Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ hỗ trợ cơ thể người, việc nghiên cứu và chế tạo các thiết bị hỗ trợ khớp gối ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, khớp gối là bộ phận chịu tải trọng lớn nhất trong hệ vận động của cơ thể, đặc biệt khi mang vác vật nặng hoặc di chuyển liên tục. Các thiết bị hỗ trợ khớp gối không chỉ giúp tăng khả năng chịu tải mà còn cải thiện hiệu suất vận động, giảm thiểu tổn thương và đau đớn cho người sử dụng. Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế và chế tạo thử nghiệm một thiết bị hỗ trợ khớp gối có khả năng hoạt động linh hoạt, hiệu quả, phù hợp với cấu trúc sinh học phức tạp của khớp gối người.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc phát triển thiết bị bộ xương ngoài hỗ trợ khớp gối, với các thử nghiệm thực tế tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2014. Nghiên cứu nhằm giải quyết các vấn đề kỹ thuật như xác định vị trí khớp sinh học, thiết kế cơ cấu có bậc tự do thụ động phù hợp, chế tạo thiết bị ghép nối giảm áp lực lên cơ thể, và tích hợp hệ thống cảm biến lực để điều khiển thiết bị chính xác. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao khả năng mang vác vật nặng, hỗ trợ người lao động và bệnh nhân phục hồi chức năng, đồng thời góp phần phát triển công nghệ robot hỗ trợ vận động tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ khí, robot học và sinh học vận động, bao gồm:

  • Lý thuyết bậc tự do (Degrees of Freedom - DOF): Xác định số bậc tự do cần thiết cho cơ cấu để chuyển động linh hoạt, đồng thời loại bỏ các momen cản gây đau khi khớp sinh học và cơ cấu không đồng tâm. Công thức tính bậc tự do được áp dụng để thiết kế cơ cấu có 1 bậc tự do chủ động và các bậc tự do thụ động bổ trợ.

  • Mô hình hóa chuyển động khớp gối: Khớp gối là khớp phức tạp gồm ba xương chính và các sụn chêm, dây chằng giữ vững cấu trúc. Biên độ vận động chính là gấp-duỗi với góc gấp tối đa khoảng 135 độ, cùng các chuyển động xoay phụ trợ khi gối gấp.

  • Lý thuyết điều khiển robot: Sử dụng các thuật toán điều khiển tỉ lệ sai lệch (PD control) để điều khiển động cơ gấp/mở cơ cấu dựa trên tín hiệu từ cảm biến lực (loadcell) và cảm biến góc quay (encoder).

  • Cảm biến lực (Loadcell) và cảm biến góc quay (Encoder): Loadcell chuyển đổi lực tác động thành tín hiệu điện, giúp đo momen tương tác giữa cơ cấu và khớp gối. Encoder đo góc quay của cơ cấu để xác định vị trí và điều khiển chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, thiết kế kỹ thuật và thử nghiệm thực tế:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành về cơ khí, robot, sinh học vận động, các thiết bị hỗ trợ khớp gối trên thế giới và trong nước.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán bậc tự do cơ cấu, mô hình hóa chuyển động, thiết kế cơ cấu chịu lực và thiết bị ghép nối, phân tích lực tương tác qua cảm biến.

  • Chế tạo và thử nghiệm: Chế tạo mô hình thiết bị bằng vật liệu composite dựa trên khuôn lấy từ chân người thật, tích hợp cảm biến lực và hệ thống điều khiển. Thử nghiệm trên cơ thể thực để đánh giá hiệu quả và điều chỉnh thiết kế.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu và chế tạo diễn ra trong năm 2014 tại TP. Hồ Chí Minh, với các giai đoạn chính gồm khảo sát lý thuyết, thiết kế cơ cấu, chế tạo mẫu, lắp đặt cảm biến và thử nghiệm vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế cơ cấu có bậc tự do thụ động hợp lý: Qua tính toán, cơ cấu với 1 bậc tự do chủ động và 5 bậc tự do thụ động được xác định là phù hợp để đảm bảo chuyển động linh hoạt và giảm momen cản. Cơ cấu có 7 khâu và 7 khớp loại 1, cho số bậc tự do m = 1, giúp đơn giản hóa điều khiển động cơ.

  2. Chế tạo thiết bị ghép nối bằng composite: Sử dụng vật liệu composite với quy trình lấy khuôn thạch cao từ chân người, tạo mẫu bê tông và đúc chi tiết composite, thiết bị ghép nối đạt các yêu cầu về độ bền, độ đàn hồi, diện tích tiếp xúc và trọng lượng nhẹ. Quá trình đóng rắn nhựa UPE với chất xúc tác MEKP được kiểm soát để đảm bảo chất lượng chi tiết.

  3. Tích hợp cảm biến momen và điều khiển: Cảm biến momen sử dụng lò xo xoắn kết hợp encoder cho kết quả đo lực tương tác chính xác và ổn định hơn so với lò xo kéo. Thử nghiệm cho thấy cảm biến có thể phát hiện momen tương tác nhỏ do góc quay cơ cấu rất nhỏ, giúp điều khiển động cơ gấp/mở thiết bị hiệu quả.

  4. Hiệu quả thử nghiệm vận hành: Thiết bị hỗ trợ khớp gối khi lắp trên cơ thể thực tế cho thấy khả năng giảm áp lực lên khớp, tăng khả năng chịu tải và hỗ trợ chuyển động. Các momen cản được triệt tiêu nhờ bậc tự do thụ động, giúp người sử dụng di chuyển dễ dàng hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định tầm quan trọng của việc thiết kế cơ cấu có bậc tự do thụ động phù hợp để tránh các momen cản không mong muốn, điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về bộ xương ngoài hỗ trợ vận động. Việc sử dụng vật liệu composite và phương pháp lấy khuôn chân thủ công kết hợp với công nghệ scan 3D giúp nâng cao độ chính xác và tính tiện dụng của thiết bị. So với các thiết bị bộ xương ngoài như HAL hay HULC, thiết bị nghiên cứu có trọng lượng nhẹ hơn và tập trung hỗ trợ khớp gối với mục tiêu phục hồi chức năng và hỗ trợ lao động.

Dữ liệu thử nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ momen tương tác theo góc quay cơ cấu, bảng so sánh lực tác động trước và sau khi sử dụng thiết bị, cũng như biểu đồ chu kỳ bước đi và trạng thái khớp gối để minh họa hiệu quả điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống điều khiển thông minh: Áp dụng thuật toán điều khiển dựa trên pha di chuyển của bước đi (4 switch algorithm) để tự động điều chỉnh lực hỗ trợ, nâng cao hiệu quả và độ ổn định của thiết bị trong thực tế. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu và kỹ sư phần mềm.

  2. Nâng cao vật liệu và thiết kế ghép nối: Sử dụng công nghệ scan 3D và vật liệu composite cải tiến để tạo ra thiết bị ghép nối có độ bền cao hơn, nhẹ hơn và phù hợp hơn với từng cá nhân. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: phòng thí nghiệm vật liệu và thiết kế.

  3. Mở rộng thử nghiệm lâm sàng: Thực hiện các thử nghiệm trên nhóm người sử dụng đa dạng, bao gồm người lao động và bệnh nhân phục hồi chức năng để đánh giá hiệu quả và điều chỉnh thiết kế. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng; chủ thể: trung tâm y tế và nhóm nghiên cứu.

  4. Tích hợp nguồn năng lượng di động: Nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng nhẹ, dung lượng cao để thiết bị có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài mà không cần nguồn cấp ngoài. Thời gian thực hiện: 18-24 tháng; chủ thể: nhóm kỹ thuật điện và năng lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư cơ khí: Có thể ứng dụng các phương pháp tính toán bậc tự do, thiết kế cơ cấu và chế tạo thiết bị hỗ trợ vận động trong các dự án robot và thiết bị y tế.

  2. Chuyên gia phục hồi chức năng: Tham khảo thiết kế và nguyên lý hoạt động của thiết bị để phát triển các bài tập hỗ trợ lực cho bệnh nhân khớp gối yếu hoặc sau phẫu thuật.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế và robot: Áp dụng công nghệ chế tạo composite, cảm biến lực và điều khiển tự động để phát triển sản phẩm bộ xương ngoài hỗ trợ lao động và phục hồi chức năng.

  4. Người lao động và bệnh nhân: Hiểu rõ về nguyên lý hoạt động và lợi ích của thiết bị hỗ trợ khớp gối, từ đó lựa chọn và sử dụng thiết bị phù hợp nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống và hiệu quả công việc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị hỗ trợ khớp gối này có thể sử dụng cho những đối tượng nào?
    Thiết bị phù hợp với người lao động mang vác vật nặng, bệnh nhân phục hồi chức năng khớp gối, người cao tuổi bị yếu khớp và những người cần hỗ trợ vận động. Ví dụ, binh lính mang quân trang nặng hoặc công nhân trong nhà máy có thể được hỗ trợ hiệu quả.

  2. Làm thế nào để thiết bị giảm thiểu đau và tổn thương khi sử dụng?
    Thiết bị sử dụng các bậc tự do thụ động để loại bỏ momen cản không mong muốn, đồng thời thiết kế ghép nối bằng composite có diện tích tiếp xúc rộng và độ đàn hồi phù hợp, giúp giảm áp lực lên cơ thể.

  3. Thiết bị được điều khiển như thế nào?
    Thiết bị tích hợp cảm biến lực (loadcell) và cảm biến góc quay (encoder), sử dụng thuật toán điều khiển tỉ lệ sai lệch (PD control) và thuật toán nhận dạng pha bước đi để điều chỉnh lực hỗ trợ chính xác, đảm bảo momen tương tác phù hợp.

  4. Quá trình chế tạo thiết bị có phức tạp không?
    Quá trình bao gồm lấy khuôn chân bằng thạch cao hoặc scan 3D, tạo mẫu bằng bê tông hoặc in 3D, đúc chi tiết composite và lắp đặt cảm biến, đòi hỏi sự phối hợp giữa kỹ thuật cơ khí, vật liệu và điện tử.

  5. Thiết bị có thể hoạt động liên tục trong bao lâu?
    Hiện tại thiết bị sử dụng động cơ đặt tại khớp gối và nguồn năng lượng có giới hạn. Việc phát triển nguồn năng lượng di động dung lượng cao là một trong những đề xuất để kéo dài thời gian hoạt động trong tương lai.

Kết luận

  • Thiết kế cơ cấu hỗ trợ khớp gối với 1 bậc tự do chủ động và các bậc tự do thụ động giúp giảm momen cản, tăng linh hoạt vận động.
  • Chế tạo thiết bị ghép nối bằng composite dựa trên khuôn chân người đảm bảo độ bền, độ đàn hồi và giảm áp lực lên cơ thể.
  • Tích hợp cảm biến lực và điều khiển động cơ chính xác giúp thiết bị hoạt động hiệu quả trong hỗ trợ vận động và mang vác.
  • Kết quả thử nghiệm thực tế tại TP. Hồ Chí Minh năm 2014 chứng minh tính khả thi và hiệu quả của thiết bị.
  • Đề xuất phát triển hệ thống điều khiển thông minh, nâng cao vật liệu, mở rộng thử nghiệm và tích hợp nguồn năng lượng để hoàn thiện thiết bị trong các bước tiếp theo.

Mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực cơ khí, robot và phục hồi chức năng tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm phát triển các thiết bị hỗ trợ vận động tiên tiến, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và hiệu quả lao động.