Hệ thống điều khiển vận động cho robot hỗ trợ người thiểu năng vận động

Nội dung text: Hệ thống điều khiển vận động cho robot hỗ trợ người thiểu năng vận động

1. Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014 Hệ thống điều khiển vận động cho robot hỗ trợ người thiểu năng vận động The motion control system of the assistive robot for people with movement disability Tăng Quốc Nam Nguyễn Bá Đại Học viện Kỹ thuật Quân sự Học viện Kỹ thuật Quân sự e-Mail: tangquocnam@mta.edu.vn e-Mail: badainguyen@mta.edu.vn Tóm tắt: liệu nhỏ nhất Robot hỗ trợ người thiểu năng vận động là robot được Tmin nyquist s Thời gian chu kỳ biến thiên dữ mang trên người, hoạt động đồng bộ với cơ thể như liệu nhỏ nhất theo định lý một bộ phận mở rộng của cơ thể, có chức năng giúp Nyquist người thiểu năng vận động có thể đi lại bằng chân k - Hệ số an toàn tối thiểu hoặc luyện tập phục hồi chức năng đi lại. Để thực min T s hiện quá trình đi lại, toàn bộ các khớp của cả 2 chân qdo Thời gian quá độ của động cơ robot được điều khiển phối hợp nhờ bộ điều khiển Tbuoc s Thời gian chu kỳ bước trung tâm, theo dữ liệu góc khớp cho trước. Bài báo Tbuoc _min s Thời gian chu kỳ bước nhỏ nhất trình bày cấu trúc hệ điều khiển vận động, giải thuật V m/s Vận tốc đi bộ lớn nhất điều khiển bám góc khớp, các thuật toán điều khiển dibo _max m và các kết quả thực nghiệm các chức năng hỗ trợ vận dbuoc Độ dài bước chân động cho người thiểu năng vận động đi lại trên đường (t) rad Dữ liệu góc theo thời gian bằng, đứng lên ngồi xuống và lên/xuống cầu thang. '(t ) rad/s Đạo hàm dữ liệu góc Từ khóa: robot hỗ trợ, bộ xương ngoài, người thiểu năng vận động, bộ điều khiển bám quĩ đạo. fmax nyquist Hz Tần số biến thiên dữ liệu lớn nhất theo định lý Nyquist Abstract: The assistive robot for people with movement Chữ viết tắt: disability is a wearable robot or exoskeleton. It works RBHT Robot hỗ trợ as an extender, which supports people with movement TNVĐ Thiểu năng vận động disability in movement activities by legs as well as is BTD Bậc tự do used to rehabilitate. In order to perform this actions, NCKH Nghiên cứu khoa học all joints of robots including knee and hip are PID Bộ điều khiển Tỷ lệ-Tích phân-Vi phân rhythmically controlled by tracking controller with MTTT Máy tính trung tâm the sample data received from experiments with BXLTT Bộ xử lý trung tâm healthy people. In this paper, the structure of motion control systems, the strategy of angle control, the 1. Đặt vấn đề algorithm and some results of experiments in different Robot hỗ trợ người thiểu năng vận động (sau đây gọi mode such as walking, sitting down, standing up, là robot hỗ trợ - RBHT) là robot được mang trên going up/down stair are introduced. người, hoạt động đồng bộ với cơ thể như một bộ phận mở rộng (extender), có chức năng giúp người thiểu Keywords: assistive robot, exoskeleton, people with năng vận động (TNVĐ) có thể đi lại bằng chân hoặc movement disability, tracking controller. luyện tập phục hồi chức năng đi lại. Theo chức năng, kết cấu và phương thức hoạt động của mình, RBHT là Ký hiệu: điểm giao của nhiều loại robot đã có tên: robot sinh Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa học (bio-robot), robot Tracking Controller người  rad Góc khớp (humanoid robot), robot - bộ xương ngoài  Nm Mô men khớp (exoskeleton), robot mặc (wearable robot), [5]. ref rad Góc khớp mẫu Đi bộ là một dạng vận động của cơ thể, có tính tự động, theo chu kỳ, do hệ vận động thực hiện. Hệ vận Nstep - Số lần lấy mẫu dữ liệu động gồm có các hệ: hệ cơ xương và hệ thần kinh vận N - step min Số lần lấy mẫu dữ liệu nhỏ nhất động. Hệ cơ xương vận động (gọi tắt là hệ cơ xương - Nstep max - Số lần lấy mẫu dữ liệu lớn nhất H. 1a) gồm các xương, khớp và cơ. Hệ xương và T s Thời gian chu kỳ lấy mẫu khớp của chi dưới làm thành bộ khung kết cấu không gian, truyền lực và truyền chuyển động. T s Thời gian chu kỳ lấy mẫu nhỏ nhất min Ý tưởng thiết kế hệ cơ xương của RBHT cũng lấy từ s Tmax Thời gian chu kỳ lấy mẫu lớn nhất hệ cơ xương của người, nhưng dựa trên mô hình đơn Tmin s Thời gian chu kỳ biến thiên dữ giản như trên H. 1b. Mỗi chân của RBHT là một cơ VCM-2014
2. Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014 cấu phẳng 3 khâu, 3 khớp (3 BTD) theo nguyên tắc mang: đứng lên, ngồi xuống, đi hay dừng, Bộ tạo đồng khớp, song song với hệ vận động của người quỹ đạo mẫu có nhiệm vụ chọn chương trình đi tương mang [8]. Khớp hông và khớp gối được dẫn động nhờ ứng theo ý định, tạo dữ liệu về quỹ đạo cho bộ điều các động cơ động cơ độc lập, góc quay được đo trực khiển bám. Bộ điều khiển bám điều khiển hệ chấp tiếp bằng các sensor vị trí gắn trực tiếp lên trục quay hành bám theo quỹ đạo mẫu. Hệ chấp hành giữ vai trò của khớp. Khớp cổ chân là khớp bị động, được giới của cơ, làm chuyển động các khớp. hạn góc quay bởi các cơ cấu đàn hồi và giảm chấn. f Hoạch định Người vận động mang Y(,,f) Tạo quỹ ref ĐK bám u Chấp , Khung đạo mẫu quỹ đạo hành robot , H. 2 Cấu trúc của hệ vận động của RBHT Hệ chấp hành là các động cơ, tạo ra dịch chuyển góc  hay mô-men  tại các khớp. Vì khớp ở chân robot và ở chân người đồng trục với nhau nên chuyển động của robot được truyền trực tiếp sang người. Muốn bàn chân bám được quỹ đạo mẫu thì mỗi khớp chân phải bám theo góc khớp mẫu ref (H. 3). d (t) ref + e Bộ điều u Thiết bị , Khớp robot khiển bám chấp hành - (b) H. 3 Cấu trúc của hệ điều khiển khớp H. 1 Hệ thống cơ - xương chi dưới của người (a) và Dữ liệu góc khớp mẫu cho RBHT với từng mẫu người robot hỗ trợ (b) TNVĐ khác nhau được xây dựng bằng phương pháp Để thực hiện quá trình đi bộ, toàn bộ các khớp của cả đo thực nghiệm trên người khỏe có hình dáng, kích 2 chân được điều khiển phối hợp nhờ bộ điều khiển thước tương ứng. H. 4a là dữ liệu góc khớp mẫu trong trung tâm, theo dữ liệu góc khớp, thường được đo, ghi trường hợp đi xuống cầu thang với các giá trị góc bằng thực nghiệm trên người khỏe, hiệu chỉnh cho được biểu diễn theo phần trăm chu kỳ bước. phù hợp với tình trạng của người TNVĐ cụ thể. Một số bộ dữ liệu được chuẩn bị công phu và được sử dụng rộng rãi, như của Antonie Bogert, Harman, Winter [1]. Các nghiên cứu về động học, động lực học, mô hình hóa, mô phỏng và thiết kế hệ thống vận động cho RBHT thuộc đề tài NCKH cấp Nhà nước mã số KC03.12/11-15 đã được thực hiện và công bố trong các công trình [2][3][4][8] [9]. Trên cơ sở đó, tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển vận động cho RBHT theo dữ liệu góc khớp cho trước và tiến hành thực nghiệm các chức năng hỗ trợ vận động cho (a) người TNVĐ đi lại trên đường bằng, đứng lên ngồi xuống và lên/xuống cầu thang. Bài báo này tập trung vào cấu trúc hệ điều khiển vận động, giải thuật điều khiển bám góc khớp, các thuật toán điều khiển và các kết quả thực nghiệm RBHT người TNVĐ với các chức năng vận động cơ bản. 2. Nội dung chính 2.1. Hệ điều khiển vận động cho RBHT Hệ điều khiển vận động của RBHT được thiết kế theo nguyên tắc phỏng sinh, bắt chước hệ điều khiển vận (b) động của người, nhưng thực thi các nhiệm vụ đơn H. 4 Đồ thị góc (a) và vận tốc góc khớp (b) giản hơn, gồm: bộ hoạch định vận động, bộ tạo quỹ Đồ thị góc khớp của RBHT có dạng dữ liệu phức tạp, đạo mẫu (Gait Pattern Generator) và bộ điều khiển biến thiên liên tục (H. 4a,b). Việc áp dụng các phương bám quỹ đạo (Tracking Controller) như trong H. 2. pháp như xấp xỉ hóa bằng các hàm cơ bản trong bài Bộ hoạch định vận động nhận biết ý định của người toán điều khiển bám vị trí truyền thống gặp rất nhiều VCM-2014
3. Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014 khó khăn. Mặt khác, trong quá trình vận động, giá trị quá độ của động cơ và bộ điều khiển PID. Do đó có góc khớp của RBHT biến thiên tuần hoàn theo chu kỳ thể lựa chọn: bước. Vì vậy chỉ cần xây dựng thuật toán điều khiển Tmin k min . Tqdo (3) cho RBHT bám góc khớp trong một chu kỳ bước. với k là hệ số an toàn cho ngưỡng dưới. min 2.2. Giải thuật điều khiển bám góc khớp hay T kmin . Tqdo (4) Bộ dữ liệu góc khớp, tuy ở dạng rời rạc, nhưng với Xét trạng thái RBHT hoạt động ở vận tốc lớn nhất thời gian lấy mẫu rất bé có thể coi là liên tục. Giải (Vdibo _max = 3km/h, độ dài bước chân dbuoc 0.5 m ) thì pháp điều khỉển bám là điều khiển động cơ lần lượt chu kỳ bước ngắn nhất là: bám các giá trị góc theo thời gian, được gửi lần lượt d .3600 từ bộ hoạch định vận động xuống bộ xử lý trung tâm buoc 0,5.3600 Tbuoc min 0,6 s (5) (BXLTT) hoặc gửi một lần cả bộ dữ liệu xuống và lưu Vdibo _ max .1000 3000 trữ ở vi xử lý. Khi đó, giá trị lớn nhất của chu kỳ lấy mẫu là: Tuy nhiên nếu sử dụng trực tiếp bộ dữ liệu này cho TTbuoc min buoc min 0,6 việc điều khiển robot thì số lượng bước điều khiển Nstep max 250 (6) T k. T 1,2.0,002 của hệ thống là quá lớn và gần như không đủ thời gian min min qdo cho vi xử lý điều khiển thực hiện các phép tính toán Với số lần lấy mẫu NNstep step max thì thời gian lấy và ra lệnh điều khiển, cũng như đặc tính thời gian của mẫu ở các chế độ vận tốc khác nhau đều thỏa mãn bộ điều khiển PID cũng không đáp ứng được. Vấn đề điều kiện: T k. T đặt ra là vi xử lý và điều khiển trung tâm phải lựa min qdo chọn giá trị như thế nào cho việc điều khiển các góc Mặt khác, nếu coi bộ dữ liệu mẫu là liên tục (t) thì khớp robot để đảm bảo đặc tính động học của RBHT theo định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon-Kotelnikov, trong quá trình hoạt động cũng như đảm bảo hoạt tín hiệu giá trị góc khớp không chứa thành phần tần số động ổn định và tối ưu hóa phần cứng. Do đó, từ bộ nào lớn hơn hoặc bằng giá trị fmax nyquist thì nó có thể dữ liệu có thể coi gần như tuyến tính hóa, cần thực được biểu diễn chính xác bằng tập giá trị của nó với hiện việc rời rạc hóa với thời gian lấy mẫu phù hợp 1 phục vụ cho việc điều khiển robot. chu kỳ lấy mẫu T . Đây chính là giá Tuy nhiên, RBHT hoạt động ở nhiều chế độ góc và 2. fmax nyquist vận tốc góc khác nhau và hệ thống điều khiển phải trị lớn nhất mà thời gian lấy mẫu dữ liệu góc khớp có đảm bảo cho robot vẫn hoạt động một cách nhịp thể đạt được để giữ cho đặc tính biến thiên của dữ liệu nhàng, không bị gián đoạn. Như vậy bài toán cần giải không bị thay đổi. Vì bản thân bộ dữ liệu góc khớp quyết là điều chỉnh vận tốc góc khớp trong quá trình không thể mô tả ở dưới dạng hàm số, nên việc xác hoạt động của robot. Vì vậy nhiệm vụ thuật toán điều định giá trị fmax nyquist là khó khăn và chỉ xác định khiển phải lựa chọn được số lần lấy mẫu thích hợp để một cách gần đúng thông qua tập giá trị đầy đủ của bộ với bộ dữ liệu đó, robot đảm bảo hoạt động nhịp dữ liệu góc khớp ở các chế độ. nhàng trong cả dải vận tốc yêu cầu. Nếu số lượng lấy mẫu Nstep trong mỗi chu kỳ bước càng lớn hay thời gian lấy mẫu T càng bé đồng nghĩa với việc yêu cầu bộ nhớ của phần cứng tăng lên, đặc biệt tốc độ xử lý của BXLTT phải đảm bảo đủ nhanh và đáp ứng đầu ra của hệ điều khiển – động cơ ' t gần như là tức thời. Ở đây các thông số về tốc độ phần cứng và đáp ứng của động cơ đã có sẵn và coi như là hằng số cho trước và bằng Tmin , khi đó: t ti-3 ti-2 ti-1 ti ti+2 TT  min hay NNstep step max (1) i+1 Mặt khác, nếu số lượng lấy mẫu N nhỏ hay thời step H. 5 Đồ thị mô tả trạng thái fmax nyquist gian lấy mẫu T lớn lên, điều đầu tiên dễ nhận thấy Giả sử đồ thị của một góc khớp như trên H. 5, cho là đặc tính động học của đồ thị đầu vào sẽ không đủ thấy thành phần tần số cao fmax nyquist hay chu kỳ để mô tả quá trình thực của các góc khớp và chuyển T của tín hiệu là tại vị trí mà ở đó thời gian động của góc khớp sẽ xảy ra hiện tượng giật, do đó: min nyquist biến thiên góc khớp từ giá trị cực đại tới cực tiểu hay TT  max hay NNstep step min (2) ngược lại là bé nhất. Trên đồ thị vận tốc góc Để tính toán các giá trị Tmin , Nstep min cần dựa vào '(t ) theo thời gian, thì chu kỳ Tmin nyquist tương ứng giá trị thời gian quá độ T của đáp ứng phần cứng qdo với thời điểm mà giá trị '(t ) 0 gần nhau nhất: bộ điều khiển PID và động cơ cùng với thời gian chu T t (7) kỳ bước T . Về giá trị, để phần cứng đáp ứng được min nyquist i buoc Do đó, từ đồ thị góc khớp và vận tốc góc khớp cho giá trị góc đặt trước, thì thời gian điều khiển sau mỗi trước như trên H. 4, có thể xác định được thời gian chu kỳ lấy mẫu phải đảm bảo lớn hơn giá trị thời gian VCM-2014
4. Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014 Tmin nyquist trong mỗi chế độ bước. Để số lần lấy mẫu tín hiệu điều khiển tương ứng cho bộ điều khiển cơ thỏa mãn chung cho tất cả các chế độ hoạt động khác cấu chấp hành. Ngoài ra, MTTT còn đóng vai trò hiển thị trực quan các phản hồi vị trí góc khớp của robot nhau, sẽ lựa chọn thời gian T nhỏ nhất trong min nyquist phục vụ quá trình giám sát robot và ghi dữ liệu góc các chế độ. Từ thực nghiệm tính toán và phân tích đồ khớp trong chế độ đo dữ liệu thực nghiệm. thị các góc khớp ở các chế độ được thể hiện trên H. 4 Bộ xử lý trung tâm đóng vai trò là bộ điều khiển cơ (chế độ đi xuống cầu thang có sự biến thiên tốc độ cấu chấp hành, có thể sử dụng các bộ vi xử lý, vi điều góc khớp mãnh liệt nhất), rút ra kết luận: khiển hay các module FPGA, (ở đây sử dụng vi điều TTTmin nyquist 1.5% buoc 0.015 buoc (8) khiển AVR Atmega128). BXLTT nhận bộ dữ liệu góc Do đó: khớp từ MTTT theo các chu kỳ rời rạc hóa, tính toán 1 1 các giá trị góc cần điều khiển đồng thời đọc giá trị f (9) cảm biến vị trí gửi lên MTTT. max nyquist TT0.015. min nyquist buoc Chu kỳ lấy mẫu theo định lý Nyquist-Shannon- 2.4. Thuật toán điều khiển robot Kotelnikov: 1 0,015.Tbuoc Tmin 0,0075.Tbuoc (10) 2.fmax nyquist 2 Số lần lấy mẫu dữ liệu để đảm bảo ở các chế độ hoạt động cũng như với các vận tốc khác nhau vẫn mô tả đúng đặc tính động học của góc khớp sẽ là: TTbuoc buoc Nstep min 133 (11) TTmin 0,0075. buoc 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống Sau khi lựa chọn được số lần lấy mẫu phù hợp, các bộ dữ liệu được rời rạc hóa và sử dụng trong quá trình điều khiển robot ở chế độ tương ứng. Dễ thấy dữ liệu góc khớp là các giá trị thập phân và bộ giá trị là biến đổi không theo quy luật xác định nên việc lưu trữ trực tiếp các bộ dữ liệu này trong các thiết bị xử lý và điều khiển cơ cấu chấp hành như các mạch vi điều khiển, vi xử lý là hết sức khó khăn. Do đó tích hợp bộ hoạch định vận động lên BXLTT là khó khả thi. Từ những lý do trên, sơ đồ cấu trúc hệ thống và bố trí phần cứng của RBHT được đề xuất như trong H. 6. H. 7 Thuật toán chung hệ thống điều khiển RBHT Từ việc bố trí phần cứng và thiết đặt dữ liệu như trên, thuật toán điều khiển của BXLTT cho RBHT được thể hiện trên H. 7. Trong quá trình hoạt động của robot, BXLTT liên tục nhận các tín hiệu điều khiển, tín hiệu trạng thái từ bộ hoạch định vận động. Tùy theo giá trị các cờ được thiết lập mà BXLTT đưa ra các tín hiệu điều khiển tương ứng cho bộ điều khiển PID. Khi nhận được trạng thái yêu cầu thay đổi chế độ từ bộ hoạch định vận động, BXLTT sẽ tạm dừng các hoạt động hiện tại đồng thời chuyển sang chế độ nạp dữ liệu (LoadData). Việc truyền nhận chính xác H. 6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống và bố trí phần cứng bộ dữ liệu cho chế độ hoạt động từ bộ hoạch định vận của bộ điều khiển RBHT Cấu trúc hệ thống bao gồm bộ hoạch định vận động là động là hết sức quan trọng, việc truyền nhận dữ liệu máy tính trung tâm (MTTT) đóng vai trò giao tiếp với phải đảm bảo nhận đúng, đủ giá trị và đúng thứ tự người sử dụng, lưu trữ các bộ dữ liệu góc khớp tương bước trong chu kỳ rời rạc hóa cũng như tương ứng với ứng với các chế độ đồng thời giao tiếp với vi xử lý. khớp của robot. Ở đây, việc truyền nhận dữ liệu được thực hiện tuần MTTT sẽ nhận biết các yêu cầu của người sử dụng tự các giá trị góc khớp từ đầu tới cuối chu kỳ cho lần thông qua tay điều khiển hoặc bàn phím máy tính, lượt các khớp, khởi đầu từ giá trị iStep = 0 trong bộ hoạch định chế độ vận động phù hợp, sau đó đưa ra VCM-2014
5. Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014 dữ liệu của góc khớp gối trái và kết thúc bởi giá trị tương ứng với iStep = Nstep của khớp hông (H. 8). Để tránh việc bỏ sót dữ liệu trong quá trình truyền nhận, BXLTT sử dụng một cờ trạng thái báo đã đọc được giá trị góc tương ứng với bước iStep đã yêu cầu gửi ở lần gửi trước đó, sau đó gửi trạng thái cờ cho MTTT đồng thời gửi giá trị góc yêu cầu nhận. H. 9 Thuật toán điều khiển bám theo dữ liệu 2.5. Sản phẩm và kết quả thực nghiệm RBHT người TNVĐ đã được thiết kế, chế tạo với đầy đủ kết cấu từ khung xương, các động cơ dẫn động các khớp, hệ thống cảm biến các góc khớp và hệ thống điều khiển bám góc khớp với các chức năng vận động khác nhau (H. 10). Robot có thể hỗ trợ người TNVĐ đi lại trên đường bằng với vận tốc lớn nhất lên đến 3 H. 8 Thuật toán truyền nhận dữ liệu km/h; thực hiện chức năng đứng lên, ngồi xuống và đi lên/xuống các cầu thang thông dụng trong các tòa Sau khi kết thúc thành công quá trình truyền nhận dữ nhà. Robot cũng có các chức năng cảnh báo an toàn liệu góc khớp, người sử dụng phải thực hiện các bước khi có nguy cơ mất an toàn (ngã, kẹt động cơ, sắp hết chuẩn bị bằng cách điều khiển trực tiếp từ bộ hoạch nguồn, ) cho người sử dụng. định vận động. Bộ hoạch định vận động sẽ căn cứ vào chế độ được lựa chọn (đi bộ, lên/xuống cầu thang, ) mà gửi tín hiệu điều khiển xuống BXLTT điều khiển các khớp về vị trị khởi tạo tương ứng. Sau khi kết thúc quá trình chuẩn bị, hệ thống sẽ chờ tín thực hiện từ người sử dụng, tín hiệu này sẽ được bộ hoạch định vận động gửi xuống BXLTT bởi cờ thực hiện. Chế độ thực hiện chính là BXLTT tính toán và điều khiển góc khớp tương ứng với các giá trị của bộ dữ liệu góc khớp nhận được sau chế độ LoadData. Nhờ sự hỗ trợ của bộ điều khiển PID và căn cứ vào dạng dữ liệu cùng với chế độ vận tốc thiết đặt, nhiệm vụ của BXLTT là tạo ra khoảng thời gian lấy mẫu để điều khiển góc khớp lần lượt bám giá trị góc trong bộ dữ liệu một cách phù hợp. Trong mỗi chu kỳ, BXLTT thực hiện việc gửi giá trị góc cần bám cho bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ đồng thời đo đạc giá trị đáp ứng để hiệu chỉnh. Quá trình hiệu chỉnh được thực hiện ở cuối mỗi chu kỳ (H. 9). H. 10 Sản phẩm RBHT người TNVĐ VCM-2014
6. Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014 Chương trình điều khiển và giám sát có giao diện như trong H. 11 có chức năng điều khiển và giám sát các trạng thái của RBHT đồng thời hiển thị các giá trị góc khớp đo được theo thời gian. Ngoài ra, các chức năng điều chỉnh bán tự động cho phép hiệu chỉnh các trạng thái đứng thẳng của robot ở thời điểm ban đầu. Giao diện này được sử dụng chủ yếu trong quá trình thử nghiệm robot. Bảng điều khiển trên giao diện được thiết kế hoàn toàn giống với giao diện của tay điều khiển cho người sử dụng. Ở đây các chức năng giám sát chuyên sâu và hiệu chỉnh RBHT được tối giản để tạo điều kiện cho đối tượng sử dụng là người TNVĐ. (c) Đồ thị khớp gối khi đi lên cầu thang H. 11 Giao diện chương trình điều khiển trên máy tính Các thử nghiệm RBHT trên người với các chức năng (d) Đồ thị khớp hông khi đi lên cầu thang vận động cơ bản đã được tiến hành để đánh giá khả năng đáp ứng và tính bền vững trong điều khiển bám theo dữ liệu khớp. Các kết quả thực nghiệm được thể hiện trong H. 12. (e) Đồ thị khớp gối khi đi xuống cầu thang (a) Đồ thị khớp gối khi đi bộ trên đường bằng (f) Đồ thị khớp hông khi đi xuống cầu thang H. 12 Các kết quả thực nghiệm (b) Đồ thị khớp hông khi đi bộ trên đường bằng Các kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống điều khiển chuyển động của robot đã hỗ trợ người TNVĐ đi đúng dáng đi của người bình thường, thể hiện qua sự VCM-2014
7. Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014 ghi nhận trực quan trong quá trình thử nghiệm cũng [4] Đào Trung Kiên, Tăng Quốc Nam, Trần Xuân Thảnh: như trên đồ thị so sánh giữa dữ liệu góc khớp thực Mô hình hóa và mô phỏng robot hỗ trợ nhờ nghiệm và dữ liệu mẫu (H. 12). Các kết quả trên đồ CAD/CAE, Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về Điều thị cũng cho thấy tồn tại sự trễ và sai khác về giá trị khiển và Tự động hóa – VCCA 2013, p.297-304, giữa dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu mẫu. Nguyên 2013. nhân của các sai lệch này là do đặc tính đáp ứng của [5] José L. Pons: Wearable Robots: Biomechatronic Exoskeletons; John Wiley & Sons, 2008. hệ thống cũng như sai số của các kết cấu phần cơ khí. [6] Kazerooni, H. and R. Steger: The Berkeley Lower Tuy nhiên sự sai khác này là nhỏ và qua thực tế thử Extremity Exoskeleton. Journal of Dynamic Systems nghiệm cho thấy không ảnh hưởng đến dáng đi trong Measurement and Control-Transactions of the Asme, quá trình vận động thực tế. 2006. [7] T.-J.Yeh et al: Control of McKibben Pneumatic 3. Kết luận Muscles for a Power - Assist, Lower - Limb Orthosis; Bài báo trình bày một cách hệ thống quá trình xây Mechtronics 20 (2010) 686-697. dựng hệ thống điều khiển cho RBHT người TNVĐ. [8] Tăng Quốc Nam, Trần Anh Vàng: Thiết kế cơ khí cho Quá trình thiết kế, lựa chọn giải thuật đã được tiến robot hỗ trợ người thiểu năng vận động, Hội nghị hành dựa trên các các yêu cầu đặt ra và kết quả nghiên toàn quốc lần thứ 2 về Điều khiển và Tự động hóa – VCCA 2013, p.290-296, 2013. cứu thuộc đề tài KC.03.12/11-15. [9] Trần Xuân Thảnh, Đào Trung Kiên: Mô hình động Một hệ thống điều khiển cho RBHT người TNVĐ đã lực học của người khi đi bộ, Hội nghị toàn quốc lần được xây dựng để điều khiển robot vận động bám thứ 6 về Cơ điện tử - VCM 2012, p. 404-410, 2012. theo dữ liệu góc khớp cho trước. Robot có thể hỗ trợ [10] Vukobratović M.: Legged locomotion robots and người TNVĐ đi lại trên đường bằng với vận tốc lớn anthropomorphic mechanisms. Mihailo Putin Institute nhất lên đến 3 km/h; thực hiện chức năng đứng lên, of Beograd, 1975. ngồi xuống và đi lên/xuống các cầu thang thông dụng trong các tòa nhà. Robot cũng có các chức năng cảnh TS. Tăng Quốc Nam, tốt báo an toàn khi có nguy cơ mất an toàn (ngã, kẹt động nghiệp đại học ngành Cơ khí cơ, sắp hết nguồn, ) cho người sử dụng. động lực năm 1995 tại Học Các kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống điều khiển viện Kỹ thuật Quân sự, nhận đã đáp ứng được các đặc tính động học yêu cầu đề ra, bằng thạc sĩ về Cơ điện tử tại tuy vẫn xảy ra sự trễ và sai khác nhỏ giữa dữ liệu mẫu Viện Công nghệ châu Á (AIT) và dữ liệu đo được. Các sai lệch là chấp nhận được - Thái Lan năm 2002 và bằng trong phạm vi các phiên bản thử nghiệm với các linh tiến sĩ về Cơ học kỹ thuật tại kiện, thiết bị phần cứng chưa thực sự đồng bộ và có Học viện Kỹ thuật Quân sự chất lượng cao. năm 2011. Từ năm 1995 đến Lời cảm ơn nay, anh là giảng viên tại bộ Các kết quả trình bày trong bài báo này nằm trong môn Robot đặc biệt và Cơ điện tử, khoa Hàng không khuôn khổ của đề tài NCKH trọng điểm cấp nhà nước vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự. Các hướng nghiên mã số KC.03.12/11-15 “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cứu chính bao gồm Cơ điện tử trong khí tài quân sự, robot sinh học hỗ trợ đi lại, luyện tập phục hồi chức Động lực học và điều khiển robot di động, Định vị và năng cho người già yếu và người khuyết tật.” Nhóm xây dựng bản đồ ở môi trường trong nhà, Robot đặc tác giả xin chân thành cảm ơn cơ quan quản lý các biệt trong quân sự và thám hiểm, Mô hình hóa và mô cấp, chủ nhiệm đề tài và các thành viên trong đề tài đã phỏng các hệ động lực. giúp đỡ trong quá trình thực hiện công trình. Ths. Nguyễn Bá Đại, tốt Tài liệu tham khảo nghiệp đại học ngành Robot [1] D. A. Winter: Biomechanics and Motor Control of và hệ thống robot kỹ thuật Human Movement, 5th Edition. John Wiley & Sons, năm 2011 tại Đại học Kỹ New York, 2009. thuật Tổng hợp Moskva mang [2] Dao Trung Kien, Dao Van Hiep: A Human Gait tên Bauman – Liêng bang Model using Graph-Theoretic Method, 3rd IFToMM Nga. Từ năm 2012 đến nay là International Symposium on Robotics and giảng viên tại bộ môn Robot Mechatronics - ISRM 2013, page 535-544, 2013. đặc biệt và Cơ điện tử, khoa [3] Đào Trung Kiên, Đào Văn Hiệp: Mô hình hoá hệ vận Hàng không vũ trụ, Học viện động của người trong MapleSim, Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Quân sự. Các hướng lần thứ 6 về Cơ điện tử - VCM 2012, p.115-123, nghiên cứu chính bao gồm Cơ điện tử, Robot di động, 2012. Robot đặc biệt trong quân sự và và thị giác máy. VCM-2014