Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật y sinh: Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay" có cấu trúc gồm 4 chương trình bày các nội dung: Giới thiệu chung về mô phỏng chuyển động của cơ thể; cơ sở lý thuyết về cảm biến và điều khiển; thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng cho cánh tay; kết quả và bàn luận. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật y sinh: Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Phạm Quốc Anh THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY Chuyên ngành : KỸ THUẬT Y SINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1. TS. Nguyễn Phan Kiên Hà Nội – 2015. -1-
Lời Cam Đoan Tôi là PHẠM QUỐC ANH, học viên cao học lớp Kỹ Thuật Y Sinh khóa 2013 - 2015. Thầy giáo hướng dẫn là TS. Nguyễn Phan Kiên. Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn nay là kết quả tìm hiểu và nghiên cứu của riêng tôi, trong quá trình nghiên cứu đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay”. Các kết quả và dữ liệu được nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và rõ ràng. Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này. Hà nội, ngày 25 tháng 9 năm 2015. Học viên. Phạm Quốc Anh. -2-
Mục Lục Lời Cam Đoan .............................................................................................................2 Mục Lục ......................................................................................................................3 Danh mục ký hiệu và viết tắt.......................................................................................5 Danh mục hình vẽ .......................................................................................................6 Danh mục bảng biểu....................................................................................................7 Mở Đầu........................................................................................................................8 Chương 1: Tổng quan về điều khiển mô phỏng chuyển động cơ thể. ......................10 1.1 Định nghĩa về mô phỏng và điều khiên mô phỏng: .........................................10 1.2 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh. .................11 1.2.1 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay trên thế giới ................................................................................................................12 1.2.2 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay ở Việt Nam .............................................................................................................13 Chapter 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay. .............................................................................................................................15 2.1 Cánh tay và chuyển động của các bộ phận trên cánh tay.................................15 2.1.1 Cấu tạo cánh tay .........................................................................................15 2.1.2 Chuyển động của các phần trên cánh tay. ..................................................17 2.2 Cảm biến ghi nhận chuyển dộng. .....................................................................17 2.2.1 Cảm biến biến dạng, cảm biến dịch chuyển ..............................................19 2.2.2 Cảm biến gia tốc góc..................................................................................21 2.3 Giải thuật xử lý dữ liệu và lý thuyết điều khiển...............................................25 2.3.1 Giải thuật xử lý dữ liệu: .............................................................................26 2.3.2 Lý thuyết điều khiển ..................................................................................27 Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng cho cánh tay. ...........................29 3.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay ....29 3.2 Khối cảm biến và nhận dạng chuyển động- Bộ cảm biến biến trở trượt và MPU6050 ...............................................................................................................30 -3-
3.2.1 Bộ cảm biến biến trở thanh trượt ...............................................................30 3.2.2 Cảm biến gia tốc góc/ la bàn MPU6050 ....................................................32 3.3 Khối xử lý- Arduino Uno .................................................................................37 3.3.1 Thông số của Arduino UNO R3 .................................................................38 3.3.2. Chương trình điều khiển: ..........................................................................44 Chương 4: Kết quả và Bàn luận. ...............................................................................53 Tài Liệu tham khảo ...................................................................................................56 Phụ Lục .....................................................................................................................57 -4-
Danh mục ký hiệu và viết tắt DMP Digital Motion Processor EMG Electromyo Graphy I2C Interfacing Intergrated Circuit MEMS Microelectromechanical systems PWM Pulse Width Modulation SCL Serial Clock for I2C SDA Serial Data for I2C . -5-
Danh mục hình vẽ Hình 1-1. Minh họa cho hệ thống mô phỏng lắp ráp máy cơ khí và hệ 11 thống mô phỏng chuyển động cánh tay trên máy tính. Hình 1-2. Bên trái: Cánh tay 22 dùng cho người khuyết tật với 22 bậc 13 tự do. Bên phải: Myo Gesture control band của Myo, Mỹ. Hình 2-1. Cấu tạo xương cánh tay. 16 Hình 2-2. Cấu tạo xương cẳng tay. 17 Hình 2-3. Cấu tạo xương bàn tay. 17 Hình 2-4. Mô tả nguyên lý làm việc chung cả cảm biến. 19 Hình 2-5. So sánh bề mặt tiếp xúc của ngón tay và cẳng tay. 19 Hình 2-6. Nguyên lý làm việc của cảm biến gia tốc vi cơ. 23 Hình 2-7. Nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc MEMS. 25 Hình 2-8. Tiến trình xử lý tín hiệu của hệ thống. 27 Hình 3-1. Sơ đồ khối của Hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động 30 cánh tay. Hình 3-2. Hình minh họa cho bộ cảm biến biến trở thanh trượt 31 Hình 3-3. Nguyên lý hoạt động của biến trở. 1 là vị trí của thanh biến 31 trở, 2 là vị trí của con chạy trên biến trở Hình 3-4. Trạng thái của ngón tay và trạng thái tương ứng của con 32 chạy biến trở. Hinh 3-5. Sơ đô khối của cảm biến la bàn MPU6050. 34 Hình 3-6. Module cảm biến MPU6050 35 Hinh Hình 33-8. 7 Vi Cácđiều cổngkhiển ATMEGA328 vào của Arduino Uno. 39 44 Hình 3-9. Kết nối giữa Arduino và MPU6050 theo giao thức I2C. 46 Hình 3-10. Minh họa cho kết nối giữa biến trở và Arduino. 50 Hình 4-1. Các cử động mô phỏng qua cơ cấu chấp hành của ngón tay 53 giữa. -6-
Danh mục bảng biểu Bảng 1-biểu diễn phạm vi góc hoạt động các khớp của chi trên 18 -7-
Mở Đầu Trong giai đoạn phát triển như vũ bão của công nghệ điện tử y sinh nói chung và chuyên ngành cơ sinh nói riêng, ngành cơ sinh Việt Nam đứng trước rất nhiều thời cơ vận hội và thách thức mới trên con đường hội nhập với nền kinh tế thế giới. Để đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội nhằm bắt kịp bước tiến của khoa học kỹ thuật đòi hỏi đội ngũ các nhà khoa học, cán bộ kỹ thuật và công nhân lành nghề phải không ngừng nghiên cứu, học tập nâng cao trình độ để kịp thời tiếp cận làm chủ các kiến thức khoa học kỹ thuật hiện đại và công nghệ tiên tiến. Các khoá đào tạo thạc sỹ tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nhằm đào tạo những cán bộ khoa học có trình độ cao để tiếp thu và làm chủ kỹ thuật hiện đại để phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy. Để đánh giá kết quả học tập trong toàn khoá học tôi được giao đề tài luận văn tốt nghiệp: “Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay” Trong quá trình phát triển của ngành điện tử y sinh, lĩnh vực cơ sinh đang phát triển hết sức nhanh chóng, nhiều mặt của cuộc sống với nhiều mức, nhiều quy mô và công nghệ hiện đại, tiên tiến nhằm đáp ứng được nhu cầu của xã hội hiện nay. Trong đó phải kể đến sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhất là sự ra đời của các hệ thống điều khiển mô phỏng thông minh đã tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của nền kỹ công nghệ có tính chất tự động hoá cao, đã dần thay thế sức lao động của con người đồng thời hiệu quả của nó đem lại cho cuộc sống là rất lớn. Hiện nay sự xuất hiện của các cơ cấu điều khiển Robot trong đời sống sinh hoạt đã trở nên phổ biến. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vục khác nhau, đặc biệt nổi lên hiện nay là trong ứng dụng điều khiển thực tại ảo và các ứng dụng điều khiển mô phỏng chuyển động cơ thể con người. Chúng đóng vai trò quan trọng, chúng vừa đảm bảo độ chính xác vừa đảm bảo tính tin cậy và an toàn mà với con người hay những máy móc thông thường khó có thể đạt được. Đồng thời nó có thể thay thế con người làm việc trong những môi trường độc hại, nơi con người khó có thể đặt chân tới như vũ trụ Nói chung, ứng dụng điều khiển dựa vào chuyển động cơ thể là một mảng công nghệ rất hứa hẹn, vì vậy mà trong tương lai đây sẽ là nhân -8-
tố rất tiềm năng trong sự phát triển của các cuộc sống hiện đại. Do vậy việc nghiên cứu các vấn đề về mô phỏng chuyển động mang tính thời sự. Để nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cho cánh tay bằng sử dụng cảm biến biến trở trượt và cảm biến la bàn trên nền Arduino, luận văn của tôi gồm bốn chương: Chương 1: Giới thiệu chung về mô phỏng chuyển động của cơ thể. Chương 2: Cơ sở lý thuyết về cảm biến và điều khiển, Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng cho cánh tay. Chương 4: Kết quả và Bàn luận. Trong luận văn này, tác giả tập trung chính vào mô phỏng vị trí chuyển động của cánh tay. Đề tài đã được hoàn thành đúng thời hạn dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Phan Kiên – Giảng viên Viện Điện Tử - Viễn Thông - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các bạn đồng nghiệp cùng sự nỗ lực của bản thân. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy giáo, cô giáo thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Vì nhiều điều kiện khách quan và khả năng của bản thân, luận văn hoàn thành chắc chắn còn thiếu sót. Rất mong sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp. -9-
Chương 1: Tổng quan về điều khiển mô phỏng chuyển động cơ thể. 1.1 Định nghĩa về mô phỏng và điều khiên mô phỏng: Mô phỏng là việc nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó hiểu được hệ thống thực, mô phỏng là tiến hành thử nghiệm trên mô hình. Đó là quá trình tiến hành nghiên cứu trên vật thật nhân tạo, tái tạo hiện tượng mà người nghiên cứu cần để quan sát và làm thực nghiệp, từ đó rút ra kết luận tương tự vật thật. Ta có thể thực hiện việc mô phỏng từ những phương tiện đơn giản như giấy, bút đến các nguyên vật liệu tái tạo lại nguyên mẫu (mô hình bằng gỗ, nhựa, sợi thủy tinh…) kết hợp với việc đo đạc đánh giá với mô hình trên máy tính, cũng như các thiết bị đo đạc chuyên dụng. Hình 1-1. Minh họa cho hệ thống mô phỏng lắp ráp máy cơ khí và hệ thống mô phỏng chuyển động cánh tay trên máy tính. Điều khiển mô phỏng sử dụng mô tả tham số đầu vào, mô hình của hệ thống thực ở dạng tín hiệu điện tương tự hoặc số để ứng dụng trong điều khiển một hệ thống xác định. Điều khiển mô phỏng thường được sử dụng rất có hiệu quả để nghiên cứu trạng thái động của nguyên mẫu trong những điều kiện nếu nghiên cứu trên vật thật sẽ khó khăn, tốn kém và không an toàn. Điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay là điều khiển sử dụng tham số đầu vào hoặc các mô hình của cánh tay ở dạng tín hiệu điện để điều khiển đặc tả cơ cấu chấp hành theo một chuyển động - 10 -
nào đó của cánh tay. Điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay là một mảng nhỏ trong điều khiển mô phỏng sinh học. Bên cạnh việc mô tả hình dáng bên ngoài của cánh tay, các nhà khoa học hiện nay còn sử dụng phương pháp trích xuất đặc trưng chuyển động của cánh tay thông qua đặc trưng tín hiệu EMG hoặc EEG tương ứng với cử động. Đó không chỉ là một phương pháp tiếp cận mới mà còn là một cách tiếp cận vô cùng khoa học, đi thẳng vào vấn đề của điều khiển là thực hiện các lệnh theo ý của người điều khiển. Thực tế, mô phỏng là một dạng tạo hiệu ứng, truyền sinh khí và chuyển động cho những đối tượng khô khan. Mô phỏng chuyển động cánh tay và tính hiệu của cánh tay là xu hướng phát triển mới của điều khiển học hiện đại, hiện đã và đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực. Nó góp phần không nhỏ trong quá trình tối ưu hóa các thao tác trong khi khai thác vận hành, sử dụng các hệ thống. Thay vì việc sử dụng cơ chế điều khiển bằng bàn phím thông thường, người điều khiển có thể áp dụng ngay những cử động của mình vào việc xử lý công việc một cách đa dạng hơn. Tuy là phương pháp mới với nhiều ưu điểm nhưng do là công nghệ ra đời sau nên việc điều khiển sử dụng mô phỏng chuyển động cánh tay vẫn còn rất nhiều điểm tồn tại cần nghiên cứu thêm so với công nghệ panel điều khiển hoặc bảng điểu khiển sử dụng nút bấm vốn đã có lịch sử phát triển hàng trăm năm. Trong lĩnh vực cơ sinh, việc thiết kế hệ thống điều khiển có ứng dụng mô phỏng kết hợp cơ cấu chấp hành sẽ tạo cho sinh viên nhiều kỹ năng như: khả năng hoạt động quan sát (các hình ảnh tĩnh hoặc động), khả năng thao tác trên đối tượng, khả năng tự do phát triển tư duy, lựa chọn con đường tối ưu để nhận thức và phát triển các hệ thống mới dựa trên hệ thống điều khiển thế hệ trước. 1.2 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh. Các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động hiện nay được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực trong cuộc sống nhưng tập trung chính trong giải dạy tại - 11 -
các trường đại học, trong các ngành như xây dựng, công nghiệp nhẹ, và đặc biệt là trong y học. Các đột phá trong việc xử lý các tín hiệu y học đã tạo tiền đề cho việc phát triên các phương thức mô phỏng rất chính xác và có khả năng đáp ứng cao với nhiều điều kiện hoạt động. 1.2.1 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay trên thế giới Thế giới không còn quá xa lạ với các công nghệ điều khiển học và tự động dựa vào sự mô phỏng sinh học các trạng thái của con người. Điển hình là tại Mỹ, năm 2012, TS. Nitish Thakor cùng nhóm đồng sự đã tiến hành nghiên cứu, phát triển và cho ra đời sản phẩm là cánh tay thay thế cho người khuyết tật với 22 bậc tự do được điều khiển dựa trên tín hiệu thần kinh của con người. Với cách tiếp cận trực tiếp tín hiệu điện não đồ EEG và xử lý chúng dựa trên nền tảng VSLI, hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động này của TS Thakor và các đồng sự tại Khoa Y Sinh trường ĐH John Hopkins đã cho thấy sự tiềm năng, cũng như tính hiệu quả khi khai thác triệt để các thành tựu của các ngành cơ sinh, xử lý tín hiệu trên đối tượng xử lý là tín hiệu sinh học. Bên cạnh đó cơ cấu chuyển động mô phỏng cánh tay này cũng được đánh giá là có độ tin cậy cao khi thực hiện các động tác mô phỏng chuyển động của cánh tay thật. . Hình 1-2. Bên trái: Cánh tay 22 dùng cho người khuyết tật với 22 bậc tự do. Bên phải: Myo Gesture control band của Myo, Mỹ. - 12 -
Bên cạnh ứng dụng dành cho ngành y tế, các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động còn có giá trị rất lớn trong lĩnh vực thực tại ảo. Điển hình là sản phẩm Myo Gesture Control Armband của Hãng Myo – Mỹ. Là sản phẩm khai thác tín hiệu sEMG – tín hiệu điện cơ bề mặt, Myo Gesture Control Armband đo đạc và trích xuất các đặc trưng tín hiệu sEMG trong các chuyển động cánh tay, qua đó phân tích và xử lý các tín hiệu này để thực hiện các lệnh thao tác đã được lập trình trước. Thiết bị này có khả năng tương thích rất cao với các loại smart TV, smart phone. Với nền tảng giao tiếp Bluetooth Smart và công nghệ cảm biến Medical Grade EMG stainless steel – công nghệ cảm biến EMG y tế sử dụng điện cực sắt không gỉ, Myo Gesture Control Armband có thể thực hiện các công việc thay thế cho hầu hết các bộ điều khiển không dây có thể kết nối đến máy tính, điện thoại thông minh và máy tính bảng. Trên đây chỉ 2 là 2 ví dụ tiêu biểu về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay trên thế giới. Các sản phẩm này đã đánh dấu bước tiến mạnh mẽ của công nghệ nhận diện tín hiệu sinh học trong lĩnh vực điều khiển. 1.2.2 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay ở Việt Nam Tại Việt Nam, các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay vẫn chưa thực sự phát triển mạnh. Có thể điểm đến một số nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu như cánh tay cứu hộ các tai nạn công trình của Nghiên Cứu Sinh – Thạc sỹ Đào Mạnh Hùng công bố năm 2012, cánh tay cứu hộ này hoạt động dựa trên các cảm biến gia tốc nhằm mô phỏng lại chuyển động của cánh tay. Sử dụng động cơ thủy lực trong cơ cấu chấp hành để nâng các vật nặng, và cơ cấu kẹp cang cua để giữ các vật nặng này. Bên cạnh đó là các nghiên cứu của các nhóm sinh viên chuyên ngành điện tử Tử Y sinh của các trương đại học Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa Đà Nẵng khi nghiên cứu và mô phỏng các tín hiệu sEMG và EEG để thực hiện mô phỏng chuyển động của cánh tay như nghiên cứu “thiết kế mô hình điều khiển cánh tay 2 bậc tự do sử dụng tín hiệu điện cơ bề mặt” của nhóm sinh viên Nguyễn Minh - 13 -
Phương và Phạm Quốc Anh,v.v.… Các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu sơ khởi, các cơ cấu chấp hành còn nhiều thiết sót trong mô tả chuyển động, tốc độ phản hồi, tốc độ xử lý của hệ thống xử lý còn thấp và chưa cao. Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu này đều rất tiềm năng nếu được đầu tư và phát triển đúng hướng. Trên đây là vài nét về điều khiển mô phỏng cơ thể con người và sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động của cánh tay. Ta thấy được sự phong phú trong các tiếp cận của các nhóm phát triển, tham số điều khiển có thể là tín hiệu sEMG, EEG sinh ra trong quá trình chuyển động của cánh tay như cách tiếp cận của Hãng Myo, có thể là các giá trị góc của cánh tay trong quá trình vận động như cách tiếp cận của cánh tay cứu hộ. Qua đó ta có thể thấy sự tiềm năng của các công nghệ mô phỏng thông qua các ứng dụng đa dạng mà chúng có thể đóng góp đối với cuộc sống của chúng ta. - 14 -
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay. Với phương pháp tiếp cận là xác định độ biến dạng hình dáng của ngón tay trong các cử động co-duỗi và sự thay đổi về vị trí dẫn đến sự thay đổi về góc của cánh tay trong các chuyển động nhằm mô phỏng lại chuyển động của cánh tay. Trong Chương 2 này, nội dung chính đề cập đến các vấn đề là cánh tay của con người, cảm biến thu nhận tín hiệu của chuyển động cánh tay và thuật toán được dùng cho vi điều khiển mô phỏng lại chuyển động cánh tay thông qua tín hiệu thu nhận được từ cảm biến. 2.1 Cánh tay và chuyển động của các bộ phận trên cánh tay 2.1.1 Cấu tạo cánh tay Cánh tay hay chi trên là bộ phận linh hoạt nhất của con người. Chi trên chịu trách nhiệm cho hầu hết mọi hoạt động trong cuộc sống hàng ngày. Chi trên được chia làm 3 phần : Cánh tay, cẳng tay và bàn tay. Hình 2-1. Cấu tạo xương cánh tay. Cánh tay là phần nối của chi trên với vai. Cấu tạo gồm 1 xương lớn là xương cánh tay. Đầu nối với vai có cấu tạo giống như 1 khớp động dạng khớp tròn xoay. Khớp động này có thể tạo 1 góc xoay 3 chiều rất linh hoạt lên tới 142 0. - 15 -
Cẳng tay là phần nối giữa cánh tay và bàn tay. Cấu tạo gồm 2 xương chính là xương quay và xương trụ. 2 xương này được nối với nhau bởi màng gian cốt. Cấu tạo của cẳng tay khá đắc biệt cho phép cẳng thay thực hiện động tác xoay quanh trục là xương trụ. Giới hạn xoay của cẳng tay quanh trục xương trụ lên tới 770. Hình 2-2. Cấu tạo xương cẳng tay. Bàn tay là phần cuối cùng của cánh tay, gồm 5 ngón tay. Trong đó, chỉ trừ ngón cái có 2 xương phụ trách chuyển động, các ngón khác đều có 3 xương phụ trách chuyển động. Chuyển động của 5 ngón tay này phối hợp tạo thành các thao tác vô cùng tinh vi và phức tạp như cầm, nắm, bấm,v.v….. Hình 2-3. Cấu tạo xương bàn tay. - 16 -
2.1.2 Chuyển động của các phần trên cánh tay. Bảng 1-biểu diễn phạm vi góc hoạt động các khớp của chi trên Tên của hoạt động – Loại khớp tương ứng Phạm vi góc trung bình 1 Bẻ cổ tay – Khớp cổ tay (khớp động) 900 2 Gập cổ tay – Khớp cổ tay (khớp động) 990 3 Xoay cổ tay sang trái – Khớp cổ tay ( Khớp 270 với tay phải và 470 với động) tay trái 4 Xoay cổ tay sang phải – Khớp cổ tay (Khớp 470 với tay phải và 270 với động) tay trái 5 Gập cẳng tay – Khớp cẳng tay ( khớp động ) 1190 6 Xoay cẳng tay – Khớp cẳng tay (khớp động) 770 7 Xoay cánh tay – Khớp vai ( khớp động) 1420 2.2 Cảm biến ghi nhận chuyển dộng. Trong các hệ thống điều khiển sử dụng lý thuyết điều khiển hiện đại, cảm biến đóng vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp giá trị đầu vào cho hệ thống. Qua đó cảm biến là các thiết bị nhằm đo đạc các tín hiệu. Cảm biến ghi nhận những trạng thái hay quá trình biến dạng dọc của bề mặt ngón tay trong quá trình co duỗi ngón, cũng như trạng thái và quá trinh thay đổi của giá trị góc trên cánh tay; và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó [1]. Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của chuyển động, phục vụ cho quá trình xác định đầu vào cho chương trình xử lý đã được viết sẵn để mô tả chuyển đông theo thời gian thực. - 17 -
Tín hiệu điện Hình 2-4. Mô tả nguyên lý làm việc chung của cảm biến. Do ngón tay là khu vực cơ thể có diện tích bề mặt tiếp xúc nhỏ nên việc lựa chọn cảm biến gặp nhiều hạn chế. Đa phần các cảm biến có sẵn thường có kích thước lớn hơn bề mặt tiếp xúc của ngón tay. Bên cạnh đó, sự không đồng nhất về kích thước của ngón tay cũng làm tăng thêm sự hạn chế này. Đó chính là lý do, ta cần sử dụng 2 loại cảm biến khác nhau cho 2 đối tượng đo là ngón tay và cánh tay. Với ngón tay, ta sử dụng cảm biến biến dạng và cánh tay sử dụng cảm biến đo góc hoặc cảm biến la bàn. Hình 2-5. So sánh bề mặt tiếp xúc của ngón tay và cẳng tay. - 18 -
2.2.1 Cảm biến biến dạng, cảm biến dịch chuyển Đối với các cử động ngón tay cảm biến biến dạng có thể coi là một trong số những phương pháp hiệu quả để mô phỏng chuyển động của ngón tay. Khi ngón tay chuyển động, sự biến đổi diện tích trên bề mặt da do sự đàn hồi, yêu tố đó hoàn toàn có thể là cơ sở để thiết kế một cảm biến. Bằng cách đo biến dạng và chuyển đổi chúng thành tín hiệu ta có thể tính được sự thay đổi về diện tích, qua đó xác định được chuyển động của ngón tay. Trong nghiên cứu này, ta tạm bỏ qua các biến dạng vuông góc với chuyển động của ngón tay mà chỉ chú ý đến biến dạng dọc – biến dạng dọc theo chuyển thay đổi của chuyển động.Khi đó ta có biến dạng ε: là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước (Δl) và kích thước ban đầu (l) (2.1) Do biến dạng bề mặt da là biến dạng đàn hồi, nên việc duy trì cơ cấu đo đảm bảo tính đàn hồi hoặc tự phục hồi trạng thái ban đầu là việc vô cùng quan trọng. Yêu cầu này đảm bảo cho việc xác định chính xác giá trị điện tích đặc trưng cho trạng thái của ngón tay. Ví dụ: FS flex sensor của hãng Spectra Symbol là một thiết bị khác hữu dụng trong việc đo đạc biến dạng dọc. Với điện trở ở trạng thái phẳng không biến dạng là 10k Ohm, FS flex sensor có thể lên tới 110k Ohm khi được uốn cong 1 góc là 90 0. Bên cạnh đó, do được làm bằng chất liệu dẻo có độ biến dạng đàn hồi nên FS flex sensor dễ dàng tự trở lại trạng thái phẳng không biến dạng. Nếu như việc sử dụng các cảm biến biến trở biến dạng là phương pháp hiệu quả nhất song rào cản thực hiện áp dụng các biến trở này không hề nhỏ - nhiều thiết bị và cảm biến trong lĩnh vực này không có sẵn trên thị trường. Do đó, thiết kế một thiết bị tương đương về chức năng là cần thiết và cũng để thể hiện sự linh hoạt trong cách tiếp cận đến vấn đề biến dạng trong thực tế. Thiết bị này cần thỏa mãn những tính năng và tham số sau: - 19 -
 Độ nhạy  Độ chính xác  Độ phân giải  Độ chọn lọc  Độ tuyến tính  Công suất  Dải tần  Độ trễ  Tốc độ đáp ứng  Độ ổn định Dựa trên những điều kiện cần thỏa mãn ở trên, một “cảm biến” dựa trên nền biến trở là một lựa chọn khá hợp lý bởi độ nhạy của một số cảm biến khá cao ( sai số của biến trở chính xác là từ 0.1~1%). Độ phân giải và tuyến tính của biến trở cũng hoàn toàn phù hợp với tiêu chí của cảm biến. Trên thực tế có rất nhiều cảm biến đề nghị sử dụng biến trở. Trong yêu cầu của hệ thống đo chuyển động của ngón tay, các cử động co duỗi của ngón tay được tuyến tính hóa dựa vào vị trí của vị trí con chạy trên biến trở. Về độ ổn định và tốc độ đáp ứng, biến trở có độ ổn định khá cao và tốc độ đáp ứng gần như là tức thì khi xuất hiện dòng điện trong biến trở. Hoàn toàn có hiểu được độ ổn định cao của biến trở, bởi trong số các linh kiện điện tử, điện trở và biến trở là các linh kiện có độ ổn định cao nhất. Đồng thời, ưu điểm lớn nhất của biến trở nói chung, và biến trở thanh trượt nói riêng là chúng ta có thể dễ dàng sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Ở phần 2.3, chúng ta sẽ đi sâu hơn về phương pháp điều chế độ rộng xung. - 20 -