(Đồ án hcmute) thiết kế, chế tạo robot steam hỗ trợ dạy vẽ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT STEAM HỖ TRỢ DẠY VẼ GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI SVTH: NGUYỄN MINH CHÂU TRẦN VĂN TRỌNG VÕ QUANG NHẤT SKL010448 Tp.Hồ Chí Minh,Tháng 2/2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT STEAM HỖ TRỢ DẠY VẼ GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI SVTH: NGUYỄN MINH CHÂU 18146086 TRẦN VĂN TRỌNG 18146241 VÕ QUANG NHẤT 18146182 Tp Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2023 i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT STEAM HỖ TRỢ DẠY VẼ GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI SVTH: NGUYỄN MINH CHÂU 18146086 TRẦN VĂN TRỌNG 18146241 VÕ QUANG NHẤT 18146182 Tp Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2023 ii TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng vien hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thái Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Châu MSSV:18146086 Đthoại: 0971934969 Trần Văn Trọng MSSV:18146241 Đthoại: 0328646503 Võ Quang Nhất MSSV:18146182 Đthoại: 0963013302 Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT STEAM HỖ TRỢ DẠY VẼ Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kích thước, kết cấu, số bậc tự robot Các phương trình động học Nội dung đồ án: Tính tốn phương trình động học thuận, động học nghịch Quy hoạch quỹ đạo chuyển động Thiết kế mạch điều khiển Các sản phẩm dự kiến Robot Steam hỗ trợ dạy vẽ Báo cáo đồ án Ngày giao đồ án: Ngày nộp đồ án: Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh⊡ Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh⊡ TRƯỞNG KHOA (Ký, ghi rõ họ tên) TRƯỞNG NGÀNH (Ký, ghi rõ họ tên) ii Tiếng Việt⊡ TiếngViệt⊡ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Châu MSSV:18146086 Đthoại: 0971934969 Họ tên sinh viên: Trần Văn Trọng MSSV:18146241 Đthoại: 0328646503 Họ tên sinh viên: Võ Quang Nhất MSSV:18146182 Đthoại: 0963013302 Mã số đề tài: DT08 Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT STEAM HỖ TRỢ DẠY VẼ Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện Tử Họ tên GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thái Ý KIẾN NHẬN XÉT Nhận xét tinh thần, thái độ làm việc sinh viên Nhận xét kết thực ĐATN 2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: 2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) iii 2.3.Kết đạt được: 2.4 Những tồn (nếu có): T T Đánh giá: Mục đánh giá Điểm tối đa Hình thức kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả thiết kế chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế 15 Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm Kết luận: Điểm đạt 100 ◻ Được phép bảo vệ ◻ Không phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng năm 2023 Giảng viên hướng dẫn ((Ký, ghi rõ họ tên) iv TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Châu MSSV:18146086 Đthoại: 0971934969 Họ tên sinh viên: Trần Văn Trọng MSSV:18146241 Đthoại: 0328646503 Họ tên sinh viên: Võ Quang Nhất MSSV:18146182 Đthoại: 0963013302 Mã số đề tài: DT08 Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT STEAM HỖ TRỢ DẠY VẼ Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện Tử Họ tên GV phản biện: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh Ý KIẾN NHẬN XÉT Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) Kết đạt được: Những thiếu sót tồn ĐATN: v Câu hỏi: Đánh giá: T T Mục đánh giá Điểm tối đa Hình thức kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả thiết kế, chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế 15 Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm 100 Điểm đạt Kết luận: ◻ Được phép bảo vệ ◻ Không phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng năm 2023 Giảng viên phản biện ((Ký, ghi rõ họ tên) vi LỜI CẢM ƠN Bước vào cột mốc cuối đời sinh viên đồ án tốt nghiệp, dấu mốc, thách thức cần phải vượt qua để chứng minh kiến thức tích lũy năm qua Đồ án tốt nghiệp “ Thiết kế, chế tạo robot Steam hỗ trợ dạy vẽ ” kết cố gắng nỗ lực nhóm em nhờ vào giảng dạy, truyền đạt kiến thức thầy cô giúp đỡ người bạn trường đại học Sư Phạm kĩ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Nhóm xin gửi lời cảm ơn biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Văn Thái giảng viên hướng dẫn đồ án Thầy tận tình giúp đỡ, lỗi sai, cung cấp hướng dẫn chuyên môn cao tạo điều kiện trang thiết bị, nơi làm việc để giúp nhóm em hồn thành đồ án Nhóm xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo khoa đào tạo Chất Lượng Cao tập thể 3D Vision Lab giúp đỡ, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện giúp nhóm vượt qua khó khăn thắc mắc liên quan đến đề tài Đồng thời nhóm xin cảm ơn q thầy, Hội Đồng dành thời gian đánh giá, nhận xét, chỉnh sửa đồ án để chúng em hoàn thiện Cuối xin cảm ơn người thân gia đình, người anh em đồng hành với nhóm suốt thời gian qua, mang đến cho nhóm em niềm động lực tự tin để hồn thành đồ án Mặc dù cố gắng tránh sai sót, kiến thức chưa thể áp dụng Nhóm em mong nhận lời góp ý từ q thầy, bạn để mơ hình khóa luận hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! viii TÓM TẮT Trẻ em thời đại công nghệ tạo hội tiếp cận với thông tin cách dễ dàng Thông qua thiết bị điện tử, thiết bị truyền thơng, bé học hỏi nhiều thứ Nhưng khơng có giám sát chọn lọc tạo tác động tiêu cực Đặc biệt từ sản phẩm nội dung khơng lành mạnh, văn hóa nhanh,… Tuy nhiên sản phẩm công nghệ tạo sức hút lớn với trẻ em, nhìn thấy điều nhóm định thực đề tài: “Thiết kế, chế tạo Robot Steam hỗ trợ dạy vẽ” Đề tài có kết hợp cơng nghệ giáo dục bên Q trình thực đề tài trải qua giai đoạn nghiên cứu mục tiêu, khảo sát cấu sẵn có thị trường từ đưa phương án thiết kế từ phần khí, cấu chuyển động, tính tốn động học, thiết kế board mạch chính, lắp ráp đánh giá sản phẩm, cuối đưa kết luận hướng phát triển cho đề tài Robot mang thiết kế nhỏ gọn, sử dụng nguồn pin, đặc biệt Board mạch Robot nhóm tự thiết kế, chế tạo Xong điểm yểu tốc độ xử lý độ xác chưa cao Sản phẩm cuối tạo có khả vẽ giao tiếp với người dùng thông qua nút nhấn, Camera, Loa với giáo trình sáng tạo soạn sẵn Vẫn cịn điểm khó khăn tồn tại, nhóm tổng kết đánh giá đề giải