ĐATN trần huy long vũ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề Tài: NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY VÀ KHỚP CỔ CHO
ROBOT THÔNG TIN SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG
LATTER PANDA
Giảng viên hướng dẫn : ThS. Trịnh Thanh Nga
Sinh viên thực hiện

: Trần Huy Long Vũ

Lớp

: 110186

Hưng Yên, tháng 06, năm 2022


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã cho
phép thực hiện đề tài này. Cảm ơn Khoa Cơ khí và Bộ môn Cơ điện tử đã luôn tạo điều
kiện tốt nhất trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Cảm ơn Th.S Trịnh Thanh Nga đã tận tình hướng dẫn về chun mơn để nhóm
thực hiện và hồn thành đề tài nghiên cứu.
Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên, hộ trợ em trong thời
gian qua.
Tuy nhiên trong thời gian thực hiện đồ án em vẫn cịn một vài thiếu sót, rất
mong nhận được ý kiến đóng góp nhiệt tình của q thầy cơ. Sau cùng em xin kính
chúc tất cả các thầy cơ trong Khoa sức khỏe dồi dào để tiếp tục dìu dắt các thế hệ học

trị đi tới thành cơng.
Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Trần Huy Long Vũ


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 3.1 Lưu đồ thuật tốn chung của bài tốn.
Hình 3. 2 Thuật tốn truyền nhận giữa máy tính nhúng và Arduino
Hình 3.3 Khai báo thư viện.
Hình 3.4 Khai báo sử dụng truyền thơng Serial và thư viện Pyserial.
Hình 3.5 Hàm nghe
Hình 3.6 Hàm nói
Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn điều khiển khối cử chỉ
Hình 3.8 Hàm kiếm tra tín hiệu âm thanh
Hình 3.9 Gửi tín hiệu xuống Arduino
Hình 3.10 Gửi tín hiệu xuống Arduino
Hình 3. 11 Khai báo
Hình 3. 12 Các chân điều khiển động cơ Servo
Hình 3. 15 Nhận tín hiệu từ khối giao tiếp
Hình 3. 17 Điều khiển khối cử chỉ bằng các hàm chế độ



CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài
Đặt vấn đề: Ngày nay, xã hội càng hiện đại, khoa học kỹ thuật càng phát triển thì
cuộc sống của con người càng có nhu cầu sử dụng đầy đủ các thiết bị thông minh để
phục vụ cho sinh hoạt và cơng việc của mình, điển hình như Robot. Hiện nay ngành
này đang phát triển vô cùng mạnh mẽ, các Robot hiện đại thông minh hơn Robot
truyền thống và đặc biệt lĩnh vực tương tác giữa con người và Robot đang bùng nổ.
Mặc dù vậy, các Robot này hiện chỉ được nghiên cứu ở một số quốc gia phát triển vì
vậy ngơn ngữ hỗ trợ chỉ là nhưng ngơn ngữ thơng dụng như: Anh, Nhật ..vv, ngơn
ngữ Tiếng Việt cịn thiếu sót. Chưa kể đến giá thành của một Robot là quá cao cùng
với nhu cầu hỗ trợ thông tin tại các sở trường học, bệnh viện, cơ quan nhà nước.v.v
rất quan trọng. Vì vậy,dựa trên kết quả đạt được từ đồ án trước em đã tìm hiểu,
nghiên cứu, chọn đề tài: "Nghiên cứu lập trình điều khiển chuyển động cánh tay

5


và khớp cổ cho Robot thông tin sử dụng máy tính nhúng latter panda " để làm
đồ án tốt nghiệp của mình.
Lựa chọn ứng dụng Máy tính nhúng Lattepanda chính là lí do chúng em lựa chọn
đề tài này và chỉ tiêu ưu tiên là kinh phí thấp và độ chính xác cao.

1.2 Yêu cầu của đề tài
- Nghiên cứu thiết kế cơ khí cho hệ thống đảm bảo yêu cầu về kích thước:

 Kích thước của khung bàn.
 Trọng lượng của chi tiết và linh kiện
 Đảm bảo yêu cầu cơ khí và linh kiện về hình thức, thẩm mỹ,...
 Dễ dàng lắp ráp và sử dụng.
 Các chi tiết thiết kế phải phù hợp với giá thành.
1.3 Phương pháp nghiên cứu

• Thiết kế mơ hình và chạy mơ phỏng.
• Thường xuyên trao đổi với giáo viên hướng dẫn để giải quyết các vấn đề khúc mắc.
• Làm việc nhóm thường xun để đạt hiệu quả cơng việc và chia sẻ kiến thức.
• Tiến hành hồn thiện mơ hình
• Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các module và thiết bị điện trong nhà
1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ

• Nghiên cứu các thiết bị
• Nghiên cứu servo
• Thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống
• Mơ phỏng…
• Chế tạo…
• Kiểm nghiệm mạch….
6


1.5 Đối tượng nghiên cứu
Với đề tài “ Nghiên cứu lập trình điều khiển chuyển động cánh tay và khớp cổ
cho robot thơng tin sử dụng máy tính nhúng latter panda” em tập trung nghiên
cứu những vấn đề chính sau:

• Nghiên cứu chọn lựa và thiết kế các thiết bị.
Nghiên cứu thiết kế tồn bộ khung bàn.

• Ứng dụng thực tiễn của đề tài.

7

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY, GIẢI
BÀI TỒN ĐỘNG HỌC NGƯỢC VÀ CHỌN THIẾT BỊ.
2.1 Các cử chỉ cơ bản trong giao tiếp của con người
Giao tiếp là một hoạt động thường xuyên diễn ra trong cuộc sống. Trong khi nói
chuyện, con người thường kèm theo động tác cơ thể. Có thể nói rằng hai phương
tiện giao tiếp chủ yếu, thường gặp là lời nói (ngơn ngữ) và cử chỉ (phi ngơn ngữ).
Cử chỉ đó chính là nét mặt, ánh mắt, các động tác cơ thể… Trong tình huống cụ thể,
mỗi cử chỉ đều mang một ý nghĩa nhất định. Có thể nói, cử chỉ cơ thể cũng là một
thứ ngơn ngữ khơng lời trong giao tiếp. Nó góp phần quan trọng vào sự thành cơng
trong giao tiếp, đặc biệt là trong giao tiếp mặt đối mặt.
Cánh tay của là một trong những bộ phận có khả năng di chuyển nhiều nhất khi bạn
trò chuyện. Các tư thế hoặc vị trí của cánh tay nói lên rất nhiều điều thú vị. Nó giúp
củng cố thơng điệp rõ ràng hơn. Nó giúp chứng minh thái độ hoặc cảm xúc với vấn
đề mà người nói đang nói tới.

Hình 2. 1 Các cử chỉ cơ bản trong giao tiếp của con người

8


2.2 Mơ hình hóa cánh tay Robot và giải bài tốn động học ngược
2.2.1 Mơ hình hóa cánh tay Robot

Hình 2. 2 Mơ hình hóa cánh tay trái của Robot

Hình 2. 3 Mơ hình hóa cánh tay trái của Robot
9


2.2.2 Giải bài tốn động học ngược

Xuất phát từ cơng thức bài toán thuận

(1)

T4

=

n
 x

n y

nz

A1 A2 A3 A4  0

sx
sy
sz
0

a x p x 
a y p y 

az pz 

0 1 

Ta có các cơng thức tổng qtt sau:

(2)

Tn = Ti1Tn

Nhân hai vế với Ti-1 ta có :
−1

Ti −1 = ( A1 A2..... Ai) −1 = Ai .......... ... A A

Ti Tn = T n

−1

i

;
Ta có :
(3)

−1

Ai ..........

...

A A Tn = T n
−1

−1

2

1

i

Kết hợp (1) với ta có:

(4)
i

T n = Ai .......... ... A A
−1

−1

−1

2

1

n
 x

n y

 nz

 0

sx
sy
sz
0

a x p x 
a y p y 

az pz 

0 1 

Từ biểu thức (3) ứng với ( i ÷3 ; n =4 ) ta có:

Rơbơt co 4 bậc tự do ta có
10

−1

−1

2

1


A1−1T4

= T4

(6)

A2−1 A1−1T4

= T4

(7)

A3−1 A2−1 A1−1T4

= T4

(5)

