THIẾT BỊ HỖ TRỢ CẢI THIỆN TƯ THẾ NGỒI DÀNH CHO HỌC SINH TIỂU HỌC

Đai điện tử mặc dù có thể cải thiện hành vi nhưng độ chính xác chưa cao do sử dụng cảm biến góc nghiêng để đo tương quan độ cong giữa đốt sống thắt lưng và đốt sống ngực, đo tương quan c

s

CUỘC THI KHOA HỌC KỸ THUẬT CẤP QUỐC GIA HỌC SINH TRUNG HỌC

NĂM HỌC 2021 - 2022

BÁO CÁO TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

DỰ ÁN:

THIẾT BỊ HỖ TRỢ CẢI THIỆN TƯ THẾ NGỒI

DÀNH CHO HỌC SINH TIỂU HỌC

Lĩnh vực dự thi: Hệ thống nhúng

MỤC LỤC

A LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

B XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1 Vấn đề nghiên cứu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng nghiên cứu 1

4 Nội dung nghiên cứu 1

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Địa điểm nghiên cứu 2

C NỘI DUNG 3

1 Giới thiệu thiết bị 3

2 Phát triển thiết bị 3

2.1 Xác định vị trí đặt đai tối ưu dựa trên nghiên cứu giải phẫu và chuyển động của các đốt sống 3

2.2 Cảm biến uốn cong 4

2.3 Thiết kế thiết bị 5

2.4 Nguyên lý hoạt động 6

2.5 Sơ đồ nối dây các linh kiện 7

3 Thực nghiệm và đánh giá thiết bị 7

3.1 Phương pháp thực nghiệm 7

3.2 Quá trình thực nghiệm 8

4 Hệ thống tự động xác định ngưỡng tư thế và hình thành đường cong sinh lý 8

4.1 Xây dựng và xử lý dữ liệu 9

4.2 Sử dụng KNN (K-nearest neighbor) để xác định ngưỡng giá trị tư thế và hình thành đường cong 10

D KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 10

1 Phát triển thành công thiết bị 10

2 Cải thiện thời gian ngồi ở mức tư thế tốt 11

3 Cải thiện độ cong của lưng khi ngồi 12

4 Mức độ thoải mái khi sử dụng 12

5 Hệ thống tự động xác định ngưỡng tư thế và hình thành đường cong sinh lý 13

E KẾT LUẬN 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

PHỤ LỤC 15

A LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Gù lưng, vẹo cột sống là những căn bệnh khá phổ biến ở độ tuổi học đường với nguyên nhân chủ yếu là do duy trì hành vi ngồi học và làm việc sai tư thế trong một khoảng thời gian dài [4] Học sinh trong độ tuổi từ 6 - 10 có cột sống đang trong quá trình phát triển mạnh [5], [8] nên việc duy trì hành vi ngồi học và làm việc sai tư thế ở độ tuổi đó sẽ gây nhiều hệ lụy xấu sau này [5]

Hiện tại trên thị trường đã có một số thiết bị hỗ trợ cải thiện tư thế ngồi với

2 loại chính: Cơ học và điện tử Theo nghiên cứu của nhóm và phản hồi của các đối tượng đã từng trải nghiệm sản phẩm trên thị trường, đai cơ học không có khả năng cải thiện hành vi, người đeo bị lệ thuộc hoàn toàn vào sự hỗ trợ lực của đai, khi đeo có tạo ra cảm giác khó chịu Đai điện tử mặc dù có thể cải thiện hành vi nhưng độ chính xác chưa cao do sử dụng cảm biến góc nghiêng để đo tương quan

độ cong giữa đốt sống thắt lưng và đốt sống ngực, đo tương quan cũng không thể thu thập dữ liệu độ cong để đánh giá khả năng cải thiện cột sống Với các lí do

nêu trên, nhóm đã lựa chọn dự án “Thiết bị hỗ trợ cải thiện tư thế ngồi dành cho học sinh tiểu học” để nghiên cứu

B XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1 Vấn đề nghiên cứu

Làm thế nào để tạo ra “Thiết bị hỗ trợ cải thiện tư thế ngồi dành cho học sinh tiểu học” nhằm hạn chế vấn đề ngồi sai tư thế cho học sinh tiểu học, góp phần phòng ngừa một số bệnh cột sống

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tạo ra thiết bị hỗ trợ cải thiện tư thế ngồi giúp phòng ngừa một

số bệnh cột sống ở học sinh tiểu học

3 Đối tượng nghiên cứu

Học sinh tiểu học (độ tuổi 6 – 10)

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu ở người:

+ Tìm hiểu thực trạng và hậu quả của một số bệnh học đường phổ biến ở Việt Nam

+ Tìm hiểu, nghiên cứu giải phẫu cột sống Tốc độ phát triển đốt sống ở các lứa tuổi

+ Tìm hiểu, nghiên cứu chuyển động của đốt sống nhằm tìm ra các điểm cong phù hợp khi ngồi để đặt thiết bị

- Nghiên cứu công nghệ:

+ Nghiên cứu khả năng xử lý tín hiệu cảm biến và lập trình vi điều khiển cấu trúc AVR

+ Nghiên cứu đặc trưng tín hiệu Analog dùng để đọc các giá trị cảm biến

+ Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, các đặc tính của cảm biến uốn cong + Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, các đặc tính của cảm biến góc gia tốc được đặt trên đai chống gù điện tử

+ Nghiên cứu học máy, thuật toán KNN, xử lý ảnh

+ Nghiên cứu phương pháp lấy dữ liệu thống kê từ nhóm đối tượng sử dụng thiết bị trong đề tài

+ Nghiên cứu giá trị P và cách tính, ảnh hưởng của giá trị P đến độ chính xác của kết quả thống kê

- Nghiên cứu các thiết bị có mặt trên thị trường:

+ Tìm hiểu, nghiên cứu đặc tính, nguyên lý hoạt động của đai chống gù cơ học, điện tử

+ Khảo sát phản hồi cảm nhận của những đối tượng đã sử dụng qua các thiết

bị có mặt trên thị trường

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

- Phương pháp mô hình hóa

- Phương pháp giả thuyết

- Phương pháp điều tra

- Phương pháp thống kê toán học

- Phương pháp thực nghiệm khoa học

- Phương pháp hỏi ý kiến chuyên gia

6 Địa điểm nghiên cứu

- Tại nhà nhóm nghiên cứu

- Phòng thực hành các bộ môn

- Nhà của các tình nguyện viên

C NỘI DUNG

1 Giới thiệu thiết bị

“Thiết bị hỗ trợ cải thiện tư thế ngồi dành cho học sinh tiểu học” là một

đai vải mềm được đeo quanh vị trí đốt sống thắt lưng của người sử dụng Có tác dụng phòng ngừa một số bệnh liên quan đến tư thế ngồi như: Gù, vẹo cột sống … bằng cách nhắc nhở người dùng khi có hành vi ngồi sai tư thế thông qua cảm biến uốn cong

2 Phát triển thiết bị

2.1 Xác định vị trí đặt đai tối ưu dựa trên nghiên cứu giải phẫu và chuyển động của các đốt sống

Cột sống là thành phần chính của bộ xương người, được tạo thành từ 33 đốt sống:

7 đốt sống cổ, 12 đốt sống ngực, 5 đốt sống thắt lưng và 5 đốt xương cùng [6] Trong

đó vùng cơ động, dễ bị chấn thương nhất là vùng đốt sống thắt lưng và sống cổ

Hình 1 Giải phẫu cột sống ở người

Ngoài nghiên cứu giải phẫu, nhóm đã nghiên cứu thêm chuyển động của cột sống thông qua một dự án nghiên cứu mô phỏng chuyển động của các đốt sống khi ngồi của Muscle and Motion (Tổ chức chuyên nghiên cứu động lực học cơ bắp và giải phẫu) [7]

Hình 2 Mô phỏng chuyển động tư thế ngồi của Muscle and Motion

Kết hợp dữ liệu giải phẫu, mô phỏng chuyển động và góp ý từ nhà khoa học chuyên ngành, nhóm nghiên cứu nhận thấy đặt cảm biến uốn cong ở vị trí vùng đốt sống thắt lưng là tối ưu nhất

2.2 Cảm biến uốn cong

2.2.1 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến uốn cong là một loại cảm biến có khả năng thay đổi nội trở khi bị uốn cong Cảm biến được đặt trong đai có khả năng uốn cong linh hoạt theo chuyển động của các đốt sống, sự uốn cong linh hoạt đó tạo ra các giá trị điện trở đặc trưng tương ứng với các tư thế ngồi khác nhau Qua các giá trị điện trở đặc trưng, thiết bị có thể xác định được tư thế ngồi của người sử dụng

Hình 3 Mạch đọc điện áp đầu ra của cảm biến uốn cong

Giá trị biến thiên điện trở sẽ mất tuyến tính nếu độ cong quá lớn (> 45 độ)

Độ cong của đốt sống thắt lưng chuyển động không nhiều nên vẫn đảm bảo mối liên hệ giá trị giữa độ cong đốt sống với điện trở cảm biến

Để vi điều khiển có thể đọc được giá trị, cảm biến cần xuất tín hiệu điện Analog (0 – 5V) Vì vậy, cảm biến cần nối tiếp thêm điện trở R1 để hình thành một bộ chia điện áp, giúp điện áp có thể thay đổi theo công thức:

𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝑽𝒊𝒏( 𝑹𝟏

𝑹𝟏+ 𝑹𝟐)

2.2.2 Chọn chiều dài cảm biến phù hợp với đốt sống thắt lưng

Bảng 1: Bảng thống kê chiều dài 5 đốt sống thắt lưng (L1 – L5) theo nhóm tuổi [8]

Từ bảng 1, ở độ tuổi tiểu học (nhóm 4, 5) chiều dài đốt sống thắt lưng thân sau (PVBH) trung bình từ 76.9 đến 89.2 mm phù hợp với chiều dài 114.3 mm của cảm biến uốn cong

2.3 Thiết kế thiết bị

Nhóm nghiên cứu thiết kế đai với từng hạng mục, tiêu chí cần đạt như bảng 2:

Bảng 2 Các hạng mục, mục tiêu khi thiết kế đai

Mức độ thoải mái - Đai ôm bụng ở mức độ vừa phải, không gây đau

nhức

- Hạn chế các trường hợp nóng bức, bí hơi Mức độ tin cậy xử lý - Tăng cường tính đàn hồi ở vị trí đầu và cuối

(chiều rộng) của đai, đảm bảo đai không bị chùn (gây ảnh hưởng đến cảm biến uốn cong) khi người dùng sửa tư thế ngồi

Kích thước - Chiều rộng: Ôm đủ vùng đốt sống thắt lưng

- Chiều dài: Có thể linh động tinh chỉnh kích thước phù hợp với các kích cỡ bụng

Chất liệu, kết cấu vải - May đai bằng chất liệu vải chính: Cotton lỗ kim

với đặc tính mềm, thoáng mát Kết cấu vải chạy dọc giúp cảm biến dễ dàng uốn cong

- Vị trí đầu và cuối (nằm ở chiều rộng) của đai may bằng vải tổng hợp Poly spandex có tính đàn hồi, co giãn tốt Kết cấu vải chạy ngang giúp tăng thêm đặc tính của Poly spandex

Thời lượng pin - Pin cung cấp đủ năng lượng cho một ngày làm

việc

- Vi điều khiển, thiết bị điện tử trong đai có chức năng vừa đủ, tiêu hao ít năng lượng

Hình 4 Mô phỏng hình ảnh kết cấu và chất liệu vải của đai

Hình 5 Mô phỏng các thiết bị trong đai và vị trí đai khi đeo

2.4 Nguyên lý hoạt động

Trước khi sử dụng, mỗi người sẽ được thiết lập

riêng giá trị điện trở tương ứng với tư thế tốt và xấu,

gọi là giá trị N

Khi kích hoạt thiết bị, cảm biến uốn cong chủ

động ghi nhận giá trị điện trở R sau đó so sánh với

các giá trị ngưỡng N1, N2 để đánh giá người dùng đã

đặt đúng vị trí hay chưa

Trường hợp đặt đúng vị trí, cảm biến uốn cong

sẽ tiếp tục đọc giá trị điện trở R với chu kì 1s/lần,

đồng thời lưu R vào thẻ SD của thiết bị Nếu giá trị R

vượt ngưỡng N1 trong khoảng thời gian t thì thiết bị

sẽ tiến hành rung nhắc nhở người dùng điều chỉnh tư

thế ngồi

Chú thích lưu đồ thuật toán:

R: Giá trị điện trở nhận được qua cảm biến uốn

cong (Ω)

N1, N2: Giá trị ngưỡng điện trở tư thế tốt, xấu

của riêng mỗi người đã thiết lập từ trước (Ω)

T: Thời gian xác định tư thế xấu (s) Hình 6 Lưu đồ thuật toán mô tả nguyên lý hoạt động

của thiết bị

2.5 Sơ đồ nối dây các linh kiện

Hình 7 Sơ đồ nối dây các linh kiện trong thiết bị

Các linh kiện được cung cấp năng lượng thông qua pin Li-ion 10000 mAh

Vi điều khiển nhận tín hiệu Analog từ cảm biến uốn cong và lưu các giá trị vào thẻ SD Dựa vào giá trị tín hiệu Analog thu được, vi điều khiển sẽ điều khiển bật tắt module rung theo các giá trị đã được lập trình sẵn Module thu phát wifi ESP8266 có vai trò trao đổi dữ liệu với hệ thống tự động xác định ngưỡng tư thế

và hình thành đường cong sinh lý (Mục 4)

3 Thực nghiệm và đánh giá thiết bị

3.1 Phương pháp thực nghiệm

Nhóm nghiên cứu chủ động tìm kiếm 30 tình nguyện viên trong độ tuổi 6 -

10 để tiến hành thử nghiệm thiết bị nhằm lấy số liệu và kiểm tra hiệu quả hoạt động Các tình nguyện viên thuộc độ tuổi trẻ, cột sống đang trong quá trình phát triển mạnh và có đường liên kết thần kinh tạm thời tốt trong việc hình thành các thói quen Các tình nguyện viên được hướng dẫn sử dụng thiết bị, sẽ đeo thiết bị trong vòng 60 phút/ngày, liên tục trong 10 ngày

Trước khi thực nghiệm, mỗi người sẽ được thiết lập riêng giá trị điện trở tương ứng với tư thế tốt và xấu

Theo ý kiến của nhà khoa học chuyên ngành, để xác định chính xác trạng thái của đường cong sinh lý cần xác định góc Cobb từ hình ảnh chụp X quang ở người, phương pháp này được dùng cho điều trị và trong thực tế để đai có thể thu thập giá trị điện trở tương ứng với các góc Cobb là điều không thể thực hiện được Thay vào đó, phương pháp quan sát trực tiếp đường cong sinh lý, tư thế ngồi đúng

là ngồi thẳng lưng, hai tay đặt trên bàn, mắt nhìn thẳng là tối ưu nhất Cụ thể:

- Tư thế tốt: Khi phần đốt sống thắt lưng cong nhẹ vào phía trong hoặc thẳng

đứng - Chuẩn đường cong sinh lý Khoảng giá trị điện trở tương ứng thực tế đo được trong khoảng 20 – 50 Ω

- Tư thế xấu: Khi phần đốt sống thắt lưng có xu hướng cong ra ngoài – Mất

đường cong sinh lý Khoảng giá trị điện trở tương ứng thực tế đo được trong khoảng trong khoảng 50 – 90 Ω

Thiết bị được đánh giá thông qua 3 tiêu chí chính (2 tiêu chí đầu đánh giá thông qua dữ liệu thu thập của thiết bị, tiêu chí còn lại khảo sát qua phiếu điều tra):

- Thời gian ngồi ở mức tư thế tốt: Được tính dựa trên tổng thời gian giữ

được mức tư thế tốt trước và sau khi sử dụng

- Khả năng cải thiện độ cong của lưng khi ngồi: Được tính dựa trên giá trị

điện trở trung bình theo độ cong của cảm biến trước và sau khi sử dụng

- Mức độ thoải mái khi sử dụng (khảo sát qua phiếu điều tra): Khảo sát

các hạng mục ảnh hưởng đến trải nghiệm sử dụng

3.2 Quá trình thực nghiệm

Quá trình thực nghiệm được chia làm 3 mốc

- Mốc 1: Diễn ra ở ngày đầu tiên, các tình nguyện viên đeo thiết bị và ngồi

ở ghế làm việc Trong ngày đầu tiên, thiết bị chỉ có vai trò ghi lại giá trị điện trở của các tư thế, không kích hoạt tạo rung để nhắc nhở

- Mốc 2: Diễn ra trong 8 ngày tiếp theo Thiết bị sẽ rung nhắc nhở mỗi khi

đối tượng sử dụng xuất hiện tư thế xấu

- Mốc 3: Diễn ra ở ngày cuối cùng Tương tự như ngày đầu tiên, thiết bị chỉ

có vai trò ghi lại giá trị điện trở của các tư thế và không kích hoạt tạo rung để nhắc nhở

Bảng 3 Dữ liệu và kết quả thống kê của một tình nguyện viên sau khi kết thúc quá trình thực

nghiệm (Tính toán và xử lý thông qua Microsoft Excel)

4 Hệ thống tự động xác định ngưỡng tư thế và hình thành đường cong sinh lý

Quá trình lấy giá trị tư thế ngồi tốn khá nhiều thời gian và cần sự giúp đỡ của bác sĩ hơn nữa cột sống của học sinh ở độ tuổi tiểu học đang trong quá trình phát triển mạnh, một thời gian sau sẽ phải cập nhật giá trị nên khi áp dụng đại trà sẽ gây khó khăn Để giải quyết các vấn đề trên nhóm nghiên cứu đã xây dựng một

hệ thống tự động xác định ngưỡng tự thế và hình thành đường cong sinh lý dựa trên dữ liệu tư thế chuẩn đã thu thập từ trước của các tình nguyện viên

4.1 Xây dựng và xử lý dữ liệu

Dữ liệu ngưỡng tư thế thu thập từ cảm biến uốn cong là các giá trị số, đốt sống thắt lưng mỗi tình nguyện viên lại khác nhau nên chưa đủ cơ sở để làm rõ các dấu hiệu đặc trưng Để làm rõ dấu hiệu đặc trưng, nhóm nghiên cứu đã tiến hành cho các tình nguyện viên đeo thiết bị và chụp X quang tư thế ngồi nhằm lấy

số liệu đường cong đốt sống thắt lưng ứng với giá trị điện trở thu thập được Sau

đó tiến hành xử lý ảnh, tách đường cột sống thắt lưng từ ảnh X quang

Hình 8 Quy trình xử lý ảnh đường cong đốt sống thắt lưng từ ảnh X quang

Qua quá trình xử lý, có 90 bức ảnh và giá trị được gán đều với 3 nhãn tư thế cột sống: Cong vào trong (A), thẳng đứng (B) và cong ra ngoài (C) để tiến hành xây dựng bảng dữ liệu như sau:

Bảng 4 Bảng dữ liệu giá trị sau khi thu thập

(Dạng A và B đều là tư thế tốt)

TNV Nhãn Ảnh đường

cong Giá trị điện trở

Khoảng cách (Dùng để tự hình thành đường cong)

1

1𝐷1 = 1𝑀𝑎𝑥𝐵- 1𝑀𝑖𝑛𝐴 1𝐷2 = 1𝑀𝑎𝑥𝐶- 1𝑀𝑎𝑥𝐵

n

𝑛𝐷1 = 𝑛𝑀𝑎𝑥𝐵- 𝑛𝑀𝑖𝑛𝐴

𝑛𝐷2 = 𝑛𝑀𝑎𝑥𝐶- 𝑛𝑀𝑎𝑥𝐵

Dựa vào bảng 4, mỗi người đều có 3 nhãn, mỗi nhãn chứa ảnh đường cong

đã được xử lý với giá trị điện trở tương ứng, những giá trị và nhãn này được dùng làm cơ sở để xác định ngưỡng tư thế Các giá trị D1, D2 được tính dựa trên các giá trị điện trở, sau khi tính sẽ kết hợp với hình ảnh đường cong để làm cơ sở tự hình thành đường cong sinh lý

4.2 Sử dụng KNN (K-nearest neighbor) để xác định ngưỡng giá trị tư thế và hình thành đường cong

KNN là một thuật toán học có giám sát trong học máy, thuật toán này thuộc loại học lười biếng bằng cách tổng quan hoá dữ liệu đào tạo và chỉ thực hiện mọi tính toán khi cần phân loại, dự đoán một kết quả từ một dữ liệu mới [10]

Hình 9 Quy trình xác định ngưỡng giá trị tư thế và tự hình thành đường cong sử dụng KNN

(k = 5)

Thiết bị sẽ cần 30 phút (Không kể số lần sử dụng) ghi lại giá trị điện trở nhằm tổng hợp đầy đủ các giá trị tư thế của đối tượng (Input) Sau khi ghi lại giá trị, thiết bị sẽ gửi dữ liệu qua wifi đến server để xử lý KNN xử lý dựa trên cơ sở

dữ liệu đã thu thập và qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Tiến hành phân loại giá trị điện trở vào các nhãn (A, B, C) và tìm min, max của các nhãn từ đó xác định ngưỡng tư thế và gửi về thiết bị để hoạt động, hệ thống sẽ liên tục cập nhật dữ liệu ngưỡng tư thế theo thời gian cột sống phát triển Giai đoạn 2: Giá trị min, max thu được sẽ sử dụng để tính toán khoảng cách D1 và D2, các giá trị khoảng cách này

sẽ hình thành đường cong dựa trên các đường cong ứng với giá trị D1, D2 gần nhất có trong cơ sở dữ liệu Các đường cong sau khi được hình thành sẽ gửi qua điện thoại của người dùng để làm cơ sở đánh giá khả năng cải thiện đường cong theo thời gian sử dụng

D KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Phát triển thành công thiết bị

Nhóm đã nghiên cứu và phát triển thành công thiết bị Qua quá trình thử nghiệm, bước đầu thiết bị hoạt động khá ổn định và có độ tin cậy xử lý khá cao, khoảng phát hiện tư thế xấu rộng