Giới thiệu dự án

Theo thống kê từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Bộ Y tế, đột quỵ não cùng các chấn thương hệ thần kinh trung ương là nguyên nhân hàng đầu gây tàn tật vận động, trong đó hơn 65% bệnh nhân sống sót phải đối mặt với di chứng liệt nửa người hoặc suy giảm chức năng bàn tay. Các bệnh lý như viêm khớp dạng thấp, tổn thương dây thần kinh ngoại vi hay chấn thương sau phẫu thuật đòi hỏi quy trình vật lý trị liệu liên tục và lâu dài để tránh biến chứng teo cơ, cứng khớp vĩnh viễn.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              ESP32 CONTROLLER (38-PIN)                            |
|  [GPIO18/19/23/15/2/4/16] <-> [TFT LCD 3.2" ILI9341 SPI] (Touch Interface)        |
|  [GPIO1, GPIO3]           <-> [IC L298N Dual H-Bridge]  <-> [2x DC 12V Pump/Vac]  |
|  [GPIO13/12/14/27/26/25]  <-> [7x 2N2222A Transistors]  <-> [5x Solenoid Valves]  |
|  [GPIO32 (ADC)]           <-> [Voltage Divider R1/R2]   <-> [4S Li-ion 18650 Pack]|
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Vấn đề thực tiễn và điểm nghẽn kỹ thuật

Các phương pháp trị liệu truyền thống dựa hoàn toàn vào kỹ thuật viên y tế, gây áp lực lớn lên hệ thống bệnh viện và tiêu tốn chi phí điều trị ngoại trú cao. Trên thị trường, các thiết bị khung xương trợ lực (rigid exoskeleton) kim loại cồng kềnh, nặng nề, cơ chế truyền động khớp cứng dễ gây đau đớn khi các đốt ngón tay của bệnh nhân bị co cứng. Ngược lại, các sản phẩm găng tay robot mềm nhập khẩu có giá thành từ 25 đến 60 triệu VNĐ, vượt quá khả năng tiếp cận của phần lớn bệnh nhân tại Việt Nam.

Mục tiêu đề tài

  1. Thiết kế phần cứng: Chế tạo hệ thống truyền động khí nén kết hợp găng tay mềm Guided Bending Bellows Actuators (GBBA) phù hợp bàn tay người trưởng thành (chu vi lòng bàn tay 76–85mm).
  2. Xây dựng khối điều khiển trung tâm: Ứng dụng vi điều khiển ESP32 38 chân (Dual-core 240MHz) quản trị động cơ bơm hút chân không và cụm van điện từ DC 6V.
  3. Phát triển giao diện HMI: Tích hợp màn hình cảm ứng điện trở TFT 3.2 inch ILI9341 qua chuẩn giao tiếp Serial Peripheral Interface (SPI), hỗ trợ tùy biến 3 cấp độ tập, số chu kỳ (1–99 lần), thời gian co/duỗi (1–10s).
  4. Tối ưu hóa nguồn di động: Thiết kế mạch nguồn đa tầng hạ áp LM2596 cấp nguồn từ khối 4 cell pin Li-ion 18650 (14.8V – 16.8V, 2200mAh) đảm bảo hoạt động liên tục trên 3.5 giờ.

Phạm vi và giới hạn

Hệ thống tập trung hỗ trợ tập vận động thụ động (Passive Range of Motion - PROM) cho bàn tay phải, trọng lượng khối điều khiển đạt 1.2kg, độ ồn vận hành dưới 60dB.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Khung xương trợ lực EEG/EMG Găng tay Soft GBBA (Đề tài) Thiết bị Hand of Hope / Syrebo
Nguyên lý truyền động Động cơ servo kéo cáp/thanh đẩy cứng Khí nén mềm (Pneumatic Bellows) Khí nén hoặc thủy lực áp suất cao
Mức độ an toàn sinh học Dễ gây trật khớp khi co cứng cơ Uốn cong sinh học, chống quá tải An toàn, có cảm biến lực
Trọng lượng đeo tay 450g – 800g (nặng nề) < 150g (vải sợi dẻo + bellows) 180g – 250g
Thời gian thiết lập > 15 phút (gắn điện cực) < 2 phút (đeo khóa dán Velcro) 3 – 5 phút
Chi phí sản xuất 8.000.000 – 15.000.000 VNĐ ~ 3.200.000 VNĐ 35.000.000 – 70.000.000 VNĐ 
                +------------------------------------+
                |       Nguồn Pin Li-ion 16.8V       |
                +-----------------+------------------+
                                  |
            +---------------------+---------------------+
            |                     |                     |
     [LM2596 Adj -> 14V]   [LM2596 Adj -> 6V]    [LM2596-5.0 -> 5V/3.3V]
            |                     |                     |
     [IC Bridge L298N]    [7x Transistor NPN]   [ESP32 & TFT LCD ILI9341]
            |                     |                     |
     [2x Bơm/Hút DC12V]   [5x Van khí DC 6V]    [SPI Bus: CLK, MOSI, CS...]
            +---------------------+---------------------+
                                  |
                    +-------------v-------------+
                    |  Găng tay mềm khí nén     |
                    |  Guided Bending Bellows   |
                    +---------------------------+

Phân loại yêu cầu hệ thống (MoSCoW)

  • Must-have: Co duỗi độc lập từng ngón tay; co duỗi đồng thời cả bàn tay; màn hình tương tác chọn chế độ; van xả khí khẩn cấp khi ngắt điện.
  • Should-have: Giám sát điện áp pin tự động qua mạch phân áp; hộp vỏ in 3D PETG chịu lực, chống rung chấn động cơ.
  • Could-have: Kết nối Bluetooth Low Energy (BLE) / Wi-Fi truyền nhật ký tập luyện về ứng dụng di động.
  • Won't-have (giai đoạn 1): Cảm biến phản hồi lực sinh học (EMG biofeedback) đa kênh trên bề mặt da.

Thiết kế hệ thống và thông số kỹ thuật

Kiến trúc phần cứng và Stack công nghệ

  • Vi xử lý trung tâm: ESP32-WROOM-32D, Dual Xtensa 32-bit LX6, Flash 4MB, SRAM 520KB.
  • Hiển thị & Cảm ứng: Màn hình cảm ứng điện trở TFT 3.2 inch, Controller ILI9341, Touch Controller XPT2046, độ phân giải $320 \times 240$ pixels, giao tiếp SPI tốc độ cao.
  • Khối chấp hành khí nén:
    • 01 Động cơ bơm khí nén DC 12V (Áp suất nén $> 525\text{ mmHg} \approx 70\text{ kPa}$, Lưu lượng $> 13\text{ L/phút}$, $I \le 900\text{mA}$).
    • 01 Động cơ hút chân không DC 12V (Áp suất hút $-50\text{ kPa}$).
    • 05 Van điện từ DC 6V 2 chiều (Lưu lượng $5 - 6\text{ L/phút}$, Áp suất làm việc $-60\text{ kPa}$ đến $+100\text{ kPa}$, $I \le 220\text{mA}$).
  • Công suất & Đóng ngắt: IC L298N Dual H-Bridge chịu dòng đỉnh 2A mỗi kênh; 07 Transistor NPN 2N2222A ($V_{CEO} = 40\text{V}, I_C = 800\text{mA}, \beta = 75$).

Tính toán thông số mạch điều khiển

Dòng kích mở transistor phân cực bão hòa cho van điện từ: $$I_B = \frac{I_C}{\beta} = \frac{75\text{ mA}}{75} = 1\text{ mA}$$ Điện trở định thiên cực Base với mức logic $V_{OH} = 3.3\text{V}$ từ ESP32: $$R_B = \frac{V_{IN} - V_{BE}}{I_B} = \frac{3.3\text{V} - 0.7\text{V}}{1\text{ mA}} = 2.6\text{ k}\Omega \implies \text{Chọn điện trở tiêu chuẩn } 2.7\text{ k}\Omega$$

Mạch phân áp giám sát dung lượng pin đưa về chân ADC (GPIO32): $$V_{BB} = V_{CC} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2} = 16.8\text{V} \times \frac{1\text{ k}\Omega}{10\text{ k}\Omega + 1\text{ k}\Omega} \approx 1.527\text{V} \le 3.3\text{V (Vùng an toàn ADC ESP32)}$$

          V_BATT (12.0V - 16.8V)
                  |
                 [ ] R1 = 10k
                  |
                  +--------> ESP32 GPIO32 (ADC Input)
                  |
                 [ ] R2 = 1k
                  |
                 GND

Phương pháp luận phát triển (Methodology)

Dự án áp dụng mô hình phát triển V-Model cải tiến trong 21 tuần:

  • Tuần 1–6: Khảo sát giải phẫu cơ tay, động học khớp đốt và lựa chọn linh kiện.
  • Tuần 7–11: Thiết kế schematic, layout mạch in trên EasyEDA, mô phỏng 3D trên SolidWorks 2022.
  • Tuần 12–15: Xây dựng phần mềm nhúng trên Arduino IDE (C/C++), tối ưu thư viện đồ họa TFT_eSPI.
  • Tuần 16–18: Gia công PCB, in 3D vỏ hộp bằng nhựa PETG (Infill 40%), lắp ráp hoàn thiện.
  • Tuần 19–21: Thử nghiệm độ bền cơ học khí nén và bảo vệ khóa luận.

Implementation và kết quả

Quá trình phát triển và thuật toán điều khiển

Hệ thống hoạt động theo máy trạng thái hữu hạn (Finite State Machine - FSM). Thuật toán phân tách hai chế độ chính: Tập toàn bàn tay và Tập từng ngón độc lập.

// Trích xuất thuật toán điều khiển khí nén trên ESP32
#define PUMP_MOTOR_PIN    1
#define VACUUM_MOTOR_PIN  3
const uint8_t valvePins[5] = {13, 12, 14, 27, 26}; // Van ngón 1 -> 5

void executeFingerTherapy(uint8_t fingerMask, uint16_t tGripMs, uint16_t tExtendMs) {
    // BƯỚC 1: ĐÓNG CÁC VAN KHÔNG ĐƯỢC CHỌN, MỞ VAN NGÓN ĐƯỢC CHỌN
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        digitalWrite(valvePins[i], (fingerMask & (1 << i)) ? HIGH : LOW);
    }
    
    // BƯỚC 2: CHU KỲ CO NGÓN (BƠM KHÍ NÉN VÀO BELLOWS)
    digitalWrite(VACUUM_MOTOR_PIN, LOW);
    digitalWrite(PUMP_MOTOR_PIN, HIGH);
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(tGripMs)); // Duy trì thời gian nén
    
    // BƯỚC 3: CHU KỲ DUỖI NGÓN (HÚT CHÂN KHÔNG THOÁT KHÍ)
    digitalWrite(PUMP_MOTOR_PIN, LOW);
    digitalWrite(VACUUM_MOTOR_PIN, HIGH);
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(tExtendMs)); // Duy trì thời gian hút
    
    // BƯỚC 4: NGẮT TOÀN BỘ ĐỘNG CƠ ĐỂ CÂN BẰNG ÁP SUẤT
    digitalWrite(VACUUM_MOTOR_PIN, LOW);
}

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               BẢNG ÁNH XẠ CHÂN KẾT NỐI ESP32 (HARDWARE PINOUT)                    |
+-------------------+--------------------+------------------+-----------------------+
|  Tín hiệu ngoại vi| Chân ESP32 (GPIO)  | Loại tín hiệu    | Chức năng             |
+-------------------+--------------------+------------------+-----------------------+
|  TFT_MOSI / T_DIN | GPIO23             | SPI Data Out     | Dữ liệu hình ảnh/cảm ứng|
|  TFT_MISO / T_DO  | GPIO19             | SPI Data In      | Dữ liệu phản hồi cảm ứng|
|  TFT_SCK / T_CLK  | GPIO18             | SPI Clock        | Xung đồng hồ SPI      |
|  TFT_CS           | GPIO15             | Digital Output   | Chọn chip LCD         |
|  TFT_DC           | GPIO2              | Digital Output   | Chuyển Lệnh/Dữ liệu   |
|  TFT_RST          | GPIO4              | Digital Output   | Reset phần cứng LCD   |
|  TOUCH_CS         | GPIO16             | Digital Output   | Chọn chip cảm ứng     |
|  L298N_IN1 (Bơm)  | GPIO1              | Digital/PWM Out  | Điều khiển động cơ bơm|
|  L298N_IN2 (Hút)  | GPIO3              | Digital/PWM Out  | Điều khiển động cơ hút|
|  Valve Finger 1-5 | GPIO13,12,14,27,26 | Digital Output   | Đóng ngắt van 5 ngón  |
|  Battery Voltage  | GPIO32             | ADC Input (12bit)| Đo điện áp phân áp pin|
+-------------------+--------------------+------------------+-----------------------+

Thử nghiệm và đánh giá thực nghiệm

Thông số tiêu thụ năng lượng và thời lượng Pin

  • Tổng công suất tiêu thụ định mức của toàn hệ thống khi cả bơm và van hoạt động đồng thời: $$P_{total} = (12\text{V} \times 0.4\text{A}) + (6\text{V} \times 0.14\text{A}) + (3.3\text{V} \times 0.045\text{A}) \approx 6.15\text{ W}$$
  • Thời gian vận hành thực tế của bộ pin ($4 \times \text{Cell } 18650, 14.8\text{V}, 2200\text{mAh}$, hệ số phóng xả an toàn $\mu = 0.7$): $$T_o = \frac{2.2\text{ Ah} \times 14.8\text{V} \times 0.7}{6.15\text{ W}} \approx 3.7\text{ giờ}$$
  • Thời gian sạc đầy với dòng sạc $1\text{A}$ qua Adapter 16.8V: $T_{charge} = \frac{2.2\text{Ah}}{1\text{A}} = 2.2\text{ giờ}$.
Dung lượng Pin (%)
100% |==================================
 75% |========================
 50% |================
 25% |========
  0% +----------------------------------
     0h        1h        2h        3h   3.7h (Thời gian sử dụng)

Kết quả thử nghiệm độ chính xác chu kỳ tập luyện

Chế độ bài tập Số lần cài đặt Số chu kỳ thực tế đo được Sai số chu kỳ (%) Thời gian giữ nén trung bình (s) Góc gập đốt ngón (Độ)
Cả bàn - Cấp 1 20 20 0.0% $3.0 \pm 0.1\text{s}$ $0^\circ \to 60^\circ$
Cả bàn - Cấp 2 50 50 0.0% $5.0 \pm 0.1\text{s}$ $0^\circ \to 75^\circ$
Cả bàn - Cấp 3 99 99 0.0% $8.0 \pm 0.2\text{s}$ $0^\circ \to 90^\circ$
Từng ngón (Ngón trỏ) 30 30 0.0% $4.0 \pm 0.1\text{s}$ $0^\circ \to 85^\circ$
Từng ngón (Ngón cái) 30 30 0.0% $4.0 \pm 0.1\text{s}$ $0^\circ \to 70^\circ$

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng cơ cấu Guided Bending Bellows Actuators (GBBA): Khác với cơ cấu cáp kéo gây ma sát mài mòn, ống thổi khí nén uốn định hướng phân bố lực ép đều lên các khớp liên đốt ngón tay (Interphalangeal joints), loại bỏ nguy cơ chấn thương thứ cấp khi ngón tay co quắp.
  2. Kiến trúc điều khiển khí nén chủ động 2 chiều: Sử dụng song song 1 bơm tăng áp ($+70\text{kPa}$) và 1 bơm hút chân không ($-50\text{kPa}$). Thiết kế này giải quyết triệt để hiện tượng ngón tay không thể tự duỗi thẳng do lực co cứng cơ của bệnh nhân liệt thần kinh vượt quá lực đàn hồi tự nhiên của vật liệu mềm.
  3. Hiệu quả kinh tế và nội địa hóa: Giảm giá thành sản xuất xuống dưới 3.5 triệu VNĐ (tiết kiệm $> 85%$ so với thiết bị thương mại), làm chủ hoàn toàn bản vẽ cơ khí SolidWorks và mã nguồn phần mềm nhúng.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản phục hồi chức năng lâm sàng

  • Giai đoạn cấp (Tuần 1–4 sau đột quỵ): Áp dụng chế độ tập thụ động cả bàn tay ở Cấp độ 1 ($3\text{s}$ co / $3\text{s}$ duỗi), kích thích tuần hoàn máu, chống dính khớp và cứng gân.
  • Giai đoạn phục hồi vận động (Tháng 2–6): Chuyển sang bài tập từng ngón độc lập ở Cấp độ 2–3 ($5\text{s} - 8\text{s}$ co), tăng cường lực bóp phối hợp ngón cái - ngón trỏ để phục hồi kỹ năng cầm nắm đồ vật (cầm cốc nước, nắm bóng trị liệu).
[Bệnh nhân đột quỵ/liệt tay]
            |
            v
[Đeo găng tay Soft GBBA & Cố định Velcro]
            |
            v
[Cài đặt thông số trên Màn hình TFT 3.2"]
  - Chọn chế độ: Cả bàn / Từng ngón
  - Chọn cấp độ: 1, 2 hoặc 3
  - Cài đặt thời gian co / duỗi (1 - 10s)
  - Cài đặt số chu kỳ tập (1 - 99 lần)
            |
            v
[Nhấn START -> ESP32 điều phối Khí nén 2 chiều]
            |
            +---> [PUMP: Nén khí (+70kPa) -> Co ngón tay]
            |
            +---> [VACUUM: Hút khí (-50kPa) -> Duỗi ngón tay]
            |
            v
[Hoàn thành liệu trình -> Máy tự động xả áp & Thông báo]

Lộ trình thương mại hóa và mở rộng

  • Giai đoạn thử nghiệm (6 tháng): Thử nghiệm tiền lâm sàng trên 30 bệnh nhân tại khoa phục hồi chức năng.
  • Giai đoạn tối ưu hóa (3 tháng): Thu nhỏ kích thước hộp điều khiển thêm 40% bằng cách sử dụng bơm màng micro-pump không chổi than (Brushless DC) tích hợp van tích hợp.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Kích thước hộp điều khiển ($287 \times 172 \times 130\text{ mm}$) còn cồng kềnh do bố trí 2 động cơ bơm riêng biệt và bộ pack pin 4S.
  • Tiếng ồn rung khí nén đạt xấp xỉ $55 - 58\text{ dB}$, cần bổ sung lớp mút tiêu âm buồng động cơ.
  • Thiết bị hiện chỉ hỗ trợ găng tay kích thước tiêu chuẩn cho tay phải.

Hướng nghiên cứu nâng cao

  • Tích hợp cảm biến uốn dẻo (Flex Sensor) dọc sống ngón tay để đo đạc chính xác góc gập theo thời gian thực ($0^\circ - 90^\circ$).
  • Ứng dụng cảm biến tín hiệu điện cơ bề mặt (sEMG) để nhận diện ý định cử động của bệnh nhân, chuyển đổi từ tập thụ động (Passive) sang tập chủ động có trợ lực (Active-Assistive Therapy).
  • Phát triển giao thức kết nối MQTT/HTTP thông qua module Wi-Fi tích hợp sẵn trên ESP32 để gửi dữ liệu bài tập lên máy chủ đám mây (Cloud Tele-Rehabilitation).

Đối tượng hưởng lợi

  • Bệnh nhân và gia đình: Sở hữu thiết bị trị liệu tại nhà với chi phí thấp, chủ động luyện tập 2–3 lần mỗi ngày mà không phụ thuộc hoàn toàn vào cơ sở y tế.
  • Kỹ thuật viên & Bác sĩ phục hồi chức năng: Dễ dàng định lượng chính xác số lần tập, thời gian giữ lực nén của bệnh nhân thay vì ước lượng thủ công.
  • Sinh viên & Kỹ sư Y sinh: Tài liệu tham khảo toàn diện về tích hợp hệ thống Robot mềm khí nén (Soft Robotics), xử lý giao diện nhúng SPI trên vi điều khiển ESP32 và phương pháp tính toán công suất nguồn pin.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật để triển khai và bảo dưỡng thiết bị là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện nạp Adapter 16.8V/1A, môi trường bảo quản khô ráo ($< 80%$ độ ẩm). Cần kiểm tra định kỳ độ kín của các cút nối khí 5mm sau mỗi 500 giờ vận hành và vệ sinh bề mặt găng vải bằng cồn y tế $70^\circ$.

2. Thiết bị xử lý thế nào khi xảy ra mất điện đột ngột hoặc quá áp suất?

Các van điện từ được thiết kế theo cấu hình thường đóng/thường xả khí tự nhiên khi ngắt nguồn. Hệ thống có van cơ khí an toàn tự giải phóng áp suất nếu áp lực đường ống vượt quá ngưỡng $80\text{ kPa}$, chống tổn thương mô mềm ngón tay.

3. Có thể thay thế màn hình TFT ILI9341 bằng loại màn hình khác không?

Hoàn toàn có thể. ESP32 hỗ trợ linh hoạt các chuẩn giao tiếp I2C, SPI và song song 8-bit. Có thể chuyển đổi sang màn hình Nextion HMI UART hoặc OLED SH1106 bằng cách cấu hình lại các chân GPIO và cập nhật thư viện điều khiển trong mã nguồn.

4. Thời lượng pin có bị suy giảm khi vận hành liên tục ở cấp độ 3 không?

Ở Cấp độ 3, động cơ bơm chạy với chu kỳ nén dài nhất ($8\text{s}$), dòng tiêu thụ trung bình tăng lên xấp xỉ $650\text{mA}$. Khi đó thời lượng pin duy trì liên tục đạt khoảng $3.1 - 3.3\text{ giờ}$, hoàn toàn đáp ứng từ 6 đến 8 ca tập trị liệu tiêu chuẩn ($25\text{ phút/ca}$).

5. Chi phí linh kiện và khả năng chế tạo hàng loạt tại Việt Nam?

Toàn bộ linh kiện (ESP32, van khí, bơm hút chân không, pin 18650, màn hình LCD) đều sẵn có trên thị trường trong nước. Khung vỏ và găng tay có thể sản xuất hàng loạt qua công nghệ in 3D công nghiệp hoặc đúc khuôn silicone, đưa tổng giá thành sản xuất theo quy mô $> 100$ bộ về mức dưới 2.500.000 VNĐ.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công găng tay phục hồi chức năng" đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ điện tử ứng dụng trong y tế phục hồi chức năng. Bằng việc kết hợp vi điều khiển ESP32, bộ truyền động khí nén uốn mềm GBBA và màn hình cảm ứng TFT ILI9341, hệ thống đã chứng minh tính khả thi cao, độ tin cậy vượt trội và độ an toàn sinh học đạt chuẩn. Đề tài mở ra tiềm năng lớn trong việc bình dân hóa công nghệ robot y tế, mang đến cơ hội phục hồi vận động độc lập và nâng cao chất lượng cuộc sống cho hàng ngàn bệnh nhân đột quỵ và chấn thương tay tại Việt Nam.