Tính tốn trình bày

−1

A

1

=

C
 1

0


S
 1

 0

S1

−1

A T4
1

=

−1

A T4
1

=

0

0 1
−C1 0
0 0

(8)

(9)




−l 1 

0 

1 

0

C
 1

0

S
 1

 0

0 0   n x s x a x

1 −l1  n y s y a y

S1
0

−C1 0

0 0

C
 1 n x + S1 n y

n z

S
−C1 n y
 1nx

0

0
1







.


 nz

 0

sz az

0 0

p x 
p y 
p z 

1 

1

T4

=

C1 s x + S1 s y

C1 a x + S1 a y C1 p x + S1 p y 

sz
S1 s x −C1 s y

az
S1 a x −C1 a y

0

0

11




S1 p x −C1 p y 


1


p z −l 1

1

T4

=


Cho cân bằng các phần tử ở hàng 3 cột 4 của 2 Ma trận ở 2 vế của phương trình (9),
ta có:

(10)

S1 p x −C1 p y

l 6 −l 2 −l 4
=

Đặt:

Py = r sin φ

Px = r cos φ

(11)

và

Trong đó :

2

Px + Py

2

(12)

r=

(13)

φ = arctag (Px , Py )

±

Thế (8) vào (7) ta được:
(14)

− S1 cos φ + C1 sin φ =

0<
Với:

−l6 + l 2 + l 4
r

l 4 + l2 − l6
≤1
r

Hay :
12


sin(φ −θ 1*)=

(15)

−l6 +l2 +l4
r

Với :

0< (φ −θ ) <π
*

1

Từ đó:

cos(φ −θ 1*) = ±

 + − 
1− l 4 l 2 l 6 
r



2

Trong đó dấu (-) thể hiện vai trái của robot và dấu (+) thể hiện vai phải của robot

Cuối cùng ta được:
(16)

2
θ 1*= arctg 2( p y , p x)− arctg 2(l 4 +l 2 −l 6,± r 2 −(l 4 +l 2 −l 6) )

Tiếp theo ta cân bằng phần tử ở hàng 2 cột 2 ở 2 Ma trận phương trình (9) ta được:

C234 = S1s x −C1s y

⇔

cos(θ ∗2 +θ ∗3+θ ∗4).1−(sin(θ 1*)s x −cos(θ 1*)s y ).1=0

Suy ra:
(17)
13

θ 234 = arctag 2(1, S1s x −C1s y )
∗

Tiếp theo ta cân bằng phần tử ở hàng 1 cột 4 và hàng 2 cột 4 ở 2 Ma trận phương
trình (9) ta có:

C1 px + S1 p y =l7C234 +l5C23 +l3C2

(18)

p z −l1 =l7 S 234 +l5 S 23 +l3 S 2

(19)

Đặt

p ' =C1 px + S1 p y −l7C234

(20)

x

(21)

p ' = Pz −l1 −l7 S234
y

Cộng (18) với (19) và (20) với (21), ta có:

(22)

p ' =l5C23 +l3C2

(23)

p ' =l5C23 +l3C2

x

y

Từ đó ta có:

p 'x

2

+

2

p 'y =(l5C23 +l3C2 ) 2 (l5C23 +l3C2 ) 2
14


= (S 232 + C232 )l5 2 + (S 2 2 + C2 2 )l32 + 2l3l5 (C23C2 + S23 S 2 )

Bởi vì:

C23C2 + S 23S 2 =cos(θ ∗2 +θ ∗3−θ ∗2) =C3

Suy ra:
2

2

p 'x + p 'y −l 52 −l 32
C3 =
2l5l3

(24)

Mặt khác ta lại có :

S3 =

±

1−C3 2

Cặp nghiệm ứng với 2 dấu
vai xuống.

