Đồ án 5 xe lăn thông minh điều khiển bằng mắt

Là sự tích hợp nghiên cứu để mô phỏng chuyển động con ngươi mắt người trong điều khiển các hướng của xe lăn phục vụ người tàn tật, giúp người liệt và tiếp cận giúp đỡ nhiều nhóm bệnh nhân khác nhau. Theo thời gian cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ những chiếc xe lăn ngày càng trở nên phong phú và tiện ích hơn cho người sử dụng. Trước đây xe lăn chỉ đơn thuần là những loại thô sơ, chủ yếu dùng sức của đôi tay để di chuyển như: xe lăn tay khung cứng, sau đó để thuận tiện cho việc vận chuyển nhẹ nhàng đỡ cồng kềnh người ta đã cho ra đời xe khung gấp. Rồi xe lăn có thể tự điều chỉnh tư thế nằm ngồi, xe có ghế vệ sinh và ngày nay nó đã trở lên thuận tiện hơn với xe gắn động cơ giúp người dùng không cần nhiều đến sức mạnh của đôi tay trong việc di chuyển nữa.Xe lăn hướng tới những người bệnh mất hoặc bị giảm khả năng di chuyển. Tuy nhiên, trong một số trường hợp người bệnh bị liệt toàn thân, việc di chuyển và điều khiển xe lăn bằng tay là điều không thể. Từ đó, nhóm chúng em có ý tưởng chế tạo xe lăn điện điều khiển bằng mắt để bệnh nhân bị liệt và có vấn đề khó khăn về di chuyển đều có thể tiếp cận được. Chế độ điều khiển bằng con ngươi (mắt) của bệnh nhân, một camera được kết nối bởi điện thoại thông minh sẽ tiếp nhận ảnh mắt sau đó đưa hình ảnh qua bộ xử lý trên phần mềm Matlab và đưa ra hướng đi trái, phải, tiến, lùi theo tín hiệu mắt bệnh nhân. các động cơ xe lăn sẽ được điều khiển qua bộ xử lý với hình ảnh từ điện thoại thông minh như một phương tiện hỗ trợ điều khiển được.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Đinh Hoài Nam Đặng Văn Hùng Nguyễn Đình Hùng Phú

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE LĂN THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG MẮT PHỤC VỤ NGƯỜI TÀN

TẬT

ĐỒ ÁN MÔN HỌC Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

NGHỆ AN - 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Đinh Hoài Nam Đặng Văn Hùng Nguyễn Đình Hùng Phú

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE LĂN THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG MẮT PHỤC VỤ NGƯỜI TÀN

TẬT

ĐỒ ÁN MÔN HỌC Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Giáo viên hướng dẫn: ThS Hồ Sỹ Phương

Nghệ An - 2019

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE LĂN THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG MẮT PHỤC VỤ NGƯỜI TÀN TẬT

Tóm tắt đồ án:

Theo thời gian cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ những chiếc xe lănngày càng trở nên phong phú và tiện ích hơn cho người sử dụng Trước đây xe lăn chỉđơn thuần là những loại thô sơ, chủ yếu dùng sức của đôi tay để di chuyển như: xe lăntay khung cứng, sau đó để thuận tiện cho việc vận chuyển nhẹ nhàng đỡ cồng kềnhngười ta đã cho ra đời xe khung gấp Rồi xe lăn có thể tự điều chỉnh tư thế nằm ngồi, xe

có ghế vệ sinh và ngày nay nó đã trở lên thuận tiện hơn với xe gắn động cơ giúp ngườidùng không cần nhiều đến sức mạnh của đôi tay trong việc di chuyển nữa.Xe lăn hướngtới những người bệnh mất hoặc bị giảm khả năng di chuyển Tuy nhiên, trong một sốtrường hợp người bệnh bị liệt toàn thân, việc di chuyển và điều khiển xe lăn bằng tay làđiều không thể Từ đó, nhóm chúng em có ý tưởng chế tạo xe lăn điện điều khiển bằngmắt để bệnh nhân bị liệt và có vấn đề khó khăn về di chuyển đều có thể tiếp cận được.Chế độ điều khiển bằng con ngươi (mắt) của bệnh nhân, một camera được kết nối bởiđiện thoại thông minh sẽ tiếp nhận ảnh mắt sau đó đưa hình ảnh qua bộ xử lý trên phầnmềm Matlab và đưa ra hướng đi trái, phải, tiến, lùi theo tín hiệu mắt bệnh nhân cácđộng cơ xe lăn sẽ được điều khiển qua bộ xử lý với hình ảnh từ điện thoại thông minhnhư một phương tiện hỗ trợ điều khiển được

Mô hình gồm một xe lăn thực tế, tính toán tải trọng cho người bình thường, xửdụng các chương trình như Matlab và Arduino để thiết kế và xây dựng chương trình

Đồ án cũng nghiên cứu kiến thức về mạch vi điều khiển Arduino Uno R3, mạchcầu H 43A (IBT2) và một số cảm biến trong thiết kế, chế tạo và điều khiển xe lăn, từ đó,lựa chọn các thiết bị phần cứng liên quan để làm xe lăn Phương pháp nghiên cứu là dựatrên cấu trúc phần cứng, sơ đồ khối của các module chuẩn hóa, đưa ra cách lắp mạch vớiArduino, cấp nguồn cho module, thực hiện giao tiếp Giao tiếp Arduino UNO R3 với

module mạch cầu H 43A (IBT2) để điều khiển động cơ, thực hiện chức năng di chuyểncho xe lăn Giao tiếp Arduino UNO R3 với module Bluetooth và module giảm tốc đểđiều khiển xe lăn rẽ theo hướng mong muốn.

Sau khi chế tạo, mô hình được mang ra thử nghiệm ở điều kiện thực tế Những bàikiểm tra điều khiển hướng di chuyển, vượt dốc, phát hiện nguy hiểm giúp ta kiểm tra,phát hiện được những sai sót trong thiết kế và lập trình

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế mô hình xe lăn thôngminh hai chế độ phục vụ người tàn tật” là công trình nghiên cứu của nhóm dưới sựhướng dẫn của ThS Hồ Sỹ Phương Các tài liệu được sử dụng đều có nguồn gốc rõ ràng

và được ghi trong mục tài liệu tham khảo Nếu sai em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm vàcác hình thức kỷ luật của nhà trường

Nghệ An, ngày tháng năm 2018

Sinh viên thực hiện

Đinh Hoài NamĐặng Văn HùngNguyễn Đình Hùng Phú

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU TỔNG QUAN VÀ THIẾT KẾ SƠ BỘ MÔ HÌNH XE LĂN 1.1 Tìm hiều tổng quan về xe lăn trên thị trường

1.1.1 Khảo sát thị trường xe lăn

Khi tiến hành tính toán thiết kế một sản phẩm mới thì thông thường chúng ta sẽkhảo sát các sản phẩm tương tự nhằm tận dụng ưu điểm của sản phẩm đó, rút ngắn thờigian nghiên cứu tính toán thiết kế Ở đây để thiết kế một xe lăn mới, trước hết tác giảkhảo sát một số xe lăn cùng loại của các nhà sản xuất như Trung Quốc, Mỹ và các nhàsản xuất nội địa có sẵn trên thị trường…

Hiện nay trên thị trường có khá nhiều loại xe của nhiều nhà sản xuất khác nhau:trong nước, nước ngoài Do đó mà giá thành, kiểu giáng, giá thành cũng như chất lượngcủa các loại xe lăn cũng khác nhau (giá thành trên thị trường hiện giao động từ 1 triệuđến hàng chục triệu đồng, có thể là khung nhôm, sắt hoặc inox)

Mặt khác xe lăn là một mặt hàng hầu như không có thị trường, cơ sở phân phối do

đó các cơ sở sản xuất đa phần chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng của các tổ chức nhân đạophi chính phủ để trợ cấp cho người tàn tật hoặc nhà nước ta hỗ trợ cho các thương bệnhbinh hoặc con em của người bị ảnh hưởng của chiến tranh, chỉ một phần rất nhỏ đượcbán ra ngoài với mục đích thương mại

Chính vì vậy mà điều kiện để phát triển và sản xuất của các loại xe này gặp nhiềukhó khăn, do đó các cơ sở sản xuất của ta được trợ cấp một số tiền để có thể duy trì sảnxuất và hoạt động Hơn nữa xe lăn là một mặt hàng không bị đánh thuế cũng tạo điềukiện phát triển Tuy nhiên do cơ sở sản xuất còn lạc hậu, sản xuất nhỏ lẻ đơn chiếc nên

đã đẩy giá thành của sản phẩm lên cao, độ chính xác khi gia công thấp

Trong khi đó thị trường nước ngoài lại ngập tràn xe Trung Quốc vs giá thành rẻhơn Tuy nhiên giá cả này vẫn cao với những người có nhu cầu sử dụng xe lăn do cácloại xe nhập vào nước ta chủ yếu là xe nhập lậu, không có thương hiệu rõ ràng, chưa qua

thẩm định về độ an toàn do đó độ an toàn thấp hơn., nhanh hỏng hơn nhưng lại có ưuđiểm là giá thành thấp hơn, mẫu mã phong phú và tính năng đa dạng hơn.

Đặc điểm chung của các loại xe ở nước ta hiện nay vẫn là xe thô sơ ( dùng cơ bắp

để di chuyển ) điều này do nhiều nguyên nhân mà việc lắp động cơ vào xe khó thực hiện

1.1.2 Phân loại xe và đối tượng sử dụng

Quá trình khảo sát và dựa vào những tính năng của các loại xe và do đặc thù củangười sử dụng, tính năng và các đoạn đường mà người đó di chuyển mà xe lăn đượcchia làm nhiều loại khác nhau, mỗi loại được thiết kế theo các chuẩn mực hay mục đíchkhác nhau sao cho thuận tiện với đối tượng sử dụng Do đó ta có các cách phân loại xenhư sau:

- Phân loại theo khả năng của người sử dụng

+ Xe dành cho người có khả năng sử dụng đôi tay

+ Xe dành cho người bại não hay mất khả năng sử dụng đôi tay

- Phân loại theo khoảng cách mà người đó di chuyển

+ Xe dùng cho đoạn đường ngắn, nhỏ (di chuyển trong nhà, đi dạo)

+ Xe dùng để đi đường trường, tốc độ di chuyển cao hơn (tương đương với

xe đạp)

- Phân loại theo thiết kế

+ Xe ráp (Cách chi tiết được ráp lại với nhau)

+ Xe cố định ( Các chi tiết gắn cứng với nhau).

- Phân loại theo mức độ hiện đại của các loại xe

1.1.3 Đánh giá đặc điểm kết cấu các loại xe lăn

Trên thị trường hiện nay tồn tại nhiều loại xe lăn, tùy thuộc vào đối tượng, mụcđích sử dụng mà xe lăn có kết cấu và giá thành khác nhau sao cho phù hợp với thể trạngmức độ của người sử dụng, hiện nay trên thế giới có 2 loại xe cơ bản:

+ Xe thô sơ (chuyển động nhờ sức người)

+ Xe điện (chuyển động nhờ động cơ điện)

- Xe thô sơ

Các bộ phận điều khiển đề dựa vào sức người, với xe thô sơ chiếm khoảng 95%thị trường trên toàn thế giới, nó tồn tại ở các dạng dùng cơ, hoặc dùng cơ cấu bẩy động

để di chuyển dễ dàng hơn

Hình 1.1: Xe lăn thô sơ có gắn bô vệ sinh

Xe dành cho người bại não ( liệt toàn thân) hay người mất khả năng sử dụng đôitay (tàn tật, hoặc có vấn đề về tay) của mình:

Do đặng điểm người sử dụng mất khả năng điều khiển cơ thể theo ý muốn hoặcmất đi khả năng nhận thức (sống thực vật) Chính vì thế mà loại xe này được thiết kế với

độ an toàn cao hơn so với xe lăn bình thường, mặt khác các đối tượng này ít di chuyển

do đó kết cấu của nó phức tạp hơn (gắn động cơ, chạy điện), bên cạnh đó nếu có dichuyển sẽ dùng các bộ phận khác để thực hiện điều khiển Ví dụ như tín hiệu mắt, tínhiệu sóng não, hay cử chỉ khuôn mặt Các thành phần chính của loại này là:

Quá trình điều khiển bộ điều khiển xử lý sẽ thu nhận tín hiệu từ mắt trích từ camera

cả điện thoại thông minh Lúc này, cảm biến siêu âm được tích hợp trên xe lăn sẽ pháthiện và tín hiệu điều khiển sẽ truyền về Arduino xử lý và lúc này xe sẽ điều hướng phùhợp theo ý ngời điều khiển

1.2.2 Tính và lựa chọn thông số kĩ thuật cho xe

- Tính và lựa chọn thông số kĩ thuật cho xe đa dụng

Khi tính toán thiết kế xe lăn, các thông số của xe phụ thuộc rất nhiều vào cơ thể củangười sử dụng Các thông số cơ bản là: chiều rộng, chiều dài, chiều cao và tải trọng chophép

Với chiều cao trung bình của người Việt Nam là 165cm thì bề rộng của ghế từ 400–500 mm, chiều ngang (tính từ điểm dựa lưng đến đầu gối) khoảng 350 – 450 mm.Chọn bề rộng x bề ngang = 500 x 550 mm

Chiều cao của xe dao động trong khoảng 800 – 1000 mm

Thiết kế khung xe:

Chọn kích thước: Khi thiết kế xe lăn, các kích thước được lấy dựa theo kích thướctrung bình của cơ thể con người, do đó nhất thiết phải đảm bảo các điều kiện sau:

- Bề rộng ( Nhìn thẳng từ mặt người sử dụng )

- Bề ngang ( Nhìn từ bên hông người sử dụng )

- Chiều cao ( Từ đất đến sàn, từ sàn đến tỳ tay, từ mặt sàn đến phần dựa lưng)

Hình 1.3: Quy định kích thước xe lăn

Nhất thiết các kích thước bề ngang, bề rộng, chiều cao phải lớn hơn kích thước cơthể lúc ngồi xuống và tuân theo các kích thước về không gian sử dụng xe (tựa lưng, ghếngồi, nâng, hạ, dựa lưng, tỳ chân) dễ điều khiển, người dùng ngồi cảm thấy thoải máinhất

Không gian tối thiểu: Là khoảng không gian tối thiểu mà người sử dụng có thể điềukhiển được xe lăn mà không cần có quá nhiều động tác đảo ngượi chuyển động Việcxác định được không gian tối thiểu của xe giúp cho việc thiết kế và quy hoạch nhà ở haynhưng địa chỉ của người tàn tật được thuận tiện hơn ( nhà vệ sinh, cửa ra vào )

Hình 1.4: Quy định không gian hoạt động tối thiểu của xe lăn

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO MÔ HÌNH XE LĂN 2.1 Tính toán chọn động cơ cho xe

Xe lăn có thiết kế 4 bánh với 2 bánh sau được gắn với 2 động cơ riêng biệt, trọnglực của xe sẽ được trải đều trên 4 bánh Dựa vào các thông số đầu vào giả thiết như tốc

độ xe, khối lượng, ta có thể tính được mô men xoắn tác dụng lên các bánh xe

Hình 2.1: Mô phỏng bài toán trên hệ tọa độ

Bài toán: Tính toán lựa chọn động cơ

Mô men xoắn = lực tác dụng * đường kính bánh

Công thức tính vận tốc của xe lăn.

Vận tốc = (gia tốc * thời gian)/2 + vận tốc ban đầu

Bây giờ chúng ta giả sử bài toán cho xe lăn với các điều kiện sau:

fw là lực đẩy tác dụng lên bánh xe

fg là lực kéo xe lăn xuống dốc do trọng lực

Ta có:

Mô men xoắn: T= fw*r.

Trong vật lý các lực phải cân bằng

Mô men xoắn mỗi bánh chính là mô men cần thiết cho mỗi động cơ.

Tiếp theo chúng ta sẽ xác định tốc độ quay cần thiết của động cơ (rpm)

Tốc độ 50m/phút đổi ra số vòng/ phút:

Ω ( vòng/ phút )=¿ vận tốc(m/ phút)

2 πrr = 53 rpm Ta chọn Ω = 55 rpmVận tốc góc:

Vậy công suất cho mỗi động cơ:

Vậy để đáp ứng điều kiện bài toán ta cần động cơ có các thông số sau:

Pđộng cơ >= 203 (w)

Ω >= 55 (rpm)

Trên thực tế có rất nhiều loại động cơ khác nhau với các ưu điểm và áp dụng riêngcủa từng loại Nhìn vào đây chúng ta có thể lựa chọn được loại động cơ phù hợp với yêucầu của đề tài.

- Động cơ điện một chiều D

Tốc độ nhanh, động cơ xoay vòng liên tục Được sử dụng cho các thiết kế cần phải

có một thiết bị quay với tốc độ RPM, ví dụ như trục bánh xe ô tô, cánh quạt máy bay,…

- Động cơ servo

Tốc độ nhanh, mô-đen xoắn cao, luân chuyển chính xác trong một góc giới hạn.Nói chung, đây là một động cơ có hiệu suất cao để thay thế cho động cơ bước, nhưng cóthiết lập phức tạp hơn với PWM điều khiển Động cơ này thích hợp để ứng dụng cho cáccánh tay, chân robot hoặc ứng dụng để điều khiển các loại bánh lái,vv

- Động cơ bước

Tốc độ chậm nhưng xác định chính xác hướng khi xoay, dễ dàng thiết lập và kiểmsoát Ưu điểm vượt trội của động cơ bước là ở khả năng kiểm soát vị trí chính xác.Trong trường hợp động cơ trợ lực yêu cầu cần có một cơ chế xoay chiều và mạch dẫntrong việc xác lập định vị vị trí, hướng hoạt động của động cơ, một động cơ bước hoànhảo có thể kiểm soát và giải quyết các yêu cầu này thông qua tính chất đặc trưng củamình khi quay bởi các “bước” ngắt mạch thiết kế bên trong Động cơ bước được ứngdụng rộng rãi cho các máy in 3D và các thiết bị in ấn tương tự, hoặc các máy móc kháchoạt động bằng việc cần xác định cơ bản vị trí đầu ra…

Từ những đặc điểm trên, ta sử dụng động cơ DC có hộp giảm tốc là động cơ yêucầu tốc độ không quá cao, có mômen xoắn lớn, chịu tải tốt, ngoài ra khả năng điều khiểntốc độ chính xác Dựa vào thực tế các động cơ có trên thị trường ta chọn động cơ cóthông số sau:

Điện áp: DC V=12(V)

Vì công suất động cơ tính toán lên đến 40A khi hoạt động nên ta sẽ chọn mạch cầu

H – IBT2_43A để điều khiển và đưa tín hiệu ra động cơ

Hình 2.3: Mạch cầu H-IBT2_43A

Mạch cầu H-IBT2_43A dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển với driver tích hợp sẵntrong IC với đầy đủ các tính năng current sense (kết hợp với điện trở đo dòng), tạo deadtime, chống quá nhiệt, quá áp, quá dòng, sụt áp và ngắn mạch

Thông số kỹ thuật:

- Nguồn: 6 ~ 27V.

- Dòng điện tải mach: 43A (Tải trở) hoặc 15A (Tải cảm).

- Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5V

- Tần số điều khiển tối đa: 25KHz

- Tự động shutdown khi điện áp thấp: để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp thiết bị sẽ tự shutdown Nếu điện áp < 5.5V, driver sẽ tự ngắt điện và sẽ mở lại sau khi điện áp > 5.5V

- Bảo vệ quá nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong Đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng quá nhiệt

- Kích thước: 40 x 50 x12mm

Sơ đồ chân:

- VCC : Nguồn tạo mức logic điều khiển ( 5V - 3V3 )

- GND : Chân đất.

- R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải R_EN = 1 : Enable nửa cầu H phải

- L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái L_EN = 1 : Enable nửa cầu H trái

- RPWM và LPWM : chân điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ

- RPWM = 1 và LPWM = 0 : Mô tơ quay thuận

- RPWM = 0 và LPWM = 1 : Mô tơ quay nghịch

- RPWM = 1 và LPWM = 1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0 : Dừng

- R_IS và L_IS : kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H

Với ứng dụng bình thường RPWM,LPWM nối với GPIO (VD : chân digital 2,3) để điều khiển chiều quay của động cơ

Chân R_EN , L_EN nối chung lại rồi nối với PWM (VD chân digital 5) để điều khiển tốc độ động cơ

2.3 Module điều tốc, role và Camera

2.3.1 Module điều tốc

Để động cơ được điều khiển với tốc độ ổn định và nguồn cấp hợp lý, ta sử dụng Module điều tốc, đảo chiều 40A với các thông số như sau:

- Điện áp vào: 10-50VDC

- Điện áp ra: tuyến tính dưới tải

- Dòng điện ra: 0-40A

- Công suất tối đa: 2000W

Hình 2.4: Bộ điều tốc động cơ 12VDC 2000w 2.3.2 Rơ le và Camera

+ VCC, GND là nguồn chung với điều khiển

+ VSS+ , VSS- là nguồn của Relay

Nếu muốn cách ly thì sử dụng 2 nguồn riêng

Nếu dùng chung nguồn, cần Jump Chốt 2.54MM để nối VCC VSS+ ; GND

VSS-Hình 2.5: Rơ le 4 kênh Camera

Camera ở đây ta sẽ sử dụng từ điện thợi thông minh lấy tín hiệu hình ảnh qua wifi

và qua phần mềm IP webcam để đáp ứng tính tiện lợi và phù hợp với nhu cầu hiện nay

2.4 Mạch điều khiển Arduino Uno R3

2.4.1 Khái niệm

Arduino là một board mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết

bị phần cứng như động cơ, cảm biến…

Đăc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, vớimột ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu

về điện tử, lập trình

Là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử.Arduino gồm có board mạch có thể lập trình được (thường gọi là vi điều khiển) và cácphần mềm hổ trợ phát triển tích hợp IDE (lntegrated Development Environment) dung

để soạn thảo, biên dịch code và nộp chương trình cho board

Arduino ngày nay rất phổ biến cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về điện tử

vì nó đơn giản, hiệu quả và dể tiếp cận không giống như các loại vi điều khiển khác.Arduino không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nộp code cho PLC