Nghiên cứu thiết kế và thi công cánh tay robot 6 bậc tự do ứng dụng cho mô hình phân loại, sắp xếp sản phẩm theo màu sắc và mã qr truyền thông qua modbus tcpip

Nghiên cứu thiết kế và thi công cánh tay robot 6 bậc tự do ứng dụng cho mô hình phân loại, sắp xếp sản phẩm theo màu sắc và mã qr truyền thông qua modbus tcpip Nghiên cứu thiết kế và thi công cánh tay robot 6 bậc tự do ứng dụng cho mô hình phân loại, sắp xếp sản phẩm theo màu sắc và mã qr truyền thông qua modbus tcpip Nghiên cứu thiết kế và thi công cánh tay robot 6 bậc tự do ứng dụng cho mô hình phân loại, sắp xếp sản phẩm theo màu sắc và mã qr truyền thông qua modbus tcpip Nghiên cứu thiết kế và thi công cánh tay robot 6 bậc tự do ứng dụng cho mô hình phân loại, sắp xếp sản phẩm theo màu sắc và mã qr truyền thông qua modbus tcpip Nghiên cứu thiết kế và thi công cánh tay robot 6 bậc tự do ứng dụng cho mô hình phân loại, sắp xếp sản phẩm theo màu sắc và mã qr truyền thông qua modbus tcpip Nghiên cứu thiết kế và thi công cánh tay robot 6 bậc tự do ứng dụng cho mô hình phân loại, sắp xếp sản phẩm theo màu sắc và mã qr truyền thông qua modbus tcpip Nghiên cứu thiết kế và thi công cánh tay robot 6 bậc tự do ứng dụng cho mô hình phân loại, sắp xếp sản phẩm theo màu sắc và mã qr truyền thông qua modbus tcpip Nghiên cứu thiết kế và thi công cánh tay robot 6 bậc tự do ứng dụng cho mô hình phân loại, sắp xếp sản phẩm theo màu sắc và mã qr truyền thông qua modbus tcpip Nghiên cứu thiết kế và thi công cánh tay robot 6 bậc tự do ứng dụng cho mô hình phân loại, sắp xếp sản phẩm theo màu sắc và mã qr truyền thông qua modbus tcpip

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO MÔN HỌC ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ROBOT

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÁNH TAY ROBOT 6 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG CHO MÔ HÌNH PHÂN LOẠI,

SẮP XẾP SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC VÀ MÃ QR TRUYỀN THÔNG QUA MODBUS TCP/IP

HỌC KỲ I – NĂM HỌC: 2023 - 2024 MÃ MÔN HỌC: RBPR310846

SVTH: Huỳnh Quốc Toàn – 20151160 GVHD: TS Nguyễn Văn Thái

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 12 năm 2023

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các Thầy Cô của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các Thầy Cô khoa Điện – Điện tử của trường đã tạo điều kiện cho em học tập ở khoa và em cũng xin chân thành cám ơn Thầy Nguyễn Văn Thái đã nhiệt tình hướng dẫn em để hoàn thành đề tài này

Trong quá trình học, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo, khó tránh khỏi sai sót, rất mong Thầy bỏ qua Đồng thời do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót, nhóm em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ Thầy để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn các bài báo cáo sắp tới

Cuối cùng em xin kính chúc quý thầy cô tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, quý thầy cô khoa Khoa Điện – Điện tử và đặc biệt là Thầy Nguyễn Văn Thái thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh nhà giáo cao đẹp của mình

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Điện – Điện tử

Ngành: CNKT Điều khiển và Tự động hóa Môn học: Đồ án Kỹ thuật Robot

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 12 năm 2023 Nhóm xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Các loại mã QR thông dụng 3

2.2 Sơ lược về dòng EZI – SERVO 3

2.3 Sơ lược về PLC S7-1200 5

2.4 Sơ lược về dòng Vi điều khiển ESP32 6

2.5 Các chẩn giao tiếp, chuẩn truyền thông dự kiến sử dụng 7

2.5.1 Giao tiếp Modbus TCP – IP 7

2.5.2 Giao tiếp Modbus RTU – RS485 8

2.5.3 Giao tiếp SPI 9

2.5.4 Giao tiếp UART 10

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 11

3.1 Thiết kế cánh tay Robot 6 bậc tự do 11

3.1.1 Thiết kế phần cơ khí Robot 11

3.1.2 Thiết kế phần điện Robot 17

3.2 Tính toán động học Robot 20

3.2.1 Tính toán động học thuận 20

3.2.2 Động học nghịch 24

3.3 Lập trình Robot 29

3.3.1 Lưu đồ giải thuật Robot 29

3.3.2 Lập trình giao diện 30

3.3.3 Lập trình điều khiển 35

3.4 Thiết kế mô hình phân loại và sắp xếp sản phẩm 41

3.4.1 Thiết kết phần cơ khí mô hình 41

3.4.2 Thiết kế phần điện mô hình 44

3.5 Lập trình điều khiển mô hình 47

3.5.1 Lưu đồ giải thuật mô hình 47

3.5.2 Cấu hình các Data Block 48

3.5.3 Cấu hình các khối Modbus 50

3.5.4 Thiết kế giao diện HMI 51

3.5.5 Lập trình điều khiển 53

Chương 4: KẾT QUẢ 55

4.1 Về thi công phần cứng 55

4.2 Về chương trình điều khiển 56

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61

5.1 Kết luận 61

5.2 Hướng phát triển 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

Hình 2.4 Sơ đồ chân ESP32 7

Hình 2.5: Kết hợp Modbus TCP và Modbus RTU 8

Hình 2.6: Modbus RTU trong công nghiệp 8

Hình 2.7: Sơ đồ 2 cấu hình dây của chuẩn RS-485 9

Hình 2.8: Chuẩn giao tiếp SPI 9

Hình 2.9: Chuẩn giao tiếp UART 10

Hình 3.1: Các kích thước Servo của dòng Ezi – Servo Plus – R 11

Hình 3.2: FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L và 60M 12

Hình 3.3: Phanh từ và động cơ khi được lắp phanh từ 12

Hình 3.4: Các hộp số Robot 13

Hình 3.5: Các chi tiết thiết kế trên SolidWorks 14

Hình 3.6: Vị trí các file trên bản thiết kế 15

Hình 3.7: Bản thiết kế Robot trên SolidWorks 15

Hình 3.8: Các chi tiết được gia công 16

Hình 3.9: Quá trình lắp ráp Robot 16

Hình 3.10: Sơ đồ phần điện Robot 17

Hình 3.11: Dòng Ezi – Servo Plus – R và hướng dẫn đấu dây 17

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 18

Hình 3.13: PCB Layout mạch điều khiển 18

Hình 3.14: Quá trình đi dây tủ điện 19

Hình 3.15: Đặt trục Robot 20

Hình 3.16: Sơ đồ hình học Robot 24

Hình 3.17: Sơ đồ hình học giải động học nghịch – vị trí 25

Hình 3.18: Cơ cấu Spherical Wrist 27

Hình 3.19: Lưu đồ giải thuật Robot 29

Hình 3.20: Các trang giao diện 30

Hình 3.21: Trang giao diện Home 31

Hình 3.22: Trang giao diện Kinematic Encoder Mode 31

Hình 3.23: Trang giao diện Kinematic Slider Mode 32

Hình 3.24: Trang giao diện chọn hướng khâu chấp hành 32

Hình 3.25: Trang giao diện chế độ Base 33

Hình 3.26: Trang giao diện Position Table 34

Hình 3.27: Trang giao diện TCP/IP 34

Hình 3.35: Sơ đồ phần điện mô hình 44

Hình 3.36: Cảm biến OMRON E3Z-LS61 44

Hình 3.37: Cảm biến màu Keyence CZ – V21 45

Hình 3.38: Quá trình đấu nối bảng điện 46

Hình 3.39: Lưu đồ giải thuật mô hình 47

Hình 3.40: Các Data Block 48

Hình 3.41: Data Block ModbusTCPIP_ADDR 48

Hình 3.42: Data Block ModbusTCPIP_QR_DATA 48

Hình 3.43: Data Block ModbusTCPIP_ROBOT_DATA 48

Hình 3.44: Data Block ModbusTCPIP_ROBOT_CMD: 49

Hình 3.45: Data Block ModbusTCPIP_CONFIG 49

Hình 3.46: Khối MB_CLIENT_DB READ ROBOT 50

Hình 3.47: Khối MB_CLIENT_DB WRITE ROBOT 50

Hình 3.48: Khối MB_CLIENT_DB READ QR CODE 51

Hình 3.49: Giao diện thiết kế trang System View 52

Hình 3.50: Giao diện thiết kế trang Network View 52

Hình 3.51: Input Tags 53

Hình 3.52: Output Tags 53

Hình 3.53: Các chương trình con, data block và chương trình chính 53

Hình 4.1: Tủ điện sau khi hoàn thành 55

Hình 4.2: Phần cứng sau khi hoàn thành 55

Hình 4.3: Tổng thể mô hình sau khi hoàn thành 55

Hình 4.4: Trang giao diện System View 56

Hình 4.5: Trang giao diện Network View 56

Hình 4.6: Trang đăng nhập 57

Hình 4.7: Trang Home 57

Hình 4.8: Trang Kinematic Encoder Mode 58

Hình 4.9: Trang Kinematic Slider Mode 58

Hình 4.10: Trang chọn hướng khâu chấp hành 59

Hình 4.11: Trang Base Mode 59

Hình 4.12: Trang Position Table 60

Hình 4.13: Trang chế độ giao tiếp qua Modbus TCP/IP 60

II DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: 3 dòng CPU của PLC S7 – 1200 5

Bảng 3.1: Các loại kích thước servo sử dụng trong Robot 11

Bảng 3.2: Loại phanh từ được sử dụng 12

Bảng 3.3: Các loại hộp số được sử dụng 13

Bảng 3.4: Các chi tiết và file các step để gia công 14

Bảng 3.5: Các thông số cơ khí Robot 20

Bảng 3.6: Bảng D – H Robot 21

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Trong bối cảnh ngày nay, quản lý và tự động hóa quy trình sản xuất tại các nhà máy đang đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc phân loại và sắp xếp sản phẩm Sự đa dạng ngày càng tăng về màu sắc và đồng thời áp dụng mã QR để theo dõi thông tin liên quan đến sản phẩm đang trở thành một yếu tố quan trọng Hiện tại, quy trình này thường yêu cầu sự can thiệp của nhân công, tăng chi phí và rủi ro sai sót

Tại nhiều nhà máy, quá trình phân loại và sắp xếp sản phẩm vẫn dựa nhiều vào lao động nhân công, dẫn đến sự chậm trễ và không chính xác Các hệ thống tự động hiện tại thường hạn chế về khả năng tương tác và linh hoạt Điều này dẫn đến sự không hiệu quả trong quản lý sản xuất và đồng thời làm tăng nguy cơ sai sót và lạc hậu trong việc theo dõi thông tin sản phẩm

Chính vì những thách thức này, đề tài "Nghiên cứu, Thiết kế và Thi công Mô hình Phân loại, Sắp xếp Sản phẩm Theo Màu Sắc và Mã QR Ứng dụng Cánh Tay Robot 6 Bậc Tự do Truyền Thông Qua Modbus TCP/IP" ra đời nhằm tận dụng ưu điểm của cánh tay robot 6 bậc tự do và kết hợp với các chuẩn truyền thông như Modbus TCP/IP, Modbus RTU, Mục tiêu là tạo ra một hệ thống linh hoạt và chính xác, giảm tải công việc cho nhân công, đồng thời tối ưu hóa quy trình sản xuất và quản lý thông tin sản phẩm thông qua mã QR Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất sản xuất mà còn giảm những nguy cơ, những sai sót khi sử dụng các cách phân loại và sắp xếp truyền thống

1.2 Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu và thiết kế cơ khí cánh tayR 6 bậc tự do: phân tích các mẫu Robot trên thị trường và thiết kế cơ khí của cánh tay robot 6 bậc tự do để đảm bảo tính linh hoạt và hiệu suất cao trong quá trình thực hiện tác vụ Tối ưu hóa cấu trúc cơ khí để đạt được độ chính xác và ổn định nhất có thể

- Nghiên cứu và thiết kế cơ khí mô hình phân loại và sắp xếp sản phẩm: Phát triển mô hình cơ khí cho hệ thống phân loại và sắp xếp sản phẩm Tích hợp cảm biến và thiết bị cần thiết để đảm bảo việc nhận diện chính xác và xử lý thông tin sản phẩm

- Lập trình điều khiển cánh tay Robot 6 bậc tự do: Phát triển phần mềm điều khiển cho cánh tay robot, tối ưu hóa thuật toán điều khiển để đảm bảo chính xác và đáng tin cậy trong quá trình thực hiện tác vụ

- Lập trình điều khiển mô hình phân loại và sắp xếp sản phẩm: xây dựng chương trình điều khiển cho mô hình phân loại và sắp xếp sản phẩm trên PLC

- Lập trình giao diện SCADA trên WinCC: Phát triển giao diện SCADA trên nền tảng WinCC để giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống

- Lập trình giao diện HMI cho Teach Pendant của Robot: Thiết kế giao diện người dùng trên Teach Pendant để người vận hành có thể dễ dàng điều khiển và giám sát hoạt động của Robot theo thời gian thực

- Nghiên cứu các chuẩn truyền thông công nghiệp: Tìm hiểu và áp dụng các chuẩn truyền thông công nghiệp như Modbus RTU – RS485 và Modbus TCP – IP để đảm bảo tính tương thích và kết nối ổn định giữa các thành phần trong hệ thống

1.3 Giới hạn đề tài

- Sử dụng vi điều khiển để tính toán động học thuận, động học nghịch và điều

khiển Robot thay cho PLC

- Để điều khiển Robot PLC chỉ cần gửi lệnh thông qua Modbus TCP – IP

- Giới hạn thời gian cho một chu trình phân loại và sắp xếp 1 sản phẩm vào kệ

hàng khoảng 20 – 25 giây 1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Mô phỏng hệ thống trên PLC SIM trước khi thi công mô hình thực tế

– Nghiên cứu các phần mềm và công cụ mã nguồn mở: Sử dụng các công cụ tính toán và mô phỏng như Matlab,… đồng thời sử dụng các phần mềm mã nguồn mở và các thư viện liên quan

– Nghiên cứu các bài báo khoa học uy tín về các đề tài liên quan đến Robot tự hành, Robot AGV, Robot AMR và các loại Robot di động khác

– Thực hành và thử nghiệm: Kết hợp việc mô phỏng và việc xây dựng hệ thống phần cứng để thử nghiệm các chức năng của Robot

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các loại mã QR thông dụng

- SQRC (Secure Quick Response Code): SQRC là một dạng mã QR được phát triển để đáp ứng nhu cầu bảo mật cao hơn Nó kết hợp các tính năng như mã hóa và chữ ký số để đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật của dữ liệu được chứa trong mã

- rMQR (Reversible Data Matrix QR): rMQR là một dạng mã QR cho phép giải mã ngược để truy xuất thông tin ban đầu mà không cần kết nối mạng Điều này làm cho nó trở nên hữu ích trong các tình huống mà kết nối internet không khả dụng

- iQR (Intelligent QR Code): iQR là một dạng mã QR có khả năng chứa lượng lớn dữ liệu với kích thước nhỏ gọn hơn so với các mã QR thông thường Điều này được đạt được bằng cách sử dụng thuật toán nén thông minh

- FrameQR: FrameQR chia một mã QR thành nhiều phần (frame), mỗi phần có thể chứa thông tin riêng biệt Khi ghép lại, nó tạo thành một hình ảnh tổng thể chứa nhiều thông tin khác nhau

- Tron (Round QR Code): Tron là một dạng mã QR có hình tròn thay vì hình vuông truyền thống Nó mang lại sự sáng tạo trong thiết kế và có thể thu hút sự chú ý của người sử dụng

- HCCB (High Capacity Color Barcode): HCCB không chỉ là mã QR thông thường mà còn kết hợp màu sắc để tăng dung lượng thông tin và tạo ra hình ảnh độc đáo - DPM (Direct Part Marking) QR Code: DPM QR Code được thiết kế để chịu được điều kiện khắc nghiệt, thích hợp cho việc đánh dấu trực tiếp trên sản phẩm (direct part marking) trong môi trường công nghiệp

- Micro QR Code: Micro QR Code là một phiên bản nhỏ gọn của mã QR, thường được sử dụng trong các ứng dụng có giới hạn không gian và yêu cầu kích thước nhỏ

2.2 Sơ lược về dòng EZI – SERVO

Dòng EZI-SERVO của FASTECH là một hệ thống servo đa chức năng và tiên tiến, được thiết kế để đáp ứng đầy đủ nhu cầu kiểm soát chuyển động trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi sự chính xác và độ tin cậy cao Dưới đây là một sơ lược về dòng EZI-SERVO của FASTECH:

- Đa dạng công suất và kích thước: Dòng EZI-SERVO cung cấp một loạt các mô-đun servo với công suất và kích thước đa dạng, từ các mô-đun nhỏ cho các ứng dụng nhỏ gọn đến các mô-đun mạnh mẽ phù hợp với các hệ thống công suất lớn

- Hiệu suất cao và độ chính xác: Với các thuật toán kiểm soát tiên tiến và động cơ servo chất lượng cao, dòng EZI-SERVO đảm bảo hiệu suất vượt trội và độ chính xác trong quá trình vận hành Điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu chuyển động mềm mại và chính xác

- Dễ lập trình và cấu hình: Hệ thống điều khiển của dòng EZI-SERVO được thiết kế để dễ sử dụng và lập trình FASTECH cung cấp phần mềm điều khiển đồ họa (GUI) và các công cụ cấu hình giúp người dùng dễ dàng tích hợp và điều khiển hệ thống - Tương thích mạnh mẽ: Dòng EZI-SERVO tương thích với nhiều loại truyền thông

công nghiệp như Modbus RTU, CANopen, và RS-485, giúp kết nối và tích hợp với các hệ thống tự động hóa hiện tại một cách thuận tiện

a) Dòng truyền thông EtherCAT b) Dòng truyền thông RS485

Hình 2.1: Một số dòng Servo của Fastech

- Bảo dưỡng dễ dàng: Thiết kế của EZI-SERVO cũng nhấn mạnh vào việc dễ dàng bảo dưỡng và khắc phục sự cố Điều này giảm thiểu thời gian chết máy và tăng khả năng hoạt động liên tục của hệ thống

- Ứng dụng đa dạng: Dòng EZI-SERVO của FASTECH được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như máy móc tự động, robot công nghiệp, dây chuyền sản xuất, và các hệ thống tự động hóa khác

Với những tính năng nổi bật này, dòng EZI-SERVO của FASTECH không chỉ đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp phức tạp mà còn đem lại sự linh hoạt và tiện ích trong việc tích hợp vào các hệ thống hiện tại

2.3 Sơ lược về PLC S7-1200

Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau

Bảng 2.1: 3 dòng CPU của PLC S7 – 1200

Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết

Kích thước ảnh tiến trình1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

Độ mở rộng các module tín hiệu Không28

Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian thựcThông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400CPROFINET1 cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính toán thực18 μs/lệnhTốc độ thực thi Boolean0,1 μs/lệnh

Hình 2.2: PLC S7 – 1200 và một số module mở rộng

2.4 Sơ lược về dòng Vi điều khiển ESP32

ESP32 là một series các vi điều khiển trên một vi mạch giá rẻ, năng lượng thấp có tích hợp WiFi và dual-mode Bluetooth Dòng ESP32 sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 có hai biến thể lõi kép và lõi đơn, và bao gồm các công tắc antenna tích hợp, RF balun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng

ESP32 được chế tạo và phát triển bởi Espressif Systems, một công ty Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải, và được sản xuất bởi TSMC bằng cách sử dụng công nghệ 40 nm ESP32 là sản phẩm kế thừa từ vi điều khiển ESP8266

Hình 2.3 Cấu trúc ESP32

Hình 2.4 Sơ đồ chân ESP32

2.5 Các chẩn giao tiếp, chuẩn truyền thông dự kiến sử dụng 2.5.1 Giao tiếp Modbus TCP – IP

- Modbus-TCP/IP là giao thức Modbus được sử dụng trên đường truyền Ethernet, sử dụng mô hình TCP/IP để truyền thông Modbus-TCP là 1 mạng Ethernet công nghiệp mở được nhận diện bởi Modbus-IDA User Organization

- Phương thức truyền thông Modbus TCP/IP: Cũng như các loại modbus khác, Modbus TCP/IP cũng sử dụng mô hình Master-Slave để truyền thông Tuy nhiên, được triển khai trên nền Ethernet, sử dụng bộ giao thức TCP trên nền IP

- Modbus TCP làm cho định nghĩa Master-Slave truyền thống thay đổi Vì Ethernet cho phép giao tiếp ngang hàng Trong mạng TCP, các Slave có thể chủ động truyền thông tin về các thiết bị quản lý trung tâm – Master Sử dụng địa chỉ IP trên các Master để quản lý tập trung từ phần mềm

- Modbus TCP/IP được sử dụng trên các mạng TCP/ IP hiện đại, có 2 loại triển khai Modbus TCP:

• Modbus RTU qua TCP, đơn giản chỉ là sử dụng TCP làm lớp vận chuyển cho các thông điệp RTU

• Modbus TCP bình thường và có một số thay đổi trong định dạng tin nhắn - Vì được truyền trên nền TCP/IP nên tốc độ truyền của Modbus TCP/IP cao, đáp ứng

realtime Cao hơn hẳn Modbus RTU

- Có thể kết hợp modbus TCP/IP với modbus RTU Được gọi là Hybird Modbus Như hình dưới

Hình 2.5: Kết hợp Modbus TCP và Modbus RTU

2.5.2 Giao tiếp Modbus RTU – RS485

RS485 là một phương thức giao tiếp được ứng dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp, viễn thông, POS,… Đặc biệt, RS485 được sử dụng nhiều trong các môi trường nhiễu do phạm vi đường truyền rộng lớn, đường cáp truyền đi quá lại quá dài trong môi trường nhiễu Không chỉ dừng lại ở đó, RS485 cũng được ứng dụng nhiều trong hệ thống máy tính, điều khiển, PLC hay cảm biến thông minh,…

Chuẩn giao tiếp RS485 có thể kết nối max lên đến 32 thiết bị trên một cặp dây đơn và một hệ thống dây nối đất ở khoảng cách lên đến 1200m

Hình 2.6: Modbus RTU trong công nghiệp

Dữ liệu khi truyền qua 2 dây trong trạng thái xoắn lại Khi dây xoắn lại thì khả năng chống nhiễu cao và tín hiệu đường truyền tốt hơn Trong mạng RS485 được phân thành

2 cấu hình: Cấu hình 2 dây (hệ thống bán song công) và cấu hình 4 dây (hệ thống song công toàn phần)

Hình 2.7: Sơ đồ 2 cấu hình dây của chuẩn RS-485

2.5.3 Giao tiếp SPI

SPI là một giao thức giao tiếp phổ biến được sử dụng bởi nhiều thiết bị khác nhau Ví dụ, module thẻ SD, module đầu đọc thẻ RFID và bộ phát / thu không dây 2,4 GHz đều sử dụng SPI để giao tiếp với vi điều khiển

Lợi ích duy nhất của SPI là dữ liệu có thể được truyền mà không bị gián đoạn Bất kỳ số lượng bit nào cũng có thể được gửi hoặc nhận trong một luồng liên tục Với I2C và UART, dữ liệu được gửi dưới dạng gói, giới hạn ở một số bit cụ thể Điều kiện bắt đầu và dừng xác định điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi gói, do đó dữ liệu bị gián đoạn trong quá trình truyền

Các thiết bị giao tiếp qua SPI có quan hệ master - slave Master là thiết bị điều khiển (thường là vi điều khiển), còn slave (thường là cảm biến, màn hình hoặc chip nhớ) nhận lệnh từ master Cấu hình đơn giản nhất của SPI là hệ thống một slave, một master duy nhất, nhưng một master có thể điều khiển nhiều hơn một slave

Hình 2.8: Chuẩn giao tiếp SPI

MOSI (đầu ra master / đầu vào slave) - đường truyền cho master gửi dữ liệu đến slave MISO (đầu vào master / đầu ra slave) - đường cho slave gửi dữ liệu đến master

SCLK (clock) - đường cho tín hiệu xung nhịp

SS / CS (Slave Select / Chip Select) - đường cho master chọn slave nào để gởi tín hiệu

2.5.4 Giao tiếp UART

UART hay bộ thu-phát không đồng bộ đa năng là một trong những hình thức giao tiếp kỹ thuật số giữa thiết bị với thiết bị đơn giản và lâu đời nhất Bạn có thể tìm thấy các thiết bị UART trong một phần của mạch tích hợp (IC) hoặc dưới dạng các thành phần riêng lẻ Các UART giao tiếp giữa hai nút riêng biệt bằng cách sử dụng một cặp dẫn và một nối đất chung

Hình 2.9: Chuẩn giao tiếp UART

Vì nó là thiết lập phổ quát nên có thể định cấu hình UART để hoạt động với nhiều loại giao thức nối tiếp khác nhau UART đã được điều chỉnh thành các đơn vị chip đơn vào đầu những năm 1970, bắt đầu với Western Digital’s WD1402A

Trong một sơ đồ giao tiếp UART:

- Chân Tx (truyền) của một chip kết nối trực tiếp với chân Rx (nhận) của chip kia và ngược lại Thông thường, quá trình truyền sẽ diễn ra ở 3.3V hoặc 5V UART là một giao thức một master, một slave, trong đó một thiết bị được thiết lập để giao tiếp với duy nhất một thiết bị khác

- Dữ liệu truyền đến và đi từ UART song song với thiết bị điều khiển (ví dụ: CPU) - Khi gửi trên chân Tx, UART đầu tiên sẽ dịch thông tin song song này thành nối

tiếp và truyền đến thiết bị nhận

- UART thứ hai nhận dữ liệu này trên chân Rx của nó và biến đổi nó trở lại thành song song để giao tiếp với thiết bị điều khiển của nó

UART truyền dữ liệu nối tiếp, theo một trong ba chế độ:

- Full duplex: Giao tiếp đồng thời đến và đi từ mỗi master và slave - Half duplex: Dữ liệu đi theo một hướng tại một thời điểm

- Simplex: Chỉ giao tiếp một chiều

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế cánh tay Robot 6 bậc tự do

3.1.1 Thiết kế phần cơ khí Robot 3.1.1.1 Servo

Đối với EZI – Servo đã cơ bản đáp ứng được độ chính xác hơn khi so với các dòng step hoặc step hydrid truyền thống Một lợi thế của EZI – Servo nữa là EZI có series dùng truyền thông qua RS485 – điều này giúp việc điều khiển Servo dễ dàng, tiết kiệm chân điều khiển hơn so với phương án điều khiển qua 2 chân xung và chiều như truyền thống Hơn nữa, tác giả lựa chọn dòng EZI – Servo nhằm giải quyết một phần vấn đề chi phí cho mô hình Đồng thời, EZI – Servo sử dụng nguồn điện 24V, điều này có thể giúp phát triển thêm các tác vụ cần tính di động khác như tích hợp vào AGV, AMR,… do không phải dùng nguồn điện lưới

EZI – Servo có các kích thước động cơ gồm: EzM – 20, EzM – 28, EzM – 35, EzM – 42, EzM – 56, EzM – 60, EzM – 86 Với EzM – xx: là kích thước mặt bích của động cơ Ở mỗi loại kích thước mặt bích sẽ có các size quy ước chiều dài của động cơ bao gồm: Size S, Size M và Size L và Size XL

Vì size 86mm khá to không phù hợp với kích cỡ Robot sẽ thiết kế nên tác giả chọn dùng size 60L và size 60M Các khâu từ khâu 1 đến khâu 4 thì dùng size 60L và 2 khâu cuối dùng size 60M

Hình 3.1: Các kích thước Servo của dòng Ezi – Servo Plus – R

Khâu 1 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L Khâu 2 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L Khâu 3 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L Khâu 4 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L Khâu 5 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60M Khâu 6 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60M

Bảng 3.1: Các loại kích thước servo sử dụng trong Robot

Hình 3.2: FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L và 60M

3.1.1.2 Phanh từ

Ở khâu 2 và 3 phải chịu trọng lực tương đối lớn so với các khâu khác, dễ xảy ra hiện tượng trôi khi tắt servo và khi bật servo cũng phải chịu một lực lớn để giữ khâu đó lại lâu dài làm gây hại cho servo, nên tác giả có dùng thêm 2 phanh từ ở 2 khâu trên

Khâu 2 Phanh từ MIKI PULLEY USED BXW-02-10-52 0.70NM Khâu 3 Phanh từ MIKI PULLEY USED BXW-02-10-52 0.70NM

Bảng 3.2: Loại phanh từ được sử dụng

Hình 3.3: Phanh từ và động cơ khi được lắp phanh từ

3.1.1.3 Các hộp số

Do kích thước và trọng lượng Robot khá nặng, mỗi khớp đòi hỏi phải chịu được lực khá lớn và phải truyền tải đủ momen từ động cơ đến khâu, nên không thể chỉ dùng cơ cấu pulley – dây đai để truyền động Mà mỗi động cơ đều phải qua từng hộp số tương ứng và phối hợp thêm cơ cấu pulley – dây đai để tăng tỉ số truyền nhằm đáp ứng đủ momen để quay được các khâu và kéo được tải Sau khi tìm hiểu và lựa chọn tác giả chọn 6 hộp số gồm các hãng khác nhau để sử dụng, một phần nữa những hộp số này có tỉ số truyền phù hợp với nhu cầu và dễ tìm mua hơn

a) Khâu 1 b) Khâu 2 c) Khâu 3

d) Khâu 4 e) Khâu 5 f) Khâu 6

3.1.1.4 Khung nhôm CNC

Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế các chi tiết của Robot, bao gồm 22 chi tiết chất liệu nhôm, sử dụng các phương pháp gia công như CNC, tiện,… và 3 chi tiết bằng mica tấm 5mm

Hình 3.5: Các chi tiết thiết kế trên SolidWorks

Bảng 3.4: Các chi tiết và file các step để gia công

Nhôm tấm CNC1De - Tam de.STEPNhôm tấm CNC2De - Tam tren.STEPNhôm tấm CNC3De - Tam truoc.STEPNhôm tấm CNC4De - Tam phai.STEPNhôm tấm CNC5De - Tam trai.STEPNhôm tấm CNC6De - Tam sau.STEP

Nhôm tấm CNC7Khau 1 - Pad gan Servo va Gearbox.STEPNhôm tấm CNC8Khau 1 - Pad Gearbox.STEP

Trụ nhôm 14mmTiện9Khau 1 - Truc noi Gearbox.STEPNhôm tấm CNC10Khau 1 - Tam duoi.STEPKhâu 2Nhôm tấm CNC11Khau 2.STEP

Nhôm tấm CNC12Khau 3 - Pad gan Gearbox_1.STEPNhôm tấm CNC13Khau 3 - Pad gan Gearbox_2.STEPNhôm tấm CNC14Khau 3 - Pad gia co phan 1 va 2.STEPNhôm tấm CNC15Khau 4 - Pad 1.STEP

Nhôm tấm CNC16Khau 4 - Pad 2.STEPNhôm tấm CNC17Khau 4 - Pad.STEP

Trụ nhôm 14mmTiện18Khau 4 - Truc noi Gearbox.STEPTrụ nhôm 70mmTiện19Khau 4 - Tru tron.STEP

Nhôm tấm CNC20Khau 5 - Pad 1.STEPNhôm tấm CNC21Khau 5 - Pad 2.STEP

Khâu 6Nhôm tấm CNC22Khau 6 - Pad co cau chap hanh.STEP

Hình 3.6: Vị trí các file trên bản thiết kế

Hình 3.7: Bản thiết kế Robot trên SolidWorks

Hình 3.8: Các chi tiết được gia công

Hình 3.9: Quá trình lắp ráp Robot

3.1.2 Thiết kế phần điện Robot

Các thành phần chính trong hệ thống được trình bày ở sơ đồ phía dưới, trong đó ESP32 đóng vai trò làm vi điều khiển chính để điều khiển Robot thông qua các Driver và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi khác như SD Card Module, Ethernet Module để giao tiếp Modbus TCP với PLC

Hình 3.10: Sơ đồ phần điện Robot

Sử dụng Driver dòng Plus-R của FASTECH với độ phân giải tối đa 10000ppr Bao gồm 4 Driver mã EzS – NDR – 60L – A – D cho motor size 60L và 2 Driver mã EzS – NDR – 60M – A – D cho motor size 60M

Hình 3.11: Dòng Ezi – Servo Plus – R và hướng dẫn đấu dây

Sơ đồ nguyên lý Schematic và PCB Layout cho Controller Board dùng ESP32-WROOM-32U

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

Hình 3.13: PCB Layout mạch điều khiển

d) Tủ điện hoàn thiện

Hình 3.14: Quá trình đi dây tủ điện

Trong đó, các phần tử trong ma trận trên là các phương trình mô tả động học thuận cho cánh tay Robot 6 bậc tự do

3.2.2 Động học nghịch

Hình 3.16: Sơ đồ hình học Robot

Đối với bài toán động học nghịch của Robot 6 bậc tự do có thể chia làm 2 phần để tìm đủ 6 giá trị góc quay của Robot:

- Phần 1: Động học nghịch – Vị trí: Từ tọa độ điểm làm việc EE và hướng của

khâu cuối R0_6, ta có thể tìm được tọa độ của điểm W (Spherical Wrist – hay còn gọi là điểm cổ tay)

Lúc này trở thành bài toán động học nghịch cánh tay robot 3 bậc tự do (do đã lược bớt 3 góc cuối tính từ điểm cổ tay) Từ đó, tính toán ta tìm được giá trị θ1, θ2, θ3

- Phần 2: Động học nghịch – Hướng: Từ ma trận hướng khâu cuối R0_6 và các

giá trị θ1, θ2, θ3 tìm được ở Phần 1 ta có thể tìm được ma trận R0_3 Ta lại có ma trận tổng quát R3_6 Từ 2 ma trận R0_6, R0_3 và ma trận tổng quát R3_6 Từ đó, tính toán ta có thể tìm được giá trị θ4, θ5, θ6

3.2.2.1 Động học nghịch – Vị trí

Hình 3.17: Sơ đồ hình học giải động học nghịch – vị trí

Xét tam giác vuông OWxW’, ta có: