Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay

Để đánh giá kết quả học tập trong toàn khoá học tôi được giao đề tài luận văn tốt nghiệp: “Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay” Trong quá trình phát triển của ngàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 TS Nguyễn Phan Kiên

Lời Cam Đoan

Tôi là PHẠM QUỐC ANH, học viên cao học lớp Kỹ Thuật Y Sinh khóa 2013 -

2015 Thầy giáo hướng dẫn là TS Nguyễn Phan Kiên

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn nay là kết quả tìm hiểu và nghiên cứu của riêng tôi, trong quá trình nghiên cứu đề tài

“Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay” Các kết quả và dữ liệu được nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và rõ ràng Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này

Hà nội, ngày 25 tháng 9 năm 2015

Học viên

Phạm Quốc Anh

Mục Lục

Lời Cam Đoan 2

Mục Lục 3

Danh mục ký hiệu và viết tắt 5

Danh mục hình vẽ 6

Danh mục bảng biểu 7

Mở Đầu 8

Chương 1: Tổng quan về điều khiển mô phỏng chuyển động cơ thể 10

1.1 Định nghĩa về mô phỏng và điều khiên mô phỏng: 10

1.2 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh 11

1.2.1 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay trên thế giới 12

1.2.2 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay ở Việt Nam 13

Chapter 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay 15

2.1 Cánh tay và chuyển động của các bộ phận trên cánh tay 15

2.1.1 Cấu tạo cánh tay 15

2.1.2 Chuyển động của các phần trên cánh tay 17

2.2 Cảm biến ghi nhận chuyển dộng 17

2.2.1 Cảm biến biến dạng, cảm biến dịch chuyển 19

2.2.2 Cảm biến gia tốc góc 21

2.3 Giải thuật xử lý dữ liệu và lý thuyết điều khiển 25

2.3.1 Giải thuật xử lý dữ liệu: 26

2.3.2 Lý thuyết điều khiển 27

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng cho cánh tay 29

3.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay 29 3.2 Khối cảm biến và nhận dạng chuyển động- Bộ cảm biến biến trở trượt và

3.2.1 Bộ cảm biến biến trở thanh trượt 30

3.2.2 Cảm biến gia tốc góc/ la bàn MPU6050 32

3.3 Khối xử lý- Arduino Uno 37

3.3.1 Thông số của Arduino UNO R3 38

3.3.2 Chương trình điều khiển: 44

Chương 4: Kết quả và Bàn luận 53

Tài Liệu tham khảo 56

Phụ Lục 57

Danh mục ký hiệu và viết tắt

I2C Interfacing Intergrated Circuit

Danh mục hình vẽ Hình 1-1 Minh họa cho hệ thống mô phỏng lắp ráp máy cơ khí và hệ

thống mô phỏng chuyển động cánh tay trên máy tính

11

Hình 1-2 Bên trái: Cánh tay 22 dùng cho người khuyết tật với 22 bậc

tự do Bên phải: Myo Gesture control band của Myo, Mỹ

13

Hình 3-1 Sơ đồ khối của Hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động

cánh tay

30

Hình 3-3 Nguyên lý hoạt động của biến trở 1 là vị trí của thanh biến

trở, 2 là vị trí của con chạy trên biến trở

31

Hình 3-4 Trạng thái của ngón tay và trạng thái tương ứng của con

chạy biến trở

32

Hình 4-1 Các cử động mô phỏng qua cơ cấu chấp hành của ngón tay

giữa

53

Danh mục bảng biểu

Bảng 1-biểu diễn phạm vi góc hoạt động các khớp của chi trên 18

Mở Đầu

Trong giai đoạn phát triển như vũ bão của công nghệ điện tử y sinh nói chung và chuyên ngành cơ sinh nói riêng, ngành cơ sinh Việt Nam đứng trước rất nhiều thời cơ vận hội và thách thức mới trên con đường hội nhập với nền kinh tế thế giới Để đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội nhằm bắt kịp bước tiến của khoa học

kỹ thuật đòi hỏi đội ngũ các nhà khoa học, cán bộ kỹ thuật và công nhân lành nghề phải không ngừng nghiên cứu, học tập nâng cao trình độ để kịp thời tiếp cận làm chủ các kiến thức khoa học kỹ thuật hiện đại và công nghệ tiên tiến Các khoá đào tạo thạc sỹ tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nhằm đào tạo những cán bộ khoa học có trình độ cao để tiếp thu và làm chủ kỹ thuật hiện đại để phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy Để đánh giá kết quả học tập trong toàn khoá học tôi được giao đề tài luận văn tốt nghiệp: “Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay” Trong quá trình phát triển của ngành điện tử y sinh, lĩnh vực cơ sinh đang phát triển hết sức nhanh chóng, nhiều mặt của cuộc sống với nhiều mức, nhiều quy mô và công nghệ hiện đại, tiên tiến nhằm đáp ứng được nhu cầu của xã hội hiện nay Trong đó phải kể đến sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhất là sự ra đời của các hệ thống điều khiển mô phỏng thông minh đã tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của nền kỹ công nghệ có tính chất tự động hoá cao, đã dần thay thế sức lao động của con người đồng thời hiệu quả của nó đem lại cho cuộc sống là rất lớn Hiện nay sự xuất hiện của các cơ cấu điều khiển Robot trong đời sống sinh hoạt

đã trở nên phổ biến Chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vục khác nhau, đặc biệt nổi lên hiện nay là trong ứng dụng điều khiển thực tại ảo và các ứng dụng điều khiển mô phỏng chuyển động cơ thể con người Chúng đóng vai trò quan trọng, chúng vừa đảm bảo độ chính xác vừa đảm bảo tính tin cậy và an toàn mà với con người hay những máy móc thông thường khó có thể đạt được Đồng thời nó có thể thay thế con người làm việc trong những môi trường độc hại, nơi con người khó

có thể đặt chân tới như vũ trụ Nói chung, ứng dụng điều khiển dựa vào chuyển động

cơ thể là một mảng công nghệ rất hứa hẹn, vì vậy mà trong tương lai đây sẽ là nhân

tố rất tiềm năng trong sự phát triển của các cuộc sống hiện đại Do vậy việc nghiên cứu các vấn đề về mô phỏng chuyển động mang tính thời sự Để nghiên cứu và thiết

kế hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cho cánh tay bằng sử dụng cảm biến biến trở trượt và cảm biến la bàn trên nền Arduino, luận văn của tôi gồm bốn chương: Chương 1: Giới thiệu chung về mô phỏng chuyển động của cơ thể Chương 2: Cơ sở lý thuyết về cảm biến và điều khiển, Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng cho cánh tay Chương 4: Kết quả và Bàn luận Trong luận văn này, tác giả tập trung chính vào mô phỏng vị trí chuyển động của cánh tay Đề tài đã được hoàn thành đúng thời hạn dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Phan Kiên – Giảng viên Viện Điện Tử - Viễn Thông - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các bạn đồng nghiệp cùng sự nỗ lực của bản thân Tôi xin chân thành cảm

ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy giáo, cô giáo thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn Vì nhiều điều kiện khách quan và khả năng của bản thân, luận văn hoàn thành chắc chắn còn thiếu sót Rất mong sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Chương 1: Tổng quan về điều khiển mô phỏng chuyển động cơ thể

1.1 Định nghĩa về mô phỏng và điều khiên mô phỏng:

Mô phỏng là việc nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó hiểu được hệ

thống thực, mô phỏng là tiến hành thử nghiệm trên mô hình Đó là quá trình tiến hành nghiên cứu trên vật thật nhân tạo, tái tạo hiện tượng mà người nghiên cứu cần

để quan sát và làm thực nghiệp, từ đó rút ra kết luận tương tự vật thật Ta có thể thực hiện việc mô phỏng từ những phương tiện đơn giản như giấy, bút đến các nguyên vật liệu tái tạo lại nguyên mẫu (mô hình bằng gỗ, nhựa, sợi thủy tinh…) kết hợp với việc đo đạc đánh giá với mô hình trên máy tính, cũng như các thiết bị đo đạc chuyên dụng

Hình 1-1 Minh họa cho hệ thống mô phỏng lắp ráp máy cơ khí và hệ thống mô

phỏng chuyển động cánh tay trên máy tính

Điều khiển mô phỏng sử dụng mô tả tham số đầu vào, mô hình của hệ thống

thực ở dạng tín hiệu điện tương tự hoặc số để ứng dụng trong điều khiển một hệ thống xác định Điều khiển mô phỏng thường được sử dụng rất có hiệu quả để nghiên cứu trạng thái động của nguyên mẫu trong những điều kiện nếu nghiên cứu trên vật thật sẽ khó khăn, tốn kém và không an toàn Điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay là điều khiển sử dụng tham số đầu vào hoặc các mô hình của cánh tay

ở dạng tín hiệu điện để điều khiển đặc tả cơ cấu chấp hành theo một chuyển động

nào đó của cánh tay Điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay là một mảng nhỏ trong điều khiển mô phỏng sinh học Bên cạnh việc mô tả hình dáng bên ngoài của cánh tay, các nhà khoa học hiện nay còn sử dụng phương pháp trích xuất đặc trưng chuyển động của cánh tay thông qua đặc trưng tín hiệu EMG hoặc EEG tương ứng với cử động Đó không chỉ là một phương pháp tiếp cận mới mà còn là một cách tiếp cận vô cùng khoa học, đi thẳng vào vấn đề của điều khiển là thực hiện các lệnh theo ý của người điều khiển

Thực tế, mô phỏng là một dạng tạo hiệu ứng, truyền sinh khí và chuyển động cho những đối tượng khô khan Mô phỏng chuyển động cánh tay và tính hiệu của cánh tay là xu hướng phát triển mới của điều khiển học hiện đại, hiện đã và đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực Nó góp phần không nhỏ trong quá trình tối ưu hóa các thao tác trong khi khai thác vận hành, sử dụng các hệ thống Thay vì việc sử dụng cơ chế điều khiển bằng bàn phím thông thường, người điều khiển có thể áp dụng ngay những cử động của mình vào việc xử lý công việc một cách đa dạng hơn Tuy là phương pháp mới với nhiều ưu điểm nhưng do là công nghệ ra đời sau nên việc điều khiển sử dụng mô phỏng chuyển động cánh tay vẫn còn rất nhiều điểm tồn tại cần nghiên cứu thêm so với công nghệ panel điều khiển hoặc bảng điểu khiển sử dụng nút bấm vốn đã có lịch sử phát triển hàng trăm năm

Trong lĩnh vực cơ sinh, việc thiết kế hệ thống điều khiển có ứng dụng mô phỏng kết hợp cơ cấu chấp hành sẽ tạo cho sinh viên nhiều kỹ năng như: khả năng hoạt động quan sát (các hình ảnh tĩnh hoặc động), khả năng thao tác trên đối tượng, khả năng tự do phát triển tư duy, lựa chọn con đường tối ưu để nhận thức và phát triển các hệ thống mới dựa trên hệ thống điều khiển thế hệ trước

1.2 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh

Các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động hiện nay được ứng dụng rất

các trường đại học, trong các ngành như xây dựng, công nghiệp nhẹ, và đặc biệt là trong y học Các đột phá trong việc xử lý các tín hiệu y học đã tạo tiền đề cho việc phát triên các phương thức mô phỏng rất chính xác và có khả năng đáp ứng cao với nhiều điều kiện hoạt động

1.2.1 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay trên thế giới

Thế giới không còn quá xa lạ với các công nghệ điều khiển học và tự động dựa vào sự mô phỏng sinh học các trạng thái của con người Điển hình là tại Mỹ, năm 2012, TS Nitish Thakor cùng nhóm đồng sự đã tiến hành nghiên cứu, phát triển và cho ra đời sản phẩm là cánh tay thay thế cho người khuyết tật với 22 bậc tự

do được điều khiển dựa trên tín hiệu thần kinh của con người Với cách tiếp cận trực tiếp tín hiệu điện não đồ EEG và xử lý chúng dựa trên nền tảng VSLI, hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động này của TS Thakor và các đồng sự tại Khoa Y Sinh trường ĐH John Hopkins đã cho thấy sự tiềm năng, cũng như tính hiệu quả khi khai thác triệt để các thành tựu của các ngành cơ sinh, xử lý tín hiệu trên đối tượng

xử lý là tín hiệu sinh học Bên cạnh đó cơ cấu chuyển động mô phỏng cánh tay này cũng được đánh giá là có độ tin cậy cao khi thực hiện các động tác mô phỏng chuyển động của cánh tay thật

Hình 1-2 Bên trái: Cánh tay 22 dùng cho người khuyết tật với 22 bậc tự do Bên

phải: Myo Gesture control band của Myo, Mỹ

Bên cạnh ứng dụng dành cho ngành y tế, các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động còn có giá trị rất lớn trong lĩnh vực thực tại ảo Điển hình là sản phẩm Myo Gesture Control Armband của Hãng Myo – Mỹ Là sản phẩm khai thác tín hiệu sEMG – tín hiệu điện cơ bề mặt, Myo Gesture Control Armband đo đạc và trích xuất các đặc trưng tín hiệu sEMG trong các chuyển động cánh tay, qua đó phân tích và xử lý các tín hiệu này để thực hiện các lệnh thao tác đã được lập trình trước Thiết bị này có khả năng tương thích rất cao với các loại smart TV, smart phone Với nền tảng giao tiếp Bluetooth Smart và công nghệ cảm biến Medical Grade EMG stainless steel – công nghệ cảm biến EMG y tế sử dụng điện cực sắt không gỉ, Myo Gesture Control Armband có thể thực hiện các công việc thay thế cho hầu hết các bộ điều khiển không dây có thể kết nối đến máy tính, điện thoại thông minh và máy tính bảng

Trên đây chỉ 2 là 2 ví dụ tiêu biểu về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay trên thế giới Các sản phẩm này đã đánh dấu bước tiến mạnh

mẽ của công nghệ nhận diện tín hiệu sinh học trong lĩnh vực điều khiển

1.2.2 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay ở Việt Nam

Tại Việt Nam, các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay vẫn chưa thực sự phát triển mạnh Có thể điểm đến một số nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu như cánh tay cứu hộ các tai nạn công trình của Nghiên Cứu Sinh – Thạc

sỹ Đào Mạnh Hùng công bố năm 2012, cánh tay cứu hộ này hoạt động dựa trên các cảm biến gia tốc nhằm mô phỏng lại chuyển động của cánh tay Sử dụng động cơ thủy lực trong cơ cấu chấp hành để nâng các vật nặng, và cơ cấu kẹp cang cua để giữ các vật nặng này Bên cạnh đó là các nghiên cứu của các nhóm sinh viên chuyên ngành điện tử Tử Y sinh của các trương đại học Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa Đà Nẵng khi nghiên cứu và mô phỏng các tín hiệu sEMG và EEG để thực hiện mô phỏng chuyển động của cánh tay như nghiên cứu “thiết kế mô hình điều khiển cánh

Phương và Phạm Quốc Anh,v.v.… Các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu sơ khởi, các cơ cấu chấp hành còn nhiều thiết sót trong mô tả chuyển động, tốc độ phản hồi, tốc độ xử lý của hệ thống xử lý còn thấp và chưa cao Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu này đều rất tiềm năng nếu được đầu tư và phát triển đúng hướng

Trên đây là vài nét về điều khiển mô phỏng cơ thể con người và sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động của cánh tay Ta thấy được sự phong phú trong các tiếp cận của các nhóm phát triển, tham số điều khiển có thể là tín hiệu sEMG, EEG sinh ra trong quá trình chuyển động của cánh tay như cách tiếp cận của Hãng Myo, có thể là các giá trị góc của cánh tay trong quá trình vận động như cách tiếp cận của cánh tay cứu hộ Qua đó ta có thể thấy sự tiềm năng của các công nghệ mô phỏng thông qua các ứng dụng đa dạng mà chúng có thể đóng góp đối với cuộc sống của chúng ta

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động

cánh tay

Với phương pháp tiếp cận là xác định độ biến dạng hình dáng của ngón tay trong các cử động co-duỗi và sự thay đổi về vị trí dẫn đến sự thay đổi về góc của cánh tay trong các chuyển động nhằm mô phỏng lại chuyển động của cánh tay Trong Chương 2 này, nội dung chính đề cập đến các vấn đề là cánh tay của con người, cảm biến thu nhận tín hiệu của chuyển động cánh tay và thuật toán được dùng cho vi điều khiển mô phỏng lại chuyển động cánh tay thông qua tín hiệu thu nhận được từ cảm biến

2.1 Cánh tay và chuyển động của các bộ phận trên cánh tay

2.1.1 Cấu tạo cánh tay

Cánh tay hay chi trên là bộ phận linh hoạt nhất của con người Chi trên chịu trách nhiệm cho hầu hết mọi hoạt động trong cuộc sống hàng ngày Chi trên được chia làm 3 phần : Cánh tay, cẳng tay và bàn tay

Hình 2-1 Cấu tạo xương cánh tay

Cánh tay là phần nối của chi trên với vai Cấu tạo gồm 1 xương lớn là xương cánh tay Đầu nối với vai có cấu tạo giống như 1 khớp động dạng khớp tròn xoay Khớp động này có thể tạo 1 góc xoay 3 chiều rất linh hoạt lên tới 142 0

Cẳng tay là phần nối giữa cánh tay và bàn tay Cấu tạo gồm 2 xương chính là xương quay và xương trụ 2 xương này được nối với nhau bởi màng gian cốt Cấu tạo của cẳng tay khá đắc biệt cho phép cẳng thay thực hiện động tác xoay quanh trục là xương trụ Giới hạn xoay của cẳng tay quanh trục xương trụ lên tới 770

Hình 2-2 Cấu tạo xương cẳng tay

Bàn tay là phần cuối cùng của cánh tay, gồm 5 ngón tay Trong đó, chỉ trừ ngón cái có 2 xương phụ trách chuyển động, các ngón khác đều có 3 xương phụ trách chuyển động Chuyển động của 5 ngón tay này phối hợp tạo thành các thao tác

vô cùng tinh vi và phức tạp như cầm, nắm, bấm,v.v…

Hình 2-3 Cấu tạo xương bàn tay

2.1.2 Chuyển động của các phần trên cánh tay

Bảng 1-biểu diễn phạm vi góc hoạt động các khớp của chi trên

Tên của hoạt động – Loại khớp tương ứng Phạm vi góc trung bình

6 Xoay cẳng tay – Khớp cẳng tay (khớp động) 770

7 Xoay cánh tay – Khớp vai ( khớp động) 1420

2.2 Cảm biến ghi nhận chuyển dộng

Trong các hệ thống điều khiển sử dụng lý thuyết điều khiển hiện đại, cảm biến đóng vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp giá trị đầu vào cho hệ thống Qua đó cảm biến là các thiết bị nhằm đo đạc các tín hiệu Cảm biến ghi nhận những trạng thái hay quá trình biến dạng dọc của bề mặt ngón tay trong quá trình co duỗi ngón, cũng như trạng thái và quá trinh thay đổi của giá trị góc trên cánh tay; và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó[1]

.Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của chuyển động, phục vụ cho quá trình xác định đầu vào cho chương trình xử lý đã được viết sẵn để

mô tả chuyển đông theo thời gian thực

Hình 2-4 Mô tả nguyên lý làm việc chung của cảm biến

Do ngón tay là khu vực cơ thể có diện tích bề mặt tiếp xúc nhỏ nên việc lựa chọn cảm biến gặp nhiều hạn chế Đa phần các cảm biến có sẵn thường có kích thước lớn hơn bề mặt tiếp xúc của ngón tay Bên cạnh đó, sự không đồng nhất về kích thước của ngón tay cũng làm tăng thêm sự hạn chế này Đó chính là lý do, ta cần sử dụng 2 loại cảm biến khác nhau cho 2 đối tượng đo là ngón tay và cánh tay Với ngón tay, ta sử dụng cảm biến biến dạng và cánh tay sử dụng cảm biến đo góc hoặc cảm biến la bàn

Hình 2-5 So sánh bề mặt tiếp xúc của ngón tay và cẳng tay

Tín hiệu điện

2.2.1 Cảm biến biến dạng, cảm biến dịch chuyển

Đối với các cử động ngón tay cảm biến biến dạng có thể coi là một trong số những phương pháp hiệu quả để mô phỏng chuyển động của ngón tay Khi ngón tay chuyển động, sự biến đổi diện tích trên bề mặt da do sự đàn hồi, yêu tố đó hoàn toàn

có thể là cơ sở để thiết kế một cảm biến Bằng cách đo biến dạng và chuyển đổi chúng thành tín hiệu ta có thể tính được sự thay đổi về diện tích, qua đó xác định được chuyển động của ngón tay Trong nghiên cứu này, ta tạm bỏ qua các biến dạng vuông góc với chuyển động của ngón tay mà chỉ chú ý đến biến dạng dọc – biến dạng dọc theo chuyển thay đổi của chuyển động.Khi đó ta có biến dạng ε: là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước (Δl) và kích thước ban đầu (l)

(2.1)

