Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, robot mềm đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu phát triển nhanh chóng với tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, đặc biệt là y học. Theo ước tính, các hệ thống robot mềm điều khiển bằng khí nén ngày càng được quan tâm do khả năng thao tác linh hoạt và an toàn khi tiếp xúc với mô người, đặc biệt trong phẫu thuật nội soi. Tuy nhiên, việc điều khiển chính xác các robot mềm vẫn còn nhiều thách thức do tính phi tuyến và khó mô hình hóa của cơ cấu mềm. Luận văn này tập trung nghiên cứu chế tạo mô hình robot mềm điều khiển bằng khí nén dùng trong phẫu thuật nội soi, với mục tiêu thiết kế, mô hình hóa và phát triển phương pháp điều khiển áp suất khí nén nhằm đảm bảo độ chính xác vị trí đầu cuối của cơ cấu chấp hành mềm.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM trong năm 2022, tập trung vào thiết kế mô hình thực nghiệm, xây dựng mô hình động học và phát triển bộ điều khiển áp suất khí nén sử dụng phương pháp Active Disturbance Rejection Control (ADRC). Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong phẫu thuật nội soi xâm lấn tối thiểu, góp phần giảm thiểu tổn thương mô và rút ngắn thời gian hồi phục cho bệnh nhân. Các chỉ số đánh giá hiệu quả bao gồm độ chính xác vị trí đầu cuối robot, khả năng điều khiển áp suất khí nén ổn định và độ tin cậy của mô hình trong thực nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết động học cung cong không đổi và phương pháp điều khiển ADRC.

  • Lý thuyết động học cung cong không đổi: Đây là mô hình mô tả chuyển động của robot mềm bằng cách giả định mỗi đoạn của cơ cấu có độ cong không đổi, giúp đơn giản hóa việc tính toán vị trí và hướng của đầu cuối robot. Các tham số chính bao gồm độ cong (κ), góc mặt phẳng uốn (ϕ) và chiều dài cung (l). Phương pháp Denavit-Hartenberg được sử dụng để xây dựng ma trận biến đổi thuần nhất mô tả vị trí không gian của robot. Mô hình này cho phép xác định tọa độ đầu cuối robot dựa trên chiều dài và áp suất khí nén trong các khoang làm việc.

  • Phương pháp điều khiển ADRC (Active Disturbance Rejection Control): Đây là kỹ thuật điều khiển hiện đại giúp loại bỏ các nhiễu và bất định trong hệ thống mà không cần mô hình toán học chính xác. Bộ quan sát trạng thái mở rộng (ESO) được sử dụng để ước lượng và bù trừ các nhiễu trong thời gian thực, từ đó bộ điều khiển PD có thể duy trì áp suất khí nén ổn định trong các buồng khí nén của cơ cấu mềm.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: áp suất khí nén, mô hình buồng khí nén, van khí nén ON/OFF, động học thuận và ngược, mô men uốn, biến dạng đàn hồi, và bộ điều khiển impedance.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm trên mô hình robot mềm được chế tạo bằng silicone, với kích thước chiều dài 80 mm và đường kính 32 mm, gồm 4 khoang khí nén lệch tâm. Các khoang khí nén được điều khiển bằng hệ thống van ON/OFF tốc độ cao, cảm biến áp suất được lắp đặt để đo áp suất trong từng khoang.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô hình hóa động học dựa trên lý thuyết cung cong không đổi và phương pháp Denavit-Hartenberg.
  • Mô hình hóa động lực học khí nén dựa trên phương trình trạng thái khí lý tưởng và định luật bảo toàn khối lượng.
  • Phát triển bộ điều khiển áp suất khí nén sử dụng ADRC kết hợp bộ điều khiển PD và bộ quan sát trạng thái mở rộng.
  • Thiết kế và chế tạo mẫu thực nghiệm bằng silicone với khuôn in 3D.
  • Thu thập dữ liệu biến dạng chiều dài và góc uốn của cơ cấu mềm dưới các mức áp suất khác nhau.
  • So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả điều khiển.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô hình hóa, chế tạo, thử nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mối quan hệ giữa áp suất khí nén và góc uốn cơ cấu mềm: Kết quả thực nghiệm cho thấy góc uốn 𝜃 có quan hệ phi tuyến với áp suất p theo phương trình bậc hai 𝜃 = m p² + n p, trong đó các hệ số m và n được xác định qua thực nghiệm. Ví dụ, khi áp suất tăng từ 0 đến 0.3 MPa, góc uốn trung bình tăng từ 0° đến khoảng 90°, với độ lệch chuẩn dưới 5%, cho thấy tính ổn định của mô hình.

  2. Hiệu quả của bộ điều khiển ADRC trong ổn định áp suất: Bộ điều khiển ADRC đã loại bỏ hiệu quả các nhiễu và sự giãn nở không mong muốn trong buồng khí nén, giúp duy trì áp suất ổn định với sai số dưới 2% so với giá trị tham chiếu. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai số vị trí đầu cuối robot dưới 3%, chứng minh tính khả thi của phương pháp điều khiển.

  3. Độ chính xác mô hình động học cung cong không đổi: Mô hình động học thuận dựa trên lý thuyết cung cong không đổi cho phép dự đoán chính xác vị trí đầu cuối robot với sai số trung bình dưới 4 mm trong không gian 3D, phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong phẫu thuật nội soi.

  4. Tính linh hoạt và khả năng uốn cong đa chiều của robot mềm: Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy robot có thể uốn cong với góc xoay ∅ từ 0 đến 2𝜋, tạo ra vùng làm việc rộng và đa dạng, phù hợp với các thao tác phức tạp trong khoang nội soi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ việc áp dụng thành công lý thuyết động học cung cong không đổi kết hợp với phương pháp điều khiển ADRC, giúp khắc phục các khó khăn về mô hình hóa và điều khiển trong robot mềm. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này nâng cao độ chính xác và ổn định trong điều khiển áp suất khí nén, đồng thời giảm thiểu sai số vị trí đầu cuối robot.

Việc sử dụng van ON/OFF tốc độ cao thay vì van tỉ lệ giúp giảm chi phí hệ thống mà vẫn đảm bảo hiệu suất điều khiển. Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và góc uốn, cũng như sự ổn định áp suất theo thời gian, minh họa rõ ràng hiệu quả của bộ điều khiển ADRC.

Ý nghĩa của kết quả này là mở ra khả năng ứng dụng robot mềm điều khiển khí nén trong các thủ thuật phẫu thuật nội soi xâm lấn tối thiểu, giúp tăng độ chính xác, giảm tổn thương mô và nâng cao an toàn cho bệnh nhân.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống điều khiển đa kênh áp suất khí nén nhằm nâng cao khả năng điều khiển đồng thời nhiều khoang khí, tăng độ linh hoạt và chính xác của robot mềm. Thời gian thực hiện dự kiến trong 12 tháng, do nhóm nghiên cứu robot y sinh đảm nhiệm.

  2. Tối ưu hóa thiết kế vật liệu và cấu trúc cơ cấu mềm để tăng độ bền và khả năng chịu áp lực, đồng thời giảm trọng lượng robot, phù hợp với các ứng dụng nội soi sâu. Khuyến nghị thực hiện trong 6-9 tháng bởi phòng thí nghiệm vật liệu polymer.

  3. Nghiên cứu tích hợp cảm biến lực và phản hồi xúc giác để cải thiện khả năng điều khiển và an toàn trong phẫu thuật, giúp bác sĩ phẫu thuật có cảm nhận trực tiếp khi thao tác. Thời gian thực hiện 9-12 tháng, phối hợp giữa nhóm kỹ thuật cơ khí và y học.

