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 TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

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

4 Thi công mô hình 13

DANH M C Ụ HÌNH NHẢ

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 Solidworks1.1 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 sử dụng trên phần mềm Solidworks Về việc vẽ robot ta đang cần đơn vị là milimet nên ta sẽ chuyển đổi thành milimet Ta có thể thay đổi đơn vị ở góc phải dưới màn hình Solidworks 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 phí bằng cách khoét rỗng để giảm khối lượng khâu, đục lỗ ở đế để cố định Robot trên bảng điện, 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 mặt bích

Hình 1-5: Bản vẽ Link 3 Robot

Hình 1-6: Bản vẽ Link 4 Robot

2 Lập bảng D-H, tính toán động học thuận, động học nghịch2.1 Lập bảng D-H

Sau khi thiết kế mô hình Solidworks ta lấy lại kích thước các khâu như Hình 2 -7 để tính toán chính xác lại động học của Robot:

Hình 2-7: Thông số Robot 3 bậc tự do

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

7

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

X ; α là khoảng cách giữa trục i1 Z và i Z được đo theo trục i1 X ; là khoảng cách giữai di

trục X và i1 X dọc theo trục i Z ; i θ là góc giữa trục i X và i1 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: c12cos12;s12sin12;c123cos123;s123sin123

Ta tìm được tọa độ điểm đầu cuối:

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

Quy hoạch quỹ đạo là một phần nhỏ của một vấn đề tổng thể như là dẫn đường (navigation) hay quy hoạch chuyển động (Motion planning) Hệ thống cấp bậc điển hình cho quy hoạch chuyển động như sau:

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:

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

4 Thi công mô hình4.1 Thiết kế phần cứng4.1.1 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 từng khâu

Đối với 3, ta có chiều dài khâu L4 80mm và khối lượng m4 9g, ta chọn Servo SG90 có 1.8 kgcm tương ứng có thể kéo tải 1.8kg ở khoảng cách 1cm Như vậy ta có công thức tính toán khối lượng có thể chịu được tại 3như sau: Như vậy ta hoàn toàn có thể sử dụng động cơ Servo SG90 vì msuffer3 1.5mkhâu 2.25kg 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 ,

m g, msg90 9g Như vậy ta có công thức tính toán khối lượng 342 có thể chịu được tại 2như sau:

Như vậy ta hoàn toàn có thể sử dụng động cơ Servo SG90 vì msuffer2 1.5mkhâu 1.14kg 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 MG996 cho 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

Như vậy ta hoàn toàn có thể sử dụng động cơ Servo SG90 vì msuffer1 1.5mkhâu 0.765kg 0.135kg Tương tự với khâu trên thì để tăng lực kéo và sức chịu đựng thì nhóm đề xuất sử dụng động cơ Servo MG996 thay vì động cơ Servo SG90 Khi sử dụng động cơ này, khối lượng tại khâu 1 và khâu 2 sẽ tăng lên đáng kể được biểu thị bởi công

Số chân Digital: 14 (6 chân

đa là 3A, Công suất: 15W

85x55mm 400 lỗ

17

9 In 3D Bảng vẽ Solid đã thiết kế

4.1.2 Chi phí các thiết bị

Sau khi có danh sách các thiết bị lựa chọn để thi công mô hình, nhóm sẽ đưa ra chi phí tối thiểu cho mô hình để tiến hành mua từ các cửa hàng Bảng chi phí như Bảng 4:

Bảng 4: Chi phí các thiết bị phần điện

11Dây Rút Nhựa1.700đ1017.000đSản 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 Arduino xuất 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 áp 5V 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 hình tải là các khâu của Robot Tùy vào khối lượng và kích thước tải ta sẽ chọn được động cơ

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 OỆẢ

[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 Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh.

[3] Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information

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