ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----o0o-----

TÔN THẤT THIÊN VŨ

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH
CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ
TỐI ƯU CHO BỘ KHUNG CHÂN

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
Mã ngành: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: ...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ..........................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ..........................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày..... tháng .... năm .....
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ...............................................................................................................................
2. ...............................................................................................................................

3. ...............................................................................................................................
4. ...............................................................................................................................
5. ...............................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA...................


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Hữu Thọ, luận văn này sẽ khơng
được hồn thành nếu khơng có sự hướng dẫn tận tình của Thầy, Thầy đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi để tôi thực hiện nghiên cứu, thực nghiệm cũng như tháo gỡ các khúc mắc
mà tôi gặp phải trong q trình thực hiện luận văn.
Tơi cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân của mình, họ luôn là động lực
để tôi phấn đấu trong cuộc sống cũng như trong việc học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, học viên cao học đã trải qua khó khăn,
vui buồn trong suốt thời gian học cao học.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 06 năm 2018

TƠN THẤT THIÊN VŨ

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

1


HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TÓM TẮT
Khung chân (lower extremity exoskeleton) là thiết bị hỗ trợ cho người đeo có thể
ngồi mà không cần ghế. Thiết kế bộ khung phải thoả mãn nhiều mục tiêu phù hợp với
cơ thể người đeo là cần thiết. Các hệ thống CAD hiện nay chưa trang bị tốt các cơng cụ
tính tốn tối ưu tiến hố. Bài báo này nghiên cứu khả năng ứng dụng CAD cho bài toán
tối ưu thiết kế đa mục tiêu. Trong nghiên cứu này, phương pháp NSGA-II và AMO đã
được sử dụng để tìm kiếm các thơng số tổi ưu của bộ khung chân. Hơn nữa phương pháp
quy hoạch Box-Behnken được sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng đầu vào của
AMO. Biên dạng pareto của các phương án khả thi được rút ra từ các phương pháp trên.
Sau đó phương pháp TOPSIS được sử dụng để hỗ trợ ra quyết định chọn lựa các thông
số thiết kế. Với kết quả đạt được cho thấy các góc tối ưu có giá trị như sau αNgồi thấp nhất
= 24.81˚, αNgồi Cao nhất=115.08˚ và αđứng = 177.2˚. Với cùng giá trị đầu vào, AMO và
NSGA-II cho kết quả tương đương nhau, nhưng số lượng mẫu đánh giá hội tụ của AMO
chỉ bằng 0.66 của NSGA-II. Phương pháp đề nghị trong bài báo rất phù hợp cho việc
thiết kế đa mục tiêu.
Từ khoá: MOGA, NSGA-II, AMO, bộ khung chân, thiết kế sản phẩm

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

2

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP


ABSTRACT
Lower extremity exoskeleton is a device that allows the wearer to squat without a
chair. The design must satisfy multiple objectives of body human. Many CAD
(Computer aid design) program still didn’t add multiobjective evolutionary algorithms
(EAs). This paper presents an application of NSGA-II (nondominated sorting genetic
algorithm II) and AMO (Adaptive-Multiple objective) for solving the multiple-objective
optimization in a problem of Lower extremity exoskeleton design. In this study, the
Box-Behnken design (BBD) - based response surface methodology was used to
investigate the effects of number of initial samples, number of samples per iteration and
maximum number of iterations on AMO. Then, Pareto-optimal frontier of feasible
points was carried out for the alternative solutions of design problem. In addition, the
TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution) is
employed to support the decision makers in making engineering decision for selecting
the optimum parameters. The best parameters obtained are αmin = 24.81˚,
αmax=115.08˚ and αstand = 177.2˚. With same inputs, AMO have less number of
evaluations than MOGA (Multiple-Objective Genetic Algorithm), so AMO highlighted
their better performance for optimum design. The method in this study is advantageous
for multiobjective optimization in CAD problem.
Keywords: MOGA, NSGA-II, AMO, exoskeleton, product design

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

3

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
Các nghiên cứu của tơi được phân tích dựa trên việc tham khảo một số tài liệu, luận
văn, bài báo đã thực hiện.
Các phân tích, đánh giá và trích xuất dữ liệu là hồn tồn trung thực, khơng vi phạm
bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam.
Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật về luận văn của tơi.
Tác giả

TƠN THẤT THIÊN VŨ

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

4

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. 5
DANH SÁCH CÁC BẢNG ...................................................................................... 7
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ................................................................................. 9
1.

2.

3.

4.


Tổng quan: ................................................................................................... 11
1.1.

Sự hình thành đề tài: ............................................................................. 11

1.2.

Giới thiệu về bộ khung xương ngồi: ................................................... 11

1.3.

