Luận Văn Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy

MỤC LỤC
Lời cảm ơn .i
Tóm tắt đề tài .ii
Mục lục iii
Chương 1 TỔNG QUAN 1
1.1 Định nghĩa .1
1.2 Phân loại và ứng dụng .2
1.2.1 Robot thế hệ thứ nhất 2
1.2.2 bot thế hệ thứ hai . 2
1.2.3 bot thế hệ thứ ba 2
1.2.4 bot thế hệ thứ tư 3
1.2.5 bot thế hệ thứ năm . 3
Chương 2 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP .5
Chương 3 ĐỘNG HỌC TAY MÁY 6
3.1 Giới thiệu về tay máy 6
3.1.1 Phân loại tay máy theo chuyển động .6
3.1.2 Các công thức toán học liên quan 7
3.1.2.1 Hệ tọa độ 7
3.1.2.2 Chuyển đổi hệ tọa độ .8
3.1.3 Phân tích động học tay máy bằng phương pháp ma trận .8
3.1.4 Mô tả chuyển động với phương pháp tọa độ thuần nhất . 11
3.1.4.1 Giới thiệu phương pháp tọa độ thuần nhất .11
3.1.4.2 Ma trận DH tuyệt đối 12
3.1.4.3 Ma trận DH tương đối .13
3.1.4.4 Ma trận DH quay 13
3.1.4.5 Ma trận DH tịnh tiến 13
3.2 Bài toán động học thuận .14
3.3 Bài toán động học ngược .15
3.4 Kết luận 15
Chương 4 THIẾT KẾ TAY MÁY .16
4.1 Giới thiệu .16
4.1.1 Các góc của tay máy 18
4.1.2 Các giới hạn của góc . 18
4.1.3 Không gian làm việc của tay máy . 18
4.1.4 Các ma trận DH liên quan . 19
4.2 Các phương pháp vẽ 20
4.2.1 Vẽ điểm trên mặt phẳng XY 20
4.2.2 Vẽ điểm trên mặt phẳng nghiêng một góc 22
4.2.3 Vẽ điểm trong không gian . 24
4.3 Kết luận .25
Chương 5 ĐỘNG CƠ RC SERVO 26
5.1 Giới thiệu về động cơ RC Servo .26
5.2 Cấu tạo động cơ RC Servo .27
5.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ RC Servo 29
5.4 Kết luận 30
Chương 6 VI XỬ LÝ AVR-AT90S2313 31
6.1 Giới thiệu chung về họ vi xử lý AVR .31
6.1.1 Đặc tính kỹ thuật của AVR-AT90S2313 31
6.1.2 đồ chân 32
6.2 Cấu trúc của AVR .32
6.2.1 nh ghi (register) 34
6.2.2 Bộ định thời (timer) 35
6.2.3 UART 35
6.2.3.1 Bộ truyền dữ liệu .36
6.2.3.2 Bộ nhận dữ liệu .37
6.2.4.3 Các thanh ghi liên quan .38
6.2.4.4 Cách định tốc độ BAUD 40
6.3 Các lệnh của AT90S2313 sử dụng trong luận văn 41
6.4 Nạp dữ liệu nối tiếp .48
6.5 Kết luận 50
Chương 7 VI XỬ LÝ AT89C2051 .51
7.1 Giới thiệu về AT89C2051 51
7.2 Mô tả các chân của AT89C2051 52
7.3 Sơ đồ và nguyên lý nạp chương trình cho AT89C2051 .53
7.3.1 đồ mạch nạp cho AT89C2051 . 53
7.3.2 uyên lý nạp chương trình cho AT89C2051 54
7.4 Kết luận 55
Chương 8 THIẾT BỊ HIỂN THỊ LCD .56
8.1 Giới thiệu về LCD 1602A 56
8.2 Bảng mã lệnh để lập trình LCD 1602A .58
8.3 Sơ đồ khối giải thuật lập trình LCD 1602A 62
8.3.1 Giải thuật lập trình với 8-bit data 62
8.3.2 Giải thuật lập trình với 4-bit data 63
8.4 Kết luận 66
Chương 9 ĐIỀU KHIỂN BẰNG CỔNG NỐI TIẾP .67
9.1 Giới thiệu 67
9.2 Giao tiếp với máy vi tính .67
9.2.1 uẩn giao tiếp RS-232 68
9.2.1.1 Các yêu kỹ thuật của chuẩn RS-232 68
9.2.1.2 Sơ đồ chân ra trên PC 68
9.2.2 Các thanh ghi và địa chỉ . 70
9.2.2.1 Thanh ghi cho phép ngắt (IER) 70
9.2.2.2 Thanh ghi điều khiển đường dẫn (LCR) 71
9.2.3 Giao tiếp giữa PC với AT89C2051 . 72
9.2.3.1 Khung truyền dữ liệu 72
9.2.3.2 Sơ đồ mạch nối AT89C2051 với RS-232 .72
9.3 Giao tiếp nối tiếp giữa AT89C2051 và AT90S2313 .73
9.3.1 Thiết lập tốc độ BAUD 4800 73
9.3.1.1 Thiết lập tốc độ BAUD cho AT89C2051 .73
9.3.1.2 Thiết lập tốc độ BAUD cho AT90S2313 73
9.3.2 Chương trình truyền (AT89C2051) và nhận (AT90S2313) dữ liệu 73
9.3.2.1 Chương trình con truyền dữ liệu viết cho AT89C2051 73
9.3.2.2 Chương trình con nhận dữ liệu viết cho AT90S2313 .74
9.4 Kết luận 74
Chương 10 TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU BẰNG HỒNG NGOẠI 75
10.1 Giới thiệu về hồng ngoại (IR) .75
10.1.1 Định nghĩa 75
10.1.2 Ưu và nhược điểm . 75
10.2 Truyền tín hiệu hồng ngoại 76
10.2.1 Giới thiệu 76
10.2.2 uyên lý truyền dữ liệu bằng hồng ngoại . 76
10.2.3 Khung truyền dữ liệu 77
10.2.3.1 Khung truyền 1 byte dữ liệu .77
10.2.3.2 Thời gian của khung truyền 77
10.2.4 Tạo tần số mang bằng AT89C2051 .77
10.2.5 đồ nguyên lý mạch phát . 78
10.2.6 đồ khối của truyền một byte dữ liệu (10 bit) 79
10.3 Nhận dữ liệu bằng hồng ngoại 80
10.3.1 Cảm biến thu nhận tín hiệu hồng ngoại 80
10.3.1.1 Các đặc tính về cảm biến 80
10.3.1.2 Sơ đồ khối bên trong của cảm biến .82
10.3.2 Xử lý dữ liệu nhận được 82
10.4 Sơ đồ khối tổng quát của việc truyền nhận dữ liệu .84
10.5 Kết luận 84
Chương 11 GIAO TIẾP VỚI BÀN PHÍM AT .85
11.1 Khái quát về lý thuyết của bàn phím giao tiếp với PC 85
11.2 Các mã lệnh để giao tiếp với bàn phím .86
11.2.1 Các mã lệnh được gửi tới bàn phím 86
11.2.2 Các mã lệnh được gửi đi từ bàn phím . 86
11.3 Các mã quét của bàn phím AT .86
11.4 Cổng nối của bàn phím 87
11.5 Lập trình giao tiếp với bàn phím .88
11.5.1 Lập trình gửi lệnh từ bàn phím đến bộ điều khiển 88
11.5.2 Lập trình gửi lệnh từ bộ điều khiển đến bàn phím 88
11.6 Kết luận 89
Chương 12 ĐIỀU KHIỂN IDE .90
12.1 Giới thiệu về đĩa cứng .90
12.1.1 Lịch sử phát triển của đĩa cứng 90
12.1.2 Cấu trúc vật lý của một đĩa cứng . 91
12.1.3 Hoạt động . 92
12.1.4 Chuẩn IDE 92
12.2 Giải thuật điều khiển 93
12.3 Chương trình điều khiển và sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 96
12.4 Kết luận 96
Chương 13 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .97
13.1 Giới thiệu về chương trình điều khiển 97
13.2 Cấu trúc của chương trình 99
13.2.1 ương trình con vẽ điểm . 101
13.2.2 Hàm tính toán các góc của tay máy 102
13.2.3 Hàm gởi các dữ liệu ra port nối tiếp 103
13.2.4 Hàm hiển thị tay máy ra màn hình . 104
13.3 Kết luận 104
Chương 14 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY .105
14.1 Thiết kế mạch điều khiển tay máy 105
14.1.1 ương án một 105
14.1.2 ương án hai . 106
14.1.3 ương án ba 107
14.1.4 ương án bốn 108
14.1.5 Kết luận 108
14.2 Phần lập trình cho AT90S2313 để điều khiển RC Servo .108
14.3 Kết luận 113
Chương 15 KẾT LUẬN .114
15.1 Những vấn đề đã giải quyết được . 114
15.2 Hướng phát triển của đề tài 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

1 TỔNG QUAN
1.1 ĐỊNH NGHĨA
Ngày nay bên cạnh sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp máy tính thì lĩnh vực robot cũng không ngừng phát triển theo. Có rất nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu về lĩnh vực này như là: Nhật Bản, Mỹ, Úc, Nga Và các kết quả đạt được khiến con người không phải không ngạc nhiên. Do vậy cũng có rất nhiều khái niệm, cũng như định nghĩa về robot. Theo viện nghiên cứu của Hoa Kỳ thì robot được định nghĩa như sau:
“Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau“.
Còn theo giáo sư Masahioo (viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải có các đặc điểm sau:
+ Có khả năng thay đổi chuyển động.
+ Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ).
+ Có tính vạn năng.
+ Có những đặc điểm của người.
Nói chung có rất nhiều định nghĩa về robot, tuy nhiên có một sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa là ở đặc điểm “điều khiển theo chương trình”. Tổng quát hơn có thể nói robot là một sản phẩm được chế tạo theo một kỹ thuật mới, chúng vừa có thể giải phóng con người khỏi những công việc lao động chân tay nặng nhọc, vừa có khả năng nâng cao chất lượng cũng như số lượng sản phẩm. robot thực sự là một sản phẩm minh chứng cho khả năng tiềm ẩn của con người.


1.2 PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG
Người ta phân biệt robot dựa vào các yếu tố chính sau:
+ Theo dạng hình học của không gian họat động.
+ Theo thế hệ robot.
+ Theo bộ điều khiển.
+ Theo nguồn dẫn động.
Ở luận văn này chỉ giới thiệu cách phân loại robot theo thế hệ.
1.2.1 Robot thế hệ thứ nhất
Bao gồm các robot hoạt động lập lại theo chu trình đã được lập trình từ trước (playback robots). Chương trình ở đây cũng có 2 dạng: chương trình cứng không thay đổi được, như điều khiển bằng hệ thống cam; và điều khiển theo chương trình có thể thay đổi được theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các panel hoặc máy tính.
* Đặc điểm:
+ Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình.
+ Điều khiển vòng hở.
+ Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lổ để đưa chương trình vào bộ điều khiển, tuy nhiên loại này không thể thay đổi được chương trình.
Sử dụng phổ biến trong công việc gắp đặt.
1.2.2 Robot thế hệ thứ hai
Robot thế hệ này bao gồm các robot sử dụng các cảm biến trong điều khiển (sensor-controlled) cho phép tạo được những vòng điều khiển kín kiểu servo.
* Đặc điểm:
+ Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy.
+ Có thể tự ra quyết định lựa chọn các chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ các cảm biến nhờ các chương trình đã được lập trước.
Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, panel điều khiển.
1.2.3 Robot thế hệ thứ ba
Đây là dạng phát triển cao nhất của robot. Các robot ở đây được trang bị các thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng, nhờ đó chúng tự biết phải làm gì để hoàn thành công việc đã được đặt ra trước. Robot thế hệ này bao gồm các robot được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (vision-controlled robots) cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác.
* Đặc điểm:
+ Có những đặc điểm như robot thế hệ thứ hai và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh.
+ Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau.
Robot thế hệ này được ứng dụng trong các lĩnh vực: trong công nghệ chế tạo xe hơi, điện tử, cơ khí cụ thể như là hàn các đường nối, sơn dầu, lắp ráp, đóng gói, gia công linh kiện, vận chuyển
1.2.4 Robot thế hệ thứ tư
Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi (adaptively controlled robots) có khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác.
* Đặc điểm:
+ Có những đặc điểm giống như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận từ cảm biến.
+ Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải quyết các bài toán tối ưu với điều kiện biên không được xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển và đáp ứng của robot.
1.2.5 Robot thế hệ thứ năm
Là những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent robots).
* Đặc điểm:
+ Được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc Để ra quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó.
+ Được trang bị mạng neuron có khả năng tự học.
Được trang bị các thuật toán dạng neuron fuzzy/fuzzy logic để tự suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tương thích với tín hiệu điều khiển nhận được từ môi trường xung quanh theo những thuật toán tối ưu một hay nhiều mục tiêu đồng thời. Hiện nay trong lĩnh vực giải trí, nhiều dạng robot thế hệ này đang được phát triển như là robot Aibo do hãng Sony sản xuất hay robot đi trên hai chân và khiêu vũ của hãng Honda. Gần đây có một robot mới có tên là ROBOSCOUT do Nhật chế tạo. Robot này nó có thể đi, nói, nghe, tránh vật cản, hai cánh tay nó có thể cầm khay thức ăn nặng 1kg. Đặc biệt nếu như bạn nói vào một bộ điều khiển từ xa nó sẽ đáp lại bằng chính giọng nói của bạn bằng hàng trăm câu đã được lập trình sẵn.
Để thống nhất trong cách gọi, kể từ chương 2 thuật ngữ robot và tay máy được xem là một.