Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ khớp gối luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật cơ khí

viii


MỤC LỤC
TRANG
Trang ta
Quy tài
Lý lch cá nhân i
L ii
Cm t iii
Tóm tt iv
Mc lc v
Danh sách các ch vit tt vii
Danh sách các hình viii
Danh sách các bng x
Chng 1. TỔNG QUAN
1.1. Tng quan v robot 1
1.2. Các kt qu nghiên cc công b 3
1.3. M tài 7
1.4. Nhim v và gii hn c tài 7
1.5. u 8
Chng 2. C SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khâu, khp, b 9
2.2. Các dng bài toán robot 10
2.3. Truyn u khin robot 17
2.4. Lý thuyt chuyng ca khp gi 23
Chng 3.CÁC VN ĐỀ CẦN PHÁT TRIỂN VÀ KẾT QU CHẾ TO
3.1. V nghiên cu 24
3.2. Thit k cm bin momen 26

3.3. Thit k u chu lc cho khp gi 29
3.4. u 44
3.5. Tính toán công sut 47


ix

3.6. Thit k chi tit 48
Chng 4. VẬN HÀNH THỬ NGHIM C CU
4.1. u khiu 59
4.2. H thu khin 60
4.3. Vn hành và th nghiu 60
Chng 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kt lun 65
5.2. Kin ngh 66
TÀI LIU THAM KHO
PHỤ LỤC

x

DANH SÁCH CÁC CH VIẾT TT
1. Btd: Bc t do
2. Btdtt: Bc t do th ng
3. Ctm: Chi tit máy
4. Cbl: Cm bin lc



















xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 1.1. c vt nng 1
Hình 1.2.Mt s công vic phi mang vác vt nng 2
Hình 1.3.Các ng hp gp v v khp gi 3
Hình 1.4.u g gp 4
Hình 1.5.Góc vng ca khp gi 6
Hình 1.6. 6
Hình 1.7.Robot 7
Hình 1.8.AL 8
Hình 1.9.K 9
Hình 1.10.Honda_Walking_Assist_Device 10
Hình 1.11. 10
Hình 1.12.  11
Hình 2.1. 17
Hình 2.2.ncorder 20
Hình 2.3. nguyên lý ca loadcell 21
Hình 2.4.Nguyên lý làm vic ca loadcell chu un. 22
Hình 3.1. u 2 khp lch tâm 22
Hình 3.2. bin dng ca lò xo 24
Hình 3.3.Cm bin momen 25
Hình 3.5.Kt qu th nghim cm biu 26
Hình 3.6. Ly khuôn chân bng thch cao 30
Hình 3.7.u bng bê tông 34
Hình 3.8.Phn ng ni ngang ca phân t UPE 31
Hình 3.9.Chi tit ghép nc to hình bng compsite 32
Hình 3.10. 33
Hình 3.11.S bc t do th ng ca u có 1 khp. 34

xii

Hình 3.12.S bc t do th ng cu có 2 khp 35
Hình 3.13.S bc t do th ng cu có 3 khp. 36
Hình 3.14.Kt qu th nghim ln 1. 37
Hình 3.15.Kt qu ch to th nghim ln 2 38
Hình 3.16.Kt qu th nghim ln 3 39
Hình 3.20.Các bc t do th c b trí trên h trc t Decac 40
Hình 3.21.Momen cn sinh ra trên các bc t do th ng 41
Hình 3.22.B trí cm bin momen 41
Hình 3.23.Chu k c 42
Hình 3.24.Mô hình hóa các btd th ng  khp c chân 45
Hình 3.25.Mô hình hóa các btd th ng  khp gi 46
Hình 3.26.Mô hình hóa các btd th ng  khp háng 46
Hình 3.27.Trng tâm c ng lên 47
Hình 3.28.Trng tâm c  48
Hình 3.29.Kht 49
Hình 3.30.Khp xoay 50
Hình 3.31.Giá lp motor 51
Hình 3.32.Các thông s ct  t bi 52
Hình 3.33. ng chu ti ct  t bi 53
Hình 3.34.Cu to chi tit cu 55
Hình 3.35.Kt qu ch to thit b h tr khp gi 58
Hình 4.1. nguyên u khin (b u khi 58
Hình 4.2.S a chu k ng thái ca khp gi 59
Hình 4.3.u khin theo các pha ca  60
Hình 4.4.V trí các cm bin trên bàn chân 61
Hình 4.5. nguyên lý mch u khin 62
Hình 4.6. nguyên lý mch cu H 62
Hình 4.7. nguyên lý mch khui 63

