Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay robot dành cho người khuyết tật

Một thiết kế in 3D cho một bộ phận giả tạo được đưa ra.Cánh tay điện tử hoạt động và kiểm soát bởi một người sử dụng uốn cơ của mình.. 2.4.2 Kế hoạch Kiểm soát Mục đích chính là chúng tô

MỤC LỤC

Mục lục 1

Danh mục viết tắt 4

Danh mục hình ảnh 5

Tóm tắt đề tài 7

Phần 1:Đặt vấn đề 8

1.1 Tính cấp thiết đề tài 8

1.2 Lí do chọn đề tài 9

Phần 2:Tổng quan nghiên cứu 10

2.1 Tổng quan đề tài 10

2.1.1 Cơ cấu điều khiển bằng cơ khí 10

2.1.2 Khớp giả kiểm soát bằng cơ bắp 10

2.1.3 Giao diện não trực tiếp 11

2.2 Tình hình trong nước 12

2.3 Tình hình trên thế giới 13

2.4 Vấn đề tồn tại và hướng giải quyết vấn đề 15

2.4.1 Thiết kế vật lý 15

2.4.2 Kế hoạch kiểm soát 15

2.4.3 Thực tiễn 15

2.4.4 Giá cả phải chăng 15

Phần 3:Mục tiệu và phương pháp nghiên cứu 16

3.1 Mục tiêu của đề tài 16

Phần 4: Cơ sở lý thuyết 17

4.1 Tay người 17

4.2 Khả năng của bàn tay giả: 19

4.3 Cánh tay robot 19

4.4 Cánh tay robot và công nghệ in 3D 19

4.5 Kiểm soát thông qua bộ cảm biến cơ 20

Phần 5 : Thiết kế và sản suất 21

5.1 Thiết kế cơ khí 21

5.1.1 Ý tưởng ban đầu và bản vẽ 21

5.1.2 Thiết kế hỗ trợ máy tính 23

Phần 6 : Tính toán thiết kế 29

6.1 Tính toán cơ học 29

6.1.1 Lực ở ngón tay 29

6.1.2 Tốc độ kích hoạt ngón tay 30

Phần 7: Thiết kế điện tử 31

7.1 Tổng quan về luồng tín hiệu 31

7.2 Động cơ 32

7.3 Mạch Arduino R3 32

7.3.1 Một vài thông số của Arduino UNO R3 33

7.3.2 Vi điều khiển 33

7.3.3 Năng lượng 35

7.3.4 Các chân năng lượng 35

7.3.5 Bộ nhớ 36

7.3.6 Các cổng vào/ra 37

7.3.7 Lập trình cho Arduino 38

7.4 Cảm biến cơ bắp 39

7.5 Nguồn điện 40

7.6 Tín hiệu Servo 41

7.7 Kiểm soát EMG: 42

7.8 Thông tin cảm biến 42

7.9 Sơ đồ khối 43

7.10 Kiểm soát 43

Phần 8: Thi công mô hình 45

8.1 Lắp ráp phần cơ khí 45

8.1.1 Bước 1 45

8.1.2 Bước 2 53

8.2 Hoàn thành phần điện tử vào phần cơ khí 54

Phần 9 :Kết luận và hướng phát triển 56

9.1 Kết luận 56

9.2 Đề xuất và kiến nghị 56

Tài liệu tham khảo 58

Phụ lục code lập trình vi điều khiển 59

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

EMg – ( Electro Myography) Cảm biến điện cảm

ABS – (Acrylonitrile butadiene styrene) nhựa ABS

PLA – ( Polyactic Acid) chất dẻo PLA

PIC – (Peripheral Interface Controller) Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi.DOF – (Degree of Freedom) Bậc tự do

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Người khuyết tật ở Việt Nam 8

Hình 2 1: Hệ thống điều khiển bằng dây cáp 10

Hình 2 2: Hệ thống điều khiển bằng cơ bắp qua mạnh EMG 11

Hình 2 3: Điều khiển bằng sóng não 11

Hình 2 4: Học sinh Phạm Huy và sản phẩm cánh tay robot 12

Hình 2 5: Chiến sĩ sống sót vụ rơi máy bay Mi171 đã có tay giả 13

Hình 2 6: cánh tay robot 14

Hình 2 7: cánh tay robot inMoov với công nghệ in 3D 14

Hình 4 1: cơ cấu xương cánh tay 17

Hình 4 2: Bậc tự do của một điểm 18

Hình 4 3: Mức độ tự do của một ngón tay 18

Hình 5 1: Động cơ lắp ở khủy tay 21

Hình 5 2: Cánh tay thi công thực tế 22

Hình 5 3: Cấu tạo 1 ngón tay robot 23

Hình 5 4: Ngón tay cái 24

Hình 5 5: Lòng bàn tay 25

Hình 5 6: Sơ đồ điều khiển 26

Hình 5 7: Sơ đồ đi dây gân 27

Hình 5 8: Cấu tạo cánh tay 28

Hình 5 9: Cánh tay lắp ráp hoàn thành 28

Hình 6 1: Sơ đồ phân bố lực trên ngón tay 29

Hình 7 1: Sơ đồ phân bố lực trên ngón tay 31

Hình 7 3: vi mạch arduino 32

Hình 7 4: vi điểu khiển 33

Hình 7 5: Chế tạo thủ công 34

Hình 7 6: Sử dụng mạch in 35

Hình 7 7: Vị trí các cổng 37

Hình 7 8: phần mềm lặp trình 39

Hình 7 9: biểu đồ sóng cảm biến cơ EMG 39

Hình 7 10: pin 9v 40

Hình 7 11: xung tín hiệu 41

Hình 7 12: sơ đồ năm đường xung tìn hiệu 42

Hình 7 13: sơ đồ khối 43

Hình 7 14: cảm biến lực được gắn vào tay 44

Hình 7 15: phần mềm đo giá tri lực trung bình 44

Hình 8 1: cánh tay hoàn chỉnh 51

Hình 8 2: động cơ được lắp hoàn chỉnh 52

Hình 8 3: Đường dây gân nối với servo 53

Hình 8 4: sơ đồ nối dây của servo và mạch điện 54

Hình 8 5: kết nối cánh tay với mạch điện 54

Hình 8 6: mạch cảm biến được kết nối với tay người 55

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Trong suốt toàn bộ luận án này, nó đã được tiếp cận như là một nỗ lực toàn thờigian Sản xuất, lắp ráp và thử nghiệm đã được thực hiện trong ngày tháng qua ,để có đượcnghiên cứu, thiết kế và tài liệu Một thiết kế in 3D cho một bộ phận giả tạo được đưa ra.Cánh tay điện tử hoạt động và kiểm soát bởi một người sử dụng uốn cơ của mình Cáccánh tay robot trình bày có tiềm năng sẽ được sử dụng bởi một cảm biến cơ bắp hoặcngười bị khuyết tật một chi Loại công nghệ này có tồn tại mặc dù nó là đắt tiền và nóichung không có sẵn cho người dân trong việc phát triển quốc gia

Tăng trưởng nhanh và tiến bộ của ngành công nghiệp in ấn 3D cho phép các cánhân trở thành các nhà sản xuất quy mô nhỏ Những tiến bộ gần đây cho thấy những cánhtay giả giả 3D được in gắn liền với nạn nhân chiến tranh khắp thế giới Các thiết bị nhưvậy là hoàn toàn cơ khí và ít phức tạp hơn các thiết bị điện cơ Tuy nhiên, chúng ta có thểthấy rằng 3D in thiết bị có tiềm năng tích cực ảnh hưởng đến cuộc sống của người dân In3D có hạn chế, nhưng tăng trưởng và phát triển trong lĩnh vực này sẽ chỉ dẫn đến nhữngcải tiến hơn thời gian Đề tài luận án này bao gồm nhiều lĩnh vực kỹ thuật Gốc của hệthống là một sáng tạo cơ khí thiết kế cho một cánh tay giả 3D in Điện tử ngày nay thiết bịtruyền động và mạch điện đã kích hoạt thiết bị và cho phép các chương trình điều khiểnphức tạp Nó là hy vọng rằng công việc này sẽ có giá trị cho một đối tượng đa dạng

