Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khớp cổ chân là một trong những vị trí chịu chấn thương phổ biến trong các hoạt động thể dục thể thao và lao động nặng. Mặc dù có kích thước nhỏ hơn khớp háng và khớp gối, với bề mặt sụn chỉ dày trung bình từ 3 đến 4 mm, khớp cổ chân phải chịu tải trọng tương đương từ 2 đến 4 lần trọng lượng cơ thể khi đi bộ và tăng lên từ 6 đến 8 lần khi chạy. Đồng thời, cấu trúc này đảm nhiệm các chuyển động đa trục phức tạp như gập mu bàn chân, xoay ngoài, nghiêng ngoài, gập lòng bàn chân, xoay trong và nghiêng trong. Khi các tổn thương hoặc bệnh lý không đáp ứng với điều trị nội khoa, can thiệp phẫu thuật là chỉ định bắt buộc. Sau phẫu thuật, việc đo đạc chính xác phạm vi chuyển động (Range of Motion - ROM) đóng vai trò quyết định trong việc đánh giá kết quả điều trị và thiết lập phác đồ phục hồi chức năng vận động.

Trong thực tiễn lâm sàng, phương pháp đánh giá thủ công phổ biến là bài kiểm tra bước khuỵu gối chịu tải (Weight-bearing Lunge Test). Phương pháp này yêu cầu bệnh nhân đứng cách tường 10 cm, khuỵu gối chạm tường và đo khoảng cách từ ngón cái đến tường (khoảng cách dưới 9–10 cm được xem là hạn chế) hoặc đo góc giữa xương chày và cẳng chân thẳng (dưới 35–38 độ được xem là hạn chế). Tuy nhiên, kết quả này có độ sai số lớn do phụ thuộc vào cảm tính và kỹ năng của kỹ thuật viên. Một số thiết bị hỗ trợ trên thế giới như IAROM (Iowa Ankle Range of Motion), hệ thống robot cổ chân MIT, Con-Trex MJ, JACE A330 (1 bậc tự do), Optiflex (2 bậc tự do), hay Biodex Multi-Joint System 4 Pro đã được phát triển. Dẫu vậy, các hệ thống thụ động phần lớn chỉ đo trên 1 mặt phẳng, chưa mô phỏng chuyển động di chuyển thực tế hoặc có chi phí cơ khí rất cao. Đề tài này được thực hiện trong khuôn khổ nhóm nghiên cứu Cơ điện tử ứng dụng thuộc Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm phát triển một thiết bị đo khớp cổ chân 3 bậc tự do có tích hợp cảm biến mô-men.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm:

  1. Tính toán, thiết kế và mô phỏng chuyển động cho thiết bị đo khớp cổ chân sử dụng phần mềm Solidworks.
  2. Chế tạo mẫu cơ bản đầu tiên của thiết bị đo khớp cổ chân.
  3. Thiết kế, tính toán và chế tạo cảm biến mô-men xoắn một trục.
  4. Lựa chọn các chi tiết truyền động cơ khí, mạch điện tử, nguyên vật liệu gia công nhằm đảm bảo cơ cấu hoạt động hiệu quả.
  5. Nghiên cứu giải thuật điều khiển và lập trình hệ thống trên nền tảng nhúng thời gian thực.
  6. Kiểm tra, thử nghiệm vận hành hệ thống với người dùng thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm: động lực học của cơ cấu đo khớp cổ chân, giải thuật điều khiển vị trí/lực của thiết bị, và giao tiếp truyền dữ liệu giữa phần cứng với máy tính. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ứng dụng đo đạc góc lệch và lực phản hồi của khớp cổ chân bệnh nhân sau phẫu thuật, hỗ trợ quy trình phục hồi chức năng và cung cấp chế độ vận động thư giãn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về giải phẫu học, chuyển động cổ chân liên quan chặt chẽ đến cấu trúc ống gót. Ống gót nằm ở sau dưới mắt cá trong, tạo bởi mặt trong xương gót (thành ngoài) và cơ dạng ngón cái (thành trong). Ống gót chia làm hai tầng: tầng trên chứa gân cơ cẳng chân sau, gân cơ gấp chung ngón chân, gân cơ gấp dài ngón cái cùng bó mạch thần kinh gan chân trong; tầng dưới chứa cơ vuông gan chân (cơ Sylvius) và bó mạch thần kinh gan chân ngoài. Cấu trúc xương cẳng chân (xương chày, xương mác) kết hợp với các xương cổ chân (xương sên, xương gót, xương chêm) và hệ dây chằng tạo nên các trục vận động với các giới hạn sinh lý tiêu chuẩn:

Hướng vận động Thuật ngữ chuyên môn Biên độ bình thường
Duỗi thẳng Plantarflexion 50°
Gập mu bàn chân Dorsiflexion 20°
Nghiêng trong Inversion 35°
Nghiêng ngoài Eversion 15°

Về mặt động học, thiết bị sử dụng cơ cấu song song dạng cầu (spherical parallel mechanism) kết hợp nối tiếp với đế xoay đáy. Số bậc tự do ($DOF$) được tính toán theo công thức cấu tạo chuỗi động: $$DOF = \sum_{k=1}^{5} k \cdot p_k - 6l - s$$ Trong đó, cơ cấu bình hành sử dụng 8 khớp bản lề một bậc tự do ($p_5 = 8$), số vòng lặp độc lập $l = 1$ (do vòng lặp thứ hai phụ thuộc vòng thứ nhất), bậc tự do thừa $s = 0$. Kết quả tính toán cho thấy cơ cấu song song có 2 bậc tự do; khi bổ sung cơ cấu xoay ở đế, toàn bộ hệ thống đạt 3 bậc tự do. Quan hệ hình học giữa hệ trục động cơ và trục mặt phẳng làm việc được xác lập với góc lệch $\alpha = 45^\circ$, cho phép tính toán góc quay động cơ thông qua ma trận xoay quanh trục $z$ ($M_z$).

Về đo lường lực, cảm biến mô-men xoắn được thiết kế dựa trên nguyên lý mạch cầu Wheatstone với 4 tấm biến dạng điện trở (strain gauge) gắn trên kết cấu dầm chữ thập bằng hợp kim nhôm 6061-T6. Tín hiệu điện áp vi sai $\Delta V_s$ được xác định theo tỷ lệ biến dạng điện trở tương đối $\frac{\Delta R_i}{R_0}$: $$\Delta V_s \approx \frac{E}{4} \left( \frac{\Delta R_2}{R_0} + \frac{\Delta R_4}{R_0} - \frac{\Delta R_1}{R_0} - \frac{\Delta R_3}{R_0} \right)$$

Về điều khiển, đồ án áp dụng giải thuật vi tích phân tỉ lệ (PID) dựa trên phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols (phương pháp phản ứng quá độ hệ hở và phương pháp độ lợi tới hạn $K_{p_{crit}}$). Trên hệ thống nhúng, tác giả sử dụng hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS với cơ chế định thời Systick 1 ms, quản lý tài nguyên đồng thời thông qua các hàng đợi (Queue) và cờ đồng bộ (Semaphore).

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Hệ thống cơ khí của thiết bị đo khớp cổ chân sử dụng bộ truyền bánh ma sát trụ nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng. Khi xảy ra hiện tượng kẹt khớp hoặc quá tải mô-men ngoài tầm kiểm soát của động cơ, bề mặt tiếp xúc sẽ tự động trượt trơn, bảo vệ chân bệnh nhân khỏi các chấn thương thứ cấp. Vật liệu chế tạo bánh bị dẫn và khung là hợp kim nhôm 6061-T6 (ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma]_{tx} = 0{,}75 \div 1{,}25 \text{ HB}\cdot\text{N/mm}^2$), bánh dẫn được bọc lớp vật liệu ma sát.

Thông số thiết kế bộ truyền Ký hiệu Giá trị tính toán
Tải trọng giả định người dùng $m$ 100 kg ($N = 1000 \text{ N}$)
Công suất động cơ dẫn động $P$ 50 W (Động cơ DC Servo SHINANO Kenshi DCG-5216-038, 24V)
Tốc độ quay trục động cơ $n_1$ 670 vòng/phút
Tỷ số truyền mong muốn $u$ 2
Hệ số trượt $\xi$ 1% ÷ 3%
Khoảng cách trục chia $A$ 75 mm
Đường kính bánh dẫn / bánh bị dẫn $D_1$ / $D_2$ 50 mm / 100 mm
Chiều rộng tiếp xúc $b$ 15 mm (hệ số $\psi_A = 0{,}2$)
Lực vòng tiếp tuyến $F_t$ 28 N
Lực ép pháp tuyến cần thiết $S = Q$ 84 N (với hệ số ma sát $f = 0{,}5$, hệ số an toàn $k = 1{,}5$)
Lực hướng tâm tác dụng lên trục $P_{r1} = P_{r2}$ 88 N
Bán kính cong tương đương $\rho$ 16,67 mm

Cảm biến mô-men xoắn một trục được chế tạo dưới dạng khung tròn đối xứng liên kết 4 dầm đàn hồi vuông góc chữ thập nối phần đế cố định với lõi di động. Kích thước hình học dầm đàn hồi gồm: chiều dài $l = 26 \text{ mm}$, chiều rộng $a = 10 \text{ mm}$, chiều dày $h = 4 \text{ mm}$, khoảng cách từ tâm cảm biến đến trục dầm $R = 35 \text{ mm}$. Cảm biến được kiểm nghiệm độ bền chịu tải mô-men 100 N·m trên phần mềm Ansys. Bốn strain gauge BF350 được dán đối xứng tại vị trí có ứng suất tập trung cao nhất (cách ngàm $\frac{1}{4}l = 8 \text{ mm}$) bằng keo hỗn hợp A-B với lớp phủ bảo vệ dày 2 mm.

Kiến trúc phần cứng điều khiển bao gồm vi điều khiển STM32F107VCT6 (lõi ARM Cortex-M3), mạch công suất cầu H MC33883 để điều khiển động cơ DC Servo, mạch khuếch đại đo lường vi sai INA128U để đọc tín hiệu từ cảm biến mô-men, và encoder quang học hồi tiếp vị trí góc. Phần mềm trên vi điều khiển chạy FreeRTOS điều phối ba tác vụ độc lập: tính toán động học thuận cơ cấu, tính toán mô-men tải, và thực thi thuật toán điều khiển tỉ lệ (khâu P, với $K_i = K_d = 0$). Dữ liệu đo đạc được đóng gói truyền về máy tính qua cổng nối tiếp UART/RS232.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ các tổn thương thực tế tại khớp cổ chân và tầm quan trọng của việc lượng hóa phạm vi vận động sau phẫu thuật. Tác giả khảo sát các công trình quốc tế tiêu biểu: nghiên cứu của Zhang (2002) về thiết bị kéo giãn cổ chân, Rydahl và Brouwer về đo độ cứng khớp ở bệnh nhân đột quỵ, thiết bị IAROM của Wilkin tại Đại học Iowa (sử dụng tấm lót $30 \times 30 \text{ cm}$, đệm bọt 3 cm và dây đai 10 cm), nghiên cứu của Roy về thiết bị hỗ trợ cổ chân MIT (độ chính xác góc dưới 1 độ, cung cấp mô-men duỗi 25 N·m và gập 15 N·m). Đồng thời, tác giả tổng hợp quy trình đo đạc của bài kiểm tra Lunge và chỉ rõ nhược điểm của các phương pháp thủ công là thiếu tính khách quan. Từ đó, chương xác định mục tiêu chế tạo sản phẩm mẫu cơ bản 3 bậc tự do đo khớp cổ chân bằng cơ cấu song song và cảm biến mô-men tự chế tạo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết cấu trúc giải phẫu sinh học của vùng cổ chân và ống gót, phân tích đường đi của các bó mạch thần kinh chày sau và các gân cơ cẳng chân sâu. Tiếp theo, chương đi sâu vào cơ sở toán học của thiết bị: chứng minh cơ cấu song song dạng cầu đạt 2 bậc tự do thông qua công thức Kutzbach và mở rộng lên 3 bậc tự do khi bổ sung đế xoay. Mối quan hệ hình học giữa góc xoay bàn chân $\beta$ và góc xoay trục động cơ $\theta$ được mô hình hóa qua ma trận biến đổi tọa độ $M_z$ với góc nghiêng đặt trục $\alpha = 45^\circ$. Chương này cũng xây dựng phương trình vi sai mạch cầu Wheatstone, thiết kế kích thước chi tiết khung cảm biến nhôm 6061-T6 (dầm $26 \times 10 \times 4 \text{ mm}$), quy trình dán điện trở BF350, lý thuyết điều khiển PID theo Ziegler-Nichols và kiến trúc nhân hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS.

Chương 3: Thiết kế và thi công cơ khí

Chương 3 tập trung vào quá trình tính toán động học, động lực học và thiết kế chi tiết các bộ phận cơ khí. Tác giả tính toán cụ thể bộ truyền bánh ma sát trụ với công suất 50 W, tốc độ 670 vòng/phút, tỷ số truyền $u = 2$, khoảng cách trục $A = 75 \text{ mm}$, xác định lực vòng $F_t = 28 \text{ N}$ và lực ép $S = 84 \text{ N}$. Ứng suất tiếp xúc được kiểm nghiệm theo lý thuyết tiếp xúc Hertz, đảm bảo vật liệu nhôm 6061-T6 hoạt động bền bỉ trong giới hạn mỏi cho phép. Các bản vẽ chế tạo cơ khí được hoàn thiện cho từng cụm chi tiết: đế chính, gá trục truyền động số 1, 2, 3, pad chữ L gá động cơ, các thanh liên kết của cơ cấu song song dạng cầu, trục trượt, và cụm ép pulley bánh ma sát.

Chương 4: Kết quả, thực nghiệm và đánh giá

Chương 4 ghi nhận kết quả chế tạo và thử nghiệm thực tế của hai đối tượng: cảm biến mô-men và thiết bị đo khớp cổ chân. Thử nghiệm cảm biến mô-men được thực hiện với tải trọng tĩnh: đặt lực $F = 5 \text{ N}$ tại cánh tay đòn $d = 20 \text{ cm}$, sinh ra mô-men chuẩn $M = 1 \text{ N}\cdot\text{m}$. Tín hiệu điện áp ngõ ra sau mạch khuếch đại INA128U được thu thập và phân tích trên phần mềm MATLAB. Kết quả cho thấy đồ thị thô có dao động nhiễu; sau khi áp dụng thuật toán lọc trung bình (moving average filter), tín hiệu đáp ứng mượt mà và thể hiện đặc tính tuyến tính rõ rệt theo tải trọng. Thiết bị cơ khí 3 bậc tự do được lắp ráp hoàn chỉnh, tích hợp động cơ SHINANO Kenshi và vi điều khiển STM32F107VCT6, thực hiện thử nghiệm xoay và đo góc trực tiếp với bàn chân của người dùng thực tế.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 đúc kết quá trình 6 tháng nghiên cứu và chế tạo mô hình thực nghiệm đầu tiên. Tác giả đánh giá toàn diện các ưu điểm đạt được: làm chủ tính toán động học cơ cấu song song dạng cầu 3 bậc tự do, hoàn thành bản vẽ cơ khí và gia công mô hình mẫu, chế tạo thành công cảm biến mô-men bằng strain gauge có xử lý lọc tín hiệu, và ứng dụng FreeRTOS điều khiển hệ thống công suất lớn. Đồng thời, chương chỉ rõ các mặt hạn chế về độ rơ cơ khí, tính ổn định và tỷ số truyền bộ truyền ma sát; từ đó đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Về mặt kỹ thuật và số liệu thực nghiệm, đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo thành công mô hình mẫu đầu tiên của thiết bị đo khớp cổ chân với cơ cấu song song dạng cầu kết hợp đế xoay, tạo ra không gian làm việc 3 bậc tự do tương thích với các chuyển động gập/duỗi, nghiêng trong/ngoài và xoay của cổ chân.
  • Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh cảm biến mô-men xoắn một trục từ vật liệu nhôm 6061-T6 với 4 dầm đàn hồi kích thước $26 \times 10 \times 4 \text{ mm}$, chịu được mô phỏng tải phá hủy 100 N·m trên Ansys. Cảm biến được kiểm chứng thực nghiệm tại tải tĩnh $M = 1 \text{ N}\cdot\text{m}$ ($F = 5 \text{ N}$, $d = 20 \text{ cm}$), tín hiệu sau lọc trung bình trên MATLAB phản ánh quan hệ tuyến tính ổn định.
  • Tính toán và triển khai thành công bộ truyền bánh ma sát trụ bảo vệ an toàn với đường kính bánh dẫn $D_1 = 50 \text{ mm}$, bánh bị dẫn $D_2 = 100 \text{ mm}$, tỷ số truyền $u = 2$, khoảng cách trục $A = 75 \text{ mm}$, lực ép $Q = 84 \text{ N}$, lực vòng $F_t = 28 \text{ N}$.
  • Tích hợp hệ thống điều khiển nhúng thời gian thực sử dụng STM32F107VCT6, mạch cầu H MC33883, mạch khuếch đại INA128U và động cơ DC Servo SHINANO Kenshi 24V 50W, điều khiển theo giải thuật khâu tỉ lệ P.

Về mặt đóng góp, đề tài là công trình thử nghiệm đầu tiên tại Bộ môn Cơ điện tử tiếp cận hướng phát triển thiết bị y sinh hỗ trợ đo đạc và phục hồi chức năng khớp cổ chân. Khác với các thiết bị đo góc một chiều thụ động trên thị trường, hệ thống kết hợp cơ cấu song song dạng cầu nhằm xác định trục xoay tức thời (Instantaneous Helical Axis - IHA) và ứng dụng cơ chế trượt ma sát để triệt tiêu nguy cơ chấn thương do kẹt cứng cơ học cho bệnh nhân.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá thực tế của tác giả trong đồ án, hệ thống còn tồn tại một số nhược điểm kỹ thuật:

  • Độ chính xác gia công cơ khí chưa cao, còn tồn tại khe hở và độ rơ tại các khớp động.
  • Kết cấu cơ khí còn nhiều chi tiết gia công phức tạp, chưa được tối ưu hóa và đơn giản hóa để giảm trọng lượng.
  • Tính ổn định vận hành của toàn hệ thống khi hoạt động liên tục chưa thực sự cao.
  • Cơ cấu truyền lực ma sát còn yếu do tỷ số truyền ($u = 2$) còn nhỏ, chưa đáp ứng tốt khi gặp tải trọng kháng lực lớn từ chân người.

Các hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất bao gồm:

  • Tinh chỉnh và hoàn thiện kết cấu cơ khí để đưa thiết bị vào ứng dụng thử nghiệm lâm sàng thực tế.
  • Tích hợp thêm các khớp tịnh tiến để mở rộng hệ thống thành cơ cấu 6 bậc tự do, phục vụ đo đạc chính xác toàn diện quỹ đạo không gian của khớp cổ chân.
  • Thay thế kết cấu cơ khí hiện tại bằng các vật liệu và cơ cấu truyền động nhẹ hơn nhằm giảm tải trọng bản thân của thiết bị.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Y sinh, Cơ học Ứng dụng và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

  • Quy trình tính toán kích thước dầm đàn hồi chữ thập, phương pháp bố trí mạch cầu Wheatstone và kỹ thuật dán tấm điện trở strain gauge bằng keo A-B để tự chế tạo cảm biến mô-men xoắn chi phí thấp.
  • Phương pháp tính toán thiết kế bộ truyền bánh ma sát trụ chống kẹt theo tiêu chuẩn tiếp xúc Hertz ứng dụng trong các thiết bị y tế tiếp xúc trực tiếp với cơ thể người.
  • Mô hình hóa động học cơ cấu song song dạng cầu kết hợp đế xoay để tạo cơ cấu 3 bậc tự do.
  • Kiến trúc triển khai hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS trên vi điều khiển ARM Cortex-M3 (STM32F107) phục vụ điều khiển vị trí động cơ servo và xử lý dữ liệu cảm biến đa luồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu cơ khí của thiết bị đạt được 3 bậc tự do dựa trên nguyên lý cấu tạo nào?
Thiết bị sử dụng cơ cấu song song dạng cầu gồm 8 khớp bản lề tạo thành cơ cấu bình hành, có 1 vòng lặp độc lập, tạo ra 2 bậc tự do chuyển động góc. Để đo được chuyển động xoay của toàn bộ bàn chân, tác giả bổ sung thêm một cơ cấu xoay ở phần đế đỡ toàn bộ cụm song song, nâng tổng số bậc tự do của hệ thống lên 3 bậc tự do.

2. Cảm biến mô-men trong đồ án được thiết kế với kích thước dầm đàn hồi ra sao và chịu tải mô phỏng bao nhiêu?
Cảm biến mô-men một trục được gia công từ hợp kim nhôm 6061-T6 gồm 4 dầm đàn hồi vuông góc chữ thập nối vòng cố định ngoài và lõi di động trong. Mỗi dầm có chiều dài $l = 26 \text{ mm}$, chiều rộng $a = 10 \text{ mm}$, chiều dày $h = 4 \text{ mm}$, khoảng cách từ tâm đến dầm $R = 35 \text{ mm}$. Cảm biến được mô phỏng chịu tải trên phần mềm Ansys với mô-men xoắn lên đến 100 N·m mà không bị biến dạng phá hủy.

3. Tại sao tác giả sử dụng bộ truyền bánh ma sát thay vì bộ truyền bánh răng hay dây đai?
Tác giả lựa chọn bộ truyền bánh ma sát nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người dùng. Trong trường hợp xảy ra hiện tượng kẹt cơ khí, trượt điều khiển hoặc mô-men động cơ vượt quá giới hạn tính toán, bánh ma sát sẽ tự động trượt trơn trên bề mặt tiếp xúc, ngăn ngừa việc truyền lực quá mức gây chấn thương cho khớp cổ chân của bệnh nhân.

4. Thông số tính toán hình học và lực của bộ truyền bánh ma sát trong đồ án là bao nhiêu?
Bộ truyền bánh ma sát trụ có đường kính bánh dẫn $D_1 = 50 \text{ mm}$, đường kính bánh bị dẫn $D_2 = 100 \text{ mm}$, tỷ số truyền $u = 2$, khoảng cách trục $A = 75 \text{ mm}$, chiều rộng tiếp xúc $b = 15 \text{ mm}$. Khi truyền động từ động cơ 50 W (670 vòng/phút), hệ thống tạo ra lực vòng $F_t = 28 \text{ N}$, lực ép pháp tuyến cần thiết giữa hai bánh là $Q = 84 \text{ N}$ (với hệ số an toàn $k = 1{,}5$) và lực tác dụng lên trục là 88 N.

5. Giải thuật điều khiển nào được áp dụng cho động cơ và hệ thống xử lý tín hiệu cảm biến như thế nào?
Hệ thống sử dụng giải thuật điều khiển tỉ lệ (khâu P của bộ PID, gán $K_i = K_d = 0$) để kiểm soát góc nghiêng mặt phẳng làm việc của động cơ DC Servo SHINANO Kenshi. Tín hiệu điện áp từ cảm biến mô-men được khuếch đại qua chip INA128U, đưa về bộ chuyển đổi ADC của vi điều khiển STM32F107 và được xử lý bằng thuật toán lọc trung bình (moving average filter) trên MATLAB để triệt tiêu nhiễu dao động, mang lại đáp ứng tuyến tính.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân" của sinh viên Phan Phương Bình đã hoàn thành việc thiết kế, gia công và thử nghiệm mẫu thực nghiệm đầu tiên của một hệ thống cơ điện tử y sinh 3 bậc tự do sử dụng cơ cấu song song dạng cầu. Đề tài đã giải quyết thành công các bài toán kỹ thuật từ việc chế tạo cảm biến mô-men xoắn bằng strain gauge, tính toán bộ truyền ma sát trượt an toàn, đến việc lập trình điều khiển nhúng trên nền tảng FreeRTOS và vi điều khiển STM32. Dù còn một số hạn chế về độ rơ cơ khí và tỷ số truyền lực, công trình đã xây dựng được cơ sở thực nghiệm vững chắc cho các nghiên cứu chuyên sâu về thiết bị phục hồi chức năng và chẩn đoán khớp cổ chân tiếp theo.