Thiết kế, thi công và điều khiển mô hình five bar parallel robot linh hoạt sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau đồ án tốt nghiệp khoa đào tạo chất lượng cao ngành công nghệ kỹ thuật cơ điện tử

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án này, lời chúng chân thành cảm ơn động viên hỗ trợ gia đình suốt thời gian học tập Đặc biệt, chúng xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến ba mẹ, người sinh nuôi dưỡng chúng nên người Sự quan tâm, lo lắng hy sinh lớn lao ba mẹ nguồn động lực cho chúng cố gắng phấn đấu đường học tập Chúng em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Vũ Quang Huy tận tình hướng dẫn, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu suốt trình chúng em thực đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, đặc biệt thầy cô khoa ĐT CLC nhiệt tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức suốt trình học tập nhóm Vốn kiến thức tiếp thu q trình học tập khơng tảng cho q trình thực đề tài mà cịn hành trang quý báu cho chúng em lập nghiệp sau Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn hỗ trợ giúp đỡ bạn bè thời gian học tập q trình hồn thành đề tài Xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực đề tài Đào – Huyền – Thoa ix LỜI NĨI ĐẦU Với cơng nghệ phát triển nhanh chớp, sống xã hội nơi robot sử dụng để làm công việc phức tạp, giúp người thực nhiệm vụ lặp lặp lại, nguy hiểm khó khăn chí khơng thể hồn thành trường hợp thơng thường Có nhiều loại robot cơng nghiệp tạo lĩnh vực sản xuất, giám sát quân sự, vũ khí, y học chăm sóc sức khỏe, vận chuyển, nghiên cứu an tồn hiệu Trong đề tài chúng em thực việc tính tốn, thiết kế hệ thống khí, mơ hình hóa, mơ q trình làm việc robot song song Từ chế tạo điều khiển hoạt động robot tính tốn Mong đề tài chúng em giúp cho người nghiên cứu robot song song giải hiểu ngun tắc hoạt động, ứng dụng, tính toán thiết kế chế tạo robot Từ rút ngắn thời gian đem vào ứng dụng thực tế công việc, sống Đề tài hy vọng đóng góp phần cơng sức cơng trình nghiên cứu robot vào phịng thí nghiệm trường cao đẳng, đại học Với tinh thần làm việc đầy nhiệt huyết với giúp đỡ tận tình giáo viên hướng dẫn, nhóm hồn thành đề tài “Thiết kế, thi cơng điều khiển mơ hình Five – bar parallel robot linh hoạt sử dụng nhiều ứng dụng khác nhau” x MỤC LỤC Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp i Phiếu nhận xét đồ án tốt nghiệp dành cho giảng viên hướng dẫn iii Phiếu nhận xét đồ án tốt nghiệp dành cho giảng viên phản biện vi LỜI CẢM ƠN ix LỜI NÓI ĐẦU x MỤC LỤC xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xiv Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Đặt vấn đề 1.3 Mục đích thiết kế cấu song song 1.4 Giới hạn đề tài 1.5 Nội dung trình bày chương Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết giao thức SPI 2.2 Động học robot 2.2.1 Động học thuận robot 2.2.2 Động học nghịch robot 10 2.3 Không gian làm việc robot 13 2.3.1 Điểm kỳ dị loại ( Điểm kỳ dị nối tiếp) 13 2.3.2 Điểm kỳ dị loại (Điểm kỳ dị song song) 14 2.4 Quy hoạch quỹ đạo 22 2.4.1 Quy hoạch quỹ đạo điểm – điểm cho trước 24 2.4.2 Quy hoạch quỹ đạo theo phương pháp SCA 28 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ 36 xi 3.1 Thiết kế kỹ thuật khí 36 3.2 Thiết kế kỹ thuật điện tử 38 3.3 Thiết kế lưu đồ giải thuật 39 CHƯƠNG 4: THI CÔNG, THỰC NGHIỆM, TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH 46 4.1 Thi cơng mơ hình 46 4.2 Thực nghiệm 55 4.3 Tổng hợp phân tích 65 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 66 5.1 Kết thu 66 5.2 Nhận xét đánh giá 66 5.2.1 Nhận xét 66 5.2.2 Đánh giá 67 5.3 Ứng dụng đề tài 67 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68 6.1 Kết luận 68 6.2 Hướng phát triển 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 72 Phụ lục Code 72 Phụ lục vẽ 88 xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SPI: Serial Peripheral Interface SCK: Serial Clock MISO: Master Input Slave Output MOSI: Master Ouput Slave Input SS: Slave Select API: Application Programming Interface GUI: Graphical User Interface EEPROM: Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory SRAM: Static Random Access Memory xiii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 2-1: Sơ đồ kết nối giao thức SPI Hình 2-2: Quá trình truyền liệu SPI Hình 2-3: Lựa chọn kích thước robot để tối ưu không gian làm việc Hình 2-4: Tính tốn động học robot Hình 2-5: Sơ đồ robot song song để phân tích động học thuận robot Hình 2-6: Sơ đồ robot song song để phân tích động học nghịch robot 11 Hình 2-7: Không gian làm việc robot rơi vào điểm kỳ dị loại 14 Hình 2-8: Cấu hình robot điểm kỳ dị loại 15 Hình 2-9: Xác định góc tọa độ điểm trường hợp A1 trùng A2 16 Hình 2-10: Xác định góc  trường hợp A1 trùng A2 17 Hình 2-11: Xác định chế độ hoạt động robot trường hợp A1 trùng A2 18 Hình 2-12: Xác định tọa độ điểm trường hợp A1, A2 thẳng hàng 19 Hình 2-13: Khơng gian làm việc robot trường hợp A1, A2 thẳng hàng 20 Hình 2-14: Không gian làm việc robot vùng kỳ dị loại 21 Hình 2-15: Các ràng buộc can thiệp 21 Hình 2-16: Xác định điểm không gian khớp 22 Hình 2-17: Ma trận điểm khơng gian Descartes 22 Hình 2-18: Tìm vị trí khớp tốt 23 Hình 2-19: Quy hoạch không gian khớp 23 Hình 2-20: Quỹ đạo điểm – điểm bậc Matlab 26 Hình 2-21: Quỹ đạo điểm – điểm bậc Matlab 28 Hình 3-1: Sơ đồ cánh tay robot 36 xiv Hình 3-2: Sơ đồ phần cứng điều khiển hai động 38 Hình 3-3: Sơ đồ nối dây điều khiển hai động 39 Hình 3-4: Lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống 39 Hình 3-5: Lưu đồ giải thuật chế độ vị trí ban đầu 40 Hình 3-6: Lưu đồ giải thuật chế độ chạy theo quỹ đạo cho trước 41 Hình 3-7: Lưu đồ giải thuật chế độ chạy theo quỹ đạo 42 Hình 3-8: Lưu đồ giải thuật chế độ nút nhấn 44 Hình 3-9: Thiết kế giao diện bảng điều khiển 45 Hình 4-1: Raspberry Pi lựa chọn cho mơ hình 46 Hình 4-2: Arduino Uno R3 47 Hình 4-3: Thơng số kỹ thuật hai động 49 Hình 4-4: Kích thước động 49 Hình 4-5: Bản vẽ thiết kế động 50 Hình 4-6: Driver DMA860H Leadshine 51 Hình 4-7: Nguồn 48V – 10A 51 Hình 4-8: Van điện từ AIRTAC 3V110-06 52 Hình 4-9: Module Relay kênh 12V 52 Hình 4-10: Mạch hạ áp 48V xuống 12V 5A 53 Hình 4-11: Nút nhấn giữ LA38-11BN 54 Hình 4-12: Nút nhấn dừng khẩn cấp LA38-11ZS 1NO 1NC 54 Hình 4-13: Mơ hình robot chế tạo 55 Hình 4-14: Thi công tủ điện 56 Hình 4-15: Quỹ đạo đường thẳng 56 xv Hình 4-16: Xung xuất động quỹ đạo đường thẳng 57 Hình 4-17: Biến thiên đồ thị xung (đường thẳng) 57 Hình 4-18: Xung đảo chiều động (đường thẳng) 58 Hình 4-19: Quỹ đạo tam giác 58 Hình 4-20: Xung xuất động quỹ đạo tam giác 59 Hình 4-21: Biến thiên đồ thị xung (tam giác) 59 Hình 4-22: Xung đảo chiều động (tam giác) 60 Hình 4-23: Quỹ đạo hình chữ nhật 60 Hình 4-24: Xung xuất động quỹ đạo chữ nhật 61 Hình 4-25: Biến thiên đồ thị xung (chữ nhật) 61 Hình 4-26: Xung đảo chiều động (chữ nhật) 62 Hình 4-27: Quỹ đạo hình trịn 62 Hình 4-28: Xung xuất động quỹ đạo hình trịn 63 Hình 4-29: Biến thiên đồ thị xung (hình trịn) 63 Hình 4-30: Xung đảo chiều động (hình trịn) 64 Hình 4-31: Kết mơ quỹ đạo hình trịn đường thẳng 64 Hình 4-32: Kết mơ quỹ đạo hình chữ nhật hình tam giác 65 Hình 6-1: Bản vẽ chủ động 88 Hình 6-2: Bản vẽ bị động 88 Hình 6-3: Bản vẽ mơ hình robot 89 xvi Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Ngày nay, kỹ thuật robot với hỗ trợ máy tính đáp ứng độ xác cao, thời gian thu nhận xử lý tín hiệu nhanh chóng, tin cậy, làm tăng suất lao động, hạn chế tai nạn độc hại cho người… Tuy nhiên, loại robot nối tiếp sử dụng nhiều lĩnh vực bộc lộ nhiều nhược điểm tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý khả đáp ứng không cao, độ cứng vững độ xác chưa đảm bảo Để khắc phục phần nhược điểm trên, loại robot đời, robot (hay cịn gọi tay máy) song song Khác hẳn với robot nối tiếp loại robot liên tiếp có kết cấu hở liên kết với khâu động học điều khiển song song robot song song cấu vịng kín khâu tác động cuối liên kết với hai chuỗi động học độc lập Robot song song có ưu điểm sau: độ cứng vững khí cao, khả chịu tải cao, gia tốc lớn, khối lượng động thấp kết cấu đơn giản Với ưu điểm trên, robot song song ứng dụng nhiều lĩnh vực y học, thiên văn học, máy mô phỏng, máy công cụ… Trong hoạt động sản xuất, robot cơng nghiệp thường có hình dạng “cánh tay khí”, mơ theo đặc điểm cấu tạo cánh tay người Vì tinh thần phát triển hệ thống khí thực thao tác giống người nên khơng tự nhiên, gò ép nhằm sử dụng chuỗi động học nối tiếp vòng hở, cấu trúc gọi tay máy nối tiếp Cấu trúc có ưu điểm vùng làm việc trải rộng, có tính linh hoạt, khéo léo tay người khả nâng tải thấp, độ bền thấp độ xác chưa cao khớp nối tay máy cồng kềnh, khối lượng lớn, chuyển động với tốc độ cao bị rung lắc Vì thế, ứng dụng mà mục tiêu quan trọng khả nâng tải lớn, thực động lực học tốt định vị xác cần thay tay máy nối tiếp truyền thống Để tìm giải pháp khả thi, nhà khoa học quan sát giới sinh vật nhận thấy thân hình lồi thú có khả nâng chở vật nặng có độ ổn định, vững nhiều chân song song với so với loài người đứng hai chân, lồi người sử dụng cánh tay, ngón tay kết hợp với để nâng vật nặng thực cơng việc địi hỏi độ xác viết, lồi người dùng ba ngón tay tác động song song lúc Tóm lại, đưa kết luận tay máy có khâu tác động cuối gắn với đất nhiều chuỗi động học có tác động gắn song song với có độ cứng vững lớn khả định vị tốt 1.2 Đặt vấn đề Ở nước ta, Robot song song nghiên cứu vào năm 2007 nhìn chung dừng lại việc đưa mơ hình tìm thuật tốn giải tốn động học mà chưa thiết kế chế tạo Robot cụ thể Phòng điện tử Viện học đơn vị Việt Nam cho đời sản phẩm Sau năm nghiên cứu Phòng Cơ điện tử - Viện học Việt Nam thiết kế chế tạo hoàn chỉnh Robot song song chân (Hexapod) dùng cho ngành kỹ thuật đại trước mắt gia cơng khí xác Phiên có tên gọi PR6-01, dùng làm giá đỡ phôi cho máy gia công khí bán tự động kiểu cũ Thực tế đến nay, nhiều sở nghiên cứu ĐH Bách khoa Hà Nội, ĐH Bách khoa TP HCM, Viện học, Viện công nghệ thông tin chế tạo số Robot mẫu Trước ứng dụng nghiên cứu Robot song song, nhóm chúng em lựa chọn đề tài “Thiết kế, thi công điều khiển mơ hình Five – bar parallel robot linh hoạt sử dụng nhiều ứng dụng khác nhau” Mong đề tài chúng em giúp cho người nghiên cứu Robot song song giải hiểu nguyên tắc hoạt động, ứng dụng, tính tốn thiết kế chế tạo robot tương lai 1.3 Mục đích thiết kế cấu song song  Ưu điểm: + Có tốc độ di chuyển cao trình làm việc có khối lượng kích thước nhỏ gọn digitalWrite(stepPin,LOW); delayMicroseconds(500); } } else{ digitalWrite(dirPin,LOW); //Serial.println("Cong Dir0: "); //Serial.println(sensorDir); delayMicroseconds(6); for(int x = 0; x