HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ TRỢ LỰC CHO NGƯỜI ĐI BỘ CNĐT : ĐÀO VĂN HIỆP 8391 HÀ NỘI – 2010 i Mục lục Mục lục i Danh sách các từ viết tắt vi Danh sách các ký hiệu vii Danh sách các bảng x Danh sách các hình vẽ xi Mở đầu 1 M1. Những thông tin chung về đề ti 1 M1.1. Sự hình thnh đề ti 1 M1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu v ứng dụng Exoskeleton 2 M1.2.1. Trên thế giới 2 M1.2.2. Tại Việt Nam 7 M1.3. Những vấn đề cần giải quyết 7 M1.4. Mục tiêu của đề ti 10 M1.5. ý nghĩa khoa học v thực tiễn của đề ti 10 M1.6. Phạm vi nghiên cứu 11 M1.7. Phơng pháp v kỹ thuật áp dụng cho đề ti 11 M2. Khái quát về đối tợng nghiên cứu 12 Chơng 1: Cơ sở cơ sinh học của hệ vận động 15 1.1. Mô hình cơ sinh học của các khớp chi dới 15 1.1.1. Hông v khớp hông 20 1.1.2. Khớp gối 22 1.1.3. Các khớp ở cổ chân v bn chân 24 1.2. Mô hình cơ sinh học của hệ xơng, cơ chi dới 25 1.2.1. Mô hình cơ sinh học của cơ v gân 25 1.2.2. Mô hình cơ sinh học của chi dới khi đi bộ 30 Kết luận chơng 1 34 Chơng 2: Mô hình toán của hệ thống 35 2.1. Các khái niệm v quy ớc cơ bản 35 2.1.1. Các mặt phẳng giải phẫu 35 2.1.2. Chu kỳ bớc 37 2.2. Mô hình động học của chi dới 43 2.2.1. Các chuyển động cơ bản của chi dới 43 2.2.1.1. Các chuyển động của khớp hông 43 2.2.1.2. Các chuyển động của khớp gối 44 ii 2.2.1.3. Các chuyển động của khớp cổ chân v bn chân 45 2.2.2. Thiết lập mô hình động học của chi dới 45 2.3. Mô hình động lực học của chi dới 50 2.3.1. Mô hình động lực học khi không mang robot 51 2.3.1.1. Thiết lập mô hình 51 2.3.1.2. Mô phỏng đi bộ 54 2.3.2. Mô hình động lực học khi có mang robot 56 2.3.2.1. Nguyên tắc điều khiển 56 2.3.2.2. Động lực học của ngời 59 2.3.2.3. Động lực học của hệ ngời - robot 60 Kết luận chơng 2 63 Chơng 3: Mô hình 3D của hệ thống 65 3.1. Khái quát về phơng pháp mô hình hoá cơ sinh học 3D 65 3.1.1. Thớc đo góc 67 3.1.2. Các cảm biến điện từ v âm thanh 68 3.1.3. Thiết bị ghi hình 68 3.1.4. Cảm biến gia tốc 69 3.1.5. Đo lực động 70 3.1.6. Tái hiện 3D 71 3.2. Khái quát về mô hình hoá v mô phỏng với CAD/CAE 75 3.3. Một số hệ CAD/CAE đợc sử dụng trong đề ti 78 3.3.1. SolidWorks 79 3.3.2. Autodesk Inventor 80 3.3.3. Pro/Engineer 82 3.3.4. MSC. ADAMS 83 3.3.5. Công cụ Virtual Reality của Matlab 84 3.4. Thiết lập mô hình ngời đi bộ trong CAD/CAE 88 3.4.1. Chuẩn bị số liệu đầu vo của mô hình 89 3.4.1.1. Các thuộc tính hình học 89 3.4.1.2. Các thuộc tính khối lợng 90 3.4.1.3. Các thuộc tính động học 91 3.4.2. Định dạng thông số đầu vo cho CAE 91 3.5. Mô phỏng, khảo sát động lực học của ngời đi bộ 94 3.5.1. Gán quy luật chuyển động quay cho các khớp 94 3.5.2. Gán điều kiện ma sát 96 3.5.3. Điều kiện tiếp xúc giữa bn chân với mặt sn 96 iii 3.6. Kết quả mô phỏng động lực học 97 3.6.1. Phản lực tại các khớp 98 3.6.2. Mô men tại các khớp 100 Kết luận chơng 3 102 Chơng 4: Thiết kế cơ khí của robot 104 4.1. Những cơ sở ban đầu 104 4.1.1. Nhiệm vụ thiết kế 104 4.1.1.1. Phân tích yêu cầu kỹ thuật của robot 104 4.1.1.2. Xác định các thông số đầu vo 105 4.1.2. Chọn phơng án thiết kế 106 4.1.2.1. Cấu trúc trùng khớp hay không trùng khớp? 106 4.1.2.2. Kết cấu chịu tải song song hay nối tiếp? 108 4.1.2.3. Kết cấu tích cực hay thụ động? 109 4.1.2.4. Chọn cấu hình khớp 112 4.1.2.5. Kết luận về phơng án thiết kế 114 4.1.3. Chọn bộ công cụ thiết kế 115 4.2. Quá trình hình thnh phơng án kết cấu 115 4.2.1. Mẫu robot thứ nhất 116 4.2.2. Mẫu robot thứ hai 118 4.2.3. Mẫu robot thứ ba 120 4.2.4. Mẫu robot thứ t 121 4.3. Tính toán kết cấu 121 4.3.1. Tính toán các chi tiết chịu lực 122 4.3.1.1. Tính bền cụm giá lng 123 4.3.1.2. Tính toán bình khí nén 124 4.3.1.3. Tính bền các cụm còn lại 126 4.3.1.4. Kết luận về độ bền của kết cấu 135 4.3.2. Các kết cấu khác 136 4.3.2.1. Kết cấu các khớp 136 4.3.2.2. Các cơ cấu điều chỉnh 137 4.3.3. Tính hệ dẫn động cơ khí 138 4.3.3.1. Lý giải về chọn loại dẫn động 138 4.3.3.2. Tính toán hệ dẫn động khí nén 140 4.4. Ti liệu thiết kế 146 Kết luận chơng 4 146 Chơng 5: Quy trình công nghệ chế tạo robot 148 iv 5.1. Những định hớng công nghệ 148 5.1.1. Phân tích yêu cầu v phân loại các chi tiết 148 5.1.2. Những định hớng chung cho việc thiết kế quy trình công nghệ 150 5.1. 2.1. Phân tích điều kiện sản xuất 151 5.1.2.2. Định hớng công nghệ 152 5.1.2.3. Phơng pháp chung thiết kế quy trình công nghệ 153 5.1.2.4. Chọn máy cắt 154 5.1.2.5. Phơng án công nghệ chung 155 5.1.3. Thiết kế quy trình công nghệ cho 1 chi tiết 156 5.1.3.1. Phân tích kết cấu v chọn thiết bị công nghệ 156 5.1.3.2. Tính chế độ cắt 157 5.2. Quy trình công nghệ gia công chi tiết 159 Chơng 6: Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển robot 165 6.1 Phân tích, lựa chọn phơng án điều khiển 165 6.1.1. Giao diện ngời-robot trong Exoskeleton 165 6.1.2. Chức năng v yêu cầu đối với hệ điều khiển cho Exoskeleton 169 6.1.3. Chọn phơng án điều khiển 172 6.2. Xây dựng mô hình của hệ điều khiển 173 6.2.1. Mô hình cơ sinh học 173 6.2.2. Mô hình điều khiển 174 6.2.3. Mô hình hệ chấp hnh 178 6.3. Thiết kế phần cứng 179 6.3.1. Thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén 179 6.3.1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển cơ cấu chấp hnh khớp gối 179 6.3.1.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển cơ cấu chấp hnh khớp cổ chân 180 6.3.1.3. Thiết kế hệ thống khí nén cho mẫu 3 180 6.3.2. Thiết kế mạch điện điều khiển 183 6.3.2.1. Phân tích hệ thống 183 6.3.2.2. Phơng pháp điều khiển 183 6.3.2.3. Các phần tử của hệ thống 183 6.4. Phần mềm điều khiển 185 6.5. Tổng hợp giải pháp kết cấu v điều khiển 186 Kết luận chơng 6 190 Chơng 7: Thử nghiệm v đánh giá robot 191 7.1. Mục tiêu v phơng pháp thử nghiệm robot 191 7.1.1. Mục tiêu thử nghiệm 193 v 7.1.2. Phơng pháp thử nghiệm 193 1. Thử trên giá đạp xe 194 2. Thử nghiệm trên băng đi bộ 195 3. Thử nghiệm trên mặt bằng 196 7.2. Quy trình thử nghiệm robot 198 A. Quy trình thử nghiệm đạp xe 198 B. Quy trình thử nghiệm đi bộ trên băng 200 C. Quy trình thử nghiệm đi bộ trên mặt bằng 201 7.3. Kết quả thử nghiệm 202 A. Kết quả thử nghiệm đạp xe 202 B. Kết quả thử nghiệm đi bộ trên băng 203 C. Kết quả thử nghiệm đi bộ trên mặt đất 207 C1. Đi tự do không tải, không hỗ trợ 213 C2. Đi lên, xuống cầu thang 213 7.4. Đánh giá phơng pháp v kết quả thử nghiệm 213 7.4.1. Đánh giá phơng pháp v thiết bị thử nghiệm 213 7.2.2. Đánh giá kết cấu khung xơng 214 7.2.3. Đánh giá tính linh hoạt 215 7.2.4. Đánh giá hiệu quả hỗ trợ 215 7.5. Giải pháp hon thiện robot 216 Kết luận chơng 7 217 Chơng 8: Đánh giá tổng hợp kết quả của đề ti 219 8.1. Về mục tiêu nghiên cứu 219 8.2. Về nội dung nghiên cứu 219 8.3. Về sản phẩm khoa học công nghệ 221 Kết luận v kiến nghị 224 K1. Kết luận chung về đề ti 224 K2. Kiến nghị 225 Ti liệu tham khảo 226 Phụ lục 228 Phụ lục 1: Thông số hình học của các bộ phận trên cơ thể 228 Phụ lục 2: Một số thông tin mới về Exoskeleton 230 vi Danh sách các từ viết tắt AIP10 Autodesk Inventor Professional 2010 BCI Giao diện thần kinh - máy tính (Brain - Computer Interface) BTD Số bậc tự do CAD/CAE Thiết kế v phân tích kỹ thuật có sự trợ giúp của máy tính CE Phần tử sinh học (Contractile Element) CSDL Cơ sở dữ liệu DE Phần tử giảm chấn trong mô hình cơ D-H Quy tắc Denavit-Hartenberg DLT Biến đổi tuyến tính trực tiếp (Direct Linear Transformation) DS Pha hai chân chạm đất DSR Pha hai chân chạm đất, một chân trụ ECG Điện tim đồ (Electrocardiography) EEG Điện não đồ (ElectroencephaloGraphy) EMG Điện - cơ đồ (ElectromyoGraphy - EMG) ENG Điện nhãn đồ (ElectronystagmoGraphy - ENG) Exo Exoskeleton - Bộ xơng ngoi GRF Phản lực sinh ra tại các khớp HCI Giao diện ngời - máy tính (Human - Computer Interface) HG Quá trình vận động của ngời (Human Gaint) HMI Giao diện ngời - máy (Human - Machine Interface) HRi Giao diện ngời - robot (Human - Robot Interface) ISW Giai đoạn bắt đầu của pha bớc LRP Giai đoạn bắt đầu - nhận tải của pha trụ MIT Massachusetts Institute of Technology MST Giai đoạn giữa của pha trụ MSW Giai đoạn giữa của pha bớc PE Phần tử đn hồi trong mô hình cơ pHRI Tơng tác cơ học giữa ngời v robot PSW Giai đoạn chuẩn bị bớc của pha trụ RMS Phơng pháp trung bình bình phơng số học SS Pha một chân chạm đất TST Giai đoạn kết thúc của pha trụ TSW Giai đoạn kết thúc của pha bớc WR Wearable Robot vii Danh sách các ký hiệu A i Ma trận chuyển vị giữa khâu thứ i so với khâu thứ i-1 321 ,, aaa Các thnh phần của véc tơ a i v i Các tham số phụ thuộc vo kết cấu của cơ hệ B Ma trận Jacobi b Hệ số giảm chấn b 1 ữ b 6 Các thnh phần của vector biếu diễn các đại lợng động học C Hệ số khuyếch đại; độ cứng của lò xo; matrận các lực ),( & C Giá trị ớc lợng của ma trận lực Coriolis d Mô men tác động của chân ngời lên robot F Lực tổng hợp F b Lực giảm chấn g F r Trọng lực của thân ngời tác dụng lên đùi gl F r Lực cơ mông F k Lực tác dụng của lò xo G Hm truyền giữa tín hiệu vo của actuator v vận tốc của Exo G Vector các hm theo thời gian g Gia tốc trọng trờng H Hm số của các tham số động lực học v động học của chân I i Mô men quán tính của khâu thứ i J Vector chỉ phơng theo trục Y k Độ cứng của lò xo k r Véc tơ đơn vị l Chiều di của cơ l 1 , l 2 , l3 Chiều di các khâu l c Chiều di của cẳng chân l d Chiều di của đùi l mc Tọa độ trọng tâm của cẳng chân l m d Tọa độ trọng tâm của đùi M l 0 Chiều di của cơ ở trạng thái tự do T r l Chiều di của gân ở trạng thái tự do viii M Khối lợng của thân, ma trận quán tính M Ma trận chuyển toạ độ ảnh sang toạ độ quán tính ba chiều M r Mô men quanh một điểm )( M Giá trị ớc lợng của ma trận quán tính M 1 Mô men liên kết tại khớp gối M 2 Mô men liên kết tại khớp hông m b Khối lợng tổng cộng của 1 bn chân ngời v robot m bn Khối lợng của bn chân ngời m br Khối lợng của bn chân robot m c Khối lợng tổng cộng của 1 cẳng chân ngời v robot m cn Khối lợng của cẳng chân ngời m cr Khối lợng của cẳng chân robot m d Khối lợng tổng cộng của 1 đùi ngời v robot m dn Khối lợng của đùi ngời m dr Khối lợng của đùi robot g M r Mô men trọng lực gl M r Mô men do cơ mông sinh ra m i Khối lợng của khâu thứ i m ln , m lr Khối lợng thân trên của ngời, khối lợng thân trên của robot m n , m r Khối lợng tổng cộng của ngời, khối lợng tổng cộng của robot m T Khối lợng tổng cộng của thân m TR Khối lợng của thân phân bố lên chân phải m T L Khối lợng của thân phân bố lên chân trái N 1 Lực liên kết tại khớp gối N 2 Lực liên kết tại khớp hông n Số vòng quay trục chính 0 k O Vector biểu diễn trị trí giữa gốc toạ độ khâu cuối so với khâu đầu P Ngoại lực đặt lên kết cấu, vector các mô men trọng lực )( P Giá trị ớc lợng của ma trận vector mô men trọng lực CO p r Vector giữa 2 vị trí C v O *CP p r Vector giữa 2 vị trí C v P* ix p r Vector vị trí 321 ,, ppp rrr Các thnh phần của véc tơ vị trí Lp OI = r Độ di của vector Q 1 , Q 2 Lực đẩy xi lanh khớp hông, gối q Toạ độ suy rộng, biến khớp Ra, Rz Độ nhám bề mặt R b Phản lực tác dụng vo bn chân r Mô men phát động của actuator r Q Toạ độ của điểm Q bất kỳ 0 k R Ma trận quay 3ì3, biểu diễn góc quay giữa khâu cuối v khâu đầu S ảnh hởng của mô men do ngời sinh ra tới vận tốc góc của Exo s, s f , s r , s v Lợng chạy dao (phút, răng, vòng) T Động năng ton phần, vector các mô men phát động t Chiều sâu cắt, thời gian U nc Vector lực suy rộng u, v Các toạ độ ảnh u p , vp Toạ độ ảnh của điểm chính V Thế năng ton phần v Vận tốc cắt, vận tốc của Exo X, Y, Z Toạ độ điểm x, x k , x b Chuyển vị, chuyển vị của lò xo, chuyển vị của giảm chấn x 0 Chuyển vị tại thời điểm t = 0 x & Đạo hm của chuyển vị theo thời gian (vận tốc) , ma x ứng suất, ứng suất lớn nhất v, u Các sai số của u v v , ma x , Biến dạng, biến dạng lớn nhất, biến dạng ở tần số 0 Nhân tử Lagrange Góc quay của khớp thứ i p Góc quay của phần P trong hệ toạ độ quán tính Hệ số an ton , 0 Tần số dao động, tần số dao động riêng [...]... phạm vi nghiên cứu của đề ti M1.7 Phơng pháp v kỹ thuật áp dụng cho đề ti Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu v đặc đi m của sản phẩm nghiên cứu (sản phẩm biomechatronics), có tính đến khả năng phát huy năng lực kỹ thuật của cơ sở nghiên cứu v hợp tác trong, ngoi nớc, phơng pháp nghiên cứu, các kỹ thuật sẽ sử dụng đợc xác định l: - Kết hợp nghiên cứu lý thuyết v thực nghiệm khoa học trong nghiên cứu cơ... Việt Nam; bồi dỡng v đo tạo cán bộ nghiên cứu, góp phần đa KHCN nớc nh tiếp cận với công nghệ tiên tiến của thế giới ý nghĩa thực tiễn của đề ti: - Thiết kế chế tạo đợc các cơ cấu cơ sinh đi n tử hon chỉnh hỗ trợ ngời đi bộ, hớng tới các mục tiêu dân dụng, xã hội (vận chuyển, đi lại) v mục đích chuyên dùng (thám hiểm, trinh sát, cứu hoả, hnh quân của bộ đội, tuần tra của lực lợng biên phòng, ); - Góp... không hỗ trợ 209 Hình 7 15: RMS khi đi trên mặt bằng, không tải, có hỗ trợ 209 Hình 7 16: Tín hiệu thô khi đi trên mặt bằng, có tải, không hỗ trợ 210 Hình 7 17: Tín hiệu thô khi đi trên mặt bằng, có tải, có hỗ trợ 210 Hình 7 18: RMS khi đi trên mặt bằng, có tải, không hỗ trợ 211 Hình 7 19: RMS khi đi trên mặt bằng, có tải, có hỗ trợ 211 Hình 7 20: Tín hiệu lực cơ vai, có tải, không hỗ trợ ... động xã hội, tăng cờng sức chiến đấu của lực lợng vũ trang 10 M1.6 Phạm vi nghiên cứu Với tính chất của một đề ti tiếp cận công nghệ v đối tợng mới, lần đầu đợc nghiên cứu ở Việt Nam; trong đi u kiện nghiên cứu có nhiều hạn chế, chúng tôi xác định mục tiêu khoa học cần đạt đợc cho phiên bản ny l nghiên cứu đa ra v thử nghiệm các giải pháp cơ bản về kết cấu, đi u khiển để robot đạt đợc sự ổn định, phối... thông minh, các thiết bị luyện tập, phục hồi chức năng, hỗ trợ ngời tn tật, cũng l robot sinh học v việc nghiên cứu chế tạo chúng l một hớng ứng dụng quan trọng của đề ti Về năng lực nghiên