(Luận văn thạc sĩ) chế tạo xe lăn điện điều khiển bằng sóng não

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ NGỌC CHUNG ChẾ TẠO XE LĂN ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN BẰNG SĨNG NÃO NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ NGỌC CHUNG CHẾ TẠO XE LĂN ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN BẰNG SĨNG NÃO NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS TRẦN THANH THƯỞNG Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 ii LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ tên: LÊ NGỌC CHUNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 04-3-1987 Nơi sinh: Thanh Hóa Quê quán: Xuân Sơn, Thọ Xuân, Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Tổ 12, Khu phố 4B, P Trảng dài, TP Biên Hòa, Tỉnh Đồng Nai Điện thoại quan : 02513 996 473 Điện thoại nhà riêng: 0975140387 II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Nơi đào tạo: Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Cơng Nghệ Kỷ Thuật Ô Tô Tên đồ án: Nghiên cứu hệ thống lái trợ lực ô tô toyota đời Ngày nơi bảo vệ đồ án: 11/7/2011, Trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM Người hướng dẫn: ThS Trần Anh Sơn III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Tháng 12 Năm Trường Đại học Công nghệ Đồng Giảng Viên 2011 - Nay Nai Thời gian iii LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 03 năm 2019 (Ký tên ghi rõ họ tên) Lê Ngọc Chung iv CẢM TẠ Để hồn thành luận văn này, tơi xin gởi lời cảm ơn tới thầy giáo người tận tình hướng dẫn, giảng dạy định hướng cho tơi suốt trình học tập trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Trần Thanh Thưởng tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực đề tài, góp ý thầy kiến thức quý báu nguồn động viên lớn cho tơi hồn thành luận văn Tơi gửi lời cảm ơn tới gia đình người bạn, đồng nghiệp xung quanh đóng góp nhiều tinh thần góp ý quý giá, động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng nỗ lực mình, song chắn luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Mong bảo tận tình Quý thầy Tp HCM, ngày 15 tháng năm 2019 Học viên Lê Ngọc Chung v TÓM TẮT Để đáp ứng cho nhu cầu lại người khuyết tật người già, từ lâu có nhiều nhà nghiên cứu có nhiều doanh nghiệp nghiên cứu chế tạo phương tiện cho người khuyết tật lại, ngày có nhiều mẫu xe lăn đời với tiện ích khác thay đổi tư thế, chức tiện lợi, kiểu dáng khác từ xe khung cứng đến khung xếp laị đáp ứng nhu cầu khác cho người khuyết tật Đề tài tập trung nghiên cứu và chế tạo xe lăn điện điều khiển sóng não, hướng tới bệnh nhân khả chân tay, nhằm nâng cao tiện ích sử dụng xe lăn với giá thành rẻ sản phẩm ngoại nhập phù hợp với thu nhập người dân Đề tài thực sở cải tiến từ mẫu xe lăn tay thơng thường có sẵn, có gắn thêm động điện cấu điều khiển, gia cơng thêm phần khí để xe hoạt động điện, sử dụng đo sóng não Mindwave_NeuroSky Để sử dụng thiết bị đo sóng não mindwave_NeuroSky thiết bị phải kết nối với máy tính có sử dụng hệ điều hành, phần mềm kèm để đọc thu tín hiệu từ cảm biến , phần mềm phân tích tín hiệu đưa tín hiệu, hoạc kết nối thông qua bluetooth với board vi điều khiển, sử dụng tín hiệu đưa vào điều khiển xe lăn để điều khiển xe lăn hoạt động ABSTRACT In order to meet the mobility needs of people with disabilities and the elderly, there have been many researchers and businessmen