pháp, hướng phát triển cho phiên đề tài ix Phương thức quét mã QR Code: QR code mã vạch ma trận, chứa đựng thơng tin mã hóa để xử lý tốc độ cao thơng qua hình ảnh Do tiện ích phù hợp để lưu trữ liệu, nhóm em tiến hành sử dụng mã QR để lưu thông tin Gcode cần vẽ sử dụng giao thức truyền nhận liệu để áp dụng QR vào đồ án Để thức q trình qt mã QR Code nhóm chúng em sử dụng thư viện có sẵn github để tiết kiệm thời gian trình làm đồ án với bước sau: Bước 1: Khởi tạo đối tượng Struct quirc tạo biến “qr” để thao tác Bước 2: Thiết lập kích thước hình ảnh mà camera dùng để scan để thao tác với biến “qr” Bước 3: Các khung ảnh quét thực hai giai đoạn: Bước 3.1: Giai đoạn đầu giai đoạn nhận dạng hình ảnh, giai đoạn lấy khung ảnh trắng đen xem liệu có hình ảnh QR Code khơng Từ lúc gọi hàm quirc_begin() đến lúc gọi hàm quirc_end() khung ảnh trắng đen lưu vào đệm qr Sau hàm quirc_count() hàm quirc_extract() có nhiệm vụ xem có hình ảnh QR code không Bước 3.2: Giai đoạn giai đoạn giải mã Qr Code - điều thực thông qua hàm quirc_decode() thao tác với biến qr ban đầu để xem nội dung mã QR 62 Hình 34: Phương thức qt QR Code 63 Hình 35: Kết phương thức quét QR Code 4.5 Quy trình chuyển đổi tọa độ từ ảnh Để có tập tọa độ hình tương ứng cho robot vẽ hình nhóm em sử dụng phần mềm Inkscape để vẽ chỉnh sửa ảnh Bước 1: Đầu tiên phải tự thiết kế tham khảo mạng để tạo ảnh thích hợp với nội dung ảnh cần vẽ Bước 2: Nhóm em scale kích thước ảnh kích thước mong muốn chúng em scale 70*70 mm Bước 3: Xuất file Gcode từ phần mềm SVGtoGCODE Bước 4: Từ file Gcode nhóm em lọc tọa độ thích hợp cách đưa tất tọa độ vào web để quan sát điểm cách tường minh Bước Nhóm em lược bỏ bớt điểm độ xác động khơng cao Cuối nhóm em lưu tất tọa độ vào file thích hợp thẻ nhớ 64 Hình 36: Quy trình chuyển tọa độ từ ảnh 65 4.6 Lưu đồ điều khiển robot Hình 37: Lưu đồ điều khiển robot 66 Miêu tả lưu đồ: Để phù hợp với giáo trình dạy vẽ, nhóm phân biệt ảnh hướng dẫn vẽ hình ảnh hướng dẫn vẽ hình với hướng dẫn đánh vần Khi mạch cấp nguồn, MCU thực khởi tạo ngoại vi phần cứng cần thiết Sau thực khởi tạo, MCU chờ nhận tín hiệu từ Esp Cam, tùy thuộc vào mã lệnh QR nhận được, MCU thực hành động sau: Lưu ý: Mỗi mã QR đại diện cho ảnh giáo trình dạy vẽ Trường hợp 1: Khi mã lệnh QR nhận cần vẽ hình MCU dựa vào mã lệnh phát loa hướng dẫn vẽ bước sau tính tốn động học nghịch cho robot để vẽ bước Và lặp lại vẽ xong ảnh Trường hợp 2: Khi mã lệnh QR nhận cần vẽ hình MCU dựa vào mã lệnh phát loa hướng dẫn vẽ bước sau tính tốn động học nghịch cho robot để vẽ ảnh Và lặp lại vẽ xong bước ảnh Sau vẽ xong ảnh mã có thêm thử thách cho trẻ đánh vần từ vựng tranh chữ tiếng anh Khi trường hợp trường hợp hồn thành bé tiếp tục vẽ ảnh cách lặp lại bước 67 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 5.1 Kết thiết kế mơ hình khí Robot Thiết kế thành cơng hệ thống khí với cấu trúc Scara yêu cầu đề Hình 1: Mặt Robot Hình 2: Mặt sau Robot 68 Hình 3: Mặt bên Robot Hình 4: Tổng thể Robot Steam hỗ trợ dạy vẽ 69 5.2 Kết thiết kế mạch điện tử Mạch điện tử với đầu não ESP32 linh kiện thiết kế thành cơng Hình 5: Board mạch robot hồn chỉnh Hình 6: Board mạch kết nối với module 70 5.3 Các chuẩn giao tiếp module Giao tiếp thành công với thẻ nhớ qua giao thức SPI giúp tăng nhớ đọc liệu Thực giao tiếp thành công với module Cam qua giao thức ESP-NOW, áp dụng quét QR nhận liệu hình ảnh Kết nối thành cơng với module loa qua giao thức I2S giúp thông báo bước vẽ hướng dẫn vẽ 5.4 Thực nghiệm quy trình vẽ ảnh hướng dẫn Cho Robot tiến hành vẽ mẫu ảnh gồm chữ số là: 1, 2, 3, táo dù Kết thu hình 71 Hình 7: Thực nghiệm vẽ ảnh Robot Hình 8: Thực nghiệm vẽ ảnh vuông, tam giác Robot Mức độ đánh giá sai số nhiều so với ảnh ban đầu Đối với quy trình phát loa hướng dẫn đạt kết tốt, âm to rõ, hướng dẫn xác bước mục tiêu ban đầu đề 72 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, nhóm thực đạt kết sau: - Thiết kế thi công thành công phần khí cho robot với cấu Scara song song - Thiết kế thi công thành công mạch điều khiển Servo thiết bị khác loa camera robot - Ứng dụng thành công chuẩn giao tiếp để tạo chức tiện ích cho Robot quét QR code âm qua loa - Chức vẽ hình đạt độ xác tương đối cao so với ảnh ban đầu - Quy trình vẽ hướng dẫn vẽ chuẩn xác mục tiêu ban đầu đề 6.2 Những mặt hạn chế Đề tài có hạn chế sau: - Chưa tối ưu phần cứng (động cơ, kích thước) cho robot - Động sử dụng có độ sai số cao nên gây sai số vẽ hình - Độ ổn định trình hoạt động robot chưa tốt 6.3 Kết luận Đề tài đạt mục tiêu ban đầu đề ra, nhiên phần ảnh vẽ đầu độ xác cịn thấp, q trình hoạt động đơi chưa ổn định kết nối với nhiều module đầu ra, độ cứng vững phần cánh tay vẽ chưa cao Cần phải cải thiện thêm để hướng tới thị trường Steam tương lai 73 6.4 Hướng phát triển Với thành công đề tài “Thiết kế, chế tạo Robot Steam hỗ trợ dạy vẽ” mà nhóm đạt được, nhóm có hướng phát triển sau: - Cải thiện thiết kế sử dụng động Servo có sai số nhỏ Servo SR-6120MG với độ xác 0.4 độ động sử dụng MG995 có độ xác 1.8 độ nhờ mà vẽ hình xác - Xây dựng giáo trình đa dạng theo chủ đề - Thiết kế thẻ hình, mã hấp dẫn - Tích hợp thêm nhiều hấp dẫn dùng camera để chụp ảnh chân dung vẽ ảnh chân dung - Tích hợp OTA để tải firmware thơng qua mạng wifi - Cải thiện phần cứng cánh tay Robot giúp vẽ xác 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ giáo dục đào tạo (2012), Trần Quốc Hùng, Giáo trình “Dung sai kỹ thuật đo”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh [2] Xavier Cano-Ferrer (2020), “Education Five-Bar Parallel Robot” [3] Lucas Campos, Francis Bourbonnais, Ilian A Bonev & Pascal Bigras (2010), “Development Of A Five-Bar Parallel Robot With Large Workspace” [4] TS Nguyễn Văn Thái (2016), “ Động học thuận tay máy ”, https://www.youtube.com/watch?v=Rvod_NM4Vso [5] TS Nguyễn Văn Thái ( 2016 ), “ Động học nghịch tay máy ”, https://www.youtube.com/watch?v=0vnku9z3sNY&list=PLn3q6sc1zsV4npf2wUTYS377lyU8oJ-o&index=17 [6] Bill William (2022), “Sound with ESP32 – I2S Protocol”, Sound with ESP32 - I2S Protocol | DroneBot Workshop [7] Bill William (2022), “ESP-NOW – Peer to Peer ESP32 communications”, ESP NOW - Peer to Peer ESP32 Communications (dronebotworkshop.com) 75 S K L 0