Đồ án cơ điện tử thiết kế, điều khiển dog robot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO  ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ, ĐIỀU KHIỂN DOG ROBOT Giảng viên hướng dẫn: Võ Lâm Chương Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Cường 19146055 Nguyễn Ngọc Hiếu 19146054 Phạm Tiến Trọng 19146286 Ngành: CNKT Cơ Điện tử Khóa: 2019-2023 TP HỒ CHÍ MINH – 12/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn: Võ Lâm Chương Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Cường MSSV: 19146055 Điện thoại: 0902906201 Nguyễn Ngọc Hiếu MSSV: 19146054 Điện thoại: 0335348856 Phạm Tiến Trọng MSSV: 19146286 Điện thoại: 0327545952 Tên đề tài - Thiết kế, lắp ráp Dog Robot di chuyển linh hoạt Các số liệu, tài liệu ban đầu - Bản vẽ mơ hình Dog Robot - Phân tích động học, động lực học, quỹ đạo chuyển động Dog Robot Nội dung đồ án - Hồn thiện lắp ráp Dog Robot - Điều khiển Dog Robot di chuyển - Mô điều khiển hoạt động Dog Robot Các sản phẩm dự kiến - Mô hình Dog Robot - Quyển báo cáo, vẽ Robot slide trình chiếu Ngày giao đồ án: 22/08/2022 Ngày nộp đồ án: 29/12/2022 Ngôn ngữ trình bày: - Bản báo cáo: Tiếng Việt - Trình bày bảo vệ: Tiếng Việt TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Ngày tháng năm 2022 Giảng viên hướng dẫn Giảng viên phản biện Ký tên Ký tên LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chận thành gửi lời cảm ơn đến thầy Võ Lâm Chương tận tình hướng dẫn, cung cấp nhiều tài liệu cần thiết, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu suốt trình chúng em thực đề tài Em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy, Khoa khí Chế tạo máy truyền đạt vốn kiến thức tảng cho chúng em suốt thời gian học tập trường Nhờ có lời hướng dẫn, dạy bảo thầy, cô nên đề tài nghiên cứu chúng em hoàn thiện tốt đẹp Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn hỗ trợ bạn bè thời gian học tập hoàn thành đồ án Xin chân thành cảm ơn! i LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển không ngừng khoa học công nghệ, công nghiệp phát triển vũ bão Để tăng suất, nâng cao chất lượng, hạ giá thành sản phẩm việc ứng dụng máy móc đại vào sản xuất yêu cầu tất yếu nhà máy Đồng thời, công nghệ chế tạo Robot phát triển nhanh chóng, đặc biệt nước phát triển, để đáp ứng nhu cầu sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng, an ninh, … Robot thực nhiệm vụ khó, chí người như: làm công việc địi hỏi độ xác cao, làm việc mơi trường nguy hiểm (như lị phản ứng hạt nhân, qt mìn qn đội), thám hiểm khơng gian Trong họ Robot phải kể đến Mobie Robot với chức mà loại Robot khác khơng có Tính linh hoạt tốc độ di chuyển nhanh Mobie Robot ứng dụng rộng rãi quốc gia để thay người làm việc môi trường nguy hiểm làm việc thay cho người – suất vượt xa người làm tay Sau thời gian làm việc, nghiên cứu tham khảo, nhóm em hồn thành đề tài “Thiết kế, lắp ráp Dog Robot di chuyển linh hoạt”, làm nhiều lý thuyết nên em tiếp tục hoàn thiện để ứng dụng vào thực tiễn ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ vi MỤC LỤC BẢNG .viii GIỚI THIỆU CHUNG 1 Lý chọn đề tài Giới hạn đề tài .2 Lợi ích hướng phát triển đề tài Bố cục đề tài NỘI DUNG ĐỀ TÀI .6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Giới thiệu Mobile Robot 1.1.1 Robot 1.1.2 Moblie Robot 1.2 Ưu điểm nhược điểm 1.2.1 Ưu điểm 1.2.2 Nhược điểm 1.3 Cấu tạo Mobile Robot 1.4 Môi trường hoạt động .10 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ROBOT .12 2.1 Hình ảnh 3D – Tổng quát đề tài .12 2.2 Bản vẽ thiết kế Robot 13 iii 2.2.1 Cụm thân Robot .13 2.2.1.1 Thân Robot .13 2.2.1.2 Tấm chắn hông Robot 15 2.2.2 Cụm vai chân Robot 17 2.2.2.1 Vai Robot .18 2.2.2.2 Chân Robot .22 2.2.2.3 Bản vẽ lắp Robot 26 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC ROBOT 27 3.1 Cơ sở lý thuyết 27 3.1.1 Động học Mobile Robot 27 3.1.2 Động lực học Mobile Robot 31 3.2 Thực hành tính toán động học robot .35 3.2.1 Bài toán động học thuận nghịch .35 3.2.1.1 Bài toán động học thuận .35 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KIỂN 40 4.1 Sơ đồ khối .40 4.1.1 Sơ đồ khối 40 4.1.2 Mô tả hoạt động .40 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 40 4.2.1 Lưu đồ thuật toán 40 4.2.2 Chương trình điều khiển 42 4.2.3 Danh sách thành phần điều khiển 43 iv 4.2.3.1 Board điều khiển Raspberry Pi Zero W .43 4.2.3.2 Module 16 kênh PWM 12 bit điều khiển servo PCA9685 46 4.2.3.3 Module cảm biến gia tốc MPU6050 .47 4.2.3.4 Mạch Hạ Áp USB 5V-6A 30W - M249 .48 4.2.3.5 Động RC Servo MG996R 49 4.2.3.6 Mạch Đèn Báo Dung Lượng Pin 4S .50 4.2.3.7 Pin 4S 18650 51 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 53 5.1 Kết thực nghiệm .53 5.2 Đánh giá 53 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54 6.1 Kết luận 54 6.2 Hướng phát triển .54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 v  Khi có tín hiệu điều khiển, tín hiệu trả đưa lên database  Sau đó, tín hiệu lấy từ database truyền cho chương trình điều khiển để xử lý  Board điều khiển xem xét, góc giới hạn vượt q, thơng báo tín hiệu cho người điều khiển biết tín hiệu lỗi để điều khiển góc khác Ngược lại góc nằm khoảng góc giới hạn phát tín hiệu đến module điều khiển, điều khiển động theo góc định  Cùng với cảm biến góc nghiêng gửi tín hiệu cho database, thơng báo góc nghiêng mà robot di chuyển, từ người điều khiển xác định hướng robot  Tín hiệu lại gửi lên database, bắt đầu tín hiệu điều khiển 4.2.2 Chương trình điều khiển Nguồn pin cell 3,7V x 4, sau qua mạch hạ áp, cấp nguồn cho Raspberry Hiển thị mức pin lên báo pin Raspberry ly tín hiệu điều khiển từ cảm biến liệu điều khiển từ người điều khiển, phát tín hiệu cho PCA9685, từ điều khiển động theo ý muốn 42 Hình 4.3 Sơ đồ khối điều khiển Robot 4.2.3 Danh sách thành phần điều khiển 4.2.3.1 Board điều khiển Raspberry Pi Zero W Raspberry Pi Zero W trang bị CPU Cortex-A53 Lõi tứ (4 nhân), xung nhịp GHz Phần lõi Raspberry Pi RP3A0 system-in-package (SiP), tích hợp Broadcom BCM2710A1 512MB LPDDR2 SDRAM Có thay đổi nhỏ khả kết nối không dây Bluetooth bo mạch nâng cấp lên phiên 4.2 Chúng có kết nối WiFi chuẩn IEEE 802.11 b/g/n BLE Một điểm đáng ý khu vực chứa chip WiFi Bluetooth trang bị khung bảo vệ nhơm 43 Hình 4.4 Raspberry Pi Zero W Với CPU lõi tứ 64-bit Raspberry Pi Zero W, sức mạnh tổng thể phiên nâng cấp đến 5.2 lần Từ kết kiểm tra, khởi động Raspberry Pi OS với thẻ nhớ microSD 32GB MakerDisk với Raspberry Pi Zero W khoảng 20 giây, Raspberry Pi Zero W cần tới 70 giây Khi so sánh tốc độ đơn nhân, Pi Zero W nhanh đến tận 40% Vậy nên Raspberry Pi Zero W phù hợp cho việc điều khiển động xử lý tín hiệu nhanh 44 Hình 4.5 Thông số kỹ thuật Raspberry Pi Zero W 45 4.2.3.2 Module 16 kênh PWM 12 bit điều khiển servo PCA9685 Mạch điều khiển 16 Chanel PWM PCA9685 sử dụng để xuất đồng thời 16 xung PWM từ 16 cổng khác thông qua giao tiếp I2C sử dụng IC PCA9685, giúp bạn điều khiển đồng thời 16 RC Servo Dimmer 16 thiết bị đồng thời, Mạch điều khiển 16 Chanel PWM PCA9685 có cấu trúc phần cứng phần cứng đơn giản thư viện có sẵn Arduino nên dễ dàng sử dụng kết nối Mạch điều khiển 16 Chanel PWM PCA9685 có chất lượng phần cứng, gia công tốt, độ bền cao, phù hợp cho nhu cầu cần điều khiển nhiều xung PWM Robot cánh tay máy, Robot nhện, Hình 4.6 Module PCA9685 Thông số kỹ thuật:  Mạch điều khiển 16 Chanel PWM PCA9685  IC chính: PCA9685 46  Điện áp sử dụng: 2.3 ~ 5.5VDC  Số kênh PWM: 16 kênh, tần số: 40~1000Hz  Độ phân giải PWM: 12bit  Giao tiếp: I2C (chấp nhận mức Logic TTL ~ 5VDC)  Kích thước: 62.5mm x 25.4mm x 3mm 4.2.3.3 Module cảm biến gia tốc MPU6050 Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 sử dụng để đo thơng số: trục Góc quay (Gyro), trục gia tốc hướng (Accelerometer), loại cảm biến gia tốc phổ biến thị trường nay, ví dụ code dành cho nhiều có loại vi điều khiển, bạn muốn mua cảm biến gia tốc để làm mơ lắc động, xe tự cân bằng, máy bay, MPU6050 lựa chọn tối ưu Hình 4.7 Hình ảnh sơ đồ kết nối chân MPU6050 47 Thông số kỹ thuật:  Điện áp sử dụng: 3~5VDC  Điện áp giao tiếp: 3~5VDC  Chuẩn giao tiếp: I2C  Giá trị Gyroscopes khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec  Giá trị Acceleration khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g  Board mạch mạ vàng, linh kiện hàn tự động máy chất lượng tốt 4.2.3.4 Mạch Hạ Áp USB 5V-6A 30W - M249 Mạch Hạ Áp USB 5V-6A 30W - M249 có chức hạ áp với điện áp ngõ vào từ - 36VDC, điện áp ngõ cố định 5V với dòng tải tối đa lên đến 6A Hình 4.8 Mạch hạ áp M249 Thơng số kỹ thuật: 48  Điện áp ngõ vào: - 36VDC  Điện áp ngõ ra: 5V6A  Giao diện ngõ vào: Jack DC - Domino pin  Giao diện ngõ ra: Cổng USB - Domino pin  Kích thước: 65 x 27 x 13mm 4.2.3.5 Động RC Servo MG996R Động Cơ RC Servo MG996R (nâng cấp MG995) có momen xoắn lớn, nâng cấp từ Động RC servo MG995 tốc độ, lực kéo độ xác Lực kéo 6V: 11kg Phù hợp với máy bay cánh quạt loại 50 – 90 methanol máy bay cánh cố định xăng 26cc-50cc So với MG946R, MG996R nhanh hơn, nhỏ Hình 4.9 Động RC Servo MG996R Thơng số kỹ thuật:  Servo MG996R (nâng cấp MG995) có momen xoắn lớn 49  Lực kéo 6V: 11kg  Đây nâng cấp từ servo MG995 tốc độ, lực kéo độ xác  Phù hợp với máy bay cánh quạt loại 50 -90 methanol máy bay cánh cố định xăng 26cc-50cc  So với MG946R, MG996R nhanh hơn, nhỏ  Tên sản phẩm: MG996R  Trọng lượng sản phẩm: 55g  Kích thước sản phẩm: 40.7 * 19.7 * 42.9mm  Lực kéo: 9.4kg / cm (4.8V), 11kg / cm (6V)  Tốc độ xoay: 0.17 giây / 60 độ (4.8 v) 0.14 giây / 60 độ (6 v)  Điện áp làm việc: 4.8-7.2V  Nhiệt độ hoạt động: ℃ -55 ℃  Dịng điện khơng tải: ~0.15A  Vật liệu bánh răng: Kim loại 4.2.3.6 Mạch Đèn Báo Dung Lượng Pin 4S Được sử dụng để đo dung lượng Pin 3.7V, tùy vào nhu cầu sử dụng Pin ta cần hàn vào số chân tương ứng mạch Các vạch LED hiển thị tương ứng với dung lượng pin lại Pin Mạch thiết kế với kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt sử dụng 50 Hình 4.10 Đèn báo pin Hình 4.11 Mạch hiển thị mức lượng pin 1S 4.2V 4.2.3.7 Pin 4S 18650 Pin 18650 loại pin lithium-ion sạc lại 51 Hình 4.12 Kích thước pin 18650 Khi ta nghe nói khối pin 18650 cell có nghĩa khối pin có cục pin nhiều cục pin mắc song song thành điện áp từ 3.7-4.2V Tương tự khối pin cell có điện áp từ 7.4 – 8.4V Khối pin cell có điện áp từ 11.7-12.6V… Pin sạc 18650 cung cấp hiệu suất tốt pin sạc người tiêu dùng sử dụng Chúng không dễ bị hỏng sạc trước xả hoàn toàn (như trường hợp pin cadmium niken), chúng xuống cấp tương đương với pin điện thoại thông minh 52 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết thực nghiệm Sau thời gian dài làm đồ án, nhóm chúng em thu kết sau trình nghiên cứu thiết kế Dog Robot:  Chế tạo mô hình Dog Robot  Thiết lập hệ thống điều khiển Dog Robot  Điều khiển Robot di chuyển thành công hạn mức đề 5.2 Đánh giá Về lý thuyết:  Phân tích lựa chọn hình dáng, thiết kế hợp lý  Xây dựng mô hình động học cho Robot  Xây dựng mơ hình điều khiển Robot máy tính Vấn đề chưa giải quyết:  Kết cấu Robot cịn chưa hồn thiện, thiếu nhiều thành phần  Điều khiển Robot chưa xác  Chưa xây dựng thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết động lực học  Chưa xây dựng phần mềm điều khiển từ xa  Robot chưa truyền hình ảnh để thuận lợi cho việc điều khiển 53 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Trải qua trình tham khảo, chọn lọc học thêm nhiều kiến thức, Đồ án khí tạo cho nhóm hội để tiếp cận, tìm hiểu thêm nhiều điều mẻ kiến thức học qua trường lớp Dog Robot không đồ án, không dừng lại sản phẩm mô phỏng, mà cịn q trình đúc kết kiến thức, rèn luyện thêm nhiều kĩ sử dụng phần mềm, thêm nhiều kiến thức sâu sắc Robot cho nhóm , nhiên, khơng có đường thật đẹp, chẳng có đoạn đường trải thật nhiều hoa hồng, q trình mà nhóm làm việc gặp phải sai sót đáng tiếc khơng mong muốn, nhiên sai sót tạo nên điều mẻ tuyệt vời tương lai Và lời mở đầu, Dog Robot sản phẩm đem đến nhiều tương lai hướng phát triển, mang đến nhiều lợi ích đến với người mục đích, mục tiêu, mà nhóm mong muốn gặt hái thơng qua trình chọn lọc, tham khảo tài liệu kiến thức 6.2 Hướng phát triển Từ nghiên cứu đến thực nghiệm có khoảng cách lớn Do đó, số ứng dụng sau cần phải nghiên cứu, phát triển thêm để nâng cao tính ứng dụng đồ án  Hoàn thiện Robot, thiết kế cho hợp lý kích thước khối lượng 54  Cải tiến tín hiệu điều kiển Robot nhanh chóng, xác  Thêm ứng dụng xử lý ảnh, di chuyển điều kiện ánh sáng không ổn định  Ứng dụng công nghệ AI nhận diện cho Robot để thuận tiện việc di chuyển nhận dạng 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS TS Nguyễn Trường Thịnh Sách Kỹ Thuật Robot [2] Phú Nguyễn Động học thuận cánh tay robot bậc tự do, trích xuất từ https://www.youtube.com/watch?v=U3zecbEErbo&t=2s [3] PhD Nguyen Van Thai Động học thuận tay máy, trích xuất từ https://www.youtube.com/watch?v=Rvod_NM4Vso [4] Phan Van Sinh Phương trình động lực học Lagrange - Euler, trích xuất từ https://www.youtube.com/watch?v=1avVw7ACrtk&t=444s [5] Mơ hình Robot, trích xuất từ https://grabcad.com/library/diy- quadruped-robot-1 [6] Động RC Servo MG996R, https://nshopvn.com/product/dong-co-rc-servo-mg996r/ HẾT 56 trích xuất từ ... động Dog Robot Nội dung đồ án - Hoàn thiện lắp ráp Dog Robot - Điều khiển Dog Robot di chuyển - Mô điều khiển hoạt động Dog Robot Các sản phẩm dự kiến - Mơ hình Dog Robot - Quyển báo cáo, vẽ Robot. .. 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 40 4.2.1 Lưu đồ thuật toán 40 4.2.2 Chương trình điều khiển 42 4.2.3 Danh sách thành phần điều khiển 43 iv 4.2.3.1 Board điều khiển. .. BIỂU ĐỒ Hình 1: Tổng quan Dog Robot Hình 2: Dog Robot hỗ trợ cho NYPD Hình 3: Dog Robot ứng dựng ngành xây dựng .4 Hình 4: Dog Robot quân Hình 1.1: Cánh tay Robot