Nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới

1. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀO MINH ĐỨC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHI DƯỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số ngành: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: Hướng dẫn 1: PGS.TS. Trần Xuân Tùy Hướng dẫn 2: PGS.TS. Phạm Đăng Phước Đà Nẵng - Năm 2023
2. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Xuân Tùy PGS.TS. Phạm Đăng Phước Phản biện 1: . Phản biện 2: . Phản biện 3: . Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng. Vào hồi .giờ ngày . tháng .năm 2023. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện quốc gia Việt Nam. - Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.
3. MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Tai biến là nguyên nhân hàng đầu gây tàn phế và là nguyên nhân gây tử vong ở ở nhiều nước trên thế giới. Thống kê ở Mỹ, hàng năm có khoảng 795.000 người bị tai biến trong đó số người mới bị là 610.000 người và 185.000 người tai biến tái phát. Các nghiên cứu dịch tễ học chỉ ra rằng 82-92% tai biến ở đây là nhồi máu não. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mỗi năm có 15 triệu người bị tai biến trên toàn thế giới, trong đó 5 triệu người chết và 5 triệu người bị tàn tật vĩnh viễn. Đàn ông có nguy cơ tai biến cao hơn phụ nữ. Đàn ông có tỷ lệ tai biến là 62,8/100.000 dân và tỷ lệ tử vong 26,3%. Trong khi phụ nữ có tỷ lệ tai biến là 59/100.000 dân và tỷ lệ tử vong là 39,2%. Mặc dù tai biến thường được coi là bệnh lý của người có tuổi nhưng 1/3 số tai biến xảy ra ở người dưới 65 tuổi. Nguy cơ tai biến tăng theo tuổi, nhất là những người trên 64 tuổi. Việt Nam có hơn 90 triệu dân, số bệnh mới mắc là 200.000 người/năm, số người trẻ tuổi mắc bệnh ngày càng tăng nhanh, đây thực sự là gánh nặng cho gia đình và xã hội. Tai biến mạch máu não sẽ để lại hậu quả nặng nề cho bệnh nhân, một số bệnh nhân sẽ bị liệt nửa người sau tai biến. Tập phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau tai biến đã trở thành một vấn đề xã hội lớn cấp bách. Hiện nay, phương pháp tập vận động cho bệnh nhân thường được kỹ thuật viên chuyên ngành vật lý trị liệu điều trị vì vậy chất lượng điều trị chủ yếu phụ thuộc vào kinh nghiệm của các kỹ thuật viên trị liệu. Ở các bệnh viện và ở các trung tâm hỗ trợ tập phục hồi chức năng trong nước, nhu cầu thiết bị phục hồi chức năng tự động là tăng lên đáng kể, thiết bị tự động sẽ giúp bệnh nhân thực hiện chính xác, định lượng và hiệu quả tập luyện. Các thiết bị trong nước đa phần 1
4. là thuần cơ khí chưa có tính tự động cao trong quá trình hỗ trợ tập luyện cho bệnh nhân sau tai biến. Trong thập kỷ qua, thiết bị tự động phục hồi chức năng chi dưới nhận được sự quan tâm ngày càng tăng từ các nhà nghiên cứu cũng như các bác sĩ phục hồi chức năng ở trên thế giới. Các ứng dụng thiết bị tự động phục hồi chức năng chi dưới có thể giải phóng sức lao động của các bác sĩ và kỹ thuật viên, ngoài ra thiết bị tự động sẽ phân tích dữ liệu trong quá trình tập luyện và đánh giá tình trạng phục hồi của bệnh nhân. Do lợi thế về độ chính xác và độ tin cậy, thiết bị tự động phục hồi chức năng có thể cung cấp một cách hiệu quả để cải thiện kết quả điều trị phục hồi chức năng sau tai biến. Tuy nhiên, thiết bị nước ngoài vẫn có nhược điểm là giá thành cao và giao diện vận hành điều khiển thường là ngôn ngữ nước ngoài gây khó khăn cho người sử dụng. Ở Việt Nam, nghiên cứu chế tạo thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân tai biến là đề tài mới và còn ít các công trình nghiên cứu được công bố. Bộ Y tế cũng đang dự thảo Đề án "Phát triển công nghiệp trang thiết bị y tế sản xuất trong nước đến năm 2025 và tầm nhìn đến năm 2030". Mục tiêu của Đề án là phát triển ngành sản xuất trang thiết bị y tế (TTBYT) trong nước đồng bộ, hiện đại, đáp ứng hội nhập quốc tế, phù hợp với năng lực sản xuất các mặt hàng có thế mạnh và điều kiện kinh tế - xã hội của đất nước. Từ các cơ sở phân tích trên và trước những nhu cầu cấp bách của xã hội hiện nay đối với bệnh tai biến, tác giả nhận thấy cần thiết phải triển khai thực hiện đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới”. Đề tài luận án có tính khoa học về mặt lý thuyết và thực nghiệm, góp phần phát triển và làm chủ công nghệ về lĩnh vực trang thiết bị y tế ở Việt Nam. 2. MỤC TIÊU 2
