..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
CHÂN GIẢ CHỦ ĐỘNG

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

TS. LÊ HOÀI NAM
NGƠ HỒNG TRUNG
NGƠ THIỆN ĐỨC
Số thẻ sinh viên : 101120375
101120286
Lớp:

12CDT1

Đà Nẵng, 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

TĨM TẮT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:
Họ và tên SV:

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo chân giả chủ động
Ngơ Hồng Trung
Mã SV: 101120375
Ngơ Thiện Đức
101120286

Lớp:

12CDT1 – 12CDT2

GV hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam
GV duyệt:
PGS. TS. Trần Xuân Tùy
Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:
1. Nhu cầu thực tế của đề tài:
Từ mong muốn chế tạo một loại chân giả chủ động có giá thành thấp cho người
khuyết tật ở Việt Nam, trong khi các chân giả chủ động ở Việt Nam là chưa phổ biến,
và giá thành của các loại chân giả chủ động ở Việt Nam và trên thế giới khá cao, ở
Hoa kỳ mỗi chân giả chủ động có giá có thể lên tới 20.000 – 50.000 USD.
Ngồi ra, chân giả cịn được sử dụng cho mục đích giảng dạy về các phương thức
truyền và xử lý dữ liệu, xây dựng và thử nghiệm các bộ điều khiển khác nhau.
2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp:
✓ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo phần cơ khí chân giả.
✓ Xây dựng hệ thống cảm biến chuyển động chân người.

✓
✓
✓
✓

Xử lý dữ liệu và xây dựng bộ thư viện quỹ đạo chân người.
Mơ hình hóa hàm truyền chân giả.
Xây dựng bộ điều khiển thích nghi cho chân giả.
Lập trình vào vi điều khiển dsPIC33 và arduino promini.


3. Nội dung đề tài đã thực hiện:
✓ Số trang thuyết minh: 75 trang
✓ Số bản vẽ:

6 A0

✓ Mơ hình:

1

4. Kết quả đã đạt được:
• Phần lý thuyết đã tìm hiểu....
✓ Xử lý dữ liệu bằng excel và MATLAB.
✓ Thiết kế mơ hình 3D bằng Solidwork.
✓ Chế tạo mẫu thử bằng phương pháp in 3D.
✓ Thiết kế mạch bằng Altium.
✓ Mơ hình hóa hệ thống bằng MATLAB.
✓ Lý thuyết về điều khiển thích nghi.
✓ Lý thuyết về cảm biến MPU6050, vi điều khiển Arduino, vi điều khiển

dsPIC33.
• Đã tính tốn, thiết kế phần...
✓ Tính tốn, thiết kế phần cơ khí, các khoảng cách động học của chân giả.
✓ Tính tốn, xây dựng cơng thức quy đổi từ góc các bộ phân chân giả thành vị
trí của đai ốc vít me.
✓ Tính tốn, thiết kế mơ hình hệ thống chân giả.
✓ tính tốn, thiết kế mạch điều khiển chân giả.
✓ Tính tốn, thiết kế hệ thống cảm biến chuyển động.
✓ Tính tốn, xây dựng quỹ đạo chân người.
✓ Tính tốn, thiết kế bộ điều khiển thích nghi của chân giả.
• Có mơ hình kèm CD
Đĩa CD gồm file thuyết minh đồ án, bản tóm tắt, tờ nhiệm vụ , video mơ phỏng
q trình lắp ráp chân giả,các video mơ phỏng hoạt động chân giả, các video về thử
nghiệm chân giả trên người thật, hai bài báo tiếng Việt và tiếng Anh của nhóm về
chân giả.


Đà Nẵng, ngày

tháng

Sinh viên thực hiện

năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA …………………………………………

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TT

Họ tên sinh viên

Số thẻ SV

Lớp

Ngành

1

Ngơ Hồng Trung

101120375

12CDT2 Cơ điện tử

2

Ngơ Thiện Đức

101120286

12CDT1 Cơ điện tử


1. Tên đề tài đồ án:
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo chân giả chủ động
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
-

Dữ liệu quỹ đạo chân người thật.
Bảng dữ liệu thô của hệ thống chân giả.
Vật liệu: Nhựa, kim loại (thép, inox).
Khối lượng thô của chân giả: 3kg.

4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

1

Ngơ Hồng Trung

2

Ngơ Thiện Đức

1

Ngơ Hồng Trung

2


Ngơ Thiện Đức

1

Ngơ Hồng Trung

2

Ngơ Thiện Đức

1

Ngơ Hồng Trung

2

Ngơ Thiện Đức

Nội dung
Thu thập dữ liệu quỹ đạo chân
Xây dựng sơ đồ động học chân giả
Nghiên cứu, thiết kế sơ đồ điều khiển
Nghiên cứu, thiết kế thuật toán điều khiển


b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên


Nội dung

1

Ngơ Hồng Trung

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cơ khí nửa chân giả trên
Nghiên cứu, xử lý dữ liệu quỹ đạo chân
Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển thích nghi PI

2

Ngơ Thiện Đức

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cơ khí nửa chân giả dưới
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển
Nghiên cứu, thiết kế việc xử lý dữ liệu từ cảm biến

5. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ):
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

1

Ngơ Hồng Trung

2


Ngơ Thiện Đức

1

Ngơ Hồng Trung

2

Ngơ Thiện Đức

Nội dung
Bản vẽ sơ đồ động và điều khiển
Poster chân giả thông minh

b. Phần riêng:
TT
1

Họ tên sinh viên
Ngơ Hồng Trung

Nội dung
Bản vẽ lắp nửa chân trên
Bản vẽ lưu đồ thuật tốn

2

Ngơ Thiện Đức


Bản vẽ lắp nửa chân dưới
Bản vẽ nguyên lý mạch điều khiển

6. Họ tên người hướng dẫn:

Phần/ Nội dung:

Lê Hoài Nam

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chân giả

7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
8. Ngày hoàn thành đồ án:

……../……./201…..
……../……./201…..
Đà Nẵng, ngày
tháng
năm 201
Trưởng Bộ môn……………………….
Người hướng dẫn


LỜI NĨI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển khơng ngừng trong mọi lĩnh vực, ngành Cơ khí nói
chung và ngành Cơ điện tử nói riêng là một trong những ngành phát triển mạnh với nhiều
thay đổi về kỹ thuật, công nghệ cũng như về chất lượng. Để đạt được điều đó địi hỏi người
cán bộ kỹ thuật ngồi trình độ chun mơn của mình cịn cần phải có một tư duy sáng tạo,
đi sâu nghiên cứu để tận dung hết khả năng của mình.

Qua 5 năm học tại khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, dưới
sự giúp đỡ tận tình của các Thầy, Cô giáo cũng như sự nỗ lực của bản thân, chúng em đã
tích lũy cho mình một số kiến thức để có thể tham gia vào đội ngũ kỹ sư Cơ điện tử tương
lai. Và thước đo của kiến thức đó là đồ án tốt nghiệp này. Đó thực sự là một thử thách lớn
đối với sinh viên như chúng em khi chưa từng giải quyết một khối lượng cơng việc lớn như
thế.
Hồn thành đồ án tốt nghiệp là lần thử thách đầu tiên với cơng việc tính tốn phức tạp,
gặp rất nhiều vướng mắc và khó khăn. Tuy nhiên được sự hướng dẫn tận tình của các Thầy
giáo hướng dẫn đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này. Nhưng với kiến thức hạn hẹp của
mình, đồng thời chưa có kinh nghiệm trong tính tốn cũng như thi công thực tế, nên đồ án
thể hiện không tránh khỏi những sai sót. Chúng em kính mong tiếp tục được sự chỉ bảo của
các Thầy, Cơ để em hồn thiện kiến thức hơn nữa.
Xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên và giúp đỡ chúng em trong
suốt quá trình thực hiện đồ án này.
Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong khoa Cơ khí –
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đặc biệt là các Thầy, Cô đã trực tiếp hướng
dẫn chúng em trong đề tài tốt nghiệp này.
Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2017
Sinh viên


CAM ĐOAN
Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt các quy định về liêm chính học thuật:
• Khơng bịa đặt, đưa ra các thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn;
• Khơng ngụy tạo số liệu trong q trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập
hoặc hoạt động học thuật khác;
• Khơng sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt động
học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình;
• Khơng đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của người khác như thể là của mình,
trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác mà khơng có trích

dẫn.
• Khơng tự đạo văn, sử dụng lại thơng tin nghiên cứu của mình mà khơng có trích dẫn
hoặc phân mảnh thơng tin về kết quả nghiên cứu của mình để cơng bố trên nhiều ấn
phẩm.

Sinh viên thực hiện

Sinh viên thực hiện

Ngơ Hồng Trung

Ngơ Thiện Đức


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHÂN GIẢ ....................................................................... 2
1.1.

Định nghĩa và phân loại chân giả ......................................................................... 2

1.1.1.

Định nghĩa .................................................................................................... 2

1.1.2.

Phân loại ...................................................................................................... 2


1.2.

Tổng quan về chân giả chủ động trên gối ............................................................. 3

Chương 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ ........................................................................................ 5
2.1.

Sơ đồ động học của chân giả................................................................................ 5

2.2.

Lý thuyết về động năng thụ động ......................................................................... 5

2.2.1.

Khái niệm...................................................................................................... 5

2.2.2.

Lý thuyết về động năng thụ động ................................................................... 6

2.3.

Khớp gối “Remotion knee”.................................................................................. 7

2.3.1.

Cấu tạo cơ bản .............................................................................................. 7

2.3.2.


Nguyên lý hoạt động của khớp gối “Remotion knee” .................................... 7

2.4.

Cấu tạo bàn chân giả ............................................................................................ 8

2.5.

Các công thức động học của chân giả .................................................................. 9

Chương 3: THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ .................................................................................... 12
3.1.

Sơ đồ khối mạch điều khiển ............................................................................... 12

3.2.

Giới thiệu về vi điều khiển dsPIC33F và Arduino .............................................. 13

3.2.1.

Giới thiệu về vi điều khiển dsPIC33FJ32MC302 ......................................... 13

3.2.2.

Điều kiện làm việc: ..................................................................................... 13

3.2.3.


Khối xử lý trung tâm CPU: ......................................................................... 13

3.2.4.

Timer/Capture/Compare: ............................................................................ 13

3.2.5.

Điều khiển ngắt ........................................................................................... 13


3.2.6.

Bộ chuyển đổi tương tự số ADC .................................................................. 13

3.2.7.

Các cổng vào ra I/O và các ngoại vi: .......................................................... 14

3.2.8.

Bộ xử lý tín hiệu số...................................................................................... 14

3.2.9.

Bộ điều khiển động cơ:................................................................................ 14

3.3.

Giới thiệu Board Arduino Pro Mini: .................................................................. 14


3.4.

Giới thiệu cảm biến đo góc nghiêng MPU6050.................................................. 15

3.5.

Thơng số kỹ thuật .............................................................................................. 15

3.6.

Giới thiệu cảm biến gia tốc Accelerometer ........................................................ 16

3.7.

Giới thiệu con quay hồi chuyển Gyroscope ........................................................ 20

3.8.

Xử lý dữ liệu đọc từ cảm biến MPU6050 ........................................................... 22

3.9.

Đọc và xử lý tín hiệu cảm biến .......................................................................... 23
Giới thiệu về Altium và PCB của chân giả ..................................................... 29

3.10.

3.10.1. Giới thiệu phần mềm Altium ....................................................................... 29
3.10.2. Giới thiệu PCB chân giả .............................................................................. 30

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ....................................................................... 33
4.1.

Giới thiệu về MATLAB và bộ thiết kế control system designer ......................... 33

4.1.1.

Giới thiệu về MATLAB ................................................................................ 33

4.1.2.

Bộ thiết kế “control system designer” ......................................................... 35

4.2.

Phương pháp ước lượng thơng số bình phương bé nhất và mơ hình hệ thống ..... 40

4.2.1.

Ước lượng thơng số hệ thống bằng phương pháp bình phương bé nhất ....... 40

4.2.2.

Mơ hình hệ thống sử dụng cho chân giả ...................................................... 41

4.3.

Bộ điều khiển thích nghi gián tiếp tự chỉnh PI ................................................... 42

4.3.1.


Các khái niệm ............................................................................................. 42

4.3.2.

Bộ điều khiển thích nghi gián tiếp PI........................................................... 43

Chương 5: PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CHÂN GIẢ .............................. 47
5.1.

Cảm biến theo dõi chuyển động các khớp....................................................... 47


5.2.

Phương pháp xây dựng quỹ đạo chân giả........................................................ 48

Chương 6: HIỆU NĂNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT LUẬN ........................................ 53
6.1.

Hiệu năng bộ điều khiển .................................................................................... 53

6.2.

Kết luận ............................................................................................................. 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 55


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

BẢNG
2.1

Các kích thước cơ bản của nguyên mẫu chân giả

5.1.

Pha chuyển động

HÌNH VẼ

1.1.

Các loại chân giả trên gối và dưới gối

1.2.
2.1.
2.2.

Chân giả chủ động

2.3.

Hình dáng của “Remotion knee”

2.4.

Mơ hình cơ cấu tứ giác

2.5.


Mơ hình cơ cấu CAM của khớp gối

2.6.
2.7.

Cấu tạo bàn chân giả

3.1.

Sơ đồ động học của chân giả
Sơ đồ robot 2 chân trên nền dốc

Giản đồ thu gọn: (a) nửa dưới chân chứa khớp mắt cá chân và (b) nửa
trên chân chứa khớp gối
Sơ đồ khối mạch điều khiển

3.2.
3.3.

Hộp đặt trong môi trường khơng trọng lực

3.4.
3.5.
3.6.
3.7.

Áp lực mà quả bóng gây ra cho thành hộp gây ra bởi lực trọng trường

3.8.


Sơ đồ thuật tốn bộ lọc Kalman

3.9.
3.10.

Sơ đồ tín hiệu đầu vào và đầu ra của bộ lọc Kalman

3.11.

Altium 17

3.12.
3.13.

Bản vẽ 2D

4.1.

Giao diện MATLAB 2016b

4.2.

Cách tìm cơng cụ “control system designer”

Áp lực mà quả bóng gây ra cho thành hộp
Áp lực mà quả bóng gây ra cho hai thành hộp gây ra bởi lực trọng trường
Gia tốc đo vector lực trên mỗi trục
Con quay hồi chuyển đo góc quay quanh trục


Kết quả đọc dữ liệu với bộ lọc Kalman

Bản vẽ 3D


4.3.

Giao diện công cụ control system designer

4.4.

Giao diện bộ design requirement

4.5.

Giao diện biểu đồ đáp ứng

4.6.
4.7.
4.8.

Các phương pháp tinh chỉnh bộ điều khiển

4.9.
4.10.
5.1.
5.2.

Mơ hình hệ thống rời rạc có nhiễu


Giao diện của PID tuning method
Giao diện biểu đồ đáp ứng

Cấu trúc bộ điều khiển PID tự chỉnh gián tiếp
Phương pháp xây dựng quỹ đạo chân giả
Đường cong quỹ đạo chân giả


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
KÍ HIỆU:
Rxz

Hình chiếu của vector R lên mặt phẳng XZ

Ryz
Axz

Hình chiếu của vector R lên mặt phẳng YZ
Góc giữa Rxz và trục Z

Ayz

Góc giữa Ryz và trục Z

Vref
VzeroRate

Điện áp lấy mẫu ADC
Điện áp khi không quay


Sensitivity

Độ nhạy của con quay hồi chuyển, đơn vị mV/( deg/s).

GyroRate
GyroRead
LSB Sensitivity
GyroAnglek

Vận tốc góc đơn vị là (degree/second)
Dữ liệu (l6-bit) đọc về từ Gyro của MPU6050
Hệ số suy ra vận tốc góc
Giá trị góc xoay cần tìm

GyroAnglek-1
GyroRatek
t

Giá trị góc xoay ngay trước thời điểm (k - 1)
Giá trị vận tóc góc tính được tại thời điểm (k)
Khoảng thời gian tính từ trạng thái (k - 1) đến (k)

Roll

Góc xoay quanh trục X (degree)

Pitch
accX, accY, accZ
RAD_TO_DEG
Fk


Góc xoay quanh trục Y (degree)
Gia tốc đọc về lần lượt theo các trục X, Y, Z (m/s2)
Hệ số chuyển đổi từ đơn vị góc (radian) sang (degree)
Ma trận chuyển trạng thái, nó đuợc áp dụng cho trạng thái truớc đó
xk-1

Bk

Ma trận kiểm sốt đầu vào, nó đuợc áp dụng cho các vectơ điều
khiển uk
Vector biến ngẫu nhiên đại diện cho nhiễu hệ thống hay quá trình
Ma trận quan sát.

wk
H

x

Vector biến ngẫu nhiên đại diện cho nhiễu khi đo đạc hay quan sát
Giá trị góc
Giá trị vận tốc góc

Angle x

Giá trị góc xoay sau khi đã qua bộ lọc Kalman

Vk
x



y(k), u(k)

Giá trị vận tốc di chuyển dọc trục vít me của đai ốc và giá trị PWM
tại thời điểm k.


CHỮ VIẾT TẮT:
QEI

Quadrature Encoder Interface.

CPU

Central Processing Unit

ADC
Msps
PWM

Analog-to-digital converter
Mega-Samples Per Second
Pulse-width modulation

SMD
SRAM

Surface Mount Device
Static Random Access Memory


EEPROM
UART

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
Universal Asynchronous Receiver – Transmitter

SPI
I2C
LDO

Serial Peripheral Bus
Inter-Intergrated Circuit
Linear Regulator

PCB

Printed circuit board

IC
LQR
IMC

Integrated circuit
Linear Quadratic Gaussian
Internal model control

PID
bpc

Proportional – Integral – Derivative

Góc bắp chân


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO CHÂN GIẢ CHỦ ĐỘNG

MỞ ĐẦU

Trong xã hội, nhiều người khơng may mắn có những khiếm khuyết về thể chất gây nên
bởi bệnh tật tự nhiên, tai nạn giao thông, chiến tranh và nhiều nguyên nhân khác. Theo
thống kê năm 2011 của Bộ Lao động Thương binh và Xã hội thì Việt Nam có khoảng 7,8%
dân số (tương đương 6,1 triệu người) là người khuyết tật. Trong đó, có tới 69% người
khuyết tật đang ở độ tuổi lao động và chỉ có 30% trong số này có việc làm và thu nhập ổn
định để chăm lo cho bản thân và gia đình.
Một phần khơng nhỏ trong số những người khuyết tật là mất một phần hoặc toàn bộ
chân. Đối với những người này, di chuyển là một trong những vấn đề khó khăn nhất, gây
ra nhiều khó khăn trong sinh hoạt hằng ngày cũng như khiến bản thân họ không thể được
nhận vào làm việc ở bất cứ đâu bởi bản thân họ gần như không thể tự di chuyển.
Mục tiêu của đồ án là thiết kế, chế tạo và điều khiển một nguyên mẫu chân giả chủ
động. Thuyết minh được cấu trúc như sau: chương 1 giới thiệu tổng quan về chân giả,
chương 2 trình bày thiết kế cơ khí của hệ thống; chương 3 trình bày thiết kế điện tử của hệ
thống; chương 4 trình bày thiết kế bộ điều khiển hệ thống; chương 5 trình bày và giải thích
cách xây dựng bộ điều khiển chân giả và chương 6 trình bày ưu điểm, nhược điểm của
nguyên bản chân giả và hướng phát triển.

SVTH: NGƠ HỒNG TRUNG, NGƠ THIỆN ĐỨC

GVHD: TS. LÊ HỒI NAM

1



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO CHÂN GIẢ CHỦ ĐỘNG

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHÂN GIẢ

Chương tổng quan này giới thiệu về khái niệm và phân loại chân giả. Ngoài ra, chương
này còn thể hiện các định hướng về phương pháp điều khiển và phương án chọn bộ điều
khiển dùng trong chân giả chủ động của nhóm.
1.1. Định nghĩa và phân loại chân giả
1.1.1. Định nghĩa
Chân giả là các cơ cấu máy móc được chế tạo nhằm mục đích thay thế cho bộ phận
chân đã mất đi, nhằm phục hồi khả năng đi lại của người khuyết tật ở chân. Chân giả có thể
là các cơ cấu cơ khí, cũng có thể là các cơ cấu lai giữa cơ khí và sinh học. Trên thế giới,
nhất là sau thế chiến thứ nhất, các hoạt động nghiên cứu, thiết kế và chế tạo chân giả đã
phát triển mạnh nhằm mục đích phục hồi khả năng đi lại cho các thương binh trở về từ
chiến trường.
1.1.2. Phân loại
Từ lúc bắt đầu có khái niệm chân giả cho đến nay, nhiều tiêu chí đã được xem xét để
phân loại chân giả. Các loại chân giả hiện nay được chia thành hai nhóm: thiết bị thụ động
và chủ động. Chân giả thụ động đòi hỏi người khuyết tật phải di chuyển bằng nỗ lực cá
nhân, gây ra nhiều khó khăn vì độ linh hoạt kém và khơng thể bắt chước hồn tồn chuyển
động của chân khỏe mạnh. Để khắc phục những hạn chế này, các loại chân giả chủ động sử
dụng nguồn năng lượng riêng và các cảm biến phụ trợ, được quan tâm nghiên cứu và phát
triển[1]. Trong tài liệu tham khảo [2], nguyên mẫu SmartLeg truyền động bằng thủy lực,
ứng dụng thuật toán học máy nhằm điều khiển chân linh hoạt theo các pha chuyển động và
tiết kiệm năng lượng được giới thiệu. Tài liệu tham khảo [3] tóm tắt thiết kế cơ khí và điều
khiển của một khớp gối bán chủ động. Các tài liệu tham khảo [4, 5, 6] đề xuất một số thuật
toán điều khiển khác nhau cho các hệ thống chân giả chủ động. Một số chân giả chủ động
thơng minh đã được thương mại hóa, chẳng hạn Ottobock C Leg, có thể cung cấp những
tính năng tiên tiến, hỗ trợ di chuyển cho người tàn tật nửa trên đầu gối. Tuy nhiên, công

nghệ này đi kèm với một mức giá quá cao đối với những người tàn tật ở các nước đang phát
triển như Việt Nam. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu, thiết kế và chế
tạo các chân giả chủ động thơng minh với chi phí thấp để sử dụng trong thực tế. Ngồi ra,
ngun mẫu chân giả cịn có thể được sử dụng như nền tảng thử nghiệm cho sinh viên
ngành Kỹ thuật Cơ điện tử học tập và nghiên cứu các thuật tốn điều khiển nâng cao.
SVTH: NGƠ HỒNG TRUNG, NGƠ THIỆN ĐỨC

GVHD: TS. LÊ HỒI NAM

2


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO CHÂN GIẢ CHỦ ĐỘNG

Hình 1.1. Các loại chân giả trên gối và dưới gối

Hình 1.2. Chân giả chủ động
Ngoài ra, dưới sự phát triển của liên lĩnh vực sinh học – cơ điện tử, nhiều phòng nghiên
cứu đã cho ra đời loại chân giả lai, gồm cả phần cơ khí và phần sinh học. Phần sinh học chủ
yếu là các cảm biến có thể tiếp nhận các xung thần kinh của người, từ các xung thần kinh
này mà bộ điều khiển của chân giả hoạt động theo ý thức của con người.
1.2. Tổng quan về chân giả chủ động trên gối
Như đã nói ở trên, chân giả chủ động trên gối là chân giả được chế tạo để thay thế phần
chân đã mất tính từ trên gối của người khuyết tật, sử dụng năng lượng từ pin để hoạt động.
SVTH: NGƠ HỒNG TRUNG, NGƠ THIỆN ĐỨC

GVHD: TS. LÊ HOÀI NAM

3



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO CHÂN GIẢ CHỦ ĐỘNG

Trên thế giới, nhiều loại chân giả chủ động đã được giới thiệu. Một cách tổng quát, các
phương pháp điều khiển chân giả chủ động được chia thành 2 nhóm chính. Nhóm đầu tiên
là phương pháp sử dụng quỹ đạo chân người và trạng thái của chân còn lại để quyết định
trạng thái mong muốn của chân giả, nhóm thứ 2 sử dụng xung thần kinh của người để xác
định trạng thái mong muốn của chân giả.
Với phương án thứ nhất, bộ điều khiển là tương đối đơn giản để xây dựng so với phương
án thứ 2, nhưng chân giả sẽ mất đi tính chủ động. Nghĩa là, với phương án thứ nhất, người
khuyết tật phải tập sử dụng chân còn lại để điều khiển chân giả. Việc này tạo ra sự khó khăn
nhất định, do bản thân phương pháp trái với việc di chuyển bình thường của con người, tức
là muốn hoạt động chân nào thì trực tiếp điều khiển chân đó.
Phương án sử dụng xung thần kinh là một trong những phương án tiên tiến trên thế
giới, giúp người khuyết tật có thể điều khiển chân giả của mình giống y hệt chân thật. Ngồi
ra, chân giả có thể lắp thêm các cảm biến phụ trợ để gửi tín hiệu trực tiếp lên não, tạo ra
cảm giác chân rất giống với chân người. Tuy nhiên, việc xây dựng bộ điều khiển cho loại
chân giả này khá là phức tạp, vì có vơ số trường hợp xung thần kinh, địi hỏi phải có một
mạng nơ ron thần kinh nhân tạo để xử lý việc này. Thêm vào đó, chân giả loại này đòi hỏi
người khuyết tật phải tập luyện rất nhiều mới có thể điều khiển thành thạo chân giả bằng ý
nghĩ. Đơn cử, phịng thí nghiệm đa phương tiện của đại học MIT, Hoa Kỳ đã phải sử dụng
2 chun gia về trí thơng minh nhân tạo, 1 chun gia về sinh học và mất hơn 200 ngày cho
việc luyện tập sử dụng chân giả.
Trước những thách thức đó, nhóm đã nghiên cứu và sử dụng các cơ cấu đã được các
nhà khoa học trên thế giới tối ưu cho chân giả, nhưng với một phương án mới cho bộ điều
khiển. Bộ điều khiển này sử dụng các cảm biến để theo dõi chuyển động của chân, và trên
cơ sở dữ liệu đã thu thập từ chân người khỏe mạnh, bộ điều khiển sẽ dự đoán trạng thái
mong muốn của chân giả, từ đó ra lệnh cho chân giả hoạt động theo mong muốn điều khiển
của người khuyết tật. Với phương án mới này, thử nghiệm trên người khỏe mạnh, thời gian
học tập để đi lại giảm xuống chỉ cịn lại vài giờ đồng hồ.

Ngồi ra, do tải trọng đặt vào chân giả khác nhau theo trạng thái của chân, và nhằm
mục đích làm mượt các chuyển động của chân giả, nhóm đã xây dựng một bộ điều khiển
thích nghi để có thể thích ứng với sự thay đổi tải trọng này.
Ở chương kế tiếp, chúng ta sẽ đi vào phần thiết kế cơ khí của tồn bộ hệ thống chân
giả.

SVTH: NGƠ HỒNG TRUNG, NGƠ THIỆN ĐỨC

GVHD: TS. LÊ HOÀI NAM

4


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO CHÂN GIẢ CHỦ ĐỘNG

Chương 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Như đã nói ở cuối chương trước, chương này đề cập đến các vấn đề thiết kế cơ khí của
chân giả, bao gồm sơ đồ động học, các cơ cấu dùng cho khớp gối và bàn chân, phương án
truyền động cho chân.
2.1. Sơ đồ động học của chân giả
Cấu tạo cơ bản của chân giả chủ yếu gồm 2 phần chính như trên hình 1.1. Thứ nhất,
khớp gối sử dụng cơ cấu “Remotion knee”, gồm 2 cơ cấu CAM và cơ cấu “tứ giác” lồng
vào nhau, và thay phiên nhau đóng vai trị chính trong q trình chân chuyển động. Phần
thứ 2 gồm khớp mắt cá chân và bàn chân, hoạt động giống như mắt cá chân và bàn chân
của người thật. Ngoài ra, chân giả cịn có phần ống chân giả nối 2 phần trên lại với nhau,
và phần động lực gồm 2 động cơ sử dụng pin để vận hành chân giả. Hai động cơ này truyền
động năng thơng qua cơ cấu vít me và dây đai rang, giúp điều khiển góc xoay của các khớp
một cách chính xác.
2.2. Lý thuyết về động năng thụ động

2.2.1. Khái niệm
Chiều quay
dương (cho góc
đùi, bắp chân)
Trục 0 độ (cho
góc đùi và bắp
chân)
CAM
Chiều quay
dương (cho
góc bàn chân)
Trục 0 độ
(cho bàn
chân)
Hình 2.1. Sơ đồ động học của chân giả
SVTH: NGƠ HỒNG TRUNG, NGƠ THIỆN ĐỨC

GVHD: TS. LÊ HỒI NAM

5


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO CHÂN GIẢ CHỦ ĐỘNG

Động năng thụ động nói về các hoạt động của cơ cấu chấp hành, robot, hay các sinh
vật không dùng năng lượng từ nguồn cung cấp (Pin, nhiên liệu hóa thạch…). Thiết bị sử
dụng khơng có nguồn điện được gọi là “thụ động”, và hoạt động của chúng được mô tả là
“động năng thụ động”.
Khái niệm và lý thuyết về động năng thụ động được xây dựng bởi Tad McGeer vào
cuối thập niên 80 của thế kỷ 19. Vào thời điểm này khi đang làm việc tại đại học Simon

Fraser ở thành phố Burnaby, British Columbia, ông đã tạo nên một robot hình người có thể
đi dọc xuống dốc mà khơng cần dùng động cơ hay bất cứ cơ cấu truyền năng lượng nào
ngồi việc dùng trọng lực của chính bản thân robot. Việc di chuyển của robot về cơ bản là
thích nghi vào mơi trường trọng lực ở Trái Đất, giống như bất kỳ sinh vật hai chân nào
khác, giúp việc di chuyển một cách linh hoạt. Về nguyên tắc ổn định, khơng giống như một
số robot hình người ở châu Á, đơn cử là Asimo, vốn sử dụng nguyên lý trọng tâm rơi vào
mặt chân đế, robot của Tad McGeer di chuyển hoàn toàn dựa vào việc trọng tâm lệch về
phía cần di chuyển, dựa vào trọng lực mà khiến robot di chuyển về phía đó.
2.2.2. Lý thuyết về động năng thụ động
Sơ đồ cơ bản của robot 2 chân trên nền dốc:

Hình 2.2. Sơ đồ robot 2 chân trên nền dốc
Nguyên lý hoạt động của động năng thụ động cho robot 2 chân như sau:
- Ở trạng thái ban đầu, trọng tâm của robot không rơi vào mặt chân đế mà lệch về
phía trước một chút, do lực hút của trọng lực thì robot nghiêng về phía trước.
- Tiếp theo, do hai chân của robot bằng nhau, mà robot nghiêng về trước nên đương
nhiên chân phía sau sẽ hở mặt đất. Khi đó, do tác dụng của trọng lực, chân này lại
xoay về phía trước. Đồng thời khi đó robot cũng đang nghiêng về phía trước, dẫn
đến xác lập trạng thái cân bằng động mới, chân phía sau trở thành chân trước và
ngược lại.

SVTH: NGƠ HỒNG TRUNG, NGƠ THIỆN ĐỨC

GVHD: TS. LÊ HOÀI NAM

6


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO CHÂN GIẢ CHỦ ĐỘNG


-

Vì robot ở trên mặt dốc, nên trọng tâm lại tiếp tục khơng rơi vào mặt chân đế, lặp
lại chu trình như cũ.

2.3. Khớp gối “Remotion knee”
2.3.1. Cấu tạo cơ bản
Cấu tạo cơ bản của khớp gối “Remotion knee”

Hình 2.3. Hình dáng của “Remotion knee”
Trong đó:
- 1 là phần nối với phần bắp đùi còn lại của người khuyết tật.
-

2 là phần khớp gối trên của chân giả, một trong hai phần của cơ cấu CAM, giúp
chân chịu lực tốt.

-

3 là một trong hai thanh chắn ngoài của cơ cấu “tứ giác”, giúp chân di chuyển linh
hoạt.

-

4 là phần khớp gối dưới của chân giả, và cũng là một phần của cơ cấu CAM.
5 là thanh chắn trong của cơ cấu “tứ giác”.

2.3.2. Nguyên lý hoạt động của khớp gối “Remotion knee”
Xét phần cơ cấu “tứ giác”:


Hình 2.4. Mơ hình cơ cấu tứ giác
SVTH: NGƠ HỒNG TRUNG, NGƠ THIỆN ĐỨC

GVHD: TS. LÊ HOÀI NAM

7


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO CHÂN GIẢ CHỦ ĐỘNG

-

Cơ cấu này giúp chân di chuyển linh hoạt khi chân giả không chạm đất.
Nguyên tắc cơ bản là tứ giác khi cố định về độ dài các cạnh thì vẫn có thể thay đổi
các góc trong của nó. Từ đó, cơ cấu giúp khớp gối xoay chuyển một cách linh hoạt.
Ngồi ra, có hai thanh chắn ngồi giúp định hình mặt phẳng xoay tốt hơn, tức là

khớp gối luôn xoay trong một mặt phẳng nhất định.
Xét phần cơ cấu CAM:

Hình 2.5. Mơ hình cơ cấu CAM của khớp gối
Chức năng chủ yếu của cơ cấu này là chịu lực khi chân giả làm chân trụ, giúp chống
chịu được trọng lực người.
- Về cơ bản, cơ cấu CAM có cấu tạo giống khớp gối người. Về mặt lý thuyết, hai
phần chỉ tiếp xúc nhau trên một đường thẳng giúp khớp gối chân giả xoay linh hoạt.
2.4. Cấu tạo bàn chân giả
-

Cấu tạo bàn chân giả mô phỏng theo các đặc điểm của bàn chân người thật.


Hình 2.6. Cấu tạo bàn chân giả
SVTH: NGƠ HỒNG TRUNG, NGƠ THIỆN ĐỨC

GVHD: TS. LÊ HỒI NAM

8


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO CHÂN GIẢ CHỦ ĐỘNG

Gót chân kéo dài ra phía ra mơ phỏng xương gót người. Việc này tăng diện tích mặt
phẳng bàn chân đế, tăng độ cứng vững cho chân giả.
Lịng bàn chân có cấu tạo hình vịm. Vịm bàn chân người được chia làm ba loại: loại
bình thường, loại vịm cao và loại vòm chân bẹt. Vòm bàn chân bẹt sức bền, sức bật kém
khi đi bộ, chạy việt dã hay bị đau. Đây là thành phần rất quan trọng đối với hoạt động của
cơ thể:
- Làm giảm chấn động cho cơ thể, giúp cơ thể vận động nhanh nhẹn.
Là chỉ số đánh giá khả năng chịu lực, khả năng phát huy sức mạnh bột phát của
chân trong hoạt động thể thao;

-

- Vòm bàn chân còn là bộ phận đế tựa cho cơ thể.
Bàn chân là thành phần chịu lực lớn nhất, vì vậy cần được chế tạo bằng vật liệu có cơ
tính tốt. Vật liệu phù hợp để chế tạo là Carbon Composite. Trong phạm vi đồ án, để tạo
mẫu nhanh, chúng tôi sử dụng phương sử phương pháp in 3D theo phương ngang đáp ứng
được một phần yêu cầu về mặt cơ tính.
2.5. Các cơng thức động học của chân giả
Từ sơ đồ động học ở trên, ta có thể xây dựng được các giản đồ thu gọn thể hiện quan hệ
giữa góc đùi – bắp chân và góc bàn chân – bắp chân với vị trí của các đai ốc trên vít me

tương ứng (xem Hình 3). Lưu ý, việc xác định các mối quan hệ này là cần thiết cho mục
đích điều khiển chân giả. Thơng qua việc điều khiển vị trí vít me đai ốc ta có thể thay đổi
được góc của các khớp chân giả. Các kích thước chính của chân giả được mơ tả bởi Bảng
1.
Bảng 2.1. Các kích thước cơ bản của nguyên mẫu chân giả
Ký hiệu

Mơ tả

𝜃1

Góc giữa bàn chân và bắp chân

E1

Khoảng cách từ tâm ổ bi gắn vít me 1 tới khớp xoay giữa gá động cơ 1 và
bắp chân

F1

Khoảng cách từ khớp xoay ở đoạn E1 tới khớp mắt cá chân

G1

Khoảng cách giữa hai khớp xoay ở bàn chân

L1

Chiều dài của ống rỗng nối từ khớp xoay đến đai ốc 1 (thanh vít me 1 sẽ
đồng trục và di chuyển xuyên qua L1)


H1

Khoảng cách từ khớp xoay ở bàn chân tới E1

SVTH: NGƠ HỒNG TRUNG, NGƠ THIỆN ĐỨC

GVHD: TS. LÊ HỒI NAM

9