I. Tổng quan về robot mềm
Trong những năm gần đây, robot mềm đã trở thành một trong những chủ đề phát triển nhanh nhất trong cộng đồng robot, với tiềm năng cách mạng hóa vai trò của robot trong xã hội và ngành công nghiệp. Theo một cuộc khảo sát tài liệu, thuật ngữ "robot mềm" lần đầu tiên được sử dụng cho một tay khí nén cứng, có một mức độ tuân thủ đối tượng nhất định do khả năng nén của khí. Robot mềm dần được sử dụng trong nhiều bài báo và tài liệu khoa học khác, nhưng vẫn đại diện cho robot hoặc máy tương tự được cấu tạo từ vật liệu cứng. Sự phát triển liên tục của robot mềm tái xuất hiện vào cuối những năm 1970 và tiếp tục trong suốt những năm 1980 với công trình tiên phong của Hirose và nhóm của ông. Các máy thao tác liên tục trong công nghiệp được phát triển trong khoảng thời gian này bao gồm robot Spine, một robot phun sơn có độ khéo léo cao. Những tiến bộ đáng kể trong việc mô hình hóa robot mềm đã được thực hiện trong những năm 1990, bao gồm việc giới thiệu phương pháp tiếp cận theo phương thức thiết lập nền tảng lý thuyết cho robot mềm dựa trên việc ước lượng gần đúng hình dạng của robot bằng cách sử dụng một cung toán học. Nhiều ứng dụng thực tế cho robot mềm đã được đề xuất, bao gồm thao tác dưới biển, sơn xe hơi, và đặc biệt là trong y học với các thiết bị y tế như ống thông tiểu và ống soi ruột kết.
1.1 Phân loại trong lĩnh vực y tế
Robot mềm đã tạo ra một tác động đáng kể trong y học. Nhiều thiết bị y tế thường được sử dụng như ống thông tiểu và ống soi ruột kết có thể được coi là thiết bị liên tục. Những nỗ lực đáng chú ý đã được thực hiện để tự động hóa các thiết bị này cho phẫu thuật bao gồm kẹp, kim mềm, và dụng cụ nội soi ổ bụng. Ví dụ về robot mềm được phát triển đặc biệt cho các ứng dụng phẫu thuật không trực tiếp bắt chước các thiết bị phẫu thuật hiện có như hệ thống phẫu thuật đa xương sống của Simaan và cộng sự. Sự khéo léo trong phẫu thuật đề cập đến khả năng uốn cong hoặc điều hướng những thiết bị như truyền thống là thẳng, cho phép chúng xoay các góc bên trong cơ thể con người. Các phân loại trước đây của robot mềm dựa trên vị trí của tác động cơ học, về kiến trúc xương sống và khả năng mở rộng, cung cấp cái nhìn tổng quan về sự đa dạng của các thiết kế robot mềm trong y tế.
II. Đề xuất cơ cấu mềm và cơ sở lý thuyết
Nghiên cứu này đề xuất một cơ cấu mềm hoạt động dựa trên điều khiển khí nén nhằm ứng dụng trong phẫu thuật nội soi. Cơ cấu này được thiết kế với khả năng uốn cong và điều hướng linh hoạt, giúp cải thiện hiệu suất trong các thủ thuật y tế. Lý thuyết động học của cơ cấu mềm được xây dựng dựa trên mô hình động học thuận và ngược, cho phép dự đoán chính xác chuyển động của robot trong không gian ba chiều. Hệ thống khí nén và điều khiển cơ cấu mềm được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Mô hình buồng khí và van khí nén được phát triển để đảm bảo áp suất khí nén được duy trì ổn định trong quá trình hoạt động. Phương pháp điều khiển áp suất khí nén thông qua active reject disturbances được áp dụng để loại bỏ sự giãn nở của các buồng khí nén trong cơ cấu chấp hành mềm, từ đó tăng cường độ chính xác trong việc điều khiển vị trí của cơ cấu. Sự so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy tiềm năng của phương pháp điều khiển này trong việc nâng cao hiệu suất của robot phẫu thuật.
2.1 Mô hình động học
Mô hình động học thuận và ngược của cơ cấu mềm được phát triển nhằm xác định các thông số cần thiết cho việc điều khiển robot. Mô hình động học thuận cho phép tính toán vị trí của đầu cuối robot dựa trên các tham số đầu vào, trong khi mô hình động học ngược giúp xác định các tham số điều khiển cần thiết để đạt được vị trí mong muốn. Việc áp dụng lý thuyết động học vào thiết kế cơ cấu mềm không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tối ưu hóa khả năng điều khiển trong các ứng dụng thực tế. Các thiết bị thực nghiệm được thiết kế để kiểm tra và đánh giá hiệu suất của mô hình động học, từ đó đưa ra những điều chỉnh cần thiết nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống phẫu thuật.
III. Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm
Quá trình thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm cho robot mềm điều khiển khí nén được thực hiện với sự chú ý đến các yếu tố như độ chính xác, tính khả thi và an toàn trong phẫu thuật nội soi. Thiết kế mẫu thực nghiệm bao gồm việc lựa chọn vật liệu phù hợp, trong đó silicone Dragon Skin được sử dụng nhờ vào tính linh hoạt và độ bền cao. Quá trình đúc mẫu được thực hiện thông qua công nghệ in 3D, giúp tạo ra các bộ phận chính của robot với độ chính xác cao. Sau khi hoàn thành quá trình đúc, mẫu được kiểm tra khả năng biến dạng để đảm bảo đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong các ứng dụng y tế. Kết quả thử nghiệm cho thấy khả năng uốn cong của mẫu thực nghiệm đạt được như mong đợi, từ đó khẳng định tính khả thi của thiết kế. Sự kết hợp giữa thiết kế tối ưu và vật liệu chất lượng cao đã tạo ra một mô hình robot mềm có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường phẫu thuật.
3.1 Quá trình đúc mẫu
Quá trình đúc mẫu được thực hiện theo các bước nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Sau khi thiết kế khuôn đúc, silicone được trộn theo tỷ lệ chuẩn và đổ vào khuôn. Việc kiểm tra mẫu sau khi đúc là rất quan trọng để đánh giá độ chính xác và khả năng hoạt động của robot. Các thông số như chiều dài cung uốn và góc uốn được đo đạc và so sánh với các giá trị lý thuyết để xác nhận tính chính xác của mô hình. Kết quả cho thấy rằng mẫu thực nghiệm có khả năng uốn cong tốt, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong các ứng dụng phẫu thuật. Qua đó, quá trình thiết kế và chế tạo đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả của công nghệ robot mềm trong y tế.
IV. Mô hình hóa và điều khiển cơ cấu mềm
Mô hình hóa cơ cấu mềm là một phần quan trọng trong nghiên cứu này, nhằm xác định các thông số và điều kiện cần thiết cho việc điều khiển robot. Nhận dạng hệ thống được thực hiện thông qua các thí nghiệm thực tế, giúp thu thập dữ liệu về phản ứng của cơ cấu mềm dưới tác động của áp suất khí nén. Phần mềm hỗ trợ được sử dụng để phân tích và mô phỏng các kết quả thực nghiệm, từ đó đưa ra các phương án điều khiển tối ưu. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng phương pháp điều khiển áp suất khí nén có thể đạt được độ chính xác cao trong việc điều khiển vị trí của cơ cấu chấp hành mềm. Sự kết hợp giữa mô hình hóa và điều khiển sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hoạt động của robot y tế, đặc biệt trong các ứng dụng phẫu thuật nội soi.
4.1 Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng khả năng điều khiển áp suất khí nén có thể được tối ưu hóa thông qua các phương pháp điều khiển hiện đại. Các thông số như áp suất, góc uốn và chiều dài cung uốn được ghi nhận và phân tích để đánh giá hiệu suất của mô hình. Sự so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy sự phù hợp cao, khẳng định tính khả thi của phương pháp điều khiển áp suất trong việc nâng cao hiệu suất của robot phẫu thuật. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến sẽ giúp cải thiện đáng kể độ chính xác và an toàn trong các thủ thuật y tế, mở ra cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng mới trong lĩnh vực y tế.
V. Kết luận
Nghiên cứu về mô hình robot mềm điều khiển khí nén trong phẫu thuật nội soi đã chỉ ra tiềm năng to lớn của robot mềm trong việc cải thiện hiệu suất và an toàn trong các thủ thuật y tế. Các kết quả thực nghiệm và mô phỏng đã xác nhận tính khả thi của thiết kế và phương pháp điều khiển áp suất khí nén. Việc áp dụng robot mềm trong y tế không chỉ giúp nâng cao hiệu quả phẫu thuật mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các thiết bị y tế thông minh. Tương lai của công nghệ robot trong y tế hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, mang lại nhiều lợi ích cho ngành y học và sức khỏe cộng đồng.
