(Đồ án hcmute) thiết kế và điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BA BẬC TỰ DO GVHD: ThS NGUYỄN PHONG LƯU SVTH: NGUYỄN VĂN TÂY MSSV: 11151064 SVTH: KIỀU QUANG PHÚC MSSV: 11151156 SKL 0 1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh , ngày 25 tháng năm 2015 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Tây MSSV:11151064 Kiều Quang Phúc 11151156 Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Lớp: 11151CL1 Giảng viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Phong Lưu Ngày nhận đề tài: 15/3/2015 ĐT: Ngày nộp đề tài: 25/7/2015 Tên đề tài: Thiết kế điều khiển cánh tay robot ba bậc tự Các số liệu tài liệu ban đầu: - Sách giáo trình “Kỹ thuật robot” trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh - Tài liệu thư viện Waijung từ trang web “http://waijung.aimagin.com.” Nội dung thực đề tài: - Tính tốn phương trình động học - Viết phương trình điều khiển cho cánh tay robot - Nhận giá trị trả từ cánh tay robot để giám sát - Quy hoạch quỹ đạo thuật toán Bézier Sản phẩm: - Mơ hình cánh tay robot ba bậc tự TRƯỞNG NGÀNH GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh , ngày 25 tháng năm 2015 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Tây MSSV:11151064 Kiều Quang Phúc 11151156 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Tên đề tài: Thiết kế điều khiển cánh tay robot ba bậc tự Họ tên Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Phong Lưu NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng công việc: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Ưu điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Khuyết điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Đề nghị cho bảo vệ hay không ? …………………………………………………………………………………… Đánh gia loại: …………………………………………………………………… Điểm:………(Bằngchữ:…………………………………… ………………) Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng năm 2015 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh , ngày tháng năm 2015 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Tây MSSV:11151064 Kiều Quang Phúc 11151156 NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng công việc: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Ưu điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Khuyết điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Đề nghị cho bảo vệ hay không ? …………………………………………………………………………………… Đánh gia loại:………………………………………………………………… Điểm:………(Bằng chữ:…………………………………… ………………) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Giáo viên phản biên (Ký & ghi rõ họ tên) iii an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Quá trình làm đồ án tốt nghiệp, chúng em nhận giúp đỡ, góp ý kiến bảo tận tình thầy cơ, gia đình bạn bè Chúng em gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Nguyễn Phong Lưu Th.s Phạm Hồng Thơng, bên cạnh giảng viên môn Tự Động Điều Khiển trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn, bảo chúng em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh nói chung, thầy Bộ mơn Tự Động Hóa Điều Khiển nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp em có đuợc sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Mặc dù chúng em cố gắng hoàn thành đề tài khơng thể tránh khỏi nhiều sai sót định mặt thời gian kiến thức, chúng em mong thông cảm chia sẻ quý báu từ thầy cô bạn Chúng em xin gửi lời chúc sức khỏe thành đạt tới tất quý thầy cô bạn TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2015 Nhóm thực đề tài Nguyễn Văn Tây – Kiều Quang Phúc iv an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÓM TẮT Trên giới nay, ngành cơng nghiệp có phát triển vượt trội đa dạng, bên cạnh nhằm tăng tính cạnh tranh hạ giá thành sản phẩm toán đặt cho hầu hết doanh nghiệp Nhằm đáp ứng cầu ngành cơng nghiệp robot nghiên cứu phát triển Robot hoạt động với điều kiện khắc nghiệt làm việc với suất cao Robot việc đáp ứng công nghiệp với phát triển vượt bậc robot sâu vào đời sống người, ngành y tế, chăm sóc người, qn sự, quốc phịng Có thể thấy phát triển ngành cơng nghệ robot, nhóm chúng em chọn đề tài “Thiết kế điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do.” vận dụng kiến thức kỹ thuật robot điều khiển tự động để thiết kế nên cánh tay robot ba bậc tự dơn giản Điều khiển qua phần mềm Matlab thông qua kit STM32F4 Discovery thư viện hỗ trợ Waijung Thông qua giải thuật Bézier để xây dựng quỹ đạo cánh tay tránh vật cảng quỹ đạo cánh tay Xây dựng mơ hình cánh tay robot đơn giản TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2015 Nhóm thực đề tài