Thiết bị bộ xương ngoài phục hổi chức năng cho khớp gối với 6 bậc tự do

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
1 
THIẾT BỊ BỘ XƯƠNG NGOÀI PHỤC HỔI CHỨC NĂNG 
CHO KHỚP GỐI VỚI 6 BẬC TỰ DO 
DESIGN OF A 6 D.O.F ACTIVE EXOSKELETON FOR THE 
FUNCTIONAL REHABILITATION OF HUMAN KNEE JOINT 
Huỳnh Long Triết Giang 1,* , Cái Việt Anh Dũng 2,*, Hồ Quang Hưng3, 
Nguyễn Việt Thắng2, Nguyễn Minh Tâm4 
1 Trường đại học Công Nghệ Sài Gòn, Việt Nam 
2 Trường đại học Quốc Tế Miền Đông, Bình Dương, Việt Nam 
3
Bệnh viện Chợ Rẫy, TP.HCM, Việt Nam 
4 Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Việt Nam 
Ngày toà soạn nhận bài 20/4/2020, ngày phản biện đánh giá 27/4/2020, ngày chấp nhận đăng 15/5/2020. 
TÓM TẮT 
Nghiên cứu này trình bày thiết kế chi tiết của thiết bị phục hồi chức năng chủ động cho 
khớp gối. Thiết bị có gắn động cơ, cảm biến mô-men và các cảm biến đo chuyển động cho phép 
hoạt động trong cả 2 chế độ: thụ động và chủ động. Ở chế độ thụ động, thiết bị vận hành theo 
một quỹ đạo được thiết lập sẵn, đồng thời cung cấp số liệu đo chuyển động khớp và mô-men 
tương tác với khớp gối. Ở chế độ chủ động, mô-men tương tác được điều khiển, cho phép thiết 
bị cung cấp lực cản trở, hoặc hỗ trợ tại những thời điểm cần thiết trong quá trình chuyển động 
của khớp. Thiết kế sử dụng chuyển động của 3 khớp xoay và 3 khớp tịnh tiến tạo thành 6 bậc tự 
do chuyển động trong không gian, giúp thiết bị không tạo ra bất kỳ hạn chế cơ học nào cho 
người sử dụng khi vận hành. 
Từ khóa: Phục hồi chức năng khớp gối; Thiết bị bộ xương ngoài cho chi dưới; Cơ cấu đẳng 
tĩnh cho khớp sinh học; Động học khớp gối; Điều khiển mô-men tương tác. 
ABSTRACT 
This paper describes the design of a knee joint active exoskeleton. The device has one 
motorized degree of freedom to create motions at the knee level of the user. It is also equipped 
with a torque sensor and a set of optical encoders (position sensors) which allow the system 
to operate both in passive and active modes. In passive mode, the device provides motions 
according to a preprogrammed trajectory, meanwhile providing measuring data of the knee 
kinematics as well as of the interaction torque that is transmitted from the device to the knee. 
In active mode, the interaction torque is controlled in closed-loop, allowing the system to 
provide resistive or assistive torques to the knee during its motions. The design comprises the 
use of 3 prismatic and 3 rotative mechanical joints that together form 6 degrees of freedom 
serial kinematic chain, eliminating then all residual force/torque components which may 
constraint the natural motion of the user’s knee. 
Keywords: Knee functional rehabilitation; Lower limb exoskeleton; Isotatic mechanisms for 
anatomical joints; Knee joint kinematics; Interaction torque control. 
1. GIỚI THIỆU 
Trong quá trình phục hồi chức năng 
khớp gối, kỹ thuật viên cần xác định chính 
xác những thay đổi về khả năng vận động 
của khớp nhằm đánh giá kết quả điều trị. 
Việc đánh giá này từ lâu được thực hiện chủ 
yếu bằng các phương pháp thủ công. Nhược 
điểm lớn của các phương pháp này là độ tin 
cậy thấp do phụ thuộc vào cảm giác phán 
đoán của từng kỹ thuật viên hoặc chuyên gia, 
mà cảm giác này thay đổi theo từng người. 
2 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Việc thu thập dữ liệu chính xác chuyển 
động sinh học của khớp có ý nghĩa quan 
trọng trong việc nâng cao chuẩn hóa chẩn 
đoán và điều trị. Trong lĩnh vực cơ sinh học, 
rất nhiều nhóm nghiên cứu đã tiến hành thực 
nghiệm về vấn đề này. Năm 2000, Wilson và 
các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu mức vận 
động của khớp gối bằng cách cố định xương 
chày trên một bề mặt làm việc, sau đó gấp 
mở xương đùi để tạo chuyển động. Bằng 
phương pháp thủ công này, nhóm nghiên cứu 
có thể quan sát và ghi nhận chuyển động của 
khớp [1]. Năm 2004, Li và các cộng sự cũng 
dùng trực tiếp xương chày và xương đùi để 
đo chuyển động về góc giữa hai xương và 
tìm hiểu về mối liên quan giữa việc chịu tải 
của bó cơ [2]. Năm 2016, Ricardo cùng 
nhóm nghiên cứu đã thí nghiệm trực tiếp trên 
xương chày và xương đùi, sử dụng công 
nghệ xử lý ảnh để mô phỏng hình ảnh dưới 
dạng 3D và đồng thời cung cấp dữ liệu về 
trục quay tức thời của khớp gối [3]. 
Các phương pháp phục hồi chức năng hệ 
cơ xương khớp phổ biến hiện tại có thể được 
tiến hành theo 2 cách: sử dụng các bài tập thủ 
công có sự tiếp xúc trực tiếp của người kỹ 
thuật viên, hoặc sử dụng thiết bị máy móc hỗ 
trợ. Năm 2008, Thompson cải tiến máy tập 
thụ động (CPM - continuous passive motion), 
một thiết bị sử dụng một động cơ hỗ trợ cho 
hoạt động gấp mở của khớp gối. Tuy nhiên, 
máy tập thụ động này chỉ có 1 bậc tự do gấp 
mở khiến cho cẳng chân hoặc phần đùi sẽ 
không được thoải mái, đồng thời thiết bị 
không có chức năng bảo vệ khi có sự cố cũng 
như không có chức năng tập lực chủ động [4]. 
Năm 2011, Cai. và đồng sự xây dựng thiết bị 
bộ xương ngoài cho khớp gối với 6 bậc tự do, 
gồm 5 chuyển động xoay và 1 chuyển động 
tịnh tiến. Thiết bị sử dụng bộ truyền động ma 
sát trượt cho phép bảo vệ khớp sinh học bằng 
cách điều chỉnh ngưỡng trượt của bánh ma 
sát. Việc thêm vào các bậc tự do thụ động 
trong cơ cấu giúp loại bỏ các thành phần lực 
& mô-men ràng buộc, sinh ra từ sự lệch trục 
giữa trục động cơ và trục sinh học, cho phép 
người sử dụng có được cảm giác di chuyển 
một cách linh hoạt, tự nhiên hơn [5]. 
Có rất nhiều nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ 
phục hồi khớp gối. Hầu hết tập trung vào bậc 
tự do chuyển động chính của khớp gối 
(gấp/mở) và bỏ qua các bậc tự do khác, cũng 
như ít khi cung cấp 1 dữ liệu đo đầy đủ về 
chuyển động sinh học của khớp trong 3D, 
điều giúp quá trình chẩn đoán trở nên chính 
xác hơn. Trong bài báo này, chúng tôi mô tả 
thiết kế 1 thiết bị phục hồi chức năng chủ 
động cho khớp gối với 1 bậc tự do chủ động 
(gấp/mở). Cũng giống như thiết bị được giới 
thiệu trong [5], phiên bản mới này có tổng 
cộng 6 bậc tự do, nhưng với thiết kế tối ưu 
hơn. Thiết kế mới gồm 3 bậc tự do quay và 3 
bậc tự do trượt, cho phép phân biệt các bậc tự 
do quay và trượt của khớp sinh học, đồng thời 
tối ưu hóa chỉ số điều hòa của cơ cấu [6]. 
Ngoài ra, phạm vi vận động của khớp gối có 
thể được xác định nhờ vào 6 cảm biến đo 
chuyển động (encoder) đặt tại 6 khớp của thiết 
bị. Tại khớp đầu tiên (gấp/mở), cảm biến 
mô-men được lắp đặt cho phép đo lực vận 
động của chân, đồng thời cho phép xác định 
giới hạn lực của khớp gối của người sử dụng. 
2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ 
