Thiết bị được thiết kế để lưu trữ và phân phát đồng thời ba loại thuốc khác nhau thông qua một cơ cấu đĩa xoay được điều khiển bằng động cơ servo, kết hợp với một chốt chặn cơ học đảm bảo chỉ một viên thuốc được phân phát mỗi lần. Hệ thống cho phép người dùng thiết lập thời gian và liều lượng thông qua giao diện màn hình cảm ứng, đồng thời sử dụng còi báo để nhắc nhở tại thời điểm dùng thuốc. Được phát triển trên nền tảng hệ thống nhúng Arduino Mega 2560, hệ thống mẫu đạt độ chính xác trên 90% với chi phí sản xuất thấp. Kết quả thực nghiệm khẳng định rằng sự kết hợp giữa độ chính xác cơ học và hệ thống điện tử đơn giản có thể tạo ra một thiết bị phân phối thuốc đáng tin cậy, tiết kiệm chi phí và dễ bảo trì phù hợp với nhu cầu gia đình.
1. Mở đầu
Tuân thủ lịch trình dùng thuốc đường uống là một thách thức lớn, đặc biệt đối với người cao tuổi và người chăm sóc, do họ phải quản lý đa liều và các sai sót nhỏ có thể gây hậu quả nghiêm trọng. Mặc dù các thiết bị chia thuốc tự động có thể giảm nhẹ gánh nặng này, việc ứng dụng rộng rãi trong gia đình đòi hỏi sự cân bằng tối ưu giữa độ tin cậy, chi phí thấp, tính dễ sử dụng và khả năng bảo trì.
Việc phát triển các thiết bị chia thuốc tự động và tích hợp công nghệ IoT đã thu hút nhiều sự quan tâm trong những năm gần đây. Nasir và cộng sự [1] đã giới thiệu Smart Medical Box, một thiết bị có thể phân phát thuốc đồng thời giám sát các chỉ số sinh tồn như nhiệt độ, nồng độ oxy và nhịp tim. Hệ thống này sử dụng Raspberry Pi cùng mô-đun sinh trắc học và động cơ bước để kiểm soát các ngăn chứa thuốc.
Aung và cộng sự [2] phát triển một máy chia thuốc tự động dành cho hiệu thuốc, sử dụng Arduino Mega kết hợp các đĩa mô-đun dẫn động bằng servo và bộ xác nhận thanh toán bằng xu, giúp giảm thời gian chờ và tự động hóa quy trình bán thuốc. Tuy nhiên, thiết bị có kích thước lớn và cấu trúc phức tạp, phù hợp hơn với môi trường kiosk hơn là hộ gia đình.
Gargioni và cộng sự [3] đã phân tích các thiết kế máy chia thuốc từ góc nhìn lấy con người làm trung tâm, chỉ ra rằng nhiều sản phẩm hiện có tích hợp ứng dụng di động, nền tảng đám mây hoặc cảm biến xác minh, nhưng vẫn gặp vấn đề về chi phí cao, khó sử dụng đối với người cao tuổi và khó bảo trì. Karagiannis và cộng sự [4] cũng đề xuất một hộp thuốc IoMT tiết kiệm năng lượng có cảm biến môi trường và camera để theo dõi việc dùng thuốc từ xa, song cấu trúc phần cứng và phần mềm khá phức tạp.
Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã phát triển một thiết bị phân phối thuốc tập trung vào cách tiếp cận cơ học thay vì sử dụng các cảm biến phức tạp và đắt tiền. Cấu trúc cốt lõi bao gồm ba đĩa xoay độc lập, mỗi đĩa được thiết kế cho một loại thuốc riêng biệt. Mỗi bước xoay của đĩa sẽ phân phát chính xác một viên thuốc. Chốt chặn cơ học được tích hợp tại mỗi kênh nhằm ngăn chặn việc phân phối nhiều viên cùng lúc, đảm bảo độ chính xác. Thuốc sau đó được đưa vào một khay kéo ra được, đảm bảo vệ sinh.
Hệ thống cho phép người dùng cài đặt thời gian và liều lượng thông qua màn hình cảm ứng 3.5 inch và sử dụng còi báo để nhắc nhở. Việc lựa chọn cơ chế dựa hoàn toàn vào chuyển động xoay là một quyết định kỹ thuật có chủ đích, giúp giảm thiểu chi phí linh kiện, tối giản hóa quy trình bảo trì và giữ cho thiết bị nhỏ gọn phù hợp với môi trường gia đình. Mặc dù hạn chế là không có cảm biến xác nhận trực tiếp việc thả thuốc, thiết kế này ưu tiên độ tin cậy cơ học của đĩa xoay và chốt chặn để giảm thiểu lỗi. So với các mô hình trước, thiết kế này nổi bật với ba yếu tố chính: (1) Tính thực tế (kích thước nhỏ, nạp thuốc đơn giản), (2) Độ tin cậy cơ học (kiểm soát việc phân phối một viên) và (3) Khả năng bảo trì (cấu trúc điện tử tối giản và linh kiện in 3D dễ thay thế).
2. Thiết kế thiết bị chia thuốc tự động cho gia đình
2.1. Yêu cầu hệ thống
Thiết bị chia thuốc thông minh là một thiết bị nhỏ gọn, chi phí thấp, được thiết kế để hỗ trợ người dùng gia đình, đặc biệt là người cao tuổi, trong việc uống thuốc đúng lịch. Thiết bị lưu trữ và phân phát ba loại thuốc qua ba đĩa xoay độc lập, mỗi đĩa được điều khiển bằng động cơ servo; một chốt chặn cơ học đảm bảo chỉ một viên rơi mỗi lần. Thuốc được thả vào khay kéo ra có nắp bảo vệ để giữ vệ sinh. Người dùng có thể cấu hình thời gian và liều lượng qua màn hình cảm ứng 3.5″, và tại giờ đã đặt, còi báo nhắc và hệ thống thực hiện quá trình chia thuốc tự động. Hệ thống sử dụng bộ xử lý Arduino Mega 2560, nguồn pin di động (9 V cho mạch điều khiển, 4 × AA cho servo) và các chi tiết cơ khí in 3D bằng PLA.
2.2. Thiết kế phần cứng
a. Thiết kế cấu trúc cơ khí
Hệ thống cơ khí của thiết bị bao gồm ba đĩa xoay riêng biệt, mỗi đĩa được thiết kế cho một loại thuốc khác nhau. Mỗi đĩa có các khoang chứa được định hình theo hình dạng của viên thuốc - viên nang cứng, viên nang mềm hoặc viên nén tròn - giúp đảm bảo khả năng phân phát chính xác từng viên. Một chốt chặn cơ học được bố trí tại cửa ra của mỗi đĩa, ngăn không cho nhiều viên thuốc rơi ra cùng lúc.
 |
| Hình 1. Thiết kế cấu trúc cơ khí 3D |
Mỗi đĩa được dẫn động bởi một động cơ servo MG996R, thực hiện một vòng quay cho mỗi viên thuốc được phân phát. Khi được kích hoạt, thuốc sẽ rơi trực tiếp xuống khay chứa có nắp đậy, giúp bảo vệ thuốc khỏi bụi và dễ dàng lấy ra khi sử dụng. Bố cục bên trong của máy được tối ưu hóa để giữ kích thước nhỏ gọn, giảm độ phức tạp trong lắp ráp, đồng thời thuận tiện cho người dùng thao tác.
Toàn bộ các bộ phận cơ khí, bao gồm khung, khay và đĩa xoay, được in 3D bằng nhựa PLA nhằm giảm chi phí sản xuất và dễ dàng thay thế khi cần thiết. Các bề mặt tiếp xúc với thuốc được phủ lớp bảo vệ đạt tiêu chuẩn an toàn thực phẩm, giúp tăng độ bền và đảm bảo vệ sinh. Thiết kế này tập trung vào độ tin cậy cơ học, khả năng chế tạo đơn giản, và khả năng nhân rộng bằng công nghệ in 3D phổ thông.
 |
| Hình 2. Thiết kế cấu trúc cơ khí đĩa chia thuốc phù hợp với 3 loại thuốc khác nhau |
b. Thiết kế hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển của thiết bị chia thuốc được phát triển dựa trên bộ xử lý Arduino Mega 2560 (phiên bản CH340), được lựa chọn nhờ có nhiều ngõ ra PWM và chân I/O, đáp ứng yêu cầu điều khiển đồng thời ba động cơ servo và giao diện màn hình cảm ứng. Màn hình TFT LCD 3.5″ (ILI9486) được kết nối trực tiếp với các đầu cắm của bo Mega, sử dụng chân 5 V và GND để cấp nguồn, trong khi dữ liệu được truyền qua giao tiếp song song 8-bit nhằm tăng tốc độ phản hồi.
Ba động cơ servo MG996R điều khiển ba đĩa xoay phân phát thuốc, mỗi động cơ nhận tín hiệu PWM từ Arduino Mega nhưng được cấp nguồn riêng bởi bộ pin 4 × AA (~6 V) để đảm bảo đủ dòng điện hoạt động. Bo Arduino sử dụng pin 9 V làm nguồn chính, và hai hệ thống nguồn này được nối chung chân GND để đảm bảo tính ổn định của tín hiệu. Còi báo 3-5 V được kết nối vào chân xuất tín hiệu số nhằm phát âm thanh nhắc nhở người dùng vào thời điểm cài đặt.
Ngoài ra, một mô-đun đồng hồ thời gian thực DS3231 (RTC) được bổ sung thông qua giao tiếp I²C. Nhờ tinh thể dao động và pin dự phòng tích hợp, mô-đun này giúp duy trì thời gian chính xác ngay cả khi mất nguồn, đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.
 |
| Hình 3. Sơ đồ hệ thống điều khiển thiết bị chia thuốc |
 |
| Bảng 1. Danh mục linh kiện và thông số kỹ thuật chính |
c. Thiết kế phần mềm điều khiển nhúng
Phần mềm điều khiển nhúng trên Arduino Mega 2560 đảm nhận các chức năng lập lịch, giao tiếp người dùng, và điều khiển hoạt động của động cơ servo. Người dùng thiết lập thời gian và liều lượng thuốc thông qua màn hình cảm ứng, các thông tin này được lưu vào bộ nhớ để thực hiện tự động khi đến thời điểm được cài đặt. Tại mỗi thời điểm phân phát, chương trình sẽ kích hoạt servo tương ứng, xoay đúng một vòng cho mỗi viên thuốc, đồng thời phát còi báo và hiển thị thông báo trên màn hình để nhắc người dùng.
Bo Arduino Mega 2560 quản lý toàn bộ quá trình xử lý theo trình tự tuần tự, sử dụng các hàm định thời không chặn (non-blocking timing) nhằm duy trì khả năng phản hồi của giao diện. Mỗi động cơ servo được điều khiển độc lập, cho phép ba loại thuốc có thể được phân phát đồng thời hoặc lần lượt tùy theo cấu hình.
Phần mềm được viết theo hướng đơn giản và ổn định, không sử dụng hệ điều hành thời gian thực (RTOS), mà dựa vào logic định thời tuần tự để đảm bảo tính nhất quán. Cách tiếp cận này giúp hệ thống hoạt động tin cậy mà vẫn dễ dàng mở rộng trong tương lai, chẳng hạn như bổ sung các tính năng kết nối IoT, ghi dữ liệu (data logging), hoặc truyền thông với ứng dụng di động.
 |
| Hình 4. Sơ đồ khối module phần mềm điều khiển nhúng. Hình 5. Sơ đồ thuật toán điều khiển |
3. Thử nghiệm và đánh giá
3.1. Tích hợp và thử nghiệm
Nguyên mẫu của thiết bị được chế tạo với vỏ và đĩa chia thuốc in 3D bằng nhựa PLA, sử dụng ba động cơ servo MG996R để thực hiện chuyển động phân phát, bo mạch điều khiển Arduino Mega 2560, và màn hình cảm ứng TFT 3.5″ để thiết lập lịch trình và thao tác người dùng. Khi đến thời điểm đã đặt, còi báo phát tín hiệu nhắc nhở, đồng thời các đĩa được chọn sẽ xoay đúng số bước đã lập trình. Mỗi vòng quay đưa một khoang chứa thuốc đi qua chốt chặn cơ học, giúp thả chính xác một viên thuốc vào khay kéo kín, đảm bảo thuốc không bị rơi ra ngoài môi trường.
 |
| Hình 6: Thiết bị chia thuốc tự động |
Các đĩa đều có phần tâm nhô lên, giúp đẩy viên thuốc ra phía ngoài, tránh tình trạng không có viên thuốc nào được phân phát. Việc tùy chỉnh hình dạng khoang này đã cải thiện đáng kể độ tin cậy và độ chính xác của hệ thống đối với từng loại thuốc khác nhau.
 |
| Hình 7. Giao diện người dùng trên màn hình HMI |
3.2.Đánh giá thử nghiệm
Các thử nghiệm được tiến hành trên bàn với 100 chu kỳ phân phát cho mỗi đĩa (tổng cộng 300 lần). Kết quả cho thấy độ chính xác có sự khác biệt nhẹ tùy theo loại thuốc:
 |
| Bảng 2. Kết quả thử nghiệm thiết bị chia thuốc tự động |
Đánh giá thử nghiệm:
- Cơ cấu chốt chặn hoạt động hiệu quả, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rơi hai viên thuốc cùng lúc, ngay cả với hình dạng viên không đồng đều.
- Lỗi “không phân phát” là nguyên nhân thất bại chính, đặc biệt với viên nang mềm Omega và viên nhỏ Ginkgo, do tính chất vật liệu và kích thước.
- Hiện tượng kẹt thuốc hiếm gặp (<3%), chỉ xuất hiện ở đĩa Omega và đĩa Ginkgo, nguyên nhân chủ yếu là do hình học viên thuốc.
- Centrum Silver (viên cứng, dạng nang) cho hiệu suất cao nhất, khẳng định tính hiệu quả của nguyên lý đĩa xoay kết hợp chốt chặn.
- Các viên nang cứng, dạng thon được phân phát với độ chính xác cao, trong khi viên mềm hoặc viên nhỏ dễ bị dính hoặc lệch vị trí trong khoang chứa, dẫn đến một số trường hợp không thả được thuốc.
Qua quá trình thử nghiệm, chúng tôi nhận thấy thiết bị chia thuốc tự động này có tính thực tiễn và đáng tin cậy, hoàn toàn có thể sản xuất trong nước với chi phí chỉ bằng dưới 1/4 so với các sản phẩm thương mại trên thị trường, đồng thời duy trì độ chính xác phân phát trên 90%, đáp ứng đầy đủ mục tiêu giá thành thấp.
4. Kết luận
Chúng tôi đã đề xuất một mô hình thiết bị chia thuốc tự động dựa trên nền tảng hệ thống nhúng với chi phí thấp và nhỏ gọn. Thiết bị đạt độ chính xác chia thuốc trên 90% đối với ba loại thuốc khác nhau với cấu trúc cơ khí dựa trên các đĩa xoay định vị và chốt chặn cơ học đảm bảo phân phát chính xác từng viên, còn hệ thống điều khiển sử dụng bộ xử lý Arduino Mega cung cấp hoạt động ổn định và giao diện lập lịch trực quan qua màn hình cảm ứng.
Trong tương lai, thiết bị sẽ được tích hợp công nghệ IoT cho phép giám sát từ xa, ghi nhật ký dữ liệu, gửi cảnh báo khi gần hết thuốc và cho phép người chăm sóc điều chỉnh lịch uống thuốc từ xa.
Nguồn tham khảo
[1] A. Nasir, M. S. Uddin, and M. J. Hossain, “Smart Medical Box for Automatic Pill Dispensing and Health Monitoring,” Proceedings, vol. 32, no. 1, p. 7, 2023. Available: https://www.mdpi.com/2673-4591/32/1/7
[2] M. T. Aung, H. H. Thein, and K. T. Aye, “Automatic Pill Dispenser for Pharmacy,” ResearchGate Preprint, 2023. Available: https://www.researchgate.net/publication/376311534_Automatic_Pill_Dispenser_for_Pharmacy
[3] C. Gargioni, E. Salvadori, and A. Rizzo, “A Systematic Review on Pill and Medication Dispensers from a Human-Centered Perspective,” Healthcare, vol. 12, no. 2, p. 189, 2024. Available: https://www.researchgate.net/publication/378398989_A_Systematic_Review_on_Pill_and_Medication_Dispensers_from_a_Human-Centered_Perspective
[4] K. Karagiannis, N. Vasilakis, A. S. Lalos, and K. Berberidis, “A Low-Power Internet of Medical Things Pillbox for Medication Adherence Monitoring,” Sensors, vol. 22, no. 15, p. 5818, 2022. Available: https://www.mdpi.com/1424-8220/22/15/5818
1Nguyễn Đức Duy, 1Phạm Hoàng Phúc, 2Phạm Ngọc Minh
1Trường THPT Chuyên Hà Nội - Amsterdam, Hà Nội, Việt Nam
2Viện Công nghệ thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội, Việt Nam
