Khung Xương Robot Thông Minh Trợ Lực Tự Di Chuyển đi Lại Cho Người ...

Tải bản đầy đủ (.pdf) (28 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ
>>
3. Tự động hóa

khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu bệnh tật điều khiển bằng tín hiệu thần kinh EMG

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.73 MB, 28 trang )

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BÌNH ĐỊNHTRƯỜNG THPT CHUYÊN LÊ QUÝ ĐÔN……………………..Cuộc thi khoa học kỹ thuật cấp tỉnhdành cho học sinh trung học năm học 2017-2018BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨUKHOA HỌC KỸ THUẬTĐỀ TÀI:KHUNG XƯƠNG ROBOT THÔNG MINHTRỢ LỰC TỰ DI CHUYỂN ĐI LẠI CHONGƯỜI GIÀ YẾU, BỆNH TẬTĐIỀU KHIỂN BẰNG TÍN HIỆU ĐIỆNTHẦN KINH EMGLĩnh vực dự thi: ROBOT VÀ MÁY THÔNG MINHHọc sinh thực hiện: Đinh Việt LongGiáo viên hướng dẫn : Hứa Thị Thanh VânQuy Nhơn 12/2017MỤC LỤC1. Tóm tắt nội dung đề tài .............................................................................................. 021.1. Mục đích .................................................................................................................... 021.2. Trình tự thực hiện. ..................................................................................................... 021.3. Dữ liệu và kết luận. ................................................................................................... 021.3.1. Dữ liệu..................................................................................................................... 021.3.2. Kết luận ................................................................................................................... 022. Giới thiệu và tổng quan về vấn đề nghiên cứu ......................................................... 033. Giải thuyết khoa học và phát biểu mục đích nghiên cứu. ....................................... 033.1. Giả thuyết/vấn đề ....................................................................................................... 033.2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................. 043.3. Hy vọng đạt được ....................................................................................................... 044. Phương pháp nghiên cứu. .......................................................................................... 044.1. Tìm hiểu thực tế lí thuyết ........................................................................................... 044.2. Phân tích, thảo luận, lựa chọn giải pháp .................................................................... 054.3. Lên thiết kế tổng thể, rồi đi đến chi tiết từng phần .................................................... 154.3.1. Thiết kế tổng thể .................................................................................................... 154.3.2. Thiết kế chi tiết từng phần ..................................................................................... 174.4. Thử nghiệm nguyên lý điều khiển và hoàn thiện chương trình. ................................ 194.5. Tiến hành gia công chế tạo và lắp ráp ....................................................................... 214.6. Thử nghiệm chung cả thiết bị, rút kinh nghiệm, cải tiến và hoàn thiện sản phẩm. ... 234.7. Hoàn thiện hồ sơ, làm poster và thuyết trình đề tài. .................................................. 235. Số liệu kết quả nghiên cứu. ........................................................................................ 235.1. Các thông số về thiết bị.............................................................................................. 235.2. Cách thức vận hành thiết bị. ...................................................................................... 246. Phân tích số liệu/ kết quả và thảo luận. .................................................................... 246.1. Ưu điểm. ................................................................................................................... 246.2. Hạn chế. ..................................................................................................................... 246.3. Đề xuất cải tiến. ......................................................................................................... 247. Kết luận. ....................................................................................................................... 257.1. Kết luận. ..................................................................................................................... 257.2. Kiến nghị. ................................................................................................................... 258. Tài liệu tham khảo. ..................................................................................................... 25LỜI CẢM ƠNTrong quá trình thực hiện đề tài“Khung xương robot thông minh trợ lực tự dichuyển đi lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinhEMG”, em đã nhận được sự hỗ trợ, tư vấn và động viên rất nhiều từ gia đình, thầy côcũng như bạn bè thân thuộc.Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Hứa Thị Thanh Vân - giáo viên dạy môn Vật lívà chủ nhiệm lớp, đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đềtài, cùng các thầy cô trong Tổ Vật lí – Công nghệ và sự động viên của Ban Giám hiệuTrường THPT chuyên Lê Quý Đôn đã tạo điều kiện, giúp đỡ em hoàn thành đề tài củamình.Em cũng xin gửi lời chia sẻ, lòng biết ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên và tạođiều kiện tốt nhất để hoàn thành đề tài này, để có đề tài này không phải là công sức củariêng em mà là là công sức của tất cả mọi người giúp đỡ dù ít dù nhiều.Đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực cho người già yếu, bệnh tật điềukhiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG” có thể không phải là một đề tài mang tính độtphá hoàn toàn trên thế giới nhưng nó là sự hòa trộn, giao thoa và kết hợp giữa nhiều lĩnhvực, nhiều công nghệ mới để hướng tới một giải pháp thừa hưởng được ưu điểm các giảipháp khác, loại bỏ được nhược điểm chung, hoàn thiện hơn, hiệu quả hơn mà vẫn phùhợp với điều kiện Việt Nam. Đây là đề tài mà em tâm đắc nhất vì đã cố gắng hết sức, dốchết niềm đam mê khoa học của mình vào việc cải tiến, hướng đến công nghệ mới. Đâycũng là đề tài thứ 3 và cũng là đề tài cuối cùng trong quãng thời gian cấp 3 của em, tuy đãvấp phải nhiều thất bại trong những đề tài trước nhưng đó là chính những cột mốc đánhdấu cho sự phát triển trong cách tư duy, trau dồi kiến thức và vượt qua thử thách của em.Chính vì thế em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban tổ chức cuộc thi Khoa học kĩ thuật cấptỉnh dành cho học sinh THPT và THCS tỉnh Bình Định đã tạo ra một sân chơi, mang tínhgiao lưu học hỏi, cạnh tranh và thử thách rèn luyện bản thân cho học sinhCuối cùng em xin chúc gia đình, quý thầy cô, BTC cuộc thi cùng bạn bè nhiều sứckhỏe và thành công trong công việc.Trân trọng cảm ơn!.11. TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI.1.1. Mục đích.- Đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người giàyếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG” được triển khai với mục đíchtạo ra một thiết bị có thể trợ lực cho việc đi lại và đứng của người già yếu dễ dàng, vữngvàng hơn thay thế cho các phương pháp truyền thống trước đây như: gậy chống tay,khung tập đi, nhờ người giúp đỡ.- Đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người giàyếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG” hướng tới việc tạo ra mộtthiết bị có tính ứng dụng cao:+ Có thể trợ giúp được các động tác chuyển động đi đứng tự nhiên của chân.+ Điều khiển ít nỗ lực, hướng tới cách giao tiếp tự nhiên nhất giữa thiết bị và cơ thểcon người.+ Dễ thao tác, vận hành, chi phí lại rẻ, phù hợp.+ Có thiết kế chắc chắn mà vẫn đảm bảo trọng lượng phù hợp.+ An toàn tuyệt đối cho người sử dụng,1.2. Trình tự thực hiện.Bước 1. Tìm hiểu thực tế, lí thuyết.Bước 2. Phân tích, thảo luận, lựa chọn giải pháp.Bước 3. Lên thiết kế tổng thể, rồi đi đến chi tiết từng phần.Bước 4. Thử nghiệm nguyên lý điều khiển và hoàn thiện chương trìnhBước 5. Tiến hành gia công, chế tạo và lắp ráp.Bước 6. Thử nghiệm chung thiết bị, rút kinh nghiệm, cải tiến và hoàn thiện sản phẩm.Bước 7. Hoàn thiện hồ sơ, làm poster và thuyết trình đề tài.1.3. Dữ liệu và kết luận.1.3.1. Dữ liệu.Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu, bênhtật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG đạt các thông số sau:- Lực đẩy trợ lực tối đa khoảng 30 kg- Áp suất khí nén làm việc 5 kg/cm2- Thời gian hoạt động liên tục của pin: 5-6 tiếng.- Góc gập chân trên tối đa 45 độ- Giá thành một sản phẩm: 3.000.000đ1.3.2. Kết luận.- Tính mới của đề tài: Thể hiện ở chỗ thiết bị tạo ra có khả năng+ Trợ lực theo chuyển động chân người sử dụng, không cần dùng tay mà vẫn có thểđi đứng trên chính đôi chân của mình+ Phát triển dựa trên mạch nhúng Arduino nên việc thêm các module chức năngkhác rất dễ, kết nối với máy tính dễ dàng. Phần mềm tùy chỉnh, có thể phát triển phầnmềm thiết bị theo nhiều cách đi đứng khác nhau và thêm nhiều chức năng thông minh.+ Thiết kế tối ưu với 1 xy lanh trợ lực cho cơ tạo lực chính là cơ đùi và 1 lò xo trợlực nhẹ hơn cho bàn chân giúp giảm chi phí thiết bị, trọng lượng thiết bị cũng như đơngiản hóa phần truyền động, lập trình2- Thiết bị “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu,bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG” đã đạt được các yêu cầu vềnguyên lí, có chi phí đầu tư thấp. Như vậy đề tài đã bước đầu thành công, mang tính ứngdụng cao, có thể giúp việc trợ lực đi lại thuận lợi hơn. Đạt hiệu quả hơn nhiều so vớiphương pháp truyền thống cũ.Tuy nhiên sản phẩm dự thi mới chỉ là mô hình thử nghiệm nguyên lý cho 1 chân nênvẫn có hạn chế nhất định và chưa thể áp dụng rộng rãi vào thực tế. Cần tiếp tục nghiêncứu, hoàn thiện và phát triển ý tưởng.2. GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.- Đi lại là một nhu cầu tất yếu cho việc sinh hoạt và giải trí đối với mọi người.Nhưng không phải đối tượng nào cũng có thể đi lại dễ dàng, vì điều kiện sức khỏe bệnhtật hay do tuổi tác họ có thể bị suy yếu dần khả năng đi lại thậm chí đứng còn khôngvững. Các tác hại xấu của việc hạn chế đi lại là tắc nghẽn mạch máu, có thể gây hoạitử,… nhưng nguy hiểm hơn là tác động đến tinh thần người bệnh làm họ chán nản và lâudần sẽ trở thành thói quen lười đi lại. Chính vì thế việc khôi phục khả năng đi lại chonhững đối tượng này là một việc làm rất có ích và mang tính cộng đồng.Hiện nay, các phương pháp phục hồi khả năng đi lại ở Việt Nam vẫn còn ít, đó làchưa kể những phương pháp này sử dụng thiết bị còn thô sơ, cồng kềnh, khó dùng vàhiệu quả thấp. Cụ thể, các phương pháp phổ biến nhất là: nạng tay, khung tập đi có bánhxe hoặc nhờ người khác giúp đỡ. Cả 3 phương pháp này đều có ưu và nhược riêng. Nạngchống tay thì giúp phân bổ 1 phần trọng lượng và lực vào tay khi di chuyển giúp việc đilại dễ dàng và đạt độ cân bằng cao hơn; khung tập đi thì có bánh xe ở trước giúp dichuyển nhẹ nhàng mặt khác do có 4 điểm tiếp xúc nên tạo thành một cái khung vữngchãi, bao xung quanh người di chuyển; còn nhờ người giúp đỡ thì luôn an toàn vì cóngười giám sát giúp đỡ mình tùy theo yêu cầu của mình. Nhưng nhược điểm chung dễthấy lớn nhất của cả 3 biện pháp này là không đem lại sự dễ chịu, sự vui thú của việc tựđi lại mà việc tự đi lại, giữ thăng bằng là rất quan trọng để cơ thể hồi phục dần. Nhữngphương pháp cũ lại còn gây cảm giác bắt buộc hay khó nhọc cho người đi từ đó dễ gâynản chí cho đối tượng và không tạo được động lực cho họ, đó là chưa đề cập đến các vấnđề khác như: tốn thời gian, công sức người khác, thời gian phục hồi lâu, hiệu quả thấp ,…- Từ thực tế này, việc tạo ra một thiết bị có thể giúp đỡ người già, bệnh có thể tự lựcdi chuyển một cách an toàn, đem dần trở lại cho họ cảm giác thực của việc đi lại bằngchình đôi chân của mình mà không cần sự trợ giúp người khác, nhẹ nhàng mà hiệu quả,đó chính là vấn đề cần phải đặt ra. Thiết bị đó không chỉ mang lại lợi ích cho bản thân họmà còn tác động tích cực đến xã hội chung. Chính vì thế, việc thực hiện đề tài “Khungxương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu, bệnh tật điều khiểnbằng tín hiệu thần kinh EMG” nhằm tổng hợp và áp dụng những công nghệ mới của thếgiới vào Việt Nam là một việc làm không chỉ mang tính thực tiễn, cấp thiết mà còn rấtnhân văn, cộng đồng.3. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ PHÁT BIỂU MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU.3.1. Giả thuyết/vấn đề.Vấn đề đặt ra là cần tạo ra một thiết bị có khả năng:3+ Có các khớp xoay mô phỏng chuyển động tự nhiên của các khớp chân, mang đến sựthoải mái, nhịp nhàng trong việc đi lại.+ Khung bằng hộp nhôm vừa đủ độ cứng, lại nhẹ vừa là vật liệu thông dụng trên thịtrường, chi phí vừa phải.+ Hệ cơ khí truyền động vận hành bằng khí nén có nhiều ưu điểm, cấu tạo bao gồmnguồn năng lượng là bình khí nén mang sau lưng nối với van điều khiển điện qua hệthống ống dẫn cấp khí cho xy lanhkhí nén hoạt động tạo lực đẩy các khớp chuyển độngvà xy lanhkhí nén phải cấp đủ lực để thực hiện các hoạt động đi lại+ Điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến tín hiệu điện thần kinh EMG được gắn trên cơkích hoạt chính khi đi lại, giúp việc điều khiển đi lại mang tính tự nhiên nhất có thể, cũngnhư không phải dùng lực quá nhiều+ Thiết kế tối giản, nhưng vẫn hiệu quả bằng cách chỉ dùng 1 xy lanhtrợ lực cho cơ dùicòn phần chuyển động của bàn chân thuộc bắp chân dưới trợ lực chỉ dùng cơ cấu đòn bẩylò xo, vừa giảm độ phức tạp của cơ cấu, chi phí thiết bị, vừa giảm trọng lượng chung.3.2. Mục đích nghiên cứuĐề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người giàyếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG” hướng tới việc khắc phụcnhững hạn chế của phương pháp truyền thống bằng cách nghiên cứu, chế tạo ra một thiếtbị:+ Đạt tốc độ di chuyển cần thiết và có thể điều chỉnh được.+ Hỗ trợ được toàn phần lực khi đứng cũng như 1 phần phù hợp khi đi.+ Cảm biến và hệ điều khiển chuyển động, khớp chuyển động nhịp nhàng mô phỏng gầnnhất cấu tạo sinh học con người, và cách đi lại tự nhiên để giúp cho người sử dụng đi lạimột cách đơn giản trực quan nhất cũng như ít tốn sức nhất.+ Dễ sử dụng, tin cậy và có tính kinh tế.+ An toàn tuyệt đối cho người sử dụng,3.3. Hy vọng đạt được:Chế tạo ra sản phẩm phù hợp với điều kiện ở Việt Nam và có thể phổ biến rộng rãicho những người già yếu, bệnh tật mà chân bị yếu khó đi lại. “Khung xương robot thôngminh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điệnthần kinh EMG” mong đạt được các yếu tố sau:+ Cảm biến và thuật toán xử lí chính xác, tức thời tín hiệu của cơ dùng cho việc đi lại.+ Hệ cơ khí đơn giản, nhẹ mà vẫn đảm bảo hoạt động nhịp nhàng, nhanh và chính xác.+ Có chế độ an toàn giúp đề phòng các tình huống bất ngờ.+ Giá thành hợp lí.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực tiễn, phương pháp phân tích, đánh giávà phương pháp thực nghiệm. Cụ thể:4.1. Tìm hiểu thực tế, lí thuyết.4Dựa vào việc quan sát thực tế, tìm hiểu qua sách báo, tài liệu, mạng internet để thuthập các dữ liệu có liên quan đến đề tài đang làm thu được một số kết quả sau:- Phương pháp phục hồi, trợ lực đi lại ở Việt Nam: có 3 phương pháp chính là dùng nạngtay, dùng khung tập đi và nhờ người giúp đỡ. Từ đó đặt câu hỏi phân tích về ưu nhượcđiểm của các phương pháp này? Điểm hạn chế chung của các phương pháp là gì? Ưuđiểm riêng của từng cái là gì? Bên cạnh đó tìm hiểu lí thuyết các công nghệ điều khiển,cơ khí, thuật toán phù hợp với thiết bị mình đang làm.4.2. Phân tích, thảo luận, lựa chọn giải pháp.Sau khi nghiên cứu ưu, nhược điểm của phương pháp truyền thống, dựa vào nhữngkiến thức, tư liệu thu thập và sự tư vấn, góp ý của giáo viên hướng dẫn, em đưa ra giảipháp tối ưu để thực hiện đề tài này. Với tiêu chí tạo ra một thiết bị có thể:+ Vận hành nhịp nhàng, tự nhiên, không gây xung đột với cơ thể.+ An toàn và đáng tin cậy+ Trợ lực đủ nhanh và mạnh+ Điều khiển nhạy, độ trễ thấp+ Dễ sử dụng, bảo trì+ Chi phí thấp, phù hợp với điều kiện Việt NamĐể đáp ứng các tiêu chí đó, em phân tích các phương pháp mới rồi lựa chọn giảipháp tối ưu nhất.Cụ thể:+ Về phương pháp: Hiện nay trên thế giới công nghệ phục hồi khả năng đi lại tiêntiến nhất là khung xương robot thông minh (exoskeleton). Các loại khung xương robot hỗtrợ đi lại dùng 2 phương pháp điều khiển đó là cảm biến cơ EMG hoặc nút nhấn. Dễ thấyviệc điều khiển bằng tín hiệu cảm biến cơ là tiên tiến và hiệu quả hơn.+ Về nguyên lý điều khiển: Để hiểu rõ hơn cách điều khiển bằng tín hiệu điện cơEMG ta phải tìm hiểu về cách cơ hoạt động và những cơ được kích hoạt khi ta đi lại.Cơ, còn được gọi là bắp thịt, là một phần của hệ vận động. Mô cơ là một loại môliên kết trong cơ thể động vật. Mô cơ gồm ba loại: mô cơ vân, mô cơ tim, mô cơ trơn.Chức năng của mô cơ là co, dãn, tạo nên sự vận động, tạo nhiệt cho cơ thể.Trong trường hợp này vì bộ phận ta muốn trợ lực là chân nên cơ cần tìm hiểu là cơ vân.Cơ vân, hay còn gọi là cơ vận động có ý thức, thường gắn với xương. Hệ cơ vân gồm các bắpcơ nối các xương ở các đầu xương (hay 1 đầu gắn với xương còn một đầu gắn với da,như cơ mặt)5Hình 1: Sơ đồ giải phẫu hệ cơ vân và cấu tạo đơn giản của 1 cơCấu tạo của một bắp cơ gồm các bó cơ, bó cơ gồm các tế bào cơ (sợi cơ) và xen lẫn bởidây thần kinh và mạch máu. Trong đó các dây thần kinh giúp truyền tải tín hiệu thần kinhtừ não qua tủy sống và đến cơ nhất định làm kích hoạt co- duỗi cơ đó. Các tín hiệu thầnkinh này được truyền dưới dạng tín hiệu điện sinh học với điện áp rất nhỏ. Nên muốn thuđược chúng chúng ta phải dùng các cảm biến chuyên dụng có sẵn bộ khuếch đại.Có 2 cách đo tín hiệu điện cơ là:Đo điện bên trong cơMột cây kim cắm xuyên qua da và cơ cần đo. Cây kim này sẽ phát hiện hoạt động điệncủa cơ (giống như một điện cực). Vì các cơ xương (cơ vân) thường lớn ,cho nên điện cựccần phải được cắm ở nhiều nơi trên cơ mới có thể thu được thông tin chính xác về hoạtđộng của điện cơ (đây chính là nhược điểm).Sau khi cắm điện cực,người bệnh được yêucầu co cơ( ví dụ co khuỷu tay..) Kích thước và hình dạng của sóng hiện tại (điện thế hoạtđộng) được thể hiện trên dao động ký, cung cấp thông tin về khả năng hoạt động của cơđối với đáp ứng kích thích thần kinh.Mỗi sợi cơ khi co thắt sẽ sinh ra điện thế động.Kíchthước của sợi cơ sẽ ảnh hưởng đến tần số và biên độ điện thế hoạt động.Đo điện ở bề mặt daDo đo điện cơ bề mặt bằng điện cực Gel hoặc khô, không phải đâm kim qua da và vì vậyngười bệnh nhân không bị đau. Tuy nhiên, giá trị thông tin thu được bằng phương phápnày thường không tốt bằng đo điện cơ cắm vào cơ. Mặc dù vậy, đo điện cực trên bề mặtda chứng tỏ vẫn còn giá trị trong tương lai giúp theo dõi sự tiến triển các rối loạn thầnkinh và cơ.Chính vì vậy, trong trường hợp này ta chọn cách đo điện cực ở bề mặt da vì nóthuận tiện cho người sử dụng khi di chuyển và không gây đau. Mặc dù việc xử lí tín hiệucho chính xác sẽ khó hơn nhưng ta có thể giải quyết bằng phần mềm.6Đối với thực tế mạch Arduino ta sẽ có 2 lựa chọn: một là dùng cảm biến củaMyoware của Advancer Technologies hoặc là dùng cảm biến vòng tay Myo GestureArmband Control của Thalmic LabsHình 2: Cảm biến cơ MyowareHình 3: Cảm biến vòng tay Myo ArmbandMỗi cảm biến đều có ưu, nhược riêng:+ Cảm biến Myo Armband thì hiện đại hơn có tới 8 cảm biến EMG và 1 cảm biến IMUkèm với module bluetooth tích hợp trong 1 thiết bị, cảm biến này dùng loại điện cực khônên không tốn công thay điện cực sau mỗi lần dùng. Nhưng việc đưa tín hiệu về mạchArduino xử lí sẽ có đôi phần phức tạp hơn vì mặc định nó không hỗ trợ cho Arduino phảidùng SDK để viết code. Giá 1 cảm biến này khoảng 5tr500+ Đối với cảm biến Myoware thì tương thích sẵn với Arduino với cộng đồng người sửdụng lớn nên sẽ dễ tìm code. Cảm biến này dùng điện cực Gel dán dùng 1 lần nên mỗilần thao tác phải dán lên sẽ phiền hơn nhưng cho tín hiệu tốt hơn vì Gel làm giảm điệntrở bề mặt, tăng diện tích tiếp xúc và giúp đảm bảo ổn định khi chạy nhảy. Nhược điểmduy nhất của cảm biến này là có ít mắt cảm biến hơn Myo Armband (1 EMG so với 8EMGs và 1 IMU) nên khả năng phát triển sẽ kém hơn. Giá thành 1 cảm biến này rơi vàokhoảng 1,5 triệu đồng.Sau khi cân nhắc, em chọn cảm biến Myoware vì nó có dễ lập trình, giá rẻ hơn, phùhợp cho thị trường Việt Nam hơn loại kia mà hiệu năng không thua kém mấyQua tìm hiểu, ta biết rằng khi đi bộ, cơ thể sẽ dùng hầu hết là cơ chân. Mà trong giảiphẫu học nhóm cơ chân của người rất phức tạp, có tới cả chục loại cơ khác nhau. Chínhvì thế để chọn cơ nào phù hợp là điều rất quan trọng. Cơ thỏa mãn phải cho ra tín hiệuđúng với chuyển động, mạnh và ít nhiễu. Em đã chọn cơ đó là cơ bắp chân sau. Vị trí đặtđiện cực cụ thể em sẽ lên kế hoạch khi sang bước thiết kế chi tiết từng phần.+ Về phần động lực:7Có các giải pháp truyền động sau: dùng Servo dẫn động trực tiếp tại khớp xoay, dùngActuator hoặc dùng xy lanh khí nén.Hình 4: Servo mô men lớn để làm khớp xoayTrước hết dùng Servo thì sẽ có ưu điểm điều khiển chính xác, phần cơ khí đơn giản,làm việc nhẹ nhàng, không tiếng ồn. Nhưng nhược điểm sẽ là giá thành cao, lập trìnhđiều khiển phức tạo. Hiện nay đây là giải pháp thường được các tập đoàn lớn trên thế giớilựa chọn cho những thiết bị đắt tiền của mình, chẳng hạn như Panasonic, honda,..Hình 5: khung xương robot của PanasonicCác giải pháp này thường rất tiên tiến và mang nhiều ưu điểm vượt trội nhưng nhượcđiểm lớn nhất của nó là giá thành cao (khoảng 20 nghìn USD đến cả tram nghìn USD), vìthế phương án này không phù hợp với điều kiện Việt NamChuyển sang 2 phương án còn lại là Actuator và khí nén, thì có cách tác dụng lựcnhư nhau là tạo lực đẩy hoặc kéo theo phương của xylanh/actuator đó nên phần cơ khí sẽ8phức tạp hơn đôi chút vỉ phải tìm điểm gắn sao cho biến chuyển động tịnh tiến thànhchuyển động xoay.Hình 6: ActuatorHình 7: Xy lanh khí nénTrong 2 phương pháp này thì khí nén tỏ vẻ phù hợp hơn với đề tài vì có tốc độ hànhtrình nhanh, lực tương đối lớn. Còn Actuator thì tốc độ hành trình rất chậm. Nên ta chọnkhí nén, để chạy được piston khí nén ta cần nguồn năng lượng khí nén và hệ ống dẫn vanđiều khiển. Nguồn năng lượng khí nén trong trường hợp này vì là mô hình nguyên lý nênsẽ là bộ bình khí nén từ chai nhựa PET tự chế để giảm giá thành. Van là van điện từ 5/212V. Ống Ø =6mm.Hệ truyền động khí nén hoạt động theo nguyên lý: khí nén được dẫn từ bộ bình khínén tự chế từ chai nhựa PET qua van điều khiển và đến xy lanhkhí nén. Áp suất làm việc5kg/cm2 để đạt lực đẩy khoảng 30kg đối với xy lanhkhí nén đường kính 30mm.Bên cạnh đó, để cắt giảm chi phí nhưng vẫn đảm bảo trợ lực thiết bị của em còn có mộtđiểm khác so với các loại khung xương robot khác là sử dụng truyền động kết hợp chủđộng và thụ động: gồm trợ lực chủ động cho cơ đùi từ xy lanhkhí nén và thụ động chobàn chân từ lò xo. Phần bắp chân dưới (là cơ tác động bàn chân) sẽ được trợ lực bằng lòxo tăng dây (sẽ tích năng lượng làm căng lò xo trong suốt quá trình chân từ vị trí cânbằng ra đến vị trí sau cực đại gần rời mặt đất và khi chân rời mặt đất thì ngay lập tức lòxo sẽ hồi trả về phần năng lượng đó)+ Về khung xương chịu lực và phần cơ khí: Có thể làm bằng kim loại như sắt, nhôm,inox, cho đến cả titanium, sợi carbon nhưng vì đây là mô hình nguyên lý nên em chọnnhôm hộp định hình vửa rẻ, vừa nhẹ lại chịu lực tốt.+ Về phần điện - điều khiển: Có rất nhiều lựa chọn cho mạch xử lí, cụ thể có thể sử dụngcác mạch phát triển từ Arduino, Rasperberry Pi, đến Intel Gallileo, STM32FxxxDiscovery, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng và sự thông thạo của người lập trình mà lựachọn.9Hình 8: Một lát cắt của các loại mạch phát triểnVới em vì chỉ mới biết đến lập trình gần đây và đây chỉ làm mô hình nguyên lý nên emchọn Arduino Uno R3Hình 9: Mạch Arduino Uno R3Để cấp nguồn cho mạch Arduino này, Module cảm biến điện cơ EMG và module relayđể ra lệnh đóng ngắt xy lanhkhí nén em phải dùng 2 mức điện áp là 12V và 6V, Điện áp12V sẽ cấp cho van điện từ, còn 6V sẽ cấp cho mạch Arduino và từ đó cấp nguồn cho cácmodule khác qua chân cấp nguồn của Arduino. Vì thế em chọn pin Li-po 2700mAh11.1V để cấp nguồn.10Hình 10: Pin Lipo 11.1V 2700mAh của Vant BatteryVề lập trình xử lí tín hiệu, em dùng phần mềm MATLAB bên cạnh Arduino IDE đểtiện xử lí dữ liệu vì bên Matlab hỗ trợ về xử lí tín hiệu analog tốt hơn và có sẵn một cộngđồng người dùng chia sẻ các loại công cụ mẫu, code mẫu cho 1 mục đích nhất định.Hình 11: giao diện làm việc MATLAB R2012a11Hình 12: Giao diện làm việc Arduino IDESau đó, em tìm code về lọc nhiễu tín hiệu EMG (các loại filter high-pass, low-pass,band-pass cho đến các bộ lọc cao cấp hơn như Kalman filter, Butterworth filter, lọc bằngMachine Learning) cũng như xử lí tín hiệu, tìm đỉnh dao động. Sau khi tìm kiếm, em lựachọn thuật toán tối ưu nhất đó là “Realtime ECG QRS Detection” cung cấp bớiMathworks, thuật toán này có khả năng tìm đỉnh dao động biểu trưng cho 1 chu kì QRS(tương ứng 1 nhịp tim) trong điện tim theo thời gian thực. Vì thuật toán này dùng cho tínhiệu ECG nên em phải hiệu chỉnh lại nó theo mục đích sử dụng của mình là tín hiệu điệncơ EMG.12Hình 13: Tín hiệu cơ EMG thu được trên máy tính khi cơ duỗi thẳng(chưa qua xử lí thuật toán)Hình 14: Tín hiệu cơ EMG khi cơ co(Chưa qua xử lí thuật toán)13Hình 15: Tín hiệu cơ sau khi qua xử lí thuật toánVề ý tưởng điều khiển thì sau khi lọc nhiễu và qua thuật nhận toán nhận diện đỉnh,tín hiệu trả về sẽ có dạng xung mỗi khi cơ hoạt động và bằng không khi cơ nghỉ. Khi cóxung vượt qua ngưỡng threshold xác định nào đó thì sẽ kích hoạt relay đóng điện cho vanđiều khiển xy lanh khí nén chạy theo timer cho đến hết hành trình thì dừng lại đợi nhậntín hiệu sauTất cả thuật toán này đều được lập trình trong Matlab Simulink có cài gói tươngtính Arduino Uno R3Hình 16: Giao diện Matlab Simulink14+ Về phần kết nối: Thiết bị có thể kết nối với máy tính thông qua cáp USB đi kèm.Và có thể mở rộng những giao thức khác như Bluetooth, Wifi, RF, Zig Bee, Lora,… đểtrờ thành một thiết bị IOT phục vụ mục đích truyền tải dữ liệu Big Data. Trong trườnghợp này em chọn kêt nối bằng Bluetooth vì nó được hỗ trợ rộng rãi, đáng tin cậy và dễdùng.4.3. Lên thiết kế tổng thể, rồi đi đến chi tiết từng phần.4.3.1. Thiết kế tổng thể.Ý tưởng chung là làm một khung xương nhân tạo hỗ trợ đi lại và chịu tải trọng cơthể con người thay cho chân, nên sẽ lên ý tưởng về hình dạng thiết bị như thế nào để đápứng các yêu cầu đã đặt ra. Đặt những câu hỏi rồi tìm cách giải đáp, cụ thể: Thiết bị cóbao nhiêu khớp chuyển động? những phần nào cần trợ lực? trợ lực bằng thiết bị gì?Sau đó lên thiết kế chi tiết và vị trí lắp đặt cho từng phần của các bộ phận chính sau:- Cơ cấu truyền động- Khung chịu lực.- Phần mạch điều khiển.- Cảm biến- Hệ khí nén.Hình 17: Bản vẽ mô tả cấu tạo khung xương trợ lực15Hình 18: Bản vẽ kích thước tổng thể khung xương trợ lựcHình 19: Khung xương ở trạng thái co16Hình 20: Khung xương ở trạng thái duỗi thằng4.3.2. Thiết kế chi tiết từng phần.- Về phần điều khiển, cảm biến:+ Sau khi lựa chọn và tìm hiểu về cảm biến EMG và tìm hiểu về nguyên lí làm việccủa nó. Ta tổng kết được rằng cảm biến EMG muscle sensor của myoware có 3 điện cựctrong đó 2 điện cực cố định trên PCB gồm 1 mắt gắn vào vị trí giữa cơ và mắt còn lại hơilệch theo phương của cơ, còn 1 điện cực nối dây tự do phải gắn ở vị trí không có cơ thuộccơ thể ta để lấy tham chiếu. Để lấy tín hiệu từ chân, em chọn vị trí đặt điện cực trên bắpchân sau với 2 điện cực tại trung tâm cơ và 1 điện cực đối chiếu gắn xa vị trí đó để tránhnhiễu cross-talk. Tín hiệu của cảm biến này sẽ là tín hiệu của bắp chân sau và được đưavào xử lí trong mạch arduino17Hình 21: Vị trí đặt điện cực+ Về khung chịu lực: em thiết kế nó gồm 2 phần ghép lại bằng bản lề giống chânngười và ở dưới là tấm đặt chân. Ở 2 đầu khung xương sẽ có cơ cấu tăng giảm để thayđổi độ dài phù hợp với chiều cao từng ngườiHình 22: Kết cấu tăng giảm+ Về phần động lực: thiết kế chỗ để gắn 2 đầu xy lanhkhí nén cũng như chỗ đểmóc dây lò xo. Thiết kế dàn ống hơi, van và bình khí nén, vị trí lắp trên lưng.18+ Về phần điện: Dùng mạch arrduino và nhiều loại module khác nhau nên ta sẽthiết kế một hộp điện bảo vệ. Trong đó sẽ thiết kế cách bố trí mạch sao cho gọn gàng màvẫn đảm bảo tính chống nhiễu, cách điệnHình 23: Hộp điện hoàn chỉnh4.4. Thử nghiệm nguyên lý điều khiển và hoàn thiện chương trìnhThử nghiệm nguyên lí xử lí tín hiệu, phát hiện lỗi, sửaThử nghiệm nguyên lí chuyển động-Trước tiên, tìm những cơ cấu, thiết bị, linh kiện mà có sẵn trên thị trường địa phương vềgắn lại, điều chỉnh, trực tiếp để tiết kiệm thời gian và chi phí.-Những phần không có sẵn hoặc không tự chế tạo được sẽ đặt hàng gia công ở ngoài.- Sau đó cố định gắn kết các chi tiết, bộ phận lại bằng các vật liệu phù hợp (trong trườnghợp này là ống nhôm thì phải dùng đinh riveter).- Đi dây điện, kết nối các linh kiện điện tử, động lực lại với nhau.STT12345678910111213141516171819BẢNG THIẾT BỊ VẬT TƯTên thiết bịSố lượngGhi chúXy lanh khí nén1Ø= 30mm, hành trình 200mmLò xo1Chiều dài, độ cứng phù hợpĐồng hồ áp suất1Loại nhỏVan điện từ khí nén1Điện áp kích 12VDC, loại 5/2Ống khí nén1Ống Ø= 6mm, chiều dài khoảng 3mCo khí nén30Ống Ø= 6mm , gai 8mmVan khóa bình khí nén1Có đầu vặn co khí nénChai nhựa PET4Dung tích 2.25l, loại chứa nước ngọt có gasHộp nhôm làm khung125x50x700mm, dày 1.5mmBản lề1Vừa với hộp nhômVan xe đạp2Còn mới, sử dụng đượcMắt trâu2Còn mới, sử dụng đượcCảm biến EMG1Tương thích với arduinoArduino UNO R31Còn mới, sử dụng đượcModule relay1Điện áp kích 5VDC, 1 relayModule bluetooth HC-051Còn mới, sử dụng đượcPin Li Po111.1V - 2700mAhMạch giảm áp LM25961Còn mới, sử dụng đượcCông tắc1Còn mới, sử dụng được19-Hình ảnh một số thiết bị, vật tư:Hình 25: van khí nén AirtacHình 24: Mạch giảm áp LM 2596Hình 26: Module Bluetooth HC-05Hình 27: Xy lanh khí nénSTNC TGM 32X200-S204.5. Tiến hành gia công chế tạo và lắp rápau khi đã lên thiết kế và mua thiết bị đầy đủ, em bắt tay vào làm sản phẩm, vớinhững thiết bị đơn giản, có thể tự chế được thì em tự làm. Như bộ bình khí nén, đấu nối,lập trình mạch điện và đấu nối hệ khí nén.Hình 28: Bộ bình khí nén tự chếĐối với công việc ngoài khả năng của mình như gia công cơ khí thì em đặt hàngngười ta làm theo yêu cầu kĩ thuật của mình.Một số bộ phận đặt hàng ở ngoài:21Hình 29: Cơ cấu tăng giảm và mắt trâuHình 30: Tấm đỡ bàn chânPhần cơ khí hoàn thiện của khung xương, sau khi lắp lại hoàn chỉnh.Hình 31: Phần cơ khí hoàn thiện của khung xương robot224.6. Thử nghiệm, rút kinh nghiệm, cải tiến và hoàn thiện sản phẩm:- Chạy thử thiết bị- Tìm lỗi sai và sửa- Tìm hướng giải quyết lỗi và tìm điểm cải tiến thêm- Cuối cùng trang trí và hoàn thiện sản phẩm.Hình 32: Thử nghiệm phần cơ khí khung xương4.7. Hoàn thiện hồ sơ, làm poster và chuẩn bị thuyết trình đề tài.5. SỐ LIỆU, KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU.5.1. Các thông số về thiết bị.Mô hình “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người giàyếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG” có các thông số sau:- Chiều dài 750mm (có thể tăng giảm tùy ý)- Góc gập chân trên tối đa 45o- Trọng lượng thiết bị: 3kg.- Lực đẩy tối đa: khoảng 30kg- Áp suất khí nén làm việc lý tưởng: 5-6 kg/cm2- Dung lượng pin 2700mAh. Điện áp hoạt động: 11.1V.- Giá thành một sản phẩm: 3.000.000đ23

Tài liệu liên quan

• NGHIÊN CỨU VỀ KHẢ NĂNG THÔNG HÀNH VÀ VẤN ĐỀ SỬ DỤNG NÚT GIAO THÔNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG TÍN HIỆU ĐÈN TRONG CÁC ĐÔ THỊ VIỆT NAM
  • 19
  • 2
  • 8
• Báo cáo đề tài: Thiết kế mạch điều khiển đèn tín hiệu giao thông dùng IC AT89C51
  • 48
  • 3
  • 25
• báo cáo khoa học 'phương pháp tính toán năng lực của nút giao thông điều khiển đèn tín hiệu'
  • 6
  • 767
  • 9
• Rèn luyện năng lực tự kiến tạo tri thức cho học sinh trung học cơ sở trong dạy đọc hiểu văn bản văn học
  • 119
  • 699
  • 2
• Thiết kế hệ thống điều khiển đèn tín hiệu tại ngã tư nguyễn phong sắc – hoàng quốc việt, với bộ vi xử lý sử dụng onchip 89c51
  • 15
  • 662
  • 10
• ỨNG DỤNG LOGIC MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG
  • 12
  • 506
  • 1
• Nghiên cứu xác định vị trí vạch dừng nhằm nâng cao khả năng thông hành của nút giao thông điều khiển bằng tín hiệu đèn ở thành phố quảng ngãi
  • 26
  • 118
  • 0
• khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu bệnh tật điều khiển bằng tín hiệu thần kinh EMG
  • 28
  • 346
  • 2
• NGHIÊN cứu một TIẾP cận điều KHIỂN đèn tín HIỆU GIAO THÔNG THÔNG MINH tại một GIAO lộ
  • 68
  • 176
  • 0
• Sử dụng các thiết bị điện thông minh để xây dựng trạm biến áp 110kV Ba Đồn thành trạm biến áp điều khiển xa
  • 26
  • 190
  • 0

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(2.73 MB - 28 trang) - khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu bệnh tật điều khiển bằng tín hiệu thần kinh EMG Tải bản đầy đủ ngay ×