đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày cơ bản về bộ phận giả, tín hiệu EMG, các loại điện cực EMG, cảm biến cơ Myoware. Chƣơng 3: Tính toán và thiết kế Trong chương này, nhóm thực hiện đề tài sẽ đưa ra các yêu cầu khi thiết kế, các thiết kế về phần cứng và phần mềm. Chƣơng 4: Thi công hệ thống Chương này trình bày về quá trình làm mạch, thiết kế lưu đồ, viết chương trình, hoàn thiện sản phẩm.
Chƣơng 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Chương này trình bày về kết quả mô hình, nhận xét tính hiệu quả và đánh giá. Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển Chương này nêu lên kết luận chung về những gì đã thực hiện được so với tiêu chí đề ra đồng thời đưa ra hướng phát triển đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2.
GIỚI THIỆU VỀ CHI NHÂN TẠO Chi nhân tạo là những bộ phận được thiết kế để thay thế các bộ phận đã mất trên cơ thể như tay, chân, mắt, răng, ngón tay. Các bộ phận này có thể cử động hoặc chỉ để thay thế vào những chỗ thiếu sót của cơ thể, tùy thuộc vào bộ phận đã mất và yêu cầu của người sử dụng. Chân gỗ được làm ở thế kỷ 19 Nguyên liệu được sử dụng để chế tạo các bộ phận nhân tạo rất đa dạng. Gỗ là một trong những nguyên liệu phổ biến, nó nhẹ, bền và dễ tạo hình.1 ví dụ cho nguyên liệu gỗ được sử dụng để làm ra bộ phận nhân tạo cho con người vào thế kỷ 19 [6].
Ngón tay giả làm bằng Sillicone Nhôm cũng là một lựa chọn tốt để sử dụng vì nó cực kỳ nhẹ, thích hợp cho người cao tuổi sử dụng. Ngoài ra còn có các nguyên liệu như nhựa, da và các hợp kim khác. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 mô tả một ngón tay giả được làm từ Sillicone có hình dạng giống y như ngón tay thật của con người [7].
Chân giả có cấu tạo phức tạp Hình 2.3 là một chân giả có cấu tạo nhún thuỷ lực [8]. Để điều sử các bộ phận này, người ta thường sử dụng các cơ của bộ phận còn nguyên vẹn kết hợp với các cảm biến, linh kiện cơ học như bánh răng, dây, lò xo, các cơ chế thủy lực để hỗ trợ trong việc làm các cử động của cánh tay giả, chân giả linh hoạt hơn [9]. CÁNH TAY NHÂN TẠO 2. Cánh tay nhân tạo bị động Cánh tay giả bị động là cánh tay không có các cử động có thể điều khiển được, chỉ có thể được điều chỉnh bằng cánh tay còn lành lặn.
Cánh tay giả bị động được hỗ trợ bằng các phụ kiện đi kèm dạng hình móc nhưng nó chỉ thực hiện một số việc nhất định. Chính vì vậy các cử động, cử chỉ cơ thể, khả năng làm việc và sinh hoạt hằng ngày còn bị hạn chế [10]. Ví dụ về móc cho cánh tay giả bị động và tay giả bị động được thể hiện ở hình 2. Móc cho cánh tay giả bị động Hình 2.
Tay giả bị động BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƢƠNG 2. Cánh tay nhân tạo chủ động Trái với cánh tay giả bị động, cánh tay giả chủ động có khả năng thực hiện được nhiều cử chỉ của cánh tay, bàn tay và ngón tay hơn như hình 2. Để điều khiển cánh tay giả, họ sử dụng cơ thể kết hợp với các linh kiện cơ học và các bộ phận lành lặn được mô tả ở hình 2. Phương pháp hiện đại hơn đó là sử dụng các tín hiệu điện trên cơ thể để điều khiển cánh tay như dùng tín hiệu điện cơ, điện não kết hợp với các linh kiện điện tử để điều khiển cánh tay giả [13].
Bàn tay robot điều khiển bằng tín hiệu điện Hình 2. Cánh tay giả điều khiển bằng cử động cơ thể 2. BÀN TAY CON NGƢỜI Bàn tay con người bao gồm 5 ngón: ngón cái, ngón trỏ, ngón giữa, ngón áp út và ngón út. Một bàn tay bao gồm có 27 cái xương [14], hơn 30 khối cơ hoạt động phức tạp và hơn 100 dây chằng và dây thần kinh khác nhau [15].
Hệ thống xương bàn tay của con người được thể hiện trên hình 2. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Xương bàn tay Bàn tay con người hoạt động nhuần nhuyễn là do kết hợp của các yếu tố phức tạp giữa cơ, dây chằng và dây thần kinh, vì vậy hiện nay vẫn chưa có thiết kế cánh tay nhân tạo nào đạt đủ độ linh hoạt như cánh tay của con người [16].
Mặc dù vậy ta vẫn có thể thiết kế được cánh tay nhân tạo có các cử động cơ bản của bàn tay, đó là việc đóng và mở các khớp ngón tay. Ngón tay và các khớp cử động được là nhờ sự co dãn của dây chằng và các khối cơ [15], để mô phỏng lại ta sẽ sử dụng các loại dây đàn hồi. Khái niệm Tín hiệu điện cơ (Electromyogram (EMG)) là một dạng tín hiệu điện sinh học rất quan trọng có giá trị chẩn đoán cao cho rất nhiều bệnh về cơ và thần kinh. Đo điện cơ là một hoạt động ghi lại hoạt động điện của cơ.
Khi cơ hoạt động sẽ sinh ra dòng điện. Dòng điện này thường tỉ lệ với mức độ hoạt động của cơ. Đo điện cơ còn gọi là điện cơ đồ. Đo điện cơ có thể được dùng để phát hiện bất thường hoạt động điện của cơ xảy ra ở bất kỳ bệnh lý nào bao gồm bệnh loạn dưỡng cơ, viêm cơ, bệnh thần kinh gây đau,tổn thương thần kinh ngoại biên (tổn thương thần kinh cẳng tay, chân), xơ cứng cột bên teo cơ, nhược cơ, thoát vị đĩa đệm và các bệnh khác [17].
Các loại điện cực EMG a. Điện cực xâm lấn Điện cực kim thuộc loại điện cực xâm lấn như hình 2. Điện cực này thường được sử dụng rộng rãi trong chuẩn đoán y tế. Mũi điện cực có cấu tạo là đầu dò tín hiệu.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lợi thế của việc sử dụng điện cực kim đó là tín hiệu dò được tập trung tại một mô cơ nên tránh bị nhiễu, ngoài ra còn đo được tín hiệu ở các lớp cơ khác nhau sau khi đưa mũi kim vào. Mặc dù khả năng thu tín hiệu cao nhưng điện cực kim gây cảm giác khó chịu cho người dùng và đau cơ khi dùng lâu nên không được ứng dụng cho thiết kế cánh tay giả [18]. Các loại điện cực xâm lấn b.
Điện cực không xâm lấn Điện cực không xâm lấn có 2 loại-sử dụng gel (hình 2.10) và không dùng gel hay còn gọi là điện cực khô (hình 2. Loại điện cực dùng gel sử dụng một chất điện phân dạng keo như một mặt tiếp xúc giữa da và các điện cực. Phản ứng oxy hóa - khử diễn ra tại điểm tiếp xúc điện cực kim loại. Ag-AgCl là hỗn hợp phổ biến nhất cho phần kim loại tiếp xúc của điện cực có gell.
Lớp AgCl cho phép dòng điện từ cơ đi qua tự do hơn qua điểm tiếp xúc giữa chất điện phân và điện cực. Điều làm giảm nhiễu tín hiệu khi đo, so với các điện cực kim loại tương đương (ví dụ Ag). Do điều này, các điện cực Ag-AgCl được sử dụng trong hơn 80% các ứng dụng EMG không xâm lấn. Các điện cực EMG khô không yêu tiếp xúc gel giữa da và bề mặt cảm biến.
Điện cực khô thường nặng hơn (> 20g) so với điện cực gell (<1g). Tín hiệu thu được từ điện cực không xâm lấn có biên độ vào khoảng 0- 10mV, băng thông tần số thu được vào khoảng 10-500Hz [15]. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.
Điện cực dùng gel Hình 2. Điện cực khô 2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2. Arduino Nano Board Arduino Nano có cấu tạo tương tự như board Arduino Uno tuy nhiên đã được tối giản về kích thước để dễ dàng sử dụng hơn.
Do được tối giản rất nhiều về kích thước nên Arduino Nano chỉ được nạp code và cung cấp điện bằng duy nhất 1 cổng mini USB. Sự khác biệt chính giữa chúng là bảng UNO có dạng PDIP (Plastic Dual-In-line Package) với 30 chân còn Nano có sẵn trong TQFP (plastic quad flat pack) với 32 chân. Trong khi UNO có 6 cổng ADC thì Nano có 8 cổng ADC. Bảng Nano không có giắc nguồn DC như các bo mạch Arduino khác, mà thay vào đó có cổng mini-USB.
Cổng này được sử dụng cho cả việc lập trình và bộ giám sát nối tiếp. Tính năng hấp dẫn của arduino Nano là nó sẽ chọn công xuất lớn nhất với hiệu điện thế của nó [19]. Vị trí, chức năng và kiểu kết nối của các chân Arduino Nano được thể hiện ở hình 2. Sơ đồ chân Arduino Nano Thông số kỹ thuật: Điện áp cấp: 5VDC cổng USB Dòng tiêu thụ: 30mA Điện áp Vin khuyên dùng:7-12VDC Số chân Digital: 14 chân (6 chân PWM).
Số chân Analog: 8 chân (độ phân giải 10bit). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader). SRAM: 2KB EEPROM: 1KB Clock Speed: 16Mhz.
Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX. Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117. Kích thước: 18. Kiểu kết nối và chức năng các chân của Arduino Nano Thứ tự chân Tên Pin Kiểu Chức năng Ngõ vào/ra số 1 D1 / TX I/O Chân TX-truyền dữ liệu Ngõ vào/ra số 2 D0 / RX I/O Chân Rx-nhận dữ liệu Chân reset, hoạt động ở mức 3 RESET Đầu vào thấp 4 GND Nguồn Chân nối mass 5 D2 I/O Ngõ vào/ra digital 6 D3 I/O Ngõ vào/ra digital 7 D4 I/O Ngõ vào/ra digital 8 D5 I/O Ngõ vào/ra digital 9 D6 I/O Ngõ vào/ra digital 10 D7 I/O Ngõ vào/ra digital 11 D8 I/O Ngõ vào/ra digital 12 D9 I/O Ngõ vào/ra digital 13 D10 I/O Ngõ vào/ra digital 14 D11 I/O Ngõ vào/ra digital 15 D12 I/O Ngõ vào/ra digital 16 D13 I/O Ngõ vào/ra digital 17 3V3 Đầu ra Đầu ra 3.3V (từ FTDI) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƢƠNG 2.