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

TÓNG QUAN

Tình hình các chấn thương liên quan đến khớp gối trên thế giới

Chấn thương khớp gối là một trong những bệnh lý phổ biến trong các chấn thương cơ quan vận động, chiếm tỷ lệ cao do khớp gối là khớp lớn, tham gia vào hầu hết các hoạt động của cơ thể Khớp gối được giữ vững nhờ hệ thống dây chằng, sụn chêm, bao khớp và các cơ xung quanh, trong đó dây chằng và sụn chêm đóng vai trò quan trọng và có cấu trúc phức tạp, dễ bị tổn thương Những nguyên nhân chính gây ra chấn thương khớp gối thường xuất phát từ các hoạt động thể chất, tai nạn hoặc lão hóa.

Nguyên nhân bên trong gây ra vấn đề sức khỏe có thể bao gồm độ tuổi, cân nặng, chiều cao và các chỉ số nhân trắc học Ngoài ra, chấn thương do lồi khiếm khuyết hoặc bẩm sinh, chế độ dinh dưỡng không đảm bảo và thiếu ngủ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến sức khỏe.

• Nguyên nhân bên ngoài : đến từ các chấn thương tai nạn lao động, tai nạn sinh hoạt hoặc đến từ các chấn thương do chơi thể thao.

Chấn thương khớp gối thường xảy ra do nguyên nhân bên ngoài, đặc biệt là trong thể thao, nơi có tính đối kháng cao Theo thống kê từ British Journal of Sports Medicine, trong số 135.800 cầu thủ bóng đá chuyên nghiệp tại Đức, 70,7% chấn thương xảy ra ở chi dưới, với khớp gối là khu vực có nguy cơ chấn thương cao nhất.

Theo thống kê ở Mỳ mồi năm có khoảng 100.000 trường họp tổn thương dây chằng do chơi các môn the thao, điển hình như: bóng đá, bóng rổ, tenis,

Tại bang Victoria ( ÚC) con số chấn thương liên quan đến khớp gối là 60.000 ở năm 2018 và có khả năng sẽ tiếp tục tăng trong những năm tiếp theo.

2 thống kê chấn thương khớp gối trên thế giới

Hình 1.1 Thống kê chấn thương khớp gối trên thế giới

Chấn thương khớp gối thường do thoái hóa khớp gối, một bệnh khớp mạn tính đặc trưng bởi sự nứt vỡ và mất sụn khớp, cùng với sự hình thành gai xương Triệu chứng bao gồm đau khớp xuất hiện dần dần, tăng lên sau khi vận động, cứng khớp kéo dài dưới 30 phút sau khi thức dậy hoặc không hoạt động, và đôi khi có sưng khớp Bệnh này phổ biến nhất ở người từ 40 đến 50 tuổi, và gần như tất cả mọi người ở tuổi 80 đều có dấu hiệu thoái hóa khớp gối, mặc dù không phải ai cũng có triệu chứng Chỉ khoảng một nửa số bệnh nhân thoái hóa khớp gối gặp triệu chứng, với tỷ lệ ở nam giới dưới 40 tuổi là 62.5% và ở nữ giới là hơn 37%, cho thấy nam giới có tỷ lệ mắc bệnh cao hơn 1.67 lần so với nữ giới.

Tý lệ thái hóa khớp gối trên thế giới

Hình 1.2 Tỳ lệ thoái hóa khóp gối trên thế giới

Từ 40 đến 70 tuổi, thoái hóa khớp gối hay gặp ở phụ nữ, còn trên 70 tuổi, tỷ

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Viêm khớp gối là tình trạng viêm do tổn thương sụn khớp, dẫn đến bề mặt sụn thô ráp và xù xì, khiến các xương cọ xát vào nhau và gây đau nhức Theo nghiên cứu của Viện Đánh giá và Đo lường Sức khỏe năm 2019, viêm xương khớp ảnh hưởng đến hơn 500 triệu người trên toàn cầu, chiếm khoảng 7% dân số Khi dân số thế giới tiếp tục già đi, số lượng người được chẩn đoán mắc các vấn đề về khớp như viêm xương khớp sẽ gia tăng.

• Trên toàn thế giới, ước tính có khoảng 15% người trên 60 tuổi bị viêm xương khớp, theo Tổ chức Viêm khớp

Theo Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh, tính đến năm 2020, tại Mỹ, cứ 4 người trưởng thành thì có 1 người bị viêm khớp Dự báo đến năm 2040, số người trưởng thành mắc bệnh viêm khớp ở Mỹ có thể lên tới 78 triệu.

• Theo nghiên cứu Gánh nặng bệnh tật toàn cầu năm 2019 của Viện Đánh giá và Đo lường Sức khỏe, viêm khớp gối ảnh hưởng đến hơn

18 triệu người trên toàn thế giới

• Theo CDC, có khoảng 60% người mắc viêm khóp nằm trong độ tươi từ 8 đến 64

• Tỷ lệ viêm xương khớp ở nừ giới chiếm 60% và nam giới chiếm 40% trước tuổi 55

4 tỳ lệ viêm khớp RỐI trẽn thế RÍỚÍ

Hình 1.3 Tỳ lệ viêm khớp gối trên thế giới

Tình hình các chấn thương liên quan đến khớp gối tại việt nam

Theo thống kê của Hội Cơ xương khớp Việt Nam, năm 2020 có 30% người trên 35 tuổi và 60% người trên 65 tuổi mắc bệnh thoái hóa khớp gối, với xu hướng gia tăng trong những năm tới Nguyên nhân chính là do sau độ tuổi trưởng thành, tế bào sụn mất khả năng sinh sản và tự tái tạo, kết hợp với chế độ dinh dưỡng và lối sống không hợp lý, dẫn đến nguy cơ thoái hóa khớp gối cao hơn và độ tuổi khởi phát bệnh ngày càng trẻ hóa.

-w TKN imr N Olằ THOAI HOA THOT t,OI

Hình 1.4 Thoái hóa khớp gối

Trong năm 2020 bệnh viện quân y 175 đã tiếp nhận hơn 4000 bệnh nhân gặp

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Ton thương thường gặp trong chấn thương khớp gối

phải các chấn thương liên quan đến khớp gối từ những nguyên nhân khác nhau đặc biệt là do va chạm trong the thao và tai nạn lao động.

Chấn thương khớp gối là vấn đề phổ biến và có thể trở nên nghiêm trọng nếu không được điều trị kịp thời và hiệu quả Những chấn thương do tác nhân bên ngoài, như thể thao hoặc tai nạn, thường có triệu chứng rõ ràng và cần can thiệp ngay lập tức để tránh mất khả năng vận động Ngược lại, chấn thương do tác nhân bên trong, như tuổi tác và thiếu dinh dưỡng, thường có biểu hiện không rõ ràng, xuất hiện thoáng qua và có thể khiến người bệnh chủ quan Nếu không chú ý, những triệu chứng này có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng hơn trong tương lai.

Nếu không được điều trị kịp thời, chấn thương khớp gối có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng, bao gồm tổn thương dây chằng như đứt, rách hoặc bong điểm bám gân, gây mất ổn định cho khớp gối Gãy xương vùng khớp gối có thể gây ra các chấn thương liên quan đến thần kinh và mạch máu, cùng với nguy cơ nhiễm trùng trong trường hợp gãy xương hở Các chấn thương khớp gối do thoái hóa hay viêm khớp nếu không được điều trị sớm sẽ làm giảm khả năng vận động, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh hoạt hàng ngày và có thể dẫn đến tình trạng tàn phế.

Chấn thương liên quan đến khớp gối được coi là một trong những chấn thương nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuộc sống của người bệnh Những chấn thương này không chỉ gây đau đớn mà còn có thể trở thành gánh nặng cho gia đình và xã hội Do đó, việc phát hiện và điều trị kịp thời các chấn thương này là vô cùng cần thiết.

1.3 Tổn thương thường gặp trong chấn thương khớp gối

1.3.1 Đứt dây chằng chéo trước

Dây chằng chéo trước (ACL) kết nối lồi cầu xương đùi với diện trước mâm chày, có chức năng ngăn chặn mâm chày trượt ra trước và xoay trong Tổn thương ACL thường xảy ra khi nhảy cao và tiếp đất không đúng tư thế, hoặc khi xoay người đột ngột trong khi bàn chân vẫn giữ nguyên vị trí.

