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

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2018 TÊN CƠNG TRÌNH: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT DÀNH CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ CHUN NGÀNH: Cơ khí -Tự động hố Mã số cơng trình: …………………………… (Phần BTC Giải thưởng ghi) i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH ẢNH v 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 2.1 Tổng quan đề tài 2.1.1 Cơ cấu điều khiển khí 2.1.2 Khớp giả kiểm soát bắp 2.1.3 Điều khiển sóng não trực tiếp 2.2 Tình hình nước 2.3 Tình hình giới 2.4 Vấn đề tồn hướng giải vấn đề 2.4.1 Thiết kế vật lý 2.4.2 Kế hoạch Kiểm soát 2.4.3 Thực tiễn 2.4.4 Giá phải PHẦN 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Mục tiêu đề tài 3.2 Phương pháp nghiên cứu PHẦN 4: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 10 4.1 Cơ sở lý thuyết 10 4.1.1 Tay người 10 4.1.2 Khả bàn tay giả 11 4.1.3 Cánh tay robot 11 ii 4.1.4 Cánh tay robot công nghệ in 3D 12 4.1.5 Kiểm soát thông qua cảm biến 12 4.2 Thiết kế cánh tay robot 12 4.2.1 Thiết kế khí 12 4.2.2 Ý tưởng ban đầu khái niệm vẽ 12 4.2.3 Thiết kế phần mềm SolidWorks 14 4.3 Tính tốn thiết kế 18 4.3.1 Tính tốn học lực ngón tay 18 4.3.2 Tốc độ hoạt động ngón tay 20 4.4 Thiết kế điện tử 20 4.4.1 Tổng quan luồng tín hiệu 20 4.4.2 Động 21 4.4.3 Mạch Arduino R3 21 4.4.4 Năng lượng 24 4.4.5 Bộ nhớ 25 4.4.6 Các cổng vào/ra 26 4.4.7 Lập trình cho Arduino 27 4.4.8 Cảm biến giọng nói 28 4.4.9 Nguồn điện 28 4.4.10 Tín hiệu Servo 29 4.4.11 Kiểm sốt tín hiệu giọng nói từ giao modul bluetooth HC 05 30 4.4.12 Thông tin cảm biến 31 4.4.13 Sơ đồ khối kiểm soát 31 4.5 Kết thực nghiên cứu 32 4.5.1 Lắp ráp phần khí 32 4.5.2 Thực kết nối phần điện tử vào phần khung cánh tay 40 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 42 5.1 Kết luận 42 5.2 Đề xuất kiến nghị 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 iii PHỤ LỤC CODE LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ CHẾ TẠO 45 PHỤ LỤC CODE LẬP TRÌNH TRÊN ARDUINO 45 iv 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 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Người khuyết tật Việt Nam Hình Hệ thống điều khiển dây cáp Hình 2 Hệ thống điều khiển bắp qua mạch EMG Hình Điều khiển sóng não Hình Học sinh Phạm Huy sản phẩm cánh tay robot Hình Chiến sĩ sống sót vụ rơi máy bay Mi171 có tay giả Hình Cánh tay robot Hình Cánh tay robot inMoov với công nghệ in 3D Hình Cơ cấu xương cánh tay 10 Hình Bậc tự điểm 10 Hình Mức độ tự ngón tay 11 Hình 4.4 Động lắp khủy tay 13 Hình 4.5 Cánh tay thi cơng thực tế 14 Hình 4.6 Cấu tạo ngón tay robot 15 Hình 4.7 Ngón tay 15 Hình 4.8 Lịng bàn tay 16 Hình 4.9 Sơ đồ điều khiển 16 Hình 4.10 Sơ đồ dây gân 17 Hình 4.11 Cấu tạo cánh tay 18 Hình 4.12 Cánh tay lắp ráp hồn thành 18 Hình 4.13 Sơ đồ phân bố lực ngón tay 19 Hình 4.14 Sơ đồ phân bố lực ngón tay 20 Hình 4.15 Động RC servo MG996R 21 Hình 4.16 Vi mạch arduino 21 Hình 4.17 Vi điểu khiển 22 vi Hình 4.18 Chế tạo thủ cơng 23 Hình 4.19 Sử dụng mạch in 24 Hình 4.20 Vị trí cổng 26 Hình 4.21 Phần mềm lặp trình 28 Hình 4.22 module HC-05 28 Hình 4.23 Pin 9v 29 Hình 4.24 Xung tín hiệu 29 Hình 4.25 Sơ đồ năm đường xung tìn hiệu 30 Hình 4.26 Cơ đồ khối 31 Hình 4.27 Cảm biến lực gắn vào tay 32 Hình 4.28 Phần mềm đo giá tri lực trung bình Error! Bookmark not defined Hình 4.30 Sơ đồ nối dây servo mạch điện 40 Hình 4.31 Kết nối cánh tay với mạch điện 41 Hình 4.32 Mạch cảm biến kết nối với tay người Error! Bookmark not defined TÓM TẮT ĐỀ TÀI Sự tiến ngành công nghiệp in 3D cho phép cá nhân trở thành nhà sản xuất quy mô nhỏ Những cánh tay giả công nghệ in 3D tương lai ứng dụng rộng rãi hộ gia đình với chi phí rẻ Cơng trình nghiên cứu đề cập đến q trình thiết kế, thi cơng chế tạo mơ hình nhóm thực chế tạo thành cơng mơ hình cánh tay robot dành cho người khuyết tật Điểu đặc biệt mô hình vật liệu nhựa PLA 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 Trong tương lai với phát triển công nghệ in 3D, máy in 3D vật liệu tiên tiến cho phép mang lại lợi ích cho nhiều người bị thiếu tay chân Với cải tiến nghiên cứu liên tục hy vọng dẫn đến hệ thống bền cung cấp cải tiến kiểm soát khéo léo Có lẽ thiết kế tương lai người tàn tật hưởng lợi từ giúp nâng cao chất lượng sống họ PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài Có thể nói tài sản giá trị thể chúng ta, phận thể mang lại nhiều khó khăn sống sinh hoạt Việc thay phận thể người mất, đặc biệt bàn tay vô thiết yếu nhiệm vụ đầy thách thức nhà nghiên cứu Như biết thể người cấu tạo phức tạp nhiều thập kỷ qua nhà nghiên cứu cố gắng thay phận bị thể người thiết bị nhân tạo Trong năm gần đây, thiết kế chân tay giả bắt đầu tiến triển, từ vật thay đơn giản chân tay gỗ cải tiến vật liệu bắt đầu thiết kế kết hợp với lề hệ thống ròng rọc mang đến hi vọng cho người khuyết tật So với quốc gia giới Việt Nam quốc gia có tỉ lệ người khuyết tật chiến tranh, tai nạn lao động cao Một cánh tay nhân tạo để lắp đặt thường có giá thành không rẻ chúng vượt xa so với điều kiện hoàn cảnh người khuyết tật ấy, muốn sở hữu cánh tay nhân tạo điều khó khơng thể họ Trong suốt trình làm luận án này, mục tiêu 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 cuối đến ngày hồn tồn thay chân tay bị thiếu Cơng việc giúp người khuyết tật hịa nhập với cộng động, giúp họ có thực hoạt động sinh hoạt thường ngày cầm, nắm cách thuận lợi, họ có việc làm, tang thêm 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 phịng 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” 37 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 38 Đóng lại lề lớn với khoan 8mm Lắp bulong Thực trình lắp ráp để hồn thiện mơ hình cánh tay 39 Gá đặt servo vào giá đở Lắp động servo vào giá Động lắp hoàn chỉnh  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 40 Hình 4.29 Đường dây gân nối với servo 4.5.2 Thực kết nối phần điện tử vào phần khung cánh tay Hình 4.30 Sơ đồ nối dây servo mạch điện 41 Hình 4.31 Kết nối cánh tay với mạch điện 42 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 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 sử dụng giọng nói điều khiển  Điểu đặc biệt mơ hình vật liệu nhựa ABS thiết kế hoàn thành với cơng nghệ in 3D.Một mơ hình với giá thành khơng 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 giọng nói 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, hoạt đơng cánh tay cịn bị hạn chế Độ xác chi tiết lắp ghép chưa xác, cấu cịn đơn giản cần cải tiến áp dụng với công nghệ cao 5.2 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 43 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 Hồn 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 công nghệ Cần phải có giúp đỡ từ chuyên gia ngành robot y khoa để hiều rõ cấu thể người, kết hợp với công nghệ sinh học, phát triển nhiều phận giả mới, đỉnh cao nội tạng thay Vấn đề tồn nhiều, khả chun mơn cịn giới hạn thời gian hạn hẹp nên chưa thể hoàn thành mục tiêu lớn Nếu có điều kiện nhóm tác giả 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 công nghệ cao vào khoa học nước nhà 44 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 45 PHỤ LỤC CODE LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ CHẾ TẠO PHỤ LỤC CODE LẬP TRÌNH TRÊN ARDUINO #include String data; Servo servo1; Servo servo2; Servo servo3; Servo servo4; Servo servo5; int led1 = 2; int led2 = 3; void setup() { Serial.begin(9600); servo1.attach(2); servo2.attach(3); servo3.attach(4); servo4.attach(5); servo5.attach(6); servo1.write(0); servo2.write(0); 46 servo3.write(0); servo4.write(0); servo5.write(0); // pinMode(led1, OUTPUT); // pinMode(led2, OUTPUT); } void loop() { while (Serial.available()) { //Kiểm tra byte để đọc delay(30); //Delay để ổn định char c = Serial.read(); // tiến hành đọc if (c == '#') { break; //Thốt khỏi vịng lặp phát từ # } data += c; // data = data + c } if (data.length() > 0) { Serial.println(data); if (data == "nắm tay" || data == "1") { for (int i = 0; i < 180; i++) { servo1.write(i); servo2.write(i); servo3.write(i); 47 servo4.write(i); servo5.write(i); delay(10); } } ////////////////////////////////////////////////////// else if (data == "thả tay" || data == "2") { for (int i = 180; i > 0; i ) { servo1.write(i); servo2.write(i); servo3.write(i); servo4.write(i); servo5.write(i); delay(10); } } else if (data == "ngón cái" || data == "3") { for (int i = 0; i < 180; i++) { servo1.write(i); delay(10); } 48 } else if (data == "thả ngón cái" || data == "4") { for (int i = 180; i > 0; i ) { servo1.write(i); delay(10); } } else if (data == "ngón trỏ" || data == "5") { for (int i = 0; i < 180; i++) { servo2.write(i); delay(10); } } else if (data == "thả ngón trỏ" || data == "6") { for (int i = 180; i > 0; i ) { servo2.write(i); delay(10); } 49 } ///////////////////////////////////////////////////// else if (data == "ngón giữa" || data == "7") { for (int i = 0; i < 180; i++) { servo3.write(i); delay(10); } } else if (data == "thả ngón giữa" || data == "8") { for (int i = 180; i > 0; i ) { servo3.write(i); delay(10); } } /////////////////////////////////////////////////////////// else if (data == "ngón áp út" || data == "ngón đeo nhẫn" || data == "9") { for (int i = 0; i < 180; i++) { servo4.write(i); delay(10); 50 } } else if (data == "thả ngón áp út" || data == "thả ngón đeo nhẫn" || data == "10") { for (int i = 180; i > 0; i ) { servo4.write(i); delay(10); } } /////////////////////////////////////////////////////////////// else if (data == "ngón út" || data == "11") { for (int i = 0; i < 180; i++) { servo5.write(i); delay(10); } } else if (data == "thả ngón áp út"|| data == "12") { for (int i = 180; i > 0; i ) { servo5.write(i); delay(10); 51 } } data = ""; } } //Thiết lập lại biến ... “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 Nhóm thực cơng trình đưa số loại cấu cánh tay giả chế tạo giới cách... trình nghiên cứu đề cập đến trình thiết kế, thi cơng chế tạo mơ hình nhóm thực chế tạo thành cơng mơ hình cánh tay robot dành cho người khuyết tật Điểu đặc biệt mơ hình vật liệu nhựa PLA thiết kế. .. 4.31 Kết nối cánh tay với mạch điện 42 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 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