Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bàn tay người giữ vai trò trọng yếu trong lao động và sinh hoạt thường nhật, thực hiện các thao tác từ cầm nắm cơ bản đến các vận động tinh vi nhờ sự phối hợp phức tạp giữa hệ thống cơ, gân và xương khớp. Tuy nhiên, chức năng vận động chi trên có thể bị suy giảm nghiêm trọng do tai nạn, đột quỵ, thoái hóa hoặc các bệnh lý thần kinh - cơ. Trong đó, nhược cơ (Myasthenia Gravis) là một bệnh lý tự miễn đặc thù với tỷ lệ hiện mắc dao động từ 5 đến 20 ca trên 100.000 người trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Cơ chế bệnh sinh của nhược cơ xuất phát từ việc cơ thể sinh ra các kháng thể tự miễn tấn công và làm suy giảm số lượng, chất lượng của các thụ thể acetylcholine (AchR) tại màng sau synap của điểm tiếp hợp thần kinh - cơ. Hậu quả là điện thế hoạt động không thể hình thành đầy đủ để kích thích co cơ khi chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine được phóng thích từ màng trước.

Điểm khác biệt căn bản giữa bệnh nhân nhược cơ và bệnh nhân đột quỵ là hệ thống cảm giác, phản xạ gân xương và cấu trúc cơ xương của bệnh nhân nhược cơ hoàn toàn bình thường, nhưng cơ bắp nhanh chóng bị mỏi và suy kiệt lực khi vận động lặp lại. Khi tình trạng nhược cơ ảnh hưởng đến chi trên, bệnh nhân gặp khó khăn lớn trong việc tự chủ cầm nắm đồ vật phục vụ sinh hoạt. Mặc dù các phương pháp vật lý trị liệu mang lại hiệu quả phục hồi, chúng đòi hỏi chi phí kinh tế cao và nguồn nhân lực y tế hỗ trợ liên tục.

Các giải pháp hỗ trợ vận động bàn tay hiện nay phân thành hai nhóm: thụ động (dùng nẹp, dây chun đàn hồi, giá thành rẻ nhưng không thể tự điều khiển chủ động) và chủ động (dùng động cơ điện, xi-lanh khí nén, thủy lực hoặc cơ nhân tạo). Trước đây, các bộ khung xương cứng ngoài (rigid exoskeleton) chế tạo từ kim loại hoặc nhựa cứng chiếm ưu thế nhờ khả năng chịu tải tốt nhưng lại bộc lộ nhược điểm cồng kềnh, nặng nề, khó căn chỉnh trùng khớp với tâm quay của các khớp ngón tay sinh học và gây cản trở cử động tự nhiên. Do đó, xu hướng phát triển găng tay mềm (soft assistive gloves) ứng dụng vật liệu đàn hồi kết hợp cơ chế truyền động kéo cáp (tendon-driven) đang trở thành giải pháp tối ưu nhằm giảm trọng lượng, nâng cao độ linh hoạt và đảm bảo an toàn sinh học.

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hải Đăng và Bùi Đăng Khoa (ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Minh Thiên, bảo vệ tháng 7/2024) tập trung giải quyết bài toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống găng tay mềm trợ lực thông minh cho bệnh nhân nhược cơ.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình găng tay mềm phù hợp với đối tượng bệnh nhân, đảm bảo các tiêu chí an toàn, thoải mái, gọn nhẹ và thuận tiện khi sử dụng.
  2. Nghiên cứu, tính toán thiết kế, chế tạo và kiểm thử hệ thống cơ cấu truyền động kéo cáp sử dụng duy nhất một động cơ DC để điều khiển vị trí co/duỗi của hai ngón tay chủ lực (ngón trỏ và ngón giữa).
  3. Thử nghiệm đánh giá khả năng co, duỗi và cầm nắm các vật thể thực nghiệm để thu thập dữ liệu phản hồi, hiệu chỉnh thuật toán và đánh giá hiệu quả vận hành của toàn hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị găng tay trợ lực mềm thông minh tích hợp cảm biến uốn (flex sensor) làm tín hiệu phản hồi, cho phép tùy chỉnh mức độ co/duỗi theo ý muốn của người dùng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong việc nghiên cứu cơ chế truyền động dây không cần lực căng ban đầu (pre-tensioning) nhằm cách ly an toàn giữa cụm cơ khí truyền động và bàn tay; ứng dụng các thuật toán lọc nhiễu (Butterworth, Kalman 1 chiều) cho cảm biến uốn; điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán PID trên vi điều khiển STM32; đánh giá thực nghiệm chức năng co duỗi và năng lực kẹp giữ vật thể hình trụ chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết giải phẫu học sinh cơ học, mô hình hóa động học, thiết kế kỹ thuật cơ điện tử và xử lý tín hiệu thực nghiệm:

Cơ sở lý thuyết

  • Giải phẫu sinh cơ học bàn tay: Cấu trúc khung xương bàn tay gồm 27 xương (8 xương cổ tay - carpal bones, 5 xương bàn tay - metacarpal bones và 14 xương đốt ngón - phalanges). Vận động ngón tay được điều khiển bởi hai nhóm cơ: cơ ngoại lai (extrinsic muscles) nằm ở cẳng tay cho lực kéo mạnh nhưng thô, và cơ nội tại (intrinsic muscles) nằm ngay trong bàn tay chịu trách nhiệm cho các vận động tinh xảo. Các khớp chuyển động chính gồm khớp gian đốt ngón (interphalangeal articulations) và khớp bàn ngón (metacarpophalangeal joints).
  • Mô hình động học ngón tay (Kinematic model): Mô hình hóa một ngón tay dưới dạng chuỗi các đốt ngón phẳng liên kết bản lề. Thiết lập hệ tọa độ với gốc đặt tại điểm giao giữa cổ tay và lòng bàn tay, trục $x$ trùng trục dọc các đốt ngón. Chiều dài đường dẫn dây co/duỗi được biểu diễn qua các hàm vector vị trí của các điểm dẫn dây $m_1$ đến $m_5$, khoảng cách đốt ngón $l_i$, chiều dày ngón tay $t$ và chiều cao đai dẫn $s$. Mô hình này phục vụ việc xác định chính xác hành trình rút dây cần thiết cho các góc gập khác nhau, tối ưu hóa tỷ số bán kính puli cuốn và triệt tiêu biến dạng gấp nếp của vật liệu.
  • Cơ sở cảm biến và phân áp: Cảm biến uốn (Flex sensor loại 2.2 inch) hoạt động theo nguyên lý thay đổi điện trở lớp mực dẫn điện khi bị uốn cong, có dải điện trở từ $45\text{ k}\Omega$ đến $125\text{ k}\Omega$ (trạng thái thẳng $25\text{ k}\Omega$). Cảm biến được mắc theo mạch cầu phân áp với điện trở nối tiếp $R = 10\text{ k}\Omega$ để đưa điện áp về bộ biến đổi ADC của vi điều khiển.
  • Lý thuyết lọc tín hiệu số:
    • Bộ lọc Butterworth bậc 5: Bộ lọc thông thấp tương tự được rời rạc hóa bằng biến đổi song tuyến tính (Bilinear Transform) nhằm triệt tiêu dao động biên độ trong dải thông, khảo sát tại các tần số cắt từ $0.95\text{ Hz}$ đến $10\text{ Hz}$.
    • Bộ lọc Kalman 1 chiều (1D Kalman Filter): Áp dụng mô hình động học hằng số (constant dynamics) với giả định tốc độ thay đổi góc uốn khi chuyển động hỗ trợ là chậm, liên tục cập nhật ước lượng trạng thái, hiệp phương sai và độ lợi Kalman $K_n$ dựa trên phương sai đo $r_n$.
  • Lý thuyết điều khiển vị trí: Thuật toán điều khiển PID rời rạc, trong đó khâu vi phân $D$ được tích hợp bộ lọc thông thấp số bậc 1 nhằm lọc nhiễu dao động tần số cao sinh ra từ việc đọc encoder chế độ nhân 4 (quadruplicate reading).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế CAD: Sử dụng phần mềm thiết kế 3D chuyên dụng để dựng hình học giải phẫu của găng tay, các cơ cấu kẹp, puly cuốn và vỏ hộp cơ khí.
  • Phương pháp chế tạo bồi đắp (In 3D FDM): Chế tạo thân găng tay bằng vật liệu nhựa dẻo TPU (Thermoplastic Polyurethane) trên máy in Elegoo Neptune 4, sử dụng phần mềm Ultimaker Cura 5.0 để thiết lập thông số in; chế tạo các chi tiết cơ khí chịu lực bằng nhựa PLA.
  • Phương pháp lập trình nhúng và thực nghiệm thời gian thực: Lập trình hệ thống điều khiển trên vi điều khiển STM32 (ngôn ngữ C/C++), thu thập dữ liệu và giám sát đáp ứng hệ thống theo thời gian thực thông qua công cụ STMCubeMonitor.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Khóa luận triển khai thiết kế một hệ sinh thái cơ điện tử hoàn chỉnh, tích hợp chặt chẽ giữa kết cấu mềm mang trên tay, cụm chấp hành kéo dây và mạch điều khiển thông minh:

1. Cấu trúc găng tay mềm (TPU Soft Glove)

Găng tay trợ lực được thiết kế tối ưu cho 2 ngón chủ lực là ngón trỏ và ngón giữa, trong khi ngón cái được giải phóng tự do để tạo sự linh hoạt khi đối chiếu ngón cầm nắm. Thân găng được in 3D nguyên khối từ vật liệu TPU với độ dẻo, khả năng chống rách và đàn hồi cao, thân thiện với da tay và có thể tái chế. Các bộ phận chính của găng gồm:

  • Bao đầu ngón (Thimble): Nơi cố định điểm neo của dây kéo co và duỗi ngón, có độ cứng vừa phải để truyền lực nhưng không gây cấn đau ngón tay.
  • Đai dẫn hướng ngón (Straps & Upper straps): Các đai phía mu ngón được tạo hình lăng trụ tam giác giúp giữ vững phương chuyển động của dây kéo, tránh vặn xoắn.
  • Lỗ luồn dây (String holes): Thiết kế kích thước tối ưu, giảm thiểu ma sát trượt và hạn chế mài mòn.
  • Ống dẫn và dây truyền động: Sử dụng dây cước đơn (monofilament string) có độ bền kéo cao kết hợp với vỏ bọc ruột gà chuyên dụng thay cho ống Teflon cứng, giúp dây trượt êm mà không cản trở cử động cổ tay. Găng tay kết nối với cụm cơ khí qua khớp tháo lắp nhanh, giúp người dùng dễ dàng vệ sinh găng sau khi sử dụng.

2. Cơ cấu truyền động dây (Tendon-driven Mechanical Transmission)

Cơ cấu cơ khí giải quyết triệt để hai bài toán kỹ thuật lớn: chống chùng dây (tendon slack) khi đảo chiều chuyển động và loại bỏ lực căng ban đầu (pre-tensioning) giúp bệnh nhân cử động ngón tay tự nhiên khi thiết bị tắt nguồn. Cơ cấu sử dụng duy nhất một động cơ DC giảm tốc JGB37-520 tích hợp encoder, hoạt động theo nguyên lý:

  • Trục động cơ liên kết với cuộn cuốn chính (main coil) và bánh răng trụ thứ nhất (30 răng, trục $6\text{ mm}$).
  • Bánh răng 1 dẫn động bánh răng 2 quay ngược chiều. Trục bánh răng 2 gắn hai cuộn cấp dây (feeding coils) cho hai chiều co và duỗi.
  • Mỗi cuộn cấp dây được lắp trên một vòng bi một chiều (one-way bearing) kết hợp cùng hệ thống các bánh tỳ dẫn hướng (idling wheels trên trục $5\text{ mm}$).
  • Khi động cơ quay theo chiều kéo (thu dây), vòng bi một chiều hãm cuộn cấp tương ứng, lực ma sát tiếp xúc giữa bánh tỳ, cuộn cấp và sợi dây giữ cho dây luôn căng vừa đủ mà không bị tuột. Ngược lại, ở chiều xả dây, cuộn cấp quay tự do đẩy dây ra với tốc độ nhanh hơn tốc độ nhả của cuộn chính, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rối hay chùng cáp bên trong hộp cơ khí.
  • Hệ thống cơ khí sử dụng các linh kiện tiêu chuẩn: vòng bi 625Z, 608ZZ, khớp nối mềm $6\text{ mm} - 6\text{ mm}$, trụ đồng lục giác M3 $30\text{ mm}$ và đế gá in 3D bằng nhựa PLA.

3. Hệ thống phần cứng điều khiển và thuật toán phần mềm

  • Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển dòng STM32 nhận tín hiệu từ biến trở/encoder cài đặt mức co duỗi của người dùng và tín hiệu analog từ 2 cảm biến Flex sensor gắn trên ngón trỏ và ngón giữa.
  • Khối công suất: Mạch cầu H sử dụng IC TB6612FNG điều khiển động cơ DC với hiệu suất cao, tổn hao nhiệt thấp. Dòng điện tiêu thụ của động cơ khi căng cáp chỉ ở mức $130 - 140\text{ mA}$.
  • Xử lý tín hiệu cảm biến uốn: Tín hiệu điện áp từ cảm biến uốn được lọc qua bộ lọc Kalman 1 chiều với thông số phương sai đo $r_n$ được tối ưu hóa thực nghiệm ($r_n = 7 - 10^2$), giúp loại bỏ hoàn toàn nhiễu ngẫu nhiên mà không gây trễ pha lớn như bộ lọc Butterworth bậc 5 ở tần số cắt thấp.
  • Tính năng tự động hiệu chuẩn (Calibration): Hệ thống tích hợp chương trình tự nhận diện giới hạn biên độ cử động ngón tay của từng người dùng cụ thể, thiết lập vùng an toàn để ngăn ngừa hiện tượng kéo quá mức gây chấn thương.
  • Thuật toán điều khiển vị trí: Bộ điều khiển PID (tập trung tinh chỉnh hai hệ số $K_P$ và $K_D$, kết hợp lọc số khâu $D$) điều khiển góc quay trục động cơ chính xác theo số xung encoder, tương ứng với hành trình tịnh tiến của dây kéo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương Tên chương Nội dung cốt lõi và số liệu/kết quả chính
Chương 1 Introduction Trình bày tính cấp thiết, bối cảnh y tế của bệnh nhược cơ, phân tích ưu nhược điểm giữa cơ cấu cứng và găng tay mềm, xác định 3 mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và bố cục 6 chương của khóa luận.
Chương 2 Literature Review Tổng quan bệnh lý Myasthenia Gravis (tỷ lệ 5-20/100.000); cấu trúc giải phẫu 27 xương và hệ cơ gân bàn tay; tổng quan các công trình quốc tế (ĐH Hàng hải Đại Liên, Viện Công nghệ Tokyo, Viện Wyss/Harvard, ĐH Quốc gia Seoul - Kang et al., Saebo); phân tích thách thức kỹ thuật về cơ cấu kéo cáp và an toàn điều khiển; đề xuất giải pháp găng TPU in 3D, truyền động 1 động cơ có vòng bi 1 chiều và thuật toán PID/Kalman.
Chương 3 Research, Design, and Fabrication of the Assistive Glove Phân tích yêu cầu kỹ thuật găng tay mềm; lựa chọn vật liệu TPU; phân tích ưu khuyết điểm của mẫu thiết kế trong đồ án môn học trước đó; thiết lập mô hình động học kinematic ngón tay 4 bậc tự do; quy trình thiết kế CAD và in 3D trên máy Elegoo Neptune 4 (Ultimaker Cura 5.0, chiều cao lớp $0.2\text{ mm}$); giải pháp đai lăng trụ tam giác và khớp snap-fit tháo rời.
Chương 4 Design and Fabrication of the Mechanical Transmission Tính toán động học cơ cấu kéo cáp; thiết kế chi tiết cuộn cuốn chính, cuộn cấp dây, bánh răng 30 răng ($d=6\text{ mm}$), bánh tỳ ($d=5\text{ mm}$), vòng bi 625Z/608ZZ; lựa chọn động cơ DC giảm tốc JGB37-520; chế tạo lắp ráp các chi tiết PLA và kiểm thử khả năng chống chùng dây, cách ly lực căng ban đầu.
Chương 5 The Development of Control Program and Device Operation Experiments Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển (STM32, TB6612FNG, Flex sensor 2.2 inch); phát triển giao diện giám sát STMCubeMonitor; thực nghiệm so sánh bộ lọc Butterworth (cắt 0.95Hz - 10Hz) và bộ lọc Kalman 1D ($r_n = 20^2, 10^2, 8^2, 7$); kiểm thử đáp ứng điều khiển vị trí PID; thực nghiệm co duỗi không tải và có tải trên bàn tay; thử nghiệm cầm nắm thành công 2 vật thể hình trụ chuẩn.
Chương 6 Conclusions and Future Development Tổng kết toàn bộ kết quả chế tạo găng tay mềm, cơ cấu truyền động và phần mềm điều khiển; chỉ ra các điểm còn tồn tại và vạch ra định hướng nâng cấp trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và thực nghiệm

  1. Chế tạo hoàn chỉnh găng tay mềm TPU: Ứng dụng thành công công nghệ in 3D FDM để tạo ra thân găng tay mềm từ vật liệu TPU với kết cấu đai mu ngón hình lăng trụ tam giác. Kết cấu này giúp định hướng dây kéo ổn định, không bị vặn xoắn hay gấp nếp cản trở chuyển động của ngón tay.
  2. Hiện thực hóa cơ cấu truyền động 1 động cơ chống chùng cáp: Chế tạo thành công cụm truyền động dây sử dụng duy nhất một động cơ DC JGB37-520 kết hợp hệ bánh răng, cuộn cuốn, cuộn cấp và vòng bi 1 chiều. Cơ cấu hoạt động trơn tru ở cả hai chiều co và duỗi, giải phóng hoàn toàn lực căng ban đầu khi hệ thống ngưng hoạt động và không xảy ra hiện tượng rối chùng dây.
  3. Hiệu quả xử lý tín hiệu và điều khiển an toàn:
    • Bộ lọc Kalman 1 chiều với mô hình động học hằng số triệt tiêu hiệu quả nhiễu đo của cảm biến uốn Flex sensor tại các mức phương sai thực nghiệm tối ưu ($r_n = 7 - 10^2$), khắc phục nhược điểm trễ pha lớn của bộ lọc Butterworth bậc 5.
    • Bộ điều khiển PID tích hợp lọc thông thấp khâu vi phân $D$ giúp động cơ bám vị trí đặt chính xác, không bị rung lắc ở dải vận tốc thấp.
    • Tính năng tự động hiệu chuẩn hành trình ngón tay hoạt động tin cậy, ngăn ngừa các vị trí nguy hiểm vượt quá giới hạn uốn sinh học của khớp ngón.
  4. Thực nghiệm cầm nắm: Hệ thống hỗ trợ bệnh nhân thực hiện tốt thao tác co/duỗi ngón trỏ và ngón giữa, tạo lực kẹp ổn định giúp cầm nắm chắc chắn các vật thể hình trụ có kích thước khác nhau trong đời sống hàng ngày.
+-----------------------------------------------------------------------+
|                 BẢNG TỔNG HỢP CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH             |
+-----------------------------------------------------------------------+
| Thông số / Thành phần     | Giá trị / Chi tiết kỹ thuật               |
+---------------------------+-------------------------------------------+
| Vật liệu thân găng tay    | Nhựa dẻo TPU (In 3D FDM)                  |
| Thiết bị in 3D            | Elegoo Neptune 4 / Phần mềm Cura 5.0      |
| Động cơ chấp hành chính   | DC giảm tốc JGB37-520 (tích hợp Encoder)  |
| Dòng điện tiêu thụ khi kéo| 130 - 140 mA                              |
| Mạch điều khiển động cơ   | Cầu H IC TB6612FNG                        |
| Vi điều khiển trung tâm   | STM32 (STMicroelectronics)                |
| Cảm biến góc uốn ngón tay | Flex Sensor 2.2 inch (45k - 125k Ohm)     |
| Thuật toán lọc tín hiệu   | 1D Kalman Filter (Constant dynamic, rn=7) |
| Thuật toán điều khiển     | PID (Khâu D lọc thông thấp, đọc Encoder x4)|
| Công cụ giám sát dữ liệu  | STMCubeMonitor                            |
| Cơ chế truyền động        | Kéo cáp (Tendon-driven) + Vòng bi 1 chiều  |
| Đối tượng ngón hỗ trợ     | Ngón trỏ, ngón giữa (Ngón cái tự do)      |
+-----------------------------------------------------------------------+

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

  • Cải tiến so với nghiên cứu của Kang et al. (Seoul National University): Khắc phục việc phải đúc khuôn polymer KE-1300T phức tạp và đắt đỏ bằng cách ứng dụng công nghệ in 3D nhựa TPU; thay thế cáp Bowden bằng dây cước đơn kết hợp ống ruột gà giúp giảm độ cứng cơ học; thiết kế các đai dẫn hướng dạng lắp ghép snap-fit rời thân găng thay vì đúc liền khối.
  • Cải tiến so với đồ án môn học Cơ điện tử trước đó: Tối ưu hóa số lượng và vị trí các điểm neo dây trên mu ngón; loại bỏ hoàn toàn các nếp gấp vật liệu gây cản trở khi duỗi ngón; tách rời khối truyền động và thân găng giúp việc mang găng, tháo lắp và vệ sinh trở nên thuận tiện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận đã thẳng thắn ghi nhận các hạn chế kỹ thuật hiện tại dựa trên phạm vi nghiên cứu:

  • Phạm vi ngón tay hỗ trợ: Thiết bị mới tập trung truyền động chủ động cho 2 ngón chính (ngón trỏ và ngón giữa), dựa vào sự đồng vận sinh học tự nhiên của bàn tay để kéo theo các ngón còn lại, trong khi ngón cái vẫn ở trạng thái tự do.
  • Kích thước hộp cơ khí: Cụm truyền động và cụm bo mạch điều khiển tuy đã được tách khỏi bàn tay nhưng kích thước tổng thể vẫn cần được thu nhỏ hơn nữa để gắn gọn gàng lên cánh tay hoặc hông bệnh nhân.
  • Phương thức điều khiển: Mới dừng lại ở việc người dùng tự cài đặt mức co duỗi qua núm xoay encoder và kiểm soát an toàn qua cảm biến uốn, chưa tích hợp tín hiệu điện cơ sinh học (EMG) để tự động nhận diện ý định vận động.
  • Đối tượng thử nghiệm: Các thử nghiệm cầm nắm mới được tiến hành trên các vật thể hình trụ thực nghiệm chuẩn trong phòng thí nghiệm, chưa thực hiện thử nghiệm lâm sàng diện rộng trên các nhóm bệnh nhân nhược cơ với các mức độ bệnh lý khác nhau.

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm:

  1. Mở rộng cơ cấu truyền động để hỗ trợ độc lập cả 5 ngón tay (bao gồm cơ cấu khép/mở ngón cái).
  2. Tối ưu hóa kích thước vỏ hộp cơ khí bằng các giải pháp tích hợp vi cơ điện tử.
  3. Nghiên cứu tích hợp cảm biến điện cơ (sEMG) trên cẳng tay kết hợp thuật toán học máy để tự động nhận diện ý định cử động của người bệnh.
  4. Triển khai thử nghiệm lâm sàng thực tế để đánh giá độ bền cơ học và sự cải thiện chức năng sinh hoạt hàng ngày của bệnh nhân.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Sinh viên và học viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Cơ kỹ thuật: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp tính toán động học ngón tay, thiết kế cơ cấu truyền động kéo cáp chống chùng dây dùng vòng bi một chiều, và kỹ thuật in 3D vật liệu dẻo TPU.
  • Sinh viên và nhà nghiên cứu ngành Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering): Cung cấp mô hình tham khảo về việc phát triển thiết bị phục hồi chức năng/trợ lực mềm, đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn sinh học và tương thích giải phẫu học cơ thể người.
  • Kỹ sư điều khiển nhúng: Tham khảo phương pháp lập trình điều khiển động cơ DC dùng PID có lọc khâu D trên vi điều khiển STM32, ứng dụng bộ lọc Kalman 1 chiều xử lý tín hiệu cảm biến thời gian thực, và kỹ thuật giám sát qua phần mềm STMCubeMonitor.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lựa chọn vật liệu TPU in 3D thay vì đúc silicone hay polymer KE-1300T?

Vật liệu TPU (Thermoplastic Polyurethane) cho phép khai thác tối đa ưu thế của công nghệ in 3D FDM: chi phí thấp, thời gian tạo mẫu nhanh, dễ dàng cá nhân hóa kích thước theo từng bàn tay người bệnh mà không cần chế tạo khuôn đúc tốn kém như polymer KE-1300T hay silicone. Ngoài ra, TPU có độ bền kéo cao, đàn hồi tốt, kháng mài mòn, chống thấm nước, thân thiện với da tay và có thể tái chế.

2. Cơ cấu cơ khí giải quyết bài toán chống chùng dây (tendon slack) và lực căng ban đầu (pre-tensioning) như thế nào?

Cơ cấu sử dụng một động cơ DC dẫn động cuộn cuốn chính và hệ bánh răng 30 răng liên kết với các cuộn cấp dây lắp trên vòng bi một chiều kết hợp bánh tỳ ma sát. Khi thu dây, vòng bi 1 chiều hãm cuộn cấp tạo ma sát giữ căng dây; khi xả dây, cuộn cấp quay tự do đẩy dây ra nhanh hơn tốc độ nhả của cuộn chính, triệt tiêu hiện tượng chùng cáp. Khi thiết bị ngưng hoạt động, hệ thống hoàn toàn không có lực căng ban đầu, giúp bàn tay người bệnh cử động tự nhiên.

3. Tại sao bộ lọc Kalman 1 chiều được chọn thay thế cho bộ lọc Butterworth bậc 5 trong việc lọc tín hiệu cảm biến Flex sensor?

Bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 5 dù làm phẳng dải thông tốt nhưng gây ra độ trễ pha rất lớn ở các tần số cắt thấp ($0.95\text{ Hz} - 2\text{ Hz}$), khiến tín hiệu phản hồi không theo kịp cử động thực tế. Bộ lọc Kalman 1 chiều với mô hình động học hằng số (constant dynamics) và phương sai đo $r_n = 7 - 10^2$ loại bỏ nhiễu hiệu quả mà vẫn đảm bảo đáp ứng nhanh theo thời gian thực.

4. Động cơ DC JGB37-520 tiêu thụ mức dòng điện bao nhiêu khi kéo căng dây và được điều khiển bằng thuật toán gì?

Khi kéo căng dây, động cơ JGB37-520 chỉ tiêu thụ dòng điện khoảng $130 - 140\text{ mA}$, được cấp nguồn qua mạch cầu H TB6612FNG. Động cơ được điều khiển vị trí chính xác bằng thuật toán PID rời rạc (sử dụng khâu P và khâu D tích hợp bộ lọc thông thấp số) kết hợp đọc ngắt encoder chế độ nhân 4 (quadruplicate reading).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hải Đăng và Bùi Đăng Khoa đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đặt ra trong việc thiết kế và chế tạo găng tay mềm trợ lực thông minh cho bệnh nhân nhược cơ. Hệ thống kết hợp hài hòa giữa cấu trúc găng tay TPU in 3D êm ái, cơ cấu truyền động kéo cáp 1 động cơ sáng tạo giúp chống chùng dây và giải phóng lực căng ban đầu, cùng giải thuật lọc Kalman và điều khiển PID an toàn trên nền tảng STM32. Kết quả thực nghiệm khẳng định thiết bị vận hành ổn định, hỗ trợ hiệu quả cử động co duỗi và cầm nắm đồ vật, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn lớn trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh và thiết bị hỗ trợ vận động.