NGHIÊN cứu điều KHIỂN THIẾT bị tập PHỤC hồi CHỨC NĂNG cổ TAY KHI sử DỤNG cơ cấu PAM STUDY ON CONTROL WRIST REHABILITATION DEVIDE BY PAM ACTUATOR

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TẬP PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CỔ TAY KHI SỬ DỤNG CƠ CẤU PAM STUDY ON CONTROL WRIST REHABILITATION DEVIDE BY PAM ACTUATOR a tranxuantuy@yahoo.fr; b duccfg@gmail

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TẬP PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CỔ

TAY KHI SỬ DỤNG CƠ CẤU PAM

STUDY ON CONTROL WRIST REHABILITATION DEVIDE BY

PAM ACTUATOR

a tranxuantuy@yahoo.fr; b duccfg@gmail.com

TÓM TẮT

Hiện nay, tại hầu hết các bệnh viện, để điều trị phục hồi chức năng chân tay, các bệnh nhân bị chấn thương thường được tập theo các bài tập có sự hỗ trợ của các nhân viên y tế mà chưa có thiết bị hỗ trợ tích cực Để giảm thời gian phục vụ của nhân viên y tế và chủ động cho việc luyện tập của bệnh nhân, chúng tôi đã nghiên cứu, chế tạo thiết bị tập phục hồi chức năng cổ tay tự động có sử dụng cơ cấu cơ bắp nhân tạo khí nén PAM (Pneumatic Artificial Muscle) Bài báo này giới thiệu việc nghiên cứu để chế tạo thiết bị trên Trong đó, thiết lập các phương trình động lực học của cơ cấu, các phương trình cân bằng lưu lượng và áp suất trong van servo và trong cơ cấu PAM, nghiên cứu mô phỏng đáp ứng động lực học của hệ bằng phần mềm Matlab Thiết kế, chế tạo thiết bị sử dụng các cảm biến đo các thông số cơ bản của cơ cấu, kết quả đo của bài tập được lưu dưới dạng đồ thị trên máy vi tính; từ đó có thể nghiên cứu thực nghiệm khả năng phục hồi của bệnh nhân

Từ khóa: Van servo, lưu lượng, áp suất, máy vi tính, cảm biến

ABSTRACT

Today, most of the hospital, to treat limb rehabilitation for trauma patients are usually grouped according to the exercises with the support of the medical staff but no supportive devices pole To reduce the service life of healthcare workers and for the training initiative of the patient, we have research and manufacturing facility for wrist rehabilitation automatic when using artificial muscle structure Pneumatic PAM (Pneumatic Artificial Muscle) This paper introduces the research to fabricate devices In particular, set the equation of structural dynamics, the balance equations of flow and pressure in the valve servo and PAM structure, simulation studies to meet the dynamics of the system by software Matlab Design, manufacturing equipment, using sensors that measure the basic parameters of the structure, measuring results of the exercise is saved as a graph on the computer Since then, can

empirical resilience of patients

Keywords: servo valve, flow, pressure, computer, sensor

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, ở các bệnh viện cũng như các trung tâm phục hồi chức năng trong cả nước nhu cầu vật lý trị liệu của bệnh nhân ngày càng nhiều Trang thiết bị hầu hết là nhập từ nước ngoài nên giá thành rất cao, trong khi hầu hết số thiết bị làm trong nước còn mang tính thuần

cơ khí Các bài tập cho bệnh nhân luôn cần có y tá hỗ trợ, nên số lượng bệnh nhân được tập luyện khá ít, thiết bị hỗ trợ chỉ phát huy tác dụng sau khi bệnh nhân đã được tập luyện cùng nhân viên phục hồi chức năng Thiết bị tập phục hồi chức năng nước ngoài thường dùng động

cơ để làm chuyển động cơ cấu, tuy nhiên tính mềm dẻo chưa cao Thiết bị trong nước thì chỉ thuần cơ khí nên bệnh nhân không tự theo dõi được các thông số tập luyện của mình Vì vậy,

nhóm tác giả đã đề xuất làm mô hình thiết bị hỗ trợ tập luyện phục hồi khớp cổ tay cho các bệnh nhân có sử dụng cơ cấu PAM Thiết bị được điều khiển tự động, dưới sự giám sát và điều khiển bằng máy tính Thông số tập luyện như chu kỳ tập, tốc độ di chuyển và góc tập sẽ được giám sát và điều khiển bằng phần mềm trên máy tính, tay tập được điều khiển bằng cơ

cấu PAM nên có tính linh hoạt cao

2 NỘI DUNG CHÍNH

2.1 Giới thiệu về cơ cấu PAM

Cơ cấu PAM (hình 1.a) hoạt động tương tự như cơ của con người, có thể co lại và giãn

ra một cách linh hoạt PAM có thể chịu lực tác dụng lớn và khối lượng lớn so với các cơ cấu khác như động cơ điện hay xylanh khí nén Hiện nay, PAM được ứng dụng nhiều trong các robot y học và các thiết bị trợ lực cho người khuyết tật So với xylanh khí nén cùng đường kính thì PAM có ưu điểm khá nổi trội với trọng lượng nhỏ hơn 10%, lực tác dụng lớn gấp 10 lần, di chuyển nhẹ nhàng hơn, nên việc điều chỉnh vị trí rất đơn giản

Cơ cấu PAM được thiết kế bằng một ống cao su đóng kín một đầu và được bọc một lớp nylon, đầu còn lại được nối với nguồn không khí vào Khi cấp khí vào trong ống thì nó sẽ giãn ra giống như trái bóng cao su Đường kính của lớp nylon sẽ tăng lên và chiều dài giảm xuống, đây là tính chất của lớp nylon, nguyên lý làm việc của nó thể hiện như hình 1.b

Hình 1a: Cơ cấu PAM của hãng Festo Hình 1b: Sự thay đổi bước của lớp bện

nylon bên ngoài 2.2 Ứng dụng của cơ cấu PAM trên thiết bị tập cổ tay

2.2.1 Mô hình nghiên cứu

Hình 2: Mô hình nghiên cứu ứng dụng của cơ cấu PAM

Hình 2 là mô hình nghiên cứu, trên đó thể hiện tay tập, cơ cấu PAM, van điều khiển khí nén và thiết bị điều khiển Góc tập luyện của cơ cấu tay tập được điều khiển và giám sát bằng phần mềm trên máy tính, bộ điều khiển nhận dữ liệu từ encoder kiểm tra so sánh với góc tập luyện, từ đó xuất điện áp để điều chỉnh độ mở van tỷ lệ Khí qua van tỷ lệ đến cơ cấu PAM điều khiển tay tập quay theo góc đã cài đặt trên máy tính

2.2.2 Thiết lập phương trình động học của mô hình

2.2.2.1 Phương trình lưu lượng trong van tỷ lệ

Van tỷ lệ có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng khí tỷ lệ với điện áp mở van nên ta có phương trình:

 t u K dt

dm

V

dt

dm

V

Ngoài ra, ta có phương trình lưu lượng khí qua từng lỗ van:

1 out 1 in v v

dt

dm



 ; 2 A v C v p in 2 p out 2

dt

dm



Trong bài báo này giới thiệu công thức liên quan giữa áp suất và điện áp đặt vào của van tỷ lệ do Z.Situm và J.Petric đề xuất:

u K p

p 



Trong đó:

m1, m2: khối lượng không khí Kv: hệ số tỷ lệ điện áp van

Δp: hiệu áp p1-p2 qua lỗ van pout, pin: áp suất vào và ra của lỗ van

2.2.2.2 Phương trình lực của cơ cấu PAM

Từ cấu tạo của cơ cấu PAM xây dựng mô hình tính toán cho cơ cấu như sau:

Hình 3: Các thông số của cơ cấu PAM

Lực do cơ cấu PAM gây ra phụ thuộc vào áp suất và độ biến dạng, trong bài báo này sử dụng công thức do Tondul và Lopes đề xuất:

 , p r pa1  b

tan

3 a



sin

1 b



0

0 x

x

x 



D: đường kính của cơ cấu PAM (m) D0: đường kính ban đầu của cơ cấu PAM (m)

r0: bán kính ban đầu của cơ cấu PAM (m) L: chiều dài lớp bện nylon (m)

x: chiều dài của PAM khi tác dụng lực (m) x0: chiều dài ban đầu của PAM (m)

2.2.2.3 Phương trình động học của cơ cấu tay tập

Hình 4: Sơ đồ động học của cơ cấu tay tập

I 2

1

2

1

P

Hàm Lagrange:



 mgL sin

2

1 I

2

1

Phương trình Lagrange:































dt

d B

Từ (4) và (5) ta có:





2

1 B I

Với:

F F r

Từ (4) lực do cơ cấu PAM tạo ra:

 

p r

F 1 0 1  2  ; F 2 r 0 p 2a12 b (9) Từ (8), (9) ta có:

 

2 r r b 1

a p

Từ (7) và (10) có các phương trình động lực học:

 

2 r r b 1

a p cos

mgL 2

1 B

 



































0 0

0 2

x

x x

r r b 1

a p cos

mgL 2

1 B I

u K p p



























Đặt:xx 0 xr (độ dịch chuyển của cơ cấu PAM)

Thay vào (12):



































0

0 2

x x

r r b 2

1 a p cos

mgL 2

1 B I

u K p p

































































































0

0 2

0

2 2

0

x x

r r b x

r x

r 2 1 a p cos

mgL 2

1 B I

u K p p































































0

0 3 2 2 1

x x

r r A A A

p cos

mgL 2

1 B I

u K p p































0

2 1

x

r a

0 2

x

r a

Từ (13) biến đổi Laplace để tìm hàm truyền, ta tuyến tính hóa quanh điểm θ = π/2

     















s p A r r s s B s s I

s u K s p s p s

4 0







1













s p A r r s s B s s I

s u 1 s

K s

p

4 0



Ta có được hàm truyền thu gọn của hệ như sau:

   

   s 1 I s B s

A s

u

s s G

2

5













(16) Với: A 5 K  r r 0 A 4; I: mômen quán tính thu gọn của cơ cấu tay tập; B: hệ số ma sát nhớt

2.2.3 Ứng dụng PID điều khiển cho cơ cấu tay tập

Trong bài báo này sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để khảo sát đáp ứng của hệ Tín hiệu điều khiển ở đây là điện áp tỷ lệ với hiệu áp qua van tỷ lệ Sơ đồ điều khiển cho tay tập:

Hình 5: Sơ đồ điều khiển của cơ cấu tay tập

Tín hiệu điện áp điều khiển van tỷ lệ là điều khiển theo PID, được mô tả bằng phương trình (17)



dt

t de K dt t e K t e K t u

0

) ( )

( ) ( )

Với e(t) là giá trị so sánh giữa giá trị cài đặt và giá trị thực tế Các hệ số KP, KI, KD được tìm theo phương pháp Ziegler-Nichols

2.2.4 Mô phỏng bằng phần mềm Matlab

Sử dụng công cụ Simulink trong Matlab để mô phỏng động lực học của cơ cấu với các thông số có giá trị là: K = 0,11.106 (Pa/V); τ: = 0,12 (s); r0 = 0,01 (m); α0 = 300; x0 = 0.3 (m); r

= 0.025 (m); L= 0.3 (m); m = 1 (kg) Hệ số KP = 50; KI = 1; KD = 1 tìm được cho kết quả đáp ứng tốt nhất, kết quả mô phỏng được trình bày ở hình (7)÷(8) Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian đáp ứng của cơ cấu là nhanh (1s), độ vọt lố khá nhỏ (5%), sai số thấp

Hình 6: Sơ đồ mô phỏng cơ cấu tay tập

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Thoi gian (s)

Dap ung cua co cau tay tap

Gia tri mo phong goc Diem cai dat goc dat

Hình 7: Đáp ứng của cơ cấu tay tập góc /6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Thoi gian (s)

Dap ung cua co cau tay tap

Gia tri mo phong goc Diem cai dat goc dat

Hình 8: Đáp ứng của cơ cấu tay tập góc /4 2.3 Xây dựng mô hình thực tế của cơ cấu tập phục hồi chức năng cổ tay

Trong mô hình nghiên cứu có sử dụng cảm biến encoder, van tỷ lệ 5/3 MPYE-5-M5-010-B của hãng Festo, PAM có chiều dài 300mm, đường kính PAM là 20mm Bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển Pic 18f4231 và kết nối với máy tính thông qua cổng truyền thông Rs232 Áp suất điều khiển là 0.4Mpa, khối lượng tay cầm m=1 kg Nguyên lý làm việc của máy được thực hiện như sau: Tay tập của bệnh nhân được cố định trên giá đỡ, cổ tay được kẹp với tay cầm tập bằng đai mềm Lựa chọn góc tập luyện và chu kỳ tập trên máy tính, máy

sẽ tự động điều khiển cổ tay theo góc cài đặt và hiện thị thông số góc thực tế về để theo dõi

Hình 9: Mô hình thực tế

Hình 10: Tập cổ tay

0

10

20

30

40

50

Dap ung thuc nghiem cua bo dieu khien

Thoi gian (s)

Gia tri mo phong x Diem cai dat xd

KẾT LUẬN

Kết quả của nghiên cứu trên là:

- Thiết lập được các phương trình động lực học của mô hình tập phục hồi chức năng cổ tay

- Tính toán, thành lập được hàm truyền và xây dựng đươc bộ điều khiển PID cho mô hình, từ đó mô phỏng đáp ứng của hệ bằng phần mềm Matlab Simulink Kết quả mô phỏng các thông số lý thuyết được trình bày ở hình (7)÷(8) cho thấy đáp ứng của cơ cấu tay tập là khá tốt với thời gian đáp ứng nhanh và sai số thấp

- Xây dựng được mô hình thực nghiệm để nghiên cứu điều khiển góc quay của cơ cấu tay tập kết quả mô hình thực tế được trình bày ở hình (9)÷(10) Trong quá trình dựng mô hình thực nghiệm chúng tôi đã thiết kế và lắp ráp mạch chuyển đổi tín hiệu A/D, D/A, viết chương trình giao diện với máy tính để có thể điều khiển, lưu kết quả và vẽ đồ thị đáp ứng thực tế trên máy vi tính, được thể hiện trên hình (11)÷(12)

- Tay tập bệnh nhân được giá đỡ một cách linh hoạt nhờ thay đổi cơ cấu đỡ tay, cơ cấu tay tập di chuyển nhẹ nhàng với nhiều góc độ và chu kỳ tập luyện khác nhau, bệnh nhân lựa chọn các tham số tập luyện phù hợp với từng giai đoạn điều trị

- Từ kết quả nghiên cứu này ta thấy có thể áp dụng cơ cấu PAM để điều khiển tự động cho thiết bị tập phục hồi chức năng và là cơ sở để thiết kế các sản phẩm ứng dụng cho thực tiễn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tondu B, Lopez P Modeling and control of Mckibben artificial muscle robot actuators.IEEE Control Systems Magazine, 2000, 20, 15–38

[2] Šitum, Ž., Petri, J.: Modeling and Control of Servopneumatic Drive, Strojarstvo, 43, 1-3,

pp 29-39, 2001

[3] Colbrunn, R.: Design and Control of a Robotic Braided Pneumatic Actuators M.S

Thesis, Case Reserve University, Cleveland, Ohio, USA, 2000

[4] Richer E., Hurmuzlu Y., A High Performance Pneumatic Force Actuator System: Part 1

– Nonlinear Mathematical Model, ASME J of Dynamic Systems, Measurement and

Control, 122, 3, pp 416-425, 2000

[5] Šitum Ž., Pavkovi D., Novakovi B., Servo Pneumatic Position Control Using Fuzzy PID Gain Scheduling, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control,

126, 2, pp 376-387, 2004