Tổng quan nghiên cứu

Robot mềm là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển nhanh chóng với tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y học, đặc biệt là trong phẫu thuật nội soi và vi phẫu. Theo ước tính, các hệ thống robot mềm có khả năng thao tác linh hoạt hơn so với robot cứng truyền thống, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các môi trường làm việc hạn chế không gian và yêu cầu độ chính xác cao. Tuy nhiên, việc điều khiển robot mềm vẫn còn nhiều thách thức do tính phi tuyến và khó khăn trong mô hình hóa cơ cấu chấp hành mềm.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế, thi công và điều khiển hệ khớp mềm 4 buồng khí nén, nhằm mục tiêu phát triển các phương pháp điều khiển áp suất khí nén chính xác sử dụng các van ON/OFF thay thế cho van tỉ lệ đắt tiền, qua đó giảm chi phí và độ phức tạp của hệ thống. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 9/2022 đến tháng 6/2023, với ứng dụng hướng đến các lĩnh vực y tế như nội soi và phẫu thuật xâm lấn tối thiểu.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác điều khiển robot mềm, giảm chi phí thiết bị và mở rộng khả năng ứng dụng trong y học, góp phần cải thiện hiệu quả và an toàn cho các thủ thuật phẫu thuật hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng lý thuyết động học của cung cong không đổi theo từng đoạn (Piece-wise Constant Curvature - PCC) để mô hình hóa chuyển động của robot mềm. Theo đó, robot mềm được xem như một chuỗi các đoạn cong có độ cong không đổi, được mô tả bởi các tham số chính gồm độ cong (κ), góc xoay (ϕ) và chiều dài cung (l). Phương pháp Denavit-Hartenberg được sử dụng để xây dựng mô hình động học thuận, cho phép xác định vị trí và hướng của điểm cuối cơ cấu chấp hành.

Ngoài ra, mô hình hóa cơ cấu mềm dựa trên định luật Bernoulli-Euler cho dầm uốn được sử dụng để liên hệ giữa áp suất khí nén và góc uốn của các buồng khí. Mối quan hệ phi tuyến giữa áp suất và góc uốn được biểu diễn bằng đa thức bậc hai với các hệ số xác định qua thực nghiệm.

Hai phương pháp điều khiển chính được phát triển là:

  • Active Disturbance Rejection Control (ADRC): Sử dụng bộ quan sát trạng thái mở rộng (Extended State Observer - ESO) để ước lượng và loại bỏ nhiễu trong hệ thống, kết hợp với bộ điều khiển tỉ lệ P và logic mờ để điều chỉnh băng thông bộ quan sát, giúp tăng độ chính xác và ổn định của điều khiển áp suất khí nén.

  • Extended State Observer based Sliding Mode Control (ESO-SMC): Kết hợp bộ điều khiển trượt với bộ quan sát trạng thái mở rộng để ước lượng nhiễu và trạng thái hệ thống, loại bỏ nhu cầu đo trực tiếp vị trí và vận tốc, tăng tính khả thi và độ bền của hệ thống điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm số liệu thực nghiệm từ mô hình robot mềm 4 buồng khí được thiết kế và thi công tại phòng thí nghiệm, cùng với dữ liệu mô phỏng động học và điều khiển trên phần mềm MATLAB và Abaqus.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình robot mềm đơn khớp với 4 buồng khí, sử dụng các van khí nén ON/OFF để điều khiển áp suất. Phương pháp chọn mẫu là mô hình vật lý thực nghiệm kết hợp mô phỏng để đánh giá hiệu quả các thuật toán điều khiển.

Phân tích dữ liệu được thực hiện thông qua so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm, đánh giá các chỉ số như sai số góc uốn, độ ổn định và khả năng loại bỏ nhiễu của các bộ điều khiển ADRC và ESO-SMC. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2022 đến tháng 6/2023, bao gồm các giai đoạn thiết kế, thi công, mô phỏng, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển áp suất bằng ADRC: Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển ADRC với bộ quan sát trạng thái mở rộng và logic mờ có khả năng loại bỏ nhiễu và sai số áp suất trong buồng khí, giúp duy trì áp suất ổn định với sai số dưới 5%. So với bộ điều khiển truyền thống, ADRC giảm sai số góc uốn trung bình khoảng 15%.

  2. Khả năng điều khiển trượt kết hợp ESO-SMC: Bộ điều khiển ESO-SMC cho phép ước lượng chính xác đại lượng nhiễu và trạng thái hệ thống mà không cần đo trực tiếp vị trí và vận tốc. Thực nghiệm cho thấy sai số góc uốn dưới 3%, cải thiện khoảng 10% so với ADRC trong điều kiện nhiễu cao.

  3. Tác động của thiết kế vật liệu và cấu trúc: Việc sử dụng silicone Dragon Skin 30 và thiết kế khuôn đúc chính xác giúp đảm bảo tính đàn hồi và độ bền của cơ cấu chấp hành mềm, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển. Thể tích buồng khí và chiều dài biến dạng được xác định chính xác qua mô hình động học, hỗ trợ hiệu quả cho thuật toán điều khiển.

  4. Giảm chi phí và độ phức tạp hệ thống: Việc sử dụng van ON/OFF thay cho van tỉ lệ giúp giảm chi phí hệ thống hơn 50%, đồng thời giảm trọng lượng và độ phức tạp, trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác điều khiển phù hợp cho ứng dụng y tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả điều khiển cao là do việc áp dụng bộ quan sát trạng thái mở rộng giúp ước lượng và bù trừ các nhiễu không đo được trong hệ thống khí nén, bao gồm sự giãn nở không đồng đều của buồng khí và các nhiễu môi trường. So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng van tỉ lệ, phương pháp sử dụng van ON/OFF kết hợp ADRC và ESO-SMC cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế với chi phí thấp hơn nhiều.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sai số góc uốn theo thời gian và bảng so sánh các chỉ số hiệu suất của hai bộ điều khiển, minh họa rõ ràng ưu điểm của từng phương pháp trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Kết quả cũng cho thấy tầm quan trọng của việc khảo sát vật liệu và thiết kế mô hình vật lý chính xác, vì các đặc tính cơ học ảnh hưởng trực tiếp đến mối quan hệ áp suất-góc uốn và hiệu quả điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi bộ điều khiển ADRC và ESO-SMC: Khuyến nghị áp dụng các bộ điều khiển này trong các hệ thống robot mềm y tế nhằm nâng cao độ chính xác và ổn định, đặc biệt trong các ứng dụng nội soi và vi phẫu, với mục tiêu giảm sai số góc uốn dưới 5% trong vòng 12 tháng tới.

  2. Phát triển hệ thống van ON/OFF tốc độ cao: Đẩy mạnh nghiên cứu và sản xuất các van ON/OFF có độ bền và tốc độ đóng mở cao để thay thế van tỉ lệ, giảm chi phí hệ thống ít nhất 40% trong 1-2 năm, do các đơn vị sản xuất thiết bị y tế và robot tự động thực hiện.

  3. Nâng cao chất lượng vật liệu và thiết kế khuôn đúc: Tập trung khảo sát và lựa chọn vật liệu silicone có tính đàn hồi phù hợp, đồng thời cải tiến thiết kế khuôn đúc để tăng độ bền và độ chính xác cơ cấu chấp hành, nhằm giảm thiểu sai số cơ học, thực hiện trong 6 tháng tới bởi các phòng thí nghiệm vật liệu và cơ khí.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế và điều khiển robot mềm cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực y tế và tự động hóa, nhằm thúc đẩy ứng dụng thực tế và phát triển sản phẩm mới trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực robot mềm: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa động học, thiết kế cơ cấu và các thuật toán điều khiển tiên tiến, hỗ trợ phát triển các hệ thống robot mềm hiệu quả.

  2. Chuyên gia y tế và kỹ thuật phẫu thuật: Các bác sĩ và kỹ thuật viên phẫu thuật nội soi có thể tham khảo để hiểu rõ hơn về công nghệ robot mềm, từ đó ứng dụng trong các thủ thuật xâm lấn tối thiểu, nâng cao độ chính xác và an toàn cho bệnh nhân.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế và robot: Các công ty có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm robot mềm với chi phí hợp lý, đáp ứng nhu cầu thị trường về thiết bị phẫu thuật hiện đại.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc học tập và nghiên cứu, giúp hiểu rõ các phương pháp điều khiển hiện đại và ứng dụng thực tế trong robot mềm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot mềm có ưu điểm gì so với robot cứng trong y tế?
    Robot mềm có khả năng uốn cong linh hoạt, thích ứng tốt với môi trường phức tạp và hạn chế không gian, giúp giảm tổn thương mô trong phẫu thuật xâm lấn tối thiểu, nâng cao độ an toàn và hiệu quả điều trị.

  2. Tại sao sử dụng van ON/OFF thay vì van tỉ lệ trong hệ thống khí nén?
    Van ON/OFF có chi phí thấp hơn, trọng lượng nhẹ và cấu trúc đơn giản, giúp giảm tổng chi phí và độ phức tạp của hệ thống khí nén, trong khi vẫn đảm bảo điều khiển áp suất chính xác nhờ các thuật toán điều khiển tiên tiến.

  3. ADRC và ESO-SMC khác nhau như thế nào trong điều khiển robot mềm?
    ADRC tập trung vào loại bỏ nhiễu chủ động bằng bộ quan sát trạng thái mở rộng và điều khiển tỉ lệ, trong khi ESO-SMC kết hợp bộ điều khiển trượt với bộ quan sát để ước lượng trạng thái và nhiễu, không cần đo trực tiếp vị trí và vận tốc, phù hợp với môi trường có nhiều nhiễu.

  4. Làm thế nào để mô hình hóa động học của robot mềm 4 buồng khí?
    Sử dụng lý thuyết cung cong không đổi theo từng đoạn, mô hình hóa các buồng khí với các tham số độ cong, góc xoay và chiều dài cung, kết hợp phương pháp Denavit-Hartenberg để xác định vị trí và hướng của điểm cuối cơ cấu chấp hành.

  5. Ứng dụng thực tế của hệ khớp mềm 4 buồng khí là gì?
    Hệ khớp mềm này có thể được ứng dụng trong các thiết bị phẫu thuật nội soi, vi phẫu, hoặc các chi mềm robot có độ linh hoạt cao, giúp cải thiện khả năng thao tác trong không gian hạn chế và tăng độ chính xác trong các thủ thuật y tế.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và thi công thành công hệ khớp mềm 4 buồng khí, đồng thời phát triển hai phương pháp điều khiển ADRC và ESO-SMC hiệu quả cho việc điều khiển áp suất khí nén.
  • Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy các bộ điều khiển này có khả năng loại bỏ nhiễu và duy trì độ chính xác góc uốn dưới 5%, phù hợp với yêu cầu ứng dụng y tế.
  • Việc sử dụng van ON/OFF thay cho van tỉ lệ giúp giảm chi phí và độ phức tạp hệ thống hơn 50%, mở rộng khả năng ứng dụng robot mềm trong thực tế.
  • Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc khảo sát vật liệu và thiết kế mô hình vật lý chính xác để nâng cao hiệu quả điều khiển.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu đa khớp, tối ưu hóa thuật toán điều khiển và triển khai ứng dụng trong các thiết bị y tế thực tế; các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để phát triển công nghệ này.