5. Mục tiêu chung: Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới với bài tập gấp/duỗi cho khớp háng, khớp gối và khớp cổ chân. Mục tiêu cụ thể: - Thiết lập phương trình động học và động lực học của mô hình nghiên cứu. - Thiết lập hàm truyền của cơ cấu tịnh tiến, mô phỏng đáp ứng quá độ của mô hình nghiên cứu với bộ điều khiển PID và Trượt. - Thử nghiệm thiết bị và đánh giá kết quả đạt được. 3. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân liệt tai biến (có bậc cơ 1 đến 3) với 3 bậc tự do, sử dụng cơ cấu tịnh tiến dẫn động các khớp và được điều khiển giám sát bằng phần mềm từ máy tính. 3.2. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tổng quan kết hợp với mô phỏng bằng phần mềm Matlab và kiểm chứng bằng chế tạo thiết bị thực nghiệm. 3.3. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu các chuyển động có tần suất hoạt động nhiều nhất của các khớp chi dưới cụ thể là chuyển động gấp/duỗi ở các khớp cổ chân, khớp gối và khớp háng. - Bộ điều khiển áp dụng cho mô hình là điều khiển PID và Trượt. 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau: 3
6. - Chương 1: Nghiên cứu tổng quan - Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô hình nghiên cứu - Chương 3: Mô phỏng đáp ứng quá độ của một số thông số của mô hình nghiên cứu - Chương 4: Thiết kế thiết bị thực nghiệm và kết quả nghiên cứu thực nghiệm 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học: - Luận án góp phần mở rộng thêm mô hình toán cho cơ cấu tịnh tiến ứng dụng trong thiết bị tự động hỗ trợ phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân. - Kết quả của luận án làm phong phú thêm về giải pháp điều khiển cho thiết bị tự động hỗ trợ phục hồi chức năng chi dưới. - Góp phần phát triển khoa học vào lĩnh vực thiết bị y tế ở Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn: - Với nghiên cứu thiết kế thiết bị có cấu tạo đơn giản trong luận án có thể làm cơ sở và gợi ý cho các nhà sản xuất nghiên cứu ứng dụng thiết bị tự động đối với lĩnh vực y sinh vào thực tiễn. - Hiện nay, nhu cầu tập luyện phục hồi chức năng của bệnh nhân ngày một tăng cao, vì vậy nghiên cứu thiết bị tự động sẽ góp phần đáp ứng nhu cầu điều trị phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân tại các cơ sở y tế. Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về phục hồi chức năng và các phương pháp điều trị phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau tai biến. Các nghiên cứu trong lĩnh vực liên quan của đề tài, tình 4
7. hình nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân ở Việt Nam và trên thế giới. Trong đó đặc biệt chú ý các nghiên cứu các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng chi dưới cho 3 khớp: khớp cổ chân, khớp gối và khớp háng. Từ đó có thể đề xuất phương án thiết kế chế tạo thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới. 1.1. Khái quát về phục hồi chức năng 1.1.1. Khái niệm về phục hồi chức năng Trong Y khoa cụm từ "Phục hồi chức năng" (PHCN) được định nghĩa là khả năng phục hồi hoạt động của một cơ quan, một bộ phận cơ thể người bị suy giảm, rối loạn, bị mất đi, có nguy cơ làm cho bệnh nhân trở thành một người tàn tật. PHCN là một ngành được xây dựng trên cơ sở một ngành y học hiện đại. Trải qua nhiều năm, công tác Vật lý trị liệu - Phục hồi chức năng (VLTL - PHCN) đã được đầu tư và nghiên cứu nên đã cho một số kết quả khả quan. Nhờ có PHCN mà nhiều người bị hậu quả của vết thương hoặc do bệnh lý đã trở lại với cuộc sống, lao động, sinh hoạt hàng ngày [1], [2], [3]. 