Thiết kế robot thổi sáo recorder

tổng quan ứng dụng robot lĩnh vực giải trí, từ đó đưa nhu cầu lý chọn đề tài Robot thổi sáo recorder thiết kế để thổi nhạc có ba quãng âm với tempo tối đa là 120BPM cách phối hợp giữa bộ phận bấm lỗ bộ phận cấp và đóng ngắt dịng khí Các nhạc lấy từ file MIDI và xử lý để truyền nốt nhạc xuống cho vi điều khiển điều khiển bộ phận bấm lỗ bộ phận cấp đóng ngắt dịng khí Q trình thiết kế robot thổi sáo recorder giới thiệu qua chương sau:  Chương 1: Tìm hiểu tổng quan loại robot thổi sáo recorder có Việt Nam giới, đồng thời tìm hiểu tổng quan sáo recorder Từ đó phân tích, đưa mục tiêu, nhiệm vụ phạm vi thực đề tài  Chương 2: Từ đề tài robot thổi sáo tìm được, đưa phương án có thể sử dụng chọn phương án tối ưu  Chương 3: Thiết kế khí và hệ thống khí nén  Chương 4: Thiết kế điện  Chương 5: Tìm hiểu file MIDI xây dựng giải thuật xử lý file MIDI  Chương 6: Xây dựng giải thuật điều khiển xây dựng giao diện người dùng  Chương 7: Tổng kết và nêu định hướng phát triển

TỔNG QUAN

Tổng quan về robot trong lĩnh vực giải trí

Trong những năm gần đây, sự phát triển của robot đã lan rộng sang nhiều lĩnh vực như y tế, giáo dục, giải trí và dịch vụ, đánh dấu sự chuyển mình từ nông nghiệp và công nghiệp vào đời sống hàng ngày.

Hình 1.1: Chó robot AIBO ERS-7 của Sony

Hình 1.2: Robot chơi violin của Toyota

Robot trong lĩnh vực giải trí và học tập đang phát triển nhanh chóng nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế của xã hội và sự gia tăng dân số trong những năm gần đây Sự phát triển này không chỉ nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong việc giáo dục và giải trí.

Chương 1: Tổng quan GVHD: TS Trần Việt Hồng

SVTH: Phạm Phú Hưng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển robot, nhằm nâng cao hiệu quả và hoàn thiện công nghệ này Ông cho rằng việc đưa robot vào cuộc sống hàng ngày sẽ tạo ra nhiều động lực và thách thức mới, góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống của con người.

Nhận thấy lĩnh vực thiết kế robot trong giải trí còn mới mẻ và có tiềm năng phát triển, chúng tôi đã chọn đề tài "Thiết kế robot thổi sáo recorder" với mong muốn đóng góp vào sự phát triển này.

1.2 Khảo sát một số mẫu robot thổi sáo

Robot thổi sáo – nhóm Robotik ở cuộc thi Best Project 2016, Đại học Bách Khoa

Robot thổi sáo đã đạt được khả năng thổi một quãng âm của sáo recorder 8 lỗ, nhờ vào việc sử dụng 6 động cơ RC servo mô phỏng hai bàn tay con người và một động cơ thổi khí để cung cấp không khí cho sáo.

 Hạn chế: tốc độ đáp ứng chậm, không thổi được các nốt thăng / giáng, không thể thực hiện kỹ thuật diễn tấu

Recorder playing robot – Tyler, Jack & Blake (2012, Tuft ME84 Robotic

Hình 1.4: Recorder playing robot của Tyler, Jack & Blake

Robot chơi recorder sử dụng sáo Tonette, với 7 solenoid mô phỏng các ngón tay và quạt để cung cấp khí Bên cạnh đó, robot còn tích hợp 1 solenoid khác để điều chỉnh dòng khí, cho phép thực hiện kỹ thuật đánh lưỡi đơn trong quá trình biểu diễn.

 Hạn chế: Lưu lượng và áp suất của quạt thấp nên âm thanh của sáo không được rõ ràng

MUBOT – Makoto Kajtani (1977, University of Eectro-communications, Japan)

Robot đã đạt được khả năng thổi cả ba quãng âm của sáo recorder 8 lỗ, sử dụng 7 xy lanh khí nén để mô phỏng các ngón tay và một bộ chuyển đổi điện – khí nén để cấp khí Với ba kỹ thuật diễn tấu: đánh lưỡi, rung hơi và ém hơi, robot có thể điều chỉnh dòng khí, thay đổi lưu lượng với tần số nhất định và biến đổi hình dạng lỗ thổi theo hình dáng miệng người.

 Hạn chế: robot chỉ mới được sử dụng trong nghiên cứu do giá thành rất cao REPRO – Y-ziku (2012)

Robot đã thành công trong việc thổi tất cả các nốt, bao gồm cả nốt thăng và giáng của sáo recorder 8 lỗ Thiết bị sử dụng 11 solenoid để bấm lỗ, kết hợp với máy nén khí và van tiết lưu để cung cấp khí Van tiết lưu điều khiển bằng điện cho phép thay đổi lưu lượng và đóng ngắt dòng khí, giúp thực hiện kỹ thuật đánh lưỡi đơn một cách hiệu quả.

 Hạn chế: Giá thành cao, máy nén khí phải được lắp đặt ở nơi khác để hạn chế tiếng ồn

Recoder playing robot - Khoa kỹ sư và khoa học máy tính (2012, The Chinese university of Hong Kong)

Hình 1.7: Recorder playing robot của Đại học Hong Kong

Robot đã thành công trong việc thổi một quãng âm của sáo recorder 8 lỗ bằng cách sử dụng 7 động cơ RC servo để bấm lỗ Hệ thống được trang bị máy nén khí tự chế từ block tủ lạnh để cung cấp khí, cùng với 1 động cơ RC servo để điều khiển dòng khí Robot có khả năng thực hiện kỹ thuật đánh lưỡi đơn, và máy nén khí hoạt động êm ái, không gây tiếng ồn.

 Hạn chế: Chỉ thổi được 1 quãng âm, không thổi được các nốt thăng / giáng, tốc độ đáp ứng chậm

The street Musician – Konstantin Zlatev

Hình 1.8: The Street Musician của Konstantin Zlatev

 Kết quả đạt được: Robot sử dụng sáo Kaval, dùng 7 xy lanh khí nén 2 chiều để bấm lỗ, dùng hệ thống van khí nén để cấp khí

 Hạn chế: Tốc độ đáp ứng chậm

1.3 Tổng quan về sáo recorder Để có thể thiết kế robot thổi sáo recorder, trước hết cần tìm hiểu sơ bộ về nhạc lý và về sáo recorder bao gồm: cấu tạo và cách thổi sáo, nguyên lý hoạt động của sáo và các kỹ thuật thổi sáo thường dùng hay còn gọi là kỹ thuật diễn tấu sáo

1.3.1 Tìm hiểu chung về nhạc lý

Hai đặc trưng cơ bản của âm nhạc là cao độ và trường độ

Cao độ thể hiện qua tần số âm thanh, với 7 nốt nhạc cơ bản được phân chia theo tần số, bao gồm: Đô (C), Rê (D), Mi (E), Fa (F), Sol (G), La (A), và Si (B).

Hình 1.9: 7 nốt nhạc cơ bản được sắp xếp trên khuông nhạc Ngoài ra còn có 5 nốt thăng / giáng:

 Đô thăng C♯hay Rê giáng D♭

 Rê thăng D♯hay Mi giáng E♭

 Fa thăng F♯hay Sol giáng G♭

 Sol thăng G♯hay La giáng A♭

 La thăng A♯hay Si giáng B♭

Như vậy có tất cả 12 nốt nhạc, và chúng tạo thành là 1 quãng âm

Có tất cả 11 quãng âm được đánh số thứ tự từ -1 đến 9, tương ứng với 128 nốt từ C-1 đến G9 (xem phụ lục B)

Trường độ thể hiện độ dài của một nốt nhạc khi chơi, với một số trường độ thông dụng được liệt kê, trong đó trường độ phía sau có độ dài bằng 1.

Trong âm nhạc, nốt đen được sử dụng làm chuẩn cho nhịp điệu của bài hát, và độ dài của nốt đen được xác định theo tempo Ví dụ, với tempo 120 BPM (120 nhịp/phút), một nốt đen có độ dài 0.5 giây, từ đó có thể tính toán được độ dài của các nốt khác trong bài hát.

1.3.2 Tìm hiểu chung về sáo recorder

Recorder hay recorder 8 lỗ là một loại nhạc cụ thuộc bộ khí, có nguồn gốc từ Tây Âu trung cổ Nhạc cụ này rất phổ biến ở phương Tây nhờ vào tính dễ học và dễ sử dụng, đồng thời yêu cầu lượng hơi cần thiết rất ít so với các nhạc cụ khác trong cùng bộ.

Recorder 8 lỗ có cấu tạo gồm:

Recorder 6 lỗ, một biến thể phổ biến của recorder 8 lỗ, đang ngày càng được ưa chuộng tại Châu Á, đặc biệt là ở Trung Quốc Đặc điểm nổi bật của recorder 6 lỗ là khả năng sử dụng ít hơi khi thổi, trong khi cách chơi được điều chỉnh để tương tự như sáo trúc truyền thống.

Hình 1.11: Sáo trúc truyền thống của Việt Nam Recorder 6 lỗ có cấu tạo gồm:

Hình 1.12: Sáo recorder 6 lỗ Sáo thông thường có thể thổi được 3 quãng âm Tùy vào tần số âm của nốt thấp nhất, lại chia sáo thành 4 loại khác nhau:

 Sáo siêu trầm: Sáo La trầm (A3), sáo Sol trầm (G3)

 Sáo trầm thấp: Sáo La trầm (A4), sáo Sol trầm (G4), sáo Fa trầm (F#4)

 Sáo âm cao: sáo Sol cao(G5), sáo Fa cao (F5), sáo Mi cao (E5) ,

 Sáo có âm trung bình: sáo Đô (C5), Sáo Si (B4), sáo Si giáng (Bb4), sáo

Rê giáng cao (Db5), … Để thổi được nốt nhạc mong muốn, cần phải đáp ứng các điều kiện sau:

 Đóng mở các lỗ bấm theo một tổ hợp nhất định

 Cung cấp lưu lượng khí phù hợp vào lỗ thổi

 Tạo khẩu hình miệng phù hợp

 Không đươc che mất các lỗ định âm

1.3.2 Nguyên lý hoạt động của sáo

Tổng quan về sáo recorder

Để thiết kế robot thổi sáo recorder, trước tiên cần nắm vững kiến thức cơ bản về nhạc lý và sáo recorder, bao gồm cấu tạo, cách thổi sáo, nguyên lý hoạt động và các kỹ thuật thổi sáo phổ biến.

1.3.1 Tìm hiểu chung về nhạc lý

Hai đặc trưng cơ bản của âm nhạc là cao độ và trường độ

Cao độ thể hiện thông qua tần số âm thanh, với 7 nốt nhạc cơ bản được chia theo tần số gồm: Đô (C), Rê (D), Mi (E), Fa (F), Sol (G), La (A), và Si (B).

Hình 1.9: 7 nốt nhạc cơ bản được sắp xếp trên khuông nhạc Ngoài ra còn có 5 nốt thăng / giáng:

 Đô thăng C♯hay Rê giáng D♭

 Rê thăng D♯hay Mi giáng E♭

 Fa thăng F♯hay Sol giáng G♭

 Sol thăng G♯hay La giáng A♭

 La thăng A♯hay Si giáng B♭

Như vậy có tất cả 12 nốt nhạc, và chúng tạo thành là 1 quãng âm

Có tất cả 11 quãng âm được đánh số thứ tự từ -1 đến 9, tương ứng với 128 nốt từ C-1 đến G9 (xem phụ lục B)

Trường độ thể hiện độ dài của một nốt nhạc khi chơi, với một số trường độ thông dụng được liệt kê Trường độ phía sau có độ dài bằng 1.

Nốt đen là chuẩn cho nhịp của bài hát, và độ dài của nốt đen được xác định theo tempo Ví dụ, với tempo 120 BPM, một nốt đen có độ dài 0.5 giây, từ đó có thể tính được độ dài của các nốt khác trong bài hát.

1.3.2 Tìm hiểu chung về sáo recorder

Recorder 8 lỗ là một nhạc cụ thuộc bộ khí, có nguồn gốc từ Tây Âu trung cổ Nhạc cụ này rất phổ biến ở phương Tây nhờ vào tính dễ học và sử dụng, cùng với lượng hơi cần thiết rất ít so với các nhạc cụ khác trong cùng bộ.

Recorder 8 lỗ có cấu tạo gồm:

Recorder 6 lỗ, một biến thể phổ biến của recorder 8 lỗ, đang ngày càng được ưa chuộng tại Châu Á, đặc biệt là ở Trung Quốc Với đặc tính sử dụng lượng hơi rất ít khi thổi, recorder 6 lỗ đã được điều chỉnh cách sử dụng để tương tự như sáo trúc truyền thống.

Hình 1.11: Sáo trúc truyền thống của Việt Nam Recorder 6 lỗ có cấu tạo gồm:

Hình 1.12: Sáo recorder 6 lỗ Sáo thông thường có thể thổi được 3 quãng âm Tùy vào tần số âm của nốt thấp nhất, lại chia sáo thành 4 loại khác nhau:

 Sáo siêu trầm: Sáo La trầm (A3), sáo Sol trầm (G3)

 Sáo trầm thấp: Sáo La trầm (A4), sáo Sol trầm (G4), sáo Fa trầm (F#4)

 Sáo âm cao: sáo Sol cao(G5), sáo Fa cao (F5), sáo Mi cao (E5) ,

 Sáo có âm trung bình: sáo Đô (C5), Sáo Si (B4), sáo Si giáng (Bb4), sáo

Rê giáng cao (Db5), … Để thổi được nốt nhạc mong muốn, cần phải đáp ứng các điều kiện sau:

 Đóng mở các lỗ bấm theo một tổ hợp nhất định

 Cung cấp lưu lượng khí phù hợp vào lỗ thổi

 Tạo khẩu hình miệng phù hợp

 Không đươc che mất các lỗ định âm

1.3.2 Nguyên lý hoạt động của sáo

Sáo thuộc bộ khí, tạo ra âm thanh từ dao động không khí bên trong ống sáo Hình 1.9 minh họa mặt cắt dọc của ống sáo, cho thấy cấu tạo đặc biệt khiến dòng khí từ lỗ thổi vào di chuyển theo hai hướng khác nhau.

 Theo lỗ phát âm ra ngoài

 Đi tiếp vào lòng ống sáo

Hình 1.13 minh họa mặt cắt của sáo recorder và hướng di chuyển của dòng khí khi thổi Hai hướng di chuyển này liên tục thay đổi, dẫn đến sự dao động của cột không khí trong lòng ống sáo, từ đó phát ra âm thanh Hiện tượng này được gọi là Edge Tone.

Chiều dài của cột không khí trong sáo ảnh hưởng đến tần số âm, và chiều dài này được điều chỉnh thông qua việc bấm mở các lỗ bấm.

1.3.3 Các kỹ thuật diễn tấu sáo Ém hơi: Giảm kích cỡ lỗ hở của môi, từ đó làm giảm âm lượng của tiếng sáo

 Tạo ra tiếng sáo trong hơn và không bị xì

 Tuy âm lượng giảm, nhưng tiếng sáo chắc và rõ hơn

Nhấn hơi: dúng lực đẩy mạnh luồng hơi vào miệng lỗ thổi

 Tạo cho tiếng sáo sự chắc khỏe

 Tạo không khí u uất nặng nề

Rung hơi là kỹ thuật thay đổi biên độ âm thanh bằng cách điều chỉnh luồng hơi mạnh nhẹ theo chu kỳ nhất định, tạo nên sự truyền cảm cho bản nhạc Đánh lưỡi đơn là phương pháp sử dụng lưỡi để chặn luồng hơi vào lỗ thổi, giúp tách biệt từng nốt nhạc một cách rõ ràng.

 Dùng phân biệt các nốt cùng cao độ

 Tạo giai điệu dồn dập, vui nhộn Đánh lưỡi kép: đẩy hơi kết hợp bật lưỡi, tạo ra 2 âm thanh chuyển động liên tục ở tốc độ cao

Phi lưỡi – reo lưỡi: Lấy âm gió của chữ R để thối vào sáo, tạo tiếng sáo có độ rung nhẹ như tiếng chim

Vuốt ngón: Tạo âm thanh liền nhau giữa các nôt không kề nhau Ví dụ: Đô-Mi sẽ thành Đô-(Rê)-Mi, giúp làm mượt giai điệu

Láy ngón là kỹ thuật bấm mở ngón tay liên tục, tạo ra âm thanh có độ nảy và rung cho tiếng sáo Có ba loại láy ngón phổ biến: láy 1 ngón, láy 2 ngón (còn gọi là láy rển) và láy 3 ngón (hay láy chùm nốt).

Viết Thực hiện Hình 1.14: Láy 1 ngón

Hình 1.16: Láy chùm nốt Ngoài ra còn các kỹ thuật khác: vỗ ngón, dấu luyến, âm bội, …

Mục tiêu, nhiệm vụ, giới hạn đề tài

Mỗi kỹ thuật âm nhạc đều được biểu thị bằng ký hiệu riêng trên sheet nhạc, và các nghệ sĩ thường áp dụng những kỹ thuật này phù hợp với tính chất của bản nhạc.

Trong đó, đánh lưỡi đơn, ém hơi, vuốt ngón và rung hơi được sử dụng nhiều nhất

Hình 1.17: Ví dụ về 1 đoạn nhạc được thực hiện khi chơi sáo

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ, giới hạn đề tài

Qua khảo sát các mô hình robot thổi sáo và tìm hiểu tổng quan về sáo recorder 6 lỗ, nhận thấy các yêu cầu chính là:

 Đảm bảo nhịp điệu, với tempo tối đa là 120BPM và trường độ ngắn nhất là nốt đen 𝅘𝅥

 Thổi được các note nhạc bao gồm note thường và note thăng, giáng

 Thực hiện được các kỹ thuật diễn tấu

 Thổi sáo theo file MIDI cho trước

Tìm hiểu tổng quan về các robot thổi sáo, nhạc lý và sáo recorder

Phân tích, lựa chọn và thiết kế bộ phận bấm lỗ sáo, bộ phận cấp khí cho sáo, và bộ phận đóng ngắt dòng khí

Tính toán, thiết kế mạch điện

Thiết kế giải thuật xử lý file MIDI

Thiết kế giải thuật đọc file nhạc và điều khiển

Thiết kế giao diện người dùng

1.4.3 Giới hạn đề tài Đề tài chỉ nghiên cứu về cách chơi sáo thông qua tổ hợp bấm lỗ và lưu lượng khí cấp vào, bỏ qua vấn đề về khẩu hình miệng Đề tài chỉ chọn và nghiên cứu cách sử dụng một kỹ thuật diễn tấu.

Kế hoạch thực hiện

Bảng 1.1: Kế hoạch thực hiện

 Thiết kế các bộ phận

Phương án thiết kế

Chọn loại sáo recorder

Trong 2 loại sáo recorder 6 lỗ vầ 8 lỗ, chọn sử dụng recorder 6 lỗ vì độ thông dụng của nó ở Việt Nam, có thể dễ dàng tìm được các hướng dẫn liên quan đến cách sử dụng của nó.

Chọn phương án bấm lỗ

Sáo recorder 6 lỗ có 2 bảng hướng dẫn cách bấm lỗ khác nhau:

Bảng bấm lỗ thông dụng là công cụ hướng dẫn người thổi sáo theo quy luật thông thường của sáo trúc Việt Nam Người sử dụng bắt đầu bằng cách bấm tất cả các lỗ và từ từ mở ra để tạo ra âm thanh từ thấp đến cao Đối với các nốt thăng và giáng, cần phải bấm nửa lỗ để đạt được độ cao mong muốn.

Bảng bấm lỗ đặc biệt được cải tiến từ bảng thông dụng bằng cách thay thế cách bấm nửa lỗ bằng các tổ hợp bấm khác, vẫn đảm bảo độ cao phù hợp Việc sử dụng bấm nửa lỗ thường gây khó khăn cho người mới tập, vì vậy bảng bấm lỗ đặc biệt trở thành lựa chọn tối ưu cho họ.

Chương 2: Phương án thiết kế GVHD: TS Trần Việt Hồng

SVTH: Phạm Phú Hưng 16 bảng bấm lỗ đăc biệt Tuy nhiên, bảng này chưa được hoàn thiện và còn trống rất nhiều nốt

Để thổi nốt cao độ chính xác trên sáo, việc che kín lỗ là rất quan trọng Sử dụng bảng bấm lỗ thông dụng có thể gây khó khăn khi cần che nửa lỗ, vì điều này yêu cầu 2 ngón tay hoạt động tại cùng một lỗ, ảnh hưởng đến khả năng che kín Hơn nữa, việc che nửa lỗ đòi hỏi nhiều ngón tay hơn, cụ thể là 10 ngón thay vì chỉ 6 ngón cho 6 lỗ.

Sau khi cân nhắc các vấn đề trên, bảng bấm lỗ đặc biệt được chọn, việc hoàn thiện bảng này sẽ được nghiên cứu ở chương thiết kế cơ khí.

Chọn kỹ thuật diễn tấu

Như yêu cầu đặt ra, robot cần thực hiện được ít nhất 1 kỹ thuật diễn tấu

Trong rất nhiều kỹ thuật diến tấu, có 4 kỹ thuật đặc biệt quan trọng luôn được sử dụng trong hầu hết các bản nhạc:

Đánh lưỡi đơn là kỹ thuật ngắt hơi giữa các nốt khi thổi sáo, giúp tạo ra sự phân biệt rõ ràng giữa các nốt nhạc Do đặc điểm của sáo là người thổi cần cấp hơi liên tục, nếu không sử dụng đánh lưỡi đơn, người nghe sẽ chỉ nghe được một nốt tròn khi chơi nhiều nốt liên tiếp Việc này có thể ảnh hưởng đến nhịp điệu và sự truyền tải cảm xúc của bản nhạc.

Ém hơi là kỹ thuật giúp giảm âm lượng của sáo và ngăn chặn hiện tượng xì hơi, đặc biệt khi chơi các nốt cao Bằng cách thu nhỏ khẩu hình miệng, người chơi có thể duy trì độ cao của âm thanh mà không gặp phải vấn đề về bể tiếng.

 Rung hơi: Bằng cách tạo ra độ rung cho âm thanh, người thổi sáo có thể tạo ra sự truyền cảm cho bài hát

Vuốt ngón là kỹ thuật âm nhạc giúp thêm các nốt có cao độ liên tiếp giữa hai nốt của bản nhạc, trái ngược với dánh lưới đơn Kỹ thuật này làm cho bài hát trở nên mượt mà và hấp dẫn hơn.

Sau khi cân nhắc, chọn thực hiện kỹ thuật đánh lưỡi đơn để đảm bảo nhịp điệu của bài hát

2.4 Chọn phương án cho bộ phận cấp khí

Có hai cách cấp khí được sử dụng trong các robot thối sáo

 Sử dụng bình khí nén

 Sử dụng máy nén khí

Bảng 2.1: Ưu, nhược điểm của các phương án cấp khí Ưu điểm Nhược điểm

Có thể thổi sáo liên tục Giá thành cao

Tiếng ồn của máy nén khí rất lớn

Loại bỏ được tiếng ồn của máy nén khí

Không thể thổi sáo liên tục Cần tự chế tạo

Quạt Quạt là việc êm, ít ồn Điều khiển lưu lượng khí dễ dàng bằng xung PWM

Tốc độ đáp ứng chậm Áp suất thấp, lưu lượng thấp

Chúng tôi sẽ lựa chọn phương án sử dụng bình khí nén và trong chương tiếp theo, sẽ tiến hành tính toán và thiết kế bình khí nén phù hợp để có thể thổi một bài nhạc bất kỳ có thời gian 2 phút.

2.5 Chọn phương án điều khiển lưu lượng

Các phương án tìm hiểu đươc bao gồm:

 Điều khiển liên tục: Sử dụng van điều áp PID, điều khiển lưu lượng bằng xung PWM

Điều khiển rời rạc sử dụng van điều áp kết hợp với nhiều nhánh van 2/2 và van tiết lưu mắc song song, cho phép mỗi nhánh van cung cấp một lưu lượng khác nhau Bảng 2.2 trình bày ưu và nhược điểm của các phương án điều khiển, giúp người sử dụng dễ dàng đánh giá hiệu quả và hạn chế của từng giải pháp.

Liên tục Có thể cung cấp nhiều mức lưu lượng Đáp ứng chậm Van điều áp PID có giá thành rất cao

Rời rạc Tốc độ đáp ứng rất nhanh do thế nắng đã được dự trữ ở các nhánh van Ngay khi kích van 2/2, sẽ có được lưu lượng mong muốn

Hệ thống cồng kềnh do cần nhiều nhánh van

Phương án lựa chọn: Sử dụng phương án điều khiển rời rạc, vì cho tốc độ đáp ứng nhanh hơn

Các phương án điều khiển rời rạc có thể sử dụng:

 Dùng 30 nhánh van cho 30 nốt nhạc

 Phân nhóm các nốt nhạc dựa trên lưu lượng và dùng một nhánh van cho mỗi nhóm nốt

Bảng 2.3: Ưu, nhược điểm các 2 phương án điều khiển rời rạc Ưu điểm Nhược điểm

Cung cấp lưu lượng chính xác cho các nốt nhạc

Tăng giá thành hệ thống

Giảm giá thành hệ thống âm lượng của nốt nhạc không đều xuất phát từ việc một số nốt được cấp nhiều hơn mong muốn, trong khi những nốt khác lại được cấp ít hơn.

Để giảm giá thành cho hệ thống, phương án lựa chọn là áp dụng phân nhóm lưu lượng Việc nghiên cứu và thực hiện phân nhóm lưu lượng sẽ được tiến hành trong phần thiết kế cơ khí.

2.6 Chọn phương án cho bộ phân bấm lỗ

Các loại cơ cấu chấp hành có thể sử dụng được bao gồm:

 Động cơ RC servo

Bảng 2.4: Ưu, nhược điểm của một số loại cơ cấu đóng mở lỗ bấm Ưu điểm Nhược điểm Động cơ

Moment xoắn lớn Tốc độ đáp ứng nhanh Điều khiển phức tạp

Tốc độ đáp ứng nhanh Lực tác động lớn

Giá thành cao, kích thước lớn Cần dùng thêm van đảo chiều Cuộn hút solenoid Điều khiển dơn giản Gọn nhẹ, dễ gá đặt

Không thể sử dụng trong thời gian dài do cuộn hút nóng lên Lực tác động yếu

Sử dụng cuộn hút solenoid là phương án lý tưởng cho nhạc cụ nhỏ gọn như sáo, bởi tính chất phù hợp của nó Nhiệt độ tăng lên của cuộn hút không ảnh hưởng nhiều, vì yêu cầu luận văn chỉ cần thổi sáo cho một bản nhạc tối đa 2 phút.

Chọn phương án cho bộ phân bấm lỗ

THIẾT KẾ CƠ KHÍ – khí nén

Thực nghiệm tìm quãng âm của sáo

Nhiệm vụ của thực nghiệm tìm quãng âm là xác định lưu lượng và hoàn thiện bảng bấm lỗ đặc biệt đã nêu ra ở phần phương án thiết kế

Những dụng cụ, thiết bị cần chuẩn bị bao gồm:

 App Best Tuner trên điện thoại

Chương 3: Thiết kế cơ khí – khí nén GVHD: TS Trần Việt Hồng

 Thiết kế, chế tạo bình khí nén bằng ống PVC để giảm chi phí và đơn giản hóa thiết kế

Thực nghiệm hoàn thiện bảng bấm lỗ đặc biệt bằng cách sử dụng băng dính để che các tổ hợp lỗ bấm không cần thiết Sử dụng van điều áp và van tiết lưu để điều chỉnh lưu lượng khí từ bình khí nén, đồng thời áp dụng ứng dụng Best Tuner để xác định cao độ nốt nhạc Quá trình này được lặp lại cho đến khi bảng bấm lỗ đặc biệt đạt yêu cầu hoàn thiện.

Để xác định lưu lượng, thực hiện thí nghiệm bằng cách sử dụng băng dính để che các lỗ bấm theo bảng đã tìm được Sau đó, đo độ cao bằng ứng dụng Best Tuner và điều chỉnh lưu lượng cho đến khi đạt được độ cao tương ứng với tổ hợp lỗ bấm Cuối cùng, ghi lại mức lưu lượng đã tìm được.

Hình 3.1: Giao diện app Best Tuner

Hình 3.2: Máy nén khí TOTAL TTAC1401

SVTH: Phạm Phú Hưng 23 Đồng hồ đo áp của bình

Van điều áp được cài đặt ở 1bar

Van bi Van an toàn

Bình khí nén V=2.9L Ống hơi

Hình 3.3: Mô hình bình khí nén

Mô hình thực bình khí nén bao gồm:

 Bình khí nén có thể tích 2.9L, chịu được áp suất bơm 10bar, được bơm đầy khí bằng máy nén khí thông qua van 1 chiều

 Đồng hồ đo áp suât của bình

 Van an toàn lắp trên bình: cài đặt ở áp suất 5bar

 Van bi để đóng ngắt dòng khí

 Van điều áp: giúp ổn định áp suât ở đầu ra của bình tích áp

 Van tiết lưu: điều chỉnh lưu lượng đưa vào ống sáo

Bảng bấm lỗ đặc biệt của sáo recorder 6 lỗ được thể hiện ở phụ lục A

Trong quá trình thực nghiệm, nốt A7 ghi nhận lưu lượng cao nhất, đạt được với áp suất tối thiểu 1 bar trên van điều áp Do đó, 1 bar được chọn làm áp suất làm việc cho hệ thống trong quá trình xác định lưu lượng.

Mỗi nốt nhạc, áp suất trong bình khí nén được tích luỹ đến 4 bar và duy trì cho đến khi áp suất giảm còn 2 bar Quá trình bơm hơi và hoạt động của hệ thống được xem là đẳng nhiệt, từ đó tính được thể tích khí mỗi lần hoạt động theo công thức (3.1), đạt giá trị 5.8 L.

V = (p max − p min ) ∗ V 0 (công thức (3.1)) Lưu lượng khí dược tính theo công thức (3.2)

Bảng 3.1: Kết quả thực nghiệm tìm lưu lượng tương ứng với từng nốt

Kết quả thực nghiệm cho thấy sáo recorder 6 lỗ có khả năng phát âm 30 nốt nhạc trong tổng số 34 nốt nhạc từ C5 đến A7 Tuy nhiên, có 4 nốt nhạc không thể thổi được, bao gồm G6, B6, C7 và C#7.

3.2 Tính thể tích bình khí nén cần dùng

Yêu cầu: bình khí nén cần có thể tích sao cho có thể chơi được liên tục trong 2 phút

Hình 3.4: Phân nhóm lưu lượng

Dựa vào hình 3.5, sử dụng 5 nhánh van 2/2 + van tiết lưu Các mức lưu lượng được cài đặt trên van tiết lưu của mỗi nhánh là: Q 1 = 4 L, Q 2 = 5.4 L, Q 3 7.5 L, Q 4 = 9.2 L, Q 5 = 24.5 L

Bảng 3.2: Bảng phân nhóm lưu lượng

Nhóm Các nốt trong nhóm Lưu lượng cần sử dụng (𝐿/𝑝ℎ)

Thể tích bình tích áp được tính theo công thức (3.3):

Với t = 2ph: thời gian sử dụng bình tích áp

Q r = Q max : lưu lượng tiêu thụ của hệ thống

Lưu lượng máy nén khí khi Q c = 0 cho thấy áp suất cao nhất trong bình khí nén đạt p max = 10 bar, trong khi áp suất thấp nhất là p min = 1 bar, được cài đặt trên van điều áp.

Từ đó, thể tích bình tích áp cần sử dụng ứng với từng nhóm nốt được thể hiện ở bảng 3.3

Bảng 3.3: Thể tích bình tích áp cần dùng cho mỗi nhóm nốt

Nhóm Các nốt trong nhóm V r (L)

Từ bảng 3.4, chọn thể tích bình khí nén là 11.36𝐿

3.3 Thiết kế hệ thống van

Yêu cầu: Hệ thống van phải có thời gian đáp ứng ít nhất 0.5s

Chọn sử dụng 1 van điều áp AFR-2000 và 5 nhánh van 2/2 2V025-08F + van tiêt lưu PSA8

Hình 3.5: Van điểu áp Airtac AFR-2000

Hình 3.6: Van tiết lưu Airtac PSA8

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén

3.4 Thiết kế bộ phận bấm lỗ

Bộ phận bấm lỗ cần được chế tạo từ vật liệu có khả năng tạo ra nốt nhạc với tần số tương tự như ngón tay người, đồng thời phải đảm bảo đủ lực để vượt qua áp suất khí nén bên trong ống sáo.

Thí nghiệm xác định vật liệu thích hợp cho ngón tay robot đã được thực hiện với các vật liệu như mica, cao su và mút Qua việc đo tần số âm bằng ứng dụng Best Tuner và so sánh với tần số tương ứng trên ngón tay người, chúng tôi đã lựa chọn vật liệu phù hợp nhất cho thiết kế ngón tay robot.

SVTH: Phạm Phú Hưng 29 sử dụng nốt A#5 với tần số từ 906-960Hz Nốt A#5 được lựa chọn vì chỉ cần dùng một ngón tay để bấm lỗ.

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng mút tạo ra âm thanh với tần số tương tự như tay người Do đó, mút được chọn làm vật liệu cho bộ phận bấm lỗ.

3.4.2 Tìm lực tác dụng của khí nén tác dụng qua lỗ bấm

Âm thanh của sáo được tạo ra từ hiện tượng Edge Tone, trong đó áp suất trong lòng ống sáo tác động lên các đầu ngón tay robot Giá trị áp suất này đạt cực đại tại nốt A7, với lưu lượng tối đa là 51.4 L/ph và 0.00086 m³/s.

Áp suất khí sinh ra cần được tính toán cẩn thận, vì nó tạo ra lực tác động lên các ngón tay Nếu lực của các ngón tay không đủ để vượt qua áp suất khí nén, sẽ không thể che kín lỗ bấm một cách hiệu quả.

Sử dụng module Flow Simulation của Solidworks để xác định lực do áp suất khí sinh ra trên lỗ bấm

Tay người Mica Cao su Mút Max of A#5 Min of A#5

Hình 3.10: Setup cho Flow Simulation trong Solidworks

Do áp suất giảm dần từ lỗ thổi đến lỗ ra của ống sáo, việc đo áp suất tại lỗ bấm đầu tiên (áp suất lớn nhất p max) là cần thiết Diện tích S của lỗ đo được xác định bằng Solidworks, từ đó có thể tính toán lực lớn nhất mà áp suất tác động lên cánh tay robot.

F max = p max ∗ S (với p max = p − 101325) (công thức (3.4)) Bảng 3.4: Kết quả mô phỏng trên Solidworks

Trung bình Min Max Áp suất 𝑝 (𝑃𝑎) 101367.01 101366.98 101367.03

Vậy lực do áp suất tác dụng lên ngón tay là 0.00017𝑁 không đáng kể

3.4.3 Thiết kế bộ phận bấm lỗ

Lực tác dụng từ áp suất khí nén lên các ngón tay chỉ là 0.00017𝑁, một con số không đáng kể Do đó, cuộn hút solenoid chỉ cần tạo đủ lực để ép mút (chất liệu dùng làm ngón tay - xem mục 3.3.1) vào thành ống sáo mà không để lại khe hở.

Chọn sử dụng 6 soleinoid JF-0530B, mỗi solenoid đóng mở 1 lỗ bấm của sáo Gá đặt solenoid ở phía trên của lỗ bấm

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý của kết cấu cơ khí

Hoàn thiện được bảng bấm lỗ đặc biệt với 30 nốt nhạc

Xác định được lưu lượng cho từng nốt

Hệ thống van khí nén đáp ứng được yêu cầu thổi sáo ở tempo 120BPM và có trường độ ngắn nhất đạt được đến nốt móc ba

Bộ phận bấm lỗ đảm bảo che kín lỗ bấm.

Thiết kế hệ thống van

Yêu cầu: Hệ thống van phải có thời gian đáp ứng ít nhất 0.5s

Chọn sử dụng 1 van điều áp AFR-2000 và 5 nhánh van 2/2 2V025-08F + van tiêt lưu PSA8

Hình 3.5: Van điểu áp Airtac AFR-2000

Hình 3.6: Van tiết lưu Airtac PSA8

Thiết kế bộ phận bấm lỗ

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén

3.4 Thiết kế bộ phận bấm lỗ

Bộ phận bấm lỗ cần được chế tạo từ vật liệu có khả năng tạo ra nốt nhạc với tần số tương tự như ngón tay người, đồng thời phải đủ mạnh để vượt qua áp suất khí nén trong ống sáo.

Thí nghiệm xác định vật liệu phù hợp cho ngón tay robot được thực hiện với các loại vật liệu như mica, cao su và mút Quá trình này sử dụng ứng dụng Best Tuner để đo tần số âm và so sánh với tần số tương ứng trên ngón tay người, nhằm lựa chọn vật liệu tối ưu nhất.

SVTH: Phạm Phú Hưng 29 sử dụng nốt A#5 với tần số từ 906-960Hz Nốt A#5 được lựa chọn vì có thể dễ dàng bấm bằng một ngón tay.

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng mút tạo ra âm thanh có tần số tương tự với tay người, do đó, mút được lựa chọn làm vật liệu cho bộ phận bấm lỗ.

3.4.2 Tìm lực tác dụng của khí nén tác dụng qua lỗ bấm

Âm thanh của sáo được tạo ra bởi hiện tượng Edge Tone, trong đó áp suất trong lòng ống sáo tạo ra lực tác động lên các đầu ngón tay robot Giá trị lực này đạt cực đại tại nốt A7, với lưu lượng tối đa là 51.4 L/ph và 0.00086 m³/s.

Áp suất khí sinh ra cần được tính toán cẩn thận vì nó tạo ra lực tác động lên các ngón tay Nếu lực của ngón tay không đủ mạnh để vượt qua áp suất khí nén, việc che kín lỗ bấm sẽ không thể thực hiện được.

Sử dụng module Flow Simulation của Solidworks để xác định lực do áp suất khí sinh ra trên lỗ bấm

Tay người Mica Cao su Mút Max of A#5 Min of A#5

Hình 3.10: Setup cho Flow Simulation trong Solidworks

Do áp suất giảm dần từ lỗ thổi đến lỗ ra của ống sáo, việc đo áp suất tại lỗ bấm đầu tiên (áp suất lớn nhất p max) là cần thiết Diện tích S của lỗ đo được xác định bằng Solidworks, từ đó có thể tính được lực lớn nhất mà áp suất tác dụng lên cánh tay robot.

F max = p max ∗ S (với p max = p − 101325) (công thức (3.4)) Bảng 3.4: Kết quả mô phỏng trên Solidworks

Trung bình Min Max Áp suất 𝑝 (𝑃𝑎) 101367.01 101366.98 101367.03

Vậy lực do áp suất tác dụng lên ngón tay là 0.00017𝑁 không đáng kể

3.4.3 Thiết kế bộ phận bấm lỗ

Lực tác dụng do áp suất khí nén lên các ngón tay chỉ là 0.00017𝑁, một giá trị không đáng kể Do đó, cuộn hút solenoid chỉ cần cung cấp đủ lực để ép mút (vật liệu làm ngón tay - xem mục 3.3.1) vào thành ống sáo, đảm bảo không có khe hở.

Chọn sử dụng 6 soleinoid JF-0530B, mỗi solenoid đóng mở 1 lỗ bấm của sáo Gá đặt solenoid ở phía trên của lỗ bấm

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý của kết cấu cơ khí

Kết luận

Hoàn thiện được bảng bấm lỗ đặc biệt với 30 nốt nhạc

Xác định được lưu lượng cho từng nốt

Hệ thống van khí nén đáp ứng được yêu cầu thổi sáo ở tempo 120BPM và có trường độ ngắn nhất đạt được đến nốt móc ba

Bộ phận bấm lỗ đảm bảo che kín lỗ bấm.

THIẾT KẾ ĐIỆN

 Khối nguồn phải cung cấp đủ công suất cho các cơ cấu tác động và mạch diều khiển

 Mạch điều khiển phải cung cấp đủ các ngoại vi cần thiết

 Đảm bảo điều khiển đồng bộ 11 solenoid 12V

 Có ngoại vi giao tiếp máy tính để đọc dữ liệu từ file MIDI

 Mạch điện hỗ trợ người dùng điều khiển trực tiếp robot

 Chọn các module cần thiết

 Thiết kế, chế tạo mạch pcb

Chọn các module cần thiết

 Điều khiển đồng bộ 11 solenoid 12V

 Có ngoại vi giao tiếp với máy tính

 Hỗ trợ người dùng điều khiển trực tiếp robot Để kích solenoid 12V cần thông qua 1 relay 5V Chọn sử dụng 11 Module Relay 5V kích HIGH/LOW để kích 11 solenoid 12V

Chương 4: Thiết kế điện GVHD: TS Trần Việt Hồng

Để điều khiển đồng bộ 11 solenoid, việc sử dụng 11 chân output trên vi điều khiển là không khả thi, vì vậy cần sử dụng 2 IC dịch bit SN74HC595 mắc nối tiếp Phương pháp này cho phép tạo ra mã 16 bit tương ứng cho tổ hợp on-off của 11 solenoid Sau khi hoàn thành, mã 16 bit sẽ được đẩy vào IC, và khi cấp một xung vuông vào chân LATCH của IC, dữ liệu sẽ được xuất ra 16 chân OUTPUT IC đầu tiên sẽ điều khiển 6 solenoid JF – 0530B, trong khi IC thứ hai điều khiển 5 van 2V025-08F.

Để giao tiếp với máy tính, sử dụng chuẩn RS232 và module CP2102 của SILICON LABS để chuyển đổi giao tiếp USB sang UART TTL, cho phép truyền dữ liệu file MIDI giữa máy tính và vi điều khiển Để hỗ trợ điều khiển robot trực tiếp, cần thêm một LCD 20×4 và một nút nhấn encoder Vi điều khiển sẽ đọc giá trị từ encoder và nút nhấn để điều khiển robot, đồng thời hiển thị thông tin cần thiết lên LCD.

Vi điều khiển cần các ngoại vi sau:

 3 chân output điều khiển 2 IC SN74HC595

 2 chân input đọc giá trị 2 kênh A và B của nút nhấn encoder

 1 chân ngắt ngoài đọc tín hiệu từ chân BUT của nút nhấn encoder

Vì vậy, chọn sử dụng mạch STM32F103C8T6

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của STM32F103C8T6 Điện áp hoạt động 2 ÷ 3.6V

Dòng tiêu thụ lớn nhất 150mA

Dòng ra lớn nhất ở các chân I/O 25mA

Tần số tối đa 72MHz

Chế độ debug JTAG, SWJ − DP

Nhiệt độ hoạt động −40 ÷ 85 0 C

Hình 4.5: Sơ đồ mạch STM32F103C8T6

Yêu cầu: cung cấp đủ nguồn cho hệ thống

Bảng 4.2: Tính toán năng lượng cho các thiết bị

Thiết bị Số lượng Dòng Điện áp Tổng cộng

1405𝑚𝐴 – 5𝑉 Vậy nuồn điện cung cấp cần công suất tối thiểu 𝑃 𝑚𝑖𝑛 = 94.025𝑊

Chọn sử dụng Adapter 12𝑉 − 10𝐴 DELTA ADP-1210-BB có công suất 120𝑊

Hình 4.6: Adapter ADP – 1210 – BB Để hạ áp 12𝑉 xuống 5𝐴, sử dụng module hạ áp LM2596

Thiết kế, chế tạo mạch pcb

Thiết kế mạch có sơ đồ khối như hình 4.8

Hình 4.8: Sơ đồ khối của mạch điện Để thuận tiện cho việc lắp đặt và kiểm tra, chia làm 4 mạch điện:

 Mạch LCD: LCD, nút nhấn encoder và module I2C điều khiển LCD

 Mạch điện chính: mạch điều khiển, 2 IC74HC595, mạch nguồn và các led tín hiệu

 Mạch relay điều khiển 6 ngón tay: gồm 6 relay đóng mở các solenoid JF – 0530B

 Mạch relay điều khiển 5 van khí nén: gồm 5 relay đóng mở các van 2V025

Hình 4.11: Mạch relay điều khiển 6 ngón tay

Hình 4.12: Mạch relay điều khiển 5 van 2V025

Tiêu đề	Thiết Kế Robot Thổi Sáo Recorder
Tác giả	Phạm Phú Hưng
Người hướng dẫn	TS. Trần Việt Hồng
Trường học	Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Cơ Điện Tử
Thể loại	Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	3,13 MB