Khoảng 50% bệnh nhân bị tổn thương dây chằng chéo trước khớp gối thường gặp các tổn thương kèm theo như rách sụn chêm, bong sụn khớp và tổn thương các dây chằng khác của khớp, bao gồm dây chằng chéo sau và dây chằng bên.

Rách hoàn toàn dây chằng chéo trước

Hình 1.5 Đứt dây chẳng chéo trước

Tổn thương dây chằng chéo trước có nhiều hình thái, bao gồm tổn thương không hoàn toàn, tổn thương hoàn toàn và bong chồ bám Dựa vào mức độ tổn thương của dây chằng và độ lỏng gối, các tổn thương này được phân loại thành nhiều mức độ khác nhau.

- ĐỘI: dây chằng bị giãn, gối còn vừng.

- Độ 2: dây chằng đứt một phần, gối bắt đầu mất vừng (lỏng gối vừa)

- Độ 3: dây chằng đứt hoàn toàn, gối lỏng lẻo.

Trên thực tế, ton thương độ 1 ít gặp, chủ yếu là tổn thương độ 2 và độ 3.

Các biểu hiện lâm sàng:

Sưng và đau vùng gối là triệu chứng phổ biến mà bệnh nhân thường cảm nhận được tiếng "rắc" ngay khi gặp chấn thương Sau đó, gối sẽ bị sưng đau và hạn chế khả năng vận động Dù có điều trị hay không, tình trạng sưng đau này thường sẽ tự giảm theo thời gian.

+ Bệnh nhân có cảm giác chân yếu khi đi lại.

+ Khó khăn khi đứng trụ một chân bên gối lỏng.

+ Khi chạy nhanh có cảm giác ríu chân, dề vấp ngã.

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

+ Khi đi nhanh trên đường không bằng phắng, dễ có cảm giác trẹo gối.

+ Lên cầu thang cảm giác không thật chân, khó khăn khi đi xuống dốc hoặc bước xuống cầu thang.

Teo cơ đùi bên chấn thương dẫn đến sự yếu đi của chân, đặc biệt khi cơ đùi bị teo nhiều Tình trạng này thường xảy ra ở những người ít vận động như dân văn phòng và học sinh Đối với vận động viên thể thao, triệu chứng lỏng gối có thể không rõ ràng do cơ đùi rắn chắc tạo ra cảm giác vững chắc giả tạo, mặc dù dây chằng chéo trước đã bị đứt hoàn toàn.

Hậu quả của tổn thương dây chằng chéo trước là sự thay đổi trong quan hệ động học giữa xương đùi và xương chày, dẫn đến phân phối và truyền lực không bình thường từ đùi xuống cẳng chân Điều này có thể gây ra hai tổn thương thứ phát nghiêm trọng: rách sụn chêm và thoái hóa khớp gối.

Tổn thương sụn chêm thứ phát xảy ra khi sụn chêm trong vẫn còn nguyên vẹn và gắn chặt vào mâm chày Tuy nhiên, do tổn thương dây chằng chéo trước, mâm chày bị trượt ra trước, kéo theo sụn chêm, dẫn đến phần sau của sụn chêm bị kẹt và nghiền dưới lồi cầu trong xương đùi, đặc biệt khi gối gấp Qua thời gian, tình trạng này có thể gây ra rách sừng sau của sụn chêm.

Sự lặp lại của hiện tượng này có thể khiến đường rách lan rộng tại sừng trước và sừng giữa của sụn chêm Hiện tượng tương tự cũng có thể xảy ra ở sụn chêm ngoài, tuy nhiên tần suất ít hơn do sụn chêm ngoài có tính di động cao hơn so với sụn chêm trong.

Tổn thương thoái hóa khớp xảy ra khi dây chằng chéo trước mất vai trò, dẫn đến sự thay đổi bất thường trong động học của khớp gối Nếu tình trạng này kéo dài, sụn khớp dễ bị tổn thương, thường gặp là hiện tượng mòn nhanh và bong vỡ lớp sụn, từ đó gây ra bệnh thoái hóa khớp gối sau chấn thương.

Klíđp gối bình thường KJ)đp gối thoái hóa

Hình 1.6 Tôn thương thoải hóa khớp

1.3.2 Đứt dây chằng chéo sau

Dây chằng chéo trước (ACL) giữ cho mâm chày không bị trượt ra trước và xoay trong, trong khi dây chằng chéo sau (PCL) ngăn mâm chày trượt ra sau và xoay ngoài Tổn thương PCL có thể xảy ra đơn giản (38%), nhưng thường đi kèm với các tổn thương khác (56%).

- Biếu hiện lâm sàng tổn thương dây chằng chéo sau:

Tổn thương dây chằng chéo sau có biểu hiện lâm sàng tương tự như tổn thương dây chằng chéo trước, bao gồm sưng, đau ngay sau chấn thương, lỏng gối và teo cơ Chẩn đoán lâm sàng tổn thương dây chằng chéo sau chủ yếu dựa vào nghiệm pháp ngăn kéo sau.

Tổn thương dây chằng chéo sau nếu không được phục hồi kịp thời có thể dẫn đến tổn thương sụn chêm thứ phát và thoái hóa khớp gối sau này Mặc dù vậy, mức độ phiền toái lâm sàng từ tổn thương này thường không nghiêm trọng như tổn thương dây chằng chéo trước.

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Hình 1.7 Đứt dây chằng chéo sau

1.3.3 Tổnthương dây chằng bên trong

Phục hồi chức năng sau phẫu thuật

Phục hồi chức năng sau phẫu thuật là bước quan trọng giúp bệnh nhân nhanh chóng trở lại trạng thái bình thường và ngăn ngừa các biến chứng sau phẫu thuật.

Sau phẫu thuật, bệnh nhân cần tham gia ngay vào các chương trình luyện tập phục hồi chức năng theo chỉ định của bác sĩ Việc luyện tập đúng thời điểm giúp đảm bảo tối đa lợi ích của phục hồi chức năng.

• Lợi ích cải thiện vận động ở phần cơ thế, cơ quan bị tổn thương đã phẫu thuật xong

Giảm đau, giảm viêm và giảm sưng tay là những lợi ích quan trọng giúp người bệnh phục hồi sau phẫu thuật Những yếu tố này không chỉ giảm thiểu cảm giác khó chịu mà còn cải thiện khả năng cử động, giúp người bệnh nhanh chóng quay lại với các hoạt động thường ngày.

• Lợi ích phòng tránh các biến chứng sau phầu thuật và tránh các mô sẹo

• Lợi ích giúp cải thiện tuần hoàn máu và phòng tránh đông máu tại vết thương phẫu thuật

• Giúp bệnh nhân sớm quay trở lại cuộc sống bình thường

Từ những năm 1950 cho đến những thập niên 70 thì các phương pháp phục hoi chức năng thay đôi và phát triên theo từng thời kì [3] :

• 1950: Tập đề kháng tăng tiến (PRE) hiệu quả hơn các phương pháp phục hồi chức năng thông thường [3].

• 1966: lựa chọn phương pháp phục hồi chức năng điều trị kéo liên tục và trong 24 giờ đầu tập bài tập cơ tứ đầu đùi [3].

• 1974: sau mổ, khớp gối được giữ ở tư thế 90 độ trong vòng 4 ngày và kết hợp các bài tập nhẹ [3].

Hình 1.9 Phục hồi chức năng sau phẫu thuật

Mặc dù các bài tập phục hồi chức năng mang lại nhiều kết quả tích cực, nhưng vẫn tồn tại một số bất cập Để thực hiện các bài tập này, bệnh nhân thường cần sự hỗ trợ của ít nhất 1-2 người, và họ cũng phải tự nỗ lực để có thể hoàn thành các bài tập một cách hiệu quả.

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Trong trường hợp bệnh nhân gãy xương chưa liền, việc vận động là không thể, trong khi bệnh nhân suy tim hoặc nhồi máu cơ tim cần tránh vận động quá sức để phòng ngừa nguy hiểm và các biến chứng nghiêm trọng Để khắc phục những hạn chế này, vào những năm 80 của thế kỷ 20, biện pháp phục hồi chức năng bằng thiết bị vận động thụ động liên tục (CPM) đã được áp dụng Thiết bị CPM không chỉ khắc phục những nhược điểm của các phương pháp phục hồi chức năng thông thường mà còn mang lại nhiều ưu điểm vượt trội khác.

Sản phẩm này phù hợp cho hầu hết mọi bệnh nhân, bao gồm những người mắc các bệnh lý như bệnh tim, chảy máu cấp tính hoặc bệnh nhân bị gãy xương.

• Tăng tuần hoàn ngoại vi tại chồ, kích thích nuôi dường thần kinh

• Phòng tránh cứng khớp do bất động lâu ngày sau các cuộc đại phầu thuật (gãy xương, thay khớp, chấn thương khớp

• Tiết kiệm nhân lực - tăng cường khoảng thời gian tập luyện cá nhân: người bệnh có the tự tập một mình bất cứ khi nào

• Chương trình tập luyện được thiết lập sằn, tuy nhiên người sử dụng vẫn có the tùy chỉnh được tốc độ và thời gian tập luyện

• Dề thao tác và thực hiện mà không cần quá nhiều sự trợ giúp từ người khác

1.5 Tổng quan về thiết bị vận động thụ động liên tục

Trước khi áp dụng bộ điều chỉnh PID, cần nắm rõ công nghệ và cấu trúc của thiết bị phục hồi chức năng khớp gối hiện có Các công nghệ này có thể bao gồm hệ thống điện tử, cơ học hoặc kết hợp cả hai, nhằm mục tiêu khôi phục và cải thiện chức năng khớp gối thông qua việc cung cấp động lực, hỗ trợ và điều chỉnh định vị cho khớp gối.

Hiện nay, thiết bị CPM (Continuous Passive Motion) rất phổ biến và đa dạng trên thị trường, được lập trình để chuyển động liên tục nhằm hỗ trợ phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau phẫu thuật Tuy nhiên, nhiều thiết bị hiện tại chỉ cho phép thiết lập phạm vi chuyển động từ 0-40 độ và có chế độ tập luyện đơn giản, không linh hoạt Một vấn đề lớn là sự khác biệt về tải trọng và kích thước khớp gối của từng bệnh nhân, khiến cho thiết bị không thể điều chỉnh phù hợp, dẫn đến sai số cao và không đạt hiệu quả trong quá trình phục hồi Thêm vào đó, theo từng giai đoạn tiến triển của bệnh nhân, góc độ và tốc độ chuyển động cần được điều chỉnh để tối ưu hóa thời gian điều trị và nâng cao hiệu quả phục hồi.

Thuật toán PID có thể kết hợp hiệu quả với thiết bị CPM để khắc phục những nhược điểm hiện tại Khi khớp gối của bệnh nhân được đặt lên thiết bị, thuật toán PID sẽ phân tích và tính toán sai số, từ đó phản hồi cho bộ điều khiển Quá trình này giúp tối ưu hóa dữ liệu và giảm thiểu tối đa các sai số của thiết bị.

PID (ProPORTional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển phổ biến, thường được áp dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp.

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Bộ điều khiển PID là một trong những công nghệ phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển vòng kín nhờ vào khả năng xử lý tín hiệu phản hồi hiệu quả Nó hoạt động bằng cách tính toán sai số, được xác định là sự khác biệt giữa giá trị đo được và giá trị đặt mong muốn Mục tiêu của bộ điều khiển PID là giảm thiểu sai số này thông qua việc điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào, nhằm đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình điều khiển.

PID là một thuật toán được kết hop từ các phép tính điều chỉnh:

• P: Là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ Tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ sai lệch đầu vào và thời gian lấy mầu.

I: Tích phân thời gian sai lệch khi lấy mẫu cho biết tổng sai số tức thời theo thời gian và tích lũy trong quá khứ Khi thời gian giảm, tác động điều chỉnh của tích phân trở nên mạnh mẽ hơn.

D là vi phân của sai lệch, tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh càng mạnh.

Bộ điều khiến PID có ứng dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như: điều khiển công nghiệp, hệ thống điện, tự động hóa, điện tử, quân sự,

Hình 1.11 ứng dụng PID trong công nghiệp

Thuật toán PID có thể cải thiện hiệu suất của thiết bị CPM hiện tại bằng cách điều chỉnh những nhược điểm của nó Nguyên lý hoạt động cơ bản của thiết bị CPM kết hợp với PID sẽ được thực hiện sau khi khớp gối của bệnh nhân được đặt lên.

Thuật toán PID sẽ phân tích và tính toán sai số, sau đó phản hồi về bộ điều khiển để đưa ra dữ liệu tối ưu nhất, nhằm giảm thiểu tối đa sai số của thiết bị.

Phương pháp khắc phục

Thuật toán PID có thể được ứng dụng hiệu quả để cải thiện những nhược điểm của thiết bị CPM hiện tại Khi bệnh nhân đặt gối lên thiết bị, thuật toán PID sẽ phân tích và tính toán sai số, sau đó phản hồi về bộ điều khiển để cung cấp số liệu tối ưu nhất, nhằm giảm thiểu tối đa các sai số của thiết bị.

PID (ProPORTional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp.

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Bộ điều khiển PID là thiết bị phổ biến trong các hệ thống điều khiển vòng kín nhờ khả năng xử lý tín hiệu phản hồi hiệu quả Nó tính toán sai số bằng cách so sánh giá trị đo được với giá trị đặt mong muốn Mục tiêu của bộ điều khiển PID là giảm thiểu sai số này bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào, nhằm đạt được hiệu suất tối ưu trong quá trình điều khiển.

PID là một thuật toán được kết hop từ các phép tính điều chỉnh:

• P: Là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ Tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ sai lệch đầu vào và thời gian lấy mầu.

I: Là tích phân của thời gian sai lệch khi lấy mẫu, cho biết tổng sai số tức thời theo thời gian và tích lũy trong quá khứ Khi thời gian càng nhỏ, tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh.

D là vi phân của sai lệch, tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với tốc độ thay đổi của sai lệch đầu vào Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh càng mạnh mẽ.

Bộ điều khiến PID có ứng dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như: điều khiển công nghiệp, hệ thống điện, tự động hóa, điện tử, quân sự,

Hình 1.11 ứng dụng PID trong công nghiệp

Thuật toán PID có thể được áp dụng hiệu quả để cải thiện những nhược điểm của thiết bị CPM hiện tại Nguyên lý hoạt động chính của thiết bị CPM kết hợp với PID là khi khớp gối của bệnh nhân được đặt lên.

Thuật toán PID sẽ phân tích và tính toán sai số, từ đó phản hồi cho bộ điều khiển Mục tiêu của thuật toán là tối ưu hóa số liệu, giảm thiểu tối đa sai số của thiết bị.

Mục tiêu đề tài

Nhóm chúng em thực hiện nghiên cứu dựa trên phần cứng từ đồ án tốt nghiệp của hai sinh viên khóa 18 ngành kỹ thuật y sinh trường đại học Nguyễn Tất Thành Mục tiêu của dự án là phát triển phần mềm và mở rộng phần cứng, đặc biệt là bổ sung nút đóng ngắt khẩn cấp Thiết bị hiện tại chỉ có một chế độ hoạt động, do đó cần lập trình thêm nhiều chế độ tập luyện để tránh sự nhàm chán và tăng dần biên độ theo mong muốn của bệnh nhân.

• Thiết kế một thiết bị phục hồi chức năng khớp gối, có khả năng tăng cường phục hồi chức năng của khóp gối sau chấn thương hoặc phẫu thuật.

• Thiết bị cần có khả năng điều chỉnh độ nghiêng cùa khớp gối đe phù hợp với nhu cầu phục hồi chức năng của từng bệnh nhân.

• Thiết bị cần có khả năng giám sát và điều khiển quá trình phục hồi chức năng khóp gối, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho bệnh nhân.

• Thiết bị sử dụng động cơ để tạo động lực cho việc phục hoi chức năng khóp gối.

Thiết bị này bao gồm một tay cầm mà bệnh nhân có thể cầm nắm và điều khiển, cùng với một khuỷu tay chịu tải có khả năng xoay và cố định ở nhiều góc độ khác nhau, nhằm đáp ứng nhu cầu phục hồi của từng bệnh nhân.

• Các bộ phận của thiết bị được lắp ráp và bảo vệ trên một khung thép chắc chắn và có khả năng di chuyển.

• Tăng cường phục hoi chức năng khóp gối sau chấn thương hoặc phẫu thuật.

• Điều chỉnh độ nghiêng của khóp gối để phù hợp với nhu cầu phục hồi chức năng của từng bệnh nhân.

• Giám sát và điều khiến quá trình phục hồi chức năng khớp gối, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho bệnh nhân.

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

cơ SỞ LÝ THUYẾT

Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp PID là loại bộ điều khiển phản hồi được sử dụng nhiều nhất, với khả năng tính toán giá trị điều khiển hiệu quả để duy trì sự ổn định trong các quy trình.

Sai số là sự chênh lệch giữa giá trị đo được và giá trị mong muốn Bộ điều khiển sẽ tối ưu hóa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp thiếu kiến thức về quy trình, bộ điều khiển PID là lựa chọn tối ưu Tuy nhiên, để đạt hiệu quả cao nhất, các thông số PID cần được điều chỉnh phù hợp với đặc tính của hệ thống, mặc dù kiểu điều khiển vẫn giống nhau.

Bộ điều khiển PID bao gồm ba thông số chính: tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D) Giá trị tỉ lệ phản ánh sai số hiện tại, trong khi giá trị tích phân liên quan đến tổng sai số trong quá khứ, và giá trị vi phân dự đoán sai số tương lai dựa trên tốc độ biến đổi hiện tại Sự kết hợp của ba tác động này giúp điều chỉnh quá trình thông qua các phần tử như van điều khiển hoặc bộ nguồn gia nhiệt, làm rõ mối quan hệ thời gian giữa các sai số.

Bằng cách điều chỉnh ba hằng số trong thuật toán PID, bộ điều khiển có thể được tối ưu hóa cho các thiết kế đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển được thể hiện qua độ nhạy sai số, giá trị vượt quá điểm đặt và mức độ dao động của hệ thống Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc sử dụng thuật toán PID không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống.

Vài ứng dụng có thế yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều

Bằng cách thiết lập đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0, bộ điều khiển PID có thể được phân loại thành các loại như PI, PD, P hoặc I, tùy thuộc vào sự vắng mặt của các tác động bị khuyết Trong số đó, bộ điều khiển PI được ưa chuộng nhờ vào khả năng đáp ứng nhạy với các nhiễu đo lường Tuy nhiên, nếu thiếu giá trị tích phân, hệ thống có thể không đạt được giá trị mong muốn.

Do sự đa dạng trong lĩnh vực lý thuyết và ứng dụng điều khiển, nhiều quy ước đặt tên cho các biến liên quan được sử dụng đồng thời.

Bộ điều khiển tỷ lệ-vi tích phân (PID) là một dạng mạch sớm-chậm pha phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển này, còn được gọi là bộ điều khiển ba phương thức, được mô tả qua một phương trình vi phân đặc trưng PID đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định và cải thiện hiệu suất của các quá trình công nghiệp.

“ra (í) = Kpuvằo(t) + K d v ,° K, uvằo (x)dy dt Jo

Hàm truyền của bộ điều khiển PID nói trên sẽ là: Ưra(s) „ Ki

Kp: Hệ số tỉ lệ, thông so điều chỉnh e: 5ai số t: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Ki : Độ lợi tích phân, một thông số điều chỉnh

T : Một biến tích phân trung gian

K d : Độ lợi vi phân, một thông so điều chỉnh s : Thời gian truyền

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Hình 2.10 Mạch của khâu hiệu chình PID

Thành phần tỷ lệ (XP) trong bộ điều khiển PID giúp tăng tốc độ đáp ứng và giảm sai số ở trạng thái ổn định, nhưng không triệt tiêu hoàn toàn sai số Trong khi đó, thành phần tích phân (KI) có khả năng triệt tiêu sai số tại trạng thái ổn định, nhưng lại có thể làm giảm hiệu suất nhất thời do phần trăm quá mức tăng lên khi KI cao Ngược lại, thành phần đạo hàm (KD) cải thiện tính ổn định của hệ thống và giảm phần trăm quá mức, từ đó nâng cao hiệu suất nhất thời của hệ thống vòng kín Bộ điều khiển PID thường được sử dụng cho các quá trình phức tạp mà không thể thiết lập mô hình toán học chính xác, đặc biệt là các quá trình phi tuyến và đa biến Với ba tham số KP, KI và KD, người dùng có thể điều chỉnh để đạt được hiệu suất mong muốn mà không cần thực hiện nhiều bước phân tích phức tạp.

Trong nhiều trường hợp, chúng ta cần một mạch bù có khả năng cung cấp cả góc sớm pha và sự suy giảm về độ lớn Mạch này được gọi là mạch sớm-chậm pha (lead-lag network) Mạch sớm-chậm pha bao gồm cả hai thành phần sớm pha và chậm pha, do đó hàm truyền của nó có dạng: s - Z, s - z? 1 + (XT'S 1 + T?

Gc(s) = K.-—— = Kỵ „ , „ ' _ s — Pỵ s — p2 1 + Tts 1 + /?T2 Ở đó, \zỵ\ < |pj và \z2\ < \p2\, hay a > 1, (I > 1

T : Một biến tích phân trung gian z : Trở kháng z p : Trở kháng p a : Hằng số a

Động cơ điện 1 chiều

2.3.1 Cấu tạo của động CO’ điện một chiều

STATOR (NAM CHÂM VĨNH cửu)

Hình 2.11 Câu tạo động cơ điện một chiêu Động cơ điện một chiều có the phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động.

- Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ truờng nó gom có [8]:

Mạch từ và dây cuốn kích từ là những thành phần quan trọng trong động cơ, đặc biệt khi động cơ được kích từ bằng nam châm điện Mạch từ thường được chế tạo từ sắt từ như thép đúc hoặc thép đặc, trong khi dây quấn kích thích, hay còn gọi là dây quấn kích từ, được làm bằng dây điện từ Các cuộn dây điện từ này được mắc nối tiếp với nhau để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ.

Cực từ chính là bộ phận tạo ra từ trường, bao gồm lõi sắt và dây quấn kích từ bên ngoài Lõi sắt được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện hoặc thép cacbon dày từ 0,5 đến 1mm, được ép lại và tán chặt Trong các động cơ điện nhỏ, có thể sử dụng thép khối cho lõi sắt.

Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH: Phan Gia Bảo Các cuộn dây được quấn bằng dây đồng bọc cách điện, với mồi cuộn dây cũng được bọc cách điện kỹ lưỡng, tạo thành một khối đồng nhất Trước khi lắp đặt trên các cực từ, các cuộn dây này được tẩm sơn cách điện Các cuộn dây kích từ được nối tiếp với nhau trên các cực từ này.

Cực từ phụ được lắp đặt trên các cực từ chính và thường được làm từ thép khối Trên thân của cực từ phụ có dây quấn tương tự như dây quấn của cực từ chính Cực từ phụ được gắn chắc chắn vào vỏ máy bằng các bulông.

Gông từ là bộ phận quan trọng trong động cơ điện, có chức năng kết nối các cực từ và làm vỏ máy Đối với động cơ điện nhỏ và vừa, gông từ thường được làm từ thép dày uốn và hàn, trong khi đó, động cơ điện lớn thường sử dụng thép đúc Đặc biệt, một số động cơ điện nhỏ còn sử dụng gang để làm vỏ máy.

Nắp máy đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ máy khỏi các vật thể rơi vào, giúp tránh hư hỏng dây quấn và đảm bảo an toàn cho người sử dụng khỏi tiếp xúc với điện Đối với các máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn có chức năng làm giá đỡ cho bi Thông thường, nắp máy được chế tạo từ chất liệu gang để đảm bảo độ bền và hiệu quả sử dụng.

Cơ cấu chổi than có nhiệm vụ dẫn dòng điện từ phần quay ra ngoài, bao gồm chổi than được đặt trong hộp chổi than với một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có khả năng quay để điều chỉnh vị trí chổi than cho chính xác, sau khi điều chỉnh xong, cần sử dụng vít để cố định lại.

- Phần quay hay roto bao gồm những bộ phận chính sau:

Phần sinh ra sức điện động bao gồm mạch từ làm từ vật liệu sắt từ, thường là lá thép kỹ thuật, được xếp chồng lên nhau Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng, trong đó cuộn dây phần ứng được cấu tạo từ nhiều bối dây nối với nhau theo một quy luật nhất định Mỗi bối dây có nhiều vòng dây, với các đầu dây được kết nối với các phiến đồng gọi là phiến góp Các phiến góp này được cách điện với nhau và với trục, tạo thành cổ góp hay vành góp Trên cổ góp có cặp chổi than làm từ than graphit, được ép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo.

+) Lõi sắt phan ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng nhừng tấm thép kỳ thuật điện

Lõi thép trong động cơ điện thường được làm từ 32 dày 0,5mm, được phủ cách điện mỏng ở hai mặt và ép chặt để giảm thiểu hao tổn do dòng điện xoáy Trên bề mặt lá thép, hình dạng rãnh được dập để lắp dây quấn vào sau khi ép Đối với các động cơ trung bình trở lên, người ta còn dập các lỗ thông gió, giúp tạo ra các lỗ thông gió dọc trục khi ép thành lõi sắt Trong các động cơ điện lớn hơn, lõi sắt thường được chia thành nhiều đoạn nhỏ, giữa các đoạn này có khe hở thông gió, cho phép gió thổi qua khi máy hoạt động, làm nguội dây quấn và lõi sắt.

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.

Trong động cơ điện lớn, việc sử dụng giá rôto giữa trục và lõi sắt giúp tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm trọng lượng của rôto.

Dây quấn phần ứng là bộ phận tạo ra suất điện động và cho phép dòng điện lưu thông, thường được làm bằng dây đồng bọc cách điện Trong các máy điện nhỏ có công suất dưới vài kW, dây thường có tiết diện tròn, trong khi máy điện vừa và lớn sử dụng dây có tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép để đảm bảo an toàn Để tránh việc dây quấn bị văng ra do lực ly tâm khi quay, các nêm được sử dụng để giữ chặt dây quấn, có thể làm từ tre, gỗ hoặc bakelit.

Cổ góp bao gồm nhiều phiến đồng được cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm, tạo thành một hình trục tròn Hai đầu của trục tròn được giữ chặt bằng hai hình ốp hình chữ V Giữa vành ốp và trụ tròn cũng được cách điện bằng mica Đuôi vành góp được nâng cao một chút để dễ dàng hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp.

2.3.2 Nguyên lý làm việc ciia động cơ điện một chiều

Khi áp dụng điện áp một chiều, dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện Các thanh dẫn có dòng điện trong từ trường sẽ chịu lực tác động, khiến rôto quay Chiều của lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái.

Khi phần ứng quay nửa vòng, các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, nhưng chiều dòng điện vẫn không thay đổi Điều này dẫn đến việc lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường, tạo ra suất điện động Eư, và chiều của Eư được xác định theo quy tắc bàn tay phải.

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

33 ngược chiều dòng điện lư nên Eư được gọi là sức phản điện động Khi đó ta có phương trình: u = Eư + Rư.lư

Trong đó: u : Điện áp phần ứng, V

Eư: Sức điện động phần ứng, V

Rư: Điện trở mạch phần ứng, n lư: Dòng điện của mạch phần ứng, A

Động cơ điện một chiều có ưu điểm nổi bật là khả năng hoạt động linh hoạt, có thể sử dụng như động cơ điện hoặc máy phát điện trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau Đặc biệt, ưu điểm lớn nhất của động cơ này là khả năng điều chỉnh tốc độ và khả năng chịu quá tải, mang lại hiệu suất cao trong các ứng dụng đa dạng.

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ

Khái quát về mô hình

Thiết bị phục hồi chức năng khớp gối (CPM) được phát triển dựa trên phần cứng, nhằm cải thiện quá trình phục hồi cho bệnh nhân Giáo viên hướng dẫn, Thạc sĩ Đồ Khoa Bình, đã sử dụng bộ điều khiển PID để thiết lập các thông số quan trọng như tốc độ, chiều và thời gian thực hiện cho động cơ co của CPM.

Chế tạo bộ điều khiển cho Atmega bằng ngôn ngữ lập trình C nhằm điều chỉnh tốc độ động cơ gắn encoder hồi tiếp Tốc độ có thể được cài đặt và điều chỉnh qua nút nhấn trên bàn phím, trong khi tốc độ tức thời từ encoder được hiển thị trên màn hình LCD Đối với thiết bị luyện tập phục hồi chức năng khớp gối, yêu cầu điều khiển chính xác vị trí và tốc độ của cơ cấu chấp hành là rất quan trọng Đối với bệnh nhân có khối lượng chi dưới khác nhau, tốc độ di chuyển của cơ cấu chấp hành cần được điều chỉnh chính xác theo các thông số đã cài đặt sẵn.

Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng mạch điện tử của mô hình thiết bị được thiết kế như sau:

Hệ thống cơ khí nhận tín hiệu điều khiển để quay động cơ theo chương trình đã thiết lập Khi động cơ quay, hệ thống cơ khí gắn với chi tiết dưới sẽ chuyển động Giá trị về vị trí và tốc độ di chuyển được các thành phần đo thu nhận và gửi lại cho hệ thống điều khiển Sau khi nhận tín hiệu phản hồi, hệ thống điều khiển thực hiện các phép so sánh với các thông số đã cài đặt.

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Hệ thống điều khiển tự động bù trừ sai số giữa các thông số cài đặt và thông số đầu ra thực tế, nhằm giảm thiểu sai số xuống mức thấp nhất Qua quá trình tính toán, mạch điều khiển sẽ điều chỉnh động cơ để đảm bảo tốc độ và góc độ hoạt động chính xác nhất có thể.

3.1.1 Giới thiệu sơ • lược • •về mạch:

Hệ thống điện tử của thiết bị quản lý toàn bộ hoạt động, bao gồm điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ DC, hiển thị thông tin trên màn hình LCD, và nhận lệnh từ nút bấm Nó được chia thành hai phần chính: mạch điện tử và phần mềm điều khiển Mạch điện tử được thiết kế để đảm bảo kết nối chính xác giữa các bo mạch và thành phần Phần mềm điều khiển sử dụng thuật toán PID để quản lý tốc độ động cơ và theo dõi quá trình di chuyển nhằm điều chỉnh cơ cấu cơ khí hiệu quả.

Để điều khiển tốc độ động cơ DC gắn encoder hồi tiếp, cần thiết lập tốc độ từ bàn phím và hiển thị tốc độ tức thời từ encoder trên màn hình LCD Hướng thực hiện đề tài bao gồm việc kết nối các linh kiện, lập trình điều khiển và thiết lập giao diện hiển thị.

❖ Sử dụng Atmegaló là vi điều khiển trung tâm Dùng chương trình CCS lập trình c và biên dịch chương trình.

❖ Xây dựng khối bàn phím gồm phím đe nhập tốc độ và điều khiến động cơ DC:

■ 1 phím ENTER để lưu tốc độ cài đặt và bắt đầu

■ 1 phím SELECT đe lựa chọn giá trị

■ 1 phím UP để tăng giá trị.

■ 1 phím DOWN để giảm giá trị.

❖ Hiền thị tốc độ dùng màn hình LCD

Mạch cầu H L298N được sử dụng để đảo chiều động cơ, cho phép điều khiển hướng quay của động cơ Để điều chỉnh tốc độ, hai kênh PWM của vi điều khiển Atmega được sử dụng để thay đổi giá trị áp trung bình cung cấp cho động cơ.

❖ Đối tượng điểu khiển là động cơ DC 12 V có gắn Encoder.

❖ Để cấp nguồn cho mạch ta dùng adapter AC/DC (220V/12V) và 5V cho Atmega 16

3.1.2 Lưu đồ thuật toán ciia chươngtrình

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong mạch

Bật nguồn bằng cách nhấn nút POWER và chờ cho Atmegaló cùng màn hình LCD khởi động Màn hình sẽ hiển thị “CHỌN CHẾ ĐỘ”, với hai chế độ làm việc: chế độ 1 là bám tốc độ đã đặt, có khả năng lưu tốc độ vào EEPROM; chế độ 2 là bám tốc độ có định thời gian để thay đổi chiều quay.

Nhập tốc độ bằng cách sử dụng hai nút tăng và giảm Sau khi hoàn tất, nhấn phím ENTER để lưu tốc độ đặt, được tính bằng vòng/phút Nếu đang ở chế độ 2, bạn cần nhập thêm thời gian và sau đó nhấn phím ENTER.

■ Bước 3: Đe điều khiến động cơ ta nhấn phím: quay thuận (FORWARD), quay nghịch (REVERSE), dừng (STOP).

Để thiết lập lại tốc độ, nhấn phím CLEAR và thực hiện theo bước 2 Tốc độ tức thời của động cơ sẽ được cập nhật mỗi 0,5 giây, so sánh với tốc độ đã đặt để đưa ra tín hiệu điều khiển Mỗi 0,5 giây, tốc độ cũng sẽ được hiển thị trên màn hình LCD.

3.2 Giói thiệu các linh kiện sửdụng trong mạch

Vi điều khiển Atmegaló, thuộc dòng AVR của Microchip Technology, là một trong những loại vi điều khiển phổ biến, được phát triển bởi Atmel Với kiến trúc RISC 8-bit, Atmegaló là một MCU mạnh mẽ và đa chức năng, thường được sử dụng trong các ứng dụng nhúng như điều khiển, tự động hóa, robot, và hệ thống đo lường Việc hiểu rõ ưu và nhược điểm của Atmegaló là cần thiết để nhận biết khả năng và giới hạn của nó trong lĩnh vực điện tử và lập trình nhúng.

Uu điểm cùa Vi điều khiến Atmegaló:

Atmegaló sử dụng tập lệnh 8-bit dễ hiểu, giúp vi điều khiển thực hiện các tác vụ một cách nhanh chóng và hiệu quả Điều này đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình xử lý.

• Vi điều khiển Atmegaló hoạt động ở tốc độ cao lên đến 16 MHz, cho phép xử lý nhanh các nhiệm vụ trong thời gian thực.

• Atmegaló có bộ nhớ Flash 16KB và bộ nhớ SRAM 1KB, cho phép lưu trừ chuông trình và dừ liệu quan trọng Nó cũng hồ trợ bộ nhớ EEPROM

512 bytes cho việc lưu trừ dừ liệu không bị mất khi mất điện.

• Atmegaló có 32 chân I/O, cho phép kết nối với các linh kiện và thiết bị ngoại vi khác như cảm biến, đèn LED, màn hình LCD và nhiều hơn nừa.

Vi điều khiển này hỗ trợ các giao tiếp phổ biến như USART, SPI và I2C, giúp kết nối dễ dàng với các thiết bị ngoại vi như máy tính, cảm biến và các vi điều khiển khác.

❖ Nhược điểm của Vi điều khiển Atmegaló:

• Atmega 16 có hạn chế đối với các ứng dụng yêu cầu xử lý số liệu phức tạp hoặc tương tác với đa phương tiện.

Atmegaló sở hữu bộ nhớ lớn hơn nhiều vi điều khiển khác trong cùng phân khúc, tuy nhiên, trong các ứng dụng cần lưu trữ lớn hơn hoặc khi thực thi các chương trình phức tạp, bộ nhớ của nó có thể gặp phải những hạn chế nhất định.

Atmega 16 không hỗ trợ đa nhiệm phần cứng, điều này có nghĩa là chip không thể thực hiện nhiều tác vụ độc lập cùng lúc Sự hạn chế này có thể gây khó khăn cho các ứng dụng phức tạp cần thực hiện nhiều nhiệm vụ đồng thời.

Do hạn chế về thời gian thực hiện đồ án, chúng tôi chỉ tập trung tìm hiểu các tính năng của ATMEGA16 có liên quan trực tiếp đến đề tài Một số tính năng của ATMEGA16 được ứng dụng trong đồ án bao gồm các yếu tố quan trọng sau.

- Tổ chức bộ nhớ của ATMEGA16

- Chức năng cùa các PORT I/O.

- Chức năng và cách thiết lập các tham số của 3 Timer 0,1,2.

- Chức năng và cách thiết lập bộ điều chế độ rộng xung PWM.

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

(XCK/TO) (U) (INT2/AIN0) (OCO/AINl) (SS) (MOSI) (MISO) (SCK)

PBO PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 lãl

PAO(ADCO) PAI (ADC1) PA2(ADC2) PA3 (ADC3) PA4 (ADC4) PA5 (ADCS)

MỊ PA6(ADC6) k PA7(ADC7) ss AREF GND AVCC ỊŨ ãl

(RXD) (TXD) (INTO) (INTI) (0S1B) (OS1A) (ICP)

PM PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6

PC7 PC6 PC5 PC4 PC5 PCJ PCI PCD PD7

(T0SC2) I (TOSC1) (TDD (TDO) (TMS) (TOC) (SDA) (SCI) (OC2) ]

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên li các cổng cùa ATMEGAỉ 6

Từ sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý ở trên, rút ra các nhận xét như sau :

Atmegaló là một vi điều khiển 8-bit với 40 chân I/O (Input/Output) khác nhau Dưới đây là một giới thiệu về các chân chính của Atmegaló:

• Chân nguồn (VCC) và chân đất (GND): Chân vcc (chân 10) cung cấp nguồn điện cho vi điều khiến và chân GND (chân 11) là chân đất.

Chân RESET (chân 9) là chân dùng để khởi động lại vi điều khiển Khi mức logic trên chân này giảm, vi điều khiển sẽ tiến hành quá trình khởi động lại.

• Chân Oscillator (XTAL): Atmegaló hồ trợ hai chân Oscillator (chân 12 và

13) đe kết nối với mạch dao động ngoài, nhằm cung cấp xung clock cho vi điêu khiên.

Atmega có 8 chân vào analog (từ A0 đến A7) cho phép đọc giá trị từ cảm biến hoặc tín hiệu analog khác Những chân này hoạt động với bộ chuyển đổi ADC (Analog-to-Digital Converter) để chuyển đổi tín hiệu analog thành số kỹ thuật số.

The RXD (pin 15) and TXD (pin 14) are the UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) communication pins They are utilized for transmitting and receiving data through UART communication.

40 thiết bị ngoại vi khác như máy tính hoặc module ƯART.

Chân giao tiếp SPI trên vi điều khiển Atmega bao gồm chân MISO (chân 18), MOSI (chân 17), SCK (chân 19) và SS (chân 20), cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như bộ nhớ EEPROM và cảm biến thông qua giao thức SPI (Serial Peripheral Interface).

Chân giao tiếp I2C trên Atmega bao gồm chân SDA (chân 27) và chân SCL (chân 28), cho phép kết nối với các thiết bị ngoại vi như cảm biến, bộ nhớ EEPROM và các vi điều khiển khác thông qua giao thức I2C (Inter-Integrated Circuit).

Chân xuất PWM trên Atmega là các chân như OC1A và OC1B, cho phép tạo ra xung PWM (Modulation Độ Rộng Xung) PWM được ứng dụng rộng rãi trong việc điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn LED và nhiều ứng dụng điều khiển khác Ngoài các chân PWM, vi điều khiển Atmega còn có nhiều chân khác để thực hiện các chức năng và kết nối với linh kiện, thiết bị trong các dự án.

Các module, chương trình code và thuật toán PID

3.3.1 Các module đã thực hiện

Mạch lấy nguồn xoay chiều qua adapter AC/DC 220VAC/12VDC, và được on áp nhờ IC 7805.Sơ đồ nguyên lí mạch:

Hình 3.10 Khối mạch ôn ảp

Chức năng của các phần tử trong mạch:

- IC 7805: chức năng ổn áp điện áp 5V

- C4 tụ hóa (có phân cực) ổn áp ngõ vào, điện dung của tụ này càng lớn thì điện áp vào IC 7805 càng phang.

- C5 và C7 tụ giấy (không phân cực) là hai tụ lọc nhiễu tầng số cao ở ngõ vào và ngõ ra.

- C6 tụ hóa có tác dụng dập dao động tự kích khi sử dụng IC ổn áp dòng 78xx.

• 1 phím ENTER đe lưu tốc độ cài đặt và bắt đầu

• 1 phím SELECT để lựa chọn giá trị

• 1 phím UP để tăng giá trị.

• 1 phím DOWN để giảm giá trị.

• 1 phím STOP để dừng khẩn cấp được nối riêng

Hình 3.11 Khối mạch bàn phím

Bàn phím kết nối với PORT A (A4 đến A7) của vi xử lý Để cài đặt tốc độ, người dùng cần điều chỉnh phím SELECT đến vị trí có dấu gạch đầu dòng ở phần tốc độ Sử dụng phím Ưp và Down để tăng hoặc giảm tốc độ theo nhu cầu, sau đó bấm phím ENTER để lưu cài đặt và khởi động Phím STOP được sử dụng để dừng khẩn cấp khi có sự cố xảy ra với thiết bị.

Hình 3.12 Khổi mạch hiên thị

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Để kết nối màn hình LCD 16x2 với vi điều khiển Atmega, trước tiên bạn cần chuẩn bị các linh kiện cơ bản như màn hình LCD, đế chân IC, resistor và dây kết nối Sau đó, thực hiện theo các bước hướng dẫn để hoàn tất quá trình kết nối.

• Kết nối chân đế IC với vi điều khiển Atmegaló bằng cách cắm vào các chân tương ứng trên vi điều khiển.

• Nối chân nguồn và chân đất của màn hình LCD với nguồn và đất của vi điều khiển.

• Kết nối các chân RS, RST RW, E, DBO, DB1, DB2, DB3, DB4, DB5, DB6, DB7 của màn hình LCD với các chân tương ứng trên vi điều khiển.

• Sử dụng các resistor để điều chinh dòng điện cho các chân kết nối.

Lập trình vi điều khiển Atmega để điều khiển màn hình LCD giúp hiển thị các thông số và dữ liệu quan trọng liên quan đến quá trình phục hồi chức năng khớp gối Việc này không chỉ hỗ trợ theo dõi tiến trình phục hồi mà còn cung cấp thông tin cần thiết cho người dùng trong quá trình điều trị.

Để lập trình cho vi điều khiển Atmega, cần sử dụng ngôn ngữ lập trình AVR cùng với các thư viện hỗ trợ Đầu tiên, cần khai báo các biến và hằng số để định nghĩa các chân kết nối và giá trị dữ liệu cần hiển thị Sau đó, sử dụng các lệnh điều khiển để điều chỉnh các chân kết nối và hiển thị dữ liệu trên màn hình LCD.

Mạch công suất sử dụng IC cầu H L298 với hai kênh A và B, có điện áp định mức 50V và dòng định mức cho tải là 2A Khi đấu song song hai kênh, dòng cấp cho tải có thể đạt đến 4A, gấp đôi so với một kênh Điện áp điều khiển là 5V.

Mạch điều khiển động cơ nhận tín hiệu từ mạch trung tâm, điều chỉnh tốc độ và chiều quay của động cơ Nhóm nghiên cứu sử dụng mạch cầu H, được thiết kế cho các động cơ DC có công suất dưới P0W, cho phép tần số PWM lên đến 20KHz Ngõ vào điều khiển (PWM, Dir) được cách ly quang để đảm bảo độ ổn định và hiệu suất của hệ thống Thông số kỹ thuật của mạch được trình bày cụ thể.

- Điện áp hoạt động: 8-32 VDC

- Ngõ vào điều khiển cách ly quang tần số cao.

- Led báo hiệu chiều quay, báo hiệu nguồn.

- Bảo vệ ngắn mạch, quá tải, quá nhiệt.

- Cho phép độ rộng xung trên toàn giải 0-100%.

Hình 3.13 Khôi mạch công suãt

Cầu Diode được sử dụng để ngăn chặn dòng điện ngược, đặc biệt trong các tải động cơ có tính chất cảm kháng Động cơ hoạt động với nguồn cấp 12V Việc sử dụng IC cầu H không chỉ cho phép đảo chiều động cơ mà còn điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Hình 3.14 Khoi mạch điều khiến thiết bị

Mạch điều khiển đóng vai trò trung tâm, nhận và xử lý dữ liệu từ các nút bấm cùng với phản hồi từ hệ thống đo tốc độ và góc độ Qua các phép tính đã được lập trình, mạch xuất ra dữ liệu điều khiển động cơ và hiển thị thông tin trên màn hình LCD.

Khối mạch điều khiến bao gồm :

IC ATMEGA16 được chọn cho đề tài này do có cấu trúc 40 chân và đầy đủ tính năng cần thiết để điều khiển và xử lý tín hiệu trong thiết bị CPM Thêm vào đó, việc thường xuyên làm việc với IC ATMEGA16 trong quá trình học tập đã giúp tích lũy kiến thức và nền tảng lập trình vững chắc.

(XCK/TO) (TI) (INT2/AIN0) (OCO/AIN1) (SS) (MOSI) (MISO) (SCK)

PBO PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7

Mị PA2(ADC2) É PAỈ(ADCỈ)

E PA4(ADC4) Sã) PA5(ADC5) PA6(ADC6) PA7 (ADC71 AREF ỊT] gnd ã] AVCC

(RXO) (TXD) (INTO) (INTI) (0S1B) (O51A) (ICP)

PDO PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6

PC7 PC6 PC5 PC4 PCỈ PC2

(T0SC2) I (TOSC1) (TDI) (TDO) (TMS) (TCK) PCI (SDA) PCO (SCI) oo PD7 (OC2)

Trong đồ án này, chúng tôi đã khai thác các chức năng của IC bằng cách sử dụng các chân của linh kiện nhóm với những mục đích cụ thể Các chân của IC được áp dụng để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tính năng của dự án.

- Chân AO tín hiệu đo biến trở

- Chân A4 - A7 nút nhấn cài đặt thông số Cổng B:

- Chân B0-B7 hiển thị màn hình LCD cổng Cổng D:

- Chân DO,D1,D2,D7 điều khiển màn hình LCD

- Chân D3 nhận tín hiệu encoder

- Chân D4 chiều di chuyển động cơ

- Chân D5 xung điều khiển động cơ

Chân D6 được sử dụng làm mầu tham chiếu cho thuật toán PID, trong khi đó, nhóm cũng đã thiết kế mạch chuyên dụng để điều khiển ATMEGA16 Các jack cắm và header được bố trí tương ứng với từng cổng cần sử dụng.

3.3.2 Giới thiệu về chương trình viết code và biên dịch

Trong đồ án này, nhóm chúng em đã sử dụng CodeVisionAVR, một IDE thương mại phổ biến cho vi điều khiển AVR Chương trình này cung cấp giao diện thân thiện và tích hợp đầy đủ các công cụ cần thiết cho việc lập trình AVR Cấu trúc của một chương trình trong CodeVisionAVR rất dễ hiểu và tiện lợi cho người dùng.

Để bắt đầu chương trình, bạn cần khai báo các thư viện cần thiết, chẳng hạn như sử dụng câu lệnh #include để khai báo thư viện cho vi điều khiển Atmega.

Trong chương trình, cần định nghĩa các hằng số và biến toàn cục để sử dụng Ví dụ, có thể khai báo biến toàn cục kiểu unsigned int với cú pháp: unsigned int count = 0; để khởi tạo giá trị ban đầu cho biến count.

• Nguyên mầu hàm: các hàm sẽ được sử dụng trong chương trình Ví dụ: void delay_ms(unsigned int time); để khai báo nguyên mẫu hàm

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

53 delay_ms đế tạo độ trề theo thời gian time.

• Hàm chính (main()): là diem bắt đầu của chương trình Nó chứa mã lệnh chính đề thực thi các chức năng của chương trình.

Chương trình sẽ khởi tạo thiết bị ngoại vi, thiết lập cổng I/O, gọi hàm con và thực hiện các chức năng chính của ứng dụng.

3.3.3 Nghiên cứu thuật toán PID

Lưu đồ giải thuật gom: lưu đồ chương trình chính, chương trình quét phím, chương trình ngắt của timer 1.

KẾT QUẢ

Ket quả phần cứng, phần mềm

Việc áp dụng thuật toán PID vào thiết bị CPM đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm sai số đáng kể và tăng cường khả năng điều khiển chính xác trong quá trình phục hồi chức năng khớp gối PID cho phép thiết lập xung mẫu theo mô hình chuyển động mong muốn, nhanh chóng so sánh với xung cài đặt để tính toán sai lệch, từ đó điều chỉnh vị trí và góc độ khớp gối một cách linh hoạt Lợi ích nổi bật của PID là duy trì sự ổn định trong quá trình điều khiển, giảm thiểu dao động và tăng tính chính xác của thiết bị Hệ thống còn cho phép điều chỉnh các thông số như hệ số tỷ lệ, tích phân và đạo hàm tùy theo yêu cầu cụ thể của bệnh nhân, tối ưu hóa hiệu suất và hiệu quả phục hồi Nhóm nghiên cứu cũng đã thiết lập hai chế độ điều chỉnh biên độ, giúp bệnh nhân có thể linh hoạt thay đổi theo ý muốn.

Thiết bị hoàn thành (Hình 4.1) cho phép điều chỉnh độ rộng xung điều khiển phù hợp với các tốc độ di chuyển khác nhau của mồi Thuật toán điều khiển PID được sử dụng để giữ cho độ rộng xung này không đổi trong suốt quá trình điều trị.

Hình 4.2 Độ rộng xung khi cài đặt 25

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

Hình 4.3 Độ rộng xung khi cài đặt 5 vòng/phút

Ket quả hoạt động thiết bị

Nhóm đã thiết kế thành công một thiết bị phục hồi chức năng khớp gối với 4 phím điều khiển, bao gồm 2 nút điều chỉnh tăng giảm, 1 nút lựa chọn chế độ và 1 nút bắt đầu/dừng Thiết bị có 5 tốc độ quay là 5, 10, 15, 20 và 25 vòng/phút, sử dụng động cơ để tạo động lực cho quá trình phục hồi Màn hình hiển thị thông số như tốc độ, tọa độ đầu và cuối, cũng như thời gian hoạt động Sau khi cài đặt xong vị trí đầu máy, thiết bị sẽ tự động chạy đến tọa độ đã được cài đặt.

Hình 4.4 Giao diện sứ dụng của thiêt bị

Người điều trị thiết lập các thông số như vị trí đầu, vị trí cuối, tốc độ và thời gian hoạt động trên giá đỡ Sau khi hoàn tất cài đặt, máy sẽ trở về vị trí đã được chỉ định trên màn hình Khi nhấn nút Start, thiết bị sẽ bắt đầu hoạt động theo chuyển động lên xuống từ vị trí đầu đến vị trí cuối đã cài đặt, với tốc độ và thời gian hoạt động đúng theo giá trị đã gán trước đó.

Hình 4.5 Thiết bị vận hành trên người

Thời gian điều trị có thể được điều chỉnh linh hoạt theo nhu cầu người sử dụng Thiết bị hoạt động an toàn khi được cắm vào nguồn 220V, với phần điều trị hoàn toàn cách ly điện Các bộ phận của thiết bị được lắp ráp chắc chắn trên khung thép, dễ dàng di chuyển Tốc độ, thời gian và góc hoạt động có thể tự thiết lập tùy thuộc vào từng phương pháp điều trị và tình trạng chấn thương.

GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình SVTH : Phan Gia Bảo

CHƯƠNG 5 KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÉN

Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc lập trình điều khiển động cơ qua mạch cầu H, cho phép quét các phím để điều chỉnh và cài đặt thông số, hiển thị lên màn hình LCD Đặc biệt, việc tích hợp thuật toán PID vào thiết bị CPM đã giúp giảm thiểu sai số, đạt được mục tiêu chính của đề tài Nghiên cứu này đã khắc phục những nhược điểm của thiết bị CPM trước đây, nâng cao tính chính xác và tối ưu hóa quá trình phục hồi chức năng cho người dùng.

Mặc dù đã đạt được một số kết quả nhất định, thiết bị vẫn thiếu tính linh hoạt và chưa tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Do một số nguyên nhân khách quan và chủ quan, nhóm chưa thể hoàn thành đồ án này.

Việc sử dụng bộ điều chỉnh PID trong thiết bị phục hồi chức năng khớp gối đã mang lại sự đáp ứng nhanh chóng và chính xác với xung màu, giúp duy trì ổn định trong quá trình điều khiển PID đảm bảo sự điều chỉnh chính xác và linh hoạt cho thiết bị CPM, tối ưu hóa quá trình phục hồi sau phẫu thuật hoặc chấn thương Nhờ vào khả năng điều chỉnh các thông số theo yêu cầu cụ thể của bệnh nhân, thiết bị này đã nâng cao hiệu suất và hiệu quả, mang lại lợi ích rõ rệt trong việc tái tạo chức năng khớp gối Tuy nhiên, việc áp dụng PID cần được thực hiện cẩn thận và điều chỉnh tùy theo từng trường hợp cụ thể, đồng thời cần có sự kiểm soát và giám sát chặt chẽ để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.

Thuật toán PID được áp dụng cho thiết bị phục hồi khớp gối nhằm nâng cao hiệu suất và tốc độ phục hồi chức năng của khớp Với khả năng điều chỉnh chính xác, thuật toán PID giúp tối ưu hóa quá trình phục hồi, mang lại kết quả tốt hơn cho người sử dụng.

Cải tiến thiết bị phục hồi chức năng khớp gối bằng thuật toán PID cho phép tùy chỉnh theo nhu cầu từng bệnh nhân, nhờ vào việc điều chỉnh các thông số như tốc độ, phạm vi chuyển động và lực tác động Thuật toán này giúp thiết bị phù hợp với điều kiện và yêu cầu phục hồi khác nhau của từng bệnh nhân, từ đó nâng cao hiệu quả tái tạo mô và cải thiện chức năng khớp gối Đặc biệt, thiết bị được cải tiến đảm bảo sự thoải mái và an toàn cho bệnh nhân, giảm thiểu nguy cơ đau đớn, bất tiện hoặc chấn thương trong quá trình phục hồi.

Nhóm nhận thấy thiết bị thiếu tính linh hoạt và chưa tối ưu hiệu suất Để cải thiện, cần nâng cao khả năng thích ứng với các tình huống và điều kiện khác nhau, như tải trọng và môi trường làm việc biến đổi Việc thực hiện thêm thí nghiệm với các tải trọng khác nhau và lắp thêm cảm biến lực sẽ giúp tăng độ chính xác cho thuật toán PID Hiện tại, việc sử dụng động cơ và mạch cầu H 12V giới hạn công suất, với số vòng tối đa chỉ 25 vòng/phút Để tăng tốc độ hoạt động, cần sử dụng động cơ và mạch cầu mạnh hơn, đồng thời thiết kế vỏ bọc cho bo mạch để tăng tính thẩm mỹ.

Bằng cách áp dụng PID, thiết bị đã phản ứng nhanh chóng và chính xác với xung màu, góp phần duy trì sự ổn định trong quá trình điều khiển PID đã đảm bảo hiệu quả trong việc quản lý và điều chỉnh hệ thống.

SVTH : Phan Gia Bảo GVHD: ThS Đỗ Khoa Bình

Thiết bị phục hồi chức năng khớp gối với bộ điều chỉnh PID đã mang lại 69 điều chỉnh chính xác và linh hoạt, tối ưu hóa quá trình phục hồi sau phẫu thuật hoặc chấn thương Việc kiểm soát chính xác và linh hoạt giúp tái tạo chức năng khớp gối hiệu quả, nâng cao độ chính xác và đáng tin cậy của thiết bị CPM Ứng dụng PID trong thiết bị này là một cải tiến đáng kể, nâng cao hiệu suất và hiệu quả, mang lại lợi ích rõ rệt cho bệnh nhân Tuy nhiên, việc áp dụng PID cần được thực hiện cẩn thận và điều chỉnh theo từng trường hợp cụ thể, đồng thời cần có sự kiểm soát và giám sát chặt chẽ để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.

Nhóm nghiên cứu hướng đến việc nâng cấp thiết bị bằng cách cải tiến cảm biến lực để cải thiện thuật toán PID, nhằm tăng độ chính xác cho mọi tải trọng của người sử dụng Hiện tại, nhóm đang sử dụng động cơ và mạch cầu H 12V, nhưng công suất hoạt động còn hạn chế với số vòng tối đa là 25 vòng/phút Để đáp ứng nhu cầu sử dụng của bệnh nhân, cần thiết phải sử dụng động cơ và mạch cầu mạnh hơn Đồng thời, việc thiết kế vỏ bọc cho phần bo mạch cũng sẽ được thực hiện để tăng tính thẩm mỹ.

Nhóm đang phát triển thiết bị có khả năng điều khiển từ xa và hiển thị các thông số hoạt động qua ứng dụng trên điện thoại Mục tiêu là giúp người điều trị nhận được phác đồ điều trị từ xa của bác sĩ thông qua ứng dụng này.