Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 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 Trần Xuân Tùy1, Đào Minh Đức Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Đại học Phạm Văn Đồng, Quảng Ngãi a tranxuantuy@yahoo.fr; bduccfg@gmail.com TÓM TẮT Hiện nay, hầu hết bệnh viện, để điều trị phục hồi chức chân tay, bệnh nhân bị chấn thương thường được tập theo tập có sự hỗ trợ của nhân viên y tế mà chưa có thiết bị hỗ trợ tích cực Để giảm thời gian phục vụ của nhân viên y tế chủ động cho việc luyện tập của bệnh nhân, chúng đã nghiên cứu, chế tạo thiết bị tập phục hồi chức cổ tay tự động có sử dụng cấu bắp nhân tạo khí nén PAM (Pneumatic Artificial Muscle) Bài báo giới thiệu việc nghiên cứu để chế tạo thiết bị Trong đó, thiết lập phương trình động lực học của cấu, phương trình cân lưu lượng áp suất van servo cấu PAM, nghiên cứu mô đáp ứng động lực học của hệ phần mềm Matlab Thiết kế, chế tạo thiết bị sử dụng cảm biến đo thông số của cấu, kết đo của tập được lưu dạng đồ thị máy vi tính; từ đó có thể nghiên cứu thực nghiệm khả 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 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, bệnh viện trung tâm phục hồi chức nước nhu cầu vật lý trị liệu của bệnh nhân ngày nhiều Trang thiết bị hầu hết nhập từ nước nên giá thành rất cao, hầu hết số thiết bị làm nước mang tính thuần khí Các tập cho bệnh nhân cần có y tá hỗ trợ, nên số lượng bệnh nhân được tập luyện ít, thiết bị hỗ trợ phát huy tác dụng sau bệnh nhân đã được tập luyện nhân viên phục hồi chức Thiết bị tập phục hồi chức nước thường dùng động để làm chuyển động cấu, nhiên tính mềm dẻo chưa cao Thiết bị nước thuần khí nên bệnh nhân không tự theo dõi được thông số tập luyện của Vì vậy, 812 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV nhóm tác giả đã đề xuất làm mô hình thiết bị hỗ trợ tập luyện phục hồi khớp cổ tay cho bệnh nhân có sử dụng cấu PAM Thiết bị được điều khiển tự động, sự giám sát điều khiển máy tính Thông số tập luyện chu kỳ tập, tốc độ di chuyển góc tập được giám sát điều khiển phần mềm máy tính, tay tập được điều khiển cấu PAM nên có tính linh hoạt cao NỘI DUNG CHÍNH 2.1 Giới thiệu cấu PAM Cơ cấu PAM (hình 1.a) hoạt động tương tự của người, có thể co lại giãn một cách linh hoạt PAM có thể chịu lực tác dụng lớn khối lượng lớn so với cấu khác động điện hay xylanh khí nén Hiện nay, PAM được ứng dụng nhiều robot y học thiết bị trợ lực cho người khuyết tật So với xylanh khí nén đường kính PAM có ưu điểm nổi trội với trọng lượng nhỏ 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 một ống cao su đóng kín một đầu được bọc một lớp nylon, đầu lại được nối với nguồn không khí vào Khi cấp khí vào ống giãn giống trái bóng cao su Đường kính của lớp nylon tăng lên chiều dài giảm xuống, tính chất của lớp nylon, nguyên lý làm việc của nó thể hiện hình 1.b Hình 1a: Cơ cấu PAM hãng Festo Hình 1b: Sự thay đổi bước lớp bện nylon bên 2.2 Ứng dụng cấu PAM thiết bị tập cổ tay 2.2.1 Mô hình nghiên cứu Hình 2: Mô hình nghiên cứu ứng dụng cấu PAM 813 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình mô hình nghiên cứu, đó thể hiện tay tập, cấu PAM, van điều khiển khí nén thiết bị điều khiển Góc tập luyện của cấu tay tập được điều khiển giám sát phần mềm máy tính, bộ điều khiển nhận 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 cấu PAM điều khiển tay tập quay theo góc đã cài đặt máy tính 2.2.2 Thiết lập phương trình động học mô hình 2.2.2.1 Phương trình lưu lượng 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: dm1 dm2  K V u t  ;   KV u t  dt dt (1) Ngoài ra, ta có phương trình lưu lượng khí qua từng lỗ van: dm1 dm  Av Cv pin1  pout1 ;  Av Cv pin  pout2 dt dt (2) Trong báo giới thiệu công thức liên quan áp suất điện áp đặt vào của van tỷ lệ Z.Situm J.Petric đề xuất: p  p  K u (3) Trong đó: m1, m2: khối lượng không khí Kv: hệ số tỷ lệ điện áp van K: hệ số khuếch đại τ: số thời gian Δp: hiệu áp p1-p2 qua lỗ van pout, pin: áp suất vào của lỗ van Av: diện tích lỗ van Cv: hệ số của van 2.2.2.2 Phương trình lực cấu PAM Từ cấu tạo của cấu PAM xây dựng mô hình tính toán cho cấu sau: Hình 3: Các thông số cấu PAM Lực cấu PAM gây phụ thuộc vào áp suất độ biến dạng, báo sử dụng công thức Tondul Lopes đề xuất:  F  , p   r0 p a1     b Trong đó: a tan   ;  (4) b 814 sin   ;  x0  x ; x0 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV D: đường kính của cấu PAM (m) D0: đường kính ban đầu của cấu PAM (m) r0: bán kính ban đầu của cấu PAM (m) L: chiều dài lớp bện nylon (m) n: số bước bện α: góc bện (0) x: chiều dài của PAM tác dụng lực (m) x0: chiều dài ban đầu của PAM (m) 2.2.2.3 Phương trình động học cấu tay tập Hình 4: Sơ đồ động học cấu tay tập Động của hệ: K  Thế của hệ: P  2 I mgL sin  Hàm Lagrange: L 2 I  mgL sin  2 (5) Phương trình Lagrange: M  B  d  L  L   dt     (6) Từ (4) (5) ta có: M  I  B  mgL cos  (7) M  F1  F2 r (8) Với: Từ (4) lực cấu PAM tạo ra:    F1  r0 p1 a1     b ; F2  r0 p2 a1     b Từ (8), (9) ta có:   M  p a1     b r r0  (9) (10) Từ (7) (10) có phương trình động lực học:   I  B  mgL cos   p a1     b r r0 815 (11) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV   p  p  K u     I  B  mgL cos   p a1     b r r0  x x    x0   (12) Đặt: x  x0  x  r (độ dịch chuyển của cấu PAM) Thay vào (12):   p  p  K u     I  B  mgL cos   p a  2    x    x0     b r r0   p  p  K u     r r 2       I  B  mgL cos   p a  2 x0 x0     x    x0     b r r0      p  p  K u     I  B  mgL cos   p A1  A2  A3 r r0  x    x0  Với: A1  a  (13) r2 r ; A2  2a ; A3  a  b x0 x0 Từ (13) biến đổi Laplace để tìm hàm truyền, ta tuyến tính hóa quanh điểm θ = π/2  s.ps   ps   K us    I s  s   B.s. s    r r0 A4 ps  (14) Với: A4  A1  A2  A3 K  ps   u s     s  I s  s   B.s. s    r r0 A4 ps  (15) Ta có được hàm truyền thu gọn của hệ sau: Gs    s  u s   A5  s  1I s  B.s  (16) Với: A5  K  r r0 A4 ; I: mômen quán tính thu gọn của cấu tay tập; B: hệ số ma sát nhớt 816 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.2.3 Ứng dụng PID điều khiển cho cấu tay tập Trong báo sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để khảo sát đáp ứng của hệ Tín hiệu điều khiển điện áp tỷ lệ với hiệu áp qua van tỷ lệ Sơ đồ điều khiển cho tay tập: Hình 5: Sơ đồ điều khiển cấu tay tập Tín hiệu điện áp điều khiển van tỷ lệ điều khiển theo PID, được mô tả