CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện tại, cơ cấu đàn hồi ổn định lực đã có rất nhiều công bố liên quan nhưng cơ cấu đàn hồi ổn định momen vẫn chưa có nhiều và đang là một hướng nghiên cứu hấp dẫn mà các nhóm nghiên cứu đang dần chuyển hướng sang trong vòng một thập kỷ gần đây. Cơ cấu ổn định momen giúp duy trì được momen mong muốn mà không cần các cảm biến, hệ thống điều khiển và các nguồn năng lượng cung cấp cho các thiết bị này, từ đó góp phần làm đơn giản hóa kết cấu và giảm giá thành thiết bị. Đặc biệt nếu ứng dụng vào các thiết bị luyện tập hỗ trợ hỗ trợ chức năng sẽ giúp cho các thiết bị này nhỏ gọn, nhẹ và cơ động hơn rất nhiều.
Bên cạnh đó, với đặc tính nguyên khối của mình, cơ cấu đàn hồi có khả năng thu nhỏ dễ dàng, đây là một thách thức thật sự với hệ thống khâu cứng sử dụng điều khiển hồi tiếp. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ‑ Đề tài đóng góp vào việc hiểu biết sâu hơn về các cơ cấu đàn hồi, đặc biệt là khả năng ổn định mômen. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong các lĩnh vực cơ học ứng dụng. ‑ Việc mô phỏng và thực nghiệm giúp kiểm chứng các lý thuyết hiện có và phát triển những mô hình mới, từ đó nâng cao độ chính xác và hiệu quả của các cơ cấu.
‑ Đề tài có thể mở ra những hướng nghiên cứu mới về các loại vật liệu đàn hồi, tính năng và khả năng ứng dụng của chúng. ‑ Thiết bị hỗ trợ chức năng khớp gối ứng dụng cơ cấu đàn hồi ổn định mômen có thể giúp người bị chấn thương hoặc các bệnh liên quan đến khớp gối hồi phục nhanh hơn và vận động dễ dàng hơn. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc cải thiện, hỗ trợ sức khỏe của bệnh nhân. ‑ Nghiên cứu này có thể ứng dụng vào việc phát triển các sản phẩm mới trong ngành công nghiệp sản xuất thiết bị y tế.
Các công ty sản xuất thiết bị y tế có thể dựa vào các kết quả của đề tài để thiết kế và sản xuất các sản phẩm mới, tăng tính cạnh tranh trên thị trường. ‑ Việc phát triển và ứng dụng thành công các thiết bị hỗ trợ chức năng khớp gối không chỉ có giá trị kinh tế cao mà còn mang lại lợi ích xã hội lớn, giúp giảm gánh nặng y tế và nâng cao sức khỏe cộng đồng. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ‑ Nghiên cứu các đặc tính và vai trò của cơ cấu đàn hồi ổn định momen. - Tìm hiểu, ứng dụng phần mềm Abaqus để hỗ trợ cho việc mô phỏng, kiểm tra số liệu trước khi gia công chế tạo nhằm tăng độ chính xác và hiệu quả của cơ cấu.
‑ Giải quyết được những vấn đề về kích thước, lực hỗ trợ, khoảng làm việc, khả năng ứng dụng… của thiết bị hỗ trợ chức năng khớp gối trước đó. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu ‑ Cơ cấu đàn hồi ‑ Cơ cấu ổn định lực, ổn định momen ‑ Phương pháp thiết kế và mô phỏng cơ cấu đàn hồi ‑ Các ứng dụng tiềm năng của cơ cấu đàn hồi ổn định momen ‑ Phần mềm Abaqus ‑ Các bệnh nhân bị mắc các bệnh liên quan đến khớp gối, các bệnh nhân cần luyện tập để hỗ trợ chức năng khớp gối, những người cao tuổi cần hỗ trợ vận động. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài này là nghiên cứu các thiết bị hỗ trợ chức năng khớp gối trên thị trường.
Từ đó nắm bắt rõ ưu, nhược điểm của thiết bị để xây dựng, cải tiến và thiết kế ra sản phẩm mới hoàn chỉnh đáp ứng tốt những nhu cầu của khách hàng nhưng vẫn đảm bảo được giá thành phù hợp với người dùng. Phương pháp nghiên cứu 1. Cơ sở phương pháp luận Phương pháp luận trong nghiên cứu khoa học một là hệ thống gồm những phương pháp được tạo nên từ các lý thuyết, quan điểm, nguyên lý và dựa trên cơ sở quan điểm của triết học để hệ thống lại thành những phương pháp cụ thể, nhằm định hướng chính xác cho việc nghiên cứu các lĩnh vực khoa học. Phương pháp nghiên cứu cụ thể ● Phương pháp nghiên cứu, phân tích, tổng hợp: ‑ Thu thập và nghiên cứu các tài liệu từ sách, bài báo khoa học, tạp chí, công trình nghiên cứu, và các nguồn Internet trong và ngoài nước.
Mục tiêu là củng cố kiến thức về đề tài, nắm bắt hiện trạng của sản phẩm. ‑ Phân tích ưu và nhược điểm của các thiết bị hỗ trợ chức năng trong và ngoài nước, bao gồm cơ cấu và vật liệu được sử dụng, cùng phương pháp gia công các chi tiết. ‑ Tổng hợp các điểm quan trọng để vận dụng điểm mạnh và cải tiến các điểm yếu của các sản phẩm hiện có, từ đó tạo ra sản phẩm tốt nhất. ● Phương pháp so sánh đối chiếu: So sánh cơ cấu chính của các thiết bị hiện có trên thị trường với cơ cấu ổn định momen để làm nổi bật ưu điểm của sản phẩm.
So sánh công nghệ gia công của các thiết bị với công nghệ ở Việt Nam để xây dựng phương án thích hợp nhất với điều kiện nghiên cứu và sản xuất trong nước. ● Phương pháp thực nghiệm: Đánh giá và cải tiến sản phẩm để đảm bảo khả năng vận hành trơn tru và khắc phục kịp thời các sự cố trước khi đưa sản phẩm ra thị trường. Đồng thời, xác định khả năng ứng dụng cao của sản phẩm trước khi sản xuất hàng loạt. Kết cấu đồ án tốt nghiệp Cấu trúc đồ án này gồm 6 chương: ‑ Chương 1: Giới thiệu chung về các vấn đề của đề tài: tính cấp thiết, ý nghĩa, mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu đề tài.
‑ Chương 2: Tổng quan về đề tài. ‑ Chương 3: Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn và mô phỏng trong phần mềm Abaqus. 3 CHƯƠNG 1 ‑ Chương 4: Cơ cấu đàn hồi ổn định momen dùng cho thiết bị luyện tập chức năng. ‑ Chương 5: Cải tiến thiết bị hỗ trợ hỗ trợ chức năng khớp gối.
‑ Chương 6: Gia công, đo kiểm và đánh giá thiết bị. 4 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2. Cơ cấu đàn hồi 2. Khái niệm Cơ cấu đàn hồi là những thiết bị hoặc hệ thống cơ học có khả năng biến đổi chuyển động, lực hay momen thông qua việc thay đổi hình dạng của các khớp/phần tử đàn hồi trên chính cấu trúc của chúng.
Nguyên lý hoạt động: Khi một lực tác động lên cơ cấu đàn hồi, nó sẽ biến dạng theo một cách nào đó (bị nén, kéo dài, uốn cong, v. Khi lực này nằm trong giới hạn đàn hồi của vật liệu, cơ cấu sẽ trở lại hình dạng ban đầu sau khi lực bị loại bỏ mà không để lại biến dạng. Nguyên lý này dựa trên định luật Hooke, trong đó lực phản ứng của vật liệu tỷ lệ thuận với biến dạng của nó trong giới hạn đàn hồi. Các loại cơ cấu đàn hồi: - Cơ cấu đàn hồi truyền thống: Hoạt động dựa trên định luật Hooke và yêu cầu lực điều khiển lớn để tạo ra chuyển động lớn.
