Thạc Sĩ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình cánh tay robot nhặt rác

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Ngành công nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot công nghiệp để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí, hỗ trọ các công việc hàng ngày cũng như chăm sóc con người. Tại Việt Nam, robot hỗ trợ cho cuộc sống hàng ngày chưa được xuất hiện nhiều và chủ yếu được nhập từ nước ngoài với giá thành còn quá đắt đối với thị trường Việt Nam.
Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình cánh tay robot nhặt rác”.
Với các phòng thí nghiệm, đây là một mô hình để sinh viên thực nghiệm và nghiên cứu, để hướng tới cho các bạn sinh viên một cái nhìn cụ thể, thực tiễn hơn về robot.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và các phương pháp điều khiển thích hợp trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến và xây dựng những giải pháp phần cứng cũng như phần mềm để thiết kế, chế tạo, điều khiển robot thu gom rác. Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, có thể áp dụng vào phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học cũng như ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là phương trình động học của robot để đưa ra thuật điều khiển tối ưu cho robot; chip 16F7XA dùng cho robot để điều khiển cánh tay robot và phần cơ khí để chế tạo mô hình robot thu gom rác.
Nghiên cứu này chỉ giới hạn trong phạm vi nghiên cứu, chế tạo, điều khiển robot thu gom rác với các phần mềm điều khiển và chip nêu trên.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn về chế tạo, điều khiển robot.
Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:
- Nghiên cứu về phương trình động học thuận, ngược của robot;
- Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm để điều khiển robot;
- Nghiên cứu và ứng dụng các phần gia công cơ khí để chế tạo robot.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm các phần:
Mở đầu
Lý do chọn đề tài
Mục đích nghiên cứu
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan về robot
1.1. Lịch sử phát triển của robot
1.2. Định nghĩa robot
1.3. Phân loại cánh tay robot
1.4. Robot tự hành
1.5. Các ứng dụng của robot
1.6. Khái quát về robot thu gom rác
Chương 2: Giới thiệu chip 16F87XA dùng cho robot
2.1. Giới thiệu về Pic 16F7XA
2.2. Tổ chức bộ nhớ
2.3. Các port vào/ra
2.4. Modul Timer()
2.5. Prescaler
2.6. Capture/ compare/ modul PWM
Chương 3: Động học tay máy
3.1. Bài toán thuận của động học tay máy
3.2. Bài toán ngược của động học tay máy
3.3. Mô hình động học, động lực học robot di động
Chương 4: Thiết kế, chế tạo mô hình cánh tay robot nhặt rác
4.1. Thiết kế và chế tạo phần cơ khí mô hình robot nhặt rác
4.2. Thiết kế và thi công mạch điện
4.3. Xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển
4.4. Hoạt động của robot nhặt rác
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC BẢNG 1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 2
MỞ ĐẦU 5
1. Lý do chọn đề tài 5
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài 5
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 5
4. Phương pháp nghiên cứu 6
5. Cấu trúc của luận văn 6
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 8
1.1. Lịch sử phát triển của robot 8
1.2. Định nghĩa robot 9
1.3. Phân loại cánh tay robot 12
1.3.1. Phân loại theo hình học không gian hoạt động 12
1.3.1.1. Robot tọa độ vuông góc 12
1.3.1.2. Robot tọa độ trụ 13
1.3.1.3. Robot tọa độ cầu 13
1.3.1.4. Robot bản lề 14
1.3.1.5. Robot SCARA 14
1.3.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển 14
1.3.3. Phân loại theo hệ thống năng lượng 15
1.3.3.1. Hệ năng lượng điện thường dùng các động cơ một chiều hoặc các động cơ bước 15
1.3.3.2. Hệ năng lượng thủy lực, khí động 15
1.3.4. Phân loại theo hệ thống truyền động 16
1.3.4.1. Hệ truyền động gián tiếp 16
1.3.4.2. Hệ truyền động trực tiếp 16
1.3.5. Phân loại theo độ chính xác 16
1.4. Robot tự hành 16
1.4.1. Robot dùng bánh xe 17
1.4.2. Robot dùng chân 18
1.4.3. Robot lái đồng bộ chuyển động đa hướng (Synchronous-drive robot) 19
1.5. Các ứng dụng của robot 20
1.5.1. Trong sản xuất xe hơi 20
1.5.2. Trong phun sơn 20
1.5.3. Trong công nghiệp hàn 21
1.5.4. Trong lắp ráp 22
1.5.5. Trong các nhà máy sản xuất 22
1.5.6. Trong lĩnh vực y tế 22
1.5.7. Khoa học vũ trụ 23
1.6. Khái quát về robot thu gom rác 24
1.6.1. Phần cứng 24
1.6.2. Phần mềm 24
Chương 2: GIỚI THIỆU CHIP 16F87XA DÙNG CHO ROBOT 25
2.1. Giới thiệu về Pic 16F7XA 25
2.2. Tổ chức bộ nhớ 28
2.2.1. Bộ nhớ chương trình 28
2.2.2. Dữ liệu bộ nhớ 29
2.2.2.1. Thanh ghi mục đích 30
2.2.2.2. Thanh ghi chức năng đặc biệt 31
2.2.2.3. Thanh ghi trạng thái 35
2.2.2.4. Thanh ghi OPTION-REG 36
2.2.2.5. Thanh ghi INTCON 37
2.2.2.6. Thanh ghi PIE1 39
2.2.2.7. Thanh ghi PIR1 40
2.3. Các port vào/ra 41
2.3.1. PortA và thanh ghi TRISA 41
2.3.2. PortB và thanh ghi TRISB 44
2.3.3. PortC và thanh ghi TRISC 45
2.3.4. PortD và thanh ghi TRISD 47
2.3.5. PortE và thanh ghi TRISE 47
2.4. Modul Timer() 48
2.5. Prescaler 50
2.6. Capture/ Compare/ Modul PWM 50
Chương 3: ĐỘNG HỌC TAY MÁY 52
3.1. Bài toán thuận của động học tay máy 52
3.1.1. Mô tả quy tắc Denavit-Harrenberg 53
3.1.2. Vùng hoạt động của phần công tác 55
3.2. Bài toán ngược của động học tay máy 56
3.3. Mô hình động học, động lực học robot di động 59
Chương 4: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH CÁNH TAY ROBOT NHẶT RÁC 66
4.1. Thiết kế và chế tạo phần cơ khí mô hình robot nhặt rác 66
4.1.1. Cơ cấu tay kẹp 66
4.1.2. Cơ cấu trượt lên xuống 67
4.1.3. Cơ cấu mâm xoay 67
4.1.4. Cơ cấu di chuyển 68
4.1.5. Thùng đựng rác 69
4.1.6. Cơ cấu hút bụi 69
4.2. Thiết kế và thi công mạch điện 70
4.2.1. Mạch vi điều khiển PIC 16F877A 70
4.2.2. Mạch cấp nguồn 71
4.2.3. Mạch điều khiển động cơ một chiều dùng Transitor và Role 72
4.2.4. . Sơ đồ mạch sensor 74
4.2.5. Cảm biến siêu âm 75
4.2.6. Cảm biến hồng ngoại 76
4.2.7. Sơ đồ mạch in tổng thể và bo mạch thực tế điều khiển robot 78
4.3. Xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển 79
4.4. Hoạt động của robot nhặt rác 79
KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
PHỤ LỤC 83
Phụ lục 1. Nội dung phỏng vấn Hiệu trưởng 83
Phụ lục 2. Phiếu thử nghiệm khảo sát cán bộ quản lý và giảng viên 84