NGHIÊN cứu, THIẾT kế và điều KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BẰNG ARDUINO

Ngày nay robot đã được sử dụng rộng khắptrong các lĩnh vực gia công, lắp ráp của nhiều ngành sản xuất như nănglượng, ô tô, máy bay, linh kiện điện tử,… Trong nền sản xuất hiện đại chúng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỐ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH

TAY ROBOT BẰNG ARDUINO

Người hướng dẫn : ThS Hồ Sỹ Phương

Sinh viên thực hiện : Đặng Xuân Mạnh

Mã số sinh viên : 0951085123

NGHỆ AN - 2016

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot Shakey 1Hình 1.2 Robot hàn điểm 2Hình 1.3 Robot song song 6 bậc tự do Merlet 3

Hình 1.4 Nguyên bản của Robot Hexapod TU Munich 3

Hình 1.5 Robot hàn trong công nghệ sản xuất cơ khí 5

Hình 1.6 Ứng dụng Robot trong các hệ thống sản xuất linh hoạt 5Hình 1.7 Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp 6

Hình 1.8 Robot thám hiểm địa hình 6Hình 1.9 Biểu diễn không gian của cánh tay máy 7

Hình 1.10 Cánh tay Robot 8Hình 1.11 Cấu tạo của motor một loại motor bước 8

Hình 1.12 Robot PUMA 6 bậc tự do 11Hình 1.13 Bậc tự do của robot 11Hình 1.14 Hệ toạ độ của robot có n khâu 12Hình 1.15 Xác định toạ độ cho các khâu của Robot Scara 13

Hình 1.16 Robot kiểu toạ độ Đề các 13Hình 1.17 Robot kiểu toạ độ trụ 14Hình 1.18 Robot kiểu toạ độ cầu 14Hình 1.19 Robot kiểu Scara 15Hình 1.20 Phân loại các loại robot chuyên dùng 15

Hình 1.21 Một sản phẩm robot song song 16Hình 1.22 Mobile robot ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau 16

Hình 1.23 Board mạch Arduino Uno 20Hình 1.24 Chân đọc xuất tín hiệu 23Hình 1.25 Động cơ Servo parasonic 25Hình 1.26 Động Cơ Servo 1501MG 26Hình 1.27 Động cơ DC giảm tốc GA12-N20 Encoder 26

Hình 1.28 Động cơ AC Servo 27Hình 2.1 Các khối cơ bản của Arduino 29

Hình 2.2 Khối init 30Hình 2.3 Khối close 31Hình 2.4 Các khối cơ bản của khối low level 32

Hình 2.5 Các khối cơ bản của khối sensor 32Hình 2.6 Khối lệnh điều khiển các khớp động cơ servo 33

Hình 2.8 Thiết lập số servo 34Hình 2.9 Cấu hình cho servo 34Hình 2.10 Thiết lập góc quay cho servo 35Hình 2.11 Khối chính trong vòng lặp 36Hình 2.12 Giao diện điều khiển bằng tay 36

Hình 2.13 Động cơ RC Servo 37

Hình 2.14 Cấu tạo của Rotor 38Hình 2.15 Stator của động cơ điện một chiều 39

Hình 2.16 Cổ góp và chổi than 39Hình 2.17 Encoder của động cơ 40Hình 2.18 Hai kênh A và B lệch pha nhau trong encoder 41

Hình 2.19 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 42

Hình 2.20 Cấu tạo servo.44Hình 2.21 Điều khiển vị trí của trục ra của động cơ bằng cách điều chế độ

rộng xung 45Hình 3.1 Cánh tay robot 5 bậc tự do 48Hình 3.2 Bo mạch Arduino Uno R3 50Hình 3.3 Mô tả lắp đặt động cơ Servo với Arduino50

Hình 3.4 Khối cấu hình và chọn chân mạch điều khiển arduino 52Hình 3.5 Khối lệnh điều khiển các khớp động cơ servo 52

Hình 3.6 Giao diện điều khiển cánh tay trên máy tính 53

Hình 3.7 Động Cơ Servo LD 1501MG 53

Hình 3.8 Phần bàn tay 54

Hình 3.9 Phàn khớp cánh tay 54Hình 3.10 Phần khớp khỉu tay 55Hình 3.11 Phần khớp trục đế xoay 55Hình 3.12 Cánh tay robot 5 bậc tự do.56

1.3 Các khái niệm về Robot – Robot công nghiệp 7

1.3.1 Định nghĩa về robot công nghiệp ( Industrial Robot ) 7

1.3.2 Cánh tay máy Robot ( Robot Arm) 8

1.3.3 Bậc tự do của Robot công nghiệp 10

1.3.4 Hệ toạ độ trong robot 11

1.4 Phân loại Robot 13

1.5 Tổng quan về board mạch Arduino uno R3 18

1.6 Động Cơ Servo 24

1.7 Kết luận chương 27

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY…282.1 Giới thiệu phần mềm Labview 28

2.1.1 Các Khối lênh cơ bản của Arduino 29

2.2.3 Khái niệm động cơ điện một chiều 37

2.2.4 Cấu tạo chung của động cơ DC 37

2.2.5 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều 42

3.4 Hướng phát triển 57

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, khoa học kỹ thuật đang có sự phát triển như vũ bão Nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật đã và đang được ứng dụng vào thực tiễn

và đem lại lại nhiều lợi ích to lớn , tạo bước ngoặt sự phát triển của xã hội

Từ khi ra đời cho đến nay Robot đóng một vai trò quan trọng trong sự pháttriển cho nền sản xuất của xã hội

Trong ứng dụng công nghiệp, tứ những tay máy điều khiển từ xa chongành hóa phóng xạ ban đầu Ngày nay robot đã được sử dụng rộng khắptrong các lĩnh vực gia công, lắp ráp của nhiều ngành sản xuất như nănglượng, ô tô, máy bay, linh kiện điện tử,…

Trong nền sản xuất hiện đại chúng ta không thể phủ nhận vai tròquan trọng của robot công nghiệp trong các hệ thống sản xuất tự động Robot công nghiệp giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảiphóng con người khỏi những công việc nguy hiểm hay những công việcnhàm chán lặp đi lặp lại trong quá trình sản xuất Trong hệ thống sản xuất

tự động, một robot công nghiệp có thể thực hiện các công việc như: Vậnchuyển sản phẩm, sơn, quét, lau chùi,…

Trong lĩnh vực giáo dục robot đang được nghiên cứu và đẩy mạnhphát triển ở nhiều đại học lớn trên khắp thế giới, ở Việt Nam hầu hết cáctrường về kỹ thuật cũng đều được trang bị môn học robot công nghiệp tuynhiên việc học và nghiên cứu của sinh viên còn nhiều hạn chế do thiếu kỹnăng thực hành, vận dụng lý thuyết vào thực tiễn nên lĩnh vực robot ở ViệtNam còn phát triển chậm Trong nước hiện có rất ít công ty tổ chức pháttriển về lĩnh vực này Vì lý do đó robot rất cần được nghiên cứu và pháttriển hơn nữa để góp phần vào sự phát triển không ngừng của đất nước

trong thời đại mới , sẽ góp một phần quan trọng để đạt được mục tiêu đưaViệt am thành một nước công nghiệp vào năm 2020.

Trong phạm vi của đồ án này , được sự hướng dẫn tận tình của cácthầy cô khoa ĐTVT-ĐH Vinh Em chọn đề tài “ Điều khiển cánh tay robot

5 bậc tự do bằng Arduino”

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Thực hiện điều khiển cánh tay máy sử dụng bo mạch Arduino UnoR3 thông qua phần mềm Labview Thiết kế thi công cánh tay máy

Tập trung vào việc điều khiển cánh tay máy bằng labview , lập trình code

để phục vụ cho việc điều khiển trên máy vi tính Cánh tay máy điều khiểnbằng bo mạch Arduino Uno R3 sử dụng động cơ Servo

LỜI CẢM ƠN

Với sự hướng giúp đỡ từ các thầy cô trong Khoa Điện Tử ViễnThông, em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp của mình Đặc biệt là sự

nhiệt tình và quan tâm của giảng viên trực tiếp hướng dẫn đề tài, Th.S Hồ

Sỹ Phương, Bộ môn KT Điện Tử, Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại

Học Vinh Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy và thầy cô trongkhoa

Cuối cùng, tôi xin kính chúc quý thầy, cô sức khỏe và thành côngnhiều hơn nữa trong sự nghiệp giáo dục cao quý

Nghệ An, ngày tháng năm 2016 Sinh viên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT

1.1 Tổng quan về robot.

1.1.1 Lịch sử phát triển robot.

Khái niệm Robot ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1922 tại NewYork,khi nhà soạn kịch người Tiệp Kh Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cổmáy hoạt động một cách tự động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó

Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúc conngười Đến năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz

đã chế tạo thành công tay máy đôi (master-slave manipulator) Đến năm

1954, Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thểnhận biết được lực tác động lên khâu cuối

Năm 1956 hãng Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt động trongviệc thám hiểm dại dương

Năm 1968 R.S Mosher, của General Electric đã chế tạo một cỗmáy biết đi bằng 4 chân Hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong và mỗichân vận hành bởi một hệ thống servo thủy lực

Năm 1969, đại học Stanford đã thiết kế được Robot tự hành nhờnhận dạng hình ảnh

Hình 1.1 Robot Shakey

Năm 1970 con người đã chế tạo được Robot tự hành Lunokohod,

Trong giai đoạn này, ở nhiều nước khác cũng tiến hành công tácnghiên cứu tương tự, tạo ra các Robot điều khiển bằng máy tính có lắp đặtcác loại cảm biến và thiết bị giao tiếp người và máy.

Hình 1.2 Robot hàn điểm

Theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các Robot ngày càng đượcchế tạo nhỏ gọn hơn, thực được nhiều chức năng hơn, thông minh hơn.Một lĩnh vực được nhiều nước quan tâm là các Robot tự hành, các chuyểnđộng của chúng ngày càng đa dạng, bắt chước các chuyển động của chânngười hay các loài động vật như : bò sát, động vật 4 chân, … Và các loại

xe Robot (robocar) nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong các hệthống sản xuất tự động linh hoạt (FMS)

Từ đó trở đi con người liên tục nghiên cứu phát triển Robot để ứngdụng trong quát trình tự động hoá sản xuất để tăng hiệu quả kinh doanh.Ngoài ra Robot còn được sử dụng thay cho con người trong các công việc

ở môi trường độc hại, khắc nghiệt, …

Chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành mộtlĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu độnghọc, động lực học, quĩ đạo chuyển động, chất lượng điều khiển… Tuỳthuộc vào mục đích và phương thức tiếp cận, chúng ta có thể tìm hiểulĩnh vực này ở nhiều khía cạnh khác nhau

Hiện nay có thể phân biệt các loại robot ở hai mảng chính : Các loạirobot công nghiệp (cánh tay máy) và robot di động (mobile robot) Mỗi loại

có các ứng dụng cũng nhue đặc tính khác nhau Ngoài ra, robot côngnghiệp còn được phân chia dựa vào cấu tạo động học : Robot nối tiếp(series robot) và robot song song (parallel robot)

Hình 1.3 Robot song song 6 bậc tự do Merlet.

Chính công nghệ tiên tiến ở tất cả các lĩnh vực : cơ khí, vi mạch,điều

khiển, công nghệ thông tin … đã tạo ra nền tảng cũng như những tháchthức lớn đối với khoa học nghiên cứu robot Chính vì vậy, con người đã vàđang tiếp tục phát triển và nâng cao mức độ hoàn thiện trong lĩnh vực đầyhấp dẫn này

Hình 1.4 Nguyên bản của Robot Hexapod TU Munich.

