CHẾ TẠO ROBOT DI ĐỘNG ĐA HƯỚNG DÙNG GIÁM SÁT VÀ MANG ĐỒ VẬT TRONG GIA ĐÌNH

Sử dụng ba bánh omni được điều khiển bởi ba động cơ độc lập, vì vậy robot cóquỹ đạo chuyển động rất linh hoạt, có thể di chuyển theo bất cứ hướng nào, bất kỳ gócnào trong những không gia

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHẾ TẠO ROBOT DI ĐỘNG ĐA HƯỚNG DÙNG GIÁM SÁT VÀ MANG ĐỒ VẬT

TRONG GIA ĐÌNH

MSSV: 1500293 Ngành: Cơ điện tử - 2015

Cần Thơ – 2019

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHẾ TẠO ROBOT DI ĐỘNG ĐA HƯỚNG DÙNG GIÁM SÁT VÀ MANG ĐỒ VẬT

TRONG GIA ĐÌNH

MSSV: 1500293 Ngành: Cơ điện tử - 2015

Cần Thơ – 2019

`

Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2019

ThS: Đường Khánh Sơn

Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2019

KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ĐẠI HỌC

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hiếu Nhân MSSV: 1500293

Ngày, tháng, năm sinh: 24/02/1997 Nơi sinh: An Giang

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 7510203

TÊN ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO ROBOT DI ĐỘNG ĐA HƯỚNG DÙNG GIÁM SÁT

VÀ MANG ĐỒ VẬT TRONG GIA ĐÌNH

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiêm vụ: Chế Tạo Robot Di Động Đa Hướng Dùng Giám Sát Và Mang Đồ Vật

Trong Gia Đình một cách hoàn chỉnh và hoạt động một cách linh hoạt có độ chính tốt

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths ĐƯỜNG KHÁNH SƠN

THỜI GIAN GIAO ĐỀ TÀI: 25/02/2019

THỜI GIAN HOÀN THÀNH: 07/06/2019

Cần Thơ, ngày 07 tháng 06 năm 2019

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

Cán bộ hướng dẫn: Ths ĐƯỜNG KHÁNH SƠN.

Luận văn đại học được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơngày 20 tháng 6 năm 2019

Thành phần Ban chấm đánh giá luận văn đại học gồm:

1 Trưởng ban:

2 Ủy viên phản biện:

3 Thư ký ban chấm:

Xác nhận của Ban chấm đánhh giá sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có)

Con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho controng suốt quá trình thực hiện luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ và chia sẽ kinh nghiệm cho tôi trongthời gian qua

Trong quá trình thực hiện đề tài chắc chắn sẽ còn nhiều thiếu sót Vậy nên, emmong sự góp ý và chỉ dẫn nhiều hơn của thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hiếu Nhân

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan về công trình nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp là được thựchiện bởi cá nhân em và sự hỗ trợ và hướng dẫn của giảng viên thầy Đường Khánh Sơn,nếu có điều gì sai sót theo lời cam đoan em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Cần Thơ, ngày tháng năm 2019

Nguyễn Hiếu Nhân 

TÓM TẮT

Luận văn này trình bày phương pháp, quá trình thiết kế lắp đặt tạo ra một robot dichuyển đa hướng linh hoạt, bên cạnh đó xây dựng bộ điều khiển động cơ bằng bộ điềukhiển PID giúp động cơ hoạt động chính xác theo mong muốn của người điều khiển,lắp đặt thêm các cảm biến để robot tránh được vật cản, kết nối blutooth với smartphone

để điều khiển robot khoảng cách xa hơn Truyền hình ảnh về màn hình điều khiển, thấyđược tất cả vật cản, có thể gắp được vật nhỏ gọn nhờ tay gắp servo và xác định vị trí,hướng đi cho robot

