Tổng quan về robot
Lịch sử phát triển robot
Khái niệm "Robot" lần đầu tiên xuất hiện vào ngày 09/10/1922 tại New York, khi nhà soạn kịch người Tiệp Khắc, Karel Čapek, tưởng tượng ra một cỗ máy hoạt động tự động, phản ánh ước mơ của con người về sự tự động hóa.
Ý tưởng thiết kế và chế tạo Robot đã luôn là nguồn cảm hứng cho con người Vào năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã thành công trong việc chế tạo tay máy đôi (master-slave manipulator).
1954, Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết đƣợc lực tác động lên khâu cuối
Năm 1956 hãng Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt động trong việc thám hiểm dại dương
Vào năm 1968, R.S Mosher từ General Electric đã phát triển một cỗ máy đi bằng 4 chân, được vận hành bởi động cơ đốt trong, với mỗi chân sử dụng hệ thống servo thủy lực để điều khiển.
Năm 1969, đại học Stanford đã thiết kế đƣợc Robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh
Năm 1970 con người đã chế tạo được Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt của mặt trăng
Trong giai đoạn này, nhiều quốc gia đang tiến hành nghiên cứu phát triển robot điều khiển bằng máy tính, tích hợp các cảm biến và thiết bị giao tiếp giữa con người và máy móc.
Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, Robot ngày càng trở nên nhỏ gọn và thông minh hơn, thực hiện nhiều chức năng đa dạng Một trong những lĩnh vực được nhiều quốc gia chú trọng là Robot tự hành, với khả năng mô phỏng chuyển động của con người và các loài động vật như bò sát và động vật bốn chân Các loại xe Robot (robocar) cũng đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt (FMS).
Kể từ đó, con người đã không ngừng nghiên cứu và phát triển robot nhằm ứng dụng trong quá trình tự động hóa sản xuất, từ đó nâng cao hiệu quả kinh doanh Bên cạnh đó, robot còn được sử dụng để thay thế con người trong các công việc ở những môi trường độc hại và khắc nghiệt.
Chuyên ngành robot học (robotics) đã phát triển thành một lĩnh vực đa dạng trong khoa học, bao gồm các vấn đề về cấu trúc, động học, động lực học, quỹ đạo chuyển động và chất lượng điều khiển Tùy thuộc vào mục đích và phương pháp nghiên cứu, chúng ta có thể khám phá lĩnh vực này từ nhiều góc độ khác nhau.
Hiện nay, robot được phân loại chủ yếu thành hai nhóm: robot công nghiệp (cánh tay máy) và robot di động (mobile robot), mỗi loại có ứng dụng và đặc tính riêng biệt Trong lĩnh vực robot công nghiệp, còn có sự phân chia dựa vào cấu tạo động học thành robot nối tiếp (series robot) và robot song song (parallel robot).
Hình 1.3 Robot song song 6 bậc tự do Merlet
Công nghệ tiên tiến trong các lĩnh vực như cơ khí, vi mạch, điều khiển và công nghệ thông tin đã tạo ra nền tảng vững chắc cũng như những thách thức lớn cho nghiên cứu robot Do đó, con người không ngừng phát triển và hoàn thiện lĩnh vực đầy hấp dẫn này.
Hình 1.4 Nguyên bản của Robot Hexapod TU Munich
Các ứng dụng của Robot
1.2.1 Các ƣu điểm khi sử dụng Robot
Robot đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất và đời sống hàng ngày, giúp nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản phẩm, cải thiện chất lượng và tăng cường khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
Robot có khả năng thay thế con người trong các công việc ổn định nhờ vào các thao tác đơn giản và hợp lý Chúng còn có khả năng điều chỉnh công việc để thích ứng với sự thay đổi của quy trình công nghệ.
Việc sử dụng robot thay thế lao động không chỉ giúp giảm giá thành sản phẩm mà còn tiết kiệm chi phí nhân công, đặc biệt ở những quốc gia có nguồn lao động khan hiếm hoặc chi phí cao như Nhật Bản, các nước Tây Âu và Hoa Kỳ.
Nguồn năng lượng từ robot rất lớn, vì vậy để tăng năng suất, việc sử dụng robot là cần thiết để thay thế sức lao động của con người Chúng có khả năng thực hiện những công việc đơn giản, dễ nhầm lẫn và nhàm chán.
Robot có ưu điểm nổi bật trong việc làm việc ở những môi trường khắc nghiệt như độc hại, ẩm ướt, bụi bặm và nguy hiểm Chúng có khả năng thay thế con người tại các địa điểm như nhà máy hóa chất, nhà máy phóng xạ, dưới đáy đại dương hoặc trên các hành tinh khác.
… thì việc ứng dụng robot để cải thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng
1.2.2 Mộ số lĩnh vực ứng dụng a Ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí
Trong lĩnh vực cơ khí, robot đƣợc ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hạot động chính xác và tính linh hoạt cao
Các robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sản xuất ô tô, các nhà máy sản xuất vỏ bọc cơ khí…
Hình 1.5 Robot hàn trong công nghệ sản xuất cơ khí
Robot được sử dụng trong công nghệ đúc, nơi có môi trường nhiệt độ cao và bụi bặm, yêu cầu độ tin cậy cao Trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), robot đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất.
Hình 1.6 Ứng dụng Robot trong các hệ thống sản xuất linh hoạt b Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp
Các thao tác này thường được tự động hóa bằng các robot được gia công chính xác và mức độ tin cậy cao
Hình 1.7 Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp c Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất
Hiện nay, robot đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự và y tế Với khả năng hoạt động ổn định và chính xác, đặc biệt là các tay máy, robot đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật dò tìm, bệ phóng, và thực hiện các ca phẫu thuật y khoa với độ tin cậy cao.
Hình 1.8 Robot thám hiểm địa hình
Robot được thiết kế cho nhiều ứng dụng khác nhau, nhằm phục vụ các mục đích cụ thể Chúng tận dụng những ưu điểm nổi bật, đồng thời thể hiện khả năng công nghệ trong quá trình hoạt động.
1.3 Các khái niệm về Robot – Robot công nghiệp
Lĩnh vực nghiên cứu về Robot hiện nay rất đa dạng và phong phú
Tài liệu này tập trung vào kiến thức cơ bản về Robot công nghiệp, đặc biệt là các cánh tay máy Các vấn đề liên quan đến cân bằng lực, cùng với các phương trình động học và động lực học, là nền tảng thiết yếu giúp học viên tiếp cận chuyên ngành kỹ thuật Robot.
1.3.1 Định nghĩa về robot công nghiệp ( Industrial Robot )
Định nghĩa về robot công nghiệp có sự khác biệt tùy thuộc vào quốc gia, tổ chức và mục đích sử dụng Theo từ điển Webster, robot được mô tả là máy tự động thực hiện một số chức năng của con người ISO định nghĩa robot công nghiệp là tay máy đa mục tiêu, có nhiều bậc tự do, dễ lập trình và điều khiển, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ và các vật dụng khác Với khả năng thay đổi chương trình thao tác, robot công nghiệp có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng Tuy nhiên, định nghĩa này vẫn chưa hoàn toàn đầy đủ.
Hình 1.9 Biểu diễn không gian của cánh tay máy
1.3.2 Cánh tay máy Robot ( Robot Arm)
Bộ phận cơ khí bao gồm các khâu liên kết qua các khớp nối và bộ truyền động như bộ truyền bánh răng, bộ truyền đai, bộ truyền trục vít-bánh vít, và vít me-đai ốc.
Các thiết bị tạo chuyển động cho robot bao gồm khí nén, thủy lực và điện Đối với những chuyển động đòi hỏi độ chính xác cao và kích thước gọn nhẹ, motor bước và motor servo là những nguồn truyền động phổ biến được sử dụng.
Hình 1.11 Cấu tạo của motor một loại motor bước
Bộ phận quan trọng quyết định khả năng hoạt động và độ chính xác của Robot thường được tích hợp dưới dạng các board mạch điều khiển, với nhiều loại khác nhau.
IC diều khiển trung tâm (CPU) kết hợp với các card điều khiển phân theo modul
Các thiết bị điều khiển Robot sử dụng PLC( Programable Logic Controller)
Sử dụng các bộ điều khiển PMAC ( Programable Multi-Axies Controller )
Các bộ điều khiển thiết kế theo các dạng điều khiển hiện đại nhƣ :
Bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển theo mạng neuron…
Robot là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, giúp nâng cao linh hoạt và độ chính xác trong điều khiển Đây là hệ thống điều khiển kín với vòng hồi tiếp từ tín hiệu thu được từ cảm biến Các loại cảm biến thường gặp bao gồm nhiều dạng khác nhau, góp phần quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của robot.
Cảm biến vị trí và dịch chuyển
Cảm biến gia tốc và rung
Cảm biến lực và biến dạng
The sensors can provide either analogue or digital signals, and they also utilize position encoders, angle encoders, such as Encoders and Resolvers.
Mộ số lĩnh vực ứng dụng
a Ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí
Trong lĩnh vực cơ khí, robot đƣợc ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hạot động chính xác và tính linh hoạt cao
Các robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sản xuất ô tô, các nhà máy sản xuất vỏ bọc cơ khí…
Hình 1.5 Robot hàn trong công nghệ sản xuất cơ khí
Robot được ứng dụng trong công nghệ đúc, nơi có môi trường nhiệt độ cao và bụi bặm, đòi hỏi độ tin cậy cao Trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), vai trò của robot là rất quan trọng, giúp vận chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất một cách hiệu quả.
Hình 1.6 Ứng dụng Robot trong các hệ thống sản xuất linh hoạt b Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp
Các thao tác này thường được tự động hóa bằng các robot được gia công chính xác và mức độ tin cậy cao
Hình 1.7 Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp c Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất
Ngày nay, việc ứng dụng Robot trong các lĩnh vực như quân sự và y tế ngày càng trở nên phổ biến Với khả năng hoạt động ổn định và chính xác, Robot, đặc biệt là tay máy, được sử dụng hiệu quả trong kỹ thuật dò tìm, bệ phóng, và trong các ca phẫu thuật y khoa, đảm bảo độ tin cậy cao.
Hình 1.8 Robot thám hiểm địa hình
Robot được thiết kế cho các ứng dụng cụ thể, phục vụ nhiều mục đích khác nhau, tận dụng tối đa các ưu điểm của chúng và thể hiện khả năng công nghệ trong quá trình làm việc.
Các khái niệm về Robot – Robot công nghiệp
Lĩnh vực nghiên cứu về Robot hiện nay rất đa dạng và phong phú
Trong tài liệu này, chúng tôi tập trung vào kiến thức cơ bản về Robot công nghiệp, đặc biệt là các cánh tay máy Các bài toán về cân bằng lực cùng với các phương trình động học và động lực học là nền tảng thiết yếu giúp học viên tiếp cận chuyên ngành kỹ thuật Robot.
1.3.1 Định nghĩa về robot công nghiệp ( Industrial Robot )
Định nghĩa về robot công nghiệp có sự khác biệt tùy thuộc vào từng quốc gia, tổ chức và mục đích sử dụng Theo từ điển Webster, robot được mô tả là máy tự động thực hiện một số chức năng của con người Trong khi đó, theo ISO (Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế), robot công nghiệp là tay máy đa mục tiêu, có nhiều bậc tự do, dễ lập trình và điều khiển, thường được sử dụng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác Với khả năng thay đổi chương trình thao tác, robot công nghiệp có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng, tuy nhiên, định nghĩa này vẫn chưa hoàn toàn đầy đủ.
Hình 1.9 Biểu diễn không gian của cánh tay máy
1.3.2 Cánh tay máy Robot ( Robot Arm)
Bộ phận cơ khí bao gồm các khâu liên kết thông qua các khớp nối và các bộ truyền động như bộ truyền bánh răng, bộ truyền đai, bộ truyền trục vít-bánh vít, và vít me-đai ốc.
Các thiết bị tạo chuyển động cho robot bao gồm khí nén, thủy lực và điện Đối với những chuyển động yêu cầu độ chính xác cao và kích thước gọn nhẹ, motor bước và motor servo là lựa chọn phù hợp.
Hình 1.11 Cấu tạo của motor một loại motor bước
Bộ phận quan trọng quyết định khả năng hoạt động và độ chính xác của Robot thường được tích hợp dưới dạng các board mạch điều khiển, với nhiều loại khác nhau.
IC diều khiển trung tâm (CPU) kết hợp với các card điều khiển phân theo modul
Các thiết bị điều khiển Robot sử dụng PLC( Programable Logic Controller)
Sử dụng các bộ điều khiển PMAC ( Programable Multi-Axies Controller )
Các bộ điều khiển thiết kế theo các dạng điều khiển hiện đại nhƣ :
Bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển theo mạng neuron…
Robot là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, giúp nâng cao khả năng linh hoạt và độ chính xác trong điều khiển Hệ thống robot hoạt động như một hệ thống điều khiển kín, với vòng hồi tiếp từ tín hiệu thu được từ cảm biến Một số loại cảm biến thường gặp bao gồm:
Cảm biến vị trí và dịch chuyển
Cảm biến gia tốc và rung
Cảm biến lực và biến dạng
The sensors can provide either analogue or digital signals, and they also utilize position encoders, angular displacement encoders, such as Encoders and Resolvers.
Các chương trình điều khiển robot luôn tương thích với các bộ điều khiển, do đó, ngôn ngữ lập trình sử dụng cho robot rất đa dạng Người lập trình có thể chọn ngôn ngữ viết cho vi xử lý, ngôn ngữ cho PLC từ các hãng khác nhau, hoặc các ngôn ngữ lập trình trên máy tính như Pascal, C, C++, Visual Basic, và Matlab.
1.3.3 Bậc tự do của Robot công nghiệp a Khái niệm:
Bậc tự do là khả năng chuyển động của cơ cấu để dịch chuyển vật thể trong không gian Để hoạt động hiệu quả, cơ cấu chấp hành của robot cần đạt một số bậc tự do nhất định Thông thường, cơ hệ của robot được coi là một cơ cấu hở, tức là có một khâu nối giá.
Chuyển động của robot chủ yếu diễn ra qua hai hình thức cơ bản: tịnh tiến và quay Để hiểu rõ hơn về khả năng vận động của robot, cần xác định số bậc tự do (DOF - Degree Of Freedom) của nó.
Số bậc tự do của robot đƣợc xác định:
W: Số bậc tự do của robot n: Số khâu động
Trong đó, khớp loại i là khớp khống chế i bậc tự do
Hình 1.12 Robot PUMA 6 bậc tự do
Ví dụ : Xác định số bậc tự do của robot sau:
Hình 1.13 Bậc tự do của robot
Xác định đƣợc số khớp loại 5 là 5 (4 khớp quay và một khớp tịnh tiến ), do đó n=5 và P5 =5 nên số bậc tự do của robot này: W= 6.5 – 5.5 = 5 bậc
Hầu hết các robot hiện nay sử dụng khớp loại 5, cho phép khống chế 5 bậc tự do với khả năng chuyển động quay hoặc tịnh tiến Số bậc tự do của robot tương ứng với số khâu động, do đó, robot có bậc tự do cao sẽ mang lại tính linh hoạt tốt hơn.
Thông thường 3 bậc tự do đầu dùng để định vị, các bậc tự do sau để định hướng
1.3.4 Hệ toạ độ trong robot
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau ( links ) thông qua các khớp ( joints ) tạo thành một xích động học xuất phát từ một
12 khâu cơ bản đứng yên Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản ( hay hệ toạ độ chuẩn )
Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng
Tại mỗi thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot thông qua các chuyển dịch dài hoặc chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến và khớp quay Các tọa độ suy rộng còn lại được gọi là các biến khớp.
Tất cả các hệ tọa độ trong robot đều phải tuân theo quy tắc bàn tay phải Theo quy tắc này, ngón tay cái và ngón trỏ sẽ chỉ theo phương diện trục z, trong khi ngón trỏ hướng theo trục x và ngón giữa chỉ theo trục y.
Hình 1.14 Hệ toạ độ của robot có n khâu
Các góc quay θ1, θ3, θ4, θ5 và độ dịch chuyển dài d2 là các tọa độ suy rộng, đóng vai trò là các biến khớp trong khảo sát động học robot Để thực hiện việc này, cần gắn một hệ tọa độ trên mỗi khâu của robot Nguyên tắc chung về việc gắn hệ tọa độ sẽ được trình bày chi tiết trong chương III, liên quan đến phương trình động học của robot và bộ thông số Denavit-Hartenberg.
Ví dụ: Xác định toạ độ cho robot SCARA (Robot có 4 bậc tự do )
Hình 1.15 Xác định toạ độ cho các khâu của Robot Scara.
Phân loại Robot
1 Robot nối tiếp (series robot).
Robot này thực chất là các loại tay máy, với các khâu và khớp nối được thiết kế liên tiếp để tạo thành các quỹ đạo chuyển động nhất định Có nhiều cách phân loại robot này, trong đó một phương pháp phổ biến là phân loại theo kiểu kết cấu.
Robot kiểu toạ độ Đềcác
Tay máy có 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 phương của hệ tọa độ Đềcác trong không gian
Thường ứng dụng loại robot này trong việc vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng…
Hình 1.16 Robot kiểu toạ độ Đề các
Robot kiểu toạ độ trụ Vùng làm việc của robot này có dạng hình trụ rỗng
Robot Versatran (hãng AFM, Hoa Kỳ) là một robot thuộc loại này
Hình 1.17 Robot kiểu toạ độ trụ
Robot kiểu toạ độ cầu
Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu
Có hai loại cấu hình chính thuộc kiểu robot này : 3 khớp quay (RRR) 2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến ở khâu cuối (RRT)
Hình 1.18 Robot kiểu toạ độ cầu
Robot có cấu trúc theo kiểu Scada ra đời từ năm 1979, tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản)
Robot laọi này thường được ứng dụng trong các lĩnh vực lắp ráp, với cấu hình của 3 khâu đầu tiên là : RRT
Hình 1.19 Robot kiểu Scara b Phân loại theo nguồn truyền động
Hệ truyền động thuỷ lực
Hệ truyền động khí nén c Phân loại theo các ứng dụng
Hình 1.20 Phân loại các loại robot chuyên dùng
2 Robot song song (Parallel Robot)
Các loại Robot thuộc nhóm này có các khâu chuyển động song song tương đối với nhau Thông thường chúng gồm 1 đế cố định và 1 đế di động
Hình 1.21 Một sản phẩm robot song song
Robot song song có thể được phân loại dựa trên số lượng các nhánh của chúng Một trong những loại robot song song phổ biến nhất là Hexapod, với 6 nhánh.
3 Robot di động (Mobile Robot) Đây là hệ Robot có nhiều tính năng thông minh và linh hoạt trong quá trình ứng dụng nhờ khả năng di chuyển đƣợc theo lập trình
Hình 1.22 Mobile robot ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau
Hệ thống robot di động thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và những người đam mê nhờ vào những ưu điểm nổi bật và tính đa dạng trong ứng dụng của nó.
Phân tích động học và động lực học của robot di động là những vấn đề phức tạp, phụ thuộc vào cấu trúc của robot và yêu cầu về độ chính xác cũng như khả năng xử lý tình huống thông minh.
Chúng ta xem xét một vài chuyển động mà con người mong muốn thiết kế các loại mobile robot
+ Chuyển động theo dạng trườn :
+ Chuyển động “slide” của các loài động vật bò sát
+ Chuyển động đi bộ của con người
Hiện nay, con người đã biến những ý tưởng này thành hiện thực, tuy nhiên, độ chính xác và độ tin cậy của từng loại sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau vẫn có sự khác biệt.
Tổng quan về board mạch Arduino uno R3
a Tổng quan về board mạch Arduino R3
Arduino là một board mạch vi xử lý mở, giúp xây dựng các ứng dụng tương tác với môi trường Phần cứng bao gồm vi xử lý AVR 8-bit hoặc ARM 32-bit, với 1 cổng USB, 6 chân đầu vào analog và 14 chân I/O kỹ thuật số, tương thích với nhiều board mở rộng Ra mắt năm 2005, Arduino cung cấp một phương thức dễ dàng và tiết kiệm cho người yêu thích, sinh viên và chuyên gia để tạo ra thiết bị tương tác thông qua cảm biến và cơ cấu chấp hành Các dự án phổ biến cho người mới bắt đầu bao gồm robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Arduino đi kèm với môi trường phát triển tích hợp (IDE) cho phép người dùng lập trình bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
Mạch Arduino bao gồm vi điều khiển AVR và nhiều linh kiện bổ sung, giúp lập trình dễ dàng và mở rộng với các mạch khác Một trong những đặc điểm nổi bật của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn, cho phép người dùng kết nối với các module mở rộng gọi là shield Một số shield giao tiếp trực tiếp với board Arduino qua các chân khác nhau, trong khi nhiều shield khác sử dụng giao thức I²C, cho phép xếp chồng và sử dụng song song Arduino chủ yếu sử dụng chip megaAVR, đặc biệt là các dòng ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 và ATmega2560, bên cạnh một số bộ vi xử lý khác tương thích với mạch Aquino.
Bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một số biến thể) là những thành phần chính của Arduino Một số thiết kế như LilyPad hoạt động ở tần số 8 MHz và không có bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích thước Vi điều khiển Arduino có thể được lập trình sẵn với boot loader, cho phép người dùng dễ dàng tải chương trình vào bộ nhớ flash on-chip mà không cần bộ nạp bên ngoài, giúp việc sử dụng Arduino trở nên thuận tiện hơn khi có thể sử dụng máy tính như một bộ nạp chương trình.
Khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, các board được lập trình qua kết nối RS-232, nhưng cách thực hiện phụ thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino có mạch chuyển đổi RS232 sang TTL, trong khi các board hiện tại được lập trình qua cổng USB thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như FTDI FT232 Một số biến thể như Arduino Mini và Boarduino không chính thức sử dụng board adapter hoặc cáp USB-to-serial tháo rời, Bluetooth, hoặc các phương thức khác Nếu sử dụng công cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được áp dụng Board Arduino cung cấp hầu hết các chân I/O của vi điều khiển cho các mạch ngoài, với các mẫu như Diecimila, Duemilanove và Uno.
Bảng mạch có 14 chân I/O kỹ thuật số, trong đó 6 chân hỗ trợ tạo xung PWM và 6 chân có thể hoạt động như chân I/O số Các chân này được bố trí ở phía trên của board thông qua các header 0.10-inch (2.5 mm) Ngoài ra, nhiều shield ứng dụng plug-in cũng đã được phát triển và thương mại hóa Các board Arduino Nano, Bare Bones Board tương thích với Arduino và Boarduino đều cung cấp các chân header đực ở mặt trên, cho phép kết nối dễ dàng với các breadboard.
Có nhiều biến thể của Arduino như Arduino-compatible và Arduino-derived, trong đó một số có chức năng tương đương và có thể thay thế cho nhau Nhiều mở rộng cho Arduino được thực hiện bằng cách thêm driver đầu ra, thường được sử dụng trong giáo dục để đơn giản hóa cấu trúc của các 'con rệp' và robot nhỏ Một số board khác tương đương về điện nhưng có sự thay đổi về hình dạng, đôi khi vẫn duy trì độ tương thích với các shield, đôi khi thì không Một số biến thể sử dụng bộ vi xử lý hoàn toàn khác biệt, dẫn đến các mức độ tương thích khác nhau.
Arduino có nhiều phiên bản khác nhau như Arduino Mega và Arduino LilyPad, nhưng Arduino Uno R3 là phiên bản phổ biến nhất nhờ chi phí thấp và tính linh hoạt cao.
Hình 1.23 Board mạch Arduino Uno
Arduino Uno R3 được trang bị vi điều khiển Atmega328 với tần số dao động 16 MHz Board này có tổng cộng 14 chân I/O, được đánh số từ 0 đến 13, bao gồm 6 chân PWM được ký hiệu bằng dấu ~ Ngoài ra, nó còn có 6 chân nhận tín hiệu analog từ A0 đến A5, cho phép thực hiện các phép đo và điều khiển chính xác.
21 dụng như các chân ra/vào bình thường Chân 13 được nối trức tiếp với 1 con led tích hợp trên board
Bảng : Thông số Arduino của nhà sản xuất
Arduino là nền tảng phần cứng mã nguồn mở, với thiết kế phần cứng được phát hành theo giấy phép Creative Commons Attribution Share-Alike 2.5 và có sẵn trên trang web của Arduino Nhiều phiên bản phần cứng còn cung cấp file Layout và sản phẩm hoàn thiện Mã nguồn cho IDE cũng được phát hành dưới giấy phép GNU General Public License, phiên bản 2.
Mặc dù các thiết kế phần cứng và phần mềm là miễn phí dưới dạng copyleft license, các nhà phát triển cũng đƣợc yêu cầu cái tên "Arduino"
Các sản phẩm chính thức chỉ được sử dụng với tên Arduino, không áp dụng cho các sản phẩm phái sinh mà không có sự cho phép Chính sách sử dụng tên Arduino khẳng định rằng dự án này khuyến khích cộng tác để phát triển sản phẩm chính thức Nhiều sản phẩm thương mại tương thích với Arduino đã chọn không sử dụng tên "Arduino" mà thay vào đó sử dụng hậu tố "-duino".
GND (Ground) trên Arduino UNO là cực âm của nguồn điện cung cấp cho bo mạch Khi sử dụng các thiết bị có nguồn điện riêng biệt, cần phải kết nối các chân GND này với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND
Chân IOREF trên Arduino UNO cho phép đo điện áp hoạt động của vi điều khiển, luôn ở mức 5V Tuy nhiên, bạn không nên sử dụng chân này để cấp nguồn 5V, vì chức năng của nó không phải là cung cấp điện.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET đƣợc nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ
Lưu ý rằng Arduino UNO không có chức năng bảo vệ khi cắm ngược nguồn, vì vậy bạn cần kiểm tra kỹ các cực âm và dương trước khi cấp nguồn Việc nối chập nguồn vào có thể làm hỏng Arduino UNO, biến nó thành một vật vô dụng Do đó, khuyến nghị sử dụng nguồn từ cổng USB nếu có thể.
Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp
23 nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không đƣợc nhà sản xuất khuyến khích
Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board
Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328
Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vƣợt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển
Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển
Cường độ dòng điện tối đa cho phép qua chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO là 40mA; nếu vượt quá mức này, vi điều khiển sẽ bị hỏng Vì vậy, khi không sử dụng để truyền nhận dữ liệu, bạn cần mắc một điện trở hạn dòng để bảo vệ thiết bị.
Arduino UNO có 14 chân digital để đọc và xuất tín hiệu, với 2 mức điện áp là 0V và 5V Dòng vào/ra tối đa cho mỗi chân là 40mA Mỗi chân được trang bị điện trở pull-up được cài đặt trong vi điều khiển ATmega328, nhưng mặc định không được kết nối.
Hình 1.24 Chân đọc xuất tín hiệu
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt nhƣ sau:
Động Cơ Servo
Động cơ DC và động cơ bước đều thuộc loại hệ thống hồi tiếp vòng hở, có nghĩa là khi cấp điện cho động cơ, chúng sẽ quay nhưng không có cách nào biết chính xác số vòng quay của chúng.
Động cơ bước hoạt động bằng cách quay một góc xác định dựa trên số xung nhận được Tuy nhiên, việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định các yếu tố cản trở chuyển động quay của động cơ hoặc khiến động cơ không quay là một thách thức không nhỏ.
Hình 1.25 Động cơ Servo parasonic
Động cơ Servo được thiết kế cho các hệ thống hồi tiếp kín, với tín hiệu ra kết nối đến mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển Nếu có trở ngại ngăn cản chuyển động, cơ cấu hồi tiếp sẽ phát hiện tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn, và mạch điều khiển sẽ điều chỉnh để động cơ đạt độ chính xác Động cơ Servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được ứng dụng trong nhiều thiết bị từ máy tiện CNC đến mô hình máy bay và ô tô Gần đây, động cơ Servo cũng được sử dụng trong robot, tương tự như các động cơ trong máy bay và ô tô Các loại động cơ Servo bao gồm AC Servo, DC Servo và R/C Servo, trong đó động cơ Servo R/C được điều khiển qua sóng vô tuyến, mặc dù chính động cơ không được điều khiển bằng vô tuyến mà chỉ kết nối với máy thu trên thiết bị.
Máy thu này cho phép điều khiển robot mà không cần tín hiệu vô tuyến thông qua động cơ Servo, trừ khi người dùng muốn sử dụng phương pháp đó.
Ta có thể điều khiển động cơ Servo bằng máy tính , một bộ vi xử lý hay thậm chí một mạch điện tử đơn giản dùng IC 555
Hình 1.26 Động Cơ Servo 1501MG
1.6.1 Phân Loại động cơ Servo a DC Servo Điều khiển động cơ 1 chiều: Dẫn động chạy dao máy công cụ điều khiển số NC/CNC đòi hỏi hệ điều khiển phải có khả năng điều khiển đồng thời cả tốc độ và vị trí Mặc dù với sự phát triển của công nghệ điện tử, động cơ xoay chiều điều khiển tốc độ bằng biến tần ngày càng phát triển mạnh mẽ nhƣng động cơ DC Servo vẫn đƣợc sử dụng phổ biến trong các máy công cụ điều khiển số
Hình 1.27 Động cơ DC giảm tốc GA12-N20 Encoder
Hiện nay, động cơ AC Servo đang được sử dụng phổ biến trong máy công cụ điều khiển số Tuy nhiên, nhược điểm của loại động cơ này là hệ thống điều chỉnh tốc độ phức tạp và chi phí cao hơn so với động cơ DC Servo.
Hệ điều khiển tốc độ động cơ AC Servo sử dụng biến đổi tần số để xác định tốc độ động cơ theo tần số nguồn Một phương pháp điều khiển hiệu quả là chuyển đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều thông qua bộ chỉnh lưu 3 pha, sau đó biến đổi dòng một chiều này thành dòng xoay chiều với tần số đã được chọn.
Hình 1.28 Động cơ AC Servo
1.6.2 Sư Khác biệt giữa động cơ thường và động cơ Servo
Động cơ servo có kết cấu và hoạt động tương tự như động cơ thông thường, nhưng được thiết kế đặc biệt để đạt độ chính xác cao, tốc độ nhanh và tần số cao trong việc kiểm soát vị trí và tốc độ của các phương tiện cơ khí Không phải tất cả các loại động cơ đều có thể được sử dụng làm động cơ servo, vì chúng hoạt động dựa trên các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ.
Kết luận chương
Trong chương này, tôi đã tóm tắt lịch sử phát triển của robot và nêu rõ các ứng dụng cũng như tầm quan trọng của robot trong sự phát triển của xã hội Tôi cũng đã giới thiệu về cánh tay máy và robot công nghiệp, đồng thời cung cấp tổng quan về board mạch Arduino Uno R3.
Thêm đó là tìm hiểu về động cơ Servo các ứng dụng và phân biệt các loại động cơ Servo
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 2.1 Giới thiệu phần mềm Labview
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) là nền tảng thiết kế hệ thống và môi trường phát triển cho ngôn ngữ lập trình đồ họa, cho phép tạo ra các ứng dụng với giao diện người dùng chuyên nghiệp một cách nhanh chóng và hiệu quả Nó được sử dụng rộng rãi trong việc phát triển các ứng dụng đo lường, kiểm thử và điều khiển tinh vi thông qua việc sử dụng các khối lệnh trực quan và dây nối tín hiệu Hơn nữa, LabVIEW có khả năng mở rộng cho nhiều nền tảng phần cứng và hệ điều hành khác nhau.
LabVIEW là phần mềm mô phỏng giao diện và hoạt động của các thiết bị thực, được gọi là VI (virtual instrument) Mỗi chương trình VI bao gồm hai phần chính: front panel và block diagram Front panel là giao diện người dùng, hiển thị hình ảnh trực quan giúp người dùng dễ dàng thao tác, trong khi block diagram là nơi lập trình lệnh cho chương trình.
Chức năng chính của labview có thể tóm tắt nhƣ sau:
- Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài nhƣ cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ,
- Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp nhƣ RS232, USB, Ethernet,
Mô phỏng và xử lý tín hiệu thu nhận là quá trình quan trọng nhằm phục vụ cho các mục đích nghiên cứu hoặc đáp ứng yêu cầu của hệ thống mà lập trình viên mong muốn.
- Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng
Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển nhƣ PID một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong labview
Cho phép kết hợp với các ngôn ngữ lập trình truyền thống nhƣ C++, Java
2.1.1 Các Khối lênh cơ bản của Arduino Để lập trình đƣợc cho arduino trên phần mềm labview thì từ ứng dụng VI Package Manager (đƣợc cài đặt sẵn khi cài đặt labview) chúng ta phải cài đặt gói labview interface for arduino Đây là bộ công cụ hỗ trợ giao tiếp giữa labview và nền tảng vi điều khiển arduino
Sau khi hoàn tất cài đặt, phần mềm LabVIEW hiện đã tích hợp thêm hàm Arduino, giúp hỗ trợ lập trình hiệu quả hơn Cửa sổ này bao gồm các khối lệnh từ gói Arduino, mang lại sự tiện lợi cho người dùng.
Hình 2.1 Các khối cơ bản của Arduino
Một khối được chia thành hai dãy chân dữ liệu: dãy chân đưa dữ liệu vào, bao gồm các thiết lập ban đầu của tín hiệu, và dãy chân đưa dữ liệu ra Khối Init có chức năng khởi tạo kết nối với Arduino Hình ảnh sau đây mô tả các cổng kết nối chính của khối Init.
Khối init có nhiều chân song để thiết lập cho việc kết nối ta chỉ cần quan tâm:
Khi kết nối Arduino với máy tính, bạn cần chọn cổng COM phù hợp, vì cổng này có thể khác nhau tùy thuộc vào từng máy tính Chân VISA sẽ thiết lập cổng COM để đảm bảo giao tiếp hiệu quả giữa LabVIEW và Arduino.
Chân Baud Rate cho phép người dùng tùy chọn tốc độ baud cho Arduino, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể Arduino hỗ trợ nhiều tốc độ baud khác nhau, nhưng giá trị mặc định khi khởi tạo khối là 115200.
Chân Board Type cho phép chúng ta lựa chọn kiểu module arduino, ở đây hỗ trợ 3 kiểu là: uno, atmega 328 và mega 2560
Chân Connection Type cho phép chọn kiểu kết nối, có 3 chuẩn là: usb/serial, xbee và bluetooth
Chân Arduino là nguồn tài nguyên quan trọng để kết nối với các khối khác Để thiết lập bất kỳ chân nào của một khối, bạn chỉ cần di chuyển con trỏ chuột đến chân cần thiết lập, nhấn chuột phải và chọn "create" Tại đây, bạn sẽ thấy ba tùy chọn để tiếp tục.
31 kiểu thiết lập là: constant (hằng số), control (điều khiển) và indicator (hiển thị), tùy vào mục đích mà ta lựa chọn cho phù hợp
Tiếp theo là khối close:
Là khối để đóng một chương trình giao tiếp với arduino Chỉ gồm các chân cơ bản là arduino resource, error in và error out
Khối low level của Arduino bao gồm nhiều khối quan trọng để đọc và ghi tín hiệu analog cũng như digital từ board Arduino Ngoài ra, còn có các khối hỗ trợ cho việc băm xung và bus, giúp nâng cao khả năng xử lý tín hiệu.
Hình 2.4 Các khối cơ bản của khối low level
Khối sensors bao gồm các khối VI sensor thường dùng như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, LCD, led 7 thanh,
Hình 2.5 Các khối cơ bản của khối sensor
2.2 Điều khiển động cơ Servo bằng phần mềm labview
Để điều khiển động cơ servo trên phần mềm LabVIEW, cách cơ bản nhất là gán các thanh gạt số liệu cho từng khớp di chuyển của động cơ.
Khởi động phần mềm labview và tiến hành vẽ code nhƣ sau:
Hình 2.6 Khối lệnh điều khiển các khớp động cơ servo
Để lập trình khối lệnh cho mạch điều khiển Arduino, chúng ta cần lấy các khối lệnh đã được giới thiệu ở chương 1 Việc giao tiếp với Arduino yêu cầu sử dụng những khối lệnh phù hợp.
"Thiết lập số lượng servo trên Arduino giúp tạo ra không gian trong bộ nhớ Người dùng có thể chọn servo bắt đầu từ 'servo 0' sau khi đã gọi hàm thiết lập."
Hình 2.8 Thiết lập số servo
Linh kiện "Cofigure Servo" có chức năng điều khiển một servo cụ thể khi được kết nối với chân điều khiển Nó đảm nhiệm việc cấu hình cho từng servo để điều khiển tín hiệu ra phần cứng Trước khi tiến hành cấu hình, cần phải chọn chân cho từng servo.
Hình 2.9 Cấu hình cho servo
Sau khi cấu hình xong cho từng con của phần cánh tay ta bắt đầu quá trình thiết lập góc cho các servo này