Thiết kế, chế tạo bộ khung xương chi dưới hỗ trợ người khuyết tật

GIỚI THIỆU

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Tại Việt Nam và trên toàn thế giới, vẫn còn nhiều người khuyết tật cả hai chân, gặp khó khăn trong việc đi lại và thiếu điều kiện chữa trị cũng như hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức xã hội Ý tưởng góp sức giúp đỡ những người khuyết tật này đã thúc đẩy nhóm thực hiện đề tài này.

Hiện nay, tai nạn liên quan đến chi dưới ngày càng gia tăng trong thể thao, lao động và sinh hoạt hàng ngày Nếu không được chẩn đoán và xử trí kịp thời, những tai nạn này có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chức năng vận động của khớp và để lại phiền toái cho người bệnh.

Hiện nay, việc áp dụng tự động hóa vào các bài tập phục hồi chức năng và vật lý trị liệu ngày càng trở nên quan trọng, nhằm đảm bảo sự ổn định, an toàn và hiệu quả trong quá trình điều trị Do đó, nhóm nghiên cứu nhận thấy cần thiết phải chế tạo thiết bị hỗ trợ bước đi cho bệnh nhân.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ đi lại không chỉ phục vụ cho việc điều trị tại các bệnh viện phục hồi chức năng, mà còn đóng góp vào nghiên cứu thiết bị bộ xương ngoài tại Việt Nam.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu và thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ đi lại:

- Thiết kế cơ khí, thiết kế chế tạo phần mạch điện điều khiển

- Xây dựng thuật toán điều khiển cho thiết bị: điều khiển bám theo và điều khiển hỗ trợ, điều khiển với chế độ bằng tay và tự động

- Tiến hành thực nghiệm để tìm thông số điều khiển (góc, moment theo các pha khi di chuyển)

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU

Thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ đi lại cho con người dựa trên mẫu khung xương ngoài, đồng thời phát triển chương trình điều khiển để thiết bị di chuyển theo chuyển động bước đi của người dùng.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc tìm hiểu tài liệu liên quan đến thiết bị bộ xương ngoài, thiết kế cơ khí, và các ứng dụng điện tử Chúng tôi cũng nghiên cứu cảm biến moment cho thiết bị hỗ trợ đi bộ, tài liệu về giải phẫu cơ thể người, cũng như phân tích chuyển động đi bộ của con người.

Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các đồ án của các nhóm trước, các thiết kế mạch đã được thi công và sử dụng ổn định, cùng với sự hỗ trợ trực tiếp từ các giảng viên chuyển ngành thuộc Bộ môn Cơ điện tử.

Phương pháp thực nghiệm và thử nghiệm là rất quan trọng trong thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ bước đi Quá trình này không chỉ dựa vào tính toán và thiết kế lý thuyết mà còn yêu cầu thực hiện chế tạo thực tế, từ đó giúp rút ra kinh nghiệm và khắc phục các thiếu sót.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

TỔNG QUAN LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

Các nhà khoa học đã nghiên cứu sự chuyển động của chân người và khả năng mang vác của con người, nhằm mở rộng tiềm năng vận động Hình 2.1 minh họa các bước di chuyển cơ bản của con người.

Hình 2.1 Sơ đồ đơn giản dáng đi bộ của con người [3]

Một người bình thường có thể mang vật nặng gấp 1 đến 1,5 lần khối lượng cơ thể mà không cần máy móc, nhưng với sự hỗ trợ của thiết bị, khả năng nâng có thể tăng lên từ 2 đến 4 lần khối lượng cơ thể Exoskeleton, hay bộ xương ngoài, là một trong những thiết bị đầu tiên được phát triển trong ngành công nghiệp quốc phòng, nhằm hỗ trợ và tăng cường sức chiến đấu cho binh lính.

Exoskeleton, hay bộ xương ngoài, là một loại rô bốt sinh học thuộc lĩnh vực cơ sinh điện tử, hoạt động như một phần của cơ thể khi được "mặc" vào người Chúng không chỉ bảo vệ cơ thể mà còn tăng cường khả năng di chuyển và hỗ trợ người khuyết tật trong sinh hoạt hàng ngày Việc thiết kế và chế tạo exoskeleton gặp nhiều thách thức do tính tích hợp của nhiều lĩnh vực, đòi hỏi công nghệ cao để đảm bảo chức năng hỗ trợ, tính tiện lợi và độ an toàn tối đa cho người sử dụng.

Hình 2.2 Những thiết bị hỗ trợ đầu tiên [4]

MỘT SỐ THÀNH TỰU ĐÃ CÔNG BỐ

Hiện nay, thiết bị cơ điện tử đóng vai trò quan trọng trong phục hồi chức năng và chỉnh hình, giúp hạn chế chuyển động khớp, thay thế chức năng bộ phận hoặc hỗ trợ nhóm cơ Những thiết bị này thường được thiết kế dưới dạng bộ xương ngoài, hỗ trợ kỹ thuật viên trong quá trình phục hồi cho bệnh nhân và thu thập dữ liệu để cải thiện chẩn đoán và điều trị.

Khó khăn về kỹ thuật và tài chính đã tạo ra nhiều thách thức trong nghiên cứu bộ xương ngoài tại Việt Nam, mặc dù thiết bị này có khả năng ứng dụng thực tiễn cao Một ví dụ tiêu biểu là bộ xương ngoài của PGS TS Đào Văn Hiệp và Th.S Trần Xuân Thảnh, được thiết kế nhằm hỗ trợ người đi bộ.

