Nghiên cứu thiết kế bàn chân giả đa chức năng với khớp linh hoạt tại HCMUTE

• Tác giả: TS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Bàn Chân Giả Đa Chức Năng Với Khớp Linh Hoạt
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Cấu trúc giải phẫu ống gót
• 1.2. Đường cong tham số Bezier
• 1.2.1. Dạng tổng quát đường cong Bezier
• 1.2.2. Đường cong Bezier bậc nhất
• 1.2.3. Đường cong Bezier bậc hai
• 1.2.4. Đường cong Bezier bậc ba
• 1.2.5. Dạng ma trận
• 1.2.6. Các tính chất của đường cong Bezier
• 1.3. Lý thuyết cơ cấu mềm
• 1.3.1. Ưu nhược điểm
• 1.3.2. Một số cơ cấu mềm thông dụng
• 1.3.2.1. Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro
• 1.3.2.2. Cơ cấu đàn hồi song ổn định, Bistable mechanism (BM)
• 1.3.3. Một số cơ cấu thường gặp
• 1.3.4. Giải thuật di truyền
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 2.1. Giả thuyết thiết kế
• 2.2. Phương án thiết kế
• 2.3. Lựa chọn phương án
• 2.4. Lựa chọn vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU
• 3.1. Nguyên lý hoạt động của bàn chân giả với khớp linh hoạt
• 3.1.1. Thiết kế cho phần khớp lắc cổ chân
• 3.2. Thiết kế cho phần bàn chân dưới
• 3.3. Tính toán tối ưu hóa
• 4. CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO – THỬ NGHIỆM
• 4.1. Chế tạo chân giả
• 4.2. Thử nghiệm khả năng tải trong chu kỳ bước
• 4.2.1. Bố trí thí nghiệm
• 4.2.2. Thực hiện thí nghiệm
• 4.2.3. Kết quả thí nghiệm
• 4.3. Kiểm nghiệm khả năng chịu tải trên máy kéo nén
• 4.3.1. Bố trí thí nghiệm
• 4.3.2. Kết quả thí nghiệm
• 4.4. Thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 2: PHIẾU NHẬN XÉT DÀNH CHO ĐƠN VỊ THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM
• PHỤ LỤC 3: HƯỚNG DẪN CAO HỌC (QUYẾT ĐỊNH, BẰNG TỐT NGHIỆP)
• PHỤ LỤC 4: BẢN SAO THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐÃ ĐƯỢC PHÊ DUYỆT

I. Bàn chân giả Tổng quan về công trình nghiên cứu

Công trình nghiên cứu tập trung vào thiết kế và chế tạo bàn chân giả đa chức năng với khớp linh hoạt, ứng dụng cơ cấu mềm. Đây là một đề tài cấp trường của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE), do TS. Phạm Huy Tuân chủ trì. Mục tiêu chính là tạo ra một sản phẩm cải thiện dáng đi cho người khuyết tật, cho phép thực hiện đồng thời các chuyển động co duỗi và lắc cổ chân, tích trữ và giải phóng năng lượng, hấp thụ xung lực và giảm chấn. Nghiên cứu này đóng góp vào việc giải quyết vấn đề thiết kế bàn chân giả thụ động, không sử dụng động cơ điện và hệ thống điều khiển phức tạp, hướng đến giải pháp có giá thành phù hợp.

1.1. Nghiên cứu chân giả trong và ngoài nước

Các nghiên cứu về bàn chân giả trên thế giới rất đa dạng, chia làm hai nhóm chính: sử dụng và không sử dụng năng lượng hỗ trợ. Công trình tập trung vào nhóm thứ hai. Một số nghiên cứu đáng chú ý bao gồm: 'Energy storing composite prosthetic foot' (James et al., 1993) sử dụng vật liệu carbon composite; 'Prosthetic foot having shock absorption' (Jeffray et al., 2003) tập trung vào khả năng hấp thụ lực; 'Prosthetic foot with energy transfer including variabl orifice' (Roland et al., 2008) có khả năng thay đổi độ cứng; và 'Manufacture of Energy Storage and Return Prosthetic Feet Using Selective Laser Sintering' (Brian et al., 2010) sử dụng phương pháp tạo mẫu nhanh. Ở Việt Nam, nghiên cứu về bàn chân giả còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào các sản phẩm truyền thống hoặc nhập khẩu đắt tiền. Tuy nhiên, một số công trình như ống chân giả composite carbon của TS. Phan Văn An và khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm của TS. Phạm Huy Tuân đã đạt được những kết quả khả quan. Công nghệ chân giả đang phát triển mạnh mẽ, hướng đến sự linh hoạt và tự nhiên hơn.

1.2. Chân giả đa chức năng Thiết kế và tối ưu hóa

Công trình đề xuất thiết kế bàn chân giả với khớp mắt cá linh hoạt sử dụng cơ cấu đàn hồi. Thiết kế này đáp ứng các chuyển động của chân, giảm chấn khi tiếp xúc gót, uốn khi chuyển pha giữa các giai đoạn bước, và xoay lật khi di chuyển trên địa hình phức tạp. Khớp mắt cá được thiết kế bằng cơ cấu đàn hồi, đơn giản, nhẹ và có khả năng dự trữ lực. Thuật toán tối ưu hóa được áp dụng để chọn độ cứng phù hợp cho từng vị trí. Việc tối ưu hóa giúp tạo ra khớp mắt cá chân giả có momen xoắn và xoay lắc phù hợp, gần giống với chân tự nhiên. Sử dụng cơ cấu mềm mang lại sự linh hoạt cao, kết cấu khối đồng chất đơn giản hóa thiết kế và chế tạo. Vật liệu chân giả, chủ yếu là POM (PolyOxyMethylene), được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực. Sản xuất chân giả được thực hiện bằng máy phay CNC.

1.3. Chân giả HCMUTE Thử nghiệm và ứng dụng

Bàn chân giả được chế tạo và thử nghiệm khả năng tải trọng trong chu kỳ bước, kiểm nghiệm khả năng chịu tải trên máy kéo nén và thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân tại Trung tâm Chỉnh hình phục hồi chức năng TP.HCM. Kết quả thử nghiệm cho thấy bàn chân giả đáp ứng được các yêu cầu về khả năng chịu lực, giảm chấn và linh hoạt. Ứng dụng chân giả này giúp người khuyết tật cải thiện dáng đi, giảm tiêu hao năng lượng, và tăng sự thoải mái khi di chuyển. Giá thành chân giả thấp hơn so với sản phẩm nhập khẩu là một ưu điểm đáng kể. Công trình đã được công bố tại các hội nghị quốc tế, góp phần vào sự phát triển của công nghệ y sinh và hỗ trợ người khuyết tật. Chăm sóc chân giả cần được hướng dẫn cụ thể để đảm bảo tuổi thọ và hiệu quả sử dụng. Bảo hành chân giả cũng là yếu tố cần được quan tâm.

Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính gần đây, tại Mỹ có khoảng 40% người khuyết tật, tương đương 623.000 người, và con số này dự kiến tăng lên 1,4 triệu vào năm 2050. Nhu cầu sử dụng chân giả ngày càng lớn, đặc biệt là các loại chân giả thụ động không sử dụng năng lượng hỗ trợ. Tuy nhiên, các sản phẩm hiện có vẫn chưa đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu về tính linh hoạt, giảm chấn và tích trữ năng lượng như chân thật. Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo bàn chân giả với khớp linh hoạt đa chức năng ứng dụng cơ cấu mềm, nhằm cải thiện dáng đi cho người khuyết tật, giảm tiêu hao năng lượng và giảm áp lực lên mỏm cụt. Nghiên cứu được thực hiện trong 12 tháng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với phạm vi tập trung vào thiết kế chân giả cho bệnh nhân có cân nặng từ 75 đến 80 kg, chiều cao từ 1,7 đến 1,85 m, di chuyển với vận tốc 1,25 m/s. Sản phẩm không chỉ có ý nghĩa về mặt kỹ thuật mà còn mang lại giá trị kinh tế - xã hội khi giúp người khuyết tật tiếp cận được sản phẩm chất lượng với giá thành phù hợp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cơ cấu mềm (Compliant Mechanism): Cơ cấu mềm truyền chuyển động và lực thông qua sự biến dạng đàn hồi của các khâu mềm, giúp giảm mài mòn, tăng độ chính xác và đơn giản hóa thiết kế so với cơ cấu cứng truyền thống. Cơ cấu mềm có thể hoàn toàn hoặc một phần, với khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi.

• Đường cong tham số Bezier: Sử dụng các đường cong Bezier bậc nhất đến bậc ba để mô hình hóa hình dạng các thanh đàn hồi trong bàn chân giả, giúp tối ưu hóa hình học và phân bố lực hiệu quả.

• Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm): Áp dụng để tối ưu hóa thiết kế các thanh đàn hồi dựa trên các tham số hình học và vật liệu, nhằm đạt được độ cứng và khả năng đàn hồi phù hợp với từng giai đoạn của chu kỳ bước đi.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm: cơ cấu mềm, đường cong Bezier và giải thuật di truyền. Các mô hình này phối hợp để tạo ra một bàn chân giả có khớp linh hoạt đa trục, có khả năng tích trữ năng lượng và giảm chấn hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các mô hình CAD, mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm Abaqus và Matlab, cùng với các kết quả thử nghiệm thực tế trên mẫu chế tạo bằng vật liệu POM. Cỡ mẫu thử nghiệm là một mẫu chân giả được lắp cho bệnh nhân khuyết tật tại Trung tâm Chỉnh hình Phục hồi chức năng TP.HCM.

Phương pháp phân tích gồm:

• Mô phỏng ứng suất, lực và chuyển vị của cơ cấu mềm bằng phần mềm chuyên dụng.

• Tối ưu hóa thiết kế bằng giải thuật di truyền với hàm mục tiêu là độ cứng và khả năng đàn hồi phù hợp.

• Thử nghiệm cơ học trên máy kéo nén INSTRON S559A để kiểm tra khả năng chịu tải và biến dạng trong chu kỳ bước.

• Thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân để đánh giá tính linh hoạt và sự thoải mái khi di chuyển.

Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2017, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế khớp mắt cá chân đa trục bằng cơ cấu mềm: Thiết kế mới sử dụng cơ cấu đàn hồi liền khối không có khớp động, giúp giảm mài mòn và không cần bảo dưỡng. Khớp có khả năng xoay lắc đa chiều, phù hợp với chuyển động gập/duỗi và nghiêng trong/ngoài của cổ chân. Mô phỏng FEM cho thấy mô men xoắn và góc xoay đạt mức tương tự chân thật.

2. Khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng: Các thanh đàn hồi được thiết kế theo đường cong Bezier bậc ba, tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền, giúp tích trữ năng lượng đàn hồi trong giai đoạn tiếp đất và giải phóng năng lượng hỗ trợ đẩy cơ thể về phía trước. Kết quả mô phỏng và thử nghiệm cho thấy năng lượng tích trữ tăng khoảng 15-20% so với các thiết kế truyền thống.

3. Giảm chấn hiệu quả: Cơ cấu mềm giúp hấp thụ xung lực khi tiếp xúc gót, giảm áp lực trực tiếp lên mỏm cụt. Thử nghiệm trên máy kéo nén cho thấy lực phản hồi giảm khoảng 25% so với chân giả không có cơ cấu mềm.

4. Chế tạo và thử nghiệm thực tế: Mẫu chân giả làm từ vật liệu POM nhẹ, bền, dễ gia công đã được lắp cho bệnh nhân tại Trung tâm Chỉnh hình TP.HCM. Bệnh nhân có thể đứng một chân bằng chân giả và di chuyển với vận tốc 1,25 m/s, cảm nhận sự thoải mái và linh hoạt trong từng bước đi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của thiết kế là do ứng dụng cơ cấu mềm liền khối, loại bỏ các khớp động gây mài mòn và sai lệch, đồng thời tận dụng đặc tính đàn hồi của vật liệu POM. So với các nghiên cứu trước như chân giả SACH hay chân carbon ESAR, thiết kế này cung cấp sự linh hoạt đa trục và khả năng tích trữ năng lượng tốt hơn, đồng thời có giá thành thấp hơn nhiều.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lực phản hồi và năng lượng tích trữ giữa các loại chân giả, cũng như bảng số liệu mô men xoắn và góc xoay của khớp mắt cá chân. Kết quả thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân cũng minh chứng cho tính ứng dụng cao của sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thêm các phiên bản chân giả phù hợp với nhiều nhóm cân nặng và chiều cao khác nhau: Tối ưu hóa độ cứng và hình dạng thanh đàn hồi theo từng đối tượng người dùng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng.

2. Mở rộng thử nghiệm lâm sàng với số lượng bệnh nhân lớn hơn: Đánh giá lâu dài về độ bền, sự thoải mái và cải thiện chức năng vận động để hoàn thiện sản phẩm.

3. Ứng dụng công nghệ gia công CNC và tạo mẫu nhanh: Giảm thời gian và chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao độ chính xác của các chi tiết cơ cấu mềm.

4. Hợp tác với các trung tâm chỉnh hình và cơ sở y tế: Đẩy mạnh chuyển giao công nghệ, hỗ trợ người khuyết tật tiếp cận sản phẩm với giá thành hợp lý trong vòng 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư cơ khí: Tìm hiểu về ứng dụng cơ cấu mềm và giải thuật di truyền trong thiết kế thiết bị y tế.

2. Bác sĩ và chuyên gia phục hồi chức năng: Nắm bắt công nghệ mới giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế: Khai thác công nghệ chế tạo chân giả đa chức năng với chi phí thấp, nâng cao khả năng cạnh tranh.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành cơ khí, kỹ thuật y sinh: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế trong lĩnh vực thiết bị hỗ trợ vận động.

Câu hỏi thường gặp

1. Bàn chân giả với khớp linh hoạt có ưu điểm gì so với chân giả truyền thống?
   Thiết kế sử dụng cơ cấu mềm giúp tăng tính linh hoạt đa trục, giảm chấn hiệu quả và tích trữ năng lượng đàn hồi, từ đó cải thiện dáng đi và giảm tiêu hao năng lượng cho người dùng.

2. Vật liệu POM có phù hợp để chế tạo bàn chân giả không?
   POM có tính đàn hồi cao, nhẹ, dễ gia công, không bị ăn mòn và có độ bền tốt, phù hợp cho các chi tiết cơ cấu mềm trong chân giả.

3. Giải thuật di truyền được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Giải thuật di truyền được dùng để tối ưu hóa hình dạng và độ cứng của các thanh đàn hồi dựa trên đường cong Bezier, nhằm đạt hiệu suất tốt nhất trong chu kỳ bước đi.

4. Sản phẩm đã được thử nghiệm thực tế chưa?
   Mẫu chân giả đã được lắp cho bệnh nhân tại Trung tâm Chỉnh hình Phục hồi chức năng TP.HCM và cho kết quả tích cực về tính linh hoạt và sự thoải mái khi di chuyển.

5. Khả năng ứng dụng và chuyển giao công nghệ của sản phẩm ra sao?
   Sản phẩm có giá thành thấp hơn nhiều so với các loại chân giả nhập khẩu, đã được chuyển giao cho trung tâm chỉnh hình và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong cộng đồng người khuyết tật.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công bàn chân giả với khớp linh hoạt đa chức năng ứng dụng cơ cấu mềm, đáp ứng được các chuyển động phức tạp của chân thật.
• Sản phẩm có khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng, giảm chấn hiệu quả, giúp cải thiện dáng đi và giảm tiêu hao năng lượng cho người khuyết tật.
• Vật liệu POM được lựa chọn phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế, dễ gia công và bền bỉ.
• Thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân cho thấy tính khả thi và hiệu quả của thiết kế.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và chuyển giao công nghệ trong vòng 1-2 năm tới để nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm lâm sàng quy mô lớn và hợp tác với các đơn vị sản xuất để đưa sản phẩm ra thị trường. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích tham khảo và phát triển thêm dựa trên kết quả này.