THIẾT KẾ - CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ROBOT PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
TÓM TẮT THIẾT KẾ - CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ROBOT PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI
Điều trị sau phẫu thuật do chấn thương ở các khớp là một việc làm rất cần thiết. Đặc biệt là khớp gối, bởi vì khớp gối chịu toàn bộ trọng lượng bản thân khi di chuyển – vận động. Lấy lại biên độ và tầm vận động cho khớp cần nhiều thời gian và đúng kỹ thuật . Đúng kỹ thuật thể hiện ở những bài tập vận động do kỹ thuật viên thực hiện để hỗ trợ cho người bệnh. Để giảm thiểu một phần gánh nặng cho kỹ thuật viên, tác giả đã tìm hiểu – nghiên cứu kỹ thuật robot bộ xương ngoài đẳng tĩnh cho thiết bị phục vụ cho bài tập khớp gối. Robot có khả năng truyền lực tạo chuyển động khác nhau cho khớp gối; ngoài ra, thiết bị có khả năng kéo giãn các cơ trước khi thực hiện các bài tập.
Thiết bị thực hiện các bài tập một cách linh hoạt nhưng vẫn đảm bảo an toàn cho người sử dụng nhờ vào bộ truyền bánh ma sát và bộ truyền cáp. Những bộ truyền này có khả năng phòng quá tải rất tốt mỗi khi thiết bị có những sự cố ngoài mong muốn.
Ở đề tài này, tác giả thiết kế - chế tạo thử nghiệm một thiết bị phục hồi chức năng khớp gối; Với yêu cầu được đặt ra là thiết kế chế tạo phần cơ khí và điều khiển của thiết bị cho một bài tập đơn giản trong phục hồi chức năng khớp gối.
ABSTRACT
Rehabilitation after surgery at any joint is really important role. Knee joint is special case, it under the body when moving or doing something. Retaining the amplitude and range of activities need much time and exactly technique. It performed by the work of the technician for help the patients. To reduce the dificult in a work of the technician, author is found exoskeleton for exercise device to knee joint. Robot can make force to motion for knee. In addition, this device can extend muscle before perform the exercise.
Many exercise can done flexibility by device and safe for human because it used frition gear and capstan. That dive can stop overloaded if device have problem.
In this theme, author design and test manufacture the device for alterative to knee. With request: design the hardware and make the control column boss for simple exercise in the alterative.
MỤC LỤC
Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân i
Lời cam đoan ii
Cảm tạ iii
Tóm tắt iv
Mục lục v
Danh sách các chữ viết tắt vi
Danh sách các hình vii
Danh sách các bảng viii
Chương 1. TỔNG QUAN 1
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17
Chương 3. NGUYÊN LÝ CƠ CẤU KÉO GIÃN 29
Chương 4. THIẾT KẾ - THỬ NGHIỆM ROBOT 43
Chương 5. ĐIỆN - ĐIỀU KHIỂN 59
Chương 6. KẾT LUẬN 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
PHỤ LỤC 84
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PHCN : phục hồi chức năng
