điều khiển robot ed7220c sử dụng bộ điều khiển real time myrio

LỜI CAM ĐOAN Đề tài “ĐIỀU KHIỂN ROBOT ED-7220C SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN REAL-TIME MyRIO” với mong muốn đem lại kiến thức đã học vào thực tế và đem lại cho phòng thí nghiệm Cơ điện tử một

Trang 1

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐIỀU KHIỂN ROBOT ED-7220C SỬ DỤNG

BỘ ĐIỀU KHIỂN REAL TIME MyRIO

Trang 2

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐIỀU KHIỂN ROBOT ED-7220C SỬ DỤNG

BỘ ĐIỀU KHIỂN REAL TIME MyRIO

Cần Thơ, 5/2015

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

………

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1

………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

Nguyễn Thanh Nhã

Trang 5

………

Trang 6

………

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài “ĐIỀU KHIỂN ROBOT ED-7220C SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

REAL-TIME MyRIO” với mong muốn đem lại kiến thức đã học vào thực tế và đem

lại cho phòng thí nghiệm Cơ điện tử một bộ thí nghiệm mới để giúp cho các sinh viên

sau này có cái nhìn mới về điều khiển, lập trình và cơ khí Vì vậy chúng tôi chọn đề

tài này để làm luận văn tốt nghiệp cho mình

Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức hạn chế

nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và thành

quả của chúng tôi đạt được dưới sự hướng dẫn của thầy Võ Minh Trí và thầy

Nguyễn Thanh Nhã

Chúng tôi xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo

luận văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước

nào Nếu không đúng sự thật, tôi xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường

Cần thơ, ngày tháng năm 2015 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Phú Giàu

Trang 8

LỜI CẢM ƠN

Trước khi vào trường đại học, chúng em chỉ là những học sinh không hiểu biết

gì nhiều về Cơ điện - điện tử Sau đó, khi được vào môi trường đại học được sự giúp

đỡ tận tình từ gia đình, thầy cô và các bạn bè đã cho em hiểu sâu hơn về Cơ khí –

điện tử từ đó hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn:

Cha mẹ luôn nhắc nhở, tạo động lực và quan tâm chúng em khi gặp khó khăn

nhờ đó kết quả học tập hằng năm của chúng em được cải thiện không ngừng

Thầy Võ Minh Trí và thầy Nguyễn Thanh Nhã, những người đã tận tình hướng

dẫn chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp

Thầy cố vấn học tập Trần Nhựt Thanh và thầy Lưu Trọng Hiếu đã giảng dạy,

giúp đỡ và định hướng chúng em suốt thời gian qua

Quý thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa, bộ môn Kỹ Thuật Cơ Khí, bộ môn

Điện Tử Viễn Thông và các bộ môn khác đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt những kiến

thức hay cho chúng em trong suốt thời gian theo học tại trường

Anh Nguyễn Hồng Phúc và anh Nguyễn Chí Hưng đã tận tình giúp đỡ, truyền

đạt những gì liên quan đến đề tài cũ, để chúng em có sự tiếp xúc, kế thừa tốt nhất để

thực hiện đề tài của mình

Các bạn Huỳnh Thanh Hiệp, Huỳnh Hoàng Giang, Nguyễn Quang Huy, Nguyễn

Đình Khương và Nguyễn Văn Tuấn Hải là những người bạn đã chia sẽ và trợ giúp

chúng em trong suốt quá trình học tập

Xin chúc cha mẹ, thầy cô và các bạn được nhiều sức khỏe và thành công

Sinh viên thực hiện đề tài

Trang 9

MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN I

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 II

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2 III

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 3 IV

LỜI CAM ĐOAN V

LỜI CẢM ƠN VI

MỤC LỤC VII

DANH MỤC HÌNH XI

DANH MỤC BẢNG XV

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT .XVI

TÓM TẮT 1

AB STRACT 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 ĐẶTVẤNĐỀ 5

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ .5

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI 6

1.3.1 Mục tiêu của đề tài 6

1.3.2 Phạm vi của đề tài .6

1.4 HƯỚNG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 7

1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO .7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 TỔNGQUANVỀROBOT .8

2.1.1 Lịch sử phát triển robot .8

Trang 10

2.1.3 Ứng dụng vào các lĩnh vực 10

2.1.3.1 Ứng dụng vào các lĩnh vực sản xuất cơ khí 10

2.1.3.2 Ứng dụng trong các lĩnh vực gia công lắp ráp 10

2.1.3.3 Ứng dụng vào các lĩnh vực y học, quân sự, khảo sát địa chất 10

2.1.4 Khái niệm robot công nghiệp 11

2.1.5 Bậc tự do robot công nghiệp 11

2.1.6 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 13

2.1.7 Phân loại robot 14

2.1.7.1 Phân loại theo kết cấu 14

2.1.7.2 Phân loại theo nguồn truyền động 16

2.2 LÝTHUYẾTĐỘNGHỌCROBOT 17

2.2.1 Các phép biến đổi thuần nhất 17

2.2.1.1 Phép biến đổi tịnh tiến 17

2.2.1.2 Phép quay (Rotation) quanh các trục tọa độ 18

2.2.1.3 Phép quay tổng quát 19

2.2.2 Xác định vị trí và hướng 20

2.2.2.1 Phương pháp Euler: 20

2.2.2.2 Phép quay Roll – Pitch - Yaw 22

2.2.3 Bài toán động học thuận robot 23

2.2.3.1 Chuyển đổi Denavit- Hartenberg 23

2.2.3.2 Phương pháp đặt hệ tọa độ theo phép biến đổi Denavit- Hartenberg (DH)… 24

2.2.3.3 Phương pháp động học xác định ma trận T theo ma trận Ai 25

2.2.3.4 Xác định T6 theo các ma trận An : 27

2.2.3.5 Thí dụ về bài toán động học thuận robot 28

2.2.4 Bài toán động học ngược robot 31

2.2.4.1 Điều kiện giải bài toán động học ngược 31

2.2.4.2 Giải bài toán động học ngược theo phương pháp Euler 32

2.2.4.3 Giải phương trình động học ngược bằng phương pháp Roll, Pitch, Yaw… ………….34

Trang 11

2.2.4.4 Phương pháp giải bài toán động học ngược tổng quát 35

2.3 GIẢITHUẬTĐIỀUKHIỂNPID: 36

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 38

3.1 ROBOTED-7220C 38

3.1.1 Tổng quan về Robot ED–7220C 38

3.1.1.1 Cấu tạo cánh tay robot 38

3.1.2 Tình trạng Robot 41

3.1.3 Phương trình động học cánh tay Robot 42

3.1.3.1 Giải phương trình động học cánh tay Robot ED-7220C 42

3.1.3.2 Phân tích động học cánh tay Robot ED-7200C 42

3.1.3.3 Giải bài toán động học thuận Robot ED - 7220C 44

3.1.3.4 Giải bài toán động học ngược Robot ED-7220C: 47

3.1.3.5 Phương pháp phân tích động học vị trí và động học hướng 49

3.2 LẮP ĐẶT MẠCH ĐIỀU KHIỂN 53

3.2.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển 53

3.2.2 Các linh kiện và thiết bị sử dụng 54

3.2.3 Thiết kế mạch hạ áp từ 24V-5V 54

3.2.4 Sơ đồ bố trí và đấu nối dây 56

3.2.5 Kết quả thực tế 57

3.3 SỬ DỤNGMYRIOTHAYTHẾARDUINO 57

3.3.1 Ưu thế phần cứng 57

3.3.2 Sử dụng phần mềm lập trình 58

3.4 THIẾTKẾPHẦNMỀM 59

3.4.1 Hệ thống điều khiển Robot-ED7220C 59

3.4.2 Chương trình điều khiển Robot ED-7220C 59

3.4.2.1 Lập trình điều khiển dạng Host and Target 59

3.4.2.2 Nguyên tắc điều khiển các khớp Robot bằng Driver L298 60

3.4.2.3 Điều khiển 5 khớp robot bằng PID vị trí 60

3.4.2.4 Điều khiển tay kẹp 63

Trang 12

3.4.2.5 Khối vẽ hình chữ nhật 63

3.4.2.6 Khối vẽ hình tròn 65

3.4.2.7 Điều khiển Robot bằng chuột máy tính 67

3.4.2.8 Đọc/Ghi dữ liệu vào MyRIO 68

3.4.2.9 Các khối bảo vệ Robot 70

3.5 KẾT QUẢ 72

3.5.1 Giao diện người dùng 74

3.5.1.1 Tab điều khiển XYZ 75

3.5.1.2 Tab điều khiển vẽ hình tròn 76

3.5.1.3 Tab điều khiển vẽ hình chữ nhật 77

3.5.1.4 Tab điều khiển vẽ bằng chuột 78

3.5.1.5 Tab ghi/đọc dữ liệu điều khiển 79

3.5.2 Thí nghiệm 80

3.5.2.1 Xác định độ chính xác của các khớp robot 80

3.5.2.2 Khảo sát khả năng đáp ứng khi Robot vẽ hình chữ nhật 94

3.5.2.3 Kiểm tra khả năng học tập của Robot 97

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

4.1 KẾT LUẬN 99

4.2. KIẾN NGHỊ 99

PHỤ LỤC 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

Trang 13

DANH MỤC HÌNH

HÌNH 2.1.ROBOT SHAKEY 8

HÌNH 2.2.ROBOT HÀN ĐIỂM 9

HÌNH 2.3.ROBOT HÀN TRONG SẢN XUẤT CƠ KHÍ 10

HÌNH 2.4.ROBOT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG CÔNG ĐOẠN CẤP LIỆU VÀ LẮP RÁP 10

HÌNH 2.5.ROBOT TRONG LĨNH VỰC THÁM HIỂM, QUÂN SỰ VÀ VỆ TINH 11

HÌNH 2.6.ROBOT PUMA6 BẬT TỰ DO 12

HÌNH 2.7.HỆ TỌA ĐỘ CỦA ROBOT CÓ N KHÂU 13

HÌNH 2.8.SƠ ĐỒ KHỐI THÀNH PHẦN ĐỘNG HỌC ROBOT 13

HÌNH 2.9.ROBOT KIỂU TỌA ĐỘ ĐỀCÁC 14

HÌNH 2.10.ROBOT KIỂU TỌA ĐỘ TRỤ 15

HÌNH 2.11.ROBOT KIỂU TỌA ĐỘ CẦU 15

HÌNH 2.12.ROBOT HOẠT ĐỘNG THEO HỆ TỌA ĐỘ GÓC 16

HÌNH 2.13.ROBOT KIỂU SCARA 16

HINH 2.14.PHÉP BIẾN ĐỔI TỊNH TIẾN TRONG KHÔNG GIAN 18

HÌNH 2.15. W =ROT (Y,900).ROT (Z,900).U 19

HÌNH 2.16. W’=ROT (Z,900).ROT (Y,900) 19

HÌNH 2.17.HỆ TỌA ĐỘ GẮN LÊN KHÂU CHẤP HÀNH CUỐI 20

HÌNH 2.18.PHÉP QUAY EULER 21

HÌNH 2.19.PHÉP QUAY ROLL-PITCH- YAW 22

HÌNH 2.20.PHÉP QUAY ROLL-PITCH-RAW CỦA BÀN TAY ROBOT 22

HÌNH 2.21.XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ROBOT 25

HÌNH 2.22.VÉCTƠ ĐỊNH HƯỚNG VÀ VỊ TRÍ CỦA BÀN TAY MÁY 26

HÌNH 2.23.MÔ TẢ KHÔNG GIAN VẬT THỂ VÀ ROBOT 27

HÌNH 2.24.TOÁN ĐỒ CHUYỂN VỊ CỦA ROBOT 28

HÌNH 2.25.ROBOT ELBOW 28

HÌNH 2.26.VỊ TRÍ BAN ĐẦU VÀ HỆ TỌA ĐỘ CỦA ROBOT ELBOW 29

HÌNH 2.43.GIẢI THUẬT PID 37

HÌNH 3.1.HỆ THỐNG ROBOT ED-7220C 38

Trang 14

HÌNH 3.2 VỊ TRÍ CÁC MOTOR VÀ CÔNG TÁC HÀNH TRÌNH 38

HÌNH 3.3.POTENTIOMETER CÁC KHỚP 41

HÌNH 3.4.MÔ HÌNH HÓA CÁNH TAY ROBOT 42

HÌNH 3.5.HỆ TỌA ĐỘ CÁNH TAY ROBOT ED-7220C 43

HÌNH 3.6.NGHIỆM I BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC 49

HINH 2.7 VỊ TRÍ HOME ROBOT 49

HÌNH 3.8.MÔ TẢ HÌNH HỌC ROBOT 50

HÌNH 3.9.CHIẾU T AY MÁY LÊN MẶT PHẲNG O0 X 0 Y 0 51

HÌNH 3.10.TRÌNH TỰ NGHIỆM I TỪ BÀI TOÁN VỊ TRÍ 51

HINH 3.11.TRÌNH TỰ NGHIỆM I TRONG BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH HƯỚNG 53

HÌNH 3.12SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN 53

HÌNH 3.13.SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÍ 54

HÌNH 3.14.MẠCH HẠ ÁP 24VDC SANG 5VDC 55

HÌNH 3.15MÔ TẢ BỐ TRÍ VÀ SƠ ĐỒ NỐI DÂY GIỮA CÁC BỘ PHẬN 56

HÌNH 3.16.MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM CỦA ROBOT-ED7220C 57

HÌNH 3.17.CHIP XỬ LÝ XILINX 58

HÌNH 3.18.CHIP XỬ LÝ ATMEGA2560 58

HÌNH 3.19.MYRIOPROJECT ĐIỀU KHIỂN ROBOT 60

HÌNH 3.20.MÔ HÌNH HÓA CHUYỂN ĐỔI GIÁ TRỊ KHỚP 1 61

HÌNH 3.21.MÔ HÌNH HÓA CHUYỂN ĐỔI ĐƠN VỊ KHỚP 2 61

HÌNH 3.22.LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TAY KẸP ROBOT 63

HÌNH 3.23.LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH VẼ HÌNH CHỮ NHẬT 64

HÌNH 3.24.LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH VẼ HÌNH TRÒN 66

HÌNH 3.25.LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHUỘT MÁY TÍNH 67

HÌNH 3.26.LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT GHI/ĐỌC DỮ LIỆU 69

HÌNH 3.27.LƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CẢNH BÁO LỖI 71

HÌNH 3.28.ROBOT GẮP THẢ VẬT 73

HÌNH 3.29.ROBOT VẼ HÌNH CHỮ NHẬT 74

HÌNH 3.30.GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN ROBOT 74

Trang 15

HÌNH 3.31.ĐIỀU KHIỂN XYZ 76

HÌNH 3.32.TAB VẼ HÌNH TRÒN 77

HÌNH 3.33.TAB VẼ HÌNH CHỮ NHẬT 78

HÌNH 3.34:TAB ĐIỀU KHIỂN VẼ HÌNH THEO CHỘT MÁY TÍNH 79

HÌNH 3.35.TAB GHI/ĐỌC DỮ LIỆU ĐIỀU KHI ỂN 80

HÌNH 3.36.GIÁ TRỊ THIẾT LẬP 400 KHỚP 1 81

HÌNH 3.38.BIỂU ĐỒ ĐÁP ỨNG KHỚP 2 LẦN 1 82

HÌNH 3.47ĐỒ THỊ SO SÁNH SAI SỐ GÓC TRUNG BÌNH CỦA 2 MẠCH ĐIỀU KHIỂN 93

HÌNH 3.56.ĐỒ THỊ ĐÁP ỨNG KHI VẼ CHỮ NHẬT CỦA CÁC KHỚP SỬ DỤNG ARDUINO 94 HÌNH 3.57.HÌNH CHỮ NHẬT VẼ BẰNG ARDUINO 95

HÌNH 3.58.ĐỒ THỊ ĐÁP ỨNG KHI VẼ HÌNH VUÔNG CỦA CÁC KHỚP SỬ DỤNG MYRIO95 HÌNH 3.59.HÌNH CHỮ NHẬT VẼ BẰNG MYRIO 96

HÌNH 3.60.TỌA ĐỘ VẬT THỂ GẮP 97

Trang 16

HÌNH MÔ TẢ CÁC CHÂN VÀO/ RA CỦA DRI VER LM298 108

Trang 17

DANH MỤC BẢNG

BẢNG 2.1 THÔNG SỐ DH CỦA ROBOT ELBOW 29

BẢNG 3.1.PHẠM VI HOẠT ĐỘNG CÁC KHỚP 39

BẢNG 3.2 THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ, CÁCH TRUYỀN ĐỘNG 40

BẢNG 3.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LẮP BIẾN TRỞ LÊN CÁC KHỚP 41

BẢNG 3.4.BẢNG THÔNG SỐ DHROBOT ED-7220C 43

BẢNG 3.5.BỘ PHẬN CHÍNH CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM VÀ TRÊN ROBOT 54

BẢNG 3.6 THÔNG SỐ PID 62

BẢNG 3.7:CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU TRÊN HÌNH 3.30 75

BẢNG 3.8.BẢNG SAI SỐ GÓC TRUNG BÌNH KHI SỬ DỤNG MYRIO VÀ ARDUINO 93

BẢNG 3.9.MỨC ĐÁP ỨNG KHI ROBOT VẼ HÌNH VUÔNG 96

Trang 18

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

PID: Proportional Integral Derivative – Bộ vi tích phân tỉ lệ

SPI: Serial Peripheral Interface – Giao diện ngoại vi nối tiếp

USB: Universal Serial Bus – Chuẩn kết nối tuần tự

PC: Personal Computer – Máy tính cá nhân

PWM: Pulse Width Modulation – Điều chế độ rộng xung

DH: Denavit – Hartenberg – Bảng thông số động học robot

LabVIEWT M: Laboratory Virtual Instrumentation Engineerning Workbench – Hệ

thống thiết kế và môi trường phát triển cho lập trình bằng ngôn ngữ trực quan của

National Instruments, Hoa kỳ

FPGA: Field- Programmable gate array- Mạch tích hợp cỡ lớn cho người dùng lập

trình bằng cấu trúc mảng

Trang 19

TÓM TẮT

Robot là một hệ thống cơ điện tử tương đối hoàn chỉnh bao gồm: Cơ khí,

điện tử và điều khiển tự động Trường Đại Học Cần thơ, Khoa Công nghệ, bộ môn

Tự động hóa hiện tại sở hữu 3 robot: Robot TUDelft, Robot Mitsubishi RV_2AJ

và Robot ED-7220C Robot ED-7220C là loại robot có 5 bậc tự do xuất xứ từ Hàn

Quốc và được trường Đại Học Cần Thơ tiếp nhận từ năm 1999, đây là thiết bị

giúp cho sinh viên thực hiện đồ án môn học cũng như các bài thí nghiệm về điều

khiển, lập trình, tính toán động học Robot đã từng được sửa chữa và thiết kế bộ

điều khiển mới với bộ điều khiển trung tâm là arduino 2560 từ đề tài luận văn

“THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT ED-7220C” Tuy nhiên, do robot tồn

tại khá lâu những hỏng hóc về cơ khí là không thể tránh khỏi, việc điều khiển gặp

nhiều khó khăn do sai số còn lớn Bộ điều khiển tuy hoạt hoạt động ổn định nhưng

chưa đạt được yêu cầu đặt ra là chạy trên nền tảng thời gian thực

Từ yêu cầu trên, đề tài sẽ cải thiện phần cơ khí, tận dụng phần động học và thay

mới các biến trở Bộ điều khiển và các mạch lái công suất, các cảm biến góc quay

được thay mới hoàn toàn Đề tài sử dụng phần miền LabVIEWT M thiết kế giao

diện và xây dựng các giải thuật điều khiển, kit myRIO-1900 được sử dụng như

một trung tâm điều khiển, xử lý tất cả các hoạt động của robo t từ thu nhận dữ

liệu, xử lý dữ liệu đến việc xuất tín hiệu cho driver để điều khiển các động cơ cho

robot và gửi thông tin đến máy tính cá nhân Ngoài ra, đề tài còn thực hiện việc

so sánh khả năng đáp ứng giữa myRIO-1900 và Arduino 2560, từ đó đánh giá

được những ưu/ khuyết điểm khi sử dụng

Sau 4 tháng nghiên cứu và thực hiện, đề tài thực hiện thành công việc điều

khiển kit myRIO-1900 trên nền tảng thời gian thực Với bộ bộ điều khiển mới

robot có thể thực hiện: di chuyển gắp thả vật, chuyển động hệ trục tọa độ xyz, điều

khiển bằng chuột máy tính và vẽ một số hình cơ bản Hơn thế nữa, bộ điều khiển

còn có chế độ tự học sau đó hoạt động lại hoàn toàn tự động Dựa trên giải thuật

điều khiển LabVIEW đề tài cho phép người dùng mở rộng các giải thuật điều

khiển, xây dựng các bài thí nghiệm về robot định hướng một cái nhìn mới về các

giải thuật điều khiển sau này

Trang 21

ABSTRACT

Robot is a typical mechatronic system including: Mechanical, electronic and

automatic control Department of Automation Technology College of engineering

technolog, Can tho university, has 3 robot arms: TUDelft robot, Mitsubishi

RV_2AJ robot and ED-7220C robot ED-7220C robot is a 5-DOF training robot

from Korea and Can tho university received since 1999 This is a device to help

student training as well as laboratory lesion for control, programming and

kinematic calculations Robot has been repaired and new controller was designed

using arduino 2560 from the thesis “CONTROLLER ROBOT DESIGN

ED-7220C” However, robot is out of day so that malfunction in mechanical

engineering is inevitable, the control were difficult due to errors become greater

The controller works stable operation but not yet meet the requirements that it run

in real time

From the above requirements, this thesis has reused mechanical system,

restored broken parts and replace the potentiometer The controllers, motor’s

drivers and angle sensor have been redesigned completely In this study,

LabVIEW sortware war used to design graphical user interface, build control

algorithms MyRIO 1900 board is used as a control center, processing on robotics

operations from data acquisition, data processing to output the signal to the driver

to control the motor for robots and send information on individual computers

Besides, thesis also performed a comparison between the ability to meet arduino

2560 and MyRIO 1900, which assessed the pros/ cons of using

For four months of research and development, the thesis has successfully

control MyRIO board on real time The new robot controller system can perform

a number of features such as picking up and placing an object, moving object

inside xyz coordinate manipulating the arm by using computer’s mouse and robot

can draw some simple shape Moreover, robot has seft study mode so that after

learning it can work automatically

Trang 22

By using LabVIEW for programing The controller allows the users to extend

control algorithms easily, build new lessons for students as well as open more

opportunities for future research on robot

Keyword: real-time, NI myRIO-1900, LAbVIEW TM , Aduino 2560

Trang 23

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, đòi hỏi

các trang thiết bị công nghệ cần được cải tiến không ngừng, không những trong

công nghiệp, y tế và khoa học Giáo dục được xem là nền tảng trong việc tạo

nguồn nhân lực hàng đầu cho đất nước Do đó, việc trang bị các thiết bị trong các

trường đại học ngày càng được đẩy mạnh Ví dụ như Robot ED-7220C được

trường Đại Học Cần Thơ hỗ trợ cho sinh viên trong việc thực hiện luận văn tốt

nghiệp Tuy nhiên, mô hình robot hiện nay chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế đặt

ra “Robot chạy trên nền tảng thời gian thực”

Từ yêu cầu đặt ra nhóm đề tài chúng em đã thiết kế lại bộ mạch điều khiển

và cải thiện lại mô hình thí nghiệm, từ đó đã có thể giúp người học hiểu về điều

khiển, mô phỏng và lập trình một cách nhanh chóng từ các thiết bị tự động hóa

của trường

Nhóm đã nghiên cứu cải tiến lại bộ điều khiển và phần lập trình của Robot

ED-7220C nhằm tạo khả năng hoạt động tốt, đưa mô hình thực tế vào trong giảng

dạy Đề tài “ĐIỀU KHIỂN ROBOT ED-7220C SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

REAL TIME MyRIO” giúp cho người học nắm vững các kiến thức chuyên môn,

áp dụng những kiến thức lý thuyết có trong trường vào thực tiễn, từ đó tạo khả

năng sáng tạo cho người học trong nghiêm cứu cũng như thực tế

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Đề tài điều khiển cánh tay robot đã được thực hiện từ lâu không những ở

ngoài nước mà còn ở trong nước Do lĩnh vực robot còn khá mới so với các nước

như Việt Nam, đối với các đề tài về robot chưa nhiều trong trường Đại Học Cần

Thơ cũng như trong bộ môn Tự động hóa Robot ED-7220C tuy được trang bị từ

năm 1999 nhưng vẵn chưa được nghiêm cứu, điều khiển dựa trên phần miền

LabVIEWT M Những năm gần đây, Robot ED-7220C đã được điều khiển bởi các

đề tài luận văn trước đó nhưng chỉ điều khiển được từng khớp không đồng bộ

được các khớp trên Robot

Trang 24

Đặc biệt, năm 2014 đề tài “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT ED-7220C”

của anh Nguyễn Hồng Phúc và Nguyễn Chí Hưng đã đem lại cho phòng đồ án Cơ

điện tử cái nhìn mới trong việc điều khiển robot bởi phần miền LabVIEWT M Tuy

nhiên, đề tài gặp hạn chế bộ điều khiển Arduino có khả năng xử lý chưa tốt sai số

các khớp còn lớn và chưa thể điều khiển robot trên nền tảng thời gian thực

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

1.3.1 Mục tiêu của đề tài

Đề tài hướng tới nghiêm cứu và phát triển robot ứng dụng trong học tập giúp

việc giảng dạy, cho sinh viên có cái nhìn mới về robot thông qua các bài thực tập

tại phòng đồ án tạo nền tảng mới cho sinh viên bộ môn

Thiết kế bộ điều khiển nhỏ gọn có tính kinh tế, thẩm mỹ và khả năng đáp

ứng điều khiển như mong muốn Lắp đặt cảm biến góc quay thay cho Encoder

Ứng dụng các bài toán động học vào điều khiển

So sánh khả năng hoạt động giữa Arduino và MyRIO từ đó đánh giá được

ưu và nhược của chúng

Kết hợp giữa mô phỏng và robot thực tế để đưa robot ảo thử nghiệm trước

khi đưa giải thuật vào điều khiển để đảm bảo an toàn cho robot thực Tạo giải

thuật điều khiển và thiết kế giao diện điều khiển cho người dùng dựa trên phần

miền LABVIEWT M

1.3.2 Phạm vi của đề tài

Mô hình cánh tay robot được điều khiển bằng máy tính dựa trên việc lập

trình bằng phần miền LABVIEWT M giao tiếp với myRIO, myRIO có nhiệm vụ

điều khiển bộ động lực trên robot thông qua bộ lái công suất L298, đồng thời đọc

tín hiệu từ cảm biến vị trí khớp quay Giải quyết bài toán động học robot sao cho

robot có thể di chuyển trong hệ tọa độ Descartes Trện cơ sở đó, đề tài sẽ lập trình

cho robot thực hiện các thao tác cơ bản như gắp - thả vật, vẽ hình đơn giản, lưu

giữ quá trình làm việc và hoạt động dựa trên thời gian thực

Trang 25

1.4 HƯỚNG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Chọn lựa và thiết kế mạch điều khiển bao gồm mạch công suất, cảm biến

góc quay sao cho phù hợp với thiết kế

Tìm hiểu tài liệu robot và các bài toán động học Tìm hiểu về LabVIEWT M

giao diện điều khiển và mô phỏng

Tìm hiểu về cách kết nối giữa máy tính, mạch điều khiển và robot Tham

khảo các tài liệu luận văn nhóm trước được thực hiện trong phòng đồ án

1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO

Bao gồm 4 phần chính sau:

Chương 1: Tổng quan về mục tiêu, hướng giải quyết vấn đề

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về động học robot, cơ sở về điều khiển, phần miền lập

trình cho robot ED-7220C

Chương 3: Tìm hiểu về robot ED -7220C nội dung tín toán, mô phỏng cơ cấu,

thiết kế bộ điều khiển, tạo chương trình điều khiển, đánh giá và so sánh kết quả

thực tế

Chương 4: Bao gồm kết luận và đề nghị, các phần còn lại Tài liệu tham khảo và

phụ lục

Trang 26

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT

2.1.1 Lịch sử phát triển robot

Khái niệm Robot ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1992 tại New York, do nhà

soạn kịch người Tiệp Kh Karen Kapek tưởng tượng về một cổ máy hoạt động như

con người, nó là điều đáng mơ ước của con người[1]

Từ đó ý tưởng thiết kế, việc chế tạo Robot luôn thôi thúc con người Đến

năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã chế tạo tay máy đôi

(master- slave manipulator) Đến năm 1954, Goertz chế tạo tay máy đôi sử dụng

động cơ servo và có thể nhận biết được lực tác động lên các khâu cuối [1]

Năm 1956 hãng Generall Mills chế tạo tay máy trong việc thám hiểm đại

dương [1]

1968 R.S Mosher, của General Electric chế tạo cỗ máy biết đi bằng 4 chân,

hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong và mỗi chân vận hành bởi một hệ thống

servo thủy lực [1]

Năm 1969, đại học Stanford thiết kế được robot tự hành nhờ nhận dạng

hình ảnh

Hình 2.1 Robot Shakey [1]

Năm 1970 con người chế tạo thành công Robot tự hành Lunokohod, thám

hiểm bề mặt của mặt trăng

Trang 27

Trong giai đoạn này, ở nhiều nước khác cũng đang tiến hành nghiên cứu

tương tự, tạo ra các loại Robot điều khiển bằng máy tính có lắp đặt các loại cảm

biến và thiết bị giao tiếp người và máy [1]

Hình 2.2 Robot hàn điểm [1]

Theo sự tiến bộ của khoa học và kỹ thuật các Robot ngày thiết kế nhỏ gọn,

thực hiện nhiều chức năng và thông minh hơn

2.1.2 Các ứng dụng của robot

Ưu điểm khi sử dụng robot

Robot tham gia vào qui trình sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt của

con người, nhằm nâng cao năng suất lao động của dây chuyền công nghệ, giảm

giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng cũng như khả năng cạnh tranh các sản

phẩm tạo ra [4]

Robot thay thế con người làm những việc ổn định bằng các thao tác đơn giản

và hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi

của qui trình công nghệ [4]

Sự thay thế của robot còn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhân

công ở các nước có nhân công ít và chi phí cao như: Nhật Bản, Hàn Quốc và các

nước Châu Âu

Robot thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại, ẩm ước, bụi

bặm hay nguy hiểm Ở những nơi như nhà máy hóa chất, nhà máy phóng xạ, trong

lòng đại dương thì các ứng dụng của robot được để cải thiện điều kiện làm việc là

rất hữu dụng

Trang 28

2.1.3 Ứng dụng vào các lĩnh vực

2.1.3.1 Ứng dụng vào các lĩnh vực sản xuất cơ khí

Trong lĩnh vực cơ khí, robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hoạt

động chính xác và tính linh hoạt cao

Robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sản xuất ô tô, sản xuất

các kết cấu cơ khí

Hình 2.3 Robot hàn trong sản xuất cơ khí [4]

2.1.3.2 Ứng dụng trong các lĩnh vực gia công lắp ráp

Các thao tác thường được các robot gia công chính xác và mức tin cậy cao

Hình 2.4 Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp [4]

2.1.3.3 Ứng dụng vào các lĩnh vực y học, quân sự, khảo sát địa chất

Nhờ khả năng hoạt động ổn định và chính xác, Robot đặc biệt là tay máy

được dùng trong kỹ thuật dò tìm, các bệ phóng và trong các ca phẫu thuật y khoa

với độ tin cậy cao

Trang 29

Hình 2.5 Ứng dụng của Robot trong lĩnh vực thám hiểm, quân sự và vệ tinh

[4]

2.1.4 Khái niệm robot công nghiệp

Định nghĩa: Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot sau đây ta nói về các

định nghĩa sau:

 Theo tiêu chuẩn AFNOR (pháp): Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển

động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương

trình đặt ra trên các trục tọa độ, khả năng định vị, định hướng [1]

 Theo tiêu chuẩn của Mỹ RIA (Robot Institude of America): định nghĩa

Robot là một loại tay máy vạn năng có thể lặp lại các trương trình đã được

thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hay các thiết bị chuyên dùng,

thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các

nhiệm vụ khác nhau [1]

2.1.5 Bậc tự do robot công nghiệp

Khái niệm: Bậc tự do là khả năng chuyển động của một cơ cấu để dịch

chuyển được một vật thể nào đó trong không gian Cơ cấu chấp hành của robot

phải đạt được một số bậc tự do nhất định Nói chung, cơ hệ của một robot là một

cơ cấu hở, chuyển động của các khâu trong robot thường là một trong hai khâu

chuyển động cơ bản là tịnh tiến hay chuyển động quay [1]

Trang 30

Xác định số bậc tự do của Robot (DOF- Defree of Freedom)

Số bậc tự do của robot được xác định:

Hệ tọa độ trong robot

Mỗi robot thường nhiều khâu liên kết với nhau (links) thông qua các khớp

(joints) tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên Hệ

tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi hệ tọa độ cơ bản (hệ tọa độ chuẩn)

Các hệ tọa độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy

rộng

Tất cả các hệ tọa độ dùng trong robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải:

dùng ngón tay phải co hai ngón út và áp út, ngón cái trỏ theo phương diện trục z,

ngón trỏ theo phương diện trục x, ngón giữa hướng trục y

Trang 31

Hình 2.7 Hệ tọa độ của robot có n khâu [2]

Các góc quay 1, 3, 4, 5 và độ dịch chuyển dài d2 là các tọa độ suy rộng

(các biến khớp)

2.1.6 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

Các thành phần chính của robot

Các thành phần chính của robot công nghiệp: cánh tay robot, nguồn động

lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, cảm biến, bộ điều khiển, các thiết bị

dạy học, máy tính Các phần mềm lập trình cũng được xem là một thành phần của

robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot

Hình 2.8 Sơ đồ khối thành phần động học robot Trong đề tài này:

Thiết bị dạy học: Tay máy

Bộ điều khiển và máy tính: Arduino 2560 và MyRIO 1900

Chương trình: LabVIEW

Cảm biến: Biến trở 10 vòng

Trang 32

Nguồn động lực: Nguồn tổ ông 24v + mạch hạ áp 5v

Cánh tay máy: Robot ED-7220C

Dụng cụ thao tác: Chai nhựa

2.1.7 Phân loại robot

Robot nối tiếp

Robot loại này chính là các tay máy có các khâu và các khớp nối được

thiết kế liên tiếp nhau để hình thành nên các chuyển động nhất định Đối với

loại này chúng ta có nhiều cách phân loại khác nhau

2.1.7.1 Phân loại theo kết cấu

 Robot kiểu tọa độ Đề các: Tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo

phương của hệ trục tọa độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng

hình chữ nhật Do cơ cấu đơn giản, loại tay máy này có cơ cấu vững chắc,

độ chính xác cao thường được dùng trong vận chuyển phôi, lắp ráp, hàn

trong mặt phẳng

Hình 2.9 Robot kiểu tọa độ Đềcác [4]

Thường ứng dụng trong việc vận chuyển phôi, lắp ráp, hàn trong mặt

phẳng…

 Robot kiểu tọa độ trụ: Vùng làm việc của robot thường có dạng hình trụ

rỗng (cấu hình R.T.T), Gồm hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động

quay

Trang 33

Hình 2.10 Robot kiểu tọa độ trụ [4]

 Robot kiểu tọa độ cầu: Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu, thường

có độ cứng vững thấp Có hai loại cấu hình chính thuộc kiểu robot này: 3

khớp quay (cấu hình RRR) và 2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến ở khâu cuối

(cấu hình RRT)

Hình 2.11 Robot kiểu tọa độ cầu [4]

 Robot kiểu tọa độ góc: Là kiểu robot được sử dụng phổ biến nhất Ba

chuyển động đầu tiên là chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc

với hai trục còn lại, các chuyển động định hướng khác cũng là chuyển động

quay

Vùng làm việc gần như là một khối cầu Ưu điểm của loại robot này gọn

nhẹ, vùng làm việc lớn so với kích thước của robot, độ linh hoạt cao

Trang 34

Hình 2.12 Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc [4]

 Robot kiểu Scara: loại tay máy này thường được dùng trong lắp ráp Ba

khớp đầu tiên của kiểu này (cấu hình R.R.T)

Hình 2.13 Robot kiểu Scara [4]

2.1.7.2 Phân loại theo nguồn truyền động

 Robot dùng nguồn cấp điện: Nguồn điện cấp cho robot thường là DC Hệ

thống dùng nguồn AC cũng chuyển sang DC Các động cơ thường là động

cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo Robot loại này có thiết kế

gọn, chạy êm, định vị rất chính xác Các ứng dụng phổ biến là robot sơn,

hàn

 Robot dùng nguồn khí nén: Hệ thống cần trang bị máy nén, bình chứa khí

và động cơ kéo máy nén Nó thường được ứng dụng trong các tay máy có

tải nhỏ là các xylanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động

quay, nhưng độ chính xác không cao

 Robot dùng nguồn thủy lực: Nguồn thủy lực sử dụng lưu chất không nén

được dầu ép Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu Tay máy là các

Trang 35

xy-lanh thủy lực chuyển động thẳng và quay Robot loại này được ứng

dụng với tải trọng lớn

2.2 LÝ THUYẾT ĐỘNG HỌC ROBOT

2.2.1 Các phép biến đổi thuần nhất

2.2.1.1 Phép biến đổi tịnh tiến

Giả sử cần tịnh tiến một điểm hoặc một vật thể theo véctơ dẫn

ℎ⃗ = a𝑖 +b𝑗 +c𝑘⃗ Ta cần định nghĩa các ma trận biến đổi H:

Gọi u là véctơ biểu diễn cần tịnh tiến : u = [𝑥 𝑦 𝑢 𝑤]T

Thì v là véctơ biểu diễn điểm đã biến đổi tịnh tiến được xác định bởi :

] = [

Như vậy bản chất của phép biến đổi tịnh tiến là phép cộng véctơ giữa véctơ biểu

diễn điểm cần chuyển đổi và véctơ dẫn

6091

Ta viết như sau: v = Trans (a, b, c).u

Trang 36

Hinh 2.14 Phép biến đổi tịnh tiến trong không gian [2]

2.2.1.2 Phép quay (Rotation) quanh các trục tọa độ

Giả sử cần quay một điểm hoặc một vật thể xung quanh trục tọa độ nào đó

với góc quay 00, ta lần lượt có các ma trận biến đổi như sau :

−3721

Trang 37

Nếu điểm đã biến đổi tiếp tục quay xung quanh y một góc 900 ta có:

2731

Vậy ta tính được :

W = Rot (y, 900) Rot (z, 900).u

Chú ý:

Phép quay phải tuân theo thứ tự trước sau:

Ví dụ này: quay quanh trục z trước, trục y sau, ta kí hiệu: Rot (y, 90) Rot (z, 90).u

Vì các phép quay cho các ma trận nên:

Rot(y, 90) Rot (z, 90).u ≠ Rot (z, 90) Rot (y, 90).u

Hình 2.15 w = Rot (y, 90 0 ).Rot (z, 90 0 ).u [1]

Hình 2.16 w’ = Rot (z, 90 0 ) Rot (y, 90 0 ) [2]

2.2.1.3 Phép quay tổng quát

Trong mục trên, ta vừa nghiên cứu các phép quay cơ bản xung quanh các

trục tọa độ x, y, z của hệ tọa độ chuẩn O(x, y, z) Trong phần này, chúng ta nghiên

Trang 38

cứu phép quay quanh một vecto k bất kỳ một gốc  Ràng buộc duy nhất là vecto

k phải trùng với gốc của hệ tọa độ xác định trước

Ta khảo sát một hệ tọa độ C, gắn lên điểm tác động cuối (bàn tay) của robot, hệ C

được biểu diễn bởi :

Hình 2.17 Hệ tọa độ gắn lên khâu chấp hành cuối [2]

a: vecto có hướng tiếp cận với đối tượng

O: vecto có hướng mà theo đó các ngón tay nắm vào khi cầm nắm đối tượng

n: vecto pháp tuyến với (O, a)

2.2.2 Xác định vị trí và hướng

Để xác định hướng của một điểm hay một vật thể bằng cách tổng hợp các

phép quay quanh các trục x, y, z Có hai phương pháp được sử dụng phổ biến là:

phương pháp Euler và phương pháp Roll, Pitch, Yall

2.2.2.1 Phương pháp Euler:

Trong thực tế, việc định hướng là kết quả của phép quay xung quanh các trục x,

y, z Phép quay Euler mô tả khả năng định hướng bằng cách:

 Quay một góc  xung quanh trục z

 Quay tiếp một góc  xung quanh trục y, đó là y’

 Cuối cùng ta quay một góc  quay quanh trục z mới, đó là z”

Trang 39

Hình 2.18 Phép quay Euler [2]

Để biểu diễn phép quay Euler bằng cách nhân ba ma trận quay với nhau

Euler (, , ) = Rot (z, ) Rot (y, ) Rot (z, )

Nói thật ra, kết quả của phép quay này phụ thuộc chặt chẽ thứ tự quay, tuy

nhiên, ở phép quay Euler, nếu thực hiện theo thứ tự ngược lại, nghĩa là quay góc

y quanh z rồi tiếp đến quay góc  quanh y và cuối cùng quay góc  quanh z cũng

cho kết quả tương tự (xét theo cùng hệ quy chiếu)

CosCosCos− 𝑠𝑖𝑛𝐶𝑜𝑠 − CosCossin− 𝑠𝑖𝑛𝑐𝑜𝑠 𝐶𝑜𝑠𝑠𝑖𝑛 0

−𝑠𝑖𝑛CosCos+ 𝐶𝑜𝑠𝑠𝑖𝑛 −sinCossin − 𝐶𝑜𝑠𝐶𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑛𝑠𝑖𝑛 0

−𝑠𝑖𝑛 𝐶𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝐶𝑜𝑠 0

0 0 0 1

]

Trang 40

2.2.2.2 Phép quay Roll – Pitch - Yaw

Một phép quay định hướng khác cũng thường được sử dụng là phép quay

Roll- Pitch- Yaw

Ta thử tượng tượng, gắn hệ tọa độ xyz lên thân một con tàu Dọc theo thân tàu là

trục z, Roll là chuyển động lắc thân tàu, tương đương với việc quay thân tàu một

góc  xung quanh trục z Pitch là sự bồng bềnh, tương đương với một góc  xung

quanh trục y và Yaw là sự lệnh hướng, tương đương với phép quay một góc 

xung quanh trục x

Hình 2.19 Phép quay Roll- Pitch- Yaw [2]

Phương pháp Roll- Pitch- Yaw tại khâu chấp hành cuối robot Từ đó ta xác

định thứ tự quay và ta biểu diễn phép quay như sau:

RPY (, , ) = Rot (z, ) Rot (y, ) Rot (x, )

Hình 2.20 Phép quay Roll- Pitch- Raw của bàn tay robot [2]

Định dạng
Số trang	142
Dung lượng	6,4 MB