Thiết kế và thi công găng tay phục hồi chức năng

Vì thế nhóm nghiên cứu đã lựa chọn đề tài "Thiết kế và thi công găng tay phục hồi chức năng" nhằm mục đích hỗ trợ người bệnh trong việc thực hiện các bài tập vật lý trị liệu, nhằm tăng c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

GĂNG TAY PHỤC HỒI CHỨC NĂNG

GVHD: TH.S NGUYỄN THANH TÂM SVTH: THÁI GIA ÂN

NGUYỄN TẤN DÂN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2023

S K L 0 1 1 4 2 0

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa Điện – Điện Tử Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh

o0o Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2023

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1

I.TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG GĂNG TAY PHỤC HỒI CHỨC NĂNG

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

- Nguyễn Trọng Thành, Trần Thiện Thanh, Thiết kế và thi công cánh tay giả hỗ trợ cho người khuyết tật sử dụng tín hiệu EMG, trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2021

- Dehao Duanmu 1, Xiaojun Wang, Design of Guided Bending Bellows Actuators for Soft Hand Function Rehabilitation Gloves, actuator, 2022

2 Nội dung thực hiện:

- Tham khảo tài liệu, đọc và tóm tắt tài liệu đưa ra các hướng cho đề tài

- Tìm hiểu về cách hoạt động của găng tay

- Kết nối vi điều khiển với động cơ và màn hình LCD TFT

- Lập trình ESP32 và cách kết nối với linh kiện ngoại vi

- Nghiên cứu tạo giao diện màn hình LCD TFT

- Thiết kế mô hình

- Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý

- Thi công phần cứng và chạy thử nghiệm

- Đánh giá kết quả thực hiện

- Viết báo cáo thực hiện

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii

- Bảo vệ luận văn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2023

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Thanh Tâm

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp-Y Sinh

Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2023

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Thái Gia Ân MSSV: 19129007

Họ tên sinh viên: Nguyễn Tấn Dân MSSV: 19129008

Lớp: 191290B

Tên đề tài: Thiết kế và thi công găng tay phục hồi chức năng

Tuần 1

(20/2 – 26/2)

- Gặp GVHD, tiến hành chọn và xét duyệt đề tài

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iv

- Tính toán các thông số của mạch

- Báo cáo tiến độ Khóa luận tốt nghiệp Tuần 12

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH v

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài "Thiết kế và thi công găng tay phục hồi chức năng" là kết quả của quá trình nghiên cứu của chúng tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của ThS Nguyễn Thanh Tâm Chúng em xin cam đoan đề tài này không sao chép từ bất kỳ tài liệu hay công trình nào trước đó và đại diện cho công trình nghiên cứu độc lập của chúng tôi

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài

Thái Gia Ân – Nguyễn Tấn Dân

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH vi

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm em xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy/cô trong khoa Điện - Điện tử nói chung và các thầy/cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp - Y Sinh nói riêng đã tận tình

hỗ trợ cho nhóm em các kinh nghiệm và kiến thức đúc kết của thầy cô, hỗ trợ nhóm em có

đủ kiến thức nền tảng vững chắc để thực hiện đề tài này

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Thanh Tâm đã nhiệt tình hướng dẫn cho nhóm em, luôn kiểm tra đánh giá và đưa ra những lời khuyên bổ ích giúp chúng em hoàn thiện đề tài

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn tới ba mẹ, các bạn trong lớp và mọi người đã tạo điều kiện cho nhóm em về mọi mặt trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài

Đề tài chúng em làm không tránh khỏi những sai sót về hình thức và nội dung Nhóm chúng em hy vọng quý Thầy Cô thông cảm và tận tình đóng góp ý kiến để tiến hành thay đổi để đề tài tốt hơn Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Thái Gia Ân - Nguyễn Tấn Dân

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH vii

TÓM TẮT

Việt Nam hiện là một trong những nước đang phát triển, môi trường sống đang được nâng cao Trong đó ngành y tế nước ta được nhà nước quan tâm chú trọng đầu tư cơ sở vật chất, nâng cao chất lượng khám chữa bệnh cho người dân và nhiều kỹ thuật được áp dụng vào cánh tay robot trong phẩu thuật, các phần mềm trí tuệ AI về chẩn đoán bệnh, hệ thống chẩn đoán bệnh từ xa, các hệ thống điện não đồ và cũng không thể thiếu trong việc hỗ trợ các bài tập vật lý trị liệu Vì thế nhóm nghiên cứu đã lựa chọn đề tài "Thiết kế và thi công găng tay phục hồi chức năng" nhằm mục đích hỗ trợ người bệnh trong việc thực hiện các bài tập vật lý trị liệu, nhằm tăng cường chức năng của bàn tay và hỗ trợ quá trình phục hồi chức năng vận động Hệ thống được thiết kế sử dụng vi điều khiển trung tâm ESP32, động

cơ bơm khí và màn hình cảm ứng TFT 3.2 inch Mục tiêu chính của đề tài là cung cấp một giao diện dễ sử dụng cho người dùng và tập trung vào các bài tập vật lý trị liệu

