(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi với sự hướng dẫn của
PGS.TS. Ngô Văn Thuyên.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Hữu Trường

iii


LỜI CẢM TẠ

Đầu tiên, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS. Ngô Văn Thuyên,
Thầy là người trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện đề tài ngay từ lúc bắt đầu xây dựng
cho đến khi thực hiện và hồn thành. Trong q trình thực hiện đề tài thầy thường
xuyên đặt ra các bài toán với mức độ tăng dần và có những gợi ý giúp tơi giải quyết
các vấn đề khó khăn gặp phải. Thầy ln theo sát kiểm tra tận tình và chu đáo tiến độ
thực hiện đề tài.
Đồng thời, học viên xin cảm ơn quý Thầy, Cô bộ môn trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để em học tập, nghiên
cứu hoàn thành luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã là chỗ dựa,
nguồn động viên tinh thần và đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình
thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!
TP.Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2018

Học viên

Nguyễn Hữu Trường

iv


T M TẮT

Nghiên cứu này trình bày thiết kế của cảm biến đo lực bước đi. Thiết bị cho phép đo
các thông số cơ bản là lực và hướng di chuyển của lực bước chân. Sử dụng các dữ liệu
được thu thập bởi các tấm lực cùng với hình học cơ thể và vận tốc, nó đã có thể tìm ra
chiều dài sải chân tối ưu cho từng cá nhân. Mục đích của dự án này là để tìm hiểu cách
thay đổi chiều dài của sải chân của con người ảnh hưởng đến tổng thể của dáng đi. Với
một tấm lực ba trục được nghiên cứu và thiết kế chế tạo, có thể xác định dữ liệu bước
chân của từng cá nhân và đưa ra chiều dài sải chân tối ưu cho họ. Tấm lực này có thể
được sử dụng trong y học, khi mà các bác sĩ cần chẩn đốn thương tích chân cho bệnh
nhân thơng qua các dữ liệu thu nhận được. Tấm lực này cũng được ứng dụng trong xây
dựng khi mà các kỹ sư cần tính tốn thiết kế cầu thang cho cơng trình.
Sau khi tính tốn, thiết kế thì học viên đã lựa chọn chế tạo cảm biến lực dạng nhẫn để
ứng dụng vào chế tạo cảm biến đo lực bước đi. Phần mềm Solidworks được sử dụng để
thiết kế cảm biến lực và tác giả mô phỏng cảm biến trên phần mềm Ansys. Tiếp theo,
tác giả tính tốn các giá trị tải trọng, điểm ứng lực, thay đổi tọa độ hệ thống, thay đổi
của hệ quy chiếu, tính tốn tâm áp lực, tấm đệm, ma trận lý tưởng của thiết bị cảm biến
đo lực bước đi. Sử dụng bộ lọc Kalman để khử nhiễu tín hiệu thu thập được từ thiết bị
cảm biến đo lực bước đi.

Tác giả trình bày các kết quả thực nghiệm khi đo các kết quả thử nghiệm mơ hình với
các vector lực đơn phương, thử nghiệm mơ hình với một vector lực tổng hợp và thử
nghiệm mơ hình với bước chân di chuyển của con người.

v


ABSTRACT

This paper presents the design of the stepping force sensor. The device allows the
measurement of the basic parameters of force and direction of movement of the foot.
Using the data collected by the force plate together with the body geometry and
velocity, it was able to find the optimal stride length for each individual. The purpose
of this project is to learn how to change the length of human stride that affects the
overall gait. With a triaxial sheet designed and researched, it is possible to identify
individual footprint data and provide the optimal stride length for them. This force can
be used in medicine, where doctors need to diagnose foot injury to the patient through
the data obtained. This force is also used in construction where engineers need to
calculate the design of the stairs for the building.
After design, the students chose to make ring force sensor for use in m aking stepping
force sensor. Solidworks software is used to design force sensors and sensor emulators
on ANSYS software. Next, the author calculates load values, stress points, change of
system coordinates, change of reference frame, calculation of pressure center, pad,
ideal matrix of sensor force walk. Use the Kalman filter to suppress the signal collected
from the stepper force sensor.
The author presents empirical results when measuring modeling results with
unidirectional force vectors, testing the model with a synthetic force vector, and testing
the model with human movement footprints.

vi

MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ..............................................................................................................iv
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................................iv
LỜI CẢM TẠ............................................................................................................................iv
T M T T..................................................................................................................................v
ABSTRACT..............................................................................................................................vi
DANH SÁCH CH