Tình hình nghiên cứu: ........................................................................... 15

1.4.

Tính cấp thiết của đề tài: ....................................................................... 26

1.5.

Mục tiêu nghiên cứu.............................................................................. 27

Cơ sở lý thuyết ............................................................................................. 28
2.1.

Giải thuật di truyền................................................................................ 28

2.2.

Thuật toán di truyền đa mục tiêu .......................................................... 32


2.3.

Tối ưu hóa thích ứng đa mục tiêu ......................................................... 36

2.4.

Kriging .................................................................................................. 39

2.5.

Thuật toán di truyền đa mục tiêu NSGA-II [27] ................................... 41

2.6.

Phương pháp TOPSIS ........................................................................... 53

Mơ hình tốn ................................................................................................ 54
3.1.

Quy trình phân tích................................................................................ 56

3.2.

Kết qủa .................................................................................................. 57

Xây dựng mơ hình khung chân và phân tích ảnh hưởng góc mắt cá, góc hơng

lên vị trí trọng tâm ở bàn chân .................................................................................. 63
4.1.


Xây dựng mơ hình CAD ....................................................................... 63

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

5

HVTH: TƠN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
4.2.

Phân tích ảnh hưởng của góc mắt cá và góc hơng lên vị trí trọng tâm chiếu

xuống bàn chân ..................................................................................................... 63
5.

Kết luận và kiến nghị ................................................................................... 67
5.1.

Những vấn đề được giải quyết: ............................................................. 67

5.2.

Kiến nghị ............................................................................................... 67

6.

Tài liệu tham khảo ....................................................................................... 68


7.

PHỤ LỤC..................................................................................................... 71
7.1.

Bảng quy hoạch thực nghiệm và P-Value ............................................. 71

7.2.

Nẹp chân ................................................................................................ 80

7.3.

Bài báo khoa học ................................................................................... 81

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

6

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Đánh giá về bộ khung chân LegX .......................................................... 21
Bảng 1.2: Đánh giá về bộ khung chân của Noonee ................................................ 23
Bảng 1.3: Đánh giá về bộ khung chân Archelis ...................................................... 24
Bảng 1.4: Đánh giá về bộ khung chân OFREES..................................................... 26

Bảng 3.1: Bảng mục tiêu của bộ khung chân .......................................................... 54
Bảng 3.2: Giá trị giới hạn các biến quyết định ........................................................ 55
Bảng 3.3: Giá trị nhân tố ......................................................................................... 56
Bảng 3.4: Kết quả thực nghiệm. .............................................................................. 58
Bảng 3.5: Bảng kết quả 10 cá thể của AMO. .......................................................... 59
Bảng 3.6: Kết quả 10 cá thể của MOGA................................................................. 60
Bảng 3.7: Bảng giá trị của biến quyết định cá thể 1. .............................................. 61
Bảng 3.8: Khoảng cách tâm và góc khớp đùi ở 10 nấc của khố c. ........................ 62
Bảng 4.1: Giá trị nhân tố ε, τ và h. .......................................................................... 64
Bảng 4.2: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 215mm.
....................................................................................................................................... 65
Bảng 4.3: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 215mm. .............. 65
Bảng 7.1: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 236mm.
....................................................................................................................................... 71
Bảng 7.2: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 236mm. .............. 71
Bảng 7.3: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 249mm.
....................................................................................................................................... 72
Bảng 7.4: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 249mm. .............. 72
Bảng 7.5: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 263mm.
....................................................................................................................................... 72
Bảng 7.6: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 263mm. .............. 73
Bảng 7.7: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 276mm.
....................................................................................................................................... 73
GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

7

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Bảng 7.8: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 276mm. .............. 74
Bảng 7.9: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 290mm.
....................................................................................................................................... 74
Bảng 7.10: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 290mm. ............ 75
Bảng 7.11: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 303mm.
....................................................................................................................................... 75
Bảng 7.12: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 303mm. ............ 76
Bảng 7.13: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 317mm.
....................................................................................................................................... 76
Bảng 7.14: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 317mm. ............ 76
Bảng 7.15: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 329mm.
....................................................................................................................................... 77
Bảng 7.16: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 329mm. ............ 77
Bảng 7.17: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 343mm.
....................................................................................................................................... 78
Bảng 7.18: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 343mm. ............ 78
Bảng 7.19: Bảng quy hoạch thực nghiệm của ε, τ, h và Δ tương ứng với c = 356mm.
....................................................................................................................................... 78
Bảng 7.20: Giá trị P-Value với độ tin cậy 95% khi phân tích c = 356mm. ............ 79

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

8

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: (a) Orthotic Robot và (b) Prosthetic Robot [6]. ...................................... 14
Hình 1.2: (a) LOPES [8], (b) ATLAS [9], (c) RewalkTM [10] .............................. 15
Hình 1.3: (a) BLEEX [4], (b) Sarcos [12], (c) MIT [13]. ....................................... 16
Hình 1.4: (a) HAL-1 mẫu B (1996-1999), (b) HAL-3 (1999-2003), (c) HAL-5 mẫu
B(2005-) [14]. ............................................................................................................... 16
Hình 1.5: (a) LegX [15], (b) BackX [16], (c) ShoulderX [17], (d) ATOUN [18]. . 17
Hình 1.6: (a) Noonee [19], (b) Archelis [20]. ......................................................... 17
Hình 1.7: Adrianne Haslet-Davis sử dụng chân sinh học biểu diễn khiêu vũ [21]. 18
Hình 1.8: Robot sinh học dạng Orthotic Exoskeleton [22]. .................................... 19
Hình 1.9: Thiết bị hỗ trợ khớp gối [23]. .................................................................. 20
Hình 1.10: Bộ khung LegX [15]. ............................................................................ 21
Hình 1.11: Bộ khung chân của Noonee................................................................... 22
Hình 1.12: Bộ khung Archelis ................................................................................. 24
Hình 1.13: Bộ khung chân của OFREES [25]. ....................................................... 25
Hình 2.1: Lưu đồ các bước thực hiện MOGA trong ANSYS. ................................ 33
Hình 2.2: Lai tạo một điểm. .................................................................................... 35
Hình 2.3: Lai tạo hai điểm. ...................................................................................... 35
Hình 2.4: Lai tạo đều. .............................................................................................. 35
Hình 2.5: Lưu đồ giải thuật AMO. .......................................................................... 38
Hình 2.6: Tính tốn khoảng cách số đơng. Các điểm được đánh dấu bằng vịng trịn
đen là các giải pháp của biên thành phần vượt trội hồn tồn. ..................................... 48
Hình 2.7: Phương pháp NSGA-II ............................................................................ 52
Hình 3.1: Mơ hình ngun lý bộ khung chân. ........................................................ 54
Hình 3.2: Các kích thước của chi tiết khố. ............................................................ 55
Hình 3.3: Lưu đồ thực hiện của luận văn ................................................................ 57
Hình 3.4: Biểu đồ tính tốn giá trị tối ưu cho các nhân tố đầu vào của thuật toán
AMO. ............................................................................................................................ 59
GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ


9

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hình 3.5: Biểu đồ Pareto của phương pháp AMO. ................................................. 60
Hình 3.6: Biểu đồ Pareto của phương pháp MOGA ............................................... 61
Hình 4.1: Thiết kế sơ bộ khung chân. ..................................................................... 63
Hình 4.2: Mơ hình ngun lý mối quan hệ giữa ε, τ, h và Δ. .................................. 64
Hình 4.3: Bề mặt đáp ứng của Δc=215mm theo ε và τ................................................. 66
Hình 7.1: Nẹp khung chân. ...................................................................................... 80
Hình 7.2: Nẹp khung chân khi đeo vào chân .......................................................... 81

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

10

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
1. TỔNG QUAN:
1.1. Sự hình thành đề tài:
Có thể coi ý tưởng dùng bộ xương ngồi xuất hiện từ trước công nguyên, khi các
chiến binh dùng mũ, giáp, mộc để bảo vệ cơ thể; hoặc người ta dùng cà kheo để đi lại
trên bãi biển, đầm lầy, dùng chân giả thay thế chân người bị hỏng,... Về bản chất, những
dụng cụ đó đã là bộ xương ngồi. Tuy nhiên, thuật ngữ Exoskeleton (Exo) chỉ được
dùng phổ biến khi các nhà cơ - sinh học sáng tạo ra các cơ cấu được tích hợp và hoạt
động đồng bộ với cơ thể người, với mục đích tăng cường sức mạnh của cơ thể [1].

