Giới thiệu dự án

Khớp cổ chân là một trong những khớp phức hợp chịu tải trọng lớn nhất trên cơ thể người, đóng vai trò then chốt trong việc nâng đỡ trọng lượng và tạo lực đẩy khi vận động. Theo các nghiên cứu y sinh học, bề mặt sụn khớp cổ chân có độ dày chỉ khoảng 3–4 mm nhưng phải chịu lực nén gấp 2–4 lần trọng lượng cơ thể khi đi bộ và lên tới 6–8 lần khi chạy bộ hoặc vận động thể thao cường độ cao. Với đặc tính vận động đa trục phức tạp bao gồm gập mu bàn chân (Dorsiflexion), duỗi lòng bàn chân (Plantarflexion), nghiêng trong (Inversion) và nghiêng ngoài (Eversion), các tổn thương dây chằng, thoái hóa khớp hoặc gãy xương vùng cổ chân chiếm tỷ lệ từ 15% đến 20% tổng số chấn thương thể thao và tai nạn lao động.

Sau phẫu thuật tái tạo hoặc nẹp cố định, việc theo dõi và đánh giá chính xác khả năng vận động (Range of Motion - ROM), độ cứng khớp cũng như phản lực khớp là yếu tố quyết định để bác sĩ thiết lập phác đồ phục hồi chức năng cá nhân hóa, ngăn ngừa nguy cơ cứng khớp và tổn thương mãn tính.

Tuy nhiên, thực tế lâm sàng tại Việt Nam vẫn tồn tại những bài toán nan giải:

  • Phương pháp đo thủ công (như phép đo Lunge Test hay thước đo góc Goniometer cơ học): Phụ thuộc lớn vào lực ép chủ quan và kỹ năng của kỹ thuật viên, dẫn đến sai số góc từ 5° đến 10°, không có khả năng ghi nhận đồng thời lực cản mô-men phản hồi.
  • Thiết bị ngoại nhập cao cấp (như Biodex Multi-Joint System 4 Pro, Con-Trex MJ): Có giá thành rất cao (hàng chục nghìn USD), kích thước cồng kềnh, cấu hình phức tạp và khó tiếp cận tại các bệnh viện tuyến dưới hoặc trung tâm vật lý trị liệu vừa và nhỏ.
  • Các thiết bị hỗ trợ nghiên cứu (như IAROM của Đại học Iowa): Chủ yếu là thiết bị thụ động 1 bậc tự do (1-DOF), không mô phỏng được chuyển động không gian 3 chiều và không xác định được trục xoắn tức thời (Instantaneous Helical Axis - IHA).

Đề tài "Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân" được thực hiện nhằm giải quyết trọn vẹn khoảng trống công nghệ này thông qua hệ thống cơ điện tử y sinh tích hợp 3 bậc tự do (3-DOF), cho phép vừa đo góc di chuyển không gian, vừa thu thập mô-men lực phản hồi theo thời gian thực.

Mục tiêu cụ thể của dự án:

  1. Tính toán động học và thiết kế mô hình 3D cơ cấu song song dạng cầu 3-DOF trên phần mềm SolidWorks 2015.
  2. Thiết kế và chế tạo cảm biến mô-men xoắn 1 trục bằng cầu Wheatstone tích hợp mạch khuếch đại vi sai chuyên dụng.
  3. Tính toán và gia công hệ dẫn động bánh ma sát có tính năng trượt an toàn sinh học (Fail-safe).
  4. Phát triển hệ thống điều khiển nhúng thời gian thực trên vi điều khiển ARM Cortex-M3 (STM32F107VCT6) chạy hệ điều hành FreeRTOS.
  5. Thu thập, lọc tín hiệu mô-men và góc xoay, truyền dữ liệu lên máy tính qua giao tiếp UART/RS232 phục vụ phân tích lâm sàng.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo mẫu thử nghiệm (prototype) cơ bản cho người trưởng thành, khảo sát trong điều kiện phòng thí nghiệm với dải đo góc sinh học chuẩn: gập 20°, duỗi 50°, nghiêng trong 35°, nghiêng ngoài 15° và giới hạn mô-men thử nghiệm đến 100 N.m.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Để định hình cấu trúc tối ưu, một khảo sát toàn diện về các giải pháp đánh giá khớp cổ chân hiện nay đã được thực hiện:

Tiêu chí so sánh Phương pháp Lunge thủ công Thước đo Biplane Goniometer Hệ thống IAROM (ĐH Iowa) Hệ thống Biodex System 4 Pro Thiết bị đề xuất trong đề tài
Số bậc tự do (DOF) 1 DOF (Đo phẳng) 1 DOF 1 DOF (Thụ động) 1 - 2 DOF (Chủ động) 3 DOF (Cơ cấu song song dạng cầu)
Độ chính xác đo góc Sai số cao (±5° - 8°) Sai số ±3° - 5° Sai số ±2° Sai số < 1° Sai số < 1.5°
Cảm biến mô-men Không Không Cảm biến lực 1 chiều Cảm biến lực đa trục điện tử Cảm biến mô-men dầm chữ thập tự chế
Thu thập dữ liệu Thủ công bằng mắt Đọc số vạch cơ Analog rời rạc Tự động hóa cao, đồ họa PC Real-time UART/RS232 qua FreeRTOS
Cơ chế an toàn Dừng theo cảm giác đau Dừng thủ công Giới hạn hành trình cơ Ngắt điện mềm & phanh Trượt ma sát cơ khí + Giới hạn phần mềm
Chi phí chế tạo/mua Rất thấp Thấp (< 100 USD) Trung bình (~2.000 USD) Rất cao (> 40.000 USD) Tối ưu (< 500 USD)

Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống được phân loại theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Đo đạc 3 góc tự do của cổ chân; thu thập tín hiệu mô-men xoắn tuyến tính; có cơ cấu ngắt lực chống kẹt cứng gây gãy chấn thương; firmware xử lý thời gian thực.
  • Should have (Nên có): Bộ lọc số loại bỏ nhiễu rung từ cơ bắp; cấu trúc module hóa dễ tháo lắp; truyền thông chuẩn công nghiệp UART/RS232.
  • Could have (Có thể mở rộng): Kết nối không dây Bluetooth/Wi-Fi; giao diện GUI phân tích IHA tự động trên PC.
  • Won't have (Chưa thực hiện đợt này): Tích hợp 6-DOF đầy đủ cả tịnh tiến; truyền động thủy lực công suất lớn.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc tổng thể của thiết bị kết hợp hài hòa giữa cơ khí chính xác, mạch chuyển đổi tín hiệu analog nhạy cao và vi điều khiển xử lý 32-bit.

graph TD
    User([Khớp cổ chân bệnh nhân]) <--> |Truyền lực & Góc xoay| Platform[Bàn đặt chân 3-DOF]
    Platform <--> Mechanism[Cơ cấu song song dạng cầu + Đế xoay]
    
    Motor[3x Động cơ DC Servo Shinano Kenshi] -->|Truyền động bánh ma sát| Mechanism
    Encoder[Optical Encoder gắn trục] -->|Xung vị trí/Góc quay| MCU[Vi điều khiển STM32F107VCT6]
    
    StrainGauge[Cảm biến mô-men dầm chữ thập BF350] -->|Tín hiệu vi sai uV| Bridge[Mạch cầu Wheatstone]
    Bridge -->|Khuếch đại tín hiệu| INA[IC INA128U Instrumentation Amp]
    INA -->|Điện áp 0-3.3V| MCU
    
    MCU -->|PWM / DIR| Driver[IC Cầu H MC33883]
    Driver -->|Công suất 24V| Motor
    
    MCU <-->|Giao tiếp UART/RS232 115200 bps| PC[(Máy tính theo dõi / MATLAB)]

Hệ thống công nghệ và linh kiện được lựa chọn:

  • Bộ vi điều khiển (MCU): STMicroelectronics STM32F107VCT6 (Lõi ARM Cortex-M3, tần số 72 MHz, 256 KB Flash, 64 KB SRAM, tích hợp bộ chuyển đổi 12-bit ADC và các bộ định thời Timer nâng cao).
  • Hệ điều hành nhúng: FreeRTOS Kernel v8.2.x quản lý đa nhiệm tiền định (Pre-emptive Scheduling).
  • Cảm biến biến dạng (Strain Gauge): BF350-3AA (Điện trở danh định $350,\Omega \pm 0.1$, hệ số nhạy $K = 2.0 - 2.20$).
  • Mạch khuếch đại đo lường: INA128U (Độ trôi nhiệt cực thấp, CMRR > 120 dB, khuếch đại điện áp vi sai cầu Wheatstone lên dải $0 - 3.3\text{ V}$).
  • Động cơ chấp hành: Shinano Kenshi DCG-5216-038 (Động cơ DC Servo 24V, 50W, tích hợp hộp giảm tốc và encoder quang học phản hồi góc quay).
  • Mạch công suất điều khiển động cơ: IC Driver cầu H Freescale MC33883 điều khiển MOSFET công suất cao.
  • Vật liệu cơ khí: Hợp kim nhôm 6061-T6 gia công phay CNC đảm bảo độ cứng vững và trọng lượng nhẹ.
  • Phần mềm thiết kế và mô phỏng: SolidWorks 2015, ANSYS FEA và MATLAB R2015a.

Về an toàn cơ khí và sinh học: Thiết bị sử dụng bộ truyền động bánh ma sát tiếp xúc ngoài có hệ số ma sát $f = 0.5$. Lực ép được tính toán chính xác để khi xảy ra hiện tượng kẹt cơ khí hoặc bệnh nhân co cứng đột ngột vượt quá ngưỡng cho phép ($M > 10\text{ N.m}$), bánh dẫn sẽ trượt trơn trên bánh bị dẫn, triệt tiêu nguy cơ gây trật khớp cổ chân người dùng.

Methodology

Quy trình phát triển dự án tuân thủ mô hình chữ V (V-Model) kết hợp nguyên lý thiết kế tương hỗ (Concurrent Engineering) trong Cơ điện tử:

[Khảo sát Y sinh] ------------ (Nghiệm thu lâm sàng)
      \                                  /
   [Thiết kế CAD/CAE] ----------- (Thực nghiệm tải & trượt)
        \                              /
     [Thiết kế Mạch/Cảm biến] -- (Hiệu chuẩn Wheatstone/INA128)
          \                          /
       [Lập trình FreeRTOS] --- (Kiểm thử Task & PID)
            \                      /
             ---> [Gia công & Tích hợp] <---

Lộ trình triển khai thực hiện trong 6 tháng:

  • Tháng 1-2 (Milestone 1): Khảo sát giải phẫu sinh học ống gót, tính toán động học bậc tự do và thiết kế 3D hoàn chỉnh trên SolidWorks.
  • Tháng 3 (Milestone 2): Mô phỏng ứng suất cảm biến trên ANSYS, gia công cơ khí chi tiết khung vỏ và dầm đàn hồi nhôm 6061-T6.
  • Tháng 4 (Milestone 3): Dán Strain Gauge BF350 bằng keo epoxy chuyên dụng AB, chế tạo mạch khuếch đại INA128U và mạch công suất MC33883.
  • Tháng 5 (Milestone 4): Lập trình hệ điều hành FreeRTOS trên STM32, viết thuật toán điều khiển PID vị trí và bộ lọc trung bình trượt.
  • Tháng 6 (Milestone 5): Thử nghiệm tải thực tế với vật mẫu chuẩn, đánh giá độ tuyến tính và viết báo cáo nghiệm thu.

Ma trận đánh giá và kiểm soát rủi ro:

  • Rủi ro trôi điểm không (Zero Drift) của cảm biến: Khắc phục bằng mạch cầu 4 nhánh tích cực đối xứng và định chuẩn điện áp nghỉ thông qua phần mềm trước mỗi phiên đo.
  • Rủi ro trễ thời gian thực trong điều khiển đa trục: Khắc phục bằng cơ chế ngắt phần cứng kết hợp Semaphore và Queue của FreeRTOS, chu kỳ tick định thời 1 ms.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình hiện thực hóa thiết bị bao gồm việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán cơ học lý thuyết và giải thuật điều khiển số:

1. Tính toán bậc tự do và động học cơ cấu

Cơ cấu song song dạng cầu được tính toán số bậc tự do theo công thức Chebyshev-Grübler-Kutzbach: $$DOF = \sum_{k=1}^{5} k \cdot p_k - 6l - s$$ Trong đó:

  • $p_5 = 8$ (số khớp bản lề 1 bậc tự do trong cấu trúc bình hành).
  • $l = 1$ (số vòng lặp độc lập).
  • $s = 0$ (không có bậc tự do thừa).

Thế vào phương trình ta có cơ cấu cơ sở đạt $DOF = 2$. Bằng cách bổ sung thêm 1 đế xoay đồng trục chịu toàn bộ tải trọng, hệ thống đạt tổng cộng 3 bậc tự do (3-DOF) tương thích hoàn toàn với 3 góc quay tự nhiên của khớp cổ chân.

Ma trận biến đổi tọa độ quay của động cơ quanh trục nghiêng một góc $\alpha = 45^\circ$ đối với góc xoay bàn chân $\beta$: $$\begin{bmatrix} \theta_1 \ \theta_2 \ \theta_3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \cos\alpha & -\sin\alpha & 0 \ \sin\alpha & \cos\alpha & 0 \ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \beta_x \ \beta_y \ \beta_z \end{bmatrix}$$

2. Thiết kế và chế tạo cảm biến mô-men xoắn

Cảm biến mô-men 1 trục được thiết kế nguyên khối từ nhôm 6061-T6 với cấu trúc 4 dầm đàn hồi đối xứng vuông góc dạng chữ thập:

  • Chiều dài dầm $l = 26\text{ mm}$, chiều rộng $a = 10\text{ mm}$, chiều dày $h = 4\text{ mm}$, khoảng cách từ tâm cảm biến đến đường tâm dầm $R = 35\text{ mm}$.
  • Sử dụng 4 lá điện trở Strain Gauge BF350 dán tại các vị trí tập trung ứng suất lớn nhất (cách ngàm $\frac{1}{4}l = 8\text{ mm}$).
  • Bề mặt dán được xử lý chà nhám mịn, cố định bằng lớp keo AB hai thành phần có độ dày kiểm soát chính xác $2\text{ mm}$ để đảm bảo truyền biến dạng tốt nhất mà không bị bong tróc hay suy giảm đàn hồi.

Điện áp vi sai đầu ra của cầu Wheatstone được xác định: $$\Delta V_s = V_s^+ - V_s^- \approx \frac{E}{4} \left( \frac{\Delta R_2}{R_0} + \frac{\Delta R_4}{R_0} - \frac{\Delta R_1}{R_0} - \frac{\Delta R_3}{R_0} \right)$$ Tín hiệu $\Delta V_s$ cấp vào IC INA128U với hệ số khuếch đại $G = 1 + \frac{50\text{ k}\Omega}{R_G}$ để đưa về dải điện áp $0 - 3.3\text{ V}$ tương thích với ADC của vi điều khiển STM32.

3. Tính toán bộ truyền bánh ma sát

  • 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 vành bánh $b = 15\text{ mm}$.
  • Lực vòng tiếp tuyến: $F_t = 28\text{ N}$.
  • Lực ép pháp tuyến cần thiết để chống trượt trong chế độ làm việc định mức: $$Q = \frac{k \cdot F_t}{f} = \frac{1.5 \cdot 28}{0.5} = 84\text{ N}$$
  • Lực tác dụng vuông góc lên trục quay: $P_{r1} = P_{r2} = \sqrt{F_t^2 + Q^2} \approx 88\text{ N}$.

4. Hiện thực hóa mã nguồn trên FreeRTOS

Firmware được viết bằng ngôn ngữ C trên nền tảng Keil MDK-ARM, phân chia thành các task độc lập được quản lý bởi FreeRTOS:

#include "stm32f10x.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"

#define FILTER_WINDOW_SIZE 10
#define KP_COEFF           1.25f

typedef struct {
    float raw_torque;
    float filtered_torque;
    float current_angle;
} AnkleData_t;

QueueHandle_t xSensorQueue;
SemaphoreHandle_t xADCMutex;

// Bo loc trung binh dong (Moving Average Filter)
float ApplyMovingAverage(float new_sample) {
    static float buffer[FILTER_WINDOW_SIZE] = {0};
    static uint8_t idx = 0;
    static float sum = 0;
    
    sum -= buffer[idx];
    buffer[idx] = new_sample;
    sum += new_sample;
    idx = (idx + 1) % FILTER_WINDOW_SIZE;
    
    return sum / FILTER_WINDOW_SIZE;
}

// Task doc cam bien Torque & vi tri Encoder
void vSensorTask(void *pvParameters) {
    AnkleData_t data;
    TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
    const TickType_t xFrequency = pdMS_TO_TICKS(5); // Chu ky 5ms (200Hz)

    for (;;) {
        // Doc ADC tu kenh INA128U
        uint16_t adc_val = ADC_GetConversionValue(ADC1);
        float voltage = (float)adc_val * 3.3f / 4095.0f;
        data.raw_torque = (voltage - 1.65f) * 10.0f; // Calib 1V = 10 N.m
        
        // Loc nhieu
        data.filtered_torque = ApplyMovingAverage(data.raw_torque);
        
        // Doc Encoder Timer 2
        data.current_angle = (float)((int16_t)TIM2->CNT) * 360.0f / 4000.0f;
        
        // Gui du lieu vao Queue de truyen UART va dieu khien
        xQueueOverwrite(xSensorQueue, &data);
        
        vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);
    }
}

// Task dieu khien dong co bang PID
void vControlTask(void *pvParameters) {
    AnkleData_t current_data;
    float setpoint_angle = 15.0f; // Vi du goc dat 15 do
    
    for (;;) {
        if (xQueueReceive(xSensorQueue, &current_data, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
            float error = setpoint_angle - current_data.current_angle;
            
            // Tinh toan P Controller (Ziegler-Nichols Kp)
            float output_pwm = KP_COEFF * error;
            
            // Gioi han bao hoa PWM
            if (output_pwm > 100.0f) output_pwm = 100.0f;
            if (output_pwm < -100.0f) output_pwm = -100.0f;
            
            // Xua tin hieu ra Timer 1 PWM qua MC33883
            if (output_pwm >= 0) {
                TIM1->CCR1 = (uint16_t)(output_pwm * 10);
                GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // DIR = 0
            } else {
                TIM1->CCR1 = (uint16_t)(-output_pwm * 10);
                GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);   // DIR = 1
            }
        }
    }
}

Testing và validation

Quá trình kiểm chuẩn thiết bị được tiến hành qua nhiều giai đoạn nghiêm ngặt:

  1. Kiểm tra độ tuyến tính cảm biến mô-men:

    • Đặt tải chuẩn $F = 5\text{ N}$ tại cánh tay đòn $d = 0.2\text{ m}$ tạo mô-men chính xác $M = 1\text{ N.m}$.
    • Tín hiệu điện áp thu về từ cầu Wheatstone trước bộ lọc có biên độ dao động nhiễu $\pm 8%$.
    • Sau khi qua bộ lọc trung bình trượt 10 mẫu (Moving Average Filter), độ mượt của tín hiệu tăng $85%$, hệ số tuyến tính đạt $R^2 = 0.994$, không xảy ra hiện tượng méo tín hiệu.
    • Thử nghiệm kiểm tra độ bền với mô-men phá hủy mô phỏng trên ANSYS cho thấy kết cấu dầm chịu được tải trọng uốn xoắn cực đại lên tới $100\text{ N.m}$ mà không vượt quá giới hạn chảy của nhôm 6061-T6 ($\sigma_y \approx 276\text{ MPa}$).

  2. Kiểm tra đáp ứng cơ cấu truyền động và trượt an toàn:

    • Khi tăng mô-men cản vượt quá $8.5\text{ N.m}$, bộ truyền bánh ma sát bắt đầu trượt vi sai trơn tru mà không làm nóng động cơ hay sinh rung giật cơ học.
    • Sai số vị trí góc quay đo qua encoder quang học đối chiếu với góc nghiêng thực tế đạt độ chính xác dưới $\pm 1.2^\circ$.
Bảng thống kê kết quả kiểm thử hệ thống:
+-------------------------------+-----------------------+-----------------------+
| Thông số kiểm tra             | Mục tiêu thiết kế     | Kết quả thực nghiệm   |
+-------------------------------+-----------------------+-----------------------+
| Số bậc tự do (DOF)            | 3 DOF                 | 3 DOF hoàn chỉnh      |
| Dải góc đo gập / duỗi         | 20° / 50°             | 20° / 50° (±1.2°)     |
| Dải góc nghiêng trong / ngoài | 35° / 15°             | 35° / 15° (±1.0°)     |
| Dải đo mô-men xoắn            | 0 - 10 N.m            | 0 - 10 N.m (Max 100Nm)|
| Tần số lấy mẫu cảm biến       | 100 Hz                | 200 Hz (chu kỳ 5ms)   |
| Độ trễ phản hồi hệ thống      | < 20 ms               | 8.5 ms (FreeRTOS)     |
| Tỷ số truyền bánh ma sát      | u = 2.0               | u = 1.96 (trượt ~2%)  |
+-------------------------------+-----------------------+-----------------------+

Đổi mới và đóng góp

  1. Chế tạo thành công cảm biến mô-men 1 trục dầm chữ thập chi phí thấp: Thay vì phải sử dụng các loadcell đắt tiền nhập khẩu, đề tài đã tự tính toán, mô phỏng trên ANSYS và gia công cảm biến dầm chữ thập trên nhôm 6061-T6, dán Strain Gauge BF350 theo kỹ thuật keo AB tối ưu. Giải pháp này giúp giảm hơn $80%$ chi phí chế tạo cảm biến mà vẫn đảm bảo độ nhạy và tính tuyến tính cao.

  2. Ứng dụng cơ cấu song song dạng cầu tích hợp truyền động ma sát an toàn sinh học: Khác với các cơ cấu nối tiếp cồng kềnh, cơ cấu song song dạng cầu phân bổ tải đều lên các khâu bản lề, tạo tâm xoay cố định trùng với tâm giải phẫu của khớp sên - gót. Bộ truyền bánh ma sát đóng vai trò như một bộ ly hợp cơ khí thụ động (Mechanical Slip Clutch), triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ quá tải lực gây tổn thương cho bệnh nhân.

  3. Kiến trúc điều khiển thời gian thực tối ưu bằng FreeRTOS: Ứng dụng hệ điều hành thời gian thực trên vi điều khiển STM32F107VCT6 giúp phân tách rõ ràng tác vụ đo lường, lọc nhiễu, thuật toán PID và truyền thông UART, loại bỏ hiện tượng nghẽn luồng (blocking) thường gặp ở các chương trình tuần tự đơn luồng truyền thống.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống sử dụng thực tế (Use Cases)

[Bệnh nhân phẫu thuật cổ chân] 
       │
       ▼
[Giai đoạn 1: Đo lường thụ động] ──► Thu thập góc ROM & Mô-men cứng khớp
       │
       ▼
[Giai đoạn 2: Luyện tập bán chủ động] ──► Thiết bị hỗ trợ lực theo thuật toán PID
       │
       ▼
[Giai đoạn 3: Đánh giá phục hồi] ──► Xuất báo cáo dữ liệu IHA so sánh chuẩn y khoa
  1. Khoa Phục hồi chức năng tại các Bệnh viện Chấn thương chỉnh hình: Thiết bị hỗ trợ bác sĩ định lượng chính xác độ cứng khớp của bệnh nhân sau mổ nối dây chằng cổ chân, theo dõi biểu đồ tiến triển hồi phục qua từng tuần trị liệu.
  2. Trung tâm Huấn luyện & Y học Thể thao: Kiểm tra tầm vận động cổ chân của vận động viên sau chấn thương lật sơ mi, xác định sự mất cân bằng lực giữa hai chân để phòng ngừa tái phát chấn thương.
  3. Ứng dụng chăm sóc sức khỏe cá nhân & Massage trị liệu: Chế độ vận hành tự động cho phép lập trình các bài tập xoay cổ chân nhẹ nhàng, giảm căng thẳng cơ bắp cho người làm việc văn phòng hoặc người cao tuổi ít vận động.

Phân tích hiệu quả kinh tế và lộ trình thương mại hóa

  • Chi phí sản xuất mẫu thử nghiệm: Ước tính khoảng $8.000.000 - 10.000.000\text{ VNĐ}$ (bao gồm gia công CNC, động cơ DC Servo, mạch STM32 và linh kiện cảm biến). Khi sản xuất quy mô từ 50–100 bộ, giá thành phần cứng có thể tối ưu xuống dưới $5.000.000\text{ VNĐ}$.
  • Hiệu quả đầu tư (ROI): So với thiết bị nhập khẩu từ châu Âu/Mỹ có giá từ $300.000.000$ đến hơn $1.000.000.000\text{ VNĐ}$, thiết bị của đề tài mang lại hiệu quả chi phí vượt trội, giúp các cơ sở y tế thu hồi vốn chỉ trong vòng 3–6 tháng vận hành dịch vụ phục hồi chức năng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Độ chính xác cơ khí còn phụ thuộc vào dung sai gia công thủ công và lắp ráp ổ bi tại một số khớp bản lề, dẫn đến hiện tượng rơ nhẹ ở một số góc nghiêng lớn.
  • Cơ cấu bánh ma sát có tỷ số truyền nhỏ ($u = 2$), khi bệnh nhân có lực cản cơ bắp quá lớn thì động cơ có thể bị giảm hiệu suất cấp mô-men hỗ trợ.
  • Tín hiệu cảm biến mô-men vẫn còn nhạy cảm nhất định với sự thay đổi nhiệt độ môi trường nếu vận hành liên tục trong thời gian dài mà không định chuẩn lại điểm 0.

Hướng phát triển trong tương lai

  1. Nâng cấp cơ cấu cơ khí lên 6 bậc tự do (6-DOF) bằng cách tích hợp thêm các khớp trượt tịnh tiến, giúp mô phỏng đầy đủ mọi vi chuyển động không gian của xương bàn chân và xương sên.
  2. Thiết kế cảm biến lực/mô-men đa trục (6-Axis Force/Torque Sensor) thay thế cho cảm biến 1 trục hiện tại.
  3. Phát triển giao diện người dùng chuyên nghiệp (GUI) trên máy tính bằng C# hoặc Python tích hợp thuật toán AI nhận diện tự động tiến độ phục hồi của bệnh nhân.

Đối tượng hưởng lợi

+---------------------------+-------------------------------------------------------+
| Nhóm đối tượng            | Giá trị và lợi ích định lượng mang lại                |
+---------------------------+-------------------------------------------------------+
| Sinh viên Cơ điện tử /    | Cung cấp tài liệu mẫu hoàn chỉnh về thiết kế robot    |
| Kỹ thuật Y sinh           | song song, dán Strain Gauge và lập trình FreeRTOS.   |
+---------------------------+-------------------------------------------------------+
| Kỹ sư nhúng & Điều khiển  | Mã nguồn tham khảo về bộ lọc trung bình trượt, PID    |
|                           | động cơ DC Servo và giao tiếp ngắt thời gian thực.    |
+---------------------------+-------------------------------------------------------+
| Cơ sở y tế & Bệnh viện    | Tiết kiệm >80% chi phí đầu tư trang thiết bị đo góc   |
|                           | và hỗ trợ tập vật lý trị liệu cổ chân sau phẫu thuật. |
+---------------------------+-------------------------------------------------------+
| Nhà nghiên cứu Y sinh     | Nền tảng dữ liệu thực nghiệm phục vụ xác định tâm     |
|                           | xoay tức thời (IHA) của khớp cổ chân người Việt Nam.  |
+---------------------------+-------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng và nguồn điện để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn cấp DC $24\text{ V} - 5\text{ A}$ cấp cho khối mạch công suất động cơ và nguồn DC $5\text{ V}/3.3\text{ V}$ ổn áp cho vi điều khiển STM32F107VCT6. Thiết bị kết nối với máy tính thông qua cổng COM/RS232 hoặc cáp chuyển đổi USB-to-UART với baudrate chuẩn $115200\text{ bps}$.

2. Cơ chế nào đảm bảo bệnh nhân không bị tổn thương khi động cơ gặp sự cố mất kiểm soát?

Thiết bị tích hợp 3 lớp bảo vệ an toàn:

  • Lớp 1 (Cơ khí thụ động): Bộ truyền bánh ma sát tự trượt khi mô-men vượt ngưỡng an toàn ($> 8.5\text{ N.m}$).
  • Lớp 2 (Điện tử): Giới hạn hành trình cơ học và nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) ngắt trực tiếp nguồn cầu H MC33883.
  • Lớp 3 (Phần mềm): Thuật toán giám sát góc quay và mô-men trong Task FreeRTOS tự động ngắt PWM khi phát hiện giá trị vượt ngưỡng sinh học.

3. Thiết bị giao tiếp và hiển thị dữ liệu lên máy tính như thế nào?

Dữ liệu góc xoay (Encoder) và mô-men (Strain Gauge) sau khi xử lý lọc số được đóng gói thành các chuỗi byte cấu trúc gửi định kỳ $5\text{ ms}$ qua UART. Máy tính sử dụng phần mềm MATLAB hoặc giao diện GUI để vẽ đồ thị thời gian thực và lưu trữ file log phục vụ phân tích.

4. Quy trình hiệu chuẩn (Calibration) cảm biến mô-men được thực hiện ra sao?

Cảm biến được định chuẩn bằng phương pháp treo quả cân chuẩn tại cánh tay đòn xác định ($0.2\text{ m}$) từ $1\text{ N.m}$ đến $10\text{ N.m}$. Bảng tra điện áp ADC tương ứng được lập để tìm phương trình hồi quy tuyến tính nạp vào bộ nhớ Flash của vi điều khiển.

5. Chi phí bảo trì và độ bền của lớp keo dán Strain Gauge như thế nào?

Nhờ sử dụng keo chuyên dụng AB hai thành phần phủ kín bề mặt với độ dày bảo vệ $2\text{ mm}$, các lá điện trở BF350 được bảo vệ hoàn toàn khỏi độ ẩm và oxy hóa, đảm bảo độ bền hoạt động ổn định trên 2 năm mà không cần dán lại.

Kết luận

Đề tài "Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân" đã giải quyết thành công bài toán đo lường đa trục và thu thập mô-men khớp cổ chân phục vụ y sinh học. Bằng việc kết hợp sáng tạo giữa cơ cấu song song dạng cầu 3-DOF, hệ dẫn động bánh ma sát trượt an toàn, cảm biến mô-men dầm chữ thập tự chế cùng vi điều khiển STM32 chạy FreeRTOS, công trình đã chứng minh tính khả thi cao trong việc làm chủ công nghệ thiết bị y tế nội địa hóa.

Kết quả nghiên cứu mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc hỗ trợ điều trị, phục hồi chức năng và nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân sau phẫu thuật chấn thương chỉnh hình tại Việt Nam.