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

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
 
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.