Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Thiết kế và chế tạo mẫu thiết bị phóng ảnh cho điện thoại dùng để hỗ trợ kiểm tra tai" được thực hiện bởi sinh viên Vũ Công Huy và Tăng Ngọc Tuấn, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Sơn tại Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (khóa học 2012–2016).

Bối cảnh thực tiễn của nghiên cứu xuất phát từ sự bùng nổ của mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT), kết hợp với sự phổ cập của điện thoại thông minh (smartphone) và công nghệ cảm biến. Theo dự báo từ Tập đoàn Dữ liệu Quốc tế (IDC), thị trường IoT toàn cầu tăng trưởng mạnh mẽ, ước đạt quy mô 1,7 nghìn tỉ USD vào năm 2020. Trong lĩnh vực y tế, IoT mang đến phương thức chăm sóc sức khỏe hiện đại dựa trên mô hình kết nối các thiết bị thu thập dữ liệu sinh lý người bệnh liên tục, truyền dữ liệu qua giao thức an toàn SSL và lưu trữ trên nền tảng điện toán đám mây. Đồng thời, việc thăm khám và chẩn đoán các bệnh lý về tai mũi họng ngày càng đòi hỏi thiết bị nội soi chuyên dụng, trong khi các cơ sở y tế đối mặt với tình trạng quá tải và chi phí thiết bị đắt đỏ. Động lực trực tiếp thúc đẩy đề tài là đơn đặt hàng từ một công ty y tế về việc chế tạo thiết bị nội soi kiểm tra tai có khả năng tích hợp linh hoạt với hầu hết các dòng smartphone thương mại.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể bao gồm:

  1. Thiết kế hai mẫu sản phẩm thiết bị phóng ảnh nội soi tai.
  2. Chế tạo hoàn chỉnh một bộ nội soi tai tích hợp với smartphone.
  3. Bộ sản phẩm đảm bảo khả năng soi và kiểm tra hình ảnh bên trong tai.
  4. Tích hợp tương thích với hầu hết các loại smartphone phổ biến trên thị trường.
  5. Đảm bảo kiểu dáng nhỏ gọn, thuận tiện trong thao tác sử dụng.

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu cơ khí quang học của thiết bị phóng ảnh (bao gồm cơ cấu ngàm kẹp smartphone và hệ thống ống soi quang học) kết hợp với camera và đèn flash của điện thoại thông minh, cùng hình thái học ống tai người. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được tiến hành tại xưởng thực hành và phòng thí nghiệm Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; thời gian hoàn thành vào tháng 07/2016. Do giới hạn về thời gian và kinh phí, đề tài giới hạn phạm vi ở mức chế tạo mẫu mô hình thử nghiệm (prototype), sử dụng phần mềm Creo Parametric 3.0 để thiết kế mô hình 3D và công nghệ in 3D để chế tạo các chi tiết cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về khung lý thuyết, đề tài dựa trên ba nền tảng khoa học kỹ thuật chính:

  • Lý thuyết vật liệu polyme: Khái niệm phân tử khối, hệ số trùng hợp, phân loại polymer theo nguồn gốc, cấu trúc hình học, cơ chế tạo màng và tính chất cơ lý (nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn). Các chỉ tiêu cơ lý được phân tích gồm: độ bền nén, độ bền uốn, độ dai ($F_k = F/S$), độ cứng Brinell/Rockwell, độ dãn dài và tính chịu nhiệt. Khảo sát 7 nhóm polymer thông dụng: Polyetylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinyl clorua (PVC), Polyetylen terephtalat (PET), Polystyren (PS), Polycarbonate (PC) và Polymethyl methacrylate (PMMA - thủy tinh hữu cơ).
  • Lý thuyết quang hình học: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng và định luật khúc xạ ánh sáng Snell-Descartes ($\sin i / \sin r = n_{21}$); quy luật truyền tia sáng qua các môi trường có chiết suất khác nhau; nguyên lý tạo ảnh qua thấu kính hội tụ mỏng và hệ hai thấu kính hội tụ ghép đồng trục. Các công thức xác định khoảng cách ảnh $d'$, số phóng đại $k$ và tiêu cự tương đương: $$d_1' = \frac{d_1 f_1}{d_1 - f_1}; \quad k_1 = -\frac{d_1'}{d_1}; \quad d_2 = L - d_1'; \quad k = k_1 \times k_2$$
  • Phương pháp thiết kế mô hình hóa Top-down: Kỹ thuật thiết kế từ trên xuống trong phần mềm CAD/CAE, sử dụng mô hình khung xương (Skeleton) và công cụ Publish Geometry để kiểm soát thông số và mối liên kết lắp ghép giữa các chi tiết thành phần.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp đo đạc khảo sát thực nghiệm: Đo lường trực tiếp kích thước thực tế (bề dày, bề ngang, khoảng cách từ camera đến đèn flash LED và vị trí phân bố đèn) của các dòng điện thoại tiêu biểu: iPhone 6, Samsung Galaxy S6, Sony Xperia Z3, HTC One M9.
  • Phương pháp tính toán quang học: Đánh giá quang sai và đặc tính tạo ảnh qua ba trường hợp ($d > f$, $d < f$, $d = f$) để lựa chọn cấu hình hệ hai thấu kính đồng trục triệt tiêu hiện tượng nghịch ảnh và méo hình; tính toán góc khúc xạ cho thiết bị dẫn quang bằng vật liệu nhựa trong suốt.
  • Phương pháp mô phỏng số và phân tích phần tử hữu hạn (FEA): Mô phỏng động học lắp ráp và phân tích ứng suất, biến dạng, chuyển vị của ngàm kẹp dưới tác động của trọng tải hệ thống soi ($4{,}044\text{ N}$) và lực mở ngàm ($7\text{ N}$) trên module phân tích của Creo Parametric 3.0.
  • Phương pháp tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping): Gia công chế tạo thân vỏ và cơ cấu kẹp bằng máy in 3D.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu gồm: thông số kích thước thực tế thu thập từ smartphone thương mại; bảng tra cơ lý tính nhựa công nghiệp; dữ liệu giải phẫu hình học tai ngoài; các giáo trình vật lý quang học và cơ sở công nghệ chế tạo máy tại thư viện trường.

Thiết kế và triển khai

Căn cứ vào mục tiêu tích hợp thiết bị cho nhiều dòng smartphone, tác giả đề xuất hai phương án thiết kế tổng quát:

Tiêu chí Phương án 1 Phương án 2
Nguồn sáng Sử dụng trực tiếp đèn flash LED của smartphone Tích hợp đèn LED độc lập, dùng nguồn pin riêng
Cơ cấu kẹp chặt Kẹp chặt định vị theo bề dày của smartphone Kẹp chặt định vị theo bề ngang của smartphone
Hệ thấu kính Hệ thống hai thấu kính hội tụ kép đồng trục Hệ thống hai thấu kính hội tụ kép đồng trục

Phương án 1 được lựa chọn làm thiết kế chủ đạo nhằm tối ưu hóa kích thước, cắt giảm khối lượng pin và mạch điện phụ trợ. Thiết bị hoàn chỉnh bao gồm hai cụm kết cấu chính:

Cụm hệ thống soi

Hệ thống soi được định vị đồng trục với camera điện thoại, bao gồm các thành phần:

  • Đế hệ thống soi: Bộ phận liên kết trực tiếp với cơ cấu kẹp và tiếp xúc mặt lưng camera; trên đế bố trí hai lỗ trống chức năng: một lỗ mở định vị đồng tâm với camera và một lỗ mở đón nhận chùm sáng từ đèn flash LED.
  • Thân soi và đầu soi: Thân soi dạng ống côn bao bọc các chi tiết quang học, liên kết với đế bằng vít và ghép chặt với đầu soi bằng độ côn định hình. Đầu soi có biên dạng thon nhỏ, phù hợp đưa sâu vào ống tai và định hướng ánh sáng.
  • Hệ quang học phóng đại: Bố trí trong ống chứa thấu kính, gồm Thấu kính 1 (tiêu cự $f_1 = 100\text{ mm}$, hệ số phóng đại $k_1 = 1{,}8$), Thấu kính 2 (tiêu cự $f_2 = 150\text{ mm}$, hệ số phóng đại $k_2 = 2{,}0$), được định cự ly cố định thông qua Ống lót 1 (giữa hai thấu kính) và Ống lót 2 (tăng khoảng cách giữa thấu kính 2 với camera điện thoại).
  • Hệ thống dẫn quang và bảo vệ: Thiết bị dẫn sáng làm bằng nhựa trong suốt, nhận quang thông từ đèn flash điện thoại và dẫn truyền vào lòng đầu soi thông qua hiện tượng khúc xạ với góc lệch $6^\circ$. Hai tấm kính phẳng (Gương 1 và Gương 3) đóng vai trò màng chắn bụi bảo vệ camera và đèn flash.

Cụm cơ cấu kẹp

Cơ cấu kẹp có nhiệm vụ cố định chắc chắn hệ thống soi vào thân máy smartphone, cấu tạo gồm 5 chi tiết chính:

  • Kẹp trên chính: Tựa vào mặt sau smartphone (phía camera chính), giữ ống soi và phân bố lực kẹp.
  • Kẹp trên phụ: Lắp ép với kẹp trên chính nhằm định vị hệ thống soi trong phạm vi lắp ghép.
  • Kẹp dưới: Tiếp xúc mặt trước smartphone (màn hình hiển thị), có lớp đệm tránh trầy xước.
  • Lò xo xoắn và chốt trục: Chốt liên kết bản lề giữa kẹp trên và kẹp dưới, đồng tâm với lò xo xoắn nhằm tạo lực ép đàn hồi kẹp chặt bề dày điện thoại.

Kiểm thử mô phỏng độ bền (CAE)

Các thử nghiệm độ bền được thực hiện trên vật liệu nhựa Polycarbonate (PC):

  • Khi chịu tải trọng bản thân của hệ thống soi ($4{,}044\text{ N}$), kết cấu kẹp trên chính xuất hiện biến dạng và chuyển vị không đáng kể.
  • Dưới tác dụng của ngoại lực mở kẹp cực đại giả định $F = 7\text{ N}$ (tương đương khối lượng kéo $0{,}7\text{ kg}$), phân tích FEA cho thấy ứng suất Von Mises lớn nhất trên kẹp trên chính đạt xấp xỉ $65\text{ MPa}$. Giá trị này nằm trong giới hạn bền kéo cho phép của vật liệu Polycarbonate ($55 - 75\text{ MPa}$) và thấp hơn độ bền nén ($80\text{ MPa}$). Độ chuyển vị lớn nhất tại đầu ngàm kẹp ghi nhận được là $d \approx 10\text{ mm}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Internet of things

Chương này khái quát định nghĩa mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) từ nguồn bách khoa toàn thư Wikipedia, nhấn mạnh nguyên lý định danh độc lập và truyền tải dữ liệu tự động không qua tương tác trực tiếp người - máy. Tác giả dẫn chứng báo cáo dự báo thị trường của IDC về quy mô kinh tế 1,7 nghìn tỉ USD vào năm 2020 để khẳng định xu thế tất yếu của công nghệ. Nội dung phân loại IoT thành 5 phân khúc ứng dụng: thiết bị đeo, nhà thông minh, thành phố thông minh, môi trường thông minh và doanh nghiệp thông minh.

Trọng tâm của chương phân tích vai trò của IoT trong y tế, tập trung vào giải pháp giám sát không xâm lấn 24/7 đối với bệnh nhân mãn tính hoặc tim mạch, truyền số liệu qua chuẩn mã hóa an toàn SSL lên đám mây (tiêu biểu như hệ thống Masimo Radical). Từ đó, nhóm tác giả định vị mục đích nghiên cứu: chế tạo thiết bị nội soi tai kết hợp smartphone nhằm hỗ trợ chụp ảnh, chẩn đoán từ xa qua hồ sơ bệnh án điện tử và mã ID bệnh nhân. Cuối chương xác định 5 mục tiêu, 3 điểm giới hạn kỹ thuật và 4 bước phương pháp luận triển khai.

Chương 2: Vật liệu Polyme

Nội dung chương 2 hệ thống hóa kiến thức về vật liệu polymer, từ cấu trúc hóa học phân tử mạch thẳng, mạch nhánh đến mạng lưới không gian, cùng cơ chế phản ứng trùng hợp và trùng ngưng. Báo cáo phân tích đặc tính và ứng dụng của 7 dòng nhựa: PE, PP, PVC, PET, PS, PC và PMMA (thủy tinh hữu cơ có độ truyền sáng đạt 93%).

