TÓM TẮT LUẬN VĂN
Tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu về cơ thể người là một lĩnh vực khoa học đã có lịch sử lâu
đời và đang ngày càng phát triển. Đó là một lĩnh vực khoa học rộng lớn gồm
nhiều bộ phận hợp thành. Nghiên cứu về hệ vận động của con người mà một
trong những bộ phận đó.
Trong cuộc sống con người, sự vận động của cơ thể là một hoạt động
thường xuyên và phổ biến nhất. Dựa trên những thành tựu của khoa học kỹ
thuật, nghiên cứu về hệ vận động của con người đã thu được rất nhiều kết quả
to lớn. Các kết quả nghiên cứu đó giúp cho các nhà khoa học đánh giá đúng
được các tác động từ quá trình vận động đến cơ thể người mà cụ thể là hệ
xương khớp. Từ đó đưa ra được các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả vận
động của con người đồng thời tìm được các biện pháp để giảm tác động xấu
đến cơ thể người, làm cho con người vận động thoải mái và an toàn nhất.
Khi con người vận động thì chi dưới chính là bộ phận chính thực hiện quá
trình ấy và nó cũng là bộ phận đầu tiên tiếp nhận các tác động cơ học tác dụng
vào cơ thể người. Nghiên cứu về chi dưới trong quá trình vận động là một vấn
đề rất phức tạp, từ sự phức tạp của bản thân cấu tạo chi dưới và quá trình vận
động. Dựa trên những thành tựu khoa học kỹ thuật ta có thể đơn giản sự phức
tạp ấy để đưa ra các giải pháp nghiên cứu đơn giản hơn mà kết quả của nó có
thể đạt được độ chính xác tương đối đảm bảo.
Vì vậy, đề tài: “Mô hình hoá lực tác động tại các các khớp chân người
khi vận động” là một vấn đề nghiên cứu rất cần thiết và có ý nghĩa.
1
Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là: Mô hình hóa chi dưới: Xây dựng mô hình
hình học, vật lý và mô hình toán học mô tả động lực học hệ xương khớp chi
dưới.
Tìm ra được các quy luật động lực học, xác định được phản lực tại các
khớp của chi dưới khi người vận động.
Tìm hiểu các kỹ thuật máy tính để áp dụng vào việc tính toán và mô phỏng

kết quả nghiên cứu.
- Tìm hiểu được các phương pháp tính toán hiện đại bằng máy tính
để giải các bài toán động lực học.
- Từ kết quả của luận văn, có thể xây dựng được một phương pháp
giải các bài toán động lực học có thể áp dụng cho tất cả các khớp trong
cơ thể người.
- Ý nghĩa thực tiễn:
- Ứng dụng kỹ thuật máy tính để mô hình hóa chi dưới và giải bài
toán động lực học. Kết quả khảo sát bằng phương pháp số trên Matlab,
Matlab-Simulink và kết qủa mô phỏng trên ANSYS chính là cơ sở để
đưa ra các nhận xét về các lực tác động tại các khớp của chi dưới khi
người vận động, từ đó có thể ứng dụng trong các nghiên cứu về y học,
thể thao Thêm vào đó phương pháp nghiên cứu sử dụng có thể áp dụng
cho các mô hình cơ học tương tự.
Cấu trúc luận văn
23
3
Nội dung luận văn được chia thành 4 chương, cuối luận văn là kiến nghị cho
hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm:
Phần mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Tính toán động lực học hệ xương khớp chi dưới
Chương 3: Khảo sát quy luật thay đổi lực tác dụng lên các khớp của chi dưới
khi vận động.
Chương 4: Mô phỏng động lực học hệ xương khớp chi dưới
Những vấn đề còn tồn tại của luận văn: Để đơn giản hoá quá trình tính toán
tác giả đã phải dựa trên nhiều giả thiết dẫn đến kết quả còn chưa thật phù hợp
với thực tế, độ chính xác chưa cao.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan về kỹ thụât Biomanchanic

Đưa ra các kết quả mô phỏng động lực học. Các kết quả bao gồm: Vận tốc, gia
tốc, chuyển vị các khâu, các phản lực tại các khớp.
Từ các kết quả mô phỏng động lực học bằng phần mềm Ansys ta thấy: Từ
các thiết lập ban đầu của bài toán trong Ansys, tương ứng với trường hợp 1
trong bài toán khảo sát bằng phương pháp số, các kết quả giải trong 2 trường
hợp có sự sai khác tuy nhiên giá trị sai số là không đáng kể, sai số ở đây có thể
là do các thiết lập điều kiện đầu trong Ansys và trong khi khảo sát bằng
phương pháp số là không hợp lý.
Từ kết quả mô phỏng động lực học trong Ansys ta thấy trong trường hợp
khảo sát (tương đương trường hợp 1 khi khảo sát bằng phương pháp số) phản
lực tại các khớp của chi dưới không quá lớn.
KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN
Luận văn đã có được những đóng góp mới trong lĩnh vực nghiên cứu, khảo
sát mô hình hoá lực tác động tại các khớp chân người khi vận động, cụ thể là:
- Trên cơ sở phân tích đặc điểm giải phẫu học và các đặc trưng cơ lý của
hệ xương khớp chi dưới, thiết lập các bộ thông số, xây dựng mô hình cơ hệ, từ
đó thiết lập các phương trình vi phân chuyển động của chi dưới. Xây dựng các
công thức tính phản lực khớp động tại các khớp chi dưới.
Chi dưới bao gồm một đai, gọi là đai chi dưới hay đai chậu và phần tự do
của chi dưới bao gồm đùi, cẳng chân và bàn chân.
Đai chi dưới tạo thành bởi 2 xương chậu, xương cùng và xương cụt thành
khung chậu.
Đùi gồm xương đùi và xương bánh chè.
Cẳng chân gồm xương chày và xương mác.
Bàn chân có các xương cổ chân, các xương bàn chân và các xương đốt
ngón chân.Các xương chi dưới được liên kết với nhau bằng các khớp động
giống như chi trên.
1.2.2. Tầm quan trọng của chi dưới
1.2.3. Hoạt động và các đặc trưng cơ lý của hệ xương khớp chi dưới
- Cử động của đùi

hình vào Ansys, thiết lập các điều kiện ban đầu và tải cho mô hình và đưa ra
các kết quả tính toán động lực học trong Ansys. Rút ra các kết luận từ kết quả
nghiên cứu.
1.5. Kết luận chương 1.
Nội dung trong chương này đã trình bày tổng quan về hệ xương khớp
chi dưới: Cấu trúc, tầm quan trọng, hoạt động và các đặc trưng cơ lý của hệ
xương khớp chi dưới. Tổng quan các công trình đã nghiên cứu về hệ
Kết quả phản lực tại các khớp
Gia tốc góc
của các khâu
6
31
xương khớp chi dưới. Từ việc phân tích các nội dung trên, cho phép xây
dựng mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn.
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ XƯƠNG KHỚP CHI
DƯỚI
2.1. Xây dựng mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới
2.1.1. Các giả thiết
- Khi khảo sát động lực học của chi dưới ta giả thiết thân người cố định,
các bộ phận đùi, cẳng chân, bàn chân coi như là các khâu phẳng có khối lượng
tập trung đặt tại trọng tâm của nó.
- Các khớp hông, khớp gối, khớp tại cổ bàn chân là các khớp quay. Trọng
tâm các khâu nằm trên đường thẳng nối tâm của các khớp quay.
2.1.2. Mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới
Xây dựng mô hình chi dưới là cơ hệ gồm 4 khâu phẳng như hình vẽ. (Hình 2.1)
Cơ hệ gồm 4 khâu:
- Thân người coi như cố định đóng vai trò là giá.
- Đùi là khâu 1 nối với giá bằng khớp quay O.
- Cẳng chân là khâu 2 nối với khâu 1 bằng khớp quay A.
- Bàn chân là khâu 3 nối với khâu 2 bằng khớp quay B.

= O
2
A
- Khoảng cách từ vị trí khớp B đến trọng tâm khâu 3: a
3
= O
3
B
- Các góc quay của các khâu 1, 2, 3 quanh các khớp O, A, B theo
phương thẳng đứng là : φ
1
, φ
2
, φ
3
Hình 2.1. Mô hình hình học hệ xương khớp chi dưới
4.2. Mô phỏng động lực học chi dưới bằng phần mềm ANSYS
4.2.1. Mô hình chi dưới trong ANSYS
4.2.2. Thiết lập các điều kiện đầu và điều kiện biên cho bài toán trong
ANSYS
a) Các thuộc tính của các chi tiết trong mô hình
b) Thiết lập các vị trí ban đầu và các điều kiện của các chi tiết.
c) Thiết lập tải trọng
4.2.3. Các kết quả tính toán động lực học trong ANSYS
29
8
Do đó trong cuộc sống của con người, cần tránh những trường hợp cơ thể
tiếp đất chịu tác dụng của các lực đột ngột, đối với những người phải vận động
với cường độ cao (như vận động viên) thì phải có chế độ theo dõi và kiểm tra
hệ xương khớp liên tục để tránh những chấn thương do áp lực tại các khớp là

Y
là các phản lực của mặt đất theo phương X, Y tác dụng lên
bàn chân.
P
3
= m
3
g là trọng lượng của bàn chân (khâu 3), đặt tại trọng tâm của
khâu 3 – O
3
P
2
= m
2
g là trọng lượng của bàn chân (khâu 2), đặt tại trọng tâm của
khâu 2 – O
2
P
1
= m
1
g là trọng lượng của bàn chân (khâu 1), đặt tại trọng tâm của
khâu 1 – O
1
2.3. Mô hình toán động lực học hệ xương khớp chi dưới
Mô hình toán của hệ động lực học chi dưới được xây dựng theo lý thuyết cơ
học hệ nhiều vật, áp dụng phương pháp Newton-Eler.
Hệ phương trình Newton-Eler được xây dựng theo các bước sau:
1. Xác định các Vec tơ tọa độ khối tâm của các khâu.`
2. Xác định các ma trận Jacobi tịnh tiến và các đạo hàm của chúng

Từ đó ta có thể thấy khi con người vận động với cường độ cao, thì phản lực
tại các khớp là lớn hơn nhiều so với trọng lượng cơ thể, tần số và biên độ thay
đổi của các áp lực đó cũng lớn hơn nhiều so với các trường hợp khác.
( , ) ( , , )M q T q k q q t Q+ =
gg g
10
3.2. Kết quả khảo sát mô hình toán phản lực trong các khớp của chi dưới
1 1
2 2
3 3
1 1
2 2
3 3
( , )
T
T
T
C R
C R
C R
m J
m J
m J
M q T
I J
I J
I J
 
 ÷
 ÷

ϖ ω
ϖ ω
 
 ÷
 ÷
 ÷
 ÷
 ÷
 ÷
 ÷
=
 ÷
 ÷
+
 ÷
 ÷
 ÷
+
 ÷
 ÷
 ÷
+
 
g
g
g
g
g
g
g

1
1 1 2 1 3 1 1 2 2 1 3 1 2 1 2 3 1 3 1 3
2 2
2 2 1 3 1 2 1 2 2 2 3 2 2 3 2 3 2 3 2
2
3 1 3 1 3 3 2 3 2 3 3 3 3
3
( ) os( ) os( )
( ) os( ) os( )
os( ) os( )
m a m l m l I m a l m l l c m l a c
m a l m l l c m a m l I m l a c
m l a c m l a c m a I
ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ
 
 ÷
 
+ + + + − −
 ÷
 ÷
+ − + + − +
 ÷
 ÷
 ÷
 ÷
− − +

2
.
1 1 1 1 1 1 1
n l cos a cos )
m ( l sin l sin a sin l cos l cos a cos )
m ( a sin a cos )
ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ






+ +



− + + + + +


− +


10 12 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
( )sin ( ) os
qt qt
A y A x
M M Y l Pa F a X l F a c I

 ÷
− + −
 ÷
 
g
g
g
g
g
g
1 1 1 2 1 3 1 1 1 1 1
2 2 2 3 2 2 2 2 2
3 3 3 3 3 4 3 3 4
sin ( ) sin cos
sin ( ) sin cos
sin cos (2 ) sin (2 )
Y X
Y X
X Y
g m a m l m l R l R l
g m a m l R l R l
gm a R a a R a a
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
− + + + +
 
 ÷
− + + +
 ÷

0 ( )sin( ) sin( )
( ( )sin( ) 0 sin( )
sin( ) sin( ) 0
m a l m l l m a l
B m a l m l l m a l
m a l m l a
ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ
+ − −
 
 ÷
= − + − −
 ÷
 ÷
− − −
 
2 2
11 1 1 2 3 1 1
12 2 2 1 3 1 2
13 3 1 3
2 2
22 2 2 3 2 2
23 3 2 3
2
33 3 3 3
1 1 1 2 3 1
2 2 2 3 2
3 3 3
( )

ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ
− −
 
 ÷
= − −
 ÷
 ÷
− −
 
12 1 2 13 1 3
12 1 2 23 2 3
13 1 3 23 2 3
0 sin( ) sin( )
sin( ) 0 sin( )
sin( ) sin( ) 0
N N
B N N
N N
ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ
− −
 
 
= − − −
 
 
− − − −

0 0
m ga m m gl
C m ga m l g
m ga
+ +
 
 ÷
= +
 ÷
 ÷
 
11
12
3.1.3. Phản lực tại khớp O
các trường hợp. Đây là cũng là một phương pháp mô hình hóa hiện đại và
hiện nay đang được ứng dụng rất nhiều. Vì vậy kết quả nghiên cứu này cũng
có thể là một tài liệu tham khảo để nghiên cứu các mô hình cơ học tương tự.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÁC KHỚP CHI
DƯỚI KHI VẬN ĐỘNG
3.1. Khảo sát phản lực liên kết trong các khớp của chi dưới
3.1.1. Các giả thiết
- Sử dụng các giả thiết và mô hình khi khảo sát động lực học cơ hệ 3 bậc tự
do.
- Coi phản lực của mặt đất tác dụng lên bàn chân là phản lực tập trung đặt
cách tâm khớp B một đoạn có chiều dài là a4, vị trí của a4 phụ thuộc vào vị trí
tiếp đất và sẽ được xét trong các trường hợp cụ thể.
- Bỏ qua ảnh hưởng của các lực và mô men do hệ thống cơ chi dưới gây ra.
3.1.2. Phản lực tại khớp B
Mô hình toán hệ động lực học xương khớp chi dưới rút gọn như sau:
2 2 2



+ + + + +


21 23 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
( ) os ( )sin
qt qt
B x B y
M M X l F a c Y l P a F a I
ϕ ϕ ε
= + − + + − − + −
25
2 2 2
. . .
B x 3 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 1 1 2 2 2 3 3 3
2 2 2
. . .
B y 3 3 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 1 1 2 2 2 3 3 3
X R m (l cos l cos a cos l sin l sin a sin )
Y R m g m ( l sin l sin a sin l cos l cos a cos )
ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

=− − + + − − −



=− + − + + + + +


ϕ
 
 
 
 ÷
 
 
 ÷
 
 
+ + =
 ÷
 
 
 ÷
 
 
 
 ÷
 
 
 
g
gg
gg g
gg
g
2.4. Khảo sát mô hình toán bằng phương pháp số
2.4.1. Xác định các thông số đầu vào
Các kích th c liên quan n chi d i c xướ đế ướ đượ

I
3
= m3*(0.475*l
3
)
2
I
2
= m
2
*(0.302*l
2
)
2
I
1
= m
1
*(0.323*l
1
)
2
Khoảng cách
tính từ khớp
đến trọng tâm
a3 = 0.564*l
3
a
2
= 0.384*l

mô hình hóa từng phần tử của các ma trận, và dùng các hàm toán học của
Simulink để kết nối và giải mô hình.
Mô hình khảo sát hệ động lực học xương khớp chi dưới
Kết quả: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 1
Kết quả: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 2
Bảng 2.2. Các thông số khối lượng, kích thước các bộ phận chi dưới cụ thể[11]
Bộ phận Bàn chân Cẳng chân Đùi
Khối lượng (kg) m
3
= 0.9425 m
2
= 3.0225 m
1
= 6.5
Chiều dài (m) l
3
= 0.2584 l
2
= 0.4182 l
1
= 0.4165
23
22
Mô men quán
tính chính
(kg.m
2
)
I
3

(0) được xác định
thành các bộ thông số đầu vào trong từng trường hợp cụ thể.
- Trường hợp 1: Khi người đi lại ở tư thế thân người thẳng đứng.
- Trường hợp 2: Khi người ở tư thế ngồi, lực tác dụng từ mặt đất vuông góc
với bàn chân.
- Trường hợp 3: Khi người đi lại bình thường bàn chân tiếp đất tại mũi bàn
chân, cẳng chân và đùi ở tư thế co.
Bảng 2.3. Các thông số đầu vào trong từng trường hợp khảo sát cụ thể
Giá trị TH 1 TH 2 TH 3
a4 (m) 0.129 0.129 0.180
Rx (N) 10 5 20
Ry (N) 650 100 600
φ
1
(0) (rad) 0 Pi/2 Pi/4
φ
2
(0) (rad) 0 0 Pi/6
φ
3
(0) (rad) Pi/2 Pi/2 Pi/4
.
1
(0)
ϕ
(rad/s)
0 0.02 0
.
2
(0)

ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
 
 
 
 ÷
 
 
 ÷
 
 
+ + =
 ÷
 
 
 ÷
 
 
 
 ÷
 
 
 
g
gg
gg g
gg

Nhập số liệu cho
phần xử lý
21
Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 1
Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 2
Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 3
20
2.4.3. Kết quả khảo sát mô hình toán động lực học cơ hệ
+ Trường hợp1:
+ Trường hợp 2:
Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 3
Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 2
Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 1
Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 3
Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 2
Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 1
17
18
19