Mẫu báo cáo Đồ án tốt nghiệp Cánh tay Robot
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.94 MB, 67 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI : “THIẾT BỊ HỖ TRỢ ĂN UỐNG CHO NGƯỜI
KHUYẾT TẬT CHI TRÊN”
Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Hoài Giang
Sinh viên thực hiện
:
Lớp
: K18A
Khóa
: 18(2015 – 2019)
Hệ
: Đại học chính quy
Hà Nội, tháng 05/2019
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI : “THIẾT BỊ HỖ TRỢ ĂN UỐNG CHO NGƯỜI
KHUYẾT TẬT CHI TRÊN”
Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Hoài Giang
Sinh viên thực hiện
:
Lớp
: K18A
Khóa
: 18(2015 – 2019)
Hệ
: Đại học chính quy
Hà Nội, tháng 05/2019
ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Họ và tên sinh viên:
Lớp: K18_A
Khố: 18 (2015 - 2019)
Ngành đào tạo: Cơng nghệ Kỹ thuật điện tử, viễn thông
Hệ đào tạo: ĐHCQ
1/ Tên đồ án tốt nghiệp:
“Thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật chi trên”
2/ Nội dung chính của đồ án:
1/ Tìm hiều về một số thiết bị hỗ trợ ăn uống hiện có trên thị trường.
2/ Nghiên cứu thiết kế thiết bị gắp thức ăn sử dụng giọng nói và nút nhấn
3/ Nghiên cứu tìm hiều về thuật tốn PID điều khiện vị trí và tốc độ động cơ DC
4/ Nghiên cứu thiết kế phần cơ khí cánh tay gắp thức ăn .
5/ Hoàn thiện sản phẩm cánh tay robot gắp thức ăn hỗ trợ người khuyết tật ăn uống.
3/ Cơ sở dữ liệu ban đầu
Trong các công nghệ hiện đại thì cơng nghệ nhận dạng giọng nói để điều
khiển cánh tay mơ hình được sử dụng khá phổ biến. Do có ưu điểm về tính
thơng minh và tương tác cao so với phương pháp thủ công và các phương pháp
khác hiện nay. Xuất phát từ nhu cầu thực tế, em chọn đề tài “Thiết kế mơ hình
thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật chi trên” nhằm giúp đỡ những
người khuyết tật dễ dàng sinh hoạt trong việc ăn uống, hòa nhập với xã hội hơn.
4/ Ngày giao đồ án:
15/ 03/ 2015
5/ Ngày nộp đồ án :
02/ 05/ 2015
TRƯỞNG KHOA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)
(Ký, ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
KHOA CN ĐIỆN TỬ - THƠNG TIN
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoài Giang
HH/HV:…………………...
Họ và tên sinh viên:
Lớp: K18_A
Khóa: 2015 – 2019
Hệ: ĐHCQ
Ngành học: CN Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
1. Tên đề tài tốt nghiệp:
“Thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật chi trên.”
2. Nhận xét:
a. Tinh thần, thái độ làm việc và khả năng sáng tạo:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
b. Về nội dung đồ án:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
Đánh giá (điểm đồ án):
Hà nội, ngày
tháng
năm
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ, tên)
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn Khoa Công Nghệ Điện Tử - Thông Tin,
trường Đại học Mở Hà Nội đã tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành đồ án này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Hồi Giang (Trưởng
Khoa Cơng Nghệ Điện Tử - Thơng Tin). Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn cho em
hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tất cả các thầy cô Khoa Công Nghệ
Điện Tử - Thông Tin, những người đã giảng dạy, trang bị cho em những kiến
thức quý báu trong suốt những năm học vừa qua – trường Đại học Mở Hà Nội.
Xin chân thành cảm ơn tới gia đình, anh chị, bạn bè đã giúp đỡ, ủng hộ,
động viên em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Mặc dù em đã cố gắng hoàn thiện thật tốt đồ án nhưng do kiến thức có
hạn do đó khơng thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự cảm
thơng, ý kiến đóng góp của các q Thầy Cô và các bạn!
Em xin chân thành cảm ơn!
