Hệ thống đề xuất

Sau khi khảo sát, nghiên cứu những ưu nhược điểm các phương pháp đo, các thiết bị đã nêu ở trên, để xác định đánh giá trọng tâm cơ thể, tôi đề xuất: Thiết kế hệ thống đánh giá trọng tâm cơ thể thông qua việc xây dựng một hệ thống cân đứng để xác định điểm rơi trọng tâm cơ thể.

Ý tưởng đặt ra là sử dụng sự phân bố khối lượng cơ thể khi đứng trên một mặt phẳng nhằm xác định điểm rơi trọng tâm cơ thể. Hệ thống đo trọng tâm cơ thể người bao gồm phần cứng và phần mềm.

Quá trình thực hiện gồm có các phần sau:

- Khảo sát các thiết bị có sẵn trên thị trường, các phương pháp đánh giá thăng bằng cơ thể của thiết bị.

- Phân tích yêu cầu và lựa chọn giải pháp xây dựng phần cứng của thiết bị - Phân tích thiết kế phần cứng và kết nối phần mềm ứng dụng.

- Xây dựng sản phẩm hoàn chỉnh. - Thử nghiệm thiết bị tại Bệnh viện

- Đánh giá quá trình Bác sĩ điều trị cho bệnh nhân thông qua các số liệu thu được và theo dõi từ thiết bị.

- Thu thập số liệu từ người bình thường và người có vấn đề về rối loạn thăng bằng, dùng các phương pháp đánh giá để phân loại.

2.3 Thiết kế phần cứng

Phần cứng được thiết kế bởi các thành viên khác trong nhóm nghiên cứu của chúng tôi. Sử dụng để thu thập dữ liệu tọa độ điểm rơi của trọng tâm, được thể hiện cụ thể dưới đây:

2.3.1Ý tưởng thiết kế

Phần cứng là một thiết bị sử dụng 4 cảm biến trọng lượng và vi điều khiển arduino dùng để thu nhận sự phân bố khối lượng của cơ thể theo 4 vị trí. Phần cứng của thiết bị bao gồm 2 phần là bàn cân và bảng điều khiển. Bàn cân là hệ thống bao gồm phần mặt cân bằng MICA dày 2cm có kích thước 400*500 (mm), phía dưới gắn 4 cảm biến trọng lượng - loadcell cùng với hộp mạch chính. Hộp mạch chính bao gồm bo mạch Arduino Mega cùng với các module như Bluetooth, MicroSDcard và các module khuếch đại HX711 nối với loadcell. Bảng điều khiển bao gồm màn hình LCD 16x2 để hiển thị trạng thái của thiết bị, 1 module thời gian thực RTC cùng với một ma trận bàn phím 4x4 để nhập số và thực hiện các thao tác điều khiển thiết bị.

2.3.2Phương pháp

Thiết bị này được thiết kế dựa trên phương pháp phân tích tư thế chuyển động (postural sway analysis method)[17]. Phân tích tư thế chuyển động là một phương pháp dựa trên sự phân bố lực theo bốn hướng của cơ thể người khi họ nhắm mắt và đứng trên một tấm ván hình chữ nhật hoặc hình vuông. Khi đứng trên ván có 2 tư thế: hai chân mở rộng bằng vai và khép chân lại. Mỗi tư thế sẽ có một trạng thái và mức độ thăng bằng khác nhau. Phương pháp này thu thập dữ liệu về khối lượng mà cơ thể con người phân bổ qua 4 cảm biến lực ở 2 tư thế

đứng. Dựa trên dữ liệu thu được từ các cảm biến lực, quỹ đạo điểm rơi của trọng tâm cơ thể người sẽ được xác định và vẽ ra trên màn hình. Khi nhìn vào quỹ đạo đó, các bác sĩ sẽ đánh giá được mức độ thăng bằng của bệnh nhân.

Hình 2.3 Sơ đồ phương pháp phân tích điểm rơi trọng tâm cơ thể

x = ((F4 + F3) – (F2 + F1)) * d1/ Tổng (2-1) y = ((F2 + F4) – (F1 + F3)) * d2/Tổng (2-2) Tổng = F1 + F2 + F3 + F4 (2-3)

Trong đó: F1, F2, F3, F4 là các lực được thu thập từ các cảm biến x, y là tọa độ của các điểm quỹ đạo của trung tâm áp lực.

2.3.3 Sơ đồ khối

Hệ thống gồm thiết bị đo (phần cứng) để thu thập dữ liệu và một phần mềm trên máy tính để lưu và xử lý dữ liệu. Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống (Hình 2.4)

Hình 2.4 Sơ đồ khối của thiết bị phần cứng

Thiết bị có 6 khối chính và 2 khối thuộc bảng điều khiển. Khối nguồn (source) cung cấp nguồn 5V cho tất cả các thành phần của phần cứng. 4 cảm biến lực (loadcells) chuyển đổi chênh lệch lực để thay đổi điện áp và tạo ra tín hiệu tương tự cho đầu vào của Hx711. Hx711 khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu đó thành tín hiệu kỹ thuật số 24-bit. Tín hiệu được nhận bởi khối Arduino. Hơn nữa, Arduino điều khiển Bluetooth và Hx711, thu thập dữ liệu và gửi chúng đến khối máy tính. Khối Bluetooth giúp chuyển dữ liệu từ Arduino sang cổng Bluetooth của khối máy tính (ứng dụng). Khối “module RTC” dùng để đo thời gian thực. Khi không có máy tính, một bàn phím gắn trên thiết bị có thể được sử dụng để chèn thông tin của bệnh nhân (dưới dạng ID), để thiết bị vẫn có thể hoạt động riêng lẻ, không phụ thuộc máy tính. Trạng thái của cân có thể được hiển thị bằng khối LCD và dữ liệu có thể được lưu trữ bằng bộ nhớ MicroSD trong khối thẻ SD (SD card).

2.3.4Thiết kế cơ khí

Để thiết bị thiết kế được đơn giản và dễ sử dụng, các phần thiết kế được thể hiện như trong Hình 2.4.

Một tấm Mica dày 2 cm đã được sử dụng làm vật liệu để làm bề mặt của thang đo vì nó nhẹ hơn gỗ cùng kích thước và một tấm mica mỏng làm đế. Bốn đế được làm từ nhựa và hình tròn, chúng có chứa loadcell để bảo vệ nó. Một hộp nhựa nhỏ cũng được đặt ở cùng một phía của đế để chứa tất cả các thành phần của mạch.

Hình 2.5 Thiết kế cơ khí của thiết bị

27 Tấm mica: được chọn làm nguyên liệu để thiết kế mặt phẳng cân bởi vì nó cứng, nhẹ, chịu nước và có giá thành phải chăng. Mica 2mm được chọn bởi vì nó khó bị biến dạng bởi lực.

Hình 2.7 Mô hình hộp tấm Mica sau khi cắt ghép các tấm

Kích thước: để phù hợp với tư thế đứng của người khi đứng chân rộng bằng vai, một mặt cân đã được thiết kế với kích thước 40*50cm.

Vị trí đặt cảm biến lực: Các cảm biến lực được đặt đối xứng trên 2 cạnh của cân và được đặt ngay dưới vị trí đặt chân khi 2 chân đứng rộng bằng vai.

Hộp mạch chính: được đặt ở giữa mặt dưới của cân để khoảng cách từ hộp mạch đến mỗi cảm biến lực là như nhau.

Ngoài ra tấm Mica còn có tên gọi khác là Acrylic, là một vật liệu quen thuộc được sử dụng rộng rãi trong ngành quảng cáo. Là loại nhựa dẻo, màu sắc đa dạng, bề mặt trơn bóng, phẳng…

Hình 2.8 Hình minh họa tấm Mica gồm nhiều chủng loại màu sắc

Tấm nhựa mica thường được so sánh với thủy tinh (kính). Nó có tỉ trọng chỉ bằng 1/2 so với thủy tinh, và cho khoảng 98% ánh sáng xuyên qua nó (đối với mica trong suốt có độ dày 3mm). Mica bị đốt cháy ở 460°C (860 °F). Tấm nhựa mica mềm hơn và dễ bị trầy xước hơn so với kính, nên các nhà sản xuất phải phủ thêm một lớp chống xước vào tấm PMMA. Tuy tấm nhựa mica dễ bị trầy xước nhưng nó thường không vỡ ra như thuỷ tinh. Thay vào đó, mica bị nứt thành nhiều miếng lớn khi bị va đập lực mạnh. Mặc dù được coi là bền hơn so với thủy tinh, nhưng nó không thể chịu được áp lực mạnh lên bề mặt của nó – vì vậy sẽ bị một chút va chạm (trầy xướt). Về giá thành giá của mica ở mức trung bình so với kính khoảng 500 nghìn/ 1m2 đối với loại mica có độ dày 5mm. Hiện tại trên thị trường hiện nay nhu cầu sử dụng mica rất nhiều, đây là loại vật liệu quen thuộc trong ngành quảng cáo. Tấm mica trên thị trường hiện nay có 3 loại là:

Tiêu chí Mica (Trung quốc) Mica (Đài Loan) Mica (Nhật Bản) Ưu điểm - Giá thành rẻ. - Có màu trong suốt,

chất lượng vượt trội so với mica Trung Quốc.

- Nó có khả năng chịu

- Có tính chất và ưu điểm tương đương mica Đài Loan.

- mica Nhật có ưu điểm vượt trội là có

29 Tiêu chí Mica (Trung quốc) Mica (Đài Loan) Mica (Nhật Bản) lực, chịu nhiệt tốt, không bị ố vàng do thời tiết đảm bảo tính thẩm mỹ của sản phẩm.

thêm tính năng kháng tia UV cao

- Có độ bền cao hơn.

Nhược điểm - Mica Trung Quốc có khả năng chịu nhiệt kém, dễ rạn nứt, tuổi thọ thấp, độ bền kém, dễ bị biến đổi màu sắc khi tiếp xúc với ánh sáng.

- Giá thành cao.

Ứng dụng

thực tế

- Do dễ rạn nứt vì thế loại mica Trung Quốc rất khó gia công làm bóng chỉ cần một tác động nhẹ đã bị ảnh hưởng. - Sử dụng rộng rãi và phổ biến trên thị trường. - Sử dụng rộng rãi và phổ biến trên thị trường.

Bảng 2.2 Bảng tóm lược khảo sát các loại mica hiện có trên thị trường

Với tất cả những ưu điểm trên thì khi đem so sánh mica, kính.. thì mica Đài Loan là hoàn toàn chiếm ưu thế và hoàn toàn phù hợp đối với thiết kế này.

Để đảm bảo tiếp xúc lực giữa loadcell và khung cân đứng được thẳng đứng và không bị lệch khi có tác động lực của người đứng lên cân, phương pháp được sử dụng là dùng những đầu bịt ống nhựaϕ48 gắn ở bốn đầu của chân khung cân. Nút bịt nhựa này có kích thước vừa với kích thước vỏ của loadcell nên việc gắn loadcell vào hoàn toàn dễ dàng và không lo bị lệch làm hỏng loadcell.

Hình 2.9 Hình ảnh hệ thống sau khi hoàn thành

Thiết kế hệ thống thu nhận dữ liệu

Yêu cầu thiết kế phần mềm