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 mômen 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 lowerlimb 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 controlsystem design of the mobility assisting and rehabilitation biorobots.
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: trung-kien.dao@mica.edu.vn GS. TS. Đào Văn Hiệp Học viện Kỹ thuật quân sự email: hdaovan@mta.edu.vn 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. . 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, . 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. 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