Đồ án Điều khiển cánh tay robot: Động học, Matlab, Arduino - ĐH GTVT TPHCM

Đồ án môn học nghiên cứu điều khiển cánh tay robot, khám phá động học thuận/ngược, thiết kế phần mềm với Matlab và tích hợp phần cứng Arduino UNO R3, động cơ

• Tác giả: Trần Đình Cung
• Người hướng dẫn: Th.s Trương Ngọc Bảo
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển cánh tay robot
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về điều khiển cánh tay robot trong kỹ thuật tự động hóa

Điều khiển cánh tay robot là một lĩnh vực trọng tâm trong kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Cánh tay robot được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất, lắp ráp và gia công. Đồ án này thuộc chuyên ngành Tự động hóa công nghiệp, nghiên cứu thiết kế và điều khiển cánh tay robot 3 bậc tự do. Hệ thống sử dụng động cơ servo SG90 kết hợp mạch Arduino UNO R3 làm bộ điều khiển trung tâm. Phần mềm Matlab đảm nhận vai trò tính toán động học và giao diện điều khiển. Cánh tay robot EEZY là mô hình vật lý được lựa chọn cho đề tài. Bài toán động học thuận và động học ngược là hai bài toán cốt lõi cần giải quyết. Động học thuận xác định vị trí đầu cuối dựa trên góc quay các khâu. Động học ngược tính toán góc quay cần thiết để đạt vị trí mục tiêu. Phương pháp Denavit-Hartenberg được áp dụng để thiết lập hệ phương trình mô tả chuyển động. Đây là nền tảng quan trọng cho việc lập trình và điều khiển robot chạy theo quỹ đạo mong muốn.

1.1. Bậc tự do và cấu trúc cánh tay robot

Bậc tự do (DOF - Degree Of Freedom) là số tham số độc lập xác định vị trí và hướng của robot trong không gian. Cánh tay robot trong đồ án có 3 bậc tự do, cho phép di chuyển trong mặt phẳng và xoay quanh trục. Mỗi bậc tự do tương ứng với một khớp quay được điều khiển bởi động cơ servo. Cấu trúc gồm ba khâu nối tiếp, khâu cuối là bộ chấp hành thực hiện nhiệm vụ. Số bậc tự do quyết định khả năng linh hoạt và vùng làm việc của robot. Với 3 bậc tự do, robot có thể tiếp cận các điểm trong không gian làm việc hạn chế nhưng đủ cho nhiều ứng dụng công nghiệp đơn giản.

1.2. Ứng dụng thực tiễn của cánh tay robot công nghiệp

Cánh tay robot công nghiệp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất hiện đại. Trong lắp ráp điện tử, robot thực hiện các thao tác chính xác với tốc độ cao. Ngành ô tô sử dụng robot để hàn, sơn và lắp ráp linh kiện. Trong y tế, cánh tay robot hỗ trợ phẫu thuật với độ chính xác vượt trội. Nông nghiệp áp dụng robot để thu hoạch và phân loại sản phẩm. Các dây chuyền đóng gói và palletizing cũng依赖 robot cánh tay. Với chi phí giảm dần, robot nhỏ gọn như mô hình trong đồ án ngày càng phổ biến trong doanh nghiệp vừa và nhỏ. Việc nghiên cứu điều khiển cánh tay robot giúp sinh viên nắm vững nguyên lý và ứng dụng thực tế.

II. Phân tích bài toán động học cánh tay robot 3 bậc tự do

Bài toán động học là nền tảng toán học của mọi hệ thống robot. Động học thuận (Forward Kinematics) xác định vị trí và hướng của đầu cuối robot khi biết góc quay tại các khớp. Công cụ chính là ma trận biến đổi tọa độ Denavit-Hartenberg (DH). Mỗi khâu robot được mô tả bằng bốn thông số DH gồm góc quay theta, khoảng cách d, chiều dài khâu a và góc xoắn alpha. Ma trận A tổng hợp các phép biến đổi tịnh tiến và quay giữa hai hệ tọa độ liên tiếp. Nhân các ma trận A theo chuỗi sẽ thu được ma trận tổng quát T mô tả vị trí đầu cuối. Động học ngược (Inverse Kinematics) giải quyết bài toán ngược lại: tìm góc quay khi biết vị trí mong muốn. Bài toán này thường phức tạp hơn do có thể tồn tại nhiều nghiệm hoặc không có nghiệm. Phương pháp giải sử dụng hàm arctan2 và các quan hệ hình học. Với cánh tay 3 bậc tự do, hệ phương trình động học được thiết lập dựa trên bảng thông số DH đã xác định.

2.1. Thiết lập hệ trục tọa độ và bảng thông số DH

2.2. Giải bài toán động học thuận và động học ngược

III. Giải pháp điều khiển cánh tay robot bằng Arduino và Matlab

Hệ thống điều khiển cánh tay robot sử dụng kết hợp phần cứng Arduino và phần mềm Matlab. Mạch Arduino UNO R3 đóng vai trò bộ điều khiển trung tâm, gửi tín hiệu PWM đến các động cơ servo SG90. Board mở rộng Arduino Nano giúp kết nối nhiều động cơ đồng thời. Động cơ servo SG90 hoạt động dựa trên tín hiệu PWM với góc quay từ 0 đến 180 độ. Phần mềm Matlab đảm nhận tính toán động học và truyền dữ liệu đến Arduino qua cổng serial. Giao diện điều khiển trên Matlab cho phép người dùng nhập tọa độ mục tiêu. Hệ thống tự động tính toán góc quay và gửi lệnh điều khiển. Quy trình hoạt động gồm ba bước chính: nhập tọa độ, giải động học ngược và điều khiển động cơ. Mô hình phần cứng hoàn chỉnh bao gồm cánh tay robot, mạch điều khiển và dây kết nối. Hệ thống được kiểm tra với nhiều vị trí mục tiêu khác nhau để đánh giá độ chính xác.

3.1. Thiết kế phần cứng và sơ đồ đấu nối

3.2. Thiết kế phần mềm và giao diện điều khiển

IV. Kết quả đạt được và hướng phát triển cánh tay robot

Đồ án đã đạt được các mục tiêu đề ra ban đầu. Hệ thống giải được bài toán động học thuận và động học ngược cho cánh tay robot 3 bậc tự do. Phần cứng hoạt động ổn định, các động cơ servo quay đúng theo góc mong muốn. Giao diện Matlab cho phép điều khiển robot trực quan và dễ sử dụng. Robot chạy được theo chuỗi các vị trí mong muốn cho trước. Tuy nhiên, đồ án vẫn còn một số hạn chế cần cải thiện. Chất lượng phần cứng giá rẻ dẫn đến sai số trong điều khiển. Bài toán động học ngược gặp lỗi ở trường hợp đặc biệt khi robot ngửa hết cỡ. Hàm arctan2 trả về nghiệm không đúng trong tình huống biên. Nhóm chưa tìm ra giải pháp triệt để cho hạn chế này. Hướng phát triển bao gồm nâng cấp phần cứng chính xác hơn, áp dụng điều khiển PID và mở rộng số bậc tự do cho robot.

