Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Kế Cánh Tay Hỗ Trợ Trị Liệu Phục Hồi Chức Năng

Đề tài nghiên cứu Thiết Kế Cánh Tay Robot Trị Liệu Phục Hồi Chức Năng với phương pháp khoa học, ứng dụng thực tiễn hiệu quả ứng dụng trong giảng dạy

• Tác giả: Nhóm Sinh Viên Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh
• Người hướng dẫn: Th.S Võ Thị Bích Ngọc
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh
• Đề tài: Thiết Kế Cánh Tay Robot Trị Liệu Phục Hồi Chức Năng
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Thiết Kế Cánh Tay Robot Trị Liệu Phục Hồi Chức Năng

Cánh tay robot trị liệu là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực phục hồi chức năng sau chấn thương và đột quỵ. Thiết bị này được phát triển dựa trên nguyên lý kích thích cơ điện (EMG) kết hợp với cơ chế hỗ trợ vận động. Công nghệ robot phục hồi chức năng giúp bệnh nhân cải thiện sức mạnh cơ bắp, khôi phục khả năng vận động tự nhiên và tăng cường liệu pháp vật lý. Thiết bị này đặc biệt hữu ích cho những bệnh nhân bị suy giảm chức năng cánh tay, hạn chế hoạt động do liệt dây thần kinh hoặc các biến chứng sau đột quỵ. Với sự hỗ trợ của cảm biến EMG và cảm biến lực FSR, hệ thống có thể theo dõi hoạt động cơ trong thời gian thực, cung cấp phản hồi tức thì để tối ưu hóa quá trình phục hồi chức năng vận động.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Công Nghệ Robot Trong Y Sinh

Công nghệ robot y sinh đóng vai trò quan trọng trong hiện đại hóa liệu pháp phục hồi. Thiết bị cánh tay robot cung cấp độ chính xác cao, nhất quán trong từng động tác, giúp tối ưu hóa quá trình phục hồi chức năng. So với phương pháp truyền thống, robot trị liệu cho phép điều chỉnh cường độ kích thích từng cơ một cách cá nhân, tăng hiệu quả phục hồi chức năng thần kinh và cải thiện chất lượng cuộc sống bệnh nhân.

1.2. Ứng Dụng Lâm Sàng Của Cánh Tay Robot

Cánh tay robot trị liệu được áp dụng rộng rãi trong phục hồi chức năng sau các tình trạng y tế nghiêm trọng. Thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng vận động cho bệnh nhân liệt dây thần kinh, những người bị chấn thương cánh tay và các ca bệnh đột quỵ não. Kích thích cơ điện thông qua robot giúp kích hoạt dây thần kinh, cải thiện suy giảm cánh tay và hạn chế hoạt động trong cuộc sống hàng ngày.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Sinh Học Của Thiết Kế

Cánh tay con người là một cấu trúc phức tạp gồm xương, khớp, cơ bắp và hệ thống thần kinh. Để thiết kế cánh tay robot trị liệu hiệu quả, cần hiểu rõ cấu tạo giải phẫu cánh tay và chức năng thần kinh cánh tay. Đám rối cánh tay chứa các dây thần kinh ngoại biên quan trọng kiểm soát vận động. Cơ bắp tay bao gồm ngăn trước (gập) và ngăn sau (duỗi), được điều khiển bởi tín hiệu thần kinh. Cảm biến EMG trong hệ thống robot sẽ đo lường tín hiệu điện cơ để đánh giá chức năng cơ, từ đó hướng dẫn kích thích cơ điều trị phù hợp với phục hồi chức năng của bệnh nhân.

2.1. Giải Phẫu Cánh Tay Và Chức Năng Vận Động

Cánh tay trên kết nối với khớp khuỷu tay, cho phép gập-duỗi và xoay tay. Cơ bắp tay bao gồm cơ hai đầu (gập) và cơ ba đầu (duỗi). Cánh tay dưới có cơ cẳng tay phức tạp điều khiển cắn, mở tay. Hệ thống thần kinh cánh tay với dây thần kinh ngoại biên truyền tín hiệu từ não đến cơ, cho phép thực hiện vận động chính xác.

2.2. Nguyên Lý Đo Tín Hiệu Điện Cơ EMG

Điện cơ (EMG) đo lường tín hiệu điện sinh ra khi cơ co. Cảm biến EMG trong robot phục hồi chức năng ghi nhận hoạt động cơ, giúp đánh giá chức năng vận động. Phương pháp này tối ưu hóa quá trình kích thích cơ điều trị, đảm bảo phục hồi chức năng thần kinh hiệu quả, nhất là cho bệnh nhân suy giảm chức năng cánh tay sau chấn thương.

III. Thành Phần Kỹ Thuật Của Hệ Thống Robot

Cánh tay robot trị liệu được cấu thành từ nhiều linh kiện kỹ thuật tiên tiến. Mô đun ESP32 Wroom đóng vai trò bộ điều khiển chính, xử lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển động cơ servo. Cảm biến EMG ghi nhận tín hiệu điện cơ từ cơ bắp bệnh nhân, cho phép đánh giá chức năng cơ. Cảm biến FSR 402 đo lường lực tác động, hỗ trợ phục hồi chức năng vận động với độ chính xác cao. Động cơ servo MG996R tạo lực kích thích để hỗ trợ hoạt động cánh tay. Mô đun tăng áp 5V-12V cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống. Màn hình OLED hiển thị thông số EMG và chỉ số lực theo thời gian thực, giúp tối ưu hóa liệu pháp phục hồi chức năng.

3.1. Cảm Biến Và Hệ Thống Đo Lường

Cảm biến EMG đo hoạt động điện cơ để đánh giá chức năng vận động. Cảm biến FSR 402 ghi nhận lực tác động trong quá trình kích thích cơ. Cả hai cảm biến kết hợp với bộ xử lý ESP32 tạo nên hệ thống phục hồi chức năng thông minh, tối ưu hóa liệu pháp cho từng bệnh nhân suy giảm cánh tay.

3.2. Hệ Thống Truyền Động Và Điều Khiển

Động cơ servo MG996R cung cấp lực kích thích chính xác, điều khiển bởi mô đun ESP32. Mô đun tăng áp đảm bảo năng lượng ổn định cho hệ thống. Sơ đồ khối hệ thống được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất phục hồi chức năng vận động, giúp bệnh nhân phục hồi chức năng thần kinh và cải thiện hoạt động cánh tay hàng ngày.

IV. Quy Trình Thiết Kế Và Ứng Dụng Lâm Sàng

Quy trình thiết kế cánh tay robot trị liệu bắt đầu từ phân tích nhu cầu lâm sàng của bệnh nhân suy giảm cánh tay. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống xác định các chức năng chính: đo tín hiệu EMG, đánh giá chức năng vận động, kích thích cơ điều trị. Linh kiện kỹ thuật được lựa chọn dựa trên yêu cầu hiệu suất: độ nhạy cảm biến, tốc độ xử lý dữ liệu, lực kích thích. Phần mềm điều khiển lập trình để tối ưu hóa từng giai đoạn phục hồi chức năng vận động. Thử nghiệm lâu dài trong quá trình phục hồi chức năng lâm sàng là cần thiết để đạt hiệu quả tối đa, đặc biệt cho các trường hợp liệt dây thần kinh hoặc biến chứng đột quỵ.

4.1. Thiết Kế Cơ Học Và Kiểu Dáng Cánh Tay Robot

Thiết kế cơ học của cánh tay robot phải mô phỏng chuyển động tự nhiên của cánh tay con người để phục hồi chức năng hiệu quả. Khớp khuỷu tay được thiết kế với độ tự do phù hợp, hỗ trợ gập-duỗi và xoay tay. Lực kích thích từ động cơ servo cần điều chỉnh dần từ yếu đến mạnh, hỗ trợ bệnh nhân phục hồi chức năng vận động an toàn.

4.2. Ứng Dụng Lâm Sàng Và Dự Định Thử Nghiệm

Ứng dụng lâm sàng của cánh tay robot trị liệu sẽ hướng tới phục hồi chức năng cho bệnh nhân chấn thương, đột quỵ não và liệt dây thần kinh. Thử nghiệm lâu dài cần thực hiện để đánh giá hiệu quả kích thích cơ điện trong quá trình phục hồi chức năng vận động, giúp bệnh nhân cải thiện suy giảm cánh tay và tăng khả năng hoạt động hàng ngày.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Thực trạng Ngày nay với nền công nghiệp 4.0 ngày càng phát triển con người đang có một mức sống tốt, xã hội, y tế, khoa học công nghệ có những bước tiến vượt bậc. Ấy vậy mà những người bị tổn thương cánh tay do tai nạn hoặc do bệnh tật lại bị xã hội gọi là người khuyết tật, mặc dù là thế, họ vẫn phải góp phần tạo nguồn cơm cho gia đình. Nhiều bệnh nhân sau đột quỵ hay gặp tai nạn muốn quay lại cuộc sống hằng ngày bằng cách tập luyện trị liệu chức năng. Mặc dù việc tập luyện các bài vật lý trị liệu giúp cải thiện các chuyển động của cánh tay do não điều khiển nhưng các bài tập này vẫn cần nhiều thời gian để có thể hồi phục được như chưa từng bị đột quỵ hay tai nạn và cũng cần nhiều sự cố gắng của bệnh nhân để hồi phục.

1 Hình ảnh cánh tay bị thương 6 Những năm gần đây ở nước ta đã có nhiều tiến triển mới về mặt trị liệu chức năng đi kèm với những bài tập là các dụng cụ tập bệnh nhân tập luyện nhanh hơn và có thể dễ dàng di chuyển và tập tại nhà. Không những thế, hiện nay còn có các máy giúp hỗ trợ trị liệu chức năng thoải mái dễ chịu và có thể rút ngắn thời gian tập luyện, nhưng vẫn còn vài hạn chế là giá thành cao, không thể sử dụng các máy khi không có kỹ thuật viên hay bác sĩ kề bên và không thể dùng tại nhà. Trên thế giới cũng có nhiều chuyên gia đã phát triển các thiết bị phục hồi chức năng cánh tay như công ty Kinsman phát triển thiết bị với cấu trúc lực đẩy gió để động viên cánh tay bệnh nhân đạt được luyện tập phục hồi chức năng. Bằng cấu trúc đơn giản, bệnh nhân có thể dễ dàng tập ở nhà.

Nhưng thiết bị chỉ cung cấp các bài tập hiếm khi tập luyện. Hiện nay các kĩ sư ở nước ta đã chế tạo ra các cánh tay robot cho người bị khuyết tật và các cánh tay tập trị liệu chức năng cho người bị tổn thương cánh tay để họ có thể hòa nhập với xã hội và cộng đồng. Chính vì lẽ đó nhóm em quyết định làm đề tài tốt nghiệp “Thiết kế cánh tay hỗ trợ trị liệu chức năng”,như muốn đóng góp một phần công sức của bản thân đối với xã hội. 2 Thiết bị phục hồi của Kinsman 1.2 Nhu cầu hiện nay Bộ Khoa học và Công nghệ đã phê duyệt danh mục đề tài khoa học và công nghệ cấp quốc gia đặt hàng “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cánh tay robot có ứng dụng thực tại ảo phục hồi chức năng vận động của chi trên cho bệnh nhân sau đột quỵ não” để tuyển chọn thực hiện trong kế hoạch năm 2017.

