NGHIÊN cứu điều KHIỂN THIẾT bị tập PHỤC hồi CHỨC NĂNG cổ TAY KHI sử DỤNG cơ cấu PAM STUDY ON CONTROL WRIST REHABILITATION DEVIDE BY PAM ACTUATOR

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TẬP PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CỔ
TAY KHI SỬ DỤNG CƠ CẤU PAM
STUDY ON CONTROL WRIST REHABILITATION DEVIDE BY
PAM ACTUATOR
Trần Xuân Tùy1, Đào Minh Đức 2
1
Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
2
Đại học Phạm Văn Đồng, Quảng Ngãi
a
;
TÓM TẮT
Hiện nay, tại hầu hết các bệnh viện, để điều trị phục hồi chức năng chân tay, các bệnh
nhân bị chấn thương thường được tập theo các bài tập có sự hỗ trợ của các nhân viên y tế mà
chưa có thiết bị hỗ trợ tích cực. Để giảm thời gian phục vụ của nhân viên y tế và chủ động cho
việc luyện tập của bệnh nhân, chúng tôi đã nghiên cứu, chế tạo thiết bị tập phục hồi chức năng
cổ tay tự động có sử dụng cơ cấu cơ bắp nhân tạo khí nén PAM (Pneumatic Artificial
Muscle). Bài báo này giới thiệu việc nghiên cứu để chế tạo thiết bị trên. Trong đó, thiết lập
các phương trình động lực học của cơ cấu, các phương trình cân bằng lưu lượng và áp suất
trong van servo và trong cơ cấu PAM, nghiên cứu mô phỏng đáp ứng động lực học của hệ
bằng phần mềm Matlab. Thiết kế, chế tạo thiết bị sử dụng các cảm biến đo các thông số cơ
bản của cơ cấu, kết quả đo của bài tập được lưu dưới dạng đồ thị trên máy vi tính; từ đó có thể
nghiên cứu thực nghiệm khả năng phục hồi của bệnh nhân.
Từ khóa: Van servo, lưu lượng, áp suất, máy vi tính, cảm biến.
ABSTRACT
Today, most of the hospital, to treat limb rehabilitation for trauma patients are usually
grouped according to the exercises with the support of the medical staff but no supportive
devices pole. To reduce the service life of healthcare workers and for the training initiative of
the patient, we have research and manufacturing facility for wrist rehabilitation automatic

when using artificial muscle structure Pneumatic PAM (Pneumatic Artificial Muscle). This
paper introduces the research to fabricate devices. In particular, set the equation of structural
dynamics, the balance equations of flow and pressure in the valve servo and PAM structure,
simulation studies to meet the dynamics of the system by software Matlab. Design,
manufacturing equipment, using sensors that measure the basic parameters of the structure,
measuring results of the exercise is saved as a graph on the computer. Since then, can
empirical resilience of patients
Keywords: servo valve, flow, pressure, computer, sensor.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, ở các bệnh viện cũng như các trung tâm phục hồi chức năng trong cả nước
nhu cầu vật lý trị liệu của bệnh nhân ngày càng nhiều. Trang thiết bị hầu hết là nhập từ nước
ngoài nên giá thành rất cao, trong khi hầu hết số thiết bị làm trong nước còn mang tính thuần
cơ khí. Các bài tập cho bệnh nhân luôn cần có y tá hỗ trợ, nên số lượng bệnh nhân được tập
luyện khá ít, thiết bị hỗ trợ chỉ phát huy tác dụng sau khi bệnh nhân đã được tập luyện cùng
nhân viên phục hồi chức năng. Thiết bị tập phục hồi chức năng nước ngoài thường dùng động
cơ để làm chuyển động cơ cấu, tuy nhiên tính mềm dẻo chưa cao. Thiết bị trong nước thì chỉ
thuần cơ khí nên bệnh nhân không tự theo dõi được các thông số tập luyện của mình. Vì vậy,
812


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
nhóm tác giả đã đề xuất làm mô hình thiết bị hỗ trợ tập luyện phục hồi khớp cổ tay cho các
bệnh nhân có sử dụng cơ cấu PAM. Thiết bị được điều khiển tự động, dưới sự giám sát và
điều khiển bằng máy tính. Thông số tập luyện như chu kỳ tập, tốc độ di chuyển và góc tập sẽ
được giám sát và điều khiển bằng phần mềm trên máy tính, tay tập được điều khiển bằng cơ
cấu PAM nên có tính linh hoạt cao.
2. NỘI DUNG CHÍNH
2.1. Giới thiệu về cơ cấu PAM
Cơ cấu PAM (hình 1.a) hoạt động tương tự như cơ của con người, có thể co lại và giãn
ra một cách linh hoạt. PAM có thể chịu lực tác dụng lớn và khối lượng lớn so với các cơ cấu

khác như động cơ điện hay xylanh khí nén. Hiện nay, PAM được ứng dụng nhiều trong các
robot y học và các thiết bị trợ lực cho người khuyết tật. So với xylanh khí nén cùng đường
kính thì PAM có ưu điểm khá nổi trội với trọng lượng nhỏ hơn 10%, lực tác dụng lớn gấp 10
lần, di chuyển nhẹ nhàng hơn, nên việc điều chỉnh vị trí rất đơn giản.
Cơ cấu PAM được thiết kế bằng một ống cao su đóng kín một đầu và được bọc một lớp
nylon, đầu còn lại được nối với nguồn không khí vào. Khi cấp khí vào trong ống thì nó sẽ
giãn ra giống như trái bóng cao su. Đường kính của lớp nylon sẽ tăng lên và chiều dài giảm
xuống, đây là tính chất của lớp nylon, nguyên lý làm việc của nó thể hiện như hình 1.b.

Hình 1a: Cơ cấu PAM của hãng Festo

Hình 1b: Sự thay đổi bước của lớp bện
nylon bên ngoài

2.2. Ứng dụng của cơ cấu PAM trên thiết bị tập cổ tay
2.2.1. Mô hình nghiên cứu

Hình 2: Mô hình nghiên cứu ứng dụng của cơ cấu PAM
813


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Hình 2 là mô hình nghiên cứu, trên đó thể hiện tay tập, cơ cấu PAM, van điều khiển khí
nén và thiết bị điều khiển. Góc tập luyện của cơ cấu tay tập được điều khiển và giám sát bằng
phần mềm trên máy tính, bộ điều khiển nhận dữ liệu từ encoder kiểm tra so sánh với góc tập
luyện, từ đó xuất điện áp để điều chỉnh độ mở van tỷ lệ. Khí qua van tỷ lệ đến cơ cấu PAM
điều khiển tay tập quay theo góc đã cài đặt trên máy tính.
2.2.2. Thiết lập phương trình động học của mô hình
2.2.2.1. Phương trình lưu lượng trong van tỷ lệ
Van tỷ lệ có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng khí tỷ lệ với điện áp mở van nên ta có

phương trình:

dm1
dm2
 K V .u t  ;
  KV .u t 
dt
dt

(1)

Ngoài ra, ta có phương trình lưu lượng khí qua từng lỗ van:

dm1
dm
 Av .Cv . pin1  pout1 ; 2  Av .Cv . pin 2  pout2
dt
dt

(2)

Trong bài báo này giới thiệu công thức liên quan giữa áp suất và điện áp đặt vào của
van tỷ lệ do Z.Situm và J.Petric đề xuất:

p  p  K .u

(3)

Trong đó:
m1, m2: khối lượng không khí.

Kv: hệ số tỷ lệ điện áp van.

K: hệ số khuếch đại

τ: hằng số thời gian.

Δp: hiệu áp p1-p2 qua lỗ van.

pout, pin: áp suất vào và ra của lỗ van.

Av: diện tích lỗ van.

Cv: hệ số của van.

2.2.2.2. Phương trình lực của cơ cấu PAM
Từ cấu tạo của cơ cấu PAM xây dựng mô hình tính toán cho cơ cấu như sau:

Hình 3: Các thông số của cơ cấu PAM
Lực do cơ cấu PAM gây ra phụ thuộc vào áp suất và độ biến dạng, trong bài báo này sử
dụng công thức do Tondul và Lopes đề xuất:



F  , p   r0 p a1     b
Trong đó:

a

2

3

tan  0 
2

;



(4)

b
814

1

sin  0 
2

;



x0  x
;
x0


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

D: đường kính của cơ cấu PAM (m)

D0: đường kính ban đầu của cơ cấu PAM (m)

r0: bán kính ban đầu của cơ cấu PAM (m)

L: chiều dài lớp bện nylon (m)

n: số bước bện.

α: góc bện (0).

x: chiều dài của PAM khi tác dụng lực (m).

x0: chiều dài ban đầu của PAM (m).

2.2.2.3. Phương trình động học của cơ cấu tay tập

Hình 4: Sơ đồ động học của cơ cấu tay tập
Động năng của hệ: K 
Thế năng của hệ: P 

1 2
I
2

1
mgL sin 
2

Hàm Lagrange:

L

1 2 1
I  mgL sin 
2
2

(5)

Phương trình Lagrange:
M  B 

d  L  L
 
dt    

(6)

Từ (4) và (5) ta có:
1
M  I  B  mgL cos 
2

(7)

M  F1  F2 r

(8)

Với:
Từ (4) lực do cơ cấu PAM tạo ra:







F1  r0 p1 a1     b ; F2  r0 p2 a1     b
2

Từ (8), (9) ta có:



2



M  p a1     b r .r0
2



(9)

(10)

Từ (7) và (10) có các phương trình động lực học:





1
2
I  B  mgL cos   p a1     b r .r0
2
815

(11)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV



p  p  K .u

1
 
2
 I  B  mgL cos   p a1     b r .r0
2

x x

 0


x0





(12)

Đặt: x  x0  x  r (độ dịch chuyển của cơ cấu PAM)
Thay vào (12):



p  p  K .u

1
 
2
 I  B  mgL cos   p a 1  2  
2

x



x0







 b r .r0



p  p  K .u

 

1
r r 2 2




 2
 I  B  mgL cos   p a 1  2
2
x0
x0
 


x




x0



  b r .r0






p  p  K .u

1
 
2
 I  B  mgL cos   p A1  A2  A3 r .r0
2

x



x0



Với: A1  a



(13)

r2
r
; A2  2a 2 ; A3  a  b
2
x0
x0

Từ (13) biến đổi Laplace để tìm hàm truyền, ta tuyến tính hóa quanh điểm θ = π/2.

 .s.ps   ps   K .us 

 2
I .s . s   B.s. s    .r .r0 .A4 .ps 

(14)

Với: A4  A1 2  A2  A3

K

ps  
u s 


 .s  1
I .s 2 . s   B.s. s    .r .r0 .A4 .ps 

(15)

Ta có được hàm truyền thu gọn của hệ như sau:

Gs  

 s 
u s 



A5
 .s  1I .s 2  B.s 

(16)

Với: A5  K . .r .r0 .A4 ; I: mômen quán tính thu gọn của cơ cấu tay tập; B: hệ số ma
sát nhớt.
816


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.2.3. Ứng dụng PID điều khiển cho cơ cấu tay tập
Trong bài báo này sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để khảo sát đáp ứng của hệ. Tín
hiệu điều khiển ở đây là điện áp tỷ lệ với hiệu áp qua van tỷ lệ. Sơ đồ điều khiển cho tay tập:

Hình 5: Sơ đồ điều khiển của cơ cấu tay tập
Tín hiệu điện áp điều khiển van tỷ lệ là điều khiển theo PID, được mô tả bằng phương
trình (17).
t

u (t )  K p e(t )  K I  e(t )dt  K D
0

de(t )
dt

(17)

Với e(t) là giá trị so sánh giữa giá trị cài đặt và giá trị thực tế. Các hệ số KP, KI, KD được
tìm theo phương pháp Ziegler-Nichols.
2.2.4. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab
Sử dụng công cụ Simulink trong Matlab để mô phỏng động lực học của cơ cấu với các
thông số có giá trị là: K = 0,11.106 (Pa/V); τ: = 0,12 (s); r0 = 0,01 (m); α0 = 300; x0 = 0.3 (m); r
= 0.025 (m); L= 0.3 (m); m = 1 (kg). Hệ số KP = 50; KI = 1; KD = 1 tìm được cho kết quả đáp
ứng tốt nhất, kết quả mô phỏng được trình bày ở hình (7)÷(8). Kết quả mô phỏng cho thấy
thời gian đáp ứng của cơ cấu là nhanh (1s), độ vọt lố khá nhỏ (5%), sai số thấp.

Hình 6: Sơ đồ mô phỏng cơ cấu tay tập

817


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Dap ung cua co cau tay tap
0.7
Gia tri mo phong goc
Diem cai dat goc dat

Goc quay (rad)

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0

1

2

3

4

5
Thoi gian (s)

6

7

8

9

10

Hình 7: Đáp ứng của cơ cấu tay tập góc /6
Dap ung cua co cau tay tap
1.2
Gia tri mo phong goc
Diem cai dat goc dat

Goc quay (rad)

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

0

0.5

1

1.5

2

2.5
Thoi gian (s)

3

3.5

4

4.5

5

Hình 8: Đáp ứng của cơ cấu tay tập góc /4
2.3. Xây dựng mô hình thực tế của cơ cấu tập phục hồi chức năng cổ tay
Trong mô hình nghiên cứu có sử dụng cảm biến encoder, van tỷ lệ 5/3 MPYE-5-M5010-B của hãng Festo, PAM có chiều dài 300mm, đường kính PAM là 20mm. Bộ điều khiển
sử dụng vi điều khiển Pic 18f4231 và kết nối với máy tính thông qua cổng truyền thông
Rs232. Áp suất điều khiển là 0.4Mpa, khối lượng tay cầm m=1 kg. Nguyên lý làm việc của
máy được thực hiện như sau: Tay tập của bệnh nhân được cố định trên giá đỡ, cổ tay được
kẹp với tay cầm tập bằng đai mềm. Lựa chọn góc tập luyện và chu kỳ tập trên máy tính, máy
sẽ tự động điều khiển cổ tay theo góc cài đặt và hiện thị thông số góc thực tế về để theo dõi.

Hình 9: Mô hình thực tế
818


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 10: Tập cổ tay
Dap ung thuc nghiem cua bo dieu khien
50
Gia tri mo phong x
Diem cai dat xd

Goc quay (do)

40

30

20

10

0

0

1

2

3
Thoi gian (s)

4

Hình 11: Đáp ứng ở góc cài đặt 450

Hình 12: Kết quả tập ở góc cài đặt 450
819

5

6


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
KẾT LUẬN
Kết quả của nghiên cứu trên là:
- Thiết lập được các phương trình động lực học của mô hình tập phục hồi chức năng cổ tay.
- Tính toán, thành lập được hàm truyền và xây dựng đươc bộ điều khiển PID cho mô
hình, từ đó mô phỏng đáp ứng của hệ bằng phần mềm Matlab Simulink. Kết quả mô phỏng
các thông số lý thuyết được trình bày ở hình (7)÷(8) cho thấy đáp ứng của cơ cấu tay tập là
khá tốt với thời gian đáp ứng nhanh và sai số thấp.
- Xây dựng được mô hình thực nghiệm để nghiên cứu điều khiển góc quay của cơ cấu
tay tập kết quả mô hình thực tế được trình bày ở hình (9)÷(10). Trong quá trình dựng mô hình
thực nghiệm chúng tôi đã thiết kế và lắp ráp mạch chuyển đổi tín hiệu A/D, D/A, viết chương
trình giao diện với máy tính để có thể điều khiển, lưu kết quả và vẽ đồ thị đáp ứng thực tế trên
máy vi tính, được thể hiện trên hình (11)÷(12).
- Tay tập bệnh nhân được giá đỡ một cách linh hoạt nhờ thay đổi cơ cấu đỡ tay, cơ cấu
tay tập di chuyển nhẹ nhàng với nhiều góc độ và chu kỳ tập luyện khác nhau, bệnh nhân lựa
chọn các tham số tập luyện phù hợp với từng giai đoạn điều trị.
- Từ kết quả nghiên cứu này ta thấy có thể áp dụng cơ cấu PAM để điều khiển tự động
cho thiết bị tập phục hồi chức năng và là cơ sở để thiết kế các sản phẩm ứng dụng cho thực tiễn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tondu B, Lopez P. Modeling and control of Mckibben artificial muscle robot
actuators.IEEE Control Systems Magazine, 2000, 20, 15–38.
[2] Šitum, Ž., Petri, J.: Modeling and Control of Servopneumatic Drive, Strojarstvo, 43, 1-3,
pp. 29-39, 2001.
[3] Colbrunn, R.: Design and Control of a Robotic Braided Pneumatic Actuators M.S.
Thesis, Case Reserve University, Cleveland, Ohio, USA, 2000.
[4] Richer E., Hurmuzlu Y., A High Performance Pneumatic Force Actuator System: Part 1

– Nonlinear Mathematical Model, ASME J. of Dynamic Systems, Measurement and
Control, 122, 3, pp. 416-425, 2000.
[5] Šitum Ž., Pavkovi D., Novakovi B., Servo Pneumatic Position Control Using Fuzzy
PID Gain Scheduling, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control,
126, 2, pp. 376-387, 2004.

820