4.1. Đánh giá kết quả thực nghiệm và sai số

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng mở rộng

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Chuyên ngành: Tự động hóa công nghiệp. Giảng viên hướng dẫn : Th.s Trương Ngọc Bảo Nhóm sinh viên thực hiện : MSSV Họ và tên Lớ 1751050004 Trần Đình Cung TD 1751050016 Phạm Anh Kiệt TD 1751050024 Nguyễn Tấn Lập TD 1751050036 Nguyễn Văn Phương TD 1551030318 Nguyễn Thanh Quy TD 1751050046 Lê Sỹ Thức TD TP. Hồ Chí Minh, 2021 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN . MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH VÀ BẢNG . iii Mục lục hình. iii Mục lục bảng . iv CHƯƠNG 1. TỔNG QUÁT VỀ ROBOT . Sơ lược về phát triển Robot . Những ứng dụng điển hình của Robot . Phạm vi đề tài . Nội dung nghiên cứu . Khái niệm ban đầu .Bậc tự do của robot (DOF: Degree Of Freedom) .Bài toán động học thuận .Bài toán động học ngược . Phương trình động học của robot.Bộ thông số Denavit – Hartenberg (DH) .Ma trận A của các khâu .Xác định ma trận biến đổi . Thiết lập hệ phương trình động học của robot .Trình tự thiết lập hệ phương trình .Phương trình động học cánh tay robot của đồ án .Bài toán động học thuận . Phương trình động học ngược .Các điều kiện của bài toán động học ngược .Bài toán động học ngược . NỘI DUNG NGHIÊN CỨU . Giới thiệu về phần mềm và phần cứng .Cánh tay robot EEZY .Động cơ servo SG90 .Mạch Arduino UNO R3 .Board mở rộng Arduino Nano . Dây kết nối .Mô hình hoàn chỉnh . Giới thiệu phần mềm . Phần mềm Matlab .Các tính năng của Matlab . Thi công phần cứng .Sơ đồ đấu nối thực tế .Phần cứng thực tế.Giới hạn phần cứng . Thiết kế phần mềm .Hàm giải bài toán động học thuận .Hàm giải bài toán động học ngược .Kết nối Matlab với Arduino .Điều khiển động cơ .Thiết kế giao diện . KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU . Kết quả của đồ án . Hạn chế của đồ án . 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 34 ii MỤC LỤC HÌNH VÀ BẢNG Mục lục hình Hình 2. Các tọa độ suy rộng của robot. Quy tắc bàn tay phải. Các vector định vị trí và hướng của bàn tay máy. Chiều dài và góc xoắn của 1 khâu. Các thông số của khâu θ,d,a,α . Vật thể và robot. Toán đồ vị trí của robot. Mô hình 3D cánh tay robot. Mô hình đơn giản và đặt hệ trục các khâu của robot. Quy ước chiều dương tọa độ của khâu chấp hành cuối. Khoảng cách giữa điểm cuối tính toán và thực tế. Góc quay của các khâu. Cánh tay Robot. Động cơ servo SG90. Nguyên lý hoạt động động cơ servo SG90. Mạch Arduino UNO R3. Board mở rộng Arduino Nano. Mặt sau Shield Mở Rộng Arduino NaNo. Dây kết nối. Mô hình hoàn chỉnh. Giao diện làm việc của Matlab và Simulink. Sơ đồ đấu nối thực tế. Mô hình phần cứng thực tế. Lưu đồ giải thuật của phần mềm. Góc quay của trục động cơ. So sánh giữa trục động cơ khâu 1 và hệ trục khâu 1 ban đầu. So sánh giữa trục động cơ khâu 2 và hệ trục khâu 2 ban đầu. So sánh giữa trục động cơ khâu 3 và hệ trục khâu 3 ban đầu. Giao diện phần mềm điều khiển. Trường hợp đặc biệt của động học thuận. 33 Mục lục bảng Bảng 2. Bảng DH của robot. Code hàm giải bài toán động học thuận. Code hàm giải bài toán động học ngược. Code kết nối Arduino với Matlab. Code điều khiển động cơ theo góc mong muốn. 31 iv ĐAMH: Robot công nghiệp GVHD: Th.s Trương Ngọc Bảo CHƯƠNG 1. TỔNG QUÁT VỀ ROBOT 1. Sơ lược về phát triển Robot Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra các dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết bị nay đang thay thế dần các máy tự động ‘cứng’ chỉ đáp ứng một việc nhất định trong khi thị trường luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và tính năng… Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt. Thuật ngữ ‘robot’ lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm ‘Rossum’s Universal Robot’ của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rossum là con trai của ông đã tạo ra nhưng chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người. Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek bắt đầu hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ. Vào cuối những năm 50, bên cạnh những máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện những loại máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minitaur I hoặc tay máy Handyman của Genaral Electric.Devol đã thiết kế 1 thiết vị có tên là ‘cơ cấu bản lề’ dùng để chuyển hàng theo chương trình. Đến năm 1956 Devol cung với Goseph F. Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1559 ở công ty Unimation. Chi đến năm 1975 Công ty Unimation đã bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiền này. Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kỳ. Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ Công ty AMF. Đến năm 1990 có hơn 40 Công ty Nhật Bản, trong đó có những Công ty khổng lồ như Công ty Hatachi và Công ty Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng. Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chi nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Tại trường đại học tổng hợp Ford người ta đã tạo loại robor lắp ráp tự động điều khiển bằng máy tính trên cơ sỡ xử lý thông tin từ các cảm biển lực và thị giác. Vào thời gian này Công ty IBM đã chế tạo loại robot có nhưng loại cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết. Nhóm trưởng: Nguyễn Thanh Quy 1 ĐAMH: Robot công nghiệp GVHD: Th.s Trương Ngọc Bảo Vào giai đoạn này ở nhiều nước khác cũng tiến hành các công trình nghiên cứu tương tự, tọa ra các loại robot đều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và thiết bị ngoại tiếp người – máy. Một lĩnh vực mà nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là việc chế tọa robot tự hành. Các công trình nghiên cứu tọa ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người và súc vật. Các robot này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nghiệp tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng được đưa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt. Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Ngày này chuyên ngành khoa học về robot ‘robotics’ đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ bản động học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động,… Robot công nghiệp được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người. Nói đến thiết bị tự động linh hoạt là nói đến khả năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều khiển trợ động và lập trình thay đổi được. Còn nói đến sự bắt chước các chức năng lao động công nghiệp của con người là có ý nói đến sự không hạn chế từ các chức năng lao động chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tùy theo loại hình công việc lao động cần đến chức năng đó hay không. Đồng thời cũng nói đến mức độ cần thiết bắt chước được như con người hay không. Những ứng dụng điển hình của Robot  Ứng dụng trong công nghiệp.  Lắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn.  Phục vụ máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa,…  Ứng dụng trong phòng thi nghiệm.  Dùng để thực hiện các công việc thủ công, thực hiện các công việc lặp đi lặp lại.  Ứng dụng robo trong thao tác cần khuyếch đại lực.  Dùng trong những khu vực nguy hiểm (nhiễm xạ,….) Nhóm trưởng: Nguyễn Thanh Quy 2 ĐAMH: Robot công nghiệp GVHD: Th.s Trương Ngọc Bảo  Dùng bốc dỡ hàng hóa, vật liệu, phô có trọng lượng lớn cồng kềnh trong các ngành công nghiệp nặng…  Ứng dụng robot trong nông nghiệp.  Robot cát long cừu, mổ xẻ thịt heo,…  Ứng dụng trong không gian.  Tay máy chế tạo nhằm tăng cường khả năng bốc dỡ hàng hóa tiếp tế, lắp ghép với các trạm không gian.  Các xe tự hành trang thiết bị tay máy linh hoạt, các robot bảo trì vệ tính, xây dựng trong không gian…  Ứng dụng trong tàu lặn.  Phát triển các tàu lặn không người lái trong công tác kiểm tra, dò tìm thám hiểm dưới đại dương.  Ứng dụng trong giáo dục.  Robot được sử dụng là phương tiện giảng dạy trong các chương trình giáo dục.  Robot kết hợp được sử dụng với ngôn ngữ LOGO để giảng dạy và nhận thức máy tính. Phạm vi đề tài Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình cánh tay robot 5 bậc tự do sử dụng mạch Arduino để điều khiển. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo nguyên lý hoạt động của cánh tay robot và mạch điều khiển. Vận dụng kiến thức để vận hành và lập trình điều khiển cánh tay robot. Nội dung nghiên cứu  Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn về chế tại và điều khiển robot.  Nghiên cứu về phương trình động học người của robot.  Nghiên cứu và ứng dụng của các phần gia công cơ khí để chế tạo cánh tay robot.  Nghiên cứu và ứng dụng mạch Arduino để điều khiển cánh tay robot. Nhóm trưởng: Nguyễn Thanh Quy 3 ĐAMH: Robot công nghiệp GVHD: Th.s Trương Ngọc Bảo CHƯƠNG 2. Khái niệm ban đầu 2.