Đồng thời tạo cho nhóm em hình dung chân thực nhất về công việc sẽ gắn bó với mình sau này.Về mặt kiến thức, nhóm em đã trau dồi một lượng kiến thức đáng kể về ngành điều khiển và tự độn
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Thiết kế và xây dựng mô hình
11Equation Section 1Mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do được thiết kế trên phần mềm SolidWorks như hình sau:
Hình 1 1 Mô hình Robot 3 bậc tự do
1.1.1 Thiết kế link 0 (Base) robot
Hình 1 2 Link base của Robot
Thiết bị sử dụng trong mô hình
Bảng 1 1 Thiết bị sử dụng trong mô hình
Stt Tên thiết bị Hình ảnh
TÍNH TOÁN VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘNG HỌC
Tính toán động học thuận
22Equation Section (Next)Các bước tính toán động học thuận của cánh tay robot 3 bậc tự do được trình bày như sau:
2.1.1 Đặt trục toạ độ cho hệ cánh tay robot
Hình 2.1: Đặt hệ trục tạo độ cho Robot Bảng 1 2 Bảng thông số vật lí
L1 = 115.16 mm Khoảng cách từ đế đến hệ trục tọa độ 1 theo trục Z L2 = 248.96 mm Khoảng cách từ đế đến hệ trục tọa độ 1 theo trục X
L3= 160.69 mm Khoảng cách từ hệ trục thứ 1 đến hệ trục thứ 2 theo trục Z
L4= 146.45 mm Khoảng cách từ hệ trục thứ 3 đến hệ trục thứ 4 theo trục Z d1= 15.43 mm Độ lệch của khớp 0 so với khớp 4 theo trục z 1
Trong đó: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 hai trục 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 x i và x i 1 là góc khớp được xác định bằng góc lệch giữa hai khâu liền kề.
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 cos( ) sin( )cos( ) sin( )sin( ) cos( ) sin( ) cos( )cos( ) cos( )sin( ) sin( )
+ Ma trận chuyển đổi từ hệ 0 sang hệ 1:
2 cos( ) 0 sin( ) cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( )
+ Ma trận chuyển đổi từ hệ 1 sang hệ 2:
1 2 cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( )
+ Ma trận chuyển đổi từ hệ 2 sang hệ 3:
1 cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( )
Ma trận chuyển đổi tổng quát từ hệ thế 0 sang hệ thứ 3 như sau:
727\* MERGEFORMAT (.) Đặt các biến như sau: c 1 cos 1
Tọa độ vị trí cơ cấu cuối:
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 pháp đại số để giải Các bước thực hiện được trình bày dưới đây:
Chọn hướng của end effector là nên ta có:
Ta nhân các ma trận chuyển đổi như sau:
Ta có được kết quả như sau:
Ta đồng nhất hai ma trận:
Từ phương trình 3 trong 214 ta có:
Ta tìm được 1 như sau:
Dựa vào phương trình số (1) và (2) của công thức số 214, ta có:
Nên ta tính được 2 như sau:
Kiểm chứng động học trên Matlab Simulink
Hình 2.2: Kiểm chứng động học trên Matlab Simulink
Ta đưa các giá trị đặt là các góc ban đầu vào hệ thống qua Forward Kinematic sẽ tính toán ra vị trí đầu cuối của Robot rồi ta đưa vào động học nghịch để tính toán đưa ra các góc xoay theo từng khớp của Robot Từ hình trên ta nói rằng phương trình động học của ta tính toán đã đúng và ta có tới tận 2 bộ nghiệm cho hệ phương trình với hướng của vị trí đầu cuối Robot là -90 độ.
Hình 2.3: Phương trình toán động học thuận
Hình 2.4: Phương trình toán động học nghịch cho Robot
Chương trình và giao diện điều khiển
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 Trong đó khối giao diện có chức năng tuỳ chỉnh các thông số robot và các tuỳ chọn 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 cung cấp điều khiển từng step motor. Từng động cơ step sẽ gắn vào mạch Arduino CNC Shield V3 nhận tín hiệu trả về từ Arduino và thực hiện chuyển động trong robot.
Hình 3 1 Sơ đồ khối điều khiển cánh tay Robot
Thiết kế giao diện
Giao diện chính gồm 1 nút nhấn “Close”, có chức năng thoát khỏi chương trình Bên cạnh đó, giao diện điều khiển thể hiện đầy đủ tên Giáo viên hướng dẫn, tên các sinh viên thực hiện đề tài và Logo của nhà trường.
Hình 3 3 Giao diện hiển thị thông số để vận hành Robot
Nhằm hướng tới sự đơn giản và dễ dàng điều khiển đối với người vận hành cũng như người dùng, nhóm thiết kế giao diện điều khiển rất đơn giản nhưng vẫn đầy đủ các thông tin để điều khiển và vận hành một Robot.
Giao diện điều khiển được chia thành 4 phần chính:
Phần thứ 1: “COM PORT” tại Groupbox này sẽ bao gồm những nội dung khi kết nối Arduino với máy tính, gồm 2 nút nhấn “CONNECT” và “STOP”, cho phép người sử dụng kết nối cũng như ngắt kết nối giữa Arduino và máy tính. Nút nhấn “NHÀ” sẽ setup cho robot về vị trí Home mà nhóm đã thiết lập. Phần thứ 2: Thông tin về nhóm, gồm tên nhóm và các thành viên tham gia thực hiện đồ án.
Phần thứ 3: “FORWARD KINEMATIC” đây là groupbox để tính toán và giải động học thuận của robot, bao gồm 3 thanh TrackBar, cho phép người sử dụng kéo và nhập các góc của robot Nút nhấn “CACULATE FK” có chức năng giải động học thuận và đưa ra các giá trị vị trí của robot tại các Textbox Px, Py, Pz bên cạnh Nút nhấn “COPY” cho phép người dùng sao chép giá trị vị trí của robot và dán vào các Textbox ở phần động học nghịch.
Phần thứ 4: “INVERSE KINEMATIC” đây là Groupbox để tính toán và giải động học thuận của robot, các Textbox Px, Py, Pz có thể được nhập từ động học thuận hoặc ta có thể dễ dàng sao chép giá trị bằng cách nhấn nút “COPY” Sau khi có các giá trị vị trí của robot, ta sẽ nhấn nút “CACULATE IK”, nút này sẽ giải động học nghịch của robot, sau đó sẽ đưa ra giá trị các góc theta từ 1 tới 3 tương ứng với vị trí mà giá trị chúng ta đã nhập.