hình 3.24.Mô hình hóa các btd thụ động ở khớp cổ chân 45 Hình 3.25.Mô hình hóa các btd thụ động ở khớp gối 46 Hình 3.26.Mô hình hóa các btd thụ động ở khớp háng 46 Hình 3.27.Trọng tâm của cơ thể khi đứng lên 47 Hình 3.28.Trọng tâm của cơ thể khi bước đi 48 Hình 3.29.Khớp trượt 49 Hình 3.30.Khớp xoay 50 Hình 3.31.Giá lắp motor 51 Hình 3.32.Các thông số của thanh trượt – ray trượt bi 52 Hình 3.33. Hướng chịu tải của thanh trượt – ray trượt bi 53 Hình 3.34.Cấu tạo chi tiết của cơ cấu 55 Hình 3.35.Kết quả chế tạo thiết bị hỗ trợ khớp gối 58 Hình 4.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển (bộ điều khiển momen tương tác) 58 Hình 4.2.Sự tương quan giữa chu kỳ bước đi và trạng thái của khớp gối 59 Hình 4.3.Nguyên lý điều khiển theo các pha của bước đi 60 Hình 4.4.Vị trí các cảm biến trên bàn chân 61 Hình 4.5.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 62 Hình 4.6.Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 62 Hình 4.7.Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại 63 Hình 4.8Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 63 Hình 4.9. Sơ đồ nguyên lý các nút nhấn, điều khiển 63 Hình 4.10.Vận hành thiết bị hỗ trợ lực 64 xii
16. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Phân biệt giữa hỗ trợ lực và nâng vật nặng 8 Bảng 3.1:Mối liên hệ giữa trạng thái khớp gối với các điểm tiếp xúc trên bàn chân 24 Bảng 3.2:Các ký hiệu, thông số của thanh trượt – ray trượt bi 24 Bảng 3.3: Thông số tải trọng của thanh trượt – ray trượt bi 24 Bảng 3.4: Thông số tải trọng của khớp cầu 24 Bảng 4.1. Thuật toán 4 Switch 61 xiii
17. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về các thiết bị bộ xƣơng ngoài hỗ trợ lực 1.1.1. Hỗ trợ lực cho khớp gối Vì sao phải hỗ trợ lực cho khớp gối? Khi cơ thể mang vác vật nặng và di chuyển, trọng lượng của vật phân phối lên khắp cơ thể, trong đó chân vừa phải chịu trọng lượng của vật và trọng lượng cơ thể đồng thời đảm nhiệm chức năng di chuyển.Hệ vận động của chân làm việc với cường độ nhiều nhất khi ta mang vác vật nặng. Theo các nghiên cứu về các tư thế mang vật nặng trong an toàn vệ sinh lao động cho thấy khi nhậc vật nặng đúng cách thì khớp gối làm việc nhiều nhất: Hình 1.1 Các tư thế đúng khi nhấc vật nặng(2) (2) Nguồn: 1
18. Hỗ trợ lực là gì? Hỗ trợ lực là cung cấp lực ( momen) cho các khớp giúp tăng khả năng chịu tải hoặc tăng tốc độ di chuyển của các khớp đó. Hỗ trợ lực có hai loại: Chịu tải thay cho khớp giúp cơ thể nâng vật nặng Truyền momen (lực) cho khớp làm tăng khả năng chịu tải của khớp Bảng 1.1 Phân biệt giữa hỗ trợ lực và nâng vật nặng Hỗ trợ lực Nâng vật nặng Khái niệm Cung cấp momen (lực) cho các Tải trọng của vật nặng khớp để hỗ trợ hoặc cản trở chuyển được đặt lên thiết bị cơ động của khớp khí Tính chất Truyền momen ( lực) lên các khớp Truyền momen ( lực) sinh học lên các khớp của cơ cấu cơ khí. Ứng dụng Phục hồi chức năng, thiết bị tập Các thiết bị hỗ trợ luyện nâng cao sức bền cho cơ. mang vật nặng, bộ xuơng ngoài trợ lực. 1.1.2. Các ứng dụng, phân loại hỗ trợ lực Ứng dụng hỗ trợ lực: Giúp người sử dụng mang vác vật nặng 2