Hình 2.3 Bộ xương ngoài của Việt Nam [5]

Hình 2.4“Iron-man” – được phát triển bởi Bộ Quốc Phòng Mỹ [6]

Người sắt là một robot khung xương được phát triển bởi Bộ Quốc Phòng Mỹ nhằm tạo ra “siêu chiến binh” Phát minh này không chỉ mang lại hy vọng cho những quân nhân bị liệt hai chân mà còn giúp những người khuyết tật có thể đi lại bình thường nhờ vào khả năng ôm sát cơ thể.

Vào ngày 21/10/2011 tại Excel Center, Luân Đôn, kỹ sư Thomas Dwyer đã giới thiệu bộ khung xương ngoài Bionic Exoskeleton trước bà Amanda Boxtel Thiết bị này, được phát triển bởi Ekso Bionics, là một bộ khung xương robot pin có thể mang/mặc, nhằm hỗ trợ những người sử dụng xe lăn và những người bị chấn thương tủy sống trong việc đứng và di chuyển Giá của Bionic Exoskeleton khoảng 130.000 đô la.

Bộ khung xương gắn ngoài Phoenix, nặng 12.25 kg và dự kiến có giá khoảng 40.000 đô la khi thương mại hóa, do các nhà khoa học Mỹ phát triển, hứa hẹn mang lại hy vọng mới cho những người bị liệt hoàn toàn trong việc phục hồi khả năng đi lại như người bình thường.

Bộ khung xương Phoenix, được phát triển bởi nhóm các nhà khoa học từ Đại học California, nổi bật với trọng lượng nhẹ và cấu trúc mô đun, mang lại giá thành hợp lý hơn so với các sản phẩm tương tự Phoenix không chỉ giúp người dùng di chuyển từng bước nhỏ một cách ổn định mà còn cho phép họ chạy nhanh và tham gia các hoạt động thể thao như chơi bóng đá.

HAL (Hybrid Assistive Limb) là sản phẩm của hãng Cyberdyne (Nhật Bản), được thiết kế như một bộ khung trợ lực Kể từ năm 1992, HAL đã trải qua nhiều thế hệ thử nghiệm, bao gồm HAL-1, HAL-3, và hiện tại là HAL-5, thế hệ tiên tiến nhất Thiết bị này được trang bị cảm biến sinh học (BioSignal) giúp đồng bộ hóa hoạt động giữa người sử dụng và cơ cấu Giá của HAL dao động từ 14.000 đến 19.000 đô la và nặng khoảng 23kg.

Hình 2.7 Bộ trợ lực HAL [9]

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

ĐỘNG HỌC KHỚP [1]

Khớp là các phần tử cơ học quyết định khả năng chuyển động của các khâu gắn liền và toàn bộ cơ cấu Trong cơ học máy, các khớp cơ bản cùng với số bậc tự do (BTD) của chúng tạo thành một hệ thống Khớp xương trong cơ thể người không chỉ đảm bảo các chuyển động mà còn có cấu tạo rất đa dạng và phức tạp Để nghiên cứu khía cạnh cơ sinh học của hệ khớp xương, việc thiết lập mô hình và mô phỏng các khớp theo những nguyên tắc nhất định là cần thiết.

Các nhà giải phẫu phân loại khớp xương dựa trên cấu tạo (khớp sợi, khớp sụn, khớp hoạt dịch) và hình thể (khớp răng cưa, khớp vẩy, khớp mào) Cơ sinh học chú trọng đến khả năng hoạt động của khớp, phân loại chúng theo độ phức tạp, hình dạng và khả năng chuyển động Việc hiểu rõ khả năng chuyển động của khớp là rất quan trọng để thiết kế thiết bị phù hợp với chuyển động của cơ thể.

Khớp chuyển động tự do (Diarthroses) cho phép khả năng chuyển động linh hoạt với rất ít hạn chế Cấu trúc của khớp này bao gồm sụn và màng bao khớp bên trong, chứa dịch giúp giảm chấn và bôi trơn cho khớp.

Hình 3.1 Cấu trúc của khớp chuyển động tự do – Khớp gối

(a): sơ đồ cấu tạo đơn giản; (b): sơ đồ cấu tạo chi tiết, gồm khớp, dây chằng và cơ

Lớp sụn đóng vai trò quan trọng trong việc biến dạng dưới tải trọng, giúp tăng diện tích tiếp xúc và giảm ứng suất tiếp xúc Nhờ đó, sụn có khả năng giảm ứng suất lên đến 50% hoặc hơn, đồng thời giảm ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương đối Cụ thể, ma sát giữa lưới dao và băng của giày trượt băng chỉ đạt từ 17-33%, thấp hơn nhiều so với ma sát trong các ổ bi của máy có bôi trơn, chỉ bằng một nửa.

Khớp chuyển động tự do được phân loại dựa trên hình dạng và khả năng chuyển động, như thể hiện trong hình 3.2 Trong cơ sinh học, khả năng chuyển động của khớp được đo bằng số bậc tự do (BTD).

Hình 3.2 Các dạng khớp sinh học và khớp cơ học tương đương

Khớp cầu (Ball and Socket Joint) là loại khớp có cấu tạo gồm một đầu xương hình cầu lồi và một đầu xương hình cầu lõm, cho phép nhiều bậc tự do nhất trong chuyển động Ví dụ điển hình của khớp cầu bao gồm khớp cánh tay và khớp hông, cho phép các hoạt động linh hoạt và đa dạng.

Khớp xoan (khớp condyloid) tương tự như khớp cầu, nhưng có hình dạng trái xoan, cho phép chuyển động theo hai hướng vuông góc Ví dụ về khớp xoan bao gồm khớp cổ tay, đốt ngón tay, bàn chân và ngón chân.

Khớp phẳng (khớp trượt) cho phép các chuyển động trượt theo mặt phẳng và có khả năng quay quanh một trục vuông góc với mặt phẳng đó Ví dụ điển hình của loại khớp này là khớp cổ tay.

 Khớp bản lề (Hinge Joint) cho phép quay quanh 1 trục (gập, duỗi) Ví dụ khớp khuỷu tay, khớp gối (hình 3.2-D)

 Khớp quay (Pivot Joint) cho phép quay và dịch chuyển nhẹ theo chiều trục Ví dụ khớp đốt sống (hình 3.2-E)

Khớp yên (Saddle Joint) được hình thành từ hai phần giống như yên ngựa, cho phép các chuyển động như co duỗi, dạng và khép, nhưng với mức độ hạn chế hơn so với khớp cầu Một số ví dụ điển hình của khớp yên là khớp cổ tay và khớp đốt bàn tay thứ nhất của ngón tay cái.

Khớp chuyển động nhẹ (Amphiarthroses) là loại khớp có khả năng giảm lực và cho phép chuyển động nhỏ giữa các xương Các khớp này bao gồm những khớp liên kết các xương bằng lớp sụn, chẳng hạn như khớp xương ức, hoặc những khớp có lớp sụn ngăn cách trong vùng chuyển động tương đối giữa các xương, như ở đốt sống.

Khớp bất động (Synarthroses) là loại khớp có cấu trúc dạng thớ, liên kết các mảnh xương với nhau, giúp giảm chấn và hấp thụ lực Loại khớp này không cho phép hoặc chỉ cho phép các mảnh xương di chuyển một cách rất nhỏ.

Các đường ghép (Sutures) là các khớp được hình thành từ các rãnh không theo quy luật, kết nối các mảnh xương bằng các sợi gắn lên màng xương Trong quá trình phát triển của con người, các sợi này sẽ dần bị hóa xương Loại khớp này chỉ xuất hiện duy nhất ở xương sọ.

Khớp dây chằng (Syndesmosis) được tạo thành từ các sợi và bó, kết nối các phần của khớp với nhau, cho phép chuyển động tương đối hạn chế Trong nghiên cứu chuyển động của khớp, cơ sinh học phân biệt hai mô hình khác nhau.

Mô hình Osteokinematics xem khớp như một cấu trúc cứng tuyệt đối, tương tự như khớp trong cơ học máy Mô hình này được sử dụng để mô tả các chuyển động "vĩ mô" của khớp, bao gồm các động tác co - duỗi (Flexion - Extension) và dang - khép (Abduction - Adduction).

Adduction) và quay trái - phải (Internal - External Rotatỉon) Khi đó vị trí của trục quay hay tâm quay đƣợc coi là cố định

Tại các khớp không có tâm quay cố định, diễn ra đồng thời ba loại chuyển động: lăn, trượt và quay Chuyển động lăn và trượt tương tự như bánh xe lăn trên đường, trong khi chuyển động quay thường bị bỏ qua Khi xem xét các chuyển động nhỏ trong khớp, mô hình chuyển động sẽ trở nên phức tạp hơn.

Anthrokinematies đƣợc dùng để mô tả chuyển động "vi mô" của các khớp

CÁC KHÁI NIỆM CĂN BẢN VỀ DI CHUYỂN CỦA CƠ THỂ NGƯỜI

Đi bộ (walk) là sự dịch chuyển luân phiên của cả hai chân, tức là hai chân không đồng thời nhất khỏi mặt đất

Dáng đi (gait) là cách thức mà một người di chuyển khi đi bộ, và nó khác biệt với việc đi bộ thông thường Mỗi cá nhân sở hữu những dáng đi riêng biệt, phản ánh phong cách và đặc điểm cá nhân của họ.

Bước (step): là quá trình di chuyển chân phía sau tới phía trước để trở thành chân trước Một bước bao gồm tối thiểu hai pha:

 Pha trụ đơn khi mà chỉ có một chân tiếp xúc mặt đất Có 2 trường hợp:

 Pha trụ đơn cơ bản: là trường hợp mà một bàn chân người tiếp xúc hoàn toàn với mặt đất

Hình 3.5 Pha trụ đơn cơ bản

 Pha trụ đơn với trường hợp người đứng trên mũi chân

Hình 3.6 Pha trụ đơn đứng trên mũi chân

 Pha trụ đôi là cả hai chân cùng tiếp xúc trên mặt đất Có 3 trường hợp:

 Pha trụ đôi cơ bản: khi cả hai bàn chân tiếp xúc hoàn toàn với mặt đất

Hình 3.7 Pha trụ đôi cơ bản

 Pha trụ đôi khi chân sau đừng trên mũi chân và chân trước gót chân tiếp đất

Hình 3.8 Pha trụ đôi mũi, gót chạm đất

 Pha trụ đôi khi chân sau đứng trên mũi chân và chân trước tiếp xúc hoàn toàn với mặt đất

Hình 3.9 Pha trụ đôi mũi, gót chạm đất

Chu kì bước của người được chia làm 7 giai đoạn:

Hình 3.10 Chu kì bước của con người

 Giai đoạn chân trụ: (chân phải) là giai đoạn có một hoặc hai chân tiếp xúc với mặt đất Chiếm 62% chu kì bước

 Giai đoạn 1: là giai đoạn tiếp xúc ban đầu, gót chân chạm đất khi đó trọng tâm cơ thể là thấp nhất

 Giai đoạn 2: là giai đoạn cả bàn chân tiếp xúc mặt đất, trọng tâm đặt lên chân trụ

 Giai đoạn 3: là giai đoạn chân trụ về sau chân lắc (trung gian), trọng tâm giai đoạn này là cao nhất

 Giai đoạn 4: là giai đoạn gót chân bắt đầu lắc khỏi mặt đất Chân trụ bắt đầu nhấc khỏi mặt đất

 Giai đoạn chân lắc: là giai đoạn chân lắc đưa về phía trước mà không tiếp xúc với mặt đất Chiếm 38% chu kì bước

 Giai đoạn 5: là giai đoạn chân lắc bắt đầu rời khỏi mặt đầu và đƣa tới vị trí chân trụ

 Giai đoạn 6: là giai đoạn chân lắc đi về phía trước chân trụ

 Giai đoạn 7: là giai đoạn làm chậm bước đi nhằm ổn định để chuyển trụ ở chu kì kế tiếp

BẬC TỰ DO CỦA CƠ CẤU

Trong đó: n: số khâu động k: số ràng buộc của khớp pk: số khớp loại k

Trong thiết kế cơ cấu, số ràng buộc trùng (R0), số ràng buộc thừa (r) và số bậc tự do thừa (s) là những yếu tố quan trọng Cơ cấu được chia thành ba phần: khớp hông, khớp gối và khớp cổ chân Việc tính toán bậc tự do cho từng khớp là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động của thiết bị.

Hình 3.11 Thiết kế của cơ cấu

Hình 3.12 Thiết kế của khớp hông

Hình 3.12 thể hiện một cơ cấu với 4 khâu động và 4 khớp loại 5 Khi tính toán bậc tự khớp sinh học, khớp hông cũng được tính vào, dẫn đến tổng số khớp loại 5 là 5.

Số khâu động: n = 4 Số khớp loại 5: p5 = 5

Hình 3.13 Thiết kế khớp gối

Trong hình 3.13, tại khớp gối có 6 khâu động và 6 khớp, cơ cấu gắn vào phần khớp gối nên khớp sinh học đƣợc tính là 1 khớp loại 5 Ta có:

Số khâu động: n = 6 Số khớp loại 5: p5 = 7

Hình 3.14 Thiết kế khớp cổ chân

Trong hình 3.14, khớp cổ chân bao gồm 4 khâu động, 3 khớp loại 5 và 1 khớp loại 3 Do cơ cấu gắn vào phần khớp cổ chân, khớp sinh học được xác định là 1 khớp loại 5.

Số khâu động: n = 6 Số khớp loại 5: p5 = 4 Số khớp loại 3: p3 = 1

SƠ LƢỢC VỀ STRAIN GAGE [2]

Strain gage là cảm biến có điện trở thay đổi theo lực tác dụng, chuyển đổi lực, áp suất, sức ép và trọng lượng thành sự thay đổi điện trở để đo lường Khi lực bên ngoài tác động lên một đối tượng cố định, nó tạo ra stress (lực cản trở bên trong) và strain (sự dịch chuyển và biến dạng) Strain gage đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật đo lường điện tử.

Hình 3.15 Hình ảnh thực tế của strain gage

Strain gage là thành phần chính của loadcell, bao gồm một sợi dây kim loại mảnh được đặt trên một tấm cách điện đàn hồi Để tăng chiều dài của dây điện trở, strain gage được bố trí theo hình zikzak, giúp tăng độ biến dạng khi có lực tác dụng, từ đó nâng cao độ chính xác của thiết bị cảm biến.

3.4.2 Một số tính chất vật lý của strain gage

Các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết vật lý đã chỉ ra rằng điện trở của dây dẫn thay đổi khi dây bị nén hoặc kéo giãn Hình 3.16 minh họa sự biến dạng của một sợi dây dẫn với chiều dài L1 và đường kính D1 Khi chịu tác động của lực kéo giãn, chiều dài và đường kính của dây dẫn sẽ thay đổi thành L2 và D2, nhằm bảo toàn thể tích Dây dẫn có đường kính nhỏ hơn sẽ có điện trở trên một đơn vị chiều dài lớn hơn và ngược lại.

Hình 3.16 Chiều dài dây dẫn thay đổi dưới tác dụng của lực kéo

Khi dán chặt một sợi dây dẫn lên bề mặt vật liệu có khả năng biến dạng, chúng ta có thể sử dụng sự thay đổi điện trở của dây dẫn để đo sự biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của lực Do sự thay đổi điện trở trên một đoạn dây dẫn ngắn là rất nhỏ, người ta thường thiết kế dây dẫn thành một lưới dây để tăng chiều dài dây dẫn và tạo ra sự biến thiên điện trở lớn hơn, giúp việc đo đạc và tính toán trở nên dễ dàng hơn.

Hình 3.17 Cảm biến áp điện trở dạng dán

3.4.3 Nguyên lý hoạt động của strain gage

Hình 3.18 Strain gage và công thức tính

R: điện trở strain gage (ohm) L: chiều dài của sợi kim loại strain gage (m) S: tiết diện của sợi kim loại strain gage (m 2 ) ρ: điện trở suất vật liệu của sợi kim loại

 Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở

 Khi dây chịu lực nén, chiều dài strain gage sẽ giảm, điện trở sẽ giảm

 Khi dây chịu lực kéo dãn, chiều dài strain gage sẽ tăng, điện trở sẽ tăng

 Điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với lực tác động

Hình 3.19 Sự thay đổi của strain gage khi có lực tác động

3.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo Strain gage

Nhiệt độ có ảnh hưởng đến điện trở của dây dẫn, nhưng sự thay đổi này không đáng kể so với biến thiên điện trở khi cảm biến chịu lực tác động.

Đáp ứng tần số của cảm biến lực chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc của cảm biến, cơ chế kết nối và băng tần của mạch khuếch đại điện áp, do khối lượng của strain gage rất nhỏ.

Độ phân giải của strain gage được xác định bởi thiết kế của cảm biến, với bất kỳ thay đổi nhỏ nào về biến dạng đều gây ra sự thay đổi điện trở tương ứng Độ phân giải này chủ yếu phụ thuộc vào hệ thống bo mạch điện tử, có vai trò quan trọng trong việc thu thập và khuếch đại sự biến thiên của điện trở strain gage.

3.4.5 Nguyên lí chế tạo cảm biến sự dụng strain gage

Nguyên lí thiết kế một cảm biến lực, moment đƣợc dựa trên độ biến dạng đàn hồi của vật liệu cơ khí nhƣ hình 3.20

Hình 3.20 Biểu đồ ứng suất biến dạng của kim loại

Đường đồ thị ứng suất – biến dạng của kim loại có tính chất gần như tuyến tính khi ứng suất nhỏ hơn giới hạn đàn hồi, dẫn đến sự thay đổi giá trị điện trở của các strain gage gắn trên bề mặt vật liệu kim loại cũng gần như tuyến tính Bằng cách đo và tính toán giá trị thay đổi điện trở trên các strain gage, chúng ta có thể ước lượng chính xác giá trị lực và moment tác dụng vào cảm biến.

THIẾT KẾ - THI CÔNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM

THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHUNG XƯƠNG

4.1.1 Ý tưởng thiết kế và các phương án

Để chế tạo một sản phẩm, bước đầu tiên là cần có thiết kế sơ bộ, phác thảo thiết bị Thiết kế đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành sản phẩm, giúp định hình ý tưởng và mối liên kết giữa các chi tiết.

Quá trình thiết kế phần khung xương ngoài được thể hiện theo lưu đồ như sau:

Hình 4.1 Sơ đồ khối thiết kế phần cơ khí

Sau khi hình dung rõ ràng về thiết bị, bước tiếp theo là phác thảo ý tưởng thiết kế lên giấy Trong giai đoạn này, không cần chú trọng đến kích thước chính xác, mà chỉ cần thể hiện một cách tương đối vị trí các thành phần trên thiết bị.

Sau khi hoàn tất, từng chi tiết được thiết kế bằng phần mềm vẽ 3D Solidworks, cho phép điều chỉnh kích thước linh hoạt Do thiết bị bao gồm nhiều chi tiết liên kết với nhau, kích thước của từng phần phải được tính toán cẩn thận để đảm bảo mối quan hệ và ảnh hưởng lẫn nhau.

Trong quá trình thiết kế, việc lắp ráp các chi tiết với nhau là rất quan trọng Bạn có thể vừa vẽ chi tiết vừa thực hiện lắp ráp với các chi tiết liên quan Sau đó, hãy chỉnh sửa kích thước và hình dạng của các chi tiết trong môi trường lắp ráp cho đến khi chúng đáp ứng đầy đủ yêu cầu thiết kế.

Sau khi gia công và chế tạo các chi tiết từ bản vẽ, quá trình lắp ráp các chi tiết diễn ra, tiếp theo là hiệu chỉnh và chỉnh sửa để hoàn thiện thiết bị.

4.1.2 Các phương án thiết kế cho thiết bị

Thiết kế cơ khí đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị Mục tiêu là tạo ra thiết bị nhỏ gọn nhất có thể, mang lại sự thoải mái cho người sử dụng khi mang theo Do không có tiêu chuẩn kích thước cụ thể, nhóm quyết định thiết kế dựa trên chiều cao của một thành viên trong nhóm để đạt được sự phù hợp tối ưu.

Hình 4.2 Một thành viên trong nhóm

Thiết bị được thiết kế với số bậc tự do phù hợp với độ linh hoạt của khớp sinh học, cho phép một vật rắn trong không gian có sáu chuyển động không bị hạn chế Thiết bị bao gồm ba phần chính: khớp hông, khớp gối và khớp cổ chân, mỗi khớp đều có sáu bậc tự do Đặc biệt, khớp gối có một bậc tự do chủ động do động cơ thực hiện.

Thiết bị được thiết kế theo hướng thụ động, giúp theo dõi chuyển động của chân người mà không cần tạo ra bước đi Điều này cho phép khớp hông được tối giản, giảm bớt cơ chế kéo phần bắp đùi lên.

 Phương án thiết kế khớp hông:

 Phương án 1: Sử dụng khớp cầu tại khớp hông và 1 khớp tịnh tiến phía sau để kết nối với phần thân đeo vào cơ thể

 Ƣu điểm: Dễ chế tạo, thiết kế

 Nhược điểm: Không thể đo vị trí khớp hông khi người dùng di chuyển

 Phương án 2: Thay thế khớp cầu bằng ba khớp xoay, kết hợp với 1 khớp tịnh tiến phía sau để kết nối với phần thân đeo vào cơ thể

 Ƣu điểm: Kết hợp gắn encoder vào khớp xoay theo trục x, do đó có khả năng đọc vị trí khớp hông khi di chuyển

 Nhược điểm : Cơ cấu rườm rà hơn so với khớp cầu và tăng thêm trọng lƣợng

Với hai phương án đề cập ở trên thì phương án 2 phù hợp hơn với thiết bị cần chế tạo

Theo như phương án số 2 thì khớp hông được thiết kế gồm ba khớp xoay, kết hợp với một khớp tịnh tiến phía sau

Khớp gối được thiết kế với sáu bậc tự do, trong đó có một bậc tự do chủ động do động cơ thực hiện Khi di chuyển, trục quay của động cơ không luôn đồng trục với trục của khớp gối, vì vậy các bậc tự do thụ động còn lại sẽ tự điều chỉnh để đảm bảo sự thoải mái và an toàn cho người sử dụng.

Để nâng cao tính thẩm mỹ và tối ưu hóa kích thước thiết bị, nhóm đã quyết định lắp đặt cả 4 động cơ ở phía lưng Với thiết kế này, có hai phương án gá đặt động cơ cho khớp hông được đề xuất.

Động cơ nâng có ưu điểm trong việc chuyển đổi chuyển động thẳng thành chuyển động ngang nhờ bộ giảm tốc trục vít - bánh vít, đáp ứng yêu cầu sử dụng Tuy nhiên, động cơ này có thể gây hiện tượng tự hãm, làm khó khăn cho người dùng khi đeo thiết bị Hơn nữa, việc không tích hợp sẵn bộ encoder yêu cầu người dùng phải tự chế tạo, dẫn đến tín hiệu đọc không chính xác và gây khó khăn trong quá trình điều khiển.

Động cơ DC mang lại nhiều lợi ích như khả năng tải lớn và momen cao, không gây hiện tượng tự hãm, dễ dàng lắp đặt và có khối lượng tương đối nhẹ.

Khớp cổ chân được thiết kế với sáu bậc tự do, trong đó khớp cầu giúp tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt và kết nối với chân đế của thiết bị Ba bậc tự do còn lại kết nối phần cẳng chân với thiết bị, mang lại sự thoải mái khi di chuyển.

4.1.3 Tính toán – chọn lựa động cơ Động cơ đƣợc sử dụng trong thiết bị là động cơ DC có gắn hộp giảm tốc Cần tiến hành lựa chọn để tìm đƣợc động cơ phù hợp cho thiết bị

 Thông số ban đầu về cơ thể người được khảo sát:

 Chiều dài phần đùi: 465 (mm)

 Chiều dài phần cẳng chân: 400 (mm)

Hình 4.6 Tỷ lệ khối lượng và tỷ lệ trọng tâm của từng bộ phận trên cơ thể

Hình trên trình bày tỷ lệ khối lượng (%m) và tỷ lệ vị trí trọng tâm (%p) của các bộ phận cơ thể người, với sự chú ý đặc biệt đến ba bộ phận chính: đùi (Thigh), cẳng chân (Shank) và bàn chân (Foot).

Khối lƣợng (%) (Tỷ lệ so với toàn khối lƣợng cơ thể)

Vị trí trọng tâm (%) (Tỷ lệ so với chiều dài của từng bộ phần) Đùi 9,88 43,3 (Từ hông)

Cẳng chân và bàn chân 6,1 60,6 (Từ gối)

Toàn bộ chân 16,1 44,7 (Từ hông)

Bảng 4.1 Tỷ lệ khối lượng và tỷ lệ trọng tâm của Đùi, Cẳng chân, Bàn chân

 Khối lượng từng bộ phận chi dưới:

 Khối lƣợng toàn bộ chân: mTotal Leg = 62 16,1% = 9,98 (kg)

 Khối lƣợng phần cẳng chân và bàn chân: mLeg + Foot = 62 6,1% = 3,78 (kg)

 Vị trí trọng tâm của từng bộ phận chi dưới:

 Vị trí trọng tâm của toàn bộ chân (tính từ hông):

 Vị trí trọng tâm của phần cẳng chân và bàn chân (tính từ gối):

 Tính moment tại khớp hông:

 Khối lƣợng mà khớp hông tải đƣợc: bằng tổng khối lƣợng của toàn bộ chân (9,98 kg) và phần cơ cấu gắn vào chân (4 kg): mHông = 9,98 + 4 = 13,98 (kg)

 Trọng lƣợng phần khối lƣợng trên:

Bảng 4.2 Góc quay và momen tương ứng tại khớp hông

 Động cơ sử dụng cho khớp hông:

Giới thiệu về vật liệu composite

Composite là vật liệu được tạo ra từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích phát triển một sản phẩm mới có tính năng vượt trội và độ bền cao hơn so với các vật liệu gốc.

Vật liệu composite được cấu thành từ vật liệu nền và cốt, trong đó vật liệu nền có vai trò liên kết các cốt lại với nhau Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu đa thành phần có tính nguyên khối và liên tục, giúp composite đạt được độ bền nhiệt, khả năng chống hóa và khả năng chịu đựng tốt khi gặp khuyết tật.

4.2.1 Thành phần cốt: Sợi thuỷ tinh Đặc tính: là loại vật chất rất dễ vỡ, nhƣng khi qua gia nhiệt và đƣợc kéo thành sợi, nó dường như mất đi bản tính, trở nên mềm như sợi tơ, chịu nhiệt cao, cách điện, chống ẩm và rất bền vững…

Nó có thể kết hợp với các vật liệu nhựa để tạo thành các nguyên liệu tổ hợp sợi thuỷ tinh

4.2.2 Vật liệu nền: Nhựa polyeste

Nhựa polyester là loại nhựa tổng hợp chƣa bão hòa hình thành bởi phản ứng hóa học giữa axit hữu cơ hai bazo và rƣợu polyhydric

Nhựa polyester (keo poly) là loại nhựa nhiệt rắn, có khả năng tỏa nhiệt trong quá trình đóng rắn Việc sử dụng chất xúc tác quá liều có thể gây ra hiện tượng bốc cháy và làm cho sản phẩm sau khi đóng rắn trở nên giòn, dễ gãy và vỡ Loại nhựa này chủ yếu được sử dụng làm vật liệu nền trong các sản phẩm composite.

4.2.3 Ứng dụng composite làm các ốp bảo vệ trong khung xương

THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN LỰC

Mạch cầu Wheatstone thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, áp suất Cấu tạo gồm 4 điện trở R1, R2, R3, R4 đƣợc kết nối thành mạch nhƣ Hình 4

 Nguyên lí hoạt động của mạch nhƣ sau: Điện áp đo đƣợc giữa 2 đầu dây Vs+, Vs- đƣợc tính theo công thức

Mạch cầu đạt trạng thái cân bằng khi Vs+ = Vs- Khi chọn R1 = R2 = R3 = R4, điện áp đầu ra sẽ bằng 0 bất kỳ khi nào có điện áp được áp dụng Sự mất cân bằng xảy ra khi một hoặc nhiều điện trở thay đổi giá trị, dẫn đến điện áp đầu ra không còn bằng 0 Qua việc đo giá trị điện áp, ta có thể xác định lực và momen tác động lên cảm biến.

Mô hình cảm biến xoắn momen một trục bao gồm một phần cố định hình vuông bên ngoài và một phần lõi di động bên trong, được kết nối bằng hai thanh dầm Hai thanh dầm này có rãnh khoét để tạo ra biến dạng khi có momen xoắn tác động lên lõi di động Các straingages được dán lên hai mặt ngoài của các thanh dầm để đo đạc biến dạng.

Sơ đồ nối dây các straingages nhƣ Hình 4.33 tạo thành mạch cầu Wheatstone với 4 giá trị điện trở có thể thay đổi khi tác dụng lực lên cảm biến

Hình 4.36 Mẫu thiết kế cảm biến

Hình 4.37 Sơ đồ nối dây Strain gage

 Nguyên lý đo nhƣ sau:

E+ và E- là 2 đầu điện áp cố định cấp cho Straingages S+ và S- là các ngõ ra tín hiệu + và - đƣợc tính theo nguyên lí chia áp nhƣ sau:

Khi cảm biến ở trạng thái nghỉ, ta có Vs + = Vs - Khi một mô men xoắn M tác động vào phần di động, hai thanh dầm gắn strain gauges sẽ biến dạng: giãn ra làm tăng điện trở và nén lại làm giảm điện trở.

Vs +> Vs - Trường hợp momen có chiều ngược lại, ta có Vs +> Vs - Sự khác biệt của 2 giá trị điện áp này chính là đầu ra của cảm biến

4.3.2 Mạch khuếch đại và xử lý tín hiệu cho cảm biến lực, momen

 Phương pháp dán và bảo vệ strain gage

Hình 4.38 Cố định strain gage lên bề mặt cảm biến lực, momen

 Để cố định straingages lên bề mặt cảm biến 1 cách chính xác và chắc chắn, cần phải thực hiện các bước sau:

 Bước 1: Sau khi gia công cảm biến, dùng giấy nhám để làm sạch vùng diện tích sẽ dán straingages lên

 Bước 2: Xác định 2 mặt trước sau của cảm biến, đặt cảm biến vào đúng vị trí đã đƣợc làm bóng

 Bước 3: Nhỏ keo cố định straingages lên bề mặt cảm biến, dùng tay nhấn chặt để straingages dính chắc vào bề mặt cảm biến

Bước 4: Cẩn thận hàn 2 dây điện nhỏ vào các cực của mỗi straingage và phủ một lớp nhựa thông mỏng lên bề mặt các mối hàn Sau đó, sử dụng VOM để đo và kiểm tra điện trở đầu ra, đảm bảo rằng mối hàn có tiếp xúc chắc chắn.

 Bước 5: Bảo vệ straingages bằng cách phủ lên bề mặt straingages đã dán bằng một lớp keo AB

 Bước 6: Nối các đầu ra của Straingages theo sơ đồ Hình 4.17 để tạo thành mạch cầu Wheatstone, đánh dấu chính xác các đầu ra của cảm biến

Hình 4.39 Phân tích momen trên cảm biến

Hình 4.40 Cảm biến momen sau khi chế tạo

 Nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu strain gage

Các mảnh điện trở straingages được kết nối thành mạch cầu Wheatston, với bốn dây tín hiệu S+, S- và nguồn E+, E- Mạch khuếch đại thuật toán sử dụng Opamp INA128 để khuếch đại tín hiệu S+ và S- với tỉ số điều chỉnh nhờ biến trở R2 Để hiệu chỉnh mức 0 của cảm biến, tín hiệu REF được điều chỉnh bằng biến trở R5 Các khối khác bao gồm mạch nguồn xung cung cấp điện áp 10V và -2.5V cho mạch khuếch đại và mạch cầu Wheatston.

Hình 4.41 Mạch khuếch đại sử dụng HX711

Hình 4.42 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại cảm biến lực, momen

4.3.3 Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A

Mạch cầu H BTS7960 43A cho phép giao tiếp dễ dàng với vi điều khiển, nhờ vào driver tích hợp sẵn trong IC Mạch này sở hữu đầy đủ các tính năng như cảm biến dòng điện thông qua điện trở đo dòng, tạo dead time, và các chức năng bảo vệ như chống quá nhiệt, quá áp, quá dòng, sụt áp và ngắn mạch.

Trong nội dung đề tài này, nhóm sử dụng mạch cầu H BTS7960 43A để điều khiển 2 động cơ DC cho khớp gối

 Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5V

 Tần số điều khiển tối đa: 25KHz

 Tự động shutdown khi điện áp thấp

 Điều khiển động cơ DC max 40V, 30A

 Dùng Mosfet IRF3205 TO220 dòng liên tục 75A, dòng đỉnh 390A trong thời gian ngắn Tuy nhiên mạch chỉ ổn định nhất dưới 30A

 IC kích IR2184 dòng kích 1.4A, dòng xả 1.8A bảo đảm FET đóng mở nhanh, dứt khoát Có deadtime chống trùng dẫn, có bảo vệ cực G của FET

Có bảo vệ tự ngắt khi tụt áp

 Dùng IC buck LM2596S tạo áp kích FET và nguồn nuôi IC, hiệu suất cao, tránh đƣợc hiện tƣợng chết transitor công suất do quá nhiệt

 Dùng opto cách ly 2 kênh tốc độ cao 10MHz cho cả kênh PWM và DIR

 Mạch sử dụng đa phần là linh kiện dán + PCB chuyên nghiệp đảm bảo ít nhiễu, siêu nhỏ gọn (5cm x 8cm)

 Ngõ vào logic PWM+/- và DIR+/- có thể kích âm hoặc dương đều được

 Có đèn LED báo nguồn, báo xung PWM và DIR, tiện cho việc troubleshoot

4.3.5 Mạch xử lí trung tâm Arduino Mega2560

Arduino là một bo mạch vi xử lý lý tưởng cho việc lập trình tương tác với thiết bị phần cứng như động cơ và cảm biến Với môi trường phát triển dễ sử dụng, Arduino hỗ trợ tốt cho cả lập trình viên mới bắt đầu lẫn những người có kinh nghiệm, từ các dự án đơn giản đến phức tạp.

Arduino 2560 là bo mạch đƣợc thiết kế với bộ xử lí trung tâm là vi điều khiển AVR Atmega 2560 Cấu tạo chính bao gồm :

Cổng USB đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp giữa bo mạch và máy tính, cho phép truyền dữ liệu hai chiều Đồng thời, cổng USB cũng cung cấp nguồn điện cần thiết để bo mạch hoạt động hiệu quả.

 Jack nguồn: nguồn cung cấp chính cho bo mạch hoạt động, thay thế cho cổng USB khi không sử dụng máy tính giao tiếp

 54 chân vào/ra có đánh số thứ tự, ngoài ra còn các chân nối mass, cấp nguồn, reset,…và các chân điện áp tham chiếu AREF

 Vi xử lí trung tâm : dùng AVR Atmega 2560

 Điện áp ngõ vào DC: 7-12V

 Số chân Digital: 54 (15 chân PWM)

 Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB sử dụng bởi bootloader

4.3.6 Mạch Arduino Nano đọc encoder, đọc giá trị cảm biến lực

 Số chân Digital: 14 (6 chân PWM)

 Dòng điện DC vào trên mỗi chân I/O: 40mA

 Bộ nhớ Flash: 32 KB, 0.5 KB sử dụng bởi bootloader

4.3.7 Mạch giảm áp DC LM2596

Mạch giảm áp DC nhỏ gọn có khả năng hạ áp từ 35V xuống 1.5V với hiệu suất cao lên đến 92% Sản phẩm này lý tưởng cho việc chia nguồn, giảm áp và cung cấp năng lượng cho các thiết bị như camera và motor.

 Điện áp đầu ra: điều chỉnh đƣợc trong khoảng (1.5 ~ 35) V

 Dòng đáp ứng tối đa: 3A

4.3.8 Mạch thu phát bluetooth HC-05

Module Bluetooth HC-05 được thiết kế với chân kết nối hoàn chỉnh, giúp dễ dàng thực hiện các thí nghiệm Nó hoạt động hiệu quả trong khoảng điện áp từ 3.3V đến 5V DC Khi kết nối với máy tính, HC-05 hoạt động như một cổng COM ảo ở chế độ truyền Half Duplex, nghĩa là chỉ có thể truyền hoặc nhận tín hiệu tại một thời điểm.

 Điện thế hoạt động của UART: (3.3 ~ 5) V

 Dòng điện khi hoạt động: Khi pairing 30mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8mA

 Baudrate UART có thể chọn đƣợc: 1200, 2400, 4800, 9600…

 Dải tần sóng hoạt động: 2.4GHz

 Giao thức Bluetooth: Bluetooth Specification v2.0 + EDRo

Hình 4.49 Công tắc hành trình

Dùng để xác định pha bước đi trong quá trình đi lại của người mang thiết bị

Hình 4.50 Encoder công nghiệp 500 xung

 Bảng mạch điều khiển sau khi lắp đặt

THIẾT KẾ LƯU ĐỒ - THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN