GIỚI THIỆU
Tổng quan
Trong bối cảnh hội nhập và phát triển, con người đang trải qua sự tiến bộ toàn diện trên nhiều lĩnh vực Các phát minh khoa học kỹ thuật ngày càng được nâng cao, đặc biệt là trong hệ thống cơ điện tử và ứng dụng robot thay thế công việc của con người Để đáp ứng nhu cầu và xu hướng phát triển của khoa học công nghệ toàn cầu, nhà nước đã đầu tư mạnh mẽ vào các thiết bị tiên tiến cho các trường đại học Nhiều trường đã tạo điều kiện cho sinh viên tiếp cận và tham gia nghiên cứu khoa học công nghệ ở nhiều lĩnh vực khác nhau.
Robot đã được áp dụng rộng rãi từ khi ra đời, thay thế sức lực con người trong việc bốc xếp, vận chuyển vật liệu và thám hiểm những khu vực nguy hiểm Với nhiều ưu điểm nổi bật, robot di chuyển là một lĩnh vực tiềm năng với nhiều ứng dụng thực tiễn, như thám hiểm hang động, khu vực nhiễm phóng xạ, và kiểm tra bồn chứa trong công nghiệp Chúng cũng được sử dụng để tiếp cận động vật hoang dã nhằm tiêm thuốc Nghiên cứu robot còn mở ra khả năng đổ bộ lên các hành tinh xa xôi Qua nhiều thế hệ, robot di chuyển đã được cải tiến đáng kể, với các chương trình phức tạp giúp robot ngày càng giống con người hơn Việc nghiên cứu và chế tạo robot là cần thiết, đóng vai trò quan trọng trong việc áp dụng thành tựu khoa học vào đời sống con người, đặc biệt trong bối cảnh thực tế của Việt Nam hiện nay.
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và điều khiển robot nhện ” sáu chân
Vai trò và ứng dụng
Robot ngày nay ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong việc đổi mới ngành sản xuất, giúp tạo ra sản phẩm chất lượng cao với chi phí thấp Sự ứng dụng của robot không chỉ nâng cao năng suất mà còn hứa hẹn mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Robot đã có những tiến bộ vượt bậc trong hơn 50 năm qua, bắt đầu từ những năm 60 khi được ứng dụng trong công nghiệp để thay thế con người trong các công việc nặng nhọc và nguy hiểm Sự phát triển của quá trình sản xuất phức tạp đã tạo ra nhu cầu về robot công nghiệp với khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn Hiện nay, ngoài lĩnh vực chế tạo máy, nhu cầu ứng dụng robot trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang gia tăng, thúc đẩy sự phát triển của robot địa hình và robot dịch vụ.
Trong thời gian gần đây, một số loại robot được quan tâm bao gồm tay máy robot, xe tự hành trên mặt đất (AGV), robot tự hành dưới nước (AUV) và máy bay không người lái (UAV) Ngoài ra, các robot phỏng sinh học dưới nước như robot cá cũng đang được phát triển bởi nhiều nhóm nghiên cứu Xu hướng hiện nay là chuyển sang các ứng dụng thường nhật như robot gia đình và robot cá nhân Mặc dù cấu trúc của các loại robot khác nhau, nhưng các nghiên cứu hiện tại đều tập trung vào ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong môi trường tự nhiên.
Sự phát triển xã hội và hiện đại hóa tại các quốc gia phát triển đã dẫn đến sự hình thành nhiều dịch vụ mới, làm thay đổi quan điểm về robot Không chỉ phục vụ cho công nghiệp, robot giờ đây còn đáp ứng nhu cầu xã hội và cá nhân của con người.
1.2.1 Tình hình phát triển trên thế giới:
Lĩnh vực robot bao gồm nhiều khía cạnh từ khoa học đến công nghệ, và trong bài viết này, chúng ta sẽ điểm qua những xu hướng nghiên cứu mới nhất trong các loại robot khác nhau, từ robot công nghiệp như tay máy đến robot di động trên nhiều loại địa hình và robot dịch vụ.
Robot y tế đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như lab xét nghiệm, phẫu thuật, đào tạo phẫu thuật viên, điều trị và tư vấn từ xa, hỗ trợ người tàn tật, cũng như dịch vụ trong bệnh viện Các loại robot này có thể được phân loại dựa trên cấu trúc cơ khí, mức độ tự động, chức năng và môi trường hoạt động Hiện nay, robot phẫu thuật đã đạt độ chính xác đến mm, tuy nhiên, vấn đề tương tác người-máy, xử lý ảnh 3D y tế với độ phân giải cao, điều chỉnh lực và giao tiếp ngôn ngữ tự nhiên vẫn cần được nghiên cứu sâu hơn Mặc dù robot y tế ngày càng được sử dụng phổ biến trong các bệnh viện, nhưng vẫn còn nhiều rào cản xã hội và kỹ thuật chưa hoàn thiện cản trở việc áp dụng rộng rãi trong ngành y tế.
Hình 1 1: Phẫu thuật robot da Vinci tại Bệnh viện Bình Dân
Tay máy là một loại robot với nhiều khớp nối, cho phép chuyển động tịnh tiến hoặc quay nhờ vào động cơ servo Đầu tay máy thường được trang bị bàn kẹp hoặc tay nắm, với nhiều bậc tự do để phục vụ các ứng dụng như sơn, hàn và gắp phôi Sự phát triển công nghệ và nhu cầu thực tiễn đã thúc đẩy sự tiến bộ của các tay máy trong nhiều lĩnh vực.
Hiện nay, có nhiều ứng dụng mới của robot, bao gồm hỗ trợ trong phẫu thuật và hỗ trợ cho người khuyết tật Ba loại tay máy tiêu biểu bao gồm tay máy công nghiệp, robot y tế và robot hỗ trợ người tàn tật.
Hình 1 2: Cánh tay robot khí nén trong xưởng sx oto
Robot di động là hệ thống robot có khả năng thực hiện nhiệm vụ tại nhiều vị trí khác nhau, với phương tiện di chuyển như bánh xe, xích hoặc chân, tùy thuộc vào địa hình Đối với robot hoạt động dưới nước hoặc trên không, cần trang bị thêm cánh quạt hoặc chân vịt Khả năng di động mở ra nhiều ứng dụng và đặt ra nhiều thách thức, trong đó việc xác định phương hướng (navigation) là vấn đề quan trọng cần nghiên cứu Ba loại robot di động chính bao gồm: Xe tự hành trên mặt đất (AGV), Robot tự hành dưới nước (AUV), và nhiều loại khác.
Hình 1 3: Xe tự hành trên mặt đất AGV
1.2.2 Tình hình phát triển trong nước:
Trong bối cảnh toàn cầu hóa, sự phân công lao động trong chuỗi cung ứng sản phẩm và dịch vụ đã vượt ra ngoài giới hạn địa lý, tạo cơ hội bình đẳng cho mọi cá nhân và tổ chức trên toàn thế giới Việt Nam cần nắm bắt xu hướng robot hóa, dự kiến sẽ là trung tâm của cuộc cách mạng công nghệ tiếp theo trong vòng 20 năm tới, để không bỏ lỡ cơ hội như đã từng với máy vi tính PC 30 năm trước Để đạt được điều này, cần có những định hướng chiến lược ngay từ bây giờ.
Chúng tôi tập trung vào việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng, với kiến thức toàn diện từ việc sử dụng đến nghiên cứu và phát triển robot cùng các ứng dụng liên quan.
Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển trí tuệ cho rô bốt, bắt đầu từ khả năng giải quyết các nhiệm vụ cụ thể đến mức cao hơn với khả năng nhận thức, suy diễn và ra quyết định Mục tiêu là giúp rô bốt thích ứng với môi trường tự nhiên và tham gia hiệu quả vào xã hội loài người.
Chúng tôi chuyên thiết kế và chế tạo các loại robot dịch vụ Việt Nam với tính thực dụng cao, giá cả phải chăng, đơn giản và phù hợp cho các công việc cụ thể.
Tham gia vào chuỗi cung ứng toàn cầu, các sản phẩm và hệ thống robot đang đảm nhận nhiều công việc từ lắp ráp và gia công đến thiết kế, nghiên cứu và đào tạo Điều này giúp chuẩn bị nguồn lực cho nhu cầu của xã hội, nơi robot ngày càng trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng ngày.
Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam cần xây dựng chiến lược dài hạn để phát triển nghiên cứu về robot, nhằm khẳng định vai trò tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản Điều này sẽ góp phần vào sự phát triển của robot tại Việt Nam, một lĩnh vực trung tâm trong cuộc cách mạng công nghệ lớn tiếp theo, có ảnh hưởng sâu rộng đến toàn xã hội loài người trong 15 năm tới.
Ưu điểm và nhược điểm của robot nhện 6 chân
Trong quá trình nghiên cứu, nhóm chúng tôi đã phát hiện ra một số ưu điểm và nhược điểm của robot 6 chân so với các loại robot di chuyển bằng bánh xe khác Ưu điểm nổi bật của robot 6 chân là khả năng vượt địa hình khó khăn và giữ thăng bằng tốt hơn, giúp chúng hoạt động hiệu quả trong nhiều môi trường khác nhau.
Robot có chân có khả năng thay đổi hướng di chuyển mà không cần điều chỉnh trục chính, khác với xe di chuyển cần thay đổi trục chính để chuyển hướng Nhờ vào việc thay đổi vị trí của chân, robot có thể linh hoạt di chuyển và quay thân, điều mà robot di chuyển bằng bánh xe không thể thực hiện.
Robot có chân có khả năng vượt qua các chướng ngại vật thấp hơn gầm của nó chỉ bằng một bước chân, trong khi robot bánh xe chỉ có thể vượt qua vật có chiều cao nhỏ hơn một nửa đường kính bánh xe Robot di chuyển bằng bánh xích có thể vượt qua vật cao hơn, nhưng yêu cầu thân robot phải di chuyển một khoảng lớn hơn.
Hình 1 4: Hình minh hoạt khả năng vượt chướng ngại vật
Khi di chuyển trên địa hình gồ ghề, robot có chân có khả năng duy trì thân ở vị trí ngang tuyệt đối bằng cách điều chỉnh vị trí các chân, trong khi robot có bánh xe cần giữ thân luôn song song với mặt đất.
Hình 1 5: Hình ảnh minh hoạt khả năng trèo dốc của robot
Robot bánh xe cần địa hình bằng phẳng và liên tục để di chuyển hiệu quả, trong khi robot chân có khả năng hoạt động tốt trên địa hình phức tạp, không bằng phẳng và không liên tục, bao gồm cả cát, bùn lầy và các bề mặt mềm.
Hình 1 6: Hình minh hoạt khả năng di chuyển qua địa hình lỗ
+ Khả năng chống trượt và kẹt:
Trên địa hình mềm, robot bánh xe dễ bị lún và khó di chuyển, trong khi robot chân có khả năng thích ứng với địa hình nhờ vào chuyển động của chân theo phương đứng Điều này giúp chân không tác động mạnh lên nền, cho phép robot di chuyển linh hoạt mà không bị kẹt Phương pháp di chuyển này cũng ngăn chặn hiện tượng trượt khi thân robot di chuyển tới lui.
Hình 1 7: Hình minh hoạt khả năng di chuyển qua địa hình trượt, hẹp
+ Tác động lên địa hình:
Robot có chân di chuyển tạo ra các vết không liên tục, trong khi robot bánh xe tạo ra các đường liên tục do bánh xe tiếp xúc với bề mặt địa hình.
Hình 1 8: Hình minh hoạt lực tác động lên địa hình
Robot sử dụng bánh xe có khả năng đạt tốc độ cao trên địa hình thuận lợi Tuy nhiên, khi di chuyển trên địa hình hỗn hợp và phức tạp, tốc độ trung bình của nó không thể so sánh với robot có chân.
Nghiên cứu của Hutchinson (1940) và Bekker (1960) đã chỉ ra rằng robot di chuyển bằng chân có hiệu suất năng lượng cao hơn so với robot sử dụng bánh xe và dây xích tải.
Robot bằng chân không phải là giải pháp tối ưu cho di chuyển, gặp nhiều thách thức trong ngành công nghiệp và dịch vụ Sự phức tạp của hệ thống chân nhiều hơn so với robot bánh xe, không chỉ ở cấu trúc cơ khí mà còn ở thiết bị điều khiển và điện tử.
Một vấn đề quan trọng liên quan đến robot có chân là tốc độ Để đảm bảo tính ổn định khi di chuyển, tốc độ của robot này vẫn còn chậm Việc cải thiện tốc độ mà vẫn giữ được độ ổn định là một thách thức cần tiếp tục phát triển Hiện tại, robot có chân không thể đạt được tốc độ nhanh như robot bánh xe.
Bánh xe là một cấu trúc đơn giản bao gồm bánh xe và khớp quay, trong khi chân của xe phức tạp hơn với nhiều liên kết và khớp Hệ thống di chuyển ổn định nhất là xe ba bánh, với một bánh xe truyền động và hai bánh xe bị động Mặc dù có xe hai bánh tự cân bằng, nhưng chúng yêu cầu hệ thống cân bằng phức tạp Các hệ thống phức tạp hơn bao gồm bốn bánh xe với truyền động bốn bánh độc lập Đối với robot nhiều chân, mỗi chân cần ít nhất 3-DOF, yêu cầu 18 thiết bị truyền động cho độ ổn định, làm cho hệ thống cơ khí và điện cho robot này phức tạp và tốn kém hơn so với hệ thống di chuyển bằng bánh xe.
Mỗi cơ cấu truyền động cần thiết bị điều khiển đi kèm, vì vậy robot nhiều chân yêu cầu hệ thống điện tử phức tạp hơn so với robot có bánh xe.
10 toán để kiểm soát robot nhiều chân có nhiều phức tạp hơn so với thuật toán được sử dụng để di chuyển các robot bánh xe
Để điều khiển robot bánh xe, cơ cấu lái chỉ cần một tín hiệu từ bộ điều khiển, thường là điện áp tỷ lệ thuận với tốc độ hoặc góc lái Ngược lại, robot sáu chân yêu cầu phối hợp chuyển động của tất cả các khớp cùng với tín hiệu từ cảm biến chân để đạt được sự ổn định trong chuyển động Do đó, các thuật toán điều khiển cho robot nhiều chân phức tạp hơn so với robot bánh xe.
Robot nhiều chân có khả năng đạt tốc độ cao hơn so với robot bánh xe trên những địa hình đặc biệt Tuy nhiên, trên các bề mặt chuẩn như đường phố hoặc sàn nhà, robot bánh xe thường có tốc độ nhanh hơn.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
+ 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 Arrduino
11 mega 2560 ADK, module 32 RC servo, với động cơ servo MG 996R có dùng thêm cảm biến siêu âm SRF05
Phần cơ khí của robot nhện được thiết kế và chế tạo với cấu trúc bao gồm thân robot và hệ thống di chuyển với 6 chân, mỗi chân có ba bậc tự do Quá trình lắp ráp bao gồm việc kết nối các động cơ và thiết bị cần thiết thông qua mối ghép bu lông và đai ốc, nhằm đảm bảo khả năng điều khiển hiệu quả cho robot.
- Nghiên cứu giao tiếp giữa vi điều khiển Arduino với mạch điều khiển động cơ 32 RC servo
- Nghiên cứu viết chương trình giao tiếp truyền và nhận dữ liệu giữa Arduino và module bluetooth HC05
- Nghiên cứu viết chương trình giao tiếp truyền và nhận dữ liệu giữa vi điều khiển và cảm biến khoảng cách SRF05
- Nghiên cứu viết chương trình giao tiếp giữa vi điều khiển với động cơ
MG 996r servo để điều khiển hoạt động của robot nhện
- Điều khiển robot nhện thông qua phần mền Torobot
- Điều khiển robot nhện thông qua chiến điện thoại thông minh
- Điều khiển cho robot chạy tự động thông qua kiểm soát của cảm biến siêu âm đo khoảng cách SRF05
+ 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 32 RC servo
+ Biết sử dụng phần mềm điều khiển trên điện thoại thông minh
CƠ SƠ LÝ THUYẾT
Giới thiệu tổng quan về thiết bị của robot nhện
Robot 6 chân sử dụng các động cơ MG996r, di chuyển linh hoạt bằng khớp nối giúp 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 MG996r, như vậy robot nhện có tất cả 18 động cơ giúp nó bước đi dễ dàng, uyển chuyển, nhanh nhẹn hơn Robot được chế tạo từ vật liệu nhôm và mica dùng để làm giá đỡ cho Arduino mega 2560 ADK và 32 RC servo đây là một loại vật liệu khá phổ biến và quen thuộc trong thị trường Phần cứng robot nhện được thi công bằng phương pháp cắt CNC, robot sử dụng mạch điều khiển động cơ 32 driver servo và board mạch vi điều khiển Arduino mega 2560 ADK để lập trình điều khiển Robot nhện sử dụng module bluetooth HC05 để truyền và nhận dữ liệu, sử dụng cảm biến khoảng cách để định vị khoảng cách tránh vật cản trên đường di chuyển của nó
Giới thiệu các linh kiện của Robot nhện 6 chân
2.2.1 Mạch vi điều khiển Arduino mega 2560 ADK:
Tổng quan về arduino mega 2560 ADK:
Arduino là một board mạch vi xử lý mở, được thiết kế để phát triển các ứng dụng tương tác với nhau và môi trường xung quanh Nó sử dụng nền tảng vi xử lý AVR Atmel, giúp người dùng dễ dàng xây dựng và triển khai các dự án sáng tạo.
Arduino có thể tương tác với môi trường xung quanh, nó có thể kết nối với:
Hệ thống cảm biến đa dạng với nhiều loại như cảm biến nhiệt độ, gia tốc, vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động và phát hiện kim loại.
+ Các thiết bị hiển thị: màn hình LCD, đèn Led,…
Các module chức năng (shield) cung cấp khả năng kết nối có dây với các thiết bị khác, cũng như hỗ trợ các kết nối không dây phổ biến như 3G, GPRS, Wifi, Bluetooth và các tần số 315/433MHz, 2.4GHz.
+ Kết nối với các module khác như module điều khiển động cơ L298…
Arduino Mega là một bo mạch vi điều khiển dựa trên vi điều khiển ATmega2560P của Atmel, đi kèm với bộ nạp khởi động tích hợp giúp dễ dàng nạp mã Chúng ta có thể lập trình phần mềm cho nó bằng ngôn ngữ C và C++, và môi trường phát triển phổ biến nhất là Arduino IDE.
Một số thông số của Arduino mega 2560 ADK:
Bảng 2 1: Thông số kỹ thuật của Arduino mega 2560 ADK:
Bộ xử lý AVR 8-bit Điện áp hoạt động 5V Điện áp hoạt động tối thiểu 2.7V Điện áp hoạt động tối đa 5.5V
Bảng Arduino IDE Arduino / Genuino Mega hoặc
Cấp điện qua VIN, VCC 7V 12V
Các chân I / O kỹ thuật số (với PWM) 54 (15)
Chân đầu vào tương tự 16 Độ phân giải ADC 10 bit (0 1023)
Chân đầu ra tương tự 0
Dòng điện DC tối đa trên mỗi chân I / O 20 mA
Dòng điện DC tối đa trên mỗi Pin 3V 50 mA
Tốc độ đồng hồ 16 MHz
Vừa với breadboard tiêu chuẩn Không
Giao diện MAC Ethernet Không
Cảm biến nhiệt độ Không
Cảm biến hiệu ứng hall Không
Có thể lập trình Arduino IDE
Bộ điều chỉnh điện áp 5V LD1117S50CTR Điện áp đầu ra 5V Điện áp đầu vào tối đa 15V Điện áp đầu vào tối thiểu 7V
Sản lượng tối đa hiện tại 800mA
Bỏ điện áp tối đa 1,1V @ 800mA
Dòng tĩnh lặng điển hình 5mA
Bộ điều chỉnh điện áp 3.3V LP2985-33DBVR Điện áp đầu ra 3,3V Điện áp đầu vào tối đa 16V Điện áp đầu vào tối thiểu 3,9V
Sản lượng tối đa hiện tại 150mA
Bỏ điện áp tối đa 350mV @ 150mA
Dòng tĩnh lặng điển hình 1,5mA
Tập lệnh trống tham chiếu [mA] 73,19
Giảm tốc độ đồng hồ [mA] 61,76
Chế độ nguồn điện thấp [mA] 26,87
Giảm tốc độ đồng hồ [mA] 16,74
Chế độ nguồn điện thấp [mA] 11,85
Bảng 2 2: Thông số kỹ thuật của Arduino mega 2560 ADK:
Sơ đồ chân của Arduino mega 2560 ADK:
+ Đầu vào và đầu ra:
Mỗi chân trong số 50 chân kỹ thuật số của Arduino Mega ADK có khả năng hoạt động như đầu vào hoặc đầu ra, nhờ vào các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead().
16 digitalRead () Chúng hoạt động ở 5 volt Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận tối đa
40 mA và có điện trở kéo lên bên trong (ngắt kết nối theo mặc định) là 20-50 kOhms
Ngoài ra, một số chân có chức năng chuyên biệt:
+ Serial 3: 15 (Rx) và 16 (Tx); Được sử dụng để nhận (RX) và truyền (TX) dữ liệu nối tiếp TTL Các chân
0 và 1 cũng được kết nối với các chân tương ứng của chip ATmega8U2 USB-to-TTL Serial
+ Ngắt ngoài: 2 (ngắt 0), 3 (ngắt 1), 18 (ngắt 5), 19 (ngắt 4), 20 (ngắt 3) và
Các chân ngắt có khả năng được cấu hình để kích hoạt dựa trên giá trị thấp, cạnh tăng hoặc giảm, hoặc khi có sự thay đổi giá trị Để biết thêm chi tiết, hãy tham khảo hàm AttachInterrupt().
+ PWM: 2 đến 13 và 44 đến 46 Cung cấp đầu ra PWM 8-bit với hàm analogWrite ()
Arduino Mega 2560 hỗ trợ giao tiếp SPI qua các chân 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK) và 53 (SS), sử dụng thư viện SPI Các chân này cũng được kết nối trên tiêu đề ICSP, tương thích vật lý với các dòng Arduino Uno, Duemilanove và Diecimila.
Máy chủ USB: MAX3421E MAX3421E kết hợp với Arduino bằng bus SPI Vì vậy nó sử dụng các chân sau:
+ Digital: 7 (RST), 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK)
+ NB: Vui lòng không sử dụng chân kỹ thuật số 7 làm đầu vào hoặc đầu ra vì được sử dụng trong giao tiếp với MAX3421E
+ Non broken out on headers: PJ3 (GP_MAX), PJ6 (INT_MAX), PH7
Đèn LED tích hợp trên chân số 13 sẽ sáng khi chân này có giá trị CAO và tắt khi chân có giá trị THẤP.
+ TWI: 20 (SDA) và 21 (SCL) Hỗ trợ giao tiếp TWI bằng thư viện
Wire Lưu ý rằng các chân này không ở cùng vị trí với các chân TWI trên Duemilanove hoặc Diecimila
ADK có 16 đầu vào tương tự, mỗi đầu vào cung cấp độ phân giải 10 bit, tương đương với 1024 giá trị khác nhau Mặc định, các đầu vào này đo từ mặt đất đến 5 vôn, nhưng có thể điều chỉnh đầu trên của dải bằng cách sử dụng chân AREF và hàm analogReference().
Có một số ghim khác trên bảng:
+ AREF: Điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự Được sử dụng với analogReference ()
+ Reset Đưa dòng này LOW để thiết lập lại vi điều khiển Thường được sử dụng để thêm nút đặt lại vào lá chắn chặn cái trên bảng
Hình 2 4:Bộ nguồn Arduino mega
Thành phần chính của Arduino mega 2560 là bộ vi điều khiển Atmega2560 được thể hiện qua bản sau đây
Vi điều khiển Điện áp tối thiểu Điện áp điển hình Điện áp tối đa
Bảng 2 3: Điện áp bộ nguồn
Với điện áp hoạt động là 5V, thiết bị này được trang bị bộ điều chỉnh điện áp, đảm bảo cung cấp 5V ổn định và bổ sung điện áp đầu ra 3,3V cho chân tương ứng.
Bộ điều chỉnh điện áp Arduino Mega
LD1117S50CTR cung cấp đầu ra ổn định 5V cho ATmega2560 với điện áp đầu vào tối đa 15V Tuy nhiên, để sử dụng Arduino Mega trong thời gian dài, điện áp đầu vào từ 7V đến 12V là được khuyến nghị, vì điện áp quá cao có thể gây nhiệt độ cao, dẫn đến hỏng hóc bộ vi điều khiển Ngoài ra, điện áp đầu vào vượt quá 12V không mang lại lợi ích, trong khi dòng ra tối đa chỉ đạt 800mA.
Bộ điều chỉnh điện áp Điện áp đầu ra Điện áp đầu vào tối đa
Sản lượng tối đa hiện tại
Bảng 2 4: Các thông số kỹ thuật quan trọng nhất của hai bộ điều chỉnh điện áp
Arduino Mega có thể nhận nguồn qua cổng USB mà không cần bộ điều chỉnh điện áp, vì nguồn từ USB đã được điều chỉnh sẵn từ PC hoặc laptop Tuy nhiên, dòng điện tối đa mà Arduino Mega có thể rút ra từ kết nối USB chỉ là 500mA.
Arduino Mega được trang bị chân 3,3V để cung cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi, nhờ vào bộ điều chỉnh điện áp tích hợp giúp hạ điện áp từ 5V xuống 3,3V Mặc dù LP2985-33DBVR có khả năng cung cấp dòng điện tối đa 150mA, nhưng thực tế, dòng điện này thường bị giới hạn ở mức 50mA.
Chân 5V của Arduino Mega kết nối trực tiếp với bộ điều chỉnh điện áp 5V, hỗ trợ dòng điện tối đa phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa dòng điện từ bộ điều chỉnh và dòng điện của ATmega2560.
Ba khả năng cung cấp điện:
Giống như Arduino Uno, Arduino Mega có thể được cấp nguồn theo ba cách tiết kiệm, nhờ vào bộ điều chỉnh điện áp cung cấp nguồn ổn định cho bộ vi xử lý ATmega2560.
THIẾT KẾT VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG
Các yêu cầu khi thiết kế phần cứng
Thiết kế mô hình robot dựa trên kiến thức học tại trường kết hợp với các khóa thực hành về AutoCAD và CNC, nhằm tạo ra khung robot hoàn chỉnh nhất.
Khung robot được thiết kế bằng vật liệu nhôm sơn đen nhám chắc chắn, cứng cáp và cho độ bền tốt
Thiết kế các khớp chân được liên kết với nhau bằng các động cơ servo MG996r với sức kéo lớn giúp vận hành tốt và linh hoạt các khớp
Phân tích, lựa chọn các phương án thiết kế
Lên ý tưởng : Dựa vào cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu ở trên , kết hợp với khả năng tài chính cũng như trình độ của nhóm
3.2.1 Khung thân của robot nhện:
Khung thân robot nhện được thiết kế với hình dạng lục giác đều, giúp bố trí các chân robot một cách đồng đều tại các góc của hình lục giác.
35 hình dạng dễ chế tạo này phù hợp cho các loại robot nhện di chuyển thẳng Mỗi chân có khả năng quay tới 180 độ, giúp việc di chuyển trở nên dễ dàng và thuận tiện cho việc lập trình.
3.2.2 Khớp chân của robot nhện:
Để chế tạo thành công robot nhện, việc tính toán thiết kế khung và chân robot là rất quan trọng Tất cả các dạng chuyển động của chân cần được xem xét về độ bền, khả năng chịu lực, và moment của trục động cơ, đồng thời phải đảm bảo tính khả di chuyển Việc lựa chọn cơ cấu chân phải tối ưu để đạt được phạm vi chuyển động lớn nhất mà không bị ràng buộc bởi giải thuật chuyển động Giai đoạn đầu tiên trong thiết kế chân là tìm kiếm kiểu chân tối ưu nhất, và dưới đây là các phương án lựa chọn của nhóm để thiết kế chân robot nhện một cách hiệu quả nhất.
Phương án 1 đề xuất thiết kế kết cấu chân của robot nhện với 2 bậc tự do, mang lại ưu điểm về sự đơn giản, dễ chế tạo và dễ điều khiển Trong phương án này, ba trường hợp thiết kế chân sẽ được khảo sát để tìm ra giải pháp tối ưu.
Hình 3 2: Cơ cấu chân 2 bậc tự do
Cơ cấu chân 2 bậc tự do được minh họa trong Hình 3.1 Trong trường hợp (a), hai bậc tự do của các khâu là tịnh tiến, điều này gây khó khăn trong việc di chuyển của chân robot Ngược lại, trường hợp (b) cho thấy hai bậc tự do có thể hoạt động linh hoạt hơn.
Trong trường hợp 36, hai khâu thực hiện chuyển động xoay và tịnh tiến, mang lại ưu điểm hơn so với trường hợp (a) nhưng vẫn kém linh hoạt hơn so với trường hợp (c) Cả hai bậc tự do đều liên quan đến chuyển động xoay quanh khớp Mặc dù phương án 1 có nhiều ưu điểm, nhưng sự đơn giản và thô sơ của nó không phù hợp cho đề tài robot nhện lần này.
Phương án 2 đề xuất thiết kế chân robot với 4 bậc tự do, mang lại ưu điểm về khả năng chế tạo và điều khiển dễ dàng, đồng thời cho phép cử động linh hoạt giữa các khớp Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương án này là số bậc tự do quá nhiều, gây ra yêu cầu mô men lớn cho động cơ do phải chịu thêm tải từ bậc tự do thứ ba và thứ tư Hơn nữa, việc tính toán động học và động lực trở nên phức tạp, vì vậy phương án 2 không phù hợp với đề án mà nhóm em đang thực hiện.
Phương án 3 được nhóm em đề xuất với thiết kế chân robot có 3 bậc tự do, như thể hiện trong Hình 3.2 Cụ thể, robot có khả năng vẫy chân tới và lùi, nâng hạ chân, và điều chỉnh khớp đầu gối.
Robot nhện có những ưu điểm nổi bật như khả năng chịu tải cao và độ cứng vững vượt trội nhờ vào cấu trúc hình học của chúng Tất cả các lực tác động được phân bổ đều cho các chân, cho phép thực hiện các thao tác linh hoạt và di chuyển dễ dàng trong địa hình phức tạp với độ chính xác cao Tuy nhiên, robot nhện cũng gặp một số khuyết điểm, bao gồm yêu cầu momen động cơ lớn do phải mang tải bậc tự do thứ ba, cùng với việc giải quyết các bài toán động học và động lực học phức tạp Ngoài ra, trong không gian làm việc có nhiều điểm suy biến, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Với kích thước gọn gàng, robot nhện cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc, làm cho chúng trở thành lựa chọn tối ưu cho nhiều ứng dụng.
Hình 3 3: Cơ cấu 3 bậc tự do
Hình 3 4: Chân robot nhện 6 chân thức tế 3.2.3 Động cơ:
Để tạo sự dẫn động cho các chân robot ba bậc tự do, cần trang bị động cơ cho từng bậc tự do, giúp đơn giản hóa và dễ dàng điều khiển Nhóm chúng em đã chọn các loại động cơ phù hợp cho đề tài này.
Động cơ bước là loại động cơ được điều khiển bằng xung rời, cho phép góc xoay nhỏ và dễ dàng trong quá trình điều khiển chân, mang lại ưu điểm trong ứng dụng Tuy nhiên, loại động cơ này cũng gặp phải nhược điểm lớn là trọng lượng nặng và mô-men xoắn yếu, làm tăng khối lượng của chân và gây khó khăn trong việc chế tạo robot.
Động cơ RC servo là loại động cơ được điều khiển thông qua việc điều biến độ rộng xung (PWM), cho phép kiểm soát chính xác hành trình di chuyển của robot Với khả năng quay lên đến 180 độ, động cơ này mang lại sự linh hoạt cao trong các thao tác di chuyển.
Hình 3 5: Động cơ RC Servo Thông số kỹ thuật
+ Điện áp hoạt động: 4.8-6.6VDC
+ Kích thước: 40mm x 20mm x 43mm
- 5.5 kg-cm (208.3 ozin) at 6V-1.5A + Tốc độ quay:
- 0.13sec / 60 degrees (6.0V no load) + Phạm vi quay: 180 0
Phương án tổng thể
Dựa trên các phương án lựa chọn và xác định cơ cấu, chúng tôi đã thiết kế và tạo ra bản vẽ mô phỏng mô hình cho luận văn, như thể hiện trong hình 3.5 Bản vẽ này được thực hiện bằng phần mềm SolidWorks.
Hình 3 6: Mô hình tổng thể trên Soldiword 3.3.2 Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý hoạt động của robot nhện bắt đầu khi được cấp nguồn, lúc này các servo sẽ ở trạng thái chuẩn Khi nhận lệnh từ điện thoại, robot có thể di chuyển tiến, lùi, quay trái hoặc phải Khi chuyển sang chế độ tự động, robot sẽ tự động di chuyển nhờ cảm biến đo khoảng cách, giúp nó né tránh các vật cản một cách hiệu quả.
Tính toán, thiết kế, chế tạo robot nhện 6 chân
3.4.1 Tính toán phương trình động lực học của khớp chân robot:
Chuyển về hệ trục tọa độ ở thân robot:
Ta được phương trình dạng cơ bản: A S 2 B C 2 D
3.4.2 Tính toán trọng lượng và lực của các khớp chân robot:
- Lực ở các khớp chân của robot:
+ Lực chịu được của cụm chân robot lúc không tải :
P1 = m*g = 2,2*9,81 = 21,5 ( N ) + Để lực tải chịu thêm 1 vật 2kg và thân robot có tải trọng là:
Lực mỗi chân khi robot đứng yên là:
Do khi di chuyển theo hình tam giác nên khi di chuyển lực tác dụng lên 3 khớp chân và mỗi chân phải chịu sẽ là:
Động cơ MG 996r, được nâng cấp từ MG 995, nổi bật với momen xoắn lớn, kích thước nhỏ gọn và tốc độ nhanh hơn so với các loại động cơ MG khác Với khả năng chịu lực kéo lên tới 9,4 kg/cm và lực kéo tối đa đạt 11 kg/cm, MG 996r hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu cần thiết cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Chiều cao chân robot là 125 mm từ tâm momen xoắn động cơ, với khả năng chịu tải tối đa 11 kg/1 cm Mỗi chân robot sẽ chịu lực 8,62 N, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
Chân dài robot có chiều dài 160 mm, giúp robot vượt qua các chướng ngại vật cao trên bề mặt phẳng nhấp nhô và không bằng phẳng Tuy nhiên, nhược điểm của thiết kế này là tốc độ di chuyển không cao và khả năng hoạt động trên địa hình dốc cao bị hạn chế do thiếu ma sát Với chiều dài chân 160 mm, robot có thể chịu tải trọng lên đến 4 kg.
- Khoảng cách từ gầm tới sàn là : 80 mm để bước qua 1 vật cản thì chân của robot phải nâng lên 1 góc là 45 0
+ Robot phải chịu tải trọng thêm 2kg là 20 ( N )
+ Vật cản cách mặt đất là 20 mm => sinα = 20
=> Moomen để đẩy robot đi về phía trước là 6.67 N/mm
3.4.3 Tính toán độ ma sát của các chân với mặt đất: Độ ma sát là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt (Nói đơn giản là các lực cản trở chuyển động của một vật, tạo ra bởi những vật tiếp xúc với nó, được gọi là lực ma sát.)
Ma sát của Robot tác dụng nên bề mặt là ma sát trượt vì vậy ta có công thức tính : Fmst = μt.N = μt.mg
Trong đó: μt là hệ số ma sát trượt, phụ thuộc vào vật liệu và bề mặt tiếp xúc, m là khối lượng, g = 9,8
Độ bám dính giữa các bề mặt là một yếu tố quan trọng, được đo bằng công việc độ bám dính với đơn vị J/m² Theo tính toán, lực bám Fmst được xác định là 0.47 * 2.2 * 9.8, tương đương khoảng 10 N.
3.4.4 Tính toán thiết kế mạch nguồn cho robot nhện: Động cơ RC servo được chọn trong đề tài thiết kế lần này là động cơ MG996r servo Dựa vào thông số kỹ thuật của nhà sản xuất dòng điện định mức cho động cơ hoạt động khi không tải là 4.8v, Khi động cơ chạy với tải, dòng điện định mức cho động cơ hoạt động có thể lên đến 1.5A Để tránh trường hợp tụt áp do dòng bị quá tải, chúng em sử dụng mạch nguồn pin Lipo 7.4v 2200mAH 30C dùng để cung cấp dòng điện và điện áp đủ cho 18 động cơ RC Servo hoạt động
Chúng em xin được giới thiệu sơ qua về nguồn pin Lipo này như sau:
Pin Lithium-Ion Polymer, hay còn gọi là Pin LiPo, sử dụng chất điện phân dạng polymer khô thay vì chất điện phân lỏng, giúp tạo ra một miếng phim nhựa mỏng giữa cực dương và cực âm Điều này cho phép pin có khả năng trao đổi ion hiệu quả, đồng thời cho phép thiết kế pin với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, mang lại sự linh hoạt cho các ứng dụng công nghệ hiện đại.
- Pin Li-Po nhỏ, nhẹ và có thể làm ở mọi hình dáng kích thước
- Pin Li-Po có dung lượng cao có nghĩa là nó chứa được nhiều năng lượng trong một gói pin nhỏ
- Pin Li-Po có dòng xả cao để cung cấp năng lượng liên tục cho thiết bị di động
+ Tuy nhiên, pin LIPO cũng có một vài nhược điểm so với các loại pin khác:
- Pin LiPo vẫn còn đắt tiền so với pin NiCad và NiMH Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, giá thành pin Lipo sẽ giảm dần
Tuổi thọ của pin LiPo thường chỉ đạt khoảng 300-400 lần sạc, nhưng nếu không được bảo quản đúng cách, con số này có thể giảm đáng kể Tuy nhiên, nếu sử dụng và chăm sóc đúng cách, tuổi thọ của pin LiPo có thể kéo dài lên tới 1000 lần sạc và xả.
- Pin Lipo dễ bắt lửa và cháy nổ nếu không bảo quản, sử dụng đúng cách
- Pin LiPo yêu cầu cao về việc tuân thủ các quy tắc khi sử dụng, khai thác để đảm bảo tuổi thọ và an toàn
Thông số kỹ thuật của pin Lipo:
Các thông số quan trọng cần biết khi mua pin Lipo gồm có:
+ Điện áp: Pin Lipo 7,4v được cấu tạo từ pin 2 cell (2S)
Pin có dung lượng 2200mAh, cho phép cung cấp dòng tối đa trong 1 giờ Tuy nhiên, thời gian sử dụng thực tế của pin chỉ đạt khoảng 30 phút.
Dòng xả của pin là 30C, cho phép xả an toàn với tốc độ gấp 30 lần Cụ thể, dòng xả có thể được tính bằng công thức: 30 x 2200mA = 66000mA = 66A Pin cũng có khả năng xả với dòng cao hơn trong thời gian ngắn (khoảng vài giây) để tăng cường công suất thông qua tính năng xả đột ngột (Burst Discharge).
+ Nguồn Cung cấp cho vi điều khiển và nguồn cung cấp cho module
Chúng ta có thể cung cấp nguồn cho Arduino và module 32 RC servo bằng cách sử dụng mạch nguồn SKU 7915 Dòng điện được đưa vào module Buck DC-DC 15A qua cổng inp, sau đó hạ áp thông qua biến trở chỉnh áp và xuất ra qua cổng outp để cấp nguồn cho module 32 RC servo, giúp 18 động cơ servo hoạt động hiệu quả.
Inp +, Inp - Lấy nguồn DC vào Out +, Out - Chân ra cấp nguồn Chiết áp vi chỉnh Điều chỉnh điện áp ra
Bảng 3 1: Chức năng các chân ra Module Buck DC – DC 15A 200w
Hình 3 8: Nguồn hạ áp DC –DC 15A Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp đầu vào Max: 8-55V + Điện áp đầu ra max: 1-36V Điều chỉnh dễ dàng
+ Dòng điện: Bình thường 10A (MAX 15A) + Công suất ngõ ra: 150W ( Max 200W) + Nhiệt độ hoạt động: -10 ~ + 85 °C + Hiệu suất chuyển đổi: lên đến 95%
+ Bảo vệ quá dòng: có + Bảo vệ phân cực ngược lại: có +Kích thước: 70MM * 38mm * 31mm + Trọng lượng tịnh: 60g
