Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Máy kéo cột sống cổ - cột sống thắt lưng" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Minh Huy và Huỳnh Văn Phát, dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thanh Tùng tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa 2015–2019, chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử).

Bối cảnh thực tiễn được tác giả nêu rõ xuất phát từ tình trạng các bệnh lý về cột sống (đặc biệt là thoái hóa cột sống và thoát vị đĩa đệm) ngày càng gia tăng và có xu hướng trẻ hóa do thói quen sinh hoạt ít vận động, chế độ dinh dưỡng không hợp lý và lao động nặng nhọc. Bên cạnh việc dùng thuốc hoặc can thiệp phẫu thuật, phương pháp vật lý trị liệu và phục hồi chức năng (VLTL-PHCN) bằng máy kéo giãn cột sống đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ điều trị bảo tồn. Tuy nhiên, các thiết bị máy kéo nhập khẩu hiện có trên thị trường thường có chi phí đầu tư cao, trong khi các phương pháp thủ công hoặc thiết bị cơ khí đơn giản lại thiếu khả năng kiểm soát chính xác lực kéo và chu kỳ vận hành. Từ thực tiễn đó, nhóm tác giả định hướng nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một thiết bị máy kéo cột sống thụ động có khả năng ứng dụng công nghệ cơ điện tử để tự động hóa quá trình kéo, giám sát lực và điều khiển từ xa.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm hai nội dung trọng tâm:

  1. Tìm hiểu cấu tạo giải phẫu của cột sống, các dạng bệnh lý tổn thương, quy chuẩn liệu pháp VLTL-PHCN và các bài tập cơ bản trong quá trình trị liệu để xác định các thông số kỹ thuật yêu cầu.
  2. Thiết kế và chế tạo đầu máy kéo cột sống cổ và thắt lưng có khả năng điều khiển lực kéo, vận tốc và chu kỳ tập theo phác đồ y khoa, đảm bảo tính an toàn cơ học và điện tử cho người bệnh, hỗ trợ hai phương thức vận hành: tùy chỉnh trực tiếp trên máy hoặc điều khiển giám sát qua mạng Wi-Fi.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 4 nội dung kỹ thuật chính theo văn bản giao nhiệm vụ:

  1. Nghiên cứu thị trường và khảo sát các dòng máy kéo cột sống hiện hành trong và ngoài nước.
  2. Lựa chọn giải pháp truyền động tối ưu cho thiết bị kéo y tế.
  3. Tính toán thiết kế cơ khí chi tiết (chọn dây kéo, tang cuốn, bộ truyền bánh răng, trục, ổ lăn, động cơ và khung máy).
  4. Thiết kế hệ thống điều khiển, lựa chọn cảm biến đo lực, xây dựng giải thuật điều khiển và giao diện giám sát phục vụ quá trình tập luyện.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cơ điện tử của máy kéo cột sống thụ động tác động lên vùng cột sống cổ (C1–C7) và vùng cột sống thắt lưng (L1–L5). Phạm vi nghiên cứu về mặt tải trọng được giới hạn cho người bệnh có thể trọng tối đa 100 kg, tương ứng với lực kéo lớn nhất của máy là 500 N (xấp xỉ 50 kgf). Vận tốc kéo được khống chế trong ngưỡng an toàn y tế từ 1 mm/s đến tối đa 7 mm/s (tốc độ thiết kế tính toán danh định đạt 5 mm/s). Phạm vi thời gian và địa điểm thực hiện đồ án diễn ra từ tháng 01/2019 đến tháng 07/2019 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết y sinh của đề tài dựa trên cấu trúc giải phẫu hệ cột sống người gồm 33–35 đốt sống (7 đốt sống cổ C1–C7, 12 đốt sống ngực T1–T12, 5 đốt sống thắt lưng L1–L5, 5 đốt sống cùng S1–S5 và các đốt sống cụt). Tác giả áp dụng phân loại 4 giai đoạn tiến triển của bệnh thoát vị đĩa đệm theo tiêu chuẩn Arseni K (1973):

  • Giai đoạn I: Đĩa đệm phình lồi ra ngoài.
  • Giai đoạn II: Hội chứng thắt lưng hông dương tính, kích thích rễ thần kinh.
  • Giai đoạn III: Khối thoát vị lồi hẳn ra ngoài gây chèn ép rễ thần kinh (chia thành IIIa: mất một phần dẫn truyền thần kinh; IIIb: mất hoàn toàn dẫn truyền thần kinh).
  • Giai đoạn IV: Thoát vị đĩa đệm mức độ nặng, tổn thương xơ hóa kèm đau thắt lưng dai dẳng.

Về nguyên lý kéo giãn phục hồi chức năng, nhóm tác giả căn cứ theo "Bài giảng lớp tập huấn toàn quân về Vật lý trị liệu và Phục hồi chức năng 2013" của Bác sĩ Hà Hoàng Kiệm kết hợp dữ liệu kỹ thuật từ Hill Laboratories (Hoa Kỳ). Kéo giãn tạo ra tác động cơ học làm giãn cơ thụ động, giảm co cứng, mở rộng khoang gian đốt sống trung bình 1,1 mm, giảm áp lực nội đĩa đệm, tăng cường thẩm thấu nuôi dưỡng nhân nhầy và giải phóng chèn ép rễ thần kinh. Các thông số kéo giãn được xác lập dựa trên cơ sở thể trọng:

  • Kéo cột sống cổ: Điểm tỳ lực đặt tại xương hàm dưới (tay kéo dài phía trước) và xương chẩm (tay kéo ngắn phía sau). Phương kéo tạo góc nghiêng 20°–30° ra trước so với trục cơ thể. Lực kéo bắt đầu từ 10%–15% thể trọng, tăng dần 0,5–1 kg mỗi đợt đến tối đa không vượt quá 20%–30% thể trọng (tương đương dải lực 4,5 kg – 13,5 kg hay 10–30 lbs).
  • Kéo cột sống thắt lưng: Phương kéo gấp 20°–30° trên mặt phẳng trước sau. Lực kéo hiệu dụng bắt đầu mở khoang gian đốt từ 50% thể trọng và đạt mức giãn tối đa ở 100% thể trọng. Phác đồ thông dụng áp dụng lực kéo tối đa bằng 2/3 thể trọng, lực nền đối với chế độ kéo ngắt quãng bằng 1/3 đến 1/2 thể trọng. Thời gian duy trì lực kéo và lực nền trung bình là 20 giây mỗi chu kỳ; thời lượng một buổi kéo từ 15–20 phút trong liệu trình 15–20 ngày.

Phương pháp nghiên cứu cơ khí sử dụng tiêu chuẩn tính toán sức bền và động học theo giáo trình "Thiết kế dẫn động cơ khí" (Trịnh Chất, Lê Văn Uyển) và tài liệu "Máy nâng" (Nguyễn Hải Đăng, Đại học Nông Lâm TP.HCM). Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển kết hợp lập trình vi điều khiển, kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu analog-to-digital từ cảm biến lực và giao thức mạng truyền thông không dây. Nguồn dữ liệu nhân trắc học sử dụng số liệu thể trọng trung bình của người Việt Nam (nam 58 kg, nữ 45 kg theo thống kê được công bố trên VnExpress) làm mốc tham chiếu để xác định dải lực kéo cho bệnh nhân có trọng lượng lên đến 100 kg.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh dưới dạng một thiết bị cơ điện tử chuyên dụng gồm khối truyền động cơ khí chính xác và khối vi điều khiển giám sát lực khép kín.

Trong thiết kế cơ khí, sau khi so sánh 5 phương án tạo lực (sử dụng tạ cát, sức nước từ bơm thủy lực, trọng lực cơ thể trên bàn nghiêng, di chuyển khung giường và sử dụng động cơ điện điều khiển số), nhóm tác giả chọn phương án động cơ điện kết hợp cơ cấu trục vít và bánh răng nhờ ưu thế vận hành êm, độ ồn thấp, kiểm soát chính xác lực kéo và dễ dàng tích hợp các bài tập ngắt quãng theo yêu cầu y tế.

Thành phần kỹ thuật Thông số / Linh kiện được chọn Chức năng và đặc tính làm việc
Động cơ chấp hành Động cơ Servo/BLDC DEAHWA Excel M B850-30B Kèm hộp giảm tốc tỷ lệ truyền 1:200, tốc độ đồng bộ n1 = 15 vòng/phút
Bộ truyền bánh răng Bánh răng trụ răng thẳng, module m = 1,25 mm Tỷ số truyền u = 1:3; tích hợp bộ ly hợp an toàn bảo vệ cơ học
Dây kéo tải Dây thừng bện chuyên dụng đường kính φ6 mm Chịu lực kéo 500 N, giảm ma sát sinh nhiệt khi qua puly kim loại
Tang quấn cáp Tang trơn bằng thép, Dt = 50 mm, Lt = 75 mm Quấn 1 lớp cáp, chiều dài dây kéo hữu ích l0 = 1187 mm (1,18 m)
Cảm biến lực kéo Loadcell chữ Z model VLC-110 (100 kg) Giới hạn đo 100 kg, quá tải an toàn 150%, sai số lặp lại ≤ ±0,02%
Mạch khuếch đại lực Module chuyển đổi KM02A Khuếch đại tín hiệu điện áp mV từ loadcell sang điện áp chuẩn analog
Vi điều khiển chính Arduino Mega 2560 (ATmega2560) Xử lý thuật toán điều khiển, đọc tín hiệu cảm biến, điều khiển driver
Module truyền thông Module Wi-Fi ESP8266 Giao tiếp mạng qua giao thức MQTT để kết nối máy chủ Webserver
Mạch chuyển đổi DAC Module MCP4921 Chuyển đổi tín hiệu số sang analog để điều khiển tốc độ driver servo
Khối hiển thị tại chỗ Module LED 7 đoạn và LED RGB Hiển thị thông số lực kéo, thời gian thực và trạng thái hoạt động
Khối nguồn và bảo vệ Nguồn tổ ong, mạch hạ áp LM2596, Relay, còi Cấp nguồn 24V/12V/5V, ngắt mạch khẩn cấp và cảnh báo âm thanh

Kiến trúc điều khiển được xây dựng theo mô hình vòng kín. Lực căng thực tế từ dây kéo tác động trực tiếp lên hệ puly dẫn hướng và truyền lực tới loadcell VLC-110 bố trí theo hướng kéo song song cùng chiều. Tín hiệu vi sai từ loadcell được đưa qua module KM02A để chuẩn hóa trước khi đọc vào cổng analog của Arduino Mega 2560. Vi điều khiển xử lý tín hiệu, so sánh với giá trị lực cài đặt và xuất lệnh điều khiển thông qua chip DAC MCP4921 đến driver động cơ DEAHWA nhằm hiệu chỉnh tốc độ kéo hoặc đảo chiều thu/nhả dây. Đồng thời, dữ liệu lực kéo và thời gian được gửi tuần tự qua ESP8266 bằng giao thức MQTT về Webserver. Trên giao diện Webserver, bác sĩ hoặc kỹ thuật viên có thể đăng nhập tài khoản, thiết lập cơ sở dữ liệu bệnh nhân, chọn phác đồ kéo liên tục hoặc ngắt quãng, theo dõi biểu đồ lực kéo trực tuyến và gửi lệnh dừng hệ thống khi phát sinh sự cố.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh tỷ lệ người mắc bệnh cột sống gia tăng tại Việt Nam. Nội dung giới thiệu định hướng ứng dụng kỹ thuật cơ điện tử để nội địa hóa thiết bị y tế phục vụ vật lý trị liệu. Tác giả xác định rõ 2 mục tiêu nghiên cứu, phân công 4 nhiệm vụ kỹ thuật và công bố cấu trúc toàn văn đồ án gồm 6 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung làm rõ giải phẫu sinh học cột sống, chức năng đĩa đệm và cơ chế bệnh sinh của thoái hóa đốt sống cổ, thoát vị đĩa đệm, thoái hóa đĩa đệm và vẹo cột sống. Tác giả hệ thống hóa các nguyên tắc phục hồi chức năng và phân tích sâu phương pháp kéo giãn cột sống (chế độ kéo liên tục và kéo ngắt quãng có lực nền/không có lực nền). Chương 2 tổng hợp các nghiên cứu thiết bị kéo trên thế giới gồm INDOTRAC của hãng HMS (Ấn Độ), BTL-16 PLUS (Cộng hòa Séc), TM-400 của ITO (Nhật Bản), NIKITA-YH0013 (Nhật Bản) và các đề tài trong nước như máy kéo đối trọng M-01 của Lê Phạm Bá Khánh, máy tăng chiều cao TVF3042. Trên cơ sở đó, tác giả lập bảng phân tích ưu nhược điểm của 5 phương án thiết kế và kết luận lựa chọn phương án dẫn động bằng động cơ điện điều khiển số kết hợp bộ truyền bánh răng và tang quấn dây. Cuối chương, các yêu cầu kỹ thuật được xác lập cụ thể: lực kéo tối đa 500 N, góc kéo điều chỉnh từ 0° đến 60°.

Chương 3: Thiết kế cơ khí

Chương 3 trình bày các bước tính toán thiết kế chi tiết toàn bộ cụm cơ khí của máy kéo. Tác giả tính chọn dây thừng φ6 mm và tính toán tang cuốn cáp bằng thép có đường kính Dt = 50 mm, chiều dài Lt = 75 mm, kiểm nghiệm độ bền nén đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn máy nâng. Tính toán động học xác định tốc độ kéo làm việc vd = 1 mm/s và tốc độ thu dây nhanh 5 vòng/phút trên trục tang quấn. Công suất yêu cầu trên trục động cơ được tính toán đạt P1 với hiệu suất tổng hệ dẫn động η = 0,841 (bao gồm hiệu suất ổ lăn 0,99, bộ truyền bánh răng 0,96, ổ trượt 0,98). Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng được thiết kế với tỷ số truyền u = 1:3, module m = 1,25 mm, tích hợp bộ ly hợp bảo vệ an toàn. Động cơ được lựa chọn là DEAHWA Excel M B850-30B kèm bộ giảm tốc 1:200. Các trục II, III, IV, V, VI và hệ thống ổ lăn (ổ lăn trục III, ổ lăn puly 6000) được tính toán kiểm nghiệm độ bền mỏi, ứng suất uốn, ứng suất xoắn và tải trọng động quy ước.

Chương 4: Hệ thống điều khiển

Nội dung chương mô tả chi tiết sơ đồ khối hệ thống điều khiển và cấu hình phần cứng. Vi điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560 kết nối với module ESP8266 để truyền thông dữ liệu qua giao thức MQTT. Cảm biến lực loadcell chữ Z VLC-110 (100 kg) được ghép nối với mạch khuếch đại KM02A để đưa điện áp về bộ vi điều khiển. Khối điều khiển công suất sử dụng driver chuyên dụng cho động cơ servo kết hợp mạch DAC MCP4921 tạo áp điều khiển, mạch hạ áp LM2596 và hệ thống nguồn tổ ong. Giao diện phần cứng tại chỗ bao gồm khối LED 7 đoạn hiển thị lực và thời gian, LED RGB báo trạng thái, còi buzzer cảnh báo âm thanh, khối nút bấm vận hành và chiết áp giới hạn ngưỡng lực.

Chương 5: Kết quả và thực nghiệm

Chương 5 công bố kết quả chế tạo mẫu máy thử nghiệm và quy trình kiểm chứng thực nghiệm. Mạch điều khiển được thiết kế mô phỏng trên Proteus và gia công thành bo mạch in thực tế. Giao diện Webserver được xây dựng hoàn chỉnh với các module Login, bảng điều khiển giám sát thời gian thực và cơ sở dữ liệu cài đặt bài tập. Tác giả tiến hành gá đặt kiểm nghiệm máy bằng cách so sánh giá trị lực cài đặt, giá trị đọc từ loadcell và giá trị kiểm chứng trên cân điện tử thực tế. Đo đạc thực nghiệm các giá trị ngõ ra của module KM02A và DAC MCP4921 được lập bảng ở các cấp vận tốc (trong đó có mức vận tốc thử nghiệm 2 mm/s). Chương này cũng xây dựng chi tiết quy trình hai bài tập kéo phục hồi chức năng (kéo liên tục và kéo ngắt quãng), tài liệu hướng dẫn vận hành, chỉ định, chống chỉ định và quy trình xử trí tai biến khi thực hiện kéo cột sống cổ và thắt lưng.

Chương 6: Đánh giá và kết luận

Tác giả tổng kết các kết quả đạt được về mặt cơ khí và điều khiển, đối chiếu với các yêu cầu ban đầu. Chương này chỉ rõ những mặt hạn chế của thiết bị mẫu và đề xuất các hướng cải tiến kỹ thuật nhằm hoàn thiện máy trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình thực tế đầu máy kéo cột sống thụ động có khả năng ứng dụng trong vật lý trị liệu tại cơ sở y tế hoặc gia đình, đạt được các kết quả kỹ thuật định lượng cụ thể:

Thông số / Hạng mục Giá trị thiết kế yêu cầu Kết quả thực nghiệm đạt được
Lực kéo tối đa 500 N (~50 kgf) Đạt 500 N, sai số bám sát giữa loadcell và cân điện tử đối chứng
Dải tải trọng bệnh nhân Đến 100 kg Đáp ứng phác đồ kéo cột sống cổ (4,5–13,5 kg) và thắt lưng (đến 50 kg)
Vận tốc kéo 1 – 5 mm/s (tối đa 7 mm/s) Kiểm soát ổn định ở 1 mm/s, thử nghiệm đo đạc ở 2 mm/s, thu dây nhanh 5 rpm
Phương kéo điều chỉnh 0° – 60° Cho phép thay đổi góc kéo nghiêng 20°–30° phù hợp tư thế nằm và ngồi
Phương thức điều khiển Trực tiếp và từ xa Vận hành độc lập bằng nút bấm/LED 7 đoạn hoặc qua Webserver (Wi-Fi/MQTT)
Cơ chế an toàn Cơ học và điện tử Bộ ly hợp cơ khí, công tắc dừng khẩn cấp, rơ-le ngắt nguồn, còi hú cảnh báo

Về mặt giải pháp, đồ án đã đề xuất quy trình điều khiển lực kéo hai chế độ:

  • Chế độ kéo liên tục: Duy trì lực kéo ổn định không đổi trong suốt thời gian cài đặt (15–20 phút), áp dụng cho các cơn đau cấp tính kèm co cứng cơ.
  • Chế độ kéo ngắt quãng có lực nền: Luân phiên giữa chu kỳ kéo tải đỉnh (duy trì 20 giây) và chu kỳ lực nền (bằng 1/3 đến 1/2 thể trọng, duy trì 20 giây) giúp cơ bắp có thời gian thích nghi, hạn chế mỏi cơ.