Sản phẩm được áp dụng thử nghiệm tại ít nhất 01 cơ sở phục hồi chức năng của một trong các bệnh viện trung ương (Bạch Mai, Việt Đức, 108,…); được kiểm định, xác nhận về an toàn điện thiết bị y tế theo TCVN 7303-1 (IEC 60601-1: 2005) về Thiết bị điện y tế; có chứng nhận an toàn và tính năng thiết yếu về phục hồi chức năng của cơ quan có thẩm quyền; cấu hình và tính năng kỹ thuật cơ bản được so sánh với sản phẩm tương tự của nước ngoài. 8 Như vậy có thể thấy, qua cuộc khảo sát đã được chính phủ phê duyệt cho việc nghiên cứu cánh tay hỗ trợ trị liệu phục hồi chức năng, tức là nhu cầu về cánh tay hỗ trợ trị liệu chức năng cho người bị tổn thương cánh tay nói riêng ở Việt Nam là lớn và cần thiết.3 Nhiệm vụ thực hiện Tìm hiểu và khảo sát các các loại cánh tay robot, máy hỗ trợ phục hồi chức năng tại các bệnh viện, hiện đang có trên thị trường và nghiên cứu khoa học. Để đánh giá tiềm năng của đồ án hiện tại: - Tiêu chuẩn co, gập, duỗi, xoay cánh tay - Đo điện cơ - Tổng hợp ý tưởng và tìm hiểu các linh kiện dùng trong thực hiện đồ án - Thiết kế khung sườn chắc chắn - Lựa chọn các linh kiện điện tử như: Esp32, module EMG v3,… - Thiết kế giao diện các chức năng liên quan đến máy như timer, LCD,… - Viết code cho từng chức năng của thiết bị 9 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Cơ sở lý thuyết để xây dựng tính năng Ở những bệnh nhân sau đột quỵ, phục hồi chức năng là quan trọng để lấy lại khả năng vận động và thể lực để làm những việc họ đã làm trước đây.

Quá trình phục hồi chức năng sau đột quỵ có thể bao gồm hoạt động thể chất đòi hỏi tập thể dục nhiều cộng với động lực tự thân của bệnh nhân để hoàn thành quá trình. Quá trình phục hồi chức năng như vậy mà bệnh nhân cần thực hiện các bài tập thể dục nhẹ nhàng có thể dẫn đến kém hấp dẫn hơn và có thể dẫn đến mất hứng thú để hoàn thành quá trình phục hồi chức năng. Các nhà nghiên cứu từ các tổ chức và công ty khác nhau đã tích cực tìm kiếm cách thiết kế các thiết bị và quy trình đào tạo kết hợp nhiều hệ thống công nghệ cao có thể giúp bệnh nhân khuyết tật và chấn thương. Muốn xây dựng tính năng cho thiết bị để có thể đáp ứng được mục đích thì cần phải hiểu rõ về cấu tạo cánh tay của người và các thương tổn phổ biến trên cánh tay người, vì vậy giải pháp được đưa ra chính là hiểu rõ và có kiến thức vững chắc cũng như các chỉ số cần thiết trong quá trình phục hồi chức năng.2 Cấu tạo cánh tay người Cánh tay là chi trên của cơ thể.

Chúng là một trong những bộ phận cơ thể phức tạp nhất và thường được sử dụng. Mỗi cánh tay bao gồm 4 phần chính: - Cánh tay trên - Cẳng tay - Cổ tay - Bàn tay 10 Hình 2. 1 Cấu tạo cánh tay người 2.3 Chức năng của xương cánh tay và khớp 2.1 Cánh tay trên Hình 2. 2 Cánh tay trên Cánh tay trên bao gồm vai cũng như khu vực giữa khớp vai và khuỷu tay.

Xương của cánh tay trên bao gồm: Xương bả vai: Đó là một xương phẳng hình tam giác được kết nối với cơ thể bằng cách chủ yếu là cơ bắp. Nó gắn cánh tay vào thân. Xương đòn: Giống như scapula, nó gắn cánh tay vào thân. Nó cũng giúp phân phối lực từ phần trên của cánh tay đến phần còn lại của bộ xương.

11 Xương cánh tay: Là một xương dài ở cánh tay trên. Nó nằm giữa scapula và khớp khuỷu tay. Nhiều cơ và dây chằng ở cánh tay được gắn vào mùn. Cánh tay trên cũng chứa một số khớp, bao gồm: Khớp acromioclavicular: Xương bả vai và xương đòn gặp nhau tại khớp này.

Khớp Glenohumeral: Đây là khớp nơi xương bả vai và xương cánh tay gặp nhau. Khớp Sternoclavicular: Xương đòn kết nối với xương ức tại khớp này.2 Cẳng tay Hình 2. 3 Cẳng tay Cẳng tay là khu vực giữa khớp khuỷu tay và cổ tay. Hai xương chính của nó là bán kính và xương trụ: Bán kinh: Bán kính nằm ở phía bên của cẳng tay gần ngón tay cái nhất.

