Báo viết này trình bày kết quả thiết kế và chế tạo thiết bị cầm tay có khả năng đo áp lực của trang phục lên cơ thể người sử dụng cảm biến MPX10DP. Thiết bị sau chế tạo hoạt động dựa trên khả năng cảm nhận các áp lực khí truyền từ túi khí tới cảm biến. Vì vậy, thiết bị có khả năng đo áp lực cho các bề mặt không phẳng, bề mặt cong như các bộ phận trên cơ thể người.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 133 (2019) 045-052 Thiết kế, chế tạo thiết bị cầm tay đo áp lực trang phục lên thể người sử dụng cảm biến áp khí MPX10DP Designing and Fabricating a Handy Instrument for Measuring Clothing Pressure on the Human Body using MPX10DP Pressure Sensor Phan Thanh Thảo *, Vũ Xuân Hiền Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tòa soạn: 16-3-2018; chấp nhận đăng: 20-3-2019 Tóm tắt Báo cáo trình bày kết thiết kế chế tạo thiết bị cầm tay có khả đo áp lực trang phục lên thể người sử dụng cảm biến MPX10DP Thiết bị sau chế tạo hoạt động dựa khả cảm nhận áp lực khí truyền từ túi khí tới cảm biến Vì vậy, thiết bị có khả đo áp lực cho bề mặt không phẳng, bề mặt cong phận thể người Thiết bị có khả kết nối với máy tính để hiển thị kết quả, lưu trữ liệu thông qua kết nối USB Bluetooth phần mềm xây dựng môi trường Window Thiết bị thử nghiệm sau chế tạo kiểm chuẩn đồng hồ đo áp lực ALP K2 sử dụng phổ biến máy đo huyết áp Độ xác, độ trơi giá trị áp lực thiết bị trình vận hành đo đạc đánh giá Từ khóa: Áp lực trang phục, áp lực quần áo bó sát, cảm biến áp khí Abstract This research introduces the design and fabrication of handy instrument which can measure the pressure of costume on the human body using a MPX10DP pressure sensor The instrument operation is based on the sensing capacity of gaseous pressure transferred from a small airbag to the pressure sensor Therefore, the device can measure pressure in many cases e.g pressure applied to curvy surfaces like human parts The device can communicate with a homemade software on the computer to display and record measured data via USB or Bluetooth communication method The prototype device is calibrated by a pressure gauge named ALP K2 which is frequently used on commercial blood-pressure monitors Finally, the accuracy and the data shift of the device during the operation is investigated and discussed Keywords: Clothing pressure, garment pressure, force sensors, force sensing resistors Đặt vấn đề* pháp đo đạc trực tiếp việc sử dụng cảm biến lực [4, 5] áp dụng phổ biến Trong trình mặc, quần áo ln gây áp lực lên thể người Áp lực có tác dụng chỉnh hình thể, đem đến cảm giác thoải mái tiện nghi mặc, tăng cường khả vận động, phòng chống bệnh giãn tĩnh mạch hỗ trợ điều trị sau phẫu thuật ngược lại đem đến cảm giác khó chịu cho người mặc giá trị áp lực vượt ngưỡng chịu đựng tối đa người Việc xác định áp lực trang phục lên vùng thể, sở cho nhà thiết kế lựa chọn nguyên liệu, kết cấu sản phẩm, tính tốn kích thước chi tiết phù hợp với mục đích sử dụng trang phục Phương pháp mơ tính tốn áp lực quần áo lên thể người phần mềm máy tính dựa sở mơ hình dạng bề mặt cấu trúc thể người, mô đặc trưng học vải Phương pháp phức tạp, đòi hỏi người dùng cần phải có chun mơn cao, thiết bị phần mềm máy tính chuyên dụng Với phương pháp đo trực tiếp, phần lớn thiết bị sử dụng cảm biến lực để đo áp lực trang phục lên thể Các cảm biến lực gắn trực tiếp vào lớp thể người trang phục lớp trang phục bề mặt ma-nơ-canh Giá trị hiển thị vị trí đo, từ ta xây dựng biểu đồ áp lực trang phục lên vùng thể người mặc Hiện giới có nhiều phương pháp khác để xác định áp lực trang phục lên thể người mặc q trình sử dụng Trong phương pháp mơ áp lực [1, 2], tính tốn áp lực [3] phương * Địa liên hệ: Tel: (+84) 919.785.668 Email: thao.phanthanh@hust.edu.vn 45 Tạp chí Khoa học Công nghệ 133 (2019) 045-052 Nghiên cứu trước sử dụng cảm biến Flexiforce hãng Tekscan Hoa Kỳ để thiết kế chế tạo thiết bị đo áp lực trang phục lên thể người [5] Tuy nhiên, thiết bị có hạn chế việc đo áp lực lên bề mặt không phẳng mặt cong thể cảm biến Flexiforce hoạt động với áp lực đặt vng góc với bề mặt cảm biến Chính nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng cảm biến áp khí MPX10DP hãng NXP USA Inc sản suất Mỹ để thiết kế, chế tạo thiết bị có khả đo áp lực lên bề mặt cong bề mặt phận thể người tốt Các cảm biến có độ nhạy, độ xác cao ổn định trình sử dụng nên kết thu hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu trước đo áp lực trang phục lên thể người Để hiển thị kết đo, thiết kế phần mềm chạy môi trường Window để biểu diễn lưu liệu đo thành định dạng chuẩn xử lý phần mềm Orgin Excel Thông số kỹ thuật cảm biến MPX10DP trình bày Bảng khí không giãn nở để truyền dẫn áp lực từ quần áo bó tới cảm biến áp suất Tín hiệu điện áp sinh cảm biến áp suất (thay đổi tuyến tính theo thay đổi áp suất) khuếch đại chuyển đổi sang dạng tín hiệu số môđun khuếch đại Dữ liệu dạng số ghi nhận biến đổi ngược thành giá trị áp suất thông qua khối điều khiển Giá trị áp suất hiển thị hình LCD hiển thị máy tính thơng qua kết nối USB Bluetooth Sơ đồ ghép nối môđun mạch xử lý tín hiệu áp lực biểu diễn Hình Trong đó, khối điều khiển thiết bị mạch Arduino Uno R3 Cảm biến áp suất chọn MPX10DP Tín hiệu điện áp từ cảm biến áp suất khuếch đại chuyển đổi sang tín hiệu số qua mơđun ADS1115 Do hoạt động cảm biến áp suất MPX10DP phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường bên ngồi nên mơđun cảm biến nhiệt độ DHT11 lựa chọn để kiểm tra thơng số mơi trường bên ngồi Màn hình hiển thị lựa chọn TFT 1,8” Môđun Bluetooth HC05 lựa chọn để đồng liệu với máy tính Ngồi ra, thiết bị hoạt động với nguồn điện 9VDC cung cấp viên pin xạc vuông 9V Bảng Các thông số kỹ thuật cảm biến MPX10DP Điện áp hoạt động 3-6 V Độ lặp lại kết đo < ± 2.5% toàn dải, cảm biến tinh chỉnh, 80% tải Độ trễ Độ trôi theo thời gian Thời gian đáp ứng Nhiệt độ hoạt động Độ nhạy Dải lực đo Nấc 3, giá trị áp lực trung bình băng đai Nấc lớn đối tượng đo so với hai nấc lại Điều lý giải rằng: Nấc nấc có kích thước băng đai nhỏ khả bó sát băng đai Nấc cao Nấc Nấc công bố trước Các kết nghiên cứu [6-8] cho thấy rằng, thiết bị đo áp lực trang phục lên thể người sử dụng cảm biến áp lực MPX10DP nhóm nghiên cứu chế tạo có khả đo áp lực vị trí đặc trưng thể người vùng ngực, vùng bụng, vùng mông phần thân thể, đặc biệt đo vị trí bề mặt cong phận thể người với độ tin cậy, độ xác cao Trong nghiên cứu [8], nhóm tác giả tiến hành đo áp lực áo lót ngực lên phần ngực đối tượng đo Ba mẫu áo lót ngực lựa chọn có kiểu dáng vật liệu giống nhau, có kích thước A1: 70A, A2: 75A, A3: 80A hãng BON BON Pháp sản xuất Việt Nam, áo lót ngực có nấc cài để điều chỉnh chiều dài vòng dây lưng áo Tiến hành đo áp lực điểm đo Hình 16 tư vận động Hình 17 Kết luận Trong nghiên cứu lựa chọn cảm biến áp lực MPX10DP hãng NXP USA Inc Hoa Kỳ để chế tạo thiết bị đo áp lực trang phục trực tiếp thể người mặc Mạch xử lý tín hiệu áp lực thiết kế xây dựng dựa khối bản: khối cảm biến, khối điều khiển khối hiển thị Do hoạt động cảm biến áp lực phụ thuộc vào thông số môi trường nhiệt độ nên mạch xử lý tích hợp thêm cảm biến nhiệt độ để từ xây dựng đường đặc tuyến liên hệ tín hiệu chênh lệch điện áp thu từ cảm biến áp suất với giá trị áp lực tương ứng Phần mềm kết nối mạch xử lý tín hiệu thiết kế xây dựng với giao diện trực quan, đơn giản nhằm hỗ trợ hiển thị lưu trữ kết đo máy tính Thiết bị thử nghiệm sau lắp ráp kiểm chuẩn đồng hồ đo áp suất ALP K2 với sai số 10 % mức đo áp suất thấp, 20 mmHg Giá trị đo từ thiết bị thử nghiệm có phù hợp tốt với giá trị đọc đồng hồ ALP K2 với bình phương hiệu chỉnh R2 = 99% Thiết bị cho kết đo với độ trôi liệu nhỏ xấp xỉ 0% 15 phút đo Sau thời gian này, giá trị áp lực bị trôi lớn 2.6% đo liên tục điểm áp suất Thiết bị thử nghiệm sau hiệu chỉnh thiết kế lại vỏ hộp với kích thước 142×82×40 mm Kết đo áp lực thiết bị cho thấy sai số kết đo nằm phạm vi cho phép phù hợp yêu cầu đo áp lực trang phục lên thể người trình mặc Hình 16 Mơ tả sơ đồ vị trí điểm đo áp lực Hình 17 Hình ảnh tư vận động Từ kết xác định áp lực trung bình lớn áo lót ngực lên đối tượng vị trí đo tác giả thấy rằng, giá trị áp lực trung bình Nấc 1< Nấc 2< Nấc 3, giá trị áp lực trung bình áo A1 >A2 >A3 Điều lý giải rằng: áo A1 có kích thước vịng dây lưng nhỏ nhất, áo A3 có kích thước vịng dây lưng lớn mức độ bó sát áo A1 với thể áp lực áo lên thể lớn so với hai áo cịn lại Tương tự, Nấc số có chiều dài vịng dây lưng rộng nhất, Nấc có chiều dài vòng dây lưng nhỏ nên độ bó sát áp lực nấc lên thể lớn Giá trị áp lực trung bình lớn lên đối tượng đo đối tượng có kích thước thể lớn cỡ 164A mặc áo cỡ nhỏ A1:70A cài nấc Nhóm tác giả sử dụng phương pháp khảo sát đánh giá chủ quan cảm nhận người mặc phương pháp đo thực nghiệm để xác định áp lực tiện nghi lên thể mặc áo lót ngực Kết xác lập khoảng giá trị áp lực tiện nghi áo lót ngực lên vịng ngực đối tượng đo từ 5.370 đến 9.818 mmHg tương đương 0.716 đến 1.309 kPa Qua so sánh kết thực nghiệm đo áp lực tiện nghi nghiên cứu [6-8] cho thấy kết hoàn toàn phù hợp với cơng trình Thiết bị hoạt động ổn định sử dụng đơn giản, phần mềm có giao diện thân thiện tiện dụng người dùng cho phép đo áp lực trang phục lên thể trình mặc trạng thái tĩnh trạng thái vận động Lời cảm ơn Nghiên cứu thực khuôn khổ đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ mã số B2017BKA-54 Chúng xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục Đào tạo, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội hỗ trợ để chúng tơi hồn thành nghiên cứu Tài liệu tham khảo [1] Y.cai, W Yu and L Chen, A finite element mechanical contact model of 3D human body and a well-fitting bra, Advances in Applied Digital Human Modeling; Published by AHFE Conference (2014), pp.157-165 51 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 133 (2019) 045-052 [2] K.W Yeung, Y Li, and X Zhang, A 3D Biomechanical Human Model for Numerical Simulation of Garment-Body Dynamic Mechanical Interactions During Wear, The Journal of The Textile Institute, January (2004) Vol 95, pp 59-79 & Công nghệ trường ĐH kỹ thuật, số 110 (2016), pp 132–136 [6] Phan Thanh Thảo, Trần Thị Phương Dung, Nghiên cứu xác định áp lực quần bó sát lên thể nữ sinh Việt Nam, Hội nghị Khoa học toàn quốc Dệt May – Da giầy lần thứ 1, NXB Học viện Nông nghiệp (2018), pp 241-248 [3] Phan Duy Nam, Nguyễn Quốc Toản, Phan Thanh Thảo, The Defining Study of Garment Pressure on the Human Body by Theoretical Method and Experimental Method, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ trường Đại học Kỹ thuật, số 103 (2014), pp 83-88 [7] Phan Thanh Thảo, Hoàng Thị Thủy, Nghiên cứu xác định áp lực tiện nghi mặc áo bó sát lên thể nữ niên Việt Nam độ tuổi từ 18 đến 25 trình vận động bản, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Số 47/2017, pp 169-176 [4] Phạm Đức Dương công sự, Nghiên cứu thiết kế chế tạo quần giảm béo thẩm mỹ sử dụng chế học cho phụ nữ Việt Nam, Đề tài cấp Bộ GD&ĐT mã B2014 – 01 – 67, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (2014) [8] Phan Thanh Thảo, Hà Thị Định, Nghiên cứu xác định áp lực tiện nghi áo lót ngực, Tạp chí Khoa học Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Số 47/2017, pp 164-168 [5] Nguyễn Quốc Toản, Phan Thanh Thảo, Đinh Văn Hải, Thiết kế chế tạo thiết bị đo áp lực trang phục lên thể người sử dụng cảm biến lực, Tạp chí khoa học 52 ... Thiết kế vỏ hộp thiết bị bố trí linh kiện 2.7 Ứng dụng thiết bị chế tạo đo áp lực trang phục lên thể người trình mặc Nhóm nghiên cứu chế tạo thành cơng thiết bị cầm tay đo áp lực trang phục lên. .. rằng, thiết bị đo áp lực trang phục lên thể người sử dụng cảm biến áp lực MPX10DP nhóm nghiên cứu chế tạo có khả đo áp lực vị trí đặc trưng thể người vùng ngực, vùng bụng, vùng mông phần thân thể, ... học Cơng nghệ 133 (2019) 045-052 Nghiên cứu trước sử dụng cảm biến Flexiforce hãng Tekscan Hoa Kỳ để thiết kế chế tạo thiết bị đo áp lực trang phục lên thể người [5] Tuy nhiên, thiết bị có hạn chế