Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại Việt Nam và trên thế giới, số lượng người gặp khó khăn trong vận động hoặc khuyết tật chi dưới do bệnh lý, bẩm sinh hoặc di chứng từ các tai nạn lao động, tai nạn giao thông và chấn thương thể thao là rất lớn. Việc tổn thương chức năng vận động khớp chi dưới đòi hỏi các bài tập vật lý trị liệu và phục hồi chức năng chuyên biệt. Tuy nhiên, phần lớn các hoạt động tập luyện và hỗ trợ đi lại hiện nay vẫn được tiến hành thủ công bởi kỹ thuật viên y tế, gây tốn kém nhân lực và khó duy trì cường độ ổn định. Xu hướng ứng dụng cơ điện tử và tự động hóa vào các thiết bị hỗ trợ bộc lộ tính cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả và rút ngắn thời gian điều trị.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo bộ khung xương chi dưới hỗ trợ người khuyết tật" do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Việt Thắng, hướng tới việc nghiên cứu chế tạo thiết bị khung xương ngoài (Exoskeleton).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Thiết kế chi tiết cơ khí của thiết bị khung xương ngoài mang trên người, bố trí 4 động cơ đặt trên lưng để hỗ trợ lực cho khớp hông và khớp gối hai bên chân.
  2. Thiết kế, chế tạo phần cứng mạch điện điều khiển, bao gồm khối xử lý trung tâm, mạch công suất và mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến.
  3. Chế tạo và thử nghiệm cảm biến đo lực, mô-men tương tác giữa cơ thể người sử dụng và thiết bị dựa trên đầu đo điện trở (strain gage).
  4. Xây dựng thuật toán điều khiển cho thiết bị gồm điều khiển bám theo và điều khiển hỗ trợ lực với hai chế độ: bằng tay và tự động.
  5. Tiến hành thử nghiệm thực nghiệm để xác định các thông số điều khiển (góc xoay, mô-men tương ứng theo các pha di chuyển) và đánh giá hiệu quả hỗ trợ lực.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị khung xương ngoài chi dưới hỗ trợ bước đi cho con người và hệ thống điều khiển đáp ứng theo chuyển động sinh học.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết bị được tính toán, thiết kế cơ khí và thử nghiệm dựa trên chuẩn nhân trắc học của một thành viên trong nhóm nghiên cứu (khối lượng cơ thể 62 kg, chiều cao 1,7 m); phạm vi góc hoạt động hỗ trợ chủ động tập trung từ khớp hông xuống khớp gối và thụ động tại khớp cổ chân trong mặt phẳng bước đi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng hệ thống cơ sở lý thuyết liên ngành giữa giải phẫu học cơ thể người, cơ sinh học (Biomechanics) và kỹ thuật đo lường - điều khiển cơ điện tử:

  • Khung lý thuyết động học khớp sinh học: Phân loại khớp chuyển động tự do (Diarthroses), khớp chuyển động nhẹ (Amphiarthroses) và khớp bất động (Synarthroses). Trong đó, khớp hông được mô hình hóa tương đương khớp cầu (Ball and Socket Joint), khớp gối tương đương khớp bản lề (Hinge Joint) với 1 bậc tự do quay quanh trục ngang (co - duỗi) từ $0^\circ$ đến $155^\circ$, và khớp cổ chân được mô hình hóa kết hợp khớp cầu và khớp xoan (Condyloid Joint).
  • Mô hình cơ sinh học khớp: Áp dụng mô hình Osteokinematics (mô tả chuyển động vĩ mô gồm co - duỗi, dang - khép, xoay trong - ngoài) và Arthrokinematics (mô tả chuyển động vi mô gồm lăn, trượt, quay). Vận dụng Quy tắc lồi - lõm (Rules of Concavity and Convexity của Kaltenborn, 1989) để xác định quy luật chuyển động tiếp xúc bề mặt khớp.
  • Lý thuyết phân tích chu kỳ bước đi (Gait Cycle): Chu kỳ bước của con người được chia thành 2 pha chính và 7 giai đoạn:
    • Pha trụ (Stance Phase - chiếm 62% chu kỳ): Giai đoạn 1 (tiếp xúc ban đầu/gót chạm đất), Giai đoạn 2 (cả bàn chân tiếp xúc mặt đất), Giai đoạn 3 (chân trụ trung gian), Giai đoạn 4 (gót chân nhấc khỏi mặt đất).
    • Pha lắc (Swing Phase - chiếm 38% chu kỳ): Giai đoạn 5 (chân lắc rời mặt đất), Giai đoạn 6 (chân lắc đưa về phía trước), Giai đoạn 7 (giảm tốc và ổn định chuyển trụ).
  • Nguyên lý cảm biến biến dạng (Strain Gage): Dựa trên sự thay đổi điện trở của dây dẫn kim loại dưới tác dụng của ứng suất kéo/nén theo công thức: $$R = \rho \frac{L}{S}$$ Ứng dụng mạch cầu Wheatstone để chuyển đổi biến thiên điện trở sang biến thiên điện áp vi sai nhằm đo lực và mô-men trong giới hạn đàn hồi của vật liệu.
  • Công thức tính bậc tự do cơ cấu trong không gian: $$W = 6n - \sum_{k=1}^5 (6-k)p_k - R_0 - r + s$$

Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

  • Phương pháp phân tích tài liệu: Kế thừa nghiên cứu về Exoskeleton quốc tế (HAL, Phoenix, Ekso Bionics) và trong nước; tham khảo tài liệu thiết kế cảm biến đo lực bằng đầu đo điện trở trên Tạp chí Cơ khí Việt Nam (2015).
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD): Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế 3D các cụm chi tiết cơ khí, phân tích động học, mô phỏng lực và lắp ráp từng cụm cơ cấu.
  • Phương pháp gia công cơ khí và chế tạo mạch: Gia công phay, tiện chi tiết kim loại, đúc ốp bảo vệ bằng vật liệu composite; thi công mạch điện tử vi điều khiển, lắp ráp cảm biến lực.
  • Phương pháp thực nghiệm: Kiểm nghiệm thử tải tĩnh, đo đạc thông số góc quay từ encoder, thu thập dữ liệu cảm biến lực và công tắc hành trình để hiệu chỉnh thông số điều khiển.

Nguồn dữ liệu: Dữ liệu phân bố tỷ lệ khối lượng và trọng tâm từng bộ phận cơ thể người theo tiêu chuẩn nhân trắc học cơ sinh học; số liệu đo thực nghiệm góc quay, xung encoder và điện áp cảm biến thu được từ hệ thống đo.

Thiết kế và triển khai

Thiết kế cơ khí và kết cấu cơ cấu

Hệ thống khung xương được thiết kế gồm ba cụm khớp chính: khớp hông, khớp gối và khớp cổ chân. Để giảm thiểu trọng lượng đè nặng lên các chi dưới và tối ưu hóa tính thẩm mỹ, toàn bộ 4 động cơ dẫn động được đặt tập trung trên khung mang ở lưng.

                  [Khung mang trên lưng]
             (Chứa 4 động cơ dẫn động DC)
                 /                  \
                /                    \
   [Truyền động đai răng L]     [Truyền động cáp thắng]
              |                               |
       [Khớp hông]                       [Khớp gối]
    (3 khớp xoay + 1 tịnh tiến)        (1 bậc chủ động + 5 bậc tự do)
              \                               /
               \                             /
                ---- [Thanh nối hợp kim] ----
                             |
                       [Khớp cổ chân]
                    (Khớp cầu linh hoạt)

Thông số phân bố khối lượng và cánh tay đòn được tính toán cho người sử dụng có trọng lượng $m = 62\text{ kg}$:

Bộ phận cơ thể Tỷ lệ khối lượng so với cơ thể (%) Khối lượng tương ứng (kg) Tỷ lệ vị trí trọng tâm so với chiều dài đoạn (%) Vị trí đo trọng tâm
Đùi 9,88% 6,13 kg 43,3% Tính từ khớp hông
Cẳng chân 4,65% 2,88 kg 43,3% Tính từ khớp gối
Bàn chân 1,45% 0,90 kg 50,0% Tính từ gót chân
Cẳng chân + Bàn chân 6,10% 3,78 kg 60,6% Tính từ khớp gối
Toàn bộ chân 16,10% 9,98 kg 44,7% Tính từ khớp hông
  • Khớp hông: Thiết kế gồm 3 khớp xoay và 1 khớp tịnh tiến phía sau. Khớp xoay theo trục x được gắn encoder để đo tọa độ góc khi di chuyển. Dẫn động sử dụng động cơ $24\text{ VDC}$ ($40\text{ W}$, tốc độ $52\text{ vòng/phút}$, mô-men xoắn định mức $8,5\text{ Nm}$, khối lượng $1000\text{ g}$). Hệ thống sử dụng bộ truyền đai răng loại L có tỷ số truyền $u_đ = 1,83$ ($z_1 = 12\text{ răng}$, $z_2 = 22\text{ răng}$, bước đai $p = 9,525\text{ mm}$, chiều rộng $b = 20\text{ mm}$, mã đai 285L gồm 76 răng, khoảng cách trục $a = 280,5\text{ mm}$). Mô-men đầu ra sau bộ truyền đạt $13\text{ Nm}$, đáp ứng hỗ trợ khoảng 35% mô-men yêu cầu tại khớp hông.
  • Khớp gối: Thiết kế cơ cấu gồm 6 khâu động với 1 bậc tự do chủ động (co - duỗi góc từ $0^\circ$ đến $90^\circ$). Dẫn động sử dụng động cơ $24\text{ VDC}$ ($8\text{ W}$, tốc độ $86\text{ vòng/phút}$, mô-men xoắn $1,2\text{ Nm}$, khối lượng $500\text{ g}$) truyền động qua hệ thống dây cáp (dây thắng xe đạp) có cơ cấu căng chỉnh, cho khả năng hỗ trợ khoảng 22% mô-men yêu cầu khi thử tải.
  • Khớp cổ chân: Thiết kế khớp cầu nhằm tạo sự linh hoạt khi tiếp đất và phân bổ áp lực bàn chân, kết hợp các khâu trượt điều chỉnh chiều dài tương thích theo cơ thể.
  • Vật liệu chế tạo:
    • Nhôm hợp kim 5052: Dùng làm các thanh chịu lực, trục và cụm liên kết chính nhờ ưu điểm nhẹ (khối lượng riêng $\approx 2,7\text{ g/cm}^3$, bằng 1/3 thép), dễ gia công và độ bền uốn tốt.
    • Thép không gỉ AISI 304: Dùng cho các chi tiết then chốt chịu ứng suất kéo, cắt cao và trục truyền động.
    • Nhựa PE: Dùng cho các bạc lót, gối đỡ giảm ma sát.
    • Vật liệu composite (cốt sợi thủy tinh kết hợp nền nhựa polyeste): Dùng đúc các tấm ốp ôm lưng, đùi và bắp chân, vừa bảo vệ thiết bị vừa tạo sự êm ái, chắc chắn khi gắn vào cơ thể.

Thiết kế hệ thống điện và cảm biến

Hệ thống điều khiển phần cứng bao gồm các khối liên kết chặt chẽ:

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560 đóng vai trò bộ điều khiển chính, xử lý thuật toán phân tích dáng đi, điều khiển động cơ và truyền nhận dữ liệu. Một bo mạch Arduino Nano phụ trách đọc dữ liệu từ các cảm biến lực và giải mã encoder.
  • Khối cảm biến lực và mô-men: Chế tạo dựa trên cấu trúc dán 4 lá điện trở strain gage đấu nối thành mạch cầu Wheatstone toàn phần, kết hợp vi mạch khuếch đại chuyên dụng HX711 (bộ biến đổi ADC 24-bit độ phân giải cao) để số hóa tín hiệu lực biến dạng.
  • Khối cảm biến vị trí: Sử dụng encoder quang học công nghiệp độ phân giải 500 xung/vòng gắn trên các trục khớp để phản hồi góc quay và vận tốc góc.
  • Cảm biến pha tiếp đất: Lắp đặt 4 công tắc hành trình tại mũi chân và gót chân ở hai đế giày để nhận diện các pha chạm đất (pha trụ, pha lăng).
  • Khối công suất: Mạch cầu H BTS7960 công suất dòng định mức $43\text{ A}$ và mạch cầu H Sukitronics điều khiển băm xung PWM và đảo chiều động cơ DC.
  • Mạch nguồn và giao tiếp: Mạch giảm áp DC LM2596 cấp nguồn ổn định $5\text{ V}$ cho hệ vi điều khiển và cảm biến từ khối pin chính; module truyền thông không dây Bluetooth HC-05 truyền dữ liệu về máy tính giám sát.

Thuật toán điều khiển và phần mềm giám sát

  • Thuật toán đọc và xử lý tín hiệu:
    • Giải thuật đọc xung ngắt encoder để xác định vị trí góc khớp chân theo thời gian thực.
    • Giải thuật đọc ADC từ cảm biến lực kết hợp bộ lọc số trung bình trượt (Moving Average Filter) nhằm triệt tiêu nhiễu tần số cao sinh ra từ rung động cơ khí và tiếp xúc cơ thể.
  • Thuật toán điều khiển bám dáng đi: Nhận tín hiệu từ công tắc hành trình dưới đế giày kết hợp cảm biến mô-men tương tác. Khi người dùng khởi động bước đi, vi điều khiển nhận diện pha di chuyển hiện tại, tính toán quỹ đạo góc đặt và xuất xung PWM điều khiển động cơ kéo cáp/đai trợ lực đồng thì với chuyển động tự nhiên của chân.
  • Phần mềm giao diện giám sát: Xây dựng bằng ngôn ngữ C# trên nền tảng Microsoft Visual Studio, kết nối qua Serial Port (Bluetooth/USB) để hiển thị đồ thị góc quay khớp gối, khớp hông, trạng thái công tắc hành trình bàn chân và dòng điện động cơ theo thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tính cấp thiết của đề tài

Chương này trình bày bối cảnh thực tế về nhu cầu hỗ trợ người khuyết tật chi dưới và bệnh nhân tai nạn phục hồi chức năng vận động tại Việt Nam. Nêu rõ tính cấp thiết của việc tự động hóa các bài tập vật lý trị liệu bằng thiết bị khung xương ngoài mang trên người. Xác định mục tiêu nghiên cứu là thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình khung xương có mạch điều khiển, cảm biến lực và thuật toán hỗ trợ lực; xác định phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu theo định hướng kết hợp giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm chế tạo.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 tổng hợp lịch sử phát triển của các thiết bị Exoskeleton (Bio-robot) phục vụ quân sự và y tế trên thế giới. Điểm qua các công trình tiêu biểu như bộ đồ Iron-man của Bộ Quốc phòng Mỹ, bộ khung Bionic Exoskeleton của hãng Ekso Bionics (giá thương mại khoảng 130.000 USD), bộ khung Phoenix trọng lượng $12,25\text{ kg}$ (Đại học California, dự kiến 40.000 USD), và robot hỗ trợ HAL (Nhật Bản, thế hệ HAL-5 nặng $23\text{ kg}$, trang bị cảm biến sinh học BioSignal). Đánh giá các nghiên cứu bước đầu trong nước (như mô hình của Đào Văn Hiệp, Trần Xuân Thảnh), phân tích thuận lợi và rào cản kỹ thuật - kinh phí khi nghiên cứu bộ xương ngoài tại Việt Nam.

Chương 3: Động học khớp và cảm biến Strain Gage

Trình bày cơ sở giải phẫu và phân loại các khớp sinh học; phân tích cấu trúc khớp gối, khớp hông, sụn khớp và chức năng giảm ma sát, giảm ứng suất. Mô hình hóa động học khớp theo Osteokinematics và Arthrokinematics, vận dụng quy tắc lồi - lõm Kaltenborn. Phân tích chi tiết 7 giai đoạn trong chu kỳ bước đi (Pha trụ $62%$, Pha lắc $38%$). Ứng dụng công thức tính bậc tự do cơ cấu không gian để xác định cấu trúc động học cho từng khớp trên thiết bị. Trình bày lý thuyết biến dạng điện trở của strain gage, các yếu tố ảnh hưởng (nhiệt độ, tần số đáp ứng, độ phân giải) và nguyên lý mạch cầu Wheatstone ứng dụng trong thiết kế cảm biến đo lực, mô-men.

Chương 4: Thiết kế - Thi công phần cứng và phần mềm

Nội dung chương này mô tả chi tiết toàn bộ quy trình thiết kế và chế tạo:

  • Lập sơ đồ khối thiết kế cơ khí trên SolidWorks; tính toán động học và động lực học dựa trên mẫu người chuẩn $62\text{ kg}$ để tính chọn động cơ hông ($40\text{ W}$, $8,5\text{ Nm}$) và động cơ gối ($8\text{ W}$, $1,2\text{ Nm}$).
  • Tính toán chi tiết bộ truyền đai răng L cho khớp hông với tỷ số truyền $1,83$, xác định mô-đun $m = 3\text{ mm}$, bước đai $p = 9,525\text{ mm}$, chiều rộng $b = 20\text{ mm}$, kiểm nghiệm đai theo lực vòng riêng và lực căng ban đầu.
  • Thiết kế truyền động dây thắng cho khớp gối và thiết kế khớp cầu cho khớp cổ chân.
  • Ứng dụng vật liệu nhôm 5052, thép AISI 304, nhựa PE và composite sợi thủy tinh để gia công hoàn thiện cơ cấu.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in cho khối cảm biến lực (strain gage + HX711), mạch điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560, Arduino Nano, mạch công suất BTS7960, module Bluetooth HC-05 và bộ nguồn hạ áp LM2596.

Chương 5: Thiết kế lưu đồ - Thuật toán điều khiển

Xây dựng lưu đồ giải thuật đọc xung encoder phục vụ đo góc khớp. Thiết lập giải thuật đọc ADC cho cảm biến lực và thuật toán lọc nhiễu số ADC nhằm loại bỏ sai lệch tín hiệu khi di chuyển. Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển tổng quát kết hợp tín hiệu cảm biến tiếp đất và cảm biến mô-men để kích hoạt động cơ hỗ trợ theo từng pha của chu kỳ bước. Thiết kế giao diện máy tính trên Visual Studio để kết nối cổng Serial, cấu hình cổng COM, vẽ đồ thị giám sát góc xoay và các trạng thái chuyển động.

Chương 6: Kết quả đạt được

Tổng hợp các kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình:

  • Chế tạo hoàn thiện bộ khung xương cơ khí chi dưới mang trên người và hệ thống mạch điện điều khiển tích hợp trên lưng.
  • Đồ thị phản hồi góc quay thực nghiệm của khớp gối và khớp hông bám sát chu kỳ bước đi sinh học.
  • Đồ thị tín hiệu từ các công tắc hành trình phân biệt rõ ràng các pha trụ đơn, trụ đôi và pha lắc.
  • Đánh giá khả năng sinh mô-men trợ lực thực tế của động cơ trong từng bước đi.

Chương 7: Kết luận - Đề nghị

Đánh giá tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu: thiết bị đã hỗ trợ lực co duỗi khớp gối và chuyển động hông theo chuyển động của người dùng, cảm biến hoạt động ổn định. Phân tích các mặt hạn chế còn tồn tại về cơ khí, trọng lượng và độ trễ điều khiển, từ đó đề xuất các hướng phát triển tiếp theo của đề tài.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và thực nghiệm chính

  • Chế tạo hoàn thiện mô hình thực nghiệm khung xương ngoài chi dưới cho 2 chân với đầy đủ các cụm khớp hông, gối, cổ chân và 4 động cơ dẫn động gá trên lưng.
  • Thông số cơ khí và dẫn động đạt được:
    • Bộ truyền đai răng khớp hông đạt tỷ số truyền $u_đ = 1,83$, tạo mô-men xoắn đầu ra $13\text{ Nm}$, hỗ trợ khoảng $35%$ mô-men yêu cầu khi bước đi bình thường.
    • Động cơ khớp gối kết hợp truyền động dây cáp hỗ trợ được $22%$ mô-men cần thiết theo tính toán lý thuyết và đạt khả năng kéo hỗ trợ góc co gối từ $0^\circ$ đến $90^\circ$ trong thử tải tĩnh.
  • Cảm biến lực, mô-men tự chế tạo sử dụng 4 lá điện trở strain gage kết hợp mạch HX711 và bộ lọc số thu được tín hiệu tuyến tính, đo chính xác lực tương tác giữa chân người và thiết bị.
  • Hệ thống công tắc hành trình tại gót và mũi chân phản ánh chính xác tỷ lệ phân bố thời gian các pha bước đi thực tế ($62%$ pha trụ và $38%$ pha lắc).
  • Giao diện Visual Studio giám sát ổn định toàn bộ dữ liệu góc quay và trạng thái hoạt động qua kết nối Bluetooth.

Giải pháp và đề xuất của tác giả

  • Đề xuất giải pháp đặt toàn bộ 4 động cơ dẫn động lên khung lưng thay vì gắn trực tiếp tại khớp chân nhằm giảm mô-men quán tính cho các chi, giúp người mang cảm thấy nhẹ nhàng và an toàn hơn.
  • Đề xuất ứng dụng vật liệu composite sợi thủy tinh để chế tạo các ốp bảo vệ ôm sát chân, vừa đảm bảo độ bền cơ học vừa tăng tính thẩm mỹ và tiện dụng khi tháo lắp.
  • Ứng dụng phương pháp truyền động dây cáp kết hợp bộ điều chỉnh tăng-đơ (tương tự cơ cấu phanh xe đạp) để truyền chuyển động linh hoạt từ động cơ trên lưng xuống khớp gối mà không làm cản trở chuyển động tự nhiên của người.

Đóng góp của đề tài

  • Đóng góp vào hướng nghiên cứu ứng dụng robot khung xương ngoài hỗ trợ người khuyết tật và phục hồi chức năng y tế tại Việt Nam, lĩnh vực vốn còn hạn chế về công bố và sản phẩm thực nghiệm.
  • Xây dựng quy trình hoàn chỉnh từ tính toán nhân trắc học, thiết kế động học cơ cấu, chế tạo cảm biến đo lực chuyên dụng đến lập trình giải thuật điều khiển bám theo chuyển động thực tế của người dùng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế còn tồn tại

  • Thiết bị mới chỉ được thiết kế và chế tạo theo kích thước, thông số nhân trắc học của một thành viên trong nhóm nghiên cứu ($62\text{ kg}$, $1,7\text{ m}$), chưa có cơ cấu tùy biến kích thước linh hoạt cho nhiều thể trạng người khác nhau.
  • Mô-men trợ lực của động cơ còn hạn chế (hỗ trợ $22%$ tại khớp gối và $35%$ tại khớp hông), chưa đáp ứng được $100%$ tải trọng để thay thế hoàn toàn sức nâng của người bị liệt hoàn toàn.
  • Khớp gối mới chỉ được điều khiển hỗ trợ chủ động trong khoảng góc quay từ $0^\circ$ đến $90^\circ$, chưa bao quát toàn bộ dải biên độ sinh lý của chân ($0^\circ - 155^\circ$).
  • Kiểm nghiệm độ bền đai răng cho thấy lực vòng riêng $q = 15,6\text{ N/mm}$ vượt quá mức cho phép theo lý thuyết $[q] = 9\text{ N/mm}$, mặc dù thực tế khi hoạt động góc nâng $30^\circ$ đai vẫn vận hành bình thường nhưng về lâu dài có nguy cơ giảm tuổi thọ.
  • Trọng lượng cơ cấu và khối nguồn pin đi kèm vẫn tương đối nặng, gây mỏi khi mang liên tục trong thời gian dài.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Cải tiến kết cấu cơ khí, sử dụng hợp kim nhôm cao cấp hơn hoặc sợi carbon để giảm tối đa khối lượng thiết bị.
  • Nâng cấp công suất động cơ dẫn động và tối ưu hóa bộ giảm tốc để tăng tỷ lệ trợ lực cho khớp hông và khớp gối.
  • Thiết kế các khớp trượt có thể điều chỉnh linh hoạt chiều dài đùi, cẳng chân để thích ứng với nhiều đối tượng bệnh nhân có chiều cao, cân nặng khác nhau.
  • Bổ sung các cảm biến sinh học (như cảm biến điện cơ EMG - Electromyography) để phát hiện sớm ý định di chuyển của người mang trước khi cơ co bóp, giúp hệ thống phản hồi nhanh và mượt mà hơn.
  • Hoàn thiện thuật toán điều khiển thích nghi, tối ưu hóa giao diện giám sát không dây trên thiết bị di động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho sinh viên, học viên cao học và các kỹ sư thuộc ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering), Cơ học máy và Tự động hóa:

  • Cung cấp phương pháp luận chi tiết về việc ứng dụng cơ sinh học và phân tích dáng đi (Gait Analysis) vào bài toán thiết kế cơ cấu robot mang trên người.
  • Cung cấp hướng dẫn thực tế về quy trình thiết kế, dán mạch và hiệu chuẩn cảm biến đo lực, mô-men bằng strain gage kết hợp mạch khuếch đại HX711 và vi điều khiển Arduino.
  • Tài liệu mẫu về tính toán, chọn lựa động cơ, thiết kế bộ truyền đai răng, cơ cấu truyền động cáp kéo và gia công vật liệu composite trong các ứng dụng robot hỗ trợ vận động.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm nghiên cứu lại chọn giải pháp bố trí toàn bộ 4 động cơ dẫn động trên lưng thay vì gắn trực tiếp tại các khớp chân?
Việc bố trí động cơ trên lưng giúp giảm tối đa khối lượng gắn trực tiếp lên đùi và cẳng chân, qua đó giảm mô-men quán tính khi vung chân, giúp thiết bị gọn gàng hơn và người sử dụng ít bị mỏi, đồng thời thuận tiện cho việc đấu nối dây dẫn và bảo đảm an toàn cơ học.

2. Tỷ lệ hỗ trợ mô-men của thiết bị tại khớp hông và khớp gối đạt được là bao nhiêu?
Theo tính toán thiết kế và thử nghiệm, bộ truyền đai răng tại khớp hông hỗ trợ khoảng $35%$ mô-men xoắn cần thiết (đạt $13\text{ Nm}$), trong khi động cơ truyền động cáp tại khớp gối hỗ trợ khoảng $22%$ mô-men xoắn cần thiết khi di chuyển bình thường.

3. Khối cảm biến lực và mô-men trong đồ án được chế tạo bằng công nghệ gì?
Cảm biến được nhóm tác giả tự thiết kế và chế tạo bằng cách dán 4 lá cảm biến áp điện trở (strain gage) lên bề mặt thanh kim loại chịu biến dạng theo cấu hình mạch cầu Wheatstone, kết hợp mạch chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu ADC 24-bit chuyên dụng HX711 truyền về vi điều khiển.

4. Chu kỳ bước đi của con người được nhóm nghiên cứu mô hình hóa gồm những pha và giai đoạn nào?
Chu kỳ bước đi được chia thành 2 pha chính gồm: Pha trụ (chiếm $62%$ chu kỳ với 4 giai đoạn từ tiếp xúc gót đến khi nhấc gót) và Pha lắc (chiếm $38%$ chu kỳ với 3 giai đoạn từ khi chân rời đất, đưa về phía trước đến khi giảm tốc chuẩn bị tiếp đất).

5. Vật liệu nào được sử dụng để chế tạo các ốp lưng, ốp đùi và bắp chân của thiết bị?
Nhóm tác giả sử dụng vật liệu composite gia cường sợi thủy tinh trên nền nhựa polyeste để đúc định hình các tấm ốp bảo vệ, tạo độ cứng vững, nhẹ và ôm vừa vặn cơ thể người dùng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo bộ khung xương chi dưới hỗ trợ người khuyết tật" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp cơ - điện - điều khiển trong việc phát triển thiết bị robot khung xương ngoài hỗ trợ vận động. Bằng cách kết hợp cơ sở lý thuyết động học khớp sinh học với các giải pháp kỹ thuật như dẫn động tập trung trên lưng, cảm biến biến dạng strain gage và điều khiển qua vi xử lý Arduino, nhóm tác giả đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm có khả năng trợ lực bước đi hiệu quả. Đây là công trình mang tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp tài liệu kỹ thuật có giá trị cho hướng nghiên cứu thiết bị y sinh và phục hồi chức năng tại Việt Nam.