Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính, hiện nay có khoảng hàng triệu người khuyết tật cần sử dụng chân giả để cải thiện khả năng vận động và chất lượng cuộc sống. Tuy nhiên, các sản phẩm chân giả hiện có trên thị trường vẫn tồn tại nhiều hạn chế như trọng lượng nặng, chi phí cao, độ cứng không linh hoạt và quy trình lắp ráp phức tạp. Đặc biệt, các loại chân giả sử dụng cơ cấu cứng truyền thống chưa tận dụng triệt để ưu điểm của cơ cấu mềm trong việc tích trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi, ảnh hưởng đến dáng đi tự nhiên và thoải mái của người dùng.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khớp mắt cá chân giả bằng cơ cấu mềm cho người khuyết tật, nhằm mục tiêu cải thiện dáng đi, giảm chi phí sản xuất và tăng tính tiện dụng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế khớp mắt cá chân nguyên khối bằng vật liệu Polyoxymethylene (POM), áp dụng giải thuật di truyền và mô phỏng phần tử hữu hạn để tối ưu hóa hình dạng và kích thước. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2011 đến 2013 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm trọng lượng sản phẩm, tiết kiệm vật liệu, giảm chi phí lắp ráp và bảo dưỡng, đồng thời nâng cao hiệu quả vận động cho người khuyết tật. Các chỉ số như độ cứng thiết kế đạt khoảng 175 N/mm, sức chịu tải trung bình 80 kg với hệ số an toàn 1,5, góp phần tạo ra sản phẩm chân giả có tính ứng dụng cao trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba nền tảng lý thuyết chính:

  1. Đường cong tham số Bézier: Đây là công cụ toán học dùng để mô tả hình dạng các khâu mềm trong khớp mắt cá chân giả. Đường cong Bézier bậc ba với 4 điểm điều khiển được sử dụng để thiết kế biên dạng các thanh đàn hồi, đảm bảo tính liên tục và thẩm mỹ cao. Các hàm cơ sở Bernstein giúp điều chỉnh hình dạng đường cong một cách linh hoạt.

  2. Lý thuyết cơ cấu mềm (Compliant Mechanism): Cơ cấu mềm thực hiện chuyển động thông qua biến dạng đàn hồi của các khâu mềm, thay vì các khớp động học truyền thống. Ưu điểm của cơ cấu mềm là giảm chi phí sản xuất, tăng độ chính xác, giảm mài mòn và không cần bảo dưỡng. Cơ cấu mềm còn có khả năng thu nhỏ kích thước và tích trữ năng lượng đàn hồi hiệu quả.

  3. Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm): Đây là phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý tiến hóa sinh học, được sử dụng để tìm ra hình dạng và kích thước tối ưu của các khâu mềm trong khớp mắt cá chân. Giải thuật này bao gồm các bước tạo quần thể, đánh giá mức độ thích nghi, lựa chọn, lai ghép và đột biến nhằm cải thiện dần các cá thể thiết kế qua các thế hệ.

Các khái niệm chính bao gồm: điểm điều khiển Bézier, năng lượng đàn hồi tích trữ, biến dạng cơ cấu mềm, hàm thích nghi trong giải thuật di truyền và mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mô phỏng số và thử nghiệm thực tế trên mẫu khớp mắt cá chân giả chế tạo bằng vật liệu POM. Cỡ mẫu thử nghiệm bao gồm các mẫu nguyên khối được gia công trên máy CNC và kiểm nghiệm trên bệnh nhân cụt chi dưới.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Mô phỏng số: Sử dụng phần mềm MATLAB để xây dựng đường cong Bézier và giải thuật di truyền, kết hợp với phần mềm ABAQUS để mô phỏng trường ứng suất, biến dạng và năng lượng đàn hồi trong khớp mắt cá chân giả.

  • Tối ưu hóa thiết kế: Áp dụng giải thuật di truyền để tìm ra bộ biến thiết kế gồm 29 biến điều khiển vị trí các điểm điều khiển Bézier, nhằm đạt được độ cứng mục tiêu 175 N/mm và đảm bảo ứng suất không vượt quá 76 MPa.

  • Thử nghiệm thực nghiệm: Chế tạo mẫu khớp mắt cá chân giả nguyên khối bằng vật liệu POM trên máy phay CNC, tiến hành đo độ cứng, biến dạng và kiểm nghiệm trên bệnh nhân để đánh giá hiệu quả vận động.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2011 đến 2013, với các giai đoạn chính gồm nghiên cứu lý thuyết, thiết kế mô hình, mô phỏng tối ưu, chế tạo mẫu và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế khớp mắt cá chân nguyên khối bằng cơ cấu mềm: Sản phẩm được thiết kế với ba thanh đàn hồi có biên dạng đường cong Bézier, làm bằng vật liệu POM. Mẫu khớp có độ cứng đạt khoảng 175 N/mm, phù hợp với tải trọng trung bình 80 kg và hệ số an toàn 1,5.

  2. Tối ưu hóa hình dạng bằng giải thuật di truyền: Quá trình tối ưu hóa qua nhiều thế hệ cho thấy sự cải thiện rõ rệt về phân bố ứng suất và biến dạng, giảm thiểu các vùng tập trung ứng suất. Đồ thị phân bố dân số trong quá trình tối ưu hóa minh họa sự hội tụ của giải thuật.

  3. Hiệu quả tích trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi: Mô phỏng FEM cho thấy khớp mắt cá chân giả có khả năng tích trữ năng lượng đàn hồi lớn ở giai đoạn tiếp xúc bàn chân với mặt đất, hỗ trợ đẩy bàn chân lên trong chu kỳ bước đi. Năng lượng tích trữ và biến dạng được điều chỉnh dễ dàng thông qua thiết kế.

  4. Thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân: Mẫu khớp mắt cá chân giả nguyên khối được gia công và lắp đặt thành công, kiểm nghiệm cho thấy giảm tiếng ồn, giảm áp lực lên mỏm cụt và cải thiện dáng đi nhẹ nhàng, tự nhiên hơn so với các loại chân giả truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của thiết kế khớp mắt cá chân giả này là do tận dụng triệt để ưu điểm của cơ cấu mềm, giảm số chi tiết lắp ráp, loại bỏ độ rơ và mài mòn giữa các khớp nối. So với các nghiên cứu trước đây về chân giả hợp kim nhôm hoặc composite cacbon, sản phẩm này có trọng lượng nhẹ hơn, chi phí thấp hơn và dễ gia công hơn.

Kết quả mô phỏng và thử nghiệm thực tế phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về cơ cấu mềm trong thiết kế chân giả, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng giải thuật di truyền trong tối ưu hóa hình dạng cơ cấu mềm. Biểu đồ lực, biến dạng và năng lượng đàn hồi minh họa rõ ràng sự phân bố tải trọng và hiệu quả tích trữ năng lượng trong từng giai đoạn của chu kỳ bước đi.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc cải thiện chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật mà còn góp phần phát triển công nghệ chế tạo máy trong lĩnh vực y sinh, mở ra hướng đi mới cho các sản phẩm chân giả phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi khớp mắt cá chân nguyên khối bằng cơ cấu mềm: Khuyến nghị các cơ sở y tế và trung tâm chỉnh hình áp dụng thiết kế này để giảm chi phí và nâng cao hiệu quả phục hồi chức năng cho người khuyết tật trong vòng 2 năm tới.

  2. Phát triển thêm các phiên bản tùy chỉnh theo yêu cầu bệnh nhân: Tăng cường nghiên cứu để điều chỉnh độ cứng và kích thước khớp mắt cá chân phù hợp với từng đối tượng sử dụng, nhằm tối ưu hóa dáng đi và sự thoải mái, dự kiến hoàn thành trong 3 năm.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên và nâng cao năng lực gia công CNC: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế và chế tạo khớp mắt cá chân giả nguyên khối cho đội ngũ kỹ thuật viên, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cơ cấu mềm cho các loại chân giả khác: Khuyến khích các nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển cơ cấu mềm cho khớp gối và các bộ phận khác của chân giả, nhằm hoàn thiện hệ thống chân giả toàn diện, dự kiến trong 5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ chế tạo máy: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế cơ cấu mềm, ứng dụng giải thuật di truyền và mô phỏng phần tử hữu hạn, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Kỹ thuật viên và chuyên gia chỉnh hình phục hồi chức năng: Tham khảo để áp dụng thiết kế khớp mắt cá chân giả nguyên khối, nâng cao hiệu quả phục hồi và giảm chi phí sản xuất, đồng thời cải thiện trải nghiệm người dùng.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế và chân giả: Tận dụng các giải pháp thiết kế đơn giản, dễ gia công và lắp ráp để phát triển sản phẩm mới phù hợp với thị trường trong nước và khu vực.

  4. Người khuyết tật và các tổ chức hỗ trợ người khuyết tật: Hiểu rõ về công nghệ và lợi ích của khớp mắt cá chân giả cơ cấu mềm, từ đó lựa chọn sản phẩm phù hợp và vận động chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ trong lĩnh vực này.

Câu hỏi thường gặp

  1. Khớp mắt cá chân giả bằng cơ cấu mềm có ưu điểm gì so với cơ cấu cứng?
    Khớp cơ cấu mềm giảm số chi tiết lắp ráp, tăng độ chính xác, giảm mài mòn và tiếng ồn, đồng thời tích trữ năng lượng đàn hồi giúp dáng đi tự nhiên và thoải mái hơn.

  2. Vật liệu POM có phù hợp để chế tạo khớp mắt cá chân giả không?
    POM có tính đàn hồi cao, nhẹ, dễ gia công, không dẫn điện và không bị ăn mòn, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế trong sản xuất chân giả nguyên khối.

  3. Giải thuật di truyền được áp dụng như thế nào trong thiết kế?
    Giải thuật di truyền tối ưu hóa hình dạng đường cong Bézier của các khâu mềm bằng cách chọn lọc, lai ghép và đột biến các biến thiết kế để đạt độ cứng và ứng suất mục tiêu.

  4. Khả năng tích trữ năng lượng đàn hồi của khớp mắt cá chân giả ảnh hưởng thế nào đến dáng đi?
    Năng lượng đàn hồi tích trữ trong giai đoạn tiếp xúc bàn chân giúp hỗ trợ đẩy chân lên trong chu kỳ bước đi, giảm tiêu hao năng lượng và tạo cảm giác nhẹ nhàng cho người sử dụng.

  5. Quy trình chế tạo khớp mắt cá chân giả nguyên khối có phức tạp không?
    Quy trình sử dụng máy phay CNC để gia công nguyên khối, đơn giản hơn nhiều so với các loại chân giả lắp ráp nhiều chi tiết, giúp giảm chi phí và thời gian sản xuất.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công khớp mắt cá chân giả nguyên khối bằng cơ cấu mềm với vật liệu POM, đạt độ cứng khoảng 175 N/mm và chịu tải trung bình 80 kg.
  • Áp dụng giải thuật di truyền kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn để tối ưu hóa hình dạng và kích thước các khâu mềm, đảm bảo phân bố ứng suất hợp lý và hiệu quả tích trữ năng lượng.
  • Thử nghiệm thực tế cho thấy sản phẩm giảm tiếng ồn, giảm áp lực lên mỏm cụt và cải thiện dáng đi nhẹ nhàng, tự nhiên cho người khuyết tật.
  • Giải pháp thiết kế đơn giản, dễ gia công và lắp ráp, phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật tại Việt Nam.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng cơ cấu mềm cho các bộ phận chân giả khác, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên để nâng cao chất lượng sản phẩm.

Tiếp theo, cần triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô lớn và khảo sát hiệu quả sử dụng lâu dài trên người khuyết tật. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và chuyên gia trong lĩnh vực cùng hợp tác phát triển công nghệ chân giả cơ cấu mềm nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật.