Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển mô hình cánh tay máy 4 bậc tự do

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CƠNG TRÌNH
BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA
----------o0o----------

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển mơ hình cánh
tay máy 4 bậc tự do
Giáo viên hƣớng dẫn

: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Phƣơng Nam

Mã sinh viên

: 1451050143

Lớp

: 59 – CĐT

Khóa

: 2014- 2018

Hà Nội - 2018


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

LỜI NĨI ĐẦU
Robot cơng nghiệp giữ vị trí chủ chốt trong nhiều ngành sản xuất tự động
hóa nhƣ chế tạo ơ tô, chế tạo máy, điện – điện tử, chế tạo hóa chất v.v. Trong một
nhà máy sản xuất, robot thƣờng đƣợc sắp xếp thành một hay nhiều dây chuyền có
chức năng làm việc trong các điều kiện khác nhau và đều hƣớng đến mục đích là gia
tăng năng suất lao động, có độ chính xác cao và giảm đƣợc lƣợng nhân công nhất
định.
Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực điện – điện tử, tin học
những năm gần đây đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc
biệt là lĩnh vực điều khiển tự động, nhiều robot công nghiệp cùng với bộ điều khiển
chúng đã ra đời và ngày càng hiện đại hƣớng đến cho con ngƣời sự tiện lợi và ngày
càng rẻ. Trên thế giới lĩnh vực này đã đƣợc nghiên cứu, chế tạo và ngày càng phát
triển nhƣng đối với nƣớc ta thì vẫn cịn hạn chế, chƣa ứng dụng đƣợc vào sản xuất
một cách khoa học. Chính vì lẽ đó tác giả thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học
“Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển mơ hình cánh tay máy 4 bậc tự do”.
Mặt khác, thực hiện đề tài giúp tác giả củng cố kiến thức đã học về robot cơng
nghiệp trong tự động hóa và có ích hơn cho công việc và học tập sau này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn KTĐ&TĐH, đặc
biệt là thầy Nguyễn Thành Trung và cô Đinh Hải Lĩnh đã hƣớng dẫn tận tình và
truyền đạt nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu về vi điều khiển Arduino.
Hà Nội, ngày 11 /05/2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Phương Nam


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CƠNG TRÌNH
Bộ mơn Kỹ thuật điện & Tự động hóa

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Hà Nội, ngày 14 tháng 05 năm 2018

PHIẾU NHẬN XÉT VÀ CHẤM ĐIỂM KHÓA LUẬN TỐT
NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ tên sinh viên:
Nguyễn Phƣơng Nam
Mã sinh viên:
1451050143
Lớp:
59_CĐT
Sinh viên Nguyễn Phƣơng Nam đã hồn thành báo cáo khóa luận tốt
nghiệp đúng theo quy định và đúng tiến độ kế hoạch do Bộ môn và Khoa đề ra.
-

Về nội dung: Báo cáo khóa luận gồm 04 chƣơng:

Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về cánh tay máy
Chƣơng 2: Thiết kế phần cứng cho mơ hình cánh tay máy
Chƣơng 3: Xây dựng phần mềm
Chƣơng 4: Lắp đặt và chạy thử nghiệm
Nội dung báo cáo khóa luận hợp lý, đầy đủ bảng biểu, hình vẽ minh họa,
trình bày theo đúng mẫu quy định. Đã có sự vận dụng, tổng hợp kiến thức của
các mơn học chun ngành trong q trình thực hiện khóa luận. Về cơ bản đã
nghiên cứu và chế tạo đƣợc mô hình cánh tay máy 4 bậc tự do sử dụng.
- Về ý thức: trong thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp, sinh viên Nguyễn
Phƣơng Nam chấp hành nghiên túc lịch làm việc; chủ động trong việc sƣu tầm,
tìm hiểu tài liệu, chế tạo đƣợc thiết bị và thực hiện nội dung khóa luận
Kết luận: Đồng ý cho sinh viên Nguyễn Phƣơng Nam nộp báo cáo khóa luận
và bảo vệ khóa luận tốt nghiệp

Giảng viên hƣớng dẫn

KS. Nguyễn Thành Trung


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
..............................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(Chữ ký, họ tên)


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

MỤC LỤC

Lời nói đầu
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ

Trang

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY MÁY .....................1
1.1. KHÁI NIỆM VỀ CÁNH TAY MÁY ............................................................................1
1.1.1. Giới thiệu chung về robot công nghiệp .............................................................1
1.1.2. Cánh tay máy 4 bốn bậc tự do ..........................................................................2
1.1.3. Một số cánh tay máy hiện nay ...........................................................................2
1.2. CÁC KIỂU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT ..........................................................3
1.3. GIỚI THIỆU VỀ BOARD MẠCH ĐIỀU KHIỂN ARDUINO ........................................3
1.3.1. Khái niệm chung về Arduino .............................................................................3
1.3.2. Ứng dụng của Arduino trong đời sống .............................................................4
1.3.3. Một số board Arduino trên thị trường hiện nay ................................................4
1.4. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƢỚC SERVO VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH .......................6
1.4.1. Khái niệm chung về động cơ servo RC MG995 ................................................6
1.4.2. Phân loại động cơ servo ...................................................................................6
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MƠ HÌNH CÁNH TAY MÁY..9
2.1. THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ CHO CÁNH TAY MÁY ....................................................9
2.1.1. Phương pháp denavit-hartenberg (dh) .............................................................9
2.1.2. Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế khung cơ khí và chọn động cơ .........10
2.1.3. Thiết kế khung cơ khí cho cánh tay máy sử dụng phần mềm Inventor ...........14
2.2. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN .....................................15
2.2.1. Lựa chọn phần mềm thiết kế ...........................................................................15
2.2.2. Chọn bộ xử lý trung tâm và cơ cấu chấp hành ...............................................16
2.2.3. Các bước thiết kế sơ đồ nguyên lý cho mạch điều khiển ................................17
2.3. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH IN CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN ...............................................21
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM ..............................................................24

3.1. PHƢƠNG PHÁP HỌC LỆNH CHO CÁNH TAY MÁY...............................................24
3.2. LƢU ĐỒ THUẬT TỐN CHO CHƢƠNG TRÌNH PHẦN MỀM ..................................25
3.3. LẬP TRÌNH PHẦN MỀM.......................................................................................26
3.3.1 Lựa chọn phần mềm lập trình ..........................................................................26


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

3.3.2 Các bước tiến hành lập trình ...........................................................................27
CHƢƠNG 4: LẮP ĐẶT VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM ..........................................35
4.1.QUY TRÌNH LẮP ĐẶT KHUNG CƠ KHÍ CHO CÁNH TAY MÁY ..............................35
4.2. LẮP RÁP, KẾT NỐI DIỆN CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CHẠY THỬ NGHIÊM MÔ HÌNH
CÁNH TAY MÁY .........................................................................................................37

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .........................................................................38
PHỤ LỤC .................................................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................46


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1: Bảng thông số DH ....................................................................................... 12
Bảng 2. 2: So sánh thông số kỹ thuật của Arduino Pro Mini và Arduino UNO R3 ....... 16

GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cánh tay máy tọa độ đề các ....................................................................... 2
Hình 1.2: Cánh tay máy tọa độ trục............................................................................ 2
Hình 1. 3: Cánh tay máy cầu ...................................................................................... 2
Hình 1.4: Cánh tay máy SCARA ................................................................................. 2
Hình 1. 5: Cánh tay máy kiểu tay người ..................................................................... 3
Hình 1.6: Cánh tay máy kiểu cổ tay ............................................................................ 3
Hình 1.7: Arduino Uno R3 .......................................................................................... 5
Hình 1.8: Arduino UNO R3 ........................................................................................ 5
Hình 1.9: Arduino Nano .............................................................................................. 5
Hình 1.10: Arduino Leonardo ..................................................................................... 5
Hình 1.11: Arduino Pro Mini ...................................................................................... 5
Hình 1.12: Arduino Mega ........................................................................................... 5
Hình 1.13: Arduino Due .............................................................................................. 5
Hình 1.14: Cấu tạo của động cở servo RC MG995 .................................................... 6
Hình 1.15: Hình ảnh một số loại động cơ servo RC thường gặp: .............................. 7
Hình 1.16: Động cơ servo AC có gắn kèm encoder ở dằng sau động cơ ................... 8
Hình 1.17: Động Cơ DC Giảm Tốc Servo Faulhaber 12V ......................................... 8
Hình 2. 1: Cách xác định trục trong phương pháp Denavit-hartenberg .................... 9
Hình 2. 2: Mô tả số bậc tự do của 1 vật trong khơng gian ....................................... 11
Hình 2. 3: Mơ hình cánh tay máy .............................................................................. 11
Hình 2. 4: Cấu tạo và điện áp hoạt động của động cơ servo RC MG995 ................ 13
Hình 2. 5: Nguyên vật liệu chính để chế tạo khung cơ khí cho cánh tay máy ......... 14

Hình 2. 6: Mơ hìn cánh tay máy dưới hình chiếu 2D ............................................... 14
Hình 2. 7: Mơ hình mơ phỏng cánh tay máy ............................................................. 15
Hình 2. 8: Sơ đồ chân và chức năng từng chân của Arduino Pro Mini ................... 17
Hình 2. 9: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống .................................................................... 17
Hình 2. 10: Giao diện ban đầu ngay sau khi cài đặt phần mềm Altium Desginer ... 18
Hình 2. 11: Tạo project trong Altium Desginer ........................................................ 18
Hình 2. 12: Đặt tên và chọn địa chỉ lưu file.............................................................. 18
Hình 2. 13: Add file thiết kế mạch nguyên lý vào Project ........................................ 19


