Loại đai dẹt Tỉ số (δ/d1)max
Nên dùng Cho phép Đai vải cao su
Đai da
Đai sợi bông Đai sợi len Đai sợi tổng hợp 1/40 1/35 1/30 1/30 1/50 … 1/70 1/30 1/25 1/25 1/25 1/100 … 1/150 Bảng 5. 4: Tỉ số của chiều dày đai và đường kính bánh đai nhỏ
Ứng suất có ích cho phép [σF] xác định theo cơng thức [σF] = [σF]0CαCvC0
Trong đó :
[σF]0 - ứng suất có ích cho phép xác định bằng thực nghiệm đối với các loại đai, ứng với d1 = d2 (α= 1800), bộ truyền đặt nằm ngang, v = 10 m/s, tải trọng tĩnh.
Trị số của [σF]0 được tính theo cơng thức: [σF]0 = k1 – k 2δ/d1
Với k1 và k2 là các hệ số cho trong bảng 4.9 phụ thuộc vào ứng suất căng ban đầu σ0.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 65
Loại đai Ứng suất căng ban đầu σ0,
MPa
1,6 1,8 2,0 2,4
Đai vải cao su k1
k2 2,3 9,0 2,5 10,0 2,7 11,0 3,05 13,5 Đai da k1 k2 2,65 26,5 2,9 30,0 3,15 33,0 3,6 40,0
Đai sợi bông k1
k2 1,95 13,5 2,1 15,0 2,25 17,0 2,5 20,0 Đai sợi tổng hợp
Được phủ bằng nhựa poliamit C6 trộn với cao su nitrin CKH-40
Được phủ bằng nhựa nairit
Ứng suất căng ban đầu σ0, MPa 4,0 5,0 7,5 10,0 k1 k2 k1 k2 5,75 176 6,55 124 7,0 220 8,0 156 9,6 330 11,4 233 11,6 440 14,3 331 Bảng 5. 5: Trị số của hệ số k1 và k2
Để chọn ứng suất căng ban đầu có thể dựa vào hướng dẫn sau đây: Đối với đai vải cao su, đai da, sợi bông, sợi len: σ0 = 1,6 MPa
Khi bộ truyền đặt thẳng đứng hoặc gần như thẳng đứng, khoảng cách trục không lớn và không điều chỉnh được, : σ0 = 1,8 MPa
Khi góc nghiêng của đường tâm bộ truyền so với phương nằm ngang tới 600 và định kì điều chỉnh khoảng cách trục: σ0 = 2,0 MPa
Đối với các bộ truyền tự căng với lực căng không đổi và : σ0 = 2,4 MPa Đối với các bộ truyền tự căng với lực căng thay đổi.
Đối với đai sợi tông hợp :
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 66 σ0 = 7,5 MPa – khi δ/dmin >1/80 và bộ truyền tự căng;
σ0 = 10 MPa – khi δ/dmin > 1/100 đối với bộ truyền tự căng với lực căng thay đổi
Cα – hệ số kể đến sự ảnh hưởng của các góc ơm α1 trên bánh đai nhỏ đến khả năng kéo của đai, trị số của Cα cho bảng 5.6 hoặc tính theo cơng thức:
Cα = 1 - 0,003(180 – α)
Góc ơm α1, 0 110 120 130 140 150 160 170 180 Hệ số Cα 0,79 0,82 0,85 0,88 0,91 0,94 0,97 1,0
Bảng 5. 6: Trị số của hệ số kể đến ảnh hưởng của góc ơm Cα
Cv – hệ số kể đến ảnh hưởng của lực li tâm đến độ bám của đai trên bánh đai, trị số của Cv cho trong bảng 4.11 hoặc tính theo cơng thức Cv = 1 – kv(0,01v2 – 1) ở đây kv = 0,04 đối với đai vải cao su, đai da, đai sợi bông, đai len ; kv = 0,01 đối với đai sợi tổng hợp
Loại đai Vận tốc đai v, m/s
5 10 15 20 25 30 35 40 50 70 Vải cao su(*) Sợi tổng hợp 1,03 1,01 1,0 1,0 0,95 0,99 0,88 0,97 0,79 0,95 0,68 0,92 - 0,89 - 0,85 - 0,76 - 0,52
(*) cũng dùng cho đai da, đai sợi bông, đai sợi len.
Bảng 5. 7: Trị số của hệ số kể đến ảnh hưởng của vận tốc Cv
C0 – hệ số kể đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền trong khơng gian và phương pháp căng đai, trị số cho trong bảng 5.8
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 67 Kiểu truyền động Góc nghiêng của đường tâm bộ truyền đối với đường
nằm ngang
Từ 0 đến 600 Từ 600 đến 800 Từ 800 đến 900 Tự căng (căng đai tự
động) Truyền động thường Truyền động chéo Truyền động nữa chéo 1 1 0,9 0,8 1 0,9 0,8 0,7 1 0,8 0,7 0,6
Bảng 5. 8: Trị số của hệ số kể đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền C0
Chiều rộng đai b được xác định từ công thức A = b δ = FtKđ/[σF] theo Ft, δ và [σF] vừa tính được. Trị số của b phải lấy theo tiêu chuẩn (bảng 5.1 đến 5.5).
Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục
Với σ0 đã chọn khi xác định [σF]0 tính được lực căng ban đầu F0 = σ0.δ.b
Lực tác dụng lên trục:
Fr = 2.F0.sin(α1/2)
5.4 Tính Tốn Chọn Động Cơ
ωmax = 60 vịng/phut Cơng suất động cơ:
Pmax=Mmax*ωmax= 5*2 π=30 W
5.5. Các chi tiết trong phần khớp ngón tay.
Phần cơ khí trong thiết bị phục hồi chức năng bàn tay. Là những khớp được gia công bằng MICA. Đã qua tính tốn và thiết kế trên phần mềm Solidworks.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 68
Hình 5. 1: Tổng quan phần cơ khí ngón tay. 5.5.1Phần khớp ngồi cùng. 5.5.1Phần khớp ngoài cùng.
Trục ngoài.
Được thiết kế bằng khớp tịnh tiến, với trược của bạc đạn và 2 trục song song, 2 trục này có nhiệm vụ giữ vững với các thành phần phía sau và giữ cho phần trước được tịnh tiến một cách chính xác. Các trục này được gia cơng bằng thép gió với đường kính Ø3mm.
Hình 5. 2: Hình dáng 2 trục Ø3mm.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 69 Phần này gồm 1 bạc trược đường kính Ø7mm. gắn lên con trược được gia cơng bằng bằng phương pháp cắt laser bằng vật liệu mica dày 5mm. Con trược này được gắn với bạc trược và gắn với 2 trục ngồi. Có nhiệm vụ tịnh tiến qua lại.
Hình 5. 3: Bạc trược. Hình 5. 4: Con trược tịnh tiến ngoài.
Miếng đỡ chặn 2 đầu ngoài cùng.
Miếng đỡ chặn ngồi cùng được gia cơng bằng phương pháp cắc laser với bề dày 5mm. Và có nhiệm vụ đỡ chặn khơng cho con trược ngồi vượt q phạm vi tịnh tiến của nó. Được gắn trên 2 trục ngồi cùng.
Hình 5. 5: Miếng đỡ chặn ngồi. Hình 5. 6: Miếng đỡ chặn 2 trục.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 70 Miếng khớp xoay phần ngồi có tác dụng kẹp chặt, giữ cố định khớp tịnh tiến ngoài. Để không bị lệch ra khỏi đường đi mong muốn. Và cịn có nhiệm vụ xoạy 1 góc từ 00 đến 900 để khớp ngoài cùng được xoay. Và được gia công bằng cắt laser với bề dày Mica 3mm.
Hình 5. 7: Miếng khớp xoay ngồi.
Miếng Mica cơ cấu xoay.
Được gia công bằng phương pháp laser với bề dày Mica là 5mm. Và được khoang 1 lỗ với đường kính Ø3mm để gắn trục. Phần này được liên kết với phần được bằng 1 trục Ø3mm. Có nhiệm vụ giữ cố định phần ngồi và góp phần làm cho phần ngồi được xoay như yêu cầu.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 71
Hình 5. 8:Tấm Mica cơ cấu xoay.
Miếng Mica quay dưới cùng.
Được gia công với bề dày Mica 5mm. Phần này là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong cơ cấu khớp ngón tay này. Nó có nhiệm vụ giữ cho phần ngoài và phần giữa được ổn định. Và được gắn với 1 trục Ø3mm, trên trục được gắn 1 lị xo để đấy khớp ra phía ngồi, đồng thời phần này dùng để định vị phần dây kéo, với sự hổ trợ của động cơ, dưới sự điều khiển theo chỉ định.
Hình 5. 9: Miếng Mica quay. 5.5.2. Phần giữa của khớp ngón tay. 5.5.2. Phần giữa của khớp ngón tay.
Phần này là một loạt khớp tịnh tiến, xoay và đỡ chặn. Là phần giữa cho khớp giữa được ổn định và thực hiện đúng yêu cầu đề ra.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 72
Hình 5. 10:Hình giữa của khớp ngón tay.
Hai con trược nằm ở khớp giữa.
Đây là một vị trí vơ cùng quan trọng trong toàn bộ khớp. Hai con trược này được gắn liền với 2 trục Ø3mm, góp phần giữ liên kết cho phần trước đó và phần ngồi cùng, đồng thời nó cũng là khớp tịnh tiến làm cho khớp giữa được tịnh tiến qua lại.
Hình 5. 11:Hai con trược nằm ở giữa khớp.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 73 Miếng xoay khớp giữa được gia công bằng phương pháp laser với bề dày 3mm. là miếng xoay của khớp giữa. Cũng như khớp ngoài cùng, phần này cũng xoay được từ 00 đến 900. Nó có nhiệm vụ là giữ phần liên kết với các thanh phía sau và phần tịnh tiến trước đó.
Hình 5. 12: Miếng Xoay khớp giữa.
Miếng xoay phía dưới.
Phần này được gắn chặc với một trục Ø3mm, để liên kết với phần miếng quay dưới cùng. Và cũng để liên kết với 2 thanh dày 3mm của phần cuối của khớp. Và được gia công Mica với bề dày 5mm.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 74
Hình 5. 13: Miếng xoay phía dưới 5.5.3. Phần cuối của khớp. 5.5.3. Phần cuối của khớp.
Là hoàn loạt các thanh liên kết với các tịnh tiến và xoay của khớp. Phần này dùng đễ gắn với đế và hộp. Là phần truyền động từ động cơ đến khác khớp. Có nhiệm vụ giữ có các sợi cáp được truyền đúng hướng, và đúng yêu cầu.
Con xoay phần đầu khớp và phần giới hạn khớp.
Phần này được gia công Mica với bề dày 5mm, được khoan 2 lỗ với đường kính Ø3mm để gắn 2 trục song song với nhau, và là khớp tịnh tiến đầu. Phần này cũng gồm có 2 miếng giới hạn khớp ở 2 bên để không cho chuyển động vượt quá yêu cầu kỹ thuật cho phép.
Hình 5. 14: Con xoay phần đầu và phần giới hạn khớp.
Phần gắn với vỏ hộp.
Phần này được gia công cắc laser Mica với bề dày 10mm. và được khoang 2 lỗ Ø7mm để gắn 2 bạc trược. phần này gắn với vỏ hộp. và dùng để trược tịnh tiến khớp đầu tiên của ngón.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 75
Hình 5. 15: Phần gắn với vỏ hộp.
Hệ thanh dẫn dộng và kéo Lò xo.
Hệ thanh này được gia công bởi vật liệu Mica. Được gắn nối với nhau qua các trục nối. Phần hệ này được gắn với miếng 10mm và gắn với vỏ hộp. Có chức năng dẫn động và truyền lực cho các phần phía sau.
Hình 5. 16: Hệ thanh dẫn động và kéo lò xo. 5.6. Phần vỏ hộp và bệ đỡ động cơ. 5.6. Phần vỏ hộp và bệ đỡ động cơ.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 76
- Vỏ hộp dùng để nâng đỡ động cơ.
- Phần bệ đỡ cho toàn hệ bàn tay.
- Phần hệ trục kéo cáp của dộng cơ.
- Phần nâng động cơ và hệ bánh đai.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 77
CHƯƠNG 6: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 6.1. Sơ đố khối tổng thể hệ thống điều khiển của thiết bị 6.1. Sơ đố khối tổng thể hệ thống điều khiển của thiết bị
Hình 6. 1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển. 6.2. Tổng quan về hệ thống điều khiển của cơ cấu 6.2. Tổng quan về hệ thống điều khiển của cơ cấu
- Máy phục hồi chức năng được điều khiển bằng 2 cách: điều khiển trên máy tính và điều khiển trên bảng điều khiển. Mơ hình hóa điều khiển của hệ thống theo sơ đồ sau:
Start Bật nguồn Động cơ về vị trí chuẩn Nhập mã lệnh điều khiển từ bảng điều khiển Nhập mã lệnh điều khiển từ máy tính Bộ điều khiển PID Động cơ So sánh giá trị đặt Chờ nhập mã lệnh tiếp theo sai đúng
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 78
Hình 6. 2: Sơ đồ thuật toán điều khiển
- Đầu tiên để sử dụng thiết bị ta cần cấp nguồn cho bộ điều khiển. Sau đó để thuận tiện cho việc lắp tay vào cơ cấu chúng ta cần Reset động cơ về vị trí chuẩn đã được lập trình sẵn, phải đảm bảo rằng việc lắp tay vào cơ cấu một cách thoải mái và chắc chắn. - Tiếp đó là nhập mã lệnh để điều khiển theo yêu cầu. Việc nhập mã lệnh có hai cách:
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 79 Cách 1: Nhập ở form C trên máy tính được kết nối với board điều khiển Arduino Mega 2560 qua cổng USB theo chuẩn tín hiệu UART.
Cách 2: Nhập từ bàn phím trên bảng điều khiển đã được kết nối với board điều khiển Arduino Mega 2560.
- Khi nhập mã lệnh điều khiển ta sẽ lựa chọn điều khiển theo vị trí hoặc lực mà ta có bộ điều khiển PID vị trí hay lực. Bộ điều khiển PID có tác dụng triệt tiêu nhiễu và sai số để cho cho động cơ đáp ứng chính xác như chúng ta mong muốn.
- Sau khi qua bộ PID tín hiệu được đưa đến động cơ. Để biết chính xác xem động cơ có đáp ứng theo u cầu hay khơng chúng ta cần qua khối so sánh giá trị đặt. Điều khiển vị trí ta sẽ so sánh vị trí đọc từ encoder với giá trị vị trí đặt nhập trên mã lệnh. - Nếu giá trị đáp ứng sai lệnh với giá trị đặt thì sẽ phải quay lại khối điều khiển PID và tiếp tục cấp xung điều khiển động cơ.
- Vòng lặp sẽ diễn ra liên tục cho tới khi nào khối so sánh giá trị đặt tính tốn giá trị đáp ứng bằng giá trị đặt.
- Sau khi giá trị đáp ứng bằng giá trị đặt thì sẽ chờ cho mã lệnh tiếp theo để thực hiện tiếp.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 80
6.2.1 Lưu đồ đọc encoder
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 81
6.2.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển chung
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 82
6.3. Nhập mã lệnh điều khiển
6.3.1. Nhập mã lệnh trên máy tính từ Form C
Hình 6. 5 : Form C
Tổng quan về From C điều khiển:
Các ô TextBox để nhập giá trị. Ví dụ TextBox nhập tốc độ bài tập, thời gian luyện tập.
Đồ thị đáp ứng dùng để vẽ lại đáp ứng chu kì làm việc.
Các Button để thực hiện các lệnh điều khiển. Ví dụ Button Start cho phép hoạt động, Button Stop ngừng hoạt động, Button Exit đóng Form C…
Các thanh kéo hScrollBar dùng để thay đổi các giá trị nhập một cách nhanh chóng.
Ô richTextBox dùng để lưu lại dữ liệu. Giúp q trình kiểm sốt hoạt động của người tập.
Form C còn hổ trợ hiển thị thời gian giúp người sử dụng có thể kiểm sốt được thời gian tập luyện, giúp lưu trữ dữ liệu chính xác.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 83 Khi nhìn trên Form C nó sẽ hiển thị trạng thái kết nối. Từ đó dễ dàng kiểm tra
lỗi khi khơng có tín hiệu.
Đặc biệt nó còn cho chúng ta lựa chọn được các chế độ tập luyện tùy theo tình trạng của mỗi người.
Nhập mã lệnh từ Form C trên máy tính sẽ được kết nối với board điều khiển Arduino Mega 2560 qua cổng USB theo chuẩn tín hiệu UART.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 84
CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ - ÐÁNH GIÁ. 7.1. Kết quả đạt được. 7.1. Kết quả đạt được.
7.1.1. Thiết kế cơ khí.
Một vài thông số kĩ thuật:
- Công suất động cơ: 2W (có bộ giảm tốc (53:1)) - Điện áp định mức: 24VDC
- Dòng điện dịnh mức: 0.2A
7.1.2. Thiết kế hệ thống điện.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 85
Hình 7. 2: Mạch kết nối điều khiển.
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị phục hồi chức năng bàn tay
Page 86
Hình 7. 4: Sơ đồ động cơ và bộ truyền động. 7.2 Đánh giá kết quả. 7.2 Đánh giá kết quả.
7.2.1. Những ưu điểm của đề tài.
Ưu điểm vượt trội:
- Tự thiết kế và chế tạo tồn bộ đề tài, khơng có sự sao chép đề tài, hay làm theo của các đề tài khác.
- Tự động hiệu chỉnh vị trí kết nối bàn tay với thiết bị. Đây là một ưu điểm vượt trội so với các thiết bị khác. Các thiết bị khác thường thì hiệu chỉnh vị