Găng tay vật lý trị liệu là một trong những thiết bị được khuyếnkhích sử dụng trong các trường hợp cần tăng cường sức mạnh cơ, cải thiện tính linhhoạt và giảm đau của bàn tay.. Từ những
TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhu cầu phục hồi chức năng tại Việt Nam đang gia tăng do tai nạn giao thông, tai nạn lao động và di chứng sau phẫu thuật Trong 6 tháng đầu năm 2019, cả nước ghi nhận 8.385 vụ tai nạn giao thông, khiến 3.810 người chết và 6.358 người bị thương Năm 2022, 62/63 tỉnh, thành phố xảy ra 7.718 vụ tai nạn lao động, tăng 18,66% so với năm 2021, làm 7.923 người bị thương Bên cạnh đó, Việt Nam cũng đối mặt với tình trạng già hóa dân số nhanh chóng, với tỷ lệ người cao tuổi đạt 11,9%.
Tuổi thọ trung bình ở Việt Nam đã cao hơn so với nhiều quốc gia có mức thu nhập tương tự từ năm 2019 và dự kiến sẽ tiếp tục tăng trong tương lai Tuy nhiên, sức khoẻ của người cao tuổi vẫn chưa được đảm bảo, điều này cần được chú trọng hơn nữa.
Sự tiến bộ trong ngành y tế và vật lý trị liệu đã nâng cao nhận thức về giá trị của các công cụ hỗ trợ phục hồi chức năng Nhờ vào các chương trình giáo dục và tăng cường nhận thức về sức khoẻ, người dân ngày càng hiểu rõ tầm quan trọng của việc tham gia vào quá trình phục hồi sau chấn thương hoặc bệnh tật Công nghệ và thiết kế phát triển đã mang đến các thiết bị trị liệu mới với tính năng và hiệu suất cải tiến, thu hút sự quan tâm của người dùng và chuyên gia y tế Điều này tạo ra nhu cầu ngày càng tăng về phục hồi chức năng, giúp người dân duy trì cuộc sống lành mạnh và độc lập.
Trong lĩnh vực vật lý trị liệu, việc sử dụng thiết bị phù hợp là rất quan trọng để hỗ trợ phục hồi và cải thiện chức năng cơ thể của bệnh nhân Tuy nhiên, các phương tiện trị liệu hiện tại đôi khi không đáp ứng đủ yêu cầu trong quá trình phục hồi Găng tay vật lý trị liệu được khuyến khích sử dụng, đặc biệt để tăng cường sức mạnh cơ, cải thiện tính linh hoạt và giảm đau cho bàn tay Do đó, thiết kế và phát triển găng tay vật lý trị liệu mở ra cơ hội cho các nghiên cứu và phát triển mới trong ngành này.
Trên thị trường hiện nay, có nhiều thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng tay, nổi bật là Robot tập phục hồi chức năng chi trên Reogo do Motorika sản xuất tại Việt Nam Găng tay robot SY-HRC10 được thiết kế dành cho bệnh nhân gặp rối loạn chức năng tay do liệt, tai biến hoặc chấn thương dây thần kinh ngoại vi Ngoài ra, nghiên cứu Đồ Án Tốt Nghiệp của Thái Gia Ân và Nguyễn Tấn Dân với đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG GĂNG TAY PHỤC HỒI CHỨC NĂNG” đã phát triển mô hình găng tay phục hồi chức năng cho một bên tay, bao gồm bài tập với hai chế độ: từng ngón và cả bàn tay, cùng nhiều cấp độ tập luyện khác nhau.
Năm 2021, Lê Kim Tĩnh và Nguyễn Thu Trà đã thực hiện đề tài "Thiết kế và thi công cánh tay nhân tạo điều khiển bằng điện cơ EMG", trong đó họ đã thiết kế một mô hình cánh tay nhân tạo có khả năng điều khiển thông qua tín hiệu điện cơ EMG, nhằm hỗ trợ người mất cánh tay.
Dựa trên các khảo sát và kiến thức đã được trang bị, nhóm nghiên cứu đề xuất thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu” nhằm cung cấp giải pháp mới cho việc phục hồi chức năng bàn tay, đặc biệt là các ngón tay Thiết bị này cho phép người dùng luyện tập đồng thời cả hai tay và có khả năng điều khiển thông qua điện thoại thông minh.
MỤC TIÊU
Găng tay vật lý trị liệu được thiết kế và thi công để điều khiển sự co duỗi các ngón tay, giúp người dùng dễ dàng theo dõi lịch sử tập luyện qua ứng dụng điện thoại Thiết bị này sử dụng vi điều khiển ESP32, kết hợp với động cơ bơm khí nén, van điện từ và màn hình cảm ứng LCD TFT, mang lại trải nghiệm tương tác hiệu quả cho người sử dụng.
GIỚI HẠN
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:
- Thiết bị được sử dụng tập luyện dành cho cả hai tay và có thể tập đồng thời.
- Thiết bị được thiết kế chỉ có các bài tập đơn giản, chủ yếu tác động vào hoạt động của ngón tay.
- Sử dụng 14 van điện từ và 2 động cơ bơm khí nén.
- Hộp điều khiển thiết bị có kích thước 180x180x120mm.
NỘI DUNG THỰC HIỆN
Trong quá trình thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu”, nhóm đã tập trung vào việc giải quyết và hoàn thành các nội dung chính liên quan đến thiết kế, chức năng và hiệu quả của sản phẩm, nhằm đáp ứng nhu cầu điều trị cho bệnh nhân.
- Nội dung 1:Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đề tài.
- Nội dung 2:Tìm hiểu các linh kiện sử dụng trong đề tài
- Nội dung 3: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động điều khiển truyền động qua khí nén.
- Nội dung 4:Kết nối ESP32 với các linh kiện.
- Nội dung 5:Nghiên cứu thiết kế giao diện giao tiếp với mô hình.
- Nội dung 6:Tìm hiểu và thiết kế app điều khiển và quản lý thông tin.
- Nội dung 7:Thi công sản phẩm.
- Nội dung 8:Tìm hiểu nghiên cứu lập trình điều khiển động cơ.
- Nội dung 9:Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm.
- Nội dung 10:Viết báo cáo thực hiện.
- Nội dung 11:Báo cáo đề tài.
BỐ CỤC
Khi lựa chọn đề tài, cần xác định rõ mục tiêu nghiên cứu và nội dung cần tìm hiểu Việc thu thập dữ liệu từ thiết bị cũng rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của thông tin Cuối cùng, bố cục thực hiện phải được thiết kế hợp lý để trình bày các kết quả một cách mạch lạc và dễ hiểu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA BÀN TAY
Bàn tay, nằm ở cuối mỗi cánh tay, là một phần cơ thể quan trọng giúp con người cảm nhận và tương tác hiệu quả với thế giới xung quanh.
Bàn tay người gồm 5 ngón: ngón cái, ngón trỏ, ngón giữa, ngón áp út và ngón út, với mu bàn tay ở phía trên và lòng bàn tay ở phía dưới Trong mỗi bàn tay có 27 xương và ít nhất 123 dây chằng để kết nối các xương này Các khớp tay cho phép thực hiện các hoạt động như nắm, duỗi và các cử chỉ linh hoạt khác.
Hình 2 1 Mô phỏng bàn tay
Bàn tay có một mạng lưới cơ phức tạp, đóng vai trò quan trọng trong việc di chuyển và điều chỉnh ngón tay, với các cơ chủ yếu tập trung ở khu vực cổ tay Dây chằng và dây gân kết nối các cơ với xương, giúp truyền động lực từ cơ đến xương và gửi tín hiệu cảm giác về não bộ Cấu trúc bàn tay cùng với khả năng xúc giác cho phép lòng bàn tay và các ngón tay chuyển động linh hoạt, chính xác và chặt chẽ, phù hợp với nhu cầu của người sử dụng.
Bàn tay có chức năng chính là cảm giác, vận động và thực hiện các thao tác, nhờ vào cấu tạo phức tạp với xương, cơ, dây chằng, dây gân, dây thần kinh và mạch máu Điều này cho phép bàn tay thực hiện nhiều động tác như cầm, nắm, xoay và đẩy, từ đó giúp con người thực hiện các hoạt động hàng ngày cũng như các hoạt động sáng tạo như viết, vẽ và múa Bàn tay còn đóng vai trò quan trọng trong giao tiếp văn hóa và là công cụ giao tiếp chính của người khiếm thính.
Bàn tay là một bộ phận quan trọng, giúp chúng ta thực hiện nhiều hoạt động và hành động phức tạp hàng ngày Khi bàn tay bị chấn thương, dẫn đến liệt hoặc hạn chế vận động, người bệnh sẽ phải đối mặt với nhiều khó khăn trong cuộc sống.
VẬT LÝ TRỊ LIỆU VÀ BỆNH LÝ THƯỜNG GẶP Ở BÀN TAY
Vào năm 435 trước Công nguyên, Hippocrates, được coi là Cha đẻ của ngành y học phương Tây, đã khởi xướng việc sử dụng các kỹ thuật xoa bóp và trị liệu bằng tay để điều trị bệnh nhân, đánh dấu nguồn gốc đầu tiên của vật lý trị liệu hiện đại Đến cuối thế kỷ 19, vật lý trị liệu bắt đầu hình thành rõ nét tại châu Âu nhằm điều trị các rối loạn xương.
Vật lý trị liệu là một phần quan trọng của y học, giúp điều trị và phục hồi chức năng vận động của cơ thể sau chấn thương hoặc bệnh tật Phương pháp này hoàn toàn không xâm lấn và bao gồm hai hình thức chính: vận động trị liệu, nơi người bệnh thực hiện các bài tập phục hồi chức năng, và sử dụng tác nhân vật lý, trong đó có sự hỗ trợ của máy móc.
Hình 2 2 Vật lý trị liệu bằng hình thức vận động
Hình 2.2 mô tả phương pháp vật lý trị liệu bằng hình thức vận động, yêu cầu người bệnh vận động dưới sự hỗ trợ của nhân viên y tế.
Sử dụng vật lý trị liệu không chỉ nâng cao hiệu quả điều trị mà còn giúp đẩy nhanh quá trình hồi phục chức năng cơ thể Phương pháp này hỗ trợ người bệnh giảm thiểu việc lạm dụng thuốc giảm đau và chống viêm, mang lại lợi ích lâu dài cho sức khỏe.
2.2.2 Một số bệnh lý thường gặp cần sử dụng găng tay vật lý trị liệu
Găng tay vật lý trị liệu được chỉ định cho nhiều tình trạng bệnh lý ở bàn tay, nhằm cải thiện khả năng vận động của bàn tay và ngón tay Dưới đây là một số bệnh lý phổ biến có thể điều trị bằng găng tay vật lý trị liệu.
Phẫu thuật trồng nối lại chi thể, bao gồm ngón tay, bàn tay và cánh tay, giúp tái tạo chức năng và thẩm mỹ cho người bệnh sau khi mất hoàn toàn phần chi Mục tiêu chính là khôi phục khả năng sử dụng vùng bị thương mà không gây đau đớn Kết quả phục hồi chức năng phụ thuộc vào vị trí, nguyên nhân và hình thái tổn thương, cũng như cách bảo quản chi đứt rời và quá trình phục hồi.
Hình 2 3 Phẫu thuật trồng nối chi
- Bàn tay bị tổn thương do tai nạn hoặc chấn thương Sử dụng găng tay vật lý trị liệu nhằm hỗ trợ quá trình phục hồi sau tổn thương.
Hội chứng ống cổ tay xảy ra khi dây thần kinh bị chèn ép, gây ra triệu chứng tê, đau và ngứa ở ngón tay, sau đó lan rộng ra cẳng tay Sử dụng găng tay vật lý trị liệu có thể ngăn chặn sự tiến triển của bệnh và giảm thiểu ảnh hưởng đến khả năng vận động của bàn tay.
Hình 2 4 Hội chứng ống cổ tay
Dây thần kinh giữa đóng vai trò quan trọng trong việc cảm nhận của ngón cái, ngón trỏ, ngón giữa và một phần ngón đeo nhân Khi dây thần kinh này bị chèn ép, khả năng cảm nhận của bàn tay sẽ giảm sút, dẫn đến yếu đi và gây khó khăn trong việc cầm nắm đồ vật.
Tai biến mạch máu não xảy ra khi mạch máu não bị tắc nghẽn hoặc vỡ đột ngột, không liên quan đến chấn thương sọ não, dẫn đến tình trạng tế bào não thiếu oxy và dưỡng chất Hậu quả là các tế bào não có thể chết, gây tổn thương nghiêm trọng hoặc thậm chí tử vong Người bệnh thường trải qua các triệu chứng như mất cân bằng, tê tay chân và khó khăn trong giao tiếp.
Các bệnh xương khớp như viêm khớp dạng thấp và thoái hóa khớp có thể gây ra vấn đề cho bàn tay Găng tay vật lý trị liệu giúp duy trì và cải thiện sự linh hoạt cũng như chức năng của các khớp bị ảnh hưởng thông qua các bài tập hiệu quả.
Các bệnh lý ảnh hưởng đến chức năng vận động của bàn tay sẽ làm giảm chất lượng cuộc sống của người bệnh Việc sử dụng găng tay vật lý trị liệu không chỉ hỗ trợ trong quá trình điều trị mà còn kích thích hoạt động của dây thần kinh, cơ và khớp, giúp khôi phục khả năng tự vận động và nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.
2.2.3 Các bài tập phục hồi chức năng cơ bản
Các bài tập phục hồi chức năng cơ bản cho tay được chia thành 2 phương pháp là tập vận động thụ động và tập vận động với dụng cụ.
Khi tập vận động thụ động, người bệnh sẽ được bác sĩ hoặc kỹ thuật viên hướng dẫn thực hiện các bài tập như gấp duỗi bàn tay, kẹp ngón tay và duỗi gấp khớp ngón tay Sử dụng dụng cụ như bóng cao su mềm hoặc dây thun co giãn, người tập có thể thực hiện các bài tập như nắm bóng, ép bóng, kẹp bóng và tập cắt kéo Những bài tập này nhằm tăng cường sức mạnh cho tay và ngón tay, đồng thời cải thiện khả năng cầm nắm Đề tài của nhóm tập trung vào bài tập gấp duỗi bàn tay, với mục tiêu thiết kế sản phẩm hỗ trợ người dùng thực hiện động tác co duỗi các ngón tay.
MỘT SỐ SẢN PHẨM GĂNG TAY TRỊ LIỆU TRÊN THỊ TRƯỜNG
Nhóm đã nghiên cứu 4 sản phẩm găng tay vật lý trị liệu hiện có trên thị trường, với các tính năng của từng sản phẩm được trình bày trong bảng Việc tìm hiểu này giúp định hình thiết kế và thi công mô hình thiết bị cho đề tài.
Hình 2 5 Bộ sản phẩm găng tay phục hồi chức năng TIMELOCK và TJ-OM007
Hình 2 6 Găng tay phục hồi chức năng SaboFlex và SaeboGlove
Bảng 2.1 Đặc điểm của 4 sản phẩm găng tay vật lý trị liệu hiện có trên thị trường
Giá thành Kích thước (cm) Đặc điểm Chế độ tập
TIMELOCK 110 USD 15.4x15.1x7.5 1 thân máy điều khiển, 1 găng tay bệnh và 1 găng tay lành.
Tập thụ động liên tục và tập đối chiếu
TJ-OM007 118 USD 13.5x11 x5.7 1 thân máy điều khiển, 1 găng tay bệnh và 1 găng tay lành.
Thụ động liên tục, đối chiếu, và thụ động từng ngón
SaboFlex 810 USD 34.2x22.86x34.3 Thiết kế hệ thống đầu chụp cố định ngón tay và lò xo kéo
Hỗ trợ quá trình co duỗi ngón tay
SaeboGlove 293 USD 22.8x20x7 thiết kế có các dây thun căng gắn vào các ngón tay
Hỗ trợ quá trình co duỗi ngón tay
Nghiên cứu cho thấy các sản phẩm hỗ trợ co duỗi ngón tay chủ yếu sử dụng cơ chế bộ truyền động đàn hồi và lực tác động Các sản phẩm như TIMELOCK và JT-OM007 cho phép người dùng điều chỉnh từng ngón tay bằng cách thủ công thông qua các khóa trên găng tay Tuy nhiên, hai sản phẩm này chỉ hỗ trợ tập luyện từng tay riêng lẻ, không thể tập cả hai tay cùng lúc Hoạt động bơm khí nén được điều khiển thông qua một hộp điều khiển nhỏ gọn.
Nhóm quyết định thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu dựa trên cơ chế bộ truyền động đàn hồi, nhằm cung cấp khả năng tập luyện đồng thời cho người sử dụng.
Sản phẩm cung cấp hai tay cho người dùng, cho phép điều khiển dễ dàng qua điện thoại Người dùng có khả năng tùy chỉnh từng tay và từng ngón tay một cách độc lập mà không cần sử dụng các khóa khí trên găng tay.
BỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐÀN HỒI
Guided Bending Bellows Actuators (GBBA) là thiết bị quan trọng trong việc điều khiển và tạo ra chuyển động cho các hệ thống cơ khí và tự động hóa Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý của ống đàn hồi uốn cong, kết hợp với các cơ cấu truyền động, nhằm đáp ứng các yêu cầu chuyển động cụ thể.
Bộ truyền động đàn hồi bao gồm hệ thống ống đàn hồi và cơ cấu truyền động, giúp hỗ trợ và điều hướng chuyển động của ống đàn hồi Ống đàn hồi, hay bellows, có khả năng co giãn khi áp lực thay đổi, dẫn đến sự biến dạng và tạo ra chuyển động tương ứng Các cơ cấu hướng dẫn giữ vai trò quan trọng trong việc kiểm soát chính xác chuyển động của ống đàn hồi theo hướng mong muốn.
GBBA có độ chính xác và linh hoạt cao, cho phép điều khiển chuyển động trong hệ thống một cách hiệu quả Trong lĩnh vực găng tay phục hồi chức năng, bộ truyền động đàn hồi được áp dụng để tạo ra các chuyển động uốn cong và kéo dãn một cách mềm mại Điều này hỗ trợ tái tạo cơ tay và phục hồi chức năng vận động, giúp bệnh nhân lấy lại khả năng cầm nắm và thực hiện các hoạt động hàng ngày của bàn tay.
Bộ truyền động đàn hồi hoạt động bằng cách cố định ống đàn hồi tại hai đầu, tạo thành một góc α không thay đổi từ trung tâm uốn khớp ngón tay Khi ống đàn hồi bị uốn cong, nó sẽ làm cho ngón tay cũng bị uốn cong, đưa trung tâm uốn khớp ngón tay gần hơn với góc α.
BLUETOOTH LOW ENERGY (BLE)
BLE, hay Bluetooth Low Energy, là công nghệ kết nối không dây do Bluetooth SIG phát triển, nhằm cung cấp khả năng kết nối với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với Bluetooth truyền thống Công nghệ này được thiết kế để duy trì kết nối không dây liên tục trong thời gian dài mà không làm giảm tuổi thọ pin của thiết bị.
Trong kết nối BLE, có hai thành phần chính: Server (máy chủ) và Client (máy khách) Server phát tín hiệu, trong khi Client tìm kiếm và đọc dữ liệu từ Server Client cũng thực hiện quét các thiết bị BLE gần đó, thiết lập kết nối và nhận dữ liệu được truyền tải.
2.5.2 Bluetooth truyền thống với BLE
Truyền thông qua Bluetooth truyền thống rất hiệu quả trong việc xử lý và truyền tải các dữ liệu lớn như âm thanh và video Tuy nhiên, việc này đi kèm với việc tiêu tốn nhiều năng lượng và gia tăng chi phí.
Công nghệ BLE (Bluetooth Low Energy) ngày càng được ưa chuộng trong các ứng dụng không yêu cầu truyền tải lượng lớn dữ liệu, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí BLE lý tưởng cho việc khôi phục thông tin hữu ích mà không cần duy trì kết nối liên tục, cho phép thiết bị hoạt động lâu dài với pin, điều mà Bluetooth truyền thống không thể đạt được.
Bảng 2 2 So sánh BLE và Bluetooth truyền thống Đặc điểm Bluetooth truyền thống BLE
Tốc độ truyền dữ liệu 1-3Mbps 1Mbps
Mức độ tiêu thụ năng lượng Thấp Rất thấp
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Thiết bị hỗ trợ người bệnh trong việc co duỗi ngón tay thông qua các bài tập mặc định hoặc tùy chỉnh Nó bao gồm hai găng tay cho tay phải và tay trái, sử dụng ESP32 làm bộ điều khiển trung tâm để điều khiển 14 van điện từ và 2 động cơ bơm khí nén Người dùng có thể theo dõi thông số trên màn hình LCD và điều chỉnh dễ dàng bằng nút nhấn, đồng thời có khả năng điều khiển qua thiết bị di động.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống được cấu trúc theo sơ đồ khối như hình 3.1, bao gồm các thành phần chính: khối nguồn, khối vi điều khiển, khối nút nhấn, khối hiển thị, khối các van đóng ngắt và khối động cơ.
Van đóng ngắt App mobile
Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng của các khối trong sơ đồ:
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp và cung cấp năng lượng cho hệ thống hoạt động Nguồn 3V3 được sử dụng để cấp điện cho các van điện từ, trong khi nguồn 5V cung cấp năng lượng cho động cơ và vi điều khiển.
Khối nút nhấn: Nhận tín hiệu từ người dùng, tín hiệu được đưa đến vi điều khiển để điều khiển thiết bị.
Khối vi điều khiển nhận tín hiệu từ nút nhấn và ứng dụng di động để điều khiển động cơ và van theo nhu cầu người dùng, đồng thời giao tiếp với người dùng thông qua ứng dụng di động.
Khối hiển thị: Sử dụng màn hình LCD để hiển thị thông tin về thời gian tập, chế độ tập cho người dùng
Khối động cơ: Sử dụng 2 động cơ, nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển để hút/xả khỉ giúp co/giãn các ống cao su.
Khối van đóng ngắt nhận tín hiệu từ vi điều khiển và hoạt động như một công tắc, giúp đóng mở van để điều tiết luồng khí đến từng ống cao su.
Ứng dụng di động cho phép người dùng giao tiếp hiệu quả, giúp họ điều khiển thiết bị theo nhu cầu cá nhân Đồng thời, ứng dụng cũng theo dõi quá trình tập luyện của người dùng thông qua dữ liệu thu thập từ thiết bị.
Cloud: Lưu trữ dữ liệu quá trình tập của bệnh nhân
Găng tay: Mô hình găng tay được gắn các ống thổi cao su.
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch a Khối vi điều khiển
Khối vi điều khiển là thành phần chủ chốt trong việc điều khiển hoạt động của các phần cứng khác, nhận tín hiệu từ các nút nhấn và xử lý để điều khiển động cơ, đóng mở van khí nén, cũng như hiển thị thông số qua màn hình Ngoài ra, khối vi điều khiển còn có chức năng truyền và nhận dữ liệu từ thiết bị di động, đặt ra các yêu cầu quan trọng cho hệ thống điều khiển.
- Có khả năng kết nối Bluetooth
- Tốc độ xử lý nhanh
Từ những yêu cầu trên, tiến hành so sánh các vi điều khiển khác nhau để lựa chọn vi điều khiển phù hợp cho đề tài.
Bảng 3 1 So sánh Arduino UNO, Arduino Nano và ESP32 NodeMCU
Tiêu chí Arduino Uno Arduino nano ESP32 NodeMCU
Kết nối Bluetooth Không Không 2.4 GHz
Kích thước 75x55x15 (mm) 45x18 (mm) 55x28 (mm)
Dựa vào bảng so sánh, module ESP32 được chọn làm vi điều khiển chính nhờ hiệu suất cao và công nghệ wifi, BLE ESP32 phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng wifi và Bluetooth, đặc biệt trong lĩnh vực IoT Module này được trang bị phần cứng và phần mềm cài đặt sẵn, mang lại khả năng kết nối ngoại vi cơ bản dễ dàng sử dụng.
Sơ đồ chân của module ESP32 được thể hiện như trong hình dưới đây.
Hình 3 3 Sơ đồ chân của ESP32
Các chân GPIO là chân đầu vào/đầu ra có thể được cấu hình cho nhiều chức năng như DAC, ADC, PWM, UART, I2C và SPI Bên cạnh các chân GPIO, còn có chân nguồn, chân nối đất (3V3, 5V, GND) và chân kích hoạt/reset vi điều khiển (EN).
Dựa trên các thông số kỹ thuật của ESP32, nhóm đã thiết kế sơ đồ nguyên lý cho khối vi điều khiển Hình dưới đây thể hiện sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển sử dụng ESP32.
Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển
ESP32 được kết nối với hai động cơ bơm khí nén (motor1, motor2) và điều khiển các van thông qua mạch mở rộng chân qua giao tiếp I2C (SCL, SDA) Nó cũng nhận tín hiệu từ khối nút nhấn (ENTER, LEFT, RIGHT, BACK, NEXT) và kết nối với màn hình LCD thông qua giao tiếp SPI (MOSI, MISO, RST, CS, DC, SCK).
Mạch nút nhấn sử dụng điện trở 4.7KOhm làm điện trở kéo lên, khi không nhấn nút, ngõ ra sẽ ở mức logic cao Dựa vào công thức:
Tính được dòng điện ngõ ra mức logic cao là:
R 3.3V 4k7 = 0.7mA Khi nhấn nút ngõ ra về mức logic thấp.
Tụ điện 100nF có chức năng điều chỉnh thời gian cần thiết cho mạch đạt
Hình 3 5 Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn
Khối nút nhấn bao gồm 5 nút nhấn ENTER, NEXT, BACK, RIGHT, LEFT được kết nối với các chân GPIO36, GPIO32, GPIO35, GPIO34, GPIO39 của ESP32 Động cơ bơm hút chân không là thành phần chính trong hệ thống bơm chân không, có chức năng tạo áp suất thấp bằng cách loại bỏ không khí hoặc các phân tử khác Trong đề tài, động cơ này được sử dụng để bơm và hút không khí trong các ống cao su, giúp các ngón tay có thể co hoặc duỗi Hình ảnh thực tế của động cơ được thể hiện ở hình 3.6.
Hình 3 6 Động cơ bơm hút chân không
Thực hiện thiết kế khối động cơ gồm một transistor NPN TIP122 và động cơ bơm hút chân không hoạt động ở điện áp 5V.
Hình 3 7 Mạch nguyên lý khối động cơ
Transistor được sử dụng trong vi điều khiển để điều khiển động cơ, cho phép mở và đóng động cơ hiệu quả Theo datasheet, dòng điện IC tiêu thụ của động cơ là 0.5A Để đảm bảo transistor hoạt động ở trạng thái bão hòa, cần tính toán phân cực dân và đảm bảo dòng IC lớn hơn dòng IB một số lần nhất định, được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện FE.
Theo datasheet của linh kiện, ta có hệ sốh FE = 1000
FE = 1000 0.5A = 0.5mA Giá trị IBnày chính bằng dòng đi qua điện trở R17 và R27.
Giá trị R17 được tính như sau:R17 =(Vin−VBEsat)
Nhóm đã quyết định sử dụng điện trở 4k7Ω cho R17 và R27 để đơn giản hóa việc lựa chọn linh kiện Đồng thời, diode chỉnh lưu 1N4007 được sử dụng để ngăn dòng điện chạy ngược, bảo vệ transistor TIP122 khỏi hư hỏng.
Thiết bị sử dụng hai động cơ, mỗi động cơ đảm nhiệm việc bơm và xả khí cho một bên găng tay Các động cơ này được kết nối với chân GPIO14 và GPIO12 của ESP32, cùng với khối van đóng ngắt để điều khiển hoạt động hiệu quả.
Van điện từ DC 6V 2 chiều
Van điện từ 2 chiều là linh kiện quan trọng trong việc điều tiết dòng chảy của chất lỏng hoặc khí Khi được cấp nguồn, van sẽ đóng hoặc mở, cho phép chất lỏng hoặc khí được phân luồng theo hai hướng khác nhau Điều này giúp kiểm soát dòng chảy một cách chính xác theo yêu cầu sử dụng Hình ảnh thực tế của van điện từ được thể hiện trong hình 3.8.
Hình 3 8 Van điện từ 2 chiều Van Điện Từ DC 6V micro 2 Vị Trí 3 Chiều
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH GĂNG TAY
3.3.1 Găng tay Để thiết kế được găng tay có kích thước phù hợp với nhiều người dùng, nhóm đã tham khảo qua khảo sát về kích thước bàn tay của tạp chí y học dược quân sự số 5 [13].
Bảng 3 6 Kích thước chiều dài bàn tay theo giới tính
Kích thước (mm) Nam Nữ
Chiều dài ngón áp út 72,98 ± 4,19 67,62 ± 4,04
Chiều dài gan bàn tay 103,5 ± 0,47 95,1 ± 0,41
Bảng 3 7 Kích thước chiều rộng bàn tay theo giới tính
Kích thước (mm) Nam Nữ
Chiều rộng ngón áp út 16,33 ± 0,93 14,84 ± 0,83
Chiều rộng gan bàn tay 76,80 ± 4,25 69,33 ± 3,53
Qua số liệu tham khảo như trên, cùng với cùng với thiết kế găng tay TIMECLOCK nhóm đã tiến hành thiết kế găng tay cho đề tài như sau:
Hình 3 19 Bản vẽ thiết kế găng tay
Găng tay có kích thước tổng chiều ngang 265mm và tổng chiều dài 237mm Độ rộng của các ngón giữa, áp út và ngón trỏ là 30mm, trong khi ngón cái có độ rộng 32mm và ngón út là 25mm.
Sau khi hoàn thiện thiết kế găng tay, nhóm đã tiến hành tạo ra các khớp cố định để gắn các ống cao su lên găng tay Những khớp cố định này được sử dụng nhằm giữ cho rubber bellows ở đúng vị trí trên từng ngón tay.
Hình 3 20 Bản vẽ và mô phỏng 3D khớp đốt xa
Khớp đốt xa có kích thước 15x10mm và cao 19mm, với lỗ tròn có đường kính 8mm và độ dày 1.5mm Sản phẩm này được sử dụng để cố định đầu ống cao su tại khớp cuối cùng của ống.
Hình 3 21 Bản vẽ và Mô phỏng 3D khớp đốt giữa
Khớp đốt giữa có kích thước 14x7mm, chiều cao là 19mm, đường kính lỗ tròn là 9mm, độ dày là 1.5mm.
Hình 3 22 Bản vẽ và Mô phỏng 3D khớp đốt gần
Khớp đốt gần có kích thước 16x16mm và cao 20mm, đường kính lỗ tròn là 9mm, độ dày là 1.5mm.
Dưới đây là mô phỏng 3D khi ống rubber bellows được gắn vào các khớp cố định.
Hình 3 23 Mô phỏng 3D vị trí gắn khớp lên rubber bellows
Hình 3.23 cho thấy (1) là Vị trí gắn khớp đốt gần, (2) là ví trí gắn các khớp đốt giữa, khớp đốt xa được gắn ở đầu ống (3).
Thanh cố định khớp giúp giữ cho các khớp không bị xê dịch trong quá trình hoạt động của găng tay, đồng thời cho phép ống cao su co giãn theo cơ chế của bộ truyền động.
32 đàn hồi như hình ở chương 2, nhóm thiết kế thêm thanh cố định khớp để cố định các khớp theo đúng vị trí.
Hình 3 24 Bản vẽ và Mô phỏng 3D thanh cố định 5 khớp
Thanh cố định được thiết kế với hai kích thước khác nhau Loại 5 khớp phù hợp cho ngón cái và ngón út, có chiều dài 84mm, chiều rộng 17mm, và khoảng cách giữa các khớp là 9mm Kích thước mỗi khớp là 9mm, trong khi khớp cuối có kích thước 12mm.
Loại 7 khớp được thiết kế cho ngón giữa, ngón trỏ và ngón áp út với kích thước chiều dài 120mm và chiều rộng 17mm Sản phẩm này bao gồm 6 khớp có kích thước 9mm và 1 khớp cuối có kích thước 12mm, với khoảng cách giữa các khớp là 9mm.
Hình 3.25 là mô phỏng 3D khi ghép các khớp vào thanh cố định.
Hình 3 25 Mô phỏng 3D lắp đặt các khớp lên thanh cố định
Thanh cố định được thiết kế để giữ chặt khớp đốt xa và khớp đốt giữa, với khớp đốt xa được cố định tại ô 12mm và khớp đốt giữa tại ô 9mm Đối với khớp đốt gần, phương pháp cố định sử dụng keo dán trực tiếp lên găng tay.
3.3.2 Hộp điều khiển Để đảm báo tính thẩm mĩ, bảo vệ hoạt động các linh kiện và đảm bảo an toàn cho người dùng, nhóm đã tiến hành thiết kế hộp điều khiển, đồng thời đặt ra các yêu cầu khi thiết kế hộp điều khiển bao gồm:
- Kích thước đủ lớn để chứa mạch điện, động cơ, các van đóng ngắt, pin.
- Màn hình và nút nhấn được thiết kế ngay trên bề mặt hộp.
- Có các vị trí đặt công tắc, dây sạc và dây khí nối với các ống thổi cao su trên găng tay.
- Sử dụng vật liệu bền, đẹp đảm bảo tính thẩm mĩ cho sản phẩm.
Nhóm sử dụng phần mền SOLIDWORK để thiết kế và mô phỏng 3D hộp điều khiển.
Hình 3 26 Bản vẽ thiết kế hộp điều khiển
Hộp điều khiển có kích thước 185mm chiều dài, 170mm chiều rộng và 120mm chiều cao, với thiết kế fillet 3mm Vị trí cụng tắc có kích thước 22x15mm, cổng sạc có kích thước 15mm, và các ống khớ có kích thước 16.2mm Bên trong, hộp điều khiển được trang bị các vách ngăn, lỗ bắt vít và vị trí gắn mạch điện.
Hình 3 27 Bản vẽ bên trong và Mô phỏng 3D hộp điều khiển
Phần nắp hộp có kích thước 185x170mm Có các vị trí để ghim màn hình và nút nhấn trên nắp hộp.
Hình 3 28 Bản vẽ nắp hộp điều khiển
Vị trí ghim màn hình có kích thước 83x59mm, trong khi các lỗ nút nhấn có kích thước ỉ10mm Nắp hộp có tổng độ dày 6mm và được thiết kế với lỗ bắt vớt có kích thước ỉ3mm, giúp cố định nắp hộp vào thân hộp một cách chắc chắn.
Sau khi thiết kế hộp điều khiển, tiến hành mô phỏng 3D hộp và sắp xếp vị trí đặt linh kiện trong hộp.
Hình 3 29 Mô phỏng 3D hộp điều khiển
Hình 3.29 là mô phỏng 3D hộp điều khiển Mô phỏng vị trí sắp xếp các kinh kiện trong hộp điều khiển.
Mô phỏng 3D cho phép điều chỉnh kích thước và thiết kế sản phẩm, đồng thời đảm bảo hộp điều khiển có kích thước phù hợp để chứa tất cả linh kiện, tạo thuận lợi cho quá trình thi công sản phẩm sau này.
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
Sau khi hoàn tất thiết kế và tính toán mạch điện theo sơ đồ khối, nhóm đã hoàn thành sơ đồ nguyên lý của toàn bộ mạch Chương này sẽ trình bày kết quả thi công mạch và mô hình hệ thống thực tế dựa trên thiết kế đã nêu trong chương 3.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Trong quá trình thi công bo mạch, nhóm đã sử dụng phần mềm KiCad để thiết kế sơ đồ mạch in PCB và mô phỏng vị trí lắp đặt các linh kiện một cách hiệu quả.
Sơ đồ mạch in của mạch chính được thiết kế với 2 lớp, và quá trình đi dây cho mạch phụ thuộc vào vị trí cũng như kích thước của các linh kiện sử dụng Việc bố trí linh kiện và đường dây kết nối được thực hiện nhằm tối ưu hóa không gian, đồng thời đảm bảo hiệu quả truyền dẫn điện Mạch in PCB được minh họa trong hình 4.1 dưới đây.
Hình 4 1 Sơ đồ mạch in PCB 2 lớp của mạch chính
Mạch chính có kích thước 99x93mm, được thiết kế với các lỗ tròn 3mm để cố định vào hộp điều khiển Để bảo vệ mạch và tăng tính ổn định, mạch in được phủ một lớp đồng, giúp bảo vệ khỏi tác động môi trường và nâng cao hiệu suất hoạt động.
Hình 4 2 Mô phỏng vị trí lắp đặt các linh kiện
Hình ảnh 3D mô phỏng mạch chính với đầy đủ linh kiện cho phép xác định vị trí sắp xếp tối ưu cho từng thành phần, từ đó tối ưu hóa không gian của mạch.
Mạch nguồn có kích thước 69.5x81.45mm và được thiết kế với 2 lớp đi dây, giúp tối ưu hóa kích thước và giảm nhiễu trong quá trình hoạt động Ngoài ra, mạch còn có các lỗ tròn 3mm để cố định vào hộp, giảm thiểu rủi ro hỏng hóc hoặc chạm mạch do rung động và va chạm.
Hình 4 3 Sơ đồ mạch in PCB 2 lớp mạch nguồn
Bề mặt của mạch cũng được phủ đồng nhằm bảo vệ và tăng cường độ ổn định khi hoạt động cho mạch.
Hình 4 4 Sơ đồ lắp đặt linh kiện của mạch nguồn
Sơ đồ bố trí linh kiện cho mạch nguồn được mô phỏng trong hình, với đèn LED đỏ báo hiệu nguồn Các IC được gắn tản nhiệt nhằm giảm nhiệt độ trong quá trình hoạt động, giúp ngăn chặn quá nhiệt và bảo vệ IC hiệu quả.
Hình 4 5 Sơ đồ mạch in 2 lớp và Vị trí lắp đặt linh kiện mạch nút nhấn
Mạch nút nhấn được thiết kế với kích thước 42.16x57.4mm và có lớp phủ đồng trên bề mặt Sử dụng giắc cắm 7 chân để kết nối với mạch chính.
Sau khi thiết kế, nhóm tiến hành thống kê linh kiện sử dụng trong mạch.
Bảng 4 1 Thống kê linh kiện
STT Tên linh kiện SL
12 IC giảm áp LM2596T-ADJ 2
18 Mạch mở rộng chân PCF8575 1
22 Động cơ bơm khí nén 2
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra hệ thống
Sau khi hoàn tất thiết kế và mô phỏng, nhóm tiến hành in mạch PCB Sau khi in xong, các linh kiện sẽ được hàn vào mạch, với yêu cầu sắp xếp kỹ lưỡng và chính xác Để đảm bảo mạch hoạt động đúng và ổn định, việc kiểm tra bằng đồng hồ đo điện sẽ được thực hiện sau khi hàn xong.
Mạch thực tế sau khi hoàn thành bao gồm:
Hình 4 6 Thi công mạch nguồn
Mạch nguồn cung cấp ba ngõ ra điện áp, bao gồm hai ngõ ra 3V3 và một ngõ ra 5V Khi hoạt động, đèn LED trên mỗi ngõ ra sẽ sáng, cho biết ngõ ra đó đang hoạt động và cung cấp điện áp.
Hộp 3 pin và mạch sạc được gắn trực tiếp lên hộp cho ngõ ra 12V.
Hình 4 7 Mạch sạc gắn sau hộp pin
Sau khi kết nối mạch nguồn với hộp pin, hãy sử dụng đồng hồ đo điện để kiểm tra điện áp ngõ ra Nếu điện áp chưa đạt yêu cầu, điều chỉnh biến trở cho đến khi điện áp ngõ ra đáp ứng đúng tiêu chuẩn.
Hình 4 8 Thi công mạch nút nhấn
Mạch nút nhấn được thiết kế rời, có giắc cắm kết nối với mạch chính Vị trí 5 nút nhấn được sắp xếp như hình.
Để kiểm tra mạch nút nhấn, bạn cần sử dụng đồng hồ đo điện ở chế độ đo thông mạch Đặt hai que đo vào vị trí của nút nhấn cần kiểm tra Khi nhấn nút, nếu đồng hồ phát ra âm thanh, điều đó cho thấy mạch đã thông.
Mạch nút nhấn Khối vi xử lý
Hình 4 9 Mạch chính sau khi thi công
Mạch chính sử dụng vi điều khiển trung tâm ESP32, đi kèm với mạch mở rộng chân để tăng số lượng chân kết nối với nhiều van điện từ Bên cạnh đó, mạch còn được trang bị giắc cắm cho hai động cơ bơm khí nén Hệ thống khối van đóng ngắt bao gồm 14 van và giắc cắm kết nối với màn hình hiển thị LCD TFT, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số hoạt động của thiết bị.
Kết nối mạch chính với mạch nguồn bằng dây dân.
Hình 4 10 Kết nối mạch nguồn và mạch chính
Mạch sau khi hoàn thành có các khối như đã thiết kế ở chương 3 bao gồm:
- Khối nguồn là mạch nguồn, cấp nguồn 3V3 và 5V cho hệ thống hoạt động.
- Khối xử lý trung tâm là ESP32 Sử dụng PCF8575 để mở rộng số chân IO cho ESP32.
- Khối động cơ được điều khiển hút/xả bằng transistor.
- Khối nút nhấn là mạch nút nhấn có giắc cắm kết nối với mạch chính.
- Khối van đóng ngắt được điều khiển đóng ngắt bằng transistor.
- Khối hiển thị là màn hình LCD TFT 3.2inch, kết nối với mạch chính bằng giắc cắm.
ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Găng tay được thiết kế từ mouse và vải len dệt, giúp giữ form, thấm hút mồ hôi và đảm bảo tính thẩm mỹ Các khớp cố định được làm từ nhựa cứng, trong khi thanh cố định khớp sử dụng nhựa dẻo.
Khớp đốt giữa Thanh cố định khớp
Hình 4 11 Thi công mô hình găng tay
Gắn các khớp cố định lên thanh cố định tại vị trí ống cao su ở các ngón tay bằng keo dán Sau đó, lắp ống cao su vào từng khớp cố định, với ống 7 khớp gắn ở ngón trỏ, ngón giữa và ngón áp út, trong khi ống 5 khớp được gắn ở ngón cái và ngón út.
4.3.2 Đóng gói hộp điều khiển
Sau khi hoàn thiện thiết kế hộp điều khiển, tiến hành in 3D hộp bằng nhựa cứng Tiếp theo, lắp đặt các linh kiện và mạch điện vào hộp theo mô phỏng đã trình bày Cố định lớp đáy với pin, động cơ và van đóng ngắt bằng keo nến, trong khi lớp trên được gắn chặt mạch điện bằng ốc vít.
Hình 4 12 Thi công hộp điều khiển
Vị trí (1) là nơi đặt công tắc của hộp điều khiển, trong khi vị trí (2) là chui sạc pin cho thiết bị Sau khi hoàn tất việc đặt hộp pin, tiến hành lắp đặt 14 van điện từ và kết nối các ống dẫn khí nén ra ngoài tại vị trí (3) và (4) Cuối cùng, cố định động cơ lên thành hộp điều khiển và kết nối ống khí với các van 3 chiều.
Hình 4 13 Thi công hộp điều khiển
Mạch nguồn và mạch chính được kết nối và cố định tại các vị trí thiết kế sẵn, sau đó tiến hành gắn các van, động cơ và hộp pin với mạch điện.
Nút nhấn Mạch nút nhấn
Hình 4 14 Thi công nắp hộp điều khiển
Phần nắp hộp, gắn màn hình và cố định mạch nút nhấn bằng vít Sau đó gắn phần nắp hộp vào thân hộp và cố định bằng ốc vít.
Hình 4 15 Kết nối mô hình găng tay với ống dẫn khí
Nối các ống dân khí vào ống cao su và cố định bằng hộp cố định Sử dụng ống ruột gà 14mm để gom các ống khí lại, giúp sản phẩm trở nên gọn gàng hơn.
Hình 4 16 Hộp điều khiển sau khi lắp đặt xong
Hộp điều khiển hiển thị sau khi các linh kiện đã được lắp đặt hoàn chỉnh Để khởi động thiết bị, người dùng chỉ cần bật công tắc nguồn, khi đó màn hình sẽ sáng lên Người dùng có thể giao tiếp với thiết bị thông qua màn hình và nút nhấn.
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
Sau khi hoàn thành thi công sản phẩm, nhóm tiến hành lập trình cho vi điều khiển và xây dựng giao diện hiển thi LCD TFT 3.2inch.
4.4.1 Lưu đồ giải thuật chương chình chính
Màn hình mặc định Màn hình tùy chỉnh
Dừng động cơ S Đóng van Đ
Hình 4.17 mô tả lưu đồ giải thuật chương trình chính, bắt đầu với việc khai báo và khởi tạo các biến Sau đó, màn hình chính được hiển thị Khi kiểm tra nút nhấn Enter, nếu chọn 1, màn hình Mặc định với các bài tập đã cài đặt trước sẽ hiện lên; nếu chọn 2, màn hình Tùy chỉnh cho phép điều chỉnh bài tập theo ngón tay và thời gian sẽ được hiển thị Hệ thống cũng kiểm tra nút Back để trở về màn hình Menu và nút Start để khởi động động cơ và mở van theo cài đặt trước Trong quá trình hoạt động, hệ thống liên tục theo dõi nút Stop để dừng động cơ khi cần thiết.
4.4.2 Lưu đồ giải thuật các chương trình con
Tay phải thời gian Chọn
Hình 4 18 Lưu đồ giải thuật chế độ tập Tùy chỉnh
Hình 4.18 minh họa lưu đồ giải thuật cho chương trình con chế độ tập Tùy chỉnh, nơi người dùng có thể lựa chọn các bài tập tùy chỉnh Khi nhấn nút Enter, màn hình sẽ hiển thị tùy chọn cho tay trái, cho phép điều chỉnh từng ngón tay hoặc cả bàn tay, và tương tự cho tay phải tại vị trí 2 Chương trình cũng kiểm tra nút Next để quay lại màn hình Tùy chỉnh, từ đó người dùng có thể chọn thêm các ngón tay cần tập luyện hoặc di chuyển con trỏ đến vị trí 3 để thiết lập thời gian tập.
Mở van 1, đóng van 7 cho động cơ hút
Mở van 7, đóng van 1 cho động cơ xả
Dừng động cơ, đóng van
Hình 4 19 Lưu đồ giải thuật chương trình chạy động cơ
Chương trình chạy động cơ kiểm tra xem thời gian tập có nhỏ hơn hoặc bằng thời gian chọn hay không Nếu đúng, hệ thống mở van 1 và đóng van 7 để động cơ hút, với thời gian co và duỗi được cài đặt sẵn là 4 giây Sau đó, van 1 sẽ được đóng và van 7 mở cho động cơ xả Quá trình co duỗi này sẽ lặp lại cho đến khi thời gian tập lớn hơn thời gian chọn, lúc đó động cơ sẽ dừng lại, van sẽ được đóng và kết thúc quá trình.
