Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi

Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi

MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC iv LỜI CAM ĐOAN iv LỜI CẢM TẠ iv T M T T v ABSTRACT vi DANH SÁCH CH VI T T T x DANH SÁCH CÁC H NH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii CH NG 1: T NG QUAN CẢM BI N ĐO LỰC B ỚC ĐI .1 1.1 Tổng quan hướng nghiên cứu 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung đề tài CH NG 2: C SỞ LÝ THUY T 2.1 Lịch sử phát triển 2.2 Các cấu hỗ trợ chân khác 10 2.3 Đặc tính vật liệu nhơm A7075 12 2.3.1 Đặc tính kỹ thuật 12 2.3.2 Ứng dụng thực tiễn 12 2.4 Cảm biến lực loadcell 13 2.3.1 Khái niệm loadcell 13 2.3.2 Khái niệm strain gauge 14 2.3.2 Mạch cầu Wheatstone 15 2.3.2 Tính tốn thơng số đặc trưng cảm biến lực (loadcell) 16 2.5 Bộ lọc Kalman 20 2.5.1 Giới thiệu 20 vii 2.5.2 Bộ lọc Kalman rời rạc 21 2.5.2.1 Quá trình ước lượng 21 2.5.2.2 Bản chất tính tốn lọc 22 2.5.2.3 Bản chất thống kê lọc 23 2.5.2.4 Giải thuật lọc Kalman rời rạc 24 CH NG 3: CƠNG NGH T NH TỐN VÀ THI T K 27 3.1 Tính tốn chế tạo loadcell đo lực 27 3.1.1 Chọn lựa strain gauge 27 3.1.2 Tính tốn thiết kế gối đỡ 28 3.1.2 Thiết kế bàn đo lực bước chân 30 3.2 Các giá trị tính tốn thiết bị cảm biến đo lực bước 31 3.2.1 Tính toán giá trị tải trọng 31 3.2.2 Tính toán điểm ứng lực 32 3.2.3 Thay đổi tọa độ hệ thống 33 3.2.4 Thay đổi hệ quy chiếu 35 3.2.5 Tính tốn tâm áp lực 36 3.2.6 Tấm đệm 40 3.2.7 Ma trận lý tưởng 42 3.2.8 Tính tốn nhiều lực 45 3.3 Tính tốn thiết kế mạch khuếch đại thuật toán 49 3.4 Xây dựng lọc Kalman 50 3.5 Thử nghiệm với loadcell 52 3.6 Chương trình mạch chủ thu thập liệu 52 CH NG 4: MÔ H NH CỦA CẢM BI N ĐO LỰC B ỚC ĐI 54 4.1 Giới thiệu mô hình 54 4.2 Hình ảnh thực tế thiết bị cảm biến đo lực bước 54 4.3 Thử nghiệm mơ hình với vector lực đơn phương 55 4.3.1 Mô tả thí nghiệm 55 4.3.2 Kết đánh giá 57 4.4 Thử nghiệm mơ hình với vector lực 58 viii 4.4.1 Mô tả thí nghiệm 58 4.4.2 Kết đánh giá 58 4.5 Thử nghiệm mơ hình với bước chuyển động người 60 4.5.1 Mô tả thí nghiệm 60 4.5.2 Kết đánh giá 60 4.5 Kết luận 63 CH NG 5: K T LU N VÀ H ỚNG PHÁT TRI N 64 5.1 Kết đạt đề tài 64 5.2 Hạn chế 64 5.3 Hướng phát triển 64 TÀI LI U THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 68 ix DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT HAL: Hybrid Assistive Limb IAROM: Iowa ankle range of motion MIT: Massachusetts Institute of Technology CP: Center of Pressure x DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Một số ứng dụng cảm biến đo lực bước .1 Hình 1.2: Thiết bị cảm biến đo lực công ty Kistler Hình 1.3: Thiết bị cảm biến đo lực công ty Bertec Hình 1.4: Thiết bị cảm biến đo lực phịng thí nghiệm Kwon3d Hình 2.1: Thiết bị cảm biến đo lực bước công ty Contemplas Hình 2.2: Thiết bị cảm biến đo lực phịng thí nghiệm Kwon3d Hình 2.3: Thiết bị cảm biến đo lực bước công ty Bertec Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động cảm biến đo lực bước .9 Hình 2.5: Bộ khung xương HAL 10 Hình 2.6: Thiết bị đo khớp thụ động IAROM 11 Hình 2.7: Thiết bị đo khớp cổ chân chủ động Roy 11 Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động loadcell 13 Hình 2.9: Cấu tạo strain gauge điển hình 14 Hình 2.10: Cấu trúc strain gauge 14 Hình 2.11: Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động 15 Hình 2.12: Sơ đồ mạch cầu Wheatstone 16 Hình 2.13: Loadcell khơng có lực tác động 16 Hình 2.14: Loadcell có lực tác động 16 Hình 2.15: Sơ đồ điện cho cảm biến Loadcell 16 Hình 2.16: Sơ đồ điện áp 17 Hình 2.17: Sơ đồ tương đương 18 Hình 2.18: Sơ đồ tính tổng trở 19 Hình 2.19: Quy trình lọc Kalman 25 Hình 2.20: Quy trình hồn chỉnh lọc Kalman 26 Hình 3.1: Chọn phương án thiết kế 28 Hình 3.2: Kích thước cảm biến 28 Hình 3.3: Chia lưới dùng Ansys 29 xi Hình 3.4: Kết mơ Ansys 29 Hình 3.5: Mối tương quan bề mặt bị ảnh hưởng phương lực tác động 29 Hình 3.6: Cảm biến dạng nhẫn, vị trí đặt mạch cầu Wheatstone 30 Hình 3.7: Loadcell sau chế tạo hoàn thiện 30 Hình 3.8: Cách bố trí loadcell đo lực 31 Hình 3.9: Hệ tọa độ tính tải trọng 32 Hình 3.10: Lực F điểm ứng lực 33 Hình 3.11: Các phản ứng tải lên bề mặt 35 Hình 3.12: Tâm áp lực 37 Hình 3.13: Thời điểm lực tác động ban đầu 37 Hình 3.14: Lực tác dụng tương đương 39 Hình 3.15: Hệ tọa độ đệm 41 Hình 3.16: Hệ tọa độ nhiều lực 46 Hình 3.17: Sơ đồ khối IC Hx711 50 Hình 3.18: Sơ đồ khối mạch điện 51 Hình 3.19: Kết thử nghiệm với lọc Kalman 52 Hình 3.20: Lưu đồ giải thuật 53 Hình 4.1: Mơ hình thiết bị cảm biến đo lực bước 54 Hình 4.2: Thiết bị cảm biến đo lực bước 55 Hình 4.3: Máy nén MQSY 500 57 Hình 4.4: Khi lực tác động theo phương x 57 Hình 4.5: Khi lực tác động theo phương y 58 Hình 4.6: Tấm đo lực với thử nghiệm lực tác động góc độ khác 59 Hình 4.7: Kết thực nghiệm bước (bước 1) 61 Hình 4.8: Kết thực nghiệm bước (bước 2) 62 Hình 4.9: Kết thực nghiệm bước (bước 3) 63 xii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Tính chất học hợp kim Nhơm A7075 12 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật máy nén thủy lực MQSY 100 56 xiii Chƣơng Tổng Quan Cảm Biến Đo Lực Bƣớc Đi 1.1 Tổng qu n ề hƣớng nghiên cứu Cảm biến đo lực bước thiết bị dùng để đo lực bàn chân người đưa sở liệu, từ phân tích dáng người Các lực tác dụng từ bàn chân người lên cảm biến đo lực bước người khác Tuy nhiên, t liệu thu thập hàng lo ạt thí nghiệm đưa biểu đồ lực, dựa vào ta có phân tích dáng người, tình trạng sức khỏe người Hiện nay, giới có nghiên cứu phát triển cảm biến đo lực bước ứng dụng chủ yếu y học thể thao Trong y học, bác sĩ dựa vào lực bước chân bệnh nhân tác động lên cảm biến đo lực bước đi, từ phân tích liệu có để chẩn đốn tình trạng sức khỏe khớp chân bệnh nhân Trong thể thao, vận động viên điền kinh bước lực, huấn luyện viên dựa vào lực tác dụng lên cảm biến đo lực bước để phân tích, đánh giá đưa kết sải chân tối ưu cho vận động viên, để