Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế và chế tạo cánh tay cho robot lễ tân

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
..

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT GHIỆP
I. Thông tin chung:
1. Họ và tên sinh viên: …………………………………………………………………
2. Lớp: …………………………… Số thẻ SV: .………………………………………
3. Tên đề tài: ………………………………………………………………………......
4. Người hướng dẫn: ………………………….………… Học hàm/ học vị: …………
II. Nhận xét đồ án tốt nghiệp:
1. Về tính cấp thiết, sáng tạo và ứng dụng của đồ án: (điểm đánh giá tối đa là 2đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
2. Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (điểm tối đa là 4đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
3. Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm đánh giá tối đa là 2đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
4. NCKH: (nếu có bài báo khoa học hoặc ĐATN là đề tài NCKH: cộng thêm 1đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
5. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
III. Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm đánh giá tối đa 1đ)

………………………………………………………………………………………..
IV.Đánh giá:
1. Điểm đánh giá:
2. Đề nghị:

/10
Được bảo vệ đồ án/ Bổ sung thêm để bảo vệ/ Không được bảo vệ
Đà Nẵng, ngày
tháng
năm 2018
Người hướng dẫn


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I. Thông tin chung:
1. Họ và tên sinh viên: ……….………………………………………………………….
2. Lớp: …………………….……… Số thẻ SV: ..………………………………………
3. Tên đề tài: …………………………………………….……………………………....
4. Người phản biện: ..………………………….………… Học hàm/ học vị: ………….
II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
Điểm Điểm
tối đa trừ

TT Các tiêu chí đánh giá

1
1a
1b
1c
1d
1e
1f
2
2a
2b
3

Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải
quyết đủ nhiệm vụ đồ án được giao
- Hiểu và vận dụng được kiến thức Toán và khoa học tự
nhiên trong vấn đề nghiên cứu
- Hiểu và vận dụng được kiến thức cơ sở và chuyên ngành
trong vấn đề nghiên cứu
- Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm mơ phỏng,
tính tốn trong vấn đề nghiên cứu
- Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngồi ứng
dụng trong vấn đề nghiên cứu
- Có kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn đề
- Đề tài có giá trị khoa học, cơng nghệ; có thể ứng dụng
thực tiễn:
Kỹ năng viết:

Điểm
cịn lại

80
15
25
10
10
10
10

- Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc tích

20
15

- Thuyết minh đồ án khơng có lỗi chính tả, in ấn, định dạng

5

Tổng điểm đánh giá: theo thang 100
Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)

- Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
- Ý kiến khác:
………………………………………………………………………………………..
- Đề nghị:

Được bảo vệ đồ án/ Bổ sung thêm để bảo vệ/ Không được bảo vệ
Đà Nẵng, ngày…...Tháng…..năm 201.…
Người phản biện

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I.

Thông tin chung:

1. Họ và tên sinh viên: ….….……………………………………………………….
2. Lớp: …………………….….… Số thẻ SV: .……………………………………..
3. Tên đề tài: .…………………………….………….……………………………....
4. Người phản biện: ..……………………..……. … Học hàm/ học vị: ……………..
II. Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời
1. …………….……………….……..……………………………………………….
………………………………………………………………………………………
2. ……………….……………….……..……………………………………………..
………………………………………………………………………………………
Đáp án: (người phản biện ghi vào khi chấm và nộp cùng với hồ sơ bảo vệ)
1. ………….……………….……..…………………………………………………
………………………………………………………………………………………
2. ……………….……………….……..……………………………………………..
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
.…………….……………….……..…………………………………………...…...
………………………………………………………………………………………

Đà Nẵng, ngày

tháng

năm 201…

Người phản biện


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
CÁNH TAY ROBOT LỄ TÂN

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Số thẻ sinh viên :
Lớp:

TS. LÊ HOÀI NAM
VĂN BÁ TÀI
BÙI VĂN DANH
101130174
101130155

13CDT1

Đà Nẵng, 2018


TÓM TẮT
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay cho robot lễ tân

Sinh viên thực hiện: VĂN BÁ TÀI
BÙI VĂN DANH

Số thẻ SV: 101130174

Lớp: 13CDT1

Số thẻ SV: 101130155

Lớp: 13CDT1

1. Nhu cầu thực tế:
Xuất phát từ nhu cầu của công ty FPT Đà Nẵng mong muốn phát triển 1 chú robot
lễ tân có khả năng hoạt động tự do trong khn viên của tịa nhà FSoft (thuộc công ty
FPT Đà Nẵng) với các nhiệm vụ chính như:
-

Di chuyển tự động trong khn viên tịa nhà.

-

Dẫn đường cho khách.

-

Giới thiệu, hướng dẫn khách về công ty.

-

Nhận diện người quen để chào hỏi.

-

Bấm nút thang máy.

Với nhu cầu từ phía cơng ty FPT Đà Nẵng cũng như các nhiệm vụ chính của robot,
nhóm chúng em quyết định thực hiện phần cánh tay cho robot lễ tân này.
2. Nhiệm vụ của cánh tay robot:

- Thực hiện các động tác cơ bản: chào, vẫy tay, cầm nắm…
- Di chuyển đến vị trí mong muốn theo tọa độ.
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
- Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
-

Nghiên cứu thiết kế hệ thống cơ khí cho cánh tay.

- Nghiên cứu, thiết kế bộ PID điều khiển động cơ DC.
- Nghiên cứu động học của cánh tay robot để vận dụng vào đồ án.

4. Nội dung đồ án đã thực hiện được:
-

Thuyết minh trình bày các nghiên cứu và thực hiện đề tài.

-

Bản vẽ: A0.


-

Mơ hình: 1 mơ hình.

5. Kết quả đạt được:
-

Thiết kế được hệ thống cơ khí cho cánh tay.

-

Giải được phương trình động học ngược của robot và tìm ra được giá trị góc
quay tương ứng với tọa độ nhập vào.

- Các khớp có thể hoạt động tốt với bộ điều khiển PID số.


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Lớp: 13CDT1

VĂN BÁ TÀI

Lớp: 13CDT1 MSSV: 101130174

BÙI VĂN DANH

Lớp: 13CDT1 MSSV: 101130155

Khoa: Cơ khí

Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

1. Tên đề tài đồ án:
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo phần cánh tay robot lễ tân
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
-

Nghiên cứu, lựa chọn và thiết kế hệ thống cơ khí cho cánh tay robot.

-

Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán cho hệ thống điều khiển cánh tay.

5. Các bản vẽ, đồ thị:
-

01 bản vẽ sơ đồ khối hệ thống điều cánh tay.

-

01 bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển.

-

01 bản vẽ sơ đồ nguyên lý.

-

01 bản vẽ lắp tổng thể.

-

01 bản vẽ lắp khớp vai.

-

01 bản vẽ lắp bàn tay và khớp khuỷu tay.

6. Họ tên người hướng dẫn:

TS. Lê Hoài Nam

7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

15/ 01 /2018

8. Ngày hoàn thành đồ án:

31/ 05 /2018
Đà Nẵng, ngày 31 tháng 05 năm 2018

Trưởng Bộ môn
……………………..

Người hướng dẫn


LỜI NĨI ĐẦU
Sau q trình học tập lâu dài, đồ án tốt nghiệp lần này là cơ hội lớn để sinh viên
chúng em có thể áp dụng những kiến thức tổng hợp vào thực tế. Có thể nói, Kỹ thuật Cơ
điện tử là một lĩnh vực mang tính thời đại, cung cấp những giải pháp trong việc tự động
hóa, hiện đại hóa máy móc, từ đó giúp đỡ con người và nâng cao năng suất lao động.
Với mong muốn chế tạo được robot có khả năng thay thế con người trong cơng tác lễ
tân, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay cho
Robot lễ tân. Đề tài được thực hiện bởi nhóm nhiều sinh viên dưới sự tài trợ của cơng
ty FPT. Sau thời gian thực hiện đồ án, chúng em đã chế tạo được cánh tay cho robot lễ
tân có thể thực hiện được những chức năng cơ bản. Tuy nhiên, bên cạnh đó cánh tay vẫn
cịn những hạn chế do khó khăn về mặt kiến thức, thời gian. Trong thời gian thực hiện

đồ án khơng tránh khỏi sai sót, em mong nhận được sự đóng góp của q thầy cơ để em
có thêm kinh nghiệm.
Để hồn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa
– ĐHĐN đã tạo điều kiện để em có thể tham gia đồ án, cảm ơn các thầy cô trong Khoa
Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN, cũng như phía cơng ty FPT đã có sự hỗ
trợ to lớn.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn các thầy Lê Hoài Nam và thầy Đặng Phước
Vinh đã nhiệt tình hướng dẫn chúng em về mọi mặt.
Em xin chân thành cảm ơn 2 anh Lê Hồi Linh và Ngơ Hồng Trung phía cơng ty
đã hỗ trợ chúng em rất nhiều về mặt kiến thức.
Em xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo công ty FPT Software đã hỗ trợ về kinh
phí và nơi làm việc, cảm ơn các anh chị cán bộ FPT Software Đà Nẵng.
Cuối cùng, em xin kính chúc tất cả q thầy cơ sức khỏe và xin chúc công ty FPT
Software Đà Nẵng ngày càng phát triển.
Đà Nẵng, ngày 31 tháng 05 năm 2018
Nhóm sinh viên thực hiện:

Văn Bá Tài

Bùi Văn Danh

i


LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT
Kính gửi: Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Cơ Khí, trường Đại học Bách
Khoa – Đại Học Đà Nẵng.
Chúng tôi là Văn Bá Tài lớp 13CDT1 và Bùi Văn Danh lớp 13CDT1 khoa cơ khí,
trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng.
Chúng tôi xin cam đoan nội dung của Đồ án này không phải là bản sao chép của

bất cứ Đồ án hoặc Cơng trình đã có từ trước. Nếu vi phạm tơi xin chịu mọi hình thức kỷ
luật của Khoa.
Nhóm sinh viên thực hiện
(Ký, ghi rõ họ tên)

ii


MỤC LỤC

LỜI NĨI ĐẦU............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT .....................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ ............................................................... v
DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT LỄ TÂN ........................ 2

1.1

Giới thiệu về Robot lễ tân ............................................................................. 2

1.2

Giới thiệu về cánh tay Robot lễ tân.............................................................. 3

1.3

Chức năng và nhiệm vụ của cánh tay robot. ............................................... 5

CHƯƠNG 2:

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ .............................. 6

2.1

u cầu chức năng, kĩ thuật ......................................................................... 6

2.2

Sơ đồ động học .............................................................................................. 6
Số bậc tự do ............................................................................................. 6
Phương án sơ đồ động học ....................................................................... 7
Kích thước động học ................................................................................ 8

2.3

Tính tốn thiết kế bộ truyền các khớp ....................................................... 11
Tổng quan cấu trúc cánh tay................................................................... 11
Tính tốn thiết kế bàn tay và cổ tay ........................................................ 12
Tính tốn thiết kế khung cẳng tay, bộ truyền khuỷu tay.......................... 16
Tính tốn thiết kế bắp tay và bộ truyền vai ngồi ................................... 24
Tính tốn thiết kế khớp vai trong............................................................ 28
Tính và kiểm nghiệm trục ...................................................................... 31
Chọn ổ lăn.............................................................................................. 39

2.4

Thiết kế vỏ và xây dựng mơ hình ............................................................... 39

CHƯƠNG 3:
3.1

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ....................................... 41

Giới thiệu về các thành phần chính ........................................................... 41
Kit TivaC ............................................................................................... 41
Arduino/ Arduino Pro Mini .................................................................... 43
iii


Module LM2596. ................................................................................... 45
Cảm biến gia tốc góc MPU6050............................................................. 46
Driver VNH2SP30 ................................................................................. 47
Mạch Thu Phát RF Zigbee UART CC2530 ............................................ 48
3.2

Các phương thức giao tiếp ......................................................................... 48
Giao tiếp UART ..................................................................................... 48
Giao tiếp SPI .......................................................................................... 49
Giao tiếp I2C.......................................................................................... 50
Tìm hiểu về RTOS ................................................................................. 51

3.3

Giải thuật điều khiển PID .......................................................................... 52
Giải thuật điều khiển PID ....................................................................... 52
Các thành phần của bộ PID .................................................................... 53

Điều khiển PID số .................................................................................. 56

3.4

Hệ thống điều khiển .................................................................................... 58
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cánh tay ................................................ 58
Tóm tắt hệ thống điều khiển ................................................................... 58
Lưu đồ thuật toán ................................................................................... 59
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ........................................................... 64

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 68

iv


DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ

Bảng 2.1

Bảng kích thước động học thiết kế ban đầu. ............................................. 9

Bảng 2.2

Bảng thông số DH. ................................................................................. 10

Bảng 2.3

Bảng thành phần chi tiết dưới khuỷu tay ................................................ 17

Bảng 2.4

Khối lượng thành phần chính dưới trục vai ngồi ................................... 24

Bảng 2.5

Khối lượng thành phần chính dưới trục vai ngồi. .................................. 29

Bảng 3.1

Ảnh hưởng thơng số của bộ PID đến quá trình xác lập. .......................... 56

Hình 1.1:

Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống Robot lễ tân. ................................................ 2

Hình 1.2:

Robot Sanbot ........................................................................................... 4

Hình 1.3:

Robot Sanbot King Kong và robot Pepper. ............................................... 4

Hình 1.4:

Sơ đồ cấu trúc cánh tay ............................................................................ 5

Hình 2.1:

Sơ đồ các phương án động học ................................................................. 7

Hình 2.2:

Tỉ lệ các bộ phận cơ thể thật (người bình thường). ................................... 8

Hình 2.3:

Sơ đồ động học. ....................................................................................... 9

Hình 2.4:

Tổng quan cấu trúc cơ khí cánh tay ........................................................ 11

Hình 2.5:

Giới hạn xoay các khớp.......................................................................... 12

Hình 2.6:

Các cách bố trí ngón tay ......................................................................... 13

Hình 2.7:

Ngón tay với cơ cấu bản lề. .................................................................... 14

Hình 2.8:

Ngón tay với cơ cấu dây rút ................................................................... 14

Hình 2.9:

Động cơ servo MG90S và ES08MD....................................................... 15

Hình 2.10:

Động cơ GA25.................................................................................... 15

Hình 2.11:

Servo EMAX ES08MD ...................................................................... 16

Hình 2.12:

Kết cấu bàn tay thiết kế 3d. ................................................................. 16

Hình 2.13:

Ống nhơm khung cẳng tay .................................................................. 17

Hình 2.14:

Sơ đồ động bộ truyền khuỷu tay.......................................................... 19

Hình 2.15:

Đặc tính dây đai GT2 bề rộng 6mm. ................................................... 20

Hình 2.16:

Puly GT2 16 răng (a) và 60 răng (b) ................................................... 21

Hình 2.17:

Sơ đồ bộ truyền đai răng 1 cấp khuỷu tay............................................ 21

Hình 2.18:

Sơ đồ căng đai. ................................................................................... 22
v


Hình 2.19:

Lị xo căng đai. ................................................................................... 23

Hình 2.20:

Sơ đồ kết cấu và lực tác dụng trục khuỷu tay. ..................................... 23

Hình 2.21:

Sơ đồ bộ truyền vai ngồi. .................................................................. 26

Hình 2.22:

Sơ đồ căng đai. ................................................................................... 28

Hình 2.23:

Sơ đồ bộ truyền vai trong. ................................................................... 30

Hình 2.24:

Sơ đồ lực tác dụng lên trục 3............................................................... 32

Hình 2.25:

Biểu đồ momen trục 3 vai ngồi.......................................................... 33

Hình 2.26:

Kết cấu trục 3...................................................................................... 33

Hình 2.27:

Sơ đồ lực tác dụng lên trục.................................................................. 34

Hình 2.28:

Biểu đồ momen trục 3 vai ngồi.......................................................... 34

Hình 2.29:

Kết cấu trục 2...................................................................................... 35

Hình 2.30:

Sơ đồ lực tác dụng lên trục.................................................................. 36

Hình 2.31:

Biểu đồ momen trục 3 vai ngồi ......................................................... 36

Hình 2.32:

Kết cấu trục 3 vai trong. ...................................................................... 37

Hình 2.33:

Kết quả thiết kế (a): Khơng vỏ, (b): Có vỏ, (c): Thực tế. ..................... 40

Hình 3.1:

Hình ảnh của Kit TivaC ......................................................................... 41

Hình 3.2:

Sơ đồ chân Kit TivaC ............................................................................. 42

Hình 3.3:

Arduino Pro Mini. .................................................................................. 43

Hình 3.4:

Sơ đồ chân Arduino Pro Mini. ................................................................ 44

Hình 3.5:

Module giảm áp DC – DC LM2596. ...................................................... 45

Hình 3.6:

Sơ đồ mạch module LM2596 ................................................................. 45

Hình 3.7:

Cảm biến MPU6050. .............................................................................. 46

Hình 3.8:

Module VNH2SP30. .............................................................................. 47

Hình 3.9:

Mạch thu phát UART CC2530. .............................................................. 48

Hình 3.10:

Quá trình truyền dữ liệu của UART và RS232. ................................... 49

Hình 3.11:

Giao diện SPI. ..................................................................................... 50

Hình 3.12:

Quá trình truyền nhận dữ liệu SPI ....................................................... 50

Hình 3.13:

Sơ đồ giao tiếp I2C. ............................................................................ 51

Hình 3.14:

Qui trình truyền nhận dữ liệu trong giao tiếp I2C. ............................... 51

Hình 3.15:

Sơ đồ phân quyền ưu tiên. ................................................................... 52

Hình 3.16:

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID. ...................................................... 52

vi


Hình 3.17:

Đồ thị đáp ứng theo thời gian với Kp thay đổi. .................................... 53

Hình 3.18:

Đồ thị đáp ứng theo thời gian với Ki thay đổi. ..................................... 54

Hình 3.19:

Đồ thị đáp ứng theo thời gian, với Kd thay đổi. ................................... 55

Hình 3.20:

Xấp xỉ đạo hàm của biến sai số e. ....................................................... 56

Hình 3.21:

Xấp xỉ tích phân của biến sai số e. ...................................................... 57

Hình 3.22:

Sơ đồ khối tồn bộ hệ thống điều khiển. ............................................. 58

Hình 3.23:

Lưu đồ thuật tốn của vi xử lý trung tâm TivaC. ................................. 60

Hình 3.24:

Lưu đồ thuật tốn máy tính. ................................................................ 61

Hình 3.25:

Hoạt động của Arduino Pro Mini tổng hợp các góc. ............................ 62

Hình 3.26:

Hoạt động của arduino điều khiển servo. ............................................ 62

Hình 3.27:

Sơ đồ tổng thể của mạch điều khiển. ................................................... 64

Hình 3.28:

Sơ đồ mạch khối đọc cảm biến MPU6050. ......................................... 65

Hình 3.29:

Sơ đồ mạch khối nguồn cung cấp........................................................ 65

Hình 3.30:

Khối điều khiển trung tâm và driver động cơ. ..................................... 66

vii


DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
KÍ HIỆU:
CHỮ VIẾT TẮT:
-

PID:

Proportional Integral Derivative.

-

PWM

Pulse Width Modulation.

-

UART:

Universal Asynchronus Receive and Transmitter.

-

SPI:

Serial Peripheral Bus.

-

SCK:

Serial Clock.

-

MISO:

Master Input Slaver Output.

-

MOSI:

Master Output Slaver Input.

-

SS:

Slaver Select.

-

I2C:

Inter - Intergrated Circuit.

-

RTOS:

Real Time Operation System.

-

TI:

Texas Instruments.

viii

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay Robot lễ tân

MỞ ĐẦU
Hiện nay, robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống để giúp đỡ con
người, một trong những robot có chức năng thực tế là robot lễ tân. Robot lễ tân là loại
robot có nhiệm vụ thay thế, trợ giúp như một nhân viên lễ tân. Những robot này có khả
năng chào đón khách, hướng dẫn đường đi, phục vụ bưng bê. Hiện nay trên thế giới, có
rất nhiều loại robot lễ tân khác nhau nhưnga tại Việt Nam chủ yếu là những robot đơn
giản, tương tác với con người thơng qua giọng nói, hoặc chỉ thực hiện một số cơng việc
đơn giản. Với mục đích chung xây dựng một robot lễ tân hiện đại, thông minh có khả
năng di chuyển linh hoạt, tương tác với mơi trường và con người thơng qua giọng nói
và cử chỉ linh hoạt, nhóm em bao gồm Văn Bá Tài và Bùi Văn Danh quyết định thiết kế
và chế tạo cánh tay cho Robot lễ tân. Kết hợp với các sinh viên khác để hoàn thành một
robot hoàn chỉnh.
Mục tiêu của đề tài trong giới hạn đồ án tốt nghiệp là xây dựng cánh tay Robot lễ
tân có hình dáng hoàn chỉnh, thực hiện được những thao tác tương tác và chức năng cơ
bản, tiến hành ghép nối và giao tiếp với các bộ phận khác tạo thành Robot cơ bản đầy
đủ các thành phần.
Cánh tay được thiết kế và chế tạo mô phỏng theo tay thật, dựa trên những dữ liệu
tọa độ, lệnh thao tác nhận được từ hệ thống trung tâm Robot. Thơng qua giải phương
trình động học và lập trình thao tác cho trước, cánh tay có thể đạt đến vị trí nhất định.
Cánh tay sử dụng bộ điều khiển PID để ổn định vị trí kết hợp cảm biến gia tốc góc
MPU6050.
Báo cáo bao gồm những chương sau:
-

Tổng quan về cánh tay Robot lễ tân

-

Tính tốn và thiết kế cơ khí

-

Lập trình và điều khiển

Sinh viên thực hiện: Văn Bá Tài & Bùi Văn Danh

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

1


Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay Robot lễ tân

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT LỄ TÂN
1.1

Giới thiệu về Robot lễ tân

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều loại robot lễ tân được nghiên cứu. chế tạo và
sử dụng thực tế, từ đơn giản tới phức tạp nhưng nhìn chung thì tất cả các robot đều có
thể tương tác với con người.

Hình 1.1: Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống Robot lễ tân.
Hầu hết các robot đều có thể di chuyển và tương tác với con người thơng qua giong
nói, màn hình hiển thị. Vì lẽ đó, cơng ty FPT Đà Nẵng mong muốn phát triển 1 chú
robot lễ tân có khả năng hoạt động tự do trong khn viên của tịa nhà FSoft (thuộc cơng
ty FPT Đà Nẵng) với các nhiệm vụ chính như:
-

Di chuyển tự động trong khn viên tịa nhà.

-

Dẫn đường cho khách.

Sinh viên thực hiện: Văn Bá Tài & Bùi Văn Danh

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

2


Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay Robot lễ tân

-

Giới thiệu, hướng dẫn khách về công ty.

-

Nhận diện người quen để chào hỏi.

-

Bấm nút thang máy.

Với các chức năng thuộc những lĩnh vực khác nhau của Robot lễ tân, nhóm chúng
em gồm 9 thành viên đến từ Khoa Cơ khí và Khoa Điện tử viễn thơng được thành lập

với mục tiêu phát triển 1 chú robot có thể thực hiện những nhiệm vụ nêu trên. Các nhóm
thành viên được phân cơng cơng việc có nội dung phù hợp với chuyên ngành của mình,
bao gồm các nội dung sau:

- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cân bằng trên 2 bánh cho robot.
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cánh tay cho robot.
- Nhận diện khuôn mặt sử dụng mạng neuron.
- Xây dựng 3D map và tránh vật cản.
- Kết nối, xử lý, điều khiển trung tâm.
Với các nội dung đề tài được đặt ra như trên, nhóm chúng em quyết định chọn đề
tài “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cánh tay cho robot” bởi nội dung đề tài rất phù
hợp với chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử và khối lượng công việc phù hợp với khối
lượng mà đồ án tốt nghiệp đặt ra.
1.2

Giới thiệu về cánh tay Robot lễ tân

Cánh tay là bộ phận không thể thiếu đối với con người cũng như với 1 robot lễ tân
làm nhiệm vụ giao tiếp với con người. Cánh tay giúp robot tương tác tốt hơn thông qua
cử chỉ hành động, tạo cảm giác thân thiện và gần gũi. Việc thiết kế cánh tay tùy thuộc
vào yêu cầu chức năng của từng loại robot. Cánh tay có nhiều loại:
Cánh tay đơn giản 1 bậc tự do:

Sinh viên thực hiện: Văn Bá Tài & Bùi Văn Danh

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

3

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay Robot lễ tân

Hình 1.2: Robot Sanbot
Cánh tay loại này có ưu điểm là thiết kế và chế tạo đơn giản. Do chỉ có 1 bậc tư
do nên việc tương tác đơn giản và khơng thực hiện nhiều chức năng khác.

Hình 1.3: Robot Sanbot King Kong và robot Pepper.
Cánh tay robot nhiều bậc tư do giúp cho robot thực hiện nhiều thao tác cử chỉ tương
tự như tay người thật. Những cánh tay loại này thường được trang bị bàn tay giúp robot
có khả năng thực hiện nhiều chức năng khác.
Với mong muốn tạo ra một robot lễ tân hiện đại, có khả năng tương tác tốt với
khách hàng, FPT quyết định thực hiện robot lễ tân với đầy đủ 2 cánh tay có hình dạng
gần giống tay thật.
1.1.

Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý làm việc

Sinh viên thực hiện: Văn Bá Tài & Bùi Văn Danh

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

4


Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay Robot lễ tân

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc cánh tay
Nguyên lý làm việc: Hệ thống 2 cánh tay robot được gắn trên thân chung với các
thành phần khác tạo thành 1 thể thống nhất bao gồm: Hệ thống cân bằng và di chuyển,
hệ thống thu nhận tín hiệu từ mơi trường (quét bản đồ 3D – 3D MAP và hệ thống nhận

diện khuôn mặt - DETECT FACE SYSTEM), bô điều khiển trung tâm Robot.
Cánh tay là bộ phận thực thi của robot. Đầu tiên, cánh tay nhận tín hiệu từ bộ điều
khiển trung tâm bao gồm: Tọa độ 3d (nhận được từ 3D MAP) và mã lệnh thể hiện hành
vi giao tiếp (Nhận được từ hệ thống nhận diện khuôn mặt - DETECT FACE SYSTEM).
Nếu là các hành vi giao tiếp sẽ được qui đổi trực tiếp thành các góc khớp để tạo ra
chuyển động và hình dáng giao tiếp phù hợp. Các tín hiệu là tọa độ 3D cũng được chuyển
thành góc khớp thơng qua bộ chuyển đổi góc (nhận được từ việc giải phương trình động
hoc).
Sau đó, các góc khớp được đưa vào bộ điều khiển PID để ổn định vị trí cơ cấu chấp
hành là hệ thống các khớp. Đồng thời, góc khớp cũng được chuyển đến hệ thống bàn
tay. Hệ thống cảm biến gắn trên mỗi khâu để xác định đúng vị trí hiện tại khâu đó và
phản hồi về bộ điều khiển PID, nhờ đó mà cánh tay có thể đạt được và ổn định đúng vị
trí mong muốn.
1.3

Chức năng và nhiệm vụ của cánh tay robot.

Do hạn chế về mặt thời gian cũng như đây là mơ hình chế tạo thử nghiệm đầu tiên
nên cánh tay sẽ có những chức năng sau:
-

Cánh tay có khả năng thực hiện các hành vi giao tiếp cơ bản như chào hỏi,
bắt tay, chỉ dẫn đường trong tòa nhà.

-

Cánh tay và bàn tay có thể bấm nút thang máy.

-

Bàn tay có khả năng cầm nắm đồ vật đơn giản.

Sinh viên thực hiện: Văn Bá Tài & Bùi Văn Danh

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

5


Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay Robot lễ tân

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ
u cầu chức năng, kĩ thuật

2.1

Để q trình tính tốn đúng và cánh tay hoạt động hiệu quả, ta có một số yêu cầu
kĩ thuật để định hình dáng và kết cấu của cánh tay như sau:
-

Cánh tay được thiết kế có hình dạng và kết cấu tương tự tay người thật, phù
hợp kích thước tổng thể robot

-

Cánh tay có khả năng chuyển động thao tác tự nhiên, hình thể khơng gị bó.

-

Bàn tay có khả năng cầm nắm đồ vật.

-

Ngón tay có khả năng bấm được nút thang máy.

Bên cạnh đó, ta cũng có các thơng số đầu vào:

2.2

-

Chiều cao toàn bộ robot: 1,4m

-

Chiều cao nút bấm thang máy so với mặt đất: 1m

-

Khoảng cách ngang từ thân robot tới nút thang máy: 30cm

-

Khối lượng vật cầm nắm: < 50g.

-

Tốc độ di chuyển mỗi khớp khuỷu tay, khớp vai: 0,18 - 0,3 vòng/s

-

Tốc độ quay tối đa khớp cổ tay: 0,3 vòng/s.

-

Khối lượng: < 3kg.
Sơ đồ động học

Sơ đồ động học phù hợp với hình dạng và chức năng được đặt ra.
Số bậc tự do
Đối với cánh tay thật có số bậc tự do là 7. Tuy nhiện, với cánh tay robot dạng
người, rất khó để chế tạo. Số bậc tự do càng cao, cánh tay sẽ càng chuyển động mượt
mà nhưng khó chế tạo, điều khiển phức tạp, do đó giá thành cao. Để thực hiện đầy đủ
chức năng, thao tác thì 5 bậc tự do là phù hợp nhất. Trong giới hạn về mặt thời gian, và
mục đích chế tạo thử nghiệm lần đầu, số bậc tự do được lựa chọn là 4. Với 4 bậc tự do
đủ để cánh tay thực hiện được các chức năng đã đặt ra.
 Kết luận: Số bậc tự do: 4.

Sinh viên thực hiện: Văn Bá Tài & Bùi Văn Danh

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

6


Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay Robot lễ tân

Phương án sơ đồ động học
Phương án lựa chọn
Sau đây là một số phương án được lựa chọn:

(a)

(b)

(c)

Hình 2.1: Sơ đồ các phương án động học
Phương án 1 (hình 2.1a)
-

Ưu điểm: Trường hoạt động khá rộng do có khớp vai quay quanh trục đứng,
hình thể khi thao tác chuyển động linh hoạt. Đồng thời, khớp vai chịu momen
thấp.

-

Nhược điểm: Khớp vai khá lớn và khó lắp đặt => hình thể xấu.

Phương án 2 (hình 2.1b)
-

-

Ưu điểm: Trường hoạt động rộng, khớp vai lúc này có thể nhỏ gọn, thao tác
vẫn linh hoạt. Tuy nhiên, bộ truyền tại O1 bố trí trong bắp tay-> khó lắp đặt,
phàn bắp tay u cầu kích thước lớn-> hình thể khơng phù hợp.
Nhược điểm: khớp thứ 2 đặt trong bắp tay -> kích thước lớn, khó lắp đặt.

Phương án 3 (hình 2.1c)

-

Ưu điểm: Hình thể nhỏ gọn, phù hợp với cơ thể thật khớp vai được bố trí bên
trong thân.
Nhược điểm: Trường hoạt động bị hạn chế nhưng phía trước trong thân, tuy
nhiên vẫn đáp ứng các thao tác chức năng đặt ra. Khớp vai chịu momen lớn.

Kết luận: Dựa vào những yêu cầu ban đầu đã đặt ra, ta lựa chọn phương án thứ 3.
Sinh viên thực hiện: Văn Bá Tài & Bùi Văn Danh

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

7


Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay Robot lễ tân

Kích thước động học
Cánh tay được thiết có hình dáng và kích thước tương tự như tay người thật, do
đó, các kích thước của tay sẽ được lấy theo tỉ lệ so với cơ thể thật. Trong quá trình thiết
kế, để đảm bảo tính lắp đặt hoặc tính kết cấu, có thể thay đổi trong khoảng cho phép so
với kích thước ban đầu.

Hình 2.2: Tỉ lệ các bộ phận cơ thể thật (người bình thường).
Từ hình 2.2, với chiều cao ước tính của robot là H = 1,3m, ta tính được chiều dài
các khâu:
-

Chiều dài từ trục cổ tới khớp vai: 𝐿𝑣𝑎𝑖 =0,259H = 363mm.

-

Chiều dài phần bắp tay: 𝐿𝑏ắ𝑝 𝑡𝑎𝑦 = 0,186𝐻 = 240𝑚𝑚.

-

Chiều dài phần cẳng tay: 𝐿𝑐ẳ𝑛𝑔 𝑡𝑎𝑦 = 0,146𝐻 = 190𝑚𝑚.

-

Chiều dài phần bàn tay: 𝐿𝑏à𝑛 𝑡𝑎𝑦 = 0,108𝐻 = 140𝑚𝑚.

Như vây, ta có sơ đồ động học cụ thể như hình 2.3:

Sinh viên thực hiện: Văn Bá Tài & Bùi Văn Danh

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

8


Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay Robot lễ tân

Hình 2.3: Sơ đồ động học.
Như hình 2.3, ta kí hiệu 4 khâu 1, 2, 3, 4 lần lượt là vai, bắp tay, cẳng tay và bàn tay.
Ta có:
Bảng 2.1

Bảng kích thước động học thiết kế ban đầu.

STT

Kí
hiệu

Giá trị(mm)

Giải thích

1

d1

110

Khoảng cách từ giá đỡ vai tới trục khớp vai ngoài

2

a2

240

Khoảng cách từ trục khớp vai ngoài tới trục khuỷu tay

3

d3

190

Khoảng cách từ trục khuỷu tay tới điểm cổ tay

4

d4

240

Khoảng cách từ trục khuỷu tay tới điểm tác động bàn tay

Sinh viên thực hiện: Văn Bá Tài & Bùi Văn Danh

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

9


Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay Robot lễ tân

Bảng 2.2

Bảng thông số DH.

DH

θ

α

a

d

1

𝜃1∗

900

0

𝑑1

2

𝜃2∗

−900

𝑎2

0

3

𝜃3∗

900

0

0

4

𝜃4∗

00

0

𝑑4

Từ bảng thông số DH và sơ đồ động học của cánh tay, ta xác định được các ma
trận Ai:
cos(1 )
 sin( )
1
A1 = 
 0

 0

0 sin(1 )
0
0 − cos(1 ) 0 
1
0
d1 


0
0
1

cos( 2 ) 0 − sin( 2 ) a2 *cos( 2 ) 
 sin( ) 0 cos( ) a *sin( ) 
2
2
2
2 
A2 = 
 0

−1
0
0


0
0
1
 0

cos(3 )
 sin( )
3
A3 = 
 0


 0

0 sin(3 )
0 − cos(3 )
1
0
0
0

cos( 4 ) − sin( 4 )
 sin( ) cos( )
4
4
A4 = 
 0
0

0
 0

0
0 
0

1

0 0
0 0 
1 d4 


0 1

Suy ra ma trận T = A1 * A2 * A3 * A4 =
 −C4 .( S1.S3 − C1.C2 .C3 ) − C1.S2 .S4
 C .(C .S − S .C .C ) − C .S .S
1 2 4
 4 1 3 1 2 3

C2 .S4 + S2 .C3 .C4

0


S4 .( S1.S3 − C1.C2 .C3 ) − C1.S2 .C4
−S4 .(C1.S3 + S1.C2 .C3 ) − S1.S2 .C4
C2 .C4 − S2 .C3 .S4
0

C3 .S1 + C1.C2 .S3
−C3 .C1 + S1.C2 .S3
S2 .S3
0

d 4 .(S1.C3 + C1.C2 .S3 ) + a2 .C1.C2 
−d 4 .(C1.C3 + S1.C2 .S3 ) + a2 .S1.C2 

d1 + a2 .S2 + d 4 .S2 .S3

1


Mặt khác ta có dạng tổng quát của ma trận vector cuối:

Sinh viên thực hiện: Văn Bá Tài & Bùi Văn Danh

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

10