Luận văn Đề Tài:Thiết kế mạch điều khiển
cánh tay máy 5 bậc tự do 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

 Lập trình bằng KIT vi xử lí 8085
 Thiết kế mạch điều khiển cánh tay máy
 Xây dựng những chương trình tiêu biểu

1.4 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Thực hiện đề tài
“THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH TAY
MÁY NĂM BẬC TỰ DO”
là một công việc để người thực hiện đề tài nghiên cứu kỹ
khái niệm mô hình, nguyên lý làm việc cũng như tập lệnh của vi xử lí.
Sản phẩm của đề tài trước hết có thể được ứng dụng vào phương tiện giảng dạy
tại trường; và nếu được phát triển rộng, đi sâu hơn thì có thể ứng dụng vào trong thực tế
Đồ án tốt nghiệp
sản xuất công nghiệp,và đặc biệt cung cấp một cái nhìn tổng quát về vi xử lí và tay
máy công nghiệp.
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

- 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 .
3.2 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CHỨC NĂNG CỦA IR

Vậy robot là gì ? cho tới hiện nay chưa có một đònh nghóa chính xác về robot, và
cứ hai năm một lần trên thế giới người ta lại tổ chức một hội nghò khoa học bàn về
robot nhằm thông tin những thành tựu đã đạt được trong nghiên cứu và chế tạo robot

Người vận hành
Thiết bò liên lạc với
người vận hành
Hệ thống đều khiển
Hệ
thống
Truyền động
Hệ thống chòu lực
Hệ thống cảm biến
tín hiệu
Môi trường
Bên ngoài
Liênhệ ngược
Liên hệ ngïc
Đồ án tốt nghiệp
3.3 CẤU TRÚC TỔÀNG QUÁT CỦA IR
Chúng ta hãy xem xét cấu trúc của một tay máy công nghiệp có sơ đồ ở hình
3.2.
Tay máy trên hình 3.2 có 6 bậc tự do với 6 trục chuyển động như sau:
1. Chuyển động quét của tay máy (chuyển động quay phải hay quay trái của thân
người);
2. Chuyển động lên hay xuống theo chiều thẳng đứng (chuyễn động của khớp bả vai)
3. Chuyển động duổi ra hay co vào của cánh tay (chuyển động của khớp khuỷu tay)
4. Chuyển động lật lên xuống của bàn tay so với cổ tay;
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;

sau:
Cấu trúc chuyển động toàn bộ (Chân người) cấu trúc này thực hiện chuyển
động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vò trí làm việc . Cấu trúc này hết sức đa
dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống mà chuyển
động này cần có sự kiểm soát người ta thường coi tay máy là đứng yên khâu 0 gọi giá
cố đònh của tay máy.
Cấu trúc xác đònh hàm kẹp bao gồm các khớp AB và F các khâu 1, 2 và 3,
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

Điều cần quan tâm ở đây của người nghiên cứu là giá thành sản xuất thấp, do
đó phù hợp với điều kiện nước ta hiện nay .
Mặc dù độ chính xác của tay máy chưa cao lắm, nhưng với yêu cầu công nghệ
nhất đònh nào đó tay máy có thể đáp ứng được.
Hình 3.3 : Sơ đồ mô hình ROBOT L2001
Đồ án tốt nghiệp
 Ghi chú :
1. Bàn kẹp 5. Khớp thân
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 2s

1.5s

Hình 3.4 : Sơ đồ mô tả hoạt động của ROBOT L2001
Kẹp chi tiết (2s)
Nâng 2 khớp : cánh tay- khuỷu tay
Quay đến vò trí làm việc đồng thời xoay cổ tay
theo chiều kim đồng hồ
Hạ cánh tay
Mở hàm kẹp

- Cấp nguồn đúng chiều theo yêu cầu.
- Thay đổi chiều quay bằng cách hoán vò các cực .
- + + - - + + -
Hình 3.5 : Phương pháp đảo chiều quay động cơ
Để làm được công việc trên , ở mạch điều khiển ta trang bò các cầu dao đảo
hoặc rơle điện từ .
Dựa theo nguyên lý trên khi ứng dụng lắp ráp ROBOT thì những chuyển động
đảo chiều đó sẽ đảo chiều được hành trình chuyển động của các khâu.
* Nguyên lý hãm ngược
+ Đối với động cơ một chiều thì công việc hãm ngược đơn giản hơn, giảû sử:
khi động cơ chạy theo chiều nào đó, có thể cùng chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ.
+ Khi ngưng cấp nguồn đồng thời đưa nguồn điện khác ngược chiều với nguồn
đang hoạt động lập tức động cơ sẽ bò hãm cưỡng bức, lúc ấy lực từ sẽ có chiều ngược
lạivà ta điều chỉnh thời gian sao cho động cơ dừng hẳn thì thôi cấp nguồn
Về thời gian hãm ngược thì phụ thuộc vào người thiết kế chương trình điều
khiển
* Tốc độ động cơ được điều chỉnh phụ thuộc vào điện áp nguồn đưa vào.
Biểu đồ biểu thò mối quan hệ giữa điện áp và tốc độ động cơ:
M
M
Đồ án tốt nghiệp
n

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 .

- Băng tải được lắp với động cơ một chiều có công suất 5W
- Động cơ được điều khiển bởi một công tắc tơ
- Thông qua công tắc tơ dộng cơ tải được liên kết với động cơ thứ hai; động cơ
này có nhiệm vụ đưa chi tiết cần chuyển tải đến đúng vò trí quy đònh
- Đầu băng tải được lắp một công tắc dùng để xác đònh chi tiết được tải, bộ phận
này được kết nối đến vi xử lí để đém số chi tiết được vận chuyển.
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
cấu trúc mạch hợp lí.
Sơ đồ khối của mạch điều khiển được trình bày ở hình
4.1
Đồ án tốt nghiệp
Sơ đồ khối của mạch điều khiển
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

Vss
INTR
READY
HOLD
8085
GND
RST 7.5
RST 6.5
RST 5.5
RESET IN
RESET
OUT
CLK
OUT
28
21
19
12
30
29
33
34
32
31
11
18
35
39
36
2121

Đồ án tốt nghiệp
Hình 4.2 : sơ đồ chân và các tín hiệu của 8085
 Tuyến đòa chỉ
8085 có 8 đường tín hiệu, A
15
_A
8
là các tín hiệu một chiều, được sử dụng như
tuyến đòa chỉ cao
 Tuyến dữ liệu / đòa chỉ đa hợp
Các đường tín hiệu AD
7
–AD
0
là các đường hai chiều chúng phục vụ một mục
đích kép. Các đường này được sử dụng lúc thì như tuyến đòa chỉ thấp khi thì như một
tuyến dữ liệu. Khi thi hành một lệnh, trong một phần đầu của chu kì, các đường này
8085
CLK(OUT)
RESET(OUT)
A11
S0
AD6
22
INTA
Vss
AD2

4
AD4
29
31
37
40
6
1
READY
X1
AD0
19
A10
A12
A15
RD
SID
16
Vcc
36
14
RST6.5
20
23
26
A9
A14
ALE
AD7
25

các bit AD
7
-AD
0
là các bit đòa chỉ. Tín hiệu này về cơ bản được sử dụng để chốt các
đòa chỉ thấp từ tuyến đa hợp và cho ra một tập riêng biệt 8 đường đòa chỉ AD
7
- AD
0
.ALE là một tín hiệu điều khiển

 RD - Read : Đọc đây là tín hiệu điều khiển đọc (tác dộng mức thấp). tín hiệu này
chỉ thò đọc I/O hặc bộ nhớ và dữ liệu có khả dụng trên tuyến dư liệu.

 WR -Write : Ghi đây là tín hiệu điều khiển ghi (tác động mức thấp). Tín hiệu này
chỉ thò rằng dữ liệu trên tuyến dữ kiệu được ghi vào một ô nhớ hoặc I/O đã chọn

 IO / M :Input –Output / Memory. Đây là tín hiệu trạng thái được sử dụng để phân
biệt giữa các hoạt độâng IO và bộ nhớù. Khi nó ở mức thấp,nó chỉ thò một hoạt động liên
quan đến bộ nhớ. Tín hiệu này được kết hợp với RD và WR để tạo ra các tín hiệu điều
khiển I/O và bộ nhớ.

 S
1
và S
0
: Status đây là các tín hiệu trang thái, tương tự IO/ M, có thể xác đònh các
hoạt động khác nhau ,nhưng chúng hiếm khi được sử dụng trong các hệ thống nhỏ.
Toàn bộ các hoạt động và cá tín hiệu trạng thái liên kết được liệt kê trong bảng 4.1
 Nguồn cung cấp và tần số xung đồng hồ

= 
2
Đồ án tốt nghiệp
Bảng 4.1: trạng thái chu kì máy và các tín hiệu điều khiển 8085
Trạng thái
Chu kỳ máy IO/M S
1
S
0
Các tín hiệu điều khiển
Tìm kiếm mã hoạt
động
0 1 1 RD = 0
Đọc bộ nhớ 0 1 0 RD = 0
Ghi vào bộ nhớ 0 0 1 WR = 0
Đọc I/O
1 1 0 RD = 0
Ghi vào I/O
1 0 1 WR = 0
Yêu cầu ngắt 1 1 1 INTA = 0
Dừng Z 0 0
Treo Z X X RD , WR = Z
Đặt lại Z X X và INTA = 1

Z =Tổng trở cao (3 trạng thái : Tri –States)
X = Không xác đònh ( Don’t care )
 Các ngắt và các hoạt động Khởi tạo bên ngòai
Vi xử lí 8085 có năm tín hiệu ngắt có thể được sử dụng để ngắt một sự thi hành
chương trình. Vi xử lí trả lời một ngắt bằng tín hiệu INTA (Interrupt Acknowledge).
Ngòai các ngắt, ba chân –RESET, HOLD và READY- Tiếp nhận các tín hiệu khởi

4. RST 5.5 002C
 HOLD (Vào)
Tín hiệu này chỉ thò rằng một thiết bò ngoại vi như bộ điều khiển DMA (Direct
Memory Access) đang yêu cầu sử dụng các tuyến đòa chỉ và dữ liệu
 HLDA (Ra) : Hold Acknowledge
Tín hiệu trả lời theo yêu cầu HOLD
 READY (Vào)
Tín hiệu này được sử dụng để trì hoãn các chu kỳ.Đọc hay Ghi của vi xử lí cho đến khi
một ngoại vi sẵn sàng để gởi hoặc nhận dữ liệu.Khi tín hiệu này xuống thấp,vi xử lí đợi
trong một số nguyên lần các chu kỳ đồng hồ cho khi nó lên cao.
 Các cổng I/O nối tiếp
Vi xử lí 8085 có hai tín hiệu để thực hiện việc truyền dữ liệu nối tiếp

 SID : Seria Input Data. Dữ liệu vào nối tiếp .tín hệu này nạp vào bit D7 của
thanh ghi A trong suốt quá trình thực hiện lệnh RIM

 SOD : Serial Out put Data. Dữ liệu ra nối tiếp.Lệnh này được niêu rõ bởi
lệnh SIM
4.3 CẤU TRÚC BÊN TRONG 8085
Hình 4.3 TRình bày cấu trúc bên trong của 8085. Nó bao gồm Đơn vò logic và
số học ALU (Arithmetic and Logic Unit ), đơn vò đònh thời và điều khiển
(Timng and Control Unit ), Bộ giải mã và thanh ghi lệnh (Instruction Register and
Decoder),Dãy thanh ghi (Register Array), Điều khiển ngắt (Interrupt Control) và
Điều khiển I/O nối tiếp (Serial I/O Control)
Đồ án tốt nghiệp

Hình 4.3 : Sơ đồ khối chức năng của 8085

 Đơn vò logic và số học ALU
Đơn vò này thực hiện các chức năng tính toán : nó bao gồm Thanh ghi tích trữ

X1
X2
Power Supply
+5V
GND
Timing and Control
Interrupt Control
8 Bit Internal Data Bus
(8) (8) (8)
Temp. Reg.
Instruction
Register
Instruction
Decoder
and
Machine
Cycle
Encoding
Flag
Flip Flops
Arithmatic
Logic
Unit
(8)
(ALU)
CLK
GEN
CLK OUT
READY
RD

Reg.
Reg.
Reg. Reg.
Reg.
Reg.
Reg. Select
W Z
B C
D E
H L
Temp. Reg.
Temp. Reg.
Serial I/O ControlSID
SOD