(Luận văn thạc sĩ) thiết kế mô hình điều khiển robot 5 bật tự do

Trong bài viết này,tác giả phân tích mối quan hệ giữa các khớp của cánh tay robot và vị trí và hướng của khớp cuối, tác giả áp dụng phương pháp Denavit Hartenberg DH để xây dựng mô hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH QUANG

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ÐIỀU KHIỂN ROBOT 5 BẬT TỰ DO

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ÐIỆN TỬ - 60520202

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH QUANG

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT

5 BẬT TỰ DO

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 60520202

Tp Hồ Chí Minh, năm 2016

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu

Con người từ lâu đã muốn chế tạo một cỗ máy có thể bắt chước kỹ năng lao động của đôi tay, thay mình làm những việc nặng và nguy hiểm Robot là đối tượng được con người gửi gắm nhiều tri thức về y khoa, cơ khí, điện-điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển học Từ chỗ vô tri vô giác, chuyên đảm nhiệm những công việc lao động cơ bắp đơn thuần Robot ngày nay có khả năng quan sát, cảm nhận bản thân và môi trường xung quanh Việc thành công bước đầu trong những nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, hứa hẹn robot trong tương lai có những hành xử giống như con người

Ngày nay Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn Các công việc của con người trong môi trường khắc nghiệt như trong lò đúc, xưởng rèn, xưởng hàn và phóng xạ dần được thay bằng Robot

Hình 1.1: Robot hàn Hình 1.2: Robot nâng, chuyển

để thiết kế và mô phỏng một bộ điều khiển Fuzzy và PID thông thường để đưa ra các thông số cho thấy ưu điểm của bộ điều khiển lai ổn định hơn và nghiên cứu chỉ dừng lại ở mô phỏng (2)

- Mô phỏng Robot 5 bậc tự do Mitsubishi RV-2AJ sử dụng MATLAB/Simulink

và V-Realm Builder của các tác giả Muhammad Ikhwan Jambak, Habibollah Haron

và Dewi Nasien Nghiên cứu xây dựng phần mềm mô phỏng thực tế ảo dựa trên phần mềm MATLAB/Simulink and V-Realm Builder và sử dụng thông số Robot 5 bậc RV-2AJ của Mitsubishi và camera 3D để tăng độ chính xác của Robot trong công nghiệp (3)

- Phân tích động học thuận robot 5 bậc tự do và các ứng dụng trong công nghiệp của tác giả Dr.Laith A Mohammed Trong bài viết này,tác giả phân tích mối quan

hệ giữa các khớp của cánh tay robot và vị trí và hướng của khớp cuối, tác giả áp dụng phương pháp Denavit Hartenberg (DH) để xây dựng mô hình toán học để dự đoán, mô phỏng và phục vị trí cuối (vị trí và hướng) trên cánh tay robot R5150 Tác giả sử dụng phần mềm mô phỏng RoboCIM Giao diện người dùng của RoboCIM cho phép nhập thông số vào là bàn phím (teach pendant) cánh tay Lab_volt R5150 Các mô phỏng của cánh tay robot chuyển động được thực hiện bằng phần mềm MATLAB (4)

1.2 Nghiên cứu Robot ở Việt Nam hiện nay và tính cấp thiết của đề tài

1.2.1 Nghiên cứu Robot ở Việt Nam

- 10/2013 Viện Cơ học thuộc Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam "Tay máy 6 bậc

tự do“ eRobot có tầm với lớn nhất trong bán kính 600mm (toàn hướng).Tay máy 6 bậc tự do - eRobot có tầm với lớn nhất: 600 mm, độ chính xác vị trí: ± 2 mm, độ chính xác lặp: ± 2 mm, có thể thực hiện thao tác nắm gắp và di chuyển đối tượng có khối lượng < 0,5 kg, hàn điểm Phần mềm điều khiển eRobot được viết bằng ngôn ngữ Visual C++, tích hợp công nghệ đồ họa 3D OpenGL, kết nối với các bộ điều khiển qua cổng COM theo chuẩn RS232 eRobot có ưu điểm có độ chính xác có giao diện đồ họa trực quan

Hình 1.3: Tay máy eRobot đang sử dụng que hàn

So với sự phát triển chung của thế giới, ngành Tự động hóa Việt Nam tuy chưa

ở mức phát triển cao nhưng cũng đã đạt được những thành quả nhất định nhưng nhìn chung các Robot phát triển ở Việt Nam có một số vấn đề sau cần nghiên cứu

và phát triển:

- Tăng độ chính xác, tốc độ và sự mềm mại cho robot

- Giao tiếp với giao diện qua cổng USB hoặc không dây thay cho giao tiếp phần mềm qua cổng LPT hoặc cổng COM

- Áp dụng các thuật toán vào cho Robot để làm chủ công nghệ thay vì sử dụng các thuật toán tích hợp trong PLC hoặc các bộ điều khiển Robot tích hợp sẵn

- Cách đưa quỹ đạo Robot thân thiện hơn thay cho các Robot truyền thống đưa quỹ đạo cho Robot thực hiện bằng cách lập trình theo ngôn ngữ của Robot(ACL ), file tọa độ hay file CAD

trường độc hại ngày càng tăng vì vậy việc làm chủ kỹ thuật công nghệ điều khiển

robot là rất cần thiết Vì vậy luận văn thực hiện với tên đề tài là “THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 5 BẬC TỰ DO.” nhằm mụch đích tạo ra một bộ điều

khiển cho robot với giá thành rẽ và có thể áp dụng cho các mô hình điều khiển khác

1.2.2 Giới hạn đề tài

- Đề tài chỉ nghiên cứu mô phỏng động học thuận và động học nghịch trên Robot

5 bậc tự do (Scorbot)

- Đề tài nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển Robot 5 bậc tự do

1.2.3 Phương Pháp nghiên cứu

Các phương pháp người thực hiện đề tài thường sử dụng trong đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu phương pháp nội suy spline và phân tích

khả năng ứng dụng để xây dựng mô hình toán học cho bài toán điều khiển rôbốt trên quỹ đạo cho trước dạng phức tạp

- Mô phỏng: Tính toán và chạy mô phỏng trên máy tính để kiểm chứng kết quả nghiên cứu

- Phương pháp thử sai: Có những bài toán gặp phải trong đề tài mà thông số biến không xác định và ngõ vào biến rất lớn do đó không thể giải quyết được do đó người thực hiện đề tài phải sử dụng phương pháp thử sai

- Phương pháp chuyên gia: Người nghiên cứu có tham khảo các bộ điều khiển đã chế tạo

Chương 2

PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT

2.1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SỬ DỤNG:

Mô hình để người thực hiện đề tài sử dụng cánh tay Robot SCORBOT-ER V

ở hình 2.1 cấu trúc của một cánh tay Robot công nghiệp

Robot trên hình 2.2 có 5 bậc tự do với 5 trục chuyển động như sau:

1 Trục hông (chuyển động quay phải hay quay trái của thân người);

2 Trục bả vai (chuyển động của khớp bả vai)

3 Trục khuỷu tay (chuyển động của khớp khuỷu tay)

4 Trục cổ tay chuyển động theo phương thẳng đứng;

5 Trục cổ tay chuyển động theo phương phương ngang

Ngoài ra còn có cơ cấu kẹp chi tiết

So với chuyển động của tay người (không tính đến chuyển động của các ngón tay) có 10 bậc tự do (10 khả năng chuyển động độc lập) cánh tay robot trên

là loại có đủ khả năng nắm bắt một vật bất kỳ trong không gian hoạt động

Cánh tay robot công nghiệp thường có các bộ phận chính sau:

- Hệ thống điều khiển

- Hệ thống chấp hành : Bao gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chịu lực

- Bàn kẹp :

Bàn kẹp là bộ phận công tác cuối cùng của cánh tay robot ,nơi cầm nắm

các thiết bị cộng nghệ hay vật cần di chuyển

Hình 2.1 : Mô hình cánh tay robot công nghiệp

CẤU TRÚC ROBOT SCOBOT-ER V:

SCORBOT-ER V có 5 bậc tự do đều là khớp quay, sử dụng động cơ điện một chiều có công suất nhỏ, tốc độ quay của động cơ và chuyển động các khớp của cánh tay robot cánh tay robot phụ thuộc vào điện áp đặt vào động cơ và có thể điều chỉnh vô cấp Kết cấu bộ truyền động cơ khí đơn giản thông qua bộ bánh

Trục số Tên khớp chuyển động Chuyển động Động cơ

- Cơ cấu bao gồm 6 động cơ công tác, trong đó 5 động cơ có số thứ tự từ 1 đến 5

có công suất đỉnh là 40W được mô tả như trên, một động cơ làm nhiệm vụ kẹp

- Kết cấu động cơ như hình 2.4

Hình 2.4: Động cơ Pittman gồm hộp số và Encoder và kết cấu Encoder

2.2 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN, ĐỘNG HỌC

NGHỊCH CHO CÁNH TAY ROBOT 5 BẬC TỰ DO

Trong đề tài này chỉ khảo sát hai vấn đề điều khiển động học cho robot là bài toán thuận và bài toán ngược

Bài toán thuận:Xác định vị trí điểm cuối và hướng tay kẹp mà cánh tay robot đạt được khi quy luật thay đổi theo thời gian của các thông số định vị của cánh tay robot là hàm đã biết Bài toán này là bài toán nhằm xác định phạm vi hoạt động của cánh tay robot

Bài toán ngược: xác định quy luật thay đổi theo thời gian của cánh tay robot với vị trí đã cho của đối tượng theo một hướng định trước của tay kẹp Bài toán này nhằm phục vụ các bài toán điều khiển quỹ đạo, các bài toán điều khiển tối ưu

2.2.1 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN:

Sử dụng phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg gán các trục tọa độ vào từng khâu của cánh tay robot Nhờ mối quan hệ về tọa độ của cùng một điểm trên hai hệ trục kế tiếp nhau sẽ được xác định bằng một ma trận chuyển 4x4

00

)cos(

)sin(

0

)sin(

.)cos(

)

sin(

)cos(

.)sin(

)

sin(

)sin(

)

cos(

)cos(

1

dj j

j

j a

j j

j j

j

j a

j j

j j

j

k j

Hình 2.5: Kết nối xác định tọa độ các khâu

Thông qua việc sử dụng liên tiếp các hệ tọa độ, ma trận chuyển hệ tọa độ gán vào tay kẹp về hệ tọa độ gán vào robot có dạng:

( 11

)()(q p q R

Trong đó hệ tọa độ đế robot kí hiệu là 0, hệ tọa độ tay kẹp robot kí hiệu là n, q

là ma trận nx1 của các hệ tọa độ suy rộng, chúng là các thông số định của robot R(q) là ma trận 3x3 xác định hướng của tay kẹp, p(q) là vector 3x1 xác định vị trí đầu bà kẹp so với hệ đế Ba cột ma trận R tương ướng với hướng của ba vector đơn

vị trên hệ gắn với tay kẹp so với hệ đế robot (hệ tọa độ nền)

Vị trí một điểm P thuộc tay kẹp được xác định theo công thức:

p n p

r p H

r  0( ) ' (*) (1.3) Trong đó p

r là vector định vị điểm P thuộc tay kẹp so với tọa độ nền, r’p là vector đơn vị điểm P trong hệ tọa độ gán vào tay kẹp robot

Từ công thức(*) ta dễ dàng xác định được vận tốc điểm P gắn vào tay kẹp robot

so với hệ tọa độ nền :

p n p p

r A r

dưới dạng sau :

i n

i i n

q A A

.

1

) 0

.





Trong đó H(i) là ma trận ứng với khớp I và chỉ phụ thuộc vào biến khớp, i,p là

vector vận tốc của điểm cuối tay kẹp so với hê tọa độ nền,

n

.

là ma trận đạo hàm của ma trận Denavit-Hartenberg giữa hệ tọa độ nền với hệ tọa độ gắn vào tay kẹp,

i

q

.

là vận tốc chuyển động của khớp thứ i

2.2.2 CÔNG THỨC XÁC ĐINH VỊ TRÍ ROBOT

Khi áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg gắn các hệ trục tọa độ với các

Hình 2.6: xác định tọa độ lên các khâu

Ta thu được sơ đồ động của cánh tay robot scorbot như hình trên

010

sincos

0sin

cossin

0cos

1

1 1 1 1

1 1 1 1

1

0

d a a

00

01

00

sin0

cossin

cos0

sincos

2 2 2

2

2 2 2

00

01

00

sin0

cossin

cos0

sincos

3 3 3

3

3 3 3

0010

0sin0cos

0cos0sin

4 4

4 4

100

00cossin

00sincos

5

5 5

5 5

0 A .A .A .A A

0 0

)

) (

) (

234 5 23 3 2 2 1 234 5

234 5

1 5 234

1

234 5 23 3 2 2 1 1 234 1 5 1 5 234 1 5 1 5 234

1

234 5 23 3 2 2 1 1 234 1 5 1 5 234 1 5

1 5 234

S S C

S C C

C

S d C a C a a S S S C C S C S S C C

C

C

S d C a C a a C S C C S S C C S

S C

5 1 5 234

Chương 3

PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

3.1 Mô hình hóa động lực học động cơ DC

Mô hình động cơ điện DC của hệ thống của được biểu diễn như hình 3.1

Hình 3.1: Mô hình hoá mô tơ DC

Trong mô hình này, chúng ta sẽ sử dụng những giá trị tham số vật lý – điện cho việc tính toán Những giá trị này được lấy từ datasheet do nhà sản xuất cung cấp Mômen quán tính của rotor (J) = 4.17 x 10-6 kg.m^2/s^2

Tỷ lệ nhụt của hệ thống cơ khí (b) = 4.2 x 10-3 Nms

Hằng số lực điện (K=Ke=Kt) = 21.3 x 10-3 Nm/Amp

Điện trở (R) = 0.83 ohms

Điện cảm (L) = 0.63 mH

Điện áp nguồn cung cấp (V): = 12V

Moment xoắn mô tơ, T, quan hệ với dòng điện, i, bởi một thừa số không đổi, K t

Suất điện động chống lại, e, liên quan đến vận tốc quay vòng bởi những phương

Chúng ta sẽ sử dụng trong hệ thống đơn vị chuẩn Kt (hằng số khung) sẽ bằng Ke (hằng số động cơ)

Từ hình ở trên chúng tôi có thể viết những phương trình sau đây được dựa vào định luật của Newton kết hợp với định luật của Kirchhoff

Ki b

J 



K V Ri dt

di

L    Hàm truyền hệ thống có thể bây giờ được viết:

Sử dụng những phép biến đổi Laplace ở những phương trình trên biểu thị trong biến s

)

()

()

)

()

()(LsR I s VKs s

Khử biến I(s) Chúng ta có thể có hàm truyền sau đây, quan tốc độ quay là đầu ra và điện áp là một ngõ vào

.))(

.))(

Hình 3.2 : Sự đáp ứng bước đơn vị của động cơ

Như được cho thấy, sự đáp lại bước là yêu cầu quan trọng để thỏa mãn những yêu cầu thiết kế

Tính hiệu quả của bộ điều khiển PID đã thể hiện từ nhiều năm qua và cũng không quá đắt tiền Ở đề tài này, tác giả lựa chọn bộ điều khiển PID cho bộ điều khiển động cơ Sơ đồ khối hệ thống là như hình 3.3

