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

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.

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.