Phát triển cảm biến đo biến dạng dải rộng dựa trên chất lỏng ion cho ứng dụng đếm bước chân

Trong bài báo này trình bày các kết quả phát triển một phương pháp đếm bước chân dựa trên cảm biến đo biến dạng. Một cảm biến biến dạng dải rộng được nhóm nghiên cứu phát triển dựa trên chất lỏng ion đóng gói trong vỏ silicon và được sử dụng trong thí nghiệm đo chuyển động của chân. Dữ liệu được thu thập từ cảm biến nhờ một mạch đo điện trở nhỏ gọn và truyền về máy tính thông qua module bluetooth HC05 để phân tích và xử lý. Kết quả thí nghiệm cho thấy điện trở của cảm biến thay đổi khi cử động của chân làm biến dạng ống chất lỏng ion. Mời các bạn cùng tham khảo!

Phát triển cảm biến đo biến dạng dải rộng dựa chất lỏng ion cho ứng dụng đếm bước chân Trần Như Chí, Nguyễn Thị hồi, Tạ Hồng Ngun, Nguyễn Thị Thanh Vân, Nguyễn Ngọc An Khoa Điện tử viễn thông, Trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội Email: trannhuchi@gmail.com nhau: chất lỏng ion kim loại lỏng [11], chất lỏng ion sử dụng để phát thay đổi biến dạng học vật liệu làm cảm biến kim loại lỏng dây dẫn có khả kéo dãn linh hoạt để kết nối cảm biến tới mạch điều khiển bên Hai chất lỏng dẫn điện kết hợp với vật liệu có tính đàn hồi cao để tạo cảm biến mềm Sau đó, cảm biến gắn lên năm ngón tay giống lớp da nhân tạo Trong ví dụ khác, cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng để phát chuyển động người cách gắn chúng lên quần áo mặc trực tiếp lên thể người [12]–[16] Không có vậy, cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng ứng dụng y tế phẫu thuật [17], theo dõi tim mạch [18], giám sát sức khoẻ nhà [19] Trong nghiên cứu này, đề xuất chế tạo cảm biến đo biến dạng dải rộng giá thành thấp dựa chất lỏng ion từ phát triển ứng dụng đếm bước chân với độ xác cao dựa cảm biến Bằng việc sử dụng mẫu cảm biến đề xuất này, số cử động chân xác định xác mà chí phân tích sâu tính chất vận động dựa vào phân tích cường độ dạng tín hiệu thu từ cảm biến Abstract— Trong báo trình bày kết phát triển phương pháp đếm bước chân dựa cảm biến đo biến dạng Một cảm biến biến dạng dải rộng nhóm nghiên cứu phát triển dựa chất lỏng ion đóng gói vỏ silicon sử dụng thí nghiệm đo chuyển động chân Dữ liệu thu thập từ cảm biến nhờ mạch đo điện trở nhỏ gọn truyền máy tính thơng qua module bluetooth HC05 để phân tích xử lý Kết thí nghiệm cho thấy điện trở cảm biến thay đổi cử động chân làm biến dạng ống chất lỏng ion Cử động kiểu bước tạo tín hiệu cảm biến có dạng xung Biên độ tần số lặp xung phụ thuộc vào cử động co hay duỗi chân tần số cử động Theo đó, chúng tơi đưa giải thuật để phân tích tín hiệu thu đếm xác số bước chân Kết cho thấy cảm biến đo biến dạng dựa dung dịch ion sử dụng ứng dụng cần xác định chuyển động người robot Keywords- Cảm biến biến dạng, chất lỏng ion, đếm bước chân I GIỚI THIỆU Cảm biến đo biến dạng loại cảm biến có tính ứng dụng cao sử dụng rộng rãi công nghiệp đời sống hàng ngày Để chế tạo cảm biến người ta sử dụng nhiều loại vật liệu khác phần lớn số vật liệu có tính dẻo đàn hồi Gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung vào phát triển loại cảm biến đo biến dạng đo biến dạng dải rộng [1]–[6] Các cảm biến thường dùng để thay cho cảm biến truyền thống chế tạo từ hợp kim đồng– nikel, hợp kim nickel– chrome platinum–tungsten, vv Các cảm biến đo độ biến dạng dải rộng thường chế tạo từ vật liệu dẫn điện hay vật liệu đàn hồi sợi quang [2], polymer [3] chất đàn hồi pha tạp [4]–[6] Đặc biệt, số loại cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng dẫn điện có nhiều ưu điểm vượt trội giá thành rẻ, thân thiện với môi trường, hiệu cao, cơng nghệ chế tạo cảm biến lại đơn giản [1], [7] Không thế, chất lỏng dẫn điện cịn kết hợp với vật liệu có tính đàn hổi cơng nghệ chế tạo tạo cảm biến mềm, mỏng có hệ số Gauge Factor (GF) cao [8]–[10] Cảm biến đo biến dạng dải rộng dạng cảm ứng ưu việt đáp ứng yêu cầu độ bền, độ nhạy, độ linh hoạt thời gian đáp ứng thời gian khơi phục Do đó, chúng sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác cơng nghiệp đời sống Ví dụ ứng dụng phát chuyển động tay sử dụng hai chất lỏng dẫn điện khác II NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ THIẾT KẾ CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG ION Cảm biến đề xuất chế tạo việc bơm hỗn hợp dung dịch natri clorua, nước glycerin vào ống cao su silicone có chiều dài ban đầu l0 đường kính ban đầu d hình Hỗn hợp có khả dẫn điện chúng chứa ion Na  Cl  , có điện cấp vào hai đầu cảm biến ion dịch chuyển hai đầu điện cực Glycerin dùng để làm tăng độ nhớt dung dịch, giảm tỷ lệ nước bay giảm ăn mòn điện cực Hai đầu ống hai điện cực mạ vàng để tạo tiếp xúc tốt với dung dịch bên ngăn cản rò rỉ dung dịch môi trường Bằng cách mạ vàng điện cực, điện cực khơng bị ăn mịn dung dịch chất lỏng dẫn điện Cuối cùng, để ngăn chất dung dịch bên ống khơng rỉ ngồi tránh việc khơng khí lọt vào tạo bọt khí, sử dụng keo silicone lên phần tiếp xúc điện cực với ống cao su Khi tác dụng lực kéo vào hai đầu cảm biến, cảm biến có thay đổi hình dạng, cụ thể chiều dài cảm biến tăng lên thành 264 l0  l , đồng thời tiết diện ống silicone giảm d0  d thấy hình 1, làm cho giá trị điện trở cảm biến thay đổi Do đó, cảm biến hoạt động đo biến dạng mà điện trở dung dịch Rs tăng lên có tác dụng lực kéo dãn III ỨNG DỤNG CẢM BIẾN BIẾN DẠNG CHO ỨNG DỤNG ĐẾM BƯỚC CHÂN Cảm biến biến dạng chế tạo gắn lên đầu gối cho mục đích đếm bước chân Để gắn cảm biến lên đầu gối, cố định cảm biến lên hai đai co dãn keo silicone, sau hai đai co dãn lên khuỷu gối cho cảm biến nằm đầu gối hình Khi chân duỗi thẳng, ống silicone khơng bị kéo dãn nên ống có chiều dài ban đầu l0 , điện trở R0 Ngược lại, gập chân lại, ống bị dãn dẫn tới giá trị trở cảm biến tăng lên Từ đó, ta xác định trạng thái co duỗi chân thông qua giá trị trở ống cao su Hình Nguyên tắc cảm biến biến dạng (a) Cảm biến trạng thái ban đầu, (b) Cảm biến kéo dãn Hỗn hợp natri clorua, nước glycerin với tỷ lệ 1:18:5 bơm vào ống cao su silicone (ống có đường kính 1.5mm chiều dài 100 mm) ống tiêm Hai đầu ống lấp kín hai điện cực mạ vàng sau sử dụng lớp keo silicone (Shin-Etsu Silicone Shin-Etsu Chemical) Nguyên mẫu chế tạo cảm biến biến dạng mơ tả hình Thơng số cảm biến biến dạng độ nhạy kéo dãn, biểu diễn định lượng hệ số Gauge (GF) Hệ số GF mối quan hệ thay đổi trở ΔR/R0 độ biến dạng ε tác dụng lên cảm biến GF= (ΔR/R0)/ε, với R0 giá trị trở ban đầu cảm biến khơng có tác dụng lực Với cảm biến, ống silicon kẽo dãn tới 50% điện trở cảm biến tăng tuyến tính theo lực kéo dãn đặt vào thấy hình Hệ số GF tính xấp xỉ 2.3 với ba tỉ lệ dung dịch muối Ngồi hệ số GF khơng thay đổi diện tích ống thay đổi [22] Hình Gắn cảm biến lên khuỷu gối A Mạch điện đo đạc thu thập liệu cảm biến Về nguyên tắc, giá trị điện trở đo việc tạo điện áp đưa vào hai đầu cảm biến đo giá trị Tuy nhiên, với loại cảm biến sử dụng chất lỏng ion, việc sử dụng điện áp chiều tác dụng lên hai đầu điện cực hình thành điện dung kí sinh điện cực chất lỏng dẫn điện làm cho phép đo khơng ổn định [1] Vì vậy, nghiên cứu này, nguồn dòng AC sử dụng để cải thiện độ xác phép đo Giá trị điện trở cảm biến đo phương pháp điểm sử dụng mạch nguồn dòng Howland mạch cầu Wien tạo dao động hình Mạch cầu Wien tạo tín hiệu xoay chiều hình sin tần số xác định đưa vào cảm biến Nguồn dịng Howland giữ tín hiệu dịng điện ổn định qua cảm biến Sau đó, giá trị nguồn dịng qua cảm biến is xác định trở R7 mạch Howland công thức: V iS  i (1) R7 Hình Nguyên mẫu cảm biến biến dạng Giá trị dòng điện is phụ thuộc vào giá trị R7 mà không phụ thuộc vào thay đổi giá trị trở cảm biến cảm biến chịu tác dụng lực kéo Biên độ tín hiệu lối ( Vs ) xác định mạch tích hợp bao gồm khuếch đại cơng cụ với thu đỉnh Mạch lọc thông cao nhằm loại bỏ nhiễu tần số thấp (50, 60 Hz) từ mơi trường Khi tính độ lớn điện áp dịng điện qua hai đầu cảm biến (thơng qua mạch cầu Howland), chúng tơi giá trị điện trở công thức: V Rs  s (2) is Hình Kết khảo sát cảm biến tác dụng lực kéo dãn 265 Sơ đồ khối mạch thể hình với giá trị nguồn dòng cài đặt 2.0 μA tần số hoạt động mạch cầu Wien kHz Tín hiệu lối vào lối quan sát thơng qua máy dao động kí (TDS 1002B, Tektronix) Bên cạnh đó, chúng tơi có gắn thêm hình hiển thị LCD (16x2) để theo dõi giá trị điện áp điện trở cảm biến Module Bluetooth HC05 tích hợp bo mạch để truyền giá trị đo tới hệ thống thu thập liệu máy tính Bo mạch điện tử thiết kế xây dựng thấy hình Trên máy tính, chương trình phát triển để nhận xử lý tín hiệu thơng qua module Bluetooth HC05 Chương trình viết ngơn ngữ C# Với chương trình này, liệu lưu trữ dạng bảng với hai cột: thời gian điện áp Bên cạnh đó, liệu thể theo đồ thị thời gian thực hiệu xung liên tục với đỉnh xung thể trạng thái co đạt cực đại hình Khi chạy, chân co duỗi nhanh liên tục tạo nhiều sóng xung tín hiệu có tần số lớn hơn, đồng thời biên độ điện áp nhỏ chân khơng co hồn tồn hình Hình Dạng tín hiệu gập duỗi chân Như thông qua việc đếm số lượng xung, hồn tồn xác định số bước chân chạy Hơn nữa, dựa vào thời gian xung tín hiệu cịn biết trạng thái hoạt động người Hình Sơ đồ khối thiết lập phép đo Hình Bo mạch điện tử chế tạo Hình Tín hiệu thu từ hoạt động người B Kết phân tích xử lý tín hiệu thu từ cảm biến Một tình nguyện viên đeo thiết bị thực thu thập liệu với trạng thái hoạt động khác nhau: đứng lên, ngồi xuống, chạy Toàn thực nghiệm tiến hành điều kiện nhiệt độ phòng khoảng 25 ° C Ở trạng thái duỗi thẳng chân, điện áp ban đầu cảm biến đo 400mV Khi thực gập duỗi chân, dải điện áp đo khoảng từ 400 mV tới 800mV Khi co chân, chiều dài cảm biến tăng lên, làm cho giá trị điện trở hay điện áp hai đầu điện cực tăng theo (do dòng điện qua cảm biến không đổi) Ngược lại, chiều dài cảm biến trở kích thước ban đầu hay biên độ điện áp giảm dần chân duỗi Quá trình co duỗi chân liên tục tạo tín Hình Thuật tốn xử lí tín hiệu Để xác định xác bước chân dựa vào tín hiệu xung thu được, chúng tơi đề xuất xây dựng thuật tốn xử lý tín hiệu sơ đồ hình Tín hiệu ban đầu thu từ cảm biến tín hiệu thơ chứa nhiều nhiễu tần số cao việc cử động gây hình 10 Để loại bỏ tín hiệu nhiễu này, chúng tơi đưa tín hiệu thu qua lọc trung bình (lọc thơng thấp) Tín hiệu lối lúc làm mịn cách đáng kể, loại bỏ nhiễu tần số cao không ảnh hưởng nhiều tới hình dạng tần số sóng hình 11 Khi thực hoạt động khác liên tiếp, dạng sóng xung lặp lại với hình dạng giống khác tần số biên độ Ngoài ra, đường chuỗi 266 liệu tương đuối thằng chân co dãn Tuy nhiên, trường hợp chạy nhanh chạy cao gối, đường bị cao lên chân khơng gập duỗi cách hồn tồn (đường màu đỏ hình 12) Điều làm cho việc xử lí tín hiệu gặp nhiều khó khăn ảnh hưởng tới độ xác việc đếm xung thấy hình 12 độ tín hiệu bị suy hao số lượng xung khơng đổi hình 12 Sau qua lọc thơng cao, tín hiệu tiếp tục cho qua lọc ngưỡng để chuyển sóng xung thành dạng xung vuông với mức logic cao thấp Ở đây, ngưỡng chọn có giá trị tương ứng với 10% biên độ đỉnh cao Các điểm có giá trị lớn ngưỡng chọn chuyển thành mức logic cao, lại điểm có giá trị thấp chuyển thành mức logic thấp hình 13 Hình 10 Tín hiệu gốc Hình 13 Tín hiệu sau qua lọc ngưỡng chuyển thành dạng xung vng Như vậy, tín hiệu ban đầu chuyển thành tín hiệu xung vuông việc đếm xung trở nên dễ dàng Số bước chân tính số lượng xung vng đếm Thêm vào đó, từ số bước chân đếm thời gian, ta xác định tốc độ di chuyển từ kết luận trạng thái chuyển động bộ, chạy nhanh, chậm Hình 11 Tín hiệu sau qua lọc trung bình C Thảo luận Cảm biến gắn chân tình nguyện viên để thu liệu thực đếm số bước chân Dữ liệu nhận có dạng xung, với xung thể chuyển động bước chân Quan sát cho thấy, bước dài với khớp gối bị gập nhiều cho xung rộng có biên độ lớn Trong đó, bước ngắn với khớp gối gập cho xung hẹp có biên độ nhỏ Theo đó, liệu cảm biến phân tích để đưa tình trạng vận động, độ ổn định vận động viên suốt trình khảo sát Dữ liệu sử dụng cho huấn luyện viên người theo dõi để có điều chỉnh nằm nâng cao hiệu tập luyện, thi đấu điều trị Tín hiệu xử lý cách sử dụng lọc chuyển đổi thành dạng xung vng nhằm đơn giản hố việc đếm số xung hình 13 Tuy nhiên, độ xác bị ảnh hưởng trường hợp biên độ tín hiệu q nhỏ Điều xảy ta bước ngắn, chân không thật gập nhiều khiến cho trở kháng cảm biến thay đổi q Hình 12 Tín hiệu sau qua lọc thơng cao Để giải vấn đề này, tín hiệu cho qua lọc thông cao để đồng đường trung bình chuỗi tín hiệu đường đẳng điện (đường màu đỏ hình 12) Biên 267 hình 14 Dù vậy, trường hợp xảy không ảnh hưởng nhiều tới kết đếm số bước chân [7] [8] [9] Hình 14 Tín hiệu có xung nhỏ sinh từ bước chân ngắn, khớp gối không gập nhiều [10] IV KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết phát triển phương pháp đếm số bước chân xác dựa cảm biến đo biến dạng dải rộng Phương pháp khơng giúp đếm xác số cử động chân mà mở khả phân tích sâu tính chất vận động dựa vào phân tích cường độ dạng tín hiệu thu từ cảm biến Với ưu điểm thân thiện với môi trường, độ nhạy cao, giá thành rẻ, mẫu cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion đề xuất ứng dụng vào nhiều lĩnh vực cơng nghiệp Bên cạnh đó, việc kết hợp công nghệ chế tạo đại tạo cảm biến nhỏ gọn linh hoạt để lên tích hợp quần áo gắn trực tiếp lên thể mở nhiều hội áp dụng vào ứng dụng giám sát, hỗ trợ chăm sóc sức khoẻ người [11] [12] [13] [14] [15] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y N Cheung, Y Zhu, C H Cheng, C Chao, and W W F Leung, “A novel fluidic strain sensor for large strain measurement,” Sensors Actuators, A Phys., vol 147, no 2, pp 401–408, 2008 [2] T Hampshire, “Monitoring the behavior of steel structures using distributed optical fiber sensors,” J Constr Steel Res., vol 53, no 3, pp 267–281, 2000 [3] L et al Rupprecht, CONDUCTIVE POLYMERS in Industrial Applications 1999 [4] L Flandin, Y Bréchet, and J.-Y Cavaillé, “Electrically conductive polymer nanocomposites as deformation sensors,” Compos Sci Technol., vol 61, no 6, pp 895– 901, 2001 [5] G T Pham, Y Park, Z Liang, C Zhang, and B Wang, “Processing and modeling of conductive thermoplastic / carbon nanotube films for strain sensing,” vol 39, pp 209–216, 2008 [6] J Shi et al., “Graphene Reinforced Carbon Nanotube [16] [17] [18] [19] [20] 268 Networks for Wearable Strain Sensors,” Adv Funct Mater., vol 26, no 13, pp 2078–2084, 2016 G Keulemans, P Pelgrims, M Bakula, F Ceyssens, and R Puers, “An ionic liquid based strain sensor for large displacements,” Procedia Eng., vol 87, pp 1123–1126, 2014 J B Chossat, Y L Park, R J Wood, and V Duchaine, “A soft strain sensor based on ionic and metal liquids,” IEEE Sens J., vol 13, no 9, pp 3405–3414, 2013 C Majidi, R Kramer, and R J Wood, “A nondifferential elastomer curvature sensor for softer-thanskin electronics,” Smart Mater Struct., vol 20, no 10, 2011 Y L Park, B R Chen, and R J Wood, “Design and fabrication of soft artificial skin using embedded microchannels and liquid conductors,” IEEE Sens J., vol 12, no 8, pp 2711–2718, 2012 J Chossat, Y Tao, V Duchaine, and Y Park, “Wearable Soft Artificial Skin for Hand Motion Detection Detection with Embedded Microfluidic Strain Sensing,” Icra, pp 2568–2573, 2015 T Yamada et al., “A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection,” Nat Nanotechnol., vol 6, no 5, pp 296–301, 2011 Q Liu, J Chen, Y Li, and G Shi, “High-Performance Strain Sensors with Fish-Scale-Like Graphene-Sensing Layers for Full-Range Detection of Human Motions,” ACS Nano, vol 10, no 8, pp 7901–7906, 2016 X Wang, Y Gu, Z Xiong, Z Cui, and T Zhang, “SilkMolded Flexible , Ultrasensitive , and Highly Stable Electronic Skin for Monitoring Human Physiological Signals,” pp 1336–1342, 2014 L Cai et al., “Super-stretchable, transparent carbon nanotube-based capacitive strain sensors for human motion detection,” Sci Rep., vol 3, pp 1–9, 2013 Y Wang et al., “Wearable and Highly Sensitive Graphene Strain Sensors for Human Motion Monitoring,” pp 1–5, 2014 S Russo, T Ranzani, H Liu, S Nefti-Meziani, K Althoefer, and A Menciassi, “Soft and Stretchable Sensor Using Biocompatible Electrodes and Liquid for Medical Applications,” Soft Robot., vol 2, no 4, pp 146–154, 2015 C M Boutry, A Nguyen, Q O Lawal, A Chortos, S Rondeau-gagné, and Z Bao, “A Sensitive and Biodegradable Pressure Sensor Array for Cardiovascular Monitoring,” pp 1–8, 2015 T Yang et al., “A Wearable and Highly Sensitive Graphene Strain Sensor for Precise Home-Based Pulse Wave Monitoring,” 2017 U Ryu et al., “Adaptive step detection algorithm for wireless smart step counter,” 2013 Int Conf Inf Sci Appl ICISA 2013, pp 0–3, 2013 [21] “Design of a Robust Pedometer for Personal Navigation System against Ground Variation and Walking Behavior.pdf.” [22] Chi Tran Nhu, Ha Tran Thi Thuy, An Tran Hoai, Nguyen Ta Hoang, Hoai Nguyen Thi, An Nguyen Ngoc, Trinh Chu Duc, Van Thanh Dau and Tung Bui Thanh, “Experimental Characterization of an Ionically Conductive Fluid Based High Flexibility Strain Sensor,” ICERA, 2018 269 ... cho giá trị điện trở cảm biến thay đổi Do đó, cảm biến hoạt động đo biến dạng mà điện trở dung dịch Rs tăng lên có tác dụng lực kéo dãn III ỨNG DỤNG CẢM BIẾN BIẾN DẠNG CHO ỨNG DỤNG ĐẾM BƯỚC CHÂN... Cảm biến biến dạng chế tạo gắn lên đầu gối cho mục đích đếm bước chân Để gắn cảm biến lên đầu gối, cố định cảm biến lên hai đai co dãn keo silicone, sau hai đai co dãn lên khuỷu gối cho cảm biến. .. giá thành rẻ, mẫu cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion đề xuất ứng dụng vào nhiều lĩnh vực công nghiệp Bên cạnh đó, việc kết hợp cơng nghệ chế tạo đại tạo cảm biến nhỏ gọn linh