họ bước nhanh tốn lực giúp họ giữ thể trạng tốt cho bước chạy đường dài Hình 1.1 mơ tả ứng dụng cảm biến đo lực bước đi: Hình 1.1: Một số ứng dụng cảm biến đo lực bước Với phát triển máy tính, người nghiên cứu dáng tạo mơ hình phức tạp mơ loại hình di chuyển khác Hiện tại, khoa học phân tích dáng dựa hồn tồn vào việc sử dụng máy tính Có nhiều nghiên cứu lâm sàng tiến hành dáng người chất suy yếu bệnh nhân Hiện nay, giới có cảm biến đo lực bước sau: - Thiết bị cảm biến đo lực công ty Kistler sản xuất ứng dụng thể thao, giúp huấn luyện viên bác sĩ theo dõi tình trạng sức khỏe có tập cho vận động viên Hình 1.2: Hình 1.2: Thiết bị cảm biến đo lực công ty Kistler - Thiết bị cảm biến đo lực công ty Bertec s ản phẩm sản xuất nhằm ứng dụng y học, thể thao xây dựng Hình 1.3: Hình 1.3: Thiết bị cảm biến đo lực công ty Bertec - Thiết bị cảm biến đo lực phịng thí nghiệm Kwon3d, ứng dụng nghiên cứu tập trung vào vận động viên thể thao điền kinh, bóng chày Hình 1.4: Hình 1.4: Thiết bị cảm biến đo lực phịng thí nghiệm Kwon3d Hiện nay, cơng ty hay phịng thí nghiệm ngày hướng tới cải tiến lực dựa vào loadcell u điểm loadcell đo tải trọng lớn xác Tuy nhiên, bên c ạnh nhược điểm tín hiệu điện áp đầu loadcell nhỏ (thường khơng q 30mV) dễ dàng bị ảnh hưởng nhiều loại nhiễu 1.2 Mục iêu đề tài Mục tiêu đề tài thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước dựa cấu dùng loadcell đo biến dạng bề mặt tác dụng lực, từ xuất liệu máy tính giúp bác sĩ chẩn đốn tình trạng sức khỏe bệnh nhân Ứng dụng vào lĩnh vực thể thao nhằm giúp vận động viên kiểm sốt tình trạng thể để huấn luyện viên đưa tập tối ưu Ngồi ra, cịn ứng dụng vào lĩnh vực xây dựng làm bậc thang cơng trình xây dựng 1.3 Đối ƣợng nghiên cứu Thiết bị dùng để hỗ trợ bác sĩ nghiên cứu, chẩn đoán bệnh xương khớp người Hình 4.6: Tấm đo lực với thử nghiệm lực tác động góc độ khác Nhận thấy với nhiều góc độ tác động khác thành phần độ lớn lực tác 59 động khác đo lực thu thập tái xác biểu đồ Như tâm đo lực vừa thiết kế có đủ điều kiện để ứng dụng vào thử nghiệm đo thống số chuyển động bước người 4.5 Thử nghiệm mơ hình với bƣớc chuyển động củ ngƣời 4.5.1 Mơ tả thí nghiệm Sau thí nghiệm với chuyển động bước thật người Học viên bố trí tình nguyện viên có cân nặng 47kg, giới tính nữ Học viên thực thử nghiệm với yêu cầu sau cho tình nguyện viên : B1: Bước lên đo lực chân phải B2: Rồi rút chân trái lên đứng hai chân đo lực B3: Kế bước chân phải xuống trước rút chân trái xuống B4: Cuối rút chân trái xuống đất Thoát khỏi đo lực 4.5.2 Kết đ nh gi Với bước : Bước lên đo lực bước chân thử nghiệm học viên thu kết bên Chúng ta nhận thấy gần thời điểm thí nghiệm đặc tính tín hiệu thu lại từ người có đơi phần khác nhìn chung đặc tính cốt lõi nhận biết mắt thường mà không cần thuật tốn nhận dạng Cụ thể thấy phần đầu bước thành phần phương z tăng đột biến để đạt đỉnh Z1 (B1) (từ 470->485) hình a minh họa, sau phương z ổn định dần quanh giá trị từ (415 đến 485) thành phần phương y và phương x giảm dần tạo đáy X1 (B1) Y1 (B1) 60 Hình 4.7: Kết thực nghiệm bước (bước 1) Ở Bước 2: Rút chân trái lên đứng hai chân đo lực thu kết bước dễ dàng nhận biết đặc điểm chung lần thử, cụ thể hình bên Có thể nhận thấy thu chân lại lên đầu bước nhận thấy trọng tâm thể lại thay đổi lần dẫn đến trọng lực tác động 61 lên đo lực thay đổi cụ thể với phương z, phần đầu tạo đáy giảm Z1 (B2) sau tang lên ổn định dần quanh mức 515 đến 520 (Cao cuối bước 1) Phương x y giao động bước đến cuối bước dần trở Có thể lý giải tượng tăng phương z cuối bước cao cuối bước cuối bước lúc toàn trọng lượng thể đặt hế lên đo lực Hình 4.8: Kết thực nghiệm bước (bước 2) 62 Cuối Bước bước chân phải xuống trước chân trái xuống sau học viên thu biểu đồ Hình 4.9: Hình 4.9: Kết thực nghiệm bước (bước 4) Dễ dàng nhận thấy thay đổi tâm mà giá trị phương lại tiếp thục thay đổi đến cuối tất trở 4.6 Kết luận Thông qua thử nghiệm kết luận học viên đo lực hồn tồn đáp ứng nhu cầu thu thập thông số bước Và hồn tồn sử dụng đo lực để xây dựng ứng dụng hữu ích chuẩn đốn y khoa, phân tích đặc tính bước để chế tạo sản xuất sản phẩm thiết bị liên can đến chân đơn làm thiết bị mô thực tế ảo phục vụ cho nhu cầu giải trí…Tuy nhiên bước đầu, cần phải xây dựng thuật toán tự động nhận biết thơng số bước Vì thời gian có hạn kiến thức học viên thời điểm chưa cho phép học viên làm thuật tốn thơng minh nên học viên xin phép tạm dừng nghiên cứu 63 Chƣơng Kết Luận V Hƣớng Phát Triển Nội dung chương tác giả trình bày tóm tắt kết mà đề tài đạt được, hạn chế hướng phát triển để khắc phục giới hạn nhằm hoàn thiện đề tài tốt 5.1 Kết đạ đƣợc củ đề tài Đề tài đạt kết sau :  Thiết kế, mô xây dựng mơ hình thiết bị cảm biến đo lực bước Kết mô cho thấy cảm biến lực thiết kế chịu lực tác động tốt đáp ứng yêu cầu đặt cho thiết bị cảm biến đo lực bước  Ứng dụng lọc Kalman để hạn chế nhiễu thiết bị cảm biến đo lực  Chế tạo thành cơng mơ hình thiết bị cảm biến đo lực bước  Sau tác giả thực thí nghiệm, thơng số đo hiển thị hình vi tính với kết tính tốn trình bày 5.2 Hạn chế Thiết bị cảm biến đo lực bước bị nhiễu xuất tín hiệu phần mềm vi tính số lý điều kiện khách quan từ vật liệu chế tạo cảm biến 5.3 Hƣớng phát triển Đề tài tập trung xây dựng dựa vào cảm biến đo lực Kết đo phụ thuộc vào vật liệu chế tạo thiết bị cảm biến đo lực bước Học viên tìm hướng khắc phục tình trạng bị nhiễu thiết bị Thí nghiệm nhiều người, nhiều bệnh nhân hay vận động viên khác nhau, tình 64 trạng thể lực khác để xây dựng, thống kê số liệu để xây dựng biểu đồ tình trạng thể người Các bác sĩ, huấn luyện viên dựa thơng số để chẩn đốn xác bệnh tình hay tình tr ạng sức khỏe bệnh nhân, vận động viên 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ryan Rainone, Benjamin Gardner, Jonathan Frost Gait Efficiency Analysis Using Three Axis Force Plate An Major Qualifying Project Report, April 24, 2008, p 5-15 [2] David George Kerwin Force Plate Analyses of Human Jumping A Doctoral Thesis Submitted in partial fulfillment of the requirements for the award of Doctor of Philosophy of Loughborough University, February 1997, p [3] HAL For Well-Being Internet: https://www.cyberdyne.jp/english/products/fl05.html, 15/3/2018 [4] Jason Wilken, Smita Rao, Miriam Estin, Charles Saltzman, H John Yack A New Device for Assessing Ankle Dorsiflexion Motion: Reliability and Validity Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy, April 2011, Vol 41, p [5] Anindo Roy Measurement of passive ankle stiffness in subjects with chronic hemiparesis using a novel ankle robot J Neurophysiol May 2011, Vol 105, p 21322149 [6] Young-Hoo Kwon Center of Pressure (GRF Application Point), 1998 [7] Young-Hoo Kwon Calibration Matrix, 1998 [8] Maury L Hull, Richard Brewer, and Davi d Hawkins A New Force Plate Design Incorporating Octagonal Strain Rings Journal of Applied Biomechanics, 1995, Vol 11, p 311-321 [9] Bertec Force Plate Force Plate Manual, March 2012 [10] Rod Cross Standing, Warking, Running, and Jumping on a Force Plate Physics Department, University of Sydney, Sydney, New South Wales 2006, Australia [11] C.Kumar, B.K Biswal, S.S.Ray, K.Pal, D.N.Tiberwal Construction of Low Cost Force Plate Instrument for Gait Pattern Analysis Department of Biotechnology and 66 Medical Engineering, NIT Rourk ela, 2011 [12] David Alan Wright Development of a Waterproof Force Plate for Pool Applications Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Master of Science in the Graduate School of The Ohio State University, 2011 [13] Welch, G and G Bishop An Introduction to the Kalman Filter, 2006 [14] Moir Three Different Methods Of Calculating Vertical Jump Height From Force Platform Data In Men And Women, 2008, p 207 – 218 67 PHỤ LỤC Code xây dựng lọc Kalman rời rạc ứng dụng Arduino * Need to tweak value of sensor and process noise * arguments : * process noise covariance * measurement noise covariance * estimation error covariance */ class Kalman_Filter_Distance { protected: double _q; //process noise covariance double _q_init; double _r; //measurement noise covariance double _r_init; double _x; //value double _p; //estimation error covariance double _p_init; double _k; //kalman gain public: /* * Need to tweak value of sensor and process noise * arguments : * process noise covariance * measurement noise covariance * estimation error covariance */ Kalman_Filter_Distance(double q, double r, double p) : _q(q) , _q_init(q) , _r(r) , _r_init(0) , _x(0) , _p(p) , _p_init(p) , _k(_p / (_p + _r)){}; virtual void init(double x) { _x = x; } 68 virtual void setProcessNoiseCovariance(double i) { _q = i; _q_init = i; } virtual void setMeasurementNoiseCovariance(double i) { _r = i; _r_init = i; } virtual void setEstimatiomErrorCovariance(double i) { _p = i; _p_init = i; } virtual double kalmanUpdate(double measurement); virtual void reset() { _q = _q_init; _r = _r_init; _p = _p_init; double Kalman_Filter_Distance::kalmanUpdate(double measurement) { //prediction update //omit _x = _x _p = _p + _q; //measurement update _k = _p / (_p + _r); _x = _x + _k * (measurement - _x); _p = (1 - _k) * _p; return _x; Code chƣơng rình bo rd ạch chủ thu thập liệu #include const int16_t TotalLoad = 8; // Khai Bao Bo Doc Loadcell (4 cai Truc Z, Cai 69 Truc X, Cai Truc Y) uint16_t SCKX[8] = {20,23,27,31,35,39,43,47}; //Khai Bao Chan SCK cai HX711 uint16_t DATX[8] = {21,25,29,33,37,41,45,49}; //Khai Bao Chan DATA cai HX711 long OFFSET[8]; //Khai Bao Gia Tri OFFSET cai HX711 long ValueSum[8]; // Gia Tri Cong Don long ValueSumNow[8]; // Gia Tri Hien Tai DOc Duoc long ValueSumOld[8]; // Gia Tri Hien Doc Lan Truoc long ValueX,ValueY,ValueZ; // Gia Tri Luc X Y Z float SCALE; //Gia Tri Scale long Dem[8]; // Gia Tri Dem void setup() { Serial.begin(115200); for(int i = 0; i < TotalLoad ; i++){ // Khai Bao Chan IO Mode pinMode(SCKX[i], OUTPUT); pinMode(DATX[i], INPUT); digitalWrite(SCKX[i], LOW); } set_scale(1630.f); // Khai Bao Gia Tri Scale for(int i = 0; i < TotalLoad ; i++){ // Doc Gia Tri Ban Dau Va Tare Gia Tri while(!is_ready(i)); read_value(i); while(!is_ready(i)); tare(i, 1); ValueSum[i] = 0; ValueSumNow[i] = 0; ValueSumOld[i] = 0; } } void loop() { for(int i = 0; i < TotalLoad ; i++){ // Doc Lan Luot Gia Tri Loadcell if (is_ready(i)){ ValueSumNow[i] = (long)(get_units(i, 1)); long test = abs(ValueSumNow[i]-ValueSumOld[i]); if(test > 50){ Dem[i]++; if(Dem[i] > 5){ 70 Dem[i] = 0; ValueSum[i] = ValueSumNow[i]; ValueSumOld[i] = ValueSumNow[i]; } } else{ Dem[i] = 0; ValueSum[i] = ValueSumNow[i]; ValueSumOld[i] = ValueSumNow[i]; } } delay(2); } ValueX = (long)(ValueSum[1] - ValueSum[5]); // Luc X = Gia Tri Loadcell + Gia Tri Loadcell ValueY = (long)(ValueSum[3] - ValueSum[7]); // Luc Y = Gia Tri Loadcell + Gia Tri Loadcell ValueZ = (long)(ValueSum[0] + ValueSum[2]+ ValueSum[4]+ ValueSum[6]); // Luc Z = Gia Tri Loadcell + Gia Tri Loadcell + Gia Tri Loadcell + Gia Tri Loadcell Serial.print(ValueX); // Truyen Du Lieu Len May Tinh Serial.print("A"); Serial.print(ValueY); Serial.print("B"); Serial.print(ValueZ); Serial.print("C"); } long read_value(int16_t LoadNum) { //Ham Lay Gia Tri Cua Loadcell [Lay Trong Thu Vien HX711.zip] unsigned long value = 0; byte data[3] = { }; byte filler = 0x00; data[2] = shiftIn(DATX[LoadNum], SCKX[LoadNum], MSBFIRST); data[1] = shiftIn(DATX[LoadNum], SCKX[LoadNum], MSBFIRST); data[0] = shiftIn(DATX[LoadNum], SCKX[LoadNum], MSBFIRST); 71 for (unsigned int i = 0; i < 1; i++) { digitalWrite(SCKX[LoadNum], HIGH); digitalWrite(SCKX[LoadNum], LOW); } data[2] = ~data[2]; data[1] = ~data[1]; data[0] = ~data[0]; if ( data[2] & 0x80 ) { filler = 0xFF; } else if ((0x7F == data[2]) && (0xFF == data[1]) && (0xFF == data[0])) { filler = 0xFF; } else { filler = 0x00; } value = ( static_cast(filler)