Điều khiển cánh tay robot bốn bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ÐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BỐN BẬC TỰ DO GVHD: TS NGUYỄN MẠNH HÙNG SVTH: NGUYỄN VĂN BẮC MSSV: 14141566 SVTH: NGUYỄN VĂN MẪN MSSV: 14141569 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BỐN BẬC TỰ DO SVTH: MSSV: SVTH: MSSV: Khóa: Ngành: GVHD: NGUYỄN VĂN BẮC 14141566 NGUYỄN VĂN MẪN 14141569 2014 ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TS NGUYỄN MẠNH HÙNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lâ ̣p – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Bắc Nguyễn Văn Mẫn Ngành: Điê ̣n tử công nghiê ̣p Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Hùng Ngày nhâ ̣n đề tài: 26/02/2017 MSSV: 14141566 MSSV: 14141569 Lớp: 14141CLDT2 ĐT: 0937421386 Ngày nộp đề tài: 19/07/2018 Tên đề tài: Cánh tay Robot bốn bâ ̣c tự Các số liê ̣u, tài liê ̣u ban đầu: Giáo trình “Kỹ thuật Robot – PGT.TS Nguyễn Trường Thịnh” – Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuâ ̣t Tp.HCM tháng 7/2014 Nội dung thực hiê ̣n đề tài: Thiết kế điều khiển cánh tay Robot bốn bâ ̣c tự bao gồm giao diê ̣n điều khiển phần cứng cánh tay Robot Sản phẩm: Cánh tay Robot bốn bâ ̣c tự TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN I CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lâ ̣p – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Văn Bắc MSSV: 14141566 Nguyễn Văn Mẫn MSSV: 14141569 Ngành: Điê ̣n tử công nghiê ̣p Tên đề tài: Cánh tay Robot bốn bâ ̣c tự Họ tên Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Hùng NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiê ̣n: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vê ̣ hay không? Đánh giá loại: Điểm: ……………… (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn II CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lâ ̣p – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Văn Bắc MSSV: 14141566 Nguyễn Văn Mẫn MSSV: 14141569 Ngành: Điê ̣n tử công nghiê ̣p Tên đề tài: Cánh tay Robot bốn bâ ̣c tự Họ tên Giáo viên phản biê ̣n: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiê ̣n: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vê ̣ hay không? Đánh giá loại: Điểm: ……………… (Bằng chữ: .) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Giáo viên phản biê ̣n III TÓM TẮT Trong đề tài này, nhóm thực hiê ̣n thiết kế thi cơng cánh tay máy bốn bâ ̣c tự Cánh tay có nhiê ̣m vụ gắp số vâ ̣t nhẹ di chuyển phạm vi cánh tay theo cách điều khiển Ban đầu nhóm tiến hành tính tốn phương trình động học theo lý thuyết Sử dụng vẽ khí mơ hình Solidwork có sẵn để thiết kế cánh tay máy Lựa chọn thiết bị để hoàn thành cánh tay sử dụng Arduino Uno có sẵn để làm khối xử lý trung tâm dùng module PCA9685 để mở rộng số chân PWM để điều khiển servo cánh tay Sau thi công mô hình hồn tất, nhóm bắt đầu điều khiển cánh tay hoạt động cách test servo khớp, loại bỏ servo bị hư Sau điều khiển servo thư viê ̣n mở Servo.h nhóm tiến hành tạo giao diê ̣n điều khiển C# gồm động học thuâ ̣n động học nghịch Tiếp nhóm tiến hành kết nối Máy tính với Arduino sử dụng giao diê ̣n điều khiển cánh tay di chuyển đển vị trí mong muốn gắp thả số vâ ̣t nhẹ Kết nhóm thu mơ hình cánh tay Robot bâ ̣c tự theo thiết kế ban đầu hoạt động cách tương đối xác IV LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiê ̣n đề tài này, em nhâ ̣n nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiê ̣t tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS.Nguyễn Mạnh Hùng giảng viên Bộ môn Điê ̣n tử công nghiê ̣p - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuâ ̣t Tp.HCM người tâ ̣n tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học Sư Phạm Kỹ Th ̣t Tp.HCM nói chung, thầy Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Bộ môn Điê ̣n tử cơng nghiê ̣p nói riêng dạy dỗ cho chúng em kiến thức môn đại cương môn học chuyên ngành, giúp chúng em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiê ̣n giúp đỡ em suốt trình học tâ ̣p Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiê ̣n, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tâ ̣p hồn thành khố l ̣n tốt nghiê ̣p Tp Hồ Chí Minh, Tháng 07 năm 2018 Nhóm sinh viên thực Nguyễn Văn Bắc – Nguyễn Văn Mẫn V 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 TÓM TẮT iv LỜI CẢM ƠN .v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix MỤC LỤC HÌNH ẢNH x MỤC LỤC BẢNG xii Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Tính cấp thiết đề tài .3 1.4 Mục đích đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Bố cục đồ án Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiê ̣u robot công nghiê ̣p 2.1.1 Sơ lược q trình phát triển robot cơng (IR: INDUSTRIAL ROBOT)5 2.1.2 Khái niê ̣m định nghĩa robot công nghiê ̣p 2.1.2.1 Định nghĩa robot công nghiê ̣p 2.1.2.2 Bâ ̣c tự robot (DOF: Degrees Of Freedom) 2.1.2.3 Hê ̣ toạ độ (Coordinate frames) 2.1.2.4 Trường công tác robot (Workspace or Range of motion) 2.1.3 Cấu trúc robot công nghiê ̣p .8 2.1.3.1 Các thành phần robot công nghiê ̣p 2.1.3.2 Tay máy .9 2.1.3.3 Hê ̣ thống truyền dẫn động Robot 10 VI 2.1.3.4 Hê ̣ thống điều khiển 11 2.1.3.5 Hê ̣ thống cảm biến tín hiê ̣u .12 2.1.5 Các phương pháp điều khiển Robot 13 2.1.6 Phương trình động học cánh tay máy .13 2.1.6.1 Mối quan ̣ khâu khớp tay máy .13 2.1.6.2 Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH): 14 2.1.6.3 Phương trình động học thuâ ̣n 17 2.1.6.4 Phương trình động học nghịch 17 2.2 GIAO TIẾP I2C 18 2.2.1 Giới thiê ̣u 18 2.2.2 Đặc điểm giao tiếp 18 2.3 Board Arduino Uno R3 19 2.4 Động RC Servo MG996R 22 2.5 Động Servo SG90 23 2.6 Module 16 kênh PWM 12 bit điều khiển servo PCA9685 24 2.7 Điều khiển độ rộng xung PWM .25 Chương THIẾT KẾ & XÂY DỰNG HỆ THỐNG .28 3.1.2 Phương án thiết kế .28 3.1 Thiết kế sơ đồ khối 29 3.2 Thiết kế ̣ thống phần cứng .29 3.3.1 Khối xử lý trung tâm 29 3.3.2 Khối cấu chấp hành 31 3.3.3 Khối nguồn 35 3.4 Sơ đồ nguyên lý 36 3.5 Thiết kế giao diê ̣n điều khiển C# 37 3.5.1 Nguyên lý hoạt động ̣ thống .37 3.5.2 Nguyên lý hoạt động chương trình .38 3.5.3 Tính tốn phương trình động học 38 3.5.4 Thiết kế giao diê ̣n C# 41 3.5.5 Lưu đồ giải thuâ ̣t .42 3.5.5.1 Lưu đồ cho Arduino 42 VII 3.5.5.2 Lưu đồ cho C# 43 Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN .44 4.1 Kết phần cứng 44 4.2 Kết phần giao diê ̣n điều khiển 49 4.2.1 Động học thuâ ̣n 49 4.2.2 Động học nghịch 50 Chương ĐÁNH GIÁ .51 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52 6.1 Kết luâ ̣n 52 6.2 Hướng phát triển 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 55 Code Arduino 55 Code C# 58 VIII TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình “Kỹ thuật Robot – PGT.TS Nguyễn Trường Thịnh” – Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuâ ̣t Tp.HCM tháng 7/2014 [2] Giáo trình “Thực tập vi điều khiển PIC – Nguyễn Đình Phú” – Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuâ ̣t Tp.HCM tháng 8/2015 [3] “Điều khiển Robot công nghiệp – TS Nguyễn Mạnh Tiến” – Đại Học Bách Khoa Hà Nội tháng 5/2007 54 PHỤ LỤC Code Arduino #include //giao thuc ket noi #include //goi thu vien cua mach mo rong pwm Adafruit_PWMServoDriver pwm = Adafruit_PWMServoDriver(); #define #define #define #define MIN_PULSE_WIDTH 650 MAX_PULSE_WIDTH 2500 DEFAULT_PULSE_WIDTH FREQUENCY 1500 50// cai dat thong so cua xung pwm uint8_t servonum = 0; #define link0 #define link1a //khai bao so chan tai kenh pwm #define link1b #define link2a #define link2b #define link3 #define mokep int pos,tam,i,j; //goc char buffer[4]={} ;//mang void setup() { Serial.begin(9600); //mo cong giao tiep voi arduio toc 9600 pwm.begin(); pwm.setPWMFreq(FREQUENCY);// khoi tao mach pwwm vi tan so dat truoc } int pulseWidth(int angle) // ham tinh gia tri cua xung pwm doi tu 0180 { int pulse_wide, analog_value; pulse_wide = map(angle, 0, 180, MIN_PULSE_WIDTH, MAX_PULSE_WIDTH); analog_value = int(float(pulse_wide) / 1000000 * FREQUENCY * 4096); return analog_value; } void docgoc()// doc gia tri goc gui ve { for(i=1;i=0)&(pos= 100) pos = Convert.ToString(hScrollBar4.Value); else if ((pos1 >= 10) & (pos1 = 0) & (pos1 = 100) pos = Convert.ToString(hScrollBar1.Value); else if ((pos1 >= 10) & (pos1 = 0) & (pos1 = 100) pos = Convert.ToString(hScrollBar2.Value); else if ((pos1 >= 10) & (pos1 = 0) & (pos1 = 100) pos = Convert.ToString(hScrollBar1.Value); else if ((pos1 >= 10) & (pos1 = 0) & (pos1 = 100) pos = Convert.ToString(hScrollBar2.Value); else if ((pos1 >= 10) & (pos1 = 0) & (pos1 = 100) pos = Convert.ToString(hScrollBar4.Value); else if ((pos1 >= 10) & (pos1 = 0) & (pos1 = 100) pos = Convert.ToString(hScrollBar3.Value); else if ((pos1 >= 10) & (pos1 = 0) & (pos1 = 0) && (th1 = 0) && (th2 = 0) && (th3