Nghiên cứu xây dựng mô hình cánh tay robot 5 bậc tự do. Đi sâu nghiên cứu phần cứng

2 trục giao nhau thì gốc hệ tọa độ lấy trùng với giao điểm đó. Nếu 2 trục song song thì chọn gốc hệ tọa độ là điểm bất kì trên trục khớp động i+1. - Trục zi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc [r]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

NGHIÊN CỨU-XÂY DỰNG MƠ HÌNH CÁNH TAY ROBOT BẬC TỰ DO

ĐI SÂU NGHIÊN CỨU PHẦN CỨNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

NGHIÊN CỨU-XÂY DỰNG MƠ HÌNH CÁNH TAY ROBOT BẬC TỰ DO

ĐI SÂU NGHIÊN CỨU PHẦN CỨNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP

Sinh viên: Nguyễn Thái Phong

Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Trọng Thắng

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

-o0o - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Sinh viên : Nguyễn Thái Phong – MSV : 1412102025 Lớp : ĐC1801- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

1 Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ)

2 Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn

CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất:

Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn :

Nguyễn Trọng Thắng Tiến sĩ

Trường Đại học dân lập Hải Phịng Tồn đề tài

Người hướng dẫn thứ hai: Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác :

Nội dung hướng dẫn :

Đề tài tốt nghiệp giao ngày tháng năm 2018

Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm 2018 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N

Sinh viên

Nguyễn Thái Phong

Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Cán hướng dẫn Đ.T.T.N

T.S Nguyễn Trọng Thắng

Hải Phòng, ngày tháng năm 2018

HIỆU TRƯỞNG

PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1.Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp

2 Đánh giá chất lượng Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận thực tiễn, tính tốn giá trị sử dụng, chất lượng vẽ )

3 Cho điểm cán hướng dẫn ( Điểm ghi số chữ)

Ngày……tháng…….năm 2018 Cán hướng dẫn

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

1 Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp mặt thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính tốn chất lượng thuyết minh vẽ, giá trị lý luận thực tiễn đề tài

2 Cho điểm cán chấm phản biện ( Điểm ghi số chữ)

Ngày……tháng…….năm 2018 Người chấm phản biện

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết đề tài

2.Mục đích đề tài

3.Đối tượng phạm vi nghiên cứu

4.Phương pháp nghiên cứu khoa học

5.Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN ROBOT

1.2 NHỮNG ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA ROBOT

1.3 MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT

1.4 PHÂN LOẠI ROBOT

1.4.1 Phân loại robot theo dạng hình học khơng gian hoạt động

1.4.2 Phân loại robot theo hệ 12

1.4.3 Phân loại robot theo hệ điều khiển 13

1.4.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động 13

1.5 CẤU TẠO CHUNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 15

1.5.1 Các thành phần 15

1.5.2 Tay máy 16

1.5.3 Cổ tay máy 18

1.5.4 Bộ điều khiển Robot 18

1.5.5 Nguồn dẫn động 23

1.5.7 Tay gắp 26

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY 28

2.1 CÁC KHÁI NIỆM BAN ĐẦU 28

2.1.1 Hệ tọa độ 28

2.1.2 Quỹ đạo 28

2.1.3 Bài toán động học thuận 28

2.1.4 Bài toán động học ngược 28

2.2 MÔ TẢ CHUYỂN ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ THUẦN NHẤT 29

2.2.1 Giới thiệu phương pháp tọa độ 29

2.2.2 Biến đổi dùng ma trận 29

2.2.3 Các phép biến đổi dùng tọa độ 31

2.2.4 Bài toán biến đổi ngược 33

2.2.5 Mô tả phát biểu lại nội dung toán động học 34

2.2.6 Phương pháp giải toán động học thuận 34

2.2.7 Phương pháp giải toán động học ngược 35

2.3 THUẬT TOÁN GIẢI BÀI TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ THUẦN NHẤT 35

2.3.1 Bộ thông số DH (Denavit-Hartenberg) 35

2.3.2 Thiết lập hệ tọa độ 36

Mơ hình biến đổi 37

Trình tự thiết lập hệ phương trình động học 37

3.1 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH 39

3.1.1 Động servor 39

3.1.2 Driver điều khiển động servo 42

3.1.3 Mạch điều khiển 47

3.1.4 Nguồn 53

3.1.5 Khung cánh tay robot, khớp nối chân đế 54

3.2 Thi công phần cứng 58

3.2.1 Lắp ráp 58

3.3 Phần mềm điều khiển 66

3.3.1 Quy trình hoạt động 66

3.3.2 Lưu đồ thật tốn 66

3.3.3 Mã nguồn chương trình điều khiển 68

KẾT LUẬN 74

1

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết đề tài

2

loại sản phẩm’, để nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động robot vận dụng kiến thức học

2.Mục đích đề tài

Thực nghiệm mơ hình cánh tay robot bậc tự qua nghiên cứu tổng quan cánh tay robot tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động robot Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý ứng dụng Arduino sử dụng để điều khiển cánh tay robot

Vận dụng kiến thức học tìm hiểu xây dựng mơ hình cánh tay robot hoạt động lập trình

3.Đối tượng phạm vi nghiên cứu

Đối tương nghiên cứu đề tài mơ hình cánh tay robot bậc tự sử dụng mạch Arduino để điều khiển Nghiên cứu tổng quan cấu tạo nguyên lý hoạt động cánh tay robot mạch điều khiển Vận dụng kiến thức để vận hành lập trình điều khiển cánh tay robot

4.Phương pháp nghiên cứu khoa học

Nghiên cứu sở khoa học thực tiễn chế tạo, điều khiển robot Nghiên cứu phương trình động học ngược robot

Nghiên cứu ứng dụng phần gia cơng khí để chế tạo cánh tay robot

Nghiên cứu ứng dụng mạch Arduino để điều khiển cánh tay robot 5.Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài

Kết nghiên cứu đề tài ứng dụng xây dựng cánh tay robot tự động gắp phân loại sản phẩm dựa theo màu sắc, dựa theo hình dáng, hay chia sản phẩm từ băng truyền xếp vào thùng/khay Ngồi cánh tay máy cịn ứng dụng vào hàn, cắt hay đơn giản nâng vật nặng

3 CHƯƠNG

TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN ROBOT

 Nhu cầu nâng cao suất chất lượng sản phẩm ngày địi hỏi ứng dụng rơng rãi phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao hình thành Các thiết bị thay dần máy tự động ‘cứng’ đáp ứng việc định thị trường ln địi hỏi thay đổi mặt hàng chủng loại, kích cỡ tính v v Vì ngày tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

 Thuật ngữ ‘robot’ lần xuất năm 1922 tác phẩm ‘Rossm’s Universal Robot’ Karel Capek Theo tiếng Séc robot người làm tạp dịch Trong tác phẩm nhân vật Rossum trai ông tạo máy gần giống người để hầu hạ người

 Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng Karel Capek bắt đầu thực Ngay sau chiến tranh giớ lần thứ 2, Hoa Kỳ xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ

4

 Chiếc robot công nghiệp đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, nhà máy ô tô General Motors Trenton, New Jersey Hoa Kỳ

 Năm 1967, Nhật Bản nhập robot công nghiệp từ công ty AMF Đến năm 1990 có 40 cơng ty Nhật Bản, có công ty khổng lồ công ty Hatachi công ty Mitsubisi,đã đưa thị trường quốc tế nhiều loại robot tiếng

 Từ năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính robot nhiều đến lắp đặt thêm cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết mơi trường làm việc trường đại học tổng hợp Ford người ta tạo loại robot lắp ráp tự động điều khiển máy tính sở sử lý thơng tin từ cảm biến lực thị giác Vào thời gian Cơng ty IBM chế tạo loại robot có loại cảm biến xúc giác cảm biến biến lực, điều khiển máy tính để lắp ráp máy in gồm 20 cụm chi tiết

 Vào giai đoạn nhiều nước khác tiến hành cơng trình nghiên cứu tương tự, tạo loại robot điều khiển máy vi tính, có lắp đặt thiết bị cảm biến thiết bị ngoại tiếp người- máy

 Một lính vực mà nhiều phịng thí nghiệm quan tâm việc chế tạo robot tự hành Các cơng trình nghiên cứu tạo robot tự hành theo hướng bắt chước chân người súc vật Các robot cịn chưa có nhiều ứng dụng công nghiệp nhiên loại xe robot(robocar) lại nhanh chóng đưa vào hoạt động hệ thống sản xuất tự động linh hoat

5

 Ngày chuyên ngành khoa học robot ‘robotics’ trở thành lĩnh vực rộng khoa học, bao gồm vấn đề cáu trúc động học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v

 Robot công nghiệp hiểu thiết bị tự động linh hoạt,bắt chước chức lao động cơng nghiệp người Nói đến thiết bị tự động linh hoạt nói đến khả thao tác với nhiều bậc tự do, điều khiển trợ đông lập trình thay đổi cịn nói đến bắt chước chức lao động công nghiệp người có ý nói đến khơng hạn chế từ chức lao động chân tay đơn giản đến trí khơn nhân tạo, tùy theo loại hình cơng việc lao động cần đến chức hay ko Đồng thời nói đến mức độ cần thiết bắt chước người hay không 1.2 NHỮNG ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA ROBOT

 Ứng dụng công nghiệp

- Lắp đặt vật liệu, hàn điểm phun sơn

- Phục vụ máy công cụ, làm khuôn công nghiệp đồ nhựa, v v  Ứng dụng robot phịng thí nghiệm

- Dùng để thực công việc thủ công, thực công việc lặp lặp lại

 Ứng dụng robot thao tác cần khuyếch đại lực - Dùng khu vực nguy hiểm ( nhiễm xạ v v…)

- Dùng bốc dỡ hàng hóa, vật liệu, phơi có trọng lượng lớn cồng kềnh ngành công nghiệp nặng…

 Ứng dụng robot nông nghiệp

- Robot cắt long cứu, mổ xẻ thịt heo… lĩnh vực robot đảm nhiệm ngya cơng việc mang tính lặp lại, nhiều thao tác đòi hỏi phối hợp tay nghề cao lanh lợi đôi mắt

6

- Tay máy chế tạo nhắm tăng cường khả bơc dỡ hàng hóa tiếp tế, lắp ghép với trạm không gian khác

- Các xe tự hành trang bị tay máy linh hoạt, robot công dụng chung trạm khơng gian, bảo trì vệ tinh, xây dựng khơng gian…

 Ứng dụng robot tàu lặn

- Phát triển tàu lặn không người lái cơng tác kiểm tra, dị tìm, thám hiểm đại dương

 Ứng dụng rơ bót giáo dục

- Robot sử dụng phương tiện giảng dạy chương trình giáo dục

- Robot sử dụng kết hợp với ngôn ngữ LOGO để giảng dạy nhận thức máy tính

- Tạo phòng học robot

 Ứng dụng robot hỗ trợ người tàn tật

- Thông qua xung não để điều khiển tay máy làm thao tác mong muốn, phận thay thể

 Ứng dụng robot sinh hoạt giải trí

- Các loại đồ chơi trẻ em Robot thơng minh sử dụng nhà văn phịng…

1.3 MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT

- Viện nghiên cứu Mỹ: robot tay máy nhiều chức năng, thay đổi chương trình hoạt động, dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy dụng cụ dùng cho công việc đặc biệt thông qua chuyển động khác lập trình nhằm mục đích hồn thành nhiệm vụ đa dạng

7

- Theo nhà nghiên cứu thuộc trường phái SEV trước đây; ROBOT công nghiệp máy hoạt động tự động điều khiển theo chương trình để thực việc thay đổi vị trí đối tượng thao tác khác với mục đích tự động hóa q trình sản xuất

- Theo chuẩn ASNOR Pháp: robot cấu chuyển đổi tự động chương trình hóa, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục tọa độ có khả định vị, di chuyển đối tượng vật chất, chi tiết, dao cụ, gá lắp…theo hành trình thay đổi chương trình hóa nhằm thực nhiệm vụ công nghiệp khác

- Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: robot thiết bị có nhiều trục thực chuyển động chương trình hóa nối ghép chuyển động chúng khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến động trình Chúng điểu khiển phận hợp ghép kết nối với nhau, có khả học nhớ chương trình, chúng trang bị dụng cụ phương tiện công nghệ khác để thực nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp

- Theo tiêu chuẩn GHOST-1980: robot máy tự động liên kết tay máy cụm điều khiển chương trình hóa, thực chu trình cơng nghệ cách chủ động với điều khiển thay chức tương tự người với điều khiển thay chức tương tự người

8 - Robot công nghiệp thỏa mãn yếu tố sau: + Có khả thay đổi chuyển động

+ Có khả cảm nhận đối tượng thao tác + Có số bậc chuyển động cao

+ Có khả thích nghi với mơi trường hoạt động

+ Có khả hoạt động tương hỗ với đối tượng bên - Đặc điểm

+ Có khả thay đổi chuyển động

+ có khả xử lý thơng tin ( biết suy nghĩ) + Có tính vạn

+ Có đặc điểm người máy 1.4 PHÂN LOẠI ROBOT

1.4.1 Phân loại robot theo dạng hình học khơng gian hoạt động  Các loại khớp dùng robot

9 - Robot tọa độ vng góc:

Có bậc chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vng góc

RECTILINEAR or COORDINATE (X, Y & Z) ROBOT X - Horizontal, left and right motions Y - Vertical, up and down motions Z - Horizontal, forward and backward motions

Hình 1.1 Robot tọa độ vng góc - Robot tọa độ trụ:

10 CYLINDRICAL ROBOT

X - Horizontal rotation of 360°, left and right motions Y - Vertical, up and down motions

Z - Horizontal, forward and backward motions

Hình 1.2 Robot tọa độ trụ - Robot tọa độ cầu

11

SPHERICAL ROBOT

X - Horizontal rotation of 360°, left and right motions Y - Vertical rotation of 270°, up and down motions Z - Horizontal, forward and backward motions

Hình 1.3 Robot tọa độ cầu - Robot khớp lề :

Có trục quay

12

Y - Vertical rotation of 270°, up and down motions

Z - Horizontal & vertical rotation of 90° to 180°, forward and backward motions

Hình 1.4 Robot khớp lề 1.4.2 Phân loại robot theo hệ

 Robot hệ thứ nhất: bao gồm dạng robot hoạt động lặp lại theo chu trình khơng thay đổi, theo chương trình định trước

- Đặc điểm:

+ sử dụng tổ hợp cấu cam với công tắc hành trình + Điều khiển vịng hở

+ Sử dụng phổ biến công việc lắp- đặt

 Robot hệ thứ 2: robot với điều khiển theo chương trình tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với thay đổi môi trường thao tác (được trang bị cảm biến cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi lại hệ thống điều khiển )

- Đặc điểm:

+ Điều khiển vịng kín chuyển động tay máy

+ lựa chọn chương trình dựa tín hiệu phản hồi từ cảm biến + hoạt động robot lập trình

 Robot hệ thứ 3: robot trang bị thuật toán xử lý phảm xạ logic thích nghi theo thơng tin tác động môi trường lên chúng, trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh điều khiển

- Đặc điểm:

+ có đặc điểm loại

+ có khả nhận dạng mức độ thấp

13

hình tính tốn xác định trước có ứng xử phù hợp với điều kiện moi trường thao tác

- Đặc điểm:

+ Có đặc điểm tương tự loại trên, có khả tự động lựa chọn chương trình hoạt động lập trình lại hoạt động dựa tín hiệu thu nhận từ cảm biến

+ Bộ điều khiển phải có nhớ tương đối lớn

- Robot hệ thứ 5: tập hợp robot trí tuệ nhân tạo - Đặc điểm:

+ Được trang bị kỹ thuật trí tuệ nhân tạo để định giải vấn đề nhiệm vụ đặt cho

+ Được trang bị mạng Neuron có khả tự học

+ Được trang bị thuật toán Neuron suzzy/suzzy logic để tự suy nghĩ định cho ứng xử

1.4.3 Phân loại robot theo hệ điều khiển

- Robot gắp đặt: thường sử dụng nguồn dẫn động khí nén, điều khiển phổ biến điều khiên lập trình ( PLC) thực điểu khiển vòng hở

- Robot dẫn đường liên tục: sử dụng điều khiển secvor thực điều khiển vịng kín Hệ thống điều khiển liên tục hệ thống robot laoaj trình theo đường xác

1.4.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động

- Robot dùng nguồn cấp điện DC, AC Robot loại có thiết kế gọn, chạy êm, định vị xác

- Robot dùng nguồn khí nén: hệ thống cần trng bị máy nén, bình chứa khí động kéo máy nén Robot loại dùng thao tác lắp đạt khơng cần độ xác cao

14

- Bảng phân loại robot

Bảng 1.2 Phân loại robot

Dấu hiệu phân loại Tên gọi tay máy

Theo số bậc chuyển động Có 2, nhiều dạng: không di chuyển, tự di chuyển

Theo số lượng tay máy , nhiều tay máy Theo tải trọng nâng tay máy - Siêu nhẹ

- Loại nhẹ - Loại chung - Loại nặng - Loại siêu nặng Theo nguốn dẫn động cấu

chấp hành

- Khí nén - Thủy lực - Cơ điện - Hỗn hợp Theo hệ thống điều khiển, theo

nguyên lý điều khiển

Với điều khiển chương trình: - Theo chu kỳ

- Theo vị trí - Theo chu vi - Hỗn hợp

Với điều khiển theo cảm nhận: - Điều khiển khơng thích nghi - Điều khiển thích nghi

Theo số robot điều khiển đồng thời

15

Theo kiểu bảo hiểm - Kiểu thông thường - Kiểu phòng bụi - Kiểu phòng nhiệt - Kiểu phịng nổ 1.5 CẤU TẠO CHUNG CỦA ROBOT CƠNG NGHIỆP

1.5.1 Các thành phần

Các thành phần cánh tay robot bao gồm:

+Tay máy: Là cấu khí bao gồm khung xương tồn cánh tay robot động thực thi nhiệm vụ Thành phần chịu trách nhiệm làm việc

+ Nguồn cung cấp: Nguồn cấp điện, thủy lực, khí nén cung câp cho cấu làm việc

+ Bộ điều khiển: Bộ điều khiển có nhiệm vụ điều khiển trình hoạt động cánh tay máy

16 1.5.2 Tay máy

- Tay Máy: (Manipulator) cấu khí gồm khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay(arm) để tạo chuyển động bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên khéo léo, linh hoạt bàn tay (Hand) phần công tác (End

Effector) để trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng

Hình 1.6 Kết cấu tay máy e. Bậc tự tay máy

- Bậc tự tay máy số khả chuyển động độc lập khơng gian hoạt động

- Để nâng cao độ linh hoạt tay may phải có số bậc chuyển động cao, nhiên khơng nên Sáu bậc chuyển động thường gồm bậc chuyển động bản(chuyển động định vị ) bậc chuyển động bổ xung (chuyển động định hướng)

Chuyển động thường chuyển động tịnh tiến chuyển động quay, bậc chuyển động có nguồn dẫn động riêng

17

Hình 1.7 Mơ tả bậc cánh tay máy ví dụ: w= 6.4-(3.5+1.5)=4

b Tay máy tọa độ vuông góc - Ưu điểm:

 Khơng gian làm việc lớn

 HT điều khiển đơn giản

 Dành diện tích sàn lớn cho cơng việc khác - Nhược điểm:

 Việc thay đổi khơng thích hợp khơng gian

 Duy trì cấu dẫn động thiết bị điều khiển gặp nhiều khó khăn c Tay máy tọa độ trụ

- Ưu điểm:

 Có khả CĐ ngang sâu vào máy sản xuất

 Cấu trúc theo chiều dọc để lại nhiều khoảng trống cho sàn

 Kết cấu vững chắc, có khả mang tải lớn  Khả lặp lại tốt

- Nhược điểm:

 Giới hạn tiến phía trái phía phải d Tay máy tọa độ cầu

- Độ cứng vững loại tay máy thấp hai loại độ xác định vị phụ thuộc vào tầm với

18

- Tay máy tồn khớp lề có ba khớp khớp quay, trục thứ vng góc với hai trục Do tương tự với tay người, khớp thứ hai gọi khớp vai, khớp thứ ba gọi khớp khuỷu nối cẳng tay với khuỷu tay Với kết cấu tương ứng khả chuyển động khâu số bậc tự Tay máy làm việc khéo léo, độ xác định vị phụ thuộc vị trí phần cơng tác vùng làm việc

- Tay máy Scara đề xuất dùng cho cơng việc lắp ráp Đó kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm hai khớp quay khớp trượt, ba khớp có trục song song với Kết cấu làm tay máy cứng vững theo phương thẳng đứng cứng vững theo phương chọn phương ngang Loại chuyên dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương đứng Từ Scara viết tắt “selective compliance assembly robot arm” để mô tả đặc điểm Vùng làm việc Scara phần hình trụ rỗng

1.5.3 Cổ tay máy

Cổ tay máy thương có ba bậc tự chuyển động định hướng dạng chuyển động quay quanh trục vng góc gồm:

 Chuyển động xoay cổ tay(Roll)

 Chuyển động gập cổ tay (Pitch)

 Chuyển động lắc cổ tay (Yaw) g Chế độ hoạt động Robot

- Chế độ huấn luyện: - Chế độ tự động:

1.5.4 Bộ điều khiển Robot

19 việc lập trình

Hình 1.8 Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC-based

Hình 1.9 Các thành phần đầy đủ điều khiển robot a Bộ xử lý trung tâm

20

của robot từ thực thuật toán điều khiển đưa tín hiệu điều khiển cho phận chuyển đổi tín hiệu

- Các trường hợp cụ thể:

 Dùng nguyên máy tính nhỏ

 Dùng mơđun mạch máy tính có sẵn

 Sử dụng vi xử lý 16 bít làm tảng cho CPU

 Sử dụng máy tính riêng giao tiếp với điều khiển robot

 Dùng hệ thống mạng vi xử lý hay 16 bít liên kết lại với

bằng phần cứng phần mềm để thực công việc CPU b Bộ nhớ

- Bộ nhớ dùng để lưu giữ chương trình thơng tin phản hồi từ mơi trường thao tác

21 c Bộ xuất nhập

- Bộ xuất nhập dùng để đưa chương trình vào xử lý kiểm tra, theo dõi hoạt động trình thao tác

- Cấu hình xuất nhập thường bao gồm bàn phím, hình, bo mạch bố trí cổng giao tiếp xuất nhập dạng nối tiếp song song pa-nen điều khiển xem phần xuất nhập

d Các loại điều khiển

 Bộ điều khiển robot hệ thống hở

- Điều khiển vòng hở (open-loop) hay cịn gọi hệ thống điều khiển khơng có phản hồi (non-servo system) Điều khiển hở, dùng truyền động bước ( động điện động thủy lực, khí nén, ) mà quãng đường góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu đơn giản, đạt độ xác thấp

- Robot hoạt động theo hệ thống hở không nhận biết vị trí dịch chuyển từ điểm sang điểm khác Trên trục chuyển động thường có điểm dừng vài vị trí xác định để kiểm tra độ xác dịch chuyển

- Bộ điều khiển thường gồm cấu khí dùng thiết lập vị trí xác thiết bị bên ngồi xử lý truyền dẫn tín hiệu cho cấu tác động đảm bảo cho việc dịch chuyển Bao gồm:

 Cữ chặn hạn chế hành trình cố định

 Cữ chặn hạn chế hành trình điều chỉnh vị trí

 Cơng tắc hạn chế hành trình

 Động bước có góc quay tùy vào số xung cấp

 Thiết bị đảm bảo robot

 Bộ lập trình trống

22

Hình 1.10 Sơ đồ khối hệ thống hở

Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kiểu vòng hở kết hợp với cơng tắc hành trình

 Bộ điều khiển robot hệ thống điều khiển kín

23

điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm điều khiển theo đường (contour) - Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm đến điểm theo đường thẳng với tốc độ khơng cao (khơng làm việc ) Nó làm việc điểm dừng Kiểu điều khiển dùng robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,…

- Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ điều khiển Có thể gặp kiểu điều khiển robot hàn hồ quang, phun sơn

1.5.5 Nguồn dẫn động a Truyền động thuỷ lực

- Ưu điểm:

 Lực nâng lớn

 Tốc độ chạy êm

 Có thể khóa cứng khớp vị trí xác định (khơng nén được)

 Sử dụng cho ĐK Servo tốt

 Tự bôi trơn làm mát

 Hoạt động dừng tải không làm hư hỏng HT

 Đáp ứng nhanh

 An toàn áp suất cháy nổ

 Tác động êm tốc độ thấp - Hạn chế:

 Chi phí cao

 Khơng thích hợp cho cấu quay với tốc độ nhanh

 Cần có đường hồi dầu

 Kích thước lớn áp suất tốc độ dầu cao

 Nguồn dẫn không phổ biến

24 - Ưu điểm:

 Giá thành khơng cao

 Khí thải khơng gây nhiễm mơi trường

 Nguồn dẫn khí nén phổ biến công nghiệp

 Phù hợp dạng Modul

 Cơ cấu tác động dừng mà khơng hư hỏng - Nhược điểm:

 Giới hạn điều khiển độ xác  Gây ồn

 Gây trở ngại cho HT bị rò rỉ  Khó điều chỉnh tốc độ

 Phải sử dụng lọc c Truyền động điện

- Ưu điểm:

 Tác động nhanh xác  Áp dụng KTĐK phức tạp

 Giá thành không cao

 Thời gian triển khai HT nhanh

 Mô men quay cao, trọng lượng giảm đáp ứng nhanh - Nhược điểm:

 Bản chất tốc độ cao

 Khe hở bánh làm giảm độ xác

 Gây nhiệt tải

 Cần sử dụng phanh để ghim vị trí khớp  Các loại động cơ:

25

Động bước sử dụng điều khiển vòng hở, không cần trang bị cảm biến để phản hồi vị trí vận tốc xung tác động thiết kế kiểm soát để rotor cảu động bước quay góc xác định

Nếu mô men cảu động bước không đủ thắng phụ tải quán tính phụ tải, động không làm việc dù nhận xung điều khiển

Động bước nam châm vĩnh cửu: roto nam châm vĩnh cửu, stato cuộn dây Vùng từ trường tạo cách cấp điện cho cuộn stato, từ trường thay đổi cách kích hoạt theo trình tự kích bước cuộn stato

 Động DC

Động DC tạo mômen tỷ lệ với cường độ dòng điện nhận từ nguồn cấp Các động DC truyền thống có roto nhẹ để gia tốc nhanh hạn chế không chịu dịng cao Vì nên sử dụng động tác động nhanh với phần ứng nhẹ sử dụng hộp giảm tốc có tỉ số truyền hợp lý để cân tối ưu mômen gia tốc

 Động AC

Được sử dụng HT có cơng suất nhỏ Là động AC có cảm ứng thuận nghịch Gồm roto cảm ứng cuộn dây tạo từ trường đặt lệch 90 độ Một cuộn tạo từ trường chuẩn cố định Một cuộn tạo từ trường điều khiển d truyền động hỗn hợp

- Kết hợp ưu điểm truyền động khác để tạo Rơbốt có độ xác cao

1.5.6 Các dạng điều khiển tay máy a Đường dẫn đoạn

- Đây kiểu điều khiển khơng có phản hồi sử dụng cơng tắc hành trình, số điểm lập trình cho trục thường (điểm đầu điểm cuối)

b Đường dẫn theo điểm

26

- Từng trục điều khiển độc lập đến điểm chương trình cơng nghệ, người lập trình lưu lại tọa độ điểm vào nhớ Bộ điều khiển tính tốn, xử lý vị trí tay máy với tọa độ suy rộng- dịch chuyển góc thẳng thể qua hành trình si trục thay cho tọa độ đề-các

c Đường dẫn liên tục

- Sử dụng lập trình thiết bị mơ (simulator) lập trình theo cách dắt mũi (lead-by- nose) hay bàn phím để kiểm sốt vị trí tay máy

- Các điểm chế độ huấn luyện điểm đường dịch chuyển đưa vào nhớ Sau điểm nút- điểm có tọa độ lưu vào nhớ đưa điều khiển robot cho trục robot thực chương trình

d Đường dẫn điều khiển

- Là hệ thống điều khiển theo điểm trang bị thêm khả kiểm sốt vị trí tay gắp vị trí trung gian tay gắp dịch chuyển điểm lập trình

1.5.7 Tay gắp

- Chức năng: giữ chi tiết mang dụng cụ tác động lên chi tiết Chức phụ thuộc vào công dụng Rôbốt: gắp, kẹp , sơn, hàn…

- Tính chất:

 Có khả kẹp , nâng thả chi tiết

 Cảm nhận chi tiết tay gắp

 Trọng lượng phải nhỏ

 Giữ chi tiết trường hợp: V tối đa, lượng cung cấp

 Đơn giản có độ tin cậy cao

27  Phân loại tay gắp

- Nguồn dẫn động:

 Sử dụng động điện

28 CHƯƠNG

XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY

2.1 CÁC KHÁI NIỆM BAN ĐẦU 2.1.1 Hệ tọa độ

- Phương pháp sử dụng: phương pháp hệ tọa độ tham chiếu - Hệ tọa độ thuận

- Hệ tọa độ tuyệt đối - Hệ tọa độ tương đối 2.1.2 Quỹ đạo

- Tọa độ suy rộng:có thể chuyển vị góc khớp quay chuyển vị dài khớp tịnh tiến khâu thành viên : q1, q2, …, qn

q= q(t)

𝑥𝑀 = 𝑥𝑀(𝑞1, 𝑞2, … , 𝑞𝑛) = 𝑥𝑀(𝑡) (2-1) - Quỹ đạo điểm M:{𝑦𝑀 = 𝑦𝑀(𝑞1, 𝑞2, … , 𝑞𝑛) = 𝑦𝑀(𝑡)

𝑧𝑀 = 𝑧𝑀(𝑞1, 𝑞2, … , 𝑞𝑛) = 𝑧𝑀(𝑡)

2.1.3 Bài toán động học thuận

- Cho trước cấu quy luật yếu tố chuyển động thể tọa độ suy rộng qi ta phải xác định quy luật chuyển động điểm

khâu tác động cuối nói riêng điểm khâu tay máy nói chung hệ trục tọa độ vng góc

2.1.4 Bài tốn động học ngược

29 suy rộng qi

2.2 MÔ TẢ CHUYỂN ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ THUẦN NHẤT

2.2.1 Giới thiệu phương pháp tọa độ

- Phương pháp tọa độ dùng để khắc phục số vấn đề phức tạp tính tốn ma trận Trong khơng gian n chiều trình bày n+1 chiều

Khi quan tâm đồng thời định vị định hướng vectơ điểm bổ xung thành phần thứ tư, thành vectơ mở rộng biểu diễn là:

r=(ωrx, ωry, ωrz, ω)T- cách biểu diễn vectơ điểm không gian tọa độ

ω: hệ số tỉ lệ ngầm định cho chiều thứ tư

ω=1: tọa độ biểu diễn tọa độ thực, r=(rx,ry.rz,1) T

Tọa độ thực vecto mở rộng: 12

1 0

0 cos sin

0 sin cos

0 0

a b T c                      (2.1) y y r r    z z r r    (2.2)

2.2.2 Biến đổi dùng ma trận - Thiết lập ma trận

Ví dụ: hai hệ tọa độ O1x1y1z1, O2x2y2z2 quay tương góc φ

và tịnh tiến gốc tọa độ O2 hệ O1x1y1z1 vectơ p hình

30 Hình 2.1 Hệ tọa độ

Điểm M hệ tọa độ xác định vec tơ r1, r2 hệ

tọa độ nhất:

Ta viết sau :

1 2

1 2

2 2

1

cos sin {

sin cos

1

x x

y y z

z y z

r r at

r r r bt

r r r ct

t t               (2.3)

Đặt 12

1 0

0 cos sin sin cos

0 0

a b T c                   

  (2.4)

T12 ma trận 4x4 dùng để biến đổi vectơ mở rộng từ hệ tọa

độ sang hệ tọa độ khác Tổng quát : ij

0

ij

R p

T   

31 - Các thàn phần ma trận

+ Rij : ma trận quay 3x3 Rij = M T

=

1

1

1

                

  (2.6)

+ P :ma trận 3x1 biểu thị tọa độ điểm Oj hệ Oi

+ 1x3 : ma trận ( ma trận phối cảnh) + 1x1 : ma trận đơn vị

+ Trong phép biến đổi tọa độ ma trận tỏ ưu điểm bao gồm thông tin quay lẫn tịnh tiến

Mô tả tổng quát điểm M hệ tọa độ UVW biểu diễn vector mở rộng ruvw hệ tọa độ XYZ điểm xác định vector mở rộng rxyz : rxyz = T.ruvw

T=

0 0

x x x x y y y y z z z z n s a p n s a p n s a P

            R p     

  (2.7)

Vector n tọa độ vector phương OU biểu diễn hệ tọa độ XYZ

Vector s tọa độ vector phương OV biểu diễn hệ tọa độ XYZ

Vector a tọa độ vector phương OW biểu diễn hệ tọa độ XYZ

Ma trận nghịch đảo T-1 =

T p n R p s p a             

32

T=  

1 0

0

0

0 0

x y

p x y z z

p p

T p p p p           

  (2.9)

 Phép quay trục tọa độ

1 0

0 cos sin

( , )

0 sin cos

0 0

R x  

             

  (2.10)

cos sin

0 0

( , )

sin cos

0 0

R y                

  (2.11)

cos sin 0

sin cos 0

( , )

0

0 0

R y                 

  (2.12)

 Phép quay phức hợp

( , , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , , ) ( , ) ( , ) ( , )

R R y R z R x

R R x R z R y

     

     



 (2.13)

 Phép quay trục

Trục quay đặc trưng vector đơn vị phương : ( , , )x y z T

r r r r

(2.14) Các bước thực hiện:

Quay góc α quanh OX để trục r nằm xuống mặt XZ Quay góc -β quanh OY để trục r trùng với trục OZ Quay góc φ quanh trục OZ

Quay góc β quanh OY

33

R r( , ) R x( ,) ( , ) ( , ) ( ,R y  R z R y ) ( , )R x (2.15)

2 0 ( , )

0 0

x x y z x z y x y z y y z x x z y x y z z

r v c r r v r s r r v r s

r r v r s r v c r r v r s

R r

r r v r s r r v r s r v c

                                           (2.16)

V v ser  1 cos (2.17)  Phép quay theo góc Euler

R( , , )   R z( , ) ( , ) ( , ) R y  R z (2.18)

0 0

0 0

c c c s s c c s s c c s s c c c s s c s c c s s

s c s s c

                                              

  (2.19)

2.2.4 Bài tốn biến đổi ngược  Xác định góc quay trục quay

T =

w w w

0 0

x x x x y y y y z z z z

u v p

u v p

u v p

            = 2 0

0 0

x x y z x z y x y z y y z x x z y x y z z

r v c r r v r s r r v r s

r r v r s r v c r r v r s

r r v r s r r v r s r v c

                                      

  (2.20)

2 2

( w ) (w ) (u )

tan

u w

x y x z y x x y z

v u v

v

     

  

(2.21)

sgn( w ) sgn(w ) w sgn( ) x

x z y

y

y x z

z

z y x

u c r v c v c r u c c

r u v

c                            

 (2.22)

34 T =

w w w

0 0

x x x x y y y y z z z z

u v p

u v p

u v p

            0

0 0

c c c s s c c s s c c s s c c c s s c s c c s s

s c s s c

                                              

  (2.23)

2.2.5 Mô tả phát biểu lại nội dung toán động học

Ta quy ước gọi chuyển vị tương đối khâu biến dịch chuyển tọa độ cần xác định biến vị trí Các biến dịch chuyển biến vị trí có liên quan đến Từ ta phát biểu cách khác toán động học sau:

Phát biểu toán động học thuận:

Cho trước quy luật biến di chuyển theo tọa độ suy rộng, xác định quy luật biến vị trí theo tọa độ Đềcác Bài tốn thn liên quan đến phương trình chuyển đổi thuận để tìm vị trí hướng khâu đầu cuối hệ tọa độ Đềcác cho trước toạ độ suy rộng

Phát biểu toán động học ngược:

Cho trước quy luật biến vị trí (cụ thể quy luật tọa độ vị trí hướng khâu chấp hành cuối hệ tọa độ Đềcác), ta phải xác định quy luật biến di chuyển phù hợp cho khâu thành viên thể tọa độ suy rộng chúng Bài tốn ngược liên quan với phương trình chuyển đổi ngược để tìm mối liên hệ khâu thành viên tay máy cho trước vị trí hướng khâu đầu cuối

2.2.6 Phương pháp giải toán động học thuận - Thiết lập ma trận quan hệ tương đối khâu

- Thiết lập ma trân tuyệt đối cho khâu khâu chấp hành cuối - Thiết lập vị trí ma trận đạo hàm bậc bậc cho khâu

35

2.2.7 Phương pháp giải toán động học ngược - Xuất phát từ phương trình động học bản:

T=A1A2….An=

0 0

x x x x y y y y z z z z n s a p n s a p n s a P

 

 

 

 

 

  (2.24)

Các ma trận Ai hàm biến khớp qi Ma trận Ai mô tả vị trí

hướng khâu thứ i so với khâu thứ i-1

- Có thể viết lại vế trái phương trình trên: Tn=Ti

i

Tn (2.25)

Nhân vế với Ti -1

ta có:

Ti-1Tn= iTn Ti-1 =( A1A2….An) -1 = Ai-1… A2-1 A1-1 (2.26)

 Ai

-1… A

-1

A1 -1

Tn = i

Tn (2.27)

i

Tn = Ai

-1… A

-1

A1 -1

0 0

x x x x y y y y z z z z n s a p n s a p n s a P

 

 

 

 

 

  (2.28)

Ứng với giá trị i so sánh phần tử tương ứng ma trận vế biểu thức ta có phương trình tồn độc lập để xác định biến khớp qi Như , cách có nhiều khả để lựa chọn lời

giải qi đa trị

2.3 THUẬT TOÁN GIẢI BÀI TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ THUẦN NHẤT

2.3.1 Bộ thông số DH (Denavit-Hartenberg)

36

Hình 2.2 Xây dựng hệ tọa độ

Trước hết xây dựng thông số trục quay khớp động i+1 i:

- độ dài đương vng góc chung trục khớp động i+1 i - αi góc chéo trục khớp động i+1 i

- di khoảng cách dọc trục khớp động i từ đường vng góc chung

trục khớp động i+1 trục khớp động i trục khớp động i tới đường vng góc chung trục khớp động i trục khớp động i-1

- θi góc đường vng góc chung nói

Bộ thơng số gọi thông số Denavit- Hartenberg, viết tắt thông số DH

 Biến khớp :

- Nếu khớp động i khớp quay θi biến khớp Nếu khớp động i khớp trượt di biến khớp

2.3.2 Thiết lập hệ tọa độ

37

2 trục giao gốc hệ tọa độ lấy trùng với giao điểm Nếu trục song song chọn gốc hệ tọa độ điểm trục khớp động i+1

- Trục zi hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động i+1

- Trục xi hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vng góc chung hướng từ khớp động i đến khớp động i+1 Trường hợp trục giao hướng trục xi trùng với hướng vectơ tích zi×zi+1 tức vng góc với mặt phẳng

chứa zi,zi+1

Mơ hình biến đổi  Các bước:

- Quay quanh trục zi-1 góc θi - Tịnh tiến dọc trục zi-1 đoạn di

- Tịnh tiến dọc trục xi-1 (đã trùng với xi) đoạn - Quay quanh trục xi-1 góc αi

𝐴𝑖 = 𝑅(𝑧, 𝜃𝑖) 𝑇𝑝(0,0, 𝑑𝑖) 𝑇𝑝(𝑎𝑖, 0,0) 𝑅(𝑥, 𝛼𝑖) (2.30)

𝐴𝑖

0

0 0

i i i i i i i i i i i i i i

i i i

c s c s c a c s c c c s a s

s c d

                          

  (2.31)

- Phương trình động học

Tn=A1A2….An=

0 0

x x x x y y y y z z z z n s a p n s a p n s a P

 

 

 

 

 

  (2.32) Trình tự thiết lập hệ phương trình động học - Xác định hệ tọa độ

- Lập bảng thơng số DH

38 - Tính ma trận Ti

39 CHƯƠNG

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ROBOT 5 BẬC TỰ DO

3.1 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MƠ HÌNH 3.1.1 Động servor

Hình 3.1 Động servo MG996R

Động RC Servo MG996 phiên nâng cấp MG995, dòng RC sero thiên tốc độ phản ứng nhanh lực kéo mạnh, thường sử dụng thiết kế Robot: Xe dò line, cánh tay robot, humanoid robot, robot nhện,

Động RC Servo MG996 có lực kéo mạnh, khớp bánh làm hoàn toàn kim loại nên có độ bền cao, động tích hợp sẵn Driver điều khiển động bên theo chế phát xung - quay góc nên dễ sử dụng

40 Chủng loại: Analog RC Servo

Điện áp hoạt động: 4.8-6.6VDC Kích thước: 40.7 x 19.7 x 42.9 mm Trọng lượng: 55g

Lực kéo:

9.4 kgf-cm 4.8V- khoảng 92N.cm 11 kgf.cm 6V- khoảng 108N.cm Tốc độ quay:

0.19sec / 60 degrees (4.8V không tải) 0.15sec / 60 degrees (6.0V khơng tải) Dịng hoạt động: 500 mA - 900 mA (6V) Dòng giữ momen: 2.5 A (6V)

Độ rộng băng thơng: 5µs

Nhiệt độ làm việc: ºC - 55 ºC

Thiết kế vịng bi đơi ổn định chống sốc Hình ảnh động MG996R:

41

Hình 3.3 Động servo phụ kiện

42

Hình 3.4 Chân điều khiển chu kì xung động 3.1.2 Driver điều khiển động servo

43

Việc điều khiển động servo motor với Arduino dễ dàng với thư viện Arduino Servo, nhiên với bảng mạch Arduino lại có hạn chế số pins I/O Với Adafruit 16-Channel 12-bit PWM/Servo điều khiển đồng thời tới 16 động servo thông qua giao tiếp I2C mà sử dụng pins I/O bảng mạch Arduino Với chân I/O kết nối với 62 Servo Driver có khả điều khiển lúc 992 servo

Đây giải pháp hoàn hảo cho dự án robot, hay dự án địi hỏi điều khiển nhiều servo

Hình 3.6 Servo driver kết nối với nguồn động servo Kết nối:

a Các chân cấp nguồn:

44

- VCC: Chân cấp nguồn logic (3-5V), bắt buộc sử dụng - V+ : Chân cấp nguồn cho servo, tùy chọn sử dụng,

b Các chân điều khiển:

- SCL-I2C clock pin: chân xung clock giao tiếp I2C - SDA-I2C data pin: chân liệu giao tiếp I2C

- OE-), chân tùy chọn sử dụng.Tín hiệu ra-output port output enable: Tín hiệu ngắt, dùng để nhanh chóng ngắt tồn tín hiệu servo driver mức logic chân OE cao (HIGH)

c OUTPUT-PORT

Có 16 ngõ tín hiệu servo, ngõ có chân V+, GND PWM d Kết nối servo driver với Arduino

Để kết nối servo driver với mạch arduino UNO sử dụng mơ hình cần sử dụng dây:

+5v -> VCC (chỉ cấp nguồn cho mạch driver không cấp nguồn cho servo)

45

Hình 3.7 Kết nối servor driver Arduino

Sau cấp nguồn 6V cho servo vào cổng cấp nguồn đầu bảng mạch

46

Hình 3.9 Kết nối động

Hình 3.10 Kết nối nhiều động e Thông số kỹ thuật:

- Tương thích với điện áp 5V, Có thể điều khiển qua MCU 3.3V an tồn cấp nguồn 6V cho Servo

47

- Độ phân giải 12 bit cho ngõ servo, Khoảng 4us 60Hz - Giao tiếp trực tiếp với Driver chuẩn giao tiếp I2C

- Có chân địa giao tiếp với 62 mạch driver khác đường bus I2C nâng tổng số ngõ PWM 992 cổng

- Có thể khai báo điện trở ngõ dạng Push-Pull Open-Drain - Có thể nhanh chóng ngắt tín hiệu tất ngõ

- Sử Dụng Chip SMD PCA9685 - Có Bảo Vệ Ngược Cực

3.1.3 Mạch điều khiển

a Giới thiệu chung arduino

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, mà người ta thường nói tới dịng Arduino UNO Hiện dòng mạch phát triển tới hệ thứ (R3)

48

Bảng 3.1 Một vài thông số arduino UNO R3

Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit)

Điện áp hoạt động 5V – DC

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ 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 PWM) Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 40 mA

Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328)

với 2KB dùng bootloader

SRAM KB (ATmega328)

EEPROM KB (ATmega328)

Kích thước 1.85cm x 4.3cm

c Vi điều khiển

49

Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,…

Arduino UNO cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB cấp nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng 7-12V DC giới hạn 6-20V Thường cấp nguồn pin vng 9V hợp lí khơng có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt ngưỡng giới hạn trên, làm hỏng Arduino UNO

GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với

5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA.Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND.IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên 5V Mặc dù không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn

RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ

 Lưu ý:

Arduino UNO khơng có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do phải cẩn thận, kiểm tra cực âm – dương nguồn trước cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào Arduino UNO biến thành miếng nhựa chặn giấy Nên dùng nguồn từ cổng USB

50

vị trí làm hỏng board Điều không nhà sản xuất khuyến khích

Cấp nguồn ngồi khơng qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp 6V làm hỏng board

Cấp điện áp 13V vào chân RESET board làm hỏng vi điều khiển ATmega328

Cường độ dòng điện vào/ra tất chân Digital Analog Arduino UNO vượt 200mA làm hỏng vi điều khiển

Cấp điệp áp 5.5V vào chân Digital Analog Arduino UNO làm hỏng vi điều khiển

Cường độ dòng điện qua chân Digital Analog Arduino UNO vượt 40mA làm hỏng vi điều khiển Do khơng dùng để truyền nhận liệu, phải mắc điện trở hạn dòng

d Bộ nhớ cổng vào  Bộ nhớ

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

32KB nhớ Flash: đoạn lệnh lập trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển Thường có khoảng vài KB số dùng cho bootloader đừng lo, cần 20KB nhớ đâu

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị biến khai báo lập trình lưu Khai báo nhiều biến cần nhiều nhớ RAM Tuy vậy, thực nhớ RAM lại trở thành thứ mà phải bận tâm Khi điện, liệu SRAM bị

1KB cho

51  Các cổng vào

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở không kết nối)

Một số chân digital có chức đặc biệt sau:

2chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng chân không cần thiết

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 28

-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() Nói cách đơn giản, điều chỉnh điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngồi chức thơng thường, chân dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác

LED 13: Arduino UNO có đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sáng

Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210

-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với

52

Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác

e Lập trình cho Arduino

Hình 3.13 Mơi trường lập trình Arduino

Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngơn riêng Ngôn ngữ dựa ngôn ngữ Wiring viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại biến thể C/C++ Một số người gọi Wiring, số khác gọi C hay C/C++

Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến dễ học, dễ hiểu

Để lập trình gửi lệnh nhận tín hiệu từ mạch Arduino, mơi trường lập trình Arduino gọi Arduino IDE

53 3.1.4 Nguồn

Mơ hình cánh tay robot sử dụng nguồn độc lập a. Nguồn cấp cho Arduino servo driver:

Do nhà sản xuất Arduino khuyên dùng nguồn vào 7-12V DC nguồn servor driver cấp nguồn ni từ mạch Arduino Vì em sử dụng pin 18650 đấu nối tiếp cho điện áp 7,2V cấp nguồn cho mạch Arduino

Hình 3.14 Pin cấp nguồn cho Arduino b. Nguồn cấp cho servo:

54

Hình 3.15 ắc quy 6V cấp nguồn cho servo 3.1.5 Khung cánh tay robot, khớp nối chân đế

Tổng quan cánh tay robot

Khung cánh tay máy bao gồm chân đế lắp trục quay cánh tay máy,trên trục quay cánh tay với khớp quay Cuối cánh tay máy mặt bích xoay lắp cấu gắp, kẹp

Khung cánh tay robot bậc tự Kích thước:

Chiều cao: 460mm Chiều dài tay: 355mm Độ rộng đế: 215mm

Các khung chân đế, cánh tay làm nhơm dập hình khoan lỗ sẵn

55

Hình 3.16 Tổng thể cánh tay robot

56

Tại khớp quay khung robot lắp vòng bi giúp chuyển động cánh tay máy trơn tru ổn định

Hình 3.18 Khớp quay cánh tay máy Tay gắp robot:

57

Hình 3.19 Tay gắp robot Thơng số kỹ thuật tay gắp robot:

-Trọng lượng : 68g -Chất liệu: nhôm -Độ mở tối đa: 55mm

58 3.2 Thi công phần cứng

3.2.1 Lắp ráp

Hình 3.20. Chân đế cánh tay robot

59

Hình 3.22 Lắp giá lắp động vào chân đế

Hình 3.23 Ráp khung cánh tay vào vịng bi lắp đặt giá lắp động

60

Hình 3.25 Lắp giá lắp động lên trục quay

61

Hình 3.27 Tiếp tục lắp cánh tay động vào đế quay

62

63

Hình 3.30 Khớp cuối cánh tay

64

Hình 3.32 Lắp động xoay tay gắp,kẹp tay kẹp

65

Hình 3.34 Cánh tay robot hồn chỉnh

66 3.3 Phần mềm điều khiển

3.3.1 Các thao tác hoạt động cánh tay robot - Thiết lập cánh tay robot trạng thái ban đầu - Quay cánh tay máy hướng điểm gắp vật - Hạ cánh tay máy

- Mở tay gắp, kẹp

- Hạ tay gắp, kẹp xuống - Gắp, kẹp vật thể

- Giao tiếp với cổng I/O lấy mẫu trạng thái hai công tắc hành trình ctht2 ctht3

- Nếu:

Cả hai cơng tắc hành trình ctht2 ctht3 có trạng thái 0: Cánh tay robot nhặt vật thể lên vị trí nhặt vật sau nhấc cánh tay lên di chuyển vị trí đặt vật hình trịn đặt xuống, nhả tay gắp theo trình tự hoạt động lập trình sẵn

Cả hai cơng tắc hành trình ctht2 ctht3 có trạng thái 1: Cánh tay robot nhặt vật thể lên vị trí nhặt vật sau nhấc cánh tay lên di chuyển vị trí đặt vật hình tam giác đặt xuống, nhả tay gắp theo trình tự hoạt động lập trình sẵn

Các trường hợp lại:

Cánh tay robot nhặt vật thể lên vị trí nhặt vật sau nhấc cánh tay lên di chuyển vị trí đặt vật hình vng đặt xuống, nhả tay gắp theo trình tự hoạt động lập trình sẵn

3.3.2 Lưu đồ thật toán

67

68 3.3.3 Mã nguồn chương trình điều khiển

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>

Adafruit_PWMServoDriver pwm = dafruit_PWMServoDriver();

#define MIN_PULSE_WIDTH 120 #define MAX_PULSE_WIDTH 3000 #define DEFAULT_PULSE_WIDTH 1500 #define FREQUENCY 30

uint8_t servonum = 0;

void setup() {

Serial.begin(9600);

Serial.println("16 channel Servo test!"); pwm.begin();

pwm.setPWMFreq(FREQUENCY);

pinMode(2, INPUT_PULLUP); // set chan vao pinMode(3, INPUT_PULLUP); // set chan vao

}

int pulseWidth(int angle) {

69

pulse_wide = map(angle, 0, 180, MIN_PULSE_WIDTH, MAX_PULSE_WIDTH);

analog_value = int(float(pulse_wide) / 1000000 * FREQUENCY * 4096);

Serial.println(analog_value); return analog_value;

}

void loop() {

pwm.setPWM(1, 0, pulseWidth(110)); pwm.setPWM(2, 0, pulseWidth(150)); delay (500);

pwm.setPWM(3, 0, pulseWidth(80)); pwm.setPWM(4, 0, pulseWidth(81)); delay(400);

pwm.setPWM(5, 0, pulseWidth(105)); delay(3000);

//*************************set1:******************* pwm.setPWM(0, 0, pulseWidth(142));

delay (700);//s1 quay

pwm.setPWM(1, 0, pulseWidth(75)); pwm.setPWM(2, 0, pulseWidth(130)); delay(1500);

pwm.setPWM(5, 0, pulseWidth(50)); delay(500);

70

pwm.setPWM(5, 0, pulseWidth(105)); delay(1500);

int ctht2 = digitalRead(2); Serial.println(ctht2); int ctht3 = digitalRead(3); Serial.println(ctht3);

if (ctht2 ==LOW && ctht3==LOW) {

pwm.setPWM(3, 0, pulseWidth(80)); delay(500);

pwm.setPWM(4, 0, pulseWidth(30)); delay(500);

pwm.setPWM(2, 0, pulseWidth(150)); pwm.setPWM(1, 0, pulseWidth(110)); delay(900);

pwm.setPWM(0, 0, pulseWidth(78)); delay(1000);

pwm.setPWM(1, 0, pulseWidth(75)); pwm.setPWM(2, 0, pulseWidth(130)); delay(1500);

pwm.setPWM(4, 0, pulseWidth(81)); delay(1500);

pwm.setPWM(3, 0, pulseWidth(40)); delay(900);

71 pwm.setPWM(3, 0, pulseWidth(80)); delay(500);

pwm.setPWM(5, 0, pulseWidth(105)); delay(500);

pwm.setPWM(2, 0, pulseWidth(150)); pwm.setPWM(1, 0, pulseWidth(110)); delay(2000);

} else {

int ctht2 = digitalRead(2); Serial.println(ctht2);

int ctht3 = digitalRead(3); Serial.println(ctht3);

if (ctht3==HIGH && ctht2==HIGH)

{

pwm.setPWM(3, 0, pulseWidth(80)); delay(500);

pwm.setPWM(4, 0, pulseWidth(30)); delay(500);

pwm.setPWM(2, 0, pulseWidth(150)); pwm.setPWM(1, 0, pulseWidth(110)); delay(900);

72 pwm.setPWM(1, 0, pulseWidth(75)); pwm.setPWM(2, 0, pulseWidth(130)); delay(1500);

pwm.setPWM(4, 0, pulseWidth(81)); delay(1500);

pwm.setPWM(3, 0, pulseWidth(40)); delay(900);

pwm.setPWM(5, 0, pulseWidth(50)); delay(600);

pwm.setPWM(3, 0, pulseWidth(80)); delay(500);

pwm.setPWM(5, 0, pulseWidth(105)); delay(500);

pwm.setPWM(2, 0, pulseWidth(150)); pwm.setPWM(1, 0, pulseWidth(110)); delay(2000);

}

Else

{

pwm.setPWM(3, 0, pulseWidth(80)); delay(500);

pwm.setPWM(4, 0, pulseWidth(30)); delay(500);

73

pwm.setPWM(0, 0, pulseWidth(38)); delay(1000);

pwm.setPWM(1, 0, pulseWidth(75)); pwm.setPWM(2, 0, pulseWidth(130)); delay(1500);

pwm.setPWM(4, 0, pulseWidth(81)); delay(1500);

pwm.setPWM(3, 0, pulseWidth(40)); delay(900);

pwm.setPWM(5, 0, pulseWidth(50)); delay(600);

pwm.setPWM(3, 0, pulseWidth(80)); delay(500);

pwm.setPWM(5, 0, pulseWidth(105)); delay(500);

pwm.setPWM(2, 0, pulseWidth(150)); pwm.setPWM(1, 0, pulseWidth(110)); delay(2000);

74

KẾT LUẬN

Thời gian thực với tạo điều kiện giúp đỡ thầy Nguyễn Trọng Thắng em thực thành công đề tài “Nghiên cứu xây dưng mơ hình cánh tay robot bậc tự Đi sâu nghiên cứu phần cứng” Các công việc thực bao gồm: Thiết kế, thi công chỉnh định cánh tay robot bậc tự gắp phân loại sản phẩm

Do thời gian có hạn kinh nghiệm thân chưa có với giúp đỡ thầy nhà trường giúp em hoàn thành nhiệm vụ Qua em xin cảm ơn thầy giáo dìu dắt em năm học vừa qua Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện-Điện tử dạy dỗ trang bị cho em kiến thức chuyên ngành quý giá

Em cố gắng tiếp thu kiến thức không ngừng học hỏi để áp dụng vào công việc thực tế sau

Hải Phòng, ngày 15 tháng năm 2018 Sinh viên

75

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Đề cương giảng robot công nghiệp – Th.s Lê Thị Minh Tâm

3 Phạm Đăng Phước, (2006), “Robot công nghiệp”, NXB KHKT, Hà Nội Nguyễn Văn Khang, Chu Anh Mỳ, (2011), “Cơ sở robot công nghiệp”, NXB KHKT, Hà Nội

5 Nguyễn Mạnh Tiến “Phân tích điều khiển ROBOT cơng nghiệp”, NXB khoa

6 Một số website

http://arduino.vn/

https://cdn-learn.adafruit.com/downloads/pdf/16-channel-pwm-servo-driver.pdf