

Luận văn Thiết kế mạch điều khiển mô hình
cánh tay máy năm bậc tự do.
Đồ án tốt nghiệp
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐỘC LẬP- TỰ DO- HẠNH PHÚC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên : LÊ TẤN MINH
Lớp :95 KĐĐ
Nghành : Kỹ thuật Điện –Điện Tử

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Giáo viên hướng dẫn



Giáo viên duyệt Đồ án tốt nghiệp

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật,
công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang diễn ra khá tốt
đẹp. Trước tình hình đó đã có khá nhiều yêu cầu cấp bách và cũng là
những thách thức được đặt ra cho giới trí thức.
Tay máy công nghiệp là một lónh vực mới mà ở Việt Nam đang
nghiên cứu và từng bước chế tạo để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp
phần nâng cao năng xuất lao động.
Kỹ thuật vi xử lí rất ưu việt đã trở nên rất cần thiết trong ngành điện
tử, nó đã thay thế các thiết bò có cấu tạo phức tạp thành đơn giản. ng
dụng vi xử lí rất rộng rải từ máy móc quan trọng trong nền công nghiệp đến
các thiết bò chuyên dùng.
Với các ưu điểm về các chỉ tiêu kỹ thuật và tính linh hoạt của vi xử
lí, việc nghiên cứu và ứng dụng vi xử lí rất cần thiết.
Không nên dừng lại ở cách sử dụng, cách tốt nhất để hiểu rỏ thiết bò
mới và đi sâu vào tìm hiểu bản chất hoạt động bên trong của thiết bò đó.
Thực hiện đề tài : “THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH


Thủ Đức Ngày 28 Tháng 02 Năm 2000
Sinh Viên Thực Hiện
LÊ TẤN MINH

Ñoà aùn toát nghieäp

Chöông 1

Đồ án tốt nghiệp

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh góp phần nâng cao năng suất
lao động. Đặt biệt sự ra đời và phát triển của công nghệ chế tạo Robot nhằm tạo ra sự tự
động hóa trong quá trình sản xuất giảm đi sức lao động bằng chân tay của người lao
động
Đối với các nưước ngoài thì Robot đã được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng vào
sản suất đả có từ trước. Riêng ở nước ta lónh vực này còn khá mới mẽ. Tuy có sự đầu tư
để nghiên cứu nhưng còn hạn chế ,có thể dùng mô hình cánh tay máy để phục vụ trực
tiếp cho công việc giảng dạy tại trường nhằm giúp cho sinh viên hiểu rỏ hơn về lý
thuyết, tạo điều kiện cho việc dạy và học được sinh động hơn .
Bức xúc trước nhu cầu tìm hiểu về tay máy công nghiệp từ chính bản thân và của
những người yêu thích về lónh vực này, nhóm đã bắt tay vào việc thực hiện nghiên cứu
đề tài: “THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH TAY MÁY NĂM BẬC
TỰ DO”.
1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VẤN ĐỀ
Ở Việt Nam nói chung công nghệ chế tạo tay máy còn chậm phát triển, chúng ta
vẩn chưa có nhà máy nào có khả năng chế tạo các bộ phận cấu thành của tay máy đạt
tiêu chuẩn quốc tế. Tận dụng những vật liệu có sẳn để gia công các chi tiết cơ khí cũng
như linh kiện , thiết bò điện có sẳn do nước ngòai sản suất để thiết kế thành những sản

Ñoà aùn toát nghieäp CHÖÔNG 2
Đồ án tốt nghiệp
2.1 DÀN Ý NGHIÊN CỨU
• Giới thiệu tổng quát về tay máy
• Thiết kế mạch điều khiển cánh tay máy
• Xây dựng phần mềm
• Thi công
• Hướng dẫn thao tác
2.2 ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU
Chủ yếu là mô hình cánh tay máy được gia công
2.3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU
 Phương Pháp
Tham khảo tài liệu: chủ yếu là các tài liệu về kỹ thuật số, kỹ thuật vi xử lí, điện tử cơ
bản
Thực nghiệm: viết chương trình thử nghiệm trên KIT vi xử lý 8085
 Phương Tiện
• Ngòai KIT vi xử lí 8085 và mô hìmh cánh tay máy, nhóm còn thực hiện dề tài còn
thiết kế thêm các mạch phụ để thử nghiệm các chương trình liên quan đến 8255 và
8279
2.4 THỜI GIAN NGHIÊN CỨU
Nhóm thực nghiên cứu đề tài từ ngày đăng ký đề tài, công việc được phân bố cho 6

Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) - xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty
AMF (American Manchine and Foundry company) quảng cáo mô tả một thiết bò mang
dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện
một số thao tác sản xuất thiết bò có tên gọi Versatran.
Quá trình phát triển của IR có thể tóm tắt như sau:
- Từ những năn 50 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên.
- Đang đầu những năm 60 xuất hiện sản phẩm đầu tiên tên Versatran của công ty
AMF.
- Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo các IR theo bản quyền của Mỹ
từ năm 1967;
- Ở các nước Tây Âu khác như : Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển, từ những năm 70.
- Châu Á có Nhật bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968.
Đến nay trên thế giới có khoảng trên 20 công ty sản xuất IR trong số đó có 80
công ty của Nhật , 90 công ty của các nước Tây Âu, 30 công ty của Mỹ và một số công
ty ở Nga, Tiệp …
Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và khả năng nhận biết thông tin của tay
máy - người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế
hệ sau:
Thế hệ 1 : thế hệ có kiểu điều khiển theo chu trình dạng chương trình cứng
không có khả năng nhận biết thông tin
Thế hệ 2 : thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kì dạng chương trình mềm bước
đầu đa có khả năng nhận biết thông tin
Thế hệ 3 : thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khôn ,có khả năng nhận biết
thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người
Đối với tay máy công nghiệp đã có hơn 250 loại ,trong số đó có hơn 40% là loại
tay máy có kiểu điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất .
Sự xuất hiện của robot và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản xuất và xã hội
loài người làm xuất hiện một ngành khoa học mới là ngành robot học (Robotic) . trên
thế giới ở nhiều nước đã xuất hiện những viện nghiên cứu riêng về robot . Ở Việt Nam,
từ những năm giữa của thập kỷ 80 đã có viện nghiên cứu về robot .

Người vận hành
Thiết bò liên lạc với
người vận hành
Hệ thốn
g
đều khiển
Hệ
thống
Tru
y
ền độn
g

Hệ thốn
g
chòu lực
Hệ thốn
g
cảm biến
tín hiệu
Môi trườn
g
Bên ngoài
Liênhệ ngược
Liên hệ ngïc

Hình 3.1 : Sơ đồ cấu trúc và chức năng của robot

5. Chuyển động quay ngược hay thuận chiều kim đồng hồ của bàn tay so với cổ tay.
So với chuyển động của tay người (không tính đến chuyển động của các ngón tay)
có 10 bậc tự do (10 khả năng chuyển động độc lập) tay máy trên là loại có đủ khả năng
nắm bắt một vật bất kỳ trong không gian.
Tay máy công nghiệp thường có các bộ phận chính sau:
- Hệ thống điều khiển;
- Hệ thống chấp hành : Bao gồm Các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ
thống chòu lực;
- Bàn kẹp :
Bàn kẹp là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy ,nơi cầm nắm các thiết bò
cộng nghệ hay vật cần duy chuyển, bộ phận chấp hành _ phần kết cấu cơ khí của tay
máy bao gồm các loại động cơ như : các động cơ thủy lực, khí nén, cơ cấu servo điện tử,
động cơ bước mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chòu
lực. Hệ thống điều khiển - thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận hành theo
nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín.

chuyển động của cấu trúc này nhằm đem theo bàn kẹp tới vò trí làm việc .Do giả thiết
về loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thường ta có những phối hợp sau đây
của các khớp và từ đó tạo nên các cấu trúc xác đònh vò trí của bàn kẹp trong các không
gian vò trí làm việc khác nhau của bàn kẹp .
Phối hợp TTT nghóa là 3 khớp đều là khớp tònh tiến và một khớp quay. Đây là cấu
trúc hoạt động trong hệ tọa độ đề các so với các tọa độ S
0
vì điểm M nằm trên khâu 3
được xác đònh bởi ba chuyển động tònh tiến và một chuyển động quay (tức là hai tọa độ
dài)
Phối hợp TRT, RTT hayTTR, nghóa là một khớp tònh tiến hai khớp quay (các cấu
trúc 2,3 và 4). Đây là là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ trụ so với điểm S
0
vì để M
trên khâu 3 được xác đònh bở hai chuyển động tònh tiến và một chuyển động quay (tức
là hai tọa độ dài một tọa độ gốc)
Phối hợp RTR, RRT hay TTR nghóa là hai khớp tònh tiến và hai khớp quay (các
cấu trúc 5, 6, 7, 8, 9 và 10). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ cầu so với hệ S
0
,
vì điểm M trên khâu 3 được xác đònh bởi một chuyển động tònh tiến và hai chuyển động
quay (tức là một tọa độ dài, hai tọa độ góc)
Phối hợp RRR nghóa là ba khớp quay (các cấu trúc 11,12) đây là các cấu trúc họat
động trong hệ tọa độ góc so với hệ S
0
vì điểm M trên khâu 3 được xác đònh bởi ba
chuyển động quay (tức là ba tọa độ góc), cấu trúc này được gọi là cấu trúc phỏng sinh
học.
Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng hay chuyên môn hóa và
đặc biệt đảm bảo giá thành đầu tư vào tay máy thấp, người ta không nhất thiết lúc nào

Hình 3.3 : Sơ đồ mô hình ROBOT L2001

• Ghi chú :
1. Bàn kẹp 5. Khớp thân

Đồ án tốt nghiệp
2. Khớp cổ tay 6. Cổng kết nối với thiết bò điều khiển
3. Khớp khuỷu tay 7. Đèn hiển thò
4. Khớp cánh tay 8. Công tắc logic
Lưu đồ mô tả hoạt động của ROBOT L2001
theo chiều kim đồng hồ
1
Hạ cánh tay
Mở hàm kẹp
1.2
Nâng cánh tay
Xoay đế về vò trí đầu, xoay
nghòch cổ, hạ khuỷu và cánh
tay
Hình 3.4 : Sơ đồ mô tả hoạt động của ROBOT L2001

Đồ án tốt nghiệp
3.5 TRANG BỊ ĐIỆN TRONG ROBO l2001
3.5.1. Giới thiệu động cơ công tác:
Mạch động lực bao gồm 5 động cơ công tác, trong đó 4 động cơ tải 3W ,một
động cơ làm nhiệm vụ kẹp và mở, công suất 3,5 W khả năng chòu quá tải 2s Ỉ các
động cơ được đánh số từ 1 đến 5.
Động cơ 1 : đóng mở hàm kẹp.
Động cơ 2 : xoay thuận nghòch cổ tay.
Động cơ 3 : xoay thuận nghòch khớp khuỷu tay.
Động cơ 4 : xoay thuận nghòch khớp cánh tay.
Động cơ 5 : xoay thân đế (thân người).
Các động cơ 2, 3, 4, 5 được bố trí trên 4 khâu chuyển động và hình thành 4 bậc
tự do.

Biểu đồ biểu thò mối quan hệ giữa điện áp và tốc độ động cơ:

M
M

n

Đồ án tốt nghiệp O u

Hình 3.6 : Giản đồ biểu thò mối quan hệ giữa điện áp và tốc độ động cơ

Qua giản đồ trên ta thấy tốc độ động cơ tỉ lệ thuận với điện áp nguồn cung cấp .
Để đảm bảo động cơ chạy ổn đònh khi thiết kế nên chọn bộ nguồn có điện áp tải
2 đến 3A.

3.5.3 CÁC CỔNG NỐI KẾT VÀ CÁC HỆ THỐNG HIỂN THỊ CỦA
ROBOT L2001
* Cổng kết nối:
Để đảm bảo tính độc lập của các khớp các động cơ được bố trí thành 10 cổng nối kết
riêng biệt
Do mỗi cặp Jắc nối được lắp với một động cơ.

3.6.3 NGUYÊN LÝ HỌAT ĐỘNG
Khi một chi tiết được đưa đến băng tải thì công tắc thứ nhất (công tắc thường hở)
được đóng lập tức băng tải được hoạt động, đồng thời một chi tiết khác được cơ cấu
đònh vò xếp đúng vò trí. Sau mỗi lần thực hiện một hành trình vi xử lí sẽ đếm số chi
tiết. Khi cơ cấu đònh vò đã xác đònh xong thì công tắc thứ hai (công tắc thường kín)
được tác động báo ngắt điện hệ thống sau đó công tắc này được đóng lại cấp điện
cho hệ thống chuẩn bò thực hiện hành trình kế tiếp.

Ñoà aùn toát nghieäp CHÖÔNG 4 Đồ án tốt nghiệp
4.1 XÁC CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Dựa vào yêu cầu về phần điều khiển của cánh tay máy làm cơ sở cho việc xác
đònh cấu trúc mạch.
Do đó vấn đề đầu tiên là phải nghiên cứu kỹ cấu tạo của tay máy,tiếp theo phải
tìm hiểu rõ yêu cầu để điều khiển cánh tay máy .Việc nghiên cứu này sẽ cho cái nhìn
về cấu trúc mạch điều khiển. Cân nhắc giữa cấu hình và yêu cầu điều khiển sẽ chọn
Đồ án tốt nghiệp
4. 2 ĐỊNH NGHĨA CÁC CHÂN VI XỬ LÍ
Vi xử lí (microproccesser) là một thiết bò bán dẫn chứa các mạch logic điện tử
đuộc chế tạo theo công nghệ LSI hoặc VLSI. Vi xử lí có khả năng thực hiện các chức
năng tính toán và tạo ra các quyết đònh làm thay đổi trình tự thi hành chương trình. vi xử
lí là một thiết bò logic lập trính đïc, được thiết kế bằng các thanh ghi, các flip_flop và
các phần tử đònh thời. Vi xử lí có một tập lệnh được thiết kế bên trong,đễ xử lí dữ liệu
và truyền thông với các thiết bò ngoại vi. Có nhiều loại vi xử lí và cũng có nhiều hãng
chế tạo vi xử lí (Intel, Zilog, Motorola)
8085 là một bộ vi xử lí 8 bit do Intel sản xuất , đầu tiên vào năm 1977. Nó có khả
năng đònh đòa chỉ cho bộ nhớ tới 64Kbyte. thiết bò này có 40 chân, dạng DIP, đòi hỏi
nguồn đơn +5v. Hình trình bày sơ đồ chân của bộ vi xử lí 8085. Toàn bộ các tín hiệu có
thể được phân thành 6 nhóm:
(1) Tuyến đòa chỉ.
(2) Tuyến dữ liệu .
(3) Các tín hiệu trạng thái và điều khiển

28
21
19
12
30
29
33
34
32
31
11
18
35
39
36
2121
12
5
4
6
7
8
9
10
40 20
ALE
S0
S1
IO/M
RD