BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

----------

ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬĐề tài: Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở

người.

Giáo viên hướng dẫn : Lê Ngọc Duy

Sinh viên thực hiện : Hà Tài Cường Phạm Quang Cương Phạm Văn Hưng Trần Văn Minh Trương Công Mạnh

Lớp : ĐH Cơ điện tử 2 – K5

Năm 2013

1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

..................................................................................................

LỜI NÓI ĐẦU

3

Việt Nam đang trong giai đoạn xây dựng và phát triển, mọi người sống và làm việc trong một môi trường hoà bình. Nhưng để có được điều đó đất nước ta đã phải trải qua những năm tháng chiến tranh vô cùng khó khăn gian khổ mà cũng vô cùng oanh liệt. Chiến tranh đã đi qua mấy chục năm rồi nhưng dư âm và hậu quả của nó thì không thể kể xiết được. Hiện nay nó vẫn còn đeo đuổi các bác, các chú và con cháu của họ làm cho họ mất đi khả năng lao động của đôi chân. Bên cạnh đó còn do hậu quả của tai nạn lao động, tai nạn giao thông và sự già hoá của một bộ phận dân số khiến họ không thể tự mình đi lại được.

Để đáp ứng nhu cầu này, từ nhiều thập niên qua, con người đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra xe lăn. Đây là một loại phương tiện thuận lợi trợ giúp cho người khuyết tật có thể tự mình di chuyển một cách dễ dàng.

Theo thời gian cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ những chiếc xe lăn ngày càng trở lên phong phú và tiện ích hơn cho người sử dụng. Trước đây xe lăn chỉ đơn thuần là những loại thô sơ, chủ yếu dùng sức của đôi tay để di chuyển như: xe lăn tay khung cứng, sau đó để thuận tiện cho việc vận chuyển nhẹ nhàng đỡ cồng kềnh người ta đã cho ra đời xe khung gấp. Rồi xe lăn có thể tự điều chỉnh tư thế nằm ngồi, xe có ghế vệ sinh và ngày nay nó đã trở lên thuận tiện hơn với xe gắn động cơ giúp người dùng không cần nhiều đến sức mạnh của đôi tay trong việc di chuyển nữa. Trên thế giới đã và đang thiết kế ra các loại xe có khả năng lên xuống cầu thang, nâng hạ độ cao của xe.

Đồ án của chúng em chọn đó là “xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người”. Tuy nhiên, với kinh phí và trình độ hạn hẹp, chúng em cũng gặp nhiều khó khăn trong việc nghiên cứu và chế tạo. Chúng em rất mong nhận được những đóng góp và hỗ trợ của các thầy cô giáo để đồ án chúng em được hoàn thiện hơn.

Trước tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Ngọc Duy, người đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên và khuyến khích chúng em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án. Chúng em xin cảm ơn các thầy cô giáo và ban giám hiệu nhà trường đặc biệt là các thầy cô trong khoa cơ khí đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Ngoài ra chúng ra xin cảm ơn anh Trần Minh Nhật, anh Lê Hữu Luyện,những người anh đã giúp đỡ bọn em trong quá trình nghiên cứu và tìm kiếm linh kiện.

Hà Nội, ngày…tháng 12 năm 2013

Sinh viên thực hiện:

Hà Tài Cường Phạm Quang Cương

Phạm Văn Hưng Trần Văn Minh Trương Công Mạnh

4

Mục lụcCHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG................................................................................................7

1.1 Giới thiệu chung..............................................................................................71.2 Các vấn đề đặt ra..............................................................................................81.3 Phương pháp nghiên cứu.................................................................................91.4 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu................................................................9

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ XE LĂN ĐIỆN...................................................102.1 Lịch sử phát triển của xe lăn điện..................................................................102.2 Cấu tạo xe lăn điện.........................................................................................12

2.2.1 Kết cấu cơ khí của sản phẩm....................................................................122.2.2 Phần điện – điện tử...................................................................................152.2.3 Tổng quan về phương pháp điện cơ đồ và bộ điều khiển PID.................17

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XE LĂN ĐIỆN.. .313.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí.........................................................................313.2 Mô hình hóa hệ thống điều khiển..................................................................323.3 Mô phỏng hệ thống cơ khí.............................................................................323.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển......................................................................34

3.1.1 Thiết kế hệ thống điều khiển.....................................................................343.1.2 Thiết kế mạch điện tử................................................................................343.1.3 Thiết kế chương trình điều khiển:.............................................................38

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG.........................................414.1 Thiết kế và chế tạo cơ khí chuyển động.........................................................41

4.1.1 Thiết kế và thi công khung xe (hình 4.1)...................................................414.1.2 Thiết kế và thi công cụm bánh sau (hình 4.4)...........................................444.1.3 Thiết kế và thi công cụm bánh trước (hình 4.5).......................................454.1.4 Thiết kế và thi công cụm gối tay (hình 4.6)..............................................474.1.5 Thiết kế và thi công cụm tựa lưng (hình4.8).............................................484.1.6 Thiết kế và thi công cụm để chân (hình 4.7).............................................514.1.7 Thiết kế và thi công hộp đựng mạch.........................................................55

4.2 Thiết kế và thi công mạch trung tâm.............................................................564.2.1 Mạch xử lý trung tâm................................................................................564.2.2 Khối mạch xử lý trung tâm.......................................................................57

CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN XE LĂN ĐIỆN………..58 5.1 Đánh giá xe lăn điện……………………………………………………......58 5.2 Hướng phát triển xe lăn điện………………………………………………58

TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….....59

MỤC LỤC……………………………………………………………………….…60

5

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG1.1 Giới thiệu chung

Xe lăn điện là một chiếc xe lăn thông minh có thể tự động thực hiện di chuyển

(rẽ trái, rẽ phải, tiến, lùi) thông qua một bộ điều khiển. Qua đó người điều khiển có thể

chỉ cần ấn nút hoặc sử dung cần gạt joystick để điều khiển chiếc xe, thay vì phải nhờ

người thân đùn, đẩy.

Trước tình hình giá xăng dầu trên thế giới ngày càng tăng như hiện nay và các

nghuyên liệu chất đốt cũng như nguồn dầu khí ngày càng cạn kiệt thì nhu cầu sử dụng

nguồn nguyên liệu mới thay thế những nguồn nguyên liệu đang sử dụng hiện thời là

một nhu cầu cần thiết. Chính vì vậy năng lượng điện là nguồn nhiên liệu phù hợp nhất

để thay thế cho các loại nguyên liệu hiện nay và xe lăn điện là một trong số đó.

Do đó, hiện nay hệ thống xe lăn điện phát triển khá mạnh trên cơ sở đó việc

nghiên cứu vag cho ra đời chiếc xe lăn điện làm phương tiện đi lại phục vụ cho người

khuyết tật la một yêu cầu phù hợp và khả thi trong việc mở rộng và phát triển hệ thống

xe lăn điện trên thế giwosi cũng như tại Việt Nam. Hiện nay cũng có những xe lăn nổi

tiếng cũng đã đầu tư và phát trienr xe lăn nhằm phục vụ nhu cầu của người tiêu dung

như hang xe lăn Kiến Tường… Nhìn chung các mẫu xe lăn xó dáng đẹp và phù hợp

với thị hiếu của các đối tượng nười tiêu dung. Một số xe lăn điện hiện nay như

:

Hình 1.1 Xe lăn điện W-HA1022

6

Hình 1.2 Xe lăn điện W-HA1018L

Nhìn chung hệ thống xe lăn điện hiện nay tuy chưa thực sự phát triển mạnh vì nhu

cầu sử dụng của người tiêu dùng nhưng trong tương lai đây là một trong những ngành

khá phát triển. yếu tố hạn chế của xe điện là bộ nguồn cung cấp cho xe không đủ lâu

để đáp ứng nhu cầu khi di chuyển xa, thế nhưng nếu chúng ta nghiên cứu và vận dụng

nguồn năng lượng mặt trời cung cấp cho xe thì đây lại là yếu tố thúc đẩy ngành sản

xuất này phát triển mạnh mẽ.

1.2 Các vấn đề đặt ra

Các loại xe lăn điện được bán trên thị trường đã đạt độ hoàn thiện trong kết cấu

cũng như trong tính năng. Nhưng đó là những chiếc xe được phát triển bởi những công

ty đã có kinh nghiệm trong việc chế tạo những sản phẩm dạng này. Với một đề tài tốt

nghiệp, việc thiết kế và chế tạo mô hình xe lăn điện điều khiển dựa trên phương pháp

điện cơ đồ ở người, nhóm gặp nhiều vấn đề cần giải quyết:

Trước tiên, đó là công nghệ điện cơ đồ ở người, cụ thể trong đề tài là xe lăn

điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người. Các thiết bị nhận dạng bán trên

thị trường sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, với giá cả, độ tin cậy, tốc độ xử lý rất

khác nhau. Và đặc biệt rất khó mua tại Việt Nam.

Trong việc thiết kế và chế tạo được hệ thống cơ khí phải chính xác, đảm bảo

cho xe chạy êm, mượt mà, để người ngồi trên xe có thể thoải mái nhất trong quá trình

hoạt động. Đặc biệt là việc thiết kế hệ thống ghế ngồi

Việc xây dựng được thuật toán điều khiển và phương pháp điều khiển cho chiếc

xe cũng gặp nhiều vấn đề khó khăn, vừa phải đảm bảo điều khiển cho máy hoạt động

7

được chính xác, dự phòng được các lỗi xảy ra khi xe hoạt động, vừa phải làm sao cho

việc lập trình đơn giản nhất có thể.

Cơ cấu chấp hành sử dụng trong máy là động cơ DC và động cơ bước, cần được

điều khiển chính xác.

Xe phải tuyệt đối an toàn, có độ tin cậy cao.

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Xe lăn điện là một sản phẩm đã được phát triển trên thị trường, và là một sản phẩm

cơ điện tử, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp dụng phương pháp nghiên cứu

sau:

- Nghiên cứu mô hình của các chiếc xe lăn đã có sẵn trên thị trường, kết cấu, giao

diện, tính năng của những chiếc máy đó. Từ đó áp dụng để thiết kế trong giới hạn đề

tài.

- Áp dụng phương pháp luận trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế máy, cụ thể là:

+ Thiết kế theo tuần tự, và đồng thời.

+ Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa trước khi hoàn thiện

thiết kế trước khi chế tạo.

+ Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc chưa

được thiết kế trong các hệ thống thật trước đó, chế tạo mẫu mạch điện. Sau cùng, chế

tạo thật mô hình cơ khí.

1.4 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu

Một chiếc xe lăn điện có rất nhiều tính năng. Tuy nhiên trong phạm vi một đề

tài đò án môn, với những giới hạn về thời gian, tài chính và tầm hiểu biết, nhóm chỉ

chế tạo một mô hình xe lăn điện với những tính năng sau:

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của xe lăn điện

Phương pháp điều khiển tốc độ của xe lăn điện

Chế độ hoạt động của xe lăn điện

Lỗi cảnh báo trong quá trình hoạt đọng của xe lăn điẹn

Quy trình điều khiển xe lăn điện

8

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ XE LĂN ĐIỆN

2.1 L ch s phát tri n c a xe lăn đi nị ử ể ủ ệXe lăn điện là chiếc xe được xuất thân từ chiếc xe lăn tay, nhưng được chế tạo

thêm hệ thống điện gồm mô tơ điện, bình ắc quy, bộ xích, cơ cấu gài… Khi hết điện

trên đường đi thì người dùng chuyển sang lăn tay được.

Nhưng chiếc xe lăn đầu tiên được phát minh năm 1595, được thiết kế dành cho

vua Philip II của Tây Ban Nha bởi một nhà phát minh vô danh.

Năm 1655, Stenphen Farfler là một thợ sửa đồng hồ bị liệt 2 chân đã tạo nên

một chiếc ghế tự đẩy đi trên ba bánh xe.

Vào năm 1783, John Dawson của thành phố Bath ở nước Anh đã phát minh ra

chiếc xe lăn được đặt theo tên riêng của thành phố Bath. Dawson đã thiết kế 2 cái bánh

thật lớn và thêm 2 cái bánh nhỏ kế bên. Chiếc xe lăn Bath được bán rộng rãi hơn tất cả

những xe khác vào những năm đầu của thế kỉ 19.

Tuy nhiên, chiếc xe lăn của Bath không hoàn toàn thoải mái và đã có rất nhiều

cải tiến cho xe lăn này. Vào năm 1869, quyền sáng chế xe lăn đã được công nhận và

đã trình làng mô hình đầu tiên với bộ điều khiển bánh xe và những cái bánh nhỏ giúp

điều khiển tốt hơn. Vào những năm 1867-1875, những nhà phát minh đã đưa thêm

những miếng cao su rỗng vào bánh xe tương tự sử dụng trong xe đạp trên vành kim

loại. Vào năm 1881, dụng cụ đẩy để tự đẩy về phía trước được phát minh.

Năm 1900, bánh xe căm đầu tiên được xuất hiện được sử dụng trong bánh xe.

Năm 1916, bánh xe có motor đầu tiên được sản xuất ở Luân Đôn.

Năm 1932, kĩ sư Harry Jennings đã tạo nên bánh xe lăn thép hình ống. Đó

chính là chiếc xe thép hình ống đầu tiên trên thế giới tương tự như xe được sử dụng

ngày nay. Chiếc xe này được tạo nên dành cho người bạn của Jenny bị bệnh liệc cả hai

chân Herbert Everest. Họ cùng nhau tạo nên công ty Everests & Jennings, công ty giữ

độc quyền trong thị trường xe lăn trong nhiều năm. Một vụ kiện chống độc quyền đã

thực sự chống lại Everest & Jennings do Sở Tư pháp, buộc tội công ty với giá cả xe

lăn gian lận. Vụ kiện này đã được hòa giải tại tòa.

Ngày nay, con người còn có thể thiết kế ra được cả chiếc xe lăn thận thiện với

môi trường như: xe lăn năng lượng mặt trời (hình 2.1) hay xe lăn vượt địa hình như: xe

lăn leo bậc thang (hình 2.2)

9

Hình 2.1: Xe lăn năng lượng mặt trời

Hình 2.2: Xe lăn leo bậc thang

10

2.2 C u t o xe lăn đi nấ ạ ệ

Xe lăn điều khiển bằng phương pháp điện cơ đồ ở người bao gồm các thành phần

chính:

Kết cấu cơ khí sản phẩm

Phần điện – điện tử

Tổng quan về phương pháp điện cơ đồ ở người và bộ điều khiển PID

2.2.1 Kết cấu cơ khí của sản phẩm

Xe lăn được chế tạo dựa trên khung sườn của loại cơ bản, toàn bộ khung được làm

inox tròn và inox vuông giúp xe cứng chắc nhưng vẫn nhẹ.

Các bộ phận chính gồm: Khung sườn, cụm bánh trước, cụm bánh sau, động cơ điều

khiển tốc độ.

a, Khung chính (sườn xe)

Khung xe bao gồm các thanh inox được gắn cứng với nhau bởi mối hàn TIG, là

phần chịu lực chính của xe và cũng là trung tâm liên kết các bộ phận khác của xe (như

hình 2.3)

Hình 2.3: khung chính xe lăn

Inox hay còn gọi là thép không gỉ là là một dạng hợp kim của sắt chứa

tối thiểu 10,5% crôm. Nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn như thép thông

thường khác. Do đó, để đáp ứng tính an toàn trên chiếc xe lăn thì khung

xe ta chọn ống tròn có đường kính 25mm, và ống vuông 12x24mm để

bắt động cơ 11

Hệ thống giảm xóc là một bộ thiết bị cơ khí được thiết kế để làm êm dịu

những rung động hoặc những va đạp và để làm tiêu tan năng lượng động

lực. Do đo, để người ngồi trên xe được thoải mái, êm dịu thì chiếc xe lăn

này được gắn them hệ thống xy lanh ở phía sau (như hình 2.4).

Hình 2.4: Bộ giảm xóc

Đối với xe lăn trong quá trình tính toán thiết kế tính an toàn được đặt lên hàng

đầu, do đó người ta thường sử dụng inox hay thép cacbon để đảm bảo độ cứng vững,

mặt khác với dạng ống này thuận tiện cho người sử dụng do nó vừa lòng bàn tay (khi

người sử dụng muốn bám vào thành xe)

b, Bánh xe

- Cụm bánh sau (như hình 2.5) :

Hình 2.5: Cụm bánh sau

Cụm bánh sau gồm: Vành, săm , lốp, moay ơ, nan hoa, ổ bi, trục sau, cụm điều

khiển tốc độ của xe.

12

Vành: là một phần của bánh xe để lắp lốp. Moay ơ để nối vành với trục

bánh xe. Về kích thước của vành được quyết định bởi lốp và khả năng

chịu tải của lốp. Những thong số quan trọng nhất của vành xe như là:

chiều rộng vành, đường kính vành, bề mặt vành.

moay ơ: là một chi tiết trong cumk bánh xem là tring khu điều khiển và

dùng để lắp lồng không với trục (tách rời chuyển động bánh xe).

Nan hoa: Nan hoa là một chi tiết truyền lực từ Moay ơ đến vành, chiều

dài và đường kính của nan hoa được quyết định khoảng cách từ đường

kính lỗ trên vành đến lỗ trên mặt bích của Moay ơ và tải trọng của xe, số

lượn của nan hoa được quyết định bởi các cách đan nan hoa (chéo 2,

chéo 4, chéo 6,…). Thường nan hoa là 6x80 hoặc 6x60. Để đảm bảo điều

kiện độ cứng cững, độ kéo, nén vật liệu chế tạo nan hoa thường là thép

C45.

Trục:do trục được gắn cứng với khung của xe do đó trong chuyển động

quay của bánh xe và trọng lực của xe khi có trọng lượng nên trục chịu

ứng suất bởi mômen xoắn và mômen uốn. Do đó khi chế tạo trục, vật

liệu và đường kính của trục phải đáp ứng được khả năng chịu mômen

xoắn dọc trục và mômen uốn. Thông thường với các loại xe lăn vật liệu

thường được chọn để chế tạo trục là thép CT45, cỡ 15

Ổ bi: Chọn ổ bi đỡ một dãy, cỡ ổ là ổ 215 (tuân theo tiêu chuẩn ISO) có

đường kính ngoài là D = 35mm đường kính trong là d = 15mm, chiều

rộng b = 11mm.

Săm lốp: Lốp xe là bộ phận tiếp xúc với mặt đất. Lốp bánh sau thường là

lốp bơm hơi hoặc là lốp đặc, lốp bơm hơi dùng xe đi êm hơn và dễ đẩy

hơn lốp đặc. Tuy nhiên, ta lông lốp xe bị mòn nhanh hơn so với lốp đặc

- Cụm bánh trước ( như hình 2.4)

Cụm bánh trước có thể xoay được mọi hướng và làm tăng khả năng điều khiển

của xe. Cụm bánh trước gồm vành những đúc, săm, lốp, vòng bi, trục, trục càng bánh

trước

13

Hình 2.4: Cụm bánh trước

Vành: là một phần của bánh xe để lắp lốp. Đường kính vành là 12 cm và

dày khoảng 5cm.

Săn lốp: Lốp xe là bộ phận tiếp xúc với mặt đất. Để xe chạy êm hơn thì

lớp sau ta cũng dùng lốp bơm hơi. Đường kính khi bơm căng lốp của

bánh trước vào khoảng 25cm

Vòng bi: là một kết cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát bằng cách

chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động thành

ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một

khung hình khuyên. 

Trục: do bánh trước chịu tải nhỏ hơn so với trục bánh sau rất nhiều nên

với bánh trước ta chọ dường kính là 10

Trục càng bánh trước:là bộ phận chuyển động từ bánh trước vào khung ,

truyền trọng lực từ khung tới cụm bánh trước, ngoài ra cụm bánh trước

còn đóng vai trò là bánh lái vì vậy mà trục càng bánh trước còn phải có

tác động đảo chiều chuyển động của cụm bánh trước.

2.2.2 Ph n đi n – đi n tầ ệ ệ ửa, Tổng quan về Atmega8

14

Hình 2.5: Hình dạng thực tế của ATMEGA8.

- Giới thiệu

Atmega8 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa trên kiến

trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer). Vào ra Analog – digital và ngược lại.

Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế

tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên giây ở tần số 1 Mhz. Vi điều khiển

này cho phép người thiết kế có thể tối ưu hoá chế độ độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn

đảm bảo tốc độ xử lí.

Hình 2.6: Sơ đồ chân Atmega8

Đặc trưng:

Được chế tạo theo kiến trúc RISC hiệu suất cao mà điện năng tiêu thụ thấp

Tập lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều chỉ thực thi trong 1 chu kì xung nhịp.

32 x 8 thanh ghi làm việc đa dụng.

Tốc độ xử lí nhanh, lên tới 16MIPS.

Có 8Kbyte bộ nhớ flash có thể xóa lập trình được và có thể ghi xóa 10000

lần.

512 byte bộ nhớ EEPROM tích hợp trên chíp, có 1 kbyte SRAM nội.

15

Có 28 chân, trong đó có 23 chân I/O.

Có hai bộ Timer/counter 8 bit và một bộ timer/counter 16 bit với bộ chia

tần lập trình được.

Có ba kênh điều xung, 6 kênh lối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10

bit.

Nguồn nuôi từ 4.5 đến 5.5V, làm việc tiêu thụ dòng 3.6mA.

Sử dụng mạch dao động ngoài từ 0 đến 16 Mhz. Ngoài ra chíp Atmega8

còn có bộ xung nội bên trong có thể lập trình chế độ xung nhịp

Atmega8 trong mạch được sử dụng trong bộ driver PID. Khi đó, chương trình PID

sẽ được lập trình sẵn trong con chíp này, và nó cũng có nhiệm vụ giao tiếp với con

chíp master DSPIC33FJ128GP708A-I/PT.

Khi sử dụng vi điều khiển Atmega8, có rất nhiều phần mềm được dùng để lập

trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình dịch Assembly như AVR studio của

Atmel, Trình dịch C như win AVR, CodeVisionAVR C, ICCAVR. C - CMPPILER

của GNU… Trình dịch C đã được nhiều người dùng và đánh giá tương đối mạnh, dễ

tiếp cận đối với những người bắt đầu tìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR

C. Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng và có nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốt

hơn.

2.2.3 T ng quan v ph ng pháp đi n c đ và b đi u khi n PIDổ ề ươ ệ ơ ồ ộ ề ể

a. Tổng quan về phương pháp điện cơ đồTín 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.

Tại sao phải đo điện cơ? Đo điện cơ thường được thực hiện khi người bệnh bị yếu

cơ mà không giải thích được,hoặc hiện tượng liệt, các vấn đề về cơ và vận động như

run rẩy hay co giật,tổn thương thần kinh cơ do thương tích và một số bệnh lý khác.Đo

điện cơ giúp phân biệt giữa bệnh cơ mà trong đó nguyên nhân gây bệnh xuất phát từ

cơ và yếu cơ do rối loạn thần kinh.Đo điện cơ cũng có thể sử dụng để phát hiện yếu cơ

thực sự,ngược với yếu cơ do đau làm người bệnh không dám cử động nhiều.

Trong phạm vi của đồ án môn học, em muốn ứng dụng sự thay đổi của tín hiệu điện

cơ làm tín hiệu điều khiển chính, mô phỏng cho hoạt động của tay người.

16

Nguồn gốc của điện cơ

Nguồn gốc của hầu hết các tín hiệu điện sinh học là sự thay đổi rất nhanh của

điện thế qua màng tế bào của tất cả các tế bào sống. Cụ thể hơn, các tín hiệu điện sinh

học phát sinh từ các điện thế qua màng tế bào thay đổi theo thời gian có thể thấy ở các

tế bào thần kinh hay ở các tế bào cơ gồm cả cơ tim.Cơ sở điện hóa của điện thế màng

tế bào tồn tại dựa trên 2 hiện tượng : (1) màng tế bào có tính bán thấm, hay nói cách

khác chúng có độ dẫn và độ thấm khác nhau đối với các ion và phân tử khác nhau, và

(2) màng tế bào có các cơ chế bơm ion sư dụng năng lượng trao đổi chất (ví dụ ATP).

Các cơ chế bơm ion chủ động truyền ion và phân tử qua màng tế bào, chống lại hàng

rào năng lượng và Gradien nồng độ giữa phần trong và phần ngoài tế bào. Ở trạng thái

bền các ion liên tục có xu hướng lọt vào bên trong (Na+) hoặc ra ngoài tế bào (K+) tế

bào, quá trình bơm ion diễn ra liên tục nhằm phục hồi và duy trì nồng độ ion của trạng

thái này. Tín hiệu điện cơ (EMG) là một tín hiệu điện sinh học quan trọng có giá trị

chẩn đoán cao cho rất nhiều bệnh về cơ và thần kinh. Chúng ta có thể đo tín hiệu này

từ bề mặt da với các điện cực tương tự như đo ECG, tuy nhiên kích thước điện cực cần

phải nhỏ (thường < 1 mm2). Để đo tín hiệu điện cơ từ một đơn vị vận động đơn (SMU

– tập hợp từ một số sợi cơ riêng lẻ) hoặc thậm chí phải dung đến các điện cực dạng

kim xuyên qua da tới bề mặt cơ cần đo. Việc ghi nhận tín hiệu EMG dùng để chẩn

đoán một số nguyên nhân suy yếu cơ hoặc hiện tượng liệt, các vấn đề về cơ và vận

động như run rẩy hay co giật, tổn thương thần kinh cơ do thương tích và một số bệnh

lý khác. Trong cơ thể có một số loại cơ chính là cơ vân, cơ trơn và cơ tim. Cơ vân

thường được chia thành cơ nhanh và cơ chậm. Cơ nhanh dung trong các chuyển động

nhanh gồm có cặp cơ ở cẳng chân , cơ thanh quản, … Cơ chậm dung cho điều khiển tư

thế gồm các cơ như cơ dép, các cơ ngực, lưng và cổ,… Việc ghi tín hiệu EMG thường

được thực hiện cho cả hai loại cơ trên. Ngoài ra người ta cũng thường đo cho các cơ ít

lộ diện hơn như cơ ngoài mắt để di chuyển nhãn cầu, cơ mí mắt và các cơ dung cho

điều khiển thanh quản. Mỗi cơ vân cụ thể được chi phối bởi một nhóm tế bào thần

kinh cột sống, trong đó các Neuron vạn động nhận tín hiệu kích thích và ức chế đầu

vào từ các Neuron phản hồi lân cận trên sống cơ, dây chằng Golgi và các tế bào phản

hồi Renshaw. Các Axon Neuron vận động riêng biệt điều khiển sự co thắt một cơ cụ

thể, được phân bố trên các nhóm nhỏ các sợi cơ gọi là một đơn vị vận động đơn

(SMU). Các SMU hợp lại sẽ thành cả cơ. Kết nối giữa các đầu nhánh của một Axon

vận động đơn lẻ với các sợi cơ SMU được gọi là các tấm vận động (MEP). MEP là các

tiếp hợp hóa học mà ở đó chất truyền dẫn là Acetylcholine (ACh) được giải phóng ra

trước tiếp hợp và khuếch tán qua các khe trống ở mối nối đến các vùng thu nhận trên

màng tể bào sát tiếp hợp. Khi một xung điện của Neuron vận động đi đến một MEP,

nó kích hoạt quá trình Exocytosis hay làm cạn hoàn toàn khoảng 300 lỗ trống chứa

Ach trước Synap (có xấp xỉ 3.105 lỗ trống đầu mỗi MEP, mỗi lỗ trống có đuờng kính

17

khoảng 40nm). Một lượng khoảng từ 107 đến 5x108 phân tử Ach cần để kích hoạt một

điện thế hoạt động cơ. Ach khuếch tán qua khe Synap rộng từ 20 đến 30 nm trong

khoảng thời gian xấp xỉ 0,5ms. Tại đây một số phân tử Ach kết hợp với các điểm tiếp

nhận trên các đơn vị protein hình thành nên các đường tiếp nhận ion dưới Synap. Cứ 5

đơn vị protein phân tử khối lớn tạo thành một đường Ach gắn vào các đơn vị protein

sẽ làm giãn các đường này ra thêm 0,65nm. Các đường dẫn ion mở rộng cho phép ion

Na+ chảy vào. Tuy nhiên các ion Cl- vẫn bị đẩy ra vì các điện tích âm cố định ở cửa

vào của đường. Như thế, màng dưới Synap đã được khử cực, tạo ra một điện thế hoạt

động của cơ. Điện thế qua màng có thể tăng lên đến +50mV, tạo thành một xung điện

thế qua tấm vận động EPP. Điện thế này sẽ được hình thành sau một khoảng thời gian

xấp xỉ 8ms, thời gian này lâu hơn rất nhiều so với điện thế hoạt động thần kinh. Luợng

Ach ở khe Synap và phần bám vào vùng thu nhận nhanh chóng giảm xuống do thủy

phân bởi enzyme Cholinesterase ở khe Synap và các thành phần trong phân tử của

chúng sẽ được tái sử dụng. Một lượng nhỏ Ach thoát khỏi khe nhờ quá trình khuếch

tán và cũng bị thủy phân. Khi màng sau Synap ở ngay dưới MEP bị khử cực dưới dạng

đầu ra là một xung EPP có ngưỡng rất lớn, một điện thế hoạt động cơ sẽ phát ra và

truyền đi theo màng ngoài của sợi cơ. Đây chính là điện thế hoạt động tạo ra hiện

tượng co cơ hoặc tổn hao sinh lực vận động. Các loại điện thế hoạt động cơ thông

thường được đo bên trong tế bào ở MEP và ở điểm cách đầu MEP khoảng 2mm. Điện

thế hoạt động trong cơ xương được truyền đi với vận tốc từ 3 đến 5m/s và tồn tại trong

khoảng từ 2 đến 15ms, phụ thuộc vào mỗi loại cơ và mức độ dao động của nó từ giá trị

nghỉ khoảng -85mV đến giá trị đỉnh xấp xỉ +30mV. Ở mặt da, điện thế này xuất hiện

dưới dạng xung ba pha có biên độ đỉnh từ 20µV đến 2000µV. Một dạng điện thế hoạt

động cơ bình thường được đo bên trong tế bào ở tấm vận động (nét liền) và cách 2mm

theo sời cơ (nét đứt) Để đảm bảo tất cả các bộ phận sâu bên trong sợi cơ dều được kích

thích để co rút cùng lúc và cùng một cường độ, dọc theo sợi cơ sẽ có các sợi ngang

dạng ống nhỏ xoáy sâu bên trong sợi cơ gọi là ống T. Các ống T này có đầu mở để

nhận dich từ ngoài tế bào vào và cả hai đầu của ống đều nối với màng của sợi cơ.

Chúng dẫn truyền điện thế họat động cơ từ phía ngoài vào khu vực sâu bên trong sợi

cơ ở tất cả các vị trí dọc theo sợi cơ. Một kích thích đồng bộ tất cả các Neuron vận

động phân bố trên cơ được gọi là hiện tượng co giật, tức là độ căng của cơ giảm xuống

một lượng nhỏ sau đoa tăng lên bất ngờ rồi lại giảm xuống dần đến không. Sự co cơ

kéo dài được tạo ra từ quá trình kích thích cơ từ hệ thần kinh một cách đều đặn. Khi sự

kích thích ngưng lại cơ sẽ về trạng thái nghỉ.

Cách ghi tín hiệu EMG

Để đo tín hiệu điện cơ từ một đơn vị vận động đơn (SMU-tập hợp từ một số sợi

cơ riêng lẻ) hoặc thậm chí là từ các sợi cơ riêng lẻ, người ta phải dùng đến các điện

cực dạng kim xuyên qua da tới bề mặt của cơ cần đo. Do vậy,phương pháp đo này đặc

18

biệt cần các yêu cầu về vô trùng. Sau đây nhóm em sẽ giới thiệu qua về một số điện

cực. Điện cực dùng trong EMG là điện cực đồng tâm EMG Adrian và Bronk phát triển

các điện cực đồng tâm để thu được một chỗ kẹp nhỏ hơn so với các điện cực dây. Các

phiên bản hiện đại của điện cực đồng tâm bao gồm một dây bạch kim hoặc dây thép

không rỉ nằm bên trong Lumen của một ống dò bằng thép không rỉ với đường kính

ngoài khoảng 0,5 mm, đỉnh xiên một góc từ 15-20 độ, do đó lộ ra phần dây trung tâm

như là một bề mặt elip xiên khoảng 150 × 580 μm. Dây trung tâm được cách ly với

ống dò bằng araldite hoặc epoxy. Những điện cực kim phục vụ cho việc ghi tín hiệu

EMG dưới da. Đối với các điện cực sợi đơn và điện cực đồng tâm, các ống dò của kim

tiêm dưới da đóng vai trò là điện cực tham chiếu. Các điện cực đơn được sử dụng vớí

một điện cực tham chiếu từ xa. Các điện cực đồng tâm được kết nối với một bộ khuếch

đại vi sai, do đó tín hiệu ở chế độ mode chung sẽ bị loại bỏ một cách hiệu quả, và thu

được một đường biên tương đối ổn định. Ống dò không được quan tâm đến như một

điện cực tham chiếu bình thường bởi vì nó được đặt ở bên trong phạm vi phân bố điện

thế và do đó lựa chọn điện thế từ các sợi tích cực. Các sự mô phỏng [Henneberg và

Plonsey, 1993] đã chỉ ra rằng các ống dò bảo vệ các dây điện trung tâm khỏi các điện

thế được chọn từ những cơ nằm ở đằng sau của đỉnh. Điện cực đồng tâm có độ nhạy

lớn nhất khi bán cầu đối mặt với bề mặt elip xiên. Do hàm của độ nhạy là không đối

xứng, nên những dạng sóng của điện thế được ghi sẽ thay đổi nếu điện cực bị xoay

quanh trục của nó. Vấn đề này không nhân thấy được đối với những điện cực đơn đối

xứng theo trục, tuy nhiên những điện cực này có một đường biên không ổn định hơn

do điện cực tham chiếu nằm ở rất xa. Cả hai điện cực đồng tâm và điện cực đơn đều

được sử dụng trong EMG thông thường. Do sự khác biệt về đặc điểm ghi, tuy nhiên,

so sánh giữa ghi đồng tâm và ghi đơn cực không phải là dễ. Bởi vậy một phòng thí

nghiệm EMG nói riêng có xu hướng chỉ sử dụng một loại và không dùng loại

khác.Trong quá trình kiểm tra kim đồng tâm, các điều tra viên đã tìm những hoạt động

bất thường, hoạt động tự nhiên trong các cơ bắp thư giãn, và sự xuất hiện dị thường

của điện thế vận chuyển. Các dạng sóng của điện thế vận chuyển được đánh giá trên

cơ sở các đặc trưng dạng sóng định lượng được chỉ ra trong hình 2:

Biên độ: được xác định bởi những sợi hoạt động đang có mặt trong vùng lân

cận của đầu điện cực. Lọc thông thấp là việc cắt bớt đi những nhánh tần số cao của

những SFAP ở xa, vì vậy biên độ MUP không tăng khi một đơn vị vận động lớn hơn.

Tuy nhiên, biên độ MUP sẽ tăng lên nếu các đầu điện cực được đặt gần một bó sợi cơ

phân bổ thần kinh. Biên độ MUP lớn thường thấy trong các bệnh về thần kinh.

Rise time là một hàm tăng dần của khoảng cách giữa điện cực và các sợi cơ

đang hoạt động gần đó nhất. Một Rise time ngắn kết hợp với một biên độ MUP nhỏ thì

ta thấy biên độ giảm nhưng là do sợi cơ bị co vào chứ không phải là do khoảng cách

giữa điện cực và sợi gần nhất là lớn.

19

Số pha:cho thấy sự phức tạp của MUP và mức độ lệch giữa SFAPs. Trong các

bệnh về thần kinh, xuất hiện MUP nhiều pha do vận tốc dẫn truyền trong những dây

thần kinh chưa hoàn thiện hoặc trong các sợi gân rất nhỏ, nhưng những sợi cơ vẫn bị

co lại. Sự thay đổi của kích thước sợi cơ cũng gây ra MUP nhiều pha trong các bệnh

về cơ. Để ngăn chặn sự bất thường của nhiễu đường biên do ảnh hưởng bởi số pha

MUP,một đường biên phù hợp cần lớn hơn một mức biên độ tối thiểu chuẩn.

Chu kỳ :là khoảng thời gian giữa sự xuất hiện đầu tiên và cuối cùng của dạng

sóng vượt quá một ngưỡng biên độ được giới hạn trước, ví dụ như, 5 μV. Sự bắt đầu

và kết thúc của MUP là sự tổng hợp của các thành phần tần số thấp của những SFAP

rải rác trên toàn bộ phạm vi kẹp kim của điện cực này. Kết quả là, chu kỳ MUP cung

cấp thông tin về số lượng các sợi đang hoạt động trong phạm vi kẹp kim. Tuy nhiên,

khi đó vùng đơn vị vận động có thể rộng hơn phạm vi kẹp kim của điện cực này, chu

kỳ của MUP không cung cấp thông tin về tổng độ lớn của đơn vi vận động. Chu kỳ

của MUP sẽ tăng nếu một đơn vị vận động có số lượng sợi cơ gia tăng do sự phục hồi

phân bổ dây thân kinh. Chu kỳ MUP chịu ảnh hưởng ở mức độ ít hơn bởi sự mất liên

kết SFAP.

Diện tích cho thấy số lượng các sợi tiếp giáp với điện cực, tuy nhiên, không

giống như biên độ MUP, diện tích MUP phụ thuộc vào chu kỳ MUP và do đó chịu ảnh

hưởng bởi các sợi cơ trên một vùng lớn hơn so với biên độ MUP.

Turns là một thước đo sự phức tạp của MUP, giống như số pha, tuy nhiên, một

sự đổi hướng đúng không yêu cầu một giao điểm với đường biên như một pha, số lần

đổi hướng nhạy cảm hơn so với những thay đổi trong dạng sóng MUP. Để phân biệt

được sự đổi hướng đúng từ nhiễu tín hiệu, sự đổi hướng liên tiếp cần phải được bù đắp

bởi một biên độ tối thiểu khác.

Dựa trên những thông tin chứa trong những đặc trưng MUP định nghĩa ở trên, ta có

thể suy luận về số lượng và mật độ của sợi cơ trong một đơn vị vận động cũng như sự

đồng bộ của SFAPs. Tuy nhiên, các điện cực đồng tâm là không đủ để nghiên cứu về

các sợi cơ riêng biệt, cũng không phải là nó đủ độ nhạy để đo được kích thước tổng

của một đơn vị vận động

Các cách đo điện cơ

Có hai cách đo điện cơ là:

Đo điện bên trong cơ Một cây kim cắm xuyên qua da và cơ cần đo.Cây kim này sẽ

phát hiện hoạt động điện của cơ(giống như một điện cực). Hoạt động điện được biểu

hiện trên máy đo dao động ký và cũng có thể thể hiện được dưới dạng âm thanh qua

một máy nghe microphone. Vì các cơ xương (cơ vân) thường lớn,cho nên điện cực cần

phải được cắm ở nhiều nơi trên cơ mới có thể thu được thông tin chính xác về hoạt

động của điện cơ.Sau khi cắm điện cực,người bệnh được yêu cầu co cơ( ví dụ co

20

khuỷu tay..) Kích thước và hình dạng của sóng hiện tại (điện thế hoạt động) được thể

hiện trên dao động ký,cung cấp thông tin về khả năng hoạt động của cơ đối với đáp

ứng kích thích thần kinh.Mỗi sợi cơ khi co thắt sẽ sinh ra điện thế động.Kích thước

của sợi cơ sẽ ảnh hưởng đến tần số và biên độ điện thế hoạt động.

Đo điện ở bề mặt da Đo điện cơ có một số đặc điểm thu hút.Đặc biệt là đo điện cơ bề

mặt không phải đâm kim qua da và vì vậy người bệnh nhân không bị đau.Tuy

nhiên,giá trị thông tin thu được bằng phương pháp này thường không tốt bằng đo điện

cơ cắm vào cơ.Hiệp hội chẩn đoán bằng điện học đã thông báo:”trên thực tế,hầu như y

văn không ủng hộ việc sử dụng đo điện cơ trên bề mặt da trên lâm sàn để chẩn đoán và

quản lý bệnh nhân bị bệnh về thần kinh hay cơ”.Mặc dù vậy,đo điện cực trên bề mặt

da chứng tỏ vẫn còn giá trị trong tương lai giúp theo dõi sự tiến triển các rối loạn thần

kinh và cơ.

Phải thử nghiệm về tốc độ truyền dẫn thần kinh thường được thể hiện cùng lúc với đo

điện cơ.Trong thử nghiệm này,dây thần kinh được kích thích bằng điện cực thứ hai

phát hiện xung điện ‘đang hạ thấp’từ tốc độ dẫn truyền thần kinh .Đo tốc độ dẫn

truyền thần kinh thường được thực hiên bằng một điện cực dán trên da (giống như

trong đo điên tim)ở nhiều vị trí phân bố khác nhau của dây thần kinh .Một điên cực

kích thích thần kinh có một xung điện biến đổi nhẹ.Kết quả của hoạt động điện được

ghi lại bằng nhiều điện cực khác nhau.Khoảng cách giữa các điện cực và thời gian bắt

xung của các điện cực giữa hai điện cực được sử dụng để tính tốc độ truyền của xung

điện (tốc độ dẫn truyền thần kinh).Khi tốc độ dẫn truyền thần kinh giảm đi nói lên có

bệnh lý ở dây thần kinh.Đo tốc độ dẫn truyền thần kinh được sử dụng để phát hiện rối

loạn thần kinh thật sự hay bệnh lý do tổn thương thần kinh của cơ.Nhiệt độ cơ thể phải

duy trì bình thường khi đo tốc độ truyền dẫn thần kinh ,vì nếu nhiệt độ cơ thể thấp sẽ

làm cho tốc độ dẫn truyền của thần kinh bị chậm lại.

EMG chưa qua xử lý

Tín hiệu chưa qua xử lý có:Biên độ từ 0-6 mV, tần số từ 10-500 Hz, điện áp đỉnh -

đỉnh đo bằng mV, biểu hiện sự hoạt động đều đặn của cơ

Thiết kế mạch đo EMG

Mục đích chính là lấy được sự thay đổi của tín hiệu điện cơ mỗi khi có sự hoạt động

của cơ, ở đây là cơ ở bắp tay để làm tín hiệu điều khiển, không phải đo chính xác giá

trị của điện cơ.

Các điện cực sử dụng ở đây do nhóm tự chế

21

Hình 2.7: Điện cực

Hình 2.8

RG11

- in2+ in

3

V-4 Vref 5

out 6V+

7

RG28

IC2

INA118

120R

R1

+9V

-9V

GND

GND

C6

RG11

- in2

+ in3

V-4

Vref5

out6

V+7

RG28

IC3

INA118

120R

R5

+9V

-9V

GND

GND

adc1

C10

adc0

GND

IN1 1

2

3

4

5

OUT 1

IN2

OUT 2

GN

D

J1

Jac Phone2

GND

IN1 1

2

3

4

5

OUT 1

IN2

OUT 2

GN

D

J2

Jac Phone2

GND

GND

VR110K

VR210K

C1

10uF

C2

10uF

C8

10uF

C9

10uF

Hình 2.9: Mạch khuếch đại tín hiệu điện cơ

22

b, Tổng quan về PID

Lịch sử

Các bộ điều khiển PID trong các thiết kế bộ điều tốc xuất hiện từ những năm

1890. Các bộ điều khiển PID sau đó được phát triển trong hệ thống lái tàu (thủy) tự

động. Một trong những ví dụ sớm nhất của bộ điều khiển kiểu PID được phát triển bởi

Elmer Sperry năm 1911, trong khi tác phẩm phân tích lý thuyết đầu tiên về bộ điều

khiển PID được kỹ sư người Mỹ gốc Nga Nicolas Minorsky xuất bản, vào năm

(Minorsky 1922). Minorsky đã thiết kế các hệ thống lái tàu tự động cho Hải quân Mỹ,

và dựa trên các phân tích của ông khi quan sát người lái tàu, ông nhận thấy rằng người

lái tàu điều khiển con tàu không chỉ dựa trên sai số hiện tại, mà còn dựa vào sai số quá

khứ và tốc độ thay đổi hiện tại; điều này sau đó đã được ông toán học hóa. Hải quân

Mỹ cuối cùng đã không chấp nhận hệ thống, do sự phản đối từ nhân viên. Nghiên cứu

tương tự được tiến hành và xuất bản bởi nhiều người khác vào thập niên 1930.

Những bộ điều khiển đầu tiên là khí nén, thủy lực, hoặc cơ khí, các hệ thống điện

phát triển sau Chiến tranh Thế giới thứ II.

Cơ bản về bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế phản hồi

vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ

thốngđiều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số

các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là

hiệu số giữa giá trị đo thong số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ

thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong

trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển

tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính

toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống

nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

Hình 2.10: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

23

Gải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi

nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và vi phân, viết tắt là

P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định

tác động của tổng các sai số trước, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến

đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một

phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt.

Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào

sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số trước, và D dự đoán các sai số tương

lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều

khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều khiển

có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển

vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Lưu ý là công dụng của giải thuật

PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống.

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống.

Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0.

Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các

tác động bị khuyết . Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối

với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không

đạt được giá trị mong muốn.

Lý thuyết điều khiển PID

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba

khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV). Ta có:

Trong đó:

Pout, Iout, và Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được

xác định như dưới đây.

+ Khâu tỉ lệ

Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá

trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với

một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

Trong đó:

Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra

24

Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

e: sai số

t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu độ

lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng ).

Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm

cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp,

tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.

Hình 2.11: Đồ thị đầu ra đo được, 3 giá trị Kp (Kp, Ki, Kd là hằng số)

+ Độ trượt

Nếu không có nhiễu, điều khiển tỉ lệ thuần túy sẽ không xác lập tại giá trị mong

muốn của nó, nhưng nó vẫn duy trì một (Bản mẫu:Visible anchor) sai số ổn định trạng

thái, là một hàm của độ lợi tỉ lệ và độ lợi quá trình. Đặc biệt, nếu độ lợi quá trình-trong

khoảng thời gian dài bị trôi do thiếu điều khiển, như việc làm mát một lò nung tới

nhiệt độ phòng ( G ) và giả sử sai số xấp xỉ là hằng số, khi đó droop-độ trượt xảy ra

khi độ lợi không đổi này bằng thừa số tỉ lệ của đầu ra, Pout, với sai số là tuyến tính, G =

Kpe, do đó e = G / Kp. Khi thừa số tỉ lệ, đẩy vào thông số tới giá trị đặt, được bù chính

xác bởi độ lợi quá trình, nó sẽ kéo thông số ra khỏi giá trị đặt. Nếu độ lợi quá trình

giảm, khi làm lạnh, thì trạng thái dừng sẽ nằm dưới điểm đặt, ta gọi là "droop-độ

trượt".

Chỉ các thành phần dịch chuyển (trung bình dài hạn, thành phần tần số không) của

độ lợi quá trình mới tác động tới độ trượt-các dao động đều hoặc ngẫu nhiên trên hoặc

dưới thành phần dịch chuyển sẽ bị triệt tiêu. Độ lợi quá trình có thể thay đổi theo thời 25

gian hoặc theo các thay đổi bên ngoài, ví dụ như nếu nhiệt độ phòng thay đổi, việc làm

lạnh sẽ nhau hơn hoặc chậm hơn.

Độ trượt tỉ lệ thuận với độ lợi quá trình và tỉ lệ nghịch với độ lợi tỉ lệ, và là một

khiếm khuyết không thể tránh được của điều khiển tỉ lệ thuần túy. Độ trượt có thể

được giảm bớt bằng cách thêm một thừa số độ lệch (cho điểm đặt trên giá trị mong

muốn thực tế), hoặc sửa đổi bằng cách thêm một khâu tích phân (trong bộ điều khiển

PI hoặc PID), sẽ tính toán độ lệch thêm vào một cách hữu hiệu.

Bất chấp độ trượt, cả lý thuyết điều chỉnh lẫn thực tế công nghiệp chỉ ra rằng khâu

tỉ lệ là cần thiết trong việc tham gia vào quá trình điều khiển.

+ Khâu tích phân

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ

sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân

sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được

nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân

phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích

phân, Ki.

Hình 2.12: Đồ thị đầu ra đo được, 3 giá trị Ki (Kp, Ki, Kd là hằng số)

Thừa số tích phân được cho bởi:

26

trong đó

Iout: thừa số tích phân của đầu ra

Ki: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh

e: sai số

t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

τ: một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình

tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển.

Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể

khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch

với các hướng khác). Để tìm hiểu thêm các đặc điểm của việc điều chỉnh độ lợi tích

phân và độ ổn của bộ điều khiển, xin xem phần điều chỉnh vòng lặp

+Khâu vi phân

Hình 2.13: Đồ thị đầu ra đo được, 3 giá trị Kd (Kp, Ki, Kd là hằng số)

Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của

sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ

27

lợi tỉ lệ Kd. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả

các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd.

Thừa số vi phân được cho bởi:

trong đó

Dout: thừa số vi phân của đầu ra

Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

e: Sai số

t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính

này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân

được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng

cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu

sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có

thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn. Do đó

một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn. Chẳng hạn

như mạch bù sớm pha.

+ Tóm tắt:

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ

điều khiển PID. Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng

của giải thuật PID là:

trong đó các thông số điều chỉnh là:

Độ lợi tỉ lệ, Kp

Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ

càng lớn. Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định và dao động.

Độ lợi tích phân, Ki

Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố

càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được

triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.

Độ lợi vi phân, Kd

28

Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có

thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.

29

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

XE LĂN ĐIỆN

3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí

Tính toán hệ dẫn động cơ khí : phụ tải tĩnh của cơ cấu là do lực cản chuyền động

gây ra. Lực đó bao gồm hai thành phần chính: lực ma sát lăn trên đường đi F1, lực ma

sát trong ổ trục F2.

Thành phần F1 được xác định như sau : =

trong đó : trọng lượng của xe: =25kg.

G trọng lượng của tải: M=50kg.

f hệ số ma sát lăn: f= (0.005÷0.01), chọn f=0.01.

bán kính bánh xe: R=16mm.

Như vậy: = =

Thành phần lực ma sát trượt, trong tính toán hệ dẫn động cơ khí ta thường bỏ qua

lực ma sát trượt trong các ổ lăn :

với hệ số k ổ bi = 0.01÷0.05, chọn k= 0.05 (hệ số ma sát trượt của ổ trục)

Rời lực về bánh xe ta được thành phần lực như sau :

Vậy lực tác động lên xe là:

Xác định công suất trên trục động cơ:

V là vận tốc di chuyển của xe.m/s

F là lực cản chuyển động.N

30

n là hiệu suất các khớp nối( bộ truyền xích, ổ lăn trong hộp giảm tốc, cặp bánh răng trong hộp

giảm tốc) chọn =0.7.

Với tính toán lý thuyết như vậy kết họp với những sản phẩm có ngoài thị trường

chúng em lựa chọn động cở MY1016Z2 do Trung Quốc sản xuất.

3.2 Mô hình hóa hệ thống điều khiển

Hình 3.1: Mô hình hóa hệ thống điều khiển

3.3 Mô phỏng hệ thống cơ khí

Mô hình hoá phần cơ khí xe lăn điện

31

Tín hiệu điện cơ (EMG) Tín hiệu joystick

Khối xử lí trung tâm

Điều khiển động cơ

Hình 3.2: Mô hình cơ khí 3D của xe lăn điện

Các bộ phận bao gồm bao gồm:

1. Khung xe lăn phía dưới, dùng để đỡ, gá đặt các chi tiết và nối giữa 2 bánh

trước và bánh sau

2. Hệ thống bánh sau

3. Động cơ điều khiển.

4. Đệm ngồi

5. Bánh trước

6. Khung để chân

7. Bàn để chân

8. Đệm gối chân

10, 12. Cần nâng lưng ghế

11,14. Khung để tay

15, 16, 17, 18, 23, 24. Các loại bu lông – đai ốc để liên kết khung xe với nhau

19. Lưng ghế

20. Khung xe lăn phía trên

32

21. Bộ giảm sóc

22. Hộp đựng mạch

25. Cần gạt Joytick

Chiếc xe lăn điện này có thể ngả lưng được ở 3 góc độ, giúp người ngồi có thể

nghỉ ngơi luôn trên xe khi mệt mỏi

Hình 3.3: Xe có thể ngả được 3 góc độ

Ngoài ra chiếc xe lăn này còn có thể cụm gối tay, giúp người ngồi có thể dễ

dàng từ xe lăn sang giường hoặc sang ghế

Hình 3.4: Xe có thể tháo được cụm ghế tay dễ dàng

33

3.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển

3.1.1 Thi t k h th ng đi u khi nế ế ệ ố ề ể

Hệ thống điều khiển của mô hình là hệ thống gồm các mạch điện tử kết nối với nhau.

Nó có nhiệm vụ hiển thị thông tin, truyền tín hiệu đến các mạch xử lý và điều khiển

động cơ. Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển là phải hoạt động ổn định, chính xác, an

toàn, không bị lỗi trong quá trình hoạt động.

3.1.2 Thi t k m ch đi n tế ế ạ ệ ử

Có nhiệm vụ rất quan trọng, xử lí tất cả các tín hiệu đưa vào, các tín hiệu phản hồi để

đưa ra các tín hiệu điều khiển hợp lí và chính xác. Chính vì vậy, cần phải chọn một

con vi điều khiển có tốc độ nhanh và có độ ổn định cao. Vi điêu kiển chúng em dùng

vi điều khiên Atmega16. Đây là loại vi điều khiển đáp ứng được các yêu cầu đặt ra của

đồ án. Phần mạch điện tử được chia ra làm 2 khối chính.

Khối điều khiển động cơ :

Hai bánh chủ động được điều khiển bằng 2 động cơ thông qua bộ điều khiển PID. Bộ

điều khiển PID này sử dụng encoder để xác định vận tốc của xe lăn. Phương pháp điều

khiển này tương đối chính xác, khả năng đáp ứng hệ thống tương đối cao. Ngoài ra

còn có 1 động cơ dùng để phanh hãm.

a. Mạch xử lý trung tâm: sử dung chip Atmega8.

RG11

- in2 + in3

V-4 Vref 5

out 6V+ 7

RG2 8IC2

INA118

PC6 (RESET) 1

PD0 (RXD)2

PD1 (TXD)3

PD2 (INT0)4

PD3 (INT1)5

PD4 (XCK/T0)6

VCC 7

GND 8

PB6 (XTAL1/TOSC1)9

PB7 (XTAL2/TOSC2)10

PD5 (T1)11

PD6 (AIN0)12

PD7 (AIN1)13

PB0 (ICP)14

PB1 (OC1A)15

PB2 (SS/OC1B)16

PB3 (MOSI/OC2)17

PB4 (MISO)18

PB5 (SCK)19

AVCC 20

AREF 21

GND 22

PC0 (ADC0) 23

PC1 (ADC1) 24

PC2 (ADC2) 25

PC3 (ADC3) 26

PC4 (ADC4/SDA) 27

PC5 (ADC5/SCL) 28

IC4

ATmega8-L

IN1

GN

D2

OUT 3IC1 LM7805

GND

1

2

R8

PWM1PWM2

DIR1

DIR2

D2

220

R2GND

GND

470uF

C522pC4

D1120R

R1

+9V

-9V

GND

GND

adc1adc0

C6

RG11

- in2 + in3

V-4 Vref 5

out 6V+ 7

RG2 8IC3

INA118

120R

R5

+9V

-9V

GND

GND

adc1

C10

1 2 3 4

JP2

1 2 3 4

JP3

1 2 3 4

JP4

1 2 3 4

JP5

VCC

VCC

VCC

VCC VCC

VCC VCC

GND GND

GNDGND

PW

M1

PW

M2

DIR

1

DIR

2

ecd1

ecd2

ch1

ch2

ecd1ecd2

ch1

ch2

123

JP1

JP3

470uFC3

470uFC7

+9V

-9V

adc0

GND

IN1 1

2

3

4

5

OUT 1

IN2

OUT 2

GN

D

J1

Jac Phone2

GND

IN1 1

2

3

4

5

OUT 1

IN2

OUT 2

GN

D

J2

Jac Phone2

GND

GN

D1

VD

D2

VS

S3

RS

4

R/W

5

EN

6

D0

7

D1

8

D2

9

D3

10

D4

11

D5

12

D6

13

D7

14

A15

K16

LCD1

GND

VCC

GND

VCC

R6

BD

4B

D5

BD

6B

D7

RS

RW

E

BD4BD5BD6BD7

RSRWE

R7

D3

D6

D5

220R3

GND

D4

220R4

GND

+9V -9VGND

GND

VR110K

VR210K

C1

10uF

C2

10uF

C8

10uF

C9

10uF

12

P1

GND

Hình 3.5: mạch nguyên lý khối xử lý trung tâm.

34

Khối mạch xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển Atmega8 .Với những ưu điểm của

nó nhóm đã sử dụng vi điều khiển này trong đồ án.

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11 10

98

76

54

3 2

1

0

0

1 2

1

2

31

2

3

1 2

1

2

1

2

1 2

2 12

1

21

21

2

1

1

2

2

1

2

1

121 2

12

2

1

2 1

21

3 2 1

5678

4321

5678

4321

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

4

3

2

1

5

4

3

2

1

5

123

12341234 12341234

16151413121110987654321

2

1

2

1

2

1

2

1

21

2

1

21

2 1

Hình 3.6: mạch in khối xử lý trung tâm.

b. Mạch công suất.

Dùng IC điều khiển mạch cầu là IR2184, cho dòng điện cao, đáp ứng tần số

cao. Do mosfet dễ bị đánh thủng khi áp giữa cực G và S>20V, và để điện trở trong của

mosfet là nhỏ nhất khi mosfet mở thì Ugs>= 10V đối với mosfet IRF3205 như trong

mạch sử dụng ( khi mở Rds=0.02ohm). IC driver IR 2184 có mạch boottap để tăng

điện áp điều khiển của mosfet, đảm bảo điện áp điều khiển luôn>=10V và <=20V,

điều này giúp mosfet thông hoàn toàn, không gây tiêu tán do tỏa nhiệt trên mosfet, vì

nhiệt độ cao>150oC lớp silicon cách ly cực G với cực nền sẽ bị phá hủy làm mosfet

thông hoàn toàn dẫn đến quá dòng và phá hủy.

35

Hình 3.7: Nguyên lý mạch công suất.

36

Hình 3.8: Khối mạch cầu H.

Hình 3.9: khối điều khiển mạch cầu H.

Phân tích mạch công suất:mạch được điều khiển bởi tín hiệu xung PWM+, PWM-

và hai tín hiệu DR+ và DR-. Nếu DR- và PWM- được nối với GND ta sẽ điều khiển

tốc độ động cơ bằng PWM dương, nghĩa là: độ rộng xung mức 1 của PWM càng lớn

thì tốc độ động cơ càng nhanh. Và đạt maximum khi PWM=MAX và ngược lại, chân

PWM + lúc này nối với chân PWM của VDK, chân DR+ lúc này cấp mức 1 thì động

cơ quay thuận, cấp mức 0 thì động cơ quay nghịch. Nếu DR+ và PWM+ được nối với

5V của bord VDK thì lúc đó ta sẽ điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM âm, nghĩa là:

độ rộng xung mức 0 của PWM càng lớn thì tốc độ động cơ càng nhanh. Và đạt

37

maximum khi PWM=MIN, và ngược lại.Chân PWM- lúc này nối với chân PWM của

VDK.Chân DR- lúc này cấp mức 0 thì động cơ quay thuận, cấp mức 1 thì động cơ

quay nghịch.

c. Encoder.

Encoder nhóm sử dụng có hình như bên dưới. Khối lượng 30g. Nguồn 5VDC,

256 xung, hai pha A, B. đường kính trục 6mm. Đường kính vỏ ngoài 45mm. Tốc độ

5.000.000 xung/phút.

Hình 3.10: Encoder

3.1.3 Thi t k ch ng trình đi u khi n:ế ế ươ ề ểa. Xây dựng bài toán lập trình.

38auk hi phần cứng xong ta đi thiết lập chương trình điều khiển. Yêu cầu bài

toán là sau khi hệ thống được khởi động ta chọn hai chế độ là nút nhấn hoăc giọng nói.

38auk hi chọn 1 trong hai chế độ thì việc còn lại là ra lệnh cho xe di chuyển đến các vị

trí.

Ngôn ngữ lập trình nhóm sử dụng là lập trình bằng ngôn ngữ C.

b. Xây dựng lưu đồ thuật toán.

Xây dựng lưu đồ thuật toán sẽ giúp cho việc lập trình dễ dàng hơn, tường minh

hơn. Lưu đồ được chỉnh ra trên khổ giấy A3 sau.

38

Hình 3.11: Lưu đồ thuật toán

c. Chương trình điều khiển.

Những chú ý khi viết chương trình điều khiển.

Khi viết chương trình điều khiển cần chú ý đến các vấn đề:

Tuân thủ chặt chẽ thuật toán đã đề ra trước đó, chương trình theo đúng

và đủ các bước trong thuật toán.

Đảm bảo việc đọc các giá trị tín hiệu đúng kịp thời, tránh nhầm lẫn.

Các chương trình con thực hiện một cách nhanh gọn chính xác.

Chương trình điều khiển bao gồm chương trình chính và 3 chương trình con:

Chương trình xử lý sóng điện cơ.

Chương trình đọc giữ liệu từ joystick.

Chương trình thuật toán PID.

39

SaiSai

Thực hiện lệnh

Thực hiện lệnh

Lệnh Lệnh

Điện cơ joystick nhấn

Start

Chọn chế độ

Hình 3.12: Chương trình điều khiển

40

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

4.1 Thiết kế và thi công cơ khí chuyển động

Để thiết kế chiếc xe lăn điện, trước tiên ta phải thiết kế các bộ phận của chiếc xe

như là: Khung chính xe, cụm tựa lưng, cụm bánh sau, cụm bánh trước, cụm gối tay,

cụm để chân, hộp đựng mạch

4.1.1 Thiết kế và thi công khung xe (hình 4.1)

Hình 4.1: khung xe lăn điện

Chọn kích thước:

Khi thiết kế xe lăn các kích thước được lấy dựa theo kích thước trung bình của cơ

thể con người, do đó nhất thiieets phải đảm bảo các điều kiện sau:

Bề rộng (nhìn thẳng từ mặt người sử dụng)

Về ngang (nhìn từ bên hông người sử dụng)

Chiều cao (từ đất đến sàn, từ sàn đến tỳ tay, từ mặt sàn đến phần tựa lưng)

41

Hình 4.2: Xe lăn nhìn từ các góc độ

Thiết kế sao cho kích thước của chiếc xe phải lớn hơn kích thước bề ngang, bề

rộng, độ dài của cơ thể con người sử dụng và tuân theo các tiêu chuẩn về kích thước

không gian sử dụng xe (phải là tối thiểu để xe có thể đi vào các địa hình hẹp như: cửa

ra vào, ngõ, hẻm phố, hành lang…)

Để thuận tiện cho người sử dụng xe, thì các kích thước từ tay người xử dụng

đến các bộ phận điều khiển (phanh, lái, nâng hạ dựa lưng, tỳ chân) dễ điều khiển nhất,

tốn ít lực nhất…

Chiều cao của mặt sàn tới đất là

l = l1 - l2

Trong đó:

l: khoảng cách từ mặt sàn đến trục bánh sau. Điểm cần chú ý là trong quá trình

tính toán khoảng cách từ mặt sàn tới trục bánh sau sao cho khi điều khiển lực dồn lên

bánh xe phải là lực đẩy (do lực đẩy thường lớn hơn lực kéo).

l1: là khoảng cách từ điểm tỳ tay đến trục bánh sau khi người sử dụng cúi

xuống phía trước 10 150 (do trong quá trình điều khiển vành lăn, để dồn, tang sức

vào vành lăn thường có xu hướng nhào người về phía trước):

42

l1 = H/(2,14 .2) + (80 120) mm chọn l1 = 420mm

l2: là khoảng cách từ điểm tỳ tay đến mặt sàn, khi lái xe tay vươ ra ngoài, thành

tỳ tay nằm giữa cánh tay và thân do đó ta chọn l2 < H (2,14 .2), maetj khác điểm tỳ tay

không nên cao hơn hoặc thấp hơn khuỷu tay (tạo tư thế thoải mái cho người sử dụng

khi dừng xe) chọn l2 = 280mm.

Do đó l = 140mm

Hình 4.3: Mô hình xe lăn

Mặt khác do đại hình, đoạn đường đi rất khác nhau do đó trong quá trình tính

khung khoảng cách giữa các trục phải đảm bảo xe không bị lật, đổ trong quá trình sử

dụng trên những đoạn đường dốc và nghiêng, do đó trang quá trình tính toán khoảng

cách giữa các trục (trục bánh trước và trục bánh sau) khoảng cách giữa hai bánh sau

phải đủ rộng, dài để sao cho trọng tâm bị khống chế trong diện tích của bốn bánh xe.

43

4.1.2 Thiết kế và thi công cụm bánh sau

Hình 4.4: Thiết kế cụm bánh sau

Hình 4.5: Thi công cụm bánh sau

Việc lắp ráp đúng cụm bánh sau sẽ làm tang tuổi thọ của ừng chi tiết, đối với

cụm bnahs sau trong quá trình cân bánh là rất quan trọng vì quá trình cân vành đúng sẽ

giúp cho bánh xe không bị đảo, vành không bị cong méo, biến dạng.

Các bước lắp ráp cụm bánh sau:

44

Bước 1: lắp bạc tỳ vào trục.

Bước 2: Đóng vòng trong ổ bi thứ nhất vào trục sao cho áp sát vào mặt của bạc.

Bước 3: Lắp cả cụm trục, bạc, ổ vi vào moay ơ (đóng vòng ngoài của ở bi vào

Moay ơ.

Bước 4: Luồn ống chống bi vào trục ( cố định vòng trong của ổ bi).

Bước 5: Đóng vòng trong của ổ bi vào trục và vòng ngoài của ổ bi vào Moay ơ.

Bước 6: Lắp nan hoa vào và Moay ơ (chéo 2, chéo 4, chéo 6, chéo 8…).

Lưu ý: Để lắp nan hoa đúng kỹ thuật khi lắp giao điểm của nan hoa chéo nhau

trên mặt phẳng ngang nhất thiết phải nằm trên đường thẳng nối trung điểm của hai lỗ

trên Moay ơ và 2 lỗ trên cành (bằng cách thay đổi khoảng cách giữa tam Moay ơ và

vành thông qua ăn khớp ren giữa nan hoa và căn chỉnh nan hoa).

Đối với cụm bánh trước của xe lăn này ta chọn chéo 8, tổng số nan hoa là 36

cái.

4.1.3 Thiết kế và thi công cụm bánh trước

Hình 4.6: Thiết kế cụm bánh trước

45

Hình 4.7: Thi công cụm bánh trước

Cụm bánh trước có thể xoay được mọi hướng và làm tăng khả năng điều khiển

của xe. Cụm bánh trước gồm vành những đúc, săm, lốp, vòng bi, trục, trục càng bánh

trước.

Các bước lắp ráp cụm bánh trước:

Bước 1: lắp đóng lỗ Moay ơ trên vành 1 vào bạc trung gian 3 cho đến khi gờ lỗ

trên Moay ơ chạm vào vai trục trên bạc trung gian 3.

Bước 2: luồn lốp đặc 4 vào trục ngoài trên nửa vành 1 đồng thời đóng nốt nửa

vành 1’ vào bạc trung gian.

Như vậy bạc trung gian đóng vai trò là chốt trụ dài khống chế 4 bậc tự do.

Bước 3: bắt 3 bu lông đai ốc 8 vào 3 lỗ trên vành 1, 1’, lốp đặc 4 , thông qua vai

trục khống chế nốt 2 bậc tự do còn lại đồng thời tạo thành một khối vành, lốp, bạc

trung gian thống nhất được kẹp chặt vào nhau.

Bước 4: đóng vòng ngoài của ổ bi đỡ 2 vào vòng trong của bạc trung gian 3.

Bước 5: đóng vòng trong của ổ bi đỡ 2’ vào trục 1.

Bước 6: đưa cả cụm trục 1 và ổ bi đỡ 2’ vào bạc trung gian.

Bước 7: lắp long đen, bạc chặn vào 2 phía trục .

Bước 8: đưa cả cụm bánh trước lắp vào trục càng bánh trước .

46

4.1.4 Thiết kế và thi công cụm gối tay

Hình 4.8: Thiết kế cụm gối tay

Hình 4.9: Thi công cụm gối tay

47

Cụm gối tay là bộ phận không thể thiếu đối với các loại xe lăn, với bản thiết kế xe

lăn này cụm gối tay không những có tác dụng để cho người sử dụng gối tay lên đó mà

còn là bộ phận chốt kết cấu ngả lưng.

Hình 4.10: Cụm gối tay có thể tháo rời

Đặc biệt với chiếc xe lăn này cụm gối tay có thể tháo ra được giúp cho người

khuyết tất có thể dễ dàng xuống xe.

4.1.5 Thiết kế và thi công cụm tựa lưng

Hình 4.11: Thiết kế cụm tựa lưng

48

Hình 4.12: Thi công cụm tựa lưng

Trong quá trình sử dụng xe lăn, với những người sống và làm việc liên tục mà

phải dùng đến xe lăn trong nhiều giờ, nếu sử dụng đúng một tư thế ngồi liên tục thì sẽ

gây ra cảm giác mệt mỏi, căng thẳng dẫn đến đau nhức các cơ bắp toàn thân ( đặc biệt

là vùng lưng ) và bị tê vùng bắp chân do trọng lượng dồn vào cơ chân làm tắc nghẽn

mạch máu. Chính vì thế việc tạo ra những tư thế thoải mái là một nhu cầu bức thiết với

người sử dụng xe lăn.

Ngày nay việc tạo ra các kết cấu đơn giản nhưng hiệu quả trong sử dụng xe lăn

đã và đang trở lên phổ biến, xe lăn giờ đây ngoài tư thế ngồi cứng nhắc đã có thể biến

thành một chiếc ghế sofa hay một chiếc giường một cho người sử dụng khi muốn thay

đổi tư thế.

Do đó để thiết kế cụm tựa lưng ta phải thiết kế: tấm tựa lưng và kết cấu ngả

lưng phân cấp

4.1.5.1 Tấm tựa lưng

Tấm tựa lưng giúp người ngồi trên xe tựa vào đó khi mỏi lưng, tấm tựa lưng

gồm 2 bộ phận: thanh inox và đệm

49

Hình 4.13: Thiết kế tấm tựa lưng

Thanh inox: là bộ phận chịu lực chính khi cho ghế nằm ngả ra

Đệm: làm cho người ngồi cảm giác thoải mái

4.1.5.2 Kết cấu ngả lưng phân cấp

Là bộ phận điều chỉnh ngả lưng theo các góc độ nhất định, đối với loại kết cấu

này chế tạo đơn giản, giá thành hạ, sử dụng thuận tiện, kết cầu ngả lưng có 2 bộ phân

chính là thanh phân cấp và chuôi cầm.

Hình 4.14

Thanh phân cấp: là bộ phận dùng để ngả lưng theo góc độ nhất đinh, một

đầu của thanh gắn vào tấm tựa lưng thông qua 1 trục và 1 đầu gắn vào

chuôi cầm.

50

Chuôi cầm: giúp người ngồi trên xe có thể tự điều chỉnh được góc độ

nhất đinh dễ dàng hơn.

4.1.6 Thiết kế và thi công cụm để chân

Hình 4.15: Thiết kế cụm để chân

Hình 4.16: Thi công cụm tựa lưng

51

Cơ cấu nâng hạ chân bao gồm : bàn để chân, thanh tỳ, đệm đỡ chân

Đặc điểm của người khuyết tật là không tự điều chỉnh được đôi chân của mình

theo như mong muốn, vì thế việc bố trí cụm để chân cho xe lăn phải thuận tiện, việc

bố trí thuận tiện, không được gò bó hoặc quá thừa (dài quá hoặc ngắn quá) cụm để

chân sẽ làm cho tư thế ngồi thoải mái, không làm tắc nghẽn mạch máu.

Với loại xe lăn thông thường, hầu hết các cụm để chân được gắn cứng với

khung xe, một số loại để biến xe lăn thành một chiếc giường đơn thì cụm để chân có

thể thay đổi góc độ so với mặt sàn. Cụm để chân gồm có: thanh khớp tỳ, bàn để chân,

đệm tỳ chân.

4.1.6.1 Thanh khớp tỳ

Thanh khớp tỳ là một chi tiết dùng để tạo ra cữ tỳ của chân, đối với xe lăn bố trí

cụm để chân không thay đổi thì thanh khớp tỳ được gắn cứng vào khung xe còn đối

với xe lăn mà cụm để chân có thể thay đổi được góc độ nghiêng thì thanh tỳ được nối

với một khớp ( khớp ở đây có thể là một ổ bi hoặc một chốt ) nhằm có thể xoay quay

chốt đó để thay đổi góc nghiêng.

Chiều dài của thanh khớp tỳ bằng với chiều dài từ đầu gối người sử dụng đến

lòng bàn chân :

l = H/(1,9.2) = 1650/3,8 430 mm

Chọn đường kính của thanh là 22 mm. Vật liệu inox tròn đường kính 20mm

Hình 4.17: Thanh khớp tỳ

52

4.1.6.2 Bàn để chân

Vì bàn chân của người khuyết tật không chủ động được, mặt khác trong quá

trình di chuyển xe bị rung nên bàn để chân phải rộng và dài để tạo an toàn cho đôi

chân không bị rơi ra khỏi vùng để chân ( tránh được xây sát, va chạm ). Đôi khi để

chắc chắn người ta còn gắn vào bàn để chân một thiết bị dây an toàn để cố định bàn

chân trên bàn để châ.n

Hình 4.18: Bàn để chân

Vật liệu : Đối với bàn để chân do bàn để chân chỉ đỡ một lực nhỏ, chỉ coi như là

một điểm tỳ nên vật liệu chế tạo có thể là nhựa cứng hoặc thép, ở đây để tăng tính bền

của xe ta chọn vật liệu là thép cácbon CT35

4.1.6.3 Đệm tỳ chân

Vì thanh khớp luôn luôn nghiêng với phương thẳng đứng, mặt khác trong quá

trình di chuyển bàn chân luôn có xu hướng rời khỏi bàn để chân do độ nghiêng và quá

trình rung động do di chuyển, để khống chế không cho bàn chân trượt khỏi bàn để

chân ta gắn vào khung một tấm vải bạt mềm.

53

Hình 4.19: Đệm tỳ chân

4.1.6.4 Lắp ráp cụm để chân

Như ta đã nói ở trên, cụm để chân có thể gắn cứng với khung xe bởi mối hàn ( hồ

quang hoặc axêtilen ) hoặc có thể quay quanh một khớp để tạo ra các góc nghiêng

khác nhau. Do đó khi lắp rắp ta có một số điểm cần lưu ý như sau:

+ Đối với cụm để chân được gắn cứng vào khung xe thì thanh khớp được gắn

cứng vào khung sao cho góc nghiêng của thanh khớp tỳ so với phương thẳng đứng là

15 250 ( góc cho phép góc của chân tạo ra cảm giác thoải mái nhất).

+ Đối với cụm để chân xoay: thanh khớp được gắn vào khung qua một chốt

xoay hoặc có thể dùng ổ bi, điều kiện là thanh khớp tỳ phải tạo ra một góc 25 800 so

với phương thẳng đứng.

+ Bàn để chân chỉ được xoay một góc 1/4 ( ngược chiều kim đồng hồ ) xung

quanh thanh chặn 2 trên thanh khớp tỳ 5.

+ Để cho bàn để chân không đi xuống ta gắn thêm một núm dài phần chuôi của

thanh khớp tỳ 5.

+ Để khống chế được thanh khớp tỳ quay được một góc nằm trong khoảng 25

800 ta dùng bộ phận điều chỉnh cữ tỳ để chân. Như vậy ta được cụm để chân hoàn

chỉnh (như hình)

54

Hình 4.20: Cụm để chân

4.1.7 Thiết kế và thi công hộp đựng mạch

Hình 4.21: Thiết kế hộp đựng mạch

Hộp đựng mạch được chia là 2 tầng: 1 tầng dùng để đựng các điều khiển cho

chiêc xe lăn và tầng còn lại dùng để đựng nguồn điện (ắc quy). Hộp đựng mạch này có

kích thươc lá 270x200x200 (mm)

Sau khi lắp ráp các bộ phận xong ta được một chiếc xe lăn hoàn chỉnh

55

Hình 4.22: Xe lăn hoàn chỉnh

4.2 Thi t kế ế và thi công m ch trung tâmạ

Có nhiệm vụ rất quan trọng, xử lí tất cả các tín hiệu đưa vào, các tín hiệu phản

hồi để đưa ra các tín hiệu điều khiển hợp lí và chính xác. Chính vì vậy, cần phải chọn

một con vi điều khiển có tốc độ nhanh và có độ ổn định cao. Vi điêu kiển chúng em

dùng vi điều khiên Atmega16. Đây là loại vi điều khiển đáp ứng được các yêu cầu đặt

ra của đồ án. Phần mạch điện tử được chia ra làm 2 khối chính.

Khối điều khiển động cơ :

Hai bánh chủ động được điều khiển bằng 2 động cơ thông qua bộ điều khiển

PID. Bộ điều khiển PID này sử dụng encoder để xác định vận tốc của xe lăn. Phương

pháp điều khiển này tương đối chính xác, khả năng đáp ứng hệ thống tương đối cao.

Ngoài ra còn có 1 động cơ dùng để phanh hãm.

4.2.1 M ch x lý trung tâm: ạ ử s dung chip Atmega8.ử

56

RG11

- in2 + in3

V-4 Vref 5

out 6V+ 7

RG2 8IC2

INA118

PC6 (RESET) 1

PD0 (RXD)2

PD1 (TXD)3

PD2 (INT0)4

PD3 (INT1)5

PD4 (XCK/T0)6

VCC 7

GND 8

PB6 (XTAL1/TOSC1)9

PB7 (XTAL2/TOSC2)10

PD5 (T1)11

PD6 (AIN0)12

PD7 (AIN1)13

PB0 (ICP)14

PB1 (OC1A)15

PB2 (SS/OC1B)16

PB3 (MOSI/OC2)17

PB4 (MISO)18

PB5 (SCK)19

AVCC 20

AREF 21

GND 22

PC0 (ADC0) 23

PC1 (ADC1) 24

PC2 (ADC2) 25

PC3 (ADC3) 26

PC4 (ADC4/SDA) 27

PC5 (ADC5/SCL) 28

IC4

ATmega8-L

IN1

GN

D2

OUT 3IC1 LM7805

GND

1

2

R8

PWM1PWM2

DIR1

DIR2

D2

220

R2GND

GND

470uF

C522pC4

D1120R

R1

+9V

-9V

GND

GND

adc1adc0

C6

RG11

- in2 + in3

V-4 Vref 5

out 6V+ 7

RG2 8IC3

INA118

120R

R5

+9V

-9V

GND

GND

adc1

C10

1 2 3 4

JP2

1 2 3 4

JP3

1 2 3 4

JP4

1 2 3 4

JP5

VCC

VCC

VCC

VCC VCC

VCC VCC

GND GND

GNDGND

PWM

1

PWM

2

DIR

1

DIR

2

ecd1

ecd2

ch1

ch2

ecd1ecd2

ch1

ch2

123

JP1

JP3

470uFC3

470uFC7

+9V

-9V

adc0

GND

IN1 1

2

3

4

5

OUT 1

IN2

OUT 2

GN

D

J1

Jac Phone2

GND

IN1 1

2

3

4

5

OUT 1

IN2

OUT 2

GN

D

J2

Jac Phone2

GND

GN

D1

VD

D2

VSS

3RS

4R/

W5

EN6

D0

7D

18

D2

9D

310

D4

11D

512

D6

13D

714

A15

K16

LCD1

GND

VCC

GND

VCC

R6

BD4

BD5

BD6

BD7

RS RW E

BD4BD5BD6BD7

RSRWE

R7

D3

D6

D5

220R3

GND

D4

220R4

GND

+9V -9VGND

GND

VR110K

VR210K

C1

10uF

C2

10uF

C8

10uF

C9

10uF

12

P1

GND

Hình 4.23: mạch nguyên lý khối xử lý trung tâm.

4.2.2 Kh i m ch x lý trung tâm: ố ạ ử s d ng vi đi u khi n Atmega8 .V i nh ng ử ụ ề ể ớ ữ

u đi m c a nó nhóm đã s d ng vi đi u khi n này trong đ án.ư ể ủ ử ụ ề ể ồ

57

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11 10

98

76

54

3 2

1

0

0

1 2

1

2

31

2

3

1 2

1

2

1

2

1 2

2 12

1

21

21

2

1

1

2

2

1

2

1

121 2

12

2

1

2 1

21

3 2 1

5678

4321

5678

4321

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

4

3

2

1

5

4

3

2

1

5

123

12341234 12341234

16151413121110987654321

2

1

2

1

2

1

2

1

21

2

1

21

2 1

Hình 4.24: mạch in khối xử lý trung tâm.

58

CHƯƠNG 5 Đánh giá và hướng phát triển xe lăn điện

5.1 Đánh giá xe lăn đi nệ

Hiện nay việc ứng dụng của công trình vào việc điều khiển tối ưu tốc độ xe lăn

điện được áp dụng tương đối nhiều ở các nước phát triển, riêng ở nước ta cần được sử

dụng rộng rãi hơn, một mặt để áp dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống để không bị tụt

hậu, mặt khác nhằm tạo điều kiện thích ứng tốt nhất cho những người khuyết tật,

những con người khó khăn trong cuộc sống.

Đề tài mang tính khoa học và khả năng ứng dụng thực tế cao, việc sử dụng bộ

điều khiển tối ưu trong xe lăn điện đã góp phần tăng tính thuận tiện trong việc sử dụng

cho người sử dụng, đồng thời tiết kiệm năng lượng hoạt động cho xe điện (tiết kiệm

khoảng 15% tổng năng lượng tiêu hao trong quá trình vận hành xe).

Công trình thiết kế bộ điều khiển xe lăn thông minh đã được thiết kế thi công

tương đối hoàn chỉnh, nhóm nghiên cứu mong trong thời gian tới sẽ sản suất phục vụ

những người anh em khuyết tật, giúp họ dễ dàng hội nhập hơn trong cuộc sống.

5.2 H ng phát tri n xe lăn đi nướ ể ệ

Hướng phát triển của đề tài là ứng dụng thực tế rộng rãi trong việc sử dụng bộ

điều khiển tối ưu tốc độ cho xe lăn điện và các hệ thống xe điện khác.

Sử dụng kết hợp giữa nguồn năng lượng acquy và năng lượng mặt trời nhằm

tạo ra một bộ nguồn liên tục cung cấp cho xe hoạt động, bằng cách thiết kế những tấm

hấp thu năng lượng mặt trời được bố trí bên trên hệ thống mái che, từ đó có thể tạo ra

nguồn năng lượng liên tục cung cấp cho động cơ hoạt động.

Sử dụng Hall_Sensor thay cho biến trở nhằm đảm bảo độ bền cơ và dễ dàng

hơn trong việc điều khiển tốc độ xe.

59

TÀI LIỆU THAM KHẢO- Đồ án “Thiết kế và thi công xe lăn điện”, Th.S Trần Viết Thắng.

- Đồ án “Ứng dụng solidworks trong thiết kế xe lăn”, Th.S Nguyễn Hoa

Đăng.

- Picvietnam.com

- Alldatasheet.com

- Microchip.com

60

PHỤ LỤC

61