Dựa trên công nghệ cảm nhận thực tế

Với những người khuyết tật vận động chi cánh tay do nhiều nguyên nhân khác nhau, việc cử động dựa vào các công cụ hỗ trợ thường gặp nhiều khó khăn. Làm thế nào để tạo ra một cánh tay “giống như thật” giúp họ vận động dễ dàng?

Để tìm câu trả lời, TS Nguyễn Cao Thắng và nhóm nghiên cứu Viện Cơ học đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xương tay phản hồi lực cho cảm nhận thực tế”.

Mục tiêu của nhóm là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xương tay phản hồi lực cho cảm nhận thực tế từ những ứng dụng công nghệ tiên tiến nhất hiện nay. Đề tài đã được nghiệm thu xếp loại Xuất sắc.

Thiết bị robot xương tay (exoskeleton robot) có hình dáng tương đồng với cánh tay người. Robot xương tay đeo được lên cánh tay người và có mô tơ điện hoạt động có thể sinh lực điều khiển để phối hợp với cử động của cánh tay.

Thiết bị này đã được nhiều trường đại học trên thế giới phát triển như Trung Quốc, Mỹ. Thiết bị robot xương tay có thể áp dụng trong y khoa như phục hồi chức năng tay cho các bệnh nhân sau đột quỵ.

TS Nguyễn Cao Thắng cho biết, công nghệ cảm nhận thực tế (Virtual Reality) bao gồm mô phỏng theo thời gian thực, tạo ra các cảm nhận thực tế về nghe, nhìn, ngửi, nếm và lực. Trong các cảm nhận trên, phản hồi lực có thể dùng để tạo ra cho người dùng cảm nhận lực.

Từ công nghệ trên, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một thiết bị xương tay có thể hoạt động dưới sự điều khiển của tay người, di chuyển theo các phương thẳng đứng, phương ngang và có khả năng phản hồi lực cho cảm nhận thực tế.

Nhóm nghiên cứu đã phân tích động lực học và điều khiển dùng cho mô phỏng hoạt động của hệ xương tay 3 bậc tự do bằng phần mềm chuyên dụng. Sau đó xây dựng và thử nghiệm 1 mô hình xương tay có 3 bậc tự do có phản hồi lực cho cảm nhận thực tế.

Để thử nghiệm các kết quả nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã phát triển mô hình xương tay ba bậc tự do nghiên cứu thành thiết bị xương khuỷu tay có tích hợp các cảm biến lực, bộ vi xử lý, động cơ. Bộ vi xử lý thu thập lực tương tác đo bởi cảm biến lực và điều khiển động cơ để sinh lực hỗ trợ người dùng.

Hỗ trợ người dùng nâng vật nhẹ

Thiết bị robot xương tay được thiết kế bao gồm một cụm khung ngoài bằng kim loại có hình dáng tương đồng với cánh tay người, có thể nâng được vật nặng 0,2 kg.

Thiết bị có bộ điều khiển nhúng (embedded controller) sử dụng bộ vi xử lý Atmega328P tốc độ 16 MHz. Bộ điều khiển nhúng có thể kết nối với máy vi tính cá nhân (PC) tốc độ cao để mô phỏng hoạt động của thiết bị theo thời gian thực bao gồm lực tương tác đo được của cảm biến lực, góc quay, vận tốc góc của khớp.

Nhóm nghiên cứu cũng đã áp dụng bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID) để điều khiển hoạt động của xương tay. Các tham số của bộ điều khiển được hiệu chỉnh phù hợp nhất để lực tương tác đạt được giá trị mong muốn.

Thiết bị xương tay có thể được lập trình để hỗ trợ thêm lực giúp cho người sử dụng nâng được vật nhẹ, hoặc phục hồi cơ tay theo một chu trình tập luyện đặt trước.

Robot cánh tay được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu từ vài năm nay, song chủ yếu mới dừng ở mức độ thử nghiệm. Vào năm 2019, Festo, hãng chuyên phát triển công nghệ tự động hóa của Đức đã ứng dụng thành công công nghệ khí nén để tạo ra mẫu cánh tay robot có thể cử động mềm mại như con người. Nhờ được trang bị trí tuệ nhân tạo (AI), robot mang tên BionicSoftHand còn có khả năng bắt chước và học hỏi chuyển động của tay người.

Phần khung của BionicSoftHand được làm bằng vật liệu dệt kim với một lớp da silicon mềm bọc bên ngoài. Khác với con người, cánh tay robot của Festo không có xương mà thay vào đó là các ống khí in 3D được dệt từ các sợi đàn hồi có độ bền cao. Khi một lượng khí nén nhất định được thổi vào hoặc hút ra khỏi ống, nó sẽ uốn cong các ngón tay, giúp bàn tay đóng, mở linh hoạt.