Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển mô hình cánh tay máy 4 bậc tự do

Robot trong lĩnh vực Lâm Nghiệp: xác định được hành trình làm việc, nhận biết được các vật thể xung quanh, thu phát tín hiệu có chức năng dò đường, tránh vật cản v.v… để ứng dụng trong t

KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CÔNG TRÌNH

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2018

LỜI NÓI ĐẦU

Robot công nghiệp giữ vị trí chủ chốt trong nhiều ngành sản xuất tự động hóa như chế tạo ô tô, chế tạo máy, điện – điện tử, chế tạo hóa chất v.v Trong một nhà máy sản xuất, robot thường được sắp xếp thành một hay nhiều dây chuyền có chức năng làm việc trong các điều kiện khác nhau và đều hướng đến mục đích là gia tăng năng suất lao động, có độ chính xác cao và giảm được lượng nhân công nhất định

Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực điện – điện tử, tin học những năm gần đây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Đặc biệt là lĩnh vực điều khiển tự động, nhiều robot công nghiệp cùng với bộ điều khiển chúng đã ra đời và ngày càng hiện đại hướng đến cho con người sự tiện lợi và ngày càng rẻ Trên thế giới lĩnh vực này đã được nghiên cứu, chế tạo và ngày càng phát triển nhưng đối với nước ta thì vẫn còn hạn chế, chưa ứng dụng được vào sản xuất một cách khoa học Chính vì lẽ đó tác giả thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học

“Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển mô hình cánh tay máy 4 bậc tự do”

Mặt khác, thực hiện đề tài giúp tác giả củng cố kiến thức đã học về robot công nghiệp trong tự động hóa và có ích hơn cho công việc và học tập sau này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn KTĐ&TĐH, đặc biệt là thầy Nguyễn Thành Trung và cô Đinh Hải Lĩnh đã hướng dẫn tận tình và truyền đạt nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu về vi điều khiển Arduino

Hà Nội, ngày 11 /05/2018 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Phương Nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CÔNG TRÌNH CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Bộ môn Kỹ thuật điện & Tự động hóa Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Hà Nội, ngày 14 tháng 05 năm 2018

PHIẾU NHẬN XÉT VÀ CHẤM ĐIỂM KHÓA LUẬN TỐT

NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ tên sinh viên: Nguyễn Phương Nam

Mã sinh viên: 1451050143

Lớp: 59_CĐT

Sinh viên Nguyễn Phương Nam đã hoàn thành báo cáo khóa luận tốt nghiệp đúng theo quy định và đúng tiến độ kế hoạch do Bộ môn và Khoa đề ra

- Về nội dung: Báo cáo khóa luận gồm 04 chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về cánh tay máy

Chương 2: Thiết kế phần cứng cho mô hình cánh tay máy

Chương 3: Xây dựng phần mềm

Chương 4: Lắp đặt và chạy thử nghiệm

Nội dung báo cáo khóa luận hợp lý, đầy đủ bảng biểu, hình vẽ minh họa, trình bày theo đúng mẫu quy định Đã có sự vận dụng, tổng hợp kiến thức của các môn học chuyên ngành trong quá trình thực hiện khóa luận Về cơ bản đã nghiên cứu và chế tạo được mô hình cánh tay máy 4 bậc tự do sử dụng

- Về ý thức: trong thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp, sinh viên Nguyễn

Phương Nam chấp hành nghiên túc lịch làm việc; chủ động trong việc sưu tầm, tìm hiểu tài liệu, chế tạo được thiết bị và thực hiện nội dung khóa luận

Kết luận: Đồng ý cho sinh viên Nguyễn Phương Nam nộp báo cáo khóa luận

và bảo vệ khóa luận tốt nghiệp

Giảng viên hướng dẫn

KS Nguyễn Thành Trung

NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện)

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

(Chữ ký, họ tên)

MỤC LỤC

Lời nói đầu

Danh mục các bảng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY MÁY 1

1.1 KHÁI NIỆM VỀ CÁNH TAY MÁY 1

1.1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp 1

1.1.2 Cánh tay máy 4 bốn bậc tự do 2

1.1.3 Một số cánh tay máy hiện nay 2

1.2 CÁC KIỂU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 3

1.3 GIỚI THIỆU VỀ BOARD MẠCH ĐIỀU KHIỂN ARDUINO 3

1.3.1 Khái niệm chung về Arduino 3

1.3.2 Ứng dụng của Arduino trong đời sống 4

1.3.3 Một số board Arduino trên thị trường hiện nay 4

1.4 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC SERVO VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 6

1.4.1 Khái niệm chung về động cơ servo RC MG995 6

1.4.2 Phân loại động cơ servo 6

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MÔ HÌNH CÁNH TAY MÁY 9

2.1 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ CHO CÁNH TAY MÁY 9

2.1.1 Phương pháp denavit-hartenberg (dh) 9

2.1.2 Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế khung cơ khí và chọn động cơ 10

2.1.3 Thiết kế khung cơ khí cho cánh tay máy sử dụng phần mềm Inventor 14

2.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 15

2.2.1 Lựa chọn phần mềm thiết kế 15

2.2.2 Chọn bộ xử lý trung tâm và cơ cấu chấp hành 16

2.2.3 Các bước thiết kế sơ đồ nguyên lý cho mạch điều khiển 17

2.3 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH IN CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN 21

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM 24

3.1 PHƯƠNG PHÁP HỌC LỆNH CHO CÁNH TAY MÁY 24

3.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHO CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM 25

3.3 LẬP TRÌNH PHẦN MỀM 26

3.3.1 Lựa chọn phần mềm lập trình 26

3.3.2 Các bước tiến hành lập trình 27

CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM 35

4.1.QUY TRÌNH LẮP ĐẶT KHUNG CƠ KHÍ CHO CÁNH TAY MÁY 35

4.2 LẮP RÁP, KẾT NỐI DIỆN CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CHẠY THỬ NGHIÊM MÔ HÌNH CÁNH TAY MÁY 37

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 38

PHỤ LỤC 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1: Bảng thông số DH 12 Bảng 2 2: So sánh thông số kỹ thuật của Arduino Pro Mini và Arduino UNO R3 16

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cánh tay máy tọa độ đề các 2

Hình 1.2: Cánh tay máy tọa độ trục 2

Hình 1 3: Cánh tay máy cầu 2

Hình 1.4: Cánh tay máy SCARA 2

Hình 1 5: Cánh tay máy kiểu tay người 3

Hình 1.6: Cánh tay máy kiểu cổ tay 3

Hình 1.7: Arduino Uno R3 5

Hình 1.8: Arduino UNO R3 5

Hình 1.9: Arduino Nano 5

Hình 1.10: Arduino Leonardo 5

Hình 1.11: Arduino Pro Mini 5

Hình 1.12: Arduino Mega 5

Hình 1.13: Arduino Due 5

Hình 1.14: Cấu tạo của động cở servo RC MG995 6

Hình 1.15: Hình ảnh một số loại động cơ servo RC thường gặp: 7

Hình 1.16: Động cơ servo AC có gắn kèm encoder ở dằng sau động cơ 8

Hình 1.17: Động Cơ DC Giảm Tốc Servo Faulhaber 12V 8

Hình 2 1: Cách xác định trục trong phương pháp Denavit-hartenberg 9

Hình 2 2: Mô tả số bậc tự do của 1 vật trong không gian 11

Hình 2 3: Mô hình cánh tay máy 11

Hình 2 4: Cấu tạo và điện áp hoạt động của động cơ servo RC MG995 13

Hình 2 5: Nguyên vật liệu chính để chế tạo khung cơ khí cho cánh tay máy 14

Hình 2 6: Mô hìn cánh tay máy dưới hình chiếu 2D 14

Hình 2 7: Mô hình mô phỏng cánh tay máy 15

Hình 2 8: Sơ đồ chân và chức năng từng chân của Arduino Pro Mini 17

Hình 2 9: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 17

Hình 2 10: Giao diện ban đầu ngay sau khi cài đặt phần mềm Altium Desginer 18

Hình 2 11: Tạo project trong Altium Desginer 18

Hình 2 12: Đặt tên và chọn địa chỉ lưu file 18

Hình 2 13: Add file thiết kế mạch nguyên lý vào Project 19

Hình 2 14: Add thư viện vào phần mềm Altium Desginer 19

Hình 2 15: Tìm và lấy linh kiện ra ngoài môi trường làm việc 19

Hình 2 16: Kết quả sau khi lấy các linh kiện ra ngoài môi trường làm việc 20

Hình 2 17: Sơ đồ nguyên lý của bộ xử lý trung tâm 20

Hình 2 18: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển tín hiệu 21

Hình 2 19: Quá trình Update Schematics 21

Hình 2 20: Kết quả thu được sau khi Update Schematics 21

Hình 2 21: Kết quả sau khi cài đặt thông số 22

Hình 2 22: Sơ đồ mạch in của bộ xử lý trung tâm (môi trường 2D) 22

Hình 2 23: Sơ đồ mạch in của bộ xử lý trung tâm (môi trường 3D) 23

Hình 2 24: Sơ đồ mạch in của bộ chuyển tín hiệu (môi trường 2D) 23

Hình 2 25: Sơ đồ mạch in của bộ chuyển tín hiệu (môi trường 2D) 23

Hình 3 1: Lưu đồ thuật toán 25

Hình 3 2: Giao diện Arduino IDE 26

Hình 3 3: Mô tả dấu hiệu nhận biết thư viện 29

Hình 3 4: Cửa sổ add thư viện online 30

Hình 3 5: Cửa sổ add thư viện bằng phương pháp thủ công 30

Hình 3 6: Kết nối arduino với máy tính 31

Hình 3 7: Tìm kiếm Device Manager bằng cửa sổ Run 31

Hình 3 8: Giao diện Device Manager 32

Hình 3 9: Kiểm tra cổng kết nối Arduino 32

Hình 3 10: Vị trí của phần mềm Arduino 32

Hình 3 11: Chọn loại mạch Aruino trên phần mềm 33

Hình 3 12: Chọn cổng làm việc cho Arduino 33

Hình 3 13: Cách xác nhận cổng làm việc trên phần mềm 33

Hình 3 14: Chọn cách nạp Chip 34

Hình 4 1: bàn xoay của cánh tay máy 35

Hình 4 2: Cớ cấu khớp một của cánh tay máy 35

Hình 4 3: Cơ cấu khớp hai của cánh tay máy 35

Hình 4 4: Khớp hai và khớp ba của cánh tay máy 36

Hình 4 5: Kế nối tay gắp với khớp ba vủa cánh tay mày 36

Hình 4 6: Khung cơ khí hoản chỉnh của cánh tay máy 36

Hình 4 7: Khối điều khiển của cánh tay máy 37

Hình 4 8: Kết nối và chạy thử nghiệm mô hình cánh tay máy 37

1

PHẦN 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1 Tình hình trên thế giới

Robot là một ngành khoa học kỹ thuật trên thế giới Ý tưởng về việc chế tạo các

cỗ máy làm việc tự động đã có từ thời cổ đại nhưng những nghiên cứu chức năng và khả năng ứng dụng của robot đã có phát triển đáng kể từ thế kỉ 20

Ngày nay, robot là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng, nhờ công nghệ phát triển liên tục, robot đã được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, lắp ráp, đóng/mở gói, vận chuyển, và thăm dò không gian cũng như lòng đất, phẫu thuật, chế tạo vũ khí, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, dây chuyền sản xuất hàng loạt Nhiều robot đã thay con người làm những công việc độc hại như tháo ngòi nổ của bom, mìn, trong các phòng thí nghiệm hóa chất v.v… Tiến đến tương lai robot sẽ phát triển với cơ chế xử lý mới là trí tuệ vật lý (Physical Intelligence)

Robot trong lĩnh vực Lâm Nghiệp: xác định được hành trình làm việc, nhận biết được các vật thể xung quanh, thu phát tín hiệu có chức năng dò đường, tránh vật cản v.v… để ứng dụng trong tự động vận chuyển hàng hóa qua các địa hình phức tạp, không bằng phẳng, trong các khu phân xưởng chế biến gỗ, các cánh đồng nông trại v.v…

Như vậy có thể thấy rằng robot được chế tạo và sử dụng ở rất nhiều trong các lĩnh vực như: môi trường, quân sự, dịch vụ và đặc biệt vào trong công – nông – lâm nghiệp Việc robot tự động ngày một phát triển và có độ chính xác ngày càng cao đã đưa ra được các giải pháp làm gia tăng năng suất lao động và giảm được lượng nhân công trong tương lai

2 Tình hình trong nước

Công nghệ tự động hóa được gia nhập, ứng dụng ở Việt Nam bắt đầu vào khoảng những năm gần đây ngày càng phát huy hiệu quả và đạt được những thành tựu nhất định vào nhiều ngành công – nông – lâm nghiệp Chính vì thế mà lĩnh vực robot ngày càng được đầu tư nhiều hơn và đã đạt được nhiều thành tựu nhất định về các dây chuyền sản xuất công – nông – lâm nghiệp làm tăng năng suất lao động, tạo

ra nhiều sản phẩm và giảm được lượng nhân công làm việc

Nhìn chung, lĩnh vực robot được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam đã được thực hiện từ khi hội nhập với thế giới cho đến nay, nhưng việc áp dụng cũng

2

như mong muốn đạt hiệu quả ở trong nước vẫn còn chưa tốt Theo như lời phát biểu của PGS Nguyễn Bính trong hội nghị đại biểu cựu sinh viên ngành Tự động hóa – Đại học Bách khoa Hà Nội (ngày 17/9/2006): “Tự động hóa Việt Nam trước thềm

lớn Sẽ có rất nhiều cơ hội cho chúng ta nhưng nếu chúng ta không biết làm ăn, chúng ta sẽ bị bão hòa và chìm nghỉm” cho ta thấy những thách thức về ngành tự động hóa cũng như gắn liền với lĩnh vực robot nhưng cũng là một cơ hội không hề nhỏ để đưa đất nước phát triển cả về tri thức lẫn kinh tế

3 Mục tiêu của đề tài

Thiết kế, chế tạo được hệ thống điều khiển mô hình cánh tay máy bốn bậc tự do

4 Nội dung nghiên cứu

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về cánh tay máy

Chương 2: Thiết kế phần cứng cho mô hình cánh tay máy

Chương 3: Xây dựng phần mềm

Chương 4: Lắp đặt và chạy thử nghiệm

5 Đối tượng nghiên cứu

Cánh tay máy trong dây chuyền sản xuất công nghiệp

6 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu tác giả áp dụng hai phương pháp nghiên cứu chính

là phân tích, tổng hợp lý thuyết và chế tạo thử nghiệm thực nghiệm

1

PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY MÁY

1.1 Khái niệm về cánh tay máy

1.1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp

a) Khái niệm về robot công nghiệp

Robot công nghiệp (Industrial Robot – IR) là loại robot có đặc điểm riêng biệt về cấu trúc, chức năng, đã được thống nhất hóa, thương mại hóa rộng rãi

Kỹ thuật tự động hóa trong công nghiệp đã đạt tới trình độ rất cao: không chỉ

tự động hóa các quá trình vật lý mà cả các quá trình xử lý thông tin Vì vậy, tự động hóa trong công nghiệp tích hợp công nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có tự động hóa nhờ máy hoặc các vi mạch được lập trình

Hiện nay trong công nghiệp tồn tại ba dạng tự động hóa là: tự động hóa cứng, tự động hóa khả trình và tự động hóa linh hoạt

Robot công nghiệp có 2 đặc trưng cơ bản:

+ Là thiết bị vạn năng, được tự động hóa theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau

+ Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng, như vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường v.v

Với đặc điểm có thể lập trình lại, robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa khả trình và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các tế bào hoặc

hệ thống sản xuất linh hoạt

b) Kết cấu cơ bản của robot công nghiệp

Một robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau: tay máy, cơ cấu chấp hành, hệ thống điều khiển

+) Tay máy: là cơ cấu cơ khí gồm các khâu và các khớp Chúng hình thành

cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay hoặc tay kẹp để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

2

+) Cơ cấu chấp hành: là tạo nên chuyển động cho các khâu của tay máy

Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

+) Hệ thống điều khiển: hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều

khiển hoạt động của robot

1.1.2 Cánh tay máy 4 bốn bậc tự do

Cánh tay máy 4 bậc tự do cũng là một trong những loại robot công nghiệp Cánh tay máy 4 bậc tự do là kiểu khớp cổ tay giống như tay người

Vì vậy cánh tay máy 4 bậc tự do có kết cấu giống như robot công nghiệp,

cũng gồm ba hệ thống: tay máy, cơ cấu chấp hành, hệ thộng điều khiển

Ở đây do cánh tay máy 4 bậc tự do chỉ là mô hình, nên hệ thống điều khiển

của nó có một chút khác biệt là được điều khiển bởi board Arduino nhằm mục đích giúp sinh viên nghiên cứu cơ bản về cách vận hành và điểu khiển một cánh tay công nghiệp

1.1.3 Một số cánh tay máy hiện nay

Các loại cánh tay máy hiện nay như: cánh tay máy kiểu tọa độ đề các, cánh

tay máy kiểu tọa độ trục, cánh tay máy kiểu cầu, cánh tay máy kiểu SCARA, cánh tay máy kiểu tay người, cánh tay máy khớp cổ tay và các kiểu cánh tay máy khác

3

Hình 1 5: Cánh tay máy kiểu tay người Hình 1 6: Cánh tay máy kiểu cổ tay

1.2 Các kiểu điều khiển cánh tay robot

Có hai cách điều khiển cánh tay robot: điều khiển hở và điều khiển kín

Điều khiển hở là dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén, ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường

+) Điều khiển điểm – điểm, phần công tác dịnh chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc) Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng Kiểu điều khiển này được dùng trên các cánh tay robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh

+) Điều khiển theo đường đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độc có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các cánh tay máy hàn hồ quang, phun sơn

1.3 Giới thiệu về board mạch điều khiển Arduino

1.3.1 Khái niệm chung về Arduino

Arduino đã được mở rộng không ngừng trong những năm qua, với nhiều nhà sản xuất và nhà phân phối trên toàn thế giới Để có thể giao tiếp được với Arduino

ta cần phải có phần mềm Arduino IDE để kết nối và lập trình cho Arduino

Arduino là một board mạch giúp chúng ta có thể dễ dàng lập trình Có rất nhiều loại mạch, bộ công cụ và shield (shield là các modul mở rộng để bổ sung tính năng cho Arduino, thường đi với thư viện lập trình tương ứng) để giúp thực hiện được bất cứ dự án nào một cách dễ dàng

4

a) Ưu điểm của Arduino

-) Khi lập trình với board Arduino chúng ta có thể dễ dàng chao đổi trên các diễn đàn vì hiện nay cộng đồng Arduino phát triển khá là mạnh mẽ không chỉ trong nước mà còn trên toàn thế giới

+) Không tốn kém: Arduino tương đối rẻ so với các nền tảng vi điều khiển

khác Phiên bản ít tốn kém nhất của modul Arduino có thể được lắp ráp bằng tay và thậm chí cả các modul lắp sẵn trước cũng có giá trị ít hơn rất nhiều với các modul tích hợp khác

+) Môi trường lập trình đơn giản, rõ ràng: Phần mềm Arduino (IDE) rất dễ

sử dụng cho người mới bắt đầu, nhưng vẫn đầy đủ linh hoạt cho người dùng nâng cao

+) Phần mềm nguồn mở rộng: Phần mềm Arduino IDE được xuất bản dưới

dạng các công cụ mã nguồn mở, có thể mở rộng bằng các lập trình viên có kinh nghiệm Ngôn ngữ có thể được mở rộng thông qua các thư viện C ++, và những người muốn hiểu các chi tiết kỹ thuật và tìm hiểu kỹ hơn về ngôn ngữ lập trình có thể thực hiện bước nhảy vọt từ Arduino sang ngôn ngữ lập trình AVR-C mà nó dựa vào Tương tự, bạn cũng có thể thêm mã AVR-C trực tiếp vào các chương trình Arduino nếu muốn

b) Nhược điểm của Arduino

Nó rất dễ bị nhiễu và bị treo khi phải làm việc trong môi trường khắc nhiệt Chính vì vậy để nó có thế làm việc được trong môi trường đó chúng ta cần phải dùng các biện pháp chống nhiễu nó sẽ làm cho kết cấu phần cứng khá là phức tạp

1.3.2 Ứng dụng của Arduino trong đời sống

Với việc đơn giản và dễ sử dụng của nó, Arduino đã được sử dụng trong hàng ngàn dự án và ứng dụng khác Phần mềm Arduino rất dễ sử dụng cho người mới bắt đầu, nhưng vẫn đủ linh hoạt cho người dùng nâng cao

Giáo viên và sinh viên sử dụng nó để xậy dựng các công cụ khoa học có chi phí thấp, để chứng minh các nguyên lý hóa học và vật lý, hoặc để bắt đầu với lập trình và roboot

Nhạc sĩ và nghệ sĩ sử dụng nó để cài đặt và thử nghiệm các nhạc cụ mới Tất nhiên, các nhà sản xuất sử dụng nó để xây dựng nhiều dự án khác nhau

1.3.3 Một số board Arduino trên thị trường hiện nay

5

Một số loại board Arduino hiện nay: Arduino Uno R3, Arduino Micro, Arduino nano, Arduino Leonardo, Arduino pro mini, Arduino Mega, Arduino Due v.v

Sau đây là một số hình ảnh về từng loại Arduino:

6

1.4 Giới thiệu về động cơ bước Servo và cơ cấu chấp hành

1.4.1 Khái niệm chung về động cơ servo RC MG995

-) Khái niệm: Động cơ servo RC MG995 là một dạng động cơ điện đặc biệt,

chỉ quay được khi điều khiển (bằng xung PWM), với mỗi loại servo có giới hạn góc quay khác nhau như từ 0 đến 180 , có loại thì có giới hạn góc quay là 0 đến 360 , còn có loại có giới hạn góc quay từ 0 đến 720 v.v…

Cấu tạo của một động cơ servo

cơ servo RC MG995 được thiết kế cho nhưng hệ thống hồi tiếp kín Tín hiệu ra của

động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ đưa tín hiệu hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị chí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

-) Ưu điểm: Động cơ servo RC MG995 là điều khiển tốc độ và góc quay

chính xác, momen trên trục đều, làm việc êm hơn, có nhiều kích cỡ, dễ sử dụng và lập trình với nhiều thiết bị điều khiển như PLC, Arduino và nhiều vi điều khiển khác

1.4.2 Phân loại động cơ servo

Động cơ servo có ba loại là động cơ servo AC, servo RC và động cơ servo

DC

Hình 1 14: Cấu tạo của động cở servo

RC

7

Với động cơ servo AC: động cơ có ba cuộn dây với một đầu chung cho tất cả

các cuộn dây Thông thường đầu chung được đấu với nguồn dương và được kích từ theo thứ tự liên tục

Với động cơ servo RC: là động cơ được điều khiển bằng liên lạc vô tuyến

Trong thực tế bản thân động cơ servo RC không được điều khiển bằng vô tuyến, servo RC chỉ được nối với máy thu tuyến Động cơ servo RC nhận tín hiệu từ máy thu tuyến Như vậy ta có thể điều khiển đông cơ servo bằng một bộ vi xử lý hay thậm chí là mạch điện tử đơn giản dùng IC 555

Với động cơ servo DC có hai loại: động cơ một chiều có chổi than và động

cơ một chiều không có chổi than

Một số loại servo thường gặp gồm:

a) Servo RC MG995 b) Servo RC 90S

c) Servo RC SG90 d) Servo RC KST HV Serirs 525

Hình 1 15: Hình ảnh một số loại động cơ servo RC thường gặp:

a - servo RC MG995, b- servo RC 90S, c - servo RC SG90, d - servo RC KST

HV Serirs 525

8

Hình 1 16: Động cơ servo AC có gắn kèm encoder ở dằng sau động cơ

Hình 1 17: Động Cơ DC Giảm Tốc Servo Faulhaber 12V

9

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MÔ HÌNH CÁNH TAY MÁY

2.1 Thiết kế phần cơ khí cho cánh tay máy

Để thiết kế phần cơ khí cho cánh tay máy, tác giả sử dụng phương pháp Denavit-Hartenberg (DH) nhằm tạo mối quan hệ giữ tọa độ vật rắn với tọa độ các khớp của cánh tay máy

2.1.1 Phương pháp denavit-hartenberg (dh)

Phương pháp DH là là một phương pháp mô tả các điều kiện động học và được sử dụng để tính toán động học các cơ cấu không gian Nhưng phương pháp này đã được phát triển trong cơ học các cơ cấu và trong kỹ thuật robot Phương pháp dựa trên cách biểu diễn ma trận (4x4) về vị trí và điểm định vị và hướng quay của vật rắn và sử dụng tối thiểu các tham số Denavit-Hartenberg để mô tả động học

Áp dụng phương pháp này nhằm mục đích đưa ra được mối quan hệ giữa tọa

độ của vất rắn với tọa độ các khớp của cánh tay máy Trong đó từ các suy tính về động học tác giả lựa chọn trục khớp là của mỗi cơ cấu làm một trục tọa độ Trục này được gọi là trục z

Hình 2 1: Cách xác định trục trong phương pháp Denavit-hartenberg

Hình 2.1 chỉ ra hai vật rắn kề nhau của một hệ cơ học và các hệ tọa độ được lựa chọn theo phương pháp DH Các hệ tọa độ này được chọn theo quy tắc sau:

 Quy tắc 1: Gốc tọa độ của hệ (KS)i nằm ở giao điểm giữa của đường pháp tuyến chung của các khớp i và i+1 với trục khớp i+1

10

 Quy tắc 2: Hướng của hệ (KS)i được chọn sao cho:

- Trục z hướng theo trục khớp (i+1);

- Trục x hướng theo đường pháp tuyến chung kéo dài;

- Trục y được chọn sao cho xyz tạo thành hệ tọa độ thuận

Vị trí của hệ quy chiếu (KS)i so với hệ (KS)i-1 được xác định bởi bốn tham số

Denavit – Hartenberg (θ, a, α, d)i :

θi : Góc quay quanh trục zi – 1;

a i : Độ dài của pháp tuyến chung ̅̅̅̅̅̅;

di)

- Các kí hiệu DH không luôn duy nhất Chẳng hạn khi hai trục khớp song song với nhau, khi đó có nhiều đường pháp tuyến chung, di không xác định Ta có thể chọn di một cách chủ ý, ta sẽ ưu tiên chọn di = 0

- Khi hai trục khớp giao nhau thì αi = 0 Khi hai trục khớp vuông góc với nhau thì ta có αi = ±π/2

Khi lựa chọn các hệ tọa độ cơ sở (KS)0 hay hệ tọa độ gắn vào khâu cuối (KS)N vì không có khâu trước nó trong trường hợp đầu và không có khâu sau nó trong trường hợp thứ hai nên các hệ tọa độ này chưa xác định hoàn toàn theo quy tắc

DH Khi đó đối với hệ tọa độ cơ sở ta chọn trục z theo hướng trục khớp, các trục x0 và

y0 chọn tùy ý

Đối với hệ tọa độ gắn vào khâu cuối cùng (KS)N gốc tọa độ có thể được xác định tùy ý Tuy nhiên ta thường chọn gốc tọa độ là điểm định vị của khâu thao tác Ngoài ra trục xN chọn theo một pháp tuyến của hệ trước đó và các trục khác chọn tùy ý

2.1.2 Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế khung cơ khí và chọn động cơ

a) Cơ cấu bậc tự do

11

Trong một cơ cấu máy, toàn bộ những bộ phận có chuyển động tương đối so với các bộ phận khác gọi là các khâu Để tạo thành cơ cấu, các khâu không thể để rời nhau mà phải được liên kết với nhau theo một quy cách xác định nào đó, sau khi nối với nhau các khâu vẫn còn có khả năng chuyển động tương đối Một bậc tự do của khâu được hiểu là khả năng chuyển động độc lập với một hệ quy chiếu, đối với giữa hai mặt phẳng ta có ba bậc tự do (Tx, Ty, Qz) và giữa hai khâu trong không gian ta có 6 bậc tự do (Tx, Ty, Tz, Qx, Qy, Qz)

Z

y

x O

Hình 2 2: Mô tả số bậc tự do của 1 vật trong không gian

Với chức năng làm việc của cánh tay máy và tính chất của nó kết hợp với kiến thức đã học tác giả tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bậc tự do cho từng khâu để có thể dịch chuyển vật theo nhiều bậc tự do bằng cách kết hợp bậc tự do của các khâu

Hình 2 3: Mô hình cánh tay máy

[

]; với c =cos ; s =sin

Vậy ta có:

[

];

[

];

[

];

13

[

];

[

];

Ta có phương trình động học sẽ được tính bằng tích ba ma trận D-H của các khâu đó là:

Ma trận chính là phương trình của cơ cấu cánh tay máy ta cần tìm Sử dụng ma trận này ta có thể phát triển theo hướng điều khiển cánh tay máy bằng ma trận trên phần mềm máy vi tính Thông qua ma trận ta có thể tính được momen hoặc các lực cần thiết tác động vào cơ cánh tay máy

b) Chọn cơ cấu chấp hành của động cơ servo RC MG995

Với những ưu điểm được nêu ở Chương 1 của servo thì lựa chọn servo là cần thiết và mang ý nghĩa thực tiễn vì chúng phù hợp và tối ưu được tính tự động hóa

mà đề ta đang muốn hướng tới, và nó đáp ứng đủ momen cần thiết cho đề tài Đối với đề tài khóa luận của tác giả lần này Lựa chọn động cơ servo RC MG995

Hình 2 4: Cấu tạo và điện áp hoạt động của động cơ servo RC MG995

Thông số kỹ thuật của động cơ servo MG995: Momen làm việc 13 (KG / cm), dòng điện hoạt động 100mA, nhiệt độ làm việc -30 60 , góc quay tối đa 180 ,

14

điện áp sử dụng từ 3 7.2V, tốc độ không tải là 0.17 giây/ 60 (điện áp 4.8V), tốc

độ vận hành 0.13 giây/60 (điện áp 6V)

2.1.3 Thiết kế khung cơ khí cho cánh tay máy sử dụng phần mềm Inventor

Dựa trên việc lựa chọn động cơ ta chọn vật liệu là mica Vật liệu này có độ cứng vừa phải, đủ bền, nhẹ và dễ dàng gia công trong việc chế tạo, giá thành thì cũng rẻ hơn so với các vật liệu khác

Hình 2 5: Nguyên vật liệu chính để chế tạo khung cơ khí cho cánh tay máy

Hoàn thành công tác chuẩn bị vật liệu ta bắt đầu tiến hành thiết kế các chi tiết cho cánh tay máy bằng phần mềm Inventor nhằm mục đích mô phỏng được các chi tiết dưới môi trường 3D, dễ dàng thay đổi thông số thiết kế chi tiết làm sao cho phù hợp nhất Dưới đây là hình ảnh mô phỏng cánh táy máy trên môi trường 2D và 3D của phần mềm Invetor

Hình 2 6: Mô hìn cánh tay máy dưới hình chiếu 2D

15

Hình 2 7: Mô hình mô phỏng cánh tay máy

Bằng cách kết hợp các góc quay của từng khớp chúng ta có thể đưa tay gắp của cánh tay máy đến vị trí mà chúng ta muốn để gắp vậy

2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho mạch điều khiển

2.2.1 Lựa chọn phần mềm thiết kế

Hiện nay có rất nhiều phần mềm được dùng để thiết kế mạch ví dụ như:

OrCAD, Eagle CAD, Upvector, Altium Designer, KiCad và nhiều phần mềm khác

nữa

Trong đó phần mềm Altium Designer cung cấp một ứng dụng kết hợp tất cả

công nghệ và chức năng cần thiết cho việc phát triển sản phẩm điện tử hoàn chỉnh, như thiết kế hệ thống ở mức bo mạch và Field-programmable gate array (FPG), phát triển phần mềm nhúng cho FPGA và các bộ xử lý rời rạc, bố trí mạch in

Polychlorinated biphenyl (PCB)… Altium Designer thống nhất toàn bộ các quá

trình lại và cho phép bạn quản lý được mọi mặt quá trình phát triển hệ thống trong môi trường tích hợp duy nhất Khả năng đó kết hợp với khả năng quản lý dữ liệu

thiết kế hiện đại cho phép người sử dụng Altium Designer tạo ra nhiều hơn những sản phẩm điện tử thông minh, với chi phí sản phẩm thấp hơn và thời gian phát triển ngắn hơn

Với nhưng ưu điểm vượt trội của phần mềm Altium Designer, tác giả đã lựa

chọn phần mềm này để thiết kế sơ mạch cho bộ điều khiển

16

2.2.2 Chọn bộ xử lý trung tâm và cơ cấu chấp hành

Tác giả lựa chọn loại Arduino Pro Mini vẫn có đầy đủ chức năng để đáp ứng nhu cầu của đề tài không khác gì board Arduino UNO R3

Ưu điểm: Bo mạch thiết kế khá là nhỏ giúp chúng ta có thể thu gọn mạch

điều khiển mà vẫn đầy đủ các chức năng của của một Arduino UNO R3, giá thành

nó rẻ hơn

Nhược điểm bất cập của board Arduino Pro Mini so với board Arduino UNO R3 là mỗi lần nạp chương trình cho board Arduino Pro Mini chúng ta phải nhấn nút reset đúng thời điểm thì mới có thể nạp chương trình mới cho board

Để có thể hiểu rõ hơn về sự giống nhau của hai board nói trên tác giả xin đưa

ra bảng so sánh sơ bộ về thông số ký thuật giữa hai board Arduino Pro Mini và

board Arduino UNO R3

Bảng 2 2: So sánh thông số kỹ thuật của Arduino Pro Mini và Arduino UNO R3

Loại broad

Thông số Arduino Pro Mini Arduino UNO R3

Vi điều khiển Atmega328P Atmega328P

Tần số hoạt động 8Hz hoặc 16Hz tùy

Số chân Analog 8 chân 6 chân

Dòng ra tối đa trên mỗi

Bộ nhớ flash 32KB 32KB

17

Hình 2 8: Sơ đồ chân và chức năng từng chân của Arduino Pro Mini

2.2.3 Các bước thiết kế sơ đồ nguyên lý cho mạch điều khiển

a) Sơ đồ mạch

 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống:

Hình 2 9: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống

Sau khi cấp điện 220V đi qua bộ biến đổi điện áp để tạo ra nguồn điện 5V để cung cấp cho toàn bộ hệ thống Khi ta thay đổi giá trị của các biến trở sẽ truyển tín hiệu về cho bộ điều khiển trung tâm, bộ xử lý trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và xuất tín hiệu tới các servo với các dây tín hiệu tương ứng cho từng servo Các nút nhấn khi được nhấn sẽ đưa ra mệnh lệnh cho bộ sử lý trung tầm tùy thuộc vào chức năng của từng nút nhấn