Đồ án: tốt nghiệp thiết kế thi công và điều khiển mô hình cánh tay robot 4

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế thi công và điều khiển mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Cao Văn Phương Nam
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế, Thi Công Và Điều Khiển Mô Hình Cánh Tay Robot 4 Bậc Tự Do
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Thi Công và Điều Khiển

Đồ án tốt nghiệp trong lĩnh vực thiết kế thi công và điều khiển là một bước quan trọng trong quá trình đào tạo kỹ sư. Đây là dự án cuối cùng cho phép sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế, đặc biệt trong các ngành kỹ thuật điện tử, cơ khí và automation. Thiết kế thi công không chỉ đòi hỏi kỹ năng thiết kế mà còn yêu cầu khả năng lập kế hoạch, quản lý dự án và điều khiển chất lượng. Các đồ án thường liên quan đến robot công nghiệp, hệ thống tự động hóa, hoặc các thiết bị điều khiển phức tạp. Ví dụ tiêu biểu như đồ án thiết kế cánh tay robot 4 bậc tự do tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, nơi sinh viên phải hoàn thành từ giai đoạn thiết kế ban đầu đến thi công và lập trình điều khiển cuối cùng.

1.1. Định Nghĩa và Tầm Quan Trọng của Đồ Án

Đồ án tốt nghiệp là một công trình khoá học giúp sinh viên chứng minh năng lực chuyên môn của mình. Nó kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, yêu cầu sinh viên phải nắm vững các nguyên lý cơ bản và có khả năng giải quyết vấn đề thực tế. Đối với ngành thiết kế thi công, đồ án giúp sinh viên phát triển kỹ năng sử dụng phần mềm CAD, hiểu biết về vật liệu, và quản lý quy trình sản xuất.

1.2. Lĩnh Vực Ứng Dụng Chính

Các đồ án thi công và điều khiển được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, từ robot tự động hóa đến hệ thống điều khiển nhà thông minh. Cánh tay robot là ví dụ phổ biến, đòi hỏi tích hợp cơ khí, điện tử, và lập trình. Các ứng dụng này đòi hỏi kỹ năng thiết kế 3D, mô phỏng, và kiểm tra an toàn.

II. Quy Trình Thiết Kế Thi Công Cánh Tay Robot

Thiết kế cánh tay robot 4 bậc tự do là một dự án phức tạp đòi hỏi nhiều bước quan trọng. Giai đoạn thiết kế bắt đầu bằng việc xác định yêu cầu kỹ thuật, tính toán moment xoắn, và chọn động cơ phù hợp. Phần cứng bao gồm khối điều khiển (Arduino Mega 2560), khối vận hành (động cơ Step, Servo), và khối hiển thị (LCD 20x4). Tính toán các thông số như độ chính xác vị trí, vận tốc tối đa, và tải trọng tối đa là bước không thể bỏ qua. Sau đó là giai đoạn thi công, nơi các bộ phận được gia công từ vật liệu phù hợp (thường là nhôm hoặc thép), lắp ráp lại với nhau, và thử nghiệm từng chức năng. Cuối cùng là lập trình điều khiển, nơi vi điều khiển nhận lệnh từ tay cầm điều khiển và thực hiện chuyển động.

2.1. Tính Toán và Thiết Kế Hệ Thống

Thiết kế hệ thống bắt đầu từ việc xác định sơ đồ khối của toàn bộ robot. Mỗi khớp robot cần được tính toán với công thức động lực học để đảm bảo đủ moment xoắn cho chuyển động. Công thức cơ bản như M = F × d được sử dụng để xác định lực cần thiết. Sau đó, chọn động cơ có torque phù hợp và kiểm tra khả năng chịu tải.

2.2. Lựa Chọn Linh Kiện và Phần Cứng

Các linh kiện điện tử chính bao gồm Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm, module driver A4988 cho động cơ bước, Servo SG90 cho các chuyển động chính xác. Cảm biến màu TCS3200 dùng để phân loại sản phẩm, LCD 20x4 để hiển thị thông tin, và nguồn tổ ong 12V 10A cấp điện. Mỗi linh kiện được lựa chọn dựa trên yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

III. Giai Đoạn Thi Công và Lắp Ráp

Thi công cánh tay robot là quá trình chuyển đổi từ bản thiết kế sang sản phẩm thực tế. Bước đầu tiên là gia công cơ cấu từ vật liệu, bao gồm giá đỡ, đĩa xoay, tay đòn, và trục truyền động. Mỗi chi tiết được gia công theo bản vẽ chi tiết với độ chính xác cao để đảm bảo khớp nối hoàn hảo. Tiếp theo là lắp ráp từng phần: trước tiên lắp cơ cấu xoay gồm động cơ và giá đỡ, sau đó là hai khớp tay với các tay đòn và trục truyền động. Cơ cấu gắp vật được lắp ráp với cơ cấu tay kẹp có thể mở rộng. Cuối cùng là kiểm tra chạy thử từng khớp để đảm bảo chuyển động mịn màng. Trong quá trình thi công, chất lượng là ưu tiên hàng đầu để đảm bảo độ bền và độ chính xác của sản phẩm.

3.1. Gia Công và Chế Tạo Các Bộ Phận

Gia công cơ khí được thực hiện trên các máy như phay CNC, tiện, hoặc khoan. Mỗi chi tiết được đo kiểm kỹ lưỡng sau gia công để đảm bảo kích thước đúng công sai. Tay đòn, trục, và giá đỡ là những bộ phận quan trọng cần độ chính xác cao. Xử lý bề mặt như sơn hoặc anodide được áp dụng để chống ăn mòn và tăng độ bền.

3.2. Lắp Ráp và Kiểm Tra Chất Lượng

Lắp ráp theo thứ tự từ dưới lên: đế và cơ cấu xoay, rồi hai khớp tay, cuối cùng là cơ cấu gắp. Mỗi bước cần kiểm tra độ chặt của ốc, kiểm tra chuyển động để đảm bảo không bị cọ sát. Chạy thử từng khớp riêng rồi chạy thử tổng hợp để phát hiện sớm các lỗi tiềm ẩn.

IV. Lập Trình Điều Khiển và Đánh Giá Kết Quả

Lập trình điều khiển là bước cuối cùng nhưng cực kỳ quan trọng trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Phần mềm được viết cho vi điều khiển Arduino Mega 2560 sử dụng ngôn ngữ C++. Chương trình chính phải xử lý nhiều tác vụ: nhận tín hiệu từ tay cầm Playstation 2, tính toán kinematics để xác định vị trí từng khớp, điều khiển động cơ step qua module driver A4988, điều khiển servo cho chuyển động chính xác, và đọc cảm biến màu để phân loại sản phẩm. Sơ đồ khối giải thuật giúp tổ chức logic chương trình rõ ràng. Chế độ điều khiển bằng tay cho phép kiểm soát từng khớp riêng lẻ, trong khi chế độ tự động thực hiện các quy trình đã lập trình sẵn. Giai đoạn kiểm thử bao gồm thử điều khiển bằng tay để đảm bảo phản ứng nhanh và chính xác, cũng như thử chế độ tự động để xác minh các chuyển động đúng theo kế hoạch. Nhận xét và đánh giá cuối cùng sẽ đánh giá hiệu suất, độ chính xác, độ bền, và khả năng ứng dụng thực tiễn.

4.1. Thiết Kế Giải Thuật và Cấu Trúc Chương Trình

Giải thuật chính phải xử lý input từ controller, tính toán forward kinematics hoặc inverse kinematics tùy theo yêu cầu, và gửi lệnh đến các động cơ. Sơ đồ khối (flowchart) hiển thị logic chương trình chính và các chương trình con như Run, Stop, Emergency. Ngắt ngoài (interrupt) được sử dụng để xử lý tín hiệu khẩn cấp. Timer quản lý thời gian chuyển động và delay phù hợp.

4.2. Kết Quả Kiểm Thử và Đánh Giá Hiệu Suất

Kiểm thử điều khiển bằng tay xác nhận từng khớp hoạt động chính xác với phản ứng nhanh từ controller. Kiểm thử chế độ tự động đảm bảo robot thực hiện quy trình đặc định mà không cần can thiệp. Đánh giá bao gồm độ chính xác vị trí, tốc độ thực hiện, tải trọng tối đa, và độ bền dài hạn. Nhận xét cuối cùng ghi lại những ưu điểm và hạn chế cần cải tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Chương này trình bày cụ thể lý do chọn đề tài “điều khiển và thi công mô hình cánh tay robot phân loại sản phẩm”. Thể hiện được khái quát mục tiêu mà nhóm thực hiện, có những nội dung thực hiện cụ thể tuần tự và hợp lý. Phần này còn cho thấy giới hạn của đề tài để người đọc hiểu rõ hơn về hệ thống mà nhóm thực hiện.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này giới thiệu cơ bản về các linh kiện được sử dụng trong đề tài, các linh kiện này đã được nhóm tính toán và chọn lựa kỹ lưỡng. Được đưa vào giới thiệu với mục đích cho người đọc biết được đặc điểm và chức năng của từng linh kiện. Chương 3: Tính toán và thiết kế.

Chương này trình bày qúa trình tinh toán và thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của hệ thống một cách cụ thể nhất. Tính toán chuyển động của cánh tay và tính toán nguồn cung cấp cụ thể. Việc tính toán thiết kế được phân chia trình tự một cách hợp lý và được giải thích một cách cụ thể, rõ ràng nhất. 2 Chương 4: Thi công hệ thống.

Chương này trình bày cụ thể quá trình thiết kế và thi công từng bộ phận cấu thành cánh tay, gồm thiết kế các khớp, mô hình các khớp và láp ráp hoàn chỉnh mô hình cánh tay, thi công mô hình điều khiển. Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá. Chương này là kết quả cuối cùng của phần cứng, hoạt động như thế nào, cách điều khiển và được hướng dẫn cụ thể từng bước thao tác với hệ thống. Đưa ra các nhận xét và đánh giá kết khách quan về kết quả hoạt động của hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Chương này đưa ra kết luận khách quan về những gì mà nhóm làm được, chưa được từ đó đưa ra những hướng phát triển cụ thể cho hệ thống trong tương lai.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT Lịch sử phát triển của robot Thuật ngữ robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek. Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) – xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF (American Manchine and Foundry Comapany) quảng cáo mô tả một thiết bị mang dáng dấp và một số chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất, thiết bị có tên gọi là Versatran. Quá trình phát triển của IR có thể tóm tắt như sau: Từ những năm 50 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên.

Đầu những năm 60 xuất hiện sản phẩm đầu tiên tên Versatran của công ty AMF. Ở nước Anh, người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo các IR theo bản quyền của Mỹ từ năm 1967. Các nước Tây Âu khác như: Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển nghiên cứu và chế tạo từ những năm 70. Ở châu Á thì có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968.

Đến nay, trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR trong đó có 80 công ty của Nhật, 90 công ty của các nước Tây Âu, 30 công ty của Mỹ. Theo chủng loại, mức độ điều khiển và khả năng nhận biết thông tin của tay máy – người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ như sau: Thế hệ 1: Thế hệ có điều khiển theo chu trình dạnh chương trình cứng, không có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu trình dạng chương trình mềm, bước đầu có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 3: Thế hệ có điều khiển dạng tinh không, có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu có một số chức năng lý trí của con người.

4 Đối với tay máy công nghiệp đã có hơn 250 loại, trong đó có hơn 40% là loại tay máy có điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất. Sự xuất hiện của robot và sự gia tăng vai trò của chúng trong quá trình sản xuất và xã hội loài người làm xuất hiện một ngành khoa học mới là ngành Robot học (Robotic). Trên thế giới ở nhiều nước đã xuất hiện những viện nghiên cứu riêng về robot. Ở Việt Nam, những năm giữa của thập kỷ 80 đã có viện nghiên cứu về robot.

Khái quát chung về tay máy robot công nghiệp Một tay máy công nghiệp tiêu biểu bao gồm 7 thành phần làm bằng kim loại được nối với nhau bằng 6 khớp. Máy tính điều khiển robot bằng cách quay từng động cơ được nối với từng khớp (một số cánh tay robot cỡ lớn dùng thủy lực hay khí nén). Robot sử dụng các cảm biến chuyển động để đảm bảo nó chuyển động đến đúng vị trí mong muốn. Cấu trúc của một tay máy robot công nghiệp Một robot công nghiệp có 6 khớp rất giống với một cánh tay của con người gồm có vai, khuỷu tay và cổ tay.

Thường thì vai sẽ được gắn vào một bệ cố định hơn là một cơ thể di động. Các thành phần chính của robot: Một robot thường bao gồm các phần chính như cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển, bộ điều khiển bằng tay (Tech pendant), máy tính, các phần mềm lập trình. Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoăc động cơ bước), các hệ thống xy lanh khí nén, thủy lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động. Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn….

Bộ Tech pendant thường dùng để điều khiển robot bằng tay và có thể lập trình cho các hoạt động đơn giản của robot. Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt trên máy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển. Bộ điều khiển còn được gọi là module điều khiển, nó thường được kết nối với máy tính. Một module điều khiển có thể còn có các cổng vào – ra để làm việc với 5 nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác… Kết cấu của tay máy: Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot.

Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người. Tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình dạng rất khác cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình – động học. Đó là những thông số liên quan tới khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp… Các khâu của robot thường thực hiện 2 chuyển động cơ bản: Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descartes thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này ký hiệu là T hay P.

Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R. Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của robot là Robot kiểu tọa độ Descartes, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ góc… 2. Hoạt động chung của cánh tay robot công nghiệp Tương tự như tay người, cánh tay robot để di chuyển cơ cấu cuối cùng từ điểm này đến điểm khác.

Có thể cố định dạng chuyển động của cánh tay robot với một số loại cơ cấu chấp hành cuối cùng tùy theo từng ứng dụng. Một cơ cấu chấp hành thông dụng là một phiên bản thu nhỏ của một bàn tay có thể cầm nắm các vật khác nhau. Các cánh tay robot thường có các cảm biến áp suất gắn bên trong để thông báo cho máy tính biết cần bao nhiêu lực để gắp một vật, giúp nó không đánh rơi hay làm vỡ đồ vật mà nó đang giữ. Robot công nghiệp được thiết kế để làm những công việc lặp đi lặp lại chính xác, trong một môi trường được điều khiển.

Để dạy robot làm công việc của mình, người lập trình sẽ dẫn cánh tay qua những chuyển động nhờ sự điều khiển bằng tay. Những robot này sẽ lưu trữ trình tự chuyển động chính xác trong bộ nhớ của nó và lặp đi lặp lại chuyển động này trên các dây truyền lắp ráp.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 6 Thiết bị đầu vào: Tay cầm Playstation 2, cảm biến màu, cảm biến hồng ngoại Thiết bị đầu ra: động cơ Step, động cơ servo, LCD Thiết bị điều khiển trung tâm: Kit điều khiển Arduino. Các chuẩn truyền dữ liệu: SPI , chuẩn truyền song song 4 dây Khối điều khiển 2. Giới thiệu chung board Arduino Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác.

Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Có rất nhiều loại Arduino khác nhau nhưng người dùng thường sử dụng 3 loại phổ biến sau: Hình 2. Các loại Board Arduino Arduino mega 2560: 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM), sử dụng nhân AVR Atmega 2560, có thể ứng dụng điều khiển nhiều chương trình phức tạp như Arduino Due. Board được sử dụng phổ biến và được ưu chuộng nhiều nhất,sử dụng nhân AVR Atmega 2560, có thể ứng dụng điều khiển nhiều chương trình phứctạp như Arduino Due và dễ dàng mở rộng phát triển thêm.

Arduino Due: là board sử dụng nhân ARM 32 bit cortexM3, là board phát triển sử dụng nhân ARM đầu tiên của series board Arduino, rất mạnh mẽ, hỗ trợ 54 7 chân Digital I/O (với 12 chân có thể sử dụng chức năng PWM), 12 ngõ vào tín hiệu Analog, 4 UARTs (cổng truyền nối tiếp), xung clock sử dụng lên đến 84 MHz. Nó ứng dụng rất nhiều trong các chương trình phức tạp, vì thế giá thành cũng cao hơn so với các Arduino khác. Arduino Uno R3: Board arduino này dùng vi điều khiển ATmega328, có 14 chân Digital I/O, số lượng chân Digital I/O hạn chế cũng khó khăn khi kết hợp điều khiển nhiều module với nhau.