Nghiên cứu mô phỏng hoạt động cánh tay người

có file cad cho các bạn 1Tên đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu mô phỏng hoạt động cánh tay người 2. Các số liệu ban đầu: Sinh viên tham khảo tài liệu, thực tế và tự chọn. 3. Nội dung : a) Nội dung thiết kế và tính toán: Giới thiệu tổng quan Phương pháp và nội dung nghiên cứu Thiết kế kế cấu Thiết kế hệ thống điều khiển

Trang 1

Chương 1: Giới thiệu cánh tay robot cho người khuyết tật

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-

-KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Trần Công Bá

1Tên đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu mô phỏng hoạt động cánh tay người

2 Các số liệu ban đầu: Sinh viên tham khảo tài liệu, thực tế và tự chọn

3 Nội dung :

a) Nội dung thiết kế và tính toán:

- Giới thiệu tổng quan

- Phương pháp và nội dung nghiên cứu

- Thiết kế kế cấu

- Thiết kế hệ thống điều khiển

Trang 2

b) Bản vẽ:

- Bản vẽ nguyên lý: 2A0

- Bản vẽ kết cấu máy: 3A0

- Bản vẽ hệ thống điều khiển: 1A0

4 Ngày giao đề tài: 24/09/2016 Ngày hoàn thành: 20/12/2016

và nộp đồ án tốt nghiệp cho khoa

Ngày……tháng……năm 2016

Sinh viên ký tên

Chủ tịch hội đồng

Bảo vệ tốt nghiệp

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép củabất kì đồ án nào hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu mọihình thức kỷ luật của Khoa

Trang 4

Chương 1: Giới thiệu cánh tay robot cho người khuyết tật MỤC LỤC

Trang 5

Trang 6

Trang 7

Trang 8

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CÁNH TAY ROBOT CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT

1.1 Giới thiệu chương

Bằng cách áp dụng công nghệ vào các công việc như đi lại, ăn uống, ngườikhuyết tật có thể mở rộng khả năng hoạt động mà không bị lệ thuộc Tuy nhiên việcthực hiện các công việc sinh hoạt hằng ngày đối với người không tay vẫn còn nhiềurào cản lớn Trong khi đó, chi phí để lắp đặt một cánh tay giả hiện nay là quá tốnkém

Chương này sẽ liệt kê những cánh tay robot hiện có trên thị trường và nêu ragiải pháp thiết kế sản phẩm mới với độ linh hoạt cao và chi phí rẻ hơn

1.2 Cuộc sống của người không tay

Những người khuyết tật cánh tay thường do bẩm sinh dị dạng khi sinh ra hoặctai nạn Những người này thường không có tay hoặc mất đi một phần cánh tay, vìvậy, họ gặp rất nhiều khó khăn sinh hoạt trong cuộc sống Họ thường dùng những bộphận khác như các ngón chân để gắp hoặc cổ kết hợp với vai để kẹp và giữ các vật.Những giải pháp tạm thời này có thể giúp người khuyết tật có thể tự mình cầm nắm,

di chuyển các vật Nhưng về lâu dài, có thể dẫn tới những dị tật khác như cổ, vaicong, nghiêng vẹo, bàn chân các ngón cong, không đều Bên cạnh những khó khăn

đó, về phương diện thẩm mĩ, những người khiếm khuyết cánh tay thường rất ngại,thiệu tự tin khi đến ở những nơi đông người Do đó, có một cánh tay để cẩm nằmnắm, sinh hoạt dường như là ước mơ lớn nhất trong cuộc đời họ

Trang 9

1.3 Sản phẩm đã có trên thị trường

1.3.1 Cánh tay robot điều khiển Não

Cánh tay robot được điều khiển bằng điện toán não bộ, vốn là một thuậttoán máy tính cho phép chuyển sóng não thành câu lệnh chính xác Sau khi đã thínghiệm thành công trên khỉ, các nhà nghiên cứu chuyển sang cấy ghép hai thiết bị viđiện cực vào phần vỏ não trái điều khiển các cử động Người ta đã dùng một kỹ thuậtquét não trực tiếp, được gọi là chụp cộng hưởng từ (MRI), để tìm ra chính xác phầnnão có phản ứng sau khi nữ bệnh nhân bị bại liệt được yêu cầu nghĩ đến việc cử độngcánh tay Hai thiết bị vi điện cực được kết nối với cánh tay robot thông qua một máytính Hệ thống máy tính sau đó sẽ cho chạy một thuật toán phức tạp để chuyển sóngnão thành câu lệnh cho cánh tay robot Thuật toán này mô phỏng theo cách bộ nãođiều khiển cơ thể

Trang 10

1.3.2 Cánh tay robot điều khiển bằng cảm biến

Các vật liệu để tạo ra "bàn tay máy" này còn bao gồm nam châm đất hiếmdùng cho hệ thống điều khiển ngón, và hợp kim nhôm vốn được sử dụng trong ngànhcông nghiệp máy bay nhằm giúp cho bàn tay robot nhẹ hơn Các nhà nghiên cứu đãtạo ra một cấu trúc dựa trên kiến trúc bàn tay nhỏ thông thường và sau đó lắp các chitiết cơ khí vào nhằm tạo tính chính xác về mặt tổng thể

Trang 11

Hình 1.3: Bàn tay robot có thể chịu đựng được sức nặng lên đến 45kg

Đối với bàn tay robot này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng 337 chi tiết cơkhí để hình thành, và kích thước của nó cũng được thu nhỏ để phù hợp hơn với từngđối tượng, chủ thể được trang bị như phụ nữ, các bạn tuổi teen và những người đànông nhỏ con

Hình 1.4: Bàn tay "mô phỏng sinh học”

Trang 12

Mặc dù được lắp rất nhiều chi tiết cơ khí, nhưng tổng khối lượng của bàntay robot chế tạo vẫn chỉ vào khoảng 400g và có thể chịu được sức nặng lên đến45kg, nhờ được phát triển theo đúng cấu trúc bàn tay người nên sản phẩm hoạt độngkhá tốt, hỗ trợ 14 tư thế cầm nắm khác nhau Ngoài ra, bên trong bàn tay này đượclắp đặt nhiều cảm biến khác nhau để đọc các cử động cơ của người dùng, sau đó gửithông tin đến các motor trên ngón tay và bộ xử lý để điều khiển các ngón tay Bêncạnh đó, bàn tay robot này còn được gắn thiết bị có tính năng tự động cầm nắm, khiphát hiện một vật nào đó sắp tuột ra khỏi tay, thiết bị này sẽ gửi thông tin xử lý vàbàn tay sẽ nhanh chóng bắt kịp đồ vật để không bị rơi ra

1.4 Ý tưởng sản phẩm

Sản phẩm hiện có trên thị trường đều rất đắt đỏ, không phù hợp với mứcsống của đại đa số người khuyết tật Do đó, chúng em đã hình thành ý tưởng thiết kếcánh tay robot với giá thành rẻ, điều khiển đơn giản, gắn vào vị trí cánh tay bị khuyếttật, giúp họ điều khiền đôi tay robot của mình để cầm nắm các vật phục vụ cuộc sốngsinh hoạt hàng ngày Bàn tay năm ngón, sử dụng công nghệ in 3D

1.4.1 Sơ đồ khối hệ thống

Trang 13

Hình 1.5: Sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống được chia làm các khối: khối xử lý trung tâm, cảm biến Muscle,nguồn pin và chế độ hoạt động

Trang 14

1.4.2 Phương thức điều khiển cánh tay

Đối tượng sử dụng thiết bị này là những người khuyết tật mất khả năng điềukhiển hai tay hoặc cả hai tay và hai chân, dung tín hiệu cơ trên chính cánh tay củamình để điều khiển hoạt động của cánh tay nhân tạo Quá trình điều khiển cánh tayđược mô tả sau đây

Cảm biến Muscle được đặt trên cánh tay hoặc cẳng tay, khi người muốn thựchiện các hoạt động thì các cơ quy định hoạt động sẽ gửi tín hiệu điện về trung tâmđiều khiển thông qua cảm biến

hình….: vị trí các cơ trên cẳng tay

Tín hiệu nhận được từ cảm biến Muscle là tín hiệu analog Surface EMG đánh giá chức năng cơ bắp bằng cách ghi lại hoạt động cơ từ bề mặt trên cơ trên da Điện cực

bề mặt có thể chỉ cung cấp một đánh giá hạn chế của hoạt động cơ bắp Surface EMG

có thể được ghi lại bởi một cặp điện cực hoặc bởi một mảng phức tạp hơn nhiều điện cực Hơn một điện cực là cần thiết vì EMG ghi hiển thị sự khác biệt tiềm năng (điện

áp chênh lệch) giữa hai điện cực riêng biệt Hạn chế của phương pháp này là một thực tế rằng các bản ghi âm điện cực bề mặt bị hạn chế cơ hời hợt, bị ảnh hưởng bởi

Trang 15

độ sâu của các mô dưới da

1.4.3 Biểu đồ hoạt động

Bảng 1.1: Biểu đồ hoạt động

Biểu đồ hoạt động này cho thấy được dòng dữ liệu đi từ cảm biến đến bộ xử lýtrung tâm và đáp ứng của cánh tay như thế nào Khi người sử dụng muốn di chuyểncánh tay hay hoạt động các ngón tay,cảm biến sẽ đọc tín hiệu điện của các cơ Dữliệu số nhận được sẽ được xử lý và cấp tín hiều điều khiển cánh tay

Xử lí dữ liệu nhận được

Thực hiện các thao tác

Trang 16

cơ là một hoạt động ghi lại hoạt động điện của cơ.Khi cơ hoạt động sẽ sinh ra dòngđiện Dòng điện này thường tỉ lệ với mức độ hoạt động của cơ

Nguồn gốc của hầu hết các tín hiệu điện sinh học là sự thay đổi rất nhanh củađiện thế qua màng tế bào Cụ thể hơn, các tín hiệu điện sinh học phát sinh từ các điệnthế qua màng tế bào thay đổi theo thời gian có thể thấy ở các tế bào thần kinh hay ởcác tế bào cơ gồm cả cơ tim Cơ sở điện hóa của điện thế màng tế bào tồn tại dựa trên

2 hiện tượng : (1) màng tế bào có tính bán thấm, hay nói cách khác chúng có độ dẫn

và độ thấm khác nhau đối với các ion và phân tử khác nhau, và (2) màng tế bào cócác cơ chế bơm ion sư dụng năng lượng trao đổi chất (ví dụ ATP)

Có hai cách đo điện cơ: Đo điện bên trong cơ Một cây kim cắm xuyên qua da

và cơ cần đo.Cây kim này sẽ phát hiện hoạt động điện của cơ(giống như một điệncực) và Đo điện ở bề mặt da Đo điện cơ có một số đặc điểm thu hút

Tại sao chúng ta phải xử lý tín hiệu điện cơ vừa mới thu được, tín hiệu EMGchưa được xử lý sẽ cho những thông tin không có giá trị vì nó không chính xác do cóquá nhiều nhiễu can thiệp vào, đồng thời không thể giúp ta so sánh định lượng tínhiệu giữa các đối tượng - Nếu các điện cực bị dịch chuyển thì tín hiệu thu đượckhông thể giúp ta so sánh được định lượng trong cùng một đối tượng

Tín hiệu nhận về sẽ được cảm biến đọc , đây là tín hiệu thô chưa qua xử lý.quátrình xử lý tín hiệu thô này thông qua các bước sau: -Chưa qua xử lý -Chỉnh lưu -Lọc– chuyển đổi sang digital

EMG chưa qua xử lý

• Tín hiệu chưa qua xử lý có:

◦ Biên độ từ 0-6 mV

Trang 17

◦ Loại bỏ đi dải tín hiệu không được chọn, thường rất hẹp

◦ Với tín hiệu EMG thông thường là từ 59-61 Hz

◦ Sử dụng để loại bỏ nhiễu điện 60Hz

◦ Nhưng ngoài ra còn bỏ đi dữ liệu đúng

◦ Có quá nhiều nhiễu nên bộ lọc sẽ không có giá trị

• Lọc thông thấp

◦ Cho những tần số đặc biệt đi qua

◦ Thường đặt trong khoảng 20-300Hz

◦ Bộ lọc gồm cả lọc 60Hz nó chứa cả nhiễu thiết bị

Vị trí đặt cảm biến:

Trang 18

1.6 Kết luận chương

Có thể thấy, những người khuyết tật cánh tay gặp rất nhiều khó khăn trongcuộc sống Những sản phẩm cánh tay giả hiện có trên thị trường được thiết kế nhỏgọn, linh hoạt nhưng giá thành cao, rất khó khăn để những người tàn tật có thể tiếpcận cánh tay mơ ước của mình Ý tưởng thiết kế sản phẩm mới với giá thành rẻ hơn,các thao tác của cánh tay linh hoạt là một hướng đi mới giúp người khuyết tật có đủđiều kiện để sở hữu cánh tay mơ ước của mình

Trang 19

Chương 2: Các module chức năng

CHƯƠNG 2

CÁC MODULE CHỨC NĂNG 2.1 Giới thiệu chương

Chương này giới thiệu về các module chức năng được sử dụng trong đồ án,gồm có: vi điều khiển Arduino Uno R3, cảm biến gia tốc Muscle V3, động cơ servo.Các đặc điểm được mô tả như: sơ đồ chân, các chức năng của từng chân và nguyên líhoạt động của nó

2.2 Vi điều khiển Arduino Uno

2.2.1 Tổng quan

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.+ Vi điều khiển: ATmega382 họ 8bit

+ Số chân Dugital I/O: 14( 6 chân PWM)

+ Số chân Analog: 6( độ phân giải 10 bit)

+ Dòng tối đa trên mỗi chân: 30 mA

+ Bộ nhớ Flash: 32kb

+ SRam: 2kb

+ EEPROM: 1kb

Trang 20

2.2.2 S đ chân ơ đồ chân ồ chân

Hình 2.1: Sơ đồ chân Arduino UNO R3

2.2.3 Sơ đồ khối chức năng

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng

Trang 21

2.2.4 Ngoại vi ADC10

2.2.4.1 Giới thiệu

ADC10 là module hỗ trợ chuyển đổi nhanh tín hiệu tương tự sang số 10-bit.Gồm các tính năng như sau:

+ Tốc độ chuyển đổi lên đến 200-ksps

+ Lấy mẫu và giữ mẫu có thể lập trình theo chu kì

Hình 2.4: Sơ đồ khối ADC10

+ Bắt đầu chuyển đổi bằng phần mềm hoặc Timer_A

Trang 22

+ Nguồn điện áp tham chiếu on-chip có thể chọn lựa bằng phần mềm

+ Có thể chọn lựa bằng phần mềm điện áp tham chiếu nội hoặc ngoại

+ Lên đến 8 kênh đầu vào

+ Có thể chọn nguồn clock chuyển đổi

+ Chế độ đơn kênh, đơn kênh lặp lại, chuỗi kênh và chuỗi kênh lặp lại

2.2.4.2 Nhân ADC 10-BIT

Hình 2.5: Thanh ghi ADC10CTL0

Nhân ADC10 chuyển đổi một tín hiệu vào tương tự sang số 10-bit lưu kết quảvào thanh ghi ADC10MEM Nhân ADC10 sử dụng 2 mức điện áp có thể lập trình

là VR+ và VR- để định nghĩa giới hạn trên và dưới của quá trình chuyển đổi Thayđổi các bit SREFx(bit 15-13) trong thanh ghi ADC10CTL0 để lựa chọn điện áptham chiếu mong muốn

Ngõ ra số (NADC) lớn nhất (03FFh) khi tín hiệu vào bằng hoặc lớn hơn VR+,

và bằng không (0000h) khi tín hiệu vào bằng hoặc thấp hơn VR- Công thức chuyểnđổi kết quả ADC10 là:

N ( ADC)= 1023∗Vin−V

V +−V (2.1)Nhân ADC10 được thiết lập bởi hai thanh ghi điều khiển là ADC10CTL0 vàADC10CTL1 Nhân ADC10 được cho phép bởi bit ADC10ON Một số bit điều khiểnADC10 chỉ có thể được điều chỉnh khi bit ENC=0 BIT ENC phải được set lên 1trước khi bắt đầu quá trình chuyển đổi Các kênh đầu vào được lựa chọn bởi các bitINCHx (bit 15-12) trên thanh ADC10CTL1

Trang 23

2.2.4.3 Lựa chọn clock chuyển đổi

ADC10CLK được dùng là clock chuyển đổi và tạo ra chu kì lấy mẫu Nguồnclock ADC10 được lựa chọn bằng cách thiết lập BIT ADC10SSELx và có thể đượcchia từ 1 đến 8 bằng BIT ADC10DIVx Nguồn clock ADC10CLK có thể là SMCLK,MCLK, ACLK và bộ dao động nội ADC10OSC

Hình 2.6: Thanh ghi ADC10CTL1

Người sử dụng phải đảm bảo rằng nguồn xung clock được chọn choADC10CLK phải hoạt động cho đến khi sự chuyển đổi kết thúc Khi nguồn cấp xung

bị mất trong khi quá trình chuyển đổi đang diễn ra thì sự chuyển đổi sẽ không hoànthành và kết quả sẽ bị lỗi

2.2.4.4 Thời gian lấy mẫu và chuyển đổi

Một chuyển đổi ADC bắt đầu khi có một xung sườn lên của tín hiệu vào lấymẫu SHI SHI được chọn bởi bit SHSx từ các nguồn:

+ ADC10SC

+ Timer_A 1

+ Timer_A 0

+ Timer_A 2

Trang 24

Hình 2.7: Thời gian chuyển đổi

Cực tính của nguồn tín hiệu SHI có thể bị đảo ngược bởi bit ISSH BitADC10SHTx (bit 12-11) trong thanh ghi ADC10CTL0 lựa chọn chu kỳ lấy mẫut_sample có thể là 4, 8, 16, hoặc 64 lần ADC10CLK Bộ định thời lấy mẫu thiết lậptính hiệu SAMPCON ở mức cao cho việc lựa chọn chu kì lấy mẫu sau khi đồng bộvới ADC10CLK Tổng thời gian lấy mẫu là t_sample + t_sync Sự chuyển đổi từ caoxuống thấp của tín hiệu SAMPCON là bắt đầu chuyển đổi ADC, yêu cầu 13ADC10CLK cycles

Khi SAMPCON = 0, tất cả ngõ vào Ax có trở kháng cao Khi SAMPCON = 1,thì ngõ vào Ax giống như một mạch lọc RC thông thấp trong khoảng thời gian lấymẫu tsample

Hình 2.8: Mạch tương đương ngõ vào Analog

VI: điện áp vào tại chân Ax VS:

Trang 25

điện áp nguồn bên ngoài RS:

điện trở ngoài

RI: điện trở trong MUX-on (max 2kΩ) )

CI: điện dung ngõ vào (max 27 pF)

VC: điện áp nạp điện dung

RS và RI ảnh hưởng đến thời gian lấy mẫu tsample như sau:

t_sample > (RS + RI).ln (211).CI (2.2)

2.2.4.5 Các chế độ chuyển đổi

ADC10 có 4 chế độ hoạt động chuyển đổi và được chọn bởi các bit

CONSEQx

Bảng 2.1: Các chế độ chuyển đổi ADC10

00 Single channel single-

conversion

Chuyển đổi 1 kênh, 1 lần

01 Sequence-of-channels Chuyển đổi 1 chuỗi kênh, 1

lần

10 Repeat single channel Chuyển đổi 1 kênh, lặp lại

11 Repeat sequence-of-channels Chuyển đổi 1 chuỗi kênh, lặp

lạiChuyển đổi 1 kênh, 1 lần: kênh được chọn bởi các bit INCHx được lấy mẫu vàchuyển đổi 1 lần Kết quả được lưu vào ADC10MEM Bit ADC10SC được set sẽkích hoạt một quá trình chuyển đổi

Chuyển đổi 1 chuỗi kênh, 1 lần: quá trình chuyển đổi bắt đầu từ kênh đượcchọn bởi các bit INCHx và giảm đến kênh A0 Mỗi kết quả chuyển đổi được lưu vàoADC10MEM Quá trình chuyển đổi chuỗi kênh kết thúc sau khi chuyển đổi xongkênh A0

Trang 26

Chuyển đổi 1 kênh, lặp lại: một kênh được chọn bởi bit INCHx sẽ được lấymẫu và chuyển đổi liên tục Kết quả chuyển đổi được lưu vào ADC10MEM

Chuyển đổi 1 chuỗi kênh, lặp lại: một chuỗi kênh được lấy mẫu và chuyển đổiliên tục Bắt đầu từ kênh được chọn bởi bit INCHx và kết thúc ở kênh A0 Sau khichuyển đổi kênh A0 hoàn tất, quá trình lặp lại như ban đầu

2.2.4.6 Ngắt ADC10

ADC10 có một vector ngắt ADC10IFG được set mỗi khi kết quả chuyển đổiđược lưu vào ADC10MEM Khi cả 2 bit GIE và ADC10IE được set, khi đó cờ ngắtADC10IFG sẽ sinh ra một yêu cầu ngắt Cờ ngắt ADC10IFG được reset sau mỗi lầnyêu cầu ngắt được phục vụ và có thể được reset bởi phần mềm

2.3 Cảm biến Muscle V3

2.3.1 Tổng quan

- Muscle V3 là một sản phẩm của ADVANCER TECHNOLOGIES, đo lường hoạt động cơ bằng cách phát hiện tiềm năng điện của nó, gọi là điện cơ (EMG), được sử dụng cho nghiên cứu y học Tuy nhiên, với sự ra đời của vi điều khiển mạnh mẽ hơn và mạch tích hợp, mạch EMG và cảm biến đã tìm thấy con đường của họ vào tất cả các loại hệ thống điều khiển.

+ Kích thước: 1ich x 1inch

Trang 27

Hình 2.9: Muscle sensor V3.+ Điện áp vận hành : nguồn đôi 18V

+ Biến đổi tín hiệu với bộ lọc thông thấp

Trang 28

Trang 29

2.4 IC nguồn MIC24056.

IC24056 có tần số là một hằng số, hoạt động trong phạm vi điện áp từ 4.5Vđến 19V Có mạch phát tuyến tính 5V cung cấp cho việc điều khiển mạch nội bộ.MIC24056 hoạt động ở tần số chuyển mạch cố định 600khz trong trạng thái dẫn liêntục, có và thể sử dụng để cung cấp dòng lên tới 12A ở ngõ ra Điện áp ngõ ra có thểđiều chỉnh xuống 0.8V

Hình 2.12: Mạch IC nguồn MIC24056

Trang 30

2.5 Động cơ servo

2.5.1 Giới thiệu

Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở, ta cấp điện đểđộng cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơbước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được Việc thiết lậpmột hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động

cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng

Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín.Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vậntốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăncản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạtđược vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt đượcđiểm chính xác

