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

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BÌNH ĐỊNH TRƯỜNG THPT CHUYÊN LÊ QUÝ ĐÔN …………………… Cuộc thi khoa học kỹ thuật cấp tỉnh dành cho học sinh trung học năm học 2017-2018 BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KỸ THUẬT 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 ĐIỆN THẦN KINH EMG Lĩnh vực dự thi: ROBOT VÀ MÁY THÔNG MINH Học sinh thực : Đinh Việt Long Giáo viên hướng dẫn : Hứa Thị Thanh Vân Quy Nhơn 12/2017 MỤC LỤC Tóm tắt nội dung đề tài 02 1.1 Mục đích 02 1.2 Trình tự thực 02 1.3 Dữ liệu kết luận 02 1.3.1 Dữ liệu 02 1.3.2 Kết luận 02 Giới thiệu tổng quan vấn đề nghiên cứu 03 Giải thuyết khoa học 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 04 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, đến chi tiết phần 15 4.3.1 Thiết kế tổng thể 15 4.3.2 Thiết kế chi tiết phần 17 4.4 Thử nghiệm nguyên lý điều khiển hồn thiện chương trình 19 4.5 Tiến hành gia công chế tạo lắp ráp 21 4.6 Thử nghiệm chung thiết bị, rút kinh nghiệm, cải tiến hoàn thiện sản phẩm 23 4.7 Hoàn thiện hồ sơ, làm poster thuyết trình đề tài 23 Số liệu kết nghiên cứu 23 5.1 Các thông số thiết bị 23 5.2 Cách thức vận hành thiết bị 24 Phân tích số liệu/ kết thảo luận 24 6.1 Ưu điểm 24 6.2 Hạn chế 24 6.3 Đề xuất cải tiến 24 Kết luận 25 7.1 Kết luận 25 7.2 Kiến nghị 25 Tài liệu tham khảo 25 LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực đề tài“Khung xương robot thơng minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG”, em nhận hỗ trợ, tư vấn động viên nhiều từ gia đình, thầy cô bạn bè thân thuộc Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Hứa Thị Thanh Vân - giáo viên dạy mơn Vật lí chủ nhiệm lớp, trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình thực đề tài, thầy Tổ Vật lí – Cơng nghệ động viên Ban Giám hiệu Trường THPT chuyên Lê Q Đơn tạo điều kiện, giúp đỡ em hồn thành đề tài Em xin gửi lời chia sẻ, lòng biết ơn đến gia đình bạn bè động viên tạo điều kiện tốt để hồn thành đề tài này, để có đề tài công sức riêng em mà là công sức tất người giúp đỡ dù dù nhiều Đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực cho người già yếu, bệnh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG” khơng phải đề tài mang tính đột phá hồn tồn giới hòa trộn, giao thoa kết hợp nhiều lĩnh vực, nhiều công nghệ để hướng tới giải pháp thừa hưởng ưu điểm giải pháp khác, loại bỏ nhược điểm chung, hoàn thiện hơn, hiệu mà phù hợp với điều kiện Việt Nam Đây đề tài mà em tâm đắc cố gắng hết sức, dốc hết niềm đam mê khoa học vào việc cải tiến, hướng đến công nghệ Đây đề tài thứ đề tài cuối quãng thời gian cấp em, vấp phải nhiều thất bại đề tài trước cột mốc đánh dấu cho phát triển cách tư duy, trau dồi kiến thức vượt qua thử thách em Chính em xin gửi lời cảm ơn đến Ban tổ chức thi Khoa học kĩ thuật cấp tỉnh dành cho học sinh THPT THCS tỉnh Bình Định tạo sân chơi, mang tính giao lưu học hỏi, cạnh tranh thử thách rèn luyện thân cho học sinh Cuối em xin chúc gia đình, quý thầy cô, BTC thi bạn bè nhiều sức khỏe thành công công việc Trân trọng cảm ơn! 1 TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích - Đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG” triển khai với mục đích tạo thiết bị trợ lực cho việc lại đứng người già yếu dễ dàng, vững vàng thay cho phương pháp truyền thống trước như: gậy chống tay, khung tập đi, nhờ người giúp đỡ - Đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG” hướng tới việc tạo thiết bị có tính ứng dụng cao: + Có thể trợ giúp động tác chuyển động đứng tự nhiên chân + Điều khiển nỗ lực, hướng tới cách giao tiếp tự nhiên thiết bị thể người + Dễ thao tác, vận hành, chi phí lại rẻ, phù hợp + Có thiết kế chắn mà đảm bảo trọng lượng phù hợp + An toàn tuyệt đối cho người sử dụng, 1.2 Trình tự thực Bước Tìm hiểu thực tế, lí thuyết Bước Phân tích, thảo luận, lựa chọn giải pháp Bước Lên thiết kế tổng thể, đến chi tiết phần Bước Thử nghiệm nguyên lý điều khiển hoàn thiện chương trình Bước Tiến hành gia cơng, chế tạo lắp ráp Bước Thử nghiệm chung thiết bị, rút kinh nghiệm, cải tiến hoàn thiện sản phẩm Bước Hoàn thiện hồ sơ, làm poster thuyết trình đề tài 1.3 Dữ liệu kết luận 1.3.1 Dữ liệu Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG đạt thông số sau: - Lực đẩy trợ lực tối đa khoảng 30 kg - Áp suất khí nén làm việc kg/cm2 - Thời gian hoạt động liên tục pin: 5-6 tiếng - Góc gập chân tối đa 45 độ - Giá thành sản phẩm: 3.000.000đ 1.3.2 Kết luận - Tính đề tài: Thể chỗ thiết bị tạo có khả + Trợ lực theo chuyển động chân người sử dụng, khơng cần dùng tay mà đứng đơi chân + Phát triển dựa mạch nhúng Arduino nên việc thêm module chức khác dễ, kết nối với máy tính dễ dàng Phần mềm tùy chỉnh, phát triển phần mềm thiết bị theo nhiều cách đứng khác thêm nhiều chức thông minh + Thiết kế tối ưu với xy lanh trợ lực cho tạo lực đùi lò xo trợ lực nhẹ cho bàn chân giúp giảm chi phí thiết bị, trọng lượng thiết bị đơn giản hóa phần truyền động, lập trình - Thiết bị “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG” đạt u cầu ngun lí, có chi phí đầu tư thấp Như đề tài bước đầu thành cơng, mang tính ứng dụng cao, giúp việc trợ lực lại thuận lợi Đạt hiệu nhiều so với phương pháp truyền thống cũ Tuy nhiên sản phẩm dự thi mô hình thử nghiệm nguyên lý cho chân nên có hạn chế định chưa thể áp dụng rộng rãi vào thực tế Cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện phát triển ý tưởng GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU - Đi lại nhu cầu tất yếu cho việc sinh hoạt giải trí người Nhưng khơng phải đối tượng lại dễ dàng, điều kiện sức khỏe bệnh tật hay tuổi tác họ bị suy yếu dần khả lại chí đứng khơng vững Các tác hại xấu việc hạn chế lại tắc nghẽn mạch máu, gây hoại tử,… nguy hiểm tác động đến tinh thần người bệnh làm họ chán nản lâu dần trở thành thói quen lười lại Chính việc khôi phục khả lại cho đối tượng việc làm có ích mang tính cộng đồng Hiện nay, phương pháp phục hồi khả lại Việt Nam ít, chưa kể phương pháp sử dụng thiết bị thơ sơ, cồng kềnh, khó dùng hiệu thấp Cụ thể, phương pháp phổ biến là: nạng tay, khung tập có bánh xe nhờ người khác giúp đỡ Cả phương pháp có ưu nhược riêng Nạng chống tay giúp phân bổ phần trọng lượng lực vào tay di chuyển giúp việc lại dễ dàng đạt độ cân cao hơn; khung tập có bánh xe trước giúp di chuyển nhẹ nhàng mặt khác có điểm tiếp xúc nên tạo thành khung vững chãi, bao xung quanh người di chuyển; nhờ người giúp đỡ ln an tồn có người giám sát giúp đỡ tùy theo yêu cầu Nhưng nhược điểm chung dễ thấy lớn biện pháp không đem lại dễ chịu, vui thú việc tự lại mà việc tự lại, giữ thăng quan trọng để thể hồi phục dần Những phương pháp cũ lại gây cảm giác bắt buộc hay khó nhọc cho người từ dễ gây nản chí cho đối tượng khơng tạo động lực cho họ, chưa đề cập đến vấn đề khác như: tốn thời gian, công sức người khác, thời gian phục hồi lâu, hiệu thấp ,… - Từ thực tế này, việc tạo thiết bị giúp đỡ người già, bệnh tự lực di chuyển cách an toàn, đem dần trở lại cho họ cảm giác thực việc lại chình đơi chân mà khơng cần trợ giúp người khác, nhẹ nhàng mà hiệu quả, vấn đề cần phải đặt Thiết bị khơng mang lại lợi ích cho thân họ mà tác động tích cực đến xã hội chung Chính thế, việc thực đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bệnh tật điều khiển tín hiệu thần kinh EMG” nhằm tổng hợp áp dụng công nghệ giới vào Việt Nam việc làm khơng mang tính thực tiễn, cấp thiết mà nhân văn, cộng đồng GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ PHÁT BIỂU MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3.1 Giả thuyết/vấn đề Vấn đề đặt cần tạo thiết bị có khả năng: + Có khớp xoay mô chuyển động tự nhiên khớp chân, mang đến thoải mái, nhịp nhàng việc lại + Khung hộp nhôm vừa đủ độ cứng, lại nhẹ vừa vật liệu thông dụng thị trường, chi phí vừa phải + Hệ khí truyền động vận hành khí nén có nhiều ưu điểm, cấu tạo bao gồm nguồn lượng 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 khớp chuyển động xy lanhkhí nén phải cấp đủ lực để thực hoạt động lại + Điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến tín hiệu điện thần kinh EMG gắn kích hoạt lại, giúp việc điều khiển lại mang tính tự nhiên có thể, khơng phải dùng lực nhiều + Thiết kế tối giản, hiệu cách dùng xy lanhtrợ lực cho dùi phần chuyển động bàn chân thuộc bắp chân trợ lực dùng cấu đòn bẩy lò xo, vừa giảm độ phức tạp cấu, chi phí thiết bị, vừa giảm trọng lượng chung 3.2 Mục đích nghiên cứu Đề tài “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG” hướng tới việc khắc phục hạn chế phương pháp truyền thống cách nghiên cứu, chế tạo thiết bị: + Đạt tốc độ di chuyển cần thiết điều chỉnh + Hỗ trợ toàn phần lực đứng phần phù hợp + Cảm biến hệ điều khiển chuyển động, khớp chuyển động nhịp nhàng mô gần cấu tạo sinh học người, cách lại tự nhiên để giúp cho người sử dụng lại cách đơn giản trực quan tốn sức + Dễ sử dụng, tin cậy có tính kinh tế + An toàn tuyệt đối cho người sử dụng, 3.3 Hy vọng đạt được: Chế tạo sản phẩm phù hợp với điều kiện Việt Nam phổ biến rộng rãi cho người già yếu, bệnh tật mà chân bị yếu khó lại “Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG” mong đạt yếu tố sau: + Cảm biến thuật toán xử lí xác, tức thời tín hiệu dùng cho việc lại + Hệ khí đơn giản, nhẹ mà đảm bảo hoạt động nhịp nhàng, nhanh xác + Có chế độ an tồn giúp đề phòng tình bất ngờ + Giá thành hợp lí PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực tiễn, phương pháp phân tích, đánh giá 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 