VI T T T ..................................................................................................x

DANH SÁCH CÁC H NH .........................................................................................................xi
DANH SÁCH CÁC BẢNG......................................................................................................xiii
CH

NG 1: T NG QUAN CẢM BI N ĐO LỰC B ỚC ĐI.......................................................1

1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu.............................................................................................1
1.2 Mục tiêu đề tài ......................................................................................................................3
1.3 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................................3
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài ..................................................................................4
1.5 Phương pháp nghiên cứu........................................................................................................4
1.6 Nội dung đề tài......................................................................................................................4
CH

NG 2: C SỞ LÝ THUY T..............................................................................................6

2.1 Lịch sử phát triển ..................................................................................................................6
2.2 Các cơ cấu hỗ trợ chân khác ................................................................................................. 10

2.3 Đặc tính vật liệu nhơm A7075 .............................................................................................. 12
2.3.1 Đặc tính kỹ thuật .............................................................................................................. 12
2.3.2 Ứng dụng thực tiễn ........................................................................................................... 12
2.4 Cảm biến lực loadcell .......................................................................................................... 13
2.3.1 Khái niệm về loadcell .................................................................................................... 13
2.3.2 Khái niệm về strain gauge .............................................................................................. 14
2.3.2 Mạch cầu Wheatstone.................................................................................................... 15
2.3.2 Tính tốn các thơng số đặc trưng của cảm biến lực (loadcell) ........................................... 16
2.5 Bộ lọc Kalman .................................................................................................................... 20
2.5.1 Giới thiệu ..................................................................................................................... 20

vii


2.5.2 Bộ lọc Kalman rời rạc................................................................................................... 21
2.5.2.1 Quá trình ước lượng ............................................................................................. 21
2.5.2.2 Bản chất tính tốn của bộ lọc ................................................................................ 22
2.5.2.3 Bản chất thống kê của bộ lọc ................................................................................ 23
2.5.2.4 Giải thuật lọc Kalman rời rạc ................................................................................ 24
CH

NG 3: CƠNG NGH T NH TỐN VÀ THI T K .......................................................... 27

3.1 Tính tốn chế tạo loadcell và tấm đo lực ............................................................................... 27
3.1.1 Chọn lựa strain gauge .................................................................................................... 27
3.1.2 Tính tốn và thiết kế gối đỡ............................................................................................ 28
3.1.2 Thiết kế bàn đo lực bước chân........................................................................................ 30
3.2 Các giá trị tính tốn thiết bị cảm biến đo lực bước đi.............................................................. 31
3.2.1 Tính tốn các giá trị tải trọng.......................................................................................... 31
3.2.2 Tính tốn điểm ứng lực .................................................................................................. 32

3.2.3 Thay đổi tọa độ hệ thống................................................................................................ 33
3.2.4 Thay đổi của hệ quy chiếu ............................................................................................. 35
3.2.5 Tính tốn tâm áp lực ...................................................................................................... 36
3.2.6 Tấm đệm ...................................................................................................................... 40
3.2.7 Ma trận lý tưởng ........................................................................................................... 42
3.2.8 Tính tốn trên nhiều tấm lực .......................................................................................... 45
3.3 Tính tốn thiết kế mạch khuếch đại thuật toán ....................................................................... 49
3.4 Xây dựng bộ lọc Kalman ..................................................................................................... 50
3.5 Thử nghiệm với loadcell ...................................................................................................... 52
3.6 Chương trình mạch chủ thu thập dữ liệu................................................................................ 52
CH

NG 4: MÔ H NH CỦA CẢM BI N ĐO LỰC B ỚC ĐI................................................. 54

4.1 Giới thiệu mơ hình .............................................................................................................. 54
4.2 Hình ảnh thực tế thiết bị cảm biến đo lực bước đi .................................................................. 54
4.3 Thử nghiệm mơ hình với vector lực đơn phương ................................................................... 55
4.3.1 Mơ tả thí nghiệm .......................................................................................................... 55
4.3.2 Kết quả và đánh giá ...................................................................................................... 57
4.4 Thử nghiệm mơ hình với một vector lực ................................................................................ 58

viii


4.4.1 Mơ tả thí nghiệm........................................................................................................... 58
4.4.2 Kết quả và đánh giá....................................................................................................... 58
4.5 Thử nghiệm mơ hình với bước đi chuyển động của người ...................................................... 60
4.5.1 Mơ tả thí nghiệm ........................................................................................................... 60
4.5.2 Kết quả và đánh giá ....................................................................................................... 60
4.5 Kết luận .............................................................................................................................. 63

