Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu thiết kế chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ mềm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ mềm cho người khuyết tật phục vụ nghiên cứu học thuật hiệu quả

• Tác giả: Nguyễn Văn Khiển
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Khớp Mắt Cá Chân Bằng Cơ Cấu Mềm Cho Người Khuyết Tật
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế và chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm

Thiết kế và chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật. Luận văn ThS của Nguyễn Văn Khiển tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM (năm 2013) đã thực hiện nghiên cứu toàn diện về chủ đề này. Cơ cấu mềm trong thiết kế khớp mắt cá chân giúp giảm bớt sự khó chịu và tăng tính linh hoạt cho người sử dụng. Các giải pháp kỹ thuật hiện đại kết hợp các đường cong tham số Bezier để tối ưu hóa hình dạng và chức năng của khớp. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị khoa học mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn cao, giúp cải thiện khả năng vận động và tự tin của người bệnh. Công nghệ chế tạo máy CNC được áp dụng để đảm bảo độ chính xác và chất lượng sản phẩm.

1.1. Khái niệm cơ cấu mềm trong thiết kế khớp mắt cá chân

Cơ cấu mềm là hệ thống cơ học sử dụng vật liệu mềm dẻo để tạo ra các chuyển động linh hoạt và tự nhiên. Trong thiết kế khớp mắt cá chân, cơ cấu mềm cho phép sự biến dạng điều khiển, giúp phân tán lực tác động một cách hiệu quả. Ưu điểm chính bao gồm: giảm chấn thương, tăng độ thoải mái, và cải thiện phạm vi chuyển động. Thiết kế khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cung cấp giải pháp nhân văn, đặc biệt phù hợp cho người khuyết tật.

1.2. Ý nghĩa của nghiên cứu thiết kế khớp mắt cá chân

Luận văn ThS về thiết kế và chế tạo khớp mắt cá chân có ý nghĩa to lớn trong việc nâng cao chất lượng sống của người bệnh. Nghiên cứu này giải quyết các vấn đề liên quan đến tính tương thích sinh học, độ bền, và chi phí sản xuất. Việc áp dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa hình dạng khớp mắt cá chân là một bước tiến quan trọng trong ngành kỹ thuật y học.

II. Phương pháp thiết kế và tối ưu hóa khớp mắt cá chân

Phương pháp thiết kế khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm dựa trên những nguyên lý kỹ thuật tiên tiến. Đường cong tham số Bezier được sử dụng để mô hình hóa hình dạng khớp một cách chính xác, cho phép tùy chỉnh theo yêu cầu cụ thể của từng bệnh nhân. Giải thuật di truyền là công cụ quan trọng để tìm kiếm các giải pháp thiết kế tối ưu khớp mắt cá chân, giúp cân bằng giữa độ cứng, độ mềm dẻo và khả năng chịu lực. Quá trình chế tạo khớp mắt cá chân sử dụng công nghệ máy CNC hiện đại đảm bảo độ chính xác cao và tính nhất quán. Những bài kiểm nghiệm trực tiếp trên bệnh nhân tại Trung Tâm Chỉnh Hình và Phục Hồi Chức Năng xác minh hiệu quả thực tiễn của thiết kế.

2.1. Ứng dụng đường cong Bezier trong thiết kế

Đường cong tham số Bezier cung cấp tính linh hoạt cao trong thiết kế khớp mắt cá chân. Các tính chất của đường cong Bezier cho phép điều chỉnh mượt mà và chính xác hình dạng khớp. Phương pháp này giúp tạo ra các khớp mắt cá chân có hình dạng phù hợp với giải phẫu con người, tăng cảm giác tự nhiên khi sử dụng.

2.2. Tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền

Giải thuật di truyền là phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa thiết kế khớp mắt cá chân. Thuật toán này tìm kiếm các thông số thiết kế tối ưu bằng cách mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên. Chế tạo khớp mắt cá chân dựa trên kết quả tối ưu này đảm bảo hiệu suất cao và độ an toàn cho người sử dụng.

III. Quy trình chế tạo khớp mắt cá chân trong thực hành

Quy trình chế tạo khớp mắt cá chân bao gồm nhiều bước kỹ thuật phức tạp. Sau khi hoàn tất thiết kế khớp mắt cá chân bằng phần mềm mô phỏng, chế tạo khớp được thực hiện trên máy CNC với độ chính xác cực cao. Vật liệu được lựa chọn cần đáp ứng các tiêu chí: mềm dẻo, bền vững, an toàn sinh học và kinh tế. Các khớp mắt cá chân được kiểm tra độ cứng và biến dạng tại phòng thí nghiệm cơ học chuyên dụng. Bước kiểm nghiệm trực tiếp trên bệnh nhân là rất quan trọng để xác minh hiệu quả lâm sàng. Những phản hồi từ người sử dụng được ghi nhận và sử dụng để cải thiện các lần thiết kế sau. Quy trình này đảm bảo rằng khớp mắt cá chân đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng quốc tế.

3.1. Các bước chế tạo khớp mắt cá chân

Chế tạo khớp mắt cá chân bắt đầu từ chuẩn bị vật liệu phù hợp, tiếp theo là gia công trên máy CNC theo bản vẽ thiết kế. Quá trình này yêu cầu kỹ năng cao từ những người vận hành máy. Sau gia công, khớp mắt cá chân phải trải qua các công đoạn hoàn thiện, làm mịn bề mặt, và xử lý chống ăn mòn để bảo vệ sản phẩm.

3.2. Kiểm tra và đánh giá chất lượng

Kiểm tra chất lượng khớp mắt cá chân bao gồm đo độ cứng, độ biến dạng và khả năng chịu lực. Những thử nghiệm này được thực hiện tại phòng thí nghiệm cơ học chuyên dụng để đảm bảo khớp mắt cá chân đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật. Đánh giá lâm sàng trực tiếp tại Trung Tâm Chỉnh Hình là giai đoạn quan trọng cuối cùng.

IV. Kết quả và triển vọng của nghiên cứu thiết kế khớp mắt cá chân

Luận văn ThS về thiết kế và chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm đã đạt được những kết quả đáng kể trong lĩnh vực kỹ thuật y học. Các công bố khoa học được công nhận ở Hội nghị Công nghệ Xanh và Phát triển Bền vững năm 2012 cũng như trên Tạp chí Kỹ thuật và Giáo dục chứng tỏ giá trị nghiên cứu. Thiết kế khớp mắt cá chân dựa trên cơ cấu mềm mở ra những tiến bộ mới trong chế tạo máy và y học phục hồi chức năng. Triển vọng ứng dụng thực tiễn của khớp mắt cá chân là rất lớn, với khả năng mở rộng sang các loại khớp nhân tạo khác. Những nghiên cứu tiếp theo có thể tối ưu hóa thêm chi phí sản xuất và đẩy nhanh quá trình thương mại hóa. Sự kết hợp giữa thiết kế thông minh và công nghệ chế tạo hiện đại hứa hẹn mang lại cuộc sống tốt hơn cho hàng triệu người khuyết tật trên toàn thế giới.

4.1. Những thành tựu chính của nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế khớp mắt cá chân đã phát triển thành công một cơ cấu mềm monolithic cho người khuyết tật. Các công bố trong Hội nghị Công nghệ Xanh 2012 và Tạp chí Kỹ thuật và Giáo dục khẳng định tính cách mạng của công trình. Khớp mắt cá chân được chế tạo có hiệu suất cao, tương thích sinh học tốt, và khả năng tối ưu hóa theo từng cá nhân bệnh nhân.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Triển vọng của khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm là rất sáng sủa. Các nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào tối ưu hóa hình dạng tham số để giảm chi phí chế tạo. Ứng dụng công nghệ 3D printing và vật liệu sinh học sẽ mở ra những khả năng mới trong chế tạo khớp mắt cá chân cá nhân hóa và hiệu quả chi phí cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN KHIỂN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP MẮT CÁ CHÂN BẰNG CƠ CẤU MỀM CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 4 0 0 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN KHIỂN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP MẮT CÁ CHÂN BẰNG CƠ CẤU MỀM CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN KHIỂN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP MẮT CÁ CHÂN BẰNG CƠ CẤU MỀM CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM HUY TUÂN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2013 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS.

Phạm Huy Tuân (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên,, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT, Ngày 03 tháng 05 năm 2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ và Tên: Nguyễn Văn Khiển Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/07/1983 Nơi sinh: Hà Nội Địa chỉ liên lạc: 47 Cao Lỗ, Phường 4, Quận 8, TP.HCM Điện thoại: [phone] Email: dongpho05@gmail. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo: Nơi học: Địa chỉ: Ngành học: 2.

Cao học Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo: năm 2011-2013 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Địa chỉ: 01-Võ Văn Ngân, P. Thủ Đức, Tphcm. Ngành học: Chế Tạo Máy III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Công việc đảm Thời gian Nơi công tác nhiệm Tổng công ty công nghiệp 11/2009 – 08/2010 Nhân viên kỹ thuật ô tô Việt Nam Trường trung cấp kỹ thuật 08/2010 đến nay Giáo viên cơ khí và nghiệp vụ Nam Sài Gòn Trang i IV.

CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI [1] Pham Huy Tuan and Nguyen Van Khien, “A monolithic flexural – based prosthetic for amputee,” The 2012 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2012), 29th September 2012, Ho Chi Minh University of Technical Education. [2] Pham Huy-Tuan, Nguyen Van-Khien, “A Monolithic Flexural-Based Prosthetic Foot For Amputee” Journal of Engineering Technology and Education, National Kaohsiung University of Applied Sciences, Vol. [3] Huy-Tuan Pham, Van-Khien Nguyen and Van-Trinh Mai, “Shape optimization and fabrication of a parametric curved-segments prosthetic foot for amputee,” Journal of Biomechanical Engineering, (submitted) Trang ii 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 14 tháng 04 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trang iii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường. Cảm ơn quý Thầy, Cô Phòng Đào tạo sau đại học và Khoa Cơ Khí Máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đối với Thầy - TS. Phạm Huy Tuân đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.

Cảm ơn thầy Th. Nguyễn Văn Sơn (Khoa Cơ Khí Máy) đã giúp đỡ em trong việc chế tạo trên máy CNC ở Trung Tâm Công Nghệ Cao. Cảm ơn cô Th. Vƣơng Thị Ngọc Hân (Phòng thí nghiệm cơ học, Khoa xây dựng dân dụng và Cơ học Ứng dụng) với sự giúp đỡ của cô trong việc đo độ cứng và biến dạng.

Cảm ơn anh Mai Văn Trình Giám đốc Trung Tâm Chỉnh Hình và Phục Hồi Chức Năng TP.HCM đã giúp đỡ cho em thực hiện kiểm nghiệm trực tiếp trên bệnh nhân. Cảm ơn sự hỗ trợ tài chính từ Phòng Quản lý Khoa học và Quan hệ Quốc tế trường ĐH SPKT TP.HCM, Mã số đề tài T2013-35TĐ. Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên và truyền cảm hứng cho em hoàn thành tốt luận văn này. Trang iv MỤC LỤC Trang tựa.

Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân. i Lời cam đoan. iii Cảm tạ. vii Danh sách các chữ viết tắt.

ix Danh sách các hình. x Danh sách các bảng. xii Chƣơng 1: TỔNG QUAN.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố.2 Mục đích của đề tài.3 Nhiệm vụ của đề tài và đối tượng nghiên cứu, giới hạn đề tài.1 Nhiệm vụ của đề tài.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài.3 Giới hạn của đề tài.4 Phương pháp nghiên cứu. 8 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.1 Đường cong tham số Bezier.1 Biểu diễn đường cong Bezier.2 Các tính chất của đường cong Bezier.2 Lý thuyết cơ cấu mềm.2 Ưu nhược điểm.3 Một số cơ cấu mềm thông dụng.3 Giải thuật di truyền.

19 Chƣơng 3: PHƢƠNG HƢỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP.1 Yêu cầu đặt ra.2 Phương án thiết kế.3 Lựa chọn phương án.3 Cở sở lựa chọn vật liệu. 28 Chƣơng 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN.1 Nguyên lý hoạt động của khớp mắt cá chân.3 Tính toán tối ưu hóa. 38 Chƣơng 5: CHẾ TẠO - THỰC NGHIỆM.4 Thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân. 54 Chƣơng 6: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ.

55 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 57 PHỤ LỤC Trang viii CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố.1 Các loại chân giả [12] 1.1 Trong nƣớc Trước khi tìm hiểu về những sản phẩm đương đại ta nhìn nhận lại một số sản phẩm truyền thống đã được sản xuất ở Việt Nam. Chân giả bằng da gò và ổ mỏm cụt bằng da gò Loại chân giả này có thể được xuất hiện vào đầu thế kỷ 19, sau chân giả gỗ và cùng thời với chân giả nhôm. Nó được gọi là chân giả bằng da nhưng thực chất những chi tiết ổn định, chịu tải, chịu mài mòn đều được gia cố bằng kim loại.

Phần lớn được ứng dụng cho mỏm cụt vùng cổ chân và bàn chân. Loại da thường dùng là loại da đế bò thuộc bằng tananh (chất làm ổn định và chống phân huỷ da là chất được chiết xuất từ thực vật). Ưu điểm: Trọng lượng nhẹ, dễ tạo dáng, định hình khi thoát nước, thấm không khí, thấm mồ hôi gây cảm giác mát mẻ cho mỏm cụt; không dị ứng với mỏm cụt nên không cần mỏm cụt phụ; trong quá trình sử dụng ổ mỏm cụt, mỏm cụt tự ôm form và rất dễ sửa chữa, thay đổi kích thước. Nhược điểm: Độ bền vững kém, biến dạng khi gặp nước.

Chân giả bằng gỗ và ổ mỏm cụt bằng gỗ Chân giả bằng gỗ phải được xem như loại chân giả xuất hiện sớm nhất, theo dạng chân cà kheo. Nhưng cũng phải đến đầu thế kỷ 20 người ta mới khai thác hết những ưu điểm vốn có của gỗ trong chế tạo chân giả. Là sản phẩm sẵn có trong thiên nhiên, rất Trang 1 thuận lợi trong việc chế tạo trước ở dạng bán thành phẩm, thuận lợi trong công nghệ dóng hàng theo không gian 3 chiều. Gỗ dẫn điện, dẫn nhiệt kém, không có dị ứng với cơ thể người, đặc biệt là có cảm giác mát mẻ đối với mỏm cụt.

Trong công nghệ chế tạo gỗ dễ tạo hình, dễ thay đổi kích thước, khi đi chân giả ít phát tiếng kêu. Nhược điểm lớn nhất của gỗ là thấm thoát nước nên có sự giãn nở gây hiện tượng nứt vỡ, mục. Tuy nhiên cho đến nay người ta vẫn cho rằng chân giả bằng gỗ có nhiều ưu điểm hơn hẳn các vật liệu nhân tạo khác, thậm chí còn được coi là loại sản phẩm cao cấp. Chân giả làm bằng hợp kim nhẹ Chân giả hợp kim ra đời rất sớm, nhưng hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chỉnh hình lại là đầu thế kỷ thứ 20.

Chân giả nhôm kết hợp với thép thể hiện sự hơn hẳn về độ bền sử dụng và làm đơn giản công nghệ chế tạo. Nhưng nó cũng bộc lộ rất nhiều nhược điểm: Nhôm là vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt tốt cộng thêm sự không thích nghi khi tiếp xúc với cơ thể nên phải có ổ mỏm cụt phụ. Trong quá trình sử dụng thường phát ra tiếng kêu. Có hiện tượng khớp giả (chuyển động đồng thời) do sự kém chặt chẽ và chính xác giữa mỏm cụt với ổ mỏm cụt và giữa ổ mỏm cụt với chân giả.

Cục sở hữu trí tuệ vừa cấp bằng sáng chế số 5673 cho TS Phan Văn An, Trung tâm công nghệ vật liệu với sản phẩm ống chân giả composite cacbon. Chân giả bằng nhựa composite cacbon được chế tạo từ loại vật liệu gồm hai lớp sợi cacbon bện chéo kết hợp với 4 - 6 lớp sợi bazan cùng một loại nhựa tổng hợp. Nhờ vậy chân giả này có ống chân nhẹ, độ bền cao và chịu lực tốt. Cấu tạo khớp gối có độ nảy, độ văng tốt hơn và do có lò xo nên dễ dàng lắp ráp, hỏng bộ phận nào thay bộ phận đó.2 Ngoài nƣớc Chân giả Proprio của Trường đại học Johns Hopkins Mỹ.

Thiết bị của chân giả này sử dụng các cảm biến, các bộ vi xử lý và điều khiển theo trí thông minh nhân tạo để đo các chuyển động theo chế độ thời gian thực; phản hồi thông tin về cách thức chuyển Trang 2 động và các góc cần quay của các khớp nhân tạo tới cơ cấu chấp hành phù hợp với chuyển động của người sử dụng. Ngoài ra thiết bị này còn sử dụng công nghệ BlueTooth, có thể truyền dữ liệu tới bộ vi xử lý để điều khiển chân di chuyển theo cách tự nhiên nhất. Proprio cũng có thể nhớ chính xác cách di chuyển lên cầu thang, xuống dốc, đồng thời có thể học được nhiều cách di chuyển ở nhiều địa hình khác nhau và ghi nhớ lại.