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

Hình 2. 14: Add thư viện vào phần mềm Altium Desginer ....................................... 19
Hình 2. 15: Tìm và lấy linh kiện ra ngồi mơi trường làm việc ............................... 19
Hình 2. 16: Kết quả sau khi lấy các linh kiện ra ngồi mơi trường làm việc ........... 20
Hình 2. 17: Sơ đồ nguyên lý của bộ xử lý trung tâm ................................................ 20
Hình 2. 18: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển tín hiệu ....................................................... 21
Hình 2. 19: Quá trình Update Schematics ................................................................ 21
Hình 2. 20: Kết quả thu được sau khi Update Schematics ....................................... 21
Hình 2. 21: Kết quả sau khi cài đặt thơng số ............................................................ 22
Hình 2. 22: Sơ đồ mạch in của bộ xử lý trung tâm (mơi trường 2D) ....................... 22
Hình 2. 23: Sơ đồ mạch in của bộ xử lý trung tâm (mơi trường 3D) ...................... 23
Hình 2. 24: Sơ đồ mạch in của bộ chuyển tín hiệu (mơi trường 2D)........................ 23
Hình 2. 25: Sơ đồ mạch in của bộ chuyển tín hiệu (mơi trường 2D)........................ 23
Hình 3. 1: Lưu đồ thuật tốn ..................................................................................... 25
Hình 3. 2: Giao diện Arduino IDE ............................................................................ 26
Hình 3. 3: Mơ tả dấu hiệu nhận biết thư viện ........................................................... 29

Hình 3. 4: Cửa sổ add thư viện online ...................................................................... 30
Hình 3. 5: Cửa sổ add thư viện bằng phương pháp thủ cơng ................................... 30
Hình 3. 6: Kết nối arduino với máy tính ................................................................... 31
Hình 3. 7: Tìm kiếm Device Manager bằng cửa sổ Run ........................................... 31
Hình 3. 8: Giao diện Device Manager ...................................................................... 32
Hình 3. 9: Kiểm tra cổng kết nối Arduino................................................................. 32
Hình 3. 10: Vị trí của phần mềm Arduino ................................................................. 32
Hình 3. 11: Chọn loại mạch Aruino trên phần mềm ................................................. 33
Hình 3. 12: Chọn cổng làm việc cho Arduino........................................................... 33
Hình 3. 13: Cách xác nhận cổng làm việc trên phần mềm ....................................... 33
Hình 3. 14: Chọn cách nạp Chip .............................................................................. 34


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

Hình 4. 1: bàn xoay của cánh tay máy ...................................................................... 35
Hình 4. 2: Cớ cấu khớp một của cánh tay máy ......................................................... 35
Hình 4. 3: Cơ cấu khớp hai của cánh tay máy .......................................................... 35
Hình 4. 4: Khớp hai và khớp ba của cánh tay máy ................................................... 36
Hình 4. 5: Kế nối tay gắp với khớp ba vủa cánh tay mày ......................................... 36
Hình 4. 6: Khung cơ khí hoản chỉnh của cánh tay máy ............................................ 36
Hình 4. 7: Khối điều khiển của cánh tay máy ........................................................... 37
Hình 4. 8: Kết nối và chạy thử nghiệm mơ hình cánh tay máy ................................. 37


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

PHẦN 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1. Tình hình trên thế giới
Robot là một ngành khoa học kỹ thuật trên thế giới. Ý tƣởng về việc chế tạo các
cỗ máy làm việc tự động đã có từ thời cổ đại nhƣng những nghiên cứu chức năng và
khả năng ứng dụng của robot đã có phát triển đáng kể từ thế kỉ 20.
Ngày nay, robot là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng, nhờ cơng nghệ phát
triển liên tục, robot đã đƣợc chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau và
đƣợc sử dụng rộng rãi trong sản xuất, lắp ráp, đóng/mở gói, vận chuyển, và thăm dị
khơng gian cũng nhƣ lịng đất, phẫu thuật, chế tạo vũ khí, nghiên cứu trong phịng
thí nghiệm, dây chuyền sản xuất hàng loạt. Nhiều robot đã thay con ngƣời làm
những công việc độc hại nhƣ tháo ngịi nổ của bom, mìn, trong các phịng thí
nghiệm hóa chất v.v… Tiến đến tƣơng lai robot sẽ phát triển với cơ chế xử lý mới là
trí tuệ vật lý (Physical Intelligence).
Robot trong lĩnh vực Lâm Nghiệp: xác định đƣợc hành trình làm việc, nhận biết
đƣợc các vật thể xung quanh, thu phát tín hiệu có chức năng dò đƣờng, tránh vật
cản v.v… để ứng dụng trong tự động vận chuyển hàng hóa qua các địa hình phức
tạp, khơng bằng phẳng, trong các khu phân xƣởng chế biến gỗ, các cánh đồng nơng
trại v.v…
Nhƣ vậy có thể thấy rằng robot đƣợc chế tạo và sử dụng ở rất nhiều trong các
lĩnh vực nhƣ: môi trƣờng, quân sự, dịch vụ và đặc biệt vào trong công – nông – lâm
nghiệp. Việc robot tự động ngày một phát triển và có độ chính xác ngày càng cao đã
đƣa ra đƣợc các giải pháp làm gia tăng năng suất lao động và giảm đƣợc lƣợng nhân
công trong tƣơng lai.
2. Tình hình trong nƣớc
Cơng nghệ tự động hóa đƣợc gia nhập, ứng dụng ở Việt Nam bắt đầu vào
khoảng những năm gần đây ngày càng phát huy hiệu quả và đạt đƣợc những thành
tựu nhất định vào nhiều ngành công – nơng – lâm nghiệp. Chính vì thế mà lĩnh vực

robot ngày càng đƣợc đầu tƣ nhiều hơn và đã đạt đƣợc nhiều thành tựu nhất định về
các dây chuyền sản xuất công – nông – lâm nghiệp làm tăng năng suất lao động, tạo
ra nhiều sản phẩm và giảm đƣợc lƣợng nhân cơng làm việc.
Nhìn chung, lĩnh vực robot đƣợc nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam đã
đƣợc thực hiện từ khi hội nhập với thế giới cho đến nay, nhƣng việc áp dụng cũng

1


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

nhƣ mong muốn đạt hiệu quả ở trong nƣớc vẫn còn chƣa tốt. Theo nhƣ lời phát biểu
của PGS. Nguyễn Bính trong hội nghị đại biểu cựu sinh viên ngành Tự động hóa –
Đại học Bách khoa Hà Nội (ngày 17/9/2006): “Tự động hóa Việt Nam trƣớc thềm
World Trade Organization (WTO) cũng nhƣ một dịng sơng chuẩn bị chảy vào biển
lớn. Sẽ có rất nhiều cơ hội cho chúng ta nhƣng nếu chúng ta không biết làm ăn,
chúng ta sẽ bị bão hịa và chìm nghỉm” cho ta thấy những thách thức về ngành tự
động hóa cũng nhƣ gắn liền với lĩnh vực robot nhƣng cũng là một cơ hội không hề
nhỏ để đƣa đất nƣớc phát triển cả về tri thức lẫn kinh tế.

3. Mục tiêu của đề tài
Thiết kế, chế tạo đƣợc hệ thống điều khiển mơ hình cánh tay máy bốn bậc tự
do.
4. Nội dung nghiên cứu
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về cánh tay máy
Chƣơng 2: Thiết kế phần cứng cho mơ hình cánh tay máy
Chƣơng 3: Xây dựng phần mềm

Chƣơng 4: Lắp đặt và chạy thử nghiệm
5. Đối tƣợng nghiên cứu
Cánh tay máy trong dây chuyền sản xuất cơng nghiệp.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Trong q trình nghiên cứu tác giả áp dụng hai phƣơng pháp nghiên cứu chính
là phân tích, tổng hợp lý thuyết và chế tạo thử nghiệm thực nghiệm.

2


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN
Chƣơng 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY MÁY
1.1.

Khái niệm về cánh tay máy

1.1.1. Giới thiệu chung về robot công nghiệp
a) Khái niệm về robot công nghiệp
Robot công nghiệp (Industrial Robot – IR) là loại robot có đặc điểm riêng
biệt về cấu trúc, chức năng, đã đƣợc thống nhất hóa, thƣơng mại hóa rộng rãi.
Kỹ thuật tự động hóa trong cơng nghiệp đã đạt tới trình độ rất cao: khơng chỉ
tự động hóa các q trình vật lý mà cả các q trình xử lý thơng tin. Vì vậy, tự động
hóa trong cơng nghiệp tích hợp công nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật
điều khiển tự động trong đó có tự động hóa nhờ máy hoặc các vi mạch đƣợc lập

trình.
Hiện nay trong cơng nghiệp tồn tại ba dạng tự động hóa là: tự động hóa
cứng, tự động hóa khả trình và tự động hóa linh hoạt.
Robot cơng nghiệp có 2 đặc trƣng cơ bản:
+ Là thiết bị vạn năng, đƣợc tự động hóa theo chƣơng trình và có thể lập
trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau.
+ Đƣợc ứng dụng trong những trƣờng hợp mang tính cơng nghiệp đặc trƣng,
nhƣ vận chuyển ngun vật liệu, lắp ráp, đo lƣờng v.v.
Với đặc điểm có thể lập trình lại, robot cơng nghiệp là thiết bị tự động hóa
khả trình và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu đƣợc của các tế bào hoặc
hệ thống sản xuất linh hoạt.
b) Kết cấu cơ bản của robot công nghiệp
Một robot công nghiệp đƣợc cấu thành bởi các hệ thống sau: tay máy, cơ cấu
chấp hành, hệ thống điều khiển.
+) Tay máy: là cơ cấu cơ khí gồm các khâu và các khớp. Chúng hình thành
cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn
tay hoặc tay kẹp để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tƣợng.

1


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

+) Cơ cấu chấp hành: là tạo nên chuyển động cho các khâu của tay máy.
Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí
nén hoặc kết hợp giữa chúng.
+) Hệ thống điều khiển: hiện nay thƣờng là máy tính để giám sát và điều

khiển hoạt động của robot.
1.1.2. Cánh tay máy 4 bốn bậc tự do
Cánh tay máy 4 bậc tự do cũng là một trong những loại robot công nghiệp.
Cánh tay máy 4 bậc tự do là kiểu khớp cổ tay giống nhƣ tay ngƣời.
Vì vậy cánh tay máy 4 bậc tự do có kết cấu giống nhƣ robot cơng nghiệp,
cũng gồm ba hệ thống: tay máy, cơ cấu chấp hành, hệ thộng điều khiển.
Ở đây do cánh tay máy 4 bậc tự do chỉ là mơ hình, nên hệ thống điều khiển
của nó có một chút khác biệt là đƣợc điều khiển bởi board Arduino nhằm mục đích
giúp sinh viên nghiên cứu cơ bản về cách vận hành và điểu khiển một cánh tay công
nghiệp.
1.1.3. Một số cánh tay máy hiện nay
Các loại cánh tay máy hiện nay nhƣ: cánh tay máy kiểu tọa độ đề các, cánh
tay máy kiểu tọa độ trục, cánh tay máy kiểu cầu, cánh tay máy kiểu SCARA, cánh
tay máy kiểu tay người, cánh tay máy khớp cổ tay và các kiểu cánh tay máy khác
nữa.

Hình 1. 1: Cánh tay máy tọa độ đề các

Hình 1. 2: Cánh tay máy tọa độ trục

Hình 1. 3: Cánh tay máy cầu

Hình 1. 4: Cánh tay máy SCARA

2


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

Hình 1. 5: Cánh tay máy kiểu tay người
1.2.

Hình 1. 6: Cánh tay máy kiểu cổ tay

Các kiểu điều khiển cánh tay robot
Có hai cách điều khiển cánh tay robot: điều khiển hở và điều khiển kín
Điều khiển hở là dùng truyền động bƣớc (động cơ điện hoặc động cơ thủy

lực, khí nén,...) mà qng đƣờng hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển.
Kiểu điều khiển này đơn giản, nhƣng đạt độ chính xác thấp.
Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để
tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và
điều khiển theo đƣờng.
+) Điều khiển điểm – điểm, phần công tác dịnh chuyển từ điểm này đến điểm
kia theo đƣờng thẳng với tốc độ cao (khơng làm việc). Nó chỉ làm việc tại các điểm
dừng. Kiểu điều khiển này đƣợc dùng trên các cánh tay robot hàn điểm, vận chuyển,
tán đinh, bắn đinh....
+) Điều khiển theo đƣờng đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ
đạo bất kỳ, với tốc độc có thể điều khiển đƣợc. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên
các cánh tay máy hàn hồ quang, phun sơn.
1.3.

Giới thiệu về board mạch điều khiển Arduino

1.3.1. Khái niệm chung về Arduino
Arduino đã đƣợc mở rộng không ngừng trong những năm qua, với nhiều nhà
sản xuất và nhà phân phối trên tồn thế giới. Để có thể giao tiếp đƣợc với Arduino

ta cần phải có phần mềm Arduino IDE để kết nối và lập trình cho Arduino.
Arduino là một board mạch giúp chúng ta có thể dễ dàng lập trình . Có rất
nhiều loại mạch, bộ cơng cụ và shield (shield là các modul mở rộng để bổ sung tính
năng cho Arduino, thƣờng đi với thƣ viện lập trình tƣơng ứng) để giúp thực hiện
đƣợc bất cứ dự án nào một cách dễ dàng.

3


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

a) Ưu điểm của Arduino
-) Khi lập trình với board Arduino chúng ta có thể dễ dàng chao đổi trên các
diễn đàn vì hiện nay cộng đồng Arduino phát triển khá là mạnh mẽ khơng chỉ trong
nƣớc mà cịn trên tồn thế giới.
+) Không tốn kém: Arduino tƣơng đối rẻ so với các nền tảng vi điều khiển
khác. Phiên bản ít tốn kém nhất của modul Arduino có thể đƣợc lắp ráp bằng tay và
thậm chí cả các modul lắp sẵn trƣớc cũng có giá trị ít hơn rất nhiều với các modul
tích hợp khác.
+) Mơi trường lập trình đơn giản, rõ ràng: Phần mềm Arduino (IDE) rất dễ
sử dụng cho ngƣời mới bắt đầu, nhƣng vẫn đầy đủ linh hoạt cho ngƣời dùng nâng
cao.
+) Phần mềm nguồn mở rộng: Phần mềm Arduino IDE đƣợc xuất bản dƣới
dạng các công cụ mã nguồn mở, có thể mở rộng bằng các lập trình viên có kinh
nghiệm. Ngơn ngữ có thể đƣợc mở rộng thông qua các thƣ viện C ++, và những
ngƣời muốn hiểu các chi tiết kỹ thuật và tìm hiểu kỹ hơn về ngơn ngữ lập trình có
thể thực hiện bƣớc nhảy vọt từ Arduino sang ngơn ngữ lập trình AVR-C mà nó dựa

vào. Tƣơng tự, bạn cũng có thể thêm mã AVR-C trực tiếp vào các chƣơng trình
Arduino nếu muốn.
b) Nhược điểm của Arduino
Nó rất dễ bị nhiễu và bị treo khi phải làm việc trong môi trƣờng khắc nhiệt.
Chính vì vậy để nó có thế làm việc đƣợc trong mơi trƣờng đó chúng ta cần phải
dùng các biện pháp chống nhiễu nó sẽ làm cho kết cấu phần cứng khá là phức tạp.
1.3.2. Ứng dụng của Arduino trong đời sống
Với việc đơn giản và dễ sử dụng của nó, Arduino đã đƣợc sử dụng trong
hàng ngàn dự án và ứng dụng khác. Phần mềm Arduino rất dễ sử dụng cho ngƣời
mới bắt đầu, nhƣng vẫn đủ linh hoạt cho ngƣời dùng nâng cao.
Giáo viên và sinh viên sử dụng nó để xậy dựng các cơng cụ khoa học có chi
phí thấp, để chứng minh các ngun lý hóa học và vật lý, hoặc để bắt đầu với lập
trình và roboot.
Nhạc sĩ và nghệ sĩ sử dụng nó để cài đặt và thử nghiệm các nhạc cụ mới. Tất
nhiên, các nhà sản xuất sử dụng nó để xây dựng nhiều dự án khác nhau.
1.3.3. Một số board Arduino trên thị trường hiện nay

4


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

Một số loại board Arduino hiện nay: Arduino Uno R3, Arduino Micro,
Arduino nano, Arduino Leonardo, Arduino pro mini, Arduino Mega, Arduino Due
v.v.
Sau đây là một số hình ảnh về từng loại Arduino:

Hình 1. 7: Arduino Uno R3

Hình 1. 8: Arduino Micro

Hình 1. 9: Arduino Nano

Hình 1. 10: Arduino Leonardo

Hình 1. 11: Arduino Pro Mini

Hình 1. 12: Arduino Mega

Hình 1. 13: Arduino Due

5


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

1.4.

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

Giới thiệu về động cơ bƣớc Servo và cơ cấu chấp hành

1.4.1. Khái niệm chung về động cơ servo RC MG995
-) Khái niệm: Động cơ servo RC MG995 là một dạng động cơ điện đặc biệt,
chỉ quay đƣợc khi điều khiển (bằng xung PWM), với mỗi loại servo có giới hạn góc
quay khác nhau nhƣ từ 0 đến 180 , có loại thì có giới hạn góc quay là 0 đến 360 ,

cịn có loại có giới hạn góc quay từ 0 đến 720 v.v…
Cấu tạo của một động cơ servo
RC MG995 gồm:
1 – Motor
2 – Mạch điện tử
3 – Dây nguồn dƣơng
4 – Dây tín hiệu PWM
5 – Dây đất
6 – Chiết áp
7 – Bánh răng
8 – Đầu nối
9 – Hộp bảo vệ
10 – Chip điều khiển tích hợp

Hình 1. 14: Cấu tạo của động cở servo
RC

-) Nguyên lý hoạt động: Động
cơ servo RC MG995 đƣợc thiết kế cho nhƣng hệ thống hồi tiếp kín. Tín hiệu ra của
động cơ đƣợc nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ
đƣa tín hiệu hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản
chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chƣa đạt
đƣợc vị chí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt
đƣợc điểm chính xác.
-) Ƣu điểm: Động cơ servo RC MG995 là điều khiển tốc độ và góc quay
chính xác, momen trên trục đều, làm việc êm hơn, có nhiều kích cỡ, dễ sử dụng và
lập trình với nhiều thiết bị điều khiển nhƣ PLC, Arduino và nhiều vi điều khiển
khác.
1.4.2. Phân loại động cơ servo
Động cơ servo có ba loại là động cơ servo AC, servo RC và động cơ servo

DC.

6


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

Với động cơ servo AC: động cơ có ba cuộn dây với một đầu chung cho tất cả
các cuộn dây. Thông thƣờng đầu chung đƣợc đấu với nguồn dƣơng và đƣợc kích từ
theo thứ tự liên tục.
Với động cơ servo RC: là động cơ đƣợc điều khiển bằng liên lạc vô tuyến.
Trong thực tế bản thân động cơ servo RC không đƣợc điều khiển bằng vô tuyến,
servo RC chỉ đƣợc nối với máy thu tuyến. Động cơ servo RC nhận tín hiệu từ máy
thu tuyến. Nhƣ vậy ta có thể điều khiển đông cơ servo bằng một bộ vi xử lý hay
thậm chí là mạch điện tử đơn giản dùng IC 555.
Với động cơ servo DC có hai loại: động cơ một chiều có chổi than và động
cơ một chiều khơng có chổi than.
Một số loại servo thường gặp gồm:

a) Servo RC MG995

b) Servo RC 90S

c) Servo RC SG90

d) Servo RC KST HV Serirs 525

Hình 1. 15: Hình ảnh một số loại động cơ servo RC thƣờng gặp:
a - servo RC MG995, b- servo RC 90S, c - servo RC SG90, d - servo RC KST
HV Serirs 525

7


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

Hình 1. 16: Động cơ servo AC có gắn kèm encoder ở dằng sau động cơ

Hình 1. 17: Động Cơ DC Giảm Tốc Servo Faulhaber 12V

8


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

CHƢƠNG 2
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MƠ HÌNH CÁNH TAY MÁY
2.1. Thiết kế phần cơ khí cho cánh tay máy
Để thiết kế phần cơ khí cho cánh tay máy, tác giả sử dụng phƣơng pháp
Denavit-Hartenberg (DH) nhằm tạo mối quan hệ giữ tọa độ vật rắn với tọa độ các
khớp của cánh tay máy.

2.1.1. Phương pháp denavit-hartenberg (dh)
Phƣơng pháp DH là là một phƣơng pháp mô tả các điều kiện động học và
đƣợc sử dụng để tính tốn động học các cơ cấu không gian. Nhƣng phƣơng pháp
này đã đƣợc phát triển trong cơ học các cơ cấu và trong kỹ thuật robot. Phƣơng
pháp dựa trên cách biểu diễn ma trận (4x4) về vị trí và điểm định vị và hƣớng quay
của vật rắn và sử dụng tối thiểu các tham số Denavit-Hartenberg để mô tả động học.
Áp dụng phƣơng pháp này nhằm mục đích đƣa ra đƣợc mối quan hệ giữa tọa
độ của vất rắn với tọa độ các khớp của cánh tay máy. Trong đó từ các suy tính về
động học tác giả lựa chọn trục khớp là của mỗi cơ cấu làm một trục tọa độ. Trục
này đƣợc gọi là trục z.

Hình 2. 1: Cách xác định trục trong phương pháp Denavit-hartenberg
Hình 2.1 chỉ ra hai vật rắn kề nhau của một hệ cơ học và các hệ tọa độ đƣợc lựa
chọn theo phƣơng pháp DH. Các hệ tọa độ này đƣợc chọn theo quy tắc sau:
 Quy tắc 1: Gốc tọa độ của hệ (KS)i nằm ở giao điểm giữa của đƣờng pháp
tuyến chung của các khớp i và i+1 với trục khớp i+1.

9


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

 Quy tắc 2: Hƣớng của hệ (KS)i đƣợc chọn sao cho:
- Trục z hƣớng theo trục khớp (i+1);
- Trục x hƣớng theo đƣờng pháp tuyến chung kéo dài;
- Trục y đƣợc chọn sao cho xyz tạo thành hệ tọa độ thuận.
Vị trí của hệ quy chiếu (KS)i so với hệ (KS)i-1 đƣợc xác định bởi bốn tham số

Denavit – Hartenberg (θ, a, α, d)i :
θi: Góc quay quanh trục zi – 1;
ai: Độ dài của pháp tuyến chung ̅̅̅̅̅̅;
αi: Góc quay quanh trục xi;
di: Dịch chuyển dọc trục zi – 1; tức là đoạn ̅̅̅̅̅̅̅̅̅.
Để có thể chọn trục và gốc tọa độ chính xác theo phƣơng pháp DH, chúng ta
cần phải biết đến một số quy tắc bổ sung nhƣ sau:
Trong áp dụng kĩ thuật ta thƣờng gặp các khớp của một bậc tự do, khi đó ta
chọn một trong bốn tham số DH làm tọa độ suy rộng. Nếu là khớp quay ta chọn θi làm
tọa độ suy rộng (qi = θi), nếu là khớp tịnh tiến ta chọn di làm hệ tọa độ suy rộng (qi =
di).
- Các kí hiệu DH khơng ln duy nhất. Chẳng hạn khi hai trục khớp song
song với nhau, khi đó có nhiều đƣờng pháp tuyến chung, di không xác định. Ta có
thể chọn di một cách chủ ý, ta sẽ ƣu tiên chọn di = 0.
- Khi hai trục khớp giao nhau thì αi = 0. Khi hai trục khớp vng góc với
nhau thì ta có αi = ±π/2.
Khi lựa chọn các hệ tọa độ cơ sở (KS)0 hay hệ tọa độ gắn vào khâu cuối
(KS)N vì khơng có khâu trƣớc nó trong trƣờng hợp đầu và khơng có khâu sau nó
trong trƣờng hợp thứ hai nên các hệ tọa độ này chƣa xác định hoàn toàn theo quy tắc
DH. Khi đó đối với hệ tọa độ cơ sở ta chọn trục z theo hƣớng trục khớp, các trục x0 và
y0 chọn tùy ý.
Đối với hệ tọa độ gắn vào khâu cuối cùng (KS)N gốc tọa độ có thể đƣợc xác
định tùy ý. Tuy nhiên ta thƣờng chọn gốc tọa độ là điểm định vị của khâu thao tác.
Ngoài ra trục xN chọn theo một pháp tuyến của hệ trƣớc đó và các trục khác chọn tùy ý.
2.1.2. Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế khung cơ khí và chọn động cơ
a) Cơ cấu bậc tự do

10

GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

Trong một cơ cấu máy, tồn bộ những bộ phận có chuyển động tƣơng đối so
với các bộ phận khác gọi là các khâu. Để tạo thành cơ cấu, các khâu không thể để
rời nhau mà phải đƣợc liên kết với nhau theo một quy cách xác định nào đó, sau khi
nối với nhau các khâu vẫn cịn có khả năng chuyển động tƣơng đối. Một bậc tự do
của khâu đƣợc hiểu là khả năng chuyển động độc lập với một hệ quy chiếu, đối với
giữa hai mặt phẳng ta có ba bậc tự do (Tx, Ty, Qz) và giữa hai khâu trong khơng
gian ta có 6 bậc tự do (Tx, Ty, Tz, Qx, Qy, Qz) .

Tz

Z

Qz

Tx
x

O
Qy

Qx

Ty
y
Hình 2. 2: Mơ tả số bậc tự do của 1 vật trong không gian

Với chức năng làm việc của cánh tay máy và tính chất của nó kết hợp với
kiến thức đã học tác giả tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bậc tự do cho từng
khâu để có thể dịch chuyển vật theo nhiều bậc tự do bằng cách kết hợp bậc tự do
của các khâu.

Hình 2. 3: Mơ hình cánh tay máy

11


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

Theo nhƣ hình 2.3 mơ tả cơ cấu ngón tay robot và cách vận hành của cánh
tay tác giả lập đƣợc bảng 2.1 các khâu làm việc của một ngón tay robot trên mặt
phẳng làm việc. Giới hạn của các thông số nhƣ sau: 0° <

< 180°; ai = const.

Bảng 2. 1: Bảng thông số DH
Khâu
1

0

0

2

0

0

3

0

0

4

0

0

5

0

0

Từ bảng thông số động học DH ta có thể thiết lập đƣợc phƣơng trình động
học của cơ cấu thơng qua ma trận DH. Ta có ma trận DH (kí hiệu là Ti) đƣợc tính
bằng tích các ma trận chuyển đổi thuần nhất về biến đổi tịnh tiến, biến đổi góc quay.

[

]; với c =cos ; s =sin .

Vậy ta có:
[

];

[

];

[

];

12


GVHG. Đinh Hải Lĩnh
GVHG. Nguyễn Thành Trung

SVTH. Nguyễn Phƣơng Nam

[

];

[

];

Ta có phƣơng trình động học sẽ đƣợc tính bằng tích ba ma trận D-H của các
khâu đó là:

Ma trận

chính là phƣơng trình của cơ cấu cánh tay máy ta cần tìm. Sử

dụng ma trận này ta có thể phát triển theo hƣớng điều khiển cánh tay máy bằng ma
trận trên phần mềm máy vi tính. Thơng qua ma trận ta có thể tính đƣợc momen hoặc
các lực cần thiết tác động vào cơ cánh tay máy.
b) Chọn cơ cấu chấp hành của động cơ servo RC MG995
Với những ƣu điểm đƣợc nêu ở Chƣơng 1 của servo thì lựa chọn servo là cần
thiết và mang ý nghĩa thực tiễn vì chúng phù hợp và tối ƣu đƣợc tính tự động hóa
mà đề ta đang muốn hƣớng tới, và nó đáp ứng đủ momen cần thiết cho đề tài. Đối
với đề tài khóa luận của tác giả lần này. Lựa chọn động cơ servo RC MG995.

Hình 2. 4: Cấu tạo và điện áp hoạt động của động cơ servo RC MG995
Thông số kỹ thuật của động cơ servo MG995: Momen làm việc 13 (KG / cm),
dòng điện hoạt động 100mA, nhiệt độ làm việc -30

13

60 , góc quay tối đa 180 ,