19. Hình 1.2 Các các công việc phải mang vác nặng Ứng dụng hỗ trợ khớp trong phục hồi chức năng hệ cơ khớp cho các bệnh nhân: o Có vấn đề vệ hệ cơ khớp, cứng khớp, co cơ, khiến người bệnh không thể thực hiện các động tác bình thường trong đời sống hằng ngày o Cần tăng cường vận động cho các bệnh nhân cần phục hồi hậu phẫu thuật (về hệ cơ khớp) Bài tập hỗ trợ lực (thiết bị cung cấp mô-men, lực cho khớp), hoặc bài tập tăng cường sức mạnh cho hệ cơ (thiết bị cung cấp mô-men, lực nhằm cản trở chuyển động của khớp). o Người lớn tuổi, khớp chân bị yếu, viêm khớp Hình 1.3 Các trường hợp gặp vần đề khớp gối 3
20. 1.1.3. Giới thiệu khớp gối - Biên độ và tầm vận động cho khớp gối. Hình 1.4Đầu gối phải trong tư thế gấp Khớp gối được tạo thành bởi 3 xương: xương đùi, xương chày và xương bánh chè. Giữa mặt khớp lồi cầu đùi - mâm chày có cấu trúc sụn gọi là sụn chêm.Sụn chêm nằm chêm giữa mặt sụn khớp lồi cầu đùi và mâm chày có tác dụng giảm xóc khi sụn khớp lồi cầu đùi và mâm chày tiếp xúc khi vận động và giữ cho khớp gối được vững vàng.Hệ thống dây chằng bên trong, bên ngoài và hai dây chằng chéo trước và chéo sau nhằm giữ cho khớp gối vững chắc.Dây chằng chéo trước có tác dụng chính là giữ không cho mâm chày trượt ra trước và dây chằng chéo sau giữ cho mâm chày không bị trượt ra sau.Dây chằng bên ngoài giúp gối không bị vẹo trong, dây chằng bên trong giúp cho gối không bị vẹo ra ngoài.Toàn bộ khớp gối được bao bọc bởi một lớp màng hoạt dịch có tác dụng tiết ra dịch khớp để bôi trơn trong quá trình vận động. Giải phẫu khớp gối: khớp gối là một khớp phức tạp gồm hai khớp, khớp giữa xương đùi với xương chày và khớp giữa xương đùi với xương bánh chè. Diện khớp: Đầu dưới xương đùi có ba diện: lồi cầu trong, lồi cầu ngoài và diện bánh chè hay ròng rọc.Đầu trên xương chày: là hai diện khớp trên để tiếp xúc với hai lồi cầu xương đùi. 4
21. Mặt sau xương bánh chè: tiếp khớp ở sườn ngoài và sườn trong ròng rọc xương đùi.Sụn chêm: có hai sụn chêm đệm ở giữa hai đầu xương đùi và xương chày là sụn chêm trong hình chữ C và sụn chêm ngoài hình chữ O; hai sụn này là mô sụn sợi nằm trên hai diện khớp trên của xương chày để giảm bớt sự không tương xứng của các diện khớp và làm giảm nhẹ các va chạm khi vận động; hai sụn chêm nối với nhau bởi dây chằng ngang gối, hai đầu mỗi sụn lại bám vào các củ gian lồi cầu xương chày; bờ ngoài sụn dày, phía trung tâm mỏng và giới hạn bởi một bờ vòng sắc; sụn chêm có ý nghĩa lớn trong các động tác của khớp: nó di chuyển ra sau khi gấp cẳng chân và di chuyển ra trước khi duỗi cẳng chân. Biên độ và tầm vận động của khớp gối: - Gối có hai chế độ hoạt động: gấp - duỗi và xoay nhưng động tác xoay chỉ là phụ và chỉ thực hiện được khi gối gấp. - Độ gấp-duỗi là cử động chính của khớp gối. Biên độ cử động gấp-duỗi của gối: 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 (gấp thụ động đạt 1600 và cho phép gót chạm mông) - Xoay chủ động của gối: chỉ thực hiện khi gối gấp là 400 với xoay ngoài và 300 với xoay trong. 5