LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi với sự hướng dẫn của PGS. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Hữu Trường iii LỜI CẢM TẠ Đầu tiên, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS. Ngô Văn Thuyên, Thầy là người trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện đề tài ngay từ lúc bắt đầu xây dựng cho đến khi thực hiện và hoàn thành.
Trong quá trình thực hiện đề tài thầy thường xuyên đặt ra các bài toán với mức độ tăng dần và có những gợi ý giúp tôi giải quyết các vấn đề khó khăn gặp phải. Thầy luôn theo sát kiểm tra tận tình và chu đáo tiến độ thực hiện đề tài. Đồng thời, học viên xin cảm ơn quý Thầy, Cô bộ môn trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để em học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã là chỗ dựa, nguồn động viên tinh thần và đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn! TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Hữu Trường iv T M TẮT Nghiên cứu này trình bày thiết kế của cảm biến đo lực bước đi. Thiết bị cho phép đo các thông số cơ bản là lực và hướng di chuyển của lực bước chân. Sử dụng các dữ liệu được thu thập bởi các tấm lực cùng với hình học cơ thể và vận tốc, nó đã có thể tìm ra chiều dài sải chân tối ưu cho từng cá nhân. Mục đích của dự án này là để tìm hiểu cách thay đổi chiều dài của sải chân của con người ảnh hưởng đến tổng thể của dáng đi.
Với một tấm lực ba trục được nghiên cứu và thiết kế chế tạo, có thể xác định dữ liệu bước chân của từng cá nhân và đưa ra chiều dài sải chân tối ưu cho họ. Tấm lực này có thể được sử dụng trong y học, khi mà các bác sĩ cần chẩn đoán thương tích chân cho bệnh nhân thông qua các dữ liệu thu nhận được. Tấm lực này cũng được ứng dụng trong xây dựng khi mà các kỹ sư cần tính toán thiết kế cầu thang cho công trình. Sau khi tính toán, thiết kế thì học viên đã lựa chọn chế tạo cảm biến lực dạng nhẫn để ứng dụng vào chế tạo cảm biến đo lực bước đi.
Phần mềm Solidworks được sử dụng để thiết kế cảm biến lực và tác giả mô phỏng cảm biến trên phần mềm Ansys. Tiếp theo, tác giả tính toán các giá trị tải trọng, điểm ứng lực, thay đổi tọa độ hệ thống, thay đổi của hệ quy chiếu, tính toán tâm áp lực, tấm đệm, ma trận lý tưởng của thiết bị cảm biến đo lực bước đi. Sử dụng bộ lọc Kalman để khử nhiễu tín hiệu thu thập được từ thiết bị cảm biến đo lực bước đi. Tác giả trình bày các kết quả thực nghiệm khi đo các kết quả thử nghiệm mô hình với các vector lực đơn phương, thử nghiệm mô hình với một vector lực tổng hợp và thử nghiệm mô hình với bước chân di chuyển của con người.
v ABSTRACT This paper presents the design of the stepping force sensor. The device allows the measurement of the basic parameters of force and direction of movement of the foot. Using the data collected by the force plate together with the body geometry and velocity, it was able to find the optimal stride length for each individual. The purpose of this project is to learn how to change the length of human stride that affects the overall gait.
With a triaxial sheet designed and researched, it is possible to identify individual footprint data and provide the optimal stride length for them. This force can be used in medicine, where doctors need to diagnose foot injury to the patient through the data obtained. This force is also used in construction where engineers need to calculate the design of the stairs for the building. After design, the students chose to make ring force sensor for use in m aking stepping force sensor.
Solidworks software is used to design force sensors and sensor emulators on ANSYS software. Next, the author calculates load values, stress points, change of system coordinates, change of reference frame, calculation of pressure center, pad, ideal matrix of sensor force walk. Use the Kalman filter to suppress the signal collected from the stepper force sensor. The author presents empirical results when measuring modeling results with unidirectional force vectors, testing the model with a synthetic force vector, and testing the model with human movement footprints.
vi MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC .iv LỜI CAM ĐOAN.iv LỜI CẢM TẠ.vi DANH SÁCH CH VI T T T .x DANH SÁCH CÁC H NH .xi DANH SÁCH CÁC BẢNG.xiii CH NG 1: T NG QUAN CẢM BI N ĐO LỰC B ỚC ĐI.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu.2 Mục tiêu đề tài .3 Đối tượng nghiên cứu .4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài .5 Phương pháp nghiên cứu.6 Nội dung đề tài.4 CH NG 2: C SỞ LÝ THUY T.1 Lịch sử phát triển .2 Các cơ cấu hỗ trợ chân khác .3 Đặc tính vật liệu nhôm A7075 .1 Đặc tính kỹ thuật .2 Ứng dụng thực tiễn .4 Cảm biến lực loadcell .1 Khái niệm về loadcell .2 Khái niệm về strain gauge .2 Mạch cầu Wheatstone.2 Tính toán các thông số đặc trưng của cảm biến lực (loadcell) .5 Bộ lọc Kalman .2 Bộ lọc Kalman rời rạc.1 Quá trình ước lượng .2 Bản chất tính toán của bộ lọc .3 Bản chất thống kê của bộ lọc .4 Giải thuật lọc Kalman rời rạc. 24 CH NG 3: CÔNG NGH T NH TOÁN VÀ THI T K .1 Tính toán chế tạo loadcell và tấm đo lực .1 Chọn lựa strain gauge .2 Tính toán và thiết kế gối đỡ.2 Thiết kế bàn đo lực bước chân.2 Các giá trị tính toán thiết bị cảm biến đo lực bước đi.1 Tính toán các giá trị tải trọng.2 Tính toán điểm ứng lực .3 Thay đổi tọa độ hệ thống.4 Thay đổi của hệ quy chiếu .5 Tính toán tâm áp lực .7 Ma trận lý tưởng .8 Tính toán trên nhiều tấm lực .3 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại thuật toán .4 Xây dựng bộ lọc Kalman .5 Thử nghiệm với loadcell .6 Chương trình mạch chủ thu thập dữ liệu. 52 CH NG 4: MÔ H NH CỦA CẢM BI N ĐO LỰC B ỚC ĐI.1 Giới thiệu mô hình .2 Hình ảnh thực tế thiết bị cảm biến đo lực bước đi .3 Thử nghiệm mô hình với vector lực đơn phương .1 Mô tả thí nghiệm .2 Kết quả và đánh giá .4 Thử nghiệm mô hình với một vector lực .1 Mô tả thí nghiệm.2 Kết quả và đánh giá.5 Thử nghiệm mô hình với bước đi chuyển động của người .1 Mô tả thí nghiệm .2 Kết quả và đánh giá. 63 CH NG 5: K T LU N VÀ H ỚNG PHÁT TRI N.1 Kết quả đạt được của đề tài .3 Hướng phát triển.
