báo cáo tiểu luận dự án hệ thống vi xử lý arduino điều khiển cánh tay robot 2 bậc tự do

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘTCHƯƠNG TRÌNH CƠ ĐIỆN TỬ - Ô TÔ

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI: DỰ ÁN HỆ THỐNG VI XỬ LÝARDUINO ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY

ROBOT 2 BẬC TỰ DO

Sinh viên thực hiện : LÊ NGUYÊN THIÊN BẢO : NGUYỄN QUÝ QUỐC : NGUYỄN HOÀNG THÁIMôn học : QUẢN LÝ DỰ ÁN

Bình Dương, ngày 27 tháng 07 năm 2022

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập tại trường, sinh viên được hệ thống lại toànbộ lý thuyết chuyên ngành và được tham gia kiến tập một số khâu nghiệp vụ cơbản của các kiến thức lý thuyết đã được học Được sự cho phép của Viện KĩThuật-Công Nghệ; được sự quan tâm, chỉ đạo của quý thầy cô trong Viện KĩThuật-Công Nghệ và các thầy cô bộ môn trong Trường Khoảng thời gian làmbài tuy ngắn ngủi nhưng em đã được học hỏi, được trải nghiệm những công việcthực tế Thời gian này đã cho em những bài học kinh nghiệm quý báu, những kỹnăng cần thiết về ngành kĩ thuật cơ điện tử mà trong thời gian học tập tại trườngem chưa có, để em tự tin bước vào môi trường làm việc sau này

Vì bài tiểu luận được thực hiện trong phạm vi thời gian hạn hẹp vàhạn chế về mặt kiến thức chuyên môn, do đó bài báo cáo của chúng em khôngthể tránh khỏi những sai sót nhất định Đồng thời bản thân báo cáo là kết quảcủa một quá trình tổng kết, thu thập kết quả, những bài học đúc rút từ trong quátrình làm bài và làm việc của chúng em Chúng em rất mong có được những ýkiến đóng góp của thầy, cô để bài báo cáo và bản thân chúng em hoàn thiện hơn.Qua bài báo cáo này, chúng em xin cảm ơn thầy Đỗ Đắc Hưng, trường Đại họcThủ Dầu Một Trong thời gian làm bài, chúng em đã được giúp đỡ và chỉ dẫntận tình, tạo điều kiệu để em hoàn thành báo cáo của mình

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

CHƯƠNG I: NỘI DUNG DỰ ÁN 5

1.3.Phân chia công việc 17

1.4 Thời gian thực hiện dự án 22

CHƯƠNG III: SẢN PHẨM CỦA DỰ ÁN 23

1 Mạch điều khiển 23

2 Cánh tay Robot Sau khi hoàn thành 24

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 27

1 Độ hoàn thiện của sản phẩm 27

2 Chuẩn đoán và sửa lỗi hệ thống trong quá trình mô phỏng và thiết kế 27

3 Những thuận lợi khó khăn khi thực hiện đề tài 27

3.1 Thuận lợi 27

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, Khi sức ép thay đổi công nghệ ngày càng lớn vàcạnh tranh khốc liệt buộc cho các doanh nghiệp phản ứng kịp thời với nhữngthay đổi của môi trường, hoạt động theo hình thức các dự án trở thành mộtphương thức vận hành hữu hiệu đối với các tổ chức Tổ chức theo hình thức dựán cung cấp các công cụ hữu hiệu nhằm tăng cường khả năng hoạch định , thựcthi và kiểm soát hoạt động , nhân lực và nguồn lực của tổ chức Quản trị dự ántrở lên cần thiết bởi xã hội hiện đại đòi hỏi những phương pháp quản trị mớitrong đó sử dụng nhóm thay vì cá nhân để giải quyết vấn đề Ngoài ra, khi mứcđộ phức tạp của các dịch vụ và sản phẩm và cũng như các quy trình để sản xuấtra chúng ngày càng ra tăng, dự án chính là một công cụ hiệu quả để kiểm tra cácsản phẩm cũng như quy trình sản xuất

Một trong những chức năng quan trọng của Quản trị dự án là “ dự báo ” Nhờ có dự báo, các nhà quản trị có thể lường trước được những khó khăn haythuận lợi của dự án Qua đó có thể quyết định thực hiện dự án hay không, hoặcchọn một phương án tối ưu nhất

