(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BA BẬC TỰ DO GVHD: ThS NGUYỄN PHONG LƯU SVTH: NGUYỄN VĂN TÂY MSSV: 11151064 SVTH: KIỀU QUANG PHÚC MSSV: 11151156 SKL004114 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Lớp: 11151CL1 Giảng viên hướng dẫn: Ngày nhận đề tài: 15/3/2015 Tên đề tài: Thiết kế điều khiển cánh tay robot ba bậc tự Các số liệu tài liệu ban đầu: - Sách giáo trình “Kỹ thuật robot” trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Tài liệu thư viện Waijung từ trang web “http://waijung.aimagin.com.” Nội dung thực đề tài: - Tính tốn phương trình động học - Viết phương trình điều khiển cho cánh tay robot - Nhận giá trị trả từ cánh tay robot để giám sát - Quy hoạch quỹ đạo thuật toán Bézier Sản phẩm: - Mơ hình cánh tay robot ba bậc tự TRƯỞNG NGÀNH GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh , ngày 25 tháng năm 2015 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Tây MSSV:11151064 Kiều Quang Phúc 11151156 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Tên đề tài: Thiết kế điều khiển cánh tay robot ba bậc tự Họ tên Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Phong Lưu NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng công việc: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Ưu điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Khuyết điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Đề nghị cho bảo vệ hay không ? …………………………………………………………………………………… Đánh gia loại: …………………………………………………………………… Điểm:………(Bằngchữ:…………………………………… ………………) Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng năm 2015 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng công việc: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Ưu điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Khuyết điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Đề nghị cho bảo vệ hay không ? …………………………………………………………………………………… Đánh gia loại:………………………………………………………………… Điểm:………(Bằng chữ:…………………………………… ………………) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Giáo viên phản biên (Ký & ghi rõ họ tên) iii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Quá trình làm đồ án tốt nghiệp, chúng em nhận giúp đỡ, góp ý kiến bảo tận tình thầy cơ, gia đình bạn bè Chúng em gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Nguyễn Phong Lưu Th.s Phạm Hồng Thơng, bên cạnh giảng viên mơn Tự Động Điều Khiển trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn, bảo chúng em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh nói chung, thầy Bộ mơn Tự Động Hóa Điều Khiển nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có đuợc sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Mặc dù chúng em cố gắng hoàn thành đề tài khơng thể tránh khỏi nhiều sai sót định mặt thời gian kiến thức, chúng em mong thông cảm chia sẻ quý báu từ thầy cô bạn Chúng em xin gửi lời chúc sức khỏe thành đạt tới tất quý thầy cô bạn TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2015 Nhóm thực đề tài Nguyễn Văn Tây – Kiều Quang Phúc iv ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÓM TẮT Trên giới nay, ngành cơng nghiệp có phát triển vượt trội đa dạng, bên cạnh nhằm tăng tính cạnh tranh hạ giá thành sản phẩm toán đặt cho hầu hết doanh nghiệp Nhằm đáp ứng cầu ngành cơng nghiệp robot nghiên cứu phát triển Robot hoạt động với điều kiện khắc nghiệt làm việc với suất cao Robot việc đáp ứng công nghiệp với phát triển vượt bậc robot sâu vào đời sống người, ngành y tế, chăm sóc người, qn sự, quốc phịng Có thể thấy phát triển ngành cơng nghệ robot, nhóm chúng em chọn đề tài “Thiết kế điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do.” vận dụng kiến thức kỹ thuật robot điều khiển tự động để thiết kế nên cánh tay robot ba bậc tự dơn giản Điều khiển qua phần mềm Matlab thông qua kit STM32F4 Discovery thư viện hỗ trợ Waijung Thông qua giải thuật Bézier để xây dựng quỹ đạo cánh tay tránh vật cảng quỹ đạo cánh tay Xây dựng mơ hình cánh tay robot đơn giản TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2015 Nhóm thực đề tài Nguyễn Văn Tây – Kiều Quang Phúc v ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vi MỤC LỤC HÌNH x MỤC LỤC BẢNG xii CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Nhiệm vụ đề tài 1.5 Đối tượng phạm vi đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Bố cục Đồ án CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT [1] 2.1 Lý thuyết phần động lực học robot: 2.1.1 Biểu diễn Denavit – Hartenberg toán động học robot: 2.1.2 Động học thuận 2.1.3 Động học nghịch: 2.1.4 Jacobi động học vận tốc: 10 2.2 Bộ điều khiển PID: 14 2.2.1 Thành phần tỷ lệ (P): 15 2.2.2 Thành phần tích phân (I) 15 vi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2.3 Thành phần vi phân (D 2.2.4 Bộ điều khiển PID số 2.3 Giới thiệu kit STM32F4 Discovery 2.3.1 Giới thiệu chung 2.3.2 Tính 2.3.3 Dãy cơng cụ phát triển: 2.3.4 Giới thiệu dòng vi điều khiển STM32 2.3.5 Phần cứng 2.4 Thư viện 2.4.1 Khối Target Setup 2.4.2 Khối Digital Output 2.4.3 Khối UART Setup 2.4.4 Khối UART Rx 2.4.5 Khối UART Tx 2.4.6 Khối Encoder Read 2.4.7 Khối Basic PWM 2.4.8 Khối Host Serial Setup 2.4.9 Khối Host Serial Tx 2.4.10 Khối Host Serial Rx 2.5 PL-2303 UART 2.5.1 Truyền thông nối tiếp k 2.5.2 Truyền thông nối tiếp 40 2.6 Đường cong Bézier 2.6.1 Đường cong Bézier 2.6.2 Định nghĩa đệ quy 2.6.3 Đường cong bậc hai vii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 3NỘI DUNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3.1 Phương trình động học robot 3.1.1 Đặt tọa độ bảng D – H 3.1.2 Động học thuận robot 3.1.3 Động học ngược robot 3.1.4 Ma trận Jacobi 3.2 Giải thuật điều khiển 3.3 Bộ điều khiển Matlab 3.3.1 Bộ Init system 3.3.2 Bộ PID 3.3.3 Encoder 3.3.3 Motor CHƯƠNG THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT 4.1 Thiết kế khâu cho cánh tay Robot 4.1.1 Khớp 4.1.2 Khớp 4.1.3 Khớp 4.2 chọn động cho khâu cánh tay Robot 4.2.1 Khớp 4.2.2 Khớp 4.2.3 Khớp 4.3 Chọn encoder cho khâu cánh tay Robot 4.4 Mạch cầu H cho động khâu cánh tay Robot CHƯƠNG 5KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 5.1 Cánh tay robot ba bậc tự 5.2 Các thông số PID cho hệ thống viii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.3 Quy hoạch quỹ đạo cánh tay robot 5.3.1 Điểm cuối [150 150 5.3.2 Điểm cuối [150 5.3.3 Điểm cuối [150 5.3.4 Điểm cuối [150 5.3.5 Điểm cuối [150 CHƯƠNG 6KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận 6.1.1Ưu điểm 6.1.2Nhược điểm 6.2 Hướng phát triển đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO ix ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.2 chọn động cho khâu cánh tay Robot 4.2.1 Khớp Sử dụng động có tốc độ thấp tốc độ 18 vịng/phút, cơng suất 12w Momen xoắn cực đại 2.7N.m Có chức chuyên dùng cho cấu kẹp, xoay, tháo gỡ chốt Kết cấu nhông xoắn đảm bảo động khóa khơng có dịng điện Nguồn 24vdc Hệ số giảm tốc 176:1 Hình 4.4 Sơ đồ kích thước động 4.2.2 Khớp Sử dụng động chuyên dùng cho cấu nâng, kẹp, trượt dùng để chạy cho robot tự đồng có tốc độ khơng cần cao Nguồn 24vdc, tốc độ 70 vịng/phút, cơng suất 15w Momen xoắn cực đại 3N.m Khối lượng 250g, đường kính trục 6mm Hệ số giảm tốc 60:1 54 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.5 Sơ đồ kích thước động 4.2.3 Khớp Sử dụng động chuyên dùng cho cấu nâng, kẹp, trượt dùng để chạy cho robot tự động có khối lượng nhẹ tốc độ không cần cao Dùng loại thiết bị tự động máy làm nhang, máy đưa nôi tự động dây chuyền tự động cơng nghiệp Nguồn 24vdc, tốc độ 70 vịng/phút, công suất 7w Momen xoắn cực đại 1.9 N.m Khối lượng 150g, đường kính trục 6mm Hệ số giảm tốc 60:1 55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.6 Sơ đồ kích thước động 4.3 Chọn encoder cho khâu cánh tay Robot Sử dụng cho ba khâu encoder tương đối có hai kênh đọc đọc 100 xung Hình 4.7 Đĩa encoder 56 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.4 Mạch cầu H cho động khâu cánh tay Robot Mạch cầu H cho khâu cánh tay robot sử dụng MC33883 hãng FreeScale có cơng suất cao để đáp ứng dòng diện cung cấp đủ cho động Hình 4.8 Mạch cầu H MC33883 Board cầu H-Bridge dùng IC kích MC33883 hãng FreeScale Đặc tính kỹ thuật: Phần cơng suất dùng POWER MOFETs IRF3205 có thơng số : VDSS = 55V, RDS(on) = 8.0mΩ, ID = 110A - Điện áp cấp ngõ vào từ +12V đến +40VDC - Sử dụng opto xung 6N137, IC lái MC33883 nên tần số PWM đáp ứng lên đến 100Khz - Ngõ vào opto cách ly PWM+, PWM-, DIR+, DIR- Sử dụng IC kích fet chuyên dụng MC33883 Freescale, nên duty PWM đạt 100%, ưu điểm so với IC kích fet khác - Có Led báo nguồn, Led báo chiều động PWM Board có nút nhấn DIR PWM thích hợp cho việc test board tay 57 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 5.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Cánh tay robot ba bậc tự Hình 5.1: Cánh tay robot 58 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.2 Các thông số PID cho hệ thống Bảng 5.1: Các thông số PID Thông số Kfw Kp Ki Kd Limit_i 5.3 Quy hoạch quỹ đạo cánh tay robot 5.3.1 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150 0] Hình 5.2:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150 0] 59 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.3:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150 0] 5.3.2 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150] Hình 5.4:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150] 60 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.5:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 150] 5.3.3 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 150] Hình 5.6:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 150] 61 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.7:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 150] 5.3.4 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 0] Hình 5.8:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 0] 62 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.9:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [150 0] 5.3.5 Điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 0] Hình 5.10:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 0] 63 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.11:Hướng điểm cuối [150 150 100] điểm ảo [0 150 0] 64 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 6.1 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận 6.1.1 Ưu điểm Sau hồn thành đề tài nhóm hồn thành nhiệm vụ, mục tiêu đề cho đề tài ban đầu nhóm: - Thi cơng hồn thành mơ hình cánh tay robot ba bậc tự - Thiết kế chương trình điều khiển cánh tay robot ba bậc tự Matlab - Có thể truyền nhận liệu cần thiết matlab để theo dõi - Hồn thành mơ hình nhúng 6.1.2 Nhược điểm Trong trình làm đề tài nhóm cịn số nhược điểm sau - Phần khí cịn đơn giản chưa có linh hoạt - Chương trình điều khiển đạt số yêu cầu đơn giản - Cơ cấu chưa có cân tuyệt đối khối lượng - Điều khiển chưa có chuẩn sát mang tính tương đối 6.2 Hướng phát triển đề tài Với đề tài nhóm em phát triển lên mặt - Phát triển khớp nhiều có phức tạp để cánh tay hoạt động cách linh hoạt đưa vào sản xuất cơng nghiệp - Chương trình đảm nhiệm nhiều chức không số chức đề tài - Đáp ứng yêu cầu phức tạp - Thiết kế mạch điều khiển dây để giảm nhiễu - Sử dụng encoder tuyệt đối để tăng xác - Dùng động Servo thay cho động DC 65 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình kỹ thuật Robot – PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh [2] http://mathworks.com [3] http://waijung.aimagin.com [4] http://www.st.com [5] http://stm32f4-discovery.com [6] http://wikipedia.org [7] http:// prolific.com 66 ... cứng, phần mềm để tạo nên cánh tay robot ba bậc tự Vận dụng thiết kế mơ hình cánh tay robot ba bậc tự 1.4 Nhiệm vụ đề tài Xây dựng hệ thống nhúng điều khiển cho cánh tay robot phần mềm Matlab thông... khiển cánh tay robot ba bậc tự do? ?? Đề tài hướng tới tạo cánh tay robot đơn giản đáp ứng nhu cầu ngành công nghiệp nước ta Bên cạnh áp dụng giải thuật điều khiển đơn giản PID vào điều cánh tay, ... lý nên nhóm em chọn đề tài ? ?Thiết kế điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do? ?? sở kiến thức mà chúng em học bốn năm kiến thức có từ bên ngồi chúng em thiết kết cánh tay robot vận dụng số hoạt động