Thiết kế bộ điều khiển cho robot phục hồi chức năng dựa trên nền tảng ROS

Đồ án thiết kế bộ điều khiển robot phục hồi chức năng trên nền tảng ROS - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Trần Phú Khang
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Đức Thiện
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển cho robot phục hồi chức năng dựa trên nền tảng ROS
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan bộ điều khiển robot phục hồi chức năng trên nền tảng ROS

Đề tài nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung phát triển giải pháp hỗ trợ vận động hiện đại. Robot phục hồi chức năng đóng vai trò then chốt trong y học trị liệu đương đại. Thiết bị cơ điện tử này hỗ trợ người bệnh sau đột quỵ hoặc chấn thương tái lập khả năng vận động. Quá trình tập luyện đòi hỏi cường độ cao và tính lặp lại liên tục. Phương pháp trị liệu truyền thống dựa vào kỹ thuật viên thường gây áp lực lớn về thể lực. Robot thông minh khắc phục triệt để rào cản nhân lực này. Nền tảng ROS cung cấp khung kiến trúc mở linh hoạt và mạnh mẽ. Hệ thống này giúp kết nối các module phần cứng, cảm biến và động cơ dễ dàng. Cấu trúc module hóa của ROS cho phép phát triển các thuật toán điều khiển độc lập và ổn định. Đồ án của sinh viên ngành Tự động hóa tại ĐH SPKT TP.HCM giải quyết bài toán cốt lõi về điều khiển chính xác. Việc kết hợp phần cứng robot với phần mềm ROS tạo nên bước tiến đáng kể cho lĩnh vực thiết bị y tế tự động.

1.1. Nhu cầu ứng dụng robot phục hồi chức năng

Nhu cầu điều trị phục hồi chức năng vận động ngày càng gia tăng trong xã hội hiện đại. Bệnh nhân tai biến mạch máu não và chấn thương tủy sống cần tập luyện chuyên sâu. Các bài tập thủ công đòi hỏi chuyên viên vật lý trị liệu tốn nhiều sức lực. Sự thiếu hụt nhân sự y tế chuyên trách khiến người bệnh khó tiếp cận lộ trình chuẩn. Robot phục hồi chức năng mang lại chu kỳ vận động chính xác và bền bỉ. Thiết bị cho phép thu thập dữ liệu góc khớp và lực cản theo thời gian thực. Hệ thống hỗ trợ đánh giá khách quan tiến trình hồi phục cơ bắp. Đây là tiền đề chuyển đổi từ vật lý trị liệu bị động sang tự động hóa thông minh.

1.2. Vai trò của nền tảng ROS trong tự động hóa y tế

Hệ điều hành robot ROS đóng vai trò cầu nối trung gian giữa thuật toán và phần cứng. Nền tảng này cung cấp các gói thư viện chuẩn cho tính toán động học và điều hướng. Cơ chế giao tiếp dạng node pub/sub giúp truyền tải thông điệp nhanh chóng và tin cậy. Nhờ đó, việc lập trình điều khiển cánh tay robot trị liệu trở nên trực quan hơn. Kỹ sư dễ dàng tích hợp các cảm biến lực và encoder góc quay. Môi trường mô phỏng 3D trên ROS hỗ trợ kiểm thử an toàn trước khi vận hành thực tế. Nghiên cứu khai thác tối đa tài nguyên ROS để xây dựng kiến trúc điều khiển thời gian thực ổn định.

II. Vấn đề điều khiển robot phục hồi chức năng trên nền tảng ROS

Việc chế tạo hệ thống robot tương tác trực tiếp với cơ thể người đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp. An toàn sinh học luôn là ưu tiên hàng đầu trong mọi kịch bản vận hành. Bệnh nhân có cơ địa yếu và phản xạ co thắt cơ khó lường. Mọi sai số quỹ đạo nhỏ đều có nguy cơ gây chấn thương thứ cấp cho khớp xương. Do đó, bộ điều khiển phải phản ứng tức thời trước các biến động lực tác động bất ngờ. Mô hình động học cánh tay nhiều bậc tự do mang tính phi tuyến tính cao. Khối lượng và kích thước chi thể của mỗi người bệnh hoàn toàn khác biệt. Bộ điều khiển cần thích ứng linh hoạt với tải trọng thay đổi liên tục trong suốt buổi tập. Đồng thời, nền tảng ROS xử lý khối lượng lớn dữ liệu trao đổi giữa các khối điều phối. Độ trễ truyền thông qua mạng node có thể làm giảm tính ổn định của vòng điều khiển kín. Giải quyết bài toán trễ thời gian và nhiễu tín hiệu cảm biến là yêu cầu bắt buộc đối với nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM.

2.1. Yêu cầu khắt khe về an toàn tương tác người máy

Tương tác vật lý trực tiếp giữa cơ khí và chi thể người đòi hỏi cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt. Robot phục hồi chức năng không được phép vượt quá giới hạn góc quay sinh lý tự nhiên. Lực tác động từ cơ cấu chấp hành phải luôn nằm trong ngưỡng dung nạp của bệnh nhân. Hiện tượng giật cục hoặc sai lệch vị trí có thể gây tổn thương dây chằng nghiêm trọng. Bộ điều khiển cần tích hợp thuật toán ngắt an toàn khẩn cấp dựa trên phản hồi cảm biến. Ngoài ra, tính đàn hồi cơ bắp thay đổi theo từng buổi trị liệu đặt ra thách thức lớn. Hệ thống phải liên tục nhận biết lực kháng cự để tự động điều chỉnh vận tốc phù hợp.

2.2. Tính toán phi tuyến và hạn chế độ trễ truyền thông

Cấu trúc cánh tay robot phục hồi chức năng bao gồm nhiều khớp nối liên kết tuần tự. Mô hình toán học động học và động lực học vì thế có mức độ phi tuyến rất cao. Việc giải phương trình vi phân phức tạp đòi hỏi năng lực xử lý mạnh mẽ trong từng chu kỳ. Bên cạnh đó, kiến trúc ROS hoạt động dựa trên cơ chế phân tán các nút xử lý. Việc truyền nhận gói dữ liệu qua mạng nội bộ có thể xuất hiện độ trễ ngẫu nhiên hoặc trôi đồng hồ. Độ trễ vượt quá ngưỡng cho phép sẽ dẫn tới rung lắc cơ học và mất cân bằng. Nhóm nghiên cứu phải tối ưu hóa mã nguồn điều khiển để triệt tiêu hiện tượng nghẽn mạng này.

III. Giải pháp điều khiển robot phục hồi chức năng trên nền tảng ROS

Đề tài của Trường ĐH SPKT TP.HCM đề xuất quy trình thiết kế bộ điều khiển toàn diện. Trọng tâm nghiên cứu nằm ở việc xây dựng mô hình động học chính xác cho cánh tay robot. Phương pháp Denavit-Hartenberg tiêu chuẩn được áp dụng để mô tả cấu trúc chuỗi động hở. Mỗi khâu liên kết được gắn hệ tọa độ theo quy tắc bàn tay phải nghiêm ngặt. Phép biến đổi ma trận thuần nhất D-H liên kết vị trí khâu gốc với đầu công tác cuối cùng. Hệ thống tính toán động học thuận và nghịch được lập trình hoàn chỉnh dưới dạng các node trong ROS. Nền tảng điều phối việc đọc tín hiệu từ bộ giải mã góc quay động cơ servo. Thuật toán bù sai số động học liên tục hiệu chỉnh dòng điều khiển tới driver công suất. Mô hình đảm bảo quỹ đạo chuyển động mượt mà, triệt tiêu xung lực va đập cơ khí. Kiến trúc này tạo nền tảng vững chắc cho các chế độ tập thụ động và chủ động tương thích cao.

3.1. Thiết lập mô hình động học bằng quy tắc Denavit Hartenberg

Quy tắc Denavit-Hartenberg chuẩn hóa quan hệ hình học giữa các khớp và khâu của robot. Hệ toạ độ cơ sở được cố định tại khâu đế với trục Z trùng khớp quay ban đầu. Trục X hướng dọc theo đường vuông góc chung giữa hai trục quay kế tiếp. Bốn thông số hình học gồm độ dài khâu, góc xoắn, khoảng cách dịch chuyển và góc khớp được trích xuất cụ thể. Phép nhân chuỗi ma trận chuyển vị thuần nhất xác định tọa độ không gian của đầu công tác. Thuật toán động học nghịch tính toán góc quay khớp tương ứng theo vị trí mong muốn. Nhờ đó, cánh tay cơ khí di chuyển đúng đường cong sinh học đã định sẵn.

3.2. Hiện thực hóa kiến trúc điều khiển thời gian thực trên ROS

Kiến trúc phần mềm trên nền tảng ROS phân chia thành các gói chức năng chuyên biệt. Nút điều khiển trung tâm tiếp nhận quỹ đạo tham chiếu từ giao diện bác sĩ điều trị. Nút tính toán động học chuyển đổi quỹ đạo không gian thành biến góc khớp theo thời gian thực. Tín hiệu lệnh truyền tới driver điều khiển động cơ qua giao thức bus trường có độ tin cậy cao. Các nút đọc cảm biến lực và encoder liên tục cập nhật trạng thái phản hồi. Vòng lặp phản hồi kín giúp khử sai số bám quỹ đạo với tần số lấy mẫu ổn định. Thiết kế module này giúp hệ thống dễ dàng bảo trì và tích hợp phần cứng mới.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ điều khiển robot phục hồi chức năng ROS

Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển robot mở ra hướng phát triển đầy hứa hẹn cho ngành thiết bị y tế. Giải pháp từ Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chứng minh tính khả thi cao trong thực nghiệm lâm sàng. Thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng chi trên cho bệnh nhân đột quỵ với độ chính xác cao. Khả năng ghi nhận thông số khách quan giúp bác sĩ dễ dàng theo dõi mức độ tiến bộ. Người bệnh duy trì chế độ tập chuyên sâu mà không bị phụ thuộc vào tần suất hỗ trợ trực tiếp từ kỹ thuật viên. Mô hình có khả năng mở rộng sang các hệ thống tập luyện phục hồi tại nhà. Thiết kế gọn nhẹ và tính linh hoạt của nền tảng ROS giúp hạ giá thành sản xuất thiết bị. Bệnh nhân có thể tự tập luyện đều đặn theo phác đồ cá nhân hóa, giảm bớt chi phí điều trị đắt đỏ. Kết quả đồ án khẳng định năng lực nghiên cứu khoa học của sinh viên ngành Điều khiển và Tự động hóa. Hệ thống tạo tiền đề quan trọng cho việc thương mại hóa robot y tế tại Việt Nam.

4.1. Hỗ trợ điều trị lâm sàng và giảm tải áp lực y tế

Triển khai robot phục hồi chức năng tại bệnh viện giúp chuẩn hóa quy trình trị liệu vận động. Bác sĩ thiết lập trước các bài tập với cường độ và biên độ góc khớp chính xác. Cánh tay robot lặp lại chuyển động hàng ngàn lần mà không suy giảm chất lượng phục vụ. Điều này kích thích phản xạ thần kinh và cơ bắp nhanh gấp nhiều lần phương pháp truyền thống. Chuyên viên trị liệu không còn phải dùng sức cơ bắp nặng nhọc trong các ca bệnh phức tạp. Họ chuyển sang đóng vai trò giám sát chuyên môn và điều chỉnh phác đồ phù hợp. Nhờ vậy, năng suất phục vụ tại các trung tâm y tế tăng lên rõ rệt.

4.2. Tiềm năng cá nhân hóa trị liệu và triển khai tại nhà

Tính linh hoạt của kiến trúc điều khiển cho phép cấu hình theo từng trạng thái bệnh lý riêng biệt. Bệnh nhân có thể điều trị liên tục tại nhà mà không cần đến bệnh viện mỗi ngày. Thiết bị ghi nhận lịch sử vận động chi tiết và truyền dữ liệu trực tuyến về cơ sở y tế. Bác sĩ dễ dàng đánh giá tiến triển từ xa và cập nhật thông số bài tập mới. Giải pháp này tiết kiệm tối đa thời gian di chuyển và chi phí lưu trú cho gia đình. Khả năng tự chủ trong tập luyện nâng cao tinh thần lạc quan và động lực phục hồi chức năng của người bệnh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đột quỵ não và các tổn thương thần kinh trung ương là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến suy giảm chức năng vận động chi trên, gây tàn tật lâu dài cho người bệnh. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), hàng năm trên thế giới có khoảng 15 triệu người mắc đột quỵ, trong đó 5 triệu người tử vong và 5 triệu người phải đối mặt với di chứng tàn tật vĩnh viễn. Tại Việt Nam, tỷ lệ mắc đột quỵ ước tính khoảng 218 ca trên 100.000 dân, tương ứng với hơn 200.000 ca mắc mới mỗi năm; riêng tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2024, các bệnh viện đã tiếp nhận hơn 17.000 trường hợp đột quỵ. Thống kê của WHO năm 2019 cũng chỉ ra rằng cứ 7 người Việt Nam thì có 2 người có nhu cầu phục hồi chức năng (tỷ lệ 30%), dự báo toàn quốc có hơn 30 triệu người cần can thiệp phục hồi. Mặc dù nhu cầu điều trị là rất lớn, hệ thống y tế trong nước vẫn đang đối mặt với tình trạng thiếu hụt trầm trọng nhân lực vật lý trị liệu có chuyên môn sâu, đặc biệt ở tuyến cơ sở.

Phương pháp phục hồi chức năng truyền thống phụ thuộc lớn vào thao tác thủ công của kỹ thuật viên, dẫn đến khối lượng công việc quá tải, thiếu khả năng duy trì các bài tập lặp lại với cường độ cao và khó thu thập dữ liệu định lượng về tiến trình hồi phục. Việc ứng dụng robot phục hồi chức năng chi trên cho phép chuẩn hóa các bài tập lặp đi lặp lại với độ chính xác cao, hỗ trợ giảm tải cho chuyên viên y tế và cho phép cá nhân hóa liệu trình tập luyện. Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất đặt ra là thiết kế cấu trúc cơ khí phù hợp với giải phẫu học cơ thể người và xây dựng một hệ thống điều khiển chuyển động an toàn, chính xác và có khả năng tương tác linh hoạt. Để giải quyết vấn đề này, đề tài "Thiết kế bộ điều khiển cho robot phục hồi chức năng dựa trên nền tảng ROS" được thực hiện nhằm khai thác tính mở, tính mô-đun và năng lực truyền thông phân tán của hệ điều hành robot ROS 2 (Robot Operating System 2) trong điều khiển thiết bị y sinh hỗ trợ vận động.

Mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm 6 nội dung chính:

1. Thiết kế mô hình cơ khí robot phục hồi chức năng 4 bậc tự do (4-DOF) hỗ trợ các chuyển động của khớp vai và khớp khuỷu.
2. Phân tích, tính toán động học, động lực học và quy hoạch quỹ đạo chuyển động dựa trên các bài tập phục hồi chức năng thực tế của chi trên.
3. Xây dựng môi trường đồng mô phỏng giữa MATLAB/Simulink và ROS/Gazebo nhằm kiểm chứng thuật toán điều khiển và mô hình động lực học.
4. Triển khai cấu trúc bộ điều khiển PD và PD bù trọng lực (PD-Gravity) trên nền tảng ROS 2.
5. Thiết kế mô hình bóng số (Digital Shadow) của cánh tay robot trong môi trường đồ họa Unity để giám sát chuyển động thời gian thực.
6. Thiết kế và triển khai giao diện người dùng (GUI) nhằm cấu hình thông số, vận hành bài tập và thu thập dữ liệu đáp ứng của hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được xác định như sau:

• Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot 4 bậc tự do phục hồi chức năng chi trên; các thuật toán điều khiển vị trí, bù trọng lực và kiến trúc điều khiển ros2_control trên nền tảng ROS 2 kết nối mạng CAN thông qua vi điều khiển.
• Không gian thực hiện: Đề tài được triển khai và thử nghiệm thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Robot và Điều khiển thông minh (RICLab), Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
• Thời gian nghiên cứu: Từ ngày 13/01/2025 đến ngày 09/06/2025.
• Giới hạn kỹ thuật: Mô hình cơ khí thực nghiệm được gia công bằng công nghệ in 3D từ vật liệu nhựa; hệ thống thử nghiệm ở trạng thái không mang tải ngoài; các tham số điều khiển được xác định bằng phương pháp dò tìm thủ công; các bài tập thực nghiệm chỉ tập trung vào kiểm chứng kỹ thuật điều khiển bám quỹ đạo mô phỏng, chưa tiến hành thử nghiệm lâm sàng trên cơ thể bệnh nhân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết y sinh và kỹ thuật điều khiển

Đề tài xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa giải phẫu chức năng chi trên và lý thuyết điều khiển robot tự động:

• Cơ sở y sinh học chi trên: Chi trên người gồm 4 phần chính: đai vai, cánh tay, cẳng tay và bàn tay. Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung mô hình hóa chuyển động của hai khớp lớn:
  • Khớp vai: Khớp cầu có 3 bậc tự do, gồm chuyển động gập/duỗi (Flexion/Extension), dạng/khép (Abduction/Adduction) và xoay trong/xoay ngoài (Internal/External Rotation). Tầm vận động sinh lý (ROM) tham chiếu theo các nghiên cứu của Boone, S. Namdari và Donna C. Oosterwijk.
  • Khớp khuỷu tay: Khớp bản lề có 1 bậc tự do cho chuyển động gập/duỗi (ROM tham chiếu theo A. Bonutti).
• Lý thuyết động học robot: Áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) để gắn hệ trục tọa độ lên các khâu của robot chuỗi hở, xây dựng bảng tham số D-H và thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất nhằm giải bài toán động học thuận (xác định vị trí, hướng đầu công tác) và bài toán động học nghịch (tính toán góc quay các khớp từ tọa độ không gian làm việc).
• Lý thuyết động lực học: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ thống nhiều khâu bằng phương pháp Euler-Lagrange, mô tả tương quan giữa mô-men tác động tại các khớp với ma trận quán tính, ma trận lực Coriolis, lực hướng tâm và véc-tơ lực hấp dẫn (trọng trường).
• Lý thuyết điều khiển chuyển động: Nghiên cứu và ứng dụng hai cấu trúc điều khiển phản hồi vị trí: bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân (PD) cổ điển và bộ điều khiển PD kết hợp bù trọng lực (PD-Gravity) dựa trên thành phần trọng trường tính toán từ mô hình Euler-Lagrange.
• Hạ tầng truyền thông và phần mềm:
  • Mạng CAN (Controller Area Network): Giao thức truyền thông hai dây đa chủ (CAN High, CAN Low) sử dụng cấu trúc khung truyền tiêu chuẩn để giao tiếp điều khiển vòng kín và đọc phản hồi từ driver của các động cơ không chổi than.
  • Nền tảng ROS 2 (Robot Operating System 2): Sử dụng lớp trung gian phân tán DDS (Data Distribution Service) đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS), cấu trúc quản trị phần cứng ros2_control thông qua cơ chế phân tách giữa plugin Hardware và plugin Controller.
  • Giao thức WebSocket và TCP/IP: Thiết lập kết nối mạng truyền dữ liệu dạng chuỗi JSON thông qua gói rosbridge_server để kết nối ROS 2 với nền tảng đồ họa Unity.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình kết hợp giữa thiết kế kỹ thuật, mô hình hóa số học, đồng mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng:

• Phương pháp mô hình hóa và đồng mô phỏng: Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình 3D của robot, sau đó sử dụng công cụ sw2urdf để trích xuất file mô tả robot định dạng URDF (Unified Robot Description Format). Thiết lập môi trường đồng mô phỏng hai chiều giữa MATLAB/Simulink và ROS/Gazebo thông qua khối Gazebo Pacer và plugin GazeboPlugin, kết hợp kiểm chứng mô-men động lực học thông qua Simscape Multibody.
• Phương pháp thực nghiệm và phân tích dữ liệu: Chế tạo phần cứng, lắp ráp tủ điện điều khiển, lập trình firmware cho vi điều khiển ESP32 làm nhiệm vụ cầu nối dữ liệu giữa máy tính ROS 2 (cổng USB/UART) và bus CAN của hệ thống động cơ. Dữ liệu thực nghiệm về góc quay, vận tốc và mô-men phản hồi được ghi nhận và tính toán sai số bằng chỉ số sai số căn bậc hai trung bình (RMSE - Root Mean Square Error).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống robot phục hồi chức năng chi trên được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh từ phần cứng cơ điện tử đến phần mềm điều khiển và giao diện giám sát:

Phân hệ	Thành phần kỹ thuật	Chi tiết thiết kế và triển khai trong đồ án
Cơ khí	Khung cánh tay 4-DOF	Chế tạo từ nhựa in 3D gồm khâu đế và 4 khâu chuyển động tương ứng với 3 bậc tự do của khớp vai (dạng/khép, gập/duỗi, xoay) và 1 bậc tự do của khớp khuỷu (gập/duỗi).
Chấp hành	Động cơ không chổi than	- Khớp 1, 2, 3: Sử dụng động cơ BLDC tích hợp hộp giảm tốc MG8010E-i36v2. - Khớp 4: Sử dụng động cơ BLDC tích hợp hộp giảm tốc MG6012E-i8v2.
Mạch điện	Tủ điện điều khiển	Phân chia thành mạch động lực (nguồn công suất, cầu chì, rơ-le an toàn) và mạch điều khiển (vi điều khiển ESP32, mạch chuyển đổi mức tín hiệu, transceiver bus CAN).
Điều khiển	Kiến trúc ros2_control	- Hardware Plugin: Giao tiếp xuất/nhập trạng thái với phần cứng robot qua Node trung gian (Node Intermedia). - Controller Plugin: Thực thi tính toán luật điều khiển PD và PD-Gravity theo thời gian thực. - Data Plugin: Thu thập và xuất bản (publish) dữ liệu đáp ứng góc khớp.
Phần mềm	Nền tảng điều phối	ROS 2 cài đặt trên hệ điều hành Ubuntu, quản lý các tiến trình tính toán quy hoạch quỹ đạo (Trajectory Compute), quản trị file cấu hình YAML và Launch file.
Giám sát	Unity & Digital Shadow	Xử lý mô hình từ Solidworks qua Blender (định dạng FBX, định nghĩa lại hệ trục tọa độ Pivot), nạp vào Unity 3D để tạo bản sao số phản chiếu góc quay thực tế của robot qua kết nối WebSocket (rosbridge_server).

Kiến trúc điều khiển vận hành theo chu trình kín: Bộ quy hoạch quỹ đạo trên ROS 2 phát sinh các giá trị góc đặt theo thời gian cho các bài tập vận động. Thuật toán điều khiển tính toán giá trị điều khiển tương ứng và chuyển xuống vi điều khiển ESP32 thông qua giao tiếp nối tiếp. ESP32 đóng gói dữ liệu thành khung truyền CAN gửi trực tiếp đến các động cơ MG8010E-i36v2 và MG6012E-i8v2. Các cảm biến góc tuyệt đối tích hợp trong động cơ đo đạc vị trí thực tế, phản hồi ngược lên ESP32 qua bus CAN để chuyển về ROS 2 và đồng thời gửi lên Unity nhằm cập nhật mô hình Digital Shadow trên giao diện trực quan.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài dựa trên số liệu dịch tễ học về bệnh nhân đột quỵ toàn cầu và tại Việt Nam, phân tích tình trạng quá tải và hạn chế của dịch vụ phục hồi chức năng truyền thống. Tác giả tiến hành khảo sát các công trình nghiên cứu ngoài nước tiêu biểu về robot hỗ trợ phục hồi chức năng ứng dụng ROS (như nghiên cứu của Wang Boheng, Yves Zimmermann sử dụng cơ cấu truyền động đàn hồi nối tiếp SEA) và các nghiên cứu trong nước (hệ thống AnkleReHabit của Vi Đô Trần, mô hình robot 6-DOF của Thanh Nhã Nguyễn, mô hình điều khiển bằng tín hiệu điện cơ EMG của Nguyễn Minh Nhật và Vũ Công Dương). Từ việc chỉ ra khoảng trống nghiên cứu trong nước về việc thiếu mô hình động lực học hoàn chỉnh và thiếu thực nghiệm phần cứng tích hợp nền tảng mở, chương này xác định rõ mục đích, mục tiêu, giới hạn đề tài và kế hoạch thực hiện.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện phục vụ việc mô hình hóa và thiết kế hệ thống. Về y sinh, chương phân tích cấu trúc giải phẫu chi trên (xương, hệ cơ, hệ thần kinh ngoại biên, các bậc tự do của khớp vai, khớp khuỷu, khớp quay trụ, khớp cổ tay) và tổng hợp bảng tầm vận động sinh lý (ROM). Về kỹ thuật cơ điện tử, chương trình bày phương pháp động học thuận D-H, động học nghịch, lý thuyết quy hoạch quỹ đạo chuyển động, và phương pháp Euler-Lagrange dùng trong tính toán động lực học cánh tay máy. Về lý thuyết điều khiển và công nghệ thông tin, chương giới thiệu nguyên lý của bộ điều khiển PD, bộ điều khiển PD-Gravity, giao thức mạng CAN, chồng giao thức TCP/IP, công nghệ WebSocket, chuẩn truyền thông DDS, kiến trúc ros2_control của ROS 2 và các cơ chế đồng bộ trong kỹ thuật đồng mô phỏng.

Chương 3: Thiết kế mô hình, tính toán và thiết kế bộ điều khiển cho cánh tay robot PHCN

Chương 3 tập trung vào quá trình phân tích chuyển động chi trên để đưa ra cấu hình thiết kế cho robot 4 bậc tự do. Tác giả mô tả chi tiết mô hình 3D từng khâu cơ khí từ khâu đế đến các khâu 1, 2, 3, 4 cùng vị trí lắp đặt các động cơ MG8010E-i36v2 và MG6012E-i8v2. Chương trình bày bảng thông số D-H, các ma trận biến đổi thuần nhất, giải bài toán động học nghịch và xác định không gian làm việc của cánh tay robot theo các hình chiếu tọa độ (XY, YZ, ZX và 3D). Đồng thời, phương trình động lực học tổng quát dạng $M(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + G(q) = \tau$ được thiết lập, làm tiền đề cho việc xây dựng sơ đồ khối và biểu thức toán học của hai bộ điều khiển PD và PD-Gravity.

Chương 4: Mô phỏng và kiểm chứng hệ thống

Chương 4 thiết lập môi trường đồng mô phỏng giữa MATLAB/Simulink và ROS/Gazebo nhằm kiểm chứng lý thuyết trước khi triển khai thực tế. Tác giả trình bày chi tiết quy trình xuất mô hình URDF từ Solidworks bằng công cụ sw2urdf, cấu hình file môi trường thế giới (world) trong Gazebo, và thiết lập cơ chế đồng bộ thời gian qua khối Gazebo Pacer. Kết quả kiểm chứng động học cho thấy đầu công tác của robot bám sát các quỹ đạo bài tập đặt ra cho khớp vai, khớp khuỷu và bài tập phối hợp đa khớp với sai số nhỏ. Mô hình động lực học tính toán bằng lý thuyết được đối chiếu kiểm tra chéo với mô hình vật lý trên Simscape Multibody, cho thấy sự trùng khớp về đáp ứng mô-men tại các khớp. Đánh giá chất lượng của các bộ điều khiển được thực hiện qua nhiều trường hợp mô phỏng, ghi nhận các bảng giá trị sai số bám RMSE của từng khớp.

Chương 5: Triển khai bộ điều khiển trên nền tảng ROS 2

Chương 5 mô tả chi tiết quy trình triển khai phần mềm điều khiển robot trên nền tảng ROS 2. Tác giả phân tích kiến trúc giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm thông qua ros2_control, xây dựng các plugin phần cứng (Hardware Plugin) chịu trách nhiệm đọc trạng thái và ghi lệnh điều khiển, xây dựng các plugin điều khiển (Controller Plugin) phục vụ tính toán các thuật toán PD và PD-Gravity, cùng plugin trích xuất dữ liệu (Controller Data). Cấu trúc file mô tả robot URDF được tích hợp các thẻ điều khiển của ROS 2, các tham số vận hành được quản lý tập trung thông qua file cấu hình định dạng YAML và hệ thống được khởi động đồng bộ thông qua các Launch file chuyên dụng.

Chương 6: Thi công hệ thống

Chương 6 trình bày quá trình hiện thực hóa mô hình vật lý và hệ thống giám sát. Quá trình thi công cơ khí được thực hiện thông qua việc in 3D các chi tiết của khâu đế và 4 khâu chuyển động, sau đó lắp ráp cùng các động cơ bước và động cơ không chổi than. Phân hệ điện được thiết kế và đấu nối hoàn thiện trong tủ điện chuyên dụng gồm mạch cấp nguồn động lực và mạch điều khiển vi xử lý. Về phần mềm giám sát, tác giả trình bày quy trình chuyển đổi tệp thiết kế từ Solidworks sang Blender để chuẩn hóa hệ tọa độ tâm (Pivot), sau đó đưa vào Unity để xây dựng không gian ảo Digital Shadow. Hệ thống giao diện người dùng trên Unity bao gồm các trang giới thiệu, trang thông tin bệnh nhân/robot và trang điều khiển bài tập. Các lưu đồ giải thuật cho toàn bộ các node phần mềm, plugin ROS 2 và chương trình điều khiển trên vi điều khiển ESP32 cũng được trình bày chi tiết.

Chương 7: Thực nghiệm và đánh giá hệ thống

Chương 7 trình bày kết quả thử nghiệm vận hành hệ thống phần cứng thực tế. Tác giả thiết lập môi trường thực nghiệm và so sánh phương pháp điều khiển truyền thống (dùng bộ điều khiển vị trí tích hợp sẵn bên trong driver của động cơ) với thuật toán điều khiển PD được triển khai qua ROS 2. Các kịch bản thực nghiệm bao gồm: bài tập vận động khớp vai, bài tập vận động khớp khuỷu tay và bài tập phối hợp đa khớp. Đáp ứng góc quay thực tế, sai số bám góc và tín hiệu điều khiển tại cả 4 khớp được ghi nhận và vẽ đồ thị chi tiết theo thời gian. Chất lượng điều khiển được lượng hóa thông qua bảng tính toán trung bình bình phương sai số bám (RMSE) giữa tín hiệu đặt mong muốn và giá trị phản hồi thực tế tại từng khớp chuyển động.

Chương 8: Kết luận và hướng phát triển

Chương 8 tổng kết lại toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành so với các mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định khả năng làm chủ công nghệ thiết kế cơ khí, mô hình hóa động học - động lực học, đồng mô phỏng và triển khai điều khiển thời gian thực trên ROS 2. Tác giả thẳng thắn chỉ ra các hạn chế kỹ thuật còn tồn tại của hệ thống liên quan đến vật liệu chế tạo, phương pháp chỉnh định thông số điều khiển và điều kiện thực nghiệm không tải. Cuối cùng, chương đề xuất các phương hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cấp chất lượng cơ khí, phát triển giải thuật điều khiển thích nghi và hướng tới thử nghiệm lâm sàng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm: Hoàn thành chế tạo phần cứng robot phục hồi chức năng chi trên 4 bậc tự do bằng công nghệ in 3D, tích hợp thành công 3 động cơ không chổi than MG8010E-i36v2 tại khớp vai và 1 động cơ MG6012E-i8v2 tại khớp khuỷu, cùng hệ thống tủ điện điều khiển an toàn.
• Xây dựng chuỗi công cụ mô phỏng: Thiết lập thành công môi trường đồng mô phỏng giữa MATLAB/Simulink và ROS/Gazebo thông qua file URDF trích xuất từ Solidworks; kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình tính toán động học và động lực học Euler-Lagrange thông qua mô phỏng vật lý Simscape Multibody.
• Làm chủ cấu trúc phần mềm điều khiển ROS 2: Xây dựng hệ thống điều khiển theo chuẩn ros2_control, bao gồm đầy đủ các plugin phần cứng và plugin thuật toán (PD, PD-Gravity), giao tiếp ổn định với phần cứng thực thông qua vi điều khiển ESP32 và mạng truyền thông CAN.
• Phát triển giao diện Digital Shadow: Ứng dụng thành công Unity kết nối với ROS 2 qua giao thức WebSocket và gói rosbridge_server, tạo lập mô hình bóng số 3D mô phỏng trực quan trạng thái chuyển động thực tế của robot và giao diện quản lý bệnh nhân theo thời gian thực.
• Đánh giá thực nghiệm qua các bài tập chuyên biệt: Thực nghiệm thành công 3 bài tập vận động chức năng gồm bài tập khớp vai, bài tập khớp khuỷu tay và bài tập phối hợp đa khớp. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh hệ thống có khả năng điều khiển bám quỹ đạo ổn định, các sai số bám góc khớp được lượng hóa cụ thể qua chỉ số RMSE.

Đóng góp mới của đề tài

So với các nghiên cứu robot phục hồi chức năng trong nước trước đây (thường chỉ dừng lại ở mô phỏng thuần túy trên MATLAB, cấu trúc cơ khí cồng kềnh, thiếu mô hình tính toán động lực học hoặc chỉ mới điều khiển độc lập 1 khớp đơn lẻ qua tín hiệu EMG), đề tài này đã:

1. Xây dựng một quy trình khép kín hoàn chỉnh từ tính toán giải tích động học/động lực học, đồng mô phỏng đa nền tảng (MATLAB - Gazebo - Simscape) đến chế tạo phần cứng thực tế và lập trình điều khiển nhiều khớp đồng thời.
2. Tiên phong áp dụng kiến trúc chuẩn ros2_control của nền tảng ROS 2 kết hợp mạng truyền thông bus CAN vào điều khiển robot y tế phục hồi chức năng, đảm bảo khả năng mở rộng phần cứng và tái sử dụng mã nguồn.
3. Ứng dụng công nghệ Digital Shadow trên nền tảng Unity kết nối thời gian thực với robot thực tế qua WebSocket, cung cấp công cụ giám sát trực quan hỗ trợ chuyên viên y tế trong quá trình điều trị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật của đề tài

• Độ cứng vững cơ khí: Toàn bộ kết cấu khung robot được chế tạo bằng vật liệu nhựa in 3D nên độ cứng vững chưa cao, còn tồn tại hiện tượng rung lắc và sai số kích thước gia công, gây ảnh hưởng đến độ chính xác bám quỹ đạo khi chuyển động ở vận tốc cao.
• Phương pháp xác định hệ số điều khiển: Các hệ số khuếch đại của bộ điều khiển PD và PD-Gravity ($K_p, K_d$) được dò tìm thủ công dựa trên kinh nghiệm thực nghiệm, chưa áp dụng các thuật toán tối ưu hóa tự động để đạt được đáp ứng tối ưu toàn cục.
• Điều kiện thực nghiệm: Thử nghiệm thực tế mới chỉ thực hiện ở trạng thái không mang tải ngoài, chưa đánh giá đáp ứng của hệ thống khi có tải trọng của cánh tay người bệnh hoặc các lực cản ngoại vi biến thiên.
• Mức độ kiểm định phần mềm và an toàn: Chương trình điều khiển do sinh viên tự xây dựng, chưa trải qua các quy trình kiểm thử độ tin cậy phần mềm công nghiệp; hệ thống chưa có cơ chế kiểm định an toàn sinh học và an toàn tương tác người - máy trong môi trường lâm sàng.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

• Thay thế vật liệu khung robot sang hợp kim nhôm hoặc các vật liệu kim loại nhẹ gia công CNC để nâng cao độ bền cơ học, độ cứng vững và giảm thiểu sai số cơ khí.
• Nghiên cứu và triển khai các thuật toán điều khiển phi tuyến và thích nghi nâng cao như điều khiển trở kháng (Impedance Control), điều khiển thích nghi (Adaptive Control) hoặc điều khiển dự đoán mô hình phi tuyến (NMPC) nhằm xử lý tốt các yếu tố bất định và tương tác an toàn với bệnh nhân.
• Tích hợp thêm các cảm biến lực/mô-men đa trục tại đầu công tác và cảm biến điện cơ (EMG) để nhận dạng ý đồ chuyển động của bệnh nhân, hỗ trợ chế độ tập luyện chủ động.
• Mở rộng thêm các bậc tự do cho cụm khớp cổ tay và bàn tay; tiến hành các thử nghiệm mang tải và thử nghiệm tiền lâm sàng dưới sự giám sát chuyên môn của đội ngũ y bác sĩ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

• Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Kỹ thuật Y sinh và Hệ thống Nhúng.
• Nội dung tham khảo nổi bật:
  • Quy trình thiết lập môi trường đồng mô phỏng giữa MATLAB/Simulink và ROS/Gazebo sử dụng công cụ sw2urdf và plugin Gazebo.
  • Phương pháp thiết kế kiến trúc phần mềm điều khiển robot nhiều bậc tự do sử dụng gói ros2_control trên nền tảng ROS 2.
  • Kỹ thuật điều khiển động cơ không chổi than thông qua mạng truyền thông CAN bus sử dụng vi điều khiển ESP32 làm thiết bị trung gian.
  • Phương pháp xây dựng mô hình bóng số Digital Shadow trên nền tảng Unity và kỹ thuật kết nối thời gian thực với ROS 2 qua giao thức WebSocket (rosbridge_server).

Câu hỏi thường gặp

1. Robot phục hồi chức năng trong đề tài hỗ trợ những chuyển động nào và có bao nhiêu bậc tự do?

Robot được thiết kế với cấu hình 4 bậc tự do (4-DOF), tập trung hỗ trợ các chuyển động chính của chi trên gồm: 3 bậc tự do tại khớp vai (chuyển động dạng/khép, gập/duỗi và xoay trong/ngoài) và 1 bậc tự do tại khớp khuỷu tay (chuyển động gập/duỗi). Các phạm vi chuyển động này được thiết kế dựa trên bảng số liệu tham chiếu về tầm vận động sinh lý (ROM) của người bình thường.

2. Hệ thống sử dụng cơ cấu chấp hành và giao thức truyền thông phần cứng nào?

Hệ thống sử dụng các động cơ không chổi than (BLDC) tích hợp hộp giảm tốc, bao gồm: 3 động cơ MG8010E-i36v2 bố trí tại 3 khớp vai (khớp 1, 2, 3) và 1 động cơ MG6012E-i8v2 bố trí tại khớp khuỷu (khớp 4). Việc điều khiển và thu thập dữ liệu từ các động cơ được thực hiện thông qua mạng truyền thông CAN bus nối với vi điều khiển ESP32, sau đó ESP32 kết nối với máy tính nhúng chạy ROS 2 qua giao tiếp nối tiếp.

3. Mục đích của việc thiết lập môi trường đồng mô phỏng giữa MATLAB/Simulink và ROS/Gazebo là gì?

Môi trường đồng mô phỏng được thiết lập nhằm kiểm chứng tính chính xác của các phương trình động học và mô hình động lực học Euler-Lagrange trước khi triển khai lên phần cứng thật. MATLAB/Simulink đóng vai trò tính toán giải thuật điều khiển và quỹ đạo, trong khi ROS/Gazebo mô phỏng chuyển động vật lý trực quan của cánh tay robot qua file URDF, giúp phát hiện sai số và đảm bảo tính an toàn cho hệ thống.

4. Mô hình Digital Shadow trong đề tài được xây dựng như thế nào và có vai trò gì?

Mô hình Digital Shadow được xây dựng trên nền tảng phần mềm Unity 3D. Tệp thiết kế cơ khí từ Solidworks được chuyển đổi qua Blender để chuẩn hóa lại hệ tọa độ tâm (Pivot) của từng khâu trước khi nhập vào Unity. Unity kết nối với hệ thống ROS 2 thông qua giao thức WebSocket (sử dụng gói rosbridge_server), cho phép mô hình ảo chuyển động đồng bộ theo thời gian thực với góc quay thực tế của robot, phục vụ giám sát trực quan tiến trình tập luyện của bệnh nhân.

5. Những hạn chế lớn nhất của đề tài mà nhóm tác giả thừa nhận là gì?

Nhóm tác giả chỉ ra các hạn chế chính bao gồm: kết cấu cơ khí làm bằng nhựa in 3D nên chưa đảm bảo độ cứng vững và còn sai số rung lắc; các thông số của bộ điều khiển PD dò tìm thủ công chứ chưa tối ưu tự động; và toàn bộ quá trình thực nghiệm chỉ mới dừng lại ở trạng thái không mang tải, chưa được kiểm định an toàn lâm sàng trên bệnh nhân thực tế.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống robot 4 bậc tự do phục hồi chức năng chi trên dựa trên nền tảng mã nguồn mở ROS 2. Thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích động học, động lực học Euler-Lagrange, đồng mô phỏng MATLAB/Simulink – ROS/Gazebo và thi công phần cứng điều khiển động cơ qua bus CAN, nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển bám quỹ đạo bài tập trị liệu. Sự kết hợp giữa kiến trúc điều khiển chuẩn ros2_control và giao diện giám sát Digital Shadow trên Unity tạo tiền đề kỹ thuật quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo hướng tới hoàn thiện thiết bị robot y tế phục hồi chức năng có thể ứng dụng trong môi trường lâm sàng tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .2 Tình hình nghiên cứu .1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .3 Mục đích và mục tiêu của đề tài .1 Mục đích của đề tài .2 Mục tiêu của đề tài .4 Giới hạn đề tài .5 Phương pháp nghiên cứu.6 Nội dung đề tài. 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Cơ sở lý thuyết về cơ sở y sinh chi trên .1 Giải phẫu chi trên từ quan điểm phục hồi chức năng .2 Các bậc tự do của chi trên .3 Tầm vận động của chi trên .2 Tổng quan về robot phục hồi chức năng.3 Lý thuyết động học .1 Động học thuận .2 Động học nghịch .3 Lý thuyết về quy hoạch quỹ đạo .4 Lý thuyết động lực học .2 Phân tích động lực học bằng phương pháp Euler–Lagrange .5 Lý thuyết bộ điều khiển PD .6 Lý thuyết bộ điều khiển PD – Gravity .7 Lý thuyết mạng truyền thông CAN .1 Tổng quan mạng CAN .2 Các loại khung truyền.8 Lý thuyết TCP/IP .1 Giao thức IP .2 Giao thức TCP .3 Quá trình truyền tải dữ liệu trong TCP/IP .9 Lý thuyết giao thức Websocket .1 Khái quát về giao thức Websocket .2 Websocket trong giao tiếp giữa Unity và ROS 2 thông qua rosbridge_server .10 Lý thuyết giao thức DDS .2 Đặc điểm nổi bật của DDS .11 Tổng quan về nền tảng ROS 2 .1 Khái niệm ROS 2 .12 Lý thuyết về đồng mô phỏng .2 Các cơ chế đồng bộ trong đồng mô phỏng. 44 Trang xi CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁNH TAY ROBOT PHCN .1 Thiết kế mô hình.1 Các chuyển động chi trên của con người .2 Cấu trúc thiết kế robot hỗ trợ phục hồi chức năng 4 bậc tự do .3 Thiết kế robot .2 Tính toán động học.1 Tính toán động học thuận .2 Tính toán động học nghịch .3 Không gian làm việc.3 Tính toán động lực học .4 Thiết kế bộ điều khiển PD cho robot .5 Thiết kế bộ điều khiển PD Gravity. 64 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG .1 Phương pháp mô phỏng hệ thống robot PHCN 4 bậc tự do .2 Xây dựng môi trường đồng mô phỏng .3 Mô phỏng kiểm chứng hệ thống .1 Thiết lập môi trường đồng mô phỏng.2 Mô phỏng kiểm chứng động học .3 Mô phỏng kiểm chứng động lực học.4 Mô phỏng kiểm chứng các bộ điều khiển.

87 CHƯƠNG 5: TRIỂN KHAI BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN NỀN TẢNG ROS 2 .1 Tổng quan việc triển khai bộ điều khiển trên nền tảng ROS 2 .2 Quy trình triển khai bộ điều khiển trên nền tảng ROS 2.3 Thiết kế bộ điều khiển cho robot phục hồi chức năng trên nền tảng ROS 2. 113 CHƯƠNG 6: THI CÔNG HỆ THỐNG .1 Tổng quan hệ thống .2 Thi công mô hình robot PHCN 4 bậc tự do .3 Thi công phần điện .4 Thiết kế giao diện quan sát và thu thập dữ liệu trên Unity .1 Thiết kế giao diên quan sát .2 Xây dựng Digital Shadow cho robot .5 Chương trình điều khiển .1 Lưu đồ giải thuật của plugin Controller điều khiển .2 Lưu đồ giải thuật của plugin Controller Data .3 Lưu đồ giải thuật của plugin Hardware .4 Lưu đồ giải thuật Node Intermedia .5 Lưu đồ giải thuật trên vi điều khiển. 150 CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG .1 Tổng quan hệ thống thực nghiệm .2 Thiết lập môi trường thực nghiệm .1 Thực nghiệm quỹ đạo chuyển động .2 Thực nghiệm kiểm chứng bộ điều khiển PD. 158 CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hạn chế của đề tài .3 Hướng phát triển.

167 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 168 Trang xiii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Tầm vận động của chi trên. Các thông số khâu. Thông số của robot hồi phục chức năng 4 bậc tự do.

Bảng giới hạn các khớp. Bảng DH cho robot. Các bước xây dựng môi trường đồng mô phỏng .2 Thông số của bộ điều khiển PD. Giá trị RMSE sai số đáp ứng cho từng khớp của bộ điều khiển PD (đơn vị: rad) .4 Thông số của các bộ điều khiển.5 Trung bình bình phương sai số bám tại các khớp của robot (đơn vị: độ)104 Bảng 6.1 Danh sách các thiết bị điện được sử dụng trong mạch động lực .2 Danh sách các thiết bị điện được sử dụng trong mạch điều khiển .3 Các thông tin cơ bản của các trang .1 Thông số bộ điều khiển PD trong thực nghiệm .2 Trung bình bình phương sai số bám tại các khớp của robot (đơn vị: độ)165 Trang xiv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ tỷ lệ đột quỵ ước tính trên 100.000 dân của các quốc gia trên thế giới, Việt Nam nằm trong số những nước có màu đỏ đậm nhất [31] .2 Sự phân bổ ứng dụng của khung xương [32] .1 Các vùng và xương của chi trên .2 Xương của chi trên: (A) Bộ xương chi trên bên phải bao gồm nửa bên phải của đai ngực (vai); (B) Các phần phụ và ngực trên của bộ xương trục .4 Xương bả vai phải .5 Đầu xa xương cánh tay phải .6 Sự chi phối theo phân đoạn (da) và ngoại biên (thần kinh da) của chi trên: (A) và (B) Mẫu chi phối theo phân đoạn (da) của chi trên do Foerster (1933) đề xuất; (C) và (D) Mô hình chi phối phân đoạn do Keegan và Garrett (1948) đề xuất .7 Hệ thần kinh chi trên .8 Mặt trước và mặt sau hệ cơ con người .9 Mặt bên hệ cơ con người .10 Khớp vai và các xương liên quan .11 Khớp khuỷu tay và các xương liên quan .12 Khớp quay – trụ và các xương liên quan .13 Khớp cổ tay và các xương liên quan.

Các thông số giữa 2 khớp liền kề. Mô tả mối liên hệ giữa 2 hệ trục. Ứng dụng CAN trong ô tô. Sơ đồ tổng quan của một node trong mạng CAN.

Mức tín hiệu trạng thái trên bus. Tổng quan về kết nối Websocket. Nền tảng ROS 2. Giao tiếp qua Topic .40 Trang xv Hình 2.

Giao tiếp qua Service. Kiến trúc của ros2_control. Phân loại các cơ chế đồng bộ trong đồng mô phỏng [25].1 Tổng quan về chi trên .2 Phạm vi chuyển động (ROM) các khớp chi trên của con người [26]: (a) ROM của gập/duỗi khớp vai; (b) ROM của dạng/khép khớp vai; (c) ROM xoay trong/ngoài khớp vai; (d) ROM của gập/duỗi khớp khuỷu; .3 Các chuyển động của robot: (a) Dạng/khép khớp; (b) Gập/duỗi khớp vai; (c) Xoay trong/ngoài khớp vai; (d) Gập/duỗi khớp khuỷu. Tổng quan mô hình 3D robot phục hồi chức năng.

Vị trí của các động cơ đặt trên robot. Mô hình 3D phần thân của khâu đế robot. Mô hình 3D phần đặt động cơ a) Mô hình tổng quan phần đặt động cơ; b) Hướng từ trước vào; c) Hướng từ phải sang trái. Động cơ MG8010E-i36v2 sử dụng cho khớp 1.

Mô hình 3D phần khâu 1 a) Mô hình tổng quan khâu 1 b) Hướng từ trước vào; c) Hướng từ phải sang trái. Động cơ MG8010E-i36v2 sử dụng cho khớp 2. Mô hình 3D phần khâu 2 a) Mô hình tổng quan khâu 2 b) Hướng từ trước vào; c) Hướng từ phải sang trái. Động cơ MG8010E-i36v2 sử dụng cho khớp 3.

Mô hình 3D phần khâu 3 a) Mô hình tổng quan khâu 3 b) Hướng từ trước vào; c) Hướng từ phải sang trái. Động cơ MG6012E-i8v2 sử dụng cho khớp 4. Mô hình 3D phần khâu 4 a) Mô hình tổng quan khâu 4 b) Hướng từ trước vào; c) Hướng từ phải sang trái. Đặt trục cho robot.

Không gian làm việc của cánh tay robot phục hồi chức nănng 4 bậc tự do: (a) góc nhìn XY; (b) góc nhìn YZ; (c) góc nhìn ZX; (d) góc nhìn 3D. Bộ điều khiển PD cho robot .63 Trang xvi Hình 3. Bộ điều khiển PD Gravity cho robot .1 Sơ đồ tổng quan triển khai mô phỏng hệ thống trong MATLAB/Simulink .2 Sơ đồ tổng quan triển khai đồng mô phỏng hệ thống trong MATLAB/Simulink và ROS/Gazebo. Sơ đồ tổng quan của môi trường đồng mô phỏng.

Chu kì thực thi trong đồng mô phỏng. Tải sw2urdfSetup. Thêm SW2URDF vào Solidworks. Các yêu cầu khi thực hiện đồng mô phỏng trên máy ảo.

Tắt Accelerate 3D graphics. Giải nén GazeboPlugin.zip trên máy tính ảo. Chọn chế độ kết nối mạng cho máy tính ảo. Kiểm tra địa chỉ IP trên windows.

Kiểm tra địa chỉ IP trên Ubuntu. Sử dụng Mate cho các khâu. Đặt trục cho robot trên Solidworks. Cửa số cấu hình cho việc xuất URDF.

Cấu hình cho khâu thứ nhất. Tạo file world trên Gazebo. Sơ đồ kết nối giữa các Node trong ROS 2. Thông báo kết nối thành công.

Tổng quan thiết lập môi trường đồng mô phỏng. Khối Gazebo Pacer. Gửi lệnh điều kiển đến Gazebo. Đọc vị trí hiện tại của khớp 1.

Đọc vị trí và hướng của end effector.77 Trang xvii Hình 4.26 Tổng quan về môi trường kiểm chứng động học robot .27 Quỹ đạo mong muốn và đáp ứng của robot: (a) Quỹ đạo bài tập khớp vai; (b) Quỹ đạo bài tập khớp khuỷu tay; (c) Quỹ đạo bài tập đa khớp.28 Đáp ứng ngõ ra của quỹ đạo bài tập khớp vai: (a) Vị trí của khâu cuối; (b) Hướng của khâu cuối .29 Sai số giữa tín hiệu mong muốn và đáp ứng: (a) Sai số vị trí của khâu cuối; (b) Sai số hướng của khâu cuối .30 Đáp ứng ngõ ra của quỹ đạo bài tập khớp khuỷu tay: (a) Vị trí của khâu cuối; (b) Hướng của khâu cuối .31 Sai số giữa tín hiệu mong muốn và đáp ứng: (a) Sai số vị trí của khâu cuối; (b) Sai số hướng của khâu cuối .32 Đáp ứng ngõ ra của quỹ đạo bài tập đa khớp: (a) Vị trí của khâu cuối; (b) Hướng của khâu cuối .33 Sai số giữa tín hiệu mong muốn và đáp ứng: (a) Sai số vị trí của khâu cuối; (b) Sai số hướng của khâu cuối. Công cụ Mass Properties trong Solidworks. Mô hình kiểm chứng động lực học trên Simscape. Khối kiểm chứng động lực học trên Simscape.

Mô hình kiểm chứng động lực học bằng lý thuyết. Tín hiệu đặt a) Khớp 1; b) Khớp 2; c) Khớp 3; d) Khớp 4. Tín hiệu đáp ứng ngõ ra của torque bằng lý thuyết và simscape a) Khớp 1; b) Khớp 2; c) Khớp 3; d) Khớp 4. Sai số giá trị giữa tính toán lý thuyết và simscape a) Khớp 1; b) Khớp 2; c) Khớp 3; d) Khớp 4.

Mô hình kiểm chứng bộ điều khiển PD trên MATLAB. Mô hình robot trên Gazebo. Kết quả đáp ứng các góc ở trường hợp 1 a) Khớp 1; b) Khớp 2; c) Khớp 3; d) Khớp 4 .