NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HOÀN THIỆN BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 4 BẬC TỰ DO

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đề tài “Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Bộ Điều Khiển Robot Scara Ứng Dụng Trong Học Tập” được xây dựng dựa trên nền tảng đề tài tốt nghiệp “Nghiên Cứu Chế Tạo Robot Scara 4 Bậc Tự Do” (do Ts.............. hướng dẫn học kỳ I, năm học 201... – 201...) với phần lý thuyết nghiên cứu và phần thi công. Phần nội dung nghiên cứu của đề tài gồm những vấn đề sau:

• Giới thiệu chung về robot công nghiệp: lịch sử hình thành phát triển và ứng dụng của robot công nghiệp.
• Thi công mạch điện điều khiển robot: các mạch điều khiển các DC Servo, mạch nhận phản hồi Encoder, mạch giao tiếp RS232C – ATmega32.
• Tìm hiểu về vi điều khiển ATmega32: cấu trúc, chức năng các phần chính trong ATmega32.
• Lập trình thực hiện truyền thông RS232C: bằng công cụ MSComm và Win API.
• Lập trình đồ họa 3D OpenGL.
• Dùng MFC lập trình giao diện chương trình.

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

Ngày nay trong nền sản xuất hiện đại, chúng ta không thể phủ nhận vai trò quan trọng của các robot công nghiệp trong các hệ thống sản xuất tự động . Robot công nghiệp giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giải phóng con người khỏi những công việc nguy hiểm hay những công việc nhàm chán trong quá trình sản xuất.

Trong hệ thống sản xuất tự động, một robot công nghiệp có thể thực hiện các công việc như: vận chuyển sản phẩm, sơn, quét hay lau chùi, … Hiện nay, có nhiều loại robot được sử dụng trong sản xuất, trong đó robot Scara (Selective Compliant Assembly Robot Arm) với 3 khớp song song và 1 khớp tịnh tiến theo phương dọc thích hợp với nhiều hoạt động khác nhau trong sản xuất.

Vì vậy, việc trang bị kiến thức về robot nói chung và loại robot Scara nói riêng cho sinh viên kỹ thuật là rất cần thiết. Sinh viên phải được học tập, làm việc cùng với robot thật như trong sản xuất thực tế. Và đây cũng là đối tượng nghiên cứu của đề tài.

2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC:

Thuật ngữ “robot” xuất hiện đầu tiên trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek vào năm 1922. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để làm việc hầu hạ con người.

Và những chiếc máy như thế đã xuất hiện ngoài thực tế sau thế chiến thứ hai, những tay máy chép hình điều khiển từ xa được sử dụng trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ ở Hoa Kỳ. Sau đó, những chiếc máy như thế hay còn gọi là “ robot ” dần đi vào trong thực tế sản xuất công nghiệp, thuật ngữ “robot công nghiệp ” dần trở nên quen thuộc trong nền sản xuất.

Robot công nghiệp đã trở thành một môn học quan trọng trong chương trình đào tạo của các trường đại học trên thế giới, xuất hiện ngày càng nhiều công ty chuyên nghiên cứu sản xuất ra những robot dùng trong nền sản xuất công nghiệp, trong y học và trong các lĩnh vực khác của cuộc sống như: General Motors, Hitachi, Mitsubishi, IBM,MOTOMAN, EPSON, PANASONIC, SONY, …

Đặc biệt hơn hết là các robot được dùng trong giáo dục, chúng phải gần với thực tế sản xuất nhưng cũng phải mang nhiều tính khoa học sư phạm như: trực quan, dễ sử dụng, linh hoạt và phải được kết nối đa điều khiển để có thể đáp ứng nhiều hơn nhu cầu học tập, thực tập của người học. Vì vậy, các robot được ứng dụng trong học tập phải được kết nối với máy vi tính, phải có giao diện được lập trình và điều khiển thônag qua máy tính. Nhưng số lượng các loại robot này không nhiều, chúng không được chú trọng trong các công ty sản xuất robot công nghiệp trên thế giới. Mặt khác, chi phí cho một robot chuyên dùng trong giáo dục không phải là thấp. Vì vậy đã hạn chế phần nào cơ hội tiếp cận với robot cho sinh viên kỹ thuật.

Tại Việt Nam, tỷ lệ robot phục vụ dạy học so với tỷ lệ sinh viên còn thấp hơn nhiều so với thế giới. Có nhiều trường đại học, cao đẳng kỹ thuật không thể trang bị robot dùng trong học tập của sinh viên. Các đề tài nghiên cứu về loại robot này trong các viện nghiên cứu, các trường đại học còn quá ít, chưa đạt thành tựu nhiều. Số lượng robot từ các đề tài này được đưa vào dạy học còn quá ít.

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI:

            Mục đích chính của đề tài “ NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 4 BẬC TỰ DO DÙNG TRONG HỌC TẬP” là:

• Nghiên cứu và hoàn thiện bộ điều khiển Robot Scara như: thực hiện phối hợp hoạt động giữa các khớp để tiến đến nội suy theo đường cho robot, mô phỏng hoạt động của robot trên máy tính như hoạt động ngoài thực tế.
• Chương trình điều khiển hoạt động của robot thực hiện được theo 3 chế độ là: điều khiển bằng tay, bán tự động và tự động hoàn tòan.
• Xây dựng chương trình và các bài tập ứng dụng trong giảng dạy dựa trên 3 chế độ hoạt động của Robot Scara.
• Nghiên cứu điều khiển servo, lý thuyết và ứng dụng PID để điều khiển chính xác vị trí và vận tốc của động cơ DC.
• Thực hiện giao tiếp máy tính với vi điều khiển cũng như là truyền thông đa xử lý giữa các vi điều khiển.

Và trên hết, nhóm muốn nghiên cứu và ứng dụng những kiến thức kiến thức đã tích lũy và những kiến thức mới vào thực tế nhằm trang bị hành trang cho nghề nghiệp trong tương lai.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

               Các phương pháp nghiên cứu chủ yếu được sử dụng trong đề tài là:

Tham khảo tài liệu: robot liên quan đến rất nhiều lĩnh vực như: cơ khí, điện – điện tử, đồ học máy tính, lập trình giao tiếp, … Vì vậy cần phải tham khảo nhiều loại tài liệu để có một nền tảng kiến thức hoàn chỉnh, có cái nhìn tổng quan chính xác về toàn bộ vấn đề chế tạo, điều khiển robot Scara.

Truy cập mạng Internet: Internet là một nguồn tài liệu phong phú và hữu ích cho con người. Nó chứa đựng những nguồn thông tin mới nhất, những tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật.

Tự nghiên cứu: sau khi đã tham khảo tài liệu và tìm thông tin trên Internet, nhóm phải tự nghiên cứu để đưa ra và chọn phương pháp thiết kế, chế tạo và điều khiển tốt nhất cho robot Scara.

Phương pháp thử sai: một trong những phương pháp điều khiển DC Servo chính xác về vị trí và vận tốc là phải trải nghiệm thực tế. Qua nhiều lần hiệu chỉnh các thông số điều khiển và quan sát, kiểm tra độ chính xác để đưa ra thông số điều khiển chính xác nhất.

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

-Hệ thống truyền dẫn động: là bộ phận tạo nên sự chuyển dịch của các khớp động có thể là cơ khí, thủy khí hay điện khí. Trong đề tài này hệ thống truyền dẫn động là các động cơ điện DC Servo.

-Hệ thống điều khiển: là bộ phận đảm bảo sự hoạt động của robot theo các thông tin đặt trước hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc. Hệ thống điều khiển trong đề tài này là mạch điều khiển trung tâm và các mạch công suất điều khiển các DC Servo mà thành tố chủ chốt là sự hoạt động của các vi điều khiển Mega32 của Atmel Corporation.

-Hệ thống cảm biến tín hiệu: thực hiện nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của robot và môi trường. Trong đề tài, hệ thống cảm biến chỉ sử dụng hệ thống cảm biến nội tín hiệu là các công tắc hành trình và các encoder của các Dc servo. Các công tắc hành trình để cảm nhận giới hạn hoạt động của các khớp robot và encoder thông báo thông tin về vị trí của trục động cơ.

-Giao diện điều khiển trên máy tính: robot được điều khiển theo chương trình dựa trên phần mềm được lập trình và thực thi trên máy tính. Phần mềm lập trình bằng các ngôn ngữ cấp cao như: Basic, C, C⁺⁺, Delphi, ….Trong đề tài này, phần mềm điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ C⁺⁺ trên nền phiên bản Visual C⁺⁺ 6.0 và điều khiển thông qua cổng RS232C của máy tính.

2. ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ VÀ ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN:

2.1.Điều khiển vòng hở:

Điều khiển vòng hở là dạng điều khiển mà tín hiệu chỉ đi theo một hướng từ bộ điều khiển đến động cơ. Không có tín hiệu từ động cơ hoặc tải để cho bộ điều khiển biết rằng hành động hay chuyển động đã xảy ra.

MỤC LỤC

Đề mục                                                                                           Trang

          Trang bìa                                                                                       1

          Lời cảm ơn                                                                                    2

          Tóm tắt đề tài                                                                                3

          Mục lục                                                                                         4

          Danh sách hình vẽ                                                                        4

          Danh sách bảng biểu                                                                    4

PHẦN I. ĐẶT VẤN ĐỀ                                                                               4

          I.    Đối tượng nghiên cứu                                                                                     4

            II. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước                                                    4

PHẦN II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ                                                                                        6

          I.    Mục đích đề tài                                                                                                6

          II.        Phương pháp nghiên cứu                                                                           6         

           III.       Nội dung            7

                        1.   Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp                                           7

                        2.   Điều khiển vòng hở và vòng kín                                                        8

                        3.   Động cơ DC Servo và các phương pháp điều khiển                        10

      3.1. Động cơ DC và DC Servo                                                             10

      3.2.  Encoder                                                                                      13

      3.3.  Điều khiển vị trí và vận tốc động cơ DC servo                       15

                        4.   Vi điều khiển ATmega32                                                                   19

                        5.   OpenGL và truyền thông RS232                                                       24

                        6.   Thi công mạch điều khiển                                                                 26

                        7.   Giới thiệu phần mềm Visual C++ 6.0 và CodeVisionAVR                       28         

                         8.         Kết quả thi công                                                                            29

PHẦN III. KẾT LUẬN                                                                                                         31

            Phụ lục A: Sơ đồ kết nối phần cứng

            Phụ lục B: Lưu đồ giải thuật phần mềm Scara SPKT

            Phụ lục C: Chương trình phần mềm Scara SPKT

            Phụ lục D: Lưu đồ giải thuật vi điều khiển ATmega32

            Phụ lục E: Chương trình vi điều khiển ATmega32

            Phụ lục F: Bảng vẽ mạch in và sơ đồ lắp ráp linh kiện

            Tài liệu tham khảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bùi Quý Lực. Hệ Thống Điều Khiển Số Trong Công Nghiệp. Hà Nội, NXB Khoa học và kỹ thuật.
Dương Tử Cường, 2005. Ngôn Ngữ Lập Trình C++. Hà Nội, NXB Khoa học và kỹ thuật.
Đỗ Xuân Tiến, 1999. Kỹ Thuật Lập Trình Điều Khiển Hệ Thống. Hà Nội, NXB Khoa học và kỹ thuật.
Ngô Diên Tập, 2000. Lập Trình Ghép Nối Máy Tính Trong Windows. Hà Nội, NXB Khoa học và kỹ thuật.
Ngô Diên Tập, 2000. Kỹ Thuật Ghép Nối Máy Tính. Hà Nội, NXB Khoa học và kỹ thuật.
Ngô Diên Tập, 2003. Kỹ Thuật Vi Điều Khiển với AVR. Hà Nội, NXB Khoa học và kỹ thuật.
Nguyễn Đình Tê, 2005. Tự Học Lập Trình Visual C++ MFC Qua Các Ví Dụ. Thành  phố Hồ Chí Minh, NXB Lao động – xã hội.
Nguyễn Văn Hoàng& Nhóm Tác Giả Elicom, 2002. Tự Học Visual C++ 6 Trong 21 Ngày. NXB Thống Kê.
Tống Văn On – Hoàng Đức Hải, 2005. Họ Vi Điều Khiển 8051. Thành  phố Hồ Chí Minh, NXB Lao động – xã hội.
Jan Axelson, 1998. Serial Port Complete. Madison – USA, Lakeview Research.
 Microsoft, 2001. MSDN Library (October 2001 release).
Servo control facts. Baldor electric company
Motion controller. School of Information Technology and Electrical Engineering The University of Queensland. Prepared By: Lawrence Tan Chee Hong. Supervior: Dr. Z.Y Dong