khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu bệnh tật điều khiển bằng tín hiệu thần kinh EMG

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài“Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG”, em đã nhận

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BÌNH ĐỊNH TRƯỜNG THPT CHUYÊN LÊ QUÝ ĐÔN

Lĩnh vực dự thi: ROBOT VÀ MÁY THÔNG MINH

Học sinh thực hiện : Đinh Việt Long Giáo viên hướng dẫn : Hứa Thị Thanh Vân

Quy Nhơn 12/2017

MỤC LỤC

1 Tóm tắt nội dung đề tài 02

1.1 Mục đích 02

1.2 Trình tự thực hiện 02

1.3 Dữ liệu và kết luận 02

1.3.1 Dữ liệu 02

1.3.2 Kết luận 02

2 Giới thiệu và tổng quan về vấn đề nghiên cứu 03

3 Giải thuyết khoa học và phát biểu mục đích nghiên cứu 03

3.1 Giả thuyết/vấn đề 03

3.2 Mục đích nghiên cứu 04

3.3 Hy vọng đạt được 04

4 Phương pháp nghiên cứu 04

4.1 Tìm hiểu thực tế lí thuyết 04

4.2 Phân tích, thảo luận, lựa chọn giải pháp 05

4.3 Lên thiết kế tổng thể, rồi đi đến chi tiết từng phần 15

4.3.1 Thiết kế tổng thể 15

4.3.2 Thiết kế chi tiết từng phần 17

4.4 Thử nghiệm nguyên lý điều khiển và hoàn thiện chương trình 19

4.5 Tiến hành gia công chế tạo và lắp ráp 21

4.6 Thử nghiệm chung cả thiết bị, rút kinh nghiệm, cải tiến và hoàn thiện sản phẩm 23

4.7 Hoàn thiện hồ sơ, làm poster và thuyết trình đề tài 23

5 Số liệu kết quả nghiên cứu 23

5.1 Các thông số về thiết bị 23

5.2 Cách thức vận hành thiết bị 24

6 Phân tích số liệu/ kết quả và thảo luận 24

6.1 Ưu điểm 24

6.2 Hạn chế 24

6.3 Đề xuất cải tiến 24

7 Kết luận 25

7.1 Kết luận 25

7.2 Kiến nghị 25

8 Tài liệu tham khảo 25

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài“Khung xương robot thông minh trợ lực tự di

chuyển đi lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG”, em đã nhận được sự hỗ trợ, tư vấn và động viên rất nhiều từ gia đình, thầy cô

cũng như bạn bè thân thuộc

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Hứa Thị Thanh Vân - giáo viên dạy môn Vật lí

và chủ nhiệm lớp, đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài, cùng các thầy cô trong Tổ Vật lí – Công nghệ và sự động viên của Ban Giám hiệu Trường THPT chuyên Lê Quý Đôn đã tạo điều kiện, giúp đỡ em hoàn thành đề tài của mình

Em cũng xin gửi lời chia sẻ, lòng biết ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên và tạo điều kiện tốt nhất để hoàn thành đề tài này, để có đề tài này không phải là công sức của riêng em mà là là công sức của tất cả mọi người giúp đỡ dù ít dù nhiều

Đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực cho người già yếu, bệnh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG” có thể không phải là một đề tài mang tính đột

