Đồ án HCMUTE: Thiết kế bộ khung xương chi dưới hỗ trợ người khuyết tật

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế chế tạo bộ khung xương chi dưới hỗ trợ người khuyết tật, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Sơn Khánh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Việt Thắng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo bộ khung xương chi dưới hỗ trợ người khuyết tật
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.1. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 2.1. TỔNG QUAN LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
• 2.2. MỘT SỐ THÀNH TỰU ĐÃ CÔNG BỐ
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC KHỚP
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế bộ khung xương chi dưới hỗ trợ người khuyết tật tại HCMUTE Tổng quan về đề tài

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo bộ khung xương chi dưới hỗ trợ người khuyết tật" tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) tập trung vào việc thiết kế bộ khung xương hỗ trợ vận động cho người khuyết tật vận động. Đề tài có tính cấp thiết cao bởi nhu cầu hỗ trợ người khuyết tật vận động tại Việt Nam rất lớn. Thiết kế hỗ trợ y tế này hướng đến việc phục hồi chức năng, nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật. Thiết kế công nghệ hỗ trợ sử dụng cơ cấu khung xương ngoài (Exoskeleton) nhằm hỗ trợ lực cho khớp gối và hông. Việc nghiên cứu thiết kế này đóng góp vào lĩnh vực kỹ thuật y sinh, cụ thể là ứng dụng công nghệ hỗ trợ người khuyết tật. Nghiên cứu trợ cụ này mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn. Đây là một giải pháp hỗ trợ người khuyết tật quan trọng.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và chế tạo bộ khung xương chi dưới để hỗ trợ người khuyết tật vận động. Thiết kế cơ khí tập trung vào việc đảm bảo độ bền, an toàn và khả năng hỗ trợ lực hiệu quả. Thiết kế phần mềm bao gồm thuật toán điều khiển chính xác, phù hợp với chuyển động của người sử dụng. Đồ án sử dụng vật liệu chế tạo khung xương thích hợp, cân nhắc các yếu tố trọng lượng và độ bền. Phần mềm thiết kế hỗ trợ như CAD được sử dụng để mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế. Mô hình 3D khung xương được xây dựng để trực quan hóa và đánh giá thiết kế. Đồ án cũng xem xét đến khía cạnh an toàn lao động cho người khuyết tật khi sử dụng thiết bị. Ứng dụng công nghệ trong y tế được thể hiện rõ nét trong đề tài này. Thiết kế thân thiện người khuyết tật là yếu tố được đặt lên hàng đầu.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Đồ án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu thiết kế dựa trên tài liệu tham khảo về khung xương chi dưới, người khuyết tật vận động, và kỹ thuật y sinh. Nghiên cứu trợ cụ bao gồm phân tích động học khớp, lựa chọn động cơ và vật liệu phù hợp. Phần mềm thiết kế hỗ trợ được sử dụng để tạo bản vẽ kỹ thuật và mô hình 3D. Chế tạo bộ khung xương trải qua quá trình thử nghiệm và điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu quả hỗ trợ. In 3D trợ cụ có thể được xem xét để chế tạo các bộ phận phức tạp. Vật liệu chế tạo khung xương được lựa chọn dựa trên các tiêu chí về độ bền, trọng lượng và chi phí. Khảo sát người khuyết tật tại TP.HCM giúp nhóm nghiên cứu hiểu rõ hơn nhu cầu và đặc điểm của đối tượng người dùng. Phục hồi chức năng là mục tiêu cuối cùng hướng đến.

II. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Đồ án đã thiết kế và chế tạo bộ khung xương chi dưới thành công, đáp ứng các yêu cầu về độ bền, an toàn và hiệu quả hỗ trợ. Thiết kế công nghệ hỗ trợ cho thấy sự kết hợp hài hòa giữa kiến thức lý thuyết và kỹ năng thực hành. Giải pháp hỗ trợ người khuyết tật này có khả năng hỗ trợ người khuyết tật vận động một cách hiệu quả. Thiết kế cơ khí được tối ưu hóa để đảm bảo trọng lượng nhẹ, dễ sử dụng và vận hành. Phần mềm điều khiển được lập trình để phản hồi chính xác các tín hiệu từ cảm biến, giúp người sử dụng kiểm soát chuyển động dễ dàng. Đồ án cũng đánh giá hiệu quả của thiết bị thông qua các thử nghiệm thực tế. Khớp nhân tạo và vật liệu sinh học có thể được xem xét trong các nghiên cứu tương lai.

2.1. Phân tích kết quả thử nghiệm

Kết quả thử nghiệm cho thấy bộ khung xương có khả năng hỗ trợ lực hiệu quả cho khớp gối và hông. Thiết kế hỗ trợ y tế này giảm thiểu đáng kể sức lực cần thiết cho việc đi lại. Thiết bị hỗ trợ lực giúp người khuyết tật vận động dễ dàng hơn. Cảm biến lực được tích hợp hoạt động chính xác, cung cấp dữ liệu phản hồi cho hệ thống điều khiển. Khớp nhân tạo trong thiết kế giúp chuyển động linh hoạt và tự nhiên hơn. Các thông số kỹ thuật của thiết bị đạt được yêu cầu đề ra. Phục hồi chức năng được hỗ trợ tối đa nhờ thiết kế này. An toàn lao động cho người khuyết tật được đảm bảo nhờ thiết kế an toàn và hệ thống điều khiển thông minh.

2.2. Giá trị và ứng dụng thực tiễn

Đồ án có giá trị khoa học cao, thể hiện sự ứng dụng thành công các kiến thức về cơ khí, điện tử và lập trình. Thiết kế bộ khung xương này mang lại giá trị thực tiễn to lớn, góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật. Nghiên cứu trợ cụ có thể được ứng dụng rộng rãi tại các bệnh viện, trung tâm phục hồi chức năng. Công nghệ hỗ trợ người khuyết tật được nâng cao nhờ đồ án này. Vật liệu chế tạo khung xương có thể được thay thế bằng các vật liệu tiên tiến hơn trong tương lai. Thiết kế thân thiện người khuyết tật tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng thiết bị. Đào tạo kỹ thuật y sinh có thể ứng dụng đồ án này làm tài liệu tham khảo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUNG XƯƠNG CHI DƯỚI HỖ TRỢ NGƯỜI KHUYẾT TẬT GVHD: ThS. NGUYỄN VIỆT THẮNG SVTH: NGUYỄN SƠN KHÁNH MSSV: 12146081 PHẠM VĂN LỘC MSSV: 12146102 ÂU DƯƠNG NGỌC MSSV: 12146122 S KL 0 0 4 7 7 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2016 do an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.

HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUNG XƢƠNG CHI DƢỚI HỖ TRỢ NGƢỜI KHUYẾT TẬT” Giảng viên hƣớng dẫn: TH.S NGUYỄN VIỆT THẮNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN SƠN KHÁNH 12146081 PHẠM VĂN LỘC 12146102 ÂU DƢƠNG NGỌC 12146122 Lớp: 121461 Khoá: 2012 - 2016 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2016 do an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUNG XƢƠNG CHI DƢỚI HỖ TRỢ NGƢỜI KHUYẾT TẬT” Giảng viên hƣớng dẫn: TH.S NGUYỄN VIỆT THẮNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN SƠN KHÁNH 12146081 PHẠM VĂN LỘC 12146102 ÂU DƢƠNG NGỌC 12146122 Lớp: 121461 Khoá: 2012 - 2016 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2016 do an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.

HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ môn Cơ Điện Tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: Th.s Nguyễn Việt Thắng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Sơn Khánh MSSV: 12146081 Phạm Văn Lộc MSSV: 12146102 Âu Dƣơng Ngọc MSSV: 12146122 1. Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUNG XƢƠNG CHI DƢỚI HỖ TRỢ NGƢỜI KHUYẾT TẬT 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:  Thiết bị bộ khung xƣơng ngoài đƣợc nghiên cứu và chế tạo trong và ngoài nƣớc.  Bài báo “Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực và mômen xoắn bằng đầu đo điện trở” trên Tạp Chí Cơ Khí Việt Nam – 2015.

 Thiết kế, chế tạo thiết bị theo chuẩn cơ thể của một thành viên trong nhóm. Nội dung chính của đồ án:  Thiết kế chi tiết phần cơ khí của thiết bị, với 4 động cơ để hỗ trợ lực cho các khớp.  Chế tạo và thử nghiệm cảm biến lực cho phép đo các thành phần lực tƣơng tác giữa thiết bị và cơ thể ngƣời sử dụng.  Tiến hành thử nghiệm điều khiển thiết bị và đánh giá hiệu quả hỗ trợ lực.

Sản phẩm dự kiến: Thiết bị khung xƣơng hỗ trợ ngƣời khuyết tật. Ngày giao đồ án: 26/03/2015 Ngày nộp đồ án: 27/07/2015 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i do an LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo bộ khung xƣơng chi dƣới hỗ trợ ngƣời khuyết tật.s Nguyễn Việt Thắng. - Họ tên sinh viên: Nguyễn Sơn Khánh 12146081 Lớp: 121461A Địa chỉ sinh viên: 3 Phan Bội Châu, Quận 9, Tp.HCM SĐT: [phone] Email: [e-mail] - Họ tên sinh viên: Phạm Văn Lộc 12146102 Lớp: 121461A Địa chỉ sinh viên: Đƣờng 20, Hoàng Diệu, Q.Thủ Đức, Tp.HCM SĐT: [phone] Email: [e-mail] - Họ tên sinh viên: Âu Dƣơng Ngọc 12146122 Lớp: 121461B Địa chỉ sinh viên: Điện Biên Phủ, Q. Bình Thạnh, Tp.Hcm SĐT: [phone] Email: [e-mail] - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 27/07/2016 - Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính nhóm nghiên cứu và thực hiện.

Nhóm không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 05 năm 2016 Ký tên ii do an LỜI CẢM ƠN  Để hoàn thành tốt đề tài này nhóm xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ trong suốt thời gian làm đề tài. Nhóm xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Cơ Khí Máy – Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kĩ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã chỉ dạy tận tình những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập.

Cảm ơn Nhà Trƣờng và bộ môn Cơ Điện Tử đã tạo mọi điều kiện cho quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn tập thể lớp Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử 1 (121461) đã giúp đỡ nhóm rất nhiều trong suốt quá trình học tập 4 năm tại trƣờng. Đặc biệt, nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Việt Thắng đã hƣớng dẫn nhóm tận tình, luôn động viên giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Cái Việt Anh Dũng đã tận tình hƣớng dẫn và đóng góp ý kiến để nhóm có thể hoàn thiện hơn đồ án của mình.

Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức mình, song chắc chắn đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em kính mong nhận đƣợc sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý Thầy Cô. <Sinh viên thực hiện> Nguyễn Sơn Khánh Phạm Văn Lộc Âu Dƣơng Ngọc iii do an TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUNG XƢƠNG CHI DƢỚI HỖ TRỢ NGƢỜI KHUYẾT TẬT Bộ khung xƣơng chi dƣới hỗ trợ ngƣời khuyết tật đƣợc thiết kế nhƣ bộ khung xƣơng ngoài (Exoskeleton) dùng để hỗ trợ lực cho khớp sinh học, với bốn động cơ đƣợc gắn trên lƣng để hỗ trợ khớp hông và gối. Thiết bị hỗ trợ lực và tạo độ cứng vững, bốn cảm biến cho phép đo các thành phần lực tƣơng tác giữa thiết bị và cơ thể ngƣời sử dụng, giúp bệnh nhân dễ dàng tập đi, rút ngắn thời gian phục hồi chức năng.

Thiết bị có khả năng nhận tín hiệu từ các chuyển động của ngƣời mặc, từ đó tính toán và xác định hƣớng di chuyển. Sau khi xử lý xong, bộ điều khiển sẽ truyền tín hiệu xuống cho bốn động cơ, động cơ sẽ di chuyển theo mong muốn của ngƣời. <Sinh viên thực hiện> Nguyễn Sơn Khánh Phạm Văn Lộc Âu Dƣơng Ngọc iv do an ABSTRACT DESIGN AND MANUFACTURE LOWER LIMB EXOSKELETON TO ASSIST DISABLED PEOPLE Lower limb exoskeleton assistting disabled people is designed as Exoskeleton use to assist force for biological joints, with four engines mounted to assist the hip and knee joint. The equipment assists force and generates stiffness, four sensors are used to measure interaction force components between the device and the user body, helping patients can walk easily, shortening the functional rehabilitation period.

The equipment is capable of receiving signals from people, then calculating and determining the direction of movement. When processing is complete, the controller will transmit the signal down to four motors that will operate according to the wishes of people. v do an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP. i LỜI CAM KẾT.

ii LỜI CẢM ƠN. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .2 CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI. TỔNG QUAN LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU. MỘT SỐ THÀNH TỰU ĐÃ CÔNG BỐ.

ĐỘNG HỌC KHỚP. CÁC KHÁI NIỆM CĂN BẢN VỀ DI CHUYỂN CỦA CƠ THỂ NGƢỜI. BẬC TỰ DO CỦA CƠ CẤU. Khớp cổ chân.

SƠ LƢỢC VỀ STRAIN GAGE. Một số tính chất vật lý của strain gage. Nguyên lý hoạt động của strain gage. Các yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả đo Strain gage.

Nguyên lí chế tạo cảm biến sự dụng strain gage. THIẾT KẾ - THI CÔNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM. THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHUNG XƢƠNG. Ý tƣởng thiết kế và các phƣơng án.

Các phƣơng án thiết kế cho thiết bị. Tính toán – chọn lựa động cơ.26 vi do an 4. Thiết kế và thi công cơ khí. Tính sức bền.

Giới thiệu về vật liệu composite. Thành phần cốt: Sợi thuỷ tinh. Vật liệu nền: Nhựa polyeste. Ứng dụng composite làm các ốp bảo vệ trong khung xƣơng.

THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN LỰC. Mạch cầu Wheatstone. Mạch khuếch đại và xử lý tín hiệu cho cảm biến lực, momen. Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A.

Mạch cầu H Sukitronics. Mạch xử lí trung tâm Arduino Mega2560. Mạch Arduino Nano đọc encoder, đọc giá trị cảm biến lực. Mạch giảm áp DC LM2596.

Mạch thu phát bluetooth HC-05. Công tắc hành trình .THIẾT KẾ LƢU ĐỒ - THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN. Đọc tín hiệu encoder. Kết quả thực nghiệm.

Đọc tín hiệu cảm biến. Lƣu đồ giải thuật đọc tín hiệu ADC. Lƣu đồ bộ lọc tín hiệu ADC. Kết quả thực nghiệm.

Lƣu đồ giải thuật điều khiển. Lƣu đồ giải thuật điều khiển tổng quát. Giao diện giám sát sử dụng phần mềm Visual studio. Giao diện kết nối serial port.

Giao diện giám sát. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ. Những kết quả đạt đƣợc.

Về thiết kế cơ khí. Về điều khiển. Những hạn chế còn tồn tại.73 vii do an 7. Hƣớng phát triển đề tài.75 TÀI LIỆU THAM KHẢO.78 viii do an MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Sơ đồ đơn giản dáng đi bộ của con ngƣời [3] .2 Những thiết bị hỗ trợ đầu tiên [4] .3 Bộ xƣơng ngoài của Việt Nam [5] .4“Iron-man” – đƣợc phát triển bởi Bộ Quốc Phòng Mỹ [6].7 Bộ trợ lực HAL [9] .1 Cấu trúc của khớp chuyển động tự do – Khớp gối .2 Các dạng khớp sinh học và khớp cơ học tƣơng đƣơng .3 Biểu diễn quy tắc lồi lõm .4 Cấu trúc của khớp gối .5 Pha trụ đơn cơ bản .6 Pha trụ đơn đứng trên mũi chân .7 Pha trụ đôi cơ bản .8 Pha trụ đôi mũi, gót chạm đất .9 Pha trụ đôi mũi, gót chạm đất .10 Chu kì bƣớc của con ngƣời .11 Thiết kế của cơ cấu .12 Thiết kế của khớp hông.13 Thiết kế khớp gối .14 Thiết kế khớp cổ chân .15 Hình ảnh thực tế của strain gage .16 Chiều dài dây dẫn thay đổi dƣới tác dụng của lực kéo .17 Cảm biến áp điện trở dạng dán .18 Strain gage và công thức tính .19 Sự thay đổi của strain gage khi có lực tác động .20 Biểu đồ ứng suất biến dạng của kim loại .1 Sơ đồ khối thiết kế phần cơ khí .2 Một thành viên trong nhóm .6 Tỷ lệ khối lƣợng và tỷ lệ trọng tâm của từng bộ phận trên cơ thể .8 Góc quay của khớp gối .9 Những bộ phận của khớp hông trong thiết kế .10 Hình ảnh khớp hông thực tế.11 Khớp gối trong thiết kế .12 Khớp gối thực tế sau khi gia công lắp ráp .13 Dây thắng và cấu tạo dây thắng .14 Bộ điều chỉnh dây .