ĐỀ tài NCKH nghiên cứu và ứng dụng tín hiệu EEG điều khiển khung xương trợ lực cánh tay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG TÍN HIỆU EEG ĐIỀU KHIỂN KHUNG XƯƠNG TRỢ LỰC CÁNH TAY MÃ SỐ: SV2020-11 SKC007376 Tp Hồ Chí Minh, năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2020 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG TÍN HIỆU EEG ĐIỀU KHIỂN KHUNG XƯƠNG TRỢ LỰC CÁNH TAY Trong lĩnh vực khoa học công nghệ: Chuyên ngành kỹ thuật Y Sinh TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2020 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG TÍN HIỆU EEG ĐIỀU KHIỂN KHUNG XƯƠNG TRỢ LỰC CÁNH TAY Trong lĩnh vực khoa học công nghệ: Chuyên ngành kỹ thuật Y Sinh Sinh viên thực hiện: Lê Ngọc Phú Lớp, khoa: 161290, Khoa Điện – Điện tử Ngành học: Kỹ thuật Y Sinh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Huy Lớp, khoa: : 161290, Khoa Điện – Điện tử Ngành học: Kỹ thuật Y Sinh Người hướng dẫn chính: ThS Ngơ Bá Việt -i- MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH iv DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.4 PHƯƠNG PHÁP, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .4 1.5 BỐ CỤC CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ĐẶC TRƯNG CỦA TÍN HIỆU EEG VÀ TÍN HIỆU CHỚP MẮT 2.1.1 Tín hiệu EEG 2.1.2 Hành vi chớp mắt người 2.1.3 Tín hiệu chớp mắt 2.2 BỘ LỌC THÔNG CAO 10 2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 11 2.3.1 Cortex API 11 2.3.2 Ngơn ngữ lập trình Python 13 2.3.3 Arduino IDE 13 2.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 14 2.4.1 Thiết bị Emotiv EPOC+ 14 2.4.2 Vi Điều Khiển 16 2.4.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc bánh lăn 17 2.4.4 Mạch thu phát Bluetooth HC-05 19 2.4.5 Module điều khiển động bước A4988 21 2.4.6 Động bước 24 Chương 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 25 3.1 GIỚI THIỆU 26 -ii3.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 26 3.3 THIẾT KẾ CÁNH TAY TRỢ LỰC 27 3.3.1 Thiết kế khung cánh tay 27 3.3.2 Thiết kế hộp số giảm tốc có tỉ lệ 40:1 29 3.4 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY 35 3.4.1 Lựa chọn thu tín hiệu EEG 35 3.4.2 Thiết kế khối xử lý tín hiệu 35 3.4.3 Thiết kế khối nhận liệu bluetooth 36 3.4.4 Thiết kế xử lý trung tâm 37 3.4.5 Thiết kế điều khiển 37 3.4.6 Lựa chọn động 38 3.4.7 Thiết kế khối nguồn 38 3.5 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN KHUNG CÁNH TAY TRỢ LỰC 40 3.6 THIẾT KẾ BỘ LỌC 40 Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 44 4.1 GIỚI THIỆU 45 4.2 THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KHUNG CÁNH TAY 45 4.3 THI CƠNG MƠ HÌNH KHUNG CÁNH TAY 48 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHUNG CÁNH TAY 52 4.4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý tín hiệu EEG 52 4.4.2 Lưu đồ chương trình điều khiển cánh tay trợ lực 56 4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 58 Chương 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ .60 5.1 KẾT QUẢ THI CÔNG CÁNH TAY TRỢ LỰC 61 5.2 GIAO DIỆN PHẦN MỀM GIÁM SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHUNG CÁNH TAY TRỢ LỰC 62 5.2.1 Giao diện phần mềm giám sát hệ thống 62 5.2.2 Thời gian đáp ứng phần mềm phát chớp mắt 64 5.3 KẾT QUẢ XỬ LÝ VÀ NHẬN DẠNG CỬ ĐỘNG CHỚP MẮT 64 5.3.1 Mô tả thí nghiệm 64 -iii5.3.2 Kết thống kê đánh giá độ xác hệ thống 66 5.4 KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN KHUNG CÁNH TAY TRỢ LỰC 67 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN 70 6.1 KẾT LUẬN 71 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 74 -ivDANH MỤC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Thu tín hiệu điện não điện cực Hình 2.2: Tín hiệu EEG chớp mắt Hình 2.3: Các loại tín hiệu chớp mắt Hình 2.4: Đặc điểm tín hiệu chớp mắt 10 Hình 2.5: Đáp ứng tần số lý tưởng lọc thông cao 10 Hình 2.6: Mơ tả phương thức hoạt động Cortex API 12 Hình 2.7: Giao diện đăng nhập ứng dụng Emotiv 12 Hình 2.8: Cú pháp yêu cầu quyền truy cập từ Emotiv API 12 Hình 2.9 Yêu cầu chấp nhận truy cập từ phần mềm 12 Hình 2.10 Giao diện phần mềm Arduino IDE 14 Hình 2.11: Thiết bị Emotiv EPOC+ 14 Hình 2.12: Cách lắp đặt thiết bị đo điện não Emotiv 15 Hình 2.13: Board vi điều khiển arduino nano 17 Hình 2.14: Mơ tả cấu tạo thơng số hình học truyền bánh lăn 18 Hình 2.15: Mơ tả nguyên lý làm việc truyền bánh lăn 19 Hình 2.16: Module bluetooth HC-05 19 Hình 2.17: Sơ đồ kết nối chân HC-05 với arduino nano 20 Hình 2.18: Sơ đồ chân driver A4988 22 Hình 2.19: Sơ đồ kết nối module driver A4988 với vi điều khiển 22 Hình 2.20: Động bước 42mm 24 Hình 3.1: Mơ hình hoạt động hệ thống 26 Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống 27 Hình 3.3: Nhơm định hình kích thước 20x20mm 28 Hình 3.4: Mơ hình thiết kế ốp đỡ cho cổ tay 28 Hình 3.5: Mơ hình thiết kế ốp đỡ cho bì cẳng tay 28 Hình 3.6: Mơ hình thiết kế ốp đỡ cho bắp tay 29 Hình 3.7: Mơ hình 3D hộp đựng điều khiển 29 Hình 3.8: Các thơng số hình học lực tác dụng ăn khớp 29 Hình 3.9: Mơ hình 3D trục đầu vào bánh hộp số giảm tốc tỉ lệ 1:40 .33 Hình 3.10: Mơ hình 3D nắp đậy cho hộp số giảm tốc mặt trước sau 34 Hình 3.11: Mơ hình 3D nắp gắn động bước 42mm cho hộp số giảm tốc 34 Hình 3.12: Cánh tay trợ lực thiết kế phần mềm solidworks .35 Hình 3.13: Bộ đo điện não Emotiv EPOC+ 14 kênh 35 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch nhận truyền liệu Bluetooth HC-05 với Arduino Nano 36 Hình 3.15: Sơ đồ kết nối chân driver A4988 với động bước 38 Hình 3.16: Sơ đồ kết nối pin lipo với mạch sạc 39 Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý điều khiển cánh tay 40 -vHình 3.18: Tín hiệu thô EEG chưa qua xử lý 41 Hình 3.19: Phổ tần số tín hiệu thơ EEG 41 Hình 3.20: Đáp ứng xung lọc thông cao 42 Hình 3.21: Tín hiệu EEG trước sau lọc nhiễu 42 Hình 3.22: Tín hiệu làm mịn với chiều dài lọc trung bình khác 43 Hình 4.1: Sơ đồ bố trí xếp module hộp điều khiển 46 Hình 4.2: Lắp ráp khối nguồn cho điều khiển động 46 Hình 4.3: Lắp ráp khối vi xử lý trung tâm Arduino Nano vào điều khiển 47 Hình 4.4: Lắp ráp mạch điều khiển động A4988 thông qua board DRV8825 vào điều khiển 47 Hình 4.5: Lắp ráp khối nhận tín hiệu Bluetooth HC-05 48 Hình 4.6: Hình ảnh mơ hình 3D mặt cắt khung cánh tay trợ lực 49 Hình 4.7: Các thành phần khung cánh tay trợ lực 49 Hình 4.8: Hình ảnh hộp số giảm tốc 1/40 sau lắp ráp 50 Hình 4.9: Ráp nhơm định hình, ốp đỡ cho khung cánh tay trợ lực 50 Hình 4.10: Hình ảnh điều khiển hồn chỉnh sau kết nối dây 50 Hình 4.11: Mơ hình cánh tay trợ lực sau gia cơng hồn thành 51 Hình 4.12: Sơ đồ khối chương trình thu tín hiệu EEG 52 Hình 4.13: Chương trình xử lý tín hiệu EEG 54 Hình 4.14: Lưu đồ chương trình phát chớp mắt 55 Hình 4.15: Lưu đồ giải thuật cho chương trình điều khiển khung cánh tay trợ lực 56 Hình 4.16: Lưu đồ giải thuật cho chương trình đọc liệu điều khiển 57 Hình 4.17: Lưu đồ giải thuật cho chương trình lệnh điều khiển khung cánh tay trợ lực 57 Hình 4.18: Quy trình thao tác sử dụng khung cánh tay trợ lực 58 Hình 5.1: Mặt mặt bên khung cánh tay 61 Hình 5.2: Sản phẩm hoàn thiện khung cánh tay trợ lực 61 Hình 5.3: Khung cánh tay lắp vào cánh tay phải người sử dụng .62 Hình 5.4: Trạng thái khung xương điểm giới hạn 62 Hình 5.5: Giao diện phần mềm khởi động 63 Hình 5.6: Dạng sóng hiển thị phần mềm lúc chớp mắt trái .63 Hình 5.7: Dạng sóng hiển giao diện thị phần mềm lúc chớp mắt phải 63 Hình 5.8: Bố trí thí nghiệm thí thu tín hiệu EEG 65 Hình 5.9: Dịng thời gian thí nghiệm 65 Hình 5.10: Tín hiệu chia thành nhiều khung 66 Hình 5.11: Ma trận nhầm lẫn đánh giá thuật toán 66 Hình 5.12: Vị trí cánh tay trạng thái phần mềm bắt đầu điều khiển 67 Hình 5.13: Vị trí cánh tay trạng thái phần mềm chớp mắt trái lần 67 Hình 5.14: Vị trí cánh tay trạng thái phần mềm chớp mắt trái hai lần liên tục.68 Hình 5.15: Trạng thái cánh tay chưa chớp mắt phải 68 -viHình 5.16: Vị trí cánh tay trạng thái phần mầm chớp mắt phải lần thứ 69 Hình 5.17: Vị trí cánh tay trạng thái phần mầm chớp mắt phải lần thứ hai 69 Hình 5.18: Vị trí cánh tay trạng thái phần mầm chớp mắt phải lần thứ ba 69 -viiDANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật phiên Emotiv EPOC+ 15 Bảng 2.2: Các lệnh thông dụng dùng HC-05 21 Bảng 2.3: Mô tả chức pin module A4988 23 Bảng 2.4: Mã điều khiển động bước 23 Bảng 3.1: Thống kê dòng tải linh kiện 39 Bảng 4.1: Danh sách module linh kiện liên quan 45 Bảng 4.2: Chi tiết phận khung cánh tay trợ lực 51 Bảng 4.3: Các trường hợp chớp mắt xảy 53 Bảng 5.1: Thời gian xử lý liệu 64 -74- PHỤ LỤC Bảng P.1: Trị số hệ số K cho truyền bánh lăn RAz Z1 10 11 12 13 14 15 16 -7517 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 73 74 75 76 77 78 79 80 RAz Z1 10 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 Bảng 3: Tỉ lệ vết tiếp xúc RAz Z1 67 11 65 13 63 -8015 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 RAz Z1 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2020 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG TÍN HIỆU EEG ĐIỀU KHIỂN KHUNG XƯƠNG TRỢ LỰC CÁNH TAY Trong... CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2020 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG TÍN HIỆU EEG ĐIỀU KHIỂN KHUNG XƯƠNG TRỢ LỰC CÁNH TAY Trong lĩnh vực khoa... tác sử dụng khung cánh tay trợ lực 58 Hình 5.1: Mặt mặt bên khung cánh tay 61 Hình 5.2: Sản phẩm hồn thiện khung cánh tay trợ lực 61 Hình 5.3: Khung cánh tay lắp vào cánh tay phải