Cánh tay được điều khiển bằng tín hiệu điện cơ EMG, đo tín hiệu điện cơ trên từng bắp cơ theo phương pháp EMG bề mặt, xử lý tín hiệu điều khiển cánh tay nhân tạo.. Cùng với sự phát triển
TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam hiện có khoảng 6,7 triệu người từ 5 tuổi trở lên là người khuyết tật, chiếm khoảng 7,8% dân số cả nước; trong số này, khuyết tật vận động là loại phổ biến nhất với tỉ lệ khoảng 29%, tiếp theo là khuyết tật thần kinh, tâm thần (17%), tật nhìn (14%), khuyết tật nghe, nói (16%), tật trí tuệ (7%) và các dạng tật khác (17%) Tại quận Hà Đông, có khoảng 1.900 người khuyết tật, chiếm 0,67% dân số địa phương, với tổng dân số là 284.500 người.
Người khuyết tật là một trong những nhóm dân cư chịu thiệt thòi nhất trong xã hội hiện nay, đặc biệt khi họ gặp khó khăn trong quá trình hòa nhập và tiếp cận các cơ hội sống Đối với người bị mất chi, một bộ phận giả hoạt động tốt có thể mở ra nhiều cơ hội việc làm và nâng cao chất lượng cuộc sống Trong nhiều thập kỉ qua, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực thay thế các bộ phận bị mất bằng các thiết bị nhân tạo để hỗ trợ sinh hoạt và làm việc Gần đây, thiết kế tay chân giả đã phát triển vượt bậc với từ những thiết kế đơn giản như tay và chân gỗ đến các giải pháp hiện đại điều khiển bằng sóng não và điện cơ, mang lại sự linh hoạt và tự chủ lớn hơn cho người dùng.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ 4.0, việc áp dụng các phương pháp đo tín hiệu từ cơ thể người như điện não (EEG) và điện cơ (EMG) ngày càng được tích hợp sâu vào thiết kế các bộ phận chi giả dành cho người khuyết tật Nhờ tiến bộ trong cảm biến, xử lý tín hiệu và trí tuệ nhân tạo, các chi giả hiện nay ngày càng thông minh hơn và có nhiều chức năng thay thế cho các chi bị thiếu, giúp người dùng kiểm soát tốt hơn và nâng cao chất lượng cuộc sống.
Hiện nay có nhiều nghiên cứu liên quan đến thiết kế tay giả điều khiển bằng tín hiệu EMG Điển hình là đề tài "Design of an Arm Exoskeleton Controlled by the EMG Signal" của nghiên cứu sinh Mark Novak và Giáo sư Derin Sherman, thu thập tín hiệu EMG bề mặt từ bắp cánh tay, xử lý bằng LabVIEW và điều khiển khung tay giả Bên cạnh đó, nghiên cứu "Design and Construction of 4-DOF EMG-Based Robot Arm System" của Junior Sintar, tiến sĩ Mohd Shahrieel Mohd Aras và giáo sư Ahmad Zaki Shukor tại Universiti Teknikal Malaysia Melaka sử dụng cảm biến Myoware để ghi nhận các cử chỉ bàn tay, sau đó xử lý và điều khiển một cánh tay robot 4 bậc tự do Những nghiên cứu này đóng góp nền tảng hữu ích cho tương lai trong việc hỗ trợ bệnh nhân mất tay có thể vận động như người bình thường.
Dựa trên các khảo sát và kiến thức đã được trang bị, nhóm đề nghị triển khai đề tài thiết kế và thi công cánh tay nhân tạo nhằm giúp người bị mất cánh tay có thể vận động, với hệ thống có tên "Thiết kế và thi công cánh tay nhân tạo điều bằng tín hiệu điện cơ EMG" Hệ thống này có thể hỗ trợ trực tiếp bệnh nhân mất tay vận động thông qua điều khiển bằng tín hiệu điện cơ EMG, từ đó cải thiện khả năng phục hồi chức năng và chất lượng cuộc sống.
MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công cánh tay nhân tạo được thực hiện dựa trên cơ chế điều khiển bằng tín hiệu điện cơ EMG Hệ thống thu thập tín hiệu EMG từ từng nhóm cơ bằng công nghệ EMG bề mặt và được xử lý để chuyển đổi thành các động tác của cánh tay giả Quá trình đo tín hiệu và xử lý bao gồm lọc, giải mã và lập trình điều khiển nhằm mang lại sự nhạy bén và tự nhiên trong điều khiển cánh tay nhân tạo Thiết bị này nhằm hỗ trợ người bị mất cánh tay, giúp họ thực hiện các hoạt động hàng ngày một cách hiệu quả và linh hoạt hơn.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công cánh tay nhân tạo điều khiển bằng tín hiệu điện cơ EMG, nhóm chúng em đã tập trung nghiên cứu và giải quyết các thách thức kỹ thuật chính, từ nhận diện và xử lý tín hiệu EMG đến tích hợp hệ thống điều khiển với cơ cấu cánh tay nhân tạo Chúng em đã hoàn thành các nội dung trọng tâm như thiết kế và chế tạo cơ cấu cơ khí—điện tử phù hợp với yêu cầu điều khiển EMG, phát triển thuật toán điều khiển và giao diện người dùng, tiến hành thử nghiệm thực nghiệm để đánh giá độ nhạy, chính xác và độ tin cậy, đồng thời đề xuất các hướng tối ưu hóa và bảo trì hệ thống cho tương lai.
- Nội dung 1: Tìm hiểu lý thuyết về điện cơ và thu tín hiệu điện cơ
- Nội dung 2: Xây dựng mạch thu nhận tín hiệu điện cơ
- Nội dung 3: Phân tích tín hiệu điện cơ theo các nhóm cơ
- Nội dung 4: Thiết kế và thi công cánh tay giả
- Nội dung 5: Liên kết giữa phần cứng xử lý và khung tay giả
- Nội dung 6: Chạy thử nghiệm, kiểm tra và hiệu chỉnh
- Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện
- Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.
GIỚI HẠN
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:
- Thiết bị chỉ cử động của các ngón tay trên bàn tay
- Chỉ nâng tối đa 1.5kg
- Không có khả năng chống nước.
BỐ CỤC
Đối với đề tài thiết kế và thi công cánh tay nhân tạo điều khiển bằng điện cơ EMG thì bố cục có những phần như sau:
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục của đề tài
• Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày tổng quan các khái niệm điện cơ và hệ thống phần cứng, đồng thời nêu rõ các yêu cầu sơ bộ của đề tài đối với từng khối trong phần cứng và tiến hành lựa chọn, đánh giá các linh kiện phù hợp nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của dự án.
• Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương này giới thiệu về thiết kế, tính toán sơ đồ khối của hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch
• Chương 4: Thi công hệ thống
Chương này trình bày chi tiết phần thi công của từng khối và thi công toàn mạch, đồng thời thể hiện lưu đồ giải thuật cho từng chức năng của đề tài nhằm làm rõ luồng xử lý và cách triển khai hệ thống.
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Sau khi hoàn thiện hệ thống, kết quả đạt được cho thấy hệ thống vận hành ổn định, hiệu suất xử lý dữ liệu được cải thiện và tính mở rộng được đảm bảo Nhận xét về kết quả đạt được cho thấy đề tài đã hoàn thành các mục tiêu chính như tối ưu quy trình, nâng cao năng suất và cải thiện trải nghiệm người dùng, đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và chất lượng đã đề ra Đánh giá tổng thể cho thấy đề tài đã đạt được mục tiêu nghiên cứu với mức độ phù hợp cao: các chỉ tiêu hiệu suất, độ chính xác và tính tin cậy đều ở mức hoặc vượt mức mong đợi, và hệ thống sẵn sàng triển khai thực tế Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế nhỏ cần khắc phục và đề xuất cải tiến cho các phiên bản tương lai nhằm nâng cao tính bền vững, tính tương thích và tối ưu chi phí.
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Đưa ra kết luận về kết quả đạt được, đồng thời đưa ra hướng phát triển của đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CÁC KHÁI NIỆM
2.1.1 Điện cơ Điện cơ (Electromyography - EMG) là một kỹ thuật y học chẩn đoán điện để đánh giá và ghi lại hoạt động điện được tạo ra bởi các tế bào thần kinh vận động của cơ bắp Những tế bào thần kinh truyền tín hiệu điện để kiểm soát hoạt động và điều kiển cơ bắp EMG chuyển các tín hiệu điện thành biểu đồ hoặc dạng số để thuận tiện cho việc chuẩn đoán [6]
EMG là phát hiện, khuếch đại, ghi, xử lý, phân tích tín hiệu điện cơ được tạo ra bởi sự co cơ Tín hiệu EMG là sự tổng hợp các điện thế hoạt động từ các sợi cơ dưới các điện cực đặt dưới da Trong Khoa học Máy tính, điện cơ được sử dụng là phần mềm trung gian để tương tác giữa người và máy tính Giúp cho nhận dạng cử chỉ cho phép hành động vật lý vào máy tính
2.1.2 Quá trình hình thành điện cơ
Quá trình hình thành điện cơ chính là quá trình hình thành điện thế hoạt động của tế bào cơ Khi có kích thích thần kinh tác động vào tế bào cơ, có sự thay đổi về tính phân cực qua màng của sợi trục Điện thế hoạt động được hình dựa trên 3 giai đoạn hoạt động sau:
+ Khi bị kích thích thì tế bào thần kinh hoạt động và xuất hiện điện thế hoạt động
+ Khi bị kích thích tính thấm của màng thay đổi cổng Na + mở, Na + khuếch tán từ ngoài vào trong màng làm trung hòa diện tích âm ở bên trong
+ Các ion Na + mang điện dương đi vào trong không những để trung hòa diện tích âm ở bên trong tế bào, mà các ion Na + còn vào dư
+ Làm cho bên trong mang điện dương so với bên ngoài mang điện tích âm
− Giai đoạn tái phân cực
+ Bên trong tế bào Na + nhiều nên tính thấm của màng đối với Na + giảm cổng
Trong sinh lý tế bào, tính thấm đối với K+ tăng lên khi các cổng K+ mở rộng, cho phép K+ khuếch tán từ bên trong tế bào ra ngoài Quá trình khuếch tán này làm cho môi trường ngoại bào mang điện tích dương và giúp khôi phục điện thế nghỉ ban đầu của màng tế bào (Hình 2.1).
Hình 2.1: Cơ chế hình thành điện thế màng hoạt động A: Giai đoạn khử cực và đảo cực
B: Giai đoạn tái phân cực
Nguyên lý co cơ là quá trình cơ xương được kích thích bởi xung điện truyền từ hệ thần kinh, đặc biệt từ các motoneurons (dây thần kinh vận động) Khi một sợi cơ xương được kích hoạt bởi một xung thần kinh, các cầu nối gắn với các sợi mỏng hoạt động và tạo ra lực tác động lên chúng (Hình 2.2) Để hiện tượng co cơ xảy ra, lực tác động lên sợi mỏng phải lớn hơn lực kháng lại sự co giãn [7].
Hình 2.2: Cơ chế co cơ khi có kích thích từ xung thần kinh a Đơn vị vận động của cơ (MUAP)
Các đơn vị vận động (MU) là các thực thể chức năng của hệ thần kinh cơ Mỗi
Một đơn vị vận động (MU) gồm một motoneurone và các nhánh sợi cơ được nó chi phối Khi motoneurone bị kích thích điện, các điện thế hoạt động được sinh ra tại các kết nối thần kinh–cơ và lan truyền dọc theo toàn bộ các sợi cơ tới vùng gân; tổng các điện thế này gọi là điện thế hoạt động của đơn vị vận động (MUAP) và là yếu tố chịu trách nhiệm cho sự co cơ Các nhóm MU thường phối hợp với nhau để thực hiện động tác co cơ một cách nhịp nhàng Quá trình chọn đơn vị vận động (motor unit recruitment) cho phép cơ thể điều chỉnh lực và độ nhạy của động tác bằng cách huy động thêm hoặc rút bớt MU.
Hệ thống thần kinh trung ương chịu trách nhiệm tuyển chọn có tổ chức các nơ-ron vận động, bắt đầu từ những đơn vị vận động nhỏ nhất để điều khiển mức độ lực phù hợp Quy tắc kích thước của Henneman cho thấy các đơn vị vận động được tuyển chọn theo thứ tự từ nhỏ đến lớn dựa trên kích thước tải trọng mà cơ thể phải sinh ra Các đơn vị vận động lớn hơn thường chứa các sợi cơ nhanh hơn và do đó có khả năng sinh ra lực lớn hơn, như thể hiện ở hình 2.3.
Có 2 cách để chọn đơn vị vận động: theo không gian và theo thời gian
− Chọn theo không gian là sự kích hoạt của nhiều đơn vị vận động để tạo ra một lực cực lớn
Hình 2.3: Dạng sóng điện cơ tương ứng với từng loại sợi cơ A: Dạng sóng điện cơ với sợi cơ loại I
B: Dạng sóng điện cơ với sợi cơ loại II-a
C: Dạng sóng điện cơ với sợi cơ loại II-b
Trong hình 2.4, dạng sóng điện cơ thể hiện sự khác biệt giữa các loại cơ Cụ thể, cơ loại II-b cho dạng sóng lớn nhất và có cường độ rõ nhất, trong khi cơ loại I cho dạng sóng nhỏ và khó phát hiện.
− Chọn theo thời gian là sự kích hoạt vận động trong thời gian dài hơn
Hình 2.4: Thời gian và lực tác động của các đơn vị vận động của các loại sợi cơ
(chú thích: Tension: Áp lực, Time: thời gian)
Các loại sợi cơ cơ bản gồm Type I và hai loại Type II (II-a và II-b) thể hiện sự khác biệt rõ rệt về thời gian tác động và lực tác động Sợi cơ Type I có thời gian tác động dài nhất và lực tác động thấp nhất, trong khi sợi cơ Type II-b có thời gian tác động ngắn nhất nhưng lực tác động lớn hơn hai loại cơ còn lại (Type II-a và Type I).
PHƯƠNG PHÁP ĐO BỀ MẶT ( SUFACE EMG)
EMG bề mặt là phương pháp thu thập tín hiệu điện từ cơ bằng cách đặt điện cực lên bề mặt da trên vùng cơ quan tâm khi có kích thích đến vùng cơ đó Khi các tế bào thần kinh vận động truyền tín hiệu điện gây ra sự co cơ, các điện cực gắn trên cơ sẽ ghi nhận và phát hiện những tín hiệu này EMG bề mặt đánh giá chức năng cơ bằng cách ghi lại hoạt động của cơ từ bề mặt da, như thể hiện trên Hình 2.5 Các điện cực bề mặt chỉ có thể cung cấp một đánh giá hạn chế về hoạt động của cơ [9,10].
Hình 2.5: Ghi tín hiệu EMG theo phương pháp bề mặt a Các yếu tố ảnh hưởng đến việc đo EMG bề mặt
− Các vùng cơ bề mặt cần đo
− Độ sâu của mô dưới da tại vị trí đo
− Tuỳ thuộc vào cân nặng của bệnh nhân
− Không phân biệt được sự phóng điện của các vùng cơ lân cận b Đồ thị của tín hiệu điện cơ
Tín hiệu điện cơ EMG được đo và tổng hợp từ nhiều tín hiệu của đơn vị vận động
MU Tín hiệu của mỗi đơn vị vận động khác nhau với từng vị trí đặt điện cực đo (như Hình 2.6)
Hình 2.6: Tín hiệu điện cơ thu được của một đơn vị vận động MU
Gastrocnemius motor unit: đồ thị tín hiệu điện cơ của một đơn vị vận động MU tại cơ sinh đôi cẳng chân (gastrocnemius)
Đồ thị tín hiệu điện cơ (EMG) của một đơn vị vận động (MU) tại cơ dép (soleus) cho thấy tín hiệu EMG được ghi nhận và tổng hợp từ nhiều MU bằng phương pháp bề mặt, được thể hiện ở hình phía dưới.
Hình 2.7: Tín hiệu đo EMG theo phương pháp bề mặt
BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC
ADC, hay Analog to Digital Converter, là bộ chuyển đổi từ điện áp liên tục (analog) sang giá trị nhị phân (kỹ thuật số) mà thiết bị số có thể hiểu và xử lý cho các ứng dụng tính toán Quá trình này biến đổi đầu vào từ điện áp analog thành một chuỗi bit được kết nối trực tiếp với bus của bộ vi xử lý, từ đó cho phép tín hiệu cảm biến được số hóa và xử lý trong hệ thống số.
ADC (bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số) chuyển đổi giá trị điện áp của tín hiệu analog thành dữ liệu số ở dạng nhị phân Trong mỗi bộ ADC, hai thành phần quan trọng là điện áp tham chiếu và tốc độ lấy mẫu; điện áp tham chiếu xác định các ngưỡng chuyển đổi cho kết quả số, còn tốc độ lấy mẫu cho biết số lần lấy mẫu mỗi giây để xác định độ phân giải và độ chính xác của dữ liệu đầu ra.
− Điện áp tham chiếu Vref Điện áp tham chiếu là giá trị ánh xạ nhị phân lớn nhất mà ADC có thể chuyển đổi được
Ví dụ, trong bộ chuyển đổi 10bit có 5V là điện áp tham chiếu, vậy mã nhị phân là 1111111111 tương ứng 5V và 0000000000 tương ứng với mức 0V
Trong kỹ thuật điện tử, tốc độ mẫu của bộ ADC (Analog-to-Digital Converter) là số lần chuyển đổi tín hiệu analog sang digital được thực hiện mỗi giây Ví dụ, một bộ ADC chất lượng cao có thể đạt tốc độ mẫu lên tới 300 MS/s, tức là 300 triệu mẫu mỗi giây Đơn vị MS/s được đọc là megasamples trên giây.
Tốc độ lấy mẫu của ADC phụ thuộc hoàn toàn vào loại bộ chuyển đổi và mức độ chính xác cần thiết Nếu yêu cầu độ chính xác cao, ADC sẽ dành nhiều thời gian để xem xét tín hiệu đầu vào; ngược lại, khi không cần độ chính xác lớn, nó có thể lấy mẫu với tốc độ nhanh hơn.
2.3.2 Mối quan hệ điện áp và giá trị ADC
Giá trị ADC lớn nhất là 2n-1 là giá trị điện áp lớn nhất Vref Để tính toán với giá trị bất kỳ ta dùng công thức (2.1)
− Vdo là điện áp cần chuyển đổi ADC
− GT_ADC: giá trị chuyển từ điện áp Vdo sang nhị phân
− Vref là điện áp tham chiếu
− n số bit của bộ chuyển đổi
Từ công thức (2.1) muốn tìm được giá trị sau khi qua chuyển đổi ADC có công thức (2.2)
ADC (bộ chuyển đổi tín hiệu) được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm đo đạc như máy phát hiện sóng kỹ thuật số và đồng hồ vạn năng Trong máy phát hiện sóng, bộ ADC có độ phân giải 12 bit cho phép chuyển đổi tín hiệu analog thành số (digital) một cách nhanh chóng và chính xác Ngoài ra, các vi điều khiển hiện đại trên thị trường đều tích hợp sẵn ADC để đo lường tín hiệu Ví dụ, Arduino sử dụng chip ATMega328P với độ phân giải 10 bit, trong khi STM32 cung cấp ADC với độ phân giải 12 bit.
BỘ LỌC KALMAN
Vào năm 1960, R.E Kalman công bố bài báo nổi tiếng mang tên "A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems", giới thiệu một giải pháp mới cho các bài toán lọc thông tin rời rạc tuyến tính và dự báo Kể từ đó, cùng với sự phát triển của tính toán kỹ thuật số, bộ lọc Kalman đã trở thành một chủ đề nghiên cứu sôi nổi và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ như tự động hoá, định vị và viễn thông, cũng như nhiều lĩnh vực khác.
Bộ lọc Kalman là một tập hợp các phương trình toán học mô tả một phương pháp ước đoán trạng thái của một quá trình theo cách truy hồi, nhằm tối thiểu hóa trung bình bình phương sai giữa giá trị thực và giá trị dự đoán Nhờ tính tối ưu này, bộ lọc Kalman có hiệu quả cao trong việc ước đoán trạng thái của hệ thống ở quá khứ, hiện tại và tương lai ngay cả khi mô hình hệ thống chưa được đảm bảo về độ chính xác Trong phần này nhóm sẽ tóm tắt phương pháp chính và ý nghĩa của bộ lọc Kalman, giúp độc giả nắm được nguyên lý hoạt động và các ứng dụng tiềm năng của nó.
Mô hình hệ thống sử dụng bộ lọc Kalman như hình 2.8
Bộ lọc Kalman hoạt động dựa trên các tham số của mô hình hệ thống để xử lý tín hiệu đo được từ đầu vào Nhờ đó, nó ước lượng trạng thái và loại bỏ nhiễu một cách tối ưu, từ đó cho ra các kết quả tuyến tính dựa trên tín hiệu đầu vào, được điều chỉnh bởi các tham số của hệ thống.
Bộ lọc Kalman là một phương pháp ước lượng trạng thái cho một quá trình ngẫu nhiên được mô hình hóa rời rạc theo thời gian bằng một hệ thống tuyến tính có nhiễu Bản chất của bộ lọc Kalman nằm ở hai chu trình chính: dự đoán và cập nhật Quá trình này được xem như một chu trình lặp đi lặp lại, trong đó bước dự đoán ước lượng trạng thái tiếp theo dựa trên mô hình động học, và bước cập nhật điều chỉnh ước lượng dựa trên quan sát thực tế và nhiễu đo nhằm tối ưu hóa sai số ước lượng.
Hình 2.8: Mô hình hệ thống sử dụng bộ lọc Kalman
Bảng 2.1: Ý nghĩa của các ký hiệu dùng trong thuật toán Kalman Ý nghĩa Ký hiệu
Các chỉ số dưới thể hiện bước lặp k, k-1
Trạng thái ước lượng hậu nghiệm và trạng thái ước lượng tiền nghiệm của hệ 𝑥̂, 𝑥̂ −
Ma trận hiệp phương sai của sai số ước lượng hậu nghiệm và ma trận hiệp phương sai của sai số ước lượng tiền nghiệm P, 𝑃 −
Ma trận hiệp phương sai của nhiễu quá trình và ma trận hiệp phương sai của nhiễu đo lường Q, R
Ma trận trạng thái đo H
Giả sử ta đã nắm được phương trình trạng thái của hệ thống, các tác động khách quan từ môi trường bên ngoài có thể diễn ra một cách ngẫu nhiên hoặc chưa được tính đến trong mô hình Kết quả thu được từ mô hình sẽ do đó mang tính không chắc chắn và có thể lệch hướng so với thực tế nếu chỉ dựa vào trạng thái hiện có Để nâng cao độ chính xác và khả năng dự báo, cần tích hợp các yếu tố nhiễu ngoại lai vào quá trình mô hình hóa, hiệu chỉnh tham số bằng dữ liệu thực nghiệm và áp dụng các phương pháp ước lượng hoặc kiểm định mô hình Việc này giúp hệ thống được mô phỏng và điều khiển một cách tin cậy hơn, đồng thời cho phép tối ưu hóa quyết định dựa trên đánh giá rủi ro và sự thay đổi của các tác động bên ngoài.
Bộ lọc Kalman Tín hiệu đo
Phương trình dự báo trạng thái sẽ không cho kết quả hoàn hảo; tương tự, các đo đạc từ cảm biến chỉ cho ta trạng thái ở mức xấp xỉ do nhiễu ảnh hưởng Bằng cách tận dụng cả thông tin từ mô hình trạng thái của hệ thống lẫn dữ liệu đo đạc thực tế, và giả sử nhiễu quá trình cũng như nhiễu đo đạc tuân phân bố Gauss, thuật toán Kalman có thể cung cấp ước lượng tối ưu về trạng thái của hệ thống.
Hệ thống bộ lọc Kalman dễ áp dụng cho vi điều khiển nhỏ gọn nhờ tính đơn giản và hiệu quả của nó trong xử lý tín hiệu Việc triển khai trên các thiết bị có giới hạn tài nguyên cho phép theo dõi trạng thái và lọc dữ liệu một cách ổn định và nhanh chóng Hiệu quả sử dụng của bộ lọc Kalman sẽ được trình bày ở chương 5, nơi phân tích hiệu suất, độ tin cậy và lợi ích của phương pháp này so với các kỹ thuật lọc khác.
NHỰA PLA
Nhựa PLA, viết tắt của Polylactic Acid, là một loại nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học được sản xuất từ các nguồn tái tạo Nhờ tính chất thân thiện với môi trường và khả năng phân hủy sinh học, PLA đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp và in 3D Hình 2.9 cho thấy nhựa PLA có mặt trên thị trường và được ứng dụng phổ biến ngày nay.
Nhựa in PLA là một trong những loại nhựa in 3D FDM phổ biến nhất trên thị trường Loại nhựa này có giá thành thấp, dễ in và có nhiều màu sắc rực rỡ PLA có nhiều ưu điểm vượt trội so với các sản phẩm nhựa hóa dầu khác như ABS (Acrylonitrile butadiene styrene) hay PVA (Polyvinyl Alcohol) Với khả năng phân hủy sinh học trong môi trường, nhựa PLA được sử dụng rộng rãi để sản xuất các đồ dùng hàng ngày, như bao bì đựng thực phẩm, khay đựng hoặc cốc chén, và màng thực phẩm.
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.6.1 IC khuếch đại điện áp a Giới thiệu
Trong đo tín hiệu điện cơ (EMG), tín hiệu rất nhỏ có biên độ từ 0–6 mV và tần số từ 0–50 Hz nên cần mạch khuếch đại tín hiệu đo để thu thập và xử lý hiệu quả Mạch khuếch đại này được thiết kế với IC khuếch đại instrumentation như INA128, loại IC có đầu vào cao và ngõ ra cho độ chính xác cao, giúp khuếch đại tín hiệu EMG một cách ổn định và chuẩn bị cho các bước xử lý sau.
Hình 2.10: Sơ đồ chân của ic INA 128
Sơ đồ chân của IC INA128 được thể hiện trong hình 2.10 và bảng 2.2
Bảng 2.2: Sơ đồ chân của IC INA128
Kí hiệu Pin Chức năng
REF 5 Điện áp tham chiếu đầu vào
RG 1,8 Điện trở đặt độ khuếch đại
VIN- 2 Điện áp âm đầu vào
VIn+ 3 Điện áp dương đầu vào
VO 6 Ngõ ra b Thông số kỹ thuật
Những đặc trưng về thông số kỹ thuật của IC INA128 được thể hiện dưới bảng 2.3 [13]
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của IC INA128
Dòng điện biến thiên ±5 nA
Dòng điện ngắn mạch 15 mA
Kích thước 6.35 9.81 mm Để IC hoạt động tốt cần tuân thủ những thông số kỹ thuật về nguồn điện áp, nhiệt độ hoạt động
2.6.2 IC khuếch đại thuật toán a Giới thiệu
Op-amp (operational amplifier) là một mạch khuếch đại DC-coupled có đầu vào vi sai và hệ số khuếch đại rất lớn, cho phép khuếch đại tín hiệu dù có tín hiệu bias ở đầu vào Để khuếch đại tín hiệu trong các mạch, người ta thường dùng op-amps và ví dụ mạch này sử dụng IC TL084, một IC tích hợp chứa bốn bộ op-amps độc lập, phù hợp với nhiều ứng dụng khuếch đại tín hiệu.
Hình 2.11: Sơ đồ chân của IC TL084 Dựa vào hình 2.11 có sơ đồ chân của IC TL084 Chức năng của từng chân trong linh kiện được mô tả ở bảng 2.4
Bảng 2.4: Chức năng các chân của IC TL084
1IN+ 3 Đầu vào không đảo 1
2IN+ 5 Đầu vào không đảo 2
3IN+ 10 Đầu vào không đảo 3
4IN+ 12 Đầu vào không đảo 4
VCC- 11 Nguồn âm đầu vào
VCC+ 4 Nguồn dương b Thông số kỹ thuật
Các thông số kỹ thuật của IC TL084 được thể hiện dưới bảng 2.5 [14]
Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của TL084
Min Typ Max Đơn vị Điện áp đầu vào VS= VCC+ - VCC- 0 42 V
Dòng điện ngắn mạch ISC ±26 mA
Nhiệt độ môi trường hoạt động -55 150 o C
2.6.3 Điện cực dán a Giới thiệu Điện cực dán có chức năng thu nhận tín hiệu từ điện cơ từ bề mặt tiếp xúc rộng xung quanh vùng da Với bề mặt kết dính rất chắc chắn và an toàn cho da miếng dán điện cực không ảnh hưởng bởi các tác động bên ngoài [15] Miếng dán điện cực được dùng để thu nhận tín hiệu điện cơ là Farum FES-4531C (Hình 2.12)
Hình 2.12: Miếng dán điện cực Farum FES-4531C
Miếng dán điện cực có các tính năng sau:
− Vật liệu xốp bảo vệ điện cực và gel từ các chất tẩy rửa phẫu thuật
− Gel dán nhanh chóng và giúp ghi tín hiệu tốt trên bề mặt da
− Tất cả điện cực dán đều có lớp tiếp xúc chất lượng cao Ag/AgCl
− Dùng một lần, đã bôi gel, không nhựa mũ, không PVC, không vô trùng b Thông số kỹ thuật
Các thông số về vật liệu làm miếng dán điện cực Farum FES-4531C [16]
Bảng 2.6: Thông số về vật liệu của miếng dán Farum
Các bộ phận Vật liệu
Núm điện cực Thép không gỉ
Gel Aqua-Tac (Gel đặc)
Thông số kỹ thuật của miếng dán được biểu diễn ở Bảng 2.7
Bảng 2.7: Thông số kỹ thuật của miếng dán điện cực Farum
Thông số Đơn vị Giá trị Giới hạn AAMI
DC-offset (5 giây sau khi xả tụ điện) mV ≤ 15 ≤ 100
Arduino Nano là một board vi điều khiển do Arduino.cc phát triển, thuộc nền tảng điện tử mã nguồn mở và dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P Với Arduino, chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau nhờ sự kết hợp giữa phần mềm và phần cứng được hỗ trợ toàn diện.
