Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị trợ lực cho người đi bộ

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ








BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ TRỢ LỰC
CHO NGƯỜI ĐI BỘ


CNĐT : ĐÀO VĂN HIỆP












8391

HÀ NỘI – 2010




i
Mục lục
Mục lục i
Danh sách các từ viết tắt vi
Danh sách các ký hiệu vii
Danh sách các bảng x
Danh sách các hình vẽ xi
Mở đầu 1
M1. Những thông tin chung về đề ti 1
M1.1. Sự hình thnh đề ti 1
M1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu v ứng dụng Exoskeleton 2
M1.2.1. Trên thế giới 2
M1.2.2. Tại Việt Nam 7
M1.3. Những vấn đề cần giải quyết 7
M1.4. Mục tiêu của đề ti 10
M1.5. ý nghĩa khoa học v thực tiễn của đề ti 10
M1.6. Phạm vi nghiên cứu 11
M1.7. Phơng pháp v kỹ thuật áp dụng cho đề ti 11
M2. Khái quát về đối tợng nghiên cứu 12
Chơng 1: Cơ sở cơ sinh học của hệ vận động 15
1.1. Mô hình cơ sinh học của các khớp chi dới 15
1.1.1. Hông v khớp hông 20
1.1.2. Khớp gối 22
1.1.3. Các khớp ở cổ chân v bn chân 24
1.2. Mô hình cơ sinh học của hệ xơng, cơ chi dới 25

1.2.1. Mô hình cơ sinh học của cơ v gân 25
1.2.2. Mô hình cơ sinh học của chi dới khi đi bộ 30
Kết luận chơng 1 34
Chơng 2: Mô hình toán của hệ thống 35
2.1. Các khái niệm v quy ớc cơ bản 35
2.1.1. Các mặt phẳng giải phẫu 35
2.1.2. Chu kỳ bớc 37
2.2. Mô hình động học của chi dới 43
2.2.1. Các chuyển động cơ bản của chi dới 43
2.2.1.1. Các chuyển động của khớp hông 43
2.2.1.2. Các chuyển động của khớp gối 44

ii
2.2.1.3. Các chuyển động của khớp cổ chân v bn chân 45
2.2.2. Thiết lập mô hình động học của chi dới 45
2.3. Mô hình động lực học của chi dới 50
2.3.1. Mô hình động lực học khi không mang robot 51
2.3.1.1. Thiết lập mô hình 51
2.3.1.2. Mô phỏng đi bộ 54
2.3.2. Mô hình động lực học khi có mang robot 56
2.3.2.1. Nguyên tắc điều khiển 56
2.3.2.2. Động lực học của ngời 59
2.3.2.3. Động lực học của hệ ngời - robot 60
Kết luận chơng 2 63
Chơng 3: Mô hình 3D của hệ thống 65
3.1. Khái quát về phơng pháp mô hình hoá cơ sinh học 3D 65
3.1.1. Thớc đo góc 67
3.1.2. Các cảm biến điện từ v âm thanh 68
3.1.3. Thiết bị ghi hình 68
3.1.4. Cảm biến gia tốc 69

3.1.5. Đo lực động 70
3.1.6. Tái hiện 3D 71
3.2. Khái quát về mô hình hoá v mô phỏng với CAD/CAE 75
3.3. Một số hệ CAD/CAE đợc sử dụng trong đề ti 78
3.3.1. SolidWorks 79
3.3.2. Autodesk Inventor 80
3.3.3. Pro/Engineer 82
3.3.4. MSC. ADAMS 83
3.3.5. Công cụ Virtual Reality của Matlab 84
3.4. Thiết lập mô hình ngời đi bộ trong CAD/CAE 88
3.4.1. Chuẩn bị số liệu đầu vo của mô hình 89
3.4.1.1. Các thuộc tính hình học 89
3.4.1.2. Các thuộc tính khối lợng 90
3.4.1.3. Các thuộc tính động học 91
3.4.2. Định dạng thông số đầu vo cho CAE 91
3.5. Mô phỏng, khảo sát động lực học của ngời đi bộ 94
3.5.1. Gán quy luật chuyển động quay cho các khớp 94
3.5.2. Gán điều kiện ma sát 96
3.5.3. Điều kiện tiếp xúc giữa bn chân với mặt sn 96

iii
3.6. Kết quả mô phỏng động lực học 97
3.6.1. Phản lực tại các khớp 98
3.6.2. Mô men tại các khớp 100
Kết luận chơng 3 102
Chơng 4: Thiết kế cơ khí của robot 104
4.1. Những cơ sở ban đầu 104
4.1.1. Nhiệm vụ thiết kế 104
4.1.1.1. Phân tích yêu cầu kỹ thuật của robot 104
4.1.1.2. Xác định các thông số đầu vo 105

4.1.2. Chọn phơng án thiết kế 106
4.1.2.1. Cấu trúc trùng khớp hay không trùng khớp? 106
4.1.2.2. Kết cấu chịu tải song song hay nối tiếp? 108
4.1.2.3. Kết cấu tích cực hay thụ động? 109
4.1.2.4. Chọn cấu hình khớp 112
4.1.2.5. Kết luận về phơng án thiết kế 114
4.1.3. Chọn bộ công cụ thiết kế 115
4.2. Quá trình hình thnh phơng án kết cấu 115
4.2.1. Mẫu robot thứ nhất 116
4.2.2. Mẫu robot thứ hai 118
4.2.3. Mẫu robot thứ ba 120
4.2.4. Mẫu robot thứ t 121
4.3. Tính toán kết cấu 121
4.3.1. Tính toán các chi tiết chịu lực 122
4.3.1.1. Tính bền cụm giá lng 123
4.3.1.2. Tính toán bình khí nén 124
4.3.1.3. Tính bền các cụm còn lại 126
4.3.1.4. Kết luận về độ bền của kết cấu 135
4.3.2. Các kết cấu khác 136
4.3.2.1. Kết cấu các khớp 136
4.3.2.2. Các cơ cấu điều chỉnh 137
4.3.3. Tính hệ dẫn động cơ khí 138
4.3.3.1. Lý giải về chọn loại dẫn động 138
4.3.3.2. Tính toán hệ dẫn động khí nén 140
4.4. Ti liệu thiết kế 146
Kết luận chơng 4 146
Chơng 5: Quy trình công nghệ chế tạo robot 148

iv
5.1. Những định hớng công nghệ 148

5.1.1. Phân tích yêu cầu v phân loại các chi tiết 148
5.1.2. Những định hớng chung cho việc thiết kế quy trình công nghệ 150
5.1. 2.1. Phân tích điều kiện sản xuất 151
5.1.2.2. Định hớng công nghệ 152
5.1.2.3. Phơng pháp chung thiết kế quy trình công nghệ 153
5.1.2.4. Chọn máy cắt 154
5.1.2.5. Phơng án công nghệ chung 155
5.1.3. Thiết kế quy trình công nghệ cho 1 chi tiết 156
5.1.3.1. Phân tích kết cấu v chọn thiết bị công nghệ 156
5.1.3.2. Tính chế độ cắt 157
5.2. Quy trình công nghệ gia công chi tiết 159
Chơng 6: Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển robot 165
6.1 Phân tích, lựa chọn phơng án điều khiển 165
6.1.1. Giao diện ngời-robot trong Exoskeleton 165
6.1.2. Chức năng v yêu cầu đối với hệ điều khiển cho Exoskeleton 169
6.1.3. Chọn phơng án điều khiển 172
6.2. Xây dựng mô hình của hệ điều khiển 173
6.2.1. Mô hình cơ sinh học 173
6.2.2. Mô hình điều khiển 174
6.2.3. Mô hình hệ chấp hnh 178
6.3. Thiết kế phần cứng 179
6.3.1. Thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén 179
6.3.1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển cơ cấu chấp hnh khớp gối 179
6.3.1.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển cơ cấu chấp hnh khớp cổ chân 180
6.3.1.3. Thiết kế hệ thống khí nén cho mẫu 3 180
6.3.2. Thiết kế mạch điện điều khiển 183
6.3.2.1. Phân tích hệ thống 183
6.3.2.2. Phơng pháp điều khiển 183
6.3.2.3. Các phần tử của hệ thống 183
6.4. Phần mềm điều khiển 185

6.5. Tổng hợp giải pháp kết cấu v điều khiển 186
Kết luận chơng 6 190
Chơng 7: Thử nghiệm v đánh giá robot 191
7.1. Mục tiêu v phơng pháp thử nghiệm robot 191
7.1.1. Mục tiêu thử nghiệm 193

v
7.1.2. Phơng pháp thử nghiệm 193
1. Thử trên giá đạp xe 194
2. Thử nghiệm trên băng đi bộ 195
3. Thử nghiệm trên mặt bằng 196
7.2. Quy trình thử nghiệm robot 198
A. Quy trình thử nghiệm đạp xe 198
B. Quy trình thử nghiệm đi bộ trên băng 200
C. Quy trình thử nghiệm đi bộ trên mặt bằng 201
7.3. Kết quả thử nghiệm 202
A. Kết quả thử nghiệm đạp xe 202
B. Kết quả thử nghiệm đi bộ trên băng 203
C. Kết quả thử nghiệm đi bộ trên mặt đất 207
C1. Đi tự do không tải, không hỗ trợ 213
C2. Đi lên, xuống cầu thang 213
7.4. Đánh giá phơng pháp v kết quả thử nghiệm 213
7.4.1. Đánh giá phơng pháp v thiết bị thử nghiệm 213
7.2.2. Đánh giá kết cấu khung xơng 214
7.2.3. Đánh giá tính linh hoạt 215
7.2.4. Đánh giá hiệu quả hỗ trợ 215
7.5. Giải pháp hon thiện robot 216
Kết luận chơng 7 217
Chơng 8: Đánh giá tổng hợp kết quả của đề ti 219
8.1. Về mục tiêu nghiên cứu 219

8.2. Về nội dung nghiên cứu 219
8.3. Về sản phẩm khoa học công nghệ 221
Kết luận v kiến nghị 224
K1. Kết luận chung về đề ti 224
K2. Kiến nghị 225
Ti liệu tham khảo 226
Phụ lục 228
Phụ lục 1: Thông số hình học của các bộ phận trên cơ thể 228
Phụ lục 2: Một số thông tin mới về Exoskeleton 230

vi
Danh sách các từ viết tắt
AIP10 Autodesk Inventor Professional 2010
BCI
Giao diện thần kinh - máy tính (Brain - Computer Interface)
BTD Số bậc tự do
CAD/CAE Thiết kế v phân tích kỹ thuật có sự trợ giúp của máy tính
CE
Phần tử sinh học (Contractile Element)
CSDL Cơ sở dữ liệu
DE Phần tử giảm chấn trong mô hình cơ
D-H Quy tắc Denavit-Hartenberg
DLT
Biến đổi tuyến tính trực tiếp (Direct Linear Transformation)
DS Pha hai chân chạm đất
DSR Pha hai chân chạm đất, một chân trụ
ECG
Điện tim đồ (Electrocardiography)
EEG
Điện não đồ (ElectroencephaloGraphy)

EMG
Điện - cơ đồ (ElectromyoGraphy - EMG)
ENG
Điện nhãn đồ (ElectronystagmoGraphy - ENG)
Exo Exoskeleton - Bộ xơng ngoi
GRF Phản lực sinh ra tại các khớp
HCI
Giao diện ngời - máy tính (Human - Computer Interface)
HG
Quá trình vận động của ngời (Human Gaint)
HMI
Giao diện ngời - máy (Human - Machine Interface)
HRi
Giao diện ngời - robot (Human - Robot Interface)
ISW Giai đoạn bắt đầu của pha bớc
LRP Giai đoạn bắt đầu - nhận tải của pha trụ
MIT Massachusetts Institute of Technology
MST Giai đoạn giữa của pha trụ
MSW Giai đoạn giữa của pha bớc
PE Phần tử đn hồi trong mô hình cơ
pHRI Tơng tác cơ học giữa ngời v robot
PSW Giai đoạn chuẩn bị bớc của pha trụ
RMS Phơng pháp trung bình bình phơng số học
SS Pha một chân chạm đất
TST Giai đoạn kết thúc của pha trụ
TSW Giai đoạn kết thúc của pha bớc
WR Wearable Robot

vii
Danh sách các ký hiệu

A
i

Ma trận chuyển vị giữa khâu thứ i so với khâu thứ i-1
321
,, aaa

Các thnh phần của véc tơ
a
i
v

i

Các tham số phụ thuộc vo kết cấu của cơ hệ
B
Ma trận Jacobi
b
Hệ số giảm chấn
b
1
ữ
b
6

Các thnh phần của vector biếu diễn các đại lợng động học
C
Hệ số khuyếch đại; độ cứng của lò xo; matrận các lực
),(

&
C

Giá trị ớc lợng của ma trận lực Coriolis
d
Mô men tác động của chân ngời lên robot
F
Lực tổng hợp
F
b

Lực giảm chấn
g
F
r

Trọng lực của thân ngời tác dụng lên đùi
gl
F
r

Lực cơ mông
F
k

Lực tác dụng của lò xo
G
Hm truyền giữa tín hiệu vo của actuator v vận tốc của Exo
G

Vector các hm theo thời gian
g
Gia tốc trọng trờng
H
Hm số của các tham số động lực học v động học của chân
I
i
Mô men quán tính của khâu thứ i
J
Vector chỉ phơng theo trục Y
k
Độ cứng của lò xo
k
r

Véc tơ đơn vị
l
Chiều di của cơ
l
1
, l
2
, l3
Chiều di các khâu
l
c

Chiều di của cẳng chân
l
d

Chiều di của đùi
l
mc

Tọa độ trọng tâm của cẳng chân
l
m
d

Tọa độ trọng tâm của đùi
M
l
0

Chiều di của cơ ở trạng thái tự do
T
r
l
Chiều di của gân ở trạng thái tự do

viii
M
Khối lợng của thân, ma trận quán tính
M
Ma trận chuyển toạ độ ảnh sang toạ độ quán tính ba chiều
M
r

Mô men quanh một điểm

)(


M
Giá trị ớc lợng của ma trận quán tính
M
1

Mô men liên kết tại khớp gối
M
2

Mô men liên kết tại khớp hông
m
b

Khối lợng tổng cộng của 1 bn chân ngời v robot
m
bn

Khối lợng của bn chân ngời
m
br

Khối lợng của bn chân robot
m
c

Khối lợng tổng cộng của 1 cẳng chân ngời v robot
m

cn

Khối lợng của cẳng chân ngời
m
cr

Khối lợng của cẳng chân robot
m
d

Khối lợng tổng cộng của 1 đùi ngời v robot
m
dn

Khối lợng của đùi ngời
m
dr

Khối lợng của đùi robot
g
M
r

Mô men trọng lực
gl
M
r

Mô men do cơ mông sinh ra
m

i

Khối lợng của khâu thứ i
m
ln
, m
lr

Khối lợng thân trên của ngời, khối lợng thân trên của robot
m
n
, m
r

Khối lợng tổng cộng của ngời, khối lợng tổng cộng của robot
m
T

Khối lợng tổng cộng của thân
m
TR
Khối lợng của thân phân bố lên chân phải
m
T
L

Khối lợng của thân phân bố lên chân trái
N
1

Lực liên kết tại khớp gối
N
2

Lực liên kết tại khớp hông
n
Số vòng quay trục chính
0
k
O

Vector biểu diễn trị trí giữa gốc toạ độ khâu cuối so với khâu đầu
P
Ngoại lực đặt lên kết cấu, vector các mô men trọng lực
)(


P
Giá trị ớc lợng của ma trận vector mô men trọng lực
CO
p
r

Vector giữa 2 vị trí C v O
*CP
p
r

Vector giữa 2 vị trí C v P*

ix
p
r

Vector vị trí
321
,, ppp
rrr

Các thnh phần của véc tơ vị trí
Lp
OI
=
r

Độ di của vector
Q
1
, Q
2

Lực đẩy xi lanh khớp hông, gối
q
Toạ độ suy rộng, biến khớp
Ra, Rz
Độ nhám bề mặt
R
b

Phản lực tác dụng vo bn chân

r
Mô men phát động của actuator
r
Q

Toạ độ của điểm Q bất kỳ
0
k
R

Ma trận quay 3ì3, biểu diễn góc quay giữa khâu cuối v khâu đầu
S
ảnh hởng của mô men do ngời sinh ra tới vận tốc góc của Exo
s, s
f
, s
r
, s
v

Lợng chạy dao (phút, răng, vòng)
T
Động năng ton phần, vector các mô men phát động
t
Chiều sâu cắt, thời gian
U
nc
Vector lực suy rộng
u, v

Các toạ độ ảnh
u
p
, vp
Toạ độ ảnh của điểm chính
V
Thế năng ton phần
v
Vận tốc cắt, vận tốc của Exo
X, Y, Z
Toạ độ điểm
x, x
k
, x
b

Chuyển vị, chuyển vị của lò xo, chuyển vị của giảm chấn
x
0

Chuyển vị tại thời điểm t = 0
x
&

Đạo hm của chuyển vị theo thời gian (vận tốc)
,
ma
x

ứng suất, ứng suất lớn nhất

v,

u
Các sai số của u v v
,
ma
x
,




Biến dạng, biến dạng lớn nhất, biến dạng ở tần số

0



Nhân tử Lagrange



Góc quay của khớp thứ i

p

Góc quay của phần P trong hệ toạ độ quán tính

Hệ số an ton

,
0

Tần số dao động, tần số dao động riêng

x
Danh sách các bảng
Bảng 2. 1: Các giai đoạn của chu kỳ bớc 40

Bảng 2. 2: Các thông số D-H của chân 48

Bảng 3. 1: Các thuộc tính hình học v khối lợng của các bộ phận 90

Bảng 3. 2: Giá trị các góc khớp theo thời gian trong một chu kỳ bớc 92

Bảng 4. 1: Tính năng kỹ thuật của Exo 104

Bảng 4. 2: Góc hoạt động của các khớp 105
Bảng 4. 3: Khối lợng của robot 122
Bảng 4. 4: Các thông số của lò xo bn chân đo trong AIP2010 134
Bảng 4. 5: Tóm tắt kết quả tính toán kết cấu 135
Bảng 4. 6: Các số liệu nhân trắc để tính toán truyền động cơ khí 141

Bảng 7. 1: Tóm tắt đặc điểm của các mẫu robot 192


Bảng 8. 1: Tổng hợp các nội dung nghiên cứu 220

Bảng 8. 2: Danh mục sản phẩm KHCN dạng I 221
Bảng 8. 3: Danh mục sản phẩm KHCN dạng II 222

Bảng 8. 4: Danh mục sản phẩm KHCN dạng III, IV 223

Bảng P. 1: Các thông số hình học của cơ thể 229

Bảng P. 2: Khối lợng v mô men quán tính chính của các bộ phận 229


xi
Danh sách các hình vẽ
Hình M. 1: Orthotic Robot (trái) v Prosthetic Robot (phải) 14


Hình 1. 1: Cấu trúc của khớp chuyển động tự do - Khớp gối 16

Hình 1. 2: Các dạng khớp sinh học v khớp cơ học tơng đơng 17
Hình 1. 3: Biểu diễn quy tắc lồi lõm 19
Hình 1. 4: Bộ xơng chi dới (a) v cấu trúc của khớp hông (b) 20
Hình 1. 5: Trọng lực (a) v lực cơ (b) tác dụng lên khớp hông 21
Hình 1. 6: Cấu trúc của khớp gối 22
Hình 1. 7: Dây chằng của khớp gối 22
Hình 1. 8: Lực khi co duỗi khớp gối 23
Hình 1. 9: Cấu trúc xơng bn chân 24
Hình 1. 10: Dây chằng bộ xơng bn chân 24
Hình 1. 11: Chuyển động nghiêng bn chân 24
Hình 1. 12: Mô hình các phần tử bị động 26
Hình 1. 13: Phản ứng của cơ theo mô hình Maxwell v Voight 28
Hình 1. 14: Mô hình kiểu Hill của cơ 28
Hình 1. 15: Quan hệ lực - chiều di của cơ 29
Hình 1. 16: Mô hình cơ gân (Musculotendon Motor) 29
Hình 1. 17: ảnh hởng của chiều di gân đến đặc tính của cơ 30

Hình 1. 18: Trọng lực tác dụng lên khớp hông 31
Hình 1. 19: Phản ứng của khớp hông với trọng lực 32
Hình 1. 20: Mô men của 1 vector 33
Hình 1. 21: Mô men tại xơng chậu 33

Hình 2. 1: Các mặt phẳng giải phẫu 36

Hình 2. 2: Chu kỳ bớc của ngời đi bộ 37
Hình 2. 3: Vận tốc tại các khớp trong chu kỳ bớc 38
Hình 2. 4: Mô men tại các khớp trong chu kỳ bớc 38
Hình 2. 5: Công suất tại các khớp trong chu kỳ bớc 38
Hình 2. 6: Trạng thái năng lợng tại các khớp 42
Hình 2. 7: Cấu trúc hệ xơng, cơ chi dới 43

xii
Hình 2. 8: Mô tả quy tắc D-H 46
Hình 2. 9: Sơ đồ xây dựng mô hình D-H của chi dới 47
Hình 2. 10: Mô hình v các tham số của ngời đi bộ 51
Hình 2. 11: Dữ liệu về góc khớp 55
Hình 2. 12: Mô hình động lực học trong Simulink 55
Hình 2. 13: Mô phỏng quá trình bớc 56
Hình 2. 14: Mô hình ngời - Exo 1 BTD 57
Hình 2. 15: Mạch điều khiển có tính đến động lực học của ngời 59
Hình 2. 16: Mô hình 3 pha trong chu kỳ bớc 60
Hình 2. 17: Sơ đồ động lực học pha SS 61
Hình 2. 18: Sơ đồ động lực học pha DS (a) v DSR (b) 63

Hình 3. 1: Thớc đo góc kiểu biến trở 67

Hình 3. 2: Phơng pháp xác định toạ độ vật nhờ 2 camera 69

Hình 3. 3: Sơ đồ nguyên lý của gia tốc kế 70
Hình 3. 4: Điều kiện thẳng hng trong phân tích ảnh 72
Hình 3. 5: Điều kiện đồng phẳng cho tổng hợp 3D 72
Hình 3. 6: Thiết lập chụp ảnh nổi với các trục quang học song song 73
Hình 3. 7: Mô hình hoá v phân tích tải trọng của khung xe 76
Hình 3. 8: Phân tích kết cấu trong môi trờng tích hợp CAD/CAE 78
Hình 3. 9: Mô hình ngời đợc tạo trong SolidWorks 80
Hình 3. 10: Mô hình ngời v robot đợc tạo trong Inventor 81
Hình 3. 11: Mô hình robot đợc tạo trong Pro/Enginer 82
Hình 3. 12: Sơ đồ thuật toán v mô hình 3D của ngời trong ADAMS . 83
Hình 3. 13: Mô hình chi dới của ngời 86
Hình 3. 14: Mô hình CAD của Exo 87
Hình 3. 15: Thiết bị khảo sát động học v động lực học ngời đi bộ. 87
Hình 3. 16: Mô hình thiết bị luyện tập phục hồi chức năng 87
Hình 3. 17: Quá trình thiết lập v khảo sát mô hình trong CAD/CAE 88
Hình 3. 18: Tỷ lệ kích thớc của các bộ phận với chiều cao của ngời 89
Hình 3. 19: Đồ thị các góc khớp chân phải nhận đợc từ ADAMS 93
Hình 3. 20: Mô hình ngời trong ADAMS 94
Hình 3. 21: Các hộp thoại để gán quy luật chuyển động của các khớp 95

xiii
Hình 3. 22: Hộp thoại gán các ma sát 96
Hình 3. 23: Hộp thoại quy định dạng tiếp xúc 97
Hình 3. 24: Hộp thoại khai báo các điều kiện ma sát 97
Hình 3. 25: Một số hình ảnh mô phỏng ngời đi bộ ADAMS 98
Hình 3. 26: Phản lực tại khớp cổ chân phải v trái theo thời gian 98
Hình 3. 27: Phản lực tại các khớp gối phải v trái theo thời gian 99
Hình 3. 28: Phản lực tại các khớp hông phải v trái theo thời gian 99
Hình 3. 29: Đồ thị mô men tại khớp hông phải 101
Hình 3. 30: Mô men tại khớp gối phải 101

Hình 3. 31: Mô men tại khớp cổ chân phải 101

Hình 4. 1: Robot giống ngời (a) v không giống ngời (b) 106

Hình 4. 2: Các phơng án kết cấu chịu tải của robot 108
Hình 4. 3: Các robot có kết cấu tích cực: a- BLEEX v b- HAL-5 110
Hình 4. 4: Các mẫu robot có kết cấu thụ động 110
Hình 4. 5: Hai loại kết cấu điển hình của Exo 112
Hình 4. 6: Phần tử tích cực v thụ động trên robot 113
Hình 4. 7: Sơ đồ kết cấu đề nghị của robot 114
Hình 4. 8: Kết cấu mẫu robot thứ nhất 117
Hình 4. 9: Đồ thị góc khớp của mẫu thứ nhất khi đạp xe bị động 118
Hình 4. 10: Mẫu robot thứ hai 119
Hình 4. 11: Đồ thị góc khớp của mẫu thứ hai khi đạp xe chủ động 120
Hình 4. 12: Kết cấu mẫu robot thứ ba v thứ 4 121
Hình 4. 13: Cơ tính của vật liệu chế tạo bình khí nén 125
Hình 4. 14: Bản vẽ chế tạo bình khí nén 125
Hình 4. 15: Mô hình cụm lng đã loại các chi tiết không mô phỏng 127
Hình 4. 16: Cụm lng- bảng vật liệu cho các chi tiết 127
Hình 4. 17: Cụm lng - gán rng buộc cố định (gối tựa) 128
Hình 4. 18: Cụm lng- kết quả phân tích ứng suất tĩnh 128
Hình 4. 19: Cụm lng- kết quả phân tích biến dạng tĩnh 129
Hình 4. 20: Cụm lng- kết quả phân tích hệ số an ton 129
Hình 4. 21: Kiểm nghiệm kết cấu bình khí đơn giản 130
Hình 4. 22: Kiểm nghiệm kết cấu bình khí thật 130

xiv
Hình 4. 23: Cụm đùi- ứng suất 131
Hình 4. 24: Cụm đùi- biến dạng 131
Hình 4. 25: Cụm đùi- hệ số an ton 131

Hình 4. 26: Đùi- ứng suất- duỗi 20
o
131
Hình 4. 27: Đùi- biến dạng- duỗi 20
o
131
Hình 4. 28: Đùi- ứng suất- co 20
o
131
Hình 4. 29: Cụm gối- ứng suất 132
Hình 4. 30: Cụm gối- biến dạng 132
Hình 4. 31: Gối- hệ số an ton 132
Hình 4. 32: Gối- ứng suất - co 20
o
132
Hình 4. 33: Gối- biến dạng- co 20
o
132
Hình 4. 34: Bn chân - dao động 132
Hình 4. 35: Biến dạng của bn chân trong trạng thái tĩnh 133
Hình 4. 36: Biến dạng của bn chân khi tần số dao động 66,22Hz 133
Hình 4. 37: Độ cứng của lò xo bn chân 134
Hình 4. 38: Cấu trúc khớp gối 136
Hình 4. 39: Cấu trúc khớp hông 136
Hình 4. 40: Cấu trúc khớp cổ chân 137
Hình 4. 41: Cơ cấu điều chỉnh chiều di xơng 138
Hình 4. 42: Bộ truyền động điện - cơ 138
Hình 4. 43: Xác định thời điểm sinh mô men lớn nhất của các khớp 142
Hình 4. 44: Sơ đồ tính mô men khớp hông 143
Hình 4. 45: Sơ đồ tính mô men khớp gối 144

Hình 4. 46: Tính xi lanh khí nén trong Automation Studio 146

Hình 5. 1: Các họ chi tiết có trong robot 149

Hình 5. 2: Hình dạng chung của đầu nối xi lanh 156
Hình 5. 3: Các phiếu công nghệ gia công chi tiết đầu nối xi lanh 164

Hình 6. 1: Tơng tác thông tin v tơng tác cơ học ngời - robot 166

Hình 6. 2: HRi dựa trên vai trò chủ động của ngời trong WR 168
Hình 6. 3: Các loại sensor dùng trong HRi 169

xv
Hình 6. 4: Tốc độ tối u về năng lợng 171
Hình 6. 5: So sánh mức tiêu thụ năng lợng của ngời v robot 172
Hình 6. 6: Mô hình điều khiển theo pHRI 174
Hình 6. 7: Các phơng pháp điều khiển theo pHRI 175
Hình 6. 8: Các sơ đồ điều khiển cơ bản 176
Hình 6. 9: Tơng tác Ngời - WR 177
Hình 6. 10: Mối quan hệ giữa cHRI v pHRI 177
Hình 6. 11: Cơ nhân tạo 179
Hình 6. 12: Sơ đồ điều khiển khớp gối 180
Hình 6. 13: Sơ đồ điều khiển khớp cổ chân 180
Hình 6. 14: Thông số kỹ thuật của động cơ khí nén 181
Hình 6. 15: Sơ đồ điều khiển điện - khí nén (Automaton Studio 5.6) 182
Hình 6. 16: Sơ đồ van - xi lanh cho 1 khớp 183
Hình 6. 17: Sơ đồ mạch công suất điều khiển van 184
Hình 6. 18: Mạch điều khiển trung tâm 185
Hình 6. 19: Giao diện phần mềm v đồ thị góc khớp khi đi bộ 186
Hình 6. 20: Cấu hình bộ Bagnoli 2-Channel AMGworks 188

Hình 6. 21: Mạch điều khiển với EMG 188
Hình 6. 22: Mô hình điều khiển mô men nhờ tín hiệu EMG 189
Hình 6. 23: Sơ đồ hệ thống điều khiển theo tín hiệu EMG 189

Hình 7. 1: Giá thử đạp xe bị động (a) v chủ động (b) 194

Hình 7. 2: Băng thử nghiệm Bio-Robot 195
Hình 7. 3: Thử nghiệm robot trên mặt bằng v dán EMG 197
Hình 7. 4: Thử nghiệm robot trên mặt bằng 198
Hình 7. 5: Mn hình hiển thị góc khớp khi thử nghiệm đạp xe 202
Hình 7. 6: Không tải, không hỗ trợ 204
Hình 7. 7: Có tải (15kg), không hỗ trợ 204
Hình 7. 8: Có tải (15kg) có hỗ trợ (khí nén 5bar) 205
Hình 7. 9: Các dạng tín hiệu EMG 206
Hình 7. 10: Tín hiệu EMG: không tải, không hỗ trợ v có hỗ trợ 207
Hình 7. 11: Tín hiệu EMG: có tải, không hỗ trợ v có hỗ trợ 207
Hình 7. 12: Tín hiệu thô khi đi trên mặt bằng, không tải, không hỗ trợ 208

xvi
Hình 7. 13: Tín hiệu thô khi đi trên mặt bằng, không tải, có hỗ trợ 208
Hình 7. 14: RMS khi đi trên mặt bằng, không tải, không hỗ trợ 209
Hình 7. 15: RMS khi đi trên mặt bằng, không tải, có hỗ trợ 209
Hình 7. 16: Tín hiệu thô khi đi trên mặt bằng, có tải, không hỗ trợ 210
Hình 7. 17: Tín hiệu thô khi đi trên mặt bằng, có tải, có hỗ trợ 210
Hình 7. 18: RMS khi đi trên mặt bằng, có tải, không hỗ trợ 211
Hình 7. 19: RMS khi đi trên mặt bằng, có tải, có hỗ trợ 211
Hình 7. 20: Tín hiệu lực cơ vai, có tải, không hỗ trợ 212
Hình 7. 21: Tín hiệu lực cơ vai, có tải, có hỗ trợ 212
Hình 7. 22: Hiệu quả hỗ trợ với cơ vai: không hỗ trợ v có hỗ trợ 213

Hình P. 1: Các thông số hình học của cơ thể (Carhart - 2000) 228

Hình P. 2: Phiên bản BLEEX-1 231
Hình P. 3: Các robot thế hệ 2 v 3 Berkeley Bionics 232
Hình P. 4: Robot y học của Berkeley Bionics 233
Hình P. 5: Các phiên bản của HAL 234
Hình P. 6: Các robot của ĐHTH Tsukuba (Nhật) 235



1
Mở đầu
M1. Những thông tin chung về đề ti
M1.1. Sự hình thnh đề ti
Kỹ thuật robot truyền thống đã tạo ra một thế giới vô cùng đa dạng các
loại robot với những tính năng tuyệt vời: nhanh, mạnh, khéo léo, thông
minh, Tuy nhiên, để kết hợp tính năng cơ lý tốt của máy móc với khả năng
thao tác khéo léo, quyết định nhanh nhạy v thông minh của ngời thì kỹ
thuật robot truyền thống, trong đó con ngời nằm ngoi hệ thống thiết bị sẽ
gặp một giới hạn không thể vợt qua đợc. Sự kết hợp nói trên chỉ có thể đợc
thực hiện hon hảo nếu con ngời v robot hình thnh một hệ thống thống
nhất, hoạt động đồng bộ với nhau. ý tởng đó dẫn đến một quan niệm mới về
robot: Human-robot hay Bio-robot, trong đó robot v con ngời đợc tích hợp
thnh một hệ thống thống nhất (Integrating humans and robotic mechanics
into one sytem), [11]. Trong hệ thống đó, robot hoạt động nh một bộ phận
mở rộng của cơ thể ngời, có nhiệm vụ tăng cờng năng lực cho các bộ phận,
thậm chí thay thế các bộ phận bị khuyết tật.
Nhu cầu về thiết bị hỗ trợ các hoạt động cơ bắp của con ngời l rất lớn
v hết sức đa dạng. Để thoả mãn nhu cầu đó, các nh khoa học đã tạo ra nhiều
mẫu thiết bị với các mục đích sử dụng khác nhau: lm chân tay giả, nâng đỡ,

chăm sóc ngời bệnh; trợ giúp ngời khuyết tật; nâng cao khả năng mang vác
v khả năng vận động của con ngời (đi lại, leo dốc, bơi, bay, chạy, nhảy, ).
Định hớng ứng dụng của các thiết dạng ny cũng hết sức rộng rãi: y tế, dân
sinh, quân sự, Trên thế giới, hoạt động nghiên cứu v
ứng dụng các thiết bị
hỗ trợ cơ bắp đã có từ rất sớm, nhng chỉ diễn ra một cách sôi động từ cuối thế
kỷ XX, đầu thế kỷ XXI. ở Việt Nam hoạt động ny mới đợc khởi xớng
nhng nhu cầu thì không hề nhỏ.
Từ năm 2005, nắm bắt đợc nhu cầu v tình hình nghiên cứu, phát triển
robot sinh học trên thế giới v trong khu vực, chúng tôi đã theo dõi sát quá
trình nghiên cứu, đồng thời trao đổi v cử ngời tham gia với nhóm nghiên
cứu về robot sinh học của các đồng nghiệp ở nớc ngoi nên đã nắm đợc
những vấn đề cơ bản v thu đợc một số bi học trong lĩnh vực ny.
2
Xuất phát từ tính khoa học của vấn đề, nhu cầu ứng dụng v điều kiện
nghiên cứu trong nớc, có tính đến khả năng hợp tác quốc tế, chúng tôi đã
tham gia tuyển chọn chủ trì đề ti ny v đã đợc Bộ KHCN phê duyệt.
M1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu v ứng dụng Exoskeleton
M1.2.1. Trên thế giới
Có thể coi ý tởng dùng bộ xơng ngoi xuất hiện từ trớc công nguyên,
khi các chiến binh dùng mũ, giáp, mộc để bảo vệ cơ thể; hoặc ngời ta dùng
c kheo để đi lại trên bãi biển, đầm lầy, dùng chân giả thay thế chân ngời bị
hỏng, Về bản chất, những dụng cụ đó đã l bộ xơng ngoi. Tuy nhiên,
thuật ngữ Exoskeleton
(*)
chỉ đợc dùng phổ biến khi các nh cơ - sinh học
sáng tạo ra các cơ cấu đợc tích hợp v hoạt động đồng bộ với cơ thể ngời,
với mục đích tăng cờng sức mạnh của cơ thể.
Từ năm 1890, Nicholas Yagn đã đề xuất ý tởng về một thiết bị hỗ trợ
con ngời khi đi bộ, chạy, nhảy. Năm 1948, một nh cơ - sinh học ngời Nga,

N. A. Bernstein, đã đa ra đề án lm bộ tay giả có motor dẫn động để trợ giúp
hoạt động của thơng binh, nhng đề án ny không thnh hiện thực. Ngời
dy công nghiên cứu v đạt đợc nhiều thnh tựu trong lĩnh vực ny phải kể
đến M. Vukobratovi, ngời Nam t. Năm 1969 ông đã đa ra một Kinematic
Walker, mỗi chân có 1 khớp hông chủ động, đợc kích hoạt bằng 1 xilanh khí
nén v 1 khớp bị động ở cổ chân. Năm 1970, ông đa ra một cơ cấu 3 bậc tự
do, gọi l Partial Exo có khớp quay ở gối, dùng 7 xilanh khí nén v 14 van
điện từ, giúp ngời liệt 2 chân có thể đi lại. Năm 1978, ông lại đa ra một Exo
mang tên Active Suit, khá hon chỉnh, dùng vi điều khiển v các khớp đợc
dẫn động bằng động cơ điện servo. Năm 1991, xuất hiện một loại Exo mới,
chỉ dùng năng lợng của ngời mang
(Human Powed, Passive Exo) có tên l
Spring Walker, dùng lò xo để tích trữ năng lợng vô ích ở một nửa chu kỳ rồi
biến thnh công có ích, cung cấp trở lại ở nửa chu kỳ sau. Thiết bị ny cho
phép ngời dùng chạy theo nhịp bớc m chân không chạm đất, đạt tốc độ
16km/h. Spring Walker đợc cấp bằng sáng chế (US Patent 5.016.869). Các
công trình nghiên cứu về Exo trớc năm 2000 còn mang tính tự phát, bị hạn


(*)
Sau ny, khi có thể sẽ viết tắt l Exo cho gọn.
3
chế nhiều về trình độ công nghệ v cha có đợc ứng dụng thực tế nhng
đóng góp lớn nhất của các nh khoa học tiền bối l đa ra một quan niệm mới
về robot: Human-robot hay Bio-robot, trong đó robot v con ngời đợc tích
hợp thnh một hệ thống thống nhất.
Từ sau năm 2000, trong lĩnh vực nghiên cứu Exo đã xuất hiện những
bớc đột phá về công nghệ. Đó l nhờ sự gặp nhau giữa khoa học v nhu cầu
ứng dụng.
- Về khoa học, việc nghiên cứu Exo góp phần hình thnh v phát triển

một hớng khoa học, công nghệ mới: cơ sinh điện tử (Biomechatronics). Đây
l lĩnh vực khoa học ứng dụng, kết hợp giữa cơ sinh học, điều khiển v điện
tử, nhằm sáng tạo ra các thiết bị ghép lên cơ thể ngời để chữa bệnh (ví dụ
tim, thận nhân tạo) hoặc để tăng khả năng hoạt động của con ngời.
- Về nhu cầu ứng dụng, các công trình nghiên cứu Exo đã thức tỉnh đợc
các nh đầu t trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt l trong quân sự. Việc
DARPA (U. S. Defense Advanced Research Projects Agency) tổ chức một
"Workshop on Exoskeleton for Human Performance Augmentation" vo tháng
3-2000 đã đánh dấu một bớc ngoặt quan trọng trên con đờng phát triển Exo.
DARPA đã quyết định "đầu t mạo hiểm" 50 triệu USD cho dự án phát triển
một Exoskeleton Suit trang bị cho bộ binh. Mục tiêu của "Wearable Robotic
System" ny l giúp cho ng
ời lính chạy nhanh hơn, mang nhiều hơn v có thể
nhảy qua các vật cản lớn. Về sự kiện ny, tạp chí Science News Online
(www.sciencenews.org/
) đã đa ra thông báo "The military is betting millions
that technology can turn soldiers into superhumans" (quân đội đánh cuộc
hng triệu (đôla) rằng công nghệ có thể biến ngời lính thnh siêu nhân).
Dự án do DARPA ti trợ đã đợc triển khai rầm rộ tại các trờng ĐH
hng đầu v một số công ty tại Mỹ: PTN Bio-robotics thuộc ĐHTH
Washington, Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Đợc nhắc đến nhiều
nhất trong số mẫu robot đợc tạo ra theo dự án ny l mẫu Robotic
Exoskeleton mang tên Berkeley Lower Extremity Exoskeleton - BLEEX của
PTN Human Engineering and Robotics, ĐHTH California, Berkeley.
4
BLEEX gồm một hệ khung kim loại, đợc gắn lên ngời tại 2 bn chân,
hông v vai. Mỗi chân có 3 khớp, đợc dẫn động nhờ các xi lanh thuỷ lực.
Nguồn cấp năng lợng cho hệ thống l 1 động cơ đốt trong đặt trong ba lô. Hệ
điều khiển liên kết với các sensor gắn trên cơ thể thông qua mạng cục bộ
(LAN), nhận trực tiếp tín hiệu vận động của cơ thể. Ngời mang (gọi l Pilot)

điều khiển thiết bị nh một bộ phận của cơ thể, không cần dùng bất cứ phím
bấm, núm, cần gạt, no. Theo GS. H. Kazerooni, giám đốc PTN thì BLEEX
kết hợp đợc tính linh hoạt, thông minh của ngời với sức mạnh của máy móc.
Với mẫu thử nghiệm ny, một ngời bình thờng có thể mang 34kg (không kể
thiết bị), đi với vận tốc 1,3m/s (khoảng 4,7km/h); có thể đi lại, ngồi xổm,
nghiêng, vặn ngời, lên v xuống dốc, lên v xuống cầu thang. Cũng theo GS.
Kazerooni thì dự án còn phải tiếp tục giải quyết các vấn đề về sức mang,
nguồn năng lợng v sự cân bằng khi vận động. Thông tin về dự án ny có
trên trang web />.
Cùng với BLEEX còn có trên 10 mẫu Exo khác đã đợc đa ra, trong đó
mẫu của hãng Sarcos of Salt Lake City in Utah đợc đánh giá cao. Các giải
pháp kỹ thuật chính của mẫu ny tơng tự nh của BLEEX, chỉ khác l khớp
hông v khớp gối đợc dẫn động bởi động cơ thuỷ lực kiểu quay. Tín hiệu vận
động của mỗi chân đợc thu nhận v xử lý bởi 20 sensor v 1 Onboard
Computer. Exo của Sarcos có thể cõng 90kg đồ trên lng. Phóng viên Paul
Marks, trong bi "Exoskeleton update", đăng ngy 24-10-2006 trên trang web
/> đã dẫn lời của John Main, phụ
trách chơng trình Exo của DARPA, rằng đến 2008 sẽ đa mẫu Exo vo thử
nghiệm trong quân đội.
Theo tin do tạp chí điện tử Newsweek
đa ra ngy 12-1-2007 thì Lầu
Năm góc nhận ti trợ cho ĐH Texas chế tạo ra một "Super Suit", hay
"Military Powered Armor" từ một bộ khung siêu khoẻ v siêu nhẹ, vừa có khả
năng chống đạn, vừa cung cấp cho ngời lính sức mạnh của siêu nhân, cho
phép họ mang nặng, vợt đợc vật cản, đi nhanh.
Cho đến nay, các dự án trên cha kết thúc nhng giới quân sự Mỹ đã
nghĩ đến một Bionic Uniform (tạm dịch l bộ quân phục sinh học) nhằm tăng
cờng cho ngời lính về giám sát sinh lý (Physiological Monitoring), tăng
5
cờng truyền thông (Enhanced Communication) v tăng sức mạnh cơ bắp

(Augmented Physical Strenght). Bộ quân phục ny gồm:
- Mũ có gắn GPS, máy thông tin vô tuyến, thiết bị mạng (LAN, WAN,
Wireless).
- Hệ thống giám sát trạng thái sinh lý: huyết áp, nhịp tim, nhiệt độ cơ
thể, giúp điều ho hoạt động của cơ thể, đồng thời cung cấp các thông tin
trên cho chỉ huy v nhân viên y tế.
- Bộ giáp lỏng (Liquid Body Amor), dùng chất lỏng đặc biệt: bình thờng
ở trạng thái lỏng, nhng khi gặp hiệu ứng xung điện thì hoá rắn trong vòng
phần nghìn giây, đủ sức chống đạn.
- Exo nhẹ, dùng vật liệu composit hay sợi các bon, tăng cờng khả năng
mang vác v vận động.
Ngoi Mỹ, tại các nớc khác tro lu ny cũng không kém sôi nổi v
không ít thnh công. Trớc hết phải kể đến dự án của trờng đại học Tsukuba,
Nhật Bản. Đợc bắt đầu từ năm 1993 với sự ti trợ của tập đon Mazda Motor
v Ashahi Beer, đến nay dự án đã đa ra 5 phiên bản robot có tên HAL
(Hybrid Assistive Limb). Phiên bản mới nhất, HAL-5 ra đời năm 2007 có
nhiều bậc tự do, hỗ trợ ngời dùng cả chân, lng v tay. Với sự hỗ trợ của
robot HAL-5, ngời bình thờng có thể cõng 1 ngời trên lng, di chuyển
bình thờng trên đờng núi hoặc có thể giữ vật nặng tới 40kg bằng tay trong
khi đi bộ. Dù đợc đánh giá l robot thnh công nhất v
có tính thơng mại
cao tại Nhật, HAL-5 vẫn còn những nhợc điểm: phối hợp chuyển động giữa
ngời v robot cha đợc trơn chu; con ngời vẫn cảm thấy vớng víu khi
mang robot để di chuyển; khó giữ trạng thái cân bằng của hệ ngời-robot,
Theo />, bản
cập nhật ngy 25-10-2006 thì Cơ quan vũ trụ Châu Âu (European Space
Agency) đã chế tạo một ESA Exoskeleton có tên l EUROBOT đợc điều
khiển từ xa để hoạt động ngoi khoảng không vũ trụ. EUROBOT hoạt động
theo nguyên tắc Master-Slave, lặp theo động tác của tay ngời điều khiển nhờ
tín hiệu lấy từ một Exo lắp trên cánh tay ngời. EUROBOT đợc xếp vo loại

robot vũ trụ (Space Robot) v cũng l bằng chứng về ứng dụng của Exo trong
kỹ thuật vũ trụ.
6
Tại Thái Lan, năm 2005, Viện công nghệ châu á (AIT) đã phát triển một
mẫu robot dùng cơ cấu chấp hnh khí nén với 12 bậc tự do để hỗ trợ chi dới
của con ngời khi di chuyển. Với mẫu thử đầu tiên, ngời có thể mang một
vật nặng 15kg, di chuyển trên địa hình phẳng với tốc độ 0,8m/s (khoảng
2,9km/h) hoặc hỗ trợ leo cầu thang với các bậc cao 160mm. Dự án ny đợc
triển khai tiếp dới sự ti trợ của chính phủ Thái lan.
Các công trình nghiên cứu sau năm 2000 cho thấy có sự tiến bộ nhảy vọt
về công nghệ sử dụng trong Exo, nhờ thu hút đợc nguồn kinh phí đầu t lớn
của các quốc gia v sự tham gia của các cơ sở nghiên cứu hng đầu thế giới.
Các công nghệ mới, kết cấu mới, vật liệu mới đợc ứng dụng trong phần cơ
khí, cảm biến, chấp hnh, điều khiển, Phơng pháp v công cụ nghiên cứu
cũng đợc đổi mới. Cùng với phơng pháp nghiên cứu cơ - sinh học truyền
thống, các phơng pháp v công cụ phân tích, mô hình hoá, mô phỏng có máy
tính trợ giúp cũng đợc ứng dụng. Một số công trình nghiên cứu chỉ ra rằng
các phần mềm CAD/CAE đã đợc sử dụng để thiết lập mô hình hệ thống chân
tay ngời v khảo sát động lực học của chúng khi vận động. Ví dụ, Công ty
Pitzer Consulting, El Segundo, California đã sử dụng phần mềm Pro/Engineer
v modul chuyên dùng Pro/Mechanica để thiết kế cơ cấu v phân tích động
lực học của "Super Human Exoskeleton" nhằm giảm thời gian v chi phí
nghiên cứu.
Điểm qua các công trình nghiên cứu từ trớc đến nay về Exo, có thể rút
ra một số kết luận sau:
- Tuy cho đến nay cha xuất hiện một sản phẩm Exo thơng mại no, các
dự án lớn đang còn đợc tiếp tục nhng đã có một số mẫu gần đạt tới yêu cầu
sử dụng thực tế. Những th
nh tựu đạt đợc, sự phong phú về ý tởng, công
nghệ v ứng dụng của thế giới Exo đã khiến các nh đầu t đa ra những dự

đoán hết sức lạc quan, trong đó có những ý tởng mang tính đột phá, có tầm
chiến lợc trong quân sự, kinh tế v xã hội.
- Ngoi các cờng quốc về công nghệ v kinh tế, nh Mỹ, Nhật, Israel,
các nớc đang phát trển nh Trung Quốc, Thái Lan cũng đã đầu t nghiên cứu
Exo theo định hớng riêng của mình.
7
- Ngy nay, Exo l đối tợng nghiên cứu của ngnh Bio-Mechatronics.
Đây không phải đơn thuần l vấn đề ngữ nghĩa m xuất phát từ sự đột biến về
giải pháp kết cấu, công nghệ, phơng pháp, công cụ nghiên cứu.
Những kết luận về nhu cầu, ý tởng, phơng pháp nghiên cứu, giải pháp
công nghệ, công cụ sử dụng, rút ra ở trên l hết sức bổ ích cho việc nghiên
cứu, phát triển robot sinh học tại Việt Nam.
M1.2.2. Tại Việt Nam
Cho đến trớc khi đề ti ny đợc đề xuất thì từ Exo còn rất mới lạ ở Việt
Nam. Mặc dù thế, nhu cầu nghiên cứu v ứng dụng robot sinh học ở nớc ta
không hề nhỏ. Ví dụ, ngoi vai trò m các nh quân sự Mỹ đa ra cho bộ binh
trong quân đội của họ, bộ binh của ta còn có vai trò quan trọng hơn. Do tính
chất của cuộc chiến tranh bảo vệ Tổ quốc, bộ binh ta không chỉ hoạt động
trong thnh phố m còn hoạt động di ngy v độc lập trong vùng rừng núi,
địa hình phức tạp, chốt trên các trận địa phòng ngự, tuần tra biên giới hải đảo,
truy tìm v tiêu diệt bọn phản loạn trú ngụ trong hang núi, địa đạo, Việc tiếp
tế cho họ không thể trông vo các phơng tiện cơ giới m phải dùng các
phơng tiện thô sơ kết hợp với sức ngời. Vì vậy, quân đội v các lực lợng vũ
trang khác, kể cả dân công phục vụ chiến đấu, có nhu cầu rất lớn về thiết bị
hỗ trợ mang vác v vận động - Exo. Ngoi ra, địa hình nớc ta phức tạp, thời
tiết khắc nghiệt, vóc dáng con ng
ời nhỏ bé, sức yếu cng khiến cho nhu cầu
về Exo trở nên cấp thiết hơn.
Trong y tế, các chân tay giả tích cực v thông minh, các thiết bị luyện
tập, phục hồi chức năng, hỗ trợ ngời tn tật, cũng l robot sinh học v việc

nghiên cứu chế tạo chúng l một hớng ứng dụng quan trọng của đề ti.
Về năng lực nghiên cứu, ngoi các hiểu biết còn chung chung v sơ đẳng
thu đợc qua sách báo v trao đổi với vi đồng nghiệp nớc ngoi về Exo,
chúng tôi cha kinh nghiệm đáng kể. Tiềm lực con ngời v cơ sở vật chất
phục vụ nghiên cứu cha có gì. Sự khởi đầu l khó khăn nhng cần thiết. Đó
l lý do chúng tôi đề xuất v xin chủ trì đề ti ny.
M1.3. Những vấn đề cần giải quyết
Đến nay các công trình nghiên cứu về Exo, kể cả các dự án lớn do các cơ
sở KHCN hng đầu thế giới (nh MIT, ĐH Washington, ĐH Texas, ĐH
8
California, ) thực hiện với kinh phí đầu t nhiều chục triệu USD đều cha
đa ra sản phẩm thơng mại. Tuy nhiên, các mẫu thử của họ đã tạo nên những
bức tranh hết sức lạc quan về ứng dụng loại robot sinh học ny. Bên cạnh đó,
những nớc có trình độ khoa học, công nghệ v tiềm lực kinh tế vừa phải nh
Thái Lan cũng tiến hnh nghiên cứu, đã đa ra các mẫu thử v thực hiện dự án
đa kết quả nghiên cứu vo thực tiễn. Đơng nhiên l không thể so sánh trình
độ sản phẩm của Thái Lan với sản phẩm của Mỹ, Nhật. Vấn đề l ở chỗ, mỗi
nớc tuỳ theo điều kiện kỹ thuật v kinh tế cụ thể m chọn công nghệ đáp ứng
yêu cầu thực tế của mình với chi phí chấp nhận đợc.
Theo GS. Kazerooni, Gám đốc PTN Human Engineering and Robotics,
ĐHTH California, Berkeley, chủ nhiệm dự án BLEEX thì các Exo phải nhỏ,
gọn, nhng khoẻ, nhanh, thông minh; phải có khả năng cảm nhận chuyển
động của ngời v đáp ứng lại nh một bộ phận của cơ thể. Exo không những
phải hỗ trợ đợc cho ngời dùng trong vận động, mang vác, m còn phải có
khả năng bảo vệ thân thể ngời dùng. Các yêu cầu trên l rất cao, muốn đáp
ứng đợc phải giải quyết đợc 5 vấn đề cơ bản, l vật liệu, kết cấu, điều khiển,
nguồn năng lợng v cơ - sinh học.
1- Về vật liệu, từ vật liệu kim loại thông thờng (hợp kim nhôm), hợp
kim đặc biệt (ví dụ hợp kim Titan), vật liệu composit đến các vật liệu thông
minh có khả năng thay đổi cơ tính khi gặp xung điện hay vật liệu nano siêu

nhẹ, siêu bền đã đ
ợc sử dụng. Vấn đề phải cân nhắc khi sử dụng vật liệu l
giá thnh v công nghệ gia công chúng.
2- Về kết cấu, các khớp bị động v khớp chủ động với các nguồn động
lực khác nhau, từ các loại thông thờng (xilanh thuỷ lực, khí nén, động cơ
điện) đến những kết cấu đặc biệt, gọi l cơ nhân tạo (Artificial Muscle) đã
đợc thử nghiệm. Trớc đây, cơ nhân tạo dùng truyền động khí nén. Ngy
nay, cơ nhân tạo dùng kết cấu nano đã xuất hiện tại hng loạt các viện nghiên
cứu trên thế giới, có thể sinh ra lực lớn gấp trăm lần cơ tự nhiên. Không thể
nói rằng kết cấu chủ động hay kết cấu bị động tốt hơn, hay l nên phát triển
kết cấu dạng Quasi-Passive nh MIT đang thực hiện, vì mục đích sử dụng
khác nhau. Vấn đề m khoa học phải đơng đầu l kết cấu phải thoả mãn 2
yêu cầu trái ngợc nhau: chắc, khoẻ nhng nhẹ nhng, linh hoạt, không gây
vớng bận cho ngời dùng khi hoạt động.