a.Cảm biến cường độ ánh sáng Lux BH1750
Hình 2.6: Cảm biến cường độ ánh sáng Lux
Cảm biến cường độ ánh sáng Lux BH1750 được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, càm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C .
- Giao tiếp: I2C
- Khoảng đo: 1 -> 65535 lux - Kích cỡ: 21*16*3.3mm
Một số ví dụ về độ rọi của ánh sáng:
- Vào buổi tối : 0.001 – 0.02 Lux
- Ánh trăng : 0.02 – 0.3 lux
- Trời nhiều mây trong nhà : 5 – 50 lux
- Trời nhiều mây ngoài trời : 50 – 500 lux
- Trời nắng trong nhà : 100 – 1000 lux
- Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 – 60 lux Sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng với Arduino
Hình 2.7: Sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng với Arduino
b. Cảm biến nhiệt độ LM35
Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ thường được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường hoặc theo dõi nhiệt độ của thiết bị,..., cảm biến có kiểu chân TO-92 với chỉ 3 chân rất dễ giao tiếp và sử dụng.
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: 4~20VDC
- Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA
- Khoảng đo: -55°C đến 150°C
- Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C
- Sai số: 0.25°C
- Kiểu chân: TO92
- Kích thước: 4.3 × 4.3mm
c. Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK Adjustable IR Infrared Proximity Sensor
Hình 2.9: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK Adjustable IR Infrared Proximity Sensor tại Hshop.vn là loại chất lượng tốt với độ bền và độ ổn định cao, cảm biến sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định vật cản phía trước cảm biến, cảm biến phát ra tia hống ngoại với dải tần số chuyên biệt cho khả năng chống nhiễu tốt kể cả ở điều khiện ánh sáng ngoài trời.
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK Adjustable IR Infrared Proximity Sensor có thể chỉnh khoảng cách mong muốn thông qua biến trở trên cảm biến, cảm biến có ngõ ra là cấu trúc Transistor NPN (sinking sensors) đã được nối điện trở nội 10k lên VCC nên có thể sử dụng ngay mà không cần trở kéo lên VCC.
Thông số kỹ thuật:
- Model: E18-D80NK
- Dạng đóng ngắt: Thường mở (NO - Normally Open)
- Số dây tín hiệu: 3 dây (2 dây cấp nguồn DC và 1 dây tín hiệu).
- Nguồn điện cung cấp: 5VDC.
- Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm.
- Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở.
- Dòng kích ngõ ra: 300mA.
- Chân tín hiệu ngõ ra: dạng Transistor NPN đã được kéo nội trở 10k lên VCC, khi có vật cản sẽ xuất ra mức thấp (Low-GND), khi không có vật cản sẽ ở mức cao (High-VCC).
- Chất liệu sản phẩm: nhựa.
- Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.
- Kích thước: 18 x 45mm
Sơ đồ chân:
- Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC.
- Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
- Màu đen: Chân tín hiệu cấu trúc Transistor NPN đã kéo trở nội 10k lên
d. Module cảm biến chạm TTP223 đỏ
Hình 2.10: Module cảm biến chạm TTP223 đỏ
MDL322 module cảm biến 1 chạm TTP223 mini đỏ được dùng nhiều trong các mạch điện tử như một công tắc từ hoặc công tắc chạm.
Ứng dụng cho việc mở tắt thiết bị bằng cách chạm, nhanh chóng, hiệu quả, dễ sử dụng.
Cảm biến chạm tay (touch sensor hay switch sensor) TTP223 là loại relay 5v sử dụng nhiều trong việc nhấn giữ, nhấn nhả và đóng ngắt thiết bị.
Cảm ứng 1 chạm điện dung TTP223 được sử dụng trong các ứng dụng cảm ứng điện dung bàn phím, công tắc chìm báo động, quạt điện,… Với ưu điểm có thể nhận biết thao tác chạm thông qua điện dung của tay người, cảm biến có thể phát hiện xuyên qua các vật thể phi kim có độ dày tối đa lên đến 5mm. Phiên bản mới nhất màu đỏ độ nhậy hoàn hảo tăng khoảng cách. Cấp điện 2.5-5.5VDC vào chân VCC và GND, nếu có thao tác chạm cảm ứng chân I O sẽ xuất tín hiệu và đèn Led sẽ sáng tắt báo hiệu.
