Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Thiết kế và điều khiển cơ cấu khớp hỗ trợ chi tay trên và một phần bả vai của người yếu tay dựa trên mô hình độ cứng thay đổi tối ưu (26/03/2025)

Với mục tiêu khảo sát động lực học chuyển động chi trên của người trong các hoạt động căn bản như cầm, nắm, xoay. Trên nền tảng động lực học này, nghiên cứu phát triển và chế tạo cơ cấu với độ cứng thay đổi dùng cho chỗ trợ chi trên bệnh nhân được thực hiện; Nghiên cứu tích hợp cơ cấu độ cứng thay đổi mới vào hỗ trợ chuyển động thân trên (vai, cánh tay) bệnh nhân; Từ mô hình cơ cấu đã chế tạo, việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh cho cơ cấu được thực hiện với mục tiêu tạo sự thoải mái nhất cho người bệnh. Quỹ phát triển khoa học và công nghệ đã triển khai đề tài Thiết kế và điều khiển cơ cấu khớp hỗ trợ chi tay trên và một phần bả vai của người yếu tay dựa trên mô hình độ cứng thay đổi tối ưu do PGS.TS Đỗ Xuân Phú làm chủ nhiệm. Nội dung nghiên cứu bao gồm: (1) Đặt vấn đề cho phát triển cơ cấu hỗ trợ chi trên của người và cơ cấu khung hỗ thân – chi tay trên tiêu biểu; (2) Mô hình khung cơ cấu hỗ trợ thân chi trên và tính toán thiết kế; (3) Mô hình cơ cấu hỗ trợ thân trên - cánh tay đề nghị; (4) Thuật toán điều khiển tương thích cho hệ thống có vùng chết và thời gian trễ

(1) Đặt vấn đề cho phát triển cơ cấu hỗ trợ chi trên của người và cơ cấu khung hỗ thân - chi tay trên tiêu biểu: Nghiên cứu một cơ cấu hỗ trợ với hiệu năng cao và linh động cho người bệnh khớp dùng cho người dân là rất cần thiết. Trong nghiên cứu này, một cơ cấu dẫn động mới được giới thiệu và áp dụng trên cơ sở thiết kế cơ cấu dầm truyền thống kết hợp với một cơ cấu có độ cứng thay đổi sử dụng vật liệu dẻo từ biến. Điểm mới trong cơ cấu này là một hệ dầm giống lò xo được tích hợp vào cơ cấu. Hệ dầm giống lò  xo này sẽ điều chỉnh độ cứng của nó trên cơ sở điều chỉnh vị trí tác động lò xo kết hợp với lớp vật liệu từ biến phủ bên trên bao bên ngoài. Điều này mang đến sự linh động của cơ cấu và giúp cho thân trên (vai và cánh tay) bênh nhân/người bị đau khớp dễ dàng chuyển động, giảm bớt sự khó chịu khi mang cơ cấu. Ngoài ra, tính linh động của cơ cấu còn nâng cao bởi hệ điều khiển tương thích tích hợp bên trong dựa trên thiết kế điều khiển thông minh ứng dụng điều khiển mờ-nơ ron, điều khiển trượt, điều khiển tối ưu. Vấn đề học máy dùng cho điều khiển cũng sẽ được xem xét trong cơ cấu. Nghiên cứu còn tập trung vào giảm tiêu hao năng lượng cho cơ cấu dựa trên sự chuyển động thân trên (vai và cánh tay) của bệnh nhân. Việc giảm tiêu hao năng lượng có thể thông qua điều chỉnh độ cứng của cơ cấu chế tạo.

(2) Mô hình khung cơ cấu hỗ trợ thân chi trên và tính toán thiết kế: Để hỗ trợ cho các hoạt động thường ngày của người, bậc tự do và giới hạn chuyển động của cơ cấu hỗ trợ cần phải được chú ý và kiểm soát, thuận theo giới hạn tự nhiên của con người. Cơ cấu hỗ  trợ thân trên có thể được chế tạo tối đa với 7 bậc tự do (1,2,3) (khớp vai: 3 bậc, cùi chỏ: 1 bậc, cánh tay dưới (giữa cùi chỏ và bàn tay): 1 bậc, cổ tay: 2 bậc). Một vấn đề cần phải luôn chú ý khi thiết kế là số bậc tự do không nên quá 7 bậc vì sẽ ảnh hưởng chuyển động của cơ cấu và có thể gây tăng khối lượng mang cho người, không tối ưu cho chuyển động, tăng chi phí chế tạo. Khớp vai có 3 bậc tự do bao gồm một khớp cầu và thanh nối, trong khi đó khớp cùi chỏ đơn giản là một khớp nối thông thường với 1 bậc tự do. Việc thiết kế khớp vai với trọn vẹn 3 bậc tự do có thể gây khó khăn cho việc thiết kế các thuật toán điều khiển cho tại vị trí này. Do đó, để giảm tính phức tạp khi thiết kế tại khớp vai và cũng như phù hợp với mục tiêu của dự án này, số lượng bậc tự do được chọn là 2 bậc. Chính vì vậy, các chuyển động liên quan của vai, cùi chỏ, cánh tay dưới và cổ tay trong dự án này như sau: Các chuyển động liên quan với khớp vai: chuyển động thu lại (gập) ngang/chuyển động giãn dài (duỗi) tay ngang; chuyển động thu gập đứng/chuyển động giãn dài/duỗi tay đứng. Các chuyển động liên quan đến cùi chỏ và cánh tay dưới: thu gọn gập/ giãn dài; úp bàn tay và cổ tay từ giữa vào trong/ngửa bàn tay và cổ tay. Cơ cấu khung hỗ trợ vai - cánh tay nên có khối lượng nhẹ để tối ưu hóa trọng lực và các ảnh hưởng của quán tính. Do đó, vật liệu được lựa chọn cần được xem xét để có thể thỏa mãn yêu cầu nhẹ và chịu lực khỏe. Thông thường thì vật liệu có gốc nhôm sẽ được ưu tiên và cũng có thể xem xét đến dùng vật liệu sợi cac-bon. Ngoài ra, còn phải tính đến các yếu tố: tính an toàn; tính thoải mái khi mang/đeo; khả năng phản hồi lực chính xác; tính phức tạp; bù trọng lực.

 (3) Mô hình cơ cấu hỗ trợ thân trên - cánh tay đề nghị: mô hình này bao gồm 3 phần chính: phần hỗ trợ cho vai, phần hỗ trợ khủy tay và phần hỗ trợ vặn xoắn cho tay cầm. Mô hình đề nghị được trình bày như sau: phần hỗ trợ chuyển động vai; hỗ trợ chuyển động của khủy tay và chi tay dưới; hỗ trợ chuyển động xoắn; cơ cấu an toàn; chế tạo cơ khí và lắp ráp; phần điện điều khiển; điều khiển khung kết cấu hỗ trợ chi trên.

Chuyển động của vai với các thành phần trợ giúp như đỡ, giãn dài/thu gọn.

(4) Thuật toán điều khiển tương thích cho hệ thống có vùng chết và thời gian trễ: Mô phỏng máy tính sẽ áp dụng cho hệ giảm chấn MR ở trên cho các điều khiển liên quan. Các thông số chính của giảm chấn MR, hệ thống giảm số ghế và các giá trị chuyển đổi từ điện áp sang cường độ dòng điện. Các thông số của mô hình vùng chết được đề nghị đầu tiên và sẽ được cập nhật trong quá trình học của môn hình mờ-nơ ron. Hai kích thích bên ngoài áp dụng vào mô phỏng gồm mặt đường có độ nhám ngẫu nhiên và nhóm kiểu sóng sẽ được dùng. Lực lớn nhất áp dụng vào giảm chẩn MR là 1000N ở cường độ dòng điện 2A. Mô hình mờ - noron được cập nhật trực tuyến với vec-tơ trung tâm. Trong mô phỏng này các giá trị ban đầu của hệ thống được chọn là (0,035  25) và (0,035  25) cho kích thích mặt đường độ nhám ngẫu nhiên và mặt đường có độ nhám sóng ngẫu nhiên.

Các kết quả mô phỏng bao gồm dịch chuyển của ghế và ngõ vào của lực giảm chấn. Dịch chuyển của  ghế dưới tac dụng của các điều khiển. Dịch chuyển của ghế dưới tác động của 3 điều khiển khá tốt, cho thấy biên độ dao động giảm mạnh sau khi áp dụng 3 dạng điều khiển. Sự thay đổi của ngõ vào và của hệ điều khiển quan sát, cho thấy ngõ ra của 3 dạng điều khiển đều phù hợp với hệ điều khiển quan sát. Tuy nhiên, ngõ ra của điều khiển đề nghị tốt hơn so với hai dạng điều khiển dùng so sánh. Năng lượng điều khiển của điều khiển đề nghị là nhỏ hơn các điều khiển so sánh. Kết quả này trực tiếp chứng tỏ điều khiển đề nghị yêu cầu năng lượng tiêu thụ nhỏ hơn so với các dạng điều khiển khác. Tính chất ưu điểm này là do từ hàm tương thích với vùng chết, điều này cho thấy ảnh hưởng của vùng chết được hạn chế đáng kể.

Với kích thích mặt đường sóng ngẫu nhiên, các kết quả này tương tự như kích thích dạng mặt đường ngẫu nhiên và cũng cho thấy điều khiển đề nghị tốt hơn với biên độ dao động nhỏ hơn so với các dạng điều khiển so sánh. Điều khiển đề nghị đạt nguồn năng lượng đầu vào nhỏ hơn so với các điều khiển khác. Nó cũng cho thấy điều khiển đề nghị sẽ tiết kiệm năng lượng đầu vào nhỏ hơn so với các điều khiển khác. Do đó, dùng điều khiển đề nghị sẽ tiết kiếm năng lượng hơn.

Kết quả mô phỏng của lực điều khiển.

Từ kết quả trên, điều khiển so sánh 1 không có tính linh hoạt trong tính toán. Dạng điều khiển so sánh 1 phù hợp cho dạng mô hình vùng chết truyền thống. Trong điều khiển so sánh 2, các tính toán đơn giản dựa trên mô hình vùng chết truyền thống không giải quyết được nhược điểm vốn có. Điều khiển so sánh 2 được thiết kế để điều chỉnh các thông số dựa trên phương pháp điều chỉnh theo giá trị thời gian. Vì vậy, thời gian hội tụ của so sánh điều khiển 2 cũng dài hơn so với các điều khiển khác. Mô phỏng cũng cho thấy điều khiển đề nghị đã vượt qua các trở ngại của hai điều khiển so sánh để mang lại kết quả tốt nhất cho hệ thống.

Kết quả của đề tài cho thấy kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển 1 và 2 sẽ được áp dụng vào cơ cấu hỗ trợ trong tương lai để mạng lại khả năng điều khiển tối ưu nhất cho hệ thống. 

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu tại Trung tâm Thông tin, Thống kê khoa học và công nghệ Hải Phòng./.