Thiết kế và chế tạo ghế đa năng

Đồ án Tốt nghiệp là một trong những học phần bắt buộc của sinh viên ngành Cơ Điện Tử nói riêng cũng như sinh viên khối ngành kĩ thuật nói chung Để thiết kế thành công một cơ cấu một cụm chi tiết máy hay một máy hoàn chỉnh thì đòi hỏi sinh viên phải có hiểu biết và nắm chắc các kiến thức về lĩnh vực cơ khí cũng như điện tử Đây là điều kiện thuận lợi cho chúng em để được ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế Thực tế là ngày càng nhiều người làm việc trong văn phòng thời gian dài vì vậy dễ dẫn đến các bệnh về cột sống và thoái hóa đốt sống cổ cũng như dễ gây mệt mỏi và ảnh hưởng đến năng suất làm việc Chúng em đã thực hiện đồ án ghế thông minh cho người văn phòng nhằm thiết kế sản phẩm phù hợp với người dùng và có khả năng đưa ra cảnh báo về tình trạng sức khỏe của người sử dụng để điều chỉnh các tư thế phù hợp Các cảm biến sức khỏe và modune xử lí ảnh giúp theo dõi tình trạng người dùng giúp đưa ra cảnh báo hay lời khuyên cho người sử dụng về việc cần nghỉ ngơi hay tiếp tục làm việc Thực tế là ngày nay nhiều sản phẩm hướng đến việc chăm sóc sức khỏe con người nên nhóm chúng em cũng mong muốn dựa vào những kiến thức đã học tạo ra được một sản phẩm chăm sóc sức khỏe hữu ích cho con người và có thể thương mại thành sản phẩm có thể bán trên thị trường

SVTH: Trần Bảo Long – Trà Quang Quý GVHD: T.s Nguyễn Danh Ngọc Page 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO GHẾ ĐA NĂNG

Người hướng dẫn: TS NGUYỄN DANH NGỌC Sinh viên thực hiện: TRẦN BẢO LONG

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo ghế đa năng

Họ và tên sinh viên: Trần Bảo Long Mã SV: 101130208

Trà Quang Quý : 101130212

Lớp: 13CDT2

GV hướng dẫn : T.S Nguyễn Danh Ngọc

GV duyệt : PGS.TS Trần Xuân Tùy

Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:

1 Nhu cầu thực tế của đề tài

Đồ án Tốt nghiệp là một trong những học phần bắt buộc của sinh viên ngành Cơ Điện Tử nói riêng cũng như sinh viên khối ngành kĩ thuật nói chung Để thiết kế thành công một cơ cấu, một cụm chi tiết máy hay một máy hoàn chỉnh thì đòi hỏi sinh viên phải

có hiểu biết và nắm chắc các kiến thức về lĩnh vực cơ khí cũng như điện tử Đây là điều kiện thuận lợi cho chúng em để được ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế

Thực tế là ngày càng nhiều người làm việc trong văn phòng thời gian dài, vì vậy dễ dẫn đến các bệnh về cột sống và thoái hóa đốt sống cổ cũng như dễ gây mệt mỏi và ảnh hưởng đến năng suất làm việc Chúng em đã thực hiện đồ án ghế thông minh cho người văn phòng nhằm thiết kế sản phẩm phù hợp với người dùng và có khả năng đưa ra cảnh báo về tình trạng sức khỏe của người sử dụng để điều chỉnh các tư thế phù hợp Các cảm biến sức khỏe và modune xử lí ảnh giúp theo dõi tình trạng người dùng, giúp đưa ra cảnh báo hay lời khuyên cho người sử dụng về việc cần nghỉ ngơi hay tiếp tục làm việc Thực

tế là ngày nay nhiều sản phẩm hướng đến việc chăm sóc sức khỏe con người nên nhóm chúng em cũng mong muốn dựa vào những kiến thức đã học tạo ra được một sản phẩm chăm sóc sức khỏe hữu ích cho con người và có thể thương mại thành sản phẩm có thể bán trên thị trường

2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp

Trong đề tài này chúng em thiết kế cơ cấu cho ghế đa năng, tìm hiều các phương pháp điều khiển, các quy luật điều khiển để đưa ra phương án tối ưu nhất, nghiên cứu tính thiết thực của sản phẩm và đưa ra giải pháp phù hợp để đảm bảo thẩm mỹ cũng như chất lượng sản phẩm, từ đó:

- Tính toán thiết kế các hệ thống chuyển động chính của ghế

- Xây dựng được hệ thống cảm biến sức khỏe

- Tạo được module xử lí ảnh khi theo dõi tình trạng người sử dụng

- Xử lí các thông số của cảm biến cũng như xử lí ảnh nhằm đưa ra tình trạng sức khỏe đúng nhất

- Xây dựng bộ điều khiển cho ghế và lập trình cho Arduino promini

- Thiết kế và thi công mô hình

3 Nội dung đề tài đã thực hiện

- Số trang thuyết minh: 74

- Số bản vẽ: 6A0

- Mô hình: 1 mô hình ghế đa năng

4 Kết quả đã đạt được

• Phần lý thuyết đã tìm hiểu:

- Tổng quan về ghế làm việc đa năng, tính thiết thực và cấp thiết của đề tài

- Các sản phẩm ghế đa năng trên thế giới

- Giới thiệu một số bộ thiết kế của ghế, lựa chọn được cơ cấu chuyển động của mô hình ghế đa năng

- Mô phỏng ghế và quỹ đạo chuyển động trên Creo

- Tính toán lựa chọn các thành phần, các kết cấu được sử dụng trong mô hình

- Giới thiệu thành phần và các module chức năng điều khiển chuyển động của ghế

• Đã lựa chọn và thiết kế phần:

- Lựạ chọn và đưa ra các phương án tối ưu nhất

- Lựa chọn các cơ cấu truyền động tốt nhất của ghế

- Tính toán được quỹ đạo chuyển động của ghế

- Tính toán thiết kế hệ thống cảm biến sức khỏe

TT Họ tên sinh viên Số thẻ SV Lớp Ngành

1 Trần Bảo Long 101130208 13CDT2 CƠ ĐIỆN TỬ

2 Trà Quang Qúy 101130212 13CDT2 CƠ ĐIỆN TỬ

1 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO GHẾ ĐA NĂNG

2 Đề tài thuộc diện:☐Chưa có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

TT Họ tên sinh viên Nội dung

1 Trần Bảo Long - Tìm hiểu một số loại mô hình ghế thông minh

trên thế giới và đưa ra ý tưởng để thiết kế

- Đưa ra nguyên lí, lựa chọn các cơ cấu phù hợp

để thiết kế

- Thi công sản phẩm thực tế

2 Trà Quang Quý

b Phần riêng

TT Họ tên sinh viên Nội dung

1 Trần Bảo Long - Thiết kế mô hình ghế bằng Creo, xử lí ảnh và

tìm hiểu code điều khiển

2 Trà Quang Quý - Gia công chi tiết, mạch điện điều khiển, hoàn

thành thuyết minh

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

a Phần chung:

TT Họ tên sinh viên Nội dung

1 Trần Bảo Long - Bản vẽ tổng thể 1A0

2 Trà Quang Quý

b Phần riêng:

TT Họ tên sinh viên Nội dung

1 Trần Bảo Long - Bản vẽ thuật toán 1A0

- Bản vẽ sơ đồ động 1A0

2 Trà Quang Quý - Bản vẽ sơ đồ chi tiết 1A0

- Bản vẽ sơ đồ mạch điện 2A0

6 Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:

T.S Nguyễn Danh Ngọc Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ghế đa năng

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 16/2/2018

T.S Nguyễn Danh Ngọc

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng trong mọi lĩnh vực, ngành Cơ khí nói chung và ngành Cơ điện tử nói riêng là một trong những ngành phát triển mạnh với nhiều thay đổi về kỹ thuật, công nghệ cũng như về chất lượng Để đạt được điều đó đòi hỏi người cán bộ kỹ thuật ngoài trình độ chuyên môn của mình còn cần phải có một tư duy sáng tạo, đi sâu nghiên cứu để tận dụng hết khả năng của mình

Qua 5 năm học tại khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, dưới

sự giúp đỡ tận tình của các Thầy, Cô giáo cũng như sự nỗ lực của bản thân, chúng em đã tích lũy cho mình một số kiến thức để có thể tham gia vào đội ngũ kỹ sư Cơ điện tử tương lai Và thước đo của kiến thức đó là đồ án tốt nghiệp này Đó thực sự là một thử thách lớn đối với sinh viên như chúng em khi chưa từng giải quyết một khối lượng công việc lớn như thế Hoàn thành đồ án tốt nghiệp là lần thử thách đầu tiên với công việc phức tạp, gặp rất nhiều vướng mắc và khó khăn Tuy nhiên được sự hướng dẫn tận tình của các Thầy giáo hướng dẫn đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này Nhưng với kiến thức hạn hẹp của mình, đồng thời chưa có kinh nghiệm trong tính toán cũng như thi công thực tế, nên đồ án thể hiện không tránh khỏi những sai sót Chúng em kính mong tiếp tục được sự chỉ bảo của Thầy, Cô để chúng em hoàn thiện kiến thức tốt hơn nữa

Xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong khoa Cơ khí- Trường Đại học Bách khoa- Đại học Đà Nẵng, đặc biệt

là Thầy T.S Nguyễn Danh Ngọc đã trực tiếp hướng dẫn chúng em trong đề tài tốt nghiệp này

Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2018

Nhóm sinh viên thực hiện

CAM ĐOAN

Kính gửi: - Trường Đại học Bách Khoa- Đại học Đà Nẵng

- Khoa Cơ Khí

Chúng em xin cam đoan nội dung của đồ án này không sao chép bất cứ đồ án hay công trình nào đã có trước đây Không bịa đặt đưa ra thông tin sai lệch về đồ án Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án này đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong đồ án

đã được ghi nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố Nếu có sự phát hiện về việc đồ án này sao chép các vấn đề về nội dung của bất kì một đồ án nào khác thì chúng em xin chịu hoàn toàn mọi kỉ luật của Khoa Cơ khí và nhà trường

Nhóm sinh viên thực hiện:

Trần Bảo Long Trà Quang Quý

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU: ……… 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài 2

1.2 Mục đích yêu cầu của đề tài 2

1.3 Giới thiệu về hệ thống và phương án thực hiện đề tài 2

1.4 Các mẫu ghế tự động thông minh trên thế giới 3

1.5 Phân tích ưu điểm của đề tài 5

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ 6

1.1 Yêu cầu khi thiết kế kết cấu cơ khí 6

1.2 Các phương án thiết kế cơ khí cho ghế ngồi 6

2.3 Phân tích kĩ thuật và kết cấu của từng cụm chi tiết 8

2.3.1 Mô hình chi tiết được mô phỏng trên Creo 8

2.3.2 Thiết kế chi tiết các cụm kết cấu cơ khí 9

2.4 Tính toán và lựa chọn xi lanh 13

2.5 Xi lanh điện- trục vít me 15

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 18

3.1 Giới thiệu về các phần cứng liên quan 18

3.1.1 Giới thiệu về các cảm biến và module sử dụng 18

3.1.2 Chọn nguồn cho hệ thống 24

3.1.3 Giới thiệu về vi điều khiển 26

3.2 Thiết kế các mạch điện tử 29

3.2.1 Giới thiệu 29

3.2.2 Thiết kế mạch điện điều khiển trung tâm 29

3.2.3 Mạch điều khiển các động cơ massage 34

3.2.4 Thiết kế mạch điều khiển thiết bị trong nhà bằng giọng nói 37

3.3 Thiết kế chương trình điều khiển 38

3.3.1 Xây dựng lưu đồ làm việc và lập trình cho ghế đa năng 39

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MODULE XỬ LÝ ẢNH 42

4.1 Mục đích yêu cầu xử lý ảnh 42

4.2 Khái quát về xử lý ảnh 42

4.3 Các bước trong xử lí ảnh 43

4.4 Phần mềm để thiết kế bộ xử lý ảnh 45

4.4.1 Giới thiệu về ngôn ngữ Python 45

4.4.2 Giới thiệu về thư viện mã nguồn mở OpenCV 46

4.4.3 Giới thiệu cơ bản về thuật toán nhận diên khuôn mặt với Open CV 47

4.4.4 Code chương trình phát hiện khuôn mặt và nháy mắt 51

4.4.5 Xuất file Python sang file exe để sử dụng 52

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH VÀ GHẾ ĐA NĂNG BẰNG GIỌNG NÓI Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định 5.1 Giới thiệu về chức năng điều khiển thiết bị trong nhà bằng giọng nói 53

5.2 Giới thiệu về MIT App Inventor 2 53

5.3 Thiết kế lưu đồ thực hiện 55

5.4 Thiết kế ứng dụng thu âm giọng nói và gởi về Arduino 55

CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN 60

6.1 Nhận xét về đề tài 60

6.2 Những vấn đề đã nghiên cứu 60

6.3 Những kết quả đạt được 61

6.4 Những hạn chế và cách khắc phục của đề tài 62

6.5 Hướng phát triển của đề tài 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

BẢNG

2.1 Bảng phân bố tốc độ

3.1 Các chân tín hiệu cảm biến hồng ngoại

3.2 Các thông số của Arduino nano

HÌNH VẼ

Hình 1.1 Ghế ngồi tự điều chỉnh Furniture Office Chair

Hình 1.2 Smart Chair from KD Healthcare

Hình 1.3 Loại ghế thông minh mới nhất trên thị trường

Hình 2.1 Phương án thiết kế ghế 1 xi lanh

Hình 2.2 Mô phỏng cấu tạo của ghế đa năng

Hình 2.3 Hình chiếu đứng của ghế đa năng

Hình 2.4 Kết cấu phần chân ghế

Hình 2.5 Thanh chứ Z cấu tạo chân ghế

Hình 2.6 Cơ cấu trượt

Hình 2.12 Lực tác động ở tạo nên momen lực ở hai khớp xoay chính

Hình 2.13 Cấu tạo của xi lanh trục điện trục vít me

Hình 2.14 Xi lanh trục vít me được sử dụng

Hình 3.1 Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc

Hình 3.2 Mạch sơ đồ của cảm biến hồng ngoại

Hình 3.12 Sơ đồ kết nối tìn hiệu với Arduino

Hình 3.13 Kết nối LCD với Arduino

Hình 3.14 Mạch cách li và công suất điều khiển xi lanh

Hình 3.15 Mạch đảo chiều xi lanh sử dụng rơ le

Hình 3.16 Layout của mạch điều khiển trung tâm

Hình 3.17 Hộp điều khiển trung tâm với mạch được đặt bên trong

Hình 3.18 Mạch cách li và mạch công suất

Hình 3.19 Sơ đồ kết nối nhiều nút nhấn với một ngắt

Hình 3.20 Sơ đồ kết nối các chân tín hiệu với Arduino

Hình 3.21 Mạch layout điều khiển các động cơ

Hình 3.22 Mạch được mô phỏng trong Protues

Hình 3.23 Sơ đồ tổng quát mạch điều khiển thiết bị bằng giọng nói và các chân kết nối với Arduino

Hình 3.24 Mạch điều khiển thiết bị bằng giọng nói sau khi thi công

Hình 3.25 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 3.26 Lưu đồ điều khiển ghế đa năng

Hình 4.1 Ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp

Hình 4.2 Các bước quan trọng trong xử lý ảnh

Hình 4.3 Giao diện của Python

Hình 4.4 Open CV trong việc mô phỏng một khuôn mặt

Hình 4.5 Một vài tính năng phát hiện biên, đường, điểm của Harr

Hình 4.6 Các giai đoạn mã hóa của cửa sổ

Hình 4.6 Các giai đoạn mã hóa của cửa sổ

Hình 4.7 Chia hình ảnh ra thành các khối

Hình 4.8 Quá trình chuyển đổi thành số nhị phân

Hình 4.9 Nhận được biểu đồ của mỗi khối

Hình 4.10 Quá trình cài đặt

Hình 4.11 OpenCV trong thư viện

Hình 4.12 Sử dụng kết hợp các hàm để phát hiện các chi tiết mong muốn

Hình 4.13 Giao diện khi chưa xuất file exe

Hình 5.1 Các chu trình để tạo ra một ứng dụng Android

Hình 5.2 Lưu đồ thực hiện điều khiển thiết bị và ghế đa năng bằng giọng nói

Hình 5.3 Tạo project

Hình 5.4 Sắp xếp đối tượng

Hình 5.5 Giao diện màng hình

Hình 5.6 Tùy chỉnh thuộc tính

Hình 5.7 Khối code cho app

Hình 5.8 Xuất file và tải về ứng dụng

Hình 4.9 Giao diện app nhận được

Hình 6.1 Sản phẩm ghế đa năng được hoàn thiện

MỞ ĐẦU

Hiện nay khi công nghệ kĩ thuật phát triển mạnh mẽ, các sản phẩm tạo ra ngày càng

đa dạng ở nhiều lĩnh vực Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe cho con người ngày càng được chú trọng và phát huy hiệu quả, sản phẩm đem lại nhiều lợi nhuận cho các nhà sản

xuất Đề tài “thiết kế và chế tạo ghế đa năng của chúng em” được thực hiện dựa trên ý

tưởng này Mục đích tạo ra được một chiếc ghế làm việc có khả năng theo dõi các tình trạng sức khỏe và đưa ra được các lời khuyên thích hợp cho người sử dụng Giúp nâng cao năng suất làm việc và tránh được các bệnh hay gặp của người làm việc văn phòng như đau cột sống, đau đốt sống cổ do làm việc liên tục trên một tư thế

Đồ án tốt nghiệp giúp chúng em từng bước hoàn thiện nhiều kĩ năng hơn khi trở thành người kĩ sư thực thụ, từ đó giúp chúng em có thêm kinh nghiệm hơn khi bước vào môi trường làm việc trong tương lai Trong quá trình làm đồ án Tốt Nghiệp chúng em sẽ không thiếu khỏi những sai sót, mong Thầy, Cô chỉ bảo thêm cho chúng em Với sự chỉ bảo tận tình của thầy T.S Nguyễn Danh Ngọc nên chúng em đã hoàn thành đồ án Tốt Nghiệp thành công, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy

Mục tiêu của đồ án là “thiết kế và chế tạo được chiếc ghế làm việc đa năng” với thuyết

minh được trình bày theo cấu trúc như sau: chương 1 giới thiệu tổng quan về đề tài; chương 2 tính toán thiết kế cơ khí, chương 3 thiết kế mạch điện tử và chương trình điều khiển, chương 4 thiết kế module xử lí ảnh; chương 5 thiết kế ứng dung Adroid điều khiển thiết bị và cuối cùng là kết luận về đề tài

Sinh viên thực hiện Trần Bảo Long Trà Quang Quý

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều sản phẩm chăm sóc sức khỏe cho người sử dụng được ra mắt với lợi ích thiết thực Qua 5 năm được học tập và rèn luyện dưới mái trường Bách Khoa Đà Nẵng chúng em đã tiếp thu được nhiều kiến thức quý giá Ý tưởng của nhóm chúng em bắt nguồn từ ngày càng nhiều người làm việc văn phòng gặp các vấn đề bệnh lý liên quan đến công việc như đau cột sống, đau đốt sống cổ, làm việc trong thời gian dài, liên tục và ngồi một chổ dễ dẫn đến mệt mỏi và công việc hiệu quả làm việc không cao Vì vậy nhóm chúng em ra đời ý tưởng một chiếc

gế thông minh với sự tính toán công thái học hay còn gọi là ergonomic để sản phẩm phù hợp nhất với người dùng Kết hợp với các cảm biến sức khỏe và xử lý ảnh để phỏng đoán trình trạng sức khỏe Thiết kế phải đảm bảo thích hợp với khả năng và hạn chế của người

sử dụng

1.2 Mục đích yêu cầu của đề tài

Toàn bộ mục tiêu của thiết kế đồ án là đặt con người vào môi trường làm việc của họ đặt biệt là quá trình sử dụng giúp người sử dụng có thể sử dụng nhiều giờ liền mà không thấy mệt mỏi Sự tính toán về công thái học góp phần tạo nên sự vừa vặn thoải mái cho người sử dụng, là nhân tố quyết định sự thành công của sản phẩm Trong quá trình thiết

kế phần cơ khí và là lập trình chúng em luôn cố gắng tìm kiếm và loại trừ tất cả các yếu

tố gây bất lợi khi sử dụng sản phẩm này

1.3 Giới thiệu về hệ thống và phương án thực hiện đề tài

Ghế làm việc thông minh có các phần chính là cơ khí với cơ cấu nâng hạ gồm 2 xi lanh giúp nâng đỡ phần lưng và phần chân, giúp người dùng có thể tùy chọn các tư thế làm việc như ngồi, nằm hay nghiêng Phần điện tử gồm hệ thống điều khiển các xi lanh

và người dùng có thể tự điều chỉnh bằng tay hoặc có thể ghế tự động điều chỉnh các tư thế cho mình Thiết kế lập trình sẽ sử dụng các cảm biến tiệm cận và cảm biến thân nhiệt

tự động phát hiện và suy đoán tình trạng sức khỏe của người sử dụng và đưa ra cảnh báo

đồng thời khuyến cáo chế độ sử dụng phù hợp nhất với người sử dụng Có thể sử dụng laptop để điều chỉnh và người dùng có thể điều chỉnh các thiết bị trong nhà tại ghế mà không cần phải đi lại Thời gian thực hiện đề tài là 12 tuần, nhóm em thực hiện quá trình thiết kế cơ khí đầu tiên, vì đây là phần có nhiều vấn đề phát sinh nên nhóm chọn thời gian thực hiện khoản 6 tuần, 2 tuần để hoàn thiện phần điện tử và 3 tuần để lập trình, 1 tuần dự trữ để thử nghiệm và điều chỉnh

1.4 Các mẫu ghế tự động thông minh trên thế giới

Nhiều ý tưởng về ghế thông minh đã được sản xuất và thương mại hóa trên toàn thế giới, dưới đây là một số mẫu thiết kế

Hình 1.1 - Ghế ngồi tự điều chỉnh Furniture Office Chair

Hình 1.2 - Smart Chair from KD Healthcare

Hình 1.3 - Loại ghế thông minh mới nhất trên thị trường hiện nay

Ghế sử dụng nhiều xi lanh để điều chỉnh tất cả các tư thế cho người sử dụng và làm cho người dùng thoải mái nhất khi làm việc Loại ghế này đã được thương mại hóa với giá 7000 USD

1.5 Phân tích ưu điểm của đề tài

Nắm bắt được những khó khăn đó, nhóm đồ án đã dành thời gian tìm hiểu về tình hình thực tế, khả năng ứng dụng và bài toán thiết kế và chế tạo Ghế làm việc đa năng là:

- Góp một phần công sức việc chế tạo và phát triển một sản phẩm có tính thiết thực cho người sử dụng

- Đưa những kiến thức, kĩ năng được dạy vào việc giải quyết một vấn đề cụ thể Rèn luyện các kĩ năng nghiên cứu, làm việc

- Qua tìm hiểu thực tế, nhóm đồ án nhận thấy sản phẩm ghế đa năng hầu có rất ít tại thì trường Việt Nam và nhóm cũng mong muốn là những người đầu tiên đưa ra sản phẩm này trên thị trường

Với Đồ án tốt nghiệp này, Nhóm đặt mục tiêu là thiết và chế tạo một mô hình sản phẩm điều khiển linh hoạt, dễ sử dụng, di chuyển, đảm bảo độ an toàn và thời gian sử dụng lâu dài, có tính thẩm mỹ cũng như giá thành hợp lý, năng suất làm việc khi sử dụng sản phẩm cao, kết nối với người dùng một cách thân thiện

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ

1.1 Yêu cầu khi thiết kế kết cấu cơ khí

Quá trình thiết kế sản phẩm phải tối giản mà phải đạt được hiệu quả cao nhất Các mối lắp phải được tháo rời để vận chuyển dễ dàng và người sử dụng cũng không quá khó khăn để lắp ráp Cơ cấu phải chịu được tải trọng tĩnh và động của người sử dụng Chọn được xi lanh có kết cấu tốt, bền bỉ khi hoạt động Tính thẩm mỹ của kết cấu cơ khí cần phải được rất chú trọng vì không những chế tạo được ghế đa năng sử dụng tốt mà tính thẩm mỹ cần phải được coi trọng như nhau

1.2 Các phương án thiết kế cơ khí cho ghế ngồi

Quá trình thiết kế là quá trình thử sai và chúng em đưa ra hai mẫu thiết kế

• Phương án một: Thiết kế ghế với kết cấu một xi lanh:

Quá trình mô phỏng trên Creo (hình 2.1)

Cách thức tạo quỹ đạo dịch chuyển của ghế: Dùng một thanh liên kết giữa phần chân

đỡ và phần lưng Xi lanh được gắng vào giữa thanh liên kết, đầu còn lại gắng vào chân ghế Khi xi lanh đẩy từ dưới lên phần chân đẩy lên và phần tựa lưng ngã xuống, tạo tư thế đang nằm Tương tự xi lanh hạ xuống sẽ tạo thành tư thế ngồi

Ta thay đổi nhiều lần vị trí đặt xị lanh để tạo thành quỹ đạo như mong muốn Quá trình

mô phỏng trên Creo đã giúp tiết kiệm thời gian rất nhiều để khi gia công thực tế được như mong muốn

Hình 2.1 - Phương án thiết kế ghế 1 xi lanh

Ưu điểm: Tối giản hóa hệ thống nâng đỡ cho ghế và chỉ sử dụng một xi lanh

Nhược điểm: Gây ra nhiều bất tiện khi phần nâng lưng và chân của ghế điều chỉnh không như mong muốn và chỉ có một quỹ đạo nhất định giữa phần lưng và phần để chân Hệ thống cồng kềnh và khó xếp gọn để di chuyển

• Phương án 2: thiết kế ghế với cơ cấu 2 xi lanh

Mô phỏng trên Creo (hình 2.2)

- Ưu điểm: Hệ thống nâng đỡ tư thế ngồi đa dạng với các tùy chỉnh giúp phần đầu và chân thoải mái như mong muốn Ghế có thể xếp lại và tháo lắp dễ dàng cho người sử dụng

- Nhược điểm: Hệ thống phức tạp với 2 xi lanh và tốn thêm kinh phí Qua quá trình tìm hiểu nhóm chúng em chọn phương án thiết kế thứ 2

2.3 Phân tích kĩ thuật và kết cấu của từng cụm chi tiết

2.3.1 Mô hình chi tiết được mô phỏng trên Creo

Hình 2.2 – Mô phỏng cấu tạo của ghế đa năng

Hình 2.3 – Hình chiếu đứng của ghế đa năng

2.3.2 Thiết kế chi tiết các cụm kết cấu cơ khí

a) Khung nâng đỡ phần chân của ghế

Hệ thống nâng đỡ phần chân gồm thanh chéo và 4 trụ chống Nhằm mục đích cho ghế

có thể xếp gọn lại để di chuyển và có các nấc có thể tùy chỉnh được chiều cao của ghế với phù hợp với từng người dùng Vì tải trọng hầu hết tác động ở chân ghế nên các chi tiết phải được gia công cẩn thận,tỉ mỉ đặc biệt là nơi chịu ứng suất lớn như các mối hàn

Hình 2.4 – Kết cấu phần chân ghế

Hình 2.5 – Thanh chứ Z cấu tạo chân ghế

Các cơ cấu chính phần chân ghế:

Hình 2.6 – Cơ cấu trượt

Hình 2.8 - Các khớp xoay của ghế và các chuyển động chính

Trục xoay của ghế phải đảm bảo cho phần lưng và và giá đỡ laptop luôn luôn song song nhau để người sử dụng có thể sử dụng laptop ở mọi tư thế là ngồi, dựa lưng hay là nằm Ghế có 2 trục xoay chính là phần lưng và vần chân Các khớp xoay phụ nhiều và cũng có ý nghĩa quan trọng cho chuyển động của ghế, do vậy trục xoay phụ cũng cần được gia công cẩn thận

Hai xi lanh được bố trí chéo nhau và quỹ đạo nâng đỡ khi xi lanh tiến và lùi giúp tùy chọn được tư thế ngồi phù hợp Việc sử dụng Creo để mô phỏng giúp ta tiết kiệm rất nhiều thời gian khi chọn vị trí lắp đặt xi lanh cho thích hợp sao cho hành trình ngắn nhất

và dài nhất của xi lanh không được đưa cơ cấu vọt quá vị trí cho phép Qua quá trình mô phỏng và thử nghiệm nhóm chúng em đã lựa chọn được 2 vị trí xi lanh thích hợp được biểu diễn trên hình 2.7

c) Tay nâng đỡ laptop

Hình 2.9 – Tay gá laptop

Tay nâng laptop có thêm gá để lắp đặt một điện thoại, yêu cầu kết cấu phải vững để không bị rơi laptop, điều chỉnh được laptop dễ dàng ở nhiều tư thế

d) Cơ cấu tay vịn của ghế

Hình 2.10 – Cơ cấu 4 khâu bản lề dùng để thiết kế tay vịn

Vì yêu cầu của ghế là ở mọi tư thế sử dụng của ghế, tay vịn phải song song với mặt sàn để người sử dụng đặt tay thoải mái, không bị mỏi hay vướng víu, Cơ cấu 4 khâu bản

lệ đảm bảo khi trục chính của ghế quay thì khâu bản lề 3 vẫn luôn giữ được vị trí song song với mặt sàn

2.4 Tính toán và lựa chọn xi lanh

Vì cơ cấu được cấu tạo từ nhiều khớp nối nên việc tính toán các hợp lực tác động lên từng khâu là việc rất phức tạp Công việc này có thể được rút ngắn thời gian nhiều khi sử dụng các phần mềm mô phỏng động lực học để tính toán được các ứng suất tại các vị trí

có khả năng biến dạng lực cao

Hình 2.11 – Ví dụ phần mềm mô phỏng động lực học PhET

Ở đây việc tính toán lực của cơ cấu được trình bày ở 2 khớp chuyển động chính là lưng và chân, việc tính toán sẽ đưa ra kết luận nên chọn loại xi lanh nào cho thích hợp Ta tính toán các lực ở vị trí biên như nằm thấp nhất hoặc ngồi dậy cao nhất vì một trong hai

vị trí biên sẽ có momen động lượng cao nhất qua trục xoay

Hình 2.12 – Lực tác động ở tạo nên momen lực ở hai khớp xoay chính

• Tính trục quay ở lưng:

Lực F là lực đẩy của xi lanh, d3 là cánh tay đòn của lực F tương tự P2 là trọng lực của lưng người sử dụng đặt ở trọng tâm của lưng, điểm đặt lực P2 ở vị trí 1/3 của chiều dài tấm đỡ lưng, d2 là cánh tay đòn của P2

P1 đặt ở trọng tâm của giá nâng đỡ laptop, vị trí của nó tại lân cận vùng khớp xoay bàn

đỡ taptop P1= 70N, P2= 500N Để xi lanh có thể nâng được thì: F×d3+P1×d1>P2×d2

 F> 500×0.16 - 70×0.7 = 31 (N)

Thấy rằng ở vị trí xi lanh cao nhất lực nâng cần thiết của xi lanh rất nhỏ Ở vị trí ngửa thấp nhất thì lực nâng cần thiết của xi lanh là lớn nhất Lúc đó d3= 0.4(m) = 1/3 l (l là chiều dài tấm đỡ lưng) Khi đó trọng lực P1 đi qua tâm vì giá đỡ laptop được cấu tạo vuông góc với tấm đỡ lưng nên P1 không được xét đến, d2= ½ l =0.6(m)

Khi tấm đỡ ở vị trí cao nhất thì d5= 1/3k = 0.133(m) và d4 =1/2k= 0.225(m) P4 lúc này

có tính thêm trọng của chân người sử dụng, P4 = 120(N)

 F1> (120×0.225)/0.133 = 203 (N)

2.5 Lựa chọn xi lanh

2.5.1 Các loại xi lanh trên thị trường

Yêu cầu của xi lanh là có hành trình phù hợp và lực nâng lớn hơn yêu cầu tính toán

Các xi lanh bán trên thị trường hiện nay có các loại phổ biến là xi lanh thủy lực, khí nén,

và xi lanh điện Các loại xi lanh thủy lực và khí nén có ưu điểm công suất lớn, vận tốc đẩy rất nhanh và bền bỉ nên được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp nhưng có nhược điểm là để điều khiển cần hệ thống phức tạp hơn các loại xi lanh khác Ta chọn xi lanh điện sử dụng cơ cấu trục vít me vì lực nâng đáp ứng được yêu cầu như đã tính toán, giá thành phải chăng và đảo chiều xi lanh dễ dàng Vận tốc đẩy của xi lanh chậm nhưng hoàn toàn đáp ứng đủ vận tốc khi cơ cấu quay quanh trục xoay

2.5.2 Cấu tạo của xi lanh điện trục- vít me

Cấu tạo của xi lanh gồm có (hình 2.12):

1: Hộp số

2: Động cơ

3: Trục vít me

4: Vỏ xi lanh

Hình 2.13 – Cấu tạo của xi lanh trục điện trục vít me

Hình 2.14 - Xi lanh trục vít me được sử dụng

Chọn xi lanh có lực nâng 1200N có các thông số như dưới đây:

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ VÀ CHƯƠNG

TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Giới thiệu về các phần cứng liên quan

3.1.1 Giới thiệu về các cảm biến và module sử dụng

3.1.1.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc – MLX90614

a Chọn cảm biến nhiệt độ: Vì theo dõi sức khỏe không phải lúc nào cũng áp sát dụng

cụ đo nhiệt độ vào cơ thể con người sẽ gây ra sự bất tiện cho người dùng Yêu cầu phải chọn cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc để thuận tiện và nhiệt độ đo được rất chính xác

và không nhiễu nhiều gây ra dự đoán sai lầm

b Nguyên tắc hoạt động:

Hình 3.1-Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc

Tất cả các đối tượng với thân nhiệt không độ tuyệt đối phát ra nhiệt năng dưới dạng bức xạ Thường bức xạ này là vô hình đối với mắt người vì nó tỏa ở bước sóng hồng ngoại nhưng nó có thể phát hiện được với các thiết bị điện tử

Bức xạ hồng ngoại đi vào phía trước của bộ cảm biến, được gọi là cảm biến mặt Tại lõi của một cảm biến PIR là một trạng thái rắn Cảm biến được làm từ pyroelectric để tạo

ra năng lượng khi tiếp xúc với nhiệt Thông thường, các cảm biến khoảng ¼ inch vuông (40 mm2) và mang hình thức của lớp màng mỏng Vật liệu thường được sử dụng trong các cảm biến PIR bao gồm gallium nitride (GaN), cesium nitrate (CsNO3), florua polyvinyl, các dẫn xuất của phenylpyridine, và coban phthalocyanine Các cảm biến thường được sản xuất như là một phần của mạch tích hợp

Hình 3.2 - Mạch sơ đồ của cảm biến hồng ngoại

Có chế độ ngủ tiêu thụ điện năng thấp

Giao tiếp với arduino theo giao thức I2C

3.1.1.2 Cảm biến vật cản hồng ngoại

a) Giới thiệu: Cảm biến có khả năng nhận biết vật cản ở môi trường với một cặp LED

thu phát hồng ngoại để truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại Tia hồng ngoại phát ra với tần

số nhất định, khi có vật cản trên đường truyền của LED phát nó sẽ phản xạ vào LED thu hồng ngoại, khi đó LED báo vật cản trên module sẽ sáng, khi không có vật cản, LED sẽ tắt Với khả năng phát hiện vật cản trong khoảng 2 ~ 30cm và khoảng cách này có thể điều chỉnh thông qua chiết áp trên cảm biến cho thích hợp với từng ứng dụng cụ thể như:

Bảng 3.1 - Các chân tín hiệu cảm biến hồng ngoại

3.1.1.3 Giới thiệu về Module Bluetooth HC05

Modunle bluetooth HC05 master/ slave dùng để thiết lập kết nối Serial giữa 2 thiết bị bằng sóng bluetooth Điểm đặc biệt của module bluetooth HC-05 là module có thể hoạt động được ở 2 chế độ: master hoặc slave

+ Ở chế độ slave: cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth để dò tìm module sau đó kết nối với mã pin là 1234 Sau khi kết hợp thành công, bạn đã có 1 cổng serial từ xa hoạt động ở baud rate 9600

+Ở chế độ master: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác ( 1 module bluetooth HC06, usb bluetooth, bluetooth của laptop…) và tiến hành kết hợp chủ động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone

Hình 3.4 - Bluetooth HC05

• Các tập lệnh AT để thiết lập module:

AT: Lệnh test, nó sẽ trả về OK nếu module đã hoạt động ở Command Mode

AT+VERSION? :trả về firmware hiện tại của module

AT+UART=9600,0,0 ( thiết lập baudrate 9600,1 bit stop, no parity)

• Các lệnh ở chế độ Slave:

AT+ORGL: Reset lại cài đặt mặc định

AT+RMAAD: Xóa mọi thiết bị đã ghép nối

AT+ROLE=0: Đặt là chế độ SLAVE

AT+ADDR: Hiển thị địa chỉ của SLAVE

• Các lệnh ở chế độ Master:

AT+RMAAD : Ngắt kết nối với các thiết bị đã ghép

AT+ROLE=1 : Đặt là module ở master

AT+RESET: Reset lại thiết bị

AT+CMODE=0: Cho phép kết nối với bất kì địa chỉ nào

AT+INQM=0,5,5: Dừng tìm kiếm thiết bị khi đã tìm được 5 thiết bị hoặc sau 5s AT+PSWD=1234 Set Pin cho thiết bị

AT+INQ: Bắt đầu tìm kiếm thiết bị để ghép nối

AT+PAIR=<address>,<timeout> : Đặt timeout(s) khi kết nối với 1 địa chỉ slave AT+LINK=<address> Kết nối với slave

3.1.1.4 Mạch giảm áp DC LM2596

Mạch giảm áp DC LM2596 là một module nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V

xuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%) Thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ

áp, cấp cho các thiết bị như vi điều khiển, camera, motor , robot,

Hình 3.5 – Module hạ áp LM 2596 – 3A

Hình 3.6 – Sơ đồ mạch ổn áp xung LM 2596

Thông số kỹ thuật:

• Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V

• Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V

• Dòng đáp ứng tối đa là 3A

a) Nguồn điện gia đình 220V: Có thể chọn nguồn điện trong gia đình thông qua biến

áp hạ áp 24V thông qua mạch chỉnh lưu để để làm nguồn cho hệ thống Nguồn điện trong

hộ gia đình có ưu điểm là có thể sử dụng nguồn điện một cách tiện lợi có trong hộ gia đình Nhược điểm là nguồn 220v nên có thể gây ra nguy hiểm, mạch nguồn hơi phức tạp

b) Sử dụng ắc quy: Có thể sử dụng hai ăc quy 12V làm nguồn sử dụng cho các xi lanh

và động cơ Ắc quy có ưu điểm là an toàn, có thể dùng nguồn điện ở khắp mọi nơi nhưng

có giá thành cao Trong đồ án này chúng em chọn phương án sử dụng ắc quy vì tiết kiệm được thiết bị của đồ án cũ

Hình 3.8 - Pin sạc pin lithium 18650 3S-2P

Hình 3.9 - Sạc pin ắc quy 3S-2P

Các thông số của ắc quy: Loại pin: Pin sạc Li-on 3S2P

Dung lượng: 10000mAh

Điện áp đầu vào: 12.6V

Điện áp đầu ra: DC 12.0V

Dòng tối đa trung bình khi có tải: 10A

➢ Các thông số ắc quy cho thấy ắc quy có thể làm việc với tải lớn

3.1.3 Giới thiệu về vi điều khiển

3.1.3.1 Ưu điểm của vi điều khiển

Vi điều khiển là một bộ điều khiển thông dụng, ra đời từ những năm 1950 và ngày càng được cải thiện và nâng cao các khả năng ứng dụng như: mở rộng bộ nhớ, tăng số lượng các ngõ vào/ra, các mô-đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, các mô-đun chuyên dụng cho phép điều khiển tốc độ động cơ (PWM), lập trình theo thời gian thực (real-time),…

Một ưu điểm lớn của vi điều khiển so với PLC là giá thành thấp Cụ thể, giá của một

vi điều khiển tốt của hãng ATMEL chỉ bằng 1/50 lần giá của một PLC tầm trung của hãng Siemen Các thiết bị liên quan của vi điều khiển như nguồn ngoài, bộ nhớ, mô-đun

mở rộng, thiết bị nạp chương trình cũng rẻ hơn của PLC và kết nối tương đối dễ dàng Nói như thế không phải là bỏ qua những nhược điểm của vi điều khiển mà trong đó khả năng chống nhiễu trong môi trường công nghiệp là đáng phải lưu tâm nhất Tuy nhiên, những dòng vi điều khiển mới như dsPIC, Philip, ATMega ngày càng cải thiện khả năng chống nhiễu, làm việc tin cậy Dây chuyền của chúng ta sử dụng khá nhiều đầu vào/ra, điều khiển các động cơ DC, xylanh nên lựa chọn phương án vi điều khiển rõ ràng nên được ưu tiên hơn

3.1.3.2 Giới thiệu chung về Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau

hoặc với môi trường được thuận lợi Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở