(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 SKC005953 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 ống BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNGBỘĐẠGIÁOHỌDỤCSƢVÀPHẠĐÀOM TẠOKỸTHUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM 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 NGÔ VĂN THUYÊN 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 nghiệ p: 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 Công 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 Cơng Nghệ Sài Gịn, TP.Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Hồ Triết Hưng III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2015 2016 ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu với hướng dẫn PGS.TS Ngô Văn Thuyên Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công 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 c ảm 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 tơi 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 MTẮT Nghiên cứu trình bày thiết kế cảm biến đo lực bước Thiết bị cho phép đo thông số lực hướng di chuyể n c 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 c sải chân người ảnh hưởng đến tổng thể c dáng Với lực ba trục nghiên cứu thiết kế chế tạo, xác định liệu bước chân cá nhân đưa chiều dài s ải chân tối ưu cho họ Tấm lực sử dụng y học, mà bác sĩ cần chẩn đoán thương tích chân cho bệ nh nhân thơng 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 phỏ ng cảm biến phần mềm Ansys Tiếp theo, tác giả tính toán giá trị tải trọng, điểm ứng lực, thay đổi tọa độ hệ thống, thay đổi hệ quy chiếu, tính tốn tâm áp l ực, đệm, ma trận lý tưởng c thiết bị c ảm 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 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 2.5.2.1 Quá trình ước lượng 2.5.2.2 Bản chất tính tốn lọc 2.5.2.3 Bản chất thống kê lọc 2.5.2.4 Giả i thuật lọc Kalman rời rạc CHNG 3: CƠNG NGH T NH TỐN VÀ THI T K 3.1Tính tốn chế tạo loadcell đo lực 3.1.1Chọn lựa strain gauge 3.1.2Tính tốn thiết kế gối đỡ 3.1.2Thiết kế bàn đo lực bước chân 3.2Các giá trị tính tốn thiết bị cảm biến đo lực bước 3.2.1Tính tốn giá trị tải trọng 3.2.2Tính tốn điểm ứng lực 3.2.3 Thay đổi tọa độ hệ thống 3.2.4Thay đổi hệ quy chiếu 3.2.5Tính tốn tâm áp lực 3.2.6 Tấm đệm 3.2.7Ma trận lý tưởng 3.2.8Tính tốn nhiều lực 3.3Tính tốn thiết kế mạch khuếch đại thuật toán 3.4 Xây dựng lọc Kalman 3.5Thử nghiệm với loadcell 3.6Chương trình mạch chủ thu thập liệu CHNG 4: MÔ H NH CỦA CẢM BI N ĐO LỰC B ỚC ĐI 4.1Giới thiệu mơ hình 4.2Hình ảnh thực tế thiết bị cảm biến đo lực bước 4.3Thử nghiệm mô hình với vector lực đơn phương 4.3.1 Mơ tả thí nghiệm 4.3.2 Kết đánh giá 4.4 Thử nghiệm mơ hình với vector lực viii động khác đo lực thu thập tái hiệ n 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 khơng 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 t ấm đo lực thu kết bước dễ dàng nhận biết đặc điểm chung c lần thử, cụ thể hình bên Có thể nhận thấy thu chân l ại 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 c học viên t ấm đo lực hồn tồn đáp ứng nhu cầu thu thập thơng 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 c ầu giải trí…Tuy nhiên bước đầu, cần phải xây dựng thuật toán tự động nhận biết thông số c bước Vì thời gian có hạn kiến thức c 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 mô 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 c ảm 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 c ảm biến đo lực bước bị nhiễu xuất tín hiệu phần mề m vi tính số lý điều kiện khách quan từ vật liệu chế tạo cảm biến 5.3 Hƣớng phát tri ển 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 bệ nh 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 tr ạng thể người Các bác sĩ, huấn luyệ n 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) Trong Thu Vien HX711.zip] { //Ham Lay Gia Tri Cua Loadcell [Lay 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)