Nghiên cứu nâng cao thực thi điều khiển lực thiết bị kéo cột sống

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO THỰC THI ĐIỀU KHIỂN LỰC THIẾT BỊ KÉO CỘT SỐNG CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY MÃ NGÀNH: 60 52 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc oOo Tp HCM, ngày 20 tháng năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Văn Dương Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 05-12-1972 Nơi sinh : Cà Mau Chuyên ngành : Cơng nghệ chế tạo máy Khóa (Năm trúng tuyển) : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu nâng cao thực thi điều khiển lực thiết bị kéo cột sống 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: ¾ Yêu cầu phần mềm: Viết chương trình điều khiển nội dung luận ắ Thit b : ã Hon thin mụ hỡnh thiết bị kéo cột sống sử dụng cấu tác động PAM • Thiết kế lắp đặt hộp điều khiển ¾ Thí nghiệm để đánh giá hiệu điều khiển 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21-1-2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 1-12-2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Từ Diệp Công Thành Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CÁM ƠN Các thiết bị kéo cột sống nước thơ sơ thiếu nhiều tính thiết bị nhập ngoại sử dụng điều khiển vi xử lý có nhiều tính năng, giá thành cao Đề tài “ Nghiên cứu nâng cao thực thi điều khiển lực thiết bị kéo cột sống” cần thiết mẽ Việt Nam Trong q trình thực hiện, người thực gặp khơng khó khăn Nhờ hướng dẫn thầy Từ Diệp Cơng Thành, thầy khoa khí, đặc biệt mơn điện tử bạn giúp hồn thành mơ hình, chương trình Người thực xin chân thành cám ơn Thầy hướng dẫn TS.Từ Diệp Công Thành, tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu vơ bổ ích, thiết bị phục vụ cho đề tài, tạo điều kiện tốt cho tác giả hoàn thành luận văn Xin cám ơn thầy đào tạo, giúp đỡ cho em hồn thành khóa học, thầy khoa khí, bạn giúp đỡ trình thực luận văn Mặc dầu nổ lực, kiến thức hạn chế, khơng thể tránh sai sót mong góp ý Thầy Cơ bạn TP HỒ CHÍ MINH, Ngày 30 tháng 11 năm 2008 Người thực Phạm Văn Dương TÓM TẮT LUẬN VĂN Đau lưng nỗi ám ảnh người lớn tuổi người lao động nặng, cản trở sinh hoạt thường nhật bệnh nhân Điều trị đau lưng có nhiều phương cách Trong phương pháp kéo cột sống xem phương pháp hỗ trợ tốt việc trị chứng đau lưng không gây nhiều tác dụng phụ Trong luận văn nghiên cứu giải thuật điều khiển thiết bị kéo cột sống, sử dụng cấu tác động sinh học (PAM), nét kỹ thuật khí y sinh học Nhiệm vụ luận văn viết chương trình điều khiển Luận văn hồn thành: • Chương trình điều khiển: Sử dụng điều khiển PID, Nonlinear PID, Neural network Neural network lai PID, Các tập dựa vào tập nghiên cứu patent • Xây dựng mơ hình kéo cột sống nhằm nghiên cứu giải thuật điều khiển • Thí nghiệm tập điều khiển khác • Qua q trình thí nghiệm người thực nhận thấy điều khiển kết hợp Neural network PID đáp ứng tốt điều khiển thí nghiệm Có thể ứng dụng vào việc điều khiển lực cho PAM • Bài báo :"Nâng cao thực thi điều khiển thiết bị kéo cột sống sử dụng cấu tác động sinh học" Từ Diệp Công Thành – Phạm Văn Dương, đồng tác giả báo mã số 74, kết phản biện đạt mức: B Bài báo chấp nhận để báo cáo Hội nghị đăng tuyển tập Hội nghị VCM2008 MỤC LỤC Trang Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Thoát vị đĩa đệm phương pháp điều trị 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.2.1 Trong nước 1.2.2 Nước 1.3 Nhiệm vụ luận văn 18 Chương 2: MƠ HÌNH VÀ THIẾT BỊ 2.1 Mơ hình hệ thống 21 2.2 Nguyên lý làm việc thiết bị hệ thống 23 2.2.1 Nguyên lý làm việc hệ thống 23 2.2.2 Các thiết bị hệ thống 24 2.3 Thiết kế mạch khuếch đại 31 Chương 3: XÂY DỰNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ KÉO CỘT SỐNG 3.1 Khái quát 34 3.2 Bộ điều khiển PID 34 3.3 Bộ điều khiểnNeural network 35 3.3.1 Giới thiệu 35 3.3.2 Bộ điều khiển nonlinear PID 40 3.3.3 Bộ điều khiển lai PID neural network 43 Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 4.1.Các giải thuật 45 4.2 Các tập 49 Chương 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 5.1 Bộ điều khiển PID 53 5.2 Bộ điều khiển nonlinear PID 57 5.3 Bộ điều khiển Neural network 63 5.4 Bộ điều khiển PID + Neural network 65 5.5 Kết đề tài 68 5.6 Hướng phát triển đề tài 69 Tài liệu tham khảo 70 Phần Phụ lục Nơi dung chương trình điều khiển 72 Kết báo 114 Lý lịch trích ngang 115 Luận văn tốt nghiệp Nghiên cứu nâng cao thực thi điều khiển lực thiết bị kéo cột sống CHƯƠNG : TỔNG QUAN -ZY 1.1 Thoát vị đĩa đệm phương pháp điều trị ([1]) Khoảng 80% dân số giới bị đau thắt lưng, Đau lưng nỗi ám ảnh người lớn tuổi người lao động nặng Đau lưng có nhiều ngun nhân, đáng ngại tình trạng thoát vị đĩa đệm, chủ yếu gây đau vùng thắt lưng, cản trở sinh hoạt thường nhật bệnh nhân Điều trị vị đĩa đệm có nhiều phương cách Thời gian gần đây, y học đại mang đến cho bệnh nhân nhiều hội Nguyên nhân thoát vị đĩa đệm Đĩa đệm gối đệm đàn hồi có dạng thấu kính lồi chêm vào đốt sống nhằm tạo uyển chuyển cho cột sống động tác xoay, nghiêng, ưỡn, cúi Đồng thời, đĩa đệm giúp cột sống phân tán trọng lực lực đè ép từ bên khiêng vác vật nặng chống rung lắc cho thể Để thực chức trên, đĩa đệm có cấu tạo đặc biệt gồm nhân nhầy, bao quanh vòng sợi dây chằng Hình1.1: Cấu trúc đĩa đệm CBHD : TS Từ Diệp Công Thành HVTH : Phạm Văn Dương Luận văn tốt nghiệp Nghiên cứu nâng cao thực thi điều khiển lực thiết bị kéo cột sống Thốt vị đĩa đệm hình thành lý (lão hóa, thối hóa, chấn thương…) cấu trúc vịng ngồi xuất lỗ mọt hay rách hẳn, mở đường cho nhân nhầy thoát chảy vào ống sống hay lỗ tiếp hợp, chèn vào búi thần kinh, gây tượng đau thắt lưng dai dẳng Thoát vị đĩa đệm hay xảy vùng thắt lưng lan xuống mông, chân, thường gọi đau thần kinh tọa Hình1.2 : Nhân nhầy chèn vào búi thần kinh Điều trị thoát vị đĩa đệm Tùy thuộc mức độ nặng - nhẹ (chủ yếu vào lượng nhân nhầy nhiều hay mức độ chèn ép thần kinh), thầy thuốc dành cho bệnh nhân can thiệp vừa phải trước, sau tùy tình hình lựa chọn biện pháp triệt để Lần lượt gồm có : - Tiêm nội đĩa đệm: Tác động vào đĩa đệm với mong muốn thu nhỏ hay tiêu hẳn khối thoát vị để giảm áp lực căng phồng, giải phóng chèn ép vào thần kinh Biết thành tố nhân nhầy loại protein, nhiều chất tiêu đạm thịnh hành mang dùng chymopain (trích xuất từ giống đu đủ), collagenase (men tiêu collagen)… Tuy khả thi nay, nhiều thầy thuốc CBHD : TS Từ Diệp Công Thành HVTH : Phạm Văn Dương Luận văn tốt nghiệp Nghiên cứu nâng cao thực thi điều khiển lực thiết bị kéo cột sống thường e dè biện pháp tai biến sốc phản vệ nguy hiểm Gần đây, người ta tính đến việc tiêm máu tự thân bệnh nhân vào đĩa đệm với mục đích tránh tượng phản vệ - Phẫu thuật đĩa đệm: Lựa chọn sau có tính triệt để, sau biện pháp bảo tồn thất bại, mở đường vào thẳng đĩa đệm lấy khối thoái vị - Laser điều trị: Nhằm mục đích phá hủy cấu trúc nhân nhầy giải phóng chèn ép (laser điều trị giảm áp đĩa đệm cột sống xuyên da - Percutaneous Laser Disc Decompresion PLDD), bác sĩ dùng kim chuyên dụng chọc vào đĩa đệm gửi theo sợi quang học dẫn đường lượng xạ từ máy phát laser (loại Nd-YAR) vào khởi hoạt tượng quang động làm bốc cháy bay phần nhân nhầy Ít tai biến, dùng dao kéo nhiều, thời gian hồi phục nhanh, PLDD thường định nhiều trường hợp, trừ kèm theo thoát vị nhiều tổn thương nặng nề khác rách dây chằng đĩa đệm, khối vị q to hay có bất thường cột sống liên quan… khơng cách khác phẫu thuật Sau cùng, biện pháp nội khoa hỗ trợ giảm đau, giảm cứng cơ, vật lý trị liệu… áp dụng song song Với cứu cánh với hợp tác tích cực bệnh nhân, đa số trường hợp đau thắt lưng thoát vị đĩa đệm đạt kết khả quan Vấn đề lại thời gian, tổn phí nằm viện… trở thành trở ngại lớn với bệnh nhân nghèo đối tượng mà bệnh đau thắt lưng hay gặp - Kéo dãn cột sống thiết bị kéo cột sống: Mục đích làm giảm áp lực đè lên đốt sống thắt lưng cung cấp dưỡng chất cho đĩa đệm, mở đường cho nhân nhầy quay trở lại vị trí cũ CBHD : TS Từ Diệp Cơng Thành HVTH : Phạm Văn Dương Luận văn tốt nghiệp 101 Nghiên cứu nâng cao thực thi điều khiển lực thiết bị kéo cột sống for (int inputNo = 0; inputNo = timeExercise) { Timer1.Enabled = false; btnExit.Enabled = true; ZGraph.Invalidate(); ErrorGraph.Invalidate(); } #endregion } } } //Bài tập using System; using System.Collections.Generic; CBHD : TS Từ Diệp Công Thành HVTH : Phạm Văn Dương Luận văn tốt nghiệp 103 Nghiên cứu nâng cao thực thi điều khiển lực thiết bị kéo cột sống using System.ComponentModel; using System.Data; using System.Drawing; using System.Text; using System.Windows.Forms; using ZedGraph; using System.IO; namespace SPINAL { public partial class frm5Exercise2 : Form { #region Exercise2 varialbes // variables for painting PointPairList pointInput = new PointPairList(); PointPairList pointError = new PointPairList(); PointPairList pointRef = new PointPairList(); LineItem lineMain; LineItem lineError; LineItem lineRef; //variables for In-Out float voltageInput = 0F; double voltageOutput = 0; //variables for Algorithms double kP = 0, kI = 0, kD = 0, error = 0, errorBefore = 0, eDot = 0, eSum = 0; double timeExercise = 0; double realtime = 0, timeGetRef = 0; double learningRate; //Filter variables double[] rawInput = new double[3]; CBHD : TS Từ Diệp Công Thành HVTH : Phạm Văn Dương Luận văn tốt nghiệp 104 Nghiên cứu nâng cao thực thi điều khiển lực thiết bị kéo cột sống double[] inputFilterList = new double[3]; double[] a = { 1, -0.3695, 0.1958 }; double[] b = { 0.2066, 0.4131, 0.2066 }; //ANNs double[] netInput = new double[3]; double[] netIH = new double[6]; double[,] wIH = new double[4, 6]; double[,] dwIH = new double[4, 6]; double[] HO = new double[6]; double[] wHO = new double[7]; double[] dwHO = new double[7]; double netHO; double ANNOut; const double momentum = 0; double PID = 0; //variables from FORM double timeUp = 0, timeDown = 0, time1 = 0, time2 = 0, time3 = 0, time4 = 0, force = 0; double t1=0, t2=0, t3=0,t4=0, t5 = 0, t6 = 0, t7 = 0; double timeOneStep = 0, timeTwoStep = 0, double t; #endregion public frm5Exercise2() { InitializeComponent(); } private void frm5Exercise2_Load(object sender, EventArgs e) CBHD : TS Từ Diệp Công Thành HVTH : Phạm Văn Dương Luận văn tốt nghiệp 105 Nghiên cứu nâng cao thực thi điều khiển lực thiết bị kéo cột sống { FileStream fs = File.OpenRead(("test.txt")); StreamReader sr = new StreamReader(fs); t = Convert.ToDouble(sr.ReadLine()); sr.Close(); MainGraph ErroGraph } INPUT and OUTPUT Functions private double GetRef(double xGetRef) { double reference = 0; if (xGetRef