Nghiên cứu & phát triển Robot gội đầu, massage đầu ứng dụng tia nước

Báo cáo đề tài NCKH phát triển robot gội đầu, massage đầu ứng dụng công nghệ tia nước. Nội dung gồm thiết kế cơ khí, động học và hệ thống điều khiển.

• Tác giả: Nguyễn Trần Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên cứu và phát triển robot gội đầu và massage đầu ứng dụng tia nước
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot Gội Đầu và Massage Đầu Ứng Dụng Tia Nước

Robot gội đầu và massage đầu là một công nghệ y tế hiện đại kết hợp giữa kỹ thuật cơ điện tử và y học cổ truyền Việt Nam. Đây là một giải pháp đổi mới trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, đặc biệt hữu ích cho những bệnh nhân không thể tự di chuyển hoặc cần các dịch vụ vệ sinh và trị liệu chuyên biệt. Robot massage đầu sử dụng lực tia nước để tác động lên các vùng đầu, thay vì sử dụng các bộ phận cơ khí truyền thống. Công nghệ này được phát triển dựa trên nguyên lý thủy trị liệu Douche Charcot và các điểm huyệt truyền thống, giúp mang lại hiệu quả trị liệu tối ưu cho người sử dụng.

1.1. Khái niệm và Nguyên lý Hoạt động

Robot gội đầu tia nước hoạt động dựa trên nguyên lý tác động của tia nước có áp lực điều khiển được. Hệ thống 3DOF (3 bậc tự do) cho phép tia nước chạm tới bất kỳ điểm nào trên vùng đầu. Áp lực nước có thể điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với nhu cầu của từng bệnh nhân. Lực tia nước được tạo ra đủ mạnh để thực hiện massage đầu hiệu quả đồng thời vẫn đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

1.2. Ứng dụng Thực tiễn trong Y Tế

Trong môi trường bệnh viện, robot massage đầu có thể thay thế một phần nguồn nhân lực trong việc vệ sinh vùng đầu cho bệnh nhân. Đây là giải pháp đặc biệt hữu ích cho các bệnh nhân nằm liệt, sau phẫu thuật hoặc có nhu cầu chăm sóc lâu dài. Công nghệ này không chỉ tiết kiệm chi phí nhân lực mà còn nâng cao chất lượng dịch vụ y tế.

II. Cơ Sở Khoa Học của Gội Đầu và Massage Đầu

Gội đầu và massage đầu không chỉ là các phương pháp vệ sinh mà còn là liệu pháp trị bệnh dựa trên nền tảng y học cổ truyền Việt Nam. Các nghiên cứu cho thấy việc massage các điểm huyệt trên đầu có tác dụng cải thiện lưu thông máu, giảm căng thẳng và đau đầu. Thủy trị liệu Douche Charcot là phương pháp sử dụng tia nước có áp lực cao để kích thích da và cơ, từ đó mang lại hiệu quả chữa trị. Theo y học cổ truyền, đầu là nơi tập trung nhiều huyệt đạo quan trọng điều khiển các chức năng của toàn thân. Vì vậy, massage đầu đúng cách có thể giúp cân bằng khí huyết, tăng cường miễn dịch và cải thiện tình trạng sức khỏe tổng thể.

2.1. Lợi ích của Gội Đầu

Gội đầu giúp làm sạch da đầu, loại bỏ bụi bẩn và các chất bẩn tích tụ. Quá trình này kích thích tuần hoàn máu ở vùng đầu, nuôi dưỡng tóc và da đầu. Đối với bệnh nhân nằm liệt, gội đầu giúp duy trì vệ sinh cá nhân tốt và tránh các bệnh nhiễm trùng da đầu. Robot gội đầu đảm bảo quá trình này được thực hiện một cách nhất quán và an toàn.

2.2. Tác dụng của Massage Các Điểm Huyệt Đầu

Massage đầu theo huyệt đạo cổ truyền có tác dụng điều chỉnh khí huyết, giảm đau đầu, mất ngủ và căng thẳng. Các điểm huyệt như Bách Hội, Thái Dương, Phong Trạm khi được massage sẽ kích thích hệ thần kinh, cải thiện tuần hoàn. Robot massage đầu tia nước có khả năng định vị chính xác các điểm huyệt này, mang lại hiệu quả trị liệu tối ưu.

III. Thiết Kế Kỹ Thuật của Robot Gội Đầu và Massage Đầu

Robot gội đầu tia nước được thiết kế với cấu trúc cơ khí tinh vi bao gồm hệ thống truyền động, điều khiển điện tử và cảm biến thông minh. Hệ thống 3 bậc tự do (3DOF) cho phép cánh tay robot di chuyển linh hoạt trong không gian 3D để tới được tất cả các vùng trên đầu. Máy bơm nước cung cấp lưu lượng và áp suất điều khiển được, tạo ra tia nước với lực phù hợp cho massage đầu hiệu quả. Hệ thống điều khiển sử dụng các cảm biến lưu lượng nước và encoder vị trí để đảm bảo độ chính xác trong quá trình hoạt động. Thiết kế này kết hợp giữa an toàn, hiệu quả và tính nhân văn trong chăm sóc bệnh nhân.

3.1. Cấu Trúc Cánh Tay Robot và Hệ Thống Truyền Động

Cánh tay robot gội đầu được thiết kế với 3 khớp quay, cho phép chuyển động mượt mà và chính xác. Mỗi khớp được truyền động bởi động cơ DC được điều khiển tốc độ. Hệ thống truyền sử dụng bộ số, xích và bánh răng để biến đổi chuyển động từ động cơ thành chuyển động tuyến tính và quay của cánh tay. Các tính toán lực và điều kiện bền đảm bảo robot có thể hoạt động an toàn dưới tải trọng của bộ phận phun nước và lực tác động.

3.2. Hệ Thống Điều Khiển và Cảm Biến

Bộ điều khiển chính của robot sử dụng vi điều khiển PLC để xử lý logic và điều phối các hành động. Cảm biến encoder được lắp trên các khớp robot để phản hồi vị trí chính xác. Cảm biến lưu lượng nước giám sát áp suất và lưu lượng tia nước. Van điều khiển tuyến tính điều chỉnh áp suất nước linh hoạt. Hệ thống giao tiếp SPI và UART kết nối các thành phần lại với nhau, tạo thành một hệ thống điều khiển tổng hợp đáng tin cậy.

IV. Kết Quả Thực Tế và Triển Vọng Ứng Dụng

Robot gội đầu và massage đầu đã được phát triển và chế tạo thành công tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Kết quả thực tế chứng minh rằng tia nước có thể chạm tới bất kỳ điểm nào trên vùng đầu, áp lực nước điều khiển được chính xác, và lực tia nước đủ mạnh để massage đầu hiệu quả. Robot hoạt động ổn định trong các thử nghiệm lâm sàng. Tiềm năng ứng dụng của robot massage đầu tia nước rất lớn trong các bệnh viện, viện dưỡng lão và các cơ sở chăm sóc sức khỏe. Công nghệ này không chỉ cải thiện chất lượng chăm sóc bệnh nhân mà còn giảm tải áp lực cho nhân viên y tế, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc và chất lượng cuộc sống cho cả bệnh nhân lẫn nhân viên.

4.1. Thành Tựu Kỹ Thuật Đạt Được

Đề tài nghiên cứu đã phát triển thành công một robot 3DOF sử dụng tia nước cho gội đầu và massage. Không gian hoạt động của hệ thống được tối ưu hóa để phù hợp với hình dạng đầu người Việt Nam. Hệ thống điều khiển đạt độ chính xác cao trong định vị vị trí tia nước. Áp lực nước có thể điều khiển trong phạm vi an toàn nhưng vẫn đủ hiệu quả cho massage đầu. Toàn bộ hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn y tế.

4.2. Triển Vọng Phát Triển và Ứng Dụng Lâu Dài

Robot gội đầu tia nước có thể được triển khai trong các bệnh viện, viện dưỡng lão, trung tâm phục hồi chức năng và các cơ sở chăm sóc sức khỏe khác. Công nghệ này sẽ giúp giảm chi phí nhân lực, tăng hiệu suất, cải thiện an toàn vệ sinh. Tương lai có thể cải tiến thêm với các tính năng AI để robot massage đầu tự động nhận biết các điểm huyệt và điều chỉnh áp lực tối ưu theo nhu cầu từng bệnh nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Hiện nay, công nghệ kĩ thuật đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đời sống. Một trong số đó phải nói đến y học. Việc nghiên cứu về những sản phẩm ứng dụng liên quan đến y học đang được thế giới quan tâm và phát triển. Áp dụng các công nghệ kĩ thuật vào y tế đang được đẩy mạnh bởi nhiều lợi ích mà các sản phẩm đó mang lại.

Việc ứng dụng công nghệ kĩ thuật sẽ giúp giảm một phần đáng kể việc quá tải trong các bệnh viện, tiết kiệm được thời gian cũng như độ chính xác cao. Áp dụng máy móc trong phẫu thuật giúp giảm thời gian của các ca phẫu thuật xuống thấp nhất, tăng khả năng sống sót của người bệnh, áp dụng máy móc trong vật lí trị liệu giúp giảm lượng nhân sự cần cho việc hỗ trợ bệnh nhân, giúp giảm sự quá tải trong các bệnh viện. Gội đầu là công việc vệ sinh cá nhân hằng ngày của mỗi người, giúp làm sạch tóc cũng như da đầu bằng các dung dịch dầu gội. Mục đích của việc gội đầu là giúp làm sạch tóc cũng như da đầu, ngoài ra, việc không gội đầu thường xuyên sẽ dẫn đến việc tích tụ mồ hô trên da dầu, tạo môi trường sống cho các vi khuẩn gay hại, điều này đặc biệt nguy hiểm cho các bệnh nhân, vì khi mắc bệnh, hệ thống miễn dịch sẽ bị suy yếu, làm cho vi khuẩn xâm nhập dễ dàng hơn.

Xoa bóp, bấm huyệt là những phương pháp trị liệu bằng tay, người bấm huyệt sẽ dùng tay tác động lên các huyệt, da thịt và gân khớp của người bệnh, các tác động vật lý đó sẽ kích thích vào hệ thần kinh tạo nên những thay đổi của thể dịch, nội tiết. Xoa bóp bấm huyệt vùng đầu mang lại nhiều lợi ích. Xoa bóp bấm huyệt vùng đầu giúp giảm căng thằng và đánh bay mệt mỏi, kích thích tuần hoàn máu, giúp tóc phát triển khỏe mạnh và phòng ngừa nhiều loại bệnh tật. Nhưng việc gội đầu và xoa bóp bấm huyệt sẽ trở nên khó khăn đối với những bệnh nhân hạn chế hoạt động như ung thư, bại liệt.

Những bệnh nhân đó không thể tự mình thực Page |2 hiện các hoạt động này mà không cần sự trợ giúp của người khác. Chính vì thế, nhóm em quyết quyết định nghiên cứu và chế tạo robot massage và gội đầu ứng dụng tia nước nhỏ.2 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước Hiện nay, trong nước và trên thế giới đã có nhiều sản phẩm liên quan massage thư giãn, như ghế massage tay, chân, lưng, … Và những sản phẩm đó ngày càng được ựa chuộng và sử dụng rộng rãi bởi những lợi ích mà nó mang lại. Đã có nhiều hãng đã và đang sản xuất và phát triển các sản phẩm massage như Osaka, KLC, Maxcare, … Nhưng những sản phẩm liên quan đến gội và massage đầu hiện nay vẫn chưa được nghiên cứu nhiều và ứng dụng rộng rãi. Ở nước ta vẫn chưa có nghiên cứu nào ứng dụng nào cho việc tắm gội và massage ở người Trong nước cũng đã có những nghiên cứu liên quan đến vấn đề massage điều trị cho bệnh nhân.

Một robot có tên Massage Bot[1] được nghiên cứu và phát triển bởi sinh viên trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. Robot bao gồm 2 cánh tay chuyển động linh hoạt, một giường và một camera. Robot có khả năng massage dựa vào các điểm huyệt trên vùng lưng của bệnh nhân.1 Massage Bot Robot gồm 16 ngón tay chuyển động khéo léo như ngón tay người[2]. Robot được trang bị bộ cảm biến dùng để quét (scan) đầu của người để đo hình dạng và đảm bảo rằng, các ngón tay chỉ tạo ra một lượng áp lực vừa đủ khi gội và xả.

Máy cũng ghi nhớ hình dạng đầu của người dùng và kiểu massage để đảm bảo các lần dùng sau đều tốt như Page |3 lần đầu. Robot này được phát triển để hỗ trợ những hộ lý trong các bệnh viện và cơ sở y tế. Đây là sản phẩm nằm trong chương trình của Panasonic nhằm phát triển công nghệ robot cho các dịch vụ phúc lợi và chăm sóc sức khỏe.2 Robot gội đầu 1.3 Tính cấp thiết của đề tài Nhu cầu vệ sinh và thư giãn là nhu cầu thiết yếu của mỗi người hiện nay. Trong cuộc sống, rất nhiều việc làm cho con người cảm thấy áp lực và căng thẳng, từ việc học cho đến việc làm.

Điều này đòi hỏi mọi người tìm đến những thú vui để có thể giải tỏa sau một ngày mệt mỏi. Và một trong những các để giảm căng thẳng đó chinh là massage, đặt biệt là massage vùng đầu, mang lại rát nhiều lợi ích cho chúng ta. Nhưng không phải ai cũng biết massage đầu đúng cách, khiến cho việc massage trở lên không còn hiệu quả như mong đợi. Vì vậy, học cần một thiết bị massage với những chức năng được tiêu chuẩn hóa và tiện lợi, để học có thể hưởng thụ sự thoải mái sau một ngày làm học tập và làm việc mệt mỏi.

Nhưng đó là đối với những người bình thường trong khả năng hoạt động. Nhu cầu vệ sinh và massage đầu càng cần thiết hơn đối với những người khiếm khuyết trong khả năng dy chuyển. Những người mà không thể nào tự gội hay massage cho chính mình được. Điều này bắt buộc phải cần đến người hỗ trợ, có thể là điều dưỡng ở bệnh viện hoặc là người nhà bệnh nhân khi họ ở nhà.

Theo thống kế ở nước ta hiện nay, có gần 200.000 người bị đột quỵ mỗi năm và con số tử vong lên đến 20%, số còn lại may mắn sống sót, đa số sẽ gặp tình trạng khó khăn trong dy chuyển, con số đó là chưa kể đến số người bị thương do Page |4 các nguyên nhân khác như tai nạn giao thông, không những thế, thế giới đang đối mặt với vấn đề dân số già và sẽ tiếp diễn trong tương lai[3]. Và các bệnh nhân đó vẫn cần được vệ sinh hằng ngày, điều này sẽ gây nên tình trạng quá tải trong các bệnh viện, đồng thời để có thể chăm sóc được cho người bệnh thì cần trình độ chuyên môn nhất định, điều này gây khó khăn trong bệnh nhân và cả bác sĩ. HìnhHình 3 Việc Việc1.gội đầu Chăm và chăm bệnh sócsóc nhận bệnh không nhân thểthể không di chuyển di chuyển Trong giai đoạn hiện nay, thế giới đang đối mặt với dịch Covid, một chủng loại Virus nguy hiểm. Điều này hạn hế việc tập trung đông người ở các bệnh viện.

Không chỉ vậy, vấn đề lây nhiễm chéo giữa bác sĩ và bệnh nhận, hoặc giữa người nhà và bệnh nhân có thể xảy ra khi họ tiếp xúc với bệnh nhân trong quá trình gội đầu hoặc massgage. Đồng thời, có một số người cảm thấy không được thoải mái khi bị tác động lên da của mình. Điều này gây khó khăn trong việc chăm sóc của nhân viên điều dưỡng đồng thời khiến cho bệnh nhân sẽ cảm giác thiếu an toàn, tạo tâm lý lo lắng, gây tác động xấu đến sức khỏe của bệnh nhân. Chính vì vậy, nhóm em đã đề xuất robot gội và massage đầu với chức năng gội và massage để giải quyết những vấn đề những vấn đề trong việc chăm sóc sức khỏe bệnh nhân gặp những hạn chế trong việc di chuyển.4 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Page |5 1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng mà đề tài hướng tới là những bệnh nhận bị khiếm khuyết trong khẳ năng di chuyển do tai nạn, đột quỵ, khuyết tật, người già, người thực vật, bệnh nhân sau phẫu thuật,… Đề tài tạo ra nhằm giải quyết các vấn đề về tắm gội cũng như massage hằng ngày.2 Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài trên, nhóm đã thực hiện nhiều biện pháp nghiên cứu: phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp thu thập số liệu và phương pháp thực nghiệm.5 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu của đề tài là tạo ra một sản phẩm đáp ứng được nhu cầu của người dùng về gội cũng như massage đầu.

Máy có đầy đủ nhứng chức năng cơ bản để có thể hoàn toàn thay thế con người trong việc gội cũng như massage đầu. Robot sử dụng học máy để có thể xác định được các điểm huyệt trên đầu của người dùng, để từ đó tạo ra các quỹ đạo của tia nước phục vụ cho việc massage cũng như gội đầu.6 Giới hạn của đề tài Với điều kiện và thời gian cho phép, đề tài chủ yếu tập trung vào việc tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí của robot, tối ưu hóa phần cứng cũng như điều khiển quỹ đạo của tia nước với tốc độ, lực, vị trí phù hợp. Thiết kế tính toán hệ thống cấp nước và nhiệt độ. Đồng thời đề tài chỉ tập chung vào khu vực đầu từ phía trước trán ra tới phía sau gáy, không gồm khu vực tai, mắt và mặt Page |6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MASSAGE VÀ GỘI ĐẦU DỰA TRÊN Y HỌC CỔ TRUYỀN VIỆT NAM 2.1 Giới thiệu Mọi ứng dụng được đưa vào thực tiễn đều phải dựa trên những cơ sở lý thuyết nhất định.

Và những cơ sở đó phải chính xác và được công nhận rộng rãi. Để có thể thiết kế được phần cơ khí đáp ứng được nhu cầu thể trạng của người Việt Nam, đề tài đòi hỏi phải hiểu rõ về nhân trắc học phần đầu của người Việt Nam. Vấn đề này vô cùng quan trọng, vì khi nắm được kích thước trung bình đầu người ở Việt Nam sẽ giúp cho việc tính toán thiết kế chính xác, đảm bảo tan toàn đồng thời sẽ giúp cho phần cơ khí trở được tối ưu. Đề tài còn nhắm đến mục tiêu massgae vùng đầu cho bệnh nhân, vì vậy, nhóm cũng đã nghiên cứu lý thuyết về y học cổ truyền Việt Nam, nghiên cứu về các điểm huyệt ở vùng đầu người .Việc nghiên cứu về các điểm huyệt thông qua các bài giảng về y học cổ truyền Việt Nam giúp nắm rõ lợi ích cũng như vị trí và đặc điểm của từng điểm huyệt để từ đó đưa ra cách thức tác động lên từng điểm huyệt đó bao gồm lực, thời gian,… giúp cho quá trình massage trở nên hiệu quả nhất.

Nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa các cơ sở lý thuyết vững chắc đó, nhóm đã đưa ra được nguyên lý hoạt động của máy, cũng như thiết kế về phần cơ khí.2 Lí thuyết và lợi ích của việc gội đầu Gội đầu[4] là việc vệ sinh tóc cho sạch bằng cách rửa nó với nước và dầu gội đầu, dầuxả hoặc các chất tẩy khác. Và đây là nhu cầu thiết yếu của mỗi người.