Bài báo này tập trung nghiên cứu và thiết kế một sản phẩm Robot cẳng tay sử dụng các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tin học y sinh với mục đích là hỗ trợ người sử dụng điều khiển các Robot trong các môi trường khó khăn, khắc nghiệt. Thiết kế sản phẩm của nghiên cứu này kế thừa và phát huy được các ưu điểm của các sản phẩm đã được thương mại hóa trên thị trường như truyền tin qua các khớp thần kinh sử dụng tín hiệu điện cơ, sử dụng công nghệ truyền thông hiện đại. Ưu điểm của sản phẩm là giá thành rẻ, dễ sử dụng và áp dụng cho nhiều đối tượng trên thực tế. Hơn nữa, sản phẩm có thể được sử dụng làm công cụ thực hành cho sinh viên các ngành tin học y sinh tại các trường đại học, trung tâm nghiên cứu nơi mà đang còn thiếu thốn trang thiết bị liên quan đến lĩnh vực này có thêm công cụ nghiên cứu, thực nghiệm chuyên sâu, nâng cao kiến thức và khả năng áp dụng lý thuyết vào thực tế được hiệu quả hơn. Kết quả nghiên cứu, thiết kế và triển khai cho thấy sản phẩm thực tế có độ chắc chắn cao, dễ lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và bảo trì.
TNU Journal of Science and Technology 226(11): 226 - 233 DESIGN A ROBOTTICS FOREARM PRODUCT FOR BIOINFORMATIC LABORATORIES Tran Duc Hoang*, Le Hoang Hiep TNU - University of Information and Communication Technology ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 14/6/2021 This paper focuses on researching and designing a forearm Robot product using advanced technologies in the field of biomedical informatics with the aim of assisting users to control the Robots in difficult environments hard The product design of this study inherits and promotes the advantages of commercialized products on the market such as communication through synapses using electromechanical signals, using communication technology modern The advantages of the product are: low cost, easy to use and applicable to many objects in practice Moreover, the product can be used as a practical tool for students of biomedical informatics at universities and research centers where there is a shortage of equipment related to this field adding research tools, in-depth experiments, improving knowledge and ability to apply theory to practice more effectively The results of research, design and implementation show that the actual product is highly rugged, easy to install, operate, maintain and maintain Revised: 12/8/2021 Published: 18/8/2021 KEYWORDS Computer science Biomedical engineering Robot Forearm Electromyography Bioinformatics THIẾT KẾ SẢN PHẨM ROBOT CẲNG TAY PHỤC VỤ THỰC HÀNH KỸ THUẬT TIN HỌC Y SINH Trần Đức Hoàng*, Lê Hồng Hiệp Trường Đại học Cơng nghệ thơng tin Truyền thơng – ĐH Thái Ngun THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 14/6/2021 Ngày hoàn thiện: 12/8/2021 Ngày đăng: 18/8/2021 TỪ KHĨA Khoa học máy tính Kỹ thuật y sinh Cẳng tay Robot Tín hiệu điện Tin sinh học TÓM TẮT Bài báo tập trung nghiên cứu thiết kế sản phẩm Robot cẳng tay sử dụng công nghệ tiên tiến lĩnh vực tin học y sinh với mục đích hỗ trợ người sử dụng điều khiển Robot môi trường khó khăn, khắc nghiệt Thiết kế sản phẩm nghiên cứu kế thừa phát huy ưu điểm sản phẩm thương mại hóa thị trường truyền tin qua khớp thần kinh sử dụng tín hiệu điện cơ, sử dụng công nghệ truyền thông đại Ưu điểm sản phẩm giá thành rẻ, dễ sử dụng áp dụng cho nhiều đối tượng thực tế Hơn nữa, sản phẩm sử dụng làm cơng cụ thực hành cho sinh viên ngành tin học y sinh trường đại học, trung tâm nghiên cứu nơi mà thiếu thốn trang thiết bị liên quan đến lĩnh vực có thêm cơng cụ nghiên cứu, thực nghiệm chuyên sâu, nâng cao kiến thức khả áp dụng lý thuyết vào thực tế hiệu Kết nghiên cứu, thiết kế triển khai cho thấy sản phẩm thực tế có độ chắn cao, dễ lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng bảo trì DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4659 * Corresponding author Email: tdhoang88@gmail.com http://jst.tnu.edu.vn 226 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 226 - 233 Giới thiệu Kể từ đời đến nay, Robot giúp người thực hiệu yêu cầu mà muốn từ đơn giản tới phức tạp, chức thông minh độ tinh vi ngày thể rõ nét nhiều lĩnh vực Riêng lĩnh vực tin học y sinh, Robot có vai trị lớn Robot thay bác sĩ thực vai trị trường hợp khác phẫu thuật, chăm sóc sức khỏe, chẩn đốn bệnh,… Trên giới, hãng sản xuất Robot ứng dụng vào lĩnh vực phát triển mạnh mẽ Các nghiên cứu, thiết kế phát triển cánh, cẳng tay Robot tích hợp trí tuệ nhân tạo, thuật tốn tối ưu công nghệ truyền thông đại làm cho loại Robot gần giống với chức cánh, cẳng tay người mềm mại, khéo léo độ linh hoạt, thông minh [1], [2] Các sản phẩm Robot cẳng tay thương mại hóa thường nghiên cứu phát triển hãng lớn, giá thành cao có đăng ký quyền sáng chế, yêu cầu người sử dụng vận hành phải có chun mơn sâu Hơn nữa, việc bảo trì, sửa chữa hãng độc quyền Vì vậy, mục tiêu nghiên cứu nhằm tối giản hóa chi phí thiết kế, lắp đặt tích hợp công nghệ đại đạt hiệu cao, dễ dàng sử dụng trình thực hành thí nghiệm cho sinh viên; ngồi sản xuất hàng loạt với chi phí thấp nhiều lần việc nhập từ nước Một số trường Đại học nước bắt đầu xây dựng chương trình đào tạo mở mã ngành liên quan tới kỹ thuật y sinh (là kết nối hài hòa kỹ thuật truyền thống điện, điện tử, viễn thơng, khí, tin học với ngành khoa học liên quan đến sống người sinh học, y, dược, nha khoa) để bắt kịp với xu giới Các hệ thống Robot phục vụ cho việc nghiên cứu, thực hành phòng Lab kỹ thuật y sinh khiêm tốn, thiếu thiết bị thực hành, chưa đại giá thành nhập cao Vì vậy, việc tự nghiên cứu thiết kế sản phẩm Robot tin sinh học với giá thành rẻ, dễ làm mà đáp ứng yêu cầu cơng nghệ [3][5] điều đáng khuyến khích phát triển mở rộng Do vậy, mục đích nghiên cứu nhóm tác giả lên ý tưởng xây dựng thiết kế nhằm giải hạn chế Robot thông thường việc thiết kế dạng Robot, cụ thể cẳng tay Robot mơ lại xác cử động người ứng dụng công nghệ đại, phục vụ việc nghiên cứu chuyên sâu làm thiết bị thực hành, triển khai thực tế cho sinh viên ngành kỹ thuật y sinh, tin sinh học phòng Lab sở đào tạo Cơ sở nghiên cứu 2.1 Quá trình truyền tin qua khớp thần kinh Quá trình truyền tin qua khớp thần kinh: Synapse diện tích tiếp xúc tế bào thần kinh với tế bào thần kinh, tế bào thần kinh với tế bào khác tế bào cơ, tế bào tuyến… Có loại synapse: Synapse hóa học synapse điện Synapse điện (cấu trúc mô tả hình 1) có khoảng cách tiếp giáp tiền synapse hậu synapse vào khoảng 3,5 nm ngắn nhiều so với 20 – 40 nm synapse hóa học So với synapse hóa học, synapse điện truyền xung thần kinh với tốc độ nhanh hơn, độ trễ truyền tín hiệu vào khoảng 0,2 ms; synapse hóa học ms Synapse điện tìm thấy tế bào thần kinh có nhu cầu đáp ứng nhanh phản xạ tự vệ, võng mạc, khắp hệ thần kinh trung ương vỏ não [1], [2] Hình Cấu tạo synapse điện http://jst.tnu.edu.vn 227 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 226 - 233 2.2 Tín hiệu điện Điện (Electromyography – EMG) kỹ thuật chẩn đoán để xác định bệnh dây thần kinh ngoại biên chân tay mặt, hay bệnh bắp thịt, bệnh khác gây yếu đau rối loạn cảm giác Bản ghi điện ghi kết thu máy, in dạng biểu đồ bảng số Các kỹ thuật viên sử dụng điện cực (electrodes) để dẫn truyền hay phát tín hiệu điện dây thần kinh bắp phát Bác sĩ sử dụng điện cực kim để châm trực tiếp vào bắp để ghi lại hoạt động điện Kết điện cho thấy bất thường dây thần kinh, bất thường cơ, hay bất thường dẫn truyền nơi tiếp xúc dây thần kinh với Trong điện cơ, kim cắm vào (như mơ tả hình 2) hoạt động điện ghi lại co nghỉ [3], [4] Hình Đo tốc độ dẫn truyền thần kinh thực tế Ứng dụng xây dựng triển khai 3.1 Đặt tốn Để giải tốn đưa ra, nhóm tác giả đề xuất số giải pháp sau [5]-[8]: ➢ Giải pháp 1: Sử dụng cảm biến uốn cong (Flex sensor) đặt dọc theo chiều bó để mơ lại tín hiệu điện bó gắn cảm biến Một số ưu điểm giải pháp: Tín hiệu thu có biên độ lớn, rõ ràng, nhiễu; Có thể mơ lại xác chuyển động gập duỗi khớp; Không cần thiết lập lại thay đổi người sử dụng Tuy nhiên, giải pháp có số mặt hạn chế như: Khơng thể mơ lại tín hiệu bó lớp lớp sâu; Khó mơ chuyển động xoay khớp cổ tay, cổ chân… Kích thước tương đối lớn, gắn vào thể người sử dụng gây cảm giác khó chịu ➢ Giải pháp 2: Sử dụng cảm biến điện chuyên dụng (Muscle sensor) gắn vào điểm bụng đầu bó cơ, thu tín hiệu trực tiếp phát từ bó thể cử động Một số ưu điểm giải pháp là: Có thể thu nhận tín hiệu phát từ bó lớp nơng lớp giữa; Kích thước nhỏ, tạo thoải mái cho người sử dụng Tuy nhiên, giải pháp có số hạn chế: Tín hiệu thu có biên độ nhỏ, có nhiều nhiễu Với thể người khác có mức điện hoạt động khác nhau, cần phải thiết lập lại thay đổi người sử dụng Dựa vào ưu nhược điểm giải pháp điều kiện thực hệ thống, nghiên cứu lựa chọn giải pháp để đảm bảo yêu cầu toán đề hạn chế tối đa nhược điểm phương pháp điều khiển robot truyền thống, giảm thiểu sai số toán Phương pháp giải số vấn đề sau: Mơ lại chuyển động xác thể người; Tăng tính linh hoạt robot đảm bảo độ xác; Người sử dụng, vận hành khơng cần phải có trình độ chun mơn cao kỹ thuật có khả vận hành 3.2 Triển khai 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống Giải pháp thể qua sơ đồ khối hình 3: http://jst.tnu.edu.vn 228 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 226 - 233 Hình Sơ đồ khối hệ thống - Khối cảm biến tín hiệu điện EMG: Thu tín hiệu điện phát từ bó cử động loại bỏ tín hiệu gây nhiễu - Khối khuếch đại tín hiệu: Khuếch đại tín hiệu thu từ khối cảm biến - Khối xử lý trung tâm: Nhận tín hiệu khuếch đại, so sánh với giá trị ngưỡng cài đặt trước đưa tín hiệu điều khiển - Khối động cơ: Mô lại chuyển động thể theo tín hiệu điều khiển gửi đến 3.2.2 Lưu đồ thuật tốn hệ thống Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình Hình Lưu đồ thuật tốn làm mịn tín hiệu đầu vào Bắt đầu q trình hoạt động (được mơ tả hình chi tiết hình 5): Hệ thống tự động khởi tạo q trình đọc tín hiệu thu từ khuếch đại, tiến hành làm mịn tín hiệu cách lưu trữ 10 kết đọc liên tiếp vào mảng tính giá trị trung bình giá http://jst.tnu.edu.vn 229 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 226 - 233 trị mảng đó, sau 10 lần đọc mảng xóa lặp lại q trình, thu tín hiệu có dạng sóng mịn so với tín hiệu gốc Tín hiệu so sánh với giá trị ngưỡng (điện hoạt động nhóm đo), lớn ngưỡng, điều khiển phát tín hiệu đến cho động yêu cầu hoạt động Nếu nhỏ ngưỡng khơng phát tín hiệu, động giữ nguyên trạng thái ban đầu (trạng thái nghỉ), trở lại trạng thái nghỉ hoạt động, trình hoạt động kết thúc 3.2.3 Linh kiện phục vụ xây dựng Robot Thơng qua đặc điểm đặc tính sinh học, khả truyền tin qua khớp thần kinh dựa synapse điện, nghiên cứu xây dựng ý tưởng lên phương án thiết kế triển khai thực tế Hình Sự phối hợp thiết bị sản phẩm Sự phối hợp thiết bị linh kiện mơ tả hình là: Các cảm biến có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điện phát từ thể người chuyển động (điện hoạt động tế bào cơ), truyền qua lọc để loại bỏ tín hiệu khơng cần thiết tín hiệu gây nhiễu, tín hiệu qua khuyếch đại truyền đến điều khiển Tại điều khiển, tín hiệu so sánh với giá trị ngưỡng định, vượt ngưỡng phát tín hiệu kích hoạt động hoạt động nhằm mô lại chuyển động Khi khơng vượt q ngưỡng tồn hệ thống quay trở trạng thái ban đầu (trạng thái nghỉ) Vai trò thiết bị cụ thể sau: ▪ Cảm biến A-03-002: Có nhiệm vụ theo dõi tín hiệu điện phát từ tế bào cơ, khuếch đại điều chế tín hiệu thu được, đồng thời chuyển đổi tín hiệu thành dạng analog đọc cách dễ dàng vi điều khiển Nguyên lý đo: Khi co lại, điện áp đầu cảm biến tăng lên ngược lại, điện áp đầu giảm xuống duỗi Tín hiệu khỏi cảm biến khơng phải tín hiệu điện ngun bản, tín hiệu chỉnh lưu làm mịn ▪ Mạch khuếch đại sử dụng IC khuếch đại thuật toán AD620: Là khuếch đại thiết bị đo đạc nguyên khối dựa sửa đổi phương pháp tiếp cận ba op-amp cổ điển Tuyệt đối cắt giảm giá trị cho phép người dùng lập trình đạt xác (đến 0,15% G = 100) với điện trở Mạch có khả khuếch đại tín hiệu cỡ microvolt milivolt từ 1,5 – 10000 lần, điều chỉnh thơng qua biến trở Có thể sử dụng để khuếch đại tín hiệu AC DC ▪ Bộ điều khiển Arduino Nano: Có đầu vào tương tự (19 đến 26), đánh dấu A0 đến A7 Điều có nghĩa kết nối kênh đầu vào tương tự để xử lý Mỗi chân tương tự có ADC có độ phân giải 1024 bit (do cho giá trị 1024) Theo mặc định, chân đo từ mặt đất đến 5V ▪ Động servo MG995 SG90: Dùng để thiết kế hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu đưa chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục lệnh cho động hoạt động để đạt điểm xác 3.2.4 Thiết kế hệ thống phần cứng phần mềm a Vai trò khối sơ đồ hệ thống Để thực thi hệ thống theo sơ đồ khối đề xuất, cần đánh giá chi tiết theo khối lựa chọn linh kiện phù hợp, đảm bảo yếu tố: Có lực xử lý thông tin đáp ứng yêu cầu lấy mẫu, truyền dẫn chuẩn truyền thông với nhau; Đơn giản, giá thành rẻ, dễ dàng thực thi http://jst.tnu.edu.vn 230 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 226 - 233 thay hỏng, dễ lập trình, thuận tiện kết nối ngoại vi linh kiện khác Các khối có vai trị cụ thể: o Khối cảm biến tín hiệu điện (Muscle Sensor A-03-002) có nhiệm vụ theo dõi tín hiệu điện phát từ tế bào cơ, khuếch đại điều chế tín hiệu thu được, đồng thời chuyển đổi tín hiệu thành dạng analog đọc cách dễ dàng vi điều khiển o Khối khuếch đại tín hiệu: Mạch khuếch đại sử dụng IC khuếch đại thuật toán AD620 o Khối xử lý trung tâm: Bộ điều khiển Arduino Nano o Khối động cơ: Động servo MG995 SG90S b Sơ đồ thiết kế hệ thống Nghiên cứu thực xây dựng sơ đồ thiết kế hệ thống hình 7: Hình Sơ đồ thiết kế hệ thống Mơ tả: Sau cấp nguồn cho toàn hệ thống, động chuyển động dựa theo tín hiệu điện thu từ thể người thông qua cảm biến, tín hiệu lớn ngưỡng điện hoạt động cài đặt trước động quay kéo dây cước (đóng vai trị giống gân thể người) làm gập ngón tay lại, trường hợp tín hiệu khơng lớn ngưỡng điện thể hoạt động, động không chuyển động trở lại trạng thái ban đầu, nhả dây cước làm cho ngón tay duỗi c Xây dựng phần mềm Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng Arduino Intergrated Development Enviroment (IDE) để xây dựng chương trình điều khiển hệ thống hồn thiện 3.3 Triển khai, đánh giá sản phẩm thực tế 3.3.1 Sản phẩm cánh tay Robot Dựa phân tích nghiên cứu đề xuất bên trên, nhóm tác giả tiến hành thiết kế khí, điện tử lắp ráp sản phẩm hồn thiện thực tế Hình ảnh sản phẩm mơ tả hình 8, hình hình 10 3.3.2 Kết thực nghiệm Sản phẩm thử nghiệm nhiều người/đối tượng sử dụng khác (trong độ tuổi lao động) dựa việc so sánh độ mở bàn tay người bàn tay máy qua nhiều lần xác minh kết Sản phẩm hoạt động quy trình, động quay đều, khơng xảy tượng giật, tín hiệu tạm thời nguồn điện Hình ảnh thực tế sản phẩm tiến hành thực nghiệm, sử dụng mơ tả Hình 11 Hình 12 http://jst.tnu.edu.vn 231 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology Hình Hình ảnh tồn hệ thống 226(11): 226 - 233 Hình Hình ảnh khối động hệ thống Hình 11 Hình ảnh bàn tay mở Hình 10 Hình ảnh bảng mạch bao gồm khối cảm biến, khối khuếch đại, khối điều khiển pin Hình 12 Hình ảnh bàn tay nắm Kết luận Sau thực bước kiểm tra thực nghiệm, đánh giá kết vận hành thực tế phòng thí nghiệm cho thấy sản phẩm đạt độ xác tương đối, hoạt động theo thiết kế Sản phẩm tiền đề để chế tạo robot mơ lại cẳng tay người hồn chỉnh với ưu điểm như: Các điện cực gắn vào thể chất có độ dính vừa phải, gắn da người thời gian dài mà khơng gây khó chịu cho người sử dụng; Dễ dàng lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng bảo trì; Giá thành rẻ, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư Trong điều kiện nghiên cứu cịn hạn chế, nhóm tác giả cố gắng vận dụng tham khảo ưu điểm sản phẩm Robot thương mại để từ cố gắng xây dựng sản phẩm nhằm mục đích hỗ trợ tốt cho sinh viên ngành tin học y sinh phòng Lab, nơi mà thiếu nhiều thiết bị thực hành tin học y sinh Tuy nhiên, để sử dụng cần có q trình thực nghiệm đánh giá kết nhiều lần trước đưa vào thực tế Ở mức độ phòng thực hành/Lab, kết cho thấy, Robot hoạt động tốt, đáp ứng u cầu lập trình thiết kế, sử dụng để thực hành chuyên sâu cho sinh viên ngành tin học y sinh, kỹ thuật y sinh http://jst.tnu.edu.vn 232 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 226 - 233 TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] A M Tahir, J Iqbal, and T Aized, “Human machine interface: robotizing the instinctive living,” International Robotics & Automation Journal, vol 4, no 5, pp 308-314, 2018, doi: 10.15406/iratj.2018.04.00142 [2] A Ke, J Huang, L Chen, Z Gao, and J He, “An Ultra-Sensitive Modular Hybrid EMG–FMG Sensor with Floating Electrodes,” Sensors, vol 20, no 17, 2020, Art no 4775, doi: https://doi.org/10.3390/s20174775 [3] Z Gao, R Tang, Q Huang, and J He, “A Multi-DoF Prosthetic Hand Finger Joint Controller for Wearable sEMG Sensors by Nonlinear Autoregressive Exogenous Model,” Sensors, vol 21, 2021, Art no 2576, doi: https:// doi.org/10.3390/s21082576 [4] M Simão, N Mendes, O Gibaru, and P Neto, “A Review on Electromyography Decoding and Pattern Recognition for Human-Machine Interaction,” IEEE Access, vol 7, pp 39564-39582, 2019 [5] M V Ho, T P Mac, H H Le, and V N Dinh, "Designing a surveilance, measurement and control system for supplying livestock and farm labview platform – based,” TNU Journal of Science and Technology, vol 225, no 06, pp 258-264, 2020 [6] M V Ho, H H Le, T P Mac, and T H Dao, "Study to build and automatic measurement adn warning system of alcohol concentration for vehicle drivers," TNU Journal of Science and Technology, vol 225, no 14, pp 165-172, 2020 [7] H Jian, S Ri, T Fukuda, and Y A Wang, “Disturbance Observer Based Sliding Mode Control for a Class of Underactuated Robotic System With Mismatched Uncertainties,” IEEE Trans Autom Contr., vol 64, pp 2480-2487, 2019 [8] E Hortal, D Planelles, A Costa, E Láđez, A Úbeda, J M Azorín, and E Fernández, “SVM-based Brain–Machine Interface for controlling a robot arm through four mental tasks,” Neurocomputing, vol 151, pp 116-121, 2015 http://jst.tnu.edu.vn 233 Email: jst@tnu.edu.vn ... gắng x? ?y dựng sản phẩm nhằm mục đích hỗ trợ tốt cho sinh viên ngành tin học y sinh phòng Lab, nơi mà thiếu nhiều thiết bị thực hành tin học y sinh Tuy nhiên, để sử dụng cần có q trình thực nghiệm... giá sản phẩm thực tế 3.3.1 Sản phẩm cánh tay Robot Dựa phân tích nghiên cứu đề xuất bên trên, nhóm tác giả tiến hành thiết kế khí, điện tử lắp ráp sản phẩm hoàn thiện thực tế Hình ảnh sản phẩm. .. người sinh học, y, dược, nha khoa) để bắt kịp với xu giới Các hệ thống Robot phục vụ cho việc nghiên cứu, thực hành phòng Lab kỹ thuật y sinh khiêm tốn, thiếu thiết bị thực hành, chưa đại giá thành