Thiết bị hỗ trợ khớp gối

Nội dung text: Thiết bị hỗ trợ khớp gối

1. THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI Knee joint support device Cái Việt Anh Dũng, Nguyễn Văn Lê Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Việt Nam Tóm tắt Các thiết bị hỗ trợ lực, phục hồi chức năng cho cơ thể người ngày càng được quan tâm và phát triển. Hiện nay, đã có nhiều kết quả nghiên cứu về bộ xương ngoài hỗ trợ lực, các thiết bị phục hồi chức năng được công bố. Trong bài báo này, tác giả thực hiện nghiên cứu chế tạo thiết bị hỗ trợ cho khớp gối với mục tiêu không làm cản trở các chuyển động tự nhiên của cơ thể. Mặc khác, người mang thiết bị không phải chịu trọng lượng của thiết bị. Tác giả đã xây dựng các bậc tự do cho cơ cấu trên ba khớp sinh học (khớp cổ chân. Khớp gối, khớp hông), động cơ được lắp trên các khớp của cơ cấu tương ứng với vị trí của khớp gối với mục đích hỗ trợ lực cho khớp gối khi bước đi. Abstract The force supported devices, rehabilitation for human body are interested and develop more and more. Currently, there are many researchs in the world about exoskeleton, the rehabilitation device . In this study, the authors reseach on knee joint support device which does not block any movement of the legs. When device are installed motors at joints, it can be bring it’s weight and goods’s weight by itself. The authors installed the degrees of freedoms in three joints of legs (ankle, knee and hip joint), motors are installed in the joint of device near the knee joint to provide the force or touque for the knee joint. Khung xương chân HULC, Bộ xương ngoài 1. Đặt vấn đề đẳng tĩnh cho khớp gối nhân tạo ), các thiết 1.1. Giới thiệu: bị phục hồi chức năng ( Thiết bị hỗ trợ phục Tổn thương khớp gối có thể gặp ở người hồi chức năng Lokomat, ). già, người bị dị tật bẩm sinh hoặc những người bị tổn thương do tai nạn hoặc làm việc 1.2. Các mục tiêu thiết kế với cường độ cao. Khớp gối yếu khiến việc di Thiết bị không làm ảnh hưởng đến các chuyển và vận động gặp khiều khó khăn. Từ chuyển động tự nhiên của cơ thể người đeo đó đặt ra một nhu cầu: Cần có một thiết bị hỗ Trọng lượng của toàn bộ các cơ cấu trợ để làm tăng khả năng chịu đựng của cơ trong thiết bị và khối lượng vật mang không thể, giúp cải thiện và phục hồi khả năng làm ảnh hưởng đến người đeo. việc của các chi bị yếu do tai nạn hoặc do bẩm sinh. Khi mang vác vật nặng, toàn bộ Hỗ trợ lực cho khớp gối của người đeo khối lượng cơ thể và vật mang đều tác động thiết bị. lên đôi chân. Trong các động tác bước đi, 2. Thiết kế, chế tạo thiết bị hỗ trợ lực khớp gối chịu moment lớn nhất. 2.1. Phân tích, tính toán số bậc tự do Hiện nay, đã có nhiều kết quả nghiên cứu thụ động được công bố trên thế giới: Bộ xương ngoài Để lắp một cơ cấu song song với chi, cần hỗ trợ lực (Bộ xương ngoài hỗ trợ chân HAL, xác định vị trí của các khớp sinh học. Do cấu 1
2. tạo của khớp sinh học khá phức tạp nên Qua quá trình nghiên cứu và thực không thể xác định được vị trí một cách nghiệm, nhóm tác giả chọn loại vật liệu chính xác. Nếu khớp sinh học không trùng composite và thực hiện gia công chi tiết theo với khớp của cơ cấu sẽ sinh ra các lực (hay phương pháp lấy mẫu biên dạng của chân và moment) cản, các thành phần lực này tác đúc tạo hình chi tiết. động lên chi gây ra cảm giác 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 momentt 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, nhóm tác giả đã đưa ra cơ cấu với số bậc tự do thụ động như trong hình 1. Tổng số bậc tự do chính và bậc tự do thụ Hình 2. Chi tiết ghép nối sử dụng vật liệu động giữa hai khâu bằng 6. composite 2.3. Lắp các thiết bị cảm biến và điều khiển cơ cấu 2.3.1. 