Tổng quan nghiên cứu

Khớp gối là cấu trúc cơ sinh học chịu tải trọng vận động cao nhất trong toàn bộ hệ thống chi dưới của cơ thể người, đặc biệt khi thực hiện các hoạt động mang vác vật nặng từ 20kg đến 50kg trong lao động công nghiệp và tác chiến quân sự. Theo phương pháp chuẩn Zero, tầm vận động bình thường của khớp gối đạt 135 độ gập duỗi, trong đó đòi hỏi góc gập tối thiểu 64 độ khi bước lên cầu thang và 85 độ khi bước xuống cầu thang. Tuy nhiên, một thách thức cơ sinh học lớn là khớp gối người không có tâm quay cố định mà tâm quay tức thời liên tục dịch chuyển trong không gian khi gập duỗi. Khi lắp đặt một khung robot trợ lực song song với chân, nếu không có sự tương thích hình học chính xác sẽ làm phát sinh các thành phần momen cản ký sinh nghiêm trọng, gây đau cơ, hạn chế vận động và làm tổn thương cấu trúc sụn khớp.

Mục tiêu trọng tâm của luận văn là nghiên cứu, thiết kế, mô hình hóa và chế tạo thử nghiệm hệ thống bộ xương ngoài (exoskeleton) hỗ trợ lực cho khớp gối dựa trên nguyên lý tích hợp các bậc tự do thụ động. Đề tài được triển khai thực hiện tại Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 10 năm 2013 đến tháng 10 năm 2014, kế thừa và phát triển nguyên lý thiết kế bộ xương ngoài đẳng tĩnh của Tiến sĩ Cái Việt Anh Dũng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa học thuật và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc triệt tiêu hoàn toàn 100% momen cản ký sinh lên khớp sinh học, phân tán 100% áp lực tì đè lên diện tích tiếp xúc cơ thể thông qua kết cấu composite mô phỏng sinh học, và tối ưu hóa hệ thống chấp hành cơ điện tử chỉ với 1 động cơ dẫn động duy nhất cho mỗi bên gối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết động thái học cơ cấu robot Denavit-Hartenberg kết hợp với các định luật tĩnh học và cân bằng lực trong hệ cơ sinh học. Công thức giải tích bậc tự do tổng quát trong không gian 6 bậc tự do được áp dụng để tính toán cấu trúc động học: số bậc tự do m bằng 6 nhân với hiệu số khâu động trừ 1, sau đó trừ đi tổng tích của số ràng buộc với số khớp tương ứng, đồng thời khấu trừ các ràng buộc thừa và bậc tự do thừa. Năm khái niệm cốt lõi được phát triển xuyên suốt bao gồm: bậc tự do thụ động bù sai lệch trục, chuỗi động học kín tương tác người - máy, cảm biến đo momen uốn đàn hồi tuyến tính, vật liệu composite nền polymer nhiệt rắn gia cường sợi thủy tinh và thuật toán phân tích chu kỳ bước đi 4 Switch.

Lý thuyết giải phẫu học khớp gối sinh học đóng vai trò định cỡ biên độ hoạt động cho cơ cấu cơ khí, xác định rõ góc duỗi tối đa đạt 0 độ (duỗi thụ động âm 5 độ), góc gập chủ động dao động từ 120 độ khi háng duỗi đến 140 độ khi háng gấp (gập thụ động đạt 160 độ), cùng biên độ xoay chủ động từ 30 độ xoay trong đến 40 độ xoay ngoài. Mô hình hóa hình học này bảo đảm rằng mọi cơ cấu cơ khí được thiết kế luôn vận hành an toàn trong giới hạn sinh lý của cơ thể người.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu phối hợp phương pháp giải tích động học giải thuật với phương pháp thực nghiệm chế tạo và kiểm chứng tín hiệu cảm biến sinh trắc học trên mô hình thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu thực nghiệm bao gồm chuỗi 3 thế hệ mô hình cơ cấu thử nghiệm cơ khí kế tiếp nhau và bộ dữ liệu nhân trắc học chân thu thập từ 1 đối tượng người thực tiêu chuẩn có chiều cao 168 cm, cân nặng 65 kg nhằm tối ưu hóa độ khớp hình học tiếp xúc. Phương pháp chọn mẫu điển hình được lựa chọn nhằm đánh giá trực quan nhất mức độ tương thích sinh học giữa biên dạng vỏ ôm composite và các mốc giải phẫu xương bánh chè, mâm chày và lồi cầu xương đùi.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích động học giải tích kết hợp đo đạc thực nghiệm với cảm biến lực (loadcell) 4 strain gauge và cảm biến góc quay encoder quang học là vì phương pháp này cho phép đo trực tiếp phản lực tiếp xúc và góc lệch tức thời, khắc phục hoàn toàn các sai số phi tuyến tính của các mô hình mô phỏng lý thuyết thuần túy. Toàn bộ quy trình nghiên cứu từ thiết kế CAD/CAM, lấy mẫu khuôn thạch cao tỷ lệ thạch cao trên nước là 0,7 (thời gian đông kết 3 đến 30 phút), đúc mẫu bê tông chịu nhiệt 300 độ C, tạo hình composite nhựa nhiệt rắn polyester không no (UPE) và lập trình vi điều khiển được tiến hành trong thời gian 12 tháng từ tháng 10 năm 2013 đến tháng 10 năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu chứng minh rằng khi liên kết trực tiếp một cơ cấu cứng 1 bậc tự do song song với khớp gối sinh học, độ lệch tâm tức thời sẽ tạo ra momen cản ký sinh vượt mức 15 Nm, gây đau đớn cho bắp cơ và cản trở tới 80% biên độ vận động tự nhiên của người mang.

Thứ hai, qua 3 giai đoạn tối ưu hóa kết cấu cơ học: mô hình thử nghiệm lần 1 với 21 khâu, 22 khớp loại 1 và 2 khớp loại 3 tạo ra 4 bậc tự do khiến hệ thống bị xệ rơi, 100% trọng lượng cơ cấu tì đè lên thắt lưng; mô hình thử nghiệm lần 2 thay thế 3 bậc tự do giao tiếp hông và bàn chân bằng 2 khớp cầu loại 3 giúp truyền tải 100% khối lượng cơ cấu xuống đất nhưng lại phát sinh hiện tượng rung lắc quanh trục đứng tới 25 độ; mô hình thử nghiệm lần 3 đã bố trí lại các trục xoay trên khâu đùi và khâu cẳng chân không trùng phương trong hệ tọa độ Descartes, đưa số bậc tự do của hệ thống về đúng 1 bậc tự do chủ động duy nhất, loại bỏ hoàn toàn 100% hiện tượng rung lắc ngoài ý muốn.

Thứ ba, việc ứng dụng vật liệu composite nhựa UPE kết hợp 1% chất xúc tác MEKP (Trigonox V388) gia cường sợi thủy tinh giúp giảm 45% khối lượng chi tiết gá ghép so với vật liệu hợp kim nhôm, đồng thời kiểm soát độ co ngót trong khoảng từ 4% đến 8%, tạo ra bề mặt tiếp xúc ôm khít biên dạng chân để phân tán lực tiếp xúc.

Thứ tư, cảm biến momen sử dụng lò xo xoắn ốc thể hiện đường đặc tính đàn hồi góc xoay - lực tiếp tuyến có độ tuyến tính cao vượt trội so với lò xo kéo, giúp hệ thống vi điều khiển xử lý chính xác tín hiệu phản hồi và điều khiển động cơ trợ lực mượt mà theo 4 pha của chu kỳ bước đi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên sự ổn định của cơ cấu là việc phân tách rạch ròi các thành phần lực tương tác giữa từng khớp sinh học và hệ thống cơ khí thông qua việc bố trí chuẩn xác các bậc tự do thụ động. Quy tắc tổng số bậc tự do thụ động và bậc tự do chính giữa hai khâu bằng 6 giúp triệt tiêu hoàn toàn các momen uốn và lực cắt không mong muốn, cho phép động cơ tập trung 100% công suất vào chuyển động gập duỗi hữu ích.

Khi so sánh với các bộ khung xương ngoài toàn thân nổi tiếng trên thế giới như Raytheon Sarcos XOS 2 vốn đòi hỏi nguồn năng lượng khổng lồ hàng nghìn watt hoặc hệ thống HULC nặng 25 kg đi kèm máy phát 38 kg, thiết kế trong nghiên cứu này tập trung tối ưu hóa riêng cho khớp gối với trọng lượng nhẹ, tiêu hao năng lượng thấp tương đương định mức 1 watt của bộ khung Viện Công nghệ Massachusetts. Dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa góc quay khớp gối từ 0 độ đến 135 độ và lực nén đo được từ loadcell có thể được mô tả trực quan qua biểu đồ phân bố momen tương tác theo chu kỳ bước đi hoặc bảng ma trận trạng thái tiếp xúc 4 Switch trên bàn chân. Ý nghĩa của phát hiện này khẳng định tính khả thi của việc nội địa hóa các thiết bị robot trợ lực y tế và lao động tại Việt Nam với chi phí sản xuất thấp nhưng vẫn bảo đảm chuẩn xác về mặt cơ sinh học.

Đề xuất và khuyến nghị

Ứng dụng quy trình quét 3D laser không tiếp xúc bằng cảm biến quang học CCD và công nghệ in 3D vật liệu composite sợi carbon nhằm rút ngắn thời gian tạo hình chi tiết ôm chân từ 48 giờ xuống dưới 4 giờ làm việc, đồng thời tăng độ chính xác biên dạng tiếp xúc lên trên 98% và giảm sai lệch kích thước xuống dưới 0,5 mm. Kế hoạch này cần được thực hiện bởi đội ngũ kỹ sư thiết kế cơ điện tử và chuyên gia công nghệ vật liệu y sinh trong vòng 6 tháng đầu của giai đoạn hoàn thiện sản phẩm.

Lập trình và cài đặt giải thuật điều khiển PD thích nghi kết hợp bộ lọc tín hiệu số thông minh dựa trên dữ liệu thu thập từ cụm 4 cảm biến lực bàn chân và encoder góc quay nhằm giảm thời gian trễ đáp ứng của động cơ xuống dưới 15 mili-giây. Mục tiêu đặt ra là đưa momen cản tương tác trong pha vung chân về mức 0 Nm và gia tăng hiệu suất trợ lực lên 35% trong pha chống đỡ chịu tải. Nhiệm vụ này do nhóm kỹ sư điều khiển tự động và lập trình hệ thống nhúng đảm trách trong khung thời gian 9 tháng tiếp theo.

Thiết kế đồng bộ cụm động cơ servo không chổi than (BLDC) kết hợp hộp giảm tốc trục vít bánh vít hoặc sóng hài siêu nhẹ và nguồn pin Lithium-ion mật độ năng lượng cao nhằm giảm tổng trọng lượng cơ cấu xuống dưới 3,5 kg mỗi bên chân và nâng thời lượng vận hành liên tục từ 4 giờ lên trên 8 giờ cho một lần sạc đầy. Công việc này cần được triển khai bởi phòng nghiên cứu phát triển phần cứng cơ khí và hệ thống động lực trong thời hạn 12 tháng.

Xây dựng quy trình thử nghiệm lâm sàng mở rộng trên quy mô tối thiểu 30 tình nguyện viên gồm công nhân nhà máy công nghiệp nặng và bệnh nhân thoái hóa khớp gối nhằm đánh giá hiệu quả phục hồi chức năng vận động đạt mức cải thiện 25% và giảm tiêu hao năng lượng trao đổi chất của cơ thể ít nhất 20% khi mang vác vật nặng 30 kg. Hoạt động này cần có sự phối hợp liên ngành giữa nhóm nghiên cứu robot học và các bác sĩ chuyên khoa chấn thương chỉnh hình tại các bệnh viện phục hồi chức năng trong lộ trình 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế cơ điện tử và robot y sinh: Nắm vững phương pháp tính toán bậc tự do trong không gian 6 chiều và nguyên tắc bố trí các bậc tự do thụ động để khử momen cản ký sinh khi kết nối chuỗi động học kín giữa máy móc và cơ thể người. Nhóm đối tượng này có thể ứng dụng trực tiếp các công thức động học và sơ đồ mạch điều khiển cầu H để phát triển các thế hệ robot trợ lực chi dưới hoặc thiết bị tập đi tự động.

Bác sĩ chuyên khoa phục hồi chức năng và vật lý trị liệu: Tiếp cận góc nhìn cơ sinh học chuẩn xác về tầm vận động 135 độ của khớp gối và cơ chế truyền tải momen hỗ trợ tương thích với giải phẫu học cơ - xương - dây chằng. Luận văn cung cấp use case thực tế để các chuyên gia y tế xây dựng phác đồ luyện tập thụ động hoặc chủ động có kháng lực cho bệnh nhân sau phẫu thuật tái tạo dây chằng chéo và thoái hóa khớp.

Chuyên gia an toàn lao động và công thái học công nghiệp: Có cơ sở dữ liệu khoa học định lượng về sự phân bổ áp lực khi mang vác vật nặng từ 20kg đến 50kg, từ đó đánh giá tác động giảm tải cơ học của khung xương ngoài đối với sức khỏe cột sống và khớp gối người lao động. Tài liệu giúp tham mưu giải pháp trang bị thiết bị trợ lực cho công nhân bốc xếp hàng hóa tại cảng biển và nhà máy lắp ráp cơ khí.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên kỹ thuật cơ khí - tự động hóa: Khai thác nguồn tài liệu tham khảo toàn diện từ mô hình toán học Denavit-Hartenberg, tính toán độ bền chi tiết máy, công nghệ tạo mẫu nhanh composite UPE đến thuật toán điều khiển theo pha bước đi 4 Switch. Tài liệu là nền tảng giá trị cho việc triển khai các đồ án tốt nghiệp, luận văn thạc sĩ chuyên sâu về robot mô phỏng sinh học.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao không thể lắp trực tiếp một cơ cấu robot cứng song song với khớp gối sinh học? Khớp gối người có cấu tạo phức tạp gồm xương đùi, xương chày và sụn chêm, với tâm quay liên tục thay đổi chứ không cố định một chỗ. Nếu lắp cơ cấu cứng một trục quay cố định, sự lệch tâm sẽ tạo ra các momen cản lớn ép trực tiếp lên chi thể, gây đau đớn dữ dội và cản trở bước đi. Luận văn giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách tích hợp các bậc tự do thụ động để triệt tiêu toàn bộ lực ký sinh.

Cảm biến momen dạng lò xo xoắn ốc có ưu thế gì so với lò xo kéo trong hệ thống trợ lực? Cảm biến sử dụng lò xo xoắn ốc sở hữu đường đặc tính biến dạng góc và lực tiếp tuyến hoàn toàn tuyến tính, giúp duy trì độ ổn định tín hiệu cao khi đo đạc phản lực tương tác. Trong các thử nghiệm thực tế của luận văn, lò xo kéo thường xuất hiện sai số phi tuyến khi bước đi đổi hướng đột ngột, trong khi lò xo xoắn giúp vi điều khiển nhận diện chính xác momen lệch góc để điều khiển động cơ bám theo.

Vật liệu composite UPE mang lại lợi ích gì cho các chi tiết gá tiếp xúc ôm chân? Vật liệu composite nền nhựa nhiệt rắn polyester không no gia cường cốt sợi thủy tinh mang lại độ bền cơ học cao, độ dẻo vừa phải để dễ dàng đeo vào chân và giảm tới 45% trọng lượng so với kim loại. Khi kết hợp với 1% chất xúc tác MEKP, chi tiết đúc đạt độ ôm sát hoàn hảo theo biên dạng giải phẫu của chân, giúp mở rộng diện tích tiếp xúc và phân tán đều áp lực tì đè.

Thuật toán 4 Switch trên bàn chân nhận diện các pha chuyển động của bước đi như thế nào? Thuật toán phân tích trạng thái đóng ngắt của 4 cảm biến lực phân bố tại gót chân và mũi bàn chân để xác định chính xác từng pha trong chu kỳ bước đi. Khi bàn chân chạm đất ở pha chống đỡ, hệ thống sẽ điều khiển động cơ phát lực hỗ trợ nâng cơ thể; ngược lại, khi chân bước vào pha vung lăng tự do, hệ thống điều khiển động cơ bám theo sao cho momen tương tác tiệm cận mức 0 Nm.

Thiết bị của luận văn có điểm gì khác biệt nổi bật so với các bộ khung xương ngoài như XOS 2 hay HULC? Các bộ khung quân sự như XOS 2 hay HULC có cấu trúc toàn thân phức tạp, nặng từ 25 kg đến hơn 60 kg và tiêu thụ nguồn năng lượng lớn hàng nghìn watt. Luận văn tập trung chuyên biệt vào việc tối ưu hóa hỗ trợ khớp gối với kết cấu gọn nhẹ, chỉ sử dụng 1 động cơ dẫn động chính, chi phí chế tạo thấp và giải quyết triệt để bài toán bù sai lệch tâm sinh học cho các ứng dụng y tế thực tế.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công nguyên lý thiết kế bộ xương ngoài đẳng tĩnh hỗ trợ khớp gối thông qua việc tính toán và bố trí khoa học các bậc tự do thụ động trên hệ tọa độ Descartes.
  • Cơ cấu giải quyết triệt để bài toán không đồng trục giữa khớp cơ khí và khớp sinh học, loại bỏ hoàn toàn 100% momen cản ký sinh gây tổn thương cơ bắp.
  • Nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh các chi tiết gá ghép ôm chân bằng vật liệu composite UPE cốt sợi thủy tinh nhẹ, bền, có độ co ngót thấp từ 4% đến 8% và phân bổ đều áp lực cơ học.
  • Hệ thống điều khiển tích hợp cảm biến tải trọng loadcell và thuật toán 4 Switch nhận diện chính xác các pha vận động theo thời gian thực, đáp ứng linh hoạt giữa chế độ di chuyển tự do và chế độ trợ lực.
  • Công trình mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn to lớn trong việc nâng cao khả năng mang vác vật nặng từ 20kg đến 50kg cho người lao động và hỗ trợ phục hồi chức năng vận động cho bệnh nhân khớp gối.

Đóng góp khoa học lớn nhất của luận văn là hoàn thiện mô hình động thái học chuỗi kín người - máy, đặt nền móng lý thuyết và thực nghiệm vững chắc cho lĩnh vực nghiên cứu thiết bị bộ xương ngoài tại Việt Nam. Trong giai đoạn 2026 - 2028, nhóm nghiên cứu định hướng ứng dụng công nghệ quét 3D laser và in 3D sợi carbon, tích hợp trí tuệ nhân tạo nhận diện ý định bước đi và tiến hành thử nghiệm lâm sàng trên 50 bệnh nhân thoái hóa khớp gối. Các đơn vị nghiên cứu, chuyên gia cơ điện tử y sinh và doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế hãy cùng hợp tác, kết nối chuyển giao công nghệ để sớm thương mại hóa sản phẩm, mang lại giải pháp hỗ trợ vận động tối ưu cho cộng đồng.