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếumáy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay

và xe hơi Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với cácđộng cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi

Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servoR/C (radio- controlled) Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điềukhiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi Động

cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này Như vậy có nghĩa là ta không cần phải điềukhiển robot bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng một động cơ servo, trừ khi tamuốn thế Ta có thể điều khiển động cơ servo bằng máy tính, một bộ vi xử lý haythậm chí một mạch điện tử đơn giản dùng IC 555

Trang 31

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu động cơ servo R/C là gì, sử dụng chúng trongrobot như thế nào Mặc dù còn có nhiều loại động cơ servo khác nhưng động cơ servoR/C được sử dụng nhiều nhất Để đơn giản ta gọi động cơ servo R/C là servo

2.5.2 Hoạt động của servo

Trang 32

Hình 2.14: Bên trong của một động cơ servo R/C

Servo bao gồm một động cơ, một chuỗi các bánh răng giảm tốc, một mạchđiều khiển và một vôn kế Động cơ và vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thànhmạch hồi tiếp vòng kín Cả mạch điều khiển và động cơ đều được cấp nguồn DC(thường từ 4.8 – 7.2 V)

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

2.5.3 Servo và điều biến độ rộng xung

Trục của động cơ servo R/C được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độ

Trang 33

rộng xung (PWM) Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổnđịnh Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biếnđổi từ 1 – 2ms Các xung này được gởi đi 50 lần/giây Chú ý rằng không phải số xungtrong một giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung Servo đòi hỏi khoảng

30 – 60 xung/giây Nếu số này qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽgiảm

Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử làchiều kim đồng hồ như Hình 3

Hình 2.15: Điều khiển vị trí của trục ra của động cơ bằng cách điều chế

độ rộng xungVới độ dài xung xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại Kỹ thuật này cònđược gọi là tỉ hệ số chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển

Công suất cung cấp cho động cơ bên trong servo cũng tỉ lệ với độ lệch giữa vịtrí hiện tại của trục ra với vị trí nó cần đến Nếu servo ở gần vị trí đích, động cơ được

Trang 34

truyền động với tốc độ thấp Điều này đảm bảo rằng động cơ không vượt quá điểmđịnh đến Nhưng nếu servo ở xa vị trí đích nó sẽ được truyền động với vận tốc tối đa

để đến đích càng nhanh càng tốt Khi trục ra đến vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc.Quá trình tưởng chừng như phức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn, mộtservo trung bình có thể quay 60O trong vòng ¼ - ½ giây

Vì độ dài xung có thể thay đổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo vàmáy thu vô tuyến thuộc cùng một hãng để đảm bảo sự tương thích Đối với robot, taphải làm một vài thí nghiệm để xác định độ dài xung tối ưu

2.5.4 Vai trò của Vôn kế

Vôn kế trong servo giữ vai trò chính trong việc cho phép định vị trí của trục ra.Vôn kế được gắn vào trục ra (trong một vài servo, Vôn kế chính là trục ra) Bằngcách này, vị trí của Vôn kế phản ánh chính xác vị trí trục ra của servo Ta đã biết Vôn

kế hoạt động nhờ cung cấp một điện áp biến thiên cho mạch điều khiển Khi cần chạybên trong Vôn kế chuyển động, điện thế sẽ thay đổi

Mạch điều khiển trong servo so sánh điện thế này với độ dài các xung số đưavào và phát “tín hiệu sai số” nếu điện thế không đúng Tín hiệu sai số này tỉ lệ với độlệch giữa vị trí của Vôn kế và độ dài của tín hiệu vào Mạch điều khiển sẽ kết hợp tínhiệu sai số này để quay động cơ Khi điện thế của Vôn kế và độ dài các xung số bằngnhau, tín hiệu sai số được loại bỏ và động cơ ngừng

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	2,71 MB
File đính kèm	hao.rar (2 MB)