Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật y sinh: Thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu

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

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

GVHD: TS NGUYỄN THANH NGHĨA SVTH: NGUYỄN TRỌNG NHÂN

VŨ HOÀI ANTHIẾT KẾ VÀ THI CÔNG GĂNG TAY VẬT LÝ TRỊ LIỆU

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

GĂNG TAY VẬT LÝ TRỊ LIỆU

GVHD: TS Nguyễn Thanh Nghĩa SVTH:

Nguyễn Trọng Nhân 20129070

Vũ Hoài An 20129040

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

GĂNG TAY VẬT LÝ TRỊ LIỆU

GVHD: TS Nguyễn Thanh Nghĩa SVTH:

Nguyễn Trọng Nhân 20129070

Vũ Hoài An 20129040

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG GĂNG TAY VẬT LÝ TRỊ LIỆU

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

- Thái Gia Ân, Nguyễn Tấn Dân (2023) THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG GĂNG TAYPHỤC HỒI CHỨC NĂNG, Đồ án tốt nghiệp, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật,Tp.HCM

2 Nội dung thực hiện:

- Nguyên cứu tài liệu liên quan đến đề tài

- Tìm hiểu, lựa chọn linh kiện sử dụng trong đề tài

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động bộ truyền động đàn hồi

- Kết nối vi điều khiển ESP32 với các linh kiện

- Thiết kế giao diện giao tiếp với mô hình

- Tìm hiểu và thiết kế app điều khiển và quản lý thông tin

- Thi công sản phẩm

- Tìm hiểu nghiên cứu lập trình điều khiển động cơ

- Thi công phần cứng và chạy thử nghiệm

- Viết báo cáo thực hiện

- Báo cáo bảo vệ đề tài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/02/2024

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2024

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thanh Nghĩa

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2024

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giáo viên hướng dân: TS Nguyễn Thanh Nghĩa

Họ tên sinh viên: Nguyễn Trọng Nhân MSSV: 20129070 Lớp: 201290C

Họ tên sinh viên: Vũ Hoài An MSSV: 20129040 Lớp: 201290ATên đề tài:Thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu

Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD

Tuần 1

(19/2 - 25/2)

- Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án

- Tiến hành chọn đề tài và xét duyệt đề tài

- Viết đề cương chi tiết Tuần 2

(26/2 - 3/3)

-Viết lịch trình làm việc -Tóm tắt nội dung, yêu cầu, mục tiêu đề tài

- Tìm hiểu cấu trúc hoạt động của bàn tay và các bệnh lý.

hiện của chúng tôi dựa vào một số tài liệu trước đó, được hoàn thành dưới sự hướngdân của TS Nguyễn Thanh Nghĩa Chúng tôi xin cam đoan không sao chép từ tài liệuhay công trình đã có trước đó.

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài

Nguyễn Trọng Nhân - Vũ Hoài An

Chúng tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Thanh Nghĩa, thầy Nguyễn Thanh Hải giảng viên của ngành Kỹ Thuật Y Sinh Trường

Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và anh Lê Kim Tĩnh - cựu sinh viên ngành

Kỹ thuật Y sinh khóa 2017 đã tạo cơ hội, hướng dân và tận tình giúp đỡ, đóng góp ýkiến và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu để chúng tôi có thể hoàn thành tốt bàibáo cáo

Chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện - Điện

tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúngtôi hoàn thành bài báo cáo

Đồng thời, cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các bạn lớp Kỹ Thuật Y Sinh

201290 đã có những chia sẻ, trao đổi cũng như là giúp đỡ củng cố kiến thức và kinhnghiệm trong thời gian thực hiện đề tài

Và cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, các anh chị em đãluôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ nhóm em để nhóm có thêm động lực hoàn thành

đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài

Nguyễn Trọng Nhân - Vũ Hoài An

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

TÓM TẮT

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 3

1.5 BỐ CỤC 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA BÀN TAY 5

2.2 VẬT LÝ TRỊ LIỆU VÀ BỆNH LÝ THƯỜNG GẶP Ở BÀN TAY 6

2.2.1 Vật lý trị liệu 6

2.2.2 Một số bệnh lý thường gặp cần sử dụng găng tay vật lý trị liệu 7

2.2.3 Các bài tập phục hồi chức năng cơ bản 9

2.3 MỘT SỐ SẢN PHẨM GĂNG TAY TRỊ LIỆU TRÊN THỊ TRƯỜNG 9

2.4 BỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐÀN HỒI 11

2.5 BLUETOOTH LOW ENERGY (BLE) 12

2.5.1 Khái niệm 12

2.5.2 Bluetooth truyền thống với BLE 13

2.6 CHUẨN GIAO TIẾP SPI 13

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 15

3.1 GIỚI THIỆU 15

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 15

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 15

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 16

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý 31

3.3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH GĂNG TAY 33

3.3.1 Găng tay 33

3.3.2 Hộp điều khiển 38

4.2.1 Thi công bo mạch 41

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra hệ thống 46

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 49

4.3.1 Mô hình găng tay 49

4.3.2 Đóng gói hộp điều khiển 50

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 52

4.4.1 Lưu đồ giải thuật chương chình chính 53

4.4.2 Lưu đồ giải thuật các chương trình con 54

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 60

5.1 KẾT QUẢ 60

5.1.1 Tổng quan 60

5.1.2 Phần cứng 60

5.1.3 Giao diện hiển thị 62

5.1.4 Hoạt động của găng tay 65

5.2 DỰ TOÁN CỦA ĐỀ TÀI 66

5.3 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 68

5.4 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT 71

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN - HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75

6.1 KẾT LUẬN 75

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 78

Hình 2 1 Mô phỏng bàn tay 5

Hình 2 2 Vật lý trị liệu bằng hình thức vận động 7

Hình 2 3 Phâu thuật trồng nối chi 8

Hình 2 4 Hội chứng ống cổ tay 8

Hình 2 5 Bộ sản phẩm TIMELOCK và TJ-OM007 10

Hình 2 6 Găng tay phục hồi chức năng SaboFlex và SaeboGlove 10

Hình 2 7 Cơ chế hoạt động của bộ truyền động đàn hồi 12

Hình 2 8 Mô phỏng giao tiếp SPI 14

Hình 3 2 ESP32 NodeMCU 17

Hình 3 3 Sơ đồ chân của ESP32 18

Hình 3 6 Động cơ bơm hút chân không 20

Hình 3 7 Mạch nguyên lý khối động cơ 21

Hình 3 8 Van điện từ 2 chiều 22

Hình 3 9 Van điện từ 3 chiều 23

Hình 3 10 Mạch nguyên lý van đóng ngắt 23

Hình 3 11 Mạch nguyên lý khối van đóng ngắt 24

Hình 3 12 Mạch nguyên lý khối van đóng ngắt 25

Hình 3 13 Hoạt động của các van trong trường hợp co tay 25

Hình 3 14 Hoạt động của các van trong trường hợp duỗi tay 26

Hình 3 15 Màn hình cảm ứng LCD TFT 3.2inch 27

Hình 3 16 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 28

Hình 3 17 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 29

Hình 3 18 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống 32

Hình 3 19 Bản vẽ thiết kế găng tay 34

Hình 3 22 Bản vẽ và Mô phỏng 3D khớp đốt gần 36

Hình 3 23 Mô phỏng 3D vị trí gắn khớp lên rubber bellows 36

Hình 3 24 Bản vẽ và Mô phỏng 3D thanh cố định 5 khớp 37

Hình 3 25 Mô phỏng 3D lắp đặt các khớp lên thanh cố định 37

Hình 3 26 Bản vẽ thiết kế hộp điều khiển 38

Hình 3 27 Bản vẽ bên trong và Mô phỏng 3D hộp điều khiển 39

Hình 3 28 Bản vẽ nắp hộp điều khiển 39

Hình 3 29 Mô phỏng 3D hộp điều khiển 40

Hình 4 1 Sơ đồ mạch in PCB 2 lớp của mạch chính 41

Hình 4 2 Mô phỏng vị trí lắp đặt các linh kiện 42

Hình 4 3 Sơ đồ mạch in PCB 2 lớp mạch nguồn 43

Hình 4 4 Sơ đồ lắp đặt linh kiện của mạch nguồn 43

Hình 4 5 Sơ đồ mạch in 2 lớp và Vị trí lắp đặt linh kiện mạch nút nhấn 44

Hình 4 6 Thi công mạch nguồn 46

Hình 4 7 Mạch sạc gắn sau hộp pin 47

Hình 4 8 Thi công mạch nút nhấn 47

Hình 4 9 Mạch chính sau khi thi công 48

Hình 4 10 Kết nối mạch nguồn và mạch chính 49

Hình 4 11 Thi công mô hình găng tay 50

Hình 4 12 Thi công hộp điều khiển 50

Hình 4 13 Thi công hộp điều khiển 51

Hình 4 14 Thi công nắp hộp điều khiển 51

Hình 4 15 Kết nối mô hình găng tay với ống dân khí 52

Hình 4 16 Hộp điều khiển sau khi lắp đặt xong 52

Hình 4 20 Lưu đồ giải thuật chương trình chọn chế độ tập Mặc định 56

Hình 4 21 Lưu đồ giải thuật chương trình chọn ngón tay 57

Hình 4 22 Lưu đồ giải thuật chương trình cài đặt thời gian 58

Hình 5 1 Điệp áp ngõ ra nguồn 3V3 và Điện áp ngõ ra 5V 61

Hình 5 2 Dòng điện hoạt động của van và Dòng điện khi động cơ hoạt động.61 Hình 5 3 Mô hình thiết bị hoàn thiện 62

Hình 5 5 Màn hình hiển thị chọn chế độ tập Mặc định 63

Hình 5 7 Màn hình hiển thị chọn thời gian và đếm ngược 64

Hình 5 8 Giao diện điều khiển thiết bị trên app điện thoại 65

Hình 5 9 Hoạt động của găng tay khi tập cả bàn tay 65

Hình 5 10 Hoạt động của găng tay khi tập ngón út, ngón áp út, ngón giữa 66

Hình 5 11 Đeo găng tay và cố định bằng băng dính 68

Hình 5 12 Bật nút nguồn bên hông hộp điều khiển 69

Hình 5 13 Màn hình menu lựa chọn chế độ tập 69

Hình 5 14 Màn hình các bài tập của chế độ Mặc định 70

Hình 5 15 Màn hình lựa chọn bàn tay, ngón tay trong chế độ Tùy chỉnh 70

Hình 5 16 Cài đặt thời gian và đếm ngược thời gian tập 71

Bảng 2 1 Đặc điểm của 4 sản phẩm găng tay vật lý trị liệu 10

Bảng 2 2 So sánh BLE và Bluetooth truyền thống 13

Bảng 3 1 So sánh Arduino UNO, Arduino Nano và ESP32 NodeMCU 17

Bảng 3 2 So sánh LCD 128x64, LCD OLED 1.3inch và LCD TFT 3.2inch 27

Bảng 3 3 Thứ tự và chức năng chân màn hình cảm ứng LCD TFT 3.2inch 28

Bảng 3 4 Kết nối LCD với ESP 29

Bảng 3 6 Kích thước chiều dài bàn tay theo giới tính 33

Bảng 3 7 Kích thước chiều rộng bàn tay theo giới tính 33

Bảng 4 1 Thống kê linh kiện 44

Bảng 5.1 Dự toán của đề tài 66

Bảng 5.2 Kết quả chạy thử nghiệm thiết bị 72

Bảng 5.3 Thời gian sử dụng thiết bị trong 5 lần thử 73

Bảng 5.4 Thời gian co duỗi ngón tay trong 15 lần thử 73

Ở Việt Nam, nhu cầu về phục hồi chức năng đang ngày càng tăng cao do sựgia tăng của các vụ tai nạn giao thông, lao động, di chứng sau phâu thuật và cácchấn thương khác 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 lý do trên, nhóm đã tiến hành thực hiện đề

tài “Thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu”, cung cấp giải pháp dành riêng

cho việc phục hồi chức năng của bàn tay, cụ thể là các ngón tay

Đề tài được thực hiện thông qua việc nghiên cứu lý thuyết về vật lý trị liệu

và các sản phẩm đang được sử dụng trên thị trường hiện nay Thực nghiệm lựa chọnlinh kiện, tính toán và thiết kế phần cứng, thiết kế giao diện người dùng Thi côngphần cứng và phát triển phần mềm Cuối cùng là đánh giá kết quả thử nghiệm vàviết báo cáo về quá trình thực hiện đề tài

Kết quả đạt được của đề tài là mô hình thiết bị găng tay vật lý trị liệu với hộpđiều khiển có kích thước 185x170x120mm Thời gian sử dụng thiết bị liên tục trongkhoảng 50 phút và được lập trình thời gian mỗi lần co, duỗi bàn tay là 4 giây Thiết

bị này nhận tín hiệu từ nút nhấn, sau đó điều khiển động cơ bơm hút chân không,đóng mở 14 van khí để tạo thành các luồng khí điều khiển găng tay Thiết bị đượclập trình 2 chế độ tập là Mặc định (Các bài tập được cài đặt mặc định) và Tùy chỉnh(Người dùng tùy chỉnh các bài tập theo nhu cầu) Các thông số tập luyện sẽ đượctheo dõi thông qua một màn hình LCD Thiết kế giao diện điều khiển thiết bị trênapp điện thoại

Đề tài “Thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu” được thực hiện với mụctiêu cung cấp một thiết bị hộ trợ bệnh nhân trong quá trình hồi phục chức năng bàntay thông qua các bài tập trị liệu Hoàn thành với việc sử dụng vi điều khiển ESP32,động cơ bơm khí nén, van điện từ và màn hình cảm ứng TFT

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ở Việt Nam, nhu cầu về phục hồi chức năng đang ngày càng gia tăng do sựgia tăng của tai nạn giao thông, tai nạn lao động, di chứng sau phâu thuật và cáctình huống gây chấn thương khác Trong 6 tháng đầu năm 2019, toàn quốc xảy ra8.385 vụ tai nạn giao thông, làm chết 3.810 người, bị thương 6.358 người, theo báocáo tổng kết của Ủy ban An toàn giao thông Quốc gia [1] Trong năm 2022, 62/63tỉnh, thành phố trên toàn quốc đã xảy ra 7.718 vụ tai nạn lao động, tăng 18,66% sovới năm 2021, làm 7.923 người bị thương [2] Hơn nữa, Việt Nam đang đối mặt với

xu hướng già hoá dân số nhanh chóng Tỷ lệ người cao tuổi chiếm 11,9% vào năm

2019, và dự kiến tăng lên trong tương lai Mặc dù tuổi thọ trung bình ở Việt Nam cóthể cao so với nhiều nước cùng mức thu nhập, nhưng sức khoẻ của người cao tuổichưa được đảm bảo

Cùng với sự tiến bộ trong ngành y tế và vật lý trị liệu đã tạo ra nhận thức caohơn về giá trị của việc sử dụng các công cụ hỗ trợ phục hồi chức năng Đồng thờinhờ vào các chương trình giáo dục và tăng cường nhận thức về sức khoẻ, người dâncũng dần nhận ra tầm quan trọng của việc tham gia vào quá trình phục hồi chứcnăng sau chấn thương hoặc bệnh tật Sự phát triển của công nghệ và thiết kế đã tạo

ra các thiết bị trị liệu mới với tính năng và hiệu suất cải tiến đã thu hút sự quan tâmcủa người dùng và chuyên gia y tế Những vấn đề nêu trên đặt ra nhu cầu ngày càngtăng về phục hồi chức năng để giúp họ duy trì cuộc sống lành mạnh và độc lập

Trong lĩnh vực vật lý trị liệu, việc sử dụng các thiết bị phù hợp đóng vai tròquan trọng nhằm hỗ trợ phục hồi và tăng cường chức năng cơ thể của bệnh nhân.Tuy nhiên trong một số trường hợp, các phương tiện trị liệu hiện có có thể khôngđáp ứng được các yêu cầu cụ thể trong quá trình vận động và hồi phục Găng tay vật

lý trị liệu là một trong những thiết bị được các chuyên gia khuyến khích sử dụng,đặc biệt là trong các trường hợp cần tăng cường sức mạnh cơ, cải thiện tính linhhoạt và giảm đau của bàn tay Vậy nên, việc thiết kế và phát triển thiết bị găng tayvật lý trị liệu có thể giải quyết phần nào sự thiếu hụt các thiết bị phục hồi chuyên

biệt và mở ra cơ hội cho các nghiên cứu và phát triển mới trong lĩnh vực vật lý trịliệu.

Trên thị trường ngày nay có rất nhiều thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng taynhư Robot tập phục hồi chức năng chi trên Reogo do hãng Motorika sản xuất tại thịtrường Việt Nam Găng tay robot tập phục hồi chức năng SY-HRC10 dành chobệnh nhân rối loạn chức năng tay do liệt, tai biến, chấn thương dây thần kinh ngoại

vi bàn tay Bên cạnh đó, đã có những nghiên cứu như Đồ Án Tốt Nghiệp (ĐATN)của Thái Gia Ân và Nguyễn Tấn Dân với đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNGGĂNG TAY PHỤC HỒI CHỨC NĂNG” [3] Đề tài đã thực hiện tạo ra mô hìnhgăng tay phục hồi chức năng thực dành cho một bên tay, thiết kế bài tập với 2 chế

độ tập là từng ngón và cả bàn tay với các cấp độ tập khác nhau Và ĐATN năm

2021 của Lê Kim Tĩnh – Nguyễn Thu Trà với đề tài: “ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNGCÁNH TAY NHÂN TẠO ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN CƠ EMG”[4] đã thiết kế ramột mô hình cánh tay nhân tạo, điều khiển mô hình cánh tay bằng tín hiệu điện cơEMG, thiết bị được sử dụng cho người mất cánh tay

Từ những khảo sát trên, cùng với các kiến thức đã được trang bị, nhóm kiến

nghị được thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu” cung cấp

một giải pháp mới dành riêng cho việc phục hồi chức năng của bàn tay, cụ thể làcác ngón tay Thiết bị sẽ cho phép người dùng tập luyện đồng thời cả 2 tay và có thểđiều khiển bằng điện thoại thông minh

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu có khả năng điều khiển sự co duỗicác ngón tay Người dùng có thể điều khiển thiết bị và theo dõi lịch sử tập luyện quaứng dụng điện thoại Thiết bị sử dụng vi điều khiển ESP32, động cơ bơm khí nén,van điện từ, màn hình cảm ứng LCD TFT

1.3 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 vàohoạt 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

1.4 NỘI DUNG THỰC HIỆN

Trong quá trình thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công găng tay vật lý

trị liệu”, nhóm tập trung giải quyết và hoàn thành những nội dung sau:

- 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.

1.5 BỐ CỤC

Chương 1: Tổng quan

Trình bày những vấn đề về sự lựa chọn đề tài, mục tiêu đề ra, nội dung tìmhiểu, các dữ liệu của thiết bị và bố cục thực hiện

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày các nội dung lý thuyết các vấn đề về trị liệu và các bệnh ở tay cầntập vật lý trị liệu, các bài tập phục hồi, bộ truyền động đàn hồi Tìm hiểu về các sảnphẩm trên thị trường Đồng thời lựa chọn các linh kiện cho đề tài

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Trình bày sơ đồ khối, tính toán, lựa chọn và thiết kế từng khối của hệ thốngsản 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 cáckết 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 cầncải thiện và hướng phát triển giúp sản phẩm tốt hơn để đưa ra thị trường

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA BÀN TAY

Bàn tay nằm ở cuối mỗi cánh tay, và được xem là một phần cơ thể quantrọng của con người Chúng cho phép con người cảm nhận và tiếp xúc với thế giớixung quanh một cách hiệu quả hơn

Bàn tay người có 5 ngón tay, bao gồm ngón cái, ngón trỏ, ngón giữa, ngón

áp út và ngón út Mu bàn tay nằm ở phía trên và nối với cẳng tay thông qua cổ tay,lòng bàn tay nằm ở phía dưới Có 27 xương trong một bàn tay Để làm cho tất cảcác xương gắn kết với nhau cần ít nhất 123 dây chằng [5] Các khớp tay giúp ta thựchiện dễ dàng hơn các hoạt động nắm, duỗi bàn tay, ngón tay hay thực hiện các cửchỉ đòi hỏi sự linh hoạt khác

Hình 2 1 Mô phỏng bàn tay

Trên bàn tay, có một mạng lưới các cơ rất phức tạp, chúng đóng vai trò quantrọng trong việc di chuyển và điều chỉnh các ngón tay Các cơ có ảnh hưởng lớnnhất đến việc uốn cong và thẳng lại ngón tay, tập trung ở khu vực cổ tay.Dây chằng

và dây gân kết nối các cơ với xương và giúp truyền động lực từ cơ đến xương.Đồng thời, chúng cũng chịu trách nhiệm cho việc truyền tải các tín hiệu cảm giác vềnão bộ.Cấu trúc của bàn tay kết hợp với xúc giác giúp cho lòng bàn tay và các ngóntay có thể chuyển động một cách linh hoạt, chính xác và chặt chẽ tuỳ theo ý thức vànhu cầu của người dùng

Chức năng chính của bàn tay bao gồm việc cảm giác, vận động và thực hiệncác thao tác Với cấu tạo phức tạp từ các xương, cơ, dây chằng, dây gân, dây thầnkinh và các mạch máu giúp cho bàn tay có khả năng thực hiện các vận động nhưcầm, nắm, xoay, đẩy Nhờ đó mà con người có thể thực hiện được nhiều hoạt động

cơ bản thường ngày cho đến các hoạt động mang tính sáng tạo, nghệ thuật như viết,

vẽ, múa… và các hoạt động phức tạp cần tính linh hoạt cao như điều khiển các công

cụ, máy móc Hơn nữa, bàn tay cũng là một phương tiện giao tiếp quan trọng trongvăn hóa ứng xử, trình bày và được sử dụng như là một công cụ giao tiếp chính củangười khiếm thính

Ta thấy được rằng bàn tay đóng vai trò quan trọng đối với chúng ta Giúp tahoạt động và thực hiện các hành động phức tạp mỗi ngày Nếu bàn tay gặp phải cácchấn thương khiến bàn tay bị liệt hay bị hạn chế vận động sẽ khiến cho người bệnhgặp rất nhiều trở ngại trong cuộc sống

2.2 VẬT LÝ TRỊ LIỆU VÀ BỆNH LÝ THƯỜNG GẶP Ở BÀN TAY

2.2.1 Vật lý trị liệu

Năm 435 trước Công nguyên, Hippocrates (Cha đẻ của ngành y học phươngTây) đã mở đầu cho việc ủng hộ việc sử dụng các kỹ thuật xoa bóp, thuỳ trị liệu vàtrị liệu bằng tay để điều trị cho bệnh nhân của mình Đây được cho là nguồn gốcđầu tiên của vật lý trị liệu ngày nay [6] Vật lý trị liệu hiện đại bắt đầu hình thànhvào cuối những năm 1800 nhằm điều trị chứng rối loạn xương tại châu Âu

Vật lý trị liệu là một phần của y học được sử dụng để điều trị và phục hồichức năng vận động của cơ thể sau khi gặp phải chấn thương hoặc bệnh tật Đây làphương pháp điều trị nội khoa, hoàn toàn không xâm lấn [7] Có 2 hình thức vật lýtrị liệu là vận động trị liệu (điều trị bằng các bài tập phục hồi chức năng, yêu cầungười bệnh vận động để đạt được hiệu quả trị liệu) và sử dụng tác nhân vật lý (hìnhthức điều trị có sử dụng các máy móc hỗ trợ) [7]

2.2.2 Một số bệnh lý thường gặp cần sử dụng găng tay vật lý trị liệu

Găng tay vật lý trị liệu sẽ được chỉ định sử dụng cho các tình trạng bệnh khácnhau ở bàn tay, nhưng nhìn chung đều hướng đến mục tiêu là cải thiện các thao tácvận động của bàn tay, ngón tay Dưới đây là một số bệnh lý thường gặp ở bàn tay

mà có thể sử dụng găng tay vật lý trị liệu để điều trị

- Phâu thuật trồng nối lại chi thể, bao gồm ngón tay, bàn tay, và cánh tay, làmột quá trình hữu ích nhằm tái tạo chức năng và thẩm mỹ cho người bệnh sau khimất hoàn toàn phần này Mục tiêu là giúp họ sử dụng lại vùng bị thương một cáchtối đa mà không gặp đau đớn Kết quả phục hồi chức năng phụ thuộc vào vị trí tổnthương, nguyên nhân và hình thái tổn thương, cũng như cách thức bảo quản chi đứtrời 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 lýtrị liệu nhằm hỗ trợ quá trình phục hồi sau tổn thương

- Hội chứng ống cổ tay, nguyên nhân là do dây thần kinh bị chèn ép làm cho

tê, đau, ngứa ở ngón tay sau đó lan dần ra cẳng tay Việc sử dụng găng tay vật lý trịliệu giúp ngăn chặn sự tiến triển của bệnh, giảm ảnh hưởng đến khả năng vận độngcủa bàn tay

- Tai biến mạch máu não là tình trạng mạch máu ở não bị tắc nghẽn hoặc vỡđột ngột, không phải do chấn thương sọ não Khi xảy ra, tế bào não thiếu oxy vàdưỡng chất, làm các tế bào chết đi và có thể gây nên tổn thương nặng hoặc tử vong.Khi bị tai biến mạch máu não sẽ khiến người bệnh bị mất cân bằng, tê tay chân vàgặp khó khăn trong giao tiếp.

- Các bệnh về xương khớp như viêm khớp dạng thấp, viêm khớp dạng thấp,hoặc thoái hoá khớp cũng có thể gây ra các vấn đề về bàn tay Sử dụng găng tay vật

lý trị liệu có thể giúp trong việc duy trì hoặc cải thiện sự linh hoạt và chức năng củacác khớp bị ảnh hưởng thông qua các bài tập

Các bệnh lý nói trên và bất kỳ vấn đề nào gây ảnh hưởng đến chức năng vậnđộng của bàn tay đều sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của người bệnh Vậynên việc sử dụng găng tay vật lý trị liệu sẽ góp phần thúc đẩy quá trình điều trị, kíchthích hoạt động của dây thần kinh, cơ và khớp nhằm khôi phục khả năng tự vậnđộng của bệnh nhân, đảm báo chất lượng cuộc sống của người bệnh sau này

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 phươngpháp 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 viênhướng dân thực hiện với các bài tập như gấp duỗi bàn tay, kẹp ngón tay, duỗi gấpkhớp ngón tay Khi tập với dụng cụ, người tập được tập cùng bóng cao du mềmhoặc dây thun co giãn với các bài tập như nắm bóng, ép bóng, kẹp bóng, tập cắt kéo.Đây đều là các bài tập tập trung vào tăng sức mạnh cho tay và ngón tay, cải thiệnkhả năng cầm nắm của bàn tay

Đề tài của nhóm được thực hiện dựa trên bài tập gấp duỗi bàn tay, với mụctiêu thiết kế một sản phẩm tập trung vào việc hỗ trợ người dùng thực hiện động tác

co duỗi các ngón tay

2.3 MỘT SỐ SẢN PHẨM GĂNG TAY TRỊ LIỆU TRÊN THỊ TRƯỜNG

Nhóm đã tiến hành tìm hiểu 4 sản phẩm găng tay vật lý trị liệu hiện có trênthị trường, tính năng của các sản phẩm được trình bày như bảng, việc tìm hiểu cácsản phẩm có trên thị trường giúp định hình trong việc thiết kế và thi công mô hìnhthiết bị của 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 tậpTIMELOCK 110 USD 15.4x15.1x7.5 1 thân máy điều

khiển, 1 găng taybệnh và 1 găngtay lành

Tập thụ độngliên tục và tậpđối chiếu

TJ-OM007 118 USD 13.5x11 x5.7 1 thân máy điều

khiển, 1 găng taybệnh và 1 găngtay lành

Thụ động liêntục, đối chiếu,

và thụ độngtừng ngónSaboFlex 810 USD 34.2x22.86x34.3 Thiết kế hệ thống

đầu chụp cố địnhngón tay và lò xokéo

Hỗ trợ quátrình co duỗingón tay

SaeboGlove 293 USD 22.8x20x7 thiết kế có các

dây thun căng gắnvào các ngón tay

Hỗ trợ quátrình co duỗingón tayQua tìm hiểu, nhận thấy rằng, các sản phẩm có trên thị trường tập trung chủyếu vào hỗ trợ quá trình co duỗi ngón tay sử dụng cơ chế bộ truyền động đàn hồi vàtác dụng của lực Với các sản phẩm sử dụng cơ chế của bộ truyền động đàn hồi nhưTIMELOCK và JT-OM007, người dùng điều chỉnh từng ngón tay co duỗi bằngphương pháp thủ công thông qua các khóa trên găng tay Hai sản phẩm này hỗ trợtập từng tay riêng lẻ mà không thể tập 2 tay cùng một lúc Hoạt động bơm khí nénđược điều khiển thông qua một hộp điều khiển nhỏ gọn

Từ đó, nhóm quyết định sẽ thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu dựatrên cơ chế của bộ truyền động đàn hồi Thiết bị cung cấp khả năng tập đồng thời cả

2 tay cho người dùng và có thể điều khiển thông qua điện thoại Người dùng có thểtùy chỉnh tập từng tay riêng lẻ hoặc từng ngón tay mà không cần thông qua cáckhóa khí trên găng tay

2.4 BỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐÀN HỒI

Guided Bending Bellows Actuators (GBBA) được sử dụng để điều khiển vàtạo chuyển động trong các hệ thống cơ khí và tự động hóa GBBA hoạt động dựatrên nguyên lý của ống đàn hồi uốn cong (Bellows) cùng với các cơ cấu truyền động

để tạo ra chuyển động theo yêu cầu

Bộ truyền động đàn hồi có cấu trúc chính bao gồm hệ thống ống đàn hồi và

cơ cấu truyền động (Complaint mechanism) giúp hỗ trợ và điều hướng chuyển độngcủa các ống đàn hồi Ống đàn hồi uốn cong, hay còn gọi là bellows, có khả năng cogiãn khi có sự thay đổi về áp lực Sự thay đổi áp lực này khiến cho bellows bị biếndạng, từ đó sinh ra chuyển động tương ứng với biến dạng đó Các cơ cấu hướng dânđảm nhận việc giữ giúp kiểm soát chính xác chuyển động của ống đàn hồi theophương hướng mong muốn

GBBA có tính chính xác và linh hoạt cao, cho phép điều khiển các chuyểnđộng trong hệ thống một cách chính xác Trong lĩnh vực găng tay phục hồi chứcnăng, bộ truyền động đàn hồi được sử dụng để tạo ra các chuyển động uốn cong,kéo dãn một cách mềm mại và linh hoạt Việc này giúp hỗ trợ tái tạo lại cơ tay vàkhôi phục chức năng vận động của người dùng, giúp bệnh nhân lấy lại khả năngcầm nắm và thực hiện các hoạt động thường ngày của bàn tay [18]

Hình 2 7 Cơ chế hoạt động của bộ truyền động đàn hồi làm uốn cong ngón tay

Ống đàn hồi được cố định tại hai đầu, từ trung tâm uốn khớp ngón tay, tạothành một góc α, góc α này luôn cố định, không thay đổi Khi ống đàn hồi được uốncong, sẽ làm uốn cong ngón tay, đưa trung tâm uốn khớp ngón tay gần về với góc α

2.5 BLUETOOTH LOW ENERGY (BLE)

2.5.1 Khái niệm

BLE là viết tắt của Bluetooth Low Energy, một công nghệ kết nối không dâyđược phát triển bởi Bluetooth SIG (Special Interest Group) Nó được thiết kế đểcung cấp khả năng kết nối không dây với tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các

phiên bản Bluetooth truyền thống Mục tiêu chính của công nghệ này là cung cấpkết nối không dây liên tục trong thời gian dài mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ pincủa thiết bị.

Trong kết nối BLE sẽ có 2 thành phần chính là: Server (máy chủ) và Client(máy khách) Server thực hiện việc phát tín hiệu, các Client tìm và đọc dữ liệu củaServer Client thực hiện việc quét các thiết bị BLE gần nó, thiết lập các kết nối vàđọc dữ liệu được truyền tải

2.5.2 Bluetooth truyền thống với BLE

Truyền thông qua Bluetooth truyền thống thích hợp cho việc xử lý và truyềnnhững lượng dữ liệu lớn như âm thanh và video, tuy nhiên, điều này đồng nghĩa vớiviệc tiêu tốn nhiều năng lượng và tăng chi phí

Công nghệ BLE được ưa chuộng trong các ứng dụng không đòi hỏi truyềntải lượng lớn dữ liệu, điều này giúp thiết bị tiết kiệm năng lượng và có chi phí thấphơn BLE thích hợp cho việc khôi phục thông tin hữu ích mà không cần duy trì kếtnối liên tục, cho phép thiết bị hoạt động với pin trong thời gian dài, một đặc điểm

mà Bluetooth truyền thống không đạt được [10]

Bảng 2 2 So sánh BLE và Bluetooth truyền thống

Đặc điểm Bluetooth truyền thống BLE

Mức độ tiêu thụ năng lượng Thấp Rất thấp

2.6 CHUẨN GIAO TIẾP SPI

SPI (Serial Peripheral Interface )là một giao thức truyền tải dữ liệu phổ biếndùng để giao tiếp giữa các vi điều khiển hoặc giữa vi điều khiển và các thiết bị

ngoại vi khác Đây là một phương thức truyền dữ liệu đồng bộ, cho phép truyền vànhận dữ liệu SPI còn được gọi là chuẩn giao tiếp 4 dây [11].

Giao tiếp SPI hoạt động theo mô hình chủ-tớ, thiết bị chủ (thường là vi điềukhiển) đóng vai trò điều khiển thiết bị tớ, và tớ là thiết bị nhận lệnh từ chủ (thường

là cảm biến, màn hình,…) Với tốc độ truyền tải cao, SPI phù hợp với các ứng dụngyêu cầu tốc độ truyền tải nhanh Một thiết bị chủ có thể điều khiển nhiều thiết bị tớcùng một lúc [12]

Hình 2 8 Mô phỏng giao tiếp SPI

Cấu trúc SPI gồm 4 chân kết nối:

- MOSI (Master Out Slave In): Truyền dữ liệu từ chủ đến tớ

- MISO (Master In Slave Out): Truyền dữ liệu từ tớ đến chủ

- SCLK (Serial Clock): Tín hiệu xung điều khiển tuyền đồng bộ dữ liệu

- SS/CS (Slave Select/Chip Select): Đường chọn thiết bị tớ

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 GIỚI THIỆU

Thiết bị được thiết kế có chức năng hỗ trợ người bệnh co duỗi các ngón taybằng các bài tập mặc định hoặc tuỳ chỉnh theo nhu cầu của người dùng Thiết kếbao gồm 2 găng tay cho tay phải và tay trái Thiết bị sử dụng ESP32 làm bộ điềukhiển trung tâm, điều khiển 14 van điện từ và 2 động cơ bơm khí nén hoạt động.Người dùng theo dõi các thông số thông qua màn hình LCD và điều chỉnh bằng nútnhấn Ngoài ra, còn có thể điều khiển hệ thống bằng thiết bị di động

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống được thiết kế như hình 3.1, gồm: Khối nguồn, khối

vi điều khiển, khối nút nhấn, khối hiển thị, khối các van đóng ngắt và khối động cơ

Khốiđộng cơ

Vanđóng ngắt App mobileGăng tay Cloud

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng của các khối trong sơ đồ:

Khối nguồn: Chuyển đổi điện áp, và cấp nguồn cho hệ thống hoạt động.

Nguồn 3V3 cho các van điện từ hoạt động và nguồn 5V cấp cho động cơ và vi điềukhiển

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 khối nút nhấn, app mobile nhằm điều

khiển động cơ và khối van đóng ngắt theo nhu cầu của người dùng Bên cạnh đógiao tiếp với người dùng thông qua App mobile

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, hoạt động như một công

tắc đóng mở van để điều tiết luồng khí đến từng ống cao su

App mobile: Giao tiếp với người dùng giúp người dùng điều khiển thiết bị

theo mong muốn, đồng thời theo dõi quá trình tập luyện của người bệnh thống qua

dữ liệu 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 một khối quan trọng, điều khiển hầu hết hoạt động củacác phần cứng khác Khối vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ các nút nhấn, xử lý tínhiệu để điều khiển động cơ, đóng mở các van khí nén và hiển thị các thông số thôngqua màn hình hiển thị Ngoài ra khối vi điều khiển còn có nhiệm vụ truyền và nhận

dữ cho thiết bị di động Từ đó, đặt ra các yêu cầu dành cho khối điều khiển như sau:

- Có khả năng kết nối Bluetooth

- Tốc độ xử lý nhanh

- Thiết kế nhỏ gọn

- Có trên 22 chân GPIO

Từ những yêu cầu trên, tiến hành so sánh các vi điều khiển khác nhau để lựachọn 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

Kích thước 75x55x15 (mm) 45x18 (mm) 55x28 (mm)

Từ bảng so sánh trên, lựa chọn sử dụng module ESP32 làm vi điều khiểnchính ESP32 là một module có hiệu suất cao với công nghệ wifi, BLE Được dùngcho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng wifi, quaBluetooth đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT ESP32 được trang bị phầncứng và phần mềm cài đặt sẵn, cung cấp đầy đủ các kết nối ngoại vi cơ bản dễ dàng

sử dụng

Hình 3 2 ESP32 NodeMCU

Sơ đồ chân

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 các chân đầu vào/đầu ra, các chân này có thể được cấuhình cho nhiều chức năng khác nhau như DAC (chuyển đổi số-tương tự), ADC(chuyển đổi tương tự-số), PWM (điều chế độ rộng xung), UART (giao tiếp nối tiếp),I2C (giao tiếp liên mạch), SPI (giao tiếp ngoại vi nối tiếp) Ngoài các chân GPIO,còn có các chân nguồn, chân nối đất (3V3, 5V, GND) và chân kích hoạt/reset viđiều khiển (EN)

Từ các thông số kỹ thuật trên của ESP32, nhóm tiến hành thiết kế sơ đồnguyên lý cho khối vi điều khiển Hình là sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển sửdụng ESP32

Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển

ESP32 kết nối với 2 động cơ bơm khí nén (motor1, motor2), điều khiển cácvan thông qua mạch mở rộng chân bằng giao tiếp I2C (SCL, SDA), nhận tín hiệu từkhối nút nhấn (ENTER, LEFT, RIGHT, BACK, NEXT) và kết nối với màn hìnhLCD thông qua giao tiếp SPI (MOSI, MISO, RST, CS, DC, SCK)

Tụ điện 100nF có chức năng điều chỉnh thời gian cần thiết cho mạch đạttrạng thái ổn định khi tín hiệu đầu vào thay đổi

Hình 3 5 Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn

Khối nút nhấn được thiết kế có 5 nút nhấn ENTER, NEXT, BACK, RIGHT,LEFT kết nối lần lượt với các chân GPIO36, GPIO32, GPIO35, GPIO34, GPIO39của ESP32

c Khối động cơ

Động cơ bơm hút chân không là thành phần chính trong hệ thống bơm chânkhông, được thiết kế để tạo ra áp suất thấp trong một không gian bằng cách loại bỏkhông khí hoặc các phân tử khác từ không gian đó Trong đề tài, động cơ bơm hútchân không được sử dụng để bơm, hút không khí trong các ống cao su, giúp cho cácngón 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 vàđộng cơ bơm hút chân không hoạt động ở điện áp 5V.

Hình 3 7 Mạch nguyên lý khối động cơ

Transistor được sử dụng để vi điều khiển có thể điều khiển đóng mở động cơ.Theo datasheet dòng điện IC tiêu thụ của động cơ là 0.5A Sau đó, tính toán phâncực dân ở trạng thái bão hoà Để transistor kích bão hoà thì dòng IC phải lớn hơndòng IBmột số lần nhất định, gọi là hệ số khuếch đại dòng điện hFE

Giá trị R17 được tính như sau: R17 =(Vin−VBEsat)IB ↔ R17 = (3.3−0.7)0.5 = 5.2k

Qua tính toán và để dễ dàng trong việc lựa chọn linh kiện, nhóm lựa chọn sửdụng điện trở 4k7 cho R17 và R27 Sử dụng diode chỉnh lưu 1N4007 ngăn khôngcho dòng điện chạy ngược cực nhằm bảo vệ transistor TIP122.

Thiết bị được thiết kế sử dụng 2 động cơ, mỗi động cơ được điều khiển bơm

và xả khí cho một bên găng tay Động cơ được kết nối với chân GPIO14 và GPIO12của ESP32

d Khối van đóng ngắt

Van điện từ DC 6V 2 chiều

Van điện từ 2 chiều là một linh kiện được sử dụng để điều tiết dòng chảy củachất lỏng hoặc khí Khi cấp nguồn cho van, van sẽ đóng hoặc mở, chất lỏng hoặcchất khí sẽ được phân luồng theo hai hướng khác nhau, cho phép điều khiển dòngchảy chính xác theo yêu cầu Hình ảnh thực tế của van điện từ được thể hiện quahình 3.8

Hình 3 8 Van điện từ 2 chiều

Van Điện Từ DC 6V micro 2 Vị Trí 3 Chiều

Van điện từ 2 vị trí 3 chiều là một linh kiện điện tử nhỏ gọn được thiết kế đểđiều khiển dòng chảy của chất lỏng hoặc khí trong hệ thống điều khiển tự động Khicấp nguồn, van này sẽ mở hoặc đóng, giúp kiểm soát hướng của dòng chảy theo 3chiều khác nhau Hình ảnh thực tế của van điện từ được thể hiện qua hình 3.9

Hình 3 9 Van điện từ 3 chiều

Thiết kế khối van đóng ngắt gồm các transistor PNP S8550 kết nối với cácvan điện từ hoạt động ở điện áp 3.3V Transistor được sử dụng như một công tắc để

vi điều khiển có thể điều khiển đóng mở các van điện từ

Hình 3 10 Mạch nguyên lý van đóng ngắt

Theo datasheet dòng điện tiêu thụ IC của van điện từ là 160mA Sau đó, tínhtoán phân cực dân ở trạng thái bão hoà Để transistor kích bão hoà thì dòng IC phảilớn hơn dòng IBmột số lần nhất định, gọi là hệ số khuếch đại dòng điện hFE

Ta có công thức:

Suy ra: IB = Ic

hFE =160mA100 = 1.6mAGiá trị IB này chính bằng dòng đi qua điện trở R17

Giá trị R7 được tính như sau: R7 = (Vin−VBEsat)I

B ↔ R7 = (3.3−0.7)1.6mA = 1.6kQua tính toán, nhóm lựa chọn sử dụng điện trở R7 = 1k Sử dụng diodechỉnh lưu 1N4007 ngăn không cho dòng điện chạy ngược cực nhằm bảo vệ hoạtđộng của transistor S8550

Tính toán tương tự cho các van điện từ khác Các van điện từ được kết nốivới các chân của mạch mở rộng 16 chân IO PCF8575 Đề tài thiết kế sử dụng 14van điện từ để điều khiển dòng khí đến các ống rubber bellows

Hình 3 11 Mạch nguyên lý khối van đóng ngắt

Khối van đóng ngắt 1 được sử dụng để điều khiển tay trái, khối van đóngngắt 2 được sử dụng để điều khiển tay phải Mỗi khối sử dụng 7 van điện từ Trong

đó có 5 van 2 chiều có chức năng điều khiển dòng khí lưu thông vào các ống rubberbellows, 2 van 3 chiều kết nối với đầu xả và đầu hút của động cơ để điều hướngdòng khí vào/ra

Vì số lượng chân ESP32 không đủ để kết nối được hết 14 van điện từ, nêncác van điện từ sẽ được kết nối với mạch mở rộng chân PCF8575 ESP32 điều hiểncác van thông qua mạch mở rộng chân bằng giao tiếp I2C

Hình 3 12 Mạch nguyên lý khối van đóng ngắt

Hoạt động của khối van đóng ngắt được miêu tả như sau:

Trường hợp co tay

Hình 3 13 Hoạt động của các van trong trường hợp co tay

Ở trạng thái chưa kích, các van điện từ điều khiển các ngón tay sẽ mở Van 1

và van 2 sẽ đóng vị trí C, luồng khí sẽ được thông qua ở vị trí A và B Trong trườnghợp co tay, van 1 sẽ đóng vị trí C, luồng khí sẽ đi từ A sang B và đi vào đầu hút củađộng cơ Van 2 sẽ đóng vị trí A, luồng khí sẽ đi từ đầu xả di chuyển theo hướng từ

B đến C thổi đến các ngón tay điều khiển 5 ngón tay co lại

Trường hợp duỗi tay

Hình 3 14 Hoạt động của các van trong trường hợp duỗi tay

Ở trạng thái chưa kích, các van điện từ điều khiển các ngón tay sẽ mở Van 1

và van 2 sẽ đóng vị trí C, luồng khí sẽ được thông qua ở vị trí A và B Trong trườnghợp duỗi tay, van 1 sẽ đóng vị trí A, luồng khí sẽ đi từ C sang B và đi vào đầu hútcủa động cơ, động cơ sẽ hút khí từ các ngón tay điều khiển 5 ngón tay duỗi ra Van

2 sẽ đóng vị trí C, luồng khí sẽ đi từ đầu xả di chuyển theo hướng từ B đến A đi rangoài

Dựa vào hoạt động của các van, mỗi một tay được thiết kế có 7 van, 5 van 2chiều và 2 van 3 chiều Khối van đóng ngắt của toàn hệ thống sẽ bao gồm 14 van

e Khối hiển thị

Khối hiển thị giúp cho người dùng dễ dàng giao tiếp với thiết bị thông quamột màn hình Trên màn hình này sẽ hiển thị lên các thông số luyện tập để ngườidùng quan sát và thực hiện thao tác với thiết bị Vậy lên yêu cầu thiết kế dành chokhối hiển thị mà nhóm đặt ra bao gồm:

- Có khả năng hiển thị đa dạng màu sắc, làm cho thiết bị trở nên thân thiệnvới người dùng hơn

- Kích thước phù hợp với thiết bị, đủ để người dùng có thể quan sát

- Màn hình giao tiếp được kết nối bằng các chuẩn giao tiếp thông dụng