Chương 1: Tổng Quan. Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Trình bày các hệ thống găng tay hỗ trợ cho người khuyết tật.
Trình bày lý thuyết về tín hiệu điện cơ, quá trình thu thập và xử lý tín hiệu điện cơ. Chương 3: Thiết kế và thực hiện phần cứng. Tính toán thiết kế, thi công bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành. Chương 4: Thí nghiệm emg.
Trình bày các bước thực nghiệm thu thập, xử lý và phân loại tín hiệu EMG. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống. 4 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
GIỚI THIỆU CÁC CƠ CẤU HỖ TRỢ NGƯỜI KHUYẾT TẬT 2. ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG Những người bị mất khả năng bóp và cầm nắm do tai nạn (bị đứt hoặc tổn thương dây chằng) hoặc mắc phải hội chứng thần kinh. Bàn tay của họ không thể linh hoạt được và các ngón tay luôn trong trạng thái thả lỏng nhưng cánh tay và cơ bắp vẫn hoạt động được. Tuy họ có thể đặt tay lên vật nhưng lại không thể cầm nắm chúng.
Đối với những người bị yếu cơ bàn tay, một số trường hợp họ có thể duỗi thẳng các ngón tay tuy nhiên họ không thể cầm nắm do các bó cơ giúp ngón tay co vào bị yếu. Một số trường hợp khác, họ không thể duỗi ngón tay ra được do các bó cơ kéo ngón tay thẳng ra bị mất chức năng hoạt động.1: Hình ảnh bàn tay của những bệnh nhân bị liệt bàn tay do tai nạn hoặc do hội chứng ống cổ tay Đề tài này là tạo ra cơ cấu giúp cho những người mất khả năng cầm nắm có thể hoạt động như một người bình thường, hỗ trợ họ trong cuộc sống, giúp cuộc sống của họ trở nên dễ dàng hơn. CÁC CƠ CẤU CHỦ ĐỘNG VÀ THỤ ĐỘNG Có 2 cơ cấu chính để hỗ trợ người bị khuyết tật cơ bàn tay co nắm là chủ động và bị động, trong đó: - Chủ động là sử dụng các cơ cấu chấp hành như động cơ, xy lanh hay cơ nhân tạo để trợ lực trực tiếp cho người sử dụng có thể cầm nắm vật. - Cơ cấu bị động cũng có thể hỗ trợ người bị khuyết cơ bàn tay nhưng không hiệu quả bằng do không có cơ cấu chấp hành.
CƠ CẤU CHỦ ĐỘNG Hiện nay, các cơ cấu chủ động hỗ trợ cho người bị tật bàn tay đang được phát triển bởi rất nhiều quốc gia cũng như tại các trường đại học. Các sản phẩm này phải có những tính năng cơ bản như: nhẹ, có khả năng đeo, lực bóp vừa phải, vv… Một số loại sản phẩm bao tay sử dụng loại vật liệu cứng, ngoài ra một số loại sản phẩm khác lại sử dụng vật liệu dẻo. Một số sản phẩm tiêu biểu cho các bao tay sử dụng vật liệu dẻo: Loại thiết bị đeo tay sử dụng cơ nhân tạo, được phát triển bởi trường đại học Hardvard (hình 2. Cơ nhân tạo có thể là loại cơ hoạt động bởi điện hoặc bởi khí nén.
Loại bao tay mềm này tạo sử thoải mái cao đối với người sử dụng trong thời gian dài. Thiết bị này được điều khiển bởi cảm biến nhận tín hiệu điện cơ sinh và hiện nay vẫn đang được phát triển thêm tính năng để đạt được hiệu quả tối đa nhất đối với người sử dụng.2: Thiêt bị đeo tay sử dụng cơ nhân tạo của học viện Wyss thuộc đại học Harvard 6 do an Thiết bị đeo tay hỗ trợ phục hồi chức năng sử dụng cơ cấu lò xo trượt 3 lớp được phát triển bợi học viện kỹ thuật Nagoya (hình 2. Đây là một trong những cơ cấu mới so với các cơ cấu hiện nay (thường là sử dụng các khâu kết nối bằng dây hoặc điều khiển bằng khí nén). Găng tay này sử dụng động cơ để duỗi hoặc co các ngón nhờ vào lò xo.
Thiết bị này có 1 bậc tự do và có khối lượng nhẹ, phù hợp cho việc sử dụng ở nhà cũng như tạo sự thoải mái cho người sử dụng.3: Thiết bị ExoSkeleton hỗ trợ phục hồi chức năng sử dụng cơ chế lò xo trượt 3 lớp Hình 2.4: Exo-Glove Poly của trường đại học quốc gia Seoul (Hàn Quốc) 7 do an Bao tay Exo-Glove Poly sử dụng cơ cấu kéo bằng dây (hình 2. Thiết bị được thiết kế và chế tạo bởi trường đại học quốc gia Seoul, Hàn Quốc. Loại bao tay này mang tính năng cơ động cao, một bậc tự do và chỉ sử dụng 3 ngón. Bộ truyền động điều khiển co vào nhả ra của 2 ngón trỏ và ngón giữa, ngón cái được cố định.
Hộp chứa bộ truyền động được gắn trên hông người sử dụng từ đó nối dây kéo vào bàn tay. Thiết bị này được điều khiển bởi nút nhấn, người sử dụng có thể để trên chân và nhấn nút khi muốn co bàn tay. Các ưu và nhược điểm của cơ cấu chủ động: • Ưu điểm: Nhờ sử dụng cơ cấu chấp hành để hộ trợ lực nên có thể điều khiển và điều chỉnh được qua nhiều phương pháp khác nhau , ví dụ như : nút đạp chân, cảm biến quang trên đầu ngón tay, các phương pháp số hóa như điện cơ, sóng não, giọng nói,. • Nhược điểm : Giá thành cao, chi phí và thời gian nghiên cứu, cơ cấu đôi khi rườm rà và gây bất tiện cho người sử dụng.
CƠ CẤU BỊ ĐỘNG Các cơ cấu bị động đã được phát triển từ rất lâu trong lịch sử loài người. Trong lịch sử, đã có những cơ cấu hỗ trợ tuy nhiên chỉ thực hiện được rất ít tính năng hoặc đôi khi chỉ để thẩm mỹ cho người sử dụng. Hiện nay vẫn còn các găng tay mềm sử dụng cơ cấu bị động. Găng tay SaeboGlove sử dụng loại dây đàn hồi giúp cho người bị mất khả năng duỗi bàn tay.
• Ưu điểm: Giá thành phải chăng, độ thẩm mỹ cao • Nhược điểm: ít linh hoạt hơn so với cơ cấu chủ động.5: SaeboGlove, sản phẩm thương mại của Công ty Saebo. 8 do an Hình 2.6: Sản phẩm hỗ trợ khác của Công ty Saebo 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BAO TAY Các loại thiết kế cơ bản chủ yếu dành cho người bị tật bàn tay là sử dụng cơ nhân tạo bằng khí nén, cơ cấu thanh và dây kéo. Đối với loại sử dụng cơ nhân tạo, dù bằng khí nén hay bằng điện thì tại Việt Nam ta, cơ nhân tạo rất hiếm và khó có thể mua được.
Đối với cơ cấu thanh, cơ cấu này có thể gây khó chịu cho người sử dụng và không linh hoạt. Vì vậy phương án mà nhóm thực hiện đồ án chọn là sử dụng cơ cấu dây. Có một số lý do mà nhóm chọn phương án này: - Có thể sử dụng nhiều loại dây khác nhau phù hợp với vật liệu làm bao tay. - Thiết bị truyền động có thể để ở vị trí cách xa so với bao tay mà không cần gắn lên bàn tay người bị tật.
- Gọn nhẹ, tạo cảm giác thoải mái hơn cho người sử dụng. CÁC CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CHO GĂNG TAY MỀM: Có rất nhiều bộ truyền động cho loại bao tay hỗ trợ này do nhiều nhóm nghiên cứu quốc tế phát triển , nhưng phổ thông nhất là sử dụng cơ cấu kéo dây. Một số bộ truyền động kéo dây : 9 do an Hình 2.7: Một phiên bản găng tay và cơ cấu trợ lực đi kèm Hình (2.7) là cơ cấu khép kín với chỉ một rulo kéo dây bao gồm cả chức năng co và nhả nhờ vào bộ truyền động sử dụng các bạc đạn 1 chiều và ròng rọc tạo lực căng dây như miêu tả bên dưới (hình 2. [1] 10 do an Hình 2.8: Một phiên bản cơ cấu khép kín và nguyên lý kéo dây của Project Exo-Glove Poly (Đại Học Seoul).
Ngoài ra, tác giả cũng phát triển 1 cơ cấu truyền động độc lập chức năng co và nhả, gồm 1 động cơ kéo dây co, và 1 động cơ kéo dây nhả được điều khiển đồng bộ để thực hiện hoạt động co duỗi của 1 ngón tay (1 ngón tay được hỗ trợ lực bởi 2 động cơ). Cơ cấu kéo dây của bao tay Exo-Glove Poly có thể giúp người sử dụng co và duỗi ngón thoải chỉ bằng dây mà không cần cơ cấu nào khác. [2] 11 do an Hình 2.9: Mô tả bộ truyền động kéo dây độc lập của Project Exo-Glove Poly (Đại Học Seoul) Hình 2.10: Phiên bản cơ cấu độc lập và nguyên lý kéo dây của Project Exo-Glove Poly (Đại Học Seoul) 12 do an Hình 2.11: Cơ cấu và nguyên lý kéo dây của Đại học Drexel 2. ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ DC SERVO Động cơ DC servo được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống cũng như trong sản xuất.
Động cơ DC servo được sử dụng do nó có những tính năng tốt hơn so với động cơ thường như có khả năng điều chỉnh tốc độ chính xác, quay đúng góc độ yêu cầu,… Qua đó, ta có thể thấy được động cơ DC Servo có 2 loại điều khiển chính: điều khiển vị trí và điều khiển vận tốc. Trong đề tài này, nhóm chọn điều khiển vị trí động cơ DC servo vì tính phù hợp với việc điều khiển hành trình co của các ngón tay. Điều khiển vị trí động cơ DC servo bằng Arduino [3] Hình 2.12: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 13 do an Phương trình toán học của bộ điều khiển PID: 𝑡 𝑑𝑒(𝑡 ) 𝑢(𝑡 ) = 𝐾𝑃 𝑒(𝑡 ) + 𝐾𝐼 ∫ 𝑒 (𝑡 )𝑑𝑡 + 𝐾𝐷 (2.1) 0 𝑑𝑡 Bộ điều khiển PID thực hiện tính toán tín hiệu đầu ra khi nhận được tín hiệu sai số đầu vào. Như vậy, ở bước thứ 𝑘 𝑡ℎ , ta có: 𝑢𝑘 = 𝑢𝑘𝑃 + 𝑢𝑘𝐷 + 𝑢𝑘𝐼 (2.2) 𝑖=1 ) ) Chế độ đọc encoder của động cơ DC servo được thực hiện bằng chế độ đọc x1.
TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU EMG Mọi hoạt động của chúng ta trong cuộc sống đều được điều khiển bởi hệ thần kinh. Khi ta muốn thực hiện một hành động, hệ thần kinh sẽ truyền những thông tin quan trọng thông qua các tế bào thần kinh (neuron) xuống các bó cơ hoặc các tuyến trong cơ thể. Hệ thần kinh bao gồm bộ phận trung ương (não, tủy sống) là nơi mọi thông tin đều được xử lý và các bộ phận ngoại biên (các dây thần kinh, hạch thần kinh) bao gồm neuron cảm giác và neuron vận động. Neuron cảm giác giúp chúng ta cảm nhận được những thứ bên trong và ngoài cơ thể như khứu giác, vị giác, thính giác, .