Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cánh tay cho robot lễ tân

Xuất phát từ nhu cầu của công ty FPT Đà Nẵng mong muốn phát triển 1 chú robot lễ tân có khả năng hoạt động tự do trong khuôn viên của tòa nhà FSoft thuộc công ty FPT Đà Nẵng với các nhiệm vụ chính như Di chuyển tự động trong khuôn viên tòa nhà Dẫn đường cho khách Giới thiệu hướng dẫn khách về công ty Nhận diện người quen để chào hỏi Bấm nút thang máy

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT GHIỆP

I Thông tin chung:

1 Họ và tên sinh viên: ………

NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung:

1 Họ và tên sinh viên: ……….………

2 Lớp: ……….……… Số thẻ SV: ………

3 Tên đề tài: ……….………

4 Người phản biện: ……….………… Học hàm/ học vị: …………

II Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

tối đa

Điểm trừ

Điểm còn lại

1a - Hiểu và vận dụng được kiến thức Toán và khoa học tự

1b - Hiểu và vận dụng được kiến thức cơ sở và chuyên ngành

1c - Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm mô phỏng,

1d - Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài ứng

1e - Có kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn đề 10

1f - Đề tài có giá trị khoa học, công nghệ; có thể ứng dụng

2a - Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc tích 15

2b - Thuyết minh đồ án không có lỗi chính tả, in ấn, định dạng 5

Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)

- Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:

KHOA CƠ KHÍ

CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung:

1 Họ và tên sinh viên: ….….………

2 Lớp: ……….….… Số thẻ SV: ………

3 Tên đề tài: ……….………….………

4 Người phản biện: ……… …… … Học hàm/ học vị: ………

II Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời 1 ……….……….…… ………

………

2 ……….……….…… ………

………

Đáp án: (người phản biện ghi vào khi chấm và nộp cùng với hồ sơ bảo vệ) 1 ………….……….…… ………

………

2 ……….……….…… ………

………

………

.……….……….…… ……… …

………

Đà Nẵng, ngày tháng năm 201…

Người phản biện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

CÁNH TAY ROBOT LỄ TÂN

Người hướng dẫn: TS LÊ HOÀI NAM

Sinh viên thực hiện: VĂN BÁ TÀI

BÙI VĂN DANH

TÓM TẮT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay cho robot lễ tân

Sinh viên thực hiện: VĂN BÁ TÀI Số thẻ SV: 101130174 Lớp: 13CDT1 BÙI VĂN DANH Số thẻ SV: 101130155 Lớp: 13CDT1

1 Nhu cầu thực tế:

Xuất phát từ nhu cầu của công ty FPT Đà Nẵng mong muốn phát triển 1 chú robot

lễ tân có khả năng hoạt động tự do trong khuôn viên của tòa nhà FSoft (thuộc công ty FPT Đà Nẵng) với các nhiệm vụ chính như:

- Di chuyển tự động trong khuôn viên tòa nhà

- Dẫn đường cho khách

- Giới thiệu, hướng dẫn khách về công ty

- Nhận diện người quen để chào hỏi

- Bấm nút thang máy

Với nhu cầu từ phía công ty FPT Đà Nẵng cũng như các nhiệm vụ chính của robot, nhóm chúng em quyết định thực hiện phần cánh tay cho robot lễ tân này

2 Nhiệm vụ của cánh tay robot:

- Thực hiện các động tác cơ bản: chào, vẫy tay, cầm nắm…

- Di chuyển đến vị trí mong muốn theo tọa độ

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

- Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống cơ khí cho cánh tay

- Nghiên cứu, thiết kế bộ PID điều khiển động cơ DC

- Nghiên cứu động học của cánh tay robot để vận dụng vào đồ án

4 Nội dung đồ án đã thực hiện được:

- Mô hình: 1 mô hình

5 Kết quả đạt được:

- Thiết kế được hệ thống cơ khí cho cánh tay

- Giải được phương trình động học ngược của robot và tìm ra được giá trị góc quay tương ứng với tọa độ nhập vào

- Các khớp có thể hoạt động tốt với bộ điều khiển PID số

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: VĂN BÁ TÀI Lớp: 13CDT1 MSSV: 101130174

BÙI VĂN DANH Lớp: 13CDT1 MSSV: 101130155 Lớp: 13CDT1 Khoa: Cơ khí Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

1 Tên đề tài đồ án:

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo phần cánh tay robot lễ tân

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

- Nghiên cứu, lựa chọn và thiết kế hệ thống cơ khí cho cánh tay robot

- Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán cho hệ thống điều khiển cánh tay

5 Các bản vẽ, đồ thị:

- 01 bản vẽ sơ đồ khối hệ thống điều cánh tay

- 01 bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển

- 01 bản vẽ sơ đồ nguyên lý

- 01 bản vẽ lắp tổng thể

- 01 bản vẽ lắp khớp vai

- 01 bản vẽ lắp bàn tay và khớp khuỷu tay

6 Họ tên người hướng dẫn: TS Lê Hoài Nam

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15/ 01 /2018

LỜI NÓI ĐẦU

Sau quá trình học tập lâu dài, đồ án tốt nghiệp lần này là cơ hội lớn để sinh viên chúng em có thể áp dụng những kiến thức tổng hợp vào thực tế Có thể nói, Kỹ thuật Cơ điện tử là một lĩnh vực mang tính thời đại, cung cấp những giải pháp trong việc tự động hóa, hiện đại hóa máy móc, từ đó giúp đỡ con người và nâng cao năng suất lao động Với mong muốn chế tạo được robot có khả năng thay thế con người trong công tác lễ

tân, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay cho Robot lễ tân Đề tài được thực hiện bởi nhóm nhiều sinh viên dưới sự tài trợ của công

ty FPT Sau thời gian thực hiện đồ án, chúng em đã chế tạo được cánh tay cho robot lễ tân có thể thực hiện được những chức năng cơ bản Tuy nhiên, bên cạnh đó cánh tay vẫn còn những hạn chế do khó khăn về mặt kiến thức, thời gian Trong thời gian thực hiện

đồ án không tránh khỏi sai sót, em mong nhận được sự đóng góp của quí thầy cô để em

có thêm kinh nghiệm

Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN đã tạo điều kiện để em có thể tham gia đồ án, cảm ơn các thầy cô trong Khoa

Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN, cũng như phía công ty FPT đã có sự hỗ trợ to lớn

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn các thầy Lê Hoài Nam và thầy Đặng Phước Vinh đã nhiệt tình hướng dẫn chúng em về mọi mặt

Em xin chân thành cảm ơn 2 anh Lê Hoài Linh và Ngô Hoàng Trung phía công ty

Nhóm sinh viên thực hiện:

Văn Bá Tài Bùi Văn Danh

LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT

Kính gửi: Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Cơ Khí, trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng

Chúng tôi là Văn Bá Tài lớp 13CDT1 và Bùi Văn Danh lớp 13CDT1 khoa cơ khí, trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng

Chúng tôi xin cam đoan nội dung của Đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ Đồ án hoặc Công trình đã có từ trước Nếu vi phạm tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật của Khoa

Nhóm sinh viên thực hiện

(Ký, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ v

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT LỄ TÂN 2

1.1 Giới thiệu về Robot lễ tân 2

1.2 Giới thiệu về cánh tay Robot lễ tân 3

1.3 Chức năng và nhiệm vụ của cánh tay robot 5

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ 6

2.1 Yêu cầu chức năng, kĩ thuật 6

2.2 Sơ đồ động học 6

Số bậc tự do 6

Phương án sơ đồ động học 7

Kích thước động học 8

2.3 Tính toán thiết kế bộ truyền các khớp 11

Tổng quan cấu trúc cánh tay 11

Tính toán thiết kế bàn tay và cổ tay 12

Tính toán thiết kế khung cẳng tay, bộ truyền khuỷu tay 16

Tính toán thiết kế bắp tay và bộ truyền vai ngoài 24

Tính toán thiết kế khớp vai trong 28

Tính và kiểm nghiệm trục 31

Chọn ổ lăn 39

2.4 Thiết kế vỏ và xây dựng mô hình 39

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 41

3.1 Giới thiệu về các thành phần chính 41

Kit TivaC 41

Arduino/ Arduino Pro Mini 43

Module LM2596 45

Cảm biến gia tốc góc MPU6050 46

Driver VNH2SP30 47

Mạch Thu Phát RF Zigbee UART CC2530 48

3.2 Các phương thức giao tiếp 48

Giao tiếp UART 48

Giao tiếp SPI 49

Giao tiếp I2C 50

Tìm hiểu về RTOS 51

3.3 Giải thuật điều khiển PID 52

Giải thuật điều khiển PID 52

Các thành phần của bộ PID 53

Điều khiển PID số 56

3.4 Hệ thống điều khiển 58

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cánh tay 58

Tóm tắt hệ thống điều khiển 58

Lưu đồ thuật toán 59

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 64

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ

Bảng 2.1 Bảng kích thước động học thiết kế ban đầu 9

Bảng 2.2 Bảng thông số DH 10

Bảng 2.3 Bảng thành phần chi tiết dưới khuỷu tay 17

Bảng 2.4 Khối lượng thành phần chính dưới trục vai ngoài 24

Bảng 2.5 Khối lượng thành phần chính dưới trục vai ngoài 29

Bảng 3.1 Ảnh hưởng thông số của bộ PID đến quá trình xác lập 56

Hình 1.1: Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống Robot lễ tân 2

Hình 1.2: Robot Sanbot 4

Hình 1.3: Robot Sanbot King Kong và robot Pepper 4

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc cánh tay 5

Hình 2.1: Sơ đồ các phương án động học 7

Hình 2.2: Tỉ lệ các bộ phận cơ thể thật (người bình thường) 8

Hình 2.3: Sơ đồ động học 9

Hình 2.4: Tổng quan cấu trúc cơ khí cánh tay 11

Hình 2.5: Giới hạn xoay các khớp 12

Hình 2.6: Các cách bố trí ngón tay 13

Hình 2.7: Ngón tay với cơ cấu bản lề 14

Hình 2.8: Ngón tay với cơ cấu dây rút 14

Hình 2.9: Động cơ servo MG90S và ES08MD 15

Hình 2.10: Động cơ GA25 15

Hình 2.11: Servo EMAX ES08MD 16

Hình 2.12: Kết cấu bàn tay thiết kế 3d 16

Hình 2.13: Ống nhôm khung cẳng tay 17

Hình 2.14: Sơ đồ động bộ truyền khuỷu tay 19

Hình 2.15: Đặc tính dây đai GT2 bề rộng 6mm 20

Hình 2.16: Puly GT2 16 răng (a) và 60 răng (b) 21

Hình 2.17: Sơ đồ bộ truyền đai răng 1 cấp khuỷu tay 21

Hình 2.18: Sơ đồ căng đai 22

Hình 2.19: Lò xo căng đai 23

Hình 2.20: Sơ đồ kết cấu và lực tác dụng trục khuỷu tay 23

Hình 2.21: Sơ đồ bộ truyền vai ngoài 26

Hình 2.22: Sơ đồ căng đai 28

Hình 2.23: Sơ đồ bộ truyền vai trong 30

Hình 2.24: Sơ đồ lực tác dụng lên trục 3 32

Hình 2.25: Biểu đồ momen trục 3 vai ngoài 33

Hình 2.26: Kết cấu trục 3 33

Hình 2.27: Sơ đồ lực tác dụng lên trục 34

Hình 2.28: Biểu đồ momen trục 3 vai ngoài 34

Hình 2.29: Kết cấu trục 2 35

Hình 2.30: Sơ đồ lực tác dụng lên trục 36

Hình 2.31: Biểu đồ momen trục 3 vai ngoài 36

Hình 2.32: Kết cấu trục 3 vai trong 37

Hình 2.33: Kết quả thiết kế (a): Không vỏ, (b): Có vỏ, (c): Thực tế 40

Hình 3.1: Hình ảnh của Kit TivaC 41

Hình 3.2: Sơ đồ chân Kit TivaC 42

Hình 3.3: Arduino Pro Mini 43

Hình 3.4: Sơ đồ chân Arduino Pro Mini 44

Hình 3.5: Module giảm áp DC – DC LM2596 45

Hình 3.6: Sơ đồ mạch module LM2596 45

Hình 3.7: Cảm biến MPU6050 46

Hình 3.8: Module VNH2SP30 47

Hình 3.9: Mạch thu phát UART CC2530 48

Hình 3.10: Quá trình truyền dữ liệu của UART và RS232 49

Hình 3.11: Giao diện SPI 50

Hình 3.12: Quá trình truyền nhận dữ liệu SPI 50

Hình 3.13: Sơ đồ giao tiếp I2C 51

Hình 3.14: Qui trình truyền nhận dữ liệu trong giao tiếp I2C 51

Hình 3.17: Đồ thị đáp ứng theo thời gian với Kp thay đổi 53

Hình 3.18: Đồ thị đáp ứng theo thời gian với Ki thay đổi 54

Hình 3.19: Đồ thị đáp ứng theo thời gian, với Kd thay đổi 55

Hình 3.20: Xấp xỉ đạo hàm của biến sai số e 56

Hình 3.21: Xấp xỉ tích phân của biến sai số e 57

Hình 3.22: Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống điều khiển 58

Hình 3.23: Lưu đồ thuật toán của vi xử lý trung tâm TivaC 60

Hình 3.24: Lưu đồ thuật toán máy tính 61

Hình 3.25: Hoạt động của Arduino Pro Mini tổng hợp các góc 62

Hình 3.26: Hoạt động của arduino điều khiển servo 62

Hình 3.27: Sơ đồ tổng thể của mạch điều khiển 64

Hình 3.28: Sơ đồ mạch khối đọc cảm biến MPU6050 65

Hình 3.29: Sơ đồ mạch khối nguồn cung cấp 65

Hình 3.30: Khối điều khiển trung tâm và driver động cơ 66

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÍ HIỆU:

CHỮ VIẾT TẮT:

- PID: Proportional Integral Derivative

- PWM Pulse Width Modulation

- UART: Universal Asynchronus Receive and Transmitter

- SPI: Serial Peripheral Bus

- SCK: Serial Clock

- MISO: Master Input Slaver Output

- MOSI: Master Output Slaver Input

- SS: Slaver Select

- I2C: Inter - Intergrated Circuit

- RTOS: Real Time Operation System

- TI: Texas Instruments

MỞ ĐẦU

Hiện nay, robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống để giúp đỡ con người, một trong những robot có chức năng thực tế là robot lễ tân Robot lễ tân là loại robot có nhiệm vụ thay thế, trợ giúp như một nhân viên lễ tân Những robot này có khả năng chào đón khách, hướng dẫn đường đi, phục vụ bưng bê Hiện nay trên thế giới, có rất nhiều loại robot lễ tân khác nhau nhưnga tại Việt Nam chủ yếu là những robot đơn giản, tương tác với con người thông qua giọng nói, hoặc chỉ thực hiện một số công việc đơn giản Với mục đích chung xây dựng một robot lễ tân hiện đại, thông minh có khả năng di chuyển linh hoạt, tương tác với môi trường và con người thông qua giọng nói

và cử chỉ linh hoạt, nhóm em bao gồm Văn Bá Tài và Bùi Văn Danh quyết định thiết kế

và chế tạo cánh tay cho Robot lễ tân Kết hợp với các sinh viên khác để hoàn thành một robot hoàn chỉnh

Mục tiêu của đề tài trong giới hạn đồ án tốt nghiệp là xây dựng cánh tay Robot lễ tân có hình dáng hoàn chỉnh, thực hiện được những thao tác tương tác và chức năng cơ bản, tiến hành ghép nối và giao tiếp với các bộ phận khác tạo thành Robot cơ bản đầy

đủ các thành phần

Cánh tay được thiết kế và chế tạo mô phỏng theo tay thật, dựa trên những dữ liệu tọa độ, lệnh thao tác nhận được từ hệ thống trung tâm Robot Thông qua giải phương trình động học và lập trình thao tác cho trước, cánh tay có thể đạt đến vị trí nhất định Cánh tay sử dụng bộ điều khiển PID để ổn định vị trí kết hợp cảm biến gia tốc góc MPU6050

Báo cáo bao gồm những chương sau:

- Tổng quan về cánh tay Robot lễ tân

- Tính toán và thiết kế cơ khí

- Lập trình và điều khiển

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT LỄ TÂN

1.1 Giới thiệu về Robot lễ tân

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều loại robot lễ tân được nghiên cứu chế tạo và

sử dụng thực tế, từ đơn giản tới phức tạp nhưng nhìn chung thì tất cả các robot đều có thể tương tác với con người

Hình 1.1: Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống Robot lễ tân

Hầu hết các robot đều có thể di chuyển và tương tác với con người thông qua giong nói, màn hình hiển thị Vì lẽ đó, công ty FPT Đà Nẵng mong muốn phát triển 1 chú robot lễ tân có khả năng hoạt động tự do trong khuôn viên của tòa nhà FSoft (thuộc công

ty FPT Đà Nẵng) với các nhiệm vụ chính như:

- Giới thiệu, hướng dẫn khách về công ty

- Nhận diện người quen để chào hỏi

- Bấm nút thang máy

Với các chức năng thuộc những lĩnh vực khác nhau của Robot lễ tân, nhóm chúng

em gồm 9 thành viên đến từ Khoa Cơ khí và Khoa Điện tử viễn thông được thành lập với mục tiêu phát triển 1 chú robot có thể thực hiện những nhiệm vụ nêu trên Các nhóm thành viên được phân công công việc có nội dung phù hợp với chuyên ngành của mình, bao gồm các nội dung sau:

- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cân bằng trên 2 bánh cho robot

- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cánh tay cho robot

- Nhận diện khuôn mặt sử dụng mạng neuron

- Xây dựng 3D map và tránh vật cản

- Kết nối, xử lý, điều khiển trung tâm

Với các nội dung đề tài được đặt ra như trên, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cánh tay cho robot” bởi nội dung đề tài rất phù hợp với chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử và khối lượng công việc phù hợp với khối lượng mà đồ án tốt nghiệp đặt ra

1.2 Giới thiệu về cánh tay Robot lễ tân

Cánh tay là bộ phận không thể thiếu đối với con người cũng như với 1 robot lễ tân làm nhiệm vụ giao tiếp với con người Cánh tay giúp robot tương tác tốt hơn thông qua

cử chỉ hành động, tạo cảm giác thân thiện và gần gũi Việc thiết kế cánh tay tùy thuộc vào yêu cầu chức năng của từng loại robot Cánh tay có nhiều loại:

Cánh tay đơn giản 1 bậc tự do:

Hình 1.2: Robot Sanbot Cánh tay loại này có ưu điểm là thiết kế và chế tạo đơn giản Do chỉ có 1 bậc tư

do nên việc tương tác đơn giản và không thực hiện nhiều chức năng khác

Hình 1.3: Robot Sanbot King Kong và robot Pepper

Cánh tay robot nhiều bậc tư do giúp cho robot thực hiện nhiều thao tác cử chỉ tương

tự như tay người thật Những cánh tay loại này thường được trang bị bàn tay giúp robot

có khả năng thực hiện nhiều chức năng khác

Với mong muốn tạo ra một robot lễ tân hiện đại, có khả năng tương tác tốt với khách hàng, FPT quyết định thực hiện robot lễ tân với đầy đủ 2 cánh tay có hình dạng

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc cánh tay Nguyên lý làm việc: Hệ thống 2 cánh tay robot được gắn trên thân chung với các thành phần khác tạo thành 1 thể thống nhất bao gồm: Hệ thống cân bằng và di chuyển,

hệ thống thu nhận tín hiệu từ môi trường (quét bản đồ 3D – 3D MAP và hệ thống nhận diện khuôn mặt - DETECT FACE SYSTEM), bô điều khiển trung tâm Robot

Cánh tay là bộ phận thực thi của robot Đầu tiên, cánh tay nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm bao gồm: Tọa độ 3d (nhận được từ 3D MAP) và mã lệnh thể hiện hành

vi giao tiếp (Nhận được từ hệ thống nhận diện khuôn mặt - DETECT FACE SYSTEM) Nếu là các hành vi giao tiếp sẽ được qui đổi trực tiếp thành các góc khớp để tạo ra chuyển động và hình dáng giao tiếp phù hợp Các tín hiệu là tọa độ 3D cũng được chuyển thành góc khớp thông qua bộ chuyển đổi góc (nhận được từ việc giải phương trình động hoc)

Sau đó, các góc khớp được đưa vào bộ điều khiển PID để ổn định vị trí cơ cấu chấp hành là hệ thống các khớp Đồng thời, góc khớp cũng được chuyển đến hệ thống bàn tay Hệ thống cảm biến gắn trên mỗi khâu để xác định đúng vị trí hiện tại khâu đó và phản hồi về bộ điều khiển PID, nhờ đó mà cánh tay có thể đạt được và ổn định đúng vị trí mong muốn

1.3 Chức năng và nhiệm vụ của cánh tay robot

Do hạn chế về mặt thời gian cũng như đây là mô hình chế tạo thử nghiệm đầu tiên nên cánh tay sẽ có những chức năng sau:

- Cánh tay có khả năng thực hiện các hành vi giao tiếp cơ bản như chào hỏi, bắt tay, chỉ dẫn đường trong tòa nhà

- Cánh tay và bàn tay có thể bấm nút thang máy

- Bàn tay có khả năng cầm nắm đồ vật đơn giản

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ

2.1 Yêu cầu chức năng, kĩ thuật

Để quá trình tính toán đúng và cánh tay hoạt động hiệu quả, ta có một số yêu cầu

kĩ thuật để định hình dáng và kết cấu của cánh tay như sau:

- Cánh tay được thiết kế có hình dạng và kết cấu tương tự tay người thật, phù hợp kích thước tổng thể robot

- Cánh tay có khả năng chuyển động thao tác tự nhiên, hình thể không gò bó

- Bàn tay có khả năng cầm nắm đồ vật

- Ngón tay có khả năng bấm được nút thang máy

Bên cạnh đó, ta cũng có các thông số đầu vào:

- Chiều cao toàn bộ robot: 1,4m

- Chiều cao nút bấm thang máy so với mặt đất: 1m

- Khoảng cách ngang từ thân robot tới nút thang máy: 30cm

- Khối lượng vật cầm nắm: < 50g

- Tốc độ di chuyển mỗi khớp khuỷu tay, khớp vai: 0,18 - 0,3 vòng/s

- Tốc độ quay tối đa khớp cổ tay: 0,3 vòng/s

đủ để cánh tay thực hiện được các chức năng đã đặt ra

 Kết luận: Số bậc tự do: 4

- Nhược điểm: Khớp vai khá lớn và khó lắp đặt => hình thể xấu

Phương án 2 (hình 2.1b)

- Ưu điểm: Trường hoạt động rộng, khớp vai lúc này có thể nhỏ gọn, thao tác vẫn linh hoạt Tuy nhiên, bộ truyền tại O1 bố trí trong bắp tay-> khó lắp đặt, phàn bắp tay yêu cầu kích thước lớn-> hình thể không phù hợp

- Nhược điểm: khớp thứ 2 đặt trong bắp tay -> kích thước lớn, khó lắp đặt

Kích thước động học

Cánh tay được thiết có hình dáng và kích thước tương tự như tay người thật, do

đó, các kích thước của tay sẽ được lấy theo tỉ lệ so với cơ thể thật Trong quá trình thiết

kế, để đảm bảo tính lắp đặt hoặc tính kết cấu, có thể thay đổi trong khoảng cho phép so với kích thước ban đầu

Hình 2.2: Tỉ lệ các bộ phận cơ thể thật (người bình thường)

Từ hình 2.2, với chiều cao ước tính của robot là H = 1,3m, ta tính được chiều dài các khâu:

- Chiều dài từ trục cổ tới khớp vai: 𝐿𝑣𝑎𝑖 =0,259H = 363mm

- Chiều dài phần bắp tay: 𝐿𝑏ắ𝑝 𝑡𝑎𝑦 = 0,186𝐻 = 240𝑚𝑚

- Chiều dài phần cẳng tay: 𝐿𝑐ẳ𝑛𝑔 𝑡𝑎𝑦 = 0,146𝐻 = 190𝑚𝑚

- Chiều dài phần bàn tay: 𝐿𝑏à𝑛 𝑡𝑎𝑦 = 0,108𝐻 = 140𝑚𝑚

Như vây, ta có sơ đồ động học cụ thể như hình 2.3:

1 d1 110 Khoảng cách từ giá đỡ vai tới trục khớp vai ngoài

2 a2 240 Khoảng cách từ trục khớp vai ngoài tới trục khuỷu tay

3 d3 190 Khoảng cách từ trục khuỷu tay tới điểm cổ tay

4 d4 240 Khoảng cách từ trục khuỷu tay tới điểm tác động bàn tay

2.3 Tính toán thiết kế bộ truyền các khớp

Tổng quan cấu trúc cánh tay

Hình 2.4: Tổng quan cấu trúc cơ khí cánh tay

Uớc tính góc xoay giới hạn ban đâu mỗi khâu phù hợp (có thể thay đổi trong quá trình thiết kế):

(a) (b)

(c)

Hình 2.5: Giới hạn xoay các khớp Khớp vai trong, khuỷu tay (a), khớp vai ngoài (b), bàn tay(c)

Tính toán thiết kế bàn tay và cổ tay

Phương án thiết kế bàn tay và cổ tay

- Nhược điểm: kết cấu nhiều ngón => chiếm không gian cơ cấu, chi phí cao, thiết

kế khó khăn

Kết luận: Với yêu cầu cầm nắm những vật đơn giản, khối lượng nhỏ, đồng thời

phiên bản chế tạo thử nghiệm đầu nên sử dụng bàn tay 3 ngón kết cấu đơn giản

❖ Kết cầu bàn tay

Để có thể cầm nắm được đồ vật, các phương án bố trí 3 ngón tay như sau:

(a) (b)

Hình 2.6: Các cách bố trí ngón tay Hình 2.6 (a), ngón tay được bố trí gần giống hình dạng tay người => hình thể khi bắt tay, chào hỏi tự nhiên Bàn tay có khả năng cầm nắm vật đơn giản

Ở hình 2.6 b, bàn tay và ngón tay tạo thành 1 cụm, loại này có khả năng cầm nắm cao hơn, tuy nhiên ít tự nhiên, được sử dụng trong các cánh tay robot không phải dạng người

Kết luận: sử dụng phương án như hình 2.6a

❖ Kết cấu ngón tay

Có 2 phương án cơ cấu sử dụng cho ngón tay được đưa ra:

➢ Phương án 1: Sử dụng cơ cấu bản lề liên kết các đốt ngón-hình 2.6b

Hình 2.7: Ngón tay với cơ cấu bản lề

- Ưu điểm: Chắc chắn, lực kẹp lớn

- Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, kích thước lớn và thô, không phù hợp với robot dạng người Ngoài ra, các khớp yêu cầu độ chính xác và đồng tâm cao, nếu không sẽ gây ra rơ lắc

➢ Phương án 2: Sử dụng cơ cấu dây rút Đây là thiết kế được sử dụng nhiều cho

cánh tay robot dạng người Dây rút dưới tác động của nguồn động cơ gây kéo giúp ngón tay co lại Dây đàn hồi giúp ngón tay trở về vị trí ban đầu

Hình 2.8: Ngón tay với cơ cấu dây rút

- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, được sử dụng nhiều trong thực tế Kích thước và hình dáng nhỏ gọn, không yêu cầu độ chính xác và đồng tâm lớn

- Nhược điểm: Lực kẹp không lớn, chịu lực theo 1 hướng khi duỗi

Kết luận: Sự dụng phương án 2 với kết cấu dây rút vì tính đơn giản Lực kẹp cải

thiện bởi nguồn động lực

Hình 2.9: Động cơ servo MG90S và ES08MD

* Thông số kỹ thuật:

+ Model: MG90S servo

+ Điện áp hoạt động: 4.8 ~ 6VDC

+ Stall Torque: 1.8kg/cm (4.8V),2.2kg/cm(6V)

+ Operating Speed: 0.1sec/60degree(4.8v), 0.08sec/60degree(6v)

+ Bánh răng: Kim loại

+ Độ dài dây nối: 175mm

- Ưu điểm: Momen xoắn lớn

- Nhược điểm: Điều khiển tốc độ hay vị trí khó khăn, có khối lượng lớn nằm

xa trục quay => momen lớn

➢ Phương án 2: Sử dụng động cơ servo RC momen lớn

- Ưu điểm: Dễ điều khiển, khối lượng nhẹ, cho momen xoắn lớn

Kết luận: Sử dụng phương án 2 Lựa chọn động cơ Servo EMAX ES08

Hình 2.11: Servo EMAX ES08MD + Đầu trục và hệ thống bánh răng kim loại

Hình 2.12: Kết cấu bàn tay thiết kế 3d

Tính toán thiết kế khung cẳng tay, bộ truyền khuỷu tay

Khung cẳng tay:

độ cứng vững Trong tất cả vật liệu thông dụng, nhôm là vật liêu có cơ tính tốt, khối lượng nhẹ Ta sử dụng nhôm ống độ dày 0,8mm (có trên thị trường) giá thành thấp

Hình 2.13: Ống nhôm khung cẳng tay

Bộ truyền khuỷu tay

❖ Yêu tố và yêu cầu đầu vào:

Sau khi thiết kế các khối bàn tay, tiến hành ước tính khối lượng (dựa vào phần mềm), đồng thời căn cứ vào chiều dài động học 𝑑3 𝑣à 𝑑4, ta có bảng 2.3:

Bảng 2.3 Bảng thành phần chi tiết dưới khuỷu tay

lượng(g)

Khoảng cách đến trục khuỷu tay(mm)

+ 𝑑𝑖 là khoảng cách thành phần thứ i đến trục khuỷu tay

Thay 𝑀𝑘𝑡 = 0,61, Với bộ truyền 1 cấp chọn u=4, tính lại 𝑛𝑘𝑡 = 38 𝑣/𝑝 >18 v/p

Sử dụng bộ điều khiển PWM để điều chỉnh điện áp đạt tốc độ yêu cầu

• Lựa chọn bộ truyền:

* Với u = 4, có 2 phương án bộ truyền:

- Sử dụng bộ truyền bánh răng côn như hình 2.14a

+ Ưu điểm: công suất cao, nhỏ gọn, khả năng bố trí lắp đặt gọn

+ Nhược điểm: giá thành chế tạo cao, bộ truyền nặng dẫn đến momen xoắn cho khớp vai

- Sử dụng bộ truyền đai răng 1 cấp như hình 2.14b

+ Ưu điểm: hoạt động êm, độ chính xác cao, không cần lực căng ban đầu lơn Khối lượng nhẹ, giá thành chế tạo thấp

+ Nhược điểm: Kích thước lớn, cơ cấu căng đai phức tạp Lực tác dụng trục lớn

(a) (b) Hình 2.14: Sơ đồ động bộ truyền khuỷu tay

Kết luận: Vì lí do kinh tế, cùng các vật liệu có sẵn trên thị trường, ta chọn bộ

truyền đai răng 1 cấp Đồng thời, với khối lượng nhẹ, hạ thấp momen cho khớp vai

• Tính chính xác bộ truyền:

- Lựa chọn dây đai

Để nhanh chóng, ta chọn dây đai GT2, bước răng 2mm có kích thước nhỏ gọn, da dạng trên thị trường Tiến hành tính toán kiểm tra độ bền

𝑢 = 18.4 = 73 𝑣/𝑝 Theo hình 2.15 dây đai GT2 đạt yêu cầu

- Lựa chọn bánh đai:

Do chọn dây đai GT2 nên ta cũng chọn bánh đai răng GT2 Để phù hợp với yêu cầu kích thước bộ truyền nhỏ gọn và kích thước có sẵn trên thị trường, chọn bánh đai

Hình 2.17: Sơ đồ bộ truyền đai răng 1 cấp khuỷu tay

Để đảm bảo đai không bị trượt, điều kiện số răng ăn khớp đồng thời trên bánh đai nhỏ: 𝑧0 > 6 𝑟ă𝑛𝑔 => góc ôm trên bánh nhỏ 𝛼1 > 6

16 360 = 1350 Ta lấy 𝛼1 = 1800

 Số răng ăn khớp 𝑧0 > 8 𝑟ă𝑛𝑔

- Chiều dài dây đai: được chọn khi đã có thiết kế căng đai đầy đủ

- Lực tác dụng bộ truyền đai

- Lực vòng: 𝐹𝑡 = 𝐹1− 𝐹2 =𝑀𝑘𝑡

1

2 𝐷2 = 32 𝑁

- Lực căng nhánh bị dẫn: Được chọn theo công thức kinh nghiệm đủ dây đai và bánh đai ăn khớp:

𝐹2 = 0.3𝐹𝑡

𝐹2 = 9,6 𝑁

- Lực căng nhánh dẫn: 𝐹1 = 𝐹𝑡 − 𝐹2

𝐹1 = 22,4 𝑁

* Sơ đồ căng đai:

Hình 2.18: Sơ đồ căng đai

Để đảm bảo yêu cầu về không gian kích thước, đường kính bánh căng đai 𝐷𝑏đ =12𝑚𝑚, 𝐿1 = 13𝑚𝑚, 𝐿2 = 12𝑚𝑚

Ta nhận thấy, với vật liệu thép C45, đường kính trục cần thiết lớn hơn nhiều so với

sơ bộ, ta chọn vật liệu thay thế là nhôm để giảm khối lượng

Sơ đồ kết cấu trục:

Hình 2.20: Sơ đồ kết cấu và lực tác dụng trục khuỷu tay

Tính toán thiết kế bắp tay và bộ truyền vai ngoài

Yêu cầu kĩ thuật

Tốc độ quay trục vai ngoài tại momen lớn nhất:

𝑛𝑣𝑛 = 0,16𝑣

𝑠 = 9,6 𝑣/𝑝 => 𝜔𝑣𝑛 = 1 𝑟𝑎𝑑/𝑠

Chiều dài bắp tay( tính từ trục khuỷu tay tới trục vai ngoài): 𝑙𝑏ắ𝑝 𝑡𝑎𝑦 = 230 𝑚𝑚

Tính toán thiết kế bộ truyền vai ngoài

Sau khi tính toán và thiết kế cẳng tay và khớp khuỷu tay, thiết kế vỏ, tiến hành ước tính khối lượng các thành phần từ khuỷu tay đến trục vai ngoài ta có bảng 2.4:

Bảng 2.4 Khối lượng thành phần chính dưới trục vai ngoài

𝑀𝑣𝑛 = ∑3𝑖=1𝑚𝑗 𝑑𝑗 + ∑ 9,8 𝑚𝑘𝑡 𝑙𝑘𝑡 + 𝑀𝑘𝑡 Trong đó:

+ 𝑚𝑗 khối lượng các thành phần thứ i trong bảng 2.4

+ 𝑑𝑗 là khoảng cách thành phần thứ j đến trục vai ngoài

❖ Thiết kế bộ truyền:

𝑷𝒗𝒏 = 𝑀𝑣𝑛 𝜔𝑣𝑛/ η.

= 2,21*1/0,85 = 2,61 W

Trong đó: η = 0,85: hiệu suất bộ truyền

Chọn động cơ GA37 như bộ truyền khuỷu tay

- Bộ truyền đai răng 2 cấp:

+ Ưu điểm: Chi phí thấp

+ Nhược điểm: Lực tác dụng trục lớn, cơ cấu căng đai phức tạp

Kết luận: Sử dụng bộ truyền đai răng 2 cấp

* Sơ đồ bộ truyền: