ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THỊ BẠCH TUYẾT
ĐỀ TÀI
NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Học viên: lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại học kỹ
thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
Công tác tại: Trường Cao đẳng nghề - Yên Bái
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là
hoàn toàn trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Tôi xin cam đoan mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ
nguồn gốc.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. ii
LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều góp ý về
chuyên môn của cán bộ hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các bạn đồng
nghiệp. Tôi xin gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn đến Tiến sỹ Nguyễn Hoài Nam đã tâm huyết
hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các bạn học viên cùng
nhóm, các tổ chức Khoa, Trung tâm thí nghiệm, Phòng ban của Trường Đại
học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã có những ý kiến đóng góp quý báu
và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận
văn.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp -

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ
Danh mục bảng biểu
MỞ ĐẦU
Chương I: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP CÁNH TAY MÁY
MỘT BẬC TỰ DO
1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO
1.2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO
1.2.1. Hệ thống điều khiển cánh tay máy một bậc tự do
1.2.2. Thiết kế và chế tạo cánh tay máy một bậc tự do
1.3. GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ
1.3.1. Động cơ
1.3.2. Encoder
1.3.3. Hộp giảm tốc
1.3.4. IC L298N
1.3.5. IC SN74HC08N
1.3.6. Card Arduino
1.4. LẮP RÁP CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO
Chương II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO CÁNH TAY MÁY
MỘT BẬC TỰ DO
2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
2.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC
2.2.1. Mô hình toán học

i
ii
iii
vi
viii
x

Chương III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
3.2. CẤU TRÚC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
3.2.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ
3.2.1.1. Mờ hoá
3.2.1.2. Khối luật hợp thành
3.2.1.3. Giải mờ
3.2.2. Phân loại bộ điều khiển mờ
3.2.2.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh…
3.2.2.2. Bộ điều khiển mờ động…
3.2.3. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ
3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO CÁNH TAY MÁY
3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ bằng công cụ Fuzzy trong Matlab
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho đối tượng
3.3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh cho đối tượng
3.3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ động cho đối tượng
3.3.2.3. So sánh bộ điều khiển mờ tĩnh và động dùng 3 tập mờ
3.3.2.4. So sánh bộ điều khiển mờ tĩnh và động dùng 5 tập mờ
Chương IV: ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC SỬ DỤNG
MATLAB/SIMULINK VÀ THƯ VIỆN ARDUINO……………………………………
4.1. GIỚI THIỆU THƯ VIỆN ARDUINO TRONG SIMULINK
4.1.1. Khối Arduino IO Setup
4.1.2. Khối Real - Time Pacer
4.1.3. Khối Motor out
18
19
19
20
25
25

MỜ VÀ ARDUINO
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
PHỤ LỤC
Phụ lục 1
Phụ lục 2
Phụ lục 3
TÀI LIỆU THAM KHẢO
52

53
56
57
57
58
59
60
Voltage colector to colector
PWM
Pulse Width Modulation
θ
Vị trí góc của cánh tay
ω
Vận tốc góc của cánh tay
J
Tổng moment quán tính trên trục động cơ
β
Hệ số ma sát nhớt
k
t

Hệ số mô-men
k
i

Hệ số dòng điện
g
Gia tốc trọng trường
J
m

Moment của cánh tay máy quy đổi về trục của động cơ
u
Điện áp đầu vào
J
tr
Moment quán tính trên trục động cơ


viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình vẽ
Tên
Trang
Hình 1.1
Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm
5
Hình 1.2
Cánh tay máy

17
Hình 2.2

Sơ đồ hệ thống đo góc của cánh tay máy sử dụng
Matlab/Simulink
21

Hình 2.3
Sơ đồ mô phỏng cách tay máy trong Simulink
22
Hình 2.4-a
Vị trí góc thực và ước lượng từ mô hình toán
23
Hình 2.4-b
Sai số
23
Hình 3.1
Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản
25
Hình 3.2
Phương pháp giải mờ cực đại
28
Hình 3.3
Phương pháp giải mờ trọng tâm
28
Hình 3.4
Các bộ điều khiển mờ
30
Hình 3.5
Hệ điều khiển mờ động PI

37
Hình 3.14
Đường đặc tinh
37
Hình 3.15
Giao diện mô phỏng quá trình hoạt động của bộ mờ
38
Hình 3.16
Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ tĩnh trong Simulink
40
Hình 3.17
Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ động trong Simulink
41
Hình 3.18
Tín hiệu đầu ra sử dụng bộ điều khiển mờ tĩnh
41
Hình 3.19
Tín hiệu đầu ra sử dụng bộ điều khiển mờ động
42
Hình 3.20
Tín hiệu đầu ra sử dụng bộ điều khiển mờ tĩnh
44
Hình 3.21
Tín hiệu đầu ra sử dụng bộ điều khiển mờ động
45
Hình 4.1
Khối Arduino IO setup
47
Hình 4.2
Giao diện định nghĩa cho khối Arduino IO setup

54
Hình 4.13
Vị trí góc thực và giá trị đặt
55
x
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng biểu
Nội dung
Trang
Bảng 3.1
Các thông số của mô hình toán
39


điện toán (computation), đã nghiên cứu và chế tạo một thế hệ máy móc tự
động cao cấp ra đời đó là Robot. 2
Trong thực tế hiện nay các phòng thí nghiệm của trường có một số
cánh tay máy nhiều bậc tự do, nhưng không có mô hình toán học tương ứng
với chúng, vì chúng được thiết kế và chế tạo cách đây nhiều năm và những tài
liệu liên quan hầu như không còn. Việc xây dựng mô hình toán học cho
những đối tượng này là rất khó khăn.
Để phục vụ trong việc nghiên cứu và thí nghiệm ta cần xây dựng mô
hình toán học mô tả tính chất động lực học của nó với đầy đủ những yếu tố
như: kết cấu cơ khí, điện, điện tử và vật liệu là hoàn toàn khả thi.
Từ mô hình toán cụ thể, từ đó có thể phân tích và lựa chọn phương
pháp điều khiển thích hợp.
Việc xây dựng mô hình toán học cho cánh tay máy trong thực tế là
không hề đơn giản. Dựa vào những yếu tố ở trên đề tài nghiên cứu “NHẬN
DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY MÁY” đã được lựa chọn.

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu của chúng tôi góp phần vào tìm hiểu kiến thức về Robot,
đưa ra các kết quả mô hình toán học. Báo cáo kết quả ứng dụng phương pháp
trên mô hình thực, rút kinh nghiệm trong quá trình thực hiện. Kết quả của đề
tài sẽ là cơ sở và tài liệu tham khảo cho các hướng phát triển trong tương lai
và phục vụ cho những thí nghiệm về Robot.

3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Kết quả và kiến nghị 4
Chương I
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP CÁNH TAY MÁY
MỘT BẬC TỰ DO

1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO
Thông thường các tay máy có trên một bậc tự do. Số bậc tự do hay bậc
chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong
không gian hoạt động. Trong lĩnh vực Robot người ta hay gọi mỗi khả năng
chuyển động là một trục (có thể là chuyển động thẳng dọc theo hoặc song
song với một trục, hoặc chuyển động quay quanh trục), tương ứng theo đó là
một toạ độ suy rộng dùng để xác định vị trí của trục trong không gian hoạt
động. Mỗi trục của tay máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí được
điều khiển bởi một bộ xử lý.
Robot được ứng dụng rất rộng rãi, vì vậy những Robot thực sự có ích

- Mạch cầu H.
- Tay máy được làm bằng hợp kim nhôm có kích thước:
Chiều dài: l = 0,25m. Chiều dày: d = 0,004m.
Chiều rộng: r = 0,014m. Khối lượng: M = 0,004kg.
Cấu trúc mô hình bàn thí nghiệm cánh tay máy một bậc tự do được biểu diễn: Hình 1.1: Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm.
Card Arduino
Computer,
Matlab
Động cơ DC
Encoder,
Cánh tay
máy
Nguồn vào,
IC L298N,
IC SN74HC08N
Mạch cầu H
Vị trí
đặt 6
1.2.2. Thiết kế và chế tạo cánh tay máy một bậc tự do
Trong quá trình thiết kế và chế tạo cánh tay máy một bậc tự do, vật liệu
được lựa chọn và sử dụng để làm mô hình tay máy là một thanh nhôm (đồng
7 Hình 1.3: Động cơ DC + Encoder + Giảm tốc

Hình 1.4: Kí hiệu các đầu nối với động cơ


- Có 334 xung, 2 kênh ra A và B cùng tần số nhưng lệch pha 90 độ.
- Số xung mỗi kênh: 334

1.3.3. Hộp giảm tốc
Hộp giảm tốc có tỷ số truyền thực: 1,35/46,8
Trong đó:
1,35: Xác định từ thực nghiệm.
46,8: Thông số của nhà sản xuất.

Hình 1.6: Kích thước hộp giảm tốc
Trong đó:
- Đường kính trục: 0,5cm
- Chiều rộng trục lắp vào tay máy: 0,3cm
- Đường kính hộp giảm tốc: 2,5cm
- Chiều dài hộp giảm tốc: 2,3cm 10
- Khoảng cách 2 vít bắt vào hộp giảm tốc: 1,7cm.

1.3.4. IC L298N
IC L298N là một mạch bán dẫn tích hợp trong một khối, có 15 chân.
Nó có thể kiểm soát không chỉ một mà là hai động cơ. Với điện áp ra lớn, sai
số tín hiệu ra nhỏ và tản nhiệt tốt. Do đó chúng tôi lựa chọn IC L298N cho

Hình 1.9: Arduino UNO
1A 1
1B 2
1Y 3
2A 4
2B 5
2Y 6
GND 7
14 V
CC
13 4B

12 4A

11 4Y

10 3B

9 3A

8 3YSN74HC08N

Clock Speed
16 MHz

Cạc Arduino Uno có 14 chân đầu vào/đầu ra (trong đó có 6 chân có thể
được sử dụng như là đầu ra PWM), 6 đầu vào tương tự, 16 MHz tinh thể dao
động, kết nối USB, một jack cắm điện, một tiêu đề ICSP, và một nút reset.
Về mặt kỹ thuật, Arduino là một thiết bị lập trình logic, card Arduino
Uno được kết nối với 1 mạch cầu H (vì động cơ điều khiển cánh tay máy quay
2 chiều).
Card Arduino Uno được kết nối với máy tính bằng cáp USB, chúng tôi 13
dùng mô phỏng Simulink trên Matlab để giao tiếp với Arduino và điều khiển
mô hình thực. Arduino Uno có thể được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc
với một nguồn cung cấp điện bên ngoài từ 6 ÷ 20 volts. Nếu sử dụng nguồn
pin dưới 5 volts Arduino có thể không ổn định. Nếu sử dụng nhiều hơn 12V,
các bộ điều chỉnh điện áp có thể bị quá nóng và làm hỏng. Vì vậy điện áp
nguồn vào nên sử dụng từ 7 ÷ 12 volts.
* Các chân điện của card Arduino Uno như sau:
+ Đầu vào và đầu ra:
Arduino có 14 chân đầu vào, đầu ra hoạt động ở điện áp 5 volts. Nguồn
pin có thể cung cấp tối đa 40 mA và có một điện trở bên trong 20 ÷ 50 kohms.
- Serial: 0 (RX) và 1 (TX). Chân này được kết nối với các chân tương ứng
của Atmega 8U2 USB - to - TTL nối tiếp chip.
- Chân số 2 và 3 được nối với Encodor trên động cơ
- PWM: Các chân 3, 5, 6, 9, 10, và 11 cung cấp đầu ra PWM 8 bit. Chân