(Đề tài NCKH) nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot massage cho người bệnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT MASSAGE CHO NGƯỜI BỆNH MÃ SỐ:SV20 SKC006960 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT MASSAGE CHO NGƯỜI BỆNH SV2018-06 Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học cơng nghệ TP Hồ Chí Minh, 6/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT MASSAGE CHO NGƯỜI BỆNH SV2018-06 Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học cơng nghệ SV thực hiện: Trần Quang Thuận Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: Cơ khí chế tạo máy Năm thứ:2 /Số năm đào tạo:4 Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Cơ- điện tử Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương TP Hồ Chí Minh, 6/2018 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Robot Emma 1.1.2 Rubbing bot 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Tính thiết thực đề tài 1.4 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.5 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.6.Giới hạn đề tài 1.7 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở huyệt 2.2 Điều khiển động 10 2.3 Xử lý tọa độ thực 13 2.3.1 Công nghệ xử lý ảnh 13 2.3.2 Xử lý tọa độ thực 14 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 15 3.1 Cơ sở lựa chọn phương án thiết kế 15 3.2 Phương án thiết kế 16 3.2.1 Xác định chuyển động robot 17 3.2.2 Hình dạng cánh tay 18 3.2.3 Phạm vi hoạt động 19 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC ROBOT 19 4.1 Động học robot 19 4.1.1 Bài toán động học thuận 21 4.1.2 Bài toán động học nghịch 22 4.2 Jacobian 24 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG 24 5.1 Tính tốn tỉ lệ cánh tay 24 5.2 Lựa chọn hình dạng vật liệu cánh tay 25 5.2.1 Chọn vật liệu cánh tay 25 5.2.2 Lựa chọn hình dạng cánh tay 25 5.3 Phạm vi hoạt động cánh tay 28 5.4 Tính toán thiết kế đầu massage 28 5.5 Tính tốn lực điều kiện bền 30 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 32 6.1 Lựa chọn thiết bị 32 6.1.1 Bộ xử lý trung tâm 32 6.1.2 Mạch điều khiển 32 6.1.3 Chọn Driver điều khiển động 33 6.1.4 Camera cảm biến 34 6.2 Hệ thống điều khiển 34 6.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển cánh tay 36 6.2 Cách thức hoạt động chu trình 36 CHƯƠNG 7: NHẬN ĐIỆN LƯNG VÀ VỊ TRÍ HUYỆT 38 7.1 Nhận diện lưng 38 7.1.1.Bài toán 38 7.1.2 Thuật toán 39 7.1.2 Làm mượt ảnh 39 7.1.2.1 Chuyển thành ảnh xám 39 7.1.2.2 Làm mượt ảnh lọc Gaussian 41 7.1.2.3 Tách màu tách ngưỡng 41 7.1.2.4 Tìm biên dạng lưng 42 7.1.2.5 Dán nhãn đối tượng 43 7.1.2.6 Xác định tọa độ Pixel 44 7.2 Xác định tọa độ thực 45 CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 46 8.1 Xây dựng mơ hình robot 47 8.2 Không gian hoạt động thực robot 47 8.3.Xây dựng quĩ đạo chuyển động cho robot 48 8.4 Xử lý ảnh tọa độ huyệt 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Robot Emma Singabore Hình 1.2 Rubbing bot, robot massage vùng lưng Hình 2.1 Vị trí huyệt lưng người 10 Hình 2.2: robot di chuyển độc lập khớp 11 Hình 2.3 Robot di chuyển chia theo vận tốc 11 Hình 2.4 Robot di chuyển theo đường thẳng 12 Hình 2.5 Bẻ cong quỹ đạo chuyển động 12 Hình 2.6 Sơ lược xử lý ảnh 13 Hình 2.7 Các bước hệ thống xử lý ảnh 13 Hình 2.8 Các bước thực trình xử lý tọa đô thực 14 Hình 3.1 Hình ảnh thực tế cánh tay người bóp lại 17 Hình 3.2 Hình ảnh vẽ lại khâu, khớp 18 Hình 4.1 Hình vẽ biểu diễn độ dài liên kết góc giao điểm hai đường trịn 19 Hình 4.2 Xác định góc q2, q4 dửa vào độ dái khâu vị trí P3 21 Hình 5.1 Hình ảnh cánh tay người 24 Hình 5.2 Hình ảnh kích thước đo đạt hình mơ 25 Hình 5.3 Hình dạng khâu cánh tay 26 Hình 5.4 Hình dạng khâu cánh tay 26 Hình 5.5 Hình dạng vị trí ban đầu cánh tay 27 Hình 5.6 Khơng gian hoạt động robot 28 Hình 5.7 Mơ hình tiếp xúc đầu massage thể người 29 Hình 5.8 Lực tác dụng kích thước ngón tay người dùng lực 29 Hình 6.1 PC mini asus 32 Hình 6.2 Chip ATM , xử lý mạch điều khiển 32 Hình 6.3 Driver điều khiển động 33 Hình 6.4 Cảm biến độ sâu 34 Hình 6.5 Lưu đồ giải thuật qui đổi tọa độ thực 35 Hình 6.6 Lưu đồ di chuyển đầu công tác 36 Hình 7.1 Lưu đồ thuật toán 38 Hình 7.2 Hình ảnh so sánh trước sau làm mượt ảnh 41 Hình 7.3 Hình ảnh tách biên dạng lưng 42 Hình 7.4 Hình ảnh đóng khung lưng 43 Hình 7.5 Hình ảnh phân bố nguyệt đạo thể người pixel 43 Hình 8.1 Hình ảnh mơ hình với tương quan người cánh tay 46 Hình 8.2 Hình ảnh gia cơng thực tế cùa robot 46 Hình 8.3 Hình ảnh mơ tả khơng gian hoạt động thiết bị lưng người 47 Hình 8.4 Quĩ đạo chuyễn động đầu massage lưng 48 Hình 8.5 Phân bố tất điểm lưng người 48 DANH MỤC BẢNG BIỂU Biểu đồ 1: Độ tuổi phổ biến khi massage Biểu đồ 2: Lý người massage Biểu đồ 3: Cảm giác người massage Bảng 5.1 Thông số lưng người Việt Nam 27 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MCU : Micro-controler Unit PC : computer ( ,)= Trong x y tọa độ theo hai trục đứng ngang σ phương sai chuẩn phân tán Gaussian giá trị định độ lệch điểm bề mặt Gaussian Giá trị Pixel sau tính tích chập với kernel đại diện cho hàm Gaussian coi trung bình lượng giá Pixel xung quanh Ta thấy giá trị lượng giá phần tử trung tâm kernel tương ứng với Pixel xét lớn nhất, giá trị nhỏ phần tử tương ứng với Pixel kế cận cách đối xứng tỉ lệ thuận với khoảng cách phần tử với trung tâm Tính chất giúp giữ lại đường viền biên làm mờ cách đồng so với phương pháp khác Trong lý thuyết, hàm Gaussian điểm hình khác Điều có nghĩa Gaussian Kernel nên có kích thước với hình ảnh giá trị phần tử khác Tuy nhiên thực hành, việc tính tốn dựa xấp xỉ rời rạc giá trị phần tử bề mặt Gaussian khỏang cách lớn 3σ so với trung tâm gần không đáng kể (tiệm cận 0) Do phân tán Gaussian ngịai bán kính bị bỏ qua, lý mà thơng thường Gaussian kernel có kích thước giới hạn 3, 5, Khoảng cách hai điểm gần Gaussian Kernel σ Do đặc tính có cấu trúc hình trịn đối xứng, với hình hai chiều, Gaussian blur áp dụng hai phép tính tốn chiều độc Có nghĩa hiệu thu từ tính tốn ma trận hai chiều tương đương với cách ứng dụng tính toán loạt Gaussian chiều theo hướng ngang đứng Ưu điểm: Giảm chi phí tính tốn, thời gian thực nhanh Nhược điểm: Phân tán Gaussian bán kính 3σ bị bỏ qua 40 Trước làm mượt ảnh lọc Gaussian Sau làm mượt ảnh lọc Gaussian Hình 7.2 Hình ảnh so sánh trước sau làm mượt ảnh 7.2.2.3 Tách màu tách ngưỡng Nhiệm vụ việc xử lý ảnh nhận diện lưng người theo màu sắc, xác định tọa độ tâm lưng người để xử lý sang tọa độ robot công tác Quá trình tách màu tách ngưỡng xem quan trọng nhất, định đến độ sai lệch tọa độ đối tượng Tách màu: việc tách màu không hợp lý dẫn đến tín hiệu nhiễu nhiều => xác định đối tượng sai => xuất đối tượng không mong muốn Tách ngưỡng: Ngưỡng định đến việc có bắt hết diện tích đối tượng hay khơng Nếu đối tượng bắt phần dẫn đến tọa độ tâm đối tượng khơng xác, hay tính tốn phân loại diện tích sai 7.2.2.4 Tìm biên dạng lưng Phương pháp canny kỹ thuật để trích xuất thơng tin cấu trúc hữu ích từ đối tượng tầm nhìn khác làm giảm đáng kể lượng liệu xử lý Nó 41 áp dụng rộng rãi hệ thống máy tính tầm nhìn khác Canny phát yêu cầu cho việc áp dụng phát cạnh hệ thống thị giác khác tương đối tương tự Do đó, giải pháp phát cạnh để giải yêu cầu thực phạm vi rộng tình Các tiêu chí chung để phát cạnh bao gồm: phát mép với tỷ lệ lỗi thấp, có nghĩa việc phát phải xác bắt nhiều cạnh hiển thị ảnh tốt; điểm cạnh phát từ toán tử nên định vị xác vào cạnh, cạnh định hình ảnh nên đánh dấu lần, có thể, tiếng ồn ảnh khơng tạo cạnh giả Hình 7.3 Hình ảnh tách biên dạng lưng 7.2.2.5 Dán nhãn đối tượng Dán nhãn đối tượng bước giúp người xử lý có nhìn trực quan việc xác định xác đối tượng xử lý Dán nhãn đối tượng mang lại lợi ích sau: quan sát trực quan đối tượng xử lý, đối tượng loại bỏ, đối tượng nhiễu, quan sát vị trí tâm tọa độ huyệt lưng người, tiên đốn sai số xảy So sánh số lượng huyệt đạo thực tế với số lượng tọa độ mảng liệu, kịp thời tìm sai xót 42 Hình 7.4 Hình ảnh đóng khung lưng 7.2.2.6 Xác định tọa độ Pixel Dựa vào huyệt thể người nhóm xác định tương đối huyệt sau: Đại trữ Quyết âm du Đảm du Khí hải du Hồn mơn Vị thương Hình 7.5 Hình ảnh phân bố nguyệt đạo thể người pixel 43 Do việc nhận diện lưng nhóm thực hiên dựa khác biệt ngưỡng màu lưng giường massage nên khoanh vùng tương đối đối tượng từ tượng nhiễu ánh sáng tư nằm khác người nhóm dựa việc xác định tâm lưng để xác định tọa độ huyệt lưng 7.2 Xác định tọa độ thực Cơ chế hình thành ảnh độ sâu cảm biến độ sâu sử dụng cặp gồm camera hồng ngoại (IR camera) phát ánh sáng hồng ngoại (IRProjector) phát ánh sáng có cấu trúc (structured light) để tạo giá trị độ sâu công nghệ Light coding PrimeSense Kỹ thuật light coding dùng nguồn sáng hồng ngoại phát ánh sáng hồng ngoại chiếu liên tục vào môi trường xung quanh kết hợp với việc sử dụng máy ảnh hồng ngoại chụp lại, sau tính toán để thu ảnh độ sâu Bằng việc so sánh mẫu quan sát mẫu tham khảo biết trước cảm biến độ sâu dự đoán khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng Cảm biến độ sâu cung cấp ảnh độ sâu điều kiện ánh sáng tối chịu ảnh hưởng chất lượng bề mặt vật thể Tuy nhiên, thực tế, phương pháp đo độ sâu cảm biến thường gặp số lỗi, sai số đo phụ thuộc khoảng cách Do ảnh thu thập từ 02 cảm biến đặt góc nhìn khác làm cho liệu thu thập có lệch tọa độ ảnh màu ảnh độ sâu Calibration phương pháp tìm biến đổi gồm: dịch chuyển –translation xoay (rotation) ảnh màu độ sâu hệ tọa độ Ảnh thu ta đưa dạng mảng chiều gồm tọa độ x,y, độ sâu z màu reg,green,blue từ việc truy xuất thành phần ảnh trở nên dễ dàng Từ mảng liệu trên, ta truy xuất để lấy tọa độ pixel cần thiết sau chuyển thành tọa độ thực người từ gửi tọa độ điểm xuống động điều khiển để đến vị trí cần thiết 44 Để kiểm tra kiềm nghiệm giá trị thu việc xử lý liệu, nhóm nghiêm cứu tổng hợp cho vào phần mềm vẽ lại biên dạng cũngnhư miền tập hợp tất điểm thu thập để kiểm chứng so với thực tế phù hợp hay chưa để từ xây dựng dãy thuật khác để điều chỉnh xử lý lại cho hoán chỉnh, phần mơ kết nhóm nghiên cứu trình bày chương thuyết minh 45 CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Sau trình nghiên cứu nhóm, nhóm thu số kết mơ hình khí, thu thập liệu lưng người mô tả lại dạng đồ thị miền, xây dựng số quĩ đạo chuyển động lưng người 8.1 Xây dựng mơ hình robot Sử dụng phần mềm để mô tả tất cà không gian hoạt động kích thước robot phù hợp với người trị bệnh hình 8.1 Hình 8.1 Hình ảnh mơ hình với tương quan người cánh tay Hình 8.2 Hình ảnh gia cơng thực tế robot 46 8.2 Không gian hoạt động thực robot Dựa vào không gian hoạt động chạy phần mềm, từ nhóm nghiên cứu đưa vào người trực tiếp để chắn robot đến vị trí lưng người Hình 8.3 Hình ảnh mơ tả khơng gian hoạt động thiết bị lưng người Như hình 8.3 ta thấy phạm vi hoạt động robot đáp ứng vị trí huyệt thể người, với giao toa vùng hoạt động cánh tay lớn , ta tập trung massage vùng phân bố sống lưng để tạo liệu pháp trị liệu tốt 8.3.Xây dựng quĩ đạo chuyển động cho robot Hiện nhóm nghiên cứu xây dựng số quĩ đạo massage cho robot, hình 8.4 có quĩ đạo chuyển động robot tong có quĩ đạo chạy theo sống lưng người bệnh, nghiên cứu sơ đồ phân bố huyệt đạo, tỉ lệ huyệt đạo phân bố lưng lớn 47 Hình 8.4 Quĩ đạo chuyễn động đầu massage lưng Như hình 8.4 ta thấy nhóm xâydựng quĩ đạo dọc theo vai bên trái có hai quĩ đạo cong dọc từ xương hong lên bả vai : quĩ đạo tập trung trị bệnh viêm xoang, viêm mũi, suy nhược thể, 8.4 Xử lý ảnh tọa độ huyệt Sau dùng camera sử lý việc nhận diện lưng tìm vị trí huyệt phân bố lưng ( hình 8.5), lấy từ camera sở sữ liệu toàn phần lưng đóng khung, chạy phần mềm mathlab, nhóm nghiên cứu thu kết hình 8.5 Hình 8.5 Phân bố tất điểm lưng người 48 Dựa vào kết này, ta thấy biên dạng độ lôi lõm mà cảm biến độ sâu thu thể người, từ làm sở liệu cho trục z di chuyển đến độ sâu thể người cách linh hoạt Để chắn vấn đề trên, nhóm cịn tích hợp thêm cảm biến lực đầu robot massage nhằm đảm bảo xác vị trí trục z ngắt trình cảm biến lực trả giá trị nguy hiểm đến sức khỏe người 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ * KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu phân tích kết đạt được, nhóm đạt kết như: chế tạo thành cơng mơ hình robot trị liệu massage được, xây dựng modun đầu massage vừa đảm bảo tính cần thiết, vừa dễ dàng thay thế, vệ sinh tháo lắp vào hệ thống, xây dựng qui trình điều khiển trục bảng đồ huyệt riêng lẽ cá nhân trị bệnh; ứng dụng công nghệ xử lý ảnh, xử lý độ sâu vào robot, xây dựng sở liệu lưng người để từ cho sơ đồ bố trí huyệt đạo xác Xây dựng phần mềm quản lý số liệu Trong thời gian tới, nhóm mong muốn cải tiến thêm cho robot phần cứng lẫn phần mềm Xây dựng phần cứng linh hoạt để phạm vi hoạt động rộng khơng bó hẹp massage lưng Về phần mềm nhóm mong muốn cải tiến thêm phần dạy máy học, dạy robot để người bệnh vào khu vực hoạt động nó, robot biết khu vực lưng người mà khơng cịn thuật tốn phức tạp tại, giúp tốc độ xửlý robot tăng lên cách nhận diện vùng thể tốt *KIẾN NGHỊ Trong thời gian tới, nhóm mong muốn thực nghiệm robot trung tâm , viện chuyên y học cỗ truyền-xoa bóp trị liệu, để nhóm có thêm kiến thức vể phân bố giúp đa dạng sở liệu quĩ đạo với loại bệnh khác nhau, giúp robot trị nhiều loại bệnh khác Trong q trình thực nghiệm giúp nhóm phát lỗi khơng muốn để chỉnh sửa hiệu chỉnh kịp thời giúp robot hồn thiện Trong tương lai, nhóm mong muốn hồn thêm chức phần cứng robot để đưa vào đời sống người, thiết bị hỗ trợ đắc lực, giảm tải áp lực cho sở y tế hỗ trợ trị liệu cho bệnh nhân 50 TÀI LIỆU THAM KHÀO [1] Giáo trình robot cơng nghiệp- PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh [2] “Abraham Jacob Frandsen, Machine Learning for Disease Prediction”, Brigham Young University, 2016 [3] Dallin R Swiss “Springback Force Considerations in Compliant Haptic Interfaces” Brigham Young University [4] Karen Terese Boulanger, "Factors related to satisfaction, pain and a ffect outcomes in massage therapy clients", University of Iowa - Iowa Research Online, 2012 [5] Shivapratap Gopakumar, Machine Learning in Healthcare: An Investigation into Model Stability, Deakin University, 2017 [6] Stefan Staicu, Inverse dynamics of the 3-PRR planar parallel robot, Robotics and Autonomous Systems 57 (2009) 556–563 PHỤ LỤC ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT MASSAGE CHO NGƯỜI BỆNH SV2018-06 Thuộc... 6/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT MASSAGE CHO NGƯỜI BỆNH SV2018-06 Thuộc... Khoa: khí chế tạo máy Năm thứ: Số năm đào tạo: - Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu tổng quan, thiết kế chế tạo mơ hình robot Tính sáng tạo: Tính đề tài: ngồi