Sản phẩm khoa học kỹ thuật xe lăn thông minh, khoa học công nghệ ứng dụng

Tính thực tiễn của đề tài Hiện nay, với những người khuyết tật thường gặp các vấn đề cơ bản sau:  Khuyết tật thân thể, tứ chi, khuyết tật vận động  Suy giảm các giác quan: mù, điếc, kh

Tên đề tài:

Xe lăn điều khiển bằng cử chỉ đầu

dành cho người khuyết tật

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1 Lý do chọn đề tài 3

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 3

1.2 Tính thực tiễn của đề tài 3

1.3 Tính khả dụng 5

2 1 Mục tiêu nghiên cứu 6

2.2 Đối tượng nghiên cứu 7

2.3 Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết 7

2.4 Thời gian nghiên cứu 8

2.5 Phương pháp nghiên cứu 8

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CÚU 9

1 2 Tìm hiểu vật liệu và thiết bị điện tử 11

1.2.1 Vật liệu Error! Bookmark not defined.

1.3.1 Bộ điều khiển trên xe lăn điện 13

1.3.2 Modul Sim tích hợp chức năng định vị GPS: 14

1.3.3 Bộ điều khiển trung tâm Raspberry Pi :16

1.3.4 Công tắc và ổ cắm tích hợp điều khiển từ xa: 17

1 4 Lập trình và kết nối 19

1 4.1 Lập trình điều khiển giọng nói trên Raspberry Pi 19

1 4.2 Lập trình điều khiển thiêt bị thu phát không dây 20

1 6 Nguyên lý vận hành 21

1 6.1 Điều khiển xe lăn chuyển động21

1 6.2 Điều khiển thiết bị dân dụng 22

2 Kết quả nghiên cứu 25

2.1 Bảng vật liệu 25

2.2 Các thông số kỹ thuật 25

2.2 Hoàn thiện sản phẩm 26

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.2 Ứng dụng của đề tài 27

3.3 Chi phí kinh tế đề tài 27

KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình1.1: Raspberry Pi 3 bán trên webside https://raspberrypi.vn

Hình 2.1: Người khuyết tật cả tay lẫn chân do bị di chứng chất độc ra camHình 2.2: Người lao động làm việc với bom mìn còn sót sau chiến tranh

Hình 2.3: Người già bị liệt do đột quỵ

Hình 2.4: Biểu tượng công cụ Google Assistant

Hình 2.5: Sơ đồ khối mô tả hệ thống

Hình 2.6: Tay điều khiển gắn trên xe điện

Hình 2.7: Sơ đồ đấu nối modul sim 808

Hình 2.8: Modul sim 808

Hình 2.9: Bản đồ định vị vị trí của người khuyết tật

Hình 2.10: Mạch điều khiển trung tâm Raspberry Pi

Hình 2.11: Cổng đấu nối vào ra của Raspberry Pi

Hình 2.12: Mạch điều khiển trung tâm gắn trên xe

Hình 2.13: Sơ đồ khối công tắc, ổ cắm

Hình 2.14: Sơ đồ đấu nối công tắc với bộ thu phát không dây

Hình 2.15: Mạch điều khiển bật tắt thiết bị tại ổ cắm và công tắc

Hình 2.16: Công tắc, ổ cắm cơ khí tích hợp mạch điều khiển từ xa

Hình 2.17: Giao diện lập trình điều khiển giọng nói trên Raspberry Pi

Hình 2.18: Gắn bộ điều khiển trung tâm vào thân xe

Hình 2.19: Kết nối Micro với bộ điều khiển

Hình 2.20: Lắp mạch điều khiển từ xa vào công tắc và ổ cắm

Hình 2.21: Tháo thiết bị điều khiển trên xe lăn để tìm hiểu nguyên lý làm việcHình 2.22: Kết nối với bộ điều khiển trung tâm và lập trình

Hình 2.23: Kết nối máy tính và thực hiện thao tác lệnh trên xe lăn

Hình 2.24: Thử nghiệm các tính năng của xe lăn sau khi hoàn thiện sản phẩm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1 Lý do chọn đề tài

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Theo trang trợ lý pháp luật Việt Nam[1] “ Tính đến năm 2013 trên thế giới

có khoảng 10% dân số là người khuyết tật Theo báo cáo của Bộ Lao độngThương binh và Xã hội, cả nước hiện có khoảng 15 triệu người khuyết tật(chiếm khoảng 17,5% dân số) Trong đó khoảng 87% người khuyết tật sống ởnông thôn gặp nhiều khó khăn về kinh tế, cần đến sự trợ giúp, hỗ trợ của nhànước và xã hội Do đó ngoài việc thực hiện bảo vệ quyền và nghĩa vụ như mọicông dân khác thì họ cần được bảo vệ các quyền và những ưu tiên dành riêngcho họ Mặt khác phần lớn những người khuyết tật thường có những mặc cảm tự

ti vì gánh nặng cho người thân, gia đình, tự ái xa lánh với người xung quanh Dovậy chúng ta cần hành động để hỗ trợ cho người khuyết tật, trên tất cả cácphương diện từ khuyết tật vận động cho đến trí tuệ hay cảm giác, để hướng đếnviệc xây dựng một dân tộc khoẻ mạnh và phát triển bền vững

1.2 Tính thực tiễn của đề tài

Hiện nay, với những người khuyết tật thường gặp các vấn đề cơ bản sau:

 Khuyết tật thân thể, tứ chi, khuyết tật vận động

 Suy giảm các giác quan: (mù, điếc, khiếm thính, khiếm thị, không nhận được mùi vị)

 Khuyết tật về nói (câm, líu lưỡi), đọc (thiểu năng đọc)

 Khiếm khuyết về khả năng học hỏi, luyện tập

 Khuyết tật tâm lý (tâm thần), bại não

 Thiểu năng trí tuệ, tự kỷ

Chúng ta thường xuyên gặp những người chỉ khuyết tật chân đi lại, dichuyển vất vả trên đường cùng với chiếc xe lăn hoặc bất tiện trong việc sinh

hoạt, sử dụng các thiết bị dân dụng hàng ngày, hay những người khuyết tật cảchân và tay phải nhờ sự hỗ trợ giúp đỡ của những người xung quanh để dichuyển, sinh hoạt trong khi trí tuệ vẫn bình thường.

Để hỗ những người khuyết tật về mặt vận động này, Trên thế giới nóichung và Việt Nam nói riêng đã có rất nhiều nghiên cứu thiết kế ra những chiếc

xe lăn phù hợp với các đối tượng khác nhau như:

Xe lăn cơ khí phù hợp với những người chỉ khuyết tật phần chân Những

xe lăn lăn này giá thành hợp lý, phù hợp với đa số đối tượng người thu nhậpthấp như người Việt Nam

Xe lăn điện phù hợp với những người khuyết tật chân và tay yếu, việc đi

lại dễ dàng hơn vì chỉ thao tác bằng các phím ấn hay cần gạt Joystick Giá thành

xe cao hơn nhưng với tính năng hỗ trợ của nó thay cho người thân thì giá thànhcũng phù hợp

Như vậy, đối với những người khuyết tật chân, xe lăn điện có thể đã khắcphục, giúp đỡ được họ, nhưng đối với những người bị khuyết tật ở tay thì lại kháhạn chế Nhiều năm qua đã có nhiều dự án, nhiều nhóm nhà khoa học nghiêncứu, hoàn thiện, thậm chí có những phiên bản đã có thể trực tiếp thay thế chocon người

Có hướng nghiên cứu thiết kế cánh tay robot cho người khuyết tật Ý tưởngrất hay, tuy nhiên nó có nhược điểm là sản phẩm khó phục vụ đại trà vì giáthành tương đối đắt hoặc sản phẩm phải làm theo kiểu handmade vì mỗi người

có khuyết tật tay khác nhau Vì vậy đối với các quốc gia đang phát triển nhưViệt Nam, tỷ lệ người được tiếp cận với các sản phẩm hỗ trợ chuyển động taychính là điều quá xa vời

Có nhóm nghiên cứu theo hướng điều khiển bằng giọng nói, điều khiển bằng

cử động và ý tưởng này đã bắt đầu được nhen nhóm và triển khai Tuy nhiên,nhiều lần chúng em được đi thăm các cụ, ông bà thấy ông bà đi lại, di chuyển,sinh hoạt khó khăn, những lần thiện nguyện tại các trung tâm phục hồi chứcnăng, những lần về quê chúng em quan sát thấy có những người khuyết tật cả 2

tay, chân yếu ớt, do tai nạn giao thông hoặc do các nguyên nhân khác, khi dichuyển đi lại hoặc gặp khó khăn khi sinh hoạt.

Vậy thì làm thế nào để có thể tạo ra một sản phẩm có thể giúp người khuyếttật có thể vừa di chuyển thuận tiện, dễ dàng, linh động vừa có thể điều khiển một

số dụng cụ cơ bản trong gia đình phục vụ sinh hoạt bản thân cải thiện cho sinhhoạt hàng ngày hạn chế sự giúp đỡ của người thân và khi người thân đi vắng vớigiá thành phù hợp cho người khuyết tật?

Để giải quyết cho vấn đề này chúng em đã hình thành ý tưởng đó là:

“Chế tạo xe lăn điện tương tác thông minh dành cho người khuyết tật” Ý

tưởng của chúng em sẽ dựa trên nền tảng của xe lăn điện đang bán trên thị

trường và sự phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 hay vạn vật kết nối (IOT - Internet Of Think) Nhằm cải thiện thêm một số tính năng để phù hợp vớitối đa người khuyết tật

Nguyên lý: Sử dụng Micro phone ra lệnh tới bộ điều khiển trung tâm

(Raspberry Pi 3) Bộ điều khiển trung tâm nhận lệnh, so sánh với các tập lệnh đã

có để một phần điều khiển xe lăn di chuyển, một phần điều khiển các thiết bịhằng ngày qua môi trường không dây (wifi)

1.3 Tính khả dụng

Hiện nay vấn đề công nghệ thông tin, điện tử ngày càng phát triển, cáclinhkiện, thiết bị điện tử trong đó có các vi mạch, cách mạch điện tử thông minhnhư: bộ điều khiển trung tâm (Raspberry Pi 3), Microphone, mạch thu phát wifibán rất nhiều trên thị trường Việt Nam, chúng ta dễ dàng mua bán các thiết bịnày

Hình 1.1: Raspberry Pi 3 bán trên webside https://raspberrypi.vn

Bên cạnh đó sự phát triển của các trang mạng xã hội nên chúng ta dễ dàng đặthàng mua thiết bị qua mạng xã hội

2 Xác định vấn đề nghiên cứu

2 1 Mục tiêu nghiên cứu

Chế tạo xe lăn điện tương tác thông minh không chỉ phục vụ việc đi lại mà còn

có thể hỗ trợ cho sinh hoạt hàng ngày hạn chế thấp nhất sự hỗ trợ của người thân

có giá thành phù hợp với người khuyết tật và có thể sử dụng đại trà

Sản phẩm dự tính các tính năng cơ bản sau:

- Thiết kế thêm tính năng có thể điều khiển bằng giọng nói, giúp người khuyết tật

đi lại, di chuyển

- Bộ điều khiển xe lăn kết nối không dây với các thiết bị dân dụng trong gia đình như: ti vi, quạt, bóng điện, bình để người khuyết tật dễ dàng sử dụng

- Xác định vị trí, hỗ trợ tính năng theo dõi sức khỏe, nhằm gửi cảnh báo cho người thân trong trường hợp khẩn cấp

- Bộ điều khiển trung tâm gọn, nhẹ, tính di động cao nhằm tạo sự tiện lợi trong lúc sinh hoạt.

Hướng phát triển tiếp của đề tài:

- Phân biệt được giọng nói địa phương

- Tích hợp tính năng nút điều khiển tự động khi muốn từ xe nằm lên giường và ngược lại

- Có thể tích hợp sử dụng các cảm biến cho người phím thị khi di chuyển

- Sử dụng định vị GPRS, cảm biến để điều khiển người phím thị di chuyển qua hệthống microphone tích hợp vào điện thoại thông minh

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Những người bị khuyết tật bàn tay, hoặc cả cánh tay như mất đi một tay, mấthai tay thậm chí cho những người còn cả hai tay nhưng mất đi khả năng vậnđộng, những người không có khả năng hoạt động bằng tay, bằng chân nhưngvẫn nói bình thường, những người già yếu khó khăn trong sinh hoạt

2.3 Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết

- Tìm hiểu thực trạng, chế độ của của người khuyết tật Việt Nam

- Tìm hiểu về tâm lí những người khuyết tật từ đó tìm hiểu vấn đề giải quyết

- Nghiên cứu vấn đề thực tiễn cần giải quyết, đề ra mục tiêu phương án, cáchthức tiến hành để thực hiện đề tài

- Tìm hiểu công nghệ Google Voice nhằm chuyển đổi giọng nói con ngườithành lập lệnh để điều khiển

-Tìm hiểu về vai trò của chức năng của máy tính nhúng Raspberry Pi 3 và cáchthức tiến hành và sử dụng, lập trình Arduino IDE để viết code cho mạchArduino dùng để tương tác với các thiết bị phần cứng

- Tính toán thiết kế, cách sử dụng các thu phát wifi để điều khiển các thiết bịtrong gia đình qua môi trường không dây

- Lắp đặt bố trí hoàn thiện sản phẩm

- Liên hệ với người khuyết tật để tiến hành vận hành thử

- Đánh giá sản phẩm và chỉnh sửa các thông số kỹ thuật cho phù hợp

- Báo cáo kết quả nghiên cứu trước hội đồng khoa học kỹ thuật nhà trường vàcủa để được nhận xét, đánh giá trên cơ sở đó tiếp thu ý kiến để nhận được xuâtcải tiến, nâng cấp sản phẩm

2.4 Thời gian nghiên cứu

Ý tưởng của chúng em được hình thành từ rất lâu, tuy nhiên từ khi được sựhướng dẫn, chỉ bảo của các thầy chúng em với bắt tay vào tìm hiểu và nghiêncứu

-Từ tháng 1/2017-3/2017 tìm hiểu thông tin, thu thập tài liệu

- Từ tháng 4/2017-6/2017 nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu nguyên lý hoạt động

- Từ tháng 5/2017 đến nay thu thập mua linh kiện lắp ráp, hoàn thành và vậnhành thử

2.5 Phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CÚU 2.1 Quá trình nghiên cứu

2.1.1 Hình thành ý tưởng

Qua sự tình cờ xem các chương trình tivi về cuộc chiến tranh bảo vệ tổquốc, chúng em được biết rằng, chiến tranh đã qua đi, bên cạnh 1.146.250 ngườilính đã Anh dũng ngã xuống vì sự độc lập của dân tộc, chúng ta còn có hơn600.000 nghìn thương binh, những người đã để lại 1 phần máu xương ở chiếntrường Trong những con người cao cả đó, có những người gắn bó phần đời cònlại bên những trước xe lăn Có những người lính mang trong mình chất độc màu

da cam, những đứa con không lành lặn sinh ra mang theo di chứng của chất độcmàu da cam và không ít những đứa con này có người bạn thân thiết là chiếc xelăn

Hình 2.1: Người khuyết tật cả tay lẫn chân do bị di chứng chất độc ra cam

Không những vậy, dù chiến tranh đã lùi xa, nhưng đôi lúc chúng ta vẫn gặpnhững người tàn tật ngồi trên những chiếc xe lăn mà nguyên nhân là do trongquá trình lao động bị vấp bom mìn để lại trong lòng đất, hay tai nạn trong laođộng, hoặc tai nạn khi tham gia giao thông

Hình 2.2: Người lao động làm việc với bom mìn còn sót sau chiến tranh

Những lần thiện nguyện tại các trung tâm phục hồi chức năng, những lần vềquê chúng em quan sát thấy có những người khuyết tật cả 2 tay, chân yếu ớt sinhhoạt khó khăn Tìm hiểu thêm trên mạng xã hội, chúng em lại nhận thấy rằng:Mỗi năm Việt Nam có hơn 200.000 người bị đột quỵ (tai biến mạch máu não),gần 50% trong số đó qua cơn nguy kịch, tuy nhiên chỉ có khoảng 25-30% tự đilại phục vụ bản thân được, 20-25% đi lại khó khăn, cần sự hỗ trợ của người kháctrong sinh hoạt, 15-25% phải phụ thuộc hoàn toàn vào sự phục vụ của ngườikhác

Hình 2.3: Người già bị liệt do đột quỵ

Như vậy chúng ta thấy rằng bên cạnh chúng ta có rất nhiều người bị khuyếttật hoặc bị tai biến, và phần đông trong số họ không thể tự phục vụ bản thân, từ

đi đứng, ăn, ngủ, điều khiển các thiết bị sinh hoạt hằng ngày đều phụ thuộc vào

sự phục vụ của người khác

Trên cơ sở đó bản thân tác giả nghĩ ra ý tưởng và đã bắt tay tìm hiểu, thuthập các thông tin, dữ liệu về các công trình nghiên cứu trước đó ở Việt Nam vàtrên thế giới

Dựa trên tình hình thực tế về điều kiện kinh tế và trình độ của Việt Nam,bản thân chúng em đã trăn trở, suy nghĩ là làm sao sản phẩm mình tạo ra phảitiện vận dụng trong sản xuất, linh hoạt, bền có độ thẩm mỹ và đặc biệt là có thểthương mại trên thị trường với giá thành phải chăng Sau khi đã xác định mụctiêu, bản thân chúng em đã gặp trực tiếp giáo viên hướng dẫn và là người bảo trợ

đề tài cùng đề ra phương án, phác thảo thiết kế bản vẽ kỹ thuật, tìm hiểu vật liệu,thiết bị kỹ thuật sẵn có và giá cả của nó trên thị trường, viết code phần mềm điềukhiển, tiến hành lắp đặt và vận hành thử sao cho đạt tới sản phẩm hoàn thiệnnhất

2.1 2 Tìm hiểu vật liệu và thiết bị điện tử

a Yêu cầu sản phẩm: Xe lăn phải có tính thẩm mỹ, trọng lượng phù hợp,

đủ lực, linh hoạt khi sử dụng, thực hiện được một số cử động cơ bản trong sinhhoạt hằng ngày Bộ điều khiển phải di động được, vì ngoài việc đi lại trên xe lă,người khuyết tật còn ngủ, nghỉ trên giường, trong lúc đó vẫn có nhu cầu sử dụngcác thiết bị dân dụng

b Bộ điều khiển trung tâm Raspberry Pi 3

Bản chất là máy tính thu nhỏ (mini PC) dự án phát triển Raspberry Pi 3nhằm hỗ trợ học sinh các nước kém phát triển làm quen với lập trình nhúnghướng đối tượng nên dễ sử dụng và giá cả tương đối phù hợp

c Công cụ Google Assistant

Google Assistant có thể gọi là một trợ lý ảo thông minh do Google phát triển, với nhiều tính năng hữu ích cho người dùng Như trò chuyện, giúp người dùng có thể tìm kiếm thông tin về địa điểm, hoặc bất cứ thông tin nào nó nhận Google Assistant được tương tác thông qua giọng nói, văn bản.

Google Assistant có nhiều tính năng thông minh rất hữu ích cho người dùng bằng cách giao tiếp tương tác thông qua giọng nói hoặc văn bản, Google Assistant có thể giúp bạn điều khiển một số tính năng trên điện thoại như mở nhạc, tìm kiếm thông tin từ Google, hỗ trợ tìm đường, hỗ trợ đọc đọc tin nhắn, tìm kiếm danh bạ, hay đơn giản là giúp bạn gọi điện thoại đến các số lưu sẵn trong danh bạ

Hình 2.4: Biểu tượng công cụ Google Assistant

2.1.3 Thiết kế sản phẩm

2.1.3.1 Bộ điều khiển trên xe lăn điện

Đây là bộ điều khiển đã được nhà thiết kế xe lăn điện hoàn thiện, nó cóchức năng điều khiển xe lăn di chuyển thông qua cần gạt stick, thông báo dunglượng acquy còn lại và có phím chuông cảnh báo giúp người khuyết tật thôngbáo cho người xung quanh khi cần sự giúp đỡ hoặc

Bộ điều khiển trên

trung tâm dựa trên nền tảng Raspberry Pi 3

Modul sim

Modul định

vị GPS

Modul thu phát wifi

Quạt điện

Hình 2.5: Sơ đồ khối mô tả hệ thống

Micro phone

Hình 2.6: Tay điều khiển gắn trên xe điện

Trong đó:

- Phím ấn vàng + và - : Để thực hiện tăng giảm tốc độ xe điện

- Phím nguồn đỏ: Thực hiện chức năng báo hiệu có nguồn hay không và phíadưới là màn hình hiển thị dung lượng pin

- Phím loa màu hồng: Thực hiện chức năng đưa ra cảnh báo khi người khuyết tậtcần sự giúp đỡ của người xung quanh

- Gậy joystick: Dùng để điều khiển chiếc xe di chuyển: tiến, lùi, trái, phải

2.1.3.2 Modul Sim tích hợp chức năng định vị GPS:

Thực hiện chức năng nhận tạo mạng dữ liệu di động, để bộ điều khiển trung tâmkết nối được với webside, và môi trường truyền thông tin ( tình trạng sức khỏe,trường hợp khẩn cấp như bị ngã…) đến người thân Modul định vị GPS thựchiện chức năng xác định vị trí của người khuyết tật, gửi thông tin vị trí lênwebside thông bộ điều khiển trung tâm

Hình 2.7: Sơ đồ đấu nối modul sim 808

Hình 2.8: Modul sim 808

Hình 2.9: Bản đồ định vị vị trí của người khuyết tật

2.1.3.3 Bộ điều khiển trung tâm Raspberry Pi :

Thực hiện chức năng nhận lệnh từ giọng nói từ người khuyết tật, xử lý thông tin

và gửi lệnh điều khiển đến xe lăn và các thiết bị điện dân dụng

Hình 2.10: Mạch điều khiển trung tâm Raspberry Pi

Hình 2.11 Cổng đấu nối vào ra của Raspberry Pi