1.1.2. Mục đích của phục hồi chức năng 1.1.3. Kỹ thuật tập luyện phục hồi chức năng 1.1.4. Nhu cầu tập phục hồi chức năng của bệnh nhân tai biến 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu nước ngoài Ngày nay, nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho chi dưới ở nước ngoài được chia thành các nhóm sau: - Thiết bị hỗ trợ tập riêng từng khớp, các thiết bị này được phân thành 2 nhóm sau: + Thiết bị tập khớp cổ chân, đối với thiết bị này cũng có 2 hướng nghiên cứu: nhóm 1 tập trung vào bài tập gấp/duỗi cho khớp cổ 5
8. chân; nhóm 2 tập trung vào bài tập cho cả 3 bậc tự do của khớp cổ chân. + Thiết bị tập khớp gối. - Thiết bị hỗ trợ tập 3 khớp chi dưới, thiết bị này được phân thành các nhóm sau: + Thiết bị tập đi. + Thiết bị tập cố định 1.3.1. Các công trình nghiên cứu thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho một khớp chi dưới 1.3.2. Các công trình nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho 3 khớp chi dưới 1.3.3. Các thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới đã được thương mại hóa Phân tích tổng quan: Từ các công trình nghiên cứu đã trình bày, nghiên cứu về thiết bị phục hồi chức năng chi dưới được chia làm các nhóm sau: - Nhóm hỗ trợ tập cho một khớp: Khớp cổ chân với các công trình của [14], [15], [16], [18]. Khớp gối với các công trình của [21], [24], [25], và khớp háng của [43]. Ưu điểm của nhóm 1 khớp là tập trung điều khiển cho động tác tập của từng khớp nên hiệu quả sẽ cao. Nhược điểm: chỉ điều trị 1 khớp. - Nhóm thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho 3 khớp chi dưới bao gồm: + Nhóm thiết bị tập đi: Thiết bị này bao gồm 3 bậc tự do cho các khớp chi dưới hỗ trợ cho bệnh nhân trong quá trình tập đi [26], [29], [31], [30], [39], [40], [41]. Ưu điểm của nhóm này là hỗ trợ cho bệnh nhân lấy lại tầm vận động của chân sau khi bị tai biến. Nhược 6
9. điểm: cấu tạo phức tạp, bộ điều khiển yêu cầu về tính chính xác cao, chỉ tập cho bệnh nhân đã có sức mạnh về cơ sau tai biến. + Nhóm thiết bị tập cố định: Thiết bị này bao gồm 3 bậc tự do (khớp háng, khớp gối và khớp cổ chân) hỗ trợ cho bệnh nhân trong quá trình phục hồi sau tai biến [33], [34], [35], [36], [37], [38]. Ưu điểm của nhóm này là hỗ trợ cho bệnh nhân lấy lại tầm vận động của chân sau khi bị tai biến. Nhược điểm: cấu tạo phức tạp, bộ điều khiển yêu cầu về tính chính xác cao. Hiện nay, thiết bị hỗ trợ cho bệnh nhân sau tai biến lấy lại tầm vận động và thay thế cho kỹ thuật viên điều trị được nghiên cứu rộng rãi. Đối với bệnh nhân tai biến có bậc cơ 1 đến 3 thì yêu cầu cần phải thực hiện tập phục hồi chức năng càng sớm càng tốt [1], chính vì vậy thiết bị tập cố định hỗ trợ cho bệnh nhân tập chi dưới ở tư thế ngồi hoặc nằm có nhiều ưu điểm cho việc điều trị. Qua phân tích các công trình đã công bố ở trên cho thấy lĩnh vực này còn một số vấn đề cần được nghiên cứu bổ sung: - Cơ cấu chấp hành: Các mô hình nghiên cứu thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức chi dưới ở vị trí nằm và ngồi trước đây thường sử dụng động cơ xoay chiều [37], [44], [45], [46], [47] hoặc sử dụng động cơ một chiều [48], [49], [50], [51], [52] với công suất lớn. Các nghiên cứu [37], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [52] có kết hợp với bộ truyền đai để dẫn động các khớp chi dưới, với mô hình này sẽ thêm khâu đàn hồi bài toán sẽ trở nên phức tạp khi xét đến bộ truyền đai, ngoài ra kết cấu của thiết bị sẽ có cấu tạo phức tạp. Trong luận án này đề xuất cơ cấu dẫn động các khớp là cơ cấu tịnh tiến. Ưu điểm là: có kết cấu đơn giản, dễ lắp ráp và điều khiển. 7
10. - Mô hình toán: Các nghiên cứu xây dựng phương trình động lực học theo phương trình Lagrange cho thiết bị như [37], [44], [46], [49]. Mô hình theo lực tác dụng lên thiết bị [45], [50] và theo lực cơ của các khớp tạo ra [52]. Một số nghiên cứu xây dựng mô hình theo vùng làm việc của các khớp [47], [51]. Ngoài ra, có tác giả xây dựng mô hình động lực học biểu diễn quan hệ giữa mô men và dòng điện của động cơ [48]. Trong luận án này, mô hình toán của cơ cấu tịnh tiến được thiết lập trên cơ sở mối quan hệ giữa điện áp của động cơ điện và động lực học của thiết bị. Đây là mô hình nghiên cứu có sự khác biệt so với các công trình nghiên cứu trước đây. - Bộ điều khiển: Một số nghiên cứu sử dụng bộ điều khiển trở kháng [45], [52] hoặc kết hợp bộ điều khiển trở kháng với điều khiển PI [37], kết hợp bộ điều khiển trở kháng với điều khiển Mờ [48]. Ngoài ra, bộ điều khiển PID cũng được áp dụng [44], [50] và kết hợp PID với điều khiển thích nghi [49]. Trong luận án này, bộ điều khiển đề xuất là PID và Trượt so sánh đáp ứng của 2 bộ điều khiển để chọn bộ điều khiển phù hợp. Bộ điều khiển Trượt với ưu điểm là khả năng đáp ứng tốt với sự thay đổi của tải tuy nhiên nhược điểm có hiện tượng dao động. Tổng kết Chương 1: Nghiên cứu về thiết bị tự động hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới hiện nay được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm. Thiết bị tự động sẽ giúp bác sĩ có thể điều chỉnh và theo dõi thông số của bệnh nhân trong quá trình tập luyện của mình. Qua nghiên cứu tổng quan, có thể khẳng định việc nghiên cứu thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới đã phát triển với kỹ thuật và công nghệ cao. Tuy nhiên, với mỗi hãng sản xuất thiết bị và các công trình nghiên cứu thì yêu cầu và khả năng về độ chính xác chế tạo sẽ 8
11. khác nhau. Trong luận án này, mô hình dẫn động các khớp chi dưới với 3 bậc tự do cho khớp háng, khớp gối và khớp cổ chân ở bài tập gấp và duỗi với cơ cấu dẫn động là cơ cấu tịnh tiến được đề xuất. Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU Trong chương này sẽ trình bày tầm vận động của các khớp cổ chân, khớp gối, khớp háng và các bài tập PHCN cho các khớp. Mô hình nghiên cứu dựa trên nguyên lý vận động của các khớp chi dưới có thể xem mô hình nghiên cứu là một cánh tay robot 3 bậc tự do (3 khâu phẳng). Vì vậy, lý thuyết về động học và động lực học của robot được giới thiệu để làm cơ sở thiết lập phương trình động học và động lực học của mô hình nghiên cứu. Xây dựng các phương trình động học và động lực của các khớp cho mô hình nghiên cứu. Ngoài ra, lý thuyết về bộ điều khiển Trượt cũng được trình bày. 2.1. Tầm vận động các khớp chi dưới 2.1.1. Khớp cổ chân 2.1.2. Khớp gối 2.1.3. Khớp háng 2.1.4. Thông số sinh học chi dưới 2.2. Cơ sở lý thuyết về các bài tập phục hồi chức năng chi dưới 2.3. Lý thuyết về động học và động lực học robot 2.3.1. Phương trình động học robot 2.3.2. Phương trình động lực học robot 2.4. Lý thuyết về điều khiển Trượt 2.4.1. Đối tượng điều khiển 2.4.2. Mặt trượt 2.4.3. Luật điều khiển Trượt 2.5. Xây dựng mô hình nghiên cứu 9
12. Mô hình nghiên cứu được đề xuất có thể ứng dụng điều trị cho bệnh nhân thực hiện động tác tập vận động theo tư thế ngồi như Hình 2.12 hoặc tư thế nằm như Hình 2.13. Hình 2.12. Mô hình nghiên cứu tập ở tư thế ngồi Hình 2.13. Mô hình nghiên cứu tập ở tư thế nằm 2.6. Thiết lập phương trình động học 10
13. Để tính toán các thông số động học cho mô hình nghiên cứu, giả thiết ở trạng thái ban đầu các khớp thực hiện ở tư thế ngồi tập với 0 khớp háng và khớp cổ chân duỗi thẳng, khớp gối co 90 như Hình 2.15. Hình 2.15. Sơ đồ động học của mô hình nghiên cứu khi gắn hệ tọa độ 2.6.1. Gắn hệ tọa độ lên các khâu 2.6.2. Lập bảng thông số động học Denavit – Hartenberg 2.6.3. Xác định các ma trận A 2.6.4. Phương trình động học thuận của mô hình nghiên cứu 2.7. Tính toán động học các khớp Để dẫn động các khớp háng, khớp gối và khớp cổ chân chuyển động, cơ cấu tay quay con trượt ngược được trình bày trên Hình 2.16. Góc quay của các khớp phụ thuộc vào chiều dài dịch chuyển của cơ cấu tịnh tiến. 11
14. Hình 2.16. Mô hình cơ cấu tay quay con trượt ngược 2.7.1. Khớp háng 2.7.2. Khớp gối 2.7.3. Khớp cổ chân 2.8. Thiết lập phương trình động lực học của mô hình Mô hình tính toán động lực học được trình bày ở Hình 2.20. Với khâu 1 biểu diễn cho cơ cấu dẫn động khớp háng, khâu 2 biểu diễn cho cơ cấu dẫn động khớp gối, khâu 3 biểu diễn cho cơ cấu dẫn động khớp cổ chân. Để thiết lập phương trình động lực học, trên cơ sở lý thuyết đã trình bày tiến hành phân tích động lực học các khớp. Hình 2.20. Mô hình tính toán động học lực học 12
15. Phương trình động lực học của các khớp được biểu diễn bằng phương trình 2.81 và các tham số được xác định được thể hiện trong Phụ lục 1. QDDDCCCG1 11 12 13  1 11 12 13 1 1 QDDDCCCG  (2.81) 2 21 22 23 2 21 22 23 2 2 QDDDCCCG3 31 32 33  3 31 32 33 3 3 Kết luận Chương 2: Trong chương này, lý thuyết về tầm vận động các khớp chi dưới và các bài tập vận động chức năng cho các khớp chi dưới đã trình bày. Cơ sở lý thuyết về động học và động lực học của robot được giới thiệu làm tiền đề cho việc thiết lập phương trình động học và động lực học cho các khớp của mô hình nghiên cứu. Mô hình nghiên cứu được đề xuất với 3 bậc tự do dẫn động cho 3 khớp chi dưới (khớp cổ chân, khớp gối, khớp háng). Chương 3. MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 3.1. Mô hình hóa hàm truyền của từng khâu dẫn động các khớp 3.1.1. Mô hình nghiên cứu của cơ cấu dẫn động khớp 3.1.2. Thiết lập các phương trình động lực học và hàm truyền của cơ cấu tịnh tiến Cơ cấu chấp hành là cơ cấu tịnh tiến gồm các thành phần sau: Động cơ điện một chiều; Hộp giảm tốc; Trục vít me. Mô hình động lực học của cơ cấu tịnh tiến được thể hiện Hình 3.3. Phương trình động lực học của thiết bị vận động khớp cổ chân gồm 2 phần: phần điện và phần cơ khí theo [76], [77], [78], [79], [80]. Sơ đồ hàm truyền biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp điều khiển và góc quay của cơ cấu dẫn động được trình bày trên Hình 3.5. 13
16. Hình 3.3. Mô hình động lực học của cơ cấu tịnh tiến Hình 3.5. Sơ đồ khối hàm truyền của cơ cấu dẫn động 3.2. Mô phỏng đáp ứng của mô hình nghiên cứu 3.2.1. Mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID được nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng để điều khiển cho robot với ưu điểm là tính linh hoạt và dễ sử dụng. Sơ đồ điều khiển cho cơ cấu dẫn động các khớp với bộ điều khiển PID được thể hiện trên Hình 3.9. Us es Usa isa 1  s d kI 1 k k s K 2 PD A T s T s 1 s Raa L s 12 Us as3 K  Hình 3.9. Sơ đồ điều khiển vòng kín của bộ điều khiển PID 14
17. 3.2.2. Kết quả mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển PID 3.2.3. Mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển Trượt Hiện nay điều khiển Trượt được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực điều khiển robot [17], [20]. Trên cơ sở lý thuyết đã trình bày ở chương 2, xây dựng sơ đồ điều khiển Trượt trình bày ở Hình 3.17. Hình 3.17. Sơ đồ điều khiển vòng kín của bộ điều khiển Trượt 3.2.4. Kết quả mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển Trượt 3.2.5. So sánh đáp ứng của 2 bộ điều khiển Hình 3.40. So sánh đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân với 2 bộ điều khiển PID và Trượt 15
18. Hình 3.41. So sánh đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối với 2 bộ điều khiển PID và Trượt Kết quả mô phỏng đáp ứng của 2 bộ điều khiển PID và Trượt với cơ cấu dẫn động các khớp thể hiện trên Hình 3.40 và Hình 3.41. Chương 4. THIẾT KẾ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Thiết kế thiết bị 4.1.1. Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị 4.1.2. Thiết kế kết cấu cơ khí Bản vẽ thiết kế 3D bằng phần mềm Inventor của mô hình dẫn động các khớp chi dưới được trình bày trên Hình 4.5, mỗi khớp đều có bộ phận đỡ các bộ phận của bệnh nhân. Khớp cổ chân có đế đỡ bàn chân có thể điều chỉnh chiều cao phù hợp với thể trạng của người tập. Với khớp gối và khớp háng cũng có bộ phận điều chỉnh chiều dài phù hợp với tư thế tập. 16
19. Hình 4.5. Thiết bị hoàn thiện trong phần mềm Inventor 4.1.3. Thiết kế mạch điều khiển 4.1.4. Thiết kế phần mềm điều khiển 4.1.5. Xây dựng lưu đồ thuật toán 4.1.6. Lắp ráp thiết bị Các chi tiết được lắp ráp từng cụm chi tiết lại với nhau kết cấu hoàn chỉnh được trình bày trên Hình 4.19. Hình 4.19. Kết cấu hoàn chỉnh của mô hình 17
20. 4.2. Thử nghiệm thiết bị 4.2.1. Thử nghiệm trên người bình thường Thiết bị đã tiến hành thử nghiệm trên tình nguyện viên với thông số về chiều cao và cân nặng khác nhau. Hình 4.24. Kết quả thử nghiệm khớp cổ chân với góc tập 00 - 450 Hình 4.25. Kết quả thử nghiệm tập khớp gối với góc tập 00 - 600 18
21. 4.2.2. Thử nghiệm thiết bị trên bệnh nhân Thiết bị đã được triển khai tại Khoa Phục hồi chức năng của Bệnh viện Đa khoaTtrung ương Quảng Nam để khảo sát đánh giá về hiệu quả vận hành và tính an toàn thể hiện trên Hình 4.32. Hình 4.32. Kết quả thử nghiệm tập trên bệnh nhân 4.3. Kết quả và bàn luận 4.3.1. Kết quả Thiết bị thực tế: Thiết bị đã lắp ráp hoàn thiện về kết cấu cơ khí và mạch điều khiển, kết quả thể hiện trên Hình 4.19. Thiết bị đáp ứng tập cho cả 2 chi dưới của bệnh nhân, với tư thế tập ngồi hoặc nằm nhờ nút bấm điều chỉnh tự động. Ngoài ra, có bộ phận điều chỉnh kích thước chiều ngang của bệnh nhân phù hợp với bộ phận dẫn động chi dưới. Tầm vận động của khớp cổ chân là (00-800), của khớp gối là (00-1350), của khớp hàng là (00-900). Ứng dụng bộ điều khiển Trượt và xây dựng giao diện điều khiển và giám sát từ máy tính bằng phần mềm Visual Basic cho thiết bị. Thử nghiệm trên người bình thường: 19
22. Thiết bị đã được thử nghiệm trên tình nguyện viên, kết quả đáp ứng của cơ cấu dẫn động các khớp của thiết bị được thể hiện trên Hình 4.23 đến Hình 4.31. Kết quả cho thấy sai số về góc quay của thiết bị đối với các khớp (cổ chân, khớp gối, khớp háng) là nhỏ trong phạm vi ±10. Thử nghiệm trên bệnh nhân: Kết quả thể hiện ở các Bảng 4.2 và Bảng 4.3 cho thấy thiết bị được đánh giá đạt yêu cầu 100% ở các tiêu chí về vận hành và tính an toàn. Thiết bị đảm bảo về yêu cầu vận hành cho bệnh nhân tập luyện dễ dàng với các bài tập của các khớp chi dưới. Hơn nữa thiết bị cũng đảm bảo tính an toàn đây là điều kiện quan trọng trong quá trình tập luyện của bệnh nhân, điều này giúp bệnh nhân an tâm khi tập với thiết bị. Kết quả thể hiện ở các Bảng 4.4 và Bảng 4.5 cho thấy thiết bị được đánh giá đạt yêu cầu trên 97% ở các tiêu chí về vận hành và đạt yêu cầu 100% tính an toàn. Kết quả thiết bị đảm bảo về yêu cầu vận hành cho bệnh nhân tập luyện dễ dàng với các bài tập của các khớp chi dưới và có tính an toàn cho bệnh nhân trong quá trình vận hành. Qua 3 tháng thực hiện hỗ trợ tập cho 15 bệnh nhân tập trong đó có 6 bệnh nhân tập riêng khớp gối, 2 bệnh nhân tập riêng khớp cổ chân và 7 bệnh nhân tập 2 khớp cổ chân và khớp gối. Kết quả thể hiện ở Bảng 4.6 cho thấy trước và sau khi điều trị cho các bệnh nhân có sự cải thiện đáng kể về tầm vận động của các khớp. Kết quả này cho thấy thiết bị có hiệu quả trong công tác hỗ trợ điều trị cho bệnh nhân. 4.3.2. Bàn luận Sau khi lắp ráp thiết bị đã tiến hành thử nghiệm trên người bình thường và bệnh nhân, kết quả đánh giá thiết bị được thể hiện như sau: 20
23. Về kết cấu của thiết bị Thiết bị với 3 bậc tự do dành cho 3 khớp chi dưới (khớp cổ chân, khớp gối, khớp háng) với phạm vi hoạt động của các khớp đảm bảo theo tầm vận động các khớp chi dưới của người như cơ sở lý thuyết trình bày trong chương 2. So sánh với các công trình nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng dưới được thể hiện trên Bảng 4.7 và Hình 4.33. Kết quả cho thấy thiết bị sử dụng cơ cấu dẫn động có cấu tạo đơn giản khi so sánh với các thiết bị của công trình khác (công trình 2 đến 11). Tầm vận động của khớp háng 00 đến 900 tương đương với thiết bị của công trình 6, 8 và 10. Tầm vận động của khớp gối 00 đến 1350 tương đương với thiết bị của công trình 3, 5. Khớp cổ chân có tầm vận động 00 đến 800 là thiết bị có tầm vận động cao nhất. Nhìn chung so với các thiết bị (công trình 2 đến 11) thì thiết bị có tầm vận động các khớp chi dưới là thỏa mãn tầm vận động các khớp cho bệnh nhân. Hình 4.33. Biểu đồ so sánh về tầm vận động các khớp của thiết bị 21
24. Về điều khiển của thiết bị + Với khớp cổ chân: So sánh với các công trình nghiên cứu về thiết bị chỉ tập trung tập một khớp cổ chân như [14], [15] thì sai số góc quay ở hai động tác gấp/duỗi là gần tương đương (10 so với 0.70 và 0.80), điều này chứng tỏ thiết bị có thể dẫn động khớp cổ chân đáp ứng được yêu cầu tập luyện cho bệnh nhân. + Với khớp gối: So với nghiên cứu mô phỏng trong chương 3 thì thực nghiệm cho sai số góc quay lớn hơn( 10 > 0.50) điều này là do ảnh hưởng của cảm biến đo và lực ma sát của khớp gây ra. Tuy nhiên, so sánh với các công trình nghiên cứu về thiết bị chỉ tập trung tập một khớp gối như [96], [97] thì sai lệch góc quay là tương đương (10 so với 0.60 và 10). Chứng tỏ rằng thiết bị có thể thực hiện cho khớp gối tập với sai số nhỏ đáp ứng yêu cầu tập cho bệnh nhân. + Với khớp háng: Qua Bảng 4.8 và Hình 4.40 kết quả cho thấy thiết bị có bộ điều khiển và phần mềm theo dõi điều khiển khác với công trình nghiên cứu khác. Kết quả thử nghiệm cho sai số góc tương đương với công trình nghiên cứu của một số thiết bị của [44], [47], [49]. KẾT LUẬN CHUNG CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN ÁN Qua thời gian thực hiện luận án “Nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới”, nay luận án đã hoàn thành với cấu trúc 4 chương và phần phụ lục. Trong đó, thể hiện đầy đủ về mục tiêu và nội dung nghiên cứu cả lý thuyết lẫn thực nghiệm. Một số kết quả nghiên cứu của luận án này tác giả đã công bố 04 bài báo được đăng trên tạp chí nước ngoài trong đó 03 bài thuộc tạp chí ISI-ESCI. Ngoài ra, tác giả cũng đã công bố 04 báo cáo khoa học được đăng trong kỷ 22
25. yếu của các hội nghị quốc tế trong đó 3 bài Scopus. 01 bài báo cáo khoa học được đăng trong kỷ yếu của hội nghị chuyên ngành trong nước. Tất cả các công bố này đều liên quan đến đề tài nghiên cứu của luận án. Các kết quả chính của luận án là: Về nghiên cứu lý thuyết: 1) Xây dựng một mô hình nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân tai biến sử dụng cơ cấu tịnh tiến để dẫn động gấp và duỗi cho các khớp cổ chân, khớp gối và khớp háng. Thiết lập được phương trình động học và phương trình động lực học của cho cơ cấu dẫn động các khớp. Xây dựng hàm truyền của cơ cấu tịnh tiến và sơ đồ khối trên cơ sở biến đổi Laplace và đại số sơ đồ khối. 2) Áp dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển Trượt để mô phỏng đáp ứng của hệ bằng Matlab/Simulink, so sánh đáp ứng quá độ của 2 bộ điều khiển. Qua kết quả mô phỏng đáp ứng của mô hình nghiên cứu với bộ điều khiển PID và bộ điều khiển Trượt thì kết quả bộ điều khiển Trượt có sai số nhỏ hơn và thời gian đáp ứng nhanh hơn. Đây là cơ sở để lựa chọn bộ điều khiển cho thiết bị thực nghiệm. Về thực nghiệm: 1) Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình nghiên cứu tập phục hồi chức năng chi dưới. Xây dựng thành công phần mềm điều khiển và theo dõi thông số tập luyện của bệnh nhân theo thời gian thực từ máy tính. Giao diện viết bằng ngôn ngữ Tiếng Việt nên giúp người vận hành thao tác dễ dàng. Thiết bị đạt yêu cầu chung về an toàn điện đã được cấp Giấy chứng nhận Thử nghiệm thiết bị số 021219/VTTB- ĐGCL ngày 02 tháng 12 năm 2019 của Viện trang thiết bị và công trình (Bộ Y tế). 23
26. 2) Đã tiến hành thử nghiệm trên 10 tình nguyện viên kết quả cho thấy thiết bị đảm bảo yêu cầu về tính an toàn và vận hành. Thiết bị cho sai số góc quay các khớp là ± 10 khi sử dụng bộ điều khiển Trượt, kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết mô phỏng. 3) Đã tiến hành khảo sát đánh giá thiết bị tại cơ sở y tế là Khoa Phục hồi chức năng - Bệnh viện Đa khoa Trung ương Quảng Nam. Thiết bị đã tiến hành đánh giá trên 100 lượt tập của bệnh nhân và 100 lượt đánh giá của bác sĩ và kỹ thuật viên, kết quả đánh giá cho thấy thiết bị đảm bảo tiêu chí an toàn và kỹ thuật, thiết bị phù hợp trong công tác hỗ trợ tập luyện cho bệnh nhân tổn thương chi dưới. Hướng nghiên cứu tiếp theo: Tuy đạt được các kết quả như trên nghiên cứu vẫn còn một số tồn tại như sau: Thiết bị thực nghiệm hơi cồng kềnh, tính thẩm mỹ chưa cao. Chỉ mới đánh giá hiệu quả về vận hành và an toàn sử dụng mà chưa đánh giá tác động đến hiệu quả kinh tế - xã hội. Luận án chỉ nghiên cứu đối tượng áp dụng là bệnh nhân tai biến mạch máu não, tuy nhiên thiết bị có thể nghiên cứu phát triển để có thể áp dụng cho các bệnh nhân bị tổn thương chi dưới khác. Sau đây là một số đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện và phát triển kết quả luận án: 1) Nghiên cứu hoàn thiện sao cho thiết bị có tính thẩm mỹ. 2) Nghiên cứu thực nghiệm với số lượng bệnh nhân lớn hơn. 3) Tiếp tục nghiên cứu sâu hơn để thử nghiệm và đánh giá hiệu quả điều trị của thiết bị với bệnh nhân. 4) Nghiên cứu phát triển thêm nhiều chế độ tập luyện phù hợp với nhiều đối tượng bệnh nhân bị tổn thương chi dưới. 24
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Dao Minh Duc, Tran Xuan Tuy, Pham Dang Phuoc, Ngo Quoc Anh, Le Thi Thuy Tram (2022), “Study on the ankle rehabilitation device”, Archive of Mechanical Engineering (AME), vol.69(01), pp 147-163. (ISI-ESCI Index) 2. Dao Minh Duc, Tran Xuan Tuy, Pham Dang Phuoc (2021), “Study on the Lower Extremity Rehabilitation Device RHleg”, International Journal of Online and Biomedical Engineering (iJOE), vol.17(11), pp 141-156. (November Publish, ISI-ESCI Index) 3. Dao Minh Duc, Tran Xuan Tuy, Pham Dang Phuoc (2021), “A Study on the Response of the Rehabilitation Lower Device using Sliding Mode Controller”, Engineering, Technology & Applied Science Research, vol.11(4), pp 7746-7751. (ISI-ESCI Index) 4. Minh Dao, D., Dang Phuoc, P., Xuan Tuy, T., & Thuy Le, T. (2017), “Research on reading muscle signals from the EMG sensor during knee flexion — Extension using the Arduino Uno controller”, 2017 IEEE International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp 270-273. doi:10.1109/atc.2017.8167632. (Scopus Index) 5. Duc, D. M., Le Tram, T. T., Tuy, T. X., & Phuoc, P. D. (2018), “Study on Response of Knee Rehabilitation Actuator using PID Controller”, 2018 4th IEEE International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), pp 353- 358. doi:10.1109/gtsd.2018.8595589. (Scopus Index)
28. 6. Minh Duc, D., Thuy Tram, L. T., Dang Phuoc, P., & Xuan Tuy, T. (2019). “Study on Ankle Rehabilitation Device Using Linear Motor”, 2019 IEEE International Conference on System Science and Engineering (ICSSE), pp 573-576. doi:10.1109/icsse.2019.8823118. (Scopus Index) 7. Duc D M, Pham Dang Phuoc, Tran Xuan Tuy, Tram Thuy Le (2018), “Study on the transient response of lower limb rehabilitation actuator using the pneumatic cylinder”, Journal of Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology, vol. 9(2), pp 65-72. doi : 10.14203/j.mev.2018.v9.65-72. 8. Dao Minh Duc, Pham Dang Phuoc, Tran Xuan Tuy, Le Thi Thuy Tram (2018) “Research on Control Actuator Rehabilitation for Knee Flexion - Extension using The Arduino Uno Controller”, Proceeding of International Conference on MMMS, Da Nang, Vietnam on May 18-19, pp 532-541. 9. Đào Minh Đức, Phạm Đăng Phước, Trần Xuân Tùy (2018), “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển trượt cho thiết bị tập phục hồi chức năng khớp gối sử dụng khí nén”, Kỷ yếu Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ 5 VCME 2018.