Điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho người liệt bán thân sử dụng thuật toán PI mờ

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho người liệt bán thân sử dụng thuật toán PI-Mờ” do giảng viên TS.. Đối tượng áp dụng cho cơ cấu là những bệ

LỜI CẢM ƠN



Để hoàn thành luận văn này, tôi xin cảm ơn tới các thầy cô giáo những người

đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy định hướng cho tôi trong suốt quá trình học tập, rèn luyện tại trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tp HCM

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Võ Công Phương người đã tận

tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, những góp ý của thầy là những kiến thức quý báu và là nguồn động viên rất lớn cho tôi hoàn thành luận văn Tôi cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình và những người bạn, đồng nghiệp xung quanh đã đóng góp rất nhiều về mặc tinh thần cũng những góp ý hết sức quý giá khi gặp khó khăn

Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức mình, song chắc chắn luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Mong được sự chỉ bảo tận tình của các Quý thầy cô

Tp HCM, ngày 15 tháng 09 năm 2015

Học viên

Nguyễn Mậu Tuấn Vương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho người liệt bán thân sử dụng thuật toán PI-Mờ” do giảng viên TS Võ Công Phương

hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố

trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Mậu Tuấn Vương

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Cơ cấu hỗ trợ chân người bị liệt với chức năng chính là hỗ trợ người bị liệt luyện tập đi lại Cơ cấu gồm một khung đỡ chân bị liệt bằng kim loại sẽ được gắn vào chân bị liệt Cơ cấu hỗ trợ được điều khiển thông qua một điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android đã được cài ứng dụng “Exoskeleton Remote” do chính tác giả viết Ứng dụng viết có hai chế độ chính: dành cho người bị liệt tự tập vận động một chỗ và tập cho người bị liệt bước đi

Chế độ tập luyện đứng một chỗ thì sử dụng cảm biến gia tốc của điện thoại Khi nghiêng điện thoại theo trục Y thì các khớp hông và khớp gối sẽ chuyển động theo nhờ hai động cơ DC gắn ở cơ cấu Mục đích chế độ này là lấy lại cảm giác vận động sau khi bệnh nhân bị liệt

Chế độ tập bước đi thì điện thoại sẽ đóng vai trò là một bộ điều khiển từ xa Trên giao diện điện thoại sẽ có hai chức năng điều khiển : một thanh bar và một nút nhấn Khi nhấn nút thì cơ cấu hỗ trợ vận động sẽ chuyển động tạo thành một bước

đi Còn thanh bar có chức năng điều chỉnh vận tốc bước đi mong muốn.Luận văn có

sử dụng thuật toán PI-Mờ để làm bộ điều khiển trong quá trình chuyển động

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC BẢNG xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đối tượng áp dụng 1

1.2 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1

1.2.1 Một vài dạng Exoskeleton ở nước ngoài 2

1.2.1.1 REX rô bôt 2

1.2.1.2 Bionic Exoskeleton 3

1.2.1.3 Cơ cấu HAL-5 4

1.2.1.4 Quân phục BLEEX 5

1.2.1.5 XOS rô bôt 6

1.2.2 Tình hình nghiên cứu Exoskleton ở Việt Nam 7

1.3 Giới thiệu luận văn 9

1.3.1 Đối tượng điều khiển 9

1.3.2 Tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 9

1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu 11

1.3.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài 11

1.4 Cấu trúc của luận văn 12

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Lý thuyết điều khiển mờ 14

2.1.1 Giới thiệu logic mờ 14

2.1.2 Một số khái niệm điều khiển 15

2.1.2.1 Định nghĩa tập mờ, các thuật ngữ liên quan 15

2.1.2.2 Biến ngôn ngữ 16

2.1.3 Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ 17

2.1.3.1 Mệnh đề hợp thành 17

2.1.3.2 Luật hợp thành mờ 18

2.1.3.3 Giải mờ 19

2.1.4 Bộ điều khiển mờ 21

2.1.4.1 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ 21

2.1.4.2 Nguyên lý điều khiển mờ 22

2.1.4.3 Trình tự thiết kế một bộ điều khiển mờ 23

2.2 Lý thuyết điều khiển PID 24

2.2.1 Khâu hiệu chỉnh tỷ lệ P 24

2.2.2 Khâu hiệu chỉnh vi phân tỷ lệ PD 24

2.2.3 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI 25

2.2.4 Khâu hiệu chỉnh PID 26

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CƠ CẤU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ VIẾT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN 30

3.1 Tính toán cho cơ cấu 30

3.2 Thiết lập mô hình toán học cơ cấu hỗ trợ người khuyết tật 39

3.3 Thiết kế bộ điều khiển 43

3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển PI – Mờ 43

3.3.2 Tinh chỉnh bộ điều khiển PI 44

3.4 Sơ đồ khối điều khiển và mô phỏng đáp ứng 51

3.5 Viết phần mềm giao tiếp điều khiển trên điện thoại 52

3.5.1 Giới thiệu phần mềm lập trình App Inventor 53

3.5.2 Viết phần mềm ứng dụng điều khiển trên điện thoại 55

3.5.3 Phần mềm ứng dụng điều khiển 58

3.6 Phần mềm giám sát 60

3.6.1 Giới thiệu về Visual Basic 6.0 (VB6) 60

3.6.2 Viết phần mềm giám sát 61

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CƠ KHÍ, ĐIỆN TỬ 68

4.1 Thiết kế và thi công cơ khí 68

4.1.1 Giới thiệu phần mềm Solidwork 68

4.1.2 Thiết kế cơ khí 68

4.1.3 Lựa chọn và kiểm tra khả năng chịu tải của động cơ 69

4.2 Các thành phần điện tử 70

4.2.1 Bộ nguồn 70

4.2.2 Board Arduino 71

4.2.2.1 Giới thiệu chung 71

4.2.2.2 Arduino Mega2560 71

4.2.3 Module bluetooth HC-05 74

4.2.3.1 Chức năng 74

4.2.3.2 Sơ đồ chân 76

4.2.4 Board cầu H 78

4.3 Sơ đồ khối hệ thống điện 79

4.4 Thực nghiệm điều khiển 80

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 84

5.1Những kết quả đạt được 84

5.2 Những hạn chế 84

5.3 Hướng phát triển đề tài 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bộ xương rô bôt REX 3

Hình 1.2 Bionic Exoskeleton 4

Hình 1.3 Cơ cấu HAL-5 5

Hình 1.4 Quân phục BLEEX 6

Hình 1.5 XOS rô bôt 7

Hình 2.1 Hàm liên tục 16

Hình 2.2 Ví dụ về logic mờ trong đo nhiệt độ 17

Hình 2.3 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ 21

Hình 2.4 Ví dụ về bộ điều khiển mờ MISO 22

Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển mờ 22

Hình 2.6 Khâu hiệu chỉnh vi phân tỷ lệ PD 25

Hình 2.7 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI 26

Hình 2.8 Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỷ lệ PID 27

Hình 2.9 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols 27

Hình 2.10 Hệ thống ở biên giới cố định 28

Hình 3.1 Phân bố khối lượng và kích thước chuẩn bệnh nhân châu Á 31

Hình 3.2 Lực và mô men ở khớp gối và khớp hông 33

Hình 3.3 Giới hạn góc quay phẳng của khớp gối và khớp hông ở người 37

Hình 3.4 Khớp hông của cơ cấu người khuyết tật 40

Hình 3.5 Mô hình tổng quát của hệ thống điều khiển.Error! Bookmark not defined. Hình 3.6 Cấu trúc bộ điều khiển mờ 45

Hình 3.7 Hàm thành viên theo sai số e 49

Hình 3.8 Hàm thành viên theo gia tốc de 50

Hình 3.9 Hàm thành viên ngõ ra Ki 50

Hình 3.10 Hàm thành viên ngõ ra Kp 51

Hình 3.11 Sơ đồ khối điều khiển 51

Hình 3.13 Sơ đồ khối khớp quay của cơ cấu 52

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng 52

Hình 3.15 Giao diện thiết kế của App Inventor 54

Hình 3.16 Giao diện lập trình của App Inventor 54

Hình 3.17 Giao diện mô phỏng của App Inventor 55

Hình 3.18 Giao diện chính 59

Hình 3.19 Giao diện thứ nhất 59

Hình 3.20 Giao diện thứ hai 60

Hình 3.21 Phần mềm lập trình VB6 61

Hình 3.22 Các dạng đồ thị trong teechar 62

Hình 3.23 Phần mềm giám sát đáp ứng của cơ cấu hỗ trợ người khuyết tật 66

Hình 4.1 Kết cấu cơ khí cơ cấu hỗ trợ người liệt bán thân 68

Hình 4.2 Cơ cấu khi đeo vào bệnh nhân 69

Hình 4.3 Động cơ sử dụng trong cơ cấu 70

Hình 4.4 Pin Wild Scorpion 71

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý board Arduino Mega 72

Hình 4.6 Board Arduino Mega thực tế 73

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý board HC-05 75

Hình 4.8 Board bluetooth HC-05 75

Hình 4.9 Sơ đồ chân của IC bluetooth 76

Hình 4.10 Module H-MC 78

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý các chân của module H-MC 79

Hình 4.12 Sơ đồ hệ thống điện cơ cấu 80

Hình 4.13 Tín hiệu phản hồi khi sử dụng bộ điều khiển PI 80

Hình 4.14 Đáp ứng của khớp hông khi sử dụng bộ điều khiển PI 80

Hình 4.15 Đáp ứng của khớp gối khi sử dụng bộ điều khiển PI-Mờ 81

Hình 4.16 Tín hiệu phản hồi khi sử dụng bộ điều khiển PI-Mờ 81

Hình 4.17 Đáp ứng của khớp hông khi sử dụng bộ điều khiển PI-Mờ 81

Hình 4.18 Đáp ứng của khớp gối khi sử dụng bộ điều khiển PI-Mờ 82

Hình 4.19 Đáp ứng của bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI 83 Hình 4.20 Đáp ứng của bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI-Mờ 83

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Chọn thông số cho bộ điều khiển PID theo Ziegler – Nichols 28

Bảng 2.2 Chọn thông số cho bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng hệ thống ở biên giới ổn định 29

Bảng 3.1 Nhân trắc học cho bệnh nhân chuẩn người châu Á 30

Bảng 3.3 Bảng tham số giá trị mô men ở các khớp trong giai đoạn khởi động 39

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của việc tăng các thông số độ lợi của bộ điều khiển PI 44

Bảng 3.5 Luật điều khiển cho KP 47

Bảng 3.6 Luật điều khiển cho KI 47

Bảng 4.1 Thông số board Arduino Mega 72

Bảng 4.2 Chức năng các chân của IC bluetooth 78

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1Đối tượng áp dụng

Ngày nay bệnh liệt, đặc biệt là bệnh liệt bán thân là một trong những bệnh nguy hiểm khá phổ biến trên thế giới Bệnh do nhiều nguyên nhân: do nhữngtổn thương lớn về não, cột sống hoặc do di truyền Bệnh gây ra tổn hại nghiêm trọng đến thể trạng và tinh thần cho người mắc phải, đòi hỏi thời gian điều trị lâu dài, tốn kém và thân nhân cũng rất vất vả trong việc chăm sóc cho người bệnh

Trong khi đó, việc nghiên cứu và ứng dụng những máy móc, thiết bị hỗ trợ cho người bị liệt bán thân ở Việt Nam còn hạn chế Vì vậy, việc nghiên cứu và chế tạo một thiết bị hỗ trợ cho những người bị liệt bán thân là một việc làm hết sức thiết thực và vừa mang tính nhân văn, vừa mang tính nhân đạo sâu sắc

Xuất phát từ ý tưởng ấy, tác giả đã quyết định nghiên cứu và chế tạo cơ cấu

hỗ trợ vận động chân cho người bị liệt bán phần Đối tượng áp dụng cho cơ cấu là những bệnh nhân bị liệt bán phần bên phải (vì cơ cấu hỗ trợ vận động cho chân phải) ở mức độ bệnh nhẹ (cơ vẫn còn cảm giác vận động) hoặc những bệnh nhân bị liệt bán phần bên phải đang trong giai đoạn luyện tập phục hồi chức năng

1.2 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

Ý tưởng về những bộ trang phục máy được đề xuất vào năm 1890 bởi Nicholas Yagn Tuy nhiên, nghiên cứu về Exoskeleton (một bộ “xương ngoài” hỗ trợ vận động)chỉ mới thực sự trở thành cao trào từ sau năm 2000, khởi đầu bằng dự

án "biến người lính thành siêu nhân" của DARPA Exoskeleton đã có lịch sử phát triển dài tới nửa thế kỷ và cho đến nay đã đạt được nhiều thành tựu

Sau đây là một vài sản phẩm Exoskeleton đã được nghiên cứu và thực hiện ở trong vàngoài nước:

1.2.1 Một vài dạng Exoskeleton ở nước ngoài

Exoskeleton (bộ xương ngoài) là một dạng rô bôt sinh học (Bio-robot) là đối tượng điển hình của ngành cơ sinh điện tử (Bio-Mechatronics), khi được "mặc" vào người sẽ hoạt động như một bộ phận của cơ thể, nhằm bảo vệ cơ thể, tăng cường khả năng hoạt động (đi lại, mang vác, ) của con người hoặc hỗ trợ người bị khuyết tật trong hoạt động thường ngày Chính vì là sản phẩm tích hợp của nhiều lĩnh vực nên việc thiết kế, chế tạo các dạng Exoskeleton gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi công nghệ cao để làm sao đảm bảo được chức năng hỗ trợ của chúng hoạt động tốt, lại vừa tiện lợi và đặc biệt phải đảm độ an toàn cao nhất cho người sử dụng Trong những năm gần đây, với những ứng dụng tuyệt vời của chúng đã thu hút sự quan tâm của nhiều tổ chức nghiên cứu hàng đầu trên thế giới Sau đây là một vài dạng Exoskeleton được nghiên cứu và phát triển ở các nước tiên tiến

1.2.1.1 REX rô bôt

REX rô bôt là một bộ xương ngoài cho phép người sử dụng tự chuyển mình

từ ghế xe lăn sang khung xương ngoài, sau đó điều khiển chuyển động của họ thông qua một cần điều khiển Một trong những người đầu tiên sử dụng nó là Hayden Allen, người bị chấn thương tủy sống với kết luận của bác sĩ là suốt đời anh ta phải gắn liền với xe lăn Giờ thì Hayden Allen có thể đi lại và thậm chí làm việc được với sự hỗ trợ của REX Tuy có giá khá đắt (khoảng 150.000 USD) nhưng với những tính năng tuyệt vời, REX là một thiết bị hỗ trợ thiết thực cho những người bị liệt hai chi dưới, giúp họ có thể đứng, đi bộ, lên xuống cầu thang hoặc đi trên những nơi có địa hình dốc [28]

Hình 1.1 Bộ xương rô bôt REX

1.2.1.2 Bionic Exoskeleton

Ngày 21 tháng 10 năm 2012 tại London, nước Anh đã diễn ra cuộc triển lãm

cơ cấu Exoskeleton mới mang tên “Bionic Exoskeleton” Người mang thử nghiệm

cơ cấu này là cô Amanda Boxtel bị liệt hai chân phải ngồi xe lăn do chấn thương cột sống vào năm 1992 Bionic Exoskeleton đã giúp cô đi lại bình thường [26]

Bionic Exoskeleton được phát triển bởi tập đoàn Berkeley Bionics, có chức năng chính là hỗ trợ cho những người bị liệt chân phải ngồi xe lăn hoặc những người bị tổn thương cột sống lấy lại khả năng đi đứng

Hình 1.2 Bionic Exoskeleton

1.2.1.3 Cơ cấu HAL-5

HAL (Hybrid Asistive Limb) là bộ khung trợ lực của hãng Cyberdyne(Nhật Bản) Sản phẩm đã trải qua 4 thế hệ thử nghiệm, thế hệ thứ 5 này là ưu việt nhất HAL-5 được trang bị các cảm biến sinh học (BioSignal) cho phép đồng bộ hoá các hoạt động giữa người sử dụng và cơ cấu [27]

Với HAL-5 các hoạt động của người sử dụng nó sẽ dễ dàng hơn, sức mạnh của con người cũng được tăng cường đáng kể, vì vậy mà sản phẩm sẽ được ứng dụng trong y học để giúp hỗ trợ hoạt động cho các bệnh nhân gặp khó khăn trong việc đi đứng, cử động…, giúp con người làm việc nặng nhọc một cách nhẹ nhàng

và an toàn Mục đích cao hơn là dùng công nghệ này để giúp quân đội cũng như lính cứu hộ trở nên khoẻ khoắn và cơ động khi thực hiện nhiệm vụ cứu người bị nạn trong các vùngvừa bị thiên tai

Hình 1.3 Cơ cấu HAL-5

1.2.1.4 Quân phục BLEEX

Quân phục BLEEX được thiết kế bởi kỹ sư cơ khí Homayoon Kazerooni tại Đại học California, Berkeley Sử dụng thiết bị này, một người lính có thể mang trên mình tới 75 Kg mà không cần nỗ lực nhiều, giúp đỡ tích cực cho họ trong di chuyển

và chiến đấu [27]

Bệnh nhân tổn thương tủy sống có thể sử dụng thiết bị này để học cách bước

đi và để luyện tập hồi phục chức năng

Hình 1.4 Quân phụcBLEEX

1.2.1.5 XOS rô bôt

Phiên bản XOS là bộ xương ngoài mới nhất và được cho là tiên tiến nhất, được phát triển từ ý tưởng của một người đàn ông tại nhà máy Steve Jacobsen và các kĩ sư ở Sarcos, một công ty rô bôt thành lập năm 1983 [29]

Jacobsen và những người khác cuối cùng đã kết hợp cơ bắp nhân tạo và hệ thống điều khiển vào trong bộ giáp mà sẽ sớm có sẵn cho binh lính, lính cứu hỏa và cho người đi xe lăn Thách thức lớn nhất là nạp năng lượng cho XOS Nhưng nhìn chung, nó là một trong những bộ giáp toàn thân có khả năng nhất hiện nay, nó có thể chuyển động liên tục cùng với người mặc nó

Hình 1.5 XOS rô bôt

1.2.2 Tình hình nghiên cứu Exoskletonở Việt Nam

Do sự hạn chế và mặt kỹ thuật và công nghệ cững như chưa có sự đầu tư lớn, chưa có sự liên kết chặt chẽ giữa các trung tâm nghiên cứu đầu nghành với các trường đại học trong nước nên việc nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng Exoskleton ở Việt Nam còn rất hạn chế, mặc dù khả năng ứng dụng của Exoskeleton trong thực tiễn là rất khả quan Trong thời gian gần đây, nhóm nghiên cứu của PGS TS Đào Văn Hiệp, Th.S Trần Xuân Thảnh đã cho ra đời “ bộ xương ngoài” trợ giúp cho người đi bộ Đây được xem là một tín hiệu lạc quan, là một trong những bước đầu

mở ra thời kỳ nghiên cứu, ứng dụng Exoskeleton ở Việt Nam [25]

PGS TS Đào Văn Hiệp, Th.S Trần Xuân Thảnh, khoa Hàng không vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã chế tạo thành công rô bôt “bộ xương ngoài”, còn gọi

là Exoskeleton (Exo), một loại rô bôt sinh học trợ giúp cho người đi bộ và cho cả

những người đi xe đạp Nó rất hữu dụng cho người cần mang vác nặng hoặc bị khuyết tật Điểm đặc biệt là rô bôt có thể cảm nhận được tín hiệu điều khiển của cơ thể

Hình 1.6 Rô bôt“bộ xương ngoài” của Việt Nam

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo 3 mẫu rô bôt Mẫu 1 nhằm thử nghiệm kết cấu

cơ khí và lấy tín hiệu góc từ các khớp, khảo sát về động học (quy luật biến thiên các góc khớp khi đạp xe và đi bộ) Mẫu 2 được thiết kế gồm có 6 khớp: 3 khớp hông, 1 khớp gối, 2 khớp cổ chân Nó được hoàn thiện so với mẫu 1 ở chỗ có động cơ dẫn động các khớp Hệ điều khiển có thêm chức năng điều khiển các động cơ bám theo động học các khớp (được lấy từ các cảm biến đo góc tại các khớp) Mẫu thứ 3 của nhóm nghiên cứu đã giải quyết được những vấn đề cơ bản, do ứng dụng kỹ thuật mới Với giải pháp kết cấu và điều khiển nói trên, Exo có tác dụng trợ lực được thể hiện rất rõ ràng Rô bôt đã được thử nghiệm với các chế độ làm việc khác nhau: không và có mang tải (tổng tải trọng là 20kg), có hỗ trợ (cấp khí nén) và không hỗ trợ, đi trên băng tải thử nghiệm và đi trên mặt bằng, leo cầu thang, Khi thử

nghiệm, tín hiệu EMG được ghi lại để đánh giá lực cơ Kết quả rất khả quan: tải trọng cõng trên lưng robot không đè lên người, lực tại cơ bắp chân khi mang tải không tăng so với khi không tải và còn nhỏ hơn khi không tải mà không có sự hỗ trợ

1.3 Giới thiệu luận văn

1.3.1 Đối tượng điều khiển

Cơ cấu hỗ trợ vận động cho người bị liệt là một đề tài mới gần đây do nhu cầu thực tế trong lĩnh vực y tế Nhưng để sở hữu một sản phẩm công nghệ cao như vậy chúng ta phải bỏ hàng trăm ngàn đô Đối với nước nghèo như Việt Nam đó là một số tiền rất lớn mà ít người có được Mà hiện nay tỉ lệ bị tai biến ở nước ta ngày một tăng đặc biệt đối tượng trẻ ngày càng dễ mắc phải để lại di chứng nặng nề cho gia đình Do đó tác giả muốn tạo ra một sản phẩm với chi phí rẻ để nhiều người Việt Nam dễ dàng tiếp cận Với cơ cấu đơn giản, bao gồm hai động cơ để điều khiển chân người bị liệt (ở đây tác giả điều khiển chân phải),động cơ khớp gối và động cơ khớp hông, mỗi động cơ sẽ được gắn một biến trở để xác định vị trí quay của động cơ Hai động cơ sẽ quay để mô phỏng bước tiến của người bình thường, giúp người bị liệt có cảm giác vận động và có thể di chuyển được

Tác giả sẽ viết một ứng dụng trên điện thoại thông minh để điều khiển cơ cấu Ứng dụng sẽ truyền giá trị góc nghiêng của điện thoại đến vi điều khiển Dựa vào góc nghiêng của điện thoại mà động cơ sẽ quay và bám theo quỹ đạo của góc nghiêng điện thoại Để bám theo với sai số nhỏ tác giả sử dụng bộ điều khiển PI-

mờ

1.3.2 Tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Tại các nước đang phát triển, cứ 1 triệu dân có 2.400 người bị tai biến mạch máu não Riêng Việt Nam, theo tỉ lệ tính này mỗi năm có gần 200.000 bệnh nhân bị tai biến mạch máu não, hơn 50% trong số đó tử vong và 90% số người sống sót sau đột quỵ phải sống chung với các di chứng về thần kinh và vận động…[30]

Tai biến mạch máu não là loại bệnh có thể gây tử vong nhanh, có tỷ lệ tử vong cao, đứng thứ ba sau ung thư và các bệnh tim mạch Nếu không tử vong, tai biến mạch máu não đồng thời cũng là loại bệnh để lại nhiều di chứng nặng nề dẫn đến tàn tật nhiều nhất Theo Tổ chức Y tế Thế giới và các nhà khoa học nước ngoài

có từ 1/3 đến 2/3 người bệnh sống sót sau tai biến mạch máu não để lại di chứng tàn tật vĩnh viễn, 17% người bệnh có từ hai loại di chứng trở lên, 71% người bệnh giảm khả năng lao động, 66% người bệnh không thể trở lại làm việc được vì mất khả năng lao động, 62% người bệnh giảm các hoạt động xã hội, 51% người bệnh bị phụ thuộc về tự chăm sóc bản thân, 38% người bệnh giảm khả năng giao tiếp, 11% người bệnh không tự đi lại, 24% người bệnh phải ở lâu dài trong các cơ sở điều dưỡng hoặc bệnh viện

Ở Việt Nam nhiều kết quả điều tra và nghiên cứu cho thấy 50% bệnh nhân tai biến mạch máu não sống sót để lại di chứng trong đó 92,96% di chứng về vận động, 68,42% di chứng vừa và nhẹ, 27,69% di chứng nặng, 92% người bệnh liệt nửa người đang sống tại gia đình và cộng đồng vẫn cần luyện tập phục hồi chức năng Các di chứng do tai biến mạch máu não đặc biệt di chứng về vận động là gánh nặng không chỉ đối với bản thân người bệnh và gia đình họ mà còn ảnh hưởng đến

cả cộng đồng và quốc gia mà họ đang sống Bệnh nhân liệt nửa người do tai biến mạch máu não là người đã tàn tật vì ngoài giảm hoặc mất khả năng vận động, họ còn có nhiều rối loạn chức năng khác kèm theo như rối loạn về ngôn ngữ, rối loạn thị giác, rối loạn cảm giác, rối loạn nhận thức

Phục hồi chức năng cho bệnh nhân cần được bắt đầu càng sớm càng tốt ngay sau khi bệnh nhân bị tai biến, thực hiện các kỹ thuật phục hồi chức năng khác nhau tùy thuộc vào từng giai đoạn liệt của bệnh nhân Tiếp theo là các kỹ thuật tập luyện vận động tích cực hơn, đó là vận động có trợ giúp, vận động chủ động vì bệnh nhân không thể phục hồi được nếu không có vận động chủ động

Một số số liệu ở trên cho ta thấy sự nguy hiểm của căn bệnh tai biến mạch máu não đặc biệt trong xã hội phát triển hiện nay với nhiều áp lực về cuộc sống Di chứng nặng nề mà nó để lại là không hề nhỏ Phục hồi chức năng sau tai biến là công việc rất vất vả gây mất ý chí bản thân người bị tai biến và cả người thân trong gia đình Do đó tác giả muốn hỗ trợ một phần trong việc phục hồi chức năng sau tai biến Đề tài sẽ giúp đỡ người bị tai biến luyện tập vận động dễ dàng hơn mà không cần sự trợ giúp từ người khác, đẩy nhanh tiến độ hồi phục cũng như giảm thiểu chi phí,thời gian trong quá trình luyện tập phục hồi Xuất phát từ ý tưởng trên nên tác

giả đã chọn đề tài “Điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho người liệt bán thân

sử dụng thuật toán pi-mờ”

1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu

- Thiết kế, chế tạo được cơ cấu hỗ trợ bệnh nhân bị liệt bán thân

- Xây dựng bộ điều khiển đáp ứng tốt và bám theo tín hiệu điều khiển

- Viết được phần mềm giao tiếp điều khiển trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành android

- Giúp người bị liệt bán thân do tai biến mạch máu não luyện tập trong giai đoạn phục hồi chức năng vận động Giảm đi gánh nặng của gia đình - xã hội, mau chóng hòa nhập với cuộc sống

1.3.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Tính toán và thiết kế cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho người liệt bán thân

- Thiết kế bộ điều khiển PI điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho

người liệt bán thân

- Thiết kế bộ điều khiển PI-mờ điều khiển cơ cấu hỗ trợ vận động chân cho người liệt bán thân

- Dùng VB6 thiết kế phần mềm giám sát để kiểm tra đáp ứng các bộ điều khiển

- So sánh các đáp ứng các bộ điều khiển

- Sử dụng phần mềm để viết ứng dụng trên điện thoại thông minh để điều khiển cơ cấu

1.4 Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm 5 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu

Nội dung chương 1 trình bày sơ lược về các công trình nghiên cứu về đề tài

ở trong nước và cả ở nước ngoài, ý nghĩa thiết thực của đề tài vừa mang tính nhân văn vừa chứa đựng hàm lượng khoa học Chương này cũng trình bày những mục tiêu, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu được thực hiện trong đề tài này Phần cuối của chương trình bày sơ lược nội dung của luận văn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 giới thiệu khái quát lý thuyết các phương pháp điều khiển được áp dụng để điều khiển cơ cấu hỗ trợ người liệt bán phần như: PI, mờ, điều khiển PI sử dụng mờ để chỉnh định các thông số PI

Chương 3: Tính toán cơ cấu và thiết kế bộ điều khiển, viết ứng dụng điều khiển

Chương 3 trình bày những kiến thức có liên quan đến nhân trắc học, cơ chế vận động của cơ thể con người, từ đó có thể tính toán mô men cần thiết phục vụ cho việc thiết kế cơ khí và lập trình cho phù hợp Chương này cũng trình bày cách thức thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ dựa trên lý thuyết đã được trình bày ở chương 2 và chương trình giám sát đáp ứng của bộ điều khiển trên nền tảng VB6 Ngoài ra

chương này còn giới thiệu về app inventor- một công cụ để lập trình ứng dụng điều khiển cơ cấu trên nền tảng Android

Chương 4: Thiết kế và thi công cơ khí, điện tử

Chương 4 sẽ trình bày về thiết kế cơ khí của mô hình để phù hợp cho ứng dụng thực tiễn Ngoài ra ở chương này còn giới thiệu về các thành phần điện có liên quan đến cơ cấu của luận văn như: board điều khiển, mạch kết nối bluetooth, mạch cầu H Kết quả đáp ứng của bộ điều khiển cũng được trình bày trong chương này

Chương 5: Kết quả đạt được và hướng phát triển

Chương 5 sẽ trình bày những kết quả mà luận văn đạt được Ngoài ra chương này cũng trình bày những thiếu sót hạn chế của đề tài, cũng như hướng phát triển để

đề tài tối ưu hơn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1Lý thuyết điều khiển mờ

2.1.1 Giới thiệu logic mờ

Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh công bố lần đầu tiên tại Mỹ vào năm 1965, tại trường đại học Berkeley, bang California, Mỹ Từ đó, lý thuyết

mờ đã có nhiều phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển-tự động hóa

Năm 1970, tại trường đại học Mary Queen, thành phố Lodon, Ebrahim Mamdini đã sử dụng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển bằng kỹ thuật cổ điển

Tại Nhật, logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của hãng Fuji Electronic vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987 Tuy logic mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh, nhưng lại phát triển và ứng dụng nhiều nhất ở Nhật

Ưu điểm của mờ sao với các phương pháp kinh điển là có thể tổng hợp được

bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác Điều này thực sự rất hữu dụng cho các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền

Điều khiển mờ chỉ cần xử lý những thông tin “không chính xác” hay không đầy đủ, những thông tin mà sự chính xác của nó chỉ nhận thấy được giữa các quan

hệ của chúng với nhau và cũng chỉ có thể mô tả bằng ngôn ngữ nhưng vẫn có thể đưa ra những quyết định chính xác Điều khiển mờ hay còn gọi là điều khiển thông minh là mô phỏng trên phương thức xử lý thông tin và điều khiển của con người, khởi đầu cho sự ứng dụng của trí tuệ nhân tạo trong lĩnh vực điều khiển

2.1.2 Một số khái niệm điều khiển

Một cách tổng quát, hệ thống mờ là tập hợp các quy tắc dưới dạng: If…Then

để mô phỏng hành vi của con người và tích hợp vào cấu trúc điều khiển của hệ thống

Kỹ thuật thiết kế một hệ thống mờ mang rất nhiều tính chất chủ quan, tùy thuộc vào kinh nghiệm và kiến thức của người thiết kế Ngày tay, tuy kỹ thuật mờ

đã có rất nhiều phát triển vượt bậc, nhưng vẫn chưa có một cách thức chuẩn và hiệu quả cho việc thiết kế hệ thống mờ Việc thiết kế vẫn dựa trên kỹ thuật rất cơ bản là: thử - sai – sửa, mất nhiều thời gian cho việc chỉnh sửa đạt kết quả có thể chấp nhận được

2.1.2.1 Định nghĩa tập mờ, các thuật ngữ liên quan

Định nghĩa tập mờ:

Tập mờ F xác định trên tập kinh điển X là một tập hợp mà mọi phần tử của

nó là một cặp các giá trị (x, µF(x)) trong đó x Є X và µF là ánh xạ µF : X → [0,1]

Ánh xạ µF được gọi là hàm liên thuộc của tập mờ F

Tập kinh điển X được gọi là tập nền của tập mờ F

Hàm liên thuộc:

Cho một tập hợp A, ánh xạ µA: A→ R được định nghĩa như sau:

µF = 1, Є

0, ∉ , được gọi là hàm thuộc của A

Một tập hợp luôn có µF(x) = 1 với mọi x được gọi là không gian nền (tập nền)

Vậy với khái niệm trên thì hàm thuộc µA của tập A có tập nền X sẽ được hiểu

là ánh xạ µA : X → {0, 1}

Miền tin cậy:

Miền tin cậy của tập mờ F (định nghĩa trên cơ sở X) được ký hiệu bởi T là tập con của M thỏa mãn: T = { x Є X | µF(x) = 1}

Vậy với một nhiệt độta có một ánh xạ như sau:t → µ =

⎬

⎪

⎫

Ánh xạ như trên còn gọi là quá trình Mờ hóa của giá trị rõ nhiệt độ t

Hình 2.2 Ví dụ về logic mờ trong đo nhiệt độ

2.1.2.3 Các phép toán trên tập mờ

Giao của hai tập hợp:

µA٨B= µA (x) µB (x)= min{ µA (x), µB (x)} (2.1) Hợp của hai tập hợp:

IF< mệnh đề điều khiển>THEN< mệnh đề kết luận>

 Nguyên tắc Mamdani:

“Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc của điều kiện” (Nguyên tắc này thường được sử dụng để mô tả mệnh đề hợp thành

mở trong điều khiển)

 Nếu hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra thì mệnh đề tổng quát có dạng như sau:

If N = niand M = miand …Then R = riand K = kiand…

 Quy tắc hợp thành MIN: Xét mệnh đề hợp thành A=>B, ta có giá trị của

mệnh đề hợp thành mờ là một tập mờ B’ định nghĩa trên nền Y (không gian nền của B) và có hàm liên thuộc là: µB’(y) = µAµB (y)

Các luật hợp thành mờ cơ bản:

+ Luật hợp thành MAX – MIN + Luật hợp thành MAX – PROD + Luật hợp thành SUM - MIN + Luật hợp thành SUM – PROD

 Luật hợp thành MAX – MIN

Các hàm liên thuộc được xác định theo quy tắc hợp thành MIN và phép hợp được thực hiện theo quy luật MAX

 Luật hợp thành MAX – PROD

Các hàm liên thuộc được xác định theo quy tắc hợp thành PROD và phép hợp được thực hiện theo quy luật MAX

 Luật hợp thành SUM – MIN

Các hàm liên thuộc được xác định theo quy tắc hợp thành MIN và phép hợp được thực hiện theo quy luật Lukasiewicz

Phép hợp Lukasiewicz:

µA٧B (x) = min {1, µA (x)+ µB (x)} (2.4)

 Luật hợp thành SUM – PROD

Các hàm liên thuộc được xác định theo quy tắc hợp thành PROD và

phép hợp được thực hiện theo quy luật Lukasiewicz

2.1.3.3Giải mờ

Giải mờ là quá trình xác định rõ đầu ra từ hàm phụ thuộc của tập mờ

Có nhiều phương pháp được dùng trong bước này:

Nguyên lý cực đại: hay còn họi là phương pháp độ cao, chỉ dùng cho hai loại tập mờ ra có đỉnh nhọn, được biểu diễn qua biểu thức

Hình 2.3 Tập mờ sử một đỉnh nhọn µ(z*) ≥ µ(z),∀z ∈Z

Trong trường hợp có nhiều đỉnh nhọn hay giá trị cực đại không phải là một điểm duy nhất thì người ta sử dụng:

Trung bình các cực đại (MoM): z*=

Hình 2.4 Tập mờ nhiều đỉnh nhọn Cực đại đầu tiên (LoM): z*=Z1

Cực đại cuối cùng (RoM): z*=Z2

Phương pháp trọng tâm (CoG – Center of Gravity hay CoA – Center of Area): thường dùng trong các ứng dụng, được biểu diễn qua biểu thức :

Hình 2.5 Tập mờ theo phương pháp trung bình

∫ ( )

Phương pháp trung bình theo trọng số (CoM – Center of Maximum): là một biến dạng của phương pháp trọng tâm khi thay dấu tích phân bằng dấu sigma, được dùng nhằm đơn giản hóa sự tính toán, phù hợp với các điều khiển nhỏ

Hình 2.6 Tập mờ theo phương pháp trung bình trọng số

Các tập mờ ra có dạng singleton: Z* = ∑ ( )

