Cánh tay robot 6 bậc tự do

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI CÁNH TAY ROBOT 6 BẬC TỰ DO NGÀNH KỸ THUẬT CƠ, ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th S NGHIÊM HOÀNG HẢI Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Đinh Hoàng Tuấn 1711020060 17DDCA1 Đinh Đoàn Long 1711020135 17DDCA1 Nguyễn Hoàng Huy 1711020129 17DDCA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 092021 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỜI CẢM ƠN  Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: CÁNH TAY ROBOT BẬC TỰ DO NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ, ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.S NGHIÊM HOÀNG HẢI Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Đinh Hoàng Tuấn 1711020060 17DDCA1 Đinh Đoàn Long 1711020135 17DDCA1 Nguyễn Hoàng Huy 1711020129 17DDCA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2021 i ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN  Trên thực tế khơng có thành công mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường đại học đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ nhiều từ quý thầy cô, gia đình bạn bè Trước tiên em xin gửi lời cám ơn tri ân đến ba mẹ, người sinh nuôi em lớn khôn đến ngày hơm nay, nhờ có họ niềm phấn đấu vươn lên em Em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh thầy Viện Kỹ Thuật, nhiệt tình dạy dỗ truyền đạt cho em nhiều kiến thức tảng để em có hành trang tốt chuẩn bị bước vào đời Đặc biệt em muốn tỏ lòng cảm ơn thật nhiều đến thầy ThS Nghiêm Hoàng Hải, người thầy ân cần, tận tụy hướng dẫn em suốt thời gian thực đồ án Trong trình làm việc, với hướng dẫn tận tình thầy ThS Nghiêm Hoàng hải nỗ lực thân, đến cơng việc chúng em hồn thành Trong q trình tìm hiểu, tính tốn lập trình có sai sót Chúng em mong bảo thầy để đề tài hoàn thiện Nhờ hướng dẫn tận tình thầy mà em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này, lần cho em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy, người lái đò sống với nghiệp giáo dục, dìu dắt hệ trẻ đường học tập nghiên cứu khoa học Sau cùng, em xin kính chúc q thầy Viện Kỹ Thuật thầy ThS Nghiêm Hoàng Hải thật dồi sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực sứ mệnh cao đẹp truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau ii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC PHIẾU ĐĂNG KÝ TÊN ĐỀ TÀI ĐATN PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH CÁC HÌNH vii DANH SÁCH CÁC BẢNG ix LỜI MỞ ĐẦU .1 Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Khái niệm xu hướng phát triển Robot công nghiệp 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Xu hướng phát triển Robot công nghiệp .6 1.1.3 Cấu trúc chung Robot công nghiệp 1.2 Phân loại Robot .8 1.2.1 Phân loại theo dạng hình học không gian hoạt động 1.2.2 Phân loại theo hệ 10 1.2.3 Phân loại theo hệ thống truyền động .10 1.3 Ứng dụng Robot công nghiệp .11 1.3.1 Ứng dụng Robot thao tác cần khuếch đại lực 11 1.3.2 Ứng dụng Robot thao tác phức tạp 11 1.3.3 Làm việc môi trường khắc nghiệt, độc hại 12 Chương 2:TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT 14 iii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.1 Tính tốn 14 2.1.1 Động học 14 2.1.2 Động học vi phân Robot 22 2.1.3 Tĩnh học 27 2.1.4 Động lực học robot 28 2.2 Thiết kế 33 2.2.1 Phương án thiết kế 33 2.2.2 Xây dựng mơ hình Solidworks 34 2.3 Chọn vật liệu 37 2.3.1 Chọn phương pháp chế tạo 37 2.3.2 Chọn động 39 2.3.3 Chọn hệ thống dẫn động 43 2.3.4 Chọn tay gắp 