Báo cáo tổng kết thiết kế bộ điều khiển cho mô hình robot 4 bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA _ BÁO CÁO TỔNG KẾT Thiết kế bộ điều khiển cho mô hình Robot bậc tự Sinh viên thực hiện: Lê Viết Đạt MSSV: 19010206 Trần Mach Tuấn Kiêt HÀ NỘI, 12/2022 19010214 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu lí lựa chọn đề tài 2.2 Mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu 2.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu CỞ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cấ́u trúc robot tay máy công nghiệp 3.2 Thiết lập hệ tọa độ khảo sát lập bảng D – H 3.3 Vùng hoạt động khâu tác động cuối 12 3.4 Bài toán động học ngược 14 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 15 4.1 Ý tưởng thiết kế 15 4.2 Phầ̀n cứng 15 4.2.1 Đông Step KV4234 15 4.2.2 Driver A4988 17 4.2.3 Board điều khiển Arduino Uno 18 4.2.4 Board CNC Shield V3 20 4.2.5 Servo MG90S 21 4.3 Phầ̀n mêm 22 4.3.1 Arduino IDE 22 4.3.2 LabVIEW 23 4.3.3 MATLAB 25 4.4 Giai thuât điêu khiên cho đông Step 26 4.5 Giai thuât điêu khiên cho đông Servo 30 4.6 Thanh lâp cac phương trinh đông hoc 32 4.6.1 32 Xây dựng toán động học thuân tay máy 4.6.2 Xây dựng toán động học ngược tay máy .35 TRIỂN KHAI TRÊN THỰC NGHIỆM VÀ KÊT QUẢ 38 5.1 Thiết kế va lắp rap robot 38 5.2 Kiểm tra thuât toan điêu khiên bằng mô phỏng 40 5.3 Vung lam viêc cua robot 42 5.4 Thuât toan Arduino 43 5.5 Ưng dung điêu khiên LabVIEW 44 5.6 Robot ứng dụng thực tế 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hinh Sơ đồ cấ́u trúc robot công nghiệp 10 Hinh Trường công tác robot 12 Hinh Các hệ tọa độ cánh tay robot 13 Hinh Chiều dài góc khâu 13 Hinh Bộ thông số Denavit – Hartenberg 14 Hinh Sơ đồ chuyển vị khâu cuối so với sở 15 Hinh Mô tả không gian làm việc cấ́u hai khâu phẳng 16 Hinh Sơ đồ khối thiết kế Robot 18 Hinh Đông Step KV4234 19 Hinh 10 Driver A4988 20 Hinh 11 Module ESP32-WROOM-32 21 Hinh 12 Board CNC Shield V3 23 Hinh 13 Servo MG90S 24 Hinh 14 Giao diện phầ̀n mềm lập trình Arduino IDE 25 Hinh 15 Giao diện phầ̀n mềm lập trình LabVIEW 27 Hinh 16 Giao diện phần mêm lâp trinh MATLAB 29 Hinh 17 Đô thi goc quay va vân tôc vơi chu kỳ cấp xung cô đinh .30 Hinh 18 Qũy đao mong muôn cua đông 31 Hinh 19 Nguyên lý hoat đông cua đông servo 33 Hinh 20 Thuât toan điêu khiên đông servo 34 Hinh 21 Hê toa đô tay may bâc tư 35 Hinh 22 Đông hoc ngươc tay may không gian Oxyz 38 Hinh 23 Đông hoc ngươc tay may mặt phăng zOO zO 1: 39 Hinh 24 Robot IBR 460 41 Hình 25 Mẫu robot đươc sử dung 42 Hình 26 Sơ đô ghép nôi mach điêu khiên 43 Hinh 27 Kêt qua mô phỏng thuât toan điêu khiên đông 44 Hinh 28 Kêt qua mô phỏng Robot khơng gian ba chiêu 45 Hình 29 Vung lam viêc cua robot 46 Hình 30 Cấ́u trúc thuât toan Arduino 47 Hinh 31 Mô tả hoạt động phầ̀n mềm điều khiển labVIEW .48 Hinh 32 Giao diện điều khiển phầ̀n mềm LabVIEW .49 Hinh 33 Khối xử̉ lý́ phương trình động học thuận (bên trái) nghịch (bên phải) 49 Hình 34 Cấ́u trúc thuât toan Arduino 51 Hinh 35 Hình ảnh thử nghiêm robot di chun khơng giât 51 Hinh 36 Hình ảnh robot gắp tha vât theo toa đô đặt bơi dung 52 MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bang Bảng tham số động học D – H 15 Bang Thông số hoạt động đơng Step KV4234 19 Bang Thơng số hoạt động Driver A4988 21 Bang Các thơng số kỹ thuật Arduino Uno 22 Bang Các thơng số kỹ thuật Board CNC Shield V3 23 Bang Các thông số kỹ thuật Servo MG90S 24 Bang Thông sô D-H cua robot 36 LỜI MỞ ĐẦU Robot nói chung robot cơng nghiệp nói riêng tiến bước dài để xâm nhập vào đời sống xã hội cũ̃ng hoạt động sản xuấ́t người Việc ứng dụng robot trở nên quan trọng ngành tự động hóa nhằ̀m nâng cao suấ́t chấ́t lượng, hạn chế cải thiện sức lao động người Robot giúp người hoạt động môi trường nguy hiểm với tính mạng khu vực hầ̀m mỏ̉, khư vực nhiễm phóng xạ, hoặ̣c trì hoạt động dây chuyền 24/7 Robot đặ̣c biệt cánh tay robot có ứng dụng rộng khắ́p nhà máy khắ́p giới Ngày robot vẫ̃n đối tượng quan tâm nhiều khơng lĩnh vực sản xuấ́t mà cịn lĩnh vực nghiên cứu để cải tiến, tối ưu hoạt động hoặ̣c sử̉ dụng để giảng dạy Đồ án chuyên ngành lầ̀n nhằ̀m nghiên cứu chuyên sâu robot, tập trung vào việc tính tốn lý́ thuyết xây dựng thuật tốn điều khiển cũ̃ng giao diện điều khiển cánh tay robot bậc tự Cơ sở lý́ thuyết robot xây dựng dựa phương trình động học thuận, phương trình động học ngược, phương trình động lực robot nhóm tác giả tính tốn mơ phỏ̉ng phầ̀n mềm MATLAB Từ xây dựng thuật toán điều khiển vận tốc theo bậc thang thiết kế phầ̀n mềm LabVIEW để điều khiển Đề tài có sử̉ dụng kết cấ́u phầ̀n cứng in 3D bằ̀ng nhựa để điều khiển Kết cấ́u không đáng tin thực tế khuôn khổ đề tài sử̉ dụng để mơ tả khâu hay giai đoạn trình sản xuấ́t thực tế Mơ hình thuật tốn điều khiển hoạt động tốt giới hạn làm việc robot mà động chạy mượt mà không xảy tượng giật Thử̉ nghiệm đặ̣t ly nước nhỏ̉ khâu tác động cuối, nước không bị rơi vãi khỏ̉i ly suốt trình hoạt động TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1.Tổng quan tì̀nh hì̀nh nghiên cứu lí lự̣a chọn đề̀ tài Những ý́ niệm đầ̀u tiên vật tương tự robot xuấ́t từ thời cổ đại ngày câu chuyện thầ̀n thoại xưa Những vật tạo nhằ̀m mục đích phục vụ chủ nhân cách tự động, có khả tương tác nghe lệnh người Tuy nhiên đến năm 1921, thuật ngữ “robotics” lầ̀n đầ̀u tiên xuấ́t đề cập kịch “Rossum’s Universal Robots” nhà viết kịch viễn tưởng tiếng người Czech, Karel Capek Ông sử̉ dụng từ “robot” biến thể từ tiếng Czech cổ “robota” có nghĩa lao động cưỡng để gán vào máy mà Rossum trai chế tạo để phục vụ người [1] Vào năm 40 kỷ trước, nhà văn Nga, Issac Asimov đưa mô tả gầ̀n robot khái niệm ngày ông thêm vào việc điều khiển bằ̀ng hệ thầ̀n kinh khả trình gọi “Positron” người lập trình Ơng cũ̃ng đề nguyên tắ́c mà robot cầ̀n phải có là: “Khơng tổn hại người”, “Tuân theo nguyên tắ́c người đặ̣t ra”, “Cầ̀n phải tự bảo vệ khơng vi phạm hai quy tắ́c trước” [2] Từ mà “robot” dầ̀n vượt khỏ̉i biên giới hư cấ́u trừu tượng để trở thành niềm cảm hứng thiết kế kỹ sư khí với cấ́u, thiết bị mang dáng dấ́p người, điều khiển phục vụ đời sống công nghiệp Mặ̣c dù vậy, có thực tế rằ̀ng robot sử̉ dụng chủ yếu nhấ́t công nghiệp, gọi robot cơng nghiệp Về mặ̣t kỹ thuật chúng có nguồn gốc từ hai lĩnh vực phát triển từ lâu cấ́u điều khiển từ xa máy công cụ điều khiển số Các người thao tác tách biệt khỏ̉i mơi trường làm việc lý́ chẳng hạn an toàn hoặ̣c chế tạo chi tiết Những robot đầ̀u tiên nối kết thiết bị điều khiển khí từ xa khả lập trình máy điều khiển Tuy ngày robot cơng nghiệp phải có kết cấ́u, chức phải phù hợp với quy chuẩn định nghĩa quy định ngày Trong định nghĩa sử̉ dụng nhiều nhấ́t kể đến viện nghiên cứu Robot Mỹ đề xuấ́t: “Robot công nghiệp tay máy vạn hoạt động theo chương trình lập trình lại để hoàn thành nâng cao hoàn thành nhiệm vụ khác công nghiệp, vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, sản phầ̀m, dụng cụ hoặ̣c thiết bị chuyên dụng khác” Một robot cầ̀n phải thể đặ̣c trưng thiết bị vạn lập trình gọi robot cơng nghiệp Ngồi robot phải đảm bảo chức điều khiển q trình sản xuấ́t Một robot cơng nghiệp bao gồm thiết bị thừa hành tay máy lập trình hoặ̣c điều khiển đề hồn thành chức vận động Với đặ̣c trưng robot cơng nghiệp thiết bị tự động hóa khả trình mà thiếu hệ thống sản xuấ́t linh hoạt Robotics phát triển mạnh mẽ từ năm sau chiến tranh giới thứ hai với nhiều thành tự lớn robot T3 nâng khối lượng lên đến 40Kg vào năm 1974 cơng ty Cincinnati đến từ Mỹ Hay có dự án nghiên cứu robot chiến tranh mô phỏ̉ng chó gồ hàng hoặ̣c người lính cơng ty Boston Dynamic Trong lĩnh vực nghiên cứu, năm 1967, Đại học Stanford cho đời mẫ̃u robot trang bị cảm biến để nhận biết định hướng đối tượng vật kẹp bàn ké́p Ngồi cịn nhiều lĩnh vực ứng dụng robot nhấ́t công nghiệp vũ̃ trụ, chế tạo xe, máy móc, Ở Việt Nam, kỹ thuật robot bắ́t đầ̀u du nhập nhiều vào ngành công nghiệp nước nhà từ năm 1990 sở công nghiệp bắ́t đầ̀u đổi quy trình nhập nhiều loại robot phục vụ mục đích cơng nghiệp Năm 2002, công ty TOSY giám đốc người Việt Nam thành lập bắ́t đầ̀u sản xuấ́t robot giải trí, công nghiệp đem đến nhiều giải thưởng ngồi nước Bên cạnh cịn có đơn vị sản xuấ́t robot nước ngồi có trụ sở Việt Nam ABB Ngày 12/10/2003, đời Hội khoa học công nghệ Robot Việt Nam (Vietnamese Assiciation of Robotics – VAR) thúc đẩy lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng Robot Việt Nam phát triển Ngày hầ̀u hết trường kỹ thuật Việt Nam trang bị môn kỹ thuật Robot vào chương trình giảng dạy giúp sinh viên tiếp cận tốt phát triển khía cạnh kỹ thuật điều khiển, mô phỏ̉ng phát triển tốt Robot cánh tay công nghiệp loại robot phổ biến nhấ́t cơng nghiệp nay, nghiên cứu giúp nhóm tác giả tiếp cận tốt diễn cơng nghiệp Ngồi ngành robot vẫ̃n chưa phát triển Việt Nam nên nhóm tác giả muốn xây dựng mơ hình để sinh viên thực nghiệm nghiên cứu tốt hơn, hỗ trợ tối đa cho giảng viên việc giảng dạy 2.2.Mục tiêu, nộ̣i dung phương pháp nghiên cứu Từ phân tích nêu trên, đề tài nghiên cứu tập trung thiết kế, xây dựng phát triển bô điêu khiên dung cho mô hinh Robot bâc tư Mục tiêu: - Nghiên cứu canh tay robot đươc dung công nghiêp va giang day Hồn thành mơ hinh canh tay robot dung đơng step Hồn thiện giao diên điêu khiên mơ hinh may tinh Phân tích, tính tốn, lựa chọn giai thuât điêu khiên thich hơp cho robot Nội dung nghiên cứu: Tim hiêu vê cac loai tay may đươc dung nhiêu công nghiêp va chon lưa mô hinh 3D cua tay may dưa theo cac open source Tinh toan lưa chon cac linh kiên cho tay may bao gôm đông cơ, vi điêu khiên, driver, cac chi tiêt khi… va lắp rap san phâm thưc tê Xac đinh không gian lam viêc cua tay may Tinh toan cac phương trinh đông hoc va đông lưc hoc cho tay may Thiêt lâp giai thuât điêu khiên vân tôc theo dang hinh thang cho đông step Kiêm tra lai cac thuât toan va phương trinh bằng mô phỏng Matlab Kiêm tra thuât toan mô hinh robot đa xây dưng, Xây dưng giao diên va cac chê đô điêu khiên cho tay may bằng LabView, Đánh giá sản phẩm hoàn thành với số tiêu chí đề ra, Chạy thử̉ Robot cho vai ứng dụng thực tế Phương pháp nghiên cứu: Thu thập, tham khảo phân tích tài liệu lĩnh vực, đề tài nghiên cứu liên quan, linh kiện thiết bị sử̉ dụng, Nghiên cứu, chỉnh sửa lai Robot cho phu hơp yêu cầu đặt ra, Tìm hiểu kỹ thuật lập trình, xây dựng giải thuật áp dụng phầ̀n mềm lập trình thơng dụng, - Kiểm tra thực nghiệm thiết robot môi trường thực tế, Tổng hợp, phân tích, đánh giá kết đat được, So sánh đánh giá sản phẩm hồn thành với số thiết bị có sẵn thị trường 2.3.Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung thiết kế chế tạo bô điêu khiên danh cho Robot bâc tư sử dung đông Step không phan hôi Bô điêu khiên đươc phat triên dưa sơ cac phương trinh đông hoc cua Robot đê đưa thuât toan Phần mêm Matlab dung đê mô phỏng, LabVIEW đê điêu khiên Robot bôn bâc tư va phần đê chê tao canh tay Robot Tối ưu sản phẩm ứng dụng thuật tốn trí tuệ nhân tạo xử̉ lý́ anh nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu phát triển thời gian tới