Thực tập robot đề tài thiết kế mô hình và điều khiển cánh tay robot 3 bậc tự do

Thiết kế mô hình trên Solidworks1.1 Thiết kế các khớp RobotSau khi tải phần mềm về, ta cần chọn đơn vị sao cho chính xác với đơn vị ta đang sử dụng trên phần mềm Solidworks.. Ta có thể t

111Equation Chapter 1 Section 1BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

1

M C L C Ụ Ụ

1 Thiết kế mô hình trên Solidworks 4

1.1 Thiết kế các khớp Robot 4

2 Lập bảng D-H, tính toán động học thuận, động học nghịch 7

2.1 Lập bảng D-H 7

2.2 Tính toán động học thuận 8

2.3 Tính toán động học nghịch 9

2.3.1 Tìm theta1 10

2.3.2 Tìm theta2 11

2.3.3 Tìm theta3 11

3 Quy hoạch quỹ đạo cho Robot 12

3.1 Giới thiệu 12

3.2 Quy hoạch quỹ đạo Robot 3 bậc dùng đa thức bậc 3 12

4 Thi công mô hình 13

4.1 Thiết kế phần cứng 13

4.1.1 Lựa chọn thiết bị 13

4.1.2 Chi phí các thiết bị 17

4.1.3 Sơ đồ kết nối 18

4.2 Thiết kế phần mềm – Chương trình Matlab 18

Chương trình matlab 18

DANH M C Ụ HÌNH NH Ả

Hình 1.1 : Chuyển đổi đơn vị trong Solidworks 4

Hình 1-2 : Mô hình 3D trong Solidworks 4

Hình 1-3 : Hình ảnh khâu đế Robot 5

Hình 1-4 : Bản vẽ Link 2 Robot 6

Hình 1-5 : Bản vẽ Link 3 Robot 6

Hình 1-6 : Bản vẽ Link 4 Robot 7

Hình 2-1 : Thông số Robot 3 bậc tự do 7

Hình 3-1 : Quy hoạch chuyển động (Motion planning) 12

Hình 4-1: Sơ đồ khối phương pháp cánh tay đòn 14

Hình 4-2 : Sơ đồ khối hệ thống 18

Hình 4-3: Hình dạng robot ở vị trí các góc 0 độ 19

Hình 4-4: Hình ảnh robot ở vị trí các góc quay 90 độ 19

3

1 Thiết kế mô hình trên Solidworks

1.1 Thiết kế các khớp Robot

Sau khi tải phần mềm về, ta cần chọn đơn vị sao cho chính xác với đơn vị ta đang sửdụng trên phần mềm Solidworks Về việc vẽ robot ta đang cần đơn vị là milimet nên ta sẽchuyển đổi thành milimet Ta có thể thay đổi đơn vị ở góc phải dưới màn hìnhSolidworks như tại Hình 1 1:

Hình 1.1: Chuyển đổi đơn vị trong Solidworks

Ta sẽ có mô hình 3D Robot trong môi trường Assembly của Solidworks như Hình 1 -2:

Hình 1-2: Mô hình 3D trong Solidworks

Ta sẽ đi vào chi tiết từng khâu như sau:

- Yêu cầu thiết kế cho khâu đế: Khi thi công nhóm chọn in 3D nên sẽ tối ưu chi phíbằng cách khoét rỗng để giảm khối lượng khâu, đục lỗ ở đế để cố định Robot trên bảngđiện, thiết kế khe và lỗ để cố định khâu 1 Bản vẽ khâu đế được mô tả tại Hình 1 -3.

Hình 1-3: Hình ảnh khâu đế Robot

Link 1 sẽ được cố định với đế của Robot và có bản vẽ như Hình 1 -4:

5

Hình 1-4: Bản vẽ Link 2 Robot

Tiếp theo là bản vẽ cho Link 3, 4 như các Hình 1 -5 Hình 1 -6, dưới đây:

- Yêu cầu thiết kế cho các chi tiết tiếp theo: Thiết kế nhỏ gọn, khoét rỗng tạo nơi đặt

động cơ RC Servo cũng như giảm khối lượng cho khâu, đục lỗ để cố định động cơ và mặtbích

Hình 1-5: Bản vẽ Link 3 Robot

Sau khi đặt trục xong ta xác định thông số và ký hiệu được nêu ra trong Bảng 1.

Bảng 1: Thông số và ký hiệu Robot 3 bậc tự do

0

7

Tiếp theo dựa vào Hình 2 -7, ta lập được bảng D-H như Bảng 2:

X ; α là khoảng cách giữa trục i 1 Z và i Z được đo theo trục i 1 X ; là khoảng cách giữai d i

trục X và i 1 X dọc theo trục i Z ; i θ là góc giữa trục i X và i 1 X quanh trục i Zi

Ta có ma trận chuyển đổi giữa hệ trục tọa độ {i-1} sang hệ trục tọa độ {i} là:

Trong đó: ci cos i; si sin i ; c i1 cos i1 ; s i1 sin i1

L424\* MERGEFORMAT (.)

Ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ {1} sang hệ trục tọa độ {2}:

D525\* MERGEFORMAT (.)

Ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ {2} sang hệ trục tọa độ {3}:

D626\* MERGEFORMAT (.)

Ta có tọa độ P trong hệ trục tọa độ {3} là:EE

Trong đó: c 12 cos 1 2 ; s 12 sin 1 2 ; c 123 cos 1 2 3 ; s 123 sin 1 2 3

Ta tìm được tọa độ điểm đầu cuối:

L Lc Lc Lc

Ls L s LsP

P T

L D D

929\*MERGEFORMAT (.)

2.3 Tính toán động học nghịch

Ta sẽ sử dụng phương pháp đại số để tìm các bộ nghiệm của robot 3 bậc tự do:

Giả sử ta có tổng 3 góc là và có = 0 (hướng song song với trục x) là:

Và tọa độ điểm đầu cuối là:

9

0 0 0 0

1

EE

xyPz

11211\* MERGEFORMAT (.)Đồng nhất hệ số phương trình 29 và 211 và sử dụng phương trình 210 ta có kết quả sauđây:

Task planning – Thiết kế một vài mục tiêu (Ví dụ như nhặt đồ vật trước mặt bạn

lên, gắp vật, thả vật, hàn, …)

Path planning – Đưa ra đường dẫn khả thi từ điểm đầu đến điểm cuối Một đường

dẫn luôn bao gồm tập hợp của các điểm tham chiếu

Trajectory planning – Đưa ra lịch trình theo thời gian làm sao để di chuyển theo

đường dẫn mà có tính ràng buộc ví dụ như vị trí, vận tốc, gia tốc

Trajectory following – Khi kế hoạch đã được lên thì cần một hệ thống đều khiển

để cho kế hoạch có thể di chuyển đấy đủ và chính xác nhất

Hình 3-8: Quy hoạch chuyển động (Motion planning)

Ở đây ta chỉ đi sâu vào phân tích về Quy hoạch quỹ đạo (Trajectory Planning)

3.2 Quy hoạch quỹ đạo Robot 3 bậc dùng đa thức bậc 3

Ta có các điều kiện ràng buộc:

- Tại điểm bắt đầu:

0 0 0 0 0

2 2 3

1

0 1 2 31

có thể quy hoạch quỹ đạo theo đường thẳng mong muốn với hàm bậc 3

4 Thi công mô hình

4.1 Thiết kế phần cứng

4.1.1 Lựa chọn thiết bị

Ta sử dụng phương pháp cánh tay đòn để tính toán chọn động cơ Servo phù hợp

Hình 4-1: Sơ đồ khối phương pháp cánh tay đòn

Dựa vào sơ đồ khối ta thực hiện tính toán chọn động cơ Servo tương ứng với từngkhâu

Đối với 3, ta có chiều dài khâu L4 80mm và khối lượng m4 9g, ta chọn ServoSG90 có 1.8 kgcm tương ứng có thể kéo tải 1.8kg ở khoảng cách 1cm Như vậy ta cócông thức tính toán khối lượng có thể chịu được tại 3như sau:

3

1.82.250.8

suffer

41341\* MERGEFORMAT (.)Như vậy ta hoàn toàn có thể sử dụng động cơ Servo SG90 vì msuffer3 1.5mkhâu2.25kg 0.0135kg Như vậy ta chọn Servo SG90 đối với khâu cuối cùng

Đối với 2, ta có chiều dài khâu L3 80mm, L4 80mmvà khối lượng m3 13g ,

suffer

42342\* MERGEFORMAT(.)

Như vậy ta hoàn toàn có thể sử dụng động cơ Servo SG90 vì msuffer2 1.5mkhâu1.14kg 0.0465kg Nhưng để tăng lực kéo thay vì chọn động cơ SG90 ta sẽ chọn động

cơ MG996 có average 10 kgcmvà khối lượng 55kg Như vậy ta sẽ chọn động cơ MG996cho khâu này Nếu chưa có sẵn động cơ này ta có thể sử dụng SG90 để giảm chi phí cho

mô hình

Đối với 1, ta có chiều dài khâu L2 80mm, L3 80mm, L4 80mm và khối lượng

m g, m3 13g , m4 9g, mmg996 55g Như vậy ta có công thức tính toán khối lượng

343 có thể chịu được tại 1như sau:

15

1.8

0.7650.775 0.775 0.8

suffer

43343\*MERGEFORMAT (.)

Như vậy ta hoàn toàn có thể sử dụng động cơ Servo SG90 vì msuffer1 1.5mkhâu0.765kg 0.135kg Tương tự với khâu trên thì để tăng lực kéo và sức chịu đựng thìnhóm đề xuất sử dụng động cơ Servo MG996 thay vì động cơ Servo SG90 Khi sử dụngđộng cơ này, khối lượng tại khâu 1 và khâu 2 sẽ tăng lên đáng kể được biểu thị bởi côngthức 344 và 345:

1_

10

4.250.775 0.775 0.8

suffer new

44344\*MERGEFORMAT (.)

2 _

10 6.340.775 0.8

suffer new

45345\* MERGEFORMAT(.)

Các thiết bị nhóm em sử dụng sẽ được liệt kê trong Bảng 3:

Bảng 3: Bảng danh sách thiết bị

STT

Số chân Digital: 14 (6 chânPWM)

Số chân Analog: 6Tốc độ: 16MHzDòng ra chân 3.3V: 50mA

MG996R

Lực kéo: 9.4kg / cm (4.8V)Moment xoắn cực đại 11kg /

cm (6V)Điện áp hoạt động +5VDòng tiêu thụ 2,5AGóc quay0 -180Trọng lượng 55 gram

3 Nguồn tổ ong

12V 3A

Điện áp đầu vào: 110VAC –220VAC chỉnh bằng côngtắc gạt

Công suất: 36WDòng áp đầu ra: DC 12VKích thước: 86 x 60 x 34mm

đa là 3A, Công suất: 15W

85x55mm 400 lỗ

17

11 Dây Rút Nhựa 1.700đ 10 17.000đ Sản phẩm dây rút (thegioiic.com)

Sau khi lập ra và liệt kê chi tiết 2 bảng trên, nhóm đã định hình được đẩy đủ các thiết bị

cần thiết và tiến hành thi công mô hình robot 3 bậc tự do

4.1.3 Sơ đồ kết nối

Hình 4-9: Sơ đồ khối hệ thống

- Sơ đồ khối trên thể hiện mối liên hệ giữa các khối chính:

+ Khối điều khiển: Bao gồm hệ thống máy tính (Laptop) kết nối với Vi điều khiển

(Arduino) qua cổng USB để thực thi việc đưa chương trình nhúng cho Arduino Arduinoxuất tín hiệu điều khiển cho 3 chân tín hiệu của RC Servo

+ Khối nguồn: Bao gồm nguồn tổ ong 24V DC qua mạch giảm áp XL4005 để đưa ra áp5V DC cấp nguồn cho 3 động cơ RC Servo

19

+ Khối động cơ: Nhận tín hiệu từ Arduino và xoay tải đặt trên trục động cơ Ở mô hìnhtải là các khâu của Robot Tùy vào khối lượng và kích thước tải ta sẽ chọn được động cơphù hợp đặt ở các khớp.

4.2 Thiết kế phần mềm – Chương trình Matlab

Chương trình matlab

Khi kiểm tra động cơ Servo tại vị trí 0 độ ở 3 góc quay ta được hình dạng củarobot như

Hình 4-3: Hình dạng robot ở vị trí các góc 0 độ

Tiếp theo khi ta thay đổi các góc quay thành 90 độ ta được hình dạng tương ứng

của robot như Hình 4-4

Hình 4-4: Hình ảnh robot ở vị trí các góc quay 90 độ

21

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả

[1] John J.Craig, Introduction to Robotics - Mechanic and Control

[2] Trần Đức Thiện (2021), giáo trình Thực tập Robot, Trường Đại học Sư phạm KỹThuật Tp Hồ Chí Minh

[3] Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information

<https://slideplayer.com/slide/5165169/> 10/09/2021