Luận án Nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển Robot phục hồi chức năng chi dưới

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHI DƯỚI

Ngành:

Kỹ thuật điện tử

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án "Nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển Robot phục hồi chức năng chi dưới" giải quyết nhu cầu cấp thiết về thiết bị hỗ trợ vật lý trị liệu cho bệnh nhân sau đột quỵ. Mục tiêu chính là phát triển thuật toán điều khiển lực cho Robot phục hồi chức năng (PHCN) chi dưới 3 bậc tự do, đảm bảo kiểm soát chính xác và hiệu suất cao cho các bài tập vận động khớp háng, gối, và cổ chân trong các giai đoạn PHCN vận động.

Nội dung nghiên cứu bao gồm việc phát triển thuật toán điều khiển lai vị trí-lực, thiết lập hệ thống kết nối và truyền thông giữa robot với máy tính, cùng với phần mềm PHCN cho phép bác sĩ trị liệu dễ dàng thiết lập thông số, theo dõi và lưu trữ dữ liệu tập luyện. Một hệ thống thực nghiệm cũng được xây dựng và kiểm nghiệm để khẳng định tính đúng đắn của các thuật toán đề xuất.

Về mặt khoa học, luận án đã xây dựng được mô hình động học, động lực học cho hệ thống robot, thiết kế các bộ điều khiển chuyển động và lực, đồng thời phát triển thuật toán điều khiển lai vị trí-lực. Các thuật toán điều khiển vị trí được tính toán và xây dựng bao gồm bộ điều khiển PD bù trọng lực (Compensate Gravity Proportional Derivative - CGPD) và bộ điều khiển động lực học ngược (Inverse Dynamic Proportional Derivative - IDPD). Bộ điều khiển lực sử dụng mô hình điều khiển chuyển tiếp lực (Force Feed-Forward Method - FFM). Đặc biệt, luận án đã tích hợp các phương pháp này để tạo thành bộ điều khiển kết hợp vị trí-lực (Position - Force Feedforward Control – PFFC), hỗ trợ bệnh nhân thực hiện các bài tập PHCN thụ động và tích cực một cách linh hoạt.

Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu là tiền đề quan trọng cho việc chế tạo robot PHCN chi dưới 3 DOF, có cấu trúc đơn giản, linh hoạt, sử dụng vi điều khiển STM32F4 làm mạch điều khiển trung tâm, dễ dàng giao tiếp với các cảm biến và máy tính. Hệ thống này có khả năng ứng dụng thực tế tại các cơ sở y tế để hỗ trợ phục hồi chức năng vận động cho bệnh nhân bị mất khả năng vận động sau đột quỵ, đã được kiểm chứng hiệu quả thông qua thực nghiệm.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU

  • 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
  • 2. Mục tiêu nghiên cứu
  • 3. Đối tượng nghiên cứu
  • 4. Nội dung nghiên cứu
  • 5. Phương pháp nghiên cứu
  • 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
  • 7. Bố cục của LA

• CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHI DƯỚI

  • 1.1. Bài toán phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân đột quỵ
  • 1.2. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc Robot phục hồi chức năng chi dưới
  • 1.2.1. Các robot luyện tập khớp
  • 1.2.2. Các robot hỗ trợ phục hồi dáng đi
  • 1.3. Các phương pháp điều khiển Robot phục hồi chức năng chân
  • 1.3.1. Điều khiển vị trí
  • 1.3.2. Phương pháp điều khiển lai vị trí/lực và điều khiển trở kháng
  • 1.3.3. Nhóm các phương pháp điều khiển dựa trên tín hiệu sinh học
  • 1.4. Tổng quan về thu thập dữ liệu, kết nối, truyền thông trong hệ thống Robot.

• CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC ROBOT PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHI DƯỚI

  • 2.1. Đặt vấn đề
  • 2.2. Cấu trúc hệ thống robot phục hồi chức năng chi dưới
  • 2.2.1. Lựa chọn cấu trúc động học Robot phục hồi chức năng chi dưới
  • 2.2.2. Xây dựng hệ thống thiết bị thu thập, xử lí dữ liệu, kết nối, truyền thông dữ liệu giữa Robot và máy tính
  • 2.3. Xây dựng mô hình toán học Robot phục hồi chức năng chi dưới 3 bậc tự do
  • 2.3.1. Mô hình động học của Robot
  • 2.3.2. Xây dựng mô hình động lực học của robot
  • 2.3.2.1. Xác định ma trận khối lượng suy rộng M(q)
  • 2.3.2.2. Xác định vector vận tốc của hệ thống robot V(q, q)
  • 2.3.2.3. Xác định véc tơ trọng lực G(q)
  • Kết luận chương 2

• CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHI DƯỚI

  • 3.1. Đặt vấn đề
  • 3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển chuyển động Robot PHCN chi dưới 3 DOF
  • 3.2.1. Điều khiển chuyển động Robot dựa trên điều khiển PD bù trọng lực.
  • 3.2.1.1. Xây dựng thuật toán điều khiển
  • 3.2.1.2. Mô phỏng hệ thống Robot với bộ điều khiển phản hồi CGPD
  • 3.2.2. Thuật toán điều khiển chuyển động Robot dựa trên phương pháp điều khiển động lực học ngược
  • 3.2.2.1. Xây dựng thuật toán điều khiển
  • 3.2.1.2. Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển động học ngược IDPD
  • 3.2.3. So sánh hai phương pháp điều khiển chuyển động
  • 3.3. Thuật toán điều khiển kết hợp vị trí/lực cho Robot PHCN chi dưới
  • 3.3.1. Đặt vấn đề
  • 3.3.2. Thiết kế, tính toán bộ điều khiển kết hợp PFFC
  • 3.3.2.1. Vấn đề bù nhiễu
  • 3.3.2.2. Thuật toán điều khiển kết hợp vị trí-lực PFFC
  • Kết luận chương 3

• CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHI DƯỚI

  • 4.1. Giới thiệu mô hình hệ thống thử nghiệm
  • 4.1.1. Kết cấu cơ khí
  • 4.1.2. Sơ đồ mạch điện điều khiển
  • 4.2. Giao thức truyền dữ liệu giữa bộ điều khiển trung tâm và máy tính
  • 4.3. Xây dựng quy trình thực nghiệm và kịch bản luyện tập
  • 4.3.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm
  • 4.3.2. Xây dựng kịch bản luyện tập
  • 4.4. Khảo sát bộ điều khiển
  • 4.4.1. Bộ điều khiển vị trí
  • 4.4.2. Bộ điều khiển lực
  • 4.4.2.1. Khảo sát các trường hợp huấn luyện chưa thực hiện bù trọng lực
  • 4.4.2.2. Khảo sát các trường hợp huấn luyện với thành phần bù trọng lực
  • 4.5. Thực nghiệm điều khiển Robot với các kịch bản tập luyện
  • 4.5.1. Kết quả thực nghiệm quá trình huấn luyện
  • 4.5.2. Kết quả quá trình Robot chạy tự động hỗ trợ luyện tập các khớp.
  • 4.5.2.1. Kết quả thực nghiệm khớp hông
  • 4.5.2.2. Kết quả thực nghiệm khớp gối
  • 4.5.2.3. Kết quả thực nghiệm khớp cổ chân
  • Kết luận chương 4

• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

  • 1. Những kết quả chính đã đạt được của LA
  • 2. Những đóng góp mới của LA
  • 3. Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo