Mô hình hóa lực tác động tại các khớp chân người khi vận động

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




TẠ THỊ HOÀNG THÂN




MÔ HÌNH HOÁ LỰC TÁC ĐỘNG TẠI CÁC KHỚP CHÂN
NGƢỜI KHI VẬN ĐỘNG


CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. HOÀNG VỊ



THÁI NGUYÊN - 2012

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ii
LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Tạ Thị Hoàng Thân
Nơi công tác: Trƣờng Trung cấp nghề Lào Cai.
Tên đề tài: Mô hình hóa lực tác động tại các khớp chân người khi vận động.
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy.
Mã số:

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Hoàng Vị. Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kì một tài liệu nào.

Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2012
Ngƣời viết



TẠ THỊ HOÀNG THÂN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iii
LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS. Hoàng Vị trong
suốt quá nghiên cứu đến khi hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo trong Ban giám hiệu trường ĐH kỹ
thuật công nghiệp, các Thầy giáo giảng dạy lớp cao học K13 – CTM đã tạo điều
kiện và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn Khoa sau đại học trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp, Ban
giám hiệu và các đồng nghiệp tại trường Trung cấp nghề Lào Cai đã giúp đỡ và tạo
điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iv
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa……………………………………………………………………… i
Lời cam đoan……………………………………………………………………… ii
Lời cảm ơn………………………………………………………………………….iii
Mục lục…………………………………………………………………………… iv
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt…………………………………… viii
Danh mục các bảng……………………………………………………………….viii
Danh mục các hình……………………………………………………………… ix
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………. …….1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN………………………………………………. …… 4
1.1. Tổng quan về kỹ thuật Biomechanics……………………………………… 4
1.2. Tổng quan về hệ xương khớp chi dưới………………………………… 5
1.2.1. Cấu trúc xương khớp chi dưới………………………………………… 5
1.2.1.1. Xương chậu……………………………………………………… 6
1.2.1.2. Xương đùi………………………………………………………… 8
1.2.1.3. Xương bánh chè………………………………………………… 9
1.2.1.4. Xương chày……………………………………………………… 10
1.2.1.5. Xương mác……………………………………………………… 11
1.2.1.6. Các xương bàn chân……………………………………………… 11

1.2.1.7. Khớp hông………………………………………………………… 12
1.2.1.8. Khớp gối………………………………………………………… 14
1.2.1.9. Các khớp bàn chân………………………………………………… 15
1.2.2. Tầm quan trọng của chi dưới………………………………………… 16
1.2.3. Hoạt động và các đặc trưng cơ lý của hệ xương khớp chi dưới……… 17
1.3. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu và các xu hướng phát triển về hệ xương khớp
chi dưới……………………………………………………………… 18


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

v
1.4. Mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn……………………………………… 20
1.5. Kết luận chương 1……………………………………………………… 20
CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ XƢƠNG KHỚP CHI
DƢỚI…………………………………………………………………… 21
2.1. Xây dựng mô hình cơ hệ 3 bậc tự do hệ xương khớp chi dưới………… 21
2.1.1. Các giả thiết………………………………………………………… 21
2.1.2. Mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới 21
2.1.3. Các thông số hình học ………………………… 22
2.2. Xây dựng mô hình vật lý 22
2.2.1.Các giải thiết khi xây dựng mô hình vật lý 22
2.2.2. Mô hình vật lý của hệ xương khớp chi dưới 23
2.3. Mô hình toán động lực học hệ xương khớp chi dưới…………………………24
2.3.1. Xác định các vecto tọa độ khối tâm của các khâu………………………… 24
2.3.2. Xác định các ma trận Jacobi tịnh tiến……………………………………… 25
2.3.3. Xác định các vecto vận tốc góc và các toán tử sóng……………………… 25
2.3.4. Xác định các ma trận Jacobi quay, các đạo hàm của chúng, các ma trận quán
tính khối……………………………………………………………………………26
2.3.5. Xác định lực và ngẫu lực đối với từng khâu………………………………. 26

2.3.7. Phương trình vi phân Newton-Euler của cơ hệ…………………………… 29
2.4. Khảo sát mô hình toán bằng phương pháp số……………………………… 34
2.4.1. Xác định các thông số đầu vào…………………………………………… 34
2.4.2. Thuật toán khảo sát mô hình toán động lực học cơ hệ 3 bậc tự do ……… 38
2.4.3. Kết quả khảo sát mô hình toán động lực học cơ hệ ……………………… . 40
2.5. Mô hình hoá động lực học hệ xương khớp chi dưới bằng phần mềm Matlab-
Simulink…………………………………………………………………………. 46


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vi
2.5.1.Giới thiệu về Matlab- Simulink……………………………………………. 46
2.5.2. Mô hình hệ xương khớp chi dưới bằng Matlab- Similink…………………. 46
2.5.3. Kết quả khảo sát mmo hình Similink mô tả hệ động lực học……………….50
2.6. Kết luận chương 2…………………………………………………………….53
CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÁC KHỚP CHI DƢỚI
KHI VẬN ĐỘNG…………………………………………………………………55
3.1. Khảo sát phản lực liên kết trong các khớp của chi dưới………………………55
3.1.1. Các giả thiết…………………………………………………………………55
3.1.2. Phản lực tại khớp B………………………………………………………….55
3.1.3. Phản lực tại khớp A…………………………………………………………57
3.1.4. Phản lực tại khớp O…………………………………………………………58
3.1.5. Kết quả xây dựng mmo hình toán phản lực tại các khớp………………… 60
3.2. Khảo sát mô hình toán phản lực liên kết trong các khớp của chi
dưới………………………………………………………………………………. 61
3.3. Kết quả khảo sát mô hình toán phản lực liên kết trong các khớp của chi
dưới………………………………………………………………………………. 61
3.4. Kết luận chương 3……………………………………………………………. 64

CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC………………………………. 66
4.1. Mô hình chi dưới bằng Inventor…………………………………………… 66
4.1.1. Giới thiệu về phần mềm Inventor…………………………………… …….66
4.1.2. Các giả thiết khi xây dựng mô hình chi dưới trong Inventor……………….66
4.1.3. Mô hình chi dưới trong Inventor…………………………………… 66
4.2. Mô phỏng động lực học chi dưới bằng phần mềm ANSYS………………….71
4.2.1. Mô hình chi dưới trong ANSYS…………………………………………… 71


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vii
4.2.2. Thiết lập các điều kiện đầu và điều kiện biên cho bài toán trong
ANSYS…………………………………………………………………………….72
4.2.3. Các kết quả tính toán động lực học trong ANSYS………………………… 77
4.3. Kết luận chương 4…………………………………………………………….89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….92
PHỤ LỤC 1: CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC………….94



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu
Tên gọi
Đơn vị
m

1

Khối lượng bộ phận đùi
kg
m
2

Khối lượng bộ phận cẳng chân
kg
m
3

Khối lượng bộ phận bàn chân
kg
1


Góc quay của đùi
rad
2


Góc quay của cẳng chân
rad
3


Góc quay của bàn chân
rad

KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Diễn giải
Ghi chú
ĐH
Động học

ĐLH
Động lực học

TH
Trường hợp

Khớp B
Khớp cổ chân

Khớp A
Khớp gối

Khớp O
Khớp hông


DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN VĂN
TT
Bảng
Tên gọi
Trang
1

Bảng 2.1
Các thông số khối lượng, kích thước của các bộ
phận chi dưới
36
2
Bảng 2.2
Các thông số khối lượng, kích thước các bộ phận
chi dưới cụ thể
36


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ix
3
Bảng 2.3
Các thông số đầu vào trong từng trường họp khảo
sát cụ thể
37
4
Bảng 4.1
Bảng các thông số của các chi tiết trong Ansys
73
5
Bảng 4.2
Bảng thông số điều kiện biên của các chi tiết
75
6
Bảng 4.3
Bảng tải trọng thiết lập theo các bước

76

DANH MỤC CÁC HÌNH DÙNG TRONG LUẬN VĂN
TT
Hình
Tên gọi
Trang
1
Hình 1.1
Mô hình ngiên cứu của Leonardo da vinci
5
2
Hình 1.2
Cấu trúc chung của hệ xương khớp chi dưới
6
3
Hình 1.3
Khung chậu
8
4
Hình 1.4
Xương đùi
9
5
Hình 1.5
Xương chày
11
6
Hình 1.6
Các xương cổ chân

12
7
Hình 1.7
Khớp hông
13
8
Hình 1.8
Khớp cổ chân (nhìn từ trong)
15
9
Hình 1.9
Mô hình chi dưới trong BRG.LifeMOD
19
10
Hình 2.1
Mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới
22
11
Hình 2.2
Mô hình vật lý hệ xuơng khớp chi dưới
23
12
Hình 2.3
Mô hình tính toán véc tơ lực và mô men ngẫu lực
của khâu 1
27
13
Hình 2.4
Mô hình tính toán véc tơ lực và mô men ngẫu lực
của khâu 2

27
14
Hình 2.5.
Mô hình tính toán véc tơ lực và mô men ngẫu lực
28


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

x
của khâu 3
15
Hình 2.6

Sơ đồ kích thước các bộ phận cơ thể người [10]

35
16
Hình 2.7

Sơ đồ thuật toán giải hệ phương trình vi phân động
lực học
39
17
Hình 2.8
Đồ thị chuyển vị khâu 1 theo thời gian ( TH1)
40
18
Hình 2.9
Đồ thị vận tốc khâu 1 theo thời gian ( TH1)

40
19
Hình 2.10
Đồ thị gia tốc khâu 1 theo thời gian ( TH1)
40
20
Hình 2.11
Đồ thị chuyển vị khâu 2 theo thời gian ( TH1)
40
21
Hình 2.12
Đồ thị vận tốc khâu 2 theo thời gian ( TH1)
41
22
Hình 2.12
Đồ thị gia tốc khâu 2 theo thời gian ( TH1)
41
23
Hình 2.14
Đồ thị chuyển vị khâu 3 theo thời gian ( TH1)
41
24
Hình 2.15
Đồ thị vận tốc khâu 3 theo thời gian ( TH1)
41
25
Hình 2.16
Đồ thị gia tốc khâu 3 theo thời gian ( TH1)
41
26

Hình 2.17
Đồ thị chuyển vị khâu 1 theo thời gian ( TH2)
42
27
Hình 2.18
Đồ thị vận tốc khâu 1 theo thời gian ( TH2)
42
28
Hình 2.19
Đồ thị gia tốc khâu 1 theo thời gian ( TH2)
42
29
Hình 2.20
Đồ thị chuyển vị khâu 2 theo thời gian ( TH2)
42
30
Hình 2.21
Đồ thị vận tốc khâu 2 theo thời gian ( TH2)
43
31
Hình 2.22
Đồ thị gia tốc khâu 2 theo thời gian ( TH2)
43
32
Hình 2.23
Đồ thị chuyển vị khâu 3 theo thời gian ( TH2)
43
33
Hình 2.24
Đồ thị vận tốc khâu 3 theo thời gian ( TH2)

43
34
Hình 2.25
Đồ thị gia tốc khâu 3 theo thời gian ( TH2)
43


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

xi
35
Hình 2.26
Đồ thị chuyển vị khâu 1 theo thời gian ( TH3)
44
36
Hình 2.27
Đồ thị vận tốc khâu 1 theo thời gian ( TH3)
44
37
Hình 2.28
Đồ thị gia tốc khâu 1 theo thời gian ( TH3)
44
38
Hình 2.29
Đồ thị chuyển vị khâu 2 theo thời gian ( TH3)
44
39
Hình 2.30
Đồ thị vận tốc khâu 2 theo thời gian ( TH3)
45

40
Hình 2.31
Đồ thị gia tốc khâu 2 theo thời gian ( TH3)
45
41
Hình 2.32
Đồ thị chuyển vị khâu 3 theo thời gian ( TH3)
45
42
Hình 2.33
Đồ thị vận tốc khâu 3 theo thời gian ( TH3)
45
43
Hình 2.34
Đồ thị gia tốc khâu 3 theo thời gian ( TH3)
45
44
Hình 2.35
Mô hình các phần tử A11,B11
47
45
Hình 2.36
Mô hình các phần tử A12,A21,B12
47
46
Hình 2.37
Mô hình các phần tử A13,B13,A31
47
47
Hình 2.38

Mô hình các phần tử A22,B22

47
48
Hình 2.39
Mô hình các phần tử A23, A32, B23

48
49
Hình 2.40
Mô hình các phần tử A33,B33
48
50
Hình 2.41
Mô hình các phần tử C11, C22, C33
48
51
Hình 2.41
Mô hình các phần tử D11,D21, D31
48
52
Hình 2.43
Mô hình phần tử
1


48
53
Hình 2.44
Mô hình phần tử

2


49
54
Hình 2.45
Mô hình phần tử
3


49
55
Hình 2.46
Mô hình khảo sát hệ động lực học xương khớp chi
dưới

50
56
Hình 2.47
Chuyển vị khâu 1

50
57
Hình 2.48
Vận tốc khâu 1

51


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

xii
58
Hình 2.49
Gia tốc khâu 1

51
59
Hình 2.50
Chuyển vị khâu 2
51
60
Hình 2.51
Vận tốc khâu 2
52
61
Hình 2.52
Gia tốc khâu 2
52
62
Hình 2.53
Chuyển vị khâu 3
52
63
Hình 2.54
Vận tốc khâu 3
53
64
Hình 2.55
Gia tốc khâu 3

53
65
Hình 3.1
Mô hình vật lý khảo sát phản lực tại khớp B
55
66
Hình 3.2
Mô hình vật lý khảo sát phản lực tại khớp A
57
67
Hình 3.3
Mô hình vật lý khảo sát phản lực tại khớp O
58
68
Hình 3.4
Đồ thị áp lực tại khớp O theo thời gian (TH1)

61
69
Hình 3.5
Đồ thị áp lực tại khớp B theo thời gian (TH1)

61
70
Hình 3.6
Đồ thị áp lực tại khớp A theo thời gian (TH1)

62
71
Hình 3.7

Đồ thị áp lực tại khớp O theo thời gian (TH2)

62
72
Hình 3.8
Đồ thị áp lực tại khớp B theo thời gian (TH2)

62
73
Hình 3.9
Đồ thị áp lực tại khớp A theo thời gian (TH2)

63
74
Hình 3.10
Đồ thị áp lực tại khớp O theo thời gian (TH3)

63
75
Hình 3.11
Đồ thị áp lực tại khớp B theo thời gian (TH3)

63
76
Hình 3.12
Đồ thị áp lực tại khớp A theo thời gian (TH3)

64
77
Hình 4.1

Chi tiết mô phỏng bộ phận đùi của chi dưới trong
Inventor
67
78
Hình 4.2
Màn hình hiển thị các thông số động học, động lực
học của chi tiết mô phỏng đùi
67
79
Hình 4.3
Chi tiết mô phỏng bộ phận cẳng chân của chi dưới
trong Inventor
68
80
Hình 4.4
Màn hình hiển thị các thông số động học, động lực
học của chi tiết mô phỏng cẳng chân
68


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

xiii
81
Hình 4.5
Chi tiết mô phỏng bộ phận bàn chân của chi dưới
trong Inventor
69
82
Hình 4.6

Màn hình hiển thị các thông số động học, động lực
học của chi tiết mô phỏng bàn chân
69
83
Hình 4.7
Mở bản vẽ lắp Standard(mm).iam
70
84
Hình 4.8
Đưa các chi tiết vào bản vẽ lắp
70
85
Hình 4.9
Mô hình lắp ráp các chi tiết mô phỏng chi dưới
trong Inventor
71
86
Hình 4.10
Mô hình chi dưới trong Ansys
72
87
Hình 4.11
Tạo các khớp quay và xác định các vị trí ban đầu
của các chi tiết
74
88
Hình 4.12
Thiết lập các điều kiện biên
75
89

Hình 4.13
Thiết lập tải trọng
76
90
Hình 4.14
Kết quả chuyển vị của bàn chân
77
91
Hình 4.15
Đồ thị chuyển vị của bàn chân
77
92
Hình 4.16
Kết quả chuyển vị của cẳng chân
78
93
Hình 4.17
Đồ thị chuyển vị của cẳng chân
78
94
Hình 4.18
Kết quả chuyển vị của đùi
79
95
Hình 4.19
Đồ thị chuyển vị của đùi
79
96
Hình 4.20
Kết quả vận tốc góc của bàn chân

80
97
Hình 4.21
Đồ thị vận tốc góc của bàn chân
80
98
Hình 4.22
Kết quả vận tốc góc của cẳng chân
81
99
Hình 4.23
Đồ thị vận tốc góc của cẳng chân
81
100
Hình 4.24
Kết quả vận tốc góc của đùi
82
101
Hình 4.25
Đồ thị vận tốc góc của đùi
82
102
Hình 4.26
Kết quả gia tốc góc của bàn chân
83
103
Hình 4.27
Đồ thị gia tốc của bàn chân
83

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

xiv
104
Hình 4.28
Kết quả gia tốc góc của cẳng chân
84
105
Hình 4.29
Đồ thị gia tốc của cẳng chân
84
106
Hình 4.30
Kết quả gia tốc góc của đùi
85
107
Hình 4.31
Đồ thị gia tốc của đùi
85
108
Hình 4.32
Kết quả phản lực tại khớp cổ chân
86
109
Hình 4.33
Đồ thị phản lực tại khớp cổ chân
86
110
Hình 4.34

Kết quả phản lực tại khớp gối
87
111
Hình 4.35
Đồ thị phản lực tại khớp gối
87
112
Hình 4.36
Kết quả phản lực tại khớp hông
88
113
Hình 4.37
Đồ thị phản lực tại khớp hông
88







1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu về cơ thể người là một lĩnh vực khoa học đã có lịch sử lâu đời và đang
ngày càng phát triển. Đó là một lĩnh vực khoa học rộng lớn gồm nhiều bộ phận hợp
thành. Nghiên cứu về hệ vận động của con người là một trong những bộ phận đó.

Có thể nói trong cuộc sống con người thì sự vận động của cơ thể là một hoạt động
thường xuyên và phổ biến nhất. Dựa trên những thành tựu của khoa học kỹ thuật, vấn
đề nghiên cứu về hệ vận động của con người đã thu được rất nhiều kết quả to lớn. Các
kết quả nghiên cứu đó giúp cho các nhà khoa học đánh giá đúng được các tác động từ
quá trình vận động đến cơ thể người mà cụ thể là hệ xương khớp. Từ đó đưa ra được
các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả vận động của con người đồng thời tìm được các
biện pháp để giảm tác động xấu đến cơ thể người, làm cho con người vận động thoải
mái và an toàn nhất.
Khi con người vận động thì chi dưới chính là bộ phận chính thực hiện quá trình ấy
và nó cũng là bộ phận đầu tiên tiếp nhận các tác động cơ học tác dụng vào cơ thể
người. Nghiên cứu về chi dưới trong quá trình vận động là một vấn đề rất phức tạp, từ
sự phức tạp của bản thân cấu tạo chi dưới và quá trình vận động. Dựa trên những thành
tựu khoa học kỹ thuật ta có thể đơn giản sự phức tạp ấy để đưa ra các giải pháp nghiên
cứu đơn giản hơn mà kết quả của nó có thể đạt được độ chính xác tương đối đảm bảo.
Vì vậy, đề tài: “Mô hình hoá lực tác động tại các khớp chân ngƣời khi vận
động” là một vấn đề nghiên cứu rất cần thiết và có ý nghĩa.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục tiêu chính của đề tài là: Mô hình hóa chi dưới: Xây dựng mô hình hình học,
vật lý và mô hình toán học mô tả động lực học hệ xương khớp chi dưới. Từ đó tìm ra
được các quy luật động lực học, xác định được phản lực tại các khớp của chi dưới khi
người vận động. Tìm hiểu các kỹ thuật máy tính để áp dụng vào việc tính toán và mô
phỏng động học, động lực học của chi dưới khi người vận động. Từ các kết quả tính
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

toán, mô phỏng đưa ra một số nhận xét về các tư thế vận động của con người và lực tác
dụng tại các khớp chi dưới trong các trường hợp ấy.
3. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu chi dưới người khi vận động.

4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong quá trình nghiên cứu luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu
như sau:
- Phương pháp phân tích tổng hợp để xây dựng các mục tiêu, các nhiệm vụ
và các mô hình tính toán của luận văn.
- Phương pháp toán học để phân tích và giải các bài toán theo mô hình tính
toán trong luận văn.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
* Ý nghĩa khoa học:
- Đã xây dựng được mô hình hình học và vật lý mô tả gần đúng với chi dưới
người.
- Xây dựng được mô hình toán học để khảo sát các thông số động học, động
lực học (ĐH, ĐLH) của chi dưới bằng lý thuyết cơ học hệ nhiều vật. Xác định
các thông số cần thiết phục vụ việc tính toán khảo sát áp lực và mô phỏng chi
dưới.
- Đã xác định được quy luật thay đổi giá trị chuyển vị, vận tốc và gia tốc của
các bộ phận của chi dưới, xác định được quy luật thay đổi phản lực liên kết tại
các khớp liên kết của chi dưới.
- Đã mô hình hóa được bằng phần mềm Matlab-Simulink mô hình toán học hệ
xương khớp chi dưới.
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- Xây dựng được mô hình mô phỏng chi dưới khi vận động, áp dụng kỹ thuật
máy tính để mô phỏng động lực học khảo sát và kiểm nghiệm kết quả nghiên
cứu.
- Tìm hiểu được các phương pháp tính toán hiện đại bằng máy tính để giải
các bài toán động lực học.
- Từ kết quả của luận văn, có thể xây dựng được một phương pháp giải các

bài toán động lực học có thể áp dụng cho tất cả các khớp trong cơ thể người.
* Ý nghĩa thực tiễn:
- Ứng dụng kỹ thuật máy tính để mô hình hóa chi dưới và giải bài toán động
lực học. Kết quả khảo sát bằng phương pháp số trên Matlab, Matlab-Simulink và
kết qủa mô phỏng trên ANSYS chính là cơ sở để đưa ra các nhận xét về các lực
tác động tại các khớp của chi dưới khi người vận động, từ đó có thể ứng dụng
trong các nghiên cứu về y học, thể thao Thêm vào đó phương pháp nghiên cứu
sử dụng có thể áp dụng cho các mô hình cơ học tương tự.
6. BỐ CỤC LUẬN VĂN
Luận văn được bố cục theo các nội dung sau:
+ Mở đầu
+Chương 1: Tổng quan
+ Chương 2: Tính toán động lực học hệ xương khớp chi dưới
+ Chương 3: Khảo sát quy luật thay đổi lực tác dụng lên các khớp của chi dưới khi
vận động.
+ Chương 4: Mô phỏng động lực học hệ xương khớp chi dưới
+ Kết luận và kiến nghị
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Xem phụ lục
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về kỹ thuật Biomechanics
Biomechanics được hiểu là Cơ sinh học, là kỹ thuật nghiên cứu cấu trúc, chức năng
hệ thống sinh học của con người, động vật, thực vật bằng các phương pháp cơ học.
Cơ sinh học liên quan chặt chẽ đến kỹ thuật vì nó sử dụng các khoa học kỹ thuật
truyền thống để nghiên cứu, phân tích hệ thống sinh học.
Thông thường thì hệ thống sinh học phức tạp hơn nhiều so với các hệ thống được

con người xây dựng, do đó nghiên cứu về Cơ sinh học được thực hiện trong một quá
trình và được lặp đi lặp lại nhiều lần, sử dụng các giả thiết để đơn giản hóa quá trình
tính toán. Một vài bước tính toán thường gặp trong kỹ thuật Biomechanics là: Mô hình
hóa, mô phỏng máy tính và tiến hành các phép đo thực nghiệm.
Leonardo da vinci được xem là người đầu tiên tiếp cận về kỹ thuật Biomechanics,
ông đã nghiên cứu giải phẫu người dưới góc nhìn của nhà Cơ học.
Leonardo da vinci đã đưa ra các mô hình cơ học để tính toán các lực tại hệ thống
xương khớp người. Các nghiên cứu này về sau được Galileo Galilei và Descartes phát
triển.
Trong thế kỷ 19, Étienne-Jules Marey sử dụng khoa học điện ảnh để nghiên cứu về
hệ vận động của con người, ông là người đầu tiên mở ra hướng nghiên cứu hiện đại về
hệ vận động của con người và phản ứng của nó với các tác động bên ngoài. Cũng
trong thời kỳ này cơ học vật liệu bắt đầu phát triển mạnh tại Pháp và Đức theo yêu cầu
của cuộc cách mạng công nghiệp. Do vậy các kết quả nghiên cứu đã đưa lại nhiều ứng
dụng trong việc chế tạo các bộ phận, chi tiết thay thế, hỗ trợ cho các hệ thống vận động
của con người. Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc
biệt là với sự hỗ trợ của máy tính thì kỹ thuật Biomechanics đã đạt được những kết quả
to lớn, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chỉnh hình để thiết kế cấy ghép
chỉnh hình cho các khớp của con người, các bộ phận thay thế, bản định hình bên ngoài
và các mục đích y tế khác.
5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hình 1.1. Mô hình ngiên cứu của Leonardo da vinci
1.2. Tổng quan về hệ xƣơng khớp chi dƣới.
Nghiên cứu về hệ xương khớp chi dưới đã được trình bày trong rất nhiều tài liệu về
giải phẫu người nói chung và giải phẫu về hệ xương khớp nói riêng, trong luận văn

này, tác giả chỉ trình bày những đặc điểm chung nhất, liên quan cần thiết cho vấn để
nghiên cứu trong luận văn.
1.2.1. Cấu trúc xƣơng khớp chi dƣới.
Chi dưới bao gồm một đai, gọi là đai chi dưới hay đai chậu và phần tự do của chi
dưới bao gồm đùi, cẳng chân và bàn chân.
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Đai chi dưới tạo thành bởi 2 xương chậu, xương cùng và xương cụt thành khung
chậu.
Đùi gồm xương đùi và xương bánh chè.
Cẳng chân gồm xương chày và xương mác.
Bàn chân có các xương cổ chân, các xương bàn chân và các xương đốt ngón
chân.Các xương chi dưới được liên kết với nhau bằng các khớp động giống như chi
trên.



Hình 1.2. Cấu trúc chung của hệ xương khớp chi dưới
1.2.1.1. Xƣơng chậu.
a) Mô tả
Xương chậu là một xương đôi, hình cánh quạt, xương chậu bên này nối tiếp với
xương chậu bên đối diện và xương cùng phía sau thành khung chậu. Khung chậu hình
cái chậu thắt ở giữa, chỗ thắt là eo chậu trên. Khung chậu có nhiệm vụ chứa đựng các
tạng trong ổ bụng và chuyển trọng lượng thân mình xuống chi dưới.
b) Cấu tạo
Về phương diện phôi thai, xương chậu do ba xương nối lại với nhau. Trung tâm kết
nối là ổ cối, nơi đây có vết tích của sụn hình chữ Y.
- Xương cánh chậu: Ổ trên, gồm có hai phần thân và cánh xương cánh chậu.

7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- Xương mu: Ổ trước, gồm có: Thân và hai ngành là ngành trên và ngành dưới.
- Xương ngồi: Ổ sau, gồm có thân xương ngồi và ngành xương ngồi.
c) Ðặc điểm giải phẫu học
Xương chậu là xương dẹt có 2 mặt và 4 bờ.
*) Mặt ngoài
Ở giữa có hố lõm hình chén gọi ổ cối để tiếp khớp chỏm xương đùi. Trên ổ cối là
diện mông để các cơ mông bám. Dưới ổ cối là lỗ bịt, có màng bịt che phủ, phía trước lỗ
bịt có rãnh (ống) bịt để cho mạch máu và thần kinh bịt đi qua.
*) Mặt trong
Ở giữa là đường cung, chạy chếch từ trên xuống dưới ra trước; Hai đường cung hai
xương chậu cùng ụ nhô xương cùng phía sau tạo thành eo chậu trên. Eo chậu trên chia
khung chậu làm hai phần, phía trên là chậu lớn, dưới là chậu bé. Eo chậu trên rất quan
trọng trong sản khoa. Trên đường cung là hố chậu, sau hố chậu có diện khớp hình vành
tai là diện nhĩ để khớp với xương cùng. Dưới đường cung là diện vuông tương ứng với
ổ cối phía sau, dưới diện vuông là lỗ bịt.
*) Bờ trên
Là mào chậu, nơi cao nhất của mào chậu ngang mức đốt sống thắt lưng 4.
*) Bờ dƣới
Do ngành xương ngồi hợp với ngành dưới xương mu tạo thành.
*) Bờ trƣớc
Có một số chi tiết sau:
- Gai chậu trước trên là mốc giải phẫu quan trọng.
- Gò chậu mu.
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- Củ mu có dây chằng bẹn bám. Mặt trong và dưới của củ mu có diện mu để khớp
với xương mu bên đối diện.
*) Bờ sau
Cũng có nhiều chỗ lồi lõm, có các chi tiết:
- Gai chậu sau trên.
- Khuyết ngồi lớn.
- Gai ngồi.
Khuyết ngồi nhỏ.
- Ụ ngồi: là nơi chịu toàn bộ trọng lượng cơ thể khi ngồi.

Hình 1.3. Khung chậu
1. Khớp cùng chậu. 2. Xương cùng. 3. Xương chậu. 4. Xương cụt.
5. Khớp mu. 6. Eo chậu trên.
1.2.1.2. Xƣơng đùi
Xương đùi là một xương dài gồm có thân và hai đầu.
a) Thân xƣơng
9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình lăng trụ tam giác gồm ba mặt: trước, trong, ngoài; ba bờ: trong, ngoài và sau.
Bờ sau lồi và sắc gọi đường ráp có nhiều cơ bám.
b) Ðầu trên
Có chỏm đùi, cổ đùi, mấu chuyển lớn và mấu chuyển bé.
- Chỏm đùi: hình 2/3 khối cầu, hướng lên trên vào trong và ra trước.
- Cổ đùi: Nối chỏm với hai mấu chuyển, nghiêng lên trên và vào trong. Trục của cổ
họp với trục thân một góc 130
0
gọi là góc nghiêng, giúp cho xương đùi vận động dễ

dàng.
- Mấu chuyển lớn: là nơi bám của khối cơ xoay đùi, có thể sờ và định vị được trên
người sống.
- Mấu chuyển bé: ở mặt sau và trong xương đùi.
c) Ðầu dƣới
Ðầu dưới có lồi cầu trong và lồi cầu ngoài. Mặt ngoài lồi cầu ngoài có mỏm trên lồi
cầu ngoài; mặt trong lồi cầu trong có mỏm trên lồi cầu trong và củ cơ khép.

Hình 1.4. Xương đùi
1. Mấu chuyển lớn 2. Chỏm đùi 3. Thân xương đùi 4. Cổ khớp
5. Đường ráp 6. Lồi cầu trong 7. Lồi cầu ngoài
1.2.1.3. Xƣơng bánh chè
10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Là một xương dẹt hình tam giác, đáy ở trên đỉnh ở dưới. Xương bánh chè được bọc
trong gân cơ tứ đầu đùi nên được gọi là xương vừng. Có vai trò trong động tác duỗi
cẳng chân.
1.2.1.4. Xƣơng chày
Là xương chính của cẳng chân, chịu gần toàn bộ sức nặng cơ thể từ trên dồn xuống.
Xương chày là một xương dài có một thân và hai đầu.
a) Thân xƣơng
Hình lăng trụ tam giác hơi cong lồi ra trước. Có ba mặt và ba bờ:
- Trong ba mặt có mặt trong phẳng, sát da.
- Trong ba bờ có bờ trước sắc, sát da. Bờ trước cũng như mặt trong nằm sát da nên
xương chày khi bị gãy dễ đâm ra da gây gãy hở, đồng thời xương khó lành khi tổn
thương.
b) Ðầu trên
Loe rộng để đỡ lấy xương đùi, gồm có:

- Lồi cầu trong.
- Lồi cầu ngoài, lồi hơn lồi cầu trong, phía dưới và sau có diện khớp mác để tiếp
khớp đầu trên xương mác.
Mặt trên mỗi lồi cầu có một diện khớp trên tương ứng để tiếp khớp lồi cầu xương
đùi.
Mặt trước của hai lồi cầu có củ nằm ngay dưới da là lồi củ chày, nơi bám của dây
chằng bánh chè.
c) Ðầu dƣới
Nhỏ hơn đầu trên, gồm có:
- Mắt cá trong: do phần trong đầu dưới xuống thấp tạo thành, sờ được dưới da.
11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- Diện khớp dưới: tiếp khớp diện trên của ròng rọc xương sên.
- Khuyết mác: ở mặt ngoài tiếp khớp đầu dưới xương mác.

Hình 1.5. Xương chày
A. Nhìn từ trước B. Nhìn từ phía ngoài C. Nhìn từ phía sau
1. Lồi củ chày 2. Mặt trong 3. Mắt cá trong 4. Đầu trên
5. Thân xương 6. Đầu dưới 7. Mặt sau
1.2.1.5. Xƣơng mác
Xương mác là xương dài, mảnh nằm ngoài xương chày.
a) Thân xƣơng
Thân xương có ba mặt và ba bờ.
b) Ðầu trên
Còn gọi chỏm mác, tiếp khớp diện khớp mác xương chày, sờ được dưới da.
c) Ðầu dƣới
Dẹp và nhọn hơn đầu trên, tạo thành mắt cá ngoài, cực dưới của mắt cá ngoài
thấp hơn cực dưới của mắt cá trong. Ðầu dưới xương mác và đầu dưới xương chày tạo

nên gọng chày mác có vai trò rất quan trọng trong việc đi đứng.
1.2.1.6. Các xƣơng bàn chân
Các xương bàn chân gồm có: Các xương cổ chân, các xương đốt bàn chân, các
xương đốt ngón chân.