Luận văn Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân (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 HUỲNH LONG TRIẾT GIANG THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 60520114 S K C0 0 5 2 2 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2017
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN : HUỲNH LONG TRIẾT GIANG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 60520114 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2017 A
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN : HUỲNH LONG TRIẾT GIANG ĐỀ TÀI:THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 60520114 Hướng dẫn khoa học: TS. CÁI VIỆT ANH DŨNG Tp.Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2017 B
4. PHẦN A. GIỚI THIỆU i
5. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: HUỲNH LONG TRIẾT GIANG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 01/11/1992 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Ấp Tân Sơn,X.Ngũ Hiệp,H.Cai lậy, Tiền Giang Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: C4/20 Phạm Hùng, Bình Hưng, Bình Chánh, TP.HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại : 0902412783 E-mail: huynhlong.cdt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 10/2014 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Công Nghệ Sài Gòn, Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ - Điện Tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thang máy song hành bốn điểm dừng Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại học Công nghệ Sài Gòn Người hướng dẫn: Ths. Lê Nguyên Trình III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/11/2014 Công Ty TNHH MTV Kỹ thuật Phú Đến Kỹ sư phát triển và bảo trì thiết bị Thành 05/06/2015 04/05/2015 Học tại Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Học Viên Cao Học Đến nay Tp.HCM 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 08 tháng 03 năm 2017 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Huỳnh Long Triết Giang iii
7. LỜI CẢM TẠ Sau thời gian nỗ lực thực hiện, đề tài “Thiết kế chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân thụ động” đã đi được qua chặn đường dài. Người thực hiện đề tài này xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả những Thầy (cô) Khoa Cơ Khí, Bộ môn Cơ Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập, nhờ đó em có cơ sở để thực hiện đề tài này. Đặc biệt, em xin chân thành gửi lời cảm ơn TS.Cái Việt Anh Dũng – Giáo viên hướng dẫn đề tài đã nhiệt tình hướng dẫn và đóng góp ý kiến quý báu giúp em có những định hướng tốt trong quá trình thực hiện đề tài. Tp.HCM Ngày 08 Tháng 03 Năm 2017 iv
8. TÓM TẮT Nghiên cứu này trình bày thiết kế chi tiết của thiết bị đo thụ động cho phép đo các thông số động học khớp cổ chân. Thiết bị là một cơ cấu nối tiếp gồm 6 bậc tự do chuyển động, tất cả đều được gắn encoder quang học để đo chuyển động, cho phép xác định tất cả thông số động học của khớp trong trong không gian. Trục quay tức thời của khớp có thể được tính toán dựa theo các thông số động học này. Thiết kế này không hạn chế chuyển động tự nhiên của khớp và cung cấp một phương pháp đo khả năng vận động khớp hiệu quả, có thể được sử dụng để đo nhiều chức năng vận động khác nhau của cổ chân như: Đi lại, ngồi xuống – đứng lên, lên xuống cầu thang Nguyên lý đo trục quay tức thời và các kết quả thực nghiệm ban đầu sẽ được trình bày và thảo luận. ABSTRACT This paper presents a passive electro-goniometer which is designed for the kinematic measurement of human ankle joint. The device is a serial mechanical linkage having 6 degrees of freedom, all of which are equipped with optical encoders, allowing the measurement of all parameters of movement of the ankle in space. The instantaneous helical axis (IHA) of the ankle joint is computed using these kinematic parameters. With this special design, the authors aim to provide an effective method for the assessment of ankle joint movement capacity. The measurement method, as well as first experimental results will be presented and discussed. v
9. MỤC LỤC PHẦN A. GIỚI THIỆU i LÝ LỊCH KHOA HỌC ii LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM TẠ iv TÓM TẮT v ABSTRACT v DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT viii DANH SÁCH CÁC HÌNH ix DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xi PHẦN B. NỘI DUNG 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN 3 1.1Tổng quan về hướng nghiên cứu 3 1.2Mục đích nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu 5 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài 5 1.4 Phương pháp nghiên cứu 6 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 I. Khớp cô chân. 7 II.Thiết bị đo khớp cổ chân 14 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 18 I.THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂNTHỤ ĐỘNG BẰNG CƠ CẤU DELTA 18 1.1 Thiết kế cơ khí cơ cấu delta 18 1.2 Động học 20 1.3 Kết quả thực nghiệm. 22 1.4 Kết luận 23 II. THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN THỤ ĐỘNG BẰNG CƠ CẤU NỐI TIẾP 24 2.1 Giới thiệu 24 vi
10. 2.2 Động học 25 2.3 Phương pháp đo 37 CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM 38 I. GIỚI THIỆU 38 II. HOẠT ĐỘNG ĐO 40 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 I. KẾT LUẬN 47 II. HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 51 Phụ lục 1: Biểu đồ đứng lên ngồi xuống trên nhiều người 51 Phụ lục 2: Biểu đồ 10 bước chân trên nhiều người 54 Phụ lục 3: Thông số dữ liệu 60 vii
11. DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT IAROM: Iowa ankle range of motion MIT : Massachusetts Institute of Technology DF: Gấp lòng bàn chân (Hoạt động gấp mở) RRPRRR: Các khớp (Xoay, Xoay, Tinh tiến, Xoay, Xoay, Xoay) D-H : Denavit-Hartenberg K1 : Khớp 1 trên thiết bị đo K2 : Khớp 2 trên thiết bị đo K3 : Khớp 3 trên thiết bị đo K4 : Khớp 4 trên thiết bị đo K5 : Khớp 5 trên thiết bị đo K6 : Khớp 6 trên thiết bị đo viii
12. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 Thiết bị đo khớp thụ động IAROM 4 Hình 1.2 Thiết bị đo khớp cổ chân chủ động của Roy 5 Hình 2.1: Khớp cổ chân như là một khớp mộng của thợ mộc 7 Hình 2.2: Bố trí dây chằng trên các xương 8 Hình 2.3: Gấp lòng bàn chân (DF) và gấp mu bàn chân 9 Hình2.4 : Mô tả chuyển động gập/ duỗi của cổ chân 9 Hình 2.5: Mô tả chuyển động nghiêng trong/ ngoài của cổ chân 9 Hình 2.6: Chuyển động cơ bản có thể của cổ chân 10 Hình 2.7: Các bó cơ trong hoạt động của cổ chân. Từ trái sang phải thể hiện: một bên của chân, phía sau chân và nhìn từ phía sau sâu vào bên trong.Adapted from Putz and Pabst, 2009 [10]. 11 Hình2.8 : Bó cơ chính trong chuyển động của cổ chân 12 Hình 2.9:Các giai đoạn của chu kỳ bước đi của con người(Sarrafian, 1983)[9] 14 Hình 2.10 : Đo khớp cổ chân bằng giác kế (Hinh ảnh của Donnery and Spencer 1988) 15 Hình 2.11: Thiết bị đo góc và mô-men xoắn (Sử dụng hình ảnh của Trevino et al. 2004) 16 Hình3.1:Thiết bị đo khớp cổ chân sử dụng cơ cấu Delta nối tiếp 3 khớp xoay . 18 Hình 3.2: Sơ đồ bố trí cảm biến 19 ix
13. Hình 3.3: Sơ đồ động học cơ cấu Delta. 20 Hình 3.4: Sơ đồ động học thiết bị cơ cấu song song. 21 Hình 3.5: Quá trình thực nghiệm thiết bị đo khớp cổ chân version 1 23 Hình 3.6: Thiết bị thiết kế trên phần mềm 24 Hình 3.7 : Phân rã khớp Cardan ở khớp 5 và 6 25 Hình 3.8 : Hình tấm ốp composite 3D 25 Hình 3.9: Sơ đồ động học của thiết bị. 26 Hình 4.1 : Cấu tạo thiết bị đo khớp cổ chân thụ động. 38 Hình 4.2 : Mô hình thiết bị đo khớp cổ chân thụ động được thực nghiệm 38 x
14. DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 4.1: Chu kỳ vận tốc góc của bước chân theo thời gian 39 Biểu đồ4.2 : Giá trị 12 encoder dọc về từ 2 chân. 40 Biểu đồ4.3 : Biên độ góc đứng lên ngồi xuống. 41 Biểu đồ 4.4: Biên độ vận tốc gốc theo thời gian 42 Biểu đồ4.5:Thí nghiệm đứng lên ngồi xuống (gốc quay và biên dạng khớp) 43 Biểu đồ4.6: Biên độ vận tốc góc đứng lên ngồi xuống. 43 Biểu đồ 4.7: Vận tốc góc quay khớp cổ chân 44 Biểu đồ 4.8 : Quay quanh trục cẳng chân lúc đi 10 bước 44 Biểu đồ4.9 :Hoạt động trong ngoài trong quá trình di chuyển 45 Biểu đồ4.10 :Hoạt động gấp mở trong quá trình di chuyển người 1 45 Biểu đồ4.11 :Hoạt động gấp mở trong quá trình di chuyển người 2 46 Biểu đồ 4.12: Biên độ 3 góc của khớp cổ chân khi di chuyển 47 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1: Ma trận Denavit-Hartenberg 27 xi
15. PHẦN B. NỘI DUNG 1
16. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Chấn thương khớp cổ chân được hình thành chủ yếu trong quá trình chuyển động mạnh trong các môn thể thao và vận động hàng ngày, tai nạn. Tuy khớp gối có kích thước to hơn khớp cổ chân nhưng khớp cổ chân có đặc điểm rất quan trọng là có lớp sụn mỏng và chịu toàn bộ sức nặng của các phần trên nó cộng lại, bề dày của lớp sụn này khoảng 3-4mm. Lực tác động lên khớp cổ chân thay đổi lớn khi chuyển động, cụ thể là lực này tăng từ 2 đến 4 lần khi đi bộ, 6-8 lần khi chạy. Ngoài ra khớp cổ chân còn chịu tác dụng của các thành phần lực khác khi di chuyển trong không gian 6 bậc tự do. Do đó chỉ cần 1chấn thương nhỏ cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng vận động và độ linh hoạt của khớp. Nếu không được điều trị đúng cách, khớp có thể chịu ảnh hưởng nghiêm trọng ở vùng chấn thương, trong nhiều trường hợp dẫn đến mãn tính, người bệnh sẽ chịu đau đớn dai dẳng ảnh hướng đến việc đi đứng hằng ngày. Khi không còn cách nào để điều trị bằng nội khoa nữa, cách duy nhất để khắc phục đó là phải phẫu thuật. Việc đo sự chuyển động của khớp cổ chân cho phép đánh giá kết quả của việc điều trị, từ đó đưa ra phương án hợp lý trong quá trình phục hồi chức năng cho người bệnh. Cho tới nay, các phương pháp đánh giá khả năng vận động của khớp chủ yếu là thủ công hoặc nhờ thiết bị hỗ trợ Phương pháp thủ công được thực hiện như sau : 1. Bệnh nhân được yêu cầu đứng thẳng và co chân sao cho đầu gối chạm vào tường mà không được nhấc gót chân. 2. Một cảm biến đo độ nghiêng được đặt phía trước xương chày dùng để đo góc tương đối của xương chày với mặt đất. 3. Góc giữa bàn chân và cẳng chân được đo bằng thước đo góc. Phương pháp đo với thiết bị tự động hóa: Là phương pháp mới hiện nay được các nhómnghiên cứu trên thế giới sử dụng rộng rãi để đo khả năng chuyển động của khớp cổ chân trong phục hồi chức năng. Nhóm tiến hành nghiên cứu chế tạo thiết bị “Đo khớp cổ chân thụ động”, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế về thiết bị này hiện tại ở trong nước. Thiết bị sử dụng 6 cảm biến đo góc quay trong không gian, nhằm thu thập dữ liệu chuyển động của khớp cổ chân. Hoạt động của cổ chân được ghi lại nhờ thiết kế đặc biệt với cơ cấu đo được 2
17. gắn tạo thành vòng kín động học với cổ chân, kết nối với cẳng chân với bàn chân thông qua 6 khớp cơ bản RRPRRR. Khi người sử dụng muốn đo hoạt động nào thì tự chọn ra bài tập để theo dõi chân mình, bằng các hoạt động như đứng lên ngồi xuống, đi lại, di chuyển lên dốc nghiêng, lên cầu thang Kết quả đo được gửi qua tính hiệu không dây đến máy tính, thuận lợi cho việc thực hiện việc đo khớp trong khoảng cách lớn từ 10-100m, trong điều kiện có ít vật cản. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO KHỚP CỔ CHÂN 1.1Tổng quan về hướng nghiên cứu Trong quá trình phục hồi chức năng khớp cổ chân, người kỹ thuật viên cần xác định chính xác những thay đổi về khả năng vận động của khớp, cho phép đánh giá kết quả điều trị.Việc đánh giá này được áp dụng trong chấn thương chỉnh hình – phục hồi chức năng từ lâu bằng chủ yếu là các phương pháp thủ công. Một trong những phương pháp thủ công thường được sử dụng có các bước như sau[16]: 1. Bệnh nhân được yêu cầu đứng thẳng và co chân sao cho đầu gối chạm vào tường mà không được nhấc gót chân. 2. Một cảm biến đo độ nghiêng được đặt phía trước xương chày dùng để đo góc tương đối của xương chày với mặt đất. 3. Góc giữa bàn chân và cẳng chân được đo bằng thước đo góc. Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp thủ công khiến cho độ tin cậy của dữ liệu hoàn toàn phụ thuộc vào kỹ thuật viên. Thời gian gần đây, các thiết bị tự động hỗ trợ cho kỹ thuật viên y tế ngày càng được sử dụng nhiều, giúp tăng độ chính xác trong quá trình chuẩn đoán. 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 của bệnh nhân suy giảm thần kinh trong quá trình hoạt động [1]. Năm 2004, Rydahl và Brouwer nghiên cứu một hệ thống đo độ cứng và dịch chuyển góc của khớp cổ chân cho 3
18. bệnh nhân nhân đột quỵ [2]. 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 ra IAROM (Iowa ankle range of motion), được gọi là thiết bị đo biên độ khớp cổ chân [3]. Thiết bị này gồm một tấm lót bàn chân 30x30cm 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 3cm 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 cổ chân tương đối chính xác. Tuy nhiên thiết bị vẫn còn nhiều hạn chế như: chỉ đo khả năng vận động của khớp cổ chân theo một phương và cũng không có khả năng đo khi người bệnh chủ động di chuyểncổ chân. Hình 1.1 Thiết bị đo khớp thụ động IAROM Năm 2011, Roy và các đồng nghiệp đã chế tạo một thiết bị đo độ cứng của khớp cổ chân cho các bệnh nhân liệt nửa người. Hệ thống sử dụng thiết kế thiết bị hỗ trợ cổ chân của MIT (Massachusetts Institute of Technology)[4], có cấu trúc bộ xương ngoài với 3 bậc tự do. Hệ thống cho phép đo các góc giữa bàn chân và cổ chân. 4
19. Hình 1.2 Thiết bị đo khớp cổ chân chủ động của Roy Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân thụ động cho phép đo được cả 6 bậc tự do chuyển động của khớp trong không gian. Nhóm sử dụng cơ cấu nối tiếp 6 bậc tự do, cho phép tiết kiệm được không gian sử dụng, giúp bệnh nhân thoải mái hơn khi vận động, và rút ngắn tốt đa thời gian lắp ráp thiết bị trên bệnh nhân. Đồng thời phương pháp đo dựa trên sự so sánh khác nhau giữa chuyển động của 2 cổ chân(trái/phải) từ đó rút ra kết luận về khớp bị bệnh. Việc so sánh giữa hai cổ chân giúp cho khả năng chuẩn đoán của thiết bị hiệu quả hơn vì chênh lệch giữa 2 chân khi khỏe mạnh sẽ không cao, nên việc lấy số liệu trực tiếp từ chân khỏe để so sánh với chân bệnh là hoàn toàn hợp lý. 1.2. Mục đích nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu Thiết bị cho phép đo các thông số động học của khớp cổ chân người sử dụng, hỗ trợ quá trình chuẩn đoán và theo dõi khớp cổ chân. Thiết bị được nghiên cứu nhằm phục vụ cho nhu cầu chuẩn đoán bệnh nhân sau phẫu thuật khớp cổ chân tại bệnh viện Chợ Rẫy Tp.HCM. Mô hình được thiết kế với chức năng đo chuyển động của khớp trong hoạt động hằng ngày nhằm đáp ứng yêu cầu trên. Các thiết bị nàycho phép đo chuyển động của 6 bậc tự do của khớp trong không gian, tính toán động học, từ đó giúp đánh giá khả năng vận động của khớp cổ chân qua các thông số như góc, vận tốc, gia tốc quay hay trục quay tức thới (IHA) của khớp. 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài Đề tài thực hiện theo nội dung “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân” với mục đích sử dụng trong lĩnh vực chấn thương chỉnh hình và phục hồi chức năng. Thiết bị cho phép đo góc quay của khớp của người sử dụng. Vì mục đích sử dụng cho việc chẩn đoán khớp, nên thiết bị cần được thực nghiệm nhiều lần trên nhiều bệnh nhân, từ đó xây dựng một cơ sở dữ 5
20. liệu cho việc nghiên cứu tính toán và tìm ra phương pháp đánh giá hiệu quả nhất. Đề tài giới hạn ở việc nghiên cứu chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân thụ động và thử nghiệm trên người khỏe mạnh nhằm chứng tỏ độ ổn định và độ chính xác của thiết bị trước khi được thử nghiệm trên bệnh nhân 1.4 Phương pháp nghiên cứu a) Phương pháp tham khảo tài liệu: Tác giả sử dụng phương pháp này để thu thập thông tin từ những đề tài đã có.Tác giả tham khảo phương pháp và quá trình thực hiện, kết quả đạt được của các tác giả khác, từ đó làm cơ sở cho đề tài đang nghiên cứu. b) Phương pháp thực nghiệm: Kết quả thực nghiệm cho phép chứng minh tính chính xác và ổn định của mô hình và cũng là giúp xây dựng cơ sở dữ liệu cho việc đánh giá chất lượng khớp cổ chân. Các thí nghiệm sau sẽ từng bước được thực hiện nhằm từng bước xây dựng cơ sở dữ liệu cho thiết bị: - Đo biên độ khớp - Đo động học khớp - So sánh dữ liệu nhiều người - Thiết lập một phương pháp đánh giá chất lượng khớp thông qua các dữ liệu thu thập được. 6