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

MỤC LỤC Mục lục Danh mục viết tắt Danh mục hình ảnh Tóm tắt đề tài Phần 1:Đặt vấn đề 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Lí chọn đề tài Phần 2:Tổng quan nghiên cứu 10 2.1 Tổng quan đề tài 10 2.1.1 Cơ cấu điều khiển khí 10 2.1.2 Khớp giả kiểm soát bắp 10 2.1.3 Giao diện não trực tiếp 11 2.2 Tình hình nước 12 2.3 Tình hình giới 13 2.4 Vấn đề tồn hướng giải 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 phải 15 Phần 3:Mục tiệu phương pháp nghiên cứu 16 3.1 Mục tiêu đề tài 16 3.2 Phương pháp nghiên cứu 16 Phần 4: Cơ sở lý thuyết 17 4.1 Tay người 17 4.2 Khả bàn tay giả: 19 4.3 Cánh tay robot 19 4.4 Cánh tay robot công nghệ in 3D 19 4.5 Kiểm sốt thơng qua cảm biến 20 Phần : Thiết kế sản suất 21 5.1 Thiết kế khí 21 5.1.1 Ý tưởng ban đầu vẽ 21 5.1.2 Thiết kế hỗ trợ máy tính 23 Phần : Tính toán thiết kế 29 6.1 Tính tốn học 29 6.1.1 Lực ngón tay 29 6.1.2 Tốc độ kích hoạt ngón tay 30 Phần 7: Thiết kế điện tử 31 7.1 Tổng quan luồng tín hiệu 31 7.2 Động 32 7.3 Mạch Arduino R3 32 7.3.1 Một vài thông số Arduino UNO R3 33 7.3.2 Vi điều khiển 33 7.3.3 Năng lượng 35 7.3.4 Các chân 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 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 cơng mơ hình 45 8.1 Lắp ráp phần khí 45 8.1.1 Bước 45 8.1.2 Bước 53 8.2 Hồn thành phần điện tử vào phần khí 54 Phần :Kết luận hướng phát triển 56 9.1 Kết luận 56 9.2 Đề xuất 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 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Người khuyết tật Việt Nam Hình 1: Hệ thống điều khiển dây cáp 10 Hình 2: Hệ thống điều khiển bắp qua mạnh EMG 11 Hình 3: Điều khiển sóng não 11 Hình 4: Học sinh Phạm Huy sản phẩm cánh tay robot 12 Hình 5: Chiến sĩ sống sót vụ rơi máy bay Mi171 có tay giả 13 Hình 6: cánh tay robot 14 Hình 7: cánh tay robot inMoov với công nghệ in 3D 14 Hình 1: cấu xương cánh tay 17 Hình 2: Bậc tự điểm 18 Hình 3: Mức độ tự ngón tay 18 Hình 1: Động lắp khủy tay 21 Hình 2: Cánh tay thi công thực tế 22 Hình 3: Cấu tạo ngón tay robot 23 Hình 4: Ngón tay 24 Hình 5: Lòng bàn tay 25 Hình 6: Sơ đồ điều khiển 26 Hình 7: Sơ đồ dây gân 27 Hình 8: Cấu tạo cánh tay 28 Hình 9: Cánh tay lắp ráp hồn thành 28 Hình 1: Sơ đồ phân bố lực ngón tay 29 Hình 1: Sơ đồ phân bố lực ngón tay 31 Hình 2: Động RC servo MG996R 32 Hình 3: vi mạch arduino 32 Hình 4: vi điểu khiển 33 Hình 5: Chế tạo thủ cơng 34 Hình 6: Sử dụng mạch in 35 Hình 7: Vị trí cổng 37 Hình 8: phần mềm lặp trình 39 Hình 9: biểu đồ sóng cảm biến EMG 39 Hình 10: pin 9v 40 Hình 11: xung tín hiệu 41 Hình 12: sơ đồ năm đường xung tìn hiệu 42 Hình 13: sơ đồ khối 43 Hình 14: cảm biến lực gắn vào tay 44 Hình 15: phần mềm đo giá tri lực trung bình 44 Hình 1: cánh tay hồn chỉnh 51 Hình 2: động lắp hồn chỉnh 52 Hình 3: Đường dây gân nối với servo 53 Hình 4: sơ đồ nối dây servo mạch điện 54 Hình 5: kết nối cánh tay với mạch điện 54 Hình 6: mạch cảm biến kết nối với tay người 55 TĨM TẮT ĐỀ TÀI Trong suốt tồn luận án này, tiếp cận nỗ lực toàn thời gian Sản xuất, lắp ráp thử nghiệm thực ngày tháng qua ,để có nghiên cứu, thiết kế tài liệu Một thiết kế in 3D cho phận giả tạo đưa Cánh tay điện tử hoạt động kiểm soát người sử dụng uốn Các cánh tay robot trình bày có tiềm sử dụng cảm biến bắp người bị khuyết tật chi Loại cơng nghệ có tồn đắt tiền nói chung khơng có sẵn cho người dân việc phát triển quốc gia Tăng trưởng nhanh tiến ngành công nghiệp in ấn 3D cho phép cá nhân trở thành nhà sản xuất quy mô nhỏ Những tiến gần cho thấy cánh tay giả giả 3D in gắn liền với nạn nhân chiến tranh khắp giới Các thiết bị hồn tồn khí phức tạp thiết bị điện Tuy nhiên, thấy 3D in thiết bị có tiềm tích cực ảnh hưởng đến sống người dân In 3D có hạn chế, tăng trưởng phát triển lĩnh vực dẫn đến cải tiến thời gian Đề tài luận án bao gồm nhiều lĩnh vực kỹ thuật Gốc hệ thống sáng tạo khí thiết kế cho cánh tay giả 3D in Điện tử ngày thiết bị truyền động mạch điện kích hoạt thiết bị cho phép chương trình điều khiển phức tạp Nó hy vọng cơng việc có giá trị cho đối tượng đa dạng PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài Có thể lập luận tài sản quý báu giá trị người thể họ.Thay phận thể người bị đi, đặc biệt bàn tay, nhiệm vụ đầy thách thức Thực thể người cấu tạo phức tạp Trong nhiều kỷ, nhà nghiên cứu cố gắng thây phận bị thể người với thiết bị nhân tạo Cho đến gần đây, thiết kế chân tay giả bắt đầu tiến triển Từ vật thay đơn giản chân gỗ,tay gỗ.Qua thời gian vật liệu cải tiến thiết kế bắt đầu kết hợp lề hệ thống ròng rọc Việt Nam quốc gia có tỉ lệ người khuyết tật đo chiến tranh ,tai nạn lao động cao Mà giá thành để lắp cánh tay nhân tạo cao khơng phù hợp với hồn cảnh họ.Trong suốt trình luận án này, nhóm em khám phá thiết kế phận thay giúp cho người khuyết tật với giá thành phù hợp với họ Hình 1: Người khuyết tật Việt Nam 1.2 Lí chọn đề tài Mục tiêu tổng quát đề tài tạo cánh tay nhân tạo thực lại nhiều chức tốt cho người khuyết tật Mục tiêu cuối đến ngày hoàn toàn thay chân tay bị thiếu Giúp người khuyết tật hòa nhập với cộng động, giúp họ có thực hoạt động sinh hoạt thường ngày cầm, nắm cách thuận lợi ,họ có việc làm ,tang them thu nhập cho than gia đình Ý tưởng để nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, ứng dụng in 3D đem lại nhiều hiệu ưu điểm khả thi hồn tồn thành thực Trong tương lai gần, đầu tư, nghiên cứu nghiêm túc ứng dụng vào lĩnh vực y học, trước tiên để nghiên cứu học tập phòng thí nghiệm, sau cánh tay robot vào hoạt động sản xuất mang lại giá trị xã hội kinh tế tạo phận nhân tạo phục vụ cho người khuyết tật điều quan trọng cấp bách Vì vậy, nhóm tác giả định chọn đề tài “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT DÀNH CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT” PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan đề tài Có số loại cấu cánh tay giả tạo giới Chúng thường nhóm với cách thức kiểm sốt thiết bị sau 2.1.1 Cơ cấu điều khiển khí Thiết bị điều khiển dây nịt nối với người sử dụng Đây nói chung thiết bị đơn giản móc học liên kết với khuỷu tay/vai Mặc dù thiết bị tương đối đơn giản chúng loại phổ biến Hình 1: Hệ thống điều khiển dây cáp 2.1.2 Khớp giả kiểm soát bắp Các phận giả giả thần kinh đo tín hiệu electromyography (EMG) tạo từ.Sự co lại gần phần lại người khuyết tật Các tín hiệu đo thơng qua điện cực đặt bề mặt da nhúng trực tiếp vào Những tín hiệu khuếch đại gửi đến vi điều khiển phân tích thơng tin kiểm soát truyền động bên Thiết bị điện cho phép số lượng lớn kiểm soát 10 Làm ba via giá đở servo Đặt giá đở servo vào, đảm bảo khớp Bắt ốc giá đở Các lề bên với khoan 3mm Dũa lề Làm lại tất lỗ vỏ máy khoan 3mm Khoan cổ tay nhỏ cổ tay lớn với khoan 2.5mm để thích ứng với vỏ bọc Đóng lại lề cổ tay lớn cổ tay nhỏ với khoan 3.2 3.5mm Đóng lại lề lớn với khoan 8mm lắp bulong Hình 1: cánh tay hoàn chỉnh Gá đặt servo vào giá đở Lắp truyền động vào servo Hình 2: động lắp hoàn chỉnh 8.1.2 Bước Đi dây gân cánh tay , phải đường dây gân ,đường dây kéo để ngón tay co lại đường dây duổi để ngón tay thẳng Hình 3: Đường dây gân nối với servo 8.2 Hồn thành phần điện tử vào phần khí Hình 4: sơ đồ nối dây servo mạch điện Hình 5: kết nối cánh tay với mạch điện Hình 6: mạch cảm biến kết nối với tay người 55 Phần 9: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 9.1 Kết luận Qua trình nghiên cứu thiết kế, thi cơng chế tạo mơ hình nhóm thực chế tạo thành cơng mơ hình cánh tay robot dành cho người khuyết tật.Cánh tay ban đầu thực chức co duỗi ngón tay qua cảm biến bắp Việc sử dụng động servo kết nối cảm biến bắp EMG với lặp trình Arduino Điểu đặc biệt mơ hình vật liệu nhựa ABS thiết kế hồn thành với cơng nghệ in 3D.Một mơ hình với giá thành khơng q cao, góp phần vào viện y khoa phép thiết bị thử nghiệm sử dụng người tàn tật Việc kiểm tra vơ giá việc phân tích cải tiến thiết bị tay giả cho y học Thiết bị trình bày cung cấp tảng để nghiên cứu tương lai kỹ thuật cho sinh viên năm cuối phát triển thử nghiệm thiết kế giả mạo tiên tiến kiểm soát EMG tinh vi thuật tốn, phản hồi áp suất tích hợp khái niệm học điện tử tiên tiến Với tăng trưởng tương lai ngành in 3D, máy in vật liệu tiên tiến cho phép mang lại lợi ích cho nhiều dân tộc bị thiếu tay chân.Với cải tiến nghiên cứu liên tục hy vọng dẫn đến hệ thống bền cung cấp cải tiến khéo léo kiểm sốt Có lẽ thiết kế tương lai hưởng lợi ngày người tàn tật nâng cao chất lượng sống người dân Vấn đề tồn tại: Kết cấu khung cánh tay chưa đủ cứng vững, độ tin cậy hệ thống điện tử chưa thực đủ khiến cánh tay linh hoạt hơn,những hoạt đơng cánh tay bị hạn chế Độ xác chi tiết lắp ghép chưa xác ,cơ cấu đơn giản cần cải tiến áp dụng với công nghệ cao Đề xuất kiến nghị Mơ hình cánh tay robot nghiên cứu chế tạo mơ hình có nhiều hướng phát triển thời đại cách mạng cơng nghệ robot Mơ hình áp dụng vào thực tế mang lại hiệu cao Đặc biệt mạng lại giá trị cao cho y học Việt Nam, đất nước có tỷ lệ người khuyết tật chiến tranh tai nạn lao động cao 56 Hoàn thành việc kết nối khí, điện tử, cơng nghệ thơng tin , tính ứng dụng cao theo kịp xu hướng công nghệ giới kỷ nguyên khởi đầu nển cơng nghệ Cần phải có giúp đỡ từ chuyên gia ngành robot y khoa để hiều rõ cấu thể người, kết hợp với cơng nghệ sinh học, phát triển nhiều phận giả ,và đỉnh cao nội tạng thay Vấn đề tồn nhiều, giới có hạn, khả chuyên môn giới hạn thời gian hạn hẹp nên chưa thể hoàn thành choư mục tiêu lớn Nếu có điều kiện chúng em mong có ý kiến đóng góp để nhóm tiếp tục nghiên cứu phát triển ngày hồn thiện góp phần sức lực vào q trình ứng dụng cơng nghệ cao vào nông nghiệp nước nhà 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [ ] GS TSKH Đỗ Sanh , Cơ Học Kỹ Thuật, NXB Giáo Dục TP HCM, 2009 [ ] 3D Printed Myoelectric Prosthetic Arm, Mahdi Elsayed Hussein, B Engineering (Mechatronics) Thesis, October 2014 [ ] www.thingiverse.com [ ] www Arduino.vn 58 PHỤ LỤC CODE LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ CHẾ TẠO A PHỤ LỤC CODE LẬP TRÌNH TRÊN ARDUINO #include const int x = ///// This is the reference value and it //will depend on your setup You have to find it out //yourself by looking at the serial monitor and finding //a value between the maximum and minimum value //Naming the servos Servo servo1; Servo servo2; Servo servo3; Servo servo4; Servo servo5; Servo servo6; void setup() { //Starting the serial monitor Serial.begin(9600); //Configuring servo pins servo2.attach(10); // pinky servo3.attach(11); //ring servo4.attach(3); // middle servo5.attach(6); //index servo6.attach(5); //thumb } void loop() 59 { //Printing the EMG data Serial.println(analogRead(5)); //If the EMG data is greater than x the hand closes if(analogRead(5) > x) { servo2.write(180); servo3.write(148); servo4.write(89); servo5.write(180); servo6.write(180); } //If the EMG data is lower than x the hand opens else if (analogRead(5) < x) { servo2.write(38); servo3.write(10); servo4.write(0); servo5.write(16); servo6.write(16); } //A delay to slow down the process delay(100); } 60 61 ... giả định chọn đề tài “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT DÀNH CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT” PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan đề tài Có số loại cấu cánh tay giả tạo giới Chúng thường... ,để có nghiên cứu, thiết kế tài liệu Một thiết kế in 3D cho phận giả tạo đưa Cánh tay điện tử hoạt động kiểm soát người sử dụng uốn Các cánh tay robot trình bày có tiềm sử dụng cảm biến bắp người. .. giúp cho người khuyết tật với giá thành phù hợp với họ Hình 1: Người khuyết tật Việt Nam 1.2 Lí chọn đề tài Mục tiêu tổng quát đề tài tạo cánh tay nhân tạo thực lại nhiều chức tốt cho người khuyết