LỜI NÓI ĐẦUChúng ta đang sống trong một xã hội với trình độ công nghệ phát triển một cách chóng mặt, các máy móc tự động và đặc biệt là Robot đang dần thay thế con người làm những công v
Trang 1BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
SVTH: Nguyễn Phong Anh 19151004
Hà Gia Thái 19151172 Trịnh Duy Khánh 19151141
Trang 2
LỜI NÓI ĐẦU
Chúng ta đang sống trong một xã hội với trình độ công nghệ phát triển một cáchchóng mặt, các máy móc tự động và đặc biệt là Robot đang dần thay thế con người làmnhững công việc từ cơ bản đến phức tạp Robot giúp con người tránh làm những việc lặp
đi lặp lại, hoặc những công việc có tính chất động hại, nguy hiển và khó khăn hoặc thậmchí không thể hoàn thành trong các trường hợp thông thường Trong ngành công nghiệphiện nay, có rất nhiều loại Robot đã được thiết kế nhằm phục phụ những công việc cụ thểnhư: sản xuất, giám sát, nghiên cứu, … Ngoài ra Robot còn được phổ biến trong rất nhiềulĩnh vực chẳng hạn như: công nghiệp, quân sự, y học, …
Mục đích của đề tài này hướng đến phương pháp nghiên cứu cách thức chế tạo,
mô phỏng và điều khiển một mô hình cánh tay Robot hoạt động một cách linh hoạt và ổnđịnh Từ đó, hy vọng có thể đóng góp một phần công sức trong công trình nghiên cứuRobot vào phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học
Với một tinh thần làm việc nhiệt huyết cùng với sự giúp đỡ tận tình của giáo viênhướng dẫn, nhóm đã hoàn thành luận văn: “Thiết kế và điều khiển PID cho cánh tayRobot ba bậc tự do”
Trang 3MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
MỤC LỤC 2
MỤC LỤC HÌNH ẢNH 3
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 4
CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 5
1.1 Thiết kế và xây dựng mô hình 5
1.2 Các thiết bị được sử dụng trong mô hình 5
1.2.1 Thiết bị thực hiện chức năng truyền động 5
1.2.2 Thiết bị điều khiển 7
1.2.3 Mạch cầu điều khiển động cơ DC L298N 8
1.2.4 Nguồn tổ ong 9
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN KẾT QUẢ VÀ KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ ĐỘNG HỌC CÁNH TAY ROBOT 3 BẬC TỰ DO 10
2.1 Tính toán động học thuận 10
2.2 Tính toán động học nghịch cho cánh tay robot 3 bậc tự do 13
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH VÀ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 16
3.1 Sơ đồ khối điều khiển cánh tay robot 3 bậc tự do 16
3.2 Giao diện điều khiển 16
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 18
4.1 Kết quả 18
4.2 Hướng phát triển 18
TÀI LIỆU THAM KHẢO 19
PHỤ LỤC 20
Trang 4MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 1 Mô hình thực tế 5
Hình 1 2 Puly GT2 20 răng 5
Hình 1 3 Puly GT2 60 răng 6
Hình 1 4 Dây đai GT2 400mm 6
Hình 1 5 Động cơ JGB37-520 60rpm 6
Hình 1 6 Động cơ JGB37-520 37rpm 7
Hình 1 7 Board Arduino Mega2560 7
Hình 1 8 Mạch cầu L298N 8
Hình 1 9 Nguồn tổ ong 12VDC-5A 9Y Hình 2 1 Hệ trục tọa độ của robot 10
YBảng 1 Thông số vật lý của mô hình Bảng 2 Bảng D-H (Denavit – Hartenberg) 11 Hình 3 1 Sơ đồ khối điều khiển 16
Hình 3 2 Giao diện chính 17
Hình 3 3 Giao diện điều khiển 17
Trang 5NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022
Giảng viên hướng dẫn
Trang 6CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
1.1 Thiết kế và xây dựng mô hình
Mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do được xây dựng ngoài thực tế bằng vật liệunhựa mica với tỉ lệ 1:1
Hình 1 1 Mô hình thực tế
1.2 Các thiết bị được sử dụng trong mô hình
1.2.1 Thiết bị thực hiện chức năng truyền động
- Puly GT2
Trang 91.2.2 Thiết bị điều khiển
- Board Arduino Uno:
Hình 1 7 Board Arduino Mega2560Thông số kỹ thuật:
Vi điều khiển: Atmega2560
IC nạp và giao tiếp UART: Atmega16U2
Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC
Số chân Digital I/O: 54 (trong đó 15 chân có khả năng xuất xung PWM)
Số chân Analog Input: 16
Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20mA
Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50mA
Flash Memory: 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader
Trang 10Hình 1 8 Mạch cầu L298N
Thông số kỹ thuật
Điện áp đầu vào: 5~30VDC
Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ý công suất = dòng điện x điện áp nên áp cấp vào càng cao, dòng càng nhỏ, công suất có định 25W)
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss
Kích thước: 43x43x27mm
Trang 12CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN KẾT QUẢ VÀ KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ ĐỘNG
HỌC CÁNH TAY ROBOT 3 BẬC TỰ DO 2.1 Tính toán động học thuận
Mục đích của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu tác động cuối củatayo máy khi biết các biến khớp của tay máy
Các bước tính toán động học thuận của cánh tay robot 3 bậc tự do được trình bàynhư sau:
Bước 1: Đặt trục tọa độ cho hệ cánh tay robot
Hình 2 1 Hệ trục tọa độ của robot
Bảng 1 Thông số vật lý của mô hình:
Trang 13Bước 2: Lập bảng D-H (Denavit – Hartenberg).
- a là chiều dài của mỗi khâu được xác định bằng đường vuông
chung giữa hai trục Z
- là độ xoắn của mỗi khâu được xác định bằng góc lệch giữa haitrục Z
- d là độ lệch của khớp được xác định bằng đường vuông góc chung
hay khoảng cách giữa hai mặt phẳng chứa trục tọa độ xi và xi1.
- là góc khớp được xác định bằng góc lệch giữa hai khâu liền kề
Bước 3: Ta tiến hành thay lần lượt các giá trị trong bảng D-H vào ma trận chuyển
đổi sau:
Ta có ma trận chuyển đổi tổng quát từ hệ thứ i sang hệ thứ i+1 [1]:
1
i
aaT
d
101\* MERGEFORMAT (.)
Trang 141 1 1 1
0
1
LLT
d
202\* MERGEFORMAT (.)
+ a L2, 0,d 0, 2.
1
LLT
303\* MERGEFORMAT (.)
+ a L3, 0,d 0, 3.
2
LLT
404\* MERGEFORMAT (.)
Ma trận chuyển đổi tổng quát từ hệ thế 0 sang hệ thứ 3 như sau:
11 12 13
21 22 23 0
Trong ma trận này chứa hai thành phần vị trí và hướng của cơ cấu cuối nên ta suyra:
Tọa độ vị trí cơ cấu cuối:
Trang 151 1 3 2 3 2 2
2.2 Tính toán động học nghịch cho cánh tay robot 3 bậc tự do.
Mục đích của bài toán động học nghịch là tìm các biến khớp của tay máy khi biết
vị trí khâu tác động cuối của tay máy Có 2 phương pháp để giải bài toán động học nghịch
là phương pháp hình học và phương pháp đại số Ở đây nhóm đã áp dụng phương phápđại số để giải Các bước thực hiện được trình bày dưới đây:
Bước 1: Từ 05 ta nhân hai vế của đẳng thức cho ma trận
Trang 17cos( )cos( )sin( )sin( )
cos( )cos( )
Trang 18CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH VÀ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 3.1 Sơ đồ khối điều khiển cánh tay robot 3 bậc tự do.
Điều khiển cánh tay robot 3 bậc tự do dựa trên sơ đồ Error: Reference source notfound Trong đó khối giao diện có chức năng tuỳ chỉnh các thông số robot và các tuỳchọn điều khiển robot từ đó gửi bộ góc qua Arduino thông giao tiếp serial (UART) Khối
vi điều khiển có chức năng nhận bộ góc, xử lí, tính toán sau đó tạo ra các xung để cungcấp điều khiển từng step motor Từng động cơ step sẽ gắn vào mạch Arduino CNC ShieldV3 nhận tín hiệu trả về từ Arduino và thực hiện chuyển động trong robot
Hình 3 1 Sơ đồ khối điều khiển
3.2 Giao diện điều khiển
Để thuận tiện cho việc điều khiển cũng như theo dõi hoạt động của robot, các giátrị biến khớp, tọa độ công tác Nhóm đã tạo giao diện điều khiển trên phần mềm VisualStudio bằng ngôn ngữ C Sharp
Trang 19Hình 3 2 Giao diện chính
Hình 3 3 Giao diện điều khiển
Trang 20CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1 Kết quả
Đề tài “Thiết kế và điều khiển cánh tay robot 3 bậc tự do” là đề tài mang tính ứngdụng thực tế Mô hình đáp ứng được các yêu cầu đề ra và hoạt động tốt trong một môitrường nhất định
Thông qua quá trình nghiên cứu cơ sở lý thuyết, mô phỏng và xây dựng mô hình,
đồ án đạt được kết quả như sau:
+ Thiết kế mô hình sử dụng phần mềm Solidworks
+ Xây dựng mô hình thực tế với tỉ lệ 1:1 so với thiết kế
+ Lập tzrình điều PID động cơ DC Encoder để robot hoạt động trên phần mềmArduino
+ Thiết kế giao diện điều khiển với nhiều tính năng trên phần mềm Visual Studio bằng ngôn ngữ C Sharpe
Trang 21TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J J Craig, Introduction to Robotics Mechanics and Control Pearson Education International
[2] K S FU, ROBOTICS: Control, Sensing, Vision, and Intelligence The United States of America, 1987
[3] K Z A War War Naing, Aung Thike, "Position Control of 3-DOF Articulated Robot Arm using PID Controller," International Journal of Science and
Engineering Applications, vol 7, no 09,254-259, 2018
[4] B S L Sciavicco and L V G Oriolo, Robotics Modelling, Planning and Control Springer, 2009
[5] P T N T THỊNH, GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ROBOT NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2014
[6] H Z Hossein Sadegh Lafmejani, "Modeling, Simulation and Position Control of 3DOF Articulated Manipulator," Indonesian Journal of Electrical Engineering and Informatics (IJEEI), vol 2, 2014