Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị tập phục hồi chức năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TẬP PHỤC HỒI CHỨC NĂNG MÃ SỐ: SV2021-19 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN ANH QUỐC SKC007587 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TẬP PHỤC HỒI CHỨC NĂNG SV2021-19 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Nguyễn Anh Quốc Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 181462A khoa Cơ khí Chế tạo máy Năm thứ:4 /Số năm đào tạo: Ngành học: CNKT Cơ điện tử SV thực hiện: Trần Thế Lực Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 181461A khoa Cơ khí Chế tạo máy Năm thứ:4 /Số năm đào tạo: Ngành học: CNKT Cơ điện tử SV thực hiện: Nguyễn Võ Tâm Toàn Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 181462C khoa Cơ khí Chế tạo máy Năm thứ:4 /Số năm đào tạo: Ngành học: CNKT Cơ điện tử Người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Trường Thịnh TP Hồ Chí Minh, 10/2021 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com i MỤC LỤC MỤC LỤC i MỤC LỤC BẢNG vi MỤC LỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.2.1 Hệ thống PHCN robot 1.2.2.2 Hệ thống thực tế ảo 1.2.2.3 Hệ thống thực tế ảo tăng cường 1.2.2.4 Trí tuệ nhân tạo PHCN 1.3 Lý chọn đề tài 1.4 Mục tiêu đề tài 1.4.1 Mục tiêu tổng quát 1.4.2 Mục tiêu cụ thể 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Đối tượng phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG 2: NỀN TẢNG Y HỌC TRONG PHỤC HỒI CHỨC NĂNG VẬN ĐỘNG 10 2.1 Giới thiệu 10 2.2 Lý thuyết vận động 10 2.2.1 Các nhóm chi 10 2.2.2 Các nhóm chi 10 2.3 Phục hồi chức 11 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com ii 2.3.1 Vai trò 11 2.3.2 Thời điểm 12 2.3.3 Mục tiêu PHCN vận động 13 2.3.4 Đặc điểm PHCN sau đột quỵ 13 2.4 Điều kiện tham gia trị liệu 13 2.4.1 Huyết áp 13 2.4.2 Độ tuổi sức khỏe 14 2.4.3 Nhận thức 15 2.5 Quy trình tập PHCN 15 2.5.1 Lượng giá 15 2.5.2 Thiết lập mục tiêu 16 2.5.3 Can thiệp 17 2.6 Kết luận 17 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 18 3.1 Giới thiệu 18 3.2 Yêu cầu cho mơ hình động học cho hệ thống 18 3.3 Phương án thiết kế hệ thống 18 3.3.1 Hệ thống hỗ trợ khâu cuối 19 3.3.2 Hệ thống hỗ trợ khung xương 19 3.3.3 Robot phẳng 20 3.4 Lựa chọn phương án thiết kế 21 3.5 Phân tích cấu hình hệ thống 22 3.5.1 Bộ phận trục chân 22 3.5.2 Bộ phận quay tay 23 3.5.3 Cơ cấu thay đổi khoảng cách 23 3.5.4 Cơ cấu kháng lực 24 3.5.5 Hệ thống trợ lực 25 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com iii 3.6 Tính tốn truyền 26 3.7 Tính tốn bền 27 3.7.1 Tải trọng tác dụng lên trục 27 3.7.2 Kiểm nghiệm độ bền 28 3.7.2.1 Kết tính ứng suất 28 3.7.2.2 Kết tính chuyển vị 28 3.8 Tính tốn động điện 29 3.9 Kết luận 30 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 31 4.1 Giới thiệu 31 4.2 Phân tích tốn động học hệ người 31 4.3 Bài toán động lực học hệ thống 32 4.4 Tính tốn lực ma sát tạo kháng lực 32 4.5 Nội suy lực tay bệnh nhân tác động vào tay cầm 33 4.6 Nội suy lực chân bệnh nhân tác động vào bàn đạp 34 4.7 Nội suy lực cho bó 35 4.7.1 Nội suy lực cánh tay 35 4.7.2 Nội suy lực chân 36 4.8 Kết luận 37 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN 38 5.1 Giới thiệu 38 5.2 Cấu trúc hệ thống điện điều khiển 38 5.3 Hệ thống cảm biến 39 5.3.1 Thị giác máy 39 5.3.2 Encoder 40 5.3.3 Cảm biến moment xoắn 41 5.4 Điều khiển động trợ lực 41 5.5 Truyền thông 42 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com iv 5.6 Kết luận 43 CHƯƠNG 6: TƯƠNG TÁC THỰC TẾ ẢO TĂNG CƯỜNG 44 6.1 Giới thiệu 44 6.2 Thiết bị hiển thị 44 6.3 Bài tập PHCN 45 6.4 Phần mềm giám sát hệ thống tập 47 6.5 Bảng điều khiển thu thập liệu 48 6.6 Cấu trúc môi trường tăng cường trò chơi tăng cường 49 6.6.1 Môi trường tăng cường 49 6.6.2 Kiến trúc tập hệ thống 49 6.7 Tương tác người sử dụng hệ thống 50 6.8 Giao diện với người sử dụng 50 6.9 Giao diện kết nối với điều khiển 51 6.10 Cơ sở thiết kế giao diện hệ thống 52 6.11 Kết luận 52 CHƯƠNG 7: ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO 53 7.1 Giới thiệu 53 7.2 Xây dựng liệu trình luyện tập dựa mạng Fuzzy 54 7.2.1 Thuật toán Fuzzy 54 7.2.2 Xây dựng liệu trình tập luyện 54 7.3 Hiệu chỉnh liệu trình dưa mạng Fuzzy 57 7.4 Giám sát bệnh nhân thông qua mạng Perceptron 58 7.5 Kết luận 60 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 61 8.1 Giới thiệu 61 8.2 Thông số kỹ thuật phần cứng 61 8.3 Xây dựng quy trình tập PHCN 63 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com v 8.4 Đánh giá hệ thống thị giác máy 65 8.4.1 Camera phía diện 65 8.4.2 Camera bên 66 8.5 Kết luận 67 CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 9.1 Kết luận 69 9.2 Kiến nghị 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC A: BẢNG KHẢO SÁT MOMENT CÁC CHI KHI THỰC HIỆN BÀI TẬP PHỤC HỒI CHỨC NĂNG 76 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com vi MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1: Chức vận động nhóm bó tay 10 Bảng 2.2: Các giai đoạn PHCN sau đột quỵ [29] 12 Bảng 2.3: Thang đo MMT 16 Bảng 8.1: Thông số phần cứng hệ thống PHCN 62 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com vii MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Một bệnh nhân bị liệt nửa người sau đột quỵ Hình 1.2: Một số thiết bị tập PHCN công ty Phana Hình 1.3: Các mơ hình phân loại PHCN robot Hình 1.4: Hệ thống PHCN chi Lokomat [9] Hình 1.5: Hệ thống PHCN thực tế ảo Hình 1.6: Thiết bị Man&Tel SBT hỗ trợ điều trị thông qua đồ họa Hình 1.7: Phân tích chức hệ thống tập PHCN Hình 2.1: Quy trình tập PHCN 15 Hình 3.1: NeReBot (trái) [37] Gait Trainer GTI (phải) [38] 19 Hình 3.2: Khung xương ESTEC [40] 20 Hình 3.3: HAL robot [41] 20 Hình 3.4: Braccio di Ferro (trái) [42] Hybrid PLEMO (phải) [43] 21 Hình 3.5: Ý tưởng hệ thống tập PHCN 21 Hình 3.6: Mơ người trạng thái chân phải duỗi (trái) co (phải) .22 Hình 3.7: Mô người trạng thái tay phải duỗi (trái) co (phải) 23 Hình 3.8: Thanh điều chỉnh khoảng cách 24 Hình 3.9: Mơ hình cấu kháng lực hệ thống 24 Hình 3.10: Cấu tạo hệ thống trợ lực 25 Hình 3.11: Lực tác dụng lên đai 26 Hình 3.12: Mơ hình lực phần chân đạp trạng thái chịu tải tĩnh 27 Hình 3.13: Biểu đồ nội lực 27 Hình 3.14: Kết phân tích tính tốn ứng suất phần mềm SolidWorks 28 Hình 3.15: Kết phân tích tính tốn chuyển vị phần mềm SolidWorks 28 Hình 3.16: Mơ hình thiết bị tập PHCN 30 Hình 4.1: Mơ hình phân bố bậc tự chi người 31 Hình 4.2: Mơ hình tính tốn cho hệ trục quay-bánh đai 32 Hình 4.3: Tính tốn lực ma sát bánh quay 33 Hình 4.4: Mơ hình tính tốn lực cánh tay 34 Hình 4.5: Mơ hình tốn lực chân đạp 35 Hình 4.6: Mơ hình tốn lực nhóm cánh tay 36 Hình 4.7: Mơ hình tốn lực nhóm chân 37 Hình 5.1: Cấu trúc hệ thống kết nối hệ thống điện 38 Hình 5.2: Các bước xử lý xử lý ảnh 39 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com viii Hình 5.3: Mơ hình lắp đặt hệ thống thị giác máy 40 Hình 5.4: Mơ khung xương người tập 40 Hình 5.5: Cấu tạo Encoder 41 Hình 5.6: Sơ đồ khối điều khiển động 42 Hình 6.1: Cấu trúc phần mềm sử dụng hệ thống 46 Hình 6.2: Cấu trúc trình vật lý trị liệu 46 Hình 6.3: Phần mềm điều khiển mơ tả giai đoạn q trình thực thi .47 Hình 6.4: Sơ đồ khối thực thi vịng lặp để thu thập khối liệu lớn 48 Hình 6.5: Kiến trúc tập hệ thống 49 Hình 6.6: Giao diện phần mềm AR hệ thống 51 Hình 6.7: Cấu trúc chương trình điều khiển 51 Hình 7.1: Một đầu vào liệu trình 55 Hình 7.2: Mơ hình hệ thống dựa vào thuật tốn Fuzzy 56 Hình 7.3: Khảo sát ban đầu cho bệnh nhân 56 Hình 7.4: Liệu trình cho bệnh nhân 57 Hình 7.5: Khảo sát hiệu chỉnh liệu trình 57 Hình 7.6: Nhận diện khung xương bệnh nhân 58 Hình 7.7: Mạng trí tuệ nhân tạo Perceptron 59 Hình 8.1: Tổng quan hệ thống tập PHCN 61 Hình 8.2: Hệ thống khí sau chế tạo 63 Hình 8.3: Quy trình luyện tập 64 Hình 8.4: Các tọa độ khớp cần nhận diện cho đánh giá tư 65 Hình 8.5: Trường hợp nhận diện 66 Hình 8.6: Trường hợp nhận diện sai 66 Hình 8.7: Trường hợp nhận diện sai 67 Hình 8.8: Trường hợp nhận diện 67 Hình 9.1: Các mục tiêu triển khai 69 Hình 9.2: Kiến nghị cho hệ thống 70 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 66 Hình 8.5: Trường hợp nhận diện Hình 8.6: Trường hợp nhận diện sai 8.4.2 Camera bên Kết thực nghiệm cho thấy độ xác 89% với độ sai lệch trung bình 8.7 Tuy độ xác giảm rõ rệt sai lệch lớn điều hoàn toàn dễ hiểu Do đặt camera bên tình nguyện viên, gần nửa phần chi chị che khuất dẫn đến hệ thống thị giác máy khó lịng phân biệt chi với từ dẫn đến kết gặp sai sót Tuy nhiên, sai sót nằm mức chấp nhận (