GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Nhu cầu việc làm ngày càng tăng cùng với các vấn đề sức khỏe con người ngày càng nhiều, trong đó bàn tay đóng vai trò quan trọng trong hoạt động hàng ngày Tuy nhiên, tai nạn có thể xảy ra, gây chấn thương cho đôi tay và ảnh hưởng đến cuộc sống Thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng bàn tay là công nghệ mới đầy tiềm năng trong lĩnh vực y tế, giúp khôi phục chức năng tay và cải thiện chất lượng cuộc sống cho những người mắc bệnh hoặc chấn thương tay, dưới sự hỗ trợ của các y bác sĩ.
Thiết bị hỗ trợ điều trị cho người mắc bệnh đau cơ xương khớp và chấn thương tay, cho phép bác sĩ điều chỉnh mức độ co duỗi theo tình trạng đau của bệnh nhân Với các bài tập được lập trình sẵn, thiết bị giúp người dùng phục hồi dần về trạng thái bình thường Ngoài ra, bác sĩ có thể theo dõi tình trạng chấn thương và quá trình phục hồi của bệnh nhân thông qua thao tác trên thiết bị.
Phương pháp hỗ trợ phục hồi chức năng cho người bị chấn thương các chi, đặc biệt là ngón tay, hiện đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới Việc sử dụng các cảm biến như cảm biến độ cong (flex sensor), cảm biến lực và cảm biến góc giúp đo lường chuyển động của ngón tay một cách chính xác Găng tay phục hồi chức năng được thiết kế với độ cứng mềm, hình dạng và kích thước phù hợp với nhu cầu của từng người dùng, từ đó nâng cao tính đa dụng và hiệu quả trong việc hỗ trợ bác sĩ theo dõi quá trình phục hồi chức năng tay.
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng được thiết kế nhằm cải thiện quá trình phục hồi sức khỏe cho những người gặp vấn đề về cơ, xương, khớp, cũng như hỗ trợ điều trị các vấn đề liên quan đến tay và ngón tay Các mục tiêu chính của thiết bị bao gồm việc tăng cường khả năng vận động, giảm đau và phục hồi chức năng cho người sử dụng.
1 Phục hồi chức năng: Thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng thường được thiết kế để tăng cường chức năng của tay và ngón tay bằng cách giữ, hỗ trợ, hoặc định hình lại các phần bị suy yếu hoặc hạn chế vận động Điều này có thể bao gồm tăng khả năng cầm nắm, linh hoạt của ngón tay, và hỗ trợ cho các hoạt động hàng ngày
2 Giảm đau và viêm: Thiết bị có thể giúp giảm đau và viêm trong trường hợp bị thương hoặc có các vấn đề về cơ, xương, khớp, như viêm khớp, viêm túi bao gân, hoặc các vấn đề liên quan đến viêm mạch
3 Tăng tuần hoàn: Thiết bị có thể được thiết kế để cải thiện tuần hoàn máu, giảm sưng và cung cấp hỗ trợ cho các vấn đề tuần hoàn, như tay bị tê, tay lạnh, hoặc các tình trạng liên quan khác
4 Phòng ngừa và hỗ trợ trong quá trình phục hồi sau chấn thương : Thiết bị có thể được sử dụng để phòng ngừa chấn thương, và cũng hỗ trợ trong quá trình phục hồi sau khi đã xảy ra chấn thương, như sau một phẫu thuật hoặc vết thương
5 Hỗ trợ trong việc điều trị bệnh tay liên quan : Đối với những bệnh lý liên quan đến tay như bệnh viêm khớp, thoái hóa khớp, loãng xương, các vấn đề dây chằng, thiết bị có thể được sử dụng như một phần của phương pháp điều trị tổng thể Điều khiển vị trí của từng động cơ DC Servo trong bộ điều khiển ứng dụng bộ điều khiển PID Bộ điều khiển động cơ cũng phải nhỏ gọn trực quan để sử dụng dễ dàng Thiết bị
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Đề tài nghiên cứu kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình cụ thể như sau:
Nghiên cứu chấn thương tay đã cung cấp tài liệu quan trọng về tính toán và thiết kế cơ cấu truyền động, nhằm đảm bảo độ chính xác và tối ưu hóa chuyển động Những tài liệu này trình bày các phương pháp tính toán và công cụ thiết kế cần thiết để phát triển cơ cấu truyền động hiệu quả cho thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng và phân tích cấu trúc cũng như hoạt động của thiết bị phục hồi chức năng bàn tay Việc sử dụng các công cụ phân tích và phần mềm mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về găng tay, từ đó xác định các yếu tố quan trọng trong thiết kế như cơ cấu, cảm biến và hệ thống điều khiển.
Nghiên cứu về thuật toán điều khiển và linh kiện phần cứng là rất quan trọng trong việc phát triển bộ điều khiển Tài liệu liên quan cung cấp kiến thức về các thuật toán điều khiển, phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển, cùng với các linh kiện như động cơ và cảm biến cần thiết cho thiết bị phục hồi chức năng.
Thiết kế, thi công bộ điều khiển cơ cấu chấp hành
Thiết kế, thi công cơ cấu chấp hành
Thiết kế các bài tập để đánh giá được tình trạng phục hồi chấn thương của bệnh nhân
Thiết kế giao diện để điều chỉnh chương trình trên máy tính để thuận tiện cho bác sĩ sử dụng.
ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đồ án tốt nghiệp là thiết bị hỗ trợ người bị chấn thương ngón tay do các bác sĩ sử dụng và thao tác trực tiếp
Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo thiết bị phục hồi chức năng, có khả năng đo lực co và góc co ngón tay Thiết bị còn bao gồm các bài tập cụ thể để đánh giá mức độ hồi phục, cùng với giao diện dễ sử dụng cho bác sĩ.
Cơ cấu truyền động đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và tính toán cho thiết bị phục hồi chức năng, nhằm đảm bảo độ chính xác và tối ưu hóa chuyển động của các ngón tay Đồng thời, việc nghiên cứu thuật toán điều khiển cùng các linh kiện phần cứng cần thiết là yếu tố then chốt để điều khiển và vận hành hiệu quả thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận:
Nghiên cứu tài liệu liên quan đến thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng nhằm tổng hợp, đánh giá và phân tích các công trình đã được công bố Việc này giúp làm rõ những tiến bộ trong công nghệ, các phương pháp ứng dụng hiện có và những thách thức mà lĩnh vực này đang phải đối mặt.
Nghiên cứu thị trường về thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng giúp phân tích nhu cầu và xu hướng hiện tại, cung cấp thông tin quý giá về khách hàng tiềm năng cũng như các yếu tố kỹ thuật, kinh tế và xã hội có liên quan.
Nghiên cứu y tế tập trung vào các loại chấn thương và bệnh lý liên quan đến tay, cũng như cơ chế hoạt động và yêu cầu chức năng cần thiết để phục hồi Những thông tin này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mục tiêu và yêu cầu cho thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng bàn tay.
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể:
Thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng bao gồm việc áp dụng các phương pháp kỹ thuật để phát triển cơ cấu truyền động, lựa chọn và tích hợp linh kiện phần cứng, cũng như tạo mẫu và chế tạo găng tay.
Mô phỏng và mô hình hóa là quá trình quan trọng trong việc phân tích cấu trúc và hoạt động của thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng, giúp đánh giá hiệu suất và tối ưu hóa thiết kế Bên cạnh đó, nghiên cứu về các thuật toán điều khiển và phân tích dữ liệu đảm bảo rằng các cơ cấu truyền động trong găng tay được điều khiển một cách chính xác và phù hợp Việc lựa chọn và tích hợp các linh kiện phần cứng cần thiết cho bộ điều khiển cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả của thiết bị.
Kiểm tra và đánh giá hiệu suất thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng là rất quan trọng Các phương pháp này bao gồm thử nghiệm về độ chính xác, độ tin cậy, tuổi thọ, sự thoải mái và mức độ tương tác với người dùng.
Nghiên cứu tích hợp công nghệ thông tin và điện tử vào thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng cho bàn tay, bao gồm phát triển phần mềm điều khiển, giao tiếp và thu thập dữ liệu, nhằm nâng cao hiệu quả và tính tiện dụng của thiết bị.
Tất cả các phương pháp nghiên cứu đã được áp dụng để phát triển thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng, nhằm đáp ứng hiệu quả nhu cầu của người dùng và yêu cầu của nhóm nghiên cứu.
KẾT CẤU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đồ án tốt nghiệp bao gồm 6 chương, trong đó:
- Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án
- Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
Thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng là những công cụ quan trọng giúp cải thiện khả năng vận động và chức năng của bàn tay cho những người gặp khó khăn do chấn thương hoặc bệnh lý Những thiết bị này không chỉ có khả năng phát triển đa dạng mà còn yêu cầu kiến thức chuyên sâu về cơ chế hoạt động và ứng dụng trong thực tế Tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước cung cấp nhiều thông tin quý giá về hiệu quả và tính ứng dụng của các thiết bị này, góp phần nâng cao chất lượng phục hồi chức năng cho người sử dụng.
- Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Trình bày các lý thuyết đã được sử dụng để tạo nên thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng theo mô tả
- Chương 4: Phương hướng và các giải pháp
Để giải quyết vấn đề liên quan đến thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng, cần xác định các phương hướng rõ ràng và đưa ra giải pháp cụ thể Trước tiên, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ mới trong thiết bị phục hồi là rất quan trọng Tiếp theo, cần tăng cường đào tạo cho nhân viên y tế về cách sử dụng và hướng dẫn bệnh nhân sử dụng thiết bị hiệu quả Cuối cùng, việc hợp tác giữa các tổ chức y tế, nhà sản xuất và bệnh nhân sẽ giúp cải thiện chất lượng thiết bị và đáp ứng tốt hơn nhu cầu phục hồi chức năng.
- Chương 5: Tính toán, thiết kế
Tính toán thiết kế, thi công bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành, găng tay và bài tập
Chương 6: Kết quả - Thực nghiệm trình bày những kết quả đạt được sau thời gian nghiên cứu, bao gồm các hình ảnh minh họa hệ thống và những nhận xét, đánh giá toàn diện về hiệu quả hoạt động của hệ thống.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
GIỚI THIỆU VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng là công nghệ y tế tiên tiến, giúp khôi phục và cải thiện khả năng vận động của tay cho những người bị bệnh hoặc chấn thương Sản phẩm này tập trung vào việc tái tạo các hoạt động hàng ngày như cầm nắm và co duỗi ngón tay, mang lại hy vọng cho người sử dụng trong việc phục hồi chức năng tay.
Thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng được thiết kế để phù hợp với cấu trúc và chức năng tự nhiên của tay, bao gồm các cơ cấu truyền động, cảm biến, hệ thống điều khiển và phần mềm Chúng cung cấp sự hỗ trợ và khôi phục chức năng cho từng ngón tay hoặc toàn bộ bàn tay Một trong những đặc điểm quan trọng của thiết bị này là khả năng tùy chỉnh và thích ứng cho từng người dùng cụ thể.
Thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng có khả năng ứng dụng rộng rãi trong y tế và đời sống hàng ngày, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống, sự độc lập và tự tin cho những người mắc bệnh hoặc chấn thương tay Nghiên cứu và phát triển những thiết bị này không chỉ cải thiện khả năng phục hồi mà còn thúc đẩy tiến bộ trong lĩnh vực phục hồi chức năng và hỗ trợ y tế.
Bên cạnh đó, có một số vấn đề liên quan đến thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng như sau:
Thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng cần phù hợp với cấu trúc và chức năng của tay, đòi hỏi nghiên cứu công nghệ và vật liệu để tạo ra găng tay nhẹ, di động và thoải mái Hệ thống điều khiển và cảm biến là yếu tố quan trọng, giúp thiết bị nhận biết và phản ứng với tín hiệu từ người dùng, yêu cầu phát triển thuật toán và phần cứng để điều chỉnh chính xác động cơ và cảm biến trong găng tay.
Để đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng, cần tiến hành nghiên cứu về vật liệu và kỹ thuật gia công Việc này giúp găng tay có khả năng chịu đựng sự sử dụng hàng ngày trong nhiều môi trường khác nhau mà không gặp phải vấn đề về độ bền và lỗi hỏng.
Giao diện trên Winforms C# phải trực quan, dễ nhìn dễ thao tác các bài tập và các bài tập phải có tính ứng dụng cao.
ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG
Hệ thống thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng có những đặc tính quan trọng, nổi bật nhất là khả năng phục hồi và cải thiện chức năng tay cho những người bị bệnh hoặc chấn thương liên quan đến tay, dưới sự thao tác của các y bác sĩ.
Thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng cần có một thiết kế thoải mái và có độ linh hoạt cao, dễ sử dụng
Thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng bàn tay cần kiểm soát chính xác chuyển động của ngón tay, đòi hỏi sự phát triển của hệ thống điều khiển cảm biến đồng thời để nhận diện và phản ứng với tín hiệu từ người dùng.
Để đảm bảo thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng có tuổi thọ lâu dài và độ tin cậy cao, việc thiết kế và chế tạo cần sử dụng các vật liệu và linh kiện có độ bền tốt.
KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG THIẾT BỊ HỖ TRỢ BÀN TAY PHỤC HỒI CHỨC NĂNG
Thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng được thiết kế với cấu trúc đặc biệt nhằm cung cấp hỗ trợ và khôi phục chức năng cho tay Nó bao gồm nhiều đặc điểm quan trọng giúp người dùng cải thiện khả năng vận động và phục hồi sức khỏe.
Găng tay được làm từ vật liệu vải và các kết cấu in 3D bằng nhựa TPU dựa vào đặc tính nhẹ và thiết kế đa dạng
Thiết bị được trang bị các hệ thống cố định và hỗ trợ như trục kim loại, dây cước, hoặc cấu trúc cứng, nhằm đảm bảo độ ổn định và hỗ trợ hiệu quả cho các hoạt động phục hồi.
Thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng có các bộ cảm biến tích hợp để đo lực từ ngón tay
Thiết bị này được trang bị hệ thống truyền động, cho phép điều khiển chuyển động của các ngón tay thông qua động cơ và các cơ cấu khác, tạo ra chuyển động chính xác và linh hoạt.
Thiết bị được điều khiển thông qua các switch, nút nhấn ở phần cứng và thông qua giao diện lập trình trên Winforms C#.
CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
2.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước
Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu quan trọng về thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng, được tiến hành ở nhiều quốc gia khác nhau
Nghiên cứu hiện nay tập trung vào phát triển công nghệ găng tay thông minh và hệ thống phục hồi chức năng, nhằm cải thiện hoặc phục hồi khả năng cử động của tay cho người dùng Găng tay phục hồi chức năng có nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm hỗ trợ người khuyết tật và phục hồi chức năng sau chấn thương.
Các quốc gia tiên phong trong nghiên cứu và phát triển thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng bao gồm Hoa Kỳ, Nhật Bản, và nhiều nước châu Âu như Đức, Anh, Pháp và Ý Trong mỗi quốc gia này, có nhiều tổ chức, viện nghiên cứu và công ty tư nhân tham gia vào việc phát triển công nghệ này Một số nghiên cứu quốc tế nổi bật liên quan đến thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng cũng đang được tiến hành.
A study published in the Annals of the Rheumatic Diseases in 2017 investigated the effect of thermal glove use on hand function in individuals with rheumatoid arthritis The research concluded that wearing gloves can enhance hand function and boost confidence among patients suffering from this condition.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Journal of Back and Musculoskeletal Rehabilitation năm 2019 đã xem xét hiệu quả của găng tay áp lực đối với triệu chứng và chức năng tay ở bệnh nhân viêm khớp dạng thấp Kết quả cho thấy việc sử dụng găng tay áp lực có thể cải thiện đáng kể cơn đau và chức năng của tay, mang lại lợi ích cho người mắc bệnh.
Bên cạnh đó, có rất nhiều những sản phẩm được đưa ra thị trường, có thể kể đến:
Găng tay phục hồi chức năng MediTouch, sản phẩm của công ty MediTouch tại Đức, được thiết kế đặc biệt để cung cấp áp lực và hỗ trợ cho các cơ và khớp tay Sản phẩm này giúp kích thích quá trình phục hồi và điều trị các vấn đề liên quan đến chức năng cử động.
Găng tay MediTouch Rehabilitation, sản phẩm của công ty MediTouch có trụ sở tại Đức, được giới thiệu trong "Hình 2.1[13]".
Gloreha là một hệ thống găng tay phục hồi chức năng đa năng, được phát triển bởi công ty Idrogenet của Ý Hệ thống này tích hợp công nghệ cảm biến và động cơ để hỗ trợ và khuyến khích các cử động tay, bao gồm cả cự li chuyển động và bài tập phục hồi Gloreha được ứng dụng trong quá trình phục hồi chức năng sau chấn thương, đột quỵ và các rối loạn cử động khác.
Hình 2.2: Găng tay Gloreha của công ty Idrogenet, trụ sở ở Ý
Với “Hình 2.2[14]” đây là sản phẩm găng tay Gloreha thuộc công ty Idrogenet, trụ sở ở Ý
Găng tay thông minh Rapael, sản phẩm của công ty Neofect có trụ sở tại Mỹ, là giải pháp phục hồi chức năng tay cho người bị liệt nửa người hoặc sau đột quỵ Thiết bị này sử dụng cảm biến và hệ thống động cơ để hỗ trợ quá trình phục hồi, đồng thời được tích hợp với các chương trình phục hồi ảo trên máy tính hoặc điện thoại di động, mang đến trải nghiệm học tập và phục hồi tương tác cho người dùng.
Hình 2.3: Găng tay thông minh Rapael của công ty Neofect, có trụ sở tại Mỹ
Với “Hình 2.3[15]” đây là sản phẩm găng tay Rapael của công ty Neofect, có trụ sở tại Mỹ
Bao tay Exo-Glove Poly, phát triển bởi trường Đại học Quốc gia Seoul, Hàn Quốc, là một sản phẩm nổi bật với tính năng cơ động cao, sử dụng cơ cấu kéo bằng dây và chỉ cần 3 ngón tay Bộ truyền động điều khiển sự co vào và nhả ra của ngón trỏ và ngón giữa, trong khi ngón cái được cố định Hộp chứa bộ truyền động được gắn trên hông người sử dụng, với dây kéo kết nối đến bàn tay Người dùng có thể dễ dàng điều khiển bao tay bằng cách nhấn nút, có thể đặt nút trên chân để kích hoạt khi cần co bàn tay.
Với “Hình 2.4[16]” đây là sản phẩm găng tay Exo-Glove Poly của trường đại học quốc gia Seoul (Hàn Quốc)
Hình 2.4: Exo-Glove Poly của trường đại học quốc gia Seoul (Hàn Quốc)
2.4.2 Các nghiên cứu trong nước
Hiện nay, thông tin về thiết bị phục hồi chức năng bàn tay tại Việt Nam còn hạn chế do lĩnh vực này đang trong giai đoạn phát triển và nghiên cứu Các dự án tại các trường đại học và viện nghiên cứu tập trung vào việc phát triển thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng cho tay, ứng dụng công nghệ như trí tuệ nhân tạo, robot học, điện tử và cơ khí Mục tiêu là cải thiện chức năng tay cho những người bị chấn thương hoặc liệt Tuy nhiên, mức độ hoàn thiện và khả năng ứng dụng của các sản phẩm này cho bác sĩ vẫn còn thấp.
CÁC TỒN TẠI CỦA THIẾT BỊ HỖ TRỢ BÀN TAY PHỤC HỒI CHỨC NĂNG
Sử dụng PID trong động cơ DC Servo Điều chỉnh thông số PID để giám sát giá trị lệch của góc quay không quá 10
Sử dụng cơ cấu kéo dây để thực hiện thiết bị
Chuyển đổi tín hiệu điện trở flex sensor thành giá trị góc khi co ngón tay
Chuyển đổi giá trị của loadcell thành giá trị kilogram từ đó tính được giá trị đo lực khi ngón tay co lại
Tạo ra bài tập phù hợp với thiết kế phần cứng đã tạo và phù hợp với yêu cầu của bác sĩ
Hiển thị điều khiển lên giao diện Winforms C# để dễ dàng điều khiển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TÌNH HÌNH CHẤN THƯƠNG TAY HIỆN NAY
Hiện nay, nhu cầu sử dụng tay, đặc biệt là ngón tay, trong các hoạt động hàng ngày rất cao, dẫn đến nguy cơ chấn thương tăng lên Những chấn thương này, như bong gân, gãy xương và lệch khớp, có thể gây khó khăn cho bệnh nhân trong việc phục hồi và trở lại với các thao tác bình thường, gây ra sự khó chịu và buồn rầu.
Hình 3.1: Chấn thương gãy bút chì của ngón tay khi chơi thể thao
Với “Hình 3.1[12]” đây là một dạng chấn thương điển hình trong thể thao (gãy bút chì) tên tiếng anh là “Mallet Finger”
Các mức độ chấn thương hiện nay được xếp loại như sau:
- Mức 0/5: Không có sự co cơ (liệt)
- Mức 1/5: co cơ nhìn thấy được nhưng không hoặc gây ra cử động chi rất nhỏ
- Mức 2/5: Có cử động chi nhưng không thắng được trọng lực
- Mức 3/5: Cử động thắng trọng lực nhưng không thắng được sức cản
- Mức 4/5: Cử động thắng được phần nào sức cản của người khám
Mức 5/5 cho thấy cơ lực bình thường, và nhóm tác giả tập trung vào những bệnh nhân gặp vấn đề ở mức 2, 3, 4 do chấn thương phần cứng hoặc mềm Qua việc kiểm tra góc co ngón tay và lực ngón tay trong mức độ đau của bệnh nhân, bác sĩ có thể đánh giá mức độ chấn thương Từ đó, các bài tập trong chương trình được lập trình sẵn sẽ được thực hiện với lực và góc co phù hợp cho từng bệnh nhân.
CƠ CẤU CHỦ ĐỘNG VÀ CƠ CẤU BỊ ĐỘNG
Có hai cơ cấu chính được sử dụng để hỗ trợ người bị chấn thương tay co nắm là cơ cấu chủ động và cơ cấu bị động:
Cơ cấu chủ động sử dụng các cơ chấp hành như động cơ và xy lanh để cung cấp lực trực tiếp, giúp người dùng dễ dàng cầm nắm vật Các cơ chấp hành này được điều khiển thông qua công nghệ cảm biến, bộ điều khiển và nguồn năng lượng, tạo ra chuyển động và lực tương ứng Nhờ vào cơ cấu chủ động, người sử dụng có thể thực hiện các hoạt động như nắm, nâng và giữ vật một cách thuận tiện hơn.
Cơ cấu bị động có thể hỗ trợ người bị chấn thương tay, nhưng không hiệu quả bằng cơ cấu chủ động do thiếu cơ chấp hành Chúng thường được thiết kế để cung cấp hỗ trợ cơ học, chẳng hạn như giữ nắm đối với vật dụng Tuy nhiên, cơ cấu bị động không thể cung cấp lực đủ mạnh hoặc linh hoạt để thực hiện các hoạt động tương tự như cơ cấu chủ động.
Tùy thuộc vào mức độ và loại chấn thương tay, có thể sử dụng cơ cấu chủ động hoặc cơ cấu bị động để hỗ trợ và khôi phục chức năng cho người sử dụng Việc lựa chọn giữa hai loại cơ cấu này cần cân nhắc dựa trên mục đích sử dụng, khả năng tài chính và các yêu cầu cụ thể của người dùng.
Hiện nay, nhiều quốc gia và trường đại học đang phát triển các sản phẩm hỗ trợ cho người bị tật bàn tay Những sản phẩm này được thiết kế nhẹ, dễ đeo, có lực bóp vừa phải và tích hợp nhiều tính năng hữu ích khác.
Các sản phẩm bao tay hiện có hai loại chính: loại sử dụng vật liệu cứng và loại sử dụng vật liệu mềm Mỗi loại bao tay đều mang lại những ưu điểm riêng, được thiết kế để phù hợp với nhu cầu cụ thể của người sử dụng.
Bao tay làm từ vật liệu mềm được ưa chuộng nhờ tính linh hoạt và thoải mái Chúng có khả năng mô phỏng độ co giãn và chuyển động tự nhiên của bàn tay, giúp người sử dụng dễ dàng thực hiện các hoạt động hàng ngày như nắm, cầm và thực hiện các tác vụ chi tiết.
Việc chọn lựa giữa bao tay cứng và bao tay mềm phụ thuộc vào nhu cầu và tình trạng của từng người bị tật bàn tay Sản phẩm cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản như trọng lượng nhẹ, dễ đeo và cung cấp lực bóp phù hợp, giúp người sử dụng thực hiện các hoạt động hàng ngày một cách thuận tiện và tự tin.
Nghiên cứu tại Đại học Stanford đã phát triển thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng sử dụng cơ cấu chủ động điều khiển bằng tín hiệu điện cơ Găng tay được trang bị cảm biến thu thập tín hiệu điện cơ từ các cơ bắp của người dùng, từ đó chuyển đổi thành chuyển động của ngón tay Điều này giúp người sử dụng thực hiện các hoạt động nắm và cầm vật hiệu quả hơn.
Hình 3.2: Thiết bị đeo tay sử dụng cơ nhân tạo của học viện Wyss thuộc đại học Harvard
Cơ cấu chủ động mang lại nhiều ưu điểm, đặc biệt là sự đa dạng trong điều khiển Nhờ vào tính năng này, găng tay có khả năng điều chỉnh và điều khiển qua nhiều phương pháp khác nhau, giúp người sử dụng dễ dàng tìm ra phương pháp phù hợp với nhu cầu và khả năng cá nhân của họ.
Tính năng tăng cường cung cấp hỗ trợ chủ động, giúp người sử dụng thực hiện đa dạng hoạt động và nhiệm vụ Nó gia tăng lực bóp, cải thiện khả năng nắm và thao tác chính xác với các đối tượng.
Cải thiện trải nghiệm người dùng là một yếu tố quan trọng, với cơ cấu chủ động mang lại giao diện điều khiển tự nhiên và trực quan hơn Người dùng có khả năng điều chỉnh lực, tốc độ và vị trí các ngón tay theo nhu cầu cá nhân, tạo ra sự vừa vặn và cá nhân hóa tối ưu.
- Nhược điểm của cơ cấu chủ động:
Chi phí phát triển và triển khai thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng cho bàn tay có thể rất cao do sự phức tạp của các thành phần cơ khí và điện tử, cùng với cảm biến và hệ thống điều khiển Những yếu tố này đóng góp đáng kể vào tổng chi phí của thiết bị.
Thời gian nghiên cứu và phát triển cho việc thiết kế và tối ưu cơ cấu chủ động của găng tay phục hồi chức năng là rất quan trọng Quá trình kiểm tra và điều chỉnh hệ thống nhằm đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy có thể kéo dài, đòi hỏi nhiều nỗ lực và tài nguyên.
Găng tay với thiết kế phức tạp có thể tạo ra sự cồng kềnh và gây khó chịu cho người sử dụng khi đeo trong thời gian dài Cơ cấu chủ động của găng tay làm tăng thêm độ phức tạp cho cấu trúc và hoạt động, ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng.
Các cơ cấu bị động đã tồn tại từ lâu trong lịch sử nhân loại, với sự phát triển của nhiều cơ cấu hỗ trợ Tuy nhiên, những cơ cấu này thường chỉ có khả năng thực hiện một số tính năng hạn chế hoặc chỉ phục vụ mục đích tạo ra.
13 vẻ đẹp cho người sử dụng Hiện nay, vẫn còn sự tồn tại của các găng tay mềm sử dụng cơ cấu bị động
Hình 3.3: SaeboGlove, một sản phẩm của công ty Saebo, có trụ sở tại Mỹ
Với “Hình 3.3[17]” đây là sản phẩm găng tay thụ động của công ty Saebo, có trụ sở tại Mỹ
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BẰNG PID
Điều khiển động cơ DC servo bằng PID là phương pháp phổ biến trong điện tử và tự động hóa PID, viết tắt của Proportional-Integral-Derivative (Tỷ lệ-Tích phân-Đạo hàm), bao gồm ba thành phần chính trong hệ thống điều khiển Các thành phần này có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp đầu vào cho động cơ, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
DC servo dựa trên sự so sánh giữa giá trị đầu ra thực tế (feedback) và giá trị đầu ra mong muốn (setpoint)
Thành phần tỷ lệ (Proportional - P) trong điều khiển tính toán đầu ra dựa trên sự chênh lệch tỷ lệ thuận giữa setpoint và feedback, với nguyên tắc rằng khi sai số tăng, đầu ra điều khiển cũng sẽ mạnh mẽ hơn.
Tích phân (Integral - I) đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán đầu ra điều khiển dựa trên tổng tích phân của sai số theo thời gian Phương pháp này giúp khắc phục sai số tĩnh và nâng cao độ chính xác trong quá trình điều chỉnh.
Thành phần đạo hàm (Derivative - D) trong hệ thống điều khiển tính toán đầu ra dựa trên đạo hàm của sai số theo thời gian, giúp ổn định hệ thống và giảm độ phản ứng nhanh đối với những thay đổi đột ngột của setpoint.
Quá trình điều khiển PID diễn ra liên tục trong thời gian thực, với việc cập nhật thường xuyên các giá trị setpoint và feedback, nhằm đảm bảo sự điều chỉnh chính xác và ổn định cho động cơ DC servo.
Việc thiết lập các hằng số Kp, Ki, Kd là một quá trình thực nghiệm cần sự điều chỉnh và tinh chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất.
Hình 3.4: Bộ điều khiển DC servo bằng PID
Với “Hình 3.4[18]” đây là sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Phương trình toán học của bộ điều khiển PID: u(t) = K e(t) + K ∫ e(t)dt + K ( ) (3.1) Trong đó:
- Kp, Ki, Kd là các hằng số điều chỉnh của PID được thiết lập để đạt được hiệu suất tốt
- e(t) là sai số giữa setpoint và feedback tại thời điểm t
- ∫ e(t) dt là tích phân của sai số theo thời gian
- de(t)/dt là đạo hàm của sai số theo thời gian
Bộ điều khiển PID thực hiện tính toán tín hiệu đầu ra khi nhận được tín hiệu sai số đầu vào Như vậy, ở bước thứ 𝑘 𝑡 ℎ , ta có: u = u + u + u (3.2)
Khâu I (phương pháp Trapezoidal approximation): u = K ∑ T ( ) = u + K T( ) (3.5) Chế độ đọc encoder của động cơ DC servo được thực hiện bằng chế độ đọc x1.
CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ DC SERVO
Động cơ DC servo nổi bật với khả năng điều chỉnh tốc độ chính xác và quay đúng góc độ yêu cầu, vượt trội hơn so với động cơ thông thường Có hai loại điều khiển chính của động cơ DC servo: điều khiển vị trí và điều khiển vận tốc Trong nghiên cứu này, nhóm quyết định chọn điều khiển vị trí động cơ DC servo do tính phù hợp với việc điều khiển hành trình co của các ngón tay.
CÁC CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CHO GĂNG TAY
Nhiều nhóm nghiên cứu quốc tế đã phát triển các bộ truyền động cho bao tay hỗ trợ, trong đó cơ cấu kéo dây là phổ biến nhất.
Một số bộ truyền động kéo dây:
Hình 3.5 mô tả cơ cấu khép kín với một rulo kéo dây, tích hợp chức năng co và nhả nhờ vào bộ truyền động Cấu trúc này sử dụng các bạc đạn một chiều và ròng rọc để tạo lực căng dây, như được trình bày trong Hình 3.6.
Hình 3.5: Một phiên bản găng tay và cơ cấu trợ lực đi kèm
Hình 3.6: Một phiên bản cơ cấu khép kín và nguyên lý kéo dây của Project Exo-Glove Poly (Đại
Bên cạnh đó, nhóm còn tìm hiểu được cơ cấu và nguyên lý kéo dây của Đại học Drexel về đề tài liên quan như Hình 3.7 [19]:
Hình 3.7: Cơ cấu và nguyên lý kéo dây của Đại học Drexel
BÀI TẬP PHỤC HỒI CHỨC NĂNG
Nhóm nghiên cứu đã phát triển bài tập phục hồi chức năng tay dựa trên tài liệu tham khảo, chọn ra 3 bài tập mẫu đáp ứng tiêu chí đo lực co ngón tay và góc ngón tay Các bài tập này không chỉ dễ thực hiện mà còn hỗ trợ hiệu quả cho người bệnh trong quá trình phục hồi chức năng tay Nhóm sẽ cải tiến các bài tập này để tích hợp vào chương trình phục hồi chức năng cho bệnh nhân, với các hình minh họa như hình 3.8, hình 3.9, hình 3.10.
1 Co duỗi ngón cái (Thump Extension and Flexion): Do ngón cái được cấu tạo theo 1 vị trí riêng và là 1 trong những ngón có vai trò cầm nắm chính nên cần phải có tác động trực tiếp vào ngón cái
Hình 3.8: Bài tập co duỗi ngón cái (Thump Extension and Flexion)
2 Nắm chặt tay (Power Grip): Đây là bài tập vừa dùng cho người chấn thương vừa dùng được cho người liệt các chức năng tay muốn phục hồi để đảm bảo tay không bị thoái hóa và có khả năng hồi phục lại được trong tương lai
Hình 3.9: Bài tập nắm chặt tay (Power Grip)
3 Co duỗi từng ngón tay (Finger Extension): Các ngón tay còn lại cũng phải được co duỗi từng ngón, ở đây nhóm sẽ co ngón cái riêng, ngón trỏ riêng và 3 ngón tay còn lại (giữa,áp út, út) riêng vì ba ngón tay này khi đặt chung với nhau thì có thể hạn chế rủi ro khi co duỗi vì 2 ngón áp út và út sẽ khá khó co duỗi nếu để riêng
Hình 3.10: Bài tập co duỗi 4 ngón tay còn lại
LOADCELL
Loadcell là thiết bị chuyển đổi lực thành tín hiệu điện, thiết yếu trong việc đo lực tác động trong các ứng dụng công nghiệp và khoa học Với nguyên lý hoạt động đơn giản, loadcell cho phép đo lực kéo, lực đẩy và lực nén một cách chính xác và đáng tin cậy.
Một loadcell thông thường bao gồm các thành phần chính sau:
1 Cảm biến lực: Đây là phần quan trọng nhất của loadcell Cảm biến lực thường được làm từ các vật liệu như thép, hợp kim nhôm hoặc hợp kim kẽm Khi một lực tác động lên cảm biến lực, nó uốn cong một chút, tạo ra sự thay đổi về độ dài, điện trở hoặc điện áp
2 Thanh gờ đàn hồi: Đây là một thành phần linh hoạt và dẻo, thường làm từ vật liệu như thép hoặc hợp kim Thanh gờ đàn hồi được thiết kế để chịu lực tác động và uốn cong theo một hình dạng xác định, tạo ra sự biến đổi của các thông số vật lý
3 Các thành phần điện tử: Loadcell còn bao gồm các linh kiện điện tử để chuyển đổi tín hiệu lực thành tín hiệu điện Điều này thường bao gồm mạch khuếch đại tín hiệu, mạch biến đổi tín hiệu analog thành tín hiệu kỹ thuật số (ADC), và giao diện để truyền tín hiệu điện đến các thiết bị đọc và xử lý
4 Loadcell có nhiều ưu điểm quan trọng Thứ nhất, nó cung cấp độ chính xác cao trong việc đo lực, giúp đảm bảo độ tin cậy và chính xác của quá trình đo lường Thứ hai, loadcell có thể phản ứng nhanh với lực tác động, cho phép đo lường trong thời gian thực Thứ ba, loadcell có độ bền cao và khả năng chịu tải lớn, giúp nó phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau Ứng dụng của loadcell rất đa dạng Trong công nghiệp, nó được sử dụng trong cân đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, và trong các hệ thống kiểm tra và kiểm định lực tại các trạm làm việc Nó cũng được sử dụng trong nghiên cứu khoa học, đo lực trong thiết kế cơ khí và robot, đo lực trong y tế và thể thao, và nhiều ứng dụng khác
Loadcell là thiết bị thiết yếu trong việc đo lường lực tác động, nổi bật với độ chính xác và độ tin cậy cao Nó có ứng dụng đa dạng, góp phần quan trọng vào việc đảm bảo chất lượng, nghiên cứu và kiểm soát trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và khoa học.
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại loadcell được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và khoa học, bao gồm các loại loadcell phổ biến như: loadcell điện trở, loadcell điện dung và loadcell thủy lực.
1 Loadcell cầu: Đây là loại loadcell phổ biến nhất và thường được sử dụng trong các ứng dụng cân đo Loadcell cầu có cấu trúc gắn trực tiếp lực lên một cấu trúc cầu cân và sử dụng nguyên lý cân bằng cầu để đo lực
2 Loadcell chèn: Loại loadcell này được thiết kế để được chèn vào giữa hai phần của một hệ thống hoặc cấu trúc, và đo lực tác động thông qua áp suất hoặc lực nén Chúng thường được sử dụng trong ứng dụng kiểm tra cấu trúc, đo lực nén trong máy móc, và các ứng dụng cần đo lực tại một điểm cụ thể
3 Loadcell thanh: Loadcell thanh có hình dạng dạng thanh dẹt và thường được sử dụng để đo lực kéo hoặc lực đẩy Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng kiểm tra mạnh mẽ, kiểm tra cường độ vật liệu, đo lực trong thiết kế cơ khí và robot
4 Loadcell màng: Loadcell màng sử dụng một màng mỏng linh hoạt làm cảm biến lực và thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu đo lường nhạy cảm và đáp ứng nhanh, chẳng hạn như trong cân đo nhỏ, thiết bị y tế, hay trong các ứng dụng nghiên cứu khoa học
5 Loadcell áp suất: Loại loadcell này sử dụng áp suất hoặc lực nén để đo lực tác động Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng đo áp suất, đo lực nén trong ống
20 dẫn, đo lực nén trong thiết bị thủy lực, và trong các ứng dụng kiểm tra áp suất
6 Loadcell mini: Loadcell mini là các phiên bản nhỏ gọn của các loại loadcell khác Chúng được sử dụng trong các ứng dụng có hạn chế không gian hoặc trong các ứng dụng di động như trong cân di động hay thiết bị đo cầm tay
Hình 3.11: Các loại Loadcell có mặt trên thị trường
Với “Hình 3.11[4]” đây là hình ảnh các loại Loadcell có mặt trên thị trường
Nhóm đã quyết định sử dụng loadcell thanh để đo lực kéo ngón tay khi ngón tay co lại, dựa trên các cân nhắc về các loại loadcell phù hợp với đồ án.
FLEX SENSOR
Cảm biến uốn cong, hay còn gọi là Flex Sensor, là thiết bị chuyên dụng để đo góc uốn của các vật liệu linh hoạt Thiết bị này được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực liên quan đến chuyển động, điện tử tiêu dùng và hệ thống điều khiển.
Cảm biến Flex Sensor được chế tạo từ các vật liệu linh hoạt như giấy, polyester hoặc cao su Khi dải linh hoạt này bị uốn cong, điện trở của nó sẽ thay đổi tương ứng với độ cong Những biến đổi về điện trở này cho phép đo lường chính xác góc uốn cong của cảm biến.
Cấu trúc của cảm biến linh hoạt (Flex Sensor) bao gồm nhiều lớp mỏng với vật liệu dẻo và điện trở Các điện cực được gắn ở hai đầu của dải linh hoạt, kết nối với đầu nối để truyền tín hiệu đến thiết bị đọc.
Khi lực uốn cong tác động lên cảm biến linh hoạt (Flex Sensor), dải linh hoạt sẽ bị uốn cong, dẫn đến sự thay đổi điện trở Sự thay đổi này tạo ra tín hiệu điện biến đổi, cho phép đo đạc và xử lý để xác định góc uốn cong.
Flex Sensor mang lại nhiều lợi ích vượt trội Đầu tiên, thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt của nó giúp dễ dàng tích hợp vào các thiết bị và hệ thống có kích thước hạn chế Thứ hai, Flex Sensor sở hữu độ nhạy cao và khả năng phản hồi nhanh chóng, cho phép đo lường chính xác và cung cấp thông tin thời gian thực Cuối cùng, sản phẩm này có độ bền cao, chịu được nhiều lần uốn cong mà không bị hư hỏng.
Flex Sensor được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử tiêu thụ, bao gồm điều khiển trò chơi, robot và giao diện người-máy Ngoài ra, Flex Sensor còn được sử dụng để ghi nhận và phân tích chuyển động trong lĩnh vực y tế, thể thao và các ứng dụng giả lập thực tế ảo.
Flex Sensor được ứng dụng trong hệ thống kiểm soát, như đo góc uốn của khớp trong robot, nhằm nâng cao độ chính xác và linh hoạt của cử động Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong các thiết bị an toàn, chẳng hạn như găng tay cảm biến uốn cong, giúp giảm thiểu nguy cơ va chạm hoặc vấp ngã.
Hình 3.14: Sự thay đổi của Flex Sensor trong quá trình co duỗi ngón tay
Flex Sensor là thiết bị đo góc uốn cong, được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp điện tử, cử động điện tử và hệ thống kiểm soát Với độ nhạy cao và khả năng đáp ứng nhanh, Flex Sensor cung cấp thông tin chính xác về cử động, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
WINDOWS FORMS (WINFORMS)
Windows Forms (WinForms) là một framework phát triển ứng dụng desktop sử dụng ngôn ngữ C#, được giới thiệu từ phiên bản NET Framework 1.0 Là một phần của NET Framework, WinForms mang đến giải pháp dễ dàng và linh hoạt cho việc xây dựng giao diện người dùng (GUI) cho các ứng dụng trên hệ điều hành Windows.
WinForms áp dụng mô hình lập trình sự kiện để xử lý tương tác của người dùng với giao diện Ứng dụng WinForms bao gồm nhiều cửa sổ và các điều khiển như nút, hộp văn bản, nhãn, danh sách và hộp chọn Thông qua các điều khiển và sự kiện tương ứng, lập trình viên có thể phát triển giao diện người dùng phong phú và tương tác cho ứng dụng.
WinForms cung cấp nhiều tính năng hữu ích để làm việc với giao diện người dùng, bao gồm:
1 Layout và tổ chức: WinForms cung cấp các thành phần như Panel, GroupBox và TableLayoutPanel để giúp lập trình viên tổ chức và sắp xếp các điều khiển trong giao diện người dùng một cách dễ dàng và linh hoạt
2 Ràng buộc dữ liệu (Data Binding): WinForms hỗ trợ ràng buộc dữ liệu, cho phép lập trình viên liên kết các điều khiển với nguồn dữ liệu, chẳng hạn như cơ sở dữ liệu, để tự động cập nhật dữ liệu và giảm thiểu mã lập trình phải viết
3 Xử lý sự kiện: WinForms cho phép lập trình viên xử lý các sự kiện tương tác của người dùng với giao diện người dùng, như sự kiện nhấn nút, sự kiện thay đổi giá trị của hộp văn bản, v.v Bằng cách gắn kết phương thức xử lý sự kiện với các điều khiển tương ứng, lập trình viên có thể thực hiện các hành động phù hợp khi người dùng tương tác
4 Đồ họa và định dạng: WinForms hỗ trợ đồ họa và định dạng, cho phép lập trình viên tùy chỉnh giao diện người dùng bằng cách sử dụng hình ảnh, màu sắc, phông chữ và các hiệu ứng khác
5 Thư viện hỗ trợ: WinForms được hỗ trợ bởi một bộ thư viện phong phú, cho phép lập trình viên sử dụng các chức năng và thành phần sẵn có để tăng hiệu suất phát triển và cải thiện trải nghiệm người dùng
WinForms là công nghệ phổ biến để phát triển ứng dụng Windows chuyên nghiệp, được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như ứng dụng văn phòng, quản lý và kỹ thuật Với tính linh hoạt, dễ sử dụng và khả năng tích hợp tốt với NET Framework, WinForms vẫn giữ vị trí quan trọng trong phát triển ứng dụng desktop.
Hình 3.16: Giao diện chính của Winforms C#
Dựa trên những lợi ích đã nêu, nhóm đã quyết định thiết kế giao diện ứng dụng sử dụng Winforms C# nhằm tạo ra sự trực quan và dễ dàng trong việc thao tác, quản lý và sửa chữa.
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHO HỆ THỐNG
YÊU CẦU ĐỀ TÀI VÀ THÔNG SỐ THIẾT KẾ
Thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng bàn tay có khả năng đo lực co ngón tay và góc co ngón tay, đồng thời cung cấp các bài tập phục hồi cho bệnh nhân dưới sự hướng dẫn của bác sĩ.
Dựa trên tài liệu về kích thước ngón tay từ trung tâm vật lý trị liệu, nhóm nghiên cứu đã xác định các thông số thiết kế phù hợp cho găng tay.
Figure 4.1 illustrates the key dimensions for designing support gloves Additionally, to establish a stable and effective system, it is essential to consider the finger force during both relaxed and gripping states Below is a table of finger force parameters based on the study "A Soft Exoskeleton for Hand Assistive and Rehabilitation Applications Using Pneumatic Actuators with Variable Stiffness."
Bảng 4.1 [8] phía dưới thể hiện biểu đồ lực khi co ngón tay theo tư thế khác nhau:
Bảng 4.1: Giá trị lực đo được khi co bàn tay ở các tư thế khác nhau
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP THỰC HIỆN
Nhóm tác giả đưa ra phương hướng thiết kế hệ thống gồm 3 phần:
- Thiết kế, thi công mạch
- Thiết kế, thi công tủ điện
- Thiết kế, chế tạo hộp động cơ
- Thiết kế, lắp ráp các chi tiết vào găng tay
- Tạo bộ truyền động cho ngón tay
- Lập trình cho nút nhấn trên tủ điện
- Lập trình trên giao diện
4.2.1 Đề xuất/ Giải pháp 1: a Thiết kế và thi công mạch bằng cách in mạch:
- Ưu điểm: gọn gàng, dễ sử dụng, không bị đoản mạch, nhiễu tín hiệu
- Nhược điểm: giá thành cao, thời gian thực hiện lâu, khi có sự cố sẽ khó khắc phục b Thiết kế, thi công tủ điện bằng nhựa:
- Ưu điểm: gọn nhẹ, cách điện tốt, giá thành rẻ
- Nhược điểm: không đảm bảo độ chắc chắn, khả năng kết hợp với các thiết bị ngoại vi kém
27 c Thiết kế, chế tạo hộp động cơ bằng phương pháp in 3D:
- Ưu điểm: có thể thi công được những chi tiết phức tạp, vật liệu nhẹ
Nhược điểm của việc chế tạo bằng công nghệ in 3D bao gồm thời gian chế tạo kéo dài, chi phí sản xuất cao, và những chi tiết nhỏ thường không đạt yêu cầu về độ cứng và hình dạng Việc thiết kế và lắp ráp các chi tiết vào găng tay cũng gặp khó khăn do những yếu tố này.
- Ưu điểm: chi tiết tạo ra gọn, nhẹ, thẩm mĩ cao, có thể chế tạo những chi tiết với hình dạng phức tạp
Nhược điểm của việc tạo bộ truyền động cho ngón tay bằng bánh răng bao gồm giá thành cao, thời gian hoàn thiện lâu, và độ bền cũng như độ hoàn thiện không cao đối với các chi tiết nhỏ.
- Ưu điểm: nhỏ gọn, bộ truyền động có khả năng truyền động tốt, tỉ số truyền ổn định
Nhược điểm của hệ thống này là khó khăn trong việc thi công và tìm kiếm bánh răng phù hợp với nhu cầu sử dụng Ngoài ra, việc chế tạo các thiết bị hỗ trợ cố định bánh răng cũng gặp nhiều trở ngại Đặc biệt, cảm biến đo lực của ngón tay sử dụng loadcell cân nặng có thể gây khó khăn trong quá trình lắp đặt và hiệu chỉnh.
- Ưu điểm: giá thành rẻ, đo lực chính xác
- Nhược điểm: không thể đo lực của toàn bộ quá trình, thẩm mĩ kém g Thiết bị hiển thị dùng màn hình LCD:
- Ưu điểm: giá thành rẻ, dễ thiết kế và lắp đặt
- Nhược điểm: độ hoàn thiện không cao h Lựa chọn động cơ DC servo motor encoder:
- Ưu điểm: điều khiển được chính xác vị trí và hiển thị kết quả chính xác, ít có sai lệch trong quá trình hoạt động
- Nhược điểm: giá thành cao
4.2.2 Đề xuất/ Giải pháp 2: a Thiết kế và thi công mạch sử dụng board đục lỗ:
- Ưu điểm: giá thành rẻ, thời gian thực hiện ngắn, linh hoạt khi gặp sự cố
Tủ điện bằng sắt có sơn tĩnh điện thường gặp nhược điểm như độ nhiễu tín hiệu cao, dễ xảy ra các vấn đề về mạch điện và thẩm mỹ kém.
- Ưu điểm: gọn nhẹ, khả năng cách điện được đảm bảo, tủ được định hình tốt
Hộp động cơ thiết kế bằng phương pháp CNC có nhược điểm là giá thành cao hơn so với hộp nhựa Ngoài ra, khi lớp sơn tĩnh điện bị bong ra, khả năng cách điện của sản phẩm sẽ bị giảm sút.
- Ưu điểm: chi tiết được gia công với độ chính xác cao, giá thành rẻ, thời gian chế tạo ngắn
- Nhược điểm: không thể chế tạo những chi tiết với những hình dạng phức tạp d Thiết kế, lắp ráp các chi tiết vào găng tay bằng in 3D:
- Ưu điểm: chi tiết tạo ra gọn, nhẹ, thẩm mĩ cao, có thể chế tạo những chi tiết với hình dạng phức tạp
Mặc dù việc tạo bộ truyền động cho ngón tay bằng khí nén mang lại nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm đáng lưu ý Đầu tiên, giá thành của công nghệ này khá cao, điều này có thể làm hạn chế khả năng tiếp cận cho nhiều người dùng Thứ hai, thời gian hoàn thiện sản phẩm tương đối lâu, ảnh hưởng đến tiến độ dự án Cuối cùng, độ bền và độ hoàn thiện của các chi tiết nhỏ không đạt yêu cầu cao, có thể dẫn đến những vấn đề trong quá trình sử dụng.
- Ưu điểm: hệ thống có độ hoàn thiện cao, sử dụng thoải mái
- Nhược điểm: hệ thống tạo khí nén cồng kềnh, giá cả cao f Cảm biến đo lực của ngón tay dùng flex sensor:
- Ưu điểm: đo được lực trong toàn bộ quá trình, dễ dàng thiết kế lắp đặt
- Nhược điểm: khó trong việc chuyển đổi giá trị điện trở sang giá trị lực, giá thành cao g Thiết bị hiển thị dùng màn hình HMI :
- Ưu điểm: có thể thao tác cảm ứng, độ hoàn thiện cao
- Nhược điểm: khó sử dụng, giá thành cao h Lựa chọn động cơ dc servo & encoder:
- Ưu điểm: điều khiển được tương đối chính xác vị trí và hiển thị kết quả gần chính xác nhất, ít có sai lệch trong quá trình hoạt động
- Nhược điểm: giá thành cao
4.2.3 Đề xuất/ Giải pháp 3: a Thiết kế và thi công mạch bằng cách in mạch bên cạnh kết hợp với phương pháp thiết kế và thi công mạch sử dụng board đục lỗ:
- Ưu điểm: Gọn gàng, dễ sử dụng, không bị đoản mạch, ít nhiễu tín hiệu, linh hoạt khi gặp sự cố
- Nhược điểm: Giá thành cao, thời gian thực hiện lâu, thẩm mĩ kém b Thiết kế, thi công tủ điện bằng tủ sắt có sơn tĩnh điện:
- Ưu điểm: gọn nhẹ, khả năng cách điện được đảm bảo, tủ được định hình tốt
Hộp động cơ có nhược điểm là giá thành cao hơn hộp nhựa, và khi lớp sơn tĩnh điện bị bong ra, khả năng cách điện sẽ bị giảm sút Việc thiết kế và chế tạo hộp động cơ bằng phương pháp in 3D kết hợp với CNC mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng cần lưu ý đến các yếu tố này.
Thi công các chi tiết phức tạp với vật liệu nhẹ là một trong những ưu điểm nổi bật của công nghệ hiện đại Các chi tiết được gia công bằng CNC không chỉ đảm bảo độ chính xác cao mà còn giúp giảm thiểu chi phí sản xuất Thời gian chế tạo nhanh chóng cũng là một lợi thế lớn, mang lại hiệu quả tối ưu cho quá trình sản xuất.
Nhược điểm của việc sử dụng chi tiết nhỏ trong thiết kế là chúng thường không đảm bảo độ cứng và hình dạng như mong muốn Việc thiết kế và lắp ráp các chi tiết vào găng tay thông qua công nghệ in 3D cũng gặp phải những thách thức nhất định.
- Ưu điểm: chi tiết tạo ra gọn, nhẹ, thẩm mĩ cao, có thể chế tạo những chi tiết với hình dạng phức tạp
Nhược điểm của việc tạo bộ truyền động cho ngón tay bằng cơ cấu kéo dây bao gồm giá thành cao, thời gian hoàn thiện lâu, và độ bền cũng như độ hoàn thiện không đạt yêu cầu đối với các chi tiết nhỏ.
- Ưu điểm: hệ thống gọn nhẹ, giá thành rẻ, dễ dàng thay thế và bảo trì
Nhược điểm của sản phẩm là độ thẩm mỹ chưa cao, và sau một thời gian sử dụng, dây có thể bị chùng, đòi hỏi người dùng phải canh chỉnh lại Cảm biến đo lực của ngón tay sử dụng loadcell và cảm biến Flex để đo lực co ngón tay.
- Ưu điểm: đo được lực trong toàn bộ quá trình, dễ dàng thiết kế lắp đặt
The flex sensor has several drawbacks, including susceptibility to noise when converting electrical resistance signals to force values, a relatively high cost, and aesthetic limitations of load cells Additionally, the display device utilizes a WinForms C# interface for better user interaction.
- Ưu điểm: có thể thao tác trực tiếp trên máy tính, dễ sửa chữa nếu có lỗi
- Nhược điểm: không có hiển thị ngoài hộp điều khiển, không thể sử dụng nếu không có máy tính h Lựa chọn động cơ DC servo & encoder:
- Ưu điểm: điều khiển được chính xác vị trí và hiển thị kết quả chính xác, ít có sai lệch trong quá trình hoạt động
- Nhược điểm: giá thành cao.
Lựa chọn giải pháp
Dựa trên phân tích ưu và nhược điểm, nhóm tác giả đã quyết định chọn giải pháp 3 kết hợp với một số yếu tố từ phương án 1 và 2 Mục tiêu là tạo ra sản phẩm có giá thành hợp lý, kích thước nhỏ gọn, độ hoàn thiện cao, dễ chế tạo và đảm bảo độ ổn định Sản phẩm cũng cần đáp ứng các yêu cầu đề ra và dễ dàng sử dụng.
Trình tự tiến hành sản phẩm
1 Bắt đầu bằng việc nảy ra ý tưởng cho sản phẩm dựa trên nhu cầu và mục tiêu cụ thể
2 Tiến hành khảo sát và tìm hiểu về các thông số kỹ thuật, yêu cầu và ràng buộc của sản phẩm, bao gồm cả yếu tố cơ khí, điện tử và phần mềm
3 Dựa trên thông số kỹ thuật, tiến hành thiết kế mạch điện tử và thi công mạch bằng cách in mạch hoặc sử dụng công nghệ tương tự để tạo ra mạch điện tử cho sản phẩm
4 Tiến hành thiết kế và thi công tủ điện để chứa và bảo vệ các thành phần điện tử, bảo đảm an toàn và chất lượng hoạt động của hệ thống
5 Tiến hành thiết kế và thi công hộp động cơ để bảo vệ và quản lý các thành phần chuyển động và động cơ trong sản phẩm
6 Tiến hành thiết kế và thi công găng tay với các thành phần và cơ cấu phù hợp để đáp ứng yêu cầu chức năng và thẩm mỹ
7 Tiến hành chạy thử các mã code điều khiển để kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống, đảm bảo hoạt động một cách chính xác và ổn định
8 Kết hợp các thiết bị cảm biến, màn hình hiển thị và các thành phần phần cứng khác vào sản phẩm, tạo thành hệ thống hoàn chỉnh
9 Chạy thử nghiệm và đánh giá: Tiến hành chạy thử nghiệm sản phẩm để kiểm tra hoạt động, thu thập dữ liệu và đánh giá hiệu suất, đáp ứng yêu cầu và hiệu chỉnh nếu cần thiết
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU CHẤP HÀNH
XÁC ĐỊNH YÊU CẦU KỸ THUẬT MÁY
Thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng sử dụng cảm biến để nhận tín hiệu điện trở, cho phép người dùng điều khiển các động tác tay và ngón tay thông qua lập trình Arduino Thiết bị này hỗ trợ co và duỗi, giúp tăng cường và khôi phục chức năng cơ bắp Ngoài ra, các cảm biến còn đo góc co của bàn tay và lực co ngón tay trong quá trình tập luyện.
Hệ thống găng tay phục hồi chức năng giúp người dùng luyện tập vận động cơ bản để phục hồi các cơ ngón tay Găng tay này cung cấp sự ổn định và hỗ trợ lực, giúp người dùng cảm nhận khả năng hồi phục sau chấn thương.
Dựa trên khảo sát về lực co duỗi của ngón tay chấn thương và lực đàn hồi, cần sử dụng động cơ phù hợp để đảm bảo moment xoắn cần thiết cho quá trình chuyển động của các khớp ngón tay và chi tiết găng tay Hệ thống và động cơ phải có độ bền và tính ổn định cao để chịu được sự mài mòn và sử dụng hàng ngày mà không gặp sự cố kỹ thuật Động cơ kéo cần được điều khiển chính xác và dễ dàng từ các hệ thống điều khiển khác, đồng thời tương thích với các thiết bị trong hệ thống găng tay phục hồi chức năng.
Bộ xử lý kết nối với bộ truyền động chính xác, mang đến độ nhạy và phản hồi nhanh chóng, giúp điều chỉnh và kiểm soát các động tác tay một cách mượt mà và chính xác.
Hệ thống tiêu thụ năng lượng thấp nhờ vào việc tối ưu hóa nguồn điện 12V và 5VDC, đồng thời thiết kế sản phẩm nhỏ gọn giúp tiết kiệm không gian và phù hợp với nhiều mục đích sử dụng.
5.1.3 Nguyên lý làm việc của bộ phận công tác
Hệ thống găng tay phục hồi chức năng sử dụng động cơ DC Servo kết hợp với Encoder để thực hiện các chuyển động co và duỗi, giám sát chính xác vị trí theo tín hiệu điều khiển Cảm biến phản hồi hiển thị giá trị góc co tối đa của các ngón tay, từ đó yêu cầu động cơ hoạt động dựa vào số lần cài đặt quay thuận và quay nghịch tương ứng với giá trị góc co tối đa.
Động cơ DC servo mang lại khả năng điều chỉnh vị trí và tốc độ quay với độ chính xác cao và phản ứng nhanh chóng Nhờ đó, hệ thống găng tay phục hồi chức năng có thể thực hiện các chuyển động một cách linh hoạt và chính xác, theo các tín hiệu được cài đặt bởi người sử dụng, đồng thời cung cấp phản hồi chính xác.
Hệ thống có độ bền cao và đáng tin cậy, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định trong thời gian dài
- Nhược điểm: Độ thẩm mỹ chưa hoàn thiện
Năng suất chưa đạt mức cao do hệ thống gặp phải nhiễu tín hiệu từ PID, sai số trong góc quay và giá trị tín hiệu chuyển đổi từ cảm biến.
5.1.4 Đề xuất phương án mới
Ngoài hệ thống phục hồi chức năng sử dụng động cơ DC servo, còn có nhiều phương án khác như sử dụng nguồn năng lượng khí nén, dầu thủy lực hoặc lò xo để cung cấp lực và chuyển động cho găng tay Các nguồn năng lượng này có thể được điều khiển thông qua van, bơm hoặc cơ cấu cơ học, mang lại sự linh hoạt trong thiết kế và ứng dụng.
TÍNH TOÁN CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG
5.2.1 Tính toán chọn động cơ:
Lực cản kỹ thuật trong hệ thống bao gồm lực kéo co ngón tay và lực đàn hồi của lò xo, trong khi lực ma sát của dây dẫn và ống teflon có thể được bỏ qua do không đáng kể Theo tài liệu lý thuyết từ IEEE International Conference on Robotics and Automation, lực kéo có thể xem như lực cầm nắm của ngón tay, với lực kéo trung bình đạt khoảng 15N, như được thể hiện trong bảng (4.1).
F = F + F đ = 15 + 5.1 = 20.1N (5.1) Dựa vào lực cản kỹ thuật, ta có:
Từ đó, nhóm quyết định chọn động cơ GA12-N20 với thông số như sau:
STT Đặc điểm Giá trị
5 Tốc độ ban đầu 15000 rpm
6 Tốc độ sau hộp giảm tốc 70 rpm
Bảng 5.1: Thông số của động cơ GA12-N20
Nhóm chọn động cơ Encoder GA12-N20 để đảm bảo góc quay không bị sai lệch quá 10°đồng thời phản hồi vị trí chính xác
Dây cước không co giãn với đường kính 0.375mm và tải trọng 6kg được sử dụng làm dây kéo chính, được luồn bên trong ống teflon có đường kính ngoài 4mm và trong 2mm Với tính chất cơ học không giòn và không mềm, dây cước này có độ ma sát rất thấp, ít bị biến dạng khi chịu lực căng, do đó rất phù hợp để làm dây dẫn trong cơ cấu truyền động.
Hình 5.1: Dây cước kéo và ống dẫn teflon
Dây dẫn cần đáp ứng những yêu cầu sau đây:
- Đảm bảo khả năng chịu tải trong quá trình hoạt động
- Khả năng uốn dẻo của dây
5.2.3 Cơ cấu đàn hồi trên bao tay
Sử dụng lò xò kéo một đầu mắc vào vị trí đốt thứ hai của các ngón , đầu còn lại mắc vào gá mu bàn tay
Lò xo kéo phi 6mm, đường kính sợi thép 0.7mm , lực đàn hồi 5.1N với hành trình 3cm (độ cứng k = 1.7 N/cm)
F đ = k × |∆l| = 1.7 × 3 = 5.1N (5.4) 5.2.4 Tính toán thiết kế Puly cuốn dây
Puly có nhiệm vụ cuốn dây co duỗi ngón tay, chọn sơ bộ đường kính của Puly GT2
20 răng, bước răng 2mm, đường kính 12mm, trục 8mm để tối ưu lực kéo các ngón
Với động cơ 70 vòng/phút => 70/60 ~ 1.2 vòng/giây
Hành trình tối thiểu của đoạn dây được kéo để ngón tay co lại là 6cm
Ta giả sử thời gian kéo s là hành trình bằng 6cm trong thời gian t
↔ t = 1.3s Vậy rulo có thể kéo dc ngón tay co lại với thời gian 1.3 giây
= 28.3N > 20.1N (5.6) Lực kéo bằng 28.3(N) phù hợp với giới hạn lực của động cơ
5.2.5 Trục thép truyền động a Phân tích lực trên trục thép
Hình 5.2: Biểu đồ lực của trục thép
Giả sử hệ cân bằng tại A, ta có:
↔ F = 23.95N Giả sử hệ cân bằng tại C, ta có:
Hình 5.3: Biểu đồ nội lực của trục thép b Moment xoắn trên trục
Vì động cơ nối với trục qua khớp nối mềm, giả sử momen động cơ bằng momen trục, ta có:
T = 1.7(kg cm) = 0.1666(N m) c Kiểm trục theo độ bền mỏi đối trục Đường kính trục được xác định theo công thức:
- t là ứng suất xoắn cho phép Mpa, với vật liệu là trục thép CT5, thép 45, thép 40x thì t= 15…30Mpa Từ đó ta tính được D xấp xỉ 3mm
Tuy nhiên để đảm bảo khớp nối với các bộ phận còn lại chọn trục có đường kính 8mm
Kiểm nghiệm mỏi tại tiết diện có mặt cắt nguy hiểm:
Trục thép hình trụ tròn có đường kính cần thiết để chịu momen xoắn nhỏ hơn nhiều so với đường kính thực tế được chọn, do đó có thể bỏ qua việc kiểm tra độ bền.
Thông số đầu vào: d = 8 (mm)
Fgối đỡ = 28.3N Ổ lăn chịu tải vòng trong cục bộ
Vì không yêu cầu độ chính xác cao nên chọn ổ lăn dựa theo bảng 2.61, trang 100, sách Sổ tay Thiết kế Cơ khí tập 2 [3] Từ đó chọn ổ bi 608zz
Khớp nối mềm phải chịu momen xoắn tương đương với momen xoắn của động cơ (1.7kg.cm) vì nó được kết nối trực tiếp với trục động cơ Đồng thời, khớp nối có số vòng quay bằng với động cơ, đạt 70rpm Một đầu của khớp nối được gắn vào trục động cơ, trong khi đầu còn lại kết nối với trục có đường kính 8mm.
Dựa vào các thông số trên, ta chọn khớp nối mềm có đường kính trong 8mm và 3mm
Hình 5.5: Khớp nối mềm 8-3(mm
THIẾT KẾ CƠ CẤU SƠ BỘ MÔ HÌNH MÁY
5.3.1 Thiết kế hộp truyền động
Hình 5.6: Thiết kế 3D hộp truyền động
Hình 5.7: Bản vẽ phân rã của hộp truyền động
Các linh kiện được thiết kế trong hộp truyền động bao gồm:
Stt Tên chi tiết Số lượng
1 Động cơ DC servo GA12-N20 3
4 Mặt trên hộp truyền động 1
5 Mặt dưới hộp truyền động 1
6 Mặt nối động cơ hộp truyền động 1
7 Mặt cố định ổ bi (được in 3D) hộp truyền động 1
Bảng 5.2: Các linh kiện được sử dụng trong hộp truyền động
Hình 5.9: Khớp nối mềm Chi tiết số 3:
Hình 5.10: Puly GT2 N94U Chi tiết số 4:
Hình 5.11: Mặt trên hộp truyền động
Hình 5.12: Mặt dưới hộp truyền động
Hình 5.13: Mặt nối động cơ hộp truyền động Chi tiết số 7:
Hình 5.14: Mặt cố định ổ bi hộp truyền động
Hình 5.15: Mặt gá động cơ hộp truyền động Chi tiết số 9:
Hình 5.16: Ổ bi 608zz Chi tiết số 10:
Hình 5.17: Trục thép hộp truyền động
Hình 5.18: Gá động cơ hộp truyền động Chi tiết số 12:
Hình 5.19: Đầu nối Hộp động cơ sau khi được kết nối hoàn chỉnh:
Hình 5.20: Hộp động cơ được nhóm lắp ráp hoàn chỉnh và đang trong quá trình điều chỉnh
Dựa vào hình (4.1), nhóm đã phác thảo và thiết kế bản vẽ 3D của bao tay để xác định kích thước phù hợp:
Hình 5.21: Bản vẽ thiết kế bao tay phiên bản đầu
Sau khi thiết kế và in 3D, nhóm gặp khó khăn do các chi tiết không đạt độ chính xác và độ cứng cần thiết Để khắc phục, nhóm quyết định sử dụng bao tay vải may theo tiêu chuẩn và in 3D các chi tiết rời để gắn cố định vào bao tay Cách làm này không chỉ cải thiện tính thẩm mỹ mà còn mang lại cảm giác mềm mại và dễ sử dụng hơn.
Hình 5.22: Bao tay vải nhóm quyết định lựa chọn của hãng INGCO
Các chi tiết gá vào găng tay đã được nhóm thiết kế và quyết định in 3D bao gồm:
Bảng 5.3: Các linh kiện được dùng để tạo ra găng tay mềm
Stt Mô tả chi tiết Số lượng
1 Cố định ở các đầu ngón tay để luồn cước 5
2 Cố định ở phần chân các ngón tay để dân hướng dây kéo 1
3 Phần chủ lực của cơ cấu kéo , giữ ống dây dẫn tạo lực kéo 1
4 Các đốt dẫn dây đốt đầu tiên, có ống dân dây bên dưới vào gá móc lò xo bên trên 2
Các đốt dẫn dây đốt thứ hai tương tự như các đốt đầu tiên, nhưng có thêm ống tròn phía trên để định vị lò xo Lưu ý rằng ngón cái không sử dụng do chỉ có hai đốt.
6 Cố định trên mu bàn tay để cố định lò xo kéo duỗi 1
7 Các đốt ngón cái, trỏ, giữa được làm thêm các vòng để nối dây xuống loadcell 3
Hình 5.24: Chi tiết số 2 Chi tiết số 3:
Hình 5.25: Chi tiết số 3 Chi tiết số 4:
Hình 5.28: Chi tiết số 6 Chi tiết số 7:
Hình 5.29: Chi tiết số 7 Chi tiết số 8:
Hình 5.30: Lò xo đàn hồi
Dựa trên kích thước bàn tay thực tế trong hình (4.1), nhóm đã chọn cảm biến Flex 2.2 inch với thông số kỹ thuật bao gồm điện trở ở vị trí phẳng là 25K Ohms và khả năng chịu đựng là ±30%.
Phạm vi kháng uốn: 45K đến 125K Ohms(tùy thuộc vào bán kính uốn cong) Đánh giá công suất: 0,50 Watts liên tục Đỉnh 1 watt Vòng đời: >1 triệu lần
Chiều dài: 0.43mm (0.017") Khoảng nhiệt độ phù hợp: -35°C to +80°C
Bảng 5.4: Thông số kỹ thuật Flex Sensor Hình ảnh bao tay khi đã hoàn thiện:
Hình 5.32: Bao tay hoàn thiện
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BÀN ĐO LỰC
5.4.1 Tính toán bàn đo lực
Bàn đo lực được thiết kế với găng tay cố định trên mặt bàn kích thước 300x300(mm), từ đó nhóm thiết kế tính toán vị trí lắp đặt loadcell một cách hợp lý.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một động cơ DC Servo để căng dây ngược lại với ngón tay, kết nối dây cước với loadcell Khi bắt đầu đo lực, dây cước sẽ kéo loadcell, cho phép đo giá trị điện trở Các giá trị này sẽ được chuyển đổi thành đơn vị đo khối lượng, từ đó tính toán lực co bằng công thức đã định.
Lực co ngón tay được ký hiệu là F và được đo bằng đơn vị Newton (N) Khối lượng được quy đổi sang kilogram (kg) và gia tốc trọng trường g có giá trị xấp xỉ 9.81 m/s².
Thông số kỹ thuật của Loadcell thanh YZC - 133 được nhóm lựa chọn:
Tải trọng 5 Kg Độ lệch tuyến tính (%) 0.05
Trở kháng đầu vào (Ω) 1066 +/- 20 Trở kháng ngõ ra (Ω) 1000 +/- 20 Điện áp hoạt động 5V
Nhiệt độ hoạt động -20 ~ 65 độ C
Chất liệu cảm biến Nhôm
Để loadcell đo được chuẩn đơn vị kg, cần thực hiện quá trình hiệu chỉnh (calibrate) loadcell Các bước hiệu chỉnh loadcell bao gồm việc thiết lập và kiểm tra các thông số kỹ thuật cần thiết.
1 Tạo một chương trình Arduino để đọc giá trị analog từ module ADC sử dụng các thư viện hỗ trợ như HX711 hoặc ADC built-in
2 Đặt hệ số hiệu chỉnh ban đầu: Đặt một trọng lượng đã biết lên load cell và đọc giá trị analog tương ứng từ module ADC Ghi nhận giá trị này làm giá trị hiệu chỉnh ban đầu
3 Tính toán hệ số hiệu chỉnh chính xác: So sánh giá trị hiệu chỉnh ban đầu với trọng lượng đã biết Tính toán hệ số hiệu chỉnh chính xác bằng cách chia trọng lượng đã biết cho giá trị hiệu chỉnh ban đầu
4 Áp dụng hệ số hiệu chỉnh: Trong chương trình Arduino, nhân giá trị đọc từ module ADC bằng hệ số hiệu chỉnh để có giá trị đúng sau khi hiệu chỉnh
Để tránh sai lệch lực đo ngón tay do kéo duỗi, nhóm đã lựa chọn động cơ thu dây đo lực có momen nhỏ hơn động cơ dùng để co duỗi ngón tay.
Khi động cơ đo lực quay, dây sẽ được quấn vào rulo, tạo ra lực căng cho dây nối với loadcell và ngón tay, từ đó cho phép đo chính xác lực co của ngón tay.
Khi động cơ đo lực dừng ở điểm đã được chọn, dây đo lực được kéo căng , sẽ tạo ra một hệ lực có trạng thái cân bằng như sau:
Hình 5.33: Sơ đồ biểu diễn lực của bàn đo lực
Giả sử bỏ qua lực ma sát , ta có thể xem lực căng dây ở 2 đầu puly (T2) và loadcell ) là bằng nhau
Vì khi đo lực, hệ thống sẽ ở trạng thái cân bằng:
Lực đo được từ loadcell chỉ bằng 1/2 lực thực tế của ngón tay, do đó cần thực hiện hiệu chỉnh trong quá trình hiển thị lực trên máy tính để đảm bảo thông số đo lực chính xác.
5.4.2 Thiết kế bàn đo lực
Qua thiết kế và đo đạc, nhóm đã dựng ra được bản vẽ 3D bàn đo lực:
Từ bàn đo lực dựng 3D, nhóm tiến hành thiết kế và cho ra đời bàn đo lực gồm các chi tiết như sau:
STT Mô tả chi tiết Số lượng
5 Gối đỡ trục đứng KP08 2
Bảng 5.6: Bảng linh kiện dùng để tạo bàn đo lực Nhóm đã thiết kế trên phần mềm Solidworks bàn đo lực như hình 5.34:
Hình 5.34: Bản vẽ 3D bàn đo lực Hình ảnh bàn đo lực được hoàn thiện:
Hình 5.35: Bàn đo lực thực tế
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHẤP HÀNH
Bộ điều khiển cơ cấu chấp hành là bộ phận trung gian giữa bộ phận xử lý tín hiệu và bộ phận cơ khí của hệ thống
Chức năng của hệ thống là nhận tín hiệu lập trình điều khiển từ máy tính để điều khiển ba động cơ, giúp quay và dừng lại chính xác tại vị trí ngón tay co lại Tại đây, ngưỡng lực kéo lớn nhất được ghi lại bởi loadcell, trong khi flex sensor ghi lại góc co của ngón tay.
5.5.2 Sơ đồ khối hệ thống:
Bộ điều khiển cơ cấu chấp hành bao gồm các thiết bị cần thiết để điều khiển bộ truyền động hiệu quả, như được thể hiện trong sơ đồ khối tổng quan.
Số thứ tự Tên thiết bị Số lượng
Bảng 5.7: Bảng thống kê các thành phần sử dụng trong bộ điều khiển
Hình 5.37: Tổng quan bộ điều khiển
Để đáp ứng yêu cầu về tính nhỏ gọn và dễ dàng mang theo, các thành phần của bộ điều khiển đã được tích hợp lên từng board riêng biệt và kết nối với nhau.
5.5.4 Thành phần hệ thống: a MODULE NGUỒN
Module nguồn có nhiệm vụ phân phối điện áp cho tất cả các thiết bị, được tích hợp trên board module driver
Hệ thống cơ cấu chấp hành yêu cầu an toàn và sử dụng nguồn 12VDC Để đáp ứng nhu cầu về các mức điện áp khác nhau cho các thành phần trong hệ thống, cần sử dụng module chuyển đổi nguồn AMS1117 để hạ nguồn từ 12 VDC xuống 5 VDC và 3.3 VDC.
Thông số kỹ thuật của Module giảm áp 3 ngõ ra (3V3, 5V, 12V): Đầu vào:
DC 6V - 12V (điện áp đầu vào phải là điện áp đầu ra cao hơn 1V hoặc nhiều hơn.) Đầu ra:
3.3V (+ 0.05V) 800mA (dòng tải không được vượt quá 800ma)
56 không được vượt quá 800mA)
12V (12V đầu vào trực tiếp vào đầu ra)
Bảng 5.8: Thông số kỹ thuật của Module chuyển đổi nguồn AMS1117
Hình 5.38: Module chuyển đổi nguồn AMS1117
Nguồn 12V được cấp cho module nguồn và 3 động cơ DC servo thông qua chân 12V trên L298N
Module nguồn nhận nguồn từ adaptor 12V để phân phối cho bộ điều khiển cơ cấu chấp hành (Arduino, L298N, động cơ, flex sensor)
Module chuyển đổi nguồn AMS1117 chuyển điện áp 12VDC thành 3.3VDC và 5VDC để cung cấp cho encoder hoạt động Để điều khiển vị trí động cơ tương ứng với góc co của ngón tay, cần sử dụng bộ điều khiển PID tích hợp vào vi điều khiển và module mạch cầu H Nhóm đã chọn module Arduino Mega 2560 vì đáp ứng yêu cầu phần cứng về số chân ngắt ngoài, chân PWM, I/O và yêu cầu phần mềm như thư viện và phần mềm IDE Đối với mạch cầu H, nhóm chọn L298N vì đây là module tích hợp đầy đủ, không cần gắn thêm linh kiện khác, phù hợp với động cơ và dễ dàng điều khiển khi kết hợp với vi điều khiển.
Nhóm sử dụng động cơ tích hợp Encoder 2 kênh với nguồn cấp 3.3V, tổng cộng có 8 dây Tín hiệu từ Encoder sẽ được truyền vào bộ điều khiển PID để thực hiện điều khiển vị trí chính xác.
Để loadcell hoạt động hiệu quả, cần sử dụng mạch chuyển đổi ADC 24bit HX711 để chuyển đổi giá trị từ tín hiệu Analog sang Digital, sau đó kết nối trực tiếp với Arduino.
Hình 5.39: Sơ đồ khối kết nối Loadcell và mạch chuyển đổi ADC 24 bit HX711 với
Hình 5.40: Sơ đồ khối kết nối Flex Sensor với Arduino Mega 2560
Cuối cùng, để đo được góc co ngón tay, ta kết nối chân ADC của Flex Sensor qua trở
Số thứ tự Tên linh kiện Số lượng
2 Động cơ GA12-N20 có encoder 4
4 Mạch Chuyển Đổi ADC 24bit
Bảng 5.9: Linh kiện trong Module Driver
Arduino Mega nhận giá trị lực từ loadcell thông qua HX711 và giá trị co góc từ sensor qua chân I/O
Giá trị góc được đưa vào bộ xử lý PID, tính toán và xuất xung PWM ra các chân Output
Các chân Output được nối với chân Input trên L298N điều khiển động cơ đến vị trí yêu cầu
Trên động cơ có gắn các encoder để hồi tiếp về Arduino mega qua 2 chân ngắt cho mỗi động cơ
Thiết kế mạch cho Module Driver:
Hình 5.41: Thiết kế Proteus cho Module Driver
59 Hình 5.42: Thiết kế PCB cho Module Driver
Hình 5.43: Mặt trước mạch PCB của Module Driver
Hình 5.44: Mặt sau mạch PCB Module Driver
Trong quá trình thực hiện, nhóm đã thiết kế thêm một số hệ thống, dẫn đến việc mạch PCB không còn phù hợp Do đó, nhóm quyết định sử dụng Board Đục Lỗ nhằm tối ưu hóa thời gian thực hiện và dễ dàng sửa chữa khi phát sinh sai sót.
Hình 5.45: Module Driver sử dụng Board đục lỗ c MODULE BUTTON:
Hình 5.46: Mặt sau Module Button
Hình 5.47: Mặt trước Module Button
Để hiệu chỉnh hoạt động của cơ cấu chấp hành mà không cần can thiệp phần mềm, nhóm thiết kế đã tạo ra một module manual với 3 nút nhấn và 3 switch, kết nối với chân I/O của Arduino để thay đổi góc quay một cách thủ công Module này được kết nối với Arduino thông qua bus dây và connector 8P.
Số thứ tự Tên linh kiện Số lượng
Bảng 5.10: Linh kiện sử dụng trong module MANUAL
Module có tác dụng điều chỉnh góc quay động cơ thủ công, đo lực và thực hiện bài tập
Ba nút nhấn có chức năng lần lượt là cộng góc, trừ góc, reset góc, tiến hành thực hiện bài tập đã cài đặt và reset bài tập
Ba switch tương ứng với các bài tập đã lập trình từ Arduino Mega 2560:
Các đèn led dùng để báo hiệu switch nào đang hoạt động và nút có được nhấn hay không
Module được cấp bằng nguồn 5V của Arduino Mega
Thiết kế mạch cho Module Button:
Hình 5.48: Thiết kế Module Button bằng Proteus
Hình 5.49: Thiết kế PCB cho Module Button
GIẢI THÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ
Để đo góc co lớn nhất, bật công tắc 1 Nhấn giữ nút 1 để điều khiển 3 động cơ cuốn dây vào pulley, giúp co ngón tay lại Nhấn giữ nút 2 để điều khiển 3 động cơ xả dây ra Nút 3 được sử dụng để trả vị trí về vị trí gốc ban đầu (thẳng tay) Cảm biến độ linh hoạt (flex sensor) sẽ đo góc co của ngón tay, trong khi loadcell hiển thị lực và lưu giá trị cho bài tập sau.
Bật Switch 2 để hỗ trợ người chấn thương Nhấn nút 1 để động cơ 1 co ngón tay đến giá trị góc đã lưu ở Switch 1, sau đó co duỗi 2 lần (có thể điều chỉnh trên giao diện) và dừng 5 giây Động cơ 2 thực hiện tương tự, co ngón tay đến giá trị góc đã lưu, co duỗi 2 lần, dừng 5 giây, và động cơ 3 cũng làm như vậy Số lần kéo thả được hiển thị trên giao diện Winforms (mỗi lần kéo và thả tính là 1 lần) Nhấn nút 2 để cả 3 động cơ thực hiện kéo thả đến giá trị góc lớn nhất đã đo ở Switch.
1) kéo thả 2 lần (có thể tăng/giảm trên giao diện) Hiển thị số lần kéo thả lên Winforms ( kéo và thả tính 1 lần) o Button 3: Stop sau đó reset về vị trí gốc ban đầu (khi ngón tay duỗi)
Bật công tắc 3 để đo lực co ngón tay Khi nhấn nút 1, động cơ ở bàn đo lực sẽ quay, cuốn dây vào các pulley, giúp dây căng ra và kéo loadcell, từ đó đo được lực ngón tay Nút 2 dùng để reset về vị trí ban đầu.
5.6.2 Lưu đồ giải thuật bộ điều khiển:
64 Hình 5.50: Lưu đồ giải thuật bộ điều khiển
THIẾT KẾ GIAO DIỆN
Dựa vào lí thuyết đã được tham khảo và đã được học, nhóm đã áp dụng để tạo nên giao diện như hình 5.52 và hình 5.53:
Để sử dụng giao diện Menu thiết kế, trước tiên, người dùng cần chọn cổng COM và Baurate phù hợp với lập trình Arduino, sau đó nhấn nút “Connect to Arduino” để kết nối Tiếp theo, nhấn nút “Main” để truy cập giao diện điều khiển Tại giao diện Main, người dùng có thể theo dõi lực co ngón tay, góc co ngón tay, số lần lặp lại của các bài tập, cùng với các nút và switch để bắt đầu bài tập theo nguyên lý hoạt động đã nêu.
Khi nhấn nút “Save Result”, màn hình trắng sẽ xuất hiện ở giữa giao diện Main, cho phép lưu trữ các thông số về góc co và lực ngón tay vào bảng theo thời gian một cách thủ công.
Từ đó, khi nào các bác sĩ cần thiết có thể xuất các giá trị sang file pdf hoặc file excel tùy nhu cầu bằng các nút bên cạnh
Bác sĩ có khả năng điều khiển từng ngón tay co theo góc bằng cách nhập giá trị vào phần “Finger angle value” Động cơ sẽ co ngón tay cho đến khi cảm biến Flex đạt giá trị mong muốn, sau đó động cơ sẽ dừng lại.
66 Hình 5.52: Giao diện Main dùng để điều khiển thiết bị
KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM
KẾT QUẢ
Qua quá trình thiết kế, nhóm đã cho ra được thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng như hình 6.1, hình 6.2, hình 6.3:
Hình 6.1: Tổng quan thiết bị hỗ trợ bàn tay phục hồi chức năng
Hình 6.2: Tổng quan các chi tiết trong tủ điện của thiết bị
Hình 6.3: Hình ảnh chi tiết găng tay và bàn đo lực được kết nối với nhau
Nhóm đã thực hiện hiệu chỉnh thông số PID trong ứng dụng, nhằm đảm bảo hệ thống đáp ứng đúng yêu cầu với sai số dưới 10 độ Hình 6.4 và hình 6.5 minh họa rõ ràng vị trí đáp ứng của PID (đường màu đỏ) so với giá trị đặt (Set Point - đường màu xanh).
Hình 6.4: Đồ thị biểu diễn bộ điều khiển PID khi không có tải
Hình 6.5: Đồ thị biểu diễn bộ điều khiển PID khi có tải
Nhóm đã hoàn thành lập trình bài tập sử dụng công tắc (switch) 2, và kết quả là bài tập đã chạy hoàn chỉnh, như thể hiện trong các hình 6.6, 6.7, 6.8 và 6.9.
Hình 6.6: Hình ảnh thiết bị trong quá trình thực nghiệm
70 Hình 6.7: Hình ảnh ngón cái co lại trong bài tập
Hình 6.8: Hình ảnh ngón trỏ co lại trong bài tập
71 Hình 6.9: Hình ảnh ba ngón còn lại trong bàn tay co lại trong bài tập
Hình 6.10: Hình ảnh cả năm ngón tay co lại trong bài tập
Khi nhóm thực hiện đo giá trị của cảm biến linh hoạt bằng cách co găng tay, màn hình giao diện hiển thị chính xác góc co của ngón tay trong khung màu đỏ Đồng thời, lực ngón tay được đo lường và hiển thị trong khung màu xanh sau khi nhóm tiến hành bài đo lực.
Hình 6.11: Kết quả đo góc và đo lực được hiển thị lên giao diện
Sau khi nhấn nút “Save Result”, dữ liệu sẽ được lưu trữ theo thời gian thực vào bảng bên dưới, giúp bác sĩ dễ dàng in ra dưới dạng file Excel hoặc PDF tùy theo nhu cầu sử dụng.
Hình 6.12: Bảng giá trị lưu trữ nằm trên giao diện có thời gian cụ thể
Sau khi ấn nút “Export Excel file”, các giá trị nằm trên bảng biểu sẽ được đưa vào file Excel sau khi có thông báo:
Hình 6.13: Thông báo khi xuất file Excel thành công
Hình 6.14: Các giá trị được lưu vào file Excel như bảng giá trị trên giao diện
THỰC NGHIỆM
Để đảm bảo độ chính xác trong việc đo lực, nhóm đã tiến hành hiệu chỉnh loadcell bằng cách xác định sai số so với một vật nặng cụ thể Cân tiểu ly WH – B05 được sử dụng để xác định khối lượng vật, trong khi loadcell được kiểm tra sai số so với cân tiểu ly để thực hiện hiệu chỉnh Hình 6.15 minh họa các khối lượng cụ thể với các giá trị lần lượt là 100g, 72g và 51g.
74 Hình 6.15: Các vật mẫu được nhóm sử dụng để hiệu chỉnh loadcell được cân cụ thể
75 Hình 6.16: Các vật đã được đặt lên loadcell để đo khối lượng
76 Hình 6.17: Kết quả đo khối lượng của vật số 1 bằng loadcell
Hình 6.18: Kết quả đo khối lượng của vật số 2 bằng loadcell
Hình 6.19: Kết quả đo khối lượng của vật số 3 bằng loadcell
Giá trị lệch của loadcell so với cân tiểu ly được xác định khoảng 0.5 gram, từ đó nhóm có thể thực hiện hiệu chỉnh bằng cách cộng trừ giá trị sai số, nhằm đo chính xác lực co ngón tay.
Dựa vào bảng 4.1 về lực các ngón tay khi co hết khả năng, nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá lực co ngón tay của những thành viên trong nhóm người bình thường Qua đó, nhóm cũng đã đánh giá sai số của lực co ngón tay Để thực hiện, nhóm sử dụng khoảng giá trị của hành động "Nắm bắt" và thực hiện đánh giá lực co qua 10 lần đo lực.
Do loadcell chỉ gắn vào ba ngón tay là ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa, nhóm chỉ tập trung vào giá trị của ba ngón này Khoảng giá trị đo được của ngón cái được xác định khi ngón tay duỗi và co, và nhóm đã tổng hợp dữ liệu này bằng cách sử dụng bảng tính Excel để đưa ra đánh giá.
Hình 6.20: Biểu đồ thể hiện giá trị lực co của ngón cái
Ngón cái đã cung cấp thông số tương đối chính xác so với bảng 4.1, mặc dù có những chỗ lỏm trong biểu đồ do quá trình tay duỗi thẳng Mặc dù lực có lúc nằm ngoài khoảng cho phép, nhưng điều này vẫn có thể chấp nhận được do giới hạn của phần cứng.
Biểu đồ trong Hình 6.21 minh họa giá trị lực co của ngón trỏ sau 6 chu kỳ, cho thấy lực co tương đối chính xác theo dữ liệu trong bảng 4.1 Tuy nhiên, bảng số liệu cũng chỉ ra rằng thông số không ổn định do ảnh hưởng của nhiễu trong quá trình thực hiện thí nghiệm.
Biểu đồ trong Hình 6.22 thể hiện giá trị lực co của ba ngón tay còn lại, trong đó ngón tay giữa là phần cuối cùng được khảo sát Do giới hạn phần cứng, ba ngón tay giữa, út và áp út được kết nối qua một động cơ, dẫn đến sai số đo lực tương đối cao Tuy nhiên, lực ngón tay giữa vẫn nằm trong khoảng giá trị đã được xác định trước trong bảng 4.1.
Tạo ra 1 thiết bị có thể co duỗi tay theo yêu cầu của bác sĩ
Sản phẩm có khả năng đo lực và góc, hiển thị giá trị lực và góc trên giao diện hiển thị, đồng thời cho phép tương tác trực tiếp qua giao diện và nút bấm trên module button.
Có bài tập để bác sĩ tập luyện cũng như đánh giá mức độ chấn thương của bệnh nhân