MRI (Magnetic resonance imaging) : chụp cộng hưởng từ
DCCT : dây chằng chéo trước
PA : phương án
DH : Denavit-Hartenberg
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG TRANG
Bảng 3.1 Thông số động cơ chuyển động thẳng 35
Bảng 4.1 Hệ số ma sát của một số vật liệu 52
Bảng B.1 Bảng tra ổ bi 86
Bảng D.1 Bảng tra tỷ số đường kính lò xo 98
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Hình 1.1 - Các môn thể thao 1
Hình 1.2 - Tổn thương dây chằng chéo trước trên phim MRI 2
Hình 1.3 - Dây chằng chéo trước bị đứt 3
Hình 1.4 - Khớp gối bị thoái hóa 3
Hình 1.5 - Đầu gối phải trong tư thế gấp: nhìn trước 4
Hình 1.6 - Độ đàn hồi của sụn chêm 5
Hình 1.7 - Góc vận động của khớp gối 6
Hình 1.8 - Góc của khớp gối khi lên và xuống cầu thang 6
Hình 1.9 - Tự kéo giãn khớp gối 10
Hình 1.10 - Kỹ thuật viên thực hiện kéo giãn khớp gối 11
Hình 1.11 - Hình ảnh bệnh nhân mang bộ xương ngoài để điều trị với thiết bị hỗ trợ lực 12
Hình 1.12 - Robot dây NeReBot dùng cho việc cho phục hồi chức năng cho cánh tay 12
Hình 1.13 - Thiết bị bộ xương ngoài của hãng Sarcos 13
Hình 1.14 - Thiết bị liên hệ phản hồi sinh học 13
Hình 1.15 - Hai thiết bị giới hạn chuyển động khớp gối: Joint Active System (JAS), End Range of Motion Improvement (ERMI) 14
Hình 1.16 - Máy kéo giãn đốt sống cổ 14
Hình 2.1 - Các bậc tự do của cơ cấu 17
Hình 2.2 - Nẹp vật lý trị liệu - Bảo vệ khớp 18
Hình 2.3 - Một khâu của cơ cấu 20
Hình 2.4 - Các thông số của khâu 21
Hình 2.5 - Cơ cấu gắn hệ tọa độ 23
Hình 2.6 - Sơ đồ biến đổi tổng quát của robot sáu bậc tự do. 26
Hình 2.7 - Các thành phần lực khi gấp/mở 27
Hình 2.8 - Góc mở quy ước 28
Hình 2.9 - Lực tác động lên khớp gối tại thời điểm gối đang gấp 28
Hình 3.1 - Sơ đồ nguyên lý kéo giãn khớp gối 29
Hình 3.2 - Trạng thái làm việc của cơ cấu kéo giãn 30
Hình 3.3 - Biên dạng rãnh tròn của rãnh vít me bi 30
Hình 3.4 - Rãnh hồi bi 31
Hình 3.5 - Bộ truyền vít me – đai ốc bi khi làm việc 32
Hình 3.6 - Mô hình sử dụng Cảm biến lực (a)– Cảm biến lực (b) 32
Hình 3.7 - Khớp trượt cho bậc tự do 4 33
Hình 3.8 - Bậc tự do của cơ cấu có thêm cảm biến lực 33
Hình 3.9 - Mô hình sử dụng Cảm biến góc (a) - Cảm biến góc (b) 34
Hình 3.10 - Động cơ chuyển động thẳng 34
Hình 3.11 - Nguyên lý của động cơ chuyển động thẳng 35
Hình 3.12 - Các loại động cơ chuyển động thẳng 36
Hình 3.13 - Kéo giãn sử dụng động cơ điện và truyền động cáp. 38
Hình 3.14 - Phân bố lực trong truyền động cáp. 39
Hình 3.15 - Dùng puly chỉnh hướng cáp. 40
Hình 3.16 - Lò xo kéo kiểu Đức 40
Hình 3.17 - Động cơ AXO070025A 42
Hình 4.1 - Nguyên lý của thiết bị PHCN khớp gối 43
Hình 4.2 - Mô hình 3D của thiết bị PHCN khớp gối 44
Hình 4.3 - Mô hình hộp giảm tốc 44
Hình 4.4 - Sơ đồ truyền lực 44
Hình 4.5 - Trục thẳng, trục khủy, trục mềm 45
Hình 4.6 - Thí dụ các thông số cơ bản của trục 45
Hình 4.7 - Lực và mô men trên trục trục số 2 47
Hình 4.8 - Tính toán phản lực tác dụng lên hai gối tựa trục 2 48
Hình 4.9 - Lực tác dụng trên trục số 1 49
Hình 4.10 - Tính toán phản lực tác dụng lên hai gối tựa trục 1 50
Hình 4.11 - Bộ truyền ma sát có trục song song (a) và cắt nhau (b) 51
Hình 4.12 - Bộ biến tốc ma sát trụ (a) và bộ biến tốc ma sát nón (b) 52
Hình 4.13 - Hiện tượng trượt hình học 53
Hình 4.14 - Lực trong bộ truyền bánh ma sát trụ 54
Hình 4.15 - Bộ truyền ma sát trong cơ cấu 57
Hình 4.16 - Lò xo nén 58
Hình 5.1 - Các loại động cơ điện một chiều 59
Hình 5.2 - Động cơ DC có encorder 61
Hình 5.3 - Nguyên lý hoạt động của động cơ bước 63
Hình 5.4 - Cảm biến vị trí Vert-X 13E 65
Hình 5.5 - Cấu tạo cảm biến vị trí Vert-X 13E 66
Hình 5.6 - Cảm biến dòng ACS 712 67
Hình 5.7 - Sơ đồ đấu dây cảm biến dòng ACS 712 67
Hình 5.8 - Điều khiển động cơ 69
Hình 5.9 - Bo mạch Arduino Uno 73
Hình 5.10 - Bo mạch Arduino Nano 74
Hình 5.11 - Giao diện phần mềm Arduino 75
Hình 5.12 - Khối nguồn 76
Hình 5.13 - Khối điều khiển động cơ 76
Hình 5.14 - Thiết bị được chế tạo thử nghiệm 77
Hình 5.15 - Biểu đồ encoder góc gấp mở 78
Hình 5.16 - Biểu đồ encoder kéo giãn của động cơ 2 79
Hình 5.17 - Biểu đồ encoder kéo giãn của động cơ 3 79
Hình 5.18 - Cảm biến dòng kéo giãn 2 của động cơ 3 80
Hình 5.19 - Cảm biến dòng kéo giãn 1 của động cơ 2 80
Hình 5.20 - Cảm biến dòng gấp – mở 81
Hình A.1 - Tập day bánh chè 84
Hình B.1 - Kết cấu chung của ổ lăn 87
Hình B.2 - Các loại ổ lăn 87
Hình B.3 - Kích thước cơ bản của ổ lăn 88
Hình B.4 - Góc nghiêng α 88
Hình B.5 - Tải trọng trên các con lăn 89
Hình B.6 - Tính tổng lực dọc trục 90
Hình C.1 - Khớp các-đăng chữ thập 92
Hình C.2 - Loại các-đăng bi Vây-xơ 93
Hình C.3 - Phân tích thông số cơ cấu Các đăng 94
Hình C.4 - Mô tả hình học khớp các đăng 95
Hình C.5 - Đồ thị ω2 theo góc quay θ1 của trục (1). 95
Hình C.6 - Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của vận tốc góc ω2 theo góc quay θ1 của khâu dẫn ứng với các giá trị khác nhau của góc α giữa hai trục quay (ω1 = 100 rad/s) 96
Hình D.1 - Các dạng lò xo (kéo, nén, xoắn) 97
Hình D.2 - Các dạng lò xo (côn, đĩa, xoáy ốc) 97
Hình D.3 - Tính toán lò xo chịu nén 99
Hình E.1 - Hình dạng chung và kích thước cơ bản của encoder 101
Hình E.2 - Cấu tạo của encoder 101
Hình E.3 - Đĩa encoder 8 vòng lỗ 101
Hình E.4 - Nguyên lý hoạt động encoder tương đối 102
Hình E.5 - Sơ đồ đấu dây của encoder 104
I. PHẦN MỞ ĐẦU
1- Lý do chọn đề tài:
Tập thể dục thể thao là một hoạt động cần thiết của con người nhằm nâng cao chất lượng sức khỏe, chữa bệnh,... ; đồng hành cùng nó là chấn thương, chấn thương không loại trừ một ai, không loại trừ một môn thể thao nào.
Hình 1.1 - Các môn thể thao
Trong tập luyện thể dục thể thao các chấn thương phải được giảm tới mức tối thiểu. Trong công tác phòng ngừa chấn thương cần có sự tham gia của huấn luyện viên, để đạt hiệu quả cao họ cần phải hiểu biết thấu đáo đặc điểm, nguyên nhân và điều kiện gây nên các chấn thương khác nhau.
Đầu gối rất dễ bị chấn thương vì phải chịu sức nặng cơ thể trong khi lao động, chạy nhảy, đi lại, thể thao. 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.
- Đặc biệt lưu ý với những bệnh nhân điều trị về xương khớp nhất thiết phải có sự hỗ trợ của quá trình phục hồi chức năng và được hướng dẫn theo một quy trình do bác sĩ thiết lập. Bệnh nhân phải vận động để lấy lại biên độ của khớp gối, tránh bị đứt dây chằng hoặc trật khớp trở lại. Việc phẫu thuật luôn đi đôi với phục hồi chức năng mới cho kết quả điều trị tốt.
2- Mục đích, khách thể và đối tượng nghiên cứu
2.1- Mục đích nghiên cứu
- Xuất phát từ ý tưởng là nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm phát triển các thiết bị phục hồi chức năng. Em đã chọn đề tài: “Thiết Kế - Chế Tạo Thử Nghiệm Robot Phục Hồi Chức Năng Khớp Gối” với các mục tiêu nghiên cứu sau:
- Ứng dụng kỹ thuật robot bộ xương ngoài đẳng tĩnh vào việc chế tạo robot phục hồi chức năng cho các khớp. Chế tạo robot cho khớp gối để thẩm định kỹ thuật này.
- Được trang bị cảm biến dòng để ước lượng lực tác động lên khớp gối, robot có khả năng điều chỉnh lực tác động lên khớp; do đó, có thể được sử dụng để thay thế người trong các bài tập vật lý trị liệu.
2.2- Khách thể nghiên cứu
Các bài tập áp dụng cho việc phục hồi chức năng khớp gối.
Các vấn đề liên quan: Phương pháp điều khiển thiết bị có gắn các cảm biến phục vụ cho các bài tập cho con người.
2.3- Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu tính toán động học, không gian hoạt động của thiết bị, các phương pháp điều khiển động cơ trong thiết bị để thực hiện các bài tập.
3- Giả thuyết nghiên cứu:
Thiết kế sơ đồ động, tính toán số bậc tự do của cơ cấu để có cơ sở chọn số động cơ điện để điều khiển thiết bị.
Tính toán động học, không gian làm việc của thiết bị.
Thiết kế chế tạo phần cơ khí – phần điều khiển của thiết bị để hoàn thiện mô hình thử nghiệm.
4- Nhiệm vụ nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
4.1- Nhiệm vụ nghiên cứu
- Đề tài được xây dựng nhằm mục tiêu nghiên cứu đưa vào trong các ứng dụng chế tạo công cụ vật lý trị liệu tự động nhằm hỗ trợ cho công việc của các nhân viên phục hồi chức năng khớp.
4.2- Phạm vi nghiên cứu:
Đây là một hướng nghiên cứu mới và hạn chế về mặt thời gian nên đề tài giới hạn ở các nội dung sau:
-Thiết kế - chế tạo thử nghiệm robot phục hồi chức năng khớp gối, có động cơ kéo giãn
-Thiết kế và cài đặt bộ điều khiển đồng bộ hai chức năng của thiết bị: chức năng kéo giãn khớp và chức năng đóng/mở khớp.
5- Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu để kế thừa thành tựu, tham khảo các đề tài khoa học có liên quan đến thiết bị đang nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu, lý luận khác nhau bằng cách phân tích thành từng bộ phận để tìm hiểu sâu sắc về cơ cấu. Liên kết từng mặt, từng bộ phận thông tin đã được phân tích tạo ra một hệ thống lý thuyết mới đầy đủ và sâu sắc về thiết bị.
Vận hành thử nghiệm thiết bị với các bài tập thực nghiệm để đưa ra nhận xét, đánh giá những kết quả đã đạt được và chưa đạt được trong mục tiêu và nhiệm vụ đề ra
6- Tóm tắt các tính toán, thiết kế và đưa ra kết quả nghiên cứu, nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài.
6.1- Cơ sở lý thuyết
6.1.1- Tính bậc tự do cho cơ cấu:
Hình 6.1- Nguyên lý của thiết bị PHCN khớp gối
Theo Gruebler - Kutzbach:
Trong đó:
f : số bậc tự do của cơ cấu
λ : bậc tự do của vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm việc của robot (λ= 3, ứng với không gian làm việc trong mặt phẳng; λ = 6, ứng với không gian làm việc trong không gian)
n : số khâu, kể cả khâu cố định
f1 : bậc tự do ở khớp thứ i
g : tổng số khớp của cơ cấu
f0 : số bậc tự do thừa
Trong cơ cấu thiết kế: λ=6, ứng với không gian làm việc trong không gian; n = 7; f1 = 1, các khớp trong cơ cấu chỉ có một bậc tự do; g = 7, f0 = 0.
Thay vào công thức (2.2)
f = 6.(7 - 1) – 7.(6 - 1) – 0 = 36 – 35 = 1 => cơ cấu có một bậc tự do.
6.1.2 - Lập bảng thông số DH và ma trận Jacobi:
Hình 2.5- Cơ cấu gắn hệ tọa độ
Lập bảng thông số DH
|
|
T01 |
T12 |
T23 |
T34 |
T45 |
T56 |
|
αi |
0 |
π/2 |
π/2 |
-π/2 |
-π/2 |
π/2 |
|
di |
0 |
d2 |
d3 |
d4 |
d5 |
0 |
|
θi |
q1 |
π/2 |
π/2 |
-π/2 |
π/2+ q5 |
π/2+ q6 |
|
ri |
0 |
q2 |
q3 |
q4 |
0 |
0 |
; ;
; ;
=>
; ; ; ; ;
=>
; ; ; ;
=>
Ma trận Jacobi của điểm P trong hệ tọa độ R3
6.2- Kéo giãn bằng bộ truyền tang cuốn ma sát và cáp
Hình 6.2 - Kéo giãn sử dụng động cơ điện và truyền động cáp.
6.1.1- Các loại sợi cáp: theo các tiêu chuẩn
- Phương pháp bện cáp: cáp bện đơn, cáp bện đôi, cáp bện ba.
- Chiều bện cáp: cáp bện xuôi, cáp bện ngược.
Yêu cầu chung đối với cáp: độ mềm - độ uốn cong đảm bảo sự nhỏ gọn của cơ cấu; không gây ồn khi làm việc; đảm bảo độ bền cao, thời gian sử dụng lớn; an toàn trong sử dụng
6.1.2- Điều kiện chọn cáp
Smax. n ≤ Sd (3.5)
Trong đó
Smax: lực căng lớn nhất trong quá trình làm việc.
n : hệ số an toàn khi sử dụng cáp.
Sd: tải trọng phá hủy cáp do nhà sản xuất quy định.
ð Theo điều kiện tải trọng và tiêu chuẩn chọn cáp;
chọn cáp có đường kính: dcáp = 1,0 mm.
6.1.3- Tang ma sát:
- Đặc điểm: không cố định đầu cáp lên tang mà cuốn lên tang một số vòng. Khi tang quay thì nhánh cáp cuốn vào với lực căng Scăng= Smax; và nhánh kia nhả ra với Snhả= Smin. Tang truyền chuyển động nhờ ma sát giữa cáp và tang.
Hình 6.3 - Phân bố lực trong truyền động cáp.
Lực căng lớn nhất: Smax = U + Smin
Số vòng cáp cuốn trên tang được tính từ điều kiện: cáp không bị trượt trên tang. Theo công thức Ơle
Smax = Smin .ef.2.π.n (3.6)
Trong đó: f là hệ số ma sát giữa cáp và tang
ð
Số liệu thực nghiệm: lực căng lớn nhất: Smax= 30 N
Lực căng nhỏ nhất được tính toán theo: Smin = kγ. q. a (3.7)
Trong đó:
q là khối lượng trên một mét cáp, q= 0,1 kg.
a là khoảng cách từ tâm tang đến điểm cố định cáp, a= 0,2 m
kγ là hệ số phụ thuộc vào cách bố trí bộ truyền,
bộ truyền nằm ngang kγ= 60.
Smin = 60. 0,1. 0,2= 12 N
Do đó: số vòng quấn cáp lên tang : ≈ 2,7 vòng
=> chọn n = 3 vòng
Chiều dài của tang tính theo công thức:
(3.8)
Trong đó:
l là chiều dài vận hành tải trọng; l= 0,2 m
t là bước cáp; t = 0,003 m
D là đường kính tang đến tâm cáp; D = 0,016 m
n là số vòng thừa ở hai đầu tang; n= 2 vòng
≈ 0,023 m = 23 mm
Chọn chiều dài tang là 23 mm
6.1.4- Điều chỉnh hướng cáp: dùng puly
Đường kính puly đến tâm cáp D phải thỏa mãn độ bền lâu của cáp:
D ≥ (e - 1).dc
Trong đó: dc là đường kính dây cáp
Chiều sâu rãnh puly thỏa mãn điều kiện h = (2 - 2,5). dc
Cáp vòng qua puly phải đảm bảo nằm dọc theo rãnh, độ lệch cho phép γ phải thỏa mãn
Trong đó: α là nửa góc profin của puly; thường chọn 2α = 600
ð = 0.105
ð γ ≈ 6 0
Hình 6.4 - Dùng puly chỉnh hướng cáp.
6.1.5- Thông số làm việc chủ yếu của bộ truyền:
- Số vòng quay trên trục dẫn, n1= 1500; trên trục bị dẫn, n2= 108; vòng/phút.
- Tỷ số truyền, u;
- Công suất trên trục dẫn, P1 = 0,1; công suất trên trục bị dẫn P2 = 0,075; kW.
- Hiệu suất truyền động, η; = 0,75 = 75%
- Mô men xoắn trên trục dẫn T1, trên trục bị dẫn T2; mNm.
- Vận tốc vòng của bánh dẫn v1, bánh bị dẫn v2; m/s.
- Hệ số trượt ξ; Tuổi bền của bộ truyền, tb; h.
- Lực ép ban đầu trên mỗi bánh ma sát F0; N.
- Lực vòng trên bánh ma sát, còn gọi là lực có ích Ft, N.
- Chế độ làm việc.
- Các yêu cầu về môi trường làm việc của bộ truyền.
6.1.6- Lực tác dụng trong bộ truyền bánh ma sát:
- Khi chưa làm việc, các bánh ma sát bị nén bởi lực ép ban đầu F0.
- Khi chịu tải trọng T1 trên trục I và T2 trên trục II; ngoài lực F0 còn có lực tiếp tuyến Ft tác dụng lên các bánh ma sát = 30N
- Khi các bánh ma sát quay sẽ có thêm tải trọng do rung động.
- Dưới tác dụng của các tải trọng, trên bề mặt tiếp xúc của các bánh ma sát có lực pháp tuyến Fn; lực Fn dùng để tính các bánh ma sát.
- Đối với bánh ma sát trụ: Fn = F0 = 80N.
- Từ công thức Fms= Fn . f ≥ K. Ft; tính được lực ép cần thiết nén hai bánh ma sát
Hình 6.5 – Lực trong bộ truyền bánh ma sát trụ
6.1.7- Lực tác dụng lên trục và ổ mang bộ truyền bánh ma sát trụ
- Lực tiếp tuyến Ft1 và Ft2; có phương trùng với tiếp tuyến chung của hai mặt trụ. Chiều của Ft1 ngược với chiều quay n1; Chiều của Ft2 cùng với chiều quay n2. Giá trị
- Lực hướng tâm Fr1 và Fr2 , có phương vuông góc với đường trục của bánh ma sát, chiều hướng về phía trục, giá trị
6.1.8- Tính bộ truyền bánh ma sát bằng vật liệu kim loại:
Ứng suất tiếp xúc được tính theo công thức Héc:
(4.23)
Trong đó:
là cường độ tải trọng trên đường tiếp xúc, = 0,737 N/mm
= 737 N
Trong đó:
K là hệ số tải trọng, lấy K= 1,25 – 1,5
f là hệ số ma sát, f= 0,61
Ft1 = Ft = 30N
= 4,8 mm => chọn B = 10 mm
là mô đun đàn hồi tương đương của vật liệu làm hai bánh ma sát.
mô đun đàn hồi của thép E1 = 2,1.105 MPa
mô đun đàn hồi của nhôm E2 = 0,75.105 MPa
= 1,105.105 MPa
là bán kính cong tương đương của hai bề mặt ma sát tại chỗ tiếp xúc. = 3,72 mm.
Với bộ truyền bánh ma sát trụ mm, = 55 mm
Thay các thông số vào công thức Héc, ta có công thức
- Đối với bộ truyền bánh ma sát trụ
= 450,03 N/m2
- Ứng suất cho phép có thể tra bảng trong sổ tay thiết kế hoặc tính theo công thức kinh nghiệm:
= (1,5 – 2,5).HB = 2,5.250= 625 N/m2
Vậy => Yêu cầu thiết kế thỏa.
6.2- Cảm biến dòng: IC ACS 712 là IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall; ACS xuất ra tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện Ip được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC) trong phạm vi đã cho. CF được dùng với mục đích chống nhiễu và có giá trị tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng.
6.2.1- Mô tả Cảm biến dòng ACS712- 5A [44]
Hình 6.6 - Cảm biến dòng ACS 712
6.2.2- Thông số kỹ thuật chính ACS 712 (x05B)
- Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào là 5μs
- Điện trở dây dẫn trong là 1,2 mΩ.
- Nguồn vận hành đơn 5V
- Độ nhạy đầu ra 180-190 mV/A.
- Sự trễ từ gần bằng không.
- Ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với ngõ vào từ nguồn cấp.
6.2.3- Phương pháp đo độ chính xác cơ bản:
Hình 6.7 – Sơ đồ đấu dây cảm biến dòng ACS 712
Hình 6.8 - Mô hình 3D của thiết bị PHCN khớp gối
Thiết kế cơ cấu có hệ số an toàn cao cho người sử dụng
Hình 6.9 - Mô hình hộp giảm tốc
6.3- Tính toán – thiết kế trục
Trục là chi tiết máy có công dụng chung là đỡ các chi tiết máy quay, để truyền chuyển động hoặc cả hai nhiệm vụ trên.
Hình 6.10 - Chi tiết trục 2
6.3.1- Các thông số hình học cơ bản:
- Đường kính của các đoạn trục có dung sai kèm theo
- Chiều dài các đoạn trục có dung sai, khâu khép kín không nên ghi dung sai.
- Độ nhám bề mặt, nhiều bề mặt có cùng độ nhám thì ghi chung.
- Sai lệch hình dáng hình học cho phép.
- Sai lệch vị trí tương quan.
Hình 4.6 – Thí dụ các thông số cơ bản của trục
6.3.2- Tính toán trục
+ Chỉ tiêu tính toán:
, tính gần đúng trục (4.1)
, tính chính xác trục (4.2)
Kiểm tra quá tải
, tính trục theo quá tải (4.3)
Trong đó:
là ứng suất tương đương xuất hiện trên tiết diện của trục.
là ứng suất cho phép của trục theo sức bền mỏi.
là hệ số an toàn tính tại tiết diện của trục.
là hệ số an toàn cho phép của trục.
là ứng suất do tải trọng quá tải gây nên tại tiết diện nguy hiểm.
là ứng suất cho phép của trục theo sức bền tĩnh.
