Thiết kế mô hình và bộ điều khiển chuyển động cho hệ robot truyền động cáp 6 bậc tự do dựa trên mạng can

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 BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO HỆ ROBOT TRUYỀN ĐỘNG CÁP BẬC TỰ DO DỰA TRÊN MẠNG CAN GVHD: TS TRẦN ĐỨC THIỆN SVTH: DƯƠNG MINH TRÍ TRẦN TRỌNG LƯỢNG SKL009285 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO HỆ ROBOT TRUYỀN ĐỘNG CÁP BẬC TỰ DO DỰA TRÊN MẠNG CAN SVTH MSSV SVTH MSSV Khóa Ngành : : : : : : DƯƠNG MINH TRÍ 18151135 TRẦN TRỌNG LƯỢNG 18151092 2018 GVHD : TS TRẦN ĐỨC THIỆN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC -*** Tp HCM, tháng 08 năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Dương Minh Trí MSSV: 18151135 Họ tên sinh viên 2: Trần Trọng Lượng MSSV: 18151092 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Lớp: 18151CL3A Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Đức Thiện Ngày nhận đề tài: 22/02/2022 Ngày nộp đề tài: 01/08/2022 Tên đề tài: Thiết kế mơ hình điều khiển chuyển động cho hệ robot truyền động cáp bậc tự dựa mạng CAN Nội dung thực đề tài: • Tìm hiểu tổng quan sở lý thuyết đề tài • Nghiên cứu, thiết kế mơ hình robot, thiết tủ điều khiển, mạch điều khiển • Tính tốn động học thuận (đặt trục, vẽ khơng gian làm việc), tính tốn động học nghịch theo phương pháp đại số, nêu nhận xét • Nghiên cứu giải thuật Cylic Coordinate Descent kết hợp đại số để áp dụng giải động học nghịch cho robot bậc, quy hoạch quỹ đạo • Kiểm chứng mơ giải thuật Cylic Coordinate Descent kết hợp đại số với quỹ đạo vị trí quỹ đạo hướng, đánh giá giải thuật • Nghiên cứu phương pháp điều khiển qua mạng CAN Bus, điều khiển AC Servo, thiết kế giao diện điều khiển • Thiết kế, thi cơng mơ hình robot bậc truyền động cáp, thi cơng tủ điện • Xây dựng chương trình điều khiển chuyển động cho mơ hình • Đánh giá mơ hình, đánh giá mạng CAN mơ hình thực tế Sản phẩm: • Mơ hình thực nghiệm robot truyền động cáp bậc tự • Tủ điện điều khiển • Chương trình điều khiển • Quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực đồ án, nhóm nhận nhiều giúp đỡ, quan tâm, hỗ trợ quý Thầy Cơ, gia đình, bạn bè Với lịng biết ơn chân thành sâu sắc nhất, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến thầy Trần Đức Thiện, thầy gợi ý đề tài, chia sẻ kinh nghiệm trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện cho nhóm thực đồ án Thầy giành nhiều thời gian để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho nhóm từ lúc nhận đề tài đến lúc hồn thành Nhóm gửi lời cảm ơn đến thầy cô giảng viên Khoa đào tạo chất lượng cao, Khoa Điện – Điện tử trường Đại học sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh cung cấp kiến thức bổ ích để nhóm vận dụng vào đồ án Chúc quý Thầy Cô sức khỏe thành công Xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực đề tài i TÓM TẮT Nền khoa học kỹ thuật ngày phát triển mạnh mẽ, dẫn tới thay đổi lớn lao sản xuất Đó thay đổi lực lượng sản xuất nghành nghề việc thay sức lao động người máy móc nhằm đảm bảo tăng suất lao động, sản lượng chất lượng sản phẩm Do việc sử dụng tay máy hay cịn gọi Robot cơng nghiệp vào sản xuất ưa chuộng chúng đáp ứng yêu cầu Mục đích luận văn hướng đến việc nghiên cứu, chế tạo robot bậc tự truyền động cáp, xây dựng vận hành mạng CAN bus Nghiên cứu áp dụng phương pháp giải động học nghịch cho robot đa bậc Việc nghiên cứu robot đa bậc giúp tăng khả linh hoạt cho robot công nghiệp, đáp ứng động tác đòi hỏi khéo léo, xác Mạng CAN bus tăng khả truyền nhận liệu điều khiển vi điều khiển cấu chấp hành Nhóm thực luận văn hy vọng đóng góp phần cơng sức, kến thức vào việc nghiên cứu, tiếp cận robot đa bậc trường đại học Như mục đích nêu trên, nhóm chọn đề tài “Thiết kế mơ hình điều khiển chuyển động cho hệ robot truyền động cáp bậc tự dựa mạng CAN” Trong đồ án, nhóm thực nội dung sau: Tìm hiểu tổng quan robot đa bậc Nghiên cứu thiết kế mơ hình, thiết kế tủ điện, mạch điều khiển Tính tốn động học thuận, động học nghịch Áp dụng giải thuật Cylic Coordinate Descent để giải động học nghịch cho robot đa bậc quy hoạch quỹ đạo Mơ phỏng, kiểm nghiệm thuật tốn phần mềm Matlab Simulink Simscape Multibody Nghiên cứu, xây dựng mạng CAN Bus, điều khiển AC Servo Thi công lắp ráp mơ hình thực nghiệm, thi cơng tủ điện điều khiển Xây dựng chương trình điều khiển chuyển động cho mơ hình Kiểm chứng, đánh giá mơ hình với giải thuật, đánh giá mạng CAN Bus mơ hình thực tế Báo cáo đồ án gồm chương Chương giới thiệu tổng quan đề tài Chương trình bày lí thuyết robot lí thuyết giải thuật Chương trình bày thiết kế mơ hình tủ điện Chương 4, chương trình bày tính tốn động học robot, áp dụng giải thuật Cyclic Coordinate Descent cho động học nghịch Chương trình bày đánh giá mơ giải thuật Chương trình bày phương pháp điều khiển Chương trình bày thi cơng, thực nghiệm mơ hình Chương trình bày kết luận hướng phát triển ii ABSTRACT In the era of science and technology platform is developing very strongly Leading to great changes in production It is the change of production force in all industries by replacing human labor with machines to ensure increased labor productivity, output as well as product quality Therefore, the use of manipulators or industrial robots in production is very popular because they meet the above requirements The main purpose of this thesis is to research, and manufacture a robot with degrees of freedom for cable transmission, and build and operate a CAN bus network Research and apply the inverse kinematics solution method for a redundant manipulator The study of redundant manipulator helps increase the flexibility of industrial robots, meeting movements that require dexterity and accuracy The CAN bus network increases control data transmission between microcontrollers and actuators As mentioned above, the group chose the topic "Designing model and motion controller for a 6-degree-of-freedom cable-drive robot system based on CAN network" In the thesis, the team has done the following: Get an overview of a redundant manipulator Research and design models, design electrical cabinets, and control circuits Calculation of forward and inverse kinematics Apply Cyclic Coordinate Descent algorithm to solve inverse kinematics for redundant manipulator and trajectory planning Simulate and verify the algorithm on Matlab Simulink and Simscape Multibody software Research, build CAN Bus network, control AC Servo Construction and assembly of experimental models, construction of control cabinets Build a motion control program for the model Verify, evaluate the model with the algorithm, and evaluate the CAN Bus network on the actual model This project report consists of chapters Chapter provides an overview of the topic Chapter presents robot theory and algorithm theory Chapter presents the design of models and electrical cabinets Chapter 4, chapter presents the calculation of robot kinematics, applying the Cyclic Coordinate Descent algorithm for inverse kinematics Chapter presents the evaluation and simulation of the algorithm Chapter presents the control methods Chapter presents the construction and experimentation of the model Chapter presents conclusions and development directions iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH HÌNH ẢNH viii DANH SÁCH BẢNG xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài: 1.2.1 Mục đích đề tài: 1.2.2 Mục tiêu đề tài: 1.3 Phương pháp nghiên cứu: 1.4 Giới hạn đề tài: 1.5 Giới thiệu nội dung: CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan robot: 2.2 Động học robot: 2.2.1 Động học thuận: 2.2.2 Động học nghịch: 2.3 Quy hoạch quỹ đạo: 2.4 Lý thuyết giải thuật Cylic Coordinate Descent: 2.4.1 Khái niệm: 2.4.2 Quy trình thuật tốn: 10 2.4.3 Cơng thức tính góc θ vecto quay d : 12 iv 2.5 Lý thuyết điều khiển phân tán: 12 2.5.1 Cấu trúc thành phần hệ thống điều khiển giám sát:12 2.5.2 Điều khiển phân tán: 14 2.6 Mạng CAN bus: 16 2.6.1 Khái niệm CAN: 16 2.6.2 Thông số kỹ thuật CAN 2.0: 16 2.6.3 Cấu trúc tin nhắn CAN định dạng chuẩn: 17 2.6.4 Chuẩn CAN high speed: 20 CHƯƠNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ TỦ ĐIỆN 22 3.1 Thiết kế mơ hình Solidworks: 22 3.1.1 Thiết kế đế: 22 3.1.2 Thiết kế link: 25 3.1.3 Thiết kế joint: 27 3.1.4 Thiết kế end-effector: 29 3.2 Thiết kế hệ thống điện: 30 3.2.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển: 30 3.2.2 Lựa chọn thiết bị công suất: 32 3.2.3 Thiết bị tủ điện: 36 CHƯƠNG TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 38 4.1 Động học thuận: 38 4.1.1 Đặt trục cho robot: 38 4.1.2 Không gian làm việc robot (Workspace): 40 4.2 Động học nghịch: 41 4.3 Kết luận: 43 CHƯƠNG GIẢI THUẬT CYLIC COORDINATE DESCENT KẾT HỢP ĐẠI SỐ 44 5.1 Giới thiệu: 44 v 5.2 Giải thuật CCD cho hệ mặt phẳng XOZ: 45 5.3 Giải thuật CCD cho hệ mặt phẳng XOY: 47 5.4 Giải thuật CCD cho hệ T05: 49 5.5 Giải thuật CCD cho hệ T57: 49 5.6 Giải thuật CCD-ĐS cho robot cáp bậc tự do: 50 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 51 6.1 Mô tả cấu trúc mơ thuật tốn CCD-ĐS: 51 6.2 Quỹ đạo tròn: 52 6.3 Quỹ đạo tam giác: 55 6.4 Quỹ đạo hướng: 57 6.5 Đánh giá giải thuật Cylic Coordinate Descent kết hợp đại số: 60 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 62 7.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển: 62 7.2 Thiết lập đường truyền mạng CAN: 62 7.3 Điều khiển AC Servo: 65 7.4 Lưu đồ giải thuật trạm điều khiển: 68 7.4.1 Lưu đồ Master: 68 7.4.2 Lưu đồ Slave: 70 7.4.3 Tạo giao diện: 71 CHƯƠNG THI CÔNG, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 74 8.1 Hệ thống thực nghiệm: 74 8.2 Đánh giá mạng CAN: 79 8.3 Kiểm chứng chuyển động mơ hình thực: 81 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 84 9.1 Kết đạt được: 84 9.2 Kết luận 84 9.3 Hướng phát triển 84 vi TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC 86 9.4 Bản vẽ thiết kế 86 vii PHỤ LỤC PHỤ LỤC 9.4 Bản vẽ thiết kế BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 86 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 87 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 88 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 89 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 90 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 91 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 92 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 93 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 94 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 95 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 96 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 97 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 98 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 99 S K L 0