Thiết kế, chế tạo thiết bị điều khiển mô hình cánh tay robot

Đoàn Lê Anh Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà NẵngTóm tắt - Trong bài báo này, chúng tôi trình bày việc thiết kế,chế tạo thiết bị điều khiển mô hình cánh tay robo

1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH TAY ROBOT

THE DESIGN AND MANUFACTURE OF EQUIPMENT TO CONTROL ROBOT – ARM

MODEL

SVTH: Đặng Cao Thiên 1 ,Thân Quốc Trình 1 , Ngô Văn Đạt 1 , Nguyễn Hữu Hùng 2 , Trương Văn Nhân 3

1 Lớp 17CDT1, Khoa Cơ khí, 2 Lớp 18CDT1, Khoa Cơ khí, 3 Lớp 18D1, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

GVHD: TS Đoàn Lê Anh

Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Trong bài báo này, chúng tôi trình bày việc thiết kế,

chế tạo thiết bị điều khiển mô hình cánh tay robot Trong thiết kế

này, chúng tôi sử dụng 5 cảm biến uốn – Flex Sensor được gắn

trên 5 ngón tay của găng tay để phát hiện chuyển động Khi cảm

biến bị uốn cong, điện trở của cảm biến sẽ thay đổi, để có thể

phát hiện độ cong.Thông qua cảm biến ta sẽ nhận biết được các

trạng thái uốn cong của các ngòn tay trên bàn tay từ đó định

nghĩa các cử chỉ để điều khiển các động cơ của robot

Abstract - In this report, we present the design and

manufacture of equipment to control robot-arm model We use 5 bending sensors- Flex sensor, which are mounted on the 5 fingers of the glove in order to detect its movement When the sensor's metal is bent, the resistance of the sensor changes to be able to detect the curvature Through the sensor, we easily recognize the curved state of the finger to define gestures Thanks to that we can control the the robot's engine

Từ khóa - Arduino Cảm biến uốn cong, Cánh tay robot, điều

khiển từ xa, bàn phím

Key words - Arduino Mega, Flex Sensor, Robot arm, remote

control, keyboard.

1 Đặt vấn đề

Hiện nay cánh tay robot là một trong những tiến bộ

vượt bậc của nền công nghiệp sản xuất, đánh dấu bước

ngoặc lớn của thời đại công nghiệp 4.0 Cánh tay robot

được ứng dụng mọi mặt của đời sống như: sắp xếp, phân

loại hàng hóa, nội trợ trong gia đình, hoặc các công việc

nguy hiểm tránh tiếp xúc trực tiếp với hóa chất, …Tuy

nhiên hiện nay giá thành robot vẫn còn cao, nhất là với

những loại có các chức năng đặc biệt Một trong số đó là

những loại robot điều khiển thông qua cử chỉ tay Loại

robot này được sử dụng trong những tác vụ đặc biệt mà sự

khéo léo của bàn tay con người đóng vai trò quan trọng

Nhằm đặt một bước chân trong việc thiết kế chế tạo

những loại robot này nhóm chúng em đến với quyết định

thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ

ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH TAY ROBOT”

2 Tổng quan đề tài

Thiết bị giúp việc tương tác giữa con người và thiết bị

máy móc trở nên tự nhiên, linh hoạt và hiệu quả hơn

Việc ứng dụng cử chỉ tay để điều khiển các thiết bị kỹ

thuật có thể ứng dụng trong việc điều khiển các thiết bị

như xe, robot, … đi đến những nơi có địa hình khó khăn

và môi trường nguy hiểm, nơi mà con người khó có thể

thể tiếp cận được

Cánh tay Robot có thể nắm và thả sản phẩm theo cử

chỉ của tay người, đồng thời điều khiển được cùng lúc

nhiều khớp nên thao tác linh hoạt

3 Nội dung nghiên cứu

Thiết kế, chế tạo thiết bị điều khiển cánh tay robot 4

bậc tự do Thông qua sự điều khiển của thiết bị, cánh tay

Robot có khả năng thao tác di chuyển, cầm nắm vật thể

cũng như có khả năng chuyển động với sự điều khiển

bằng cử chỉ tay

4 Thiết kế phần cứng

4.1 Sơ đồ khối

Trung tâm của khối điều khiển là Arduino Mega 2560

có nhiệm vụ thu nhận và xử lí tin hiệu được truyền về từ bàn phím ma trận và các cảm biến sau đó sẽ hiển thị các lệnh điều khiển ra màn hình LCD CNC Shield là mạch nhận tín hiệu từ Arduino truyền cho driver và điều khiển cánh tay robot Nhóm sử dụng 2 Shield để điều khiển 6 động cơ bước thông qua driver A4988(có các jumper để điều khiển động cơ bước theo chế độ full step, haft step, 1/4, 1/8, 1/16) A4988 là một bộ điều khiển DMOS cực nhỏ với bộ chuyển đổi và bảo vệ quá dòng A4988 có thể điều khiển được động cơ bước lượng cực với dòng điện lên đến 2A với mỗi cuộn dây Nguồn để cung cấp cho Arduino và CNC Shield được lấy từ nguồn tổ ong 12V, các linh kiện khác lấy nguồn từ Arduino(5V hoặc 3,3V)

4.2 Giới thiệu thiết bị

Hình 1: Sơ đồ khối

Đặng Cao Thiên, Thân Quốc Trình, Ngô Văn Đạt, Nguyễn Hữu Hùng, Dương Tấn Nam 2

4.2.1 Vi điều khiển arduino Mega 2560 3

Arduino Mega 2560 là dòng arduino tiện dụng, đơn

giản, có thể lập trình trực tiếp bằng máy tính Arduino

Mega là phiên bản nâng cấp của Arduino R3 với số chân

giao tiếp, ngoại vi và bộ nhớ nhiều hơn Mạch được thiết

kế và sử dụng các linh kiện tương đương với phiên bản

chính hãng trên Arduino cc, phù hợp cho các ứng dụng

cần nhiều bộ nhớ hoặc nhiều chân, cổng giao tiếp hơn so

với Arduino Uno Arduino Mega 2560 là một vi điều

khiển hoạt động dựa trên chip Atmega2560 Bao hồm:

dụng như những chân PWM là từ chân số 2 – 13

và chân 44 45 46)

 6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3

(interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19

(interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21

(interrupt 2)

 4 cổng Serial giao tiếp giao tiếp với phần cứng:

4.2.2 Cảm biến uốn cong 2

Cảm biến này hoạt động theo nguyên lý dải uốn, có

nghĩa là bất cứ khi nào dải bị xoắn thì điện trở của nó sẽ

bị thay đổi Điều này có thể được đo lường với sự trợ giúp

của bất kỳ bộ điều khiển

Cảm biến này hoạt động tương tự như một điện trở

thay đổi bởi vì khi nó xoắn thì điện trở sẽ bị thay đổi Sự

thay đổi điện trở có thể phụ thuộc vào độ tuyến tính của

bề mặt vì điện trở sẽ không giống nhau khi nó ở các mức

khác Tương tự, khi senor này bị xoắn đến 90o thì giá trị

hợp không bị uốn, điện trở sẽ tăng gấp đôi trong trường

hợp bị uốn 45o, điện trở sẽ là bốn lần khi bị uốn 90o Điện

trở sẽ tăng khi góc tăng lên

Các thông số kỹ thuật:

điện áp thấp

 Nhiệt độ hoạt động -45oC – 80oC

4.2.3 Module NRF24L01

Mạch thu phát RF NRF24L01+ 2.4Ghz sử dụng chip truyền sóng NRF24L01+ mới nhất từ hãng Nordic với nhiều cải tiến so với chip NRF24L01 cũ về tốc độ truyền, khoảng cách, độ nhạy, bổ sung thêm pipelines, buffers, và tính năng auto-retransmit nhưng vẫn tương thích ngược với phiên bản cũ về cách sử dụng , NRF24L01+ hoạt động trên dải tần 2.4GHz và sử dụng giao tiếp SPI, khoảng cách tối đa trong điều khiện không vật cản lên đến 100m

Thông số kỹ thuật:

50m nếu trong nhà

5 Kết quả nghiên cứu và khảo sát

Hình 2: Arduino Mega 2560

Hình 3: Sơ đồ nối chân cảm biến uốn với Arduino

Bảng 1: Vị trí chân 4 cổng Serial

Hình 4: Cảm biến uốn cong

Hình 5: Module NRF24L01

3 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

5.1 Găng tay điều khiển

5.1.1 Cơ chế hoạt động

Găng tay có thể điều khiển cánh tay robot bằng các cử

chỉ tay đơn giản như cong và duỗi các ngón tay Mỗi một

ngón tay sẽ điều khiển một khớp khác nhau của cánh tay

robot

5.1.2 Điều khiển từ xa

Thiết bị có thể truyền và nhận tín hiệu điều khiển từ

xa thông qua module NRF24L001 được tích hợp trên

găng tay và cánh tay robot Phạm vi điều khiển là 30m và

có thể lên đến 100m đối với môi trường thuận lợi – không

vật cản, có thể truyền xuyên tường, kính…

5.2 Mô hình cánh tay robot

Cánh tay robot có 4 bậc tự do có thể chuyển động linh hoạt các khớp nhờ 6 động cơ bước, và có tay kẹp để cầm, gắp vật

6 Đánh giá hoạt động thực tế

Có 2 cơ chế điều khiển cánh tay robot gồm:

Hoạt động của cánh tay robot mà nhóm đang làm bao gồm: quay, cầm nắm, nhấc, dịch chuyển, tiến hành theo các thao tác thông qua các cảm biến cơ ở trên bàn tay Nó được lập trình mô phỏng thông qua phần mềm được cài đặt trên máy tính

Hoạt động của găng tay để điều khiển cánh tay robot ; Điều khiển cánh tay Robot chuyển động, cũng như có khả năng cầm nắm các vật thể có kích thước thông qua các cảm biến cơ được được gắn trên găng tay

7 Kết luận

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm tác giả luôn luôn nỗ lực và quyết tâm hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất Đề tài đạt được một số yêu cầu sau:

tay robot chuyển động thông qua các cảm biến được gắn trên găng tay

sản phẩm một cách nhanh chóng và linh hoạt

là một ví dụ cho bài toán thiết kế cánh tay Robot

có thể ứng dụng tốt cho việc hỗ trợ và tăng cường sức người Thay thế con người làm việc trong môi trường xấu, làm những việc nặng nhọc, nguy hiểm

phí còn quá eo hẹp nên tài vẫn còn một số hạn chế sau Tay gắp của cánh tay robot chưa nâng được những vật có kích thước và trọng lượng lớn

can thiệp của con người, vẫn chưa tự động hoàn toàn

Tài liệu tham khảo

[1] Tác giả KS Phạm Quang Huy, Vi điều khiển và ứng dụng – Arduino dành cho người tự học, NXB Thanh niên tái bản năm 2019.

[2] https://banlinhkien.vn/goods-9929-cam-bien-flex-sensor-4-5-cam-bien-uon-cong-.html?from=rss

[3] https://nshopvn.com/product/arduin-mega2560-r3-atmega16u2/

Hình 6: Găng tay điều khiển

Hình 7: Điều khiển từ xa

Hình 8: Cánh tay robot