đề tài thiết kế và thi công mạch điều khiển động cơ bằng tín hiệu điện cơ

, tTín hiệu điện cơelectromyogramEMG là m t tín hiộ ệu y sinh đo các dòng điện được tạo ra trong cơ trong quá trình co lại đại diện cho các hoạt động thần kinh cơ.. Do đó, tín hiệu EMG l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN T Ử

KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG TÍN HIỆU ĐIỆN C Ơ

GVHD: Ts Nguyễn Thanh Tâm

SVTH: MSSV

Lê Văn Lương 20129060 Võ Tr n Gia Bầ ảo 20129027

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ H I CHỘ Ủ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc l p - T do - Hậ ự ạnh phúc

Bộ Môn Điện T Công Nghi p ử ệ

Tp H Chí Minh, ngày tháng ồ năm 2022

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN H C Ọ Họ tên sinh viên: Lê Văn Lương MSSV: 20129060 Họ tên sinh viên: Võ Tr n Gia B o ầ ả MSSV: 20129027 Lớp: 201290 ĐAMH: Điệ ử ốn t s

Tên đề tài: Thiết k và thi công mạch điều khi n ng cế ể độ ơ bằng tín hiệu điện c ơ

Tuần 1 Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, tiến hành chọn đồ án

Tuần 2 GVHD tiến hành xét duy t ệ đề tài

Tuần 3

Viết tóm t t yêu cắ ầu đề tài đã chọn: đềtài làm cái gì, nội dung thiế ế, các thông s t k ố giới hạn của đề tài

Tuần 4 Tiến hành thiết kế sơ đồ kh giối, ải thích

- Tiến hành thi công mạch Tuần 7 - Tiến hành thi công mạch - Kiểm tra m ch thi công ạ Tuần 8

Tuần 9 - Kiểm tra m ch thi công ạ

- Viết báo cáo những n i ộ dung đã làm

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do nhóm nghiên cứu, thực hiện dựa trên m t số tài liệu trước đó theo sự ộ hướng dẫn của thầy Nguyễn Thanh Tâm Cam an không sao chép từ tài liệu hay đo công trình nghiên cứu liên quan nào trước đó

Người thực hiện tđề ài

Lê Văn Lương – Võ Trần Gia Bảo

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành g i l i cở ờ ảm ơn sâu sắc đến Th y ầ Nguyễn Thanh Tâm Giảng viên của Ngành Kỹ Thuật Y Sinh Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã hướng dẫn và tận tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu để b n thân nhóm em có th hoàn thành tả ể ốt bài báo cáo

Chúng em cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành đến với các thầy cô trong Khoa Điện - ện Tử Trường Đạ ọc Sư phạĐi i h m Kỹ Thuật TPHCM đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành được bài báo cáo

Đống th i, cờ húng em cũng gử ờ ảm ơn đếi l i c n các b n L p 201290 ạ ớ đã chia sẽ và trao đổi kiến thức cũng như kinh nghiệm trong thời gian thực hiện đề tài

Và cu i cùng chúng em xin g i l i cố ở ờ ảm ơn đến gia đình, các anh chị đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ nhóm em để nhóm có thêm động lực hoàn thành đề tài Xin chân thành cảm ơn !

MỤC L C Ụ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1 Đăt vấn đề 1

2 Mục tiêu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

4 Ý nghĩa khoa h c và thọ ực tiễn 1

5 Nội dung nghiên c u 2ứ CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUY T 3Ế 2.1 Giới thiệu v tín hiề ệu điệ cơn 3

2.2 Quá trình hình thành điện cơ 3

2.3 Nguyên lý co cơ 4

2.4 Phương pháp đo bề mặt 7

2.5 Giới thiệu v ph n cề ầ ứng 9

2.5.1 IC khuếch đại thuật toán 9

2.5.2 IC khuếch đại thuật toán 11

2.5.3 Module điều khiển động cơ L298 13

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 28

4.1 Thi công mạch 28

4.2 Lắp ráp và kiểm tra 30

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 33

5.1 Kết quả c a m ch thu tín hi u 33ủ ạ ệ 5.2 Kết quả khi điều khiển động cơ 37

5.3 Kết luận 39 5.4 Hướng phát tri n 39ể TÀI LIỆU THAM KH O 40Ả

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Đăt vấn đề

Tín hiệu y sinh là m t tín hiộ ệu điện thu nhận được từ ất kỳ các cơ quan b nào mà có sự thay đổ đặi c tính vật lý Tín hiệu này thông thường là m t hàm thộ ời gian và được mô ả trong giới hạn của t biên độ ần số và pha , t

Tín hiệu điện cơ(electromyogram(EMG)) là m t tín hiộ ệu y sinh đo các dòng điện được tạo ra trong cơ trong quá trình co lại đại diện cho các hoạt động thần kinh cơ Hệ ầ th n kinh luôn kiểm soát hoạt động của cơ (co/giãn) Do đó, tín hiệu EMG là một tín hi u ph c tệ ứ ạp, được điều khi n bể ởi hệ thần kinh và phụ thuộc vào các đặc tính gi i pả hẫu và sinh lý của cơ.[1]

Tín hiệu EM là một dạng tín hiệu điện sinh học rất quan trọng có giá trị chẩn G đoán cao cho rất nhiều bệnh về cơ và thần kinh Đo điện cơ còn gọi là điện cơ đồ Đo điện cơ có thể được dùng để phát hiện bất thường hoạt động điện của cơ xảy ra ở bất kỳ bệnh lý nào (bao gồm bệnh loạn dưỡng cơ, viêm cơ, bệnh thần kinh gây đau, tổn thương thần kinh ngoại biên(tổn thương thần kinh cẳng tay, chân), teo cơ, nhược cơ, thoát vị đĩa đệm và các bệnh khác) Xuất phát từ đó nhóm quyết định thực ện đề ài “Mạch điều kh ển động cơ bằng thi t iín hiệu ện đi cơ”

2 Mục ti êu

Mục tiêu sau khi th c hi n ự ệ đề t là có th l c các tín hi u ài ể ọ ệ điện c b ng c h s ơ ằ ác ử dụng các mạch lọc đã học và có thể điều khiển động cơ theo cử độ ng của ánh c tay

3 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình th c hiự ện đề tài, nhóm đã sử ụ d ng nh ng phữ ương pháp nghiên cứu ch yêu là phủ ương pháp xử lý tín hi u ệ điện c , phơ ương pháp l c tín hiọ ệu, phương pháp phân tích ổng hợp so sánh để nâng cao tính thuyết phục cho các vấn , t đề đặ t ra trong đề tài

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Tín hiệu sau khi thu được có th kể ết hợp v i cớ ác vi điều khi n ch t o các ể để ế ạ thiết bị h tr cho ngỗ ợ ười khuyết t t ậ

- Đề ài cũ t ng có th tài li u tham kh o cho c ể ệ ả ác cho ác bc ạn sinh viên sau n ày

5 Nội dung nghiên c u ứ

Nội dung nghiên cứu của ài bb áo cáo được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về tín điện tâm đồ

Chương 2: ơ sởC lý thuyết Chương 3: Thiết kế và tính toán Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 5: Kết qu , k t lu n vả ế ậ à ướng phát triển h

3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu v tín hiề ệu điện cơ

Điện cơ (Electromyography - EMG) là một kỹ thuật y học chẩn đoán điện để đánh giá và ghi lại hoạt động điện được tạo ra b i các tế bào thần kinh vận ở động của cơ ắp Những tế bào thần kinh truyền tín hi b ệu điện để ểm soát hoạt ki động và điều kiển cơ bắp EMG chuyển các tín hiệu điện thành biểu đồ hoặc dạng số để thuận ti n cho vi c ệ ệ chuẩn đoán.[2]

EMG là phát hi n, khuệ ếch đại, ghi, x lý, phân tích tín hiử ệu điện cơ được tạo ra bởi sự co cơ Tín hiệu EMG là s t ng hự ổ ợp các điện th hoế ạt động từ các sợi cơ dướ các điệi n cực đặt dưới da Trong Khoa học Máy tính, điện cơ được sử dụng là ph n m m tầ ề rung gian để tương tác giữa người và máy tính Giúp cho nhận d ng c ạ ử chỉ cho phép hành động v t lý vào máy tính ậ

2.2 Quá trình hình thành đ ện cơi

Quá trình hình thành điện cơ chính là quá trình hình thành điện thế hoạt động của tế bào cơ Khi có kích thích thần kinh tác động vào tế bào cơ, có sự thay đổi về tính phân cực qua màng của sợi trục

Điện thế hoạt động được hình dựa trên 3 giai đoạn hoạt động sau: − Giai đoạn khử cực

+ Khi bị kích thích thì tế bào thần kinh hoạt động và xuất hiện điện thế hoạt động

+ Khi bị kích thích tính thấm của màng thay đổi cổng Na+ mở, Na+ khuếch tán từ ngoài vào trong màng làm trung hòa diện tích âm ở bên trong − Giai đoạn đảo cực

+ Các ion Na+ mang điện dương đi vào trong không những để trung hòa diện tích âm ở bên trong tế bào, mà các ion Na+

+ Bên trong tế bào Na+ nhiều nên tính thấm của màng đối với Na+ giảm cổng Na+ đóng

+ Tính thấm đối với K+ tăng nên cổng K+ mở rộng làm cho K+ khuếch tán từ trong tế bào ra ngoài nên bên ngoài mang điện tích dương, khôi phục điện thế nghỉ ban đầu (Hình 2.2)

Hình 2.2: Cơ chế hình thành điện thế màng hoạt động

A: Giai đoạn khử cực và đảo cực B: Giai đoạn tái phân cực

2.3 Nguyên lý co cơ

Nguyên lý co cơ là khi cơ được kích thích bởi các xung điện truyền từ các dây thần kinh, đặc biệt là các motoneurons (dây thần kinh vận động) Khi một sợi cơ xương được kích hoạt bởi một xung thần kinh, các cầu nối gắn với các sợi mỏng và tạo ra lực tác động lên chúng (Hình 2.3.1) Nhằm

5

tạo ra được hiện tượng co cơ, lực tạo ra tác động lên sợi mỏng cần phải lớn hơn lực chống lại sự co giãn.[3]

Hình 2.3.1: Cơ chế co cơ khi có kích thích từ xung thần kinh

a Đơn vị vận động của cơ (MUAP)

Các đơn vị ận độ v ng (MU) là các thực thể chức năng của hệ thần kinh cơ Mỗi MU bao gồm một motoneurone và các sợi cơ nhánh tr c c a nó Khi motoneurone có ụ ủ tác động điện, các điện th ế hoạt động được tạo ra tại các điểm nối thần kinh cơ sau đó lan truyền ọc theo t t c các sd ấ ả ợi cơ, về phía các vùng gân Tổng các điện thế này được gọi là điện thế hoạt động của đơn vị ận độ v ng (MUAP) và ch u trách nhi m v sị ệ ề ự co cơ Các nhóm MU thường phố ợi h p với nhau để thực hiện động tác co của cơ.[4]

b Chọn đơn vị vận động (motor unit recruitment)

Hệ thống thần kinh trung ương chịu trách nhiệm cho việc tuyển chọn có tổ chức các nơ ron vận động, bắt đầu với những đơn vị vận động nhỏ -nhất Quy tắc kích thước của Henneman chỉ ra rằng các đơn vị vận động được tuyển chọn (recruit) từ nhỏ nhất đến lớn nhất dựa trên độ lớn của tải trọng Các đơn vị vận động lớn hơn thường gồm các sợi cơ nhanh hơn tạo ra lực lớn hơn (như Hình 2.3.2).Có 2 cách để chọn đơn vị vận động: theo không gian và theo thời gian

- Chọn theo không gian là sự kích hoạt của nhiều đơn vị vận động để tạo ra một lực cực lớn

Hình 2.3.2: Dạng sóng điện cơ tương ứng với từng loại sợi cơ

7 A: Dạng sóng điện cơ với sợi cơ loại I B: Dạng sóng điện cơ với sợi cơ loại II-a C: Dạng sóng điện cơ với sợi cơ loại II-b

Dạng sóng điện cơ với từng loại cơ ở hình 2.3.3 cho thấy loại cơ II-b cho dạng sóng lớn nhất và có cường độ rõ nhất Còn loại cơ I thì cho dạng sóng nhỏ và khó phát hiện

- Chọn theo thời gian là sự kích hoạt vận động trong thời gian dài hơn

Hinh 2.3.3: Thời gian và lực tác động của các đơn vị vận động của các

loại sợi cơ

(chú thích: Tension: Áp lực, Time: thời gian)

Thời gian tác động lên loại cơ I là dài nhất và có lực tác động thấp nhất Ngược lại sợi cơ loại II b có thời gian tác động ngắn nhưng lực tác -động lại lớn hớn với 2 loại cơ còn lại

2.4 Phương pháp đo ề mbặt

EMG bề mặt là phương pháp dùng điện cực đặt trên bề mặt cơ để thu tín hiệu khi có kích thích đến vùng cơ quan tâm Khi các tế bào thần kinh vận động dẫn truyền các tín hiệu điện gây ra sự co cơ, các điện cực được gắn trên vùng cơ sẽ ghi nhận và phát hiện các tín hiệu này EMG bề mặt đánh giá chức năng cơ bằng cách ghi lại hoạt động của cơ từ bề mặt phía trên cơ trên da (Hình 2.4.1) Các điện cực bề mặt chỉ có thể cung cấp một đánh giá hạn chế về hoạt động của cơ [5,6]

Hình 2.4.1: Ghi tín hiệu EMG theo phương pháp bề ặ m t

❖ Các yếu tố ảnh hưởng đến việc đo EMG bề mặt

• Các vùng cơ bề ặt cần đo m • Độ sâu của mô dưới da tại vị trí đo • Tuỳ thuộc vào cân n ng cặ ủa bệnh nhân

• Không phân biệt được sự phóng điện c a các vủ ùng cơ lân cận

❖ Đồ thị của tín hiệu điện cơ

Tín hiệu điện cơ EMG được đo và tổng h p t nhi u tín hi u cợ ừ ề ệ ủa đơn vị vận động MU Tín hi u cệ ủa mỗi đơn vị ận độ v ng khác nhau với từng vị trí đặt điện cực đo (như Hình 2.4.2 ).

9

Hình 2.4.2: Tín hiệu điện cơ thu được của một đơn vị ận độ vng MU

Gastrocnemius motor unit: đồ thị tín hiệu điện cơ của một đơn vị ận v động MU tại cơ sinh đôi cẳng chân (gastrocnemius)

Soleus motor unit: đồ thị tín hiệu điện cơ của một đơn vị ận độ v ng MU tại cơ dép(Soleus)

Đồ th ghi tín hiị ệu điện cơ EMG đượ ổng hợp từ nhic t ều đơn vị ận v động MU theo phương pháp bề ặt được thể hiện dưới hình sau m

Hình 2.4.3: Tín hiệu đo EMG theo phương pháp bề ặ m t khuếch đại tín hiệu đo Trong mạch khuếch đại tín hiệu đo phải cần có IC khuếch đại, IC khuếch đại được sử dụng trong mạch là IC INA 128 IC INA là IC khuếch đạ ới đầu vào th p, cung c p ngõ ra vi v ấ ấ ới độ chính xác cao

Hình 2.5.1: Sơ đồ chân c a ủ IC INA 128

Bảng 2.5.1: Sơ đồ chân IC INA 128

5 Ref Điện áp tham chiếu đầu vào

1,8 RG Chân cài đặt độ lợi Đối với độ lợi lớn hơn 1, đặt một điện trở độ lợi giữa chân 1 và chân 8

❖ Thông s k thu t ố ỹ ậ

Những đặc trưng về thông số kỹ thuật của IC INA128 được thể hiện dưới bảng 2.5.2 Để IC hoạt động t t c n tuân thố ầ ủ nh ng thông sữ ố kỹ thu t v ậ ề nguồn điện áp, nhiệt độ hoạt động.[7]

11

2.5.2 IC khuếch đại thuật toán ❖ Giới thiệu

Khuếch đại thuật toán được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại "DCcoupled" (tín hiệu đầu vào bao g m c tín hi u BIAS) v i h s khu ch ồ ả ệ ớ ệ ố ế đại rất cao, có đầu vào vi sai Để khuếch đại tín hiệu cần dùng op-amps, do đó trong mạch dùng IC TL084, IC gồm 4 bộ op-amps riêng biệt

Hình 2.5.2: Sơ đồ chân IC TL084

Bảng 2.5.2: Thông s k ố ỹ thuật của IC INA 128

Nguồ điện n cung cấp ± 2.25 ±18 V

Dựa vào hình 2.5.2 có sơ đồ chân c a IC TL084 Chủ ức năng củ ừa t ng chân trong linh kiện được mô t b ng 2.5.3 ả ở ả

Bảng 2.5.3: Chức năng các chân của IC TL084

10 3IN+ Đầu vào không đảo 3

Điện áp đầu vào Vs= VCC+ - VCC- 0 42 V

Nhiệt độ môi trường hoạ ộng t đ -55 150 OC

13

2.5.3 Module điều khiển động cơ L298 ❖ Giới thiệu

Module điều khiển động cơ L298 (m ch c u H L298) là mạ ầ ột module hưu ích, ph bi n v i chổ ế ớ ức năng thông dụng và giá thành c c k r là l a chự ỳ ẻ ự ọn của các b n h c sinh, sinh viên C L298 là m t IC tích h p nguyên kh i gạ ọ ộ ợ ố ồm 2 mạch cầu H bên trong Với điện áp làm tăng công suất đầu ra t 5V 47V , ừ – dòng lên đến 4A, L298 rất thích hợp trong những ứng dụng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa …Hình 2.5.3 hình biểu diễn module L298 mà

Hình 2.5.3.2: C u t o ấ ạ Module L298

Sơ đồ chân của module L298 được mô tả ở b ng 2.5.3.1 ả Bảng 2.5.3.1: Sơ đồ chân của Module L298

+12V Chân cấp ngu n dồ ương 12V GND Chân cấp ngu n âm ồ

+5V Chân cấp ngu n dồ ương 5V ENA Chân cho ép ph của ngõ ra A

INPUT Chân nhận tính hiệ lou gic để điều khi n cể hiều củ 2 a ngõ ra A, B

ENB Chân cho ép ph của ngõ ra B OUTPUT A Chân ngõ ra A

OUTPUT B Chân ngõ ra B

15

❖ Thông s k thuố ỹ ật của Module L298

Thông s k ố ỹ thuật của module L298 được m ả ở ảô t b ng 2.5.3.2 ] [9

Điện áp tín hiệu điều khiển DC 5V ~ 7v Công su t hao phí ấ 20W(khi nhiở ệt độ 75 oC) Nhiệt b o qu n độ ả ả 25°C ~ +130 °C

Module điều khi n ông c L298 có các ông sể đ ơ th ố đáp ứng được các nhu c u ầ của các mạch điện t nh Tử ỏ ừ đó nhóm quyết định s d ng ử ụ trong mạch của nhóm

2.5.4 Điện cực dán ❖ Giới thiệu

Điện cực dán có chức năng thu nhận tín hiệu từ điện cơ từ bề mặt tiếp xúc rộng xung quanh vùng da Với bề mặt kết quả rất chắc chắn và hoàn toàn cho da miếng dán điện cực không ảnh hưởng bởi các tác động bên ngoài [10] Miếng dán điện cực đã được dùng để thu nhận điện cơ là là Farum FES-4531C(Hình 2.5.4)

Hình 2.5.4: Miếng dán điện cực Farum FES-4531C

Miếng dán điện cực có các tính năng sau:

− Vật liệu có bảo vệ điện cực và gel từ các chất tẩy rửa phẫu thuật − Gel dán nhanh và giúp ghi tín hiệu tốt trên bề mặt da.

− Tất cả điện cực dán đều có lớp tiếp xúc chất lượng cao Ag/AgCl − Dùng một lần, đã bôi gel, không mũ, không PVC, không vô trùng

❖ Thông s k thu ố ỹ ật

Các thông s v v t li u làm miố ề ậ ệ ếng dán điện c c Farum FES-4531C [11 ự ] Bảng 2.5.4.1 Thông s v v: ố ề ật liệu của miếng dán Farum

Các bộ ph n ậ Vật liệu Núm điện c c ự Thép không g ỉ

Thông s cố ủa kỹ thuậ ủa miết c ng dán được biểu di n b ng 2.5.4.2 ễ ở ả Bảng 2.5.4.2: Thông s kố ỹ th ật của miêng dán điện cu ực Farum

Thông s ố Đơn vị Gi trá ị Giới hạn AAMI

Để tạo nguồn dương 9V nhóm sử dụng IC 7809 là IC ổn áp dương cố nh đị IC cung cấp đầu ra 9V cố định v i 1A ớ IC cũng chứa nhi u tíề nh năng tích hợp như ngắt nhi t và b o v ng n m ch rệ ả ệ ắ ạ ất đáng tin cậy để ử ụng trong s d nhiều ng dứ ụng thương mại và cả trong các d ự án điệ ửn t giáo d c ụ