Mẫu báo cáo Đồ án tốt nghiệp Cánh tay Robot

ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ THÔNG TIN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI “THIẾT BỊ HỖ TRỢ ĂN UỐNG CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT CHI TRÊN” Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Hoài Giang Sinh viên thực hiện Lớp K18A Khóa 18(2015 – 2019) Hệ Đại học chính quy Hà Nội, tháng 052019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ THÔNG TIN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI “THIẾT BỊ HỖ TRỢ ĂN UỐNG CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT CHI TRÊN” Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Hoài Giang Sinh viên thực.

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI : “THIẾT BỊ HỖ TRỢ ĂN UỐNG CHO NGƯỜI

KHUYẾT TẬT CHI TRÊN”

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Hoài Giang

Sinh viên thực hiện :

Hà Nội, tháng 05/2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI : “THIẾT BỊ HỖ TRỢ ĂN UỐNG CHO NGƯỜI

KHUYẾT TẬT CHI TRÊN”

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Hoài Giang

Sinh viên thực hiện :

Hà Nội, tháng 05/2019

Họ và tên sinh viên:

Lớp: K18_A Khoá: 18 (2015 - 2019)

Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật điện tử, viễn thông Hệ đào tạo: ĐHCQ

1/ Tên đồ án tốt nghiệp:

“Thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật chi trên”

2/ Nội dung chính của đồ án:

1/ Tìm hiều về một số thiết bị hỗ trợ ăn uống hiện có trên thị trường.

2/ Nghiên cứu thiết kế thiết bị gắp thức ăn sử dụng giọng nói và nút nhấn

3/ Nghiên cứu tìm hiều về thuật toán PID điều khiện vị trí và tốc độ động cơ DC

4/ Nghiên cứu thiết kế phần cơ khí cánh tay gắp thức ăn

5/ Hoàn thiện sản phẩm cánh tay robot gắp thức ăn hỗ trợ người khuyết tật ăn uống.

3/ Cơ sở dữ liệu ban đầu

Trong các công nghệ hiện đại thì công nghệ nhận dạng giọng nói để điều

khiển cánh tay mô hình được sử dụng khá phổ biến Do có ưu điểm về tính

thông minh và tương tác cao so với phương pháp thủ công và các phương pháp

khác hiện nay Xuất phát từ nhu cầu thực tế, em chọn đề tài “Thiết kế mô hình

thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật chi trên” nhằm giúp đỡ những

người khuyết tật dễ dàng sinh hoạt trong việc ăn uống, hòa nhập với xã hội hơn

4/ Ngày giao đồ án: 15/ 03/ 2015

5/ Ngày nộp đồ án : 02/ 05/ 2015

TRƯỞNG KHOA

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

KHOA CN ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Hoài Giang HH/HV:………

Họ và tên sinh viên: Lớp: K18_A Khóa: 2015 – 2019 Hệ: ĐHCQ Ngành học: CN Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông 1 Tên đề tài tốt nghiệp: “Thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật chi trên.” 2 Nhận xét: a Tinh thần, thái độ làm việc và khả năng sáng tạo:

b Về nội dung đồ án:

Đánh giá (điểm đồ án):

Hà nội, ngày tháng năm

Người nhận xét

Em xin chân thành cảm ơn Khoa Công Nghệ Điện Tử - Thông Tin,trường Đại học Mở Hà Nội đã tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành đồ án này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Hoài Giang (TrưởngKhoa Công Nghệ Điện Tử - Thông Tin) Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn cho emhoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tất cả các thầy cô Khoa Công NghệĐiện Tử - Thông Tin, những người đã giảng dạy, trang bị cho em những kiếnthức quý báu trong suốt những năm học vừa qua – trường Đại học Mở Hà Nội

Xin chân thành cảm ơn tới gia đình, anh chị, bạn bè đã giúp đỡ, ủng hộ,động viên em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Mặc dù em đã cố gắng hoàn thiện thật tốt đồ án nhưng do kiến thức cóhạn do đó không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự cảmthông, ý kiến đóng góp của các quý Thầy Cô và các bạn!

