Người dùng 1 2 3 4 5 Tổng
Như có thể thấy trong các Bảng 4.9 và Bảng 4.10, các phương trình cập nhật đóng vai trị quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của việc ước lượng khoảng cách di chuyển trong trường hợp đẩy đi liên tục (sai số RMSE giảm từ 28,316 xuống
0,412 và giá trị trung bình sai số giảm từ 9,337 xuống 0,327 ). Tuy nhiên các phương
trình cập nhật này có tác dụng không lớn trong trường hợp đẩy đi từng bước (sai số RMSE giảm từ 0,480 xuống 0,2 và giá trị trung bình sai số giảm từ 0,445 xuống 0,059 ). Trong đó, phương trình cập nhật vị trí sử dụng thơng tin từ encoder cho kết quả tốt nhất.
Trong các trường hợp chuyển động liên quan đến việc nhấc khung tập đi lên (xem Bảng 4.11 và Bảng 4.12) thì các phương trình cập nhật sử dụng encoder khơng có tác dụng vì lúc này các encoder khơng ghi lại chuyển động của khung tập đi. Lúc này, các cập nhật ZUPT và độ cao trong INS cơ bản tại các khoảng thời gian ZVI được xác định sau mỗi bước đi đã cập nhật vận tốc và độ cao để nâng cao độ chính
Bên cạnh đó, khi so sánh kết quả trong các cột 4 và 5 của Bảng 4.9 và Bảng 4.10 ta thấy rằng thuật tốn INA sử dụng phương trình cập nhật quaternion sử dụng
encoder cho kết quả tốt hơn cập nhật quaternion sử dụng phương đứng trong trường hợp đẩy đi liên tục và đẩy đi từng bước.
4.6.6 Đánh giá độ chính xác sử dụng hệ thống Optitrack
Độ chính xác của hệ thống đề xuất cịn được kiểm chứng bằng hệ thống giám sát chuyển động dùng Optitrack qua thí nghiệm thứ ba. Trong đó, sử dụng hai hạt phản quang được gắn trên 2 bàn chân người dùng và một hạt phản quang được bố trí ngay tại tâm của hệ toạ độ BCS để hệ thống camera giám sát được quỹ đạo di chuyển của bàn chân theo thời gian. Việc bố trí của hệ thống camera, việc so khớp dữ liệu và tính tốn sai số giữa quỹ đạo ước lượng và quỹ đạo thực ghi lại bởi hệ thống OptiTrack đã được trình bày ở Mục 3.7.1.
Hình 4.15 Quỹ đạo 3D chuyển động của khung tập đi được ước
lượng Bảng 4.13 Sai số ước lượng cho khoảng 2 m di chuyển
Loại chuyển động
Đẩy đi liên
tục
Đẩy đi từng
bước
Nhấc 2 chân
Nhấc hồn
tồn
Trung bình
Hình 4.14 thể hiện vị trí của khung tập đi (đại diện bởi hạt phản quang gắn tại
tâm hệ toạ độ BCS) và sai số của việc ước lượng được trong trường hợp sử dụng khung tập đi thẳng khoảng 2 bằng cách nhấc hoàn tồn khung tập đi. Ở hình bên trái, đường nét liền màu xanh là vị trí ước lượng trong khi đường nét đứt màu đỏ là vị trí thực ghi lại bởi hệ thống OptiTrack. Ở hình bên phải là sai số của việc ước lượng so với vị trí thực. Theo đó, khi sử dụng bộ lọc Kalman thì sai số vị trí ước lượng cuối cùng khoảng dưới 1 . Quỹ đạo 3D của khung tập được thể hiện trên Hình 4.15.
Để đánh giá độ chính xác về mặt định lượng, thí nghiệm trên được lặp lại cho 4 loại chuyển động khác với khoảng cách di chuyển là 2 với hệ thống OptiTrack, mỗi loại chuyển động thực hiện 5 lần với kết quả được thể hiện trong Bảng 4.13.
Trong đó, độ dài bước trung bình được tính từ hệ thống OptiTrack. Sai số RMSE được tính bằng cách so sánh độ dài mỗi bước ước lượng bởi hệ thống đề xuất với độ dài mỗi bước đi đo được từ hệ thống OptiTrack. Trong đó, sai số trung bình là 7,3 trong 1 bước đi. Đây là sai số hoàn toàn chấp nhận được trong ứng dụng ước lượng thông số bước đi phục vụ đánh giá tình trạng sức khỏe.
Hình 4.16 Phát hiện thời điểm bước chân sử dụng OptiTrack
Để đánh giá thuật tốn phát hiện bước chân trong q trình đẩy đi liên tục,
Hình 4.16 thể hiện kết quả việc sử dụng hệ thống khung tập đi để đi thẳng 2 bằng
cách đẩy đi liên tục. Trong đó, tốc độ đẩy và các điểm bàn chân chạm đất được thể hiện trong hình đầu. Ở hình thứ hai, khoảng cách di chuyển của bàn chân trái và phải tương ứng được thể hiện bằng đường màu xanh và nét đứt màu đỏ. Trong đó, đoạn nằm ngang của đồ thị khoảng cách di chuyển thể hiện bàn chân đang chạm đất. Có thể thấy rằng các các điểm đánh dấu bước chân ở hình đầu xuất hiện ngay giữa khoảng thời gian đường khoảng cách nằm ngang ở hình thứ hai. Điều này chứng minh thuật tốn phát hiện các bước chân trong trường hợp khung tập đi được đẩy đi liên tục là chính xác.
4.6.7 Đánh giá vai trị của bộ lọc Kalman trong INS
Hình 4.17 Quỹ đạo chuyển động của khung tập đi được ước lượng khi khơng sử
dụng bộ lọc Kalman
Để đánh giá vai trị của bộ lọc Kalman trong INS, kết quả thí nghiệm đi 2 với hệ thống OptiTrack ở trên được trích xuất trong trường hợp khơng sử dụng bộ lọc Kalman để cập nhật như trong Hình 4.17. Trong đó, đường liền màu xanh thể hiện vị trí ước lượng, đường nét đứt màu đỏ thể hiện vị trí thực được ghi lại bởi hệ thống OptiTrack, sai lệch ước lượng cũng được trích xuất ở hình bên phải. Sai số ước lượng
vị trí cuối cùng lên đến hơn 60 . Đây là sai số quá lớn so với khoảng cách di chuyển là 2 . Do vậy, hệ thống INS phải sử dụng với các bộ lọc, trong trường hợp này là bộ lọc Kalman.
4.6.8 Đánh giá độ chính xác trong chuyển động có đổi hướng
Thí nghiệm thứ tư được thực hiện với 5 người dùng sử dụng khung tập đi theo một số quỹ đạo cho trước. Quỹ đạo di chuyển đầu tiên là đi quãng đường 40 dọc theo hành lang 20 và vòng ngược lại. Chuyển động này bao gồm một chuyển động quay 1800 với tổng quãng đường di chuyển là 40 . Quỹ đạo di chuyển thứ hai là đi 2 vịng theo hình chữ nhật có kích thước 5 × 7 bao gồm 7 chuyển động quay 900. Tổng quãng đường đi được trong quỹ đạo này là 48 .
Bảng 4.14 và Bảng 4.15 thể hiện khoảng cách ước lượng của thí nghiệm này. Các
giá trị sai số RMSE của khoảng cách ước lượng trong trường hợp đi dọc hành lang và đi theo hình chữ nhật lần lượt là 0,704 và 0,800 . Các giá trị sai số trung bình trong 2 trường hợp này lần lượt là 0,638 trong tổng số 40 (tương ứng với sai số 1,6%) và 0,712 trong tổng số 48 (tương ứng với sai số 1,4%). Các sai số này cũng tương ứng với các sai số ở các thí nghiệm khác đã trình bày. Như vậy hệ thống đề xuất đã hoạt động tốt trong trường hợp người dùng thực hiện các hoạt động chuyển hướng đi.
Bảng 4.14 Khoảng cách ước lượng (m) sử dụng khung tập đi đi dọc và
ngược lại hành lang 20 m
Lượt đi 1 2 3 4 5 Trung bình Trang 126
Bảng 4.15 Khoảng cách ước lượng (m) sử dụng khung tập đi đi theo hình chữ nhật 5x7 m 2 vòng Lượt đi 1 2 3 4 5
4.6.9 Thực nghiệm với bệnh nhân
Thực nghiệm được thực hiện tại Khoa Vật lý Trị liệu – Phục hồi chức năng của Bệnh viện Quân y 17 tại Đà Nẵng từ ngày 25/12/2020 đến 2/1/2021. Thực nghiệm thực hiện với 10 bệnh nhân đi lại khó khăn, do bị các bệnh như đứt dây chằng, xuất huyết não và vỡ mâm chày trái, và đang điều trị phục hồi chức năng đi. Thông tin của các bệnh nhân như trong Bảng 4.16.
Bảng 4.16 Thơng tin bệnh nhân tham gia thí nghiệm TT Bệnh nhân 1 Nguyễn Phúc Q. 2 Trần Quốc T. 3 Trần Ngọc T. 4 Nguyễn Thanh T. 5 Nguyễn Minh C. 6 Phan Thị Y. 7 Phạm Bá T. 8 Lê Văn T. 9 Phan Văn L. 10 Hồ Đắc T.
Các bệnh nhân đã được hướng dẫn cách sử dụng hệ thống khung tập đi và hoàn toàn tự nguyện tham gia vào thực nghiệm đi dọc hành lang 5 lần 5 sử dụng hệ thống khung tập đi nói trên dưới sự quan sát, phối hợp của các điều dưỡng tại bệnh viện. Kết quả thơng số bước đi được trích xuất như trong Bảng 4.17. Trong đó, bệnh nhân Nguyễn Minh C. hầu như không bước đi được. Các thông tin về thơng số bước đi được trích xuất gồm số bước, độ dài một bước, thời gian bước, tốc độ bước, tần số bước và loại chuyển động khi sử dụng khung tập đi.
Bảng 4.17 Thông số bước đi của bệnh nhân
Thời
TT gian
(s)
Thông số bước đi của bệnh nhân Nguyễn Phúc Q.
1 29 2 30 3 27 4 29 5 29 TB 28,8
Thông số bước đi của bệnh nhân Trần Quốc T.
1 13 2 11 3 11 4 11 5 10 TB 11,2
Thông số bước đi của bệnh nhân Trần Ngọc T.
1 28 2 29 3 28 3 30 3 27,5 TB 28,5
Thông số bước đi của bệnh nhân Nguyễn Thanh T.
1 32 2 31 3 27 4 28 5 26,5 TB 28,9
Thông số bước đi của bệnh nhân Phan Thị Y. 1 20 2 20 3 21 4 20,5 5 20,5 TB 20,4
Thông số bước đi của bệnh nhân Phạm Bá T.
1 50 2 42 3 38 4 40 5 51 TB 44,2 1 40 2 43 3 43 4 40 5 43 TB 41,8
Thông số bước đi của bệnh nhân Phan Văn L.
30 30 30 31 31 TB 30,4 1 52 2 48 3 49 4 51 5 50 TB 50 Trung bình
Độ chính xác của các thơng số bước đi được minh chứng gián tiếp thông qua tổng độ dài các bước đi đo được so với tổng quãng đường đi là 5 . Theo kết quả thí nghiệm, sai số trung bình khoảng cách là 0,069 (1,38%) tương ứng với sai số 7 cho một bước đi trung bình là 0,5 . Sai số của việc ước lượng thông số bước đi này được bác sĩ đánh giá là nhỏ trong ứng dụng đo thơng số bước đi (xem Phụ lục
3). Trong đó, các thơng số bước đi trên có thể được được dùng để hỗ trợ khoanh vùng chẩn đoán một số bệnh, đánh giá tình trạng sức khoẻ và theo dõi tiến trình phục hồi chức năng.
Cụ thể, nhìn chung tốc độ bước đi của các bệnh nhân trên đều rất nhỏ (lớn nhất là 0,45 / ), đây là tốc độ rất chậm so với tốc độ bước di bình thường nên cần hỗ trợ đi lại và các hoạt động hằng ngày, cần có các biện pháp để giảm nguy cơ té ngã, cần sử dụng khung tập đi để di chuyển trong nhà. Riêng bệnh nhân Trần Quốc T. có tốc độ bước đi 0,45 / thì có thể đi ra bên ngồi nhưng hạn chế. Các bệnh nhân Nguyễn Phúc Q., Phạm Bá T. có bước đi rất ngắn, tốc độ rất chậm nên khả năng đi lại rất yếu. Do vậy các bệnh nhân cần luyện tập phục hồi chức năng tại bệnh viện, cần có người hỗ trợ trong quá trình luyện tập phục hồi chức năng để tránh nguy cơ té ngã.
Dựa vào thơng số bước đi có thể thấy được khả năng đi lại của bệnh nhân và sắp xếp theo thứ tự giảm dần như sau:
- Trần Quốc T. - Phạm Thị Y.
- Nguyễn Phúc Q., Nguyễn Thanh T., Phạm Văn L., Trần Ngọc T. - Hồ Đắc T., Lê Văn T., Phạm Bá T.
Như vậy có thể chia bệnh nhân luyện tập phục hồi chức năng theo từng giai đoạn và mức độ vận động khác nhau để đạt hiệu quả luyện tập tốt nhất.
4.7 Đánh giá hiệu quả hệ thống đề xuất
Hệ thống đề xuất đã đạt được các yêu cầu đặt ra trong phần tổng quan tình hình nghiên cứu. Trong đó:
- Dùng cho loại 2 bánh trước hoặc không bánh: Hệ thống đề xuất đã ước lượng thông số bước đi cho người dùng sử dụng loại khung tập đi 2 bánh hoặc khơng bánh thay vì sử dụng loại khung tập đi 4 bánh như đã cơng bố trong các cơng trình [53], [54] [55] và [56]. Trong khi đó, loại khung tập đi 2 bánh hoặc khơng bánh là loại hỗ trợ chính và phổ biến cho người cần hỗ trợ đi lại.
- Sai số nhỏ: Sai số của hệ thống đề xuất tối đa là 1,5 % trong khi hệ thống [57] cũng ước lượng thông số bước đi cho người sử dụng khung tập đi
khơng bánh có sai số là 8,9% về mặt khoảng cách ước lượng.
- Sử dụng linh hoạt: Hệ thống gọn nhẹ, khơng cần cài đặt mơi trường bên
ngồi cũng như khơng giới hạn phạm vi hoạt động.
Hệ thống đề xuất sử dụng một cảm biến IMU loại MTi-1 có giá khoảng 300 $, mỗi encoder có giá khoảng 150 $. Thuật tốn hệ thống INS có thể được thực hiện trên các vi điều khiển Raspberry có giá khoảng 50 $ khi hồn thiện hệ thống. Do vậy giá thành chế tạo hệ thống có thể dưới 1000 $. Đây là chi phí rất nhỏ so với các hệ thống hiện đại lên đến 50.000 $ hoặc 200.000 $ như đã giới thiệu ở phần lý do chọn đề tài.
Để đánh giá khối lượng tính tốn của thuật đề xuất, luận án đã trích xuất thời gian xử lý của CPU tương ứng với từng thời điểm đo chương trình. Trong đó, CPU được sử dụng có cấu hình là bộ xử lý Core i5-8250u, CPU 1.6 GHz và RAM 8G. Việc xử lý bộ lọc Kalman trung bình mất 0,0002 giây và việc xử lý tồn bộ chương trình (bao gồm các thuật toán phát hiện và phân loại chuyển động và bộ lọc Kalman) trung bình mất 0,0004 giây cho một thời điểm rời rạc. Do cảm biến làm việc với tần số là 100 tương ứng với chu kỳ lấy mẫu là 0,01 giây nên thuật toán đề xuất hồn tồn có khả năng đáp ứng được tần số lấy mẫu của cảm biến.
4.8 Kết luận chương
Trong chương này đã đề xuất hệ thống INS đặt trên khung tập đi nhằm ước lượng chính xác thơng số bước đi cho người cần hỗ trợ đi lại. Trong đó, một số vấn chính đã được giải quyết như sau:
- Xây dựng được thuật tốn xác định chính xác mối quan hệ gồm vị trí và hướng giữa cảm biến IMU và khung tập đi.
- Xây dựng được thuật toán phát hiện và phân loại chuyển động của khung tập đi trong quá trình sử dụng. Mỗi loại chuyển động sử dụng các cách khác nhau để cập nhật.
- Xây dựng được 03 phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman sử dụng các tín hiệu từ encoder trong trường hợp khung tập đi được đẩy đi trên mặt đất.
- Trích xuất được các thơng số bước đi từ quỹ đạo chuyển động của khung tập đi, đặc biệt trong tình huống khung tập đi được đẩy đi liên tục trên mặt đất.
- Đánh giá được hiệu quả hoạt động của hệ thống. Hệ thống đạt được các tiêu chí đặt ra trong phần nghiên cứu tổng quan là sai số nhỏ, sử dụng linh hoạt, dùng cho loại khung tập đi 2 bánh hoặc không bánh.
- Đề xuất hệ thống INS đặt trên khung tập đi loại khơng bánh hoặc loại có hai bánh trước.
- Đề xuất thuật toán phát hiện thời điểm bước chân trên mặt đất trong trường hợp khung tập đi được đẩy đi liên tục trên mặt đất.
- Xây dựng được các phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman nhằm nâng cao độ chính xác.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận án đã đề xuất và triển khai được hệ thống INS mới để ước lượng thông số bước đi sử dụng cảm biến IMU đặt trên bàn chân cho người có khả năng đi lại và khung tập đi cho người cần hỗ trợ đi lại nhằm phục vụ các bài kiểm tra thông số bước đi, tạo kênh thông tin khách quan và chính xác nhằm hỗ trợ bác sĩ trong quá trình chẩn đốn bệnh tật, tình trạng sức khoẻ và theo dõi tiến trình phục hồi chức năng. Như vậy, luận án đã đáp ứng được mục tiêu luận án đã đề ra với các đóng góp