Thiết bị được thiết kế với sáu bậc tự do 
trong không gian, bao gồm 3 chuyển động 
xoay và 3 chuyển động tịnh tiến, phù hợp 
với độ linh hoạt của khớp sinh học vì trong 
không gian, một vật rắn được gọi là tự do khi 
6 bậc tự do chuyển động không bị hạn chế . 
Hình 1. Thiết kế 3D của thiết bị 
Thiết kế 3D của thiết bị được mô tả ở 
Hình 1. Thiết bị được kết nối với đùi và cẳng 
chân bằng 2 miếng ốp composite. Thiết kế 
này cho phép đùi chuyển động linh hoạt. 
Cảm biến mô-men để đo lực và sáu cảm biến 
đo góc (encoder) được đặt ở 6 khớp cơ học 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
3 
để đo chuyển động tại những vị trí này (Hình 
2). Dữ liệu từ các encoder và cảm biến 
mô-men được truyền về máy tính để xử lý 
tính toán. 
Hình 2. Cách bố trí cảm biến trên thiết bị 
Cảm biến đo góc (encoder) được bố trí ở 
6 vị trí trên thiết bị là loại encoder 1024 xung, 
trong đó 3 encoder dùng để đo chuyển động 
xoay, 3 encoder dùng đo chuyển động tịnh 
tiến. Thiết bị sử dụng cơ cấu truyền động đai 
để biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển 
động xoay. Sử dụng encoder, ta dễ dàng đọc 
được giá trị góc quay, từ đó suy ra vị trí 
chuyển động của khớp tịnh tiến như hình 3. 
Hình 3. Cách gắn encoder tại khớp trượt 
nhằm đo chuyển động tịnh tiến của khớp. 
Bằng cách sử dụng 2 puli ở 2 đầu của 
khớp tịnh tiến, encoder được gắn cố định vào 
1 trong 2 pulley như hình 3 và dây đai được 
kết nối vào con trượt. Khi khớp chuyển động 
tịnh tiến 1 đoạn thì puli cũng xoay được một 
số lượng xung tương ứng. 
Cảm biến mô-men cũng được lắp trên 
thiết bị tại khớp 1 vì đây là khớp xoay chính. 
Thiết bị cho phép phát hiện giới hạn trên và 
dưới của vị trí góc quay chính của khớp gối, 
giúp người sử dụng có thể chủ động tìm được 
giới hạn của khớp gối mình một cách chủ 
động. Đồng thời việc sử dụng giá trị của 
encoder cùng với cảm biến mô-men có thể 
giúp ích cho việc chẩn đoán và vẽ phác đồ 
hồi phục khớp gối của người sử dụng. 
3. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC 
Sơ đồ động học của thiết bị đo khớp gối 
bao gồm 3 khớp xoay và 3 khớp tịnh tiến tạo 
thành một thiết bị đo 6 bậc tự do trong không 
gian. Với việc sử dụng các khớp tịnh tiến có 
trục vuông góc với nhau từng đôi một và sử 
dụng khớp các-đăn với 2 trục quay vuông 
góc và giao nhau cho các góc quay 3 và 4 [7], 
độ cứng vững của thiết bị được đảm bảo và 
quá trình tính toán bài toán động học cũng 
trở nên đơn giản hơn. Thiết bị đồng thời cũng 
cho phép hiệu chỉnh kích thước theo độ dài 
chi dưới của nhiều người sử dụng khác nhau. 
Hình 4. Hệ trục tọa độ của thiết bị 
Hình 4 thể hiện sơ đồ động học được xây 
dựng cho thiết bị, theo nguyên tắc đặt thông 
số Denavit-Hartenberg biến đổi (Modified 
D.H. Notation) [8]. Các thông số D.H. của 
thiết bị được liệt kê trong bảng 1 bên dưới. 
Bảng 1. Bảng thông số D.H biến đối 
 ai αi di θi 
Joint 1 0 0 0 θ1 
Joint 2 0 π/2 r2 -π/2 
Joint 3 0 -π/2 0 θ3 
Joint 4 0 π/2 0 θ4 
Joint 5 0 -π/2 r5 -π/2 
Joint 6 0 -π/2 r6 0 
4 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Phương trình (1) biểu diễn ma trận 
chuyển đổi D-H (Modified 
Denavit-Hartenberg), thể hiện mối tương 
quan giữa khớp thứ i-1 và i 
0
0 0 0 1
i i i
i i i i i i i
i i i i i i i
C S a
C S C C S d S
S S S C C d C
i-1,i
T
 
   
   
 (1)
Các ma trận biến đổi đồng nhất giữa các 
hệ trục tọa độ liền kề nhau trên cơ cấu được 
viết theo công thức (1). Ở đây, ma trận Jacobi 
được nhóm tác giả chọn viết tại điểm P trong 
hệ trục tọa độ R3(x3, y3, z3). Các ma trận 
biến đổi đồng nhất giữa (R3) và (R0) cũng 
như giữa (R3) và (R6) được viết như sau: 
1 3 1 3 1 2 1
1 3 1 3 1 2 1
3 3
4 4 6 4 5 4
4 4 6 4 5 4
;
0 0
0 0 0 1
0
1 0 0 0
;
0
0 0 0 1
.
1
S S S C C r S
C S C C S r C
C S
S C r C r S
C S r S r C
     
     
 
   
   
03
36
06 06
06 03 36
T
T
R d
T T T
0
 (2) 
Ngoài phương pháp đạo hàm từng phần 
phương trình động học thuận, ma trận Jacobi 
còn có thể được thiết lập bằng cách gộp các 
tóoc-xơ vận tốc của tất cả các khớp của cơ 
cấu (với điều kiện là cơ cấu nối tiếp – không 
có vòng kín động học). Quy tắc viết được thể 
hiện trong phương trình (3) và (4) dưới đây: 
/Rj
 
Rj
i
i /
i i
z
$
PO z
 với khớp quay (3) 
/Rj
Rj
i /
i
0
$
z
với khớp trượt (4) 
Các tóoc-xơ vận tốc viết tại điểm P cho 
mỗi khớp của cơ cấu được xác định như sau: 
3
3
3
/
3
3
6 3 4 5 3 4 2 3 3
2
6 3 4 5 3 4 2 3
2
6 3 4 5 3 4 2 3 /
0
;
R
R
R
C
S
r S C r S C r S C
r C C r C C r C
r S C r S S r S


     
    
    
 
1
1/
1 1
z
$
PO z
3
3
3
3/
3
/
0
0
0
;
0
R
R
R
S
C


2/
2
0
$
z
3
3
3
/
6 4 5 4
/
0
0
1
;
0
0
R
R
R
r C r S 
 
3
3/
3 3
z
$
PO z
3
3
3
6 4 5 4/
6 4 5 4 /
0
1
0
;
0
R
R
R
r C r C
r C r S
 
 
  
4
4/
4 4
z
$
PO z
3
3
3
4/
4 /
0
0
0
;
0
R
R
R
S
C


5/
5
0
$
z
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
5 
3
3
3
4/
4 /
0
0
0
0
R
R
R
C
S


6/
6
0
$
z
Theo quy tắc truyền động, chuyển động 
tại 1 điểm P trên cơ cấu là tổng chuyển động 
tạo ra ở mỗi khớp riêng biệt. Do đó, ma trận 
Jacobi của hệ thống, viết tại điểm P, trong hệ 
trục tọa độ (R3), có thể được xác định bằng 
cách gộp 6 vec-tơ này lại với nhau, tạo thành 
1 ma trận 6x6 như sau: 
3
3
3
/ R
/ R
/ R
ω
v
1 2 3 4 5 6
J
J(P)
J (P)
$ $ $ $ $ $
 (5) 
Ma trận 3x6 ωJ hợp bởi 3 dòng đầu tiên 
của ma trận Jacobi được gọi là ma trận 
Jacobi vận tốc góc. Ma trận 3x6 
vJ (P) hợp 
bởi 3 dòng cuối cùng của ma trận Jacobi 
được gọi là ma trận Jacobi vận tốc thẳng. 
Vec-tơ vận tốc góc và vận tốc thẳng của điểm 
P có thể được xác định bằng phương trình 
động học vận tốc thuận: 
3
3
/ R
/ R
.
 P
ω
J(P) q
v
 (6) 
Trong nội dung bài báo này, nhóm tác 
giả chỉ đo chuyển động quay của khớp gối. 
Dữ liệu của vec-tơ vận tốc góc ω của hệ 
thống có thể được sử dụng cho mục đích này. 
Từ các phương trình (5) và (6), công thức 
tính giá trị của vec-tơ này có thể được xác 
định cụ thể như sau: 
3 0 3
3
1 3
/ R 1 3 4 / R / R
3
/ R
; .
C
S
03ω ω R ω
 
  

 (7) 
Các góc quay của khớp gối (gấp/mở, 
xoay trong/xoay ngoài, vẹo trong/vẹo ngoài) 
có thể được xác định bằng 3 góc ψ, θ, và φ, 
định nghĩa theo Grood and Suntay (1983) [9]. 
Các ma trận quay của 3 góc quay này lần 
lượt được định nghĩa như sau: 
0
0 ;
0 0 1
C S
R S C
 
 
1 0 0
0 ;
0
R C S
S C
  
 
0
0 1 0 ;
0
C S
R
S C
 (8) 
Ma trận quay RG được tạo ra bởi 3 góc 
quay θ, φ và ψ được xác định như sau: 
. .R R R
C C S S S S C C S S S C
S C C S S C C S S C S C
C S S C C
  
        
        
   
G
R
 (9) 
Bằng cách so sánh ma trận quay R0f của 
cơ cấu với RG, ta có thể xác định được 3 góc 
θ, φ và ψ này: 
. 0f 06 6f GR R R R (10) 
Ở đây, ma trận R6f cho phép chuyển hệ 
quy chiếu từ (R6) sang hệ quy chiếu của 
Grood and Suntay [9], có giá trị như sau: 
0 1 0
1 0 0
0 0 1
6fR
 (11) 
Các góc quay Euler có thể được xác định 
trực tiếp từ phương trình (9), (10) và (11) 
như sau: 
0 0
0 0
2
0
arctan 2( (1,2), (2,2));
arctan 2( (3,1), (3,3));
(3,2); 1
arctan 2( ,C );
f f
f f
f
R R
R R
S R C S
S

  
  
 (12) 
6 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 
Hình 5. Thiết bị được chế tạo thực tế 
Hình 5 mô tả thiết bị đã được chế tạo. 
Thiết bị được gắn chặt lên thành ghế. Trước 
khi sử dụng, thiết bị sẽ được cố định tại vị trí 
cho trước để đảm bảo các thông số khớp ở 
chính xác tại vị trí ban đầu. Lúc này ta có: 
1 4
2 20 5 50
6 603
90 0
;
0
r l r l
r l
 

 (13) 
Để thử nghiệm hệ thống, nhóm tác giả 
thực hiện 3 thí nghiệm: 
- TN1: Điều khiển hệ thống di chuyển theo 
ý muốn của người sử dụng. 
- TN2: Điều khiển cản trở theo chiều mở 
khớp gối. 
- TN3: Điều khiển cản trở theo chiều gấp 
khớp gối. 
Để thực hiện các thí nghiệm này, nhóm 
cài đặt bộ điều khiển vòng kín mô-men tương 
tác cho thiết bị thông qua cảm biến mô-men 
được gắn ở đầu ra của trục quay thứ 1 của cơ 
cấu (xem hình 6). Đây cũng chính là trục 
quay được điều khiển trực tiếp bởi động cơ 
DC. 
Hình 6. Bộ điều khiển mô-men tương tác 
Giá trị đặt của bộ điều khiển mô-men 
tương tác được xác định dựa theo công thức 
sau: 
i gM M M (14) 
Với Mi là mô-men tương tác mong muốn 
điều khiển, Mg là mô-men sinh ra bởi khối 
lượng của các khâu của cơ cấu tác động lên 
trục quay thứ nhất. Kết quả thực nghiệm của 
thí nghiệm thứ 1, thứ 2 và thứ 3 lần lượt 
được trình bày trong các hình 7a, 7b, 7c; 8a, 
8b, 8c và 9a, 9b, 9c. 
Hình 7a. TN1: Các thành phần vec-tơ vận 
tốc góc đo trong hệ quy chiếu R0. (1): wx0, 
(2): wy0, (3): wz0. 
Hình 7b. TN1: Các góc quay sinh học của 
khớp gối. (1): Gấp – Mở, (2): Vẹo trong – 
Vẹo ngoài, (3): Xoay trong – Xoay Ngoài.. 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
7 
Hình 7c. TN1: Dữ liệu đo mô-men tương tác 
đo bởi cảm biến mô-men. 
Hình 8a. TN2: Các thành phần vec-tơ vận 
tốc góc đo trong hệ quy chiếu R0. (1): wx0, 
(2): wy0, (3): wz0. 
Hình 8b. TN2: Các góc quay sinh học của 
khớp gối. (1): Gấp – Mở, (2): Vẹo trong – 
Vẹo ngoài, (3): Xoay trong – Xoay Ngoài.. 
Hình 8c. TN2: Dữ liệu đo mô-men tương tác 
đo bởi cảm biến mô-men. 
Hình 9a. TN3: Các thành phần vec-tơ vận 
tốc góc đo trong hệ quy chiếu R0. (1): wx0, 
(2): wy0, (3): wz0. 
Hình 9b. TN3: Các góc quay sinh học của 
khớp gối. (1): Gấp – Mở, (2): Vẹo trong – 
Vẹo ngoài, (3): Xoay trong – Xoay Ngoài.. 
8 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Hình 9c. TN3: Dữ liệu đo mô-men tương tác 
đo bởi cảm biến mô-men. 
Hình 7a, 8a, 9a thể hiện các thành phần 
của vec-tơ vận tốc khớp trong hệ quy chiếu 
(R0). Hướng của vec-tơ này cũng chính là 
hướng quay của trục quay sinh học khớp gối. 
Ngoài ra, nếu quan sát thêm góc quay khớp 
gối ở các hình 7b, 8b, 9b, ta thấy rõ minh 
chứng chuyển động khớp gối là 1 chuyển 
động không gian với đủ 3 thành phần. Ngoài 
chuyển động gấp mở là chuyển động chính 
với biên độ lớn nhất, 2 chuyển động còn lại 
(vẹo trong/ vẹo ngoài, xoay trong/xoay 
ngoài) cũng có biên độ đáng kể, nhất là 
chuyển động xoay trong/ xoay ngoài, với 
biên độ lên tới hơn 30º khi khớp gối gấp mở. 
Ở thí nghiệm thứ nhất. Giá trị đặt của bộ 
điều khiển mô-men tương tác được đặt ở 
mức 0. Khi người sử dụng gấp mở khớp gối 
sẽ sinh ra mô-men tương tác, bộ điều khiển 
sẽ tạo chuyển động cùng chiều để đưa 
mô-men này về mức 0. Do đó, thiết bị sẽ di 
chuyển theo chuyển động cẳng chân của 
người sử dụng. Quan sát giá trị cảm biến 
mô-men ở hình 7c, ta thấy mô-men tương tác 
tăng vọt lên tới 1N.m khi người sử dụng đảo 
chiều chuyển động. Đây là mô-men được 
sinh ra bởi lực quán tính của cơ cấu khi đảo 
chiều chuyển động. Để triệt tiêu mô-men này, 
khiến hệ thống trở nên “trong suốt” hơn, nhất 
thiết cần phải cài đặt 1 bộ dự đoán chuyển 
động của người sử dụng. 
Hình 8c và 9c cho thấy rõ tác động của 
bộ điều khiển mô-men tương tác nhằm cản 
trở/hỗ trợ chuyển động của người sử dụng. 
Mô-men tương tác sẽ vọt lên giá trị tối đa khi 
thiết bị được lập trình cản trở chuyển động và 
về gần với 0 khi thiết bị không được lập trình 
cản trở chuyển động. 
5. KẾT LUẬN 
Bài báo trình bày thiết kế chi tiết của 
một thiết bị bộ xương ngoài ứng dụng trong 
việc hỗ trợ thực hiện các bài tập phục hồi 
chức năng cho khớp gối. Thiết bị gồm 1 cơ 
cấu 6 bậc tự do, với 3 khớp trượt và 3 khớp 
xoay. Ở mỗi khớp đều có gắn cảm biến đo vị 
trí khớp. Động cơ được gắn tại khớp quay 
thứ nhất của cơ cấu, cho phép điều khiển gấp 
mở khớp gối của người sử dụng. Cảm biến 
mô-men được lắp tại khớp quay đầu tiên, 
nhằm đo và điều khiển mô-men tương tác. 
Các thí nghiệm ban đầu thực hiện đều cho 
kết quả hợp lý, trùng khớp với dự đoán của 
nhóm nghiên cứu. Trong tương lai gần, kỹ 
thuật này sẽ nhanh chóng được nghiên cứu 
để phát triển thành những sản phẩm thương 
mại, áp dụng hỗ trợ cho các bài tập phục hồi 
chức năng hệ cơ xương khớp. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Wilson, D. R., Feikes, J. D., Zavatsky, A. B., & O'Connor, J. J., 2000. The components 
of passive knee movement are coupled to flexion angle. Journal of Biomechanics 33, 
465-473. 
[2] Li, G., Zayontz, S., DeFrate, L. E., Most, E., Suggs, J. F., & Rubash, H. E., 2004. 
Kinematics of the knee at high flexion angles: an in vitro investigation. Journal of 
Orthopaedic Research 22, 90-95. 
[3] Ricardo Manuel Millan - Vaquero - Enhanced Visualization of the Knee Joint 
Functional Articulation Based on Helical Axis – 2016. 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
9 
[4] Thompson, Julie. Design, Construction, and Validation of a Cadaver Knee Motion 
Testing Device. Hicks JH. The mechanics of the foot. I. The joints. J. Anat. 1953; 
87:345-357. 
[5] Viet Anh Dung Cai, Philippe Bidaud, Vincent Hayward, Florian Gosselin, Eric Desailly. 
Self-adjusting, isostatic exoskeleton for the human knee joint. 2011 Annual International 
Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, pp. 612-618. 
[6] Cai, V. A. D. and Bidaud, P.. Self-adjusting isostatic exoskeleton for the elbow joint: 
Mechanical design. Advances on Theory and Practice of Robots and Manipulators, 
Springer, 2014. 
[7] Sopanen, Jussi. Studies on Torsion Vibration of a Double Cardan Joint Driveline . 1996. 
Retrieved 2008-01-22. 
[8] Craig, J.J. Introduction to Robotics ‐Mechanics and Control 3rd ed. Upper Saddle River: 
Pearson Prentice Hall, 2005. 
[9] Grood, E. S. and Suntay, W. J.. A Joint Coordinate System for the Clinical Description 
of Three Dimensional Motions: Application to the Knee. Journal of Biomechanical 
Engineering, 1983. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: 
Huỳnh Long Triết Giang 
Khoa Cơ Khí – Đại Học Công Nghệ Sài Gòn 
Email: [email protected] 
Cái Việt Anh Dũng 
Khoa Kỹ Thuật – Đại Học Quốc Tế Miền Đông 
Email: [email protected]