phương trình (17) t u (t )  K p e(t )  K I  e(t )dt  K D de(t ) dt (17) Với e(t) giá trị so sánh giá trị cài đặt giá trị thực tế Các hệ số KP, KI, KD được tìm theo phương pháp Ziegler-Nichols 2.2.4 Mô phần mềm Matlab Sử dụng công cụ Simulink Matlab để mô động lực học của cấu với 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 = (kg) Hệ số KP = 50; KI = 1; KD = tìm được cho kết đáp ứng tốt nhất, kết mô được trình bày hình (7)÷(8) Kết mô cho thấy thời gian đáp ứng của cấu nhanh (1s), độ vọt lố nhỏ (5%), sai số thấp Hình 6: Sơ đồ mô cấu tay tập 817 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Dap ung cua co cau tay tap 0.7 Gia tri mo phong goc Diem cai dat goc dat Goc quay (rad) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Thoi gian (s) 10 Hình 7: Đáp ứng cấu tay tập góc /6 Dap ung cua co cau tay tap 1.2 Gia tri mo phong goc Diem cai dat goc dat Goc quay (rad) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1.5 2.5 Thoi gian (s) 3.5 4.5 Hình 8: Đáp ứng cấu tay tập góc /4 2.3 Xây dựng mô hình thực tế cấu tập phục hồi chức cổ tay Trong mô hình nghiên cứu có sử dụng cảm biến encoder, van tỷ lệ 5/3 MPYE-5-M5010-B của hãng Festo, PAM có chiều dài 300mm, đường kính PAM 20mm Bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển Pic 18f4231 kết nối với máy tính thông qua cổng truyền thông Rs232 Áp suất điều khiển 0.4Mpa, khối lượng tay cầm m=1 kg Nguyên lý làm việc của máy được thực hiện sau: Tay tập của bệnh nhân được cố định giá đỡ, cổ tay được kẹp với tay cầm tập đai mềm Lựa chọn góc tập luyện chu kỳ tập máy tính, máy tự động điều khiển cổ tay theo góc cài đặt hiện thị thông số góc thực tế về để theo dõi Hình 9: Mô hình thực tế 818 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 10: Tập cổ tay Dap ung thuc nghiem cua bo dieu khien 50 Gia tri mo phong x Diem cai dat xd Goc quay (do) 40 30 20 10 0 Thoi gian (s) Hình 11: Đáp ứng góc cài đặt 450 Hình 12: Kết tập góc cài đặt 450 819 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT LUẬN Kết của nghiên cứu là: - Thiết lập được phương trình động lực học của mô hình tập phục hồi chức cổ tay - Tính toán, thành lập được hàm truyền xây dựng đươc bộ điều khiển PID cho mô hình, từ đó mô đáp ứng của hệ phần mềm Matlab Simulink Kết mô thông số lý thuyết được trình bày hình (7)÷(8) cho thấy đáp ứng của cấu tay tập tốt với thời gian đáp ứng nhanh sai số thấp - Xây dựng được mô hình thực nghiệm để nghiên cứu điều khiển góc quay của cấu tay tập kết mô hình thực tế được trình bày hình (9)÷(10) Trong trình dựng mô hình thực nghiệm chúng đã thiết kế 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 vẽ đồ thị đáp ứng thực tế máy vi tính, được thể hiện hình (11)÷(12) - Tay tập bệnh nhân được giá đỡ một cách linh hoạt nhờ thay đổi cấu đỡ tay, cấu tay tập di chuyển nhẹ nhàng với nhiều góc độ chu kỳ tập luyện khác nhau, bệnh nhân lựa chọn tham số tập luyện phù hợp với từng giai đoạn điều trị - Từ kết nghiên cứu ta thấy có thể áp dụng cấu PAM để điều khiển tự động cho thiết bị tập phục hồi chức sở để thiết kế 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 – 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 820