Nghiên cứu và chế tạo thiết bị đa năng hỗ trợ y tế và khu vực cách ly trong phòng chống dịch COVID 19

Tính cấp thiết của đề tài

Năm 2020 đánh dấu một thời điểm lịch sử quan trọng khi toàn cầu phải đối mặt với đại dịch COVID-19, được coi là thảm họa lớn nhất của nhân loại kể từ sau chiến tranh thế giới thứ hai.

Từ các nước đang phát triển đến những quốc gia phát triển nhất, tất cả đang nỗ lực ngăn chặn đại dịch bằng cách huy động mọi tiềm lực kinh tế, quốc phòng và y tế, cùng với sự tham gia của cộng đồng, đặc biệt là trong nghiên cứu khoa học Cuộc chạy đua công nghệ nhằm phát triển các sản phẩm tự động hóa hiệu quả cho công tác phòng chống và chữa trị bệnh dịch đang trở thành ưu tiên hàng đầu Để đáp ứng nhu cầu này, cần thiết phải có các thiết bị điều khiển tự động hiện đại với tốc độ xử lý cao, đảm bảo an toàn cho bệnh nhân và nhân viên y tế, đồng thời giảm thiểu nguy cơ lây lan Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các sản phẩm có khả năng điều khiển từ xa và giao tiếp tự động giữa máy móc và người bệnh đang được chú trọng Vi điều khiển với khả năng tự động hóa cao, tốc độ xử lý nhanh và độ chính xác lớn, cùng với công nghệ điều khiển từ xa, giúp hỗ trợ con người và hạn chế tiếp xúc giữa bệnh nhân và nhân viên y tế, từ đó giảm thiểu sự lây lan của dịch bệnh.

Với kiến thức về vi điều khiển và các ngôn ngữ lập trình từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, chúng em đã thiết kế xe điều khiển từ xa cho bệnh nhân Xe này hỗ trợ vận chuyển thức ăn, nước uống, thuốc men và các nhu yếu phẩm cần thiết, đồng thời hướng dẫn bệnh nhân lấy những đồ vật này trong khu cách ly tập trung Dự án không chỉ ứng dụng kiến thức học được mà còn góp phần nhỏ vào việc đẩy lùi đại dịch.

Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu đặc điểm, ứng dụng của robot tham gia vận chuyển thức ăn, nhu yếu phẩm phục vụ khu cách ly

- Thiết kế được phần cứng và hệ thống điều khiển robot bằng module Arduino UNO R3

- Chế tạo thành công mô hình xe điều khiển từ xa cung cấp cấp thức ăn, nước uống, thuốc men, nhu yếu phẩm cần thiết cho khu cách ly

- Thiết kế chương trình nhận diện khuôn mặt nhằm phục vụ việc hướng dẫn bệnh nhân lấy nhu yếu phẩm từ xe.

Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nội dung đề tài nghiên cứu, em tiến hành phương pháp nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu lý thuyết về vi điều khiển

- Nghiên cứu về ngôn ngữ lập trình Arduino

- Nghiên cứu phần mềm lập trình và mô phỏng trên máy tính

- Tìm ra phương pháp lập trình đơn giản, dễ sử dụng, hiệu quả

 Kế thừa công trình nghiên cứu của các thế hệ trước về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình và mô phỏng

 Kế thừa các nghiên cứu có trong thực tiễn

- Thiết kế mô hình sản phẩm

- Sử dụng các phần mềm lập trình và điều khiển thiết bị từ xa

- Viết chương trình cho Arduino UNO R3 bằng ngôn ngữ lập trình arduino

- Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi và từ đó hoàn thiện hệ thống.

Nội dung chính của đề tài

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế và chế tạo mô hình

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1: Tổng quan về các thiết bị tự động hỗ trợ con người trong khu cách ly

Thiết bị tự động hỗ trợ tại Việt Nam

Hình 2.1 Robot vận chuyển trong khu cách ly ở trung tâm y tế Bình Sơn

Robot vận chuyển, mặc dù trông giống như xe đẩy bệnh viện, nhưng được trang bị động cơ, bình ắc quy và camera, cho phép hoạt động hiệu quả trong không gian chật hẹp Với chi phí chế tạo chỉ khoảng 6 triệu đồng, thiết bị này có khả năng mang tải trọng tối đa 150kg Đặc biệt, robot còn tích hợp camera với tính năng ra lệnh bằng giọng nói, kết nối với smartphone, giúp theo dõi quá trình vận hành và tạo điều kiện giao tiếp giữa nhân viên y tế và người trong khu vực cách ly mà không cần tiếp xúc gần.

Robot khử khuẩn do Bệnh viện Quân dân y miền Đông nghiên cứu và chế tạo có khả năng hoạt động thông qua hai phương thức điều khiển: từ xa qua internet hoặc bằng tay cầm với khoảng cách 200-300 m Robot này được trang bị các tính năng hiện đại như phun thuốc khử khuẩn, lau khô sàn nhà và tự khử khuẩn trước khi rời khỏi phòng cách ly, góp phần nâng cao hiệu quả trong công tác phòng chống dịch bệnh.

Hình 2.3 Robot khử khuẩn bằng tia UV

Robot nặng 55kg, cao 1,5m, dài 0,45m, rộng 0,4m, có khả năng hoạt động liên tục hơn 2,5 giờ

Robot diệt khuẩn được thiết kế với công suất lên đến 500W, có khả năng tiêu diệt 99% vi khuẩn trong vòng 30 giây, với bán kính hoạt động từ 1-2,5m tùy thuộc vào loại vi sinh vật Sản phẩm này được nghiên cứu và chế tạo bởi Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật (Đại học Đà Nẵng) và sử dụng hệ thống đèn UV phát ra tia cực tím loại C với bước sóng phù hợp.

Công nghệ 250 nanomet hiệu quả trong việc tiêu diệt vi khuẩn, virus, nấm mốc và các mầm bệnh khác, bao gồm cả “siêu vi khuẩn” kháng thuốc, nhờ khả năng phá hủy ADN của chúng Điều này giúp làm sạch không khí và bề mặt tiếp xúc, mang lại môi trường an toàn hơn.

So với việc sử dụng hóa chất để diệt khuẩn, tia UV có khả năng tiêu diệt mầm bệnh trong không khí và trên các bề mặt khó khử trùng như thiết bị điện tử và y tế Phương pháp này không chỉ tiết kiệm chi phí khử trùng mà còn giảm thiểu việc sử dụng hóa chất, mang lại hiệu quả cao hơn trong việc bảo vệ sức khỏe.

Một số thiết bị phục vụ trong khu cách ly trên thế giới

Hình 2.4 Robot sàng lọc sốt hỗ trợ phát hiện Covid 19 của Bỉ

Bệnh viện Đại học Antwerp tại Bỉ đã triển khai một loại robot đa ngôn ngữ, hỗ trợ phát hiện COVID-19, nhằm giảm thiểu số lượng người tham gia trực tiếp trong quá trình khám và xét nghiệm bệnh nhân.

Tại Bệnh viện Đại học Antwerp, bệnh nhân sẽ nhận được mã QR để quét vào robot Cruzr Health ở cửa ra vào Robot này sẽ kiểm tra việc đeo khẩu trang của họ, nhắc nhở nếu khẩu trang không đúng quy định, như hở miệng hoặc hở mũi.

Cruzr Health thực hiện việc đo thân nhiệt để sàng lọc sốt cho bệnh nhân Nếu nhiệt độ cơ thể bình thường, robot sẽ hiển thị đèn xanh, cho phép bệnh nhân tiếp tục các thủ tục Ngược lại, nếu phát hiện sốt, robot sẽ phát tín hiệu đỏ và đội phản ứng nhanh của bệnh viện sẽ được huy động để xử lý tình huống.

Hình 2.5 Robot khử trùng dùng công nghệ 5G

SK Telecom Co, nhà mạng viễn thông hàng đầu Hàn Quốc, đã phát triển robot khử trùng sử dụng công nghệ 5G đầu tiên trên thế giới Sáng chế này nhằm hỗ trợ các cơ sở y tế trong việc ứng phó với sự lây lan của dịch COVID-19.

Nhà mạng viễn thông đã hợp tác với bệnh viện Yongin Severance để triển khai robot sử dụng hệ thống định vị thời gian thực qua mạng 5G Robot này có khả năng tự di chuyển trong bệnh viện, theo dõi nhiệt độ của bệnh nhân và phát hiện việc đeo khẩu trang của mọi người.

Robot này cũng được trang bị hệ thống khử trùng bằng tia cực tím để loại bỏ vi khuẩn và vi trùng xung quanh bệnh viện

SK Telecom cho biết robot này có thể phát hiện vị trí của những bệnh nhân

"mất tích" thông qua hệ thống định vị thời gian thực và phân tích mật độ bệnh nhân trong bệnh viện.

Arduino Uno R3

Arduino UNO là bảng mạch vi điều khiển nguồn mở sử dụng vi điều khiển Microchip ATmega328, phát triển bởi Arduino.cc Nó có các chân đầu vào/đầu ra Digital và Analog, cho phép giao tiếp với nhiều bảng mạch mở rộng khác nhau.

Chip điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào(khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V

Số chân Digital 14 (of which 6 provide PWM output)

Dòng điện DC trên mỗi chân I/O 20 mA

Dòng điện DC trên chân 3.3V 50 mA

Flash Memory 32 KB (ATmega328P) of which 0.5 KB used by bootloader

Tốc độ thạch anh 16 MHz

2.2.1 Nguồn cung cấp của arduino uno R3

LED được tích hợp trên bảng mạch và kết nối với chân D13 Khi chân D13 có giá trị mức cao (HIGH), LED sẽ phát sáng, trong khi đó LED sẽ tắt khi chân ở mức thấp (LOW).

 VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC).

 5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).

 3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA).

 GND: Là chân mang điện cực âm trên board.

Chân IOREF trên Arduino UNO thể hiện điện áp hoạt động của vi điều khiển và cho phép đọc điện áp tại chân này Tuy nhiên, IOREF không được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị khác.

Hình 2.6 Nguồn cung cấp của Arduino UNO R3

2.2.2 Bộ nhớ của Arduino UNO R3

 32 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB.

SRAM (Static Random Access Memory) có dung lượng 2 KB, nơi lưu trữ giá trị của các biến được khai báo Số lượng biến khai báo càng nhiều thì càng tiêu tốn nhiều bộ nhớ RAM Tuy nhiên, khi mất nguồn, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.

 1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only

Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi mất nguồn.

2.2.3 Các chân đầu vào đầu ra của Arduino UNO R3

Board Arduino UNO R3 có 14 chân Digital cho phép sử dụng làm đầu vào và đầu ra, thông qua các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() Mỗi chân cung cấp điện áp 5V và dòng tối đa là 20mA, với điện trở kéo lên trong khoảng 20-50 ohm Để bảo vệ board mạch, dòng tối đa trên mỗi chân I/O không được vượt quá 40mA.

Ngoài ra, một số chân Digital có chức năng đặt biệt:

 Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Được sử dụng để nhận dữ liệu (RX) và truyền dữ liệu

 PWM: 3, 5, 6, 9 và 11 Cung cấp đầu ra xung PWM với độ phân giải 8 bit bằng hàm analogWrite ().

 SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Các chân này hỗ trợ giao tiếp

SPI bằng thư viện SPI.

LED được tích hợp trên bảng mạch và kết nối với chân D13 Khi chân D13 có giá trị mức cao (HIGH), LED sẽ sáng, và nó sẽ tắt khi ở mức thấp (LOW).

 TWI/I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.

 Arduino UNO R3 có 6 chân Analog từ A0 đến A5, đầu vào cung cấp độ phân giải là 10 bit.

Hình 2.7 Các chân đầu vào đầu ra của Arduino UNO R3

2.4 Động cơ điện một chiều

2.4.1 Khái niệm động cơ điện một chiều Động cơ điện 1 chiều là động cơ có nguồn cấp điện 1 chiều hay còn gọi là dòng điện DC Động cơ điện 1 chiều có tên tiếng anh là “ Direct Current Motors”

Hình 2.11 Động cơ điện một chiều 24 VDC

2.4.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều

 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ 1 chiều có cấu tạo tương tự như các động cơ điện khác, bao gồm hai phần chính: Rotor (phần quay) và Stator (phần vỏ của động cơ).

Hình 2.12 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

- Stator : có kết cấu là nam châm vĩnh cửu, hoặc nam châm điện

- Rotor : cấu tạo trục có quấn các cuộn dây tạo thành nam châm điện

- Cổ góp (commutator) : tiếp xúc để truyền điện cho các cuộn dây trên rotor

- Số điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây quấn trên Rotor

- Chổi than (brushes) : tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, với stato thường là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện Rotor của động cơ bao gồm các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng của động cơ này là bộ phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ duy trì dòng điện liên tục trong quá trình quay của rotor.

2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.

Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện 1 chiều thành những dòng chính như sau:

- Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

- Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện 1 chiều kích từ song song

Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp được cấu tạo từ hai cuộn dây kích từ, trong đó một cuộn được nối tiếp với phần ứng và cuộn còn lại được mắc song song với phần ứng.

2.4.3 Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

- Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động

- Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt

- Tiết kiệm điện năng, bền bỉ, tuổi thọ lớn

Bộ phận cổ góp có cấu trúc phức tạp và giá thành cao, nhưng thường gặp vấn đề hư hỏng trong quá trình hoạt động Do đó, việc bảo dưỡng và sửa chữa cổ góp cần được thực hiện một cách cẩn thận và thường xuyên để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

- Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ

- Giá thành đắt mà công suất không cao

Một số các phương pháp vận hành robot điều khiển từ xa :

- Phương pháp xe bám line di chuyển tự động

- Điều khiển từ xa qua bluetooth

- Điều khiển từ xa qua sóng wifi

- Điều khiển xe qua bộ điều khiển cầm tay

- Điều khiển qua sóng vô tuyến

Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển robot từ xa:

Tên phương pháp Ưu điểm Nhược điểm

Không cần sự tham gia của con người trong thời gian vận hành xe

Xe chạy không ổn định do nhiễu của cảm biến, phụ thuộc ánh sáng và độ tương phản đường line và nền Điều khiển qua sóng

Dễ dàng sử dụng, điều khiển qua module tay cầm,điện thoại, chi phí thiết kế thấp

Khoảng cách từ người vận hành đến thiết bị ngắn Điều khiển qua sóng wifi

Dễ dàng điều khiển, khoảng cách điều khiển lớn hơn điều khiển bằng bluetooth

Chi phí thiết kế cao hơn điều khiển bằng bluetooth Điều khiển qua tay cầm điều khiển Ít bị nhiễu, tay cầm điều khiển sử dụng đơn giản

Chi phí cao, khoảng cách ngắn, có dây kết nối gây ảnh hưởng trong quá trình vận hành

 Từ những ưu nhược điểm nêu trên em chọn phương pháp điều khiển

Bluetooth kết nối điều khiển bằng điện thoại thông minh vì chi phí thấp và dễ sử dụng với mọi người

2.6 Nguồn cung cấp cho xe hoạt động

Hình 2.13 Hình ảnh bình ac quy 12V

2.7 Modul nghịch lưu 12VDC-220VAC

Hình 2.15 Modul nghịch lưu 12VDC-220VAC

 Tần số đầu ra: ~ 20KHz

 Dạng sóng đầu ra: Xung vuông.

2.8 Tay cầm điều khiển MC6C và bộ thu RX MC7RB

Phương pháp điều khiển