Hcmute thiết kế, thi công, điều khiển chính xác robot 5 bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ, THI CƠNG, ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC ROBOT BẬC TỰ DO S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021 - 118 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ĐỖ HOÀNG THÁI DƯƠNG S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ, THI CÔNG, ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC ROBOT BẬC TỰ DO < SV2021-118 > Thuộc nhóm ngành khoa học : Sinh viên thực : Đỗ Hoàng Thái Dương Dân tộc : Kinh Lớp, khoa : 17151CL2, Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Ngành học : Cơng Nghệ Điều Khiển Và Tự Động Hóa Nam, Nữ : Nam Năm thứ : Người hướng dẫn : ThS Nguyễn Phong Lưu TP Hồ Chí Minh, Tháng 10, Năm 2021 Luan van MỤC LỤC Mở Đầu 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương 1: Tổng Quan 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu giới hạn đề tài 1.3 Nội dung nghiên cứu Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Một số định nghĩa robot 2.2 Phân loại robot 2.3 Khái niệm toán động học robot 2.3.1 Bài toán động học thuận 2.3.2 Bài toán động học nghịch 2.4 Bộ điều khiển PID cho robot 2.4.1 Giới thiệu 2.4.2 Phương pháp điểu chỉnh thông số PID 11 2.4 Phương trình động lực học cánh tay robot 11 2.5 Tổng quan Matlab 12 Chương 3: Thiết Kế Phần Cứng 15 3.1 Yêu cầu thiết kế robot 15 3.2 Thiết kế chi tiết khí cho cánh tay robot 15 3.2 Lựa chọn thiết bị cho phần cứng 17 3.2.1 Chọn động 17 3.2.2 Chọn vi điều khiển 17 3.2.3 Chọn driver điều khiển động tay máy 18 Chương 4: Thiết Kế Và Thi Công Phần Mềm 20 4.1 Tính tốn động học cho robot 20 4.1.1 Động học thuận (Forward Kinematic) 20 4.1.2 Động học nghịch (Reverse Kinematic) 21 4.2 Thiết kế hình mơ 22 Chương 5: Kết Quả Đạt Được 24 Luan van 5.1 Kết phần mềm điều khiển 24 5.2 Kết mô 24 Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển 28 6.1 Kết Luận 28 6.1.1 Nội dung thực 28 6.1.2 Hạn chế đề tài 28 6.2 Hướng Phát Triển 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 PHỤ LỤC BẢN VẼ 30 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH 34 Luan van DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các loại khớp dùng robot Bảng 2.2: Sự ảnh hương thông số Kp, Ki, Kd 11 Bảng 4.1: Bảng DH robot 20 Luan van DANH MỤC HÌNH Hình 1: Hình ảnh robot tọa độ cực Hình 2.2: Hình ảnh robot tọa độ trụ Hình 2.3: Hình ảnh robot hệ tọa độ decartes Hình 2.4: Hình ảnh robot có khớp nối Hình 2.5: Hình ảnh robot scara Hình 2.6: Robot khâu song song (Robot delta) Hình 2.7: Mơ hình điều khiển PID 10 Hình 3.1: Thiết kế khâu cánh tay robot 15 Hình 3.2: Thiết kế khâu 2,3 16 Hình 3.3: Thiết kế hồn thiện cánh tay robot 16 Hình 3.4: Động bước 17 Hình 3.5: Arduino Uno R3 18 Hình 3.6: Driver TB6600 19 Hình 4.1: Đặt trục cho cánh tay robot 20 Hình 4.2: Màn hình điều khiển mô robot 22 Hình 5.1: Màn hình điều khiển 24 Hình 5.2: Robot chuyển đến điểm đặt 25 Hình 5.3: Robot chuyển theo đường line 25 Hình 5.4: Robot chuyển theo đường trịn 26 Hình 5.5: Đáp ứng robot hệ tọa độ x, y, z 26 Hình 5.6: Đáp ứng robot vẽ hình trịn 27 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế, thi cơng, điều khiển xác robot bậc tự - Chủ nhiệm đề tài: Đỗ Hoàng Thái Dương Mã số SV: 17151057 - Lớp: 17151CL2 Khoa: Đào Tạo Chất Lượng Cao - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Lữ Trọng Tín 17151142 17151CL2B CLC Bùi Anh Tuấn 17151152 17151CL1B CLC Lê Duy Hiếu 17151075 17151CL2B CLC Đỗ Mạnh Cường 17151049 17151CL2B CLC - Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Phong Lưu Mục tiêu đề tài: Hoàn thiện thiết kế mơ hình robot, nghiên cứu giải thuật liên quan đến điều khiển robot Mô lại trình hoạt động robot Tính sáng tạo: Cải thiện độ xác rung lắc robot hoạt động Kết nghiên cứu: Kết đạt thiết kế hoàn thiện cánh tay robot, mô hoạt động robot phần mềm Matlab Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Đề tài góp phần tạo điều khiện cho sinh viên nghiên cứu hiểu rõ thiết kế robot, sử dụng giải thuật việc điều khiển robot Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): TP Hồ Chí Minh, Ngày 10 tháng 10 năm 2021 SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Luan van Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Ngày 10, tháng 10, năm 2021 Người hướng dẫn (kí, họ tên) Luan van Mở Đầu Mở Đầu Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài “Kinematic Modelling And Analysis Of DOF Robotic Arm” tác giả Vivek Des Hpande P M George International Journal of Robotics Research and Development (IJRRD) tháng năm 2014 “Kinematics Analysis and Simulation of A 5DOF Articulated Robotic Arm Applied to Heavy Products Harvesting” tác giả Ali Roshanianfard Noboru Noguchi Journal of Agricultural Sciences tháng năm 2017 “The Modeling Of Inverse Kinematics For DOF Manipulator” tác giả V.N Iliukhin, K.B Mitkovskii, D.A Bizyanova, A.A Akopyan Dynamics and Vibroacoustics of Machines năm 2016 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sở khoa học thực tiễn cấu tạo loại robot thực tế Nghiên cứu phương pháp tính động học thuận nghịch robot Tìm hiểu nghiên cứu việc ứng dụng Matlab vào q trình tính tốn động học mơ hoạt động robot Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài cánh tay robot bậc tự Nghiên cứu tổng quan cấu tạo nguyên lý hoạt động cánh tay robot Vận dụng kiến thức học để lựa chọn sử dụng điều khiển cho cánh tay robot Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Kết nghiên cứu đề tài giúp hiểu rõ cấu tạo vận hành cánh tay robot Bên cạnh đó, hiểu thêm tầm quan trọng sử dụng điều khiển để đảm bảo cho robot hoạt động xác Luan van Chương 1: Tổng Quan Chương 1: Tổng Quan 1.1 Đặt vấn đề Cách mạng công nghiệp 4.0 mang đến cho nhân loại hội để thay đổi mặt kinh tế Cùng với hứa hẹn đổi doanh nghiệp Việt Nam Tự đơng hóa robot phần thiếu công nghiệp 4.0 Tự động hóa đem đến mức độ xác xuất cao so với cách làm truyền thống Ngành công nghiệp robot giới phát triển mạnh mẽ với nhiều hãng sản xuất robot cơng nghiệp khác Có nhiều quốc gia giới nghiên cứu lĩnh vực như: Nhật Bản, Mỹ, Úc, Nga, … Các sản phẩm robot công nghiệp ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác cơng xưởng, ngồi vũ trụ, biển chí đường ống nước thải Trên thị trường có nhiều mơ hình robot tạo nhằm mục đích giáo dục nghiên cứu Với phát triển mạnh mẽ cơng nghệ máy tính cách mạng cơng nghiệp 4.0 giới nước ta Công nghiệp tự động hóa robot phát triển nở rộ kèm theo nhu cầu nguồn nhân lực có trình độ để làm chủ cơng nghệ Do nhóm chọn đề tài “Thiết Kế, Thi Cơng, Điều Khiển Chính Xác Robot Bậc Tự Do”, để tìm hiểu ngun lý hoạt động robot phương pháp điều khiển để robot hoạt động xác 1.2 Mục tiêu giới hạn đề tài Mục tiêu đề tài Thực tính tốn động học cánh tay robot bậc tự do, qua nghiên cứu tổng quan cấu tạo, phương pháp tính tốn động học để điều khiển robot Từ tính tốn động học, điều khiển đưa vào nhằm đạt mục đích điều khiển robot cách xác mong muốn Vận dụng kiến thức học tìm hiểu xây dựng chương trình mơ lại hoạt động cánh tay robot Từ kiểm chứng tính xác robot Luan van Chương 4: Thiết kế thi công phần mềm => 𝐿3 ∗ 𝑆23 = 𝑧 − 𝐿2 ∗ 𝑆2 + 𝐿4 ∗ 𝐶 ∗ 𝜙 (2) Đặt: { 𝐴 = 𝑥 ∗ 𝐶1 + 𝑦 ∗ 𝑆1 − 𝐿1 𝐵 = 𝑧 + 𝐿4 ∗ 𝐶 ∗ 𝜙 (1)2 + (2)2 => 𝐿3 = 𝐴2 + 𝐵2 + 𝐿2 − ∗ 𝐿2 ∗ 𝐴 ∗ 𝐶2 − ∗ 𝐿2 ∗ 𝐵 ∗ 𝑆2 𝐴2 + 𝐵2 + 𝐿2 − 𝐿3 => 𝐴 ∗ 𝐶2 + 𝐵 ∗ 𝑆2 = ∗ 𝐿2 => 𝜃2 (2) 𝑆23 𝑧 + 𝐿4 ∗ 𝐶 ∗ 𝜙 − 𝐿2 ∗ 𝑆2 = => 𝜃23 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛2 ( ) (1) 𝐶23 𝑥 ∗ 𝐶1 + 𝑦 ∗ 𝑆1 − 𝐿1 − 𝐿2 ∗ 𝐶2 − 𝐿4 ∗ 𝐶 ∗ 𝜙 => 𝜃3 = 𝜃23 −𝜃2 => 𝜃4 = 𝜙 − 𝜃2 − 𝜃3 4.2 Thiết kế hình mơ Hình 4.2: Màn hình điều khiển mơ robot 22 Luan van Chương 4: Thiết kế thi công phần mềm Màn hình điều khiển hình 4.2 mơ viết tính GUI Matlab Trên hình điều khiển cho phép chỉnh sửa, hiển thị góc khớp điểm đầu cuối robot Bên cạnh đó, giá trị điểm đầu cuối chỉnh sửa thay đổi tương tự giá trị góc Ngồi ra, hình điều khiển có chức tính mơ tracking robot để dễ dàng đánh giá đồ xác robot 23 Luan van Chương 5: Kết Quả Đạt Được Chương 5: Kết Quả Đạt Được 5.1 Kết phần mềm điều khiển Việc điều khiển mô cho robot thực giao diện Matlab Guide Đồng thời, phần cứng sau thi công dùng giao diện để điều khiển Màn hình điều khiển hình 5.1, ngồi việc điều khiển hình cịn cho phép giám sát thơng số tay máy vị trí, góc tại, … Hình 5.1: Màn hình điều khiển 5.2 Kết mô Cánh tay robot biểu diễn không gian ba chiều, chuyển động robot chuyển đến điểm đặt, robot chuyển theo đường line robot chuyển tạo thành hình trịn mơ tả hình 5.1, 5.2, 5.3 24 Luan van Chương 5: Kết Quả Đạt Được Hình 5.2: Robot chuyển đến điểm đặt Hình 5.3: Robot chuyển theo đường line 25 Luan van Chương 5: Kết Quả Đạt Được Hình 5.4: Robot chuyển theo đường trịn Độ xác cánh tay robot hoạt động mô biểu thị dạng đồ thị hình 5.5 5.6 để người dùng xem, đánh giá mức độ xác điều khiển sử dụng Ở hình 5.5 với đường màu xanh điểm đặt (set point) robot cần đạt Đường màu đỏ biểu thị đáp ứng cánh tay robot Hình 5.5: Đáp ứng robot hệ tọa độ x, y, z 26 Luan van Chương 5: Kết Quả Đạt Được Ở hình 5.6, đường tròn màu xanh set point mà cánh tay robot cần đạt đường tròn màu đỏ đường tròn robot sau hoạt động vẽ Hình 5.6: Đáp ứng robot vẽ hình trịn 27 Luan van Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển 6.1 Kết Luận 6.1.1 Nội dung thực Trong q trình thực đề tài nhóm tác giả thực nội dung sau: - Thiết kế phần cứng cánh tay robot bậc tự - Tính tốn mơ phỏng, điều khiển cánh tay robot điều khiển PID - Thiết kế hình Matlab GUI để thực điều khiển mơ robot 6.1.2 Hạn chế đề tài Bên cạnh nội dung nhóm tác giả thực đề tài số hạn chế sau: - Chưa thể thi công cánh tay robot để việc kiểm chứng độ xác điều khiển thực tế - Chỉ sử dụng điều khiển PID việc điều khiển robot - Tính xác hạn chế 6.2 Hướng Phát Triển Dựa hạn chế đề tài, hệ thống phát triển sau: - Thi công phần cứng cánh tay robot - Sử dụng điều khiển nâng cao để điều khiển robot - Sử dụng phần mềm giám sát tốt để điều khiển giám sát robot 28 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Kinematics Analysis and Simulation of A 5DOF Articulated Robotic Arm Applied to Heavy Products Harvesting” tác giả Ali Roshanianfard Noboru Noguchi Journal of Agricultural Sciences tháng năm 2017 [2] TS Đặng Xuân Ba, “chapter manipulator dynamics”, slide 15-16 [3] TS Đặng Xuân Ba, “chapter forward kinematics”, slide 25 [4] https://vietmachine.com.vn/co-nhung-loai-robot-cong-nghiep-nao-huong- dan-ve-cac-tinh-nang-cua-6-loai-robot-chinh.html 29 Luan van PHỤ LỤC BẢN VẼ 30 Luan van 31 Luan van 32 Luan van 33 Luan van PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH Chương trình động học thuận % syms the1 the2 the3 the4 the5 l1 l2 l3 l4 l5 the1 = ; the2 = 0.4620 ; the3 = 0.0857 ; the4 = -0.2939 ; the5 = ; the = [the1 ; the2 ; the3 ; the4 ; the5] ; T_01 = [ cos(the1), -sin(the1), 0, ; sin(the1), cos(the1), 0, ; 0, 0, 1, ; 0, 0, 0, 1] ; T_12 = [ cos(the2), -sin(the2), 0, l1 ; 0, 0, -1, ; sin(the2), cos(the2), 0, ; 0, 0, 0, 1] ; T_23 = [ cos(the3), -sin(the3), 0, l2 ; sin(the3), cos(the3), 0, ; 0, 0, 1, ; 0, 0, 0, 1] ; T_34 = [ cos(the4), -sin(the4), 0, l3 ; sin(the4), cos(the4), 0, ; 0, 0, 1, ; 0, 0, 0, 1] ; T_45 = [ cos(the5), -sin(the5), 0, ; 0, 0, -1, ; sin(the5), cos(the5), 0, ; 0, 0, 0, 1] ; 34 Luan van % T_0_EE = simplify(T_01*T_12*T_23*T_34*T_45) ; % P_02 = simplify(T_01*T_12*[0 ; ; ; 1]) ; % P_03 = simplify(T_01*T_12*T_23*[0 ; ; ; 1]) ; % P_04 = simplify(T_01*T_12*T_23*T_34*[0 ; ; ; 1]) ; % P_05 = simplify(T_01*T_12*T_23*T_34*T_45*[0 ; ; l4/2 ; 1]) ; % P_06 = simplify(T_01*T_12*T_23*T_34*T_45*[0 ; ; l4 ; 1]) ; P_0_EE = [ cos(the1)*(l1 + l3*cos(the2 + the3) + l2*cos(the2) + l4*sin(the2 + the3 + the4)) sin(the1)*(l1 + l3*cos(the2 + the3) + l2*cos(the2) + l4*sin(the2 + the3 + the4)) l3*sin(the2 + the3) + l2*sin(the2) - l4*cos(the2 + the3 + the4)] Chương trình động học nghịch %% Inverse Kinematics ( phi = random) l1 = ; l2 = ; l3 = ; l4 = ; x = 0.5580 ; y = 1.5735; z = -0.1299 ; phi = 0; the1 = atan2(y,x) A = x*cos(the1) + y*sin(the1) - l1 - l4*sin(phi) ; B = z + l4*cos(phi) ; D = (A^2 + B^2 + l2^2 - l3^2)/(2*l2) ; the2 = basic_trigonometric(A,B,D) the23 = atan2(z + l4*cos(phi) - l2*sin(the2), x*cos(the1) + y*sin(the1) - l1 l2*cos(the2) - l4*sin(phi)) ; the3 = the23 - the2 the4 = phi - the2 - the3 35 Luan van S K L 0 Luan van ... làm chủ cơng nghệ Do nhóm chọn đề tài ? ?Thi? ??t Kế, Thi Cơng, Điều Khiển Chính Xác Robot Bậc Tự Do? ??, để tìm hiểu nguyên lý hoạt động robot phương pháp điều khiển để robot hoạt động xác 1.2 Mục tiêu... 3: Thi? ??t Kế Phần Cứng Chương 3: Thi? ??t Kế Phần Cứng 3.1 Yêu cầu thi? ??t kế robot Đối với thi? ??t kế cấu truyền động cho cánh tay robot, cấu sau thi? ??t kế, thi công cần phải đáp ứng tính linh hoạt, xác. .. điểm đầu cuối robot Thi? ??t kế hoàn thi? ??n robot hình 3.3 Hình 3.2: Thi? ??t kế khâu 2,3 Hình 3.3: Thi? ??t kế hồn thi? ??n cánh tay robot 16 Luan van Chương 3: Thi? ??t Kế Phần Cứng 3.2 Lựa chọn thi? ??t bị cho