CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương này trình bày tổng quan, lý do thực hiện đề tài, đưa ra mục tiêu và giới hạn trong quá trình xây dựng đề tài. Qua đó, xác định được hướng nghiên cứu, đề xuất phương pháp và hướng thực hiện đề tài tìm hiểu và thiết kế bộ chuyển động cho cánh tay robot khung xương 6 bậc tự do và sử dụng tín hiệu EMG trong điều khiển, dựa trên tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, và năng lực nghiên cứu của nhóm để chỉ ra các giới hạn cần thiết.1 Tình hình nghiên cứu Với sự phát triển vượt trội của khoa học công nghệ từ những năm 2000, đã khai phá nhiều tiềm năng của robot trong đời sống và vấn đang có chiều hướng gia tăng nhanh chóng trong những năm gần đây. Hình 1-1 Thống kê số lượng lắp đặt với loại robot công nghiệp theo báo cáo mới nhất từ IFR Số lượng robot được lắp đặt trong công nghiệp liên tục tăng, đặc biệt lả ở các khu vực Asian, với đầu tàu trong lĩnh vực sản xuất là Trung Quốc, trong năm 2022 theo hiệp hội IFR (International Federation of Robotics) đại diện cho ngành công nghiệp trên toàn thế giới số lượng robot mà các quốc gia Châu Á sở hữu chiếm khoảng 74% trên toàn thế giới chỉ riệng về loại hình robot công nghiệp. Tại Việt Nam việc sử dụng cánh tay robot đang ngày một gia tăng trong ngành sản xuất ô tô (VINFAST, THACO,…), giáo dục (Đại học Sư Phạm Kĩ Thuật, Đai học Bách Khoa HCM,…), trong các lĩnh vực về y tế (Bệnh viện Trung ương Quân Đội 108,.
Cho thấy rằng cánh tay robot có ở mọi nơi trong cuộc sống. Tuy nhiên việc tiếp cận chỉ đang dừng lại ở vai trò sử dụng sản phẩm, để có thể bắt kịp tiến độ phát triển Việt Nam cần phải làm chủ các công nghệ về robot.Vì những lợi ích mà robot mang lại về độ ổn định, tính chính xác cao, khả năng hoạt động liên tục,… Robot đang ngày càng phát huy được vai trò hỗ trợ con người trong nhiều mặt đời sống. Trang 1 LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP a) b) c) d) Hình 1-2 Ứng dụng của cánh tay robot trong đời sống, a) Robot hàn vật liệu, b) Chăm sóc cây trồng, c) Dạy học và tương tác, d) Robot gắp thả vật Trước đây, khi đề cập đến các dạng robot nối tiếp với các bậc tự do ta thường nghĩ đến các loại robot có cấu trúc kiểu cánh tay phổ biến như robot công nghiệp PUMA 560, UR3,… Tuy nhiên nhằm phạm vi ứng dụng của robot đối với đời sống, nhiều cấu trúc robot mới được ra đời. Một trong số đó là cơ cấu robot exoskeleton còn được gọi là khung xương ngoài, với cấu trúc mô phỏng cánh tay người vì vậy thiết kế robot cũng hết sức đa dạng.
Ứng dụng của robot exoskeleton rất đa dạng, từ lĩnh vực y tế, công nghiệp cho đến quốc phòng an ninh. a) b) Hình 1-3 Cấu hình robot khung xương, a) ANYexo, cre:Robot System Lab ETHzurich, b) Exskeleton Yeecon, cre: Yeecon Company Bên cạnh đó việc sử dụng robot Exoskeleton được cho là phù hợp khi thực hiện tương tác trực tiếp với con người có tính ứng dụng trong các hệ thống giao diện người và máy Trang 2 LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP (HMI). Hiện tại, theo bộ Y tế Việt Nam cung cấp thống kê vào năm 2022 [1] cho thấy có khoảng 200.000 người bị mắc các đột quỵ hằng năm do sự cải tiến về y học và khoa học hiện đại phát triển đã giúp tuổi thọ của con người được nâng cao đáng kể, tuy nhiên điều kiện mội trường và mức sống được coi là chưa phù hợp dẫn đến ảnh hưởng sức khỏe của con người. Vì vậy việc phát triển các robot để phù hợp áp dụng trong các lĩnh vực chăm sóc sức khỏe cộng đồng được cho là rất cần thiết trong thời điểm hiện nay.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Trên thế giới các dạng robot có cấu tạo khung xương đã xuất hiện được trong vài thập kĩ, trong tính linh hoạt và tương tác với con người, cấu hình robot khung xương đóng vai trò rất quan trọng.
Với sự xuất hiện của các dạng robot Exoskeleton. Robot khung xương có thể được tìm thấy với đa dạng cấu hình cho các chi trên cơ thể con người là một dạng cơ cấu có cấu trúc đặc biệt và không theo bất kì tiêu chuẩn nào [2]. Để thực hiện phận loại robot khung xương ta có thể dựa vào các khía cạnh khác như thiết kế cơ khí, cơ cấu chấp hành, loại hình điều khiển, hướng tiếp cận về điều khiển. Hình 1-4 Thống kê các nghiên cứu ứng dụng của robot Exoskeleton vào năm 2020 [3] Với thống kê tại Hình 1-4, các ứng dụng của robot exoskeleton được ứng dụng trong các lĩnh vực về công nghiệp, y tế, quân đội trong đó tỉ trọng tập trung hầu hết trong y học với tỉ trọng chiếm khoảng 48.
Trang 3 LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP Bảng 1-1 Phân loại các robot Exoskeleton STT Phân loại Đặc điểm Hình ảnh Robot với nhiều bậc tự do, có thể di chuyển trong không Upper-limb gian lớn, là dạng robot khung 1 Exoskeleton xương có thể ôm trọn chi trên, Direct driven và có chức năng phục hồi trên [4, 5] toàn chi, trong hình bên gồm robot ARMin và robot CADEN7. Robot có các cơ cấu truyền Upper-limb động được thực hiện bằng cáp. 2 Exosketon Mang đến tín gọn nẹ trong quá Cable-driven trình thực thi nhiệm vụ. Với cấu trúc robot dạng xương được xem là một thiết bị đeo hỗ trợ hoặc tăng cường khả năng vận động của con người [6].
Trong lĩnh vực y tế các robot, thực hiện tập lặp lại cách bài tập chuyển động cho các chi bị hư tổn nhằm kích thích các tín hiệu thần kinh mang đến cảm giác quen thuộc từ đó phục hồi các chức năng của bệnh nhân, hầu hết trong các ứng dụng phục hồi chức năng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế trong bệnh viện giúp các bệnh nhân sau phẩu thuật hoặc xuất hiện trên các phòng tập trị liệu của các trung tâm thể thao giúp giảm tình trạng chấn thương nhằm từ đó vận động viên có thể tập thường xuyên cường độ cao và có thể nhanh lấy lại cảm giác sau khi bị chấn thương. Trong lĩnh vực công nghiệp, robot còn có thể được sử dụng nhằm hỗ trợ lực và giảm thiểu các tai nạn trong lao động từ đó cải thiện hiệu suất làm việc. Trong lĩnh vực về an ninh quốc phòng việc chế tạo các robot khung xương bọc quanh các chi có thể giúp cho các quân lính được bảo vệ tốt hơn, vận động cường độ cao bền bĩ hơn trên các chiến trường khắc nghiệt. a) b) c) Hình 1-5 Ứng dụng robot exoskeleton, a) Trợ lực hoạt động “Lucy” robot, b) Hỗ trợ tập phục hồi chức năng robot CRBH’s CoF, c) Exoskeleton robot trang phục cho quân nhân Trang 4 LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP Vì cấu trúc robot exoskeleton là đặc biệt chính vì vậy việc tính toán động học cho robot cũng là một vấn đề được quan tâm.
Với thiết kế robot exoskeleton 4 bậc tự do [7] nhóm tác giả thực hiện phương pháp giải động học nghịch sử dụng phương pháp giải tích, đồng thời đánh giá không gian làm việc của robot, thực hiện triển khai và điều khiển robot exoskeleton 4 bậc tự do thông qua bộ điều khiển chuyển động PD cho các khớp, ngoài phương pháp sử dụng phương pháp giải tích để tính toán động học nghịch, việc giải động học sử dụng phương pháp Jacobian hoàn toàn có thể thay thế phụ thuộc vào cấu hình robot khác nhau, với nghiên cứu thiết kế và phân tích cánh tay máy phục hòi chức năng cho chi trên nhiều phương thức điều khiển [8] với hướng tiếp cận sử dụng phương pháp đạt trục theo Denavit–Hartenberg cùng với đó sử dụng giải thuật Jacobian để giải bài toán động học nghịch cho robot. Ngoài ra, phương pháp tiếp cận sử dụng phương pháp tính động học nghịch dựa trên các cơ cấu tương tự chi của người [9], tác giả Shuo Pei đã sử dụng phương pháp Pseudo-Inverse cùng với thuật toán suy giảm độ dốc để thực hiện tính toán động học nghịch sử dụng ma trận Jacobian với ưu tiên về hướng và có kết quả đạt được với sai số về 3 hướng của cơ cấu chấp hành rơi vào 10 rad. Phương pháp sử dụng phương pháp giải động học nghịch bằng ma trận Jacobian với sự ràng buộc về chuyển động của các khớp robot [10] của tác giả Stefano Dalla Gasperina, phương pháp giải động học sử dụng phép nghịch đảo từ phương trình Pseudo-Inverse và sử dụng phương pháp suy giảm độ dốc Gradient Descent để ràng buộc chuyển động các khớp, kết quả đạt được với sai số tối đa của hệ thống chỉ rơi vào khoảng 0. Trong nhiều phương pháp được sử dụng để điều khiển từ xa robot, tín hiệu điều khiền bằng EMGs nổi lên như là một trong những phương pháp trực quan nhất, mô tả trực tiếp vận hành từ các chi tự nhiên của con người dựa trên các tín hiệu sinh học thu thập được [11], vì vậy khi người dùng không cần quá nhiều kiến thức để có thể thực hiện điều khiển một mô hình robot.
Hình 1-6 Tổng quan về ứng dụng và kĩ thuật điều khiển của tín hiệu EMG [12] Từ Hình 1-6, ta thấy rằng tín hiệu EMG được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực về điều khiển robot, chuẩn đoán bệnh tật và phục hồi chức năng cho thấy rằng ứng dụng EMGs có vai trò quan trọng trong các lĩnh vưc đặc biệt là về y tế công cộng, điều đó làm vai trò Trang 5 LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP của tín hiệu EMG có tiềm năng lớn đối với hệ thống sử dụng tín hiệu EMG. Với thái cực còn lại các nghiên cứu tập trung vào xử lý các tín hiệu EMG thu thập được trong đó bao gồm các phương pháp xử lý và nhận dạng tín hiệu. Trong nghiên cứu về biện pháp can thiệp điều khiển robot dựa trên tín hiệu EMG của Yunxia Huo vào năm 2023 [13] nghiên cứu cho thấy sự can thiệp điều khiển bằng tín hiệu EMG có hiệu quá hơn với các phương pháp thông thường, nghiên cứu tập trung vào xác định các yếu tố về độ cứng của cơ, điều chỉnh cường độ và hạn chế hoạt động quá mức trong quá trình tập luyện. Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển từ xa cho robot di động sử dụng tín hiệu EMG của Stefano Bisi [14], đã thực hiện kết hợp tín hiệu EMG cùng với phần mềm mô phỏng Robotics Operating System (ROS) để thực hiện điều khiển chuyển động đói với hệ mobile robot.