Thiết kế hệ thống đánh giá trọng tâm dựa trên á số đo ủa ơ thể

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN TRUNG KIÊNTHIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ TRỌNG TÂMDỰA TRÊN CÁC SỐ ĐO CỦA CƠ THỂLUẬN VĂN THẠC SĨ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TRUNG KIÊN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ TRỌNG TÂM

DỰA TRÊN CÁC SỐ ĐO CỦA CƠ THỂ

LUẬN VĂN THẠC SĨ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

H à Nội – Năm 2019

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131747831000000

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TRUNG KIÊN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ TRỌNG TÂM

DỰA TRÊN CÁC SỐ ĐO CỦA CƠ THỂ

Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh

LUẬN VĂN THẠC SĨ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS HOÀNG PHƯƠNG CHI

H à Nội – Năm 2019

1

M C L C Ụ Ụ

DANH SÁCH THU T NG Ậ ỮVIẾT T T 3 Ắ

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7

CHƯƠNG 1 XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ 9

1.1 Đặ ấn đềt v 9

1.2 Mục đích đề tài 11 1.3 H ệthống thực tế 11

1.4 H ệThống đề xuất 13

1.5 Kết luận chương 15

CHƯƠNG 2 THIẾT K H THỐNG 16 Ế Ệ 2.1 Ý tưởng 16

2.2 Thiết kế ệ cơ khí h 17

2.2.1 T m m t mica hoấ ặ ặc gỗ 18

2.2.2 Thi t k khung inox 20 ế ế 2.3 Thiết kế ệ thố h ng thu nh n và x ậ ửlý dữ liệ u 23

2.3.1 Sơ đồ kh i h ố ệthống 23

2.3.2 C m bi n khả ế ối lượng - Loadc 24 ell 2.3.3 B ADC HX711 27 ộ 2.3.4 B vi x lý Arduino 28 ộ ử 2.3.5 Kết nối hệ thống 30

2.4 Kết luận chương 32

CHƯƠNG 3 ỆHI U CHỈNH VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ Ệ H TH NG 33 Ố 3.1 Calib t ng loadcell 33 ừ 3.1.1 Khối lượng nh 33 ỏ 3.1.2 Khối lượng l n 34 ớ 3.1.3 K t qu calib t ng loadcell 34 ế ả ừ 3.2 Calib h ệthống 37

2

3.2.1 Calib h ệthống với bằng vật nặng 38 3.2.1.1 D ng c calib 38 ụ ụ3.2.1.2 Các bước ti n hành 38 ế3.2.1.3 K t qu ế ảthực nghi m 39 ệ3.2.2 Calib h ệthống bằng người 40 3.2.2.1 D ng c calib 40 ụ ụ3.2.2.2 Các bước ti n hành 41 ế3.2.2.3 K t qu ế ảthực nghi m 41 ệ3.3 Kết luận chương 43 CHƯƠNG 4 THU THẬP VÀ X ỬLÝ DỮ LIỆU 44 4.1 Thu thậ ố liệp s u 44 4.1.1 Yêu c u thu th p s u 44 ầ ậ ốliệ4.1.2 Các bước ti n hành thu th p s li u 47 ế ậ ố ệ4.1.3 K t qu thu th p 47 ế ả ậ4.2 X ửlý số liệ u 47 4.2.1 Phương pháp Linear regression 47 4.2.1.1 Khái ni m 47 ệ4.2.1.2 Cách xây dựng và đánh giá mô hình bằng phương pháp Linear regression 49 4.2.2 Các model đề xu t và đánh giá mô hình 54 ấ4.2.2.1 Mô hình đánh giá trọng tâm thông qua chi u cao 55 ề4.2.2.2 Mô hình đánh giá trọng tâm thông qua chi u cao và cân n ng 58 ề ặ4.2.2.3 Mô hình đánh giá trọng tâm thông qua chi u cao, cân n ng và s ề ặ ố

đo ba vòng cơ thể 61 4.3 Kết luận chương 65

K T LU N 66 Ế ẬTÀI LIỆU THAM KH O 68 ẢPHỤ Ụ L C 69

4

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 1 Mô hình xác định trọng tâm đề xu t 14 ấ Hình 1 2 Quy tắc h p l c song song cùng chiều 14 ợ ự Hình 2 1 Mô hình xây dựng tính toán tr ng tâm 17 ọ Hình 2 2 Hình ảnh minh h a mica 18 ọ Hình 2 3 Mặ ỗ dùng đểt g thi t kếế cân n m 20 ằ Hình 2 4 Thiết kế khung inox nhìn t c nh bên 21ừ ạ Hình 2 5 Hình nh mô ph ng m t bên khi g n m g 21ả ỏ ặ ắ ặt ỗ

Hình 2 6 Hình ảnh khung inox sau khi hoàn thành 22

Hình 2 7 Hình ảnh cân n m sau khi hoàn thành 23 ằ Hình 2 8 Mô hình quan hệ 23

Hình 2 9 Mô tả ho t đ ng Loadcell 25 ạ ộ Hình 2 10 C m bi n khả ế ối lượng loadcell 26

Hình 2 11 Mạch cầu cân b ng Wheatstone 26 ằ Hình 2 12 Bộ ADC 24 bit HX711 28

Hình 2 13 Arduino UNO R3 29

Hình 2 14 Mô hình kế ốt n i Loadcell và HX711 31

Hình 2 15 Mô hình kế ốt n i HX711 và Arduino 31

Hình 2 16 Đóng hộp h ệthống thu nh n và x ậ ửlý dữ liệ u 32

Hình 3 1 Hệ ống calib đố th i với kh i lư ng nh 33 ố ợ ỏ Hình 3 2 Hệ ống calib đố th i với kh i lư ng l n 34 ố ợ ớ Hình 3 3 Đồ ị th giá tr ịcalib loadcell 1 36

Hình 3 4 Đồ ị th giá tr ịcalib loadcell 2 36

Hình 3 5 Đồ ị th giá tr ịcalib loadcell 3 36

Hình 3 6 Đồ ị th giá tr ịcalib loadcell 4 37

Hình 3 7 Dụng c calib b ng v t n ng tiụ ằ ậ ặ ếp điểm nh 38 ỏ Hình 3 8 Hình ảnh d ng c , cách th c calib 40 ụ ụ ứ Hình 4 1 D ng c ụ ụ đo chiều cao 44

Hình 4 2 Cân cơ học dùng để đo cân nặng 45

5

Hình 4 3 Thước dây đo quần áo 45 Hình 4 4 Quy ước đo số đo ba vòng 46 Hình 4 5 Quy ước v trí n m trên thi t b khị ằ ế ị i xác định tr ng tâm 46 ọHình 4 6 Mô phỏng linear regression 50 Hình 4 7 Xác định giao điểm hai giá tr trung bình X và Y 50 ịHình 4 8 Tham số R2 hi u ch nh 53ệ ỉHình 4 9 Tham số Standard Error of the Estimate 54 Hình 4 10 Biểu đồ sai s ốtính toán bằng mô hình và thực tế 56Hình 4 11 Biểu đồ Histogram tr ng tâm chi u cao 57 ọ – ềHình 4 12 Biểu đồ Scatter Plot 58 Hình 4 13 Biểu đồ tính toán b ng mô hình và th c tế 59 ằ ựHình 4 14 Biểu đồ Histogram tr ng tâm chi u cao cân n ng 60 ọ – ề – ặHình 4 15 Biểu đồ Scatter Plot 61 Hình 4 16 Biểu đồ tính toán b ng mô hình và th c tế 63 ằ ựHình 4 17 Biểu đồ Histogram tr ng tâm chi u cao cân n ng s ọ – ề – ặ – ố đo 3 vòng 64 Hình 4 18 Biểu đồ Scatter Plot 64

6

DANH M C BỤ ẢNG BI U Ể

B ng 1 1 Bả ảng phân đoạn cơ thể ừ Zatsommeky et al năm 1990 [1] 12 t

B ng 2 1 B ng so sánh các lo i mica 19 ả ả ạ

B ng 3 1B ng k t qu ả ả ế ảcalib cho bốn loadcell 34

B ng 3 2 B ng giá tr ả ả ịcalib bốn loadcell 37

B ng 3 3 B ng kả ả ết quả thực nghiệm calib b ng vằ ật nặng 39

B ng 3 4 B ng kả ả ết quả thực nghiệm calib bằng người 42

B ng 4 1 B ng xây d ng mô hình linear regression 1 bi n ph thu c 49ả ả ự ế ụ ộ B ng 4 2 B ng xây d ng mô hình linear regression 2 bi n ph thu c 51ả ả ự ế ụ ộ B ng 4 3 B ng tính toán giá tr tham s Rả ả ị ố 2 53

B ng 4 4 B ng tính toán giá tr Standard Error of the Estimate 54ả ả ị B ng 4 5 Bả ảng tóm lược model tr ng tâm- chi u cao 55ọ ề B ng 4 6 B ng h s ả ả ệ ốphụ thuộc trọng tâm- chiều cao 55

B ng 4 7 Bả ảng tóm lược model tr ng tâm- chi u cao- cân n ng 58ọ ề ặ B ng 4 8 B ng h s ả ả ệ ốphụ thuộc trọng tâm- chiều cao- cân nặng 59

B ng 4 9 Bả ảng tóm lược model chi u cao- cân n ng- vòng1- vòng2- vòng3 62ề ặ B ng 4 10 B ng h s ph ả ả ệ ố ụthuộc tr ng tâm - chi u cao - cân n ng - s ọ ề ặ ố đo 3 vòng 62

B ng 4 11 B ng so sánh các mô ả ả hình đềxuất 65

7

L ỜI NÓI ĐẦ U

T ừ xưa đến nay, nhân loại đã không ngừng h c h i, tìm tòi và nghiên cọ ỏ ứu để

t o ra nh ng s n ph m nh m ph c v nh ng nhu c u ngày càng cao cạ ữ ả ẩ ằ ụ ụ ữ ầ ủa con người

V i nhiớ ều đề tài và hướng nghiên c u khác nhau trong t t c ứ ấ ả các lĩnh vực trong cuộ ống đã giúp cuộ ốc s c s ng của con người ngày càng hiện đại và ti n nghi Cùng ệ

với đó, lĩnh vực y t ế cũng rất được chú tr ng trong nghiên c u tiêu biọ ứ ểu như những máy m n i soi hiổ ộ ện đại làm cho v t m nh và nhanh h i phế ổ ỏ ổ ục ở các vùng cơ thể

Đồng th i vờ ới phương pháp mổ ội soi não đã cứu giúp đượ n c nhi u b nh nhân b ề ệ ị

b nh ệ ở vùng não khi mà các phương thức m truy n th ng v t m l n, khó ti p c n ổ ề ố ế ổ ớ ế ậ

đến các vùng b bị ệnh trong não và đặc bi t n u có m t sai sót dù là nh nhệ ế ộ ỏ ất cũng ảnh hưởng đến cu c s ng, tính m ng b nh nhân Hay loộ ố ạ ệ ại robot có kích thước siêu

nh ỏ dùng để điều tr m c t bào M t trong s ị ở ứ ế ộ ố đó, nghiên c u v ứ ề trọng tâm cơ

thể là m lĩnh vực ột r t quan tr ng, mang l i nhi u l i ích trong ấ ọ ạ ề ợ cáclĩnh vự như: thểc thao, sinh tr c h c, y tắ ọ ế, điều tr ph c h i chị ụ ồ ức năng Vì vậy em đã lựa chọn đề tài:

“THIẾ T K H TH Ế Ệ ỐNG ĐÁNH GIÁ TRỌ NG TÂM D A TRÊN CÁC S Ự Ố ĐO CỦA CƠ THỂ” Đây là một đề tài khá mới nên chưa có nhiều nghiên cứu được thực hiện và đề xu t t i Vi t Nam ấ ạ ệ

Trong thời gian làm đề tài t t nghiố ệp, em đã nhận đượ ấc r t nhi u s ề ự giúp đỡ, đóng góp và chỉ ả b o nhi t tình t các th y cô, ệ ừ ầ ban lãnh đạ và đồo ng nghi p ệ nơi làm

việc, gia đình và bạn bè Em xin chân thành g i l i cử ờ ảm ơn đến các th y cô Vi n ầ ệĐiện T - Viử ễn Thông, trường Đạ ọi h c Bách khoa Hà Nội đã giảng d y nhi t tình và ạ ệtruyền đạt cho em nh ng ki n thữ ế ức quý báu để có th ể thực hiện đề tài này Đặc bi t, ệ

em xin gửi l i cờ ảm ơn chân thành đến TS Hoàng Phương Chi và TS Trần Anh Vũ đã định hướng, giúp đỡ và ch d n cho em r t nhi u b ng s nhi t tình cùng v i nh ng ỉ ẫ ấ ề ằ ự ệ ớ ữgóp ý, g i m , giúp em có th hi u m t cách sâu sợ ở ể ể ộ ắc và rõ ràng hơn về nh ng ữvướng m c trong th i gian th c hiắ ờ ự ện đề tài này Ngoài ra, trong quá trình th c hi n ự ệ

đề tài này không th tránh kh i nh ng thi u sót R t mong nhể ỏ ữ ế ấ ận được nh ng ý ki n ữ ếđóng góp của các th y cô ầ

Em xin chân thành cảm ơn!

8

TÓM TẮT ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

V i mớ ục đích tạo ra được mô hình xác định trọng tâm cơ thể một cách đơn

giản và nhanh chóng thì đề tài “Thiế ế ệt k h thống đánh giá t ọr ng tâm d a trên các ự

s ố đo cơ thể” đã được đề xu t và th c hi n Sau quá trình th c hi n, ấ ự ệ ự ệ đềtài đã đưa ra được m t công thộ ức xác định trọng tâm cơ thể ử ụ s d ng thu t toán h i quy tuy n tính ậ ồ ế(linear regression)

The project consist of four chapters:

Chapter 1: Determine problem

Chapter 2: Design system

Chapter 3: Calib and evaluate error

Chapter 4: Collect and process data

9

CHƯƠNG 1 XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ này nh v c t , các h ng th c t n t i, các bài Chương xác đị ấn đề thự ế ệ thố ự ế đã tồ ạ

báo, bài nghiên cứu liên quan đến đềtài ừ đó, đánh giá ưu điểm và nhược điểm để T đưa ra hệ ống đề th xu t cho ấ đề tài

1.1 Đặt vấn đề

T ừ xưa đến nay, nhân loại đã không ngừng h c h i, tìm tòi và nghiên cọ ỏ ứu để

t o ra nh ng s n ph m nh m ph c v nh ng nhu c u ngày càng cao cạ ữ ả ẩ ằ ụ ụ ữ ầ ủa con người

V i nhiớ ều đề tài và hướng nghiên c u khác nhau trong t t c ứ ấ ả các lĩnh vực trong cuộ ống đã giúp cuộ ốc s c s ng của con người ngày càng hiện đại và ti n nghi Cùng ệ

với đó, lĩnh vực y t ế cũng rất được chú tr ng trong nghiên c u tiêu biọ ứ ểu như những máy m n i soi hiổ ộ ện đại, robot có kích thước siêu nh ỏ dùng để điều tr m c t ị ở ứ ếbào Trong đó vấn đề ọng tâm cơ thể tr là m t vộ ấn đề ấ r t quan tr ng trong nhi u ọ ềlĩnh vực như: thể thao, y tế, điều tr ph c h i ch c năng ị ụ ồ ứ

- Trong y t , m t trong nh ng bế ộ ữ ệnh điển hình liên quan tr c tiự ếp đến tr ng tâm ọ

cơ thể là b nh tiệ ền đình ậV y b nh tiệ ền đình là gì? Bệnh gây ra nh ng bữ ất tiện gì đến người m c ph i? Tiắ ả ền đình là mộ ột b ph n n m phía sau c tai, nó ậ ằ ốđóng vai trò duy trì sự cân b ng các hoằ ạt động của cơ thể như: khi di chuyển,

nằm, đứng, cúi xuống hay xoay người… Theo mỗi hoạt động của cơ thể ệ, h thống tiền đình cũng sẽ nghiêng, lắc theo các động tác này và giúp cho cơ thể

gi ữ được thăng bằng H ệthống tiền đình được điều khi n b i nhóm th n kinh ể ở ầcao cấp hơn của não Hiện nay, theo như nghiên cứu c a các chuyên gia y t ủ ếthì l a tuứ ổi trưởng thành thường m c h i ch ng này v i t l cao nhắ ộ ứ ớ ỉ ệ ất Và đối tượng lao động trí óc là đối tượng đang có xu hướng gia tăng Hiện tượng thường th y cấ ủa ệb nh r i lo n tiố ạ ền đình là: hoa m t, chóng m t, bu n nôn, ù ắ ặ ồtai, khi thay đổi tư thế ất khó khăn và ngườ ệnh thườ r i b ng b mị ất thăng bằng,

đi loạng cho ng, d ạ ễ ngã… Khi m c ph i h i ch ng này, ắ ả ộ ứ người b nh s ệ ẽ có

c m giác m t mả ệ ỏi, năng suất làm vi c s ệ ẽgiảm và ảnh hưởng đến chất lượng cuộ ốc s ng c a bủ ản thân và gia đình Hội ch ng r i lo n tiứ ố ạ ền đình có thể ễ di n

bi n trong vài ba ngày ho c có th kéo dài nhiế ặ ể ều hơn Chính vì thế mà khi

10

có nh ng d u hi u c a b nh r i lo n tiữ ấ ệ ủ ệ ố ạ ền đình, để biết được nguyên nhân chính xác mình b r i lo n tiị ố ạ ền đình do đâu ngườ ệi b nh cần đến khám t i các ạchuyên khoa tim, m t, tâm th n, th n kinh và tai, làm nh ng xét nghi m hình ắ ầ ầ ữ ệảnh như CT Scanner hay ch p cụ ộng hưởng t và chừ ụp X quang để bác sĩ có

thể đưa ra kết luận cu i cùng ố

- Trong th ể thao, để nghiên c u nhứ ững tư thế, nh ng chuyữ ển động c a các v n ủ ậ

động viên thì tr ng tâm r t r t quan trọ ấ ấ ọng để đưa ra những động tác tiêu chuẩn Ví d ụ như vận động viên nhảy cao để có th ể đạt được nh ng m c xà ữ ứcao tối đa thì các vận động viên thường nh y ngả ửa cong lưng hướng m t lên ặtrời thay vì nh y úp m t song song v i mả ặ ớ ặt đất hay nghiêng một bên cơ thể

Đó là kết qu c a nghiên c u vả ủ ứ ật lý đặc bi t là s ệ ự dao động c a trủ ọng tâm cơ thể Dick Fosbury là vận động viên đã thay đổi môn nh y cao mãi mãi Ông ả

là người đầu tiên th c hiự ện tư thế nhảy quay lưng vào xà và thành tích của ông được c i thi n 15cm lên m c 1.91m T i th v n h i Olympic Mexico ả ệ ứ ạ ế ậ ộ

1986 Fosbury đã khiến c th gi i kinh ng c v i m c xà 2.24m Hay trong ả ế ớ ạ ớ ứ

bi u di n các diể ễ ễn viên thăng bằng trên dây luôn luôn nhận được s ự ngưỡng

m t các khán gi ộ ừ ả vì độ khó và ph i m t r t nhi u th i gian luy n tả ấ ấ ề ờ ệ ập đểcó thể ể bi u di n thành th o B n ch t c a vi c này là gi cho trễ ạ ả ấ ủ ệ ữ ọng tâm cơ thểthẳng đứng và nằm phía trên dây để cơ thể được cân b ng Các d ng c ằ ụ ụ như:

g y dài và quậ ạt dùng để tác động điều ch nh l i trỉ ạ ọng tâm cơ thể khi cơ thể

di n viên b nghiêng và tr ng tâm tham chi u b lễ ị ọ ế ị ệch khỏi dây

- Trong điều tr ph c h i chị ụ ồ ức năng, đối v i nh ng b nh nhân b chớ ữ ệ ị ấn thương

do tai nạn trong quá trình thi đấu th thao hay nhể ững người b tai n n gãy ị ạchân, tai bi n thì vi c ph c h i hoế ệ ụ ồ ạt động đi lại cho h là m t vọ ộ ấn đề ự c c k ỳquan tr ng và c p thiọ ấ ết Nhưng đây là một công vi c lâu dài và có nhi u y u ệ ề ế

t khác nhau và trố ọng tâm cơ thể cũng nằm trong nh ng y u t quan tr ng ữ ế ố ọđó.Thông qua xác định trọng tâm, bác sĩ sẽ đánh giá mức độ ph c hụ ồi và đưa

ra liệu pháp tiếp theo cho quá trình điều tr ị

11

n t t Nam các thi t b nh tr ng tâm t n t i không nhi u,

phương pháp xác định ph c tứ ạp và giá thành đắ ềt ti n Vì v y mậ ục tiêu đặt ra là thi t ế

k m t h ế ộ ệ thống đánh giá trọng tâm cơ thể thông qua s ố đo cơ thể Yêu c u mầ ột thiế ịt b và một mô hình xác định trọng tâm cơ thể nhanh, chính xác và giá thành r ẻ

d dàng di chuy n phễ ể ục vụ nhu c u cầ ủa thị trường

1.2 Mục đích đề tài

c nghiên c u, kh o sát và th c hi n v i m ng các ki

Đề tài đượ ứ ả ự ệ ớ ục đích áp dụ ến

thức đã học trên gh ế nhà trường để xây d ng, phát tri n m t h ốự ể ộ ệ th ng th c t ph c ự ế ụ

v ụ cho con người và cho xã h i M c ộ ụ đích cuối cùng là nghiên c u và xây d ng ra ứ ự

một mô hình xác định trọng tâm cơ thể ph c v ụ ụ cho người Vi t Nam v i mong ệ ớmuố đem lạn i những lợi ích to lớn trong việc chăm sóc sức kh e cộng đồng như: ỏ

- Mô hình sinh c h c trắ ọ

- H ỗ trợ trong luy n t p, nghiên c u phát triệ ậ ứ ển phương pháp mới và phương pháp điều tr trong th thao ị ể

- H ỗ trợ bác sỹ trong quá trình chẩn đoán mức độ mức độ mất thăng bằng của

bệnh nhân đểcó thể đưa ra phác đồ điều tr hị ợp lý hơn

- H quá trình t p luy ỗ trợ ậ ện điều tr bênh nhân b mị ị ất căn bằng, chấn thương

- Phục v công tác nghiên cụ ứu, đào tạo và phát tri n n n y h c, t o tiể ề ọ ạ ền đề cho

nh ng nghiên cữ ứu chuyên sâu trong lĩnh vực lâm sàng

1.3 Hệ thống thực tế

ng tâm (CoG - Center of Gravity) c g i là Tâm kh i (CoM -

Center of Mass) là điểm cân b ng cằ ủa cơ thể mà tại đó tổng các moment xoay b ng ằ

0 Ở người trưởng thành khi đứng th ng, mẳ ỗi ngườ ại l i có một điểm tr ng tâm khác ọnhau do có ch s ỉ ố cơ thể khác nhau Hi n nay, trên th gi i có khá nhi u nghiên c u ệ ế ớ ề ứ

v ề phương pháp đo đạc, tính toán và m t s h ộ ố ệ thống ng dứ ụng đã đưa ra để xác

định tr ng tâm cọ ủa cơ thể người đã được công b [1], [2], [3], [4], [5], [6] trong đó: ố

1 Phương pháp cơ bản: Phân tích hình nh 2D cả ủa đối tượng để đưa ra trọng tâm

cơ thể [2] hay phân tích nh 3D [6]ả Phương pháp sử ụ d ng hình nh ch p ả ụđược của đối tượng và phân tích hình nh thành bóng ả đen (silhouette), đồng

12

thời th c hi n chuự ệ ẩn đoán cấu trúc xương của cơ thể Cu i cùng, phân tích ố

t ng kh i c u trúc và x lý bừ ố ấ ử ằng phương pháp Delaunay để đưa ra trọng tâm

cơ thể Ưu điểm của phương pháp này là độ chính xác cao nhưng lạ ấ ối r t t n kém và m t nhi u thấ ề ời gian để có th ể xác định được Đồng th i, vì là mô ờ

ph ng c u trúc cỏ ấ ủa cơ thể nên có th có nhiể ều trường h p cợ ấu trúc xương của

đối tượng khác v i mô ph ng gây ra s sai khác trong k t qu ớ ỏ ự ế ả

2 Phương pháp phân vùng cơ thể [1]: Phương pháp này được th c hi n b ng ự ệ ằcách mô hình hóa cơ thể thành t ng khừ ối để ừ đó tính trọ t ng tâm c a m i b ủ ỗ ộ

ph n cậ ủa cơ thể và tr ng tâm cọ ủa toàn cơ thể

Bảng 1 ảng phân đoạn cơ thể ừ Zatsommeky et al năm 19901B t [1]

Segment Endpoint Mass

(%mass)

CM (% length)

Sagittal k (% length)

Transverse k (% length)

Longiludinal k (% length) Proximal Distal Female Male Female Male Female Male Female Male Female Male Head VERT MIDG 6.68 6.94 58.94 59.76 33.0 36.2 35.9 37.6 31.8 31.2

VERT CERV 6.68 6.94 58.94 59.76 27.1 30.3 29.5 31.5 26.1 26.1 Trunk SUPR MIDH 42.57 43.48 41.51 44.88 35.7 37.2 33.9 34.7 17.1 19.1

CERV MIDH 42.57 43.48 41.51 44.88 30.7 32.8 29.2 30.6 14.7 16.9 MIDS MIDH 42.57 43.48 41.51 44.88 37.9 38.4 36.1 35.8 18.2 19.7 Upper

Trunk

SUPR XYPH 15.45 15.96 20.77 29.99 74.6 71.6 50.2 45.4 71.8 66.9 CERV XYPH 15.45 15.96 20.77 29.99 46.6 50.5 31.4 32.0 44.9 46.5 Mid Tr unk XYPH CMPH 14.65 16.33 45.12 45.02 43.3 48.2 35.4 38.3 41.5 46.8 Lower

WJC DAC3 0.56 0.61 74.74 79.0 24.4 28.8 20.8 23.5 15.4 18.4 STYL DAC3 0.56 0.61 74.74 79.0 24.1 28.5 20.6 23.3 15.2 18.2 STYL MET3 0.56 0.61 74.74 79.0 51.9 61.4 44.3 50.2 32.7 39.2 Thigh HJC KJC 14.78 14.16 36.12 40.95 36.9 32.9 36.4 32.9 16.2 14.9 Shank KJC LMAL 4.81 4.33 44.16 44.59 27.1 25.5 26.7 24.9 9.3 10.3

KJC AJC 4.81 4.33 44.16 44.59 26.7 25.1 26.3 24.6 9.2 10.2 KJC SPHY 4.81 4.33 44.16 44.59 27.5 25.8 27.1 25.3 9.4 10.5 Foot HEEL TTIP 1.29 1.37 40.14 44.15 29.9 25.7 27.9 24.5 13.9 12.4

Bài báo [1] đã đưa ra kết qu bảlà ảng phân đoạn cơ thể ở trên v d li u tham s ề ữ ệ ốphân đoạn cơ thể ừ Zatsommeky et al (1990 và đượ ửa đổ ở t c s i b i de Leva ) Quá trình đo của phương pháp này khá phức tạp, nhưng cho phép xác định được

trọng tâm cơ thể ở ạtr ng thái động

13

3 Phần mềm để đánh giá sự ổn định của cơ thể đố ớ i v i những người có kh ả năng thể thao tiềm năng [3] Vai trò chính củ ứa ng d ng ph n m m này là x lý d ụ ầ ề ử ữliệu được thu nhận để đánh giá độ ổn định c a tr ng tâm trong các hoủ ọ ạt động trong thể thao

4 Nghiên c u v ng tâm cứ ềtrọ ủa cơ thể trong chuyển động khi người bước đi [4] Trong bài nghiên c u, các tác gi ứ ả đã chứng minh r ng trằ ọng tâm trong cơ thể

gần như không hề thay đổi khi bước đi Từ đó, chứng t ỏtrọng tâm cơ thể ầ g n như không thay đổi đối v i nhớ ững người bình thường trong quá trình bước

đi, hay m t s ho t đ ng khác ộ ố ạ ộ

5 Có m t vài nghiên cộ ứu chưa chính thống được đề xuất: đó là nghiên cứu mối tương quan giữa chi u cao và tr ng tâm [5] [5] cho k t qu là t l tr ng ề ọ ế ả ỷ ệ ọtâm/ chi u cao = 0.52-0.56 i v i ph n và = 0.52-ề đố ớ ụ ữ 0.59 đối với đàn ông.Phương pháp được s d ng là s d ng t m ph n lử ụ ử ụ ấ ả ực để đo đạc khối lượng

của cơ thể và s d ng m i quan h giử ụ ố ệ ữa trọng tâm và khối lượng t ng thi t b ừ ế ịthu thập được Ưu điểm của phương pháp này thực hi n khá d dàng, giá rệ ễ ẻ,

kết quả thu được nhanh chóng Tuy nhiên sai số ẫ v n còn khá l n ớ

có th dùng r t nhiNhìn chung để đánh giá trọng tâm cơ thể ể ấ ều phương pháp khác nhau như đã nêu trên nhưng những phương pháp đó rấ ốt t n kém, t n th i gian ố ờ

để đo đạc và quy trình r t ph c t pấ ứ ạ , rườm rà Yêu c u xây d ng m t h thầ ự ộ ệ ống được

tối ưu hóa vận d ng nhụ ững ưu điểm t nh ng nghiên cừ ữ ứu trước đó đồng th i khờ ắc

phục những nhược điểm mà các h ệthống đó để áp dụng vào thực tế ạ t i Vi t Nam ệ1.4 tHệ hống đề xuất

Sau khi nghiên c u k ứ ỹ lưỡng những ưu điểm và nhược điểm t ừ các phương pháp đã nêu ở trên, phương pháp được đề xu t tấ ối ưu và phù hợp nhất để xây d ng ựnên mô hình xác định trọng tâm cơ thể : xây dlà ựng một mô hình xác định tr ng ọtâm cơ thể thông qua các ch s cỉ ố ủa cơ thể Để ph c v chụ ụ o đề xu t này, c n xây ấ ầ

d ng m t h ự ộ ệ thống cân nằm để xác định trọng tâm cơ thể làm thông s l y m u t ố ấ ẫ ừ

đó xây dựng nên công th c tính toán tr ng tâm thông qua các thông s cứ ọ ố ủa cơ thể

Mô hình xây dựng s ph i đáp ng các yế ốẽ ả ứ u t sau:

14

 H ệ thống cân n m ph i có giá thành r , nhanh chóng tháo l p, d dàng di ằ ả ẻ ắ ễchuy n, thay th khi h ng hóc ể ế ỏ

 H ệthống cân nằm có độ ổn định cao trong quá trình hoạt động

 Mô hình xác định tr ng tâm cọ ần độ chính xác cao

 Xây d ng nên mự ột cơ sở ữ d u dùng, rõ ràng và thliệ đủ ực tế

 Xây d ng công th c tính toán nhanh, ự ứ ổn định và chính xác cao

Hình 1 1 Mô hình xác định trọng tâm đềxuất

xu t bao g m m t h t k ng có th

Mô hình đề ấ ồ ộ ệ thống cơ khí thiế ế để đối tượ ể

n m lên trên Các thi t b c m bi n khằ ế ị ả ế ối lượng (loadcell) s ẽ được c nh t i b n ố đị ạ ốchân đế ủ c a h thệ ống cơ khí này ệH th ng thu th p và x lý d li u s ố ậ ử ữ ệ ẽ xác định được hai đại lượng l c ự (là t ng h p l c c a loadcell 1 và 2) và ổ ợ ự ủ (là t ng h p ổ ợ

l c c a loadcell 3 và 4) T ự ủ ừ đó, xác định ra kho ng cách ả XCGchính là điểm đặ ủa t c

lực (là h p l c cợ ự ủa và ) thông qua quy t c h p l c song song cùng chiắ ợ ự ều trong vậy lý:

m i liên h gi a v ố ệ ữ ị trí điểm tr ng tâm và các thông s ọ ố đo của cơ thể như: cân n ng, ặchiều cao, s ố đo ba vòng Từ nh ng ch s ữ ỉ ố cơ thể thu được, s ẽ được đánh giá, phân tích để đưa ra những mô hình xác định trọng tâm cơ thể ự d a trên nh ng m i liên h ữ ố ệ

với những ch s khác nhau cỉ ố ủa cơ thể Tuy đây là một đề tài khá mới chưa có nhiều

s n ph m th c t trên th ả ẩ ự ế ị trường vì v y tính th c t và tính m i cậ ự ế ớ ủa đề tài này là rất cao Tính h ỗ trợ các lĩnh vực và m rở ộng đề tài là r t l n ví d : h ấ ớ ụ ỗ trợ cho các nghiên c u v m t tr ng tâm, mứ ề ấ ọ ất thăng bằng cơ thể ỗ, h trợ nghiên c u trong th ứ ểthao và sinh trắc họ , điềc u tr ị

16

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG trình bày v cách thi t k , ch t o ra h ng cân n m và h

thống thu nh n và x lý s ệu ậ ử ốli

2.1 Ý tưởng

t ra là s d ng m i liên h gi a kh khi n m trên m

Ý tưởng đặ ử ụ ố ệ ữ ối lượng cơ thể ằ ột

m t ph ng và trặ ẳ ọng tâm cơ thể H ệthống thi t k bao g m hai ph n: phế ế ồ ầ ần cơ khí và

ph n h ầ ệthống thu th p và x lý d u Phậ ử ữliệ ần cơ khí là h ệ thống cân nằm - là một khung inox hình ch ữnhật có kích thước định trước có xác định rõ ph n làm m c 0 ầ ố

Ở ố b n chân c a khung ủ inox có gắn bốn loadcell sao cho điểm ti p xúc gi a khung ế ữ

và b n loadcell là thố ẳng đứng Ở đây, lý do đặ ốt b n loadcell bở ốn góc để ạ t o ra s ựcân b ng cho cân (thông qua h ằ ệ thống c vít ố điều ch nh cho phù h p vỉ ợ ới địa hình)

và chia nh khỏ ối lượng tác d ng lên tụ ừng loadcell tránh trường h p làm h ng ợ ỏloadcell Đồng th i, v i bờ ớ ốn loadcell ta cũng có thể xác định tư thế ằ n m của đối tượng đo đạc có th ng hay không d a vào thông s b n loadcell thu nhẳ ự ố ố ận được B n ốloadcell được b ố trí như sau: loadcell 1, 2 được b trí m t phía cố ở ộ ủa cân được quy

định là m c 0 và loadcell 3, 4 b trí phía còn l i c a cân Ph n h th ng thu th p ố ố ở ạ ủ ầ ệ ố ậ

và x ửlý dữ liệ u là m t h ộ ệthống s dử ụng vi điều khiển Arduino để thu nh n x lý d ậ ử ữ

liệu thu đượ ừ ốc t b n loadcell Khi nhận được d ệ ừ ốữli u t b n loadcell 1, 2, 3, 4, t ng ổ

khối lượng thu đượ ừ loadcell 1, 2 thu đượ ổc t c t ng h p l i thành m t khợ ạ ộ ối lượng gọi

là ‘phần chân’ và tổng khối lượng t ừ loadcell 3, 4 thu đượ ổc t ng h p l i thành m t ợ ạ ộ

khối lượng gọi là ‘phần đầu’ Sau khi th c hi n calib h ự ệ ệ thống loadcell v 0 thì h ề ệ

thống thu th p và x lý bậ ử ắt đầu thu nh n d ệ ừ ốậ ữ li u t b n loadcell T hai thông s ừ ố

‘phần đầu’ và ‘ ần chân’ này dựph a trên nguyên t c cân b ng l c c a quy t c h p l c ắ ằ ự ủ ắ ợ ựsong song cùng chiều để tính toán ra điểm đặt ng tâm ctrọ ủa cơ thể ừ đó hiể T n th ị

kết quả cho người dùng thông qua Serial monitor

D a trên nguyên lý phân b l c và nguyên lý cân b ng c a hai l c song song ự ố ự ằ ủ ựcùng chiều công thức dự ế ki n xây dựng để tính toán trọng tâm cơ thể như sau:

(2.1)

Hình 2.1 Mô hình xây d ng tính toán tr ng tâm ự ọ

Dựa trên nguyên tắc tổng h p 2 lợ ực song song, cùng chiều ta có:

(2.2) 2.2 Thiết kế hệ cơ khí

Với ý tưởng đặt ra yêu c u ph i thi t k ra m t h ầ ả ế ế ộ ệ thống khung inox k t h p ế ợ

v m t g ho c mica t o ra h ới ặ ỗ ặ để ạ ệthống cân n m g m bằ ồ ốn chân đặt lên b n loadcell ố

18

và m t phặ ẳng để ằ n m lên h n ch tạ ế ối đa góc nghiêng và phân bố ực đồng đề l u lên

b n loadcell H ố ệthống g m: m t m g ho mica c ng dùng ồ ộ ặt ỗ ặc ứ để làm điểm ti p xúc ế

với cơ thể người và m t khung ộ inox M t g ho c mica s ặ ỗ ặ ẽ được g n k t v i khung ắ ế ớinox thông qua h ệ ốth ng ốc vít để có th tháo l p và di chuy n d dàng Khung ể ắ ể ễ inoxđược thi t k ch u l c v i b n nút nhế ế ị ự ớ ố ựa có kích thước thích hợp để cho v a loadcell ừvào trong nh m g n k t v i b n loadcell v i h ằ ắ ế ớ ố ớ ệ thống cân đồng th i d dàng tháo ờ ễ

l p, di chuy n và s a chắ ể ử ữa

2.2.1 Tấm mặt micahoặc gỗ

T m m t s d ng làm m t cân c n phấ ặ ử ụ ặ ầ ải đạt đủ ba y u t : m ng, nh và chế ố ỏ ẹ ắc

chắ như tấn m m t có ch t liễặ ấ u mica hoặc gỗ trong đó:

Mica hay còn có tên g i khác là Acrylic, là m t v t li u quen thuọ ộ ậ ệ ộc được s ử

d ng r ng rãi trong ngành qu ng cáo Là lo i nh a d o nóng trong, màu sụ ộ ả ạ ự ẻ ắc đa

d ng, b mạ ề ặt trơn bóng, dễ ốn cong… u

Hình 2 2 Hình ảnh minh h a mica (nguọ ồn ảnh từ:

http://micathanhbuu.com/dai-ly-ban-mica-malaysia-nhap-khau-tai-thanh-pho- -chi-minh/ ho )

T m nh a mica ấ ự thường được so sánh v i th y tinh (kính) Nó có t ng ch ớ ủ ỉ trọ ỉ

b ng 1/2 so v i th y tinh, và cho kho ng 98% ánh sáng xuyên ằ ớ ủ ả qua nó (đố ới v i mica trong suốt có độ dày 3mm) Mica b t cháy 460°C (860 °F) T m nh a mica ị đố ở ấ ự

mềm hơn và dễ ị b trầy xước hơn so với kính, nên các nhà s n xu t ph i ph thêm ả ấ ả ủ

m t l p chộ ớ ống xước vào t m PMMA Tuy t m nh a mica d b ấ ấ ự ễ ịtrầy xước nhưng nó

19

thường không v ỡ ra như thuỷ tinh Thay vào đó, mica bị ứ n t thành nhi u mi ng l n ề ế ớkhi b ị va đập l c m nh Mự ạ ặc dù được coi là bền hơn so với thủy tinh, nhưng nó không thể chịu được áp l c m nh lên b m t c a nó vì v y s b m t chút va chự ạ ề ặ ủ – ậ ẽ ị ộ ạm (trầy xướt) V giá thành giá c a mica m c trung bình so v i kính kho ng 500 ề ủ ở ứ ớ ảnghìn/ 1m2 i v i lođố ớ ại mica có độ dày 5mm Hi n t i trên th ệ ạ ị trường hi n nay nhu ệ

c u s d ng mica r t nhiầ ử ụ ấ ều, đây là loạ ậi v t li u quen thu c trong ngành qu ng cáo ệ ộ ả

T m mica trên th ấ ị trường hi n nay có 3 lo i là: ệ ạ

- Có tính chất và ưu điểm tương đương mica Đài Loan

- mica Nhật có ưu điểm vượt tr i là có ộthêm tính năng kháng tia UV cao

- Có độ ền cao hơn bNhược

- S d ng r ng rãi và ử ụ ộ

ph bi n trên th ổ ế ịtrường

vì được s d ng ph bi n và r ng rãi trên th ử ụ ổ ế ộ ị trường Vì vậy trong đề tài này em s ử

d ng ch t li u g làm m t cân nụ ấ ệ ỗ để ặ ằm như hình dưới đây:

Hình 2 3 M g ặt ỗ dùng để thi t k cân n m ế ế ằThông số ủ c a m t g cân nặ ỗ ằm:

- Chiều dài m t cân: 2000mm ặ

- Chiề ộu r ng m t cân: 600mm ặ

- Độ dày m g 15mm ặt ỗ:

2.2.2 Thiết kế khung inox

Cùng v i m c tiêu nh , nh , d dàng tháo l p thì l a ch n ch t li u ng ớ ụ ỏ ẹ ễ ắ ự ọ ấ ệ ố inox

h p vuông là l a ch n thích h p nhộ ự ọ ợ ất Ống inox h p ộ vuông có kích thước 30*30mm, độ dày 2mm Để tăng độ ắ g n kết, tránh độ ặ v n xoắn, độ kéo cũng như độchị ựu l c cho thi t k cân thì ph i mô hình hóa khung ế ế ả inox thành nhiều đoạn ng n ắhàn l i v i nhau theo c u trúc nhạ ớ ấ ất định Khung inox phải được thi t k chia thành ế ếnhi u khung nh và khoan l d dàng lề ỏ ỗ để ễ ắp ráp cũng như di chuyển Toàn b ộkhung inox được c u t o t b n khung nh : hai khung dài hai c nh bên và hai ấ ạ ừ ố ỏ ở ạkhung ng n ắ ở hai đầu của cân Mộ ốt s thông s c a khung ố ủ inox:

m g các l ặt ỗ ỗ khoan được b ốtrí ở ỗ m i m g b n l cho b n b c vít Sau khi l p ặt ỗ ố ỗ ố ộ ố ắ

m g lên trên ta có hình d ng thiặt ỗ ạ ết bị như sau:

Hình 2 5 Hình nh mô ph ng m t bên khi g n m g ả ỏ ặ ắ ặt ỗ

m b o ti p xúc l c gi a loadcell và khung cân n c th ng và

không b lị ệch khi có tác động l c cự ủa người nằm lên cân phương pháp được s ử

d ng là dùng nhụ ững đầu bịt ống nh a 48 g n bự ϕ ắ ở ốn đầu c a chân khung ủ inox cân

n m Nút b t nhằ ị ựa này có kích thước v a vừ ới kích thước v c a loadcell nên viỏ ủ ệc

g n loadcell vào hoàn toàn d dàng và không lo b l ch làm hắ ễ ị ệ ỏng loadcell Hơn nữa, các nút nhựa này được khoan c và xoáy vào khung inox nên hoàn toàn có th tháo ố ể

lắp, tăng giảm chi u dài cho phù h p về ợ ới các điều ki n khác nhau trong quá trình ệ

đo

22 Hình 2 6 Hình nh khung inox ả sau khi hoàn thành

tín hiệu điện Cơ chế ự d a trên c u trúc có th bi n dấ ể ế ạng đàn hồi khi chịu tác động

của lực tạo ra m t tín hiộ ệu điệ ỷ ệ ới sự ến t l v bi n dạng được gọi là “strain gage” Cấu

t o c a Loadcell ạ ủ thường được s dử ụng để đo các lực tĩnh hay các lực bi n thiên ếchậm Các lo i loadcell có th ạ ể đo được các l c l n nh khác nhau tùy theo mự ớ ỏ ục đích

s d ng ví d ử ụ ụ chị ựu l c nh dùng trong cân cá nhân (< 50kg) hay lo i ch u khỏ ạ ị ối lượng l n dùng trong ớ thang máy (hơn 1000 kg) M i loadcell ỗ có một đầu ra độ ậc l p, thường 1 đến 3 mV Đầu ra k t hế ợp đượ ổc t ng h p d a trên k t qu cợ ự ế ả ủa đầu ra t ng ừloadcell Các thiế ị đo lườt b ng ho c b hi n th khuyếch đạặ ộ ể ị i tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi x lý v i ph n m m tích h p s n th c hi n tính toán ch nh ử ớ ầ ề ợ ẵ ự ệ ỉđịnh và đưa kết qu c đư c lên màn hình ả đọ ợ

c c u t o b i hai thành ph n: ph n th nh Strain gageLoadcell đượ ấ ạ ở ầ ầ ứ ất là “ ” và

ph n còn lầ ại là “Load ”:

- Strain gage: là một điện tr c bi t ch nh b ng móng tay, ở đặ ệ ỉ ỏ ằ điện tr có th ở ểthay đổi khi b ị nén hay kéo dãn và được nuôi b ng m t nguằ ộ ồn điệ ổn địn nh, được dán ch t lên phế ần “Load”

- Load: là m t thanh kim lo i ch u t i có mộ ạ ị ả ột đầu được g n c nh v i strain ắ ố đị ớgage, đầu còn l i t do ạ ự

Khi có t i tr ng ho c lả ọ ặ ực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell b ị

bi n d ng (giãn ho c nén), ế ạ ặ điều đó dẫ ớ ự thay đổn t i s i chi u dài và ti t di n c a các ề ế ệ ủ

s i kim lo i cợ ạ ủa điện tr strain gauges dán trên thân loadcell dở ẫn đến m t s thay ộ ự

đổi giá tr cị ủa các điện tr strain gauges S ở ự thay đổi này d n t i s ẫ ớ ự thay đổi trong điện áp đầu ra Như vậy, khi đặt v t cân lên bàn cân, tùy theo khậ ối lượng v t mà ậ

ph n Load s b uầ ẽ ị ốn đi một lượng tương ứng Thông s ố đầu ra được đo lường qua

s ự thay đổi điện tr cở ủa Strain Gauge Thông thường, ph n load s ầ ẽ được c u t o sao ấ ạcho bất chấp v ị trí ta đặt vật, nó đều cho cùng m t m c đ b uộ ứ ộ ị ốn như nhau

25

Hình 2 9 Mô tả hoạt động Loadcell (ngu n ồ ảnh ừ t :

http://loadcell.com.vn/tin-tuc/loadcell- -gi.html la ) Thông số kĩ thuật cơ bản c a loadcell: ủ

- Độ chính xác: Cho biết độ chính xác trong các phép đo Độ chính xác này ph ụthuộc vào tính ch t phi tuyấ ến tính, độ ễ, độ ặtr l p

- Công suất định m c: ứ Là giá tr khị ối lượng l n nh t mà Loadcell có th ớ ấ ể đo được (tùy t ng loừ ại)

- D i bù nhi ả ệt độ: Là kho ng nhiả ệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, n u nế ằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm b o th c hiả ự ện theo đúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra

- C p b o v : ấ ả ệ Được đánh giá theo thang đo IP65 (chống được độ ẩ m và bụi)

- Điện áp: Giá tr ị điện áp làm vi c c a Loadcellệ ủ (dải làm vi c c a loadcell 5 ệ ủ –

15 V) trong trường hợp này điện áp dùng loadcell là 5V

- Trở kháng đầu ra: Cho dưới dạng tr ở kháng được đo giữa E+ và E-

26

Hình 2 10 C m bi n khả ế ối lượng loadcell (nguồn ảnh từ:

https://hshop.vn/products/cam-bien-trong-luong-loadcell-50kg)

C u t o chính c a Loadcell s d ng nguyên lý m ch cấ ạ ủ ử ụ ạ ầu Wheatstone Ban đầu

c u cân b ng, ầ ằ điện áp ra b ng 0V Khi có lằ ực tác động lên điện tr ở strain gage (được

mắc dưới bàn cân) nó s ẽ thay đổi giá tr => M ch c u không còn cân b ng n a => ị ạ ầ ằ ữXuất hiện điện áp u ra T ở đầ ừ đó ta lấy được khối lượng t mừ ức điện áp tr v ả ềthông qua bộ ộ m t ADC

27

M ch c u cân bạ ầ ằng để ạo độ ệch điện áp và đưa ra tín hiệu đó ra ngoài dưới t l

d ng analog Giá tr mạ ị ỗi điện tr ở là 1kΩ nố ại l i v i nhau và n i v i loadcell ớ ố ớLoadcell hoạ ộng dướt đ i điện áp 5V

độ phân gi i 24bit và chuy n sang giao tiả ể ếp 2 dây (SCK và DT) để ử ữ ệ g i d li u cho

vi điều khi n Arduino ể

Lý do l a ch n HX711 thay vì dùng b ADC c a Arduino: Output cự ọ ộ ủ ủa loadcell

có điện áp r t nh , c kho ng: 1-ấ ỏ ở ả 3mV Đố ớ ội v i b giao th c ADC c a Arduino là b ứ ủ ộgiao tiếp 8 bit thì độ phân gi i Analog = = 19.53mV >> 1-ả 3mV Như vậy, khi dùng

độ ADC c a Arduino thì k t qu ủ ế ả thu được s ẽ không đủ chính xác, không đảm b o ả

độ phân gi i c n thiả ầ ết đố ới v i những thay đổi nh t loadcell đưa v ỏ ừ ề nên để đáp ứng yêu cầu độ nhậy cũng như độ chính xác c a cân thì ph i s d ng b ủ ả ử ụ ộ ADC 24 bit để

giảm độ phân gi i c a tín hi u xu ng cho phù h p vả ủ ệ ố ợ ới loadcell Đố ớ ội v i b ADC 24 bit này độ phân gi i Analog = = 2.9802*2ả -7 (V) nh ỏ hơn gấp nhi u l n so v i b ề ầ ớ ộADC 8 bit c a Arduino vì v y s d ng b ADC này tủ ậ ử ụ ộ ối ưu hơn rất nhi u so về ới Arduino

28

Hình 2 12 B ADC 24 bit HX711 ( nguộ ồn ảnh ừ: t

http://dientuthainguyen.vn/product/mach-chuyen-doi-adc-24bit-loadcell-hx711/) Thông số ỹ k thu t c a HX711 ậ ủ

29

được phát tri n m r ng b ng cách thêm vào các module u ể ở ộ ằ đầ vào, đầu ra để đơn

gi n hóa các c u trúc và ph bi n vi s dả ấ ổ ế ệc ử ụng trong các trường h c, phòng nghiên ọ

c u quy mô nh ứ ỏ

Hình 2 13 Arduino UNO R3 (ngu n ồ ảnh ừ: t thieu-board-arduino-uno-r3.html và http://forum.cncprovn.com/threads/3618-

http://blog.datmcu.com/2018/02/gioi-Arduino-Moi-ngay-mot-vi- - - -toi- du tu de kho -Arduino- UNO R3 - )

Arduino UNO R3 là kit Arduino UNO thế ệ ứ h th 3, v i kh ớ ả năng lập trình cho các ứng dụng điều khi n ph c tể ứ ạp do được trang b c u hình m nh ị ấ ạ như các lo i b ạ ộ

nh ớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có kh ảnăng xuất tín hi u PWMệ , các ngõ đọc tín hi u analog và các chu n giao tiệ ẩ ếp đa

d ng Arduino UNO R3 s d ng chip ATmega8 (b nh flash 8KB) hoạ ử ụ ộ ớ ặc ATmega168 (b nh flash 16KB M t m ch Arduino bao g m nhi u ngo i vi ộ ớ ) ộ ạ ồ ề ạ(peripheral) và linh ki n b sung giúp d dàng l p trình và có ệ ổ ễ ậ thể ở ộ m r ng v i các ớthiế ịt b khác Đố ới v i board Uno R3, có 14 chân I/O kỹthuậ ố trong đó cót s , 6 chân băm xung PWM (điều ch r ng xung) và 6 chân input analog (6 chân này hoàn ế độ ộtoàn có th ể được s dử ụng như là 6 chân I/O số) Arduino hi n tệ ại được l p tậ rình thông qua c ng USB, th c hi n thông qua chip chuyổ ự ệ ển đổi USB- -serial to

là FTDI FT232 Các k t n i tiêu chu n c a Arduino ế ố ẩ ủ như: UART, SPI, I2C, GPIO, ADC, cho phép người dùng k t n i gi a CPU c a board v i các module ngo i vi ế ố ữ ủ ớ ạthêm vào có th d dàng thay ể ễ đổi, được g i là ọ shield - c shield có th ác ể được x p ếchồng lên nhau để m r ng Nhở ộ ững shield này được thi t k n m phía trên m t ế ế ằ ặ

30

board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm) Nhi u shield ng d ng plug-in ề ứ ụcũng được thương mại hóa

có th c c p ngu n 5V thông qua c ng USB ho c c

ngu n ngoài vồ ới điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và gi i h n là 6-ớ ạ 20V Thường thì c p ngu n b ng pin vuông 9V là h p lí nh t n u không có s n ngu n t c ng ấ ồ ằ ợ ấ ế ẵ ồ ừ ổUSB N u c p nguế ấ ồn vượt quá ngưỡng gi i h n trên s làm h ng Arduino Arduino ớ ạ ẽ ỏ

có m t thộ ạch anh dao động 16MHz ho c m t vài thi t k ặ ộ ế ếchạy v i th ch anh 8MHz ớ ạ

và không có b ộ điều chỉnh điện áp onboard gi m thi u kích c để ả ể ỡ thiế ịt b M t vi ộđiều khiển Arduino cũng có thể đượ ậc l p trình s n v i m t boot loader cho phép ẵ ớ ộđơn giản là upload chương trình vào bộ nh flash on-ớ chip thông qua IDE có sẵn So

v i các thi t b khác ớ ế ị như PIC, 8051 hoặc m t s dòng S™32 ộ ố thường ph i c n mả ầ ột

b n p (debugger) bên ngoài thì hoàn toàn ti n lộ ạ ệ ợi và đơn giản hơn Các mức năng

lượng đầu ra c a Arduino: ủ

- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA 2.3.5 Kết nối hệ thống

M i loadcell s ỗ ẽ được k t n i v i mế ố ớ ột HX711 để tránh trường h p nhi u và ợ ễtăng độ chính xác đo đạc đượ ừc t loadcell V i nguyên t c thi t k ra m ch c u ớ ắ ế ế ạ ầWheatstone loadcell phải được k t n i b n chân E+, E-, A+, A- cế ố ố ủa HX711 Nhưng

vì b n ch t cả ấ ủa loadcell tương ứng v i h ớ ệ thống hai bi n tr không th t o thành ế ở ể ạ

m ch c u cân b ng Vì v y, ta ph i gạ ầ ằ ậ ả ắn thêm hai điện tr ở 1kΩ mắc vào h ệthống H ệ

thống được kế ối như sau: t n

- Hai điện tr s ở ẽ được n i chung mố ột đầu với nhau, hai đầu còn l i cạ ủa điện tr ở

s ẽ được n i vố ới hai đầu dây đen, trắng c a loadcell và n i vào hai chân E+, ủ ốE- c a HX711 ủ

- Điểm chung nối giữa hai điện tr ở được nố ới v i chân A- c a HX711 ủ

- Dây đỏ ủa loadcell được nố c i và chân A+ c a HX711 ủ

31

1kΩ 1kΩ

Hình 2 14 Mô hình kết nối Loadcell và HX711(nguồn ảnh từ:

https://blogpower.cl/original-hx711-24bit-ad-module-1kg-aluminum-alloy-scale-weighing-sensor-load-cell-kit-for-arduino/) Việc còn l i là k t n i HX711 thông qua b n chân GND, SCK, DT, VCC cạ ế ố ố ủa HX711:

Hình 2 15 Mô hình kết nối HX711 và Arduino (nguồn ảnh từ:

Sau khi thi t k và th c hiế ế ự ện, em đã thực hi n t o ra m t thi t b cân n m và ệ ạ ộ ế ị ằ

m t h ộ ệ thống điệ ử thựn t c hi n vi c thu nh n và x lý d u H ệ ệ ậ ử ữ liệ ệ thống cân nằm hoàn toàn có th d dàng tháo lể ễ ắp và điều ch nh cho phù h p v i tỉ ợ ớ ừng địa hình đotrong quá trình di chuy n giể ữa các địa điểm H ệ thống thu nh n và x lý d ậ ử ữ liệu

g m nh ng linh kiồ ữ ện đơn giản d dàng mua và lễ ắp đặt có th thay th n u có h ng ể ế ế ỏhóc

33

CHƯƠNG 3 HIỆU CHỈNH VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ HỆ THỐNG

mô t c hi u ch tìm ra h s cho t ng loadcell t Chương này ả các bướ ệ ỉnh để ệ ố ừ ừ đó

có th hi n th ể ể ị đúng dạng khối lượng có th ứ nguyên kg Sau đó, vì khung cân nằm

có khối lượng khác 0 nên ph i th c hi n hi u ch nh cho c thi t b cân và th c hi n ả ự ệ ệ ỉ ả ế ị ự ệcác bài kiểm tra để đưa ra kết quả và đánh giá sai số

3.1 Calib từng loadcell

Nguyên t c hoắ ạt động c a loadcell là biủ ến đổi tín hiệu điện và thông qua b ộADC để chuy n tín hiể ệu tương tự thành tín hi u s Vì v y, các tín hiệ ố ậ ệu thu được s ẽ

có m t h s nhân nhộ ệ ố ất định Để thực hiện thu được đúng khối lượng mong mu n, ố

ta c n ph i tìm ra h s ầ ả ệ ố nhân này Phương pháp sử ụng để d calib từng loadcell như sau: Ta lần lượt đặt các khối lượng t ừ 1kg đến 25kg vào m i c m biỗ ả ến để ết được bigiá tr ị đầu ra tương ứng T ừ đó, tìm được hàm s ố thể ệ hi n m i quan h gi a cân ố ệ ữ

n ng thặ ực tế được đặt lên loadcell và giá tr ị thu được

3.1.1 Khối lượng nhỏ

i v i các kh ng nh s d ng nh ng

Đố ớ ối lượ ỏ như 1kg, 3kg, 5kg và 10kg có thể ử ụ ữ

qu cân có khả ối lượng 1kg, 3kg, 5kg và 10kg đặt tr c tiự ếp lên loadcell để thực hiện bước calib cho t ng loadcell ừ

Hình 3 1 H ệthống calib đố ới v i kh i lư ng nh ố ợ ỏ

34

3.1.2 Khối lượng lớn

i v i các kh ng l c v t n ng có kh ng

Đố ớ ối lượ ớn hơn 15kg khó tìm đượ ậ ặ ối lượ

nặng này để đặ t tr c tiự ếp lên loadcell được.Vì v y, ph i thi t k ra m t h ậ ả ế ế ộ ệ thống có tác d ng nén khụ ối lượng c n thi t lên tiầ ế ếp điểm của loadcell Ý tưởng đặt ra là thiết

k t hai thanh s t ế ắ có ốc vít để lên m t m t phộ ặ ẳng và có cân cơ để theo dõi khối lượng được nén Kh i lưố ợng nén được thay đổi thông qua các thanh s t và c vít: ắ ố

s t ắ dùng để nén Và cu i cùng, ố theo dõi độ nén trên màn hình hi n th cể ị ủa cân cơ

h c Lọ ần lượt thay đổi khối lượng nén c a h ủ ệ thống t 15kg, 20kg và 25kg và thu ừ

nh n kậ ết quả

3.1.3 Kết quả calib từng loadcell

M i loadcell s có m t giá tr calib khác nhau.Vì v y, ph i th c hi n calib cho ỗ ẽ ộ ị ậ ả ự ệ

từng loadcell Sau khi calib ta thu được bảng kết quả ớ v i hàm s ố tìm được như sau:

Bảng 3 ả1B ng k t qu calib cho b n loadcell ế ả ố