Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo năm 2009, Việt Nam có khoảng 6,1 triệu người từ 5 tuổi trở lên gặp khó khăn trong việc thực hiện các chức năng như nhìn, nghe, vận động và tập trung, chiếm 7,8% dân số. Trong đó, có khoảng 385 nghìn người khuyết tật nặng, phần lớn là người cao tuổi với tỷ lệ khuyết tật lên tới 43,3%. Vấn đề di chuyển của người khuyết tật tại Việt Nam vẫn còn nhiều khó khăn do hạ tầng giao thông chưa phù hợp, phương tiện hỗ trợ còn thô sơ và giá thành cao. Nhu cầu về phương tiện di chuyển tiện lợi, giá rẻ và phù hợp với điều kiện kinh tế là rất cấp thiết để người khuyết tật có thể hòa nhập cộng đồng và nâng cao chất lượng cuộc sống.

Luận văn tập trung nghiên cứu và chế tạo xe lăn điện điều khiển bằng sóng não, nhằm phục vụ những bệnh nhân mất khả năng vận động chân tay. Mục tiêu cụ thể là cải tiến xe lăn tay truyền thống bằng việc tích hợp động cơ điện và bộ điều khiển sóng não Mindwave_NeuroSky, giúp xe hoạt động ổn định, dễ sử dụng và có giá thành thấp hơn các sản phẩm nhập khẩu. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí, hệ thống mạch điện, thu thập và xử lý tín hiệu sóng não, lập trình điều khiển trên nền tảng LabVIEW và Arduino. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển công nghệ hỗ trợ người khuyết tật tại Việt Nam, góp phần nâng cao khả năng tự chủ và hòa nhập xã hội cho nhóm đối tượng này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Tín hiệu điện não EEG: EEG là tín hiệu điện sinh học thu được từ vỏ não, gồm các loại sóng chính như Alpha (8-13 Hz), Beta (13-35 Hz), Theta (4-8 Hz) và Delta (0.5-4 Hz). Sóng EEG phản ánh trạng thái hoạt động của não bộ và được ứng dụng trong điều khiển thiết bị bằng sóng não.
  • Hệ thống đo sóng não Mindwave_NeuroSky: Thiết bị tai nghe EEG không dây, sử dụng điện cực bạc/bạc clorua để thu tín hiệu, kết nối với máy tính qua Bluetooth, xử lý tín hiệu bằng phần mềm chuyên dụng.
  • Môi trường lập trình LabVIEW và MatLab: LabVIEW dùng để xây dựng giao diện và xử lý tín hiệu thu thập, MatLab hỗ trợ phân tích và mô phỏng tín hiệu EEG.
  • Board mạch Arduino Uno R3: Vi điều khiển dùng để nhận lệnh từ máy tính và điều khiển động cơ điện trên xe lăn.
  • Lý thuyết động học quay vòng và tiêu chuẩn xe lăn: Phân tích ổn định tĩnh, động học quay vòng, phân bố tải trọng và tiêu chuẩn kích thước xe lăn theo ISO 71765 và 22 TCN 302-06.

Các khái niệm chính bao gồm: sóng EEG, bộ lọc tín hiệu, điều khiển động cơ điện, ổn định xe lăn, truyền thông Bluetooth, lập trình đồ họa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, gồm các bước:

  • Thu thập dữ liệu: Sử dụng thiết bị Mindwave_NeuroSky để thu tín hiệu sóng não từ người dùng trong các trạng thái tập trung và nháy mắt.
  • Phân tích tín hiệu: Xử lý tín hiệu EEG bằng phần mềm LabVIEW, sử dụng các hàm lọc và phân loại để nhận diện các hành vi điều khiển như nháy mắt, tập trung.
  • Thiết kế và chế tạo mẫu xe lăn điện: Cải tiến xe lăn tay có sẵn, lắp đặt động cơ điện, mạch điều khiển và các bộ phận cơ khí.
  • Lập trình điều khiển: Viết chương trình trên Arduino để nhận tín hiệu từ máy tính qua Bluetooth và điều khiển động cơ bánh xe.
  • Thử nghiệm và đánh giá: Kiểm tra hoạt động của xe lăn trong các trường hợp di chuyển tới, rẽ trái, rẽ phải và dừng lại.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các thử nghiệm trên mẫu xe lăn cải tiến và người dùng thực tế tại một số địa điểm trong thành phố Hồ Chí Minh. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính khả thi và đại diện cho nhóm người khuyết tật vận động nặng. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 6/2018 đến tháng 3/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thu nhận và xử lý tín hiệu sóng não: Thiết bị Mindwave_NeuroSky thu tín hiệu EEG với biên độ sóng Alpha từ 30-50 μV và Beta từ 5-20 μV, cho phép phân biệt rõ các trạng thái tập trung và nháy mắt. Tín hiệu được xử lý qua LabVIEW đạt độ chính xác nhận diện hành vi trên 85%, giúp điều khiển xe lăn ổn định.

  2. Thiết kế xe lăn điện cải tiến phù hợp tiêu chuẩn: Xe lăn có kích thước phủ bì 1050 x 640 x 920 mm, trọng lượng tổng thể khoảng 1060 N khi có người ngồi, phân bố tải trọng cân bằng giữa bánh trước và bánh sau (khoảng 530 N mỗi bên). Góc giới hạn lật dọc và ngang lần lượt đạt 23,4° và 17°, đảm bảo độ ổn định cao khi di chuyển trên địa hình dốc và nghiêng.

  3. Khả năng điều khiển xe lăn bằng sóng não: Các lệnh điều khiển như đi tới, rẽ trái, rẽ phải và dừng xe được thực hiện chính xác với tỷ lệ thành công trên 80% trong các thử nghiệm thực tế. Thời gian phản hồi trung bình từ tín hiệu sóng não đến hành động điều khiển là khoảng 1,2 giây.

  4. Chi phí và tính khả thi: So với các sản phẩm xe lăn điện nhập khẩu, mẫu xe lăn cải tiến có giá thành thấp hơn khoảng 30-40%, phù hợp với thu nhập của người khuyết tật tại Việt Nam. Việc sử dụng thiết bị Mindwave_NeuroSky và Arduino giúp giảm chi phí phần cứng và tăng tính linh hoạt trong phát triển.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc ứng dụng sóng não EEG trong điều khiển xe lăn điện là khả thi và có hiệu quả thực tiễn cao. Việc sử dụng Mindwave_NeuroSky giúp thu nhận tín hiệu rõ ràng, kết hợp với phần mềm LabVIEW và Arduino tạo thành hệ thống điều khiển thông minh, đáp ứng nhu cầu di chuyển của người khuyết tật vận động nặng. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hệ thống này có ưu điểm về chi phí và phù hợp với điều kiện kinh tế, hạ tầng giao thông tại Việt Nam.

Độ ổn định và kích thước xe lăn được thiết kế theo tiêu chuẩn ISO và 22 TCN 302-06, đảm bảo an toàn khi sử dụng trên các địa hình phổ biến. Các góc giới hạn lật cao hơn mức tối thiểu yêu cầu cho thấy xe có thể vận hành an toàn trên dốc và đường nghiêng. Kết quả thử nghiệm điều khiển cho thấy tỷ lệ thành công trên 80% là mức chấp nhận được trong giai đoạn phát triển ban đầu, đồng thời phản hồi nhanh giúp người dùng cảm thấy tự nhiên và dễ dàng thao tác.

Các biểu đồ phân bố tải trọng, góc giới hạn lật và thời gian phản hồi tín hiệu có thể được trình bày để minh họa rõ hơn hiệu quả thiết kế và điều khiển. Bảng so sánh chi phí và tính năng với các sản phẩm nhập khẩu cũng giúp làm nổi bật ưu điểm của nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển phần mềm xử lý tín hiệu nâng cao: Tối ưu thuật toán phân loại tín hiệu sóng não để tăng độ chính xác nhận diện hành vi lên trên 90%, giảm thiểu sai sót trong điều khiển xe lăn. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do nhóm kỹ thuật phần mềm đảm nhiệm.

  2. Cải tiến thiết kế cơ khí và hệ thống truyền động: Nâng cấp khung xe và động cơ để tăng khả năng chịu tải và vận hành trên địa hình phức tạp như đường gồ ghề, dốc cao. Thời gian thực hiện 9 tháng, phối hợp giữa kỹ sư cơ khí và điện tử.

  3. Mở rộng thử nghiệm thực tế với đa dạng người dùng: Tổ chức các đợt thử nghiệm tại nhiều địa phương khác nhau, thu thập phản hồi để hoàn thiện sản phẩm phù hợp với nhiều nhóm người khuyết tật. Thời gian 12 tháng, phối hợp với các trung tâm hỗ trợ người khuyết tật.

  4. Hỗ trợ đào tạo và phổ biến sản phẩm: Xây dựng chương trình đào tạo sử dụng xe lăn điện điều khiển sóng não cho người dùng và nhân viên y tế, đồng thời hợp tác với các tổ chức xã hội để phổ biến sản phẩm rộng rãi. Thời gian 6 tháng, do các tổ chức phi chính phủ và cơ sở y tế thực hiện.

  5. Tăng cường hợp tác nghiên cứu và phát triển công nghệ: Kết nối với các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp để phát triển các phiên bản xe lăn thông minh hơn, tích hợp thêm các cảm biến an toàn và hệ thống định vị. Thời gian dài hạn, liên tục cập nhật công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Người khuyết tật và gia đình: Nắm bắt công nghệ hỗ trợ di chuyển mới, lựa chọn phương tiện phù hợp với nhu cầu và điều kiện kinh tế, nâng cao khả năng tự chủ trong sinh hoạt hàng ngày.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, điện tử: Tham khảo phương pháp thiết kế, chế tạo và lập trình điều khiển xe lăn điện bằng sóng não, ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực hỗ trợ người khuyết tật.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế và hỗ trợ người khuyết tật: Tìm hiểu công nghệ mới để phát triển sản phẩm phù hợp thị trường Việt Nam, giảm chi phí sản xuất và nâng cao tính cạnh tranh.

  4. Cơ quan quản lý và tổ chức xã hội: Đánh giá hiệu quả công nghệ hỗ trợ người khuyết tật, xây dựng chính sách hỗ trợ và phổ biến sản phẩm, thúc đẩy hòa nhập cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xe lăn điện điều khiển bằng sóng não hoạt động như thế nào?
    Thiết bị thu tín hiệu sóng não EEG qua tai nghe Mindwave_NeuroSky, truyền dữ liệu qua Bluetooth đến máy tính. Phần mềm LabVIEW xử lý tín hiệu, nhận diện hành vi như nháy mắt hoặc tập trung, sau đó gửi lệnh đến board Arduino để điều khiển động cơ bánh xe, giúp xe di chuyển theo ý muốn người dùng.

  2. Tín hiệu sóng não có bị nhiễu không và làm sao xử lý?
    Tín hiệu EEG dễ bị nhiễu do chuyển động điện cực, cơ mặt hoặc thiết bị điện tử khác. Luận văn sử dụng các bộ lọc thông thấp, thông cao và thông dải trong LabVIEW để loại bỏ nhiễu, đồng thời áp dụng thuật toán phân loại để tăng độ chính xác nhận diện tín hiệu.

  3. Xe lăn này có phù hợp với người già không?
    Xe lăn điện điều khiển bằng sóng não phù hợp với người già có hạn chế vận động tay chân hoặc mất khả năng điều khiển tay. Thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng và có thể điều khiển bằng ý nghĩ, giúp người già tự chủ hơn trong di chuyển.

  4. Chi phí sản xuất xe lăn điện này như thế nào?
    So với các sản phẩm nhập khẩu, xe lăn điện cải tiến có giá thành thấp hơn khoảng 30-40% nhờ sử dụng linh kiện phổ biến như Mindwave_NeuroSky và Arduino, đồng thời tận dụng xe lăn tay có sẵn để cải tạo, phù hợp với thu nhập của người khuyết tật tại Việt Nam.

  5. Có thể mở rộng ứng dụng công nghệ này cho các thiết bị khác không?
    Công nghệ điều khiển bằng sóng não có thể áp dụng cho nhiều thiết bị hỗ trợ khác như tay giả, robot hỗ trợ vận động, hoặc các thiết bị nhà thông minh, giúp người khuyết tật và người già nâng cao chất lượng cuộc sống.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công xe lăn điện điều khiển bằng sóng não, đáp ứng nhu cầu di chuyển của người khuyết tật vận động nặng.
  • Hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu EEG qua Mindwave_NeuroSky và LabVIEW đạt độ chính xác trên 85%, đảm bảo điều khiển xe ổn định.
  • Thiết kế cơ khí và phân bố tải trọng xe phù hợp tiêu chuẩn ISO và 22 TCN 302-06, đảm bảo an toàn và ổn định khi sử dụng.
  • Chi phí sản xuất thấp hơn 30-40% so với sản phẩm nhập khẩu, phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam.
  • Đề xuất phát triển phần mềm nâng cao, cải tiến thiết kế và mở rộng thử nghiệm để hoàn thiện sản phẩm trong thời gian tới.

Tiếp theo, cần tập trung hoàn thiện thuật toán xử lý tín hiệu, mở rộng thử nghiệm thực tế và xây dựng chương trình đào tạo sử dụng xe lăn điện điều khiển sóng não. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và tổ chức xã hội cùng hợp tác để phát triển và phổ biến công nghệ này rộng rãi, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật tại Việt Nam.