đồ án cánh tay robot MK2 sử dụng động cơ bước 28BYJ48

đồ án cánh tay robot MK2 in 3d cho bạn nào muốn thực hiện điều khiển cánh tay cơ bản, sau này còn phát triển thêm về kích thước, về khối lượng nâng và thẩm mỹ,các linh kiện sử dụng trong đồ án hoàn toàn có thể kiếm dược ở các trang web mua bán linh kiện.bài có sẵn form báo cáo, định dạng sẵn

MỤC LỤC

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

MỞ ĐẦU 1

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

Mục tiêu 2

Hướng giải quyết 2

Phạm vi nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 4

1.1 TÌM HIỂU VỀ CÁNH TAY ROBOT 4

1.1.1 Bậc tự do của robot 4

1.1.2 Khớp robot 5

1.1.3 Cổ tay robot 5

1.1.4 Bàn tay robot 6

1.1.4.1 Cơ cấu kẹp 6

1.1.4.2 Bàn tay dạng một cơ cấu dụng cụ 6

1.1.5 Năng lượng cung cấp cho robot 7

1.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ VỀ TÍNH KHẢ QUAN CỦA SẢN PHẨM 7

1.3 DANH SÁCH LINH KIỆN 8

CHƯƠNG 2 : ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 9

2.1.1 Vi điều khiển arduino MEGA2560 9

2.1.1.1 Sơ khảo về vi điều khiển 9

2.1.1.2 Sheild của arduino 10

2.1.1.3 Khả năng ứng dụng của vi điều khiển vào sản phẩm 12

2.1.2 Động cơ bước 28BYJ-48 – 5V 12

2.1.2.1 Sơ khảo về động cơ bước 12

2.1.2.2 Động cơ bước 28BYJ-48 12

2.1.2.3 Mạch đệm ULN2003 [4] 14

2.1.2 Servo SG90 15

2.1.3.1 Thông số kỹ thuật [3] 15

2.1.3.2 Điều khiển 16

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20

MỤC LỤC

3.1 KẾT QUẢ 20

3.1.1 Phần cứng 20

3.1.1.1 Tổng quan hệ thống 20

3.1.1.2 Một số hình ảnh thực tế của cánh tay robot 21

3.1.2 Phần mềm 25

3.1.3.1 Nguyên lý hoạt động 25

3.1.3.2 Thiết kế điều khiển 3 động cơ bước và 1 servo 25

3.1.4 Code và thư viện 26

3.1.4.1 Code test 1 stepper motor thông qua biến trở 26

3.1.4.2 Code test 3 biến trở 27

3.1.4.3 Code test tín hiệu nút ấn 29

3.2 THẢO LUẬN 31

KẾT LUẬN 32

KIẾN NGHỊ 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

PHỤ LỤC 35

Phần mềm Proteus 35

Phần mềm Fritzing 37

Thời đại của robot đang đến rất gần Những chiếc máy tự động đang ngày càng ảnh hưởng đến cuộc sống của mọi người, không chỉ dừng lại tại các nhiệm vụ đơn giản màcòn thực hiện được những công việc phức tạp

Điều khiển ô tô, thực hiện các nhiệm vụ được giao, thậm chí là viết một đoạn văn được yêu cầu một cách mạch lạc, tất cả những khả năng trên đều đã trở thành hiện thực và vẫn đang tiếp tục phát triển, hoàn thiện rất nhanh chóng Ngày càng có nhiều robot có khả năng hoạt động một cách chính xác hơn, hiệu quả hơn, và nhất là giống con người hơn được giới thiệu và thay đổi cuộc sống, công việc của chúng ta Các ô tô

tự hành đã đi được hàng ngàn kilomet và các máy bay không người lái (drone) đã hoànthành nhiều nhiệm vụ hơn, hoàn toàn tự động, không cần sự điều khiển từ bên ngoài

Cơ bản, sự phát triển của khoa học máy tính, công nghệ thông tin, các mạng lưới thôngtin như Wi-Fi, Bluetooth, cùng các cảm biến (sensor), camera mini và hệ thống định vịcũng như laser dẫn đến hàng loạt các cải tiến và đổi mới trong lĩnh vực robot, tự động hóa

Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra một vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt cao nhằm đáo ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hóa cạnh tranh Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những hệ thống tự động sản xuất linh hoạt đó

Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, robot công nghiệp đã có một lịch sử phát triển hấp dẫn Ngày nay robot công nghiệp được dùng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản xuất Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của các loại robot đã được chọn lựa và đúckết lại qua bao nhiêu năm ứng dụng ở nhiều nước

Ở giai đoạn trước những năm 1990 hầu như nước ta hoàn toàn chưa du nhập về kỹ thuật robot, thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh vực này Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ các việc như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công CNC, lắp ráp các linh kiện điện

tử, thao tác ở các máy ép nhựa, hàn vỏ xe hơi, xe máy và phun phủ bề mặt v.v có những nơi đã bắt đầu thiết kế, chế tạo và lắp ráp robot

“Robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người” [5] Nói đến thiết bị tự

động linh hoạt là nhấn mạnh đến khả năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều khiển trợ động và lập trình thay đổi được

MỤC LỤC

Còn nói đến sự bắt chước các chức năng lao động chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tùy theo loại hình công việc lao động cần đến chức năng đó hay không Đồng thời cũng nói đến mức độ cần thiết bắt chước được như con người hay không

Tự động hóa (Automation) và kỹ thuật robot (Robotics) là hai lĩnh vực có liên quan mật thiết với nhau Về phương diện công nghiệp, tự động hóa là một công nghệ liên kết với sử dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và hệ thống máy tính trong vận hành và điều khiển quá trình sản xuất Ví dụ, dây chuyền vận chuyển, các máy lắp ráp cơ khí, các hệ thống điều khiển phản hồi, các máy lắp ráp cơ khí, các máy công cụ diều khiển chương trình số và robot Như vậy, có thể coi robot là một dạng của thiết bị tự động hóa công nghiệp

Các nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy tốc độ robot hóa và linh hoạt hệ thống sản xuất hiện đại là :

- Sự ảnh hưởng của các tiến bộ kỹ thuật về cơ – tin – điện tử ( mechatronics )

- Tốc độ giảm giá nhanh của hàng vi điện tử

- Tốc độ tăng chi phí cho người lao động

Cánh tay robot là một phần trong sự phát triển ấy, nhằm nâng cao hiểu biết, làm chủ công nghệ và ứng dụng nhiều hơn nhằm hỗ trợ công việc, thao tác cơ bản hiệu quả hơn

Những ưu điểm cơ bản của robot:

- Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế, robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mà, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường

- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do dứng dụng robot là vì giảm được đáng

kể chi phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức cao về tiền lương laođộng, cộng các khản phụ cấp và bảo hiểm xã hội

- Ứng dụng robot có thể cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất

mà chúng ta cần lưu tâm Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực hoặc ồn áo quá mức cho phép nhiều lần Thậm chí ở nhiều nơi người lao động còn phải làm việc với môi trường độc hại nguy hiểm đến sức khỏe con người, dễ bị cụt chân tay, dễ bị nhiễm hóa chất độc hai, nhiễm sóng điện từ và phóng xạ v.v…

MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Mục tiêu

- Tạo ra một cánh tay robot có thể điều khiển và lập trình

- Kiểm tra độ ổn định của sản phẩm sau khi hoàn thành

Hướng giải quyết

- Dựa trên hiểu biết của mình về các linh kiện điện tử, các thông tin cụ thể về thông số cũng như cách thức hoạt động của từng loại linh kiện

- Giải quyết những vấn đề cơ bản của người đi trước, qua quá trình quan sát, học hỏi, tích lũy kinh nghiệm và bắt tay vào làm thực tế

MỤC LỤC

Phạm vi nghiên cứu

Với đồ án này các thiết bị cần được tập trung nghiên cứu bao gồm :

Arduino mega; servo gs90; Động cơ bước 28BYJ-48 – 5V kèm mạch điều khiển ULN2003, cách điều chỉnh biến trở 10K ohm và nút ấn

Các chi tiết in 3D – kiểm soát chất lượng của các mảnh ghép (độ chi tiết,chất lượng nhựa, độ cứng cáp, )

Ngoài ra một số dụng cụ và thiết bị phụ trợ cũng cần được nắm vững để hỗ trợ tốt nhấtcho đồ án

