HỆ THỐNG ĐA CHỨC NĂNG HỖ TRỢ NGƯỜI KHUYẾT TẬT MULTIFUNCTIONAL LIMB DISABLED-AIDED SYSTEM

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(74).2014.QUYỂN II HỆ THỐNG ĐA CHỨC NĂNG HỖ TRỢ NGƯỜI KHUYẾT TẬT MULTIFUNCTIONAL LIMB DISABLED-AIDED SYSTEM Trần Quang Nam1 , Dương Nguyễn Khánh Nam1 , Nguyễn Văn Tây1 , Phạm Văn Tuấn2 Lớp 09ECE, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: pvtuan@dut.udn.vn Tóm tắt – Bài báo giới thiệu hệ thống hồn chỉnh, mà phần cốt lõi loại xe lăn hỗ trợ người khuyết tật liệt phần thể di chuyển cách thoải mái theo ý muốn mà không cần giúp đỡ từ bên Sự khác biệt với loại xe lăn thơng thường khác, cho phép người dùng sử dụng cử động đầu để điều khiển hoạt động xe Điều có hai ưu điểm chính, dễ sử dụng với người dùng sử dụng nhiều dạng bệnh nhân bại liệt Ngồi ra, hệ thống cịn có chức phát tai nạn xe lật, từ phát tin nhắn gọi điện cho người thân trường hợp khẩn cấp Nhưng hết, hệ thống hỗ trợ người dùng sử dụng máy tính mà khơng cần dùng đến chân tay, mà cần dùng đầu Hệ thống giải pháp toàn diện cho bệnh nhân bại liệt nâng cao chất lượng sống họ Abstract – This paper presents a complete system whose core is a new kind of wheelchair that helps paralyzed patients to move freely as they want without any help The main difference between this system and other wheelchair is that it allows users to use their heads to control the wheelchair This has two main advantages: it is easier to use it and it is suitable for many kinds of paralyzed patients Besides, the system can send SMS messages or make phone calls in case of accidents or emergency But this system, above all, supports users to use computers just with their heads, without using their hands or legs, This system is an all-rounded solution for paralyzed patients to improve their living conditions All the methods employed in building this wheelchair will be presented through this paper Từ khóa – xe lăn thơng minh; HID mouse; vi điều khiển MSP430; cảm biến gia tốc; thuật toán PID Key words – smart wheelchair; HID mouse; microcontroller; accelerometers; PID algorithm Đặt vấn đề khả bị nhiễu cao MSP430 Trên giới có khoảng 500 triệu người bị khuyết tật 2.4 Mục tiêu thể Phần lớn số bị dạng khuyết tật chi Sau xem xét loại xe lăn, nhóm tác giả định khiến họ di chuyển, số tiếp chế tạo: tục gia tăng Những bệnh nhân cần chăm sóc - Một hệ thống xe lăn với giá phải nhân viên y tế người thân việc di chuyển - Không cần dùng tay chân để điều khiển, cần sinh hoạt ngày Đối với bệnh nhân nước dùng đầu phát triển, chi phí chăm sóc y tế gánh nặng lớn Điều khiển đơn giản, ảnh hưởng nhiễu Hơn họ cần lại tự do, sử dụng máy tính Giúp người dùng sử dụng máy tính nhận hội người khác Chính Có khả giúp người dùng liên lạc với người khác thế, đặt câu hỏi làm để cải thiện chất lượng sống họ Sơ lược hệ thống Kết nghiên cứu khảo sát Hệ thống chúng tơi chia làm phần chính: Trước bắt tay xây dựng hệ thống này, tiến hành khảo sát công nghệ giới dùng để hỗ trợ bệnh nhân khuyết tật bại liệt Trên sở đó, chúng tơi xây dựng hệ thống đơn giản đa để giúp đỡ người bệnh 2.1 Xe lăn dùng cần điều khiển Đây loại xe lăn dùng cần điều khiển dành cho bệnh nhân liệt chi dưới, khuyết điểm giá thành đắt, bệnh nhân liệt tay tồn thân khơng thể sử dụng 2.2 Xe lăn điều khiển mắt Đây loại xe lăn điều khiển mắt, sử dụng cử động mắt chuyển thành tín hiệu điều khiển xe Tuy loại xe lăn không cần dùng tay để điều khiển lại đắt địi hỏi máy tính xử lý phức tạp dễ bị nhiễu 2.3 Xe lăn điều khiển ý nghĩ Loại cuối xe lăn điều khiển ý nghĩ Đây loại đắt cồng kềnh, cần đến máy tính hệ thống phức tạp để đọc sóng não người dùng, nhiên 42 Phần thứ - Đọc cảm biến: Các cảm biến gắn vào đầu mắt người dùng phát cử động chuyển thành tín hiệu đưa vào vi điều khiển (VĐK) gắn đầu người dùng, sau phát lệnh xuống VĐK đặt xe lăn để thi hành Phần thứ hai - Xe lăn: Đây phần nhận lệnh từ VĐK đầu người dùng, để điều khiển xe để gửi tin nhắn hay gọi điện, gắn khung xe lăn Có thể chia thành phần nhỏ - Thứ - VĐK: VĐK thứ nhận lệnh từ VĐK đầu người dùng phát lên cho VĐK cịn lại thơng qua giao tiếp I2C VĐK này, thông qua mạch cầu H, điều khiển mô tơ điều khiển bánh xe Encoder gắn vào mơ tơ truyền tín hiệu vận tốc VĐK để cân chỉnh vận tốc bánh xe, nên xe lăn di chuyển cách thăng - Thứ hai - Module liên lạc: Khi xe lăn bị lật, cảm biến gia tốc gắn xe phát gửi tín hiệu kích hoạt module GSM để gửi tin nhắn gọi điện Phần thứ ba - Tương tác máy tính: Phần chờ lệnh Trần Quang Nam, Dương Nguyễn Khánh Nam, Nguyễn Văn Tây, Phạm Văn Tuấn VĐK đầu người dùng, tiến hành giao tiếp với máy tính, sau giúp người dùng sử dụng chuột Phần có VĐK gắn sẵn với máy tính thơng qua cổng USB Hình 3: Cảm biến gia tốc 4.2.3 Module RF Chọn module eZ430-RF2500 để thực giao tiếp RF để hệ thống tinh gọn truyền phát nhanh Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống Phần cứng 4.1 Vi điều khiển Hình 4: Module eZ430-RF2500 4.3 Module GSM Các VĐK dùng VĐK MSP430 hãng Việc bệnh nhân liệt khuyết tật giữ liên lạc Texas Instruments Loại VĐK chọn tin cậy, với người thân nhân viên y tế quan trọng, khơng giá thành phải chăng, đọc ADC nhanh tốt, tốc độ xử lý phải lúc họ bên người bệnh Vậy lựa chọn nhanh, nhớ nhiều lượng tiêu thụ thấp module Breakout Sim900, với khả gửi tin nhắn gọi “Embedded Microcontroller” điện để lắp đặt xe để giúp người bệnh liên lạc Ưu điểm + 16-Bit RISC Architecture up to 24-MHz Clock module giá phải tiện lợi, dễ sử dụng, + Wide Supply Voltage Range (2 V to 3.6 V) hoạt động nhiều băng tần dễ kết nối với VĐK + -40°C to 85°C Operation - Optimized Ultralow-Power Modes - Ultralow-Power Ferroelectric RAM + Up to 16KB Nonvolatile Memory + Ultralow-Power Writes + Fast Write at 125 ns per Word - High-Performance Analog + 16-Channel Analog Comparator + 14-Channel 10-Bit Analog-to-Digital Converter Hình 5: Module Breakout Sim900 (ADC)” [6] Thuật toán 4.2 Cảm biến 5.1 Thuật toán điều khiển xe lăn 4.2.1 Cảm biến phản xạ Một thiết bị cảm biến gia tốc cố định đầu Dùng để phát nháy mắt người dùng, chọn loại người sử dụng để lấy thông số độ nghiêng Sau cảm biến TCRT5000, giá thành rẻ ổn định đó, tín hiệu tương tự đọc từ cảm biến chuyển đến mô đun ADC10bit vi xử lý MSP430FR5739 để chuyển sang tín hiệu số Mơ đun ADC10bit cấu hình để lấy liệu bit, đủ để xử lý độ nghiêng Dữ liệu cho ta biết thông số trục cảm biến Trong trường hợp này, hai số ba trục sử dụng, cụ thể trục x trục y, đặt vng góc với mặt đất Sau hệ thống kích hoạt, liệu từ hai trục cân chỉnh theo giá trị ban đầu (khi vị trí cân Hình 2: Cảm biến phản xạ bằng) Khi người sử dụng ngả đầu phía sau phía 4.2.2 Cảm biến gia tốc trước, nghiêng sang phải sang trái, thiết bị đo Dùng để phát tư đầu người dùng độ lệch vị trí vị trí ban đầu, từ điều khiển xe lăn, chọn loại cảm biến MMA7361 xe lăn chạy theo hướng mong muốn 43 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(74).2014.QUYỂN II 5.2 Thuật toán PID chuyển cách mượt mà Bằng cách sử dụng hai cảm biến phản xạ TCRT5000 gắn trực tiếp gần với mắt Để đảm bảo cho xe di chuyển xác theo hướng người sử dụng, hệ thống phát nháy mắt định, hệ thống sử dụng thuật toán PID thiết lập Điều quan trọng phân biệt nháy mắt tự nhiên phần cứng phần mềm chế thể nháy mắt người dùng cố tình Đối với phần cứng, hai encoder sử dụng để đo tốc tạo Nháy mắt tự nhiên luôn nhanh nháy mắt độ thực động cơ, sau đưa tín hiệu hồi tiếp hai vi cố tình đó, sử dụng thuật toán đếm để phân biệt hai xử lý MSP430G2553 để điều chỉnh lại tốc độ động cho chế xác Thuật tốn PID gồm có ba tham số là: P (Proportional), I (Integral) D (Derivative) dùng để chuẩn hóa tín hiệu u(t) động Những tỉ lệ thuật toán phụ thuộc vào khác tín hiệu mong muốn tín hiệu thực Sự khác cịn gọi lỗi phát sinh Hệ số tỉ lệ Kp xác định tỉ lệ đáp ứng đầu với tín hiệu lỗi Hợp phần Integral đưa lỗi qua thời gian, làm tăng đáp ứng tích phân Hiệu ứng nhằm ổn định lỗi trạng thái ổn định, khác tín hiệu mong muốn tín hiệu thực Hợp phần Derivative giảm tín hiệu điều khiển đầu u(t) trường hợp tốc độ thực tăng đột biến Tham số Derivative tỉ lệ với tốc độ thay đổi vận tốc Để tìm giá trị tối ưu cho ba tham số P, I, D, nhóm tác giả sử dụng phương pháp thử lỗi Hình 7: Sơ đồ kết nối MCU MSP430 với máy tính qua cổng USB [1] Hình 6: Sơ đồ thuật toán PID 5.3 Gửi tin nhắn SMS Gửi gặp tai nạn: Nếu xe lăn bị ngã, cảm biến gia tốc gửi tín hiệu trục vi điều khiển Nếu thông số nằm phạm vi xe bị ngã, vi điều khiển kích hoạch mơ đun GSM gửi tin nhắn Gửi chủ động: Khi người dụng muốn gửi tin nhắn cho người thân, họ thực động tác đầu để giúp vi điều khiển nhận kích hoạch mô đun GSM gửi tin nhắn 5.4 Tương tác máy tính Trong ứng dụng sử dụng Traditional HID Interfaces hỗ trợ gói USB API Texas Instrument Một vi điều khiển MSP430 chạy gói API sau gắn vào cổng USB thiết lập giao thức HID máy tính Khi chuột chế độ Active, sử dụng liệu từ cảm biến gia tốc hai cảm biến phản xạ để điều khiển chuột Độ nhạy chuột phụ thuộc nhiều vào khả phân tích độ nghiêng xác cảm biến gia tốc Một lần nữa, mô đun ADC10bit sử dụng để chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 8bit, đủ chuột di 44 Hình 8: Quy trình kết nối MCU với máy tính [5] Bảng 1: Bảng thời gian đếm cho thuật tốn nháy mắt Nháy mắt cố tình Nháy mắt tự nhiên 5-7 lần đếm 1-2 lần đếm Tương tác với hệ thống 6.1 Chọn chức Khi khởi động, hệ thống mặc định nằm chế độ chọn lựa (Mode Selection) Từ chế độ người sử dụng động tác đầu tương ứng để chọn sử dụng Trần Quang Nam, Dương Nguyễn Khánh Nam, Nguyễn Văn Tây, Phạm Văn Tuấn chế độ sau đây: - Chế độ điều khiển xe lăn - Chế độ sử dụng chuột máy tính - Chế độ gửi tin nhắc gọi điện thoại - Chế độ chờ nghỉ (StandBy) chuyển đổi thành lệnh điều khiển hệ thống để hoạt động ý muốn người dùng Hệ thống đánh giá dựa độ xác hiệu chuyển động đầu mắt tương ứng với hoạt động 6.2 Chọn chế độ Có bốn chuyển động điều khiển xe lăn, thẳng phía trước, thẳng phía sau, rẽ trái, rẽ phải Có chuyển động đầu để điều khiển xe theo hướng tương ứng Các hoạt động kiểm tra 50 lần: Nghiêng đầu bạn qua phải trái quay trở lại vị trí cân để di chuyển chế độ Gật đầu phía trước để chọn chế độ Sau lựa chọn chế độ, người sử dụng tiếp tục sử dụng chức hệ thống 6.2.1 Chế độ điều khiển xe lăn Điều khiển xe lăn điện chuyển động đầu: - Đi thẳng phía trước: Gật đầu phía trước quay trở lại vị trí cân - Đi thẳng phía sau: Ngửa đầu sau giữ vị trí đầu để điều khiển xe lùi phía sau - Rẽ trái: Nghiêng đầu phía bên trái giữ ngun đầu vị trí để điều khiển xe rẽ trái - Rẽ phải: Nghiêng đầu phía bên phải giữ nguyên đầu vị trí để điều khiển xe rẽ sang phải Khi xe lăn dừng lại vòng 10 giây, hệ thống tự động quay chế độ chọn lựa (Main Menu) chờ lệnh người sử dụng để nhảy vào chế độ khác 6.2.2 Chế độ điều khiển chuột máy tính 7.1.1 Điều khiển xe lăn Bảng 2: Bảng thời gian đếm cho thuật toán nháy mắt Chuyển động đầu Hoạt động tương ứng Số lần thành công (trong 50 lần thử) Gật đầu Xe tiến trước 50 Ngửa đầu sau Xe lùi sau 49 Rẽ trái Xe rẽ trái 49 Rẽ phải Xe rẽ phải 48 Nguyên nhân xe hoạt động không theo ý muốn cảm biến gia tốc bị đặt sai vị trí cân bằng, đưa tín hiệu khác với tín hiệu mong muốn, nên vi điều khiển thực lệnh sai cho xe lăn 7.1.2 Điều khiển trỏ chuột - Định hướng trỏ Bảng 3: Bảng số liệu lần thử trỏ chuột Số lần thành công Chuyển động đầu Hoạt động tương ứng Điều khiển chuột máy tính: (trong 100 lần thử) - Điều khiển chuyển động chuột: Người sử dụng Gật đầu Xe tiến trước 100 muốn trỏ chuột hướng nghiêng đầu Ngửa đầu sau Xe lùi sau 98 hướng Xe rẽ trái Rẽ trái 99 - Tín hiệu chuột trái (Left click): Nháy mắt phải Xe rẽ phải Rẽ phải 100 thời gian ngắn - Tín hiệu chuột phải (Right click): Nháy hai mắt Như bảng số liệu, chức đạt độ thời gian ngắn xác cao - Tín hiệu nhấp đôi chuột: Nháy mắt phải - Click chuột thời gian ngắn lâu nháy mắt tín hiệu chuột trái chút Bảng 4: Bảng số liệu lần thử click chuột 6.2.3 Chế độ chờ Giữ đầu vị trí cân 10 giây hệ thống nhảy vào chế độ “chờ” Để thoát khỏi chế độ này, người dùng nghiêng đầu phía bên phải trái 6.2.4 Chế độ gửi tin nhắn Trong chế độ, người sử dụng gửi tin nhắn cho người thân bác sĩ, y tá để yêu cầu giúp đỡ trường hợp nguy hiểm Để thực chế độ này, người sử dụng vào chế độ “chọn lựa” (Main Menu) nghiêng đầu liên tiếp sang phải hệ thống nhảy vào chế độ Đánh giá 7.1 Độ xác Thuật toán phụ thuộc phần lớn vào kết hợp chuyển động mắt Những chuyển động sau Số lần thành công (trong 100 lần thử) Cách nháy mắt Hoạt động tương ứng Nháy hai mắt Click chuột trái 92 Nháy mắt phải Click chuột phải 86 Nháy hai mắt liên tiếp Click đôi 90 Độ xác chức chưa cao Nguyên nhân sai lệch cảm biến phản xạ quang nhạy với nhiễu góc phát thu khơng cao - Chế độ cuộn trang Bảng 5: Bảng số liệu lần thử cuộn trang Chuyển động đầu Hoạt động tương ứng Số lần thành công (trong 50 lần thử) Ngửa đầu sau Cuộn trang lên 49 Gật đầu trước Cuộn trang xuống 48 Chức đạt độ hiệu cao 45 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(74).2014.QUYỂN II Kết luận hướng phát triển 7.1.3 Gửi tin nhắn Gửi tin nhắn trường hợp tai nạn: Để kiểm tra chức 8.1 Kết luận năng, xe giả định nằm nghiêng với tư ngã khác Bảng 7: Bảng tóm tắt mục tiêu độ hoàn thiện Khi xe nằm tư hệ thống tự Mục tiêu Độ hoàn thiện động gửi tin nhắn tới số điện thoại định sẵn Xe lăn giá thành, Hệ thống thực với chi phí vừa Chức kiểm tra 20 lần thành công không cần tay chân phải, hỗ trợ nhiều dạng bại liệt chân tay Gửi tin nhắn chủ động: Để gửi tin nhắn người để sử dụng dùng điều khiển hệ thống nhảy vào chức gửi tin nhắn Hỗ trợ người tàn tật Hệ thống hỗ trợ người tàn tật sử dụng máy SMS Số lần thành công 16 lần 20 lần kiểm tra tương tác máy tính tính thơng qua đầu mắt Nguyên nhân chức hoạt động sai cảm biến gia tốc Hệ thống an toàn Hệ thống thiết kế an toàn sử dụng thời gian tương đối bị đặt sai vị trí cân bằng, gây hiệu chỉnh sai cho hệ thống ổn định 7.2 Công suất Bảng 6: Bảng số liệu công suất hoạt động Thiết bị Dòng tiêu thụ Áp tiêu thụ Hệ thống hỗ trợ liên lạc Đơn giản hiệu Module GSM giúp người dùng gửi tin nhắn gọi điện Không cần xử lý mạnh cồng kềnh thực chức tương đương loại xe khác MSP430FR5739 81.4 µA 3.3V 8.2 Hướng phát triển MSP430G2553 230 µA 3.3V MSP430F5510 115 µA 3.3V Cảm biến gia tốc x2 400 µA 3.3V Cảm biến phản xạ quang học x2 100 mA 3.3V RF module x3 12.3 mA 3.3V GSM module 2A 4V Mạch cầu H Trong tương lai, nhóm tác giả tiếp tục cải thiện, hoàn thiện hệ thống cố gắng chỉnh sửa khuyết điểm Hơn nữa, muốn phát triển thêm nhiều chế độ cho phận tương tác máy tính Keyboard mode, giảm công suất tiêu thụ giảm giá thành Trong mục tiêu dài hạn, với giá cạnh tranh ưu điểm phù hợp với nhiều loại khuyết tật hướng đến nhiều mặt đời sống người tàn tật, hệ thống có tiềm lớn sản phẩm hứa hẹn thị trường 10 A 24V Mức tiêu thụ thấp chấp nhận với gia đình trung lưu nước phát triển 7.3 Giá Chi phí cho hệ thống không cao so với xe lăn thông thường thị trường Không thế, hệ thống cịn có chức tốt hỗ trợ tương tác máy vi tính hay liên lạc với người thân đơn giản xe lăn điều khiển suy nghĩ hay chuyển động mắt, mà địi hỏi phải có thiết bị cồng kềnh thuật toán phức tạp yêu cần vi xử lí mạnh đắt tiền Tài liệu tham khảo [1] Texas Instruments, “Starting a USB Design Using MSP430 MCUs”, Application Report, July 2009 [2] SIMCom, “SIM900 AT Command Manual”, December 2010 [3] Texas Instrument, “MSP430x2xx Family User’s Guide”, SLAU144J–December 2004–Revised July 2013 [4] Texas Instrument, “MspFr57xx User’s Guide”, January 2013 [5] Texas Instrument, “Programmer’s Guide: MSP430 USB API Stack for CDC/PHDC/HID/MSC”, July 2013 [6] Texas Instrument, “MspF5510 User’s Guide”, May 2013 [7] Freescale Semiconductor, “±1.5g, ±6g Three Axis Low-g Micromachined Accelerometer”, 04/2008 [8] Vishay Semiconductors, “Reflective Optical Sensor with Transistor Output”, 17-Aug-09 (BBT nhận bài: 26/12/2013, phản biện xong: 09/01/2014) 46