Hình 4.8 nguyên lý mch ngun 63
Hình 4.9.  nguyên lý các nút nhu khin 63
Hình 4.10.Vn hành thit b h tr lc 64


xiii

DANH SÁCH CÁC BNG

BNG TRANG
Bng 2.1: Phân bit gia h tr lc và nâng vt nng 8
Bng 3.1:Mi liên h gia trng thái khp gi vm tip xúc trên bàn chân 24
Bng 3.2:Các ký hiu, thông s ct  t bi 24
Bng 3.3: Thông s ti trng ca thanh t  t bi 24
Bng 3.4: Thông s ti trng ca khp cu 24
Bng 4.1. Thut toán 4 Switch 61







1

Chng 1
TỔNG QUAN

1.1. Tng quan v các thit b b xng ngoƠi hỗ tr lực
1.1.1. Hỗ tr lực cho khp gối

Vì sao phi hỗ tr lực cho khp gối?
 mang vác vt nng và di chuyn, trng ca vt phân phi lên kh
tha phi chu trng ca vt và tr ng thi
m nhim ch chuyn.H vng ca chân làm vic v nhiu
nht khi ta mang vác vt nng.
Theo các nghiên cu v  mang vt nng trong an toàn v ng
cho thy khi nhc vt np gi làm vic nhiu nht:

Hình 1.1  c vt nng
(2)






(2) Ngun: Http://www.suckhoe.vn.
2

Hỗ tr lực là gì?
H tr lc là cung cp lc ( momen) cho các kh u ti
ho di chuyn ca các kh. H tr lc có hai loi:
 Chu ti thay cho kh nâng vt nng
 Truyn momen (lc) cho kh u ti ca khp
Bng 1.1 Phân bit gia h tr lc và nâng vt nng

H tr lc
Nâng vt nng
Khái nim
Cung cp momen (lc) cho các

kh h tr hoc cn tr chuyn
ng ca khp
Ti trng ca vt nng
t lên thit b 
khí
Tính cht
Truyn momen ( lc) lên các khp
sinh hc
Truyn momen ( lc)
lên các khp c
c
ng dng
Phc hi cht b tp
luyn nâng cao sc b
Các thit b h tr
mang vt nng, b
 lc.

1.1.2. Các ng dng, phân loi hỗ tr lực
ng dng h tr li s dng mang vác vt nng

3


Hình 1.2 Các các công vic phi mang vác nng
ng dng h tr khp trong phc hi ch p cho các bnh nhân:
o Có v v h p, cng khi bnh không th thc
hii sng hng ngày
o Cng vng cho các bnh nhân cn phc hi hu phu thut (v
h p)  Bài tp h tr lc (thit b cung cp mô-men, lc cho khp),

hoc bài tng sc mnh cho h t b cung cp mô-men, lc
nhm cn tr chuyng ca khp).
o i ln tui, khp chân b yu, viêm kh

Hình 1.3 ng hp gp v khp gi
4

1.1.3. Gii thiu khp gối - Biên đ và tm vn đng cho khp gối.

Hình 1.4
    thành  3     chày và  bánh chè.
      - mâm chày có  trúc   là   chêm 
chêm        và mâm chày có tác   xóc khi  
   và mâm chày  xúc khi   và  cho    
  dây  bên trong, bên ngoài và hai dây  chéo  và chéo
sau   cho      chéo  có tác  chính là 
không cho mâm chày  ra  và dây  chéo sau  cho mâm chày không 
 ra sau.Dây  bên ngoài giúp  không   trong, dây  bên trong
giúp cho  không   ra ngoài.Toàn     bao     màng
  có tác   ra    bôi  trong quá trình  
Gii phu khp gối:   là      hai   
    chày 

 trên  chày: là hai   trên   xúc  hai
   
5

 sau  bánh chè:     ngoài và  trong ròng  
 chêm: có hai  chêm    hai    và  chày là 
chêm trong hình  C và  chêm ngoài hình  O; hai  này là mô   

trên hai   trên   chày     không    các 
 và làm   các va  khi   hai  chêm   nhau  dây
 ngang  hai     bám vào các  gian    chày;  ngoài
 dày, phía trung tâm  và      vòng c;  chêm có ý 
 trong các  tác   nó di  ra sau khi   chân và di  ra
 khi   chân.
Biên đ và tm vn đng ca khp gối:
-  có hai      -  và xoay   tác xoay  là 
và     khi  
-  - là   chính    Biên    -  
 khi   chân theo   và    khi    là 0
0
  có
  -5
0
  biên      thay  theo    háng, 
140
0
khi háng  120
0
khi háng      160
0
và cho phép gót 
mông)
- Xoay        khi   là 40
0
 xoay ngoài và 30
0

 xoay trong.

6


Hình 1.5
-  g          là - Trên  
 ta coi, 64
0
 lên  thang gác, 85
0
  thang,     
 (theo  pháp Zero) là 135
0
 là 0
0
và  là 135
0
) [9]

Hình 1.6 Góc    khi lên và   thang
Các c tham gia chi phối tm vn đng khp gối
-  

7

ngoài. Ngo

- 

1.2. Các kt qu ngiên cu đƣ đc công bố
1.2.1. Các kt quđƣ đc công bố  nc ngoài

Hin nay trên các qu, Nht, Hàn Quu
cng hin v c các thit b h tr (b 
1.2.1.1. B xng ngoƠiRaytheon Sarcos

Hình 1.7 Robot
      
, n
kh 
ng
 
mang  

             

8

     

1.2.1.2. B xng ngoƠihỗ tr chơn HAL

Hình 1.8 AL
 

h 



 



1.2.1.3. B xng ngoƠiHULC (Human Universal Load Carrier)
9


Hình 1.9 K HULC


              .


38kg.
1.2.1.4. Thit b tr giúp chuyn đng ca Honda



10


Hình 1.10 Honda_Walking_Assist_Device
1.2.1.5. B xng ngoƠi MIT

Hình 1.11 
                  

 

           
khung robot khác, v



11

1.2.1.6. B xng ngoƠi đẳng tĩnh cho khp gối nhơn to

Hình 1.12 
 ng) cho

 

1.3. Mc đích ca đ tài
Thit lp mt nguyên lý thit k c thit k thit b b 
i.  tài này, tác gi p tc phát trin nguyên lý thit k b
p sinh hc trình bày trong lua
(Cai, 2011). Nguyên lý thit k mc thit lp cho mt thit b hong cùng
lúc vi nhiu khp sinh hc khác nhau. Mng ti là tách ri, phân bit các
la mi khp sinh hu, khin viu khin tng
khp riêng r tr nên d n hóa thuu khin thit b,
cho phép bo  nh ca h thng khi vn hành trong thc t.
Các ng dng ti

12

Nghiên cu và ch to th nghim thit b h tr cho khp g 
 vkhng vt mang, t di chuyn).
H tr cho nhi làm các công vic phi mang vác vt nng trong thi gian
dài, u kin làm vic mà máy móc không th thay th c, chng h
Binh lính phi mang khng quân trang khá l hàng chc km
mi ngày, công nhân trong các nhà máy l
H tr di chuyn cho nhi có khp gi b yu.
1.4. Nhim v ca đ tài và gii hn đ tài

1.4.1. Nhim v ca đ tài
Phân tích chng ca chân. Tìm hiu kt cu sinh hc, kh n
ng ho
Nghiên cu, tìm hiu phù hp vi khp gu có các bc t do,
các góc quay phù hp vi chân.
Tính toán, b trí các bc t do th ng.
n kt nu vi khp gi, la chc dng.
La chu khin, hi tip tín hiu.
Ch to mô hình th nghi thc.
1.4.2. Gii hn ca đ tài
Phn ln ch thit k ch to phn cng.
Ch  khp gi.
Th nghim mt s chn ca thit b, nhng ti các ng dng
trong các bài tp phc hi chp gi.
1.5. Phng pháp nghiên cu
ng vi các mc tiêu nghiên cu phù hp
 Tìm hiu tài liu
 Nghiên cu, thit k
 Tìm hiu, la chn
13

 Ch to, th nghim



Chng 2
C SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Khâu, khp, bc t do
2.1.1. Khâu

Làmt hay nhiu chi tit máy lp cht vi nhau thành mt vt cng; có chuyn
i vi cácvt cngkhác.
2.1.2. Khp
 Bc t do: kh n c lp.
 Ràng buc: bc t do b trit tiêu do 2 khâu luôn tip xúc nhau theo mt cách nào

 Thành phnkhng: phn b mt tip xúc thuc v mi khâu khi phát sinh ràng
buc.
 Khng: 2 thành phn khng cu 2 khâu tip xúc to ràng buc.
 Phân loi khng:
- Phân loi theo s ràng buc to ra: khp loi k có k ràng buc.
- Phân loi theo b mt tip xúc: khp cao ting;
khp thp tip xúc theo mt.
2.1.3. Bc t do c cu

Vi:
14

o n: s ng;
o p
k
: s khp lai k(có k ràng buc);
o r
th
: s ràng buc tha;
o r
tr
: s ràng buc trùng;
o w
th

: s bc t do tha.
C cu phẳng
W = 3.n - ( p
4
+ 2.p
5
- r
th
) ậ w
th

Vi:
o n: s ng;
o p
4
vàp p
5
: s khp lai 4 (có1 ràng buc phng) và s khp lai 5 (có 2
ràng buc phng );
o r
th
: s ràng buc tha;
o w
th
: s bc t do tha.
2.2. Các dng bài toán robot
2.2.1. Các phép bin đi

,
 Ta có : v = H.u

2.2.1.1. Phép bin đi tnh tin (Translation)




Gi u lu dim cn tnh tin :
u = [x y z w]
T
15



v = Trans(a,b,c) u
2.2.1.2. Phép quay (Rotation) quanh các trc to đ

góc quay góc 
o




2.2.1.3. Phép quay tng quát

 à

o



16

2.2.1.6. Bin đi h to đ vƠ mối quan h gia các h to đ bin đi
Phép bin đi tnh tin

h =4i -3j+7k (hình 2.12) .Kt qu ca phép bii là:


Phép bin đi quay

T

0

ng h), ta có :


T

0
, Ta có :
17


 
phép 


2.2.2. BƠi toán đng học
Bng thông số Denavit-Hartenbert ca tay máy:

18


Hình 2.1 Các thông s 
2.3. Truyn đng và điu khin robot
2.3.1. Điu khin t l sai lch (PE : Propotional Error)
ε = θ
d
- θ(t)
d


d



zero.
Nmomen  ε= θd ậθ
F = Kp(θd - θ(t))
2.3.2.Điu khin t l - đo hƠm (PD : Propotional Derivative):



có t- 

19

- 
d
- 
- .
Ke- 
Kd- 
2.3.4. Thit b cm bin
2.3.4.1. Cm bin góc quay ậ encoder

Hình 2.2ncorder xung

 
nIncremental encoderi v
trí góc quay, s xung sinh ra cho bit khong dch chuyn so vi v trí ban
u.Loi Absolute encoder, có bin nh v ch chuyn, k c khi mn cp
ngun (hay dùng trong các h thng có s dch chuyn hu hi cn bit v
trí tuyn cu, máy CNC v.v.)
2.3.4.2. Loadcell (cm bin lực)
S lc v loadcell
Loadcell là b chuyi t trng ng hoc phn lu
n. Cu tn ca 1 loadcell bao gm mt mnh hi, strain
gauges (cm bin dt ti 4 v trí ca thanh kim loi
b bin di.