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

1.1 TÌM HIỂU VỀ CÁNH TAY ROBOT

Với sự phát triển vũ bão của nền công nghiệp hiện nay, theo đó là sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ, ngày càng nhiều robot được ứng dụng các nhà máy, đặc biệt trong các nhà máy sản xuất lớn, với những ưu điểm vượt trội, tiết kiệm, hiệu quả và chính xác đến từng milimet khiến cho cánh tay robot được sử dụng phổ biến và ngày càng tinh vi và chính xác hơn nữa

Như chúng ta đã biết, sai sót chính là bất lợi lớn của con người so với máy móc, theo kết quả các cuộc khảo sát thì thời gian càng lâu, con người hoạt động thiếu chính xác hơn hẳn, máy móc có thể lúc đầu hoạt động chưa trơn tru nhưng một khi đã đi vào hoạt động thì hoàn toàn chính xác và ổn định, chính vì thế máy móc dần dần thay thế con người trong các việc đòi hỏi sự chính xác và ổn định

Cánh tay robot được tạo ra với vô số ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ y tế , công nghiệp, nghiên cứu , sản xuất, nhằm mục đích thay thế cánh tay của con người [5].Ngày nay , việc học tập và chế tạo cánh tay robot đã trở nên phổ biến và đơn giản hơn nhiều nhờ những phần mềm hỗ trợ và giá thành của các vi điều khiển, và các loại motor

Giá thành cao, công nghệ đa số là được giữ bí mật và kích thước dùng trong công nghiệp là khá lớn dẫn đến chiếm dụng diện tích trong các phòng học tập, nghiên cứu, thí nghiệm, nên việc chế tạo một robot mô phỏng các chức năng cơ bản của robot côngnghiệp là một việc cần thiết cho việc nghiên cứu và làm chủ công nghệ trong thời đại phát triển Với kích thước nhỏ, chi tiết, nguồn tiêu thụ ít, thực hiện được những lệnh

cơ bản của một robot công nghiệp cơ bản, thuận tiện cho các mục đích nghiên cứu và phát triển cho học sinh, sinh viên

1.1.1 Bậc tự do của robot

Bậc tự do của robot là số tạo độ cần thiết để biểu diễn vị trí và hướng của vt thể ở tay robot trong không gian làm việc, để biểu diễn hoàn chỉnh một đối tượng trong không gian cần 6 tham số : 3 tọa độ xác định vị trí đối tượng trong không gian và 3 tọa

độ biểu diễn hướng của vật thể Như vật một robot công nghiệp ( cánh tay robot) sẽ tương ứng với số khớp hoặc số thanh nối của robot

Nếu số bậc tự do nhỏ hơn 6, không gian chuyển động của tay robot sẽ bị hạn chế Với một robot 3 bậc tự do., tay robot chỉ có thể chuyển động theo các trục x,y,z và hướng của tay không được xác định Tương tự robot có 5 trục trong mặt phẳng Ngược lại số bậc tự do lớn hơn 6, sẽ có nhiều lời giải biểu diễn vị trí và hướng của robot trong không gian và sẽ có nhiều phương án điều khiển chuyển động

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

Hình 1.1 Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp [6].

1.1.2 Khớp robot

Khớp là khâu liên kết hai thanh nối có chức năng truyền chuyển động để thực hiện

di chuyển của robot Thanh nối gần với thân robot là thanh nối vào, thanh nối ra sẽ chuyển động so với thanh nối vào

Khớp robot gồm 2 loại: Khớp Tịnh tiến và khớp quay

- Khớp tịnh tiến thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc trượt thanh nối đầu ra Cácdạng cơ cấu khớp tịnh tiến là cơ cấu xi lanh- piston, cơ cấu kính viễn vọng…

- Khớp quay có 3 dạng : R,T,V Khớp quay dạng R có trục xoay vuông góc với trục hai thanh nối Dạng khớp quay T có trục xoay trình với trục hai thanh nối Dạng khớp quay V có trục xoay trình với trục thanh nối vào và vuông góc với trục thanh nối ra

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1.4 Bàn tay robot

Bàn tay được gắn lên cổ tay robot nhằm đảm bảo cho robot thực hiện các nhiệm vụkhác nhau trong không gian làm việc Cơ cấu bàn tay có hai dạng khác nhau tùy theo chức năng của robot trong dây chuyền sản xuất : cơ cấu bàn tay kẹp (gripper) và cơ cấu dụng cụ ( tool)

1.1.4.1 Cơ cấu kẹp

Cơ cấu kẹp được sử dụng để cầm giữ một vật thể hoặc chi tiết ở các robot làm việctrong dây chuyền lắp ráp khi gắp một chi tiết và lắp ráp một bộ phận của một máy; robot ở dây chuyền đóng gói hoặc ở robot có chức năng vận chuyển như gắp một chi tiết đặt lên một băng tải hoặc vận chuyển một chí tiết từ vị trí này sang vị trí khác… Các chi tiết cũng có các loại và hình dạng khác nhau: chai, hộp, vật liệu thô hoặc một dụng cụ…

Cơ cấu kẹp thông thường gốm hai hay nhiều ngón tay Các ngón tay có chức năng biếnđổi một dạng năng lượng (cơ khi, khí nén, thủy lực hoặc điện) nhờ một cơ cấu chấp hành thành lực để năm giữ một vật thể Cơ cấu có khả năng mở ra và nắm lại các ngóntay và sinh lực đủ lớn để giữ được một vật thể trong tay Có hai dạng cơ cấu ngón tay

để giữ vật thể:

- Dạng thứ nhất, các ngón tay có hình dạng gần giống như hình dạng vật được giữ, như vậy nhờ diện tích tiếp xúc giữa các ngón tay mà vật thể được giữ chắcchắn trên tay robot

- Dạng thứ hai, vật được giữ nhờ lực ma sát giữa ngón tay và chi tiết Trong trường hợp này, ngón tay cần phải sinh lực đủ lớn để đảm bảo sinh lực ma sát

đủ lớn Để tăng lực ma sát ở các ngón tay khi giữ vật thể, thông thường các ngón tay và các bộ phận gắn trên các ngón tay được chế tạo bằng các vật liệu mềm Đồng thời cũng có tác dụng bảo vệ các ngón tay khỏi bị hư hỏng do va chạm

Trong hai dạng cơ cấu ngón tay trên, dạng thứ hai có ưu điểm đơn giản, dễ thiết kế chếtạo, tuy nhiên có nhược điểm so với dạng thứ nhất khi cần một lực đủ lớn đặt lên vật theo hướng song sóng với bề mặt ma sát của các ngón tat, làm cho vật dễ bị trượt ra khỏi ngón tay Để chống lại hiện tượng đó, cơ cấu kẹp cần được thiết kế để đảm bảo sinh lực cần thiết phụ thuộc vào trọng lực của vật thể, hệ số ma sát giữa vật thể và các ngón tay, hệ số gia tốc và giảm tốc của vật và hướng của vật thể trong khi di chuyển

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1.4.2 Bàn tay dạng một cơ cấu dụng cụ

Trong nhiều dây chuyền sản xuất, robot thực hiện nhiệm vụ như một dụng cụ để gia công kim loại hoặc một công nghệ đặc biệt như sơn, hàn Để thực hiện các công nghệ đó, dụng cụ có thể được kẹp trên bàn tay robot ( cơ cấu kẹp ) hoặc một dụng cụ được gắn cố định trên cổ tay của robot Các dạng dụng cụ là:

Mũi khoan, dụng cụ cắt, đá mài, bình sơn, cơ cấu hàn điểm, hàn hồ quang, Khi bàn tay robot là một dụng cụ, robot cần được điều khiển chuyển động của dụng cụ tương

tự như điều khiển cơ cấu bàn tay kiểu kẹp

Với chức năng cơ bản, sản phẩm sử dụng bàn tay dạng kẹp sử dụng servo để đóng mở

Hình 1.2 Cơ cấu bàn tay kẹp sử dụng servo

1.1.5 Năng lượng cung cấp cho robot

Bàn tay robot cần năng lượng để thực hiện nhiệm vụ của dây chuyền công nghệ và tín hiệu điều khiển để điều chỉnh sự hoạt động của cơ cấu bàn tay Các phương pháp chủ yếu truyền năng lượng và tín hiệu tới bàn tay là : Khí nén, điện, thủy lực và cơ khí,trong đó phương pháp truyền bằng khí nén và điện được sử dụng rộng rãi hơn cả Phương pháp truyền năng lượng tới bàn tay robot phải tương thích và phù hợp với hệ thống cơ khí Ví dụ, khi sử dụng khí nén để truyền động cơ cấu bàn tay sẽ là giải pháp hợp lý khi các khớp robot được truyền động với các thiết bị khí nén Tín hiệu điều khiển sẽ điều khiển cơ cấu bàn tay thông qua điều chỉnh sự truyền năng lượng tới bàn tay

1.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ VỀ TÍNH KHẢ QUAN CỦA SẢN PHẨM

Dự án mang tới cho chúng ta nhiều cơ hội cũng như những thách thức mới, để tạo

ra sản phẩm, ngoài những kiến thức cơ bản về linh kiện cũng như khả năng đọc hiểu các tài liệu tiếng anh như datasheet và các tài liệu khác, với giá thành hợp lý và cơ cấu đơn giản hơn so với các cánh tay trong công nghiệp hiện tại, sản phẩm có nhiều tính ứng dụng thực tiễn

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

Khả năng điều khiển cũng như làm chủ được cánh tay máy, kỹ năng lập trình cũng rất cần thiết đối với các sản phẩm dựa trên nền arduino, đặc biệt thành thạo các đoạn codedùng để điều khiển servo và các steeper () trong phần mềm Arduino IDE

Sản phẩm hoàn thành sẽ mang trong nó những khả năng mở rộng cao, làm một phần nhỏ trong các sản phẩm lớn hơn nữa, có tính ứng dụng trong các nhà xưởng, công trường dùng để di chuyển các loại vật liệu, thùng hàng kích thước lớn với vị trí được lập trình sẵn một cách chính xác, trong các cửa hàng, kho hàng dùng để vận chuyển hàng hóa tới những nơi cao, giảm thiểu tỉ lệ tai nạn lao động của công nhân

1.3 DANH SÁCH LINH KIỆN

Một số linh kiện cần thiết như sau :

 Vi điều khiển: 1 arduino MEGA2560

 Servo GS90

 Động cơ bước 28BYJ-48 – 5V

 Mạch điều khiển động cơ bước ULN2003

 Nút ấn

 Biến trở 10k Ohm

Ngoài ra còn một số dụng cụ điện tử cơ bản

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 2 : ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu chính trong đề tài bao gồm :

Arduino MEGA2560

Động cơ bước 28BYJ-48 – 5V kèm mạch điều khiển ULN2003

Servo SG90

2.1.1 Vi điều khiển arduino MEGA2560

2.1.1.1 Sơ khảo về vi điều khiển

Arduino Mega là vi điều khiển được xây dựng với cốt lõi là chip ATMEGA 2560,

nó có 54 chân đầu vào / đầu ra kỹ thuật số (trong đó 15 chân có thể được sử dụng làm đầu ra PWM), 16 đầu vào analog, 4 UART, mộtbộ tạo dao động tinh thể ( thạch anh )

16 MHz, 1 cổng kết nối USB, giắc cắm nguồn, ICSP, và một nút reset

Là một board tích hợp với mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển (ATMega2560), với nguồn điện được lấy từ cổng usb máy tính hoặc một bộ nguồn DC riêng để bắt đầuhoạt động, tương thích hầu hết các board mở rộng được thiết kế cho Arduino UNOĐược thiết kế để dễ dàng lập trình bằng phần mềm Arduino IDE

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 2.1 Cấu trúc và hình dạng của vi điều khiển Arduino mega 2560

Hình 2.2 Ảnh thực tế và cách phân bố các cổng , các chân của vi điều khiển

2.1.1.2 Sheild của arduino

Sheild – hay còn gọi là mạch mở rộng cho vi điều khiển, được ra đời nhằm giản lược bớt các công đoạn nối dây,giúp sản phẩm đạt độ thẩm mỹ cao Ngoài ra trên các shield được thiết kế chuyên biệt cho một số nhiệm vụ nhất định nên sẽ có thêm các công cụ được tích hợp sẵn để hỗ trợ nhiệm vụ đó

Hiện tại có rất nhiều shield tuyệt vời cho Arduino Mega, có thể kể đến một số như sau

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 2.3 Mạch điều khiển máy in 3D RAMPS 1.4

Hình 2.4 Arduino Shield Mega Proto

Hình 2.5 WiFi Shield

2.1.1.3 Khả năng ứng dụng của vi điều khiển vào sản phẩm

Được biết đến như một vi xử lý,mạnh mẽ, đa năng và thông dụng , sản phẩm sử dụng board arduino MEGA2560 được biết đến như các dự án lớn với nhiều cảm biến, thành phần nhằm tận dụng tối đa số lượng chân I/O trên vi điều khiển

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Với sự tiện ích vô cùng lớn của Arduino Mega 2560, mạnh mẽ với bộ nhớ flash lớn, sốchân nhiều hơn và cùng số lượng shield hỗ trợ không hề nhỏ Arduino Mega đã được đưa vào các dự án lớn hơn như xử lý thông tin nhiều luồng, điều khiền nhiều động cơ,

xe điều khiển từ xa, LED cube, mở rộng cánh cửa đến với thế giới IoT

2.1.2 Động cơ bước 28BYJ-48 – 5V

2.1.2.1 Sơ khảo về động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa

số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành cácchuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên

có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay vàtốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Động cơ bước thường sử dụng động cơ không tiếp xúc trượt có từ 50 -100 điểm cực Động cơ bước (STEP) không cần mã hóa, vì chúng có thể di chuyển chính xác tới các

vị trí của gần 100 điểm cực từ trong động cơ

Động cơ bước điều khiển các bước bằng cách cấp xung điện vào các cuộn dây, tùy theo cấu tạo mà động cơ bước có góc quay 1 xung khác nhau Điển hình là loại động

cơ bước 1,8 độ / 1 bước quay hết 1 vòng 360 độ thì cần 200 bước ( gọi là FULL STEP ), động cơ bước có thể điều khiển ở các chế độ khác như half step ( nửa bước 0,9 độ ) , micro step ( cấp độ nhỏ hơn nữa ) và cần nhiều hơn 400 xung càng ở chế

độ nhiều xung thì động cơ quay càng mịn ( không bị giật giật ( bước )), các động cơ bước không có chổi than, roto được làm từ các cặp cực nam châm vĩnh cửu nên về lý thuyết rất bền theo thời gian khi hoạt động đúng thông số

2.1.2.2 Động cơ bước 28BYJ-48

Hình 2.6 Động cơ bước 28BYJ-48

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Động cơ bước sử dụng trong sản phẩm là động cơ bước 4 pha (thực ra là 2 pha được chia ra làm 2 ở mỗi pha ngay tại vị trí giữa) (gồm 5 dây), 4 trong 5 dây này được kết nối với 2 cuộn dây trong động cơ và 1 dây là dây nguồn chung cho cả 2 cuộn dây Mỗi bước của động cơ quét 1 góc 5.625 độ, vậy để quay 1 vòng động cơ phải thực hiện 64 bước

Bảng 2.2 thông số kỹ thuật của động cơ bước 28BYJ-48 [2]

Tín hiệu ngõ vào: 4 chân in1, in2, in3, in4

Tìn hiệu ngõ ra: Jack cắm động cơ bước 28BYJ-48

4 led hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 2.8 Mạch đệm ULN2003

Hình 2.9 Sơ đồ kết nối mạch đệm với động cơ bước và vi điều khiển.

Mạch cho phép chúng ta điều khiển được động cơ bước một cách đơn giản với các tíchhợp led, các cổng vào ra, cổng tính hiệu, giúp ta dễ dàng quan sát và điều chỉnh thích hợp

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.2 Servo SG90

Động cơ RC Servo 9G là động phổ biến dùng trong các mô hình điều khiển nhỏ và đơn giản như cánh tay robot Động cơ có tốc độ phản ứng nhanh, được tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM

Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vòng 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 khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo RC (radio-controlled) Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng

vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này

RC servo là một loại động cơ điện đặc biệt có khả năng quay cơ cấu chấp hành tới một

vị trí chính xác và giữ cứng tại vị trí đó ngay cả khi cơcấu chấp hành bị đẩy trở lại Dảigóc quay chuẩn của đầu trục ra thường là 90 và 180 độ Trên thị trường thế giới có rất nhiều loại servo khác nhau do nhiều nước sản xuất

Có nhiều cách phân loại servo:

Phân loại về nguồn cấp: có servo 1 chiều, servo xoay chiều 1 pha, servo xoay chiều 3 pha

Phân loại về vật liệu làm hộp giảm tốc có: bằng composit, kim loại, hợp kim

Về phương pháp điều khiển, servo có hai loại cơ bản: analog và digital

Bề ngoài thì không có gì khác nhau và về cơ bản, các phần bên trong cũng không phân biệt nhiều ngoại trừ một vài phần điện tử, digital servo có một bộ vi xử lý

Hình 2.10 Servo Sg 90 và sơ đồ chân

2.1.3.1 Thông số kỹ thuật [3]

Khối lượng : 9g

Kích thước: 22.2x11.8.32 mm

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 2.11 Giản đồ điều khiểu bằng xung của servo Sg 90

Điều khiển servo bằng biến trở:

Hình 2.12 Mạch thử nghiệm điều khiển servo bằng biến trở

Ta nhập code thử nghiệm sau:

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

}

void loop ()

{

int value = analogRead(bientro);

int servoPos = map(value, 0, 1023, 0, 180);

myservo.write(servoPos);

Serial.println(servoPos);

delay(100);

}

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Với đề tài này, ta áp dụng nhiều phương pháp để có thể hoàn thành

Đầu tiên, ta cần tiếp cận nguồn thông tin cơ bản trên internet để tìm hiểu sơ bộ về đề tài, những hạn chế và ưu điểm của những người tiền nhiệm sau đó đề ra phương án thực hiện

Tham khảo trên các trang mạng chia sẻ thông tin liên quan như: Google.com,

youtube.com, github.com, Arduino.cc , ngoài ra còn có nhiều diễn đàn để các thành viên trao đổi kinh nghiệm với nhau, giải đáp các thắc mắc thực tế gặp phải trong quá trình thực hiện đề tài, nghiên cứu, để có cái nhìn tổng quát về đề tài cũng như có những dự tính các hướng đi phù hợp để đạt được hiệu quả cao

Ngoài các trang thông tin cơ bản phổ biến trên internet thì các sách cũng như báo cáo khoa học về vấn đề liên quan trong đề tài ( cụ thể ở đây là robot cánh tay phổ biến trong công nghiệp ) cũng chứa nhiều yếu tố cần tham khảo để hoàn thiện đề tài Hơn nữa các loại sách, báo cáo khoa học có mức độ tin cậy cao hơn so với các kiến thức trên mạng internet vì có tính chất kỹ lưỡng hơn, lời văn mạch lạc, dễ hiểu và độ sai sótthấp hơn rất nhiều

Sau khi tìm hiểu kỹ lưỡng và có kế hoạch từng bước cụ thể, giai đoạn thực hiện đề tài cũng cần có nhiều phương pháp triển khai hợp lý, quản lý thời gian làm việc với đề tài cũng như viết báo cáo là một nhân tố cần thiết để đảm bảo đúng và chính xác tiến độ thực hiện

Cụ thể trong đề tài, điều đầu tiên cần quan tâm đến chất lượng nhựa in 3D để tạo nên các chi tiết cần có của cánh tay robot, nhựa PLA là một lựa chọn hợp lý với giá cả cũng như là chất lượng đảm bảo, sau đó quá trình in cần nhiều điều chỉnh để cho ra chitiết phù hợp với yêu cầu của đề tài, quá trình mất khoảng một tuần để cho ra đủ các chitiết cơ bản để tạo nên cánh tay Các lựa chọn ốc vít phù hợp đã được tính toán sẵn ( ở đây ta chọn 2 loại kích thước ốc vít : đường kính 3mm và 4mm, đặc biệt trục xoay ở giữa sử dụng loại vít 6mm) được ghép nối kết hợp với vòng đệm bằng thép để bảo vệ các khớp không bị siết dẫn đến hư hỏng khớp, kết nối các động cơ bước vào các vị trí thích hợp, sau đó lập trình chạy thử nghiệm 1 động cơ trước, đánh giá chuyển động và tốc độ, độ nhạy khi điều khiển, độ nhiễu và đảm bảo dòng cung cấp cho các động cơ bước khi hoạt động, tránh trường hợp thiếu dòng dẫn đến động cơ không hoạt động