Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Thiết kế và chế tạo cảm biến đo lực bước đi

• Tác giả: Nguyễn Hữu Trường
• Người hướng dẫn: PGS.TS Ngô Văn Thuyên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Cảm Biến Đo Lực Bước Đi
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CẢM BIẾN ĐO LỰC BƯỚC ĐI
• 1.1. Tổng quan về hướng nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lịch sử phát triển
• 2.2. Các cơ cấu hỗ trợ chân khác
• 2.3. Đặc tính vật liệu nhôm A7075
• 2.3.1. Đặc tính kỹ thuật
• 2.3.2. Ứng dụng thực tiễn
• 2.4. Cảm biến lực loadcell
• 2.4.1. Khái niệm về loadcell
• 2.4.2. Khái niệm về strain gauge
• 2.4.3. Mạch cầu Wheatstone
• 2.4.4. Tính toán các thông số đặc trưng của cảm biến lực (loadcell)
• 2.5. Bộ lọc Kalman
• 2.5.1. Bộ lọc Kalman rời rạc
• 2.5.1.1. Quá trình ước lượng
• 2.5.1.2. Bản chất tính toán của bộ lọc
• 2.5.1.3. Bản chất thống kê của bộ lọc
• 2.5.1.4. Giải thuật lọc Kalman rời rạc
• 3. CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Tính toán chế tạo loadcell và tấm đo lực
• 3.1.1. Chọn lựa strain gauge
• 3.1.2. Tính toán và thiết kế gối đỡ
• 3.2. Thiết kế bàn đo lực bước chân
• 3.3. Các giá trị tính toán thiết bị cảm biến đo lực bước đi
• 3.3.1. Tính toán các giá trị tải trọng
• 3.3.2. Tính toán điểm ứng lực
• 3.3.3. Thay đổi tọa độ hệ thống
• 3.3.4. Thay đổi của hệ quy chiếu
• 3.3.5. Tính toán tâm áp lực
• 3.3.7. Ma trận lý tưởng
• 3.3.8. Tính toán trên nhiều tấm lực
• 3.4. Tính toán thiết kế mạch khuếch đại thuật toán
• 3.5. Xây dựng bộ lọc Kalman
• 3.6. Thử nghiệm với loadcell
• 3.7. Chương trình mạch chủ thu thập dữ liệu
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH CỦA CẢM BIẾN ĐO LỰC BƯỚC ĐI
• 4.1. Giới thiệu mô hình
• 4.2. Hình ảnh thực tế thiết bị cảm biến đo lực bước đi
• 4.3. Thử nghiệm mô hình với vector lực đơn phương
• 4.3.1. Mô tả thí nghiệm
• 4.3.2. Kết quả và đánh giá
• 4.4. Thử nghiệm mô hình với một vector lực
• 4.4.1. Mô tả thí nghiệm
• 4.4.2. Kết quả và đánh giá
• 4.5. Thử nghiệm mô hình với bước đi chuyển động của người
• 4.5.1. Mô tả thí nghiệm
• 4.5.2. Kết quả và đánh giá
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết quả đạt được của đề tài
• 5.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về cảm biến đo lực bước đi

Cảm biến đo lực bước đi là thiết bị quan trọng trong việc phân tích dáng đi của con người. Thiết bị này cho phép đo lực tác động từ bàn chân lên mặt đất, từ đó thu thập dữ liệu cần thiết để phân tích tình trạng sức khỏe và hiệu suất vận động. Các nghiên cứu hiện tại cho thấy cảm biến này có ứng dụng rộng rãi trong y học, thể thao và xây dựng. Trong y học, bác sĩ có thể sử dụng dữ liệu từ cảm biến để chẩn đoán các vấn đề về khớp và chân. Trong thể thao, các huấn luyện viên có thể phân tích lực tác động để tối ưu hóa kỹ thuật thi đấu của vận động viên. Đặc biệt, cảm biến đo lực bước đi còn giúp cải thiện thiết kế các công trình xây dựng như cầu thang, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là thiết kế và chế tạo cảm biến đo lực bước đi, nhằm cung cấp dữ liệu chính xác về lực và hướng di chuyển của bàn chân. Thiết bị này không chỉ giúp bác sĩ trong việc chẩn đoán tình trạng sức khỏe mà còn hỗ trợ các vận động viên trong việc tối ưu hóa kỹ thuật thi đấu. Đặc biệt, việc sử dụng cảm biến này trong xây dựng sẽ giúp các kỹ sư tính toán chính xác hơn về thiết kế cầu thang và các công trình khác. Nghiên cứu này cũng hướng tới việc phát triển một cơ sở dữ liệu phong phú về lực tác động từ bàn chân, từ đó có thể đưa ra các giải pháp cải thiện sức khỏe và hiệu suất vận động.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về cảm biến đo lực, bao gồm lịch sử phát triển và các loại cảm biến hiện có. Cảm biến lực (loadcell) là một trong những thiết bị chính được sử dụng trong nghiên cứu này. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng, cho phép đo lực tác động lên bề mặt. Ngoài ra, bộ lọc Kalman cũng được giới thiệu như một công cụ quan trọng trong việc xử lý tín hiệu thu thập từ cảm biến. Bộ lọc này giúp loại bỏ nhiễu và cải thiện độ chính xác của dữ liệu. Việc hiểu rõ về các nguyên lý này là rất cần thiết để thiết kế và chế tạo cảm biến đo lực bước đi hiệu quả.

2.1 Lịch sử phát triển

Nghiên cứu về cảm biến đo lực bước đi đã có từ hàng thập kỷ trước, bắt nguồn từ những nghiên cứu về phân tích dáng đi của con người. Các thiết bị đầu tiên được phát triển nhằm mục đích nghiên cứu và phân tích dáng đi, từ đó cải tiến dần theo thời gian. Các nhà khoa học như Giovani Borelli và Wilhelm Fischer đã có những đóng góp quan trọng trong việc phát triển các thiết bị đo lực. Đến nay, nhiều công ty và phòng thí nghiệm đã sản xuất các thiết bị cảm biến đo lực bước đi, phục vụ cho các lĩnh vực y học, thể thao và xây dựng. Những thiết bị này không chỉ giúp theo dõi tình trạng sức khỏe mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế các công trình xây dựng an toàn và hiệu quả.

III. Công nghệ tính toán và thiết kế

Chương này tập trung vào các phương pháp tính toán và thiết kế cảm biến đo lực bước đi. Việc lựa chọn vật liệu, thiết kế cấu trúc và mô phỏng trên phần mềm Ansys là những bước quan trọng trong quá trình chế tạo. Cảm biến được thiết kế dưới dạng nhẫn, cho phép đo lực một cách chính xác và thuận tiện. Các giá trị tải trọng, điểm ứng lực và tâm áp lực được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác cao. Ngoài ra, việc xây dựng mạch khuếch đại thuật toán và bộ lọc Kalman cũng được thực hiện để xử lý tín hiệu thu thập từ cảm biến. Những công nghệ này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn nâng cao hiệu suất của thiết bị.

3.1 Tính toán chế tạo loadcell

Quá trình tính toán chế tạo loadcell bắt đầu bằng việc lựa chọn strain gauge phù hợp. Các thông số kỹ thuật của strain gauge được phân tích để đảm bảo khả năng đo lực chính xác. Tiếp theo, thiết kế gối đỡ và bàn đo lực bước chân được thực hiện, nhằm tối ưu hóa khả năng chịu tải và độ bền của thiết bị. Các giá trị tải trọng và điểm ứng lực cũng được tính toán cẩn thận, đảm bảo rằng cảm biến có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Cuối cùng, việc xây dựng mạch khuếch đại thuật toán và bộ lọc Kalman giúp cải thiện chất lượng tín hiệu thu thập, từ đó nâng cao độ chính xác của cảm biến.

IV. Mô hình của cảm biến đo lực bước đi

Chương này giới thiệu mô hình thực tế của cảm biến đo lực bước đi, bao gồm hình ảnh và mô tả chi tiết về thiết bị. Mô hình được thiết kế trên phần mềm Solidworks và được chế tạo thực tế để tiến hành thử nghiệm. Các kết quả thực nghiệm cho thấy cảm biến hoạt động hiệu quả trong việc đo lực tác động từ bàn chân. Các thử nghiệm được thực hiện với nhiều vector lực khác nhau, từ đó đánh giá khả năng của cảm biến trong việc thu thập dữ liệu chính xác. Những kết quả này không chỉ chứng minh tính khả thi của thiết bị mà còn mở ra hướng phát triển mới cho các ứng dụng trong y học và thể thao.

4.1 Thử nghiệm mô hình

Các thử nghiệm mô hình được thực hiện với nhiều điều kiện khác nhau để đánh giá hiệu suất của cảm biến. Kết quả cho thấy cảm biến có khả năng đo lực chính xác trong các tình huống thực tế. Các thử nghiệm với vector lực đơn phương và tổng hợp đã được tiến hành, từ đó phân tích được các thông số quan trọng như lực tác động và chiều dài sải chân tối ưu. Những dữ liệu thu thập được sẽ được sử dụng để cải thiện thiết kế và nâng cao hiệu suất của cảm biến trong tương lai. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong nghiên cứu mà còn trong ứng dụng thực tiễn, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống cho người sử dụng.

V. Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng tóm tắt các kết quả đạt được từ nghiên cứu và đề xuất hướng phát triển trong tương lai. Cảm biến đo lực bước đi đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả trong việc thu thập dữ liệu về lực tác động từ bàn chân. Những kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có ứng dụng thực tiễn trong y học và thể thao. Hướng phát triển tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải tiến thiết kế và mở rộng ứng dụng của cảm biến, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các lĩnh vực này. Việc xây dựng cơ sở dữ liệu phong phú từ các thử nghiệm thực tế cũng sẽ là một phần quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác và hiệu quả của thiết bị.

5.1 Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải tiến công nghệ chế tạo cảm biến đo lực bước đi. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới có thể giúp nâng cao độ bền và độ chính xác của thiết bị. Ngoài ra, việc mở rộng ứng dụng của cảm biến trong các lĩnh vực khác như phục hồi chức năng và thể thao chuyên nghiệp cũng sẽ được xem xét. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ cần tập trung vào việc xây dựng cơ sở dữ liệu lớn từ các thử nghiệm thực tế, từ đó phát triển các thuật toán phân tích dữ liệu hiệu quả hơn. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghệ cảm biến.

Tổng quan nghiên cứu

Cảm biến đo lực bước đi là thiết bị quan trọng trong việc thu thập dữ liệu lực tác động của bàn chân lên mặt đất, từ đó phân tích dáng đi và tình trạng sức khỏe của con người. Theo ước tính, việc phân tích lực bước chân có thể giúp chẩn đoán các bệnh lý về xương khớp, hỗ trợ phục hồi chức năng và tối ưu hóa hiệu suất vận động trong thể thao. Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế và chế tạo cảm biến đo lực bước đi sử dụng loadcell dạng nhẫn, nhằm đo chính xác lực và hướng di chuyển của lực tác động trong quá trình bước đi. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2018, với mục tiêu phát triển thiết bị có khả năng ứng dụng trong y học, thể thao và xây dựng. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu chính xác về lực bước chân, giúp bác sĩ chẩn đoán thương tích, huấn luyện viên thể thao điều chỉnh bài tập, cũng như kỹ sư xây dựng thiết kế cầu thang tối ưu. Các số liệu thực nghiệm cho thấy thiết bị có thể đo được lực tác động đa chiều với độ chính xác cao, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết phân tích dáng đi (Gait Analysis): Nghiên cứu chuyển động của con người qua các thông số lực và vận tốc, giúp xác định các đặc điểm sải chân và lực tác động trong quá trình bước đi.
• Loadcell và strain gauge: Loadcell là cảm biến lực chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện, trong đó strain gauge đo biến dạng cơ học bằng cách thay đổi điện trở theo lực tác động. Mạch cầu Wheatstone được sử dụng để khuếch đại tín hiệu điện trở thay đổi này.
• Bộ lọc Kalman: Thuật toán xử lý tín hiệu dùng để khử nhiễu và ước lượng chính xác các giá trị lực thu thập được từ cảm biến, đặc biệt hiệu quả trong môi trường có nhiều nhiễu tín hiệu.

Các khái niệm chính bao gồm: vector lực ba chiều, điểm ứng lực (center of pressure), ma trận biến đổi tọa độ, và mô hình hệ thống đo lực.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tín hiệu lực thu thập từ cảm biến loadcell dạng nhẫn được chế tạo trong phòng thí nghiệm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm nhiều lần thử nghiệm với các vector lực đơn phương, vector lực tổng hợp và bước chân người thật nhằm đánh giá độ chính xác và độ nhạy của thiết bị. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn ngẫu nhiên các trường hợp thử nghiệm trong điều kiện kiểm soát.

Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình cảm biến, mô phỏng ứng suất trên Ansys, và thuật toán bộ lọc Kalman để xử lý tín hiệu. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo, thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế cảm biến dạng nhẫn với vật liệu nhôm A7075: Đặc tính cơ học của nhôm A7075 với sức căng 220 MPa và độ đàn hồi 70-80 GPa cho phép cảm biến có độ bền cao và khả năng biến dạng đàn hồi tốt, phù hợp để chế tạo loadcell. Mô phỏng Ansys cho thấy ứng suất tập trung tại các cạnh bát giác của gối đỡ, giúp tăng độ nhạy đo lực.

2. Đo lực đa chiều chính xác: Tấm đo lực được bố trí 4 loadcell, mỗi loadcell đo được hai thành phần lực theo hai phương khác nhau, tổng hợp thành vector lực ba chiều. Kết quả thử nghiệm với vector lực đơn phương và tổng hợp cho thấy sai số đo lực dưới 5%, đảm bảo độ chính xác cao.

3. Ứng dụng bộ lọc Kalman: Việc sử dụng bộ lọc Kalman giúp khử nhiễu tín hiệu hiệu quả, nâng cao độ tin cậy của dữ liệu thu thập. Thí nghiệm thực tế với bước chân người cho thấy tín hiệu lực được lọc sạch, phản ánh chính xác các biến đổi lực trong từng giai đoạn bước đi.

4. Tính toán điểm ứng lực và chuyển đổi hệ tọa độ: Phương pháp tính toán điểm ứng lực (center of pressure) và ma trận biến đổi tọa độ giúp chuyển đổi dữ liệu lực sang hệ tọa độ phòng thí nghiệm, phục vụ phân tích dáng đi và ứng dụng trong y học, thể thao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên là do việc lựa chọn vật liệu nhôm A7075 có đặc tính cơ học phù hợp, kết hợp với thiết kế gối đỡ hình nhẫn bát giác giúp tăng độ biến dạng và độ nhạy của cảm biến. So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng loadcell truyền thống, thiết kế này cải thiện khả năng đo lực đa chiều và độ bền thiết bị.

Việc áp dụng bộ lọc Kalman là điểm mới giúp xử lý nhiễu tín hiệu hiệu quả hơn so với các phương pháp lọc truyền thống, phù hợp với môi trường thực nghiệm có nhiều nhiễu điện tử. Kết quả thử nghiệm với bước chân người thực tế cho thấy thiết bị có thể ứng dụng trong chẩn đoán y học và huấn luyện thể thao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực theo thời gian và bảng so sánh sai số đo lực giữa các phương pháp, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của thiết bị và thuật toán xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Hoàn thiện thiết kế cảm biến: Tiếp tục tối ưu hóa cấu trúc gối đỡ và bố trí strain gauge để nâng cao độ nhạy và độ bền, hướng tới đo lực đa chiều với độ chính xác cao hơn 98%. Thời gian thực hiện trong 12 tháng, do nhóm kỹ thuật cơ điện tử đảm nhiệm.

2. Phát triển phần mềm xử lý dữ liệu: Tích hợp thuật toán bộ lọc Kalman nâng cao và giao diện trực quan để hỗ trợ bác sĩ và huấn luyện viên dễ dàng phân tích dữ liệu lực bước chân. Mục tiêu giảm thời gian xử lý dữ liệu xuống dưới 5 giây. Thời gian phát triển 6 tháng, do nhóm công nghệ thông tin thực hiện.

3. Mở rộng thử nghiệm thực tế: Thực hiện các thử nghiệm trên đa dạng đối tượng bệnh nhân và vận động viên tại các trung tâm y tế và thể thao để xây dựng cơ sở dữ liệu phong phú, phục vụ phân tích chuyên sâu. Kế hoạch kéo dài 18 tháng, phối hợp với các bệnh viện và trung tâm thể thao.

4. Ứng dụng trong thiết kế công trình xây dựng: Hợp tác với các công ty xây dựng để áp dụng dữ liệu lực bước chân trong thiết kế cầu thang và các công trình công cộng, nhằm tối ưu hóa an toàn và tiết kiệm năng lượng khi di chuyển. Thời gian triển khai 24 tháng, do nhóm kỹ thuật xây dựng chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Bác sĩ chuyên khoa phục hồi chức năng: Sử dụng dữ liệu lực bước chân để chẩn đoán và theo dõi tiến trình hồi phục của bệnh nhân bị chấn thương xương khớp, từ đó xây dựng phác đồ điều trị phù hợp.

2. Huấn luyện viên thể thao: Áp dụng kết quả phân tích lực bước chân để điều chỉnh bài tập, tối ưu hóa sải chân và giảm thiểu chấn thương cho vận động viên điền kinh và các môn thể thao vận động cao.

3. Kỹ sư xây dựng: Tham khảo dữ liệu lực tác động trong thiết kế cầu thang và các công trình công cộng nhằm đảm bảo an toàn, tiện lợi và tiết kiệm năng lượng cho người sử dụng.

4. Nhà nghiên cứu kỹ thuật cơ điện tử: Học hỏi phương pháp thiết kế, chế tạo và xử lý tín hiệu cảm biến lực đa chiều, đồng thời ứng dụng bộ lọc Kalman trong xử lý dữ liệu cảm biến.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến đo lực bước đi hoạt động như thế nào?
   Cảm biến sử dụng loadcell dạng nhẫn với strain gauge đo biến dạng cơ học khi lực tác động lên, chuyển đổi thành tín hiệu điện áp. Tín hiệu này được khuếch đại và xử lý bằng bộ lọc Kalman để loại bỏ nhiễu, cho kết quả lực chính xác.

2. Độ chính xác của cảm biến đạt được là bao nhiêu?
   Thí nghiệm cho thấy sai số đo lực dưới 5%, với khả năng đo lực đa chiều và xác định điểm ứng lực chính xác, phù hợp cho các ứng dụng y học và thể thao.

3. Bộ lọc Kalman có vai trò gì trong nghiên cứu?
   Bộ lọc Kalman giúp khử nhiễu tín hiệu thu thập từ cảm biến, ước lượng chính xác các giá trị lực trong môi trường có nhiều nhiễu, nâng cao độ tin cậy của dữ liệu.

4. Thiết bị có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
   Thiết bị được ứng dụng trong y học để chẩn đoán và theo dõi bệnh lý xương khớp, trong thể thao để tối ưu hóa hiệu suất vận động, và trong xây dựng để thiết kế cầu thang và công trình phù hợp với lực tác động thực tế.

5. Quá trình thiết kế và chế tạo cảm biến mất bao lâu?
   Quá trình từ thiết kế, mô phỏng, chế tạo đến thử nghiệm kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm các bước lựa chọn vật liệu, thiết kế gối đỡ, bố trí strain gauge và phát triển phần mềm xử lý dữ liệu.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công cảm biến đo lực bước đi dạng nhẫn sử dụng vật liệu nhôm A7075 với độ bền và độ nhạy cao.
• Ứng dụng bộ lọc Kalman giúp xử lý tín hiệu lực thu thập được chính xác và hiệu quả trong môi trường nhiễu.
• Thiết bị có khả năng đo lực đa chiều và xác định điểm ứng lực, phục vụ phân tích dáng đi và chẩn đoán y học.
• Kết quả thử nghiệm thực tế với vector lực đơn phương, tổng hợp và bước chân người cho thấy độ chính xác và tính ứng dụng cao.
• Hướng phát triển tiếp theo là hoàn thiện thiết kế, phát triển phần mềm phân tích và mở rộng ứng dụng trong y học, thể thao và xây dựng.

Đề nghị các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử, y học phục hồi chức năng, thể thao và xây dựng tiếp tục hợp tác để phát triển và ứng dụng thiết bị này rộng rãi hơn trong thực tế.