Thiết kế, chế tạo thiết bị điều khiển mô hình cánh tay robot

1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH TAY ROBOT
THE DESIGN AND MANUFACTURE OF EQUIPMENT TO CONTROL ROBOT – ARM

MODEL

SVTH: Đặng Cao Thiên1,Thân Quốc Trình1, Ngơ Văn Đạt1, Nguyễn Hữu Hùng2, Trương Văn Nhân3
1Lớp 17CDT1, Khoa Cơ khí, 2Lớp 18CDT1, Khoa Cơ khí, 3Lớp 18D1, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

GVHD: TS. Đoàn Lê Anh
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Trong bài báo này, chúng tơi trình bày việc thiết kế, Abstract - In this report, we present the design and
chế tạo thiết bị điều khiển mơ hình cánh tay robot. Trong thiết kế manufacture of equipment to control robot-arm model. We use 5
này, chúng tôi sử dụng 5 cảm biến uốn – Flex Sensor được gắn bending sensors- Flex sensor, which are mounted on the 5
trên 5 ngón tay của găng tay để phát hiện chuyển động. Khi cảm fingers of the glove in order to detect its movement. When the
biến bị uốn cong, điện trở của cảm biến sẽ thay đổi, để có thể sensor's metal is bent, the resistance of the sensor changes to be
phát hiện độ cong.Thông qua cảm biến ta sẽ nhận biết được các able to detect the curvature. Through the sensor, we easily
trạng thái uốn cong của các ngòn tay trên bàn tay từ đó định recognize the curved state of the finger to define gestures.
nghĩa các cử chỉ để điều khiển các động cơ của robot Thanks to that we can control the the robot's engine.

Từ khóa - Arduino. Cảm biến uốn cong, Cánh tay robot, điều Key words - Arduino Mega, Flex Sensor, Robot arm, remote
khiển từ xa, bàn phím. control, keyboard.

1. Đặt vấn đề 4. Thiết kế phần cứng
4.1. Sơ đồ khối
Hiện nay cánh tay robot là một trong những tiến bộ
vượt bậc của nền công nghiệp sản xuất, đánh dấu bước Hình 1: Sơ đồ khối
ngoặc lớn của thời đại công nghiệp 4.0. Cánh tay robot Trung tâm của khối điều khiển là Arduino Mega 2560
được ứng dụng mọi mặt của đời sống như: sắp xếp, phân có nhiệm vụ thu nhận và xử lí tin hiệu được truyền về từ

loại hàng hóa, nội trợ trong gia đình, hoặc các cơng việc bàn phím ma trận và các cảm biến sau đó sẽ hiển thị các
nguy hiểm tránh tiếp xúc trực tiếp với hóa chất, …Tuy lệnh điều khiển ra màn hình LCD. CNC Shield là mạch
nhiên hiện nay giá thành robot vẫn còn cao, nhất là với nhận tín hiệu từ Arduino truyền cho driver và điều khiển
những loại có các chức năng đặc biệt. Một trong số đó là cánh tay robot. Nhóm sử dụng 2 Shield để điều khiển 6
những loại robot điều khiển thông qua cử chỉ tay. Loại động cơ bước thơng qua driver A4988(có các jumper để
robot này được sử dụng trong những tác vụ đặc biệt mà sự điều khiển động cơ bước theo chế độ full step, haft step,
khéo léo của bàn tay con người đóng vai trị quan trọng. 1/4, 1/8, 1/16). A4988 là một bộ điều khiển DMOS cực
Nhằm đặt một bước chân trong việc thiết kế chế tạo nhỏ với bộ chuyển đổi và bảo vệ q dịng. A4988 có thể
những loại robot này nhóm chúng em đến với quyết định điều khiển được động cơ bước lượng cực với dòng điện
thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ lên đến 2A với mỗi cuộn dây. Nguồn để cung cấp cho
ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH TAY ROBOT” Arduino và CNC Shield được lấy từ nguồn tổ ong 12V,
các linh kiện khác lấy nguồn từ Arduino(5V hoặc 3,3V).
2. Tổng quan đề tài 4.2. Giới thiệu thiết bị

Thiết bị giúp việc tương tác giữa con người và thiết bị
máy móc trở nên tự nhiên, linh hoạt và hiệu quả hơn.

Việc ứng dụng cử chỉ tay để điều khiển các thiết bị kỹ
thuật có thể ứng dụng trong việc điều khiển các thiết bị
như xe, robot, … đi đến những nơi có địa hình khó khăn
và mơi trường nguy hiểm, nơi mà con người khó có thể
thể tiếp cận được.

Cánh tay Robot có thể nắm và thả sản phẩm theo cử
chỉ của tay người, đồng thời điều khiển được cùng lúc
nhiều khớp nên thao tác linh hoạt.

3. Nội dung nghiên cứu

Thiết kế, chế tạo thiết bị điều khiển cánh tay robot 4

bậc tự do. Thông qua sự điều khiển của thiết bị, cánh tay
Robot có khả năng thao tác di chuyển, cầm nắm vật thể
cũng như có khả năng chuyển động với sự điều khiển
bằng cử chỉ tay..

Đặng Cao Thiên, Thân Quốc Trình, Ngơ Văn Đạt, Nguyễn Hữu Hùng, Dương Tấn Nam 2

4.2.1. Vi điều khiển arduino Mega 25603

Hình 2: Arduino Mega 2560 Hình 3: Sơ đồ nối chân cảm biến uốn với Arduino

Arduino Mega 2560 là dòng arduino tiện dụng, đơn Các thơng số kỹ thuật:
giản, có thể lập trình trực tiếp bằng máy tính. Arduino
Mega là phiên bản nâng cấp của Arduino R3 với số chân  Điện áp hoạt động 0 – 5V, có thể hoạt động trên
giao tiếp, ngoại vi và bộ nhớ nhiều hơn. Mạch được thiết điện áp thấp
kế và sử dụng các linh kiện tương đương với phiên bản
chính hãng trên Arduino .cc, phù hợp cho các ứng dụng  Nhiệt độ hoạt động -45oC – 80oC
cần nhiều bộ nhớ hoặc nhiều chân, cổng giao tiếp hơn so  Điện trở phẳng là 25k
với Arduino Uno. Arduino Mega 2560 là một vi điều  Phạm vi kháng uốn 45k – 125k
khiển hoạt động dựa trên chip Atmega2560. Bao hồm:  Dung sai của điện trở là  30%

 54 chân digital(trong đó có 15 chân có thể được sử 4.2.3. Module NRF24L01
dụng như những chân PWM là từ chân số 2 – 13
và chân 44 45 46).

 6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3
(interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19
(interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21
(interrupt 2).

 16 chân vào analog (từ A0 đến A15).
 4 cổng Serial giao tiếp giao tiếp với phần cứng:

Bảng 1: Vị trí chân 4 cổng Serial Hình 5: Module NRF24L01
4.2.2. Cảm biến uốn cong2
Mạch thu phát RF NRF24L01+ 2.4Ghz sử dụng chip
Hình 4: Cảm biến uốn cong truyền sóng NRF24L01+ mới nhất từ hãng Nordic với
Cảm biến này hoạt động theo nguyên lý dải uốn, có nhiều cải tiến so với chip NRF24L01 cũ về tốc độ truyền,
nghĩa là bất cứ khi nào dải bị xoắn thì điện trở của nó sẽ khoảng cách, độ nhạy, bổ sung thêm pipelines, buffers, và
bị thay đổi. Điều này có thể được đo lường với sự trợ giúp tính năng auto-retransmit nhưng vẫn tương thích ngược
của bất kỳ bộ điều khiển. với phiên bản cũ về cách sử dụng ..., NRF24L01+ hoạt
Cảm biến này hoạt động tương tự như một điện trở động trên dải tần 2.4GHz và sử dụng giao tiếp
thay đổi bởi vì khi nó xoắn thì điện trở sẽ bị thay đổi. Sự SPI, khoảng cách tối đa trong điều khiện khơng vật cản
thay đổi điện trở có thể phụ thuộc vào độ tuyến tính của lên đến 100m.
bề mặt vì điện trở sẽ khơng giống nhau khi nó ở các mức.
Khi cảm biến được xoắn 45o thì giá trị điện trở sẽ Thông số kỹ thuật:
khác. Tương tự, khi senor này bị xoắn đến 90o thì giá trị
điện trở sẽ khác. Điện trở sẽ bình thường trong trường  Điện thế hoạt động: 1.9 – 3.6V
hợp không bị uốn, điện trở sẽ tăng gấp đôi trong trường  Truyền được 100m với điều kiện trống trãi. 30 –
hợp bị uốn 45o, điện trở sẽ là bốn lần khi bị uốn 90o. Điện
trở sẽ tăng khi góc tăng lên. 50m nếu trong nhà.
 Tốc độ truyền dữ liệu qua sóng: 250kbps – 2Mbps

5. Kết quả nghiên cứu và khảo sát

3 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

5.1. Găng tay điều khiển Cánh tay robot có 4 bậc tự do có thể chuyển động linh
hoạt các khớp nhờ 6 động cơ bước, và có tay kẹp để cầm,
gắp vật.

6. Đánh giá hoạt động thực tế

Có 2 cơ chế điều khiển cánh tay robot gồm:

 Bàn phím
 Găng tay

Hình 6: Găng tay điều khiển Hoạt động của cánh tay robot mà nhóm đang làm bao
gồm: quay, cầm nắm, nhấc, dịch chuyển, tiến hành theo
5.1.1. Cơ chế hoạt động các thao tác thông qua các cảm biến cơ ở trên bàn tay. Nó
được lập trình mơ phỏng thơng qua phần mềm được cài
Găng tay có thể điều khiển cánh tay robot bằng các cử đặt trên máy tính .
chỉ tay đơn giản như cong và duỗi các ngón tay. Mỗi một
ngón tay sẽ điều khiển một khớp khác nhau của cánh tay Hoạt động của găng tay để điều khiển cánh tay robot ;
robot. Điều khiển cánh tay Robot chuyển động, cũng như có khả
năng cầm nắm các vật thể có kích thước thơng qua các
5.1.2. Điều khiển từ xa cảm biến cơ được được gắn trên găng tay.

7. Kết luận

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm tác giả ln
luôn nỗ lực và quyết tâm hoàn thiện đề tài một cách
tốt nhất. Đề tài đạt được một số yêu cầu sau:

Hình 7: Điều khiển từ xa  Giải quyết được vấn đề điều khiển mơ hình cánh
tay robot chuyển động thông qua các cảm biến
Thiết bị có thể truyền và nhận tín hiệu điều khiển từ được gắn trên găng tay.
xa thông qua module NRF24L001 được tích hợp trên
găng tay và cánh tay robot. Phạm vi điều khiển là 30m và  Cánh tay Robot có thể chuyển động , nắm thả các

có thể lên đến 100m đối với mơi trường thuận lợi – không sản phẩm một cách nhanh chóng và linh hoạt
vật cản, có thể truyền xun tường, kính…
 Nội dung và phương pháp triển khai và nghiên cứu
5.2. Mơ hình cánh tay robot là một ví dụ cho bài toán thiết kế cánh tay Robot
có thể ứng dụng tốt cho việc hỗ trợ và tăng cường
sức người. Thay thế con người làm việc trong môi
trường xấu, làm những việc nặng nhọc, nguy hiểm.

 Tuy nhiên dò thời gian làm đề tài có hạn và kinh
phí cịn quá eo hẹp nên tài vẫn còn một số hạn chế
sau Tay gắp của cánh tay robot chưa nâng được
những vật có kích thước và trọng lượng lớn.

 Cơ cấu của cánh tay chưa linh hoạt, vẫn cần có sự
can thiệp của con người, vẫn chưa tự động hoàn
toàn.

Tài liệu tham khảo

[1] Tác giả KS Phạm Quang Huy, Vi điều khiển và ứng dụng – Arduino
dành cho người tự học, NXB Thanh niên tái bản năm 2019.

[2] /> bien-uon-cong-.html?from=rss

[3] />
Hình 8: Cánh tay robot