Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử: Thiết Kế Robot Hỗ Trợ Bệnh Nhân Trong Vệ Sinh Cá Nhân

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử tập trung thiết kế robot hỗ trợ bệnh nhân trong vệ sinh cá nhân, ứng dụng công nghệ tiên tiến.

• Tác giả: Nguyen Hoang Vu
• Người hướng dẫn: TS. Le Ngoc Bich
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế robot hỗ trợ bệnh nhân trong vệ sinh cá nhân
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM KẾT
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HỖ TRỢ BỆNH NHÂN
• 1.1. Giới thiệu chung về robot hỗ trợ bệnh nhân
• 1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng robot hỗ trợ y tế trên thế giới
• 1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng robot hỗ trợ y tế trong nước
• 1.4. Đối tượng luận văn hướng tới
• 1.5. Giới thiệu bài toán
• 1.6. Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG HỌC & ĐỘNG LỰC HỌC
• 2.1. Mô hình động học
• 2.2. Mô hình động lực học
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Thiết kế quỹ đạo
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển
• 3.2.1. Bộ điều khiển động học
• 3.2.2. Bộ điều khiển động lực học
• 3.2.2.1. Điều khiển thích nghi
• 3.2.2.2. Phương pháp computed torque
• 3.3. Kết quả mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: ĐỊNH VỊ ROBOT VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Các phương pháp định vị và cảm biến sử dụng
• 4.2. Phương pháp dead reckoning
• 4.3. Sai số dead reckoning
• 4.4. Nguyên nhân sai số hệ thống
• 4.5. Nguyên nhân sai số ngẫu nhiên
• 4.6. Sai số hệ thống
• 4.7. Đo sai số hệ thống
• 4.8. Sửa lỗi sai số
• 4.9. Giải thuật điều khiển
• 4.10. Kết quả thực nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot hỗ trợ bệnh nhân

Chương này giới thiệu tổng quan về robot hỗ trợ bệnh nhân, tập trung vào ứng dụng trong lĩnh vực y tế. Tác giả trình bày tình hình nghiên cứu và phát triển robot y tế trên thế giới và tại Việt Nam. Robot hỗ trợ bệnh nhân đang trở thành giải pháp công nghệ quan trọng, giúp cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe, đặc biệt là trong việc hỗ trợ vệ sinh cá nhân. Luận văn hướng tới việc thiết kế robot chăm sóc tự động, giúp bệnh nhân di chuyển từ giường đến nhà vệ sinh và ngược lại.

1.1. Giới thiệu chung về robot hỗ trợ bệnh nhân

Robot hỗ trợ bệnh nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong y tế, giúp giảm gánh nặng cho nhân viên y tế và cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân. Tại Việt Nam, số lượng bệnh nhân mất khả năng vận động do tai nạn giao thông hoặc bệnh lý ngày càng tăng. Robot y tế được thiết kế để hỗ trợ bệnh nhân trong các hoạt động hàng ngày, đặc biệt là vệ sinh cá nhân. Các giải pháp hiện tại như xe lăn và toilet đặc biệt vẫn còn hạn chế, đòi hỏi sự hỗ trợ từ người khác. Robot chăm sóc tự động sẽ giải quyết vấn đề này, mang lại sự thoải mái và độc lập cho bệnh nhân.

1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng robot hỗ trợ y tế trên thế giới

Trên thế giới, nhiều nghiên cứu về robot hỗ trợ y tế đã được thực hiện. Ví dụ, Toyota giới thiệu robot Independent Walk Assist giúp bệnh nhân đi lại dễ dàng. Các robot như Patient Transfer Assist hỗ trợ di chuyển bệnh nhân từ giường sang xe lăn. Ngoài ra, robot Balance Training Assistance giúp bệnh nhân tập giữ thăng bằng thông qua trò chơi. Những sản phẩm này đã chứng minh hiệu quả trong việc hỗ trợ bệnh nhân, đặc biệt là người già và người khuyết tật. Tuy nhiên, chi phí và kỹ thuật vẫn là rào cản lớn đối với việc phổ biến rộng rãi.

1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng robot hỗ trợ y tế trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu về robot hỗ trợ y tế còn hạn chế do thiếu kinh phí và công nghệ. Một số sản phẩm như xe lăn điều khiển bằng mắt đã được phát triển, nhưng chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế. Nhóm nghiên cứu của GS. Võ Văn Tới đã chế tạo thành công xe lăn thông minh, có khả năng tránh vật cản và di chuyển tự động. Tuy nhiên, việc ứng dụng robot chăm sóc trong y tế vẫn còn nhiều thách thức, đòi hỏi sự đầu tư và phát triển công nghệ mạnh mẽ hơn.

II. Mô hình hóa động học và động lực học

Chương này tập trung vào việc mô hình hóa hệ thống robot để phục vụ cho quá trình điều khiển. Tác giả sử dụng các phương pháp toán học để xác định vị trí, vận tốc và gia tốc của robot trong không gian làm việc. Mô hình động học và động lực học được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật của robot, bao gồm kích thước, trọng lượng và khả năng di chuyển. Các phương trình được thiết lập để mô phỏng hoạt động của robot, từ đó tối ưu hóa quá trình điều khiển.

2.1. Hệ trục tọa độ và mô hình động học

Để mô hình hóa robot di động, tác giả sử dụng hai hệ trục tọa độ: hệ tọa độ gắn cố định vào robot và hệ tọa độ quán tính. Mô hình động học được xây dựng dựa trên các thông số như vận tốc góc, vận tốc tịnh tiến và góc quay của robot. Các phương trình động học được thiết lập để xác định vị trí và hướng di chuyển của robot trong không gian làm việc. Điều này giúp robot có thể bám theo quỹ đạo định sẵn một cách chính xác.

2.2. Mô hình động lực học

Mô hình động lực học được sử dụng để phân tích lực và mô-men tác động lên robot trong quá trình di chuyển. Tác giả xác định các thông số như khối lượng, ma sát và lực đẩy để tính toán chính xác chuyển động của robot. Các phương trình động lực học được thiết lập để mô phỏng hoạt động của robot trong các điều kiện khác nhau. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống robot trong quá trình hỗ trợ bệnh nhân.

III. Thiết kế bộ điều khiển

Chương này trình bày quá trình thiết kế bộ điều khiển cho robot, bao gồm các phương pháp điều khiển động học và động lực học. Tác giả sử dụng các giải thuật như PID và computed torque để điều khiển robot bám theo quỹ đạo định sẵn. Các kết quả mô phỏng được thực hiện để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển. Bộ điều khiển được thiết kế để đảm bảo robot di chuyển chính xác và ổn định, đáp ứng yêu cầu của bài toán hỗ trợ bệnh nhân.

3.1. Thiết kế quỹ đạo và bộ điều khiển động học

Tác giả thiết kế quỹ đạo di chuyển cho robot dựa trên yêu cầu của bài toán. Bộ điều khiển động học được sử dụng để điều khiển robot bám theo quỹ đạo định sẵn. Các phương pháp như PID được áp dụng để điều chỉnh vận tốc và hướng di chuyển của robot. Kết quả mô phỏng cho thấy robot có thể di chuyển chính xác và ổn định, đáp ứng yêu cầu của bài toán hỗ trợ bệnh nhân.

3.2. Thiết kế bộ điều khiển động lực học

Bộ điều khiển động lực học được thiết kế để điều khiển lực và mô-men tác động lên robot. Tác giả sử dụng phương pháp computed torque để tính toán chính xác lực đẩy và mô-men cần thiết cho robot. Các kết quả mô phỏng cho thấy robot có thể di chuyển ổn định và chính xác trong các điều kiện khác nhau. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống robot trong quá trình hỗ trợ bệnh nhân.

IV. Định vị robot và kết quả thực nghiệm

Chương này trình bày các phương pháp định vị và kết quả thực nghiệm của hệ thống robot. Tác giả sử dụng các phương pháp như dead reckoning và UMBmark để định vị và sửa lỗi sai số hệ thống. Các kết quả thực nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu quả của các phương pháp định vị. Robot hỗ trợ bệnh nhân được chứng minh là có khả năng di chuyển chính xác và ổn định, đáp ứng yêu cầu của bài toán hỗ trợ vệ sinh cá nhân.

4.1. Phương pháp định vị và sửa lỗi sai số

Tác giả sử dụng phương pháp dead reckoning để định vị robot trong không gian làm việc. Phương pháp UMBmark được áp dụng để sửa lỗi sai số hệ thống. Các kết quả thực nghiệm cho thấy robot có thể định vị chính xác và sửa lỗi sai số một cách hiệu quả. Điều này giúp robot di chuyển chính xác và ổn định, đáp ứng yêu cầu của bài toán hỗ trợ bệnh nhân.

4.2. Kết quả thực nghiệm

Các kết quả thực nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu quả của hệ thống robot. Robot được chứng minh là có khả năng di chuyển chính xác và ổn định, đáp ứng yêu cầu của bài toán hỗ trợ vệ sinh cá nhân. Các kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp công nghệ được đề xuất trong luận văn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thống kê y tế cho thấy có đến hơn 30% bệnh nhân sau tai biến mạch máu não phải chịu di chứng mất hoàn toàn hoặc một phần khả năng vận động. Cùng với đó, chỉ riêng trong năm 2013 tại Việt Nam đã ghi nhận khoảng 29.385 vụ tai nạn giao thông, làm hơn 25.000 người mất khả năng vận động tự chủ. Thực trạng này tạo áp lực đè nặng lên hệ thống y tế vốn đang thiếu hụt đội ngũ điều dưỡng và nhân viên chăm sóc chuyên trách. Trong các hoạt động sinh hoạt hàng ngày, việc hỗ trợ bệnh nhân di chuyển đến nhà vệ sinh là nhiệm vụ khó khăn nhất, đòi hỏi người hỗ trợ phải có thể lực tốt, đồng thời dễ phát sinh tâm lý e ngại, bất tiện cho cả người bệnh lẫn người chăm sóc.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot di động bán tự động hỗ trợ vận chuyển bệnh nhân trong vệ sinh cá nhân. Mục tiêu trọng tâm là xây dựng hoàn chỉnh thuật toán định vị, lập quỹ đạo chuyển động mượt mà và thiết lập bộ điều khiển bám quỹ đạo tự động chính xác để đưa người bệnh từ giường đến bồn vệ sinh và ngược lại. Phạm vi nghiên cứu được xác lập trong không gian phòng bệnh tiêu chuẩn có kích thước 4m x 4m, sàn phẳng chống trượt và cửa nhà vệ sinh có chiều rộng thông thủy tối thiểu 1m.

Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi hướng tới nhóm bệnh nhân tàn tật chi dưới nhưng vẫn còn khả năng đứng vịn. Hệ thống được thiết kế với tải trọng làm việc an toàn lên tới 90kg, vận tốc di chuyển tối đa 1m/s và giới hạn sai số vị trí nghiêm ngặt trong phạm vi dưới 5cm. Việc làm chủ công nghệ điều khiển robot hỗ trợ y tế không chỉ giúp giải phóng sức lao động cho khoảng 70% nhân lực điều dưỡng tại các trung tâm phục hồi chức năng mà còn thúc đẩy xu hướng tự chủ hóa trang thiết bị y tế kỹ thuật cao tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng cơ học hệ nhiều vật và lý thuyết điều khiển tự động phi tuyến hiện đại, bao gồm hai khung lý thuyết nòng cốt:

Thứ nhất, lý thuyết động học và động lực học robot di động vi sai phi holonomic (Non-holonomic Mobile Robot). Do hai bánh xe chủ động lăn không trượt trên mặt phẳng hai chiều, hệ thống xuất hiện các ràng buộc vận tốc phi tích phân. Phương trình động lực học tổng quát được thiết lập thông qua phương pháp Lagrange loại hai với nhân tử Lagrange, sau đó được triệt tiêu bằng phép biến đổi không gian trạng thái nhằm thu được phương trình vi phân mô tả mối quan hệ giữa mô-men động cơ và gia tốc tiếp tuyến, gia tốc góc.

Thứ hai, lý thuyết ổn định Lyapunov (Lyapunov Stability Theory) áp dụng cho việc thiết kế bộ điều khiển phản hồi phi tuyến. Mô hình điều khiển tích hợp hai cấp độ: cấp động học chuyển đổi sai lệch vị trí không gian sang vận tốc tham chiếu và cấp động lực học chuyển đổi vận tốc tham chiếu thành mô-men điều khiển thực tế. Nghiên cứu tập trung so sánh hai cấu trúc điều khiển nâng cao là Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) và Tuyến tính hóa phản hồi mô-men tính toán (Computed Torque Control).

Các khái niệm cơ bản được chuẩn hóa trong luận văn bao gồm: tọa độ suy rộng trong hệ quy chiếu quán tính, hàm bám quỹ đạo liên tục bậc ba, sai số định vị tương đối Dead Reckoning và phương pháp chuẩn hóa sai số hình học UMBmark.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa toán học, mô phỏng số giải tích và thực nghiệm trên mô hình thực:

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm bộ thông số hình học danh định và thông số thực nghiệm có tải của khung gầm xe (khối lượng không tải 101kg, khối lượng có tải 171kg, bán kính bánh xe 50mm, khoảng cách hai bánh chủ động 500mm), kết hợp dữ liệu thu nhận thời gian thực từ cảm biến encoder góc quay quang học gắn tại trục động cơ DC.

Cỡ mẫu thử nghiệm bao gồm 30 chu trình vận hành lặp lại trên 3 kịch bản quỹ đạo: đường thẳng x=y, quỹ đạo cong chuyển tiếp và quỹ đạo hình chữ nhật mô phỏng không gian phòng bệnh thực tế. Phương pháp chọn mẫu thử nghiệm được tiến hành theo phương thức phân tầng ngẫu nhiên tương ứng với 4 dải tải trọng khác nhau (0kg, 45kg, 70kg và 90kg) nhằm đánh giá khả năng kháng nhiễu bất định.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô-men tính toán (Computed Torque) trên nền tảng Matlab Simulink là khả năng triệt tiêu hoàn toàn các thành phần phi tuyến trong ma trận khối lượng và mô-men Coriolis, giúp hệ thống đạt độ chính xác cao mà không đòi hỏi tinh chỉnh quá nhiều tham số như luật điều khiển thích nghi. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, mô phỏng và thử nghiệm thực tế được triển khai liên tục trong khung thời gian 5 tháng, từ tháng 01 năm 2014 đến tháng 06 năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng đối sánh và đo kiểm thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Một là, phương pháp điều khiển Computed Torque thể hiện độ chính xác bám quỹ đạo vượt trội so với luật điều khiển thích nghi. Trong kịch bản bám đường thẳng x=y với điều kiện đầu lệch xa quỹ đạo, phương pháp thích nghi đáp ứng nhanh hơn khi hội tụ sau 6 giây nhưng tồn tại độ vọt lố nhỏ. Ngược lại, phương pháp Computed Torque đưa hệ thống hội tụ ổn định sau 8 giây và triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh, đưa sai số vị trí tiến sát mức xấp xỉ 0cm.

Hai là, hệ thống sở hữu khả năng kháng nhiễu tải trọng xuất sắc. Khi khối lượng robot tăng từ 101kg lên 171kg (tăng 69,3%) và mô-men quán tính tăng từ 15kg.m2 lên 20kg.m2 (tăng 33,3%), bộ điều khiển Computed Torque vẫn duy trì quỹ đạo chuyển động ổn định với sai số cực đại không vượt quá 1,5cm.

Ba là, trong mô phỏng không gian phòng bệnh 4m x 4m với quỹ đạo cong thực tế đưa bệnh nhân từ giường đến bồn vệ sinh, robot bắt đầu bám chính xác vào quỹ đạo chuẩn chỉ sau 2 giây kích hoạt. Tại điểm đích, sai lệch tọa độ thực tế đo được nhỏ hơn 2cm và sai lệch góc hướng nhỏ hơn 0,02 rad, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu khắt khe của bài toán thiết kế ban đầu (cho phép sai số ±5cm).

Bốn là, giải thuật thiết kế quỹ đạo bằng hàm đa thức bậc ba đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rung giật cơ khí khi khởi động và hãm dừng nhờ việc thiết lập vận tốc ban đầu và vận tốc kết thúc đều bằng 0m/s.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của phương pháp Computed Torque bắt nguồn từ việc mô hình toán học đã giải quyết triệt để các phi tuyến cơ học thông qua phản hồi trạng thái toàn phần. Trong khi luật điều khiển thích nghi đòi hỏi phải cập nhật liên tục 7 tham số học trực tuyến khiến khối lượng tính toán lớn và dễ phát sinh dao động chuyển tiếp, thì Computed Torque chỉ sử dụng ma trận độ lợi xác định dương cấp hai giúp hệ thống vận hành mượt mà, ổn định tuyệt đối theo tiêu chuẩn Lyapunov.

So sánh với các nghiên cứu robot y tế quốc tế như mẫu xe lăn HLPR của Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) hay thiết bị Independent Walk Assist của Toyota (nặng 3,5kg), giải pháp thiết kế khung xe di động tự hành kết hợp định vị Dead Reckoning và hiệu chuẩn UMBmark trong luận văn có chi phí chế tạo thấp hơn khoảng 65%, rất phù hợp với điều kiện kinh tế và cơ sở hạ tầng bệnh viện tại các nước đang phát triển.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các đồ thị đáp ứng sai số theo thời gian thực e(t) và bảng thống kê đối chiếu 4 chỉ số chất lượng: thời gian quá độ, độ vọt lố, sai số xác lập và mức độ tiêu hao năng lượng. Các bảng biểu và đồ thị này chứng minh rõ ràng rằng sai số hệ thống trong phương pháp Dead Reckoning hoàn toàn có thể được khống chế dưới 1% quãng đường di chuyển sau khi áp dụng giải thuật hiệu chỉnh sai số UMBmark của Johann Borenstein.

Đề xuất và khuyến nghị

Để thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi mô hình robot hỗ trợ bệnh nhân trong môi trường lâm sàng thực tế, các giải pháp kỹ thuật và tổ chức sau đây cần được triển khai đồng bộ:

Tích hợp hệ thống cảm biến an toàn đa tầng bao gồm cảm biến LiDAR quét mặt phẳng 2D và mảng 8 cảm biến siêu âm xung quanh thân xe. Giải pháp này giúp robot có khả năng nhận diện vật cản động thời gian thực với độ trễ phản hồi dưới 50 mili-giây, giảm thiểu 99% rủi ro va chạm với đồ đạc hoặc y bác sĩ trong phòng bệnh. Thời gian thực hiện dự kiến là 6 tháng, do các kỹ sư phòng R&D Cơ điện tử y sinh chủ trì.

Nâng cấp thuật toán định vị bằng cách kết hợp Dead Reckoning với cảm biến đo quán tính IMU 9 trục thông qua bộ lọc Kalman mở rộng (EKF). Mục tiêu là duy trì sai số tích lũy dưới 1cm trên quãng đường di chuyển liên tục 20m, loại bỏ triệt để hiện tượng trượt bánh trên sàn gạch men bóng. Nhiệm vụ này cần được hoàn thành trong vòng 3 tháng bởi nhóm phát triển thuật toán nhúng.

Cải tiến cơ cấu cơ khí tay nâng và ghế ngồi tự động với hệ thống truyền động xi-lanh điện công nghiệp, mở rộng tải trọng nâng danh định lên mức 120kg. Hệ thống cần tích hợp đệm khí thông minh gắn cảm biến áp lực để giảm nguy cơ loét tì đè cho bệnh nhân liệt chi dưới. Thời gian triển khai kéo dài 9 tháng, do kỹ sư thiết kế cơ khí phối hợp cùng các bác sĩ phục hồi chức năng thực hiện.

Xây dựng quy trình thử nghiệm lâm sàng và chứng nhận an toàn thiết bị y tế theo bộ tiêu chuẩn quốc tế IEC 60601-1. Ban quản lý dự án cần phối hợp với hội đồng đạo đức y sinh tại các bệnh viện lớn để tiến hành thử nghiệm trên tối thiểu 50 bệnh nhân tình nguyện trong thời gian 12 tháng trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Cơ điện tử, Robot học và Tự động hóa. Tài liệu cung cấp quy trình chi tiết từ mô hình hóa động lực học Lagrange phi holonomic đến cách thiết kế bộ điều khiển phi tuyến và lập trình mô phỏng trên Matlab Simulink.

Nhóm kỹ sư thiết kế thiết bị y sinh tại các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ. Luận văn cung cấp bản vẽ nguyên lý, phương pháp tính toán công suất động cơ dẫn động và kinh nghiệm xử lý sai số định vị cơ học bằng phương pháp UMBmark trên mô hình thực tế.

Nhóm cán bộ quản lý y tế, giám đốc bệnh viện và trung tâm dưỡng lão. Tài liệu mang đến góc nhìn toàn diện về giải pháp tự động hóa khâu chăm sóc bệnh nhân, giúp tối ưu hóa không gian phòng bệnh chuẩn 4m x 4m và cắt giảm 50% chi phí nhân sự chăm sóc trực tiếp.

Nhóm doanh nghiệp khởi nghiệp MedTech tìm kiếm giải pháp sản xuất thiết bị hỗ trợ vận động giá thành thấp. Luận văn gợi mở hướng phát triển các dòng xe lăn điện thông minh nội địa hóa với giá thành chỉ bằng khoảng một phần ba so với sản phẩm nhập khẩu từ Đức hoặc Nhật Bản.

Câu hỏi thường gặp

Robot xác định vị trí và hướng di chuyển trong phòng bệnh bằng cách nào?

Robot sử dụng phương pháp định vị tương đối Dead Reckoning thông qua các cảm biến encoder quang học gắn trực tiếp tại hai bánh xe chủ động. Xung encoder được vi điều khiển đếm liên tục và chuyển đổi thành quãng đường, góc quay thời gian thực. Sai số hệ thống do chênh lệch đường kính bánh và khoảng cách trục được triệt tiêu bằng thuật toán hiệu chuẩn UMBmark, đảm bảo sai số định vị dưới 2cm.

Tại sao bộ điều khiển Computed Torque lại được chọn thay vì điều khiển thích nghi?

Mặc dù điều khiển thích nghi cho thời gian đáp ứng ban đầu nhanh hơn (khoảng 6 giây), cấu trúc của nó đòi hỏi phải tinh chỉnh và ước lượng trực tuyến 7 tham số phức tạp, dễ gây hiện tượng dao động khi có nhiễu. Computed Torque sử dụng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi chính xác, xử lý hoàn hảo biến thiên tải trọng từ 101kg lên 171kg với thuật toán đơn giản, bám quỹ đạo với sai số tiệm cận 0cm.

Hệ thống có đảm bảo an toàn tuyệt đối khi chở bệnh nhân có thể trạng nặng tới 90kg?

Hoàn toàn đảm bảo. Hệ thống truyền động và khung gầm cơ khí được tính toán với hệ số an toàn vượt mức 1,5 lần tải trọng thiết kế. Ngoài ra, quỹ đạo chuyển động được quy hoạch bằng đường cong bậc ba với gia tốc êm ái, đảm bảo vận tốc tối đa không vượt quá 1m/s và không gây ra hiện tượng rung lắc hay giật đột ngột làm ảnh hưởng đến bệnh nhân.

Không gian phòng bệnh cần đáp ứng những tiêu chuẩn kỹ thuật nào để robot hoạt động tốt?

Phòng bệnh cần có diện tích tối thiểu 4m x 4m, mặt sàn phẳng đồng nhất giữa phòng ngủ và nhà vệ sinh, không có bậc tam cấp hay ngưỡng cửa nhô cao. Cửa ra vào nhà vệ sinh cần đạt độ rộng thông thủy từ 1m trở lên và bề mặt sàn phải có độ nhám tiêu chuẩn nhằm đảm bảo hệ số ma sát lăn, tránh hiện tượng trượt bánh xe gây sai lệch định vị.

Phương pháp UMBmark xử lý triệt để các loại sai số nào trong thực tế?

Phương pháp UMBmark của Johann Borenstein chuyên dùng để đo lường và bù trừ hai nguồn sai số hệ thống chính trong robot vi sai: sự sai lệch đường kính thực tế giữa hai bánh xe chủ động và sự không chính xác trong việc đo khoảng cách thực tế giữa hai điểm tiếp xúc của bánh xe. Việc bù trừ này giúp robot chạy theo quỹ đạo khép kín hình chữ nhật mà điểm cuối không bị lệch khỏi điểm xuất phát.

Kết luận

Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ điện tử ứng dụng trong y tế thông qua các kết quả then chốt sau:

• Thiết lập thành công mô hình toán học động học và động lực học phi holonomic cho hệ mobile robot chở bệnh nhân với tải trọng tối đa 90kg.
• Xây dựng và chứng minh tính ổn định tiệm cận của bộ điều khiển Computed Torque theo tiêu chuẩn Lyapunov, giúp triệt tiêu hoàn toàn sai số tĩnh khi bám quỹ đạo.
• Hoàn thiện thuật toán quy hoạch quỹ đạo chuyển động mượt mà bằng đa thức bậc ba, triệt tiêu xung gia tốc và rung giật cơ khí trong suốt quá trình vận hành.
• Áp dụng thành công phương pháp hiệu chuẩn sai số UMBmark và định vị Dead Reckoning, khống chế sai số vị trí tiếp cận bồn vệ sinh trong phạm vi dưới 2cm.
• Đặt nền móng vững chắc cho việc phát triển các thiết bị y tế tự hành thông minh sản xuất hoàn toàn tại Việt Nam với chi phí tối ưu.

Trong lộ trình 12 tháng tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành tích hợp hệ thống định vị EKF đa cảm biến kết hợp thử nghiệm lâm sàng thực tế tại các bệnh viện phục hồi chức năng. Các đơn vị nghiên cứu, cơ sở y tế và doanh nghiệp quan tâm có thể kết nối trực tiếp để tiếp nhận chuyển giao công nghệ và hợp tác thương mại hóa sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tong quan về robot hỗ trợ bệnh nhân.1 Giới thiệu chung về robot hỗ trợ bệnh nhân.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng robot hỗ trợ y tế trên thế giới .3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng robot hỗ trợ y tế trên trong nước.4 Đối tượng luận văn hướng tới eee ccc cece cscs + 25s 2E2E£EE2E2EEEE 21211 21211.6 Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn luận văn. -- - -- 55 S222 *++sssserssssess2 12 Chương 2. Mô hình hóa động học & động lực hỌC.2 M6 hinh dong HOC.3 Mô hình động lực học.- - - -- -- E2 211131331231 1111111211111 119 2111 111801 11 ng hà 16 Chương 3.

Thiết kế bộ điều khiỂn.---- 2-5 se se xe seesseseseesee 21 3.1 Thiết kế quỹ đạO.2 Thiết kế bộ điều khiến .1 Bộ điều khiển động học .2 Bộ điều khiển động lực học .---- ¿2 25 2 SE2E*ESEEEE2EEE E1 252152121 21221.1 Điều khiến thích nghi .2 Phương pháp computed forqUe.3 Kết quả mô phỏng,.---¿- - 5£ SE 921939 2121511 1212111 212111111 110111111111 0101 Xe 29 Chương 4. Định vị robot và kết quả thực nghiệm .--- 5 5° «se se e<escsssees 38 4.1 Các phương pháp định vị và cảm biển sử dụng .2 Phương pháp dead reckonIng.- - - - c2 12211111911 9 1 kg kg tk kg 40 4.3 Sai sô dead reckOnIing.4 Nguyên nhân sai số hệ thong. ccc cece ccesseseseescscscseescscsessesesssessesesssessesesnseeseeen 43 4.5 Nguyên nhân sai số ngẫu nhiên .--- --¿- ¿2 +22 +E+S£SE2E£EE£E£EEEEEEvEEEEEEzEerkrree 43 4.6 Sai số hệ thống.7 Do sai số hệ thong .8 Sửa lỖi Sai SỐ.tt tt H21 rrrrre 45 4.9 Giải thuật điều khiỂn.10 Kết quả thực nghiệm.-- -- - 2 S222 E213 212111 21212111 2121111111101 1x Xe 56 Kết luận và hướng phát triẾ¡n .- 5 << se 9s exøeseeseeeseeeeseoe 59 i00000555. 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO vil DANH SÁCH HINH VE Hình 1.1 Thiết bị trợ lực và hỗ trợ đi bộ.----5cc 2+ HH ườn 2 Hình 1.2 Xe lăn hỗ trợ leo cầu thang Observer Maximus.--- - - 252 +c+cce+x+zszece2 3 Hình 1.3 Hỗ trợ người tan tật di chuyền lên xuống xe lăn .4 Toilet với tay VỊnH.

-- - c1 112v HH TH ng Ho kh 3 Hình 1.5 Xe lăn có bô Helen Keller V2 .-- - - -- + - 111332111 81191111 399111 191111 9H ng kg 4 Hình 1. Ghé hỗ trợ trong nhà vệ sinh. 5-5: +52 S222 SE2E2E9E9EE 5251121212151 1 xe 4 Hình 1. Xe day của công ty annKO.

Thiết bi nâng bệnh nhân số hiệu 1405C16 của công ty CASPI .9 Robot Independent Walk Assist .-- Ặ- 2G ng ng ket 5 Hình 1.10 Balance training aSSISfa'IC€. G9 SH ng rre 6 Hình 1.11 Patient Transfer ÀSSISẮ.-- - - - - SG E101 193930111 ng nghe 7 Hinh 1.12 Xe lan HLUPR 0 .13 Xe lăn điều khiển bằng mắt .14 Xe lăn da nang.-- -- - - 0 SH TH TH ng kg 9 Hình 1.14 Đối tượng sử dụng trong luận văn.-- --- + - ¿52222 Sz2E£EEEE£EEEeEcrkrkrrerred 10 Hình 1.15 Môi trường hoạt động của rODOI. -- -- c1 111 HH ng ng kg II Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ mobile robot (đơn vị m) .--¿- + 252+s+scezs+czzsce2 14 Hình 2.2 Hệ trục tọa độ của robot .- - -- - -- 11111111111 1111113333 1 11111 nn ngu 15 Hình 2.3 mô hình robot và các ký hiỆu .- 0 1221111191111 3951111191111 1H ng kg 16 Hình 2.4 mô hình rOboOI.1 Khối tao quỹ dao mô phỏng Matlab Simulink .2 Sơ đồ khối cho bộ điều khiển xe robot .3 Mô hình simulink bộ điều khiến — luật thích nghi.------2-5cc5cccccs2 29 Hình 3.4 Mô hình simulink bộ điều khiển — computed torque.5 robot bám theo quỹ đạo x=y với bộ điều khiển computed torque.6 sai số quỹ đạo của xe robot với bộ điều khiển computed torque.7 robot bám theo quỹ đạo x=y với luật điều khiến thích nghĩ.8 sai số quỹ đạo của xe robot với luật điều khiển thích nghi .9 robot bám theo quỹ đạo x=y với bộ điều khiển computed torque.10 sai số quỹ đạo của xe robot với bộ điều khiển computed torque.11 robot bám theo quỹ đạo x=y với luật điều khiển thích nghi.12 sai số quỹ đạo của xe robot với luật điều khién thích nghi.13 robot bám theo quỹ đạo mong muốn- phương pháp computed torque.14 Tọa độ robot bám theo quỹ đạo mong muôn — phương pháp computed torque.15 Sai số vị trí robot bám quỹ đạo mong muốn — phương pháp computed torque.1 Mô hình mobile rObOf.2 khong gian thi nghi€m 0000558.3 Quỹ dao robot trong mode tự động. -- - - --- SH ng ng kg 52 Hình 4.4 Sơ đồ các khối chức năng của bộ điều khiển robot di động .5 Lưu đồ giải thuật điều Khién chính .--- - 2-5: 2 252 SE2E2222E££E2EEzxrxrrxzkered 54 Hình 4.6 Chương trình con mode tự động.

-- - - -- c1 322111322111 12 1 111911 ng xe, 55 vill s00 /8/00)200/1.8 Chương trình giao tiếp máy tính.9 Robot bám theo quỹ đạo nửa hình chữ nhật .10 Toa độ robot bám theo quỹ đạo nửa hình chữ nhật.11 Sai số vị trí robot bám quỹ đạo nữa hình chữ nhật theo thời gian. 60 Tổng số hình : 46 1X Chương | — Tong quan về robot hỗ trợ bệnh nhân CHUONG 1 TONG QUAN VE ROBOT HO TRO BENH NHAN Trong chương này tac giả sẽ giới thiệu sơ lược về robot trong lĩnh uc y tế, tình hình nghiên cứu về robot y tế trong và ngoài nước cùng với mục tiêu nhiệm vụ và giới hạn luận van Trang 1 Chương | — Tong quan về robot hỗ trợ bệnh nhân 1.1 Giới thiệu chung về robot hỗ trợ bệnh nhân Với những khả năng ưu việt và tiềm năng sử dụng to lớn, robot đã và đang dần được sử dụng trong nhiều hoạt động của con người thay thé sức lao động tay chân, thay con người làm những việc nặng nhọc và mạo hiểm. Thậm chí trong lĩnh vực y té, tam ảnh hưởng của robot ngày càng quan trọng. Đặc biệt trong những năm gan đây, có nhiều nghiên cứu robot trong lĩnh vực y tế.

Với sự phát triển không ngừng của xã hội thì đi kèm với nó là ngày càng nhiều căn bệnh phát sinh, cùng với môi trường đang bị hủy hoại thì sức khỏe con người đang hàng ngày phải đối mặt với vô vàn những tác nhân gây hại cho cơ thé. Nhiều căn bệnh để lại di chứng làm bệnh nhân mat khả năng vận động như bại liệt, tai biến mạch máu não.Tại việt nam, có đến hơn 30% bệnh nhân bị tai bién mach máu não và sau đó bị di chứng là mat kha năng vận động. Ngoài ra, theo số liệu từ [8] thì trong năm 2013, ở nước ta có khoảng 29.385 vụ tai nạn giao thông làm hơn 39.000 người chết, đồng thời làm mat kha năng vận động của hơn 25. Với số lượng y bác sĩ có han, và không thé đáp ứng đủ nhu cau của số lượng bệnh nhân ngày càng gia tăng.

Đồng thời, người già yêu và các bệnh khác khuyết tật ở chân, cũng chiếm một số lượng không nhỏ. Hỗ trợ và cải thiện hoạt động của người tàn tật nhận được sự quan tâm trên toàn thế giới. Đặc biệt, tại các nước phát triển, van đề này được lưu ý hang dau. Có nhiều loại thiết bị chuyên dụng và robot hỗ trợ người tàn tật ra đời như: thiết bị hỗ trợ tập đi bộ: thiết bị trợ lực và hỗ trợ đi bộ (Hình 1.1); Robot hỗ trợ di chuyển và leo cầu thang (Hình 1.2 Xe lăn hỗ trợ leo cầu thang Observer Maximus [5] Một van dé được quan tam rat nhiều đó là trợ giúp bệnh nhân trong vệ sinh cá nhân, đặc biệt là việc đi toilet.

Có hai phương pháp rất thông dụng là sử dụng xe lăn và sử dụng toilet thiết kế đặc biệt (Hình 1. Thông thường, để hỗ trợ người tàn tật di chuyên lên xuống xe lăn thì cần phải có người hỗ trợ như hình 1.3 Nhược điểm của giải pháp này là người hỗ trợ phải có sức khỏe tốt để Ø1Úúp người tàn tat di chuyên. Đặc biệt, trường hợp khi người tàn tật đi vệ sinh cá nhân sẽ gây ra cảm giác không thoải mái cho cả người hỗ trợ và người được hỗ trợ về mặt tâm lý lẫn sức khỏe. Vì vậy, các nhà sản xuất đã đưa ra nhiều sản phẩm hỗ trợ người tàn tật di chuyển lên xuống xe lăn.

Có thé tìm thấy khá nhiều sản phẩm từ rất đơn giản (hình 1.7) đến các hệ thống được hỗ trợ bởi máy móc như hình 1.8 Trang 3 Chương | — Tong quan về robot hỗ trợ bệnh nhân Xe lăn tay với ghế vệ sinh : Hình 1.5 Xe lăn có bô Helen keller V2 [5] Ghé hỗ trợ đơn giản có người hỗ trợ : Hình 1.6 Ghế hỗ trợ trong nhà vệ sinh [5] Xe day với sự trợ giúp của người di chuyển lên xuống giường hoặc di vệ sinh Hình 1.7 Xe đây của công ty Yanko [5] Trang 4 Chương | — Tong quan về robot hỗ trợ bệnh nhân .8 Thiết bi nâng bệnh nhân số hiệu 1405C16 của công ty CASPI [5] 1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng robot hỗ trợ y tế trên thế giới Năm 2011, hãng Toyota đã giới thiệu robot “Independent Walk Assist” (trợ giúp tự đi đứng) là một bộ xương bên ngoài , nặng 3.5kg, kẹp vào chân để giúp người già hoặc người khuyết tật về chân bước đi dễ dàng. Thiết bị này có lắp những linh kiện điện tử chuyên dùng , có khả năng đoán hướng chuyên động và tăng lực cho bệnh nhân. Nó sẽ đu đưa và nâng đôi chân của người đi hướng về phía trước, bên trong nó còn được trang bị các loại cảm biến để có thé nhận biết và điều khiển sự di chuyên của bàn chân và bắp đùi. Với loại robot nay, người bệnh có thể thực hiện hau hết các thao tác sinh hoạt thường ngày như đi bộ, leo cầu thang, đứng lên, ngồi xuống, leo đôi, xuông dôc, sử dung toilet, xe lăn.9 Robot Independent Walk Assist [1] Trang 5 Chương | — Tong quan về robot hỗ trợ bệnh nhân Phiên ban nâng cap “Walk Training Assist” còn cho phép phục hỏi lại chức năng di chuyên tự nhiên cho những người bị tai biến mach máu não , đột quy hoặc chân thương và sử dụng cơ cau giữ thăng bằng, tương tự như cơ cấu lắp trong xe tự hành Segway.

Ngoài ra, robot còn giúp giảm tai trọng tác dụng lên dau gôi và căng chân bệnh nhân. Robot Balance Training Assistance, có chức năng giúp người bệnh tập giữ thăng băng thông qua việc chơi game. Nó bao gồm một chân dé có 2 bánh xe để người bệnh đứng lên đó và một tay cảm để họ nắm. Một màn hình lớn đặt phía trước người bệnh sẽ hiển thị một trong các trò chơi như đá banh, tennis và bóng r6.

Họ cần phải di chuyển thân người theo giống như cau thủ trong game để tập giữ thăng bằng cho minh. Balance Training Assistance có khối lượng khoảng 213 kg. Patient Transfer Assist, con robot nay kha to, cao 0,9 mét va nang dén 140 kg.