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

TÓM TẮT 3

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 8

1.1 Lý do và mục đích chọn đề tài 8

1.1.1 Lý do chọn đề tài 8

1.1.2 Mục đích chọn đề tài 13

1.2 Robox 14

1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển 14

1.2.2 Các ứng dụng của Robot 15

1.2.2.1 Các ưu điểm khi sử dụng robot 15

1.2.2.2 Một số lĩnh vực ứng dụng 16

1.3 Xe điều khiển từ xa qua sóng bluetooth 19

1.3.1 Sơ lược về công trình nghiên cứu 19

1.3.2 Ưu điểm và khuyết điểm 23

1.3.2.1 Ưu điểm 23

1.3.2.2 Khuyết điểm 23

1.4 Robot di chuyển ba bánh đa hướng 24

1.4.1 Sơ lược về công trình nghiên cứu 24

1.4.2 Ưu điểm và khuyết điểm 25

1.4.2.1 Ưu điểm 25

1.4.2.2 Khuyết điểm 26

1.5 Đặt vấn đề 26

1.6 Hướng giải quyết cho nghiên cứu sắp tới 27

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Đối tượng nghiên cứu 28

2.1.1 Tiêu chuẩn cho một Robot 28

2.1.2 Những nơi và công việc ứng dụng được robot 28

2.1.3 Arduino 29

2.1.3.1 Khái niệm 29

2.1.3.2 Lịch sử hình thành Arduino 30

2.1.4.3 Các loại Arduino thường gặp 31

2.1.4 Tổng quan về Android 35

2.1.4.1 Khái niệm về Android 35

2.1.4.2 Lịch sử hình thành 36

2.1.4.3 Các phiên bản của Android 37

2.1.5 Công nghệ Bluetooth 38

2.1.5.1 Khái niệm về công nghệ Bluetooth 38

2.1.5.2 Đặc điểm về công nghệ Bluetooth 38

2.1.5.3 Hoạt động của Bluetooth 39

2.1.5.4 Các thế hệ Bluetooth 40

2.1.5.5 Vấn đề bảo mật trong công nghệ Bluetooth 41

2.1.5.6 Các trạng thái của thiết bị Bluetooth 41

2.1.6 Phần mềm Arduino 42

2.1.6.1 Phần mềm viết chương trình và biên dịch chương trình 42

2.1.6.2 Cấu trúc chương trình 45

2.2 Phương pháp nghiên cứu 45

2.2.1 Phân tích động học 45

2.2.2 Phương pháp hạn chế sai số 48

2.2.2.1 Lý thuyết về bộ điều khiển PID 48

2.2.2.2 Bộ điều khiển PID số 50

2.2.2.3 Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 51

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT 53

3.1 Thiết kế mô hình 53

3.1.1 Thiết kế App Inventer cho ứng dụng trên Android 53

3.1.1.1 Thiết kế App Inventer cho hai phần Designer và Blocks 53

3.1.1.2 Truyền và nhận giữa App Inventer và Smartphone 57

3.1.2 Thiết kế cơ khí Robot di chuyển đa hướng ba bánh omni 58

3.1.3 Thiết kế mạch điện 62

3.1.4 Mô hình hoàn chỉnh 74

3.2 Tiến hành mô phỏng trên matlap 75

3.2.1 Mô phỏng khi không có bộ điều khiển PID 75

3.2.2 Mô phỏng khi có bộ điều khiển PID 76

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

4.1 Kết quả nghiên cứu đạt được 77

4.2 Hướng phát triển đề tài 78

KẾT LUẬN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Robot ba bánh đa hướng tự hành sử dụng cảm biến siêu âm và giải thuật

PID-Mờ 3

Hình 1 2: Robot đa hướng tự hành ba bánh 3

Hình 1 3: Các Robot sử dụng trong cuộc thi RoboCup 4

Hình 1 4: Robot đa hướng ba bánh tự hành kết hợp cảm biến siêu âm 5

Hình 1 5: Mô hình Mobile service robot sử dụng ba bánh omni 6

Hình 1 6: Cánh tay Robot lắp ráp kính cho xe ôtô 10

Hình 1 7: Cánh tay Robot hoạt động trong dây chuyền sản xuất bên trong nhà máy VW 11

Hình 1 8: Robot phẫu thuật Versius của nước Anh hứa hẹn cuộc cách mạng y học 12

Hình 1 9: Phía dưới của mô hình 13

Hình 1 10: Phía trên của mô hình 13

Hình 1 11: Sản phẩm được tạo ra hoàn chỉnh 14

Hình 1 12: Giao diện của Mit App Inventer bên Designer 15

Hình 1 13: Các khối có chức năng kết nối Bluetooth 15

Hình 1 14: Phần viết code bên Blooks trong Mit App Inventor 16

Hình 1 15: Mạch điều khiển động cơ DC Mini DRV8833 18

Hình 1 16: Three-wheeled omni-directional mobile robot (robot di động đa hướng ba bánh) 1

Hình 2 1: Arduino Esplora 23

Hình 2 2: Arduino Mega 2560 24

Hình 2 3: Arduino DUE 24

Hình 2 4: Arduino Robot 25

Hình 2 5: Arduino UNO 25

Hình 2 6: Arduino micro 26

Hình 2 7: Arduino Yun 26

Hình 2 8: Arduino Tre 27

Hình 2 9: Arduino Ethernet 28

Hình 2 10: Logo Android 29

Hình 2 11: Logo Bluetooth 31

Hình 2 12: Kết nối các thiết bị bằng Bluetooth 33

Hình 2 13: Logo phần mềm Arduino 35

Hình 2 14: Giao diện làm việc của Arduino IDE 36

Hình 2 15: Chọn board để nạp chương trình 36

Hình 2 16: Chọn cổng để nạp chương trình 37

Hình 2 17: Cấu tạo thân Robot 38

Hình 2 18: Hệ tọa độ {B} và {W} 39

Hình 2 19: Phân tích lực 39

Hình 2 20: Sơ đồ khối của bộ P.I.D điều khiển động cơ DC 40

Hình 2 21: Xác định tham số của đặt tính quá tính 44

Y Hình 3 2: Phần thiết kế Designer của App Inventer hoàn chỉnh 45

Hình 3 3: Viết code điều khiển cho ứng dụng 46

Hình 3 4: Code kết nối Bluetooth và Camera 47

Hình 3 5: Code cho nút Rắp và Thả của tay gắp 47

Hình 3 6: Code cho 12 hướng di chuyển của Robot 48

Hình 3 7: Phần thiết kế Blocks của App Inventor hoàn chỉnh 49

Hình 3 8: Cách một để quét mã QR code 50

Hình 3 9: Cách một để quét mã QR code 50

Hình 3 10: Mặt dưới của tầng thứ nhất 51

Hình 3 11: Mặt dưới của tầng thứ nhất 52

Hình 3 12: Mặt dưới của tầng thứ hai 52

Hình 3 13: Mặt trên của tầng thứ hai 53

Hình 3 14: Tầng trên cùng 54

Hình 3 15: Sơ đồ hệ thống điều khiển 55

Hình 3 16: Board mạch Arduino Uno R3 56

Hình 3 17: Vị trí để cấp nguồn vào Arduino 57

Hình 3 18: Các chân năng lượng của Arduino Uno R3 58

Hình 3 19: Các chân ra/vào tín hiệu của Arduino Uno R3 59

Hình 3 20: Mạch cầu H (L298N) 59

Hình 3 21: Mạch giảm áp LM2596 3A 60

Hình 3 22: Module Bluetooth HC-05 61

Hình 3 23: Động cơ servo MR996R 62

Hình 3 24: Cảm biến siêu âm HY-SRF 05 63

Hình 3 25: Bánh xe Omni 58mm 64

Hình 3 26: Động cơ DC GA25 V1 65

Hình 3 27: Bình ắc quy 12V 4Ah 66

Hình 3 28: Mô hình hoàn chỉnh 67

Hình 3 29 Mô hình hóa trên Matlab Simulink khi không có PID 68

Hình 3 30: Kết quả mô phỏng trên matlab khi không có PID theo phương X 69

Hình 3 31: Kết quả mô phỏng trên matlap khi không có PID theo phương Y 69

Hình 3 32 Mô hình hóa trên Matlab Simulink khi có PID 70

Hình 3 33: Kết quả mô phỏng trên matlab khi có PID theo phương X 70

Hình 3 34: Kết quả mô phỏng trên matlab khi có PID theo phương Y 71

MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, đất nước đang trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đạihóa, nên khoa học kỹ thuật và công nghệ đang được xã hội chú trọng và quan tâm khácao Robot ngày càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong cuộc sốngcủa con người, từ các lĩnh vực công nghiệp cho đến y tế, giáo dục đào tạo, giải trí, anninh quốc phòng và thám hiểm không gian Vì vậy robot đã có một vị trí quan trọng,

nó còn thay thế con người làm việc trong các công việc nặng nhọc và trong điều kiệnnguy hiểm, môi trường độc hại

Bên cạnh đó lĩnh vực robot di động ngày càng chiếm được nhiều sự quan tâm củacác nhà nghiên cứu Robot di động đa hướng ba bánh là một loại robot di động đặcbiệt Sử dụng ba bánh omni được điều khiển bởi ba động cơ độc lập, vì vậy robot cóquỹ đạo chuyển động rất linh hoạt, có thể di chuyển theo bất cứ hướng nào, bất kỳ gócnào trong những không gian nhỏ hẹp

Với cấu tạo đặc biệt và khả năng di chuyển linh hoạt như vậy nên robot di động

đa hướng ba bánh được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực Nó đã góp phần rấtlớn cho nền công nghiệp, tạo sự thuận lợi và tiện ích cho con người ngày nay, vì thế làmột kỹ sư trong tương lai, em đã nắm bắt được thị hiếu này và tìm hiểu, nghiên cứu để

có thểtiến tới nền khoa học công nghệ cao, xây dựng nên một giai đoạn mới, phát triểnmới cho bản thân, cho xã hội

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do và mục đích chọn đề tài

tế đời sống và xã hội Chúng ta có thể thấy rất rõ tầm quan trọng của cơ điện tử thôngqua những hoạt động như: vận hành các thiết bị điện, điều khiển các cánh tay robottrong nhà máy, điều khiển các máy công nghiệp trong các cơ sở sản xuất và nhà máy,điều khiển một robot làm những công việc lặp đi lặp lại hằng ngày, điều khiển các thiết

bị trong gia đình hay ở những nơi công cộng một cách chi tiết, linh hoạt và đồng bộ.Lĩnh vực robot được phát triển rất mạnh và ngày càng hiện đại, được sử dụng rấtnhiều trong sản xuất cũng như trong đời sống con người, áp dụng vào rất nhiều lĩnhvực từ công nghiệp cho đến nông nghiệp, từ giáo dục đào tạo đến y tế, bên cạnh đó còn

có giải trí, an ninh quốc phòng và thám hiểm không gian

Bên cạnh đó lĩnh vực robot di động ngày càng chiếm được sự quan tâm của cácnhà nghiên cứu trong và ngoài nước Robot di động đa hướng ba bánh là một loại robotrất đặt biệt Sử dụng ba bánh omni được điều khiển bởi ba động cơ độc lập riêng biệt,

vì vậy robot có quỹ đạo chuyển động rất linh hoạt, có thể di chuyển theo bất cứ hướngnào, bất kỳ góc nào trong những không gian nhỏ hẹp

Với cấu tạo đặt biệt và khả năng di chuyển đa dạng và linh hoạt như vậy, nênrobot ba bánh di động đa hướng được sử dụng rất rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực, sauđây là một số hình ảnh về robot di động đa hướng ba bánh được sử dụng trong rấtnhiều lĩnh vực khác nhau

Hình 1 1: Robot ba bánh đa hướng tự hành sử dụng cảm biến siêu âm và giải thuật

PID-Mờ

Hình 1 2: Robot đa hướng tự hành ba bánh

Hình 1 3: Các Robot sử dụng trong cuộc thi RoboCup

Đối với một sinh viên ngành kỹ thuật thì robot luôn là một ước mơ và hoài bảo,

để trao dồi kiến thức và học hỏi kinh nghiệm, để theo đuổi ước mơ vươn xa hơn đếncông nghệ tiến tiến, vì thế đã thúc đẩy em tìm tòi, nghiên cứu Với mong muốn tìmhiểu nguyên lý, phương thức hoạt động, kỹ thuật điều khiển, sáng tạo và vận hành mộtrobot điều khiển từ xa, nên em đã tìm đến với robot bằng cách thiết kế, xây dựng nênmột mô hình robot cho riêng bản thân Với sự góp ý và hướng dẫn của thầy ĐườngKhánh Sơn, em đã chọn ra đề tài “CHẾ TẠO ROBOT DI ĐỘNG ĐA HƯỚNG DÙNGGIÁM SÁT VÀ MANG ĐỒ VẬT TRONG GIA ĐÌNH” cho luận văn tốt nghiệp củamình

Hình 1 4: Robot đa hướng ba bánh tự hành kết hợp cảm biến siêu âm

Hình 1 5: Mô hình Mobile service robot sử dụng ba bánh omni

1.1.2 Mục đích chọn đề tài

Xuất phát từ những ứng dụng quan trọng của robot nên em đã tìm hiểu, nghiêncứu và cải tiến thêm từ các sản phẩm cũng như công trình của nhiều tác giả trước đây

và xây dựng ra mô hình thực tế “Chế Tạo Robot Di Động Đa Hướng Dùng Giám Sát

Và Mang Đồ Vật Trong Gia Đình” phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu

Hơn nữa còn có thể nâng cao chất lượng sản phẩm robot từ di chuyển đơn sơ, cấu tạochưa hoàn thiện, sang một sản phẩm di chuyển được nhiều hướng rất linh hoạt và chắcchắn, có thể quan sát được vật cản và có thể gắp được những vật nhỏ gọn một cách dễdàng nhờ tay gắp servo, đạt độ chính xác cao, đa ứng dụng

Cụ thể hơn là xây dựng bộ não trên vi điều khiển được tích hợp sẵn trongArduino, áp dụng kiến thức đã học để lập trình cho Arduino bằng ngôn ngữ Arduino(được xây dựng trên ngôn ngữ C), để biên dịch chương trình và nạp chương trình lênboard là phần mềm Arduino IDE Học cách viết App Inventor ứng dụng cho Android,giao tiếp tín hiệu thông qua sóng Bluetooth, áp dụng cơ sở lý thuyết hệ thống điềukhiển số vào việc nghiên cứu và giải quyết bài toán điều khiển robot di động đa hướng

ba bánh một cách linh hoạt với độ chính xác cao là một công việc cần thiết

Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển PID, tính toán và mô phỏng động học trênMatlab, thử nghiệm thực tế trên mô hình được chế tạo

1.2 Robot

1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Khái niệm Robot được ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1922 tại New York, khi nhàsoạn kịch người Tiệp Khắc Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cổ máy hoạt động mộtcách tự động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạoRobot đã luôn thôi thúc con người Đến năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc giaArgonne, Goertz chế tạo thành công tay máy đôi (master¬slave manipulator) Đến năm

1954, Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết đượclực tác động lên khâu cuối Năm 1956 hãng Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt

động trong việc thám hiểm dại dương Năm 1968 R.S Mosher, của General Electric đãchế tạo một cỗ máy biết đi bằng 4 chân Hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong vàmỗi chân vận hành bởi một hệ thống servo thủy lực.