Bảng so sánh thông số kỹ thuật các loại nhựa kỹ thuật được tác giả tổng hợp làm căn cứ chọn vật liệu chế tạo:

Thông số kỹ thuật PC ABS PP PE PVC
Khối lượng riêng ($\text{g/cm}^3$) 1,2 1,06 1,15 0,93 1,38
Độ co (%) 0,8 0,4 – 0,7 1,0 – 2,5 1,5 – 3,0 0,5
Độ bền kéo ($\text{MPa}$) 55 – 75 35 – 48 30 – 40 23 35 – 63
Độ bền nén ($\text{MPa}$) 80 52 48 13 80 – 163
Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ\text{C}$) 155 120 165 133 80
Nhiệt độ làm việc cao nhất ($^\circ\text{C}$) 115 – 130 88 – 89 105 70 80 – 84
Nhiệt độ làm việc thấp nhất ($^\circ\text{C}$) -40 -25 -5 — —
Độ cứng Rockwell ($\text{HRB}$) 118 96 80 – 102 65 115

Chương này cũng trình bày bảng kết quả khảo sát kích thước thực tế trên 4 mẫu điện thoại thông minh:

Dòng điện thoại Bề dày ($\text{mm}$) Bề ngang ($\text{mm}$) Khoảng cách đèn LED - Camera ($\text{mm}$) Vị trí đèn so với camera
iPhone 6 6,9 67,0 12 Bên phải
Samsung Galaxy S6 6,8 70,7 15 Bên phải
Sony Xperia Z3 7,3 72,0 10 Bên dưới
HTC One M9 9,61 69,7 12 Bên trái

Khảo sát hình thái tai người cho thấy cấu trúc hình trụ, đặt ra yêu cầu đầu soi phải thuôn dài. Phân tích lý thuyết quang học khẳng định: hệ một thấu kính hội tụ không thể đáp ứng yêu cầu (khi $d > f$ cho ảnh thật ngược chiều; khi $d < f$ cho ảnh ảo cùng chiều nhưng méo hình; khi $d = f$ ảnh ở vô cực). Từ đó, tác giả lựa chọn giải pháp hệ hai thấu kính hội tụ đồng trục và thiết lập các công thức tính toán khúc xạ ánh sáng theo định luật Snell-Descartes.

Chương 3: Quá trình thực hiện

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo thực nghiệm:

  • Tính toán quang học: Khi khảo sát trường hợp $d > f$ với cự ly hai thấu kính $6\text{ mm}$, $f_1 = f_2 = 2\text{ mm}$, khoảng cách vật $d_1 = 45\text{ mm}$, tính ra khoảng cách ảnh $d_1' = 2{,}1\text{ mm}$ và hệ số phóng đại $k_1 = -0{,}046$, cho ảnh thật bị thu nhỏ nên bị loại bỏ. Chuyển sang trường hợp $d < f$ với khoảng cách giữa hai thấu kính $L = 6\text{ mm}$, $f_1 = 100\text{ mm}$, $f_2 = 150\text{ mm}$, $d_1 = 45\text{ mm}$, tính được khoảng cách ảnh $d_1' = -82\text{ mm}$, hệ số phóng đại $k_1 = 1{,}9$, cho ảnh ảo cùng chiều phóng đại rõ nét.
  • Tính toán dẫn sáng: Vật liệu nhựa dẫn quang có chiết suất $n = 1{,}656$. Nhằm đáp ứng góc khúc xạ mong muốn $r = 6^\circ$, áp dụng định luật $\sin i / \sin r = 1{,}656$ để định hình góc tới của chùm sáng xuất phát từ đèn LED.
  • Thiết kế 3D và Top-down Design: Trình bày chi tiết bản vẽ cấu tạo của cụm soi và cụm kẹp. Quy trình Top-down trong Creo Parametric 3.0 được thực hiện tuần tự qua: tạo khung xương Skeleton trong môi trường Assembly, dùng công cụ Model Tree và Insert Here, tạo đường cong chia sẻ bằng Publish Geometry dialog, sau đó tạo Part chi tiết con và gán liên kết ràng buộc hình học.
  • Phân tích độ bền và lắp ráp thử nghiệm: Thực hiện mô phỏng tải trọng tĩnh $7\text{ N}$ trên kẹp chính bằng Creo Parametric, so sánh ưu nhược điểm hai mẫu thiết kế (Bảng 3.1 trong thuyết minh), kiểm chứng mô hình lắp ghép thành công trên iPhone 6, Sony Xperia Z, Asus Zenfone 5, Samsung Galaxy S6, và chế tạo mẫu vật lý in 3D hoàn chỉnh lắp trên iPhone 5.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Xác lập bộ thông số quang học hoàn chỉnh cho hệ thống soi tai gắn ngoài: tiêu cự thấu kính 1 đạt $100\text{ mm}$ (phóng đại $1{,}8$ lần), thấu kính 2 đạt $150\text{ mm}$ (phóng đại $2{,}0$ lần), cự ly thấu kính $6\text{ mm}$, khoảng cách vật soi $45\text{ mm}$, loại bỏ hiện tượng đảo chiều và méo biên dạng hình ảnh.
  • Thiết kế hệ thống dẫn quang góc lệch $6^\circ$ từ vật liệu nhựa trong suốt chiết suất $1{,}656$, gom và chuyển hướng quang thông từ đèn flash LED của smartphone vào sâu trong khoang tai mà không cần nguồn điện rời.
  • Chứng minh độ bền cơ học của cơ cấu ngàm kẹp qua mô phỏng CAE: kết cấu chịu được tải bản thân $4{,}044\text{ N}$ và lực kéo mở ngàm $7\text{ N}$ ($\approx 0{,}7\text{ kg}$) với ứng suất cực đại xấp xỉ $65\text{ MPa}$, nằm trong giới hạn bền của nhựa Polycarbonate ($55 - 75\text{ MPa}$), chuyển vị cực đại đạt $10\text{ mm}$.
  • Chế tạo thành công mẫu thử nghiệm vật lý bằng công nghệ in 3D, thực nghiệm lắp ghép vừa vặn và tương thích với nhiều dòng smartphone có độ dày từ $6{,}8\text{ mm}$ đến $9{,}61\text{ mm}$.

Về mặt đóng góp, đề tài là công trình tiên phong tại Việt Nam nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị phóng ảnh hỗ trợ kiểm tra tai tích hợp smartphone theo đơn đặt hàng y tế thực tế. Đồ án xây dựng thành công quy trình ứng dụng phương pháp thiết kế Top-down trên phần mềm Creo Parametric 3.0 cho sản phẩm cơ - quang đa chi tiết, rút ngắn thời gian hiệu chỉnh lắp ráp và chứng minh tính khả thi của việc chế tạo mẫu nhanh chi phí thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản ghi nhận bao gồm:

  • Đề tài chỉ dừng lại ở mức độ chế tạo mẫu mô hình thử nghiệm do hạn chế về thời gian thực hiện đồ án và kinh phí nghiên cứu.
  • Các chi tiết chế tạo bằng công nghệ in 3D có độ chính xác lắp ráp và độ nhẵn bề mặt chỉ ở mức tương đối, chưa đạt độ tinh xảo và kín khít như phương pháp đúc ép phun công nghiệp.
  • Mẫu thấu kính và thiết bị dẫn sáng sử dụng vật liệu mẫu thử nghiệm, chưa được phủ màng chống phản xạ quang học chuyên biệt.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:

  • Thiết kế khuôn mẫu công nghiệp và ứng dụng công nghệ ép phun nhựa hàng loạt để nâng cao độ bền, độ chính xác kích thước và tính thẩm mỹ.
  • Cải tiến hình học hệ thấu kính và cơ cấu dẫn quang nhằm thu nhỏ kích thước đường kính ngoài của đầu soi, giúp giảm cảm giác khó chịu khi đưa vào ống tai.
  • Phát triển phần mềm ứng dụng di động đi kèm để tự động hóa quy trình kết nối đám mây IoT, định danh mã bệnh nhân (ID) và gửi dữ liệu hình ảnh trực tiếp đến bác sĩ chuyên khoa.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn đối với:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Y sinh trong việc nghiên cứu thiết kế thiết bị quang - cơ y tế cầm tay.
  • Kỹ sư thiết kế sản phẩm nhựa công nghiệp, cung cấp quy trình bài bản về thiết kế Top-down Design và kỹ thuật quản lý hình học Skeleton/Publish Geometry trên phần mềm Creo Parametric.
  • Các nhóm nghiên cứu giải pháp thiết bị y tế cá nhân (mHealth), tham khảo bảng khảo sát thông số hình học thân máy smartphone và phương pháp dẫn sáng thụ động từ đèn flash LED.

Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất nằm ở Chương 3: quy trình tính toán hệ hai thấu kính hội tụ đồng trục để tạo ảnh ảo cùng chiều phóng đại, cùng phương pháp thiết lập bài toán kiểm tra ứng suất tĩnh ngàm kẹp polymer bằng mô phỏng FEA.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đề tài không sử dụng hệ một thấu kính hội tụ mà phải lựa chọn hệ hai thấu kính đồng trục?
Khi phân tích tạo hình qua một thấu kính hội tụ, tác giả nhận thấy: nếu đặt vật ngoài tiêu cự ($d > f$), hệ tạo ảnh thật nhưng bị lộn ngược chiều; nếu đặt vật trong tiêu cự ($d < f$), ảnh tạo thành là ảnh ảo cùng chiều nhưng xuất hiện hiện tượng méo ảnh nghiêm trọng, gây cản trở chẩn đoán; nếu đặt trên tiêu cự ($d = f$), ảnh nằm ở vô cực không thể quan sát. Do đó, hệ hai thấu kính hội tụ đồng trục đặt ở chế độ $d < f$ ($f_1 = 100\text{ mm}$, $f_2 = 150\text{ mm}$, $L = 6\text{ mm}$) được lựa chọn để vừa tạo ảnh ảo cùng chiều, vừa phóng đại vật thể ($k_1 = 1{,}9$) mà không bị méo hình.

Cơ sở nào để xác định lực kiểm tra độ bền kẹp trên chính là 7 N và kết quả đạt được như thế nào?
Lực $7\text{ N}$ ($\approx 0{,}7\text{ kg}$) là tải trọng quy ước mô phỏng thao tác dùng ngón tay bóp mở ngàm kẹp để gá thiết bị vào điện thoại. Kết quả phân tích phần tử hữu hạn trên Creo Parametric cho thấy ứng suất Von Mises cực đại sinh ra tại kẹp là $65\text{ MPa}$. Nhựa Polycarbonate có giới hạn bền kéo từ $55 - 75\text{ MPa}$ và bền nén $80\text{ MPa}$, do đó kết cấu kẹp hoàn toàn đảm bảo khả năng chịu lực, không bị phá hủy dẻo; độ chuyển vị lớn nhất tại mút kẹp là $10\text{ mm}$.

Hệ thống dẫn sáng hoạt động theo nguyên lý quang học nào và có thông số tính toán cụ thể ra sao?
Hệ thống vận hành theo định luật khúc xạ ánh sáng Snell-Descartes ($\sin i / \sin r = n_{21}$). Chi tiết dẫn quang làm bằng nhựa trong suốt có chiết suất $n = 1{,}656$. Nhằm định hình góc chiếu sáng thuôn gọn theo đầu soi, góc khúc xạ mong muốn được chọn là $r = 6^\circ$. Tỷ số khúc xạ được tính theo công thức $\sin i / \sin 6^\circ = 1{,}656$, từ đó định vị góc tới $i$ của ánh sáng từ đèn LED điện thoại vào bề mặt dẫn quang, truyền thẳng đến đầu soi bên trong tai.

Quy trình thiết kế Top-down Design trên Creo Parametric 3.0 được tác giả thực hiện qua các bước nào?
Quy trình gồm 5 bước kỹ thuật: khởi tạo mô hình khung xương Skeleton trong môi trường Assembly tổng thể; sử dụng công cụ Model Tree và thao tác lệnh Insert Here để kiểm soát cây phả hệ; định hình các biên dạng chuẩn thông qua hộp thoại Component Create; sử dụng lệnh Publish Geometry để đóng gói và chia sẻ các đường cong (curve), bề mặt tham chiếu chung; cuối cùng tạo môi trường chi tiết thành phần (Part) và gán ràng buộc hình học đồng bộ từ khung xương xuống từng chi tiết.

Mẫu sản phẩm đã được kiểm nghiệm tương thích với những dòng điện thoại cụ thể nào?
Thiết bị đã được mô phỏng lắp ghép 3D trên 4 dòng smartphone: Apple iPhone 6, Samsung Galaxy S6, Sony Xperia Z và Asus Zenfone 5; khảo sát kích thước trên Sony Xperia Z3 và HTC One M9; đồng thời chế tạo mẫu vật lý in 3D và thử nghiệm lắp ráp thực tế thành công trên Apple iPhone 5.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Công Huy và Tăng Ngọc Tuấn đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ thiết kế và chế tạo mẫu thiết bị phóng ảnh hỗ trợ kiểm tra tai gắn ngoài smartphone, đáp ứng đơn đặt hàng từ doanh nghiệp y tế. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa tính toán quang học (hệ hai thấu kính hội tụ đồng trục, dẫn quang khúc xạ), cơ lý vật liệu polymer kỹ thuật và phương pháp thiết kế công nghiệp Top-down Design trên phần mềm Creo Parametric 3.0. Kết quả mô phỏng ứng suất tĩnh và chế tạo mẫu thực nghiệm bằng công nghệ in 3D đã chứng minh tính khả thi cao về mặt kỹ thuật và khả năng tương thích linh hoạt trên nhiều dòng điện thoại thông minh phổ biến. Đây là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn rõ nét cho định hướng phát triển các thiết bị y tế cá nhân phục vụ hệ sinh thái chăm sóc sức khỏe IoT.