Trong quá trình nghiên cứu để thiết kế và chế tạo mô hình, nhóm đã tham khảo một số kiểu mẫu Redundant Robot 7 bậc tự do trên thế giới như sau:
Hình 3.1:Mô hình Kuka Robot LBR IIWA 14.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Những mô hình này có tầm hoạt động rất rộng, thiết kế lại thon gọn, kiểu dáng đơn giản và phổ biến.
3.2. Thiết kế mô hình Robot 7 bậc tự do 3.2.1. Thiết kế mô hình dùng Solidworks.
Sau khi nghiên cứu và lên ý tưởng, nhóm đã thiết kế bản vẽ mô hình Robot 7 bậc tự do như hình 3.3.
Hình 3.3:Mô hình thực nghiệm Robot 7-DOF của nhóm
3.2.2. Các khớp của cánh tay Robot.
Khớp 1: Nằm ở đế Robot, cho phép Robot xoay trái phải nhằm mở rộng khu vực làm việc ở hai bên và phía sau cánh tay. Khớp xoay được cấu tạo bởi động cơ AC servo 100W truyền động qua hộp số công nghiệp tỷ lệ 1:10 và truyền động đai puly tỷ lệ 1: 3.25.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
Khớp 2: Có tác dụng như vai của cánh tay cho phép hạ và nâng cánh tay, góp phần lớn trong việc tạo lực khi làm việc. Cấu tạo bởi động cơ AC servo 100W truyền động qua hộp số công nghiệp tỷ lệ 1:10 và thêm các lần truyền động đai puly với tỷ số truyền lần lượt là 1: 2 và 1: 4.
Hình 3.5:Bản vẽ khớp 2 trên Solidworks.
Khớp 3: Khớp xoay này giúp cho phần trên cánh tay chuyển động xoay trái phải, góp phần lớn trong việc tạo nên tính linh hoạt của Robot. Cấu tạo bởi động cơ AC servo 100W truyền động qua hộp số công nghiệp tỷ lệ 1:10.
Hình 3.6:Bản vẽ khớp 3 trên Solidworks.
Khớp 4: Có tác dụng giống như khuỷu tay, co duỗi linh hoạt để thao tác với các vị trí làm việc gần hoặc xa. Cấu tạo bởi động cơ AC servo 100W truyền động qua hộp số dây đai puly do nhóm tự thiết kế với tỷ lệ 1: 64.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Hình 3.7:Bản vẽ khớp 4 trên Solidworks.
Khớp 5: Khớp xoay này chịu trách nhiệm cho chuyển động xoay của khuỷu tay nên cũng góp phần tạo tính linh hoạt cho Robot giống như khớp 3. Cấu tạo bởi động cơ AC servo 50W truyền động qua hộp số bánh răng hành tinh do nhóm tham khảo từ nguồn trên mạng [8] và thiết kế lại với tỷ lệ 1: 38.4.
Hình 3.8:Bản vẽ khớp 5 trên Solidworks.
Khớp 6: Giống như một khớp gập cổ tay của cánh tay Robot. Nó chịu trách nhiệm điều hướng cho điểm đầu cuối của Robot. Được cấu tạo bởi động cơ AC servo 50W truyền động qua cơ cấu puly dây đai với tỷ lệ 1: 4.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
Khớp 7: Là khớp xoay cổ tay của Robot. Được cấu tạo bởi động cơ Step nhỏ gọn.
Hình 3.10:Bản vẽ khớp 7 trên Solidworks.
3.3. Lựa chọn thiết bị.
3.3.1. Bộ động cơ AC servo Mitsubishi
Động cơ AC Sevo có khả năng đáp ứng yêu cầu về độ chính xác cao, độ khỏe mạnh khi hoạt động, có thiết kế đặc biệt đáp ứng tiêu chí nhỏ gọn, chắn chắn, trọng lượng nhẹ.
Hình 3.11:Động cơ AC servo Mitsubishi HF-KP 13.
Bảng 3.1:Thông số động cơ HF-KP 13.
Thông số Giá trị Đơn vị
Công suất 50/100 W
Nhiệt độ hoạt động 0 - 40 0C
Mô-men xoắn 0.32 Nm
Quán tính rotor 88 g.cm2
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Đi kèm với động cơ đó là bộ Driver MR-J3 với rất nhiều ưu điểm dành cho tiêu chí lựa chọn như sau:
• Cung cấp khả năng giao tiếp I/O với vi xử lý, thuận lợi cho việc điều khiển
• Có thể sử dụng nguồn điện 220VAC trực tiếp để cấp nguồn
• Độ tin cậy và an toàn khi làm việc rất cao.
• Khả năng báo lỗi lên màn hình LED giúp dễ dàng truy vết, kiểm tra.
• Cho phép cài đặt các thông số điều khiển vòng kín giữa động cơ và driver, thông số hoạt động bằng rất nhiều tham số tùy chỉnh.
• Tích hợp các chức năng điều khiển vị trí, vận tốc, Torque nên phù hợp khi muốn chuyển đổi kiểu điều khiển khác nhau.
Hình 3.12:Driver Mitsubishi MR-J3 10A.
Bảng 3.2:Thông số Driver MR-J3 10 A.
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp 200 - 230 VAC Tần số 50/60 Hz Dòng điện 0.9 A Công suất 100 W Nhiệt độ hoạt động 0 - 55 0C Trọng lượng 0.8 kg
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
Để giảm thiểu chi phí và khối lượng cho mô hình, nhóm quyết định chọn động cơ step cho khớp 7. Động cơ step này vừa nhẹ và vừa có thể đồng bộ kiểu điều khiển phát xung giống với AC Sevo.
Hình 3.13:Động cơ Step.
Bảng 3.3:Thông số động cơ Step.
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp định mức 24 V (DC)
Dòng điện 0.8 A
Góc bước 1.8 Độ
Số pha 2 pha
Tham số đầu ra 200 Bước/vòng
Nhiệt độ hoạt động -10 đến 40 0C
Trọng lượng 0.216 kg
Momen giữ 0.4 Nm
3.3.3. Mạch điều khiển động cơ bước TB6600
Mạch điều khiển động cơ bước TB6600 sử dụng IC TB6600HQ/HG, driver thường được dùng cho các loại động cơ bước 2 pha 4 dây
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Hình 3.14:Microstep Driver TB660.
Bảng 3.4:Thông số Driver.
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp đầu vào 9 - 42 V (DC)
Dòng cấp tối đa 4 A
Số xung tối đa/ vòng 3200 xung
Trọng lượng 0.2 kg
3.3.4. Vi xử lý Arduino Due
Mạch Arduino là một bo mạch vi xử lý được thiết kế để người dùng thuận tiện trong quá trình lập trình, khả năng tương thích cao với nhiều thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn, ... Arduino cực kỳ dễ sử dụng lại có mức giá vừa phải. Chương trình cho Arduino được lập trình để có thể giao tiếp với máy tính, truyền và nhận dữ liệu, đồng thời xử lý các dữ liệu đầu vào để điều khiển Robot vận hành theo yêu cầu. Vì thế Arduino đủ khả năng để được chọn là vi xử lý điều khiển chính cho các hoạt động của cánh tay Robot.
Nổi bật trong series board Arduino đó là board Arduino Due. Arduino Due là board sử dụng nhân ARM Atmel SA3MX8E 32bit cortex M3 và được nạp bootloader tương thích code như các board arduino khác. Arduino Due có 54 chân Digital I/O (với 12 chân có thể sử dụng chức năng PWM) nên rất thoải mái khi sử dụng để phát xung, càng thích hợp hơn cả là có tới 8 timer thích hợp dùng để ngắt và phát xung cho 7 động cơ, tốc độ xử lý lại nhanh do xung clock sử dụng lên đến 84MHZ.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3.15:Board mạch Arduino Due
Bảng 3.5:Thông số Arduino Due
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp hoạt động 3.3 V
Điện áp vào giới hạn 5 V
Số chân Digital 54
Số chân vào Analog input 12 Số chân vào Analog output 2
Tổng dòng output 130 mA
Dòng DC trên chân 3.3V 800 mA
Dòng DC trên chân 5V 800 mA
Bộ nhớ Flash 512 KB
SRAM 96 KB
Tần số xung clock 84 MHz
3.3.5. Webcam Logitech C270
Để xác định được vị trí và màu sắc của vật ta cần sử dụng một camera để lấy thông tin của vật. Webcam C270 Logitech được chọn vì dễ sử dụng, giá thành phù hợp và đặc biệt là dễ tìm được tài liệu tham khảo.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Hình 3.16:Webcam Logitech C270.
Bảng 3.6:Thông số Webcam Logitech C270.
Độ phân giải tối đa 720p/30fps
Loại tiêu cự Cố định
Tầm nhìn chéo 55
3.3.6. Các thiết bị phụ.
Ngoài các chi tiết chính của Robot mô hình còn một số chi tiết khác được thống kê ở bảng sau:
Bảng 3.7:Các chi tiết phụ trong quá trình thi công và lắp đặt.
Tên thiết bị Hình ảnh Số lượng Chú thích
Hộp số APEX AB-F- 042-S1-P1
3 Truyền động với tỷ lệ truyền 1:10
MCB 16A 1
Đê ngắt điện nguồn khi hệ thống gắp sự cố như quá tải, ngắn mạch
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
Nguồn tổ ong 24V
3A 1
Cấp nguồn cho driver step TB6600 và driver MR J3
CB 6A 6
Ngắt điện dây pha khi dòng điện đi vào Driver Ac servo tăng Mạch cách ly 6 Cách ly tín hiệu điện để tránh hỏng arduino và chuyển đổi điện áp giao tiếp
Cục lọc nhiễu 6
Lọc nhiễu tín hiệu I/O giao tiếp giữa arduino và Driver Ac servo
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1. Thi công phần cứng.
Sau khi hoàn thành thiết kế mô hình trên phần mềm. Nhóm bắt đầu quá trình thu thập và chế tạo các thành phần linh kiện cần thiết. Nhóm đã tận dụng tối đa các chi tiết có sẵn như hộp số, puly, dây đai, đồng thời tìm những thiết bị vật liệu hiếm có để sáng tạo ra những cơ cấu mới, nhằm đáp ứng yêu cầu cao về cấu hình phần cứng mà không quá đắt đỏ về chi phí.
4.1.1. Gia công chi tiết nhôm.
Một số chi tiết đặc biệt khác được gia công bằng vật liệu nhôm để đảm bảo độ chắc chắn. Phần giá đỡ động cơ của mô hình là một trong số đó, do đó nhóm thiết kế các chi tiết 3D trên Solidworks sau đó xuất bản vẽ 2D để gia công theo các bước sau:
Bước 1: Hoàn thành bản vẽ 3D chi tiết cần gia công
Hình 4.1:Chi tiết được thiết kế 3D trên Solidworks .
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 4.2:Lưu file dưới dạng DXF.
Bước 3: Gửi file tới các tiệm cơ khí để gia công các thành phần chi tiết đó.
4.1.2. In nhựa 3D các chi tiết chính.
Toàn bộ phần thân mô hình Robot của nhóm sử dụng công nghệ in 3D để hoàn thiện mô hình. Các chi tiết của mô hình sau khi sử dụng Solidworks để thiết kế được xuất file để in 3D theo các bước sau:
Bước 1: Thiết kế 3D cho chi tiết với số liệu thật cần cho hệ thống
Hình 4.3:Chi tiết cần được thi công.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
Hình 4.4:Lưu chi tiết với định dạng STL
Bước 3: Gửi file tới các tiệm in 3D để gia công các chi tiết đó.
Sau khi công việc chuẩn bị các nguyên vật liệu cần thiết đã hoàn tất, nhóm bắt đầu test thử thành phẩm một số chi tiết và tiến hành lắp đặt mô hình. Quá trình lắp ráp Robot bắt đầu từ lần lượt từ các khớp ở dưới lên:
Hình 4.5:Lắp đặt hoàn thiện khớp 1 và khớp 2
Song song với việc thi công từng khớp là công đoạn test thử tải và chỉnh sửa bản thiết kế các khớp tiếp theo cho phù hợp với một số chi tiết phát sinh ở phần cứng các khớp trước đó.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 4.6:Lắp đặt hoàn thiện khớp 3 và khớp 4
Hình 4.7:Hoàn thiện mô hình cánh tay Robot 7 bậc
Tuy mô hình của nhóm có sự thiết kế khá phức tạp và đòi hỏi sự khéo léo trong thi công, nhưng đã tạo nên được độ độc đáo về tính nhỏ gọn, tính chắn chắn và thẩm mỹ, và đặc biệt là tối thiểu độ rơ khi chuyển động.
4.2. Xây dựng hệ hai camera.
Camera sẽ được lắp trên cao nhìn xuống không gian làm việc để có thể có được góc nhìn rộng và độ chắc chắc. Lấy gốc tọa độ Robot làm chuẩn, hai camera sẽ có các thông số lắp đặt như sau:
Cam1 Cam2 Đơn vị
Vị trí
x 0.2 0.39 m
y 0 0 m
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Góc xoay so với
hệ trục gốc -180 -180 Độ 13.65 -7.66 Độ 0 0 Độ Hình 4.8:Mô hình camera 4.3. Xây dựng phần mềm.
4.3.1. Giao diện điều khiển và giám sát
Giao diện giám sát và điều khiển trên máy tính được thiết kế bằng phần mềm Qt Creator để giúp người điều khiển dễ dàng tiếp cận, tương tác với Robot. Trong giao diện sẽ được chia thành hai khu vực chính bao gồm:
• Khu vực điều khiển với các chức năng chuyên biệt.
• Khu vực giám sát hành vi của Robot sẽ hiển thị cụ thể mô hình Robot trong không gian 3 chiều và các thông số về vị trí, góc của từng khớp Robot, các thông số này luôn được cập nhật theo thời gian thực.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 4.9:Tổng quan giao diện.
Trong phần điều khiển, người điều hành sẽ được lựa chọn các chế độ điều khiển các chế độ điều khiển khác nhau trong menu chính, có thể bật tắt các camera, thiết lập kết nối tới Arduino (vi xử lý dùng cho Robot), tùy chỉnh thay đổi các thông số nội trong giải thuật điều khiển và xem lại các cảnh báo trong quá trình cài đặt.
Cụ thể từng phần được mô tả như sau:
- Phần “Forward kinematics”: Phần này cho phép người điều khiển nhập các góc mong muốn cho từng khớp, theo đơn vị là độ và nhập vào thời gian để Robot hoàn tất thao tác trên. Người dùng có thể nhấn nút “Preview” để xem trước hình dáng Robot trong mô hình và nhấn nút “Run” để bắt đầu chạy.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
- Phần “Inverse kinematics”: Phần này cho phép người dùng nhập vị trí mong muốn trong không gian 3 chiều để đưa Robot tới vị trí đó, tính theo đơn vị mét, theo hệ trục tọa độ gốc đặt cho Robot và nhập vào thời gian hoàn tất thao tác di chuyển. Sau khi nhập xong các thông số vị trí và thời gian, người dùng nhấn vào nút “Find the Angles” thể hệ thống tính toán các góc và hiển thị lên bảng giá trị bên phải. Người dùng có thể nhấn nút “Preview” để xem trước tư thế trong mô hình bên phải và nhấn nút “Run” để bắt đầu quá trình chạy.
Hình 4.11:Chức năng điều khiển theo động học nghịch
- Phần “Control picking and Dropping objects”: Phần cho phép điều khiển gắp và thả vật ở các vị trí mong muốn được nhập trong 2 bảng tương ứng “Pick objects” và “Drop objects” (nếu có bật tính năng “Camera” để nhận diện vị trí của vật thì hệ thống sẽ tự động cập nhật vị trí của vật vào bảng “Pick objects”). Người dùng có thể nhấn nút “Run” để bắt đầu quá trình chạy và nhấn nút “Stop” để kết thúc quá trình.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 4.12:Chức năng điều khiển gắp vật cơ bản
- Phần “Pick and Drop objects & avoiding obstacles”: Phần này cũng tương tự như phần gắp thả vật như trên nhưng có bổ sung thêm tính năng tránh vật cản đường nhờ có nhận diện bằng camera. Quá trình hoạt động này của Robot sẽ được đều khiển theo thuật toán thông minh đã đề cập ở cơ sở lý thuyết, tự động phát hiện và tránh các vật cản do hai camera nhận biết được.
Hình 4.13:Chức năng điều khiển gắp vật nâng cao
- Phần “Camera Calibration”: Phần này cho phép người dùng khởi động camera thông qua nút “Start”. Thông số về tọa độ vật sẽ được hiển trong bảng “Object position” và thông số về tọa độ vật cản sẽ được hiển trong bảng “Obstacle location” và vị trí của chúng cũng sẽ được hiển trị trong mô hình không gian 3 chiều bên phải với các màu sắc tương ứng. Nếu
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
nhấn vào nút “Cam view” thì cửa sổ sẽ được mở rộng thêm về bên phải và hiển thị hình ảnh thu được từ 2 cam, nếu không cần thiết có thể đóng phần hiển thị này lại.
Hình 4.14:a. Chức năng nhận diện vật b. Phần hiển thị hình ảnh
- Phần “Connect with Arduino”: Phần này kết nối giao diện với Arduino (vi điều khiển của Robot). Người dùng có thể tùy chọn tốc độ kết nối và cổng kết nối trong qua 2 mục hiển thị “Baud Rate” and “COM port”. Tiến hành kết nối và ngắt kết nối với 2 nút “Connect” và “Disconnect”.