∑ ( )

tập mờ ra không có dạng đỉnh, nhưng đối xứng:

Z* = ∑ ( )

∑ ( )

Phương pháp trọng tâm diện tích lớn nhất: tính theo phương pháp trọng tâm nhưng áp dụng trong trường hợp có ít nhất vùng trên tập nền ra, tính trên vùng có diện tích lớn nhất

Có rất nhiều phương pháp giải mờ, trong thực tế thường chỉ dùng: Phương pháp trọng tâm, trung bình theo trọng số hay trung bình các cực đại Phương pháp trọng tâm hay phương pháp trung bình theo trọng số cho kết quả mang tính chất thỏa hiệp các tập mờ ra, thường dùng trong các ứng dụng điều khiển Trong khi phương pháp trung bình các cực đại cho kết quả mang tính dung hòa các tập mờ, thường dùng trong các ứng dụng nhận dạng và phân loại

2.1.4 Bộ điều khiển mờ

2.1.4.1 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ

Hình 2.7 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:

Hình 2.8 Ví dụ về bộ điều khiển mờ MISO

2.1.4.2Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển mờ Các nguyên lý thiết kế hệ thống điều khiển mờ:

Thiết bị hợp thành

Giao diện đầu vào Luật điều khiển

+ Giao diện đầu vào gồm các khâu: Mờ khóa, các khâu hiệu chỉnh như tỷ lệ, tích phân, vi phân…

+ Thiết bị hợp thành: Sự triển khai luật hợp thành mờ

+ Giao diện đầu ra gồm: Khâu giải mờ và các khâu trực tiếp với đối tượng

2.1.4.3 Trình tự thiết kế một bộ điều khiển mờ

Bước 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra

Bước 2: Xác định các tập mờ cho từng biến ngôn ngữ vào /ra (mờ hóa)

+ Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ

Một số nhược điểm của điều khiển mờ:

Tuy điều khiển mờ có nhiều phát triển, nhưng cho đến bây giờ vẫn chưa có các nguyên tắc chuẩn mực cho việc thiết kế cũng như chưa có thể khảo sát tính ổn định, tính bền vững, chất lượng, quá trình quá độ cũng như quá trình ảnh hưởng của nhiễu…cho các bộ điều khiển mờ và nguyên lý tối ưu cho các bộ điều khiển này về phương diện lý thuyết Điểm yếu của lý thuyết mờ là những vấn đề về độ phi tuyến của hệ, những kết luận tổng quan cho các hệ thống phi tuyến hầu như khó đạt được Nhằm khắc phục nhược điểm đó, có một hướng giải quyết bài toán thiết kế hệ thống điều khiển tự động rất hiệu quả là: Kết hợp giữa các phương pháp điều khiển

kinh điển (điều khiển P, PI, PD, PID; điều khiển biến trạng thái) với logic mờ, nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai phương pháp (kinh điển và mờ) Đó là nguyên nhân ra đời các bộ điều khiển tích hợp như:

+ PID – Mờ

+ PID – Mờ thích nghi

2.2 Lý thuyết điều khiển PID

Các khâu hiệu chỉnh P, PD, PI, PID và các thiết kế bộ điều khiển PID

Hình 2.6 Khâu hiệu chỉnh vi phân tỷ lệ PD Khâu hiệu chỉnh PD làm nhanh đáp ứng của hệ thống, nhưng cũng làm cho hệ thống rất nhạy với nhiễm tần số cao Chú ý: Thời hằng vi phân càng lớn đáp ứng càng nhanh

2.2.3Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI

Hàm truyền:

Khâu hiệu chỉnh PI là một trường hợp riêng của khâu hiệu chỉnh trễ pha, trong

đó độ lệch pha cực tiểu giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào là min = - 900 tương ứng với tần số min = 0

Khâu hiệu chỉnh PI làm tăng bậc số sai của hệ thống, tuy nhiên cũng làm cho

hệ thống có vọt lố, thời gian quá độ tăng lên

1/TD

0

ω L(ω) [dB]

φ(ω)[độ]

ω

900

450

Hình 2.7 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI

2.2.4 Khâu hiệu chỉnh PID

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển Analog cũng như Digital Theo một nghiên cứu cho thấy: Hơn 90% các bộ điều khiển được sử dụng là bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID nếu được thiết kế tốt có khả năng điều khiển hệ thống với chất lượng quá độ tốt (đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp) và triệt tiêu sai số xác lập

-90

Hình 2.8 Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỷ lệ PID

2.2.5Thiết kế bộ điều khiển PID

Trường hợp 1: Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng nấc có dạng chữ S của hệ hở ( sử dụng phương pháp Ziegler – Nichols)

Hình 2.9 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols Hàm truyền:

Bảng 2.1 Chọn thông số cho bộ điều khiển PID theo Ziegler – Nichols

Trường hợp 2: Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng của hệ kín ở biên giới ổn định

Tăng dần giá trị hệ số khuyếch đại K của hệ kín đến giá trị giới hạn Kgh (nghĩa

là giá trị lớn nhất của hệ số vẫn còn ổn định, nếu tăng thêm nữa thì hệ số sẽ mất ổn định) Lúc đó đáp ứng ra của hệ kín ở trạng thái xác lập là dao động ổn định với chu

kỳ Tgh

Hình 2.10 Hệ thống ở biên giới cố định