Nguyễn Văn Tây – Kiều Quang Phúc v an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vi MỤC LỤC HÌNH x MỤC LỤC BẢNG xii CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Nhiệm vụ đề tài 1.5 Đối tượng phạm vi đề tài .3 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Bố cục Đồ án CHƯƠNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 Lý thuyết phần động lực học robot:[1] .4 2.1.1 Biểu diễn Denavit – Hartenberg toán động học robot: .4 2.1.2 Động học thuận 2.1.3 Động học nghịch: 2.1.4 Jacobi động học vận tốc: 10 2.2 Bộ điều khiển PID: 14 2.2.1 Thành phần tỷ lệ (P): 15 2.2.2 Thành phần tích phân (I) 15 vi an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2.3 Thành phần vi phân (D) 16 2.2.4 Bộ điều khiển PID số .16 2.3 Giới thiệu kit STM32F4 Discovery 17 2.3.1 Giới thiệu chung .17 2.3.2 Tính 18 2.3.3 Dãy công cụ phát triển: 19 2.3.4 Giới thiệu dòng vi điều khiển STM32 19 2.3.5 Phần cứng 22 2.4 Thư viện Waijung Blockset[3] 24 2.4.1 Khối Target Setup 25 2.4.2 Khối Digital Output 26 2.4.3 Khối UART Setup 27 2.4.4 Khối UART Rx 28 2.4.5 Khối UART Tx .29 2.4.6 Khối Encoder Read 30 2.4.7 Khối Basic PWM .31 2.4.8 Khối Host Serial Setup .33 2.4.9 Khối Host Serial Tx 34 2.4.10 Khối Host Serial Rx 35 2.5 PL-2303 UART .36 2.5.1 Truyền thông nối tiếp không đồng 36 2.5.2 Truyền thông nối tiếp không đồng với STM32F4 Discovery (UART) 40 2.6 Đường cong Bézier 41 2.6.1 Đường cong Bézier toàn phương hay bậc hai (quadratic) .41 2.6.2 Định nghĩa đệ quy 42 2.6.3 Đường cong bậc hai 43 vii an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 3.1 NỘI DUNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .44 Phương trình động học robot 44 3.1.1 Đặt tọa độ bảng D – H 44 3.1.2 Động học thuận robot .45 3.1.3 Động học ngược robot 46 3.1.4 Ma trận Jacobi 46 3.2 Giải thuật điều khiển .48 3.3 Bộ điều khiển Matlab 49 3.3.1 Bộ Init system 49 3.3.2 Bộ PID 50 3.3.3 Encoder 50 3.3.3 Motor 51 CHƯƠNG THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT .52 Thiết kế khâu cho cánh tay Robot 52 4.1 4.1.1 Khớp 52 4.1.2 Khớp 53 4.1.3 Khớp 53 4.2 chọn động cho khâu cánh tay Robot 54 4.2.1 Khớp 54 4.2.2 Khớp 54 4.2.3 Khớp 55 4.3 Chọn encoder cho khâu cánh tay Robot 56 4.4 Mạch cầu H cho động khâu cánh tay Robot 57 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 58 5.1 Cánh tay robot ba bậc tự 58 5.2 Các thông số PID cho hệ thống .59 viii an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.3 Quy hoạch quỹ đạo cánh tay robot 59 5.3.1 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150 0] 59 5.3.2 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150] 60 5.3.3 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 150] 61 5.3.4 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 0] .62 5.3.5 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 0] .63 CHƯƠNG 6.1 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .65 Kết luận 65 6.1.1 Ưu điểm 65 6.1.2 Nhược điểm 65 6.2 Hướng phát triển đề tài .65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 ix an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.1.2 Khớp Khớp khớp tịnh tiến qua vít me gắn lên khớp Khớp tịnh tiến thơng qua động quay vít me Hình 4.2 Mơ hình thiết kế khớp 4.1.3 Khớp Khớp khớp tịnh tiến qua vít me Khớp tịnh tiến thông qua động quay vít me Hình 4.3 Mơ hình thiết kế khớp 53 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.2 chọn động cho khâu cánh tay Robot 4.2.1 Khớp Sử dụng động có tốc độ thấp tốc độ 18 vịng/phút, cơng suất 12w Momen xoắn cực đại 2.7N.m Có chức chuyên dùng cho cấu kẹp, xoay, tháo gỡ chốt Kết cấu nhông xoắn đảm bảo động khóa khơng có dịng điện Nguồn 24vdc Hệ số giảm tốc 176:1 Hình 4.4 Sơ đồ kích thước động 4.2.2 Khớp Sử dụng động chuyên dùng cho cấu nâng, kẹp, trượt dùng để chạy cho robot tự đồng có tốc độ khơng cần cao Nguồn 24vdc, tốc độ 70 vịng/phút, cơng suất 15w Momen xoắn cực đại 3N.m Khối lượng 250g, đường kính trục 6mm Hệ số giảm tốc 60:1 54 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.5 Sơ đồ kích thước động 4.2.3 Khớp Sử dụng động chuyên dùng cho cấu nâng, kẹp, trượt dùng để chạy cho robot tự động có khối lượng nhẹ tốc độ không cần cao Dùng loại thiết bị tự động máy làm nhang, máy đưa nôi tự động dây chuyền tự động cơng nghiệp Nguồn 24vdc, tốc độ 70 vịng/phút, công suất 7w Momen xoắn cực đại 1.9 N.m Khối lượng 150g, đường kính trục 6mm Hệ số giảm tốc 60:1 55 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.6 Sơ đồ kích thước động 4.3 Chọn encoder cho khâu cánh tay Robot Sử dụng cho ba khâu encoder tương đối có hai kênh đọc đọc 100 xung Hình 4.7 Đĩa encoder 56 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.4 Mạch cầu H cho động khâu cánh tay Robot Mạch cầu H cho khâu cánh tay robot sử dụng MC33883 hãng FreeScale có cơng suất cao để đáp ứng dòng diện cung cấp đủ cho động Hình 4.8 Mạch cầu H MC33883 Board cầu H-Bridge dùng IC kích MC33883 hãng FreeScale Đặc tính kỹ thuật: - Phần cơng suất dùng POWER MOFETs IRF3205 có thơng số : VDSS = 55V, RDS(on) = 8.0mΩ, ID = 110A - Điện áp cấp ngõ vào từ +12V đến +40VDC - Sử dụng opto xung 6N137, IC lái MC33883 nên tần số PWM đáp ứng lên đến 100Khz - Ngõ vào opto cách ly PWM+, PWM-, DIR+, DIR- - Sử dụng IC kích fet chuyên dụng MC33883 Freescale, nên duty PWM đạt 100%, ưu điểm so với IC kích fet khác - Có Led báo nguồn, Led báo chiều động PWM - Board có nút nhấn DIR PWM thích hợp cho việc test board tay 57 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 5.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Cánh tay robot ba bậc tự Hình 5.1: Cánh tay robot 58 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.2 Các thông số PID cho hệ thống Bảng 5.1: Các thông số PID 5.3 Thông số PID1 PID2 PID3 Kfw 0.13 0.1255 8/pi Kp 0.002 0.003 0.005 Ki 0.0005 0.0015 Kd 0 Limit_i 5 Quy hoạch quỹ đạo cánh tay robot 5.3.1 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150 0] Hình 5.2:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150 0] 59 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.3:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150 0] 5.3.2 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150] Hình 5.4:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150] 60 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.5:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150] 5.3.3 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 150] Hình 5.6:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 150] 61 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.7:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 150] 5.3.4 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 0] Hình 5.8:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 0] 62 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.9:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 0] 5.3.5 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 0] Hình 5.10:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 0] 63 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.11:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 0] 64 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 6.1 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận 6.1.1 Ưu điểm Sau hồn thành đề tài nhóm hồn thành nhiệm vụ, mục tiêu đề cho đề tài ban đầu nhóm: - Thi cơng hồn thành mơ hình cánh tay robot ba bậc tự - Thiết kế chương trình điều khiển cánh tay robot ba bậc tự Matlab - Có thể truyền nhận liệu cần thiết matlab để theo dõi - Hồn thành mơ hình nhúng 6.1.2 Nhược điểm Trong trình làm đề tài nhóm cịn số nhược điểm sau - Phần khí cịn đơn giản chưa có linh hoạt - Chương trình điều khiển đạt số yêu cầu đơn giản - Cơ cấu chưa có cân tuyệt đối khối lượng - Điều khiển chưa có chuẩn sát mang tính tương đối 6.2 Hướng phát triển đề tài Với đề tài nhóm em phát triển lên mặt - Phát triển khớp nhiều có phức tạp để cánh tay hoạt động cách linh hoạt đưa vào sản xuất cơng nghiệp - Chương trình đảm nhiệm nhiều chức không số chức đề tài - Đáp ứng yêu cầu phức tạp - Thiết kế mạch điều khiển dây để giảm nhiễu - Sử dụng encoder tuyệt đối để tăng xác - Dùng động Servo thay cho động DC 65 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình kỹ thuật Robot – PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh [2] http://mathworks.com [3] http://waijung.aimagin.com [4] http://www.st.com [5] http://stm32f4-discovery.com [6] http://wikipedia.org [7] http:// prolific.com 66 an S an K L 0 ... cứng, phần mềm để tạo nên cánh tay robot ba bậc tự Vận dụng thiết kế mơ hình cánh tay robot ba bậc tự 1.4 Nhiệm vụ đề tài Xây dựng hệ thống nhúng điều khiển cho cánh tay robot phần mềm Matlab thông... khiển cánh tay robot ba bậc tự do? ?? Đề tài hướng tới tạo cánh tay robot đơn giản đáp ứng nhu cầu ngành công nghiệp nước ta Bên cạnh áp dụng giải thuật điều khiển đơn giản PID vào điều cánh tay, ... lý nên nhóm em chọn đề tài ? ?Thiết kế điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do? ?? sở kiến thức mà chúng em học bốn năm kiến thức có từ bên ngồi chúng em thiết kết cánh tay robot vận dụng số hoạt động