Điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho người liệt bán thân sử dụng thuật toán PI mờ

i

LỜI CẢM ƠN



Để hoàn thành luận văn này, tôi xin cảm ơn tới các thầy cô giáo những người
đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy định hướng cho tôi trong suốt quá trình học tập,
rèn luyện tại trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tp. HCM.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Võ Công Phương người đã tận
tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, những góp ý của thầy là
những kiến thức quý báu và là nguồn động viên rất lớn cho tôi hoàn thành luận văn.
Tôi cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình và những người bạn, đồng nghiệp xung
quanh đã đóng góp rất nhiều về mặc tinh thần cũng những góp ý hết sức quý giá khi
gặp khó khăn.
Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức mình, song chắc chắn luận văn không thể
tránh khỏi những thiếu sót. Mong được sự chỉ bảo tận tình của các Quý thầy cô.

Tp. HCM, ngày 15 tháng 09 năm 2015
Học viên

Nguyễn Mậu Tuấn Vương


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho người
liệt bán thân sử dụng thuật toán PI-Mờ” do giảng viên TS. Võ Công Phương
hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Nguyễn Mậu Tuấn Vương


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Cơ cấu hỗ trợ chân người bị liệt với chức năng chính là hỗ trợ người bị liệt
luyện tập đi lại. Cơ cấu gồm một khung đỡ chân bị liệt bằng kim loại sẽ được gắn
vào chân bị liệt. Cơ cấu hỗ trợ được điều khiển thông qua một điện thoại thông
minh chạy hệ điều hành Android đã được cài ứng dụng “Exoskeleton Remote” do
chính tác giả viết. Ứng dụng viết có hai chế độ chính: dành cho người bị liệt tự tập
vận động một chỗ và tập cho người bị liệt bước đi.
Chế độ tập luyện đứng một chỗ thì sử dụng cảm biến gia tốc của điện thoại.
Khi nghiêng điện thoại theo trục Y thì các khớp hông và khớp gối sẽ chuyển động
theo nhờ hai động cơ DC gắn ở cơ cấu. Mục đích chế độ này là lấy lại cảm giác vận
động sau khi bệnh nhân bị liệt.
Chế độ tập bước đi thì điện thoại sẽ đóng vai trò là một bộ điều khiển từ xa.
Trên giao diện điện thoại sẽ có hai chức năng điều khiển : một thanh bar và một nút
nhấn. Khi nhấn nút thì cơ cấu hỗ trợ vận động sẽ chuyển động tạo thành một bước
đi. Còn thanh bar có chức năng điều chỉnh vận tốc bước đi mong muốn.Luận văn có
sử dụng thuật toán PI-Mờ để làm bộ điều khiển trong quá trình chuyển động.


iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................. iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. xi
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1 Đối tượng áp dụng ................................................................................................. 1
1.2 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ............................................................ 1
1.2.1 Một vài dạng Exoskeleton ở nước ngoài ....................................................... 2
1.2.1.1 REX rô bôt............................................................................................. 2
1.2.1.2 Bionic Exoskeleton ................................................................................ 3
1.2.1.3 Cơ cấu HAL-5 ....................................................................................... 4
1.2.1.4 Quân phục BLEEX ................................................................................ 5
1.2.1.5 XOS rô bôt ............................................................................................. 6
1.2.2 Tình hình nghiên cứu Exoskleton ở Việt Nam .............................................. 7
1.3 Giới thiệu luận văn ................................................................................................ 9
1.3.1 Đối tượng điều khiển .................................................................................... 9
1.3.2 Tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn của đề tài............................................. 9
1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 11
1.3.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài .................................................................. 11
1.4 Cấu trúc của luận văn .......................................................................................... 12
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 14


v

2.1 Lý thuyết điều khiển mờ ...................................................................................... 14

2.1.1 Giới thiệu logic mờ .................................................................................... 14
2.1.2 Một số khái niệm điều khiển ...................................................................... 15
2.1.2.1 Định nghĩa tập mờ, các thuật ngữ liên quan.......................................... 15
2.1.2.2 Biến ngôn ngữ...................................................................................... 16
2.1.3 Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ ................................................ 17
2.1.3.1 Mệnh đề hợp thành .............................................................................. 17
2.1.3.2 Luật hợp thành mờ ............................................................................... 18
2.1.3.3 Giải mờ ................................................................................................ 19
2.1.4 Bộ điều khiển mờ ....................................................................................... 21
2.1.4.1 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ ...................................................... 21
2.1.4.2 Nguyên lý điều khiển mờ ..................................................................... 22
2.1.4.3 Trình tự thiết kế một bộ điều khiển mờ ................................................ 23
2.2 Lý thuyết điều khiển PID ..................................................................................... 24
2.2.1 Khâu hiệu chỉnh tỷ lệ P .............................................................................. 24
2.2.2 Khâu hiệu chỉnh vi phân tỷ lệ PD ............................................................... 24
2.2.3 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI .............................................................. 25
2.2.4. Khâu hiệu chỉnh PID ................................................................................. 26
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CƠ CẤU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ VIẾT
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN ...................................................................................... 30
3.1 Tính toán cho cơ cấu............................................................................................ 30
3.2 Thiết lập mô hình toán học cơ cấu hỗ trợ người khuyết tật ................................... 39
3.3 Thiết kế bộ điều khiển ......................................................................................... 43
3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển PI – Mờ .................................................................. 43


vi

3.3.2 Tinh chỉnh bộ điều khiển PI ....................................................................... 44
3.4 Sơ đồ khối điều khiển và mô phỏng đáp ứng ....................................................... 51
3.5 Viết phần mềm giao tiếp điều khiển trên điện thoại ............................................. 52

3.5.1 Giới thiệu phần mềm lập trình App Inventor .............................................. 53
3.5.2 Viết phần mềm ứng dụng điều khiển trên điện thoại ................................... 55
3.5.3 Phần mềm ứng dụng điều khiển ................................................................. 58
3.6 Phần mềm giám sát .............................................................................................. 60
3.6.1 Giới thiệu về Visual Basic 6.0 (VB6) ......................................................... 60
3.6.2 Viết phần mềm giám sát ............................................................................. 61
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CƠ KHÍ, ĐIỆN TỬ .................................. 68
4.1 Thiết kế và thi công cơ khí ................................................................................... 68
4.1.1 Giới thiệu phần mềm Solidwork ................................................................. 68
4.1.2 Thiết kế cơ khí ........................................................................................... 68
4.1.3 Lựa chọn và kiểm tra khả năng chịu tải của động cơ .................................. 69
4.2 Các thành phần điện tử ........................................................................................ 70
4.2.1 Bộ nguồn.................................................................................................... 70
4.2.2 Board Arduino ........................................................................................... 71
4.2.2.1 Giới thiệu chung .................................................................................. 71
4.2.2.2 Arduino Mega2560 .............................................................................. 71
4.2.3 Module bluetooth HC-05............................................................................ 74
4.2.3.1 Chức năng ............................................................................................ 74
4.2.3.2 Sơ đồ chân ........................................................................................... 76
4.2.4 Board cầu H ............................................................................................... 78
4.3 Sơ đồ khối hệ thống điện ..................................................................................... 79


vii

4.4 Thực nghiệm điều khiển ...................................................................................... 80
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ......................... 84
5.1Những kết quả đạt được. ....................................................................................... 84
5.2 Những hạn chế..................................................................................................... 84
5.3 Hướng phát triển đề tài. ....................................................................................... 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 85


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Bộ xương rô bôt REX ............................................................................... 3
Hình 1.2 Bionic Exoskeleton ................................................................................... 4
Hình 1.3 Cơ cấu HAL-5 .......................................................................................... 5
Hình 1.4 Quân phục BLEEX ................................................................................... 6
Hình 1.5 XOS rô bôt................................................................................................ 7
Hình 2.1 Hàm liên tục ........................................................................................... 16
Hình 2.2 Ví dụ về logic mờ trong đo nhiệt độ. ....................................................... 17
Hình 2.3 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ ......................................................... 21
Hình 2.4 Ví dụ về bộ điều khiển mờ MISO ........................................................... 22
Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển mờ ........................................................................ 22
Hình 2.6 Khâu hiệu chỉnh vi phân tỷ lệ PD ............................................................ 25
Hình 2.7 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI .......................................................... 26
Hình 2.8 Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỷ lệ PID .................................................... 27
Hình 2.9 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols............ 27
Hình 2.10 Hệ thống ở biên giới cố định ................................................................. 28
Hình 3.1 Phân bố khối lượng và kích thước chuẩn bệnh nhân châu Á .................... 31
Hình 3.2 Lực và mô men ở khớp gối và khớp hông. .............................................. 33
Hình 3.3 Giới hạn góc quay phẳng của khớp gối và khớp hông ở người ................ 37
Hình 3.4 Khớp hông của cơ cấu người khuyết tật. ................................................. 40
Hình 3.5 Mô hình tổng quát của hệ thống điều khiển.Error!

Bookmark

not

defined.
Hình 3.6 Cấu trúc bộ điều khiển mờ ...................................................................... 45
Hình 3.7 Hàm thành viên theo sai số e ................................................................... 49
Hình 3.8 Hàm thành viên theo gia tốc de ............................................................... 50
Hình 3.9 Hàm thành viên ngõ ra Ki ....................................................................... 50
Hình 3.10 Hàm thành viên ngõ ra Kp .................................................................... 51
Hình 3.11 Sơ đồ khối điều khiển ........................................................................... 51
Hình 3.12 Sơ đồ khối thuật toán PI ........................................................................ 52


ix

Hình 3.13 Sơ đồ khối khớp quay của cơ cấu .......................................................... 52
Hình 3.14 Kết quả mô phỏng ................................................................................. 52
Hình 3.15 Giao diện thiết kế của App Inventor ...................................................... 54
Hình 3.16 Giao diện lập trình của App Inventor .................................................... 54
Hình 3.17 Giao diện mô phỏng của App Inventor .................................................. 55
Hình 3.18 Giao diện chính ..................................................................................... 59
Hình 3.19 Giao diện thứ nhất................................................................................. 59
Hình 3.20 Giao diện thứ hai................................................................................... 60
Hình 3.21 Phần mềm lập trình VB6 ....................................................................... 61
Hình 3.22 Các dạng đồ thị trong teechar ................................................................ 62
Hình 3.23 Phần mềm giám sát đáp ứng của cơ cấu hỗ trợ người khuyết tật ............ 66
Hình 4.1 Kết cấu cơ khí cơ cấu hỗ trợ người liệt bán thân ..................................... 68
Hình 4.2 Cơ cấu khi đeo vào bệnh nhân................................................................. 69
Hình 4.3 Động cơ sử dụng trong cơ cấu ................................................................. 70
Hình 4.4 Pin Wild Scorpion ................................................................................... 71
Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý board Arduino Mega ..................................................... 72
Hình 4.6 Board Arduino Mega thực tế ................................................................... 73

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý board HC-05 ................................................................. 75
Hình 4.8 Board bluetooth HC-05 ........................................................................... 75
Hình 4.9 Sơ đồ chân của IC bluetooth ................................................................... 76
Hình 4.10 Module H-MC ...................................................................................... 78
Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý các chân của module H-MC ........................................ 79
Hình 4.12 Sơ đồ hệ thống điện cơ cấu ................................................................... 80
Hình 4.13 Tín hiệu phản hồi khi sử dụng bộ điều khiển PI .................................... 80
Hình 4.14 Đáp ứng của khớp hông khi sử dụng bộ điều khiển PI ........................... 80
Hình 4.15 Đáp ứng của khớp gối khi sử dụng bộ điều khiển PI-Mờ ....................... 81
Hình 4.16 Tín hiệu phản hồi khi sử dụng bộ điều khiển PI-Mờ .............................. 81
Hình 4.17 Đáp ứng của khớp hông khi sử dụng bộ điều khiển PI-Mờ .................... 81
Hình 4.18 Đáp ứng của khớp gối khi sử dụng bộ điều khiển PI-Mờ ....................... 82


x

Hình 4.19 Đáp ứng của bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI .................................. 83
Hình 4.20 Đáp ứng của bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI-Mờ ........................... 83


xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Chọn thông số cho bộ điều khiển PID theo Ziegler – Nichols ................. 28
Bảng 2.2 Chọn thông số cho bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng hệ thống ở biên
giới ổn định ........................................................................................................... 29
Bảng 3.1 Nhân trắc học cho bệnh nhân chuẩn người châu Á ................................. 30
Bảng 3.3 Bảng tham số giá trị mô men ở các khớp trong giai đoạn khởi động ....... 39
Bảng 3.4 Ảnh hưởng của việc tăng các thông số độ lợi của bộ điều khiển PI ......... 44
Bảng 3.5 Luật điều khiển cho KP. .......................................................................... 47

Bảng 3.6 Luật điều khiển cho KI. ........................................................................... 47
Bảng 4.1 Thông số board Arduino Mega ............................................................... 72
Bảng 4.2 Chức năng các chân của IC bluetooth ..................................................... 78


1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1Đối tượng áp dụng
Ngày nay bệnh liệt, đặc biệt là bệnh liệt bán thân là một trong những bệnh
nguy hiểm khá phổ biến trên thế giới. Bệnh do nhiều nguyên nhân: do nhữngtổn
thương lớn về não, cột sống hoặc do di truyền. Bệnh gây ra tổn hại nghiêm trọng
đến thể trạng và tinh thần cho người mắc phải, đòi hỏi thời gian điều trị lâu dài, tốn
kém và thân nhân cũng rất vất vả trong việc chăm sóc cho người bệnh.
Trong khi đó, việc nghiên cứu và ứng dụng những máy móc, thiết bị hỗ trợ
cho người bị liệt bán thân ở Việt Nam còn hạn chế. Vì vậy, việc nghiên cứu và chế
tạo một thiết bị hỗ trợ cho những người bị liệt bán thân là một việc làm hết sức thiết
thực và vừa mang tính nhân văn, vừa mang tính nhân đạo sâu sắc.
Xuất phát từ ý tưởng ấy, tác giả đã quyết định nghiên cứu và chế tạo cơ cấu
hỗ trợ vận động chân cho người bị liệt bán phần. Đối tượng áp dụng cho cơ cấu là
những bệnh nhân bị liệt bán phần bên phải (vì cơ cấu hỗ trợ vận động cho chân
phải) ở mức độ bệnh nhẹ (cơ vẫn còn cảm giác vận động) hoặc những bệnh nhân bị
liệt bán phần bên phải đang trong giai đoạn luyện tập phục hồi chức năng.
1.2 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
Ý tưởng về những bộ trang phục máy được đề xuất vào năm 1890 bởi
Nicholas Yagn. Tuy nhiên, nghiên cứu về Exoskeleton (một bộ “xương ngoài” hỗ
trợ vận động)chỉ mới thực sự trở thành cao trào từ sau năm 2000, khởi đầu bằng dự
án "biến người lính thành siêu nhân" của DARPA. Exoskeleton đã có lịch sử phát
triển dài tới nửa thế kỷ và cho đến nay đã đạt được nhiều thành tựu.
Sau đây là một vài sản phẩm Exoskeleton đã được nghiên cứu và thực hiện ở

trong vàngoài nước:


2

1.2.1 Một vài dạng Exoskeleton ở nước ngoài
Exoskeleton (bộ xương ngoài) là một dạng rô bôt sinh học (Bio-robot) là đối
tượng điển hình của ngành cơ sinh điện tử (Bio-Mechatronics), khi được "mặc" vào
người sẽ hoạt động như một bộ phận của cơ thể, nhằm bảo vệ cơ thể, tăng cường
khả năng hoạt động (đi lại, mang vác,...) của con người hoặc hỗ trợ người bị khuyết
tật trong hoạt động thường ngày. Chính vì là sản phẩm tích hợp của nhiều lĩnh vực
nên việc thiết kế, chế tạo các dạng Exoskeleton gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi công
nghệ cao để làm sao đảm bảo được chức năng hỗ trợ của chúng hoạt động tốt, lại
vừa tiện lợi và đặc biệt phải đảm độ an toàn cao nhất cho người sử dụng. Trong
những năm gần đây, với những ứng dụng tuyệt vời của chúng đã thu hút sự quan
tâm của nhiều tổ chức nghiên cứu hàng đầu trên thế giới. Sau đây là một vài dạng
Exoskeleton được nghiên cứu và phát triển ở các nước tiên tiến.
1.2.1.1 REX rô bôt
REX rô bôt là một bộ xương ngoài cho phép người sử dụng tự chuyển mình
từ ghế xe lăn sang khung xương ngoài, sau đó điều khiển chuyển động của họ thông
qua một cần điều khiển. Một trong những người đầu tiên sử dụng nó là Hayden
Allen, người bị chấn thương tủy sống với kết luận của bác sĩ là suốt đời anh ta phải
gắn liền với xe lăn. Giờ thì Hayden Allen có thể đi lại và thậm chí làm việc được
với sự hỗ trợ của REX. Tuy có giá khá đắt (khoảng 150.000 USD) nhưng với những
tính năng tuyệt vời, REX là một thiết bị hỗ trợ thiết thực cho những người bị liệt hai
chi dưới, giúp họ có thể đứng, đi bộ, lên xuống cầu thang hoặc đi trên những nơi có
địa hình dốc [28].


3

Hình 1.1 Bộ xương rô bôt REX
1.2.1.2 Bionic Exoskeleton
Ngày 21 tháng 10 năm 2012 tại London, nước Anh đã diễn ra cuộc triển lãm
cơ cấu Exoskeleton mới mang tên “Bionic Exoskeleton”. Người mang thử nghiệm
cơ cấu này là cô Amanda Boxtel bị liệt hai chân phải ngồi xe lăn do chấn thương
cột sống vào năm 1992. Bionic Exoskeleton đã giúp cô đi lại bình thường [26].
Bionic Exoskeleton được phát triển bởi tập đoàn Berkeley Bionics, có chức
năng chính là hỗ trợ cho những người bị liệt chân phải ngồi xe lăn hoặc những
người bị tổn thương cột sống lấy lại khả năng đi đứng.


4

Hình 1.2 Bionic Exoskeleton
1.2.1.3 Cơ cấu HAL-5
HAL (Hybrid Asistive Limb) là bộ khung trợ lực của hãng Cyberdyne(Nhật
Bản). Sản phẩm đã trải qua 4 thế hệ thử nghiệm, thế hệ thứ 5 này là ưu việt nhất.
HAL-5 được trang bị các cảm biến sinh học (BioSignal) cho phép đồng bộ hoá các
hoạt động giữa người sử dụng và cơ cấu [27].
Với HAL-5 các hoạt động của người sử dụng nó sẽ dễ dàng hơn, sức mạnh
của con người cũng được tăng cường đáng kể, vì vậy mà sản phẩm sẽ được ứng
dụng trong y học để giúp hỗ trợ hoạt động cho các bệnh nhân gặp khó khăn trong
việc đi đứng, cử động…, giúp con người làm việc nặng nhọc một cách nhẹ nhàng


5

và an toàn. Mục đích cao hơn là dùng công nghệ này để giúp quân đội cũng như
lính cứu hộ trở nên khoẻ khoắn và cơ động khi thực hiện nhiệm vụ cứu người bị nạn

trong các vùngvừa bị thiên tai.

Hình 1.3 Cơ cấu HAL-5
1.2.1.4 Quân phục BLEEX
Quân phục BLEEX được thiết kế bởi kỹ sư cơ khí Homayoon Kazerooni tại
Đại học California, Berkeley. Sử dụng thiết bị này, một người lính có thể mang trên
mình tới 75 Kg mà không cần nỗ lực nhiều, giúp đỡ tích cực cho họ trong di chuyển
và chiến đấu [27].
Bệnh nhân tổn thương tủy sống có thể sử dụng thiết bị này để học cách bước
đi và để luyện tập hồi phục chức năng.


6

Hình 1.4 Quân phụcBLEEX
1.2.1.5 XOS rô bôt
Phiên bản XOS là bộ xương ngoài mới nhất và được cho là tiên tiến nhất,
được phát triển từ ý tưởng của một người đàn ông tại nhà máy Steve Jacobsen và
các kĩ sư ở Sarcos, một công ty rô bôt thành lập năm 1983 [29].
Jacobsen và những người khác cuối cùng đã kết hợp cơ bắp nhân tạo và hệ
thống điều khiển vào trong bộ giáp mà sẽ sớm có sẵn cho binh lính, lính cứu hỏa và
cho người đi xe lăn. Thách thức lớn nhất là nạp năng lượng cho XOS. Nhưng nhìn
chung, nó là một trong những bộ giáp toàn thân có khả năng nhất hiện nay, nó có
thể chuyển động liên tục cùng với người mặc nó.


7

Hình 1.5 XOS rô bôt
1.2.2 Tình hình nghiên cứu Exoskletonở Việt Nam

Do sự hạn chế và mặt kỹ thuật và công nghệ cững như chưa có sự đầu tư lớn,
chưa có sự liên kết chặt chẽ giữa các trung tâm nghiên cứu đầu nghành với các
trường đại học trong nước nên việc nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng Exoskleton ở
Việt Nam còn rất hạn chế, mặc dù khả năng ứng dụng của Exoskeleton trong thực
tiễn là rất khả quan. Trong thời gian gần đây, nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Đào
Văn Hiệp, Th.S. Trần Xuân Thảnh đã cho ra đời “ bộ xương ngoài” trợ giúp cho
người đi bộ. Đây được xem là một tín hiệu lạc quan, là một trong những bước đầu
mở ra thời kỳ nghiên cứu, ứng dụng Exoskeleton ở Việt Nam [25].
PGS. TS. Đào Văn Hiệp, Th.S. Trần Xuân Thảnh, khoa Hàng không vũ trụ,
Học viện Kỹ thuật Quân sự đã chế tạo thành công rô bôt “bộ xương ngoài”, còn gọi
là Exoskeleton (Exo), một loại rô bôt sinh học trợ giúp cho người đi bộ và cho cả


8

những người đi xe đạp. Nó rất hữu dụng cho người cần mang vác nặng hoặc bị
khuyết tật. Điểm đặc biệt là rô bôt có thể cảm nhận được tín hiệu điều khiển của cơ
thể.

Hình 1.6 Rô bôt“bộ xương ngoài” của Việt Nam
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo 3 mẫu rô bôt. Mẫu 1 nhằm thử nghiệm kết cấu
cơ khí và lấy tín hiệu góc từ các khớp, khảo sát về động học (quy luật biến thiên các
góc khớp khi đạp xe và đi bộ). Mẫu 2 được thiết kế gồm có 6 khớp: 3 khớp hông, 1
khớp gối, 2 khớp cổ chân. Nó được hoàn thiện so với mẫu 1 ở chỗ có động cơ dẫn
động các khớp. Hệ điều khiển có thêm chức năng điều khiển các động cơ bám theo
động học các khớp (được lấy từ các cảm biến đo góc tại các khớp). Mẫu thứ 3 của
nhóm nghiên cứu đã giải quyết được những vấn đề cơ bản, do ứng dụng kỹ thuật
mới. Với giải pháp kết cấu và điều khiển nói trên, Exo có tác dụng trợ lực được thể
hiện rất rõ ràng. Rô bôt đã được thử nghiệm với các chế độ làm việc khác nhau:
không và có mang tải (tổng tải trọng là 20kg), có hỗ trợ (cấp khí nén) và không hỗ

trợ, đi trên băng tải thử nghiệm và đi trên mặt bằng, leo cầu thang,... Khi thử


9

nghiệm, tín hiệu EMG được ghi lại để đánh giá lực cơ. Kết quả rất khả quan: tải
trọng cõng trên lưng robot không đè lên người, lực tại cơ bắp chân khi mang tải
không tăng so với khi không tải và còn nhỏ hơn khi không tải mà không có sự hỗ
trợ.
1.3 Giới thiệu luận văn
1.3.1 Đối tượng điều khiển
Cơ cấu hỗ trợ vận động cho người bị liệt là một đề tài mới gần đây do nhu
cầu thực tế trong lĩnh vực y tế. Nhưng để sở hữu một sản phẩm công nghệ cao như
vậy chúng ta phải bỏ hàng trăm ngàn đô. Đối với nước nghèo như Việt Nam đó là
một số tiền rất lớn mà ít người có được. Mà hiện nay tỉ lệ bị tai biến ở nước ta ngày
một tăng đặc biệt đối tượng trẻ ngày càng dễ mắc phải để lại di chứng nặng nề cho
gia đình. Do đó tác giả muốn tạo ra một sản phẩm với chi phí rẻ để nhiều người
Việt Nam dễ dàng tiếp cận. Với cơ cấu đơn giản, bao gồm hai động cơ để điều
khiển chân người bị liệt (ở đây tác giả điều khiển chân phải),động cơ khớp gối và
động cơ khớp hông, mỗi động cơ sẽ được gắn một biến trở để xác định vị trí quay
của động cơ. Hai động cơ sẽ quay để mô phỏng bước tiến của người bình thường,
giúp người bị liệt có cảm giác vận động và có thể di chuyển được.
Tác giả sẽ viết một ứng dụng trên điện thoại thông minh để điều khiển cơ
cấu. Ứng dụng sẽ truyền giá trị góc nghiêng của điện thoại đến vi điều khiển. Dựa
vào góc nghiêng của điện thoại mà động cơ sẽ quay và bám theo quỹ đạo của góc
nghiêng điện thoại. Để bám theo với sai số nhỏ tác giả sử dụng bộ điều khiển PImờ.
1.3.2 Tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Tại các nước đang phát triển, cứ 1 triệu dân có 2.400 người bị tai biến mạch
máu não. Riêng Việt Nam, theo tỉ lệ tính này mỗi năm có gần 200.000 bệnh nhân bị
tai biến mạch máu não, hơn 50% trong số đó tử vong và 90% số người sống sót sau

đột quỵ phải sống chung với các di chứng về thần kinh và vận động…[30].


10

Tai biến mạch máu não là loại bệnh có thể gây tử vong nhanh, có tỷ lệ tử
vong cao, đứng thứ ba sau ung thư và các bệnh tim mạch. Nếu không tử vong, tai
biến mạch máu não đồng thời cũng là loại bệnh để lại nhiều di chứng nặng nề dẫn
đến tàn tật nhiều nhất. Theo Tổ chức Y tế Thế giới và các nhà khoa học nước ngoài
có từ 1/3 đến 2/3 người bệnh sống sót sau tai biến mạch máu não để lại di chứng tàn
tật vĩnh viễn, 17% người bệnh có từ hai loại di chứng trở lên, 71% người bệnh giảm
khả năng lao động, 66% người bệnh không thể trở lại làm việc được vì mất khả
năng lao động, 62% người bệnh giảm các hoạt động xã hội, 51% người bệnh bị phụ
thuộc về tự chăm sóc bản thân, 38% người bệnh giảm khả năng giao tiếp, 11%
người bệnh không tự đi lại, 24% người bệnh phải ở lâu dài trong các cơ sở điều
dưỡng hoặc bệnh viện.
Ở Việt Nam nhiều kết quả điều tra và nghiên cứu cho thấy 50% bệnh nhân
tai biến mạch máu não sống sót để lại di chứng trong đó 92,96% di chứng về vận
động, 68,42% di chứng vừa và nhẹ, 27,69% di chứng nặng, 92% người bệnh liệt
nửa người đang sống tại gia đình và cộng đồng vẫn cần luyện tập phục hồi chức
năng. Các di chứng do tai biến mạch máu não đặc biệt di chứng về vận động là gánh
nặng không chỉ đối với bản thân người bệnh và gia đình họ mà còn ảnh hưởng đến
cả cộng đồng và quốc gia mà họ đang sống. Bệnh nhân liệt nửa người do tai biến
mạch máu não là người đã tàn tật vì ngoài giảm hoặc mất khả năng vận động, họ
còn có nhiều rối loạn chức năng khác kèm theo như rối loạn về ngôn ngữ, rối loạn
thị giác, rối loạn cảm giác, rối loạn nhận thức...
Phục hồi chức năng cho bệnh nhân cần được bắt đầu càng sớm càng tốt ngay
sau khi bệnh nhân bị tai biến, thực hiện các kỹ thuật phục hồi chức năng khác nhau
tùy thuộc vào từng giai đoạn liệt của bệnh nhân. Tiếp theo là các kỹ thuật tập luyện
vận động tích cực hơn, đó là vận động có trợ giúp, vận động chủ động vì bệnh nhân

không thể phục hồi được nếu không có vận động chủ động.


11

Một số số liệu ở trên cho ta thấy sự nguy hiểm của căn bệnh tai biến mạch
máu não đặc biệt trong xã hội phát triển hiện nay với nhiều áp lực về cuộc sống. Di
chứng nặng nề mà nó để lại là không hề nhỏ. Phục hồi chức năng sau tai biến là
công việc rất vất vả gây mất ý chí bản thân người bị tai biến và cả người thân trong
gia đình. Do đó tác giả muốn hỗ trợ một phần trong việc phục hồi chức năng sau tai
biến. Đề tài sẽ giúp đỡ người bị tai biến luyện tập vận động dễ dàng hơn mà không
cần sự trợ giúp từ người khác, đẩy nhanh tiến độ hồi phục cũng như giảm thiểu chi
phí,thời gian trong quá trình luyện tập phục hồi. Xuất phát từ ý tưởng trên nên tác
giả đã chọn đề tài “Điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho người liệt bán thân
sử dụng thuật toán pi-mờ”.
1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu
- Thiết kế, chế tạo được cơ cấu hỗ trợ bệnh nhân bị liệt bán thân.
- Xây dựng bộ điều khiển đáp ứng tốt và bám theo tín hiệu điều khiển.
- Viết được phần mềm giao tiếp điều khiển trên điện thoại thông minh sử
dụng hệ điều hành android.
- Giúp người bị liệt bán thân do tai biến mạch máu não luyện tập trong giai
đoạn phục hồi chức năng vận động. Giảm đi gánh nặng của gia đình - xã hội, mau
chóng hòa nhập với cuộc sống.
1.3.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Tính toán và thiết kế cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho người liệt bán thân.
- Thiết kế bộ điều khiển PI điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho
người liệt bán thân.
- Thiết kế bộ điều khiển PI-mờ điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho
người liệt bán thân.

12

- Dùng VB6 thiết kế phần mềm giám sát để kiểm tra đáp ứng các bộ điều
khiển.
- So sánh các đáp ứng các bộ điều khiển.
- Sử dụng phần mềm để viết ứng dụng trên điện thoại thông minh để điều
khiển cơ cấu.
1.4 Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm 5 chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu
Nội dung chương 1 trình bày sơ lược về các công trình nghiên cứu về đề tài
ở trong nước và cả ở nước ngoài, ý nghĩa thiết thực của đề tài vừa mang tính nhân
văn vừa chứa đựng hàm lượng khoa học. Chương này cũng trình bày những mục
tiêu, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu được thực hiện trong đề tài này. Phần
cuối của chương trình bày sơ lược nội dung của luận văn.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 giới thiệu khái quát lý thuyết các phương pháp điều khiển được áp
dụng để điều khiển cơ cấu hỗ trợ người liệt bán phần như: PI, mờ, điều khiển PI sử
dụng mờ để chỉnh định các thông số PI.
Chương 3: Tính toán cơ cấu và thiết kế bộ điều khiển, viết ứng dụng điều
khiển.
Chương 3 trình bày những kiến thức có liên quan đến nhân trắc học, cơ chế
vận động của cơ thể con người, từ đó có thể tính toán mô men cần thiết phục vụ cho
việc thiết kế cơ khí và lập trình cho phù hợp. Chương này cũng trình bày cách thức
thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ dựa trên lý thuyết đã được trình bày ở chương 2 và
chương trình giám sát đáp ứng của bộ điều khiển trên nền tảng VB6. Ngoài ra


13

chương này còn giới thiệu về app inventor- một công cụ để lập trình ứng dụng điều
khiển cơ cấu trên nền tảng Android.
Chương 4: Thiết kế và thi công cơ khí, điện tử.
Chương 4 sẽ trình bày về thiết kế cơ khí của mô hình để phù hợp cho ứng
dụng thực tiễn. Ngoài ra ở chương này còn giới thiệu về các thành phần điện có liên
quan đến cơ cấu của luận văn như: board điều khiển, mạch kết nối bluetooth, mạch
cầu H. Kết quả đáp ứng của bộ điều khiển cũng được trình bày trong chương này.
Chương 5: Kết quả đạt được và hướng phát triển
Chương 5 sẽ trình bày những kết quả mà luận văn đạt được. Ngoài ra chương
này cũng trình bày những thiếu sót hạn chế của đề tài, cũng như hướng phát triển để
đề tài tối ưu hơn.


14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1Lý thuyết điều khiển mờ
2.1.1 Giới thiệu logic mờ
Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh công bố lần đầu tiên tại Mỹ
vào năm 1965, tại trường đại học Berkeley, bang California, Mỹ. Từ đó, lý thuyết
mờ đã có nhiều phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển-tự
động hóa.
Năm 1970, tại trường đại học Mary Queen, thành phố Lodon, Ebrahim
Mamdini đã sử dụng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể
điều khiển bằng kỹ thuật cổ điển.
Tại Nhật, logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của hãng Fuji
Electronic vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987. Tuy
logic mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh, nhưng lại phát triển và ứng dụng
nhiều nhất ở Nhật.

Ưu điểm của mờ sao với các phương pháp kinh điển là có thể tổng hợp được
bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác.
Điều này thực sự rất hữu dụng cho các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm
truyền.
Điều khiển mờ chỉ cần xử lý những thông tin “không chính xác” hay không
đầy đủ, những thông tin mà sự chính xác của nó chỉ nhận thấy được giữa các quan
hệ của chúng với nhau và cũng chỉ có thể mô tả bằng ngôn ngữ nhưng vẫn có thể
đưa ra những quyết định chính xác. Điều khiển mờ hay còn gọi là điều khiển thông
minh là mô phỏng trên phương thức xử lý thông tin và điều khiển của con người,
khởi đầu cho sự ứng dụng của trí tuệ nhân tạo trong lĩnh vực điều khiển.