Hệ thống điều khiển vận động cho robot hỗ trợ người thiểu năng vận động

Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014<br /> <br /> <br /> Hệ thống điều khiển vận động cho robot hỗ trợ người thiểu năng vận động<br /> <br /> The motion control system of the assistive robot for people with movement disability<br /> <br /> Tăng Quốc Nam Nguyễn Bá Đại<br /> Học viện Kỹ thuật Quân sự Học viện Kỹ thuật Quân sự<br /> e-Mail: tangquocnam@mta.edu.vn e-Mail: badainguyen@mta.edu.vn<br /> <br /> Tóm tắt: liệu nhỏ nhất<br /> Robot hỗ trợ người thiểu năng vận động là robot được Tmin nyquist s Thời gian chu kỳ biến thiên dữ<br /> mang trên người, hoạt động đồng bộ với cơ thể như liệu nhỏ nhất theo định lý<br /> một bộ phận mở rộng của cơ thể, có chức năng giúp Nyquist<br /> người thiểu năng vận động có thể đi lại bằng chân kmin - Hệ số an toàn tối thiểu<br /> hoặc luyện tập phục hồi chức năng đi lại. Để thực<br /> Tqdo s Thời gian quá độ của động cơ<br /> hiện quá trình đi lại, toàn bộ các khớp của cả 2 chân<br /> robot được điều khiển phối hợp nhờ bộ điều khiển Tbuoc s Thời gian chu kỳ bước<br /> trung tâm, theo dữ liệu góc khớp cho trước. Bài báo Tbuoc _min s Thời gian chu kỳ bước nhỏ nhất<br /> trình bày cấu trúc hệ điều khiển vận động, giải thuật Vdibo _max m/s Vận tốc đi bộ lớn nhất<br /> điều khiển bám góc khớp, các thuật toán điều khiển<br /> và các kết quả thực nghiệm các chức năng hỗ trợ vận d buoc m Độ dài bước chân<br /> động cho người thiểu năng vận động đi lại trên đường  (t) rad Dữ liệu góc theo thời gian<br /> bằng, đứng lên ngồi xuống và lên/xuống cầu thang.  '(t ) rad/s Đạo hàm dữ liệu góc<br /> Từ khóa: robot hỗ trợ, bộ xương ngoài, người thiểu<br /> năng vận động, bộ điều khiển bám quĩ đạo. f max nyquist Hz Tần số biến thiên dữ liệu lớn<br /> nhất theo định lý Nyquist<br /> Abstract:<br /> The assistive robot for people with movement Chữ viết tắt:<br /> disability is a wearable robot or exoskeleton. It works RBHT Robot hỗ trợ<br /> as an extender, which supports people with movement TNVĐ Thiểu năng vận động<br /> disability in movement activities by legs as well as is BTD Bậc tự do<br /> used to rehabilitate. In order to perform this actions, NCKH Nghiên cứu khoa học<br /> all joints of robots including knee and hip are PID Bộ điều khiển Tỷ lệ-Tích phân-Vi phân<br /> rhythmically controlled by tracking controller with MTTT Máy tính trung tâm<br /> the sample data received from experiments with BXLTT Bộ xử lý trung tâm<br /> healthy people. In this paper, the structure of motion<br /> control systems, the strategy of angle control, the 1. Đặt vấn đề<br /> algorithm and some results of experiments in different Robot hỗ trợ người thiểu năng vận động (sau đây gọi<br /> mode such as walking, sitting down, standing up, là robot hỗ trợ - RBHT) là robot được mang trên<br /> going up/down stair are introduced. người, hoạt động đồng bộ với cơ thể như một bộ phận<br /> mở rộng (extender), có chức năng giúp người thiểu<br /> Keywords: assistive robot, exoskeleton, people with năng vận động (TNVĐ) có thể đi lại bằng chân hoặc<br /> movement disability, tracking controller. luyện tập phục hồi chức năng đi lại. Theo chức năng,<br /> kết cấu và phương thức hoạt động của mình, RBHT là<br /> Ký hiệu: điểm giao của nhiều loại robot đã có tên: robot sinh<br /> Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa học (bio-robot), robot Tracking Controller người<br />  rad Góc khớp (humanoid robot), robot - bộ xương ngoài<br />  Nm Mô men khớp (exoskeleton), robot mặc (wearable robot),…[5].<br /> ref rad Góc khớp mẫu Đi bộ là một dạng vận động của cơ thể, có tính tự<br /> N step - Số lần lấy mẫu dữ liệu động, theo chu kỳ, do hệ vận động thực hiện. Hệ vận<br /> động gồm có các hệ: hệ cơ xương và hệ thần kinh vận<br /> Nstepmin - Số lần lấy mẫu dữ liệu nhỏ nhất động. Hệ cơ xương vận động (gọi tắt là hệ cơ xương -<br /> N stepmax - Số lần lấy mẫu dữ liệu lớn nhất H. 1a) gồm các xương, khớp và cơ. Hệ xương và<br /> T s Thời gian chu kỳ lấy mẫu khớp của chi dưới làm thành bộ khung kết cấu không<br /> Tmin s gian, truyền lực và truyền chuyển động.<br /> Thời gian chu kỳ lấy mẫu nhỏ nhất<br /> Ý tưởng thiết kế hệ cơ xương của RBHT cũng lấy từ<br /> Tmax s Thời gian chu kỳ lấy mẫu lớn nhất hệ cơ xương của người, nhưng dựa trên mô hình đơn<br /> Tmin s Thời gian chu kỳ biến thiên dữ giản như trên H. 1b. Mỗi chân của RBHT là một cơ<br /> <br /> <br /> VCM-2014<br /> Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014<br /> <br /> cấu phẳng 3 khâu, 3 khớp (3 BTD) theo nguyên tắc mang: đứng lên, ngồi xuống, đi hay dừng,…Bộ tạo<br /> đồng khớp, song song với hệ vận động của người quỹ đạo mẫu có nhiệm vụ chọn chương trình đi tương<br /> mang [8]. Khớp hông và khớp gối được dẫn động nhờ ứng theo ý định, tạo dữ liệu về quỹ đạo cho bộ điều<br /> các động cơ động cơ độc lập, góc quay được đo trực khiển bám. Bộ điều khiển bám điều khiển hệ chấp<br /> tiếp bằng các sensor vị trí gắn trực tiếp lên trục quay hành bám theo quỹ đạo mẫu. Hệ chấp hành giữ vai trò<br /> của khớp. Khớp cổ chân là khớp bị động, được giới của cơ, làm chuyển động các khớp.<br /> hạn góc quay bởi các cơ cấu đàn hồi và giảm chấn. f<br /> Hoạch định Người<br /> vận động mang<br /> Y(,,f)<br /> <br /> <br /> Tạo quỹ ref ĐK bám u Chấp , Khung<br /> đạo mẫu quỹ đạo hành robot<br /> , <br /> H. 2 Cấu trúc của hệ vận động của RBHT<br /> Hệ chấp hành là các động cơ, tạo ra dịch chuyển góc<br />  hay mô-men  tại các khớp. Vì khớp ở chân robot<br /> và ở chân người đồng trục với nhau nên chuyển động<br /> của robot được truyền trực tiếp sang người. Muốn bàn<br /> chân bám được quỹ đạo mẫu thì mỗi khớp chân phải<br /> bám theo góc khớp mẫu ref (H. 3).<br /> d<br /> <br />  ref + e u  ,  (t)<br /> Bộ điều Thiết bị<br /> Khớp robot<br /> khiển bám chấp hành<br /> -<br /> <br /> <br /> H. 3 Cấu trúc của hệ điều khiển khớp<br /> (b)<br /> H. 1 Hệ thống cơ - xương chi dưới của người (a) và Dữ liệu góc khớp mẫu cho RBHT với từng mẫu người<br /> robot hỗ trợ (b) TNVĐ khác nhau được xây dựng bằng phương pháp<br /> Để thực hiện quá trình đi bộ, toàn bộ các khớp của cả đo thực nghiệm trên người khỏe có hình dáng, kích<br /> 2 chân được điều khiển phối hợp nhờ bộ điều khiển thước tương ứng. H. 4a là dữ liệu góc khớp mẫu trong<br /> trung tâm, theo dữ liệu góc khớp, thường được đo, ghi trường hợp đi xuống cầu thang với các giá trị góc<br /> bằng thực nghiệm trên người khỏe, hiệu chỉnh cho được biểu diễn theo phần trăm chu kỳ bước.<br /> phù hợp với tình trạng của người TNVĐ cụ thể. Một<br /> số bộ dữ liệu được chuẩn bị công phu và được sử<br /> dụng rộng rãi, như của Antonie Bogert, Harman,<br /> Winter [1].<br /> Các nghiên cứu về động học, động lực học, mô hình<br /> hóa, mô phỏng và thiết kế hệ thống vận động cho<br /> RBHT thuộc đề tài NCKH cấp Nhà nước mã số<br /> KC03.12/11-15 đã được thực hiện và công bố trong<br /> các công trình [2][3][4][8] [9]. Trên cơ sở đó, tiến<br /> hành xây dựng hệ thống điều khiển vận động cho<br /> RBHT theo dữ liệu góc khớp cho trước và tiến hành<br /> thực nghiệm các chức năng hỗ trợ vận động cho (a)<br /> người TNVĐ đi lại trên đường bằng, đứng lên ngồi<br /> xuống và lên/xuống cầu thang. Bài báo này tập trung<br /> vào cấu trúc hệ điều khiển vận động, giải thuật điều<br /> khiển bám góc khớp, các thuật toán điều khiển và các<br /> kết quả thực nghiệm RBHT người TNVĐ với các<br /> chức năng vận động cơ bản.<br /> <br /> 2. Nội dung chính<br /> 2.1. Hệ điều khiển vận động cho RBHT<br /> Hệ điều khiển vận động của RBHT được thiết kế theo<br /> nguyên tắc phỏng sinh, bắt chước hệ điều khiển vận (b)<br /> động của người, nhưng thực thi các nhiệm vụ đơn H. 4 Đồ thị góc (a) và vận tốc góc khớp (b)<br /> giản hơn, gồm: bộ hoạch định vận động, bộ tạo quỹ Đồ thị góc khớp của RBHT có dạng dữ liệu phức tạp,<br /> đạo mẫu (Gait Pattern Generator) và bộ điều khiển biến thiên liên tục (H. 4a,b). Việc áp dụng các phương<br /> bám quỹ đạo (Tracking Controller) như trong H. 2. pháp như xấp xỉ hóa bằng các hàm cơ bản trong bài<br /> Bộ hoạch định vận động nhận biết ý định của người toán điều khiển bám vị trí truyền thống gặp rất nhiều<br /> <br /> VCM-2014<br /> Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014<br /> <br /> khó khăn. Mặt khác, trong quá trình vận động, giá trị quá độ của động cơ và bộ điều khiển PID. Do đó có<br /> góc khớp của RBHT biến thiên tuần hoàn theo chu kỳ thể lựa chọn:<br /> bước. Vì vậy chỉ cần xây dựng thuật toán điều khiển Tmin  kmin .Tqdo (3)<br /> cho RBHT bám góc khớp trong một chu kỳ bước.<br /> với kmin là hệ số an toàn cho ngưỡng dưới.<br /> 2.2. Giải thuật điều khiển bám góc khớp hay T  k min .Tqdo (4)<br /> Bộ dữ liệu góc khớp, tuy ở dạng rời rạc, nhưng với Xét trạng thái RBHT hoạt động ở vận tốc lớn nhất<br /> thời gian lấy mẫu rất bé có thể coi là liên tục. Giải ( Vdibo _max = 3km/h, độ dài bước chân dbuoc  0.5m ) thì<br /> pháp điều khỉển bám là điều khiển động cơ lần lượt<br /> chu kỳ bước ngắn nhất là:<br /> bám các giá trị góc theo thời gian, được gửi lần lượt<br /> d .3600 0,5.3600<br /> từ bộ hoạch định vận động xuống bộ xử lý trung tâm Tbuocmin  buoc   0, 6s (5)<br /> (BXLTT) hoặc gửi một lần cả bộ dữ liệu xuống và lưu Vdibo _ max .1000 3000<br /> trữ ở vi xử lý. Khi đó, giá trị lớn nhất của chu kỳ lấy mẫu là:<br /> Tuy nhiên nếu sử dụng trực tiếp bộ dữ liệu này cho T T 0,6<br /> việc điều khiển robot thì số lượng bước điều khiển Nstepmax  buocmin  buocmin   250 (6)<br /> Tmin kmin .Tqdo 1, 2.0,002<br /> của hệ thống là quá lớn và gần như không đủ thời gian<br /> cho vi xử lý điều khiển thực hiện các phép tính toán Với số lần lấy mẫu N step  N stepmax thì thời gian lấy<br /> và ra lệnh điều khiển, cũng như đặc tính thời gian của mẫu ở các chế độ vận tốc khác nhau đều thỏa mãn<br /> bộ điều khiển PID cũng không đáp ứng được. Vấn đề điều kiện: T  k min .Tqdo<br /> đặt ra là vi xử lý và điều khiển trung tâm phải lựa<br /> chọn giá trị như thế nào cho việc điều khiển các góc Mặt khác, nếu coi bộ dữ liệu mẫu là liên tục  (t) thì<br /> khớp robot để đảm bảo đặc tính động học của RBHT theo định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon-Kotelnikov,<br /> trong quá trình hoạt động cũng như đảm bảo hoạt tín hiệu giá trị góc khớp không chứa thành phần tần số<br /> động ổn định và tối ưu hóa phần cứng. Do đó, từ bộ nào lớn hơn hoặc bằng giá trị f max nyquist thì nó có thể<br /> dữ liệu có thể coi gần như tuyến tính hóa, cần thực được biểu diễn chính xác bằng tập giá trị của nó với<br /> hiện việc rời rạc hóa với thời gian lấy mẫu phù hợp 1<br /> phục vụ cho việc điều khiển robot. chu kỳ lấy mẫu T  . Đây chính là giá<br /> Tuy nhiên, RBHT hoạt động ở nhiều chế độ góc và 2. f max nyquist<br /> vận tốc góc khác nhau và hệ thống điều khiển phải trị lớn nhất mà thời gian lấy mẫu dữ liệu góc khớp có<br /> đảm bảo cho robot vẫn hoạt động một cách nhịp thể đạt được để giữ cho đặc tính biến thiên của dữ liệu<br /> nhàng, không bị gián đoạn. Như vậy bài toán cần giải không bị thay đổi. Vì bản thân bộ dữ liệu góc khớp<br /> quyết là điều chỉnh vận tốc góc khớp trong quá trình không thể mô tả ở dưới dạng hàm số, nên việc xác<br /> hoạt động của robot. Vì vậy nhiệm vụ thuật toán điều định giá trị f max nyquist là khó khăn và chỉ xác định<br /> khiển phải lựa chọn được số lần lấy mẫu thích hợp để một cách gần đúng thông qua tập giá trị đầy đủ của bộ<br /> với bộ dữ liệu đó, robot đảm bảo hoạt động nhịp dữ liệu góc khớp ở các chế độ.<br /> nhàng trong cả dải vận tốc yêu cầu.<br /> <br /> Nếu số lượng lấy mẫu N step trong mỗi chu kỳ bước<br /> càng lớn hay thời gian lấy mẫu T càng bé đồng<br /> nghĩa với việc yêu cầu bộ nhớ của phần cứng tăng lên,<br /> đặc biệt tốc độ xử lý của BXLTT phải đảm bảo đủ<br /> nhanh và đáp ứng đầu ra của hệ điều khiển – động cơ ' t<br /> gần như là tức thời. Ở đây các thông số về tốc độ<br /> phần cứng và đáp ứng của động cơ đã có sẵn và coi<br /> như là hằng số cho trước và bằng Tmin , khi đó: t<br /> t i-3 t i-2 t i-1 ti t i+2<br /> T  Tmin hay N step  Nstepmax (1)<br /> i+1<br /> <br /> Mặt khác, nếu số lượng lấy mẫu N step nhỏ hay thời H. 5 Đồ thị mô tả trạng thái f max nyquist<br /> gian lấy mẫu T lớn lên, điều đầu tiên dễ nhận thấy Giả sử đồ thị của một góc khớp như trên H. 5, cho<br /> là đặc tính động học của đồ thị đầu vào sẽ không đủ thấy thành phần tần số cao f max nyquist hay chu kỳ<br /> để mô tả quá trình thực của các góc khớp và chuyển<br /> động của góc khớp sẽ xảy ra hiện tượng giật, do đó: Tmin nyquist của tín hiệu là tại vị trí mà ở đó thời gian<br /> T  Tmax hay N step  Nstepmin (2) biến thiên góc khớp từ giá trị cực đại tới cực tiểu hay<br /> ngược lại là bé nhất. Trên đồ thị vận tốc góc<br /> Để tính toán các giá trị Tmin , Nstepmin cần dựa vào<br />  '(t ) theo thời gian, thì chu kỳ Tmin nyquist tương ứng<br /> giá trị thời gian quá độ Tqdo của đáp ứng phần cứng<br /> với thời điểm mà giá trị  '(t )  0 gần nhau nhất:<br /> bộ điều khiển PID và động cơ cùng với thời gian chu<br /> Tmin nyquist  ti (7)<br /> kỳ bước Tbuoc . Về giá trị, để phần cứng đáp ứng được<br /> Do đó, từ đồ thị góc khớp và vận tốc góc khớp cho<br /> giá trị góc đặt trước, thì thời gian điều khiển sau mỗi<br /> trước như trên H. 4, có thể xác định được thời gian<br /> chu kỳ lấy mẫu phải đảm bảo lớn hơn giá trị thời gian<br /> <br /> VCM-2014<br /> Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014<br /> <br /> Tmin nyquist trong mỗi chế độ bước. Để số lần lấy mẫu tín hiệu điều khiển tương ứng cho bộ điều khiển cơ<br /> thỏa mãn chung cho tất cả các chế độ hoạt động khác cấu chấp hành. Ngoài ra, MTTT còn đóng vai trò hiển<br /> thị trực quan các phản hồi vị trí góc khớp của robot<br /> nhau, sẽ lựa chọn thời gian Tmin nyquist nhỏ nhất trong<br /> phục vụ quá trình giám sát robot và ghi dữ liệu góc<br /> các chế độ. Từ thực nghiệm tính toán và phân tích đồ khớp trong chế độ đo dữ liệu thực nghiệm.<br /> thị các góc khớp ở các chế độ được thể hiện trên H. 4 Bộ xử lý trung tâm đóng vai trò là bộ điều khiển cơ<br /> (chế độ đi xuống cầu thang có sự biến thiên tốc độ cấu chấp hành, có thể sử dụng các bộ vi xử lý, vi điều<br /> góc khớp mãnh liệt nhất), rút ra kết luận: khiển hay các module FPGA,... (ở đây sử dụng vi điều<br /> Tmin nyquist 1.5%Tbuoc  0.015Tbuoc (8) khiển AVR Atmega128). BXLTT nhận bộ dữ liệu góc<br /> Do đó: khớp từ MTTT theo các chu kỳ rời rạc hóa, tính toán<br /> 1 1 các giá trị góc cần điều khiển đồng thời đọc giá trị<br /> f max nyquist   (9) cảm biến vị trí gửi lên MTTT.<br /> Tmin nyquist 0.015.Tbuoc<br /> Chu kỳ lấy mẫu theo định lý Nyquist-Shannon- 2.4. Thuật toán điều khiển robot<br /> Kotelnikov:<br /> 1 0, 015.Tbuoc<br /> Tmin    0, 0075.Tbuoc (10)<br /> 2. f max nyquist 2<br /> Số lần lấy mẫu dữ liệu để đảm bảo ở các chế độ hoạt<br /> động cũng như với các vận tốc khác nhau vẫn mô tả<br /> đúng đặc tính động học của góc khớp sẽ là:<br /> T Tbuoc<br /> N stepmin  buoc   133 (11)<br /> Tmin 0, 0075.Tbuoc<br /> <br /> 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống<br /> Sau khi lựa chọn được số lần lấy mẫu phù hợp, các bộ<br /> dữ liệu được rời rạc hóa và sử dụng trong quá trình<br /> điều khiển robot ở chế độ tương ứng. Dễ thấy dữ liệu<br /> góc khớp là các giá trị thập phân và bộ giá trị là biến<br /> đổi không theo quy luật xác định nên việc lưu trữ trực<br /> tiếp các bộ dữ liệu này trong các thiết bị xử lý và điều<br /> khiển cơ cấu chấp hành như các mạch vi điều khiển,<br /> vi xử lý… là hết sức khó khăn. Do đó tích hợp bộ<br /> hoạch định vận động lên BXLTT là khó khả thi. Từ<br /> những lý do trên, sơ đồ cấu trúc hệ thống và bố trí<br /> phần cứng của RBHT được đề xuất như trong H. 6.<br /> <br /> <br /> <br /> H. 7 Thuật toán chung hệ thống điều khiển RBHT<br /> Từ việc bố trí phần cứng và thiết đặt dữ liệu như trên,<br /> thuật toán điều khiển của BXLTT cho RBHT được<br /> thể hiện trên H. 7. Trong quá trình hoạt động của<br /> robot, BXLTT liên tục nhận các tín hiệu điều khiển,<br /> tín hiệu trạng thái từ bộ hoạch định vận động. Tùy<br /> theo giá trị các cờ được thiết lập mà BXLTT đưa ra<br /> các tín hiệu điều khiển tương ứng cho bộ điều khiển<br /> PID. Khi nhận được trạng thái yêu cầu thay đổi chế<br /> độ từ bộ hoạch định vận động, BXLTT sẽ tạm dừng<br /> các hoạt động hiện tại đồng thời chuyển sang chế độ<br /> nạp dữ liệu (LoadData). Việc truyền nhận chính xác<br /> H. 6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống và bố trí phần cứng<br /> bộ dữ liệu cho chế độ hoạt động từ bộ hoạch định vận<br /> của bộ điều khiển RBHT<br /> Cấu trúc hệ thống bao gồm bộ hoạch định vận động là động là hết sức quan trọng, việc truyền nhận dữ liệu<br /> máy tính trung tâm (MTTT) đóng vai trò giao tiếp với phải đảm bảo nhận đúng, đủ giá trị và đúng thứ tự<br /> người sử dụng, lưu trữ các bộ dữ liệu góc khớp tương bước trong chu kỳ rời rạc hóa cũng như tương ứng với<br /> ứng với các chế độ đồng thời giao tiếp với vi xử lý. khớp của robot.<br /> MTTT sẽ nhận biết các yêu cầu của người sử dụng Ở đây, việc truyền nhận dữ liệu được thực hiện tuần<br /> tự các giá trị góc khớp từ đầu tới cuối chu kỳ cho lần<br /> thông qua tay điều khiển hoặc bàn phím máy tính,<br /> hoạch định chế độ vận động phù hợp, sau đó đưa ra lượt các khớp, khởi đầu từ giá trị iStep = 0 trong bộ<br /> <br /> <br /> VCM-2014<br /> Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014<br /> <br /> dữ liệu của góc khớp gối trái và kết thúc bởi giá trị<br /> tương ứng với iStep = Nstep của khớp hông (H. 8). Để<br /> tránh việc bỏ sót dữ liệu trong quá trình truyền nhận,<br /> BXLTT sử dụng một cờ trạng thái báo đã đọc được<br /> giá trị góc tương ứng với bước iStep đã yêu cầu gửi ở<br /> lần gửi trước đó, sau đó gửi trạng thái cờ cho MTTT<br /> đồng thời gửi giá trị góc yêu cầu nhận.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H. 9 Thuật toán điều khiển bám theo dữ liệu<br /> <br /> 2.5. Sản phẩm và kết quả thực nghiệm<br /> RBHT người TNVĐ đã được thiết kế, chế tạo với đầy<br /> đủ kết cấu từ khung xương, các động cơ dẫn động các<br /> khớp, hệ thống cảm biến các góc khớp và hệ thống<br /> điều khiển bám góc khớp với các chức năng vận động<br /> khác nhau (H. 10). Robot có thể hỗ trợ người TNVĐ<br /> đi lại trên đường bằng với vận tốc lớn nhất lên đến 3<br /> H. 8 Thuật toán truyền nhận dữ liệu km/h; thực hiện chức năng đứng lên, ngồi xuống và đi<br /> lên/xuống các cầu thang thông dụng trong các tòa<br /> Sau khi kết thúc thành công quá trình truyền nhận dữ nhà. Robot cũng có các chức năng cảnh báo an toàn<br /> liệu góc khớp, người sử dụng phải thực hiện các bước khi có nguy cơ mất an toàn (ngã, kẹt động cơ, sắp hết<br /> chuẩn bị bằng cách điều khiển trực tiếp từ bộ hoạch nguồn,..) cho người sử dụng.<br /> định vận động. Bộ hoạch định vận động sẽ căn cứ vào<br /> chế độ được lựa chọn (đi bộ, lên/xuống cầu thang,...)<br /> mà gửi tín hiệu điều khiển xuống BXLTT điều khiển<br /> các khớp về vị trị khởi tạo tương ứng. Sau khi kết<br /> thúc quá trình chuẩn bị, hệ thống sẽ chờ tín thực hiện<br /> từ người sử dụng, tín hiệu này sẽ được bộ hoạch định<br /> vận động gửi xuống BXLTT bởi cờ thực hiện. Chế độ<br /> thực hiện chính là BXLTT tính toán và điều khiển góc<br /> khớp tương ứng với các giá trị của bộ dữ liệu góc<br /> khớp nhận được sau chế độ LoadData.<br /> Nhờ sự hỗ trợ của bộ điều khiển PID và căn cứ vào<br /> dạng dữ liệu cùng với chế độ vận tốc thiết đặt, nhiệm<br /> vụ của BXLTT là tạo ra khoảng thời gian lấy mẫu để<br /> điều khiển góc khớp lần lượt bám giá trị góc trong bộ<br /> dữ liệu một cách phù hợp. Trong mỗi chu kỳ, BXLTT<br /> thực hiện việc gửi giá trị góc cần bám cho bộ điều<br /> khiển PID để điều khiển động cơ đồng thời đo đạc giá<br /> trị đáp ứng để hiệu chỉnh. Quá trình hiệu chỉnh được<br /> thực hiện ở cuối mỗi chu kỳ (H. 9).<br /> H. 10 Sản phẩm RBHT người TNVĐ<br /> <br /> VCM-2014<br /> Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014<br /> <br /> Chương trình điều khiển và giám sát có giao diện như<br /> trong H. 11 có chức năng điều khiển và giám sát các<br /> trạng thái của RBHT đồng thời hiển thị các giá trị góc<br /> khớp đo được theo thời gian. Ngoài ra, các chức năng<br /> điều chỉnh bán tự động cho phép hiệu chỉnh các trạng<br /> thái đứng thẳng của robot ở thời điểm ban đầu. Giao<br /> diện này được sử dụng chủ yếu trong quá trình thử<br /> nghiệm robot. Bảng điều khiển trên giao diện được<br /> thiết kế hoàn toàn giống với giao diện của tay điều<br /> khiển cho người sử dụng. Ở đây các chức năng giám<br /> sát chuyên sâu và hiệu chỉnh RBHT được tối giản để<br /> tạo điều kiện cho đối tượng sử dụng là người TNVĐ. (c) Đồ thị khớp gối khi đi lên cầu thang<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H. 11 Giao diện chương trình điều khiển trên máy tính<br /> <br /> Các thử nghiệm RBHT trên người với các chức năng (d) Đồ thị khớp hông khi đi lên cầu thang<br /> vận động cơ bản đã được tiến hành để đánh giá khả<br /> năng đáp ứng và tính bền vững trong điều khiển bám<br /> theo dữ liệu khớp. Các kết quả thực nghiệm được thể<br /> hiện trong H. 12.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (e) Đồ thị khớp gối khi đi xuống cầu thang<br /> <br /> <br /> <br /> (a) Đồ thị khớp gối khi đi bộ trên đường bằng<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (f) Đồ thị khớp hông khi đi xuống cầu thang<br /> <br /> H. 12 Các kết quả thực nghiệm<br /> (b) Đồ thị khớp hông khi đi bộ trên đường bằng<br /> Các kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống điều khiển<br /> chuyển động của robot đã hỗ trợ người TNVĐ đi<br /> đúng dáng đi của người bình thường, thể hiện qua sự<br /> <br /> VCM-2014<br /> Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014<br /> <br /> ghi nhận trực quan trong quá trình thử nghiệm cũng [4] Đào Trung Kiên, Tăng Quốc Nam, Trần Xuân Thảnh:<br /> như trên đồ thị so sánh giữa dữ liệu góc khớp thực Mô hình hóa và mô phỏng robot hỗ trợ nhờ<br /> nghiệm và dữ liệu mẫu (H. 12). Các kết quả trên đồ CAD/CAE, Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về Điều<br /> thị cũng cho thấy tồn tại sự trễ và sai khác về giá trị khiển và Tự động hóa – VCCA 2013, p.297-304,<br /> giữa dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu mẫu. Nguyên 2013.<br /> nhân của các sai lệch này là do đặc tính đáp ứng của [5] José L. Pons: Wearable Robots: Biomechatronic<br /> Exoskeletons; John Wiley & Sons, 2008.<br /> hệ thống cũng như sai số của các kết cấu phần cơ khí.<br /> [6] Kazerooni, H. and R. Steger: The Berkeley Lower<br /> Tuy nhiên sự sai khác này là nhỏ và qua thực tế thử Extremity Exoskeleton. Journal of Dynamic Systems<br /> nghiệm cho thấy không ảnh hưởng đến dáng đi trong Measurement and Control-Transactions of the Asme,<br /> quá trình vận động thực tế. 2006.<br /> [7] T.-J.Yeh et al: Control of McKibben Pneumatic<br /> 3. Kết luận Muscles for a Power - Assist, Lower - Limb Orthosis;<br /> Bài báo trình bày một cách hệ thống quá trình xây Mechtronics 20 (2010) 686-697.<br /> dựng hệ thống điều khiển cho RBHT người TNVĐ. [8] Tăng Quốc Nam, Trần Anh Vàng: Thiết kế cơ khí cho<br /> Quá trình thiết kế, lựa chọn giải thuật đã được tiến robot hỗ trợ người thiểu năng vận động, Hội nghị<br /> toàn quốc lần thứ 2 về Điều khiển và Tự động hóa –<br /> hành dựa trên các các yêu cầu đặt ra và kết quả nghiên<br /> VCCA 2013, p.290-296, 2013.<br /> cứu thuộc đề tài KC.03.12/11-15. [9] Trần Xuân Thảnh, Đào Trung Kiên: Mô hình động<br /> Một hệ thống điều khiển cho RBHT người TNVĐ đã lực học của người khi đi bộ, Hội nghị toàn quốc lần<br /> được xây dựng để điều khiển robot vận động bám thứ 6 về Cơ điện tử - VCM 2012, p. 404-410, 2012.<br /> theo dữ liệu góc khớp cho trước. Robot có thể hỗ trợ [10] Vukobratović M.: Legged locomotion robots and<br /> người TNVĐ đi lại trên đường bằng với vận tốc lớn anthropomorphic mechanisms. Mihailo Putin Institute<br /> nhất lên đến 3 km/h; thực hiện chức năng đứng lên, of Beograd, 1975.<br /> ngồi xuống và đi lên/xuống các cầu thang thông dụng<br /> trong các tòa nhà. Robot cũng có các chức năng cảnh TS. Tăng Quốc Nam, tốt<br /> báo an toàn khi có nguy cơ mất an toàn (ngã, kẹt động nghiệp đại học ngành Cơ khí<br /> cơ, sắp hết nguồn,..) cho người sử dụng. động lực năm 1995 tại Học<br /> Các kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống điều khiển viện Kỹ thuật Quân sự, nhận<br /> đã đáp ứng được các đặc tính động học yêu cầu đề ra, bằng thạc sĩ về Cơ điện tử tại<br /> tuy vẫn xảy ra sự trễ và sai khác nhỏ giữa dữ liệu mẫu Viện Công nghệ châu Á (AIT)<br /> và dữ liệu đo được. Các sai lệch là chấp nhận được - Thái Lan năm 2002 và bằng<br /> trong phạm vi các phiên bản thử nghiệm với các linh tiến sĩ về Cơ học kỹ thuật tại<br /> kiện, thiết bị phần cứng chưa thực sự đồng bộ và có Học viện Kỹ thuật Quân sự<br /> chất lượng cao. năm 2011. Từ năm 1995 đến<br /> Lời cảm ơn nay, anh là giảng viên tại bộ<br /> Các kết quả trình bày trong bài báo này nằm trong môn Robot đặc biệt và Cơ điện tử, khoa Hàng không<br /> khuôn khổ của đề tài NCKH trọng điểm cấp nhà nước vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự. Các hướng nghiên<br /> mã số KC.03.12/11-15 “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cứu chính bao gồm Cơ điện tử trong khí tài quân sự,<br /> robot sinh học hỗ trợ đi lại, luyện tập phục hồi chức Động lực học và điều khiển robot di động, Định vị và<br /> năng cho người già yếu và người khuyết tật.” Nhóm xây dựng bản đồ ở môi trường trong nhà, Robot đặc<br /> tác giả xin chân thành cảm ơn cơ quan quản lý các biệt trong quân sự và thám hiểm, Mô hình hóa và mô<br /> cấp, chủ nhiệm đề tài và các thành viên trong đề tài đã phỏng các hệ động lực.<br /> giúp đỡ trong quá trình thực hiện công trình.<br /> Ths. Nguyễn Bá Đại, tốt<br /> Tài liệu tham khảo nghiệp đại học ngành Robot<br /> [1] D. A. Winter: Biomechanics and Motor Control of và hệ thống robot kỹ thuật<br /> Human Movement, 5th Edition. John Wiley & Sons, năm 2011 tại Đại học Kỹ<br /> New York, 2009. thuật Tổng hợp Moskva mang<br /> [2] Dao Trung Kien, Dao Van Hiep: A Human Gait tên Bauman – Liêng bang<br /> Model using Graph-Theoretic Method, 3rd IFToMM Nga. Từ năm 2012 đến nay là<br /> International Symposium on Robotics and giảng viên tại bộ môn Robot<br /> Mechatronics - ISRM 2013, page 535-544, 2013. đặc biệt và Cơ điện tử, khoa<br /> [3] Đào Trung Kiên, Đào Văn Hiệp: Mô hình hoá hệ vận Hàng không vũ trụ, Học viện<br /> động của người trong MapleSim, Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Quân sự. Các hướng<br /> lần thứ 6 về Cơ điện tử - VCM 2012, p.115-123,<br /> nghiên cứu chính bao gồm Cơ điện tử, Robot di động,<br /> 2012.<br /> Robot đặc biệt trong quân sự và và thị giác máy.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> VCM-2014<br />