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 moment tương tác lên các khâu thụ động, thành phần moment chính sẽ tác động lên cảm biến lực. Có hai trạng thái điều khiển: Điều khiển sao cho moment tương tác bằng không; lúc đó cơ cấu sẽ di chuyển theo. Điều khiển sao cho moment tương tác Hình 1. Bố trí các bậc tự do trong cơ cấu khác không; lúc đó cơ cấu sẽ hỗ trợ lực hoặc cản trở chuyển động. 2.2. Chế tạo thiết bị ghép nối Khi thiết bị làm việc, lực (momentt) từ cơ cấu truyền lên cơ thể (chi). Khi đó tại vị trí lắp với cơ cấu sẽ chịu áp lực; áp lực này sẽ gây đau và tổn thương các bắp cơ. Để giải quyết vấn đề trên cần phải có các thiết bị ghép nối (cơ cấu nối với chi) cho hợp lý. Thiết bị ghép nối phải đáp ứng được các yêu cầu sau: (1) Có diện tích tiếp xúc đủ rộng để giảm áp lực; (2) Có biên đạng phù hợp với chi tại vị trí ghép nối; (3) Nhẹ; (4) Đủ độ bền; (5) Đủ dẻo để đeo vào cơ thể dễ dàng. Hình 3. Vị trí lắp cảm biến lực. 2
3. 2.3.2. Cảm biến góc (Encoder): Bảng 4.1 Thuật toán 4 swich Dựa vào cảm biến góc để nhận biết các SW1 SW2 SW3 SW4 Pha trụ trạng thái của khớp gối, từ đó sẽ điều khiển 1 1 0 1 Pha đánh gót moment cho phù hợp. 1 1 0 0 Pha duỗi chân 2.3.3. Cảm biến nhận biết các pha di chuyển của bước đi 0 1 0 0 Pha đá chân Chu kỳ của bước đi 0 1 1 0 Pha chuyển bước Pha di chuyển: Chân phải hỗ trợ lực, chân trái di chuyển theo. Pha đánh gót: Chân phải hỗ trợ lực, chân trái di chuyển theo. Pha đá chân: Chân phải hỗ trợ lực, chân trái di chuyển theo. Pha chuyển bước: Chân phải di chuyển Hình 4. Chu kỳ của bước đi theo, chân trái hỗ trợ lực. IC (Intial contact): Điểm tiếp xúc ban đầu 2.4. Kết quả nghiên cứu chế tạo: FF (foot flat): Tiếp xúc toàn phần MS (midstance): Đứng thẳng HL (heel lift): Nâng người lên TO (toe of): Đẩy bằng mũi bàn chân. Thuật toán 4swich Mục đích của thuật toán 4swich là để phát hiện ra pha nào là pha hỗ trợ lực và pha nào là pha di chuyển theo. Dựa vào moment tương tác giữa cơ cấu với chân mà cảm biến lực nhận được để điều khiển moment cho động cơ hỗ trợ hợp lý. Hình 6. Kết quả chế tạo thiết bị hỗ trợ Hình 5. Vị trí các cảm biến trên bàn chân khớp gối 3
4. Hình 7. Biểu đồ moment hỗ trợ bước đi Hình 8. Biểu đồ góc gấp mở của khớp gối 4
5. TIẾNG NƯỚC NGOÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT 5. A.H.A. Stienen, E.E.G. Hekman, Dampace :Design of an exoskeleton for force 1. Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy, Nhà coordination training in upper-extremity xuất bản Đại Học và Trung Học Chuyên rehabilitation. Journal of Medical Devices - Nghiệp, Hà Nội, 1969. Transaction on ASME, 3, 2009. 2. GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot 6. Viet Anh Dung Cai, Self-adjusting, Công Nghiệp, NXB Khoa học Kĩ thuật, Hà Isostatic Exoskeleton for The Human Knee Nội, 2004. Joint. Annual International Conference of the 3. Nguyễn Hoa Thịnh,Vật liệu composite IEEE EMBS, 2011. Cơ Học & Công Nghệ. NXB Khoa học và kỹ 7. V.A.D. Cai, Contribution à l'étude thuật, 2002. d'exosquelettes isostatiques pour la 4. PGS.TS Nguyễn Văn Yến, Giáo trình rééducation fonctionnelle, application à la Chi tiết máy, Nhà xuất bản Giao Thông Vận conception d'orthèses pour le genou. PhD Tải, 2005. Thesis, University Pierre et Marie Curie – Paris 6, France, 2011 5
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.