Sơ đồ và chức năng của từng chân của Arduino Nano (Hình 2.13, Bảng 2.8):
Hình 2.13: Sơ đồ chân của Arduino Nano
Bảng 2.8: Chức năng các chân của Arduino Nano [18]
Tên chân Pin Chức năng
Vin Điện áp đầu vào khi Arduino sử dụng nguồn điện ngoài từ 7 – 12 V
3.3V Nguồn cung cấp điện áp 3.3V tạo ra từ bộ điều chỉnh điện áp trên bo mạch
5V Nguồn cấp điều chỉnh để cấp nguồn cho vi điều khiển và các thành phần khác trên bo GND Chân nối đất
Reset Reset Đặt lại vi điều khiển
(chân tín hiệu tương tự)
A0 – A7 Dùng để điện áp tương tự trong phạm vi từ
(chân tín hiệu số) D0 – D13 Được sử dụng như chân đầu vào hoặc đầu ra 0V (thấp) và 5V (cao) Serial
Rx, Tx Dùng để nhận và truyền dữ liệu
(Chân ngắt ngoài) D2, D3 Để kích hoạt ngắt ngoài
D3, D5, D6, D9, D10, D11 Cung cấp đầu ra PWM 8-bit
A4 (SDA), A5 (SCL) Sử dụng cho giao tiếp chuẩn I2C
Sử dụng chuẩn giao tiếp SPI
AREF AREF Điện áp tham chiếu
Led 13 Led sáng khi có nguồn
Mỗi chân trên mạch Arduino Nano có chức năng cụ thể Dựa vào từng chức năng khác nhau mà lựa chọn chân phù hợp b Thông số kỹ thuật
Tương tự với những linh kiện khác Arduino Nano cũng có những thông số kỹ thuật cần được quan tâm
Bảng 2.9: Thông số kỹ thuật của Arduino Nano [19]
Vi điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp cung cấp đầu vào chân Vin 7 – 12V
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng DC tối đa trên chân I/O 40 mA
Dòng DC tối đa trên chân 3.3V 50 mA
Dòng ra tối đa 500 mA
Kích thước của Arduino Nano là 1,85 × 4,3 cm Để đảm bảo an toàn khi sử dụng, người dùng cần đáp ứng các thông số như đã nêu trong bảng 2.9 Bên cạnh đó, Arduino Nano còn hỗ trợ các phần mềm đa nền tảng và có thể chạy trên các hệ điều hành Windows, macOS và Linux.
2.6.5 Động cơ Servo a Giới thiệu Động cơ servo là một bộ phận của hệ thống điều khiển chuyển động của máy móc Dùng để cung cấp lực chuyển động cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vận hành Trong bài báo cáo, nhóm sử dụng động cơ servo SG90 (Hình 2.14) [20]
Động cơ Servo SG90 là loại được sử dụng nhiều nhất trong các thiết kế robot và dẫn hướng xe nhờ lực kéo mạnh, khớp bánh răng làm hoàn toàn bằng kim loại cho độ bền cao Động cơ có driver điều khiển tích hợp bên trong và hoạt động theo cơ chế xung quay góc, giúp việc tích hợp và điều khiển trở nên dễ dàng ở các dự án nhúng.
Bên trong một Servo bao gồm 4 thành phần chính sau (Hình 2.15): động cơ DC, mạch điều khiển, biến trở, hộp số
Hình 2.15: Cấu tạo của Servo [21]
Ngoài những thành phần trên mỗi servo còn có thêm cánh tay quay, vỏ bảo vệ và dây nối c Nguyên lý hoạt động
− Điều khiển Servo bằng xung PWM
Tín hiệu PWM có chu kỳ 20ms tần số 50Hz được dùng để điều khiển Servo
Điều khiển góc Servo thực chất là điều khiển độ rộng xung PWM với chu kỳ 20 ms, trong đó độ rộng xung quyết định vị trí của servo; ví dụ, độ rộng xung 1 ms tương ứng với vị trí 0 độ.
+ Với độ rộng xung 1.5ms thì trục servo nằm ở vị trí 90 o
+ Với độ rộng xung 2ms thì trục servo nằm ở vị trí 180 o
Mô-men xoắn dùng để biểu thị sức chịu tải của động cơ Với động cơ Servo SG
90 có thể chịu tải đến 1.8kg ở khoảng cách 1 cm tính từ tâm của trục d Sơ đồ chân
Sơ đồ chân của Servo SG90 được thể hiện ở bảng 2.10
Bảng 2.10: Sơ đồ chân của SG90
Pin Tín hiệu Chuẩn JR Chức năng
1 Ground Dây nâu Chân nối đất
2 Power Dây đỏ Chân nguồn đầu vào
3 Điều khiển dây cam và chân điều khiển e Thông số kỹ thuật: Để động cơ servo SG90 hoạt động tốt nhất, cần tuân theo thông số kỹ thuật của các linh kiện liên quan Bảng 2.11 mô tả các đặc tính kỹ thuật của Servo SG90, cung cấp thông tin quan trọng về điện áp làm việc, mô-men xoắn và phạm vi điều khiển để tối ưu hiệu suất.
Bảng 2.11: Thông số kỹ thuật của SG90
Tốc độ không tải 0.12 giây / 60º (4.8V)
Mô-men xoắn 1.8 kg.cm
Nhiệt độ hoạt động -30 - +60 o C Điện áp hoạt động 4.8 – 6 V
2.6.6 Module giảm áp XL4015 a Giới thiệu
Module XL4015 là một mạch giảm áp có thiết kế nhỏ gọn, có khả năng chịu nguồn đầu vào lên tới 38V DC Mạch được sử dụng để điều chỉnh điện áp ngõ ra theo ý muốn bằng biến trở tích hợp trên board Trên module XL4015 tích hợp IC op-amp để so sánh hạn mức dòng điện nhằm đảm bảo an toàn khi vận hành; khi quá dòng, mạch sẽ cảnh báo bằng đèn LED và tự ngắt Hình 2.17 là hình biểu diễn module XL4015 mà nhóm đã dùng trong mạch.
Hình 2.17: Module XL4015 b Cấu tạo của module XL4015
Module XL4015 sử dụng phương pháp giảm áp xung để giảm áp DC và dòng đầu ra lên đến 5A Cấu tạo của module bao gồm các thành phần được mô tả trong hình 2.20
Hình 2.18: Cấu tạo của module XL4015
Nguồn đầu vào dùng điện áp cung cấp qua tụ điện 220 uF, 50V để ổn định dòng điện Sau đó được truyền cho IC XL4015 có nhiệm vụ giảm điện áp đầu vào xuống 5V và tăng dòng điện đầu ra tối đa 5A Khi quá tải các đèn Led chớp nháy, thông báo quá tải Ngoài ra, ở đầu ra của module còn có thêm tụ điện 220uF, 50V để ổn định nguồn điện áp và dòng điện
Sơ đồ chân của module XL4015 được mô tả trong bảng 2.12
Bảng 2.12: Sơ đồ chân của Module XL4015
IN- Đầu vào âm (ground)
OUT+ Đầu ra dương (được điều chỉnh)
OUT- Đầu ra âm (ground) c Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật của module XL4015 được mô tả ở bảng 2.13
Bảng 2.13: Thông số kỹ thuật của Module XL4015
IC chính XL4015 Điện áp đầu vào 4 ÷ 38 VDC Điện áp đầu ra 1.25 ÷ 36 VDC
Dòng đầu ra Tối đa 5A
Mạch giảm áp XL4015 là một module nguồn DC-DC buck với các tham số được thiết kế phù hợp cho các mạch điện tử nhỏ, cho phép điều chỉnh và ổn định điện áp đầu ra với hiệu suất cao Module XL4015 phù hợp cho học tập và nghiên cứu, làm bộ nguồn kit thí nghiệm và dùng cho các thiết bị dân dụng, mang lại giải pháp nguồn điện linh hoạt, đáng tin cậy cho các dự án điện tử tại gia và các ứng dụng dân dụng.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Với đề tài thiết kế và thi công cánh tay nhân tạo điều khiển bằng tín hiệu điện cơ EMG, nhóm sẽ thiết kế và tính toán sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển và các cảm biến EMG để hình thành một hệ thống hoàn chỉnh Để thu được tín hiệu tốt nhất, cần có một mạch thu tín hiệu với khả năng chọn lọc cao nhằm tạo điều kiện cho vi điều khiển xử lý Vi xử lý được trang bị các thuật toán đủ mạnh để xử lý tín hiệu EMG và điều khiển cánh tay giả hoạt động một cách chính xác Hệ thống phần cứng của cánh tay cần được thiết kế hợp lý, chắc chắn và ổn định để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong vận hành Toàn bộ các vấn đề nêu trên sẽ được giải quyết và trình bày chi tiết ở phần dưới.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Để ghi nhận tín hiệu, xử lý, điều khiển hoạt động tốt, cần phải thiết kế một sơ đồ mạch điện đáp ứng các yêu cần đã đặt ra Hình 3.1 dưới dây là sơ đồ khối của hệ thống mà nhóm sử dụng
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống a Khối cảm biến điện cơ
Khối cảm biến điện cơ nhận tín hiệu điện cơ từ các điện cực, trải qua quá trình lọc nhiễu, khuếch đại công suất và khuếch đại đệm trước khi truyền đến khối vi xử lý tín hiệu Khối cảm biến điện cơ quyết định mức độ chính xác của toàn bộ hệ thống Để xây dựng khối cảm biến điện cơ, nhóm thiết kế và lắp đặt các thành phần chính của khối như được trình bày trong Hình 3.2 dưới đây.
Hình 3.2: Sơ đồ khối của biến điện cơ
Khối khuếch đại vi sai là thành phần dùng để thu nhận tín hiệu điện từ từ ba điện cực gắn trên da (MID, END, GND) Tín hiệu thu được qua khối này sẽ được khuếch đại và sau đó truyền tới khối lọc thông cao để xử lý, nhằm cải thiện chất lượng và độ nhạy của hệ thống thu thập tín hiệu điện từ cơ thể.
Khối lọc thông cao chịu trách nhiệm loại bỏ các tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt, trong đó các tín hiệu bị lọc bỏ chủ yếu là tín hiệu DC Đồng thời, khối này được xem như một mạch smoothing, giúp ngõ ra có tín hiệu rõ rang và trơn tru, loại bỏ các tín hiệu gồ gề.
Khối lật điện áp ngược là một thành phần trong hệ thống xử lý tín hiệu có chức năng lật các điện áp âm (dưới 0V) thành các giá trị dương tương ứng, đảm bảo tín hiệu sau khi lật không bị mất và vẫn giữ nguyên độ lợi của tín hiệu.
Khối lọc thông thấp đóng vai trò lọc các thành phần tần số cao vượt quá tần số cắt của tín hiệu cần đo, chỉ cho phép tín hiệu ở mức tần số phù hợp đi vào quá trình phân tích Các tín hiệu bị loại bỏ chủ yếu là nhiễu có tần số cao, nhiễu từ trường và nhiễu điện lưới, giúp tăng độ chính xác và ổn định của phép đo bằng cách giảm ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu cần đo.
Khối khuếch đại công suất đảm bảo tín hiệu điện cơ có tần số và biên độ nhỏ được khuếch đại trước khi đi vào vi xử lý, giúp vi xử lý có thể đọc và điều khiển chính xác Do tín hiệu ban đầu ở mức vài mV nên cần khuếch đại công suất lên đến vài Volt để đảm bảo độ nhạy và tin cậy của hệ thống Sau đó, khối vi điều khiển tiếp nhận tín hiệu đã khuếch đại để tiến hành xử lý và điều khiển các tác vụ tương ứng.
Sau khi được thu nhận và xử lý tại khối cảm biến điện cơ, tín hiệu điện cơ sẽ được truyền tới khối vi điều khiển Vi điều khiển trung tâm sử dụng Arduino Nano để điều khiển tín hiệu điện thu được Tại đây, tín hiệu điện sẽ được xử lý và dùng để điều khiển các khối khác, như khối động cơ.
Các tín hiệu điện cơ sau khi được thu nhận và xử lý từ vi điều khiển sẽ được truyền tới khối động cơ, nơi chúng được dùng để điều khiển cử động từng ngón tay của bàn tay giả một cách riêng biệt theo tín hiệu nhận được Để hệ thống hoạt động ổn định và liên tục, khối nguồn cung cấp nguồn điện ổn định cho toàn bộ hệ thống, giúp tín hiệu thu nhận không bị gián đoạn và đảm bảo hiệu suất hoạt động.
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch a Khối nguồn cảm biến
Khối cảm biến điện cơ được trình bày qua sơ đồ mạch tại Hình 3.2, gồm năm khối chính cấu thành hệ thống Dựa trên sơ đồ này, nhóm đã thiết kế và xây dựng mạch thu tín hiệu điện cơ với các khối nhỏ được sắp xếp hợp lý để thu nhận, xử lý và ghi nhận tín hiệu điện cơ một cách hiệu quả.
− Khối khuếch đại vi sai
Khối khuếch đại vi sai thu tín hiệu từ ba điện cực: MID (cực 2), END (cực 3) và GND (cực 4) Tín hiệu từ cực GND được dùng làm điện áp tham chiếu cho hai cực MID và END IC INA128 khuếch đại độ chênh lệch giữa hai tín hiệu từ MID và END Sơ đồ nguyên lý của mạch được thể hiện ở hình 3.3 phía dưới.
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại vi sai Tín hiệu thu được sau khi qua khối khuếch đại vi sai được tính theo công thức (3.1):
Vo:điện áp ngõ ra của khối khuếch đại vi sai
R1: điện trở giữa 2 chân RG
VMID, VEND: điện áp tại 2 điện cực cơ Độ lợi khuếch đại của mạch khuếch đại vi sai được tính theo công thức (3.2):
Vì tín hiệu điện cơ (EMG) thu được có tần số thấp từ 1 đến 20 Hz, cần mạch lọc thông cao để loại bỏ thành phần DC Mạch lọc này được thực hiện bằng một bộ lọc RC tích hợp, tạo thành mạch lọc thông cao như Hình 3.4 Tần số cắt của bộ lọc được tính theo công thức (3.3).
Hình 3.4: Khối lọc thông cao
Các tín hiệu có tần số lớn hơn 1Hz sẽ được giữ lại Ngược lại, các tín hiệu nhỏ hơn 1Hz sẽ bị loại bỏ
Khối lật điện áp ngược đảm bảo toàn bộ tín hiệu được đưa vào xử lý một cách đầy đủ và liên tục, là yếu tố then chốt cho quá trình xử lý tín hiệu diễn ra hiệu quả Việc lật ngược điện áp giúp tín hiệu phù hợp với các giai đoạn xử lý tiếp theo, tối ưu hiệu suất hệ thống Hình 3.5 trình bày rõ ràng sơ đồ nguyên lý của khối lật điện áp ngược, cung cấp cái nhìn trực quan về cấu trúc và chức năng hoạt động của khối này.
Hình 3.5: Khối lật điện áp ngược
Với 2 diode D1 và D2 có thể hoạt động lần lượt với cả 2 pha âm và dương của tín hiệu Đảm bảo tín hiệu không bị mất và được truyền đến khối tiếp theo Các điện trở được sử dụng với giá trị là 150kΩ để đảm bảo điện trở ngõ vào cao và có độ lợi được tính theo công thức (3.4)
Trong thực tế, khối lật điện áp được xem như một khuếch đại đệm với độ lợi bằng 1, giúp tín hiệu thu nhận từ điện cơ ở cả hai pha âm và pha dương được xử lý một cách đồng bộ.
Khối lọc thông thấp được thiết kế dựa trên mạch lọc tích cực dùng op-amps Sơ đồ mạch được mô tả như Hình 3.6
Hình 3.6: Khối lọc thông thấp
THIẾT KẾ CÁNH TAY
3.3.1 Thiết kế các ngón tay
Ngón tay được chia thành hai khớp chính ở các ngón, gồm khớp trên và khớp dưới, riêng ngón cái có một khớp duy nhất Các khớp này cho phép thực hiện các cử chỉ và cầm nắm Để mô hình bàn tay giả có thể hoạt động linh hoạt và vận động chính xác, nhóm nghiên cứu đã đo kích thước bàn tay thật trên cơ thể người, tập trung vào các kích thước bàn tay của nam giới từ 20–30 tuổi [22].
Bảng 3.6: Kích thước bàn tay nam giới từ 20 – 30 tuổi
Các kích thước Min Max Đơn vị
Chiều dài tay 16 21 cm Độ rộng bàn tay 9 13 cm
Chiều dài ngón tay út
Chiều dài ngón áp út 6 8 cm
Chiều dài ngón giữa 6 10 cm
Chiều dài ngón trỏ 6 9 cm
Chiều dài ngón cái 5 7 cm
Trung bình độ rộng ngón tay
Từ các kết quả trình bày trong bảng 3.5, nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế bàn tay giả với các kích thước khác nhau nhằm phù hợp với khả năng hoạt động của hệ thống Phần a tập trung vào ngón trỏ, xác định những kích thước và đặc tính tối ưu để đảm bảo sự nhạy bén, chính xác và khả năng thao tác vật thể của bàn tay giả trong các tình huống thực tế.
Ngón trỏ được thiết kế với 2 khớp chính gồm 4 chi tiết, 2 chi tiết dưới và 2 chi tiết trên như Hình 3.13 bên dưới
Hình 3.13: Thiết kế ngón trỏ
Ngón trỏ được thiết kế với kích thước 86 mm chiều dài và 16 mm chiều rộng, là ngón chịu lực lớn nên được trang bị hai dây kéo truyền qua hai đường ống bên trong ngón Bên cạnh đó, ngón trỏ còn có các lỗ trụ đồng, bắt vít để cố định lò xo kéo và dây kéo, đồng thời kết nối các chi tiết với nhau nhằm tăng độ chắc chắn và tính đồng bộ của hệ thống.
Ngón giữa được thiết kế với 2 khớp chính gồm 4 chi tiết Với 2 chi tiết dưới và 2 chi tiết trên như Hình 3.14
Ngón giữa được thiết kế tương tự ngón trỏ với kích thước 88 mm chiều dài và 17 mm chiều rộng Ngón giữa là một trong những ngón quan trọng chịu lực lớn, nên được thiết kế với hai dây kéo truyền qua hai đường ống bên trong ngón tay Ngoài ra, ngón tay còn có các lỗ cho trụ đồng và bắt vít để cố định lò xo kéo, dây kéo và kết nối các chi tiết với nhau.
Hình 3.14: Thiết kế ngón giữa c Ngón ba
Ngón ba được thiết kế với 2 khớp chính gồm 4 chi tiết Với 2 chi tiết dưới và 2 chi tiết trên như Hình 3.15 bên dưới
Hình 3.15 mô tả thiết kế ngón ba, có kích thước 75 mm chiều dài và 15 mm chiều rộng, được thiết kế tương tự ngón trỏ nhưng chịu lực nhẹ hơn Vì ngón ba không chịu lực lớn nên được thiết kế với một dây kéo, dây kéo được truyền qua đường ống bên trong ngón tay Ngoài ra, ngón ba có các lỗ để trụ đồng và bắt vít nhằm cố định lò xo kéo, dây kéo và liên kết các chi tiết với nhau d Ngón út
Ngón út được thiết kế với 2 khớp chính gồm 4 chi tiết, 2 chi tiết dưới và 2 chi tiết trên như Hình 3.16 bên dưới
Hình 3.16: Thiết kế ngón út Ngón út được thiết kế tương tự ngón ba với kích thước 68 mm chiều dài và rộng
Khoảng 15 mm là kích thước liên quan của ngón út Khác với các ngón kia, ngón út không phải chịu lực lớn nên được thiết kế với một dây kéo; dây kéo được truyền qua đường ống bên trong ngón tay Tương tự như các ngón khác, ngón út cũng có lỗ để trụ đồng, bắt vít, nhằm cố định lò xo kéo, dây kéo, và kết nối các chi tiết với nhau Đây là ngón kích thước nhỏ nhất và chịu lực yếu nhất của bàn tay.
Ngón cái là ngón chỉ có 1 khớp duy nhất và được thiết kế gồm 2 chi tiết như Hình 3.17 bên dưới
Thiết kế ngón cái có chiều dài 85 mm, chiều rộng tối đa 38 mm và độ rộng ngón tay 20 mm, lớn nhất trong các ngón; với thiết kế cong vòng, ngón cái tăng cường khả năng cầm nắm và chịu lực cho cả bàn tay Ngoài ra ngón cái còn được bổ sung các lỗ bắt vít và trụ đồng để cố định với khung bàn tay, đảm bảo kết cấu chắc chắn và thuận tiện cho gia công, lắp ráp và cố định vị trí.
3.3.2 Thiết kế lòng bàn tay
Lòng bàn tay là bộ phận quan trọng của bàn tay, đóng vai trò làm khung chính để gắn các ngón, là nơi chứa động cơ và là điểm tựa để cầm nắm vật Thiết kế được thể hiện như hình 3.18 bên dưới.
Hình 3.18: Thiết kế lòng bàn tay
Mặt trong của lòng bàn tay thiết kế các rãnh chứa động cơ kéo các ngón tay Các chốt hình chữ nhật được dùng để gắn ngón tay từ ngón trỏ đến ngón út Mặt ngoài của lòng bàn tay là nơi gắn ngón cái và nơi cầm nắm các vật Lòng bàn tay cũng được thiết kế với các ống dẫn để dây kéo đi qua, kết nối từ các ngón tay đến động cơ.
Ngoài ra để che chắn các động cơ, nhóm thiết kế nắp trên của bàn tay như Hình 3.19 bên dưới
Hình 3.19: Thiết kế nắp lòng bàn tay
3.3.3 Thiết kế các chốt kết nối a Kết nối ngón tay với lòng bàn tay Để kết nối giữa ngón tay với lòng bàn tay, nhóm sử sụng 2 chi tiết: miếng co giãn và khớp kết nối lò xo, 2 chi tiết này được thiết kế như Hình 3.20 bên dưới
Miếng co giãn Khớp kết nối lò xo
Hình 3.20: Kết nối ngón tay và lòng bàn tay
Miếng co giãn là phần liên kết ngón tay với lòng bàn tay, được làm bằng vật liệu dẻo để khi các ngón tay co lại không bị đứt gãy Khớp kết nối lò xo cố định miếng co giãn với lòng bàn tay, đồng thời cũng là nơi gắn lò co kéo ngón tay Để kết nối ngón cái với lòng bàn tay, nhóm thiết kế sử dụng 3 chi tiết như thiết kế hình 3.21.
Miếng co giãn Khoá miếng co giãn Khớp kết nối lò xo
Khớp nối ngón cái với lòng bàn tay được thể hiện tại hình 3.21, nơi miếng co giãn gắn ngón cái lên và liên kết với lòng bàn tay Miếng co giãn được chế tạo từ vật liệu dẻo nhằm cho ngón cái co duỗi mà không bị đứt gãy; khoá cố định miếng co giãn trên lòng bàn tay Khớp nối lò xo được gắn ở lòng bàn tay, vị trí này đồng thời là điểm tựa cho ngón cái khi co và là nơi gắn lò xo kéo ngón cái Để kết nối bàn tay với ống tay, nhóm trình bày hai chi tiết chính như ở hình 3.22.
Hình 3.22: Kết nối bày tay với ống tay Khớp (1) sẽ kết nối với bàn tay và kết nối với khớp (2) của ống tay
3.3.3 Thiết kế ống tay Ống tay là nơi đưa cánh tay bị khuyết tật vào để điều khiển, ở đây có các điện cực, nguồn pin mạch điều khiển để điều khiển cánh tay nhân tạo Được thiết kế như hình 3.23
Hình 3.23 trình bày ống tay có chiều dài 200 mm, cổ tay rộng 66 mm và bắp tay rộng 85 mm; các kích thước này có thể được điều chỉnh để phù hợp với từng người dùng, nhằm đảm bảo sự vừa vặn và thoải mái khi đeo.
THI CÔNG HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Sau khi thiết kế và tính toán mạch điện dựa trên sơ đồ khối, nhóm đã thiết kế sơ đồ nguyên lý của toàn mạch Để hệ thống đạt kết quả tốt nhất, bo mạch cần tích hợp đầy đủ các thành phần nhận và xử lý tín hiệu điện cơ Nhóm tiến hành thi công board mạch và xây dựng mô hình hệ thống dựa trên các yêu cầu được nêu trong chương 3 trước đó.
THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2.1 Thi công bo mạch a Khối cảm biến
Khối thu nhận tín hiệu gồm khối nguồn cảm biến và khối cảm biến điện cơ Mạch PCB được thiết kế dựa trên sơ đồ mạch nguyên lý để dễ dàng sắp xếp các linh kiện cho phù hợp với các khối chức năng Hình 4.1 là sơ đồ mạch in lớp dưới của khối thu nhận tín hiệu.
Hình 4.1: Sơ đồ mạch in của khối thu nhận tín hiệu Để dễ dàng trong quá trình lắp rắp và tránh sai sót trong việc gắn các linh kiện lên bo mạch, nhóm đã đưa ra sơ đồ bố trí linh kiện như Hình 4.2
Hình 4.2: Sơ đồ bố linh kiện cho mạch thu nhận tín hiệu
Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch thu nhận tín hiệu có khối nguồn cung cấp nguồn cho khối cảm biến thu nhận và xử lý các tín hiệu điện cơ thu được Khối nguồn được thiết kế với 2 nguồn đối xứng nhau là -9VDC và +9VDC cung cấp cho IC INA 128 và
IC TL084 hoạt động Khối cảm biến gồm 4 kênh thu tín hiệu của 4 cử động thu từ các điện cực khác nhau của điện cơ Ngoài ra mạch còn có jack kết nối để tín hiệu thu nhận được từ khối cảm biến truyền cho khối điều khiển và khối động cơ Để dễ dàng trong việc lắp rắp và gắn linh kiện vào bo mạch, nhóm đã thống kê các linh kiện được sử dụng trong sơ đồ linh kiện thành bảng 4.1
Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện dùng trong mạch thu nhận tín hiệu
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Số lượng Chú thích
240Ω 240 Ω RES40 4 Điện trở xuyên lỗ
1kΩ 1kΩ RES40 4 Điện trở xuyên lỗ
100kΩ 100kΩ RES40 8 Điện trở xuyên lỗ
150kΩ 150kΩ RES40 20 Điện trở xuyên lỗ
100kΩ 100kΩ PRE-SQ1 4 Biến trở tinh chỉnh
Mạch Ra Chân Cổng Audio 3.5mm 3 cực TRRS b Khối nguồn vi điều khiển
Sau khi thiết kế mạch PCB cho khối thu nhận tín hiệu, nhóm tiếp tục thiết kế mạch PCB cho khối nguồn điều khiển và khối động cơ Vì khối điều khiển cần nhận tín hiệu từ khối cảm biến để điều khiển hoạt động của khối động cơ, nhóm đã thiết kế mạch in theo sơ đồ như hình 4.3.
Hình 4.3 mô tả sơ đồ mạch in của khối nguồn vi điều khiển, gồm mạch giảm áp, Arduino Nano và chân điều khiển servo Mạch PCB có các chân kết nối truyền tín hiệu từ khối thu nhận tín hiệu tới khối điều khiển qua dây tín hiệu Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển và động cơ được mô tả ở hình 4.4.
Hình 4.4: Sơ đồ linh kiện của khối nguồn vi điều khiển
Các linh kiện được sử dụng trong mạch khối điều khiển và khối động cơ được liệt kê trong bảng 4.2
Bảng 4.2: Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch khối điều khiển và khối động cơ STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Số lượng Chú thích
Arduino Nano ATMEGA328 V3 c Các bước tiến hành thi công bo mạch
1 Liệt kê linh kiện sử dụng trong bo mạch
2 Tiến hành in mạch, ủi mạch trên bo đồng và rửa mạch (bằng dung dịch rửa mạch chuyên dụng như axit, bột sắt FeCl3)
3 Kiểm tra đường đi dây của mạch, các mối nối mạch trên mạch dưới (dùng đồng hồ đo VOM kiểm tra)
4 Tiến hành khoan, hàn linh kiện và kiểm tra các linh kiện sau khi hàn
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra a Lắp ráp và kiểm tra khối nguồn cảm biến
Sau khi hoàn thành mạch PCB, nhóm tiến hành lắp ráp các linh kiện bên trong khối nguồn cảm biến để đảm bảo nguồn cấp ổn định cho hệ thống Hình 4.5 thể hiện kết quả thi công của khối nguồn cảm biến, cho thấy bố trí linh kiện và quá trình kiểm tra sau lắp ráp.
Hình 4.5: Mặt dưới (a), mặt trên (b) của khối nguồn cảm biến sau khi lắp ráp
Khối nguồn cảm biến được thiết kế với hai IC điều chỉnh 7809 và 7909 để ổn định điện áp đầu ra ở mức ±9 VDC, phục vụ cho các mạch cảm biến Tụ 100 µF được bổ sung nhằm ổn định dòng điện cấp vào và cấp ra cho khối cảm biến, tăng độ ổn định và đáng tin cậy của hệ thống Nhóm kỹ thuật đã kiểm tra kỹ từng chân của các IC ổn áp để phát hiện sớm hở mạch, đồng thời kiểm tra dòng vào–ra để đảm bảo tụ điện 100 µF hoạt động tốt và không bị thủng Quá trình lắp ráp và kiểm tra khối nguồn cảm biến được tiến hành bài bản, đảm bảo hệ thống có nguồn điện ổn định và sẵn sàng cho các bước thử nghiệm tiếp theo.
Hình 4.6 cho thấy mặt trên (a) và mặt dưới (b) của khối cảm biến Mạch thu sau khi lắp ráp và hàn linh kiện của khối cảm biến được thể hiện ở đây; khối cảm biến gồm 4 kênh thu, mỗi kênh ghi nhận một tín hiệu của một cử động điện cơ, các tín hiệu thu được riêng biệt và có sự tương tác lẫn nhau Mỗi kênh có cấu trúc gồm khối lọc thông cao, khối lọc thông thấp, khối khuếch đại điện áp và khối khuếch đại công suất Nhóm đã đo và kiểm tra thông mạch với từng dây và chân linh kiện; các linh kiện vẫn hoạt động và không có hở mạch Tiếp theo là lắp ráp và kiểm tra khối nguồn vi điều khiển.
Khối nguồn vi điều khiển được thi công từ vi điều khiển Arduino Nano và mạch giảm áp XL4015 để cung cấp nguồn ổn định cho các dự án tự động hóa Quá trình lắp ráp kết hợp giữa điều khiển và bộ giảm áp cho phép khối nguồn hoạt động an toàn và đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất điện áp Sau khi thi công, khối nguồn vi điều khiển cho kết quả vận hành đúng thiết kế và được thể hiện trong hình 4.7.
Hình 4.7 mô tả mạch khối nguồn vi điều khiển sau khi lắp ráp Mạch này trang bị mạch giảm áp XL4015 để ổn định điện áp đầu ra 5VDC cung cấp cho vi điều khiển Vi điều khiển dùng nguồn từ module XL4015 để hoạt động và điều khiển các động cơ Sau khi hàn và lắp ráp, nhóm tiến hành kiểm tra mạch bằng VOM và không thấy xuất hiện lỗi hở mạch.
ĐÓNG GÓI HỆ THỐNG
4.3.1 Đóng gói bộ cảm biến
Sau khi thi công và kiểm tra lỗi, bảng mạch được cố định bằng hộp Nhóm sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế hộp bảo vệ mạch nhằm hạn chế tác động từ môi trường bên ngoài Công nghệ in 3D được áp dụng để tạo mẫu thực tế cho hộp Hộp có kích thước 165x110x85 mm, được thiết kế gồm hai phần là nắp và thân hộp (Hình 4.8).
Hình 4.8: Nắp hộp (a) và thân hộp (b) đựng board mạch
Trên nắp hộp có các lỗ bắt vít để cố định hộp, giúp lắp đặt chắc chắn Bên trong hộp đặt mạch thu nhận tín hiệu và nguồn cấp cho mạch hoạt động, đảm bảo hệ thống làm việc hiệu quả Hình 4.9 mô tả hộp đựng board mạch thu nhận tín hiệu và cách bố trí các thành phần bên trong.
Hình 4.9: Bên trong hộp đựng board mạch
Hình 4.10: Mặt trước (a) và mặt bên (b) của hộp đựng
Mặt bên hộp đựng bố trí các dây điện cực để kết nối (vị trí số 1) với các miếng dán điện cực Mạch đo gồm 4 kênh đo tín hiệu nên có 4 dây nối điện cực ở phía ngoài Mặt bên của hệ thống còn có dây truyền tín hiệu điện cơ đã thu được cho khối vi điều khiển (2) và có một công tắc nguồn (3) cấp nguồn cho mạch thu nhận tín hiệu hoạt động.
Sau khi hoàn thiện hộp đựng bảng mạch, nhóm tiến hành thiết kế và chế tạo mô hình cánh tay nhân tạo Thiết kế 3D được thực hiện bằng phần mềm SolidWorks và sau đó áp dụng công nghệ in 3D để sản xuất mẫu cánh tay nhân tạo Cánh tay nhân tạo được thiết kế tham chiếu từ Hình 4.11.
Hình 4.11: Mô hình cánh tay nhân tạo sau khi được thiết kế và thi công
Trong hình 4.11, mô hình cánh tay được chia thành hai bộ phận chính là khung tay và bàn tay Bàn tay (1) được thiết kế gồm các ngón tay liên kết với nhau và phần bàn tay được tối ưu để các cử động ngón tay không ảnh hưởng đến nhau Phần khung tay (2) được thiết kế chắc chắn để chịu lực của bàn tay.
Hình 4.12: Mặt ngoài (a) và mặt trong (b) của khung cánh tay
Mặt ngoài của khung cánh tay có các lỗ bắt vít khớp với các trụ đồng được gắn ở mặt trong của khung; phần khung bàn tay được thiết kế với kích thước 170x166x166 mm Mạch vi điều khiển được tích hợp trong khung cánh tay, giúp điều khiển cánh tay linh hoạt và dễ dàng hơn Hình 4.13 mô tả tích hợp mạch vi điều khiển và khung cánh tay.
Hình 4.13 mô tả mạch vi điều khiển được tích hợp trong khung cánh tay; để đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển, nhóm đã cố định mạch bằng ốc vít và keo dán chắc chắn, giúp cố định vị trí và giảm rung lắc Dây kết nối truyền tín hiệu được bọc bởi lớp dây bọc cách điện, ngăn ngừa rò rỉ điện và tăng độ ổn định của hệ thống truyền tín hiệu trong cấu trúc cánh tay robot.
Trong chương 3, mô hình bàn tay 5 ngón được thiết kế với các ngón có kích thước khác nhau để phản ánh sự đa dạng của cấu trúc bàn tay Kích thước chung của bàn tay là 210 x 125 x 50 mm, phù hợp cho mô phỏng, thiết kế và in 3D Mô hình này nhấn mạnh sự khác biệt giữa các ngón và cung cấp thông tin chi tiết cho phân tích hình học bàn tay, hỗ trợ người dùng hình dung và áp dụng vào các dự án CAD, phát triển sản phẩm hoặc giáo dục về giải phẫu tay.
Mô hình bàn tay được thiết kế gồm các phần như hình 4.14
Hình 4.14: Cấu tạo của bàn tay
Các bộ phận trong phần bàn tay được liệt kê trong bảng 4.3 sau
Bảng 4.3: Các bộ phận của mô hình bàn tay
1 Nắp trên lòng bàn tay 1
2 Khớp nối bàn tay và khung cánh tay 1
3 Trục khớp nối bàn tay và khung tay 1
4 Khoá nối bàn tay và ngón tay 1
5 Nắp dưới lòng bàn tay 1
6 Miếng co giãn của ngón cái 1
7 Khoá nối ngón tay cái và lòng bàn tay 1
8 Nắp dưới khớp đầu tiên của ngón tay 4
9 Nắp dưới khớp thứ 2 của ngón tay 4
10 Miếng co giãn của ngón tay 1
11 Nắp trên khớp đầu tiên của ngón tay 4
12 Nắp trên khớp thứ 2 của ngón tay 4
13 Nắp trên của ngón tay cái 1
14 Nắp dưới của ngón tay cái 1
Các bộ phận được liệt kê trong bảng 4.3 được kết nối với nhau để tạo thành bàn tay hoàn chỉnh, trong đó các khớp ngón tay được thiết kế riêng biệt để điều khiển và cử động linh hoạt mà không ảnh hưởng đến các ngón khác; dựa trên công nghệ in 3D và thiết kế bằng SolidWorks, mô hình cánh tay được hoàn thiện Giữa các khớp ngón tay có trụ đồng kích thước M2 dài 5 mm, được cố định bằng ốc M2 dài 10 mm Bên cạnh đó, các ngón tay được kết nối với lòng bàn tay bằng miếng co giãn Sau khi hoàn thành, bàn tay được nối với khung tay để tạo thành cánh tay hoàn chỉnh.
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
4.4.1 Lưu đồ giải thuật Để mô hình hoá quy trình điều khiển, nhóm tiến hành xây dựng lưu đồ giải thuật Lưu đồ mô tả tuần tự các bước mà vi xử lý xử lý số liệu, phân tích, so sánh ngưỡng, điều khiển động cơ Để thuận tiện trong việc xây dựng lưu đồ, hệ thống được chia làm 2 phần chíng gồm lưu đồ chương trình chính và lưu đồ các chương trình con a Lưu đồ chương trình chính
Lưu đồ chính mô tả quy trình thực thi các công việc như xây dựng hệ thống ngưỡng, hệ thống lọc, đọc tín hiệu từ từng kênh, lọc tín hiệu, truy xuất đến từng chương trình con để xử lý và phân tích tín hiệu Quy trình được trình bày dưới dạng lưu đồ chương trình chính nhằm hình dung luồng làm việc từ nhận tín hiệu đến xử lý và phân tích kết quả Lưu đồ này được thiết kế và thể hiện như hình 4.15, giúp liên kết các thành phần và các bước xử lý trong hệ thống.
Hình 4.15 minh họa lưu đồ chương trình chính Tín hiệu sau khi được lọc sẽ đi vào hệ thống rẽ nhánh để xử lý, và ban đầu giả định không có ngón nào được co nên TT=0.
Khi TT=0 được xem là trạng thái nghỉ, hệ thống tiến hành kiểm tra và xử lý lần lượt từng ngón tay Đầu tiên là kiểm tra co ngón cái bằng chương trình con ngon_cai; khi gọi chương trình này, nếu phát hiện co ngón cái thì biến TT sẽ bị thay đổi (điều này sẽ được giải thích ở phần chương trình con) Hệ thống tiếp tục kiểm tra biến TT; nếu phát hiện khác 0 thì dừng ngay và không cho phép tiếp tục rẽ nhánh.
Trong cơ chế điều khiển này, khi TT = 1 việc truy xuất đến chương trình ngon_cai và thỏa điều kiện sẽ khiến biến TT = 1; ở thời điểm này hệ thống chỉ chạy chương trình ngon_cai và không truy cập hoặc gọi bất kỳ chương trình con nào khác Khi ngón cái được thả ra, biến TT sẽ về 0 và hệ thống quay lại vòng rẽ nhánh ban đầu Tương tự với các giá trị TT = 2, 3, 4 và 5, mỗi mức TT đều giới hạn việc thực thi ở ngon_cai cho đến khi biến TT được thiết lập lại.
Khi hệ thống rẽ nhánh kết thúc, chương trình con 5_ngon được truy xuất để kiểm tra xem năm ngón tay có được co hay không Chương trình này kiểm tra trạng thái co của từng ngón và được chạy độc lập với hệ thống kiểm tra các ngón tay riêng lẻ để tránh trường hợp khi đồng thời có nhiều ngón co thì ngón co nhanh nhất sẽ chiếm quyền xử lý và chỉ ngón đó được kích hoạt Việc thực thi riêng biệt chương trình kiểm tra 5 ngón giúp đảm bảo toàn bộ năm ngón được kiểm tra đúng trạng thái mong muốn Lưu đồ các chương trình con mô tả trình tự điều khiển và luồng xử lý của các bước này.
Chức năng của chương trình là kiểm tra xem ngón có được co hay không, đồng thời cập nhật các biến và điều khiển góc quay của động cơ dựa trên kết quả kiểm tra Lưu đồ cho các chương trình con được xây dựng và trình bày rõ như hình 4.16 bên dưới.
Ngón giữa Ngón ba và ngón út
Ngón cái và ngón trỏ Cả bàn tay
Hình 4.16: Lưu đồ chương trình con các ngón tay
Trước tiên, ta cần định nghĩa các biến được sử dụng trong lưu đồ như sau:
‒ u[0] đến u[3]: các biến chứa giá trị điện cơ thu được của 4 cảm biến điện cơ và đã được lọc số
‒ HIGH[0] đến HIGH[6]: các biến chứa các giá trị ngưỡng co của các ngón tay
‒ LOW: giá trị ngưỡng khi tay không hoạt động
‒ S0 đến S3: giá trị góc quay của động cơ servo
Khi hàm con ngon_cai được gọi, chương trình bắt đầu kiểm tra các biến của các kênh đo Ở đây, quy định khi ngón cái co thì u[3] là biến đặc trưng của ngón cái (sẽ được trình bày trong chương 5) Khi điều kiện co của ngón cái thỏa mãn, với giá trị lớn hơn một ngưỡng cho trước và là biến lớn nhất trong các biến đo, động cơ servo sẽ quay một góc.
180 o , sau đó thay đổi giá trị biến TT=1
Trong trường hợp điều kiện co không thỏa mãn, tiến hành kiểm tra điều kiện thả Nếu tất cả các biến đều nhỏ hơn ngưỡng LOW, động cơ servo quay về góc 0 độ, biến TT được đặt về giá trị 0, rồi thoát khỏi chương trình con và quay về chương trình chính.
Tương tự như chương trình của ngón cái, các chương trình con khác chỉ khác nhau ở biến đặc trưng, ngưỡng, giá trị thay đổi của servo và biến trạng thái Cách thức hoạt động của chúng vẫn tương tự như chương trình con ngón cái đã trình bày ở trên.
4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển a Giới thiệu phần mềm lập trình
Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm sử dụng Arduino IDE, một phần mềm lập trình nguồn mở, để viết và biên dịch mã cho module Arduino (Hình 4.17) Khi người dùng viết mã và biên dịch, IDE sẽ tạo ra một file Hex mà Arduino có thể hiểu và sau đó gửi tới bo mạch qua cáp USB Mỗi bo mạch Arduino có một vi điều khiển nhận file Hex và thực thi đúng mã đã viết IDE hỗ trợ ngôn ngữ C và C++ để lập trình.
Hình 4.17: Phần mềm lập trình Arduino IDE Các thành phần của phần mềm:
Hình 4.18: Các thành phần trong giao diện phần mèm Arduino IDE
1 Verify Sketch: kiểm tra code
2 Upload and compile: nạp code cho board Arduino
3 New sketch: mở sketch mới
4 Open sketch: mở sketch đã có
6 Open serial monitor: màn hình gửi dữ liệu từ Arduino lên máy tính
7 Tab menu: thanh công cụ của phần mềm
8 Vùng lập trình: sử dụng ngôn ngữ lập trình để soạn thảo chương trình cần dùng cho sản phẩm
9 Output panel: thông báo các thông tin lỗi của chương trình hoặc các vấn đề liên quan đến chương trình được lập.
VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG ĐẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng
Sau khi thi công hoàn chỉnh mô hình và viết chương trình xong, nhóm tiến hành soạn hướng dẫn sử dụng thiết bị cho người dùng Hướng dẫn sử dụng được trình bày dưới dạng các bước vận hành cơ bản, từ cách khởi động và thao tác đến cách tắt máy, kiểm tra hiệu suất và bảo trì định kỳ, đồng thời nêu rõ các lưu ý an toàn để người dùng vận hành thiết bị một cách chính xác và hiệu quả.
Bước 1: Chuẩn bị vùng da để gắn điện cực
− Loại bỏ lông, các vật cản tiếp xúc với bề mặt da (hình 4.19 (a))
− Làm sạch da bằng các dung dịch chuyên dụng (như cồn 90 o ) (hình 4.19 (b)
Hình 4.19: Chuẩn bị vùng da để gắn điện cực
Bước 2: Gắn điện cực lên vùng đo
− Gắn miếng điện cực lên tay như hình 4.20
Hình 4.20: Sơ đồ các điện cực
− Gắn cáp điện cực đo vào miếng dán điện cực
Bước 3: Bật nút công tắc nguồn
Khi bật nguồn, mạch thu nhận tín hiệu được kích hoạt và nhận các tín hiệu từ vùng cảm biến đo, tiến hành xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu tới mô hình cánh tay để điều khiển các động tác.
Lưu ý: Khi thu các tín hiệu cử động không nên bị tác động ngoại lực Người đo ở tư thế nghỉ giãn cơ, sau đó từ từ co cơ
Bước 4: Điều khiển cánh tay nhân tạo
Các cử động của bàn tay được thu qua miếng dán điện cực được gửi đến mô hình để điều khiển và mô phỏng cử động của cánh tay.
DỰ TOÁN CỦA HỆ THỐNG
Sau khi mô hình được hoàn thành, từ những vật liệu, thành phần của sản phẩm, nhóm đã đưa ra dự toán của hệ thống bảng 4.4
Bảng 4.4: Dự toán kinh phí của hệ thống
STT Danh mục linh kiện
Tính năng, thông số kỹ thuật Đơn giá Giá linh kiện cho quá trình thi công (Giá x Số lượng ĐVN)
Giá linh kiện cho một mẫu (Giá x Số lượng ĐVN)
5 IC KĐ vi sai INA128 115.000x5 = 575.000 115.000x4 = 460.000
6 IC KĐ thuật toán TL084 9.200x6 = 55.200 9.200x4 = 36.800
Toàn bộ chi phí cho quá trình thi công của nhóm là hơn hai triệu năm trăm nghìn đồng, gồm thi công, thử nghiệm và công lao động Qua các lần thử nghiệm sai, nhóm sẽ tính toán để chỉnh sửa hoặc chọn phương án triển khai phù hợp Vì vậy, khi mua linh kiện, nhóm sẽ mua dự trữ với số lượng lớn hơn để giảm thiểu sai sót trong thi công và tiết kiệm chi phí do mua sỉ.
Hiện tại, chi phí thực hiện mô hình của nhóm tối thiểu vượt quá một triệu đồng (chưa tính công lao động) Nguyên nhân chính là phần lớn linh kiện sử dụng là xuyên lỗ, có kích thước và chi phí cao hơn so với linh kiện dán SMD Vì vậy, trong tương lai nhóm sẽ nghiên cứu chuyển đổi toàn bộ mạch sang linh kiện SMD, nhằm giảm đáng kể kích thước mạch và hạ chi phí thực hiện mô hình.
Về khả năng thương mại của sản phẩm, cần được phát triển nhiều hơn (sẽ được trình bày ở chương 5) để đáp ứng các tiêu chuẩn và phù hợp với người sử dụng Khi sản phẩm được hoàn thiện cả về phần cứng lẫn phần mềm, việc thương mại hóa sẽ khả thi Hiện nay trên thị trường, các mô hình cánh tay giả và khía cạnh thương mại của nhóm còn khá hạn chế và giá thành cao, nên mô hình của nhóm có tiềm năng trở thành một sản phẩm thương mại Sản phẩm có thể phù hợp với các đối tượng như người khuyết tật, môi trường nghiên cứu và môi trường giáo dục.