MỤC LỤC

MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................................i
MỞ ĐẦU..............................................................................................................1
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI..............................................................................................1
MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU...............................................................2
Mục tiêu.................................................................................................................. 2
Hướng giải quyết.....................................................................................................2
Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN..............................................................................4
1.1 TÌM HIỂU VỀ CÁNH TAY ROBOT...................................................................4
1.1.1 Bậc tự do của robot........................................................................................4
1.1.2 Khớp robot.....................................................................................................5
1.1.3 Cổ tay robot....................................................................................................5
1.1.4 Bàn tay robot..................................................................................................6
1.1.4.1 Cơ cấu kẹp...............................................................................................6
1.1.4.2 Bàn tay dạng một cơ cấu dụng cụ............................................................6
1.1.5 Năng lượng cung cấp cho robot.....................................................................7
1.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ VỀ TÍNH KHẢ QUAN CỦA SẢN PHẨM..........7
1.3 DANH SÁCH LINH KIỆN..................................................................................8

CHƯƠNG 2 : ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..............9
2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU..............................................................................9
2.1.1 Vi điều khiển arduino MEGA2560.................................................................9
2.1.1.1 Sơ khảo về vi điều khiển..........................................................................9
2.1.1.2 Sheild của arduino..................................................................................10
2.1.1.3 Khả năng ứng dụng của vi điều khiển vào sản phẩm.............................12
2.1.2 Động cơ bước 28BYJ-48 – 5V....................................................................12
2.1.2.1 Sơ khảo về động cơ bước.......................................................................12

2.1.2.2 Động cơ bước 28BYJ-48.......................................................................12
2.1.2.3 Mạch đệm ULN2003 [4]........................................................................14
2.1.2 Servo SG90.................................................................................................15
2.1.3.1 Thông số kỹ thuật [3].............................................................................15
2.1.3.2 Điều khiển..............................................................................................16
2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU......................................................................17

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................20
SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


MỤC LỤC

3.1 KẾT QUẢ........................................................................................................... 20
3.1.1 Phần cứng.....................................................................................................20
3.1.1.1 Tổng quan hệ thống................................................................................20
3.1.1.2 Một số hình ảnh thực tế của cánh tay robot............................................21
3.1.2 Phần mềm.....................................................................................................25
3.1.3.1 Nguyên lý hoạt động..............................................................................25
3.1.3.2 Thiết kế điều khiển 3 động cơ bước và 1 servo......................................25
3.1.4 Code và thư viện..........................................................................................26
3.1.4.1 Code test 1 stepper motor thông qua biến trở.........................................26
3.1.4.2 Code test 3 biến trở................................................................................27
3.1.4.3 Code test tín hiệu nút ấn.........................................................................29
3.2 THẢO LUẬN.....................................................................................................31

KẾT LUẬN........................................................................................................32
KIẾN NGHỊ.......................................................................................................33
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................34
PHỤ LỤC...........................................................................................................35

Phần mềm Proteus....................................................................................................35
Phần mềm Fritzing...................................................................................................37

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Arduino hiện nay là một trong những board mạch vi xử lý phổ biến và có số lượng
thư viện lớn nhất vì thế người dùng có thể mặc sức khám phá, tìm tòi và không ngừng
nghiên cứu thêm, cho đến nay có nhiều loại arduino với nhiều chức năng riêng biệt
khác nhau, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong dân dụng và đặc biệt là trong công
nghiệp.
Thời đại của robot đang đến rất gần. Những chiếc máy tự động đang ngày càng ảnh
hưởng đến cuộc sống của mọi người, không chỉ dừng lại tại các nhiệm vụ đơn giản mà
còn thực hiện được những công việc phức tạp.
Điều khiển ô tô, thực hiện các nhiệm vụ được giao, thậm chí là viết một đoạn văn
được yêu cầu một cách mạch lạc, tất cả những khả năng trên đều đã trở thành hiện
thực và vẫn đang tiếp tục phát triển, hoàn thiện rất nhanh chóng. Ngày càng có nhiều
robot có khả năng hoạt động một cách chính xác hơn, hiệu quả hơn, và nhất là giống
con người hơn được giới thiệu và thay đổi cuộc sống, công việc của chúng ta. Các ô tô
tự hành đã đi được hàng ngàn kilomet và các máy bay không người lái (drone) đã hoàn
thành nhiều nhiệm vụ hơn, hoàn toàn tự động, không cần sự điều khiển từ bên ngoài.
Cơ bản, sự phát triển của khoa học máy tính, công nghệ thông tin, các mạng lưới thông
tin như Wi-Fi, Bluetooth, cùng các cảm biến (sensor), camera mini và hệ thống định vị
cũng như laser dẫn đến hàng loạt các cải tiến và đổi mới trong lĩnh vực robot, tự động
hóa.
Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp là nhằm nâng

cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của
sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra một
vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt cao
nhằm đáo ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hóa cạnh tranh.
Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những hệ
thống tự động sản xuất linh hoạt đó.
Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, robot công nghiệp đã có một lịch sử phát triển
hấp dẫn. Ngày nay robot công nghiệp được dùng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản xuất.
Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của các loại robot đã được chọn lựa và đúc
kết lại qua bao nhiêu năm ứng dụng ở nhiều nước.
Ở giai đoạn trước những năm 1990 hầu như nước ta hoàn toàn chưa du nhập về kỹ
thuật robot, thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh vực này. Từ
năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ các
việc như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công CNC, lắp ráp các linh kiện điện
tử, thao tác ở các máy ép nhựa, hàn vỏ xe hơi, xe máy và phun phủ bề mặt v.v.. có
những nơi đã bắt đầu thiết kế, chế tạo và lắp ráp robot.
“Robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước
được các chức năng lao động công nghiệp của con người” [5]. Nói đến thiết bị tự
động linh hoạt là nhấn mạnh đến khả năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều
khiển trợ động và lập trình thay đổi được.
SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


MỤC LỤC

Còn nói đến sự bắt chước các chức năng lao động chân tay đơn giản đến trí khôn nhân
tạo, tùy theo loại hình công việc lao động cần đến chức năng đó hay không. Đồng thời
cũng nói đến mức độ cần thiết bắt chước được như con người hay không.
Tự động hóa (Automation) và kỹ thuật robot (Robotics) là hai lĩnh vực có liên quan
mật thiết với nhau. Về phương diện công nghiệp, tự động hóa là một công nghệ liên

kết với sử dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và hệ thống máy tính trong vận hành và
điều khiển quá trình sản xuất. Ví dụ, dây chuyền vận chuyển, các máy lắp ráp cơ khí,
các hệ thống điều khiển phản hồi, các máy lắp ráp cơ khí, các máy công cụ diều khiển
chương trình số và robot. Như vậy, có thể coi robot là một dạng của thiết bị tự động
hóa công nghiệp.
Các nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy tốc độ robot hóa và linh hoạt hệ thống sản xuất
hiện đại là :
-

Sự ảnh hưởng của các tiến bộ kỹ thuật về cơ – tin – điện tử ( mechatronics ).
Tốc độ giảm giá nhanh của hàng vi điện tử.
Tốc độ tăng chi phí cho người lao động.

Cánh tay robot là một phần trong sự phát triển ấy, nhằm nâng cao hiểu biết, làm chủ
công nghệ và ứng dụng nhiều hơn nhằm hỗ trợ công việc, thao tác cơ bản hiệu quả
hơn.
Những ưu điểm cơ bản của robot:
-

-

Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn
người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế
robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản
phẩm. Hơn thế, robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi
với sự biến đổi mẫu mà, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường.
Khả năng giảm giá thành sản phẩm do dứng dụng robot là vì giảm được đáng
kể chi phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức cao về tiền lương lao
động, cộng các khản phụ cấp và bảo hiểm xã hội.
Ứng dụng robot có thể cải thiện điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất

mà chúng ta cần lưu tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi lao động phải
làm việc suốt buổi trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực hoặc ồn áo
quá mức cho phép nhiều lần. Thậm chí ở nhiều nơi người lao động còn phải
làm việc với môi trường độc hại nguy hiểm đến sức khỏe con người, dễ bị cụt
chân tay, dễ bị nhiễm hóa chất độc hai, nhiễm sóng điện từ và phóng xạ v.v…

MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Mục tiêu

- Tạo ra một cánh tay robot có thể điều khiển và lập trình
- Kiểm tra độ ổn định của sản phẩm sau khi hoàn thành
Hướng giải quyết

- Dựa trên hiểu biết của mình về các linh kiện điện tử, các thông tin cụ thể về
-

thông số cũng như cách thức hoạt động của từng loại linh kiện
Giải quyết những vấn đề cơ bản của người đi trước, qua quá trình quan sát, học
hỏi, tích lũy kinh nghiệm và bắt tay vào làm thực tế
Tỉ mỉ, cẩn thận và chăm chỉ trong các khâu lắp ghép cũng như điều khiển
SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


MỤC LỤC

Phạm vi nghiên cứu
Với đồ án này các thiết bị cần được tập trung nghiên cứu bao gồm :
Arduino mega; servo gs90; Động cơ bước 28BYJ-48 – 5V kèm mạch điều khiển
ULN2003, cách điều chỉnh biến trở 10K ohm và nút ấn
Các chi tiết in 3D – kiểm soát chất lượng của các mảnh ghép (độ chi tiết,chất lượng

nhựa, độ cứng cáp,..)
Ngoài ra một số dụng cụ và thiết bị phụ trợ cũng cần được nắm vững để hỗ trợ tốt nhất
cho đồ án

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1 TÌM HIỂU VỀ CÁNH TAY ROBOT
Với sự phát triển vũ bão của nền công nghiệp hiện nay, theo đó là sự tiến bộ vượt
bậc của công nghệ, ngày càng nhiều robot được ứng dụng các nhà máy, đặc biệt trong
các nhà máy sản xuất lớn, với những ưu điểm vượt trội, tiết kiệm, hiệu quả và chính
xác đến từng milimet khiến cho cánh tay robot được sử dụng phổ biến và ngày càng
tinh vi và chính xác hơn nữa.
Như chúng ta đã biết, sai sót chính là bất lợi lớn của con người so với máy móc, theo
kết quả các cuộc khảo sát thì thời gian càng lâu, con người hoạt động thiếu chính xác
hơn hẳn, máy móc có thể lúc đầu hoạt động chưa trơn tru nhưng một khi đã đi vào
hoạt động thì hoàn toàn chính xác và ổn định, chính vì thế máy móc dần dần thay thế
con người trong các việc đòi hỏi sự chính xác và ổn định.
Cánh tay robot được tạo ra với vô số ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ y tế , công
nghiệp, nghiên cứu , sản xuất,.. nhằm mục đích thay thế cánh tay của con người [5].
Ngày nay , việc học tập và chế tạo cánh tay robot đã trở nên phổ biến và đơn giản hơn
nhiều nhờ những phần mềm hỗ trợ và giá thành của các vi điều khiển, và các loại
motor.
Giá thành cao, công nghệ đa số là được giữ bí mật và kích thước dùng trong công
nghiệp là khá lớn dẫn đến chiếm dụng diện tích trong các phòng học tập, nghiên cứu,
thí nghiệm, nên việc chế tạo một robot mô phỏng các chức năng cơ bản của robot công
nghiệp là một việc cần thiết cho việc nghiên cứu và làm chủ công nghệ trong thời đại

phát triển. Với kích thước nhỏ, chi tiết, nguồn tiêu thụ ít, thực hiện được những lệnh
cơ bản của một robot công nghiệp cơ bản, thuận tiện cho các mục đích nghiên cứu và
phát triển cho học sinh, sinh viên.
1.1.1 Bậc tự do của robot
Bậc tự do của robot là số tạo độ cần thiết để biểu diễn vị trí và hướng của vt thể ở
tay robot trong không gian làm việc, để biểu diễn hoàn chỉnh một đối tượng trong
không gian cần 6 tham số : 3 tọa độ xác định vị trí đối tượng trong không gian và 3 tọa
độ biểu diễn hướng của vật thể. Như vật một robot công nghiệp ( cánh tay robot) sẽ
tương ứng với số khớp hoặc số thanh nối của robot.
Nếu số bậc tự do nhỏ hơn 6, không gian chuyển động của tay robot sẽ bị hạn chế. Với
một robot 3 bậc tự do., tay robot chỉ có thể chuyển động theo các trục x,y,z và hướng
của tay không được xác định. Tương tự robot có 5 trục trong mặt phẳng. Ngược lại số
bậc tự do lớn hơn 6, sẽ có nhiều lời giải biểu diễn vị trí và hướng của robot trong
không gian và sẽ có nhiều phương án điều khiển chuyển động

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

Hình 1.1 Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp [6].

1.1.2 Khớp robot
Khớp là khâu liên kết hai thanh nối có chức năng truyền chuyển động để thực hiện
di chuyển của robot. Thanh nối gần với thân robot là thanh nối vào, thanh nối ra sẽ
chuyển động so với thanh nối vào.
Khớp robot gồm 2 loại: Khớp Tịnh tiến và khớp quay
-

Khớp tịnh tiến thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc trượt thanh nối đầu ra. Các

dạng cơ cấu khớp tịnh tiến là cơ cấu xi lanh- piston, cơ cấu kính viễn vọng…
Khớp quay có 3 dạng : R,T,V. Khớp quay dạng R có trục xoay vuông góc với
trục hai thanh nối. Dạng khớp quay T có trục xoay trình với trục hai thanh nối.
Dạng khớp quay V có trục xoay trình với trục thanh nối vào và vuông góc với
trục thanh nối ra.

1.1.3 Cổ tay robot
Cổ tay Robot có nhiệm vụ định hướng chính xác bàn tay robot (Cơ cấu tác động
cuối) trong không gian làm việc. Ở đây, cơ cấu của robot trong đề tài sử dụng cơ cấu
cổ tay 1 bậc tự do (lên xuống)
SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1.4 Bàn tay robot
Bàn tay được gắn lên cổ tay robot nhằm đảm bảo cho robot thực hiện các nhiệm vụ
khác nhau trong không gian làm việc. Cơ cấu bàn tay có hai dạng khác nhau tùy theo
chức năng của robot trong dây chuyền sản xuất : cơ cấu bàn tay kẹp (gripper) và cơ
cấu dụng cụ ( tool).
1.1.4.1 Cơ cấu kẹp
Cơ cấu kẹp được sử dụng để cầm giữ một vật thể hoặc chi tiết ở các robot làm việc
trong dây chuyền lắp ráp khi gắp một chi tiết và lắp ráp một bộ phận của một máy;
robot ở dây chuyền đóng gói hoặc ở robot có chức năng vận chuyển như gắp một chi
tiết đặt lên một băng tải hoặc vận chuyển một chí tiết từ vị trí này sang vị trí khác…
Các chi tiết cũng có các loại và hình dạng khác nhau: chai, hộp, vật liệu thô hoặc một
dụng cụ….
Cơ cấu kẹp thông thường gốm hai hay nhiều ngón tay. Các ngón tay có chức năng biến
đổi một dạng năng lượng (cơ khi, khí nén, thủy lực hoặc điện) nhờ một cơ cấu chấp
hành thành lực để năm giữ một vật thể. Cơ cấu có khả năng mở ra và nắm lại các ngón

tay và sinh lực đủ lớn để giữ được một vật thể trong tay. Có hai dạng cơ cấu ngón tay
để giữ vật thể:
-

Dạng thứ nhất, các ngón tay có hình dạng gần giống như hình dạng vật được
giữ, như vậy nhờ diện tích tiếp xúc giữa các ngón tay mà vật thể được giữ chắc
chắn trên tay robot
Dạng thứ hai, vật được giữ nhờ lực ma sát giữa ngón tay và chi tiết. Trong
trường hợp này, ngón tay cần phải sinh lực đủ lớn để đảm bảo sinh lực ma sát
đủ lớn. Để tăng lực ma sát ở các ngón tay khi giữ vật thể, thông thường các
ngón tay và các bộ phận gắn trên các ngón tay được chế tạo bằng các vật liệu
mềm. Đồng thời cũng có tác dụng bảo vệ các ngón tay khỏi bị hư hỏng do va
chạm.

Trong hai dạng cơ cấu ngón tay trên, dạng thứ hai có ưu điểm đơn giản, dễ thiết kế chế
tạo, tuy nhiên có nhược điểm so với dạng thứ nhất khi cần một lực đủ lớn đặt lên vật
theo hướng song sóng với bề mặt ma sát của các ngón tat, làm cho vật dễ bị trượt ra
khỏi ngón tay. Để chống lại hiện tượng đó, cơ cấu kẹp cần được thiết kế để đảm bảo
sinh lực cần thiết phụ thuộc vào trọng lực của vật thể, hệ số ma sát giữa vật thể và các
ngón tay, hệ số gia tốc và giảm tốc của vật và hướng của vật thể trong khi di chuyển.

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1.4.2 Bàn tay dạng một cơ cấu dụng cụ
Trong nhiều dây chuyền sản xuất, robot thực hiện nhiệm vụ như một dụng cụ để
gia công kim loại hoặc một công nghệ đặc biệt như sơn, hàn.. Để thực hiện các công
nghệ đó, dụng cụ có thể được kẹp trên bàn tay robot ( cơ cấu kẹp ) hoặc một dụng cụ

được gắn cố định trên cổ tay của robot. Các dạng dụng cụ là:
Mũi khoan, dụng cụ cắt, đá mài, bình sơn, cơ cấu hàn điểm, hàn hồ quang,.. Khi bàn
tay robot là một dụng cụ, robot cần được điều khiển chuyển động của dụng cụ tương
tự như điều khiển cơ cấu bàn tay kiểu kẹp.
Với chức năng cơ bản, sản phẩm sử dụng bàn tay dạng kẹp sử dụng servo để đóng mở

Hình 1.2 Cơ cấu bàn tay kẹp sử dụng servo

1.1.5 Năng lượng cung cấp cho robot
Bàn tay robot cần năng lượng để thực hiện nhiệm vụ của dây chuyền công nghệ và
tín hiệu điều khiển để điều chỉnh sự hoạt động của cơ cấu bàn tay. Các phương pháp
chủ yếu truyền năng lượng và tín hiệu tới bàn tay là : Khí nén, điện, thủy lực và cơ khí,
trong đó phương pháp truyền bằng khí nén và điện được sử dụng rộng rãi hơn cả.
Phương pháp truyền năng lượng tới bàn tay robot phải tương thích và phù hợp với hệ
thống cơ khí. Ví dụ, khi sử dụng khí nén để truyền động cơ cấu bàn tay sẽ là giải pháp
hợp lý khi các khớp robot được truyền động với các thiết bị khí nén. Tín hiệu điều
khiển sẽ điều khiển cơ cấu bàn tay thông qua điều chỉnh sự truyền năng lượng tới bàn
tay.
1.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ VỀ TÍNH KHẢ QUAN CỦA SẢN PHẨM
Dự án mang tới cho chúng ta nhiều cơ hội cũng như những thách thức mới, để tạo
ra sản phẩm, ngoài những kiến thức cơ bản về linh kiện cũng như khả năng đọc hiểu
các tài liệu tiếng anh như datasheet và các tài liệu khác, với giá thành hợp lý và cơ cấu
đơn giản hơn so với các cánh tay trong công nghiệp hiện tại, sản phẩm có nhiều tính
ứng dụng thực tiễn.

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN


Khả năng điều khiển cũng như làm chủ được cánh tay máy, kỹ năng lập trình cũng rất
cần thiết đối với các sản phẩm dựa trên nền arduino, đặc biệt thành thạo các đoạn code
dùng để điều khiển servo và các steeper () trong phần mềm Arduino IDE
Sản phẩm hoàn thành sẽ mang trong nó những khả năng mở rộng cao, làm một phần
nhỏ trong các sản phẩm lớn hơn nữa, có tính ứng dụng trong các nhà xưởng, công
trường dùng để di chuyển các loại vật liệu, thùng hàng kích thước lớn với vị trí được
lập trình sẵn một cách chính xác, trong các cửa hàng, kho hàng dùng để vận chuyển
hàng hóa tới những nơi cao, giảm thiểu tỉ lệ tai nạn lao động của công nhân.
1.3 DANH SÁCH LINH KIỆN
Một số linh kiện cần thiết như sau :







Vi điều khiển: 1 arduino MEGA2560
Servo GS90
Động cơ bước 28BYJ-48 – 5V
Mạch điều khiển động cơ bước ULN2003
Nút ấn
Biến trở 10k Ohm

Ngoài ra còn một số dụng cụ điện tử cơ bản.

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU


CHƯƠNG 2 : ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu chính trong đề tài bao gồm :
Arduino MEGA2560
Động cơ bước 28BYJ-48 – 5V kèm mạch điều khiển ULN2003
Servo SG90
2.1.1 Vi điều khiển arduino MEGA2560
2.1.1.1 Sơ khảo về vi điều khiển
Arduino Mega là vi điều khiển được xây dựng với cốt lõi là chip ATMEGA 2560,
nó có 54 chân đầu vào / đầu ra kỹ thuật số (trong đó 15 chân có thể được sử dụng làm
đầu ra PWM), 16 đầu vào analog, 4 UART, mộtbộ tạo dao động tinh thể ( thạch anh )
16 MHz, 1 cổng kết nối USB, giắc cắm nguồn, ICSP, và một nút reset.
Là một board tích hợp với mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển (ATMega2560),
với nguồn điện được lấy từ cổng usb máy tính hoặc một bộ nguồn DC riêng để bắt đầu
hoạt động, tương thích hầu hết các board mở rộng được thiết kế cho Arduino UNO
Được thiết kế để dễ dàng lập trình bằng phần mềm Arduino IDE
Vi điều khiển

Atmega2560

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

Khoảng 40 mA -50mA


Điện áp vào khuyên dùng

7 V– 12V DC

Điện áp vào giới hạn

6V-20V DC

Số chân digital I/O

54 ( 15 chân hardware PWM)

Số chân analog

16

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

40 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

256 KB (với 8 KB dùng bởi
bootloader )

SRAM


8 KB

EEPROM

4 KB

Bảng 2.1 Một số thông số cơ bản của vi điều khiển Arduino MEGA2560
[1]

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 2.1. Cấu trúc và hình dạng của vi điều khiển Arduino mega 2560

Hình 2.2 Ảnh thực tế và cách phân bố các cổng , các chân của vi điều khiển

2.1.1.2 Sheild của arduino
Sheild – hay còn gọi là mạch mở rộng cho vi điều khiển, được ra đời nhằm giản
lược bớt các công đoạn nối dây,giúp sản phẩm đạt độ thẩm mỹ cao. Ngoài ra trên các
shield được thiết kế chuyên biệt cho một số nhiệm vụ nhất định nên sẽ có thêm các
công cụ được tích hợp sẵn để hỗ trợ nhiệm vụ đó.
Hiện tại có rất nhiều shield tuyệt vời cho Arduino Mega, có thể kể đến một số như sau

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU


Hình 2.3. Mạch điều khiển máy in 3D RAMPS 1.4

Hình 2.4. Arduino Shield Mega Proto

Hình 2.5. WiFi Shield

2.1.1.3 Khả năng ứng dụng của vi điều khiển vào sản phẩm
Được biết đến như một vi xử lý,mạnh mẽ, đa năng và thông dụng , sản phẩm sử
dụng board arduino MEGA2560 được biết đến như các dự án lớn với nhiều cảm biến,
thành phần nhằm tận dụng tối đa số lượng chân I/O trên vi điều khiển.
SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Với sự tiện ích vô cùng lớn của Arduino Mega 2560, mạnh mẽ với bộ nhớ flash lớn, số
chân nhiều hơn và cùng số lượng shield hỗ trợ không hề nhỏ. Arduino Mega đã được
đưa vào các dự án lớn hơn như xử lý thông tin nhiều luồng, điều khiền nhiều động cơ,
xe điều khiển từ xa, LED cube, mở rộng cánh cửa đến với thế giới IoT.
2.1.2 Động cơ bước 28BYJ-48 – 5V
2.1.2.1 Sơ khảo về động cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa
số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để
biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các
chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào
các vị trí cần thiết.
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên
có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển
mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.

Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và
tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ
một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
Động cơ bước thường sử dụng động cơ không tiếp xúc trượt có từ 50 -100 điểm cực.
Động cơ bước (STEP) không cần mã hóa, vì chúng có thể di chuyển chính xác tới các
vị trí của gần 100 điểm cực từ trong động cơ.
Động cơ bước điều khiển các bước bằng cách cấp xung điện vào các cuộn dây, tùy
theo cấu tạo mà động cơ bước có góc quay 1 xung khác nhau. Điển hình là loại động
cơ bước 1,8 độ / 1 bước ... quay hết 1 vòng 360 độ thì cần 200 bước ( gọi là FULL
STEP ), động cơ bước có thể điều khiển ở các chế độ khác như half step ( nửa bước
0,9 độ ) , micro step ( cấp độ nhỏ hơn nữa ) và cần nhiều hơn 400 xung ... càng ở chế
độ nhiều xung thì động cơ quay càng mịn ( không bị giật giật ( bước )), các động cơ
bước không có chổi than, roto được làm từ các cặp cực nam châm vĩnh cửu nên về lý
thuyết rất bền theo thời gian khi hoạt động đúng thông số.
2.1.2.2 Động cơ bước 28BYJ-48

Hình 2.6. Động cơ bước 28BYJ-48

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Động cơ bước sử dụng trong sản phẩm là động cơ bước 4 pha (thực ra là 2 pha
được chia ra làm 2 ở mỗi pha ngay tại vị trí giữa) (gồm 5 dây), 4 trong 5 dây này được
kết nối với 2 cuộn dây trong động cơ và 1 dây là dây nguồn chung cho cả 2 cuộn dây.
Mỗi bước của động cơ quét 1 góc 5.625 độ, vậy để quay 1 vòng động cơ phải thực
hiện 64 bước.
Bảng 2.2 thông số kỹ thuật của động cơ bước 28BYJ-48 [2]


Điện thế hoạt động

5V

Số pha

4 ( pha )

Tỉ lệ bánh rang

*64

Một bước tương đương

5.625° (64 bước)

Tần số

100Hz

Điện trờ trong

50Ω±7%(25℃)

Hình 2.7. Kích thước của động cơ bước 28BYJ-48

2.1.2.3 Mạch đệm ULN2003 [4]
Điện áp cung cấp: 5 ~ 12VDC.
Tín hiệu ngõ vào: 4 chân in1, in2, in3, in4.

Tìn hiệu ngõ ra: Jack cắm động cơ bước 28BYJ-48.
4 led hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ.

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 2.8. Mạch đệm ULN2003

Hình 2.9. Sơ đồ kết nối mạch đệm với động cơ bước và vi điều khiển.

Mạch cho phép chúng ta điều khiển được động cơ bước một cách đơn giản với các tích
hợp led, các cổng vào ra, cổng tính hiệu,.. giúp ta dễ dàng quan sát và điều chỉnh thích
hợp.

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.2 Servo SG90
Động cơ RC Servo 9G là động phổ biến dùng trong các mô hình điều khiển nhỏ và
đơn giản như cánh tay robot. Động cơ có tốc độ phản ứng nhanh, được tích hợp sẵn
Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ
rộng xung PWM.
Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động
cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi
tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của
động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn.

Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Các
động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo RC (radiocontrolled). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển 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.
RC servo là một loại động cơ điện đặc biệt có khả năng quay cơ cấu chấp hành tới một
vị trí chính xác và giữ cứng tại vị trí đó ngay cả khi cơcấu chấp hành bị đẩy trở lại. Dải
góc quay chuẩn của đầu trục ra thường là 90 và 180 độ. Trên thị trường thế giới có rất
nhiều loại servo khác nhau do nhiều nước sản xuất.
Có nhiều cách phân loại servo:
Phân loại về nguồn cấp: có servo 1 chiều, servo xoay chiều 1 pha, servo xoay chiều 3
pha.
Phân loại về vật liệu làm hộp giảm tốc có: bằng composit, kim loại, hợp kim.
Về phương pháp điều khiển, servo có hai loại cơ bản: analog và digital.
Bề ngoài thì không có gì khác nhau và về cơ bản, các phần bên trong cũng không
phân biệt nhiều ngoại trừ một vài phần điện tử, digital servo có một bộ vi xử lý.

Hình 2.10. Servo Sg 90 và sơ đồ chân

2.1.3.1 Thông số kỹ thuật [3]
Khối lượng : 9g
Kích thước: 22.2x11.8.32 mm
SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Momen xoắn: 1.8kg/cm
Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây
Điện áp hoạt động: 4.8V(~5V)
Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC

2.1.3.2 Điều khiển
Kết nối dây màu đỏ với 5V, dây màu nâu với mass, dây màu cam với chân phát xung
của vi điều khiển. Ở chân xung cấp một xung từ 1ms-2ms theo để điều khiển góc quay
theo ý muốn.

Hình 2.11. Giản đồ điều khiểu bằng xung của servo Sg 90

Điều khiển servo bằng biến trở:

Hình 2.12 Mạch thử nghiệm điều khiển servo bằng biến trở

Ta nhập code thử nghiệm sau:
#include Servo myservo;
int bientro = A0;
int servoPin = 9;
void setup ()
{
myservo.attach(servoPin);
Serial.begin(9600);
SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

}
void loop ()
{
int value = analogRead(bientro);
int servoPos = map(value, 0, 1023, 0, 180);

myservo.write(servoPos);
Serial.println(servoPos);
delay(100);
}
2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Với đề tài này, ta áp dụng nhiều phương pháp để có thể hoàn thành.
Đầu tiên, ta cần tiếp cận nguồn thông tin cơ bản trên internet để tìm hiểu sơ bộ về đề
tài, những hạn chế và ưu điểm của những người tiền nhiệm sau đó đề ra phương án
thực hiện.
Tham khảo trên các trang mạng chia sẻ thông tin liên quan như: Google.com,
youtube.com, github.com, Arduino.cc ,.. ngoài ra còn có nhiều diễn đàn để các thành
viên trao đổi kinh nghiệm với nhau, giải đáp các thắc mắc thực tế gặp phải trong quá
trình thực hiện đề tài, nghiên cứu, để có cái nhìn tổng quát về đề tài cũng như có
những dự tính các hướng đi phù hợp để đạt được hiệu quả cao.
Ngoài các trang thông tin cơ bản phổ biến trên internet thì các sách cũng như báo cáo
khoa học về vấn đề liên quan trong đề tài ( cụ thể ở đây là robot cánh tay phổ biến
trong công nghiệp ) cũng chứa nhiều yếu tố cần tham khảo để hoàn thiện đề tài. Hơn
nữa các loại sách, báo cáo khoa học có mức độ tin cậy cao hơn so với các kiến thức
trên mạng internet vì có tính chất kỹ lưỡng hơn, lời văn mạch lạc, dễ hiểu và độ sai sót
thấp hơn rất nhiều.
Sau khi tìm hiểu kỹ lưỡng và có kế hoạch từng bước cụ thể, giai đoạn thực hiện đề tài
cũng cần có nhiều phương pháp triển khai hợp lý, quản lý thời gian làm việc với đề tài
cũng như viết báo cáo là một nhân tố cần thiết để đảm bảo đúng và chính xác tiến độ
thực hiện.
Cụ thể trong đề tài, điều đầu tiên cần quan tâm đến chất lượng nhựa in 3D để tạo nên
các chi tiết cần có của cánh tay robot, nhựa PLA là một lựa chọn hợp lý với giá cả
cũng như là chất lượng đảm bảo, sau đó quá trình in cần nhiều điều chỉnh để cho ra chi
tiết phù hợp với yêu cầu của đề tài, quá trình mất khoảng một tuần để cho ra đủ các chi
tiết cơ bản để tạo nên cánh tay. Các lựa chọn ốc vít phù hợp đã được tính toán sẵn ( ở
đây ta chọn 2 loại kích thước ốc vít : đường kính 3mm và 4mm, đặc biệt trục xoay ở

giữa sử dụng loại vít 6mm) được ghép nối kết hợp với vòng đệm bằng thép để bảo vệ
các khớp không bị siết dẫn đến hư hỏng khớp, kết nối các động cơ bước vào các vị trí
thích hợp, sau đó lập trình chạy thử nghiệm 1 động cơ trước, đánh giá chuyển động và
tốc độ, độ nhạy khi điều khiển, độ nhiễu và đảm bảo dòng cung cấp cho các động cơ
bước khi hoạt động, tránh trường hợp thiếu dòng dẫn đến động cơ không hoạt động.

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Cần chú ý khi lắp ráp phần trục chuyển động lên và xuống để tránh nhầm lẫn dẫn đến
hư hỏng chi tiết

Hình 2.12 Trục chuyển động giữa

Tiếp theo, ta cần thiết kế một bảng điện để giảm thiểu sự rườm rà về dây điện khi kết
nối, chúng ta sử dụng trên 10 dây trong đề tài, vì thế sự rối rắm trong vấn đề dây kết
nối sẽ dẫn đến việc rối, ngoài ra dây kết nối động cơ bước với mạch điều khiển mỏng
và dễ đứt gãy, sử dụng cáp nhựa bọc để thu gọn dây kết nối là một biện pháp hữu hiệu
để tránh hư hỏng khi vận chuyển cũng như lưu trữ.

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 2.13 Cáp bọc dây kết nối

Sau khi hoàn thành kết nối phần cứng, giai đoạn lập trình và thử nghiệm sẽ quyết định

độ chính xác và ổn định của sản phẩm, với thư viện hỗ trợ điều khiển động cơ bước và
servo là servo.h và stepper.h của Arduino IDE giúp dễ dàng nắm bắt và thuần thục việc
điều khiển động cơ bước và servo hơn.

Hình 2.14 Thư viện servo và động cơ bước

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 KẾT QUẢ
Sau một thời gian thực hiện đề tài, kết quả thu được khả quan, có thể đáp ứng được
yêu cầu của đề tài, tuy nhiên cũng gặp nhiều khó khăn tất yếu như độ bền của linh
kiện, nhiễu tín hiệu, code gặp vấn đề,..
3.1.1 Phần cứng
3.1.1.1 Tổng quan hệ thống
Hệ thống được lắp ghép với các kết nối bằng ốc vít loại 3 mm và 4mm với một số
khớp, ngoài ra, phần trục ở vị trí đế được lắp thêm ổ bi giúp chuyển động tốt hơn.

Hình 10 . Ổ bi trong trục xoay ở đế

Hình 3.1. Kích thước sơ bộ của cánh tay

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1.1.2 Một số hình ảnh thực tế của cánh tay robot

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương


CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

SVTH – Bùi Thế Trọng, Huỳnh Phước Khương