BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ LẬP TRÌNH ROBOT 4 CHÂN ĐIỀU KHIỂN QUA ỨNG DỤNG TRÊN.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, THI CƠNG VÀ LẬP TRÌNH ROBOT CHÂN ĐIỀU KHIỂN QUA ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI KẾT HỢP NẠP FIRMWARE TỪ XA BẰNG WIFI GVHD: TS Nguyễn Văn Thái SVTH: Trang Tuấn Duy MSSV: 18142270 Nguyễn Huệ Thiện MSSV: 18142387 TP HCM, Tháng 7, Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc *********** ********** NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trang Tuấn Duy MSSV: 18142270 Họ tên sinh viên: Nguyễn Huệ Thiện MSSV: 18142387 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Lớp: 181421C Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thái Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: THIẾT KẾ, THI CƠNG VÀ LẬP TRÌNH ROBOT CHÂN ĐIỀU KHIỂN QUA ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI KẾT HỢP NẠP FIRMWARE TỪ XA BẰNG WIFI Nội dung thực đề tài: ➢ Thiết kế phần cứng robot phần mềm SolidWorks ➢ Thiết kế mạch điện tử điều khiển robot chân phần mềm Eagle ➢ Tính tốn phương trình động học thuận, động học nghịch cho robot chân ➢ Nghiên cứu dáng robot chân áp dụng mơ hình ➢ Lập trình động học chuyển động cho robot chân theo dáng nghiên cứu ➢ Tạo ứng dụng điện thoại điều khiển robot chân qua Bluetooth ➢ Nạp Firmware từ xa thông qua WiFi Sản phẩm: ➢ Robot chân ➢ Mạch điều khiển cho robot ➢ Ứng dụng điều khiển qua điện thoại Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 TRƯỞNG NGÀNH Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc *********** ********** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Trang Tuấn Duy MSSV: 18142270 Họ tên sinh viên: Nguyễn Huệ Thiện MSSV: 18142387 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Lớp: 181421C Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thái Tên đề tài: THIẾT KẾ, THI CƠNG VÀ LẬP TRÌNH ROBOT CHÂN ĐIỀU KHIỂN QUA ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI KẾT HỢP NẠP FIRMWARE TỪ XA BẰNG WIFI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Nội dung đáp ứng yêu cầu đề tài Hoàn thành tốt nhiệm vụ giao, cụ thể là: - Thiết kế mơ hình robot chân phần mềm Solidworks thiết kế mạch điện điều khiển 12 Servo robot chân phần mềm Eagle - Nghiên cứu phương pháp tính động học thuận, động học nghịch robot chân xây dựng vị trí đặt chân, dáng di chuyển robot chân - Thiết kế app điện thoại điều khiển robot chân qua Bluetooth - Lập trình nạp Firmware qua WiFi cho mạch điều khiển robot chân mà không cần dây kết nối Ưu điểm: Nghiên cứu tốt, thi cơng hồn chỉnh mơ hình robot chân dùng vật liệu gỗ Điều khiển robot chân qua điện thoại, kết hợp nạp Fimware từ xa qua WiFi Hướng phát triển đề tài cần thiết với nhu cầu thực tế Khuyết điểm: Nếu mơ hình có tích hợp cảm biến, sử dụng động phù hợp thực động tác phức tạp hơn, di chuyển tránh vật cản địa hình phức tạp 4: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đề nghị cho bảo vệ Đánh giá loại: Giỏi Điểm: Bằng chữ: Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc *********** *********** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Trang Tuấn Duy MSSV: 18142270 Họ tên sinh viên: Nguyễn Huệ Thiện MSSV: 18142387 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Lớp: 181421C Giáo viên phản biện:…………………………………………………………………… Tên đề tài: THIẾT KẾ, THI CƠNG VÀ LẬP TRÌNH ROBOT CHÂN ĐIỀU KHIỂN QUA ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI KẾT HỢP NẠP FIRMWARE TỪ XA BẰNG WIFI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Ưu điểm: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Khuyết điểm: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… 4: Đề nghị cho bảo vệ hay không? ……………………………………………………………………………………………… Câu hỏi phản biện: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Điểm: ………………………Bằng chữ: ……………………………………………… Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Đối với sinh viên trường, bước vào sống đồ án bước nhảy quan trọng Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế, thi công lập trình robot chân điều khiển qua ứng dụng điện thoại kết hợp nạp Firmware từ xa WiFi” kết q trình cố gắng khơng ngừng nghỉ nhóm em nhận hướng dẫn tận tình Thầy TS Nguyễn Văn Thái anh chị bạn bè 3DVisionLab Qua đây, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thành viên giúp đỡ nhóm em hồn thành đồ án Nhóm em xin tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Văn Thái người trực tiếp hướng dẫn đồ án Thầy tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tạo điều kiện tốt cho nhóm suốt thời gian thực đề tài Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Đoàn Tất Linh SPK-STEM hỗ trợ, tạo điều kiện có ý kiến đóng góp thiết thực q trình thiết kế thi cơng Nhóm em xin chân thành cảm ơn nhà trường, ban lãnh đạo khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện giúp đỡ nhóm có thắc mắc liên quan đến đề tài Đặc biệt, nhóm em xin cảm ơn quý Thầy, Cô Hội đồng dành thời gian nhận xét, góp ý để đồ án chúng em hoàn thiện Cuối cùng, nhóm em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến người thân gia đình giành cho nhóm động viên, quan tâm suốt q trình thực đồ án Mặc dù cố gắng thực đề tài cách hoàn chỉnh Nhưng chưa làm quen nhiều với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp xúc thực tế với thiết bị, hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Nhóm em mong nhận góp ý q Thầy – Cơ bạn để khóa luận hồn chỉnh Nhóm em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Nhóm em xin cam đoan đề tài “Thiết kế, thi cơng lập trình robot chân điều khiển qua ứng dụng điện thoại kết hợp nạp Firmware từ xa WiFi” nhóm em tự thực hiện, dựa vào tham khảo số tài liệu trước đó, hỗ trợ giúp đỡ Thầy TS Nguyễn Văn Thái không chép từ tài liệu hay cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 Sinh viên thực (Ký ghi rõ họ tên) Trang Tuấn Duy Nguyễn Huệ Thiện MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ TÓM TẮT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn đề tài 1.4 Nội dung đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động học robot 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Bộ thông số Denavit – Hartenberg (DH) 2.1.3 Bài toán động học thuận robot 11 2.1.4 Bài toán động học nghịch robot 14 2.2 Phương pháp điều khiển thân robot 18 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 21 3.1 Thiết kế khí robot chân 21 3.1.1 Giới thiệu phần mềm Solidworks 21 3.1.2 Vật liệu thiết kế ý tưởng mơ hình 21 3.2 Thiết kế mạch điện tử 28 3.2.1 Giới thiệu 28 3.2.2 Sơ đồ khối phần cứng 28 3.2.3 Nguyên lý làm việc 29 3.2.4 Thông số kỹ thuật linh kiện 29 3.2.5 Sơ đồ nguyên lý 34 3.2.6 Sơ đồ mạch in 36 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ APP ĐIỀU KHIỂN ROBOT 38 4.1 Thiết kế giao diện điều khiển Android Studio 38 4.1.1 Sơ lược Android Studio 38 4.1.2 Cấu trúc dự án Android Studio 38 4.1.3 Giao diện người dùng 39 4.2 Thiết kế app điều khiển MIT App Inventor 54 4.2.1 Giao diện người dùng app 54 4.2.2 Giao diện lập trình 55 CHƯƠNG 5: NẠP FIRMWARE CHO ROBOT CHÂN TỪ XA BẰNG WIFI 59 5.1 Giới thiệu FOTA (Firmware Over The Air) 59 5.2 Thiết lập OTA Drive nạp Firmware từ cho robot chân 60 5.3 Lưu đồ điều khiển robot chân 65 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 6.1 Kết luận 67 6.1.1 Những công việc thực 67 6.1.2 Những mặt hạn chế 67 6.2 Hướng phát triển 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Hình 4.17 Danh sách thiết bị Bluetooth kết nối (2) Nút tắt kết nối Bluetooth Khi người dùng bấm vào nút này, app ngắt kết nối với thiết bị Bluetooth kết nối (3) Nút FOTA Khi người dùng bấm vào nút này, robot chân bắt đầu kết nối WiFi tiến hành cập nhật firmware từ OTA Drive (4) Khối điều khiển Gồm có nút điều khiển di chuyển: bước tới, bước sau, xoay trái, xoay phải động tác trình diễn: nhảy, vẫy tay, 4.2.2 Giao diện lập trình Từ phần giao diện người dùng nhóm thiết kế, nhóm tiến hành kéo thả khối lệnh 55 Hình 4.18 Khối thiết lập kết nối với thiết bị Bluetooth chọn Hình 4.19 Khối ngắt kết nối với thiết bị Bluetooth chọn 56 Hình 4.20 Khối hiển thị trạng thái Bluetooth 57 Hình 4.21 Khối câu lệnh điều khiển robot chân qua Bluetooth 58 CHƯƠNG 5: NẠP FIRMWARE CHO ROBOT CHÂN TỪ XA BẰNG WIFI 5.1 Giới thiệu FOTA (Firmware Over The Air) Firmware Over The Air (FOTA) tính cho phép nhà sản xuất cập nhật, sửa chữa chương trình từ xa mà khơng cần sử dụng mạch nạp, cần có kết nối khơng dây qua Wifi sử dụng ❖ Quy trình FOTA ESP32: Hình 5.1 Quy trình FOTA Esp32 Firmware upload lên máy chủ Người dùng điều khiển ESP32 vào q trình FOTA ESP32 có khả tự vào trình tùy thuộc vào người lập trình ESP32 kiểm tra version Firmware tiến hành tải Firmware qua WiFi Khi tải Firmware thành công, ESP32 nạp chương trình vào nhớ Sau khởi chạy chương trình 59 Trong báo cáo này, nhóm sử dụng server OTA Drive – website quản lý Firmware miễn phí 5.2 Thiết lập OTA Drive nạp Firmware từ cho robot chân ❖ Thêm thiết bị OTA Drive Đầu tiên, truy cập vào website: https://www.otadrive.com/ Tiến hành đăng kí tài khoản đăng nhập vào Hình 5.2 Thêm thiết bị OTA Drive Chọn tab “Product” chọn vào nút “+” để thêm thiết bị 60 Hình 5.3 Đặt tên, model mô tả thiết bị Tại đây, đặt tên cho thiết bị kết nối, model mơ tả 61 Hình 5.4 Truy cập vào Folder thiết bị vừa tạo Sau thêm thiết bị, chọn biểu tượng “Folder” (góc phải) để vào bên Product Hình 5.5 API Key để truy cập 62 Bên Product cung cấp API Key dành cho ESP32 Khi nhận yêu cầu cập nhật Firmware, ESP32 gọi API lên server kiểm tra xem có cập nhật không ❖ Upload Firmware lên OTA Drive nạp Firmware từ xa vào robot chân Để tạo Firmware upload lên OTA Drive nạp từ xa, nhóm biên dịch chương trình lập trình robot chân Arduino IDE tiến hành xuất file có bin Có file bin, nhóm truy cập vào Folder Product tạo OTA Drive, chọn vào tab “Firmwares” chọn nút “+” để thêm Firmwares Hình 5.6 Thêm Firmware vào Folder Khi upload Firmware lên OTA Drive, chuyển sang tab “Device Groups” 63 Hình 5.7 Chọn lưu Firmware cần sử dụng Tại tab “Device Groups”, chọn phiên Firmware muốn nạp chọn “Save” Lúc này, nhấn nút “FOTA” app điều khiển robot chân, ESP32 tiến hành kiểm tra tải Firmware từ OTA Drive Sau hoàn tất tải Firmware mới, ESP32 nạp chương trình vào nhớ tiến hành khởi chạy chương trình 64 5.3 Lưu đồ điều khiển robot chân Hình 5.8 Lưu đồ điều khiển robot chân 65 Hoạt động robot tương ứng với chuyển động quay servo Hoạt động nhiều servo lúc giúp robot di chuyển Tùy theo nhu cầu, nhóm em truyền liệu khơng dây tới robot thực yêu cầu từ người điều khiển Quy trình kiểm sốt trình bày Hình 5.8 Khi mạch cấp nguồn, MCU thực khởi tạo ngoại vi phần cứng cần thiết Sau thực khởi tạo, MCU chờ nhận tín hiệu từ Bluetooth, tùy thuộc vào mã lệnh nhận được, MCU thực hành động sau: Nếu mã lệnh nhận mã người lập trình quy định sẵn thuộc chế độ Control, MCU dựa mã lệnh tính tốn động học nghịch (vị trí di chuyển robot người lập trình quy định) cho robot, từ suy giá trị góc quay cho servo Sau MCU xuất tín hiệu điều khiển servo để robot di chuyển đến vị trí quy định Nếu mã lệnh nhận mã thuộc chế độ FOTA MCU thực lấy chương trình từ server thông qua WiFi chèn vào vùng nhớ dùng để lưu chương trình kết thúc Nếu mã lệnh nhận không thuộc chế độ chờ lệnh 66 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận 6.1.1 Những công việc thực Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, nhóm thực đạt kết sau: Tìm hiểu có nhìn sâu mơ hình robot có chân nói chung mơ hình robot bốn chân nói riêng Thiết kế thi cơng thành cơng phần khí cho robot chân Thiết kế thi công thành công mạch điều khiển 12 Servo robot chân Thiết kế thành công app điện thoại điều khiển robot chân qua Bluetooth Nạp thành công Firmware từ xa WiFi cho robot chân 6.1.2 Những mặt hạn chế Đề tài có hạn chế sau: Chưa tối ưu phần cứng (động cơ, khớp) cho robot chân Robot chân bề mặt phẳng với quỹ đạo thẳng chuyển hướng Xuất hiện tượng trượt, gây sai số quỹ đạo di chuyển không sử dụng cảm biến gia tốc thân cảm biến lực bàn chân robot Độ ổn định chuyển động robot chưa cao 67 6.2 Hướng phát triển Với thành công đề tài “Thiết kế, thi cơng lập trình robot chân điều khiển qua ứng dụng điện thoại kết hợp nạp Firmware từ xa WiFi” mà nhóm đạt được, nhóm có hướng phát triển sau: Cải thiện thiết kế thi cơng mơ hình khí sử dụng động Servo có momen xoắn lớn Servo MG996R với momen xoắn 9.4 kg/cm (4.8V), 11 kg/cm (6V) nhằm tăng độ linh hoạt cho robot, có khả áp dụng nhiều động tác phức tạp Tích hợp thêm cảm biến gia tốc thân cảm biến chạm chân nhằm giảm sai số quỹ đạo không mong muốn di chuyển Nghiên cứu dáng di chuyển robot bề mặt địa hình khơng phẳng có vật cản Tích hợp thêm camera robot truyền hình ảnh app điện thoại * Giáo dục Stem: Theo Cục Thống kê Lao động Hoa Kỳ, việc làm nghề STEM dự kiến tăng 10,5% từ năm 2020 đến năm 2030, triệu việc làm Cùng với nghiên cứu thành công đề tài “Thiết kế, thi cơng lập trình robot chân điều khiển qua ứng dụng điện thoại kết hợp nạp Firmware từ xa WiFi” việc xây dựng phần mềm điều khiển robot Nhóm em mong muốn xây dựng hệ sinh thái giáo dục Stem, mang đến nhìn khách quan cho người robot Với việc dễ dàng truy cập phần mềm điều khiển nhóm nghiên cứu phát triển, với giao diện thiết kế sinh động tính tương tác dễ dàng, dự án thực cho Mọi người sở hữu robot nghiên cứu cách thức hoạt động Thơng qua việc thúc đẩy giáo dục STEAM, nhóm em hy vọng đóng góp vào phát triển bền vững hệ Việt Nam Đó mục tiêu lớn mà nhóm em muốn đạt dự án 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO John J.Craig (2005), “Introduction to Robotics”, Third United States of America: Pearson Prentice Hall TS Nguyễn Văn Thái (2016), “ Động học thuận tay máy ” https://www.youtube.com/watch?v=Rvod_NM4Vso TS Nguyễn Văn Thái ( 2016 ), “ Động học nghịch tay máy ” https://www.youtube.com/watch?v=0vnku9z3sNY&list=PLn3q6sc1zsV4npf2wUTYS377lyU8oJ-o&index=17 Freenove Quadruped Robot Kit (Compatible with Arduino IDE) (2017), https://www.youtube.com/watch?v=ZMXEJfxHKaQ TS Nguyễn Trọng Doanh KS Nguyễn Ngọc Đạt (2018), “Nghiên cứu động học mô robot nhện bốn chân”, Tạp chí khí Việt Nam, ISSN 0866-7056 Report: “The Future of STEM: Closing the Skills Gap with Education Technology” (2022), https://www.cengagegroup.com/news/perspectives/2022/closingthe-stem-skills-gap-with-education-technology/ 69 ... tài: Tên đề tài: THI? ??T KẾ, THI CƠNG VÀ LẬP TRÌNH ROBOT CHÂN ĐIỀU KHIỂN QUA ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI KẾT HỢP NẠP FIRMWARE TỪ XA BẰNG WIFI Nội dung thực đề tài: ➢ Thi? ??t kế phần cứng robot phần mềm... cho robot chân theo dáng nghiên cứu ➢ Tạo ứng dụng điện thoại điều khiển robot chân qua Bluetooth ➢ Nạp Firmware từ xa thông qua WiFi Sản phẩm: ➢ Robot chân ➢ Mạch điều khiển cho robot ➢ Ứng dụng. .. bước nhảy quan trọng Đồ án tốt nghiệp với đề tài ? ?Thi? ??t kế, thi cơng lập trình robot chân điều khiển qua ứng dụng điện thoại kết hợp nạp Firmware từ xa WiFi? ?? kết q trình cố gắng khơng ngừng nghỉ