Nghiên Cứu Phương Pháp Điều Khiển Robot Hồi Phục Chức Năng Chi Dưới

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH ROBOT PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHI DƯỚI

1.1. Tầm quan trọng của Robot phục hồi chức năng

1.2. Đột quỵ, các căn bệnh tương tự và các hệ lụy liên quan

1.3. Giải pháp khắc phục

1.4. Các loại Robot phục hồi chức năng chi dưới

1.5. Mô hình Robot được đề xuất

1.5.1. Mô hình Robot

1.5.2. Ưu điểm và nhược điểm của mô hình được chọn

1.5.3. Mô hình Robot thực tế

2. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING

2.1. Các phương pháp điều khiển robot

2.2. Điều khiển chuyển động trong không gian khớp

2.2.1. Điều khiển PD bù trọng trường

2.2.2. Điều khiển PID

2.2.3. Lý thuyết ổn định Lyapunov

2.2.4. Lý thuyết điều khiển Backstepping (điều khiển cuốn chiếu)

2.2.4.1. Thiết kế cuốn chiếu hàm CLF cho hệ truyền thẳng

2.2.4.2. Thiết kế cuốn chiếu hàm CLF cho hệ truyền ngược

2.3. Phương pháp điều khiển Backstepping tổng quan cho Robot n bậc tự do

2.3.1. Tham số trong phương trình động lực học

2.3.2. Điều khiển trong không gian khớp

2.3.3. Điều khiển Backstepping trong không gian làm việc

2.4. Kết luận chương

3. CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING CHO ROBOT SLLR

3.1. Bài toán điều khiển cho Robot

3.1.1. Thông số động học Robot SLLR

3.1.2. Ma trận chứa các lực Coriolis và lực li tâm

3.1.3. Ma trận các lực có thế (lực trọng trường)

3.1.4. Ma trận các lực tác động bởi ma sát, nhiễu ngoại lực

3.2. Các thông số đầu vào

3.3. Kết quả tính toán động lực học

3.4. Thiết kế bộ điều khiển trong Matlab/Simulink

3.4.1. Đầu vào cho mô hình điều khiển Robot SLLR

3.4.2. Mô hình điều khiển trong Matlab/Simulink

3.5. Kết luận chương

4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

4.1. Mô phỏng với phương pháp PID

4.2. Mô phỏng với phương pháp Backstepping

4.2.1. Điều chỉnh hệ số

4.2.2. Điều chỉnh chu kỳ và bổ sung hệ số ma sát

4.3. Kết luận chương

5. ĐÓNG GÓP MỚI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1. Đóng góp mới của luận văn

5.2. Hướng phát triển của nghiên cứu trong tương lai

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Robot Phục Hồi Chức Năng Chi Dưới Giới Thiệu 55 ký tự

Robot phục hồi chức năng chi dưới đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng vận động cho bệnh nhân sau đột quỵ, chấn thương tủy sống hoặc các bệnh lý thần kinh. Tổ chức WHO dự báo số lượng người cao tuổi tăng gấp đôi vào năm 2050, kéo theo sự gia tăng các bệnh liên quan, đòi hỏi nhu cầu cấp thiết về các giải pháp phục hồi hiệu quả. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu bộ điều khiển robot phục hồi chức năng chi dưới, bắt đầu từ việc thu thập tài liệu về các mô hình điều khiển và quỹ đạo đầu vào phù hợp nhất. Mục tiêu là khôi phục khả năng vận động bình thường, chia thành các giai đoạn từ nằm liệt giường đến cải thiện dáng đi.

1.1. Robot Hỗ Trợ Phục Hồi Chi Dưới Giải Pháp Tiên Tiến

Liệu pháp phục hồi chức năng truyền thống tốn nhiều công sức và không đảm bảo chính xác. Robot có thể thay thế nỗ lực của nhà trị liệu, cho phép luyện tập lặp đi lặp lại chuyên sâu, chi phí hợp lý và đánh giá định lượng. Robot hỗ trợ phục hồi chi dưới (chủ động và thụ động) ngày càng được sử dụng rộng rãi, đặc biệt cho các bệnh liên quan đến hệ thần kinh trung ương gây rối loạn dáng đi. Các thiết bị như Physiotherabot, Supine, Lambda... có thể điều trị bệnh nhân ở tư thế ngồi hoặc nằm.

1.2. Các Loại Robot Phục Hồi Chi Dưới Hiện Nay Phân Loại

Trong thập kỷ qua, nhiều robot phục hồi chức năng chi dưới đã được phát triển để khôi phục khả năng vận động. Các loại hệ thống bao gồm: luyện tập dáng đi trên máy chạy bộ, trên tấm để chân, di động trên mặt đất, không di chuyển và hệ thống phục hồi mắt cá chân (Hình 1.1). Luận văn này đề xuất sử dụng robot hồi phục chức năng chi dưới khung xương ngoài dạng ngồi-nằm (SLLR), giúp bệnh nhân tập dáng đi gần giống người thật nhất.

II. Thách Thức Điều Khiển Robot Phục Hồi Chức Năng Chi Dưới 58 ký tự

Điều khiển robot phục hồi chức năng chi dưới đặt ra nhiều thách thức về độ chính xác, an toàn và khả năng thích ứng với từng bệnh nhân. Việc đảm bảo robot hoạt động theo quỹ đạo mong muốn, đồng thời cung cấp hỗ trợ phù hợp với khả năng của người bệnh là vô cùng quan trọng. Các vấn đề như ma sát, nhiễu ngoại lực và sự thay đổi thể trạng của bệnh nhân cũng cần được xem xét để xây dựng hệ thống điều khiển hiệu quả. Bên cạnh đó, vấn đề chi phí của robot phục hồi chức năng cũng là một rào cản lớn đối với việc ứng dụng rộng rãi.

2.1. Nguyên Lý Điều Khiển Robot Phục Hồi Độ Chính Xác An Toàn

Các phương pháp điều khiển robot phục hồi đòi hỏi độ chính xác cao trong việc bám quỹ đạo và cung cấp lực hỗ trợ. An toàn là yếu tố then chốt, cần đảm bảo robot không gây thêm tổn thương cho bệnh nhân. Cảm biến lực và vị trí được sử dụng để theo dõi trạng thái của bệnh nhân và điều chỉnh hoạt động của robot. Phương pháp điều khiển cần tính đến các yếu tố như lực ma sát, trọng lực và quán tính của chi dưới.

2.2. Thuật Toán Điều Khiển Robot Thích Ứng Với Bệnh Nhân

Mỗi bệnh nhân có tình trạng sức khỏe và khả năng vận động khác nhau, đòi hỏi hệ thống điều khiển robot phải có khả năng thích ứng. Thuật toán điều khiển robot phục hồi cần điều chỉnh lực hỗ trợ và quỹ đạo chuyển động dựa trên phản hồi từ bệnh nhân. Các kỹ thuật như phản hồi sinh học (biofeedback) và học máy có thể được sử dụng để cải thiện khả năng thích ứng của robot.

2.3. Giao Diện Người Máy HMI Yếu Tố Quan Trọng

Giao diện người-máy (HMI) đóng vai trò quan trọng trong việc cho phép các nhà trị liệu theo dõi và điều khiển robot phục hồi một cách hiệu quả. Nó cũng cần cho phép bệnh nhân cung cấp phản hồi và điều chỉnh các tham số điều trị. Một HMI được thiết kế tốt có thể cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng và kết quả điều trị.

III. Phương Pháp Điều Khiển Backstepping Cho Robot SLLR 58 ký tự

Luận văn tập trung vào việc áp dụng phương pháp điều khiển Backstepping cho robot SLLR (dạng ngồi/ nằm). Phương pháp này có ưu điểm là khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến phức tạp và đảm bảo tính ổn định. Quá trình nghiên cứu bao gồm việc xây dựng mô hình động học và động lực học của robot, thiết kế bộ điều khiển Backstepping và mô phỏng kết quả trên phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng được so sánh với phương pháp PID để đánh giá hiệu quả của Backstepping.

3.1. Cơ Sở Lý Thuyết Điều Khiển Backstepping Tổng Quan

Backstepping là một kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống phi tuyến tính, trong đó hệ thống được chia thành các hệ con và bộ điều khiển được thiết kế tuần tự cho từng hệ con. Ưu điểm của Backstepping là khả năng đảm bảo tính ổn định của hệ thống và đạt được hiệu suất điều khiển mong muốn. Phương pháp này dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov và được áp dụng rộng rãi trong điều khiển robot.

3.2. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Backstepping Các Bước Thực Hiện

Việc thiết kế bộ điều khiển Backstepping cho robot SLLR bao gồm các bước sau: (1) Xây dựng mô hình động học và động lực học của robot. (2) Chia hệ thống thành các hệ con. (3) Thiết kế bộ điều khiển cho từng hệ con, đảm bảo tính ổn định. (4) Kết hợp các bộ điều khiển con để tạo thành bộ điều khiển tổng thể. Việc lựa chọn các hệ số điều khiển phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất điều khiển tốt.

3.3. Mô Phỏng Matlab Simulink Đánh Giá Hiệu Quả

Mô phỏng trên Matlab/Simulink là một bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển Backstepping. Quỹ đạo góc và vận tốc góc của các khớp được mô phỏng và so sánh với quỹ đạo mong muốn. Các chỉ số như sai số bám quỹ đạo và thời gian đáp ứng được sử dụng để đánh giá hiệu suất điều khiển. Mô phỏng cũng giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn và điều chỉnh các tham số điều khiển.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Kết Quả Nghiên Cứu Robot SLLR 57 ký tự

Luận văn trình bày kết quả mô phỏng việc áp dụng phương pháp điều khiển Backstepping cho robot SLLR. Kết quả cho thấy phương pháp Backstepping có khả năng bám quỹ đạo tốt hơn so với phương pháp PID truyền thống, đặc biệt trong điều kiện có nhiễu. Nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng trong việc phát triển các robot phục hồi chức năng chi dưới tại nhà, giúp bệnh nhân tập luyện một cách an toàn và hiệu quả.

4.1. Đánh Giá Hiệu Quả Phục Hồi So Sánh PID Backstepping

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp Backstepping vượt trội hơn so với PID trong việc giảm sai số bám quỹ đạo và cải thiện độ chính xác của chuyển động. Backstepping cũng thể hiện khả năng ổn định tốt hơn trong điều kiện có nhiễu. Điều này cho thấy Backstepping là một lựa chọn hứa hẹn cho điều khiển robot phục hồi.

4.2. Robot Phục Hồi Tại Nhà Tiềm Năng Ứng Dụng Rộng Rãi

Việc phát triển các robot phục hồi chi dưới tại nhà có thể giúp bệnh nhân tập luyện thường xuyên hơn và giảm chi phí điều trị. Nghiên cứu này góp phần vào việc hiện thực hóa tiềm năng đó bằng cách cung cấp một phương pháp điều khiển hiệu quả và ổn định cho robot SLLR. Cần có thêm nghiên cứu để đánh giá hiệu quả lâm sàng của robot trong môi trường thực tế.

4.3. Cảm Biến Robot Phục Hồi Nâng Cao Độ An Toàn

Sử dụng các cảm biến trong robot phục hồi là rất quan trọng, đặc biệt là cảm biến lực và mô-men để đo lực tương tác giữa robot và bệnh nhân. Dữ liệu này có thể được sử dụng để điều chỉnh lực hỗ trợ của robot để ngăn ngừa chấn thương. Cảm biến vị trí và vận tốc cũng có thể được sử dụng để theo dõi chuyển động của bệnh nhân và điều chỉnh quỹ đạo của robot.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Robot Chi Dưới 53 ký tự

Luận văn đã trình bày nghiên cứu về phương pháp điều khiển Backstepping cho robot phục hồi chức năng chi dưới dạng ngồi/ nằm. Kết quả cho thấy Backstepping là một phương pháp điều khiển tiềm năng, có thể cải thiện hiệu quả phục hồi chức năng cho bệnh nhân. Hướng phát triển của nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc thử nghiệm robot trên bệnh nhân thực tế, tích hợp các thuật toán học máy và phát triển các giao diện người-máy thân thiện hơn.

5.1. Đóng Góp Mới Của Nghiên Cứu Ứng Dụng Backstepping

Nghiên cứu đã đóng góp vào việc áp dụng phương pháp điều khiển Backstepping cho robot SLLR, một loại robot phục hồi chức năng ít được nghiên cứu. Kết quả mô phỏng cho thấy Backstepping có thể cải thiện hiệu suất điều khiển so với phương pháp PID truyền thống. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống điều khiển robot phục hồi chức năng.

5.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai Học Máy AI

Trong tương lai, có thể tích hợp các thuật toán học máy và trí tuệ nhân tạo (AI) vào hệ thống điều khiển robot để cải thiện khả năng thích ứng và cá nhân hóa liệu pháp phục hồi. AI có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu từ bệnh nhân và điều chỉnh lực hỗ trợ và quỹ đạo chuyển động của robot. Điều này có thể giúp tối ưu hóa hiệu quả điều trị và rút ngắn thời gian phục hồi.

Nghiên Cứu Phương Pháp Điều Khiển Robot Hồi Phục Chức Năng Chi Dưới Dạng Ngồi/Nằm