MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hàng năm trên thế giới có hàng triệu người bị đột quỵ với độ tuổi ngày càng trẻ [1]. Theo Budhota (2021) [2], trong số những người sống sót sau đột quỵ thì có đến khoảng 40% bị hạn chế khả năng vận động chi trên. Những người này thường bị giảm phạm vi hoạt động của các khớp vai và khớp khuỷu tay.
Theo Cirstea (2000) [3], khớp khuỷu tay của người sau đột quỵ chỉ có phạm vi hoạt động trong khoảng 27,6 độ. Theo Reinkensmeyer (2001) [4], khớp khuỷu tay của người sau đột quỵ có phạm vi hoạt động khoảng 22,5 độ theo phương đứng và 20 độ theo phương ngang. Do phạm vi hoạt động bị hạn chế và lực nâng cơ tay giảm, người bị tai biến gặp rất nhiều khó khăn trong sinh hoạt hàng ngày. Để hỗ trợ cho người bị đột quỵ, gia đình bệnh nhân cần phải phân công người trợ giúp.
Điều này gây ra gánh nặng cho gia đình và xã hội. Để giúp người đột quỵ trong việc thực hiện các hoạt động hàng ngày, các nhà nghiên cứu đã phát triển các thiết bị hỗ trợ vận động và tập luyện phục hồi chức năng cho người bị yếu cơ. Hiện nay, thiết bị hỗ trợ vận động và tập luyện phục hồi chức năng cho người yếu cơ chi trên nhận được rất nhiều quan tâm [5, 6]. Để hỗ trợ hiệu quả cho bệnh nhân thực hiện các thao tác cầm, nâng, hạ các đồ vật, các thiết bị hỗ trợ vận động thường tích hợp thêm cơ cấu cân bằng.
Cơ cấu cân bằng được sử dụng nhằm loại bỏ hoặc giảm ảnh hưởng của trọng lực do khối lượng tạo ra. Điều này cho phép máy móc, thiết bị, tiêu hao ít năng lượng hơn trong quá trình vận hành. Để đáp ứng nhu cầu cân bằng trọng lực, các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều loại cơ cấu cân bằng khác nhau như: Cơ cấu cân bằng chủ động, cơ cấu cân bằng bị động, cơ cấu cân bằng sử dụng đối trọng, cơ cấu cân bằng sử dụng các chi tiết biến dạng đàn hồi, cơ cấu cân bằng kết hợp đối trọng và chi 1 tiết biến dạng đàn hồi. Phân loại theo tải trọng làm việc thay đổi, cơ cấu cân bằng được phân thành hai loại chính: (i) Cơ cấu không có khả năng điều chỉnh tải trọng và (ii) cơ cấu có khả năng điều chỉnh tải trọng.
Hiện nay, các cơ cấu cân bằng được phát triển và đưa vào ứng dụng thường sử dụng loại thứ nhất (cơ cấu không điều chỉnh). Trong trường hợp này, khi tải trọng làm việc thay đổi thì điều kiện cân bằng bị phá hủy. Trong thực tế, bệnh nhân bị đột quỵ hàng ngày phải thực hiện các hoạt động như ăn, uống, vệ sinh cá nhân. Họ phải nâng vật thể có khối lượng khác nhau.
Vì vậy, cơ cấu không có khả năng điều chỉnh tải trọng (i) là không phù hợp để lắp trên thiết bị hỗ trợ vận động chi trên. Để khắc phục nhược điểm của loại cân bằng (i), một số cơ cấu cân bằng cho phép điều chỉnh tải trọng (ii) đã được phát triển nhằm duy trì cân bằng khi thay đổi tải trọng làm việc. Cơ cấu cân bằng loại (ii) có ưu điểm nổi trội là chúng có thể đạt được cân bằng với các tải trọng khác nhau. Tuy nhiên, khi tải trọng thay đổi, việc điều chỉnh yêu cầu một nguồn năng lượng lớn.
Đây chính là nhược điểm của cơ cấu cân bằng loại (ii) khi sử dụng trong lĩnh vực phục hồi chức năng và hỗ trợ vận động cho người yếu cơ vì lực cơ bắp của bệnh nhân không đủ. Nếu phải sử dụng nguồn năng lượng từ bên ngoài như động cơ điện, khí nén, v. thì kết cấu phức tạp. Bên cạnh đó, nguồn năng lượng để vận hành có thể không đủ vì phải tiết kiệm cho các chức năng khác.
Để khắc phục việc điều chỉnh cần năng lượng, một số nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển các cơ cấu cân bằng trọng lực có khả năng điều chỉnh phi năng lượng (iii). Tuy nhiên, các cơ cấu cân bằng loại này có kết cấu khá phức tạp, công kềnh, không phù hợp để gắn lên xe lăn hay mang trên người. Nhằm khắc phục nhược điểm của cơ cấu cân bằng trọng lực (iii), một số nhà khoa học đã cố gắng phát triển các cơ cấu cân bằng có kết cấu nhỏ gọn bằng cách sử dụng cơ cấu mềm. Khác với cơ cấu truyền thống, cơ cấu mềm có một số ưu điểm nổi bật như: Kết cấu nhỏ gọn, chuyển động chính xác, không có ma 2 sát, dễ chế tạo, không cần bảo trì, v.
Mặc dù cơ cấu mềm có nhiều ưu điểm có thể dùng để phát triển các cơ cấu cân bằng trọng lực có kết cấu nhỏ gọn, nhưng đến nay vẫn chưa có nghiên cứu nào sử dụng cơ cấu mềm đề phát triển các cơ cấu cân bằng trọng lực cho phép điều tải trọng chỉnh phi năng lượng. Xuất phát từ động cơ này, tác giả đề xuất ứng dụng cơ cấu mềm để phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực có thể điều chỉnh tải trọng phi năng lượng. Cơ cấu cân bằng trọng lực được phát triển định hướng sử dụng cho thiết bị hỗ trợ vận động trong tương lai. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là phát triển một cơ cấu cân bằng mới, có kết cấu nhỏ gọn để có thể gắn lên thiết bị hỗ trợ vận động chi trên.
Cơ cấu cho phép điều chỉnh độ cứng của lò xo để duy trì trạng thái cân bằng khi tải trọng thay đổi. Phương pháp điều chỉnh không sử dụng năng lượng được áp dụng. Bên cạnh đó luận án cũng phát triển các quy trình thiết kế, tối ưu để thiết kế các cho tiết quan trọng trong cơ cấu cân bằng trọng lực. Nhiệm vụ nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm: - Thiết kế, phân tích cơ cấu cân bằng trọng lực có khả năng điều chỉnh tải trọng mà không cần năng lượng.
- Xây dựng các quy trình để thiết kế, phân tích và tối ưu cho các chi tiết đàn hồi (Lò xo phẳng và khớp xoay mềm). - Thiết kế, phân tích và tối ưu kích thước cho các chi tiết quan trọng trong cơ cấu cân bằng trọng lực (Lò xo phẳng và khớp xoay mềm). - Thí nghiệm khả năng cân bằng cho cơ cấu bằng trọng lực dùng lò xo phẳng và khớp xoay mềm. Phạm vi nghiên cứu Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cho thiết bị hỗ trợ vận động cho người yếu cơ cần có phạm vi làm việc phù hợp.
Theo Sirtea (2000) [3] và Reinkensmeyer (2001) [4], phạm vi hoạt động của khớp khuỷu tay của người bị đột quỵ có giới hạn nhỏ hơn 30 độ. Trong sinh hoạt hàng ngày, người bị đột quỵ cần phải thực hiện các hành động như ăn, uống, vệ sinh, v. Do đó, cơ cấu cân bằng phải cho phép điều chỉnh để duy trì cân bằng với các tải trọng khác nhau. Khi thực hiện các thao tác trong sinh hoạt hàng ngày, người bị đột quỵ chỉ mang hoặc nâng những vật có khối lượng nhỏ.
Vật thể được nâng có khối lượng không vượt quá 1 kg. Do đó trong nghiên cứu này, tác giả phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực hướng đến sử dụng cho thiết bị hỗ trợ chi trên với phạm vi nghiên cứu như sau: - Thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực bị động, một bậc tự do hướng đến sử dụng cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên. - Cơ cấu cân bằng trọng lực đạt được cân bằng trong phạm vi 0 đến 300. - Cơ cấu cân bằng trọng lực cho phép điều chỉnh tải trọng trong giới hạn từ 250 gr đến 1000 gr mà không cần sử dụng năng lượng.
- Cơ cấu cân bằng sử dụng khớp xoay mềm và lò xo phẳng. - Xây dựng quy trình để thiết kế, phân tích và tối ưu cho khớp xoay mềm và lò xo phẳng. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Hướng tiếp cận: Để thực hiện nghiên cứu này, tác giả sử dụng cách tiếp cận như sau: - Đầu tiên, phân tích các cơ cấu cân bằng hiện có. Xác định những ưu điểm và nhược điểm của các loại cơ cấu cân bằng để từ đó đưa ra hướng phát triển cơ cấu cân bằng có thể tích hợp vào thiết bị hỗ trợ vận động chi trên.
4 - Kế tiếp, phân tích, tính toán, thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực. Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu. - Sau đó, đề xuất các phương pháp để thiết kế, phân tích, mô hình hóa và tối ưu. - Cuối cùng, xây dựng mô hình, chế tạo, lắp ráp và thực nghiệm để đánh giá khả năng làm việc của cơ cấu cân bằng.
Phương pháp nghiên cứu: Để thực hiện luận án này, tác giả sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp kinh nghiệm và tham chiếu chuyên gia. - Phương pháp mô phỏng số. - Phương pháp thống kê qui hoạch thực nghiệm. - Phương pháp mô hình hóa giải tích và các phương pháp mô hình hóa thông minh dựa trên trí tuệ nhân tạo.
- Phương pháp tối ưu hóa. - Phương pháp thực nghiệm. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về cơ cấu cân bằng trọng lực cho phép điều chỉnh tải trọng mà không sử dụng năng lượng. Tuy nhiên, các cơ cấu được thiết kế trước đây chưa đáp ứng hoàn toàn cho yêu cầu của thiết bị hỗ trợ vận động cho người yếu cơ chi trên.
Thêm vào đó, kết cấu của cơ cấu cân bằng trọng lực kết hợp một lò xo phẳng và một khớp xoay mềm cũng chưa được thực hiện nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, khớp xoay mềm và lò xo phẳng là những chi tiết biến dạng đàn hồi trong cơ cấu mềm, một lĩnh vực cơ khí phi truyền thống. Hiện nay, việc phân tích, tổng hợp, mô hình hóa cho các loại chi tiết này vẫn còn rất nhiều khó khăn. Do đó, nghiên cứu này có các ý nghĩa như sau: 5 Về khoa học bao gồm: - Phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực có khả năng điều chỉnh tải trọng trong phạm vi từ 250 gr đến 1000 gr, phạm vi cân bằng từ 0 đến 30 độ, sử dụng kết hợp lò xo phẳng có thể điều chỉnh độ cứng bằng phương pháp không sử dụng năng lượng và khớp xoay mềm.
- Đề xuất cách tiếp cận mới áp dụng cho phân tích, thiết kế và tối ưu cho lò xo phẳng và khớp xoay mềm. - Chế tạo thành công mô hình cơ cấu cân bằng trọng lực có khả năng điều chỉnh tải trọng từ 250 gr đến 1000 gr, phạm vi cân bằng từ 0 đến 30 độ.