who have researched and manufactured vehicles for people with disabilities Nowadays there are a number of wheelchair models with different features, such as posture changes, functional comfort, and different styles ranging from rigid frame to frame that can be folded to meet different needs The subject focused on research and manufacture of electric wheelchair driven by brain waves, directed to patients with loss of limb’s ability, increasing the utility of wheelchairs at cheaper prices than imported products The theme is based on the improvement of conventional wheelchair models, with the addition of electric motors and control mechanisms, and other mechanical parts to make wheelchairs can operate by electricity and Mindwave_NeuroSky brainwaves module To use the brainwave sensor, the device must be connected to a computer using the operating system, software included to read and receive signals from the sensor, The vi software analyzes the signal and gives the signal, or it can be connected via bluetooth to the board of the microcontroller We will use those signals and put them into the wheelchair controller to operate the wheelchair vii MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 15 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 15 1.1.1 Giới thiệu 15 1.1.2 Tình hình người khuyết tật Việt Nam 15 1.1.3 Vấn đề di chuyển người khuyết tật 16 1.2 Các kết nghiên cứu nước công bố 17 1.2.1 Các kết nghiên cứu Quốc tế 17 1.2.2 Các kết nghiên cứu nước 19 1.3 Mục đích đề tài 19 1.4 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 20 1.4.1 Nhiệm vụ .20 1.4.2 Giới hạn đề tài 20 1.6 Nội dung nghiên cứu 20 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21 2.1 Tìm hiểu tín hiệu điện não EEG .21 2.1.1 Nguồn gốc tín hiệu EEG .21 2.1.2 Phân loại tín hiệu EEG theo tần số 22 2.1.3 Hệ thống hướng dẫn EEG 24 2.1.4 Xác định sóng dựa vào hình dạng 25 2.1.5 Các ứng dụng sóng điện não 29 2.2 Thiết bị mindwave_NeuroSky .31 2.3 Mơi trường lập trình, điều khiển 35 2.3.1 Giới thiệu LabVIEW .35 2.3.2 Môi trường lập trình MatLab 38 2.4 Board mạch Arduino uno r3 41 2.4 Lý thuyết động học quay vòng xe lăn 43 2.4.1 Tiêu chuẩn xe lăn điện 43 2.4.2 Chọn xe lăn tay sở 44 2.4.3 Chọn phương án bố trí phân bố tải trọng 44 2.4.4 Kiểm tra ổn định, động học quay vòng xe 46 2.4.4.1 Kiểm tra ổn định tĩnh .46 2.4.4.1 Kiểm tra động học quay vòng xe 48 2.5 Tính tốn chọn motor thiết kế sơ đồ hệ thống mạch điện 49 2.5.1 Tính tốn chọn motor 49 2.5.2 Mô mơ hình hệ thống 52 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ GIA CƠNG CƠ KHÍ MƠ HÌNH 53 3.1 Thiết kế hệ thống mạch điện cho mơ hình 53 3.1.1 Khối nguồn 53 3.1.2 Mạch công suất điều khiển động 54 3.2 Gia cơng khí bố trí xe 57 3.2.1 Xe lăn ban đầu 57 3.2.2 Bố trí động bánh xe chủ động xe lăn điện 58 CHƯƠNG THU THẬP SĨNG NÃO VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN XE LĂN 61 4.1 Thu thập sóng não máy tính 61 4.1.1 Khởi tạo 62 4.1.2 Khối thu tín hiệu 63 4.1.3 Khối kiểm tra mức tín hiệu 64 4.1.4 Khối kết thúc chương trình 64 4.2 Xử lý tín hiệu .65 4.2.1 khởi tạo mãng liệu thô .65 4.2.2 xử lý tín hiệu đưa 65 4.2.3 Phân loại hành vi nháy mắt 68 4.4 Thiết lập truyền liệu từ máy tính xuống board arduino Hình 4.22 Thiết lập truyền liệu tới board arduino 4.5 Lập trình board Arduino điều khiển motor bánh xe Hình 4.23 Phần mềm lập trình cho Arduino 72 Hình 4.24 Sơ đồ khối lập trình board Arduino Trên board Arduino nối chân với chân điều khiển Driver motor bên trái cho motor quay bánh xe chạy tới, tương tự nối chân với chân điều khiển Driver motor bên phải cho motor quay bánh xe chạy tới tiến hành lập trình cho board arduino với nguyên tắc hoạt động Khi nhận ký tự “f” từ máy tính gửi tới điều khiển cho motor chạy tới, nhận ký tự “L” từ máy tính gửi tới điều khiển cho motor bên phải quay bánh xe chạy tới bánh xe bên trái dừng quay, nhận ký tự “R” từ máy tính gửi tới điều khiển cho motor bên trái quay bánh xe chạy tới bánh xe bên phải dừng quay, nhận ký tự “s” từ máy tính gửi tới điều khiển cho motor dùng quay xe dừng lại 73 Hình 4.25 Sơ đồ đấu nối board Arduino với mạch điện 4.6 Kết đánh giá 4.6.1 Kết Sau q trình nghiên cứu tơi tiến hành thiết kế chế tạo hoàn chỉnh xe lăn điện với thông số sau: Dài1100mm x Rộng700mm x Cao1200mm; với khối lượng xe 30 kg, khối lượng toàn xe người tối đa 120 kg; thiết kế chạy với vận tốc cực đại 1m/s, leo dốc 100 Xe sử dụng đông điện 24VDC với công suất 250W để dẫn động, xe sử dụng ắcqui loại 12V-12Ah, quãng đường tối đa 10(km) Xe gồm phận chính: Động điện, mạch điều khiển, mạch động lực, cấu truyền động xích động bánh xe, Bộ đo sóng não Neurosky, máy tính hệ điều hành windows sử dụng phần mềm labview để lập trình Thực nghiệm với 10 bạn tình nguyện viên ngồi xe lăn thực điều khiển vận hành tương đối ổn định, xe hoạt động bình thường với người bị tai biến não 4.6.2 Đánh giá Với kết bảng 4.3 cho thấy lần thực nghiệm cuối cùng, xe lăn đạt hiệu xuất điều khiển tương đối cao, hành vi xe chạy tới đạt hiệu xuất thành công 93%, rẽ trái 91%, rẽ phải 92%, dừng 100% Qua nhận xét xe lăn hoạt động tương đối ổn định tin cậy 74 Bảng 4.3 Kết nghiệm thu lần thí nghiệm Xác suất nhận dạng hành vi Ngày thí nghiệm Tới Rẽ trái Rẽ phải Dừng 18/02/2019 85% 84% 87% 98% 20/02/2019 87% 85% 89% 98% 21/02/2019 90% 88% 92% 100% 22/02/2019 90% 87% 94% 100% 25/02/2019 93% 91% 92% 100% Cách thức xây dựng bảng thí nghiệm sau: Mời 10 bạn tình ngun viên tham gia thực nghiệm vào ngày 18, 20, 21, 22, 25 tháng năm 2019 Mỗi bạn điều khiển xe lăn lần điều khiển tất hành vi Đếm số lần thành công số lần thực thành viên, chia lấy trung bình ta thu bảng số liệu Khả áp dụng triển khai với trình độ kỹ thuật thị trường vật tư nước nay, Chi phí sản suất rẽ, kinh phí để hồn thành sản phẩm bán với gia thị trường khoảng 15 triệu đồng, đem lại lợi ích tiện dụng giá thành rẻ cho người khuyết tật mức độ nặng, thiết bị thương mại hóa , giải pháp thiết bị có tính nhân văn cao, giúp người tàn tật có giải pháp kỹ thuật để hoài nhập với cộng đồng xã hội Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động xe lăn điều khiển sóng não khuyến cáo người điều kiển là: Bộ thu sóng não cần phải tránh trời mưa, hoạt động điều kiện trời mưa làm hỏng đo sóng não làm xe hoạt động sai ý muốn, đo sóng não hoạt động pin cần phải kiểm tra dung lượng pin lại tránh hết pin để không ảnh hưởng đến hoạt động liên tục, máy tính đãm bảo phải hoạt động tốt không bị nhiễm vi rút để không ảnh hưởng đến chương trình điều khiển xe, người điều khiển phải ý tới vệ sinh da đầu vị trí tiếp xúc điện cực cần vệ sinh để không ảnh hưởng tới tiếp xúc điện cực với da đầu Những người bị tật mắt cần ý để phù hợp với hành vi dừng xe So với đề tài trước nước giới, đề tài có số khác biệt là: Có giao diện người dùng hình máy tính, Sử dụng phần mềm Labview để thu thập điều khiển, kết hợp tập trung nháy mắt để điều khiển 75 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Qua q trình tìm hiểu xây dựng, Tơi xác định đặc điểm sóng điện não, tìm hiểu mức độ tập trung não thơng qua sóng điện não, tìm hiểu tác động hành vi nháy mắt đến biên độ giao động sóng điện não, đề tài tìm hiểu sử dụng thành cơng thiết bị đo điện não, xây dựng thuật toán để thu thập tín hiệu điện não để lập trình sở sử dụng phần mềm Labview, kết nối giao tiếp máy tính board Arduino truyền liệu tốt tin cậy, đề tài chuyển đổi thành công xe lăn tay thành xe lăn điện sở cải tạo lại xe lăn tay thông qua gắn motor , cấu ăn khớp, gắn mạch điện mạch điều khiển lên xe Xe hoạt động tốt tin cậy, sử dụng với người có trọng lượng 90kg, xe lên dốc 100 hoạt động quảng đường 10km Với ưu điểm kể trên, Luận Văn bước tiến cho nghiên cứu lĩnh vực ứng dụng sóng điện não sống Qua Luận Văn, Tôi hy vọng mang lại giá trị thiết thực cho xã hội, đặc biệt cho bệnh nhân bị khả vận động Nhờ đó, họ có thêm phấn khởi tự sống Tơi nhận thấy chi phí cho đề tài không đắt, hồn tồn mang ứng dụng thương mại hóa tương lai để người có nhu cầu sử dụng Bên cạnh đó, Tơi muốn mở rộng khả ứng dụng đề tài điều khiển thơng minh sóng não nhiều lĩnh vực khác nhằm tiến tới sống đại linh hoạt Một số hướng phát triển đề tài như: Thiết kế xe lăn điều khiển phương pháp liếc mắt, thiết kế xe lăn điều khiển giọng nói, thiết kế xe lăn điều khiển phương pháp lắc đầu, thiết kế xe lăn leo cầu thang 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Harshavardhana N R, Anil G, Girish R, DharshanT, Manjula R Bharamagoudra, Brainwave controlled wheel chair using eye blinks, International journal of advance research in science and engineering, Volume no.7, Special, Issue No.07, April 2018 [2] K S Ahmed, Wheelchair Movement Control VIA Human Eye Blinks, American Journal of Biomedical Engineering: 2011; 1(1): 55-58 [3] B Jenita Amali Rani and A Umamakeswari, Electroencephalogram-based Brain Controlled Robotic Wheelchair, Indian Journal of Science and Technology, Vol 8(S9), 188–197, May 2015 [4] Victor L Valenzuela* and Vicente F de Lucena, Jr** , Remote Monitoring and Control of an Electric Powered Wheelchair in an Assisted Living Environment, IFAC-PapersOnLine 49-30 (2016) 181–185 [5] Ludymila R Borges*, Felipe R Martins*, Eduardo L M Naves*, Teodiano F Bastos**, Vicente F Lucena Jr***, Multimodal System for Training at Distance in a Virtual or Augmented Reality Environment for Users of Electric-Powered Wheelchairs, IFAC-PapersOnLine 49-30 (2016) 156–160 [6] Vishnu K Narayanan a , Franỗois Pasteau b , Maud Marchal c , Alexandre Krupa a , Marie Babel c , ∗, Vision-based adaptive assistance and haptic guidance for safe wheelchair corridor following, Computer Vision and Image Understanding 149 (2016) 171–185 [7] Erren-Wolters et al Virtual reality for mobility devices: training applications and clinical results: a review International Journal of Rehabilitation Research, vol 30, page 91-96 (2007) [8] Pithon, T., Weiss, T., Richir, S., and Klinger, E Wheelchairs simulators: a review Technology and Disability, volume 21, pp 1-10 (2009) [9] Lefkowicz, A.T Validation of a PC-based perspective-view wheelchair simulator Virginia Polytechnic Institute and State University (1993) [10] Swan Li, J.E., Stredney, D., Carlson, W., and Blostein, B The determination of wheelchair user proficiency and environmental accessibility through virtual 77 simulation Proc of the 2nd Annual Int Conf Virtual Reality and Persons with Disabilities, page 156-161 van Houten, H (2005) The physical layer of ambient intelligence, Int Symp on VLSI Technology, pp – 12 (1994) [11] RNT Association of Paralyse France Wheelsim: a play of simulation of control in electric wheel chair (2008) [12] Ceremh - Center of Resources and Innovation Mobility and Handicap (CEREMH) The accessim project (2011) [13] Garate, A., Lucas, I., Herrasti, N., and Lopez, A Ambient intelligence as paradigm of a full automation process at home in a real application Proc of IEEE Int Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation, 2005 CIRA 2005., pp 475 – 479 (2005) [14] Sanchez, D., Tentori, M., and Favela, J Activity Recognition for the Smart Hospital; IEEE Intelligent Systems, Vol 23, Issue 2, March-April 2008 pp 50 – 57 [15] A Kokosy , T Floquet , G Howells , H Hu , M Pepper , C Donzé, SYSIASS an in- telligent powered wheelchair, in: Proceedings of the International Conference on Systems and Computer Science, 2012 [16] L Nordenfelt , Dignity in Care for Older People, Wiley-Blackwell, 2009 [17] TS Nguyễn Hữu Hường, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mẫu xe lăn điện cho người khuyết tật & người già, báo cáo tổng kết kết đề tài nckh cấp trường, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, 2012 78 PHỤ LỤC Hình Mạch nguồn 5V Hình Mạch cầu H mạch đo dịng 79 Hình Chương trình Serial_Driver Hình Chương trình data_Buffer 80 Hình Chương trình stop_FGV Hình Chương trình truyền ký tự cổng Serial 81 Hình Chương trình xác định hướng di chuyển Hình Chương trình phát chớp mắt Hình Chương trình xác định mức tín hiệu 82 Hình 10 Chương trình khởi tạo cổng kết nối Hình 11 Chương trình lọc nhiễu 83 PHỤ LỤC byte x; int toitrai = 3; int luitrai = 5; int toiphai = 6; int luiphai = 9; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(toitrai,OUTPUT); pinMode(luitrai,OUTPUT); pinMode(toiphai,OUTPUT); pinMode(luiphai,OUTPUT); } void loop() { if(Serial.available()>0) {x=Serial.read(); } delay(10); Serial.write(x); Serial.write(":ok\n"); // forward = f, left=l, right=r, stop=s if(x=='s') { analogWrite(toitrai,0); analogWrite(luitrai,0); analogWrite(toiphai,0); 84 analogWrite(luiphai,0); } if(x=='f') { //delay(2000); analogWrite(toitrai,60); analogWrite(toiphai,60); } if(x=='l') { //delay(2000); analogWrite(toitrai,0); analogWrite(toiphai,60); } if(x=='r') { //delay(2000); analogWrite(toitrai,60); analogWrite(toiphai,0); } } 85 S K L 0 ... hiệu điều khiển motor gắn với bánh xe tạo chuyển động xe Valenzuela cộng [4] nghiên cứu hệ thống giám sát điều khiển xe lăn điện phục vụ người khuyết tật, đề tài nghiên cứu xe lăn điều khiển điện, ... trí xe 57 3.2.1 Xe lăn ban đầu 57 3.2.2 Bố trí động bánh xe chủ động xe lăn điện 58 CHƯƠNG THU THẬP SĨNG NÃO VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN XE LĂN 61 4.1 Thu thập sóng não máy... nghiên cứu xe lăn điện điều khiển sóng não cách sử dụng kích thích biên độ sóng não thơng qua nháy mắt, nháy mắt sóng não bị kích thích biên độ, hệ thống sử dụng cảm biến đọc sóng não Neurosky