Nghiên cứu thiết kế và cải tiến thiết bị phục hồi chức năng khớp gối bằng thuật toán pid0001

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA Y NGUYEN TAT THANH KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐÈ TÀI: NGHIÊN cứu THIẾT KÉ VÀ CẢI TIẾN THIẾT BỊ PHỤC HÒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI BẢNG THUẬT TỐN PID GVHD : ThS ĐỎ KHOA BÌNH SVTH : PHAN GIA BẢO MSSV: 1911549321 SVTH : NGUYỄN PHƯỚC DUY MSSV: 1911548848 LỚP : 19DYS1A Tp HCM, tháng 06 năm 2023 Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TÁT THÀNH KHOA Y NGUYEN TAT THANH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐÈ TÀI: NGHIÊN cứu THIẾT KÉ VÀ CẢI TIẾN THIẾT BỊ PHỤC HỊI CHỨC NĂNG KHỚP GĨI BẰNG THUẬT TỐN PID GVHD : ThS ĐỎ KHOA BÌNH SVTH : PHAN GIA BẢO MSSV: 1911549321 SVTH : NGUYỀN PHƯỚC DUY MSSV : 1911548848 LỚP : 19DYS1A Tp HCM, tháng 06 năm 2023 LỜI CẢM ƠN Đối với sinh viên đồ án tốt nghiệp ln thành quan trọng trình học tập Đe có đồ án tốt nghiệp chỉnh chu đạt kết tốt đẹp, chúng em nhận giúp đờ, hồ trợ mặt Nhà trường, quý thầy cô, anh chị, gia đình bạn bè Trước hết chúng em xin gửi tới thầy cô khoa Y trường Đại học Nguyễn Tất Thành lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe lời cảm on sâu sắc Trong trình học tập nghiên cứu đồ án với quan tâm, dạy dồ, bảo tận tình chu đáo thầy cơ, đến chúng em hồn thành đồ án cùa Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thạc sĩ Đồ Khoa Bình người ln quan tâm giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt đo án thời gian qua Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo trường Đại học Nguyễn Tất Thành, Khoa, Phòng ban chức trực tiếp gián tiếp giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Ngoài ra, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè - người ln bên cạnh em, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hoàn thành đo án tốt nghiệp Với điều kiện, thời gian kinh nghiệm hạn chế sinh viên, đồ án tránh thiếu sót Chúng em mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy để em bổ sung, nâng cao kiến thức mình, phục vụ tốt cho cơng việc thực tế sau Chúng em xin chân thành cảm ơn! ii TÓM TẤT Chấn thương khớp gối vấn đề phổ biến có the xảy quốc gia the giới Các nguyên nhân chấn thương khớp gối có the bao gồm tai nạn, the thao, hoạt động hàng ngày, lão hóa yếu tố khác Khớp gối sau chấn thương cần lâu để khơng điều trị thiết bị phục hồi chức Từ đồ án nhóm lựa chọn "Nghiên cứu thiết kế cải tiến thiết bị phục hồi chức khớp gối thuật toán PID" tập trung vào việc nghiên cứu cải tiến thiết bị phục hồi chức khớp gối ThS Đồ Khoa Bình Thiết bị nhóm ke thừa gồm khung máy động việc thiết kế điều khiển, cài đặt cảm biến đo góc, tốc độ quay áp dụng thuật toán PID Trong đo án này, mục tiêu làm thiết bị hoạt động khoảng thời gian, tốc độ góc chuyển động xác định Đe đạt điều này, nhóm nghiên cứu sử dụng thuật toán PID, viết tẳt Proportional-Integral-Derivative (Tương quan-Tích phânĐạo hàm), để điều chỉnh xác thông số tham số thiết bị phục hồi khớp gối Thuật toán PID sử dụng để kiểm soát tốc độ, phạm vi chuyển động Việc sử dụng thuật toán cho phép điều chỉnh tự động linh hoạt thông số, tùy chỉnh theo nhu cầu cùa bệnh nhân Điều đảm bảo q trình phục hồi tối ưu hóa phù hợp với trường hợp cụ the Ket đo án sè chứng minh thuật toán PID sè làm giảm sai số góc chuyển động tốc độ hoạt động thiết bị trở vê iii ABSTRACT Knee injuries are a common issue that can occur in every country around the world The causes of knee injuries can include accidents, sports activities, daily activities, aging, and other factors The knee joint requires a long time to recover if not treated with functional rehabilitation devices Therefore, the project chosen by the team is "Research, Design, and Improvement of Knee Joint Functional Rehabilitation Device using the PID Algorithm," led by Mr Do Khoa Binh The team inherits the existing device, which includes the machine frame and motor, and focuses on designing a control system, implementing angle and speed sensors, and applying the PID algorithm The main objective of this project is to make the device operate within specified time, speed, and angle ranges To achieve this, the research team utilizes the PID algorithm, which stands for Proportional-Integral-Derivative, to accurately adjust the parameters and variables of the knee joint rehabilitation device The PID algorithm is used to control the speed and range of motion Using this algorithm allows for automatic and flexible adjustment of parameters, customized to the needs of each patient This ensures that the rehabilitation process is optimized and tailored to specific cases The project's results will demonstrate that the PID algorithm reduces the angular and speed errors of the device to zero iv NHẬN XÉT (CỦA GIẢNG VIÊN HUỚNG DẪN) 1/ Trình độ lý luận: 2/ Kỳ nghề nghiệp: 3/ Nội dung báo cáo: 4/ Hình thức báo cáo: Điêm: Tp.HCM, ngày thảng năm (Ký tên) V NHẬN XÉT (CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN) 1/ Trình độ lý luận: 2/ Kỳ nghề nghiệp: 3/ Nội dung báo cáo: 4/ Hình thức báo cáo: Điểm: Tp.HCM, ngày tháng năm (Ký tên) vii MỤC LỤC CHƯƠNG TÓNG QUAN 1.1 Tình hình chấn thương liên quan đến khớp gối giới 1.2 Tình hình chấn thương liên quan đến khớp gối việt nam 1.3 Ton thương thường gặp chấn thương khớp gối 1.3.1 Đứt dây chằng chéo trước 1.3.2 Đứt dây chằng chéo sau 1.3.3 Ton thương dây chằng bên 1.3.4 Dây chằng bên 10 1.3.5 Tôn thương sụn chêm 10 1.3.6 Tổn thương sụn khóp 11 1.4 Phục hồi chức sau phẫu thuật 11 1.5 Tong quan thiết bị vận động thụ động liên tục 13 1.6 Phương pháp khắc phục 14 1.7 Mục tiêu đề tài 16 CHƯƠNG : SỞ LÝ THUYẾT 17 2.1 Tong quan giải phẫu khớp gối 17 2.1.1 Đặc điểm hoạt động khớp gối 19 2.2.2 Khảo sát mơ hình chuyến động cùa khớp gối 23 2.2 Bộ điều khiển PID 27 2.2.1 Khái niệm PID 27 2.2.2 Hàm truyền 28 2.3 Động điện chiều 30 2.3.1 Cấu tạo cùa động điện chiều 30 2.3.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều 32 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ .34 3.1 Khái qt mơ hình 34 3.1.1 Giới thiệu sơ lược mạch: 35 3.1.2 Lưu đồ thuật tốn cùa chương trình 36 3.1.3 Cách vận hành mạch 37 3.2 Giới thiệu linh kiện sử dụng mạch 37 3.2.1 Vi điều khiển ATMEGA16 37 3.2.2 Mạch cầu H L298D ( h-bridge circuit) 40 vii 3.2.3 LCD .41 3.2.4 Phương pháp điều khiến động DC 44 3.2.5 Thiết lập cảm biến với vi điều khiến 45 3.3 Các module, chương trình code thuật tốn PID 47 3.3.1 Các module thực 47 3.3.2 Giới thiệu chương trình viết code biên dịch 52 3.3.3 Nghiên cứu thuật toán PID 53 CHƯƠNG KẾT QUẢ 63 4.1 Ket phần cứng, phần mềm 63 4.2 Ket hoạt động thiết bị 65 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÉN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 ix DANH MỤC • HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thống kê chấn thương khớp gối giới Hình 1.2 Tỷ lệ thối hóa khớp gối giới Hình 1.3 Tỷ lệ viêm khóp gối giới hình 1.4 Thối hóa khớp gối Hình 1.5 Đứt dây chằng chéo trước Hình 1.6 Tốn thương thối hóa khóp Hình 1.7 Đứt dây chằng chéo sau Hình 1.8 Rách sụn chêm 11 Hình 1.9 Phục hồi chức sau phẫu thuật 12 Hình 1.10 Thiết bị CPM 13 Hình 1.11 ứng dụng PID công nghiệp 15 Hình 2.1 Các mặt khóp xương chày 12 Hình 2.2 Thiết đồ đứng dọc qua khớp gối 13 Hình 2.3 Thiết đồ đứng ngang qua khóp gối 13 Hình 2.4 Mặt sau khớp gối 14 Hiníh 2.5 20 Hình 2.6 Cơ chế xoay khóa gối chuyển động chuồi mở chuồi đóng 21 Hình 2.7 Di chuyển xương bánh chè diện tiếp xúc gập gối 22 Hình 2.8 Mơ hình co Hill-type 24 Hình 2.9 Các moment lực tác dụng lên khóp gối trình duỗi 25 Hình 2.10 Mạch khâu hiệu chỉnh PID 29 Hình 2.11 Cấu tạo động điện chiều 30Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng 22 Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng 34 Hình 3.2 Sơ đồ ngun lí 36 Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán 36 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lí cổngcùa ATMEGA16 39 Hình 3.5 Sơ đồ chân IC L298D 41 Hình 3.6 LCD sơ đồ chân 42