(Luận văn thạc sĩ) thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỮU TRƯỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÐO LỰC BƯỚC ÐI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ÐIỆN TỬ- 8520114 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 ống BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG BỘ ĐẠI GIÁOHỌC DỤCSƢ VÀ PHẠM ĐÀO TẠO KỸ THUẬT THÀNH PHỐ SƢ HỒPHẠM CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỮU TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỮU TRƢỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO LỰC BƢỚC ĐI THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO LỰC BƢỚC ĐI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 8520114 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ-8520114 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỮU TRƢỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO LỰC BƢỚC ĐI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 8520114 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGƠ VĂN THUN Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 i LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Hữu Trường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 08-07-1992 Nơi sinh: Quãng Ngãi Quê quán: Quãng Ngãi Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 735 Quốc lộ 1A, An Phú Đơng, Quận 12, TP.Hồ Chí Minh Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0908608411 Fax: E-mail: linhkienmachdien@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 7/ 2014 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Cơng Nghệ Sài Gịn, TP.Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Điện Tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy ép gạch Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Trường Đại học Công Nghệ Sài Gịn, TP.Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Hồ Triết Hưng III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2015 Công Ty Cổ Phần Bảo Chánh Thiết kế kệ công nghiệp 2016 Công Ty Cổ Phần Sản Xuất Oai Hùng Điều khiển máy ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi với hướng dẫn PGS.TS Ngô Văn Thuyên Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Hữu Trường iii LỜI CẢM TẠ Đầu tiên, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Ngô Văn Thuyên, Thầy người trực tiếp hướng dẫn thực đề tài từ lúc bắt đầu xây dựng thực hồn thành Trong q trình thực đề tài thầy thường xuyên đặt toán với mức độ tăng dần có gợi ý giúp tơi giải vấn đề khó khăn gặp phải Thầy ln theo sát kiểm tra tận tình chu đáo tiến độ thực đề tài Đồng thời, học viên xin cảm ơn quý Thầy, Cô môn trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để em học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè chỗ dựa, nguồn động viên tinh thần tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn! TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Hữu Trường iv T M TẮT Nghiên cứu trình bày thiết kế cảm biến đo lực bước Thiết bị cho phép đo thông số lực hướng di chuyển lực bước chân Sử dụng liệu thu thập lực với hình học thể vận tốc, tìm chiều dài sải chân tối ưu cho cá nhân Mục đích dự án để tìm hiểu cách thay đổi chiều dài sải chân người ảnh hưởng đến tổng thể dáng Với lực ba trục nghiên cứu thiết kế chế tạo, xác định liệu bước chân cá nhân đưa chiều dài sải chân tối ưu cho họ Tấm lực sử dụng y học, mà bác sĩ cần chẩn đốn thương tích chân cho bệnh nhân thông qua liệu thu nhận Tấm lực ứng dụng xây dựng mà kỹ sư cần tính tốn thiết kế cầu thang cho cơng trình Sau tính tốn, thiết kế học viên lựa chọn chế tạo cảm biến lực dạng nhẫn để ứng dụng vào chế tạo cảm biến đo lực bước Phần mềm Solidworks sử dụng để thiết kế cảm biến lực tác giả mô cảm biến phần mềm Ansys Tiếp theo, tác giả tính tốn giá trị tải trọng, điểm ứng lực, thay đổi tọa độ hệ thống, thay đổi hệ quy chiếu, tính tốn tâm áp lực, đệm, ma trận lý tưởng thiết bị cảm biến đo lực bước Sử dụng lọc Kalman để khử nhiễu tín hiệu thu thập từ thiết bị cảm biến đo lực bước Tác giả trình bày kết thực nghiệm đo kết thử nghiệm mơ hình với vector lực đơn phương, thử nghiệm mơ hình với vector lực tổng hợp thử nghiệm mơ hình với bước chân di chuyển người v ABSTRACT This paper presents the design of the stepping force sensor The device allows the measurement of the basic parameters of force and direction of movement of the foot Using the data collected by the force plate together with the body geometry and velocity, it was able to find the optimal stride length for each individual The purpose of this project is to learn how to change the length of human stride that affects the overall gait With a triaxial sheet designed and researched, it is possible to identify individual footprint data and provide the optimal stride length for them This force can be used in medicine, where doctors need to diagnose foot injury to the patient through the data obtained This force is also used in construction where engineers need to calculate the design of the stairs for the building After design, the students chose to make ring force sensor for use in m aking stepping force sensor Solidworks software is used to design force sensors and sensor emulators on ANSYS software Next, the author calculates load values, stress points, change of system coordinates, change of reference frame, calculation of pressure center, pad, ideal matrix of sensor force walk Use the Kalman filter to suppress the signal collected from the stepper force sensor The author presents empirical results when measuring modeling results with unidirectional force vectors, testing the model with a synthetic force vector, and testing the model with human movement footprints vi 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 toán 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 tốn giá trị tải trọng 31 3.2.2 Tính tốn 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 toán 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 mơ 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 Mơ tả thí nghiệm 55 4.3.2 Kết đánh giá 57 4.4 Thử nghiệm mơ hình với vector lực 58 viii ... Hình 2.2: Thiết bị cảm biến đo lực phịng thí nghiệm Kwon3d - Thiết bị cảm biến đo lực bước công ty Bertec: Hình 2.3: Thiết bị cảm biến đo lực bước công ty Bertec Thiết bị cảm biến đo lực bước dựa... 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... THẠC SĨ NGUYỄN HỮU TRƢỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO LỰC BƢỚC ĐI THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO LỰC BƢỚC ĐI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐI? ??N TỬ - 8520114 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐI? ??N TỬ-8520114 Tp Hồ Chí Minh,