GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, đặc biệt trong nghiên cứu và chế tạo sản phẩm nâng cao sức khỏe, nhiều thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay đã ra đời Các loại máy và thiết bị phục hồi chức năng hiện có giúp con người nhanh chóng hồi phục các bộ phận trên cơ thể, mang lại hiệu quả tốt nhất trong quá trình phục hồi sức khỏe.
Hiện nay, số lượng tai biến dẫn đến co rút xương khớp, đặc biệt là ở cơ khớp bàn tay, ngày càng gia tăng tại Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới Tỉ lệ người cần phục hồi chức năng bàn tay cũng tăng cao, ảnh hưởng lớn đến công việc và sinh hoạt hàng ngày Chăm sóc sức khỏe luôn là một trong những vấn đề hàng đầu được xã hội quan tâm Do đó, thiết bị phục hồi chức năng bàn tay đóng góp một phần quan trọng vào việc nâng cao sức khỏe cộng đồng.
Hòa nhập với sự phát triển của khoa học và công nghệ, nhiều máy móc ngày càng được phát triển để thay thế sức lao động của con người và cải thiện chất lượng cuộc sống Trong đó, "thiết bị phục hồi chức năng bàn tay" là sản phẩm ứng dụng kiến thức kỹ thuật mà sinh viên Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã học, qua đó giúp sinh viên ôn lại kiến thức và hiểu rõ hơn về tầm quan trọng của giáo dục trong việc ứng dụng vào thực tiễn.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Giúp đỡ bệnh nhân phục hồi chức năng khớp bàn tay một cách nhanh chóng và hiệu quả, nâng cao sức khỏe Hỗ trợ bác sĩ trong việc xây dựng phác đồ điều trị tối ưu nhất.
Áp dụng kiến thức khoa học cá nhân để đạt được mục tiêu và sử dụng kết quả nghiên cứu nhằm hỗ trợ cộng đồng và xã hội, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của xã hội.
- Đóng góp công trình nghiên cứu cho việc phục hồi và tập luyện chức năng bàn tay ở
Việt Nam Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Tính toán, thiết kế và mô phỏng hoạt động cho “Máy thiết bị phục hồi chức năng bàn tay” sử dụng phần mềm SolidWorks
- Tính toán và lựa chọn các thiết bị, mạch, nguyên liệu chế tạo, lắp ráp cho máy có cơ cấu cơ khí đơn giản và hoạt động hiệu quả
- Tạo giao diện điều khiển cho máy sao cho dễ điều khiển và hiệu quả
- Lập trình hoạt động cho máy
- Kiểm tra và thử nghiệm hoạt động
- Xin tư vấn về vấn đề trị liệu của Bác sĩ trị liệu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Các vi điều khiển Arduino atmega 2560
- Giải thuật tìm thông số hàm truyền động cơ, khối PI điều khiển vận tốc của động cơ
- Cchương trình tạo C-form bằng
- Động cơ DC servo, động cơ bước, các cơ cấu truyền động
- Mạch PID vị trí dò tay và tự động, mạch cảm biến, mạch driver động cơ bước.v v
- Phần mềm thiết kế kỹ thuật SolidWork 2014
- Phần mềm thiết mạch điện Proteus
- Nghiên cứu và thiết kế thiết bị phục hồi chức năng bàn tay theo các góc quay định trước
- Thiết kế bài tập mẫu và bài tập có thể được thiết kế nhanh và đơn giản
- Thiết bị phục hồi chức năng được thực hiện trong nhà, dưới sự giám sát của các thành viên trong nhóm
- Thời gian hoàn thành thiết bị là 4 tháng Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận
Nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành tìm hiểu các tài liệu liên quan đến máy vật lý trị liệu, bao gồm thiết kế cơ khí, điện tử, tài liệu về PID, điều khiển servo, nguyên lý chi tiết máy, và datasheet của các IC được sử dụng trong đề tài.
Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các đồ án và thiết kế mạch đã được thi công và sử dụng ổn định, cùng với sự tư vấn trực tiếp từ giảng viên chuyên ngành của Bộ môn Cơ điện tử.
Phương pháp thực nghiệm kết hợp với thử và sửa sai là cách tiếp cận hiệu quả trong việc tối ưu hóa mạch điện, thông qua việc thử nghiệm trên test board và tính toán giải tích Quá trình này không chỉ giúp rút ra giải pháp mạch tốt nhất mà còn xác định góc lệch và hướng đi cho Robot, dựa trên lý thuyết và dữ liệu thực tế từ các thử nghiệm trước đó.
Áp dụng kiến thức đã học, nhóm nghiên cứu đã thực hiện lần lượt các phương pháp nghiên cứu khoa học và phương pháp luận để đạt được kết quả hiệu quả.
Phân tích, nghiên cứu từ các máy vật lí trị liệu sẵn có trên thị trường và sách báo trong và ngoài nước:
- Lên kế hoạch và hoạch định hướng phát triển cho đồ án
- Tính toán, phân tích lực, moment….và thiết kế
- Tiến hành thực hiện đồ án
- Đánh giá và nhận xét kết quả
Ngoài ra, nhóm còn nghiên cứu cấu trúc thần kinh cồ tay và giải phẩu học khớp tay
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Nhóm đã áp dụng toàn bộ kiến thức tích lũy từ giảng đường đại học, kết hợp với việc tự nghiên cứu và sử dụng các phương tiện hỗ trợ để hoàn thành đồ án một cách hiệu quả.
Đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay được xây dựng dựa trên việc tham khảo đa dạng nguồn tài liệu, bao gồm các đồ án từ các khóa học trước, tài liệu viết tay của sinh viên quốc tế, tài liệu trực tuyến, và sự tư vấn trực tiếp từ các giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện tử.
Để phát triển hiểu biết về động cơ DC, cần nghiên cứu các tài liệu liên quan, xây dựng hàm truyền cho động cơ, áp dụng thuật toán PI để điều khiển vận tốc, và tham khảo datasheet của các IC hoặc mạch đã được sử dụng.
Phương pháp quan sát là một kỹ thuật quan trọng trong việc phân tích động cơ, dựa trên các hiện tượng và biên dạng đồ thị từ động cơ, cũng như biên dạng xung từ máy hiện sóng Thông qua việc quan sát các hiện tượng trong quá trình khởi động và thực hiện bài tập của máy, chúng ta có thể rút ra những kết luận cần thiết để cải tiến hiệu suất hoặc phát hiện lỗi sai.
Phương pháp phân tích được thực hiện bằng cách so sánh các kết quả thực nghiệm với yêu cầu đã đề ra Qua đó, chúng ta có thể rút ra kết luận về những vấn đề đã được giải quyết và những vấn đề còn tồn đọng, đồng thời đưa ra các biện pháp khắc phục hiệu quả.
Phương pháp lập kế hoạch hiệu quả bao gồm việc xây dựng kế hoạch chi tiết cho từng công việc, đặt ra các mục tiêu nhỏ cần đạt được và xác định thời gian hoàn thành Cần dự trù các phương án dự phòng, tính toán chi phí thời gian cho từng phương án, đồng thời báo cáo tiến độ thường xuyên Việc nhận diện những khó khăn và tìm ra cách giải quyết kịp thời cũng là yếu tố quan trọng trong quá trình lập kế hoạch.
- Sử dụng SolidWorks trong việc thiết kế mô hình 3D cùng với việc xuất bản vẽ 2D phục vụ cho việc gia công cơ khí
- Sử dụng công nghệ laser để gia công cơ khí cho đồ án
- Dùng giao diện và ngôn ngữ C++ hỗ trợ điều khiển động cơ và giám sát hoạt động
- Lập trình dùng Aduino 2560 điều khiển động cơ
Kết cấu của ĐATN
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương 4: Thiết kế cơ khí
Chương 6: Giải thuật điều khiển và lập trình cho máy
Chương 7: Thực nghiệm và kết quả thực tế
Chương 8: Kết luận và hướng phát triển Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu sơ lược
2.1.1 Khái niệm vật lí trị liệu
Vật lý trị liệu là phương pháp hiệu quả trong việc phòng ngừa và điều trị bệnh thông qua việc sử dụng các tác nhân vật lý tự nhiên và nhân tạo Các tác nhân này bao gồm nước, không khí, nhiệt độ, khí hậu, độ cao, điện, tia X, tia cực tím, tia hồng ngoại, siêu âm, chất đồng vị phóng xạ, cùng với các kỹ thuật như xoa bóp, thể dục thể thao, đi bộ và dưỡng sinh.
Vật lý trị liệu, theo từ điển Oxford, là phương pháp điều trị bệnh, tổn thương và thương tật bằng các phương tiện vật lý như xoa bóp, nhiệt độ và vận động, thay vì sử dụng thuốc và phẫu thuật Từ điển Merriam-Webster cũng định nghĩa vật lý trị liệu là việc điều trị bệnh, tổn thương hoặc tàn tật thông qua các công cụ vật lý hoặc cơ học như xoa bóp, vận động, nước, ánh sáng, nhiệt và điện.
Đến đầu thế kỷ XXI, vật lý trị liệu vẫn chưa phát triển và được công nhận như mong muốn ngay cả ở các nước phát triển Nguyên nhân chính là sự thiếu đồng thuận về khái niệm và nội dung của vật lý trị liệu trong giới chuyên môn và quản lý Tại Mỹ, mặc dù là quốc gia tiên phong trong lĩnh vực này, mỗi tiểu bang có quan niệm riêng về nội dung học thuật và quản lý, nhưng đến năm 2009, Hội vật lý trị liệu Mỹ (APTA) mới đưa ra định nghĩa và phân loại chuyên ngành dựa trên quan điểm của Hội liên hiệp vật lý trị liệu thế giới (WCPT).
