Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị phục hồi chức năng khớp gối sử dụng cơ cấu tác động phỏng sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -oOo -oOo oOo - TRẦN THANH KHIẾT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI SỬ DỤNG CƠ CẤU TÁC ĐỘNG PHỎNG SINH HỌC NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY MÃ NGÀNH : LUẬN VĂN THẠ THẠC SĨ 0707-2007, TP HỒ CHÍ MINH MINH CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2007 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp.HCM, ngày tháng năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Ngày, tháng, năm sinh : Chuyên ngành : TRẦN THANH KHIẾT 01/ 06/ 1982 Công nghệ chế tạo máy Phái: Nam Nơi sinh: Tiền Giang MSHV: 00405061 I – TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU THIẾ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI SỬ DỤNG CƠ CẤU TÁC ĐỘNG PHỎNG SINH HỌC II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị phục hồi chức khớp gối sử dụng cấu tác động sinh học - Nghiên cứu ứng dụng neural network để điều khiển thiết bị - Xây dựng chương trình điều khiển đảm bảo yêu cầu sau : thay đổi linh hoạt thông số điều khiển (góc co – dũi, đáp tuyến, tốc độ co – dũi), phải có tính ổn định cao điều kiện thay đổi khác bệnh nhân III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 09 / 02 / 2007 IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09 / 07 / 2007 V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TỪ DIỆP CÔNG THÀ THÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGHÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm 2007 TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CÁM ƠN Xin chân thành cảm ơn thầy Từ Diệp Công Thành, người hướng dẫn, hỗ trợ, tạo điều kiện tốt để hoàn thành luận văn Luâïn văn hoàn thành giúp đỡ, hỗ trợ hướng dẫn thầy Xin chân thành cảm ơn thầy, cô dành thời gian để duyệt đóng góp ý kiến cho luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn đến thầy cô giảng dạy chuyên ngành cao học công nghệ chế tạo máy trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh truyền thụ nhiệt tình kiến thức kinh nghiệm suốt thời gian học tập nghiên cứu trường Xin cảm ơn Đỗ Anh Lâm, bạn tôi, người giúp nhiều khoảng thời gian làm luận văn Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn ba mẹ anh chị tôi, người tạo điều kiện tốt để yên tâm học hành động viên gặp khó khăn Sau cùng, xin chúc ba mẹ, quý thầy cô, anh chị bạn sức khỏe thành đạt Tháng năm 2007 Trần Thanh Khiết TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, cấu tác động sinh học nghiên cứu ứng kỹ thuật người máy sinh học (Bio-Robotics) kỹ thuật khí y sinh học (Bio-Mechanics) Cơ cấu tác động có đặc tính trội so với cấu tác động truyền thống (điện, thủy lực, ) tỉ số công suất / trọng lượng, công suất / thể tích lớn, nhẹ, ra, có moat số đặc tính tính an toàn cao khả chìu theo chuyển động Với ưu điểm đó, mục đích luận văn nghiên cứu ứng dụng cấu tác động sinh học lónh vực phục hồi chức khớp gối Luận văn gồm có phần: Phần : Tìm hiểu sơ cứng khớp gối cấu tác động sinh học (PAM), khảo sát thiết bị phục hồi chức khớp gối có thị trường Phần : Tính toán thiết kế thiết bị, tìm hiểu giải thuật điều khiển : giải thuật điều khiển PID phi tuyến dựa mạng nơron (Nonlinear PID control based on neural network), giải thuật bù PID dùng mạng nơron Phần : Trình bày kết thực nghiệm giải thuật Phần : Kết luận hướng phát triển đề tài ABSTRACT In recent times, Pneumatic Artificial Muscle (PAM) is being researched to apply in Bio-Robotics and Bio-Machanics fields PAM has many characteristics better than the traditional actuator (electrics, hydraulics…) : extremely high power/weight and power/volume ratios, light-weight, and safe, in addition, PAM has a special characteristic that is the compliance From these advantages, the goal of this study is going to apply PAM in the knee rehabilitation devices The structure of the thesis is following: Part : Researching the joint stiffness and overview of PAM, surveying the knee rehabilitation equipments is existing in Viet Nam and on over the world Part : Computing for device, and researching the control algorithm : - Nonlinear PID control based on neural network - Intelligent control based on neural network ( the algorithm cosists of the a neural network controller, which is installed in parallel with conventional PID controller to compensate the deficiency of the conventional PID controller) Part : Sofware and experimental resultss Part : Conclusion and the future work MỤC LỤC PHẦN I : TỔNG QUAN ………………………………………………………… Chương : Các vấn đề chấn thương khớp gối …………………………… 1- Sự sơ cứng khớp gối ………………………………………………………3 1.1- Bệnh lý sơ cứng khớp gối ………………………………… 1.2- Quá trình tiến triển sơ cứng khớp gối ……………………… 2- Giải pháp phục hồi chức khớp gối ………………………………… 3- Đề nghị sử dụng CPM …………………………………………………… Chương : Tổng quan cấu tác động sinh học…………………….9 1- Định nghóa, cấu tạo hoạt động PAM …………………………… 10 1.1- Định nghóa ………………………………………………………… 10 1.2- Cấu tạo ……………………………………………………………… 10 1.3- Hoạt động PAM ……………………………………………… 10 2- Những đặc tính PAM ……………………………………………… 13 2.1- Hoạt động PAM với tải trọng không đổi ……………………… 13 2.2- Hoạt động PAM với áp suất không đổi ……………………… 14 2.3- Ưu nhược điểm PAM ……………………………………… 15 3- Cơ dạng bện (Braided Muscles) ………………………………………….15 3.1- Cơ McKibben ……………………………………………………… 16 3.2- Cơ khí Festo ………………………………………………………… 19 4- Độ cứng/sự chiều theo PAM ……………………………………… 19 Chương : Nhiệm vụ luận văn …………………………………………………21 1- Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi chức khớp gối Việt Nam ……………………………………………………………………………… 22 2- Tình hình nghiên cứu thiết bị phục hồi chức khớp gối giới …………………………………………………………………………… 23 3- Hướng nghiên cứu luận văn …………………………………………… 25 PHẦN : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ………… 27 Chương : Tính toán thiết kế ………………………………………………… 28 1- Lựa chọn phương án …………………………………………………… 29 1.1- Yêu cầu thiết bị ……………………………………………… 29 1.2- Lựa chọn phương án ……………………………………………… 29 2- Động học ………………………………………………………………… 32 2.1- Chuyển vị góc, vận tốc góc, gia tốc góc tay quay …………… 32 2.2- Chuyển vị, vận tốc, gia tốc trượt ………………………… 33 3- Động lực học …………………………………………………………… 34 3.1- Thiết bị vị trí duỗi hết mức (góc hoạt động 100), trường hợp thiết bị có kích thước lớn ………………………………… 35 3.2- Thiết bị vị trí co lại hết mức (góc hoạt động 1200), trường hợp thiết bị có kích thước lớn ………………………………… 41 3.3- Con trượt vị trí dẫn, trường hợp thiết bị có kích thước lớn …………………………………………………… 46 3.4- Tính toán chọn PAM ……………………………………………… 51 3.5- Tính toán chọn dẫn hướng …………………………………… 52 3.6- Tính toán chọn ổ cho khớp nối tay quay truyền …… 54 3.7- Tính toán chọn ổ cho khớp nối tay quay giá ……………… 57 3.8- Tính toán chọn ổ cho khớp nối truyền trượt …… 58 3.9- Tính toán chọn trục ròng rọc ……………………………………… 59 Chương : Giải thuật điều khiển ……………………………………………… 63 1- Thuật toán PID …………………………………………………………… 65 2- Giải thuật PID phi tuyến dùng mạng nơron (Nonlinear PID based on neural network) …………………………………………………………… 67 3- Giaûi thuật bù PID dùng mạng nơron (Neural PID)……………………….72 3.1- Tổng quan hệ thống điều khiển ………………………………… 72 3.2- Bộ điều khiển mạng nơron ………………………………………… 73 3.2.1- Cấu trúc điều khiển mạng nơron …………………… 74 3.2.2- Thuật toán học ………………………………………………… 75 PHẦN : KẾT QUẢ THỰC NGHIEÄM 78 Chương : Kết thực nghiệm …………………………………………… 79 1- Phần mềm điều khiển .80 2- Kết thực nghiệm 80 2.1- Trường hợp không tải 81 2.1.1- Kết thực nghiệm thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình Sin, chu kỳ 50 (s), biên độ 600 …………………………………………………… 81 2.1.2- Kết thực nghiệm thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình Thang, chu kỳ 60 (s), biên độ 600 ………………………………………………… 83 2.2- Trường hợp có tải ……………………………………………………86 2.2.1- Kết thực nghiệm thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình Sin, chu kỳ 50 (s), biên độ 600…………………………………………………… 86 2.2.2- Kết thực nghiệm thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình Thang, chu kỳ 60 (s), biên độ 600 ………………………………………………… 88 2.3- So sánh đáp ứng điều khiển …………………………… 91 2.3.1- So sánh đáp ứng điều khiển PID trường hợp thiết bị hoạt động có tải không tải ………………………………………………… 91 2.3.2- So sánh đáp ứng điều khiển Nonlinear PID trường hợp thiết bị hoạt động có tải không tải ……………………………………… 92 2.3.3- So sánh đáp ứng điều khiển Neural PID trường hợp thiết bị hoạt động có tải không tải …………………………………………… 93 2.3.4- So sánh đáp ứng điều khiển PID, điều khiển Nonlinear PID điều khiển Neural PID trường hợp có tải ………… 95 PHẦN : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI …………… 98 1- Những kết đạt …………………………………………………… 99 2- Những hạn chế luận văn ……………………………………………… 99 3- Kiến nghị cho nghiên cứu ………………………………………… 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO -1- PHẦN I TỔNG QUAN LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 88 - Hình 6.12 : Đáp ứng hệ thống với giải thuật điều khiển Neural PID 2.2.2 2.2.22.2- Kết thực nghiệm thiết bị hoạt động với đáp tuyến hình Thang, chu kỳ 60 (s), biên độ 600 Hình 6.13 : Đáp ứng hệ thống với giải thuật điều khiển PID LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 89 - Hình 6.14 : Đáp ứng hệ thống với giải thuật điều khiển Non linear PID Hình 6.15 : Đáp ứng hệ thống với giải thuật điều khiển Neural PID LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 90 - Hình 6.16:Các hệ số Kp ,Ki ,Kd giải thuật Nonlinear PID, với đáp tuyến hình Sin Hình 6.17 : Các hệ số Kp , Ki , Kd giải thuật Nonlinear PID, với đáp tuyến hình Thang LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 91 - 2.3 2.3- So sánh đáp ứng điều khiển 2.3.1 2.3.13.1- So sánh đáp ứng điều khiển PID trường hợp thiết bị hoạt động có tả tải không tải Hình 6.18 : Đáp ứng hệ thống theo đáp tuyến hình Sin Hình 6.19 : Đáp ứng hệ thống theo đáp tuyến hình Thang Khi bắt đầu chu kỳ mới, trường hợp có tải không tải, đáp ứng hệ thống bị vọt lố Nguyên nhân tượng tính trể PAM, LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 92 - bắt đầu chu kỳ mới, áp suất bên PAM không, vậy, cần có khoảng thời gian áp suất bên PAM tăng lên đủ để tạo lực kéo Tương tự, chu kỳ sau, PAM cần khoảng thời gian để xả khí ra, lý mà gây độ vọt lố lớn chu kỳ sau Từ hình 6.18 hình 6.19, ta nhận thấy trường hợp không tải PID hoạt động tốt Trong trường hợp có tải, PID hoạt động không tốt, độ vọt lố lớn, hệ số Kp = 0,15 , Ki = 0,065 , Kd = 0,01 không thích hợp nữa, điều khiển PID cần hệ số Kp , Ki , Kd