Vào đầu những năm 1960, Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ đã bắt đầu quan tâm đến việc
mở rộng những khả năng cho con người. Đầu tiên, họ đã khởi động bằng việc phát triển
một bộ giáp có thể tăng cường khả năng khuân vác cho binh lính [2]. Ngồi mục đích
qn sự, các nghiên cứu cịn tập trung vào lĩnh vực dịch vụ y tế [3].
Kể từ thời điểm đó, dụng cụ chỉnh hình và khung xương đã được phát triển rất phong
phú. Ứng dụng phục vụ cho y tế bao gồm làm tay chân giả, thiết bị trợ giúp người khuyết
tật. Đối với mục đích lao động và quân sự có thiết bị nâng cao khả năng khuân vác và
khả năng vận động của con người (đi lại, leo cầu thang, leo núi, bơi, chạy, nhảy, v.v…)
[1].
Ở Việt Nam, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự là một trong những đơn vị đi đầu trong
việc nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này. Với sự đầu tư cấp quốc gia, bộ khung mà
Học Viện nhắm tới phục vụ cho mục đích quân sự và hỗ trợ người khuyết tật. Để bộ
khung được phát triển toàn diện, cần nguồn đầu tư và sự hỗ trợ rất lớn để nghiên cứu và
thử nghiệm.
Nhưng đối với việc hỗ trợ người lao động và người già, thì hầu như các nghiên cứu
này vẫn chưa được triển khai nhiều ở Việt Nam. Xuất phát từ nhu cầu đó, tơi quyết định
thực hiện đề tài này.
1.2. Giới thiệu về bộ khung xương ngoài:
Kỹ thuật robot đã tạo ra một thế giới đa dạng các loại robot với những tính năng tiên
tiến: nhanh, mạnh, khéo léo, thông minh,... Tuy nhiên, để kết hợp máy móc với khả năng

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

11

HVTH: TƠN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
thao tác khéo léo, quyết định nhanh nhạy và thơng minh của người thì kỹ thuật robot,

trong đó con người nằm ngồi hệ thống thiết bị sẽ gặp một giới hạn không thể vượt qua
được. Sự kết hợp nói trên chỉ có thể đồng bộ nếu con người và robot hình thành một hệ
thống thống nhất.
Ý tưởng đó dẫn đến một quan niệm mới về robot: Human-robot hay Bio-robot, trong
đó robot và con người được tích hợp thành một hệ thống thống nhất (lntegrating humans
and rohotic mechanics into one sytem) [4]. Trong hệ thống đó, robot hoạt động như một
bộ phận mở rộng của cơ thể người. Nó có nhiệm vụ tăng cường năng lực cho các bộ
phận, thậm chí thay thế các bộ phận bị khuyết tật [1].
Đối tượng nghiên cứu, Exo là một loại robot sinh học được mang trên người, nhằm
bảo vệ hoặc tăng cường năng lực vật lý (như sức mạnh, tốc độ) cho người mang. Đó là
cách mà con người bắt chước thiên nhiên: một số loài động vật, như loài giáp xác, cơn
trùng,... dùng bộ xương, vỏ cứng bên ngồi để tăng khả năng bảo vệ hay khả năng vận
động. Nhưng trong q trình tiến hóa, các lồi động vật tự trang bị các bộ xương ngồi
tự nhiên (Natural Exoskeleton), thì con người lại tự trang bị cho mình các bộ xương
ngoài nhân tạo (Artificial Exoskeleton).
Từ robot sinh học (Bio-robot) được hiểu theo 2 nghĩa trái ngược nhau [1]:
 Loại robot được tạo ra bằng cách bắt chước các bộ phận của sinh vật, thường được
gọi là phương pháp phỏng sinh học (Biomimetic Robot), hoặc
 Ngược lại, loại robot được chế tạo để thay thế hoặc gắn kèm với bộ phận nào đó
trên cơ thể sống và hoạt động như một bộ phận của cơ thể. Nói cách khác, đó là bộ
phận nhân tạo của sinh vật.
Thực ra thì nghĩa thứ hai đã bao hàm cả nghĩa thứ nhất.
Bio-robotics, khoa học nghiên cứu về robot sinh học, thuộc một lĩnh vực đa ngành,
giao thoa giữa cơ sinh học, điều khiển, tin học, khoa học máy tính,... gần đây được gọi
là cơ sinh điện tử. Ngoài các kỹ thuật cơ bản như trong cơ điện tử, Bio-robotics sử dụng
các kỹ thuật liên ngành mới nhất, như kỹ thuật gen (Genetic Engineering), thực tế ảo
(nhân tạo) (Artificial Reality), trong đó có Haptic Interface - một loại giao diện, tạo ra

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ


12

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
cho người dùng cảm giác thực về thiết bị hay mơi trường ảo trong máy tính và/hoặc cho
phép người dùng tác động vật lý lên đối tượng ảo.
Robot sinh học được gắn lên cơ thể người, mang các tên gọi khác nhau: Human
Robot, Wearable Robot (WR).
WR là loại robot đặc biệt, khác hẳn về quan niệm với các loại robot công nghiệp và
robot di động thông thường:
 Về chức năng, WR mở rộng, tăng cường, hoàn thiện khả năng của các bộ phận của
cơ thể hoặc thay thế các bộ phận đó trong trường hợp chúng bị hỏng.
 Về phương pháp hoạt động, các WR không làm việc độc lập mà được "mặc" vào
người, làm việc như một bộ phận của cơ thể người (thay thế hoặc làm việc kèm bổ trợ một bộ phận của cơ thể);
 Về ứng dụng, các WR không làm việc trong mơi trường có cấu trúc định trước mà
có khả năng phản ứng linh hoạt trong môi trường biến động (Unstructed (Dynamic)
Environment).
Những đặc điểm và khả năng đó của WR có được nhờ sự kết hợp giữa năng lực trí
tuệ (khả năng xử lý tình huống một cách thơng minh, linh hoạt) của người mang và năng
lực vật lý (sức mạnh, tầm hoạt động, tốc độ, chịu sự khắc nghiệt của mơi trường, như
nóng, độc,...) của robot.
Hệ thống khung xương ngồi có thể được chia thành 2 loại: khung xương cho phần
chi dưới và khung xương cho phần chi bên trên. Nguyên nhân có sự phân chia làm 2
phần như vậy là do đặc trưng hoạt động của phần trên và phần dưới của cơ thể. Đôi tay
để thao tác những cơng việc địi hỏi sự linh hoạt và chính xác. Cịn đơi chân thì phục vụ
chủ yếu cho việc di chuyển [5].
Việc tách làm 2 mảng nghiên cứu là cần thiết, vì cả 2 bộ khung trên và dưới cần phải
hoạt động độc lập hiệu quả trước. Khi khung trên và khung dưới đã tương đối hồn

thiện, thì mới tiến tới bước tiếp theo là kết hợp cả hai lại [5].
Theo chức năng mà robot thực hiện trong sự phối hợp với người mang, WR có thể
được phân ra các loại sau [6]:

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

13

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
 Exo để tăng cường sức lực cho người mang (Empowering robotic Exoskeleton).
Đó là loại robot dùng để mở rộng khả năng (thường là sức mạnh, bổ sung năng
lượng, tăng sức chịu đựng,...) cho các hoạt động cơ bắp của người. Vì vậy, loại
robot này cịn được gọi là Extender [4].
 Các bộ phận được hỗ trợ là chi trên, chi dưới hoặc toàn bộ phần cột sống và chi
dưới khi mang nặng.
 Exo trợ giúp người khuyết tật để có thể hoạt động như người bình thường, được
gọi là OrthoticRobot (Hình 1.1 (a)).
Exo dùng trong vật lý trị liệu và phục hồi chức năng. Trong trường hợp này, robot
hoạt động theo chương trình (tuỳ theo hoạt động), bộ phận cơ thể cần phục hồi chức
năng phải bám theo. Như vậy, robot đóng vai trị của một "máy tập".
 Exo dùng để thay thế bộ phận hỏng của người, được gọi là Prosthetic Robot (Hình
1.1 (b)).

(a)

(b)


Hình 1.1: (a) Orthotic Robot và (b) Prosthetic Robot [6].
Đối tượng của đề tài, khung xương chân hỗ trợ việc ngồi xổm thuộc nhóm đầu. Mặc
dù, chức năng và tính chất hoạt động thuộc nhóm đầu tiên nhưng mục tiêu của bộ khung
chỉ hướng tới việc không gây cản trở trong việc di chuyển. Đồng thời, hỗ trợ cho việc

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

14

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ngồi xổm và đóng vai trị như một chiếc ghế di động. Exo sẽ không tiếp cận về mặt điều
khiển, mà chỉ đẩy mạnh tối ta ở việc mô phỏng để đạt được kết cấu tối ưu.
1.3. Tình hình nghiên cứu:
1.3.1. Trên thế giới:
Từ sau năm 2000, trong lĩnh vực nghiên cứu Exo đã xuất hiện những bước đột phá
về cơng nghệ. Đó là nhờ sự gặp nhau giữa khoa học và nhu cầu ứng dụng. Về khoa học,
việc nghiên cứu Exo góp phần hình thành và phát triển một hướng khoa học, công nghệ
mới: cơ sinh điện tử (Biomechatronics) [1]. Đây là lĩnh vực khoa học ứng dụng, kết hợp
giữa cơ sinh học, điều khiển và điện tử, nhằm sáng tạo ra các thiết bị ghép lên cơ thể
người để chữa bệnh (ví dụ tim, thận nhân tạo) hoặc để tăng khả năng hoạt động của con
người [6].
Về mặt y tế, thiết bị LokoMat [7], LOPES [8] hỗ trợ và rút ngắn thời gian phục hồi
chức năng trong các trung tâm vật lý trị liệu (khoa thần kinh và khoa chỉnh hình). Đối
với bệnh nhân bị liệt 2 chân hoặc cả 2 tay 2 chân, các thiết bị nổi bật giúp họ trở lại sinh
hoạt và đi lại hàng ngày có thể nói đến bao gồm ATLAS [9], RewalkTM [10], Ekso
(hãng Ekso Bionics của Mỹ, tên sản phẩm trước đây là eLEGs [11]) (hình 1.2).


(a)

(b)

(c)

Hình 1.2: (a) LOPES [8], (b) ATLAS [9], (c) RewalkTM [10]
Về mặt quân sự, khung xương BLEEX [4] được sử dụng như một hệ thống tăng
cường cơ bắp cho người sử dụng, giúp họ mang vác vật nặng lên tới 34 kg mà khơng

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

15

HVTH: TƠN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
gây mỏi trong quá trình đi bộ và chạy bộ. Khung xương Sarcos [12] có thể hỗ trợ người
mặc nâng vật nặng lên đến 84 kg, ngoài ra cịn có khung xương của MIT [13] (hình 1.3).

(a)

(b)

(c)

Hình 1.3: (a) BLEEX [4], (b) Sarcos [12], (c) MIT [13].
Về mặt hỗ trợ, HAL [14] (hình 1.4) tăng cường lực cho những người bị suy nhược
cơ (ví dụ như người cao tuổi) trong các hoạt động như đi bộ, leo cầu thang.


(a)

(b)

(c)

Hình 1.4: (a) HAL-1 mẫu B (1996-1999), (b) HAL-3 (1999-2003), (c) HAL-5 mẫu
B(2005-) [14].

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

16

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Trong công nghiệp, Ekso đã phát triển 3 sản phẩm hỗ trợ cho người lao động: LegX
[15] (khung chân cho người lao động làm việc trong tư thế ngồi trong thời gian dài, đi
bộ và leo cầu thang), BackX [16] (khung xương hỗ trợ cho lưng khi mang vác vật nặng),
ShoulderX [17] (khung xương hỗ trợ tay trong các hoạt động thao tác tay trên cao) (hình
1.5(a), (b), (c)). ATOUN [18] (hình 1.5(b)) của hãng Panasonic giúp thực hiện các thao
tác nâng hay di chuyển vật nặng dễ dàng hơn và giảm nguy cơ chấn thương.

(a)

(b)

(c)


(d)

Hình 1.5: (a) LegX [15], (b) BackX [16], (c) ShoulderX [17], (d) ATOUN [18].
Hãng xe Audi cũng đang thử nghiệm một thiết bị tương tự khung xương trợ lực với
tên gọi Noonee [19] (hình 1.6 (a)). Ở Nhật bản, bộ khung Archelis[20] của hãng NITTO
(Hình 1.6 (b)) cũng đang được phát triển để hỗ trợ bác sĩ thực hiện phẫu thuật ở tư thế
đứng hàng giờ đồng hồ.

(a)

(b)
Hình 1.6: (a) Noonee [19], (b) Archelis [20].

Tiến sỹ Hugh Herr cùng các cộng sự đã phát triển đơi chân sinh học, có thể thay đổi
thích nghi tức thì với điều kiện đi bộ, chạy, leo cầu thang (hình 1.7). Trong buổi diễn
GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

17

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
thuyết TED Talks tháng 3 năm 2014 [21], Adrianne Haslet-Davis cùng với chân sinh
học đã biểu diễn khiêu vũ. Kết quả này có được sau 200 ngày làm việc bao gồm nghiên
cứu về khiêu vũ, tìm hiểu lực tác động lên sàn nhảy. Ngoài ra, học máy (machine
learning) cũng được ứng dụng để nghiên cứu nguyên lý cơ bản của khiêu vũ, khả năng
phản xạ của vũ cơng.


Hình 1.7: Adrianne Haslet-Davis sử dụng chân sinh học biểu diễn khiêu vũ [21].
Các cơng trình nghiên cứu sau năm 2000 cho thấy có sự tiến bộ nhảy vọt về công
nghệ sử dụng trong Exo. Với sự thu hút được nguồn kinh phí đầu tư lớn của các quốc
gia, sự tham gia của các cơ sở nghiên cứu hàng đầu thế giới ngày càng đông. Các công
nghệ mới, kết cấu mới, và vật liệu mới được ứng dụng trong phần cơ khí, cảm biến, chấp
hành, điều khiển,... Phương pháp và công cụ nghiên cứu cũng được đổi mới. Cùng với
phương pháp nghiên cứu cơ - sinh học truyền thống, nhiều phương pháp mới cũng đã
được áp dụng. Công cụ phân tích, mơ hình hố, mơ phỏng có máy tính trợ giúp đã được
tích hợp. Một số cơng trình nghiên cứu chỉ ra rằng các phần mềm CAD/CAE có hiệu
quả trong việc thiết lập mơ hình hệ thống chân tay người và khảo sát động lực học của
chúng khi vận động [1].
Tại Thái Lan, năm 2005, Viện công nghệ châu á (AIT) đã phát triển mẫu robot dùng
cơ cấu khí nén với 12 bậc tự do. Robot hỗ trợ chi dưới của con người khi di chuyển. Với
mẫu thử đầu tiên, người có thể mang một vật nặng 15kg. Nó di chuyển trên địa hình
phẳng với tốc độ 0,8m/s (khoảng 2,9km/h). Ngồi ra, nó có thể hỗ trợ leo cầu thang với

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

18

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
các bậc cao 160mm. Dự án này được triển khai tiếp dưới sự tài trợ của chính phủ Thái
Lan [1].
Qua các cơng trình nghiên cứu về Exo, có thể rút ra một số kết luận sau:
 Các mẫu Exo đã bắt đầu được thương mại, nhưng giá cả cho một exo vẫn cịn khá
cao. Do đó, thiết bị vẫn chưa thể tiếp cận với đại đa số người dùng. Ngoài ra, các
exo thương mại chủ yếu bắt nguồn từ các nước châu Âu và châu Mỹ.

 Một số nước Châu Á cũng đã và đang tập trung phát triển theo định hướng của
riêng mình.
 Ngày nay, Exo là đối tượng nghiên cứu của ngành Bio-Mechatronics. Đây không
phải đơn thuần là vấn đề ngữ nghĩa mà xuất phát từ sự đột biến về giải pháp kết
cấu, công nghệ, phương pháp, và công cụ nghiên cứu [1].
Từ những ý tưởng, phương pháp nghiên cứu, giải pháp công nghệ ở trên, đó là nền
tảng cho việc lựa chọn hướng đi của đề tài.
1.3.2. Tại Việt Nam
GS. TS. Đào Văn Hiệp là một trong những người đầu tiên nghiên cứu lĩnh vực này
tại Việt Nam. Exo đầu tiên ở Việt Nam có thể mang trên người, hoạt động đồng bộ với
cơ thể người. Bộ khung hỗ trợ mang tải, giảm nhẹ sức lao động và giảm tiêu hao năng
lượng cho người mang.
Cụ thể hỗ trợ người thiểu năng vận động ở chân, có trọng lượng cơ thể đến 75 kg
(hình 1.8). Tốc độ di chuyển trên đường bằng đạt 9,8 m/phút. Robot này có thể đi lên,
xuống cầu thang (với chiều cao bậc thang lên đến 18,5 cm). Robot giúp người sử dụng
đổi tư thế đứng - ngồi và hỗ trợ giữ thăng bằng [22].

Hình 1.8: Robot sinh học dạng Orthotic Exoskeleton [22].
GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

19

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Năm 2014, Thạc sỹ Nguyễn Văn Lê đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu và chế tạo thử
nghiệm thiết bị hỗ trợ khớp gối” (hình 1.9). Mơ hình ban đầu đã giúp đưa tồn bộ tải
trọng mang vác xuống bàn chân. Về mặt điều khiển, tác giả đã nhận thấy cần thay đổi
về cảm biến lực để điều khiển được chính xác hơn. Về mặt bộ truyền động, bộ truyền

động cần thay bằng bộ truyền ma sát và cáp kết hợp, dung sai giữa các chi tiết nhỏ để
không xảy ra hiện tượng rơ khi động cơ đảo chiều [23].

Hình 1.9: Thiết bị hỗ trợ khớp gối [23].
1.3.3. Kết cấu cơ khí:
Để có được kết cấu cơ khí, cần tham khảo các mẫu đã làm trên thế giới. Từ đó có thể
đánh giá sơ bộ về ưu nhược điểm của từng bộ khung.
Mức độ cho điểm từ 1 đến 10
1.3.3.1.

Bộ khung chân LegX:

LegX (hình 1.10) là khung chân mang tính cách mạng cho phép người mặc quần áo
ngồi xổm nhiều lần hoặc trong một thời gian dài bằng cách giảm áp lực tác động đến
khớp gối và quadricep. Khả năng hỗ trợ có thể được điều chỉnh cho phù hợp với nhu
cầu và trọng lượng của người sử dụng. LegX bao gồm bộ khởi động có thể điều chỉnh
để tối đa hóa sự thoải mái của người dùng. Hệ thống thơng minh này có thể phân biệt
giữa đi bộ, lên xuống cầu thang và ngồi xổm. Nó không gây cản trở các chuyển động
GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

20

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
khác và chỉ cung cấp hỗ trợ khi người mặc mong muốn. LegX có chế độ khóa, biến bộ
khung chân trở thành một chiếc ghế. Kích thước có thể điều chỉnh cho phép người mặc
di chuyển tự nhiên và hoạt động tốt không gian hẹp. LegX di chuyển tự do cùng với
người lao động mà không cản trở người mặc, ngồi ra nó cịn hỗ trợ trong các nhiệm vụ

phải ngồi xổm [15]. Bảng 1.1 đánh giá bộ khung chân LegX.

Hình 1.10: Bộ khung LegX [15].
Bảng 1.1: Đánh giá về bộ khung chân LegX
Tiêu chí đánh giá

Giải thích

Mức độ thơng minh
1

Có thể phân biệt giữa đi bộ, đi lên và
xuống cầu thang và ngồi xổm cho phép
6
vận động không bị cản trở và chỉ cung
cấp hỗ trợ khi cần hỗ trợ.

2

Mức độ cản trở các hoạt Ví dụ có thể mặc để lên và xuống cầu
7
động khác
thang, lái xe hoặc đi xe đạp

STT

3

Mức độ thoải mái


Kích thước có thể điều chỉnh, vận hành
7
trong khơng gian hẹp

Mức độ kết hợp

Có thể kếp hợp với các dụng cụ an tồn
đã có, có thể sử dụng kết hợp với BackX 7
và ShoulderX

Khối lượng

Nặng 4.1 kg, người dùng di chuyển
8
không phải chịu khối lượng này

4

5
6

Tính điểm

Mức độ điều chỉnh kích Điều chỉnh các kích cỡ khác nhau
thước

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

21


7

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
1.3.4. Bộ khung chân của Noonee:
Trong khi các thiết bị khung xương khác sử dụng robot và động cơ để hỗ trợ người
bại liệt hoặc công nhân nhà máy công nghiệp nặng, chiếc 'ghế khung xương' của Noonee
(hình 1.11)chỉ là một bộ khung nhựa tối giản được sử dụng với một mục đích duy nhất:
ngồi. 'Ghế khung xương' được thiết kế dành riêng cho công nhân nhà máy sản xuất, cụ
thể là những người thường xuyên phải di chuyển và làm nhiều động tác khác nhau.
Người sử dụng sẽ đeo 'chiếc ghế' và làm việc như bình thường, và khi họ cần cúi xuống,
ngồi xổm, ngồi ghế, lập tức thiết bị sẽ được khóa cố định ở phần đầu gối, phần đế ở chân
ghế sẽ chịu trọng lực của cơ thể thay cho đầu gối, giúp giảm chấn thương dây chằng.
Chiếc ghế này sẽ giúp nhiều công nhân giữ được sức khỏe về lâu dài và tăng hiệu suất
làm việc [24]. Bảng 1.2 đánh giá bộ khung chân Noonee dựa trên các tiêu chí đề ra.

Hình 1.11: Bộ khung chân của Noonee

GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

22

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Bảng 1.2: Đánh giá về bộ khung chân của Noonee
STT Tiêu chí đánh giá


Tính điểm

Giải thích

1

Mức độ
minh

2

Mức độ cản trở Có thể đi lại nhưng để ngồi lên xe đạp hay xe
các hoạt động ơ tơ thì khơng được
5
khác

3

Mức độ thoải mái Kích thước có thể điều chỉnh, vận hành trong
8
không gian hẹp

thông Không sử dụng máy tính vào xử lý

1

Mức độ kết hợp

Khung chân gọn nhẹ có thể kết hợp với các

7
dụng cụ khác được

5

Khối lượng

Nặng 1 kg

6

Mức độ điều Điều chỉnh các kích cỡ khác nhau, nhưng chưa
7
chỉnh kích thước phù hợp với người Châu Á

4

1.3.4.1.

9

Bộ khung Archelis:

Bộ khung Archelis (hình 1.12) hướng tới 2 mục tiêu: đi bộ và thao tác ổn định ở một
tư thế ngồi. Góc cố định của khớp gối và mắt cá chân giúp người mặc “ngồi” trong tư
thế quỳ. Áp lực phân tán trong ống chân và một vùng rộng của đùi giúp cơ bắp không
mỏi trong ca mổ. Tư thế hỗ trợ toàn bộ trọng lượng cơ thể và duy trì trong thời gian dài.
Vật liệu chịu lực chủ yếu làm từ kim loại và sợi cacbon nhằm thỏa mãn hai yếu tố mâu
thuẫn nhau là khối lượng và độ cứng vững. Bảng 1.3 đánh giá bộ khung chân Archelis
dựa trên các tiêu chí.


GVHD: TS. NGUYỄN HỮU THỌ

23

HVTH: TÔN THẤT THIÊN VŨ