Thiết kế, chế tạo thiết bị phục hồi chức năng khớp gối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƯ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI

GVHD: Th.S LÊ THANH TÙNG
SVTH: NGUYỄN THANH DƯƠNG
MSSV: 11146025
SVTH: LÊ VĂN TUẤN
MSSV: 11146136
SVTH: VÕ VĂN QUANG
MSSV: 11146086

SKL 0 0 4 2 6 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH


BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: “THIẾT

KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ

PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI”

Giảng viên hướng dẫn:

TH.S LÊ THANH TÙNG

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN THANH DƯƠNG

11146025

Sinh viên thực hiện:

LÊ VĂN TUẤN

11146136

Sinh viên thực hiện:

VÕ VĂN QUANG

11146086

Lớp:

111461

Khố:

2011 - 2015

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn Cơ Điện Tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn:

Th.s Lê Thanh Tùng

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Thanh Dương

MSSV: 11146025

Lê Văn Tuấn

MSSV: 11146136

Võ Văn Quang

MSSV: 11146086

1. Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị phục hồi chức năng khớp gối.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
 Thiết bị bộ xương ngồi đã được nghiên cứu và cơng bố.


Nghiên cứu tài liệu để kế thừa thành tựu.

 Đồ án “ Thiết kế, chế tạo robot phồi chức năng khớp gối”, Nguyễn Quang Tuấn,
2014.
3. Nội dung chính của đồ án:
 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị phục hồi chức năng cho khớp gối.
 Thiết bị thực hiện 2 chức năng: gấp mở và kéo giãn khớp gối.
 Thiết bị đảm bảo sự an toàn và thoải mái cho người sử dụng.
4. Các sản phẩm dự kiến
 Thiết bị phục hồi chức năng khớp gối.
5. Ngày giao đồ án:

07/09/2015

6. Ngày nộp đồ án:

11/01/2016

TRƯỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ …………………………………………
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

i


LỜI CAM KẾT
- Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng khớp gối.
- GVHD: Th.S. Lê Thanh Tùng.
- Họ tên sinh viên: Nguyễn Thanh Dương

11146025

Lớp: 111461A
Địa chỉ sinh viên: Hồ văn Tư, Trường Thọ, Thủ Đức
SĐT: 0962 67 47 69
Email:
- Họ tên sinh viên: Lê Văn Tuấn

11146136

Lớp: 111461B

Địa chỉ sinh viên: Dĩ An, Bình Dương
SĐT: 0933169619
Email:
- Họ tên sinh viên: Võ Văn Quang

11146086

Lớp: 111461A
Địa chỉ sinh viên: Lê văn việt, Q.9, Tp.Hcm
SĐT: 01666652434
Email:
- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 11/01/2016
- Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình
do chính nhóm nghiên cứu và thực hiện. Nhóm khơng sao chép từ bất kỳ một bài
viết nào đã được công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi
phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 01 năm 2016
Ký tên

ii


LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, nhóm đã nhận được nhiều sự giúp đỡ
cũng như đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Thanh Tùng, giảng viên Bộ mơn
Cơ Điện Tử - người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm
khố luận và thầy Cái Việt Anh Dũng đã có những góp ý để nhóm có thể hồn thiện hơn
đồ án của mình.

Nhóm cũng xin chân thành cảm ơn các giảng viên đã và đang giảng dạy tại trường
Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh nói chung, các giảng viên trong Bộ
mơn Cơ Điện Tử nói riêng đã dạy dỗ cho chúng em kiến thức về các môn đại cương cũng
như các môn chuyên ngành, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo
điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, nhóm xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã ln tạo điều kiện,
quan tâm, giúp đỡ, động viên nhóm trong suốt q trình học tập và hồn thành khố luận
tốt nghiệp.
Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức mình, nhưng đồ án khơng thể tránh khỏi những
thiếu sót. Chúng em kính mong nhận được sự thơng cảm và chỉ bảo tận tình của quý
Thầy Cô.

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thanh Dương
Lê Văn Tuấn
Võ Văn Quang

iii


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI

Thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng khớp gối dùng để hỗ trợ lực cho khớp sinh học
với hai động cơ được gắn để gấp mở và kéo giãn khớp gối. Cơ cấu được sử dụng là cơ
cấu đẳng tĩnh để đảm bảo an toàn và thoải mái cho người sử dụng, giúp bệnh nhân dễ
dàng vận động khớp gối, rút ngắn thời gian phục hồi chức năng. Thiết kế và cài đặt bộ
điều khiển đồng bộ hai chức năng: kéo giãn và đóng mở khớp. Thiết bị sử dụng bộ truyền
động bánh ma sát và bánh đai, vừa loại bỏ độ rơ của cơ cấu, vừa đảm bảo độ an toàn cho
người sử dụng.

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thanh Dương
Lê Văn Tuấn
Võ Văn Quang

iv


ABSTRACT
DESIGN AND MANUFACTURING THE DEVICE SUPPORTS
REHABILITATION OF KNEE JOINT

The device supports rehabilitation of knee joint used to support resources for
biological joints with two engines attached to the fold open and stretch the knee joint.
The structure used is the isostatic structures to ensure safety and comfort for users, help
patients to easily mobilize knee, shorten the rehabilitation period. Design and installation
of the controller to sync two functions: stretch and close the open joints. Used equipment
friction gear transmission and gear belt, just remove the speed and of the structure, just
ensure the safety for the user.

v


MỤC LỤC
Trang
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................................................... i
LỜI CAM KẾT .................................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... iii
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ............................................................................................................. iv

ABSTRACT ........................................................................................................................ v
MỤC LỤC..........................................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. viii
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ....................................................................................... ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................. xi
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU ................................................................................................ 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................. 1
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ................................................................................. 1
1.4. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 1
1.5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 2
1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp ..................................................................................... 2
CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ...................................................... 3
2.1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu ................................................................................ 3
2.1.1. Khớp gối ............................................................................................................. 3
2.1.2. Phục hồi chức năng trong điều trị chấn thương ................................................. 8
2.2. Một số thành tựu đã công bố .................................................................................... 9
2.2.1. Trong nước ......................................................................................................... 9
2.2.2. Nước ngoài ....................................................................................................... 10
CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 12
3.2. Kéo giãn chi dưới và PHCN sau mổ tái tạo dây chăng chéo trước ........................ 16
3.2.1. Kéo giãn chi dưới ............................................................................................. 16
3.2.2. PHCN sau mỗ tái tạo dây chằng chéo trước .................................................... 17
3.3. Bậc tự do ................................................................................................................. 19
vi


CHƯƠNG 4 : TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ...................... 21
4.1. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí .................................................................................. 21
4.1.1. Trình tự tiến hành ............................................................................................. 21

4.1.2. Các phương pháp thiết kế dẫn động cơ khí ..................................................... 22
4.1.3. Lựa chọn phương án thiết kế............................................................................ 25
4.1.4. Bậc tự do và mơ hình thiết kế của thiết bị ....................................................... 25
4.1.5. Kéo giãn khớp gối bằng bộ truyền tang cuốn ma sát và cáp ........................... 26
4.1.6. Thiết kế hộp giảm tốc ....................................................................................... 32
4.1.7. Chế tạo thử nghiệm .......................................................................................... 48
4.2. Mạch điều khiển...................................................................................................... 50
4.2.1. Mạch cầu H-Bridge HA300 ............................................................................. 50
4.2.2. Mạch xử lí trung tâm Arduino Mega2560 ....................................................... 51
CHƯƠNG 5: THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN – THIẾT KẾ LƯU ĐỒ ............................. 52
5.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể ........................................................................................ 52
5.2. Đọc tín hiệu encoder ............................................................................................... 54
5.3. Lưu đồ giải thuật điều khiển ................................................................................... 55
5.3.1. Lưu đồ giải thuật điều khiển tổng quát ............................................................ 55
5.3.2. Lưu đồ giải thuật chi tiết .................................................................................. 56
5.4. Giao diện giám sát sử dụng phần mềm Visual Studio ............................................ 59
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...................................................................... 61
6.1. Đồ thị thực nghiệm chế độ Manual ........................................................................ 61
6.2. Đồ thị thực nghiệm chế độ Auto ............................................................................. 62
6.3. Đồ thị thực nghiệm thay đổi góc gấp mở ............................................................... 63
KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ ................................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 65
PHỤ LỤC 1 ....................................................................................................................... 66
PHỤ LỤC 2 ....................................................................................................................... 70
PHỤ LỤC 3 ....................................................................................................................... 73

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng 4.1: Thông số cơ thể người ...................................................................................... 27
Bảng 4.2: Giá trị momen ................................................................................................... 34
Bảng 4.3: Hiệu suất của các bộ truyền .............................................................................. 35
Bảng 4.4: Thông số của vật liệu inox ................................................................................ 38

viii


DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1: Lược đồ giải phẩu khớp gối ................................................................................ 3
Hình 2.2: Các cơ chính của khớp gối: nhìn từ phía trước ................................................... 4
Hình 2.3: Các cơ chính của khớp gối: nhìn từ phía sau ...................................................... 4
Hình 2.4: Nhìn phía trước của đầu gối gấp 90° ................................................................... 5
Hình 2.5: Gốc vận động của khớp gối ................................................................................. 6
Hình 2.6: Các hình thái tổn thương dây chằng chéo trước .................................................. 7
Hình 2.7: Đứt dây chằng chéo sau....................................................................................... 8
Hình 2.8: Bộ xương ngồi ................................................................................................ 10
Hình 2.9: Thiết bị hạn chế khớp gối Joint Active System (JAS) ...................................... 10
Hình 2.10: Thiết bị phản hồi sinh học ............................................................................... 11
Hình 2.11: Bionic Exoskeleton.......................................................................................... 11
Hình 3.1: Cấu trúc của khớp chuyển động tự do - Khớp gối ............................................ 12
Hình 3.2: Biểu diễn quy tắc lồi lõm .................................................................................. 13
Hình 3.3: Cấu trúc của khớp gối........................................................................................ 14
Hình 3.4: Các thành phần lực khi gấp/mở ......................................................................... 14
Hình 3.5: Góc mở quy ước ................................................................................................ 15
Hình 3.6: Lực tác động lên khớp gối tại thời điểm gối đang gấp ...................................... 15
Hình 3.7: Kéo giãn khớp gối có sự hỗ trợ của kỹ thuật viên............................................. 17
Hình 4.1: Sơ đồ khối thiết kế phần cơ khí ......................................................................... 21

Hình 4.2: Bậc tự do của thiết bị ......................................................................................... 21
Hình 4.3: Mơ hình 3D của thiết bị PHCN khớp gối .......................................................... 26
Hình 4.3: Sơ đồ truyền lực ................................................................................................ 26
Hình 4.5: Sơ đồ cấu tạo bộ truyền tang cuốn và ma sát .................................................... 28
Hình 4.6: Lực căng trên tang cuốn .................................................................................... 30
Hình 4.7: Puly chỉnh hướng cáp ........................................................................................ 31
Hình 4.8: Mơ hình hộp giảm tốc ....................................................................................... 33
Hình 4.9: Góc độ của khớp gối.......................................................................................... 33
Hình 4.10: Các bộ phận chủ yếu trên trục ......................................................................... 35
ix


Hình 4.11: Thơng số của trục ............................................................................................ 36
Hình 4.12: Lực đặt vào trục 1 ............................................................................................ 38
Hình 4.13: Lực đặt vào trục 2............................................................................................39
Hình 4.14: Bộ truyền bánh ma sát ..................................................................................... 39
Hình 4.15: Bộ truyền bánh ma sát trụ (bên trái) và bánh ma sát nón ................................ 40
Hình 4.16: Hiện tượng trượt hình học ............................................................................... 41
Hình 4.17: Lực trong bộ truyền bánh ma sát trụ ............................................................... 42
Hình 4.18: Bộ truyền ma sát trong cơ cấu ......................................................................... 44
Hình 4.19: Lị xo nén ......................................................................................................... 45
Hình 4.20: Bộ truyền đai ................................................................................................... 46
Hình 4.21: Đai dẹt, đai thang, đai trịn .............................................................................. 46
Hình 4.22: Đai răng ........................................................................................................... 46
Hình 4.23: Thơng số hình học của bộ truyền đai .............................................................. 47
Hình 4.24: Thiết bị PHCN khớp gối được chế tạo thử nghiệm.........................................49
Hình 4.25: Mạch H-Bridge HA300 ................................................................................... 50
Hình 4.26: Board Arduino Mega 2560 .............................................................................. 50
Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý tổng thể ................................................................................... 52
Hình 5.2: Sơ đồ thiết bị ..................................................................................................... 52

Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật đọc encoder ........................................................................... 54
Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật điều khiển tổng quát.............................................................. 55
Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật điều khiển chế độ Manual ..................................................... 56
Hình 5.6: Tay cầm điều khiển ........................................................................................... 57
Hình 5.7: Lưu đồ giải thuật chế độ Auto ........................................................................... 58
Hình 5.8: Giao diện kết nối. .............................................................................................. 59
Hình 6.1: Thực nghiệm thiết bị. ........................................................................................ 59
Hình 6.2: Đồ thị thực nghiệm ở chế độ Manual ................................................................ 61
Hình 6.3: Đồ thị thực nghiệm chế độ Auto ở góc nâng 30°..............................................61
Hình 6.4: Đồ thị thực nghiệm chế độ Auto ở góc nâng 60°.............................................62
Hình 6.5: Đồ thị thực nghiệm chế độ Auto ở góc nâng 80°.............................................62
Hình 6.6: Đồ thị biểu diễn trạng thái gấp mở của khớp gối.............................................63
x


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
PHCN

Phục Hồi Chức Năng

xi


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Chấn thương gối là một trong những thương tích hay gặp nhất trong thể thao, lao
động và sinh hoạt. Nếu khơng được chẩn đốn, xử trí đúng đắn, kịp thời, chấn thương gối
sẽ để lại những hệ quả phiền toái cho người bệnh, ảnh hưởng đến chức năng vận động
của khớp. Những bệnh nhân điều trị về xương khớp đặc biệt là khớp gối nhất thiết phải
có sự hỗ trợ của quá trình phục hồi chức năng. Các bài tập phục hồi chức năng, vật lý trị

liệu hầu hết được thực hiện bằng tay rất dễ bị thất bại vì thiếu ổn định, gây đau đớn và
khó chịu cho người tập. Xu hướng áp dụng tự động hóa vào các bài tập ngày càng cao
nhằm đảm bảo sự ổn định, an tồn cũng như tính hiệu quả. Vì vậy nhóm nhận thấy việc
chế tạo thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng khớp gối là rất cần thiết.
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Hiện nay, các thiết bị cơ điện tử được ứng dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực
PHCN, vật lý trị liệu. Các thiết bị này hỗ trợ để hạn chế chuyển động của khớp, thay thế
chức năng của một bộ phận hoặc trợ giúp một nhóm cơ. Thiết kế, chế tạo thiết bị hỗ trợ
phục hồi chức năng khớp gối không chỉ mang lại khả năng ứng dụng vào thực tế chữa trị
tại các bệnh viện chuyên về phục hồi chức năng mà cịn góp một phần nhỏ vào q trình
nghiên cứu Cơ Điện Tử - Y Sinh trong nước.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề tài được xây dựng nhằm mục tiêu nghiên cứu đưa các ứng dụng vào trong chế
tạo công cụ vật lý trị liệu, phục hồi chức năng tự động nhằm hỗ trợ cho công việc của các
nhân viên phục hồi chức năng.
Ứng dụng kỹ thuật robot bộ xương ngoài đẳng tĩnh vào việc chế tạo thiết bị phục
hồi chức năng cho các khớp. Chế tạo thiết bị cho khớp gối để thẩm định kỹ thuật này.
Thiết bị có khả năng truyền lực tạo chuyển động ở các mức độ khác nhau cho khớp gối
của bệnh nhân, đồng thời bảo đảm an tồn cho người dùng. Tính chất đẳng tĩnh của cơ
cấu sẽ giúp điều khiển thiết bị di chuyển thụ động theo chuyển động của khớp dễ dàng và
chân sẽ chuyển động tự nhiên khi ở chế độ không bị tác động của thiết bị.
1.4. Đối tượng nghiên cứu
 Kỹ thuật robot bộ xương ngoài đẳng tĩnh.
 Các chấn thương cũng như phương pháp phục hồi chức năng khớp gối.
 Các phương pháp truyền động cơ khí, điều khiển tự động.

1


1.5. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu để kế thừa thành tựu: robot bộ xương ngoài, thiết
bị phục hồi chức năng, giải phẩu khớp gối cũng như cơ khí chế tạo, điều khiển, cảm biến
đo góc,....
Thiết kế thiết bị với sự giúp đỡ trực tiếp của các thầy cô thuộc Bộ môn Cơ điện tử.
Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: tính tốn, thiết kế trên lý thuyết, thi công
chế tạo thực tế và rút kinh nghiệm, khắc phục những thiếu sót.
1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Đồ án gồm sáu chương với các nội dung sau:
Chương 1: Giới thiệu. Giới thiệu lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
của đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài,…
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài. Trình bày tổng quan, sơ lược về lĩnh
vực nghiên cứu, các thành tựu nghiên cứu trong và ngồi nước.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết. Trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện đề
tài.
Chương 4: Tính tốn, thiết kế và chế tạo thử nghiệm. Trình bày các phương án
thiết kế; tính tốn, thiết kế phần cơ khí, mạch điện; chế tạo thử nghiệm thiết bị.
Chương 5: Thuật toán điều khiển – Thiết kế lưu đồ. Giới thiệu phần mềm giao
diện, xây dựng lưu đồ.
Chương 6: Kết quả thực nghiệm. Trình bày kết quả thực nghiệm của thiết bị.

2


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
2.1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
2.1.1. Khớp gối
2.1.1.1. Giải phẩu khớp gối [10]
Khớp gối là một khớp bản lề, lớn nhất cơ thể, nằm ngay dưới da, bao gồm đầu dưới
xương đùi, đầu trên xương chầy và xương bánh chè (Hình 1). Các thành phần này được
kết nối với nhau bởi hệ thống các dây chằng, bao khớp, trong đó quan trọng nhất là dây

chằng chéo trước và dây chằng chéo sau. Hai dây chằng này giữ cho đầu trên xương chầy
và đầu dưới xương đùi không bị trượt theo chiều trước sau khi khớp gối vận động. Ngoài
ra, hệ thống dây chằng bên trong và dây chằng bên ngoài giữ cho gối khơng bị trượt sang
bên. Lót giữa lồi cầu đùi (hình cầu) và mâm chầy (phẳng) là sụn chêm trong và sụn chêm
ngoài, làm gia tăng diện tiếp xúc, phân bố đều lực tác động lên gối.

Hình 2.1 Lược đồ giải phẩu khớp gối [10]
Mặc dù chức nǎng thiết yếu của đầu gối là chức nǎng khớp bản lề, nhưng khi duỗi
cẳng chân, xương chầy hơi cong ra ngoài một chút và khi gập cẳng chân, xương chầy lại
hơi cong vào trong một chút. Điều này khơng có tác động của nhóm cơ làm quay vào
trong hay quay ra ngồi của cẳng chân, mà do sự gắn bó dây chằng ở trong và xung
quanh khớp gối. Ngồi ra, có sự lướt nhẹ về phía trước của xương đùi trên xương chầy
trong khi gập. Đầu dưới xương đùi có hai ụ trịn, lồi cầu giữa và bên, nó ǎn khớp vào diện
lõm nông của đoạn gần xương chầy. Giữa hai lồi cầu của xương đùi là một khe, nơi
xương bánh chè nằm lên trên, tạo nên phần trước của khớp gối. Sụn chêm giữa và bên
được gắn vào rìa của đoạn gần xương chầy và hoạt động như các giảm xóc giữa các lồi
3


cầu xương đùi và các mặt khớp xương chầy. Khớp được ổn định bởi các cơ vắt qua và
các dây chằng trong và ngồi.
Nhóm cơ tứ đầu giúp ổn định khớp gối gồm 4 cơ: cơ thǎng đùi, cơ rộng giữa, cơ
rộng bên, cơ rộng trung gian (xem hình 2.2), ở cuối đoạn xa, chúng hợp lại với nhau tạo
nên gân cơ tứ đầu. Gân này liên kết với xương bánh chè và bám tận vào ụ xương chầy,
góp phần cho sự ổn định đáng kể khớp trước.

Hình 2.2 Các cơ chính của khớp gối: nhìn từ phía trước [13]
Giải đai chậu - chầy bám vào xương chầy và là cấu trúc quan trọng đem lại sự ổn
định mặt bên của đầu gối. Nhóm gân khoeo (xem hình 2.3) bám vào mặt sau của xương
chầy và giúp đề phòng duỗi q mức của khớp gối.

Hình 2.3 Các cơ chính của khớp gối: nhìn từ phía sau [13]
4


Hình 2.4 Nhìn phía trước của đầu gối gấp 90° [13]
Dây chằng phụ bên đi từ mỏm gò bên xương đùi đến đầu xương mác. Dây chằng
này vượt qua đường nối khớp ở mặt sau bên. Nó có thể vào sâu trước gân cơ 2 đầu đùi để
bám vào đầu xương mác. Nhận thấy nó dễ nhất khi đầu gối gập 90° và ở tư thế khép.
Dây chằng phụ giữa gồm có một phần nơng và các sợi sâu, chúng nối mỏm trên lồi
cầu giữa xương đùi và mặt giữa xương chầy. Nó thực sự liên kết vào trong bao khớp. Các
sợi sâu bám dọc bờ xương chầy và phần nông chạy xa hơn để bám vào chỗ loe ra của
xương chầy. Phần nông đem lại sự ổn định khi đầu gối gập ở mọi mức độ. Phần sâu của
dây chằng góp vào sự ổn định chủ yếu khi khớp duỗi hoàn toàn.
Dây chằng bắt chéo trước nổi lên trong vùng liên lồi cầu trước của xương chầy và
bám vào mặt giữa sau của mỏm trên lồi cầu bên xương đùi. Nó hạn chế độ chuyển động
ra phía trước của xương chầy trong quan hệ với xương đùi.
Dây chằng bắt chéo sau xuất hiện từ xương chầy sau. vượt qua gian khớp để bám
vào mặt giữa của mỏm trên lồi cầu giữa xương đùi. Nó hạn chế mức độ chuyển động sau
của xương chầy trong quan hệ với xương đùi.
Những cấu trúc sụn chêm giữa và bên này giúp "định tâm" những lồi cầu xương đùi
khi chúng quay trên mâm chầy. Sụn chêm gắn vào mép giữa và bên của xương chầy bởi
các dây chằng vành. Sụn chêm bên di động nhiều hơn sụn chêm giữa, nên sụn chêm bên
ít bị rách hơn. Các sụn chêm sờ thấy rõ nhất khi đầu gối gập.
Xương bánh chè là một xương lớn, dẹt, phình ra như hạt vừng, nằm ở mặt trước
khớp gối. Nó nằm ở giữa bao gân chung của các cơ duỗi của đầu gối (nhóm cơ tứ đầu đùi
tạo ra bởi cơ thẳng đùi, cơ rộng trung gian, cơ rộng bên và cơ rộng giữa). Xương bánh

5

chè làm ổn định khớp gối, làm tǎng thêm lợi ích cơ học của cơ tứ đầu khi chúng chạy qua
khớp gối để bám vào củ xương chầy.
2.1.1.2. Biên độ và tầm hoạt động của khớp gối [3]
Gối có hai chế độ hoạt động: gấp - duỗi là cử động chính và xoay là cử động phụ
(chỉ thực hiện được khi gối gấp). 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. Xoay chủ động
của gối: chỉ thực hiện khi gối gấp là 400 với xoay ngoài và 300 với xoay trong. Trên thực
tế, người ta coi tầm vận động của khớp gối (theo phương pháp Zero) là 1350 (duỗi là 00
và gấp là 1350).

Hình 2.5 Gốc vận động của khớp gối [5]
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 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 cầu trước xương
chày), cơ căng cân đùi. Cơ thẳng trước của tứ đầu đùi còn tham gia gấp đùi vào bụng.
2.1.1.3. Chấn thương khớp gối [4]
Chấn thương gối là một trong những thương tích hay gặp nhất trong thể thao, lao
động và sinh hoạt vì khớp gối phải chịu sức nặng cơ thể. Động tác chủ yếu của khớp gối
là gập và duỗi, còn cử động sang bên hoặc quay rất hạn chế. Vì vậy, khớp gối dễ bị tổn
thương bởi những chấn thương từ hai bên hay từ phía trước hoặc do vặn- xoay. Bên cạnh
đó chấn thương gối cịn do viêm nhiễm khuẩn, viêm lao, thấp khớp cấp, bệnh gout
chuyển hóa, lỗng xương,... Nếu khơng được chẩn đốn, xử trí đúng đắn, kịp thời, chấn
thương gối dễ để lại những hệ quả phiền toái cho người bệnh, ảnh hưởng đến chức năng
vận động của khớp.
6

Các dạng chấn thương gối thường gặp:
Trật khớp gối: nếu chấn thương mạnh có thể bị trật khớp gối với các biểu hiện đau,
không cử động được khớp gối, biến dạng khớp gối. Tổn thương có thể làm gãy xương, vỡ
sụn, rách bao hoạt dịch, đứt rách dây chằng. Khi đó, phải điều trị tại bệnh viện bằng cách
nắn chỉnh, phẫu thuật phục hồi khớp.
Thối hóa khớp gối là tình trạng lão hóa của khớp. Ở người cao tuổi, sụn khớp bị
lão hóa trở nên sần sùi, mất độ trơn nhẵn, giảm đàn hồi, khơ và nứt nẻ, mịn, khuyết. Mức
độ lão hóa từng người khác nhau, tùy thuộc điều kiện sống của mỗi người. Ba triệu
chứng thường gặp ở bệnh thối hóa khớp gối là đau khớp, sưng khớp và hạn chế cử động.
Điều trị cần dùng các loại thuốc giảm đau, chống viêm, bổ sung chất nhầy cho khớp,
thuốc tăng dinh dưỡng cho sụn khớp, thuốc bổ gân - xương.
Dây chằng chéo trước (ACL) bám từ lồi cầu xương đùi tới diện trước mâm chầy,
giữ cho mâm chầy không bị trượt ra trước và xoay trong. Tổn thương dây chằng chéo
trước thường gặp khi nhảy cao chân tiếp đất trong tư thế không thuận, hoặc xoay người
chuyển hướng đột ngột trong khi bàn chân giữ nguyên. Khoảng một nửa số bệnh nhân bị
tổn thương dây chằng chéo trước khớp gối có kèm theo các tổn thương khác như rách sụn
chêm, bong sụn khớp, tổn thương các dây chằng khác của khớp (dây chằng chéo sau, dây
chằng bên…). Khi dây chằng chéo trước bị đứt, quan hệ động học giữa xương đùi và
xương chày thay đổi, sự phân phối và truyền lực từ đùi xuống cẳng chân khơng bình
thường, từ đó dẫn đến hai tổn thương thứ phát là rách sụn chêm thứ phát và thối hóa
khớp gối.

Hình 2.6 Các hình thái tổn thương dây chằng chéo trước [10]

7


Nếu như dây chằng chéo trước giữ cho mâm chầy khơng bị trượt ra trước và xoay

trong thì dây chằng chéo sau (PCL) lại giữ cho mâm chầy không bị trượt ra sau và xoay
ngoài. Tổn thương dây chằng chéo sau có thể gặp đơn thuần (38%), nhưng thường phối
hợp với các tổn thương khác (56%). Cũng giống như tổn thương dây chằng chéo trước,
hậu quả của tổn thương dây chằng chéo sau nếu không được phục hồi dễ gây tổn thương
sụn chêm thứ phát và thối hóa khớp gối về sau. Tuy nhiên, sự phiền tối trên lâm sàng
khơng lớn như tổn thương dây chằng chéo trước.

Hình 2.7 Đứt dây chằng chéo sau [10]
Ngồi ra cịn có một số chấn thương thường gặp như: tổn thương dây chằng chéo
trong, chéo ngoài, sụn chêm, sụn khớp....
Điều trị tổn thương khớp gối dù có phẫu thuật hay khơng phẫu thuật thì tập luyện
đều đóng vai trị rất quan trọng, việc tập luyện giúp bệnh nhân sớm trở lại với cuộc sống
sinh hoạt bình thường.
2.1.2. Phục hồi chức năng trong điều trị chấn thương
Mục đích chính của phục hồi chức nǎng là làm giảm sự mất mát không thể tránh
khỏi do không hoạt dộng bắt buộc. Chúng ta không chỉ quan tâm đến sự lành lại của cấu
trúc bị tổn thương, mà còn chú ý đến điều kiện của các cơ và dây chằng hỗ trợ khác, cũng
như sự khoẻ mạnh của tồn bộ cơ thể. Phục hồi chức năng khơng chỉ cải thiện sức mạnh
cơ mà còn cải thiện chất lượng của sụn khớp. Tập luyện thường xuyên còn giúp giảm cân
từ đó giúp giảm trọng tải lên khớp. Tuy nhiên, quá trình tập luyện rất dễ bị thất bại vì đa
số bệnh nhân thường khó duy trì việc tự tập luyện khi triệu chứng đau đã giảm mặc dù đã
được bác sĩ phục hồi chức năng hướng dẫn. Để đạt được hiệu quả tốt thì việc tập luyện
8


phục hồi chức năng và hoạt động thể lực phải được thực hiện thường xuyên và đúng
phương pháp.
Để tạo thuận lợi cho việc tập luyện, bệnh nhân nên được đánh giá ban đầu và ở từng
giai đoạn, nhằm điều chỉnh chương trình tập luyện cho phù hợp và nhằm tối ưu hóa lực
tải đè ép lên các khớp bị ảnh hưởng. Điều đó có thể đạt được thơng qua các bài tập tăng

sức cơ, làm tăng sức ép lên các yếu tố thần kinh cơ, mà ít gây tải trọng lên khớp. Khi bắt
đầu tập luyện, bệnh nhân sẽ có cảm giác đau tăng lên. Tuy nhiên, tình trạng đau sẽ giảm
dần sau khi tập và sẽ không tăng theo thời gian. Trong giai đoạn này, bệnh nhân cũng có
thể được áp dụng các biện pháp giảm đau tạm thời như điện phân, sóng ngắn, hồng
ngoại, paraphin, châm cứu,… Một hình thức tập luyện đã được chứng minh tính hiệu quả
và dễ được áp dụng là đạp xe, khi đó các cơ được vận động tối đa mà rất ít gây tải trọng
lên các khớp.
Đối với khớp gối, PHCN đóng vai trị vơ cùng quan trọng. Các bài tập phục hồi
chức năng nhằm mục đích tăng sức mạnh cho cơ đùi, duy trì biên độ khớp gối. Nếu bệnh
nhân có phẫu thuật, phục hồi chức năng chú trọng đầu tiên là việc lấy lại biên độ của
khớp và sau đó là tập cơ đùi và cơ quanh khớp. Các bài tập tiếp theo sẽ tăng dần theo thời
gian liền gân và ổn định của mảnh ghép.
2.2. Một số thành tựu đã công bố:
Hiện nay, các thiết bị cơ điện tử được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực phục hồi chức
năng, chỉnh hình. Các thiết bị này hỗ trợ để hạn chế chuyển động của khớp, thay thế chức
năng của một bộ phận hoặc trợ giúp một nhóm cơ. Các thiết bị thường được thiết kế dưới
dạng bộ xương ngoài để giúp đỡ các kỹ thuật viên trong phục hồi chức năng cho bệnh
nhân; đồng thời thu thập các thông tin để có một lượng dữ liệu phục vụ cho việc chẩn
đốn và điều trị tốt hơn.
2.2.1. Trong nước
Khó khăn về kỹ thuật cũng như tài chính khiến cho việc nghiên cứu về các thiết bị
phục hồi chức năng tại Việt Nam gặp nhiều khó khăn mặc dù khả năng ứng dụng của
thiết bị trong thực tiễn rất lớn.

9


Bộ xương ngoài của PGS. TS. Đào Văn Hiệp, Th.S. Trần Xuân Thảnh được thiết kế
trợ giúp cho người đi bộ.

Hình 2.8 Bộ xương ngồi [9]
2.2.2. Nước ngồi
2.2.2.1. Thiết bị hạn chế chuyển động khớp gối

Hình 2.9 Thiết bị hạn chế khớp gối Joint Active System (JAS) [3]
Thiết bị này, giúp bệnh nhân giảm các chuyển động cần hạn chế nhưng khớp gối
khơng bị bó cứng, giúp kiểm sốt tầm vận động. Thiết bị có kích thước tương đối gọn
gàng nên bệnh nhân có thể mang trong theo trong suốt quá trình điều trị.

10


2.2.2.2. Thiết bị phản hồi sinh học

Hình 2.10 Thiết bị phản hồi sinh học [5]
Thiết bị được kiểm tra hoạt động đúng theo tọa độ. Trong bài tập này, chỗ ngồi là
cạnh của bàn và thấp hơn chân theo phương đứng. Khi đạt đến một điểm nào đó, nơi mà
khơng thể kéo dài được chân thì thiết bị phản hồi sinh học EMG sẽ gởi dữ liệu này. Mạch
dữ liệu logic sẽ đọc và so sánh dữ liệu trên encoder quay. Nếu tín hiệu trên EMG đạt đến
một ngưỡng thì được lưu lại, encoder quay sẽ lưu lại; e-stim được kích hoạt. E-stim giúp
con người xác định được việc kéo giãn đầy đủ. Sau khi có kết quả, các ngưỡng giới hạn
sẽ được tập hợp và e-stim sẽ được kích hoạt ở giữa các bài tập.
2.2.2.3. Bộ xương ngoài Bionic Exoskeleton
Bộ xương ngoài Bionic Exoskeleton được phát triển bởi tập đồn Ekso Bionics, có
chức năng chính là hỗ trợ cho những người bị liệt chân phải ngồi xe lăn hoặc những
người bị tổn thương cột sống lấy lại khả năng đi đứng.

Hình 2.11 Bionic Exoskeleton[8]
11

CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Động học khớp [6]
Khớp là các phần tử cơ học quyết định khả năng chuyển động của các khâu gắn lên
nó và khả năng chuyển động của cả cơ cấu. Trong cơ học máy, một hê thống các khớp cơ
bản cùng với khả năng chuyển động tương ứng (số bậc tự do - BTD) của chúng đã được
xây dựng. Khớp xương trong cơ thể người cũng có nhiệm vụ đảm bảo các chuyển động
của cơ cấu, nhưng rất đa dạng và có cấu tạo hết sức phức tạp. Khi nghiên cứu về khía
cạnh cơ sinh học của hệ khớp xương, cần thiết lập mơ hình và mơ phỏng các khớp trong
cơ thể theo những nguyên tắc nhất định.
Các nhà giải phẫu phân loại các khớp xương theo cấu tạo (khớp sợi, khớp sụn, khớp
hoạt dịch), theo hình thể (khớp răng cưa, khớp vẩy, khớp mào,...). Cơ sinh học quan tâm
đến khả năng hoạt động của khớp nên phân loại khớp theo độ phức tạp, hình dạng hoặc
khả năng chuyển động. Với mục đích thiết kế ra thiết bị phù hợp với chuyển động của cơ
thể, khả năng chuyển động của khớp được quan tâm hàng đầu.
Khớp chuyển động tự do rất ít hạn chế khả năng chuyển động. Cấu tạo của khớp này
gồm có phần sụn, màng bao khớp bên trong chứa dịch để giảm chấn và bơi trơn (hình
3.1). Lớp sụn có 2 tác dụng: biến dạng khi có tải tác dụng, làm tăng diện tích tiếp xúc, do
đó giảm ứng suất tiếp xúc và giảm ma sát giữa 2 bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương
đối với nhau. Sụn có thể giảm ứng suất tới 50% hoặc hơn; còn ma sát chỉ bằng 17-33%
ma sát giữa lưỡi dao và băng của giày trượt băng, bằng một nửa ma sát trong các ổ của
máy có bơi trơn.

a: sơ đồ cấu tạo đơn giàn; b- sơ đồ cấu tạo chí tiết, gồm khớp, dây chằng và cơ
Hình 3.1 Cấu trúc của khớp chuyển động tự do - Khớp gối [6]
- Khớp chuyển động nhẹ có khả năng giảm lực và cho phép chuyển động nhỏ. Trong
số khớp này có loại khớp liên kết các xương bằng lớp sụn (như xương ức), hoặc
12