6.3.3- Thiết kế trục gần đúng
Các bước thực hiện:
- Chọn vật liệu, cách nhiệt luyện, xác định ứng suất cho phép
- Xác định chiều dài của các đoạn trục; một số trường hợp: chiều dài của các đoạn trục có thể cho trước. Nếu chưa biết thì phải xác định đường kính sơ bộ của trục, dsb => chiều dài ngõng trục; chọn chiều dài mayơ thường chọn:
lmo= (1,0 - 1,5). dsb
Đường kính sơ bộ của trục dsb có thể xác định theo các cách sau:
- Trục có số vòng quay bằng số vòng quay của động cơ điện thì dsb bằng
0,8 - 1,2 đường kính trục động cơ.
- Trục bị dẫn thì dsb bằng 0,3 – 0,35 giá trị khoảng cách trục.
- Các trường hợp khác tính theo công thức
(4.4)
Trong đó:
P là công suất trên trục, kW
n là số vòng quay của trục, v/p
là ứng suất xoắn cho phép, có thể lấy = 20 – 30 MPa; với trục của hộp giảm tốc quan trọng có thể lấy = 12 – 15 MPa
dsb = 10 mm
lmo= 12 mm
- Xây dựng sơ đồ tính trục. Sau khi biết được chiều dài các đoạn trục, ta xác định được vị trí của các điểm đặt tải trọng.
- Đặt tải trọng lên sơ đồ tính lực.
- Phân chia tải trọng về hai mặt phẳng tọa độ, tính phản lực gối tựa.
- Vẽ biểu đồ mô men uốn trong các mặt phẳng tọa độ, vẽ biểu đồ mô men xoắn.
- Giả sử chỉ tiêu thỏa mãn, tính đường kính trục tại tiết diện thứ i theo công thức: (4.5)
Trong đó: (4.6)
là mô men tương đương tại tiết diện i
là giá trị mô men uốn trong mặt Ozx tại tiết diện i
là giá trị mô men uốn trong mặt Ozy tại tiết diện i
là giá trị mô men xoắn tại tiết diện i
là kích thước đường kính của trục tại tiết diện i
- Vẽ kết cấu của trục, đặt các kích thước tính được vào những đoạn trục tương ứng. Chọn các còn lại để hoàn chỉnh kết cấu trục đảm bảo lắp ghép thuận tiện và ít tập trung ứng suất.
Hình 6.11 - Lực và mô men trên trục trục số 2
6.3.4- Tính toán phản lực tác dụng lên hai gối tựa khi có mô men xoắn tập trung
Xét điều kiện cân bằng của trục
(4.7)
(4.8)
với l = 48 mm, a = 18 mm, M0 = 110 mNm
Chiều VA hướng xuống dưới, chiều VB hướng lên trên
Phương trình cân bằng của phần bên trái
(4.9)
(4.10)
Hình 6.12 - Tính toán phản lực tác dụng lên hai gối tựa trục 2
Phương trình cân bằng của phần bên phải
(4.11)
(4.12)
Hình 6.13 - Thiết bị được chế tạo thử nghiệm.
- KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ:
1- Kết luận:
Thiết bị được thiết kế và chế tạo phù hợp với độ linh hoạt của khớp sinh học (khớp gối). Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng: thiết bị sử dụng bộ truyền động ma sát và truyền động cáp.
Động cơ kéo giãn được lắp ở bậc tự do thứ hai và có hai chức năng: là một bậc tự do trong chức năng gấp/mở, là một cơ cấu kéo giãn có đủ công suất và lực kéo giãn.
Bộ điều khiển thực hiện hai chức năng: điều khiển động cơ 2 và 3 để kéo giãn khớp; sau đó, điều khiển động cơ 1 thực hiện bài tập gấp mở.
Đây là một trong những thiết bị giúp mở rộng tầm vận động của khớp gối sau điều trị, phẫu thuật khớp gối; tránh mất biên độ vận động trong thời gian dài.
2- Khuyến nghị:
- Đĩa truyền động cáp: rãnh trên đĩa truyền động cáp cần có chiều sâu phù hợp để không làm thay đổi lực kéo cáp trong quá trình cơ cấu làm việc.
- Tăng hệ số cho bề rộng đĩa truyền động cáp để khi gấp/mở dây cáp không bị chồng chéo lên nhau ở cuối hành trình.
