Xây dựng mô hình cánh tay robot điều khiển bằng smartphone

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới nhà trường, cô giáo, thầy giáo khoa cơng nghệ tự động hóa trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông Thái nguyên tạo điều kiện giúp đỡ em suốt khóa học hoàn thành đồ án tốt nghiệp Để thực hoàn thành đồ án tốt nghiệp hướng dẫn bảo Hồng Thị Hải Yến, người giúp đỡ, góp ý, cung cấp ý tưởng dẫn tài liệu trình làm đồ án Em xin giửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Tuy nhiên kiến thức kinh nghiệm có hạn nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo thầy giáo, giáo, bạn để em hồn thiện đồ án LỜI CAM ĐOAN Tên em là: Hoàng Đức Giang Sinh viên lớp K11 nghành Công nghệ kĩ thuật điện, điện tử trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái nguyên – Đại học Thái nguyên Em xin cam đoan toàn nội dung đồ án em làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích, tài liệu tham khảo rõ đồ án Nếu có sai sót em hồn tồn chịu trách nhiệm Sinh viên Hoàng Đức Giang MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan robot 1.1.1 Lịch sử phát triển Robot 1.1.2 Các ứng dụng robot 11 1.1.3 Các khái niệm Robot – Robot công nghiệp 14 1.1.4 Phân loại robot 19 1.2 Tổng quan ngơn ngữ lập trình Arduino 25 1.2.1 Tổng quan Arduino 25 1.2.2 Các ứng dụng Arduino 26 1.2.3 Tìm hiểu Aruino Uno 28 1.3 Tìm hiểu phần mềm App Inventor 30 1.3.1 Lịch sử hình thành phát triển 30 1.3.2 Đặc điểm tính App Inventor 30 1.4 Tổng quan Module Bluetooth HC – 06 SLAVE 32 1.4.1 Giới thiệu Module Bluetooth HC – 06 32 1.4.2 Thông số kĩ thuật 32 1.4 Tổng quan động Servo 33 1.4.1 Giới thiệu động Servo 33 1.4.2 Hoạt động động Servo R/C 34 1.4.3 Động Servo điều biến độ rộng xung 35 1.4.4 Các giới hạn quay động Servo 36 1.4.5 Hệ thống truyền động bánh truyền động công suất 37 1.4.6 Động Servo SG90 37 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ 40 2.1 Mô tả hệ thống 40 2.2 Thiết kế phần cứng 40 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 40 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý 41 2.2.3 Lưu đồ thuật toán hệ thống 42 2.3 Tính tốn thiết kế cánh tay robot 43 2.3.1 Phân tích lựa chọn cấu trúc cánh tay robot 43 2.3.2 Các phương án thiết kế 44 2.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế 45 2.3.4.Thiết lập bảng D-H giải toán động học thuận cho robot 46 2.4 Thiết kế ứng dụng điều khiển cánh tay robot smartphone 48 2.4.1 Thiết kế giao diện cho ứng dụng MIT App Inventor 48 2.4.2 Ứng dụng hoàn thiện đặt Smartphone 50 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 54 3.1 Hình ảnh kết sau hoàn thành 54 3.2 Nhận xét 54 KẾT LUẬN 55 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 58 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Robot Shakey Hình 1.2 Mobile Robot ứng dụng công nghệ xử lý ảnh (Nguồn SRI, Stanford, CA) 10 Hình 1.3 Robot bậc tự 11 Hình 1.4 Robot hàn cơng nghệ sản xuất khí 12 Hình 1.5 Ứng dụng robot sản xuất linh hoạt 13 Hình 1.6 Robot sử dụng cơng đoạn cấp liệu lắp ráp 13 Hình 1.7 Các ứng dụng lĩnh vực thám hiểm, quân 14 Hình 1.8 Biểu diễn không gian tay máy 15 Hình 1.9 Cánh tay robot 15 Hình 1.10 Cấu tạo động servo 16 Hình 1.11 Robot PUMA bậc tự 18 Hình 1.12 Hệ trục tọa độ theo bàn tay phải 18 Hình 1.13 Hệ tọa độ robot có n khâu 19 Hình 1.14 Xác định tọa độ cho khâu robot scara 19 Hình 1.15 Robot kiểu tọa độ đề 20 Hình 1.16 Robot kiểu tọa độ trụ 20 Hình 1.17 Robot kiểu tọa độ cầu 21 Hình 1.18 Robot kiểu scara 21 Hình 1.19 Robot kiểu tọa độ góc 22 Hình 1.20 Robot song song 23 Hình 1.21 Mobile robot ứng dụng lĩnh vực khác 24 Hình 1.22 Hình ảnh Arduino Uno 26 Hình 1.23 Máy in 3D 26 Hình 1.24 Robot 27 Hình 1.25 Máy bay khơng người lái 27 Hình 1.26 Lập tình game tương tác 28 Hình 1.27 Điều khiển hiệu ứng ánh sáng 28 Hình 1.28 Cấu trúc phần cứng Aruino Uno 29 Hình 1.29 Cấu trúc phần mềm App Inventor 30 Hình 1.30 Giao diện phần mềm MIT App Inventor 31 Hình 1.31 Giao diện App Inventor 31 Hình 1.32 Module HC – 06 SLAVE 32 Hình 1.33 Động Servo SG90 34 Hình 1.34 Cấu tạo động Servo R/C 34 Hình 1.35 Điều khiển vị trí trục cách điều chế độ rộng xung 35 Hình 1.36 Vơn kế dùng cầu chia áp 36 Hình 1.37 Động Servo SG90 37 Hình 1.38 Sơ đồ chân động Servo SG90 38 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 40 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 41 Hình 2.3 Lưu đồ thuật tốn hệ thống 42 Hình 2.4 Cơ cấu tọa độ decac 43 Hình 2.5 Cơ cấu tọa độ trụ 43 Hình 2.6 Cơ cấu tọa độ cầu 44 Hình 2.7 Hình vẽ mơ cánh tay robot bậc tự RRR có gắn trục tọa độ 46 Hình 2.8 Mơ hình cánh tay robot 48 Hình 2.9 Màn hình ứng dụng trình thiết kế 49 Hình 2.10 Màn hình điều khiển ứng dụng 49 Hình 2.11 Màn hình lập trình cho ứng dụng 50 Hình 2.12 Một số câu lệnh điều khiển hình lập trình 50 Hình 3.1 Mơ hình cánh tay robot sau hoàn thành 54 Hình 3.2 Ứng dụng điền khiển cánh tay robot Smartphone 54 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Tính cấp thiết Ngành cơng nghiệp robot giới đưa sản phẩm robot cơng nghiệp để phục vụ sản xuất, chí phục vụ nhu cầu giải trí chăm sóc người Với ngành cơng nghiệp Việt Nam robot chưa xuất nhiều dây truyền sản xuất Vì sản phẩm q đắt thị trường Việt Nam Nhằm nội địa hóa sản phẩm, nghiên cứu chuyên sâu robot, chọn đề tài “Xây dựng mơ hình cánh tay robot điều khiển smartphone” Đề tài hướng tới thay điều khiển công ty nước xây dựng thuật điều khiển tối ưu cho đối tượng sản xuất, mà đối tượng thích hợp với điều kiện sản xuất nước ta Với phòng thí nghiệm, mơ hình để sinh viên thực nghiệm nghiên cứu, để hướng tới cho bạn sinh viên nhìn cụ thể, thực tiễn robot Mục tiêu nghiên cứu đề tài Xây dựng mơ hình cánh tay robot điều khiển smartphone, mà cụ thể điều khiển cánh tay robot dựa ứng dụng cài đặt Smartphone sử dụng hệ điều hành Android kết hợp với tảng ngơn ngữ lập trình Arduino Phương pháp nghiên cứu  Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp tài liệu kỹ thuật, cơng nghệ, phân tích đánh giá nội dung liên quan đến đề tài  Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế đánh giá nội dung nghiên cứu q trình xây dựng mơ hình cánh tay robot điều khiển smartphone Đề xuất phương án xây dựng, chế tạo hệ thống cho phù hợp Phạm vi nghiên cứu: Mơ hình cánh tay robot thiết kế với phạm vi nhà trường, ứng dụng giảng dạy để giúp bạn sinh viên hiểu biết rõ robot biết áp dụng kiến thức học vào thực tế Bố cục đề tài Đề tài gồm có chương: CHƯƠNG I: “CƠ SỞ LÝ THUYẾT”: Trong chương em trình bày tổng quan Arduino, tìm hiểu robot công nghiệp, giới thiệu phần mềm App Inventor 2… CHƯƠNG II “PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ”: Nội dung chủ yếu chương mô tả yêu cầu toán, đưa lưu đồ thuật toán thiết kế phần cứng CHƯƠNG III “KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC”: Ở chương trình bày hình ảnh sản phẩm sau hoàn thành, giao diện ứng dụng điều khiển cánh tay robot Smartphone CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan robot 1.1.1 Lịch sử phát triển Robot Khái niệm Robot đời vào ngày 09/10/1922 NewYork, nhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen Kapek tưởng tượng cổ máy hoạt động cách tự động, niềm mơ ước người lúc Từ ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot thúc người Đến năm 1948, phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz chế tạo thành công tay máy đôi (master-slave manipulator) Đến năm 1954, Goertz chế tạo tay máy đơi sử dụng động servo nhận biết lực tác động lên khâu cuối Năm 1956 hãng Generall Mills chế tạo tay máy hoạt động việc thám hiểm dại dương Năm 1968 R.S Mosher, General Electric chế tạo cỗ máy biết chân Hệ thống vận hành động đốt chân vận hành hệ thống servo thủy lực Năm 1969, đại học Stanford thiết kế Robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh Hình 1.1 Robot Shakey Năm 1970 người chế tạo Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt mặt trăng Trong giai đoạn này, nhiều nước khác tiến hành công tác nghiên cứu tương tự, tạo Robot điều khiển máy tính có lắp đặt loại cảm biến thiết bị giao tiếp người máy Theo tiến khoa học kỹ thuật, Robot ngày chế tạo nhỏ gọn hơn, thực nhiều chức hơn, thông minh Một lĩnh vực nhiều nước quan tâm Robot tự hành, chuyển động chúng ngày đa dạng, bắt chước chuyển động chân người hay loài động vật : bò sát, động vật chân, … Và loại xe Robot(robocar) nhanh chóng ứng dụng rộng rãi hệ thống sản xuất tự động linh hoạt (FMS) Hình 1.2 Mobile Robot ứng dụng công nghệ xử lý ảnh (Nguồn SRI, Stanford, CA) Từ trở người liên tục nghiên cứu phát triển Robot để ứng dụng quát trình tự động hố sản xuất để tăng hiệu kinh doanh Ngồi Robot sử dụng thay cho người công việc môi trường độc hại, khắc nghiệt, … Chuyên ngành khoa học robot “robotics” trở thành lĩnh vực rộng khoa học, bao gồm vấn đề cấu trúc cấu động học, động lực học, quĩ đạo chuyển động, chất lượng điều khiển… Tuỳ thuộc vào mục đích phương thức tiếp cận, tìm hiểu lĩnh vực nhiều khía cạnh khác Hiện nay, phân biệt loại Robot hai mảng : Các loại robot công nghiệp (cánh tay máy) loại robot di động (mobile robot) Mỗi loại có ứng dụng đặc tính khác Ngồi ra, loại robot cơng nghiệp 10 Hình 2.9 Màn hình ứng dụng trình thiết kế - Màn hình điều khiển ứng dụng trình thiết kế: Hình 2.10 Màn hình điều khiển ứng dụng - Lập trình cho ứng dụng 49 Hình 2.11 Màn hình lập trình cho ứng dụng Hình 2.12 Một số câu lệnh điều khiển hình lập trình 2.4.2 Ứng dụng hoàn thiện đặt Smartphone - Ứng dụng đặt vùng khoanh màu đỏ, đặt tên Robot ARM control 50 - Màn hình chào bật ứng dụng: 51 - Sau giây điện thoại chưa bật Bluetooth hình xuất thông báo yêu cầu bật Bluetooth Nếu click vào “Khơng” ứng dụng bị đóng lại Khi click vào “Ok” ứng dụng tiếp tục - Khi bật Buletooth ứng dụng xuất danh sách thiết bị Bluetooth để ta lựa chọn thiết bị phù hợp 52 - Khi lựa chọn thiết bị click vào nút bắt đầu xuất hình điều khiển bắt đầu điều khiển cánh tay robot Khi kết thúc trình điều khiển ta ấn nút quay lại ngắt kết nối để khỏi hình điều khiển 53 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 3.1 Hình ảnh kết sau hồn thành Hình 3.1 Mơ hình cánh tay robot sau hồn thành Hình 3.2 Ứng dụng điền khiển cánh tay robot Smartphone 3.2 Nhận xét - Sau thực phân tích thiết kế tốn, cánh tay robot thiết kế hoàn thành - Điều khiển cánh tay robot dễ dàng linh hoạt đáp ứng yêu cầu đặt 54 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu q trình hồn thành đồ án giúp em có thêm kiến thức, hiểu biết linh kiện điện tử, module truyền thông, thiết kế ứng dụng điện thoại sử dụng hệ điều hành Android Qua việc tìm hiểu thiết kế giúp em hiểu thêm nguyên lí, cách thức hoạt động loại linh kiện, có thêm kinh nghiệm thiết kế mạch, biết cách khắc phục nhiều lỗi thiết kế lập trình Đặc biệt em có thêm kiến thức robot, cách tính tốn động học cho robot cách điều khiển cánh tay robot Hơn nữa, trình hồn thiện đồ án, giúp em rèn luyện tính nghiêm túc đam mê với cơng việc Hiểu rõ khó khăn cần phải giải bắt tay vào đồ án tốt nghiệp cuối khóa, cách bố trí thời gian cách hợp lý khoa học hồn thành Tuy nhiên đo kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót nhờ giúp đỡ bạn, Cơ Hồng Thị Hải Yến khoa cơng nghệ tự động hóa giúp em hồn thành đồ án Những điều giúp ích em nhiều trình học tập làm việc sau Những kết đạt được: Qua trình thực đồ án hoàn thành thuyết minh, ứng dụng điều khiển cảnh tay robot smartphone sử dụng hệ điều hành Android mơ hình cánh tay robot Robot chế tạo thực yêu cầu đề cách tương đối xác Những hạn chế đề tài: Do khả kinh nghiệm hạn chế nên việc thực đề tài có hạn chế sau:  Chưa kiểm soát tọa độ robot khởi động  Độ xác lắp ráp chưa cao  Góc xoay ứng dụng chưa chuẩn theo tính tốn, ánh tay robot thiếu mĩ quan 55 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Với đề tài “Xây dựng mơ hình cánh tay robot điều khiển smartphone” ta phát triển đề tài theo hướng sau: - Giao tiếp hệ thống với máy tính để điều khiển trực tiếp hệ thống máy tinh để kết hợp với nhiều cánh tay robot cảm biến để trở thành hệ thống hoàn chỉnh - Sử dụng cấu xác cứng vững để robot hoạt động cách chắn linh hoạt - Thêm tính cho robot hoạt động tự động điều khiển giọng nói để mơ hình cánh tay robot trở thành mơ hình thực tế, hữu ích cho bạn sinh viên nghiên cứu 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Robot công nghiệp TS Phạm Đăng Phước NXB Xây dựng, Hà Nội – 2007 [2]Hướng dẫn sử dụng Arduino Khoa điện tử viễn thông Học viện hàng không Việt Nam, Tp HCM – 2014 [3]Learn Electronics with Arduino Don Wilcher Technology in action [4] App Inventor Create your own android apps.David Wolber, Hal Abelson, Ellen Spertus & Liz Looney O’Reily 57 PHỤ LỤC Code lập trình cho Arduino Uno #include // thư viện truyền thông cho bluetooth #include // thư viện động servo Servo khop1, khop2, khop3, khop4; // servo name int bluetoothTx = 10; // bluetooth tx vào chân 10 int bluetoothRx = 11; // bluetooth rx vào chân 11 SoftwareSerial bluetooth(bluetoothTx, bluetoothRx); void setup() { khop1.attach(3); // tín hiệu điều khiển động servo vào chân PWM khop2.attach(5); // tín hiệu điều khiển động servo vào chân PWM khop3.attach(6); // tín hiệu điều khiển động servo vào chân PWM khop4.attach(9); // tín hiệu điều khiển động servo vào chân PWM //Cài đặt bluetooth kết nối với thiết bị Android bluetooth.begin(9600); } void loop() { if(bluetooth.available()>= ) { unsigned int servopos = bluetooth.read(); unsigned int servopos1 = bluetooth.read(); unsigned int realservo = (servopos1 *256) + servopos; Serial.println(realservo); 58 if (realservo >= 1000 && realservo = 2000 && realservo = 3000 && realservo = 4000 && realservo