±

tùy thuộc vào hình thể của robot lúc nâng vai lên hạ

Suy ra:

(25)

θ ∗3 =arctag 2(S3 ,C3 )

Hay:

θ ∗3 = arctag 2(± 1−(

2
2
p 'x + p 'y −l 52 −l 32

2l5l3

2

2

2

'
'
p x + p y −l 52 −l 32
)
) ,
2l5l3

15

Để tìm S2 và C2 giải hệ phương trình (31) và (32). Hệ phương trình này có thể biến
đổi thành:


'
(C2C3 − S 2 S3 )l5 + C2l3 = p x

(S C +C S )l + S l = p '
2 3 5
2 3
y
 2 3

(26)


(C l +l )C2 − S3l5 S 2 = p 'x

 35 3

S l C + (C l +l )S = p '
2 5 3 2
y
⇔  3 5 2

Khai triển và rút gọn lại thành hệ phương trình với hai biến là S2 và C2
Giải hệ phương trình (26) ta có:

(27)

(28)

C2 =

S2 =

( C3l5 +l3 ) p 'x + S3l5 p 'y
(C3l5 +l3 ) 2 + (S3l5 ) 2

( C3l5 +l3 ) p 'y − S3l5 p 'x
(C3l5 +l3 ) 2 + (S3l5 ) 2

Do mẫu số của (27) và (28) đều dương và bằng nhau, nên:

(29)

'
'
'
'
θ ∗2 =arctag 2[(C3l5 p y − S3l5 p x,C3l5 +l3 ) p x + S3l5 p y]

16


Đến đây có thể xác định được

(30)

θ

*
4

:

θ ∗4 = θ ∗234 −θ ∗3 −θ ∗2

2.3 Cài đặt góc làm việc cho động cơ
Sau khi tính bài tốn động học ngược kết hợp với khảo sát thực tế, đưa ra được
không gian làm việc của cánh tay robot, từ đó có các chế độ của cánh tay mô phỏng
những cử chỉ cơ bản nhất của con người như sau:

• Chế độ 0: Hai tay thả thõng thoải mái
• Chế độ 1: Đưa tay phải bắt tay.
• Chế độ 2: Đưa tay trai về sau quay mặt dỗi.
• Chế độ 3: Đưa tay phải lên chào cờ.
• Chế độ 4: Diễn giải.
• Chế độ 5: Dang tay ra ơm.
• Chế độ 6: Cool ngầu.
• Chế độ 7: Chỉ bên trái.
• Chế độ 8: Chỉ bên phải.
• Chế độ 9: Xin chào.
• Chế độ 10(a): Băn khoăn(câu hỏi khơng có trong thư viện).
• Chế độ 11(b): Xin mời.
• Chế độ 12(c): Oh yeah.
• Chế độ 13(d): Đầu hàng.
• Chế độ 14(e): Cúi mặt buồn.
• Chế độ 15(f): Chỉ tay lên trời.

17


Các góc của động cơ trong từng chế độ được mô tả trong bảng sau(đơn vị :
Chế
độ

Độn
g cơ
1

Độn
g cơ
2

Độn
g cơ
3

Độn
g cơ
4

Động
cơ 5

Độn
g cơ
6

Độn
g cơ
7

Độn
g cơ
8

Độn
g cơ
9

Động
cơ 10

0

0

20

0

180

60

180

0

0

180

180

1

20

45

65

180

60

180

0

0

180

180

2

0

20

0

90

20

270

0

20

180

180

3

110

110

45

170

70

180

0

0

180

180

4

60

30

45

170

60

135

10

60

180

180

5

30

90

35

170

60

145

90

30

180

180

6

110

110

45

135

15

180

120

15

180

180

7

0

15

0

270

60

180

110

15

180

180

8

0

115

0

100

60

180

0

0

180

180

9

90

90

90

170

60

180

0

0

180

180

10

100

120

90

170

60

180

0

0

160

180

11

80

15

15

170

60

160

15

100

220

220

12

0

15

180

170

60

0

15

0

180

180

13

90

90

90

180

60

90

90

90

180

180

14

0

15

0

180

0

180

0

0

180

180

15

0

15

180

180

80

180

0

0

180

180

18


2.4 Sơ đồ khối

Hình 2. 4 Sơ đồ khối tồn mạch
2.5 Động cơ
Xét trong phạm vi thực hiện đề tài đồ án, động cơ được sử dụng để đưa vào
các khớp tay, cổ, em đưa ra các loại động cơ sau:
-

Động cơ điện xoay chiều

Động cơ điện xoay chiều hay Động cơ AC là động cơ điện được dẫn động
bằng dòng điện xoay chiều (AC). Động cơ AC thường bao gồm hai phần cơ bản,
một stator bên ngồi có các cuộn dây được cấp dòng xoay chiều để tạo ra từ trường
quay và một rô-to bên trong được gắn vào trục đầu ra tạo ra từ trường quay thứ hai.
Từ trường rơto có thể được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu, sự lồi từ trở, hoặc
cuộn dây điện DC hoặc AC.
Do yêu cầu của đồ án là robot có thể di chuyển linh hoạt nên việc cấp nguồn
cho khối cử chỉ phải từ ắc quy, nên không chọn động cơ xoay chiều
-

Động cơ điện 1 chiều

Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh
cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện
một chiều, một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh
lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là
19


liên tục. Thơng thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp
xúc với cổ góp.
Động cơ điện 1 chiều đã đáp ứng được việc cấp nguồn từ ắc quy, thế nhưng
động cơ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ, việc điều khiển góc quay cịn khó khăn.
-

Động cơ bước

Động cơ bước (tiếng Anh: stepper motor, step motor, hoặc stepping motor) 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 các chuyển
động góc quay hoặc các chuyển động của rơto có khả năng cố định rơto vào các vị
trí cần thiết.
Ở động cơ bước, ta đã có thể điều khiển được góc quay nhưng góc quay vẫn
chưa linh hoạt, chưa có tín hiệu trả về là góc quay hiện tại của động cơ
-

Động cơ Servo

Động cơ servo là một loại động cơ có hộp số gắn liền không thể tháo rời,

được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vịng 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 (radiocontrolled). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng
vơ 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.
Động cơ servo là một động cơ cơ vịng kín sử dụng phản hồi vị trí để điều
khiển chuyển động và vị trí cuối cùng của nó. Đầu vào cho điều khiển của nó là tín
hiệu (tương tự hoặc kỹ thuật số) đại diện cho vị trí được chỉ huy cho trục đầu ra.
Động cơ DC Servo đáp ứng được các yêu cầu về nguồn cấp, tín hiệu và cách
điều khiển đa dạng, dễ tìm hiểu và sử dụng
 Từ những ưu nhược điểm của các loại động cơ trong phạm vi sử dụng ở cho
đồ án, chọn động cơ Servo.

20


2.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của DC Servo
2.5.1.1 Cấu tạo
Servo motor có chổi than: Loại động cơ này thường bao gồm 4 bộ phận
chính đó là stato, rotor, chổi than cùng với cuộn cảm lõi.
Servo motor không có chổi than: Có cấu trúc tương đối giống như động cơ
có chổi than. Điều khác biệt có bản là các cuộn pha được lắp ở cuộn rotor chính là
động cơ vĩnh cửu. Hoạt động vẫn êm và không gây tiếng ồn nên thường được sử
dụng nhiều hơn so với dịng động cơ có chổi than.
2.5.1.2 Ngun lí hoạt động
Servo Motor hoạt động theo nguyên tắc PWM (Điều chế độ rộng xung), có
nghĩa là góc quay của nó được điều khiển bởi thời lượng của xung được áp dụng

cho mã PIN điều khiển của nó. Về cơ bản động cơ servo được tạo thành từ động cơ
DC được điều khiển bởi một điện trở thay đổi (chiết áp) và một số bánh răng.
Đầu vào lệnh ở dạng xung điện. Vì đầu vào thực tế của động cơ là sự khác
biệt giữa tín hiệu phản hồi (vị trí hiện tại) và tín hiệu u cầu, do đó tốc độ của động
cơ tỷ lệ thuận với chênh lệch giữa vị trí hiện tại và vị trí cần thiết. Lượng điện năng
mà động cơ yêu cầu tỷ lệ thuận với quãng đường cần di chuyển.
Động cơ được kết hợp với Encoder để cung cấp phản hồi vị trí và tốc độ. Nói
một cách đơn giản, chúng ta chỉ đo vị trí. Sau đó, vị trí đo của đầu ra được so sánh
với vị trí lệnh, đầu vào bên ngồi để điều khiển. Nếu vị trí đầu ra khác với vị trí đầu
ra dự kiến, tín hiệu lỗi sẽ tạo ra. Điều này làm cho động cơ quay theo một trong hai
hướng, vì cần phải đưa trục đầu ra đến vị trí thích hợp. Khi vị trí đến gần, tín hiệu
lỗi giảm xuống khơng. Cuối cùng động cơ dừng lại.
Có 3 chế độ điều khiển động cơ: Tốc độ, vị trí và moment, cần cài đặt tùy
theo mục đích sử dụng động cơ.
Ngồi ra, mỗi AC Servo Motor chỉ tương thích với 1 Driver của chính hảng
đó thì mới có thể hoạt động được. Khi xãy ra hư hỏng động cơ, ví dụ như cháy cuộn
dây( thường thấy ở các động cơ dùng nam châm) sẽ khơng thể tự ý quấn lại dây
được vì như vậy sẽ làm sai với thông số của hảng sản xuất. Tốt nhất, khi gặp hư
21


hỏng bạn nên mang động cơ của mình đi gặp nhà sản xuất để được bảo hành hoặc
liên hệ với các công ty chuyên lắp đặt và bảo hành và sửa chữa.
2.5.3 Ứng dụng và phân loại.
2.5.3.1 Ứng dụng
Về mặt cơ cấu, chúng có thể là điện, thủy lực hoặc khí nén. Chúng đặc biệt
có khả năng hỗ trợ điều khiển vị trí.
Về mặt nguyên lý, chúng hoạt động dựa trên khả năng phản hồi âm. Với đầu
vào có thể so sánh với vị trí thực tế của hệ thống cơ khí. Trị số sẽ được đo lường
bằng một số loại cảm biến tại đầu ra. Tín hiệu sai số được định hình là khoản chênh

lệch giữa giá trị thực tế và giá trị mong muốn được khuếch đại. Khả năng chuyển
đổi dựa trên hệ thống theo hướng cần thiết để giảm hoặc loại bỏ sai số.
Bên cạnh đó, servo còn được ứng dụng rất nhiều trong việc sản xuất các loại
máy cắt CNC PLasma khác. Ứng dụng ở trong dây chuyền, chẳng hạn như: đóng
gói, đóng hộp, may mặc, bao bì, đóng chai, giấy…Trong việc điều khiển các máy
cuộn vải, cuộn giấy, bao bì để tiến hành cắt hoặc in ấn…
Ứng dụng servo trong ngành điện và thiết bị điện tử: Máy lắp chính là thiết
bị dùng để lắp các linh kiện điện tử, có thể là các chip LSI lên trên phần bảng mạch,
cần tới tốc độ vận hành cao và phải có độ chính xác tuyệt đối, do đó, các servo AC
thỏa mãn được tất cả những yêu cầu này.
2.5.3.2 Phân loại
• Động cơ DC servo:
Động cơ DC servo có chổi than: có chi phí thấp, cấu trúc đơn giản, mô-men
xoắn khởi động lớn, dải tốc độ rộng, dễ điều khiển và cần bảo trì nhưng dễ bảo trì
(thay chổi than), tạo ra nhiễu điện từ và có các u cầu đối với mơi trường sử dụng,
và thường được sử dụng cho các dịp công nghiệp và dân dụng.
Động cơ DC servo khơng chổi than: có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ,
công suất lớn, phản ứng nhanh, tốc độ cao, qn tính nhỏ, mơ-men xoắn ổn định và
quay trơn tru, điều khiển phức tạp, chế độ chuyển mạch điện tử thơng minh, linh
hoạt, chuyển mạch sóng vng hoặc sóng sin. Động cơ khơng cần bảo trì, hiệu suất
cao và tiết kiệm năng lượng. Bức xạ điện từ nhỏ, nhiệt độ tăng thấp và tuổi thọ cao,
phù hợp với nhiều môi trường khác nhau.
22


Chổi
Kẹp
Bộ dị

Bộ chỉnh lưu

Cuộn cảm lõi
(Phần roto)
Hình 2. 5 Động cơ DC servo có chổi than.

• Động cơ AC servo:
-

Là động cơ không chổi than.

-

Được chia thành 2 loại đồng bộ và không đồng bộ.

Hiện nay, động cơ đồng bộ thường được sử dụng trong điều khiển chuyển
động. Chúng có phạm vi cơng suất lớn, cơng suất lớn, qn tính lớn, tốc độ thấp,
tốc độ tăng dần theo công suất. Độ rơi đồng đều phù hợp với tốc độ thấp và hoạt
động ổn định. Rô-to bên trong động cơ servo là một nam châm vĩnh cửu. Người lái
điều khiển điện ba pha U/V /W để tạo thành điện từ trường. Rô-to quay dưới tác
dụng của từ trường này. Đồng thời, bộ mã hóa tích hợp của động cơ sẽ truyền tín
hiệu phản hồi đến người lái. Các giá trị được so sánh để điều chỉnh góc quay của rơto. Độ chính xác của động cơ servo được xác định bởi độ chính xác của bộ mã hóa
(số dịng).

23


Cuộn cảm

Cuộn cảm
chính

Bộ dị

Nam
châm

Bộ
dị
Dây dẫn
thứ cấp

Vịng
đoản mạch
Động cơ AC servo cảm ứng

Động cơ AC servo đồng
Hình 2. 6 Cấu tạo động cơ AC servo
2.5.4 Điều khiển động cơ servo
2.5.4.1 Nguyên tắc điều khiển

Bên trong một động cơ servo cổ điển sẽ có 4 thành phần chính, đó là động cơ
DC, hộp số, con biến trở cũng như mạch điều khiển. Động cơ DC có tốc độ tương
đối cao và mơ men xoắn thấp, nhưng đồng thời hộp số lại giảm tốc độ xuống còn
khoảng 60 vòng/ phút, đồng thời gia tăng mô men xoắn lên.
Một động cơ servo thông thường được điều khiển bằng cách gửi 1 loạt các
xung chạy qua đường tín hiệu. Tần số của tín hiệu của điều khiển lúc này phải là
50Hz hoặc 1 chu kỳ xung được tính là 20ms. Độ rộng của xung nhằm giúp xác định
vị trí góc của servo cũng như các loại servo này thường có thể xoay được tới 180 độ
(chúng có giới hạn vật lý mỗi khi di chuyển).
Nói chung, các xung có được tại 1ms tương ứng với vị trí là 0 độ và 1,5ms

90 độ và 2ms 180 độ. Mặc dù thời gian tối thiểu và thời gian tối đa của các xung đơi
khi cịn có thể thay đổi được theo các loại khác nhau nhưng chúng có thể là 0,5ms
cho 0 độ và 2,5ms ở tại vị trí 180 độ.

24


2.5.4.2 Điều khiển động cơ qua Adruino.

Hình 2. 7 Điều khiển servo bằng adruino
Chúng ta chỉ cần tiến hành kết nối chân điều khiển của servo motor với bất
kỳ chân kỹ thuật số nào của bộ phận board Arduino, từ đó sẽ kết nối Ground và dây
dương vào nguồn điện 5V bên ngoài, đồng thời kết nối phần ground của Arduino
vào chân GND của servo.
Bây giờ chúng ta hãy nhìn vào code Arduino để tiến hành điều khiển động cơ
servo. Code rất đơn giản, chỉ cần xác định được chân mà servo motor được kết nối,
xác định chân đó chính là đầu ra và trong phần vòng lặp sẽ tạo ra các xung với chu
kỳ và tần số cụ thể giống như chúng ta đã giải thích ở phần trên.
Tiếp theo, kết nối một thiết bị đo vạn năng cho nó nối tiếp với servo để tiến hành
kiểm tra dịng điện. Mức dòng điện tối đa mà chúng ta nhận thấy là lên tới 0,63A,
bởi vì đây khơng phải là bản gốc của TowerPro MG996R, mà chỉ là bản sao rẻ hơn,
cho nên rõ ràng chúng sẽ có hiệu suất kém hơn.
Tuy nhiên, chúng ta hãy sử dụng 1 cách thuận tiện hơn để có thể điều khiển
các servo bằng Arduino. Đó là sử dụng hệ thống thư viện Arduino. Ở đây, bạn chỉ
cần nạp thư viện, sau đó xác định đối tượng servo rồi sử dụng hàm attach để xác
định chân mà servo motor được kết nối cũng như xác định được giá trị tối thiểu
cũng như giá trị tối đa của thời lượng xung.
25