Thiết kế lập trình cánh tay robot gắp vật Thiết kế lập trình cánh tay robot gắp vật Thiết kế lập trình cánh tay robot gắp vật Thiết kế lập trình cánh tay robot gắp vật
MỤC LỤC Phần Tóm tắt cơng trình Phần Đặt vấn đề 2.1 Cấu tạo robot .2 2.1.1 Hệ thống thiết bị 2.1.2 Chức thiết bị: 2.2 Thiết kế mơ hình tay robot Phần Kết 3.1 Ý tưởng toán 3.2 Câu lệnh G28 .7 3.3 Bài toán kiểm tra hàng đợi Queue .8 3.4 Bài toán nội suy chuyển động theo đường thẳng 3.5 Lập trình GUI để điều khiển sản phẩm 10 3.5.1 Giao diện Winform .10 3.5.2 Giao tiếp Winform Adruino IDE 13 Phần Kết luận 14 4.1 Những ưu điểm 14 4.2 Những hạn chế 14 4.3 Hướng phát triển .14 Phần Tài liệu tham khảo 15 Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, công nghệ đại ngày phát triển, máy móc thiết bị ngày đại Nền cơng nghiệp tự động hóa, cơng nghiệp hóa thay cho sức người công việc nhàm chán, lặp lặp lại hay nguy hiểm cho người Đi đôi với phát triển ngành khí chế tạo, ngành công nghệ thông tin nâng tầm để trở thành lĩnh vực đầu sống đại, lập trình ứng dụng phần mềm, quản lý liệu khơng gian mạng, phân tích xử lí số liệu trí tuệ nhân tạo, lập trình cho robot thông minh,… Đặc biệt ngành điện tử, kiến thức khí chế tạo kỹ thuật lập trình cần song hành để tối ưu sức mạnh, giá trị ngành nghề Ứng dụng dây chuyển sản xuất tự động, tay robot gắp hàng hóa băng tải sử dụng phổ biến nhiều, mang lại nhiều lợi ích tăng tính an tồn sản xuất, tăng suất lao động, giải phóng sức lao động người ,… Nắm bắt điểu đó, nhóm chúng em vận dụng kiến thức môn học “ Kỹ thuật lập trình điện tử “ hướng dẫn thầy TS.Trương Công Tuấn để thực tập lớn với đề tài “ Thiết kế lập trình cánh tay robot gắp vật “ Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí PHẦN TĨM TẮT CƠNG TRÌNH Điều khiển cánh tay robot ứng dụng thực tế mà phát triển mạnh mẽ, đa dạng sinh động, ứng dụng nhiều nhà máy sản xuất nhằm giảm bớt công sức lao động người đồng thời nâng cao số lượng chất lượng sản phẩm, nên phù hợp nhiều ứng dụng thực tế,… Nhóm chúng em lên ý tưởng vẽ mơ hình sau in máy in 3D Tay robot có bốn bậc tự do, điểu khiển khâu động bước, sử dụng vi điểu khiển mạch arduino kết hợp với module điểu khiển mở rộng Ramps 1.4, điểu khiển sản phẩm qua giao diện GUI (A graphical user interface) Kiến thức sử dụng lập trình hướng đối tượng C++, lập trình giao diện Winform, lập trình code arduino IDE tận dụng thư viện có sẵn Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan Nhận lệnh G-code từ máy tính đưa vào hàng đợi Queue Sau đưa vào Command để lấy thơng tin từ lệnh ( cụ thể ba tọa độ X,Y,Z khâu cuối tốc độ F mong muốn di chuyển tới) Phản hồi lại trạng thái hai Class Logger ( Ví dụ: câu lệnh sai cú pháp, báo lỗi chưa kết nối vi điều khiển,…) Tiếp theo cụm nội suy Interpolation, truyền vào toạ độ điểm mong muốn thơng qua việc nội suy đường thẳng nội suy toạ Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí độ tức thời Cuối xử lý toán động học ngược Inverse Kinematic lấy tọa độ X E ,Y E , Z E khâu cuối để tìm góc quay khâu truyền cho động bước quay theo góc tương ứng PHẦN ĐẶT VẤN ĐỀ 2.1 Cấu tạo robot 2.1.1 Hệ thống thiết bị STT Tên thiết bị Số lượng Arduino mega 2560 Ramps 1.4 Module Driver A4988 Servo Gripper Endstop Stepper motor Bảng 2.1 Bảng thiết bị sử dụng Hình ảnh Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Hình 2.1 Sơ đồ nối dây 2.1.2 Chức thiết bị: - Arduino mega 2560: Là vi điều khiển hoạt động dựa theo chip ATmega2560 - Ramps1.4: Mạch điều khiển máy in 3D RAMPS 1.4 board mạch sử dụng để làm máy in 3D thông dụng nay, mạch kết hợp với Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Arduino Mega 2560 Các loại Driver Motor bước 16 chân A4988, DRV8825, - Module Driver A4988: driver điều khiển động bước nhỏ gọn, hỗ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh dòng cho động cơ, tự động ngắt điện nóng Mạch điều khiển A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động động bước lưỡng cực như: Full, 1/2, 1/4, 1/8 1/16 - Servo Gripper: Là cấu khí hỗ trợ giữ gắp sản phẩm - Endstops: Một loại cơng tắc hành trình điểm dừng - Stepper motor: loại động chạy điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thường Chúng thực chất động đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động rơto có khả cố định roto vào vị trí cần thiết 2.2 Thiết kế mơ hình tay robot Hình 2.2 Mơ hình tham khảo Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Hình 2.3 Mơ hình vẽ Solidworks Hiện có hai kiểu robot phổ biến robot nối tiếp robot song song Sau bảng so sánh hai kiểu robot Nhóm em chọn sử dụng robot song song dựa so sánh STT Tính Robot nối tiếp Robot song song Độ xác Thấp Cao Không gian làm việc Lớn Nhỏ Độ cứng vững Thấp Cao Tỉ số dài / khối lượng Thấp Cao Tải trọng quán tính Lớn Nhỏ Tốc độ làm việc Thấp Cao Độ phức tạp thiết kế / điểu khiển Đơn giản Phức tạp Mật độ điểm kì dị Ít Nhiều Bảng 2.2 So sánh robot nối tiếp robot song song Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí PHẦN KẾT QUẢ Mã Gcode G0 / G1 G28 G90 G91 M3 M5 Ý nghĩa Nội suy chuyển động theo đường thẳng Về vị trí gốc Hệ tọa độ tuyệt đối Hệ tọa độ tương đối Bật cấu gắp Tắt cấu gắp Bảng 3.1 Bảng mã Gcode 3.1 Ý tưởng toán Hình 3.1 Sơ đồ khối - Đầu tiên, khởi tạo đặt tham số cần thiết ( độ dài khâu, chân kết nối, công tắc hành trình,…) Tiếp theo trước hoạt động, cần đưa robot vị trí gốc ban đầu cài đặt sẵn thông qua câu lệnh G28 Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Tiếp theo kiểm tra đến hàng đợi, thỏa mãn thực lệnh Gcode vừa gửi 3.2 Câu lệnh G28 Hình 3.2 Sơ đồ khối lệnh G28 - Động quay hướng định sẵn phía Endstop - Cho đến câu chạm điểm dừng Endstop, động Step chạy ngược lại đoạn phần gọi phần offset ( chạm điểm dừng động chưa dừng lại mà cần thời gian để dừng nên bị dôi đoạn nhỏ, nên cần bù ngược lại để robot vị trí gốc cho xác với cài đặt mà mong muốn ) - Nếu chưa chạm điểm dừng Endstop động Step tiếp tục chạy thực vòng lặp Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí 3.3 Bài tốn kiểm tra hàng đợi Queue Hình 3.3 Sơ đồ khối kiểm tra hàng đợi - Sau gửi câu lệnh, kiểm tra điều kiện Nếu hàng đợi Queue chưa đầy tiếp tục kiểm tra tới điều kiện có mã nhớ đệm khơng Nếu có đọc kiểm tra cú pháp mã Gcode, sau đẩy vào hàng đợi Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Queue Trong trường hợp điểu kiện không thỏa mãn, bỏ qua ln câu lệnh Tiếp theo, cịn lệnh hàng đợi lệnh trước hồn thành đẩy lệnh Gcode gửi xuống vi điểu khiển Nếu sai điều kiện, câu lệnh giữ nguyên kết thúc 3.4 Bài toán nội suy chuyển động theo đường thẳng Hình 3.4 Sơ đồ khối lệnh G0/G1 Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí - Muốn di chuyển khâu cuối từ điểm A đến điểm B mong muốn, nhập lệnh Gcode truyền tham số tọa độ điểm B ( Ví dụ G01X50Y60Z40F50 ) Tiếp theo kiểm tra tọa độ điểm B tương đối hay tuyệt đối so với điểm gốc Nếu tương đối tính lại điểm B theo tuyệt đối, quy chung toán tính hệ tuyệt đối Sau hồn thành, kết kết thúc ln tốn Ngược lại sai nội suy điểm tức thời đường thẳng nội suy, kết hợp với kiểm tra điều kiện biên Sau giải tốn động học ngược, tính góc quay tương ứng khâu, phát xung cho động Step quay, tiếp tục vịng lặp đến hồn thành tới vị trí điểm B Nếu điều kiện biên khơng thỏa mãn kết thúc ln tốn 3.5 Lập trình GUI để điều khiển sản phẩm 3.5.1 Giao diện Winform Chọn tốc độ BaudRate Nút ấn kết nối cho vi điều khiển thiết bị ngoại vi Chọn cổng COM kết nối thiết bị ngoại vi Hình 2.x Giao diện kết nối Trạng thái chưa kết nối 10 Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí - Sử dụng Toolbox có sẵn ( cổng kết nối Serial Port, Button, Radio Button, ComboBox, MenuStrip ) - Tìm tất cổng COM kết nối với cú pháp ( array^ namePort = SerialPort::GetPortNames(); ) đưa vào lựa chọn Combo box ( this->combo_Box_COM->Items->AddRange(namePort); ) - Tạo danh sách BaudRate với cú pháp ( this->combo_Box_BAUND>Items->AddRange(gcnew cli::array< System::Object^ >(8) { L"4800", L"9600", L"144000", L"19200", L"38400",L"56000", L"57600", L"115200"};) Nút gốc qua lệnh Chọn chế độ nhập G28 lệnh Gcode Vùng thông báo Nhập gửi lệnh lệnh gửi Điểu khiển khâu gắp Hình 2.x Giao diện làm việc Trạng thái kết nối 11 Vùng điều khiển nút bấm Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí - Sử dụng Panel để phân vùng làm việc, tiện cho việc quản lí sử dụng - Ban đầu vừa kết nối, chọn nút Home để đưa robot vị trí gốc ban đầu cài đặt sẵn trước Tiếp theo tùy chỉnh điểu khiển robot nhập gửi lệnh dùng nút bấm thủ cơng - Với kiểu nhập lệnh, chọn nhập mã Gcode nhiều mã liền thành đoạn - Với điều khiển tay qua nút bấm, tăng giảm toạ độ X, Y, Z theo mức 10 Ví dụ tăng X lên , giảm Y 10 Chọn chế độ Learn Mode Nút học Nút chạy Ví dụ file Gcode Hình 2.x Giao diện chế độ Learn Mode 12 Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí - Ở chế độ “ học lệnh “ này, tạo sẵn file mã lệnh Gcode mở lên cho robot “ learn ” “ run ” 3.5.2 Giao tiếp Winform Adruino IDE - Giao tiếp truyền thông UART ( Universal Asynchronous Receiver Transmitter ) Là chuẩn giao tiếp nối tiếp với hỗ trợ phần cứng – hardware Phần cứng sử dụng cho UART mạch tích hợp bên vi điều khiển board Adruino UART chuẩn giao tiếp đơn giản sử dụng nhiều kỹ thuật giao tiếp nối tiếp đặc biệt giao tiếp không dây : Bluetooth, Wifi, … - UART truyền liệu nhận từ bus liệu ( Data Bus ) Bus liệu sử dụng để gửi liệu đến UART thiết bị khác CPU, nhớ vi điều khiển Dữ liệu chuyển từ bus liệu đến UART truyền dạng song song Sau UART truyền nhận liệu song song từ bus liệu, thêm bit start, bit chẵn lẻ bit stop, tạo gói liệu Tiếp theo, gói liệu xuất nối tiếp bit chân Tx UART nhận đọc gói liệu bit chân Rx UART nhận sau chuyển đổi liệu trở lại dạng song song loại bỏ bit start Hình 2.x Nguyên lý hoạt động UART 13 Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí 14 Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí PHẦN KẾT LUẬN 4.1 Những ưu điểm - Các thành viên giành thời gian họp tuần, nâng cao khả làm việc theo nhóm - Đã biết cách áp dụng công thức, kiến thức học phần học vào toán thực tế - Hiểu cách hoạt động tốn điều khiển - Biết cách lập trình tồn bản, lập trình hướng đối tượng thiết kế giao diện người dùng - Biết sử dụng vi điểu khiển 4.2 Những hạn chế - Chưa tối ưu cấu vận hành, khâu va chạm vào - Chưa tối ưu code giao diện - Điều khiển nhiều gặp lỗi, bị treo hoạt động lâu - Hạn chế mua thiết bị, đồ dùng cho phần cứng - Hệ thống điều khiển vịng hở, khơng có vịng phản hồi nên khó kiểm sốt độ xác vị trí khâu cuối - Do dịch bệnh nên thành viên khác không tận tay debug code, thử nghiệm phần cứng mà phải liên hệ qua 4.3 Hướng phát triển - Nâng cao khả thiết kế hệ thống khí để mơ hình gọn gàng thẩm mỹ - Bổ sung thêm tính cho sản phẩm, tìm hiểu để ứng dụng thêm nhiều toán thực tế - Học tập, rèn luyện thêm kiến thức lập trình hướng đối tượng, thiết kế giao diện vi điểu khiển - Thay động Step động Servo, có tín hiệu phản hồi để nâng cao độ xác cho cấu 15 Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí - Là bước đầu phát triển để hình thành kiến thức chuẩn bị cho kiến thức chuyên ngành 16 Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí PHẦN TÀI LIỆU THAM KHẢO - https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4 - http://arduino.vn/ - https://espace.edu.vn/ - Objects, abstraction, data structures and design using C++ (Elliot B.Koffman, Paul A T.Wolfgang) 17 ... thuật lập trình điện tử “ hướng dẫn thầy TS.Trương Công Tuấn để thực tập lớn với đề tài “ Thiết kế lập trình cánh tay robot gắp vật “ Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí PHẦN TĨM TẮT CƠNG TRÌNH... trí cần thiết 2.2 Thiết kế mơ hình tay robot Hình 2.2 Mơ hình tham khảo Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Hình 2.3 Mơ hình vẽ Solidworks Hiện có hai kiểu robot phổ biến robot nối tiếp robot. .. thỏa mãn kết thúc ln tốn 3.5 Lập trình GUI để điều khiển sản phẩm 3.5.1 Giao diện Winform Chọn tốc độ BaudRate Nút ấn kết nối cho vi điều khiển thiết bị ngoại vi Chọn cổng COM kết nối thiết bị