Sản phẩm khoa học kỹ thuật xe lăn thông minh, khoa học công nghệ ứng dụng

ĐỀTÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP TỈNH Tên đề tài: Xe lăn điều khiển cử đầu dành cho người khuyết tật Lĩnh vực: HỆ THỐNG NHÚNG Bắc Ninh, tháng 12 năm 2015 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN .3 Lý chọn đề tài 1.1 Tính cấp thiết đề tài .3 Xác định vấn đề nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu 2.2 Đối tượng nghiên cứu 2.3 Nội dung đề tài, vấn đề cần giải 2.4 Thời gian nghiên cứu 2.5 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ MƠ HÌNH NGHIÊN CÚU .8 2.1 Quá trình nghiên cứu 2.1 Tìm hiểu vật liệu thiết bị điện tử 11 2.1.3 Thiết kế sản phẩm 13 2.1.3.1 Bộ điều khiển xe lăn điện 13 2.1.3.2 Modul Sim tích hợp chức định vị GPS: .14 2.1.3.3 Bộ điều khiển trung tâm Raspberry Pi : 16 2.1.3.4 Công tắc ổ cắm tích hợp điều khiển từ xa: .17 2.1.4 Lập trình kết nối .19 2.1.4.1 Lập trình điều khiển giọng nói Raspberry Pi 19 2.1.4.2 Lập trình điều khiển thiêt bị thu phát không dây .20 2.1.5 Lắp đặt sản phẩm 20 2.1.6 Nguyên lý vận hành .21 2.1.6.1 Điều khiển xe lăn chuyển động 21 2.1.6.2 Điều khiển thiết bị dân dụng .22 2.2 Kết nghiên cứu 25 2.2.1 Bảng vật liệu 25 2.2.2 Các thông số kỹ thuật .25 2.2.3 Hoàn thiện sản phẩm 26 3.1 Kết nghiên cứu 27 3.2 Ứng dụng đề tài 27 3.3 Chi phí kinh tế đề tài 27 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình1.1: Raspberry Pi bán webside https://raspberrypi.vn Hình 2.1: Người khuyết tật tay lẫn chân bị di chứng chất độc cam Hình 2.2: Người lao động làm việc với bom mìn sót sau chiến tranh Hình 2.3: Người già bị liệt đột quỵ Hình 2.4: Biểu tượng cơng cụ Google Assistant Hình 2.5: Sơ đồ khối mơ tả hệ thống Hình 2.6: Tay điều khiển gắn xe điện Hình 2.7: Sơ đồ đấu nối modul sim 808 Hình 2.8: Modul sim 808 Hình 2.9: Bản đồ định vị vị trí người khuyết tật Hình 2.10: Mạch điều khiển trung tâm Raspberry Pi Hình 2.11: Cổng đấu nối vào Raspberry Pi Hình 2.12: Mạch điều khiển trung tâm gắn xe Hình 2.13: Sơ đồ khối cơng tắc, ổ cắm Hình 2.14: Sơ đồ đấu nối cơng tắc với thu phát khơng dây Hình 2.15: Mạch điều khiển bật tắt thiết bị ổ cắm công tắc Hình 2.16: Cơng tắc, ổ cắm khí tích hợp mạch điều khiển từ xa Hình 2.17: Giao diện lập trình điều khiển giọng nói Raspberry Pi Hình 2.18: Gắn điều khiển trung tâm vào thân xe Hình 2.19: Kết nối Micro với điều khiển Hình 2.20: Lắp mạch điều khiển từ xa vào công tắc ổ cắm Hình 2.21: Tháo thiết bị điều khiển xe lăn để tìm hiểu nguyên lý làm việc Hình 2.22: Kết nối với điều khiển trung tâm lập trình Hình 2.23: Kết nối máy tính thực thao tác lệnh xe lăn Hình 2.24: Thử nghiệm tính xe lăn sau hoàn thiện sản phẩm CHƯƠNG TỔNG QUAN Lý chọn đề tài 1.1 Tính cấp thiết đề tài Theo trang trợ lý pháp luật Việt Nam[1] “ Tính đến năm 2013 giới có khoảng 10% dân số người khuyết tật Theo báo cáo Bộ Lao động Thương binh Xã hội, nước có khoảng 15 triệu người khuyết tật (chiếm khoảng 17,5% dân số) Trong khoảng 87% người khuyết tật sống nơng thơn gặp nhiều khó khăn kinh tế, cần đến trợ giúp, hỗ trợ nhà nước xã hội Do ngồi việc thực bảo vệ quyền nghĩa vụ công dân khác họ cần bảo vệ quyền ưu tiên dành riêng cho họ Mặt khác phần lớn người khuyết tật thường có mặc cảm tự ti gánh nặng cho người thân, gia đình, tự xa lánh với người xung quanh Do cần hành động để hỗ trợ cho người khuyết tật, tất phương diện từ khuyết tật vận động trí tuệ hay cảm giác, để hướng đến việc xây dựng dân tộc khoẻ mạnh phát triển bền vững 1.2 Tính thực tiễn đề tài Hiện nay, với người khuyết tật thường gặp vấn đề sau: • Khuyết tật thân thể, tứ chi, khuyết tật vận động • Suy giảm giác quan: (mù, điếc, khiếm thính, khiếm thị, khơng nhận mùi vị) • Khuyết tật nói (câm, líu lưỡi), đọc (thiểu đọc) • Khiếm khuyết khả học hỏi, luyện tập • Khuyết tật tâm lý (tâm thần), bại não • Thiểu trí tuệ, tự kỷ Chúng ta thường xuyên gặp người khuyết tật chân lại, di chuyển vất vả đường với xe lăn bất tiện việc sinh hoạt, sử dụng thiết bị dân dụng hàng ngày, hay người khuyết tật chân tay phải nhờ hỗ trợ giúp đỡ người xung quanh để di chuyển, sinh hoạt trí tuệ bình thường Để hỗ người khuyết tật mặt vận động này, Trên giới nói chung Việt Nam nói riêng có nhiều nghiên cứu thiết kế xe lăn phù hợp với đối tượng khác như: Xe lăn khí phù hợp với người khuyết tật phần chân Những xe lăn lăn giá thành hợp lý, phù hợp với đa số đối tượng người thu nhập thấp người Việt Nam Xe lăn điện phù hợp với người khuyết tật chân tay yếu, việc lại dễ dàng thao tác phím ấn hay cần gạt Joystick Giá thành xe cao với tính hỗ trợ thay cho người thân giá thành phù hợp Như vậy, người khuyết tật chân, xe lăn điện khắc phục, giúp đỡ họ, người bị khuyết tật tay lại hạn chế Nhiều năm qua có nhiều dự án, nhiều nhóm nhà khoa học nghiên cứu, hồn thiện, chí có phiên trực tiếp thay cho người Có hướng nghiên cứu thiết kế cánh tay robot cho người khuyết tật Ý tưởng hay, nhiên có nhược điểm sản phẩm khó phục vụ đại trà giá thành tương đối đắt sản phẩm phải làm theo kiểu handmade người có khuyết tật tay khác Vì quốc gia phát triển Việt Nam, tỷ lệ người tiếp cận với sản phẩm hỗ trợ chuyển động tay điều xa vời Có nhóm nghiên cứu theo hướng điều khiển giọng nói, điều khiển cử động ý tưởng bắt đầu nhen nhóm triển khai Tuy nhiên, nhiều lần chúng em thăm cụ, ông bà thấy ông bà lại, di chuyển, sinh hoạt khó khăn, lần thiện nguyện trung tâm phục hồi chức năng, lần quê chúng em quan sát thấy có người khuyết tật tay, chân yếu ớt, tai nạn giao thông nguyên nhân khác, di chuyển lại gặp khó khăn sinh hoạt Vậy làm để tạo sản phẩm giúp người khuyết tật vừa di chuyển thuận tiện, dễ dàng, linh động vừa điều khiển số dụng cụ gia đình phục vụ sinh hoạt thân cải thiện cho sinh hoạt hàng ngày hạn chế giúp đỡ người thân người thân vắng với giá thành phù hợp cho người khuyết tật? Để giải cho vấn đề chúng em hình thành ý tưởng là: “Chế tạo xe lăn điện tương tác thông minh dành cho người khuyết tật” Ý tưởng chúng em dựa tảng xe lăn điện bán thị trường phát triển cách mạng công nghiệp 4.0 hay vạn vật kết nối (IOT - Internet Of Think) Nhằm cải thiện thêm số tính để phù hợp với tối đa người khuyết tật Nguyên lý: Sử dụng Micro phone lệnh tới điều khiển trung tâm (Raspberry Pi 3) Bộ điều khiển trung tâm nhận lệnh, so sánh với tập lệnh có để phần điều khiển xe lăn di chuyển, phần điều khiển thiết bị ngày qua môi trường khơng dây (wifi) 1.3 Tính khả dụng Hiện vấn đề công nghệ thông tin, điện tử ngày phát triển, cáclinh kiện, thiết bị điện tử có vi mạch, cách mạch điện tử thơng minh như: điều khiển trung tâm (Raspberry Pi 3), Microphone, mạch thu phát wifi bán nhiều thị trường Việt Nam, dễ dàng mua bán thiết bị Hình 1.1: Raspberry Pi bán webside https://raspberrypi.vn Bên cạnh phát triển trang mạng xã hội nên dễ dàng đặt hàng mua thiết bị qua mạng xã hội Xác định vấn đề nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Chế tạo xe lăn điện tương tác thông minh khơng phục vụ việc lại mà hỗ trợ cho sinh hoạt hàng ngày hạn chế thấp hỗ trợ người thân có giá thành phù hợp với người khuyết tật sử dụng đại trà Sản phẩm dự tính tính sau: - Thiết kế thêm tính điều khiển giọng nói, giúp người khuyết tật lại, di chuyển - Bộ điều khiển xe lăn kết nối không dây với thiết bị dân dụng gia đình như: ti vi, quạt, bóng điện, bình để người khuyết tật dễ dàng sử dụng - Xác định vị trí, hỗ trợ tính theo dõi sức khỏe, nhằm gửi cảnh báo cho người thân trường hợp khẩn cấp - Bộ điều khiển trung tâm gọn, nhẹ, tính di động cao nhằm tạo tiện lợi lúc sinh hoạt Hướng phát triển tiếp đề tài: - Phân biệt giọng nói địa phương - Tích hợp tính nút điều khiển tự động muốn từ xe nằm lên giường ngược lại - Có thể tích hợp sử dụng cảm biến cho người phím thị di chuyển - Sử dụng định vị GPRS, cảm biến để điều khiển người phím thị di chuyển qua hệ thống microphone tích hợp vào điện thoại thông minh 2.2 Đối tượng nghiên cứu Những người bị khuyết tật bàn tay, cánh tay tay, hai tay chí cho người hai tay khả vận động, người khơng có khả hoạt động tay, chân nói bình thường, người già yếu khó khăn sinh hoạt 2.3 Nội dung đề tài, vấn đề cần giải - Tìm hiểu thực trạng, chế độ của người khuyết tật Việt Nam - Tìm hiểu tâm lí người khuyết tật từ tìm hiểu vấn đề giải - Nghiên cứu vấn đề thực tiễn cần giải quyết, đề mục tiêu phương án, cách thức tiến hành để thực đề tài - Tìm hiểu cơng nghệ Google Voice nhằm chuyển đổi giọng nói người thành lập lệnh để điều khiển -Tìm hiểu vai trò chức máy tính nhúng Raspberry Pi cách thức tiến hành sử dụng, lập trình Arduino IDE để viết code cho mạch Arduino dùng để tương tác với thiết bị phần cứng - Tính tốn thiết kế, cách sử dụng thu phát wifi để điều khiển thiết bị gia đình qua mơi trường khơng dây - Lắp đặt bố trí hồn thiện sản phẩm - Liên hệ với người khuyết tật để tiến hành vận hành thử - Đánh giá sản phẩm chỉnh sửa thông số kỹ thuật cho phù hợp - Báo cáo kết nghiên cứu trước hội đồng khoa học kỹ thuật nhà trường để nhận xét, đánh giá sở tiếp thu ý kiến để nhận xuât cải tiến, nâng cấp sản phẩm 2.4 Thời gian nghiên cứu Ý tưởng chúng em hình thành từ lâu, nhiên từ hướng dẫn, bảo thầy chúng em với bắt tay vào tìm hiểu nghiên cứu -Từ tháng 1/2017-3/2017 tìm hiểu thơng tin, thu thập tài liệu - Từ tháng 4/2017-6/2017 nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu nguyên lý hoạt động - Từ tháng 5/2017 đến thu thập mua linh kiện lắp ráp, hoàn thành vận hành thử 2.5 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp quan sát - Phương pháp lý luận - Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp đối chứng - Phương pháp chuyên gia - Phương pháp thống kê - Một số phương pháp khác như: khảo sát, mô phỏng, báo cáo CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ MƠ HÌNH NGHIÊN CÚU 2.1 Quá trình nghiên cứu 2.1.1 Hình thành ý tưởng Hình 2.6: Tay điều khiển gắn xe điện Trong đó: - Phím ấn vàng + - : Để thực tăng giảm tốc độ xe điện - Phím nguồn đỏ: Thực chức báo hiệu có nguồn hay khơng phía hình hiển thị dung lượng pin - Phím loa màu hồng: Thực chức đưa cảnh báo người khuyết tật cần giúp đỡ người xung quanh - Gậy joystick: Dùng để điều khiển xe di chuyển: tiến, lùi, trái, phải 2.1.3.2 Modul Sim tích hợp chức định vị GPS: Thực chức nhận tạo mạng liệu di động, để điều khiển trung tâm kết nối với webside, môi trường truyền thơng tin ( tình trạng sức khỏe, trường hợp khẩn cấp bị ngã…) đến người thân Modul định vị GPS thực chức xác định vị trí người khuyết tật, gửi thơng tin vị trí lên webside thơng điều khiển trung tâm 14 Hình 2.7: Sơ đồ đấu nối modul sim 808 Hình 2.8: Modul sim 808 Hình 2.9: Bản đồ định vị vị trí người khuyết tật 15 2.1.3.3 Bộ điều khiển trung tâm Raspberry Pi : Thực chức nhận lệnh từ giọng nói từ người khuyết tật, xử lý thông tin gửi lệnh điều khiển đến xe lăn thiết bị điện dân dụng Hình 2.10: Mạch điều khiển trung tâm Raspberry Pi Hình 2.11 Cổng đấu nối vào Raspberry Pi 16 Hình 2.12: Mạch điều khiển trung tâm gắn xe 2.1.3.4 Công tắc ổ cắm tích hợp điều khiển từ xa: Nhằm mục đích bật tắt thiết bị nhà kết nối với như: Bóng điện, quạt điện, ti vi, bình nóng lạnh… Cơng tắc phải đảm bảo nguyên tắc vừa bật khí ( dành cho người bình thường), điều khiển từ xa giọng nói thơng qua mơi trường Wifi Bộ điều khiển công tắc phải vừa nhỏ gọn để thiết kế vừa gọn không gian công tắc thực tế, vừa có độ an tồn cao cơng suất đủ lớn Hình 2.13 Sơ đồ khối cơng tắc, ổ cắm 17 Hình 2.14 Sơ đồ đấu nối cơng tắc với thu phát không dây Trong sơ đồ ngun lý này, bặt, tắt cơng tắc thông qua công tắc SW1 qua giọng nói Khi có tín hiệu điều khiển thiết bị từ Micro, thông qua Raspberry để xử lý lệnh truyền lệnh theo môi trường không dây xuống công tắc ổ cắm Tại vị trí cơng tắc, ổ cắm nhận lệnh phân tích lệnh đưa tín hiệu điều khiển để bật tắt thiết bị kết nối với công tắc ổ cắm Sơ đồ trạng thái mô tả mối quan hệ bật tắt thiết bị cơng tắc tín hiệu nhận từ vi xử lý 18 Mạch thực thực hiện: Mạch điện thực thu nhỏ để bỏ vào hộp điện âm tường kết nối với công tắc khí Hình 2.15 Mạch điều khiển bật tắt thiết bị ổ cắm cơng tắc Hình 2.16: Cơng tắc, ổ cắm khí tích hợp mạch điều khiển từ xa 2.1.4 Lập trình kết nối 2.1.4.1 Lập trình điều khiển giọng nói Raspberry Pi 19 Hình 2.17: Giao diện lập trình điều khiển giọng nói Raspberry Pi - Code chương trình (xem phần phụ lục) 2.1.4.2 Lập trình điều khiển thiêt bị thu phát khơng dây - Code chương trình (xem phần phụ lục) 2.1.5 Lắp đặt sản phẩm Bước 1: Gắn phần điều khiển trung tâm vào thân xe kết nối với điều khiển có sẵn thân xe Hình 218 Gắn điều khiển trung tâm vào thân xe 20 Bước 2: Lắp micro kết nối với điều khiển trung tâm Hình 2.19 Kết nối Micro với điều khiển Bước 3: Lắp mạch điều khiển từ xa vào ổ cắm công tắc muốn điều khiển thiết bị Hình 2.20 Lắp mạch điều khiển từ xa vào cơng tắc ổ cắm Bước 4: Kết nối nguồn, bật nguồn thực thao tác lệnh mong muốn 2.1.6 Nguyên lý vận hành 2.1.6.1 Điều khiển xe lăn chuyển động Để thực việc điều khiển xe lăn di chuyển đến vị trí mong muốn, thực lệnh sau: 21 STT Khẩu lệnh Xe lăn thực Xe lăn dừng lại trạng thái (tiến, lùi, trái phải Xe lăn lùi khỏi vị trí Xe lăn tiến lên phía trước Xe lăn thực rẽ sang bên trái Xe lăn thực rẽ sang bên phải Dừng Lùi Tiến Trái Phải Ghi chú: Đang điều khiển thiết bị trạng thái bất kỳ, khơng muốn thực thao tác thực lệnh dừng Ví dụ: Đang cho xe rẽ trái, xe thực rẽ trái, đến vị trí mong muốn , ta hơ lệnh “dừng” 2.1.6.2 Điều khiển thiết bị dân dụng Trong phạm vi nghiên cứu đề tài thực kết nối mạch điện với thiết bị bao gồm ổ cắm để cắm thiết bị điện ví dụ quạt điện công tắc điều khiển cho bóng đèn 22 Do để thực muốn thực bật tắt thiết bị mong muốn thực lệnh sau: STT Khẩu lệnh Ổ cắm công tắc thực lệnh Ổ cắm kết nối nguồn thiết bị điện cắm với làm việc Ổ cắm ngắt nguồn thiết bị điện cắm với khơng làm việc Đèn nối với cơng tắc sáng Đèn nối với công tắc tắt Đèn nối với công tắc sáng Đèn nối với công tắc tắt Bật ổ cắm Tắt ổ cắm Bật đèn Tắt đèn Bật đèn Tắt đèn 2.1.7: Một số hình ảnh trình lắp đặt thử nghiệm 23 Hình 2.21 Tháo thiết bị điều khiển xe lăn để tìm hiểu nguyên lý làm việc Hình 2.22 Kết nối với điều khiển trung tâm lập trình 24 Hình 2.23: Kết nối máy tính thực thao tác lệnh xe lăn 2.2 Kết nghiên cứu 2.2.1 Bảng vật liệu STT Vật liệu Xe lăn điện Raspberry Pi Modul Adruno Mạch thu phát wifi Triac BTA16 Mạch nguồn cho công tắc, ổ cắm Modul Sim 800A Các phụ kiện khác (công tắc, nút ấn, dây điện…) Số lượng 01 01 03 03 03 01 gói 01 2.2.2 Các thông số kỹ thuật STT Tên thiết bị Xe lăn điện Thông số kỹ thuật Đánh giá Xe chắn, bền đẹp, có tính phù hợp người khuyết tật Bộ điều khiển Điện áp làm việc Nhỏ gọn dễ lắp đặt, sử trung tâm 5VDC, số lượng dụng nguồn chiều nên Raspberry Pi cổng kết nối vào tận dụng điện áp ac 25 40, kích thước 20*10*5cm Mạch điều khiển Điện áp làm việc từ xa công 5VDC, kích thước tắc, ổ cắm 7*4*2cm, số thiết bị kết nối 03 Giao diện điều Sử dụng công cụ khiển giọng nói Google Assistant quy xe lăn Nhỏ gọn, bỏ vừa vào cơng tắc ổ cắm âm tường Là công cụ phát triển công ty Google dựa tảng trí tuệ nhân tạo nên phù hợp với nhiều đối tượng có giọng nói khác 2.2.3 Hồn thiện sản phẩm Hình 2.24 Thử nghiệm tính xe lăn sau hồn thiện sản phẩm 26 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết nghiên cứu Trên cở sở xe lăn điện thị trường, nhóm chúng em hướng dẫn thầy giáo thu tập, mua thiết bị, nguyên vật liệu để lắp ráp chế tạo “xe lăn điện tương tác thông minh dành cho người khuyết tật” thời điểm nhóm em hồn thành đa số cơng việc điều khiển xe lăn di chuyển giọng nói, tương tác với thiết bị điện để điều khiển tắt bật tiến hành cho vận hành thử chức định vị vị trí đưa cảnh báo vấn đề sức khỏe với người thân 3.2 Ứng dụng đề tài Xe lăn điện tương tác thông minh dành cho người khuyết tật ứng dụng việc hỗ trợ cho người bị khuyết tật chân bàn tay, cánh tay trường hợp tay bị tê liệt, cho nhũng người già yếu, khả vận động Trên sở dùng giọng nói để điều khiển xe lăn điện chuyển động thông qua môi trường không dây để điều khiển thiết bị điện gia đình có nhu cầu Qua giúp người khuyết tật tự tin sống, hòa nhập với người, với cộng đồng góp phần nâng cao chất lượng sống thân, gia đình toàn xã hội, thúc đẩy phát triển kinh tế, xã hội để đát nước ta văn minh hơn, đại 3.3 Chi phí kinh tế đề tài - Phần lớn vật liệu thiêt bị phổ biến mua chợ điện tử cửa hàng Nội dung, thiết bị Micro phone Raspberry Pi Modul thu phát wifi Modul Sim 800A Modul Adruno Các phụ kiện khác (công tắc, nút ) Triac BTA16 Số Đơn vị Đơn giá lượng 12.000 1.090.000 45.000 560.000 240.000 gói 250.000 10.000 Tổng KẾT LUẬN 27 Thành tiền 12.000 1.090.000 135.000 560.000 240.000 350.000 30.000 2.417.000 Do đề tài có tính chất thời cao nên trình thiết kế sản phẩm chúng em gặp nhiều khó khăn trình tìm hiểu hồn thiện tính sản phẩm Bên cạnh nỗ lực tìm hiểu, lắp ráp mạch điện tìm hiểu lập trình, thử nghiệm chúng em nhận hộ trợ lớn thầy giáo người hướng dẫn khoa học để chúng em hồn thiện tính sản phẩm Sau thời gian nghiên cứu, lắp ráp vận hành thử chúng em chế tạo thành công “ Xe lăn điện tương tác thông minh dành cho người khuyết tật” Tuy nhiên thời gian chuẩn bị có hạn nên chúng em chưa kịp hồn thiện số tính mong muốn sản phẩm Vì thời gian tới, chúng em tiếp tục tìm hiểu hồn thiện tính Chúng em chân thành cảm ơn! Tác giả 28 ... lệnh sau: 21 STT Khẩu lệnh Xe lăn thực Xe lăn dừng lại trạng thái (tiến, lùi, trái phải Xe lăn lùi khỏi vị trí Xe lăn tiến lên phía trước Xe lăn thực rẽ sang bên trái Xe lăn thực rẽ sang bên phải... khuyết tật để tiến hành vận hành thử - Đánh giá sản phẩm chỉnh sửa thông số kỹ thuật cho phù hợp - Báo cáo kết nghiên cứu trước hội đồng khoa học kỹ thuật nhà trường để nhận xét, đánh giá sở tiếp... xe lăn phù hợp với đối tượng khác như: Xe lăn khí phù hợp với người khuyết tật phần chân Những xe lăn lăn giá thành hợp lý, phù hợp với đa số đối tượng người thu nhập thấp người Việt Nam Xe lăn