CH

NG 5: K T LU N VÀ H ỚNG PHÁT TRI N............................................................... 64

5.1 Kết quả đạt được của đề tài .................................................................................................. 64
5.2 Hạn chế .............................................................................................................................. 64
5.3 Hướng phát triển ................................................................................................................. 64
TÀI LI U THAM KHẢO ......................................................................................................... 66
PHỤ LỤC................................................................................................................................. 68

ix


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
HAL: Hybrid Assistive Limb
IAROM: Iowa ankle range of motion
MIT: Massachusetts Institute of Technology
CP: Center of Pressure

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Một số ứng dụng của cảm biến đo lực bước đi...............................................................1
Hình 1.2: Thiết bị cảm biến đo lực của cơng ty Kistler ..................................................................2
Hình 1.3: Thiết bị cảm biến đo lực của cơng ty Bertec ..................................................................2

Hình 1.4: Thiết bị cảm biến đo lực của phịng thí nghiệm Kwon3d ................................................3
Hình 2.1: Thiết bị cảm biến đo lực bước đi của cơng ty Contemplas ..............................................7
Hình 2.2: Thiết bị cảm biến đo lực của phịng thí nghiệm Kwon3d ................................................8
Hình 2.3: Thiết bị cảm biến đo lực bước đi của cơng ty Bertec ......................................................9
Hình 2.4: Ngun lý hoạt động cảm biến đo lực bước đi ...............................................................9
Hình 2.5: Bộ khung xương HAL ............................................................................................... 10
Hình 2.6: Thiết bị đo khớp thụ động IAROM ............................................................................. 11
Hình 2.7: Thiết bị đo khớp cổ chân chủ động của Roy ................................................................ 11
Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của một loadcell ........................................................................ 13
Hình 2.9: Cấu tạo của một strain gauge điển hình ....................................................................... 14
Hình 2.10: Cấu trúc của strain gauge ......................................................................................... 14
Hình 2.11: Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động...................................................................... 15
Hình 2.12: Sơ đồ mạch cầu Wheatstone ..................................................................................... 16
Hình 2.13: Loadcell khi khơng có lực tác động........................................................................... 16
Hình 2.14: Loadcell khi có lực tác động ..................................................................................... 16
Hình 2.15: Sơ đồ điện cho cảm biến Loadcell............................................................................. 16
Hình 2.16: Sơ đồ điện áp ra....................................................................................................... 17
Hình 2.17: Sơ đồ tương đương .................................................................................................. 18
Hình 2.18: Sơ đồ tính tổng trở ................................................................................................... 19
Hình 2.19: Quy trình của bộ lọc Kalman .................................................................................... 25
Hình 2.20: Quy trình hồn chỉnh của bộ lọc Kalman ................................................................... 26
Hình 3.1: Chọn phương án thiết kế ............................................................................................ 28
Hình 3.2: Kích thước cảm biến .................................................................................................. 28
Hình 3.3: Chia lưới dùng Ansys ................................................................................................ 29

xi


Hình 3.4: Kết quả mơ phỏng Ansys ........................................................................................... 29
Hình 3.5: Mối tương quan giữa các bề mặt bị ảnh hưởng và phương của lực tác động ................... 29

Hình 3.6: Cảm biến dạng nhẫn, vị trí đặt và mạch cầu Wheatstone .............................................. 30
Hình 3.7: Loadcell sau khi được chế tạo hồn thiện .................................................................... 30
Hình 3.8: Cách bố trí loadcell trong tấm đo lực .......................................................................... 31
Hình 3.9: Hệ tọa độ tính tải trọng .............................................................................................. 32
Hình 3.10: Lực F và điểm của các ứng lực ................................................................................. 33
Hình 3.11: Các phản ứng tải lên bề mặt...................................................................................... 35
Hình 3.12: Tâm áp lực .............................................................................................................. 37
Hình 3.13: Thời điểm lực tác động ban đầu ................................................................................ 37
Hình 3.14: Lực tác dụng tương đương ....................................................................................... 39
Hình 3.15: Hệ tọa độ tấm đệm................................................................................................... 41
Hình 3.16: Hệ tọa độ nhiều tấm lực ........................................................................................... 46
Hình 3.17: Sơ đồ khối IC Hx711 ............................................................................................... 50
Hình 3.18: Sơ đồ khối mạch điện............................................................................................... 51
Hình 3.19: Kết quả thử nghiệm với bộ lọc Kalman ..................................................................... 52
Hình 3.20: Lưu đồ giải thuật ..................................................................................................... 53
Hình 4.1: Mơ hình thiết bị cảm biến đo lực bước đi .................................................................... 54
Hình 4.2: Thiết bị cảm biến đo lực bước đi ................................................................................ 55
Hình 4.3: Máy nén MQSY 500 ................................................................................................. 57
Hình 4.4: Khi lực tác động theo phương x .................................................................................. 57
Hình 4.5: Khi lực tác động theo phương y .................................................................................. 58
Hình 4.6: Tấm đo lực với các thử nghiệm các lực tác động ở các góc độ khác nhau ...................... 59
Hình 4.7: Kết quả thực nghiệm bước đi (bước 1) ........................................................................ 61
Hình 4.8: Kết quả thực nghiệm bước đi (bước 2) ........................................................................ 62
Hình 4.9: Kết quả thực nghiệm bước đi (bước 3) ........................................................................ 63