Thông số kĩ thuật:
- Mã sản phẩm: MDL322 - Kích thước: 15x11mm - Điện áp: 2.5 – 5.5V
- Cấu trúc: GND, VCC, I/O
e. Cảm biến siêu âm HC – SR04
Hình 2.11: Cảm biến siêu âm HC – SR04
Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Ultrasonic Sensor) được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì RẺ và CHÍNH XÁC. Cảm biến HC-SR04 sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300cm.
VCC (5V), trig (chân điều khiển phát), echo (chân nhận tín hiệu phản hồi), GND (nối đất)
Cảm biến siêu âm SR04 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. Cảm biến gồm 2 module.1 module phát ra sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm phản xạ về. Đầu tiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần số 40khz. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng. Bằng cách đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật.
Khoảng cách = (thời gian * vận tốc âm thanh (340 m/s) / 2
THÔNG SỐ KỸ THUẬT CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04
- Điện áp: 5V DC
- Dòng hoạt động: < 2mA
- Góc tối đa: 15 độ
- Khoảng cách: 2cm – 450cm (4.5m)
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1. Tổng quan về hệ thống
3.1.1. Yêu cầu robot
Robot cần thiết kế là robot dùng trong lắp ráp các chi tiết cơ khí tương đối nhẹ, có thể đặt trong những nơi khác nhau với các công việc khác nhau, các yêu cầu kỹ huật cụ thể như sau:
a. Sức nâng của tay máy
Đó là khối lượng lớn nhất của vật thể mà robot có thể nâng được (không kể khối lượng của các cơ cấu trong tay máy) trong điều kiện nhất định, ví dụ khi tốc độ dịch chuyển cao nhất hoặc khi tay với dài nhất. Nếu robot có nhiều tay thì đó là tổng sức nâng của các cánh tay. Thông số này quan trọng với các robot vận chuyển, xếp dỡ, lắp ráp,… Dải sức nâng của tay máy thay đổi rất rộng từ 0.1 đến hàng nghìn kilogram. Các robot có sức nâng lớn thường dùng hệ truyền động thủy lực và điện, trong đó tỉ lệ dùng động cơ điện ngày càng tăng. Truyền động khí nén cho đến nay vẫn dùng nhiều trong robot công nghiệp nhưng chủ yếu với các robot có sức nâng dưới 40kg.
Đối với một số kiểu robot, ngoài sức nâng, người ta còn quan tâm đến lực hoặc momen lớn nhất mà cánh tay hoặc bàn tay có thể sinh ra.
Robot làm việc trong phòng thí nghiệm đảm nhận một công đoạn trong một dây chuyền sản xuất (CIM). Vì vậy tay máy chỉ nâng các vật có khối lượng vừa đủ với các hình dạng khác nhau.
b. Số bậc tự do của phần công tác (DOF : Degrees Of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :
𝑊 = 6𝑛 − ∑ 𝑖𝑝𝑖
5
𝑖=1
Trong đó: n là số khâu động pi là số khớp loại i
Do khớp trong Robot thường là khớp quay hoặc khớp tịnh tiến nên số bậc tự do của Robot thường bằng số khâu động.
Số bậc tự do của Robot quyết định đến tính linh hoạt của Robot trong quá trình làm việc. Số bậc tự do càng lớn Robot càng linh hoạt, càng nhiều phương án để điểm thao tác thực hiện được yêu cầu công việc, điều này rất ý nghĩa trong trường hợp Robot làm việc trong môi trường có nhiều chướng ngại vật. Tuy nhiên số bậc tự do chuyển động này không nên lớn hơn sáu, bởi với sáu bậc tự do nếu bố trí một cách hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng theo mọi hướng. Mặt khác cũng phải thừ nhận rằng số bậc tự do lớn kéo theo hệ quả là: tang thêm sai số dịch chuyển, tang chi phí, thời gian sản xuất và bảo dưỡng Robot. Do đó tùy theo yêu cầu, chức năng mà người ra lựa chọn số bậc tự do cho tay máy Robot thích hợp.
c. Vùng làm việc của Robot
Vùng làm việc của Robot là toàn bộ vùng tích mà điểm tác động cuối có thể thao tác được khi Robot có thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Thể tích và hình dáng của vùng làm việc phụ thuộc vào kết cấu của tay máy và miền giá trị của các biến khớp.
Nghiên cứu vùng làm việc của Robot giúp cho nhà thiết kết biết được các giới hạn, đường biên của vùng không gian làm việc để bố trí một cách hợp lý vị trí của tay máy hoặc Robot với các thiết bị phối hợp thao tác khác trong hệ thống.
Hình 3.1: Vùng làm việc của Robot [12]
Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải : Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón : cái, trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y.
Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu thứ n. Như vậy hệ toạ độ cơ bản (hệ toạ độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu là O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2,..., On-1, Hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On
Theo phương án bố trí các khớp của robot ta đã chọn thì các kiểu tọa độ mà robot hoạt động là loại tọa độ góc. Loại hình này robot có tính linh hoạt cao hơn, khả năng di chuyển theo những quỹ đạo phức tạp hơn và có khả năng tránh các vật cản tốt hơn.
Cấu hình của loại robot sẽ thiết kế là robot loại RRR. Ba bậc tự do đầu tiên đảm nhiệm việc di chuyển nhanh đến đối tượng thao tác. Kết hợp thêm khớp thứ tư để robot có khả năng di chuyển những quỹ đạo phức tạp như tịnh tiến theo phương của ba trục. Còn khớp cuối cùng có nhiệm vụ hướng đối tượng thao tác theo một hướng nhất định là thuận tiện nhất
d. Tay máy kiểu tọa độ góc
Đây là một trong những loại tay máy Robot được 32ung phổ biến trong các nhà máy sản xuất. Chúng có kết cấu chính gồm các thanh kiên kết với nhau thông qua ba khớp quay. Trong đó trục của khớp quay thứ nhất vuông góc với trục của hay khớp quay còn lại. Do đặc điểm cấu trúc này của tay máy rất giống với cấu trúc cánh tay ngoài nên người ta còn gọi tay máy này là “Tay máy kiểu
tay người”.
Ưu điểm chính của tay máy loại này là:
Kích thước nhỏ gọn (so với kích thước của tay máy thì vùng làm việc của chúng tương đối rộng).
Nhờ đặc điểm tay máy gồm các khâu liên kết với nhau thông qua các khớp quay do đó độ linh hoạt của Robot cao.
Yêu cầu bảo dưỡng, bôi trơn các khớp quay đơn giản, các khớp ít bị mài mòn.
Hình 3.3: Tay máy hệ tọa độ góc [12]
Tuy nhiên bên cạnh đó tay máy còn tồn tại những nhược điểm là:
Độ cứng vững của tay máy thấp, không thích hợp với việc vận chuyển các vật có khối lượng lớn.
Độ chính xác vị trí thấp.
Việc giải các bài toán động học, động lực học các tay máy Robot tương đối phức tạp, nhất là đối với những bài toán động học ngược. Do đó việc thiết kế, điều khiển tay máy tương đối khó.
Với những đặc điểm trên, hiện nay có rất nhiều Robot tương đối phức tạp, nhất là đối với những bài toán động học ngược. Do đó việc thiết kế, điều khiển tay máy tương đối khó.
Với những đặc điểm trên, hiện nay có rất nhiều Robot được thiết kế theo hệ tọa độ này, điển hình phải kể đến các Robot : Robot PUMA của hang Unimation – Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), Ilb6-Irb60 ASEA (Thụy Điển), KuKa (Nhật Bản) …
3.1.2 Ứng dụng Robot trong công nghiệp sản xuất a. Các ưu điểm của Robot. a. Các ưu điểm của Robot.
Các loại Robot tham gia vào quy trình sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt của con người nhằm nâng cao chất lượng cũng như khả năng cạnh tranh của sản phẩm tạo ra.
Robot có thể thay thế con người làm việc ổn định bằng các thao tác đơn giản hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi của quy trình công nghệ, góp phần vào giảm giá thành sản phẩm, chi tiết nhân công nhất là ở những nước mà nguồn nhân công rất ít hoặc chi phí cao. Ngoài ra các Robot còn có khả năng nghe được siêu âm, cẩm nhận được từ trường.
Bên cạnh đó, một ưu điểm nổi bật của Robot là môi trường làm việc. Chúng có thể thay thế con người làm việc ở những môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bặm hay nguy hiểm như ở các nhà máy hóa chất, các nhà máy phóng ạ , trong đại dương, dưới long đất hay các hành tính khác,…
b. Các ưu điểm của Robot.
Với những ưu điểm trên, ngày nay Robot được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất ở các nước trên thế giới nhất là các nước có nền công nghiệp phát triển. Theo ƣớc tính của tổ chức UNECE thuộc liên đoàn Robot quốc tế IRF (Năm 2003) thì hiện nay trên toàn thế giới có khoảng 770.000 Robot đang được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Trong số đó, Nhật Bản là nước có số lượng Robot dùng trong sản xuất công nghiệp nhiều nhất trên thế giới với khoảng 350.000 (chiếm 45,5%), 233.000 (chiếm 30,3%) ở các nước EU và khoảng 104.000 (chiếm 13,5%) ở Bắc Mỹ. Ở châu âu, Đức dẫn đầu với 105.000 Robot, tiếp theo là Italia với 47.000, Pháp 24.000, Tây Ban Nha 18.000 Robot và 14.000 Robot.
Hình 3.5: Robot phục vụ máy phay CNC [8]
Những lĩnh vực công nghiệp sử dụng Robot nhiều nhất là công nghiệp ô tô, công nghiệp điện và điện tử, công nghiệp chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực phẩm. Những công việc thường được áp dụng Robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm, cấp phôi trong các dây truyền tự động tính linh hoạt trong vận hành khai thác, khả năng hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, khả năng thay thế con ngƣời trong môi trường làm việc độc hại và không an toàn là những yếu tố quyết định của việc áp dụng Robot trong các lĩnh vực công nghiệp nói trên.
3.2. Bài toán động học Robot 3.2.1 Bài toán động học thuận 3.2.1 Bài toán động học thuận
Thiết lập hệ phương trình động học của robot
a. Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ trung gian lên các khâu
b. Lập bảng thông số DH: Bảng 3.1: Bảng thông số DH Khâu 𝜃𝑖 𝑑𝑖 𝑎𝑖 𝛼𝑖 1 𝜃1 0.095 0 −𝜋 2 2 𝜃2 0 0.37 0 3 𝜃3 0 0.35 0 c. Xác định các ma trận A1 𝐴𝑖 = [ 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖 −𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖𝑐𝑜𝑠𝛼𝑖 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖𝑠𝑖𝑛𝛼𝑖 𝛼𝑖𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖𝑐𝑜𝑠𝛼𝑖 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖𝑠𝑖𝑛𝛼𝑖 𝛼𝑖𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖 0 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑖 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑖 𝑑𝑖 0 0 0 1 ] (1)
Từ công thức (1) suy ra: 𝐴1 = [
𝑐𝑜𝑠𝜃1 0 −𝑠𝑖𝑛𝜃1 0 𝑠𝑖𝑛𝜃1 0 𝑐𝑜𝑠𝜃1 0 0 −1 0 0.095 0 0 0 1 ] 𝐴2 = [ 𝑐𝑜𝑠𝜃2 −𝑠𝑖𝑛𝜃2 0 0.37𝑐𝑜𝑠𝜃2 𝑠𝑖𝑛𝜃2 𝑐𝑜𝑠𝜃2 0 0.37𝑠𝑖𝑛𝜃2 0 0 1 𝑑𝑖 0 0 0 1 ] 𝐴3 = [ 𝑐𝑜𝑠𝜃3 −𝑠𝑖𝑛𝜃3 0 0.35𝑐𝑜𝑠𝜃3 𝑠𝑖𝑛𝜃3 𝑐𝑜𝑠𝜃3 0 0.35𝑠𝑖𝑛𝜃3 0 0 1 0 0 0 0 1 ] Tính các ma trận 𝑇𝑖: