(Đồ án hcmute) thiết kế, thi công và điều khiển mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH
CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC TỰ DO

GVHD: VÕ ĐỨC DŨNG
SVTH: CAO VĂN PHƯƠNG NAM
MSSV:14141491
SVTH: NGUYỄN DUY THANH
MSSV:141415524

SKL 0 0 6 4 7 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2018

do an


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ, THI CƠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ
HÌNH CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC TỰ DO
GVHD : ThS. Võ Đức Dũng
SVTH1: Cao Văn Phương Nam
MSSV : 14141491
SVTH2: Nguyễn Duy Thanh
MSSV : 141415524
Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

TRANG BÌA
Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018
i

do an


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm sinh viên Cao Văn Phương Nam và Nguyễn Duy Thanh tự
thực hiện, dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao chép từ tài liệu hay cơng
trình đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài

Cao Văn Phương Nam

Nguyễn Duy Thanh

ii

do an

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài, những người thực hiện được sự giúp đỡ của
gia đình, quý thầy cô và bạn bè nên đề tài đã được hoàn thành. Những người thực
hiện xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:
Thầy Võ Đức Dũng, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm có thể hồn thành
tốt đề tài.
Những người thực hiện cũng xin chân thành cám ơn đến các thầy cô trong khoa
Điện - Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ,
chỉ bảo, cung cấp cho những người thực hiện những kiến thức nền, chun mơn làm
cơ sở để hồn thành đề tài này.
Nhóm cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 14141CLDT1 và một số bạn
trong khoa Điện-Điện Tử đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm
trong thời gian thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài:
Cao Văn Phương Nam

Nguyễn Duy Thanh

iii

do an


MỤC LỤC
TRANG BÌA ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii

LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii
MỤC LỤC

........................................................................................................... iv

LIỆT KÊ HÌNH VẼ ................................................................................................ vi
LIỆT KÊ BẢNG ........................................................................................................x
TÓM TẮT

........................................................................................................... xi
TỔNG QUAN ....................................................................................1

1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ ...............................................................................................1

1.2

MỤC TIÊU ....................................................................................................1

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .........................................................................1

1.4

GIỚI HẠN .....................................................................................................2

1.5

BỐ CỤC ........................................................................................................2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................4

2.1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT ...........................................................................4
Lịch sử phát triển của robot ....................................................................4
Khái quát chung về tay máy robot công nghiệp .....................................5

2.2

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG .........................................................................6
Khối điều khiển .......................................................................................7
Khối vận hành .......................................................................................14
Khối hiển thị .........................................................................................21
Khối phân loại sản phẩm ......................................................................26
Khối nguồn ...........................................................................................30
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ .........................................................35

3.1

GIỚI THIỆU ................................................................................................35

3.2

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................35
Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................35
Tính tốn và thiết kế hệ thống ..............................................................38
Sơ đồ ngun lý của tồn mạch ............................................................49
THI CƠNG HỆ THỐNG ................................................................50

4.1

GIỚI THIỆU ................................................................................................50
iv

do an


4.2

THI CƠNG HỆ THỐNG .............................................................................50
Thi cơng đế và cơ cấu xoay ..................................................................51
Thi công cơ cấu nâng 2 khớp tay ..........................................................53
Thi công 2 khớp cánh tay......................................................................56
Thi công khớp tay gắp và cần gắp ........................................................60
Thi cơng hồn chỉnh cánh tay robot .....................................................62

4.3

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ...........................................................................64
Lưu đồ giải thuật ...................................................................................64
Sơ đồ khối tính tốn chuyển động của cánh tay ...................................73
Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ..................................................74

4.4

VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ........................79
Tài liệu hướng dẫn sử dụng ..................................................................79
Quy trình thao tác .................................................................................83

KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ ............................................84

5.1

ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY .........................................................................84

5.2

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ...........................................................................86

5.3

NHẬN XÉT- ĐÁNH GIÁ ...........................................................................89
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................90

6.1

KẾT LUẬN .................................................................................................90

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................................................91

Tài liệu tham khảo ..................................................................................................92

v

do an

LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1. Các loại Board Arduino ..............................................................................7
Hình 2.2. Arduino Mega 2560 ....................................................................................8
Hình 2.3. Hình ảnh module driver A4988 ................................................................10
Hình 2.4. Hình ảnh module CNC Shield ..................................................................11
Hình 2.5. Sơ đồ kết nối chân module Shield với module driver a4988 ...................12
Hình 2.6. Sơ đồ chân tay cầm Ps2 để kết nối với arduino .......................................13
Hình 2.7. Động cơ step 103H5208-1242..................................................................15
Hình 2.8. Bên trong động cơ step .............................................................................15
Hình 2.9. Hình ảnh thực tế của servo .......................................................................17
Hình 2.10. Cấu tạo của Servo SG90 .........................................................................18
Hình 2.11. Điều khiển vị trí trục ra của động cơ bằng PWM ..................................19
Hình 2.12. Màn hình LCD 20x4 ...............................................................................21
Hình 2.13. Quá trình hoạt động đọc của LCD..........................................................25
Hình 2.14. Quá trình hoạt động ghi của LCD ..........................................................26
Hình 2.15. Cảm biến màu sắc TCS3200. .................................................................27
Hình 2.16. Sơ đồ chân Cảm biến màu sắc TCS3200. ..............................................28
Hình 2.17. Cảm biến hồng ngoại ..............................................................................28
Hình 2.18. Hình ảnh module LM2596 .....................................................................30
Hình 2.19. Mạch nguyên lý nguồn xung kiểu Buck .................................................31
Hình 2.20. Hình ảnh ứng dụng nguồn Buck tạo nguồn 3.3V ...................................33
Hình 2.21. Nguồn tổ ong 12V/10A ..........................................................................33

Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................36
Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế..........................................................37
Hình 3.3. Khối xử lý trung tâm sử dụng board Arduino Mega 2560 .......................38

Hình 3.4. Sơ đồ kết nối tay cầm Play station 2 với Arduino Mega..........................39

vi

do an


Hình 3.5. Sơ đồ kết Module LCD 20x4 với Arduino Mega .....................................40
Hình 3.6. Sơ đồ kết nối Module cảm biến màu TCS3200 với Arduino Mega .........41
Hình 3.7. Sơ đồ kết nối động cơ Step và động cơ Servo với Arduino Mega ...........43
Hình 3.8. Hình sơ đồ nguyên lý thiết kế trong tọa độ OXYZ ..................................44
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý thiết kế ...........................................................................44
Hình 3.10. Nguồn tổ ong 12V 10A ..........................................................................49

Hình 4.1. Tất cả các mảnh ghép của cánh tay Robot ...............................................50
Hình 4.2. Hình ảnh bản vẽ chi tiết của giá đỡ ..........................................................51
Hình 4.3. Hình ảnh Giá đỡ cánh tay Robot đã thi cơng ...........................................52
Hình 4.4. Bản vẽ chi tiết của đĩa xoay......................................................................52
Hình 4.5. Cơ cấu xoay của cánh tay robot đã thi cơng .............................................53
Hình 4.6. Bản vẽ chi tiết giá đỡ trục chính ...............................................................54
Hình 4.7. Cơ cấu giá đỡ motor trục chính đã thi cơng .............................................55
Hình 4.8. Cơ cấu giá đỡ motor trục chính đã thi cơng .............................................55
Hình 4.9. Ráp 2 cơ cấu truyền động 2 khớp tay vào đế ...........................................56
Hình 4.10. Bản vẽ chi tiết tay địn thứ nhất ..............................................................57
Hình 4.11. Bản vẽ chi tiết tay địn thứ hai ................................................................57
Hình 4.12. Bản vẽ chi tiết trục truyền động thứ nhất ...............................................58
Hình 4.13. Bản vẽ chi tiết trục truyền động thứ nhất ...............................................58
Hình 4.14. Các mảnh ghép 2 khớp tay của cánh tay đã thi cơng .............................58
Hình 4.15. Hình ảnh láp ráp các mối nối 2 khớp tay................................................59
Hình 4.16. Ráp 2 khớp tay vào hệ thống ..................................................................59