- Cơ cấu ổn định lực (CFM): Có khả năng tạo ra lực phản ứng không đổi trong một phạm vi biến dạng nhất định, không tuân theo định luật Hooke. - Cơ cấu ổn định momen (CTM): Được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chuyển động quay, tạo ra mô-men không đổi trong phạm vi biến dạng nhất định. Cơ cấu đàn hồi ổn định momen là một hướng nghiên cứu được quan tâm nhiều hiện nay và nó cũng là hướng nghiên cứu của đề tài, sẽ được trình bày kỹ hơn ở phần 2. Ưu điểm và hạn chế của cơ cấu đàn hồi Cơ cấu đàn hồi có khả năng tránh được các tác động tiêu cực của độ rơ, ma sát và mài mòn, những yếu tố thường gặp trong các cơ cấu cơ học truyền thống.
Đồng thời cũng giúp giảm sai số nhờ việc giảm số lượng chi tiết trong quá trình lắp ráp và đơn giản hóa quá trình sản xuất. Điều này giúp tăng tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống. Với thiết kế tối ưu, cơ cấu đàn hồi thường có cấu trúc đơn giản hơn so với các cơ cấu truyền thống, vì vậy có thể đạt được kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ, phù hợp cho các ứng dụng cần tiết kiệm không gian và trọng lượng. Cơ cấu đàn hồi được chế tạo nguyên khối nên không gây ra tiếng ồn khi hoạt động, không có sự ma sát, không có khe hở và không cần bôi trơn định kỳ.
Tuy nhiên cơ cấu đàn hồi vẫn còn một số nhược điểm nhất định. Đó là khả năng tải trọng hạn chế có thể bị phá hủy nếu tải quá lớn, vấn đề ứng suất trong trường hợp biến dạng lớn. Ngoài ra, việc thiết kế và tổng hợp chưa được tiêu chuẩn hoá và 5 CHƯƠNG 2 đồng nhất. Do đó, dẫn đến sự đa dạng trong các phương pháp thiết kế từ các nhóm nghiên cứu khác nhau.
Đây là một lĩnh vực mà các nhà nghiên cứu trên toàn cầu đang tập trung nghiên cứu sâu trong những năm gần đây. Một số ứng dụng của cơ cấu đàn hồi Dựa vào các ưu điểm nổi bật của mình, cơ cấu đàn hồi ngày càng được quan tâm ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Dưới đây là một số cơ cấu đàn hồi rất thông dụng trong đời sống hàng ngày [1]. Một số cơ cấu đàn hồi trong đời sống hàng ngày Với những ưu điểm về độ chính xác nên cơ cấu đàn hồi ngày càng được sử dụng rộng rãi trong truyền động chính xác, đặc biệt là khi truyền những chuyển động nhỏ, có thể đến dưới micromet.
Do đó việc ứng dụng trong hệ thống MEMS là một thế mạnh của cơ cấu đàn hồi bởi tính nguyên khối và khả năng thu nhỏ của chúng. Cơ cấu đàn hồi trong các sản phẩm MEMS [1,2] 6 CHƯƠNG 2 Trong lĩnh vực y tế: Do được chế tạo nguyên khối, không lắp ráp, không cần bảo trì, bôi trơn nên cơ cấu đàn hồi rất phù hợp với các ứng dụng cấy ghép bên trong cơ thể [3]; hoặc ứng dụng trong các kìm phẫu thuật nội soi. Kìm phẫu thuật sử dụng cơ cấu đàn hồi kết hợp cơ cấu cân bằng tĩnh [4] 2. Cơ cấu đàn hồi ổn định momen (compliant constant torque mechanism - CCTM) Như đã giải thích ở phần 2.1, nguyên lý hoạt động của các cơ cấu đàn hồi truyền thống dựa trên Định luật Hooke.
Lực phản ứng của một cấu trúc tương ứng với độ biến dạng của nó.