K S K S K S K s

Bảng 3.1 mô tả ảnh hưởng của sự điều chỉnh độ lợi của Kp, Ki trên hệ thống

Ta lập một thủ tục cho bộ điều khiển PID với việc giả sử cho phép I và D đi đến không và tăng đô lợi P cho đến sự dao động xảy ra Kế tiếp, tăng D và I để giảm bớt

sự không ổn định

CL RESPONSE

THỜI GIAN TĂNG (RISE TIME)

VỌT LỐ (OVERSHOOT)

THỜI GIAN ĐẶT (SETTLING TIME)

LỔI (S-S ERROR)

Bảng 3.1 : Những ảnh hưởng của việc điều chỉnh độ lợi PID

Yêu cầu thiết kế mạch điều khiển động cơ

Chúng ta mong muốn động cơ quay chính xác để đạt được sự chuyển dịch tốt nhất Như vậy sai số ổn định của vị trí động cơ cần phải là gần đến không Yêu cầu thực hiện khác là động cơ đạt đến vị trí cuối cùng của nó rất nhanh Trong đề tài này, chỉ tiêu đặt ra là thời gian trể cho phép là 40 ms và độ vượt lố nhỏ hơn 16%

Nếu chúng ta mô phỏng ngõ vào ( R) bởi một bậc đơn vị, sau đó đầu ra tốc độ động

cơ phải có:

 Thời gian cài đặt nhỏ hơn 40 ms

 Độ vọt lố nhỏ hơn 16%

 Không có sai số ổn định nào

Thực hiện mô phỏng trên Matlab với mã sau đây cho mô hình điều khiển động cơ

DC với bộ điều khiển PID ta được đáp ứng như hình 4.5 và hình 4.6

Hình 3.4 : Đáp ứng bước với hệ thống điều khiển PID

3.2 Động lực học robot:

Jacobian là một trong những đại lượng quan trọng nhất trong phân tích và kiểm soát chuyển động của robot Nó thực hiện phương trình động năng để thiết lập kế hoạch quỹ đạo trơn tru Để điều khiển theo quỹ đạo thì vận tốc của các khớp vị trí khác nhau cần phải xác định

23

3 2 2 4 23

1

3 2 1 4 23

1

4

d a s a

s

a c s a

c

s

a c c a

234

3 2 2 4 23 1 5

234

1

3 2 1 4 23 1 5 234

1

5

d a s a s d

s

a c s a c s d

c

s

a c c a c c d

234 1

234 1

5

s

c s

c c

3 2 1 4 23 1 5 234

1

3 2 1 4 23 1 5 234

1

1

a c c a c c d

c

c

a c s a c s d c

s

3 2 1 4 23 1 5 234

1

3 2 1 4 23 1 5 234

1

2

a c c a c c d

c

c

a c s a c s d c

)(

)(

)(

1 1

3 2 1 4 23 1 5 234 1 1 3 2 1 4 23 1 5 234

1

1

3 2 4 23 5 234 1

3 2 4 23 5 234 1

3

c s

a c c a c c d c c c a c s a c s d c

s

s

a s a s d s s

a s a s d s c

)(

)(

)(

1 1

4 23 1 5 234 1 1 4 23 1 5 234

1

1

4 23 5 234 1

4 23 5 234 1

4

c s

a c c d c c c a c s d c

s

s

a s d s s

a s d s c

5 4 23 2 1 5 234

2

1

5 234 1

5 234 1

5

c s

d c c d

c

s

d s s

d s c

J

Quỹ đạo đa thức Cubic

Giả sử chúng ta muốn tạo ra một quỹ đạo giữa hai điểm , và rằng chúng ta muốn xác định vận điểm bắt đầu và vận tốc cuối

Khoảng cách:

Vận tốc là đạo hàm khoảng cách theo thời gian:

2 3 2

t

q( )2 2 6 3

Kết hợp phương trình trên ta được bốn phương trình

3 0 3 2 0 2 0

1

0 a 2a t 3a t

3 3 2 2

f

f f

f

v q v q

a a a a

t t

t t

t

t t

t t

t

0 0

3 2 1 0

2

3 2

3 0 0

3 0 2

0

0

32

1

0

1

32

Hình 3.6: Quỹ đạo Cubic đáp ứng 3 góc đầu tiên theo thời gian.

Chương 4

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT DỰA

TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN

4.1 CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ khối tổng quát hệ thống điều khiển Robot trong công nghiệp như sau:

PHẦN MỀM GIAO TIẾP GIỮA NGƯỜI SỬ DỤNG VÀ ROBOT TEACH PENDANT

HỆ THỐNG

AN TOÀN

PLC

XỬ LÝ DỮ LIỆU NGÕ VÀO -NGÕ RA

MAIN BOARD NGỪNG ĐỘNG CƠ

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển

Quan hệ giữa các thành phần của robot có thể mô tả như sau:

Phần công tác

Môi trường:

- Đối tượng

- Lực, Moment

Sensor giám sát thông

số môi trường Truyền động cơ khí

Cơ cấu chấp hành

Hệ Thống điều khiển

Sensor giám sát trạng thái hệ thống

Giao diện Robot

Người-Hình 4.2: Quan hệ giữa các thành phần cơ bản của robot

Ở đây người làm đề tài chỉ thực hiện xây dựng một hệ điều khiển cơ bản bao gồm: Phần mềm điều khiển trên máy tính, board mạch xuất xung đồng bộ cho các driver

4.1.1 Thiết kế tổng quát hệ điều khiển

Bộ điều khiển có nhiều mô hình để lựa chọn ở đây người thực hiện bộ điều khiển theo nguyên lý tổng quát sau:

DRIVER USB TO COM

PULSE, DIR

PULSE, DIR

PULSE, DIR

PULSE, DIR

PULSE,

DIR

PULSE, DIR

SPI

USB

Chương trình điều khiển

Hình 4.3 : Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển tổng quát

4.1.2 Thiết kế từng module điều khiển

Bộ điều khiển của Robot được thiết kế thành các module như hình 4.4 sau:

Hình 4.4 : Sơ đồ bố trí các Module của Robot

Chức năng của board mạch chính:

- Điều khiển giao tiếp giữa máy tính và robot

- Giao tiếp với tất cả các board của Robot, làm trung gian trong việc truyền dữ liệu giữa máy tính với các board khác

- Hiển thị thông tin truyền thông qua LCD

- Tích hợp bộ huấn luyện Robot (Teach Pendant) trên board

- Có màn hình hiển thị nhỏ

- Có tối thiểu là 20 phím nhấn dùng để điều khiển vị trí và cài đặt thông số cho

- Thiết kế phải nhỏ gọn và phải cầm tay được

- Sử dụng chuẩn giao tiếp USB để giao tiếp với máy tính

- Sơ đồ nguyên lý board mạch chính như hình 4.7

VI ĐIỀU KHIỂN STM32F103

GIAO TIẾP USB

Hình 4.5 : Sơ đồ khối board mạch chính

HIỂN THỊ

LCD

Hình 4.6 : Sơ đồ nguyên lý board mạch chính

Board mạch chính gồm các thành phần sau:

- 01 vi điều khiển STM32F103 điều khiển tổng quát cả board mạch nhận dữ liệu góc quay từ phần mềm máy tính thông qua cổng USB xuất xung nội suy cho 6 board mạch driver điều khiển động cơ DC Servo

- 01 LCD đơn sắc 2x20

- 01 bộ giao động thạch anh phục vụ cho STM32F103

Nguồn nuôi 12VDC được cung cấp từ bộ ổn áp bên ngoài board

Sơ đồ từng khối trong Board mạch chính như sau:

- Khối Vi điều khiển STM32F103

Hình 4.7 : Sơ đồ nguyên lý IO mạch vi điều khiển

Hình 4.8 : Sơ đồ nguyên lý truyền dữ liệu giữa các main board và board driver

Hình 4.9 : Sơ đồ nguyên lý cổng truyền dữ liệu

- Khối hiển thị sử dụng LCD

Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD

Tác giả chọn Vi điều khiển loại STM32F103 với các thông số sau:

 64KB Flash ROM lập trình được ngay trên hệ thống, Bộ SRAM 64 k byte Giao diện nối tiếp SPI cho php lập trình ngay trên hệ thống Cho phép

1000 lần ghi/xoá

 Bộ nhớ SRAM 512 byte, Bộ biến đổi ADC 21 kênh, 12 bit

 Bộ truyền nối tiếp bất đồng bộ vạn năng UART

 Vcc=2.0V đến 3.6V, Tốc độ làm việc: 0 đến 72 Mhz

 Bộ Timer 16 bit

 Hỗ trợ USB 2.0 full speed

 Bộ định thời Watchdog lập trình được, tự động reset khi treo máy; Bộ so

sánh tương tự

 Ba chế độ chờ : chế độ rỗi (Idle), tiết kiệm điện ( Power save) và chế độ

Power Down

Chức năng của board Module:

Robot có tất cả là 5 board module giống nhau phục vụ cho 5 Động cơ của các

- Giao tiếp với máy tính thông qua board mạch chính

- Hiển thị các thông tin liên quan đến việc điều khiển động cơ

- Cảnh báo tình trạng hoạt động của động cơ và cơ cấu truyền động

- Giải mã hướng quay của Encoder

- Sơ đồ nguyên lý board module như hình 4.12

Để thuận tiện Robot khi đưa vào hoạt động, tác giả sử dụng 1 vi điều khiển STM32F103 để điều khiển mỗi động cơ trong Robot như sơ đồ khối trên

Có tất cả 5 board Module cho Robot của đề tài đã thực hiện Chức năng của từng khối như sau:

- Sử dụng chân Pulse và Dir để nhận dữ liệu với board mạch chính

- Khối cảnh báo để bảo vệ board mạch khi có sự cố cơ khí

- Khối đệm áp để đảm bảo an toàn cho vi điều khiển và chống nhiễu

- Khối điều khiển kích xung đảm bảo việc phát xung kích động cơ chính xác, không bị kích ngược, trùng dẫn

- Khối công suất nâng công suất cấp cho động cơ

VI ĐIỀU KHIỂN STM32F103

PULSE,DIR

HIỂN THỊ L/R

ĐỆM ÁP

CÔNG SUẤT

ĐỌC ENCODER

CẢNH BÁO

ĐIỀU KHIỂN KÍCH XUNG

Hình 4.11 : Sơ đồ các khối trong board Driver

Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý mạch đệm và kích xung điều khiển

- Khối giải mã hướng quay của Encoder trên trục động cơ:

Nguyên lý giải mã hướng quay: khi tín hiệu từ encoder truyền về từ pha A và Pha B tín hiệu được đưa qua Op-am so sánh hai tín hiệu này lệch pha nhau một góc

30 độ nên khi khi quay thuận hay quay nghich sẽ có một xung đi trước và một xung

đi sau, bộ giải mã sẽ làm nhiệm vụ xác định pha A trược hay sau pha B và làm cho chân hướng dữ liệu lên mức 1 hay xuống mức 0 và xung nhận về sẽ được cộng thêm nếu quay thuận và trừ đi nếu quay nghịch như hình 3.14

Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý xác định hướng quay Encoder

- Khối Vi điều khiển STM32F103:

Nhận xung từ Main Board, đọc xung encoder từ động cơ hồi tiếp về điều khiển vị trí, vận tốc gia tốc cho trục động cơ