phá hoàn toàn trên thế giới nhưng nó là sự hòa trộn, giao thoa và kết hợp giữa nhiều lĩnh vực, nhiều công nghệ mới để hướng tới một giải pháp thừa hưởng được ưu điểm các giải pháp khác, loại bỏ được nhược điểm chung, hoàn thiện hơn, hiệu quả hơn mà vẫn phù hợp với điều kiện Việt Nam Đây là đề tài mà em tâm đắc nhất vì đã cố gắng hết sức, dốc hết niềm đam mê khoa học của mình vào việc cải tiến, hướng đến công nghệ mới Đây cũng là đề tài thứ 3 và cũng là đề tài cuối cùng trong quãng thời gian cấp 3 của em, tuy đã vấp phải nhiều thất bại trong những đề tài trước nhưng đó là chính những cột mốc đánh dấu cho sự phát triển trong cách tư duy, trau dồi kiến thức và vượt qua thử thách của em Chính vì thế em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban tổ chức cuộc thi Khoa học kĩ thuật cấp tỉnh dành cho học sinh THPT và THCS tỉnh Bình Định đã tạo ra một sân chơi, mang tính giao lưu học hỏi, cạnh tranh và thử thách rèn luyện bản thân cho học sinh

Cuối cùng em xin chúc gia đình, quý thầy cô, BTC cuộc thi cùng bạn bè nhiều sức khỏe và thành công trong công việc

1 TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI

khung tập đi, nhờ người giúp đỡ

- Đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG” hướng tới việc tạo ra một

thiết bị có tính ứng dụng cao:

+ Có thể trợ giúp được các động tác chuyển động đi đứng tự nhiên của chân

+ Điều khiển ít nỗ lực, hướng tới cách giao tiếp tự nhiên nhất giữa thiết bị và cơ thể con người

+ Dễ thao tác, vận hành, chi phí lại rẻ, phù hợp

+ Có thiết kế chắc chắn mà vẫn đảm bảo trọng lượng phù hợp

+ An toàn tuyệt đối cho người sử dụng,

1.2 Trình tự thực hiện

Bước 1 Tìm hiểu thực tế, lí thuyết

Bước 2 Phân tích, thảo luận, lựa chọn giải pháp

Bước 3 Lên thiết kế tổng thể, rồi đi đến chi tiết từng phần

Bước 4 Thử nghiệm nguyên lý điều khiển và hoàn thiện chương trình

Bước 5 Tiến hành gia công, chế tạo và lắp ráp

Bước 6 Thử nghiệm chung thiết bị, rút kinh nghiệm, cải tiến và hoàn thiện sản phẩm Bước 7 Hoàn thiện hồ sơ, làm poster và thuyết trình đề tài

- Thời gian hoạt động liên tục của pin: 5-6 tiếng

- Góc gập chân trên tối đa 45 độ

1.3.2 Kết luận

- Tính mới của đề tài: Thể hiện ở chỗ thiết bị tạo ra có khả năng

+ Trợ lực theo chuyển động chân người sử dụng, không cần dùng tay mà vẫn có thể

đi đứng trên chính đôi chân của mình

+ Phát triển dựa trên mạch nhúng Arduino nên việc thêm các module chức năng khác rất dễ, kết nối với máy tính dễ dàng Phần mềm tùy chỉnh, có thể phát triển phần mềm thiết bị theo nhiều cách đi đứng khác nhau và thêm nhiều chức năng thông minh + Thiết kế tối ưu với 1 xy lanh trợ lực cho cơ tạo lực chính là cơ đùi và 1 lò xo trợ lực nhẹ hơn cho bàn chân giúp giảm chi phí thiết bị, trọng lượng thiết bị cũng như đơn giản hóa phần truyền động, lập trình

- Thiết bị “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện thần kinh EMG” đã đạt được các yêu cầu về

nguyên lí, có chi phí đầu tư thấp Như vậy đề tài đã bước đầu thành công, mang tính ứng dụng cao, có thể giúp việc trợ lực đi lại thuận lợi hơn Đạt hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp truyền thống cũ

Tuy nhiên sản phẩm dự thi mới chỉ là mô hình thử nghiệm nguyên lý cho 1 chân nên vẫn có hạn chế nhất định và chưa thể áp dụng rộng rãi vào thực tế Cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện và phát triển ý tưởng

