Phần tử tiếp xúc lăn đàn hồi dạng developable (D-CORE)

Một CORE (compliant rolling-contact element) được cấu tạo từ hai cam nối với nhau bằng nhiều flexure đàn hồi (compliant flexures). Khi các cam lăn và tiếp xúc với nhau, lực căng sẽ hình thành trong các flexure này; nhờ đó giữ hai cam dính với nhau. Chuyển động này giúp CORE mô phỏng chuyển động quay của một khớp chốt (pin joint). CORE dạng developable, hay D-CORE, cho phép khớp CORE này được chế tạo từ một tấm vật liệu duy nhất và có thể gấp/xếp lại để lưu trữ ở trạng thái gọn.

Một vài ưu điểm mà D-CORE có thể có so với khớp chốt truyền thống gồm: giảm ma sát và mài mòn, giảm hiện tượng backlash, giảm chi phí chế tạo, giảm khối lượng và có thể giảm cả kích thước. Khác biệt lớn nhất giữa chuyển động của D-CORE so với khớp chốt là trục quay. Khi D-CORE lăn, trục quay của nó sẽ di chuyển. Sự dịch chuyển của trục quay này có thể tính toán được nhưng không thể bỏ qua; vì vậy, nếu ứng dụng cần một trục quay cố định, dùng cơ cấu CORE nhiều khả năng sẽ không thực tế.

Lắp ráp

Lưu ý: Nếu cần, có thể chấm một ít keo 502 (super glue) lên từng tab trước khi cài chúng vào đúng vị trí như hình. Cách này sẽ giúp cố định từng flexure chắc hơn trong lúc D-CORE hoạt động.

Ứng dụng

Khớp CORE đã cho thấy nhiều tiềm năng trong các ứng dụng kỹ thuật y sinh (biomedical engineering), bao gồm thay khớp chỉnh hình (orthopedic joint replacements) và thiết kế nẹp/đai (brace designs).
Hình bên dưới minh hoạ một thiết kế CORE đã được chỉnh sửa và đề xuất như một lựa chọn cho thay đĩa đệm cột sống (spinal disc replacements). Thiết kế này đạt được chất lượng chuyển động (quality of motion) phù hợp cho thay thế vùng thắt lưng (lumbar replacement), đồng thời giảm mài mòn so với các phương án thay thế khác.

Alexander Henry Slocum, một cựu sinh viên của Massachusetts Institute of Technology, cũng đã dùng các nguyên lý của cơ cấu CORE này để phát triển các giải pháp thay khớp gối và khớp háng, cũng như một loại khớp nâng cao hơn cho nẹp gối.

Khả năng xếp gọn để lưu trữ của D-CORE cũng có thể mang lại nhiều lợi thế trong các ứng dụng bị giới hạn không gian. Những ứng dụng này bao gồm phẫu thuật xâm lấn tối thiểu (minimally invasive surgeries), cấy ghép y khoa (medical implants), công nghệ hàng không vũ trụ (aerospace technology), và cả đồ nội thất gia dụng.

Tìm hiểu thêm

Thiết kế này được phát triển bởi Compliant Mechanisms Research Group (CMR) thuộc Brigham Young University (BYU). Theo dõi tụi mình tại @byucmr trên Instagram, @CompliantMechanismsResearchGroup trên Facebook, hoặc truy cập website BYU Compliant Mechanisms Research (CMR) để tìm hiểu thêm về compliant mechanisms.

Thông tin kỹ thuật

Để xem thông tin kỹ thuật chuyên sâu, tham khảo các ấn phẩm sau:

Halverson, P. A., Bowden, A. E., & Howell, L. L. (2012). A compliant-mechanism approach to achieving specific quality of motion in a lumbar total disc replacement. International Journal of Spine Surgery, 6(1), 78-86.

Nelson, T. G., & Herder, J. L. (2018). Developable compliant-aided rolling-contact mechanisms. Mechanism and Machine Theory, 126, 225-242.

Nelson, T. G., Lang, R. J., Magleby, S. P., & Howell, L. L. (2016). Curved-folding-inspired deployable compliant rolling-contact element (D-CORE). Mechanism and Machine Theory, 96, 225-238.

Halverson, P. A., Howell, L. L., & Magleby, S. P. (2010). Tension-based multi-stable compliant rolling-contact elements. Mechanism and Machine Theory, 45(2), 147-156.

Để tìm hiểu thêm về compliant mechanisms nói chung, xem website BYU Compliant Mechanisms Research (CMR) hoặc các cuốn sách sau: Compliant Mechanisms, Handbook of Compliant Mechanisms.

Bằng sáng chế

Slocum, A. H., & Massachusetts Institute of Technology. (2013). Rolling contact orthopaedic joint design

“Deployable Joint,” Howell, L.L., và Nelson, T.G., U.S. Patent 10,227,804, cấp ngày 12/03/2019. “Spinal Implant,” Halverson, P.A., Howell, L.L., Magleby, S.P., và Bowden, A.E., U.S. Patent 8,308,801, 13/11/2012.

Sở hữu trí tuệ

Các file in 3D tải về được cung cấp ở đây có thể được sử dụng, chỉnh sửa và dùng để giải trí cho mục đích phi thương mại (noncommercial use). Để cấp phép công nghệ này cho các ứng dụng thương mại, vui lòng liên hệ:

BYU Technology Transfer Office
3760 Harold B. Lee Library
Brigham Young University
Provo, UT 84602
Phone: (801) 422-6266
https://techtransfer.byu.edu/contact