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 2

1.1 Giới thiệu về hệ thống 2

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Giới hạn đề tài 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4.1 Thiết bị sử dụng camera xử lý hình ảnh 3

1.4.2 Thiết bị ghi lại hành động và sử dụng nút nhấn điều khiển 4

1.4.3 Thiết bị điều khiển bằng giọng nói 5

1.5 Đề xuất 5

1.6 Kết luận chương 5

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 6

2.1 Yêu cầu hệ thống 6

2.2 Thiết kế hệ thống 6

2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 6

2.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống 15

2.2.3 Thiết kế chương trình phần mềm 16

2.2.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 18

2.3.3 Điều khiển vị trí động cơ DC 19

2.3.3.1 Giới thiệu PID 19

2.3.3.2 Hàm truyền 23

2.3.3.3 Đặc tính bộ điều khiển PID 24

2.3.3.4 Sơ đồ khối hệ thống 25

2.3.3.5 Lưu đồ giải thuật 26

2.4 Kết luận chương 27

CHƯƠNG 3 HOÀN THIỆN HỆ THỐNG VÀ THÔNG SỐ ĐO ĐƯỢC 28

3.1 Các bước thực hiện 28

3.2 Thông số đọc được khi sử dụng thuật toán PID để điều khiển 38

3.3 Kiểm tra và hiệu chỉnh 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

PHỤ LỤC 43

DANH MỤC HÌNH ẢN Hình 1 1: Hệ thống camera điều khiển 3

Hình 1 2:Hê thống nút nhấn điều khiển 4

Y Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống 6

Hình 2 2: Nguồn Adapter 7

Hình 2 3: Nguồn Pin DC 7

Hình 2 4: Button 4 chân 8

Hình 2 5: Phân biệt 1 - 4 và 2 - 3 8

Hình 2 6: Module nhận dạng giọng nói VR3 9

Hình 2 7:Arduino Uno R3 10

Hình 2 8: Sơ đồ chân Arduino Uno R3 11

Hình 2 9: Module điều khiển động cơ L298 12

Hình 2 10: Sơ đồ nguyên lý L298 13

Hình 2 11: Động Cơ Encoder 26 Xung + Giảm Tốc 126RPM 14

Hình 2 12: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 15

Hình 2 13: Cấu trúc chương trình Arduino 16

Hình 2 14: Lưu đồ thuật toán 17

Hình 2 15:Xung tín hiệu A và B 18

Hình 2 16: Sơ đồ khối của bộ P.I.D điều khiển động cơ DC 20

Hình 2 17: Đồ thị PV theo thời gian Kp 21

Hình 2 18: Đồ thị PV theo thời gian Ki 22

Hình 2 19: Đồ thị PV theo thời gian Kd 23

Hình 2 20: Sơ đồ khối của một hệ thống 24

Hình 2 21: Sơ đồ khối hệ thống 25

Hình 2 22: Lưu đồ giải thuật 26

Hình 3 1: Hoàn thiện phần động cơ 29

Hình 3 2: Thiết kế hoàn thiện phần cánh tay in 3D 31

Hình 3 3: Hoàn thiên sản phẩm 31

Hình 3 4: Hướng dẫn chọn Board Arduino 32

Hình 3 5: Hướng dẫn chọn cổng kết nối Arduino 33

Hình 3 6: Nạp code chương trình cho hệ thống 34

Hình 3 7: Cửa sổ Serial Monitor 35

Hình 3 8: Setting 35

Hình 3 9: Sigtrain 0 36

Hình 3 10: Sigtrain 1 37

Hình 3 11: Load 37

Hình 3 12: Biểu đồ thông số tăng giảm Kp, Ki, Kd 38

Hình 3 13: Sản phẩm kiểm tra bị lỗi 39

DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Chân lý của chân DIR, PWM, IN1, IN2 19

Bảng 2: Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd 24

Bảng 3: Ghép nối Arduino Uno R3 với Module VR3 28

Bảng 4: Ghép nối Arduino Uno R3 với Module L298 28

Bảng 5: Ghép nối Arduino Uno R3 với Động cơ DC encoder 28

Bảng 6:Thông số đọc bộ điều khiển PID trên Động cơ DC encoder 38

MỞ ĐẦU

Hiện nay xu hướng áp dụng khoa học công nghệ và kỹ thuật vào mọi mặttrong đời sống xã hội Khoa học kỹ thuật không chỉ giúp tăng năng suất, chấtlượng sản xuất mà còn giúp nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân vềmặt sức khỏe và tinh thần, đặc biệt đối với những người khuyết tật không gặpmay mắn trong cuộc sống

Trong các công nghệ hiện đại thì công nghệ nhận dạng giọng nói để điềukhiển cánh tay mô hình được sử dụng khá phổ biến Do có ưu điểm về tínhthông minh và tương tác cao so với phương pháp thủ công và các phương pháp

khác hiện nay Xuất phát từ nhu cầu thực tế, em chọn đề tài “Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật chi trên” nhằm giúp đỡ những

người khuyết tật dễ dàng sinh hoạt trong việc ăn uống, hòa nhập với xã hội hơn

Đề tài trình bày quá trình em tìm hiểu, thiết kế và kiểm tra tính thực tiễn củathiết bị bao gồm 3 chương:

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống

Trình bày, giới thiệu về mô hình thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyếttật, từ đó lựa chọn mô hình phù hợp cho đề tài

 Chương 2: Phân tích và thiết kế hệ thống

Phân tích bài toán thực tế, các yêu cầu cần thiết đối với việc thiết kế môhình Sau đó dựa trên các phân tích đưa ra phương pháp thiết kế, lựa chọnlinh kiện chế tạo sản phẩm

 Chương 3: Hoàn thiện hệ thống

Trình bày về quá trình thử nghiệm mô hình thực tế, đánh giá kết quả thuđược và đề ra hướng phát triển trong tương lai

Sau nhiều tháng nỗ lực nghiên cứu và phát triển, em đã đạt được một số kếtquả nhất định Mặc dù vậy do thiếu sót về mặt kiết thức cũng như thiết bị cũngnhư hạn chế về linh kiện thiết nên em không thể tránh khỏi những sai sót Vìvậy em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô giáo và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn!

khỏe của con người Với những kiến thức đã được học, em mong muốn “Thiết

bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật chi trên”, những con người không gặp

may mắn trong cuộc sống Hiện tại có rất nhiều công nghệ đã được áp dụng đểchế tạo các sản phẩm xe thông mình như điều khiển qua camera xử lí hình ảnh,điều khiển qua cử chỉ của con con người, điều khiển qua giọng nói.v.v

Công nghệ nhận dạng giọng nói là một giải pháp thích hợp Nó cho phépngười sử dụng có thể điều khiển theo khẩu lệnh của mình bằng những lệnh đãđược cài đặt từ trước, từ đó người sử dụng có thể điều khiển một cách dễ dàng,linh hoạt, độ tin cậy cao Trên cơ sở đó, em đã lựa chọn công nghệ nhận dạng

giọng nói để thực hiện “thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật”.

1.2 Mục tiêu của đề tài

Thiết kế “T hiết bị hỗ trợ ăn uống cho người khuyết tật” thông minh, nhạy,

tương tác linh hoạt với người sử dụng, phù hợp với môi trường học tập Từ đâyphát triển ý tưởng, đưa hệ thống vào thực tế

Từ đó thu được kiến thức về thiết kế, chế tạo, nguyên lý hoạt động của thiết

bị có trong hệ thống

1.3 Giới hạn đề tài

Việc xây dựng mô hình sao cho phù hợp với điều kiện nghiên cứu học tập,tùy vào thực tế để xây dựng và phát triển hướng trong tương lai để hoàn thiệnsản phẩm đạt chất lượng cao, đáp ứng được nhu cầu sử dụng

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Trong thực tế hiện nay, ngoài phương pháp truyền thống như điều khiểnbằng tay hay bằng chân, một số phương pháp mới đã và đang được áp dụng nhưthiết bị sử dụng camera xử lí hình ảnh ứng dụng AI, thiết bị sử dụng nút nhân,thiết bị điều khiển bằng giọng nói

Một số phương pháp hỗ trợ người khuyết tật đã và đang được nghiên cứu hiệnnay:

1.4.1 Thiết bị sử dụng camera xử lý hình ảnh.

Autonomous Robot Arm là một cánh tay robot khéo léo hỗ trợ ngườikhuyết tật sử dụng camera nhận dạng để điều khiển thiết bị Sản phẩm này đượccác nhà nghiên cứu từ Đại học Washington đã chế tạo, một cánh tay robot thôngminh nhân tạo có khả năng sử dụng một cái dĩa để di chuyển thức ăn từ đĩa đếnmiệng của người - một sản phẩm ứng dụng AI vào robot có thể giúp ngườikhuyết tật sống cuộc sống độc lập hơn

Hình 1 1: Hệ thống camera điều khiển

Khi cánh tay robot đã lựa chon được một miếng đồ ăn, một giọng nói sẽvang lên “sẵn sàng hãy cho tôi thấy rõ mặt của ban nào” và thế là cánh tay robot

sẽ cho thẳng miếng đồ ăn vào miệng của bệnh nhân Cứ như thế hành động nàyđược lặp đi lặp lai nhiều lần cho đến khi hết thức ăn hoặc cho đến khi ngườibệnh ra hiệu lệnh không muốn ăn nữa Sản phẩm sử dụng các cảm biến đaphương tiện tương tự thị giác và cảm giác chạm để robot có thể chọn đúngmiếng thực phẩm và cho người bệnh ăn Điểm nổi trọ của sản phẩm này chính

là cảm biến áp suất giúp nó giữ đúng khoảng cách với người bệnh ngăn việc gây

ra những thương tích không đáng có máy ảnh phía trước sẽ giúp cánh tay xácđịnh chính xác các bộ phận trên gương mặt bệnh nhân

ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP

-1.4.2 Thiết bị ghi lại hành động và sử dụng nút nhấn điều khiển

Obi Robot là chiếc máy đút thức ăn tự động, tay máy kẹp trên khay có 4

ngăn đựng thức ăn Máy được trang bị kẹp từ tính để giữ muỗng lấy thức ăn vàđưa lên miệng người Người dùng chỉ việc ghi lại hạnh động cho obi và khinhấn nút cánh tay obi sẽ thực hiện lại hành động đó

Hình 1 2:Hê thống nút nhấn điều khiển

Jon Dekar, người tạo ra Obi, cho biết rằng: Với sản phẩm công nghệ nàychuyện chăm sóc đã trở nên dễ dàng hơn Đối tương mà Obi hướng đến nhữngbệnh nhân rối loạn đã xơ cứng, ALS, Parkinson và những chứng bệnh khiếnngười mắc không còn khả năng tự kiểm soát việc ăn uống Cơ chế làm việc củaObi khá đơn giản cánh tay với chiếc muỗng được đính trặt bằng từ tính sẽ lấythức ăn sẵn dưới khay sau đó từ từ đưa lên trước miệng người dùng Obi chỉ có

3 nút bấm chức năng: nút chuyển đổi cánh tay robot giữa bốn ngăn thức ăn khácnhau trên khay, nút thứ hai dùng để trọn thức ăn gom lại và cho và muống vàđưa thức ăn lên miệng ngoài ra phụ kiện giúp cho người dùng Obi có thể thoảimái hơn ví dụ như nút nhấn kết nối với Obi để tăng khả năng tính ổn định chonhững chiếc muỗng nút này đặt lên bàn hoặc dưới chân hoặc công cụ giúpngười bi tật hai tay có thể ra lệnh cho Obi bằng cách thổi hoặc hút vào Muỗng

và khay của Obi đều có thể rủa trong máy rửa chén bát.Obi tích hợp hệ thốngphát hiện va chạm tức là khi cánh tay robot bắt gặp cản trở nào thì sẽ ngừng lạimọi thứ sẽ họt động lại như cũ nếu khi có lệnh từ người sử dụng

1.4.3 Thiết bị điều khiển bằng giọng nói

Thay vì phải dùng tay để điều khiển thì người sử dụng chỉ việc ra lệnhcho cánh tay gắp thưc ăn “gắp, thả ” bằng giọng nói của mình Cánh tay sẽ tựđộng nhận dạng giọng nói và thực hiện theo Sản phẩm có độ cơ động cao,không cần dùng sức để vận hành thiết bị, người dùng có thể thoải mái điềukhiển thiết bị mà không lo về các trở ngại bên khác Đây là một sáng chế vềthiết bị cánh tay điện cho người khuyết tật độc đáo nhất hiện nay Tuy nhiên sảnphẩm vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu nên vẫn còn nhiều nhược điểmnhư người sử dụng phải phát âm chuẩn so với giọng nói điều khiển ban đầu.Mặc dù vậy, thiết bị cánh tay điều khiển bằng giọng nói vẫn được đánh giá làsản phẩm công nghệ trong tương lai

1.5 Đề xuất

Các phương pháp kể trên đều có tính khả thi khá cao Mỗi phương pháp đều

có những ưu nhược điểm riêng và đang được các nhà nghiên cứu tiếp tục pháttriển, khắc phục nhược điểm Với năng lực của bản thân cũng như độ lớn của đềtài, em quyết định sử dụng phương pháp thiết bị điều khiển cánh tay bằng giọngnói để nghiên cứu và thực hiện thiết kế Mục tiêu của em hướng tới thiết kế mộtsản phẩm có tính ứng dụng trong thực tế, có thể hỗ trợ người khuyết tật dễ dànghơn trong việc sinh hoạt ăn uống hằng ngày

Với những yêu cầu của đề tài đặt ra, em dự kiến lựa chọn linh kiện như:Module nhận dạng giọng nói VR3, nút nhấn để nhận lệnh điều khiển, ArduinoUno R3 làm bộ vi xử lý trung tâm, thực hiện điều khiển toàn bộ hoạt động trong

hệ thống và Module L298, động cơ giảm tốc DC encoder được sử dụng để điềukhiển động cơ mô hình cánh tay

1.6 Kết luận chương

Trong chương này em đã tìm hiểu về các hệ thống hỗ trợ cho người khuyết

tật hiện nay, em nhận thấy hệ thống ” thiết bị cánh tay gắp thức ăn điều khiển bằng giọng nói” có nhiều ưu điểm vượt trội về tính năng, độ linh hoạt so với

các hệ thống khác Qua đó em đề xuất hệ thống thiết bị cánh tay hỗ trợ chongười khuyết tật sử dụng công nghệ nhận dạng giọng nói Trong chương 2 em

sẽ đi sâu vào phân tích và thiết kế mô phỏng hệ thống x trên, tìm hiểu và lựachọn linh kiện phù hợp

 Hệ thống có kết cấu chắc chắn, độ bền cao, dễ dàng khắc phục khi cóhỏng hóc xảy ra.

 Giá thành của sản phẩm không quá cao

 Hệ thống thân thiện và an toàn với người sử dụng

Từ những yêu cầu trên, em đã lựa chọn thiết bị và xây dựng, thiết kế hệ thống

mô hình xe hỗ trợ cho người tật

2.2 Thiết kế hệ thống

2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm 4 khối: Khối nhận lệnh, khối điều khiển, khối

cơ cấu chấp hành và khối nguồn

Hình 2 2: Nguồn Adapter

 Pin DC: Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng và lắp đặt trên các thiết bịyêu cầu sự cơ động



Khối nhận lệnh: Nhiệm vụ của khối là ghi âm giọng nói đã được cài lệnh từ

trước, nhận lệnh thu được rồi gửi đến khối xử lý dữ liệu để điều khiển thiết bị

 Button là một loại công tắc đơn giản điều khiển hoạt động của máy hoặcmột số loại quá trình Hầu hết, các nút nhấn là nhựa hoặc kim loại Hình dạngcủa nút ấn có thể phù hợp với ngón tay hoặc bàn tay để sử dụng dễ dàng

Hình 2 4: Button 4 chân

Mô tả button:

Button chúng ta sử dụng trong mạch là button 4 chân, nhưng thật chất chỉ

2 chân, khi dòng điện đi qua chân 1, chân 4 sẽ nhận được dòng điện (không bịảnh hưởng khi bật/tắt button)

Tương tự chân 2 và chân 3 Như vậy khi dòng điện đi qua chân 1, ấn nútbutton, "cầu" sẽ được nối lại, chân 2 và 3 sẽ nhận được dòng điện, và khi thảbutton, 2 và 3 sẽ không có dòng điện chạy qua.

Hình 2 5: Phân biệt 1 - 4 và 2 - 3

 Module nhận dạng giọng nói Voice Recognition Module V3 [1]: Mạchnhận dạng giọng nói VR3 là một module nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng, nó hỗ trợlên đến 80 câu lệnh được ghi và nhận tối đa 7 câu lệnh được sử dụng cùng mộtthời điểm Bất kì âm thanh nào cũng được ghi như một câu lệnh, ta chỉ cần ghi

âm giọng nói trước đó để nó có thể nhận diện giọng nói đã được ghi âm Boardnày có 2 đường điều khiển hoặc là ngõ ra serial, hoặc là các ngõ input Ngườidùng có thể thiết lập các chân ngõ ra có sẵn trên Board

 Thư viện hỗ trợ trên nền tảng Arduino.

 Điều khiển dễ dàng: UART/GPIO

 Người dùng kiểm soát chung Pin Output

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp: 5V

 Dòng tiêu thụ: <40mA

 Giao tiếp: 5V TTL level for UART interface and GPIO

 Các chân tín hiệu: 3.5mm mono-channel microphone connector +microphone pin interface

 Kích thước: 31mm x 50mm

 Độ chính xác: 99% (trong môi trường lý tưởng)

Ưu điểm: Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng với thư viện hỗ trợ, module đạt

độ chính xác cao (trong môi trường lý tưởng)

 Mô hình cánh tay gắp thức ăn hỗ trợ cho người khuyết tật yêu cầu về độchính xác cao, do đó em lựa chọn module nhận dạng giọng nói và button đểnhận lệnh điều khiển cho mô hình

Khối vi xử lý: Là khối xử lý trung tâm, là bộ não của hệ thống có nhiệm vụ

điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống

 Arduino Uno R3 [6]: Arduino board có rất nhiều phiên bản với hiệu năng

và mục đích sử dụng khác nhau như: Arduino Mega, Aruidno Nano, ArduinoUno R3 Trong số đó Arduino Uno R3 là phiên bản được sử dụng rộng rãinhất

Hình 2 7:Arduino Uno R3

Thông số kỹ thuật

 Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit

 Điện áp hoạt động : 5V (chỉ được cấp qua cổng USB)

 Điện áp hoạt động có thể cấp cho V-in: 7-12V

 Nguồn tối đa: 6-20V

 Số chân digital: 14 (trong đó có 6 chân PWM)

 Số chân analog: 6

 Dòng tối đa mỗi chân I/O: 30 mA

 Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP

-Hình 2 8: Sơ đồ chân Arduino Uno R3

 GND: Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Uno Khi các thiết bị sử

dụng nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

 5V: Cấp điện áp đầu ra 5V, dòng tối đa 500mA.

 3.3V: Cấp điện áp đầu ra 3.3V, dòng tối đa 50mA.

 Vin: Cấp nguồn ngoài cho Arduino Uno.

 IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Uno có thể

được đo ở chân này

 RESET: Dùng để reset vi điều khiển của boad.

 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX) dùng để gửi và nhận dữ liệu TTL Serial.

Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác qua 2 chân này

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ

phân giải 8bit (giá trị từ 0-1023 tương ứng 0-5V) bằng hàm analogWrite

 Chân giao tiếp SPI: 10, 11, 12, 13 Ngoài các chức năng thông thường, 4

chân này được sử dụng để truyền dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết

bị khác

 Chân 13: Led báo

Ưu điểm:

 Dễ tiếp cận, cộng đồng người sử dụng đông đảo trên khắp thế giới

 Không cần mạch nạp riêng biệt khi sử dụng nạp chương trình

 Dễ dàng lập trình và được hỗ trợ nhiều thư viện chuẩn hóa của cácmodule

 Tích hợp các chuẩn giao tiếp cần thiết như Serial, ADC v.v

Nhược điểm : Kích thước lớn

Khối cơ cấu chấp hành: Khối có nhiệm vụ thực hiện các lệnh từ khối xử lý

trung tâm, thực hiện các yêu cầu đó

 Module L298 [7]

Là một shield mở rộng cho các board Arduino, dùng để điều khiển các lọađộng cơ DC, động cơ bước và động cơ servo Module điều khiển động cơL293D được thiết kế gọn gàng, đẹp mắt và tương thích hoàn toàn với vác boardArduino: Arduino Uno R3, Arduino Leonardo, Arduino Mega 2560, giúp bạn

có thể sử dụng và điều khiển một cách dễ dàng và nhanh chóng

Mạch điều khiển động cơ L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòngtối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diode bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấpnguồn 5V cho các module khác

Hình 2 9: Module điều khiển động cơ L298

Thông số kỹ thuật:

 Driver: L298 tích hợp 2 mạch cầu H

 Điện áp điều khiển: +5V ~ +35V

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A

 Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5V ~ +7V

 Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA

 Công suất hao phí: 20W

Hình 2 10: Sơ đồ nguyên lý L298

 Động cơ giảm tốc DC encoder: Là động điều khiển trực tiếp, DC motor làđộng cơ một chiều với cơ năng quay liên tục Ưu điểm của động cơ DC giáthành rẻ, điện áp sử dụng phù hợp với nguồn cấp của hệ thống (6V-24VDC),mô-ment xoắn lớn, tốc độ phù hợp yêu cầu hệ thống

Để thay đổi tốc độ của động cơ DC, người ta dùng điều biến độ rộng xung(ký hiệu là PWM), đây là kỹ thuật điều khiển tốc độ vận hành bằng việc bật tắtcác xung điện Tỷ lệ phần trăm vận tốc với thời gian của thiết bị được điềukhiển bằng cơ chế bật tắt một mức độ cơ số vòng quay xác định của động cơ

Hình 2 11: Động Cơ Encoder 26 Xung + Giảm Tốc 126RPM

Thông số kỹ thuật [8]

 Điện áp hoạt động: 6-24V

 Trục 4MM

 Encoder 26 xung

 Do yêu cầu về điều khiển tốc độ và vị trí cho mô hình cánh tay gắp thức

ăn hỗ trợ cho người khuyết tật nên em lựa chọn sử dụng động cơ giảm tốc DCencoder và Module L298 để thay đổi tốc độ và vị trí của động cơ DC

Truy cập địa chỉ https://www.arduino.cc/en/Main/Software/ để tải phầnmềm chương trình Arduino IDE.

Cấu trúc chương trình

Cấu trúc của một chương trình phần mềm bao gồm 2 phần chính:

void setup() { // Khởi tạo hoặc thiết lập chức năng}

void loop() {// Chuơng trình chính xử lý}

Hình 2 13: Cấu trúc chương trình Arduino

ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP

-Thư viện hỗ trợ

1 Thư viện hỗ trợ ghi âm giọng nói Voice Recoignition VR3 [2] [3] [4]

2 Thư viện hỗ trợ kết nối Serial Software [5]

2.2.3.2 Lưu đồ thuật toán

Hình 2 14: Lưu đồ thuật toán

Trong lưu đồ thuật toán bước đầu tiên là tiến hành cài đặt các lệnh kí tụđầu vào từ mic và tín hiệu từ nút nhấn đầu Khi vào chương trình thực thi sẽnhận tín hiệu từ bên ngoài nếu tín hiệu vào lệnh khớp với tín hiệu cài đặt từtrước đó thi chương trình thực thi sẽ được tiến hành Còn tín hiệu vào khôngkhớp thì đồng nghĩa với việc chương trình không thực thi bất cứ điều gì

2.2.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Khi khởi động hệ thống, khối nhận dạng giọng nói hoặc nút nhấn sẵnsàng nhận lệnh từ người sử dụng Khi người sử dụng yêu cầu lệnh quamicrophone hoặc nút nhấn, khối nhận lệnh sẽ phân tích giọng nói và dựa vàolệnh đã yêu cầu ban đầu, xuất tín hiệu điều khiển đưa đến khối điều khiển trungtâm Khối xử lý trung tâm xử lý tín hiệu điều khiển nhận được, đưa các lệnhđiều khiển đến khối chấp hành

2.3 Cơ sở lý thuyết điều khiển dộng cơ DC encoder

2.3.1 Phương pháp xác định chiều quay động cơ

Để xác định chiều quay của động cơ DC, ta sẽ dựa vào 2 xung encoder A

và B dưới đây là xung ra từ kênh A và B:

ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP

Trong trình phục vụ ngắt ngoài khi có cạnh xuống của xung kênh A, xét trạngthái chân I/O đấy và đưa ra kết luận về chiều quay động cơ

2.3.2 Điều khiển tốc độ và chiều động cơ

Để điều khiển tốc độ và chiều của động cơ ta sử dụng phương pháp bămxung PWM cùng phần cứng là IC L298 (module L298 V3)

Trong phần điều khiển chiều và tốc độ cho động cơ cần 2 PWM để đảo chiều

Bảng chân lý của chân DIR, PWM, IN1, IN2 (2 chân IN của L298):

Bảng 1: Chân lý của chân DIR, PWM, IN1, IN2

Dựa vào bảng chân lý trên ta có được mối quan hệ:

- IN1 = PWM.DIR' (PWM and not DIR)

- IN2 = PWM.DIR (PWM and DIR)

2.3.3 Điều khiển vị trí động cơ DC.

2.3.3.1 Giới thiệu PID.

Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi

trong hệ thống điện, hệ thống tự động, điện tử Mục tiêu của bộ điều khiển PID

là điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra Ouput sao cho sai lệch Error e(t) = (SP– PV) giữa giá trị đo được của hệ thống PV (Process Variable) với giá trị cài đặt

SP (SetPoint) nhỏ nhất có thể (~ 0), đạt được sự ổn định và có đáp ứng nhanh

Sơ đồ khối của bộ P.I.D điều khiển động cơ DC Servo Motor cho dự ánnhư sau:

Hình 2 16: Sơ đồ khối của bộ P.I.D điều khiển động cơ DC

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của bakhâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có:

Hình 2 18: Đồ thị PV theo thời gian Ki

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động củaquá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộcvào bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũytrong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang quađiểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác)

 Khâu vi phân

Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độdốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhântốc độ này với độ lợi tỉ lệ Kd Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi đượcgọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân,Kd

trong đó các thông số điều chỉnh là:

Độ lợi tỉ lệ, Kp: giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn,

bù khâu tỉ lệ càng lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất

ổn định và dao động

Độ lợi tích phân, Ki: giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng

nhanh Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trongsuốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khitiến tới trạng thái ổn định

Độ lợi vi phân, Kd: giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm

đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệutrong phép vi phân sai số

Xét 1 hệ thống có sơ đồ khối như sau:

Hình 2 20: Sơ đồ khối của một hệ thống

Plant: đối tượng cần điều khiển

Controller: đưa tín hiệu điều khiển đối tượng, được thiết kế để hệ thốngđạt đáp ứng mong muốn

Biến e là thành phần sai lệch, là hiệu giữa giá trị tín hiệu vào mong muốn

và tín hiệu ra thực tế Tín hiệu sai lệch (e) sẽ đưa tới bộ PID, và bộ điều khiểntính toán cả thành phần tích phân lẫn vi phân của (e) Tín hiệu ra (u) của bộ điềukhiển bằng:

Lúc này đối tượng điều khiển có tín hiệu vào là (u), và tín hiệu ra là (Y).(Y) được hồi tiếp về bằng các cảm biến để tiếp tục tính sai lệch (e) Và bộ điềukhiển lại tiếp tục như trên

2.3.3.3 Đặc tính bộ điều khiển PID

Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảmchứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steadystate error)

Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làmgiảm tốc độ đáp ứng của hệ

Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cảithiện tốc độ đáp ứng của hệ

Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trongbảng sau:

Bảng 2: Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd