Thiết Kế Chế Tạo Robot 04 Bậc Tự Do Mô Phỏng Chuyển Động Trên Tàu Thủy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẶNG VĂN MƯỜI

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT 04 BẬC TỰ DO

MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG TRÊN TÀU THỦY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI - 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẶNG VĂN MƯỜI

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT 04 BẬC TỰ DO

MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG TRÊN TÀU THỦY

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THĂNG LONG

HÀ NỘI - 2017

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành với sự hỗ trợ của đề tài độc lập cấp nhà nước mã số

ĐTĐL.CN-02/2017 và đề tài cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QG.16.28.

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi còn nhận được sự

giúp đỡ nhiệt tình từ phía nhà trường, cán bộ hướng dẫn, gia đình, công ty và bạn bè. Tôi

xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến:

- TS. Nguyễn Thăng Long, Bộ môn vi cơ điện tử và vi hệ thống, Khoa Điện Tử

Viễn Thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng

dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn.

- Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho

tôi học tập, nghiên cứu tạo tiền đề vững chắc cho tôi hoàn thành khóa luận.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và tất cả bạn bè đã luôn ở bên, ủng hộ

tôi để hoàn thành khóa luận.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 29 tháng 12 năm 2017

Đặng Văn Mười

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, luận văn là công trình nghiên cứu của tôi, có hỗ trợ từ cán bộ

hướng dẫn là TS. Nguyễn Thăng Long cùng các thành viên trong nhóm nghiên cứu. Nội

dung nghiên cứu trong luận văn không sao chép bất kỳ công trình nghiên cứu của người

khác. Ngoài ra, luận văn còn sử dụng thông tin, hình vẽ, số liệu được thu thập từ nhiều

nguồn khác nhau được chỉ rõ ở phần tài liệu tham khảo.

Nếu có bất kỳ sự gian lận nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước hội đồng

nhà trường cũng như kết quả của luận văn này.

Hà Nội, ngày 29 tháng 12 năm 2017

Học viên

Đặng Văn Mười

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ ...............................................................................................................iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................................... v

MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................ 1

TỔNG QUAN .............................................................................................................. 3

1.1. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ...........................................................3

Yêu cầu xây dựng mô hình ..............................................................................3

Biểu diễn phương hướng của vật thể ...............................................................4

1.2. TỔNG QUAN VỀ ROBOT ......................................................................................5

Giới thiệu và phân loại robot............................................................................5

1.2.1.a. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động .................5

1.2.1.b. Phân loại theo thế hệ.........................................................................6

1.2.1.c. Phân loại theo nguồn dẫn động.........................................................6

1.2.1.d. Phân loại theo kết cấu động học .......................................................7

Robot song song và ứng dụng..........................................................................7

THIẾT KẾ CƠ KHÍ.................................................................................................... 9

2.1. TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN MÔ HÌNH...................................................................9

Đánh giá các mô hình robot có sẵn trên thị trường..........................................9

Lựa chọn mô hình robot song song................................................................10

Mô hình robot song song 4 bậc tự do.............................................................11

2.2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO .....................................................................................13

Giới thiệu phần mềm Solidworks...................................................................13

Thiết kế, mô phỏng và chế tạo .......................................................................14

THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ................................................................................................ 17

3.1. THIẾT KẾ, LỰA CHỌN THIẾT BỊ.....................................................................17

Tính toán, lựa chọn động cơ...........................................................................17

Tính toán, lựa chọn encoder...........................................................................19

Cảm biến chuyển động MPU 6050 ................................................................20

ii

Bộ KIT điều khiển Arduino MEGA 2560......................................................21

Mạch điều khiển động cơ DC ........................................................................23

Nguồn điện .....................................................................................................24

3.2. MẠCH ĐIỆN VÀ CÁCH GHÉP NỐI...................................................................25

THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN....................................................... 27

4.1. SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN...........................................................................................27

4.2. THUẬT TOÁN PID VÀ BỘ LỌC SỐ ..................................................................28

Thuật toán PID ...............................................................................................28

4.2.1.a. Giới thiệu về thuật toán PID...........................................................28

4.2.1.b. Ứng dụng điều khiển PID cho robot 4 bậc tự do............................31

4.2.1.c. Lựa chọn bộ thông số PID..............................................................32

4.2.1.d. Thử nghiệm thực tế bộ thông số PID .............................................34

Bộ lọc số.........................................................................................................41

4.2.2.a. Bộ lọc số Kalman ...........................................................................42

4.2.2.b. Bộ lọc số Complementary ..............................................................42

KẾT QUẢ THỰC TẾ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................ 44

5.1. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM THỰC TẾ.................................................................44

Thử nghiệm tốc độ xử lý của vi điều khiển....................................................44

Thử nghiệm giá trị bước dịch chuyển ............................................................44

Thử nghiệm bám vị trí của động cơ ...............................................................45

5.2. PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................................................47

Đối với thiết kế cơ khí....................................................................................48

Đối với thiết kế điện tử...................................................................................48

Đối với thiết kế chương trình điều khiển .......................................................48

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................... 50

PHỤ LỤC..................................................................................................................................... 52

iii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Mô phỏng chuyển động trên tàu thủy bằng phương pháp thủ công .........3

Hình 1.2. Phép biểu diễn Euler .................................................................................4

Hình 1.3. Biểu diễn góc nghiêng, góc ngẩng và góc cuộn........................................5

Hình 1.4. Robot song song hexapod của Eric Gough ...............................................8

Hình 1.5. Các ứng dụng của robot song song ...........................................................8

Hình 2.1. Các mô hình có sẵn trên thị trường...........................................................9

Hình 2.2. Hình ảnh thực tế của robot 3 bậc tự do ...................................................10

Hình 2.3. Mô hình toán học của robot 3 bậc tự do..................................................10

Hình 2.4. Robot 4 bậc tự do và trạm thu phát sóng di động ...................................12

Hình 2.5. Solidworks 2017......................................................................................13

Hình 2.6. Động cơ tuyến tính (linear motor) ..........................................................14

Hình 2.7. Động cơ trục quay...................................................................................14

Hình 2.8. Đế cố định và các động cơ tuyến tính.....................................................15

Hình 2.9. Bàn động .................................................................................................15

Hình 2.10. Mâm xoay gắn trên bàn động................................................................16

Hình 2.11. Mô hình hoàn thiện của robot 4 bậc tự do ............................................16

Hình 3.1. Động cơ tuyến tính..................................................................................18

Hình 3.2. Động cơ quay ..........................................................................................18

Hình 3.3. Encoder 334 xung/vòng ..........................................................................20

Hình 3.4. Cảm biến chuyển động MPU 6050 .........................................................20

Hình 3.5. KIT Arduino Mega 2560.........................................................................22

Hình 3.6. Mạch điều khiển động cơ........................................................................24

Hình 3.7. Nguồn xung 24V DC – 10A ...................................................................24

Hình 3.8. Nguồn xung 12V DC – 1A .....................................................................25

Hình 3.9. Sơ đồ ghép nối hệ thống..........................................................................25

Hình 4.1. Sơ đồ thuật toán.......................................................................................27

Hình 4.2. Tác động của hệ số tỉ lệ tới đầu ra của hệ thống.....................................29