Hệ Thống Chân Robot Trợ Lực Giúp Người Liệt đi Lại Bình Thường

ThS. Phạm Xuân Hiển và các sinh viên Nguyễn Minh Quân, Phan Xuân Tiều, khoa vật lý - vật lý kỹ thuật, Trường đại học khoa học tự nhiên TP.HCM đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo hệ thống chân robot trợ lực, giúp người bị khuyết tật phần chân có thể thoát khỏi tình trạng ngồi mãi trên xe lăn. Bây giờ, họ có thể ... bước đi như người bình thường! Giá của hệ thống chân robot khoảng 2 - 3 triệu đồng.

Không nỡ nhìn người khuyết tật chỉ biết ngồi

Khi vào bệnh viện, ThS.Phạm Xuân Hiển thấy một người bị liệt đôi chân, lâu ngày bị lở loét phải đi nằm viện để điều trị, anh nghĩ ngay đến việc chế tạo một cái gì đó để giúp những người như vậy thoát khỏi cảnh ngồi mãi đến cuối cuộc đời. Để đỡ trọng lượng cơ thể, chỉ có cách dùng những thanh sắt chắc chắn, ý tưởng chế tạo chân robot nảy sinh trong đầu ThS.Phạm Xuân Hiển ngay khi anh trở về nhà. Vấn đề khó khăn đầu tiên là kinh phí để nghiên cứu, khi trình bày, không ai tin có thể làm được việc này nên các nhà tài trợ đều lắc đầu.  Không nỡ bỏ, anh quyết định tự lấy tiền của mình, cùng các sinh viên chế tạo hệ thống chân robot trợ lực.

Anh giải thích ý tưởng của mình: “Hệ thống chân robot trợ lực gồm các khớp nối, động cơ được thiết kế ăn khớp với nhau. Tất cả được điều khiển bằng vi xử lý, nhằm thực hiện các cử động của các chi. Hệ thống không làm việc độc lập mà được “mặc” vào người, hoạt động như một bộ phận cơ thể, nó và người mang là một khối đồng nhất”. Robot chân đòi hỏi phải có độ cứng cao, để có thể chịu được tải trọng trung bình của một cơ thể con người là 60 – 80 kg, phải được gắn chặt với cơ thể, là đùi và bắp chân. Vấn đề khó khăn là dáng vóc tùy theo mỗi người sẽ có sự khác nhau, vì vậy, để phù hợp với tất cả, hệ thống cần có turnbuckle (tăng đơ). Vì là một hệ thống trợ lực cho cơ thể nên nó không thể quá gồ gề, quá khổ. Ngoài ra, người liệt chi dưới đã mất khả năng giữ thằng bằng bằng đôi chân, nên cần phải có khung vịn”.

Robot sử dụng Arduino, là một bảng mạch điều khiển được chế tạo để làm các ứng dụng về tương tác với các thiết bị ngoại vi và môi trường bên ngoài. Phần cứng bao gồm một bảng mạch mã nguồn mở được thiết kế dựa trên vi điều khiển Atmel AVR. Mẫu Arduino hiện tại sử dụng giao tiếp USB 6 cổng vào và 14 chân I/O, cho phép người dùng gắn thêm các bảng mạch ngoại vi. Ra mắt vào năm 2005, nền tảng Arduino được thiết kế để cung cấp một giải pháp rẻ tiền cho các học sinh, sinh viên hoặc người yêu điện tử tạo ra những thiết bị có thể tương tác với môi trường nhờ những cảm biến và động cơ. Những ví dụ phổ biến cho người mới bắt đầu là những robot đơn giản, cảm biến nhiệt và chuyển động. Arduino có sẵn IDE chạy được trên các máy tính cá nhân, cho phép người dùng viết chương trình bằng ngôn ngữ C hoặc C++.

Năn nỉ người khuyết tật ... dùng thử!

Sau nhiều tháng miệt mài ăn, ngủ trong xưởng chế tạo ngay tại nhà, ThS. Phạm Xuân Hiển và các sinh viên của mình đã chế tạo thành công hệ thống chân robot trợ lực, mọi người mặc vào dùng thử thì thấy tốt! Nhưng vấn đề là người khuyết tật có sử dụng được không? Liên hệ nhiều nơi, cuối cùng thì cũng có một người đồng ý thử nghiệm, cả nhóm mừng quá, vội đem máy đến, sợ họ ... đổi ý! Thuyết phục được người khuyết tật chịu tham gia nghiên cứu rất khó khăn, bởi họ là những người đã chịu nhiều đau khổ, buồn phiền, không muốn có rủi ro nào nữa.

Người thử nghiệm là một phụ nữ ở Q.10, TP.HCM, bị khuyết tật chân. Sau khi được “mặc” các thiết bị, robot đã giúp chị đứng lên và đi từng bước trước sự vui mừng vỡ òa của người thân. Sự thành công này đã tạo động lực rất lớn cho nhóm nghiên cứu tiếp tục cải tiến sản phẩm “thần kỳ” của mình ngày càng hoàn hảo và đẹp hơn.

ThS.Phạm Xuân Hiển cho biết, mạch điều khiển nhận tín hiệu từ bảng giao tiếp rồi gửi tín hiệu điều khiển động cơ, làm cho các khớp chuyển động. Có bốn nút để thực hiện các chuyển động: đi, đứng, ngồi và dừng khẩn cấp. Nút đi dùng để thực hiện chế độ đi, đầu tiên chân trái nhấc lên, gối trái co vào sau đó cả hai giãn ra từ từ, tạo thành một bước đi, sau đó, chân phải tiếp tục chuyển động tương tự. Khi kích hoạt chế độ ngồi, cả hai gối và khớp hông đều co lại trong một khoảng thời gian nhất định. Nút đứng dùng để kích hoạt chế độ đứng, từ tư thế ngồi, hai động cơ hông sẽ co lại, đẩy trọng tâm cơ thể tới trước, sau đó hai động cơ gối dãn ra để đẩy cơ thể đứng dậy. Hệ thống còn có nút để dừng khẩn cấp, khi đó tất cả các động cơ sẽ dừng hoạt động. Ngoài ra, khi chân dãn, người dùng tạo thành thế đứng hoàn chính, các công tắc hành trình sẽ được kích hoạt, gửi tín hiệu đến mạch điều khiển để dừng các động cơ.

Hệ thống nhỏ gọn, dễ dàng để nâng cấp và sửa chữa. Pin có thể hoạt động liên tục trên 4 giờ. Trong chế độ đi bộ, có thể đạt vận tốc 3 km/h. Nó được kết nối chắc chắn vào cơ thể của người sử dụng. Các dây nẹp chủ yếu ở đùi và ống chân. Kích thước hệ thống có thể điều chỉnh (kích thước ban đầu là 20 cm chiều dài, 35cm chiều rộng và 110cm chiều cao có thể điều chỉnh thành 25cm chiều dài, 37cm chiều dài và chiều cao 120cm), cứng và vững chắc, chịu được trọng lượng của một người trong khoảng từ 60 kg đến 80 kg. Hệ thống điều khiển chính xác, sử dụng các vi điều khiển thông dụng, đáng tin cậy hiện nay (Atmega, PIC...). Công suất ổn định, sử dụng PWM kiểm soát công suất động cơ. Tầng công suất và tầng điều khiển được cách ly, bảo vệ an toàn cho người sử dụng. ThS. Phạm Xuân Hiển cho biết, nếu chế tạo thủ công từng hệ thống, giá của nó khoảng 4 -5 triệu đồng, nhưng nếu sản xuất quy mô nhiều thì giá thành khoảng 2 -3 triệu đồng. Anh cũng rất muốn các doanh nghiệp cùng phối hợp để phát triển sản phẩm này, mục đích nhằm phục vụ cho người khuyết tật. Nếu được thương mại hóa và có nhà tài trợ, anh sẽ bố trí thêm cảm biến ở chân, hông và lập trình hệ thống lại để có thể giúp người mặc có thể leo cầu thang, xuống cầu thang; thay thế động cơ DC thành động cơ sevor để hệ thống hoạt động mượt, trơn tru hơn; thay limit switch bằng các cảm biến sóng não, cảm biến điện cơ… để có kết quả xử lý tốt nhất. Ngoài ra, anh sẽ thay thế  ắc quy bằng pin lipo và gắn lên hệ thống chân robot để cho mô hình gọn gàng và đẹp.

Nguồn: Khoa học phổ thông