TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGH CỆ ẦN THƠ KHOA K THUỸ ẬT CƠ KHÍ--- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT SCARA CÁN BỘ HƯỚNG D N: Ẫ SINH VIÊN TH C HI N: Ự Ệ...
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGH CỆ ẦN THƠ
KHOA K THUỸ ẬT CƠ KHÍ -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT SCARA
CÁN BỘ HƯỚNG D N: Ẫ SINH VIÊN TH C HI N: Ự Ệ
Trang 2Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
Cần Thơ, Ngày … Tháng ….năm 2019
GVHD
Trang 3Nhận xét của giáo viên phản biện
Cần Thơ, Ngày … Tháng ….năm 2019
GVPB
Trang 4CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH T I Ạ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
Cán bộ hướng dẫn: Ths ĐƯỜNG KHÁNH SƠN
Luận văn đạ ọc đượi h c bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơ ngày 21 tháng 07 năm 2019
Thành ph n Ban chầ ấm đánh giá luận văn đại học gồm:
Xác nh n c a Ban chậ ủ ấm đánh giá sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
TRƯỞNG BAN UỶ VIÊN PHẢN BI N Ệ THƯ KÝ
Trang 5NHIỆM V LUỤ ẬN VĂN ĐẠI HỌC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CẦN THƠ -
KHOA K THU T Ỹ Ậ CƠ KHÍ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - T do - H nh phúcự ạ
Họ và tên sinh viên: TRẦN CHÍ NGUYỆN
Ngày, tháng, năm sinh: 01/10/1997
Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG TẤN THÀNH
Ngày, tháng, năm sinh: 29/01/1997
Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử
MSSV: 1501049 Nơi sinh: Kiên Giang MSSV: 1500632 Nơi sinh: Vĩnh Long
Mã số: 7510203 TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SCARA PHÂN LOẠI SẢNPHẨM
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
Nhiệm vụ: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo một robot Scara phân loại sản phẩm điềukhiển bằng máy tính
Nội dung:
- Thiết kế hoàn chỉnh mô hình 3D của robot và tiến hành mô phỏng 3D trênMatlab Simulink
- Thiết kế, chế tạo mô hình robot Scara phục vụ cho học tập, nghiên cứu
- Xây dựng bộ điều khiển PID cho robot, đồng thời xây dựng dựng giao diện
Cần Thơ, ngày 07 tháng 06 năm 2019 KHOA K THU T Ỹ Ậ CƠ KHÍ
Trang 6Đặc biệt cảm ơn thầy Đường Khánh Sơn đã tạo điều kiện và hướng dẫn em cách h c tọ ập cũng như nghiên cứu để hoàn thành tốt đề tài này
Chân thành cảm ơn những ngườ ại b n vẫn luôn đồng hành cùng mình c trong ảnhững lúc khó khăn nhất
Cảm ơn quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Cơ Khí của Trường Đại học Kỹ Thuật - Công Ngh Cệ ần Thơ luôn c m thông và tả ạo điều ki n t t cho em trong su t ệ ố ốthời gian h c t p tọ ậ ại trường
Qua đây em cũng rất mong nhận được nh ng ý kiữ ến đóng góp quý báu của quý th y cô trong hầ ội đồng b o v khóa lu n t t nghi p ả ệ ậ ố ệ
Cuối cùng xin chúc gia đình, người thân, quý th y cô cùng b n bè nhi u sầ ạ ề ức khỏe và thành công trong m i vi c ọ ệ
Trang 7LỜI CAM ĐOAN
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang II
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan về công trình nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp là được thực hi n b i cá nhân em và sệ ở ự h trỗ ợ và hướng d n c a th y ẫ ủ ầ Đường Khánh Sơn, nếu có điều gì sai sót theo lời cam đoan em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
Trang 9MỤC L C Ụ
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II TÓM T T LUẮ ẬN VĂN III
MỤC LỤC i
DANH M C HÌNH Ụ ẢNH v
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2
1.1 Lí do và mục đích chọn đề tài: 2
1.1.1 Lí do chọn đề tài: 2
1.1.2 Mục đích của đề tài: 4
1.2 Giới thiệu sơ lược về robot: 4
1.2.1 L ch s hình thành và phát tri n cị ử ể ủa robot: 4
1.2.2 Tình hình phát tri n c a robot trên th giể ủ ế ới: 6
1.2.3 Tình hình phát tri n c a robot t i Viể ủ ạ ệt Nam: 8
1.2.4 Các ng d ng cứ ụ ủa robot: 9
1.2.4.1 Các ưu điểm khi s dử ụng robot: 9
1.2.4.2 M t sộ ố lĩnh vực ứng dụng: 9
1.3 Gi i thiớ ệu sơ lược về Scara Robot: 11
1.4 Mô hình robot Scara của sinh viên đạ ọc Nha Trang: 13i h 1.5 Mô hình robot Scara của sinh viên đạ ọi h c Công Nghi p Hà Nệ ội: 14
1.6 Hướng giải quyết nghiên cứu cho đề tài sắp tới: 15
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16
2.1 Đối tượng nghiên cứu: 16
Trang 10MỤC L C Ụ
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang ii
2.1.1 Gi i thiớ ệu đề tài: 16
2.1.2 Tiêu chu n cho mẩ ột robot Scara: 17
2.1.3 Nh ng ng d ng mà robot Scara mang lữ ứ ụ ại: 17
2.2 Phương pháp nghiên cứu: 17
2.2.1 Lí thuy t v bế ề ộ điều khiển PID: 17
2.2.2 Bộ điều khi n PID sể ố: 19
2.2.3 Chỉnh định tham s bố ộ điều khiển PID: 20
2.2.4 Arduino: 22
2.2.4.1 Khái niệm: 22
2.2.4.2 Ph n c ng cầ ứ ủa Arduino: 23
2.2.4.3 ng d ng cỨ ụ ủa Arduino: 24
2.2.4.4 Khả năng kế ố ủa Arduino: 24t n i c 2.2.4.5 Các loại Arduino: 25
2.2.4.6 ng d ng cỨ ụ ủa Arduino trong đề tài: 26
2.2.5 Ph n mầ ềm Arduino: 26
2.2.5.1 Ph n m m viầ ề ết chương trình và biên dịch chương trình: 26
2.2.5.2 Cấu trúc chương trình: 28
2.2.6 Gi i thi u chung v ph n mớ ệ ề ầ ềm Matlab: 28
2.2.6.1 Khái ni m vệ ề Matlab: 28
2.2.6.2 T ng quan v c u trúc d li u cổ ề ấ ữ ệ ủa Matlab: 29
2.1.6.3 H thệ ống Matlab: 30
2.2.6.4 Giao di n làm việ ệc trên Matlab: 31
2.2.6.5 Các c a s làm vi c cử ổ ệ ủa Matlab: 32
2.2.7 Giao th c giao tiứ ếp I2C: 34
Trang 11MỤC L C Ụ
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang iii
2.2.7.1 Gi i thi u v giao tiớ ệ ề ếp I2C: 34
2.2.7.2 Đặc điểm: 34
2.2.7.3 Ph n cầ ứng: 34
2.2.7.4 Cách th c giao ti p I2C hoứ ế ạt động: 38
2.1.7.5 Các chế độ hoạt động của I2C: 41
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT SCARA 42
3.1 Phân tích và l a chự ọn phương án thi t kế ế 42
3.2 Bài toán động học: 42
3.2.1 Bài toán động học thuận: 42
3.2.2 Bài toán động học nghịch: 44
3.3 Thi t kế ế mô hình cơ khí cho robot: 46
3.3.1 Cơ sở khoa học: 46
3.3.2 Thi t k b truyế ế ộ ền động cho robot: 46
3.3.3 Chọn động cơ: 47
3.3.4 B n thi t kả ế ế Solidworks: 49
3.3.5 Sơ lược về các linh kiện cơ khí dùng để chế tạo robot: 53
3.3.6 Các bước lắp ráp một mô hình robot hoàn chỉnh: 56
3.4 Thi t k mế ế ạch điện điều khiển cho robot: 59
3.4.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển robot: 59
3.4.2 Sơ đồ ạch điện điề m u khiển robot: 60
3.5 Xây d ng gi i thuự ả ật điều khi n PID cho robot: 71ể 3.6 L p trình truy n nh n d li u bậ ề ậ ữ ệ ằng thư viện I2C: 72
3.7 Thi t k giao diế ế ện điều khi n Guide trên Matlab: 73ể 3.7.1 Khái niệm: 73
Trang 12MỤC L C Ụ
3.7.2 Cách s d ng và t o m t giao diử ụ ạ ộ ện Guide: 73
3.7.3 Giao diện guide điều khiển robot: 76
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 78
4.1 K t quế ả: 78
4.1.1 K t qu mô ph ng trên Matlab Simulink: 78ế ả ỏ 4.1.2 K t qu th c nghi m khi áp d ng gi i thuế ả ự ệ ụ ả ật PID: 80
4.1.3 K t qu ch y th c t cế ả ạ ự ế ủa mô hình: 82
4.2 Đánh giá: 88
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 89
4.1 K t quế ả đạt được: 89
4.2 Nh ng h n chữ ạ ế mà đề tài g p phặ ải: 89
4.3 Định hướng tương lai: 89
TÀI LI U THAM KHỆ ẢO 91
PHỤ LỤC A 92
PHỤ LỤC B 93
Trang 13DANH M C HÌNH NH Ụ Ả
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Robot Scara PF3400 g p vắ ật 2
Hình 1.2: Scara Robot phân lo i s n phạ ả ẩm 3
Hình 1.3: Robot Scara vi t chế ữ 3
Hình 1.4: Robot hàn KUKA c a Nh t Bủ ậ ản 5
Hình 1.5: Cánh tay robot 5 b c t do c a hãng YASKAWA MOTOMAN 6ậ ự ủ Hình 1.6: Xe t hành Spirit c a NAự ủ SA đang thám hiểm sao hỏa 6
Hình 1.7: Robot ph u thuẫ ật Da Vinci 7
Hình 1.8: Robot đầu bếp Suzumo 7
Hình 1.9: Cuộc thi ROBOCON 2018 8
Hình 1.10: Robot hàn trong công nghi p s n xuệ ả ất cơ khí 9
Hình 1.11: Robot ABB đượ ử ục s d ng trong dây chuy n s n xu t linh hoề ả ấ ạt 10
Hình 1.12: Robot đóng gói sản phẩm 10
Hình 1.13: Robot s dử ụng trong công đoạn c p v t li u và lấ ậ ệ ắp ráp 11
Hình 1.14: Scara robot FANUC-SR-3 11
Hình 1.15: Cobra 350 Scara Robot 12
Hình 1.16: Scara Robot palletizer 504 13
Hình 1.17: Mô hình robot Scara của sinh viên đạ ọi h c Nha Trang 13
Hình 1.18: Mô hình robot Scara của sinh viên đạ ọi h c công nghi p Hà N i 15ệ ộ Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ P.I.D điều khiển động cơ DC 17
Hình 2.2: Xác định đặc tính của đặc tính quá trình 21
Hình 2.3: Arduino Mega 22
Hình 2.4: T ng quan ph n c ng c a Arduino Uno R3 23ổ ầ ứ ủ Hình 2.5: Arduino Uno và Arduino Nano 25
Trang 14DANH M C HÌNH NH Ụ Ả
Hình 2.6: Arduino Yun và Arduino ethernet 25
Hình 2.7: Arduino Tre và Arduino Robot 25
Hình 2.8: Ph n mầ ềm Arduino 26
Hình 2.9: Các hàm cơ bản trong Arduino 27
Hình 2.10: Màn hình làm vi c cệ ủa Arduino IDE 27
Hình 2.11: Ch n board và nọ ạp chương trình 28
Hình 2.12: Giao diện Matlab 28
Hình 2.13: C a s làm vi c cử ổ ệ ủa matlab 31
Hình 2.14: C a sử ổ Command History 32
Hình 2.15: C a sử ổ Workspace 32
Hình 2.16: C a sử ổ Variable Editor 33
Hình 2.17: Sơ đồ dây truyền dữ liệu I2C 35
Hình 2.18: Sơ đồ kết nối master-slave 36
Hình 2.19: Điều kiện bắt đầu 36
Hình 2.20: Giao th c truy n nh n d liứ ề ậ ữ ệu 37
Hình 2.21: Điều kiện kết thúc 38
Hình 2.22: Thi t b master g i d liế ị ử ữ ệu đến các slave 38
Hình 2.23: Thi t b slave so sế ị ánh địa chỉ được g i tử ừ master 39
Hình 2.24: Thi t b master g i ho c nh n khung d liế ị ử ặ ậ ữ ệu 39
Hình 2.25: Thi t b slave nh n tín hi u thành công và tr v tín hi u cho master 40ế ị ậ ệ ả ề ệ Hình 2.26: Thi t b master gế ị ửi điều ki n d ng báo hi u cho slave 40ệ ừ ệ Hình 2.27: Thi t b master g i d liế ị ử ữ ệu đến thi t bế ị slave 40
Hình 2.28: Thi t b master nh n d li u t thi t bế ị ậ ữ ệ ừ ế ị slave 41
Hình 3.1: G n h tắ ệ ọa độ cho robot 42
Trang 15DANH M C HÌNH NH Ụ Ả
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang vii
Hình 3.2: Mô hình động học nghịch robot 44
Hình 3.3: B truyộ ền đai răng của robot 46
Hình 3.4: Động cơ DC M555126000 48
Hình 3.5: B n v chi tiả ẽ ết khâu trượt và đế robot Scara 49
Hình 3.6: B n thi t k chi ti t 2 khâu quay robot Scara 50ả ế ế ế Hỉnh 3.7: B n v chi ti t khâu tay gả ẽ ế ắp robot Scara 51
Hình 3.8: B n v t ng thả ẽ ổ ể mô hình robot 52
Hình 3.9: B vít-ộ me đạ ốc 53i Hình 3.10: Thanh trượt sắt dài 30cm 53
Hình 3.11: B truyộ ền đai của robot 53
Hình 3.12: Bạc đạn đỡ ục KFL08 54 tr Hình 3.13: Ổ bi trượt 54
Hình 3.14: Ốc vít 54
Hình 3.15: Bộ đầu k p giẹ ữ lưỡ ắt 55i c Hình 3.16: Thanh ren inox 55
Hình 3.17: T m sấ ắt tròn 55
Hình 3.18: Đế robot Scara 56
Hình 3.19: Ph n tầ ấm trượ ịt t nh ti n cho robot Scara 56ế Hình 3.20: Tay gắp robot Scara 57
Hình 3.21: Hai khâu quay của robot Scara 57
Hình 3.22: Khâu trượt và đế robot Scara 58
Hình 3.23: Mô hình cơ khí hoàn thiện của robot Scara 58
Hình 3.24: Lưu đồ giải thuật điều khiển robot Scara 59
Hình 3.25: Sơ đồ kết nối mạch điện hệ thống 60
Trang 16DANH M C HÌNH NH Ụ Ả
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang viii
Hình 3.26: Sơ đồ chân Arduino Uno 61
Hình 3.27: Các chân năng lượng 63
Hình 3.28: Chân vào ra tín hiệu 63
Hình 3.29: Sơ đồ chân Arduino Nano 64
Hình 3.30: Module L298N 67
Hình 3.31: Ngu n tồ ổ ong 12V-10A 68
Hình 3.32: Động cơ Servo MG995 69
Hình 3.33: Công t c hành trình Hanyoung HY-L707 70ắ Hình 3.34: C a s làm vi c guide quick start 73ử ổ ệ Hình 3.35: Giao diện guide 74
Hình 3.36: C a sử ổ Inspector 75
Hình 3.37: Cách l p trình trên file.fig 75ậ Hình 3.38: Cách tạo file.m 76
Hình 3.39: Giao diện người dùng điều khiển robot Scara 76
Hình 4.1: Mô hình hóa robot Scara trên Matlab Simulink 78
Hình 4.2: Mô hình 3D khi mô phỏng trên Matlab 78
Hình 4.3: K t qu ch y mô ph ng v trí khâu th nhế ả ạ ỏ ị ứ ất robot 79
Hình 4.4: K t qu ch y mô ph ng v trí khâu thế ả ạ ỏ ị ứ hai robot 79
Hình 4.5: K t qu ch y mô ph ng v trí khâu thế ả ạ ỏ ị ứ hai robot 80
Hình 4.6: K t qu ch y th c nghi m PID trên khâu 1 81ế ả ạ ự ệ Hình 4.7: K t qu ch y th c nghi m PID trên khâu 2 81ế ả ạ ự ệ Hình 4.8: K t qu ch y th c nghi m PID trên khâu 3 82ế ả ạ ự ệ Hình 4.9: K t qu ch y mô ph ng ng h c trên thu n giao diế ả ạ ỏ độ ọ ậ ện GUI 82
Hình 4.10: K t qu ch y mô phế ả ạ ỏng động h c thu n th c tọ ậ ự ế 83
Trang 17DANH M C HÌNH NH Ụ Ả
Hình 4.11: K t qu mô phế ả ỏng động h c ngh ch trên giao diọ ị ện GUI 83
Hình 4.12: K t qu ch y mô phế ả ạ ỏng động h c ngh ch th c tọ ị ự ế 84
Hình 4.13: Ch y th nghiạ ử ệm khâu trượt robot Scara 84
Hình 4.14: Ch y th nghi m khâu quay th 1 robot Scara 85ạ ử ệ ứ Hình 4.15: Ch y th nghi m khâu quay th 2 robot Scara 85ạ ử ệ ứ Hình 4.16: Ch y th c t theo chu trình g p 1 vạ ự ế ắ ật 86
Hình 4.17: Ch y th c t theo chu trình th 1 vạ ự ế ả ật 86
Hình 4.18: Ch y th c t theo chu trình g p 3 vạ ự ế ắ ật 87
Hình 4.19: Ch y th c t theo chu trình th 3 vạ ự ế ả ật 87
Trang 18LỜI NÓI ĐẦU
LỜI NÓI ĐẦU Theo quá trình phát tri n c a xã h i, nhu c u nâng cao s n xu t và chể ủ ộ ầ ả ấ ất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏ ứi ng d ng rụ ộng rãi các phương tiện tự động hóa s n ảxuất Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình thành và phát tri n m nh m , vì th nể ạ ẽ ế gày càng tăng nhanh nhu cầ ứu ng d ng ụrobot t o ra các h s n xu t tđể ạ ệ ả ấ ự động linh ho t Robot ng d ng rạ ứ ụ ộng rãi và đóng vai trò quan tr ng trong s n xuọ ả ất cũng như trong đờ ối s ng Robot là ccơ ấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng c thông qua các truyụ ền động đượ ập trình trước l c Robot có thể thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cánh thông minh Robot có cánh tay với nhiều b c tậ ự do và có th th c hiể ự ện được các chuyển động như tay người và điều khiển được bằng máy tính ho c có thặ ể điều khi n bể ằng chương trình
Hiện nay vi c áp d ng các ệ ụ ứng d ng c a robot ngày càng tr nên ph bi n, t ụ ủ ở ổ ế ừnhững cái đơn giản như: đếm sản phẩm dây chuyền sản xuất, điều khiển động cơ điện một chiều đến những ng dụng ph c tứ ứ ạp như điều khiển robot, hệ th ng kiểm ốsoát Vì th là m t kế ộ ỹ sư trong tương lai, em đã nắm bắt được thị hiếu này và tìm hiểu, nghiên cứu để ế ớ ti n t i công ngh cao, xây d ng nên mệ ự ột giai đoạn m i, phát ớtriển m i cho b n thân cho xã h i Vớ ả ộ ới đề tài tài “thiết k và ch t o mô hình robot ế ế ạScara phân lo i s n phạ ả ẩm” nhóm tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hi u và tính toán trong bài luể ận văn này sẽ là bước đệm quan tr ng cho ọviệc phát tri n nhiể ều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán và thi t k ế ếcác lo i robot công nghi p ạ ệ
Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng do vốn kiến thức còn hạn chế cũng như thời gian còn h n ch nên s không tránh kh i nh ng sai sót và khuyạ ế ẽ ỏ ữ ết điểm trong quá trình tính toán cũng như thi công công mô hình, rất mong được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quí thầy cô cũng như các bạn!
Trang 69CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾT ROBOT SCARA
Bản thi t k 3D t ng th mô hình robot: ế ế ổ ể
Hình 3.8: B n v t ng th mô hình robot ả ẽ ổ ể
khâu t rượ t robot
Hai khâu xoay robot
Khâu tay gắp robot
Đế robot