Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu, thiết kế mô hình tay máy điều khiển bằng cử chỉ sử dụng luật điều khiển thông minh

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

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 ĐIỀUKHIỂN BẰNG CỬ CHỈ SỬ DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN

THÔNG MINH

Sinh viên thực hiện : Đặng Hữu Chương 2018606664 Nguyễn Hải Long 2018606312

Hà Nội – 2022

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

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

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

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

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀNỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

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

(Ký và ghi rõ họ tên)

TS Bùi Thanh Lâm

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS Hoàng Tiến Dũng

NỘI DUNG THỰC HIỆN

1 Bố cục thuyết minh đề tài:

Chương 1: Giới thiệu chung

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Đặng Hữu Chương

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nguyễn Hải Long

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Kết cấu hệ thống cơ khí tay máy điều khiển Đặng Hữu Chương2.2 Hệ thống cảm biến đo lường xử lý tín hiệu Đặng Hữu Chương2.3 Xây dựng thuật toán và mô phỏng hệ thống Nguyễn Hải LongChương 3: Tính toán thiết kế hệ thống

3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí robot Đặng Hữu Chương3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điện điều khiển và

3.4 Xây dựng chương trình và kết nối kiểm nghiệm mô

Chương 4: Kết luận và định hướng phát triển

2 Bản vẽ:

1 Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí A3 1 Đặng Hữu Chương

2 Bản vẽ hệ thống điều khiển A3 1 Nguyễn Hải Long

3 Lưu đồ thuật toán điều khiển A3 1 Đặng Hữu Chương

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, mongcác quý Thầy/Cô thông cảm và chúng em rất mong nhận được những ý kiếnđóng góp để chúng em có thể hoàn thiện hơn nữa

Hiện nay, đất nước ta đang trong giai đoạn phát triển, thực hiện côngcuộc 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 quantrọng, các đề tài nghiên cứu này sẽ là bước đệm để ngành công nghiệp của đấtnước phát triển mạnh mẽ hơn nữa

Là sinh viên nghành Cơ điện tử khoa Cơ khí của trường Đại học Côngnhiệp Hà Nội, sau bốn năm học tập và rèn luyện dưới sự hướng dẫn và giảngdạy tận tình của các thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử, em đã học hỏi đượcnhiều điều bổ ích Theo nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp của bộ môn, đề tài tốtnghiệp của chúng em là: Nghiên cứu, thiết kế mô hình tay máy điều khiểnbằng cử chỉ sử dụng luật điều khiển thông minh Trong nghiên cứu này taymáy được điều khiển dựa trên logic mờ để gắp các vật thể trong không gianlàm việc, tín hiệu điều khiển được truyền không dây giúp robot vận hành ởkhoảng 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 , năm2022

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hải LongĐặng Hữu Chương

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 conngười đã trở thành một lĩnh vực được chú ý Hiện tại có rất nhiều kỹ thuậtnhận dạng được nghiên cứu như: nhận dạng dấu vân tay, nhận dạng khuônmặt người, nhận dạng ký tự/chữ/số Và nhận dạng cử chỉ bàn tay cũng đượcnghiên cứu và đưavào sử dụng rộng rãi Cử chỉ bàn tay được đưa vào sử dụnghiệu 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 soạnkịch 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 trongcông nghiệp lại là những tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứu người ĐứcGoertz đã nghiên cứu chế tạo thành công loại tay máy đôi điều khiển từ xađầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy tương tự sửdụng 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 cơServo 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 côngviệc khảo sát đáy biển Đầu thập kỷ 60, công ty AMF (American Machineand 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 năngnhư tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất

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 mộtthành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tựhành 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 vềRobot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điềukhiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng Robot nàyđược lập trình để nhận dạng đối tượng bằng Camera, xác định đường đi đếnđối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng

Hình 1.3 Robot Shakey

Năm 1952 máy điều khiển số đầu tiên ra đời tại Đại học Công nghệMassachusetts (Mỹ) Trên cơ sở đó năm 1954, Georde Devol đã thiết kếRobot lập trình trên cơ sở chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ôngphát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình JonephEngelberger người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của Robot côngnghiệp đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị củaDevol và sau đó phát triển những thế hệ Robot điều khiển theo chương trình.Năm 1962, Robot Unimation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng GeneralMotors

Năm 1974 công ty Mỹ Cincinati đưa ra loại Robot T3 (The TomorrowTool: Công cụ của tương lai), vào năm 1976 cánh tay Robot đầu tiên trongkhông gian được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan hàng không

vũ trụ Mỹ NASA để lấy mẫu đất trên Sao Hoả

Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot

là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người được điều khiểnbằng một hệ thần kinh khả trình Positron, do chính con người lập trình.Asimov cũng đặt tên cho ngành nghiên cứu về robot là robotics, trong đó có 3nguyên tắc cơ bản:

- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho conngười

- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra Cácquy tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất

- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạmhai nguyên tắc trước

Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, từ

sự hư cấu của khoa học viễn tưởng robot dần dần được giới kĩ thuật hình dungnhư những chiếc máy đặc biệt được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạtđộng của chính mình, dùng để thay thế con người trong một số công việc nhấtđịnh Để hoàn thành nhiệm vụ đó robot cần có khả năng cảm nhận các thông

số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm:

cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc Việc thiết

kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động,chấp hành và vật liệu cơ khí Chức năng cảm nhận gồm thu nhận tín hiệu vềtrạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống do các cảm biến vàcác thiết bị liên quan thực hiện, được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tínhiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến

Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot cóthể tự điều chỉnh hành vi của mình và hoạt động đúng theo chức năng quyđịnh trong điều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điềukhiển Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điềukhiển và công nghệ thông tin

- Điều khiển cánh tay Robot chuyển động mô phỏng theo cánh tay người.Cánh tay robot có khả năng chuyển động theo các chuyển động của tayngười thông qua thiết bị điều khiển được gắn trên tay người

- Giải quyết bài toán động học và động lực học làm cơ sở để điều khiểnrobot

- Sử dụng phần mềm matlab để tính toán, mô phỏng robot

- Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot: mạch điều khiển, mạch công suất

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đây là một đề tài rộng và có nhiều ứng dụng trong thực tế, trên thịtrường có rất nhiều sản phẩm hoàn thiện về cả chất lượng và thẩm mỹ Tuynhiên với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài, đồ ánnhóm em có những tính năng sau:

+ Robot 3 bậc tự do (RRR)

+ Robot có không gian làm: (x,y,z) = (,,)

- Phần chuyển động của cánh tay chọn động cơ step motor vì động cơ hoạtđộng với hiệu suất ổn định, chịu được tải lớn và độ chính xác cao Cùngvới đó, phần tay gắp sử dụng động cơ servo RC, nhỏ, nhẹ, làm việc với đ

- Phần điều khiển:

+ Bộ điều khiển trung tâm sử dụng board Arduino

+ Sử dụng cảm biến độ cong để điều khiển các động cơ ở ngón tay.+ Cổ tay sử dụng cảm biến góc nghiêng để điều khiển động cơ xoaytheo góc độ mà ta cần điều chỉnh

+ Luật điều khiển mờ

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Trong một hệ thống cơ điện tử, phương pháp thiết kế có ý nghĩa rất quantrọng, mang tính tổng quát, tiên phong Để hoàn thành đề tài, nhiều kiến thứcchuyên ngành cơ điện tử và kiến thức liên ngành đã được áp dụng trong các

hệ thống cơ khí, điện tử, công nghệ thông tin, điều khiển hệ thống

- Để đảm bảo robot có khả năng đưa tay gắp dược tới mọi vị trí trong khônggian làm việc thì robot cần từ ba bậc tự do trở lên

- Để tiếp cận bề mặt chi tiết theo hướng cụ thể thì cần thêm ít nhất hai bậc

tự do, nếu chi tiết tay gắp có thể chuyển động theo các phương chuyểnđộng quay thì robot chỉ cần bốn bậc tự do

- Dựa trên những tài liệu có sẵn về cử chỉ thực tế của con người nhóm đã đề

ra một phương án phù hợp Mô hình cánh tay robot có cấu tạo và cáchthức hoạt động tương tự như tay người

- Cánh tay robot này nó đáp ứng được rất nhiều cho các môi trường, cũngnhư nhiều công việc khác nhau nhờ có sự linh hoạt của các ngón tay

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Robot sử dụng trong công nghiệp đòi hỏi tính linh hoạt, hoạt độngnhanh, tinh vi và chuẩn xác, có khả năng thay thế con người hoạt động trongmôi trường nguy hiểm, độc hại Cánh tay robot điều khiển bằng cử chỉ là một

robot linh hoạt, chính xác, có tính ứng dụng trong các dây chuyền côngnghiệp, có thể được phát triển để ứng dụng vào việc lắp ráp các sản phẩmtrong các dây chuyền sản xuất hiện đại.

Ở Việt Nam nói chung công nghệ chế tạo tay máy còn chậm phát triển,chúng ta vẩn chưa có nhà máy nào có khả năng chế tạo các bộ phận cấu thànhcủa tay máy đạt tiêu chuẩn quốc tế Tận dụng những vật liệu có sẳn để giacông các chi tiết cơ khí cũng như linh kiện , thiết bị điện có sẳn do nước ngoàisản suất để thiết kế thành những sản phẩm cụ thể trước hết là ứng dụng làmphương tiện giảng dạy trong trường học và từ đó phát triển cao hơn để ứngdụng vào trong sản suất đã và đang là hướng đi đúng đắng của các kỹ sư ởViệt Nam Đề tài : “THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁNH TAY ROBOT ĐIỀUKHIỂN BẰNG CỬ CHỈ” không nằm ngoài nhận định trên Điều quan trọnghơn hết là các vấn đề liên quan đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tay máy

và phần lý thuyết về các hoạt động xảy ra bên trong vi xử lí sẽ được giới thiệutrong đề tài này Nó sẽ là nguồn thông tin hửu ích cho những ai muốn tìmhiểu về lĩnh vực này

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Kết cấu hệ thống cơ khí

2.1.1 Tổng quan về tay máy 3 bậc tự do

Với hàng loạt những tiện ích mang lại,các cánh tay robot 3 bậc hiện đangchiếm được cảm tình của các đơn vị sản xuất.Cũng chính vì lý do ấy,nhu cầutìm hiểu về lịch sử và công dụng của những thiết bị này càng tăng cao

Lợi ích của cánh tay robot 3 bậc

- Nâng cao hiệu quả hoạt động

Nhờ được lập trình sẵn với các chức năng tương tự như cánh tayngười,các thiết bị này được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau vớimức năng suất cực kỳ hiệu quả,từ:hàn,sơn,lắp ráp các bảng mạch in,dánnhãn,hỗ trợ xử lý vật liệu,kiểm tra sản phẩm và thử nghiệm

- Tiết kiệm không gian và chi phí

Không cần phải sử dụng đến nhiều nguồn lực hay các máy móc tolớn,chỉ cần một cánh tay robot 3 bậc“dư sức”hoàn thành những công việc nàymột cách nhanh chóng Đây là giải pháp hiệu quả vừa tiết kiệm được khônggian làm việc,lắp đặt máy móc,vừa tiết kiệm hàng loạt các khoản chi phínhư:chi phí thuê nhân công,chi phí bảo trì,bảo dưỡng máy móc,chi phí thuêmặt bằng

- Hạn chế sai sót

Với sự lập trình,tính toán cẩn thận trong từng chi tiết,những cánh tayrobof chắc chắn sẽ đảm bảo mọi thao tác được tiến hành một cách chuẩnxác.Điều đó có nghĩa,chúng sẽ chẳng bao giờ để xảy ra các lỗi sai,các vấn đềtrục trặc trong quá trình sản xuất

- Kinh tế an toàn

Với các tính năng an toàn như các bộ cảm biến phát hiện lực tác độnghoặc chướng ngại trong khu vực robot hoạt động,những cánh tay robot chắcchắn sẽ giúp bạn tạo nên một môi trường làm việc an toàn và hiệu quả,tuyệtđối không gây hại cho con người

2.1.2 Bài toán động học thuận

Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H :

Trục zi trùng hướng với hướng của trục zi+1

Trục xi cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục zi-1 và trục

zi

Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x

đã xác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z,

x theo quy tắc bàn tay phải

Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần giốngnhất với hệ tọa độ gần nó Hệ tọa độ gốc chọn trục x bất kì:

Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg

Bản chất của quy tắc D – H là việc rời hệ tọa độ theo quy tắc nhất định

để 2 hệ trục tọa độ trùng khớp nhau Thứ tự rời như sau:

Tịnh tiến một đoạn di theo trục zi-1 để xi-1 nằm trên mặt phẳng pháp tuyếncủa zi-1 chứa xi

Tịnh tiến một đoạn ai theo trục xi-1 để xi-1 trùng với xi.

Quay một góc αi quanh trục xi-1(≡xi) để zi-1≡zi

0i=[cos θ −sin θ cos α

sin θ cos θ cos α

sin θ sin α acos θ

−cos θ sin α asin θ

Bước 3 : Từ bảng thông số dộng học D – H thay vào công thức chung ta

sẽ tính được các ma trận biến đổi thuần nhất tương ứng

Bước 4 : Nhân các ma trận biến đổi thuần nhất này với nhau theo đúngthứ tự ta sẽ được phương trình động học Robot công nghiệp.

D i i−1=[cos θ i −sin θ i cos ∝ i sin θ i sin ∝ i a i .cos θ i

sin θ i cos θ i cos ∝ i −cos θ i sin ∝ i a i .sin θ i

R03O 0=[ cos θ 1¿cos ⁡ (θ 2¿+θ 3¿) −cos θ 1¿sin (θ 2¿+θ 3¿) sin θ 1¿

sin θ1*cos( θ 2* + θ3* ) −sin θ 1¿sin (θ 2¿+θ 3¿) −cos θ 1¿

x p=cos θ 1¿[l 3 cos(θ 2¿+θ 3¿)+l2 cos θ 2¿] (2.14)

y p=s¿θ 1¿[l3 cos(θ 2¿+θ 3¿)+l 2 cos θ 2¿] (2.15)

2.1.3 Bài toán động học ngược

Khái niệm: Động học ngược tay máy là việc giải phương trình động họcrobot công nghiệp để tìm ra các giá trị của biến khớp khi cần di chuyển khâucông tác tới vị trí xác định và hướng xác định

Mục đích của việc giải phương trình động học robot công nghiệp: đểđiều khiển tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướngxác định thì chúng ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnhtiến một lượng là bao nhiêu

Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot

Các phương pháp giải bài toán động học ngược :

Bằng cách vẽ hình và mô tả góc quay, ta xác định được các thông số yêucầu của bài toán

Hình 2.5 Phân tích cơ cấu các khâu

Ta tính được θ 2¿:

 θ 2¿= tan-1(y p

x p) – tan-1(l3cosθ 3¿+ l2) (2.24)

2.2 Giải pháp điều khiển

2.2.1 Khái niệm về tập mờ

Tập mờ dựa trên những cơ sở từ tập kinh điển nên ta nhắc lại tập kinhđiển trước Tập kinh điển là tập chỉ có hai giá trị: đúng (1) hoặc sai (0) Hàmliên thuộc của tập thể hiện mức độ phụ thuộc của tập kinh điển: Nếu x ∊ A thì

có độ phụ thuộc là 1, còn x ∉ A thì có độ phụ thuộc 0 Hàm liên thuộc của tậphợp A ký hiệu là A (x)

μ A (x )={0 ,∧x ∈ A

Trong logic mờ, hàm liên thuộc của tập mờ không chỉ nhận 2 giá trị là 0

và 1 mà là toàn bộ các giá trị từ 0 đến 1 tức là 0  B (x)  1 Như vậy, ởlogic mờ không có sự suy luận thuận ngược như ở tập hợp kinh điển Vì vậytrong định nghĩa tập mờ phải trình bày thêm về hàm liên thuộc, do vai trò củacủa hàm liên thuộc là làm rõ ra chính tập mờ đó

Định nghĩa tập mờ : Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập

mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x, µf(x)), trong đó x ∈ M và µf làánh xạ µf : M → [0, 1], ánh xạ µf được gọi là hàm liên thuộc (phụ thuộc) củatập mờ F Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ F

Về nguyên tắc, hệ thống điều khiển mờ cũng không có gì khác với các

hệ thống điều khiển tự động thông thường khác Sự khác biệt ở đây là bộ điềukhiển mờ làm việc cơ tư duy như “bộ não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo Nếu

khẳng định làm việc với bộ điều khiển mờ có thể giải quyết được mọi vấn đềtrừ trước đến nay chưa giải quyết được theo phương pháp kinh điển thì khônghoàn toàn chính xác, vì hoạt động của bộ điều khiển phụ thuộc vào kinhnghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người, sau đóđược cài đặt vào máy tính trên cơ sở logic mờ Hệ thống điều khiển mờ do đócũng có thể coi như là một hệ thống neuron (hệ thần kinh, hay đúng hơn làmột hệ thống điều khiển được thiết kế mà không cần biết trước mô hình củađối tượng.

Hình 2.7 Nguyên lý điều khiển mờ

Trong cấu trúc nguyên lý hình 2.2 gồm có các khâu:

Khâu giao diện đầu vào: bao gồm khân mờ hoá, các khâu phụ trợ để thựchiện các bài toán động như khâu tích phân, khâu vi phân…

Thiết bị hợp thành: triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sởcác luật điều khiển

Giao diện đầu ra gồm: khâu giải mờ, các khâu giao diện trực tiếp với đốitượng

Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào nhữngphương pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và sựlựa chọn những luật điều khiển Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lýcác giá trị vào/ra biểu diễn dưới dạng dấu phảy động với độ chính xác cao nênchúng hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu của một bài toán điều khiển "rõràng" và "chính xác"

Một bộ điều khiển mờ gồm có 3 khâu cơ bản [2] hình 2.3

Hình 2.8 Cấu trúc bộ điều khiển mờ a) Khâu mờ hóa

Các tín hiệu phản hồi từ đối tượng về được đo bằng cảm biến là “các tínhiệu rõ” do vậy để bộ điều khiển mờ hiểu được chúng ta phải mờ hoá cácthông số này Nghĩa là dùng hàm phụ thuộc của các giá trị ngôn ngữ để tínhmức độ phụ thuộc cho từng tập mờ đối với từng giá trị đầu vào Mờ hóa làbước đầu tiên được thực hiện trong điều khiển mờ, kết quả của khâu mờ hóađược dùng làm đầu vào của các luật mờ

Biến ngôn ngữ: là cách thể hiện bằng ngôn ngữ của các biến điều khiển.Biến ngôn ngữ có các miền giá trị vật lý và giá trị ngôn ngữ

Ví dụ: Ta xét biến ngôn ngữ vận tốc có miền giá trị vật lý từ 0km/h đến100km/h và các giá trị ngôn ngữ: Rất chậm, chậm, trung bình , rất nhanh,nhanh, rất nhanh

Trong đồ án, xây dựng bộ điều khiển mờ MISO, cụ thể gồm có 2 biếnđầu vào là sai lệch tốc độ (speed_err), sự biến đổi của sai lệch tốc độ(speed_err_var) và một biến đầu ra là sự thay đổi độ rộng xung (pwm_var).Xét biến đầu vào 1: sai lệch tốc độ (speed_err) có miền miền giá trị vật

lý 0 đến 1200 vòng/phút, gồm có 5 giá trị ngôn ngữ tương ứng với 5 hàmthuộc : nbs(neg_big_speed), zs(zero_speed), nss(neg_small_speed), pbs(pos_big_speed) và pss (pos_small_speed) Độ phụ thuộc của các hàm thuộcbằng 1, tuy nhiên nếu sử dụng độ phụ thuộc bằng 1 và miền giá trị vật lý 0đến 1200 không thuận lợi cho việc lập trình bộ điều khiển nên tác giả xâydựng hàm thuộc tương ứng với các giá trị:

Hình 2.9 Hàm thuộc biến đầu vào sai lệch tốc độ (speed_err)

Xét biến đầu vào 2: sự thay đổi sai lệch tốc độ (speed_err_var) có miềnmiền giá trị vật lý 0 đến 1200 vòng/phút, gồm có 3 giá trị ngôn ngữ tương ứngvới 3 hàm thuộc : nv(nul_var), nsv(neg_slow_var) và psv(pos_slow_var).Tương tự như biến đầu vào 1, các hàm thuộc của biến đầu vào 2 được xâydựng như hình 2.5:

Hình 2.10 Hàm thuộc biến đầu vào sự thay đổi sai lệch tốc độ

Xét biến đầu ra : sự thay đổi độ rộng xung (pwm_var) có miền miền giátrị vật lý đến 12V (tương ứng với giá trị điện áp của card PCI 1710), gồm có

5 giá trị ngôn ngữ tương ứng với hàm thuộc: nmp(neg_medium_pwm),nbp(neg_big_pwm), zp(zero_pwm), pbm(pos_big_pwm) vàpmp(pos_medium_pwm) Các hàm thuộc của biến đầu ra được xây dựng nhưsau:

Hình 2.11 Hàm thuộc biến đầu ra pwm_var b) Thiết bị hợp thành

Cốt lõi của bộ điều khiển mờ chính là luật hợp thành mờ, gọi tắt là luậtmờ

Mệnh đề hợp thành [2]: Cho hai biến ngôn ngữ  và  Nếu biến 

nhận giá trị mờ A có hàm liên thuộc A(x) và  nhận giá trị mờ B có hàm liênthuộc B(y) thì hai biểu thức:  = A,  = B được gọi là hai mệnh đề Ký hiệuhai mệnh đề là p là (= A) và q là ( = B) “NẾU  = A THÌ  = B”, trong đómệnh đề p được gọi là mệnh đề điều kiện và q là mệnh đề kết luận Biểu thức

từ p suy ra q (p  q) gọi là mệnh đề hợp thành tương ứng với luật điều khiển.Với 5 hàm thuộc của biến vào 1, 3 hàm thuộc của biến vào 2 và 5 hàm thuộccủa biến ra, tác giả xây dựng được 15 mệnh đề hợp thành như sau:

10.IF ((nbs) and (nv)) THEN (pbp)

11.IF ((pbs) and (nv)) THEN (nbp)

12.IF ((nbs) and (psv)) THEN (pmp)

13.IF ((pbs) and (psv)) THEN (nbp)

14.IF ((nbs) and (nsv)) THEN (pbp)

15.IF ((pbs) and (nsv)) THEN (nmp)

Khi có nhiều điều kiện hợp thành thì phải lựa chọn luật kết hợp các điềukiện đầu vào, thông thường có 2 cách kết hợp: SUM và MAX.

Để tìm ra giá trị của biến ra từ các biến có 2 quy tắc hợp thành: PROD

và MIN Luật hợp thành được gọi là tên ghép của cách kết hợp tín hiệu đầuvào và tên quy tắc hợp thành Có 4 luật hợp thành: MAX-MIN, SUM-PROD,SUM-MIN, MAX-PROD Trong luận văn sử dụng 2 biến đầu vào, nên tác giảlựa chọn luật hợp thành MAX-MIN để thực hiện bộ điều khiển mờ

Hình 2.12 Xác định giá trị rõ từ miền này

Phương pháp cực đại: để giải mờ theo phương pháp cực đại phải thực

hiện theo hai bước:

Bước 1: Xác định miền chứa giá trị rõ y', là miền mà tại đó hàm liênthuộc đạt giá trị cực đại:

G = { yY, B' (y)= H}, miền chứa giá trị rõ y1  y' y2

Bước 2: Xác định giá trị rõ y’ có thể chấp nhận được trong miền G theomột trong ba nguyên lý [2]:

Nguyên lý trung bình: cho kết quả y’ là hoành độ của điểm trung bình

giữa cận trái y1 và cận phải y2 của miền G:

y’ = y1+ y2

2

Nguyên lý cận phải: cho kết quả y’ là hoành độ của điểm cận phải y2 củamiền G:

y’ = y2

Hình 2.13 Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận phải

điểm G:

y’ = y1

Hình 2.14 Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận trái

Phương pháp điểm trọng tâm: cho kết quả y’ là hoành độ của điểm

trọng tâm miền được bao phủ bởi đường B’(y) và trục hoành (hình)

Hình 2.15 Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm

Trong các phương pháp trên, tác giả lựa chọn phương pháp giải mờ theophương pháp trọng tâm Với giá trị rõ đầu vào, ta sẽ tìm được giá trị một matrận cột các giá trị Giá trị rõ đầu ra được tính theo công thức () Có thể biểudiễn quá trình giải mờ bằng một không gian 3 chiều như hình:

Hình 2.16 Mô hình thực hiện giải mờ

2.2.5 Bộ điều khiển dựa trên lý thuyết mờ

2.2.5.1 Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:

 Khâu mờ hóa: Có nhiệm vụ chuyển đổi một giá trị rõ đầu vào x0 thành mộtvecto μ gồm các độ phụ thuộc của giá trị rõ đó theo các giá trị mờ (tập mờ)

đã định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào

 Khâu thực hiện luật hợp thành: có tên gọi là biến hợp thành, xử lý vecto μ

và cho ra giá trị mờ B' của biến ngôn ngữ đầu ra

 Khâu giải mờ: cho nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B' thành một giá trị rõ y '

chấp nhận được cho đối tượng (tín hiệu điều chỉnh)

2.2.5.2 Những nguyên tắc tổng hợp của bộ điều khiển mờ

a) Định nghĩa các biến vào ra

Đại lượng vào của bộ điều khiển mờ chính là sai lệch thường được kýhiệu là ET giữa giá trị đại lượng cần giữ ổn định x và giá trị thực của nó y.Ngoài ra trong bộ điều khiển mờ còn sử dụng đến sự biến đổi thời gian củasai lệch (đạo hàm dt d ET) giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng(được biểu diễn bằng kí hiệu DET)

b) Xác định tập mờ

Miền giá trị vật lý (cơ sở) của các biến ngôn ngữ vào/ra: Sai lệch ETđược chọn trong 1 miền giá trị, tốc độ biến đổi DET của sai lệch cũng có giátrị biến đổi trong một khoảng, tốc độ biến đổi công suất ra DP cũng nằm trongmột khoảng

Số lượng tập mờ (giá trị ngôn ngữ): Về nguyên tắc, số lượng các giá trịngôn ngữ cho mỗi biến ngôn ngữ nên năm trong một khoảng giá trị Nếu sốlượng giá trị ít hơn 3 thì có ít ý nghĩa, vì không thực hiện được việc lấy viphân Nếu lớn hơn 10, con người khó có khả năng bao quát, vì con người phảinghiên cứu đầy đủ để đồng thời phân biệt khoảng 5 đến 9 phương án khácnhau và có khả năng lưu giữ trong một thời gian ngắn

Xác định hàm thuộc: Đây là một điểm cực kỳ quan trọng vì quá trìnhlàm việc của bộ điều khiển mờ rất phụ thuộc vào dạng vàkiểu hàm thuộc.Đáng tiếc làkhông có một lời khuyên nào khác cho việc chọn hàm thuộc làhãychọn hàm thuộc từ những dạng hàm đã biết trước vàmô hình hóa nó cho đếnkhi nhận được bộ điều khiển mờ làm việc như mong muốn

Rời rạc hóa các tập mờ: Độ phân dải của các giá trị phụ thuộc được chọntrước hoặc là cho các nhóm điều khiển mờ loại dấu phẩy động (các số biểu

diễn dưới dạng dấu phẩy động có độ chính xác đơn) hoặc nguyên ngắn (giá trịphụ thuộc làcác số nguyên có độ dài 2 byte) hoặc theo byte (các giá trị phụthuộc là các số không dấu có độ dài 1 byte) Những khả năng để tổng hợp các

hệ thống rất khác nhau Các hệ thống Fuzzy Tech của hãng Inform cho phépmỗi biến ngôn ngữ có độ phân dải khác nhau và các hệ thống phát triển củahãng Togai có thể xác định trước số lượng các giá trị phụ thuộc trong tập mờ

và đối với độ phân dải các giá trị này có thể chọn hoặc là loại dấu phảy độnghoặc là loại giá trị không dấu có độ dài 1 byte Phương pháp rời rạc hóa sẽ làyếu tố quyết định giữa độ chính xác và tốc độ của bộ điều khiển

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí

3.1.1 Tính toán thiết kế tay máy

Trước tiên, chúng em xây dựng mô hình tay máy robot trên phần mềm

hỗ trợ thiết kế đồ họa 3D Solidworks để có cái nhìn tổng quan về hệ thống cơkhí các tiêu chuẩn và yêu cầu gia công cụ thể đối với từng chi tiết Về cơ bản,tay máy robot gồm 3 phần chính:

Phần đế: bao gồm vòng bi, bánh răng và 1 step motor Đế có thể quay

360 độ một cách trơn tru

Hình 3.17 Phần đế tay máy

Khung đế phải được thiết kế gọn nhẹ,đủ độ cứng,đứng vững chịu đượctải trọng của toàn bộ robot Phần đế được làm bằng nhựa PLA, đủ nặng để giữrobot không bị lật về phía trước

Hình 3.18 Phần cánh tay

a) Phần cánh tay: bao gồm 2 khâu nối với nhau bằng các khớp bản lề và 2động cơ step Hành trình của tay máy được giới hạn bằng 2 công tắc hànhtrình Góc quay tối đa của mỗi khâu là 90 độ Trọng lượng nhẹ, thẩm mĩ,đơn giản và dễ dàng tháo lắp, thay thế.

b) Phần tay gắp: Sử dụng tay kẹp điều khiển đóng mở bằng servo RC gócquay tối đa 180 độ

Các chi tiết cơ khí của tay máy được in 3D bằng công nghệ in FDM, sửdụng nhựa PLA, giá thành rẻ, thân thiện với môi trường nhưng vẫn đảm bảođược độ bền cần thiết của các chi tiết Sai số của quá trình in giữa mô hìnhthực tế và bản thiết kế trên Solidworks vào khoảng 0.5 mm

3.1.2 Tính toán chọn vòng bi

Khi động cơ step dẫn động làm quay tấm đế trên và tấm đế dưới tạo độ

ma sát lớn nên để phù hợp với thiết kế cơ khí chúng em chọn vòng bi 2rs1 Với đặc điểm của dòng vòng bi đỡ chặn tiếp xúc góc được thiết kế đểdùng trong các trường hợp có tải trọng hỗn hợp và cần một kết cấu vững chắc,

6009-có thể đỡ và định vị trục ở cả hai phía

Hình 3.19 Tay gắp

3.1.3 Tính toán thiết kế bộ truyền động

Tính chọn bánh răng cho khâu đế

Đế của robot là khâu chịu lực lớn nhất trong quá trình làm việc Đế củarobot theo thiết kế cần quay chậm nhưng vẫn phải đủ chắc và đủ khỏe, làmviệc ổn định với sai số thấp Để truyền chuyển động quay cho khâu đế nhóm

em đã tính toán và sử dụng bộ truyền bánh răng với tỷ số truyền n = Z 1 Z 2 = 5Kích thước của cánh tay robot thuộc loại nhỏ, để đáp ứng những yêu cầunêu trên, thông số bánh răng chúng em chọn là:

 Bánh răng chủ động: Z2=17; m = 1.25 (mm)

 Bánh răng bị động: Z1=85; m = 1.25 (mm)

 Tỉ số truyền n = Z 1

Z 2 = 85

17 = 5Với thiết kế này, khi bánh răng dẫn động của step quay với tốc độ từ 0đến 40 vòng/phút thì khâu đế sẽ quay với tốc độ 0 đến 8 vòng/phút

Hình 3.21 Thiết kế bánh răng truyền động khâu đế

Tính chọn bánh răng cho cánh tay robot

Tương tự như khâu đế, để đảm bảo hiệu quả, độ chắc chắn và tỉ sốtruyền ổn định khi hoạt động Nhóm em chọn bộ truyền bánh răng để truyềnđộng cho phần tay máy Thông số của các bánh răng được lựa chọn:

Hình 3.22 Thiết kế bánh răng truyền động tay máy

3.1.4 Thi công hệ thống cơ khí

Stt Tên chitiết Hình ảnh và thông số kỹthuật Vật liệu lượngSố

1 Khung đếtay máy

Chiều cao : 85 mmChiều dài :170 mmChiều rộng : 120 mm

Nhựa PLAtrắng (in3D)

1

Cạnh vuông: 120mm

Nhựa PLAtrắng (in3D)

1

3

Nhựa PLAtrắng (in3D)

Nhựa PLAtrắng (in3D)

1

6 răng đếBánh

Dày: 7mm

85 răngĐường kính: 109mm

Nhựa PLAtrắng (in3D)

1

7 khâu 1 (1)Cơ cấu

Chiều dài: 135mm

Nhựa PLAtrắng (in3D)

1

8 khâu 1 (2)Cơ cấu

Chiều dài: 135mm

Nhựa PLAtrắng (in3D)

1

9 khâu 1 (3)Cơ cấu

Nhựa PLAtrắng (in3D)

1

10 khâu 1 (4)Cơ cấu

Chiều dài: 147mm

Nhựa PLAtrắng (in3D)

1

12 khâu 2 (2)Cơ cấu

Chiều dài: 204mm

Nhựa PLAtrắng (in3D)

1