Nhận thức được tầm quan trọng, vai trò của công việc dự báo trong quảntrị dự án Em chọn đề tài “DỰ ÁN HỆ THỐNG VI XỬ LÝ ARDUINO

1 Lý do chọn dự án.

Yêu cầu của dự án là chế tạo hoàn thiện phần cơ-điện của một cánh taymáy 2 bậc tự do Ở Việt Nam nói chung công nghệ chế tạo cơ khí chính xác cònchưa phát triển nếu không muốn nói là con số không, chúng ta hoàn toàn có khảnăng chế tạo các bộ phận cấu thành của tay máy có độ bền và độ chính xác cao.Tận dụng nhũng vật liệu có sẵn để gia công các chi tiết cơ khí cũng như linhkiện, thiết bị điện do nước ngoài sản suất để thiết kế thành những sản phẩm cụthể trước hết là ứng dụng làm phương tiện giảng dạy trong trường học và từ đóphát triển cao hơn để ứng dụng vào trong sản suất đã và đang là hướng đi đúng

đắn của các nhà khoa học và kỹ sư ở Việt Nam Đề tài “HỆ THỐNG VI XỬLÝ ARDUINO ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 2 BẬC TỰ DO” không

nằm ngoài nhận định trên Điều quan trọng hơn hết là các vấn đề liên quan đếnviệc tính toán thiết kế, chế tạo, nguyên lý hoạt động của tay máy và phần lýthuyết về mạch giao tiếp công suất và mạch điều khiển hệ thống bằng vi điều

khiển Nó sẽ là nguồn thông tin hữu ích cho những ai muốn tìm hiểu về lĩnh vựctự động hóa nói chung và lĩnh vực cánh tay máy nói riêng.

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của dự án.

Thực nghiệm trên mô hình cánh tay robot 2 bậc qua đó nghiên cứu tổngquan về cánh tay robot tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của robot Tìmhiểu cấu tạo và nguyên lý và ứng dụng của arduino sử dụng để điều khiển cánhtay robot Vận dụng các kiến thức đã học và tìm hiểu xây dựng mô hình cánhtay robot có thể hoạt động và lập trình được.

3 Đối tượng và phạm vi dự án.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình cánh tay robot 2 bậc tự do sửdụng mạch arduino để điều khiển Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo nguyên lýhoạt động của cánh tay robot và mạch điều khiển Vận dụng kiến thức để vậnhành và lập trình điều khiển cánh tay robot.

Giới hạn phạm vi dự án “Nội Dung Dự án Hệ thống điều khiển cánh tayrobot 2 bậc tự do bằng vi điều khiển Arduino” của nhóm bao gồm:

 Tìm hiểu được quá trình hình thành và phát triển của robot. Tìm hiểu về vi điều khiển Arduino.

 Nghiên cứu tìm hiểu phần cứng của đề tài.

 Sưu tầm, tìm kiếm tài liệu tham khảo phục vụ cho nghiên cứu. Nghiên cứu, học hỏi các phương pháp lập trình arduino.

 Nghiên cứu và ứng dụng mạch Arduino để điều khiển cánh tay robot.

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được ứng dụng xây dựng cánh tayrobot tự động gắp và phân loại, có thể ứng dụng để phân loại sản phẩm theomàu sắc hay chia sản phẩm lên băng chuyền sắp xếp vào thùng/khay Mô hìnhkết quả của đề tài có thể làm thiết bị thí nghiệm tốt và trực quan cho sinh viênchuyên ngành Kỹ Thuật Cơ Điện Tử.

CHƯƠNG I: NỘI DUNG DỰ ÁN

1 Giới thiệu.

Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chấtlượng của sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi của các phương tiện tựđộng hóa sản xuất Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động cótính linh hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ…Vì thế ngày càng tăngnhanh nhu cầu ứng dụng người máy cánh tay tự động (robot) để tạo ra các hệthống sản xuất tự động linh hoạt Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quantrọng trong sản xuất cũng như trong đời sống Robot là cơ cấu đa chức năng cókhả năng lập trình được dùng để di chuyển nguyên vật liệu và các chi tiết, cácdụng cụ thông qua các truyền động được lập trình trước Khoa học robot chủyếu dựa các phép toán Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thể thựchiện được các chuyển động như tay người và điều khiển được bằng máy tínhhoặc có thể điều khiển bằng chương trình được nạp sẵn trong chip trên bo mạchrobot.

Theo yêu cầu của môn học nhóm chúng em chọn đề tài:“Điều khiển hệthống động cơ servo trên cánh tay robot 2 bậc tự do” dựa trên các phần mềnđược học trong môn học Trong quá trình tìm hiểu và dưới sự hướng dẫn củagiảng viên của bộ môn chúng em đã học hỏi được nhiều kiến thức về mô phỏngquá trình hoạt động của động cơ servo, nhóm chúng em vẫn còn một số sai sótmong sự góp ý của thầy và các bạn để nhóm chúng em có thể hoàn thiện

2 Dự án hệ thống vi điều khiển arduino vận hành cánh tay robot 2 bậc tự do.

2.1 Vi điều khiển arduino

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY ( lànhững người tự chế ra sản phẩm của mình ) trên toàn thế giới trong vài năm gầnđây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động.Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thônglên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiênvề mức độ phổ biến Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lậptrình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc cácthiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng

cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóngngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình Và điều làm nên hiện tượngArduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phầnmềm Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị.

Bảng 1.1: Vi điều khiển Arduino2.2.Động cơ Servo là gì.

Động cơ servo hay còn gọi là servo motor là một loại động cơ máy mócchuyên dùng để cung cấp cơ năng cho một số thiết bị, dây chuyền hay cơ cấuhoạt động nào đó trong quy trình sản xuất và chế tạo Chúng đóng vai trò là đầutàu cung cấp lực kéo, giúp cho các dây chuyền hay các cơ cấu động cơ kháchoạt động theo Thiết bị này thường sử dụng từ trường để biến đổi điện năngthành cơ năng dưới dạng xoay nhằm mục đích kéo tải Có thể gọi đây là mộtthiết bị độc lập bởi vì khi động cơ không có tải chúng vẫn hoạt động như bìnhthường, tuy rằng quá trình hoạt động đó không đem lại lợi ích gì cả Động cơservo bắt buộc phải được kết nối với một cơ cấu truyền động cơ khí nào đó đểcung cấp cơ năng cho máy móc thông qua chuyển động quay liên tục của mình.Do đó, servo motor chỉ có giá trị khi chúng được kết nối với các thiết bị, cơ cấuđộng cơ khác bằng hệ thống truyền, đai, xích hay bơm,…

Bảng 1.2: Động cơ DC Servo 90Động cơ Servo gồm có hai loại:

Điều khiển động cơ 1 chiều: Dẫn động chạy dao máy công cụ điều khiểnsố NC/CNC đòi hỏi hệ điều khiển phải có khả năng điều khiển đồng thời cả tốcđộ và vị trí Mặc dù với sự phát triển của công nghiệp điện tử, động cơ xoaychiều điều khiển tốc độ bằng biến tầng ngày càng phát triển mạnh mẽ nhưngđộng cơ Servo DC vẫn được sử dụng phổ biến trong các máy công cụ điềukhiển số Những năm trước 1995 của thế kỉ trước 95% động cơ dùng trong xíchchuyển động chạy dao máy động cơ NC/CNC đều được sử dụng động cơ DCđiều khiển Servo Động cơ Servo DC có 2 loại: động cơ 1 chiều có chổi than vàđộng cơ 1 chiều không có chổi than.

2.2.1.Động cơ Servo DC có chổi than.

Động cơ servo dòng một chiều DC chổi than gồm 4 thành phần cơ bản:stator của động cơ DC là một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây phần ứng lắp trênroto Trong quá trình hoạt động, từ trường cố định được sinh ra từ nam châmvĩnh cửu gắn trên stator tượng tác với dòng từ sinh ra từ cuộn dây trên roto khicó dòng điện chạy qua nó Quá trình tương tác đó sinh ra moment tác động lên

trục roto Momen này biểu diễn theo chương trình Ưu điểm của động cơ ServoDC chổi than là đơn giản trong điều khiển và giá thành sản phẩm rẻ Tuy nhiênsử dụng chuyển mạch cơ khí gây ra ồn, tăng nhiệt độ trên vành góp và quán tínhrô to cao khi giảm tốc độ Để khắc phụ các nhược điểm trên người ta đã sử dụngđông cơ Servo DC không chổi than.

2.2.2.Đông cơ Servo DC không có chổi than.

Động cơ Servo DC không có chổi than được sử dụng phổ biến trong máycông cụ điều khiển số.

Cấu trúc của nó về cơ bản giống như động cơ Servo DC chổi than nhưngkhác ở chỗ các cuộn pha của động cơ lắp trên Stato và Rôto là nam châm vĩnhcửu Roto được chế tạo từ vật liệu ferit hoặc samari coban Roto làm từ vật liệusamari coban có khả năng tập trung từ cao và từ dư thấp Nhưng giá thành rotoloại này cao hơn nhiều so với khi rôto làm từ vật liệu ferit Vì vậy, nó chỉ dùngđể chế tạo rôto cho động cơ công suất lớn Tương tự như động cơ xoay chiều, từtrường quay trong động cơ DC không chổi than được sinh ra nhờ mạch điềukhiển thứ tự cấp dòng cho các cuộn pha Cuộn dây pha của động cơ khôngchuyển động vì vậy có thể sử dụng chuyển mạch bằng điện tử nênloại trừ bằngnhững nhược điểm tồn tại trong động cơ DC Servo chổi than Điều khiển cáctrục máy công cụ điều khiển số đòi hỏi điều khiển chính xác cả về vị trí và tốcđộ Vì vậy, động cơ Servo DC không chổi than cần phải có mạch phản hồi, tínhhiệu phản hồi là tốc độ quay trục động cơ hoặc vị trí góc trục Để đảm bảo chínhxác chuyển động bàn máy, tín hiệu phản hồi phải được cấp liên tục cho mạchđiều khiển Trong công nghiệp thiết bị mạch phản hồi của động cơ Servo DCthường sử dụng là cảm biến tốc độ (Tachometer) chổi than hoặc không có chổithan, sensor hiệu ứng Hall, resolver, synchro và encoder.

3 Cách vận hành.

Sau khi cấp nguồn cho cả hệ thống bằng pin và Adapter, sau vài giây nếuko có nhiễu điện thì 4 servo cụ thể ở đây là servoA, servoB, servoC, servoD…sẽ được set ở góc mặc định(home) đã cài đặt từ trước lần lược là 109, 143, 90,20…Sử dụng Joytick để tăng giảm giá trị biến trở X, Y để tăng góc của servoA,servoB tăng hoặc giảm 1 độ khi X,Y thay đổi giá trị đã được lập trình trongphần mền arduino Trong trường hợp giá trị của Joytick vượt quá giá trị chophép trong phần mền thì tất cả các động cơ servo trong hệ thống sẽ được set ởcác góc mặc định(home) Các nút nhấn “len” và “xuong” để thay đổi góc củaservoC lần lượt là 20, 40 để đóng và mở kẹp gắp Các nút “trai” và “phai” để

tăng hoặc giảm góc của servoD(phần đế) tương ứng với mỗi lần nhấn và khôngthể nhấn quá số góc giới hạn của động cơ servo.

Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 1.3: Lưu đồ giải thuật

4 Thiết kế mạch bằng các phần mền chuyên dụng.

Mạch điều khiển bao gồm: Arduino

 Module Joystick Dây BUS

 Điện trở  Công tắc Đèn báo

Hình 1.4: Ý tưởng thiết kết mạch điều khiển.

Mô phỏng phần mềm Proteus.

Mô phỏng Phần mềm Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động củamạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trìn điều khiển cho các họvi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, … Proteus là phần mềm mô phỏng mạchđiện tử của Lancenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiên điện tử thôngdụng, đặn biệt hỗ trợ cho các MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola Phần mềm baogồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in.Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại vi điều khiển khá tốt, nó hỗ trợ các dòngvi điều khiển PIC, 8051, PIC, dsPIC, AVR, HC11,…các giao tiếp I2C, SPI, CAN,USB, Ethenet…ngoài ra còn mô phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệuquả.

Hình 1.5: Thiết kế mạch điều khiển bằng phần mền Proteus.

Mô phỏng Phần mềm Fritzing.

Fritzing là phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử, được phát triển nhằm hỗtrợ các nhà thiết kế, kỹ sư và thậm chí là dân nghệ sỹ thiết kế dự án và xây dựng ýtưởng Bên cạnh đó, Fritzing còn được sử dụng làm công cụ hỗ trợ giáo dục, cungcấp tất cả các kiến thức tạo và xử lý các bảng mạch in PCB và các thành phần điệntử khác Cửa sổ chính của Fritzing hiển thị mạch ảo được tạo, cho phép người dùngchuyển đổi qua lại giữa ba chế độ xem, bao gồm: "Breadboard", "Schematic" và"PCB View" Chế độ "Breadboard" nói chung là nơi người dùng bắt đầu xử lý mạchvà tạo mạch mô phỏng theo bảng mạch trong thực tế, nhằm tránh sai sót trong quátrình đưa dự án từ mô hình ảo sang thực tế SEE Electrical LT cũng là phần mềmthiết kế sơ đồ mạch điện với nhiều công cụ vẽ phong phú, rất hữu ích với các kỹ sư,kiến trúc sư bên cạnh đó SEE Electrical LT còn cung cấp nhiều chế độ xem và cóthể lưu file dưới dạng file CAD Chế độ "Schematic" hiển thị sơ đồ mạch, thích hợpsử dụng với những ai muốn xem các biểu tượng, ký hiệu mạch chuẩn; còn chế độ"PCB View" hỗ trợ thiết kế và xuất các tài liệu mạch cần thiết để sản xuất Bản mạchin Ngoài ra, Fritzing còn có khả năng tạo các bộ phận tùy biến, mà người dùng cầnnhập tên bộ phận, biểu tượng, ảnh đồ họa được sử dụng trong chế độ xem tùy chọn.

Hình 1.6: Thiết kế mạch điều khiển bằng phần mền Fritzing

5 Lập trình hệ thống.

Phần mền lập trình ngôn ngữ C bằng Arduino(IDE)

Lập trình bằng phần mền Arduino môi trường phát triển tích hợp (IDE) làmột nền tảng đa ứng dụng (nền tảng) được viết bằng Java, và từ IDE này sẽđược sử dụng cho trình xử lý Language setting (Ngôn ngữ lập trình xử lý) và dựán Wiring Nó được thiết kế để dành cho những người mới làm quen với phầnmềm lĩnh vực phát triển Nó bao gồm một trình soạn thảo mã chương trình vớicác chức năng như đánh dấu cú pháp, kết hợp dấu ngoặc nhọn tự động, và tựđộng canh lề, cũng như biên dịch (biên dịch) và upload chương trình lên boardchỉ với 1 cú click chuột Một chương trình hoặc mã viết cho Arduino được gọilà một bản phác thảo.

Lập tình code trong phần mền Arduino IDE:

#include <Servo.h>#include <SPI.h>Servo servoA;Servo servoB;Servo servoC;

void setup(){

servoA.attach(A2); servoA.write(109); servoB.attach(A3); servoB.write(143);servoC.attach(A4); servoC.write(90);servoD.attach(A5); servoD.write(19);}

void loop() {

int gtx =analogRead(A0); int gty =analogRead(A1);

int len =digitalRead(2); // Button A int xuong =digitalRead(4); // Button C int trai =digitalRead(5); // Button D int phai =digitalRead(3); // Button B int start =digitalRead(6); // Button F int stopp =digitalRead(7); // Button E int resett =digitalRead(8); // Button Joystickint gocser1 = servoA.read();

int gocser2 = servoB.read();int gocser3 = servoC.read();int gocser4 = servoD.read(); Serial.println(" ");

Serial.print("gtbanđầu_x1:"); Serial.print(gtx); Serial.print("_"); Serial.print(servoA.read());

Serial.print(" gtbanđầu_y1:"); Serial.print(gty); Serial.print("_"); Serial.print(servoB.read());

Serial.print(" len:"); Serial.print(len); Serial.print("_"); Serial.print(" xuong:"); Serial.print(xuong);Serial.print("_"); Serial.print(" đế:"); Serial.print(servoC.read());

Serial.print(" start:"); Serial.print(start);Serial.print("_");