CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
3.1 Bài toán động học
3.1.1 Động học thuận
Bài toán động học thuận yêu cầu xác định vị trí và hướng của khâu tác động cuối (end-effeector) khi biết trước các giá trị của biến liên kết.
Trong chuyển đổi Denavit-Hartenberg, ta đặt gốc tọa độ trùng với đế của Robot thì ta có được bảng thơng số DH như sau:
Bảng 3.1: Bảng thông số DH
Khâu ai i
1 a0 0
2 a1 0
3 a2 0
Hình 3.1: Gắn hệ tọa độ cho Robot
Xác định các ma trận A: - Ma trận An có dạng: An = [ 0 0 − ] (3.1) 0 1
- Ma trận A1 mô tả quan hệ giữa khung tọa độ 1 với khung tọa độ gốc:
1 0
A1 = [0
1
0 0
0 0
- Ma trận A2 mô tả quan hệ giữa khung tọa độ 2 với khung tọa độ 1:
2 − 2 0 12
A2 = [ 2 2 0 12 ]
0 0 1 0
- Ma trận A3 mô tả quan hệ giữa khung tọa độ 3 với khung tọa độ 2:
3 − 3 0
A3 = [ 3 3 0
0 0 1
0 0 0
- Ma trận A mơ tả phương trình động học của Robot: (A = A1.A2.A3)
cos( 2 + 3) −sin( 2 + 3) 0 12 + 2cos( 2 + 3) + 0
A = [sin( 2+ 3) cos( 2 + 3) 0 12+ 2sin( 2+ 3) ] (3.2) 0 0 1 1 0 0 0 1 3.1.2 Động học ngược
Bài toán động học ngược dùng để xác định giá trị các biến liên kết khi vị trí và hướng của khâu tác động cuối được xác định trước. Để thuận tiện cho việc tính tốn, em lựa chọn phương pháp đại số để giải bài tốn được trình bày cụ thể như sau:
- Theo như bài tốn động học thuận thì ta có được vị trí của khâu tác động cuối như sau:
xc = 12 + 2cos( 2 + 3)
yc = 12 + 2sin( 2 + 3)
zc = d1
- Ta có d1 = zc việc cịn lại là tìm 2 và 3. Với , , 1, 2 đã biết thì bình phương từng vế hai phương trình ta được:
2 = 2 cos2 ( ) + 2 cos( )cos( + ) + 2 cos2( + )
{ 1 2 1 2 2 2 3 2 2 3 (3.4) 2 = 2 2 ( ) + 2 sin( ) sin( + ) + 2 2 + ) sin 2 2 sin ( 1 2 1 2 2 3 2 3
- Cộng hai phương trình (3.4) với nhau và sau đó rút gọn ta được:
2 + 2 − 2 − 2 = 2 [cos( )cos( + ) + sin( ) sin( + )] (3.5)
1 2 1 2 2 2 3 2 2 3
Tương đương: 2 + 2 − 2 − 2 = 2 cos( ) (3.6)
1 2 1 2 3 2 + 2 − 2 − 2 sin( ) = ±√1 − cos2( )
Suy ra: cos( ) =
1 2 ; 3 2 1 2 3 3 ⇒ 3 = 2(cos( 3), sin( 3)) (3.7)
- Thay lại 3 vào phương trình (3.3) ta có:
∆= | 1 + 2 ( 3) − 2 ( 3) | = 2 + 2+2 () = 2 + 2 2 ( 3) 1 + 2 ( 3) 1 2 1 2 3 ∆ = | − 2 ( 3 ) | = + [ ( ) + ( )] 1 1 + 2 ( 3) 1 2 3 3 ∆ 2 = | 1 + 2 ( 3) | = + [ ( ) − ( )] 2 ( 3) 1 2 3 3 ( ) = ∆1 = 1 + 2[ ( 3) − ( 3)] ∆ 2 2+ 2 ( ) = ∆2 = 1 + 2[ ( 3) − ( 3)] ∆ 2 2 + 2 ⇒ 2 = 2(cos( 2), sin( 2) (3.9)
3.2 Thiết kế mơ hình cơ khí cho Robot3.2.1 Cơ sở thiết kế 3.2.1 Cơ sở thiết kế
Robot Scara được cấu tạo gồm một khớp tịnh tiến và hai khớp xoay. Theo đề tài yêu cầu là Robot gắp vật và phân loại sản phẩm thì theo dự tính ban đầu thì kích thước của từng khâu sẽ là: khâu xoay thứ nhất 200x60(mm), khâu xoay thứ hai 120x50(mm) chưa tính chiều dài tay gắp, khâu tịnh tiến sẽ có hành trình khoảng từ 200 đến 300mm.
Trong đề tài “Thiết kế và chế tạo mơ hình Robot Scara phân loại sản phẩm
theo màu sắc và hình dạng” em lựa chọn cơ cấu truyền động pully và dây đai cho
cả ba khớp của Robot với mục đích là thay đổi tốc độ đầu ra của hộp số động cơ từ đó thay đổi được tốc độ đáp ứng của từng khớp như mong muốn. Riêng khâu tịnh tiến ngoài bộ truyền pully và dây đai thì ta cịn kết hợp bộ truyền vít-me đai ốc với mục đích là tạo chuyển động tịnh tiến cho Robot.
Mơ hình Robot Scara sắp chế tạo cần đạt được các tiêu chí như sau:
- Đáp ứng được yêu cầu thiết kế (Robot gồm một khớp trượt và hai khớp quay). - Thiết kế đơn giản.
3.2.2 Bản vẽ thiết kế Robot trên Inventor
3.2.3 Chế tạo mơ hình cơ khí
3.2.3.1 Chọn vật liệu sử dụng cho từng khâu
Trong đề tài “Thiết kế và chế tạo mơ hình Robot SCARA phân loại sản phẩm
theo màu sắc và hình dạng” thì nhiệm vụ chính của Robot là di chuyển từ một vị trí
này sang một vị trí khác để thực hiện một nhiệm vụ được giao cụ thể là gắp sản phẩm hoặc là thả sản phẩm vào đúng vị trí đã quy định trước. Từ nhiệm vụ trên của Robot ta thấy Robot cần phải có độ cứng vững để có thể hoạt động một cách chính xác kèm với đó là độ linh hoạt của cánh tay để có thể nâng cao nâng suất gắp-thả vật.
Đầu tiên để cải thiện độ cứng vững thì phần quan trọng nhất là phần đế. Robot có hoạt động tốt hay khơng phụ thuộc rất nhiều vào phần đế của Robot bởi vì đây là bộ phận chịu tất cả tải trọng của Robot và dùng để lắp các cơ cấu khác của Robot. Chính vì vậy em xin lựa chọn vật liệu được sử dụng làm đế là sắt tấm và sắt ống hình chữ nhật. Khi sử dụng hai loại sắt trên để chế tạo Robot thì em nhận thấy độ cứng vững của Robot rất cao khi chịu tải trọng từ trên xuống.
Hình 3.2:Sắt tấm Hình 3.3: Sắt hộp
Tiếp theo là về độ linh hoạt của cánh tay thì em xin chọn vật liệu để chế tạo hai khâu quay là nhơm. Lý do là nhơm có khối lượng nhẹ nên cải thiện được độ linh hoạt cho cánh tay từ đó nâng cao tốc độ của Robot và nhơm cũng dễ dàng gia công.
3.2.3.2 Chọn động cơ
Với những nhiệm vụ và yêu cầu của đề tài cùng với những đặc điểm về cơ khí đã nói trên em xin đưa ra những yêu cầu về kỹ thuật đối với động cơ như sau: động cơ sử dụng trong mơ hình là loại động cơ có tốc độ khoảng 6000(vịng/phút) và có cơng suất lớn nhằm mục đích điều khiển chính xác vị trí mong muốn và đáp ứng được nhu cầu gắp vật có khối lượng lớn. Ưu điểm của loại động cơ này là tốc độ nhanh và có thể chịu lực khỏe. Bánh chủ động của bộ truyền được bố trí phía sau để tạo thêm sự vững chắc cho bánh bị động. Dùng đai để tăng tốc hoặc giảm tốc cho động cơ chính của từng khâu để đạt được vận tốc đầu ra mong muốn đối với khớp quay là từ
50 đến 60 (vòng/phút), còn khớp tịnh tiến là từ 300 đến 400 (mm/phút).
Từ những yêu cầu kỹ thuật trên cùng với những yếu tố khác như: kích thước, khối lượng, giá thành,... em đã lựa chọn động cơ M555 cho đề tài của mình.
Thơng số kĩ thuật của động cơ M555:
- Điện áp vận hành: 12 VDC - Công suất: 17W
- Khối lượng: 350 gam
- Tốc độ động cơ: 6000 (vòng/phút) - Tốc độ qua hộp số: 33 (vòng/phút) - Bộ giảm tốc hệ số: 180:1
Hình 3.5: Động cơ M555 - Encoded: Hall sensor 12 xung
Trong quá trình thực hiện đề tài do động cơ M555 dùng để khiển khâu quay thứ nhất có dấu hiệu bị rơ trục động cơ nên cần được thay thế. Nhận thấy động cơ thay thế cần phải có momen lớn để có thể xoay được cả khối lượng nặng đồng thời phải hạn chế được độ rơ của trục động cơ, từ đó em lựa chọn động cơ Planet. Ưu điểm của động cơ Planet là công suất lớn, sử dụng bánh răng hành tinh nên giảm tiếng ồn cho hộp số.
Thơng số kĩ thuật của động cơ Planet:
- Điện áp vận hành: 12 VDC - Công suất: 30W
- Khối lượng: 450gam
- Tốc độ động cơ: 5000 (vòng/phút) - Tốc độ qua hộp số: 250 (vòng/phút) - Bộ giảm tốc hệ số 19.2:1
- Encoder: Hall sensor 12xung
Hình 3.6: Động cơ Planet
Bảng 3.2: Bảng thông số động cơ
Khớp Động cơ Tốc độ động Hệ số Tốc độ ra Cơng Điện áp
cơ (vịng/phút) giảm tốc (vòng/phút) suất (V)
1 M555 6000 60:1 100 17W 12
2 Planet 5000 19.2:1 250 30W 12
3 M55 6000 180:1 33 17W 12
3.2.3.3 Thiết kế bộ truyền động
Trong đề tài “Thiết kế và chế tạo mơ hình Robot SCARA phân loại sản
phẩm theo màu sắc và hình dạng” em lựa chọn bộ truyền pully và dây đai cho tất
cả các khớp của của Robot.
Bộ truyền đai hoạt động theo nguyên lý ma sát: công suất từ bánh chủ động truyền cho bánh bị động nhờ vào ma sát sinh ra giữa dây đai và bánh đai.
Bảng 3.3:Bảng thông số bộ truyền
Khớp Tốc độ vào Số răng Pully Số răng Pully Hệ số Tốc độ ra
(vòng/phút) chủ động (răng) bị động (răng) truyền đai (vòng/phút)
1 100 80 20 1:4 400
2 250 20 80 4:1 60
3 33 60 40 1:1.5 50
Ưu điểm
- Có khả năng truyền được động năng và cơ năng giữa các trục ở khá xa. - Làm việc êm khơng gây tiếng ồn.
- Đai nhựa có khả năng giữ được an tồn cho các chi tiết máy khác khi quá tải. - Hiệu suất truyền khá cao, cao hơn truyền đai bình thường.
- Khơng địi hỏi bơi trơn. - Tỷ số truyền ổn định.
Nhược điểm:
- Kích thước bộ truyền đai lớn so với một số bộ truyền khác.
- Tải trọng tác dụng lên trục và ổ lớn (thường gấp 2-3 lần so với bộ truyền bánh răng) do phải có lực căng đai ban đầu (tạo áp lực pháp tuyến lên đai tạo lực ma sát). - Tuổi thọ của bộ truyền thấp khi làm việc ở tốc động cao và tải trọng thay đổi. - Dễ bị trượt đai, dãn dây đai khi làm việc dưới tải trọng lớn. Cần tiến hành căng đai khi bộ truyền hoạt động lâu dài.
3.2.3.4 Một số linh kiện cơ khí dùng để chế tạo Robot
- Bộ thanh trục vít-me đai ốc có cơng dụng chuyển từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến. Thanh trục vít-me có chiều dài là 500mm và bước ren là 8mm.
- Bộ thanh trượt, ray trượt và gối đỡ có cơng dụng là cố định cơ cấu trượt giúp cho khâu tịnh tiến hoạt động dễ dàng hơn.
Hình 3.9: Bộ thanh trượt, ray trượt và gối đỡ
- Hai bạc đạn đỡ trục 8mm dùng để cố định thanh trục vít-me và giảm ma sát giữa trục và bề mặt đỡ Robot.
- Hai bạc đạn đỡ trục 10mm dùng để cố định trục của pully và tạo chuyển động quay cho khâu quay thứ nhất.
- Một vòng bi trục 10x26x8 (mm) dùng để cố định trục của pully và tạo chuyển động quay cho khâu quay thứ hai.
Hình 3.10: Bạc đạn đỡ trục KFL08 Hình 3.11: Vòng bi trục
- Khớp nối mặt bích cố định cùng để cố định trục quay với khâu quay.
- Các loại ốc vít được sử dụng trong mơ hình chủ yếu là các loại bu lông đai ốc, lục giác 4mm,5mm và 6mm.
3.2.4 Lắp ráp mơ hình Robot Scara hồn chỉnh
- Bước 1: Lắp bộ thanh trượt, ray trượt và gối đỡ vào phần đế của Robot.
Hình 3.14: Phần đế thực tế của mô hình Robot Scara
- Bước 2: Lắp bộ thanh trục vit-me đai ốc vào khâu tịnh tiến của Robot.
- Bước 3: Lắp động cơ và tay gắp vào hai khâu quay của Robot.
Hình 3.16: Hai khâu quay thực tế của mô hình Robot Scara
- Bước 4: Lắp ráp và hồn thiện mơ hình cơ khí cho Robot.
3.3 Thiết kế mạch điều khiển
Trong Robot thì mạch điện có thể ví như mạch máu trong cơ thể con người, nó có tác dụng liên kết tất cả các phần của Robot lại với nhau thành một thể thống nhất. Mạch điện sử dụng cho Robot phải đảm bảo được các yêu cầu sau:
- Đảm bảo cung cấp đủ công suất cho Robot hoạt động. - Hoạt động chính xác và ổn định.
- Có tính linh hoạt cao trong việc thay thế và sử dụng.
Căn cứ vào những đặc điểm và yêu cầu kỹ thuật của đề tài thì em lựa chọn phương pháp điều khiển như sau: sử dụng 1 board Arduino UNO R3 (Master) làm trung tâm truyền tính hiệu điều khiển và 3 board Arduino Nano (Slave) làm nhiệm vụ điều khiển trực tiếp 3 động cơ của Robot. Có thể nói rằng Arduino đảm nhiệm vai trị là bộ xử lí trung tâm cho tồn bộ Robot, vừa đảm nhiệm vai trị nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính vừa xử lí và xuất tín hiệu để động cơ hoạt động.
3.3.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển Robot
Hình 3.18: Lưu đồ giải thuật điều khiển
Nguyên lí hoạt động của lưu đồ: Camera sẽ thu nhận ảnh từ mơi trường sau đó truyền tín hiệu thu được về cho máy tính. Thơng qua giao diện người dùng được thiết
kế trên Matlab thì máy tính sẽ tiến hành xử lý ảnh đầu vào và đưa ra những kết luận về thông số của sản phẩm bao gồm: vị trí, màu sắc và hình dạng. Cũng thơng qua giao diện người dùng thì máy tính sẽ gửi tín hiệu điều khiển xuống mạch điều khiển. Một Arduino UNO R3 ( Master) sẽ nhận tín hiệu điều khiển thơng qua giao tiếp cổng COM và gửi xuống cho các Arduino Nano (Slave) thông qua chuẩn giao tiếp I2C. Sau khi nhận tín hiệu điều khiển từ Master thì các Slave sẽ biên dịch chương trình và điều khiển động cơ thông qua module điều khiển trung gian L298N, sau khi động cơ quay thì bộ encoder sẽ bắt đầu đếm xung và trả về số xung đếm được cho các Slave, lúc này các Slave sẽ so sánh số xung trả về với số xung đã đặt ban đầu nếu có sai lệch thì bộ điều khiển PID sẽ tiến hành hiệu chỉnh sai lệch liên tục cho đến khi sai lệch nhỏ nhất sẽ dừng lại.
3.3.2 Sơ đồ mạch điều khiển Robot
3.3.2.1 Arduino UNO R3 (Master)
Trong đề tài, Arduino Uno được dùng làm trung tâm quản lí điều khiển (Master) nhận tín hiệu điều khiển từ Matlab thông qua giao tiếp cổng COM và gửi dữ liệu xuống cho các Slave điều khiển động cơ.
Thông số kỹ thuật:
- Chip: ATmega328P.
- Nguồn cấp: từ 7 đến 12 VDC. - Dòng max chân 5V: 500 mA. - Dòng max chân 3.3V: 50 mA. - Dòng max chân I/O: 30 mA.
- Số chân Digital: 14 chân (Bao 6 chân PWM). - Số chân Analog: 6 chân.
- Flash Memory: 32 kb.
- SRAM: 2 kb.
- EEPROM: 1 kb.
- Clock Speed: 16 Mhz. - Kích thước: 68.6 x 53.4mm. - Khối lượng: 25 gam.
Chức năng của các chân Arduino Uno
- Chân Vin: Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch Arduino
Uno. Khác với chân 5V được cung cấp qua cổng USB. Chân này được sử dụng để cung cấp điện áp tồn mạch thơng qua jack nguồn, thông thường khoảng từ 7 đến 12VDC.
- Chân 5V: Chân này được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra. Arduino Uno
được cấp nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của board mạch hoặc jack nguồn. - USB: Dùng để giao tiếp với máy tính thơng qua cáp USB chúng ta có thể nạp
chương trình cho Arduino hoạt động. Ngồi ra, USB cịn là nguồn cho Arduino nó hỗ trợ điện áp khoảng 5 VDC trong khi Vin và jack nguồn hỗ trợ điện áp trong khoảng từ 7V đến 20VDC.
- Chân GND: Chân mass chung cho toàn mạch Arduino.
- Chân Reset: Để thiết lập lại tồn bộ và đưa chương trình đang chạy trở về ban
đầu. Chân này rất hữu ích khi Arduino bị treo khi đang chạy chương trình.
- Các chân Digital: Có 14 chân Digital trên board mạch Arduino Uno được ký
hiệu từ 0 đến 13 với chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead() để điều khiển các chân này.
- Chân PWM: Được cung cấp bởi các chân 3,5,6,9,10,11. Các chân này được
cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8 bit.