Nguyễn Hoàng Dũng * , Nguyễn Khánh Trân , Đái Tiến Trung Phan Hoài Loan

* Tác giả liên hệ (hoangdung@ctu.edu.vn)

Abstract

This paper presents a mechanic design of 2-DOF SCARA robot arm which is controlled to support for post-stroke patients by using physical therapy exercises. Fuzzy and PID algorithms have been utilized to control the robot arm by learning and repeating therapist’s movements. Loadcell in the design is utilized to measure the movement force of therapist’s arm. The algorithms were built based on MATLAB SIMULINK and connected to Arduino kit to control the robot arm. The orbital synchronization between the learning signal and repetition signal is approximately 79.85% for axis 1 and 76.95% for axis 2. The results of this study are the initial research for the robot arm with more degrees of freedom for patient supports in physiotherapy activities effectively.

Keywords: Arduino, PID, simulink, fuzzy, robot arm for physical therapy

Tóm tắt

Bài báo trình bày phương pháp thiết kế cơ khí của robot 2 bậc tự do (degree of freedom, DOF) dạng SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) được điều khiển bằng giải thuật PID (Proportional Integral Derivative) mờ để hỗ trợ bệnh nhân sau đột quỵ tập vật lí trị liệu. Giải thuật mờ Fuzzy và thuật toán PID được dùng để điều khiển hệ tay máy hai bậc tự do dựa trên cơ sở việc học và lặp lại các động tác tập. Loadcell sử dụng trong thiết kế được dùng để đo lực của quá trình vận động tay. Các giải thuật được xây dựng dựa trên phần mềm SIMULINK của MATLAB và kết nối với kit Arduino để điều khiển cánh tay robot. Quỹ đạo trong việc lặp lại động tác học so với quỹ đạo học có độ phù hợp 79,85% đối với khớp 1 và 76,95% đối với khớp 2. Kết quả của nghiên cứu này là cơ sở ban đầu để mở rộng nhiều bậc tự do cho cánh tay robot để hỗ trợ bệnh nhân tập vật lí trị liệu hiệu quả hơn nữa.

Từ khóa: Arduino, cánh tay robot hỗ trợ tập vật lí trị liệu, logic mờ, PID, simulink

Article Details

Tài liệu tham khảo

Avizzano C. A. & Bergamasco, M. (1999). Technological Aids for the treatment of tremor. Sixth International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR).

Bayona, N. A., Bitensky, J., Salter, K., & Teasell, R. (2005). The role of task-specific training in rehabilitation therapies. Topics in Stroke Rehabilitation, 12(3), 58-65. https://doi.org/10.1310/BQM5-6YGB-MVJ5-WVCR

BergamascoFrisoli, MA., Borelli, L., Montagner, A., Marcheschi, S., Procopio, C., Sals1edo, F., Bergamasco, M,, Carboncini, M. C., Tolaini, M., &Frisoli, A., Marcheschi, S., Montagner, A., Procopio, C., Rossi, B., Sals1edo, F., & Tolaini, M. (2007). Arm rehabilitation with a robotic exoskeleleton in Virtual Reality. Proceedings of the IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics; June 13–15; Noordwijk, The Netherlands, 631–642. doi: 10.1109/ICORR.2007.4428491

Butefisch, C., Hummelsheim, H., Denzler, P., & Mauritz, K.-H. (1995). Repetitive training of isolated movements improves the outcome of motor rehabilitation of the centrally paretic hand. Journal of the Neurological Sciences, 130(1), 59–68. https://doi.org/10.1016/0022-510X(95)00003-K

Dijkers, M. P., deBear, P. C., Erlandson, R. F., Kristy, K., Geer, D. M., & Nichols, A. (1991). Patient and staff acceptance of robotic technology in occupational therapy: a pilot study. Journal of Rehabilitation Research and Development, 28(2), 33-44 https://doi.org/10.1682/JRRD.1991.04.0033

Dũng, H. N. (2010). Điều khiển trượt thích nghi hệ phi tuyến dùng mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên tâm. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 15a, 263-272.

Dũng, H. N. (2011). Điều khiển hệ phi tuyến dựa trên giải thuật Feedforward-Feedback. Tạp chí khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 19a, 17-26.

Dũng, H. N. (2013). Đồng bộ hệ chaotic lorenz dùng bộ điều khiển trượt. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 27, 25-30.

