Trong những năm gần đây, ở nước ta công cuộc hiện đại hoá và công nghiệp hoá đất nước phát triển rất mạnh mẽ. Do đó nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất - hình thành xu hướng tạo ra những dây chuyễn về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao. Đặc biệt sự ra đời và phát triển của công nghệ chế tạo Robot nhằm tạo ra sự tự động hóa trong quá trình sản xuất, giảm đi sức lao động bằng chân tay của người lao động. Ở nước ta lĩnh vực này còn khá mới mẽ. Tuy có sự đầu tư để nghiên cứu nhưng còn hạn chế rất nhiều, chỉ có thể dùng mô hình cánh tay máy để phục vụ trực tiếp cho công việc giảng dạy tại trường nhằm giúp cho sinh viên hiểu rỏ hơn về lý thuyết, tạo điều kiện cho việc dạy và học được sinh động hơn. Với những kiến thức đã được tích luỹ trên giảng đường đại học nên đề tài “Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy ba bậc tự do” được chọn. Mục đích của việc làm đề tài này nhằm chế tại một đèn học với tay máy có cấu trúc đơn giản, gọn nhẹ, điều khiển trực tiếp bằng nút ấn và tự động. Tay
máy được chế tạo có thể ứng dụng được trong sản xuất nhỏ, trong giảng dạy, trong học tập và dễ dàng điều khiển, sử dụng
2.2.Thiết kế, tính toán và chọn bộ phận cho đèn học thông minh 2.2.1. Động cơ servo
a. Khái niệm về servo
Một servo hay còn gọi là động cơ servo, là một cơ chế đơn giản mà bổ sung thêm chuyển động cho bất kỳ dự án điện tử. Động cơ hữu ích này ban đầu được tìm thấy trong ô tô và máy bay điều khiển từ xa, rất phổ biến do dễ dàng điều khiển chính xác chuyển động của nó. Nó còn được xem như một driver trong máy tính khi sử dụng công nghệ Driver Servo.
b. Nguyên Lý hoạt động của Servo
Động cơ servo là một tổ hợp gồm bốn thứ: động cơ DC bình thường, bộ giảm tốc bánh răng, thiết bị cảm biến vị trí và mạch điều khiển. Động cơ DC được kết nối với một cơ cấu bánh răng cung cấp phản hồi đến một cảm biến vị trí mà phần lớn là một chiết áp. Từ hộp số, đầu ra của động cơ được chuyển qua đường trục servo đến tay đòn servo. Đối với động cơ servo tiêu chuẩn thì nhựa được sử dụng trong bánh răng trong khi đối với động cơ servo công suất cao, bánh răng được làm bằng kim loại.
Một động cơ servo bao gồm ba dây - một dây đen nối với đất, một dây trắng / vàng kết nối với thiết bị điều khiển và một dây đỏ kết nối với nguồn điện. Chức năng của động cơ servo là nhận tín hiệu điều khiển đại diện cho vị trí đầu ra mong muốn của trục servo và cấp nguồn cho động cơ DC của nó cho đến khi trục của nó quay đến vị trí đó.
Nó sử dụng thiết bị cảm biến vị trí để tìm ra vị trí quay của trục, do đó nó biết động cơ phải quay theo hướng nào để chuyển trục đến vị trí được chỉ dẫn. Trục thường không quay tự do xung quanh tương tự như động cơ DC, nhưng thay vào đó chỉ có thể quay 200 độ.
Từ vị trí của rôto, một từ trường quay được tạo ra để tạo ra lực xoáy một cách hiệu quả. Dòng điện chạy trong dây quấn tạo ra từ trường quay. Trục truyền công suất đầu ra của động cơ. Tải được truyền thông qua cơ cấu chuyển tải. Đất hiếm chức năng cao hoặc nam châm vĩnh cửu khác được đặt bên ngoài trục. Bộ mã hóa quang học luôn theo dõi số vòng quay và vị trí của trục.
c. Lựa chọn servo cho đề tài
Để đảm bảo cho việc dễ dàng sử dụng và đáp ứng sức kéo, nhóm đã lựa chọn động cơ servo TD8120MG:
Hình 2.1: Động cơ servo TD8120MG
Servo này được thiết kế cho Robot trực thăng máy bay xe tải RC Car. Nó có chất lượng cao và dễ cài đặt, có thể giúp kiểm soát máy của tốt hơn.
Bảng 2.1: Thông số động cơ servo TD8120MG Điện áp hoạt động 4.8V ~ 6.6Volts (0 - 180 độ) Tốc độ hoạt động (4.8V) 0.18 giây / 60 ° khi không tải Tốc độ hoạt động (6.6V) 0.14 giây / 60 ° khi không tải Mô-men xoắn gian hàng (4,8V) 18,5 kg / cm (263,8 oz / in) Mô-men xoắn gian hàng (6,6V) 21,8 kg / cm (298,5 oz / in)
Loại động cơ Động cơ DC
Loại bánh răng Đồng & nhôm
Tần số làm việc 1520μs / 333hz
Trọng lượng 65g
Kích thước 40 * 20 * 40,5mm
2.2.2. Bộ điều khiển
a. Vi điều khiển Pic 16f690
Hình 2.2: Vi điều khiển Pic 16f690 Bảng 2.2: Thông số Vi điều khiển Pic 16f690
Danh mục Sản phẩm Bộ vi điều khiển 8 bit – MCU
Seri PIC16F690
Kiểu gắn SMD/SMT
Lõi PIC16
Độ rộng bus dữ liệu 8 bit
Độ phân giải ADC 10 bit
Tần số đồng hồ tối đa 20 MHz
Kích thước dữ liệu RAM 256 B
Điện áp cấp vận hành 2 V đến 5,5 V Kích thước ROM dữ liệu 256 B
Chiều dài 12.8 mm
Nhạy với độ ẩm Yes
Số lượng kneh ADC 12 Channel
Số bộ hẹn giờ/bộ đếm 3 Timer
Seri bộ xử lý PIC16
Sản phầm MCU
Loại sản phẩm 8-bit Microcontrollers – MCU
Loại bộ nhớ chương trình Flash
Số lượng Kiện Gốc 38
Điện áp cấp nguồn – Tối đa 5,5 V Điện áp cấp nguồn – Tối thiểu 4,5 V
Chiều rộng 7,49 mm
Đơn vị khối lượng 801 mg
b. Arduno Uno R3
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều
khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau. Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn
mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất ( lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led…).
Hình 2.3: Arduno Uno R3 Bảng 2.3: Thông số Arduno Uno R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
2.2.3. Mạch thời gian thực RTC DS1307
Hình 2.4: Mạch thời gian RTC DS 1307
Mạch thời gian thực RTC DS1307 được sử dụng để cung cấp thông tin thời gian: ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây,...cho Vi điều khiển qua giao tiếp I2C, mạch tích hợp sẵn pin backup để duy trì thời gian trong trường hợp không cấp nguồn, ngoài ra mạch còn được tích hợp thêm IC EEPROM AT24C32 để lưu trữ thông tin khi cần, thích hợp cho các ứng dụng điều khiển hoặc đồng bộ dữ liệu thời gian thực RTC.
Thông số kỹ thuật:
- IC chính: RTC DS1307 + EEPROM AT24C32
- Nguồn cung cấp: 5VDC.
- Giao tiếp: I2C
- Lưu trữ và cung cấp các thông tin thời gian thực: ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây,...
- Có pin backup duy trì thời gian trong trường hợp không cấp nguồn.
2.2.4. Màn hình LCD 16x2
Màn hình LCD 1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ dàng sử dụng hơn nếu đi kèm mạch chuyển tiếp I2C
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
- Điện áp hoạt động là 5V.
- Kích thước: 80 x 36 x 12.5mm
- Chữ trắng, nền xanh dương
- Tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
- Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
- Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
- Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
2.2.5. Thiết kế, tính toán và chọn cảm biến
a.Cảm biến cường độ ánh sáng Lux BH1750
Hình 2.6: Cảm biến cường độ ánh sáng Lux
Cảm biến cường độ ánh sáng Lux BH1750 được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, càm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C .
- Giao tiếp: I2C
- Khoảng đo: 1 -> 65535 lux - Kích cỡ: 21*16*3.3mm
Một số ví dụ về độ rọi của ánh sáng:
- Vào buổi tối : 0.001 – 0.02 Lux
- Ánh trăng : 0.02 – 0.3 lux
- Trời nhiều mây trong nhà : 5 – 50 lux
- Trời nhiều mây ngoài trời : 50 – 500 lux
- Trời nắng trong nhà : 100 – 1000 lux
- Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 – 60 lux Sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng với Arduino
Hình 2.7: Sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng với Arduino
b. Cảm biến nhiệt độ LM35
Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ thường được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường hoặc theo dõi nhiệt độ của thiết bị,..., cảm biến có kiểu chân TO-92 với chỉ 3 chân rất dễ giao tiếp và sử dụng.
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: 4~20VDC
- Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA
- Khoảng đo: -55°C đến 150°C
- Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C
- Sai số: 0.25°C
- Kiểu chân: TO92
- Kích thước: 4.3 × 4.3mm
c. Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK Adjustable IR Infrared Proximity Sensor
Hình 2.9: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK Adjustable IR Infrared Proximity Sensor tại Hshop.vn là loại chất lượng tốt với độ bền và độ ổn định cao, cảm biến sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định vật cản phía trước cảm biến, cảm biến phát ra tia hống ngoại với dải tần số chuyên biệt cho khả năng chống nhiễu tốt kể cả ở điều khiện ánh sáng ngoài trời.
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK Adjustable IR Infrared Proximity Sensor có thể chỉnh khoảng cách mong muốn thông qua biến trở trên cảm biến, cảm biến có ngõ ra là cấu trúc Transistor NPN (sinking sensors) đã được nối điện trở nội 10k lên VCC nên có thể sử dụng ngay mà không cần trở kéo lên VCC.
Thông số kỹ thuật:
- Model: E18-D80NK
- Dạng đóng ngắt: Thường mở (NO - Normally Open)
- Số dây tín hiệu: 3 dây (2 dây cấp nguồn DC và 1 dây tín hiệu).
- Nguồn điện cung cấp: 5VDC.
- Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm.
- Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở.
- Dòng kích ngõ ra: 300mA.
- Chân tín hiệu ngõ ra: dạng Transistor NPN đã được kéo nội trở 10k lên VCC, khi có vật cản sẽ xuất ra mức thấp (Low-GND), khi không có vật cản sẽ ở mức cao (High-VCC).
- Chất liệu sản phẩm: nhựa.
- Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.
- Kích thước: 18 x 45mm
Sơ đồ chân:
- Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC.
- Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
- Màu đen: Chân tín hiệu cấu trúc Transistor NPN đã kéo trở nội 10k lên
d. Module cảm biến chạm TTP223 đỏ
Hình 2.10: Module cảm biến chạm TTP223 đỏ
MDL322 module cảm biến 1 chạm TTP223 mini đỏ được dùng nhiều trong các mạch điện tử như một công tắc từ hoặc công tắc chạm.
Ứng dụng cho việc mở tắt thiết bị bằng cách chạm, nhanh chóng, hiệu quả, dễ sử dụng.
Cảm biến chạm tay (touch sensor hay switch sensor) TTP223 là loại relay 5v sử dụng nhiều trong việc nhấn giữ, nhấn nhả và đóng ngắt thiết bị.
Cảm ứng 1 chạm điện dung TTP223 được sử dụng trong các ứng dụng cảm ứng điện dung bàn phím, công tắc chìm báo động, quạt điện,… Với ưu điểm có thể nhận biết thao tác chạm thông qua điện dung của tay người, cảm biến có thể phát hiện xuyên qua các vật thể phi kim có độ dày tối đa lên đến 5mm. Phiên bản mới nhất màu đỏ độ nhậy hoàn hảo tăng khoảng cách. Cấp điện 2.5-5.5VDC vào chân VCC và GND, nếu có thao tác chạm cảm ứng chân I O sẽ xuất tín hiệu và đèn Led sẽ sáng tắt báo hiệu.
Thông số kĩ thuật:
- Mã sản phẩm: MDL322 - Kích thước: 15x11mm - Điện áp: 2.5 – 5.5V
- Cấu trúc: GND, VCC, I/O
e. Cảm biến siêu âm HC – SR04
Hình 2.11: Cảm biến siêu âm HC – SR04
Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Ultrasonic Sensor) được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì RẺ và CHÍNH XÁC. Cảm biến HC-SR04 sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300cm.
VCC (5V), trig (chân điều khiển phát), echo (chân nhận tín hiệu phản hồi), GND (nối đất)
Cảm biến siêu âm SR04 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. Cảm biến gồm 2 module.1 module phát ra sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm phản xạ về. Đầu tiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần số 40khz. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng. Bằng cách đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật.
Khoảng cách = (thời gian * vận tốc âm thanh (340 m/s) / 2
THÔNG SỐ KỸ THUẬT CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04
- Điện áp: 5V DC
- Dòng hoạt động: < 2mA
- Góc tối đa: 15 độ
- Khoảng cách: 2cm – 450cm (4.5m)
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1. Tổng quan về hệ thống
3.1.1. Yêu cầu robot
Robot cần thiết kế là robot dùng trong lắp ráp các chi tiết cơ khí tương đối nhẹ, có thể đặt trong những nơi khác nhau với các công việc khác nhau, các yêu cầu kỹ huật cụ thể như sau:
a. Sức nâng của tay máy
Đó là khối lượng lớn nhất của vật thể mà robot có thể nâng được (không kể khối lượng của các cơ cấu trong tay máy) trong điều kiện nhất định, ví dụ khi tốc độ dịch chuyển cao nhất hoặc khi tay với dài nhất. Nếu robot có nhiều tay thì đó là tổng sức nâng của các cánh tay. Thông số này quan trọng với các robot vận chuyển, xếp dỡ, lắp ráp,… Dải sức nâng của tay máy thay đổi rất rộng từ 0.1 đến hàng nghìn kilogram. Các robot có sức nâng lớn thường dùng hệ truyền động thủy lực và điện, trong đó tỉ lệ dùng động cơ điện ngày càng tăng. Truyền động khí nén cho đến nay vẫn dùng nhiều trong robot công nghiệp nhưng chủ yếu với các robot có sức nâng dưới 40kg.
Đối với một số kiểu robot, ngoài sức nâng, người ta còn quan tâm đến lực hoặc momen lớn nhất mà cánh tay hoặc bàn tay có thể sinh ra.
Robot làm việc trong phòng thí nghiệm đảm nhận một công đoạn trong một dây chuyền sản xuất (CIM). Vì vậy tay máy chỉ nâng các vật có khối lượng vừa đủ với các hình dạng khác nhau.
b. Số bậc tự do của phần công tác (DOF : Degrees Of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :
𝑊 = 6𝑛 − ∑ 𝑖𝑝𝑖
5
𝑖=1
Trong đó: n là số khâu động pi là số khớp loại i
Do khớp trong Robot thường là khớp quay hoặc khớp tịnh tiến nên số