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

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



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

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

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


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

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

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

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.

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).

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

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


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: