THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT NHỆN - 123doc

Sơ lược nội dung chính của đề tài bao gồm: Tính toán, thiết kế phần cơ của robot Tính toán thiết kế chế tạo phần khung. Tính toán chọn động cơ cho cơ cấu di chuyển. Tính toán, thiết kế bộ phận điều khiển robot nhện. Tính toán chọn mạch nguồn cần sử dụng. Viết chương trình giao tiếp giữa vi điều khiển và các module được sử dụng trong đề tài mạch cần cho robot di chuyển. Khảo nghiệm sơ bộ robot để đánh giá khả năng hoạt động của nó.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Bùi Việt Nam

Võ Hiền Quân

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN

ROBOT NHỆN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu để cấp bằng Kỹ sư cơ khí

chuyên ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S Nguyễn Đăng Khoa

Tháng 06/2016

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin trân trọng cám ơn tất cả quý Thầy, Cô trường Đại học Nông Lâm

Tp Hồ Chí Minh và quý Thầy, Cô khoa Cơ khí – Công Nghệ đã trang bị cho chúng

em những kiến thức quý báu trong quá trình học tập tại trường

Chúng em xin chân thành cám ơn các Thầy, Cô bộ môn Cơ điện tử đã hướngdẫn, giúp đỡ chúng em rất tận tình trong quá trình chúng em làm đề tài

Chúng em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy ThS Nguyễn ĐăngKhoa, người đã tận tâm hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng emhoàn thành bài luận văn này

Đặc biệt, chúng em xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong Hội đồng đã dành thời giannhận xét, góp ý để luận văn của chúng em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cám ơn đến những người thân cũng như bạn bè

đã động viên, ủng hộ và luôn tạo cho chúng tôi những điều kiện thuận lợi trong quátrình hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Mặc dù đã rất cố gắng thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất Nhưng dochưa được làm quen nhiều với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp xúc thực tế với cácthiết bị, cũng như những hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránhkhỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý của quý Thầy - Cô vàcác bạn để khóa luận được hoàn chỉnh hơn

Chúng em xin chân thành cám ơn!

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016

Sinh viên thực hiện:

Bùi Việt Nam

Võ Hiền Quân

TÓM TẮT

Đề tài “thiết kế, chế tạo và điều khiển robot nhện” được thực hiện từ tháng

2/2016 đến tháng 5/2016 tại Trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh Mục đích

là thiết kế và chế tạo một loại robot di chuyển bằng sáu chân một cách linh hoạt, robotđược điều khiển bằng vi điều khiển là board mạch Arduino Uno R3 và sử dụng 18động cơ RC servo để truyền động Các chân robot được điều khiển và hoạt động độclập, nhưng chúng phối hợp cùng với nhau tạo ra sự chuyển động cho robot Robotđược chế tạo di chuyển tự động tránh vật cản nhờ cảm biến siêu âm SRF05, ngoài ra tacòn có thể được điều khiển thông qua bluetooth của điện thoại hoặc máy tính Robotnhện di chuyển dựa trên giải thuật chuyển động thẳng bằng phương pháp cách đi tamgiác thay đổi Robot được lập trình để di chuyển tiến, tới, lùi, sang trái, sang phải,dừng Tiềm năng ứng dụng của robot rất lớn trong nhiều lĩnh vực như giải trí, dândụng và thám hiểm…

Sơ lược nội dung chính của đề tài bao gồm:

Tính toán, thiết kế phần cơ của robot

Tính toán thiết kế chế tạo phần khung

Tính toán chọn động cơ cho cơ cấu di chuyển

Tính toán, thiết kế bộ phận điều khiển robot nhện

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH vii

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích, yêu cầu 2

Chương 2: TỔNG QUAN 3

2.1 Giới thiệu tổng quan thiết bị về robot nhện 3

2.2.1 Mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 4

2.2.2 Cảm biến khoảng cách SRF-05 8

2.2.3 Module bluetooth HC-05 10

2.2.4 Board mạch điều khiển 16 RC-Servo: Module USC-16 12

2.2.5 Động cơ RC Servo 15

4.2.6 Chế độ điều khiển thông qua Bluetooth 17

Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

3.1 Thời gian và địa điểm 19

3.2 Nội dung nghiên cứu 19

3.2.1 Phương pháp thiết kế phần khung robot nhện 19

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20

4.1 Tính toán, thiết kế, chế tạo phần khung robot nhện 21

4.1.1 Thiết kế chân robot 21

4.1.2 Thiết kế thân robot 24

4.1.3 Chọn động cơ cho cơ cấu chân robot 25

4.2 Tính toán thiết kế mạch điều khiển robot nhện 26

4.2.1 Mạch nguồn 26

4.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp giữa vi điều khiển và cảm biến khoảng cách HC-05 28

4.2.3 Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa vi điều khiển và module bluetooth

HC05 30

4.2.4 Sơ đồ mạch giao tiếp giữa vi điều khiển và mạch điều khiển động cơ

USC-16 31

4.2.5 Sơ đồ mạch giao tiếp giữa Arduino và động cơ RC Servo 32

4.2.6 Giao tiếp giữa động cơ servo với mạch điều khiển động cơ USC-16 33

4.3 Sơ đồ điều khiển robot nhện 35

4.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển robot nhện 36

4.4.1 Giải thuật di chuyển tiến hoặc lùi cho robot 39

4.4.2 Giải thuật di chuyển sang trái hoặc sang phải cho robot 40

4.4.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng tay qua điện thoại thông minh 41

4.4.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển tự động của robot nhện 44

4.5 Khảo nghiệm sơ bộ vận hành robot nhện 45

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 46

5.1 Kết luận 46

5.2 Đề nghị 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 6

Bảng 2.2 Cấu trúc lệnh điều khển servo trong board mạch USC-16 14

Bảng 4.1 Chức năng các chân ra của mạch nguồn 27

Bảng 4.2 Sơ đồ giao tiếp giữa SRF05 và vi điều khiển 29

Bảng 4.3 Chức năng từng chân của HC05 30

Bảng 4.4 Bảng giao tiếp giữa vi điều khiển và USC-16 32

Bảng 4.5 Giao tiếp giữa động cơ RC servo và mạch điều khiển USC-16 34

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Robot nhện 4

Hình 2.2 Sơ đồ chân Arduino 4

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch Arduino Uno R3 5

Hình 2.4 Cảm biến khoảng cách SRF-05 8

Hình 2.5 Module bluetooth HC-05 10

Hình 2.6 Board mạch USC-16 12

Hình 2.7 Động cơ Servo 15

Hình 2.8 Độ rộng xung quy định góc quay của động cơ RC Servo 17

Hình 2.9 Giao diện điều khiển qua phần mềm Torobot 17

Hình 2.10 Giao diện phần mềm bluetooth RC Controller điều khiển robot nhện 18

Hình 4.1 Sơ đồ cấu tạo của robot nhện 20

Hình 4.2 Cơ cấu chân 2 bậc tự do 22

Hình 4.3 Cơ cấu chân 3 bậc tự do 23

Hình 4.4 Chân 3 bậc tự do 24

Hình 4.5 Thân dạng hình lục giác đều 24

Hình 4.6 Động cơ RC Servo 25

Hình 4.7 Thiết kế chế tạo hoàn thiện phần khung của robot nhện 26

Hình 4.8 Mạch nguồn cung cấp cho động cơ RC servo 27

Hình 4.9 Sơ đồ mạch nguyên lý ổn áp nguồn 5V dùng IC 7805 28

Hình 4.10 Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn 5V 28

Hình 4.11 Sơ đồ mạch nguyên lý giao tiếp giữa vi điều khiển và cảm biến khoảng cách SRF-05 29

Hình 4.12 Sơ đồ mạch nguyên lý module bluetooth HC-05 30

Hình 4.13 Sơ đồ mạch nguyên lý giao tiếp giữa module bluetooth HC-05 và vi điều khiển 31

Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lí giao tiếp giữa Arduino và động cơ RC servo 33

Hình 4.15 Giao tiếp giữa module USC-16 và động cơ RC servo 34

Hình 4.16 Hoàn thiện mạch điều khiển robot nhện 35

Hình 4.17 Sơ đồ của mạch điều khiển robot nhện 35

Hình 4.18 Sơ đồ khối của mạch điều khiển robot nhện 36

Hình 4.19 Cách đi tam giác thay đổi 38

Hình 4.20 Thứ tự các chân để điều khiển chuyển động tiến về phía trước 39

Hình 4.21 Thứ tự các chân để diều khiển lùi về phía sau 40

Hình 4.22 Giải thuật chuyển động sang phải 41

Hình 4.23 Lưu đồ giải thuật phần mềm điều khiển 42

Hình 4.24 Lưu đồ giải thuật của vi điều khiển 43

Hình 4.25 Lưu đồ giải thuật điều khiển tự động 44

Hình 4.26 Robot nhện hoàn thành 45

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Trong thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, trong xu hướng hội nhập

và phát triển cùng với sự phát triển mạnh mẽ toàn diện của con người trên mọi mặtlĩnh vực Những phát minh sáng chế khoa học kỹ thuật nâng lên tầm cao mới, hệ thống

cơ điện tử được đẩy mạnh sử dụng linh hoạt trong mọi ngành Nhu cầu con người ngàycàng cao, tiềm năng ứng dụng robot thay thế ngày càng mở rộng Để đáp ứng nhu cầucon người cũng như bắt kịp xu hướng phát triển của khoa học, kỹ thuật thế giới Cáctrường đại học đã được nhà nước đầu tư nhiều thiết bị dạy và học để theo kịp khoahọc, công nghệ tiên tiến Nhiều trường đã tạo điều kiện cho các bạn sinh viên tiếp cận,trực tiếp tham nghiên cứu khoa học công nghệ trong nhiều lĩnh vực

Ngay từ khi ra đời robot được áp dụng rộng rãi để thay thế sức lực của conngười trong việc bốc xếp, vận chuyển vật liệu… trong các dây chuyền sản xuất tựđộng Nói về những ưu điểm của robot di động nó là một lĩnh vực tiềm năng, nhiềuứng dụng trong thực tiễn Chẳng hạn như thám hiểm những nơi con người không thểđến: các hang động, các khu vực nhiễm phóng xạ Trong công tác kiểm tra các bồnchứa trong công nghiệp Trong đời sống robot di động được ứng dụng để tiếp cận cáccon thú dữ để bắn thuốc gây mê Trong nghiên cứu robot có thể đổ bộ trên các vùngnúi đá trên các hành tinh xa xôi… Cho đến nay, nhiều thế hệ robot di chuyển đượcnghiên cứu và phát triển ngày càng hoàn thiện hơn Đặc biệt trong thập kỉ vừa qua,robot đã có những cải tiến vượt bậc và dần dần giống con người hơn Nên việc nghiêncứu và chế tạo robot là một việc rất cần thiết và là một lĩnh vực không thể thiếu trongnghiên cứu khoa học để có thể áp dụng rộng rãi thành tựu khoa học vào đời sống conngười Từ những yếu tố trên và tình hình thực tế của Việt Nam hiện nay chúng em đã

chọn và bắt tay vào nghiên cứu “Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot nhện” sáu

chân

1.2 Mục đích, yêu cầu

Mục đích chung

Thiết kế, chế tạo và điều khiển chuyển động của robot bằng điện thoại thông minh thông qua module bluetooth HC05 Giao tiếp giữa vi điều khiển Arduino Uno R3, module USC-16 với động cơ RC Servo, có dùng cảm biến siêu âm SRF05

Mục đích cụ thể

Phần cơ khí:

Thiết kế, chế tạo phần cơ khí bao gồm: thân robot nhện, cơ cấu di chuyển bao

gồm 6 chân của robot, mỗi chân có ba bậc tự do Tiến hành ghép nối các động cơ vàcác thiết bị cần thiết bằng mối ghép bu lông, đai ốc, để điều khiển robot

Nghiên cứu viết chương trình giao tiếp giữa vi điều khiển với động cơ rc servo

để điều khiển hoạt động của robot nhện

Điều khiển robot nhện thông qua phần mềm Torobot.

Điều khiển robot nhện thông qua chiếc điện thoại smartphone.

Điều khiển cho robot chạy tự động thông qua kiểm soát của cảm biến khoảngcách SRF05

Yêu cầu:

Vẽ và gia công phần cơ khí

Nắm vững về lập trình cho vi điều khiển

Hiểu được hoạt động của mạch điều khiển động cơ USC-16

Biết sử dụng phần mềm điều khiển trên điện thoại thông minh

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu tổng quan thiết bị về robot nhện

Robot nhện sử dụng các động cơ rc servo, di chuyển linh hoạt bằng khớp nốigiúp chúng có thể vượt qua được nhiều kiểu địa hình khác nhau Mô phỏng theo cách

di chuyển của loài nhện Robot nhện có 6 chân, mỗi chân có 3 bậc tự do tương ứng với

3 động cơ RC servo, như vậy robot nhện có tất cả 18 động cơ giúp nó bước đi dễ dàng,uyển chuyển Toàn bộ robot được chế tạo từ vật liệu mica, đây là một loại vật liệu kháphổ biến và quen thuộc trong thị trường Phần cứng robot nhện được thi công bằngphương pháp cắt laser Robot sử dụng mạch điều khiển động cơ USC-16 và boardmạch vi điều khiển Arduino Uno R3 để lập trình điều khiển Robot nhện sử dụngmodule bluetooth HC05 để truyền và nhận dữ liệu, sử dụng cảm biến khoảng cách đểđịnh vị khoảng cách tránh vật cản trên đường di chuyển của nó

Hình 2.1 Robot nhện

2.2 Giới thiệu các linh kiện được sử dụng trong đề tài

2.2.1 Mạch vi điều khiển Arduino Uno R3

Tổng quan về Arduino Uno R3

1 Nút reset 3 Giắt cấm nguồn 5 Các chân digital

2 Ổ cấm usb 4 Nguồn điện 6 Các chân analog

Hình 2.2 Sơ đồ chân Arduino

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch Arduino Uno R3

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tácvới nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một boardmạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel.

Arduino có thể tương tác với môi trường xung quanh, nó có thể kết nối với:

Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại: cảm biến nhiệt độ, gia tốc, vận tốc,cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động, phát hiệnkim loại,…

Các thiết bị hiển thị: màn hình LCD, đèn Led,…

Các module chức năng (shield) hỗ trợ kết nối có dây với các thiết bị khác hặccác kết nối không dây thông dụng như: 3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433MHz,2.4GHz,…

Kết nối với các module khác như module điều khiển động cơ L298…

Arduino Uno R3 là 1 board mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểukhiển AVR Atmega328P

Một số thông số của Arduino Uno R3:

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3

Vi điều khiển ATmega328P họ 8 bit

Điện áp hoạt động 5V DC (Chỉ cấp qua cổng USB)

Tàn số hoạt động 16 Mhz

Dòng tiêu thụ Khoảng 30 mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân digital I/O 6 (chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10 bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30mA

Dòng ra tối đa (5V) 500mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328P) với 0.5 dùng bởi

bootloaderSRAM 2 KB (ATmega328P)

Các chân năng lượng:

GND (Ground): Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Uno R3 Khi chúng ta

sử dụng những nguồn riêng biệt thì những chân này được nối vớinhau

5V: Cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

3.3V: Cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

Vin: Để cấp nguồn ngoài cho Arduino Uno R3, ta nối cực dương của nguồn vớichân này và cực âm của nguồn với chân GND

Các cổng vào và ra

Arduino có 14 chân digital dùng để đọc và xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mứcđiện áp là 0V và 5V với dòng vào hoặc ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở đây mỗichân đều có các điện trở từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặcđịnh thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân có các chức năng đặc biệt sau:

Có 2 chân Serial 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi và nhận dữ liệu TTL serial.Arduino Uno R3 có thể giao tiếp với các thiết bị linh kiện khác thông qua 2 chân này.Kết nối bluetooth thường thấy đó chính là kiểu kết nối Serial không dây Nếu khôngcần giao tiếp serial thì chúng ta không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 7, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độphân giải 8 bit bằng hàm analogWrite() Chúng ta có thể điều chỉnh điện áp ra ở chânnày từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài chứcnăng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI vớicác thiết bị khác

Ardunio Uno có 6 chân analog (A0-A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit đểđọc giá trị điện áp trong khoảng 0V-5V Với chân AREF trên board, chúng ta có thểđưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu chúng ta cấp điện

áp 2.5V vào chân này thì chúng ta có thể sử dụng các chân analog để đo điện áp trongkhoảng từ 0V - 2.5V với độ phân giải vẫn là 10 bit

Đặc biệt, Arduino Uno R3 có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếpI2C/TWI với các thiết bị khác

Dựa vào kỹ thuật công nghệ và khoa học hiện đại thấy được ứng dụng trongcuộc sống của sóng siêu âm rất nhiều, có thể kể đến như thiết bị định vị dưới biển củatàu ngầm, thiết bị ra-đa, các thiết bị đo khoảng cách của môi trường…

Cấu tạo cảm biến khoảng cách SRF05 gồm có: 2 loa thu và phát cùng với 5chân để kết nối với Arduino Theo thông số tài liệu của nhà sản xuất thì tầm hoạt độngtối đa của cảm biến này tầm khoảng 2-300 cm

Thông số kĩ thuật của cảm biến khoảng cách SRF-05

Chức năng của các chân này như sau:

VCC: cấp nguồn cho cảm biến

Trigger: kích hoạt quá trình phát sóng siêu âm Quá trình kích hoạt khi một chu

kì điện cao hoặc thấp diễn ra

Echo: bình thường sẽ ở trạng thái 0V, được kích hoạt lên ngay 5V ngay có tínhiệu trở về, sau đó trả về 0V

GND: Cấp mass của mạch

OUT: Không sử dụng

Nguyên lí hoạt động của cảm biến khoảng cách SRF05:

Để đo khoảng cách sẽ phát ra 1 xung rất ngắn từ chân Trigger Sau đó, cảm biến

sẽ tạo ra một xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận được sóng phản xạ từ chânnày Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến vàquay trở lại

Tốc độ âm thanh trong không khí là 340 m/s tương đương với 29,412 ms/cm(106/(340*100)) Khi đã tính thời gian, ta sẽ chia cho 29,412 để nhận được khoảngcách

Lắp đặt cảm biến ta tiến hành lắp đặt cảm biến như sau:

VCC: Nối với nguồn 5V của Arduino

GND: Nối với chân GND

Trigger: Nối với chân số 8 của Arduino Uno R3.

Echo: Nối với chân số 7 của Arduino Uno R3

2.2.3 Module bluetooth HC-05

Hình 2.5 Module bluetooth HC-05

Bluetooth là chuẩn truyền thông không dây để trao đổi dữ liệu ở khoảng cáchngắn Chuẩn truyền thông này sử dụng sóng radio ngắn (UHF radio) trong dải tần sốISM (2.4 – 2.485 GHz) Khoảng cách truyền của module bluetooth HC-05 tầm khoảng10m

Module HC05 dùng để thiết lập kết nối Serial giữa 2 thiết bị bằng sóngbluetooth, được thiết kế dựa trên IC BC417, con IC này sử dụng bộ nhớ flash ngoài8bit

Sơ đồ chân HC05 gồm có:

KEY: Chân này để chọn chế độ hoạt động AT Mode hoặc DATA Mode

VCC: Chân này có thể cấp nguồn từ 3.6V – 6V, bên trong module đã có một ICnguồn để truyền điện áp về 3.3V và cấp cho IC BC417

GND: Nối với chân nguồn GND

TXD, RXD: Là hai chân UART để giao tiếp module hoạt động ở mức 3.3V

Các chế độ hoạt động:

Module HC-05 hoạt động ở hai chế độ là Command Mode và Data Mode Ởchế độ Command Mode ta có thể giao tiếp với Module thông qua cổng serial trênmodule bằng tập lệnh AT Ở chế độ Data Mode module có thể truyền nhận dữ liệu tới

module bluetooth khác Chân KEY dùng để chuyển đổi qua lại giữa 2 chế độ này Cóhai cách chuyển module hoạt động trong chế độ Data Mode:

Nếu đưa chân này lên mức logic cao trước khi cấp nguồn module sẽ đưa vàochế độ Command Mode với baudrate mặc định 38400 Chế độ này khá hữu ích khichúng ta không biết baudrate trong module được thiết lập ở tốc độ bao nhiêu Khichuyển sang chế độ này đèn LED trên module sẽ nhát chậm (khoảng 2s) và ngược lạikhi chân KEY nối ở mức logic thấp trước khi cấp nguồn module sẽ hoạt động chế độData Mode

Nếu module đang hoạt dộng ở chế độ Data Mode để có thể đưa vào hoạt động ởchế độ Command Mode thì chúng ta cần đưa chân KEY lên mức cao Lúc này module

sẽ vào chế độ Command Mode nhưng với tốc độ Baud Rate được chúng ta thiết lập lầncuối cùng Vì vậy chúng ta cần biết Baudrate hiện tại của thiết bị để có thể tương tácvới nó

Nếu chưa thiết lập lại lần nào thì mặc định như sau:

Baud Rate 9600, data 8 Bits, stop bits 1, parity: none, handshake: none

Ở chế độ MASTER: Module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1module bluetooth khác, usb bluetooth, bluetooth của laptop…) và tiến hành kết nốichủ động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone

Tập lệnh AT thường dùng:

AT: lệnh test, nó sẽ trả về OK nếu module đã hoạt động ở chế độ CommandMode

AT + VERSION: Trả về Firmware hiện tại của module

AT + UART = 9600, 0, 0: Thiết lập baudrate (9600, 1 bit stop, no parity)

Các lệnh ở chế độ Master:

AT + RMAAD: Ngắt kết nối với các thiết bị đã ghép.

AT + ROLE = 1: Đặt module ở chế độ Master

AT + RESET: Khởi động lại thiết bị

AT + CMODE = 0: Cho phép kết nối với bất kì địa chỉ nào

AT + INQM = 0, 5, 5: Dừng tìm kiếm thết bị khi đã tìm được 5 thiết bị hoặc sau

5 giây

At + PSWD = 1234: Set Pin cho thiết bị

AT + INQ: Bắt đầu tìm kiếm thiết bị để thay đổi ghép nối Sau lệnh này mộtloạt các thiết bị tìm thấy được hiển thị Định kết quả ra sau lệnh này như sau:INQ: address, type, signal

Phần địa chỉ sẽ có định dạng như sau: 0123:4:567890 Để sử dụng địa chỉ nàytrong các lệnh tiếp theo ta phải thay dấu “:” thành dấu “,”, ví dụ như: 0123:4:567890 –

AT + ORGL: Khởi động lại cài đặt mặc định

AT + RMAAD: Xóa mọi thiết bị đã ghép nối

AT + ROLE = 0: Đặt là chế độ SLAVE

AT + ADDR: Hiển thị địa chỉ của SLAVE

2.2.4 Board mạch điều khiển 16 RC-Servo: Module USC-16

Để động cơ Servo hoạt động thì cần cung cấp 2 nguồn điện chính:

Cung cấp điện cho động cơ Servo

Cung cấp điện cho USC

Servo power supply (+) VS: Chân cấp nguồn cho động cơ RC servo

Servo power supply (-) GND: Chân nối mass cho động cơ RC servo

Chip power supply (+) VSS: Chân cấp nguồn cho chip

Chip power supply (-) GND: Chân nối mass cho chip

Kết nối servo để điều khiển servo:

Điều khiển một động cơ RC-servo bằng board mạch USC-16:

Đầu tiên chúng ta chạy chương trình RIOS_USC.exechọn cổng COM kết nối

và tốc độ truyền dữ liệu

Sử dụng chuột để kéo các thanh trượt trong bảng điều khiển servo

Điều khiển nhiều động cơ RC-Servo: Sau nhiều servo được điều khiển theo thứ

tự bằng cách làm theo các bước ở trên, đặt thời gian Sau đó bấm vào nút "thêm" ởphần dưới của phần mềm Phần mềm này sẽ sản xuất một lệnh ở phần dưới của phầnmềm mà có thể thực hiện kiểm soát đồng thời trên tất cả các servo được kiểm soáttrước đó (nếu 10 servo được kiểm soát trước đó, các lệnh có thể kiểm soát những 10servo đồng thời)

Cấu trúc lệnh điều khiển:

Bảng 2.2 Cấu trúc lệnh điều khển servo trong board mạch USC-16

đề cập đến thời gian thực hiện và đại diện cho tốc độ, trong khoảng 100-9999

“100” đề cập đến thời gian thực hiện

và đại diện cho tốc độ của ba servo Bất kể số của servo, chỉ có một thời gian, hoặc 1 T

Các lệnh được thực thi cùng một lúc,nghĩa là, tất cả các servo hoạt động đồng thời

nhiều nhóm

servo đồng

thời

#1G#3G#1GC2\r\n Thực hiện các nhóm đầu tiên, thứ ba

và lần đầu tiên, số chu kỳ là 2

Một nhóm có thể xuất hiện nhiều lần.Chỉ có thể có một số chu kỳ hoặc

“C” Các lệnh được thực thi theo thứ tự; đó là các nhóm được thực hiện theo thứ tự

2.2.5 Động cơ RC Servo

Động cơ RC servo loại động cơ được điều khiển bằng sự điều biến độ rộngxung (PWM) tức là kiểm soát hành trình mà chân robot đã di chuyển được Với loạinày thì khối lượng nhẹ hơn và có thể dễ dàng chọn loại động cơ mong muốn

1 Trục bánh răng 4 Dây nối mass 7 Mâm xoay 10 Động cơ DC

2 Điện kế thế 5 Dây tín hiệu 8 Mạch điện tử

3 Chip tích hợp 6 Dây nguồn 9 Vỏ hộp

Hình 2.7 Động cơ Servo Hoạt động của động cơ servo:

Một động cơ RC Servo được cấu tạo làm ba phần: Một động cơ DC nhỏ, mộthộp số giảm tốc và bộ điều khiển góc quay Động cơ và vôn kế nối với mạch điềukhiển tạo thành một mạch hồi tiếp vòng kín Cả mạch điều khiển và động cơ điều đượccấp nguồn DC (thường 4.8 – 7.2V)

Để quay động cơ, tín hiệu số được gửi tới mạch điều khiển Tín hiệu này khởiđộng động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế Vị trí của trục vôn kế chobiết vị trí trục ra của servo Khi vôn kế đạt được vị trí như mong muốn, mạch điềukhiển sẽ tắt động cơ

Động cơ RC Servo S3003 được sử dụng trong đề tài gồm có 3 dây và có màunhư sau:

Chân GND (màu nâu): Chân cấp mass

Chân VCC (màu đỏ): Chân cấp nguồn (3.5 V - 8.4 V).

Chân tín hiệu (màu vàng – màu trắng): Chân điều khiển góc của động cơ

Hoạt động của RC Servo dựa trên nguyên lý nhận xung PWM và cho ra gócquay Trục của động cơ servo R/C được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độrộng xung PWM (Pulse Width Modulation) Phương pháp điều xung PWM (PulseWidth Modulation): Là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác làphương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sựthay đổi điện áp ra Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổnđịnh Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi

từ 1 – 2ms Các xung này được gửi đi 50 lần/giây Chú ý rằng không phải số xungtrong một giây điều khiển servo mà là độ rộng của các xung điều khiển động cơ Servođòi hỏi khoảng 30 – 60 xung/giây Nếu số này quá thấp thì độ chính xác và công suất

để duy trì servo sẽ giảm Với độ dài xung 1ms, servo được điều khiển quay một chiều:

Góc quay của động cơ được xác định bằng độ rộng của xung PWM cấp đếnđộng cơ: Độ rộng xung dao động từ 1ms đến 2ms, với độ rộng 1ms động cơ sẽ quaytới vị trí cực tiểu, với độ rộng 2ms động cơ sẽ quay tới vị trí cực đại Khoảng dao động

từ 1ms đến 2ms sẽ khiến động cơ quay các góc trong khoảng cực tiểu tới cực đại

Với thời gian 1ms mức cao, góc quay của servo là 0º, 1.5ms góc quay 90º và2ms góc quay là 180º Các góc khác từ 0º - 180º được xác định trong khoảng thời gian1-2ms

Hình 2.8 Độ rộng xung quy định góc quay của động cơ RC Servo

Ứng dụng.

Động cơ Servo được ứng khá rộng rãi trong cuộc sống Động cơ servo có nhiềukiểu và ứng dụng từ các mô hình sản xuất, máy tiện đến mô hình robot, máy bay và xehơi… Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến gọi là động cơ servo R/C

4.2.6 Chế độ điều khiển thông qua Bluetooth:

Điều khiển qua phần mềm Torobot

Hình 2.9 Giao diện điều khiển qua phần mềm Torobot

Để điều khiển robot nhện qua phần mềm Torobot đầu tiên lắp mạch đầy đủ,chọn cổng COM sử dụng, kết nối bluetooth HC05 với máy tính, sau đó chọn nút

“Online” Để lập trình cho động hoạt động, chúng ta có thể nhập góc; nhập tọa độ hoặcviết các câu lệnh điều khiển bằng cách kéo thả các biểu tượng servo trên chương trình,tiếp tục chọn nút “Add” để lưu lệnh vừa lập trình, thực hiện điều khiển sau khi viếtlệnh xong bằng nút “Run” Muốn kết hợp các câu lệnh thành một chuỗi hành độngchọn “Download” sẽ tạo ra một nhóm hành động Chọn “Read” để gọi các nhóm vànhấn “Execution” để thực thi các nhóm hành động

Điều khiển thông qua điện thoại thông minh

Trong mô hình robot nhện, module HC05 sẽ hoạt đông ở chế độ kết nối tự động(không kết nối với chân 34 KEY) Để giao tiếp đầu tiên, mở bluetooth điện thoại và

mở chương trình điều khiển, tiếp theo tìm kiếm và kết nối với bluetooth HC05, nhập

mật khẩu của HC05 để có thể kết nối với module, mặc định mật khẩu đầu tiên củaHC05 là “1234” (có thể đặt lại mật khẩu cho module bluetooth HC05 bằng lệnh AT).Chọn các nút trên giao diện phần mềm: lên, xuống, trái, phải, dừng Các nút này truyền

dữ liệu xuống Arduino là “F”, “B”, “L”, “R”, “S” Arduino nhận dữ liệu và thực hiệntương ứng với các chương trình con đã được nạp sẵn là tiến, lùi, trái, phải, dừng

Hình 2.10 Giao diện phần mềm bluetooth RC Controller điều khiển robot nhện

Chương 3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Thời gian và địa điểm

Từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2016 Tại trường Đại học Nông Lâm Thành phố

Hồ Chí Minh

3.2 Nội dung nghiên cứu

3.2.1 Phương pháp thiết kế phần khung robot nhện

Chọn mẫu robot thiết kế: Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích tài liệu tham khảo cũng như mục đích đề tài hướng tới và khả năng thực thi của nhóm đưa ra phương án robot nhện 6 chân, mỗi chân 3 bậc tự do Như vậy chúng em cần sử dụng 18 động cơ

RC Servo cho robot

Trên thực tế phân tích các điều kiện chủ quan như xu hướng, khả năng cũngnhư kinh nghiệm của nhóm, cũng như các điều kiện khách quan đảm bảo cho việchoàn thành đề tài như cơ sở thông tin, tư liệu, phương tiện, thiết bị thí nghiệm, kinhphí cần thiết, quỹ thời gian… Chúng em quyết định thiết kế robot nhện theo phương

án 6 chân

Tính toán thiết kế các chi tiết trên robot dựa trên mô hình hóa mô phỏng 3D,thiết kế và xuất ra theo từng cơ cấu, đồng thời đảm bảo khả năng hoạt động tốt củatừng cơ cấu cũng như yêu cầu đặt ra cho đề tài

3.2.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) để điềukhiển góc quay của động cơ RC servo

3.2.3 Phương pháp khảo nghiệm, kiểm tra

Vận hành robot để kiểm tra và đánh giá chất lượng chế tạo

Chương 4

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 Chân 1 6 Khối cảm biến 11 Chân 5 16 Khối nguồn

2 Chân 2 7 Khâu 1 12 Động cơ 17 Mạch điều khiển

3 Chân 3 8 Khâu 2 13 Chân đệm 18 Thân trên

4 Thân dưới 9 Khâu 3 14 Chân 4

5 Trụ chống 10 Chân 6 15 Khối module bluetooth

Hình 4.1 Sơ đồ cấu tạo của robot nhện

Sơ đồ cấu tạo của robot nhện được thể hiện ở Hình 4.1 Robot nhện được cấutạo dạng thân hình lục giác, gồm phần thân trên và phần thân dưới Chúng ghép songsong với nhau và được cố định bởi trụ đỡ ở giữa bằng mối ghép bu lông, đai ốc Cácchân được bố trí ở sáu góc của hình lục giác Mỗi chân có kết cấu ba bậc tự do, gồm cócác bộ phận là: khâu trong, khâu giữa, khâu ngoài, chân đệm Chức năng của từng

khâu là khâu trong quay theo trục đứng của robot, giúp chân robot di chuyển về phíatrước hoặc lùi về sau.

Khâu giữa có tác dụng nâng chân lên hoặc hạ chân xuống; khâu ngoài có gắnthêm chân đệm nhằm mục đích tăng ma sát giúp robot có thể bám địa hình Ở giữa haikhâu là một khớp quay, khớp quay ở đây được dùng là một động cơ RC servo Với kếtcấu này sẽ giúp cho cử động của chân có thể di chuyển linh hoạt, dễ dàng trong địahình thay đổi phức tạp Phía trước của nó được gắn cảm biến tránh vật cản, khi có vậtcản ở trước, cảm biến sẽ đưa tín hiệu về bộ xử lý và nó xuất tín hiệu ra lệnh sang tráihoặc sang phải để tránh va chạm với vật cản đó Cảm biến này giúp robot vận hành ởchế độ tự động Ngoài ra, robot còn được tích hợp thêm module bluetooth HC-05 giúp

ta có thể điều khiển thông qua điện thoại thông minh chạy trên hệ điều hành android.Một bộ phận cũng không kém phần quan trọng là bộ khối nguồn, vì nó cung cấp nănglượng cho toàn bộ hệ thống của robot nhện Phần cuối cùng là khối xử lý, nơi trungtâm điều khiển các hoạt động robot như là điều khiển: tiến, lùi, sang trái, sang phải,dừng

4.1 Tính toán, thiết kế, chế tạo phần khung robot nhện

Để điều khiển tự động hoàn toàn robot phải có hiệu suất năng lượng cao vìrobot phải mang các động cơ trên thân đồng thời mang cả bộ điều khiển trên nó Cómột số loại vật liệu khác nhau mà có thể sử dụng làm mô hình robot, trong đó yếu tốgiá cả là một nhân tố quan trọng cho việc lựa chọn vật liệu, nhưng yếu tố khối lượng làquan trọng nhất quyết định toàn bộ quá trình thiết kế và chế tạo robot Vật liệu được sửdụng để làm cấu trúc khung robot là mica, vật liệu này khá phổ biến hiện nay Nhữngphần không cần thiết chúng ta có thể cắt rãnh để giảm bớt trọng lượng robot Quá trìnhthiết kế phải chú trọng đến bài toán về tính ổn định tĩnh và động của robot

4.1.1 Thiết kế chân robot

Công thức tính bậc tự do của cơ cấu:

Gọi W0 là số bậc tự do tương đối của tất cả các khâu trong cơ cấu để rời so vớigiá, gọi R là tổng số ràng buộc trong cơ cấu, thì bậc tự do của cơ cấu được tính :

W = W0 – R (4.1)

Xác định W0: trường hợp tổng quát, một khâu để rời trong không gian có 6 bậc

tự do tương đối so với giá nên nếu cơ cấu có n khâu thì số bậc tự do tương đối sẽ là:

W0 = 6n (4.2) Xác đinh R: Mỗi khớp động sẽ hạn chế một số bậc tự do bằng đúng số ràng buộc của khớp đó Nếu gọi Pi là số khớp loại I trong cơ cấu thì tổng số ràng buộc sẽ là

Sự chế tạo thành công robot phụ thuộc vào tính toán thiết kế phần khung robot.Đặc biệt là tính toán thiết kế chân của robot.Từ đó, tất cả các dạng chuyển động bằngchân được xem xét về tính bền, khả năng chịu lực, moment của trục động cơ, sau đóxét đến tính khả thi của nó Điều này rất quan trọng cho việc lựa chọn một cơ cấu chân

mà nó sẽ tính đến phạm vi chuyển động là lớn nhất mà không phải chịu những ràngbuộc vào giải thuật chuyển động đã được chọn lựa Do đó giai đoạn đầu tiên của quátrình thiết kế chân là tìm kiếm một kiểu chân tối ưu nhất

Phương án 1: Thiết kế kết cấu chân robot 2 bậc tự do, ưu điểm là kết cấu đơn

giản, dễ chế tạo, dễ điều khiển Trong phương án này lại khảo sát ba trường hợp thiết

kế chân như sau: