Các quá trình sản xuất sử dụng quá nhiều lao động sống rất dễ mất ổn định về giờ giấc, về chất lượng gia công và năng suất lao động, gây khó khăn cho việc điều hành và quản lý sản xuất..
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT - CÔNG NGHIỆP
KHOA CƠ KHÍ
BÁO CÁO TỔNG KẾT MÔN CƠ SỞ THIẾT
KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
NHÓM 8
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay Robot 4 bậc tự do chạy bằng động cơ servo
Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Tiến Dũng
Thành viên: Mai Văn Phúc
Đỗ Quốc Đạt
Trần Ngọc Thành
Nguyễn Tuấn Minh
Nam Định - Năm: 2023-2024
Trang 2BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT - CÔNG NGHIỆP
KHOA CƠ KHÍ
Họ và tên sinh viên:
TÊN ĐỀ TÀI : Thiết kế và chế tạo cánh tay Robot 4 bậc tự
do chạy bằng động cơ servo
Chuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật cơ điện tử
Đồ án môn học : Cơ sở thiết kế hệ thống cơ điện tử
Người hướng dẫn : Nguyễn Tiến Dũng
Nam Định - Năm: 2023- 2024
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tự động hóa ngày càng đóng một vai trò quan trọng Với tốc độ phát triển như hiện nay chúng ta không chỉ cần một lượng lao động khổng lồ mà còn đòi hỏi có trình độ, chất lượng tay nghề, kỹ thuật lao động và thiết bị sảnxuất Mức độ phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng cao thì vấn đề
tự động hoá ngày càng được chú trọng Tự động hóa các quá trình sản xuất cho phép cải thiện điều kiện sản xuất Các quá trình sản xuất sử dụng quá nhiều lao động sống rất dễ mất ổn định về giờ giấc, về chất lượng gia công và năng suất lao động, gây khó khăn cho việc điều hành
và quản lý sản xuất Các quá trình sản xuất tự động cho phép loại bỏ các nhược điểm trên Đồng thời tự động hóa đã thay đổi tính chất lao động, cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, nhất là trong các khâu độc hại, nặng nhọc, có tính lặp đi lặp lại nhàm chán, khắc phục dần sự khác nhau giữa lao động trí óc và lao động chân tay
Do vậy, ứng dụng robot vào sản xuất là tính tất yếu của quá trình tự động hóa Việc áp dụng các cánh tay robot vào dây chuyền sản xuất ngày càng phổ biến Trước thực tế đó, nhóm em quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay Robot 4 bậc tự do chạy bằng động cơ servo ”.
Trong thời gian làm đồ án, được sự chỉ bảo tận tình của thầy ThS Nguyễn Tiến Dũng cùng với sự cố gắng của các thành viên nhóm đến
nay đồ án đã hoàn thành Tuy nhiên với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm, kĩ năng còn thiếu, mặc dù có nhiều cố gắng song nhóm em vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung, hoàn thiện Kính mong các thầy cô thông cảm và góp ý để đề tài của nhóm em hoàn thiện hơn và có thể pháttriển, ứng dụng trong thời gian sắp tới
Nhóm em xin chân thành cảm ơn!
Nam Định, ngày 5 tháng 6 năm 2024 CÁC THÀNH VIÊN
Trang 4MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 2
MỤC LỤC 3
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vii
MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2
1.1 Bối cảnh thực hiện đề tài 2
1.2 Mục tiêu 4
Chương 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ 5
2.1 Thiết kế cánh tay robot 5
2.1.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc cánh tay 5
2.1.2 Thông số kích thước của cánh tay Robot 6
2.1.3 Tính toán động học 7
2.1.4 Thiết kế các bộ phận của cánh tay 10
2.1.5 Thiết kế 3D cho cánh tay robot 4 bậc tự do 12
2.2 Thiết kế băng tải 13
2.3 Mô hình tổng quan hệ thống 17
Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 18
3.1 Sơ đồ khối 18
3.2 Các thành phần chính và chức năng 19
3.2.1 Arduino Nano 19
3.2.2 Driver A4988 20
3.2.3 Servo Sg90 20
3.2.4 Cảm biến quang 21
3.2.5 Module giảm áp Lm 2596 22
3.2.6 Công tắc hành trình 23
3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 24
Chương 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 25
4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 25
4.2 LabVIEW và xử lý ảnh dùng LabVIEW 26
4.2.1 Giới thiệu LabVIEW 26
4.2.2 Ngôn ngữ lập trình LabVIEW 27
4.2.3 Quá trình xử lý ảnh trên LabVIEW 35
Chương 5: KẾT LUẬN 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO 40
PHỤ LỤC 41
Trang 5DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Bảng 2.1: Bảng thông số DH của cánh tay robot 8
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của Arduino nano 19
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của A4988 20
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật động cơ servo Sg90 21
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của Lm 2596 23
Hình 1.1 : Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi 2
Hình 1.2: Robot phun thuốc sinh học 3
Hình 1.3: Sơ đồ khối của hệ thống 4
Hình 2.1: Cánh tay robot tọa độ cầu 5
Hình 2.2: Cơ cấu robot 4 bậc tự do 6
Hình 2.3: Thông số kích thước của cánh tay robot 7
Hình 2.4: Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot 7
Hình 2.5: Bánh răng truyền động 11
Hình 2.6: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E 12
Hình 2.7: Mô hình 3D cánh tay robot 12
Hình 2.8: Cánh tay robot sau khi thiết kế 13
Hình 2.9: Nhôm định hình 13
Hình 2.10: Ke góc nhôm định hình 14
Hình 2.11: Kích thước của băng tải 14
Hình 2.12: Mô hình 3D khung nhôm băng tải 15
Hình 2.13: Gá động cơ 15
Hình 2.14: Ổ 16
Hình 2.15: Bộ căng đai 16
Hình 2.16: Mô hình sau khi thiết kế 17
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 18
Hình 3.2: Arduino nano 19
Hình 3.3: Sơ đồ chân driver A4988 20
Hình 3.4: Động cơ servo Sg90 21
Hình 3.5: Cảm biến quang 22
Hình 3.6: Module giảm áp Lm 2596 22
Hình 3.7: Công tắc hành trình 23
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 24
Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán 25
Hình 4.2 Hộp thoại khởi động 27
Hình 4.3: Cách thức thiết lập cho vòng lặp While 28
Hình 4.4: Vòng lặp For 28
Hình 4.5: Cấu trúc Case 29
Hình 4.6: Hai cách thể hiện của cấu trúc chuỗi 29
Hình 4.7: Đoạn chương trình y=x2+x+1 viết theo hai cách 30
Hình 4.8: Địa chỉ truy cập các hàm Vision 31
Hình 4.9: Thư viện thiết bị NI-IMAQdx 31
Hình 4.10: Thư viện tiện ích 32
Trang 6Hình 4.11: Thư viện quản lý ảnh 32
Hình 4.12: Thư viện quản lý tập tin 33
Hình 4.13: Thư viện tiện ích màu 33
Hình 4.14: Thư viện xử lý ảnh 34
Hình 4.15: Thư viện thị giác máy 34
Hình 4.16: Lưu đồ thuật tuán xử lý ảnh 35
Hình 4.17: Kết quả nhận diện hình tròn 36
Hình 4.18: Kết quả nhận diện hình vuông 36
Hình 4 19: Kết quản nhận diện hình lục giác 37
Trang 7Để có thể xây dựng được đề tài ta cần phải nắm rŒ được cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích, tính toán động học, động học nghịch
và kỹ thuật xử lý ảnh, đồng thời với các kiến thức liên quan đến tính toán thiết kế cơ khí, mạch điều khiển, lập trình vi điều khiển cũng như công nghệ máy tính mới có thể đưa những lý thuyết cốt lŒi thành mô hình thực tế đáp ứng được các nguyên lý hoạt động đề ra
Trang 8Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Bối cảnh thực hiện đề tài
Theo ước tính của Liên đoàn robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có khoảng 50% số lượng robot được sử dụng tại châu Á (trong đó Nhật Bản chiếm 30%), 32% ở châu Âu, 16% ở Bắc Mỹ, 1% ở Australia
và 1% ở châu Phi
Trong đó, robot được sử dụng trong các ngành chế tạo ôtô chiếm 33,2%, ngành điện-điện tử 9,9%, ngành hoá chất + cao su + nhựa chiếm 9,4%, ngành chế tạo máy 4,3%, ngành điện tử viễn thông chiếm 2,5%, sản xuất metal chiếm 3,7%, ngành sản xuất gỗ 2,5%, và các ngành khác
Ngày nay, đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hóa cao, mức độ linh hoạt cao Ở đây các máy robot công nghiệp được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình
Trang 9Hình 1.1 : Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi
Ngoài các phân xưởng nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụngtrong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụngtrong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên
tử, trong các lĩnh vực xã hội
Hình 1.2: Robot phun thuốc sinh học
RŒ ràng khẳ năng của robot trong một số điều kiện vượt hơn khẳnăng của con người, do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hóa,nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những côngviệc nặng nhọc và độc hại Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linhhoạt như con người Trong dây chuyền sản xuất tự động, nếu có một
Trang 10robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nênrobot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người.
Ngày nay, Việt Nam đang là một nước công nghiệp hóa, vì vậy việc sử dụng robot trong công nghiệp là rất cần thiết để nâng cao năng suất lao động, giảm thiểu được công người và có độ chính xác cao Hiểu được tầm quan trọng của robot trong đời sống hiện nay, nên nhóm sinh viên chúng em sẽ thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo cánh tay Robot 4 bậc
tự do chạy bằng động cơ servo”với mục tiêu sẽ xây dựng lên một mô hình minh họa được cách hoạt động của một cánh tay robot trong việc phân loại sản phẩm kết hợp với phương thức xử lý ảnh trên băng tải Đây là một đề tài thiết thực vì hiện nay việc ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp để thay thế cho các cảm biến thông thường là rất quan trọngbởi độ chính xác cao hơn, phản hồi tốt, ít nhiễu và dễ dàng lập trình Ngoài ra việc vận chuyển sản phẩm trên băng chuyền cũng mang lại những lợi ích như:
- Giảm thiểu sức người lao động
- Đạt được năng suất cao, hoạt động trong một thời gian dài
1.2 Mục tiêu
Trang 11Chương 2: Phân tích và thiết kế
2.1 Sơ đồ nguyên lý
2.2 Nguyên lý hoạt động
2.3 Sơ đồ mạch in
2.4 Linh kiện sản phẩm
Linh kiện bao gồm:
- 01 Bộ khung cánh tay robot arm 4dof: chất liệu nhựa Acrylic
- 01 board Arduino Uno R3 SMD + cáp kết nối
- 01 Shield mở rộng đa năng (Sensor Shield V5)
- 01 module thu bluetooth (HC-06)
Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện
tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất (lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led…)
Trang 132.4.2 Sensor Shield V5
Arduino Sensor Shield V5.0 được sử dụng với Arduino Uno hoặc
các phiên bản Arduino có cùng kiểu chân và kích thước như Arduino Uno, có tính năng như một đế ra chân các chuẩn giao tiếp Digital, Analog, UART, I2C, LCD,… giúp bạn dễ dàng kết nối các module, cảmbiến để thực hiện nhiều chức năng khác nhau
Chức năng cơ bản của module là thiết lập giao tiếp khoảng cách ngắngiữa hai bộ vi điều khiển và hệ thống Module Bluetooth chủ yếu chỉ sử dụng với Arduino / vi điều khiển trong các dự án đang phát triển vì module này có các giao tiếp dữ liệu qua công nghệ Bluetooth hiện đại Module chỉ thực hiện các chức năng của slave và Module có phương thức lưu trữ dữ liệu bên trong để thiết bị slave cuối cùng kết nối mà không cần bất kỳ sự cho phép hoặc xác minh nào Tự động kết nối và các phương pháp khác có thể thay đổi bằng cách sử dụng chế độ dòng lệnh cho HC06
Trang 14Hình 2.3 Module HC-06 2.4.3.2 Thông số kỹ thuật module HC-06
2.4.3.3 Sơ đồ chân HC-06
Hình 2.4 Sơ đồ chân HC-06
Trang 151 VCC: Module HC06 có một chân nguồn duy nhất, kết nối + 5V để cấp nguồn cho thiết bị.
2 GND: Chân GND là chân nối đất chung
3 TX: Giao thức giao tiếp trong thiết bị là UART và chân TX là để gửi dữ liệu
4 RX: Chân nhận dữ liệu trong giao tiếp UART với các thiết bị bên ngoài như Arduino hoặc vi điều khiển
2.4.4 Động cơ servo (SG90)
2.4.4.1 Khái niệm
Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác Động
cơ servo kết hợp cùng với cặp bánh răng giúp điều khiển góc quay của
cơ cấu chấp hành theo ý muốn
Động cơ Servo Sg90 là động phổ biến dùng trong các mô hình điều khiển nhỏ và đơn giản như cánh tay robot Động cơ có tốc độ phản ứng nhanh, được tích hợp sẵn Driver Điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM
Động cơ Servo là động cơ tốc độ thấp, mô-men xoắn cao với nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau Không giống như động cơ DC và động
cơ bước, động cơ Servo thường không quay tròn đủ 360 độ Thay vào đó
nó được giới hạn trong một phạm vi 180, 270 hoặc 90 độ
Khác với động cơ thông thường ta chỉ cần cấp nguồn cho động cơ là
có thể vận hành được Động cơ servo yêu cầu ta phải cấp nguồn (2 dây)
và nhận điều khiển từ mạch chính (1 dây), mỗi dây thường được đánh màu như sau:
1 Đỏ: nhận điện nguồn, tuỳ vào loại động cơ mà giá trị này có thể khác nhau
Trang 162 Đen/Nâu: nối với cực âm của mạch
3 Vàng/Cam: nhận tín hiệu từ mạch điều khiển
Hình 2.5 Động cơ servo (SG90) 2.4.4.2 Bảng thông số kỹ thuật Servo SG90
2.4.4.3 Sơ đồ đấu nối servo vs arduino
Trang 172.4.5 Quá trình lắp đặt
Bước 1: Lắp tấm đế cánh tay
Bước 2: Lắp Servo đế
Trang 18Sau khi khối đế lắp vào tấm đế ta được hình sau:
Bước 3: Lắp phần giá quay khối đế di động cánh tay
Trang 19Bước 4: Dùng vít, lắp phần đế di động vào SERVO đế
Bước 5: Lắp phần servo phía trái cánh tay
Trang 20Bước 6: Lắp phần servo phía phải cánh tay
Trang 21Bước 7: Lắp phần giữa khối đế
Trang 22Bước 8: Kết nối các phần của khối đế quay
Bước 9: Lắp phần thân cánh tay
Trang 23Bước 10: Lắp đặt cánh tay phần thân nhỏ
Trang 24Bước 11: Lắp đặt mỏ kẹp
Trang 25Bước 12: Lắp càng kẹp vào thân cánh tay
Trang 26Chương 4 Kết Luận
▪ Kết quả:
- Hệ thống sát với những mục đích, yêu cầu đặt ra ở đầu báo cáo
- Thiết kế chế tạo thành công mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do
▪ Nhược điểm:
- Mô hình robot này sử dụng động cơ bước nên đây là hệ điều khiểnvòng hở có độ chính xác thấp, không thể phục hồi vị trí khi bị sai lệch
- Khung robot bằng nhựa nên độ cứng vững kém, làm hạn chế tốc
độ và giảm độ chính xác của robot
▪ Hướng phát triển đề tài:
▪ Thiết kế chế tạo các chi tiết cánh tay bằng kim loại để tăng độ cứng vững
▪ Thay đổi loại động cơ để điều khiển vòng kín
▪ Tạo giao diện điều khiển trên Raspberry Pi, kết nối mạng internet
▪ Thêm băng tải để gắp vật thể.
Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian ngắn nên nhóm chỉ thiết kếchế tạo được mô hình cánh tay robot Tuy không thể áp dụng vào thực
tế sản xuất nhưng mô hình này có thể giúp cho việc học tập dễ dàngtrực quan hơn, hiểu rŒ hơn về cách thức hoạt động và khả năng ứngdụng Robot công nghiệp
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] GS TSKH.Nguyễn Thiện Phúc, “Robot công nghiệp”, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật [2]TS Lê Hoài Quốc, “Kỹ thuật người máy và Robot công nghiệp”, NXB ĐH Quốc gia Tp.HCM
Trang 27[3] PGS TS Lê Cung, Truyền Động Cơ Khí, Trường đại học bách khoa Đà Nẵng [4] Nguyễn Trọng Hiệp - Nguyễn Văn Lẫm, Thiết kế chi tiết máy - tập 1, NXB Giáo dục.
[5] Nguyễn Trọng Hiệp - Nguyễn Văn Lẫm, Thiết kế chi tiết máy - tập 2, NXB Giáo [6] Hoàng Minh Công, Giáo trình cảm biến công nghiệp, NXB Xây dựng.
[7] Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí – tập 1, NXB Giáo dục.
[8] Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí – tập 2, NXB Giáo dục.
[9] TS Đặng Phước Vinh – TS VŒ Như Thành, Kỹ thuật lập trình vi điều khiển PIC, NXB Xây dựng năm 2018.
TS Nguyễn Bá Hải, Lập trình LabVIEW, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh năm 2010
int servo1Pos, (servo2Pos, (servo3Pos, (servo4Pos; ( ( ( ( ( ( ( ( (
int servo1PPos, servo2PPos, servo3PPos, servo4PPos; ( ( ( ( ( ( ( ( (
int servo1SP [50], servo2SP [50], servo3SP [50], servo4SP [50]; ( ( ( ( (
int speedDelay = 20;
