Đặng Hữu Chương Mã SV: 2018606664 Lớp: CĐT 4 Khóa:13Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế mô hình tay máy điều khiển bằng cửchỉ sử dụng luật điều khiển thông minh.Mục tiêu đề tài:- Nghiên cứu
lOMoARcPSD|39269578 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Cơ Khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH TAY MÁY ĐIỀU KHIỂN BẰNG CỬ CHỈ SỬ DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Thanh Lâm Sinh viên thực hiện : Đặng Hữu Chương 2018606664 Nguyễn Hải Long 2018606312 Hà Nội – 2022 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 2 MỤC LỤC Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Lịch sử nghiên cứu 1.2 Các vấn đề đặt ra .12 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12 1.4 Phương pháp nghiên cứu 12 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài .13 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .14 2.1 Kết cấu hệ thống cơ khí 14 2.2 Giải pháp điều khiển .19 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 31 3.1 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí 31 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 40 3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ .54 3.4 Xây dựng khung chương trình, kết nối hệ thống .61 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .66 4.1 Kết quả đạt được .66 4.2 Đánh giá 70 4.3 Hạn chế và hướng phát triển 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 74 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 3 Danh mục hình ảnh Hình 1.1 Tay máy đầu tiên Hình 1.2 Xe robot Lunokohod 1 .10 Hình 1.3 Robot Shakey .10 Hình 2.1 Kết cấu tay máy robot tọa độ cầu RRR 17 Hình 2.2 Phân tích cơ cấu các khâu 19 Hình 2.3 Miền tin cậy của tập mờ .20 Hình 2.4 Nguyên lý điều khiển mờ 22 Hình 2.5 Cấu trúc bộ điều khiển mờ 23 Hình 2.6 Hàm thuộc biến đầu vào sai lệch tốc độ (speed_err) 24 Hình 2.7 Hàm thuộc biến đầu vào sự thay đổi sai lệch tốc độ 24 Hình 2.8 Hàm thuộc biến đầu ra pwm_var .25 Hình 2.9 Xác định giá trị rõ từ miền này 26 Hình 2.10 Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận phải 27 Hình 2.11 Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận trái .27 Hình 2.12 Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm .28 Hình 2.13 Mô hình thực hiện giải mờ .28 Hình 3.1 Phần đế tay máy 31 Hình 3.2 Phần cánh tay .31 Hình 3.3 Tay gắp .32 Hình 3.4 Vòng bi 6009-2rs1 32 Hình 3.5 Thiết kế bánh răng truyền động khâu đế 34 Hình 3.6 Thiết kế bánh răng truyền động tay máy 34 Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ thống 40 Hình 3.8 Trạng thái các ngón tay 41 Hình 3.9 Động cơ step 1.8° 43D2033 .43 Hình 3.10 Servo RC MG90S .43 Hình 3.11 Arduino Uno R3 board .44 Hình 3.12 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 45 Hình 3.13 Sơ đồ chân Arduino Nano 47 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 4 Hình 3.14 Chân cảm biến flex sensor .49 Hình 3.15 Sơ đồ đấu nối flex sensor và arduino .50 Hình 3.16 Sơ đồ chân HC-05 51 Hình 3.17 Sơ đồ đấu nối Module bluetooth HC-05 52 Hình 3.18 Nguồn tổ ong 52 Hình 3.19 Pin 9V Panasonic .53 Hình 3.20 Sơ đồ mạch ổn áp .53 Hình 3.21 Module LM2596 54 Hình 3.22 Sơ đồ các biến vào ra .55 Hình 3.23 (a) Hàm thuộc ngón cái;(b) Hàm thuộc ngón trỏ; (c) Hàm thuộc ngón giữa 56 Hình 3.24 Hàm thuộc ngõ ra của động cơ step 57 Hình 3.25 Mô hình bộ điều khiển mờ hệ tay máy trong Simulink 60 Hình 3.26 Sơ đồ khối hệ thống tay máy điều khiển bằng cử chỉ 61 Hình 3.27 Lưu đồ thuật toán .62 Hình 3.28 Kết nối CNC shield V3 với Arduino Uno R3 63 Hình 3.29 Sơ đồ kết nối mạch điện trong tay máy robot 63 Hình 3.30 Sơ đồ kết nối mạch điện trong găng tay điện tử .64 Hình 4.1 Tay máy sau khi hoàn thiện 67 Hình 4.2 Đáp ứng quay phải .68 Hình 4.3 Đáp ứng quay trái .69 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 5 Danh mục bảng biểu Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg 14 Bảng 2.2 Bảng thông số DH .16 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuât .46 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Arduino Nano .48 Bảng 3.3 Khoảng giá trị ngôn ngữ đầu vào 57 Bảng 3.4 Bảng luật điều khiển khâu 1 .58 Bảng 3.5 Bảng luật điều khiển khâu 2 58 Bảng 3.6 Bảng luật điều khiển khâu 3 58 Bảng 3.7 Bảng luật điều khiển tay gắp .59 Bảng 3.8 Bảng luật tổng hợp 59 Bảng 3.9 Bảng giá trị đầu ra theo luật mờ Sugeno 60 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 6 BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀNỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Họ tên sinh viên: 1 Nguyễn Hải Long Mã SV: 2018606312 Lớp: CĐT 4 Khóa:13 2 Đặng Hữu Chương Mã SV: 2018606664 Lớp: CĐT 4 Khóa:13 Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế mô hình tay máy điều khiển bằng cử chỉ sử dụng luật điều khiển thông minh Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu kết cấu động học cho mô hình tay máy robot - Nghiên cứu hệ thống cảm biến đo lường, xử lí tín hiệu và truyền thông cho tay máy điều khiển bằng cử chỉ - Xây dựng luật điều khiển thông minh cho hệ thống - Thiết kế, xây dựng và lập trình điều khiển tay máy robot bằng cử chỉ Kết quả dự kiến - Xây dựng mô hình tay máy điều khiển bằng cử chỉ - Xây dựng bản vẽ hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển - Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển thông minh đáp ứng mục tiêu đề tài Thời gian thực hiện: từ 21/3/2022 đến 22/5/2022 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TRƯỞNG KHOA (Ký và ghi rõ họ tên) TS Bùi Thanh Lâm PGS.TS Hoàng Tiến Dũng Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 7 NỘI DUNG THỰC HIỆN SV thực hiện 1 Bố cục thuyết minh đề tài: Đặng Hữu Chương Nội dung nghiên cứu Đặng Hữu Chương Chương 1: Giới thiệu chung Đặng Hữu Chương 1.1 Các vấn đề đặt ra Nguyễn Hải Long 1.2 Tổng quan đề tài Nguyễn Hải Long 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Nguyễn Hải Long 1.4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đặng Hữu Chương 1.6 Phương pháp nghiên cứu Đặng Hữu Chương Chương 2: Cơ sở lý thuyết Nguyễn Hải Long 2.1 Kết cấu hệ thống cơ khí tay máy điều khiển 2.2 Hệ thống cảm biến đo lường xử lý tín hiệu Đặng Hữu Chương 2.3 Xây dựng thuật toán và mô phỏng hệ thống Nguyễn Hải Long Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống 3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí robot Đặng Hữu Chương 3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điện điều khiển và truyền thông Đặng Hữu Chương 3.4 Xây dựng chương trình và kết nối kiểm nghiệm mô Nguyễn Hải Long hình Chương 4: Kết luận và định hướng phát triển 4.1 Kết quả đạt được 4.2 Định hướng phát triển 2 Bản vẽ: TT Tên bản vẽ Khổ giấy Số SV thực hiện lượng 1 Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí A3 Đặng Hữu Chương 1 Nguyễn Hải Long 2 Bản vẽ hệ thống điều khiển A3 Đặng Hữu Chương 1 3 Lưu đồ thuật toán điều khiển A3 1 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 8 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đồ án nhóm em đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài dặt ra nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong các quý Thầy/Cô thông cảm và chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để chúng em có thể hoàn thiện hơn nữa Hiện nay, đất nước ta đang trong giai đoạn phát triển, thực hiện công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa nên việc nghiên cứu và phát triển những đề tài về khoa học công nghệ đặc biệt về tay máy robot là yếu tố rất quan trọng, các đề tài nghiên cứu này sẽ là bước đệm để ngành công nghiệp của đất nước phát triển mạnh mẽ hơn nữa Là sinh viên nghành Cơ điện tử khoa Cơ khí của trường Đại học Công nhiệp Hà Nội, sau bốn năm học tập và rèn luyện dưới sự hướng dẫn và giảng dạy tận tình của các thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử, em đã học hỏi được nhiều điều bổ ích Theo nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp của bộ môn, đề tài tốt nghiệp của chúng em là: Nghiên cứu, thiết kế mô hình tay máy điều khiển bằng cử chỉ sử dụng luật điều khiển thông minh Trong nghiên cứu này tay máy được điều khiển dựa trên logic mờ để gắp các vật thể trong không gian làm việc, tín hiệu điều khiển được truyền không dây giúp robot vận hành ở khoảng cách xa Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy,cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là T.S Bùi Thanh Lâm đã trực tiếp hướng dẫn, giảng dạy, giúp đỡ chúng em trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp này Hà Nội, ngày , tháng , năm 2022 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hải Long Đặng Hữu Chương Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Lịch sử nghiên cứu Với sự phát triển của khoa học ngày nay, sự tương tác giữa robot và con người đã trở thành một lĩnh vực được chú ý Hiện tại có rất nhiều kỹ thuật nhận dạng được nghiên cứu như: nhận dạng dấu vân tay, nhận dạng khuôn mặt người, nhận dạng ký tự/chữ/số Và nhận dạng cử chỉ bàn tay cũng được nghiên cứu và đưavào sử dụng rộng rãi Cử chỉ bàn tay được đưa vào sử dụng hiệu quả nhằm đưa ra lệnh cho robot thực thi Thuật ngữ Robot xuất phát từ tiếng Czech “Robota” trong vở kịch “Rossum’s Universal Robot” tại New York vào ngày 09/11/1922 do nhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen Papek viết năm 1921, trong tiếng Tiệp “Robota” nghĩa là công việc lao dịch Nhưng Robot thực sự có ích được nghiên cứu để ứng dụng vào trong công nghiệp lại là những tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứu người Đức Goertz đã nghiên cứu chế tạo thành công loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ Servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối Sử dụng thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển Đầu thập kỷ 60, công ty AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “Người máy công nghiệp” Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (Robot công nghiệp) cho những thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 10 Hình 1.1 Tay máy đầu tiên Năm 1968 R.S Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có 4 chân sử dụng động cơ đốt trong, cũng trong lĩnh vực này một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ Trái Đất Hình 1.2 Xe robot Lunokohod 1 Viện nghiên cứu thuộc đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế về Robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng Robot này được lập trình để nhận dạng đối tượng bằng Camera, xác định đường đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com)