liệu có liên quan đến đề tài làm thu số kết sau: - Phương pháp phục hồi, trợ lực lại Việt Nam: có phương pháp dùng nạng tay, dùng khung tập nhờ người giúp đỡ Từ đặt câu hỏi phân tích ưu nhược điểm phương pháp này? Điểm hạn chế chung phương pháp gì? Ưu điểm riêng gì? Bên cạnh tìm hiểu lí thuyết cơng nghệ điều khiển, khí, thuật tốn phù hợp với thiết bị làm 4.2 Phân tích, thảo luận, lựa chọn giải pháp Sau nghiên cứu ưu, nhược điểm phương pháp truyền thống, dựa vào kiến thức, tư liệu thu thập tư vấn, góp ý giáo viên hướng dẫn, em đưa giải pháp tối ưu để thực đề tài Với tiêu chí tạo thiết bị có thể: + Vận hành nhịp nhàng, tự nhiên, không gây xung đột với thể + An toàn đáng tin cậy + Trợ lực đủ nhanh 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 tiêu chí đó, em phân tích phương pháp lựa chọn giải pháp tối ưu nhất.Cụ thể: + Về phương pháp: Hiện giới công nghệ phục hồi khả lại tiên tiến khung xương robot thông minh (exoskeleton) Các loại khung xương robot hỗ trợ lại dùng phương pháp điều khiển cảm biến EMG nút nhấn Dễ thấy việc điều khiển tín hiệu cảm biến tiên tiến hiệu + Về nguyên lý điều khiển: Để hiểu rõ cách điều khiển tín hiệu điện EMG ta phải tìm hiểu cách hoạt động kích hoạt ta lại Cơ, gọi bắp thịt, phần hệ vận động Mô loại mô liên kết thể động vật Mô gồm ba loại: mô vân, mô tim, mô trơn Chức mô co, dãn, tạo nên vận động, tạo nhiệt cho thể Trong trường hợp phận ta muốn trợ lực chân nên cần tìm hiểu vân Cơ vân, hay gọi vận động có ý thức, thường gắn với xương Hệ vân gồm bắp nối xương đầu xương (hay đầu gắn với xương đầu gắn với da, mặt) Hình 1: Sơ đồ giải phẫu hệ vân cấu tạo đơn giản Cấu tạo bắp gồm bó cơ, bó gồm tế bào (sợi cơ) xen lẫn dây thần kinh mạch máu Trong dây thần kinh giúp truyền tải tín hiệu thần kinh từ não qua tủy sống đến định làm kích hoạt co- duỗi Các tín hiệu thần kinh truyền dạng tín hiệu điện sinh học với điện áp nhỏ Nên muốn thu chúng phải dùng cảm biến chuyên dụng có sẵn khuếch đại Có cách đo tín hiệu điện là: Đo điện bên Một kim cắm xuyên qua da cần đo Cây kim phát hoạt động điện (giống điện cực) Vì xương (cơ vân) thường lớn ,cho nên điện cực cần phải cắm nhiều nơi thu thơng tin xác hoạt động điện (đây nhược điểm).Sau cắm điện cực,người bệnh yêu cầu co cơ( ví dụ co khuỷu tay ) Kích thước hình dạng sóng (điện hoạt động) thể dao động ký, cung cấp thông tin khả hoạt động đáp ứng kích thích thần kinh.Mỗi sợi co thắt sinh điện động.Kích thước sợi ảnh hưởng đến tần số biên độ điện hoạt động  Đo điện bề mặt da Do đo điện bề mặt điện cực Gel khô, đâm kim qua da người bệnh nhân khơng bị đau Tuy nhiên, giá trị thông tin thu phương pháp thường không tốt đo điện cắm vào Mặc dù vậy, đo điện cực bề mặt da chứng tỏ giá trị tương lai giúp theo dõi tiến triển rối loạn thần kinh  Chính vậy, trường hợp ta chọn cách đo điện cực bề mặt da thuận tiện cho người sử dụng di chuyển khơng gây đau Mặc dù việc xử lí tín hiệu cho xác khó ta giải phần mềm Đối với thực tế mạch Arduino ta có lựa chọn: dùng cảm biến Myoware Advancer Technologies dùng cảm biến vòng tay Myo Gesture Armband Control Thalmic Labs Hình 2: Cảm biến Myoware Hình 3: Cảm biến vòng tay Myo