Guidali, M., Schlink, P., Duschau-Wicke, A., & Riener, R. (2011). Online learning and adaptation of patient support during ADL training in Rehabilitation Robotics (ICORR), IEEE Int. Conf. Rehabil. Robot., 1-6. DOI: 10.1109/ICORR.2011.5975434

Kahn, L. E., Lum, P. S., Rymer, W. Z., & Reinkensmeyer, D. J. (2006). Robot-assisted movement training for the stroke-impaired arm: Does it matter what the robot does? Journal of Rehabilitation Research and Development, 43(5), 619-629. https://doi.org/10.1682/JRRD.2005.03.0056

Klamroth-Marganska, V., Blanco, J., Campen, K., Curt, A., Dietz, V., Ettlin, T., Felder, M., Fellinghauer, B., Guidali, M., & Kollmar, A. (2014). Three-dimensional, task-specific robot therapy of the arm after stroke: a multicentre, parallel-group randomised trial. The Lancet Neurology, 13(2), 159-166. https://doi.org/10.1016/S1474-4422(13)70305-3

Kwakkel, G., Kollen, B., & Wagenaar, R. (2002). Long term effects of intensity of upper and lower limb training after stroke: a randomised trial. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry, 72(4), 473-479. https://dx.doi.org/10.1136%2Fjnnp.72.4.473

Kwakkel, G., Wagenaar, R. C., Koelman, T. W., Lankhorst, G. J., & Koetsier, J. C. (1997). Effects of intensity of rehabilitation after stroke a research synthesis. Stroke, 28(8), 1550-1556. https://doi.org/10.1161/01.STR.28.8.1550

Lee, M., Rittenhouse, M., & Abdullah, H. A. (2005). Design issues for therapeutic robot systems: results from a survey of physiotherapists. Journal of Intelligent and Robotic Systems, 42(3), 239-252. https://doi.org/10.1007/s10846-004-7194-y

Liepert, J., Graef, S., Uhde, I., Leidner, O., & Weiller, C. (2000). Traininginduced changes of motor cortex representations in stroke patients. Acta Neurologica Scandinavica, 101(5), 321-326. https://doi.org/10.1034/j.1600-0404.2000.90337a.x

Mayo, N. E., Wood-Dauphinee, S., Cote, R., Durcan, L., & Carlton, J. (2002). Activity, participation, and quality of life 6 months poststroke. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 83(8),1035-1042. https://doi.org/10.1053/apmr.2002.33984

Nef, T., Mihelj, M., & Riener, R. (2007). ARMin: a robot for patient cooperative arm therapy. Med. Biol. Eng. Comput., 45, 887-900. https://doi.org/10.1007/s11517-007-0226-6

Nelles, G. (2004). Cortical reorganization–effects of intensive therapy. Restorative Neurology and Neuroscience, 22(3), 239-244.

Nguyen, H. D., & Huynh, T. H. (2018). Controlling the Position of the Carriage in Real-Time Using the RBF Neural Network Based PID Controller. The 18th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS2018), YongPyong Resort in PyeongChang, Republic of Korea, October 17~20, 1418-1423.

Paine, N., Joshua, S., Mehling, J. S., Holley, J., Nicolaus, A., Radford, N. A., Johnson, G., Chien-LiangFok, C.-L., Sentis, L. (2015). Actuator Control for the NASA-JSC Valkyrie Humanoid Robot: A Decoupled Dynamics Approach for Torque Control of Series Elastic Robots. Journal of Field Robotics, 32(3), 378-396. DOI: https://doi.org/10.1002/rob.21556

Rosen, J., Perry, J. C., Manning, N., Burns, S., Hannaford, B. (2005). The human arm kinematics and dynamics during daily activities – towards a 7 DOF upper limb powered exoskeleton. Proceedings of the 12th International Conference on Advanced Robotics; July 18–20; Seattle, USA, 532– 539. https://doi.org/10.1109/ICAR.2005.1507460

Sajid, M. S., Bokhari, S. A., Mallick, A. S., Cheek, E. C., & Baig, M. K. (2009). Laparoscopic versus open repair of incisional/ventral hernia: a meta-analysis. The American Journal of Surgery, 197(1), 64-72. https://doi.org/10.1016/j.amjsurg.2007.12.051

Sanchez, R. J., Liu, J., Rao, S., Shah, P., Smith, R., Rahman, T., Cramer, S. C., Bobrow, J. E., & Reinkensmeyer, D. J. (2006). Automating arm movement training following severe stroke: functional exercises with quantitative feedback in a gravity-reduced environment. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng, 14(3), 378-389. https://doi.org/10.1109/TNSRE.2006.881553

Van Andel, C. J., Wolterbeek, N., Doorenbosch, C. A. M., Veeger, D. H., & Harlaar J. (2008). Complete 3D kinematics of upper extremity functional tasks. Gait Posture, 27(1), 120-127. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2007.03.002

Volpe, B. T.,  Krebs, H. I., and Hogan, N. (2001). Is robot-aided sensorimotor training in stroke rehabilitation a realistic option? Current opinion in neurology, 14(6), 745-752. https://doi.org/10.1097/00019052-200112000-00011

Zhang, L.- Q., Park, H.- S., & Ren, Y. (2007). Developing an intelligent robotic arm for stroke rehabilitation. Proceedings of the IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics, June 12–15, Noordwijk, The Netherlands, 984-994. https://doi.org/10.1109/ICORR.2007.4428543