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ1.1 Tính cấp thiết đề tài

Có thể lập luận rằng tài sản quý báu và giá trị nhất của con người là cơ thể củahọ.Thay thế một bộ phận trên cơ thể của một người đã bị mất đi, đặc biệt là một bàn tay,

là một nhiệm vụ đầy thách thức Thực sự cơ thể của một con người được cấu tạo rất phứctạp Trong nhiều thế kỷ, các nhà nghiên cứu đã cố gắng thây thế các bộ phận bị mất trên

cơ thể một người với các thiết bị nhân tạo Cho đến gần đây, thiết kế chân tay giả đã bắtđầu tiến triển Từ những vật thay thế đơn giản như chân gỗ,tay gỗ.Qua thời gian vật liệucải tiến và thiết kế bắt đầu kết hợp bản lề và hệ thống ròng rọc Việt Nam là quốc gia có tỉ

lệ người khuyết tật đo chiến tranh ,tai nạn lao động rất cao Mà giá thành để lắp một cánhtay nhân tạo thì rất cao không phù hợp với hoàn cảnh của họ.Trong suốt quá trình củaluận án này, nhóm em sẽ khám phá và thiết kế các bộ phận thay thế giúp cho ngườikhuyết tật với giá thành phù hợp với họ

Hình 1 1: Người khuyết tật ở Việt Nam

1.2 Lí do chọn đề tài

Mục tiêu tổng quát của đề tài là tạo ra cánh tay nhân tạo có thể thực hiện lại càngnhiều chức năng càng tốt cho một người khuyết tật Mục tiêu cuối cùng sẽ đến một ngày

có thể hoàn toàn thay thế chân tay bị thiếu

Giúp người khuyết tật có thể hòa nhập với cộng động, giúp họ có thực hiện nhữnghoạt động sinh hoạt thường ngày như cầm, nắm một cách thuận lợi ,họ có thể có đượcviệc làm ,tang them thu nhập cho bản than và gia đình

Ý tưởng để nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, ứng dụng in 3D đem lại nhiều hiệu quả và ưuđiểm là rất khả thi và hoàn toàn có thể thành hiện thực Trong một tương lai gần, nếuđược đầu tư, nghiên cứu nghiêm túc và ứng dụng vào lĩnh vực y học, trước tiên là đểnghiên cứu học tập tại các phòng thí nghiệm, và sau khi cánh tay robot đi vào hoạt độngsản xuất mang lại giá trị xã hội và kinh tế tạo ra các bộ phận nhân tạo phục vụ cho ngườikhuyết tật hiện nay là điều quan trọng và cấp bách nhất

Vì vậy, nhóm tác giả quyết định chọn đề tài

“NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT DÀNH CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT”

PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU2.1 Tổng quan đề tài

Có một số loại cơ cấu cánh tay giả đã được tạo ra trên thế giới Chúng thường đượcnhóm với cách thức kiểm soát thiết bị như sau

2.1.1 Cơ cấu điều khiển bằng cơ khí

Thiết bị được điều khiển bằng dây nịt nối với người sử dụng Đây nói chung làmột thiết bị đơn giản như một móc cơ học được liên kết với khuỷu tay/vai Mặc dù cácthiết bị này tương đối đơn giản nhưng chúng vẫn là loại phổ biến nhất hiện nay

Hình 2 1: Hệ thống điều khiển bằng dây cáp

2.1.2 Khớp giả kiểm soát bằng cơ bắp

Các bộ phận giả giả thần kinh cơ đo tín hiệu electromyography (EMG) được tạo ratừ.Sự co lại của các cơ gần phần còn lại của người khuyết tật Các tín hiệu này được đothông qua điện cực đặt trên bề mặt da hoặc nhúng trực tiếp vào cơ Những tín hiệu đượckhuếch đại và gửi đến một vi điều khiển phân tích thông tin này và kiểm soát bộ truyềnđộng bên trong Thiết bị cơ điện cho phép số lượng lớn hơn kiểm soát

Hình 2 2: Hệ thống điều khiển bằng cơ bắp qua mạnh EMG 2.1.3 Giao diện não trực tiếp

Điều khiển bằng giao diện thần kinh não trực tiếp Thủ thuật phẫu thuật đặt cácmảng điện cực trên bề mặt của não Được cấy vào hộp sọ của bệnh nhân Khi bệnh nhânnghĩ đến tín hiệu, được sử dụng để kiểm soát chuyển động của một cánh tay robot Loạicông nghệ này vẫn còn trong thời kỳ sơ khai

Hình 2 3: Điều khiển bằng sóng não

2.2 Tình hình trong nước

Hiện nay ước tính cả nước có khoảng 5,1 triệu người khuyết tật, chiếm khoảng 6%dân số, trong đó có 1,1 triệu khuyết tật nặng, chiếm 21,5% tổng số người khuyết tật Bao gồm 29% khuyết tật vận động, 17% tâm thần, 14% tật thị giác, 9% tật thính giác, 7% tật ngôn ngữ, 7% trí tuệ và 17% các dạng tật khác Tỷ lệ nam là người khuyết tật cao hơn nữ

do các nguyên nhân hậu quả chiến tranh, tai nạn lao động, tai nạn giao thông, tai nạn thương tích …

Nguyên nhân gây nên khuyết tật có tới 36% bẩm sinh, 32% do bệnh tật, 26% dohậu quả chiến tranh và 6% do tai nạn lao động Dự báo trong nhiều năm tới số lượng người khuyết tật ở Việt Nam chưa giảm do tác động của ô nhiễm môi trường, ảnh hưởngcủa chất độc hoá học do Mỹ sử dụng trong chiến tranh Việt Nam, tai nạn giao thông và tainạn lao động, hậu quả thiên tai…

Đã có nhiều học sinh ,sinh viên đã thực hiện nghiên cứu và cho ra sản phẩm vềcánh tay robot , cụ thể là em hoc sinh cấp ba Phạm Huy, học sinh lớp 11 trường THPTQuảng Trị

Hình 2 4: Học sinh Phạm Huy và sản phẩm cánh tay robot

Chiến sĩ quả cảm Đinh Văn Dương - người sống sót duy nhất vụ rơi máy bayMi171 được trao tay giả.

Hình 2 5: Chiến sĩ sống sót vụ rơi máy bay Mi171 đã có tay giả

2.3 Tình hình trên thế giới

Sang-won Leigh, một nghiên cứu sinh của Học viện Massachusetts (MIT), đã cùngvới giáo sư của mình là Pattie Maes phát triển một thiết bị đeo tay có thể gắn vào cổ tay của bạn và giúp bạn có thêm vài ngón tay robot

Hình 2 6: cánh tay robot

Mẫu Robot in 3d bằ ng nhựa dẻo với kích thước có tỉ lệ 1~1 của công ty Inmoovvới người thật của Geal có khả năng phản hồi, làm theo những lệnh bằng Tiếng Anh Hơnnữa, nó còn có thể có thể nhặt và thả những trái bóng nhỏ và xoay đầu để nhìn theo conngười Thật đặc biệt Robot này đã xuất hiện lần đầu tiên tại hội chợ công nghệ tạiRumani trong tháng trước Ý tưởng về con Robot này được hình thành từ chính cánh tayrobot mà Gael Langevin tạo ra vào năm 2011 Con Robot này được tạo ra sử dụng côngnghệ in 3D

Hình 2 7: cánh tay robot inMoov với công nghệ in 3D

2.4 Vấn đề tồn tài và hướng giải quyết vấn đề

Để tạo ra một cánh tay giả , có rất nhiều hướng thiết kế và sản xuất Những tháchthức để vượt qua Thách thức trong luận án này là tạo ra một cánh tay hợp lý và chấtlượng có thể được tiếp tục sử dụng cho nghiên cứu trong lĩnh vực chân tay giả

Điều quan trọng là người đọc phải lưu ý rằng công việc này bao gồm nhiều lĩnhvực kỹ thuật Dưới đây là những lĩnh vực chính sẽ được giải quyết trong suốt luận án này

2.4.1 Thiết kế vật lý

Sự phức tạp khi kết hợp của hệ thống cơ và điện Bắt chước cánh tay con người và

sự linh hoạt mà nó có thể cung cấp Thiết kế sẽ nhằm mục đích được như cánh tay thậtnhất có thể

2.4.2 Kế hoạch Kiểm soát

Mục đích chính là chúng tôi muốn một bộ phận thay thế dễ dàng và tự nhiên đểkiểm soát tốt

Khó khăn nhất trong việc hoàn thành nhiệm vụ cơ bản là lập trình sự tương tácgiữa mạch điện tử và phần cơ khí

2.4.3 Thực tiễn

Thiết bị này phải nhằm mục đích hữu ích cho người khuyết tật Liệu thiết bị này cóthực sự là khả năng mang lại lợi ích cho người bị mất một phần cánh tay

2.4.4 Giá cả phải chăng

Chúng tôi sẽ nhằm mục đích để giữ cho chi phí vật liệu của thiết bị càng thấp càngtốt

PHẦN 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU3.1 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu tổng quát của một bộ phận giả là thực hiện lại càng nhiều chức năngcàng tốt cho một người khuyết tật Mục tiêu cuối cùng sẽ đến một ngày có thể hoàn toànthay thế chân tay bị thiếu

Mục đích của công việc này là thiết kế và xây dựng một cánh tay giả thông quacông nghệ in 3D Người sử dụng thiết bị này sẽ có thể kiểm soát cánh tay bằng cách uốncong cơ thể phát hiện bằng cách sử dụng bộ cảm biến cơ bắp

Máy in 3D hiện đại cho phép tạo ra các chi tiết cơ khí chi tiết và lắp ráp tương đốinhanh Việc chế tạo các thiết kế phức tạp bằng các phương pháp khác sẽ còn nhiều đắttiền và sẽ không thể có trong một thời gian ngắn như vậy Lợi ích của hệ thống này là nó

là một chi phí thấp và cách tương đối đơn giản kiểm soát ngón tay

3.2 Phương pháp nghiên cứu

Rất khó để tạo ra một thiết kế đặc biệt từ những bước đầu tiên Nhiều giải pháp cóthể có vẻ hợp lý lúc đầu nhưng sau đó dẫn đến những vấn đề không được giải quyết

Qua nhiều tháng không chỉ lãng phí thời gian quý báu, nhóm đã tìm ra được hướnggiải quyết ,một phương pháp tốt nhất là tạo ra nguyên mẫu các chi tiết của bàn tay bằngcông nghệ in 3D In 3D cho phép chúng tôi dễ dàng tạo ra chi tiết và thuận lợi trong việclắp ráp

PHẦN 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

4.1 Tay người

Bàn tay con người bao gồm ít nhất 27 xương (tùy thuộc vào cá nhân) , nhiều hơn

30 cơ cá thể và trên 100 dây chằng dây thần kinh, dây thần kinh và động mạch

Cánh tay robot nhằm mục đích sao chép các chức năng của cơ thể con người vàtrả lại chức năng cho người bị khuyết tật có thể phù hợp với sự khéo léo, linh hoạt

và sự linh động của bàn tay

Hình 4 1: cơ cấu xương cánh tay

Nhìn vào hình dưới , hãy tưởng tượng một điểm trong không gian Từ điểm nàychúng ta có thể (di chuyển) dọc theo 3 trục khác nhau, nghĩa là chúng ta có thể di chuyển

về phía trước / phía sau, lên / xuống và sang trái và phải Tại cùng một điểm chúng tôicũng có thể xoay quanh 3 trục khác nhau.Như bộ phận cổ con người có 3 độ tự do luânphiên - chúng ta có thể nhìn trái / phải, lên / xuống và nghiêng chúng đi ngang và dọc Vìvậy, trong một điểm có thể có tối đa là 6 độ tự do (3 chuyển đổi, 3 vòng quay)

Hình 4 2: Bậc tự do của một điểm

Ngón tay của con người trong tổng số có 4 độ tự do Ba trong số đó là những vòngxoay mỗi khớp (DIP, PIP, MCP) kết hợp để kiểm soát việc uốn và mở rộng ngón tay Cáckhớp ngón tay (khớp MCP) cũng cho phép giạng ra (xoắn ngón tay từ bên này sang bênkia) Ngón tay, và tất cả các khớp trong cơ thể con người được kích hoạt (di chuyển) qua

sự co lại của cơ và gân

Hình 4 3: Mức độ tự do của một ngón tay

4.2 Khả năng của bàn tay giả

Phần lớn các ngón tay giả được kích hoạt thông qua một mối liên kết chung là hệthống động cơ điện DC Mô hình động học cho các ngón tay giả khác nhau được trìnhbày dưới đây

Vấn đề với kiểu thiết kế này là không có sự kiểm soát đối với khớp ngón tay cánhân.Tất cả các khớp trong ngón tay được kiểm soát thông qua một bộ truyền động duynhất có nghĩa là toàn bộ ngón tay chỉ có một mức độ tự do - những ngón tay chỉ có thể mở/ đóng theo một cách duy nhất Trong thực tế một ngón tay của con người có thể kiểmsoát các khớp cá nhân nên có khả năng uốn cong trong nhiều cách, được hiển thị bêndưới,do thiếu kiểm soát tốt trong các ngón tay như cố gắng để đan, may hoặc chơi mộtnhạc cụ như một cây đàn guitar với một cánh tay robot hiện đại sẽ là một việc cực kỳ khókhăn

4.3 Cánh tay robot.

Sử dụng hoạt động của cơ xung quanh cẳng tay trên Người sử dụng cơ bản không kiểm soát các cử động ngón tay cá nhân, thay vào đó họ có thể chọn một mô hình nắm và giản ra

Cánh tay robot được điều khiển qua điện cực đồ thị điện (EMG) đặt trên bề mặtcủa da người sử dụng Vị trí của các điện cực này phụ thuộc vào mức độ cắt cụt nhưngthường là ở phần trên cẳng tay Phần mềm máy tính cân bằng có thể là được sử dụng đểđiều chỉnh một số cài đặt để tăng cường kiểm soát của người dùng về thiết bị và điềuchỉnh hệ thống với tín hiệu thần kinh của người sử dụng

Mức độ kiểm soát EMG phụ thuộc vào việc cắt cụ thể nhưng thường giới hạn ở chỉ

có một vài lệnh khác nhau mà không thể được thực hiện đồng thời.Trên thực tế, nó là do hạn chế này trong kiểm soát mà một hệ thống nắm bắt được xác định trước và một cách thủ công ngón tay điều chỉnh được thiết kế Nếu một hệ thống phức tạp hơn được thiết kế,người dùng sẽ chỉ đơn giản là không có cách kiểm soát nó

4.4 Cánh tay robot và công nghệ in 3D.

Trong vài năm qua phát triển công nghệ in 3D chân tay giả với vật liệu nhựa đãtrở nên khá phổ biến Kết hợp kiến thức về thiết kế cơ khí vào sản xuất in 3D cho ra ý

tưởng ngón tay được điều khiển bằng các gân hoạt động thông qua động cơ servo và dây cước đặt trong khủy tay.

Đây là một giải pháp đơn giản có lợi thế lớn trên bàn tay nhân tạo khác mà đó làthiết kế này là chi phí thấp và dễ dàng được sản xuất qua in 3D

4.5 Kiểm soát thông qua bộ cảm biến cơ

Cảm biến điện cảm

Các tín hiệu là các xung điện bên trong cơ thể được tạo ra bởi các cơ co bóp.Bộ cảm biến sẽ tiếp nhận giá trị lực trung bình do cơ của cơ thể người tạo ra và sẽ đưa ra tín hiệu tần số vào mạch arduino Từ tần số đó mạch arduino sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển cácservo

PHẦN 5 - Thiết kế và sản xuất5.1 Thiết kế cơ.

Để tạo ra một bộ phận giả giả thần kinh hữu ích, cần phải có một thiết bị cơ khíđược thiết kế tốt hệ thống bắt chước chức năng của cánh tay con người càng tốt càng tốt.Giữa nhiều thứ các thiết kế cơ học khác liên quan đến việc các khớp được kích hoạt nhưthế nào và các loại lực hiện tại trong hệ thống Thiết kế cánh tay bionic được trình bàytrong phần này có thể hoàn toàn được sản xuất bằng máy in 3D và các công cụ cơ bản

5.1.1 Ý tưởng ban đầu và Bản vẽ Khái niệm.

Sau khi nghiên cứu một số phương pháp khởi động cho tay giả, một thiết kế gânnhân tạo đã được chọn Gân nhân tạo là một cách hữu hiệu để kích hoạt cánh tay robot.Gân có thể là những đường dây sức mạnh không căng Những đường này kết nối với cácngón tay và được căng bằng động cơ trong cẳng tay Kéo trên gân làm cho ngón tay mở

và đóng lại

Động cơ điện lái những gân này phải được đặt hoàn toàn bên trong cánh tay robot,cụ thể là ở khủy tay Chúng tôi muốn những động cơ này đặt càng gần ngón tay càng tốt,tuy nhiên do kích thước tương đối lớn của chúng tôi, chúng tôi không thể cất giữ động cơđược sử dụng bên trong phần bàn tay Thay vào đó, động cơ nằm trong khủy tay

Hình 5 1: Động cơ lắp ở khủy tay

Thể hiện trên trang sau đây là một số phác thảo khái niệm đầu tiên phác thảo một

số bắt đầu quan trọng ý tưởng Sự lựa chọn sử dụng động cơ servo tiêu chuẩn để kéo gânđược thực hiện rất sớm Servo Motors được điều khiển động cơ điện DC có thể được điềukhiển để xoay để cụ thể vị trí góc cạnh.ông mô hình cuối cùng vẫn còn kết hợp một sốtrong những tính năng thiết kế ban đầu tuy nhiên nhiều phím các điểm thiết kế đã thay đổinhư vị trí servo và việc sử dụng các bánh lái Những hình ảnh dưới đây là một số thiết kếsớm hơn phát triển Hình ảnh ở phía dưới bên cho thấy lắp ráp các thành phần cơ họcriêng lẻ của bàn tay

Hình 5 2: Cánh tay thi công thực tế

5.1.2 Thiết kế hỗ trợ máy tính

Solidworks là một gói phần mềm thiết kế máy tính được làm cho mô hình cơ họcrắn ,linh kiện và bộ phận lắp ráp Solidworks là một công cụ phổ biến trong ngành côngnghiệp kỹ thuật và cóđược sử dụng rộng rãi trong việc thiết kế và phân tích các thànhphần cơ khí

 Ngón tay.

Mỗi ngón tay bao gồm ba thành phần được in cùng với vật liệu polypropylene.Gân nhân tạo vòng quanh đầu bên trong của ngón tay để tạo ra một điểm khóa gân Gânnày chạy qua các kênh bên trong ngón tay để tạo thành một vòng kín Khi gân được kéolực quay được áp dụng cho tất cả các khớp và ngón tay lượn lên

Hình 5 3: Cấu tạo 1 ngón tay robot

Điểm khóa gân là điều cần thiết để khi dây chằng căng nó kéo đầu của ngón tay vàgây ra tất cả các khớp để xoay Nếu gân không khóa nó sẽ trượt khi căng thẳng và ngón

tay không cử động Để mở ngón tay từ một vị trí khép kín căng thẳng được áp dụng chođầu kia của gân.

Chất lượng cao đánh bắt đường dây đánh cá đã được sử dụng như nó cung cấpcăng tối thiểu khi căng thẳng

Dây cước cá bằng nylon sẽ kéo dài theo thời gian dẫn tới sự mất mát căng thẳngảnh hưởng tiêu cực đến chuyển động của ngón tay Mũi trong công việc của con ngườibằng tay sinh học tương tự, tuy nhiên,có rất nhiều tuyến gân sinh học gắn liền với xươngkhác nhau - cho phép để kiểm soát chính xác hơn các ngón tay

 Ngón tay cái

Ngón cái cũng được thiết kế theo cách tương tự Có ít nhất hai độ tự do trong ngóntay cái Ngón tay cái này tuy nhiên chỉ cung cấp một mức độ tự do duy nhất - nó chỉ cóthể mở / đóng theo một cách duy nhất

Lỗ hướng dẫn đã được kết hợp vào việc thiết kế của các ngón tay và ngón tay cái

để tối ưu hóa hướng gân và ngăn cản các đường gân bị mắc kẹt trên một cạnh sắc nét lòngbàn tay

Mỗi ngón tay kết nối với lòng bàn tay bằng trục kim loại

Hình 5 4: Ngón tay cái

 Lòng bàn tay

Mỗi ngón tay kết nối với lòng bàn tay bằng trục kim loại

Hình 5 6: Sơ đồ điều khiển

Hình ảnh dưới đây cho thấy gân nhân tạo cho ngón trỏ Tất cả các gân khác đã được bỏ qua cho rõ ràng Ngón tay cái, ngón giữa và ngón giữa được kết nối với động cơservo cá nhân Bởi vì không gian nội thất của cánh tay bị giới hạn ,dây gân điều khiển ngón tay co và giãn được gắn liền với cùng một servo, có nghĩa là họ mở và đóng song song

 Cánh tay

Hình 5 7: Sơ đồ đi dây gân

Mặc dù phần cẳng tay không chứa các bộ phận chuyển động nhưng thiết kế của nó vẫncòn hơi thách thức như phần này cần phải có năm động cơ servo

Sau khi phần cẳng tay đã được thiết kế xong, nó phải được tách thành từng phần riêng biệt ,các thành phần mà sau đó có thể được lắp ráp với ốc vít Nếu cẳng tay được in 3D dưới dạng một thành phần lớn sau đó sẽ không có cách nào để lắp ráp các động cơ và gân bên trong cánh tay Nhựa 3D in bằng nhựa ABS tương đối yếu và có thể dễ dàng bị phân chia bằng cách xoay một ốc vít Đến giảm thiểu nguy cơ vết nứt xảy ra dẫn các lỗ cho vít

đã được kết hợp vào thiết kế và chăm sóc đã được thực hiện để đảm bảo có đủ vật liệu để

hỗ trợ vững chắc tua vít

Hình 5 8: Cấu tạo cánh tay

Thiết kế cuối cùng bao gồm 35 thành phần cá nhân in 3D đã mất một khoảng thờigian dài nhất để in 18 giờ

Hình 5 9: Cánh tay lắp ráp hoàn thành

PHẦN 6 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ6.1: Tính toán cơ học.

6.1.1 Lực ở ngón tay.

Để tính toán sức mạnh của ngón tay trong lý thuyết, trước tiên chúng ta hãy nhìn vàotình huống trong đó, thông số trên ngón tay được mở rộng hoàn toàn và tác dụng một lựcgần đầu ngón tay

Hình 6 1: Sơ đồ phân bố lực trên ngón tay

Như hình trên , ta sẽ có 2 lực tác dụng chính là lực F1 và lực F2, , lực F1 sẽ làm ngóntay duỗi ra và lực F2 sẽ là lực kéo cho ngón tay co lại, do tác dụng của hai lực này sẽ tạo

ra hai moment M1 và M2 tại khớp nối

Để bắt đầu tính toán của chúng ta, chúng ta phải xác định lực căng trong gân

Mô men (lực quay tối đa) của Servos MG996R là 10kg-cm (1 N / m)

1 = 0.7 N

-6.1.2 Tốc độ Kích hoạt ngón tay

Servo MG996R có tốc độ vận hành là 0.15 giây / 60° Xoay vòng tay đầy đủ từ lòng bàntay lên đến vị trí co xuống (180°) do đó mất (0.15 / 60) * 180° = 0.45s

0.15�

Trường hợp chiều dài là 2cm, r là bán kính sườn servo tùy chỉnh (7mm)

Chúng tôi thấy rằng Servo phải xoay 160° để hoàn toàn mở / đóng mỗi ngón tay Chúng

ta thấy rằng thời gian tối đa để mở / đóng ngón tay là (0,15 / 60) * 160 = 0,4 giây

PHẦN 7 : Thiết kế điện tử7.1 Tổng quan về luồng tín hiệu.

Một người sử dụng tạo ra một tín hiệu tương tự được khuếch đại để tạo ra sự co,làm bằng bảng cảm biến EMG Vi điều khiển này sử dụng tín hiệu tương tự này để tạo ramột xung tín hiệu điều chế chiều rộng Điều này làm động cơ servo làm căng dây cáp gây

ra ngón tay cong lên

Hình 7 1: Sơ đồ phân bố lực trên ngón tay