Hcmute nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ khớp gối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN LÊ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S K C0 0 4 3 4 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN LÊ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN LÊ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103
Hướng dẫn khoa học:
TS. CÁI VIỆT ANH DŨNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

Luan van


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Văn Lê
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 08/02/1986
Nơi sinh: Bến Tre

Quê quán: 247/AT, xã An Phú Trung, huyện Ba Tri, tỉnh Bến Tre. Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 58/33 Tân Lập 1, p. Hiệp Phú, quận 9, TP.HCM
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng:
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ…/… đến …/ …
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 9/2009 đến 8/ 2011
Nơi học (trường, thành phố): trường ĐHSPKT, TP.HCM
Ngành học: Kỹ thuật cơ khí
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Chế tạo thiết bị cho tôm ăn tự động.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 7/2014, khoa cơ khí chế tạo
máy, trường ĐHSPKT, TP.HCM.
Người hướng dẫn: Th.S Phan Minh Thanh.
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
10/20115/2013
6/2013-nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Cty CP Hoa Nước

Thiết kế, giám sát cơng trình.

Cty CP Tôn Đông Á

Thiết kế, bảo dưỡng dây
chuyền sản xuất.

i

Luan van


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

ii

Luan van


CẢM TẠ
Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn này, tơi đã nhận được sự
giúp đỡ nhiệt tình của các cơ quan, các tổ chức và các cá nhân. Tôi xin bày tỏ lời cảm

ơn sâu sắc nhất tới tất cả các tập thể, cá nhân đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong suốt
q trình thực hiện nghiên cứu luận văn này.
Trước hết tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
TP, Phịng Đào tạo và Khoa Cơ khí chế tạo máy của nhà trường cùng các thầy cô giáo,
những người đã trang bị kiến thức cho tôi trong suốt q trình học tập.
Với lịng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo- Tiến
sĩ Cái Việt Anh Dũng, người thầy đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn khoa học và giúp đỡ
tôi trong suốt q trình nghiên cứu, hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn tất các bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ nhiệt tình và
đóng góp nhiều ý kiến q báu để tơi hồn thành luận văn này.
Do thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn của tôi chắc hẳn không thể tránh khỏi những
sơ suất, thiếu sót, tơi rất mong nhận đuợc sự đóng góp của các thầy cơ giáo cùng tồn
thể bạn đọc.
Xin trân trọng cảm ơn!
TP.HCM, tháng 10 năm 2014
Nguyễn Văn Lê

iii

Luan van


TĨM TẮT
Các thiết bị máy móc để thay thế sức lao động ngày càng được phát triển và hoàn thiện.
Tuy nhiên, nhu cầu nâng cao khả năng chịu đựng, khả năng làm việc của cơ thể cũng
rất phổ biến.Hỗ trợ cho cơ thể chủ yếu là ở các chi, trong đó khớp gối làm việc với
cường độ cao nhất trong đa số các công việc.
Việc hỗ trợ cho khớp gối cần giải quyết các vấn đề sau:
Xác định vị trí của các khớp sinh học để lắp một cơ cấu song song với chi. Do cấu tạo
của khớp sinh học khá phức tạp nên không thể xác định được vị trí một cách chính

xác.Nếu khớp sinh học khơng trùng với khớp của cơ cấu sẽ sinh ra các lực (momen)
cản, các thành phần lực này tác động lên chi gây đau và bước đi khó khăn khi mang cơ
cấu. Do đó cần phải thêm vào các bậc tự do thụ động để loại bỏ các momen cản này.
Việc tính tốn, lắp thử nghiệm các bậc tự do thụ động sao cho hợp lý giúp cơ cấu làm
việc linh hoạt, hiệu suất làm việc cao chiếm một phần quan trọng trong đề tài nghiên
cứu này. Qua quá trình nghiên cứu, thử nghiệm nhiều cơ cấu khác nhau đã đưa ra cơ
cấu với số bậc tự do thụ động thích hợp.
Lắp thiết bị lên cơ thể: Khi thiết bị làm việc, lực (momen) từ cơ cấu truyền lên cơ thể
(chi). Khi đó tại vị trí lắp với cơ cấu sẽ chịu áp lực, các áp lực sẽ gây đau và tổn thương
các bắp cơ.Để giải quyết vấn đề này cần phải có các thiết bị ghép nối (cơ cấu với chi)
cho hợp lý.
Thiết bị ghép nối phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
o Có diện tích tiếp xúc đủ rộng để giảm áp lực
o Có biên đạng phù hợp với chi tại vị trí ghép nối.
o Nhẹ
o Đủ độ bền
o Đủ dẻo để đeo vào cơ thể dễ dàng.
Tính tốn, thiết kế các chi tiết của thiết bị.
Lắp các thiết bị cảm biến và điều khiển cơ cấu:
o Điều khiển bằng cảm biến lực: Cảm biến lực được lắp trên khâu thụ động ở vị
trí phù hợp. Khi bước đi sẽ sinh ra các thành phần momen lên các khâu thụ
động, thành phần momen chính sẽ tác động lên cảm biến lực, tín hiệu thu

iv

Luan van


được sẽ điều khiển động cơ gấp/mở cơ cấu một góc hợp lý sao cho momen
tương tác giữa cơ cấu với chân bằng không nếu là cơ cấu di chuyển theo,

momen tương tác khác không nếu là cơ cấu hỗ trợ lực hoặc cản trở chuyển
động.
o Điều khiển dựa vào các pha di chuyển của bước đi. Dựa trên cơ sở thuật toán
4 switch để nhận ra các pha di chuyển, pha nào là pha di chuyển theo và pha
nào là pha cần hỗ trợ lực.

v

Luan van


ABSTRACT
The labor-saving machinery is being developed and perfected. However, the demand to
improve the body’s stamina and work capacity is stilluniversal. The body is supported
mainly by the limbs, in which the knee joints work with most intensity in the majority
of tasks.
To accomplishing the task of supporting the knee joints, we have to solve the
following problems:
Determining the location of the biological joints to assemble a structure paralleled to
the legs. Due to their structural complexity, biological joints cannot be correctly
positioned. The joints’ failing to coincide with the biological structure will generate
power (torque) block, causing pain and difficulty in walking while wearing the device.
Therefore we need to add in passive degrees of freedom to remove the torque. The
appropriate calculation and experimental installation of passive degrees of freedom to
help the structure work flexibly with high performance accounts for an important part
in this research. The research and testing processes of many different structures have
resulted in a structure with appropriate passive degrees of freedom.
When the device operates, power (torque) is transmitted from device to the body (legs).
Then, the body part in contact with the device will be under pressure, the pressure will
cause pain and damage muscles. To solve this problem, we need to have reasonable

coupling devices (device to legs). Coupling devices must meet the following
requirements:
o Contact area is large enough to reduce the pressure
o Profile in accordance with the coupling position.
o Light
o Durable enough
o Flexible enough to put on the body easily

vi

Luan van


Calculating and designing the components of the device.
Installing sensors and controlling device:
Controling by loadcell: the loadcell isset up on the passive stage in appropriate
positions. On its operating, the device will produce torque to the passive stage; the
main torque component will affect the loadcell, the received signal will control the
engine to fold / open the device at such a reasonable angle that the device-feet
interaction torque is zero if the device moves in, and other than zero if the device
supports with force or hinders movement.
The control based on the movement phase of the step. Based on the 4 switch algorithm
to recognize the movement phases, which phase is the phase that moves after and
which one needs force support.

vii

Luan van

MỤC LỤC
TRANG
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân
Lời cam đoan
Cảm tạ
Tóm tắt
Mục lục
Danh sách các chữ viết tắt
Danh sách các hình
Danh sách các bảng
Chƣơng 1. TỔNG QUAN

i
ii
iii
iv
v
vii
viii
x

1.1. Tổng quan về robot
1.2. Các kết quả nghiên cứu đã được cơng bố
1.3. Mục đích của đề tài
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1.5. Phương pháp nghiên cứu
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khâu, khớp, bậc tư do

2.2. Các dạng bài toán robot
2.3. Truyền động và điều khiển robot
2.4. Lý thuyết chuyển động của khớp gối
Chƣơng 3.CÁC VẤN ĐỀ CẦN PHÁT TRIỂN VÀ KẾT QUẢ CHẾ TẠO
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.

Vấn đề nghiên cứu
Thiết kế cảm biến momen
Thiết kế cơ cấu chịu lực cho khớp gối
Mơ hình hóa cơ cấu
Tính tốn cơng suất

viii

Luan van

1
3
7
7
8
9
10
17
23
24

26
29
44
47


3.6. Thiết kế chi tiết
Chƣơng 4. VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM CƠ CẤU

48

4.1. Điều khiển cơ cấu
4.2. Hệ thống điều khiển
4.3. Vận hành và thử nghiệm cơ cấu
Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận
5.2. Kiến nghị
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

59
60
60

ix

Luan van

65
66

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Btd: Bậc tự do
2. Btdtt: Bậc tự do thụ động
3. Ctm: Chi tiết máy
4. Cbl: Cảm biến lực

x

Luan van


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1.Các tư thế đúng khi nhấc vật nặng
Hình 1.2.Một số cơng việc phải mang vác vật nặng
Hình 1.3.Các trường hợp gặp vấn để về khớp gối
Hình 1.4.Đầu gối trong tư thế gấp
Hình 1.5.Góc vận động của khớp gối
Hình 1.6.Góc của khớp gối khi lên xuống cầu thang
Hình 1.7.RobotXOS 2, phiên bản cải tiến của dịng XOS
Hình 1.8.Bộ xương ngồi hỗ trợ chân HAL
Hình 1.9.Khung xương chân HULC
Hình 1.10.Honda_Walking_Assist_Device
Hình 1.11.Bộ xương ngồi MIT
Hình 1.12. Thiết bị phục hồi chức năng cho khớp gối

1
2
3
4
6
6
7
8
9
10
10
11

Hình 2.1.Các thơng số của khâu : θ, d, a và α
Hình 2.2.Nguyên lý hoạt động của encorder
Hình 2.3.Sơ đồ nguyên lý của loadcell
Hình 2.4.Nguyên lý làm việc của loadcell chịu uốn.

17
20
21
22

Hình 3.1. Cơ cấu 2 khớp lệch tâm
Hình 3.2.Độ biến dạng của lị xo
Hình 3.3.Cảm biến momen
Hình 3.5.Kết quả thử nghiệm cảm biến momen trên cơ cấu
Hình 3.6. Lấy khn chân bằng thạch cao
Hình 3.7.Đúc mẫu bằng bê tơng

Hình 3.8.Phản ứng nối ngang của phân tử UPE
Hình 3.9.Chi tiết ghép nối được tạo hình bằng compsite
Hình 3.10.Nguyên lý của máy quét 3D
Hình 3.11.Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 1 khớp.

22
24
25
26
30
34
31
32
33
34

xi

Luan van


Hình 3.12.Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 2 khớp
Hình 3.13.Số bậc tự do thụ động của cơ cấu có 3 khớp.
Hình 3.14.Kết quả thử nghiệm lần 1.
Hình 3.15.Kết quả chế tạo thử nghiệm lần 2
Hình 3.16.Kết quả thử nghiệm lần 3
Hình 3.20.Các bậc tự do thụ động được bố trí trên hệ trục tọa độ Decac
Hình 3.21.Momen cản sinh ra trên các bậc tự do thụ động
Hình 3.22.Bố trí cảm biến momen
Hình 3.23.Chu kỳ của bước đi

Hình 3.24.Mơ hình hóa các btd thụ động ở khớp cổ chân
Hình 3.25.Mơ hình hóa các btd thụ động ở khớp gối
Hình 3.26.Mơ hình hóa các btd thụ động ở khớp háng
Hình 3.27.Trọng tâm của cơ thể khi đứng lên
Hình 3.28.Trọng tâm của cơ thể khi bước đi
Hình 3.29.Khớp trượt
Hình 3.30.Khớp xoay
Hình 3.31.Giá lắp motor
Hình 3.32.Các thơng số của thanh trượt – ray trượt bi
Hình 3.33. Hướng chịu tải của thanh trượt – ray trượt bi
Hình 3.34.Cấu tạo chi tiết của cơ cấu
Hình 3.35.Kết quả chế tạo thiết bị hỗ trợ khớp gối

35
36
37
38
39
40
41
41
42
45
46
46
47
48
49
50
51

52
53
55
58

Hình 4.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển (bộ điều khiển momen tương tác)
Hình 4.2.Sự tương quan giữa chu kỳ bước đi và trạng thái của khớp gối
Hình 4.3.Nguyên lý điều khiển theo các pha của bước đi
Hình 4.4.Vị trí các cảm biến trên bàn chân
Hình 4.5.Sơ đồ ngun lý mạch điều khiển
Hình 4.6.Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H
Hình 4.7.Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại
Hình 4.8Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn
Hình 4.9. Sơ đồ nguyên lý các nút nhấn, điều khiển
Hình 4.10.Vận hành thiết bị hỗ trợ lực

58
59
60
61
62
62
63
63
63
64

xii

Luan van

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 2.1: Phân biệt giữa hỗ trợ lực và nâng vật nặng
8
Bảng 3.1:Mối liên hệ giữa trạng thái khớp gối với các điểm tiếp xúc trên bàn chân
24
Bảng 3.2:Các ký hiệu, thông số của thanh trượt – ray trượt bi
24
Bảng 3.3: Thông số tải trọng của thanh trượt – ray trượt bi
24
Bảng 3.4: Thông số tải trọng của khớp cầu
24
Bảng 4.1. Thuật toán 4 Switch
61

xiii

Luan van


Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về các thiết bị bộ xƣơng ngồi hỗ trợ lực

1.1.1. Hỗ trợ lực cho khớp gối
Vì sao phải hỗ trợ lực cho khớp gối?
Khi cơ thể mang vác vật nặng và di chuyển, trọng lượng của vật phân phối lên khắp cơ
thể, trong đó chân vừa phải chịu trọng lượng của vật và trọng lượng cơ thể đồng thời
đảm nhiệm chức năng di chuyển.Hệ vận động của chân làm việc với cường độ nhiều
nhất khi ta mang vác vật nặng.
Theo các nghiên cứu về các tư thế mang vật nặng trong an toàn vệ sinh lao động
cho thấy khi nhậc vật nặng đúng cách thì khớp gối làm việc nhiều nhất:

Hình 1.1 Các tư thế đúng khi nhấc vật nặng(2)

(2) Nguồn: Http://www.suckhoe.vn.

1

Luan van


Hỗ trợ lực là gì?
Hỗ trợ lực là cung cấp lực ( momen) cho các khớp giúp tăng khả năng chịu tải
hoặc tăng tốc độ di chuyển của các khớp đó. Hỗ trợ lực có hai loại:
 Chịu tải thay cho khớp giúp cơ thể nâng vật nặng
 Truyền momen (lực) cho khớp làm tăng khả năng chịu tải của khớp
Bảng 1.1 Phân biệt giữa hỗ trợ lực và nâng vật nặng

Khái niệm

Tính chất
Ứng dụng

Hỗ trợ lực

Nâng vật nặng

Cung cấp momen (lực) cho các
khớp để hỗ trợ hoặc cản trở chuyển
động của khớp
Truyền momen ( lực) lên các khớp
sinh học

Tải trọng của vật nặng
được đặt lên thiết bị cơ
khí
Truyền momen ( lực)
lên các khớp của cơ
cấu cơ khí.
Các thiết bị hỗ trợ
mang vật nặng, bộ
xuơng ngoài trợ lực.

Phục hồi chức năng, thiết bị tập
luyện nâng cao sức bền cho cơ.

1.1.2. Các ứng dụng, phân loại hỗ trợ lực
Ứng dụng hỗ trợ lực: Giúp người sử dụng mang vác vật nặng

2

Luan van

Hình 1.2 Các các cơng việc phải mang vác nặng
Ứng dụng hỗ trợ khớp trong phục hồi chức năng hệ cơ khớp cho các bệnh nhân:
o Có vấn đề vệ hệ cơ khớp, cứng khớp, co cơ, khiến người bệnh khơng thể thực
hiện các động tác bình thường trong đời sống hằng ngày
o Cần tăng cường vận động cho các bệnh nhân cần phục hồi hậu phẫu thuật (về
hệ cơ khớp)  Bài tập hỗ trợ lực (thiết bị cung cấp mô-men, lực cho khớp),
hoặc bài tập tăng cường sức mạnh cho hệ cơ (thiết bị cung cấp mô-men, lực
nhằm cản trở chuyển động của khớp).
o Người lớn tuổi, khớp chân bị yếu, viêm khớp…

Hình 1.3 Các trường hợp gặp vần đề khớp gối

3

Luan van


1.1.3. Giới thiệu khớp gối - Biên độ và tầm vận động cho khớp gối.

Hình 1.4Đầu gối phải trong tư thế gấp
Khớp gối được tạo thành bởi 3 xương: xương đùi, xương chày và xương bánh chè.
Giữa mặt khớp lồi cầu đùi - mâm chày có cấu trúc sụn gọi là sụn chêm.Sụn chêm nằm
chêm giữa mặt sụn khớp lồi cầu đùi và mâm chày có tác dụng giảm xóc khi sụn khớp
lồi cầu đùi và mâm chày tiếp xúc khi vận động và giữ cho khớp gối được vững
vàng.Hệ thống dây chằng bên trong, bên ngoài và hai dây chằng chéo trước và chéo
sau nhằm giữ cho khớp gối vững chắc.Dây chằng chéo trước có tác dụng chính là giữ
không cho mâm chày trượt ra trước và dây chằng chéo sau giữ cho mâm chày không bị
trượt ra sau.Dây chằng bên ngồi giúp gối khơng bị vẹo trong, dây chằng bên trong
giúp cho gối khơng bị vẹo ra ngồi.Tồn bộ khớp gối được bao bọc bởi một lớp màng

hoạt dịch có tác dụng tiết ra dịch khớp để bơi trơn trong quá trình vận động.
Giải phẫu khớp gối: khớp gối là một khớp phức tạp gồm hai khớp, khớp giữa
xương đùi với xương chày và khớp giữa xương đùi với xương bánh chè.
Diện khớp: Đầu dưới xương đùi có ba diện: lồi cầu trong, lồi cầu ngoài và diện
bánh chè hay ròng rọc.Đầu trên xương chày: là hai diện khớp trên để tiếp xúc với hai
lồi cầu xương đùi.

4

Luan van


Mặt sau xương bánh chè: tiếp khớp ở sườn ngoài và sườn trong rịng rọc xương
đùi.Sụn chêm: có hai sụn chêm đệm ở giữa hai đầu xương đùi và xương chày là sụn
chêm trong hình chữ C và sụn chêm ngồi hình chữ O; hai sụn này là mơ sụn sợi nằm
trên hai diện khớp trên của xương chày để giảm bớt sự không tương xứng của các diện
khớp và làm giảm nhẹ các va chạm khi vận động; hai sụn chêm nối với nhau bởi dây
chằng ngang gối, hai đầu mỗi sụn lại bám vào các củ gian lồi cầu xương chày; bờ ngồi
sụn dày, phía trung tâm mỏng và giới hạn bởi một bờ vòng sắc; sụn chêm có ý nghĩa
lớn trong các động tác của khớp: nó di chuyển ra sau khi gấp cẳng chân và di chuyển ra
trước khi duỗi cẳng chân.
Biên độ và tầm vận động của khớp gối:
-

Gối có hai chế độ hoạt động: gấp - duỗi và xoay nhưng động tác xoay chỉ là phụ

và chỉ thực hiện được khi gối gấp.
-

Độ gấp-duỗi là cử động chính của khớp gối. Biên độ cử động gấp-duỗi của gối:

Duỗi khi để cẳng chân theo trục đùi và duỗi tối đa khi duỗi chủ động là 00 (thụ động có
thể đạt -50 duỗi). Gấp: biên độ gấp gối chủ động thay đổi theo tư thế của háng, khoảng
1400 khi háng gấp, 1200 khi háng duỗi (gấp thụ động đạt 1600 và cho phép gót chạm
mơng)
-

Xoay chủ động của gối: chỉ thực hiện khi gối gấp là 400 với xoay ngoài và 300

với xoay trong.

5

Luan van


Hình 1.5Góc vận động của khớp gối
-

Chức năng vận động: cử động chủ yếu của khớp gối là gấp-duỗi. Trên thực tế,

người ta coi, 640 để lên được thang gác, 850 để xuống thang, tầm vận động của khớp
gối (theo phương pháp Zero) là 1350 (duỗi là 00 và gấp là 1350) [9]

Hình 1.6 Góc của khớp gối khi lên và xuống cầu thang
Các cơ tham gia chi phối tầm vận động khớp gối
- Gấp cẳng chân vào đùi: cơ bán mạc, cơ bán gân, cơ nhị đầu đùi. Khi đã gấp
cẳng chân vào đùi cơ bán gân, cơ bán mạc xoay đùi vào trong; cơ nhị đầu đùi xoay ra

6

Luan van


ngoài. Ngoài ra, cơ khoeo cũng tham gia gấp cẳng chân, cơ may vừa gấp cẳng chân
vừa kéo đùi vào trong và gấp đùi vào bụng.
- Duỗi cẳng chân: cơ tứ đầu đùi (qua xương bánh chè bám ở lồi củ trước xương
chày), cơ căng cân đùi. Cơ thẳng trước của tứ đầu đùi còn tham gia gấp đùi vào bụng.
1.2.

Các kết quả ngiên cứu đã đƣợc công bố

1.2.1. Các kết quảđã đƣợc cơng bố ở nƣớc ngồi
Hiện nay trên các quốc gia như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc đang ngày càng có nhiều
cống hiến về lĩnh vực các thiết bị hỗ trợ (bộ xương ngồi)
1.2.1.1.

Bộ xƣơng ngồiRaytheon Sarcos

Hình 1.7 RobotXOS 2, phiên bản cải tiến của dòng XOS
Thiết bị bộ xương ngoài của Raytheon Sarcos được thiết kế chủ yếu cho các
mục đích qn sự, nó cho phép người mặc nâng hoặc mang vác liên tục những vật có
khối lượng khoảng 100kg mà không mệt mỏi.Đây là một trong những bộ khung robot
bao phủ toàn thân. Phần lớn các khung robot hiện nay chỉ là các “ống tay” hoặc “ống
chân”, tức bao phủ phần tay hoặc phần chân. Với bộ khung này, một binh sĩ có thể
mang vác những vật nặng qua những quảng đường dài, cứu những binh sĩ bị thương
trên chiến trường một cách dễ dàng hoặc một mình khiêng các loại vũ khí vốn cần đến
2 người mới mang được.Thách thức lớn nhất hiện nay cho sản phẩm của Raytheon
Sarcos là làm sao tìm được một nguồn năng lượng đủ để hoạt động từ 4 đến 24 giờ.

7

Luan van


Hiện XOS không thể hoạt động lâu mà không nhận được các nguồn năng lượng bổ
sung liên tục từ bên ngồi.
1.2.1.2.

Bộ xƣơng ngồihỗ trợ chân HAL

Hình 1.8 Bộ xương ngồi hỗ trợ chân HAL
Khung hỗ trợ chân người, viết tắt là HAL, là một dạng robot “nửa người nửa
máy”, được thiết kế để giúp những người có vấn đề về di chuyển, trong quá trình phục
hồi và để nâng vật nặng. HAL khơng chỉ chú trọng vào mặt thẩm mỹ.Nó có hẳn "bộ
óc" cùng với vẻ ngồi hồn mỹ.HAL có thể đọc suy nghĩ của người sử dụng nhờ vào
các tín hiệu điện tử gửi từ não xuống các cơ liên quan đến chuyển động.Kế đến, nó tính
tốn sức mạnh cần thiết để thực hiện một hành động và truyền ngay thông tin trên với
đầy đủ dữ liệu cần thiết đến những khớp nối tương ứng trên bộ khung.Khả năng tham
gia vào các chuyển động cho phép HAL di chuyển sớm hơn phản ứng của người sử
dụng khoảng 1 giây, cung cấp một sự tương tác trơn tru giữa người và robot.
1.2.1.3.

Bộ xƣơng ngoàiHULC (Human Universal Load Carrier)

8

Luan van

Hình 1.9 Khung xương chân HULC
Là sản phẩm của Berkley Bionics tại Berkley, California (Mỹ), HULC là thiết bị
bộ xương ngồi dành cho 2 chi dưới.Nó cho phép người sử dụng khiêng vật nặng hàng
chục ký trên lưng trong suốt những quãng đường dài và trên địa hình khắc nghiệt.
HULC nặng khoảng 25kg và chạy bằng pin, nhưng nó có thể được trang bị thêm máy
phát điện để hoạt động liên tục suốt 3 ngày. Vấn đề duy nhất là máy phát điện nặng đến
38kg.
1.2.1.4.

Thiết bị trợ giúp chuyển động của Honda

Thiết bị trợ giúp chuyển động của Honda là một khung robot cho phần chân,
được thiết kế để giảm sức căng khi bước đi ở người già và những người gặp vấn đề đi
đứng.

9

Luan van