3.3.1 Thiết kế khung cánh tay
Mô hình khung cánh tay được thiết kế bắt đầu bằng việc lựa chọn thanh hỗ trợ khuỷu tay. Thanh hỗ trợ khuỷu tay được lấy từ thanh nhôm định hình 20x20mm được bán trong các cửa hàng cơ khí gồm: hai thanh nhôm có kích thước là 20cm hỗ trợ cố định cho khuỷu tay và 15cm hỗ trợ cố định cho phần bắp tay được thể hiện qua hình 3.3.
Hình 3.3: Nhôm định hình kích thước 20x20mm.
Hình 3.4: Mô hình thiết kế ốp đỡ cho cổ tay.
Tiếp theo, hình 3.4 là ốp đỡ cho tay gồm 3 ốp: ốp đỡ cho bắp tay, ốp đỡ cho bì cẳng tay và ốp đỡ cho cổ tay sẽ được in bằng nhựa 3D PLA loại 1.75mm màu xám, chúng ta tiến hành cài đặt các thông số trên phần mềm cura, để hạn chế việc gây khó chịu cho người sử dụng khung cánh tay trợ lực. Sau khi được in xong sẽ được gắn cố định vào thanh nhôm định hình và có thể di chuyển được tùy vào từng kích thước tay của mỗi người bằng con tán xoay chữ T M4. Ốp đỡ cho cổ tay có chiều dài 60mm, chiều rộng 77.79mm, chiều cao 60mm và bề dày của ốp 7mm.
Hình 3.5: Mô hình thiết kế ốp đỡ cho bì cẳng tay.
Hình 3.5 là ốp đỡ cho bì cẳng tay có chiều dài 60mm, chiều rộng 95mm, chiều cao 75mm và bề dày của ốp 7mm. Kích thước hai lỗ hình chữ nhật để gắn dây đai cố định tay là 30x3mm, hai con ốc bulong M4 được gắn vào thanh nhôm định hình để cố định cho ốp đỡ.
Hình 3.6: Mô hình thiết kế ốp đỡ cho bắp tay.
Hình 3.6 là ốp đỡ cho bắp tay có chiều dài 120mm, chiều rộng 105mm, chiều cao 80mm. Kích thước bốn lỗ hình chữ nhật để gắn dây đai cố định tay là 30x3mm và hai con ốc bulong M4 được gắn vào thanh nhôm định hình để cố định cho ốp đỡ.
Hình 3.7: Mô hình 3D hộp đựng bộ điều khiển.
Từ hình 3.7 trình bày những số liệu đo được từ thực tế để xem xét và tính toán đặt các linh kiện bên trong hộp điều khiển, nhóm lựa chọn kích thước vỏ ngoài 101x105x62mm. Hộp bộ điều khiển được chia gồm 4 khu (đế gắn nguồn, board arduino nano, Bluetooth HC-05, driver A4988) và 4 ngõ vào ra (MINI-B USB, jack cắm sạc, công tắc nguồn và ngõ ra điều khiển động cơ) ở trên có 1 tấm nắp đậy có kích thước 101x105x3mm.
3.3.2 Thiết kế hộp số giảm tốc có tỉ lệ 40:1
Hình 3.8 biểu diễn các ký hiệu thông số hình học và lực tác dụng tìm ra giá trị của các thông số đó để thiết kế được hộp số giảm tốc.
Phương trình biên dạng của đĩa cycloid được biểu diễn như sau:
Trong đó x và x xD y y yD được xác định bằng công thức: x (3.1) (3.2)
Trong đó:
- A là độ lệch tâm.
- R2 là bán kính vòng tròn lăn của đĩa cycloid.
- z1 là số răng đĩa xích và rc là bán kính chốt.
- góc biến thiên từ 0 đến 2π.
Tỷ số truyền của bộ truyền cycloid được tính bằng công thức:
u
z
Trong đó:
z1: số răng đĩa cycloid. z2: số con lăn (số răng chốt).
Thay z1 = 40, z2 = 41 vào công thức (3.4) ta có:
u
(3.3)
Thông thường số chốt của con lăn lớn hơn số răng trên đĩa cycloid là một nên tỷ số truyền là:
u z1
Tính toán các thông số của bộ truyền momen xoắn trên trục vào: -31-
T 9,55.106
1
Trong đó:
(3.7)
- P1 là công suất của động cơ.
- n1 là số vòng quay đầu trục vào (trục động cơ).
Thay P1 = 6.10-3 (kW), n1 = 600 (vòng/phút) vào công thức (3.7) ta có:
T19,55.106 6.10 3
95,5 Nmm
600
Momen xoắn trên trục ra:
T2 T1.u.
Trong đó:
- T2 là momen xoắn trên trục ra.
- u là tỷ số truyền của hộp giảm tốc cycloid.
- η: hiệu suất của bộ truyền.
Thay T1 = 95,5 Nmm, u= 40, η = 0,8 ÷ 0,96 và chọn giá trị η = 0,85 ta được:
T2 95,5.40.0,85 3247 Nmm
Hệ số bề rộng vành răng đĩa cycloid:
bdc
(3.8)
(3.9)
(3.10)
Hệ số RAz để tránh hiện tượng lẹm chân răng, vùng giá trị của RAz nên chọn khi phân tích bằng đồ thị [17] từ: 1,5 ÷ 2. Chọn RAz = 1,8. Hệ số tải trọng KH khi tính về độ bền nén:
K H KH .KH .KHV
- Với là hệ số phân bố không đều tải trọng lên các răng hoặc các con lăn có chịu lực tác dụng, phụ thuộc theo số răng đĩa cycloid, số răng đĩa cycloid càng ít thìKH
càng lớn, ta cóKH = 1,15 1,25, chọnKH = 1,2.
- KH là hệ số phân bố không đều lên chiều rộng vành răng. Nguyên nhân của sự phân
bố không đều lên chiều rộng vành răng là do biến dạng của trục, ổ, con lăn và bản thân các đĩa cycloid cũng như do sai số không tránh khỏi khi chế tạo và lắp ghép bộ truyền.
-
Từ các
Với = 0.1 chọn được giá trị củaK
c
KHV là hệ số tải trọng động do đặc điểm ăn khớp êm của loại bộ truyền này, chọn
KHV
(3.13)
Hệ số góc tiếp xúcK phụ thuộc vào số răng đĩa cycloid z1 và hệ số RAZ. Với z1 = 40, RAz = 1,8 cóK = 0,175. (Phục lục Bảng P.2)
Hệ số số răng đĩa cycloid kz phụ thuộc vào số răng đĩa cycloid được tính bằng công thức:
Thay z1 = 40 vào (3.14) suy ra: kz = 19.54
Hệ số kể đến cơ tính của vật liệu ZM được tính bằng công thức:
Z
Trong đó:
- E1, E2 là mô đun đàn hồi vật liệu làm bánh răng và con lăn (hoặc chốt).
- μ1 và μ2 hệ số Poatxông của vật liệu làm bánh răng và con lăn.
Ta có nhựa PMMA (mica): E1 = 2743 Mpa, u1 = 0,36. Inox 304: E2 = 190000 Mpa, μ2 = 0,29 thay vào (3.15):
Z
M
(3.16) Bán kính vòng tròn qua tâm các con răng lăn chốt R2 được tính theo công thức:
R 2 3 ZM2 4.z. c bd
Trong đó: z là số lượng bánh răng.
Dựa vào các giá trị đã tính được ở phía trên thế vào công thức (3.17):
R2
3
Ta được:R2 24.93 chọn: R2 26mm .
Tính lại giá trị hệ số răng đĩa cycloid:
Bề rộng đĩa cycloid b được tính theo công thức:
b 2.(R
Tính lại giá trị của hệ số bề rộng vành răng đĩa
Khoảng lệch tâm của bộ truyền A:
A
Chọn A = 1 mm.
Kiểm nghiệm bánh răng về độ bền nén:
Công thức kiểm nghiệm đĩa cycloid về độ bền nén:
(3.19) (3.20) (3.21) (3.22) T ha y cá c gi á trị đã tì m đ ư ợc ở tr ên và o cô n g th ức (3 .2 3) ta đ ư ợc : Ứ ng su
(3.23)
(3.24)
σ ≤ [σ].
Hình 3.9: Mô hình 3D trục đầu vào và bánh răng của hộp số giảm tốc tỉ lệ 1:40.
Trong hình 3.9 biểu diễn cơ cấu xoay của hộp số giảm tốc gồm 2 tầng bánh răng có đường kính 42mm dày 5mm có 40 răng. Bánh răng được khoét 8 lỗ, mỗi lỗ có đường kính 7mm sâu 5mm gắn vào 2 vòng bi vào có kích thước 7x4x2.5mm (X) và 1 lỗ ở giữa có đường kính 24mm sâu 5mm để đặt vòng bi có kích thước 24x15x5mm (Y). Đặc biệt trục đầu vào được gắn vào động cơ có 2 trục lệch tâm nhau 1mm để gắn 2 bánh răng vào có đường kính bằng 15mm (Z), đường kính trục trên cùng là 12mm để gắn vòng bi 12x18x4mm (D) cố định trục để không bị di chuyển trong quá trình hoạt động và chiều dài của trục 25mm.
Hình 3.10: Mô hình 3D nắp đậy cho hộp số giảm tốc mặt trước và sau.
Hình 3.10 là phần thiết kế nắp đậy cho hộp số giảm tốc gồm 8 lỗ có kích thước 3mm để cố định 4 thanh trục 3mm có chiều dài 22mm (K) và 4 bulong lục giác 3mm dài 30mm (M). Đường kính vòng tròn trung tâm là 12mm để gắn vòng bi 12x18x4mm (N) để giữ cố định trục đầu vào. Tiếp theo là đường kính trục tròn ở giữa là 40mm để gắn vòng bi 40x50x7mm (P) giúp cố định và di chuyển cho cánh tay, ngoài cùng là vòng tròn có đường kính 60mm.
Hình 3.11: Mô hình 3D nắp gắn động cơ bước 42mm cho hộp số giảm tốc mặt trước và sau.
Hình 3.11 thiết kế nắp gắn động cơ bước 42mm cho hộp số giảm tốc giống như phần thiết kế nắp đậy nhưng thêm 4 lỗ để gắn động cơ bước vào kích thước mỗi lỗ 3mm, mặt bên trong cắt âm phần đầu ốc bu lông lục giác kích thước sâu 5mm rộng 6mm (G). Phần cạnh ngoài có 3 lỗ có kích thước 3mm (H) để gắn phần khung cánh tay. Sau đây là phần lắp ráp các bộ phận của cánh tay lại với nhau thành một khung cánh tay hoàn chỉnh.
Hình 3.12: Cánh tay trợ lực được thiết kế trên phần mềm solidworks.
Mô hình cánh tay hoàn chỉnh được thiết kế và lắp ráp trong solidworks được thể hiện như hình 3.12.
3.4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY3.4.1 Lựa chọn bộ thu tín hiệu EEG 3.4.1 Lựa chọn bộ thu tín hiệu EEG
Đề tài sử dụng bộ đo điện não Emotiv EPOC+ 14 kênh do thiết kế nhỏ gọn có kích thước 9x15x15cm. Khối lượng 170g gồm có 14 kênh cảm biến toàn bộ não trong đó có
2 kênh F7 và F8 để thu tín hiệu chuyển động của mắt (vì bộ Emotiv 4 kênh không có kênh F8) nên ta phải sử dụng bộ đo điện não từ 14 kênh trở lên mới có đầy đủ 2 kênh F7 và F8 để thu tín hiệu điện não. Có hỗ trợ kết nối không dây sử dụng bluetooth 4.0 khoảng cách truyền dữ liệu trong phạm vi 15m vì đề tài không cần truyền tín hiệu trong phạm vi xa.
Hình 3.13: Bộ đo điện não Emotiv EPOC+ 14 kênh.
3.4.2 Thiết kế khối xử lý tín hiệu
Vì Emotiv hỗ trợ phần mềm trên hệ điều hành của máy tính nên ta không sử dụng
tín hiệu, hỗ trợ tốt việc giao tiếp các thiết bị ngoại vi và module từ bên ngoài (bluetooth, UART, HDMI…).
3.4.3 Thiết kế khối nhận dữ liệu bluetooth
Dữ liệu sau khi được xử lý sẽ được truyền đến cho bộ xử lý trung tâm để điều khiển động cơ. Với mục đích hạn chế sự phức tạp trong truyền dữ liệu có dây và tăng tính linh hoạt khi điều khiển thiết bị thì truyền dữ liệu không dây bằng bluetooth là giải pháp hợp lý nhất. Trên thị trường hiện nay có khá nhiều module bluetooth hỗ trợ vi điều khiển giao tiếp với thiết bị khác nhau thông qua kết nối bluetooth. Một số module bluetooth thường được sử dụng trong thực tế như: module bluetooth HC-05, module bluetooth HC-06. Tuy nhiên module bluetooth HC-05 là lựa chọn tối ưu cho đề tài này vì giá thành rẻ hơn so với các module khác, dễ dàng mua ở thị trường Việt Nam được nhiều người sử dụng và đánh giá ổn định. Các thông số phù hợp với hệ thống gồm:
Nguồn sử dụng là 5V nằm trong ngưỡng hoạt động 3~5 VDC của HC-05.
Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8 mA.
Thiết kế nhỏ gọn: 15.2*35.7*5.6mm.
Khoảng cách truyền dữ liệu trong phạm vi 15m.
Truyền dữ liệu nối tiếp, giao tiếp với Arduino Nano thông qua chân TX, RX chuẩn UART ít dây kết nối đơn giản không phức tạp (so với chuẩn SPI) mà đáp ứng được dữ liệu truyền đi ít bị thất thoát.
Công suất tiêu thụ 0.15W. Ta có sơ đồ nguyên lý như sau:
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý của mạch nhận và truyền dữ liệu Bluetooth HC-05 với Arduino Nano.
3.4.4 Thiết kế bộ xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm: thu thập tín hiệu từ máy tính bằng bluetooth rồi gửi tín hiệu điều khiển qua driver A4988 thông qua board mở rộng DRV8825 để điều khiển động cơ của khung cánh tay. Với yêu cầu trên ta đều có thể sử dụng nhiều loại vi điều khiển khác nhau như PIC, AVR, 8051, Raspberry, Arduino... làm khối xử lý đều có thể đáp ứng được đầy đủ yêu cầu của hệ thống nhưng trong đề tài chọn Arduino nano vì nó có những ưu điểm sau:
Giá thành rẻ hơn so với các dòng arduino uno, mega...., dễ sử dụng là module hoàn chỉnh sử dụng chip ATmega328.
Kích thước nhỏ gọn 1.85cm x 4.3cm so với những dòng arduino khác.
Là dòng vi điều khiển mã nguồn mở, có nhiều thư viện hỗ trợ cho các module chức năng khác nhau, trình biên dịch đơn giản, dễ sử dụng.
Thời gian đáp ứng nhanh 62.5ns.
Arduino nano có 14 chân I/O đáp ứng đủ kết nối với các module trong đề tài. Công suất tiêu thụ 0.2W.
3.4.5 Thiết kế bộ điều khiển
Hiện nay, trên thị trường có nhiều driver điều khiển động cơ bước như TB6560, L298, LV8729, ULN2003, A4988… Nhưng trong đề tài sử dụng module điều khiển driver A4988 vì nó có những ưu điểm sau phù hợp với đề tài:
Giá thành rẻ hơn so với module còn lại, dễ tìm kiếm trên thị trường.
A4988 là bộ chuyển đổi và bảo vệ quá dòng điều khiển động cơ bước chế độ DMOS, mạch có bộ ổn định dòng điện.
Thích hợp điều khiển động cơ bước 8V~35V, 2A. Giao tiếp và điều khiển đơn giản.
Chế độ điều khiển: full, half, 1/4, 1/8 và 1/16.
Điều chỉnh biến trở để thay đổi dòng ngõ ra max, tốc độ bước cao hơn. Tự động dò cường độ dòng điện.
Có mạch shutdown khi quá nhiệt, quá áp và quá dòng. Công suất tiêu thụ 0.02W.
Hình 3.15: Sơ đồ kết nối chân của driver A4988 với động cơ bước.
3.4.6 Lựa chọn động cơ
Sử dụng động cơ bước size 42 có khả năng quay chính xác góc, lập trình dễ dàng, kích thước tương đối nhỏ gọn, lại có khả năng chịu tải lớn nên được sử dụng rất nhiều trong các máy móc, robot. Về hoạt động: động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stator theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Trong đề tài này thì nhóm sử dụng để quay cánh tay trợ lực giúp hỗ trợ cho con người. Động cơ có momen xoắn 400N.cm thì lực nâng được tính như sau: F = 400/20 = 20 N (trong đó 20 là chiều dài của cánh tay), động cơ có thể nâng tối đa 2.04kg (lấy gia tốc trọng trường bằng 9.8m/s2). Công suất tiêu thụ của động cơ 2.3W nằm trong tầm hoạt động của driver A4988.
Ưu điểm:
Có thể điều khiển chính xác góc quay. Giá thành thấp.
Nhược điểm:
Về cơ bản dòng từ drive tới cuộn dây động cơ không thể tăng hoặc giảm trong lúc hoạt động. Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiển.
3.4.7 Thiết kế khối nguồn
Khối nguồn có chức năng cung cấp điện áp ổn định cho mạch. Thiết kế khối sạc cho pin Lipo 2000mAh 3.7V - 1A gồm 3 cell pin kết nối lại với nhau thông qua mạch sạc điện áp ngõ ra 11.1V để cung cấp cho động cơ theo sơ đồ hình 3.16 sau:
Hình 3.16: Sơ đồ kết nối pin lipo với mạch sạc.
Động cơ step sử dụng pin lipo dung lượng 6000mAH (từ 3 pin 2000mAH), điện áp đầu ra 11.1VDC (sau khi kết nối 3 pin lại với nhau). Sử dụng bộ nguồn sạc pin với đầu vào 12VDC.
Bảng 3.1: Thống kê dòng tải của các linh kiện. Linh kiện Arduino Nano HC05 Step motor A4988 Tổng dòng tiêu thụ: I MAX (3.25)
Từ bảng 3.1 ta thay vào công thức (3.25) ta có:
I
MAX
Công suất tiêu thụ của hệ thống:
Chọn khối nguồn là 3 pin LIPO 2000mAh (1A) – 3,7V là đủ để cung cấp cho mạch và động cơ hoạt động.
Nên ta có thể tính được thời lượng sử dụng PIN là:
t
t: là thời gian sử dụng điện từ pin (giờ). A: Dung lượng pin (mAh).
V: Điện áp pin (Volt). P: Công suất tải (W).