khác 2.3.2 2.3.23.2- So sánh đáp ứng điều khiển Nonlinear PID trường hợp thiết bị hoạt động có tải không tải Hình 6.20 : Đáp ứng hệ thống theo đáp tuyến hình Sin LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 93 - Hình 6.21 : Đáp ứng hệ thống theo đáp tuyền hình Thang Ở điều khiển Nonlinear PID, trường hợp có tải, đáp ứng hệ thống tốt Trong điều khiển này, hệ số Kp , Ki , Kd cập nhật liên tục, tải bên thay đổi, hệ số Kp , Ki , Kd thay đổi theo, làm cho đáp ứng hệ thống bám theo đáp tuyến tốt Từ hình 6.20 hình 6.21, ta nhận thấy trường hợp không tải đáp ứng Nonlinear PID tốt, đáp ứng hệ thống bám sát theo đáp tuyến Với điều khiển Nonlinear PID, hệ thống có tính thích nghi tốt tải bên thay đổi 2.3.3 2.3.33.3- So sánh đáp ứng điều khiển Neural PID trường hợp thiết bị hoạt động có tải không tải Hình 6.22 hình 6.23 so sánh đáp ứng hệ thống trường hợp có tải không tải với đáp tuyến hình Sin hình Thang LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 94 - Hình 6.22 : Đáp ứng hệ thống theo đáp tuyến hình Sin Hình 6.23 : Đáp ứng hệ thống theo đáp tuyến hình Thang Ta nhận thấy đáp ứng hệ thống tốt trường hợp có tải Ở điều khiển này, điều khiển mạng nơron làm nhiệm vụ bù cho điều khiển PID, tải bên thay đổi, điều khiển nơron bù thêm vào hay giảm bớt LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 95 - lượng cho điều khiển PID, điều làm cho điều khiển Neural PID có tính thích nghi cao tải bên thay đổi 3.3 3.3.4 3.4- So sánh đáp ứng điều khiển PID, điều khiển Nonlinear PID, điều khiển Neural PID trường hợp có tải Trong thí nghiệm này, ta thay đổi hệ số PID với giá trị Kp = 0,05; Ki = 0,008; Kd = 0,001 Hình 6.24 : Đáp ứng hệ thống theo đáp tuyến hình Sin LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 96 - Hình 6.25 : Sai số góc thiết bị với đáp tuyến hình Sin Hình 6.26 : Đáp ứng hệ thống theo đáp tuyến hình Thang LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 97 - Hình 6.27 : Sai số góc thiết bị với đáp tuyến hình Thang Từ hình 6.24 hình 6.26, ta nhận thấy điều khiển Neural PID điều khiển Nonlinear PID đáp ứng tốt, bám sát theo đáp tuyến, đáp ứng điều khiển PID dao động quanh đáp tuyến Ngoài ra, ta nhận thấy Neural PID thích nghi tốt tải thay đổi Nhưng hệ số Kp , Ki điều khiển Nonlinear PID tăng theo thời gian, điều làm cho hệ thống ổn định sau thời gian hoạt động Từ hình 6.25 hình 6.27, ta thấy sai số góc thiết bị hoạt động với điều khiển PID lớn so với điều khiển Nonlinear PID điều khiển Neural PID Bộ điều khiển Neural PID hoạt động ổn định nhất, sai số góc ổn định Kết luận: Từ kết thực nghiệm trên, ta nhận thấy điều khiển Neural PID hoạt động tốt nhất, có tính thích nghi tốt môi trường bên thay đổi LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 98 - PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC - 99 - 1- Những kế kết đạt • Tìm hiểu sơ cứng khớp gối khảo sát thiết bị phục hồi chức khớp gối có thị trường • Tìm hiểu ứng dụng PAM vào thiết bị phục hồi chức khớp gối • Tính toán động học động lực học thiết bị • Chế tạo mô hình thiết bị phục hồi chức khớp gối • Xây dựng giải thuật điều khiển xác vị trí góc khớp gối • Xây dựng phần mềm điều khiển giám sát thiết bị phục hồi chức khớp gối 2- Những ng hạn chế luận văn • Kích thước khối lượng mô hình lớn so với yêu cầu đặt • Chưa khử tính trễ PAM • Tốc độ co dũi chưa mong muốn 3- Kiến nghị cho nghiên cứu • Chọn vật liệu để chế tạo thiết bị nhôm inox để làm tăng tính thẩm mỹ giảm khối lượng cho thiết bị • Cải tiến giải thuật điều khiển giúp thiết bị hoạt động tốt giảm tính trể PAM • Kết hợp điều khiển vị trí điều khiển lực để tăng tính an toàn cho thiết bị • Thực tập theo thao tác mẫu chuyên gia vật lý trị liệu LUẬN VĂ VĂN CAO HỌC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2002 [2] Nguyễn Hữu Lộc, Bài tập chi tiết máy, NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2003 [3] Lại Khắc Liễm, Giáo trình học máy, NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2001 [4] Nguyễn Đình Thúc, Trí tuệ nhân tạo mạng nơron phương pháp ứng dụng, NXB Giáo Dục, 2000 [5] Nguyễn Tiến – Đặng Xuân Hường – Nguyễn Văn Hoài – Trương Ngọc Vân, Bí lập trình Visual Basic 6, NXB Giáo Dục, 1999 [6] Nguyễn Thị Phương Hà, Điều khiển tự động, NXB Khoa Học Kỹ thuật, 1996 [7] Trần Hữu Quế, Vẽ kó thuật khí, NXB Giáo Dục, 1999 [8] Nguyễn Tuấn Kiệt, Động lực học kết cấu khí, NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2002 [9] Nguyễn Đức Thành, Đo lường điều khiển máy tính, NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2005 [10] Đỗ Kiến Quốc, Giáo trình sức bền vật liệu, NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2007 [11] Shawn W.O’Driscoll, Nicholas J Giori, Continuous passive motion (CPM) : Theory and Principles of clinical application, Journal of Rehabilitation Research and Development Vol.37 No.2, 2000 [12] D G Caldwell, G A Medrano-Cerda and M Goodwin, Control of pneumatic muscle actuators, IEEE Control System Magazin, 2-1995 [13] C-P Chou and B Hannaford, Static and dynamic characteristics of McKibben Pneumatic Artifical Muscles, Proceeding of the 1994 IEEE Robotics and Automation Conference, 1994 [14] B Tondu, P Lopez, Modeling and control of McKibben artificial muscle robot actuator, IEEE Control System Magazin,vol.1, 1999 [15] Tu Diep Cong Thanh, “ A Study on the Control Performance Improvement of Pneumatic Artificial Muscle Manipulator Using Intelligent Control” Ph.D Thesis, University of Ulsan, Korea, 2005 [16] Frank Daerden, “ Conception and Realization of Pleated Pneumatic Artificial Muscle and their Use as Compliant Actuation Elements” Ph.D Thesis, Vrije Universiteit Brussel, 1999 [17] Jongung Choi, “ Locomotion Control Experiments in Cockroach Robot with Artifical Muscles” Ph.D Thesis, Case Western Reserve University, 2005 [18] Advantech Co., Ltd PCI-1784 Manual [19] Advantech Co., Ltd PCI-1711 Manual [20] Festo Inc, The Fluidic Muscle in Application Các địa web: www.festo.com www.Advantech.com www.Kinetic.com LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : TRẦN THANH KHIẾT Ngày, tháng, năm sinh : 01-06-1982 Nơi sinh : Tiền Giang Địa liên lạc : 26/3A, Lê Thị Hồng Gấm, Phường 6, Mỹ Tho, Tiền Giang QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Từ năm 2000 đến 2005, học trường Đại Học Bách Khoa Từ năm 2005 đến 2007, học trường Đại Học Bách Khoa QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC ... nghệ chế tạo máy Phái: Nam Nơi sinh: Tiền Giang MSHV: 00405061 I – TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU THIẾ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG KHỚP GỐI SỬ DỤNG CƠ CẤU TÁC ĐỘNG PHỎNG SINH HỌC... văn nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị phục hồi chức khớp gối sử dụng cấu tác động sinh học Ở đây, ta tập trung nghiên cứu giải thuật điều khiển thiết bị, mà cụ thể điều khiển PAM Thiết. .. II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị phục hồi chức khớp gối sử dụng cấu tác động sinh học - Nghiên cứu ứng dụng neural network để điều khiển thiết bị - Xây dựng chương