Vật lý trị liệu, theo định nghĩa của Hội vật lý trị liệu Anh CSP vào năm 2002, là một chuyên ngành y tế tập trung vào chức năng và vận động của con người nhằm tối ưu hóa tiềm năng sức khỏe Nó sử dụng các phương pháp vật lý để khuyến khích, duy trì và phục hồi sức khỏe thể chất, tâm lý và xã hội, đồng thời chú ý đến sự thay đổi trong tình trạng sức khỏe Ngành này dựa trên cơ sở khoa học, với mục tiêu mở rộng, áp dụng, đánh giá và tổng kết các bằng chứng để hỗ trợ cho ứng dụng thực tiễn và hoạt động triển khai, đặc biệt trong lĩnh vực vận động liệu pháp và thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Page 6 về lâm sàng và sự giải đoán giầu tính thông tin là thành phần cốt lõi của vật lý trị liệu Bên cạnh đó, CSP cũng phân loại các phương pháp can thiệp, như vận động liệu pháp, các tác nhân điện vật lý, trị liệu bằng tay và giáo dục sức khỏe Tuy nhiên hiện định nghĩa này không còn được CSP sử dụng
Theo Hội vật lý trị liệu Nam Phi (SASP), vật lý trị liệu tập trung vào việc đánh giá, điều trị và phòng ngừa các rối loạn vận động nhằm khôi phục chức năng bình thường và giảm thiểu đau đớn cho cả người lớn và trẻ em Các nhà vật lý trị liệu sử dụng nhiều phương pháp điều trị như di động, kéo nắn, xoa bóp, và các chương trình vận động cá nhân hóa để tăng cường sức khỏe cộng đồng và giúp bệnh nhân đạt được sự độc lập tối đa trong cuộc sống Đến năm 2007, Hội liên hiệp vật lý trị liệu thế giới (WCPT) đã khẳng định rằng vật lý trị liệu là một chuyên ngành y tế quan trọng, cung cấp dịch vụ nhằm phát triển, duy trì và phục hồi khả năng vận động trong suốt cuộc đời, đặc biệt là trong bối cảnh các yếu tố như tuổi tác, tổn thương và bệnh tật có thể ảnh hưởng đến chức năng vận động.
Tất cả các bệnh lý viêm không do nhiễm khuẩn đều có thể được điều trị bằng phương pháp vật lý, có thể sử dụng đơn lẻ hoặc kết hợp với thuốc Tại khoa, các kỹ thuật vật lý được áp dụng bao gồm sóng ngắn, sóng cực ngắn, siêu âm điều trị, siêu âm dẫn thuốc, điện một chiều đều (Galvanic), điện di ion thuốc, điện xung và paraffin.
WCPT không chỉ chú trọng đến các tiêu chí kiểm tra, đánh giá và lượng giá mà còn phân loại các phương pháp điều trị Vật lý trị liệu bao gồm nhiều loại hình can thiệp khác nhau, không giới hạn trong các phương pháp cụ thể.
1 Điều phối, truyền thông và tư liệu hóa Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
4 Rèn luyện chức năng trong tự chăm sóc và tập luyện tại nhà
5.Rèn luyện chức năng tại nơi làm việc (làm việc/học tập/vui chơi), trong cộng đồng và lúc thư nhàn
7 Chỉ định, ứng dụng và chế tạo dụng cụ và trang thiết bị cần thiết, khi có điều kiện
8 Kỹ thuật thông đường thở
9 Kỹ thuật bảo vệ và sửa chữa da
Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ đã dẫn đến việc sử dụng máy móc rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là y học Các máy móc này đang được nghiên cứu và phát triển để trở nên thân thiện và hữu ích hơn cho con người Việc áp dụng công nghệ hiện đại cùng với phương pháp vật lý trị liệu trong chăm sóc sức khỏe và phục hồi chức năng là một trong những tiêu chí hàng đầu trong nghiên cứu khoa học, với hướng y sinh luôn được ưu tiên hàng đầu.
Nhận thức về xu hướng và tầm quan trọng của công nghệ trong y học, cùng với những ưu điểm nổi bật của phương pháp vật lý trị liệu, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài này.
Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay được phát triển nhằm ứng dụng công nghệ mới vào y học, với mục tiêu nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe cho mọi người Chúng tôi hy vọng kiến thức này sẽ được áp dụng hiệu quả trong lĩnh vực y tế nói chung và chăm sóc sức khỏe tại nhà nói riêng.
Lí do chọn đề tài
Hiện nay, với sự nâng cao chất lượng cuộc sống, nhu cầu chăm sóc sức khỏe ngày càng trở nên quan trọng Điều này dẫn đến việc cần thiết phải có các thiết bị y tế tự phục vụ, giúp người dùng chăm sóc sức khỏe một cách thuận tiện hơn, thay vì phải đến các cơ sở y tế.
Page 8 các phòng chăm sóc sức khỏe hằng ngày Một trong các nhu cầu lớn trong việc chăm sóc sức khỏe hiện nay là hồi phục lại chức năng sau khi bị chấn thương hay mắc bệnh nghề nghiệp lâu năm
Nhận thấy sự cần thiết của phục hồi chức năng cho khớp cổ tay ở bệnh nhân, nhóm nghiên cứu đã quyết định chế tạo “thiết bị phục hồi chức năng bàn tay” nhằm hỗ trợ người bệnh Thiết bị này không chỉ giúp cải thiện khả năng vận động mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống cho những người mắc bệnh ở khớp tay, đồng thời là đề tài cho khóa luận tốt nghiệp Cơ-Điện Tử.
Nhóm nghiên cứu và phát triển thiết bị trị liệu cho bàn tay nhằm ứng dụng trong việc hồi phục chức năng cho bệnh nhân, giúp giảm chi phí và thời gian đến các phòng tập Sản phẩm không chỉ phục vụ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm mà còn hỗ trợ hồi phục chức năng cho bệnh nhân trong thực tế Bên cạnh đó, thiết bị còn là giải pháp chăm sóc sức khỏe hữu ích cho nhân viên văn phòng và những người làm việc liên quan đến hoạt động của các khớp tay Đây là đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Hình 2.1: Tổng quan về bàn tay Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Giới hạn đề tài
Thiết kế và chế tạo máy phục vụ y học là một nhiệm vụ phức tạp, yêu cầu sự kết hợp giữa nhiều lĩnh vực như công nghệ thông tin, điện tử và nghiên cứu y khoa Nhóm em tập trung giải quyết các vấn đề cụ thể trong lĩnh vực này.
- Tìm hiểu sơ đồ cấu tạo phần cứng và nguyên lý hoạt động cho “Thiết Bị Phục Hồi Chức Năng Bàn Tay”
Mô hình được xây dựng nhằm tìm hiểu nguyên lý hoạt động cũng như giải thuật điều khiển và tối ưu hóa cho các mô hình thực tế Các thiết bị được lựa chọn phục vụ cho mục đích này, tuy nhiên, đề tài không đề cập đến các vấn đề kinh tế khi áp dụng vào thực tiễn mà chỉ dừng lại ở việc cung cấp một mô hình tham khảo.
Đề tài này chỉ tập trung vào quá trình điều khiển và cập nhật dữ liệu, đồng thời hạn chế việc áp dụng liệu pháp vật lý trị liệu, chỉ sử dụng liệu pháp tác động cơ học.
Tình hình nghiên cứu
2.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Mỹ là quốc gia hàng đầu thế giới trong lĩnh vực vật lý trị liệu, nơi nghiên cứu và phát triển các thiết bị phục hồi chức năng với độ an toàn và hiệu quả cao Đặc biệt, Mỹ còn là nơi thành lập hiệp hội APTA (American Physical Therapy Association), đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy và nâng cao chất lượng dịch vụ vật lý trị liệu.
Trên toàn cầu, việc áp dụng khoa học kỹ thuật trong y học ngày càng được chú trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực vật lý trị liệu phục hồi chức năng, phát triển mạnh mẽ ở các quốc gia như Mỹ, Nhật Bản, Canada và Úc Hãng ITO, thành lập năm 1916 tại Tokyo, Nhật Bản, là công ty hàng đầu thế giới trong lĩnh vực thiết bị vật lý trị liệu phục hồi chức năng, chiếm 90% thị phần tại Nhật Bản và gắn liền với sự phát triển của ngành vật lý trị liệu tại đây.
Nghiên cứu máy tập vật lý trị liệu chủ yếu tập trung vào việc phục hồi chức năng cho các khớp chân, cánh tay và toàn thân Tuy nhiên, máy tập vật lý trị liệu dành riêng cho bàn tay vẫn còn mới mẻ và chưa nhận được nhiều sự chú ý.
Máy tập thụ động cổ tay(bàn tay)
Thiết bị phục hồi chức năng cổ tay và khớp bàn tay này có nhiều chức năng đa dạng, cung cấp nhiều bài tập trong quá trình tập luyện Sản phẩm có nguồn gốc từ Pháp và được phát triển từ đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay.
Hình 2.2Máy tập cổ tay thụ động
- Kích thước tay bệnh nhân: 7 tuổi trở lên
- Trọng lượng người sử dụng: tối đa 135Kg
2.4.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Việt Nam vẫn đang trong quá trình phát triển các thiết bị máy móc chăm sóc sức khỏe, hiện tại phần lớn thiết bị y tế được sử dụng chủ yếu nhập khẩu từ các quốc gia như Mỹ, Nhật Bản, Đức, Canada và Úc.
Năm 1972, Khoa Điều Dưỡng Kỹ Thuật Y Học thuộc Đại Học Y Dược TP.HCM đã thành lập bộ môn vật lí trị liệu, tập trung vào nghiên cứu liệu pháp vật lí trị liệu mà chưa chú trọng đến chế tạo máy móc Đồ án tốt nghiệp của sinh viên trong ngành này liên quan đến thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Các sản phẩm máy móc và thiết bị vật lý trị liệu chủ yếu được sử dụng để phục hồi chức năng xương khớp Tuy nhiên, thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay vẫn chưa được nghiên cứu và chế tạo thành công tại Việt Nam.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Vùng Gan Tay (Regio palmaris manus)
Da tay và da đầu ngón có những nếp vân đặc trưng, phản ánh sự khác biệt giữa từng cá nhân, quần thể và chủng tộc Những đặc điểm này không chỉ là dấu hiệu nhận diện mà còn mang ý nghĩa sâu sắc về di truyền và văn hóa.
Mạc nông là một cấu trúc căng từ xương đốt bàn I đến xương đốt bàn V, với đặc điểm là mỏng ở hai mô và dày ở giữa Nó tách ra thành hai vách liên cơ, một vách bám vào bờ ngoài xương đốt bàn tay V và vách còn lại dính vào bờ trước xương đốt bàn tay III.
Mạc sau là một cấu trúc mỏng ở hai bên và dày ở giữa, có chức năng che phủ các xương đốt bàn và các cơ liên cốt Dưới lớp mạc này, có cung động mạch gân tay sâu và nhánh sâu của thần kinh trụ.
Như vậy mạc và 2 vách gian cơ phần chia gan tay thành 3 ô từ ngoài vào trong: ô mô cái, ô mô gan tay giưa và ô mô út
3.1.2 L ớ p sau và các ô gan tay
Có 4 ô và chia thành 2 lớp:
Các ô gan tay nông được chia thành ba ô bởi hai vách ngăn, với ô gan tay giữa là nơi chứa hầu hết các mạch thần kinh quan trọng và các gân gấp từ cẳng tay xuống.
Ô gan tay sâu là khu vực nằm dưới mạc sâu, bao gồm các xương bàn tay, mạch gan tay sau, nhánh sau của thần kinh trụ và các cơ gian cốt Đây là một phần quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Có 4 cơ, từ nông đến sâu
- Cơ dạng ngắn ngón cái: bám từ xương thuyền tới đốt I ngón cái Tác dụng dạng ngón cái và một phần đốt ngón cái
Hình 3.1: Các cơ gan tay
A Các cơ gan tay(lớp nông) B các cơ gan tay(lớp sâu)
1 Gân cơ cánh tay quay 1,7 Cơ gấp dài ngón cái
2 Gân cơ cổ tay quay 2, 4 Cơ dạng ngắn ngón cái
3 Gân cơ gan tay dài 3 Cơ đối chiếu ngón cái
4 Cơ dạng ngắn ngón cái 5.Cơ gấp ngắn ngón cái
5 Bó nông cơ gấp ngắn ngón cái 6 Cơ khép ngón tay
6 Cơ khép ngon cái 8 Gân cơ gấp sau các ngón tay
7 Cơ gian cốt mu tay I 9 Các cơ giun (lật lên)
8 Các cơ giun 10 Các cơ gian cốt mu tay
9 Cơ gấp ngắn ngón út 13 Cơ gian cốt gan tay
10 Cơ gan tay ngắn 12 Cơ gấp ngắn ngón út
11 Cơ dạng ngón út 13.Cơ đối chiếu ngón út Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
12 Gân gấp nông các ngón tay 14 Cơ dạng ngón út
13 Gân cơ gấp cổ tay trụ 15 Các gân cơ gấp sau các ngón tay
Cơ gấp ngắn ngón cái là một cơ quan quan trọng, có bố nông và bó sau, bám từ xương thang, xương thê, xương cẩ tới đốt I của ngón cái Chức năng chính của cơ này là giúp gấp đốt ngón cái, đóng vai trò thiết yếu trong các hoạt động cầm nắm và thao tác chính xác.
- Cơ đối chiếu ngón cái: bám từ xương thang tới mặt ngoài và mặt trước xương đốt bàn tay I có tác dụng đối với các ngón khác
Cơ khép ngón cái gồm hai bó cơ, bám từ xương thê, xương cả và bờ trước xương đốt bàn tay II và III, tới đốt I của ngón cái Chức năng chính của cơ này là khép ngón cái và hỗ trợ sự phối hợp giữa ngón cái với các ngón tay khác.
Từ nông vào sau có 4 cơ:
Cơ gan tay bì, hay còn gọi là cơ gan tay ngắn, nằm ở vị trí giữa gân gan tay và da ở bờ trong của bàn tay Chức năng chính của cơ này là giúp làm căng da mô út và gan tay, góp phần vào sự linh hoạt và sức mạnh của bàn tay.
- Cơ dạng ngón út: bám từ xương đậu tới đốt I của ngón út.Dạng ngón út và phần nào giúp gấp đốt I của ngón út
Cơ đối chiếu ngón út nằm gần xương móc và bám vào bờ trong của xương đốt bàn tay V, giúp làm sâu thêm lòng bàn tay và đưa xương đốt bàn tay V ra trước Đây là một phần quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay.
Hình 3.2: Thiết đồ cắt ngang bàn tay.
Gồm có 8 cơ gian cốt
- 4 cơ gian cốt gian tay nằm đọc theo nửa trước mặt bên phía gần trục bàn tay của các ngón tay I, II, IV, V
- 4 cơ gian cất mu tay chiếm phần còn lại của các khoang gian cốt bàn tay và bám vào cả hai xương ở hai bên
Cả 8 cơ gian cốt đều tới bám vào xương đốt gần và gân duỗi của ngón tay II, III, IV,
Cơ gian cốt mu tay gồm bốn cơ, trong đó cơ 1, 2 bám vào bên ngoài các ngón II, III, còn cơ 3, 4 bám vào bên trong các ngón III, IV Cơ gian cốt gan tay cũng có bốn cơ, với cơ 1, 2 bám vào bên trong ngón I, II, và cơ 3, 4 bám vào bên ngoài ngón IV, V Đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay tập trung vào cấu trúc và chức năng của các cơ này.
Hình 3.3: Các cơ gian cốt bàn tay.
1 Cơ gian cốt gan tay I
2 Cơ gian cốt mu tay I
3 Cơ gian cốt mu tay II
4 Cơ gian cốt gan tay II và III
3.1.3 Mạch và thần kinh Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Hình 3.4: Bao hoạt dịch ở ngón tay.
Cung động mạch gan tay nông
- Cấu tạo: do nhánh cùng của động mạch trụ nối với nhanh quay gan tay của động mạch quay
Đường đi của cung đọng mạch gan tay nông được xác định bởi hai đường kẻ: đường chếch kéo dài từ bờ ngoài xương đậu đến kẽ ngón III-IV và đường ngang đi qua ngón cái khi ngón cái được dạng hết sức.
Cung động mạch gan tay sâu
- Cấu tạo: do nhanh cùng của động mạch quay nối với nhanh trụ gan tay của động mạch trụ tạo thành
Đường đi của động mạch quay bắt đầu từ động mạch quay sau, nơi nó hiển thị sự chéo qua hõm lào trong khoang liên cốt bàn tay I Động mạch này lách giữa hai bó cơ khép ngón cái và chạy ngang để gặp động mạch trụ Động mạch trụ, xuất phát từ đỉnh xương đậu, sau đó chui sâu để kết nối với động mạch quay.
Dây thần kinh giữa sau khi chui dưới dây chằng vòng cổ tay vào gan tay chia 2 nhanh ngoài và trong:
Vận động của cơ ô mô cái bao gồm sự tác động nhanh chóng của các cơ như cơ khép ngón cái và cơ gấp ngắn ngón cái, cùng với sự hoạt động của cơ giun I và II.
- Cảm giác: mặt gan tay cảm giác cho nửa ngoài gan tay trừ ô mô cái, cảm giác cho ba ngón rưỡi tính từ ngón cái
Sau khi động mạch trụ đi qua dây chằng vòng cổ tay và chia thành hai nhánh, nhánh nông đảm nhận chức năng cảm giác cho một ngón rưỡi từ ngón út Trong khi đó, nhánh sâu bắt chéo động gan tay sâu và cung cấp nhánh vận động cho các cơ như ô mô út, hai cơ giun 3 và 4, cơ khép ngón cái, bó sâu cơ gấp ngắn cái, cùng với 8 cơ liên cốt.
Nhánh cảm giác của thần kinh quay luồn dứoi cơ ngửa dài vòng quanh xương quay ra sau cẳng tay rồi tách nhánh cảm giác cho ô mô cái.
Vùng mu tay (Regio dorsalis manus)
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Vùng mu tay gồm các phần mèm ở phía sau các xương khớp bàn tay Cấu tạo từ nông vào sâu vùng mu tay gồm có:
- Da mỏng di động và không có mỡ
Tổ chức tế bào dưới da mỏng và nhão chứa nhiều mạch máu và dây thần kinh nông Hệ thống tĩnh mạch nông bao gồm các tĩnh mạch mu bàn tay, kết nối với nhau để tạo thành mạng tĩnh mạch mu tay Hai đầu của mạng này kết thúc tại tĩnh mạch quay nông ở phía ngoài và tĩnh mạch trụ nông ở phía trong.
Thần kinh nông bao gồm các nhánh bì từ dây thần kinh trụ, thần kinh giữa và thần kinh quay Dây thần kinh quay chịu trách nhiệm cảm giác cho nửa mu tay và hai ngón rưỡi bên ngoài, trong khi dây thần kinh trụ đảm nhận cảm giác cho nửa bên trong Ngoại trừ phần mu của đốt II, III của ngón trỏ, ngón giữa và nửa ngoài mu đốt II, III của ngón nhẫn, cảm giác cho các vùng này chủ yếu do thần kinh giữa đảm nhiệm.
- Mạc mu tay mỏng, chắc ở trên liên tiếp với mạc hãm gân duỗi, ở dưới phủ và hòa vào các gân duỗi, 2 bên dính vào xươnh đốt bàn tay I và V
- Các gân duỗi từ cẳng tay đi xuống
Cung động mạch mu tay được hình thành từ sự kết nối của nhánh mu cổ tay của hai động mạch quay và trụ Từ cung này, động mạch chính ngón cái và nhánh bờ trong ngón trỏ được tách ra, cùng với ba động mạch mu đốt bàn tay chạy phía sau các cơ gian cốt mu tay II, III, IV Ngoài ra, cung còn nhận thêm các nhánh xiên từ cung mạch gan tay sâu.
- Mạc sâu mu tay rất mỏng phủ sau các cơ gian cốt mu tay
1 Thần kinh bì cẳng tay trong
2 Nhánh bì cẳng tay sau của thần kinh quay
3 Nhánh mu tay của thần kinh trụ
4 Nhánh mu cổ tay của thần kinh trụ
5 Các động mạch mu đốt bàn
6 Các nhánh mu ngón tay của thần kinh trụ
7 Các nhánh mu ngón tay thần kinh quay
8 Các động mạch quay trong hỗm rào
9 Nhánh nông thần kinh quay Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Hình 3.5: Vùng mu bàn tay ( mạch máu và thần kinh nông). Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Hệ thống xương
Hình 3.6: Hệ thống xương của bàn tay.
3 Xương đốt ngón gần ngón trỏ
4 Xương đốt ngón giữa ngón trỏ
5 Xương đốt ngón xa ngón trỏ
Miêu tả các xương của bàn tay người
Bàn tay con người bao gồm 27 xương, trong đó có 8 xương cổ tay, 5 xương ở lòng bàn tay và 14 xương thuộc các ngón tay, bao gồm cả ngón cái.
- Tám xương cổ tay được xếp thành hai hàng Những cái xương này gắn chặt vào một ổ xương không sâu được hình thành bởi các xương cẳng tay
Lòng bàn tay chứa năm xương gọi là xương bàn tay, tương ứng với mỗi ngón tay Mỗi xương bàn tay bao gồm một đầu, một trục và một chân, tạo nên cấu trúc linh hoạt và chức năng cho bàn tay Đây là nội dung trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Con người có tổng cộng 14 xương ngón tay, bao gồm các đốt ngón tay hay đốt xương ngón tay Mỗi ngón tay cái có 2 xương, trong khi các ngón tay còn lại đều có 3 xương, tổng hợp lại thành cấu trúc xương ngón tay hoàn chỉnh.
Khớp tay
Khớp tay của con người rất tinh vi và phức tạp, cho phép bàn tay linh hoạt hơn so với các loài động vật khác Nếu không có các khớp tay này, chúng ta sẽ không thể thực hiện những động tác phức tạp với vật thể hay công cụ Nhờ vào các khớp tay, bàn tay có khả năng nắm lại, thả ra một cách linh hoạt và thực hiện các cử chỉ dễ dàng.
Các khớp tay bao gồm:
- Khớp gian đốt ngón tay (Interphalangeal articulations of hand): là khớp nối giữa các đốt ngón tay
- Khớp nối xương bàn tay (Metacarpophalangeal joints)
- Khớp gian xương cổ tay (Intercarpal articulations)
- Cổ tay (Wrist) (khớp nối để bàn tay có thể cử động): đây cũng là khớp có thể được xem là thuộc về cẳng tay)
3.B Lực ngón tay khả năng: đo lường và sử dụng biện pháp nhân trắc học và y học (Finger force capability: measurement and prediction using anthropometric and myoelectric measures)
Biện pháp nhân trắc học
Bài viết trình bày chín biện pháp nhân tắc học thu được từ từng đối tượng tham gia, bao gồm trọng lượng, chiều cao, chiều dài tay, bề mặt, bề rộng cổ tay, cổ tay tròn, chu vi cẳng tay thoải mái, chu vi cẳng tay uốn cong, và chiều dài cánh tay-bàn tay Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và đánh giá các yếu tố sinh học của con người.
Nguồn sách II: A Handbook of Anthropometric Data (Webb Associates, 1978):
- Chiều cao (cm): tầm vóc, khoảng cách từ đỉnh đầu xuống đất
- Trọng lượng (kg): khối lượng của cơ thể (không tính giày dép)
Chiều dài bàn tay (cm) được xác định là khoảng cách từ cơ sở của bàn tay đến đầu ngón tay giữa, đo dọc theo trục chiều dài của tay Đây là một thông số quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
- Chiều rộng bàn tay (cm): bề ngang của bàn tay đo trên hai đâu xa nhất của xương bàn tay
- Chiều rộng cổ tay (cm): khoảng cách giữa bán kinh và dây trụ nhô mỏm trâm của cổ tay đo
- Chu vi của cổ tay (cm): chu vi cổ tay đo tay ở vị trí dưới xương lồi ở cổ tay
- Chiều dài cẳng tay (cm): khoảng cách từ đầu của khuỷu tay đến đầu của ngón tay dài nhất
- Chu vi cẳng tay thoải mái (cm): chu vi tói da của cánh tay với khuỷu tay ở 90 0 trên dọc cánh tay
- Chu vi cẳng tay gập (cm): chi vi tối da của cánh tay với khuỷu tay 90 0 phía trên cánh tay ngang, gập nắm tay.
Cách tính lực các ngón tay
Để thực hiện động tác đẩy bằng ngón trỏ, cần điều chỉnh cánh tay và cổ tay sao cho ngón trỏ tạo thành một đường thẳng với cổ tay Lực được tác động chủ yếu ở đầu ngón tay, giúp móng tay không bị ảnh hưởng bởi các lực căng thẳng trong quá trình thực hiện.
Hình 3.7: Minh họa cách tính lực ngón tay trỏ.
Kéo ngoại biên 90 độ với ngón trỏ yêu cầu cánh tay và cổ tay được đặt sao cho lòng bàn tay úp xuống Trong quá trình thực hiện, lực được tác động tại ngón trỏ trong khi ngón tay uốn cong một góc 90 độ tại khớp ngón tay giữa Đây là một kỹ thuật quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Hình 3.8: Minh họa kéo ngoại biên 90 0 sử dụng ngón trỏ.
Nhấn ngoại biên 180 độ bằng ngón trỏ yêu cầu cánh tay và cổ tay ở vị trí sao cho lòng bàn tay úp xuống và ngón tay thẳng hàng với cổ tay Lực cần được tác dụng tại bệ đỡ, đảm bảo thẳng đứng với ngón trỏ.
Hình 3.9: Minh hoa của nhấn ngoại biên 180 0 sử dụng ngón trỏ
Kẹp ngang là kỹ thuật mà trong đó cánh tay và cổ tay được đặt sao cho lòng bàn tay hướng vào trong, gần cơ thể Lực được áp dụng giữa ngón tay cái và phía đối diện của xương đốt tay ngón trỏ, tạo ra sự kết nối qua bề mặt đối diện Đồng thời, ngón tay được uốn cong và giữ chặt với nhau để hỗ trợ cho ngón trỏ, giúp tăng cường sức mạnh và độ ổn định trong quá trình thực hiện.
Hình 3.10: Minh họa của nhiều ngón tay kẹp ngang.
Kẹp gang bàn tay là thiết bị phục hồi chức năng giúp cải thiện sức mạnh cánh tay và cổ tay Khi sử dụng, lòng bàn tay được đặt úp xuống, và lực được tạo ra giữa ngón trỏ và ngón tay cái, tác động qua trung tâm của kẹp đối lập Thiết bị này có vai trò quan trọng trong quá trình phục hồi chức năng bàn tay.
Hình 3.11: Minh họa của hai ngón tay kẹp.
3.C Cơ sở lý thuyết động học
Biểu diễn của một điểm trong hệ tọa độ Decac vuông góc Oxyz được cho như hình Biểu diễn của điểm A trong hệ tọa độ trên là:
Với Oxyz là hệ tọa độ Decac ta có biểu diễn của điểm A:
Ma trận biểu diễn của điểm A như sau: Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Hình 3.12: Biểu diễn một điểm trong hệ tọa độ
Biểu diễn một hệ tọa độ tham chiếu trong hệ tọa độ tổng quát Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Hình 3.13: Biểu diễn một hệ tọa độ trong một hệ tọa độ
Ma trận biểu diễn của hệ tọa độ Aoan trong hệ tọa độ Oxyz:
(3.4) Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
3.3.2 Các phép chuy ể n v ị ma tr ậ n
Hình 3.14: Hệ tọa độ tham chiếu
Trong không gian u và v, ánh xạ f từ u vào v thể hiện ý nghĩa của các chuyển vị ma trận Khi u và v là các không gian R3, chúng ta áp dụng hệ tọa độ trực giao, tức là hệ tọa độ Descartes, được phát triển bởi triết gia nổi tiếng Descartes, người đã đưa ra khái niệm "điểm".
Phép biến đổi tịnh tiến
Với phép biến đổi tịnh tiến ta có:
Mô tả của phép biến đổi trên như sau:
Với: u là hệ tọa độ noa Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 29 v là hệ tọa độ xyz f là ánh xạ từ u vào v
Hình 3.15: Mô tả phép biến đổi tịnh tiến
Phép biến đổi quay quanh các trục tọa độ
Xoay quanh trục x: Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Phép quay Euler: mô tả sự định hướng bằng cách quay một góc quanh các trục tọa độ:
Phép quay Roll- Pitch-Yaw: Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ n tới hệ tọa độ n+1, công thức 3.10
Ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ R đến hệ tọa độ H:
Các thông số của phương pháp D-H và lập bảng D-H:
di: khoảng cách từ gốc tọa độ thứ i-1tới giao điểm của trục zi-1 và xi dọc theo trục zi-1
li: khoảng cách giữa giao điểm của trục zi-1 và xi với gốc tọa độ hệ trục thứ nhất dọc theo trục xi
αi :là góc quay trục zi-1 tới trục zi xung quanh trục xi
Góc quay trục xi-1 thành trục xi được gọi là Ɵi Bộ thông số D-H có vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí và hướng của một khâu so với khâu trước đó, cũng như so với hệ tọa độ gốc.
Theo phương pháp Denavit-Hartenberg, tại mỗi góc khớp, chúng ta thiết lập một hệ tọa độ tham chiếu cục bộ Động học thuận của robot liên quan đến sự phụ thuộc của vị trí và hướng trong thiết kế đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay.
Page 32 điểm nào đó theo các biến khớp.Vị trí là tọa độ của điểm cần khảo sát, hướng là sự sai lệch về góc của các trục tọa độ của hệ cục bộ so với hệ tổng quát
Trong ma trận chuyển vị T thì cột cuối cùng của ma trận chínhlà vị trí của điểm cần khảo sát, và sự định hướng được mô tả như sau:
Điểm A trong hai hình trên có vị trí giống nhau, nhưng hướng của khâu chấp hành cuối lại khác nhau Sử dụng ma trận chuyển vị T, chúng ta có thể tính toán sự định hướng của khâu chấp hành cuối thông qua các phép quay.