Năm 1970 con người đã chế tạo ra được Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bềmặt của mặt trăng

Ngày nay với sự phát triển nhanh chống, công nghệ Robot ngày càng vương lêntầm cao mới và được sử dụng rộng rãi, ngoài ra còn được khá nhiều bạn sinh viên cũngnhư những nhà nghien cứu quan tâm hàng đầu, gần đây có rất nhiều nơi, viện nghiêncứu đã mở ra những cuộc thi Robocon, những cuộc thi tương tự như vậy cũng thu hútđược rất nhiều sinh viên, nhóm hoặc đơn vị tham dự Điều này đã mở ra một sự cọ xátthực tế và thúc đẩy sự sáng tạo cũng như trao dồi kinh nghiệm và học hỏi giữa cácthành viên, tích lũy kinh nghiệm quý giá, phát triển mạnh công nghệ Robot trong vàngoài nước phát triển hơn nữa

Với công nghệ Robot ngày nay, các nhà nghiên cứu tìm cách thiết kế thật nhỏgọn, tích hợp thêm những tính năng và chức năng thông minh hơn Vì vậy một loạiRobot được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hàng đầu là các Robot tự hành, tích hợpcác tính năng giống tứ chi của động vật hay ngay cả tay he chân người hoặc nhận dạngmàu sắc như mắt người

Robot đảm bảo hoạt động chính xác và bắt trước được các hoạt động như ngườiđều được ứng dụng rộng rãi vào các dây chuyền sản xuất hay phục vụ sinh hoạt chocon người Làm việc ở những môi trường khắc nghiệt, môi trường độc hại, …

Chuyên ngành công nghệ Cơ Điện Tử nghiên về lĩnh vực Robot Đây là lĩnh vựcrộng trong khoa học, bao gồm gất nhiều vấn đề như về cấu trúc và cơ cấu động học,động lực học, quỹ đạo chuyển động còn có bộ điều khiển, mô hình hóa, …… Tùy vàophương pháp và mục đích sử dụng, mà ta có thể tìm hiểu và nghiên cứu ở nhiềuphương thức khác nhau để chế tạo

Trên thị trường ngày nay có rất nhiều loại Robot như: Robot công nghiệp (cáccánh tay Robot chuyên dụng) và các loại Robot di động (mobile robot), … Mỗi loạiRobot có các tính năng riêng để làm những công việc khác nhau, tùy thuộc vào mụcđích sử dụng Trong công nghiệp có thể phân chia ra dựa vào cấu tạo đặt biệt, độnghọc, động lực học, …….

Một lĩnh vực Robot đầy tiềm năng và hấp dẫn cũng như một thử thách về côngnghệ đã thu hút rất nhiều nhà nghiên cứu, cùng với sự phát triển ngày nay, nền côngnghệ 4.0 đang trở thành công nghệ tân tiến nhất Chính vì sự phát triển như vậy, conngười ngày nay càng mong muốn tạo ra một Robot hoàn thiện và tối ưu, nâng cao mức

độ hoàn thiện một cách vượt bật

1.2.2 Các ứng dụng của Robot

1.2.2.1 Các ưu điểm khi sử dụng robot

Ngày nay Robot được lắp đặt để tham gia vào môi trường làm việc, các quy trìnhsản xuất cũng như đưa vào cuộc sống sinh hoạt của con người, nhầm đáp ứng nhu cầuthị hiếu thực tế, tăng cao năng xuất triệt để công suất của dây truyền công nghệ, bêncạnh đó sẽ giảm được giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng cũng như khả năngcạnh tranh khắc nghiệt của sản phẩm tạo ra trên thị trường ngày nay

Robot có thể thay thế con người làm việc ổn định bằng các thao tác đơn giản vàhợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi của quitrình công nghệ Sự thay thế hợp lý của Robot được sự tính toán và nghiên cứu tỉ mỹcủa nhà thiết kế và chế tạo, còn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhâncông ở những nước mà nguồn nhân công là rất ít hoặc chi phí cao như: Hàn Quốc,Canada, Singapore, Nhật Bản, Hoa Kỳ và các nước Tây Âu… Tất nhiên nguồn nănglượng từ Robot là rất lớn, chính vì vậy nếu có nhu cầu tăng năng suất thì cần có sự hỗtrợ của chúng mới thay thế được sức lao động của con người Chúng có thể làm nhữngcông việc đơn giản nhưng khả năng dễ nhầm lẫn cao, nhàm chán một cách hiệu quảcao nhất

Robot có khả năng nghe được siêu âm, cảm nhận được từ trường Bên cạnh đó,một ưu điểm của Robot là môi trường làm việc, chúng có thể thay thế con người làmviệc ở những môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bẩn hay nguy hiểm Ở những nơi nhưnhà máy hóa chất, các nhà máy phóng xạ, trong đại dương hay các hành tinh khác…Thì việc ứng dụng Robot để cải thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng.

Robot được tích hợp nhiều loại cảm biến có khả năng nghe được siêu âm, cảmnhận được từ trường, đo được các thông số của môi trường làm việc Bên cạnh đó, một

ưu điểm của Robot là môi trường làm việc, chúng có thể thay thế con người làm việc ởnhững môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bẩn hay nguy hiểm Ở những nơi như nhà máyhóa chất, các nhà máy phóng xạ, trong đại dương hay các hành tinh khác… Thì việcứng dụng Robot để cải thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng

1.2.2.2 Một số lĩnh vực ứng dụng

Công nghệ Robot được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Trong dây truyềnsản xuất thì bộ phận cơ khí bao gồm nhiều loại Robot như Robot phun sơn, Robot hàn,Robot lắp ráp khung sườn… Đòi hỏi độ linh hoạt và khả năng hoạt động chính xác cựccao mới đảm bảo được sản phẩm tạo ra không bị lỗi

Loại Robot lắp khung kính, đươc tích hợp nhiều loại cảm biến và chức năng linhhoạt cùng với độ chính xác cao Hình bên dưới là loại Robot có thể được xem là loạitân tiến nhất trong công nghiệp

Hình 1 6: Cánh tay Robot lắp ráp kính cho xe ôtô

Một hệ thống hiện đại với các cánh tay Robot làm việc rất chính xác và hoạt độngmột cách linh hoạt, Robot hàn khung sườn xe ôtô với tính năng chuyên dụng, đảm bảocác mối hàn cực chính xác và độ kết dính, độ bền đạt chất lượng, tăng cao năng xuất

Hình 1 7: Cánh tay Robot hoạt động trong dây chuyền sản xuất bên trong nhà máy

VW

Bên cạnh đó còn có rất nhiều loại Robot phục vụ trong công nghiệp như Robotsắp xếp hàng hóa vào kho sau khi thành phẩm, …

Ngày nay Robot được áp dụng trong ngành y tế khá nhiều, sử dụng để phẩu thuậtcho người bệnh hay mỗ nội sôi, … Đều đạt được tỉ lệ thành công rất cao Đem lại antâm cho mọi người, một sự phát triển đáng gồm trong y tế

Hình 1 8: Robot phẫu thuật Versius của nước Anh hứa hẹn cuộc cách mạng y học

1.3 Xe điều khiển từ xa qua sóng bluetooth

1.3.1 Sơ lược về công trình nghiên cứu

Công trình được nghiên cứu và lắp đặt bao gồm: Arduino Mega 2560 làm bộ điềukhiển trung tâm, bộ thu nhận tín hiệu và giao tiếp Bluetooth HC-06, được thiết kế bộMit App Inventor để điều khiển hướng đi, sử dụng thêm đèn LED, HC06, SRF04, côngtắc hành trình, lắp thêm Shield L289D, …

Hình 1 9: Phía dưới của mô hình

Hình 1 10: Phía trên của mô hình

Hình 1 11: Sản phẩm được tạo ra hoàn chỉnh

Với sự trợ giúp của Mit App Inventor, sản phẩm được điều khiển một cách thuậnlợi với phần thiết kế giao diện hiển thị bên Designer và phần viết code bên Blooks

Hình 1 12: Giao diện của Mit App Inventer bên Designer

Hình 1 13: Các khối có chức năng kết nối Bluetooth

Hình 1 14: Phần viết code bên Blooks trong Mit App Inventor

1.3.2 Ưu điểm và khuyết điểm

1.3.2.1 Ưu điểm

- Sản phẩm tạo ra hoạt động ổn định

- Lập trình ngắn gọn đơn giản dễ hiểu

- Các chi tiết cũng như các linh kiện bán phổ biến dễ tìm mua trên thị trường

- Giá thành tương đối thấp, tạo điều kiện cho chúng ta nghiên cứu và chế tạo

- Có thể viết App Android cho sản phẩm một cách dễ dàng

- Kết nối thiết bị Bluetooth một cách dễ và nhanh chống

- Có nhiều tài liệu tham khảo

1.3.2.2 Khuyết điểm

- Thiết kế chưa được đẹp, chưa được tinh tế, tỉ mỹ

- Phương hướng hoạt động còn hạn chế Chỉ đi được 4 hướng, lên, xuống, trái,phải

- Sản phẩm còn quá thô sơ

- Chưa điều khiển vận tốc hợp lý

- Sử dụng động cơ công suất nhỏ, chưa đáp ứng tốt về tải trọng làm ảnh hưởngđến hướng di chuyển

- Việc sắp xếp mô hình còn chưa căn đối

1.4 Robot di chuyển ba bánh đa hướng

1.4.1 Sơ lược về công trình nghiên cứu

Mỗi loại Robot đa hướng đều có mục đích riêng, đối với loại Robot đa hướng babánh, di chuyển được nhiều hướng một cách dễ dàng, bên cạnh đó loại bánh xe Omniđược sử dụng rất nhiều, do có cấu tạo đặt biệt, có thể đáp ứng và hổ trợ cho xe dichuyển được đa hướng

Loại Robot ba bánh đa hướng có thể áp dụng thêm camera, xử lý hình ảnh sẽ tạothành một Robot tự hành có thể di chuyển trong nhà mà không cần phải lo va chạm với

các vật dụng trong nhà, nhờ sự chuyển động linh hoạt và chính xác của động cơ và bộbánh xe omni đa dụng.

Ta có thể tích hợp thêm nhiều cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại, … Bánh

xe có thể lăn theo chiều quay hay ngay cả vuông góc cũng có thể di chuyển được Cảmbiến có thể đo được khoảng cách mà nhờ đó giúp cho Robot di chuyển theo bất kìhướng nào

Với những ngôi nhà không có ưu thuế về không gian thì Robot đa hướng ba bánh

là một lựa chọn hữu ích Giúp việc nhà ở một không gian nhỏ gọn mà vẫn đảm bảođược công việc, tính linh hoạt và độ chính xác cao thì Robot ba bánh đa hướng là mộtứng cử viên sáng giá

Với Robot ba bánh sử dụng bánh xe Omni đã sử dụng vi điều khiển trên ArduinoUno (Microcontroller) làm bộ não trung tâm với sự giúp đỡ của 2 mạch điều khiểnđộng cơ DC Mini DRV8833 (xem hình 1.17), 3 cảm biến siêu âm và 3 cảm biến hồngngoại để phát hiện ra vật cản xung quanh

Hình 1 15: Mạch điều khiển động cơ DC Mini DRV8833

Hình 1 16: Three-wheeled omni-directional mobile robot (robot di động đa hướng ba

bánh)

1.4.2 Ưu điểm và khuyết điểm

1.4.2.1 Ưu điểm

- Robot di dộng đa hướng 3 bánh có hướng đi đa dạng

- Dễ dàng thiết kế, linh kiện phổ biến ngoài thị trường, rất dễ mua

- Hoạt động chính xác và rất ổn định

- Với cấu tạo đặt biệt nên Robot không cần các thao tác phức tạp mà có thể hoạtđộng được

- Xe ba bánh có ứng dụng rất rộng rãi trong cuộc sống hằng ngày

- Đáp ứng được nhiều bài toán về di chuyển nhờ sự hoạt động chính xác và linhhoạt của bộ ba bánh xe omni

và độ sáng trong không gian làm việc của Robot Nhưng cũng bù đắp được mộtphần lớn khuyết điểm của cảm biến siêu âm.

- Một vấn đề khá nghiêm trọng hay gặp đó là việc tín hiệu PWM được truyền qua

ba mạch cầu H, có sự không đông đều giữa ba mạch trong hệ thống nên dẫn đến

sự trễ của các bánh xe và làm hướng đi không chính xác tuyệt đối được

- Chỉ hoạt hoạt động được với một số địa hình lý tưởng

- Hạn chế môi trường làm việc khá lớn: khô ráo, không có nước…

1.6 Hướng giải quyết cho nghiên cứu sắp tới

Qua sự trải nghiệm, tham khảo các đề tài của các nhà nghiên cứu, cùng các tácgiả trong các học viện, trong và ngoài nước Em đã thấy được và đã nêu lên các vấn đềcòn hạn chế của các tác giả, nay em xin đề xuất hướng giải quyết các vấn đề trên.Thay vì hai đề tài nghiên cứu của hai tác giả riêng biệt, em sẽ tổng hợp nhữngứng dụng hữu ích được đánh giá khá cao trong hai phần nghiên cứu của hai tác giả vàthêm vào kiến thức của bản thân, để tạo ra một nghiên cứu mới cho riêng mình là mộtrobot di chuyển đa hướng 3 bánh được điều khiển bởi sóng bluetooth trên App ứngdụng Andriod, có thể tránh được vật cản thông qua sự hỗ trợ bổ ích của cảm biến siêu

âm, robot có thể tự vận hành và điều khiển, ngoài ra còn tích hợp thêm camera để quansát và nhìn thấy được hình ảnh trên giao diện điện thoại Cùng với camera còn có thêmtay gắp, có thể gắp được các vật dụng nhỏ gọn trên hình ảnh thu về

- Những vấn đề cần giải quyết cho quá trình nghiên cứu:

- Thiết kế cơ khí chắc chắn cho sản phẩm khi hoàn thiện

- Robot được điều khiển bởi sóng Bluetooth

- Xây dựng bộ não trung tâm điều khiển trên vi mạch Arduino

- Nâng cấp công suất động cơ hoạt động mạnh hơn

- Điều khiển tốc độ động cơ với PID

- Tích hợp thêm tay gắp servo để gắp vật

- Tạo ra một ứng dụng App Android cho robot trên

- Tích hợp màn hình điều khiển vừa có nút điều khiển vừa có thể thấy đượchình ảnh truyền về

- Lắp thêm smartphone để thay thế camera truyền hình ảnh về smartphoneđiều khiển

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Tiêu chuẩn cho một Robot

Với sản phẩm nghiên cứu “Robot di chuyển đa hướng thông qua smartphone với

sự hổ trợ của bluetooth” cần có một số tiêu chuẩn như sau:

Không để cho Robot di chuyển khá nhanh, điều này làm ảnh hưởng tới độ chínhxác

Chỉ có thể di chuyển ở những địa hình bằng phẳng, không bị sụp lún như có cátquá nhiều hay mặt bằng gồ ghề hoặc có độ bám dính không tốt

Chú ý đến việc lựa chọn động cơ sao cho cân đối với bánh xe và trọng lượng của

mô hình thiết kế Robot

Không thể chạy được dưới nước hoặc một số nơi ẩm ướt nhiều hoặc hoạt độngngoài trời khi đang mưa, vì các linh kiện trên mô hình chưa được thiết kế hay trang bịviệc chống thấm nước

Đảm bảo được nguồn điện trong hệ thống hoạt động không bị sụt áp hay là không

ổn định, điều này làm cho các bộ sử lý không đủ áp và không đáp ứng được như mongmuốn

Phạm vi hoạt động không quá xa theo chuẩn phạm vi kết nối Bluetooth và tùy vàotừng thiết bị smartphone kết nối với robot Tuy nhiên đã trãi nghiệm thực tế trên 7smartphone khác nhau, thì khoảng cách tối đa cho phép kết nối vẫn hoạt độngbình

thường là từ 20m Nếu vượt qua khoảng cách 20m robot vẫn nhận được tín hiệunhưng hoạt động không hết công suất

2.1.2 Những nơi và công việc ứng dụng được robot

Đối với một Robot di chuyển đa hướng được điều khiển từ xa được tổng hợpnhiều tính năng được ứng dụng rất rộng rãi trong cuộc sống

Trong lĩnh vực giải trí:

- Đá bóng và chơi nhiều môn thể thaovới nhiều robot khác

- Tổ chức những cuộc đua vượt địa hình, vượt chướng ngại vật

- Chơi với trẻ em

- Tham gia các cuộc thi Robocon

Trong sinh hoạt gia đình:

- Lau nhà, vệ sinh nhà cửa

- Quan sát xung quanh, chống trộm như một người bảo vệ

- Mang vác đồ vật từ nơi này sang nơi khác

Trong lĩnh vực y tế:

- Có thể mang thuốc đến những phòng khám bệnh

- Chỉ đường cho bệnh nhân

- Điều chế thuốc hoặc dung dịch kháng sinh trong phòng thí nghiệm

Trong quân sự:

- Thu thập hình ảnh thực và phá hủy các loại mìn của địch

- Giám sát và bám đuổi mục tiêu

- Vận chuyển đạn dược

- Thăm dò căn cứ và hoạt động của địch

- Chế tạo vũ khí và hoạt động trong môi trường có tia phóng xạ hạt nhân.Trong thám hiểm:

- Có thể đi vào vùng độc hại để thu thập số liệu và hình ảnh

- Thám hiểm vũ trụ, mặt trăng, các hành tinh

- Giám sát sự sinh trưởng của một cụm thảm thực vật phục vụ cho nghiêncứu

Trong nông nghiệp:

- Làm việc trong mô hình nhà lưới

- Thu hoạch trái cây.

- Giám sát hệ thống mô hình nhà lưới

2.1.3 Arduino

2.1.3.1 Khái niệm

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác vớinhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạchnguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit

Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng,không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ranhững thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơcấu chấp hành

Arduino gồm có board mạch có thể lập trình được (thường gọi là vi điều khiển)

và các phần mềm hổ trợ phát triển tích hợp IDE (lntegrated DevelopmentEnvironment) dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương trình cho board.Arduino ngày nay rất phổ biến cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về điện tử vì nóđơn giản, hiệu quả và dễ tiếp cận không giống như các loại vi điều khiển khác.Arduino không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code cho PLCcần phải có Pic kit Đối với Arduino rất đơn giản, ta có thể kết nối với máy tính bằngcáp USB Thêm vào đó việc lập trình Arduino rất dễ dàng, trình biên dịch Arduino IDE

sử dụng phiên bản đơn giản hóa của ngôn ngữ C++

Hình 2 1: Arduino Esplora

2.1.3.2 Lịch sử hình thành Arduino

Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trạiInteraction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy.Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea Cái tên

"Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án nàythường xuyên gặp mặt Bản thân quán bar này có được lấy tên là Arduino, Bá tước củaIvrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến 1014

Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên làHernando Barragan Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làmviệc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn

mở Trường này cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên cứu, một trong số đó làDavid Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này

2.1.4.3 Các loại Arduino thường gặp

Hình 2 2: Arduino Mega 2560

Hình 2 3: Arduino DUE