Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Mô hình hóa lực tác động tại các khớp chân người khi vận động
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TẠ THỊ HOÀNG THÂN
MÔ HÌNH HOÁ LỰC TÁC ĐỘNG TẠI CÁC KHỚP CHÂN
NGƢỜI KHI VẬN ĐỘNG
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. HOÀNG VỊ
THÁI NGUYÊN - 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là: Tạ Thị Hoàng Thân
Nơi công tác: Trƣờng Trung cấp nghề Lào Cai.
Tên đề tài: Mô hình hóa lực tác động tại các khớp chân người khi vận động.
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy.
Mã số:
Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Hoàng Vị. Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kì một tài liệu nào.
Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2012
Ngƣời viết
TẠ THỊ HOÀNG THÂN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iii
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS. Hoàng Vị trong
suốt quá nghiên cứu đến khi hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo trong Ban giám hiệu trường ĐH kỹ
thuật công nghiệp, các Thầy giáo giảng dạy lớp cao học K13 – CTM đã tạo điều
kiện và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn Khoa sau đại học trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp, Ban
giám hiệu và các đồng nghiệp tại trường Trung cấp nghề Lào Cai đã giúp đỡ và tạo
điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iv
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa………………………………………………………………………..i
Lời cam đoan………………………………………………………………………..ii
Lời cảm ơn………………………………………………………………………….iii
Mục lục……………………………………………………………………………..iv
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt……………………………………...........viii
Danh mục các bảng……………………………………………………………….viii
Danh mục các hình………………………………………………………………...ix
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………. …….1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN………………………………………………. ……..4
1.1. Tổng quan về kỹ thuật Biomechanics……………………………………….....4
1.2. Tổng quan về hệ xương khớp chi dưới…………………………………...........5
1.2.1. Cấu trúc xương khớp chi dưới…………………………………………..........5
1.2.1.1. Xương chậu………………………………………………………................6
1.2.1.2. Xương đùi…………………………………………………………..............8
1.2.1.3. Xương bánh chè………………………………………………….................9
1.2.1.4. Xương chày………………………………………………………............. 10
1.2.1.5. Xương mác………………………………………………………...............11
1.2.1.6. Các xương bàn chân……………………………………………….............11
1.2.1.7. Khớp hông…………………………………………………………............12
1.2.1.8. Khớp gối…………………………………………………………...............14
1.2.1.9. Các khớp bàn chân…………………………………………………...........15
1.2.2. Tầm quan trọng của chi dưới…………………………………………..........16
1.2.3. Hoạt động và các đặc trưng cơ lý của hệ xương khớp chi dưới………..........17
1.3. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu và các xu hướng phát triển về hệ xương khớp
chi dưới……………………………………………………………….....................18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
v
1.4. Mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn………………………………………..........20
1.5. Kết luận chương 1………………………………………………………..........20
CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ XƢƠNG KHỚP CHI
DƢỚI……………………………………………………………………................21
2.1. Xây dựng mô hình cơ hệ 3 bậc tự do hệ xương khớp chi dưới………….........21
2.1.1. Các giả thiết…………………………………………………………........... 21
2.1.2. Mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới....................................................21
2.1.3. Các thông số hình học …………………………...........................................22
2.2. Xây dựng mô hình vật lý...................................................................................22
2.2.1.Các giải thiết khi xây dựng mô hình vật lý......................................................22
2.2.2. Mô hình vật lý của hệ xương khớp chi dưới...................................................23
2.3. Mô hình toán động lực học hệ xương khớp chi dưới…………………………24
2.3.1. Xác định các vecto tọa độ khối tâm của các khâu…………………………..24
2.3.2. Xác định các ma trận Jacobi tịnh tiến……………………………………… 25
2.3.3. Xác định các vecto vận tốc góc và các toán tử sóng……………………….. 25
2.3.4. Xác định các ma trận Jacobi quay, các đạo hàm của chúng, các ma trận quán
tính khối……………………………………………………………………………26
2.3.5. Xác định lực và ngẫu lực đối với từng khâu………………………………. 26
2.3.7. Phương trình vi phân Newton-Euler của cơ hệ…………………………… 29
2.4. Khảo sát mô hình toán bằng phương pháp số……………………………….. 34
2.4.1. Xác định các thông số đầu vào…………………………………………….. 34
2.4.2. Thuật toán khảo sát mô hình toán động lực học cơ hệ 3 bậc tự do ………...38
2.4.3. Kết quả khảo sát mô hình toán động lực học cơ hệ ……………………… . 40
2.5. Mô hình hoá động lực học hệ xương khớp chi dưới bằng phần mềm MatlabSimulink…………………………………………………………………………. 46
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi
2.5.1.Giới thiệu về Matlab- Simulink……………………………………………. 46
2.5.2. Mô hình hệ xương khớp chi dưới bằng Matlab- Similink…………………. 46
2.5.3. Kết quả khảo sát mmo hình Similink mô tả hệ động lực học……………….50
2.6. Kết luận chương 2…………………………………………………………….53
CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÁC KHỚP CHI DƢỚI
KHI VẬN ĐỘNG…………………………………………………………………55
3.1. Khảo sát phản lực liên kết trong các khớp của chi dưới………………………55
3.1.1. Các giả thiết…………………………………………………………………55
3.1.2. Phản lực tại khớp B………………………………………………………….55
3.1.3. Phản lực tại khớp A…………………………………………………………57
3.1.4. Phản lực tại khớp O…………………………………………………………58
3.1.5. Kết quả xây dựng mmo hình toán phản lực tại các khớp………………….. 60
3.2. Khảo sát mô hình toán phản lực liên kết trong các khớp của chi
dưới………………………………………………………………………………. 61
3.3. Kết quả khảo sát mô hình toán phản lực liên kết trong các khớp của chi
dưới………………………………………………………………………………. 61
3.4. Kết luận chương 3……………………………………………………………. 64
CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC………………………………. 66
4.1. Mô hình chi dưới bằng Inventor……………………………………………..66
4.1.1. Giới thiệu về phần mềm Inventor…………………………………… …….66
4.1.2. Các giả thiết khi xây dựng mô hình chi dưới trong Inventor……………….66
4.1.3. Mô hình chi dưới trong Inventor……………………………………............66
4.2. Mô phỏng động lực học chi dưới bằng phần mềm ANSYS………………….71
4.2.1. Mô hình chi dưới trong ANSYS…………………………………………… 71
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vii
4.2.2. Thiết lập các điều kiện đầu và điều kiện biên cho bài toán trong
ANSYS…………………………………………………………………………….72
4.2.3. Các kết quả tính toán động lực học trong ANSYS………………………… 77
4.3. Kết luận chương 4…………………………………………………………….89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………... 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….92
PHỤ LỤC 1: CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC………….94
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu Tên gọi Đơn vị
m1 Khối lượng bộ phận đùi kg
m2 Khối lượng bộ phận cẳng chân kg
m3 Khối lượng bộ phận bàn chân kg
1
Góc quay của đùi rad
2
Góc quay của cẳng chân rad
3
Góc quay của bàn chân rad
KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Diễn giải Ghi chú
ĐH Động học
ĐLH Động lực học
TH Trường hợp
Khớp B Khớp cổ chân
Khớp A Khớp gối
Khớp O Khớp hông
DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN VĂN
TT Bảng Tên gọi Trang
1
Bảng 2.1
Các thông số khối lượng, kích thước của các bộ
phận chi dưới
36
2 Bảng 2.2
Các thông số khối lượng, kích thước các bộ phận
chi dưới cụ thể 36
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ix
3 Bảng 2.3
Các thông số đầu vào trong từng trường họp khảo
sát cụ thể 37
4 Bảng 4.1 Bảng các thông số của các chi tiết trong Ansys 73
5 Bảng 4.2 Bảng thông số điều kiện biên của các chi tiết 75
6 Bảng 4.3 Bảng tải trọng thiết lập theo các bước 76
DANH MỤC CÁC HÌNH DÙNG TRONG LUẬN VĂN
TT Hình Tên gọi Trang
1 Hình 1.1 Mô hình ngiên cứu của Leonardo da vinci 5
2 Hình 1.2 Cấu trúc chung của hệ xương khớp chi dưới 6
3 Hình 1.3 Khung chậu 8
4 Hình 1.4 Xương đùi 9
5 Hình 1.5 Xương chày 11
6 Hình 1.6 Các xương cổ chân 12
7 Hình 1.7 Khớp hông 13
8 Hình 1.8 Khớp cổ chân (nhìn từ trong) 15
9 Hình 1.9 Mô hình chi dưới trong BRG.LifeMOD 19
10 Hình 2.1 Mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới 22
11 Hình 2.2 Mô hình vật lý hệ xuơng khớp chi dưới 23
12 Hình 2.3
Mô hình tính toán véc tơ lực và mô men ngẫu lực
của khâu 1
27
13 Hình 2.4
Mô hình tính toán véc tơ lực và mô men ngẫu lực
của khâu 2
27
14 Hình 2.5. Mô hình tính toán véc tơ lực và mô men ngẫu lực 28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
x
của khâu 3
15 Hình 2.6 Sơ đồ kích thước các bộ phận cơ thể người [10] 35
16 Hình 2.7
Sơ đồ thuật toán giải hệ phương trình vi phân động
lực học
39
17 Hình 2.8 Đồ thị chuyển vị khâu 1 theo thời gian ( TH1) 40
18 Hình 2.9 Đồ thị vận tốc khâu 1 theo thời gian ( TH1) 40
19 Hình 2.10 Đồ thị gia tốc khâu 1 theo thời gian ( TH1) 40
20 Hình 2.11 Đồ thị chuyển vị khâu 2 theo thời gian ( TH1) 40
21 Hình 2.12 Đồ thị vận tốc khâu 2 theo thời gian ( TH1) 41
22 Hình 2.12 Đồ thị gia tốc khâu 2 theo thời gian ( TH1) 41
23 Hình 2.14 Đồ thị chuyển vị khâu 3 theo thời gian ( TH1) 41
24 Hình 2.15 Đồ thị vận tốc khâu 3 theo thời gian ( TH1) 41
25 Hình 2.16 Đồ thị gia tốc khâu 3 theo thời gian ( TH1) 41
26 Hình 2.17 Đồ thị chuyển vị khâu 1 theo thời gian ( TH2) 42
27 Hình 2.18 Đồ thị vận tốc khâu 1 theo thời gian ( TH2) 42
28 Hình 2.19 Đồ thị gia tốc khâu 1 theo thời gian ( TH2) 42
29 Hình 2.20 Đồ thị chuyển vị khâu 2 theo thời gian ( TH2) 42
30 Hình 2.21 Đồ thị vận tốc khâu 2 theo thời gian ( TH2) 43
31 Hình 2.22 Đồ thị gia tốc khâu 2 theo thời gian ( TH2) 43
32 Hình 2.23 Đồ thị chuyển vị khâu 3 theo thời gian ( TH2) 43
33 Hình 2.24 Đồ thị vận tốc khâu 3 theo thời gian ( TH2) 43
34 Hình 2.25 Đồ thị gia tốc khâu 3 theo thời gian ( TH2) 43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
xi
35 Hình 2.26 Đồ thị chuyển vị khâu 1 theo thời gian ( TH3) 44
36 Hình 2.27 Đồ thị vận tốc khâu 1 theo thời gian ( TH3) 44
37 Hình 2.28 Đồ thị gia tốc khâu 1 theo thời gian ( TH3) 44
38 Hình 2.29 Đồ thị chuyển vị khâu 2 theo thời gian ( TH3) 44
39 Hình 2.30 Đồ thị vận tốc khâu 2 theo thời gian ( TH3) 45
40 Hình 2.31 Đồ thị gia tốc khâu 2 theo thời gian ( TH3) 45
41 Hình 2.32 Đồ thị chuyển vị khâu 3 theo thời gian ( TH3) 45
42 Hình 2.33 Đồ thị vận tốc khâu 3 theo thời gian ( TH3) 45
43 Hình 2.34 Đồ thị gia tốc khâu 3 theo thời gian ( TH3) 45
44 Hình 2.35 Mô hình các phần tử A11,B11 47
45 Hình 2.36 Mô hình các phần tử A12,A21,B12 47
46 Hình 2.37 Mô hình các phần tử A13,B13,A31 47
47 Hình 2.38
Mô hình các phần tử A22,B22
47
48 Hình 2.39 Mô hình các phần tử A23, A32, B23 48
49 Hình 2.40 Mô hình các phần tử A33,B33 48
50 Hình 2.41 Mô hình các phần tử C11, C22, C33 48
51 Hình 2.41 Mô hình các phần tử D11,D21, D31 48
52 Hình 2.43 Mô hình phần tử
1
48
53 Hình 2.44 Mô hình phần tử
2
49
54 Hình 2.45 Mô hình phần tử
3
49
55 Hình 2.46 Mô hình khảo sát hệ động lực học xương khớp chi
dưới
50
56 Hình 2.47
Chuyển vị khâu 1
50
57 Hình 2.48
Vận tốc khâu 1
51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
xii
58 Hình 2.49 Gia tốc khâu 1 51
59 Hình 2.50 Chuyển vị khâu 2 51
60 Hình 2.51 Vận tốc khâu 2 52
61 Hình 2.52 Gia tốc khâu 2 52
62 Hình 2.53 Chuyển vị khâu 3 52
63 Hình 2.54 Vận tốc khâu 3 53
64 Hình 2.55 Gia tốc khâu 3 53
65 Hình 3.1 Mô hình vật lý khảo sát phản lực tại khớp B 55
66 Hình 3.2 Mô hình vật lý khảo sát phản lực tại khớp A 57
67 Hình 3.3 Mô hình vật lý khảo sát phản lực tại khớp O 58
68 Hình 3.4 Đồ thị áp lực tại khớp O theo thời gian (TH1) 61
69 Hình 3.5 Đồ thị áp lực tại khớp B theo thời gian (TH1) 61
70 Hình 3.6 Đồ thị áp lực tại khớp A theo thời gian (TH1) 62
71 Hình 3.7 Đồ thị áp lực tại khớp O theo thời gian (TH2) 62
72 Hình 3.8 Đồ thị áp lực tại khớp B theo thời gian (TH2) 62
73 Hình 3.9 Đồ thị áp lực tại khớp A theo thời gian (TH2) 63
74 Hình 3.10 Đồ thị áp lực tại khớp O theo thời gian (TH3) 63
75 Hình 3.11 Đồ thị áp lực tại khớp B theo thời gian (TH3) 63
76 Hình 3.12 Đồ thị áp lực tại khớp A theo thời gian (TH3) 64
77 Hình 4.1 Chi tiết mô phỏng bộ phận đùi của chi dưới trong
Inventor
67
78 Hình 4.2 Màn hình hiển thị các thông số động học, động lực
học của chi tiết mô phỏng đùi
67
79 Hình 4.3 Chi tiết mô phỏng bộ phận cẳng chân của chi dưới
trong Inventor
68
80 Hình 4.4 Màn hình hiển thị các thông số động học, động lực
học của chi tiết mô phỏng cẳng chân
68