Thiết kế, chế tạo và điều khiển cánh tay robot công nghiệp dạng cơ cấu hình bình hành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT CÔNG NGHIỆP DẠNG CƠ CẤU HÌNH BÌNH HÀNH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS Ngô Hà Quang Thịnh Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Trần Chí Tài 1711030265 17DCTA2 Trần Minh Thành 1711030135 17DCTA2 Đường Minh Triết 1711030292 17DCTA2 Tp Hồ Chí Minh, tháng 92021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀ.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT CÔNG NGHIỆP DẠNG CƠ CẤU HÌNH BÌNH HÀNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ - ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS.Ngô Hà Quang Thịnh Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Trần Chí Tài 1711030265 17DCTA2 Trần Minh Thành 1711030135 17DCTA2 Đường Minh Triết 1711030292 17DCTA2 Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT CÔNG NGHIỆP DẠNG CƠ CẤU HÌNH BÌNH HÀNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ - ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS.Ngô Hà Quang Thịnh Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Trần Chí Tài 1711030265 17DCTA2 Trần Minh Thành 1711030135 17DCTA2 Đường Minh Triết 1711030292 17DCTA2 Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2021 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập thực đồ án tốt nghiệp nhóm em ln quan tâm, hướng dẫn giúp đở tận tình thầy, cô giáo Viện Kỹ Thuật- Khoa Cơ Điện Tử với động viên giúp đỡ bạn bè đồng nghiệp Lời nhóm em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu trường Đại học Cơng Nghệ thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện, giúp đỡ nhóm em suốt thời gian học trường Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy giáo TS Ngô Hà Quang Thịnh trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn thành luận văn Chúng em xin trân trọng cảm ơn ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục Lục iii Danh sách bảng bảng vii Danh sách hình ảnh viii Lời mở đầu xiii Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Sơ lược ngành công nghiệp Robotic: 1.2 Giới thiệu sơ lược tay máy cấu hình bình: 1.3 Giới thiệu sơ lược Visual servoing: 1.4 Huớng phát triển: 1.5 Phạm vi đề tài: Chương 2: Phương án thiết kế 2.1 Thiết kế khí: Cơ cấu truyền động hệ hở: Cơ cấu hình bình hành hệ kín: Cơ cấu định hướng tay máy: 11 2.2 Thiết kế hệ thống điện: 11 Truyền động: 11 Truyền động qua trung gian: 12 2.3 Cảm biến: 14 2.4 Thiết kế điều khiển: 14 iii Vi điều khiển: 14 PLC: 14 2.5 Cấu trúc điều khiển: 15 Điều khiển tập trung: 15 Điều khiển phân cấp: 15 2.6 Luật điều khiển robot: 16 Điều khiển PID: 16 Điều khiển moment: 17 2.7 Lựa chọn phương pháp thu nhận tín hiệu camera cho Visual servoing: 17 Xác định vị trí vật hình ảnh: 18 Xác định chiều sâu vật hình ảnh: 18 2.8 Tổng kết lựa chọn: 18 Chương 3: Mơ hình hóa động học 19 3.1 Động học thuận: 19 3.2 Động học nghịch: 22 3.3 Moment tay máy: 24 Chương 4: Thiết kế khí 26 4.1 Thiết kế 2D: 26 4.2 Thông số thiết kế: 27 4.3 Lựa chọn vật liệu cho robot: 29 4.4 Khối lượng khâu: 30 4.5 Tải trọng, ứng suất tác động lên máy: 32 Tải trọng: 32 Ứng suất: 33 iv 4.6 Mô ứng suất, chuyển vị: 34 4.7 Cách khắc phục phá hủy biến dạng khâu: 42 Chương 5: Thiết kế hệ thống điện 45 5.1 Sơ đồ hệ thống điện sơ bộ: 45 5.2 Sơ đồ đấu nối: 46 5.3 Lựa chọn động cơ: 47 5.4 Lựa chọn driver động cơ: 49 5.5 Lựa chọn vi điều khiển: 50 5.6 Lựa chọn thiết bị cho hệ thốn hút chân không: 52 Van xả điện từ hai chiều: 52 Máy bơm hút chân không: 53 Giác hút chân không: 54 5.7 Stereo Camera: 55 5.8 Cơng tắc hành trình: 56 5.9 Lựa chọn nguồn: 57 Chương 6: Thiết kế chương trình điều khiển mô 59 6.1 Phương trình động học motor: 59 6.2 Tìm thơng số cho visual servoing qua xử lý hình ảnh: 60 Tìm tọa độ vật camera: 60 Tìm chiều sâu vật: 65 Thuật tốn tìm chiều sâu ảnh dựa vào Stereo Camera: 68 6.3 Điều khiển phương pháp VISUAL SERVOING cho Robot: 68 Các thành phần visual servoing: 69 Giải tốn điều khiển tìm tham số cần thiết: 70 v 6.4 Thực nghiệm mô nhận diện màu sắc cho camera với matlab: 73 Thiết lập tham số cho màu sắc cần nhận dạng: 75 Lọc tín hiệu hình ảnh: 77 Phân loại kết nhận hiển thị camera: 78 6.5 Thực nghiệm xác định chiều sâu hình ảnh thu từ camera: 82 6.6 Lập trình simulink matlab cho Raspberry Pi: 86 Nhận diện xử lý hình ảnh từ camera: 86 Visual Servoing: 88 Motor Control: 90 6.7 Gửi giá trị tìm lên ROS network Raspberry Pi: 92 6.8 Tiến hành mô phỏng: 95 Mô animation công nghiệp: 95 Mô điều khiển chuyển động: 96 Chương 7: Kết luận hướng phát triển 98 7.1 Nhận xét tổng quan: 98 7.2 Hướng phát triển: 99 Tài Liệu tham khảo .100 Phụ Lục 102 vi DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG Bảng 2.1: Phương án lựa chọn 18 Bảng 3.1: Bảng D-H 19 Bảng 4.1: Thơng số kích thước góc khâu 27 Bảng 4.2: Thông số DH, để thiết kế 27 Bảng 4.3: Tính chất vật lý nhôm 6061 29 Bảng 4.4: Chi tiết khối khâu 30 Bảng 4.5: Chi tiết khới lượng khâu 30 Bảng 4.6: Chi tiết khối lượng khâu 31 Bảng 4.7: Chi tiết khối lượng khâu 31 Bảng 5.1: Lựa chọn thiết bị 57 vii DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Tay máy Yaskawa Hình 1.2: Ứng dụng vào nông nghiệp Hình 1.3: Ứng dụng vào xếp dỡ hàng hóa Hình 1.4: Ứng dụng vào cơng tác phịng dịch Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động Hình 1.6: Tay máy RRR Hình 1.7: Cách làm việc Visual Servoing Hình 1.8: Ứng dụng Visual Servoing Hình 1.9: Tiêu chí thiết kế Hình 2.1: Sơ đồ ngun lí serial Robot Hình 2.2: Mơ hình cấu hình bình hành Hình 2.3: Sơ đồ ngun lí robot palletizing ABB IRB 460 10 Hình 2.4: Minh họa giải thuật PID 16 Hình 2.5: Minh họa giải thuật điều khiển moment 17 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý động học thuận rbot 19 Hình 3.2: Sơ đồ tính tốn động học nghịch theo hình chiếu đứng 22 Hình 3.3: Sơ đồ tính tốn động học nghịch theo hình chiếu 23 Hình 4.1: Sơ đồ sơ lược vị trí tọa độ robot 26 Hình 4.2: Sơ đồ tham số cần thiết robot 26 Hình 4.3: Minh họa sơ đồ góc robot 28 Hình 4.4: Mơ thiết kế khâu cuối 28 Hình 4.5: Tải trọng khơng thay đổi theo thởi gian 32 viii Hình 4.6: Tải trọng thay đổi theo thời gian 33 Hình 4.7: Ứng suất không thay đổi theo thời gian 34 Hình 4.8: Ứng suất thay đổi theo thời gian 34 Hình 4.9: Mơ phân tích ứng suất khâu 36 Hình 4.10: Mơ chuyển vị khâu 2: 36 Hình 4.11: Mơ phân tích ứng suất khâu 37 Hình 4.12: Mơ chuyển vị khâu 38 Hình 4.13: Mơ phân tích ứng suất khâu 39 Hình 4.14: Mơ chuyển vị khâu 39 Hình 4.15: Mơ phân tích ứng suất khâu 40 Hình 4.16: Mơ chuyển vị khâu 41 Hình 4.17: Bản vẽ chi tiết, Gối SKF FYJ 40mm 42 Hình 4.18: Bulong đai ốc, ví dụ số vị trí gắn bulong 43 Hình 4.19: Robot hoàn thiện 44 Hình 5.1: Sơ đồ điện tổng quát 45 Hình 5.2: Sơ đồ đấu nối linh kiện điện tử 46 Hình 5.3: Động 24 V 60 W có gắn hộp số hành tinh encoder 47 Hình 5.4: Bản vẽ thiết kế 48 Hình 5.5: DC driver PID MSD_EM CCSmart 49 Hình 5.6: Sơ đồ đấu chân driver PID MSD_Em 49 Hình 5.7: Raspberry Pi 50 Hình 5.8: Sơ đồ chân cổng giao tiếp mạch 51 Hình 5.9: Giá trị điện áp 40 chân 51 ix ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Cuối nhân L_Inverse tức chuỗi ma trận Jacobian hình ảnh điểm với giá trị Error ta giá trị vận tốc khâu cuối robot RobotVelocity Motor Control: Hình 6.31: Tổng quan khối Motor Control Với giá trị đầu vào vận tốc khâu cuối robot ta tìm vận tốc khâu robot thông qua biểu thức: 𝜃̇ = 𝐽−1 𝜐 (51) 𝑣𝑥 𝑣𝑦 𝑣 Với 𝜐 = 𝑧 giá trị vận tốc khâu cuối robot 𝜔𝑥 𝜔𝑦 [ 𝜔𝑧 ] 𝐽−1 giá trị nghịch đảo ma trận Jacobian Do 𝜐 ma trận 6x1 ta cần phải có ma trận Jacobian nghịch đảo có kích thước tương ứng Ta tính ma trận Jacobian dựa bảng công thức sau: 90 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6.32: Cơng thức tính tốn ma trận Jacobian Với cấu hình robot bao gồm khớp quay (Revolute joint), với n = 3, ta có ma trận Jacobian sau: 0 𝑅00 [0] × (𝑑30 − 𝑑00 ), 𝑅10 [0] × (𝑑30 − 𝑑10 ), 𝑅20 [0] × (𝑑30 − 𝑑20 ) 1 J= 0 𝑅00 [0] , 𝑅10 [0] , 𝑅20 [0] , [ ] 1 (52) Với 𝑅00 𝑅10 𝑅20 ma trận xoay 𝑇00 𝑇10 𝑇20 𝑑00 𝑑10 𝑑20 𝑑30 ma chuyển dịch 𝑇00 𝑇10 𝑇20 𝑇30 Với giá trị xác định ta tìm giá trị ma trận Jacobian sau: −𝑠1 ∗ (𝐿3 𝑐23 + 𝐿2 𝑐2 ) −𝑐1 ∗ (𝐿3 𝑠23 + 𝐿2 𝑠2 ) −𝐿3 𝑠23 𝑐1 𝑐1 ∗ (𝐿3 𝑐23 + 𝐿2 𝑐2 ) −𝑠1 ∗ (𝐿3 𝑠23 + 𝐿2 𝑠2 ) −𝐿3 𝑠23 𝑠1 𝐿3 𝑐23 + 𝐿2 𝑐2 𝐿3 𝑐23 J= 𝑠1 𝑠1 −𝑐1 −𝑐1 [ 0 ] Từ kết ta nhận thấy ma trận Jacobian có giá trị khơng khác giá trị Jacobian mà ta tìm trước 91 (53) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Với ma trận Jacobian có kích thước (6x3) vừa tìm được, ta nghịch đảo để 𝐽−1 Tuy nhiên ma trận có kích thước 6x3 khơng khả nghịch, ta cần sử dụng ma trận giả nghịch đảo Pseudo inverse: 𝐽+ = (𝐽𝑇 𝐽)−1 𝐽𝑇 Hình 6.33: Ma trận Jacobian Tiếp đến nhân vận tốc khâu cuối robot với ma trận Jacobian nghịch đảo vừa tìm được, ta ma trận 3x3 thể vận tốc khớp robot: 𝜃1̇ 𝜃̇ = [𝜃2̇ ] 𝜃3̇ (54) Tổng quan: khối Motor Control nhận giá trị đầu vào vận tốc khâu cuối robot, sau qua khối tính tốn cho ta giá trị đầu góc quay khớp robot Vì ma trận Jacobian ma trận thay đổi phụ thuộc vào giá trị góc quay 𝜃1 , 𝜃2 𝜃3 robot, ta cần sử dụng giá trị để tính giá trị ma trận Jacobian theo thời gian 6.7 Gửi giá trị tìm lên ROS network Raspberry Pi: Hình 6.34: Gửi hình ảnh thu từ camera sau chuyển đổi lên ROS 92 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6.35: Gửi giá trị góc quay motor lên ROS Hình 6.36: Nạp giá trị góc quay Pin Raspberry Pi 93 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6.37: Quy trình điều khiển Task robot Hình 6.38: Quy trình điều khiển vị trí Home robot 94 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6.8 Tiến hành mô phỏng: Mơ animation cơng nghiệp: Hình 6.39: Mơ phỏng, định vị gắp sản phẩm Hình 6.40: Mơ di chuyển sản phẩm qua khu vực đóng gói 95 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6.41: Giao diện Motion Animation • Nhận xét: Cánh tay robot mơ phần mềm Solidworks Motion Animation, Robot tiến nâng di chuyển hàng hóa từ vị trí băng tải 1, sang đặt vào thùng gỗ băng tải Mô chúng em dựa ứng dụng thực tế việc gắp sản phẩm đóng gói kho hàng, kho bãi công ty, nhà máy xí nghiệp Mơ điều khiển chuyển động: Hình 6.42: Mô robot matlab simscape 96 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6.43: Giao diện điều khiển robot thơng qua GUIDE • Nhận xét: Để hạn chế việc lỗi xảy mô chuyển động matlab Nên chúng em thay mơ hình thực tế robot mơ hình khác đơn giản để tiện cho việc mô Kết đạt mô hình chuyển động thành cơng ln giữ mặt khâu hướng xuống song song với mặt đất, với yêu cầu mà chúng em đặt chương chương 97 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Nhận xét tổng quan: • Nhược điểm: Visual Servoing ứng dụng cho thao tác robot trở nên đơn giản linh hoạt, nhiên robot áp dụng có bậc tự do, camera kết nối vào khâu cuối robot có bậc tự do, điều hạn chế góc hướng chuyển động robot robot thao tác nhận biết vật bị hạn chế góc xoay quanh trục x y z • Bộ điều khiển cịn đơn giản nên đầu xác chưa đủ tốt • Robot di chuyển chậm khả kiểm sốt điều khiển cịn hạn chế • Vùng làm việc bị giới hạn • Hộp số động độ xác encoder ảnh hướng đến độ xác robot • Việc dùng vít cố định trục động khơng tối ưu mặt khí làmbiến dạng then trục cách không đồng Dẫn đến tháo lắp khó khăn • Khơng có phần ngắt điện tự động động bị nhiễu dẫn đến tình trạng mấtkiểm sốt tay máy • Ưu điểm: Tuy vậy, đồ án đáp ứng yêu cầu phạm vi đề tài, thu kết tốt: • Với ứng dụng phương pháp điều khiển Visual Servoing ta không cần phải xác định trước toạ độ vị trí vật cần thao tác 98 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP • Với việc ứng dụng kết nối hệ thống với ROS (Robot Operating System) ta dễ dàng quan sát tín hiệu giá trị truyền nhận từ robot Thiết lập robot chạy thời gian thực • Với thiết kế nhỏ gọn, cánh tay dễ dàng lắp đặt lên xe tự hành AGV • Sử dụng điều khiển tối ưu tốc độ, ứng dụng việc vận chuyển cơng nghiệp 7.2 Hướng phát triển: • Ta sử dụng nhận diện vật dựa vào mã QR thay cho việc nhận diện màu sắc, kết mang lại giúp robot nhận diện vật xác hơn, không bị phụ thuộc vào màu sắc vật tín hiệu nhiễu từ mơi trường bên ngồi • Ta thay đổi stereo camera camera cảm biến chiều sâu lazer giúp tín hiệu nhận nhanh • Sử dụng ROS network công cụ giao tiếp người dùng với robot thay truyền giá trị quan sát từ robot ROS 99 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tài liệu tham khảo sách:  Lê Hoài Quốc (2001), Chung Tấn Lâm, Nhập Môn Robot công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật  Gs.Ths Nguyễn Thiện Phúc (1990), Robot công nghiệp  Ninh Đức Tôn (2016), Dung sai lắp ghép, Nhà xuất giáo dục  TS Nguyễn Hữu Lộc (2016), Cơ sở thiết kế máy, Nhà xuất Đại học quốcgia tp.HCM  Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết hệ dẫn động khí tập 2, Nhà xuất giáo dục [2] Tài liệu tham khảo nghiên cứu khoa học:  Hanwen Yu, Qun Sun, Chong Wang, Yongjun Zhao December 12, 2019 Frequency response analysis of heavy-load palletizing robot considering eslactic deformation  Bryan Kelly a, J Padayachee b and G Bright Quasi-serial Manipulator for Advanced Manufacturing Systems  Lv Mei-yu, LI Jin-quan, Duan Bing-lei, Fu Rong 2012 The Dynamics Analysis on a Type Palletizing Robot  John J Craig Introduction to Robotics Mechanics and Control 3rd edition  Bruno Siciliano, Lorenzo Sciavicco, Luigi Villani, Giuseppe Oriolo Robotics: Modelling, Planning and Control by  Min Xiu Kong, Wei You, Zhi Jiang Du, Li Ning Sun Optimal design for a 2-DOF high dyamic manipulator based onparallelogram mechanism [3] Tài liệu tham khảo từ nguồn Internet: 100 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Robot Master class Peter Corke: https://robotacademy.net.au/  Các giảng online Liang Zhao robot lecture 10: https://www.youtube.com/channel/UCR8fRMFnlfUmH7p0cgwBnVw  https://new.abb.com/products/robotics/industrial-robots/irb-460/irb460-data, 27/06/2021  http://roboconshop.com/, 27/06/2021  https://hshop.vn/, 27/06/2021 101 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHỤ LỤC • Bản vẽ mơ hình 3D Ghi có đính kèm file Ghi có đính kèm file 102 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ghi có đính kèm file Ghi có đính kèm theo file 103 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ghi có đính kèm theo file • Bản vẽ điện: Ghi có đính kèm file 104 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT CÔNG NGHIỆP DẠNG CƠ CẤU HÌNH BÌNH HÀNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ - ĐIỆN TỬ... thiết bị điều khiển cho hệ thống luận văn 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.5 Cấu trúc điều khiển: Có loại điều khiển điều khiển tập trung cấu trúc điều khiển phân cấp Điều khiển tập trung: Là cấu trúc điều. .. động khớp Cơ cấu hình bình hành hệ kín: Hình 2.2: Mơ hình cấu hình bình hành ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lí robot ABB IRB 460 (nguồn Internet) Có hình dạng phát triển thêm từ tay máy