Thiết kế hệ thống phục hồi chức năng cánh tay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG THÁI HẢI ĐẶNG THÁI HẢI KỸ THUẬT Y SINH THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CÁNH TAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH KHÓA 2015B Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG THÁI HẢI THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CÁNH TAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.TRẦN ANH VŨ Hà Nội – Năm 2017 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Chuyên ngành phục hồi chức 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Mục đích 1.1.3 Hình thức 1.1.4 Các kỹ thuật phục hồi chức 10 1.2 Nhu cầu thực tế 10 1.3 Xây dựng đề tài nghiên cứu 11 CHƯƠNG II LÝ THUYẾT GIẢI PHẪU CHI TRÊN 12 2.1 Lý thuyết giải phẫu hệ chi 12 2.1.1 Cơ vùng nách 12 2.1.2 Cơ vùng cánh tay 14 2.1.3 Cơ vùng cẳng tay 15 2.1.4 Các bàn tay 16 2.2 Xương khớp chi 17 2.2.1 Tổng quan 17 2.2.2 Phức hợp khớp vai 17 2.2.3 Phức hợp cánh tay cẳng tay 19 2.2.4 Phức hợp cổ tay bàn tay 23 2.3 Bài tập phục hồi chức 27 2.3.1 Khái niệm chuỗi chuyển động 27 2.3.2 Tập vận động tư nằm – tập vận động thụ động cho chi 28 CHƯƠNG III THIẾT KẾ CƠ KHÍ 34 3.1 Thiết kế khung khí 34 3.1.1 Môi trường làm việc 34 3.1.2 Thiết kế chi tiết 34 3.2 Truyền chuyển động 37 3.2.1 Khái niệm Vitme 37 3.2.2 Đặc điểm 38 3.3 Phân tích vẽ 39 3.4 Thi công thiết bị 40 3.4.1 Vật liệu 40 3.4.2 Chi tiết kích thước giá thành 41 3.5 Kết luận 42 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 43 4.1 Khối nguồn 43 4.2 Động 43 4.2.1 Động bước 43 4.2.2 Lựa chọn động 46 4.2 Khối điều khiển 48 4.2.1 Vi điều khiển Atmega8 48 4.3 Khối hiển thị 56 4.4 Thiết kế mạch nguyên lý 59 4.5 Thiết kế phần mềm 61 4.6 Thiết kế mạch in 63 4.7 Lắp đặt kiểm thử 65 4.8 Khả ứng dụng phát triển luận văn 66 4.9 Kết luận 66 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình : Các vùng nách 12 Hình 2: Cơ vùng cánh tay 14 Hình 3: Cơ vùng cẳng tay 15 Hình 4: Xương chi 17 Hình 5: Tầm vận động khuỷu 20 Hình 6: Góc mang 20 Hình 7: Tầm vận động khớp khuỷu tay 21 Hình 8: Ví dụ vặn chặt ốc 21 Hình 9: Gấp cánh tay 22 Hình 10: Phân tích trạng thái cánh tay 22 Hình 11: Duỗi cánh tay 22 Hình 12: Xương cổ tay bàn tay 23 Hình 13: Khớp cổ tay 24 Hình 14: Tầm vận động cổ tay 24 Hình 15: Hoạt động cổ - bàn tay 26 Hình 16: Hoạt động ngón 26 Hình 17: Tập gấp 28 Hình 18: Tập dạng khép 29 Hình 19: Tập xoay 29 Hình 20: Tập động tác nâng duỗi khớp vai 30 Hình 21: Tập vận động khớp khuỷu 30 Hình 22: Tập sấp ngửa cẳng tay 31 Hình 23: Tập vận động khớp cổ tay 31 Hình 24: Tập nghiêng trụ nghiêng quay 31 Hình 25: Tập gấp duỗi 32 Hình 26: Tập dạng khép 32 Hình 27: Tập gấp duỗi khớp ngón 33 Hình 28: Tập đối chiếu ngón với ngón khác 33 Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 1: Ý tưởng ban đầ u 35 2: Hoàn thiện ý tưởng đợt 35 3: Hoàn thiê ̣n ý tưởng ̣t 36 4: Hiǹ h ảnh sản phẩ m mẫu (chưa có phầ n vỏ): 36 5: Hình ảnh thực tế 37 6: Cơ cấu vitme 37 7: Nguyên lý hoạt động vitme 38 8: Phân tích vẽ 39 Hình : Sơ đồ khối mạch điều khiển 43 Hình : Sơ đồ điều khiển động bước 44 Hình : Chuyển động góc 45 Hình 4 : Điều khiển động bước 45 Hình 5: Động bước sử dụng 46 Hình 6: Sơ đồ chân VĐK Atmega 48 Hình : Cấu trúc VĐK Atmega8 49 Hình 8: Các chức ghi 52 Hình 9: Module A4988 53 Hình 10: Sơ đồ mạch Module A4988 54 Hình 11:Sơ đồ điều khiển Module A4988 55 Hình 12: Thơng số nhiệt độ Module A4988 56 Hình 13: Màn hình điều khiển 56 Hình 14: Sơ đồ nguyên lý 60 Hình 15: Lưu đồ thuật toán điều khiển động 62 Hình 16: Sơ đồ mạch in 63 Hình 17: Mạch thực tế 64 Hình 18 : Thiết kế Panel 64 Hình 19: Góc hoạt động hiệu 65 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1: Chi tiết giá thành 42 Bảng 2: Thông số kỹ thuật động 47 Bảng 3: Thông số kỹ thuật Module A4988 55 Bảng 4: Đặc tính làm việc LCD 16x2 57 Bảng 5: Bảng chức chân LCD 58 Bảng 6: Thanh ghi chức 59 LỜI NÓI ĐẦU Hiện Việt Nam, số lượng người bị chấn thương vận động nhiều cịn có xu hướng tăng lên, nguyên nhân chủ yếu tai nạn giao thông, tai nạn lao động, chấn thương tập thể thao Khi bị tai nạn bệnh nhân thường suy giảm khả hoạt động quan, phận thể, trường hợp xấu trở thành người tàn tật, tàn phế Để giúp người bệnh hồi phục hoạt động quan bị chấn thương, từ họ trở lại sinh hoạt, làm việc cách bình thường khơng thể thiếu hoạt động phục hồi chức Chuyên ngành phục hồi chức hình thành phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu phục hồi chức cho người khuyết tật Hoạt động phục hồi chức giúp người bệnh hồi phục nhanh hơn, hiệu Hiện Việt Nam , việc sử dụng thiết bị phục hồi chức hạn chế, hầu hết sử dụng nhân viên điều dưỡng, điều làm lãng phí nhiều nhân lực thời gian họ Dù biết có thiết bị phục hồi chức giúp tiết kiệm nhiều thời gian công sức, nhân lực nhiên thiết bị ta thường phải nhập từ nước ngồi với chi phí vơ đắt đỏ, điều rào cản lớn bệnh viện tư nhân nhà nước Trước thực tế đó, tơi muốn nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị phục hồi chức cho cánh tay với đầy đủ tính năng, hồn tồn thay nhân viên điều dưỡng mà lại có giá thành rẻ so với sản phẩm nước Để có thành này, tơi xin cảm ơn hướng dẫn bảo tận tình thầy Trần Anh Vũ Thầy cung cấp cho em tài liệu, kiến thức quan trọng suốt trình LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, tất số liệu kết nghiên cứu luận văn nghiên cứu, số liệu hồn tồn trung thực, khơng trùng lặp với đề tài khác chưa sử dụng để bảo vệ luận văn Tôi xin cam đoan thơng tin, số liệu trích dẫn luận văn xác rõ nguồn gốc, giúp đỡ, tạo điều kiện cho việc thực luận văn cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2017 Tác giả luận văn KS Đặng Thái Hải CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Chuyên ngành phục hồi chức Trước nhiều thầy thuốc trọng đến phòng - chữa bệnh mà khơng trọng đến tình trạng bệnh sau chữa bệnh, ngày người ta thường nói đến ngành góp phần cải thiện tình trạng sức khỏe sau chữa bệnh Phục Hồi Chức Năng (PHCN) PHCN ngành xây dựng sở y học đại cổ điển, trải qua thời gian nghiên cứu, ứng dụng phát triển, PHCN chứng minh đóng góp to lớn y học nói chung 1.1.1 Khái niệm Tổ chức Y tế Thế giới đưa khái niệm đầy đủ PHCN sau: chuyên ngành y học, nghiên cứu áp dụng biện pháp y học, kỹ thuật phục hồi, giáo dục học, xã hội học… nhằm làm cho người tàn tật thực tối đa chức bị giảm khiếm khuyết giảm khả gây nên, giúp cho người tàn tật sống độc lập tối đa, hòa nhập tái hòa nhập xã hội, có hội bình đẳng tham gia vào hoạt động xã hội Nói cách dễ hiểu phục hồi chức trả lại chức bị giảm bị cho người tàn tật giúp họ xử trí tốt với tình trạng tàn tật nhà cộng đồng Phục hồi chức không huấn luyện người tàn tật thích nghi với mơi trường sống mà cịn tác động vào mơi trường xã hội tạo nên khối thống cho trình hội nhập người tàn tật 1.1.2 Mục đích PHCN cách dễ hiểu Phục hồi chức trả lại chức bị giảm bị cho người tàn tật giúp họ xử trí tốt với tình trạng tàn tật nhà cộng đồng Phục hồi chức khơng huấn luyện người tàn tật thích nghi với mơi trường sống mà cịn tác động vào mơi trường xã hội tạo nên khối thống cho trình hội nhập người tàn tật gồm: Cải thiện trao đổi chất chung     Phịng ngừa cứng khớp Thúc đẩy q trình tái tạo chữa bệnh sụn dây chằng bị hư hỏng Nhanh tụ máu / dịch tái hấp thu Cải thiện bạch huyết tuần hoàn máu Tên Module A4988 Số chân I/O 16 Điện áp hoạt động 3.3-5V Điện áp điều khiển 8-35V Các chế độ điều khiển full, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 step Kích thước 15(W) x 20(L) x 2(H) mm Kích thước chân 0.1 inch Bảng 3: Thông số kỹ thuật Module A4988 Sơ đồ điều khiển Hình 11:Sơ đồ điều khiển Module A4988 Chân VMOT GND cạnh chân cấp điện áp điều khiển ( nguồn ) Các chân 1A, 1B, 2A, 2B chân tín hiệu để điều khiển động bước Các chân VDD GND cạnh chân cấp điện áp hoạt động ( 3.3-5V) Chân Reset nối với Sleep Chân STEP DIR nối với vđk 55 Module A4988 điều khiển động bước lớn, hoạt động thường bị nóng, thường phải gắn thêm tản nhiệt nhôm Thông số nhiệt độ module Hình 12: Thơng số nhiệt độ Module A4988 4.3 Khối hiển thị LCD 16x2 Hình 13: Màn hình điều khiển 56 Đặc tính điện làm việc điển hình: (Đo điều kiện hoạt động Vcc = 4.5V đến 5.5V, T = -30 đến +75C) Chân cấp nguồn Vcc-GND 2.7V đến 5.5V Điện áp vào mức cao VIH 2.2V đến Vcc Điện áp vào mức thấp VIL -0.3V đến 0.6V Điện áp mức cao (DB0-DB7) Min 2.4V Điện áp mức thấp (DB0-DB7) Max 0.4V (khi IOL = 1.2mA) Dòng điện ngõ vào (input leakage current) ILI -1uA đến 1uA Vcc) Dòng điện cấp nguồn ICC 350uA(typ.) đến 600uA Tần số dao động nội fOSC 190kHz đến 350kHz (điển hình 270kHz) (khi IOH = -0.205mA) (khi VIN = đến Bảng 4: Đặc tính làm việc LCD 16x2 Chức Chân Ký hiệu Mô tả VSS Chân nối đất cho LCD, thiết kế mạch ta nối chân với GND mạch điều khiển VDD Chân cấp nguồn cho LCD, thiết kế mạch ta nối chân với VCC=5V mạch điều khiển VEE Điều chỉnh độ tương phản LCD RS Chân chọn ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) logic “1” (VCC) để chọn ghi + Logic “0”: Bus DB0-DB7 nối với ghi lệnh IR LCD (ở chế độ “ghi” - write) nối với đếm địa LCD (ở 57 chế độ “đọc” - read) + Logic “1”: Bus DB0-DB7 nối với ghi liệu DR bên LCD R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động chế độ ghi, nối với logic “1” để LCD chế độ đọc E Chân cho phép (Enable) Sau tín hiệu đặt lên bus DB0-DB7, lệnh chấp nhận có xung cho phép chân E + Ở chế độ ghi: Dữ liệu bus LCD chuyển vào(chấp nhận) ghi bên phát xung (high-to-low transition) tín hiệu chân E + Ở chế độ đọc: Dữ liệu LCD xuất DB0-DB7 phát cạnh lên (low-to-high transition) chân E LCD giữ bus đến chân E xuống mức thấp - 14 DB0 DB7 Tám đường bus liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có chế độ sử dụng đường bus : + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường, với bit MSB bit DB7 + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường từ DB4 tới DB7, bit MSB DB7 15,16 - Nguồn dương cho đèn (15) GND cho đèn (16) Bảng 5: Bảng chức chân LCD 58 Thanh ghi chức - Thanh ghi IR : Để điều khiển LCD, người dùng phải “ra lệnh” thông qua tám đường bus DB0-DB7 Mỗi lệnh nhà sản xuất LCD đánh địa rõ ràng Người dùng việc cung cấp địa lệnh cách nạp vào ghi IR Nghĩa là, ta nạp vào ghi IR chuỗi bit, chíp HD44780 tra bảng mã lệnh địa mà IR cung cấp thực lệnh - Thanh ghi DR : Thanh ghi DR dùng để chứa liệu bit để ghi vào vùng RAM DDRAM CGRAM (ở chế độ ghi) dùng để chứa liệu từ vùng RAM gởi cho MPU (ở chế độ đọc) Nghĩa là, MPU ghi thơng tin vào DR, mạch nội bên chíp tự động ghi thông tin vào DDRAM CGRAM Hoặc thông tin địa ghi vào IR, liệu địa vùng RAM nội HD44780 chuyển DR để truyền cho MPU => Bằng cách điều khiển chân RS R/W chuyển qua lại giữ ghi giao tiếp với MPU Bảng sau tóm tắt lại thiết lập hai chân RS R/W theo mục đích giao tiếp RS R/W Chức 0 Ghi vào ghi IR để lệnh cho LCD Đọc cờ bận DB7 giá trị đếm địa DB0-DB6 Ghi vào ghi DR 1 Đọc liệu từ DR Bảng 6: Thanh ghi chức 4.4 Thiết kế mạch nguyên lý Mạch nguyên lý xây dựng phần mềm Proteus Sơ đồ nguyên lý dựa theo sơ đồ khối : 59 Hình 14: Sơ đồ nguyên lý Khối nguồn : Từ nguồn 12VDC cấp vào, qua IC ổn áp L7805 tụ lọc cho điện áp 5VDC cấp cho VĐK, module A4988 LCD Ngoài ra, nguồn 12VDC nối trực tiếp vào cặp chân VMOT-GND Module A4988 tìm hiều Module phần trước Vi điều khiển Atmega8 có nhiệm vụ cấp tín hiệu điều khiển qua Module A4988 để điều khiển hoạt động động bước, thông qua việc giao tiếp với nút bấm để cài đặt chế độ Tất công đoạn hiển thị lên LCD nhờ vào giao tiếp LCD với VĐK 60 4.5 Thiết kế phần mềm Mạch điều khiển luận văn sử dụng VĐK Atmega8 Để lập trình cho chip theo ý muốn ta cần có mơi trường lập trình thuật tốn điều khiển 4.5.1 Phần mềm CodeVision AVR Giới thiệu tổng quan CodevisionAVR trình biên dịch C, mơi trường phát triển tích hợp tạo chương trình tự động thiết kế cho họ vi điều khiển AVR Atmel Chương trình chạy hệ điều hành 2000, XP, Vista Windows 32/64 bit 4.5.2 Thuật toán điều khiển 61 Hình 15: Lưu đồ thuật tốn điều khiển động Ta lập trình cài đặt, điều khiển theo lưu đồ thuật toán 62 4.6 Thiết kế mạch in Ta sử dụng phần mềm Proteus ARES để thiết kế mạch in Hình 16: Sơ đồ mạch in Mạch sau hoàn thiện phương pháp làm mạch thủ cơng: chỗ để tìm ảnh chụp mạch dán vào sau 63 Hình 17: Mạch thực tế Panel điều khiển thiết kế phần mềm Solidworks, quy trình thiết kế đề cập phần trước Mạch điều khiển lồng ghép vào panel Hình 18 : Thiết kế Panel 64 4.7 Lắp đặt kiểm thử Trong trình lắp đặt kiểm thử, sản phẩm hoạt động tương đối tốt Tuy nhiên tồn số vấn đề cần phải khắc phục - Kích thước chi tiết thiết bị: Chiều dài: 440 mm Chiều rộng: 140 mm Chiều cao: 120 mm Khối lượng: 1.35 kg Độ dài tối thiểu tối đa đỡ tay: - Góc hoạt động hiệu quả: Hình 19: Góc hoạt động hiệu Góc hoạt động hiệu xác định thực nghiệm từ 21° đến xấp xỉ 90° Tốc độ động khoảng 90 rpm 65 Độ dài hành trình đo 12.7 cm Độ dịch chuyển/ vòng quay: 0.3 cm/vòng 4.8 Khả ứng dụng phát triển luận văn Trong q trình kiểm thử tơi nhận thấy số vấn đề tồn sau đây: - Mạch điều khiển cịn chức - Máy chạy chưa trơn chu, không êm - Nguồn điện cắm trực tiếp giảm tính động sản phẩm - Khung kim loại vững làm tăng đáng kể khối lượng sản phẩm Các cải tiến tương lai: - Cải thiện mạch điều khiển, thêm số chức hình LCD hiển thị - Tăng chất lượng thành phần khí đặc biệt vít me - Thay số thành phần đế, khung vật liệu an toàn, nhẹ đủ khả chịu lực - Nghiên cứu dùng pin làm nguồn cấp Để áp dụng vào thực tiễn đề tài cần thêm thời gian hỗ trợ kinh phí chất xám 4.9 Kết luận Qua chương ta chạy thử thành công thiết bị Một số phương án đưa để thiết bị ngày hoàn thiện 66 KẾT LUẬN Trong luận văn này, tơi trình bày tồn thiết kế thiết bị phục hồi chức cánh tay, chuyển động linh hoạt theo cử động gập duỗi tay người Tôi đánh giá đề tài mới, có nhiều vấn đề tơi chưa có kinh nghiệm Tuy nhiên tơi làm việc nghiêm túc mặt cảm thấy hài lịng với làm Với lực hạn chế kinh phí chưa cho phép nên thiết bị chưa thực hoàn thiện, mạch điều khiển tùy chọn chế độ chưa tối ưu Tôi mong muốn vấn đề nghiên cứu sâu kĩ để có sản phẩm hồn chỉnh phục vụ hoạt động phục hồi chức Đề tài chế tạo thiết bị phục hồi chức thiết thực Tuy nhiên so với yêu cầu thực tế đề tài khả phát triển tơi làm không lớn Tuy hi vọng giúp ích cho người muốn tìm hiểu phát triển thêm đề tài Mặc dù kiến thức giới hạn sẵn lòng trao đổi thêm với bạn quan tâm Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn TS Trần Anh Vũ tận tình giúp đỡ tơi hồn thành luận văn 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Donnan GA, Fisher M, Macleod M, Davis SM Stroke.The Lancet 2008;371:1612– 23 [2] Annual Report 2009 Stroke Foundation of New Zealand Inc., 2010 [3] Teasell RW, Kalra L What’s new in stroke rehabilitation Stroke 2004;35: 383–5 [4] Huang VS, Krakauer JW Robotic neurorehabilitation: a computational motor learning perspective Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation 2009:6 [5] Hogan N, Krebs HI, Charnnarong J, Srikrishna P, Sharon A MIT-MANUS: a workstation for manual therapy and training I In: IEEE international workshop on robot and human communication 1992 p 161–5 [6] Krebs HI, Palazzolo JJ, Dipietro L, Ferraro M, Krol J, Rannekleiv K, et al Rehabilitation robotics: performance-based progressive robot-assisted therapy Autonomous Robots 2003;15:7–20 [7] Burgar CG, Lum PS, Shor PC, Van Der Loos HFM Development of robots for rehabilitation therapy: the Palo Alto VA/Stanford experience Journal of Rehabilitation Research and Development 2000;37:663–73 [8] Loureiro R, Amirabdollahian F, Topping M, Driessen B, Harwin W Upper limb robot mediated stroke therapy—GENTLE/s approach Autonomous Robots 2003;15:35–51 [9] L Diller Post-stroke rehabilitation practice guidelines International handbook of neuropsychological rehabilitation Critical issues in neurorehabilitation New York: Plenum, pages 167-82, 2000 [10] J.H van der Lee, R.C Wagenaar, G.J Lankhorst, T.W Vogelaar, W.L Deville, and L.M Bouter Forced Use of the Upper Extremity in Chronic Stroke Patients Results From a Single-Blind Randomized Clinical Trial, 1999 [11] S Barreca, S.L Wolf, S Fasoli, and R Bohannon Treatment Interventions for the Paretic Upper Limb of Stroke Survivors: A Critical Review Neurorehabilitation and Neural Repair, 17(4):220-226, 2003 68 [12] H.M Feys, W.J De Weerdt, B.E Selz, G.A Cox Steck, R Spichiger, L.E Vereeck, K.D Putman, and G.A Van Hoydonck Effect of a Therapeutic Intervention for the Hemiplegic Upper Limb in the Acute Phase After Stroke A Single-Blind, Randomized, Controlled Multicenter Trial, 1998 69 ... xương cánh tay chỗ yếu tố gắn kết quan trọng nhiều chuyển động khớp vai 13 2.1.2 Cơ vùng cánh tay Hình 2: Cơ vùng cánh tay Cơ nhị đầu cánh tay Cơ vai Cơ delta Cơ quạ cánh tay Cơ tam đầu cánh tay. .. Phục hồi chức Một phần cịn thiếu thơng tin cần thiết Việc sử dụng thiết bị phục hồi chức bệnh viện cịn ít, giới có nhiều loại máy phục hồi chức với nhiều kiểu dáng chủng loại khác Ta kể đến thiết. .. triển nhằm đáp ứng nhu cầu phục hồi chức cho người khuyết tật Hoạt động phục hồi chức giúp người bệnh hồi phục nhanh hơn, hiệu Hiện Việt Nam , việc sử dụng thiết bị phục hồi chức hạn chế, hầu hết