NGHIÊN cứu, THIẾT kế và điều KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BẰNG ARDUINO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỐ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BẰNG ARDUINO Người hướng dẫn : ThS Hồ Sỹ Phương Sinh viên thực hiện : Đặng Xuân Mạnh Lớp : 50K2 - ĐTVT Mã số sinh viên : 0951085123 NGHỆ AN - 2016 DANH MỤC HÌNH VẼ 2.2.4 Cấu tạo chung động DC .38 2.2.5 Nguyên lý làm việc động điện chiều 42 MỤC LỤC CHƯƠNG 2.2.4 Cấu tạo chung động DC .38 2.2.5 Nguyên lý làm việc động điện chiều 42 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật có phát triển vũ bão Nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật ứng dụng vào thực tiễn đem lại lại nhiều lợi ích to lớn , tạo bước ngoặt phát triển xã hội Từ đời Robot đóng vai trò quan trọng phát triển cho sản xuất xã hội Trong ứng dụng công nghiệp, tứ tay máy điều khiển từ xa cho ngành hóa phóng xạ ban đầu Ngày robot sử dụng rộng khắp lĩnh vực gia công, lắp ráp nhiều ngành sản xuất lượng, ô tô, máy bay, linh kiện điện tử,… Trong sản xuất đại phủ nhận vai trò quan trọng robot công nghiệp hệ thống sản xuất tự động Robot công nghiệp giúp nâng cao suất chất lượng sản phẩm, giải phóng người khỏi công việc nguy hiểm hay công việc nhàm chán lặp lặp lại trình sản xuất Trong hệ thống sản xuất tự động, robot công nghiệp thực công việc như: Vận chuyển sản phẩm, sơn, quét, lau chùi,… Trong lĩnh vực giáo dục robot nghiên cứu đẩy mạnh phát triển nhiều đại học lớn khắp giới, Việt Nam hầu hết trường kỹ thuật trang bị môn học robot công nghiệp nhiên việc học nghiên cứu sinh viên nhiều hạn chế thiếu kỹ thực hành, vận dụng lý thuyết vào thực tiễn nên lĩnh vực robot Việt Nam phát triển chậm Trong nước có công ty tổ chức phát triển lĩnh vực Vì lý robot cần nghiên cứu phát triển để góp phần vào phát triển không ngừng đất nước thời đại , góp phần quan trọng để đạt mục tiêu đưa Việt am thành nước công nghiệp vào năm 2020 Trong phạm vi đồ án , hướng dẫn tận tình thầy cô khoa ĐTVT-ĐH Vinh Em chọn đề tài “ Điều khiển cánh tay robot bậc tự Arduino” TÓM TẮT ĐỒ ÁN Thực điều khiển cánh tay máy sử dụng bo mạch Arduino Uno R3 thông qua phần mềm Labview Thiết kế thi công cánh tay máy Tập trung vào việc điều khiển cánh tay máy labview , lập trình code để phục vụ cho việc điều khiển máy vi tính Cánh tay máy điều khiển bo mạch Arduino Uno R3 sử dụng động Servo ABSTRACT Arms control implementation use board arduino R3 through software Labview Design and construction of robot arm Focused on a robotic arm controlled by labview , program Code to serve the computerized control Robot Arms control by electronic board Arduino uno R3 by engine servo LỜI CẢM ƠN Với hướng giúp đỡ từ thầy cô Khoa Điện Tử Viễn Thông, em hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp Đặc biệt nhiệt tình quan tâm giảng viên trực tiếp hướng dẫn đề tài, Th.S Hồ Sỹ Phương, Bộ môn KT Điện Tử, Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Vinh Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy thầy cô khoa Cuối cùng, xin kính chúc quý thầy, cô sức khỏe thành công nhiều nghiệp giáo dục cao quý Nghệ An, ngày tháng Sinh viên năm 2016 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT 1.1 Tổng quan robot 1.1.1 Lịch sử phát triển robot Khái niệm Robot đời vào ngày 09/10/1922 NewYork, nhà soạn kịch người Tiệp Kh Karen Kapek tưởng tượng cổ máy hoạt động cách tự động, niềm mơ ước người lúc Từ ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot thúc người Đến năm 1948, phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz chế tạo thành công tay máy đôi (master-slave manipulator) Đến năm 1954, Goertz chế tạo tay máy đôi sử dụng động servo nhận biết lực tác động lên khâu cuối Năm 1956 hãng Generall Mills chế tạo tay máy hoạt động việc thám hiểm dại dương Năm 1968 R.S Mosher, General Electric chế tạo cỗ máy biết chân Hệ thống vận hành động đốt chân vận hành hệ thống servo thủy lực Năm 1969, đại học Stanford thiết kế Robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh Hình 1.1 Robot Shakey Năm 1970 người chế tạo Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt mặt trăng Trong giai đoạn này, nhiều nước khác tiến hành công tác nghiên cứu tương tự, tạo Robot điều khiển máy tính có lắp đặt loại cảm biến thiết bị giao tiếp người máy Hình 1.2 Robot hàn điểm Theo tiến khoa học kỹ thuật, Robot ngày chế tạo nhỏ gọn hơn, thực nhiều chức hơn, thông minh Một lĩnh vực nhiều nước quan tâm Robot tự hành, chuyển động chúng ngày đa dạng, bắt chước chuyển động chân người hay loài động vật : bò sát, động vật chân, … Và loại xe Robot (robocar) nhanh chóng ứng dụng rộng rãi hệ thống sản xuất tự động linh hoạt (FMS) Từ trở người liên tục nghiên cứu phát triển Robot để ứng dụng quát trình tự động hoá sản xuất để tăng hiệu kinh doanh Ngoài Robot sử dụng thay cho người công việc môi trường độc hại, khắc nghiệt, … Chuyên ngành khoa học robot “robotics” trở thành lĩnh vực rộng khoa học, bao gồm vấn đề cấu trúc cấu động học, động lực học, quĩ đạo chuyển động, chất lượng điều khiển… Tuỳ thuộc vào mục đích phương thức tiếp cận, tìm hiểu lĩnh vực nhiều khía cạnh khác Hiện phân biệt loại robot hai mảng : Các loại robot công nghiệp (cánh tay máy) robot di động (mobile robot) Mỗi loại có ứng dụng nhue đặc tính khác Ngoài ra, robot công nghiệp phân chia dựa vào cấu tạo động học : Robot nối tiếp (series robot) robot song song (parallel robot) Hình 1.3 Robot song song bậc tự Merlet Chính công nghệ tiên tiến tất lĩnh vực : khí, vi mạch, điều khiển, công nghệ thông tin … tạo tảng thách thức lớn khoa học nghiên cứu robot Chính vậy, người tiếp tục phát triển nâng cao mức độ hoàn thiện lĩnh vực đầy hấp dẫn Hình 1.4 Nguyên Robot Hexapod TU Munich 1.1.2 Các ứng dụng Robot 1.2.1 Các ưu điểm sử dụng Robot Các loại Robot tham gia vào qui trình sản xuất đời sống sinh hoạt người, nhằm nâng cao suất lao động dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm tạo Robot thay người làm việc ổn định thao tác đơn giản hợp lý, đồng thời có khả thay đổi công việc để thích nghi với thay đổi qui trình công nghệ Sự thay hợp lý robot góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhân công nước mà nguồn nhân công chi phí cao : Nhật Bản, nước Tây Âu, Hoa Kỳ… Tất nhiên nguồn lượng từ robot lớn, có nhu cầu tăng suất cần có hỗ trợ chúng thay sức lao động người Chúng làm công việc đơn giản dễ nhầm lẫn, nhàm chán Bên cạnh đó, ưu điểm bậc robot môi trường làm việc Chúng thay người làm việc môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bặm hay nguy hiểm Ở nơi nhà máy hoá chất, nhà máy phóng xạ, lòng đại dương, hay hành tinh khác … việc ứng dụng robot để cải thiện điều kiện làm việc hữu dụng 1.2.2 Mộ số lĩnh vực ứng dụng a Ứng dụng lĩnh vực sản xuất khí Trong lĩnh vực khí, robot ứng dụng phổ biến nhờ khả hạot động xác tính linh hoạt cao Các robot hàn ứng dụng quan trọng nhà máy sản xuất ô tô, nhà máy sản xuất vỏ bọc khí… thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có bầt kỳ lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác Động servo có nhiều kiểu dáng kích thước, sử dụng nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển máy tính mô hình máy bay xe Ứng dụng động servo robot, loại với động dùng mô hình máy bay xe Các động servo điều khiển liên lạc vô tuyến gọi động servo R/C (radio-controlled) Trong thực tế, thân động servo điều khiển vô tuyến, nối với máy thu vô tuyến máy bay hay xe Động servo nhận tín hiệu từ máy thu Như có nghĩa ta không cần phải điều khiển robot tín hiệu vô tuyến cách sử dụng động servo, trừ ta muốn Ta điều khiển động servo máy tính, vi xử lý hay chí mạch điện tử đơn giản dùng IC 555 44 Hình 2.20 Cấu tạo servo Motor Electronics Board Positive Power Wire (Red) Signal Wire (Yellow or White) Negative or Ground Wire (Black) Potentiometer Output Shaft/Gear Servo Attachment Horn/Wheel/Arm Servo Case 10 Integrated Control Chip Động vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín Cả mạch điều khiển động cấp nguồn DC (thường từ 4.8 – 7.2 V) Để quay động cơ, tín hiệu số gới tới mạch điều khiển Tín hiệu khởi động động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế Vị trí trục vôn kế cho biết vị trí trục servo Khi vôn kế đạt vị trí mong muốn, mạch điều khiển tắt động Như ta dự đoán, động servo thiết kế để quay có giới hạn quay liên tục động DC hay động bước Mặc dù ta chỉnh động servo R/C quay liên tục (sẽ trình bày sau) công dụng động servo đạt góc quay xác khoảng từ 90o – 180o Việc điều khiển ứng dụng để lái robot, di chuyển tay máy lên xuống, quay cảm biến để quét khắp phòng… b Điều biến độ rộng xung Trục động servo R/C định vị nhờ vào kỹ thuật gọi điều biến độ rộng xung (PWM) Trong hệ thống này, servo đáp ứng dãy xung số ổn định Cụ thể hơn, mạch điều khiển đáp ứng tín hiệu số có xung biến đổi từ – ms Các xung gởi 50 lần/giây Chú ý số xung giây điều khiển servo mà chiều dài xung Servo đòi hỏi khoảng 30 – 60 xung/giây Nếu số qua thấp, độ xác công suất để trì servo 45 giảm Với độ dài xung ms, servo điều khiển quay theo chiều (giả sử chiều kim đồng hồ Hình ?????? Hình 2.21 Điều khiển vị trí trục động cách điều chế độ rộng xung Với độ dài xung xung ms, servo quay theo chiều ngược lại Kỹ thuật gọi tỉ lệ số - chuyển động servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển Công suất cung cấp cho động bên servo tỉ lệ với độ lệch vị trí trục với vị trí cần đến Nếu servo gần vị trí đích, động truyền động với tốc độ thấp Điều đảm bảo động không vượt điểm định đến Nhưng servo xa vị trí đích truyền động với vận tốc tối đa để đến đích nhanh tốt Khi trục đến vị trí mong muốn, động giảm tốc Quá trình tưởng chừng phức tạp diễn khoảng thời gian ngắn - servo trung bình quay 60o vòng ¼ - ½ giây Vì độ dài xung thay đổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo máy thu vô tuyến thuộc hãng để đảm bảo tương thích Đối với robot, ta phải làm vài thí nghiệm để xác định độ dài xung tối ưu 46 47 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÁNH TAY ROBOT 3.1 Thi công cánh tay robot a Cánh tay máy Do động RC servo loại động có kích thước 40x20x10 mm3 , trình thiết trình thiết kế cần tìm hiểu nhiều vật liệu để thiết kế phần khí nhẹ chịu tải trọng tốt lúc hoạt động động RC servo Cần thiết kế khung tay máy nhỏ gọn nhẹ để kết nối module động lại với Ngoài ra, phần thiết kế làm phần đế tay máy thật vững lúc quay phần thật nhẹ nhàng làm cho động RC servo bớt chịu tải cho cánh tay, để khắc phục điều cần có bạc đạn gắn chung với RC servo để giảm bớt tải Điều quan trọng phần tay kẹp tay máy cần thiết kế lúc hoạt động gắp sản phẩm di chuyển từ nơi ban đầu đến nơi kết thúc thật vững khả gắp vật tương đối linh hoạt Đây vấn đề nhóm tìm nhiều phướng án giải Trong phần thiết kế khí điều cần ý lúc hoạt động tay máy phải giữ trọng Từ mẫu robot học hỏi từ sinh viên làm đề tài này, em đưa mẫu robot riêng cho làm đồ án này, phù hợp với thời gian nhận đồ án phù hợp với điều kiện thân Ngoài ra, mẫu thiết kế tay máy hoạt động tương đối xác với yêu cầu đề 48 Hình 3.1 Cánh tay robot bậc tự Các yếu tố yêu cầu thi công : • Đảm bảo sức bền đầu đầu mối nối tiết diện nguyên hay phải đảm bảo sức bền để truyền làm việc thời gian định • Trọng lượng, bề dày độ cứng đầu nối so với đoạn đai nguyên tốt nhằm tránh sinh tải trọng động làm việc • Hiện người ta thường sử dụng cách để nối chi tiết thi công • Dán: thường dùng cho đai da vải cao su, chỗ nối giống phần nguyên nên làm việc mặt với vận tốc cao nhược điểm khả chịu tải phụ thuộc vào chất lượng keo 49 • Khâu : sử dụng rộng rãi, ưu điểm làm việc mặt với vận tốc cao, nhược điểm khả chịu tải phụ thuộc vào dây nối chất lượng mối nối • Nối vật nối: sử dụng rộng rãi dùng bu lông đai ốc, dùng lề, dùng ghép đinh tán, móc xương cá, chấu, miếng kẹp vít Ưu điểm chắn, khả tải cao có nhược điểm trọng lượng bề dày nên dùng với truyền với vận tốc thấp ( v < 10 m/s), làm việc mặt kích thước truyền lớn Ở đồ án khung robot chi tiết cánh tay robot làm từ vật liệu kim loại , mika (5mm, 3mm) Nên em sử dụng bu lông đai ốc để ghép nối chi tiết tay máy Ưu điểm cánh tay robot chắn tải cao có nhược điểm làm tăng trọng lượng tay máy đôi chút cồng kềnh 3.1.2 Thiết kế thi công Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cánh tay robot : Khối Nguồn Khối vi xử lý Khối điều khiển Khối thiết bị điều khiển a Khối nguồn: Chia thành phần gồm: Một phần cung cấp nguồn cho Adruino , Adruino kết nối trực tiếp với máy tính qua cổng COM Nguồn cung cấp nguồn 5v cho động Servo 50 b Khối vi xử lý Làm nhiệm vụ xử lý điều khiển Khối sử dụng bo mạch Arduino Uno R3 Hình 3.2 Bo mạch Arduino Uno R3 Hình 3.3 Mô tả lắp đặt động Servo với Arduino Dây đỏ nối với nguồn 5V Dây đen nối vào chân âm 51 Dây vàng ( trắng ) nối với chân ,3,4,5,6 Tương ứng với động Servo 1,2,3,4,5 cánh tay robot Board Arduio Uno R3 kết nối với máy tính qua cổng USB Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng Bộ nhớ flash bootloader SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) Bảng: Các thông số Arduino Uno R3 c Khối điều khiển Khối điều khiển có nhiệm vụ điều khiển khối khác thông qua phần mềm Labview máy tính Để lập trình cho arduino phần mềm labview từ ứng dụng VI Package Manager (được cài đặt sẵn cài đặt labview) 52 phải cài đặt gói labview interface for arduino Đây công cụ hỗ trợ giao tiếp labview tảng vi điều khiển arduino Sau cài đặt xong, phần mềm labview có thêm hàm arduino hỗ trợ cho lập trình Ta mô trình điều khiển cánh tay máy phần mềm labview Hình 3.4 Khối cấu hình chọn chân mạch điều khiển arduino Hình 3.5 Khối lệnh điều khiển khớp động servo 53 Hình 3.6 Giao diện điều khiển cánh tay máy tính d Khối thiếp bị điều Khiển Khối thiếp bị điều khiển cánh tay robot Phần động gồm động Servo LD 1501MG Sử dụng nguồn cấp 5v Giá đỡ động robot kim loại Phần khung thân , phần chân đế làm mika 5mm 3mm Hình 3.7 Động Cơ Servo LD 1501MG 54 Hình 3.8 Phần bàn tay Hình 3.9 Phàn khớp cánh tay 55 Hình 3.10 Phần khớp khỉu tay Hình 3.11 Phần khớp trục đế xoay 56 3.2 Kết đạt Qua khoảng thời gian thực đồ án , em có dịp học hỏi thêm công nghệ , tích lũy nhiều kiến thức có ý nghĩa thực tiễn lớn Đố án hoàn thành theo yêu cầu thời gian quy định Việc thực thành công đồ án giúp em biết thêm điều sau: o Qua đồ án em hiểu thêm cách mà robot hoạt động , phương pháp sử dụng để điều khiển robot o Tìm hiểu bo mạch Arduino Uno R3 hoạt động động Servo o Tìm hiều thêm việc điều khiển cánh tay máy phần mềm Labview o Thiết kế điều khiển thành công cánh tay robot bậc tự 3.3 Kết sau thiết kế thi công Hình 3.12 Cánh tay robot bậc tự 57 3.4 Hướng phát triển Với phát triển nhanh chóng Khoa học kỹ thuật nói chung ngành tự động hóa nói riêng để đáp ứng nhu cầu thực tế đề tài cần nghiên cứu để phát triển Cánh tay robot đóng vai trò quan trọng phát triển xã hội phần thiếu nhà máy công nghiệp Giải phóng sức lao động cho người có suất lao động cao Vì hướng phát triển cánh tay robot vô lớn cấp thiết 58 ... “ Điều khiển cánh tay robot bậc tự Arduino TÓM TẮT ĐỒ ÁN Thực điều khiển cánh tay máy sử dụng bo mạch Arduino Uno R3 thông qua phần mềm Labview Thiết kế thi công cánh tay máy Tập trung vào... điều khiển phân theo modul • Các thiết bị điều khiển Robot sử dụng PLC( Programable Logic Controller) • Sử dụng điều khiển PMAC ( Programable Multi-Axies Controller ) • Các điều khiển thiết kế. .. cánh tay máy Tập trung vào việc điều khiển cánh tay máy labview , lập trình code để phục vụ cho việc điều khiển máy vi tính Cánh tay máy điều khiển bo mạch Arduino Uno R3 sử dụng động Servo