Hình 4 20 Lưu đồ giải thuật chương trình chọn chế độ tập Mặc định
Hình 4.20 là lưu đồ giải thuật chương chình con chọn chế độ tập Mặc định.
Tay phải_10 phút, Cả 2 tay_15 phút, Ngón tay trái_10 phút, Ngón tay phải_10 phút.
Vị trí con trỏ có thể thay đổi bằng nút Left và Right trên bàn phím.
Hình 4 21 Lưu đồ giải thuật chương trình chọn ngón tay
Hình 4.21 minh họa lưu đồ chương trình chọn ngón tay Trong chương trình con, khi nút Enter được nhấn, vị trí con trỏ sẽ được kiểm tra; nếu vị trí là 1, ngón tay được chọn sẽ là ngón cái.
Sau khi chọn 1 ngón chương trình sẽ tiếp tục kiểm tra những ngón còn lại để có thể tập được nhiều ngón khác nhau.
Hiển thị màn hình thời gian
Hình 4.22 mô tả lưu đồ chương trình cài đặt thời gian, cho phép người dùng tùy chỉnh thời gian ở phút (vị trí 1) và giây (vị trí 2) thông qua nút Left để giảm và nút Right để tăng Khi nhấn nút Reset (vị trí 3), thời gian sẽ được đặt lại về 0 Ngoài ra, khi di chuyển con trỏ đến các vị trí 4, 5, 6, 7, người dùng có thể chọn các thời gian định sẵn là 1 phút, 5 phút, 15 phút và 30 phút.
KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ
Sau 16 tuần thực hiện đề tài, nhóm đã thu thập và nắm vững những kiến thức cùng kỹ năng thiết yếu để thi công một sản phẩm hiệu quả.
Áp dụng lý thuyết để sử dụng linh kiện như ESP32, màn hình LCD TFT, van điện từ, động cơ và transistor Giao tiếp và điều khiển linh kiện ngoại vi qua các giao thức SPI và I2C Điều khiển van điện từ và động cơ bằng transistor.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã thiết kế thành công mô hình thiết bị găng tay vật lý trị liệu, sử dụng tín hiệu từ nút nhấn để điều khiển động cơ bơm hút chân không và các van khí Thiết bị tạo ra các luồng khí điều khiển găng tay, đồng thời theo dõi các thông số tập luyện qua màn hình LCD, giúp người dùng dễ dàng quan sát và điều chỉnh theo nhu cầu của mình.
Thực hiện đề tài này giúp nhóm hiểu sâu về linh kiện điện tử và cách hoạt động của chúng, đồng thời nâng cao kỹ năng thiết kế mạch nguyên lý, mạch in PCB và mô hình cơ khí bằng phần mềm SolidWorks.
Ngoài kỹ năng chuyên môn, nhóm đã phát triển khả năng làm việc nhóm, phân chia nhiệm vụ và quản lý thời gian, đồng thời nhận thức rõ về tầm quan trọng của lập kế hoạch và quản lý tiến độ công việc Những kỹ năng mềm này rất quan trọng và sẽ hỗ trợ cho sự nghiệp tương lai Kết quả cụ thể của hệ thống găng tay vật lý trị liệu sẽ được trình bày dưới đây.
Mạch nguồn được thiết kế với hai ngõ ra 3V3, cung cấp điện cho các van điện từ, và một ngõ ra 5V, phục vụ cho vi điều khiển và động cơ bơm khí nén hoạt động hiệu quả.
Hình 5 1 Điệp áp ngõ ra nguồn 3V3 và Điện áp ngõ ra 5V
Sử dụng đồng hồ đo điện để kiểm tra điện áp ngõ ra của mạch nguồn Kết quả đo cho thấy điện áp ngõ ra 3V3 lần lượt là 3.48V và 3.42V, trong khi điện áp ngõ ra 5V là 4.98V.
Hình 5 2 Dòng điện hoạt động của van và Dòng điện khi động cơ hoạt động
Dòng điện hoạt động của van điện từ là khoảng 1.03A, trong khi đó, dòng điện của động cơ đạt khoảng 1.40A Hình ảnh minh họa cho thấy rõ sự hoạt động của cả hai thiết bị này.
Găng tay được thiết kế phù hợp với kích thước trung bình của bàn tay nam và nữ Người dùng có kích thước tay lớn hoặc nhỏ hơn nhiều so với kích thước trung bình có thể cảm thấy găng tay quá rộng hoặc quá chật, gây khó chịu khi sử dụng trong quá trình tập luyện.
Thanh cố định khớp dày 2mm giúp hạn chế độ cong của ngón tay Các thanh này được gắn vào găng tay bằng keo nến, nhưng việc sử dụng găng tay trong thời gian dài có thể dẫn đến việc bung khớp cố định đốt gần do sự co giãn liên tục của ống rubber bellows.
Hình 5 3 Mô hình thiết bị hoàn thiện
Hộp điều khiển có kích thước 185x170x120mm, lớn hơn nhiều so với các sản phẩm hiện có trên thị trường Người dùng có thể tập cho cả hai tay cùng lúc hoặc riêng từng tay, từng ngón tay mà không cần điều chỉnh khoá van bằng tay, chỉ cần thao tác trên thiết bị theo nhu cầu Găng tay được thiết kế kết nối trực tiếp với hộp điều khiển và không thể tháo rời.
5.1.3 Giao diện hiển thị a Giao diện LCD
Sau khi bật công tắc nguồn của thiết bị, màn hình sẽ hiển thị giao diện chính. Nhấn nút ENTER để vào menu chế độ tập.
Hình 5 4 Màn hình hiển thị chính
Sử dụng nút ENTER để chọn chế độ tập mà bạn mong muốn, di chuyển vị trí trỏ bằng các nút LEFT và RIGHT, nhấn nút BACK để quay lại màn hình trước, và sử dụng nút NEXT để chuyển sang màn hình tiếp theo.
Hình 5 5 Màn hình hiển thị chọn chế độ tập Mặc định
Chế độ Mặc định hiển thị màn hình với các bài tập được lập trình sẵn cho người dùng, bao gồm tập bàn tay trái, bàn tay phải, cả hai tay và tập nắm duỗi từng ngón tay Các bài tập này được cài đặt theo thời gian để hỗ trợ người dùng trong quá trình luyện tập.
Trong chế độ tập Tùy chỉnh, người dùng có thể lựa chọn tay và ngón tay muốn tập luyện, bao gồm cả tay phải và tay trái Hình 5.6 minh họa màn hình tập ngón cái của tay trái.
Hình 5 7 Màn hình hiển thị chọn thời gian và đếm ngược
Sau khi hoàn tất cài đặt tay cần tập, bạn chuyển sang màn hình thời gian để thiết lập thời gian tập mong muốn Tại đây, sử dụng nút LEFT và RIGHT để điều chỉnh thời gian Nhấn nút NEXT để bắt đầu bài tập, trong suốt quá trình tập, màn hình sẽ hiển thị thời gian đếm ngược Bên cạnh đó, giao diện điều khiển cũng có thể được sử dụng qua ứng dụng điện thoại.
Nhóm đã tiến hành thiết kế thêm giao diện app điện thoại có các chức năng tương ứng như giao diện LCD.
Hình 5 8 Giao diện điều khiển thiết bị trên app điện thoại
DỰ TOÁN CỦA ĐỀ TÀI
Bảng 5.1 Dự toán của đề tài.
STT Tên linh kiện SL Giá thành Thành tiền
12 IC giảm áp LM2596T-ADJ 2 7.500 15.000
18 Mạch mở rộng chân PCF8575 1 42.000 42.000
22 Động cơ bơm khí nén 2 40.000 80.000
Dự toán cho đề tài là 4.582.750 đồng, với các chi phí bao gồm làm mạch, in 3D sản phẩm, linh kiện điện tử và vật tư tiêu hao khác, như thể hiện trong bảng 5.1.
TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG
Thiết bị được sử dụng theo hướng dân dưới đây nhằm hướng dân người dùng sử dụng thiết bị một cách chính xác.
Để bắt đầu, hãy đeo găng tay vào tay cần tập, đảm bảo rằng các ống đàn hồi được đặt thoải mái trên các ngón tay Sau đó, sử dụng băng dính để cố định găng tay, giúp ngăn chặn việc các ống khí bị lệch hoặc uốn cong trong quá trình tập luyện.
Hình 5 11 Đeo găng tay và cố định bằng băng dính
Bước 2: Bật công tắc nguồn bên hông hộp điều khiển, lúc này màn hình sẽ hiển thị giao diện chính.
Hình 5 12 Bật nút nguồn bên hông hộp điều khiển
Để điều hướng, hãy sử dụng nút ENTER để chọn, nút LEFT và RIGHT để di chuyển con trỏ, nút BACK để quay lại màn hình trước, và nút NEXT để tiến sang bước tiếp theo.
Bước 4: Trên màn hình chính, nhấn ENTER để truy cập menu chọn chế độ tập Tại đây, người dùng có hai lựa chọn: chế độ Tùy chỉnh (CUSTOM) cho phép chọn bàn tay, ngón tay và thời gian tập; hoặc chế độ Mặc định (DEFAULT) với các bài tập đã được cài đặt sẵn.
Hình 5 13 Màn hình menu lựa chọn chế độ tập
Step 5: Use the LEFT and RIGHT buttons to navigate the cursor to a different position mode Then, press the ENTER button to make your selection The chosen training mode will be highlighted in yellow.
Bước 6: Trong chế độ tập mặc định, sử dụng nút LEFT và RIGHT để di chuyển con trỏ và chọn bài tập bằng nút ENTER Bài tập đã chọn sẽ chuyển sang màu vàng Sau khi lựa chọn xong, nhấn nút NEXT để bắt đầu luyện tập Màn hình sẽ hiển thị thời gian đếm ngược và khi kết thúc, sẽ có thông báo hoàn thành.
Hình 5 14 Màn hình các bài tập của chế độ Mặc định
Bước 7: Trong chế độ tùy chỉnh, màn hình hiển thị lựa chọn bàn tay tập trước Sau khi chọn bàn tay, màn hình sẽ tiếp tục hiển thị để chọn ngón tay, với các ngón tay được đánh số từ 1 đến 5, tương ứng với ngón cái, ngón trỏ, ngón giữa, ngón áp út và ngón út.
Hình 5 15 Màn hình lựa chọn bàn tay, ngón tay trong chế độ Tùy chỉnh
Bước 8: Sau khi hoàn tất việc chọn bàn tay và ngón tay, người dùng nhấn nút NEXT để quay lại màn hình lựa chọn bàn tay và thời gian tập Lưu ý rằng nếu nhấn nút BACK tại bước này, tất cả các lựa chọn sẽ bị xóa và người dùng phải thực hiện lại từ đầu.
Bước 9: Sau khi chọn bàn tay và ngón tay, di chuyển con trỏ đến vị trí cài đặt thời gian và nhấn ENTER để vào cài đặt.
Để cài đặt thời gian, hãy di chuyển con trỏ đến vị trí phút hoặc giây và nhấn ENTER để chọn Vị trí được chọn sẽ chuyển sang màu vàng Sử dụng nút LEFT và RIGHT để tăng hoặc giảm thời gian, sau đó nhấn ENTER khi hoàn tất cài đặt.
Hình 5 16 Cài đặt thời gian và đếm ngược thời gian tập
Sau khi cài đặt thời gian xong, hãy nhấn nút NEXT để bắt đầu luyện tập Màn hình sẽ hiển thị thời gian đếm ngược, và khi quá trình tập luyện kết thúc, màn hình sẽ thông báo hoàn thành.
ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT
Để có thể đánh giá hoạt động của thiết bị, nhóm đã tiến hành chạy thử nghiệm sản phẩm Kết quả chạy thử nghiệm được trình bày như sau:
Thử nghiệm đầu tiên tập trung vào kiểm tra hoạt động của thiết bị, bao gồm nguồn, khối van, động cơ và nút nhấn Nhóm tiến hành bật nguồn để kiểm tra hiển thị trên màn hình, đồng thời đánh giá hoạt động của khối van và động cơ, đảm bảo các linh kiện đóng và mở đúng theo cài đặt Cuối cùng, thiết bị sẽ được tắt nguồn sau khi hoàn tất kiểm tra.
Kết quả chạy thử nghiệm thiết bị trong 10 lần Nội dung thử nghiệm và kết quả thử nghiệm được trình bày trong bảng 5.2
Bảng 5.2 Kết quả chạy thử nghiệm thiết bị
Số lần thử Nội dung Kết quả
10 Bật/tắt công tắc nguồn 10/10
10 Hoạt động của khối van 1 9/10
10 Hoạt động của khối van 2 6/10
10 Hoạt động của động cơ 1 10/10
10 Hoạt động của động cơ 2 10/10
Thiết bị hoạt động ổn định với 91% nội dung chạy thử, nhưng khối van đóng ngắt và màn hình vân vẫn chưa đạt yêu cầu Kích thước hộp điều khiển là 185x170x120mm, lớn hơn so với các sản phẩm trên thị trường Ống khí nối với găng tay được thiết kế không thể tháo rời, gây khó khăn cho việc di chuyển.
Trong thử nghiệm tiếp theo, nhóm nghiên cứu đã sử dụng đồng hồ bấm giờ để theo dõi thời gian sạc đầy của thiết bị, cũng như thời gian hoạt động của thiết bị khi tập luyện liên tục với một tay và hai tay Thời gian thử nghiệm được thực hiện trong 5 phút.
Bảng 5.3 Thời gian sử dụng thiết bị trong 5 lần thử
Lần thử Thời gian tập 2 tay Thời gian tập 1 tay Thời gian sạc đầy
Theo bảng 5.3, thời gian sạc đầy trung bình của thiết bị là 1h11 phút Sau khi sạc đầy, thời gian sử dụng cho tập 2 tay trung bình là 56 phút, trong khi tập 1 tay là 1h28 phút Khi pin cạn, thiết bị sẽ ngừng hoạt động và tắt màn hình Kết quả thời gian sử dụng phù hợp với tính toán ban đầu, nhưng có sai số do việc sử dụng đồng hồ bấm giờ thủ công và sự không ổn định của mạch hoạt động.
Nhóm đã tiến hành thử nghiệm phần mềm để kiểm tra xem thiết bị hoạt động đúng theo lập trình ban đầu hay không Thời gian co và duỗi của bàn tay được cài đặt mặc định là 4 giây Sau khi khởi động, người dùng có thể chọn bài tập ngẫu nhiên cho một bên tay hoặc cả hai tay cùng lúc, đồng thời sử dụng đồng hồ bấm giờ để theo dõi thời gian co duỗi Nhóm đã thực hiện 15 lần thử nghiệm và lập bảng 5.4 để ghi nhận kết quả.
Bảng 5.4 Thời gian co duỗi ngón tay trong 15 lần thử
Lần thử Co (giây) Duỗi (giây)
Theo bảng trên, thời gian trung bình để các ngón tay co là 4.476 giây và duỗi là 4.467 giây Sai số trong kết quả có thể do khí rò rỉ trong quá trình bơm xả qua các van và ống dẫn Thiết kế ống dẫn khí dài cũng làm tăng thời gian cần thiết để động cơ bơm khí đến găng tay Hơn nữa, việc sử dụng đồng hồ bấm thủ công trong quá trình thử nghiệm cũng góp phần gây ra sai số.