Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị phục hồi chức năng khớp gối sử dụng cơ cấu tác động phỏng sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---oOo
---oOo--oOo---

TRẦN THANH KHIẾT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG
KHỚP GỐI SỬ DỤNG CƠ CẤU TÁC
ĐỘNG PHỎNG SINH HỌC
NGÀNH
: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
MÃ NGÀNH :

LUẬN VĂN THẠ
THẠC SĨ

0707-2007, TP HỒ CHÍ MINH
MINH


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày
tháng năm 2007


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp.HCM, ngày

tháng

năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
Ngày, tháng, năm sinh :
Chuyên ngành :

TRẦN THANH KHIẾT
01/ 06/ 1982
Công nghệ chế tạo máy

Phái: Nam
Nơi sinh: Tiền Giang
MSHV: 00405061

I – TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU THIẾ
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC
HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI SỬ DỤNG CƠ CẤU TÁC ĐỘNG PHỎNG
SINH HỌC.
II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị phục hồi chức năng khớp gối sử
dụng cơ cấu tác động phỏng sinh học.
- Nghiên cứu ứng dụng neural network để điều khiển thiết bị.
- Xây dựng chương trình điều khiển đảm bảo các yêu cầu sau : thay đổi linh
hoạt các thông số điều khiển (góc co – dũi, đáp tuyến, tốc độ co – dũi), và
phải có tính ổn định cao trong các điều kiện thay đổi khác nhau của bệnh
nhân
III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
09 / 02 / 2007
IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
09 / 07 / 2007
V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TỪ DIỆP CÔNG THÀ
THÀNH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGHÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông
qua.
Ngày tháng năm 2007
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LỜI CÁM ƠN
Xin chân thành cảm ơn thầy Từ Diệp Công Thành, người đã hướng dẫn, hỗ
trợ, và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn. Luâïn văn này sẽ
không thể hoàn thành nếu không có được sự giúp đỡ, hỗ trợ và hướng dẫn của
thầy.
Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô đã dành thời gian để duyệt và đóng
góp ý kiến cho luận văn được hoàn thiện.
Xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giảng dạy chuyên ngành cao học công
nghệ chế tạo máy trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã truyền thụ
nhiệt tình những kiến thức và kinh nghiệm trong suốt thời gian tôi học tập và
nghiên cứu tại trường.
Xin cảm ơn Đỗ Anh Lâm, và các bạn của tôi, những người đã giúp tôi rất
nhiều trong khoảng thời gian tôi làm luận văn.
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn ba mẹ và các anh chị của tôi, những người
đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi yên tâm học hành và luôn động viên mỗi khi
tôi gặp khó khăn.
Sau cùng, xin chúc ba mẹ, quý thầy cô, các anh chị và các bạn sức khỏe và
thành đạt.
Tháng 7 năm 2007
Trần Thanh Khiết.


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, cơ cấu tác động phỏng sinh học đã và đang được nghiên cứu ứng
trong kỹ thuật người máy sinh học (Bio-Robotics) và trong kỹ thuật cơ khí y sinh
học (Bio-Mechanics). Cơ cấu tác động này có những đặc tính nổi trội hơn so với
các cơ cấu tác động truyền thống (điện, thủy lực, ..) như tỉ số công suất / trọng
lượng, và công suất / thể tích lớn, nhẹ, ngoài ra, nó còn có moat số đặc tính rất
hay đó là tính an toàn cao và khả năng chìu theo chuyển động. Với những ưu

điểm đó, mục đích chính của luận văn này sẽ nghiên cứu ứng dụng cơ cấu tác
động phỏng sinh học trong lónh vực phục hồi chức năng khớp gối.
Luận văn gồm có 4 phần:
Phần 1 : Tìm hiểu về sự sơ cứng khớp gối và cơ cấu tác động phỏng sinh học
(PAM), khảo sát các thiết bị phục hồi chức năng khớp gối hiện có trên thị trường.
Phần 2 : Tính toán thiết kế thiết bị, và tìm hiểu các giải thuật điều khiển : giải
thuật điều khiển PID phi tuyến dựa trên mạng nơron (Nonlinear PID control
based on neural network), và giải thuật bù PID dùng mạng nơron .
Phần 3 : Trình bày kết quả thực nghiệm của các giải thuật trên.
Phần 4 : Kết luận và hướng phát triển của đề tài.


ABSTRACT
In recent times, Pneumatic Artificial Muscle (PAM) is being researched to
apply in Bio-Robotics and Bio-Machanics fields. PAM has many characteristics
better than the traditional actuator (electrics, hydraulics…) : extremely high
power/weight and power/volume ratios, light-weight, and safe, in addition, PAM
has a special characteristic that is the compliance. From these advantages, the
goal of this study is going to apply PAM in the knee rehabilitation devices.
The structure of the thesis is following:
Part 1 : Researching the joint stiffness and overview of PAM, surveying the
knee rehabilitation equipments is existing in Viet Nam and on over the world.
Part 2 : Computing for device, and researching the control algorithm :
-

Nonlinear PID control based on neural network.

-

Intelligent control based on neural network ( the algorithm cosists of the a

neural network controller, which is installed in parallel with conventional
PID controller to compensate the deficiency of the conventional PID
controller).

Part 3 : Sofware and experimental resultss.
Part 4 : Conclusion and the future work.


MỤC LỤC

PHẦN I : TỔNG QUAN …………………………………………………………... 1
Chương 1 : Các vấn đề về chấn thương khớp gối ……………………………...2
1- Sự sơ cứng khớp gối ………………………………………………………3
1.1- Bệnh lý của sự sơ cứng khớp gối …………………………………... 3
1.2- Quá trình tiến triển của sự sơ cứng khớp gối ……………………… 5
2- Giải pháp phục hồi chức năng khớp gối ………………………………… 6
3- Đề nghị sử dụng CPM …………………………………………………… 7
Chương 2 : Tổng quan về cơ cấu tác động phỏng sinh học…………………….9
1- Định nghóa, cấu tạo và hoạt động của PAM ……………………………..10
1.1- Định nghóa …………………………………………………………... 10
1.2- Cấu tạo ……………………………………………………………… 10
1.3- Hoạt động của PAM ………………………………………………... 10
2- Những đặc tính của PAM ………………………………………………... 13
2.1- Hoạt động của PAM với tải trọng không đổi ……………………… 13
2.2- Hoạt động của PAM với áp suất không đổi ………………………. 14
2.3- Ưu và nhược điểm của PAM ……………………………………….. 15
3- Cơ dạng bện (Braided Muscles) ………………………………………….15
3.1- Cơ McKibben ……………………………………………………….. 16
3.2- Cơ khí Festo ………………………………………………………… 19
4- Độ cứng/sự chiều theo của PAM ………………………………………... 19

Chương 3 : Nhiệm vụ luận văn …………………………………………………21
1- Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi chức năng khớp gối ở Việt
Nam ………………………………………………………………………………... 22
2- Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi chức năng khớp gối trên
thế giới ……………………………………………………………………………... 23
3- Hướng nghiên cứu luận văn ……………………………………………... 25
PHẦN 2 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN …………. 27
Chương 4 : Tính toán thiết kế ………………………………………………….. 28
1- Lựa chọn phương án ……………………………………………………... 29
1.1- Yêu cầu của thiết bị ………………………………………………... 29
1.2- Lựa chọn phương án ………………………………………………... 29
2- Động học …………………………………………………………………. 32
2.1- Chuyển vị góc, vận tốc góc, gia tốc góc của tay quay ……………..32
2.2- Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của con trượt ………………………….. 33
3- Động lực học ……………………………………………………………... 34
3.1- Thiết bị đang ở vị trí duỗi ra hết mức (góc hoạt động là 100), và
trong trường hợp thiết bị có kích thước lớn nhất ………………………………….. 35


3.2- Thiết bị đang ở vị trí co lại hết mức (góc hoạt động là 1200), và
trong trường hợp thiết bị có kích thước lớn nhất ………………………………….. 41
3.3- Con trượt đang ở vị trí giữa của thanh dẫn, và trong trường hợp
thiết bị có kích thước lớn nhất …………………………………………………….. 46
3.4- Tính toán chọn PAM ………………………………………………...51
3.5- Tính toán chọn thanh dẫn hướng …………………………………… 52
3.6- Tính toán chọn ổ cho khớp nối giữa tay quay và thanh truyền …… 54
3.7- Tính toán chọn ổ cho khớp nối giữa tay quay và giá ……………… 57
3.8- Tính toán chọn ổ cho khớp nối giữa thanh truyền và con trượt …… 58
3.9- Tính toán chọn trục ròng rọc ……………………………………….. 59
Chương 5 : Giải thuật điều khiển ……………………………………………… 63

1- Thuật toán PID …………………………………………………………… 65
2- Giải thuật PID phi tuyến dùng mạng nơron (Nonlinear PID based
on neural network) ……………………………………………………………........ 67
3- Giải thuật bù PID dùng mạng nơron (Neural PID)……………………….72
3.1- Tổng quan về hệ thống điều khiển ………………………………… 72
3.2- Bộ điều khiển mạng nơron …………………………………………. 73
3.2.1- Cấu trúc của bộ điều khiển mạng nơron ……………………... 74
3.2.2- Thuật toán học ………………………………………………… 75
PHẦN 3 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...................................................................78
Chương 6 : Kết quả thực nghiệm ……………………………………………...79
1- Phần mềm điều khiển ...............................................................................80
2- Kết quả thực nghiệm .................................................................................80
2.1- Trường hợp không tải ..........................................................................81
2.1.1- Kết quả thực nghiệm khi thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình
Sin, chu kỳ 50 (s), biên độ 600 …………………………………………………….. 81
2.1.2- Kết quả thực nghiệm khi thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình
Thang, chu kỳ 60 (s), biên độ 600 …………………………………………………. 83
2.2- Trường hợp có tải ……………………………………………………86
2.2.1- Kết quả thực nghiệm khi thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình
Sin, chu kỳ 50 (s), biên độ 600……………………………………………………... 86
2.2.2- Kết quả thực nghiệm khi thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình
Thang, chu kỳ 60 (s), biên độ 600 …………………………………………………. 88
2.3- So sánh đáp ứng của các bộ điều khiển …………………………… 91
2.3.1- So sánh đáp ứng của bộ điều khiển PID trong trường hợp thiết
bị hoạt động có tải và không tải …………………………………………………... 91
2.3.2- So sánh đáp ứng của bộ điều khiển Nonlinear PID trong trường
hợp thiết bị hoạt động có tải và không tải ………………………………………... 92
2.3.3- So sánh đáp ứng của bộ điều khiển Neural PID trong trường hợp

thiết bị hoạt động có tải và không tải …………………………………………….. 93
2.3.4- So sánh đáp ứng của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển
Nonlinear PID và bộ điều khiển Neural PID trong trường hợp có tải …………... 95
PHẦN 4 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ……………...98
1- Những kết quả đạt được …………………………………………………….. 99
2- Những hạn chế của luận văn ………………………………………………...99
3- Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo ………………………………………… 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO


-1-

PHẦN I
TỔNG QUAN

LUẬN VĂ
VĂN CAO HỌC


-2-

CHƯƠNG 1
CÁC VẤN ĐỀ VỀ
CHẤN THƯƠNG KHỚP GỐI

LUẬN VĂ
VĂN CAO HOÏC


-3-

1- Sự sơ cứng khớp gối.
1.11.1- Bệnh lý của sự sơ cứng khớp gối.
Vào năm 1926, Von Riemke, chủ tịch hiệp hội phẩu thuật Đan Mạch đã phát
biểu rằng “ Mọi chấn thương của khớp nên được điều trị kịp thời. Sự vận động
cần phải bắt đầu vào những ngày đầu tiên, rất chậm, nhưng phải nhiều và liên
tục”. Sau này, Salter dựa trên một chuỗi những nghiên cứu bằng thực nghiệm đã
đưa ra khái niệm của sự vận động bị động liên tục, gọi tắt là CPM (Continuous
Passive Motion). Năm 1960, Salter và Field chỉ ra rằng : sự bất động cưỡng bức
của khớp gối một con thỏ sẽ dẫn tới sự hoại thư của sụn gối. Năm 1965, Salter đã
trình bày những ảnh hưởng có hại do sự bất động trên sụn khớp của thỏ (trong y
học gọi là “sự thoái hóa của sụn khớp”). Ông lập luận, không vận động thì rõ
ràng không tốt cho khớp, và rằng, nếu vận động không liên tục thì tốt hơn cho cả
khớp bình thường và khớp bị chấn thương, thì sự vận động liên tục thậm chí còn
tốt hơn rất nhiều. Ông tin rằng CPM có những ưu điểm, cụ thể, nếu sự vận động
là chậm vừa phải, thì ta có thể áp dụng ngay một sự vận động chậm vừa phải
ngay sau khi chấn thương hay ngay sau khi phẩu thuật mà không gây đau quá
mức cho bệnh nhân. Điều này đã được kiểm nghiệm trên nhiều bệnh nhân, và
được chứng minh là có tính khả thi. Ngày nay, những nghiên cứu về CPM khẳng
định sự vận động liên tục sẽ thúc đẩy việc chữa lành vết thương và tái sinh sụm
khớp.
Để hiểu cách mà CPM có thể giúp bệnh nhân trong việc duy trì khả năng chuyển
động của khớp sau chấn thương hay sau phẩu thuật, ta cần có những hiểu biết cơ
bản về bệnh lý của sự sơ cứng khớp. Sự sơ cứng của khớp sau phẩu thuật hay sau
khi chấn thương là một quá trình tiến triển qua 4 giai đoạn: sự chảy máu, chứng
phù, giai đoạn mô kết thành hột, và chứng sơ hóa.
LUẬN VĂ
VĂN CAO HOÏC

-4-

Bước 1: Sự chảy máu.
Giai đoạn đầu tiên xảy ra trong vài phút đến vài giờ sau khi phẩu thuật khớp hay
sau khi chấn thương, giai đoạn này gây ra sự chảy máu, kết quả là làm sưng
phòng bao vỏ khớp và sự sưng lên của mô quanh khớp. Phụ thuộc vào từng khớp
riêng biệt, bao vỏ đạt thể tích lớn nhất tại một góc khớp nào đó. Thông thường,
thể tích lớn nhất của bao vỏ khớp gối xảy ra tại góc khoảng 350 của sự co lại. Bất
cứ sự co lại hay dũi của một khớp tới vị trí vượt ra ngoài thể tích lớn nhất, khi
khớp và/hay những mô xung quanh khớp bị sưng lên, tạo áp suất thủy tónh rất lớn
trong khớp và những mô quanh khớp. Áp suất cao này gây đau đớn và làm giảm
khả năng vận động của khớp. Ngay sau khi bị chấn thương hay sau khi phẩu thuật
khớp, khuynh hướng tự nhiên là giữ khớp trong vị trí của thể tích khớp lớn nhất
để làm tối thiểu sự đau đớn do sự căng của bao vỏ khớp và áp suất bên trong
khớp.

Bước 2 : Chứng phù
Giai đoạn thứ hai của sự sơ cứng, xảy ra trong suốt một vài giờ hay trong vài
ngày tới, nó giống như ở bước một nhưng phát triển chậm hơn. Chứng phù bị gây
ra bởi những dung môi dễ viêm nhiễm được giải phóng bởi tiểu huyết cầu, những
tế bào bị chết và bị thương. Những dung môi này làm cho những mạch máu ở gần
đó giản nỡ và rò rỉ huyết tương, kết quả là làm giảm bớt sự chìu theo của những
mô quanh khớp trong vùng bị sưng. Với những mô bị sưng phồng và ít chìu theo
quanh khớp, nó trở nên khó vận động và sự vận động trở nên đau hơn. Ở đây, độ
cứng và việc mất tính chiều theo của mô quanh khớp bị gây ra bởi sự tích tụ của
chất dịch. Trong bước kế tiếp, chất dịch này được thay thế bằng sự lắng động của
thể mẹ ở bên ngoài tế bào, đánh dấu một sự quá độ.

Giai đoạn 3: Quá trình mô kết thành hột.
LUẬN VĂ

VĂN CAO HỌC


-5-

Giai đoạn thứ ba là quá trình mô kết thành hột. Điều này xảy ra trong vài ngày
đầu hay vài tuần sau khi chấn thương hay sau phẩu thuật. Mô kết thành hột có
cấu tạo gần giống như mô là sự kết hợp giữa cục máu và mô dạng sợi núm xốp ở
một mức độ cao. Khi sự kết thành hột của mô xuất hiện bên trong và quanh khớp,
độ cứng ở giai đoạn trước, gây ra bởi sự tích lũy chất dịch làm tăng sự lắng động
của thể mẹ ngoại bào ở dạng đặc.

Giai đoạn 4: Chứng sơ hóa.
Giai đọan 4 của chứng sơ cứng thể hiện ở chứng sơ hóa. Trong suốt giai đoạn này,
mô kết thành hột đã phát triển hoàn thiện, định hình dày đặc, tạo thành sẹo của
mô cứng. Những mô bị sẹo này có một sự tập trung của chất tạo keo kiểu sợi I
trong thể mẹ ngoại bào của nó.
1.21.2- Quá trình tiến triển của sự sơ cứng khớp gối.
Khi vết mổ đã kín, gối có một khoảng vận động nào đó. Nếu đưa bệnh nhân trở
lại phòng phẩu thuật từ phòng phục hồi sau 2 giờ và gối bệnh nhân được khám lại
trong tình trạng bị gây tê, nó sẽ không di chuyển một cung đầy đủ. Bởi vì sự tích
tụ máu bên trong và xung quanh gối, gây ra sự căng và mất tính chiều theo của
những mô xung quanh khớp. Tuy nhiên, nếu máu được đưa ra ngoài ( hay không
cho phép tích tụ), tính vận động của gối sẽ lập tức được phục hồi.
Một đến hai ngày sau, nếu bác só tập lại gối bệnh nhân một lần nữa trong tình
trạng bị gây tê, tất nhiên là nó sẽ không chuyển động một cung đầy đủ. Sự mất
khả năng chuyển động này là do sự tích tụ chất dịch, thể hiện ở giai đoạn thứ hai,
chứng phù. Có thể loại bỏ chất dịch từ những mô xung quanh khớp , nhưng cần
duy trì việc đưa chất dịch ra xa vùng của khớp.
Nhiều ngày sau đó, gối có cảm giác cứng do không thể loại bỏ được chất dịch ra

khỏi vùng khớp gối. Trong giai đoạn thứ ba sự lắng động mô kết thành hột, thể
LUẬN VĂ
VĂN CAO HỌC


-6-

mẹ ngoại bào được lắng xuống trong mô quanh khớp gối, làm cho chúng trở nên
dày đặc và mất khả năng chiều theo. Gối trong giai đoạn này vẫn tuân theo “sự
vận động bằng tay” trong tình trạng gây tê, nhưng cần một lực lớn để thắng sự
cản chuyển động.
Nhiều tuần hay nhiều tháng sau đó, khi chứng sơ hóa xảy ra trong giai đoạn thứ
tư của sự sơ cứng, thể mẹ ngoại bào và những mô kết thành hột trở nên dày đặc,
mô có thẹo kết dính vào nhau. Điều này dẫn đến một sự chống lại chuyển động
rất lớn và mất khả năng chuyển động thậm chí bằng tay.

2- Giải pháp phục hồi chức năng khớ
khớp gối.
Hiểu được quá trình tiến triển của sự sơ cứng khớp gối, điều này sẽ giúp mọi
người hiểu được mục tiêu sau cùng là ngăn ngừa sự tích tụ của chất dịch bên
trong và xung quanh những mô quanh khớp. Việc ngăn ngừa được thực hiện bằng
cách đưa máu và chất dịch gây phù này ra khỏi vùng khớp gối. Bằng cách ngăn
ngừa sự tích tụ dịch bên trong và quanh khớp , nó ngăn ngừa sự lắng động của mô
hạt và chứng sơ hóa của những mô quanh khớp.
Sử dụng lý thuyết này, vai trò của CPM trong việc ngăn ngừa sự cứng của khớp
có thể dễ hiểu hơn. Trong những ngày đầu sau khi chấn thương hay sau khi phẩu
thuật, CPM thì chủ yếu có ích trong việc làm giảm tối thiểu sự tích tụ máu bầm
và chất dịch gây phù quanh và trong khớp.
CPM gây ra một dao động hình sin bên trong khớp, được trình bày trong hình 1.1,
điều này làm tăng việc loại bỏ máu trong khớp (hình 1.2). Với việc bơm chất dịch

ra khỏi khu vực quanh khớp, CPM ngăn ngừa sự tích lũy chất gây phù trong
những mô mềm quanh khớp. Vì vậy, CPM thì rất có ích và rất quan trọng trong
vài giờ đầu và vài ngày đầu sau khi phẩu thuật. CPM thì ít ảnh hưởng đến giai
đoạn thứ ba của sự cứng và không hưởng đến giai đoạn thứ tư.
LUẬN VĂ
VĂN CAO HOÏC


Áp suất [mmHg]

-7-

40 giây
Hình 1.1 : Áp suất bên trong khớp gối trong suốt quá trình CPM
được thực hiện, áp suất dao động theo dạng hình sin.

Hình 1.2 : Sự co và dũi của khớp bằng CPM làm tăng và giảm áp
suất thủy tónh trong khớp và những mô quanh khớp, kết quả của “hiệu
quả bơm” đưa chất dịch ra khỏi khớp và ra khỏi những mô quanh khớp.

3- Đề nghị sử dụng CPM
CPM tác động để làm giảm sự tích tụ máu và chất dịch ở trong và xung quanh
khớp sau khi bị chấn thương hay sau khi phẩu thuật. Theo cách này, CPM thì hữu
ích trong việc tránh sự phát triển chứng sơ cứng của khớp xảy ra sau đó trong một
vài giờ đầu tiên hay những ngày đầu tiên.
CPM được dùng để ngăn ngừa sự cứng và để duy trì sự chuyển động đạt được tại
thời điểm sau phẩu thuật, đặc biệt là sau khi thay thế khớp, giảm bớt sự co cứng,
và sự dính lại của những cơ quanh khớp. Nó bị cấm dùng nếu những dây chằng
mô mềm không đủ, nếu khớp không vững chắc hay nếu sự dính lại của chỗ nứt
không đạt được độ cứng cần thiết. Theo những hướng dẫn này và tuân thủ

LUẬN VĂ
VĂN CAO HỌC


-8-

nghiêm túc những nguyên tắc sử dụng CPM sẽ làm tăng những cơ hội đạt được
khoảng chuyển động của khớp lớn nhất sau chấn thương hay sau phẩu thuật. Ứng
dụng của CPM sẽ ảnh hưởng tới chi phí , bởi vì nó làm giảm nhu cầu điều trị vật
lý trị liệu và sự vận động những khớp bằng tay dưới sự gây tê. Nếu CPM không
được áp dụng ngay từ đầu, điều này sẽ dẫn đến sự sơ cứng khớp gối, lúc này chỉ
còn một giải pháp cuối cùng để điều trị sự sơ cứng khớp gối đó là phải phẩu
thuật.

LUẬN VĂ
VĂN CAO HỌC


-9-

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN
QUAN VỀ CƠ CẤU
TÁC ĐỘNG PHỎNG
NG SINH
HỌC

LUẬN VĂ
VĂN CAO HOÏC

- 10 -

1- Định nghóa, cấu tạo và hoạt động củ
của PAM.
1.11.1- Định nghóa
Cơ nhân tạo hoạt động nhờ khí nén (Pneumatic Artificial Muscle-PAM) là một
thiết bị có chuyển động co lại và chuyển động của nó là thẳng, nó hoạt động
được là nhờ áp suất của khí nén.
1.21.2- Cấu tạo
Cấu tạo của cơ cấu tác động này gồm có một ống cao su được bao phủ bởi một
lưới bện, hai đầu của nó được buộc lại, nơi mà năng lượng cơ được truyền lên tải.
Khi ống cao su được bơm đầy không khí, hay khí được hút ra, nó phồng ra hay bị
nén lại. Đồng thời với sự giãn ra hay co lại theo hướng hướng kính, ống cao su co
lại theo hướng dọc trục và tạo ra một lực kéo trên tải. Do đó, lực và chuyển
động được tạo ra bởi cơ cấu tác động này là tuyến tính và đẳng hướng.

Hình 2.1 : Cấu tạo của PAM.

PAM cũng được biết với những tên gọi khác như : cơ cấu tác động cơ khí nén
(Pneumatic Muscle Actuator, Caldwell, 1993a), cơ cấu tác động chất lưu (Fluid
Actuator, Yarlott, 1972), cơ cấu tác động áp lực được dẫn động bằng chất lưu
(Fluid-Drive Tension Actuator, Paynter, 1988b), cơ cấu tác động có thể co lại
theo hướng dọc trục (Axially Contractible Actuator, Immega và Kukolj, 1990,
Kukolj, 1988), cơ cấu tác động áp lực (Tension Actuator, Immega, 1989, Paynter,
1988a).
1.31.3- Hoạt động của PAM

LUẬN VĂ
VĂN CAO HỌC

- 11 -

Nguồn năng lượng của PAM là khí, thường là không khí, được đưa vào bên trong
hay được rút ra. PAM tạo ra lực bởi sự chênh áp của khí ở bên trong so với môi
trường bên ngoài. Mặc dù PAM có thể thiết kế để hoạt động ở áp suất chân
không, nhưng PAM thường hoạt động ở áp suất cao, bởi vì việc tạo ra và cung
cấp khí nén thì dễ thực hiện hơn, thường thì áp suất của môi trường là khoảng
100kPa, áp cao có thể truyền năng lượng đi nhiều hơn so với áp thấp. Khi nạp khí
vào PAM sẽ tạo ra một lực nâng tải lên, khi xả khí ra, tải sẽ được hạ xuống.
Từ tính chất đó có thể suy ra mối quan hệ giữa chiều dài và tải trọng. Trong suốt
khoảng thời gian dt, PAM cung cấp một năng lượng, tại áp suất đo p=P-P0 có
quan hệ với áp suất xung quanh, tác động lên một khối lượng vô cùng nhỏ dm
của khí vào. Vì vậy, thể tích của ống cao su tăng lên một lượng là dV và tạo ra
một công là :
dWm = pdV

(2.1)

trong cùng khoảng thời gian dt, chiều dài của cơ cấu tác động thay đổi một lượng
là dl và để tải được di chuyển đi một đoạn bằng với lượng thay đổi chiều dài của
PAM, cần tạo ra một công là:
dWl = -Fdl

(2.2)

Để làm biến dạng ống cao su bên trong, cần một công là dWd. Ước lượng công
này phụ thuộc vào ứng xử của vật liệu : tính đàn hồi, tính dẻo. Bỏ qua công biến
dạng của ống cao su bên trong, và giả sử những điều kiện gần như là tónh hoàn

toàn, lúc đó ta có
dWl = dWm
hay
F=-p

dV
dl

(2.3)

LUẬN VĂ
VĂN CAO HỌC


- 12 -

Tuy nhiên, dWd thường không thể bỏ qua và lực được tạo ra sẽ có giá trị nhỏ hơn.
Một phần của lực F dùng để bù lực quán tính của những phần chuyển động của
ống cao su, nhưng bởi vì có khối lượng rất nhỏ, nên điều này có thể bỏ qua.
Phương trình (2.3) trình bày cách tạo ra lực phụ thuộc vào áp suất và phụ thuộc
vào sự thay đổi của thể tích theo chiều dài. Sự thay đổi của thể tích theo chiều
dài thì phụ thuộc vào kiểu ống bên trong được sử dụng, đặc biệt là hình dáng hình
học của nó và cách nó phồng ra, trạng thái co lại của PAM được xác định bởi
chiều dài của nó và bởi áp suất áp kế. Bất kể loại nào, bởi vì sự co lại xảy ra như
là một hệ quả tất yếu của sự bơm phồng lên, thể tích tăng lên, chiều dài giảm đi,
vì vậy lực sẽ tăng.

Hình 2.2 : Nguyên lý hoạt động của PAM.

Hình trên trình bày hoạt động của một loại PAM bất kỳ và hình dạng được giữ ở

áp suất không đổi. Về lý thuyết, có một số kiểu có lực rất lớn khi nó ở trạng thái
dài nhất, nhưng bởi vì tính chảy của vật liệu nên điều này sẽ không thể có trong
thực tế. Khi PAM co lại, thể tích sẽ tăng đến mức lớn nhất, tại điểm này lực sẽ
giảm xuống tới 0, và sự co sẽ tiến đến giá trị lớn nhất của nó. Hơn nữa, sự co

LUẬN VĂ
VĂN CAO HỌC


- 13 -

ngắn của PAM chỉ có thể được thực hiện bằng cách nén nó lại, làm đổi dấu của
lực.
Tải trọng cân bằng tại một trạng thái nào đó cũng có thể được suy ra từ một sự
tính toán phức tạp những ứng suất căng của ống bên trong. Những ứng suất này
chỉ là những ứng suất căng, truyền lực từ áp suất bên trong lên tải bên ngoài. Bởi
chúng có thể tăng lên rất lớn, đặc biệt là khi sự co lại còn ở mức thấp, nên ống
cao su cần được gia cố. Việc này có thể được thực hiện từ bên ngoài bởi một ống
lót ôm chặt lấy ống cao su.

2- Những đặc tính của PAM
PAM hoạt động được là nhờ áp suất của khí, và nó co lại khi được bơm phồng
lên. PAM được cấu tạo gồm một ống cao su có thể được bơm phồng lên, được gia
cố bởi những sợi dây nhỏ, và được lắp đầu nối để mang tải ở cả hai đầu của nó.
Khi ống cao su bị ép bởi áp suất khí, nó sẽ phình ra theo hướng hướng kính, trong
khi đó nó co ngắn lại theo hướng dọc trục. Trong quá trình co ngắn lại theo hướng
dọc trục, PAM sẽ tạo ra lực kéo tại hai đầu của nó. Lực này được tạo ra từ sự co
lại và làm di chuyển tải theo một hướng nhất định. Để hiểu những đặc tính của
PAM ta xét hai trường hợp sau:
2.12.1- Hoạt động của PAM với tải trọng không đổi

Hình 2.3 : Hoạt động của PAM với tải không đổi.
LUẬN VĂ
VĂN CAO HỌC


- 14 -

Một đầu của PAM được giữ cố định, đầu kia mang khối lượng M. Áp suất áp kế
được tăng từ giá trị ban đầu là 0. Tại áp suất là 0, thể tích là Vmin và chiều dài là
lớn nhất Lmax. Khi áp suất bên trong cơ tăng lên tới giá trị P1, ở hình 2.3 (b), thể
tích là V1, PAM phồng ra theo hướng hướng kính, khi đó toàn bộ chiều dài bắt
đầu co lại, tạo nên một lực kéo trên khối lượng M, nâng khối lượng M lên cho
đến khi đạt lực cân bằng, khi đó lực kéo được tạo ra tiến tới giá trị Mg (với g là
gia tốc trọng trường, 9.81 m/s2). Tiếp tục tăng áp suất lên tới giá trị P2, ở hình 2.3
(c), thể tích tăng lên tới giá trị V2, nâng khối lượng M2 lên cao hơn nữa bởi lực
kéo mới vừa được tạo ra. Thực nghiệm này đã thể hiện 2 đặc tính của PAM : thứ
nhất, PAM ngắn lại khi thể tích của nó tăng lên, thứ hai là khi áp suất khí nén
tăng lên, nó sẽ co lại để chống lại tải không đổi.
2.22.2- Hoạt động của PAM với áp suất không đổi

Hình 2.4 : Hoạt động của PAM với áp suất không đổi.

Lúc này PAM được giữ ở áp suất không đổi, trong khi khối lượng được giảm từ
giá trị ban đầu của tải bên ngoài 2M, như ở hình 2.4 (a). Khi khối lượng giảm
xuống tới giá trị M, hình 2.4 (b), PAM co ngắn lại, trong khi thể tích của nó tăng
lên. Khi khối lượng được loại bỏ hoàn toàn, hình 2.4 (c), nó sẽ phồng ra hết cỡ,
đồng thời nó thu ngắn lại đến chiều dài nhỏ nhất Lmim, lực kéo bây giờ giảm
xuống 0. Tại điểm này, PAM không thể co lại thêm được nữa. Từ đây, ta có thể
LUẬN VĂ

VĂN CAO HỌC


- 15 -

suy ra thêm những đặc tính của PAM. Thứ nhất, ở áp suất không đổi, PAM sẽ co
ngắn lại khi tải bị giảm đi, và thứ hai là nó sẽ tiến tới một điểm tối ưu, mà tại
điểm đó sẽ không có thêm một sự co ngắn lại nào nữa, và lực kéo sẽ giảm xuống
0, khi đó thể tích của nó là lớn nhất.
2.32.3- Ưu và nhược điểm của PAM.
PAM.
Theo các nghiên cứu, PAM là cơ cấu có hệ số Công suất /Khối lượng và Công
suất/Thể tích lớn nhất trong tất cả các cơ cấu tác động thông thường (điện, thủy
lực,…). PAM có một đặc tính rất hay, đó là khả năng chìu theo chuyển động của
đối tượng chịu tác động, chính điều này làm cho PAM có ưu thế trong các lónh
vực người máy sinh học và cơ khí y sinh học. Nguồn năng lượng cho PAM là khí
nén, đây là nguồn năng lượng sạch và có sẵn trong tự nhiên.
Tuy nhiên, do PAM được cấu tạo bởi các vật liệu dẻo và đàn hồi nên tính chất
của chúng dễ thay đổi theo nhiệt độ. Đặc tính này cùng với tính phi tuyến và tính
trể (đặc tính của khí nén) gây ra những khó khăn chính sau đây : khó điều khiển
chính xác và nhạy với sự thay đổi của tải trọng (đặc trưng cho tính chìu theo của
PAM). Ngoài ra, việc ứng dụng PAM trong thực tế còn có những khó khăn sau :
cần phải có thiết bị nén và tồn trữ khí, tuổi thọ không cao, lượng co lại của PAM
phụ thuộc vào chiều dài ban đầu (khoảng 20% đến 30% chiều dài của PAM),
hiện tượng trễ ở PAM do ma sát khô (do ma sát giữa ống cao su bên trong và lưới
bao bên ngoài, giữa những dây bện với nhau).

3- Cơ dạng bện (Braided Muscles)
Cơ dạng bện gồm một ống cao su đàn hồi kín khí, được bao bọc bởi một lớp lưới
bện. Hình bên dưới trình bày một kiểu đặc biệt của loại này.

Những dây bện quấn theo đường xoắn ốc dọc theo chiều dài của PAM tại một
góc (góc bước, góc bện, góc dệt) + θ và - θ ø. Khi ống được giữ ở áp suất không
LUẬN VĂ
VĂN CAO HOÏC


- 16 -

đổi, nó sẽ ép chặt vào ống bao ngoài. Do đó, áp suất bên trong được cân bằng
bởi sức căng của những sợi dây bện. Sức căng của những sợi dây được kết hợp
lại tại những điểm cuối của dây bện để cân bằng với tải bên ngoài. Cơ dạng bện
không thể hoạt động ở áp suất chân không.

Lưới bao ngoài

Bị kéo

Ống bên trong

Ở trạng
thái nghó
Bị bơm
phồng lên

n vòng quấn
Hình 2.5 : Cấu tạo của PAM dạng bện.

Ứng xử chung của những cơ này có liên quan đến hình dạng của nó, sự co lại và
sự căng lên khi được bơm phồng lên sẽ phụ thuộc vào hình dạng của ống đàn hồi
ở bên trong và của dây bện tại trạng thái nghỉ, và dựa vào loại vật liệu được sử

dụng. Thường thì cơ dạng bện có dạng hình trụ bởi ruột của nó có dạng trụ và góc
bước của dây bện không đổi từ đầu đến cuối.
3.13.1- Cơ McKibben
Đó là một cơ dạng bện hình trụ, cả ống cao su bên trong và lưới bện bao bên
ngoài của nó đều được buộc lại ở hai đầu để không chỉ truyền sức căng của
LUẬN VĂ
VĂN CAO HỌC