cứu, ngoi các hiểu biết còn chung chung v sơ đẳng thu đợc qua sách báo v trao đổi với vi đồng nghiệp nớc ngoi về Exo, chúng tôi cha kinh nghiệm đáng kể Tiềm lực con ngời v cơ sở vật chất phục vụ nghiên cứu cha có gì... đầu t nghiên cứu Exo theo định hớng riêng của mình 6 - Ngy nay, Exo l đối tợng nghiên cứu của ngnh Bio-Mechatronics Đây không phải đơn thuần l vấn đề ngữ nghĩa m xuất phát từ sự đột biến về giải pháp kết cấu, công nghệ, phơng pháp, công cụ nghiên cứu Những kết luận về nhu cầu, ý tởng, phơng pháp nghiên cứu, giải pháp công nghệ, công cụ sử dụng, rút ra ở trên l hết sức bổ ích cho việc nghiên cứu, phát... trong quá trình nghiên cứu cần phải tham khảo các mẫu robot hiện có của thế giới, thiết kế v thử nghiệm kết cấu, công nghệ nhiều lần để đi đến giải pháp chấp nhận đợc - áp dụng phơng pháp luận thiết kế cơ đi n tử với những đặc trng: tính liên ngnh của hệ thống (cơ, thuỷ, khí, đi n, đi n tử) v phơng pháp thiết kế đồng thời (khung xơng, cơ cấu công tác, cảm biến, chấp hnh, đi u khiển); thiết kế từ trên... tải (15kg) có hỗ trợ (khí nén 5bar) 205 Hình 7 9: Các dạng tín hiệu EMG 206 Hình 7 10: Tín hiệu EMG: không tải, không hỗ trợ v có hỗ trợ 207 Hình 7 11: Tín hiệu EMG: có tải, không hỗ trợ v có hỗ trợ 207 Hình 7 12: Tín hiệu thô khi đi trên mặt bằng, không tải, không hỗ trợ2 08 xv Hình 7 13: Tín hiệu thô khi đi trên mặt bằng, không tải, có hỗ trợ 208 Hình 7 14: RMS khi đi trên mặt bằng,... Sơ đồ đi u khiển đi n - khí nén (Automaton Studio 5.6) 182 Hình 6 16: Sơ đồ van - xi lanh cho 1 khớp 183 Hình 6 17: Sơ đồ mạch công suất đi u khiển van 184 Hình 6 18: Mạch đi u khiển trung tâm 185 Hình 6 19: Giao diện phần mềm v đồ thị góc khớp khi đi bộ 186 Hình 6 20: Cấu hình bộ Bagnoli 2-Channel AMGworks 188 Hình 6 21: Mạch đi u khiển với EMG 188 Hình 6 22: Mô hình đi u... nên không đợc đặt thnh vấn đề nghiên cứu M1.4 Mục tiêu của đề ti Nh đã nêu trong thuyết minh, có 3 mục tiêu m đề ti phải đạt Mục tiêu cơ bản của đề ti l thiết kế chế tạo hon chỉnh một hệ cơ đi n tử đặc biệt - Bio-Robot hay Exo, hỗ trợ ngời đi bộ với các mục đích dân dụng, xã hội v mục đích chuyên dùng Mục tiêu cơ bản nêu trên cùng với định hớng công nghệ thực hiện nó sẽ l đi u kiện tiên quyết để thực . VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ TRỢ LỰC CHO NGƯỜI ĐI BỘ CNĐT : ĐÀO VĂN HIỆP 8391 HÀ. nghệ cho 1 chi tiết 156 5.1.3.1. Phân tích kết cấu v chọn thiết bị công nghệ 156 5.1.3.2. Tính chế độ cắt 157 5.2. Quy trình công nghệ gia công chi tiết 159 Chơng 6: Thiết kế, chế tạo hệ đi u. robot hoạt động nh một bộ phận mở rộng của cơ thể ngời, có nhiệm vụ tăng cờng năng lực cho các bộ phận, thậm chí thay thế các bộ phận bị khuyết tật. Nhu cầu về thiết bị hỗ trợ các hoạt động cơ