Hình 3.16: Sự định hướng của khâu chấp hành cuối
Giả sử T là ma trận chuyển vị của điểm A: Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Động học thuận hỗ trợ trong việc tính toán mô phỏng hệ thống, trong khi động học nghịch lại giúp điều khiển bằng cách xác định các góc khớp từ vị trí và định hướng mong muốn Phương pháp hiện tại chủ yếu dựa vào việc giải hệ phương trình từ động học thuận, nhưng phương pháp này không tối ưu do một số nhược điểm: chỉ có ba phương trình động học thuận, trong khi số biến khớp có thể thay đổi tùy theo hệ thống, dẫn đến việc thiếu tính tổng quát, khó khăn trong việc giới hạn số nghiệm và phức tạp trong quá trình tính toán.
Bộ truyền đai răng
3.4.1 Giới thiệu Đai răng là loại đai mà trong có răng phân bố theo chiều dài đai Khi làm việc các răng đai sẽ ăn khớp với các răng trên bánh đai
Ưu điểm của bộ truyền:
− Không có sự trượt Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
− Không cần lực căng ban đầu lớn do lực tác dụng lên trục và ổ trục nhỏ
Nhược điểm của bộ truyền:
− Không thể nối đai theo chiều dài yêu cầu mà phải chọn theo chuẩn
3.4.2.1 Thông số hình học chủ yếu
Góc ôm đai trên các nhánh đai
Nguồn Bộ truyền đai chương 3.pdf
a Điều kiện về góc ôm: góc ôm nhỏ ảnh hưởng xấu đến khả năng kéo của đai Đai dẹt α
Khoảng cách trục a Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
3.4.2.2 Vận tốc và tỷ số truyền
3.4.2.3 Lực tác dụng trong bộ truyền Để tạo ra lực ma sát cần thiết giữa đai và bánh đai, cần mắc đai lên bánh đai với lực căng ban đầu F0
Hình 3 18: Lực căng đai ban đầu
Nguồn Bộ truyền đai chương 3.pdf Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Khi làm việc truyền momen xoắn T, lực căng ở nhánh chủ động tăng lên hình F1, ở nhánh bị động giảm xuống còn F2 với điều kiện cân bằng: ( 1 2 )
Hình 3 19: Lực căng đai khi làm việc
Nguồn Bộ truyền đai chương 3.pdf Quan hệ các lực F1, F 2 , F t và F 0 :
Quan hệ giữa các lực F1, F 2 , F t với hệ số ma sát bánh đai f và góc ôm:
Điều kiện về khả năng tải của bộ truyền: 2 0 ( 1)
Ngoài ra khi làm việc, đai vẫn chịu thêm lực căng phụ là lực căng ly tâm:
F q v ; qm: khối lượng của 1m đai
Tải trọng tác dụng lên trục: lớn hơn 2 ÷ 3 lần Ft:
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
3.3.2.4Ứng suất trong đai Ứng suất căn ban đầu: 0 F 0
A Ứng suất kéo trên các nhánh đai chủ động: 1 F 1
A Ứng suất kéo trên các nhánh đai bị động: 2 F 2
A Ứng suất kéo do lực căng phụ: v F r
A Ứng suất có ích của lực vòng Ft: t F t
Trong các đoạn đai, vùng qua bánh đai xuất hiện các ứng suất uốn: u E
Trong đó: ε: độ dãn dài tương đối của thớ da ngoài cùng
A: tiết diện cắt ngang của dây đai.
Bộ điều khiển PID
Hình 3 20: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Bộ điều khiển PID là thiết bị điều khiển vòng kín phổ biến, giúp điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) và giá trị đặt (setpoint) Nó hoạt động bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển tại ngõ ra, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác.
Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần:
P (proportional) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error – e)
I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch
D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với giá trị sai lệch, thông qua việc nhân sai lệch e với hằng số KP, được gọi là hằng số tỷ lệ Công thức tính Khâu P dựa trên mối quan hệ này.
Nếu chỉ có khâu P, sai số tĩnh sẽ luôn xuất hiện trừ khi giá trị đầu vào bằng 0 hoặc đạt giá trị mong muốn Hình ảnh dưới đây minh họa sự xuất hiện của sai số tĩnh khi giá trị đặt thay đổi.
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0 Khâu I được tính theo công thức:
Khâu Iout đại diện cho giá trị ngõ ra của khâu I, trong khi Ki là hệ số tích phân và e là sai số được tính bằng công thức e = SP – PV Khâu I thường được kết hợp với khâu P để tạo thành bộ điều khiển PI, giúp cải thiện hiệu suất điều khiển.
Hệ thống sẽ có phản ứng chậm và thường xuyên dao động do ảnh hưởng của khâu I, trong khi khâu PI giúp giảm thiểu sai số xác lập Đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của hệ thống này.
Khâu D kết hợp tốc độ thay đổi sai số với giá trị điều khiển ở ngõ ra, tạo ra thành phần cộng thêm khi sai số thay đổi nhanh Điều này giúp cải thiện đáp ứng của hệ thống, cho phép trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và đạt được giá trị mong muốn một cách hiệu quả Công thức tính khâu D là:
Hệ số vi phân (Ki) thường được kết hợp với khâu tỉ lệ (P) để tạo thành bộ điều khiển PD hoặc với khâu tích phân (I) để hình thành bộ PID Bộ PD có khả năng tạo ra đáp ứng với thời gian tăng trưởng ngắn hơn so với bộ P Tuy nhiên, nếu giá trị D quá lớn, hệ thống có thể trở nên không ổn định.
Bảng 3 1: Ảnh hưởng của thông số PID
Thời gian xác lập Sai số ổn định Độ ổn định
Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm cấp
Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp
Kd Giảm ít Giảm ít Giảm ít Về lý thuyết không tác động
Cải thiện nếu Kd nhỏ Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Có 4 phương pháp xác định thông số của bộ điều khiển:
Điều chỉnh thủ công: không cần hiểu biết về toán, dựa trên thực nghiệm và đòi hỏi kinh nghiệm của người điều chỉnh
Ziegler–Nichols: phương pháp chứng minh, dựa trên thực nghiệm, nhược điểm là làm rối loạn quá trình, một số thử nghiệm gây lỗi, phải điều chỉnh nhiều lần
Sử dụng công cụ phần mềm giúp điều chỉnh chắc chắn thông qua thực nghiệm hoặc tính toán, cho phép mô phỏng trước khi áp dụng thực tế Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chi phí cao và yêu cầu phải được đào tạo.
Cohen–Coon: xử lý các mô hình tốt, dựa trên tính toán và yêu cầu phải vững
Giới thiệu sơ lượt về thành phần trong đồ án
Hình 3 21: Board Cầu H-Bridge: Đặc tính kỹ thuật:
- Phần công suất dùng 4 POWER MOFETS IRF3205 có thông số: VDSS= 55V,RDS(on)=8.0mΩ,ID0A
- Sửdụngopto6N137vàICláimạchcầuHMC33883củaFreescalenêntần sốPWMđápứnglênđến100Khz Duty PWMđạtđược100%, ưuđiểm hơnsovớicácICkíchfetkhác Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Kháiniệm là1loạicảm biến vịtrí,đưa rathôngtinvềgóc quaydưới dạng sốmàkhông cầnbộADC.Encoder quayquangcònđượcgọilàbộmãhóavòng quay
Hình 3 22: Cấu tạo đĩa encoder.
- Đĩa quay được xẻ rãnh gắn vào trục
- Một nguồn sang và một tế bào quang điện (dùng để thu ánh sáng) được bố trí thẳng hàng
Nguyên lí hoạt động của đĩa encoder, led và lỗ: Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Hình 3 23: Nguyên lí hoạt động. Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 43 Đólàmộtđĩatrònxoay,quayquanhtrục.Trênđĩacócáclỗ(rãnh).Ngườita dùngmộtđènledđểchiếulênmặt đĩa Khi đĩaquay,chỗ khôngcó lỗ(rãnh),đènledkhôngchiếuxuyênquađược,chỗcólỗ(rãnh),đènledsẽchiếuxuyênqua.Khi đó,phíamặtbênkiacủađĩa,ngườitađặtmộtconmắtthu.Vớicáctínhiệucóhoặckhôngcóánhsá ngchiếuqua,ngườitaghinhậnđượcđènledcóchiếuqualỗ haykhông
Khitrụcquay,giảsửtrênđĩachỉcómộtlỗduynhất,cứ mỗilầncon mắtthu nhậnđượctínhiệuđènled,thìcó nghĩalà đĩađãquayđượcmộtvòng
Encodertuyệtđốirấtcólợichonhữngtrườnghợpkhigócquay lànhỏvà độngcơkhôngquaynhiềuvòng.Khiđó,việcxửlýencoder tuyệtđốitrởnêndễ dàngchongườidùnghơn,vìchỉcầnđọcgiátrịlàchúngtabiếtngay đượcvịtrí góccủatrụcquay
Tuy nhiên,nếuđộngcơquaynhiềuvòng,điềunày khôngcólợi,bởivìkhi đó,chúngtaphảixửlýđểđếmsố vòngquaycủatrục
Ngoàira,nếuthiếtkếencoder tuyệtđối,chúngtacầnquánhiềuvònglỗvà dẫntớigiớihạnvềkíchthướccủaencoder,bởivìviệcgiacôngchínhxáccáclỗ quánhỏlàkhông thểthựchiệnđược.Chưakểrằngviệcthiếtkếmộtdãyđènled vàcon mắtthucũngảnhhưởngrấtlớnđếnkíchthướcgiớihạnnày
Hình 3 24: Encoder tuyệt đối. Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Mộtencodertuyệtđốidùngkbộngắtquanghọcvàkvạchmãđểsinhramột từnhịphânkbitbiểu diễn duynhất 2kvịtrí khácnhaucủađĩavàđưa rađộphân giảigóclà 360/2k.Độphângiảiencoderphụthuộcvàosốbitđầura
Độ phân giải của encoder phụ thuộc vào số bit đầu ra và có thể được cải thiện bằng cách sử dụng encoder tương đối, cụ thể là encoder gia tăng (Incremental encoder) Loại encoder này sẽ tăng một đơn vị khi có tín hiệu xung lên hoặc xuống Chính vì lý do này, encoder tương đối ngày nay được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng hiện đại.
Hình 3 25: Số vòng quay encoder.
Khi encoder quay qua một lỗ, nó sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm Tuy nhiên, vấn đề là làm sao để xác định encoder đã quay hết một vòng Nếu không có giới hạn, chúng ta sẽ không biết khi nào nó hoàn thành một vòng quay Thêm vào đó, nếu có những rung động không kiểm soát được, encoder có thể bị sai một xung.
Hình 3 26: Encoder có lỗ vị trí.
Chú ý rằng, vị trí góc của các lỗ vòng 1 và các lỗ vòng 2 lệch nhau Các cạnh của lỗ vòng 2 nằm ngay giữa các lỗ vòng 1 và ngược lại
Các phương pháp mã hóa đĩa quay:
Mã nhị phân trực tiếp:
- Bit có trọng số bé nhất nằm ngoài cùng
- Bit có trọng số lớn nhất nằm trong cùng
- Hai vùng bất kỳ liên tiếp chỉ khác nhau 1 bit
So sang sự khác nhau giữa 2 phương pháp mã hóa:
Hình 3 27: Mã nhị phân và mã Gray.
Cách đọc thông số encoder tuyệt đối
Vd: Encoder EP50 Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Hình 3.16: cách đọc thông số encoder
Sự khác nhau giữa encoder tương đối và encoder tuyệt đối
- Đo vị trí tương đối của encoder so với vị trí cuối
- Mất thông tin khi cúp điện
- Ứng dụng điển hình: điều chỉnh tốc độ, vị trí bang chuyền
Bo mạch Arduino Mega 2560 sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của
Chip ATmega2560 của Atmel là một trong những vi xử lý phổ biến nhất, cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp nhờ vào cấu hình mạnh mẽ với bộ nhớ ROM, RAM và Flash Nó cung cấp nhiều ngõ vào ra digital I/O, bao gồm các ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, ngõ dọc tín hiệu analog và hỗ trợ các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C) Đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay sử dụng vi xử lý này để phát triển các giải pháp điều khiển hiệu quả.
Hình 3 28: Bo mạch arduino Mega 2560.
Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào:
Arduino Mega 2560 sở hữu 54 chân digital, cho phép người dùng cấu hình linh hoạt các chân này thành ngõ vào hoặc ngõ ra thông qua phần mềm Điều này mang lại sự linh hoạt trong việc quyết định số lượng ngõ vào và ngõ ra cần thiết cho các dự án.
Arduino Mega 2560 trang bị các ngõ vào analog với dộ phân giải 10bit
Với 1024 phân mức và diện áp chuẩn 5V, độ phân giải đạt khoảng 0.5mV Thiết bị này hỗ trợ 16 cổng vào analog, cho phép người dùng kết nối và đọc dữ liệu từ nhiều loại cảm biến khác nhau như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, gyroscope và accelerometer.
Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra:
PWM output: Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Trong số các cổng digital, người dùng có thể chọn các cổng để xuất tín hiệu điều chế xung PWM với độ phân giải 8 bit Số lượng cổng PWM lên đến 14, và PWM có nhiều ứng dụng trong viễn thông, xử lý âm thanh, cũng như điều khiển động cơ Ứng dụng phổ biến nhất của PWM là điều khiển động cơ servo trong các máy bay mô hình.
Giao tiếp nối tiếp là chuẩn phổ biến trên các bo mạch Arduino, với nhiều cổng Serial cứng được tích hợp sẵn Ngoài ra, các cổng digital còn lại cũng hỗ trợ giao tiếp nối tiếp thông qua phần mềm mà không cần viết mã Mức tín hiệu của các cổng này là TTL 5V, trong khi cổng nối tiếp RS-232 trên thiết bị hoặc PC sử dụng mức tín hiệu UART 12V, do đó cần bộ chuyển mức như chip MAX232 để kết nối Bo vi điều khiển Atmega2560 có 4 cổng Serial cứng, cho phép giao tiếp với nhiều thiết bị như PC, màn hình cảm ứng và các game console.
Các bo Arduino tiêu chuẩn được trang bị cổng USB để kết nối với máy tính nhằm tải chương trình Tuy nhiên, vì các chip AVR không có cổng USB, nên các bo Arduino cần có bộ chuyển đổi từ USB sang tín hiệu UART Do đó, máy tính nhận diện cổng USB này như một cổng COM thay vì cổng USB tiêu chuẩn.
SPI: Ðây là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dồng bộ có bus gồm có 4 dây
Với tính năng kết nối đa dạng, các bo Arduino có thể tương tác với nhiều thiết bị như LCD, bộ điều khiển video game, cảm biến và thẻ nhớ SD, MMC Dự án tốt nghiệp của chúng tôi tập trung vào thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay.
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHẢP CHO ĐỀ TÀI
Yêu cầu của đề tài và thông số thiết kế
4.1.1 yêu cầu của đề tài Đề tài phải đám ứng được cái yêu cầu kỹ thuật sau:
- Phải điều trị một cách hiệu quả cho bệnh nhân tong khi tập luyện
- Phải tập được một số bài tập cơ bản theo phác đồ điều trị của bác sĩ
- Phải đảm bảo an toàn trong luyện tập
- Điện áp định mức:24VDC
Phương hướng và giải pháp thực hiện
Nghiên cứu tổng quan về cấu trúc thần kinh khớp bàn tay và bệnh thoái hóa khớp bàn tay
Nghiên cứu tổng quan về nhân trắc học xương khớp
Nghiên cứu tiềm hiểu các máy tập vật lý trị liệu trong và ngoài nước từ đó đư ra ý tưởng thiết kế ý tưởng của mình
Sau khi nghiên cứu và tham khảo, cần đề xuất nhiều giải pháp khác nhau cho đề tài đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay Mỗi giải pháp phải được phân tích đầy đủ các ưu và nhược điểm Tiếp theo, so sánh các giải pháp để xác định phương án tối ưu nhất Cuối cùng, từ những kết quả đó, tiến hành thiết kế và chế tạo cơ cấu hoàn chỉnh nhất cho sản phẩm.
Sơ đồ khối thiết kế:
Hình 4 1: Sơ đồ khối thiết kế. Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
4.2.1 Phương pháp 1: cơ cấu tịnh tiến hình tam giác và cơ cấu chuyển động gập xoay
Hình 4 2: Cơ cấu hình tam giác
Hình 4 3:Cơ cấu tịnh tiến xoay Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Phương án Ưu điểm Nhược điểm
Cơ cấu hình tam giác
Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo
Làm bằng vật liệu kim loại
Chuyển động không linh hoạt Dễ bị oxi hoá
Cơ cấu tịnh tiến xoay
Chuyển động linh hoat Làm bằng vật liệu nhẹ-MICA
Kết cấu phức tạp Gia công khó
Bảng 4 1: Bảng so sánh 2 phương án thiết kế lựa chọn cơ cấu
4.2.2 Phương án 2: Lựa chọn bộ truyền bánh răng, hay bộ truyền đai
Hình 4 4:Cơ cấu bộ truyền bánh răng
Hình 4 5: Cơ cấu bộ truyền đai Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Phương án Ưu điểm Nhược điểm
Tỉ số truyền ổn định
Hiệu suất làm việc cao
Gây ồn vì ma sát giữa 2 bánh răng Khối lượng chung của mô hình tăng lên đáng kể
Dễ chế tạo và gia công Ít gây ồn Năng suất làm việc tương đối tốt
Tỉ số truyền không ổn định nhưng trong vùng sai số chấp nhận được
Bảng 4 2.: So sánh 2 phương án thiết kế.
Đánh giá và lựa chọn giải pháp
Lựa chọn cơ cấu tịnh tiến xoay là một giải pháp phù hợp với đa số người sử dụng Cơ cấu này mang lại chuyển động linh hoạt và thuận tiện cho việc di chuyển các khớp, đồng thời đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng, mặc dù có thể cồng kềnh hơn so với cơ cấu tam giác.
Khi lựa chọn cơ cấu dây đai, điều quan trọng là đảm bảo an toàn tối đa trong quá trình hoạt động và giảm thiểu tiếng ồn ảnh hưởng đến bệnh nhân Mặc dù việc lập trình bánh đai có thể phức tạp do tỷ số truyền thay đổi, nhưng đây là yếu tố cần xem xét trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Bảng 4.3 Trình tự công việc trong quá trình hình thành.
TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ
Tính toán bậc tự do cơ cấu
Định nghĩa: Bậc tự do của cơ cấu (W) là số thông số độc lập cần thiết để xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu
p5 : tổng số khớp loại 5 có trong cơ cấu
p4 : tổng số khớp loại 4 có trong cơ cấu Áp dụng công thức để tính bậc tự do cho cơ cấu:
1 Tham khảo thiết kế và hình thành ý tưởng
2 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp tối ưu nhất
4 Thực hiện vẽ và mô phỏng trên phần mềm Solidworks
5 Gia công và hoàn chỉnh phần cơ khí
6 Thiết kế và lắp đặt mạch điện
8 Chạy thử nghiệm chương trình
9 Tìm lỗi và khắc phục lỗi
11 Hoàn thành báo cáo và đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Đối với các ngón tay : trỏ, giữa , áp út và ngón út thì ta có 6 khâu động và 6 khớp loại 5
Đối với ngón tay cái thì ta có 4 khâu động và 4 khớp loại 5
Tính toán động học thuận
Động học thuận là quá trình xác định vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối hoặc tay gấp dựa trên các giá trị biến khớp đã biết Để thực hiện tính toán này, cần sử dụng các tham số từ bảng Denavit-Hartenberg (DH) Mỗi khâu trong robot được mô tả bởi ma trận thể hiện vị trí và hướng so với khâu trước, và thứ tự của các ma trận này tạo thành chuỗi chuyển vị thuần nhất Do đó, bài toán động học thuận nhằm tính toán ma trận vị trí và hướng của tay gấp hoặc cơ cấu chấp hành cuối so với hệ trục tham chiếu của robot.