Hình 4.17. Bản vẽ chi tiết giá đỡ tay kẹp .................................................................60
Hình 4.18. Hình ảnh giá đỡ tay kẹp đã thi cơng .......................................................61
Hình 4.19. Hình ảnh các bộ phận của cơ cấu gắp vật ..............................................62
Hình 4.20. Hình ảnh hồn chỉnh cánh tay Robot thực tế .........................................63
Hình 4.21. Lưu đồ giải thuật chương trình chính .....................................................64
Hình 4.22. Lưu đồ chương trình con Run ................................................................65
vii

do an


Hình 4.23. Lưu đồ chương trình con ghi nhớ ...........................................................66
Hình 4.24. Lưu đồ chương trình con Run EEPROM ...............................................67
Hình 4.25. Lưu đồ chương trình con kiểm tra hàm Setup ........................................68
Hình 4.26. Lưu đồ chương trình con ........................................................................69
Hình 4.27. Lưu đồ chương trình con khởi tạo mảng màu ........................................70
Hình 4.28. Lưu đồ chương trình con nhận diện màu sắc .........................................71
Hình 4.29. Lưu đồ chương trình con điều khiển bất đồng bộ ..................................72
Hình 4.30. Quy trình làm việc của arduino ..............................................................74
Hình 4.31. Giao diện lập trình arduino. ....................................................................75
Hình 4.32. Giao diện menu arduino IDE ..................................................................75
Hình 4.33. Giao diện file menu arduino IDE ..........................................................75
Hình 4.34. Giao diện Examples menu arduino IDE ...............................................76
Hình 4.35. Giao diện Sketch Menu Arduino IDE ..................................................76
Hình 4.36. Giao diện edit menu arduino IDE...........................................................77
Hình 4.37. Giao diện Tool Menu Arduino IDE .......................................................77
Hình 4.38. Board Arduino sử dụng ..........................................................................78
Hình 4.39. Hiển thị Board và Serial Port đã kết nối .................................................78
Hình 4.40. Arduino Toolbar .....................................................................................78
Hình 4.41. Màn hình chờ khi thiết bị khởi động xong .............................................79

Hình 4.42. Màn hình Menu hệ thống .......................................................................79
Hình 4.43. Màn hình Run .........................................................................................80
Hình 4.44. Màn hình Memory Mode .......................................................................80
Hình 4.45. Màn hình Menu Setup ............................................................................81
Hình 4.46. Màn hình chờ chế độ điều khiển bằng tay ..............................................81
Hình 4.47. Màn hình chờ ở chế độ AUTO ...............................................................82

Hình 5.1. Màn hình LCD hiển thị ở chế độ điều khiển bằng tay .............................84
Hình 5.2. Hình ảnh điều khiển bằng tay kẹp vật ở vị trí ban đầu .............................85
Hình 5.3. Hình ảnh điều khiển bằng tay nhấc vật ra khỏi băng tải ..........................85
viii

do an


Hình 5.4. Hình ảnh điều khiển bằng tay di chuyển vật về vị trí thả vật ...................86
Hình 5.5. Hình ảnh điều khiển bằng tay thả vật tại vị trí mong muốn .....................86
Hình 5.6. Hình ảnh điều khiển tự động gắp vật ở vị trí ban đầu ..............................87
Hình 5.7. LCD hiển thị màu đang gắp ở chế độ tự động .........................................87
Hình 5.8. Hình ảnh điều khiển tự động gắp vật lên khỏi băng truyền .....................88
Hình 5.9. Hình ảnh điều khiển tự động di chuyển vật về vị trí thả vật ....................88
Hình 5.10. Hình ảnh điều khiển tự động thả vật tại vị trí màu quy định ..................88

ix

do an


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1. Thông số Ardiuno Mega 2560 ...................................................................9
Bảng 2.3. Các chân của LCD....................................................................................22
Bảng 2.4. Các lệnh điều khiển LCD. ........................................................................23

x

do an


TĨM TẮT
Nhóm đã thực hiện đề tài “THIẾT KẾ, THI CƠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ
HÌNH CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC TỰ DO”. Trong đó robot gồm có 5 khớp
xoay cho phép nó có thể di chuyển một cách dể dàng trong không gian. Mỗi khớp
xoay được gắn một động cơ riêng, 3 khớp gắn động cơ Step và 2 khớp gắn động
cơ servo và những động cơ này được điều khiển bằng kít arduino mega 2560. Mỗi
khớp xoay của cánh tay robot được giới hạn góc từ 0° đến 180° đối với động cơ
Servo và 3200Step/vòng đối với động cơ Step. Với thiết kế này cánh tay robot có
thể làm việc một cách linh hoạt, kẹp gắp vật thể dể dàng nhất. Mơ hình cánh tay
robot gồm có 2 chức năng chính là điều khiển bằng tay, và điều khiển tự động để
tự nhận diện màu sắc và phân loại sản phẩm theo màu sắc. Để điều khiển bằng tay
nhóm đã thiết kế một mơ hình điều khiển sử dụng các nút nhấn của tay cầm
PlayStation 2 để điều khiển cho từng khớp xoay của mơ hình cánh tay robot từ đó
robot có thể hoạt động đúng theo hoạt động của mơ hình điều khiển. Để điều khiển
tự động phân loại sản phẩm theo màu sắc nhóm đã tích hợp thêm cảm biến màu ở
đầu cần gắp để khi gắp vật có thể phân biệt ln màu sắc của vật và phân loại sản
phẩm một cách chính xác nhất. Có thể điều chỉnh tốc độ khi điều khiển bằng tay
và điều khiển tự động. Tất cả các thông số điều khiển sẽ được hiển thị trực tiếp

trên màn hình LCD của hệ thống.

xi

do an


TỔNG QUAN
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, khi công nghệ ngày càng phát triển, robot đã dần thay thế con người

trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, quân sự và mọi hoạt động trong
cuộc sống hằng ngày. Trong tương lai robot sẽ là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho con
người thực hiện những cơng việc cần độ chính xác cao, những công việc nguy hiểm
hoặc tiếp xúc với những hóa chất độc hại…với sự giúp đỡ của robot con người sẽ đạt
được những thành tựu mới. Nhận thấy các phịng thí nghiệm cũng như các trường
học ở Việt Nam khi tiếp xúc với các chất độc hại hoặc cơng việc nguy hiểm thì con
người ln trực tiếp thực hiện mà chưa có sự hỗ trợ từ robot. Chính vì điều này nhóm
đã quyết định chọn đề tài cánh tay robot để có thể thực hiện các cơng việc nguy hiểm
thay cho con người.

1.2

MỤC TIÊU
Nghiên cứu về kit Arduino, động cơ Step, động cơ Servo, module driver A4988,

cảm biến màu, cảm biến hồng ngoại, tay cầm playstation 2, phần mềm Altium, phần
mềm Arduino, phần mềm Auto CAD …

Thiết kế và thi cơng được mơ hình cánh tay robot sử dụng kít Arduino làm bộ
xử lý trung tâm điều khiển các động cơ Step để và động cơ servo để di chuyển các
khớp của cánh tay cử động một cách linh hoạt. Và hệ thống có thể phân loại sản phẩm
và đặt đúng nơi quy định. Để có thể gắp kẹp các vật mẫu một cách linh hoạt, dể dàng
và di chuyển các vật mẫu đến vị trí quy định.

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU


NỘI DUNG 1: Tìm hiểu nguyên lý, cách thức hoạt động của cánh tay
robot.



NỘI DUNG 2: Tìm hiểu, lực chọn các loại các linh kiện và vi điều khiển
phù hợp.



NỘI DUNG 3: Thiết kế và thi công mô hình cánh tay robot.



NỘI DUNG 4: Thiết kế mạch điều khiển trung tâm.

1

do an

1.4



NỘI DUNG 5: Viết code cho hệ thống.



NỘI DUNG 6: Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả.



NỘI DUNG 7: Viết báo cáo.

GIỚI HẠN


Cánh tay robot bằng nhựa mica kích thước tay đòn thứ nhất 148mm, tay
đòn thứ hai 160mm, sải tay tối đa 320mm .



Khối lượng vật gắp tối đa 0.6Kg , đường kính vật gắp tối đa 3cm.



Cánh tay robots chỉ gắp được vật trong những phạm vi làm việc nhất định.



Sử dụng tay cầm playstation 2 để thiết lập các thông số điều khiển để điều
khiển ở chế độ điều khiển bằng tay.



Sử dụng các động cơ Step 12-36VDC, 200step/vịng và động cơ Servo
5V, góc quay 0-180° để điều khiển các chuyển động.

1.5

BỐ CỤC
Chương 1: Tổng quan.
Chương này trình bày cụ thể lý do chọn đề tài “điều khiển và thi cơng
mơ hình cánh tay robot phân loại sản phẩm”. Thể hiện được khái quát mục
tiêu mà nhóm thực hiện, có những nội dung thực hiện cụ thể tuần tự và hợp lý.
Phần này còn cho thấy giới hạn của đề tài để người đọc hiểu rõ hơn về hệ thống
mà nhóm thực hiện.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương này giới thiệu cơ bản về các linh kiện được sử dụng trong đề
tài, các linh kiện này đã được nhóm tính tốn và chọn lựa kỹ lưỡng. Được đưa
vào giới thiệu với mục đích cho người đọc biết được đặc điểm và chức năng
của từng linh kiện.
Chương 3: Tính tốn và thiết kế.
Chương này trình bày qúa trình tinh tốn và thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ
nguyên lý của hệ thống một cách cụ thể nhất. Tính tốn chuyển động của cánh
tay và tính tốn nguồn cung cấp cụ thể. Việc tính tốn thiết kế được phân chia
trình tự một cách hợp lý và được giải thích một cách cụ thể, rõ ràng nhất.
2

do an


Chương 4: Thi cơng hệ thống.
Chương này trình bày cụ thể q trình thiết kế và thi cơng từng bộ phận
cấu thành cánh tay, gồm thiết kế các khớp, mô hình các khớp và láp ráp hồn
chỉnh mơ hình cánh tay, thi cơng mơ hình điều khiển.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá.
Chương này là kết quả cuối cùng của phần cứng, hoạt động như thế
nào, cách điều khiển và được hướng dẫn cụ thể từng bước thao tác với hệ
thống. Đưa ra các nhận xét và đánh giá kết khách quan về kết quả hoạt động
của hệ thống.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Chương này đưa ra kết luận khách quan về những gì mà nhóm làm
được, chưa được từ đó đưa ra những hướng phát triển cụ thể cho hệ thống
trong tương lai.

3

do an


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT
Lịch sử phát triển của robot
Thuật ngữ robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà

văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek. Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) – xuất hiện
đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF (American Manchine and Foundry Comapany) quảng
cáo mô tả một thiết bị mang dáng dấp và một số chức năng như tay người được điều
khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất, thiết bị có tên gọi là Versatran.
Q trình phát triển của IR có thể tóm tắt như sau:
 Từ những năm 50 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên.
 Đầu những năm 60 xuất hiện sản phẩm đầu tiên tên Versatran của công ty
AMF.
 Ở nước Anh, người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo các IR theo bản quyền
của Mỹ từ năm 1967.
 Các nước Tây Âu khác như: Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển nghiên cứu và chế tạo
từ những năm 70.
 Ở châu Á thì có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968. Đến
nay, trên thế giới có khoảng 200 cơng ty sản xuất IR trong đó có 80 cơng ty
của Nhật, 90 cơng ty của các nước Tây Âu, 30 công ty của Mỹ. Theo chủng
loại, mức độ điều khiển và khả năng nhận biết thông tin của tay máy – người
máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ
như sau:
Thế hệ 1: Thế hệ có điều khiển theo chu trình dạnh chương trình cứng, khơng
có khả năng nhận biết thông tin.
Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu trình dạng chương trình mềm, bước
đầu có khả năng nhận biết thơng tin.
Thế hệ 3: Thế hệ có điều khiển dạng tinh khơng, có khả năng nhận biết thơng
tin và bước đầu có một số chức năng lý trí của con người.
4

do an


Đối với tay máy cơng nghiệp đã có hơn 250 loại, trong đó có hơn 40% là loại

tay máy có điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất. Sự xuất hiện của robot và sự
gia tăng vai trò của chúng trong q trình sản xuất và xã hội lồi người làm xuất hiện
một ngành khoa học mới là ngành Robot học (Robotic).
Trên thế giới ở nhiều nước đã xuất hiện những viện nghiên cứu riêng về robot.
Ở Việt Nam, những năm giữa của thập kỷ 80 đã có viện nghiên cứu về robot.
Khái quát chung về tay máy robot công nghiệp
Một tay máy công nghiệp tiêu biểu bao gồm 7 thành phần làm bằng kim loại
được nối với nhau bằng 6 khớp. Máy tính điều khiển robot bằng cách quay từng động
cơ được nối với từng khớp (một số cánh tay robot cỡ lớn dùng thủy lực hay khí nén).
Robot sử dụng các cảm biến chuyển động để đảm bảo nó chuyển động đến đúng vị
trí mong muốn.
2.1.2.1. Cấu trúc của một tay máy robot công nghiệp
Một robot công nghiệp có 6 khớp rất giống với một cánh tay của con người
gồm có vai, khuỷu tay và cổ tay. Thường thì vai sẽ được gắn vào một bệ cố định hơn
là một cơ thể di động.
Các thành phần chính của robot: Một robot thường bao gồm các phần chính
như cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm
biến, bộ điều khiển, bộ điều khiển bằng tay (Tech pendant), máy tính, các phần mềm
lập trình. Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoăc động cơ bước), các hệ
thống xy lanh khí nén, thủy lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động. Dụng cụ thao
tác được gắn trên khâu cuối của robot, có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn
tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun
sơn…. Bộ Tech pendant thường dùng để điều khiển robot bằng tay và có thể lập trình
cho các hoạt động đơn giản của robot. Các phần mềm để lập trình và các chương trình
điều khiển robot được cài đặt trên máy tính, dùng điều khiển robot thơng qua bộ điều
khiển. Bộ điều khiển còn được gọi là module điều khiển, nó thường được kết nối với
máy tính. Một module điều khiển có thể cịn có các cổng vào – ra để làm việc với

5

do an


nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản
thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dị tìm khác…
Kết cấu của tay máy: Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả
năng làm việc của robot. Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và
chức năng của tay người. Tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng,
nhiều cánh tay robot có hình dạng rất khác cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng
tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thơng số hình – động học. Đó là những thơng
số liên quan tới khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số
bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng,
lực kẹp… Các khâu của robot thường thực hiện 2 chuyển động cơ bản:
 Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong khơng gian Descartes thơng
thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này ký hiệu là T hay P.
 Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R. Tùy thuộc vào số khâu
và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau
với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của robot là Robot kiểu
tọa độ Descartes, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ góc…
2.1.2.2. Hoạt động chung của cánh tay robot công nghiệp
Tương tự như tay người, cánh tay robot để di chuyển cơ cấu cuối cùng từ điểm
này đến điểm khác. Có thể cố định dạng chuyển động của cánh tay robot với một số
loại cơ cấu chấp hành cuối cùng tùy theo từng ứng dụng. Một cơ cấu chấp hành thông
dụng là một phiên bản thu nhỏ của một bàn tay có thể cầm nắm các vật khác nhau.
Các cánh tay robot thường có các cảm biến áp suất gắn bên trong để thông báo cho
máy tính biết cần bao nhiêu lực để gắp một vật, giúp nó khơng đánh rơi hay làm vỡ
đồ vật mà nó đang giữ. Robot cơng nghiệp được thiết kế để làm những cơng việc lặp
đi lặp lại chính xác, trong một môi trường được điều khiển. Để dạy robot làm cơng
việc của mình, người lập trình sẽ dẫn cánh tay qua những chuyển động nhờ sự điều
khiển bằng tay. Những robot này sẽ lưu trữ trình tự chuyển động chính xác trong bộ

nhớ của nó và lặp đi lặp lại chuyển động này trên các dây truyền lắp ráp.

2.2

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
6

do an


 Thiết bị đầu vào: Tay cầm Playstation 2, cảm biến màu, cảm biến hồng ngoại
 Thiết bị đầu ra: động cơ Step, động cơ servo, LCD
 Thiết bị điều khiển trung tâm: Kit điều khiển Arduino.
 Các chuẩn truyền dữ liệu: SPI , chuẩn truyền song song 4 dây
Khối điều khiển
2.2.1.1. Giới thiệu chung board Arduino
Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với
các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm
nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một
ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về
điện tử và lập trình. Có rất nhiều loại Arduino khác nhau nhưng người dùng thường
sử dụng 3 loại phổ biến sau:

Hình 2.1. Các loại Board Arduino
Arduino mega 2560: 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân
PWM), sử dụng nhân AVR Atmega 2560, có thể ứng dụng điều khiển nhiều chương
trình phức tạp như Arduino Due. Board được sử dụng phổ biến và được ưu chuộng
nhiều nhất,sử dụng nhân AVR Atmega 2560, có thể ứng dụng điều khiển nhiều
chương trình phứctạp như Arduino Due và dễ dàng mở rộng phát triển thêm.
Arduino Due: là board sử dụng nhân ARM 32 bit cortexM3, là board phát

triển sử dụng nhân ARM đầu tiên của series board Arduino, rất mạnh mẽ, hỗ trợ 54
7

do an


chân Digital I/O (với 12 chân có thể sử dụng chức năng PWM), 12 ngõ vào tín hiệu
Analog, 4 UARTs (cổng truyền nối tiếp), xung clock sử dụng lên đến 84 MHz. Nó
ứng dụng rất nhiều trong các chương trình phức tạp, vì thế giá thành cũng cao hơn so
với các Arduino khác.
Arduino Uno R3: Board arduino này dùng vi điều khiển ATmega328, có 14
chân Digital I/O, số lượng chân Digital I/O hạn chế cũng khó khăn khi kết hợp điều
khiển nhiều module với nhau.
Arduino Pro mini: là board sử dụng vi điều khiển ATmega328P, có 16 chân
Digital I/O giống Arduino Uno R3 nhưng có thêm 2 chân anolog là A6 và A7. Phù
hợp khi làm những ứng dụng lớn nhỏ khác nhau, Board được sử dụng phổ biến và
được ưu chuộng nhiều nhất và giá thành cũng rẻ. Dễ sử dụng và dễ dàng mở rộng
phát triển thêm. Vì thế trong đề tài này nhóm sẽ chọn Arduino Pro mini.
2.2.1.2. Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu
khiển AVR ATMega2560. ATMega2560 có 256 KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã
(trong đó có 8 KB được sử dụng cho bộ nạp khởi động), 8 KB SRAM và 4 KB của
EEPROM.

Hình 2.2. Arduino Mega 2560
Có 54 chân vào/ra: Được đánh số thứ tự từ 0 đến 53 (với 15 chân có thể điều
khiển PWM), ngồi ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu
(AREF).

8

do an


Có 16 đầu vào tương tự: Mỗi ngõ vào tương tự đều có độ phân giải 10 bit
(tức là 1024 giá trị khác nhau).
4 UART: Truyền và nhận giao tiếp với vi điều khiển ở ngoại vi.
Cổng USB: Đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều
khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và
máy tính.
1 nút nhấn RESET: Được sử dụng để RESET mạch.
Jack nguồn: Để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng
khơng phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó ta cần một nguồn từ
7V đến 12V.
Bảng 2.1. Thông số Ardiuno Mega 2560
Điện áp hoạt động

7-12V

Điện áp đầu vào

6-20V

Chân vào/ra (I/O) số

54 ( 15 chân là đầu ra PWM)

Chân vào tương tự

16

Dòng điện trong mỗi chân I/O

20mA

Dòng điện Chân nguồn 3.3V

50mA

Bộ nhớ trong

256 KB

SRAM

8 KB

EEPROM

4 KB

Xung nhịp

16MHz

Dài

101.52 mm

Rộng

53.3 mm

Nặng

37g

2.2.1.3. Module Driver A4988
Tuy với kích thước nhỏ gọn nhưng module có thể điều khiển được động cơ
bước cỡ lớn với điện áp điều khiển cho motor(VMOT) là 8V – 35V
Đặc điểm nổi bật:
9

do an





Giao thức điều khiển số bước và chiều quay rất đơn giản.
5 cấp điều chỉnh bước: 1; 1/2; 1/4; 1/8 và 1/16 bước.



Điều chỉnh dòng định mức cấp cho động cơ bằng triết áp.



Có chức năng bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ tụt áp và chống
dòng ngược.

Hình 2.3. Hình ảnh module driver A4988
Bật tắt động cơ thông qua chân ENABLE, mức LOW là bật module, mức
HIGH là tắt, điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR, điều khiển bước
của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước (hoặc vi bước),
chọn chế độ hoạt động bằng cách đặt mức logic cho các chân MS1, MS2, MS3.
Bảng chế độ hoạt động của module:

2.2.1.4. Module CNC Shield
Module CNC shield là board mở rộng của Arduino dùng để điều khiển các
máy CNC mini và các mơ hình cánh tay Robot cơ bản. Board có 4 khay dùng để cắm
các module điều khiển động cơ bước A4988, khi đó board có thể điều khiển 3 trục X,
Y, Z và thêm một trục thứ 4 tùy chọn trên các máy CNC mini. Có thêm dãy connector
dễ dàng kết nối đến các cảm biến đầu cuối và các nút nhấn điều khiển.
10

do an


Đặc điểm nổi bật:
- Tương thích GRBL (mã nguồn mở chạy trên Arduino UNO R3 để điều khiển
CNC mini)
- Hỗ trợ lên tới 4 trục (trục X, Y, Z và một trục thứ tư tùy chọn)
- Hỗ trợ tới 2 Endstop (cảm biến đầu cuối) cho mỗi trục
- Tính năng điều khiển spindle
- Tính năng điều khiển dung dịch làm mát khi máy hoạt động
- Sử dụng các mô đun điều khiển động cơ bước, giúp tiết kiệm chi phí khi thay
thế, nâng cấp
- Thiết lập độ phân giải bước động cơ bằng jump đơn giản
- Thiết kế nhỏ gọn, các đầu nối tiêu chuẩn thông dụng

Thông số kỹ thuật:
- Tương thích với thư viện Arduino GRBL 0.8c.
- Hỗ trợ 4 trục. 2 cảm biến đầu cuối cho mỗi trục.
- Kết nối đến Spindle.
- Kết nối đến quạt làm mát.
- Sử dụng tương thích với driver A4988 / DRV8825
- Có jump set chế độ vi bước cho Step driver.
- Điện áp chạy từ 12V - 36V

Hình 2.4. Hình ảnh module CNC Shield

11

do an


Hình 2.5. Sơ đồ kết nối chân module Shield với module driver a4988
12

do an


2.2.1.5. Tay cầm PlayStation 2
Đối với điều khiển robot, chỉ cần dùng các dây sau: Clock, Data, Command,
VCC và GND, Attention. Clock, Data, Command, Attention nối với các chân I/O bất
kỳ. Chân Data nên được kéo nguồn bằng điện trở từ 1k-10k.
Clock: xung, đồng bộ hóa q trình truyền dữ liệu.
Data: dữ liệu từ gamepad về vdk;
Command: dữ liệu từ vdk đến gamepad.
Attention: Chip select

VCC: 3-5V; GND:0V

Hình 2.6. Sơ đồ chân tay cầm Ps2 để kết nối với arduino
Cách truyền nhận dữ liệu
Gamepad và vi điều khiển truyền và nhận từng byte dữ liệu cùng 1 lúc bằng
giao tiếp nối tiếp. Xung Clock được giữ ở mức cao cho đến khi bắt đầu gửi 1byte.
Sau đó, Clock sẽ được đưa xuống mức thấp để bắt đầu quá trình truyền và nhận dữ
liệu trong thời gian 8 xung Clock. Ở vị trí xung Clock ở cạnh xuống, dữ liệu trên
đường truyền thay đổi. Khi xung Clock ở cạnh lên, dữ liệu được đọc. Byte có trọng
số thấp nhất được truyền trước.

13

do an