Phát triển thuật toán cải tiến robot phục hồi chức năng cho người đột quỵ

Một nhóm các nhà khoa học gồm TS Tâm Bùi (Viện Công nghệ Shibaura Nhật Bản), TS Trung Nguyễn (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) và TS Hà Phạm (Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội) đã đề xuất một thuật toán nhằm cải thiện các chuyển động của cánh tay robot phục hồi chức năng cho những người đang tiến hành vật lý trị liệu sau đột quỵ.

Robot phục hồi chức năng chi trên sẽ có khớp vai, khuỷu tay và cổ tay. Việc mở rộng các khớp này đến một góc cụ thể sẽ giúp cánh tay di chuyển theo một cách nhất định. Ảnh: Semantic Scholar

Robot phục hồi chức năng chi trên sẽ có khớp vai, khuỷu tay và cổ tay. Việc mở rộng các khớp này đến một góc cụ thể sẽ giúp cánh tay di chuyển theo một cách nhất định. Ảnh: Semantic Scholar

Đột quỵ là một vấn đề lớn ở các quốc gia có dân số già như Nhật Bản - nơi nguy cơ đột quỵ có thể lên đến 20% ở độ tuổi trung niên. Nó là một trong những nguyên nhân chính gây mất và hạn chế chức năng vận động. Y học thể chất và phục hồi chức năng hợp lý có thể giúp phục hồi chức năng ở các khu vực bị ảnh hưởng, nhưng phương pháp chữa trị này khá tốn kém, đòi hỏi các bác sĩ trị liệu đã được đào tạo phải dành nhiều thời gian cho một bệnh nhân. Y học phục hồi bằng robot có thể giúp giải quyết phần nào vấn đề này.

Một vấn đề lớn trong việc thiết kế robot đó là bài toán ‘chuyển động học nghịch đảo’. Một robot phục hồi chức năng có chân tay tương tự con người và có cùng số khớp xương. Robot phục hồi chức năng chi trên sẽ có khớp vai, khuỷu tay và cổ tay. Việc mở rộng các khớp này đến một góc cụ thể sẽ giúp cánh tay di chuyển theo một cách nhất định. Tuy nhiên, hãy thử tưởng tượng số góc mà các khớp có thể uốn cong chỉ để làm một việc đơn giản như nhặt đồ vật. Chính lúc này, chuyển động học nghịch đảo xuất hiện. Nó xem xét vị trí mà cánh tay cần đi tới (vị trí và hướng kết thúc của nó) sau đó tính toán ngược lại để xác định góc mà các khớp khác nhau phải uốn để đạt được điều đó. Đây có vẻ như là một giải pháp hiển nhiên, nhưng những phép tính đằng sau nó vô cùng phức tạp. Trong một bài báo được công bố trên tạp chí Artificial Intelligence Review¸ một nhóm các nhà khoa học do tiến sĩ Tâm Bùi thuộc Viện Công nghệ Shibaura (Nhật Bản) dẫn đầu đã đề xuất một thuận toán cải tiến để giải bài toán chuyển động học nghịch đảo. “Thuận toán mà chúng tôi đề xuất sẽ giúp giảm thiểu độ phức tạp và số lượng phép tính so với các phương pháp khác”, TS Tâm Bùi cho biết.

Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều phương pháp tối ưu hóa nhằm giải quyết bài toán chuyển động học nghịch đảo. Chúng hướng đến giảm thiểu hoặc tối đa hóa một yếu tố (chẳng hạn như thời gian thực hiện hoặc năng lượng thực hiện). Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp hiện tại nhằm giải quyết vấn đề chuyển động học nghịch đảo không xem xét tính khả thi của các góc khớp được tối ưu hóa, nói cách khác, liệu vai, khuỷu tay và cổ tay của cánh tay người mà robot đang hỗ trợ có di chuyển giống như cách mà robot chuyển động dựa trên các phép tính hay không? TS Tâm Bùi và nhóm nghiên cứu đã tính đến trường hợp này khi họ phát triển thuật toán của mình, thuật toán mang tên “các tham số điều khiển tự điều chỉnh trong thuật toán tiến hóa vi phân với cải thiện không gian tìm kiếm” (Pro-ISADE). Cụ thể, nhóm sử dụng một phương pháp tối ưu hóa có tên là thuật toán tiến hóa vi phân (Differential Evolution - trong đó phép tính được lặp đi lặp lại cho đến khi tìm thấy giải pháp tốt nhất hoặc “tối ưu”) với không gian tìm kiếm - phạm vi góc mà các khớp robot có thể uốn cong - giảm. Việc giảm không gian tìm kiếm giúp cải thiện tốc độ tính toán của thuật toán và đảm bảo rằng các góc khớp được tính toán không làm cho robot bị mất tự nhiên.

Để kiểm chứng, TS Tâm Bùi và cộng sự - TS Trung Nguyễn (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) và TS Hà Phạm (Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội) - đã sử dụng phương pháp Pro-ISADE để giải quyết bài toán chuyển động học nghịch đảo cho cánh tay con người trong hai hoạt động thiết yếu với đời sống hằng ngày: uống một cốc nước và đánh răng. Họ cũng thử nghiệm với hành động ném và bắt bóng. Đầu tiên, họ thực hiện các hoạt động bằng cách sử dụng một cánh tay chức năng và chụp các góc của cánh tay bằng một thiết bị đo lường do chính họ tạo ra - còn gọi là hệ thống chụp chuyển động của khung xương trợ lực (E-HMCS). E-HMCS được gắn vào cánh tay và chuyển đổi chuyển động của cánh tay thành tín hiệu điện tử thông qua việc sử dụng chiết áp làm cảm biến.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng E-HMCS nhằm ghi lại đường đi, vị trí và hướng cuối cùng của cánh tay khi thực hiện nhiệm vụ. Sau đó, họ đưa những giá trị này vào thuật toán Pro-ISADE để so sánh xem liệu nó có thể dự đoán chính xác những góc mà các khớp robot phải thực hiện để hoàn thành nhiệm vụ hay không. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng thuận toán Pro-ISADE đã dự đoán giá trị rất gần với các góc đo được, chứng minh hiệu quả của nó trong việc giải quyết bài toán chuyển động học nghịch đảo đối với các chuyển động tự nhiên của con người.

Thông qua các thí nghiệm cho hai hoạt động sinh hoạt hằng ngày - đánh răng và uống nước, các nhà khoa học đã kiểm chứng được mức độ hiệu quả của thuật toán Pro-ISADE đối với robot phục hồi chức năng. Ảnh: Tam Bui from SIT

Thông qua các thí nghiệm cho hai hoạt động sinh hoạt hằng ngày - đánh răng và uống nước, các nhà khoa học đã kiểm chứng được mức độ hiệu quả của thuật toán Pro-ISADE đối với robot phục hồi chức năng. Ảnh: Tam Bui from SIT

Có thể thấy, thuật toán Pro-ISADE là một công cụ tuyệt vời đối với robot phục hồi chức năng, trong đó việc bắt chước chuyển động tự nhiên của cơ thể con người là điều cần thiết nếu muốn tránh thương tích cho bệnh nhân. Theo TS Tâm Bùi, “phục hồi chức năng với sự hỗ trợ của robot giúp người bệnh có thể luyện tập với cường độ cao hơn, thời gian dài hơn và số lần tập nhiều hơn. Robot phục hồi chức năng cánh tay có thể giúp bệnh nhân sau đột quỵ nhanh chóng tái hòa nhập với cuộc sống thường ngày của họ.”

Nhìn chung, thuận toán Pro-ISADE còn có thể được ứng dụng với các robot công nghiệp và robot dịch vụ, điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn của phương pháp này.

Tham khảo:

Scientists develop improved algorithm for upper arm rehabilitation robots
Using proposed optimization algorithm for solving inverse kinematics of human upper limb applying in rehabilitation robotic

Nguồn: Tạp chí Tia sáng

  • Thứ Ba, 20:17 28/09/2021

Tin tiêu điểm

Đoàn cán bộ Học viện Phát triển Giáo dục nghề CHDCND Lào thăm và làm việc với Trường

Đoàn cán bộ Học viện Phát triển Giáo dục nghề CHDCND Lào thăm và làm việc với Trường

Thứ Tư, 14:52 06/07/2022
Trao Quyết định của Bộ trưởng Bộ Quốc phòng cho nam sinh viên tốt nghiệp đại học năm 2022 đi đào tạo Sỹ quan dự bị

Trao Quyết định của Bộ trưởng Bộ Quốc phòng cho nam sinh viên tốt nghiệp đại học năm 2022 đi đào tạo Sỹ quan dự bị

Thứ Tư, 14:26 06/07/2022
Hội nghị Khoa học: Một số xu hướng mới về đào tạo, nghiên cứu trong kỹ thuật năng lượng, điện tử và tự động hóa

Hội nghị Khoa học: Một số xu hướng mới về đào tạo, nghiên cứu trong kỹ thuật năng lượng, điện tử và tự động hóa

Thứ Ba, 13:25 14/06/2022
[LIVESTREAM] Hiểu đúng ngành, chọn đúng nghề - Tư vấn chuyên sâu nhóm ngành Điện, Điện tử

[LIVESTREAM] Hiểu đúng ngành, chọn đúng nghề - Tư vấn chuyên sâu nhóm ngành Điện, Điện tử

Thứ Sáu, 19:15 03/06/2022
[LIVESTREAM] Hiểu đúng ngành, chọn đúng nghề - Tư vấn chuyên sâu nhóm ngành Ngôn ngữ, Văn hóa, Du lịch & Khách sạn

[LIVESTREAM] Hiểu đúng ngành, chọn đúng nghề - Tư vấn chuyên sâu nhóm ngành Ngôn ngữ, Văn hóa, Du lịch & Khách sạn

Thứ Năm, 19:20 02/06/2022

Các bài đã đăng

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội khai trương phòng máy thể thao điện tử

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội khai trương phòng máy thể thao điện tử

Thứ Sáu, 13:48 12/08/2022
Hướng dẫn đăng ký xét tuyển đại học đào tạo từ xa năm 2022

Hướng dẫn đăng ký xét tuyển đại học đào tạo từ xa năm 2022

Thứ Năm, 12:09 11/08/2022
Công đoàn HaUI: “Hành trình về nguồn” ATK Định Hóa và ATK Tân Trào với nhiều hoạt động ý nghĩa

Công đoàn HaUI: “Hành trình về nguồn” ATK Định Hóa và ATK Tân Trào với nhiều hoạt động ý nghĩa

Thứ Bảy, 19:13 06/08/2022
Đoàn chuyên gia Nhật Bản thăm và làm việc tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đoàn chuyên gia Nhật Bản thăm và làm việc tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Thứ Tư, 18:21 03/08/2022
PGS.TS.Phạm Văn Bổng với nghiên cứu giải pháp thiết kế tích hợp trên phần mềm CAD và gia công biên dạng Cycloid trên máy CNC 5 trục

PGS.TS.Phạm Văn Bổng với nghiên cứu giải pháp thiết kế tích hợp trên phần mềm CAD và gia công biên dạng Cycloid trên máy CNC 5 trục

Thứ Tư, 12:42 03/08/2022
Đại học Công nghiệp Hà Nội dành hơn 800 triệu đồng cấp học bổng cho 26 tân sinh viên là thủ khoa, á khoa và có điểm xét tuyển cao thuộc diện tuyển thẳng

Đại học Công nghiệp Hà Nội dành hơn 800 triệu đồng cấp học bổng cho 26 tân sinh viên là thủ khoa, á khoa và có điểm xét tuyển cao thuộc diện tuyển thẳng

Thứ Sáu, 08:42 24/09/2021
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội chuyển đổi số hướng tới mô hình "Đại học thông minh"

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội chuyển đổi số hướng tới mô hình "Đại học thông minh"

Thứ Hai, 11:09 20/09/2021
Hướng dẫn nhập học trực tuyến năm 2021

Hướng dẫn nhập học trực tuyến năm 2021

Thứ Năm, 13:34 16/09/2021
Hướng dẫn xác nhận nhập học đại học chính quy năm 2021

Hướng dẫn xác nhận nhập học đại học chính quy năm 2021

Thứ Năm, 13:29 16/09/2021
Điểm trúng tuyển đại học chính quy đối với thí sinh xét tuyển kết quả thi tốt nghiệp THPT 2021

Điểm trúng tuyển đại học chính quy đối với thí sinh xét tuyển kết quả thi tốt nghiệp THPT 2021

Thứ Tư, 23:26 15/09/2021

Video giới thiệu