Cách xác định các tham số của bảng Denavit-Hartenberg như sau:
di : là khoảng cách từ gốc tọa độ thứ i-1 tới giao điểm của trục zi-1 và xi dọc theo trục zi-1
l i : khoảng cách giữa giao điểm trục zi-1 và x i với gốc tọa độ hê trục thứ I dọc theo trục xi
θi : góc quay từ trục xi-1 và x i xung quay trục zi-1
αi : góc quay của trục zi-1 tới zi xung quay trục xi
Đối vơi phần cơ cấu các ngón trỏ, giữa, áp út, út : có 6 bậc tự do
5 0 0 90 θ 5 Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Bảng 5.1 : bảng tham số D-H của cơ cấu với 6 bậc tự do Các ma trận chuyển hệ trục như sau:
0 1 Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Đối vơi phần cơ cấu các ngón cái : có 4 bậc tự do
Bảng 5.2 : bảng tham số D-H của cơ cấu với 6 bậc tự do Các ma trận chuyển hệ trục như sau:
0 1 Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Tính toán đai
5.3.1 Tính toán bộ truyền đai
Truyền động đai là phương pháp hiệu quả để truyền động giữa các trục xa nhau, nhờ việc mắc đai lên hai bánh với lực căng ban đầu F0, tạo ra lực ma sát cần thiết cho việc truyền tải trọng Với độ dẻo cao, bộ truyền động đai hoạt động êm ái, không gây ồn ào và phù hợp cho các ứng dụng với vận tốc lớn Quy trình thiết kế truyền động đai bao gồm nhiều bước quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Xác định các kích thước và thông số bộ truyền
Xác định các thông số của đai theo chỉ tiêu Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Trong công nghiệp sử dụng các loại đai dẹt sau đây: đai da, đai vải cao su, đai vải bông, đai sợi len và đai sợi tổng hợp
Chiều rộng đai b, mm Chiều dày đai δ, mm
Bảng 5.1 trình bày các loại đai khác nhau và đặc điểm của chúng Đai da có độ bền mòn cao và khả năng chịu va đập tốt, nhưng không phù hợp với môi trường axit hoặc ẩm ướt, đồng thời giá thành cao khiến nó ít được sử dụng Đai vải cao su, được cấu tạo từ nhiều lớp vải bông và cao su hoá, có độ bền và dẻo dai, ít bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và nhiệt độ, do đó được sử dụng rộng rãi Đai sợi bông nhẹ và mềm, thích hợp cho bánh đai có đường kính nhỏ và vận tốc lớn, nhưng có khả năng tải và tuổi thọ thấp Trong khi đó, đai sợi len có độ đàn hồi tốt, chịu được tải trọng va đập và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm và axit, nhưng khả năng tải vẫn thấp hơn so với các loại đai khác.
Xác định các thông số của bộ truyền Đường kính bánh đai nhỏ được xác định theo công thức thực nghiệm sau : d1 = (5,2 … 6,4).3T1
T1 là momen xoắn trên trục bánh đai nhỏ với đường kính d1 (mm) Đường kính nên được chọn theo các tiêu chuẩn trong dãy: 50, 55, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 125 Đây là nội dung quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay.
140, 160, 180, 200, 224, 250, 280, 315 … và phải lớn hơn dmin ghi trong bảng 5.2 Đai vải cao su
Số lớp Б-800 và Б-820 БКНЛ-65 và БКНЛ-65-2 dmin (nên dùng/cho phép) dmin (nên dùng/cho phép)
Có lớp lót Không có lớp lót
Bảng 5 2: Trị số nhỏ nhất của đường kính bánh đai
Đường kính bánh đai lớn d 2 = d 1 u/(1-ɛ) Trong đó: u: tỉ số truyền ɛ = 0,01 – 0,02 (hệ số trượt) d 2 cũng nên chọn theo giá trị tiêu chuẩn
Cần tính toán lại tỉ số truyền thực tế của bộ truyền và số vòng quay thực tế của bánh đai lớn từ d1 và d2 tiêu chuẩn Sai lệch tỉ số truyền không được vượt quá 3-4% so với tỉ số truyền đã cho Đây là yêu cầu quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Khoảng cách trục được xác định theo công thức a ≥ (1,5 … 2)(d1 +d2) Trong đó hệ số 1,5 dùng cho bộ truyền quay nhanh, hệ số 2 dùng cho bộ truyền vận tốc trung bình
Chiều dài đai được xác định
Chiều dài đai cần được xác định theo công thức l = 2a + π(d1 + d2)/2 + (d2 - d1)²/(4a) Để đảm bảo tuổi thọ, chiều dài tối thiểu lmin phải thỏa mãn điều kiện lmin ≥ v/i, trong đó i là số lần uốn của đai trong 1 giây (i ≤ imax = 3 ÷ 5) và v = πd1n1/60000 là vận tốc đai (m/s) Nếu chiều dài tính toán không đáp ứng yêu cầu lmin, cần tăng chiều dài l Đối với đai cao su (da, vải sợi bông), cần tăng thêm khoảng 100 ÷ 400mm tùy theo cách nối Với đai sợi tổng hợp, chiều dài l phải tuân thủ các giá trị tiêu chuẩn trong bảng 5.2.
Từ giá trị l đã chọn này, xác định lại khoảng cách trục a = (λ + λ2-8Δ2 /4 Trong đó λ = 1 - л(d1 +d2)/2 ; Δ = (d2 - d1)/2
Góc ôm α1 trên bánh đai nhỏ được tính theo công thức α1 = 180 0 – (d 2 –d 1 )57 0 /a Trong đó, α1 ≥ 150 0 đối với đai vải cao su và α≥ 120 0 đối với đai sợi tổng hợp
Xác định tiết diện đai
Diện tích tiết diện đai dẹt được xác định từ chỉ tiêu về khả năng kéo của đai
A = b δ = FtKđ / [σF] Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 62 b và δ –chiều rộng và chiều dày đai (mm)
K đ –hệ số tải trọng động [σF] - ứng suất có ích cho phép (MPa) Lực vòng được xác định từ công suất P1, kW và vận tốc v, m/s;
Công thức F t = 1000 P 1 /v được sử dụng để tính toán ứng suất trong đai Chiều dày đai δ cần được chọn theo tỷ số δ/d1, với điều kiện tỷ số này không vượt quá giá trị tối đa cho phép nhằm hạn chế ứng suất uốn và kéo dài tuổi thọ cho đai: δ/d1 ≤ (δ/d1) max Giá trị (δ/d1) max được cung cấp trong bảng 5.4 Dựa trên giá trị này và đường kính d1, tiến hành tính δ và chọn δ theo tiêu chuẩn tương ứng (xem bảng 5.1 đến 5.6 tùy loại đai) Đây là nội dung quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Page 63 Đặc tính tải trọng
Hệ số Kđ khi dẫn động bằng động cơ nhóm
Tải trọng tĩnh, tải trọng mở máy đến 120% tải trọng danh nghĩa
Tải trọng dao động nhẹ, tải trọng mở máy đến 150% tải trọng danh nghĩa
Tải trọng dao động mạnh, tải trọng mở máy đến 200% tải trọng danh nghĩa
Tải trọng va đập và rất không ổn định, tải trọng mở máy đến
Máy phát điện, quạt, máy nén và máy bơm li tâm, bang tải, máy tiện, máy khoan, máy mài
Máy bơm và máy nén khí kiểu pittông có 3 xi lanh trở lên, xích tải, máy phay, máy tiện rơvônve
Thiết bị dẫn động quay hai chiều bao gồm máy bào, máy xọc, máy bơm và máy nén khí với một hoặc hai xilanh Ngoài ra, vít vận chuyển và máng cào cũng là những thiết bị quan trọng Các loại máy ép như máy ép kiểu vít và máy ép lệch tâm với vô lăng nặng, cùng với máy kéo sợi và máy dệt, đóng vai trò thiết yếu trong quy trình sản xuất.
Máy ép kiểu vít và máy ép lệch tâm có vô lăng nhẹ, cùng với máy nghiền đá và máy nghiền quặng, tạo thành một hệ thống thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp Ngoài ra, máy cắt tấm, máy búa, máy mài bi, cần trục và máy xúc đất cũng đóng vai trò thiết yếu trong quá trình sản xuất và xây dựng.
1,7 Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
1 Động cơ nhóm I gồm : động cơ điện một chiều, động cơ xoay chiều một pha, động cơ không đồng bộ kiểu lồng sóc, tuabin nước, tuabin hơi; động cơ nhóm II gồm : động cơ xoay chiều đồng bộ, động cơ xoay chiều không đồng bộ kiểu dây quấn, động cơ đốt trong
2 Trị số trong bảng ứng với chế độ làm việc 1 ca Khi làm việc 2 ca: lấy trị số trong bảng tăng thêm 0,1 ; Khi làm việc 3 ca tăng thêm 0,2
Bảng 5 3: Trị số của hệ số tải trọng động K đ
Loại đai dẹt Tỉ số (δ/d1)max
Nên dùng Cho phép Đai vải cao su Đai da Đai sợi bông Đai sợi len Đai sợi tổng hợp
1/30 1/25 1/25 1/25 1/100 … 1/150 Bảng 5 4: Tỉ số của chiều dày đai và đường kính bánh đai nhỏ Ứng suất có ích cho phép [σF] xác định theo công thức
[σF]0 - ứng suất có ích cho phép xác định bằng thực nghiệm đối với các loại đai, ứng với d1 = d2 (α= 180 0 ), bộ truyền đặt nằm ngang, v = 10 m/s, tải trọng tĩnh
Trị số của [σF]0 được xác định bằng công thức: [σF]0 = k1 – k2δ/d1, trong đó k1 và k2 là các hệ số được cung cấp trong bảng 4.9, phụ thuộc vào ứng suất căng ban đầu σ0 Nội dung này nằm trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Loại đai Ứng suất căng ban đầu σ0,
MPa 1,6 1,8 2,0 2,4 Đai vải cao su k 1 k2
Được phủ bằng nhựa poliamit C6 trộn với cao su nitrin CKH-40
Được phủ bằng nhựa nairit Ứng suất căng ban đầu σ0,
Để lựa chọn ứng suất căng ban đầu cho các loại đai, có thể tham khảo bảng 5.5 với trị số của hệ số k1 và k2 Cụ thể, đối với các loại đai như vải cao su, đai da, sợi bông và sợi len, ứng suất căng ban đầu được khuyến nghị là σ0 = 1,6 MPa.
Khi bộ truyền đặt thẳng đứng hoặc gần như thẳng đứng, khoảng cách trục không lớn và không điều chỉnh được, : σ0 = 1,8 MPa
Khi góc nghiêng của đường tâm bộ truyền so với phương nằm ngang đạt 60 độ, việc điều chỉnh khoảng cách trục định kỳ là cần thiết với lực căng σ0 = 2,0 MPa cho các bộ truyền tự căng có lực căng không đổi Đối với các bộ truyền tự căng với lực căng thay đổi, σ0 được điều chỉnh lên 2,4 MPa Đối với đai sợi tổng hợp, giá trị σ0 là 4 đến 5 MPa khi tỷ lệ δ/dmin ≤ 1/80 và cần thực hiện điều chỉnh khoảng cách trục định kỳ Đây là nội dung quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay.
Page 66 σ0 = 7,5 MPa – khi δ/dmin >1/80 và bộ truyền tự căng; σ0 = 10 MPa – khi δ/dmin > 1/100 đối với bộ truyền tự căng với lực căng thay đổi
Cα là hệ số thể hiện ảnh hưởng của các góc ôm α1 trên bánh đai nhỏ đến khả năng kéo của đai Giá trị của Cα có thể được tra cứu trong bảng 5.6 hoặc tính toán theo công thức cụ thể.
Bảng 5 6: Trị số của hệ số kể đến ảnh hưởng của góc ôm C α
Hệ số Cv phản ánh tác động của lực ly tâm đối với độ bám của đai trên bánh đai Giá trị của Cv có thể được tra cứu trong bảng 4.11 hoặc được tính toán theo công thức Cv = 1 – k v (0,01v²).
1) ở đây kv = 0,04 đối với đai vải cao su, đai da, đai sợi bông, đai len ; kv = 0,01 đối với đai sợi tổng hợp
Loại đai Vận tốc đai v, m/s
(*) cũng dùng cho đai da, đai sợi bông, đai sợi len
Bảng 5 7: Trị số của hệ số kể đến ảnh hưởng của vận tốc C v
Hệ số C0 thể hiện ảnh hưởng của vị trí bộ truyền trong không gian và phương pháp căng đai, với giá trị được cung cấp trong bảng 5.8 của Đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Kiểu truyền động Góc nghiêng của đường tâm bộ truyền đối với đường nằm ngang
Từ 0 đến 60 0 Từ 60 0 đến 80 0 Từ 80 0 đến 90 0
Tự căng (căng đai tự động)
Bảng 5 8: Trị số của hệ số kể đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền C 0
Chiều rộng đai b được xác định từ công thức A = b δ = FtKđ/[σF] theo Ft, δ và [σF] vừa tính được Trị số của b phải lấy theo tiêu chuẩn (bảng 5.1 đến 5.5)
Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục
Với σ0 đã chọn khi xác định [σF] 0 tính được lực căng ban đầu
Lực tác dụng lên trục:
Tính Toán Chọn Động Cơ
Các chi tiết trong phần khớp ngón tay
Phần cơ khí của thiết bị phục hồi chức năng bàn tay được chế tạo từ MICA, đã được tính toán và thiết kế kỹ lưỡng bằng phần mềm Solidworks Đây là một trong những yếu tố quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Hình 5 1: Tổng quan phần cơ khí ngón tay
Trục ngoài được thiết kế với khớp tịnh tiến, bao gồm bạc đạn và hai trục song song Hai trục này có nhiệm vụ giữ vững các thành phần phía sau, đồng thời đảm bảo phần trước được tịnh tiến chính xác Chúng được gia công từ thép với đường kính 13mm, mang lại độ bền và ổn định cao cho hệ thống.
Hỡnh 5 2: Hỡnh dỏng 2 trục ỉ3mm
Con trược tịnh tiến ngoài cùng Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Bạc trược đường kính ỉ7mm được gắn lên con trược, được gia công bằng phương pháp cắt laser từ vật liệu mica dày 5mm Con trược này kết nối với bạc trược và hai trục ngoài, có nhiệm vụ tịnh tiến qua lại.
Hình 5 3: Bạc trược Hình 5 4: Con trược tịnh tiến ngoài
Miếng đỡ chặn 2 đầu ngoài cùng
Miếng đỡ chặn ngoài cùng được chế tạo bằng công nghệ cắt laser với độ dày 5mm, có chức năng ngăn chặn con trượt ra ngoài phạm vi di chuyển của nó Phần này được gắn trên hai trục ngoài cùng để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình hoạt động.
Hình 5 5: Miếng đỡ chặn ngoài Hình 5 6: Miếng đỡ chặn 2 trục
Miếng khớp xoay phần ngoài Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Miếng khớp xoay phần ngoài có chức năng kẹp chặt và giữ cố định khớp tịnh tiến bên ngoài, ngăn không cho bị lệch khỏi đường đi mong muốn Nó cũng có khả năng xoay một góc từ 0 đến 90 độ, cho phép khớp ngoài cùng xoay linh hoạt Sản phẩm được gia công bằng công nghệ cắt laser với độ dày Mica 3mm, đảm bảo độ chính xác và độ bền cao.
Hình 5 7: Miếng khớp xoay ngoài
Miếng mica cơ cấu xoay được gia công bằng phương pháp laser với độ dày 5mm, có khoang lỗ đường kính 13mm để gắn trục Phần này liên kết với một trục 13mm, giữ cố định phần ngoài và cho phép phần ngoài xoay theo yêu cầu Đây là một phần quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay.
Hình 5 8:Tấm Mica cơ cấu xoay
Miếng Mica dày 5mm ở dưới cùng là một bộ phận quan trọng trong cơ cấu khớp ngón tay, có nhiệm vụ giữ cho phần ngoài và phần giữa ổn định Nó được gắn với trục 3mm, trên trục có lò xo để kéo khớp ra phía ngoài và định vị dây kéo, dưới sự điều khiển của động cơ theo chỉ định.
5.5.2 Phần giữa của khớp ngón tay
Phần này bao gồm các khớp tịnh tiến, xoay và đỡ chặn, đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định khớp giữa và đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật Đây là nội dung chính trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay.
Hình 5 10:Hình giữa của khớp ngón tay
Hai con trược nằm ở khớp giữa đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc khớp Chúng được kết nối với hai trục ỉ3mm, giúp duy trì sự liên kết giữa phần trước và phần ngoài cùng của khớp Ngoài ra, hai con trược này cũng hoạt động như một khớp tịnh tiến, cho phép khớp giữa di chuyển qua lại một cách linh hoạt.
Hình 5 11:Hai con trược nằm ở giữa khớp
Miếng xoay khớp giữa Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Miếng xoay khớp giữa được gia công bằng công nghệ laser với độ dày 3mm, cho phép xoay từ 0 đến 90 độ Phần này có chức năng kết nối với các thanh phía sau và hỗ trợ phần tịnh tiến phía trước, đảm bảo sự linh hoạt và ổn định cho toàn bộ hệ thống.
Hình 5 12: Miếng Xoay khớp giữa
Phần này được kết nối chắc chắn với trục ỉ3mm, tạo liên kết với miếng quay ở dưới cùng và hai thanh dày 3mm tại cuối khớp.
Và được gia công Mica với bề dày 5mm Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Hình 5 13: Miếng xoay phía dưới 5.5.3 Phần cuối của khớp
Là một hệ thống gồm các thanh liên kết kết hợp với các tịnh tiến và xoay của khớp, phần này được sử dụng để kết nối với đế và hộp Nó đóng vai trò quan trọng trong việc truyền động từ động cơ đến các khớp khác, đồng thời đảm bảo rằng các sợi cáp được dẫn hướng chính xác và đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật.
Con xoay phần đầu khớp và phần giới hạn khớp
Phần được gia công từ Mica dày 5mm, có hai lỗ khoan đường kính 3mm để lắp đặt hai trục song song Ngoài ra, nó còn bao gồm hai miếng giới hạn ở hai bên nhằm ngăn chặn chuyển động vượt quá yêu cầu kỹ thuật cho phép.
Hình 5 14: Con xoay phần đầu và phần giới hạn khớp
Phần gắn với vỏ hộp
Phần được gia công từ Mica dày 10mm, với hai lỗ khoan ỉ7mm để lắp đặt hai bạc trượt Bộ phận này kết nối với vỏ hộp và hỗ trợ việc di chuyển khớp đầu tiên của ngón tay Đây là một phần quan trọng trong đồ án tốt nghiệp về thiết bị phục hồi chức năng cho bàn tay.
Hình 5 15: Phần gắn với vỏ hộp
Hệ thanh dẫn dộng và kéo Lò xo
Hệ thanh được chế tạo từ vật liệu Mica, kết nối qua các trục nối, và được gắn với miếng 10mm cùng vỏ hộp Chức năng chính của hệ thống này là dẫn động và truyền lực cho các bộ phận phía sau.
Hình 5 16: Hệ thanh dẫn động và kéo lò xo.
Phần vỏ hộp và bệ đỡ động cơ
Phần bao gồm các phần như: Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
- Vỏ hộp dùng để nâng đỡ động cơ
- Phần bệ đỡ cho toàn hệ bàn tay
- Phần hệ trục kéo cáp của dộng cơ
- Phần nâng động cơ và hệ bánh đai
Hình 5 17: Phần vỏ hộp và phần nâng đỡ động cơ Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
