Thiết kế mô hình và điều khiển đồng bộ chủ tớ cho hệ hai cánh tay robot bốn bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHỦ TỚ CHO HỆ HAI CÁNH TAY ROBOT BỐN BẬC TỰ DO GVHD: THS NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: NGUYỄN NGỌC QUYÊN ĐỖ TRẦN ĐỨC THUẬN TRÌNH NGỌC TÚ SKL009265 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHỦ TỚ CHO HỆ HAI CÁNH TAY ROBOT BỐN BẬC TỰ DO GVHD: ThS Nguyễn Văn Hiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Quyên 18151111 Đỗ Trần Đức Thuận 18151129 Trình Ngọc Tú 18151146 TP HỒ CHÍ MINH – 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MƠN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHỦ TỚ CHO HỆ HAI CÁNH TAY ROBOT BỐN BẬC TỰ DO GVHD: ThS Nguyễn Văn Hiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Quyên 18151111 Đỗ Trần Đức Thuận 18151129 Trình Ngọc Tú 18151146 TP HỒ CHÍ MINH – 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Hiệp Sinh viên: Nguyễn Ngọc Quyên MSSV: 18151111 SĐT: 0395792581 Đỗ Trần Đức Thuận MSSV: 18151129 SĐT: 0399464891 Trình Ngọc Tú MSSV: 18151146 SĐT: 0344101656 Tên đề tài: Thiết kế mơ hình điều khiển đồng chủ tớ cho hệ hai cánh tay robot bậc tự Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Kích thước dự kiến robot: 200x200x550 mm (Dài, rộng, cao), khối lượng tổng thể robot 7.5kg, robot 15kg Nội dung đồ án: - Thiết kế cánh tay robot bốn bậc tự - Tính tốn động học, quy hoạch quỹ đạo, không gian làm việc robot - Kiểm chứng động học, viết chương trình mơ quỹ đạo chuyển động Robot MATLAB Simulink kết hợp với Simscape Multibody - Áp dụng giải thuật đồng chủ tớ (Master-Slaver) vào mô robot Kiểm chứng thiết kế robot mô Matlab Simulink Mô đánh giá hiệu phương pháp đồng chủ tớ - Thi cơng mơ hình thực tế Robot dựa mơ hình Solidworks thiết kế mơ Thi công tủ điều khiển cho hệ hai robot đồng - Kiểm chứng chạy mơ hình thực tế, áp dụng giải thuật đồng cho hai cánh tay robot, đánh giá hoạt động giải thuật mơ hình thực tế Các sản phẩm dự kiến: - Mô hình thực nghiệm hai robot đồng bốn bậc tự tủ điều khiển robot - Chương trình điều khiển - Quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp, video tổng hợp poster i Ngày giao đồ án: 21/02/2022 Ngày nộp đồ án: 06/08/2022 Ngôn ngữ trì nh bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Trình bày bảo vệ: Tiếng Việt x Tiếng Anh  Tiếng Việt x TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -o0o TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022 PHIẾU NHẬN XÉT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP (Dành cho giáo viên hướng dẫn) Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Nhược điểm: Đề nghị cho bảo vệ: Có, Khơng Đánh giá loại: Điểm: (Bằng chữ: ) TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) iii TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MƠN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC -o0o TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Ngọc Quyên MSSV: 18151111 Họ tên sinh viên 2: Đỗ Trần Đức Thuận MSSV: 18151129 Họ tên sinh viên 3: Trình Ngọc Tú MSSV: 18151146 Tên đề tài: Thiết kế mô hình điều khiển đồng chủ tớ cho hệ hai cánh tay robot bốn bậc tự Tuần/ngày Nội dung 21/02/2022 - Tìm hiểu tổng quan đề tài - Tìm hiểu đồng bộ, robot đồng bộ, phần mềm Solidworks Matlab (2 tuần) 07/03/2022 (3 tuần) 28/03/2022 (1 tuần) 11/04/2022 (2 tuần) 25/04/2022 (2 tuần) 09/05/2022 (3 tuần) 30/05/2022 Xác nhận GVHD - Nghiên cứu thiết kế cánh tay robot bốn bậc tự - Thiết kế cánh tay robot bốn bậc Solidworks - Chỉnh sửa mô hình robot thiết kế - Hồn thiện thiết kế mơ hình robot - Tính tốn động học thuận, nghịch, quy hoạch quỹ đạo, không gian làm việc robot - Chuyển đổi mơ hình tay cầm điều khiển từ Solidworks sang Matlab-Simulink thông qua Simscape Multibody - Kiểm chứng động học thuận, nghịch - Mô hoạt động cánh tay hai cánh tay robot đồng Matlab Simulink - Áp dụng giải thuật đồng chủ tớ vào mô hai cánh tay robot, kiểm chứng đánh giá kết - Thi công mô hình cánh tay robot - Tìm hiểu phương pháp nhúng STM32 vào Matlab - Thi cơng mơ hình cánh tay robot thứ hai - Kiểm tra, điều khiển động cho robot thứ iv (3 tuần) 20/06/2022 (2 tuần) 04/07/2022 (3 tuần) 25/07/2022 (2 tuần) - Thi công tủ điện - Vẽ mạch PCB cho xử lý trung tâm tủ điện - Hồn thiện mơ hình tủ điện, kiểm tra động học thuận nghịch cho hai robot - Áp dụng giải thuật đồng chủ tớ vào mơ hình thực tế - Kiểm chứng chạy mơ hình thực tế, đánh giá hoạt động giải thuật mơ hình thực tế - Viết luận văn phần thực - Hoàn thiện luận văn v LỜI CAM ĐOAN Nhóm tác giả xin cam kết đề tài nhóm tác giả tự thực vào tài liệu tham khảo trước khơng chép từ tài liệu hay từ cơng trình trước Nhóm tác giả thực Nguyễn Ngọc Quyên Đỗ Trần Đức Thuận Trình Ngọc Tú vi LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nhóm tác giả xin phép gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô Khoa Đào tạo Chất lượng cao nói riêng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dành tâm huyết nghề truyền lại kiến thức lời động viên quý giá đến nhóm tác giả Để báo cáo kết tốt đẹp, nhóm tác giả nhận hỗ trợ, giúp đỡ nhiều bạn bè, thầy Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép nhóm bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến tất người tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập thực báo cáo Đặc biệt nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Văn Hiệp quan tâm giúp đỡ mơn học hồn thành báo cáo thời gian qua Ngồi ra, nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trần Đức Thiện đồng hành khoảng thời gian làm đồ án Cảm ơn hai thầy dạy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi giúp nhóm vượt qua nhiều trở ngại suốt q trình thực Sau cùng, nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè thành viên RIC LAB động viên, hỗ trợ nguồn lực sẵn có, cung cấp điều kiện thuận lợi để nhóm hồn thành luận văn Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế sinh viên, báo cáo khơng thể tránh nhiều thiếu sót Nhóm mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy để nhóm tác giả bổ sung, nâng cao kiến thức mình, phục vụ tốt cơng tác thực tế sau Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 Nhóm thực đề tài Nguyễn Ngọc Quyên Đỗ Trần Đức Thuận Trình Ngọc Tú vii CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 6.2 Thiết kế phần điện Hình 24 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đồng hai cánh tay robot DoF Hình 24 cho thấy Master (vi điều khiển STM32F407) đảm nhận vai trị phân tích quỹ đạo gửi góc quay cho hai vi điều khiển Slaver Arduino để quay theo góc gửi Master đọc encoder gửi tín hiệu encoder qua Slaver STM qua mạng CAN Bus Vi điều khiển Slaver (STM32F407) nhận tín hiệu đặt theta1, theta2, theta3 theta4 từ Master chấp hành theo tín hiệu Người quan sát tín hiệu feedback Slave thông qua kênh Serial phần mềm Serial Plot Điều khiển cánh tay robot ta cần thiết kế phần điện gồm vi điều khiển Master có nhiệm vụ nhận quy hoạch quỹ đạo gửi tín hiệu đến hai vi điều khiển thơng qua truyền thơng UART Hai vi điều khiển có chức phân tích tín hiệu mà vi điều khiển master gửi đến Sau gửi xung chiều quay xuống Driver động bước quay động Sơ đồ nguyên lý hoạt động điều khiển cánh tay robot thiết kế Hình 6.25 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 84 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG Hình 25 Sơ đồ điều khiển cánh tay robot bốn bậc tự Ý tưởng nhóm tác giả là điều khiển cánh tay robot (Single Arm) gồm vi điều khiển Master STM32 bốn vi điều khiển Slaver (Adruino) nằm board mạch, giao tiếp với UART, sau bốn Driver điều khiển động bước single arm Và với mơ hình điều khiển hai cánh tay robot bốn bậc ta cần thiết kế hai board mạch Trong hai board điều khiển giao tiếp với qua tín hiệu CAN_H CAN_L mạng CAN Bus 6.2.1 Sơ đồ kết nối mạch động lực sơ đồ khối tủ điện Để kết nối phần cứng tủ điện, coi sơ đồ kết nối hai hình 6.26 6.27 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 85 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG PHẦN CỨNG Hình 26 Sơ đồ mạch động lực Bảng Bảng giải thích kí hiệu sơ đồ nối dây mạch động lực Kí hiệu Tên thiết bị Giải thích MCB1 Circuit breaker 220 VAC Cầu chì 220 VAC MCB 2P Circuit breaker 220 VAC Cầu chì 220 VAC ES2 Emergency stop Nút nhấn dừng khẩn cấp PB1 Push Button Nút Stop PB2 Push Button Nút On K Contactor Khởi động từ G3 Power supply 24 V Nguồn điện cung cấp 24 V ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 86 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG PHẦN CỨNG Hình 27 Sơ đồ khối tủ điện Hình 6.27 sơ đồ khối tủ điện ngồi thực tế Trong đó, khối nguồn bao gồm CB, Contactor, nguồn tổ ong 24V; khối xử lý trung tâm bao gồm hai board mạch chứa vi điều khiển chủ tớ (Master Slaver), xử lý tín hiệu truyền xuống Driver để điều khiển động thông qua Terminal máng dây; khối Driver, nhóm tác giả xây dựng hai tầng Driver chồng lên để tiết kiệm khơng gian tăng tính thẩm mỹ 6.2.2 Lựa chọn thiết bị Vi điều khiển Master: Chọn board điều khiển STM32F407 Discovery (Hình 6.28) có tất mười lăm module, có hai điều khiển CAN tích hợp hỗ trợ chuẩn V2.0B với tốc độ tối đa 1Mbps Có sáu module mạng UART cho phép tốc độ baud rate tối đa 115200 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 87 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG PHẦN CỨNG Hình 28 Vi điều khiển STM32F407 Vi điều khiển Slaver: Chọn board Arduino Pro Mini LGT328P, với nhu cầu sử dụng đơn giản truyền nhận tín hiệu qua UART xuất xung điều khiển động thiết bị hợp lí giá thành kích thước nhỏ tiện lợi (Hình 6.29) Hình 29 Board điều khiển Arduino Pro mini LGT328P Mạch công suất điều khiển động cơ: Chọn Module Driver động bước TB6560 kênh Cho phép chỉnh dòng điện vi bước Switch (Hình 6.30) Hình 30 Driver điều khiển động bước TB6560 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 88 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG Truyền nhận mạng CAN Bus: Nhóm sử dụng module Transceiver TJA1050 (Hình 6.31) Hình 31 Module truyền nhận CAN_H CAN_L Nối dây phần điện Hình 6.32 Hình 32 Sơ đồ nối dây phần điện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 89 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG Sơ đồ nối dây phần điện bao gồm STM32F407, bốn Arduino, bốn Driver TB6560, bốn động bước bốn encoder STM32 có nhiệm vụ xử lý thơng tin tín hiệu từ máy tính, sau truyền xuống cho Arduino tính tốn xuất xung điều khiển động bước Các encoder trả tín hiệu cho STM32 xử lý đọc lại máy tính Hình 33 Board mạch ngun lý cho khối xử lý trung tâm Từ hình 6.33 nhóm tác giả thiết kế mạch nguyên lý cho board mạch khối xử lý trung tâm Từ mạch nguyên lý này, nhóm tác giả thiết kế mạch in cho khối xử lý trung tâm nhằm nâng cao tính xác thẩm mỹ cho tủ điều khiển Hình 34 Bản vẽ PCB thiết kế từ mạch nguyên lý Mỗi cánh tay robot sử dụng board mạch in, nhóm tác giả sử dụng hai board mạch cho hai cánh tay robot đồng Hai board có liên kết thơng qua hai STM32F407 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 90 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG PHẦN CỨNG Hình 35 Bảng mạch in từ mạch PCB Hình 36 Một bảng mạch hồn chỉnh 6.2.3 Thi cơng phần điện Thi cơng phần điện theo sơ đồ nguyên lý sơ đồ nối dây phần điện thiết kế Phần điện điều khiển hai cánh tay robot nhóm tác giả thiết kế hình 6.37 Hình 37 Phần điện điều khiển cho hai cánh tay robot ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 91 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG Equation Section (Next) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 92 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM, KIỂM CHỨNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM CHỨNG 7.1 Thực nghiệm, điều khiển góc đồng thời Encoder có giá trị 400 xung/vịng (360°) Ta thiết lập giá trị encoder 1600 xung/vòng để đọc giá trị xác Ta có: 1600 = 4.44 360 (6.1) (xung/độ) Vì ta có với x , ta thu x  4.44 (xung) a) Theta1=-90° b) Theta2=45° c) Theta3=60° d) Theta4=90° Hình Kiểm chứng góc theta Với theta1=-90 độ, xung theta1 chạy từ -400 Theo phép tính (7.1), ta thấy theta1 quay 400 xung Với theta2, theta3, theta4 tương tự ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 93 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM, KIỂM CHỨNG VÀ ĐÁNH GIÁ 7.2 Kiểm chứng hoạt động robot Khảo sát quỹ đạo đường trịn tâm I ( x, y, z) có tọa độ (165,30,250), bán kính R=25 Để thấy kết ta lấy tín hiệu từ encoder từ máy tính thơng qua STM32F407, sau lấy tín hiệu Encoder từ máy tính ta thu tín hiệu đọc bốn theta hình 7.1 Đây quỹ đạo hình sin a) b) c) d) Hình Kiểm chứng quỹ đạo đường trịn khơng gian a) Theta1 b) Theta2 c) Theta3 d) Theta4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 94 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 8.1 Kết luận Sau nghiên cứu thực đề tài “Thiết kế mơ hình điều khiển đồng chủ tớ cho hệ hai cánh tay robot bốn bậc tự do”, nhóm tác giả đưa kết luận sau: - Nghiên cứu tổng quan robot đồng - Thiết kế mơ hình hai cánh tay robot bốn bậc tự Solidworks - Xây dựng phương trình động học vị trí robot hai bậc tự - Mơ mơ hình hệ hai cánh tay robot bốn bậc tự hoạt động với tính tốn - Thi cơng mơ hình hai cánh tay robot bốn bậc tự - Thi công tủ điều khiển cho hai cánh tay robot - Kiểm tra động học quỹ đạo robot - Cấu hình mạng CAN - Điều khiển bốn động bước đồng cho bốn khớp robot Serial UART - Xây dựng điều khiển đồng hệ hai cánh tay robot thông qua mạng CAN Bus Tuy nhiên, thời gian có hạn nên đồ án chưa giải vấn đề sau: - Mơ hình robot hoạt động nhiều khuyết điểm sai số - Hai robot hoạt động chưa đồng 8.2 Hướng phát triển - Áp dụng động lực học cho cánh tay robot bốn bậc tự - Tăng khả tương tác cánh tay robot với môi trường làm việc - Phát triển đề tài thành mơ hình đồng nhiều robot - Cải tiến phương pháp truyền nhận cho vi điều khiển quay động Thay UART mạng truyền thơng khác, thích hợp mạng CAN Bus ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 95 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Lời kết: Dù cố gắng đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Nhóm tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo để đồ án tốt nghiệp nhóm hồn thiện Nhóm xin chân thành cảm ơn! ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C P a K Park, "Design and Kinematics Analysis of Dual Arm Robot Manipulator for Precision Assembly," The IEEE International Conference on Industrial Informatics, 2008 [2] K P Chanhun Park, Doohyung Kim, "Design of dual arm robot manipulator for precision assembly of mechanical parts," International Conference on Smart Manufacturing Application, 2008 [3] T V N N H T H T P T A P L N H X L · and H D Nguyen, "Adaptive Neural Network-Based Backstepping Sliding Mode Control Approach for Dual-Arm Robots," 2019 [4] P T N T Thịnh, Giáo trình kỹ thuật robot 2014 [5] J J.Craig, "Introduction to Robotics Mechanics and Control " Pearson Education International, California, vol 3, 2005 [6] A A M a M Sunar, "Kinematics Modeling of a 4-DOF Robotic Arm," 2015 International Conference on Control, Automation and Robotics, vol 10.1109/ICCAR.2015.7166008., 2015 [7] N H Phước "Kiến thức giao tiếp https://dientuviet.com/kien-thuc-co-ban-ve-giao-tiep-uart/ (accessed UART." [8] H L a X L Jie Xu, "Synchronization control strategy in multi-layer and multi-axis systems based on the combine cross coupling error," Advances in Mechanical Engineering, vol 9(6) 1–11, 2017 [9] S Microelectronic "Reference manual STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx and STM32F107xx advanced Arm®-based 32-bit MCUs." https://www.st.com/resource/en/reference_manual/cd00171190stm32f101xx-stm32f102xx-stm32f103xx-stm32f105xx-and-stm32f107xxadvanced-arm-based-32-bit-mcus-stmicroelectronics.pdf (accessed 97 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Chương trình tính động học https://drive.google.com/drive/u/0/folders/17n95FWpoyGdds5JYdKgZKurq-48zYol Chương trình động https://drive.google.com/drive/u/0/folders/1i9G0T289rr1wAaEspHRFkvw7k6inS_ On 98