44 CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT .47 3.1 Mạch vi điều khiển STM 32 47 3.2 Mạch Điều khiển robot 47 3.2.1 Mạch STM32 47 3.2.2 Driver điều khiển động 49 3.2.3 Sơ đồ nối mạch 51 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 54 4.1 Điều khiển Robot 54 4.2 Lập trình điều khiển Robot 55 4.2.1 Lập trình STM32 .55 4.2.2 Lập trình KEIL uVISON5 60 iv ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 5: MÔ PHỎNG 64 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 69 6.1 Các yêu cầu cho máy : 69 6.2 Mức độ hoàn thành: .69 6.3 Đánh giá: 69 6.4 Kết luận : .69 6.5 Phương hướng phát triển : 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 v ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu chữ viết tắc Chữ viết đầy đủ DH Denavit Hartenberg RPY Roll Pitch Yaw ABS Acrylonitrin Butadien Styren Nm Nano mét V Volt H Henry PLA Polylactic Acid Mm Mili mét RBCN Robot công nghiệp vi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1: Các loại tự động hóa cơng nghiệp Hình 2: Sơ đồ cấu trúc chung Robot công nghiệp Hình 3: Các hệ Robot 10 Hình 4: Robot bốc dỡ hàng hóa 11 Hình 5: Robot hàn công nghiệp 12 Hình 6: Robot lắp ráp sản xuất ô tô .12 Hình 1: Sơ đồ trình tự thiết kế .14 Hình 2: Chiều dài góc xoắn khâu .15 Hình 3: Các thơng số khâu: θ, d, a α 15 Hình 4: Hệ trục tọa độ robot mơ hình hình học 16 Hình 5: Đồ thị quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối khơng gian 23 Hình 6: Đồ thị vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối E 23 Hình 7: Vị trí robot 25 Hình 8: Bốn vị trí hình học robot 25 Hình 9: Mơ hình Robot 29 Hình 10: Robot KUKA 33 Hình 11: Robot Stanford .33 Hình 12: Robot Elbow 34 Hình 13: Mơ hình 3D SolidWorks 34 Hình 14: Khâu 35 Hình 15: Khâu 35 Hình 16: Khâu 36 Hình 17: Khâu 36 Hình 18: Khâu 36 Hình 19: Khâu 37 Hình 20: Robot sau liên kết 37 vii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 21: Động bước 41 Hình 22: Các loại tay gắp 45 Hình 23: Cơ cấu tay kẹp 46 Hình 24: Motor 4780 RPM 46 Hình 3.1: Một số ứng dụng bật STM32 .47 Hình 3.2: Cấu trúc STM 32 48 Hình 3.3: Sơ đồ mạch điều khiển động 49 Hình 3.4: Module A4988 điều khiển động bước 50 Hình 3.5: Sơ đồ khái quát hệ thống sử dụng động bước 52 Hình 3.6: Sơ đồ kết nối A4988, mạch điều khiển động 53 Hình 4.1: Sơ đồ điều khiển vịng hở cho robot 54 Hình 1: Sơ đồ khối khớp robot .64 Hình 2: Sơ đồ khối điều khiển robot 64 Hình 3: Cấp đầu vào cho slider .65 Hình 4: Khối tỉ lệ robot 65 Hình 5: Tính tốn động học 66 Hình 6: Động học thuận 66 Hình 7: Động học nghịch 67 Hình 8: Bảng tính ma trận .67 Hình 9: Robot mơ 68 Hình 10: Mơ robot thơng qua bảng điều khiển khớp 68 viii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1: Các dạng Robot theo hình học khơng gian 10 Bảng 1: Bảng Denavit Hartenberg tham số động học robot 17 Bảng 2: Các tham số động học 27 Bảng 3: Chiều dài momen quán tính khâu 30 Bảng 4: Thông số kỹ thuật nhựa PLA 39 Bảng 5: So sánh động bước động servo 40 Bảng 6: Bảng thông số động robot 43 ix ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, Robot khơng cịn q xa lạ với người Chúng giới kỹ thuật hình dung máy đặc biệt, người tác theo cấu tạo hoạt động mình, dùng để thay số cơng việc xác định Để hồn thành nhiệm vụ đó, Robot cần có khả cảm nhận thơng số trạng thái môi trường thực động tác tương tự nhưcon người Khả hoạt động Robot đảm bảo hệ thống khí, gồm cấu vận động để lại cấu hành động để làm việc Việc thiết kế chế tạo hệ thống thuộc lĩnh vực khoa học cấu truyền động, chấp hành vật liệu khí Chức cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu trạng thái môi trường trạng thái thân hệ thống, cảm biến (sensor) thiết bị liên quan thực Hệ thống gọi hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu, hay đơn giản hệ thống cảm biến Một cách đơn giản, Robotics hiểu ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế, chế tạo Robot ứng dụng chúng lĩnh vực hoạt động khác xã hội loài người, nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng dân sinh Ngày nay, khái niệm Robot mở rộng khái niệm nguyên thủy nhiều Sự tác kết cấu, chức năng, dáng vẻ người cần thiết khơng cịn ngự trị kỹ thuật Robot Kết cấu nhiều Robot khác xa với kết cấu phận thể người chúng thực việc vượt xa khả người, nhóm em chọn đề tài : “ Thiết kế, chế tạo mô robot bậc tự do” ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bước 3: Các cấu hình Tại mục Pinout & Configuration:  Cấu hình nạp code: Các bạn chọn System Core -> SYS -> Debug: Serial Wire để vi điều khiển cấu hình nạp code thơng qua chân SWDIO SWCLK (chúng ta sử dụng mạch nạp ST- Link kết nối với vi điều khiển STM32F103C8T6 thông qua chân này) 57 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Cấu hình ngoại vi: Việc cấu hình ngoại vi INPUT, INPUT, External Interrupt, ADC, TIMER, UART… thực cách chuột phải để chọn chân trực tiếp kích chuột trái vào chân mà muốn cài đặt Ví dụ: cài đặt chân PC13 hoạt động với chức OUTPUT (bạn phóng to/thu nhỏ hình ảnh vi điều khiển cách lăn chuột giữa) 58 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngồi ra, bạn cấu hình ngoại vi khác mục: System Core, Analog, Timers, Connectivity… Tại mục Clock Configuration: Các bạn cấu hình lựa chọn nguồn tạo dao động tần số hoạt động cho vi điều khiển (Bộ xử lý trung tâm – CPU Peripherals – ngoại vi) thơng qua Clock tree (Kết hợp với cấu hình RCC System Core) 59 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bước 4: Lưu thông tin Project sinh code Tại Project Manager bạn đặt tên Project, nơi lưu trữ (lưu ý khơng sử dụng Tiếng Việt có dấu), chọn Toolchain /IDE MDK-ARM V5 bạn sử dụng Keil C IDE để code debug Sau cấu hình xong, bạn bấm vào GENERATE CODE để sinh code Sau sinh code có thơng báo bạn Open Project Lúc Project mở lên phần mềm Keil C với đầy đủ cấu hình mà bạn thực 4.2.2 Lập trình KEIL uVISON5 4.2.2.1 Giới thiệu ngơn ngữ KEIL uVISON5 Keil C uVison phần mềm hỗ trợ cho người dùng việc lập trình cho vi điều khiển dòng khác ( Atmel, AVR ,…) Keil C giúp người dùng soạn thảo biên dịch chương trình C hay ASM thành ngơn ngữ máy để nạp vào vi điều khiển giúp tương tác vi điều khiển người lập trình 60 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.2.2.2 Lập trình Sau cấu hình, sinh code từ phần mềm STM32CubeMX mở Project Keil C, bạn mở file main.ctại mục Application/User Có biểu tượng Build (F7) để compile chương trình Load (F8) để nạp chương trình 61 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Một số lưu ý nạp chương trình: Các bạn nhấn vào biểu tượng Option for Target Project -> Option for Target để thực số cấu hình: Tại cửa sổ Option for Target, bạn chọn thẻ Debug tick chọn Use STLink Debugger, để nạp chương trình xuống kit (nếu chọn Use Simulator chế độ mô phỏng) Nhấn vào Settings Use: ST-Link Debugger, cửa sổ Cortex-M Target Driver Setup, bạn chọn thẻFlash Download, tick chọn Reset and Run sau nạp, chương trình chạy Nếu khơng tick chọn bạn nạp code xong, nhấn vào nút reset board mạch chương trình chạy 62 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 63 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 5: MƠ PHỎNG Mơ robot phần mềm Matlab [3] Hình 1: Sơ đồ khối khớp robot Hình 2: Sơ đồ khối điều khiển robot 64 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3: Cấp đầu vào cho slider Hình 4: Khối tỉ lệ robot 65 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5: Tính tốn động học Hình 6: Động học thuận 66 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 7: Động học nghịch Hình 8: Bảng tính ma trận 67 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 9: Robot mơ Hình 10: Mơ robot thông qua bảng điều khiển khớp 68 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 6.1 Các yêu cầu cho máy:  Đối với phạm vi ĐATN, nên nhóm chúng em đặt yêu cầu cho hệ thống đề tài : Thiết kế chế tạo mô robot bậc tự 6.2 Mức độ hồn thành:  Xây dựng thành cơng mơ hình cánh tay robot bậc tự  Kết nối thành công điều khiển cánh tay robot  Cánh tay kết nối qua bảng điều khiển dễ dàng điều khiển gấp vật, cánh tay chạy có độ xác tương đối  Có thể điều khiển cánh tay robot hoạt động theo ý muốn  Viết chương trình điều khiển Robot 6.3 Đánh giá: Trong q trình thực đồ án, nhóm gặp nhiều thuận lợi khó khăn định  Thuận lợi :  Được hướng dẫn giáo viên hướng dẫn việc thiết kế thực  Tài liệu, hình ảnh video máy có nhiều Internet  Khó khăn :  Khó khăn việc lắp đặt thiết bị với khơng có dụng cụ cần thiết cho việc tính độ chuẩn xác  Khó khăn việc lập trình cánh tay đáp ứng hết yêu cầu  Khó khăn lớn việc lựa chọn thiết kế tính chọn thiết bị  Khó khăn việc tìm thiết bị phù hợp, cơng đoạn tốn nhiều thời gian 6.4 Kết luận: 69 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Đề tài tính tốn, thiết kế chế tạo mơ Cánh tay robot xoay nhiều vị trí Cánh tay robot sau hồn thành có thiết kế gọn nhẹ, cách sử dụng đơn giản Cánh tay robot hoạt động tương đối ổn định 6.5 Phương hướng phát triển:  Cải tiến thêm cánh tay robot cho chạy hồn chỉnh áp dụng mơ hình thật để đưa vào thực tế  Xây dựng giải thuật điều khiển hoàn chỉnh  Thiết kế điều khiển kín có bù tác động ngồi  Tích hợp camera để xử lý hình ảnh, scan 3D  Tăng độ xác hệ thống 70 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc “Robot công nghiệp” Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, năm 2006, trang 52-121 TS Nguyễn Mạnh Tiến “Điều khiển robot công nghiệp” Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, năm 2007, trang 28-98 TS.Nguyễn Phùng Quang “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động” Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, năm 2004, trang 01-53 Nguyễn Văn Thái Động học nghịch tay máy Internet: https://www.youtube.com/watch?v=p1wIJut1bTs&t=323s&fbclid=IwAR3iO33ex6a ETaXzDw7EJ3ISY7Q5u9dJZrkT-RIaBIuuEChfmuisyLCyJI8, 01/08/2021 Nguyễn Phú Động học thuận cánh tay roobot bac tự Internet: https://www.youtube.com/watch?v=U3zecbEErbo&fbclid=IwAR2c_hUDblxRgWR UY5BUAXwi4qHbB6DTfcD_exhI5o3qdkhzLalnhbDQKCM, 03/08/2021 71 ... 64 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 69 6. 1 Các yêu cầu cho máy : 69 6. 2 Mức độ hoàn thành: .69 6. 3 Đánh giá: 69 6. 4 Kết luận : .69 6. 5 Phương hướng... s23 R6  ( R3 ) 1 R6 So sánh ma trận RRPY R6 ta tính góc q4 , q5, q6 q4  A tan 2( R6 (2,3),  R6 (1,3)) * sin(q )  q5  A tan 2(  R6 (3,3) , R6 (3,3)) q  A tan 2( R6 (3, 2),  R6 (3,1)) 26. .. quan đến số bậc tự phần cơng tác Ngồi để định vị định hướng phần công tác cách tùy ý khơng gian chiều cần có bậc tự do, bậc tự để định vị trí, bậc tự để định hướng 1.2 Phân loại Robot Trong công