Báo cáo tổng kết thiết kế bộ điều khiển cho mô hình robot 4 bậc tự do

Kết cấ́u này không đáng tin trong thực tế nhưng trong khuôn khổ đề tài này có thể được sử̉ dụng để mô tả một khâu hay một giai đoạn của quá trình sản xuấ́t thực tế.Mô hình thuật toán

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

_

BÁO CÁO TỔNG KẾT

Thiết kế bộ điều khiển cho mô hình

Robot 4 bậc tự do

Sinh viên thực hiện: Lê Viết Đạt MSSV: 19010206

Trần Mach Tuấn Kiêt 19010214

HÀ NỘI, 12/2022

MỤC LỤC

1 LỜI MỞ ĐẦU 2

2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 3

2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và lí do lựa chọn đề tài 3

2.2 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu 4

2.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

3 CỞ SỞ LÝ THUYẾT 7

3.1 Cấ́u trúc robot và tay máy công nghiệp 7

3.2 Thiết lập hệ tọa độ khảo sát và lập bảng D – H 9

3.3 Vùng hoạt động của khâu tác động cuối 12

3.4 Bài toán động học ngược 14

4 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 15

4.1 Ý tưởng thiết kế 15

4.2 Phầ̀n cứng 15

4.2.1 Đông cơ Step KV4234 15

4.2.2 Driver A4988 17

4.2.3 Board điều khiển Arduino Uno 18

4.2.4 Board CNC Shield V3 20

4.2.5 Servo MG90S 21

4.3 Phầ̀n mêm 22

4.3.1 Arduino IDE 22

4.3.2 LabVIEW 23

4.3.3 MATLAB 25

4.4 Giai thuât điêu khiên cho đông cơ Step 26

4.5 Giai thuât điêu khiên cho đông cơ Servo 30

4.6 Thanh lâp cac phương trinh đông hoc 32

4.6.1 Xây dựng bài toán động học thuân tay máy 32

4.6.2 Xây dựng bài toán động học ngược tay máy 35

5 TRIỂN KHAI TRÊN THỰC NGHIỆM VÀ KÊT QUẢ 38

5.1 Thiết kế va lắp rap robot 38

5.2 Kiểm tra thuât toan điêu khiên bằng mô phỏng 40

5.3 Vung lam viêc cua robot 42

5.4 Thuât toan trên Arduino 43

5.5 Ưng dung điêu khiên trên LabVIEW 44

5.6 Robot và ứng dụng thực tế 47

6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hinh 1 Sơ đồ cấ́u trúc của robot công nghiệp 10

Hinh 2 Trường công tác của robot 12

Hinh 3 Các hệ tọa độ trên cánh tay robot 13

Hinh 4 Chiều dài và góc của một khâu 13

Hinh 5 Bộ thông số Denavit – Hartenberg 14

Hinh 6 Sơ đồ chuyển vị của khâu cuối so với cơ sở 15

Hinh 7 Mô tả không gian làm việc của cơ cấ́u hai khâu phẳng 16

Hinh 8 Sơ đồ khối thiết kế Robot 18

Hinh 9 Đông cơ Step KV4234 19

Hinh 10 Driver A4988 20

Hinh 11 Module ESP32-WROOM-32 21

Hinh 12 Board CNC Shield V3 23

Hinh 13 Servo MG90S 24

Hinh 14 Giao diện phầ̀n mềm lập trình Arduino IDE 25

Hinh 15 Giao diện phầ̀n mềm lập trình LabVIEW 27

Hinh 16 Giao diện phần mêm lâp trinh MATLAB 29

Hinh 17 Đô thi goc quay va vân tôc vơi chu kỳ cấp xung cô đinh 30

Hinh 18 Qũy đao mong muôn cua đông cơ 31

Hinh 19 Nguyên lý hoat đông cua đông cơ servo 33

Hinh 20 Thuât toan điêu khiên đông cơ servo 34

Hinh 21 Hê toa đô trên tay may 4 bâc tư do 35

Hinh 22 Đông hoc ngươc tay may trong không gian Oxyz 38

Hinh 23 Đông hoc ngươc tay may trong mặt phăng zOO 1 zO 1: 39

Hinh 24 Robot IBR 460 41

Hình 25 Mẫu robot đươc sử dung 42

Hình 26 Sơ đô ghép nôi mach điêu khiên 43

Hinh 27 Kêt qua mô phỏng thuât toan điêu khiên đông cơ 44

Hinh 28 Kêt qua mô phỏng Robot trong không gian ba chiêu 45

Hình 29 Vung lam viêc cua robot 46

Hình 30 Cấ́u trúc thuât toan trên Arduino 47

Hinh 31 Mô tả hoạt động của phầ̀n mềm điều khiển trên labVIEW 48

Hinh 32 Giao diện điều khiển trên phầ̀n mềm LabVIEW 49 Hinh 33 Khối xử̉ lý́ phương trình động học thuận (bên trái) và nghịch (bên phải) 49