xii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Tính chất cơ học của hợp kim Nhôm A7075 ............................................................... 12
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật máy nén thủy lực MQSY 100 ......................................................... 56

xiii


Chƣơng 1.

Tổng Quan về Cảm Biến Đo Lực Bƣớc Đi
1.1 Tổng qu n ề hƣớng nghiên cứu
Cảm biến đo lực bước đi là thiết bị dùng để đo lực bàn chân con người đưa ra các cơ sở
dữ liệu, từ đó phân tích dáng đi con người. Các lực tác dụng từ bàn chân con người lên
cảm biến đo lực bước đi của mỗi người khác nhau. Tuy nhiên, t ừ những dữ liệu thu
thập được trên hàng lo ạt thí nghiệm sẽ đưa ra được các biểu đồ lực, dựa vào đó ta có
phân tích dáng đi của con người, tình trạng sức khỏe của mỗi người.
Hiện nay, trên thế giới đã có những nghiên cứu về phát triển cảm biến đo lực bước đi
và được ứng dụng chủ yếu trong y học và thể thao. Trong y học, các bác sĩ dựa vào lực
bước chân của bệnh nhân tác động lên cảm biến đo lực bước đi, từ đó phân tích các dữ
liệu có được để chẩn đốn tình trạng sức khỏe khớp chân của bệnh nhân. Trong thể
thao, các vận động viên điền kinh sẽ bước trên các tấm lực, huấn luyện viên dựa vào
lực tác dụng lên cảm biến đo lực bước đi để phân tích, đánh giá và đưa ra kết quả sải
chân tối ưu cho từng vận động viên, để họ có thể bước đi nhanh và ít tốn lực nhất giúp
họ giữ được thể trạng tốt cho những bước chạy đường dài. Hình 1.1 mô tả ứng dụng
của cảm biến đo lực bước đi:

Hình 1.1: Một số ứng dụng của cảm biến đo lực bước đi

1


Với sự phát triển của máy tính, những người nghiên cứu dáng đi đã có thể tạo ra các
mơ hình phức tạp và mơ phỏng các loại hình di chuyển khác nhau. Hiện tại, khoa học
về phân tích dáng đi dựa hồn tồn vào việc sử dụng máy tính. Có rất nhiều nghiên cứu
lâm sàng được tiến hành trên dáng đi những người có thể chất suy yếu của các bệnh
nhân.
Hiện nay, trên thế giới có những cảm biến đo lực bước đi như sau:
- Thiết bị cảm biến đo lực của công ty Kistler được sản xuất ứng dụng trong thể thao,
giúp các huấn luyện viên và bác sĩ theo dõi tình trạng sức khỏe cũng như có những bài
tập cho vận động viên như Hình 1.2:

Hình 1.2: Thiết bị cảm biến đo lực của công ty Kistler
- Thiết bị cảm biến đo lực của công ty Bertec là s ản phẩm được sản xuất nhằm ứng
dụng trong y học, thể thao và xây dựng như Hình 1.3:

Hình 1.3: Thiết bị cảm biến đo lực của công ty Bertec
- Thiết bị cảm biến đo lực ở phịng thí nghiệm Kwon3d, ứng dụng nghiên cứu tập

2


trung vào các vận động viên thể thao như điền kinh, bóng chày như Hình 1.4:

Hình 1.4: Thiết bị cảm biến đo lực của phịng thí nghiệm Kwon3d
Hiện nay, các cơng ty hay phịng thí nghiệm ngày càng hướng tới cải tiến những tấm
lực đều dựa vào loadcell.

u điểm của loadcell là có thể đo được những tải trọng lớn

và chính xác. Tuy nhiên, bên c ạnh đó nhược điểm là những tín hiệu điện áp đầu ra của
loadcell rất nhỏ (thường khơng q 30mV) vì vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại
nhiễu.

1.2 Mục iêu đề tài
Mục tiêu đề tài là thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi dựa trên cơ cấu dùng
loadcell đo biến dạng trên bề mặt tác dụng lực, từ đó xuất dữ liệu ra máy tính giúp bác
sĩ chẩn đốn tình trạng sức khỏe bệnh nhân. Ứng dụng vào lĩnh vực thể thao nhằm giúp
các vận động viên có thể kiểm sốt được tình trạng cơ thể để các huấn luyện viên có
thể đưa ra các bài tập tối ưu. Ngồi ra, chúng ta cịn có thể ứng dụng vào lĩnh vực xây
dựng như làm bậc thang trong các cơng trình xây dựng.

1.3 Đối ƣợng nghiên cứu
Thiết bị dùng để hỗ trợ bác sĩ nghiên cứu, chẩn đoán bệnh về xương khớp của người và

3


ứng dụng trong thể thao để giúp các vận động viên có thể nắm bắt tình trạng cơ thể và
đưa ra các bài tập tối ưu vì vậy đối tượng nghiên cứu tập trung chủ yếu tới bệnh nhân
và vận động viên thể thao.

1.4 Nhiệ

ụ nghiên cứu

giới hạn đề

i

Đề tài thực hiện theo nội dung “Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực bước đi” với mục
đích dùng thiết bị này để giúp ích trong lĩnh vực y tế, thể thao và xây dựng. Vì u cầu
độ chính xác cao, nên đề tài cần thực nghiệm nhiều lần và sử dụng nhiều thiết bị khác
nhau trên bệnh nhân, từ đó hình thành cơ sở dữ liệu cho tính tốn và tìm được phương
pháp tìm giá trị gần sát với thực tế nhất.
Đề tài được thực hiện trong phịng thí nghiệm và chỉ thực hiện thiết kế chế tạo một
thiết bị cảm biến đo lực bước đi vì vậy tập trung nghiên cứu vào những ứng lực tác
động lên thiết bị và được hiển thị trên máy tính.

1.5 Phƣơng ph p nghiên cứu
a) Phương pháp tham khảo tài liệu:
Dùng phương pháp này để thu thập thông tin những đề tài đã nghiên cứu, tham khảo
phương pháp và quá trình thực hiện, kết quả đạt được từ đó làm cơ sở cho đề tài đang
nghiên cứu.
b) Phương pháp thực nghiệm:
Kết quả thực nghiệm làm cơ sở cho q trình chứng minh mơ hình và cũng là nhân tố
xây dựng cơ sở dữ liệu cho các biểu đồ thể hiện giá trị các thông số mong muốn.

1.6 Nội dung đề tài
Nội dung phần còn lại của đề tài gồm các chương như sau:
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

4


Tác giả giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo lực
bước đi. Các thiết bị hỗ trợ chân khác đang được nghiên cứu và sản xuất hiện nay.
Phần tiếp theo là giới thiệu về nhơm A7075, trình bày tổng quan về cảm biến lực, bộ
lọc Kalman.

 Chương 3: Cơng nghệ tính tốn và thiết kế
Phần đầu chương 3 trình bày thiết kế chế tạo cảm biến lực dạng nhẫn, thiết kế và mơ
phỏng cảm biến trên phần mềm Ansys. Tiếp theo tính toán các giá trị tải trọng, điểm
ứng lực, thay đổi tọa độ hệ thống, thay đổi của hệ quy chiếu, tính tốn tâm áp lực, tấm
đệm, ma trận lý tưởng của thiết bị cảm biến đo lực bước đi. Tính toán thiết kế mạch
khuếch đại thuật toán và xây dựng bộ lọc Kalman.
 Chương 4: Mơ hình của cảm biến đo lực bước đi
Tác giả giới thiệu mơ hình được thiết kế trên phần mềm Solidworks và mơ hình thực tế
chế tạo. Tác giả trình bày các kết quả thực nghiệm mơ hình.
 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Nội dung chương 5 trình bày tóm tắt các kết quả mà đề tài đã đạt được, hạn chế và
hướng phát triển để khắc phục những giới hạn nhằm hoàn thiện đề tài tốt hơn.

5


Chƣơng 2.

Cơ Sở Lý Thuyết

2.1 Lịch sử phát triển
Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo lực bước đi của con người được các nhà khoa học
nghiên cứu từ hàng thập kỷ trước, dựa trên những nghiên cứu về phân tích dáng đi c ủa
con người của những nhà khoa học đi trước. Những thiết bị được chế tạo nhằm mục
đích nghiên cứu, phân tích dáng đi c ủa con người càng ngày càng cải tiến dựa vào
những nghiên cứu tiên phong như sau:
- Nguồn gốc của phân tích dáng đi có thể được bắt nguồn từ năm 1682, khi một nhà
toán học và thiên văn học nổi tiếng người Ý là Giovani Borelli đã viết “De Motu
Animalum” (Chuyển động của động vật) [1].
- Việc đo lực tác dụng lên bề mặt đất là nguồn thông tin giá trị trong nghiên cứu về

chuyển động của con người. Nigg (1994) báo cáo về sự phát triển của người tiên
phong (Carlet, 1972; Marey, 1873), những người sản xuất bộ cảm biến khí nén có
khả năng đo các lực giữa chân và mặt đất. Marey thành lập hướng nghiên cứu vào
chân cho khả năng di chuyển, và đã được phát triển gần đây sử dụng dịng hiệu
chỉnh cảm biến (ví dụ: Soames, Blake, Stott, Goodbody and Brewerton, 1982;
Gerber, 1982). Ý tưởng sử dụng một tấm cố định cho lực đo lường được mở rộng
bởi Elftman (1939) mô tả một công cụ mới mà ông đã mô tả trong một bài báo xuất
bản trong năm trước đó [2].
- Năm 1895, một tiến bộ khác đối với khoa học cơ học con người bởi Wilhelm và

6


Otto Fischer. Họ là người đầu tiên xác định quỹ đạo ba chiều, vận tốc và gia tốc của
các phân đoạn cơ thể. Họ sử dụng đèn huỳnh quang trên tay chân, dữ liệu mà họ có
được từ những hình ảnh này, kết hợp với khối lượng của các phân đo ạn cơ thể cho
phép người đàn ơng ước tính các lực liên quan ở tất cả các giai đoạn trong chu kỳ đi
bộ [1].
- Vào thập niên 1940, hai kỹ sư Cunningham và Brown t ại Đại học California đã phát
triển một tấm lực bằng cách sử dụng máy đo biến dạng. Các thành viên của nhóm
thực hiện các tính tốn tự do cho khớp hơng, đầu gối và mắt cá chân. Họ nghiên cứu
xem xét lực phản ứng trên bề mặt đất, ảnh hưởng của lực hấp dẫn và lực qn tính.
Cơng việc của họ hình thành được cơ sở cho nhiều mơ hình dáng đi hiện tại [1].
- Đến năm 1960, mọi người bắt đầu tự hỏi về các khía cạnh khác nhau c ủa dáng đi,
chẳng hạn như làm thế nào để biết về sự phát triển ở trẻ em và sự suy giảm ở cơ thể
khi ta già đi theo tuổi tác. Tại thời điểm này, nhiều cơng cụ để phân tích dữ liệu ghi
lại dáng đi rất phức tạp [1].
Hiện nay, một số công trình nghiên c ứu và đưa vào sản xuất thiết bị cảm biến đo lực
bước đi nhằm ứng dụng trong y học, xây dựng và thể thao điển hình như các công ty
Kistler, công ty Comtemplas, công ty Bertec và phịng thí nghiệm Kwon3d:

- Thiết bị cảm biến đo lực của công ty Contemplas:

7


Hình 2.1: Thiết bị cảm biến đo lực bước đi của công ty Contemplas
Công ty Contemplas chuyên sản xuất những tấm lực đo bước chân con người, giúp các
bác sĩ chẩn đốn tình trạng khớp xương bệnh nhân. Đối với các bệnh nhân bị chấn
thương về xương chân, các bác sĩ sẽ cho bệnh nhân tập những bài tập đi bộ có cơng cụ
hỗ trợ và đi qua các tấm lực để có thể theo dõi tình trạng sức khỏe xương khớp của
bệnh nhân và đưa ra những chẩn đoán cụ thể và có những biện pháp y học để giúp
bệnh nhân hồi phục tốt nhất.
- Thiết bị cảm biến đo lực của phịng thí nghiệm Kwon3d do giáo sư Young-Hoo
Kwon và nhóm nghiên cứu thực hiện:
Thiết bị cảm biến đo lực tập trung nghiên c ứu vào các vận động viên thể thao. Mục
đích để biết lực của bàn chân lên bề mặt đất là như thế nào mỗi khi vận động viên thực
hiện một động tác thể thao, từ đó ta có thể phân tích lực tác động của mỗi vận động
viên như thế nào để giúp vận động viên có thể thực hiện những động tác thể thao tốt
hơn và biết được thể trạng cơ thể để kiểm sốt tình trạng sức khỏe bản thân.

Hình 2.2: Thiết bị cảm biến đo lực của phịng thí nghiệm Kwon3d
- Thiết bị cảm biến đo lực bước đi của công ty Bertec:

8


Hình 2.3: Thiết bị cảm biến đo lực bước đi của công ty Bertec
Thiết bị cảm biến đo lực bước đi dựa trên phân tích dáng đi của bệnh nhân bị gãy chân
và đang trong quá trình hồi phục. Việc bước trên những tấm lực cho ta biết được tình
trạng hồi phục của bệnh nhân để bác sĩ có thể theo dõi và có những biện pháp y học để

giúp bệnh nhân hồi phục tốt nhất. Ngoài ra, thiết bị cịn ứng dụng trong ngành xây
dựng, ví dụ trong làm cầu thang. Khi ta thí nghiệm lực tác dụng từ bước chân lên hai
tấm lực theo từng chiều cao khác nhau. Sau khi phân tích dữ liệu ta xác định được cơ
thể cần tiêu tốn ít lực nhất để có thể bước đi trên các bậc thang, giúp ta có thể thiết kế
xây dựng những bậc thang tối ưu nhất cho cơng trình.
Ngun lý hoạt động chung của cảm biến đo lực bước đi:

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động cảm biến đo lực bước đi
Hình 2.4 là nguyên lý hoạt động của một tấm lực. Các tín hiệu từ tấm lực sẽ được
khuếch đại bởi bộ khuếch đại và đưa đến bộ chuyển đổi A/D trong máy tính. Các tín
hiệu Analog được chuyển thành thông tin kỹ thuật số (số) của bộ chuyển đổi A/D. Như

9


vậy, kết quả đầu ra cuối cùng của hệ thống là mức số điện áp của các kênh với các đơn
vị được chuyển đổi A/D.

2.2 C c cơ cấu hỗ trợ chân khác
Công ty Cyberdyne của Nhật Bản sản xuất bộ khung xương có tên gọi HAL (Hybrid
Assistive Limb) cho các chi dưới của người bệnh [3]. HAL có chức năng giúp bệnh
nhân béo phì, xơ cứng, teo cơ, teo cột sống… có thể vận động và đi lại được.
HAL được trang bị các cảm biến đặc biệt có khả năng phát hiện những tín hiệu do hệ
thống thần kinh truyền tới. Nó sẽ biến những xung thần kinh này thành chuyển động
của khung xương gắn với chi bị liệt mà khơng cần tới sự trợ giúp từ bên ngồi. Nhờ đó,
bệnh nhân có thể tự đi lại được những quãng đường xa, nâng vật nặng, cúi mình và
thực hiện một số những hành động khác.

Hình 2.5: Bộ khung xương HAL
Jason Wilkin và các đồng sự tại trường Đại học Iowa (Hoa Kỳ) đã chế tạo ra IAROM

(Iowa ankle range of motion) được gọi là thiết bị đo khớp cổ chân thụ động cho phép
đo độ lệch giữa cẳng chân với bàn chân và cũng đo được độ lệch của khớp chân [4].
Thiết bị này gồm một tấm lót bàn chân 30x30cm gắn liền với một giá đỡ có kích thước
30x40 cm. Hai dây đai Velcro rộng10 cm giúp cố định thiết bị vào chân bệnh nhân.

10


Một khối bọt cứng cao 3 cm đ ặt dưới cổ chân để hỗ trợ xương chày. Cảm biến góc
nghiêng và cảm biến lực được đặt dưới tấm lót bàn chân. Trong quá trình đo, kỹ thuật
viên sẽ tác dụng lực tăng dần lên tấm lót bàn chân, cảm biến góc nghiêng ghi nhận góc
lệnh giữa bàn chân và cẳng chân. IAROM cho phép kiểm tra cổ chân tương đối chính
xác. Tuy nhiên thiết bị vẫn cịn nhiều hạng chế như: chỉ đo khả năng vận động của
khớp cổ chân theo một phương và cũng khơng có khả năng đo khi cổ chân duy chuyển.

Hình 2.6: Thiết bị đo khớp thụ động IAROM
Năm 2011, Roy và các đồng nghiệp đã xây dựng một thiết bị đo độ cứng của khớp cổ
chân cho người liệt nửa người [5]. Hệ thống sử dụng thiết bị dựa trên thiết kế thiết bị
hổ trợ cổ chân MIT (Massachusetts Institute of Technology) có cấu trúc của bộ xương
ngoài với 3 bậc tự do. Hệ thống cho phép đo các góc giữa bàn chân và cổ chân với độ
chính xác ít hơn 1 0.

Hình 2.7: Thiết bị đo khớp cổ chân chủ động của Roy

11


2.3 Đặc tính vật liệu nhơm A7075
2.3.1 Đặc tính kỹ thuật
Nhôm A7075 là loại Nhôm hợp kim chịu lực cao, có độ bền cao nhất tương đương với

nhiều loại thé p. Có sức bền mỏi và độ gia cơng trung bình, nhưng lại nhẹ hơn thép(có
tỷ trọng: 2.81 g/cm3). Các thành phần hợp kim chính của Nhơm A7075 là nhơm, kẽm
và đồng. Ngồi ra cịn có các ngun tố kim loại khác bao gồm Mg, Fe, Si, Mn, Cr, Ti.
Các đặc tính vật lý của nhơm A7075 được thể hiện tại các bảng bên dưới.
Bảng 2.1: Tính chất cơ học của hợp kim Nhơm A7075
Tính chất

Chỉ số

Giá trị

Sức căng

220 MPa

31909 psi

Độ đàn hồi

95 MPa

13779 psi

Độ bền cắt

150 MPa

21756 psi

Độ bền mỏi

160 MPa

23206 psi

Modun đàn hồi

70-80 GPa

10153-11603 ksi

Poisson’s ratio

0.33

0.33

Elongation at break

17%

17%

Độ cứng

60

60

Ở đây chúng ta lưu ý đến các thông số về đàn hồi của vật liệu nhơm A7075, những tính

chất này rất quan trọng trong việc chọn lựa vật liệu và các thiết bị đi kèm phù hợp để
chế tạo loadcell phục vụ cho đề tài.
2.3.2 Ứng dụng thực tiễn
Nhờ có độ bền cao và tính dễ gia cơng nên nhôm A7075 được ứng dụng để sản xuất
các bộ phận cơ cấu chịu lực cao, như bộ gá cho máy bay, động cơ, chi tiết tên lửa, thân

12


van, bánh răng, và các chi tiết trong thiết bị quân sự.
Dùng làm khuôn các loại như : khuôn thổi nhựa, khn giày, khn làm gold, cịi hú,
bột nhựa nổi, con chuột, làm giày trượt tuyết,…

2.4 Cảm biến lực loadcell
2.4.1 Khái niệm về loadcell
Các cảm biến lực loadcell là những cảm biến lực (khối lượng, mô-men xoắn, …). Khi
lực được tác dụng lên một loadcell, loadcell sẽ chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu
điện có tỉ lệ thuận với lực đo được.
Tín hiệu điện ngõ ra của loadcell có thể là một sự thay đổi điện áp, thay đổi tín hiệu
dịng, tín hiệu số hoặc thay đổi tần số tùy thuộc vào loại loadcell và mạch sử dụng, phổ
biến nhất là loại loadcell thay đổi điện áp. Các loadcell có thể sử dụng điện trở (strain
gauge), điện dung, kỹ thuật bù trừ điện từ. Phổ biến nhất là các loadcell dựa tên nguyên
tắc thay đổi điện trở để đáp ứng với một tải áp dụng. Vì thế ở đây, học viên chế tạo về
loadcell sử dụng điện trở (strain gauge).

Hình 2.8: Ngun lý hoạt động của một loadcell
Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng
(giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại
của điện trở strain gauge dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các
điện trở strain gauge. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra.

13


2.4.2 Khái niệm về strain gauge
Các dây dẫn điện được chế tạo bằng phương pháp khắc từ một lá kim loại mỏng, tạo
thành lớp kim loại, mục đích nhằm tăng chiều dài dây dẫn chiều dày lưới kim loại từ 36 mm. Lớp kim loại được đặt trên một tấm nhựa mỏng từ 15-16mm và được ép với
một film mỏng.

Hình 2.9: Cấu tạo của một strain gauge điển hình
Khi có lực tác dụng trục quay bị biến dạng, các strain gauge dán trên trên trục quay
biến dạng theo nhờ đó tạo ra sự thay đổi điện trở của lưới kim loại. Quá trình thay đổi
điện trở tỷ lệ với biến dạng của trục chịu xoắn. Lực tác dụng được đo gián tiếp thông
qua sự thay đổi thông số điện trở R của lưới kim loại. Sự thay đổi này tỷ lệ chính xác
với lực tác dụng.
Để tăng chiều dài của dây điện trở strain gauge, người ta đặt chúng theo hình ziczac,
mục đích là để tăng độ biến dạng khi bị lực tác dụng qua đó tăng độ chính xác của thiết
bị cảm biến sử dụng strain gauge.

Hình 2.10: Cấu trúc của strain gauge
(2.1)
Trong đó R là điện trở strain gauge (Ohm),

14

là điện trở suất suất vật liệu của sợi kim