64 TÀI LI U THAM KHẢO. 68 ix DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT HAL: Hybrid Assistive Limb IAROM: Iowa ankle range of motion MIT: Massachusetts Institute of Technology CP: Center of Pressure x DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Một số ứng dụng của cảm biến đo lực bước đi.2: Thiết bị cảm biến đo lực của công ty Kistler .3: Thiết bị cảm biến đo lực của công ty Bertec .4: Thiết bị cảm biến đo lực của phòng thí nghiệm Kwon3d .1: Thiết bị cảm biến đo lực bước đi của công ty Contemplas .2: Thiết bị cảm biến đo lực của phòng thí nghiệm Kwon3d .3: Thiết bị cảm biến đo lực bước đi của công ty Bertec .4: Nguyên lý hoạt động cảm biến đo lực bước đi .5: Bộ khung xương HAL .6: Thiết bị đo khớp thụ động IAROM .7: Thiết bị đo khớp cổ chân chủ động của Roy .8: Nguyên lý hoạt động của một loadcell .9: Cấu tạo của một strain gauge điển hình .10: Cấu trúc của strain gauge .11: Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động.12: Sơ đồ mạch cầu Wheatstone .13: Loadcell khi không có lực tác động.14: Loadcell khi có lực tác động .15: Sơ đồ điện cho cảm biến Loadcell.18: Sơ đồ tính tổng trở .19: Quy trình của bộ lọc Kalman .20: Quy trình hoàn chỉnh của bộ lọc Kalman .1: Chọn phương án thiết kế .2: Kích thước cảm biến .3: Chia lưới dùng Ansys .4: Kết quả mô phỏng Ansys .5: Mối tương quan giữa các bề mặt bị ảnh hưởng và phương của lực tác động .6: Cảm biến dạng nhẫn, vị trí đặt và mạch cầu Wheatstone .7: Loadcell sau khi được chế tạo hoàn thiện .8: Cách bố trí loadcell trong tấm đo lực .9: Hệ tọa độ tính tải trọng .10: Lực F và điểm của các ứng lực .11: Các phản ứng tải lên bề mặt.13: Thời điểm lực tác động ban đầu .14: Lực tác dụng tương đương .15: Hệ tọa độ tấm đệm.16: Hệ tọa độ nhiều tấm lực .17: Sơ đồ khối IC Hx711 .18: Sơ đồ khối mạch điện.19: Kết quả thử nghiệm với bộ lọc Kalman .1: Mô hình thiết bị cảm biến đo lực bước đi .2: Thiết bị cảm biến đo lực bước đi .4: Khi lực tác động theo phương x .5: Khi lực tác động theo phương y .6: Tấm đo lực với các thử nghiệm các lực tác động ở các góc độ khác nhau .7: Kết quả thực nghiệm bước đi (bước 1) .8: Kết quả thực nghiệm bước đi (bước 2) .9: Kết quả thực nghiệm bước đi (bước 3). 63 xii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Tính chất cơ học của hợp kim Nhôm A7075 .1: Thông số kỹ thuật máy nén thủy lực MQSY 100. 56 xiii Chƣơng 1.
Tổng Quan về Cảm Biến Đo Lực Bƣớc Đi 1.1 Tổng qu n ề hƣớng nghiên cứu Cảm biến đo lực bước đi là thiết bị dùng để đo lực bàn chân con người đưa ra các cơ sở dữ liệu, từ đó phân tích dáng đi con người. Các lực tác dụng từ bàn chân con người lên cảm biến đo lực bước đi của mỗi người khác nhau. Tuy nhiên, t ừ những dữ liệu thu thập được trên hàng lo ạt thí nghiệm sẽ đưa ra được các biểu đồ lực, dựa vào đó ta có phân tích dáng đi của con người, tình trạng sức khỏe của mỗi người. Hiện nay, trên thế giới đã có những nghiên cứu về phát triển cảm biến đo lực bước đi và được ứng dụng chủ yếu trong y học và thể thao.
Trong y học, các bác sĩ dựa vào lực bước chân của bệnh nhân tác động lên cảm biến đo lực bước đi, từ đó phân tích các dữ liệu có được để chẩn đoán tình trạng sức khỏe khớp chân của bệnh nhân.