Nghiên cứu thiết kế khớp mắt cá chân bằng cơ mềm cho người khuyết tật tại HCMUTE

Luận văn thạc sĩ phân tích hcmute nghiên cứu thiết kế chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ mềm cho người khuyết tật, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho

• 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: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.1.1. Các loại chân giả
• 1.1.1.1. Trong nước
• 1.1.1.2. Ngoài nước
• 1.1.2. Các loại bàn chân giả
• 1.1.2.1. Bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi
• 1.1.2.2. Bàn chân có khớp một trục
• 1.1.2.3. Bàn chân có khớp đa trục
• 1.1.2.4. Bàn chân Carbon
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và đối tượng nghiên cứu, giới hạn đề tài
• 1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.3.2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
• 1.3.3. Giới hạn của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Đường cong tham số Bezier
• 2.1.1. Biểu diễn đường cong Bezier
• 2.1.2. Các tính chất của đường cong Bezier
• 2.2. Lý thuyết cơ cấu mềm
• 2.2.1. Ưu nhược điểm
• 2.2.2. Một số cơ cấu mềm thông dụng
• 2.3. Giải thuật di truyền
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP
• 3.1. Yêu cầu đặt ra
• 3.2. Phương án thiết kế
• 3.3. Lựa chọn phương án
• 3.4. Cở sở lựa chọn vật liệu
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN
• 4.1. Nguyên lý hoạt động của khớp mắt cá chân
• 4.2. Tính toán tối ưu hóa
• 5. CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO - THỰC NGHIỆM
• 5.1. Thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về khớp mắt cá chân cho người khuyết tật

Khớp mắt cá chân là một phần quan trọng trong hệ thống chân giả cho người khuyết tật. Thiết kế khớp mắt cá chân bằng cơ mềm mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng. Các sản phẩm chân giả hiện tại thường gặp khó khăn trong việc duy trì tính linh hoạt và giảm thiểu chi phí sản xuất. Việc áp dụng cơ mềm trong thiết kế khớp mắt cá chân giúp cải thiện đáng kể khả năng vận động và cảm giác tự nhiên cho người khuyết tật. Theo nghiên cứu, việc sử dụng cơ mềm không chỉ giúp giảm chi phí chế tạo mà còn tăng cường tính năng phục hồi chức năng cho người sử dụng. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc cải thiện dáng đi và giảm áp lực lên mỏm cụt, khớp gối và khớp hông.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về khớp mắt cá chân cho người khuyết tật đã được thực hiện ở nhiều quốc gia. Các sản phẩm chân giả truyền thống như chân giả bằng gỗ, nhôm và composite đã được cải tiến qua nhiều năm. Tuy nhiên, các sản phẩm này vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm như trọng lượng nặng và độ bền kém. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ hỗ trợ và cơ cấu mềm có thể tạo ra những sản phẩm chân giả nhẹ hơn, linh hoạt hơn và dễ dàng sử dụng hơn. Một số sản phẩm mới như chân giả Proprio và C-Leg đã cho thấy những tiến bộ đáng kể trong việc cải thiện khả năng di chuyển cho người khuyết tật.

II. Thiết kế và chế tạo khớp mắt cá chân

Quá trình thiết kế khớp mắt cá chân bằng cơ mềm bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, việc xác định yêu cầu thiết kế là rất cần thiết. Các yếu tố như độ cứng, khả năng phục hồi và tính linh hoạt cần được xem xét kỹ lưỡng. Sử dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa hình dạng và kích thước của khớp mắt cá chân là một phương pháp hiệu quả. Phương pháp này cho phép tìm ra thiết kế tối ưu nhất, giúp giảm thiểu chi phí sản xuất và tăng cường hiệu suất sử dụng. Kết quả từ mô phỏng số cho thấy rằng khớp mắt cá chân có thể đạt được độ cứng và năng lượng lưu trữ tốt, từ đó cải thiện khả năng di chuyển cho người khuyết tật.

2.1. Phương pháp mô phỏng và kiểm nghiệm

Mô phỏng số là một phần không thể thiếu trong quá trình thiết kế khớp mắt cá chân. Sử dụng phần mềm như MATLAB và ABAQUS giúp phân tích ứng suất, biến dạng và năng lượng đàn hồi tích trữ trong khớp. Các thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân cũng được thực hiện để kiểm nghiệm tính hiệu quả của thiết kế. Kết quả cho thấy khớp mắt cá chân mới không chỉ đáp ứng được yêu cầu về chức năng mà còn mang lại cảm giác thoải mái cho người sử dụng. Việc giảm tiếng ồn và tăng độ chính xác trong chuyển động cũng là những điểm mạnh của thiết kế này.

III. Ứng dụng thực tiễn và giá trị của nghiên cứu

Nghiên cứu về thiết kế khớp mắt cá chân bằng cơ mềm không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn. Sản phẩm này có thể giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật, giúp họ di chuyển dễ dàng hơn và tự tin hơn trong cuộc sống hàng ngày. Việc giảm chi phí sản xuất và lắp ráp cũng là một yếu tố quan trọng, giúp sản phẩm dễ tiếp cận hơn với người sử dụng. Hơn nữa, nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho các sản phẩm chân giả trong tương lai, với khả năng tích trữ năng lượng và giảm áp lực lên các khớp, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng.

3.1. Tác động xã hội và kinh tế

Sự phát triển của khớp mắt cá chân bằng cơ mềm có thể tạo ra tác động tích cực đến xã hội và kinh tế. Việc cung cấp sản phẩm chân giả chất lượng cao với giá thành hợp lý sẽ giúp nhiều người khuyết tật có cơ hội tiếp cận với công nghệ hiện đại. Điều này không chỉ giúp họ cải thiện khả năng di chuyển mà còn tạo điều kiện cho họ tham gia vào các hoạt động xã hội, nâng cao chất lượng cuộc sống. Hơn nữa, việc phát triển công nghệ này cũng có thể tạo ra nhiều cơ hội việc làm trong ngành công nghiệp chế tạo thiết bị y tế.

Nội dung chính

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.

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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van TÓM TẮT Luận văn này tập trung nghiên cứu một loại khớp mắt cá chân giả mới bằng cơ cấu mềm dùng cho người khuyết tật.

Mặc dù các sản phẩm chân giả đàn hồi đang được thương mại rộng rãi trên thị trường, các sản phẩn này vẫn chưa thực sự tận dụng triệt để các ưu điểm của nhóm cơ cấu mềm. Các thiết kế trong nghiên cứu này sẽ giúp giảm chi phí chế tạo và lắp ráp nhưng vẫn duy trì sự linh hoạt của chân giả như chân thật đây là đặc điểm quan trọng để cải thiện dáng đi cho người khuyết tật. Tác giả đã xây dựng một giải thuật tối ưu hóa hình dạng và kích thước dựa trên thuật toán di truyền và mô phỏng số để tìm ra thiết kế phù hợp. Sản phẩm mẫu có độ cứng, năng lượng lưu trữ và biến dạng được điều chỉnh dễ dàng với các phương pháp thiết kế đã đề xuất.

Kết quả nghiên cứu này tác giả đã chế tạo và kiểm nghiệm thành công. Từ khoá: Cơ cấu mềm, chân giả, lưu trữ năng lượng đàn hồi, cụt, dáng đi. Trang v Luan van ABSTRACT A new type of compliant prosthetic ankle-foot for amputee is developed. While current elastic energy storage and return feet have been widely commercialized, those designs still haven’t fully taken advantage of compliant mechanisms.

The design in this research would help to reduce the fabrication and assembly cost but still preserves the flexibility which is the key characteristic to improve amputee gait. A shape and size optimization scheme via genetic algorithm and finite element method is undertaken to design the device. Model stiffness and levels of energy stored, deformation could be easily regulated with the proposed design methodology. In order to confirm the effectiveness of the device, prototypes of the device are fabricated using a simple milling process and are successfully validated by experiments.

The ease of fabrication possibilities for this monolithic design is another benefit over some current commercial products which require for troublesome assembly procedures. KEYWORDS: compliant mechanism, prosthetic foot, elastic energy storage, amputee, gait. Trang vi Luan van 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. 14 Trang vii Luan van 2.2 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 Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ESAR : Elastic energy storage and return FEM: Finite Element Method: Phần tử hữu hạn FF: Foot Flat HO: Heel Only POM: Polyoxymethylene TO: Toe Only Trang ix Luan van DANH MỤC CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi .2: Bàn chân có khớp một trục.3: Bàn chân có khớp đa trục.4: Bàn chân Cacbon .1: Các dạng đường Bezier .2: Đồ thị hàm cơ sở của đường cong Bezier bậc ba .3: Một số cơ cấu cứng truyền thống (a) cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền, (b) cơ cấu kìm cộng lực.4: Kìm cộng lực bằng cơ cấu mềm .5: Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro .6: Hình ảnh “quả bóng trên đỉnh đồi” mô phỏng cho nguyên lý cơ cấu song ổn định.7: Một dạng cơ cấu mềm song ổn định (a) vị trí ổn định ban đầu, (b) vị trí ổn định thứ hai .8: Một thế hệ mới được hình thành qua pha chọn lọc và pha tái tổ hợp .1: Mô hình khớp mắt cá chân bằng các chi tiết lắp ráp .2: Khớp mắt cá chân giả nguyên khối bằng vật liệu đàn hồi .1: Chân giả cụt dưới gối .2: Các giai đoạn chính trong một chu kỳ bước đi với bàn chân đàn hồi (ESAR).3: (a) Một sơ đồ cơ cấu mềm mắt cá chân, (b) Kích thước rằng buộc đối với không gian thiết kế.4: Mô hình lưới phần tử dạng thanh sử dụng trong FEM.5: Đồ thị phân bố dân số của nhiều thế hệ trong quá trình tối ưu hóa. 38 Trang x Luan van Hình 4.6: Mô phỏng ba trường hợp: Chạm gót (a),Tiếp xúc bàn (b) và Nhấc mũi(c).7: Đồ thị biểu diễn lực, biến dạng, độ cứng của Tiếp xúc bàn, Chạm gót và Nhấc mũi.8: Đồ thị biểu diễn năng lượng và biến dạng của Chạm gót (a), Tiếp xúc bàn (b), Nhấc mũi (c).1: Bản vẽ thiết kế 2D bằng AUTOCAD.2: Bản vẽ thiết kế 3D bằng Inventer .3: Sản phẩm thu được khi gia công trên máy phay CNC.4: Mô hình kết nối với núm liên kết .5: Quy trình chế tạo vỏ chân giả.6: Sản phẩm chân giả hoàn thiện, các chi tiết đã được lắp ráp với nhau .7: Mô hình gá đặt khớp mắt cá chân giả vào máy trong thực nghiệm .8: Mô hình gá đặt khớp mắt cá chân giả vào máy có gia tải .9: Đồ thị quan hệ giữa khối lượng và biến dạng. 52 Trang xi Luan van DANH MỤC CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1: Giá trị tối ưu của các biến thiết kế………………………………………………….37 Trang xii Luan van 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.