Nghiên cứu và chế tạo khối tạo lực trợ động trong lĩnh vực thiết kế thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng

Mục lục
BẢNG VIẾT TẮT ................................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 6
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ HỖ TRỢ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG
VÀ THỰC TRẠNG THIẾT BỊ HỖ TRỢ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG Ở VIỆT NAM
.............................................................................................................................. 11
1.1.

Lịch sử hình thành và phát triển của thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng. 11

1.2.

Giới thiệu thiết bị .................................................................................. 12

1.3.

Phân loại các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng .................................... 15

1.4.

Nguyên lý làm việc ............................................................................... 19

1.5.

Nhu cầu ở Việt Nam ............................................................................. 20

1.6.

Kết luận chương .................................................................................... 22

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ KHỐI TẠO LỰC TRỢ ĐỘNG TRONG THIẾT BỊ HỖ
TRỢ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG ĐỨNG Ở VIỆT NAM ....................................... 23
2.1.

Nguyên lý của ....................................................................................... 23

2.2.
Khảo sát phân tích nguyên lý của khối tạo lực trợ động trong thiết bị hỗ
trợ phục hồi chức năng cho bệnh nhân tập đứng ................................................ 31
2.2.1

Hệ thống điều khiển .......................................................................... 32

2.2.2 Khối cảm biến lực .............................................................................. 34
2.2.3 Khối chuyển đổi tương tự số ( ADC) ................................................. 41
2.2 .4 Mạch điều khiển trung tâm ................................................................ 52
2.2.5 Khối giao tiếp với người sử dụng và khối hiển thị ............................. 56
2.2.6 Khối giao tiếp RS232. ....................................................................... 61
2.2 .7 Động cơ servo ac ............................................................................... 69
2.2 .8 Mạch nguồn....................................................................................... 75
2.3

Thiết kế phần cứng cho mạch điều khiển ................................................. 79

2.3.1 Thiết kế mạch nguyên lý Khối nguồn ................................................. 80
2.3.2 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp ........................................................... 80
3

2.3.3 Khối chuyển đổi tín hiệu..................................................................... 82
2.3.4 Khối xử lý trung tâm .......................................................................... 85
2.4

Kết luận chương .................................................................................... 97

CHƯƠNG 3 : CHẾ TẠO VÀ GHÉP NỐI KHỐI TẠO LỰC TRỢ ĐỘNG VÀO
THIẾT BỊ HỖ TRỢ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG.................................................... 98
3.1.

Chế tạo khối tạo trợ động lực đứng ....................................................... 98

3.2.

Ghép nối ............................................................................................. 116

3.3

Kết quả thử nghiệm ............................................................................. 117

3.4

Kết luận chương .................................................................................. 119

KẾT LUẬN ......................................................................................................... 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 121

4

BẢNG VIẾT TẮT
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28

29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40

Tên viết tắt
V
A
AC
DC
C
RISC
PIC
AVR
CPU
PWM
ADC
UART
SPI
I/O
ALU
RAM

DRAM
ROM
EEPROM
RTD
JTAG
R/W
RS
EN
ms
W
PCB
I2C
NTC
LCD
ASCII
LED
VCC
GND
PD1
MHZ
K
IEEE
INVDK
OUTVDK

Tên đầy đủ
Volt
Ampe
Alternating current
Direct current

Celsius
Reduced Instructions Set Computer
Programmable Intelligent Computer
Advanced Virtual RISC
Central Processing Unit
Pulse-width modulation
Analog digital convert
Universal asinchonus Receiver Transmitter
Serial Peripheral Interface
Inpu/output
Arithmetic and logic unit
Random Access Memory
Dynamic RAM
Read-only memory
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
Regional Transportation District
Joint Test Action Group
Read/Write
Register Select
Enable
Mili second
Watt
Printed circuit board
Inter-Intergrated Circuit
National Telecommunications Conference
Liquid Crystal Display
American Standard Code for Information Interchange
Light Emitting Diode
Voltage Controlled Clock
Ground

PortD 1
Megahertz
Kilo
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Đầu vào vi điều khiển
Đầu ra vi điều khiển

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng : 1 Bảng phân loại Loadcell theo cách đặt Strain Gauge .................................... 36
Bảng : 2 Bảng phân loại Loadcell theo chiều tác dụng lực .......................................... 38
Bảng : 3 Bảng phân loại Loadcell theo hình dạng ....................................................... 38
Bảng : 4 So sánh ưu điểm, nhược điểm của Loadcell số và Loadcell tương tự ............ 41
Bảng : 5 Bảng chuyển đổi tương tự số của ADC nhanh 3bit ....................................... 51
Bảng : 6 Bảng chức năng nút bấm .............................................................................. 56
Bảng : 7 Mô tả các chân như sau ................................................................................ 59
Bảng : 8 Bảng chú thích chi tiết các chân của IC HX711 ............................................ 84

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Thiết bị tạo lực trợ động đơn giản ............................................................... 13
Hình 1. 2 Hệ thống Gait Trainer của Mỹ..................................................................... 14
Hình 1. 3 Hệ thống Gait Trainer của Mỹ (trái) và Locomat của Thụy Sỹ (phải) .......... 15
Hình 1. 4 Dụng cụ tập khớp gối .................................................................................. 16
Hình 1. 5 Ghế tập mạnh tay chân ................................................................................ 17
Hình 1. 6 Thanh song song tập đi ............................................................................... 18
Hình 1. 7 Mô hình hệ thống ........................................................................................ 20

Hình 2. 1 Sơ đồ khối của mạch tạo trợ động lực ......................................................... 23

Hình 2. 2 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID .................................................................... 24
Hình 2. 3 Sơ đồ khối khâu P ....................................................................................... 25

6


Hình 2. 4 Đáp ứng khâu P .......................................................................................... 26
Hình 2. 5 Sơ đồ khối khâu I ........................................................................................ 27
Hình 2. 6 Đáp ứng của khâu I và PI ............................................................................ 27
Hình 2. 7 Sơ đồ khối khâu D ...................................................................................... 28
Hình 2. 8 Đáp ứng khâu D và PD ............................................................................... 29
Hình 2. 9 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ..................................................................... 30
Hình 2. 10 Đáp ứng bộ đáp PID.................................................................................. 30
Hình 2. 11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ................................................................. 33
Hình 2. 12 Sơ đồ khối của bộ cảm biến ...................................................................... 34
Hình 2. 13 Cấu tạo của Strain Gauge .......................................................................... 35
Hình 2. 14 Mạch cầu điện trở Wheatstone .................................................................. 36
Hình 2. 15 Sơ đồ khối của một ADC cơ bản ............................................................... 42
Hình 2. 16 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số sau khi lấy mẫu ....................................... 44
Hình 2. 17 Mạch lấy mẫu và mạch nhớ mẫu ............................................................... 45
Hình 2. 18 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của ADC sóng bậc thang .................... 46
Hình 2. 19 Sơ đồ khối của ADC liên tiếp xấp xỉ ......................................................... 49
Hình 2. 20 Lưu đồ hoạt động của ADC liên tiếp xấp xỉ .............................................. 50
Hình 2. 21 Cấu tạo của ADC nhanh độ phân giải 3 bit ............................................... 51
Hình 2. 22 Khối bàn phím và hiển thị ......................................................................... 58
Hình 2. 23 Hiển thị LCD ............................................................................................ 59
Hình 2. 24 Sơ đồ chân kết nối cổng com trên PC. ....................................................... 63
Hình 2. 25 Bộ truyền trục vít - đai ốc.......................................................................... 66
Hình 2. 26 Trục vít ren hình thang. ............................................................................. 66

7


Hình 2. 27 Trục vít ren hình chữ nhật. ........................................................................ 67
Hình 2. 28 Trục vít răng ren hình cưa ......................................................................... 67
Hình 2. 29 Trục Vime- Đai ốc .................................................................................... 69
Hình 2. 30 Servo AC Mitsubishi MR-J2S 40A ........................................................... 70
Hình 2. 31 Optical Encoder ........................................................................................ 71
Hình 2. 32 Hai kênh A và B lệch pha trong encoder ................................................... 72
Hình 2. 33 Nguyên lý đếm xung ................................................................................. 74
Hình 2. 34 Nguyên lý đếm chu kỳ .............................................................................. 75
Hình 2. 35 Mạch nguồn dùng ic ổn áp LM723CN điều chỉnh điện áp ra từ 0 ~ 15V ... 75
Hình 2. 36 Mạch ổn áp tuyến tính 5v .......................................................................... 78
Hình 2. 37 Mạch ổn áp tuyến tính dùng IC 7812 và 7912 ........................................... 78
Hình 2. 38 Mạch ổn áp tuyến tính dung IC 7824, 7812 và 7805.................................. 79
Hình 2. 39 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ...................................................................... 80
Hình 2. 40 Sơ đồ nguyên lý khối UART ..................................................................... 81
Hình 2. 41 Mạch kết nối RS232 giữa PC và Vi điều khiển ......................................... 81
Hình 2. 42 Sơ đồ khối của IC HX711 ......................................................................... 83
Hình 2. 43 Sơ đồ chân của IC HX711 ......................................................................... 83
Hình 2. 44 Sơ đồ nguyên lý khối công suất ................................................................. 85
Hình 2. 45 Sơ đồ khối của vi điều khiển ATmega128 ................................................. 88
Hình 2. 46 Sơ đồ kiến trúc vi điều khiển ATmega128 ................................................ 90
Hình 2. 47 Cấu trúc bộ nhớ SRAM vi điều khiển ATmega128 ................................... 92
Hình 2. 48 Tổ chức bit trong thanh ghi EEAR ............................................................ 93
Hình 2. 49 Tổ chức bit thanh ghi EECR ..................................................................... 94

8

Hình 2. 50 Atmega 128............................................................................................... 96
Hình 2. 51 Khối Vi điều khiển AT128 ........................................................................ 97

Hình 3. 1 Hình ảnh thực tế của Loadcell CAS BCL100
99
Hình 3. 2 Cấu tạo cơ khí của Loadcell CAS BCL100
99
Hình 3. 3 Sơ đồ thiết kế khối chuyển đổi tương tự số sử dụng ADC24-bit
100
Hình 3. 4 Khối tạo lực trợ động
102
Hình 3. 5 Thử nghiệm ,ghép nối khối trợ lực động
103
Hình 3. 6 Mạch in khối tạo lực trợ động
104
Hình 3. 7 Mạch thực tế
105
Hình 3. 8 Khối hiển thị và nút bấm
105
Hình 3. 9 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ a
108
Hình 3. 10 tính toán thông số cho bộ điều khiển PID
109
Hình 3. 11 Mô hình điều khiển với Kgh
110
Hình 3. 12 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn
111
Hình 3. 13 Mô hình điều khiển của hệ thống
112
Hình 3. 14 Lưu đồ thuật toán của chương trình điều khiển bằng AVR

113
Hình 3. 15 Quy trình hỗ trợ tập luyện
114
Hình 3. 16 Giao diện phần mềm trên máy tính
115
Hình 3. 17 kết cấu cơ khí tạo lực nâng và mo tơ điều khiển
116
Hình 3. 18 Kết cấu cơ khí .vị trí lắp đặt loadsel
116
Hình 3. 19kết quả chạy thử ngiệm điều khiển lực nâng 5 kg
117
Hình 3. 20 Giá trị tín hiệu PWM điều khiển lực nâng 5Kg.
117
Hình 3. 21 Kết quả thử nghiệm điều khiển trợ lực 15Kg cho người đi bộ 3 Km/h 118

9


MỞ ĐẦU
Ngành Y tế nước ta đang phải đối mặt với thách thức:Y tế phải đáp ứng nhu cầu
chăm sóc sức khoẻ ngày càng cao, khám chữa bệnh với kỹ thuật y tế chất lượng
cao. Cuộc sống ngày càng hiện đại nguy cơ bị tai biến mạch máu não ngày càng cao
, do những nguyên nhân chủ quan cũng như khách quan mang lại
Việc giúp đỡ người sau tai biến mạch máu não bị mất đi một phần chức năng vận
động hoặc liệt nửa người hồi chức năng bao gồm quá trình tập đứng rất quan trọng.
Để có thể tạo nên kết quả phục hồi toàn diện, thiết bị trợ giúp người bệnh tập đứng
trong quá trình phục hồi chức năng là một phần không thể thiếu . Giúp người bị tai
biến có thể hoạt động bình thường
Đã có một số công ty trong nước sản xuất các dụng cụ trợ giúp chức năng đứng như
thanh song song, khung tập đứng.Tuy nhiên, các dụng cụ này khá đơn giản, không

có tính tùy biến cao. Khi tập luyện, các bệnh nhân phải dùng sức của hai cánh tay
để chống lên khung nhằm đỡ trọng lượng của cơ thể, giảm tải trọng tác dụng lên đôi
chân. Như vậy, khả năng thay đổi mức độ tải trọng tác dụng lên đôi chân để phục
hồi chức năng đứng không hề có chút định lượng nào mà hoàn toàn chỉ là cảm tính,
phụ thuộc vào bệnh nhân. Mức độ hỗ trợ từ bên ngoài hoàn toàn không có
Chính vì những nguyên nhân như vậy, nhóm chúng tôi đã đề xuất và nghiên cứu:
“khối tạo lực trợ động trong thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng đứng ”. Ý tưởng
ban đầu là sẽ thiết kế một thiết bị giúp bệnh nhân có thể đứng trên đôi chân của
mình ,và tập luyện đi lại trong đó có sụ giúp nâng đỡ một phần khối lượng cơ thể, ,
có chức năng lưu thông tin khối lượng của bệnh nhân khi có yêu cầu
Tôi hi vọng với sự nỗ lực nghiên cứu của mình, cùng với sự hướng dẫn, giám sát
của TS. Nguyễn Hoài Giangvà các thầy, cô giáo ở Khoa Sau Đại Học ,tôi có thể
hoàn thành và đưa vào sử dụng sản phẩm trên. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy,
cô cũng như bạn bè, đồng nghiệp đã giúp chúng tôi trong quá trình thực hiện và hi
vọng sẽ nhận được sự góp ý nhiều hơn nữa để sản phẩm được hoàn thiện.

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ HỖ TRỢ
PHỤC HỒI CHỨC NĂNG VÀ THỰC TRẠNG THIẾT
BỊ HỖ TRỢ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG Ở VIỆT NAM
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng
Nâng cao sức khỏe, phòng bệnh, điều trị và phục hồi chức năng là bốn yếu tố
trong hệ thống chăm sóc sức khỏe toàn diện hiện nay.Phục hồi chức năng (PHCN)
là một lĩnh vực non trẻ, được phát triển muộn nhất sau y học phòng bệnh, y học
điều trị và được quan niệm là bước phát triển thứ ba của Y học.
PHCN có lịch sử từ lâu nhưng nó thực sự phát triển từ sau hai cuộc chiến tranh Thế
giới thứ Nhất và thứ Hai khi có rất nhiều binh sĩ bị thương cần thiết phải được chăm
sóc và phục hồi một cách toàn diện mà y học điều trị lúc đó không thể đáp ứng được

nhu cầu của người bệnh và người tàn tật. Họ đòi hỏi không chỉ chăm sóc để nâng
cao sức khỏe mà đi vượt ra ngoài điều trị y tế là giúp những người bị tổn thương và
bệnh tật thích nghi đến mức tối đa tình trạng hiện tại của họ để hội nhập xã hội.
Thuật ngữ "Phục hồi chức năng" có nguồn gốc từ tiếng La tinh có nghĩa là "làm cho
phù hợp lại" (to make fit again).PHCN là một lĩnh vực phải đươc cả cộng đồng
tham gia và cũng là một tiêu chí để đánh giá sự phát triển cộng đồng.Sư phát triển
của PHCN đã không ngừng góp phần giảm bớt gánh nặng kinh tế của người khuyết
tật trong xã hội.Ngày nay, hầu hết các quốc gia quan tâm nhiều đến PHCN.
Tại Việt Nam, Trong khoảng 10 năm trở lại đây ngành PHCN được xây dựng và
phát triển. Hầu hết các bệnh viện Trung ương, các bệnh viện đa khoa các tỉnh, thành
phố, các ngành, các viện điều dưỡng, Các viện chuyên khoa có giường bệnh đã
thành lập được khoa PHCN hoặc khoa Vật lý trị liệu. Các khoa PHCN đã tích cực
góp phần phục hồi chức năng các rối loạn chức năng về thần kinh và vận động, các
di chứng sau chẩn thương, tai nạn. Một số khoa PHCN tuyến tỉnh và huyện được sự
giúp đỡ của tuyến trên đã thực hiện được nhiệm vụ giúp đỡ về kỹ thuật cho các địa
phương.Chương trình PHCN dựa vào cộng đồng được phát triển từ năm 1987, được

11


lồng ghép trong hệ thống Chăm sóc sức khỏe ban đầu và hiện nay đang phát triển
mạnh ở các địa phương.Trong những năm qua, công tác PHCN đã đạt được nhiều
thành tích đáng khích lệ. Mạng lưới các đơn vị PHCN được thành lập trên toàn
quốc. Nhiều kỹ thuật PHCN tiên tiến, hiện đại được áp dụng.PHCN tạo cơ hội giúp
người khuyết tật hòa nhập cộng đồng. Nhiều người khuyết tật (NKT) đã có thể tự
làm việc, tự nuôi sống bản thân, vươn lên trong cuộc sống. Hàng nghìn người bệnh
và NKT được PHCN đã trở lại hòa nhập với cuộc sống.
Hiện nay, thực trạng đội ngũ cán bộ chuyên môn PHCN thiếu và yếu, trang
thiết bị chuyên khoa nghèo nàn, lạc hậu nên công tác PHCN vẫn còn nhiều hạn chế,
nhiều NKT nghèo vẫn chưa được tiếp cận với PHCN nên cuộc sống vẫn phải nhờ

vào người thân. Nguyên nhân của thực trạng này là do nhận thức về vai trò, ý nghĩa
của PHCN trong phần lớn cán bộ lãnh đạo chính quyền các cấp chưa đầy đủ, chưa
chú trọng đầu tư thường xuyên cho công tác PHCN; công tác đào tạo cán bộ PHCN
chưa được quan tâm đúng mức; mạng lưới tổ chức PHCN chưa rộng khắp, chưa đáp
ứng được yêu cầu bảo vệ, chăm sóc và nâng cao sức khỏe nhân dân. Vì thế, để có
thêm nhiều NKT tiếp cận được các chương trình PHCN, cần có sự phối hợp đồng
bộ, quan tâm hơn nữa của các cấp, ngành, chính quyền địa phương cùng với việc
nâng cao nhận thức của cán bộ y tế, sự ủng hộ của gia đình và nỗ lực của bản thân
NKT.

1.2. Giới thiệu thiết bị
Tai biến mạch máu não là loại bệnh lý thường gặp do nhiều nguyên nhân khác
nhau, có thể gây tử vong nhanh, tỷ lệ tử vong cao. Đây cũng là loại bệnh để lại
nhiều di chứng nặng nề, đặc biệt là những di chứng về vận động như đi, đứng dẫn
đến khuyết tật hay tàn tật về vận động nhiều nhất.
Tai biến mạch máu não có thể xảy ra đối với tất cả mọi người, không phân biệt
nghề nghiệp, giới tính, địa phương, hoàn cảnh kinh tế, xã hội. Tai biến mạch máu
não có thể gặp ở mọi lứa tuổi nhưng thường xảy ra với những người đang ở trong
12


lứa tuổi lao động và những người cao tuổi đã có nhiều cống hiến cho sự nghiệp xây
dựng và bảo vệ đất nước. Họ đáng được hưởng sự chăm sóc toàn diện vả về y tế và
xã hội.
Ngày nay, với sự tiến bộ của y học cùng các phương tiện chẩn đoán và trang
thiết bị hiện đại, số người bị tai biến mạch máu não được cứu sống ngày càng nhiều.
Tuy nhiên, điều đó cũng có nghĩa là số người bị di chứng và tàn tật do tai biến mạch
máu não cũng sẽ tăng lên. Nhu cầu về phục hồi chức năng cho người bệnh liệt nửa
người do tai biến mạch máu não cũng sẽ nhiều hơn và đa dạng hơn. Phục hồi chức
năng cho người bệnh liệt nửa người do tai biến mạch máu não là để phòng ngừa và

làm giảm tối đa các di chứng, tạo cơ hội bình đẳng và sớm đưa người bệnh trở lại
hòa nhập với cuộc sống độc lập của họ ở gia đình và cộng đồng.

Hình 1.1 Thiết bị tạo lực trợ động đơn giản

13


Hình 1.2 Hệ thống Gait Trainer của Mỹ
Ở các nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Anh, Pháp, Nhật…các nghiên cứu
về mô hình vận động của con người đã được tập trung thực hiện. Các thiết bị hỗ trợ
tập luyện phục hồi chức năng vận động đã được thử nghiệm thực tế và thương mại
hóa.Hiệu quả mà chúng đem lại là to lớn.Bệnh nhân phục hồi chức năng nhanh hơn,
hiệu quả hơn (thời gian tập luyện phục hồi rút ngắn được 30%). Các bác sỹ không
còn phải mất quá nhiều thời gian để hướng dẫn Đối với các thiết bị hỗ trợ tập luyện
phục hồi chức năng vận động của các chi có thể kể đến một số hệ thống điển hình
như Gait Trainer của hãng Biodex – Mỹ hay Locomat của hãng Hocoma – Thụy Sỹ
(hình 3). Hệ thống Gait Trainer của Mỹ là hệ thống trợ giúp tập luyện phục hồi chức
năng vận động đang được sử dụng ở nhiều bệnh viện tại Mỹ. Hệ thống này trợ giúp
bệnh nhận trong quá trình tập luyện phục hồi chức năng. Giá thành của hệ thống
này vào khoảng 2,0 tỷ đồng. Trong khi đó, hệ thống Locomat của Thụy Sỹ là một
14


hệ thống tập luyện phục hồi chức năng vận động tổng thể có kết hợp với bài tập
dưới dạng trò chơi. Hệ thống này cũng đang được sử dụng ở rất nhiều bệnh viện ở
châu Âu và Mỹ. Tuy nhiên, giá thành của nó lại rất rất đắt, tầm 15 tỷ.

Hình 1.3 Hệ thống Gait Trainer của Mỹ

1.3. Phân loại các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng
-

Dụng cụ tập khớp gối

15


Hình 1.4Dụng cụ tập khớp gối
Dụng cụ này rất có hiệu quả đối với khớp gối bị giới hạn tầm hoạt động gập.
Vì có độ dốc được tăng giảm nên người bệnh có thể tập gập khớp hông, gập gối và
khớp cổ chân dễ dàng, nhất là làm kéo dãn gân gót và làm mạnh cơ toàn chi.
Người bệnh có thể tự tập dụng cụ này để lấy lại tầm độ gập gối bình thường
dần dần mà không cảm thấy đau đớn nhiều vì họ có thể tự kiểm soát mức độ đau
của mình . Theo độ dốc và trọng lượng cơ thể giúp cho nguời bệnh có thể tập gập
hông, gập gối và khớp cổ chân dễ dàng , nhất là kéo dãn gân gót và làm mạnh các
cơ toàn chi .
-

Ghế tập mạnh tay chân

16


Hình 1.5 Ghế tập mạnh tay chân
Ghế tập mạnh tay chân (hay còn gọi ghế 3 trong 1) rất thích hợp và hiêụ quả
nhất để tập đối với người có di chứng liệt bán thân do tai biến mạch máu não và
người bệnh cần vận động cơ khớp tứ chi.
Sản phẩm được thiết kế nhiều chức năng, tháo ráp dễ dàng và gọn gàng nên rất
phù hợp cho luyện tập tại nhà.

Ghế tập mạnh tay chân (hay còn gọi ghế 3 trong 1) có 3 chức năng chính như
sau:
- Chức năng 1: Người bệnh ngồi trên ghế có tựa lưng an toàn để kéo ròng rọc
tập vận động các cơ khớp ở tay như khớp vai, khớp khuỷu tay, cổ tay, bàn tay .
17


Trường hợp người bệnh có 1 bàn tay yếu không thể nắm vào tay cầm , sản phẩm
này có kèm thêm bao tay để giữ chặt tay yếu này nắm chắc chắn vào tay cầm nên
khi tay mạnh kéo sẽ hổ trợ được tay yếu tập theo
- Chức năng 2: Bộ phận đạp xe để tập mạnh cơ 2 chân, có nút điều chỉnh lực
nặng, nhẹ cho phù hợp với sức cơ của từng người bệnh. Hai bàn chân được để trên
2 chiếc guốc có quai buộc vững chắc giúp người bệnh tập luyện dễ dàng
- Chức năng 3: Bộ phận tập quay tay, tập được các cơ khớp ở toàn cánh tay.
Bộ phận này cũng có thể điều chỉnh được lực nặng nhẹ .
Đặc biệt, khi người bệnh tập phối hợp cùng lúc tay và chân thì sẽ tập được cử
động tứ chi và tập cử động điều hợp rất hiệu quả trong bệnh Parkinson .
-

Thanh tập đi song song

Hình 1.6 Thanh song song tập đi
Tập đi cho người bị yếu - liệt chi dưới (liệt bán thân, liệt hạ chi, gãy xương,
….). Tập tăng sức chịu đựng chân liệt ở tư thế đứng và sức chịu đựng cơ thể Tập
thăng bằng tập mạnh cơ chi trên tập kiểm soát khung chậu tập dáng đi cơ bản…...
Giữa hai thanh song song có miếng gỗ dài dùng để ngăn 2 bàn chân người
bệnh không bắt chéo vào nhau. Người bệnh có thể nắm tay vào thanh song song tập
đứng lên - ngồi xuống để tập mạnh cơ 2 chân và gia tăng tầm hoạt động gập khớp
gối hoặc kéo dãn gân gót nếu người bệnh giữ chặt bàn chân xuống sàn nhà khi ngồi
xuống.

18


1.4. Nguyên lý làm việc
Các thiết bị tạo lực trợ động xuất hiện trên thị trường hiện nay đều là thiết bị
cơ học. Trong quá trình điều trị cho bệnh nhân các điều trị viên sẽ mặc các bộ bảo
hiểm cho bệnh nhân các bộ dây bảo hiểm sau đó tùy theo tình trạng cần điều trị của
bệnh nhân mà điều trị viên sẽ quay cơ cấu trục kéo để kéo dây tại phía trên của dây
bảo hiểm nhằm nâng cơ thể bệnh nhân.
Các thiết bị bằng cơ học như vậy có ưu điểm là khá đơn giản tuy nhiên là tồn
tại nhược điểm là không đánh giá được sát hiệu quả của quá trình điều trị bệnh.
Nhằm nâng cao hiệu quả điều trị việc tích hợp các công nghệ điều khiển tự động
cho thiết bị tạo lực trợ đông như trên là rất cần thiết.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các bệnh nhân liệt nửa người do tai biến
mạch máu não. Ở đây ta tập trung vào việc hỗ trợ tập luyện phục hồi chức năng
đứng lại của các bệnh nhân này.
Thành phần chính của thiết bao gồm một động cơ SERVO DC liên kết một
trục vít me đai ốc, con chạy của vít me được gắn với một puly căng dây cáp để tạo
lực nâng đỡ bệnh nhân. Khi động cơ quay sẽ làm pu ly căng dây chuyển động lên
xuống từ đó có tác dụng nâng hạ bệnh nhân.

19


Hình 1.7Mô hình hệ thống
Vấn đề chính cần giải quyếtlà tính toán và tạo lực trợ động chính xác cho bệnh
nhân theo từng bài tập trên máy tính và quá trình đó được thực hiện môt cách tự
động sau khi đã cố định bệnh nhân. Tham số đặt được truyền xuống từ máy tính để
so sánh với lực trợ động sẽ được đọc về từ cảm biến sau đó tính lấy giá trị chênh
lệch rồi đưa vào khối điều khiển để điều chỉnh lực trợ động (lực nâng).

Giải thuật điều khiển PID sẽ tính toán giá trị đầu ra (là tham số điều khiển vị
trí) dựa vào sự liên hệ giữa đầu vào (là sai lệch giữa lực nâng thực tế và lực nâng
cần có được). Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bao gồm bộ vi điều khiển, cảm
biến lực và mạch điều khiển động cơ được thể hiện trong hình 2. Bộ điều khiển sẽ
điều khiển lực nâng bằng cách quay động cơ để di chuyển puly tạo lực căng dây cáp

1.5. Nhu cầu ở Việt Nam
Theo thống kê tại Việt Nam có khoảng 7,8% dân số tương đương với 6,1 triệu
người là những người bị khuyết tật về một chức năng nào đó như vận động, thị giác,
thính giác, ngôn ngữ. Trong đó, số người bị khuyết tật về chức năng vận động
chiếm tỷ lệ cao nhất lên đến 35,5%. Đội ngũ chuyên gia phục hồi chức năng của ta
còn chưa đủ, trang thiết bị tập luyện còn rất thiếu thốn, chủ yếu là các thiết bị tập
luyện cổ điển, thông thường.

20


Trong phục hồi chức năng vận động của người bệnh liệt nửa người do tai biến
mạch máu não thì phục hồi chức năng bao gồm quá trình tập đứng rất quan trọng.
Theo thống kê thì ở Mỹ hàng năm có có khoảng 700000 – 750000 bệnh nhân tai
biến mạch máu não mới hoặc tái phát. Thống kê tại Việt Nam, tỷ lệ bệnh nhân tai
biến mạch máu não là 115/100000 dân còn tỷ lệ mắc mới trung bình hàng năm là
28.25/100000 dân. Tỷ lệ này đang gia tăng ở mức đáng lo ngại đối với cả hai giới
nam và nữ ở các lứa tuổi. Theo thống kê ở các bệnh viện tuyến tỉnh, thành phố qua
từng thời kỳ 3-5 năm cho thấy tỷ lệ bệnh nhân vào điều trị nội trú tăng 1,7-2,5 lần.
Tỷ lệ tai biến mạch máu não tăng theo thang tuổi.
Để có thể tạo nên kết quả phục hồi toàn diện, thiết bị trợ giúp người bệnh tập
đứng trong quá trình phục hồi chức năng là một phần không thể thiếu. Tại Việt Nam
hiện nay, tất cả các bệnh viện đa khoa tuyến tỉnh đều đã có khoa Phục hồi chức
năng, 240 quận/huyện, 2500 phường/xã đã triển khai phục hồi chức năng. Tuy vậy,

phục hồi chức năng nhất là chức năng vận động cho bệnh nhân tai biến mạch máu
não còn đang là vấn đề mới đối với chúng ta. Chúng ta chưa có đủ các trang thiết bị
chuyên môn dùng cho chuyên khoa này. Ngoài ra, phục hồi chức năng dựa vào
cộng đồng lồng ghép vào hệ thống chăm sóc sức khỏe ban đầu của ngành y tế hiện
đang là bước đi chính và là biện pháp chiến lược để giải quyết vấn đề khuyết tật tại
Việt Nam. Như vậy, nhu cầu về thiết bị trợ giúp phục hồi chức năng vận động nói
chung và phục hồi chức năng đứng nói riêng là rất lớn.
Đã có một số công ty trong nước sản xuất các dụng cụ trợ giúp chức năng
đứng như thanh song song, khung tập đứng.Tuy nhiên, các dụng cụ này khá đơn
giản, không có tính tùy biến cao. Khi tập luyện, các bệnh nhân phải dùng sức của
hai cánh tay để chống lên khung nhằm đỡ trọng lượng của cơ thể, giảm tải trọng tác
dụng lên đôi chân. Như vậy, khả năng thay đổi mức độ tải trọng tác dụng lên đôi
chân để phục hồi chức năng đứng không hề có chút định lượng nào mà hoàn toàn
chỉ là cảm tính, phụ thuộc vào bệnh nhân.Mức độ hỗ trợ từ bên ngoài hoàn toàn
không có.Thời gian cần thiết để phục hồi chức năng cho bệnh nhân là lâu.Các thiết
bị của nước ngoài thì nhờ có cơ cấu hỗ trợ lực động từ bên ngoài nên tải trọng tác
21


dụng lên đôi chân là thay đổi được.Nhờ đó khả năng phục hồi của bệnh nhân cao
hơn và thời gian phục hồi cũng nhanh hơn (thời gian tập luyện phục hồi rút ngắn
được 30%).Tuy nhiên giá thành một thiết bị ngoại nhập là khá đắt. Như đã nêu ởgiá
của các thiết bị nhập khẩu thì các nước tiên tiến châu Âu hoặc Mỹ thì ít nhất cũng là
1,5 tỷ. Trong điều kiện xã hội Việt Nam hiện nay, lượng bệnh nhân là nhiều, thời
gian tập luyện lâu mà mỗi thiết bị chỉ sử dụng được cho một bệnh nhân tại một thời
điểm nên giá thành như vậy là chưa phù hợp. Các thiết bị do Trung Quốc sản xuất
thì giá thành cũng rơi vào khoảng 300-400 triệu đồng cho một thiết bị mà lại không
có trợ lực động nên hiệu quả phục hồi chức năng chưa cao.

1.6. Kết luận chương

Việc ứng dụng các tiến bộ mới của công nghệ điện tử, điều khiển, cơ khí vào
nghiên cứu, chế tạo thiết bị trợ giúp phục hồi chức năng đi đứng cho bệnh nhân liệt
nửa người do tai biến mạch máu não là rất cần thiết. Thiết bị sau khi chế tạo thành
công có thể được ứng dụng tại các khoa, phòng Phục hồi chức năng của các bệnh
viện, trung tâm chăm sóc sức khỏe.Ngoài ra, thiết bị này còn có thể được sử dụng
để phục hồi chức năng đứng cho bệnh nhân tại nhà dưới sự chỉ dẫn chi tiết, tỉ mỉ của
bác sỹ.Nhờ đó sẽ làm giảm suất đầu tư thiết bị của các bệnh viện, trung tâm chăm
sóc sức khỏe (do giá thành thấp hơn nhập ngoại), giảm nhập siêu, đồng thời góp
phần phát triển một ngành kinh tế kỹ thuật chuyên dụng có khả năng xuất khẩu.

22


CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ KHỐI TẠO LỰC TRỢ ĐỘNG
TRONG THIẾT BỊ HỖ TRỢ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG
ĐỨNG Ở VIỆT NAM
2.1. Nguyên lýcủakhối tạo lực trợ động trong thiết bị hỗ trợ phục hồi chức
năng đứng ở Việt Nam

Hình 2.1 Sơ đồ khối của mạch tạo trợ động lực
Trong sơ đồ khối này, lực trợ động (lực nâng) được đo bằng một bộ cảm biến
lực Loadcell CAS BCL100.Tín hiệu điện tương tự từ Loadcell sẽ được đưa tới khối
chuyển đổi tương tự số. Khối chuyển đổi tương tự số có nhiệm vụ chuyển đổi tín
hiệu tương tự sang tín hiệu số, đưa tín hiệu số vào khối vi xử lý trung tâm để xử lý,
hiển thị thông tin khối lượng. Từ đó, bộ vi điều khiển sẽ tính ra được lực trợ động
thực tế của cáp treo và sau đó đưa vào bộ điều khiển PID.Về bản chất lực nâng
23


được tạo ra bằng việc điều khiển vị trí của puly tạo lực căng như trong hình 2.1.Từ

đó bài toán điều khiển lực nâng có thể dựa trên bài toán điều khiển vị trí. Để điều
khiển vị trí bằng PID có hai bước, bước đầu tiên là tính toán vị trí cần đạt được sau
đó chuyển sang tính toán giá trị vận tốc và hướng quay của động cơ trong quá trình
di chuyển đến vị trí cần đạt được.
Phương pháp điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong
các lĩnh vực điện tử. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị
đo được của hệ thống PV (process variable) với giá trị đặt SP (setpoint) bằng cách
tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra.
Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID được minh họa ở hình 2.2

Hình 2.2Sơ đồ hệ thống điều khiển PID
Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) – tạo tín hiệu điều
khiển tỉ lệ với sai lệch (error – e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích
phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với
vi phân theo thời gian của sai lệch.
* Khâu P
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch.Việc này được
thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ.
24


Khâu P được tính dựa trên công thức:
Pout = KP .e(t)
Với: Pout: giá trị ngõ ra
- Kp: hằng số tỉ lệ
- e: sai lệch: e = SP – PV
Sơ đồ khối của khâu P được minh họa ở hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ khối khâu P

Hàm truyền: Gp(s) = Kp
Hằng số tỉ lệ (Kp) lớn thì giá trị ngõ ra (Pout) thay đổi lớn dù sai lệch thay đổi
nhỏ. Nếu hằng số tỉ lệ của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Ngược lại,
hằng số tỉ lệ nhỏ thì đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai lệch lớn, và làm cho bộ điều
khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu hằng số tỉ lệ của khâu tỉ lệ quá thấp, tác
động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.
Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi
giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn. Trong
hình 2.5 thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt.

25


Hình 2.4 Đáp ứng khâu P
* Khâu I:
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính
tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị
đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0.
Khâu I được tính theo công thức:
t

Iout = Ki ∫ e(Γ)dΓ
0

Với:
-

Iout: giá trị ngõ ra khâu I

-

Ki hệ số tích phân

-

e: sai số: e = SP – PV

-

Sơ đồ khối khâu I được mô tả ở hình 2.7

26


Hình 2.5 Sơ đồ khối khâu I
Hàmtruyền:
G(s) =

U (s ) ) K i 1 1
=
= =
E ( s)
s
s Ti s

Với Ti: hằng số thời gian tích phân.
Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ sử
dụng
khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động.
hình 2.8 chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI:

Hình 2.6 Đáp ứng của khâu I và PI

27