Hình 34 Cấ́u trúc thuât toan trên Arduino 51

Hinh 35 Hình ảnh thử nghiêm robot di chuyên không giât 51

Hinh 36 Hình ảnh robot gắp tha vât theo toa đô đặt bơi ngươi dung 52

MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bang 1 Bảng tham số động học D – H 15

Bang 2 Thông số hoạt động chính của đông cơ Step KV4234 19

Bang 3 Thông số hoạt động chính của Driver A4988 21

Bang 4 Các thông số kỹ thuật chính của Arduino Uno 22

Bang 5 Các thông số kỹ thuật chính của Board CNC Shield V3 23

Bang 6 Các thông số kỹ thuật chính của Servo MG90S 24

Bang 7 Thông sô D-H cua robot 36

Đồ án chuyên ngành lầ̀n này nhằ̀m nghiên cứu chuyên sâu về robot, chúng tôi tập trung vào việc tính toán lý́ thuyết và xây dựng thuật toán điều khiển cũ̃ng như giao diện điều khiển đối với cánh tay robot 4 bậc tự do Cơ sở lý́ thuyết của robot được xây dựng dựa trên phương trình động học thuận, phương trình động học ngược, phương trình động lực của robot được nhóm tác giả tính toán và mô phỏ̉ng trên phầ̀n mềm MATLAB Từ đó xây dựng thuật toán điều khiển vận tốc theo bậc thang và thiết kế phầ̀n mềm LabVIEW để điều khiển Đề tài có sử̉ dụng một kết cấ́u phầ̀n cứng được in 3D bằ̀ng nhựa để điều khiển Kết cấ́u này không đáng tin trong thực tế nhưng trong khuôn khổ đề tài này có thể được sử̉ dụng để mô tả một khâu hay một giai đoạn của quá trình sản xuấ́t thực tế.

Mô hình thuật toán điều khiển hoạt động tốt trong giới hạn làm việc của robot khi mà động cơ chạy mượt mà và không xảy ra hiện tượng giật Thử̉ nghiệm khi đặ’t một ly nước nhỏ̉ trên khâu tác động cuối, nước không bị rơi vãi ra khỏ̉i ly trong suốt quá trình hoạt động.

2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.1.Tổng quan tì̀nh hì̀nh nghiên cứu và lí do lự̣a chọn đề̀ tài

Những ý́ niệm đầ̀u tiên về những vật tương tự robot đã xuấ́t hiện từ thời cổ đại ngày chính trong các câu chuyện thầ̀n thoại xưa Những vật này được tạo ra nhằ̀m mục đích phục vụ chủ nhân của nó một cách tự động, có khả năng tương tác

và nghe lệnh con người Tuy nhiên đến năm 1921, thuật ngữ “robotics” mới lầ̀n

đầ̀u tiên xuấ́t hiện và được đề cập trong vở kịch “Rossum’s Universal Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng nổi tiếng người Czech, Karel Capek Ông sử̉ dụng từ

“robot” được biến thể từ một tiếng Czech cổ là “robota” có nghĩa là lao động

cưỡng bức để gán vào một chiếc máy mà Rossum và con trai đã chế tạo ra để phục

vụ con người [1] Vào năm 40 của thế kỷ trước, nhà văn Nga, Issac Asimov đưa ra những mô tả gầ̀n hơn của robot đối với khái niệm ngày này khi ông thêm vào việc

điều khiển bằ̀ng một hệ thầ̀n kinh khả trình gọi là “Positron” do chính con người

lập trình Ông cũ̃ng đã đề ra 3 nguyên tắ́c cơ bản mà một robot cầ̀n phải có đó là:

“Không tổn hại con người”, “Tuân theo nguyên tắ́c do con người đặ’t ra”, và “Cầ̀n phải tự bảo vệ mình nhưng không vi phạm hai quy tắ́c trước” [2] Từ đó mà

“robot” dầ̀n vượt ra khỏ̉i biên giới của sự hư cấ́u trừu tượng để trở thành niềm cảm

hứng thiết kế của những kỹ sư cơ khí với những cơ cấ́u, thiết bị mang dáng dấ́p con người, được điều khiển và phục vụ trong cả đời sống và công nghiệp.

Mặ’c dù vậy, có một thực tế rằ̀ng robot được sử̉ dụng chủ yếu nhấ́t công nghiệp, được gọi là robot công nghiệp Về mặ’t kỹ thuật chúng có nguồn gốc từ hai lĩnh vực đã phát triển từ lâu là cơ cấ́u điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số Các người thao tác được tách biệt khỏ̉i môi trường làm việc vì những lý́

do chẳng hạn như an toàn hoặ’c chế tạo chi tiết Những robot đầ̀u tiên là sự nối kết giữa các thiết bị điều khiển cơ khí từ xa và khả năng lập trình của các máy điều khiển Tuy vậy ngày nay robot công nghiệp phải có các kết cấ́u, chức năng phải phù hợp với những quy chuẩn và định nghĩa được quy định ngày nay Trong đó một định nghĩa được sử̉ dụng nhiều nhấ́t có thể kể đến được viện nghiên cứu Robot của Mỹ đề xuấ́t: “Robot công nghiệp là tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiện quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết,

sản phầ̀m, dụng cụ hoặ’c các thiết bị chuyên dụng khác” Một robot cầ̀n phải thể hiện được 2 đặ’c trưng cơ bản là thiết bị vạn năng và có thể lập trình được thì mới được gọi là robot công nghiệp Ngoài ra robot còn phải đảm bảo chức năng điều khiển được trong quá trình sản xuấ́t Một robot công nghiệp bao gồm các thiết bị thừa hành như tay máy và có thể lập trình hoặ’c điều khiển đề hoàn thành chức năng vận động Với các đặ’c trưng trên robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa khả trình

mà không thể thiếu trong các hệ thống sản xuấ́t linh hoạt hiện nay.

Robotics phát triển mạnh mẽ từ những năm sau chiến tranh thế giới thứ hai với nhiều thành tự lớn như robot T3 có thể nâng khối lượng lên đến 40Kg vào những năm 1974 của công ty Cincinnati đến từ Mỹ Hay hiện nay có dự án nghiên cứu robot trong chiến tranh mô phỏ̉ng những con chó gồ hàng hoặ’c người lính của công ty Boston Dynamic Trong lĩnh vực nghiên cứu, năm 1967, Đại học Stanford

đã cho ra đời một mẫ̃u robot trang bị các cảm biến để có thể nhận biết và định hướng đối tượng vật kẹp trên bàn ké́p Ngoài ra còn nhiều lĩnh vực được ứng dụng robot nhấ́t là công nghiệp vũ̃ trụ, chế tạo xe, máy móc,

Ở Việt Nam, kỹ thuật robot mới bắ́t đầ̀u được du nhập nhiều vào ngành công nghiệp nước nhà từ năm 1990 khi các cơ sở công nghiệp bắ́t đầ̀u đổi mới quy trình và nhập khẩu nhiều loại robot phục vụ các mục đích công nghiệp Năm 2002, công ty TOSY của giám đốc người Việt Nam thành lập và bắ́t đầ̀u sản xuấ́t robot giải trí, công nghiệp đã đem đến nhiều giải thưởng trong và ngoài nước Bên cạnh đó còn có các đơn vị sản xuấ́t robot nước ngoài có trụ sở tại Việt Nam như ABB Ngày 12/10/2003, sự ra đời của Hội khoa học và công nghệ Robot Việt Nam (Vietnamese Assiciation of Robotics – VAR) đã thúc đẩy lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng Robot tại Việt Nam phát triển hơn nữa Ngày nay hầ̀u hết các trường kỹ thuật tại Việt Nam

đã trang bị môn kỹ thuật Robot vào các chương trình giảng dạy chính giúp sinh viên tiếp cận tốt hơn và phát triển các khía cạnh như kỹ thuật điều khiển, mô phỏ̉ng được phát triển tốt hơn.

Robot cánh tay công nghiệp là loại robot phổ biến nhấ́t trong công nghiệp hiện nay, vì thế nghiên cứu về nó giúp nhóm tác giả có thể tiếp cận tốt hơn những

gì đang diễn ra trong công nghiệp Ngoài ra vì ngành robot vẫ̃n chưa phát triển ở

Việt Nam nên nhóm tác giả muốn xây dựng một mô hình để sinh viên có thể thực nghiệm và nghiên cứu tốt hơn, hỗ trợ tối đa cho giảng viên trong việc giảng dạy.

2.2.Mục tiêu, nộ̣i dung và phương pháp nghiên cứu

Từ những phân tích nêu trên, đề tài nghiên cứu tập trung thiết kế, xây dựng

và phát triển bô điêu khiên dung cho mô hinh Robot 4 bâc tư do.

Mục tiêu:

- Nghiên cứu canh tay robot đươc dung trong công nghiêp va giang day

- Hoàn thành mô hinh canh tay robot dung đông cơ step

- Hoàn thiện giao diên điêu khiên mô hinh trên may tinh

- Phân tích, tính toán, lựa chọn giai thuât điêu khiên thich hơp cho robot.

Nội dung nghiên cứu:

- Tim hiêu vê cac loai tay may đươc dung nhiêu trong công nghiêp va chon lưa mô hinh 3D cua tay may dưa theo cac open source.

- Tinh toan lưa chon cac linh kiên cho tay may bao gôm đông cơ, vi điêu khiên, driver, cac chi tiêt cơ khi… va lắp rap san phâm thưc tê.

- Xac đinh không gian lam viêc cua tay may

- Tinh toan cac phương trinh đông hoc va đông lưc hoc cho tay may.

- Thiêt lâp giai thuât điêu khiên vân tôc theo dang hinh thang cho đông cơ step

- Kiêm tra lai cac thuât toan va phương trinh bằng mô phỏng trên Matlab

- Kiêm tra thuât toan trên mô hinh robot đa xây dưng,

- Xây dưng giao diên va cac chê đô điêu khiên cho tay may bằng LabView,

- Đánh giá sản phẩm hoàn thành với một số tiêu chí đề ra,

- Chạy thử̉ Robot cho một vai ứng dụng thực tế.

Phương pháp nghiên cứu:

- Thu thập, tham khảo và phân tích các tài liệu về các lĩnh vực, đề tài nghiên cứu liên quan, và các linh kiện thiết bị được sử̉ dụng,

- Nghiên cứu, chỉnh sửa lai Robot cho phu hơp yêu cầu đặt ra,

- Tìm hiểu về kỹ thuật lập trình, xây dựng giải thuật và áp dụng các phầ̀n mềm lập trình thông dụng,

- Kiểm tra thực nghiệm thiết robot trong môi trường thực tế,

- Tổng hợp, phân tích, đánh giá kết quả đat được,

- So sánh và đánh giá sản phẩm hoàn thành với một số thiết bị có sẵn trên thị trường.

2.3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ tập trung thiết kế và chế tạo một bô điêu khiêndanh cho Robot 4 bâc tư do sử dung đông cơ Step không phan hôi Bô điêu khiên nayđươc phat triên dưa trên cơ sơ cac phương trinh đông hoc cua Robot đê đưa ra thuât toan.Phần mêm Matlab dung đê mô phỏng, LabVIEW đê điêu khiên Robot bôn bâc tư do vaphần cơ khi đê chê tao canh tay Robot Tối ưu sản phẩm và ứng dụng các thuật toán trítuệ nhân tạo trong xử̉ lý́ anh sẽ được nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu phát triển trongthời gian tới

3 CỞ SỞ LÝ THUYẾT

3.1.Cấu trúc robot và tay máy công nghiệp

Cấ́u trúc của một mô hình robot công nghiệp có hệ thống cơ cấ́u chấ́p hành(Actuator) giúp tạo chuyển động cho các tay máy, có thể kế đến là các loại động cơ điện,thủy lực, khí né́n, Hệ thống cảm biến (Sensor) gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tínhiệu Các cảm biến này giúp cho robot nhận biết được trạng thái của bản thân trong môitrường xung quanh Hệ thống điều khiển (Controller) thường là máy tính có khả năng táilập trình để người dùng có thể điều khiển tùy vào mục đích và kịch bản hoạt động Cuốicùng là tay máy (Manipulator), các cơ cấ́u cơ khí gồm các khâu, khớp giúp hoàn thiệnchuyển động

Hình 1 Sơ đồ cấu trúc của robot công nghiệp

Tay máy là thành phầ̀n quan trọng của robot có các đặ’c điểm chung về kết cấ́u gốccác khâu được nối với nhau bằ̀ng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từthân đến công tác Các khớp giúp cho robot chuyển động với hai chuyển động cơ bản làtịnh tiến và quay Trong thiết kế tay máy, người ta thường quan tầ̀m các thông số hình –động học ảnh hưởng khả năng làm việc như sức nâng, trường làm việc, số bậc tự do ảnhhưởng đến sự khé́o lé́o, tính ứng dụng của tay máy Số lượng và cách sử̉ dụng các khớptay máy có thể phân loại ra các kiểu tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầ̀u, Thông số bậc

tự do đặ’c trưng cho khả năng linh hoạt của chuyển động, số bậc càng lớn robot càng linhhoạt nhưng độ phức tạp lại tăng lên Ngày nay tính toán các bậc tự do dựa vào định lý́Gruebler là phổ biến nhấ́t, định lí này được phát biểu ở công thức (1.1)

Ảnh hướng của số bậc tự do có thể kể đến trường công tác của robot Hay còn gọi

là không gian làm việc, trường công tác là toàn bộ thể tích được qué́t bởi khâu chấ́p hànhcuối khi robot chuyển động

Hình 2 Trường công tác của robot

Robot được xem là chuỗi động học hở các khâu (links) gắ́n liền với các khớp(joints) Một đầ̀u của chuỗi nối với giá đỡ, đầ̀u còn lại là phầ̀n cơ cấ́u chấ́p hành Mỗikhâu khớp hình thành nên một cặ’p khâu – khớp đảm bảo nó có khả năng chuyển độngnhấ́t định Các cặ’p khâu khớp được đặ’c trưng bởi hai thông số là tham số và biến khớp.Tham số là thông số không thay đổi trong quá trình hoạt động, biến khớp là các thông sốthay đổi Ta có thể đặ’t trên mỗi khâu của robot một hệ tọa độ và sử̉ dụng phé́p biến đổithuầ̀n nhấ́t để có thể mô tả mối quan hệ giữa các tọa độ này Các biến đổi thuầ̀n nhấ́t nàyđược mô tả dưới một ma trận A Giả sử̉ A1 mô tả vị trí và hướng của khâu thứ nhấ́t, A21 mô

tả vị trí và hướng của khâu thứ hai so với khâu thứ nhấ́t nếu vậy ta có thể suy ra A2 =

A21∗A1 là vị trí và hướng của khâu thứ hai so với hệ tọa độ gốc

3.2.Thiế́t lậ̣p hệ tọa độ̣ khảo sát và lậ̣p bảng D – H

Bài toán đông học thuận nhằ̀m mô tả vị trí và hướng của khâu tác động cuối dướidạng hàm số của các biến khớp Một phương pháp có thể sử̉ dụng là tính trực tiếp hìnhhọc giải tích các phé́p biến đổi tọa độ Tuy nhiên phương pháp này chỉ̉ dành cho các cơcấ́u đơn giản Các bài toán tổng quát cầ̀n một giải thuật tổng quát hơn, và một trong cácgiải thuật đấ́y được xuấ́t phát từ quy tắ́c Denavit – Hartenberg, được Denavit vàHartenberg xây dựng vào năm 1955 Bài toán này yêu cầ̀u đặ’t hệ tọa độ tương ứng vớitừng cặ’p khâu – khớp Hệ tọa độ gắ́n với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ chuẩn như hình 3

mô tả Các hệ tọa độ trung gian gắ́n với các khâu động khác Các hệ tọa độ cầ̀n phải tuântheo quy tắ́c bàn tay phải để có thể gắ́n chiều các trục một cách chính xác Dựa trên hệ tọa

độ này có thể mô tả các cặ’p khâu – khớp bằ̀ng các tham số và biến khớp, từ đó tính toán

vị trí và hướng của khâu tác động bằ̀ng một phương trình tổng quát cho bài toán động họcthuận này.

Hình 3 Các hệ tọa độ trên cánh tay robot

Quy ước hệ tọa độ theo Denavit – Hartenberg:

- Trục z i được chọn dọc theo trục của khớp thứ i+1

- Trục x i được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp thứ i và

i+1

- Trục y i xac định theo quy tắ́c bàn tay phải

Góc chuẩn (base) của robot là khâu số 0, khâu thứ i được nối với khâu trước đóbằ̀ng khớp i và đặ’c trưng bởi hai kích thước, độ dài pháp tuyến chung là a n và góc giữacác trục trong mặ’t phẳng vuông góc với a n gọi là α n như hình 4 mô tả

Hình 4 Chiều dài và góc của một khâu

Mỗi trục sẽ có hai pháp tuyến ứng với cặ’p khâu – khớp trước và sau Vị trí tươngđối giữa hai cặ’p khâu – khớp liên tiếp được xác định bởi d n là khoảng cách giữa các pháptuyến dọc theo trục khớp và θ n là góc giữa các pháp tuyến đo trong mặ’t phẳng vuông gócvới trục

Hình 5 Bộ thông số Denavit – Hartenberg

Vị trí tương đối giữa hai hệ tọa độ liên tiếp n và n−1 được mô tả với

- d n dịch chuyển tịnh tiến giữa hai đường vuông góc chung của hai trục, theo trục

z n−1 để x n−1 nằ̀m trên mặ’t phẳng pháp tuyến của z n−1 chứa x n

- θ n góc giữa hai đường vuông góc chung Quay quanh trục z n−1 để trục x n−1 cùng

phương với x n

- a n tịnh tiến theo trục x n−1 để hai O trùng nhau

- α n quay quanh trục x n−1 để z n−1 trùng với z i

Như vậy đồng nhấ́t từ hệ tọa độ n−1 qua hệ tọa độ n được thực hiện bởi các phé́p

tịnh tiến và quay các hệ trục tọa độ Tương ứng với nó là các ma trận biến đổi thuầ̀n nhấ́t

Từ ma trận biến đổi thuầ̀n nhấ́t này ta dễ dàng tìm vị trí và hướng của khâu tác

động thứ i đối với base bằ̀ng cách nhân các ma trận thuầ̀n nhấ́t lại như công thức (2.3) như

biểu diễn trên hình 6

H nn−1

D0i =H 01 H12 … H i i−1(2.3)Việc tìm ra từng ma trận thuầ̀n nhấ́t cũ̃ng dễ dàng hơn bằ̀ng cách điền vào bảng D – H đủ các tham số mà một tay máy robot có như bảng 1

Bảng 1 Bả̉ng tham số động học D – H

Hình 6 Sơ đồ chuyển vị của khâu cuối so với cơ sở

3.3.Vùng hoạt độ̣ng của khâu tác độ̣ng cuối

Vùng hoạt động được định nghĩa là một vùng mà trong đó tay máy có thể hoạt động theo đúng chức năng của nó Vùng hoạt động của robot phụ thuộc vào số lượng các

bậc tự do của robot, kích thước các cánh tay máy và được đại diện bởi vị trí của phầ̀n tácđộng cuối đối với hệ toạ độ chung, ta gọi chung là vector ⃗p Hướng của phầ̀n công tác nàyđược mô tả qua bộ tham số MRO gọi chung là vector σ⃗ Vùng làm việc (Workspace) làmột thông số quan trọng của tay máy, và được phân ra hai loại là vùng làm việc khôngtính đến sự định hướng (Reachable Workspace) và có tính đến sự định hướng của khâutác động cuối (Dexterous Workspace).

Reachable Workspace là vùng hoạt động mà khi không có các kết cấ́u như dây nối,tay máy có thể với xa nhấ́t hoặ’c vào gầ̀n nhấ́t ở trong vùng đấ́y Tuy nhiên trên thực tế,các tay máy được cấ́p điện bằ̀ng các đường điện dẫ̃n bên thân hoặ’c bên trong thân máy,những dây điện này có thể quấ́n quanh thân máy trong quá trình hoạt động làm cho sựhoạt động diễn ra không như ý́ Vì thế mà Dexterous Workspace cầ̀n phải khảo sát để cóthể định hướng khâu tác động cuối trong khoảng cho phé́p của robot Thể tích và hìnhdạng của vùng làm việc phụ thuốc vào kết cấ́u và giới hạn của biến khớp Đối với tay máy

có n bậc tự do, vùng làm việc là tập hợp mọi vị trí có thể của khâu tác động cuối được mô

tả bằ̀ng phương trình

p= p (q ); qℑ ≤qℑ ;i=1… n

Trong đó qℑ và qℑ là giới hạn dưới và trên của mỗi biến khớp

Ngoài ra vùng làm việc còn có các tính chấ́t về cố giới hạn, khé́p kín và liên thông

Hình 7 Mô tả̉ không gian làm việc của cơ cấu hai khâu phẳng

3.4.Bài toán độ̣ng học ngược

Bài toán động học thuận đã giải quyết bài toán xác định phầ̀n cộng tác và vùnglàm việc khi có giá trị của các biến khớp Tuy nhiên trong thực tế, việc điều khiển cácbiến khớp có thể khó hiểu đối với người dùng Việc sử̉ dụng bài toán động học ngượcnhằ̀m xác định các thông số động học khi đã biết tọa độ của khâu tác động cuối bêntrong vùng làm việc là cầ̀n thiết trong việc thiết kế điều khiển Từ đó mà người sử̉ dụng

có thể điều khiển khâu tác động cuối theo các tọa độ cho sẵn trong không gian làm việc

Động học ngược có một tính chấ́t gọi là tính đa nghiệm Tính đa nghiệm này phụthuộc vào số lượng các biến khớp (số bậc tự do) và cả vào số lượng các tham số khác.Khi số bậc tự do càng lớn nghiệm càng nhiều, robot có thể di chuyển theo nhiều quỹ đạokhác nhau từ đó Từ đó mà việc tìm kiếm nghiệm phù hợp để có thể tối ưu đường đi củarobot cũ̃ng là một bài toán để nghiên cứu Tuy nhiên trong giới hạn nghiên cứu lầ̀n nàycủa nhóm tác giả, vì sử̉ dụng robot với 3 bậc từ do (không tính khâu tác động cuối), bàitoán động học ngược giải ra chỉ̉ có duy nhấ́t một nghiệm

4 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG

4.1.Ý tưởng thiế́t kế́

Hình 2.1 thể hiện sơ đồ khối các thành phầ̀n chính của Robot Sản phẩm bao gồm

ba đông đông cơ Step đê điêu khiên cac khâu cua robot, driver A4988 kêt nôi vơi đông cơ

đê điêu khiên goc quay, board điều khiển Arduino Uno cho phé́p kết nối va xử lý tin hiêuđiêu khiên đươc gửi tư môt may tinh ca nhân qua Serial đên driver và nguồn điện cungcấ́p năng lượng cho các khối có thể hoạt động

Hình 8 Sơ đồ khối thiết kế Robot.

4.2.Phần cứng

4.2.1 Đông cơ Step KV4234

Hình 9 Đông cơ Step KV4234

Do co kha năng cung cấp mô men xoắn lơn ơ dai vân tôc trung binh va thấp va cothê điêu khiên chinh xac goc quay nên KV4234 là một loại đông cơ bươc đươc sử dungnhiêu trong cac dư an vê Robot hay cac loai may CNC, may in 3D,… No hoat đông theocach chuyển đổi các chuỗi xung điện tại các cuộn kích của chúng thành trục quay cơ học.Khi một chuỗi xung được gử̉i, động cơ sẽ bước theo xung Góc mà trục động cơ bướcquay cho mỗi xung được gọi là góc bước Số lượng xung vào quyết định góc bước Gócbước càng nhỏ̉ thì số bước càng lớn Các thông số kỹ thuật cơ bản của đông cơ được đưa

4.2.2 Driver A4988

Hình 10 Driver A4988

A4988 là một trình điều khiển động cơ microstepping hoàn chỉ̉nh với bộ phiêndịch tích hợp sẵn để vận hành dễ dàng Nó được thiết kế để vận hành động cơ bước lưỡngcực ở các chế độ bước đầ̀y đủ, nử̉a, phầ̀n tư, bước thứ tám và thứ mười sáu A4988 baogồm một bộ điều chỉ̉nh dòng điện thời gian cố định có khả năng hoạt động ở các chế độchậm hoặ’c hỗn hợp Chỉ̉ cầ̀n nhập một xung vào đầ̀u vào STEP cho động cơ chạy mộtbước Không cần đên bảng thứ tự pha, đường điều khiển tầ̀n số cao hoặ’c giao diện phứctạp để lập trình Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến được đưa ra trong Bảng 3

Chế độ điều khiển 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16

Bảng 3 Thông số hoạt động chính của Driver A4988

4.2.3 Board điều khiển Arduino Uno

Hình 11 Arduino Uno

Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiểnMicrochip ATmega328P và được phát triển bởi Arduino.cc và được phát hành lầ̀n đầ̀uvào năm 2010 Bo mạch được trang bị bộ đầ̀u vào/đầ̀u ra kỹ thuật số và tương tự (I/ O) cóthể được giao tiếp với các bảng mở rộng khác nhau (shiled) và các mạch khác Bo mạch

có 14 chân I/O kỹ thuật số (sáu chân có khả năng xuấ́t PWM ), 6 chân I/O tương tự Đicùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhânthông thường và cho phé́p người dùng viết các chương trình cho mạch bằ̀ng ngôn ngữArduino, một ngôn ngữ riêng được phát triển dựa trên C/C++ thông qua cáp USB loại B

Nó có thể được cấ́p nguồn bằ̀ng cáp USB hoặ’c bằ̀ng pin 9 vôn bên ngoài , mặ’c dù nó chấ́pnhận điện áp từ 7 đến 20 vôn Nó tương tự như Arduino Nano và Leonardo Các thông số

cơ bản của Arduino Uno được đưa ra trong bảng 4

Thông số Giá trị

Điện áp đầ̀u vào (input)

7-12V (kiến nghị )

Điện áp đầ̀u vào(giới hạn) 6-20V

Số chân Digital I/O 14 (có 6 chân điều chế độ rộng xung

PWM)

22

4.2.4 Board CNC Shield V3

Hình 12 Board CNC Shield V3

Mạch CNC Shield V3 là board mở rộng của Arduino UNO R3 được sử̉ dụng kếthợp với Driver động cơ bước (A4988, DRV8825, ) giúp bạn có thể dễ dàng điều khiểnđộng cơ bước, công tắ́c hành trình để setup hệ thống điều khiển trong các ứng dụng CNC

cỡ nhỏ̉ 1 cách dễ dàng, Arduino CNC Shield V3 có 4 khay dùng để cắ́m các mô đun điềukhiển động cơ bước A4988, khi đó board có thể điều khiển 3 trục X, Y, Z và thêm mộttrục thứ 4 tùy chọn và có cách sử̉ dụng đơn giản, chấ́t lượng gia công tốt, độ bền cao Cácthông số cơ bản của module được đưa ra trong Bảng 5

Bảng 5 Các thông số kỹ thuật chính của Board CNC Shield V3

4.2.5 Servo MG90S

Hình 13 Servo MG90S

Động cơ RC Servo MG90S là phiên bản nâng cấ́p của động cơ RC Servo 9G vớicác bánh răng được làm bằ̀ng kim loại cho lực khé́o khỏ̉e và độ bền cao, động cơ có kíchthước nhỏ̉ gọn, cách điều khiển giống như các động cơ RC Servo phổ biến trên thị trườnghiện nay: MG996, MG995, 9G, Phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau: Robot cánh taymáy, robot nhện, cơ cấ́u chuyển hướng, cơ cấ́u quay góc, Các thông số cơ bản củamodule được đưa ra trong Bảng 6

Bảng 6 Các thông số kỹ thuật chính của Servo MG90S

4.3.Phần mềm

4.3.1 Arduino IDE

Phầ̀n mềm Arduino IDE được sử̉ dụng để soạn thảo code, kiểm tra lỗi và upload code cho Arduino Uno

Hình 14 Giao diện phần mềm lập trì̀nh Arduino IDE

Một số chức năng chính của phầ̀n mềm được nêu ra dưới đây

Arduino Toolbar có một số button và chức năng của chúng như sau :

- Verify : kiểm tra code có lỗi hay không

- Serial Monitor: màn hình hiển thị dữ liệu từ Arduino gử̉i lên máy tính

Arduino IDE Menu:

Trong thanh Menu, chúng ta quan tâm tới mục Examples đây là nơi chứa code mẫ̃u

ví dụ như: cách sử̉ dụng các chân digital, analog, sensor …

Sketch menu:

- Verify/ Compile: chức năng kiểm tra lỗi code

- Show Sketch Folder: hiển thị nơi code được lưu

Tool menu:

- Board: lựa chọn bo mạch cho phù hợp với loại bo sử̉ dụng

- Serial Port: đây là nơi lựa chọn cổng COM Khi chúng ta cài đặ’t driver thì máytính sẽ hiện thông báo tên cổng Com của là bao nhiêu, ta chỉ̉ việc vào Serial Port chọn đúngcổng Com để nạp code, nếu chọn sai thì không thể nạp code cho ESP được

4.3.2 LabVIEW

LabVIEW là một môi trường lập trình đồ họa của National Instrument có thể sử̉ dụng

để tạo các ứng dụng với giao diện người dùng chuyên nghiệp một cách nhanh chóng và hiệuquả Hàng triệu kỹ sư và nhà khoa học sử̉ dụng LabVIEW để phát triển các ứng dụng đolường, kiểm thử̉, và điều khiển tinh vi bằ̀ng cách sử̉ dụng các biểu tượng trực quan và dây nốitín hiệu Ngoài ra, LabVIEW có thể được mở rộng cho nhiều nền tảng phẩn cứng và hệ điềuhành khác nhau Trong thực tế, nền tảng LabVIEW có khả năng tích hợp với hàng nghìn thiết

bị phầ̀n cứng và cung cấ́p hàng trăm thư viện được xây dựng sẵn để phân tích nâng cao vàhiển thị dữ liệu giúp tạo ra các thiết bị ảo có thể tùy chỉ̉nh theo

26

nhu cầ̀u của ngươi dung LabVIEW đã tích hợp sẵn các chức năng cho các tác vụ phổbiến như thu thập và phân tích dữ liệu, cho đến các chức năng chuyên biệt hơn cho cácứng dụng như thiết kế điều khiển, mô phỏ̉ng hoặ’c thiết kế RF.

Hình 15 Giao diện phần mềm lập trì̀nh LabVIEW

LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹthuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử̉, cơ điện tử̉, hàng không, hóa sinh, điện tử̉ ysinh, Hiện tại ngoài phiên bản LabVIEW cho các hệ điều hành Windows, Linux, Hãng

NI đã phát triển các mô-đun LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA) Các chức năngchính của LabVIEW có thể tóm tắ́t như sau:

Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ,

Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thông qua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet

Mô phỏ̉ng và xử̉ lý́ các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích nghiên cứuhay mục đích của hệ thống mà người lập trình mong muốn

Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều

so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab,

Cho phé́p thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic mờ (Fuzzy Logic),

một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong LabVIEW.Cho phé́p kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++,

4.3.3 MATLAB

MATLAB (viết tắ́t của MATrix LABoratory) là phầ̀n mềm cung cấ́p môi trườngtính toán số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế MATLAB cho phé́p tính toán sốvới ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diệnngười dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lậptrình khác Chương trình MATLAB triển khai ngôn ngữ MATLAB và cung cấ́p một thưviện rấ́t phong phú các hàm được xác định trước để thực hiện các tác vụ lập trình kỹ thuật

dễ dàng và hiệu quả hơn Các chức năng cực kỳ̀ đa dạng này giúp giải quyết các vấ́n đề

kỹ thuật trong MATLAB dễ dàng hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác như Fortran hoặ’c

C Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phé́p mô phỏ̉ng tính toán, thực nghiệm nhiều môhình trong thực tế và kỹ thuật

Cac chưc năng chinh cua MATLAB co thê kê đên như:

• Không gian làm việc chia thành nhiều cột khác nhau

• Phát hiện lỗi cú pháp thời gian thực và sử̉a nhanh

• Hỗ trợ nhiều phím tắ́t (có thể tùy chỉ̉nh theo ý́ thích)

Hình 16 Giao diện phân mêm lâp trình MATLAB

Bằ̀ng các tính năng đa dạng, phầ̀n mềm MATLAB có thể được ứng dụng trong nhiều trường hợp Một vài ví dụ có thể kể đến như:

Thiết kế, mô phỏ̉ng và thử̉ nghiệm hệ thống lái xe tự động

Phân tích, lập mô hình dữ liệu và hệ thống sinh học

Thiết kế, kiểm tra và triển khai các hệ thống điều khiển

Khám phá dữ liệu, phân tích dự đoán để áp dụng trong máy học (Machine

learning)

Phát triển và triển khai phầ̀n mềm giám sát và dự đoán bảo trì

4.4.Giai thuật điều khiển cho động cơ Step

Theo nguyên lý hoat đông cua đông cơ bươc va driver, khi ta cấp cho driver môtxung, tương ưng đông cơ se quay môt goc 1.8 đô (vơi loai đông cơ đa chon).khi đo, nêuchu kỳ cua xung la cô đinh, ta se co đô thi goc quay va vân tôc như hinh sau: