thiết kế điều khiển cánh tay robot 4 bậc gấp bia

111Equation Chapter 1 Section 1TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆTNAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNGKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬONG BẢO VINHTHIẾT KẾ & ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC GẤP BIAĐỒ ÁN THIẾT KẾ

Trang 1

111Equation Chapter 1 Section 1TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆTNAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNGKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ONG BẢO VINH

THIẾT KẾ & ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC GẤP BIA

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ NÂNG CAOKỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Trang 2

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023

Trang 3

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNGKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ONG BẢO VINH

THIẾT KẾ &ĐIỀU KHIỂN

CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC GẤP BIA

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ NÂNG CAOKỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn

TS Nguyễn Hoàng Nam

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành môn học đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử này em xin gửi lờicảm ơn chân thành đến: Ban giám hiệu trường Đại học Tôn Đức Thắng vì đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất với hệ thống thư viện hiện đại, đa dạng các loại sách, tài liệu thuận lợi cho việc tìm kiếm và nghiên cứu thông tin

Xin cảm ơn giảng viên hướng dẫn-thầy Nguyễn Hoàng Nam đã đồng hành, hướng nhiệt tình, chi tiết để em có thể hoàn thành môn học đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử này suôn sẻ

Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm đồ án, viết báo cáo cũng như hạn chế về kiến thức nên trong đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử của em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và phê bình từ phía thầy để môn học đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử của em được hoàn thiện hơn.

TP Hồ Chí Minh, ngày 8 tháng 1 năm 2024 Tác giả

Trang 5

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Tôn Đức Thắng

(Ghi rõ học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

Đồ án thiết kế nâng cao được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá Đồ án thiết kế nâng

cao của Trường Đại học Tôn Đức Thắng vào ngày 08 /01/2024

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Đồ án thiết kế nâng cao và Trưởng khoaquản lý chuyên ngành sau khi nhận Đồ án thiết kế nâng cao đã được sửa chữa

Trang 6

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNHTẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sựhướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Hoàng Nam Các nội dung nghiên cứu, kếtquả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trướcđây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánhgiá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệutham khảo.

Ngoài ra, trong Đồ án tốt nghiệp/ tổng hợp còn sử dụng một số nhận xét,đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có tríchdẫn và chú thích nguồn gốc.

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu tráchnhiệm về nội dung Đồ án thiết kế nâng cao của mình Trường Đại học Tôn Đức

Thắng không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trongquá trình thực hiện

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Tác giả

(ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 7

(Trang này dùng để đính kèm Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp có chữ ký củaGiảng viên hướng dẫn)

Trang 8

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

Tên đề tài: THIẾT KẾ & ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC GẤP BIA

Đã thực hiệnTiếp tục thực hiện

01 Nhận bàn giao tên đềtài đồ án

Lên ý tưởng về đề tàivà kế hoạch làm việc02 Tìm hiểu về các loại

mô hình cánh tayrobot

Vẽ bản vẽ tay trêngiấy

03 Phác thảo được bảnvẽ và hình dung biêndạng

Thực hiện vẽ trênphần mềm solidwork04 Vẽ được bản vẽ trên

phần mềm Solidwork05

0607Kiểm tra giữakỳ

Đánh giá khối lượng hoàn thành 50%

được tiếp tục thực hiện Đồ án thiết kế nângcao

09

Trang 9

15 Hoàn thành đồ án Chuẩn bị báo cáotổng hợp

Nộp Đồ ánthiết kế nângcao

Đã hoàn thành 100% Đồ án thiết kế nâng cao được bảo vệ Đồ Án

Trang 10

THIẾT KẾ & ĐIỀU KHIỂN

CÁNH TAY ROBOT GẮP BIA 4 BẬC TỰ DO

Trang 11

DESIGN & CONTROLL

FOUR- FREEDOM JOINT ROBOT ARMS TOPICK UP BEER CAN

Trang 12

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ XIIDANH MỤC BẢNG BIỂU XIVDANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT XV

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 16

1.1 MỤCĐÍCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 16

1.2 YÊUCẦU CỦA ĐỀ TÀI 17

1.3 Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 17

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG 18

2.1 BẬCTỰ DO – DEGREES OF FREEDOM 18

2.2 CHUYỂNDỊCH VỊ TRÍ CÁC KHỚP TRÊN CÁNH TAY ROBOT 19

2.2.1 Các hệ tọa độ 19

2.2.2 Phương trình động học của Robot 21

2.3 ĐỘNGLỰC HỌC CỦA CƠ CẤU BÁNH RĂNG 23

2.3.1 Thiết kế bánh răng 23

2.3.2 Cơ cấu bánh răng và thanh răng 24

2.4 ĐỘNGCƠ ERVO S 26

2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 27

2.4.2 Ứng dụng của động cơ Servo trong công nghiệp 28

2.5 ARDUINONANO 28

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ HỌC ỨNG DỤNG 33

3.1 SỨCBỀN VẬT LIỆU 33

3.2 TÍNHTOÁN GIỚI HẠN NÂNG CỦA CÁNH TAY ROBOT 36

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 38

4.1 MÔHÌNH MÔ PHỎNG 384.2 KẾTQUẢ MÔ PHỎNG ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

Trang 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

Trang 14

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình_ 2-1 Ví dụ về khớp với 1 DOFs 18

Hình_ 2-4 Hệ tọa độ trong các khớp chuyển động của Robot 19

Hình_ 2-5 Các khớp và góc lệch trên robot với 6 DOFs 21

Hình_ 2-6 Giản đồ các thông số DH đối với robot 3 khâu xoay RRR 22

Hình_ 2-7 Các thông số cơ bản của bánh răng 23

Hình_ 2-8 Cơ cấu bánh răng thanh răng 25

Hình_ 2-9 Cấu tạo động cơ Servo 26

Hình_ 2-10 Cấu tạo của động cơ Servo 27

Hình_ 2-11 Arduino nano 28

Hình_ 2-12 Sơ đồ chân của Arduino Nano 30

Hình_ 3-1 Cánh tay robot trong hệ tục Oxy 33

Hình_ 3-2 Khung nền AB trong mô hình 34

Trang 15

Hình_ 4-13 Phần thiết kế bánh răng trên Solidwork 45Hình_ 4-14 Thiết kế thanh răng cho đầu gắp 46Hình_ 4-15 46

Trang 30

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ NÂNG CAOTrang 28

- Bộ mã hóa có nhiệm vụ cảm biến gần đúng để xác định tốc độ quay và vị tríquay của động cơ.

2.4.2 Ứng dụng của động cơ Servo trong công nghiệp

- Trong máy bay điều khiển bằng sóng vô tuyến: điều khiển vị trí và chuyểnđộng của thang máy.

- Trong rô bốt: điều khiển chuyển động của robot vì khả năng bật tắt mượt màvà định vị chính xác.

- Trong ngành hàng không vũ trụ: duy trì chất lỏng thủy lực trong hệ thốngthủy lực.

- Trong các thiết bị điện tử như DVD hoặc đầu phát Blue-ray Disc: mở rộnghoặc phát lại các khay đĩa.

- Trong ô tô: duy trì tốc độ của xe …

THIẾT KẾ ROBOT 4 BẬC TỰ DOSVTH : ONG BẢO VINH

Trang 31

PDIP (Plastic Dual-In-line Package) với 30 chân còn Nano có sẵn trongTQFP (plastic quad flat pack) với 32 chân Trong khi UNO có 6 cổng ADCthì Nano có 8 cổng ADC Bảng Nano không có giắc nguồn DC như các bomạch Arduino khác, mà thay vào đó có cổng mini-USB Cổng này được sửdụng cho cả việc lập trình và bộ giám sát nối tiếp Tính năng hấp dẫn củaarduino Nano là nó sẽ chọn công xuất lớn nhất với hiệu điện thế của nó- Đặc điểm kỹ thuật của Arduino Nano

Số chân analog I/O 8

Cấu trúc AVR

Tốc đô ² xung 16 MHzDòng tiêu thụ I/O 40mASố chân Digital I/O 22

Trang 32

Hình_ 2-12 Sơ đồ chân của Arduino NanoThứ tự

Trang 33

Tham chiếu ADC

19 A0 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 0

20 A1 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 121 A2 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 2

Trang 34

22 A3 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 323 A4 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 424 A5 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 525 A6 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 626 A7 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 7

Đầu ra hoặcđầu vào

+ Đầu ra 5V (từ bộ điều chỉnh On-board)hoặc

+ 5V (đầu vào từ nguồn điện bên ngoài)

28 RESET Đầu vào Chân đă ²t lại, hoạt đô ²ng ở mức thấp

Bảng_ 2-3 Chức năng các chân của vi điều khiển

Trang 35

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ HỌC ỨNG DỤNG3.1 Sức bền vật liệu

- Trong mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do này mô hình chủ yếu liên quanđến khả năng chịu tải và độ bền từ các phản lực và ứng suất lực từ trong mỗikhâu của robot

- Bằng phần mềm Autocad 2021 ta, có thể minh họa hệ trục tọa độ của cánhtay robot thông qua hình mô phòng dưới đây

Hình_ 3-13 Cánh tay robot trong hệ tục Oxy

β

Trang 36

- Xét các thành phần phản lực tại các khớp A, B, Ccủa khung ABC , ta nhậnthấy rằng có 2 thành phần tải trọng phân bố đều là P1, P2

P1 đại diện cho tải trọng của khung ABC tác động đều lên thanh nền ABP2 đại diện cho tải trọng của khâu L2 tác động xuống theo phương chéolệch góc α (góc hợp bởi trục L2 và trục Ox)

- Ta có :

+ ΣFx=0 : HA=0

+ ΣFy=0: VA+VB+P1.AB=0

+ ΣMA=0 : VB.AB+P1.AB22 =0

- Với các đại lượng P1vàP2 là các hằng số mà ta có thể tính thông qua đo thựcnghiệm khối lượng m và sau đó nhân với hằng số gia tốc trọng trường với g= 9,816 m

- Từ ΣMA=0 VB= 1.AB2

- Thay VB vào Σ Fy=0, ta có :

VA+VB+P1.AB=0 →VA=−P1.AB2

- Với các thành phần lực VAvàVBtacó thể xácđịnh được cácthành phần lực tácđộng lên mặt AB và tính được giới hạn chịu tải của khung nền AB

Trang 37

Hình_ 3-14 Khung nền AB trong mô hình

- Ứng suất chịu tải của khung nền AB được tính thông qua độ bền cơ học của vật liệu , với vật liệu chính là nhựa Mica ,thành phần hóa học là ¿¿ , tên gọi theo khoa học là Poly Methyl Methacrylate - thủy tinh hữu cơ.- Các đặc tính của tấm Mica như sau :

+ ΣFx=0 : HC=0 ;

+ ΣFy=0: Vc+VA+VB−P2.L2 cos α− 1 AB=0P ;+ ΣMC=0 : −VA.L1 cos β +VB(AB−L1cosβ)−1

6 .P1.A B2=0

- Xét sơ đồ khâu rắn tự do tại D :

D

Trang 38

- Với F_DC và F_DE là các lực truyền động nhờ tốc độ quay của động cơ tạiđiểm C và E

- Xét các thành phần lực tác động lên D, ta có :+ Σ Fx=0 : FCD.cos β+FDE sin (γ +α−90o)=0

+ ΣFy=0: FCD.sinβ−FDE cos (γ+α−90o)−P2.L2 cos α−P3=0

+ ΣMDx=0 : MDx+FDE.L3 sin(γ+α+90o)=FDC.L2 cos β

+ ΣMD

y=0 : MDy+FDE.L3 cos(γ+α−90o)=FDC.L2.sinβ

3.2 Tính toán giới hạn nâng của cánh tay robot

- Mẫu động cơ được dùng cho cánh tay robot lần này chính là động cơ ServoRC MG996

Trang 39

Hình_ 3-15 Động cơ MG996

- Điện áp hoạt động: 4.8~6.6VDC- Lực kéo:

o 3.5 kg-cm (180.5 ozin) at 4.8V-1.5Ao 5.5 kg-cm (208.3 ozin) at 6V-1.5A- Tốc độ quay:

o 0.17sec / 60 degrees (4.8V no load)o 0.13sec / 60 degrees (6.0V no load)- Kích thước: 40mm x 20mm x 43mm- Trọng lượng: 55g

- Trong khi mô hình được sử dụng với nguồn điện 6V do đó thông số lực kéosẽ là τ =¿5.5 kg.cm, và tốc độ góc ω= 60

0.13 s=461,5 rpm

Trang 40

- Do đó , ta có : Lực kéo của khâu DE để nâng một vật có khối lượng m lên 1độ cao nhất định thông qua công thức

τ =F.r

0,0550,15 .(kg.m

m ).9,81(m

s2)=3,6 kg.ms2=35,3 N

- Xét sơ đồ vector sau :

- Ta thấy để di chuyển vật từ điểm E1 đến điểm E2 khâu DE sẽ đi qua một góc

α với α là góc chiếu chiều dài L khoảng cách mà ta cần nâng vật có khốilượng m

- Do lực của khâu DE bảo toàn trong quá trình di chuyển do đó

2=35,3 N

Biên độ lực nâng là : FE1E2=√FDE1

Trang 41

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH4.1 Mô hình các chi tiết khớp tay

- Với các chi tiết ở cánh tay bao gồm các hình từ 4-1 đến 4-10

- Trong đó có 2 chi tiết 4-4 được lắp hai bên thành cánh tay robot để gắn haiđộng cơ servo cho khớp số 2 và 3 (Khớp C và D), được chia thành 2 vị trí là4-4 trái và 4-4 phải, có 2 khung 4-7 để làm khung gắn động cơ servo và đầuđộng cơ servo sẽ được gắn vào khung 4-4

- Hình 4-5 làm khâu truyền gắn vào khung 4-4 bên trái, để khi di chuyển servoở 4-4 trái sẽ làm khớp C bắt đầu di chuyển

- Hình 4-7 sẽ được đặt trên mặt nền ở giữa hai hình 4-4 trái và 4-4 phải, để kếthợp với 4-4 phải tạo khớp nối với khâu hình 4-5 , sau đó đầu còn lại của hình4-5 sẽ nối với khung tam giác hình 4-1 tại khớp 4-1 sẽ là khớp D, và đầu cònlại của hình 4-1 sẽ nối với hình 4-2 tạo nên chuyển động của khớp D- Và sau cùng cả hai đầu sẽ được nối với phần đầu kẹp để thực hiện kẹp chi

Hình_ 4-16

Trang 42

Hình_ 4-17

Hình_ 4-18

Trang 43

Hình_ 4-19

Hình_ 4-20

Trang 44

Hình_ 4-21

Hình_ 4-22

Trang 45

Hình_ 4-23

4.2 Mô hình các chi tiết chân đế

- Chân đế được thiết kế với mục đích làm chịu tải trọng cục bộ của cánh tay dođó chân nền hình 4-11 dduojc thiết kế để phân tán lực chia đều cho năm chân- Chân đế 4-11 sẽ được nối với chân nền 4-10 thông qua khung trụ 4-8 với

mục đích chia đều tải trong cho từng chân

- Tại khung hình chữ nhật ở giữa chân nền 4-10 sẽ là khung thân của động cơservo và đầu còn lại của động cơ sẽ được nối với khung nền 4-9 mục đíchcủa động cơ Servo tại vị trí này nhằm giúp robot di chuyển qua lại và khớpnày là khớp số 1 trong 4 khớp tự do của cánh tay robot

Trang 46

Hình_ 4-24

Hình_ 4-25

Trang 47

Hình_ 4-26

4.3 Mô hình các chi tiết đầu kẹp

- Cơ chế kẹp lon của đầu kẹp đã được miêu tả ở phần 2.3.2 Cơ cấu bánh răngvà thanh răng

- Theo đó khung 4-12 có 3 lỗ và sẽ được bắt vít trùng với 3 lỗ tương tự trênkhung 4-15 nhằm kết nối đầu kẹp với cánh tay robot, một đầu của động cơServo sẽ được nối với bánh răng và xuyên qua lỗ tròn trên khung 4-15, nhằmtạo chuyển động quay , và tại khớp này chính là khớp tự do thứ tư tạo nênchuyển động kẹp của robot

Trang 48

Hình_ 4-27

Hình_ 4-28 Phần thiết kế bánh răng trên Solidwork

Trang 49

Hình_ 4-29 Thiết kế thanh răng cho đầu gắp

Hình_ 4-30

Trang 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[5] H V Dao, D T Tran and K K Ahn, "Active Fault Tolerant Control System Design for Hydraulic Manipulator With Internal Leakage Faults Based on Disturbance Observer and Online Adaptive Identification," in IEEE Access, vol 9, pp 23850-23862, 2021.

Trang 51

PHỤ LỤC A

Chương trình điều khiển Arduino #include <Arduino.h>

#include <WiFi.h> #include <AsyncTCP.h>

#include <ESPAsyncWebServer.h> #include <ESP32Servo.h> #include <iostream> #include <sstream> struct ServoPins {

Servo servo; int servoPin; String servoName; int initialPosition; };

std::vector<ServoPins> servoPins = {

{ Servo(), 27 , "Base", 90}, { Servo(), 26 , "Shoulder", 90}, { Servo(), 25 , "Elbow", 90}, { Servo(), 33 , "Gripper", 90}, };

struct RecordedStep {

int servoIndex;int value; int delayInStep;

Trang 52

};

std::vector<RecordedStep> recordedSteps; bool recordSteps = false;

bool playRecordedSteps = false;

unsigned long previousTimeInMilli = millis(); const char* ssid

= "RobotArm";

const char* password = "12345678"; AsyncWebServer server(80);

AsyncWebSocket wsRobotArmInput("/RobotArmInput"); const char* htmlHomePage PROGMEM = R"HTMLHOMEPAGE( <!DOCTYPE html>

<style>

input[type=button] {

radius:30px;width:100%;height:40px;font-size:20px;text-align:center; }

.noselect { -webkit-touch-callout: none; /* iOS Safari */ -webkit-user-select:none; /* Safari */ -khtml-user-select: none; /* Konqueror HTML */ -moz-user-select: none; /* Firefox */ -ms-user-select: none; /* Internet Explorer/Edge */ user-select: none; /* Non-prefixed version, currently

supported by Chrome and Opera */ }

.slidecontainer {