Luận văn Thiết kế mô hình ðiều khiển robot 5 bậc tự do (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế mô hình ðiều khiển robot 5 bậc tự do (Phần 1)

1. 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 BẬC TỰ DO NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ – 60520203 S K C0 0 4 8 9 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. 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 BẬC TỰ DO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2016.
3. 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 BẬC TỰ DO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2016.
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Minh Quang Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/09/1979 Nơi sinh: Bình Dương Quê quán: Bình Dương Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 41/23 đường Cầu Xây Khu Phố 5 Quận 9, Tp. HCM Điện thoại cơ quan: 0837313631 Điện thoại nhà riêng: 01218186618 Fax: Email:quangminhnguyencn2@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Đại Học Chính Quy Thời gian đào tạo từ 11/1997 đến 11/2002 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Điện Tử Tên đồ án tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2002 Công Ty Điện Tử TCL Nhân Viên Phòng Kỹ Thuật 2003 Công Ty Dây Đồng Việt Nam Nhân Viên Phòng Kỹ Thuật Trường Cao Đẳng Công 2004 đến nay Giảng Viên. Thương TP.HCM i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 03 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
6. LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập tại trường cũng như trong thời gian thực hiện chuyên đề, người thực hiện đề tài đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, sự quan tâm, hỗ trợ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin gửi đến tất cả mọi người, các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và đặc biệt nhất là GVHD thầy Nguyễn Trường Thịnh. Thầy đã giành nhiều thời gian, tâm huyết cùng với tri thức của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho tôi từ lúc mới nhận đề tài cho tới ngày hôm nay. Mặc dù tôi đã cố gắng để thực hiện chuyên đề một cách hoàn chỉnh nhất. Nhưng do có nhiều hạn chế trong công tác nghiên cứu, tiếp cận với thực tế sản xuất cũng như kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân tôi chưa thấy được. Tôi rất mong được sự góp ý của quý Thầy Cô và các bạn để cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện NGUYỄN MINH QUANG iii
7. TÓM TẮT Bộ điều khiển cho Robot tự do được xây dựng trên cơ sở bài toán động học nghịch, động lực học, bộ nôi suy và dựa trên mô hình Scorbot. Hệ thống này được phát triển sẽ thực hiện hệ thống điều khiển thời gian thực phức tạp cho phép điều khiển chính xác vị trí cánh tay mô hình. Mô hình điều khiển thiết kế chế tạo là cơ sở để phát triển cho các ứng dụng trong công nghiệp sau này. Trong luận văn tác giả sử dụng phần mềm Matlab 2014a để viết giao diện cho bộ điều khiển và mềm Keil C để viết firmware cho vi điều khiển. iv
8. ABSTRACT Robot controllers for freedom was built on the basis of inverse kinematics, dynamics, and based on the interpolation model SCORBOT. This system was developed to implement control systems for complex real-time control allows the exact location of the arm model. Control models designed and manufactured as a basis for development for industrial applications in the future. In the thesis the author used to write software Matlab 2014a Interface software for the controller and Keil C to write firmware for microcontrollers. v
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt viii Danh sách các hình ix Danh sách các bảng ix Chương 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan hướng nghiên cứu 1 1.2 Nghiên cứu Robot ở Việt Nam và tính cấp thiết của đề tài 2 1.2.1 Nghiên cứu Robot ở Việt Nam 2 1.2.2 Giới hạn đề tài 4 1.2.3 Phương Pháp nghiên cứu 4 Chương 2. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT 5 2.1 Giới thiệu mô hình sử dụng. 5 2.2.Xây dựng phương trình động học thuận, động học nghịch cho cánh tay Robot 5 bậc tự do. 9 2.2.1 Xây dựng phương trình động học thuận. 10 2.2.2 Công thức xác định vị trí Robot . 11 2.3 Xây dựng phương trình động học nghịch. 15 Chương 3. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 17 3.1 Mô hình hóa động lực học động cơ DC 17 3.2 Đông lực học robot. 23 vi
10. Chương 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT DỰA TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN 27 4.1 Cấu trúc bộ điều khiển 27 4.1.1 Thiết kế tổng quát hệ điều khiển. 28 4.1.2 Thiết kế từng module điều khiển. 30 4.2 Thiết kế giao diện phần mềm và firmware cho phần cứng 40 4.2.1 Thiết kế tổng quát phần mềm điều khiển. 40 4.2.2 Các giải thuật điều khiển 43 4.2.3 Mã hóa phím nhấn cho Teach Pendant trên board mạch chính 44 Chương 5. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHO ROBOT 47 5.1 Phương pháp nội suy quỹ đạo cho Robot 47 5.2 Thiết kế phần mềm nội suy điều khiển quỹ đạo. 49 Chương 6. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 53 6.1 Quy trình vận hành Robot 53 6.2 Thực nghiệm đo thông số động cơ. 62 6.3 Đánh giá kết quả. 68 Chương 7. KẾT LUẬN 69 7.1 Kết Quả 69 7.2 Hạn chế của đề tài. 70 7.3 Hướng phát triển. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 73 PL1 Code Matlab động học thuận. 73 PL2 Code Matlab độnh học nghịch 74 PL3 Code Keil C nội suy 5 trục Robot 75 PL4 Bản vẽ cơ khí các chi tiết và bản vẽ lắp 95 PL5 Code matlab mã hóa 24 chữ cái theo quỹ đạo 104 vii
11. CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI Board: Bản mạch để dùng liên kết linh kiện điện tử theo một sơ đồ. CT: Chương trình. DOF (Degrees Of Freedom) : Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do. GB: Giga-Byte. HDD: Hard Disc Drive IC: Integrated Circuit. IDE: Integraded Development Environment. IR: Industrial Robot. IRM: Industrial Robot Manipulator. Keypad: Bàn phím có màn hình hiển thị dùng để điều khiển một thiết bị nào đó. NSX: Nhà Sản Xuất MOSFETS: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. MB: Mega-Byte. MS: Microsoft. PC: Personal Computer. PID: Proportional Integral Derivative. PPR: pulse per revolution. RAM: Random Access Memory. RAD: Rapid Application Development. SX: Sản Xuất. VC: Visual C. VCL: Visual Component Library. VB: Visual Basic. USB: Universal Serial Bus. viii
12. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Bảng thông số DH của Robot 12 Bảng 3.1: Những ảnh hưởng của việc điều chỉnh độ lợi PID . 20 ix
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Robot hàn 1 Hình 1.2: Robot nâng, chuyển 1 Hình 1.3: Tay máy eRobot đang sử dụng que hàn 3 Hình 2.1 : Mô hình cánh tay robot công nghiệp 6 Hình 2.2 : Chú thích mô hình scorbot-ERV 7 Hình 2.3: Cơ cấu các khớp và cánh tay Robot 7 Hình 2.4: Động cơ Pittman gồm hộp số và Encoder và kết cấu Encoder 8 Hình 2.5: Kết nối xác định tọa độ các khâu 10 Hình 2.6: xác định tọa độ lên các khâu 12 Hình 2.7: Mô hình hóa robot theo phương pháp hình học 15 Hình 3.1: Mô hình hoá mô tơ DC 17 Hình 3.2: Sự đáp ứng bước đơn vị của động cơ 19 Hình 3.3: Sơ đồ khối của hệ điều khiển 20 Hình 3.4: Đáp ứng bước với hệ thống điều khiển PID 22 Hình 3.5: Đáp ứng hệ thống dựa theo nhiễu 22 Hình 3.6 : Quỹ đạo Cubic đáp ứng 3 góc đầu tiên theo thời gian. 26 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển 27 Hình 4.2: Quan hệ giữa các thành phần cơ bản của robot 28 Hình 4.3 : Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển tổng quát 29 Hình 4.4 : Sơ đồ bố trí các Module của Robot 30 Hình 4.5. : Sơ đồ khối board mạch chính 31 Hình 4.6 : Sơ đồ nguyên lý board mạch chính 32 Hình 4.7 : Sơ đồ nguyên lý IO mạch vi điều khiển 33 Hình 4.8 : Sơ đồ nguyên lý truyền dữ liệu giữa các main board và board driver 34 x
14. Hình 4.9 : Sơ đồ nguyên lý cổng truyền dữ liệu 34 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD 35 Hình 4.11 : Sơ đồ các khối trong board Driver 36 Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý board mạch Driver điều khiển động cơ 37 Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý mạch đệm và kích xung điều khiển 38 Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý xác định hướng quay Encoder 38 Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý I/O bộ điều khiển board driver 39 Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cung cấp cho board driver 39 Hình 4.17: Màn hình giao diện chương trình điều khiển 42 Hình 4.18: Sơ đồ giải thuật nhận dữ liệu board driver 43 Hình 4.19: Sơ đồ giải thuật đọc xung encoder board driver 44 Hình 4.20: Sơ đồ giải thuật bộ điều khiển board driver 45 Hình 4.21: Sơ đồ giải thuật điều khiển keypad của board mạch chính 46 Hình 5.1: Quy trình xây dựng quỹ đạo. 49 Hình 5.2: Sơ đồ giải thuật chạy chương trình demo 50 Hình 5.3: Sơ đồ giải thuật truyền dữ thô từ phần mềm đến board mạch chính 51 Hình 5.4: Quy trình nội suy tinh Board mạch chính 52 Hình 6.1: Layout Main Board điều khiển. 54 Hình 6.2 : Mặt sau của bộ điều khiển. 55 Hình 6.3: Mặt trước của bộ điều khiển. 56 Hình 6.4: Giao diện phần mềm điều khiển. 57 Hình 6.5: Giao diện phần mềm mô phỏng. 58 Hình 6.6: Mô hình kết nối hoàn thiện. 59 Hình 6.7: Giao diện thiết lập quỹ đạo. 60 Hình 6.8: Giao diện khi thực hiện xong quỹ đạo. 61 Hình 6.9: Đồ thị đo ở động cơ 6. 62 Hình 6.10: Đồ thị đo ở động cơ 5. 63 Hình 6.11: Đồ thị đo ở động cơ 4. 63 xi
15. Hình 6.12: Đồ thị đo ở động cơ 1. 64 Hình 6.13: Đồ thị đo ở động cơ 2. 65 Hình 6.14: Đồ thị đo ở động cơ 3. 65 Hình 6.15: Đồ thị đo ở động cơ 4. 66 Hình 6.16: Đồ thị đo ở động cơ 5. 66 xii
16. 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 Một số nghiên cứu điều khiển Robot liên quan gần đây: - Thiết kế và phân tích sự ổn định cho một bộ điều khiển lai giữa Fuzzy và PID thông thường để tăng cường hiệu suất và độ bền của bộ điều khiển của các tác giả S.G. Anavatti, S.A.Salman and J.Y.Choi. Nghiên cứu sử dụng MATLAB/Simulink Trang 1
17. 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. Trang 2
18. 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. Tính cấp thiết của đề tài. Nhu cầu sử dụng robot trong động hóa trong quá trình sản xuất giảm đi sức lao động bằng chân tay của người lao động, thay thế con người làm việc trong môi Trang 3
19. 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. Trang 4
20. 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. Trang 5
21. 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 răng giảm tốc và có khả năng tự hãm khá tốt khi làm việc. Trang 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4