Armband Mỗi cảm biến có ưu, nhược riêng: + Cảm biến Myo Armband đại có tới cảm biến EMG cảm biến IMU kèm với module bluetooth tích hợp thiết bị, cảm biến dùng loại điện cực khô nên không tốn công thay điện cực sau lần dùng Nhưng việc đưa tín hiệu mạch Arduino xử lí có đơi phần phức tạp mặc định khơng hỗ trợ cho Arduino phải dùng SDK để viết code Giá cảm biến khoảng 5tr500 + Đối với cảm biến Myoware tương thích sẵn với Arduino với cộng đồng người sử dụng lớn nên dễ tìm code Cảm biến dùng điện cực Gel dán dùng lần nên lần thao tác phải dán lên phiền cho tín hiệu tốt Gel làm giảm điện trở bề mặt, tăng diện tích tiếp xúc giúp đảm bảo ổn định chạy nhảy Nhược điểm cảm biến có mắt cảm biến Myo Armband (1 EMG so với EMGs IMU) nên khả phát triển Giá thành cảm biến rơi vào khoảng 1,5 triệu đồng Sau cân nhắc, em chọn cảm biến Myoware lập trình, giá rẻ hơn, phù hợp cho thị trường Việt Nam loại mà hiệu không thua Qua tìm hiểu, ta biết bộ, thể dùng hầu hết chân Mà giải phẫu học nhóm chân người phức tạp, có tới chục loại khác Chính để chọn phù hợp điều quan trọng Cơ thỏa mãn phải cho tín hiệu với chuyển động, mạnh nhiễu Em chọn bắp chân sau Vị trí đặt điện cực cụ thể em lên kế hoạch sang bước thiết kế chi tiết phần + Về phần động lực: Có giải pháp truyền động sau: dùng Servo dẫn động trực tiếp khớp xoay, dùng Actuator dùng xy lanh khí nén Hình 4: Servo mô men lớn để làm khớp xoay Trước hết dùng Servo có ưu điểm điều khiển xác, phần khí đơn giản, làm việc nhẹ nhàng, không tiếng ồn Nhưng nhược điểm giá thành cao, lập trình điều khiển phức tạo Hiện giải pháp thường tập đoàn lớn giới lựa chọn cho thiết bị đắt tiền mình, chẳng hạn Panasonic, honda, Hình 5: khung xương robot Panasonic Các giải pháp thường tiên tiến mang nhiều ưu điểm vượt trội nhược điểm lớn giá thành cao (khoảng 20 nghìn USD đến tram nghìn USD), phương án khơng phù hợp với điều kiện Việt Nam Chuyển sang phương án lại Actuator khí nén, có cách tác dụng lực tạo lực đẩy kéo theo phương xylanh/actuator nên phần khí Hình 12: Giao diện làm việc Arduino IDE Sau đó, em tìm code lọc nhiễu tín hiệu EMG (các loại filter high-pass, low-pass, band-pass lọc cao cấp Kalman filter, Butterworth filter, lọc Machine Learning) xử lí tín hiệu, tìm đỉnh dao động Sau tìm kiếm, em lựa chọn thuật tốn tối ưu “Realtime ECG QRS Detection” cung cấp bới Mathworks, thuật tốn có khả tìm đỉnh dao động biểu trưng cho chu kì QRS (tương ứng nhịp tim) điện tim theo thời gian thực Vì thuật tốn dùng cho tín hiệu ECG nên em phải hiệu chỉnh lại theo mục đích sử dụng tín hiệu điện EMG 12 Hình 13: Tín hiệu EMG thu máy tính duỗi thẳng (chưa qua xử lí thuật tốn) Hình 14: Tín hiệu EMG co (Chưa qua xử lí thuật tốn) 13 Hình 15: Tín hiệu sau qua xử lí thuật tốn Về ý tưởng điều khiển sau lọc nhiễu qua thuật nhận toán nhận diện đỉnh, tín hiệu trả có dạng xung hoạt động không nghỉ Khi có xung vượt qua ngưỡng threshold xác định kích hoạt relay đóng điện cho van điều khiển xy lanh khí nén chạy theo timer hết hành trình dừng lại đợi nhận tín hiệu sau Tất thuật tốn lập trình Matlab Simulink có cài gói tương tính Arduino Uno R3 Hình 16: Giao diện Matlab Simulink 14 + Về phần kết nối: Thiết bị kết nối với máy tính thơng qua cáp USB kèm Và mở rộng giao thức khác Bluetooth, Wifi, RF, Zig Bee, Lora,… để trờ thành thiết bị IOT phục vụ mục đích truyền tải liệu Big Data Trong trường hợp em chọn kêt nối Bluetooth hỗ trợ rộng rãi, đáng tin cậy dễ dùng 4.3 Lên thiết kế tổng thể, đến chi tiết phần 4.3.1 Thiết kế tổng thể Ý tưởng chung làm khung xương nhân tạo hỗ trợ lại chịu tải trọng thể người thay cho chân, nên lên ý tưởng hình dạng thiết bị để đáp ứng yêu cầu đặt Đặt câu hỏi tìm cách giải đáp, cụ thể: Thiết bị có khớp chuyển động? phần cần trợ lực? trợ lực thiết bị gì? Sau lên thiết kế chi tiết vị trí lắp đặt cho phần phận sau: - Cơ cấu truyền động - Khung chịu lực - Phần mạch điều khiển - Cảm biến - Hệ khí nén Hình 17: Bản vẽ mơ tả cấu tạo khung xương trợ lực 15 Hình 18: Bản vẽ kích thước tổng thể khung xương trợ lực Hình 19: Khung xương trạng thái co 16 Hình 20: Khung xương trạng thái duỗi thằng 4.3.2 Thiết kế chi tiết phần - Về phần điều khiển, cảm biến: + Sau lựa chọn tìm hiểu cảm biến EMG tìm hiểu ngun lí làm việc Ta tổng kết cảm biến EMG muscle sensor myoware có điện cực điện cực cố định PCB gồm mắt gắn vào vị trí mắt lại lệch theo phương cơ, điện cực nối dây tự phải gắn vị trí khơng có thuộc thể ta để lấy tham chiếu Để lấy tín hiệu từ chân, em chọn vị trí đặt điện cực bắp chân sau với điện cực trung tâm điện cực đối chiếu gắn xa vị trí để tránh nhiễu cross-talk Tín hiệu cảm biến tín hiệu bắp chân sau đưa vào xử lí mạch arduino 17 Hình 21: Vị trí đặt điện cực + Về khung chịu lực: em thiết kế gồm phần ghép lại lề giống chân người đặt chân Ở đầu khung xương có cấu tăng giảm để thay đổi độ dài phù hợp với chiều cao người Hình 22: Kết cấu tăng giảm + Về phần động lực: thiết kế chỗ để gắn đầu xy lanhkhí nén chỗ để móc dây lò xo Thiết kế dàn ống hơi, van bình khí nén, vị trí lắp lưng 18 + Về phần điện: Dùng mạch arrduino nhiều loại module khác nên ta thiết kế hộp điện bảo vệ Trong thiết kế cách bố trí mạch cho gọn gàng mà đảm bảo tính chống nhiễu, cách điện Hình 23: Hộp điện hồn chỉnh 4.4 Thử nghiệm ngun lý điều khiển hồn thiện chương trình Thử nghiệm nguyên lí xử lí tín hiệu, phát lỗi, sửa Thử nghiệm ngun lí chuyển động -Trước tiên, tìm cấu, thiết bị, linh kiện mà có sẵn thị trường địa phương gắn lại, điều chỉnh, trực tiếp để tiết kiệm thời gian chi phí -Những phần khơng có sẵn khơng tự chế tạo đặt hàng gia cơng ngồi - Sau cố định gắn kết chi tiết, phận lại vật liệu phù hợp (trong trường hợp ống nhơm phải dùng đinh riveter) - Đi dây điện, kết nối linh kiện điện tử, động lực lại với STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 BẢNG THIẾT BỊ VẬT TƯ Tên thiết bị Số lượng Ghi Xy lanh khí nén Ø= 30mm, hành trình 200mm Lò xo Chiều dài, độ cứng phù hợp Đồng hồ áp suất Loại nhỏ Van điện từ khí nén Điện áp kích 12VDC, loại 5/2 Ống khí nén Ống Ø= 6mm, chiều dài khoảng 3m Co khí nén 30 Ống Ø= 6mm , gai 8mm Van khóa bình khí nén Có đầu vặn co khí nén Chai nhựa PET Dung tích 2.25l, loại chứa nước có gas Hộp nhôm làm khung 25x50x700mm, dày 1.5mm Bản lề Vừa với hộp nhơm Van xe đạp Còn mới, sử dụng Mắt trâu Còn mới, sử dụng Cảm biến EMG Tương thích với arduino Arduino UNO R3 Còn mới, sử dụng Module relay Điện áp kích 5VDC, relay Module bluetooth HC-05 Còn mới, sử dụng Pin Li Po 11.1V - 2700mAh Mạch giảm áp LM2596 Còn mới, sử dụng Cơng tắc Còn mới, sử dụng 19 - Hình ảnh số thiết bị, vật tư: Hình 25: van khí nén Airtac Hình 24: Mạch giảm áp LM 2596 Hình 26: Module Bluetooth HC-05 Hình 27: Xy lanh khí nén STNC TGM 32X200-S 20 4.5 Tiến hành gia công chế tạo lắp ráp au lên thiết kế mua thiết bị đầy đủ, em bắt tay vào làm sản phẩm, với thiết bị đơn giản, tự chế em tự làm Như bình khí nén, đấu nối, lập trình mạch điện đấu nối hệ khí nén Hình 28: Bộ bình khí nén tự chế Đối với cơng việc ngồi khả gia cơng khí em đặt hàng người ta làm theo yêu cầu kĩ thuật Một số phận đặt hàng ngồi: 21 Hình 29: Cơ cấu tăng giảm mắt trâu Hình 30: Tấm đỡ bàn chân Phần khí hồn thiện khung xương, sau lắp lại hồn chỉnh Hình 31: Phần khí hoàn thiện khung xương robot 22 4.6 Thử nghiệm, rút kinh nghiệm, cải tiến hoàn thiện sản phẩm: - Chạy thử thiết bị - Tìm lỗi sai sửa - Tìm hướng giải lỗi tìm điểm cải tiến thêm - Cuối trang trí hồn thiện sản phẩm Hình 32: Thử nghiệm phần khí khung xương 4.7 Hoàn thiện hồ sơ, làm poster chuẩn bị thuyết trình đề tài SỐ LIỆU, KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 5.1 Các thông số thiết bị Mơ hình “Khung xương robot thơng minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG” có thơng số sau: - Chiều dài 750mm (có thể tăng giảm tùy ý) - Góc gập chân tối đa 45o - Trọng lượng thiết bị: 3kg - Lực đẩy tối đa: khoảng 30kg - Áp suất khí nén làm việc lý tưởng: 5-6 kg/cm2 - Dung lượng pin 2700mAh Điện áp hoạt động: 11.1V - Giá thành sản phẩm: 3.000.000đ 23 5.2 Cách thức vận hành thiết bị Thiết bị có chế độ hoạt động: Chế độ chạy theo cảm biến chế độ tự động (chạy theo cách đứng lập trình sẵn) Các bước bản: (bắt buộc phải có chế dộ) Bước 1: Kiểm tra thiết bị ( khớp chuyển động trơn tru, đồng hồ đo áp 5-6 kg/cm2 , ống khí nén gắn đầy đủ sang bước tiếp theo) Bước 2: Xỏ giày vào giữ chân, cột dây giữ chân, giày chắn (người thao tác đứng ngồi tùy tư mà họ thấy thoải mái) Bước 3: Bật nguồn thiết bị, mở van khí nén (lúc thiết bị cấp nguồn ) Chế độ chạy theo cảm biến: Bước 4: Gạt công tắc chế độ sang phải, lúc thiết bị hoạt động chế độ cảm biến Thiết bị chạy có tín hiệu từ chân người dùng dừng lại xy lanh hết hành trình, xy lanh tự đảo chiều chạy hết hành trình lần thứ 2, kết thúc bước chân thiết bị đợi tín hiệu lần sau để tiếp tục chu trình Chế độ chạy tự động: Bước 4: Gạt công tắc chế độ sang trái Thiết bị tự động chạy theo thời gian bước chân lập trình sẵn, người dùng khơng thể điều khiển tín hiệu Lúc để an tồn người dùng nên thả lỏng hoàn toàn để khỏi xung đột với thiết bị gây té ngã Lưu ý: Người dùng tắt thiết bị khẩn cấp cách gạt cơng tắc nguồn PHÂN TÍCH SỐ LIỆU/ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 6.1 Ưu điểm: - Tính đề tài: Thể chỗ thiết bị tạo có khả + Thiết kế tối giản với xy lanh khí nén trợ lực chủ động lò xo trợ lực thụ động + Điều khiển tín hiệu EMG +Vận hành, thao tác đơn giản, phù hợp với mục đích nghiên cứu, thử nghiệm + Điều khiển sóng Bluetooth có khả tương thích cao -“Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG” đạt u cầu ngun lí, có chi phí đầu tư thấp Như đề tài bước đầu thành công 6.2 Hạn chế - Mới sản phẩm thử nghiệm nên có thơng số hạn chế - Mơ hình có chân 6.3 Đề xuất cải tiến - Nâng cấp phần cứng mạch điều khiển để đạt tốc độ xử lí nhanh (có thể Intel Galileo, Pi mạch phát triển chạy chip ARM M4,… ) để chạy thuật tốn cao cấp từ giúp cho việc xử lí tín hiệu nhiễu, xác có độ trễ thấp 24 - Nâng cấp thuật toán mới, nghiên cứu áp dụng Machine learning (học máy) để học mẫu pattern tín hiệu EMG, lọc nhiều từ nhận diện tín hiệu xác nhanh nhạy “hiểu” tín hiệu chuyển động phức tạp - Nâng cấp phần thu thập liệu từ cảm biến EMG gắn thêm cảm biến khác gia tốc góc, tốc độ, IMU để kết hợp liệu khai thác khía cạnh Big Data Thiết bị thêm nhiều giao thức kết nối khác wifi để trở thành thiết bị Internet of Things - Nâng cấp xy lanh khí nén thành Servo điện để điều khiển xác bù lại giá thành tăng KẾT LUẬN 7.1 Kết luận - Khung xương robot thông minh trợ lực tự di chuyển lại cho người già yếu, bênh tật điều khiển tín hiệu điện thần kinh EMG đạt yêu cầu nguyên lí, có chi phí đầu tư thấp đề tài bước đầu thành công Nếu tiếp tục nghiên hồn thiện đưa sản xuất thành sản phẩm mang tính ứng dụng cao, giúp cho việc phục hồi khả lại người già, yếu hiệu Khắc phục nhiều nhược điểm so với phương pháp truyền thống cũ - Tuy nhiên sản phẩm thử nghiệm nên có vài hạn chế định Cần tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện phát triển ý tưởng - Có thể nghiên cứu, phát triển đề tài theo hướng: Khung xương tổng hợp liệu từ cảm biến để theo dõi tiến trình phát triển khả lại bệnh nhân - Trong trình thực đề tài, em có kĩ kết hợp lí thuyết thực tiễn thơng qua nội dung thực như: + Kĩ tự tìm hiểu thơng qua sách báo, tài liệu, internet … tìm tòi giải vấn đề, tìm kiếm cách giải khác sáng tạo, tìm giải pháp độc lập, hiệu + Đối với vấn đề khó, tình nảy sinh, sẵn sàng trao đổi thảo luận, chủ động nêu câu hỏi bày tỏ suy nghĩ, quan điểm + Tự giác thực nhiệm cơng việc Khắc phục khó khăn để hồn thành nhiệm vụ, từ có khả định hướng nhanh vào mục tiêu học tập 7.2 Kiến nghị - Trong thời gian ngắn nghiên cứu, kinh phí hạn hẹp, kiến thức chuyên ngành hạn chế nên sản phẩm em khơng tránh khỏi thiếu sót Trong thời gian thực nghiệm, sản phẩm nên q trình thực nghiệm cần bổ sung, hồn chỉnh thêm - Để ý tưởng áp dụng vào thực tế, em mong quý thầy cô giáo, kĩ thuật viên góp ý để thiết bị em hồn thiện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình kĩ thuật mạch điện tử [2] SGK Công nghệ lớp 11,12 [3] Giáo trình linh kiện điện tử ứng dụng [4] Nguồn tài liệu từ Internet: 25 - Mathworks, Real-Time ECG QRS Detection https://www.mathworks.com/help/dsp/examples/real-time-ecg-qrs-detection.html - MATLAB (2013), Programming Arduino Uno with Simulink https://www.youtube.com/watch?v=9ttIZoUXCKY - Chris Notap (2015), How to build a L Bottle Air Tank Array https://www.youtube.com/watch?v=mx7_03ryFVQ - Thehinh.com (2016), Sơ đồ nhóm thể tập gym, thể hình http://www.thehinh.com/2016/01/xac-dinh-chi-tiet-nhom-co-trong-tap-gym.html - Hugh Herr (2014), New bionics let us run, climb and dance, TED talks https://youtu.be/CDsNZJTWw0w - 26