Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Chấn thương khớp gối là một trong những dạng thương tích phổ biến trong hoạt động thể thao, lao động và sinh hoạt hàng ngày do khớp gối phải chịu toàn bộ tải trọng của cơ thể. Khớp gối có cấu tạo cơ sinh học phức tạp, chủ yếu thực hiện cử động gập và duỗi trong khi các cử động xoay hoặc chuyển động sang bên bị giới hạn chặt chẽ bởi hệ thống dây chằng và sụn chêm. Các tổn thương như đứt dây chằng chéo trước (ACL), đứt dây chằng chéo sau (PCL), trật khớp, thoái hóa khớp hay tổn thương sụn chêm nếu không được can thiệp kịp thời sẽ dẫn đến biến đổi quan hệ động học giữa xương đùi và xương chày, gây thoái hóa thứ phát và suy giảm nghiêm trọng chức năng vận động.

Trong quy trình điều trị chấn thương chỉnh hình và hậu phẫu tái tạo dây chằng, phục hồi chức năng (PHCN) là giai đoạn bắt buộc nhằm chống teo cơ, chống dính khớp, tăng độ mềm dẻo của mô mềm và tái lập tầm vận động sinh lý. Tuy nhiên, các bài tập vật lý trị liệu truyền thống thực hiện thủ công bằng tay kỹ thuật viên thường gặp khó khăn về tính ổn định, dễ gây đau đớn cho người bệnh và tốn nhiều nhân lực. Xu hướng ứng dụng các thiết bị cơ điện tử và tự động hóa vào tập luyện giúp chuẩn hóa lực tác động, kiểm soát chính xác góc vận động và bảo đảm an toàn. Đề tài "Thiết kế, chế tạo thiết bị phục hồi chức năng khớp gối" do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện Tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện nhằm giải quyết yêu cầu thực tiễn này.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm:

  1. Nghiên cứu đưa các ứng dụng cơ điện tử vào chế tạo công cụ vật lý trị liệu, phục hồi chức năng tự động nhằm hỗ trợ công việc của kỹ thuật viên.
  2. Ứng dụng kỹ thuật robot bộ xương ngoài đẳng tĩnh vào việc chế tạo thiết bị phục hồi chức năng cho các khớp.
  3. Chế tạo thiết bị thử nghiệm cho khớp gối nhằm thẩm định kỹ thuật, bảo đảm khả năng truyền lực tạo chuyển động ở các mức độ khác nhau và bảo đảm an toàn, êm ái cho người bệnh.

Nhiệm vụ cụ thể của đồ án bao gồm:

  • Tính toán, thiết kế và gia công cơ khí thiết bị phục hồi chức năng khớp gối nhỏ gọn, tiện dụng.
  • Tích hợp hệ thống dẫn động hai chức năng đồng bộ: kéo giãn khớp gối và gấp mở khớp gối.
  • Thiết kế mạch điều khiển công suất, mạch xử lý trung tâm và cảm biến phản hồi góc.
  • Xây dựng thuật toán điều khiển ở hai chế độ Manual (thủ công) và Auto (tự động), cùng giao diện giám sát trên máy tính.
  • Tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng độ ổn định và các thông số hoạt động của thiết bị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Kỹ thuật robot bộ xương ngoài đẳng tĩnh; đặc điểm giải phẫu và chấn thương khớp gối; các phương pháp truyền động cơ khí (bánh ma sát, bộ truyền đai, tang cuốn cáp) và kỹ thuật điều khiển tự động.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Ứng dụng tập luyện phục hồi chức năng trong giai đoạn đầu (giai đoạn I: 0 đến 1-2 tuần sau phẫu thuật tái tạo dây chằng chéo trước).
    • Tầm vận động gấp mở của thiết bị giới hạn trong khoảng từ 0° đến 90°.
    • Thực nghiệm được tiến hành tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (hoàn thành tháng 01/2016).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình cơ sinh học

  1. Giải phẫu và chuyển động học khớp gối: Khớp gối là khớp bản lề lớn nhất cơ thể gồm đầu dưới xương đùi, đầu trên xương chày và xương bánh chè, liên kết bởi dây chằng chéo trước, dây chằng chéo sau, dây chằng bên trong, dây chằng bên ngoài và hai tấm sụn chêm. Tầm vận động quy ước theo phương pháp Zero là 135° (duỗi 0°, gấp 135°). Khi vận động, khớp gối tuân theo Quy tắc lồi - lõm (Rules of Concavity and Convexity - Kaltenborn, 1989): khi mặt lồi chuyển động trên mặt lõm cố định thì chuyển động trượt ngược chiều chuyển động lăn; ngược lại, khi mặt lõm chuyển động trên mặt lồi cố định thì trượt cùng chiều lăn.
  2. Các thành phần lực tác động: Khi cơ co để gấp/mở khớp gối, lực sinh ra phân rã thành: thành phần quay (vuông góc với xương, đạt cực đại tại góc 90°), thành phần ổn định (song song với xương khi góc kéo nhỏ hơn 90°) và thành phần trật khớp (khi góc kéo lớn hơn 90°).
  3. Quy trình phục hồi chức năng sau mổ tái tạo ACL: Dựa trên phác đồ lâm sàng của Bác sĩ Phan Thanh Tuấn (Khoa Chấn thương chỉnh hình, Bệnh viện Chợ Rẫy), quá trình phục hồi chức năng gồm 6 giai đoạn. Thiết bị được định hướng phục vụ Giai đoạn I (tuần 0 - 2), yêu cầu di động bánh chè, tập gấp duỗi thụ động tăng dần từ 0° đến 90° (3-4 lần/ngày) và kéo giãn cơ mềm chi dưới trước khi vận động.
  4. Lý thuyết bậc tự do cơ cấu: Số bậc tự do ($f$) của cơ cấu không gian được xác định thông qua công thức Gruebler - Kutzbach: $$f = \lambda(n - 1) - \sum_{i=1}^{g} (\lambda - f_i) - f_0$$ Trong đó: $\lambda = 6$ (không gian làm việc 3 chiều), $n$ là số khâu (kể cả khâu cố định), $g$ là tổng số khớp, $f_i$ là bậc tự do ở khớp thứ $i$, $f_0$ là số bậc tự do thừa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu và kế thừa thành tựu: Tổng hợp các nghiên cứu về giải phẫu khớp, cơ chế sinh học, các thiết bị nẹp JAS (Joint Active System), thiết bị phản hồi sinh học EMG, bộ xương ngoài Bionic Exoskeleton (Ekso Bionics), và đồ án robot phục hồi chức năng khớp gối (Nguyễn Quang Tuấn, 2014).
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán động học, mô-men xoắn, lực căng dây cáp theo công thức Ơle; thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks; tính toán độ bền trục theo chỉ tiêu ứng suất tương đương và kiểm tra quá tải mỏi/tĩnh.
  • Phương pháp thực nghiệm - thử và sửa sai: Chế tạo nguyên mẫu cơ khí, lắp ráp mạch điện, lập trình nhúng trên vi điều khiển, chạy thử nghiệm tải thực tế và hiệu chỉnh thông số.

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu nhân trắc học cơ thể người Việt Nam (được chuẩn hóa cho người có khối lượng 50 - 70 kg, xét trung bình 60 kg).
  • Các chỉ số phân bố khối lượng chi dưới: đùi chiếm 9,9% khối lượng cơ thể (trọng tâm ở 37,2% chiều dài), cẳng chân chiếm 4,6% (trọng tâm ở 37,1%), bàn chân chiếm 1,4%.
  • Tiêu chuẩn thông số vật liệu Inox, bảng tra hiệu suất các bộ truyền cơ khí và sổ tay tính toán thiết kế chi tiết máy.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Cơ cấu cơ khí và hệ thống truyền động

Hệ thống được thiết kế với kết cấu cơ khí nhỏ gọn, bảo đảm tính đẳng tĩnh để không gây biến dạng khớp hay cản trở chuyển động tự nhiên của chân người bệnh. Thiết bị sở hữu 1 bậc tự do cho chuyển động gấp mở và 1 bậc tự do độc lập cho chuyển động kéo giãn.

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật phần cứng cơ khí

Hạng mục Cơ cấu kéo giãn chi dưới Cơ cấu gấp mở khớp gối
Động cơ dẫn động Động cơ DC 40W, 24V, 3000 v/p Động cơ DC 75W, 24V, 3000 v/p
Cảm biến hồi tiếp Encoder quang học 200 xung/vòng Encoder quang học 200 xung/vòng
Loại bộ truyền Tang cuốn ma sát và cáp thép Bánh ma sát kết hợp bộ truyền đai
Tỷ số truyền ($u$) Trực tiếp qua tang ma sát Hộp giảm tốc 2 cấp ($u = 10 \times 5 = 50$)
Thông số kích thước Cáp thép $d_c = 1\text{ mm}$, tang $D = 16\text{ mm}, l = 30\text{ mm}$ Đường kính trục $D = 10\text{ mm}$, vật liệu Inox
Lực / Mô-men đầu ra Lực căng $S_{\max} = 12\text{ N}, S_{\min} = 0,48\text{ N}$ Mô-men trục ra $T_3 = 7,947\text{ Nm}$
Hiệu suất / Tải Vận tốc kéo giãn $V < 1,6\text{ m/s}$ Trợ lực đạt 85% mô-men tại góc 90°
Đặc tính an toàn Trượt cáp khi quá tải cơ học Bánh ma sát và đai trượt khi kẹt tải

Hệ thống điều khiển và phần mềm

  1. Mạch xử lý trung tâm: Sử dụng board vi điều khiển Arduino Mega 2560 chịu trách nhiệm đọc xung kênh A/B từ Encoder để xác định góc quay, xử lý giải thuật điều khiển và giao tiếp máy tính.
  2. Mạch công suất: Mạch cầu H H-Bridge HA300 điều khiển đảo chiều và điều chế độ rộng xung (PWM) cho 2 động cơ DC 24V.
  3. Chế độ vận hành:
    • Chế độ Manual: Người dùng hoặc kỹ thuật viên sử dụng tay cầm điều khiển để chủ động tăng/giảm góc hoặc kéo giãn theo cảm nhận của bệnh nhân.
    • Chế độ Auto: Thiết bị tự động thực hiện chu trình kéo giãn khởi động, sau đó điều khiển chân gấp mở tuần hoàn theo các góc đặt trước (30°, 60°, 80°, 90°) với vận tốc kiểm soát.
  4. Giao diện giám sát: Ứng dụng viết trên nền tảng Visual Studio giao tiếp qua cổng nối tiếp (Serial), hiển thị trạng thái kết nối, góc hiện tại của khớp gối và cho phép thiết lập tham số tập luyện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 : Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình vật lý trị liệu chấn thương khớp gối. Tác giả nhấn mạnh việc điều trị bằng tay truyền thống thường thiếu ổn định và gây khó chịu cho người bệnh. Đồ án xác lập mục tiêu ứng dụng robot bộ xương ngoài đẳng tĩnh để chế tạo thiết bị có 2 chức năng: gấp mở (0° - 90°) và kéo giãn chi dưới, giúp rút ngắn thời gian phục hồi, đảm bảo di chuyển tự nhiên và an toàn cho bệnh nhân.

Chương 2 : Tổng quan nghiên cứu đề tài

Nội dung chương tập trung vào cơ sở giải phẫu học của khớp gối (xương đùi, xương chày, xương bánh chè, sụn chêm, hệ thống dây chằng ACL, PCL, dây chằng bên). Chương phân tích cơ chế các chấn thương điển hình: trật khớp, thoái hóa khớp, đứt ACL dẫn đến rách sụn chêm thứ phát. Chương cũng điểm luận các thiết bị hỗ trợ trong và ngoài nước như: thiết bị nẹp JAS kiểm soát tầm vận động, hệ thống phản hồi sinh học EMG/e-stim, bộ xương ngoài Bionic Exoskeleton của hãng Ekso Bionics và nghiên cứu bộ xương ngoài hỗ trợ đi bộ của PGS. Đào Văn Hiệp - ThS. Trần Xuân Thảnh.

Chương 3 : Cơ sở lý thuyết

Trình bày cơ sở động học khớp và mô hình cơ sinh học thay thế khớp gối bằng khớp bản lề 1 bậc tự do có giới hạn góc xoay. Nội dung phân tích chi tiết quy tắc lồi - lõm Kaltenborn, các thành phần lực khi gập duỗi (thành phần quay, thành phần ổn định, thành phần trật khớp), tầm vận động quy ước và lực kéo căng dây chằng (từ 18 - 110 N ở trạng thái nguyên vẹn đến 145 - 467 N khi quá căng). Tác giả tổng hợp chỉ định/chống chỉ định kỹ thuật kéo giãn chi dưới và phác đồ PHCN 6 giai đoạn sau mổ nội soi tái tạo ACL của Bệnh viện Chợ Rẫy, đồng thời đưa ra công thức tính bậc tự do cơ cấu Gruebler - Kutzbach.

Chương 4 : Tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm

Chương này là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, bao gồm:

  • Thiết kế cơ cấu kéo giãn: Tính toán tải trọng cẳng chân và cơ cấu ($P_1 = 59,84\text{ N}$), lực căng cáp lớn nhất ($S_{\max} = 12\text{ N}$) và nhỏ nhất ($S_{\min} = 0,48\text{ N}$). Áp dụng công thức Ơle tính được số vòng cuốn trên tang $n = 3$, chiều dài tang $l = 30\text{ mm}$, đường kính tang $D = 16\text{ mm}$, chọn cáp thép $d_c = 1\text{ mm}$ và động cơ DC kéo giãn $40\text{ W}$ ($n = 3000\text{ v/p}$, vận tốc kéo $V < 1,6\text{ m/s}$).
  • Thiết kế cơ cấu gấp mở: Tính toán mô-men nâng chân tại góc 90° đạt cực đại khoảng $9,34\text{ Nm}$ (với cánh tay đòn $l_1 = 156\text{ mm}$). Lựa chọn động cơ DC $75\text{ W}$ ($n = 3000\text{ v/p}$, mô-men trục $T = 0,239\text{ Nm}$). Thiết kế hộp giảm tốc 2 cấp ($u = 50$) gồm bộ truyền bánh ma sát ($i_1 = 10$) và bánh đai ($i_2 = 5$), cho mô-men đầu ra $T_3 = 7,947\text{ Nm}$, đáp ứng 85% mô-men yêu cầu tại góc 90°.
  • Tính toán cơ khí & chế tạo: Thiết kế bền trục Inox theo ứng suất tương đương ($\sigma_{tđ} \le [\sigma]$), thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks, tích hợp board Arduino Mega 2560 và mạch công suất H-Bridge HA300.

Bảng thông số mô-men cần thiết tại các góc gấp khớp gối ($P_1 = 59,84\text{ N}, l_1 = 0,156\text{ m}$)

Góc nâng $\alpha$ (độ) Cánh tay đòn hiệu dụng (m) Mô-men yêu cầu tại khớp (Nm)
0° 0,000 0,000
15° 0,040 2,416
30° 0,078 4,667
45° 0,110 6,601
60° 0,135 8,084
75° 0,151 9,017
90° 0,156 9,335

Chương 5 : Thuật toán điều khiển – Thiết kế lưu đồ

Trình bày sơ đồ nguyên lý kết nối tổng thể giữa nguồn 24V, Arduino Mega 2560, driver HA300, 2 động cơ DC và 2 encoder. Xây dựng các lưu đồ giải thuật chi tiết: thuật toán ngắt đọc encoder kênh A-B, lưu đồ điều khiển tổng quát, lưu đồ chế độ Manual qua tay cầm và lưu đồ chế độ Auto thực hiện tuần tự việc kéo giãn và gập duỗi tự động. Giới thiệu giao diện điều khiển kết nối máy tính xây dựng bằng ngôn ngữ C# trên Visual Studio.

Chương 6 : Kết quả thực nghiệm

Trình bày các kết quả thử nghiệm vận hành trên mô hình thực tế. Đồ án cung cấp các đồ thị đáp ứng góc thực nghiệm ở chế độ Manual, đồ thị vận hành tự động Auto tại các góc nâng 30°, 60°, 80° và đồ thị chu trình gấp mở. Kết quả thực nghiệm cho thấy cơ cấu chuyển động êm, đáp ứng tốt góc đặt, bộ truyền ma sát và đai hoạt động ổn định, không bị rung giật và bảo đảm an toàn khi vận hành.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  • Chế tạo thành công thiết bị cơ điện tử phục hồi chức năng khớp gối nhỏ gọn, lắp đặt vừa vặn trên chi dưới người bệnh với khối lượng phần gắn cẳng chân khoảng 2,5 kg.
  • Hiện thực hóa cơ chế tích hợp đồng bộ hai chức năng trên cùng một thiết bị: khởi động kéo giãn bằng cơ cấu tang cáp và gấp mở khớp gối từ 0° đến 90°.
  • Hệ thống truyền động đạt tỷ số truyền $u = 50$, cung cấp mô-men đầu ra $7,947\text{ Nm}$, trợ lực được 85% tải trọng chi dưới ở góc bất lợi nhất (90°).
  • Động cơ kéo giãn $40\text{ W}$ hoạt động ổn định với vận tốc kéo $V < 1,6\text{ m/s}$, lực căng duy trì an toàn ($S_{\max} = 12\text{ N}$).
  • Mạch điều khiển Arduino Mega 2560 và driver HA300 thực thi chính xác thuật toán điều khiển vị trí thông qua encoder 200 xung/vòng ở cả chế độ Manual và Auto.

Đóng góp của đề tài

  • Về mặt kỹ thuật: Ứng dụng thành công nguyên lý cơ cấu đẳng tĩnh và kết hợp bộ truyền bánh ma sát với bộ truyền đai. Giải pháp này loại bỏ độ rơ của cơ cấu, vận hành không gây tiếng ồn, đồng thời tận dụng hiện tượng trượt ma sát khi quá tải để tạo lớp bảo vệ an toàn cơ học tự nhiên cho khớp gối bệnh nhân.
  • Về mặt ứng dụng: Đề tài cung cấp một mẫu thiết bị hỗ trợ vật lý trị liệu tự động hóa cho bệnh nhân sau mổ tái tạo dây chằng chéo trước trong giai đoạn đầu, góp phần phát triển hướng nghiên cứu Cơ điện tử - Y sinh trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Phạm vi bài tập mới chỉ tập trung đáp ứng Giai đoạn I (0 - 2 tuần sau mổ) với góc gấp giới hạn từ 0° đến 90°, chưa bao phủ toàn bộ tầm vận động sinh lý tối đa của khớp gối (135° - 140°).
  • Động cơ gấp mở mới hỗ trợ được 85% mô-men cực đại tại góc 90°, đòi hỏi bệnh nhân phải có lực tự thân tối thiểu hoặc cần nâng công suất nếu muốn áp dụng cho bệnh nhân liệt hoàn toàn.
  • Thiết bị chưa tích hợp cảm biến đo lực căng cơ học trực tiếp hoặc tín hiệu điện cơ (EMG) để tự động nhận diện ngưỡng đau của người bệnh.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp dải vận động của thiết bị lên 120° - 135° để phục vụ các giai đoạn phục hồi chức năng tiếp theo (từ tuần thứ 3 đến tuần thứ 6 trở đi).
  • Nghiên cứu tích hợp cảm biến điện cơ EMG hoặc cảm biến lực (loadcell) để đọc phản hồi sinh học của cơ bắp, từ đó xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi thông minh (tự động dừng hoặc nới lỏng khi cơ co cứng quá mức).
  • Tối ưu hóa vật liệu và kết cấu để giảm trọng lượng toàn bộ khung máy, nâng cao tính cơ động và thẩm mỹ cho thiết bị.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng sau:

  1. Sinh viên và kỹ sư ngành Cơ điện tử, Robot và Kỹ thuật Y sinh: Tham khảo quy trình thiết kế cơ cấu robot bộ xương ngoài; phương pháp tính toán nhân trắc học chi dưới và tính chọn công suất động cơ; cách thức thiết kế hộp giảm tốc ma sát và tang cuốn cáp.
  2. Kỹ sư điều khiển và lập trình nhúng: Tham khảo sơ đồ nguyên lý ghép nối vi điều khiển Arduino Mega 2560 với cầu H công suất cao HA300, giải thuật xử lý tín hiệu ngắt encoder đo góc và phương pháp lập trình giao diện giám sát trên Visual Studio.
  3. Cán bộ y tế và kỹ thuật viên Phục hồi chức năng: Tham khảo cấu trúc cơ học của thiết bị nẹp tự động có tích hợp kéo giãn thụ động, hỗ trợ phân tích thông số cơ sinh học trong quá trình xây dựng bài tập vật lý trị liệu khớp gối.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm nghiên cứu lại chọn bộ truyền bánh ma sát kết hợp bộ truyền đai cho hộp giảm tốc gấp mở khớp gối?

Hộp giảm tốc của thiết bị phục vụ y tế đòi hỏi kích thước nhỏ gọn, tỷ số truyền lớn ($u = 50$), làm việc êm dịu và không gây tiếng ồn. Đặc biệt, bộ truyền bánh ma sát và bộ truyền đai đều có khả năng tự trượt khi bị quá tải, đóng vai trò như một cơ cấu an toàn cơ học bảo vệ chân người bệnh và chống cháy động cơ khi có sự cố kẹt cứng.

2. Cơ cấu kéo giãn chi dưới được tính toán dựa trên những thông số kỹ thuật nào?

Cơ cấu kéo giãn sử dụng bộ truyền tang cuốn ma sát kết hợp cáp thép đường kính $d_c = 1\text{ mm}$ và puly góc rãnh $2\alpha = 60^\circ$. Với lực căng lớn nhất $S_{\max} = 12\text{ N}$ và nhỏ nhất $S_{\min} = 0,48\text{ N}$, tác giả áp dụng công thức Ơle tính ra số vòng cáp cuốn trên tang là $n = 3$, tang có đường kính $D = 16\text{ mm}$, dài $30\text{ mm}$. Dẫn động bởi động cơ DC $40\text{ W}$ ($3000\text{ v/p}$) cho vận tốc kéo giãn $V < 1,6\text{ m/s}$.

3. Số bậc tự do của cơ cấu thiết bị được tính toán như thế nào theo lý thuyết Gruebler - Kutzbach?

Trong không gian làm việc 3 chiều ($\lambda = 6$), cơ cấu gồm $n = 7$ khâu (kể cả khâu cố định), $g = 7$ khớp loại 1 (mỗi khớp có 1 bậc tự do $f_1 = 1$), số bậc tự do thừa $f_0 = 0$. Áp dụng công thức Gruebler - Kutzbach: $$f = 6 \times (7 - 1) - 7 \times (6 - 1) - 0 = 36 - 35 = 1$$ Cơ cấu có 1 bậc tự do chuyển động chính cho gấp mở, cùng 1 bậc tự do độc lập do động cơ phụ đảm nhiệm chức năng kéo giãn.

4. Thiết bị được định hướng áp dụng cho giai đoạn nào trong phác đồ phục hồi chức năng sau mổ tái tạo dây chằng chéo trước (ACL)?

Thiết bị được thiết kế tối ưu cho Giai đoạn I (từ tuần 0 đến tuần 2 sau phẫu thuật). Trong giai đoạn này, mục tiêu lâm sàng là tập gấp duỗi thụ động từ 0° đến tối đa 90° kết hợp kéo giãn cơ và day di động xương bánh chè để sớm lấy lại tầm vận động ban đầu.

5. Hệ thống phần cứng điều khiển và giao diện giám sát gồm những thành phần cụ thể nào?

Hệ thống sử dụng board Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm, nhận tín hiệu từ 2 encoder quang học (200 xung/vòng) gắn trên động cơ; mạch cầu H H-Bridge HA300 điều khiển 2 động cơ DC 24V; người dùng điều khiển trực tiếp qua tay cầm (chế độ Manual) hoặc theo dõi góc quay và điều khiển tự động (chế độ Auto) qua giao diện phần mềm máy tính lập trình trên Visual Studio.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị phục hồi chức năng khớp gối ứng dụng kỹ thuật robot bộ xương ngoài đẳng tĩnh. Thiết bị tích hợp đồng bộ hai chức năng kéo giãn cơ mềm và gập duỗi tự động trong phạm vi từ 0° đến 90°, đạt mô-men trợ lực $7,947\text{ Nm}$ (đáp ứng 85% tải trọng cực đại). Việc phối hợp các bộ truyền ma sát, đai và tang cáp cùng hệ điều khiển Arduino Mega 2560 đã bảo đảm an toàn cơ học, triệt tiêu độ rơ và đáp ứng tốt yêu cầu vật lý trị liệu giai đoạn đầu sau phẫu thuật tái tạo dây chằng chéo trước.