Đóng góp của đồ án so với các nghiên cứu trước đây trong nước (chủ yếu là các máy kéo dùng đối trọng cơ học như máy M-01 hoặc bàn nghiêng trọng lực TVF3042) là đã số hóa hoàn toàn quá trình tạo lực và kiểm soát lực. Bằng việc kết hợp động cơ servo DEAHWA, hộp giảm tốc tỷ số truyền lớn 1:200, cảm biến lực loadcell VLC-110 và vi điều khiển Arduino Mega 2560, thiết bị loại bỏ được tính định tính của phương pháp kéo tạ thủ công, kiểm soát độ dốc tăng giảm lực êm ái nhằm hạn chế kích thích chuỗi hạch giao cảm, đồng thời cho phép giám sát dữ liệu điều trị từ xa qua nền tảng Internet of Things (IoT/MQTT).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá tự nhận của nhóm tác giả trong văn bản, đồ án còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Thiết bị chế tạo mới dừng lại ở cụm đầu máy kéo độc lập (kéo thụ động), chưa được tích hợp đồng bộ với khung giường kéo cơ khí có khớp trượt tự do, do đó việc điều chỉnh góc kéo từ 0° đến 60° còn phụ thuộc vào vị trí gá đặt bên ngoài.
  • Cảm biến đo nhịp tim Max30100 mới chỉ được nghiên cứu thử nghiệm ở dạng module ngoại vi, chưa hoàn thiện giải thuật liên động tự động ngắt lực kéo khẩn cấp khi phát hiện mạch hoặc huyết áp bệnh nhân biến động bất thường trong quá trình kéo.
  • Kích thước cụm đầu máy và hệ truyền động bánh răng - ly hợp gia công cơ khí còn tương đối cồng kềnh, cần được tối ưu hóa về mặt kiểu dáng công nghiệp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo đồng bộ hệ thống giường trượt điều trị chuyên dụng đi kèm với đầu máy kéo để tạo góc kéo chính xác và triệt tiêu ma sát giữa cơ thể người bệnh với mặt giường.
  2. Hoàn thiện giải thuật đọc và lọc nhiễu tín hiệu từ cảm biến sinh học Max30100 nhằm tự động dừng máy khi bệnh nhân có biểu hiện quá tải tim mạch hoặc phản xạ giao cảm.
  3. Thu nhỏ kích thước khối cơ khí, nâng cấp giao diện Webserver và phát triển ứng dụng di động để hỗ trợ theo dõi bệnh án phục hồi chức năng dài hạn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Y sinh, Tự động hóa và Thiết kế máy.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong tài liệu bao gồm:

  • Phương pháp tính toán thiết kế chi tiết cụm tời kéo y tế tải trọng nhỏ: Tính chọn tang cuốn cáp thép, kiểm nghiệm bền nén vỏ tang, tính toán bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng kèm cơ cấu ly hợp an toàn và phương pháp tính chọn công suất động cơ servo kết hợp hộp giảm tốc tỷ số truyền cao (1:200).
  • Quy trình chuẩn hóa mạch đo lực: Sơ đồ phối ghép giữa cảm biến lực loadcell chữ Z (VLC-110), module khuếch đại vi sai KM02A, chip DAC MCP4921 và vi điều khiển Arduino Mega 2560 nhằm xử lý tín hiệu analog chống nhiễu cho các hệ thống đo lường lực kéo chính xác.
  • Kiến trúc điều khiển IoT y tế: Mô hình ứng dụng vi điều khiển kết hợp module ESP8266 và giao thức MQTT để xây dựng Webserver điều khiển, giám sát thông số thời gian thực và quản lý cơ sở dữ liệu phác đồ tập luyện.
  • Cơ sở dữ liệu y sinh về lực kéo và góc kéo phục hồi chức năng: Hệ thống hóa đầy đủ các công thức tính toán lực kéo theo tỷ lệ phần trăm thể trọng cho từng vùng cột sống dựa trên các tài liệu chuyên ngành của Bộ Quốc phòng và các thiết bị thương mại quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn mức lực kéo tối đa của máy là 500 N và căn cứ vào chỉ số nhân trắc học nào?
Nhóm tác giả dựa trên quy chuẩn lực kéo cột sống thắt lưng tối đa bằng 2/3 thể trọng của người bệnh. Tham chiếu số liệu thể trọng trung bình của người Việt Nam (nam 58 kg, nữ 45 kg) và đặt ngưỡng giới hạn an toàn cho bệnh nhân nặng đến 100 kg, lực kéo yêu cầu tối đa tương ứng là khoảng 50 kgf, quy đổi thành giá trị lực thiết kế danh định là 500 N.

2. Vì sao đồ án sử dụng dây thừng đường kính 6 mm thay vì dây cáp kim loại bọc nhựa?
Trong quá trình thiết kế, nhóm tác giả phân tích thấy puly dẫn hướng của máy được gia công bằng kim loại. Dây cáp kim loại bọc nhựa thông thường khi cọ sát với puly kim loại ở tốc độ kéo sẽ sinh nhiệt làm biến dạng và hỏng lớp vỏ bọc bảo vệ. Do đó, tác giả quyết định chọn dây thừng bện chuyên dụng đường kính φ6 mm để vừa đảm bảo khả năng chịu tải 500 N, vừa tránh hiện tượng chảy lớp vỏ bọc và giúp máy vận hành êm ái hơn.

3. Tỷ số truyền và cơ chế giảm tốc của hệ thống cơ khí được cấu hình như thế nào để đạt vận tốc kéo chậm 1 mm/s?
Hệ thống sử dụng cơ chế giảm tốc hai cấp: cấp một là hộp giảm tốc trục vít đi kèm động cơ servo DEAHWA với tỷ số truyền lớn 1:200; cấp hai là bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng với tỷ số truyền u = 1:3. Nhờ tổng tỷ số truyền cao, tốc độ động cơ được hạ xuống mức n1 = 15 vòng/phút, dẫn động trục tang quấn dây quay ở vận tốc thấp danh định để tạo ra tốc độ tịnh tiến của dây kéo là 1 mm/s (hoặc thu dây nhanh ở mức 5 vòng/phút).

4. Khối điều khiển sử dụng các linh kiện nào để đọc lực kéo từ loadcell và điều khiển ngược lại tốc độ động cơ?
Hệ thống sử dụng cảm biến lực loadcell chữ Z VLC-110 (dải đo 100 kg). Tín hiệu điện áp nhỏ (mV) từ loadcell được đưa qua module khuếch đại KM02A để chuyển thành tín hiệu analog đưa vào vi điều khiển Arduino Mega 2560. Để điều khiển động cơ, Arduino Mega xuất tín hiệu số sang chip DAC MCP4921 để tạo điện áp analog chuẩn đưa vào chân điều khiển tốc độ của bộ driver servo DEAHWA, hình thành mạch điều khiển vòng kín theo lực phản hồi.

5. Bốn giai đoạn của bệnh thoát vị đĩa đệm theo tiêu chuẩn Arseni K (1973) được tác giả dẫn giải ra sao trong đồ án?
Tác giả dẫn giải tiêu chuẩn Arseni K (1973) gồm 4 giai đoạn: Giai đoạn I (đĩa đệm lồi ra); Giai đoạn II (hội chứng thắt lưng hông dương tính, kích thích rễ thần kinh); Giai đoạn III (khối thoát vị lồi hẳn ra ngoài chèn ép rễ thần kinh, chia thành nhánh IIIa mất một phần dẫn truyền và nhánh IIIb mất hoàn toàn dẫn truyền thần kinh); Giai đoạn IV (đĩa đệm thoát vị mức độ rất nặng gây đau thắt lưng dai dẳng khó phục hồi). Việc phân loại này làm cơ sở y lý để xác định chỉ định kéo giãn thích hợp (chủ yếu ở các giai đoạn đau do chèn ép cơ học chưa xơ hóa hoàn toàn).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Máy kéo cột sống cổ - cột sống thắt lưng" của sinh viên Nguyễn Minh Huy và Huỳnh Văn Phát đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế và chế tạo một thiết bị cơ điện tử phục vụ y tế phục hồi chức năng. Hệ thống đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật ban đầu với lực kéo tối đa 500 N, tốc độ chuyển động êm ái trong ngưỡng an toàn, tích hợp cơ chế ngắt ly hợp cơ học và dừng khẩn cấp bảo vệ người bệnh. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng vi điều khiển Arduino Mega kết hợp truyền thông Wi-Fi/MQTT để tự động hóa và giám sát từ xa các liệu trình vật lý trị liệu cột sống.