nghiên cứu, thiết kế Robot 3 bậc tự do tọa độ cầu

Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, từ sự hưcấu của khoa học viễn tưởng robot dần dần được giới kĩ thuật hình dung như nhữngchiếc máy đặc biệt được co

MỤC LỤC

NG IGIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung

Năm 1921 từ Robot xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rossum’s Universal

Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek Trong vở kịch này ông dùng từ “Robot” biến thể của từ gốc slavo “Rabota” để gọi một thiết bị lao công do con người tạo ra (nhân vật Rossum)

Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là mộtchiếc máy tự động, mang diện mạo của con người được điều khiển bằng một hệ thầnkinh khả trình Positron, do chính con người lập trình Asimov cũng đặt tên cho ngànhnghiên cứu về robot là robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:

- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người

- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra Các quytắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất

- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hainguyên tắc trước

Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, từ sự hưcấu của khoa học viễn tưởng robot dần dần được giới kĩ thuật hình dung như nhữngchiếc máy đặc biệt được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chínhmình, dùng để thay thế con người trong một số công việc nhất định Để hoàn thànhnhiệm vụ đó robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường

và tiến hành các hoạt động tương tự con người

Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm: cơ cấuvận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc Việc thiết kế và chế tạo hệthống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơkhí Chức năng cảm nhận gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng tháicủa bản thân hệ thống do các cảm biến và các thiết bị liên quan thực hiện, được gọi là

hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến

Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tựđiều chỉnh hành vi của mình và hoạt động đúng theo chức năng quy định trong điều

kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển Xây dựng các hệthống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin.

Hình 1.1 Một số hình ảnh về robot công nghiệp

Robot sử dụng trong công nghiệp đòi hỏi tính linh hoạt, hoạt động nhanh, tinh vi

và chuẩn xác, có khả năng thay thế con người hoạt động trong môi trường nguy hiểm,độc hại Robot 3 bậc tự do tọa độ cầu là một robot linh hoạt, chính xác, có tính ứngdụng trong các dây chuyền công nghiệp, có thể được phát triển để ứng dụng vào việclắp ráp các sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

1.2 Các vấn đề đặt ra

Với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế Robot 3 bậc tự do tọa độ cầu” yêu cầu:

- Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí chính xác, đảm bảo hệ thống hoạt độngchắc chắn, chạy êm, cơ cấu di chuyển tới vị trí mong muốn

- Giải quyết bài toán động học và động lực học làm cơ sở để điều khiển robot

- Sử dụng phần mềm matlab để tính toán, mô phỏng robot

- Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot: mạch điều khiển, mạch công suất

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Trong một hệ thống cơ điện tử, phương pháp thiết kế có ý nghĩa rất quan trọng,mang tính tổng quát, tiên phong Để hoàn thành đề tài, nhiều kiến thức chuyên ngành

cơ điện tử và kiến thức liên ngành đã được áp dụng trong các hệ thống cơ khí, điện tử,công nghệ thông tin, điều khiển hệ thống

1.4 Phạm vi giới hạn của đề tài

Đây là một đề tài rộng và có nhiều ứng dụng trong thực tế, trên thị trường có rấtnhiều sản phẩm hoàn thiện về cả chất lượng và thẩm mỹ Tuy nhiên với những giớihạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn với những tính năng sau:

- Kết cấu cơ khí:

Robot có ba bậc tự do

Robot có không gian làm việc: (x,y,z) = (475 mm, 475 mm, 715 mm)

- Độ phân giải điều khiển tại các khớp:

Khớp 1: 1 phút

Khớp 2: 1 phút

Khớp 3: 1 phút

- Robot có thể điều khiển theo góc và theo vị trí

- Xây dựng bộ phần mềm giải quyết bài toán động học thuận, động học ngược,bài toán thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp

- Xây dựng phần mềm điều khiển robot trên máy tính bằng phương pháp dạyhọc

CHƯƠNG IITỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Tổng quan về robot công nghiệp

Robot công nghiệp có thể được hiểu là máy tự động linh hoạt thay thế từng phầnhoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khảnăng thích nghi khác nhau Là thiết bị có thể thao tác với nhiều bậc tự do, được điềukhiển nhờ các chương trình đã được lập trình sẵn và có khả năng lập trình lại được.Robot có thể thực hiện nhiều công việc thay cho con người với độ chính xác và tincậy cao Ngày nay với nhiều ưu điểm, robot công nghiệp đã trở thành thiết bị tự đônghóa không thể thiếu cho các hệ thống sản xuất linh hoạt Robot công nghiệp góp phầnnâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng vàkhả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện lao động Đạt được các mụctiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như: làm việc không mệt mỏi,linh hoạt trong việc chuyển đổi các chức năng giữa các dây chuyền khác nhau, chịuđược phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “Cảm nhận” được từtrường và “Nghe” được cả siêu âm… Robot được dùng thay thế con người trong cáctrường hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu,

dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong côngnghệ đúc, hàn, cắt, kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp rápsản phẩm… Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động nếu robot vì một lý do nào đó màngừng hoạt động thì sẽ làm ảnh hưởng đến hoạt động của toàn bộ dây chuyền Vì vậy,trong quá trình hoạt động của robot vẫn cần có sự giám sát của con người

2.2 Cấu trúc cơ bản và phân loại Robot công nghiệp

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp

Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay và tịnh tiến mà taymáy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặpcủa robot kiểu tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ góc(phỏng sinh)…

- Tay máy Robot công nghiệp: được ví như phần khung xương và cơ bắpcủa

robot

Robot có cứng vững hay không, có tải trọng lớn hay không, có làm việc chínhxác hay không phụ thuộc phần lớn kết cấu của tay máy tobot công nghiệp.

Hình 2.1 Cấu trúc chung của Robot công nghiệp

- Hệ thống cảm biến: được ví như giác quan của Robot, giúp đo đạc cácthông số về trạng thái bản thân robot: vị trí, tốc độ, gia tốc… cũng nhưcác thông số của môi trường: nhiệt độ, lực, momen…

- Cơ cấu chấp hành: Tạo chuyển động cho các khâu của tay máy, nguồnđộng lực của các cơ cấu chấp hành là các loại động cơ như: điện, thủylực, khí nén, hoặc sự kết hợp giữa chúng

- Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển được ví như não bộ của robot

Hệ thống điều khiển đưa ra các lệnh điều khiển cho tay máy robot côngnghiệp, đọc các dữ liệu từ hệ thống cảm biến để so sánh với dữ liệu sẵn

có, tính toán và đưa ra lệnh điều khiển tay máy

- Giao diện người – Robot: Thường là những phần mềm chuyên dụng, điềukhiển trên máy tính hoặc các tay cầm điều khiển

Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay và tịnh tiến mà taymáy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp

hệ thốngTruyền động cơ khí

của robot là robot kiểu toạn độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệtọa độ góc (phỏng sinh)…

2.2.2 Phân loại robot công nghiệp

a) Phân loại hình dạng hình học và không gian hoạt động

Robot kiểu tọa độ đề các

Hình 2.2 Robot kiểu tọa độ Đề Các

Robot kiểu tọa độ trụ

Hình 2.3 Robot kiểu tọa độ trụ

Robot kiểu tọa độ cầu

Hình 2.4 Robot kiểu tọa độ cầu

Robot kiểu tọa độ Scara

Hình 2.5 Robot kiểu SCARA

b) Phân loại theo phương pháp điều khiển

Theo phương pháp điều khiển robot công nghiệp được phân ra làm 2 loại: điều khiển theo mạch hở và điều khiển theo vòng kín

- Điều khiển theo mạch hở:

Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở

Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môitrường làm việc của tay máy robot công nghiệp Do đó, độ chính xác không cao,phương pháp điều khiển này tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong nhữngtrường hợp không đòi hỏi cao về độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hànghóa… Động cơ được sử dụng trên tay máy robot thường là động cơ bước, động cơđiện thông thường không phản hồi

- Điều khiển theo vòng kín:

Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín

Khác với phương pháp điều khiển theo mạch hở, ở phương pháp điều khiển theovòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường mà taymáy tương tác Do đó, điều khiển tay máy robot công nghiệp sẽ chính xác hơn So vớiphương pháp điều khiển theo mạch hở, phương pháp này phức tạp hơn do phải trang

bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái của tay máy như: vị trí, vận tốc, giatốc, momen… và các thông số môi trường làm việc

Với ưu điểm như vậy nên phương pháp điều khiển theo vòng kín ngày càngđược sử dụng nhiều trên các tay máy robot công nghiệp

Môi trường làmviệc

Tay máy robot công nghiệp

Hệ thống điều khiển

Tay máy robot công nghiệp

Môi trường làm việc

Hệ thống điều khiển

Hệ thống cảm biến

c) Phân loại theo ứng dụng

Robot được phân loại tùy theo ứng dụng trong nhiều chuyên ngành công nghiệp như: robot hàn, robot sơn, robot lắp ráp, robot trong ngành luyện kim…

…N

Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg

Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H :

Trục zi trùng hướng với hướng của trục zi+1

Trục xi cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục zi-1 và trục zi

Gốc tọa độ trên khâu được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x đã xác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theo quy tắc bàn tay phải

Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần nhất với hệ tọa độ gần nó Hệ tọa độ gốc chọn trục x bất kì

- Quay một góc θ1 quanh trục zi-1 để xi-1 cùng phương với xi

- Tịnh tiến một đoạn ai theo trục xi-1 để xi-1 trùng với xi

- Quay một góc αi quanh trục xi-1(≡xi) để zi-1≡zi.(d)(θ)(a)(α)

Ma trận biến đổi thuần nhất theo quy tắc D – H:

= (d)(θ)(a)(α)

Các bước thiết lập phương trình động học Robot bằng phương pháp Denavit –

Mục đích của việc giải phương trình động học robot công nghiệp: để điều khiển tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì chúng

ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu.Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot

Các phương pháp giải bài toán động học ngược :

b) Mục đích nghiên cứu bài toán động học tay máy

- Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp

- Tính toán chọn động cơ

c) Phân loại bài toán động lực học tay máy

- Bài toán động lực học thuận: Cho trước lực và momen tác dụng ở mỗi khớp tay máy, tìm chuyển động của tay máy

- Bài toán động lực học ngược: Cho trước chuyển động của tay máy, tính toán lực và momen tác dụng vào các khớp của tay máy

d) Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy

- Phương pháp sử dụng định lý động năng

- Phương pháp sử dụng phương trình Lagarange II.

- Phương pháp Newton-Euler

2.4 Các hệ thống điển hình của Robot công nghiệp

Robot công nghiệp được cấu thành bởi 3 hệ thống chính: hệ thống chấp hành, hệ thống cảm biến, hệ thống điều khiển

2.4.1 Hệ thống chấp hành

Hệ thống chấp hành là hệ thống tạo ra nguồn động lực cho mọi chuyển động của tay máy robot công nghiệp

Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống chấp hành Công suất nguồn P p

P c là tín hiệu điều khiển.

Công suất tổn hao: P da ; P ds ; P dt trên mạch khuếch đại công suất, động cơ và hệ thống dẫn động cơ khí.

a) Truyền dẫn cơ khí

Hệ thống truyền dẫn cơ khí trên tay máy robot công nghiệp có tác dụng truyền chuyển động và momen từ các động cơ tới các khớp và bộ phận công tác của robot.Các loại truyền dẫn cơ khí:

- Cơ cấu trục vít bánh vít

- Cơ cấu vít me đai ốc

- Truyền động xích

- Gắn trực tiếp rotor của động cơ tuyến tính lên trục của khớp

- Truyền động đai răng

Truyền động đai răng được sử dụng rộng rãi trên robot công nghiệp, chúng có ưu điểm hạn chế trượt, khối lượng nhỏ, truyền được chuyển động, momen giữa các trục tương đối xa.

b) Động cơ

Động cơ là nguồn tạo động lực chuyển động cho các khớp

Yêu cầu động cơ trên robot công nghiệp:

Quán tính nhỏ, dải tốc độ làm việc rộng, độ chính xác định vị cao, có thể làm việc trơn tru ở vận tốc thấp

Các loại động cơ sử dụng trên robot công nghiệp:

c) Khuếch đại công suất

Biến đổi trạng thái năng lượng của nguồn cung cấp cho phù hợp với yêu cầu của động cơ

d) Nguồn cung cấp chính

Nhiệm vụ của nguồn cung cấp chính là cung cấp năng lượng tới đầu vào của bộ biến đổi

2.4.2 Hệ thống cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để nhận giá trị của đại lượng vật lý cần đo và biến đổi

nó thành tín hiệu mà thiết bị đo hay điều khiển có thể xử lý được Dạng và tín hiệu xuất ra được chuẩn hóa để dễ ghép nối vào các mạch xử lý

- Cảm biến kiểu điện trở

- Cảm biến đo khoảng cách

- Thiết bị quan sát

2.4.3 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển có chức năng:

- Chuyển động của các cơ cấu cơ khí

- Thu nhận thông tin trạng thái của hệ thống và môi trường công tác.

- Phân tích thông tin và phản ứng trước điều kiện thực tế

- Lưu trữ, xử lý và cung cấp thông tin về hệ thống

Robot có không gian làm việc: (x,y,z) = (475 mm, 475 mm, 715 mm)

b) Mô hình được thiết kế trên solidworks

Hình 3.2 Cấu hình và các hệ trục tọa độ gắn trên robot cầu RRR

Khối lượng toàn bộ canh tay: 11,1 kg (tính theo solidworks)

Hình 3.5 Khâu 3

Khối lượng khâu thứ 3: 216,05 g (tính toán theo solidworks)

3.2 Bài toán động học thuận

Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H :

- Trục zi trùng hướng với hướng của trục zi+1

- Trục xi cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục zi-1 và trục zi

- Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x

đã xác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng củatrục z, x theo quy tắc bàn tay phải

Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần giống nhất với hệtọa độ gần nó Hệ tọa độ gốc chọn trục x bất kì:

Khâu12

…n

Bảng 3.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg

- Quay một góc θ1 quanh trục zi-1 để xi-1 cùng phương với xi

- Tịnh tiến một đoạn ai theo trục xi-1 để xi-1 trùng với xi

- Quay một góc αi quanh trục xi-1(≡xi) để zi-1≡zi

(d)(θ)(a)(α)

Ma trận biến đổi thuần nhất theo quy tắc D – H:

= (d)(θ)(a)(α)

Các bước thiết lập phương trình động học Robot bằng phương pháp Denavit –Hartenberg:

- Bước 1: Đặt hệ trục tọa độ theo quy tắc D - H

- Bước 2: Lập bảng thông số động học D – H

- Bước 3 : Từ bảng thông số dộng học D – H thay vào công thức chung ta

sẽ tính được các ma trận biến đổi thuần nhất tương ứng

- Bước 4 : Nhân các ma trận biến đổi thuần nhất này với nhau theo đúng thứ tự ta sẽ được phương trình động học Robot công nghiệp

=

Khi các trục khớp cắt nhau ta nên di chuyển các trục tọa độ có gốc trùng nhau

Áp dụng đối với robot RRR ta có:

=

=

3.3 Bài toán động học ngược

Khái niệm: động học ngược tay máy là việc giải phương trình động học robotcông nghiệp để tìm ra các giá trị của biến khớp khi cần di chuyển khâu công tác tới vịtrí xác định và hướng xác định

Mục đích của việc giải phương trình động học robot công nghiệp: để điều khiểntay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì chúng

ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu.Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot

Các phương pháp giải bài toán động học ngược :

Hình 3.7 Phân tích cơ cấu các khâu

b) Mục đích nghiên cứu bài toán động học tay máy:

- Tính toán thiết kế kết cấu tay máy

- Mô phỏng chuyển động của tay máy

- Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp

c) Phân loại bài toán động lực học tay máy:

- Bài toán động lực học thuận: Cho trước lực và momen tác dụng ở mỗi khớptay máy, tìm chuyển động của tay máy

- Bài toán động lực học ngược: Cho trước chuyển động của tay máy, tính toánlực và momen tác dụng vào các khớp của tay máy

d) Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy:

- Phương pháp sử dụng định lý động năng

- Phương pháp sử dụng phương trình Lagrange II

- Phương pháp newton-euler

Sử dụng phương pháp Lagrange II đối với robot tọa độ cầu RRR:

Phương trình Lagrange II có dạng như sau:

J1 là momen quán tính của khâu 1

Hình 3.8 Kết cấu tay máy robot tọa độ cầu RRR

Với khâu 1 được coi là đĩa đồng chất, bán kính r=40mm=0,04m, khối lượng :

Trong đó là tọa độ khối tâm của vật so với gốc

Dựa vào công thức quan hệ giữa các hệ tọa độ trên tay máy công nghiệp

Áp dụng cho khâu 2 ta có:

Trong đó:

là tọa độ điểm xc2 so với gốc O0

là tọa độ điểm xc2 so với gốc O1

a) Bài toán động học thuận

Nhập các góc của các khâu robot trong bảng điều khiển, nhấn “Tăng hoặc Giảm” đểđiều chỉnh sau đó nhấn “Dịch chuyển” ta được tọa độ vị trí công tác

Hình 3.9 Giao diện động học thuận

b) Bài toán động học ngược

Nhập tọa độ của vị công tác, nhấn “Tăng hoặc Giảm” để điều chỉnh sau đó nhấn “Dịchchuyển” ta được các góc tại các khâu

Hình 3.10 Giao diện động học ngược

3.6 Mô hình hóa hệ thống điều khiển

3.6.2 Khối điều khiển

Yêu cầu hệ thống điều khiển trung tâm là đáp ứng nhanh do đó đòi hỏi một loại

vi điều khiển mạnh, có tốc độ xử lý nhanh, có khả năng ghép nối với nhiều thiết bị như

RF, cảm biến góc và gia tốc, và có thể tích hợp thêm các modul khác nữa

Các dòng chip trên thị trường rất đa dạng và nhiều chủng loại như chip PIC,Atmel, Arm… Mỗi loại lại có một ưu điểm riêng song chip Atmel nổi tiếng là mộtdòng chip mạnh với tốc độ xử lí khá cao, phù hợp với yêu cầu đề tài Còn chip ARM

là loại rất mạnh nhưng giá thành cao nếu sử dụng loại này sẽ gây lãng phí

Khối hiển thịKhối bàn phím

Cảm biếnATMEGA 16

Khối nguồn

Khối công suất

Động cơ

ROBOT

Vi điều khiển AVR do hãng Atmel sản xuất được giới thiệu lần đầu năm 1996,AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR ( như AT tiny13, AT tiny22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoaiij vi, rồi đến dòng AVR ( chẳng hạnAT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung vình và mạnh hơn làdòng Mega ( Atmega16, Atmega32, Atmega128,…) với bộ nhớ có kích thước vàiKbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng

có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip (dòng LCD AVR)) Tốc độ của dòng Megacũng cao hơn so với các dòng khác, sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chính là cấutrúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau Đặc biệt, năm 2008, Atmel lại tiếp tục cho rađời dòng AVR mới là XmegaAVR, với những tính năng mạnh mẽ chưa từng có ở cácdòng AVR trước đó Có thể nói XmegaAVR là dòng MCU 8 bít mạnh mẽ nhất hiệnnay

- Được chế tạo theo kiến trúc RISC hiệu suất cao mà điện năng tiêu thụ thấp.

- Tập lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều chỉ thực thi trong 1 chu kì xung nhịp

Bộ nhân hai chu kì

- 32 x 8 thanh ghi làm việc đa dụng

- Hoạt động tĩnh

- 16 MIPS với thông lượng 16MHz

- 8KB Flash ROM lập trình được ngay trên hệ thống

- Giao diện nối tiếp SPI có thể lập trình ngay trên hệ thống

- Cho phép 1000 lần ghi/xóa

- Bộ EEPROM 512 byte, cho phép 100.000 lần ghi/xóa

- Chu kì ghi/xóa: 10.000 Flash/ 100.000 EEPROM

- Độ bền dữ liệu 20 năm ở 85°C và 100 năm ở 25°C

- Tốc độ làm việc: 8 MHz đối với Atmega16L, 16MHz đối với

Atmega16 tối đa

- Tốc độ xử lí lệnh đến 8 MIPS ở 8 MHz nghĩa là 8 triệu lệnh trên

- 6 chế độ ngủ : Idle, ADC Noise Reduction, save,

Power-down, Standby và Extended Standby

- Giao tiếp nối tiếp Master/Slave SPI

3.6.3 Khối công suất điều khiển động cơ

Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành nhữngchuyển động cơ học rời rạc Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạckhi các xung điện điều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp lí Sự quaycủa các động cơ liên hệ trực tiếp với các xung được áp vào Trình tự của các xung

áp vào quan hệ trực tiếp với hướng quay của trục động cơ Tốc độ quay của trụcđộng cơ quan hệ trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dài vòng quay thì liên

hệ trực tiếp với số lượng các xung được áp vào

Hình 3.14 Hoạt động của mạch Driver công suất

Hình 3.15 Cấu tạo nguyên lí động cơ bước

Nguyễn lí điều khiển: Ta cấp xung cho các cuộn dây 1a, 1b, 2a, 2b để động cơ có thể hoạt động

Mẫu 1a 1000100010001000100010001

Mẫu 1b 0010001000100010001000100

Mẫu 2a 0100010001000100010001000

Mẫu 2b 0001000100010001000100010

3.6.4 Khối giao tiếp máy tính

a) Khái niệm giao tiếp truyền thông nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ

USART hay UART để chỉ thiết bị phần cứng không phải chuẩn giao tiếp Nó cầnđược kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếpnào đó

VD: RS 232 (com) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chíp UART vàchíp chuyển đổi mức điện áp Max 232 Tín hiệu từ RS 232 là -12V cho mức cao và+12V cho mức thấp, còn tín hiệu từ UART:TTL: Mức logic High (5V) và Low (0V)

- Truyền thông nối tiếp đồng bộ : Để chỉ sự báo trước trong quá trình truyền,cách truyền này đòi hỏi it nhất 2 đường truyền cho 1 quá trình: 1 đường dữliệu và 1 đường xung nhịp

- Truyền thông nối tiếp không đồng bộ: Chỉ cần 1 đường truyền cho quá trìnhtruyền hoặc nhận, “Khung dữ liệu” được chuẩn hóa bởi các thiết bị nên khôngcần đường xung nhịp báo trước dữ liệu đến Để quá trình truyền thành công thìviệc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là hết sức quan trọng

VD: 2 thiết bị đang giao tiếp với nhau theo phương pháp này Chúng thỏa thuậnvới nhau cứ 1ms sẽ có 1 bit dữ liệu truyền đến, thiết bị nhận chỉ cần kiểm trahoặc đọc đường truyền theo chu kì đã đặt trước

Hình 3.16 Tín hiệu tương đương của UART và RS 232

Tuy nhiên 2 thiết bị này cần có 1 tốc độ xung nhịp giống nhau, có một quy ướckhung truyền định sẵn để tránh thất lạc hoặc lỗi khi truyền nhận dữ liệu

Hình 3.17 Truyền 8 bít theo phương pháp nối tiếp

b) Các khái niệm liên quan đến phương pháp truyền thông nối tiếp:

- Baud rate (tốc độ Baud): Như trong ví dụ trên về việc truyền 1 bít trong 1ms tathấy rằng, để việc truyền và nhận không đồng bộ diễn ra thành công thì cácthiết bị tham gia phải “Thống nhất” với nhau về 1 khoảng thời gian dành cho

1 bít truyền Hay tốc độ truyền phải được cài đặt như nhau trước, tốc độ nàygọi là tốc độ Baud Vậy tốc độ Baud là số bít truyền trong 1s Ví dụ nếu tốc độbaud được đặt 19200 thì thời gian dành cho 1 bít truyền là 1/19200~ 52,083us

- Frame (khung truyền): Do truyền thông nối tiếp không đồng bộ nên rất dễ gặpphải hiện tượng mất hoặc sai lệch dữ liệu Do vậy trong quá trình truyền thôngphải tuân theo một số quy cách nhất định, bên cạnh tốc độ Baud thì khungtruyền đóng một vai trò quan trọng tạo nên sự thành công cho việc truyềnnhận Đó là sự quy định về số bít trong mỗi lần truyền, các bít bắt đầu, kếtthúc, kiểm tra chẵn lẻ, dữ liệu…v v… Đều được quy định bởi khung truyền

- Start bit: Start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit này cóchức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyềntới Ở module USART trong AVR, đường truyền luôn ở trạng thái cao khinghỉ (Idle), nếu một chip AVR muốn thực hiện việc truyền dữ liệu nó sẽ gởimột bit start bằng cách “kéo” đường truyền xuống mức 0 Như vậy, với AVRbit start là mang giá trị 0 và có giá trị điện áp 0V (với chuẩn RS232 giá trị điện

áp của bit start là ngược lại) Start là bit bắt buộc phải có trong khung truyền

- Parity bit: Parity là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cáchtương đối) Có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (oddparity) Parity chẵn nghĩa là số lượng số 1 trong dữ liệu bao gồm bit parityluôn là số chẵn Ngược lại tổng số lượng các số 1 trong parity lẻ luôn là số lẻ

Ví dụ, nếu dữ liệu của bạn là 10111011 nhị phân, có tất cả 6 số 1 trong dữ liệunày, nếu parity chẵn được dùng, bit parity sẽ mang giá trị 0 để đảm bảo tổngcác số 1 là số chẵn (6 số 1) Nếu parity lẻ được yêu cầu thì giá trị của parity bit

là 1 Hình 1 mô tả ví dụ này với parity chẵn được sử dụng Parity bit khôngphải là bit bắt buộc và vì thế chúng ta có thể loại bit này khỏi khung truyền(các ví dụ trong bài này tôi không dùng bit parity)

- Stop bit: Stop bit là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữliệu đã được gởi xong Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hànhkiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bit là cácbit bắt buộc xuất hiện trong khung truyền, trong AVR USART có thể là 1

hoặc 2 bit (Trong các thiết bị khác Stop bit có thể là 2.5 bit) Trong ví dụ ởhình 1, có 2 stop bit được dùng cho khung truyền.Giá trị của stop bit luôn làgiá trị nghỉ (Idle) và là ngược với giá trị của start bit, giá trị stop bit trongAVR luôn là mức cao (5V).

Hình 3.18 Sơ đồ khối giao tiếp máy tính

3.7 Mô phỏng hoạt động

a) Giới thiệu phần mềm mô phỏng

Easy-rob là một phần mềm phục vụ cho việc lập kế hoạch và mô phỏng sản xuấtkhi sử dụng các robot trong dây chuyền Tất cả các chuỗi xử lí khi sử dụng robot ví dụnhư: cầm nắm, lắp ráp, sơn phủ, hàn đều được lập chương trình cụ thể bằng phần mềmnày và các tính toán đó ngay lập tức được cụ thể hóa bằng mô hình 3D ngay trongphần mềm Các hoạt động của robot được mô phỏng có thể gồm chỉ 1 robot hoặc cùngmột lúc nhiều robot với các phiên bản cao cấp hơn của phần mềm

Easy-rob là công cụ kiểm tra nhanh các ý tưởng đưa ra chuyển động của robot.Easy –rob còn là một phần mềm để ứng dụng vào công việc học tập, nghiên cứu vớihiệu suất cao

Nâng cao độ tin cậy khi lập trình cũng như thiết kế robot

Giúp cho sự đầu tư vào robot an toàn

Giảm thời gian lập trình, tính toán

Ngoài ra, Easy-rob còn giúp một số khả năng khác như:

- Sắp đặt và lên kế hoạch cho một trạm robot hoạt động

- Kiểm tra khả năng vươn tới của cánh tay, sự xung đột va chạm và không gianhoạt động của robot

- Công cụ phục vụ cho việc đào tạo và học tập

- Khả năng kiểm tra đánh giá và chứng minh tính khả thi của một thiết kế robotmới nào đó.

b) Thiết kế cánh tay robot

Robot tọa độ cầu RRR được thiết kế như sau:

Hình 3.17 Mô hình robot

c) Mô phỏng chuyển động của robot (file easy-rob đính kèm trong CD)

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 Thiết kế phần mềm

4.1.1 Trình tự thiết kế trong giao diện Guide

Giới thiệu lập trình Guide trong Winform của Visual Studio:

Giao diện trong Winform của Visual Studio tương đối giống với các chương trình lập trình giao diện như Visual Basic, C++ hay Matlab,…

Visual studio là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) Nó được sử dụng làm nền tảng phát triển các phần mềm như : Windows API, Windows Form, …

Winform được sử dụng trên nền Visual Studio Với sự tích hợp đa dạng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau: C C++, C# … Giúp người lập trình có thể tiếp cận lập trình nhanh hơn

Tổ chức bộ nhớ để lưu trữ các mảng rất tốt, các tính toán trên mảng được thực hiện khá nhanh

Việc kiểm tra kết quả được nhanh chóng, dễ dàng kiểm tra chương trình Đa số các ngôn ngữ kahcs cần phải biên dịch cả một chương trình Đa số các ngôn ngữ khác cần phải biên dịch cả một chương trình không có lỗi rồi mới chạy,.

4.1.2 sử dụng lập trình Guide trong Winform để mô phỏng

Mở phần mềm Visual Studio>> Tạo 1 New Project mới :

Hình 4.1 Cửa sổ bắt đầu

Khi bấm tạo 1 project sẽ có 1 cửa sổ mới hiện ra: Có rất nhiều lựa chọn, ở đây ta xây dựng Guide trên nền Window form sử dụng ngôn ngữ C# nên ta sẽ chọn: Visual C# >> Windows >> window Form Application

Hình 4.2 Cửa sổ lựa chọn

Ta được cửa sổ Windows Form hiện ra

Hình 4.3 Giao diện thiết kế

Giao diện khá giống với các giao diện như : Matlab, Visual C++, … Di chuột quabên hộp Toolbox với các biểu tượng ở bên trái sẽ thấy tên của các điều khiển Một số nút điều khiển hay dùng

Button: Là nút Command Button trong Win Form, có thể là các nút Ok , Yes hay Cancel, … mà ta vẫn hay dung

Label : Đánh tên nhãn hay đối tượng

Hình 4.4 Lấy các đối tượng

Để thay đổi các thuộc tính của các điều khiển:

Ta quan sát bên phải có cửa sổ các thuộc tính của điều khiển Có thể sắp xếp théo chứcnăng hoặc theo thứ tự A-Z của tên thuộc tính bằng nút hiện ở gõ bên trái

Hình 4.5 Thuộc tính của đối tượng

4.1.3 Phần mềm giải bài toán động học ngược

Giao diện được thiết kế như sau:

Hình 4.1 Giao diện bài toán động học ngược

Thực hiện nhập độ dài các khâu, tọa độ vị trí công tác và nhấn nút “Dịch chuyển” Kết quả được thể hiện bằng “Góc”

4.1.4 Thiết kế phần mềm điều khiển

Tạo giao diện điều khiển

Hình 4.7 Giao diện điều khiển chính

Trong giao diện điều khiển chính có:

- Bảng nhập dữ liệu:

Hình 4.8 Bảng nhập dữ liệu

Bảng điều khiển thực hiện kết nối và ngắt kết nối với máy tính, cài đặt vị trí ban đầucho cánh tay, thực hiện di chuyển cánh tay từ vị trí hiện tại với vị trí được khai báotrong bảng “Theo góc” hoặc “Tọa độ”

Hình 4.10 Thông báo chương trình chạy của robot

Hình 4.11 Khớp 3

Ta có tổng momen tác dụng lên trục 1:

M = 0.21605 75 + 0.1 150 = 305.8 (Nmm)

Gọi: +) M1 là momen canh tay tác dụng lên trục: M1 = M/2 = 152.9 (Nmm)

+) M2 là momen động cơ cần thiết tác dụng lên trục M2 = M1

Trục chịu lực cắt lớn nhất khi cánh tay ở vị trí cao nhất, khi đó lực cắt:

Xác định tiết diện tại điểm nguy hiểm

Dựa vào biểu đồ nội lực ta thấy điểm đặt lực N4 là điểm nguy hiểm, ta có momentương đương tại điểm này:

Mtd = = 26.4 (Nmm)

Chọn vật liệu: thép C45 => [σ] = 80

Đường kính cần thiết:

d = = = 1.5 (mm)

Gọi N3, N4 là lực cắt của cánh tay tác dụng lên trục 2: N3 = N4 =P/2 = 9,5 (N)

Khi đó hai phản lực ta có hai phản lực N1 = 11, N2 = 8 (N)

Biểu đồ nội lực: