Nghiên cứu, thiết kế và điều khiển cánh tay robot bằng arduino

TRƢỜNG 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 Ngườ g Mã số sinh viên : ThS Hồ Sỹ Phƣơng : Đặng Xuân Mạnh : 50K2 - ĐTVT : 0951085123 NGHỆ AN - 2016 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Robot Shakey Hình 1.2 Robot hàn điểm Hình 1.3 Robot song song bậc tự Merlet Hình 1.4 Nguyên Robot Hexapod TU Munich Hình 1.5 Robot hàn cơng nghệ sản xuất khí Hình 1.6 Ứng dụng Robot hệ thống sản xuất linh hoạt Hình 1.7 Robot đƣợc sử dụng công đoạn cấp liệu lắp ráp Hình 1.8 Robot thám hiểm địa hình Hình 1.9 Biểu diễn không gian cánh tay máy Hình 1.10 Cánh tay Robot Hình 1.11 Cấu tạo motor loại motor bƣớc Hình 1.12 Robot PUMA bậc tự 11 Hình 1.13 Bậc tự robot 11 Hình 1.14 Hệ toạ độ robot có n khâu 12 Hình 1.15 Xác định toạ độ cho khâu Robot Scara 13 Hình 1.16 Robot kiểu toạ độ Đề 13 Hình 1.17 Robot kiểu toạ độ trụ 14 Hình 1.18 Robot kiểu toạ độ cầu 14 Hình 1.19 Robot kiểu Scara 15 Hình 1.20 Phân loại loại robot chuyên dùng 15 Hình 1.21 Một sản phẩm robot song song 16 Hình 1.22 Mobile robot ứng dụng lĩnh vực khác 16 Hình 1.23 Board mạch Arduino Uno 20 Hình 1.24 Chân đọc xuất tín hiệu 23 Hình 1.25 Động Servo parasonic 25 Hình 1.26 Động Cơ Servo 1501MG 26 Hình 1.27 Động DC giảm tốc GA12-N20 Encoder 26 Hình 1.28 Động AC Servo 27 Hình 2.1 Các khối Arduino 29 Hình 2.2 Khối init 30 Hình 2.3 Khối close 31 Hình 2.4 Các khối khối low level 32 Hình 2.5 Các khối khối sensor 32 Hình 2.6 Khối lệnh điều khiển khớp động servo 33 Hình 2.8 Thiết lập số servo 34 Hình 2.9 Cấu hình cho servo 34 Hình 2.10 Thiết lập góc quay cho servo 35 Hình 2.11 Khối vịng lặp 36 Hình 2.12 Giao diện điều khiển tay 36 Hình 2.13 Động RC Servo 37 Hình 2.14 Cấu tạo Rotor 38 Hình 2.15 Stator động điện chiều 39 Hình 2.16 Cổ góp chổi than 39 Hình 2.17 Encoder động 40 Hình 2.18 Hai kênh A B lệch pha encoder 41 Hình 2.19 Nguyên lý hoạt động động điện chiều 42 Hình 2.20 Cấu tạo servo 44 Hình 2.21 Điều khiển vị trí trục động cách điều chế độ rộng xung 45 Hình 3.1 Cánh tay robot bậc tự 48 Hình 3.2 Bo mạch Arduino Uno R3 50 Hình 3.3 Mô tả lắp đặt động Servo với Arduino 50 Hình 3.4 Khối cấu hình chọn chân mạch điều khiển arduino 52 Hình 3.5 Khối lệnh điều khiển khớp động servo 52 Hình 3.6 Giao diện điều khiển cánh tay máy tính 53 Hình 3.7 Động Cơ Servo LD 1501MG 53 Hình 3.8 Phần bàn tay 54 Hình 3.9 Phàn khớp cánh tay 54 Hình 3.10 Phần khớp khỉu tay 55 Hình 3.11 Phần khớp trục đế xoay 55 Hình 3.12 Cánh tay robot bậc tự 56 MỤC LỤC CHƢƠNG 1.1 Tổng quan robot 1.1.1 Lịch sử phát triển robot 1.1.2 Các ứng dụng Robot 1.2.1 Các ƣu điểm sử dụng Robot 1.2.2 Mộ số lĩnh vực ứng dụng 1.3 Các khái niệm Robot – Robot công nghiệp 1.3.1 Định nghĩa robot công nghiệp ( Industrial Robot ) 1.3.2 Cánh tay máy Robot ( Robot Arm) 1.3.3 Bậc tự Robot công nghiệp 10 1.3.4 Hệ toạ độ robot 11 1.4 Phân loại Robot 13 1.5 Tổng quan board mạch Arduino uno R3 18 1.6 Động Cơ Servo 24 1.7 Kết luận chƣơng 27 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY…28 2.1 Giới thiệu phần mềm Labview 28 2.1.1 Các Khối lênh Arduino 29 2.2.3 Khái niệm động điện chiều 37 2.2.4 Cấu tạo chung động DC 37 2.2.5 Nguyên lý làm việc động điện chiều 42 2.3 Động servo 43 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÁNH TAY ROBOT 47 3.1.2 Thiết kế thi công 49 3.2 Kết đạt đƣợc 56 3.3 Kết sau thiết kế thi công 56 3.4 Hƣớng phát triển 57 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật có phát triển nhƣ vũ bão Nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật đƣợc ứng dụng vào thực tiễn đem lại lại nhiều lợi ích to lớn , tạo bƣớc ngoặt phát triển xã hội Từ đời Robot đóng vai trị 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 đƣợc sử dụng rộng khắp lĩnh vực gia công, lắp ráp nhiều ngành sản xuất nhƣ lƣợng, ô tô, máy bay, linh kiện điện tử,… Trong sản xuất đại phủ nhận vai trị quan trọng robot cơng nghiệp hệ thống sản xuất tự động Robot công nghiệp giúp nâng cao suất chất lƣợng sản phẩm, giải phóng ngƣời khỏi cơng việc nguy hiểm hay công việc nhàm chán lặp lặp lại trình sản xuất Trong hệ thống sản xuất tự động, robot cơng nghiệp thực công việc nhƣ: Vận chuyển sản phẩm, sơn, quét, lau chùi,… Trong lĩnh vực giáo dục robot đƣợc nghiên cứu đẩy mạnh phát triển nhiều đại học lớn khắp giới, Việt Nam hầu hết trƣờng kỹ thuật đƣợc 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 cịn phát triển chậm Trong nƣớc có công ty tổ chức phát triển lĩnh vực Vì lý robot cần đƣợc nghiên cứu phát triển để góp phần vào phát triển không ngừng đất nƣớc thời đại , góp phần quan trọng để đạt đƣợc mục tiêu đƣa Việt am thành nƣớc công nghiệp vào năm 2020 Trong phạm vi đồ án , đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy 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 hƣớng giúp đỡ từ thầy cô Khoa Điện Tử Viễn Thơng, em hồn thành xong đồ án tốt nghiệp Đặc biệt nhiệt tình quan tâm giảng viên trực tiếp hƣớng dẫn đề tài, Th.S Hồ Sỹ P ươ g, Bộ môn KT Điện Tử, Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trƣờng Đại Học Vinh Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy thầy cô khoa Cuối cùng, tơi xin kính chúc q thầy, sức khỏe thành công nhiều nghiệp giáo dục cao quý Nghệ An, ngày tháng Sinh viên năm 2016 CHƢƠNG 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 ngƣời Tiệp Kh Karen Kapek tƣởng tƣợng cổ máy hoạt động cách tự động, niềm mơ ƣớc ngƣời lúc Từ ý tƣởng thiết kế, chế tạo Robot thúc ngƣời Đến năm 1948, phịng 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 đƣợc lực tác động lên khâu cuối Năm 1956 hãng Generall Mills chế tạo tay máy hoạt động việc thám hiểm dại dƣơng 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 đƣợc Robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh Hình 1.1 Robot Shakey Năm 1970 ngƣời chế tạo đƣợc Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt mặt trăng 2.3 Động servo a Cấu tạo vào góc quay Động DC động bƣớc vốn hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động quay nhƣng chúng quay ta khơng biết, kể động bƣớc động quay góc xác định tùy vào số xung nhận đƣợc Việc thiết lập hệ thống điều khiển để xác định ngăn cản chuyển động quay động làm động không quay không dễ dàng Mặt khác, động servo đƣợc thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu động đƣợc nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí đƣợc hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có bầt kỳ lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chƣa đạt đƣợc vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt đƣợc điểm xác Động servo có nhiều kiểu dáng kích thƣớc, đƣợc sử dụng nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển máy tính mơ hình máy bay xe Ứng dụng động servo robot, loại với động dùng mơ hình máy bay xe Các động servo điều khiển liên lạc vô tuyến đƣợc gọi động servo R/C (radio-controlled) Trong thực tế, thân động servo đƣợc điều khiển vơ tuyến, nối với máy thu vơ tuyến máy bay hay xe Động servo nhận tín hiệu từ máy thu Nhƣ có nghĩa ta không cần phải điều khiển robot tín hiệu vơ 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 43 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 vịng kín Cả mạch điều khiển động đƣợc cấp nguồn DC (thƣờng từ 4.8 – 7.2 V) Để quay động cơ, tín hiệu số đƣợc gới tới mạch điều khiển Tín hiệu khởi động động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vơn kế Vị trí trục vơn kế cho biết vị trí trục servo Khi vơn kế đạt đƣợc vị trí mong muốn, mạch điều khiển tắt động Nhƣ ta dự đoán, động servo đƣợc thiết kế để quay có giới hạn 44 quay liên tục nhƣ động DC hay động bƣớc Mặc dù ta chỉnh động servo R/C quay liên tục (sẽ trình bày sau) nhƣng cơng dụng động servo đạt đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc 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 cơng suất để trì servo giảm Với độ dài xung ms, servo đƣợc điều khiển quay theo chiều (giả sử chiều kim đồng hồ nhƣ 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 ngƣợc lại Kỹ thuật đƣợc gọi tỉ lệ số - chuyển động servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển Cơng suất cung cấp cho động bên servo tỉ lệ với độ lệch vị trí trục với vị trí cần đến 45 Nếu servo gần vị trí đích, động đƣợc truyền động với tốc độ thấp Điều đảm bảo động không vƣợt điểm định đến Nhƣng servo xa vị trí đích đƣợc truyền động với vận tốc tối đa để đến đích nhanh tốt Khi trục đến vị trí mong muốn, động giảm tốc Quá trình tƣởng chừng nhƣ phức tạp diễn khoảng thời gian ngắn - servo trung bình quay 60o vũng ẳ - ẵ giõy Vỡ di xung cú thể thay đổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo máy thu vô tuyến thuộc hãng để đảm bảo tƣơng thích Đối với robot, ta phải làm vài thí nghiệm để xác định độ dài xung tối ƣu 46 CHƢƠNG 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 thƣớc 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 tƣơng đối linh hoạt Đây vấn đề nhóm tìm nhiều phƣớng án giải Trong phần thiết kế khí điều cần ý lúc hoạt động tay máy phải giữ đƣợc trọng Từ mẫu robot đƣợc học hỏi từ sinh viên làm đề tài này, em đƣa mẫu robot riêng cho làm đồ án này, phù hợp với thời gian nhận đồ án phù hợp với điều kiện thân Ngồi ra, mẫu thiết kế tay máy hoạt động tƣơng đối xác với yêu cầu đề 47 Hình 3.1 Cánh tay robot bậc tự Các yếu tố yêu cầu thi công :  Đảm bảo đƣợc sức bền đầu đầu mối nối tiết diện nguyên hay phải đảm bảo sức bền để truyền làm việc thời gian định  Trọng lƣợng, bề dày độ cứng đầu nối so với đoạn đai nguyên tốt nhằm tránh sinh tải trọng động làm việc  Hiện ngƣời ta thƣờng sử dụng cách để nối chi tiết thi công  Dán: thƣờng dùng cho đai da vải cao su, chỗ nối giống nhƣ phần nguyên nên làm việc mặt với vận tốc cao nhƣng nhƣợc điểm khả chịu tải phụ thuộc vào chất lƣợng keo  Khâu : đƣợc sử dụng rộng rãi, ƣu điểm làm việc đƣợc mặt với vận tốc cao, nhƣợc điểm khả chịu tải phụ thuộc vào dây nối chất lƣợng mối nối 48  Nối vật nối: đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ dùng bu lông đai ốc, dùng lề, dùng ghép đinh tán, móc xƣơng cá, chấu, miếng kẹp vít Ƣu điểm chắn, khả tải cao nhƣng có nhƣợc điểm trọng lƣợng bề dày nên dùng với truyền với vận tốc thấp ( v < 10 m/s), làm việc mặt kích thƣớc truyền lớn Ở đồ án khung robot chi tiết cánh tay robot đƣợc làm từ vật liệu kim loại , mika (5mm, 3mm) Nên em sử dụng bu lông đai ốc để ghép nối chi tiết tay máy Ƣu điểm cánh tay robot chắn tải cao nhƣng có nhƣợc điểm làm tăng trọng lƣợng 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 điều khiển Khối vi xử lý 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 49 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 Mơ tả lắp đặt động Servo với Arduino Dây đỏ nối với nguồn 5V Dây đen nối vào chân âm 50 Dây vàng ( trắng ) nối với chân ,3,4,5,6 Tƣơng ứng với động Servo 1,2,3,4,5 cánh tay robot Board Arduio Uno R3 đƣợc kết nối với máy tính qua cổng USB Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ đƣợc 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 51 Để lập trình đƣợc cho arduino phần mềm labview từ ứng dụng VI Package Manager (đƣợc cài đặt sẵn cài đặt labview) 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 mơ q 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 52 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 đƣợc làm mika 5mm 3mm Hình 3.7 Động Cơ Servo LD 1501MG 53 Hình 3.8 Phần bàn tay Hình 3.9 Phàn khớp cánh tay 54 Hình 3.10 Phần khớp khỉu tay Hình 3.11 Phần khớp trục đế xoay 55 3.2 Kết đạt đƣợc Qua khoảng thời gian thực đồ án , em có dịp học hỏi thêm cơng nghệ , tích lũy đƣợc 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 đƣợc điều sau: o Qua đồ án em hiểu thêm cách mà robot hoạt động , phƣơng pháp đƣợc 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 cơng Hình 3.12 Cánh tay robot bậc tự 56 3.4 Hƣớng phát triển Với phát triển nhanh chóng Khoa học kỹ thuật nói chung ngành tự động hóa nói riêng để đáp ứng đƣợc nhu cầu thực tế đề tài cần đƣợc nghiên cứu để phát triển Cánh tay robot đóng vai trị quan trọng phát triển xã hội phần khơng thể thiếu nhà máy công nghiệp Giải phóng sức lao động cho ngƣời có suất lao động cao Vì hƣớng phát triển cánh tay robot vô lớn cấp thiết 57 ... “ 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... 43 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÁNH TAY ROBOT 47 3.1.2 Thiết kế thi công 49 3.2 Kết đạt đƣợc 56 3.3 Kết sau thiết kế thi công 56 3.4 Hƣớng... loại Robot 13 1.5 Tổng quan board mạch Arduino uno R3 18 1.6 Động Cơ Servo 24 1.7 Kết luận chƣơng 27 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY? ??28