2 GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

- Đi lại là một nhu cầu tất yếu cho việc sinh hoạt và giải trí đối với mọi người

Nhưng không phải đối tượng nào cũng có thể đi lại dễ dàng, vì điều kiện sức khỏe bệnh tật hay do tuổi tác họ có thể bị suy yếu dần khả năng đi lại thậm chí đứng còn không vững Các tác hại xấu của việc hạn chế đi lại là tắc nghẽn mạch máu, có thể gây hoại tử,… nhưng nguy hiểm hơn là tác động đến tinh thần người bệnh làm họ chán nản và lâu dần sẽ trở thành thói quen lười đi lại Chính vì thế việc khôi phục khả năng đi lại cho những đối tượng này là một việc làm rất có ích và mang tính cộng đồng

Hiện nay, các phương pháp phục hồi khả năng đi lại ở Việt Nam vẫn còn ít, đó là chưa kể những phương pháp này sử dụng thiết bị còn thô sơ, cồng kềnh, khó dùng và hiệu quả thấp Cụ thể, các phương pháp phổ biến nhất là: nạng tay, khung tập đi có bánh

xe hoặc nhờ người khác giúp đỡ Cả 3 phương pháp này đều có ưu và nhược riêng Nạng chống tay thì giúp phân bổ 1 phần trọng lượng và lực vào tay khi di chuyển giúp việc đi lại dễ dàng và đạt độ cân bằng cao hơn; khung tập đi thì có bánh xe ở trước giúp di chuyển nhẹ nhàng mặt khác do có 4 điểm tiếp xúc nên tạo thành một cái khung vững chãi, bao xung quanh người di chuyển; còn nhờ người giúp đỡ thì luôn an toàn vì có người giám sát giúp đỡ mình tùy theo yêu cầu của mình Nhưng nhược điểm chung dễ thấy lớn nhất của cả 3 biện pháp này là không đem lại sự dễ chịu, sự vui thú của việc tự

đi lại mà việc tự đi lại, giữ thăng bằng là rất quan trọng để cơ thể hồi phục dần Những phương pháp cũ lại còn gây cảm giác bắt buộc hay khó nhọc cho người đi từ đó dễ gây nản chí cho đối tượng và không tạo được động lực cho họ, đó là chưa đề cập đến các vấn

đề khác như: tốn thời gian, công sức người khác, thời gian phục hồi lâu, hiệu quả thấp ,…

- Từ thực tế này, việc tạo ra một thiết bị có thể giúp đỡ người già, bệnh có thể tự lực

di chuyển một cách an toàn, đem dần trở lại cho họ cảm giác thực của việc đi lại bằng chình đôi chân của mình mà không cần sự trợ giúp người khác, nhẹ nhàng mà hiệu quả,

đó chính là vấn đề cần phải đặt ra Thiết bị đó không chỉ mang lại lợi ích cho bản thân họ

mà còn tác động tích cực đến xã hội chung Chính vì thế, việc thực hiện đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu, bệnh tật điều khiển bằng tín hiệu thần kinh EMG” nhằm tổng hợp và áp dụng những công nghệ mới của thế

giới vào Việt Nam là một việc làm không chỉ mang tính thực tiễn, cấp thiết mà còn rất

+ Có các khớp xoay mô phỏng chuyển động tự nhiên của các khớp chân, mang đến sự thoải mái, nhịp nhàng trong việc đi lại

+ Khung bằng hộp nhôm vừa đủ độ cứng, lại nhẹ vừa là vật liệu thông dụng trên thị trường, chi phí vừa phải

+ Hệ cơ khí truyền động vận hành bằng khí nén có nhiều ưu điểm, cấu tạo bao gồm nguồn năng lượng là bình khí nén mang sau lưng nối với van điều khiển điện qua hệ thống ống dẫn cấp khí cho xy lanhkhí nén hoạt động tạo lực đẩy các khớp chuyển động

và xy lanhkhí nén phải cấp đủ lực để thực hiện các hoạt động đi lại

+ Điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến tín hiệu điện thần kinh EMG được gắn trên cơ kích hoạt chính khi đi lại, giúp việc điều khiển đi lại mang tính tự nhiên nhất có thể, cũng như không phải dùng lực quá nhiều

+ Thiết kế tối giản, nhưng vẫn hiệu quả bằng cách chỉ dùng 1 xy lanhtrợ lực cho cơ dùi còn phần chuyển động của bàn chân thuộc bắp chân dưới trợ lực chỉ dùng cơ cấu đòn bẩy

lò xo, vừa giảm độ phức tạp của cơ cấu, chi phí thiết bị, vừa giảm trọng lượng chung

+ Đạt tốc độ di chuyển cần thiết và có thể điều chỉnh được

+ Hỗ trợ được toàn phần lực khi đứng cũng như 1 phần phù hợp khi đi

+ Cảm biến và hệ điều khiển chuyển động, khớp chuyển động nhịp nhàng mô phỏng gần nhất cấu tạo sinh học con người, và cách đi lại tự nhiên để giúp cho người sử dụng đi lại một cách đơn giản trực quan nhất cũng như ít tốn sức nhất

+ Dễ sử dụng, tin cậy và có tính kinh tế

+ An toàn tuyệt đối cho người sử dụng,

3.3 Hy vọng đạt được:

cho những người già yếu, bệnh tật mà chân bị yếu khó đi lại “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển đi lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển bằng tín hiệu điện

thần kinh EMG” mong đạt được các yếu tố sau:

+ Cảm biến và thuật toán xử lí chính xác, tức thời tín hiệu của cơ dùng cho việc đi lại + Hệ cơ khí đơn giản, nhẹ mà vẫn đảm bảo hoạt động nhịp nhàng, nhanh và chính xác + Có chế độ an toàn giúp đề phòng các tình huống bất ngờ

+ Giá thành hợp lí

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực tiễn, phương pháp phân tích, đánh giá

và phương pháp thực nghiệm Cụ thể:

4.1 Tìm hiểu thực tế, lí thuyết

Dựa vào việc quan sát thực tế, tìm hiểu qua sách báo, tài liệu, mạng internet để thu thập các dữ liệu có liên quan đến đề tài đang làm thu được một số kết quả sau:

- Phương pháp phục hồi, trợ lực đi lại ở Việt Nam: có 3 phương pháp chính là dùng nạng tay, dùng khung tập đi và nhờ người giúp đỡ Từ đó đặt câu hỏi phân tích về ưu nhược điểm của các phương pháp này? Điểm hạn chế chung của các phương pháp là gì? Ưu điểm riêng của từng cái là gì? Bên cạnh đó tìm hiểu lí thuyết các công nghệ điều khiển,

cơ khí, thuật toán phù hợp với thiết bị mình đang làm

4.2 Phân tích, thảo luận, lựa chọn giải pháp

Sau khi nghiên cứu ưu, nhược điểm của phương pháp truyền thống, dựa vào những kiến thức, tư liệu thu thập và sự tư vấn, góp ý của giáo viên hướng dẫn, em đưa ra giải pháp tối ưu để thực hiện đề tài này Với tiêu chí tạo ra một thiết bị có thể:

+ An toàn và đáng tin cậy

+ Trợ lực đủ nhanh và mạnh

+ Điều khiển nhạy, độ trễ thấp

+ Dễ sử dụng, bảo trì

+ Chi phí thấp, phù hợp với điều kiện Việt Nam

Để đáp ứng các tiêu chí đó, em phân tích các phương pháp mới rồi lựa chọn giải pháp tối ưu nhất.Cụ thể:

+ Về phương pháp: Hiện nay trên thế giới công nghệ phục hồi khả năng đi lại tiên tiến nhất là khung xương robot thông minh (exoskeleton) Các loại khung xương robot hỗ trợ đi lại dùng 2 phương pháp điều khiển đó là cảm biến cơ EMG hoặc nút nhấn Dễ thấy việc điều khiển bằng tín hiệu cảm biến cơ là tiên tiến và hiệu quả hơn

+ Về nguyên lý điều khiển: Để hiểu rõ hơn cách điều khiển bằng tín hiệu điện cơ EMG ta phải tìm hiểu về cách cơ hoạt động và những cơ được kích hoạt khi ta đi lại

Cơ, còn được gọi là bắp thịt, là một phần của hệ vận động Mô cơ là một loại mô liên kết trong cơ thể động vật Mô cơ gồm ba loại: mô cơ vân, mô cơ tim, mô cơ trơn Chức năng của mô cơ là co, dãn, tạo nên sự vận động, tạo nhiệt cho cơ thể

Trong trường hợp này vì bộ phận ta muốn trợ lực là chân nên cơ cần tìm hiểu là cơ vân

Cơ vân, hay còn gọi là cơ vận động có ý thức, thường gắn với xương Hệ cơ vân gồm các bắp

cơ nối các xương ở các đầu xương (hay 1 đầu gắn với xương còn một đầu gắn với da, như cơ mặt)

Hình 1: Sơ đồ giải phẫu hệ cơ vân và cấu tạo đơn giản của 1 cơ

Cấu tạo của một bắp cơ gồm các bó cơ, bó cơ gồm các tế bào cơ (sợi cơ) và xen lẫn bởi dây thần kinh và mạch máu Trong đó các dây thần kinh giúp truyền tải tín hiệu thần kinh

từ não qua tủy sống và đến cơ nhất định làm kích hoạt co- duỗi cơ đó Các tín hiệu thần kinh này được truyền dưới dạng tín hiệu điện sinh học với điện áp rất nhỏ Nên muốn thu được chúng chúng ta phải dùng các cảm biến chuyên dụng có sẵn bộ khuếch đại

Có 2 cách đo tín hiệu điện cơ là:

Một cây kim cắm xuyên qua da và cơ cần đo Cây kim này sẽ phát hiện hoạt động điện

cần phải được cắm ở nhiều nơi trên cơ mới có thể thu được thông tin chính xác về hoạt động của điện cơ (đây chính là nhược điểm).Sau khi cắm điện cực,người bệnh được yêu cầu co cơ( ví dụ co khuỷu tay ) Kích thước và hình dạng của sóng hiện tại (điện thế hoạt động) được thể hiện trên dao động ký, cung cấp thông tin về khả năng hoạt động của cơ đối với đáp ứng kích thích thần kinh.Mỗi sợi cơ khi co thắt sẽ sinh ra điện thế động.Kích thước của sợi cơ sẽ ảnh hưởng đến tần số và biên độ điện thế hoạt động

Do đo điện cơ bề mặt bằng điện cực Gel hoặc khô, không phải đâm kim qua da và vì vậy người bệnh nhân không bị đau Tuy nhiên, giá trị thông tin thu được bằng phương pháp này thường không tốt bằng đo điện cơ cắm vào cơ Mặc dù vậy, đo điện cực trên bề mặt

da chứng tỏ vẫn còn giá trị trong tương lai giúp theo dõi sự tiến triển các rối loạn thần kinh và cơ

Chính vì vậy, trong trường hợp này ta chọn cách đo điện cực ở bề mặt da vì nó thuận tiện cho người sử dụng khi di chuyển và không gây đau Mặc dù việc xử lí tín hiệu cho chính xác sẽ khó hơn nhưng ta có thể giải quyết bằng phần mềm

Đối với thực tế mạch Arduino ta sẽ có 2 lựa chọn: một là dùng cảm biến của

Myoware của Advancer Technologies hoặc là dùng cảm biến vòng tay Myo Gesture Armband Control của Thalmic Labs

Hình 2: Cảm biến cơ Myoware Hình 3: Cảm biến vòng tay Myo Armband

Mỗi cảm biến đều có ưu, nhược riêng:

+ Cảm biến Myo Armband thì hiện đại hơn có tới 8 cảm biến EMG và 1 cảm biến IMU kèm với module bluetooth tích hợp trong 1 thiết bị, cảm biến này dùng loại điện cực khô nên không tốn công thay điện cực sau mỗi lần dùng Nhưng việc đưa tín hiệu về mạch Arduino xử lí sẽ có đôi phần phức tạp hơn vì mặc định nó không hỗ trợ cho Arduino phải dùng SDK để viết code Giá 1 cảm biến này khoảng 5tr500

+ Đối với cảm biến Myoware thì tương thích sẵn với Arduino với cộng đồng người sử dụng lớn nên sẽ dễ tìm code Cảm biến này dùng điện cực Gel dán dùng 1 lần nên mỗi lần thao tác phải dán lên sẽ phiền hơn nhưng cho tín hiệu tốt hơn vì Gel làm giảm điện trở bề mặt, tăng diện tích tiếp xúc và giúp đảm bảo ổn định khi chạy nhảy Nhược điểm duy nhất của cảm biến này là có ít mắt cảm biến hơn Myo Armband (1 EMG so với 8 EMGs và 1 IMU) nên khả năng phát triển sẽ kém hơn Giá thành 1 cảm biến này rơi vào khoảng 1,5 triệu đồng

Sau khi cân nhắc, em chọn cảm biến Myoware vì nó có dễ lập trình, giá rẻ hơn, phù hợp cho thị trường Việt Nam hơn loại kia mà hiệu năng không thua kém mấy

Qua tìm hiểu, ta biết rằng khi đi bộ, cơ thể sẽ dùng hầu hết là cơ chân Mà trong giải phẫu học nhóm cơ chân của người rất phức tạp, có tới cả chục loại cơ khác nhau Chính

vì thế để chọn cơ nào phù hợp là điều rất quan trọng Cơ thỏa mãn phải cho ra tín hiệu đúng với chuyển động, mạnh và ít nhiễu Em đã chọn cơ đó là cơ bắp chân sau Vị trí đặt điện cực cụ thể em sẽ lên kế hoạch khi sang bước thiết kế chi tiết từng phần

+ Về phần động lực:

Có các giải pháp truyền động sau: dùng Servo dẫn động trực tiếp tại khớp xoay, dùng Actuator hoặc dùng xy lanh khí nén

Hình 4: Servo mô men lớn để làm khớp xoay

Trước hết dùng Servo thì sẽ có ưu điểm điều khiển chính xác, phần cơ khí đơn giản, làm việc nhẹ nhàng, không tiếng ồn Nhưng nhược điểm sẽ là giá thành cao, lập trình điều khiển phức tạo Hiện nay đây là giải pháp thường được các tập đoàn lớn trên thế giới lựa chọn cho những thiết bị đắt tiền của mình, chẳng hạn như Panasonic, honda,

Hình 5: khung xương robot của Panasonic

Các giải pháp này thường rất tiên tiến và mang nhiều ưu điểm vượt trội nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là giá thành cao (khoảng 20 nghìn USD đến cả tram nghìn USD), vì thế phương án này không phù hợp với điều kiện Việt Nam

Chuyển sang 2 phương án còn lại là Actuator và khí nén, thì có cách tác dụng lực như nhau là tạo lực đẩy hoặc kéo theo phương của xylanh/actuator đó nên phần cơ khí sẽ

phức tạp hơn đôi chút vỉ phải tìm điểm gắn sao cho biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động xoay

Hình 6: Actuator Hình 7: Xy lanh khí nén

Trong 2 phương pháp này thì khí nén tỏ vẻ phù hợp hơn với đề tài vì có tốc độ hành trình nhanh, lực tương đối lớn Còn Actuator thì tốc độ hành trình rất chậm Nên ta chọn khí nén, để chạy được piston khí nén ta cần nguồn năng lượng khí nén và hệ ống dẫn van điều khiển Nguồn năng lượng khí nén trong trường hợp này vì là mô hình nguyên lý nên

sẽ là bộ bình khí nén từ chai nhựa PET tự chế để giảm giá thành Van là van điện từ 5/2 12V Ống Ø =6mm

nén tự chế từ chai nhựa PET qua van điều khiển và đến xy lanhkhí nén Áp suất làm việc

Bên cạnh đó, để cắt giảm chi phí nhưng vẫn đảm bảo trợ lực thiết bị của em còn có một điểm khác so với các loại khung xương robot khác là sử dụng truyền động kết hợp chủ động và thụ động: gồm trợ lực chủ động cho cơ đùi từ xy lanhkhí nén và thụ động cho bàn chân từ lò xo Phần bắp chân dưới (là cơ tác động bàn chân) sẽ được trợ lực bằng lò

xo tăng dây (sẽ tích năng lượng làm căng lò xo trong suốt quá trình chân từ vị trí cân bằng ra đến vị trí sau cực đại gần rời mặt đất và khi chân rời mặt đất thì ngay lập tức lò

xo sẽ hồi trả về phần năng lượng đó)

+ Về khung xương chịu lực và phần cơ khí: Có thể làm bằng kim loại như sắt, nhôm, inox, cho đến cả titanium, sợi carbon nhưng vì đây là mô hình nguyên lý nên em chọn nhôm hộp định hình vửa rẻ, vừa nhẹ lại chịu lực tốt

+ Về phần điện - điều khiển: Có rất nhiều lựa chọn cho mạch xử lí, cụ thể có thể sử dụng các mạch phát triển từ Arduino, Rasperberry Pi, đến Intel Gallileo, STM32Fxxx Discovery, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng và sự thông thạo của người lập trình mà lựa chọn

Hình 8: Một lát cắt của các loại mạch phát triển

Với em vì chỉ mới biết đến lập trình gần đây và đây chỉ làm mô hình nguyên lý nên em chọn Arduino Uno R3

Hình 9: Mạch Arduino Uno R3

Để cấp nguồn cho mạch Arduino này, Module cảm biến điện cơ EMG và module relay

để ra lệnh đóng ngắt xy lanhkhí nén em phải dùng 2 mức điện áp là 12V và 6V, Điện áp 12V sẽ cấp cho van điện từ, còn 6V sẽ cấp cho mạch Arduino và từ đó cấp nguồn cho các module khác qua chân cấp nguồn của Arduino Vì thế em chọn pin Li-po 2700mAh 11.1V để cấp nguồn

Hình 10: Pin Lipo 11.1V 2700mAh của Vant Battery

Về lập trình xử lí tín hiệu, em dùng phần mềm MATLAB bên cạnh Arduino IDE để tiện xử lí dữ liệu vì bên Matlab hỗ trợ về xử lí tín hiệu analog tốt hơn và có sẵn một cộng đồng người dùng chia sẻ các loại công cụ mẫu, code mẫu cho 1 mục đích nhất định

Hình 11: giao diện làm việc MATLAB R2012a

Hình 12: Giao diện làm việc Arduino IDE

band-pass cho đến các bộ lọc cao cấp hơn như Kalman filter, Butterworth filter, lọc bằng Machine Learning) cũng như xử lí tín hiệu, tìm đỉnh dao động Sau khi tìm kiếm, em lựa chọn thuật toán tối ưu nhất đó là “Realtime ECG QRS Detection” cung cấp bới Mathworks, thuật toán này có khả năng tìm đỉnh dao động biểu trưng cho 1 chu kì QRS (tương ứng 1 nhịp tim) trong điện tim theo thời gian thực Vì thuật toán này dùng cho tín hiệu ECG nên em phải hiệu chỉnh lại nó theo mục đích sử dụng của mình là tín hiệu điện

cơ EMG