Kết quả thực hiện của nhóm đã đáp ứng được mục tiêu ban đầu đặt ra Nhóm đã nghiên cứu và thi công thành công hệ thống điều khiển găng tay Hệ thống hoạt động ổn định và cung cấp hai phương pháp tập là tập đối chiếu và tập theo chương trình của máy Điều này cho phép người bệnh có thể tập luyện theo những bài tập phù hợp với tình trạng của họ và tiến triển theo từng giai đoạn phục hồi

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH viii

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

LỜI CAM ĐOAN v

LỜI CẢM ƠN vi

TÓM TẮT vii

MỤC LỤC viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG xiii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 2

1.3 Giới hạn 2

1.4 Nội dung thực hiện 2

1.5 Bố cục 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Cấu trúc và cách hoạt động của bàn tay 4

2.2 Các bệnh lý về tay ở người cần sử dụng găng tay phục hồi chức năng 5

2.3 Các bài tập phục hồi chức năng cơ bản 6

2.3.1 Tập vận động thụ động 6

2.3.2 Tập vận động với dụng cụ 6

2.4 Bộ truyền động đàn hồi 7

2.5 Giới thiệu phần cứng 8

2.5.1 Găng tay phục hồi chức năng 8

2.5.2 Máy bơm hút chân không 9

2.5.3 Van điện từ DC 6V 2 chiều 10

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ix

2.5.4 TFT ILI9341 Cảm Ứng Điện Trở SPI 11

2.5.5 Module ESP32 12

2.5.6 Module LM2596 13

2.5.7 Mạch sạc nguồn 14

2.5.8 Transistor NPN 14

2.5.9 IC L298N 14

2.6 Giới thiệu về chuẩn giao tiếp SPI 15

2.7 Giới thiệu phần mềm 16

2.7.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 16

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 17

3.1 Giới thiệu 17

3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 17

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 17

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 18

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 24

3.3 Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển găng tay 26

3.3.1 Bản vẽ thiết kế hộp điều khiển 26

3.3.2 Mô hình thiết kế trên Solidworks 27

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 28

4.1 Giới thiệu 28

4.2 Thi công hệ thống 28

4.2.1 Thiết kế phần cứng 28

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra hệ thống 29

4.2.3 Đóng gói và thi công hệ thống 29

4.3 Lập trình hệ thống 30

4.3.1 Lưu đồ giải thuật 30

4.4 Dự toán của đề tài 35

4.5 Tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác 37

Chương 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 38

5.1 Kết quả đạt được 38

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH x

5.1.1 Tổng quan kết quả đạt được 38

5.1.2 Kết quả thi công phần cứng 38

5.1.3 Giao diện điều khiển của hệ thống 40

5.1.4.Kết quả hoạt động của găng tay 43

5.2 Đánh giá và nhận xét 44

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47

6.1 Kết luận 47

6.2 Hướng phát triển 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 49

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Xương bàn tay 4

Hình 2.1 Quá trình uốn cong của GBBA tác động lên ngón tay 8

Hình 2.2 Hình ảnh thực tế của găng tay 8

Hình 2.3 Ảnh thực tế và kích thước của động cơ 10

Hình 2.4 Hình ảnh thực tế của van điện từ 11

Hình 2.5 Hình ảnh màn hình TFT ILI9341 12

Hình 2.6 Sơ đồ chân của ESP32 12

Hình 2.7 Hình ảnh IC LM2596 13

Hình 2.8 Cấu trúc transistor NPN 14

Hình 2.9 Hình ảnh IC L298N 15

Hình 2.10 Mô hình kết nối giao tiếp SPI với một thiết bị chủ - tớ 15

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển găng tay 17

Hình 3.2 Khối xử lý trung tâm 18

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối động cơ 19

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối LCD TFT 20

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối đóng ngắt 21

Hình 3.6 Sơ đồ khối của khối nguồn thiết kế 22

Hình 3.7 Mạch chia áp 23

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối khối nguồn 24

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 24

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 25

Hình 3.11 Bản vẽ hộp điều khiển găng tay 26

Hình 3.12 Bản vẽ nắp hộp điều khiển găng tay 26

Hình 3.13 Mô hình 3D hộp kỹ thuật điều khiển găng tay 27

Hình 3.14 Mô hình 3D nắp hộp kỹ thuật điều khiển găng tay 27

Hình 4.1 Sơ đồ mạch PCB 28

Hình 4.2 Mạch mô phỏng 3D 28

Hình 4.3 Mạch điều khiển chính sau khi thi công 29

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH xii

Hình 4.4 Hộp điều khiển động cơ 30

Hình 4.5 Lưu đồ chương trình chính 31

Hình 4.6 (a) Lưu đồ thuật toán chương trình con “Chọn cấp độ tập” (b) Lưu đồ thuật toán chương trình con “Chọn số lần tập” 32

Hình 4.7 (a) Lưu đồ thuật toán chương trình con “Chọn thời gian tập nắm” (b) Lưu đồ thuật toán chương trình con “Chọn thời gian tập duỗi” 33

Hình 4.8 (a) Lưu đồ thuật toán chương trình con “Chọn ngón tập” (b) Lưu đồ thuật toán chương trình con “Động cơ chạy” 34

Hình 5.1 Bên trong hộp thiết bị 39

Hình 5.2 Bên ngoài hộp thiết bị 39

Hình 5.3 Găng tay phục hồi chức năng hoàn chỉnh 40

Hình 5.4 Giao diện màn hình chính 41

Hình 5.5 Giao diện tập 41

Hình 5.6 Tập cả bàn 42

Hình 5.7 Tập từng ngón 42

Hình 5.8 Kết quả tập từng ngón 43

Hình 5.9 Kết quả tập bàn tay theo thời gian 43

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH xiii

DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của máy bơm hút chân không 9

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật van điện từ 10

Bảng 2.3 Các chân và chức năng từng chân của màn hình TFT ILI9341 11

Bảng 2.4 Sơ đồ chân của LM2596 13

Bảng 3.1 Thống kê dòng tải các linh kiện có nguồn 22

Bảng 4.1 Bảng dự toán hệ thống mô hình găng tay phục hồi chức năng 35

Bảng 5.1 Bảng kết quả chạy thực tế của hệ thống 44

Bảng 5.2 Bảng thống kê so sánh số lần tập của thiết bị với thực tế 44

Bảng 5.3 Thống kê hoạt động theo sự lựa chọn số ngón tập của thiết bị 45

Bảng 5.4 Thống kê hoạt động theo sự lựa chọn ngón tập của thiết bị 45

Bảng 5.5 Thống kê hoạt động theo sự lựa chọn thời gian tập duỗi và nắm của thiết bị 45

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH xiv

SPI Serial Peripheral Interface

GBBA Guided Bending Bellows Actuators

MOSI Master Output Slave Input

MISO Master Input Slave Output

UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

ADC Analog-to-Digital Converter

DAC Digital-to-Analog Converter

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH xv

BJT Bipolar Junction Transistor

TTL Transistor-Transistor Logic

Chương 1 TỔNG QUAN

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Việt Nam hiện là một trong những nước kinh tế đang phát triển, môi trường sống của mọi người được nâng cao Trong đó ngành y tế nước ta được nhà nước quan tâm chú trọng đầu tư cơ sở vật chất, nâng cao chất lượng khám chữa bệnh cho người dân và nhiều kỹ thuật được áp dụng vào cánh tay robot trong phẩu thuật [1], các phần mềm trí tuệ AI về chẩn đoán bệnh, hệ thống chẩn đoán bệnh từ xa, các hệ thống điện não đồ Năm 2020 nước ta in dấu trên bản đồ y khoa thế giới: Ca ghép hai cẳng tay đầu tiên tại khu vực Đông Nam Á và Việt Nam đã được bệnh viện Trung ương Quân đội 108 thực hiện thành công cho một thanh niên dù không cùng nhóm máu với người cho chết não Bệnh nhân đã hồi phục chỉ sau 2 tháng; trong chấn thương chỉnh hình, đội ngũ thầy thuốc Việt Nam đã mạnh dạn sáng tạo vật liệu khớp nhân tạo để thực hiện thay cùng lúc 8 khớp trên đôi bàn tay co quắp của bệnh nhân viêm khớp dạng thấp rồi tạo hình, phục hồi chức năng gấp duỗi ngón tay [2]

Để những bệnh nhân có các bệnh liên quan đến bàn tay nhanh chóng cử động như bình thường Các bài tập về vận động phục hồi chức năng vận động bàn tay luôn được bác

sĩ và gia đình bệnh nhân chú trọng thực hiện Trong các năm trở lại kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh mẽ Nắm bắt được nhu cầu bệnh nhân phục hồi bàn tay ngày càng nhiều, các găng tay phục hồi chứng năng đã ra đời đáp ứng mọi nhu cầu cho bệnh nhân giúp bệnh nhân mau chóng phục hồi, gia đình có thể quan sát tiến trình phục hồi của người thân Hiện nay, dù có nhiều bài nghiên cứu về lĩnh vực phục hồi chức năng chi trên của con người, cụ thể đó là những Đồ Án Tốt Nghiệp (ĐATN) như Nguyễn Thanh Huy – Lê Ngọc Phú năm 2020 với đề tài: “Nghiên cứu và ứng dụng tín hiệu EEG điều khiển khung xương trợ lực cánh tay” và được sử dụng tín hiệu chớp mắt để để điều khiển mô hình khung xương trợ lực cánh tay Đề tài tiếp theo của Nguyễn Trọng Thành – Trần Thiện Thanh năm 2021, với đề tài “Thiết kế và thi công cánh tay giả hỗ trợ cho người khuyết tật sử dụng tín hiệu EMG” [3] là tạo ra cánh tay giả giúp cho người khuyết tật về tay có thể sử cánh tay giả thông qua tín hiệu điện cơ Những mô hình trên mang lại nhiều ý nghĩa giá trị tích cực khi được áp dụng vào thực tế

Chương 1 TỔNG QUAN

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2

Từ những tìm hiểu trên, cùng với những kiến thức đã được tích lũy, nhóm đã chọn làm

đề tài “Thiết kế và thi công găng tay phục hồi chức năng” bằng cách sử dụng vi xử lý

ESP32 để điều khiển để thực hiện các thao tác trong bài tập phục hồi chức năng bàn tay

1.2 Mục tiêu

Đề tài nhằm mục đích thiết kế, nghiên cứu và chế tạo thiết bị điều khiển các ngón tay, đồng thời có khả năng phục hồi chức năng tay cho những người bị thương tật Thiết bị bao gồm động cơ bơm hơi khí nén và vi điều khiển ESP32 với các bài tập theo mong muốn người dùng

1.3 Giới hạn

Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:

- Hộp điều khiển to

- Thiết bị hoạt động tạo ra tiếng ồn

- Chỉ tập được tay phải

1.4 Nội dung thực hiện

Trong quá trình tiến hành làm đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công găng tay phục hồi chức năng, nhóm chúng em đã tập trung giải quyết và hoàn thành những nội dung sau:

- Nội dung 1: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của bàn tay, các bệnh và thương tích liên

quan đến chức năng tay

- Nội dung 2: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động điều khiển truyền động qua khí nén và

cách thức hoạt động của giao tiếp SPI

- Nội dung 3: Kết nối các linh kiện với ESP32

- Nội dung 4: Nghiên cứu xây dựng giao diện màn hình giao tiếp với mô hình

- Nội dung 5: Thiết kế mô hình hệ thống

- Nội dung 6: Nguyên cứu lập trình để điều khiển

- Nội dung 7: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống

- Nội dung 8: Viết báo cáo thực hiện

- Nội dung 9: Bảo vệ luận văn

Chương 1 TỔNG QUAN

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3

1.5 Bố cục

Chương 1: Tổng quan

Trình bày những vấn đề về sự chọn đề tài, mục tiêu đề ra, nội dung tìm hiểu, các dữ

liệu của thiết bị và bố cục đồ án

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày các nội dung lý thuyết các vấn đề bệnh về tay, các bài tập phục hồi, bộ truyền

động đàn hồi Trình bày các linh kiện sử dụng trong đồ án

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Trình bày sơ đồ khối, tính toán, lựa chọn và thiết kế từng khối của hệ thống sản phẩm, vẽ sơ đồ nguyên lý

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày kết quả thực hiện nối các khối với nhau thành sản phẩm Trình bày và giải thích lưu đồ giải thuật

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Trình bày kết quả hoàn thành sản phẩm, đưa ra các đánh giá, nhận xét về các kết quả

sử dụng

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đưa ra kết luận về đề tài, những ưu điểm của sản phẩm, những hạn chế cần cải thiện

và hướng phát triển giúp sản phẩm tốt hơn để đưa ra thị trường

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu trúc và cách hoạt động của bàn tay

Bàn tay là một phần cơ thể rất quan trọng, có vai trò quan trọng trong việc thực hiện các hoạt động thường ngày, bao gồm cả hoạt động như nắm, bóp, xoay, kéo, đẩy và thực hiện các hành động như viết, vẽ, sờ, nhấn và tháo vật dụng Do bàn tay của con người được tạo nên bởi các khớp đốt và cơ bắp, đóng vai trò quan trọng trong việc cầm nắm và thực hiện các hoạt động khác nên có thể linh hoạt, thích ứng và phát triển các kỹ năng phức tạp theo thời gian

Bàn tay của con người không có đầu gối như các khớp uốn cong trên chân để di chuyển Bàn tay được hình thành từ 27 xương, 29 khớp, 34 cơ và nhiều dây chằng, đường thần kinh và mạch máu [4] Các khớp đốt ngón tay cũng là một phần quan trọng của bàn tay, giúp ta thực hiện các chuyển động như uốn cong, giãn ra và xoay tay Mỗi ngón tay bao gồm ba khớp đốt: Khớp đốt gốc, khớp đốt giữa và khớp đốt ngón tay Khớp đốt gốc nằm ở gần cổ tay, khớp đốt giữa nằm giữa khớp đốt gốc và khớp đốt ngón tay, và khớp đốt ngón tay nằm ở cuối ngón tay Hệ thống xương bàn tay của con người được thể hiện trên hình 1.1

Hình 1.1 Xương bàn tay

Các cơ bắp và dây chằng liên kết trong việc vận hành cử động của từng ngón tay và

cả bàn Cơ bắp và dây chằng tạo thành mạng lưới phức tạp trong bàn tay giúp con người

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5

thực hiện các hành động tinh tế như cầm, bóp, xoay, nắm và thao tác đồ vật Các cơ bắp trong bàn tay phân bố khắp nơi, giúp cho người dùng có thể thao tác được các hoạt động cần thiết của bàn tay

Trong các vận động thường ngày, bàn tay hoạt động theo cách đa dạng và phức tạp

Ví dụ, khi ta nắm một vật, các cơ bắp trong bàn tay và cánh tay sẽ phối hợp hoạt động để tạo ra lực siết vừa đủ để giữ vật đó trong tay Khi ta viết, các cơ bắp nhỏ trong bàn tay sẽ phối hợp hoạt động để giữ bút và tạo ra các chuyển động tinh tế để tạo nên các chữ cái Khi

ta chơi piano, các cơ bắp trong bàn tay sẽ phối hợp hoạt động để tạo ra âm nhạc và điều khiển các phím piano

2.2 Các bệnh lý về tay ở người cần sử dụng găng tay phục hồi chức năng

Găng tay phục hồi chức năng (functional recovery gloves) được sử dụng trong các loại bệnh và hiện trạng khác nhau để giúp phục hồi và nhằm cải thiện thao tác tay Dưới đây là một số ví dụ về những loại bệnh mà găng tay phục hồi chức năng có thể được sử dụng:

- Bệnh liệt dây thần kinh: Găng tay phục hồi chức năng có thể được dùng để hỗ trợ phục hồi chức năng cảm giác và cử động ở các bệnh nhân bị liệt dây thần kinh, chẳng hạn như các chấn thương về tủy sống, đột quỵ hay bệnh liệt cơ tay

- Bệnh thần kinh cơ: Một số bệnh như bệnh thần kinh cơ, bao gồm bệnh tổn thương dây thần kinh ngoại vi, bệnh tổn thương thần kinh liên sườn, hay bệnh thần kinh liên thân

có thể gây ra suy giảm chức năng cử động và cảm giác trong tay Găng tay phục hồi chức năng có thể giúp cung cấp hỗ trợ và kích thích việc sử dụng tay, giúp cải thiện khả năng chức năng

- Tổn thương dây chằng: Các tổn thương dây chằng ở cổ tay hoặc các khớp ngón tay

có thể gây ra sự suy giảm chức năng và độ linh hoạt của tay Găng tay phục hồi chức năng

có thể được sử dụng như một phần trong quá trình phục hồi và tăng cường chức năng tay sau khi chấn thương

Tóm lại găng tay được sử dụng cho người bệnh bị tai biến đột quỵ, liệt nửa người, chấn thương dây thần kinh bàn tay, khô cứng khớp tay, viêm khớp tay, bỏng tay,…Người bệnh tự điều khiển hoặc được hỗ trợ điều khiển trên màn hình với nhiều động tác như co duỗi tay, nắn bóp, co duỗi từng ngón tay,… Công dụng của sử dụng găng tay phục hồi chức

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6

năng: Găng tay robot phục hồi chức năng có công dụng quan trọng trong việc giúp phục hồi chức năng của tay Đây là một thiết bị hiệu quả trong việc kích thích hoạt động của dây thần kinh, cơ và khớp, nhằm giúp người bệnh lấy lại cảm giác và khả năng sử dụng tay [5] Thông qua việc tập luyện với găng tay robot, người bệnh có thể phục hồi sự linh hoạt

và chức năng của các dây thần kinh, cơ và khớp trong tay một cách nhanh chóng và hiệu quả Việc sử dụng lực trở kháng cung cấp bởi máy cũng giúp người bệnh tăng cường sức mạnh và khả năng điều khiển tay

2.3 Các bài tập phục hồi chức năng cơ bản

- Tập dạng khép: Đặt bàn tay duỗi thẳng, người hỗ trợ sẽ dùng tay trái giữ bàn tay nằm yên, dùng 2 ngón tay nắm giữ từng ngón di chuyển theo dạng rồi khép các ngón tay lại [6]

- Tập duỗi và gấp khớp ngón bàn tay: Đặt khủy tay tư thế gập một góc vuông Người

hỗ trợ nắm bàn tay người bệnh trong lòng bàn tay phải, các ngón tay và bàn tay ở tư thế ngửa và duổi thẳng Dùng tay trái nắm duỗi từng ngón của bệnh nhân ra rồi để các ngón trở lại tư thế ban đầu [6]

2.3.2 Tập vận động với dụng cụ

Khi bàn tay và ngón tay đã được trải qua các bài tập vật lý trị liệu từ các mức độ khác nhau, sau khi có sự tiến bộ thì có thể chuyển sang tập với dụng cụ và giảm các bài tập hỗ trợ từ bác sĩ hay kỹ thuật viên Các bài tập với bóng cao su mềm có thể thực hiện:

- Tập nắm bóng: Nắm chặt quả bóng trong lòng bàn tay, dùng lực bàn tay để co bóp quả bóng, các thao tác được thực hiện giữ một khoảng và thả lỏng

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7

- Tập ép bóng: Dùng 2 ngón cái và ngón trỏ nắm quả bóng, dùng 2 ngón ép quả bóng lại giữ một khoảng thời gian

- Tập kẹp ngón tay: Đặt quả bóng vào vị trí giữa hai ngón, dùng lực 2 ngón bóp lại với nhau, giữ trong một khoảng sau đó thả lỏng

- Động tác cắt kéo: Dùng 2 ngón tay bất kỳ kéo dãn cộng dây thun

- Tập kích thích lòng bàn tay: Đặt quả bóng vào lòng bàn tay cần trị liệu và sử dụng lòng bàn tay còn lại để di chuyển quả bóng xung quanh Luyện tập đến khi cảm thấy cổ tay mỏi thì dừng lại [6]

- Tập kích thích lòng bàn tay: Lòng bàn tay duỗi thẳng, sau đó đặt quả bóng vào, sử dụng bàn tay còn lại lăn cho quả bóng lăn xung quanh lòng bàn tay, tập đến khi có cảm giác mỏi thì ngừng tập

2.4 Bộ truyền động đàn hồi

Guided Bending Bellows Actuators (GBB actuators) là các thiết bị truyền động được

sử dụng để chuyển động hoặc điều khiển các thành phần trong các ứng dụng cơ khí và tự động hóa Các thiết bị được thiết kế dựa trên nguyên lý của ống đàn hồi uốn cong (Bellows)

và các cơ cấu hướng dẫn để tạo ra chuyển động mong muốn

Cấu trúc chính của GBB actuators bao gồm ống đàn hồi uốn cong và cơ chế tuân thủ (Complaint mechanism) để hỗ trợ và hướng dẫn chuyển động của belows Belows là một loại ống uốn cong có khả năng mở rộng và co lại khi có áp lực được áp dụng Khi áp lực thay đổi, bellows có khả năng biến dạng và tạo ra chuyển động tương ứng Các cơ cấu hướng dẫn được sử dụng để hỗ trợ và hướng dẫn chuyển động của bellows theo hướng mong muốn, giúp định vị và kiểm soát chính xác vị trí và hướng di chuyển của các thành phần liên quan Các cơ cấu hướng dẫn có thể bao gồm thanh dẫn hướng, ổ đỡ, trục trung tâm, hoặc bất kỳ cơ cấu nào khác để giữ và điều chỉnh chuyển động của bellows

GBB actuators có thể hoạt động chính xác và linh hoạt, giúp điều khiển chính xác và đáng tin cậy các quá trình và chuyển động trong hệ thống Trong lĩnh vực găng tay phục hồi chức năng, GBBA được áp dụng để tạo ra chuyển động mềm mại và linh hoạt trong việc tái tạo cơ tay và khôi phục chức năng motor của người dùng GBBA giúp tạo ra các

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8

chuyển động như uốn cong, định hình và cầm nắm, giúp người dùng lấy lại khả năng cầm

và thực hiện các hoạt động hàng ngày [7]

Hình 2.1 Quá trình uốn cong của GBBA tác động lên ngón tay

2.5 Giới thiệu phần cứng

2.5.1 Găng tay phục hồi chức năng

Để tiết kiệm thời gian, nhóm sử dụng găng tay được may sẵn với kích thước được may

đo theo tiêu chuẩn trung bình của người trưởng thành Găng tay được làm từ loại vật liệu sợi nhựa dẻo, vừa vặn thoải mái và giữ cho tay ở đúng vị trí trong khi kéo giãn nhẹ nhàng các xương ngón tay Găng tay được bắt chước một cách thông minh việc nắm, duỗi và uốn của bàn tay để giảm bớt sự co cứng và cứng của bàn tay

Chiều dài lòng bàn tay có thể áp dụng: Xấp xỉ 180 ~ 199mm Chiều rộng lòng bàn tay có thể áp dụng: 76 ~ 85mm Găng tay có hình dạng được mô tả trong hình 2.2

Hình 2.2 Hình ảnh thực tế của găng tay

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9

Nguyên lý truyền động của ống thổi khí nén xuất phát từ sự thay đổi chiều dài gấp do

áp suất trong gây ra Khi bộ truyền động được thổi phòng, áp suất không khí bên trong mạnh hơn bên ngoài, làm cho ống có thành mỏng sẽ bị kéo dài ra thì các ngón tay sẽ co vào lòng bàn tay Khi bộ truyền động bị hút khí, áp suất không khí bên trong là thấp hơn bên ngoài dẫn đến sự co lại của ống thổi thì các ngón tay sẽ dãn ra

Việc phục hồi khớp ngón tay chủ yếu là luyện tập gân và cơ ngón tay thông qua việc uốn và duỗi khớp ngón tay lặp đi lặp lại, kích thích dây thần kinh vận động và thúc đẩy tuần hoàn máu ở ngón tay để đạt được hiệu quả giảm co thắt hoặc thậm chí chữa khỏi chứng

co thắt

2.5.2 Máy bơm hút chân không

Động cơ bơm hút chân không được sử dụng để bơm, hút không khí, động cơ có lực bơm và hút mạnh, áp suất cao, sử dụng cho các ứng dụng như bơm, hút chân không Hình 2.3 bên dưới hiển thị chi tiết các kích thước của các bộ phận của động cơ bơm hút chân không được sử dụng trong đề tài

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của máy bơm hút chân không

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10

Hình 2.3 Ảnh thực tế và kích thước của động cơ

2.5.3 Van điện từ DC 6V 2 chiều

Van điện từ DC 6V 2 chiều là một linh kiện điện tử được sử dụng để điều khiển luồng chảy của chất lỏng hoặc khí trong hệ thống Với nguồn cấp điện của van là DC 6V, van này

có khả năng mở và đóng luồng chất lỏng hoặc khí ở hai hướng khác nhau, cho điều khiển chính xác luồng chảy theo yêu cầu Hình ảnh thực tế của van điện từ được thể hiện qua hình 2.4

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật van điện từ

Chất lỏng trung bình Khí (khí không ăn mòn, chủ yếu là không khí)

Áp suất âm chân không ≥ - 60KPA (-450mmHg>)

Áp suất chuyển tiếp > 100KPA (750mmHg)

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11

Hình 2.4 Hình ảnh thực tế của van điện từ

2.5.4 TFT ILI9341 Cảm Ứng Điện Trở SPI

a Giới thiệu

Màn hình TFT LCD 3.2inch giao tiếp với ESP32 thông qua giao tiếp SPI, sử dụng ít chân I/O để giao tiếp, tương tác trên màn hình dễ dàng, lập trình điều khiển tương tác dễ thực hiện Mặt trước và mặt sau của màn hình cảm ứng điện trở TFT ILI9341 được mô tả thông qua hình 2.5 bên dưới

CS Tín hiệu chọn chip LCD , kích hoạt mức thấp

RESET Đặt lại tín hiệu đặt lại LCD, đặt lại mức thấp

D/C Tín hiệu chọn dữ liệu / thanh ghi LCD, mức cao: thanh ghi, mức thấp: dữ

liệu SDI Tín hiệu dữ liệu ghi bus SPI

SCK Tín hiệu đồng hồ bus SPI

LED Điều khiển đèn nền LED, kết nối 3.3V

SDO Tín hiệu dữ liệu đọc bus SPI

T_CLK Chạm vào tín hiệu đồng hồ bus SPI

T_CS Tín hiệu chọn chip màn hình cảm ứng, bật mức thấp

T_DIN Chạm vào đầu vào bus SPI

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12

T_DO Chạm đầu ra bus SPI

T_IRQ Tín hiệu ngắt màn hình cảm ứng, mức thấp khi phát hiện cảm ứng

Vì thế nhóm quyết định sử dụng ESP32 38 chân làm vi điều khiển trung tâm cho đề tài như hình 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ chân của ESP32

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 13

Bên cạnh đó, ngoài việc lập trình cho ESP32 thông qua ngôn ngữ python thì ESP32 còn có thể được lập trình thông qua ứng dụng Arduino trên PC Ứng dụng này cho phép ta

sử dụng nguồn tài nguyên có sẵn như thư viện và viết code trên nền tảng ngôn ngữ C/C++ Mặc dù nguồn nuôi của ESP32 là 5VDC nhưng trong quá trình thử nghiệm thì điện áp tối thiểu phải cấp là 5.08 để sau khi sụt áp ở ngõ vào thì nguồn nuôi của nó sẽ đạt đủ 5VDC

2.5.6 Module LM2596

Module LM2596 có khả năng chuyển đổi điện áp đầu vào không ổn định hoặc quá cao thành một điện áp đầu ra ổn định và điều chỉnh được, có khả năng xử lý các điện áp đầu vào từ 3.2V đến 40V và cung cấp một nguồn điện đầu ra có thể điều chỉnh từ 1.25V đến 35V Module LM2596 cung cấp hiệu suất chuyển đổi cao và độ ổn định tốt, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và đảm bảo nguồn điện ổn định cho các linh kiện và mạch điện Nó còn được trang bị các tính năng bảo vệ như bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ quá dòng và bảo vệ ngắn mạch để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng Module LM2596 được mô tả thông qua hình 2.7 với cấu tạo gồm 5 chân

Hình 2.7 Hình ảnh IC LM2596 Bảng 2.4 Sơ đồ chân của LM2596

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 14

4 Feedback Đặt điện áp đầu ra bằng cách sử dụng mạng bộ chia

sử dụng phản hồi điện áp đầu ra

5 ON/OFF Kích hoạt chân, phải được nối đất để hoạt động

2.5.7 Mạch sạc nguồn

Mạch sạc bảo vệ pin là một module điện tử có chức năng giám sát và bảo vệ pin khỏi các nguy cơ như quá nhiệt, quá dòng, quá áp và quá thấp Mạch được tích hợp trong hệ thống sạc pin để đảm bảo an toàn và tăng tuổi thọ cho pin

2.5.8 Transistor NPN

Transistor lưỡng cực BJT là linh kiện bán dẫn có cấu tạo cơ bản dựa trên hai chuyển tiếp P-N Linh kiện 3 điện cực này được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc như một khóa điện tử Transistor là một linh kiện bán dẫn 3 lớp bao gồm hai lớp bán dẫn loại N và một lớp bán dẫn loại P (gọi là transistor NPN)

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 15

tín hiệu đầu vào Bộ phát của bóng bán dẫn thấp hơn của mỗi cầu nối được kết nối với nhau

và thiết bị đầu cuối bên ngoài tương ứng có thể được sử dụng để kết nối điện trở cảm biến bên ngoài Một đầu vào nguồn bổ sung được cung cấp để logic hoạt động ở điện áp thấp hơn

Hình 2.9 Hình ảnh IC L298N

2.6 Giới thiệu về chuẩn giao tiếp SPI

SPI là một giao diện ngoại vi nối tiếp, được sử dụng cho bus SPI Chuẩn SPI ban đầu được phát triển bởi Motorola Nó là một chuẩn truyền dữ liệu đồng bộ, cho phép truyền và nhận dữ liệu Đôi khi, SPI còn được gọi là chuẩn giao tiếp 4 dây (Four-wire) [8]

SPI là một giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến được sử dụng để giao tiếp giữa các vi điều khiển hoặc giữa vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi Giao tiếp SPI xảy ra trong một

mô hình chủ-tớ, trong đó chủ là thiết bị điều khiển (thường là vi điều khiển), và tớ là thiết

bị nhận lệnh từ chủ (thường là cảm biến, màn hình hoặc chip nhớ) Một thiết bị chủ có thể điều khiển nhiều thiết bị tớ cùng một lúc.[9]

Hình 2.10 Mô hình kết nối giao tiếp SPI với một thiết bị chủ - tớ

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 16

Giao tiếp SPI gồm 4 chân kết nối:

- MOSI (Master Out Slave In): Tín hiệu dữ liệu được truyền từ thiết bị master tới các thiết bị slave

- MISO (Master In Slave Out): Tín hiệu dữ liệu được truyền từ các thiết bị slave về thiết bị master

- SCLK (Serial Clock): Tín hiệu xung đồng hồ điều khiển cho việc đồng bộ truyền dữ liệu

- SS/CS (Slave Select/Chip Select): Tín hiệu được sử dụng để chọn thiết bị slave nào

sẽ tham gia truyền thông

2.7 Giới thiệu phần mềm

2.7.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE

Arduino IDE là một môi trường phát triển tích hợp mã nguồn mở cho phép người dùng

dễ dàng viết code và tải lên bo mạch Arduino Môi trường này được viết bằng Java và dựa trên các ngôn ngữ lập trình và phần mềm mã nguồn mở khác Phần mềm này hỗ trợ nhiều loại bo mạch Arduino như Arduino Uno, Nano, Mega, Pro, Pro Mini và một số loại khác Ngôn ngữ chung cho Arduino là C và C++, đây là những ngôn ngữ lập trình phổ biến dành cho các lập trình viên Arduino IDE có các tính năng hữu ích như làm nổi bật cú pháp, tự động thụt đầu dòng, làm cho nó trở thành một lựa chọn hiện đại và tiện ích cho các môi trường phát triển tích hợp khác Arduino IDE cũng có thư viện mã nguồn mẫu phong phú, giúp việc viết chương trình trên Arduino trở nên dễ dàng Ngoài ra, nó là phần mềm hoàn toàn miễn phí cho người dùng

2.7.2 Phần mềm Solidworks thiết kế

Solidworks là một phần mềm thiết kế 3D được phát triển bởi công ty Dassault Systèmes SOLIDWORKS Corp Phần mềm này có sự ứng dụng rộng rãi ở các lĩnh vực khác nhau như cơ khí, điện tử, khoa học ứng dụng và nhiều ngành công nghiệp khác Solidworks cung cấp các công cụ cho việc thiết kế các khối 3D và lắp ráp chi tiết để tạo ra các bộ phận máy móc Đối với các dự án thiết kế linh kiện và bộ phận máy móc, Solidworks

là một phần mềm quen thuộc và phù hợp với các kỹ sư