Do biến dạng bề mặt da là biến dạng đàn hồi, nên việc duy trì cơ cấu đo đảm bảo tính đàn hồi hoặc tự phục hồi trạng thái ban đầu là việc vô cùng quan trọng Yêu cầu này đảm bảo cho việc xác định chính xác giá trị điện tích đặc trưng cho trạng thái của ngón tay Ví dụ: FS flex sensor của hãng Spectra Symbol là một thiết

bị khác hữu dụng trong việc đo đạc biến dạng dọc Với điện trở ở trạng thái phẳng không biến dạng là 10k Ohm, FS flex sensor có thể lên tới 110k Ohm khi được uốn cong 1 góc là 900 Bên cạnh đó, do được làm bằng chất liệu dẻo có độ biến dạng đàn hồi nên FS flex sensor dễ dàng tự trở lại trạng thái phẳng không biến dạng

Nếu như việc sử dụng các cảm biến biến trở biến dạng là phương pháp hiệu quả nhất song rào cản thực hiện áp dụng các biến trở này không hề nhỏ - nhiều thiết

bị và cảm biến trong lĩnh vực này không có sẵn trên thị trường Do đó, thiết kế một thiết bị tương đương về chức năng là cần thiết và cũng để thể hiện sự linh hoạt trong cách tiếp cận đến vấn đề biến dạng trong thực tế Thiết bị này cần thỏa mãn những tính năng và tham số sau:

vị trí con chạy trên biến trở Về độ ổn định và tốc độ đáp ứng, biến trở có độ ổn định khá cao và tốc độ đáp ứng gần như là tức thì khi xuất hiện dòng điện trong biến trở Hoàn toàn có hiểu được độ ổn định cao của biến trở, bởi trong số các linh kiện điện tử, điện trở và biến trở là các linh kiện có độ ổn định cao nhất Đồng thời,

ưu điểm lớn nhất của biến trở nói chung, và biến trở thanh trượt nói riêng là chúng

ta có thể dễ dàng sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Ở phần 2.3, chúng ta sẽ đi sâu hơn về phương pháp điều chế độ rộng xung

Tuy nhiên trên thực tế do chất liệu của các biến trở là không đồng nhất, độ đồng đều không cao nên tồn tại những vấn đề sau đối với biến trở thanh trượt cơ học:

 Tỉ số Rx/Rn của con chạy ở 2 đầu biến trở là không đồng nhất

 Tiếp xúc giữa con chạy và thanh biến trở tham chiếu thay đổi giảm dần theo thời gian, dẫn đến sự già hóa cảm biến nhanh nếu dùng hoạt động liên tục

2.2.2 Cảm biến gia tốc góc

Đối với các cử động của cánh tay, việc sử dụng cảm biến gia tốc mà đặc biệt

là gia tốc góc là phương pháp vô cùng hiệu quả Do đây là khu vực thực hiện các cử động lớn và là khu vực có bề mặt tiếp xúc lớn, việc gắn các cảm biến gia tốc vào bề mặt da để đo đạc góc chuyển động là khả thi và có độ tin cậy cao Trong các công nghệ của cảm biến gia tốc, chúng ta sẽ đề cập và chú trọng vào công nghệ vi cơ điện

đó các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại đầu vào như hóa học, ánh sáng, áp suất, chuyển động, góc quay, từ tính… Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ và nhạy, công nghệ vi cơ điện tử cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, y tế, công nghiệp

Hình 2-6 Nguyên lý làm việc của cảm biến gia tốc vi cơ

Các ưu điểm và nhược điểm của MEMS:

- MEMS có các ưu điểm chính so với các thiết bị cơ học truyền thống

+ Trước tiên là khả năng sản xuất số lượng lớn dễ dàng, cùng với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, ngày nay công nghệ VLSI cho phép sản xuất các thiết bị MEMS với số lượng lớn (lên đến 100,000 thiết bị trên 1 đế Poly- Si), điều

mà khó có thể đạt được với các thiết bị cơ học bình thường

+ Do có thể sản xuất số lượng lớn, nên giá cho mỗi đơn vị rẻ hơn

+ Các thiết bị chế tạo bằng công nghệ vi điện tử, nên kích thước bé, hiệu năng cao, tiêu thụ ít năng lượng, dễ dàng tích hợp vào các thiết bị khác

+ Các thành phần cơ học nhỏ gọn, ít bị ảnh hưởng bởi các tác động gây hại

từ môi trường nên bền hơn

- Tuy vậy, các thiết bị MEMS cũng có những giới hạn và nhược điểm của mình Dưới đây là một số nhược điểm của các cảm biến MEMS:

+ Do kích thước bé nên các thành phần vật lý của MEMS không chịu được các lực tác động lớn

+ Có thể bị ảnh hưởng bởi các nhiễu điện từ…

Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu

tụ hay kiểu áp trở là rất quan trọng Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản Tuy nhiên nhược điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và mất mát năng lượng Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạp hơn Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi hơn

Ứng dụng của cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thếcác loại cảm biến gia tốc thông thường trước đây trong nhiều ứng dụng Một vài những ứng dụng điển hìnhcủa cảm biến gia tốc vi cơ

 Cảm biến góc Roll –Pitch, góc Euler, góc

 Định hướng 3D trong không gian

 Phát hiện va chạm : những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển giúp phân biệt sự va chạm và việc không xảy ra va chạm

 Đo và điều khiển mức rung

 Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc, thiết bị

 Đo một số thông số sinh học trong cơ thể con người

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến vi cơ MEMS dạng tụ

Việc đo gia tốc thông qua cảm biến gia tốc MEMS có thể được mô tả theo một sơ đồ mô tả dưới đây, gồm một hệ gồm một khối lượng m và một lò xo

Hình 2-7 Nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc MEMS

Khi hệ quy chiếu được gia tốc, gia tốc này được truyền cho khối m thông qua

lò xo Lò xo giãn ra và độ dịch chuyển này được xác định bởi một cảm biến độ dịch chuyển

Theo định luật Hooke, lực kéo khối lượng m tỉ lệ với độ biến dạng của lò xo F =

k.x, với k là hệ số tỉ lệ hay độ cứng của lò xo, x là khoảng dịch chuyển so với vị trí

cân bằng Theo định luật II Newton, trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên, lực F này của khối lượng m có một gia tốc a theo công thức F = ma Tại vị trí cần bằng ta

có F = ma = kx

Hệ thống có thể được mô tả bởi phương trình vi phân sau:

(3.2) với D là hệ số ma sát

Do đó, chúng ta thu được a=F/m trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên Như vậy,

để đo gia tốc ta chỉ cần đo khoảng dịch chuyển x Để đo khoảng dịch chuyển này,

người ta có thể sử dụng thuộc tính điện của tụ điện có hai bản cực song song khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi được Điện dung của tụ điện đơn là C= k/x0, với k là hằng số phụ thuộc vào thuộc tính của môi trường nằm giữa hai bản tụ Nếu biết k, điện dung của tụ điện C ta có thể tính được x0

Nếu bản tụ nằm giữa CA và CB dịch chuyển một khoảng là x thì:

(3.3) hay có thể viết lại là:

(3.4)

Do đó,

(3.5) Với khoảng x dịch chuyển nhỏ, phương trình trên có thểrút gọn thành:

(3.6) Như vậy, nếu gắn khối lượng m của cảm biến vào bản tụ nằm giữa hệ hai tụ điện nối tiếp thì có thể xác định được độ dịch chuyển của nó dưới tác dụng của lực

F, tức là xác định được gia tốc thông qua việc xác định giá trị ∆C

Nguyên lý này phù hợp với việc đo chuyển động lớn, khi giá trị của gia tốc chuyển động ảnh hưởng trực tiếp lên độ biến dạng của điện dung Độ biến thiên của giá trị cảm biến lúc này hoàn toàn có thể loại bỏ các ảnh hưởng của môi trường như

độ ẩm và nhiệt độ, do cơ thể có cơ chế duy trì nhiệt độ bề mặt da khá tốt

2.3 Giải thuật xử lý dữ liệu và lý thuyết điều khiển

Việc thực hiện thu nhận và xử lý dữ liệu phụ thuộc chính vào phương pháp

tính liên tục của thời gian, việc áp dụng các cấu trúc và thư viện được xây dựng sẵn nhằm tăng tốc độ phản ứng của hệ thống tiệm cận với chế độ thời gian thực ( real-time mode) Khác với các hệ thống sử dụng nguyên lý điều khiển cổ điển như PID, giới hạn của hệ thống điều khiển hiện đại nằm chủ yếu ở phần cứng Các giới hạn sẽ được bảo vệ bởi các cơ chế, các mạch cứng “bảo vệ” (shield)

2.3.1 Giải thuật xử lý dữ liệu:

Là hệ thống điều khiển trực tiếp không phản hồi, giải thuật được thực hiện theo tiến trình như sau:

Hình 2-8 Tiến trình xử lý tín hiệu của hệ thống

Theo lưu đồ giải thuật trên, tiến trình xử lý của hệ thống là tiến trình không

có phản hồi, mọi thao tác của hệ thống và cơ cấu chấp hành được thực hiện liên tục theo một chương trình được xây dựng sẽ Trong trường hợp này các dữ liệu được thao tác theo 3 bước chính:

 Cảm biến thu nhận dữ liệu tương tự từ môi trường, số hóa chúng theo nguyên tắc làm việc của nó Với các cảm biến được tích hợp khối chuyển đổi

Thu nhận dữ

liệu

•Sensor ghi nhận các trạng thái thay đổi của đối tượng đo

•Tiền xử lý các dữ liệu để tăng tốc quá trình xử lý nếu có

tương tự số Các giá trị tương tự được quy đổi thành giá trị số theo độ phân giải định trước của cảm biến

 Tín hiệu số từ cảm biến sẽ được gửi về cổng giao tiếp của vi điều khiển Theo từng nhóm dữ liệu đầu vào định sẵn, các vi điều khiển sẽ thực hiện các chuyển đổi các giá trị này thành các giá trị trung gian để chuẩn bị cho quá trình thực thi lệnh đối với cơ cấu chấp hành hoặc cơ cấu hiển thị Quá trình này sẽ so sánh giá trị của tín hiệu điện từ cảm biến, qua đó xác định được trạng thái tiếp theo của cơ cấu điều khiển, chấp hành hoặc hiển thị

 Thực thi lệnh: sau khi được xử lý, chuyển đổi dữ liệu đầu vào; vi điều khiển

sẽ thực thi việc xuất tín hiệu đầu ra để các cơ cấu chấp hành, hiện thị thực hiện lệnh tương tự với giá trị của đầu vào tương ứng

Toàn bộ quá trình này cần đảm bảo sự liên tục trong ngưỡng của điều khiển thời gian thực

2.3.2 Lý thuyết điều khiển

Với số lượng đầu vào các biến của chuyển động là 5 biến cho 5 ngón tay và 2*n biến cho chuyển động lớn của cánh tay (n=1, 2, 3) tương ứng với cặp 2 cử động lớn của cổ tay, khớp khuỷu tay, và khớp bả vai Thay vì quy định chuyển động chung cho cả hệ thống điều khiển mô phỏng dựa vào ma trận đầu vào (2*n+5) x 1 giá trị Chúng ta sẽ thực hiện mô phỏng riêng lẻ từng chuyển động với các cảm biến đặt tương ứng với các vị trí tạo ra điều khiển và thực hiện mô phỏng trực tiếp trạng thái thông qua việc điều chế độ rộng xung của tín hiệu và cơ chế servo

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn

âm

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha

và 3 pha

PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển Điều đặc biệt

là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính

là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện- điện tử PWM cũng chính là nhân tố mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ

Với việc sử dụng biến trở, ta có thể đơn giản xác định được chế độ điều chế xung của cơ cấu điều khiển của chuyển động ngón tay theo công thức:

Trong đó, Rx là điện trở hiện thời của biến trở và Rbiến trở là giá trị định danh của biến trở Khi đó, tỉ lệ

sẽ tương đương với hệ số điều chỉnh D trong điều chế độ rộng xung vuông Cơ chế điều khiển này có ưu điểm rất mạnh trong điều khiển động cơ bởi đây gần như là cơ cấu điều khiển khá phổ biến cho các hệ thống robot, và không đòi hỏi người sử dụng cần có nhiều kiến thức về điều khiển học

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng cho cánh tay

Dựa vào các cơ sở lý thuyết được phân tích trong chương 2, chương 3 sẽ tập trung vào phần thực hiên các yêu cần thiết để có thể thiết kế mô hình hợp lý nhất phù hợp điều kiện môi trường nghiên cũng như tạo ra được kết quả khả thi nhất

3.1 Khái quát về hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay

Với các cơ sở trong chương 2, hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay sẽ gồm 2 khối chính là khối cảm biến và khối xử lý Ngoài ra, trong khuôn khổ mục đích mô phỏng, chúng ta cũng thực hiện xây dựng mô hình mô phỏng cánh tay với một số yêu cầu kỹ thuật nhất định Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay:

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎ

Các lựa chọn cụ thể với các khối như sau:

 Khối cảm biến và nhận dạng chuyển động: Bộ cảm biến biến trở trượt và cảm biến la bàn MPU6050

 Khối xử lý: Kit Arduino Uno R3 và module Arduino Nano

3.2 Khối cảm biến và nhận dạng chuyển động- Bộ cảm biến biến trở trượt và MPU6050

Là khối chức năng chính để thu nhận các chuyển động và cử động của cơ thể, khối cảm biến và nhận dạng chuyển động thu thập dữ liệu trạng thái của các ngón tay và trạng thái của cẳng tay, cánh

3.2.1 Bộ cảm biến biến trở thanh trượt

Hình 3-2 Hình minh họa cho bộ cảm biến biến trở thanh trượt

Bộ cảm biến biến trở trượt được hình thành theo yêu cầu đo biến dạng của ngón tay Với nguyên lý chính dựa vào nguyên lý của cảm biến biến dạng và cảm biến di chuyển Với việc đồng nhất hiệu điện thế của 5 biến trở, ta có thể xác định được chuyển động tương đương của các ngón tay thông quá trình phân áp trên điện trở thanh trượt

Trong đó, Rx là điện trở hiện thời của biến trở và Rbiến trở là giá trị định danh của biến trở

Hình 3-3 Nguyên lý hoạt động của biến trở 1 là vị trí của thanh biến trở, 2 là vị

trí của con chạy trên biến trở

Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến biến trở

Biến trở trượt được cố định 1 đầu hoàn toàn vào cổ tay hoặc 1 điểm nằm trên cánh tay, con chạy của biến trở được nối vào đầu ngón tay bằng một dây không có tính đàn hồi và được giằng cố định bằng một dây cao su có độ đàn hồi co dãn xác định

điều khiển); khi đó điện thế phân áp trên biến trở = 0V tương ứng với khi ngón tay duỗi thoải mái Khi ngón tay co duỗi, do tính chất không đàn hồi của dây nối và tính

chất đàn hồi của da, con chạy của biến trở sẽ bị dây nối dịch chuyển một đoạn Δl

tương đương với độ biến dạng theo chiều chuyển động của bề mặt ngón tay Thực

nghiệm đo cho thấy, Δl và U ngón tay tỷ lệ thuận với nhau tương đương với giá trị theo công thức phân áp Qua đó, chúng ta hoàn toàn có thể xác định được giá trị điện thế tương đương với các cử động của ngón tay Ngoài ra,

Chức năng của dây nối không biến dạng là xác định khoảng biến dạng của

ngón tay là Δl; dây cao su có chức năng duy trì hình dáng và vị trí của con chạy biến trở, đồng thời tái tạo tính đàn hồi của hệ thống mô phỏng Dây cao su này cho

phép hệ thống cảm biến con trở duy trì độ dịch chuyển của biến trở tương đương với biến dạng dọc của ngón tay trong các chuyển động co duỗi

3.2.2 Cảm biến gia tốc góc/ la bàn MPU6050

MPU6050 là cảm biến của hãng InvenSense MPU6050 là một trong những giải pháp cảm biến chuyển động đầu tiên trên thế giới có tới 6 (mở rộng tới 9) trục vảm biến tích hợp trong 1 chip duy nhất Với kích thước nhỏ gọn thích hợp với việc gắn cố định lên cánh tay Đây là một lựa chọn hợp lý cho hệ thống mô phỏng

MPU6050 sử dụng công nghệ độc quyền MotionFusion của InvenSense có thể chạy trên các thiết bị di động, tay điều khiển, Nó được điều hành bằng một nguồn cung cấp 3.3V/5V và giao tiếp thông qua I2C với tốc độ tối đa 400kHz Chip này cũng có sẵn một gói SPI được gọi là MPU6000 cho tốc độ giao tiếp lên tới 10Mbs

Thông số truyền động:

 Có thể lựa chọn ±2/4/8/16g phạm vi gia tốc

 Có thể lựa chọn ±250/500/1000/2000 độ /s phạm vi con quay hồi chuyển

 16 bit đầu ra

 Con quay nhạy cảm của gia tốc tuyến tính 0.1 độ/s, một cải tiến lớn so với con quay hồi chuyển trục tri của các công ty khác

 Chịu ảnh hưởng của nhiễu thấp trên cả hai kết quả đầu ra (xem thông số kỹ thuật)

 Tỷ lệ sản lượng dữ liệu lên đến 1000Hz, mặc dù được xây dựng bằng kỹ thuật số thấp vượt qua bộ lọc có tần số góc tối đa là 256Hz

 Con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMS gyroscope)

 Cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer)

Ngoài ra, MPU6050 còn có 1 đơn vị tang tốc phần cứng chuyên xử lý chuyển động số (Digital Motion Processor – DMP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần thiết Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, giảm độ trễ của tốc độ đáp ứng, cải thiện tốc độ xử lý; và kết quả

là tốc độ phản hồi của khối cảm biến sẽ được cải thiện đáng kể Đó chính là ưu điểm lớn của MPU6050 so với khá nhiều cảm biến gia tốc khác

Hinh 3-5 Sơ đô khối của cảm biến la bàn MPU6050

Các cảm biến bên trong MPU6050 sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số ( Analog to Digital Converter – ADC) 16-bit cho ra kết quả chi tiết về góc quay với

độ phân giải cao Với 16-bit, chúng ta có giải giá trị thu được lên tới 65536 mức, tất

cả chỉ cần 1 cảm biến

Một tính năng của chip này là bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số trên máy bay (DMP) Trong lý thuyết này có thể được sử dụng để sản xuất trực tiếp các góc Euler, Quaternions, hoặc một hướng cosin ma trận, và thậm chí thực hiện lọc cùng với việc tích hợp dữ liệu một la bàn I2C bên ngoài

MPU6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C

Hơn nữa, MPU6050 có sẵn bộ đếm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển phát lệnh cho cảm biến và nhận dữ liệu sau khi MPU6050 tính toán xong

Chân giao tiếp MPU6050

Hình 3-6 Module cảm biến MPU6050

SCL Chân SCL trong giao tiếp I2C

MPU-6050 sẽ giúp ta xác định được góc nghiêng của thiết bị với phương nằm ngang mặt đất (Accelerometer) cũng như xác định được vận tốc góc theo các trục tọa độ( Gyro) Việc tích hợp 2 bộ cảm biến trên vào trong con MPU-6050 sẽ tận dụng ưu điểm và hạn chế nhược điểm của 2 bộ cảm biến gia tốc và cảm biến góc

Cảm biến gia tốc giúp ta đo được chính xác góc nghiêng, nhưng lại bị ảnh hưởng rất mạnh bởi nhiễu,rung động của thết bị, còn cảm biến góc thì giúp ta xác định được vận tốc góc, từ đó suy ra được góc nghiêng, và không bị ảnh hưởng bởi rung lắc của thiết bị, nhưng lại bị trôi điểm 0, và hoạt động sau một thời gian thì tích lũy sai số rất lớn Cho nên việc kết hợp 2 bộ trên là rất hợp lý

MPU-6050 có rất nhiều thanh ghi, có những thanh ghi là để thiết lập chế độ hoạt động cho nó, và có những thanh ghi chứa các dữ liệu cảm biến mà ta cần phải đọc được giá trị của nó qua I2C để từ đó tính toán được góc nghiêng

Việc giao tiếp I2C với 6050 được nói đến trong datasheet của

MPU-6050 như sau:

 Để đọc một byte:

 Để đọc nhiều byte một lúc:

Tương tự đó là việc ghi 1 hay nhiều byte vào các thanh ghi của MPU-6050:

Trong đó:

 S: bit Start

 AD :địa chỉ của MPU-6050

 W: bit xác định là đọc ghi liệu

 R: bit xác địnhlà đọc dữ liệu

 ACK: bit Acknowledge

 N-ACK :Not-Acknowledge

 RA: địa chỉ thanh ghi mà ta muốn đọc

 DATA: dữ liệu truyền di hoặc đọc được

 P: bit Stop

Rõ ràng là để giao tiếp I2C với các chip khác nhau thì cách thức là khác nhau, nhưng đều dựa trên chuân I2C, ở đây ta thấy là có thể phải gửi 2 lần bit Start, trong một phiên giao tiếp phải gửi cả bit Write đầu tiên sau đó lại lại bit Read

Ta chỉ có thể biết rõ điều này khi tham khảo datasheets

3.3 Khối xử lý- Arduino Uno

Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được

gọi là shield Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các

chân khách nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua hệ thống bus nối tiếp I2C-nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một

bộ nạp chương trình

Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi