Khóa luận Chế tạo và điều khiển robot chụp ảnh 3D (Phần 1)

Nội dung text: Khóa luận Chế tạo và điều khiển robot chụp ảnh 3D (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CHỤP ẢNH 3D GVHD: PGS.TS. NGUYỄN TRƢỜNG THỊNH SVTH: LÊ QUANG THẮNG MSSV: 11146203 SVTH: DƯƠNG CÁT HOÀNG HÀ MSSV: 11146216 SVTH: LÊ VĂN BÌNH MSSV: 11146188 S K L 0 0 3 8 5 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ___ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CHỤP ẢNH 3D” Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN TRƢỜNG THỊNH Giảng viên phản biện: PGS.TS. PHẠM SƠN MINH Sinh viên thực hiện: LÊ QUANG THẮNG 11146203 DƢƠNG CÁT HOÀNG HÀ 11146216 LÊ VĂN BÌNH 11146188 Lớp: 11146CLC Khóa: 2011-2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 i
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn :Cơ Điện Tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS NGUYỄN TRƢỜNG THỊNH Sinh viên thực hiện:LÊ QUANG THẮNG MSSV:11124203 DƢƠNG CÁT HOÀNG HÀMSSV: 11146216 LÊ VĂN BÌNH MSSV: 11146188 1. Tên đề tài: Chế tạo và điều khiển robot chụp hình 3D 2. Nội dung chính của đồ án: - Thiết kế, chế tạo Robot chụp hình 3D 4 bậc tự do sử dụng động cơ RC-Servo và động cơ bƣớc. (Khung cơ khí và mạch điện điều khiển) - Mô hình hóa động học robot - Lập trình robot chuyển động theo quỹ đạo - Xây dựng giao diện điều khiển và ghép ảnh chụp đƣợc 3. Các sản phẩm dự kiến: Robot chụp ảnh 3D 4. Ngày giao đồ án: 31-1-2015 5. Ngày nộp đồ án: 10 -7 - 2015 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Chế tạo và điều khiển robot chụp ảnh 3D. - Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh - Giảng viên phản biện: TS. Phạm Sơn Minh - Họ tên sinh viên: Lê Quang Thắng - MSSV: 11146203 Lớp:11146CLC - Địa chỉ liên lạc: Số 8,đƣờng Hiền Vƣơng, Quận 9, TP. HCM - Số điện thoại liên lạc: 01694164241 - Email:lequangthang.1993@gmail.com - Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp:10/7/2015 - Lời cam kết: “Tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn mọi trách nhiệm”. Tp.Hồ Chí Minh, ngày10 tháng 7 năm 2012 Ký tên Lê Quang Thắng ii
5. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Tp.Hồ Chí Minh, Ngày tháng 7 năm 2015 PGS.TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh iii
6. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tp.Hồ Chí Minh, Ngày tháng 7 năm 2015 PGS.TS. Phạm Sơn Minh iv
7. LỜI CẢM ƠN Đề tài này đƣợc phát triển lên từ một đồ án môn học, đƣợc sự ủng hộ của thầy cô và bạn bè, nhóm chúng mình đã phát triển từ một phiên bản khác. Em xin cảm ơn đến thầy Nguyễn Trƣờng Thịnh, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn em thực hiện đề tài này, em xin cảm ơn đến những giúp đỡ, động viên của thầy và đặc biệt là những kiến thức cơ sở để em có thể thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Sơn Minh đã có những đóng góp để em có thể hoàn thiện hơn đồ án của mình, thầy luôn là tấm gƣơng mẫu mực để các thế hệ sinh viên chúng em noi theo. Cảm ơn tập thể lớp 11146CLC, cảm ơn những khích lệ của các bạn mà mình tự tin hơn khi thực hiện đề tài. Cuối cùng em xin gửi lời cám ơn đến toàn thể thầy cô trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và thầy cô bộ môn Cơ Điện tử đã ủng hộ, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện. Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng 7 năm 2015. Sinh viên thực hiện Lê Quang Thắng Dƣơng Cát Hoàng Hà Lê Văn Bình v
8. TÓM TẮT ĐỀ TÀI CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CHỤP ẢNH 3D Khi nền khoa học công nghệ phát triển thì máy móc cũng ra đời từ đơn giản đến phức tạp nhằm thay thế sức lao động cho con ngƣời. Chúng làm những công việc nguy hiểm, độc hại, những công việc lặp đi lặp lại thƣờng gây nhàm chán và dễ gây tai nạn cho con ngƣời. Ngày nay, robot xuất hiện trong hầu hết mọi lĩnh vực, từ công nghiệp đến đời sống con ngƣời cho đến một số lĩnh vực đòi hỏi sự chính xác, liên quan đến chính con ngƣời nhƣ y học và quân sự. Tuy nhiên , trong lĩnh vực quảng cáo,robot lại ít đƣợc sử dụng Đề tài “Chế tạo và điều khiển robot chụp ảnh 3D” sẽ giải quyết bài toán ứng dụng robot trong lĩnh vực quảng cáo, và xa hơn nữa là trong các lĩnh vực khác. vi
9. ABSTRACT IMPLEMENTATION AND CONTROL IN 3D PHOTOGRAPHY ROBOT As the development of science and technology, machinery are increasing from simple to complex to replace human labor. They do dangerous work, hazardous work is often repetitive and gets boring, which make accidents for human. In recent years, khi sciences and technology đƣợc improved, there are more and more complicated machines for supporting people. One of the advanced technologies is Robot. Robots help so many things in industry human, human lives, medicine and military affairs. However, print promotion Strategies, Robot is not common. Therefore, the report "Implementation and control in 3D photography Robot" will show how to apply in marketing and other fields Robot . vii
10. MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. LỜI CAM KẾT II NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN III NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN IV LỜI CẢM ƠN V TÓM TẮT ĐỀ TÀI VI ABTRACT viii MỤC LỤC XIII DANH MỤC HÌNH XIV DANH MỤC BẢNG VIii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VII CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1 1.1. Sơ lƣợc quá trình phát triển của robot 1 1.2.Tổng quan về robot chụp ảnh trên thế giới . .7 1.3. Mục tiêu thực hiện đề tài . .12 1.4.Nội dung thực hiện đề tài .12 CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ROBOT 13 2.1.Các thông số, định nghĩa trong robot .13 2.2 Ma trận biểu diễn 13 2.3 Các phép chuyển vị ma trận 14 2.3.1 Phép biến đổi tịnh tiến 15 2.3.2 Phép biến đổi quay quanh các trục tọa độ 16 2.4 Động học robot 16 2.4.1 Mô hình hóa các khớp trong robot . .16 2.4.2 Động học thuận Robot . . 17 viii
11. 2.4.2.1 Phép quay Euler .18 2.4.2.2 Phép quay RPY (Roll –Pitch- Yaw) 19 2.4.2.3 Bài toán động học thuận .19 2.4.3 Động học nghịch robot . .20 2.4.4 Khái niệm về ma trận Jacobi . 21 2.5 Giải thuật Levebberg - Marquardt .24 2.6 Động lực học robot .24 2.7 Lập đƣờng đi và quỹ đạo di chuyển của robot . .25 2.7.1 Không gian khớp và không gian desscartes . 25 2.7.2 Các khái niệm cơ bản về lập quỹ đạo chuyển động của robot . 25 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT .28 3.1.Mô hình tổng quát 28 3.2.Thiết kế cơ khí 28 3.2.1 Lựa chọn phƣơng án thiết kế .28 3.2.2 Mô hình tổng quát . 31 3.2.2.1 Động cơ sử dụng . . 31 3.2.2.2 Trục vít me sử dụng . .33 3.2.3 Kết quả đạt đƣợc . 34 3.3. Thiết kế bộ điều khiển 35 3.3.1 Arduino Mega 2560 36 3.3.2 Driver điều khiển động cơ bƣớc 37 3.3.2.1 TB6560 3A stepper motor driver .37 3.3.2.2 Driver động cơ bƣớc 5 phase 38 3.3.3 Nguồn điện . .39 3.3.4 Kết quả đạt đƣợc 40 3.4 Phần giao diện điều khiển . 41 3.4.1 Giới thiệu về matlab và matlab guide . . 41 3.4.1.1 Giới thiệu về matlab . . 41 3.4.1.2 Giới thiệu về matlab guide 42 3.4.2 Chƣơng trình Ip Webcam 44 3.4.3 Kết quả đạt đƣợc . 44 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 45 4.1.Mô hình robot hoàn chỉnh 45 ix
12. 4.2. Hình ảnh thực nghiệm 45 4.3 Đánh giá 46 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 47 5.1 Kết quả trực tiếp của đề tài 47 5.2 Quá trình nghiên cứu kèm theo 47 5.3 Những khó khăn khi thực hiện đề tài 47 5.4 Hƣớng phát triển 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC I x
13. DANH MỤC HÌNH Hình1.1: Robot di chuyển bằng 4 chân do R.S.Mosher chế taoError! Bookmark not defined. Hình1.2: Xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 2 Hình1.3: Robot Shakey Error! Bookmark not defined. Hình1.4: Robot lập trình đƣợc đầu tiên do George Devol chế tạo Error! Bookmark not defined. Hình1.5: Robot công nghiệp Unimate đầu tiên của thế giớiError! Bookmark not defined. Hình1.6: Tay robot trên tàu thám hiểm Viking1 . Error! Bookmark not defined. Hình1.7: Robot ASV Error! Bookmark not defined. Hình1.8: Các thế hệ robot ngƣời của Honda Error! Bookmark not defined. Hình1.9: Robot Puma. 6 Hình1.10:Robot Famulus 6 Hình1.11: Robot chụp hình bản đồ Error! Bookmark not defined. Hình1.12: Robot chụp hình dƣới nƣớc. Error! Bookmark not defined. Hình1.13: Robot Sepios 8 Hình1.14: Robot SV3 Error! Bookmark not defined. Hình1.15: Mô hình robot Ashimo thực hiện thao tác kiểm tra trong toà nhà của Fukushima 1 10 Hình1.16: Robot Vibe Fiebot Error! Bookmark not defined.1 Hình1.17: Party-shot™ Error! Bookmark not defined.1 Hình 2.1:Biểu diễn một điểm trong hệ tọa độ 133 Hình 2.2:Biểu diễn một hệ tọa độ trong một hệ tọa độ 144 Hình 2.3:Mô tả phép biến đổi tịnh tiến 155 Hình 2.4:Sự định hƣớng của khâu chấp hành cuối 18 Hình 2.5:Hệ trục robot 19 Hình 2.6: Cơ cấu robot hai khâu hai khớp 241 Hình 2.7: Giải thuật Levenberg – Marquardt Error! Bookmark not defined.4 xi
14. Hình 3.1: Cơ cấu dạng cánh tay 3 bậc tự do và bàn xoay 3600Error! Bookmark not defined.9 Hình 3.2: Cơ cấu dạng trƣợt trên cung tròn và bàn xoay 2 bậc tự do Error! Bookmark not defined. Hình 3.3: Cơ cấu dạng 2 khớp tịnh tiến và 1 xoay dạng nghiêng – bàn xoay 1 bậc tự do 30 Hình 3.4: Cơ cấu dạng 2 khớp tịnh tiến và 1 xoay dạng đứng – bàn xoay 1 bậc tự do Er ror! Bookmark not defined.0 Hình 3.5: Mô hình tổng quát Error! Bookmark not defined. Hình 3.6: Động cơ bƣớc 3A Error! Bookmark not defined. Hình 3.7: Động cơ servo MG 996R Error! Bookmark not defined.2 Hình 3.8: Kết cấu sơ bộ của vít me bi Error! Bookmark not defined. Hình 3.9: Vitme bi Error! Bookmark not defined.4 Hình 3.10: Mô hình Error! Bookmark not defined.4 Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động Error! Bookmark not defined.5 Hình 3.12: Arduino Mega 2560 Error! Bookmark not defined.6 Hình 3.13: Driver TB 6560 Error! Bookmark not defined.8 Hình 3.14: Driver động cơ bƣớc 5phase Error! Bookmark not defined.9 Hình 3.15 Nguồn tổ ong 40 Hình 3.16: Phần mạch điện 41 Hình 3.17: Chƣơng trình Matlab Error! Bookmark not defined.2 Hình 3.18: Gui trong Matlab Error! Bookmark not defined.3 Hình 3.19: IP Webcam Error! Bookmark not defined.4 Hình 3.20: Giao diện ngƣời dùng Error! Bookmark not defined.4 Hình 4.1: Mô hình hoàn chỉnh Error! Bookmark not defined.5 Hình 4.2 Hình ảnh thực nghiệm Error! Bookmark not defined. Hình 4.3: Hình ảnh giao diện Error! Bookmark not defined.6 xii
15. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Lịch sử phát triển robot: 5 Bảng 2.1.Bảng tham số D-H của cánh tay 3D Error! Bookmark not defined. Bảng 3.1 Ƣu nhƣợc điểm của 4 dạng cơ cấu 28 Bảng 3.2 Thông số các động cơ bƣớc 31 Bảng 3.3Thông số động cơ servo MG 996R 32 Bảng 3.4 Thông số các trục vit me bi . 33 xiii
16. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SA Suport Area ZMP Zero Moment Point - Point of zero times D-H Denavit- Hartenberg COM Center of Mass GCOM Ground projections of Center Of Mass GUI Graphic User Interfac xiv
17. CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Sơ lƣợc quá trình phát triển robot Thuật ngữ robot đƣợc sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xƣởng sản xuất. Robot học đƣợc lấy từ chữ robot, có nghĩa là "ngƣời máy" trong tiếng Việt, xuất hiện lần đầu tiên trong vở kịch R.U.R (Rossum's Universal Robots)bởi nhà văn ngƣời Czech Karel Čapek, công diễn vào năm 1920. Nguyên gốc từ robot là từ chữ robota trong tiếng Slavơ, nghĩa là công nhân. Vở kịch diễn tả bối cảnh một nhà máy chế tạo các nhân công nhân tạo đƣợc gọi là robots, các sinh vật này có thể bị nhầm lẫn với con ngƣời - tƣơng tự nhƣ những ý tƣởng hiện đại về android(ngƣời máy). Những robot thực sự có ích đƣợc nghiên cứu để đƣa vào ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tƣơng tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với những cử hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó, năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển. Năm 1968,R.S Mosher thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị đi có 4 chân, có chiều dài hơn 3m, cân nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suất 100 mã lực. Hình 1.1: Robot di chuyển bằng 4 chân do R.S.Mosher chế tao 1
18. Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt đƣợc vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt mặt trăng Lunokohod 1 đƣợc điều khiển từ trái đất. Hình 1.2 :Xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 Viện nghiên cứu thuộc trƣờng đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tƣợng. Hình 1.3 :Robot Shakey 2
19. Năm 1952, máy điều khiển chƣơng trình số đầu tiên ra đời tại học viện công nghệ Massachusetts. Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã thiết kế robot lập trình với điều khiển chƣơng trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát minh đƣợc gọi là thiết bị chuyển khớp đƣợc lập trình. Joseph Engellberger, ngƣời mà ngày nay thƣờng đƣợc gọi là cha đẻ của robot công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển những thế hệ tiếp theo của robot điều khiển theo chƣơng trình. Hình 1.4: Robot lập trình đầu tiên do George Devol chế tạo Năm 1961, Robot Unimation đầu tiên đƣợc đƣa vào sử dụng. Hình 1.5: Robot công nghiệp Unimate đầu tiên của thế giới 3
20. Năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã đƣợc sử dụng trên tàu Viking1 của NASA để lấy mẫu đất trên sao hỏa. Hình 1.6: Tay robot trên tàu thám hiểm Viking1 Năm 1985, robot đi tự động đầu tiên đƣợc chế tạo tại đại học Ohio đƣợc gọi là xe ASV, xe có các chân có thể đi qua chƣớng ngại vật lớn không cần định vị nhƣ các xe truyền thống. Hình 1.7: Robot ASV Vào năm 1996, hãng Honda trình diễn robot Asimo có hai chân và hai tay đƣợc thiết kế dành cho việc phục vụ trong môi trƣờng gia đình. Robot lúc này nặng 210kg, có 30 bậc tự do và đƣợc trang bị camera, con quay hồi chuyển, gia tốc kế, cảm biến lực ở cánh tay và chân. Nó có khả năng đi lại, trèo lên cầu thang hay máy bay, ngồi xuống ghế, đứng lên từ vị trí ngồi, và nâng khối lƣợng 5kg. Cho đến nay, robot có kích thƣớc nhỏ gọn hơn, linh hoạt và thực hiện các động tác phức tạp hơn so với các phiên bản đầu. 4
21. Hình 1.8: Các thế hệ robot ngƣời của Honda Bảng 1.1: Lịch sử phát triển robot (Nguồn Wikipedia) Năm Cột mốc Tên robot Nhà phát minh Thế Một trong những miêu tả sớm nhất về Yan Shi kỷ thứ máy tự động đƣợc đề cập trong tài liệu III của liệt tử, trong cuộc gặp trƣớc đó nhiều trƣớc năm giữa Chu Mục Vƣơng(1023- CN và 957TCN) và một “kỹ sƣ cơ khí”, nhà trƣớc phát minh là Yan Shi. Ngƣời sau này đó đƣợc cho là đã trình lên vua một công trình cơ khí có hình dạng và kích thƣớc giống ngƣời thật. Thế Những mô tả về hơn 100 loại máy và Ctesibius, Philo kỷ thứ máy tự động, bao gồm xe cứu hỏa, một of Byzantium, I sau cối xay gió, một máy bán hàng tự động heron of Cn và dựa vào những đồng xu, và một động cơ Alexandria và trƣớc hơi nƣớc, trong tác phẩm Pneumatica và những ngƣời đó Automata bởi Heron of Alexandria. khác c.420 Một cổ máy dạng chim bằng gỗ, phóng Archytac of TCN đi bằng hơi nƣớc có thể bay đƣợc. Tarentum 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4