1.1.2 Các ứng dụng của Robot.

1.2.1 Các ưu điểm khi sử dụng Robot.

Các loại Robot tham gia vào qui trình sản xuất cũng như trong đờisống sinh hoạt của con người, nhằm nâng cao năng suất lao động của dâychuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, năng cao chất lượng cũngnhư khả năng cạnh tranh của sản phẩm tạo ra

Robot có thể thay thế con người làm việc ổn định bằng các thao tácđơn giản và hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghivới sự thay đổi của qui trình công nghệ

Sự thay thế hợp lý của robot còn góp phần giảm giá thành sản phẩm,tiết kiệm nhân công ở những nước mà nguồn nhân công là rất ít hoặc chiphí cao như : Nhật Bản, các nước Tây Âu, Hoa Kỳ…

Tất nhiên nguồn năng lượng từ robot là rất lớn, chính vì vậy nếu

có nhu cầu tăng năng suất thì cần có sự hỗ trợ của chúng mới thay thếđược sức lao động của con người Chúng có thể làm những công việc đơngiản nhưng dễ nhầm lẫn, nhàm chán

Bên cạnh đó, một ưu điểm nổi bậc của robot là môi trường làmviệc Chúng có thể thay con người làm việc ở những môi trường độc hại,

ẩm ướt, bụi bặm hay nguy hiểm Ở những nơi như các nhà máy hoáchất, các nhà máy phóng xạ, trong lòng đại dương, hay các hành tinh khác

… thì việc ứng dụng robot để cải thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng

1.2.2 Mộ số lĩnh vực ứng dụng.

a Ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí.

Trong lĩnh vực cơ khí, robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khảnăng hạot động chính xác và tính linh hoạt cao

Các robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sảnxuất ô tô, các nhà máy sản xuất vỏ bọc cơ khí…

Hình 1.5 Robot hàn trong công nghệ sản xuất cơ khí.

Ngoài ra người ta còn sử dụng robot cho các công nghệ đúc, có môitrường nhiệt độ cao, bụi bặm và các thao tác luôn đòi hỏi độ tin cậy cao Đặc biệt trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), Robot đóng vaitrò rất quan trọng trong việc vân chuyển và kết nối các công đoạn sảnxuất với nhau

Hình 1.6 Ứng dụng Robot trong các hệ thống sản xuất linh hoạt.

b Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp.

Các thao tác này thường được tự động hóa bằng các robot được gia côngchính xác và mức độ tin cậy cao

Hình 1.7 Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và

lắp ráp.

c Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất.

Ngày nay, việc sử dụng các tiện ích từ Robot đến các lĩnh vựcquân sự, y tế, …rất được quan tâm Nhờ khả năng hoạt động ổn định vàchính xác, Robot đặc biệt là tay máy được dùng trong kĩ thuật dò tìm, bệphóng, và trong các ca phẫu thuật y khoa với độ tin cậy cao

Hình 1.8 Robot thám hiểm địa hình.

Ngoài ra, tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể khác mà Robot đượcthiết kế để phục vụ cho các mục đích khác nhau, tận dụng được các ưuđiểm lớn của chúng đồng thời thể hiện khả năng công nghệ trong quá trìnhlàm việc

1.3 Các khái niệm về Robot – Robot công nghiệp.

Lĩnh vực nghiên cứu về Robot hiện nay rất đa dạng và phong phú Trong tài liệu này, chúng tôi chỉ trình bày các kiến thức chủ yếutrên các loại Robot công nghiệp, tức các cánh tay máy Các bài toán cânbằng lực, các phương trình động học và động lực học là những nền tảng

cơ bản để các bạn học viên có thể tiếp cận với chuyên nghành kĩ thuậtRobot

1.3.1 Định nghĩa về robot công nghiệp ( Industrial Robot ).

Tuỳ thuộc mỗi quốc gia, tổ chức và mục đích sử dụng, chúng ta cónhiều định nghĩa về robot công nghiệp Vì vậy trong nhiều tài liệu khácnhau, định nghĩa về robot công nghiệp cũng khác nhau Theo từ điểnWebster định nghĩa robot là máy tự động thực hiện một số chức năng củacon người Theo ISO ( International Standards Organization ) thì : Robotcông nghiệp là tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lậptrình và điều khiển trợ động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vậtdụng khác Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiềunhiệm vụ đa dạng Tuy nhiên Robot công nghiệp được định nghĩa nhưvậy chưa hoàn toàn thoả đáng

Hình 1.9 Biểu diễn không gian của cánh tay máy.

1.3.2 Cánh tay máy Robot ( Robot Arm)

Là bộ phận cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bởi các khớpnối, các bộ truyền động như: Bộ truyền bánh răng, bộ truyền đai, bộtruyền trục vít- bánh ví, vít me- đai ốc…

Hình 1.11 Cấu tạo của motor một loại motor bước.

2 Bộ điều khiển ( Controller ):

Là thành phần quan trọng quyết định khả năng hoạt động và độchính xác của Robot Bộ phận này thông thường được tích hợp dưới dạngcác board mạch điều khiển, có thể có các loại sau:

 IC diều khiển trung tâm (CPU) kết hợp với các card điều khiểnphân theo

 Các bộ điều khiển thiết kế theo các dạng điều khiển hiện đại như :

Bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển theo mạng neuron…

3 Cảm biến ( Sensor ):

Là thiết bị chuyển các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điệncung cấp cho hệ thống nhằm nâng cao khả năng linh hoạt và độ chính xáctrong điều khiển Như vậy Robot chính là một hệ thống điều khiển kín vớivòng hồi tiếp (Feedback ) được thực hiện từ tín hiêu thu về từ cảmbiến.Các loại cảm biến thường gặp như:

Các cảm biến trên có thể cho tín hiệu tương tự Analogue hoặc tínhiệu số ( Digital ), ngoài ra còn sử dụng các bộ mã hoá vị trí, mã hoá gócdịch chuyển Encoder, Resolver…

1.3.3 Bậc tự do của Robot công nghiệp.

a Khái niệm:

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu để dịchchuyển được một vật thể nào đó trong không gian Cơ cấu chấp hành củarobot phải đạt được một số bậc tự do nhất định Nói chung, cơ hệ của mộtrobot là một cơ cấu hở ( là cơ cấu có một khâu nối giá )

Chuyển động của các khâu trong robot thường là một trong haikhâu chuyển động cơ bản là tịnh tiến hay chuyển động quay

b Xác định số bậc tự do của robot (DOF- Defree Of Freedom).

Số bậc tự do của robot được xác định:

Hình 1.12 Robot PUMA 6 bậc tự do.

Ví dụ: Xác định số bậc tự do của robot sau:

Hình 1.13 Bậc tự do của robot

Xác định được số khớp loại 5 là 5 (4 khớp quay và một khớp tịnhtiến ), do đó n=5 và P5 =5 nên số bậc tự do của robot này: W= 6.5 – 5.5 = 5bậc

Lưu ý:

 Hầu hết robot sử dụng khớp loại 5 ( khống chế 5 bậc tự do, chuyểnđộng quay hoạc tịnh tiến ) Vì vậy số bậc tự do của nó cũng chính là sốkhâu động, robot có bậc tự do càng cao thì càng linh hoạt

 Thông thường 3 bậc tự do đầu dùng để định vị, các bậc tự do sau đểđịnh hướng

1.3.4 Hệ toạ độ trong robot.

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau ( links )thông qua các khớp ( joints ) tạo thành một xích động học xuất phát từ một

khâu cơ bản đứng yên Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơbản ( hay hệ toạ độ chuẩn ).

Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ

độ suy rộng

Tại từng thời điểm hoạt động các toạ độ suy rộng xác định cấu hìnhcủa robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớptịnh tiến hoặc khớp quay Các toạ độ suy rộng còn lại là các biếnkhớp

Tất cả các hệ toạ độ dùng trong robot phải tuân theo qui tắc bàntay phải : Dùng bàn tay phải co hai ngón út và áp út, ngón cái trỏ theophương diện trục z, ngón trỏ theo phương diện trục x, ngón giữa hướngtrục y

Hình 1.14 Hệ toạ độ của robot có n khâu.

Các góc quay θ1, θ3, θ4, θ5 và độ dịch chuyển dài d2 là các toạ độsuy rộng ( các biến khớp )

Để khảo sát động học robot ta phải gắn trên mỗi khâu của robot một

hệ toạ độ Nguyên tắc chung để gắn hệ toạ độ sẽ được trình bày trongchương III trong khi xét đến phương trình động học của robot và bộ thông

số Denavit- Hartenberg

Ví dụ: Xác định toạ độ cho robot SCARA (Robot có 4 bậc tự do )

Hình 1.15 Xác định toạ độ cho các khâu của Robot Scara.

1.4 Phân loại Robot.

1.4.1 Robot Công nghiệp

1 Robot nối tiếp (series robot)

Thực chất loại Robot này chính là các loại tay máy, các khâu và khớpnối của chúng được thiết kết liên tiếp nhau để hình thành nên các quĩ đạochuyển động nhất định Đối với loại robot này, chúng ta có nhiều cáchphân loại khác nhau :

a Phân loại theo kiểu kết cấu

 Robot kiểu toạ độ Đềcác

Tay máy có 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 phương của hệ tọa

độ Đềcác trong không gian

Thường ứng dụng loại robot này trong việc vận chuyển phôi liệu,lắp ráp, hàn trong mặt phẳng…

Hình 1.16 Robot kiểu toạ độ Đề các

 Robot kiểu toạ độ trụ Vùng làm việc của robot này có dạng hình trụrỗng

Robot Versatran (hãng AFM, Hoa Kỳ) là một robot thuộc loạinày

Hình 1.17 Robot kiểu toạ độ trụ.

 Robot kiểu toạ độ cầu

Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu

Có hai loại cấu hình chính thuộc kiểu robot này : 3 khớp quay(RRR) 2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến ở khâu cuối (RRT)

Hình 1.18 Robot kiểu toạ độ cầu.

 Robot kiểu Scara

Robot có cấu trúc theo kiểu Scada ra đời từ năm 1979, tạitrường đại học Yamanashi (Nhật Bản)

Robot laọi này thường được ứng dụng trong các lĩnh vực lắp ráp, vớicấu hình của 3 khâu đầu tiên là : RRT

Hình 1.19 Robot kiểu Scara.

b Phân loại theo nguồn truyền động

 Hệ truyền động điện

 Hệ truyền động thuỷ lực

 Hệ truyền động khí nén

c Phân loại theo các ứng dụng

Hình 1.20 Phân loại các loại robot chuyên dùng.

2 Robot song song (Parallel Robot).

Các loại Robot thuộc nhóm này có các khâu chuyển động song songtương

đối với nhau Thông thường chúng gồm 1 đế cố định và 1 đế di động

Hình 1.21 Một sản phẩm robot song song

Tuỳ thuộc vào số lượng các nhánh của robot song song mà ta có thểphân loại chúng với nhau Một loại robot song song có 6 nhánh được sửdụng rất phổ biến là Hexapod

3 Robot di động (Mobile Robot)

Đây là hệ Robot có nhiều tính năng thông minh và linh hoạttrong quá trình ứng dụng nhờ khả năng di chuyển được theo lập trình

Hình 1.22 Mobile robot ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

Hệ thống mobile robot là lĩnh vực thật sự hấp dẫn đối với các nhànghiên cứu cũng như những người quan tâm, không chỉ nhờ những ưu điểmnổi bậc của nó mà còn ở tính đa dạng trong ứng dụng.

Phân tích động học và động lực học mobile robot là những bài toán

có mức độ phức tạp khác nhau, nó tuỳ thuộc vào kết cấu của robot cũngnhư yêu cầu về độ chính xác, tính thông minh trong xử lý tình huống… Chúng ta xem xét một vài chuyển động mà con người mong muốnthiết kế các loại mobile robot

+ Chuyển động theo dạng trườn :

Ngày nay con người đã hiện thực hoá được các ý tưởng này, mặc

dù mức độ chính xác, độ tin cậy của mỗi loại, mỗi hãng sản xuất… là khácnhau

1.5 Tổng quan về board mạch Arduino uno R3.

a Tổng quan về board mạch Arduino R3

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụngtương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng baogồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVRAtmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bịgồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật sốtương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cốgắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những ngườiyêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khảnăng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấphành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu baogồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đicùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máytính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trìnhcho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linhkiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác.Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, chophép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có

thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền thông với

board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiềushield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có thể đượcxếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sửdụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168,ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý kháccũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích Hầu hết các mạch

gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz(hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết

kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard

do hạn chế về kích cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino cũng có thể đượclập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trìnhvào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộnạp bên ngoài Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơnbằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chươngtrình

Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cảcác board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thứcthực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino cóchứa một mạch chuyển đổi giữa RS232 sang TTL Các board Arduino hiệntại được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyểnđổi USB-to-serial như là FTDI FT232 Vài biến thể, như Arduino Mini vàBoarduino không chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nốiUSB-to-serial có thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác.(Khi sử dụng một công cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vìArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.)Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụngcho những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra

14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độrộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O

số Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua cácheader cái 0.10-inch (2.5 mm) Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng đượcthương mại hóa Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible BareBones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trêncủa board dùng để cắm vào các breadboard

Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived Mộtvài trong số đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng

để thay thế qua lại Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cáchthêm vào các driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơngiản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ Những board khácthường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng-đôi khi cònduy trì độ tương thích với các shield, đôi khi không Vài biến thể sử dụng

bộ vi xử lý hoàn toàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau

Arduino board có nhiều phiên bản với hiệu năng và mục đích sửdụng khác nhau như: Arduino Mega, Arduino LyliPad, Trong số đó,Arduino Uno R3 là một trong những phiên bản được sử dụng rộng rãi nhấtbởi chi phí rẻ và tính linh động của nó

Hình 1.23 Board mạch Arduino Uno

Arduino Uno R3 được xây dựng với vi điều khiển là Atmega328 sửdụng thạch anh có chu kỳ dao động là 16 MHz Với vi điều khiển này, ta cótổng cộng 14 chân ra/vào được đánh số từ 0 đến 13, trong đó có 6 chânPWM, được đánh thêm dấu ~ trước số chân Ta có thêm 6 chân nhận tínhiệu analog được ký hiệu từ A0 đến A5, 6 chân này cũng có thể được sử

dụng như các chân ra/vào bình thường Chân 13 được nối trức tiếp với 1con led tích hợp trên board.

Bảng : Thông số Arduino của nhà sản xuất.

Arduino là một nền tảng phần cứng mã nguồn mở: Các thiết kế phầncứng tham khảo của Arduino được phân phối dưới dạng CreativeCommonsAttribution Share-Alike 2.5 license và có sẵn trên website củaArduino Một vài phiên bản phần cứng của Arduino còn đưa lên cả fileLayout và thành phẩm Mã nguồn cho IDE này cũng khả dụng và đượcxuất bản dưới dạng GNU General Public License, version 2.

Mặc dù các thiết kế phần cứng và phần mềm là miễn phí dưới dạngcopyleft license, các nhà phát triển cũng được yêu cầu cái tên "Arduino"chỉ được dành riêng cho các sản phẩm chính thức và không được sử dụngcho các sản phẩm phái sinh mà được sự cho phép Các văn bản chính sáchchính thức về việc sử dụng tên Arduino nhấn mạnh rằng dự án này là mởđối với những người khác trong việc cộng tác để tạo ra sản phẩm chínhthức Nhiều sản phẩm tương thích với Arduino phát hành thương mại đãtránh cái tên "Arduino" bằng cách sử dụng từ phái sinh "-duino"

Phần cấp nguồn cho arduino GND (Ground): cực âm của nguồn điệncấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồnđiện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là500mA

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là50mA

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nốicực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO cóthể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn khôngđược lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khôngphải là cấp nguồn

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đươngvới việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.

Lưu ý : Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do

đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trướckhi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của ArduinoUNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy mình khuyên bạn nêndùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn racho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấpnguồn sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuấtkhuyến khích

Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới6V có thể làm hỏng board

Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng viđiều khiển ATmega328

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog củaArduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog củaArduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì củaArduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu khôngdùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu.Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗichân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngaytrong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không đượckết nối)

Hình 1.24 Chân đọc xuất tín hiệu.

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) vànhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp vớithiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm

na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạnkhông nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xungPWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V)bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnhđược điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức0V và 5V như những chân khác

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữliệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L).Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó đượcnối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giảitín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V

Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi

sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thìbạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V →2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợgiao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

Hình 1.25 Động cơ Servo parasonic

Mặt khác động cơ Servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếpphòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay , vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiểnnày Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ , cơ