Nó xoắn xung quanh ulna và có thể thay đổi vị trí của nó tùy thuộc vào cách bàn tay được di chuyển. Có nhiều cơ gắn vào bán kính hỗ trợ chuyển động của khuỷu tay, cổ tay và khớp ngón tay. Xương trụ: Chạy song song với bán kính. Nó nằm ở bên cạnh cẳng tay gần ngón út nhất.

Không giống như bán kính, ulna đứng yên và không xoắn.3 Khớp khuỷu tay Khớp khuỷu tay là nơi xương cánh tay của cánh tay trên kết nối với bán kính và xương trụ ở cẳng tay. 12 Khớp khuỷu tay bao gồm ba khớp riêng biệt: Khớp ulnohumeral. Đây là nơi xương cánh tay kết nối với xương trụ. Khớp Radiocapitellar: Tại khớp nối này, bán kính kết nối với một khu vực của xương cánh tay được gọi là capitellum.

Khớp radioulnar gần: Khớp nối này kết nối bán kính và xương trụ, cho phép xoay tay. 4 Khớp khuỷu tay 2.4 Chức năng của cơ bắp tay Cơ cánh tay chứa hai ngăn, được gọi là ngăn trước và khoang sau.1 Chuyển động cơ bắp Flexion: Chuyển động để thu hẹp lại. Cụ thể chuyển động Flexion tác động làm giảm góc nối giữa 2 đầu xương của điểm khớp. Extension: Chuyển động mở rộng.

Cụ thể chuyển động này sẽ làm tăng góc nối giữa 2 đầu xương của điểm khớp. 13 Abduction: Sự di chuyển ra khỏi đường giữa hoặc trung tâm của cơ thể. Chẳng hạn như nâng cánh tay ra khỏi cơ thể. Adduction: Chuyển động về phía đường giữa của hoặc trung tâm của cơ thể.

Chẳng hạn như đưa cánh tay vào lại để nó nằm dọc theo thân.2 Ngăn trước Khoang trước nằm ở phía trước xương cánh tay, xương chính của cánh tay trên. Các cơ của khoang trước bao gồm: Cơ bắp tay trước: Cơ này chứa hai đầu bắt đầu từ phía trước và phía sau vai trước khi nối với nhau ở khuỷu tay. Phần cuối gần khuỷu tay uốn cong cẳng tay, đưa nó về phía cánh tay trên. Hai đầu gần vai giúp uốn cong và cảm ứng cánh tay trên.

Cơ cánh tay: Cơ này nằm bên dưới bắp tay, nó hoạt động như một cầu nối giữa xương cánh tay và xương trụ, một trong những xương chính của cẳng tay. Nó liên quan đến việc uốn cong cẳng tay. Cơ quạ: Cơ này nằm gần vai, nó cho phép cảm ứng cánh tay trên và uốn cong vai. Nó cũng giúp ổn định xương trụ trong khớp vai.3 Khoang sau Cơ bắp tay sau: Cơ này thường được gọi là cơ tam đầu, chạy dọc theo xương cánh tay và cho phép uốn cong và mở rộng cẳng tay.

Nó cũng giúp ổn định khớp vai. Cơ khuỷu: Đây là một cơ nhỏ, hình tam giác giúp kéo dài khuỷu tay và xoay cẳng tay. Nó đôi khi được coi là một phần mở rộng của cơ bắp tay sau.5 Chức năng của cơ cẳng tay Cẳng tay chứa nhiều cơ bắp hơn cánh tay trên. Nó chứa cả một ngăn trước và sau, và mỗi ngăn được chia thành các lớp.1 Ngăn trước Ngắn trước chạy dọc theo bên trong cẳng tay.

Các cơ ở khu vực này chủ yếu liên quan đến việc uốn cong cổ tay và ngón tay, cũng như xoay cẳng tay. Lớp bề mặt Cơ gấp cổ tay trụ: Cơ bắp này uốn cong và bổ sung cổ tay. Cơ gan tay: Cơ bắp này giúp uốn cong cổ tay, mặc dù không phải ai cũng có Cơ gấp cổ tay quay: Cơ bắp này cho phép uốn cong cổ tay ngoài việc abduction bàn tay và cổ tay. Cơ sấp tròn: Cơ này xoay cẳng tay, cho phép lòng bàn tay đối mặt với cơ thể.