Đồ án thiết kế chế tạo mô hình tập phục hồi chức năng có phản hồi lực cánh tay - ĐH SPKT TP.HCM

Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình tập phục hồi chức năng có phản hồi lực cho cánh tay, ứng dụng điều khiển lực và cảm biến nhằm nâng cao hiệu quả trị liệu.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Cái Việt Anh Dũng
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình tập phục hồi chức năng có phản hồi lực cho cánh tay
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mô hình phục hồi chức năng có phản hồi lực cánh tay

Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung nghiên cứu mô hình phục hồi chức năng chi trên. Thiết bị hướng đến đối tượng bệnh nhân sau đột quỵ hoặc tổn thương thần kinh vận động. Nghiên cứu do sinh viên thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Cái Việt Anh Dũng thuộc Khoa Cơ khí Chế tạo máy. Hệ thống được thiết kế theo dạng cơ cấu tay quay khép kín. Người tập thực hiện chuyển động xoay tròn ba trăm sáu mươi độ để kích hoạt nhóm cơ tay. Điểm đột phá của đề tài nằm ở việc tích hợp phản hồi lực chủ động. Động cơ servo kết hợp cảm biến đo lực liên tục điều chỉnh mô-men cản tương ứng với trạng thái cơ bắp. Thiết bị ghi nhận các thông số vận động trong thời gian thực. Bác sĩ trị liệu có thể theo dõi tiến trình hồi phục của bệnh nhân qua màn hình hiển thị trực quan. Cấu trúc cơ khí nhỏ gọn giúp hệ thống vận hành êm ái, an toàn và dễ dàng ứng dụng tại các trung tâm y tế. Đây là bước tiến quan trọng trong việc nội địa hóa thiết bị y tế kỹ thuật cao tại Việt Nam.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu thiết bị phục hồi chức năng tại SPKT

Việt Nam ghi nhận số lượng bệnh nhân di chứng đột quỵ ngày càng tăng cao. Nhu cầu phục hồi chức năng vận động cánh tay trở nên đặc biệt cấp thiết. Hầu hết máy móc chuyên dụng nhập khẩu đều có giá thành đắt đỏ và khó tiếp cận rộng rãi. Sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã chủ động phát triển giải pháp thiết bị nội địa. Đề tài kết hợp kiến thức cơ khí chế tạo, điện tử và điều khiển tự động. Mục tiêu chính là tạo ra sản phẩm y tế chi phí thấp nhưng đạt hiệu quả trị liệu cao. Dự án khẳng định năng lực ứng dụng khoa học công nghệ vào giải quyết bài toán sức khỏe cộng đồng.

1.2. Ý nghĩa của công nghệ phản hồi lực trong vật lý trị liệu

Công nghệ phản hồi lực đóng vai trò quyết định trong việc kích thích thần kinh vận động. Phương pháp tập luyện truyền thống thường thiếu sự tương tác hai chiều giữa người và máy. Thiết bị phản hồi lực tạo ra cảm giác cơ học chân thực theo từng pha vận động. Khi cơ bắp phát lực yếu, hệ thống tự động trợ lực để hoàn thành quỹ đạo chuyển động. Ngược lại, máy tạo lực cản phù hợp để rèn luyện sức bền cơ bắp khi bệnh nhân tiến bộ. Sự thích ứng linh hoạt này đẩy nhanh tốc độ tái tạo liên kết thần kinh não bộ. Bệnh nhân lấy lại sự tự tin và cải thiện khả năng điều khiển cánh tay rõ rệt.

II. Phân tích chuyển động phục hồi chức năng có phản hồi lực cánh tay

Quá trình phục hồi chức năng chi trên đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về động học cơ thể. Nghiên cứu phân tích chi tiết chu kỳ vận động vươn nắm và chu kỳ quay tay liên tục. Mỗi chuyển động vươn nắm gồm bốn pha cơ bản: vươn tay, đưa vật ra trước, đưa vật về sau và trở về. Bốn mốc thời gian tương ứng xác định thời điểm nắm, đưa lên miệng, đặt xuống và thả lỏng. Trong chu kỳ quay tay ba trăm sáu mươi độ, chuyển động chia thành hai pha chức năng gồm pha kéo và pha đẩy. Tại pha kéo, người tập tác dụng lực kéo tay nắm về phía thân người. Các nhóm cơ gấp khuỷu và cơ vai co bóp mạnh để duy trì chuyển động xoay mượt mà. Ngược lại, pha đẩy đòi hỏi cơ duỗi khuỷu và cơ ngực hoạt động để đẩy tay nắm ra xa. Vấn đề cốt lõi là sự mất cân bằng lực cơ giữa hai pha ở bệnh nhân liệt nửa người. Thiết bị thông thường chỉ cung cấp tải trọng cố định, dễ gây chấn thương khớp hoặc làm sai lệch tư thế. Do đó, mô hình cần tính toán mô-men xoắn tức thời để tạo phản lực thích nghi chính xác với từng góc quay.

2.1. Phân tích chu kỳ vươn nắm và các pha chuyển động tay

Nhiệm vụ vươn nắm là bài tập cơ bản nhằm tái thiết lập khả năng tự phục vụ hàng ngày. Thí nghiệm yêu cầu người tham gia ngồi thẳng lưng và thao tác với vật thể đặt cách ba mươi centimet. Bốn pha vận động phản ánh chính xác khả năng phối hợp giữa khớp vai, khớp khuỷu và bàn tay. Các mốc P1 đến P4 ghi nhận tốc độ và độ mượt của quỹ đạo chuyển động. Bệnh nhân đột quỵ thường gặp khó khăn tại pha đưa vật ra trước do cơ duỗi yếu. Việc phân tích định lượng các pha giúp xác định chính xác mức độ suy giảm vận động. Dữ liệu này làm cơ sở thuật toán để điều khiển máy hỗ trợ kịp thời.

2.2. Khác biệt cơ sinh học giữa pha kéo và pha đẩy ở tay quay

Chuyển động tay quay ba trăm sáu mươi độ phân tách rõ rệt giữa hai pha kéo và đẩy. Góc quay bắt đầu từ mốc không độ tại vị trí xa nhất so với cơ thể người dùng. Góc quay tăng dần theo chiều kim đồng hồ qua các mốc chín mươi, một trăm tám mươi và hai trăm bảy mươi độ. Pha kéo huy động nhóm cơ gấp khuỷu để sinh lực kéo tay quay hướng về ngực. Pha đẩy kích hoạt nhóm cơ duỗi khuỷu và cơ ngực nhằm đẩy tay quay trở lại vị trí ban đầu. Lực tác động giữa hai pha thường không đồng đều ở người bệnh tổn thương não. Sự chênh lệch này đòi hỏi hệ thống phải can thiệp lực cản biến thiên liên tục.

III. Giải pháp mô hình phục hồi chức năng có phản hồi lực cánh tay

Nhóm tác giả tại SPKT đề xuất giải pháp tích hợp giữa cơ khí chính xác và điều khiển thông minh. Thiết bị bao gồm động cơ kéo, hộp giảm tốc, bộ truyền đai và tay quay thao tác. Lực tác động thiết kế lên tay quay đạt ba mươi Newton với chiều dài tay quay ba trăm milimét. Công suất đầu ra yêu cầu tại trục tay quay đạt mười lăm Watt. Hiệu suất truyền động được tính toán dựa trên sự kết hợp giữa bộ truyền đai và bánh răng hộp số. Tỷ số truyền của bộ truyền đai lựa chọn là hai phẩy năm nhằm đảm bảo tính nhỏ gọn. Trục động cơ liên kết với hộp số có tỷ số truyền bằng hai mươi. Động cơ cung cấp tốc độ quay bảy trăm chín mươi lăm vòng mỗi phút để đạt tốc độ mười lăm phẩy chín vòng mỗi phút ở trục ra. Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng vi xử lý tốc độ cao để thu thập tín hiệu lực. Thuật toán phản hồi lực điều chỉnh điện áp động cơ theo thời gian thực nhằm tạo lực kháng trở mượt mà. Phần mềm giám sát lưu trữ dữ liệu các phiên tập, hỗ trợ bác sĩ đánh giá chính xác mức độ phục hồi chức năng của người bệnh.

3.1. Tính toán cơ học hệ truyền động đai và hộp giảm tốc

Hệ thống truyền động chịu trách nhiệm truyền mô-men cản từ động cơ tới tay quay. Chiều cao thiết bị được cố định ở mức hai trăm sáu mươi hai milimét để tối ưu không gian. Đồ án lựa chọn bộ truyền đai có tỷ số truyền u bằng hai phẩy năm để loại bỏ nhu cầu căng đai phức tạp. Hộp số bánh răng trụ gắn trực tiếp trục động cơ sở hữu tỷ số truyền bằng hai mươi. Tốc độ quay của trục hộp số duy trì ở ba trăm mười tám vòng mỗi phút. Mô-men xoắn đầu ra tại trục tay quay đạt mức chín Newton mét. Các thông số này đảm bảo khả năng chịu tải và vận hành êm ái cho người bệnh.

3.2. Thuật toán điều khiển phản hồi lực và giao diện theo dõi

Hệ thống điều khiển điện tử kết nối chặt chẽ giữa cảm biến lực và động cơ chấp hành. Cảm biến liên tục đọc xung lực tác động của bệnh nhân tại từng thời điểm trong vòng quay. Bộ điều khiển xử lý thuật toán kiểm soát mô-men, lập tức sinh phản lực đối kháng theo bài tập chỉ định. Mức trợ lực hoặc cản lực biến thiên linh hoạt dựa trên dữ liệu thu nhận. Giao diện phần mềm trên máy tính hiển thị biểu đồ lực kéo đẩy trực quan. Bác sĩ điều trị dễ dàng tùy chỉnh cường độ tập luyện và theo dõi tiến độ phục hồi theo từng giai đoạn. Dữ liệu tập luyện được lưu trữ an toàn phục vụ phân tích y khoa lâu dài.

IV. Hiệu quả mô hình phục hồi chức năng có phản hồi lực cánh tay

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chế tạo thành công mô hình phần cứng hoạt động ổn định. Thiết bị đáp ứng toàn bộ các yêu cầu kỹ thuật đề ra ban đầu. Khung máy vững chắc, cơ cấu truyền động vận hành mượt và không phát sinh tiếng ồn lớn. Người tập có thể thực hiện liên tục các chu kỳ quay mà không bị mỏi khớp bất thường. Thuật toán điều khiển phản hồi lực chứng minh tính hiệu quả qua các bài kiểm tra thực nghiệm với tình nguyện viên. Dữ liệu cảm biến phản ánh chính xác từng thay đổi lực cơ bắp giữa pha kéo và pha đẩy. Động cơ phản ứng tức thời, tạo trợ lực khi phát hiện suy giảm vận động và tạo lực cản khi phục hồi tốt. Giao diện trực quan giúp lưu trữ kết quả và theo dõi tiến trình trị liệu thuận tiện. Thành công của đề tài mở ra triển vọng ứng dụng to lớn trong y tế cộng đồng. Mô hình sở hữu chi phí chế tạo thấp hơn nhiều lần so với thiết bị ngoại nhập. Đây là giải pháp hữu ích cho các bệnh viện phục hồi chức năng và bệnh nhân tự tập luyện tại gia đình.

4.1. Kết quả thử nghiệm thực tế trên tình nguyện viên

Mô hình đã trải qua quy trình thử nghiệm thực tế với sự tham gia của tình nguyện viên. Quá trình vận hành ghi nhận độ nhạy cao của cảm biến lực và độ trễ phản hồi thấp dưới năm mươi mili giây. Tình nguyện viên cảm nhận rõ ràng sự tương tác lực trong cả hai pha kéo và đẩy. Đường cong mô-men xoắn ghi nhận từ hệ thống tương thích tốt với đặc tuyến sinh học cánh tay người. Động cơ phản ứng nhịp nhàng, triệt tiêu hiện tượng giật cục gây chấn thương cơ học. Thiết bị vận hành ổn định qua hàng trăm chu kỳ quay liên tục. Kết quả thực nghiệm khẳng định độ an toàn và tính khả thi y khoa của sản phẩm.

4.2. Tiềm năng ứng dụng và hướng hoàn thiện thiết bị y tế

Mô hình cơ điện tử này sở hữu tiềm năng thương mại hóa rộng rãi tại Việt Nam. Thiết bị mở ra cơ hội tiếp cận phương pháp điều trị tiên tiến với chi phí hợp lý cho bệnh nhân. Thiết kế gọn nhẹ tạo điều kiện triển khai tại các phòng khám tuyến cơ sở hoặc sử dụng tại nhà. Hướng phát triển tiếp theo tập trung vào việc tích hợp trí tuệ nhân tạo để cá nhân hóa giáo án tập luyện. Hệ thống có thể tự động nâng mức cản lực dựa trên tiến bộ của từng người bệnh qua từng tuần. Kết nối dữ liệu đám mây sẽ hỗ trợ bác sĩ theo dõi bệnh nhân từ xa một cách thuận tiện.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong y tế hiện đại, việc can thiệp vận động sớm cho bệnh nhân sau điều trị hồi sức tích cực (ICU) hoặc sau đột quỵ đóng vai trò cốt lõi trong việc phục hồi khả năng tự lập. Theo số liệu thống kê năm 2023, hơn 215.000 bệnh nhân đã nhập viện tại các đơn vị ICU trên khắp nước Anh, xứ Wales và Bắc Ireland. Khoảng 1/3 số bệnh nhân này mắc phải hội chứng suy yếu cơ do nằm ICU (ICU-acquired weakness). Mặc dù hơn 80% bệnh nhân sống sót sau điều trị tích cực được xuất viện, nhiều người vẫn phải chịu những tổn thương lâu dài về thể chất và chức năng vận động kéo dài tới 5 năm. Nghiên cứu thực tế ghi nhận 59% bệnh nhân sống sót sau điều trị ICU bị đau cơ xương khớp kéo dài sau 6 tháng, đặc biệt ở khớp vai, đi kèm tình trạng suy giảm lực cơ cánh tay và suy giảm chất lượng cuộc sống.

Các can thiệp của chuyên gia Hoạt động trị liệu (Occupational Therapist - OT) đối với phục hồi chi trên thường trải qua 5 giai đoạn:

1. Giai đoạn 1: Bệnh nhân đang thở máy và an thần (tập trung điều chỉnh môi trường, đặt tư thế chống biến dạng, tập thụ động duy trì tuần hoàn và quản lý phù nề).
2. Giai đoạn 2: Cai máy thở và giảm an thần, bắt đầu tỉnh (kích thích giác quan, quản lý mê sảng, phục hồi thần kinh cơ qua các bài tập nén ép khớp và nâng tay kết hợp hít thở).
3. Giai đoạn 3: Bắt đầu tăng cường sức mạnh chức năng (ưu tiên gập khuỷu tay đưa lên mặt, tăng cường nhóm cơ gốc chi và vận động mặt phẳng vai, rèn luyện kỹ năng cầm nắm tinh).
4. Giai đoạn 4: Giới thiệu các hoạt động sinh hoạt hàng ngày - ADLs (tập ăn uống, vệ sinh cá nhân, chải tóc, nâng cao khả năng dung nạp hoạt động khi ngồi mép giường).
5. Giai đoạn 5: Chuẩn bị chuyển sang khoa Chăm sóc tích cực (High Care) hoặc khoa Ngoại (huấn luyện chuyển tư thế an toàn, tăng sức bền và tuân thủ các phòng ngừa chấn thương).

Tại Việt Nam, các thiết bị tập luyện phục hồi chức năng dạng quay cánh tay chủ yếu là sản phẩm nhập khẩu với giá thành cao, trong khi nghiên cứu chế tạo nội địa còn hạn chế. Những thiết bị cơ học hiện có trên thị trường thường chỉ cung cấp mức kháng lực cơ học cố định, thiếu tính linh hoạt và không có khả năng tự động thích ứng theo lực cơ của bệnh nhân. Quá trình đánh giá hiệu quả trị liệu phụ thuộc phần lớn vào cảm nhận chủ quan của kỹ thuật viên, thiếu số liệu định lượng theo thời gian thực để cá nhân hóa phác đồ điều trị.

Đề tài đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Thiết kế và chế tạo phần cứng cơ khí mô hình tập phục hồi chức năng dạng tay quay có tích hợp cảm biến đo mô-men xoắn.
2. Xây dựng hệ thống điện - điều khiển nhúng phục vụ thu thập dữ liệu và vận hành truyền động.
3. Nghiên cứu thuật toán điều khiển mô-men xoắn thông qua dòng điện nhằm tái tạo phản lực chính xác, ổn định theo các chế độ luyện tập.
4. Phát triển giao diện người dùng phục vụ vận hành, theo dõi trực quan và lưu trữ dữ liệu tập luyện.
5. Thực nghiệm đánh giá độ chính xác, độ trễ và khả năng đáp ứng của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cơ điện tử tập phục hồi chức năng cánh tay có phản hồi lực. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở chuyển động quay phẳng của chi trên, kiểm thử thực nghiệm trên mô hình phần cứng trong môi trường phòng thí nghiệm với người tình nguyện khỏe mạnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt y sinh học và giải phẫu học, vận động chi trên dựa trên sự phối hợp của ba phức hợp khớp:

• Phức hợp khớp vai (shoulder complex): Bao gồm khớp vai - cánh tay (scapulohumeral), khớp mỏm cùng vai - xương đòn (acromioclavicular), khớp ức - xương đòn (sternoclavicular) và khớp vai - lồng ngực (scapulothoracic). Khớp vai có bậc tự do cao, định hướng chuyển động đa hướng cho toàn bộ cánh tay.
• Phức hợp khớp khuỷu (elbow complex): Khớp cánh tay - trụ (humeral-ulnar) đóng vai trò khớp bản lề nối xương cánh tay (humerus) với xương quay (radius) và xương trụ (ulna).
• Phức hợp khớp cổ tay (wrist joint): Gồm 8 xương cổ tay (carpal bones) liên kết với đầu xa xương quay và xương trụ.

Nghiên cứu áp dụng hai mô hình phân tích vận động kinh điển:

• Mô hình vươn – nắm (reach-and-grasp): Gồm 4 pha (vươn tay - reaching, đưa cốc ra trước - forward transporting, đưa cốc về sau - backward transporting, trở về - return) và 4 mốc thời điểm (nắm cốc - P1, cốc tới miệng - P2, đặt cốc xuống - P3, về vị trí ban đầu - P4).
• Mô hình chu kỳ quay tay (crank propulsion): Quỹ đạo chuyển động tròn 360° được chia làm hai pha chức năng: pha kéo (pull phase, từ 0° đến 180°) huy động cơ gấp khuỷu và kéo vai; pha đẩy (push phase, từ 180° đến 360°) huy động cơ duỗi khuỷu và cơ đẩy quanh khớp vai.

Hệ thống điều khiển lực sử dụng mô hình hàm truyền đạt của động cơ điện một chiều ở trạng thái tĩnh. Khi động cơ tạo lực cản phản hồi ở trạng thái giữ hoặc chuyển động chậm, thành phần sức phản điện động do vận tốc góc được giản lược. Phương trình vi phân phần điện:

$$u(t) = R_a i(t) + L_a \frac{di(t)}{dt}$$

Biến đổi Laplace thiết lập hàm truyền đạt bậc một giữa điện áp điều khiển $U(s)$ và dòng điện $I(s)$:

$$G(s) = \frac{I(s)}{U(s)} = \frac{K}{T s + 1}$$

Trong đó độ lợi quá trình $K = 1/R_a$ và thời hằng điện $T = L_a/R_a$. Thuật toán điều khiển dòng điện sử dụng bộ điều khiển PI, thiết kế theo phương pháp điều khiển mô hình nội bộ (Internal Model Control - IMC) kết hợp quy tắc điều chỉnh Chien và Fruehauf:

$$K_p = \frac{T}{K \lambda}, \quad T_i = T$$

Hệ số lọc $\lambda$ được khảo sát qua mô phỏng và thực nghiệm để tối ưu hóa thời gian đáp ứng và khử hiện tượng vọt lố.

Về phương pháp nghiên cứu, đề tài kết hợp giữa mô hình hóa toán học, thiết kế mô phỏng 3D trên phần mềm SolidWorks, phân tích động học - động lực học truyền động, lập trình nhúng thời gian thực và thực nghiệm đo kiểm tín hiệu cảm biến.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc cơ điện tử khép kín, bao gồm kết cấu cơ khí chịu lực, hệ thống điện điều khiển phân tán và phần mềm giao diện giám sát.

Thiết kế cơ khí

Kết cấu cơ khí sử dụng khung nhôm định hình kích thước phủ bì $942 \times 942 \times 262\text{ mm}$, đảm bảo độ cứng vững, khối lượng nhẹ và khả năng lắp đặt linh hoạt. Cụm truyền động chính gồm:

• Cơ cấu tay quay: Chiều dài bán kính quay $D = 300\text{ mm}$, tay cầm đặt tại vành ngoài mô phỏng chuyển động sinh lý của chi trên.
• Hộp số Cycloidal 1 tầng: Được lựa chọn thay thế cho hộp số hành tinh và hộp số trục vít nhờ đặc tính chống va đập, độ cứng xoắn cao và độ rơ (backlash) thấp. Hộp số được thiết kế với tỉ số truyền danh nghĩa $i = 20:1$, cấu tạo từ đĩa rotor biên dạng cycloid với 20 gờ (lobes) ăn khớp cùng vòng 21 con lăn cố định ($N = 21$), độ lệch tâm trục $E = 1.5\text{ mm}$. Biên dạng rotor được tạo hình chính xác trên SolidWorks bằng phương trình tham số:

$$X(t) = R \cos(t) - R_r \cos\left(t + \arctan\left(\frac{\sin((1-N)t)}{\frac{R}{E \cdot N} - \cos((1-N)t)}\right)\right) - E \cos(N t)$$

• Bộ truyền đai: Đóng vai trò truyền động cấp hai từ trục động cơ về trục tay quay với tỉ số truyền $u_{đai} = 2.5$. Bộ truyền đai giúp vận hành êm ái, giảm rung động, triệt tiêu tiếng ồn và đảm bảo an toàn cơ học cho người bệnh khi xảy ra hiện tượng co cứng cơ đột ngột.
• Cụm ổ lăn đỡ: Sử dụng cặp vòng bi đỡ chặn C-B7805ZZ (hoặc C-B6805ZZ) và 688AMC3 định vị trục quay trung tâm.

Bộ phận cơ khí	Thông số kỹ thuật / Loại linh kiện	Chức năng
Khung giá đỡ	Nhôm định hình ($942 \times 942 \times 262\text{ mm}$)	Định vị toàn bộ hệ thống cơ cấu và động cơ
Tay quay tập	Bán kính quay $R = 300\text{ mm}$	Giao tiếp lực trực tiếp với bàn tay người bệnh
Hộp số Cycloidal	Tỉ số truyền $i = 20:1$, $N = 21$ con lăn, $E = 1.5\text{ mm}$	Tăng mô-men xoắn, giảm tốc độ và triệt tiêu độ rơ
Bộ truyền đai	Tỉ số truyền $u = 2.5$	Truyền lực êm ái, giảm xung lực bảo vệ khớp tay
Cảm biến mô-men	Mạch cầu điện trở biến dạng (strain-gauge)	Đo biến dạng xoắn trên trục để tính phản lực

Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

Hệ thống điện chia làm hai khối xử lý riêng biệt nhằm tối ưu hóa tính toán thời gian thực:

• Khối đọc cảm biến lực: Sử dụng vi điều khiển ESP32-C3 Super Mini kết hợp mạch khuếch đại và chuyển đổi tương tự - số 24-bit chuyên dụng HX711, thu thập tín hiệu vi sai từ cầu điện trở gắn trên trục tay quay. Dữ liệu lực được lọc nhiễu và truyền nối tiếp sang bộ xử lý trung tâm.
• Khối xử lý trung tâm và điều khiển chấp hành: Sử dụng vi điều khiển ESP32 (dòng WROOM) nhận lệnh cài đặt, tính toán sai lệch lực và điều khiển động cơ DC (Nisca NF5475) thông qua mạch cầu H công suất BTS7960 bằng tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM). Hệ thống được cấp nguồn kết hợp giữa nguồn điện lưới và khối pin LiPo sạc qua mạch TP4056.
• Truyền thông: Dữ liệu vòng kín điều khiển giữa cảm biến, MCU và driver thực hiện qua giao tiếp có dây (UART/I2C/SPI) để triệt tiêu độ trễ; dữ liệu theo dõi, cài đặt bài tập và lưu trữ được truyền thông lên máy tính điều khiển qua UART hoặc mạng không dây (ESP-NOW/Wi-Fi).

Thiết kế phần mềm và giao diện giám sát

Giao diện người dùng được xây dựng dựa trên nguyên lý thiết kế tương tác có sự tham gia của chuyên gia y tế (co-design), hướng đến khung phân loại quốc tế về chức năng, khuyết tật và sức khỏe (ICF-RS). Giao diện phân chia thành các trang chức năng:

• Trang kết nối và cấu hình: Quản lý cổng giao tiếp COM/Baudrate, kiểm soát kết nối thời gian thực giữa máy tính và phần cứng nhúng.
• Trang điều khiển và thiết lập bài tập: Cài đặt các chế độ vận động (chủ động, thụ động, kháng lực), thiết lập ngưỡng mô-men cản tối đa và hướng quay.
• Trang giám sát trực quan: Hiển thị đồ thị thời gian thực của các biến trạng thái bao gồm góc quay trục, vận tốc góc, dòng điện động cơ và mô-men xoắn đáp ứng.
• Trang quản lý dữ liệu bệnh nhân: Nhập hồ sơ người tập, lưu trữ nhật ký truyền thông, xuất số liệu luyện tập ra các bảng dữ liệu chuyên biệt phục vụ phân tích y khoa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về dịch tễ học và phục hồi chức năng sau điều trị hồi sức tích cực. Tác giả trình bày chi tiết về biến chứng yếu cơ mắc phải tại ICU (ICU-acquired weakness), chỉ ra thực trạng chức năng chi trên và khớp vai thường bị bỏ sót trong giai đoạn điều trị hồi sức. Chương này thiết lập cơ sở lâm sàng thông qua 5 giai đoạn can thiệp của Hoạt động trị liệu (OT), đồng thời làm rõ bài toán thực tiễn tại Việt Nam về sự phụ thuộc vào thiết bị ngoại nhập và thiếu vắng công cụ định lượng lực cơ tự động. Từ đó, các mục tiêu thiết kế phần cứng, thuật toán điều khiển và phần mềm giám sát được xác định cụ thể cùng các phạm vi giới hạn của đề tài.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 hệ thống hóa nền tảng liên ngành giữa cơ học y sinh và điều khiển tự động. Về y sinh học, tác giả giải phẫu chi tiết cấu trúc xương - khớp của phức hợp vai, khuỷu và cổ tay, đồng thời chuẩn hóa hai mô hình vận động: chu kỳ vươn - nắm 4 pha/4 mốc và chu kỳ quay tay 360° với pha kéo (pull phase) và pha đẩy (push phase). Về kỹ thuật cơ điện tử, chương này so sánh các phương án truyền động (đai, xích, bánh răng) và các dòng động cơ, từ đó luận chứng cho việc lựa chọn truyền động đai kết hợp động cơ DC. Phần điều khiển trình bày chi tiết các giao thức truyền thông nhúng (UART, RS-232, I2C, SPI, Wi-Fi, Bluetooth, ESP-NOW), xây dựng hàm truyền đạt động cơ bậc một dựa trên định luật Kirchhoff và phương pháp điều khiển mô hình nội bộ (IMC) theo Chien - Fruehauf. Cuối chương, nguyên lý thiết kế giao diện theo tiêu chuẩn ICF-RS và quy trình phát triển co-design được thiết lập.

Chương 3. Thiết kế hệ thống cơ khí

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tính toán động học, động lực học và thiết kế chi tiết kết cấu cơ khí. Tác giả so sánh ba cấu trúc hộp số chính (hành tinh, cycloidal, harmonic) và quyết định lựa chọn hộp số Cycloidal 1 tầng. Chương trình bày chi tiết việc chuyển đổi phương trình toán học sang công cụ Equation Driven Curve trên phần mềm SolidWorks để dựng hình chính xác rotor 20 lobe với 21 con lăn cố định ($i = 20:1$, độ lệch tâm $E = 1.5\text{ mm}$). Các tính toán tải trọng được xác lập: lực tác động cực đại $F = 30\text{ N}$, chiều dài tay quay $D = 300\text{ mm}$, vận tốc dài $v = 0.5\text{ m/s}$, công suất đầu ra $P_{out} = 15\text{ W}$, công suất động cơ tính toán $P_{dc} = 17\text{ W}$, mô-men xoắn đầu ra $T = 9\text{ N.m}$. Tỉ số truyền đai được chốt ở mức $u = 2.5$, từ đó suy ra tốc độ quay của trục động cơ đạt $795\text{ rpm}$, trục hộp số $318\text{ rpm}$ và trục tay quay $15.9\text{ rpm}$. Toàn bộ kết cấu khung nhôm định hình $942 \times 942 \times 262\text{ mm}$ cùng việc bố trí ổ lăn, puly và cảm biến đo mô-men được mô hình hóa hoàn chỉnh.

Chương 4. Thiết kế hệ thống điện

Chương 4 cụ thể hóa cấu trúc phần cứng điện tử và giải thuật thu thập tín hiệu. Tác giả phân chia cấu trúc mạch thành hai khối vi xử lý: module vi điều khiển ESP32-C3 Super Mini chịu trách nhiệm đọc mạch cầu cảm biến biến dạng qua bộ biến đổi HX711 24-bit, và vi điều khiển ESP32 đóng vai trò khối xử lý trung tâm. Khối công suất sử dụng module driver BTS7960 để điều khiển động cơ DC Nisca NF5475. Chương này trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch nguồn tích hợp mạch sạc TP4056 và pin LiPo dự phòng, sơ đồ đấu nối chân I/O, cũng như lưu đồ giải thuật đọc cảm biến và giải thuật điều khiển phát xung PWM cho động cơ.

Chương 5. Điều khiển và giao diện điều khiển

Chương 5 tập trung vào nhận dạng hệ thống, thực thi giải thuật điều khiển vòng kín và xây dựng giao diện vận hành. Dựa trên đáp ứng bước dòng điện thực nghiệm của động cơ, hệ số hàm truyền đạt bậc một được xác định. Thuật toán PI thiết kế theo IMC được mô phỏng trên phần mềm và kiểm chứng thực nghiệm trong hai trường hợp lựa chọn tham số lọc $\lambda$. Kết quả cho thấy hệ thống đáp ứng chính xác giá trị mô-men xoắn đặt với thời gian xác lập nhanh. Nửa sau của chương mô tả chi tiết giao diện đồ họa người dùng: cấu trúc trang mở đầu, trang làm việc chính, thanh gửi mã lệnh, khu vực nhập thông tin bệnh nhân, đồ thị hiển thị lực thời gian thực và các bảng sheet sao lưu dữ liệu thông số động cơ, phản lực và nhật ký truyền thông.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt cơ khí, điện tử và thuật toán điều khiển của mô hình thực nghiệm. Tác giả thẳng thắn chỉ ra các giới hạn kỹ thuật về môi trường thử nghiệm và cấu hình phần cứng hiện tại, đồng thời đề xuất lộ trình hoàn thiện thiết bị để hướng tới ứng dụng lâm sàng thực tế.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo thành công mô hình phần cứng thực nghiệm hoàn chỉnh của thiết bị phục hồi chức năng cánh tay với các thông số kỹ thuật được kiểm chứng qua đo đạc thực tế:

Đại lượng / Bộ phận	Giá trị thiết kế & Thực nghiệm	Đơn vị đo
Kích thước bao ngoài thiết bị	$942 \times 942 \times 262$	mm
Chiều dài tay quay ($D$)	300	mm
Lực tác động thiết kế lớn nhất ($F_{max}$)	30	N
Vận tốc chuyển động tay quay ($v$)	0.5	m/s
Tốc độ quay trục tay quay ($n_{tq}$)	15.9	rpm
Tốc độ quay trục động cơ ($n_{dc}$)	795	rpm
Tỉ số truyền hộp số Cycloidal ($i$)	20:1	-
Tỉ số truyền bộ truyền đai ($u$)	2.5	-
Tổng tỉ số truyền toàn hệ thống	50:1	-
Công suất đầu ra cơ học ($P_{out}$)	15	W
Công suất yêu cầu của động cơ ($P_{dc}$)	17	W
Mô-men xoắn đầu ra tại tay quay	9	N.m

Hệ thống điều khiển dòng điện dựa trên bộ điều khiển PI-IMC đã kiểm chứng thực nghiệm khả năng bám tín hiệu mô-men xoắn theo thời gian thực. Hệ thống tạo ra lực cản và lực hỗ trợ chính xác theo hai pha đẩy (push phase) và kéo (pull phase) của bài tập quay tay, loại bỏ hiện tượng giật cục nhờ sự kết hợp giữa bộ truyền đai giảm chấn và thuật toán điều khiển mềm dẻo.

Về mặt đóng góp khoa học và kỹ thuật:

• Tự chủ thiết kế và chế tạo thành công hộp số Cycloidal tỉ số truyền $20:1$ kích thước nhỏ gọn bằng phương pháp dựng hình tham số toán học trên SolidWorks, giải quyết bài toán chống rung giật và chịu tải va đập mà các hộp số thương mại giá rẻ không đáp ứng được.
• Đề xuất kiến trúc điều khiển nhúng phân tán kết hợp hai vi điều khiển ESP32 và ESP32-C3, tách biệt hoàn toàn tác vụ đọc cảm biến lực phân giải cao (HX711) và tác vụ điều khiển động cơ tần số cao, giúp hệ thống duy trì tính tiền định và thời gian trễ thấp.
• Xây dựng giải pháp điều khiển mô-men gián tiếp qua dòng điện đơn giản hóa phần cứng, tiết kiệm chi phí nhưng vẫn đảm bảo khả năng phản hồi lực chính xác.
• Hiện thực hóa giao diện giám sát hỗ trợ kỹ thuật viên y tế thu thập số liệu định lượng (mô-men, vận tốc, góc quay) thay thế cho phương pháp đánh giá định tính truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận bao gồm:

• Môi trường thử nghiệm: Các thử nghiệm mới chỉ được tiến hành trong phòng thí nghiệm trên các tình nguyện viên khỏe mạnh, chưa được kiểm chứng lâm sàng trên bệnh nhân tổn thương thần kinh hoặc bệnh nhân nằm ICU thực tế.
• Phần cứng chấp hành: Động cơ DC chổi than tuy có ưu điểm về chi phí và điều khiển đơn giản nhưng tồn tại ma sát cơ học, hiện tượng mòn chổi than và phát sinh nhiễu điện từ (EMI) khi vận hành lâu dài; cảm biến lực dạng thanh chịu ảnh hưởng bởi biến dạng cơ khí phụ thuộc vào vị trí đặt tay trên tay cầm.

Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu:

• Nâng cấp phần cứng truyền động: Thay thế động cơ DC chổi than bằng động cơ DC không chổi than (BLDC) hoặc động cơ Servo chuyên dụng nhằm nâng cao hiệu suất, giảm thiểu tiếng ồn và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
• Phát triển thuật toán thích nghi: Tích hợp các thuật toán nhận dạng trạng thái cơ (như phát hiện co cứng cơ spasticity) để tự động điều chỉnh ngưỡng cản hoặc dừng khẩn cấp, nâng cao độ an toàn sinh học.
• Thử nghiệm tiền lâm sàng: Đưa thiết bị vào thử nghiệm tại các trung tâm vật lý trị liệu hoặc bệnh viện để thu thập dữ liệu phục hồi thực tế, hoàn thiện giao diện báo cáo chuyên sâu theo chuẩn y tế ICF-RS.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và học viên cao học thuộc các ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering) và Công nghệ Robot.

Các nội dung chuyên môn có giá trị thực tiễn cao bao gồm:

• Quy trình toán học và phương pháp dựng hình tham số cho hộp số Cycloidal trên phần mềm SolidWorks (mục 3.3).
• Phương pháp thiết kế bộ điều khiển dòng điện PI theo mô hình nội bộ IMC ứng dụng cho động cơ DC (mục 2.5 và 5.2).
• Giải pháp thiết kế hệ thống nhúng phân tán đa vi xử lý (ESP32 và ESP32-C3) xử lý tín hiệu cảm biến biến dạng vi sai và truyền thông công nghiệp.
• Mô hình phân tích sinh cơ học chi trên kết hợp chuyển động chu kỳ vươn - nắm và quay tay 360° phục vụ thiết kế thiết bị tập vận động y tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn hộp số Cycloidal thay vì hộp số bánh răng hành tinh hay hộp số Harmonic? Hộp số Cycloidal được chọn vì đạt được sự cân bằng tối ưu giữa khả năng chịu tải va đập cao, độ cứng xoắn lớn, độ rơ (backlash) rất thấp và độ bền vượt trội trong điều kiện tải biến thiên và đảo chiều liên tục. So với hộp số hành tinh, cycloidal ít rơ hơn sau thời gian dài sử dụng; so với hộp số Harmonic, cycloidal có độ cứng xoắn cao hơn, không bị hiện tượng đàn hồi (compliance) gây nhún khi đổi chiều tải và có chi phí chế tạo phù hợp hơn.

2. Tỉ số truyền tổng cộng của hệ thống là bao nhiêu và được phân bổ như thế nào? Tổng tỉ số truyền của toàn bộ hệ cơ khí là $50:1$. Tỉ số truyền này được phân bổ qua hai cấp: cấp thứ nhất là hộp số Cycloidal gắn trực tiếp tại trục động cơ với tỉ số truyền $i = 20:1$ ($N = 21$ con lăn, rotor 20 lobe); cấp thứ hai là bộ truyền dây đai dẫn động từ trục hộp số sang trục tay quay với tỉ số truyền $u = 2.5$.

3. Tại sao hệ thống lại sử dụng hai vi điều khiển ESP32 và ESP32-C3 riêng biệt? Vi điều khiển ESP32-C3 Super Mini được bố trí riêng cho khối cảm biến để chuyên trách việc giao tiếp và đọc dữ liệu từ chip chuyển đổi ADC 24-bit HX711 gắn trên cầu điện trở đo lực. Việc này giúp giảm tải tính toán cho chip xử lý trung tâm ESP32 chính, đảm bảo việc đọc tín hiệu biến dạng không bị trễ chu kỳ và cách ly nhiễu điện từ từ mạch công suất điều khiển động cơ BTS7960.

4. Thiết kế cơ khí của mô hình đáp ứng mức tải trọng và dải tốc độ làm việc như thế nào? Hệ thống được tính toán cho bài toán tập phục hồi chức năng ở tốc độ thấp và lực cản vừa phải. Các thông số vận hành danh nghĩa bao gồm: lực cản lớn nhất tại tay quay $F_{max} = 30\text{ N}$ với chiều dài tay quay $300\text{ mm}$, mô-men xoắn đầu ra trục tay quay đạt $9\text{ N.m}$, vận tốc dài tay quay $0.5\text{ m/s}$ (tương đương tốc độ quay trục tay quay $15.9\text{ rpm}$ và tốc độ trục động cơ $795\text{ rpm}$), công suất cơ học đầu ra đạt $15\text{ W}$.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị tập phục hồi chức năng cánh tay có phản hồi lực dựa trên cơ chế tay quay sinh học 360°. Hệ thống tích hợp thành công hộp số Cycloidal tự thiết kế với tỉ số truyền $20:1$, bộ truyền đai giảm chấn $2.5:1$ cùng cấu trúc nhúng phân tán hai vi điều khiển ESP32 và ESP32-C3. Thuật toán điều khiển dòng điện PI theo phương pháp IMC chứng minh khả năng tái tạo lực chính xác và ổn định theo các pha vận động chức năng của cánh tay. Đây là nền tảng kỹ thuật vững chắc mở ra tiềm năng nội địa hóa các thiết bị y tế hỗ trợ vận động thông minh với chi phí hợp lý.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu Năm 2023, hơn 215.000 bệnh nhân đã được nhập viện vào các đơn vị chăm sóc tích cực (ICU) trên khắp nước Anh, xứ Wales và Bắc Ireland. Khoảng một phần ba trong số những người này mắc phải "chứng suy yếu cơ do nằm ICU", một biến chứng phổ biến trong đó các cơ, đặc biệt là ở tứ chi, bị suy yếu đáng kể.

Điều này có thể dẫn đến mất khả năng tự lập. Mặc dù hơn 80% bệnh nhân sống sót sau điều trị tại ICU được xuất viện, nhiều người vẫn phải đối mặt với những thách thức lâu dài về thể chất, tâm lý và chất lượng cuộc sống. Những thách thức này có thể kéo dài đến năm năm sau khi xuất viện. Điều này dẫn đến việc sử dụng dịch vụ chăm sóc sức khỏe nhiều hơn và tình trạng thất nghiệp kéo dài.

Các tiêu chí đánh giá kết quả phục hồi tại ICU thường tập trung vào khả năng vận động và chăm sóc hô hấp. Chức năng tay và vai chưa được quan tâm đúng mức. Các nghiên cứu cho thấy 59% bệnh nhân sống sót sau điều trị tại ICU bị đau cơ xương khớp, đặc biệt là ở vai. Họ báo cáo sức mạnh cánh tay giảm sút và chất lượng cuộc sống suy giảm so với người khỏe mạnh, sáu tháng sau khi xuất viện.

Đơn vị Hồi sức tích cực (ICU) là khoa chuyên biệt trong bệnh viện dành cho việc theo dõi liên tục và điều trị các bệnh nhân trong tình trạng nguy kịch. Tại đây, các chỉ số sinh tồn như nhịp tim, huyết áp, độ bão hòa oxy và thân nhiệt được giám sát chặt chẽ. Bệnh nhân thường phụ thuộc vào hỗ trợ thông khí cơ học (thở máy) hoặc liệu pháp oxy. Việc sử dụng thuốc an thần là cần thiết trong nhiều trường hợp, dẫn đến việc bệnh nhân có thể ở trong trạng thái mất ý thức.

Thông thường, mỗi bệnh nhân sẽ được chăm sóc bởi một điều dưỡng riêng biệt.1: Upper Limb Rehab in the ICU [23] Các tình trạng đe dọa tính mạng thường gặp tại ICU bao gồm: bệnh lý hô hấp cần thông khí nhân tạo, rối loạn tim mạch cần theo dõi sát, biến chứng sau phẫu thuật gây suy giảm chức năng tim phổi, nhiễm trùng toàn thân, và các bệnh lý thần kinh như tai biến mạch máu não (CVA), chấn thương sọ não (TBI) và tổn thương tủy sống (SCI) (Clark, 2017). Thời gian nằm ICU kéo dài (đặc biệt là khi có can thiệp thở máy) ảnh hưởng tiêu cực đến chức năng chi trên. Các nghiên cứu cho thấy bệnh nhân từng nằm ICU có sự suy giảm chức năng chi trên tại thời điểm xuất viện và sau 6 tháng theo dõi so với những người không nằm ICU (de Carvalho et al. Các nguyên nhân gây rối loạn chức năng chi trên tại ICU bao gồm: gãy xương, trật khớp, cắt cụt do chấn thương, tổn thương thần kinh ngoại biên, chấn thương sọ não, tai biến mạch máu não, tổn thương tủy sống, yếu cơ mắc phải tại ICU (ICU-acquired weakness) và các tình trạng toàn thân gây phù nề lan rộng.

Rối loạn chức năng này liên quan đến việc kéo dài thời gian nằm ICU, tăng thời gian nhập viện và gia tăng mức độ khuyết tật tự báo cáo về lâu dài (Zeelenberg et al. 2 Do đó, chuyên gia Hoạt động trị liệu (Occupational Therapist - OT) đóng vai trò quan trọng trong việc can thiệp phục hồi chức năng chi trên tại ICU. Quy trình phục hồi chức năng được chia thành 5 giai đoạn dựa trên trạng thái tri giác và khả năng vận động của bệnh nhân: Giai đoạn 1: Bệnh nhân đang thở máy và an thần: Trong giai đoạn này, bệnh nhân chưa tỉnh táo.