  4. Triển khai thử nghiệm lâm sàng sơ bộ trên mô hình mô phỏng hoặc mô động vật để đánh giá hiệu quả và an toàn của robot mềm trong môi trường thực tế. Thời gian dự kiến 12-18 tháng, phối hợp với các bệnh viện chuyên khoa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư robot y sinh: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về robot mềm điều khiển khí nén, hỗ trợ phát triển các hệ thống robot y tế mới.

  2. Bác sĩ phẫu thuật nội soi và chuyên gia y tế: Hiểu rõ về công nghệ robot mềm và tiềm năng ứng dụng trong phẫu thuật xâm lấn tối thiểu, từ đó phối hợp hiệu quả trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí, tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá về mô hình hóa động học, điều khiển khí nén và thiết kế robot mềm, giúp nâng cao kiến thức chuyên môn.

  4. Doanh nghiệp phát triển thiết bị y tế và robot: Cung cấp giải pháp kỹ thuật và phương pháp điều khiển tiên tiến, hỗ trợ phát triển sản phẩm robot mềm phục vụ phẫu thuật nội soi.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot mềm điều khiển bằng khí nén có ưu điểm gì so với robot cứng?
    Robot mềm có khả năng uốn cong linh hoạt, an toàn khi tiếp xúc với mô người nhờ tính đàn hồi và tuân thủ cao, giảm thiểu tổn thương mô so với robot cứng. Ví dụ, trong phẫu thuật nội soi, robot mềm dễ dàng tiếp cận các vị trí khó trong cơ thể.

  2. Phương pháp điều khiển ADRC hoạt động như thế nào trong hệ thống này?
    ADRC sử dụng bộ quan sát trạng thái mở rộng để ước lượng và bù trừ các nhiễu không đo được trong thời gian thực, giúp bộ điều khiển PD duy trì áp suất khí nén ổn định mà không cần mô hình chính xác. Điều này cải thiện độ chính xác và ổn định của robot mềm.

  3. Làm thế nào để mô hình động học cung cong không đổi giúp đơn giản hóa việc điều khiển robot mềm?
    Mô hình này giả định mỗi đoạn robot có độ cong không đổi, cho phép biểu diễn chuyển động bằng một số tham số hữu hạn, từ đó dễ dàng tính toán vị trí và hướng đầu cuối robot, giảm độ phức tạp so với mô hình liên tục đầy đủ.

  4. Các van khí nén ON/OFF có ảnh hưởng gì đến hiệu suất điều khiển?
    Van ON/OFF có ưu điểm chi phí thấp và tốc độ phản hồi nhanh, nhưng điều khiển rời rạc có thể gây ra dao động nhỏ. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, kết hợp với bộ điều khiển ADRC đã giảm thiểu hiệu ứng này, đảm bảo áp suất ổn định.

  5. Ứng dụng thực tế của robot mềm này trong phẫu thuật nội soi là gì?
    Robot mềm có thể được sử dụng để điều khiển các dụng cụ nội soi linh hoạt, giúp bác sĩ tiếp cận các vị trí sâu và phức tạp trong cơ thể với độ chính xác cao, giảm xâm lấn và tổn thương mô, nâng cao hiệu quả phẫu thuật.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình robot mềm điều khiển bằng khí nén với 4 khoang khí lệch tâm, phù hợp cho ứng dụng phẫu thuật nội soi.
  • Mô hình động học cung cong không đổi và phương pháp điều khiển ADRC đã được áp dụng hiệu quả, giúp điều khiển áp suất khí nén ổn định và chính xác vị trí đầu cuối robot.
  • Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy sai số vị trí dưới 4 mm và sai số áp suất dưới 2%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong y học.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển robot mềm an toàn, linh hoạt cho các thủ thuật xâm lấn tối thiểu, góp phần nâng cao chất lượng điều trị.
  • Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thiết kế, tích hợp cảm biến lực và thử nghiệm lâm sàng sơ bộ để hoàn thiện hệ thống và đưa vào ứng dụng thực tế.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ để trao đổi và hợp tác phát triển các giải pháp robot mềm tiên tiến trong y học.