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG.................................................2
1.1 Giới thiệu về hệ thống....................................................................................2
1.2 Mục tiêu của đề tài..........................................................................................2
1.3 Giới hạn đề tài.................................................................................................2
1.4 Phương pháp nghiên cứu................................................................................2
1.4.1 Thiết bị sử dụng camera xử lý hình ảnh........................................................3
1.4.2 Thiết bị ghi lại hành động và sử dụng nút nhấn điều khiển..........................4
1.4.3 Thiết bị điều khiển bằng giọng nói................................................................5
1.5 Đề xuất............................................................................................................5
1.6 Kết luận chương..............................................................................................5
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG...............................6
2.1 Yêu cầu hệ thống............................................................................................6
2.2 Thiết kế hệ thống...........................................................................................6
2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống................................................................................6
2.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống........................................................15
2.2.3 Thiết kế chương trình phần mềm................................................................16
2.2.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống..............................................................18
2.3.3. Điều khiển vị trí động cơ DC.....................................................................19
2.3.3.1 Giới thiệu PID..................................................................................19
2.3.3.2. Hàm truyền......................................................................................23
2.3.3.3. Đặc tính bộ điều khiển PID.............................................................24
2.3.3.4. Sơ đồ khối hệ thống.........................................................................25
2.3.3.5 Lưu đồ giải thuật.............................................................................26
2.4 Kết luận chương............................................................................................27
CHƯƠNG 3. HOÀN THIỆN HỆ THỐNG VÀ THƠNG SỐ ĐO ĐƯỢC....28
3.1 Các bước thực hiện.......................................................................................28
3.2 Thơng số đọc được khi sử dụng thuật toán PID để điều khiển.....................38
3.3 Kiểm tra và hiệu chỉnh..................................................................................39
3.4 Kết luân chương............................................................................................40
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................................41
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................42
PHỤ LỤC..........................................................................................................43
DANH MỤC HÌNH ẢN
Hình 1. 1: Hệ thống camera điều khiển................................................................3
Hình 1. 2:Hê thống nút nhấn điều khiển...............................................................4
Y
Hình 2. 1: Sơ đồ khối hệ thống.............................................................................6
Hình 2. 2: Nguồn Adapter.....................................................................................7
Hình 2. 3: Nguồn Pin DC.....................................................................................7
Hình 2. 4: Button 4 chân.......................................................................................8
Hình 2. 5: Phân biệt 1 - 4 và 2 - 3.........................................................................8
Hình 2. 6: Module nhận dạng giọng nói VR3.......................................................9
Hình 2. 7:Arduino Uno R3.................................................................................10
Hình 2. 8: Sơ đồ chân Arduino Uno R3..............................................................11
Hình 2. 9: Module điều khiển động cơ L298......................................................12
Hình 2. 10: Sơ đồ nguyên lý L298......................................................................13
Hình 2. 11: Động Cơ Encoder 26 Xung + Giảm Tốc 126RPM..........................14
Hình 2. 12: Sơ đồ nguyên lý hệ thống................................................................15
Hình 2. 13: Cấu trúc chương trình Arduino........................................................16
Hình 2. 14: Lưu đồ thuật tốn.............................................................................17
Hình 2. 15:Xung tín hiệu A và B........................................................................18
Hình 2. 16: Sơ đồ khối của bộ P.I.D điều khiển động cơ DC.............................20
Hình 2. 17: Đồ thị PV theo thời gian Kp............................................................21
Hình 2. 18: Đồ thị PV theo thời gian Ki.............................................................22
Hình 2. 19: Đồ thị PV theo thời gian Kd............................................................23
Hình 2. 20: Sơ đồ khối của một hệ thống...........................................................24
Hình 2. 21: Sơ đồ khối hệ thống.........................................................................25
Hình 2. 22: Lưu đồ giải thuật..............................................................................26
Hình 3. 1: Hồn thiện phần động cơ...................................................................29
Hình 3. 2: Thiết kế hồn thiện phần cánh tay in 3D...........................................31
Hình 3. 3: Hồn thiên sản phẩm.........................................................................31
Hình 3. 4: Hướng dẫn chọn Board Arduino........................................................32
Hình 3. 5: Hướng dẫn chọn cổng kết nối Arduino..............................................33
Hình 3. 6: Nạp code chương trình cho hệ thống.................................................34
Hình 3. 7: Cửa sổ Serial Monitor........................................................................35
Hình 3. 8: Setting................................................................................................35
Hình 3. 9: Sigtrain 0............................................................................................36
Hình 3. 10: Sigtrain 1..........................................................................................37
Hình 3. 11: Load.................................................................................................37
Hình 3. 12: Biểu đồ thơng số tăng giảm Kp, Ki, Kd..........................................38
Hình 3. 13: Sản phẩm kiểm tra bị lỗi..................................................................39
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Chân lý của chân DIR, PWM, IN1, IN2...............................................19
Bảng 2: Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd..........................................24
Bảng 3: Ghép nối Arduino Uno R3 với Module VR3........................................28
Bảng 4: Ghép nối Arduino Uno R3 với Module L298.......................................28
Bảng 5: Ghép nối Arduino Uno R3 với Động cơ DC encoder...........................28
Bảng 6:Thông số đọc bộ điều khiển PID trên Động cơ DC encoder..................38
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
MỞ ĐẦU
Hiện nay xu hướng áp dụng khoa học công nghệ và kỹ thuật vào mọi mặt
trong đời sống xã hội. Khoa học kỹ thuật không chỉ giúp tăng năng suất, chất
lượng sản xuất mà còn giúp nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân về
mặt sức khỏe và tinh thần, đặc biệt đối với những người khuyết tật không gặp
may mắn trong cuộc sống.
Trong các cơng nghệ hiện đại thì cơng nghệ nhận dạng giọng nói để điều
khiển cánh tay mơ hình được sử dụng khá phổ biến. Do có ưu điểm về tính
thơng minh và tương tác cao so với phương pháp thủ công và các phương pháp
khác hiện nay. Xuất phát từ nhu cầu thực tế, em chọn đề tài “Thiết kế mô hình
thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật chi trên” nhằm giúp đỡ những
người khuyết tật dễ dàng sinh hoạt trong việc ăn uống, hòa nhập với xã hội hơn.
Đề tài trình bày quá trình em tìm hiểu, thiết kế và kiểm tra tính thực tiễn của
thiết bị bao gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống.
Trình bày, giới thiệu về mơ hình thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết
tật, từ đó lựa chọn mơ hình phù hợp cho đề tài.
Chương 2: Phân tích và thiết kế hệ thống.
Phân tích bài tốn thực tế, các yêu cầu cần thiết đối với việc thiết kế mơ
hình. Sau đó dựa trên các phân tích đưa ra phương pháp thiết kế, lựa chọn
linh kiện chế tạo sản phẩm.
Chương 3: Hồn thiện hệ thống.
Trình bày về q trình thử nghiệm mơ hình thực tế, đánh giá kết quả thu
được và đề ra hướng phát triển trong tương lai.
Sau nhiều tháng nỗ lực nghiên cứu và phát triển, em đã đạt được một số kết
quả nhất định. Mặc dù vậy do thiếu sót về mặt kiết thức cũng như thiết bị cũng
như hạn chế về linh kiện thiết nên em khơng thể tránh khỏi những sai sót. Vì
vậy em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cơ giáo và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
1
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1.1 Giới thiệu về hệ thống
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đang tác động đến các lĩnh vực, đặc
biệt là lĩnh vực điện tử đã tạo ra bước nhảy vọt vượt bậc trong nhiều lĩnh vực
của đời sống xã hội, góp phần mang đến cuộc sống tốt đẹp hơn, đặc biệt là sức
khỏe của con người. Với những kiến thức đã được học, em mong muốn “Thiết
bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật chi trên”, những con người không gặp
may mắn trong cuộc sống. Hiện tại có rất nhiều cơng nghệ đã được áp dụng để
chế tạo các sản phẩm xe thông mình như điều khiển qua camera xử lí hình ảnh,
điều khiển qua cử chỉ của con con người, điều khiển qua giọng nói.v.v.
Cơng nghệ nhận dạng giọng nói là một giải pháp thích hợp. Nó cho phép
người sử dụng có thể điều khiển theo khẩu lệnh của mình bằng những lệnh đã
được cài đặt từ trước, từ đó người sử dụng có thể điều khiển một cách dễ dàng,
linh hoạt, độ tin cậy cao. Trên cơ sở đó, em đã lựa chọn cơng nghệ nhận dạng
giọng nói để thực hiện “thiết kế mơ hình thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người
khuyết tật”.
1.2 Mục tiêu của đề tài
Thiết kế “Thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật” thông minh, nhạy,
tương tác linh hoạt với người sử dụng, phù hợp với môi trường học tập. Từ đây
phát triển ý tưởng, đưa hệ thống vào thực tế.
Từ đó thu được kiến thức về thiết kế, chế tạo, nguyên lý hoạt động của thiết
bị có trong hệ thống.
1.3 Giới hạn đề tài
Việc xây dựng mơ hình sao cho phù hợp với điều kiện nghiên cứu học tập,
tùy vào thực tế để xây dựng và phát triển hướng trong tương lai để hoàn thiện
sản phẩm đạt chất lượng cao, đáp ứng được nhu cầu sử dụng.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Trong thực tế hiện nay, ngoài phương pháp truyền thống như điều khiển
bằng tay hay bằng chân, một số phương pháp mới đã và đang được áp dụng như
thiết bị sử dụng camera xử lí hình ảnh ứng dụng AI, thiết bị sử dụng nút nhân,
thiết bị điều khiển bằng giọng nói...
Một số phương pháp hỗ trợ người khuyết tật đã và đang được nghiên cứu hiện
nay:
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
2
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1.4.1 Thiết bị sử dụng camera xử lý hình ảnh.
Autonomous Robot Arm là một cánh tay robot khéo léo hỗ trợ người
khuyết tật sử dụng camera nhận dạng để điều khiển thiết bị. Sản phẩm này được
các nhà nghiên cứu từ Đại học Washington đã chế tạo, một cánh tay robot thơng
minh nhân tạo có khả năng sử dụng một cái dĩa để di chuyển thức ăn từ đĩa đến
miệng của người - một sản phẩm ứng dụng AI vào robot có thể giúp người
khuyết tật sống cuộc sống độc lập hơn.
Hình 1. 1: Hệ thống camera điều khiển
Khi cánh tay robot đã lựa chon được một miếng đồ ăn, một giọng nói sẽ
vang lên “sẵn sàng hãy cho tôi thấy rõ mặt của ban nào” và thế là cánh tay robot
sẽ cho thẳng miếng đồ ăn vào miệng của bệnh nhân. Cứ như thế hành động này
được lặp đi lặp lai nhiều lần cho đến khi hết thức ăn hoặc cho đến khi người
bệnh ra hiệu lệnh không muốn ăn nữa. Sản phẩm sử dụng các cảm biến đa
phương tiện tương tự thị giác và cảm giác chạm để robot có thể chọn đúng
miếng thực phẩm và cho người bệnh ăn. Điểm nổi trọ của sản phẩm này chính
là cảm biến áp suất giúp nó giữ đúng khoảng cách với người bệnh ngăn việc gây
ra những thương tích khơng đáng có máy ảnh phía trước sẽ giúp cánh tay xác
định chính xác các bộ phận trên gương mặt bệnh nhân.
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
3
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1.4.2 Thiết bị ghi lại hành động và sử dụng nút nhấn điều khiển
Obi Robot là chiếc máy đút thức ăn tự động, tay máy kẹp trên khay có 4
ngăn đựng thức ăn. Máy được trang bị kẹp từ tính để giữ muỗng lấy thức ăn và
đưa lên miệng người. Người dùng chỉ việc ghi lại hạnh động cho obi và khi
nhấn nút cánh tay obi sẽ thực hiện lại hành động đó.
Hình 1. 2:Hê thống nút nhấn điều khiển
Jon Dekar, người tạo ra Obi, cho biết rằng: Với sản phẩm cơng nghệ này
chuyện chăm sóc đã trở nên dễ dàng hơn. Đối tương mà Obi hướng đến những
bệnh nhân rối loạn đã xơ cứng, ALS, Parkinson và những chứng bệnh khiến
người mắc khơng cịn khả năng tự kiểm soát việc ăn uống. Cơ chế làm việc của
Obi khá đơn giản cánh tay với chiếc muỗng được đính trặt bằng từ tính sẽ lấy
thức ăn sẵn dưới khay sau đó từ từ đưa lên trước miệng người dùng. Obi chỉ có
3 nút bấm chức năng: nút chuyển đổi cánh tay robot giữa bốn ngăn thức ăn khác
nhau trên khay, nút thứ hai dùng để trọn thức ăn gom lại và cho và muống và
đưa thức ăn lên miệng ngoài ra phụ kiện giúp cho người dùng Obi có thể thoải
mái hơn ví dụ như nút nhấn kết nối với Obi để tăng khả năng tính ổn định cho
những chiếc muỗng nút này đặt lên bàn hoặc dưới chân hoặc cơng cụ giúp
người bi tật hai tay có thể ra lệnh cho Obi bằng cách thổi hoặc hút vào. Muỗng
và khay của Obi đều có thể rủa trong máy rửa chén bát.Obi tích hợp hệ thống
phát hiện va chạm tức là khi cánh tay robot bắt gặp cản trở nào thì sẽ ngừng lại
mọi thứ sẽ họt động lại như cũ nếu khi có lệnh từ người sử dụng.
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
4
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1.4.3 Thiết bị điều khiển bằng giọng nói
Thay vì phải dùng tay để điều khiển thì người sử dụng chỉ việc ra lệnh
cho cánh tay gắp thưc ăn “gắp, thả...” bằng giọng nói của mình. Cánh tay sẽ tự
động nhận dạng giọng nói và thực hiện theo. Sản phẩm có độ cơ động cao,
khơng cần dùng sức để vận hành thiết bị, người dùng có thể thoải mái điều
khiển thiết bị mà không lo về các trở ngại bên khác. Đây là một sáng chế về
thiết bị cánh tay điện cho người khuyết tật độc đáo nhất hiện nay. Tuy nhiên sản
phẩm vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu nên vẫn cịn nhiều nhược điểm
như người sử dụng phải phát âm chuẩn so với giọng nói điều khiển ban đầu.
Mặc dù vậy, thiết bị cánh tay điều khiển bằng giọng nói vẫn được đánh giá là
sản phẩm công nghệ trong tương lai.
1.5 Đề xuất
Các phương pháp kể trên đều có tính khả thi khá cao. Mỗi phương pháp đều
có những ưu nhược điểm riêng và đang được các nhà nghiên cứu tiếp tục phát
triển, khắc phục nhược điểm. Với năng lực của bản thân cũng như độ lớn của đề
tài, em quyết định sử dụng phương pháp thiết bị điều khiển cánh tay bằng giọng
nói để nghiên cứu và thực hiện thiết kế. Mục tiêu của em hướng tới thiết kế một
sản phẩm có tính ứng dụng trong thực tế, có thể hỗ trợ người khuyết tật dễ dàng
hơn trong việc sinh hoạt ăn uống hằng ngày.
Với những yêu cầu của đề tài đặt ra, em dự kiến lựa chọn linh kiện như:
Module nhận dạng giọng nói VR3, nút nhấn để nhận lệnh điều khiển, Arduino
Uno R3 làm bộ vi xử lý trung tâm, thực hiện điều khiển toàn bộ hoạt động trong
hệ thống và Module L298, động cơ giảm tốc DC encoder được sử dụng để điều
khiển động cơ mơ hình cánh tay.
1.6 Kết luận chương
Trong chương này em đã tìm hiểu về các hệ thống hỗ trợ cho người khuyết
tật hiện nay, em nhận thấy hệ thống ” thiết bị cánh tay gắp thức ăn điều khiển
bằng giọng nói” có nhiều ưu điểm vượt trội về tính năng, độ linh hoạt so với
các hệ thống khác. Qua đó em đề xuất hệ thống thiết bị cánh tay hỗ trợ cho
người khuyết tật sử dụng cơng nghệ nhận dạng giọng nói. Trong chương 2 em
sẽ đi sâu vào phân tích và thiết kế mơ phỏng hệ thống x trên, tìm hiểu và lựa
chọn linh kiện phù hợp.
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
5
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 Yêu cầu hệ thống
Khối nhận dạng giọng nói phải đảm bảo độ chính xác cao, khi có yêu cầu
lệnh từ người sử dụng phải nhận dạng chuẩn, khơng bị nhầm lẫn lệnh
điều khiển.
Hệ thống có kết cấu chắc chắn, độ bền cao, dễ dàng khắc phục khi có
hỏng hóc xảy ra.
Giá thành của sản phẩm khơng q cao.
Hệ thống thân thiện và an tồn với người sử dụng.
Từ những yêu cầu trên, em đã lựa chọn thiết bị và xây dựng, thiết kế hệ thống
mơ hình xe hỗ trợ cho người tật.
2.2 Thiết kế hệ thống
2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm 4 khối: Khối nhận lệnh, khối điều khiển, khối
cơ cấu chấp hành và khối nguồn.
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
6
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Hình 2. 1: Sơ đồ khối hệ thống
Khối nguồn: Cung cấp cung cấp nguồn DC, đảm bảo hoạt động cho tồn bộ hệ
thống.
Nguồn adapter: Kích thước nhỏ gọn, chi tiết phần cứng chắc chắn, chất
lượng hoàn thiện cao. Tuy nhiên, cần phải có nguồn 220V để chuyển đổi về
nguồn DC nên không thuận tiện cho việc lắp đặt trên mơ hình xe.
Hình 2. 2: Nguồn Adapter
Pin DC: Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng và lắp đặt trên các thiết bị
yêu cầu sự cơ động.
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
7
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Hình 2. 3: Nguồn Pin DC
Từ đó, em chọn phương án sử dụng nguồn Pin DC để đảm bảo tính cơ
động cao của xe mơ hình.
Khối nhận lệnh: Nhiệm vụ của khối là ghi âm giọng nói đã được cài lệnh từ
trước, nhận lệnh thu được rồi gửi đến khối xử lý dữ liệu để điều khiển thiết bị.
Button là một loại công tắc đơn giản điều khiển hoạt động của máy hoặc
một số loại quá trình. Hầu hết, các nút nhấn là nhựa hoặc kim loại. Hình dạng
của nút ấn có thể phù hợp với ngón tay hoặc bàn tay để sử dụng dễ dàng.
Hình 2. 4: Button 4 chân
Mô tả button:
Button chúng ta sử dụng trong mạch là button 4 chân, nhưng thật chất chỉ
2 chân, khi dòng điện đi qua chân 1, chân 4 sẽ nhận được dịng điện (khơng bị
ảnh hưởng khi bật/tắt button).
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
8
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tương tự chân 2 và chân 3. Như vậy khi dòng điện đi qua chân 1, ấn nút
button, "cầu" sẽ được nối lại, chân 2 và 3 sẽ nhận được dòng điện, và khi thả
button, 2 và 3 sẽ khơng có dịng điện chạy qua.
Hình 2. 5: Phân biệt 1 - 4 và 2 - 3
Module nhận dạng giọng nói Voice Recognition Module V3 [1]: Mạch
nhận dạng giọng nói VR3 là một module nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng, nó hỗ trợ
lên đến 80 câu lệnh được ghi và nhận tối đa 7 câu lệnh được sử dụng cùng một
thời điểm. Bất kì âm thanh nào cũng được ghi như một câu lệnh, ta chỉ cần ghi
âm giọng nói trước đó để nó có thể nhận diện giọng nói đã được ghi âm. Board
này có 2 đường điều khiển hoặc là ngõ ra serial, hoặc là các ngõ input. Người
dùng có thể thiết lập các chân ngõ ra có sẵn trên Board.
GVHD: TS. Nguyễn Hồi Giang
9
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Hình 2. 6: Module nhận dạng giọng nói VR3
Đặc tính:
Hỗ trợ tối đa 80 lệnh bằng giọng nói, với mỗi 1500ms một giọng nói
(hoặc một đến hai từ nói).
Thư viện hỗ trợ trên nền tảng Arduino.
Điều khiển dễ dàng: UART/GPIO
Người dùng kiểm soát chung Pin Output
Thơng số kỹ thuật:
Điện áp: 5V
Dịng tiêu thụ: <40mA
Giao tiếp: 5V TTL level for UART interface and GPIO
Các chân tín hiệu: 3.5mm mono-channel microphone connector +
microphone pin interface
Kích thước: 31mm x 50mm
Độ chính xác: 99% (trong mơi trường lý tưởng)
Ưu điểm: Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng với thư viện hỗ trợ, module đạt
độ chính xác cao (trong mơi trường lý tưởng)
Mơ hình cánh tay gắp thức ăn hỗ trợ cho người khuyết tật yêu cầu về độ
chính xác cao, do đó em lựa chọn module nhận dạng giọng nói và button để
nhận lệnh điều khiển cho mơ hình.
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
10
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Khối vi xử lý: Là khối xử lý trung tâm, là bộ não của hệ thống có nhiệm vụ
điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống.
Arduino Uno R3 [6]: Arduino board có rất nhiều phiên bản với hiệu năng
và mục đích sử dụng khác nhau như: Arduino Mega, Aruidno Nano, Arduino
Uno R3... Trong số đó Arduino Uno R3 là phiên bản được sử dụng rộng rãi
nhất.
Hình 2. 7:Arduino Uno R3
Thơng số kỹ thuật
Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động : 5V (chỉ được cấp qua cổng USB)
Điện áp hoạt động có thể cấp cho V-in: 7-12V
Nguồn tối đa: 6-20V
Số chân digital: 14 (trong đó có 6 chân PWM)
Số chân analog: 6
Dòng tối đa mỗi chân I/O: 30 mA
Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
SRAM: 2KB
EEPROM: 1KB
Tần số hoạt động:16 MHz
Kích thước: 53.3x68.6mm
Trọng lượng: 25g
Sơ đồ chân
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
11
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Hình 2. 8: Sơ đồ chân Arduino Uno R3
GND: Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Uno. Khi các thiết bị sử
dụng nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
5V: Cấp điện áp đầu ra 5V, dòng tối đa 500mA.
3.3V: Cấp điện áp đầu ra 3.3V, dòng tối đa 50mA.
Vin: Cấp nguồn ngoài cho Arduino Uno.
IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Uno có thể
được đo ở chân này.
RESET: Dùng để reset vi điều khiển của boad.
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX) dùng để gửi và nhận dữ liệu TTL Serial.
Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác qua 2 chân này.
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ
phân giải 8bit (giá trị từ 0-1023 tương ứng 0-5V) bằng hàm analogWrite.
Chân giao tiếp SPI: 10, 11, 12, 13. Ngồi các chức năng thơng thường, 4
chân này được sử dụng để truyền dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết
bị khác.
Chân 13: Led báo.
Ưu điểm:
Dễ tiếp cận, cộng đồng người sử dụng đông đảo trên khắp thế giới.
Không cần mạch nạp riêng biệt khi sử dụng nạp chương trình.
GVHD: TS. Nguyễn Hồi Giang
12
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Dễ dàng lập trình và được hỗ trợ nhiều thư viện chuẩn hóa của các
module
Tích hợp các chuẩn giao tiếp cần thiết như Serial, ADC v.v
Nhược điểm : Kích thước lớn
Khối cơ cấu chấp hành: Khối có nhiệm vụ thực hiện các lệnh từ khối xử lý
trung tâm, thực hiện các yêu cầu đó.
Module L298 [7]
Là một shield mở rộng cho các board Arduino, dùng để điều khiển các lọa
động cơ DC, động cơ bước và động cơ servo. Module điều khiển động cơ
L293D được thiết kế gọn gàng, đẹp mắt và tương thích hoàn toàn với vác board
Arduino: Arduino Uno R3, Arduino Leonardo, Arduino Mega 2560, giúp bạn có
thể sử dụng và điều khiển một cách dễ dàng và nhanh chóng.
Mạch điều khiển động cơ L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dịng
tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diode bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp
nguồn 5V cho các module khác.
Hình 2. 9: Module điều khiển động cơ L298
Thơng số kỹ thuật:
Driver: L298 tích hợp 2 mạch cầu H
Điện áp điều khiển: +5V ~ +35V
Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A
Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5V ~ +7V
Dịng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
Cơng suất hao phí: 20W
GVHD: TS. Nguyễn Hồi Giang
13
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Sơ đồ nguyên lý L298:
IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Với
điện áp làm tăng công suất đầu ra từ 5-47V, dịng lên đến 4A, nó rất thích hợp
trong ứng dụng điều khiển động cơ DC công suất nhỏ.
Hình 2. 10: Sơ đồ nguyên lý L298
Động cơ giảm tốc DC encoder: Là động điều khiển trực tiếp, DC motor là
động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục. Ưu điểm của động cơ DC giá
thành rẻ, điện áp sử dụng phù hợp với nguồn cấp của hệ thống (6V-24VDC),
mô-ment xoắn lớn, tốc độ phù hợp yêu cầu hệ thống.
Để thay đổi tốc độ của động cơ DC, người ta dùng điều biến độ rộng xung
(ký hiệu là PWM), đây là kỹ thuật điều khiển tốc độ vận hành bằng việc bật tắt
các xung điện. Tỷ lệ phần trăm vận tốc với thời gian của thiết bị được điều
khiển bằng cơ chế bật tắt một mức độ cơ số vòng quay xác định của động cơ.
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
14
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Hình 2. 11: Động Cơ Encoder 26 Xung + Giảm Tốc 126RPM
Thông số kỹ thuật [8]
Điện áp hoạt động: 6-24V
Trục 4MM
Encoder 26 xung
Do yêu cầu về điều khiển tốc độ và vị trí cho mơ hình cánh tay gắp thức
ăn hỗ trợ cho người khuyết tật nên em lựa chọn sử dụng động cơ giảm tốc DC
encoder và Module L298 để thay đổi tốc độ và vị trí của động cơ DC.
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
15
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Hình 2. 12: Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Trong sơ đồ này em sử dụng 4 động cơ DC và tương ứng là là modul 2
mạch cầu H – L298, các chân + và chân – của động cơ DC sẽ được kết nối với
các chân Out1, Out2, Out3, Out4 tương ứng ở modul L298. Các chân IN1, IN2,
IN3, IN4 sẽ của Modul L298 được kết nối lần lượt với các chân digital của
Arduino, modul L298 sẽ được cấp nguồn 12V. Ở đây em sử dụng 1 modull nhân
dạng giọng nói và 1 button để nhận tín hiệu điều khiển, button được nối với
chân analog A2 của Arduino và mudul nhân dạng sẽ được cấp nguồn âm, nguồn
dương 5V từ Arduino các chân Tx,Rx được nối chân 3,4 của Arduino
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
16
SVTH:
ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2.2.3 Thiết kế chương trình phần mềm
2.2.3.1 Mơi trường lập trình
Phần mềm lập trình
Để lập trình được cho các board Arduino, cần phải có một cơng cụ gọi là
Intergrated Development Environment (IDE). Công cụ này được đội ngũ kĩ sư
của Arduino phát triển và có thể chạy trên Windows , MAC OS X và Linux.
Truy cập địa chỉ để tải phần mềm
chương trình Arduino IDE.
Cấu trúc chương trình
Cấu trúc của một chương trình phần mềm bao gồm 2 phần chính:
void setup() { // Khởi tạo hoặc thiết lập chức năng}
void loop() {// Chuơng trình chính xử lý}
Hình 2. 13: Cấu trúc chương trình Arduino
GVHD: TS. Nguyễn Hoài Giang
17
SVTH:
