I. Thiết kế thiết bị đo khớp cổ chân Tổng quan và mục tiêu
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân tại HCMUTE tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một thiết bị đo đạc các góc chuyển động của khớp cổ chân. Thiết kế thiết bị đo khớp cổ chân này nhằm mục đích hỗ trợ đo ba góc độ của khớp cổ chân người, cung cấp dữ liệu cho việc xác định vị trí tức thời của khớp (IHA). Thiết kế cơ khí sử dụng cơ cấu song song dạng cầu, tạo ra cơ cấu 3 bậc tự do, kết nối với bàn chân người dùng. Phần mềm đo khớp cổ chân chưa được đề cập cụ thể, nhưng dựa trên mô tả, dữ liệu được thu thập từ cảm biến moment và xử lý để đánh giá khả năng chịu lực của khớp. Thiết bị đo khớp cổ chân hướng đến ứng dụng trong phục hồi chức năng sau phẫu thuật, giúp đo góc và lực của khớp cổ chân bệnh nhân. Thiết bị được thiết kế để dễ vận hành, ổn định và có khả năng lập trình, phù hợp với nhiều trường hợp cụ thể. Nghiên cứu khoa học HCMUTE trong lĩnh vực điện tử y sinh và kỹ thuật y sinh được phản ánh qua đồ án này. Đồ án góp phần vào sự phát triển của thiết bị y tế thông minh và thiết bị đo đạc chính xác.
1.1 Mục tiêu thiết kế
Mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo một nguyên mẫu thiết bị đo khớp cổ chân hoạt động hiệu quả. Việc thiết kế và mô phỏng chuyển động của thiết bị sử dụng phần mềm Solidworks là trọng tâm. Chế tạo mẫu cơ bản của thiết bị là bước quan trọng để đánh giá khả năng hoạt động thực tế. Thiết kế và chế tạo cảm biến moment là phần không thể thiếu, đảm bảo độ chính xác trong việc đo lực tác động lên khớp cổ chân. Thiết kế mạch điện tử và thiết kế vi điều khiển được tích hợp để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển hoạt động của thiết bị. Thiết kế phần mềm xử lý dữ liệu, trực quan hóa kết quả đo là cần thiết để hỗ trợ quá trình phân tích và đánh giá. Ứng dụng đo khớp cổ chân tập trung vào việc hỗ trợ phục hồi chức năng sau phẫu thuật và theo dõi tình trạng khớp cổ chân. Đây là một dự án tốt nghiệp HCMUTE thể hiện khả năng ứng dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn.
1.2 Phương pháp nghiên cứu
Đồ án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Phân tích dữ liệu sinh học về cấu trúc khớp cổ chân được tiến hành để thiết kế cơ cấu phù hợp. Mô phỏng 3D bằng Solidworks được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế cơ khí và kiểm tra khả năng vận hành. Thiết kế mạch điện tử dựa trên nguyên lý hoạt động của cảm biến đo góc và cảm biến đo chuyển động. Xử lý tín hiệu được thực hiện để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu. Lập trình vi điều khiển cho phép điều khiển hoạt động của thiết bị và giao tiếp với người dùng. Thí nghiệm trên mẫu nguyên bản giúp đánh giá hiệu quả của thiết kế và hiệu chỉnh các thông số. Phân tích dữ liệu thu được từ thí nghiệm giúp xác định độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị. In 3D có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp của thiết bị. Kiểm tra và giám sát chất lượng sản phẩm được thực hiện xuyên suốt quá trình.
II. Cơ sở lý thuyết và thiết kế chi tiết
Phần này tập trung vào cơ sở lý thuyết về khớp cổ chân, bao gồm cấu trúc giải phẫu, chuyển động, và các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của khớp. Cảm biến đo góc và cảm biến đo chuyển động được nghiên cứu kỹ lưỡng để lựa chọn loại cảm biến phù hợp. Thiết kế cơ khí được mô tả chi tiết, bao gồm lựa chọn vật liệu, phương pháp chế tạo, và các thông số kỹ thuật quan trọng. Thiết kế mạch điện tử được trình bày, bao gồm sơ đồ mạch, lựa chọn linh kiện, và các nguyên lý hoạt động. Thuật toán điều khiển được sử dụng để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển hoạt động của thiết bị. Phần mềm xử lý dữ liệu được phát triển để thu thập, xử lý, và hiển thị dữ liệu đo được. Mô phỏng và kiểm tra được thực hiện để đánh giá hiệu quả của thiết kế. Phân tích dữ liệu sinh học được thực hiện để đảm bảo thiết bị đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy. Kiểm tra chất lượng được thực hiện trên nguyên mẫu để đánh giá hiệu quả thực tế của thiết bị.
2.1 Cơ cấu cơ khí và cảm biến
Thiết kế cơ khí của thiết bị đo dựa trên cơ cấu song song dạng cầu, cho phép đo ba góc độ chuyển động của khớp cổ chân. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp đảm bảo độ bền và độ chính xác của thiết bị. Cảm biến moment được thiết kế để đo lực tác động lên khớp. Cảm biến đo góc chính xác cần được chọn lựa cẩn thận để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu thu được. Cơ cấu truyền động được thiết kế để đảm bảo độ chính xác và ổn định của quá trình đo. Thiết kế 3D được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế và kiểm tra khả năng vận hành của thiết bị. Mô hình hóa và mô phỏng giúp dự đoán và tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị trước khi chế tạo. Quá trình chế tạo được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chất lượng của thiết bị. Kiểm tra chất lượng sau chế tạo giúp đảm bảo thiết bị hoạt động chính xác và ổn định.
2.2 Hệ thống điện tử và phần mềm
Thiết kế mạch điện tử bao gồm mạch điều khiển động cơ, mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến, và mạch giao tiếp. Vi điều khiển được lập trình để điều khiển hoạt động của thiết bị và xử lý dữ liệu. Phần mềm được phát triển để thu thập, xử lý, và hiển thị dữ liệu đo được. Giao diện người dùng được thiết kế thân thiện và dễ sử dụng. Thuật toán xử lý tín hiệu được tối ưu để giảm nhiễu và tăng độ chính xác của dữ liệu. Giai đoạn kiểm thử phần mềm và phần cứng được tiến hành để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Xử lý và phân tích dữ liệu được tiến hành để đánh giá hiệu quả của thiết bị. Các chuẩn giao tiếp (như RS232) được sử dụng để kết nối với các thiết bị khác. Đo lường và kiểm tra được tiến hành để đảm bảo độ chính xác của thiết bị.
III. Kết quả Thực nghiệm và Đánh giá
Phần này trình bày kết quả thực nghiệm trên nguyên mẫu thiết bị đo khớp cổ chân. Kết quả đo lường được phân tích để đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị. So sánh kết quả đo với các phương pháp đo truyền thống giúp đánh giá hiệu quả của thiết bị mới. Phân tích sai số giúp xác định các nguồn lỗi và đề xuất giải pháp cải tiến. Đánh giá toàn diện về thiết kế, chế tạo, và hoạt động của thiết bị được thực hiện. Ứng dụng thực tế của thiết bị được đề xuất, bao gồm hỗ trợ phục hồi chức năng sau phẫu thuật và các ứng dụng khác trong y tế. Thảo luận về những hạn chế của thiết bị và hướng phát triển trong tương lai. Báo cáo khoa học tóm tắt kết quả nghiên cứu và đóng góp của đồ án.
3.1 Kết quả thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm trên nguyên mẫu cho thấy thiết bị có khả năng đo ba góc độ của khớp cổ chân với độ chính xác cao. Dữ liệu đo lường cho thấy sự tương quan tốt giữa các giá trị đo được và chuyển động thực tế của khớp cổ chân. Sai số đo lường nằm trong phạm vi cho phép. Phân tích dữ liệu cho thấy thiết bị có khả năng đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy. So sánh kết quả đo với các phương pháp đo truyền thống cho thấy thiết bị có độ chính xác cao hơn và dễ sử dụng hơn. Phân tích kết quả giúp xác định hiệu quả của thiết kế và các thông số kỹ thuật. Báo cáo khoa học trình bày đầy đủ kết quả nghiên cứu.
3.2 Đánh giá và hướng phát triển
Thiết bị cho thấy hiệu quả trong việc đo các góc độ chuyển động của khớp cổ chân. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được cải tiến trong các phiên bản sau. Độ chính xác của thiết bị có thể được nâng cao bằng cách sử dụng các cảm biến chính xác hơn và cải tiến thuật toán xử lý tín hiệu. Tính bền vững của thiết bị có thể được cải thiện bằng cách sử dụng vật liệu bền hơn và tối ưu hóa thiết kế cơ khí. Tính dễ sử dụng của thiết bị có thể được cải thiện bằng cách đơn giản hóa giao diện người dùng. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tích hợp thêm các chức năng đo lường khác, như đo lực và mô men xoắn. Nghiên cứu thêm về thuật toán xử lý tín hiệu và điều khiển để tăng độ chính xác và độ tin cậy. Ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế và phục hồi chức năng.
