Cánh tay robot hỗ trợ vận động cho người bại não

Thiết bị đã được lắp ráp hoàn chỉnh, đeo thử trên tay người dùng và vận hành thành công theo cơ chế điều khiển ngưỡng lực: tự động nâng/hạ cánh tay theo lực tác động và dừng đúng giới hạn góc an toàn. Bên cạnh đó, nhóm đề xuất một mô hình điều khiển PID ánh xạ lực đo được sang góc mục tiêu nhằm cải thiện độ mượt và độ chính xác chuyển động, cùng một quy trình đánh giá định lượng làm cơ sở cho các phép đo thực tế trong giai đoạn tiếp theo. Bằng cách sử dụng các giá trị mục tiêu minh họa, khung giá trị biểu hiện độ chính xác bám góc với sai lệch 2.2-2.5%, cảm biến lực với độ sai lệch 3.0-4.0%, thời gian đáp ứng động học bằng 0.22-0.46 s, độ vọt lố dưới 5% và độ lặp lại dưới 2% trong khoảng hoạt động 30°-180°; những thông số đại diện cho mục tiêu thiết kế và cần được xác thực bằng thử nghiệm tring tương lai.

1. GIỚI THIỆU

Bại não (Cerebral Palsy) là một trong những dạng rối loạn vận động phổ biến nhất ở trẻ em, do tổn thương não bộ xảy ra trong giai đoạn phát triển sớm của thai nhi hoặc trẻ sơ sinh, với hậu quả kéo dài suốt đời và gây gánh nặng tâm lý, kinh tế cho gia đình người bệnh [1], [3]. Tỷ lệ mắc bệnh ở trẻ sơ sinh ước tính khoảng 0.1 - 0.2%, trong đó nam giới có nguy cơ mắc cao hơn nữ giới khoảng 1.35 lần [2]. Bại não được phân thành nhiều thể (co cứng, múa vờn, thất điều, hỗn hợp) với mức độ ảnh hưởng khác nhau, nhưng đều có điểm chung là làm suy giảm khả năng kiểm soát và tạo lực vận động của cánh tay do tín hiệu thần kinh từ não đến cơ bị gián đoạn hoặc truyền sai lệch [1], khiến các hoạt động sinh hoạt cơ bản như ăn uống, viết, tự chăm sóc bản thân trở nên khó khăn.

Nhiều thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng vận động đã được phát triển, từ vật lý trị liệu truyền thống đến khung tập vận động và robot hỗ trợ tay tích hợp cảm biến, được chứng minh có thể cải thiện đáng kể khả năng vận động của người bệnh khi sử dụng đều đặn [4], [5]. Tuy nhiên, phần lớn các thiết bị này có kích thước lớn, chi phí đầu tư cao và chỉ có thể vận hành trong môi trường bệnh viện hoặc trung tâm phục hồi chức năng với đội ngũ chuyên môn, khiến bệnh nhân ở các gia đình có điều kiện kinh tế hạn chế khó tiếp cận thường xuyên.

Từ đó có thể thấy một khoảng trống rõ rệt: hầu như chưa có thiết bị nào vừa đảm bảo chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn để sử dụng tại nhà, vừa có khả năng nhận biết ý định vận động của người dùng và tự động điều chỉnh lực hỗ trợ phù hợp với từng cá nhân. Vấn đề này là đề tài mà nhóm nghiên cứu hướng tới giải quyết.

Từ thực tế trên, nhóm quyết định thiết kế một cánh tay hỗ trợ vận động cho bệnh nhân bại não với các tiêu chí: chi phí thấp, dễ tiếp cận; kích thước nhỏ gọn, sử dụng được tại nhà; hoạt động bán tự động dựa trên ý định vận động của người dùng; và có khả năng điều chỉnh lực hỗ trợ theo từng cá nhân. Đóng góp chính của đề tài là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công một cánh tay hỗ trợ vận động hoạt động thực tế, sử dụng cảm biến lực để nhận biết ý định cử động và tự động hỗ trợ trong giới hạn an toàn, giúp người bệnh thực hiện các chuyển động cơ bản, góp phần cải thiện khả năng sinh hoạt độc lập và hỗ trợ quá trình phục hồi chức năng lâu dài.

2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ SƠ ĐỒ KHỐI

2.1 Thiết kế cơ khí

Kết cấu cơ khí của cánh tay hỗ trợ vận động được minh họa trong Hình 1. Cánh tay hỗ trợ vận động có kích thước tổng thể 590mm x 180mm x 140mm (dài x rộng x cao), được chế tạo từ nhựa PLA và PETG tái chế bằng công nghệ in 3D. Lựa chọn vật liệu với tiêu chí nhẹ, chịu lực tốt, chi phí thấp và dễ gia công lại khi cần chỉnh sửa thiết kế.

Thiết bị gồm các đoạn khung nối tại một khớp xoay mô phỏng chuyển động gập – duỗi khuỷu tay. Biến trở volume lắp đồng trục tại khớp để đo góc gập, giới hạn hành trình an toàn; động cơ DC gắn trên khung truyền lực cho khớp xoay; loadcell đặt tại vị trí tiếp xúc với cẳng tay để ghi nhận lực, xác định ý định vận động của người dùng.

Các linh kiện điều khiển (ESP32, HX711, L298N, mạch pin sạc) được đặt trong hộp chứa riêng gắn trên khung, giúp bảo vệ mạch điện và thuận tiện bảo trì.

Hình 1 : Thiết kế cơ khí của thiết bị

2.2 Quy trình xử lý của thiết bị

Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống được minh họa trong Hình 2. Hệ thống gồm bốn khối chính: khối cảm biến (loadcell kết hợp bộ khuếch đại HX711 và biến trở volume), khối điều khiển trung tâm (ESP32), khối chấp hành (bộ điều khiển động cơ L298N và động cơ DC) và khối nguồn (pin li-ion cùng mạch sạc). Tín hiệu lực từ loadcell và tín hiệu góc từ biến trở được truyền về ESP32 để xử lý; dựa trên các giá trị này, ESP32 ra lệnh điều khiển L298N để vận hành động cơ DC, tạo ra chuyển động hỗ trợ cho cánh tay. Toàn bộ hệ thống được cấp nguồn độc lập từ khối pin, cho phép thiết bị hoạt động di động mà không phụ thuộc vào nguồn điện lưới cố định.

Hình 2 : Sơ đồ khối của hệ thống

3. THUẬT TOÁN ĐÁP NHẬN LỰC

3.1 Mô hình toán học của cảm biến

Phương trình (1) : Chuyển đổi lực

$\text{F(t)=}\frac{R\left(t\right)-Ro}{C}$

Trong đó Rt là giá trị đọc thô từ bộ khuếch đại HX711, R0 là giá trị đọc khi không có tải (giá trị hiệu chỉnh 0/tare), và C là hệ số hiệu chuẩn xác định bằng thực nghiệm (đơn vị: giá trị đọc trên mỗi đơn vị lực). Việc trừ đi  R0 giúp loại bỏ sai số lệch điểm 0 của cảm biến trước khi quy đổi ra lực tác động thực tế của người dùng.

Phương trình (2) : Góc khớp

$\theta \left(t\right)={30}^{\circ }+{150}^{\circ }\times \frac{\left(ADC\right(t)-AD{C_3}_0)}{(AD{C_1}_{80}-AD{C}_{30})}$

Biến trở volume đo vị trí khớp dưới dạng giá trị ADC. Phương trình ánh xạ tuyến tính giá trị ADC đã hiệu chuẩn (ADC30 tại 30∘, ADC180 tại 180∘) sang góc khuỷu tay thực tế trong phạm vi hoạt động 30∘–180∘, cung cấp tín hiệu phản hồi góc cho bộ điều khiển.

3.2 Mô hình cơ học của hệ thống

Phương trình (3) : Động lực học khớp

Phương trình mô tả động lực học quay của khớp khuỷu tay, trong đó mô-men quán tính (J), hệ số cản (B) và mô-men trọng lực (mgrcosθ, với r là khoảng cách từ khớp đến trọng tâm cánh tay) được cân bằng bởi mô-men động cơ τm. Đây là mô hình đối tượng điều khiển (plant model), giả định θ được đo từ phương ngang.

Phương trình (4) : Mô-men động cơ

${\tau }_m=K_t.I$

Động cơ DC tạo ra mô-men tỉ lệ với dòng điện phần ứng thông qua hằng số mô-men Kt. Hộp số giảm tốc tích hợp sẵn bên trong động cơ (200RPM, 12V) khuếch đại mô-men này trước khi truyền tới khớp khuỷu tay.

3.3 Ánh xạ lực sang góc mục tiêu

Phương trình (5) : Góc mục tiêu

${\theta }_d\left(t\right)={\theta }_{min}+({\theta }_{max}-{\theta }_{min})\times min[\frac{F\left(t\right)}{F_{ref}},1]$

Để bộ điều khiển vị trí có giá trị tham chiếu, lực đo được từ người dùng được ánh xạ tuyến tính thành góc mục tiêu θdt: lực càng lớn, góc mục tiêu càng gần giới hạn tối đa. θmin=30∘ và θmax=180∘ là hai đầu phạm vi hoạt động an toàn của cánh tay, còn Fref là lực tham chiếu (xác định bằng thực nghiệm) tương ứng với góc mục tiêu tối đa. Hàm min⋅,1 đảm bảo θdt không bao giờ vượt quá 180∘, phù hợp với yêu cầu an toàn đã đặt ra ở phần II.

3.4 Bộ điều khiển PID đề xuất

Phương trình (6) : Sai số vị trí

$e\left(t\right)={\theta }_d\left(t\right)-\theta \left(t\right)$

Bộ điều khiển liên tục so sánh góc mục tiêu (xác định từ Phương trình 5) với góc đo được để tạo ra tín hiệu sai số, làm đầu vào cho thuật toán điều khiển.

Phương trình (7) : Thành phần tỉ lệ

$p\left(t\right) = K_p.e\left(t\right)$

Thành phần tỉ lệ tạo ra tác động điều chỉnh tức thời, tỉ lệ với sai số vị trí hiện tại.

Phương trình (8) : Thành phần tích phân

$I_t = K_i\int e\left(t\right)dt$

Thành phần tích phân cộng dồn sai số theo thời gian nhằm triệt tiêu sai lệch trạng thái ổn định gây ra bởi tải trọng hoặc ma sát.

Phương trình (9) : Thành phần vi phân

$D\left(t\right)=K_d\frac{de\left(t\right)}{dt}$

Thành phần vi phân dự đoán xu hướng biến thiên của sai số, giúp tăng khả năng giảm chấn và hạn chế vọt lố (overshoot).

Phương trình (10) : PID liên tục

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\int e\left(t\right)\hspace{0.17em}dt+K_d\frac{de\left(t\right)}{dt}$ 

Ba thành phần điều khiển được kết hợp để tạo ra tín hiệu điều khiển tổng, áp dụng cho bộ điều khiển động cơ.

Phương trình (11) : PID rời rạc

$u_k=K_p{e}_k+K_i\sum _{i=1}^k{e}_i\Delta t+K_d\frac{e_k-e_{k-1}}{\Delta t}$

Dạng rời rạc này phù hợp để triển khai trên ESP32, nơi các phép tính được thực hiện theo chu kỳ lấy mẫu Δt cố định.

Phương trình (12) : Bão hòa PWM

$PWM=max(0, min(255, u) )$ 

Tín hiệu điều khiển đầu ra được giới hạn trong phạm vi PWM 8-bit (0–255) khả dụng của ESP32 trước khi gửi tới bộ điều khiển động cơ L298N, tránh phát sinh lệnh điều khiển không hợp lệ.

Tóm tắt logic điều khiển đề xuất

Thuật toán điều khiển theo ngưỡng lực mô tả ở mục 3.5 đã được lập trình và triển khai thành công trên thiết bị thực tế, hoạt động ổn định qua các lần thử nghiệm: cánh tay tự động nâng/hạ theo lực tác động của người dùng và dừng đúng giới hạn an toàn. Nhằm cải thiện thêm độ mượt và độ chính xác của chuyển động, nhóm đề xuất bổ sung một bộ điều khiển PID (Phương trình 5–12) như một hướng phát triển tiếp theo (bộ điều khiển này hiện mới ở mức đề xuất trên lý thuyết, chưa được lập trình và kiểm thử trên phần cứng). Cảm biến lực cung cấp thông tin về ý định vận động của người dùng và được ánh xạ thành một góc mục tiêu; biến trở cung cấp phản hồi góc khớp liên tục. Sai số giữa góc mục tiêu và góc đo được sẽ được xử lý qua ba thành phần tỉ lệ, tích phân và vi phân để tạo ra tín hiệu điều khiển, sau đó được chuyển đổi thành lệnh PWM cho động cơ DC, cho phép hỗ trợ chuyển động mượt mà trong toàn bộ phạm vi hoạt động 30°–180°.

3.5 Mô tả lưu đồ thuật toán

Thuật toán điều khiển được thực hiện tuần hoàn theo chu kỳ lấy mẫu Δt trên ESP32, gồm các bước chính sau. Quá trình này được minh họa dưới dạng sơ đồ thuật toán trong Hình 3.

Bắt đầu chu kỳ điều khiển.
Đọc giá trị thô từ HX711, tính lực F(t) theo Phương trình (1).
Đọc giá trị ADC từ biến trở, tính góc hiện tại θ(t) theo Phương trình (2).
Kiểm tra an toàn: nếu θ(t) đã đạt giới hạn tối đa (180°), dừng động cơ và quay lại bước 1.
Tính góc mục tiêu θ_d(t) từ lực F(t) theo Phương trình (5).
Tính sai số vị trí e(t) = θ_d(t) - θ(t) theo Phương trình (6).
Tính ba thành phần P, I, D theo Phương trình (7)-(9).
Tổng hợp tín hiệu điều khiển u(t) theo Phương trình (10)/(11).
Giới hạn tín hiệu về phạm vi PWM hợp lệ theo Phương trình (12).
Xuất tín hiệu PWM tới L298N để vận hành động cơ DC.
Chờ hết chu kỳ Δt, quay lại bước 1.
Nhánh kiểm tra an toàn ở bước 4 đảm bảo cánh tay không bao giờ vượt quá phạm vi vận động 30°–180° đã đặt ra, hoạt động độc lập với kết quả tính toán PID.

Hình 3 : Lưu đồ thuật toán của hệ thống

4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

4.1 Quy trình đánh giá
Quy trình thực nghiệm được thực hiện theo các bước sau:

Hiệu chuẩn biến trở volume và loadcell trước khi tiến hành đo.
Kiểm thử tại sáu góc mục tiêu: 30°, 60°, 90°, 120°, 150° và 180°.
Thực hiện 10 lần lặp tại ba mức tải trọng: 0 kg, 5 kg và 10 kg.
Ghi nhận góc mục tiêu, góc đo được, lực đo được, thời gian đáp ứng, độ vọt lố và thời gian xác lập cho mỗi lần đo.
Tính toán các tiêu chí đánh giá theo mục 4.2 và so sánh hiệu năng giữa các mức tải khác nhau.
4.2 Tiêu chí đánh giá
Sai số vị trí

e=θd-θ

Chênh lệch tức thời giữa góc mục tiêu θd và góc đo được θ.

Sai số tuyệt đối trung bình (MAE)

$MAE=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^N|{\theta }_{d,i}-{\theta }_i|$

Trung bình trị tuyệt đối của sai số trên N lần đo, phản ánh độ chính xác tổng thể của hệ thống bám góc.

Sai số phần trăm

$E\left(\%\right)=\frac{|{\theta }_d-\theta |}{{\theta }_d}\times 100$

Sai số vị trí quy đổi theo phần trăm của góc mục tiêu, thuận tiện cho việc so sánh giữa các mức góc khác nhau.

Độ vọt lố (Overshoot)

$M_p=\frac{({\theta }_{max}-{\theta }_d}{{\theta }_d})\times 100\%$

Trong đó θmax là giá trị góc lớn nhất đạt được trong quá trình quá độ. Độ vọt lố thể hiện mức độ vượt quá góc mục tiêu trước khi ổn định.

Thời gian đáp ứng

$t_r=t_{motor}-t_{force}$

Khoảng thời gian từ lúc phát hiện lực tác động (tforce) đến lúc động cơ bắt đầu chuyển động (tmotor).

Thời gian xác lập

$T_s=min\left\{t:\right.\left|\theta \right(\tau )-{\theta }_d|\le \epsilon ,\forall \tau \ge \left.t\right\}$

Thời điểm sớm nhất mà kể từ đó góc đo được luôn nằm trong ngưỡng sai số cho phép ε (thường lấy bằng 2% của θd) so với góc mục tiêu và duy trì ổn định.

Độ lệch chuẩn

$\sigma =\sqrt{\frac{\sum _{i=1}^N(x_i-x‾{)}^2}{N-1}}$

Đo mức độ phân tán của kết quả đo quanh giá trị trung bình x, dùng để đánh giá độ lặp lại (repeatability) của hệ thống.

4.3 Kết quả thực nghiệm

Trước khi tiến hành đo đạc định lượng, thiết bị đã được kiểm tra chức năng trên phần cứng thực và hoạt động đúng như thiết kế: cánh tay phản hồi với lực tác động, di chuyển nâng/hạ tương ứng và dừng chính xác tại giới hạn góc an toàn. Ba bảng số liệu dưới đây, dùng để đánh giá chi tiết độ chính xác và đáp ứng động học, hiện là giá trị mục tiêu minh họa (target/illustrative), chưa phải số liệu đo thực tế, và cần được thay thế bằng dữ liệu thực đo trước khi hoàn thiện báo cáo hoặc nộp bài dự thi.

Bảng 1: Độ chính xác bám góc

Bảng 2: Độ chính xác cảm biến lực

Bảng 3: Đáp ứng động học

4.4 Giải thích kết quả

Kết quả ở Bảng 1 cho thấy sai số bám góc dao động trong khoảng 2.2%-2.5% trên toàn bộ dải hoạt động 30°-180°, nằm trong mục tiêu đề ra (2-3%) và không có xu hướng tăng rõ rệt theo góc, cho thấy phép ánh xạ ADC–góc ở Phương trình (2) hiệu chuẩn tương đối đồng đều trên toàn dải đo.

Ở Bảng 2, sai số đo lực dao động 3.0%-4.0%, nằm trong mục tiêu đề ra (2-5%). Sai số có xu hướng ổn định quanh 4% ở hầu hết các mức tải, cho thấy hệ số hiệu chuẩn C trong Phương trình (1) phù hợp trên toàn dải tải trọng thử nghiệm, dù vẫn cần hiệu chuẩn lại định kỳ để bù trôi điểm 0 của loadcell.

Bảng 3 cho thấy thời gian đáp ứng tăng dần theo góc mục tiêu (0.22s ở 30° đến 0.46s ở 180°), phù hợp với dự kiến vì quãng đường góc cần di chuyển lớn hơn. Toàn bộ giá trị vẫn nằm trong khoảng mục tiêu 0.2–0.5s. Độ vọt lố tăng theo góc nhưng luôn dưới ngưỡng 5% đề ra, cho thấy bộ điều khiển (Phương trình 6-12) duy trì được tính ổn định mà không cần điều chỉnh thêm hệ số Kp,Ki,Kd. Độ lặp lại dưới 2% ở cả ba mức góc khảo sát cho thấy hệ thống cho kết quả nhất quán giữa các lần đo lặp lại, đạt yêu cầu độ tin cậy đặt ra ban đầu.

Nhìn chung, các chỉ số thực nghiệm minh họa đều nằm trong phạm vi mục tiêu đã đề ra ở đầu mục 4.1, cho thấy thiết kế cơ khí và thuật toán điều khiển đề xuất ở phần 2 và phần 3 là khả thi để triển khai thực tế. Khi có số liệu đo thực, nhóm cần thực hiện lại toàn bộ quy trình phân tích này với dữ liệu thật để đưa ra kết luận chính thức.

4.5 Hình ảnh thực tế

Hình 4 thể hiện sản phẩm thực tế sau khi chế tạo và lắp ráp, khớp với bản thiết kế 3D đã trình bày ở Hình 1. Khung thiết bị kết hợp thanh nhôm định hình và các chi tiết in 3D bằng nhựa, với cụm bánh răng giảm tốc, động cơ DC và biến trở được bố trí tại khớp khuỷu tay; hộp điều khiển chứa vi điều khiển và mạch driver được cố định trên thanh nhôm phía bắp tay. Ba vị trí đai nẹp (bắp tay, gần khớp khuỷu và cẳng tay) sử dụng dây đai khóa dán, giúp cố định thiết bị chắc chắn mà vẫn dễ tháo lắp. Ảnh đeo thử trên tay người dùng cho thấy trục quay của khớp cơ khí trùng với khớp khuỷu tay thực tế, đảm bảo cơ cấu vận động đồng trục với khớp sinh học. Sau khi lắp ráp, thiết bị đã được thử nghiệm và vận hành thành công trên người dùng thực tế, xác nhận cơ cấu cơ khí hoạt động đúng như thiết kế.

Hình 4 : Hình ảnh thực tế của thiết bị

5. KẾT LUẬN

Đề tài đã hoàn thành thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thực tế một cánh tay hỗ trợ vận động cho bệnh nhân bại não. Sản phẩm là thiết bị vật lý hoàn chỉnh, đã được lắp ráp, đeo thử trên tay người dùng và vận hành thành công: cảm biến lực (loadcell + HX711) phát hiện lực tác động, bộ điều khiển ngưỡng lực trên ESP32 điều khiển động cơ DC qua driver L298N để nâng/hạ cánh tay tương ứng, và biến trở giới hạn góc quay đảm bảo thiết bị dừng đúng phạm vi an toàn. Đây là kết quả chức năng đã được kiểm chứng trên phần cứng thực, không chỉ dừng ở mức thiết kế lý thuyết.

Bên cạnh cơ chế ngưỡng lực đã hoạt động, nhóm đề xuất bổ sung bộ điều khiển PID nhằm cải thiện độ mượt và độ chính xác chuyển động mặc dù đây là hướng cải tiến trên lý thuyết, chưa được lập trình và kiểm thử trên thiết bị thực. Tương tự, các chỉ số định lượng ở mục 4 (sai số bám góc, thời gian đáp ứng...) hiện là giá trị mục tiêu minh họa, cần được đo đạc và thay bằng số liệu thật ở giai đoạn tiếp theo.

Hướng phát triển tiếp theo gồm: đo đạc, đánh giá định lượng trên sản phẩm thật; lập trình và kiểm thử bộ điều khiển PID; cải tiến thiết kế cơ khí và hệ thống tiếp nhận lực; tích hợp sạc pin năng lượng mặt trời; và tiếp tục hoàn thiện để hướng tới ứng dụng thực tế.

Tài liệu tham khảo

[1] Rosenbaum, P., Paneth, N., Leviton, A., Goldstein, M., & Bax, M. (2007). A report: The definition and classification of cerebral palsy April 2006. Developmental Medicine & Child Neurology, 49(s109), 8–14. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17370477/
[2] Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Cerebral Palsy (CP): Facts and Information. https://www.cdc.gov/cerebral-palsy/about/index.html
[3] World Health Organization (WHO). (2006). Neurological disorders: Public health challenges. https://www.who.int/publications-detail-redirect/9789241563369
[4] Novak, I., McIntyre, S., Morgan, C., et al. (2013). A systematic review of interventions for children with cerebral palsy: state of the evidence. Developmental Medicine & Child Neurology, 55(10), 885–910. https://doi.org/10.1111/dmcn.12246
[5] Reinkensmeyer, D. J., & Boninger, M. L. (2012). Technologies and combination therapies for enhancing movement training for people with a disability. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 9(17). https://doi.org/10.1186/1743-0003-9-17
[6] Espressif Systems. ESP32 Technical Reference Manual. https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_technical_reference_manual_en.pdf
[7] Avia Semiconductor. HX711 Load Cell Amplifier Datasheet. https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/ForceFlex/hx711_english.pdf