Đề xuất phương pháp lập quỹ đạo chuyển động cho robot phục hồi chức năng chi trên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trường Cơ Khí -NGUYỄN VĂN HUY nvhuy98@gmail.com Đề xuất phương pháp lập quỹ đạo chuyển động cho robot phục hồi chức chi Chuyên ngành : Hệ thống điện tử thông minh LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ thuật Cơ Điện tử NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Nguyễn Thành Trung Hà Nội – 03/2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Nguyễn Văn Huy Đề tài luận văn: Đề xuất phương pháp lập quỹ đạo chuyển động cho robot phục hồi chức chi Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện tử Mã số SV: 20211286M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 09/03/2023 với nội dung sau: - Chỉnh sửa lỗi chế gồm: Lỗi tả, lỗi dồn trang, trích dẫn cơng thức, Việt hóa đồ thị, việt hóa bảng, chỉnh sửa danh mục tài liệu tham khảo - Chỉnh sửa nội dung chương chương 2: Chuyển đổi phần giới thiệu mơ hình robot mơ hình đo lên chương - Bổ sung hình ảnh minh họa hệ trục tọa độ gắn với mơ hình robot mơ hình đo, thêm ma trận biến đổi tọa độ giúp tính tốn động học robot - Bổ sung nghiên cứu, tài liệu tham khảo liên quan đến phương pháp đề xuất quỹ đạo chuyển động cho robot - Bổ sung tham số trình áp dụng thuật toán DE - Chỉnh sửa tên đề xuất, tên phương pháp: Đề xuất 1: Kết hợp thuật toán DMPs DE - Chỉnh sửa nội dung chương 4, nêu bật đóng góp làm rõ hướng phát triển nghiên cứu tương lai Ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận Nguyễn Thành Trung Nguyễn Văn Huy CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG văn LỜI CẢM ƠN Lời tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thành Trung – Trường Cơ Khí – Đại học Bách Khoa Hà N ội người thầy định hướng khoa học tận tình hướ ng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thự c luận án Thầy truyền cho hứng thú niềm hạnh phúc lớn lao nghiên cứu khám phá khoa họ c, biết vượt qua khó khăn để vươn tới, với tinh thần tận tụ y với học trị nghiêm túc nghiên cứu khoa học.Tơi xin cảm ơn thầy cô giáo Đại học Bách Khoa Hà Nội giảng dạy, trang bị kiến thức để giúp thực Luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể thầy,cô Đại học Bách khoa Hà Nội giản dạy cho nhiều kiến thức quý giá, đồng thời động viên, chia sẻ, giúp đỡ tạo điề u kiện thuận lợi thời gian, vật chất tinh thần để thực luận án Tôi mong muốn cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp người thân động viên, giúp đỡ, quan tâm, hỗ trợ tơi cơng việc để tơi có điều kiện thực luận án Cuối cùng, xin gửi tới người thân u gia đình nhỏ tơi lịng biết ơn sâu sắ c Sự động viên, hỗ trợ hi sinh thầm lặng bố mẹ, anh em, tình cảm vơ giá, nguồn động lực tinh thần vô mạnh mẽ giúp kiên trì vượt qua khó khan suốt q trình học tập nghiên cứu Đại học Bách Khoa Hà Nội HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên Nguyễn Văn Huy Tóm tắt nội dung luận văn Tổ chức WHO dự báo vào năm 2050 tổ ng số lượng người cao tuổi tăng gấp đơi, kèm theo gia tăng bệnh liên quan Để ứng phó với tình hình đó, việc phát triển loại Robot phục hồi chức nhu cầu cấp thiết Luận văn tập trung vào nghiên u Robot phục hồi chức chi trên, đặc biệt phương pháp thiết lập quỹ đạo chuyển động cho robot Quá trình nghiên cứu việc thu thập tài liệu dạng robot phục hồi chức chi liệu đo từ dạng tập phục hồi chức năng, hoạt động ngày người sử dụng Sau nghiên cứu đề xuất sử dụng thuật toán Dynamic Movement Primitives (DMPs) để thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot Cuối nghiên cứu đề xuất phương pháp Differential Evolution (DE) mạng nơ-ron hồi tiếp (LSTM) để giải toán động học ngược thiết kế quỹ đạo góc khớp cho Robot Phần mềm Matlab Python sử dụng để tính toán vẽ đồ thị, xuất bảng số liệu nghiên cứu Kết luận văn giải vấn đề đặt ra, có tính khoa học thực tiễn cao HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên Nguyễn Văn Huy MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG x PHẦN MỞ ĐẦU xi Lý chọn đề tài xi Đối tượng phương pháp nghiên cứu xi Mục đích nghiên cứu xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình bệnh đột quỵ cách chữa trị 1.1.1 Tình hình bệnh đột quỵ 1.1.2 Phương pháp chữa trị đột quỵ phục hồi chức (PHCN) 1.1.3 Đột quỵ phục hồi phục hồi chức (PHCN) 1.2 Tổng quan Robot phục hồi chức chi 1.2.1 MGA-exoskeleton 1.2.2 Mơ hình L-EXOS 1.2.3 Mơ hình Armin 1.3 Kết luận chương 12 CHƯƠNG ROBOT PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHI TRÊN (UEXOSVN) VÀ CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN 13 2.1 Mơ hình Robot phục hồi chức chi (UexosVN) 13 2.2 Mơ hình thiết bị đo 16 2.3 Bài toán động học 21 2.3.1 Bộ thông số Denavit-Hartenberg 21 2.4 2.1) 21 2.4.2 Ma trận biến đổi hệ trục tọa độ nhất: 22 2.4.3 Bài toán động học thuận 24 2.4.4 Bài toán động học ngược 25 2.5 Bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển động 25 2.5.1 Các phương pháp thiết kế quỹ đạo cho robot công nghiệp 25 2.5.2 Các phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot phục hồi chức chi 26 2.6 Kết luận chương .29 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT LẬP QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT UEXOSVN 31 3.1 Đề xuất 1: Kết hợp thuật toán DMPs DE 31 3.1.1 Sử dụng DE để cải thiện chất lượng quỹ đạo sinh từ DMPs 31 3.1.2 Sử dụng DMPs kết hợp DE để thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot phục hồi chức chi 33 3.2 Đề xuất 2: Kết hợp thuật toán DMPs mạng Nơ-ron hồi tiếp 36 3.2.1 3.2.2 DMPs tạo liệu huấn luyện cho mạng nơ-ron nhân tạo 36 Sử dụng DMPs kết hợp mạng nơ-ron hồi tiếp để thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot phục hồi chức chi 40 3.3 Thiết lập thử nghiệm, kết so sánh phương pháp 45 3.4 3.3.1 Thiết lập thử nghiệm 45 3.3.2 Kết sau huấn luyện mơ hình mạng nơ-ron hồi tiếp 46 3.3.3 Kết so sánh phương pháp thiết lập quỹ đạo góc khớp .50 3.3.4 Ưu điểm, nhược điểm phương pháp 64 Kết luận chương .65 CHƯƠNG KẾT LUẬN 66 4.1 Đóng góp luận văn 66 4.2 Hướng phát triển nghiên cứu tương lai 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC .71 A1: Dynamic movement primitives (DMPs) 71 A2: Differential Evolution (tiến hóa vi phân) 78 A3: Mạng Mạng nhớ dài-ngắn (Long Short Term Memory networks LSTM) 81 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tỷ lệ đột quỵ theo tuổi quốc gia 2016 (Nguồn: The Lancet Neurology) Hình 1.2 Tỷ lệ đột quỵ toàn cầu theo độ tuổi giới tính, 2016 Hình 1.3 Mơ hình MGA-Exoskeleton Hình 1.4 Mơ hình L-EXOS đeo người Hình 1.5 Mơ hình khí L-EXOS .9 Hình 1.6 Mơ hình Armin I Hình 1.7 Hình mơ tả thiết lập ARMin II 10 Hình 1.8 Cài đặt Armin III 11 Hình 1.9 Hình biểu thị quỹ đạo cho chế độ thụ động 11 Hình 2.1 Mơ hình robot phục hồi chức chi 13 Hình 2.2 Mơ hình động học robot phục hồi chức chi 13 Hình 2.3 Khớp vai 14 Hình 2.4 Khớp khuỷu tay 14 Hình 2.5 Khớp cổ tay 15 Hình 2.6 Cấu tạo phần bàn tay robot 16 Hình 2.7 Cơ cấu điều khiển chiều dài cẳng tay 17 Hình 2.8 Cấu tạo cẳng tay Robot 18 Hình 2.9 Cấu tạo phần bắp tay robot 18 Hình 2.10 Cấu tạo khớp vai Robot 19 Hình 2.11 Chế tạo chi tiết trục khớp 19 Hình 2.12 Hệ thống đo hồn thiện 20 Hình 2.13 Minh họa xác định thông số DH 22 Hình 2.14 Quy ước hệ trục tọa độ robot (UexosVN) 23 Hình 2.15 Quy ước hệ trục tọa độ mơ hình đo 23 Hình 2.16:Người bệnh thực tập uống nước 26 Hình 3.1 Số lượng hàm chức thay đổi theo độ phức tạp quỹ đạo 32 Hình 3.2 Thuật tốn DE cho toán robot 35 Hình 3.3 Sơ đồ thuật tốn DMPs kết hợp với DE 36 Hình 3.4 Quỹ đạo đo mẫu điểm mặt phẳng cần đo 37 Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán sử dụng DMPs để sản sinh liệu 38 Hình 3.6 Tọa độ điểm cuối quỹ đạo thu sau sản sinh liệu 39 Hình 3.7 Minh họa quỹ đạo chuyển động DMPs cho q DMPs cho E 40 Hình 3.8 Sequence to Sequence Model in Machine Translation .41 Hình 3.9 Bộ mã hóa - Encoder 42 Hình 3.10 Mơ hình mạng nơ-ron hồi tiếp cho tốn thiết kế quỹ đạo góc khớp 43 Hình 3.11 Sơ đồ phương pháp DMPs kết hợp với mạng nơ-ron .45 Hình 3.12 Giá trị góc khớp mong muốn (đánh bóng) 51 Hình 3.13 Giá trị góc khớp NN (đánh bóng) 52 Hình 3.14 Giá trị góc khớp DE (đánh bóng) 52 Hình 3.15 Sai lệch góc khớp NN (đánh bóng) .53 Hình 3.16 Sai lệch góc khớp DE (đánh bóng) 53 Hình 3.17 Sai lệch vị trí NN (đánh bóng) 54 Hình 3.18 Sai lệch vị trí DE (đánh bóng) 54 Hình 3.19 Giá trị góc khớp mong muốn (lấy nước) 56 Hình 3.20 Giá trị góc khớp NN (lấy nước) 56 Hình 3.21 Giá trị góc khớp DE (lấy nước) 57 Hình 3.22: Sai lệch góc khớp NN (lấy nước) 57 Hình 3.23 Sai lệch góc khớp DE (lấy nước) 58 Hình 3.24 Sai lệch vị trí NN (lấy nước) 58 Hình 3.25 Sai lệch vị trí DE (lấy nước) 59 Hình 3.26 Giá trị góc khớp mong muốn (uống nước) 60 Hình 3.27 Giá trị góc khớp NN (uống nước) 61 Hình 3.28 Giá trị góc khớp DE (uống nước) 61 Hình 3.29 Sai lệch góc khớp NN (uống nước) 62 Hình 3.30 Sai lệch góc khớp DE (uống nước) 62 Hình 3.31 Sai lệch vị trí NN (uống nước) 63 Hình 3.32 Sai lệch vị trí DE (uống nước) 63 Hình 5.1: Giá trị hàm (basis function) trình x giảm từ 72 Hình 2: Giá trị trọng số w giá trị hàm f 73 Hình 5.3: Quỹ đạo mong muốn 73 Hình 5.4: Quỹ đạo thu tương ứng với giá trị điểm cuối 74 Hình 5.5: So sánh giảm tuyến tính giảm theo hàm e 74 Hình 5.6: Hàm kích hoạt theo thời gian 75 Hình 5.7: Giá trị x theo thời gian 75 Hình 5.8: Điểm trung tâm cho hàm basics functions 76 Hình 5.9 Sơ đồ thuật tốn DE 79 Hình 5.10 Mô-đun lặp lại RNN tiêu chuẩn chứa lớp 81 Hình 5.11 Mơ-đun lặp lại LSTM chứa bốn lớp tương tác 81 Hình 5.12 Ký hiệu khối mạng LSTM 82 Hình 5.13 Trạn thái tế bào (cell state) LSTM 82 Hình 5.14 Tần Sigmoid mạng LSTM 83 Hình 5.15 Tầng cổng quên mạng LSTM 83 Hình 5.16 Tầng cổng vào mạng LSTM 84 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Quy ước tên chiều chuyển động cánh tay robot 15 Bảng 2.2 Bảng DH cánh tay robot phục hồi chức .24 Bảng 3.1 So sánh quỹ đạo chuyển động DMPs cho q DMPs cho E .40 Bảng 3.2 Tham số trình huấn luyện mơ hình 43 Bảng 3.3 Kết tập huấn luyện mạng nơ-ron với động tác đánh bóng 47 Bảng 3.4 Kết tập kiểm tra mạng nơ-ron với động tác đánh bóng 47 Bảng 3.5 Kết tập huấn luyện mạng nơ-ron với động tác lấy nước 48 Bảng 3.6 Kết tập kiểm tra mạng nơ-ron với động tác lấy nước .48 Bảng 3.7 Kết tập huấn luyện mạng nơ-ron với động tác uống nước 49 Bảng 3.8 Kết tập kiểm tra mạng nơ-ron với động tác uống nước 49 Bảng 3.9 Kết tập liệu so sánh NN (đánh bóng) 50 Bảng 3.10 Kết tập liệu so sánh DE (đánh bóng) .51 Bảng 3.11 Kết tập liệu so sánh NN (lấy nước) 54 Bảng 3.12 Kết tập liệu so sánh DE (lấy nước) 55 Bảng 3.13 Kết tập liệu so sánh NN (uống nước .59 Bảng 3.14 Kết tập liệu so sánh DE (uống nước) 60 Bảng 3.15 Ưu nhược điểm phương pháp thiết kế quỹ đạo góc khớp 64