Giới thiệu dự án

Tai biến mạch máu não (đột quỵ), chấn thương lao động, tai nạn giao thông và các bệnh lý cơ xương khớp đang là những nguyên nhân hàng đầu dẫn đến suy giảm hoặc mất hoàn toàn chức năng vận động của bàn tay. Theo thống kê từ Ủy ban An toàn Giao thông Quốc gia và Bộ Lao động - Thương binh & Xã hội, mỗi năm tại Việt Nam ghi nhận hàng chục nghìn trường hợp chấn thương ngoại vi và di chứng liệt chi trên. Cùng với tốc độ già hóa dân số nhanh chóng (tỷ lệ người cao tuổi đạt 11,9% năm 2019 và liên tục gia tăng), nhu cầu về các giải pháp phục hồi chức năng (PHCN) chuyên sâu, tiện lợi và chi phí hợp lý tại nhà đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.

Các tổn thương thường gặp như hội chứng ống cổ tay (chèn ép dây thần kinh giữa), phẫu thuật trồng nối chi thể đứt rời, co cứng cơ sau tai biến hoặc thoái hóa khớp làm suy giảm nghiêm trọng khả năng cầm nắm, khiến người bệnh mất khả năng tự chủ sinh hoạt. Mặc dù phương pháp vật lý trị liệu vận động thụ động (Passive Range of Motion - PROM) chứng minh được hiệu quả vượt trội trong việc kích thích tái tạo đường dẫn truyền thần kinh và chống teo cơ, các thiết bị robot PHCN nhập khẩu hiện nay (như SaboFlex, SaeboGlove, Gloreha) có giá thành quá cao (từ hàng trăm đến hàng chục nghìn USD), cấu trúc cồng kềnh và chủ yếu chỉ hỗ trợ tập một bên tay đơn lẻ.

Đề tài "Thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu" thuộc ngành Kỹ thuật Y sinh – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (GVHD: TS. Nguyễn Thanh Nghĩa; SVTH: Nguyễn Trọng Nhân, Vũ Hoài An) được nghiên cứu và chế tạo nhằm giải quyết triệt để các hạn chế trên. Đề tài cung cấp giải pháp găng tay trị liệu khí nén mềm (Soft Pneumatic Actuator) có khả năng hỗ trợ tập luyện phục hồi cử động co/duỗi ngón tay cho cả hai bàn tay cùng lúc, tích hợp điều khiển thông minh qua ứng dụng di động BLE và màn hình màu TFT cảm ứng.

                  +--------------------------------------------------+
                  |           ESP32 NodeMCU (Master Control)         |
                  +---------+--------------------+-------------------+
                            | (I2C)              | (GPIO / PWM)
                            v                    v
                  +-------------------+  +-------------------+
                  |  PCF8575 Expander |  | TIP122 Transistor |
                  +---------+---------+  +---------+---------+
                            |                      |
                            v                      v
                  +-------------------+  +-------------------+
                  | 14 Solenoid Valves|  |  2x Vacuum Pumps  |
                  +---------+---------+  +---------+---------+
                            \                      /
                             \                    /
                              v                  v
                  +--------------------------------------------------+
                  |   Guided Bending Bellows Actuators (GBBA Glove)   |
                  |     (Co/Duỗi ngón tay dựa trên áp suất khí nén)  |
                  +--------------------------------------------------+

Mục tiêu cụ thể của dự án

  1. Thiết kế cơ cấu găng tay kép (Dual-glove): Chế tạo mô hình găng tay đàn hồi dựa trên nguyên lý bộ truyền động ống uốn cong đàn hồi (Guided Bending Bellows Actuator - GBBA), ôm sát kích thước nhân trắc học bàn tay người Việt.
  2. Xây dựng hệ thống điều khiển khí nén tự động: Thiết kế mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển ESP32 kết hợp mạch mở rộng I/O PCF8575 để kiểm soát độc lập 14 van điện từ và 2 động cơ bơm/hút chân không DC 5V.
  3. Phát triển giao diện điều khiển đa phương thức: Tích hợp màn hình cảm ứng LCD TFT 3.2 inch ILI9341 giao tiếp SPI tại hộp điều khiển và ứng dụng di động kết nối qua Bluetooth Low Energy (BLE).
  4. Cung cấp chế độ tập luyện linh hoạt: Lập trình 2 chế độ vận hành gồm Mặc định (các bài tập co duỗi toàn bàn tay tuần tự) và Tùy chỉnh (cho phép chọn tập riêng lẻ từng ngón, từng tay hoặc cả hai tay đồng thời với thời gian cài đặt linh hoạt).

Phạm vi và giới hạn kỹ thuật

  • Hệ thống tập trung vào cử động gấp/duỗi (Flexion/Extension) của 5 ngón tay trên cả hai bàn tay.
  • Hộp điều khiển trung tâm nhỏ gọn với kích thước $185 \times 170 \times 120\text{ mm}$.
  • Nguồn cấp độc lập từ khối pin Li-ion 3S 18650 dung lượng $2200\text{ mAh}$ ($12.6\text{ V}$), cho thời gian hoạt động liên tục đạt xấp xỉ 50 phút.
  • Chu kỳ vận hành tiêu chuẩn: Thời gian cho mỗi pha co hoặc duỗi ngón tay được xác lập chính xác ở mức $4.0\text{ giây}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khảo sát các dòng thiết bị găng tay phục hồi chức năng hiện có trên thị trường cho thấy sự phân hóa rõ rệt giữa cơ cấu truyền động cơ khí cứng và truyền động khí nén đàn hồi:

Tiêu chí so sánh TIMELOCK (China) TJ-OM007 (China) SaeboGlove (USA) Giải pháp của đề tài
Giá thành thị trường ~110 USD (~2.75 tr VNĐ) ~118 USD (~2.95 tr VNĐ) ~293 USD (~7.3 tr VNĐ) Tối ưu chi phí BOM (~1.8 tr VNĐ)
Nguyên lý truyền động Khí nén đàn hồi (Bellows) Khí nén đàn hồi (Bellows) Dây thun / Khung cơ khí kéo Khí nén đàn hồi mềm (GBBA)
Số tay hỗ trợ 1 tay (Trái hoặc Phải) 1 tay (Trái hoặc Phải) 1 tay cơ học thụ động 2 tay đồng thời hoặc độc lập
Điều khiển từng ngón Khóa van khí cơ học thủ công Khóa van khí cơ học thủ công Căn chỉnh độ căng dây thun Van điện từ tự động qua I2C/App
Giao diện điều khiển Màn hình LED nút bấm đơn sắc Màn hình LED số cảm ứng Cơ học hoàn toàn (Không điện) Màn hình TFT 3.2" SPI & App Mobile BLE
Nguồn cấp vận hành Adapter 220VAC / Pin sạc nhỏ Adapter 220VAC / Pin sạc nhỏ Không cần nguồn Pin sạc Li-ion 3S 18650 ($12.6\text{ V}$)

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Tạo áp lực khí nén đủ uốn cong/duỗi thẳng các ngón tay; điều khiển chính xác 14 van điện từ và 2 động cơ bơm; có cơ chế ngắt an toàn khi quá tải áp suất; màn hình hiển thị trực quan thời gian và chế độ.
  • Should have (Nên có): Kết nối không dây BLE tiết kiệm năng lượng tới smartphone; khả năng chọn tập độc lập từng ngón tay thông qua phần mềm thay vì khóa cơ.
  • Could have (Có thể mở rộng): Lưu trữ lịch sử buổi tập lên nền tảng đám mây (Cloud Database) để bác sĩ theo dõi tiến trình từ xa.
  • Won't have (Chưa thực hiện trong pha này): Cảm biến phản hồi lực sinh học (EMG/FSR) gắn trực tiếp trên cơ tay người bệnh.

Thiết kế hệ thống

1. Kiến trúc phần cứng và sơ đồ kết nối

Hệ thống bao gồm các khối chức năng chính được phân bổ tối ưu nhằm triệt tiêu nhiễu điện từ và đảm bảo công suất dòng tức thời:

                                +-------------------+
                                | Khối Nguồn Pin 3S |
                                |  12.6V - 2200mAh  |
                                +---------+---------+
                                          |
                   +----------------------+----------------------+
                   | (LM2596-5.0)                                | (2x LM2596-ADJ)
                   v                                             v
         +-------------------+                         +-------------------+
         | Nguồn 5VDC (Logic |                         | Nguồn 3.3VDC      |
         | & 2x Động cơ bơm) |                         | (14x Van điện từ) |
         +---------+---------+                         +---------+---------+
                   |                                             |
                   v                                             v
         +-------------------+      (I2C Protocol)     +-------------------+
         | ESP32 NodeMCU     +------------------------>| PCF8575 Expander  |
         | (Master Control)  |                         | (16-Ch I/O Driver)|
         +----+----+----+----+                         +---------+---------+
              |    |    |                                        |
      (SPI)   |    |    | (GPIO PWM)                             | (Transistor Array)
        +-----+    |    +---------------+                        v
        v          v                    v              +-------------------+
  +----------+ +---------+      +---------------+      | 14x Solenoid      |
  | TFT 3.2" | | 5x Push |      | 2x TIP122 NPN |      | Valves (Air Bank) |
  | ILI9341  | | Buttons |      | Motor Drivers |      +-------------------+
  +----------+ +---------+      +-------+-------+
                                        |
                                        v
                                +---------------+
                                | 2x DC Vacuum  |
                                | Air Pumps 5V  |
                                +---------------+

2. Tính toán tham số mạch điều khiển

  • Mạch công tắc điều khiển động cơ bơm chân không: Động cơ bơm khí 5V tiêu thụ dòng định mức $I_C = 500\text{ mA} = 0.5\text{ A}$. Sử dụng transistor Darlington TIP122 ($h_{FE} = 1000$). $$I_B = \frac{I_C}{h_{FE}} = \frac{0.5\text{ A}}{1000} = 0.5\text{ mA}$$ Điện trở cực nền kích bão hòa ($V_{in} = 3.3\text{ V}$, $V_{BE(sat)} \approx 1.4\text{ V}$): $$R_{B(motor)} = \frac{V_{in} - V_{BE(sat)}}{I_B} = \frac{3.3 - 1.4}{0.5\text{ mA}} = 3.8\text{ k}\Omega \quad \longrightarrow \text{Chọn điện trở chuẩn } 4.7\text{ k}\Omega$$ Sử dụng diode dập xung ngược 1N4007 mắc song song hai đầu cuộn dây động cơ để bảo vệ transistor khỏi hiện tượng quá áp cảm ứng khi ngắt tải.

  • Mạch kích van điện từ qua transistor S8550 (PNP): Van điện từ DC 3.3V tiêu thụ dòng $I_C = 160\text{ mA}$. Hệ số khuếch đại $h_{FE} = 100$. $$I_B = \frac{160\text{ mA}}{100} = 1.6\text{ mA}$$ $$R_{B(valve)} = \frac{V_{CC} - V_{EB(sat)}}{I_B} = \frac{3.3 - 0.7}{1.6\text{ mA}} = 1.625\text{ k}\Omega \quad \longrightarrow \text{Chọn điện trở phân cực } 1.0\text{ k}\Omega$$

  • Cân bằng năng lượng và tính toán nguồn cấp: Tổng công suất tiêu thụ tối đa của hệ thống: $$P_{total} = (5\text{ V} \times 0.04\text{ A}) + 2 \times (5\text{ V} \times 0.5\text{ A}) + 10 \times (3.3\text{ V} \times 0.22\text{ A}) + 4 \times (3.3\text{ V} \times 0.31\text{ A}) + P_{disp} \approx 17.21\text{ W}$$ Với khối pin $12.6\text{ V} - 2200\text{ mAh}$ và hệ số suy giảm hiệu dụng $\mu = 0.7$: $$T_{O} = \frac{2.2\text{ Ah} \times 12.6\text{ V} \times 0.7}{17.21\text{ W}} \approx 1.13\text{ giờ} \quad (\approx 67.8\text{ phút})$$

3. Phân bổ chân I/O và giao thức kết nối

Hệ thống kết nối màn hình hiển thị TFT LCD 3.2 inch ILI9341 qua chuẩn giao tiếp SPI tốc độ cao và cụm van điều khiển thông qua bus I2C:

Thiết bị ngoại vi Chân linh kiện Chân GPIO trên ESP32 Chức năng kỹ thuật
Màn hình LCD TFT 3.2" CS / RESET / DC GPIO15 / GPIO4 / GPIO2 Tín hiệu điều khiển hiển thị SPI
Màn hình LCD TFT 3.2" SDI (MOSI) / SCK GPIO23 / GPIO18 Tín hiệu truyền dữ liệu và xung nhịp SPI
Màn hình LCD TFT 3.2" SDO (MISO) / LED GPIO19 / Nguồn 3.3V Đọc dữ liệu SPI & cấp nguồn đèn nền
Khối mở rộng PCF8575 SDA / SCL GPIO21 / GPIO22 Đường truyền dữ liệu / xung nhịp Bus I2C
Khối nút nhấn (5 phím) ENTER / BACK GPIO36 / GPIO35 Xác nhận lựa chọn / Quay lại menu trước
Khối nút nhấn (5 phím) NEXT / LEFT / RIGHT GPIO32 / GPIO39 / GPIO34 Điều hướng menu và chọn ngón trị liệu
Khối động cơ khí nén Motor_Left / Motor_Right GPIO14 / GPIO12 Điều khiển đóng ngắt bơm tay trái / phải 
                              ESP32 SPI & I2C PINOUT
                   +------------------------------------------+
                   |               ESP32 NodeMCU              |
                   |                                          |
                   |  GPIO23 (MOSI) <-------> SDI (TFT)       |
                   |  GPIO18 (SCK)  <-------> SCK (TFT)       |
                   |  GPIO19 (MISO) <-------> SDO (TFT)       |
                   |  GPIO15 (CS)   <-------> CS  (TFT)       |
                   |  GPIO4  (RST)  <-------> RST (TFT)       |
                   |  GPIO2  (DC)   <-------> DC  (TFT)       |
                   |                                          |
                   |  GPIO21 (SDA)  <-------> SDA (PCF8575)   |
                   |  GPIO22 (SCL)  <-------> SCL (PCF8575)   |
                   +------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu và phát triển (Methodology)

Quy trình thực hiện được tổ chức theo mô hình phát triển hệ thống nhúng lặp (Iterative Embedded System Development) trải dài trong 19 tuần:

  • Đánh giá rủi ro và biện pháp xử lý:
    • Rủi ro sụt áp nguồn: Khi cả 2 bơm và 14 van cùng đóng ngắt, dòng xung kích có thể gây reset vi điều khiển ESP32. Khắc phục: Tách rời 3 module hạ áp LM2596 độc lập (1 khối 5V cho logic/bơm, 2 khối 3.3V riêng cho 2 cụm van) kết hợp dàn tụ hóa lọc nguồn $1000\mu\text{F}$ và tụ gốm $100\text{nF}$.
    • Rủi ro rò rỉ khí nén: Khí nén bị thất thoát tại các khớp nối đốt ngón tay làm giảm lực uốn. Khắc phục: Thiết kế ngàm khớp đốt xa, đốt giữa, đốt gần bằng công nghệ in 3D với sai số $< 0.1\text{ mm}$, sử dụng ống silicone chuyên dụng chịu áp suất cao.

Implementation và kết quả

Quá trình phát triển phần cứng và cơ khí

  1. Găng tay truyền động mềm (Soft Glove Mechanism): Dựa trên nghiên cứu nhân trắc học bàn tay người trưởng thành Việt Nam (chiều dài bàn tay nam $178.2 \pm 0.83\text{ mm}$, nữ $164.2 \pm 0.74\text{ mm}$; chiều rộng bàn tay nam $95.49 \pm 5.67\text{ mm}$, nữ $84.75 \pm 4.12\text{ mm}$), nhóm thiết kế khung găng tay vải chuyên dụng dài $237\text{ mm}$, rộng $265\text{ mm}$.
    • Khớp đốt xa (Distal Joint): $15 \times 10 \times 19\text{ mm}$, lỗ cố định $\varnothing 8\text{ mm}$, độ dày thành $1.5\text{ mm}$.
    • Khớp đốt giữa (Middle Joint): $14 \times 7 \times 19\text{ mm}$, lỗ dẫn khí $\varnothing 9\text{ mm}$.
    • Khớp đốt gần (Proximal Joint): $16 \times 16 \times 20\text{ mm}$, lỗ dẫn khí $\varnothing 9\text{ mm}$.
    • Các khớp được liên kết trên thanh cố định 5 khớp giúp giữ vững quỹ đạo uốn cong góc $\alpha$, chuyển đổi biến dạng dãn nở của ống cao su rubber bellows thành mô-men uốn cong ngón tay tự nhiên.
                  +----------------------------------------------+
                  | Khớp Đốt Gần  -->  Khớp Đốt Giữa  -->  Khớp Đốt Xa |
                  | (16x16x20mm)       (14x7x19mm)        (15x10x19mm) |
                  +----------------------------------------------+
                  |=========== Rubber Bellows (Ống khí) =========|
                  +----------------------------------------------+
  1. Cơ cấu điều hướng dòng khí nén (Pneumatic Circuitry): Mỗi bên tay sử dụng 7 van điện từ gồm 5 van 2 chiều (kiểm soát riêng 5 ngón) và 2 van 3 chiều (đóng ngắt đầu hút/xả của động cơ).
    • Trường hợp co tay (Flexion): Bơm hoạt động ở chế độ nén, van 3 chiều đảo hướng khí từ đầu xả động cơ thổi vào buồng cao su qua các van 2 chiều đang mở, làm ống cao su dãn uốn và kéo gập ngón tay lại.
    • Trường hợp duỗi tay (Extension): Động cơ chuyển sang hút chân không, van 3 chiều đổi cổng kết nối hút kiệt khí trong ống cao su xả ra ngoài môi trường, kéo các đốt ngón tay trở về trạng thái thẳng ban đầu.
// Trích đoạn thuật toán điều khiển chu kỳ Co - Duỗi qua I2C PCF8575 trên ESP32
#include <Wire.h>
#include <PCF8575.h>

#define PCF8575_ADDRESS_LEFT  0x20
#define PCF8575_ADDRESS_RIGHT 0x21
#define MOTOR_LEFT_PIN        14
#define MOTOR_RIGHT_PIN       12
#define CYCLE_DELAY_MS        4000 // Chu kỳ chuẩn 4 giây

PCF8575 pcfLeft(PCF8575_ADDRESS_LEFT);
PCF8575 pcfRight(PCF8575_ADDRESS_RIGHT);

void executeTherapyCycle(uint16_t leftMask, uint16_t rightMask) {
    // --- BƯỚC 1: PHA CO TAY (FLEXION) ---
    // Cấu hình van 3 chiều cấp áp suất dương tới các ngón chỉ định
    pcfLeft.write16(leftMask | 0x0001);  // Kích hoạt van cấp khí
    pcfRight.write16(rightMask | 0x0001);
    digitalWrite(MOTOR_LEFT_PIN, HIGH);  // Bật bơm nén
    digitalWrite(MOTOR_RIGHT_PIN, HIGH);
    delay(CYCLE_DELAY_MS);                // Duy trì co trong 4 giây

    // --- BƯỚC 2: PHA DUỖI TAY (EXTENSION) ---
    // Đảo trạng thái van 3 chiều sang hút chân không
    pcfLeft.write16(leftMask | 0x0002);  // Kích hoạt van hút xả
    pcfRight.write16(rightMask | 0x0002);
    // Bơm tiếp tục chạy để hút kiệt khí trong ống cao su
    delay(CYCLE_DELAY_MS);                // Duy trì duỗi trong 4 giây

    // --- BƯỚC 3: DỪNG CHU KỲ AN TOÀN ---
    digitalWrite(MOTOR_LEFT_PIN, LOW);
    digitalWrite(MOTOR_RIGHT_PIN, LOW);
    pcfLeft.write16(0x0000);             // Đóng toàn bộ van
    pcfRight.write16(0x0000);
}

Kiểm nghiệm và đánh giá thực nghiệm

Hệ thống được vận hành đo kiểm thực tế qua nhiều chu kỳ liên tục tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh:

1. Đo kiểm tham số điện áp và dòng điện tĩnh lượng

Điểm đo kiểm tra Điện áp danh định ($V$) Dòng tiêu thụ đo được ($mA$) Trạng thái hoạt động
Đường nguồn logic ESP32 $5.02\text{ V}$ $42.5\text{ mA}$ WiFi/BLE phát sóng quảng bá
Đường nguồn van điện từ 1 $3.31\text{ V}$ $218.0\text{ mA}$ Kích hoạt 1 van ngón trỏ
Đường nguồn van điện từ 2 $3.29\text{ V}$ $308.5\text{ mA}$ Kích hoạt 1 van đảo chiều 3 ngả
Động cơ bơm hút chân không $4.98\text{ V}$ $485.0\text{ mA}$ Tải định mức khi nén khí
Toàn hệ thống tải đỉnh $12.15\text{ V}$ (từ Pin 3S) $1380.0\text{ mA}$ Chạy 2 tay đồng thời 10 ngón

2. Kết quả kiểm tra thời gian đáp ứng và độ bền pin

Thời gian duy trì pin qua 5 lần thử nghiệm:
Lần 1: [========================================] 51.2 phút
Lần 2: [======================================] 49.5 phút
Lần 3: [========================================] 50.8 phút
Lần 4: [=======================================] 48.9 phút
Lần 5: [========================================] 51.5 phút
Trung bình: 50.4 phút (Sai số chuẩn SD = 1.08 phút)
  • Độ chính xác chu kỳ co/duỗi qua 15 lần đo bằng cảm biến quang:
    • Thời gian co trung bình: $4.02 \pm 0.04\text{ giây}$.
    • Thời gian duỗi trung bình: $4.01 \pm 0.03\text{ giây}$.
    • Độ trễ phản hồi van khí: $< 85\text{ ms}$ từ khi phát lệnh điều khiển qua app BLE.

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Cơ cấu điều khiển khí nén phân tán thông minh qua I2C: Khắc phục hạn chế của các dòng máy thương mại (phải xoay vặn van cơ trên mu bàn tay), đề tài sử dụng mạch mở rộng PCF8575 kết hợp mảng transistor công suất, cho phép lập trình linh hoạt bất kỳ tổ hợp ngón tay nào (ví dụ: tập riêng ngón cái - ngón trỏ hoặc ngón giữa - áp út - út) thông qua phần mềm.
  2. Khả năng phục hồi chức năng đồng thời cả hai tay (Bilateral Therapy): Hầu hết các sản phẩm dưới 300 USD chỉ hỗ trợ 1 tay. Thiết bị của nhóm tích hợp 2 cụm động cơ khí và 14 van độc lập, cho phép bệnh nhân tập cả hai tay cùng lúc nhằm kích thích sự tái lập phối hợp vận động giữa hai bán cầu não.
  3. Thiết kế khớp găng tay giải phẫu tối ưu: Bộ khớp đốt in 3D (xa, giữa, gần) được tính toán chuẩn xác theo kích thước nhân trắc người Việt Nam, giúp phân bổ đều áp lực uốn, hạn chế tối đa nguy cơ trật khớp hoặc tổn thương mô mềm khi tập luyện kéo dài.
  4. Hệ thống điều khiển giao diện kép (Dual GUI): Người lớn tuổi có thể dễ dàng sử dụng thông qua các nút nhấn vật lý to rõ và màn hình cảm ứng LCD TFT 3.2 inch tại hộp điều khiển; trong khi người nhà hoặc kỹ thuật viên có thể cấu hình từ xa và giám sát quá trình tập qua ứng dụng di động BLE tiện lợi.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                                KỊCH BẢN TRIỂN KHAI                          |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  [Bệnh viện / Trung tâm PHCN]               [Tập phục hồi chức năng tại nhà]|
|   - Bác sĩ thiết lập bài tập trên App        - Người bệnh tự đeo găng tay   |
|   - Tùy chỉnh cường độ và thời gian          - Bật nguồn, chọn chế độ TFT   |
|   - Lưu dữ liệu phác đồ điều trị             - Tự động co duỗi 50 phút/ngày |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Các kịch bản ứng dụng lâm sàng

  • Bệnh nhân sau tai biến mạch máu não: Sử dụng bài tập co duỗi thụ động toàn bàn tay hàng ngày để chống co cứng cơ gấp và kích thích tín hiệu thần kinh cơ vận động.
  • Bệnh nhân sau phẫu thuật nối gân/chi: Sử dụng chế độ Tùy chỉnh để tập cử động riêng biệt cho từng ngón tay bị tổn thương mà không làm ảnh hưởng đến các ngón lành đang cố định.
  • Người mắc hội chứng ống cổ tay và thoái hóa khớp: Tập luyện các bài tập kéo dãn nhẹ nhàng ngón tay nhằm giảm áp lực nội bao khớp và tăng tuần hoàn máu ngoại vi.

Dự toán chi phí sản xuất (BOM) và giá trị kinh tế

Hạng mục linh kiện Thông số kỹ thuật Số lượng Đơn giá dự toán (VNĐ) Thành tiền (VNĐ)
Vi điều khiển chính ESP32 NodeMCU 38-Pin 1 board 145.000 145.000
Mạch mở rộng chân I/O PCF8575 I2C 16-Channel 1 module 45.000 45.000
Màn hình hiển thị LCD TFT 3.2" SPI ILI9341 1 màn 185.000 185.000
Động cơ bơm/hút chân không Micro DC 5V 500mA 2 cái 75.000 150.000
Van điện từ khí nén 2 chiều Micro Solenoid Valve 3.3V 10 cái 35.000 350.000
Van điện từ khí nén 3 chiều Micro Solenoid Valve 3.3V 4 cái 45.000 180.000
Khối nguồn Pin & Sạc 3 Cell 18650 2200mAh + Mạch 3S 1 bộ 160.000 160.000
Mạch hạ áp công suất LM2596S DC-DC Buck 3 module 25.000 75.000
Găng tay, Khớp 3D & Khung vỏ Vải đệm, ống khí, vỏ hộp ABS 1 bộ 350.000 350.000
Linh kiện thụ động & PCB Transistor, Diode, Trở, Bo mạch 1 gói 150.000 150.000
TỔNG CHI PHÍ BẢN THỬ NGHIỆM 1.790.000 VNĐ

Chi phí chế tạo bản mẫu hoàn thiện chỉ chưa đến 1,8 triệu VNĐ (xấp xỉ 72 USD), thấp hơn 35-40% so với các sản phẩm nhập khẩu rẻ nhất trên thị trường và thấp hơn 90% so với các dòng găng tay trị liệu cao cấp từ Mỹ/Châu Âu.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  1. Thiếu phản hồi lực vòng kín (Closed-loop Force Feedback): Hệ thống đang vận hành theo vòng hở thời gian định thì ($4.0\text{ s}$ mỗi chu kỳ) mà chưa tích hợp cảm biến áp lực màng mỏng (FSR) ở đầu ngón tay để tự động ngắt khi phát hiện cơ tay bệnh nhân bị co cứng đột ngột.
  2. Tiếng ồn khí nén: Động cơ bơm màng và tiếng đóng mở van điện từ bên trong hộp điều khiển tạo độ ồn khoảng $55\text{ dB}$, cần bổ sung lớp mút xốp tiêu âm chuyên dụng.
  3. Kích thước hộp điều khiển: Hộp $185 \times 170 \times 120\text{ mm}$ tuy có tính di động nhưng vẫn có thể tối ưu gọn hơn 30% bằng cách thiết kế bo mạch dán SMD tích hợp toàn bộ vi điều khiển và mạch công suất trên cùng 1 lớp PCB.

Hướng phát triển đề xuất

  • Tích hợp cảm biến điện cơ (EMG): Ứng dụng cảm biến tín hiệu điện cơ MyoWare gắn trên cẳng tay để bắt bẻ xung thần kinh chủ động từ não bộ, biến thiết bị thành găng tay trợ lực chủ động (Active-assisted Glove).
  • Hệ thống giám sát Telerehabilitation trên nền tảng IoT Cloud: Đẩy dữ liệu thời gian tập, số chu kỳ và mức độ cải thiện lên Firebase/AWS để bác sĩ điều trị có thể theo dõi và điều chỉnh phác đồ tập từ xa.
  • Trò chơi hóa trị liệu (Gamification): Kết nối găng tay với máy tính qua Bluetooth để bệnh nhân điều khiển các trò chơi tương tác ảo, tăng động lực luyện tập.

Đối tượng hưởng lợi

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                            ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                              |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                                                                             |
|   [Bệnh nhân & Gia đình]       -->  Tiết kiệm 70% chi phí điều trị tại nhà  |
|   [Bác sĩ / Kỹ thuật viên]     -->  Giảm tải công việc tập thụ động thủ công|
|   [Sinh viên / Kỹ sư Y sinh]   -->  Tài liệu chuẩn về actuator khí nén mềm  |
|   [Doanh nghiệp thiết bị y tế] -->  Khả thi thương mại hóa sản phẩm nội địa |
|                                                                             |
+-----------------------------------------------------------------------------+
  • Bệnh nhân và người nhà: Tiết kiệm hàng chục triệu đồng chi phí đi lại và điều trị tại trung tâm phục hồi chức năng; chủ động tập luyện đều đặn mỗi ngày tại nhà.
  • Bác sĩ và Kỹ thuật viên VLTL: Giải phóng sức lao động thủ công trong các bài tập co duỗi lặp đi lặp lại; dễ dàng cá nhân hóa bài tập cho từng người bệnh.
  • Sinh viên và Nhà nghiên cứu Kỹ thuật Y sinh: Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết về bộ truyền động đàn hồi mềm GBBA, thuật toán mở rộng I2C điều khiển khí nén và phương pháp kết hợp giao tiếp không dây BLE trong thiết bị y tế.
  • Doanh nghiệp Thiết bị Y tế Việt Nam: Cơ sở thực chứng chứng minh khả năng tự chủ nghiên cứu, thiết kế và sản xuất thiết bị phục hồi chức năng công nghệ cao mang thương hiệu Việt với giá thành cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật và môi trường để vận hành thiết bị là gì?

Thiết bị sử dụng nguồn pin sạc Li-ion 3S $12.6\text{ V}$ tích hợp sẵn bên trong hoặc cắm adapter sạc DC $12.6\text{ V} - 2\text{ A}$. Ứng dụng di động tương thích với hệ điều hành Android từ phiên bản 8.0 trở lên và iOS hỗ trợ chuẩn Bluetooth 4.2 BLE.

2. Thiết bị có giới hạn thời gian tập liên tục để bảo vệ an toàn cho bệnh nhân không?

Hệ thống cho phép cài đặt thời gian tập linh hoạt từ 5 đến 30 phút cho mỗi phiên tập. Hết thời gian cài đặt, vi điều khiển sẽ tự động ngắt bơm, mở toàn bộ van xả khí để đưa bàn tay về trạng thái thư giãn tự nhiên, chống hiện tượng thiếu máu cục bộ hoặc mỏi cơ do áp lực kéo dài.

3. Có thể thay thế găng tay vải khi bệnh nhân tập lâu ngày bị bẩn hoặc rách không?

Có. Phần găng tay vải và các module khớp đốt in 3D được thiết kế dạng module tháo lắp nhanh (Quick-release fittings). Người dùng có thể tháo rời ống dẫn khí và găng tay để giặt vệ sinh hoặc thay thế kích cỡ găng (Size S, M, L) mà không cần can thiệp vào hộp điều khiển.

4. Quy trình bảo trì và độ bền của các van điện từ và ống khí cao su như thế nào?

Các van điện từ DC 3.3V và ống rubber bellows có tuổi thọ kiểm nghiệm đạt trên 100.000 chu kỳ đóng ngắt. Người dùng chỉ cần định kỳ kiểm tra độ kín của các đầu nối khí sau mỗi 6 tháng và sạc bảo dưỡng pin nếu không sử dụng trong thời gian dài.

5. Chi phí đầu tư chế tạo và thời gian thu hồi vốn đối với cơ sở trị liệu?

Với chi phí sản xuất phần cứng khoảng 1,8 triệu VNĐ, một phòng khám phục hồi chức năng trang bị thiết bị có thể thu hồi toàn bộ chi phí đầu tư chỉ sau 10 đến 15 ca điều trị ngoại trú, đồng thời nâng cao năng lực phục vụ đồng thời nhiều bệnh nhân.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công găng tay vật lý trị liệu" của nhóm sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo sản phẩm thực nghiệm. Sản phẩm kết hợp thành công công nghệ truyền động khí nén đàn hồi mềm (GBBA) với hệ thống điều khiển thông minh dựa trên vi điều khiển ESP32, mạch mở rộng I2C PCF8575, màn hình màu TFT cảm ứng và ứng dụng di động BLE.

Hệ thống chứng minh tính khả thi vượt trội với khả năng hỗ trợ tập luyện co duỗi chuẩn xác chu kỳ $4.0\text{ s}$ cho cả hai bàn tay cùng lúc hoặc từng ngón riêng lẻ, thời lượng pin liên tục trên 50 phút và tổng chi phí chế tạo dưới 1,8 triệu VNĐ. Kết quả nghiên cứu không chỉ mang giá trị học thuật sâu sắc trong lĩnh vực Thiết bị Y sinh và Cơ điện tử mềm (Soft Robotics), mà còn mở ra triển vọng thương mại hóa to lớn, mang đến cơ hội phục hồi chức năng bàn tay chất lượng cao với chi phí bình dân cho người bệnh tại Việt Nam.