Proceedings VCM 2012 18 mô hình hoá hệ vận động của người trong maplesim™

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 115


Mã bài: 32
Mô hình hoá hệ vận động của người trong MapleSim™
Modeling of human movement system with MapleSim™
TS. Đào Trung Kiên
Viện MICA, Trường ĐHBK Hà Nội
email:
GS. TS. Đào Văn Hiệp
Học viện Kỹ thuật quân sự
email:

Tóm tắt
Bài báo trình bày cơ sở lý thuyết và quá trình thiết lập mô hình chi dưới của người khi đi bộ trong phần
mềm MapleSim, một công cụ hiệu quả trong mô hình hoá các hệ động lực. Kết quả mô phỏng cho thấy các
thông số động lực học nhận được từ mô hình, như các lực và mô-men tại các khớp gần như trùng với số liệu
thực nghiệm do nhóm nghiên cứu của GS. Winter thực hiện tại ĐH Waterloo, Canada. Mô hình được tạo ra sẽ
là cơ sở cho thiết kế cơ khí và hệ điều khiển của robot sinh học, hỗ trợ đi lại và phục hồi chức năng vận động
của người thiểu năng vận động (TNVĐ).
Abstract:
This paper introduces the theoretical fundaments of human lower-limb modeling while walking, and the
modeling process with MapleSim software, which is a powerful modeling tool for dynamic systems.
Simulation results show that dynamic parameters, such as forces and joint torques acquired from model and
experimental data, measured by Prof. Winter’s research group at University of Waterloo, Canada, are very
close. The developed model is useful for mechanical and control-system design of the mobility assisting and
rehabilitation bio-robots.


1. Phần mở đầu
Robot sinh học (bio-robot) là sản phẩm cơ sinh

điện tử (bio-mechatronics), có thể được hiểu là
robot phỏng sinh (bắt chước cơ thể) hay robot
cộng sinh (hoạt động cùng với cơ thể như bộ phân
thay thế hoặc ghép thêm), hoặc cả hai. Tương tự
như vai trò của cơ học trong cơ điện tử, cơ sinh
học (bio-mechanics)
(*)
là nền tảng của cơ sinh điện
tử. Tương tự như thiết kế robot thông thường (hệ
cơ điện tử), quá trình thiết kế robot sinh học luôn
luôn được bắt đầu bằng mô hình hoá, mô phỏng hệ
cơ sinh học. Đối tượng nghiên cứu trình bày ở đây
là một robot sinh học Exoskeleton, hỗ trợ vận
động và phục hồi chức năng vận động cho người
thiểu năng vận động (TNVĐ). Robot được ghép
song song với hệ vận động của người (chi dưới) để
tạo chức năng vận động hoặc sửa sai trong quy
luật vận động của người TNVĐ.

(*)
Cơ sinh học là lĩnh vực khoa học, ứng dụng các
nguyên tắc của cơ học để nghiên cứu kết cấu và hoạt
động của các bộ phận sinh học. Thuật ngữ bio-
mechanics chỉ mới xuất hiện vào những năm 1970
nhưng các nguyên tắc của nó được coi là hình thành từ
thế kỷ 15, với các công trình nghiên cứu của Leonardo
da Vinci (1452-1519).


Nền tảng lý thuyết và phương pháp mô hình hoá

hệ cơ - xương chi dưới (từ đây gọi tắt là chi dưới)
có thể tìm thấy trong nhiều tài liệu về bộ xương
ngoài cho chi dưới (lower-limb exoskeleton) [1],
[2], [3], [4]. Công cụ thường dùng là giải tích toán
học, các hệ CAD/CAE dùng chung trong cơ khí
hoặc CAD/CAE chuyên dụng, như AnyBody,
Human CAD.
MapleSim là sản phẩm phần mềm của hãng
Maplesoft. Tuy mới xuất hiện, nhưng MapleSim
được ưa chuộng và nhanh chóng được phổ cập
trong lĩnh vực mô hình hóa, mô phỏng và điều
khiển các hệ động lực. Nhằm đánh giá, lựa chọn
bộ phần mềm phù hợp với nhiệm vụ thiết kế robot
sinh học, chúng tôi đã thiết lập mô hình robot với
MapleSim, so sánh với các kết quả nhận được từ
các phần mềm khác và kết quả nghiên cứu thực
nghiệm đã được công bố. Bài báo này trình bày
phương pháp và kết quả mô hình hoá chi dưới của
người nhờ phần mềm MapleSim.
2. Nội dung chính
2.1 Mô tả hệ cơ - xương chi dưới
Chi dưới của người là một hệ cơ - sinh phức tạp,
có tới 62 xương và một hệ thống cơ, gân chằng
116 Đào Trung Kiên, Đào Văn Hiệp


VCM2012
chịt, có tác dụng như một bộ khung đỡ toàn bộ sức
nặng của cơ thể, đồng thời là một hệ động lực, trực
tiếp thực hiện các hoạt động đi, chạy, nhảy, đứng,

ngồi, Theo quan điểm cơ - sinh học, toàn bộ hệ
xương - cơ nói chung, chi dưới nói riêng được mô
tả như cơ hệ nhiều vật, gồm các khâu (đoạn
xương), các khớp, các phần tử tích cực (active) và
các phần tử thụ động (passive). Vận động của cơ
thể rất phức tạp nếu tính đến tất cả các hoạt động
và mô tả trong không gian. Tuy nhiên, với mục
tiêu thiết kế robot-exoskeleton, hiện nay hệ thường
được mô tả trong mặt phẳng giải phẫu đối xứng
dọc của cơ thể (H.1).

H. 1 Các mặt phẳng giải phẫu cơ bản [1]
Về kết cấu, để giảm bớt khó khăn cho việc mô
hình hoá và điều khiển, mô hình hệ cơ - xương của
người cũng được đơn giản hoá, thường chỉ giữ lại
13 khâu và 12 khớp, H.2 [2].

H. 2 Mô hình 13 khâu, 12 khớp của người [2]
Mô hình không gian của chi dưới có 12 bậc tự do
(H.3) và cách tiếp cận truyền thống đối với hệ
thống như vậy là quy tắc D-H và Lagrange. Giải
pháp này đã được thực hiện trong phạm vi đề tài
cấp Nhà nước, mã số KC.03.13/06-10 [3]. Tuy
nhiên, như đã chỉ ra trong báo cáo khoa học tổng
hợp của đề tài, toạ độ và góc quay của khâu cuối
(bàn chân) được mô tả bằng 12 hàm, phụ thuộc 7
biến khớp. Mô hình như vậy không những khá
phức tạp trong khảo sát động lực học hệ thống, mà
còn, và chủ yếu là chưa khả thi trong thiết kế hệ
điều khiển trong điều kiện kỹ thuật hiện nay. Nếu

hạn chế khảo sát mô hình trong mặt phẳng đối
xứng dọc thì số biến khớp chỉ còn 3.
Các tài liệu khác cũng chỉ ra rằng mô hình 2-D,
mô tả quá trình đi bộ trong mặt phẳng đối xứng
dọc là đủ cho nhiệm vụ thiết kế robot hỗ trợ đi, và
điều này làm cho mô hình động lực học và điều
khiển robot được đơn giản và khả thi hơn đáng kể
[2]. Trên thực tế, hầu hết các nghiên cứu lý thuyết
và thực nghiệm về động học và động lực học
người đi bộ được thực hiện trong mặt phẳng đối
xứng dọc.

H. 3 Mô hình 3D của chân người
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 117


Mã bài: 32
Mô hình 2-D của chi dưới có 7 khâu: thân trên
(gộp cả đầu, tay, thân), 2 xương đùi, 2 xương
chày, 2 bàn chân và 6 khớp: 2 khớp hông, 2 khớp
gối và 2 khớp cổ chân (H.4). Trên thực tế, khớp
hông có cấu trúc gần giống khớp cầu, có 3 bậc tự
do (BTD), khớp gối gần giống khớp bản lề, có 1
BTD, khớp cổ chân có 3 BTD, còn bàn chân thì có
kết cấu rất phức tạp, có thể uốn cong được (H.4a).
Tuy nhiên, khi mô tả trong mặt phẳng đối xứng
dọc, cả 3 khớp đều chỉ còn 1 BTD, đó là các
chuyển động quay gập duỗi và bàn chân được coi
là vật rắn tuyệt đối. Mô hình mới cũng tính đến sự
biến dạng của bàn chân và tiếp xúc mềm giữa bàn

chân với đất, nhưng điều đó không thuộc phạm vi
của bài báo này.
Mô hình tính toán của 1 chân như trong H.4b,
trong đó các khớp được biểu diễn bằng vòng tròn
trắng, còn các khâu được biểu diễn bằng các đoạn
thẳng, khối lượng tập trung vào các chấm tròn đen.


(a) (b)
H. 4 Chi dưới được đơn giản hoá (a) và mô
hình (b)
2.2. Mô tả dáng đi
Đi bộ là quá trình vận động lặp đi lặp lại theo chu
kỳ của các chi, giúp cơ thể tiến về phía trước và
giữ thăng bằng. Dáng đi (Human Gait) mô tả hoạt
động của chi dưới trong 1 chu kỳ đi bộ. Việc
nghiên cứu động học, động lực học và điều khiển
sẽ được thực hiện trong dáng đi.
Động học và động lực học của quá trình đi bộ đã
được các nhà cơ-sinh học nghiên cứu một cách tỉ mỉ
và đưa ra những kết quả tin cậy. Trên H.5 là ví dụ
điển hình về các đồ thị mô tả dáng đi [4], gồm đồ
thị các góc khớp và đồ thị mô men tại các khớp tại
những thời điểm khác nhau của một chu kỳ bước.
Bằng nghiên cứu thực nghiệm, Antonie Bogert
(2003) đã đưa ra đồ thị biến thiên của momen và
công tại các khớp của người đi bộ không tải (không
mang vật nặng trên người). Harman (2000), tại
Natick Army Labs, cũng tiến hành các nghiên cứu
tượng tự với người đi bộ nhưng mang vật nặng

47kg. Để dễ so sánh, các kết quả nghiên cứu độc
lập của 2 ông được biểu diễn chung trên một đồ thị
như trên H.5. Phân tích các đồ thị này có thể đánh
giá dáng đi có chuẩn hay không. Người TNVĐ
không thể có dáng đi bình thường và phục hồi chức
năng vận động (mobile rehabilitation) thực chất là
hiệu chỉnh dáng đi bằng các biện pháp y học và kỹ
thuật khác nhau.

H. 5 Dáng đi của người
2.3. Giới thiệu về phần mềm MapleSim
Từ lâu, những người làm toán đã rất quen thuộc
với Maple, một phần mềm hỗ trợ giải toán của
hãng Maplesoft (Canada). Thế mạnh của Maple là
biểu diễn các quan hệ toán học dưới dạng ký hiệu
(symbolic), cho phép giải các bài toán tổng quát
thay vì phải tính toán trực tiếp bằng số, cho từng
trường riêng như vẫn thường làm trong Matlab. Từ
mấy năm gần đây, Maple được bổ sung và chuyển
dần thành công cụ mô hình hoá các hệ động lực.
Phần mềm MapleSim được phát triển và thương
mại hoá từ cuối năm 2008, chạy trên nền Maple,
hỗ trợ mô hình hoá và mô phỏng đa lĩnh vực với
giao diện đồ hoạ (GUI). Về nguyên tắc, MapleSim
có thể được sử dụng trong mọi lĩnh vực có sử dụng
phương trình vi phân động, nhưng hiện nay các
thư viện mới chỉ được xây dựng cho các lĩnh vực
điện, cơ, nhiệt, thuỷ lực. Đây là một phần mềm
tương đối mới nếu so sánh với một số phần mềm
khác như Matlab/Simulink, ADAMS, nhưng lại

có nhiều tính năng ưu việt hơn. Từ mô hình được
thiết lập bởi người dùng, MapleSim có thể tính
toán và sinh ra các phương trình vi phân động lực
học dạng ký hiệu, và từ đó đơn giản hoá và giải
cho quá trình mô phỏng.
118 Đào Trung Kiên, Đào Văn Hiệp


VCM2012
Cách tiếp cận thông thường trong các phần mềm
khác là sử dụng mô hình dòng tín hiệu (signal flow),
còn được gọi là phương pháp nhân quả (causal
modeling), tuy có ưu điểm là đơn giản trong việc
giải vì chỉ cần sinh các phương trình cho từng
modul của hệ thống nhưng không cho lời giải tổng
quát. Ngược lại, trong MapleSim, phương pháp chủ
đạo là phương pháp phản nhân quả (anti-causal),
vẫn thường được sử dụng trong việc xây dựng các
sơ đồ mạch điện, nhưng được tổng quát hoá cho các
lĩnh vực khác dựa trên các định luật vật lý và toán
học. Nhờ đó, ta có thể xây dựng được các phương
trình cho toàn bộ hệ thống. Các phương trình này có
thể được sử dụng cho nhiều nghiên cứu khác, đặc
biệt là phát triển các thuật toán điều khiển dựa trên
mô hình (model-based controllers).
Mô hình hoá trên MapleSim có một số ưu điểm
chính như sau:
- Xây dựng được các phương trình vi phân dạng
ký hiệu của toàn bộ hệ thống. Các phương trình
này ngoài việc có thể được giải trực tiếp trong quá

trình mô phỏng với MapleSim còn có thể được
trao đổi với nhiều phần mềm khác. Các phương
trình được sinh ra từ MapleSim cũng được đơn
giản hoá về số lượng biến và số phương trình nhờ
sức mạnh của Maple.
- Sử dụng Modelica, một ngôn ngữ mở hướng đối
tượng được sử dụng trong mô hình hoá ở mức hệ
thống. Sau khi xây dựng mô hình, MapleSim tự
động sinh mô hình bằng ngôn ngữ Modelica. Ngôn
ngữ này được sử dụng trong nhiều phần mềm mô
phỏng khác như CATIA, Dymola, AMESim,
SimulationX,
- Giao tiếp thuận tiện với Matlab/Simulink. Mô
hình được xây dựng trong MapleSim có thể được
xuất trực tiếp thành một khối S-function trong
Simulink để phục vụ cho việc xây dựng bộ điều
khiển. Việc giải phương trình vi phân bằng mã
máy giúp cho quá trình mô phỏng nhanh hơn
khoảng 10 lần so với xây dựng mô hình toàn bộ
trên Simulink.
- Làm việc trực tiếp với các đại lượng vật lý trong
quá trình mô phỏng. Khác với trong Simulink, sử
dụng các khối chức năng trừu tượng thoát ly bản
chất vật lý của đối tượng được mô tả, các đại
lượng trong mô hình của MapleSim đều gắn với
các đại lượng vật lý, có đơn vị nên tường minh, dễ
hiểu và tránh được những nhầm lẫn.
- Tạo mô hình trong MapleSim rất dễ dàng và trực
quan nhờ phương pháp kéo thả. Các đối tượng
được kéo từ thư viện, thả vào cửa sổ đồ hoạ, gán

tham số và nối ghép với nhau thành hệ thống. H.6
là ví dụ về cấu trúc thư viện các phần tử được
dùng trong mô hình hoá. Đó là cấu trúc của thư
viện các phần tử động lực học cơ hệ nhiều vật của
MapleSim.

H. 6 Thư viện động lực học của MapleSim
Trong thư viện cơ học của MapleSim có sẵn các
phần tử cơ bản như khối lượng, hệ quy chiếu, các
loại khớp, các nguồn sinh lực, mô-men, chuyển
động, Thư viện này được chia thành hai phần
chính là cơ học một toạ độ (1-D Mechanical), gồm
các phần tử chuyển động tịnh tiến và chuyển động
quay, và cơ hệ nhiều vật (Multibody). Về cơ bản,
mỗi khâu hay vật nặng được biểu diễn bằng một
khối Rigid Body, và mỗi khớp tương ứng với một
khối trong mục Joints and Motions tuỳ theo dạng
khớp và các hệ quy chiếu cục bộ kèm theo.
MapleSim cũng cho phép định nghĩa các chuyển
động theo (Prescribed Motion), thực chất có thể
hiểu là các ràng buộc holonôm trong nhóm này.
Các khối Probe được dùng để đo và vẽ đồ thị cho
các tín hiệu tại điểm đo. Ngoài các khối có sẵn
trong thư viện, MapleSim cũng cho phép người
dùng tự định nghĩa các khối con để sử dụng lại,
hoặc các khối tuỳ biến theo mong muốn (Custom
Components) bằng một trong hai ngôn ngữ là
Maple và Modelica.
Cấu trúc thư viện các phần tử trong hệ thống điện,
thuỷ lực, nhiệt cũng có dạng tương tự.

2.4. Mô hình người bước trong MapleSim
2.4.1. Dữ liệu đầu vào
Mô hình người bước được xây dựng dựa trên thư
viện động lực học cơ hệ nhiều vật của MapleSim,
và được kiểm nghiệm bằng cách so sánh với dữ
liệu trong nghiên cứu của Winter [5], một GS đầu
ngành và tiên phong trên thế giới trong lĩnh vực
nghiên cứu chuyển động của người, đã đề xuất
nhiều phương pháp nghiên cứu trong lĩnh vực này
như ghi chuyển động bằng vô tuyến, bộ lọc thông
tần số thấp cho quỹ đạo các nhãn gắn trên người,
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 119


Mã bài: 32
đo năng lượng tức thời của từng khúc, đo năng
lượng sinh bởi các mô-men khớp, phân tích điện -
cơ đồ bằng trung bình tổng,
Bằng thực nghiệm, Winter và các cộng sự đã xây
dựng được một hệ thống dữ liệu khá đầy đủ về
hình học, động học và động lực học của người,
trong đó có chi dưới. Sử dụng các dữ liệu này có
thể tái lập dáng đi của người tham gia thực
nghiệm, có thể dùng làm tín hiệu đầu vào hoặc tín
hiệu chuẩn (reference signals) cho các nghiên cứu
khác nhau. Trong báo cáo này, tính đúng đắn của
mô hình người bước được đánh giá bằng cách so
sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm
của Winter.
Trong thí nghiệm về động lực học người đi bộ của

Winter, các cảm biến được gắn vào 7 điểm như
trên H.7.

H. 7 Các vị trí gắn sensor trong thí nghiệm của
Winter
Các dữ liệu được cung cấp bao gồm các tham số
kích thước, khối lượng của người, và các giá trị
góc khớp, toạ độ, vận tốc, gia tốc, lực, mô-men,
năng lượng sinh hay hấp thụ của các khúc trong
một chu kỳ bước với tần số lấy mẫu xấp xỉ 70Hz.
Các tham số cơ bản được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 1 Các tham số của người trong thí nghiệm
Tham số Giá trị
Chiều cao người 1,696m
Khoảng cách từ hông tới trọng
tâm của thân trên
25cm
Chiều dài đùi 31,4cm
Chiều dài cẳng chân 42,5cm
Chiều dài mu bàn chân 12,2cm
Chiều dài mũi bàn chân 7,6cm
Khối lượng toàn bộ cơ thể 56,7kg
Dựa vào số liệu thực nghiệm, ta xây dựng được
các đồ thị mô tả dáng đi của người tham gia thực
nghiệm. Đó là đồ thị biến thiên của các góc khớp
(H.8), lực và mô men tại các khớp (H.9), năng
lượng tại các khớp (H.10). Các hình này chỉ thể
hiện dữ liệu của chân phải. Dữ liệu đối với chân
trái hoàn toàn tương tự, với độ lệch pha là 0,386
giây (39,1% so với chu kỳ bước 0,987 giây).

0 0.5 1 1.5
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Angle (deg)
Time (s)


HAT
Thigh
Leg
Foot

H. 8 Dữ liệu các góc khớp của Winter
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 120


Mã bài: 32

0 0.5 1 1.5
-500
0
500

1000
Ankle force (N)


Lateral
Normal
0 0.5 1 1.5
-50
0
50
100
Ankle moment (Nm)
0 0.5 1 1.5
-600
-400
-200
0
200
Knee force (N)


Lateral
Normal
0 0.5 1 1.5
-40
-20
0
20
40
Knee moment (Nm)

0 0.5 1 1.5
-600
-400
-200
0
200
Hip force (N)


Lateral
Normal
0 0.5 1 1.5
-100
-50
0
50
Hip moment (Nm)

H. 9 Dữ liệu lực và moment các khớp của Winter

0 0.5 1 1.5
0
5
10
15
20
25
30
35
40

45
50
Total energy (J)
Time (s)


Thigh
Leg
Foot

H. 10 Dữ liệu năng lượng đo được của Winter
2.4.2. Xây dựng mô hình trong MapleSim
Vì chân người được mô tả như một cơ hệ nhiều
vật, các phần tử của nó được lấy từ thư viện của
MapleSim (H.6). Sử dụng thư viện này, ta xây
dựng được mô hình người bước, bao gồm các khối
chính: thân trên (head, arms, trunk - HAT), chân
trái (left leg) và chân phải (right leg) (H.11). Mô
hình đồ hoạ như trong H.12 được MapleSim tự
động sinh ra trong quá trình mô phỏng. Các góc
khớp (đầu vào) được lấy từ dữ liệu của Winter.
Khi mô phỏng, MapleSim sẽ giải bài toán động lực
học ngược để tính các lực và mô men trong quá
trình chuyển động. Giá trị tính toán các lực tác
dụng và mô men tại các khớp sẽ được đo từ mô
hình và so sánh với dữ liệu thực nghiệm của
Winter để kiểm tra tính đúng đắn của mô hình.

H. 11 Mô hình động lực học người bước trong
MapleSim

2.4.3. Kết quả mô phỏng
Khi mô phỏng, MalpleSim xuất ra các đồ thị lực,
mô men tại các khớp hông, gối, cổ chân (H.13 đến
H.15), đồng thời xuất ra một mô hình đồ hoạ dạng
hoạt hình (animation) của chi dưới khi đi bộ
(H.12).
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 121


Mã bài: 32

H. 12 Mô hình đồ hoạ của người bước
So sánh giá trị của các lực và mô men tại các khớp
được tính toán từ mô hình với dữ liệu của Winter
cho thấy các kết quả khá giống nhau, ngoài sự sai
khác không nhiều do nhiễu của phép đo trong quá
trình thí nghiệm. Từ so sánh này, ta có thể khẳng
định tính đúng đắn của mô hình được xây dựng ở
trên. Từ mô hình được xây dựng này, ta có thể dễ
dàng có được các phương trình động lực học, hoặc
xuất sang Matlab/Simulink để tiếp tục xây dựng bộ
điều khiển.



0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-600
-500
-400
-300

-200
-100
0
100
200
Time (s)
Hip force (N)


Lateral (model)
Normal (model)
Lateral (data)
Normal (data)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Time (s)
Hip torque (Nm)


Model
Data
H. 13 So sánh lực và mô-men từ mô hình và dữ liệu thực nghiệm của Winter cho khớp hông

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
Time (s)
Knee force (N)


Lateral (model)
Normal (model)
Lateral (data)
Normal (data)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50

Time (s)
Knee torque (Nm)


Model
Data
H. 14 So sánh lực và mô-men từ mô hình và dữ liệu thực nghiệm của Winter cho khớp gối
122 Đào Trung Kiên, Đào Văn Hiệp


VCM2012

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
Time (s)
Ankle force (N)


Lateral (model)
Normal (model)
Lateral (data)

Normal (data)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-20
0
20
40
60
80
100
Time (s)
Ankle torque (Nm)


Model
Data
H. 15 So sánh lực và mô-men từ mô hình và dữ liệu thực nghiệm của Winter cho khớp cổ chân

3. Kết luận
MapleSim là phần mềm mới xuất hiện, được sử
dụng như một công cụ mô hình hoá chủ chốt tại
nhóm nghiên cứu về chuyển động (Motion
Research Group - MoRG), thuộc Khoa thiết kế hệ
thống, Đại học Waterloo, Canada. Đây là nơi GS.
Winter đã từng làm việc trước khi qua đời và cũng
chính là nơi khởi xuất của bộ phần mềm
Maple/MapleSim.
Được sự tạo điều kiện thuận lợi và tư vấn của tập
thể các cán bộ nghiên cứu tại MoRG, đứng đầu là
GS. John McPhee, sự hỗ trợ của hãng Maplesoft
(tặng một bộ phần mềm, gồm Maple 15,

MapleSim 5 và Simulink Connector), chúng tôi đã
thiết lập được mô hình người bước trong
MapleSim. So với các phần mềm mà chúng tôi đã
sử dụng trước đây để nghiên cứu về vận động của
người, MapleSim có ưu điểm là cho phép xây
dựng các mô hình vật lý một cách thuận tiện, trực
quan. Kết quả mô phỏng từ các mô hình tạo ra gần
như trùng với kết quả nghiên cứu thực nghiệm, sự
sai khác là không đáng kể và cục bộ, do sai số đo
hoặc tính toán. Các mô hình còn cần được hoàn
thiện và so sánh thêm với các phần mềm khác, tuy
nhiên, từ kết quả này chúng tôi hoàn toàn có thể
yên tâm tiếp tục các bước tiếp theo, thiết kế phần
cơ khí và bộ điều khiển robot.
Nhân dịp này, tập thể nhóm nghiên cứu đề tài
KC.03.12/11-15 xin trân thành cảm ơn các cơ
quan của Bộ KHCN, Ban chủ nhiệm chương trình
KC.03/11-15 vì đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi
cho việc thực hiện Đề tài; cám ơn Nhóm nghiên
cứu chuyển động của GS. McPhee, ĐH Waterloo
và Hãng Maplesoft về những hỗ trợ thiết thực và
rất có giá trị cho Đề tài.
Tài liệu tham khảo
[1] Sai K. B.; Lower Extremity Exoskeleton for
Gait Rehabilitation of Motor Impaired Patients.
Dissertation for Doctor of Philosophy,
University of Delaware, 2008.
[2] Dejan Popović & Thomas Sinkjær: Control of
Movement for the Physically Disabled. Center
for Sensory-Motor Interaction, Aalborg

University, Denmark, 2003.
[3] Đào Văn Hiệp: Báo cáo tổng hợp kết quả khoa
học công nghệ đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế
tạo thiết bị trợ lực cho người đi bộ”, mã số
KC.03.13/06-10, Hà Nội, 2010.
[4] Andrew Valiente: Design of a Quasi-Passive
Parallel Leg Exoskeleton to Augment Load
Carrying for Walking; Master’s of Science at
the MIT; August 2005.
[5] David A. Winter: Biomechanics and Motor
Control of Human Movement, 4th Edition. John
Wiley & Sons, New York, 2009.

GS. TS. Đào Văn Hiệp tốt nghiệp Học viện Kỹ
thuật quân sự, chuyên ngành Cơ khí - Chế tạo máy
vào năm 1977; nhận bằng tiến sĩ Cơ khí năm 1989
tại Học viện Quân sự (VAAZ)
- Cộng hòa Czech; được Nhà
nước bổ nhiệm Phó giáo sư
năm 2005, Giáo sư năm 2011
ngành Cơ khí-Động lực. Hiện
nay, ông là giảng viên tại Khoa
Hàng không - Vũ trụ, Học viện
Kỹ thuật quân sự. Các lĩnh vực
hoạt động chính: Công nghệ
chế tạo thiết bị hàng không, CAD/CAM/CNC, Kỹ
thuật Robot, Cơ điện tử trong các hệ thống sản
xuất tự động.

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 123

Mã bài: 32
TS. Đào Trung Kiên tốt nghiệp
ngành Công nghệ thông tin của
Trường Đại học Cergy-Pontoise,
Pháp vào năm 2004. Anh nhận
bằng thạc sĩ về Hệ thống phân
tán của Trường Đại học Paris 6
(UPMC), Pháp năm 2006, và
bằng tiến sĩ về Cơ khí và Tự động hoá, Trường Đại
học Dayeh, Đài Loan năm 2010. Hiện anh là giảng
viên, nghiên cứu viên của Phòng nghiên cứu Môi
trường Cảm thụ và Tương tác, thuộc Viện nghiên
cứu quốc tế MICA, Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội. Các hướng nghiên cứu chính bao gồm định vị
ở môi trường trong nhà, tương tác người-hệ thống
đa phương thức, động lực học và điều khiển.