MỤC LỤC đồ án Thiết kế cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm

MỞ ĐẦU.. 4

CHƯƠNG 1- NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ.. 6

1.1- Tổng quát về hệ thống sản xuất thông minh. 6

1.2- Lịch sử phát triển robot công nghiệp. 9

1.3- Định nghĩa và phân loại10

1.3.1- Định nghĩa. 10

1.3.2- Phân loại robot12

1.4- Ứng dụng của robot công nghiệp. 17

1.5- Tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam.. 18

1.6- Nội dung nghiên cứu. 19

1.6.1- Cơ khí19

1.6.2- Mạch điều khiển. 19

1.6.3- Phương pháp điều khiển. 20

1.7- Phạm vi nghiên cứu đề tài20

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ. 21

2.1- Lựa chọn phương án thiết kế cánh tay robot 4 bậc RRRR. 21

2.1.1- Đánh giá các loại mô hình có sẵn trên thị trường. 21

2.1.2- Lựa chọn mô hình robot22

2.2- Lựa chọn phương án điều khiển. 28

2.2.1- Lựa chọn phương pháp điều khiển. 28

2.2.2- Lựa chọn cảm biến. 30

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG.. 33

3.1- Thiết kế hệ thống cơ khí cho cánh tay Robot33

3.1.1- Xây dựng bản vẽ sơ bộ cánh tay robot trên phần mềm SolidWorks. 33

3.1.2- Cụm truyền động cho khớp quay thứ nhất35

3.1.3- Cụm truyền động cho khớp quay thứ hai39

3.1.4- Cụm truyền động cho khớp quay thứ ba. 41

3.1.5- Cụm truyền động cho khớp quay thứ tư. 42

3.1.6- Cụm tay gắp. 43

3.2- Tính toán các kết cấu cơ khí44

3.2.1-Tính toán động cơ bàn tay kẹp (khớp quay thứ 4)44

3.2.2- Tính toán động cơ khớp quay thứ 3. 44

3.2.3- Tính toán động cơ khớp quay thứ 2. 46

3.2.4- Tính toán động cơ khớp quay thứ 1. 47

3.3- Tính toán bộ truyền băng tải dây belt48

CHƯƠNG 4- XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 4 BẬC. 53

4.1- Đặt vấn đề. 53

4.2- Cấu trúc động học robot54

4.2.1- Hệ tọa độ. 54

4.2.2- Cấu trúc động học chuỗi động hở. 55

4.3- Mô hình hóa cánh tay robot59

4.3.1- Xây dựng hệ tọa độ Denavit Haterberg. 59

4.3.2- Động học thuận. 63

4.3.3- Động học ngược. 64

CHƯƠNG 5- THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN.. 69

5.1- Các linh kiện sử dụng. 69

5.1.1- Module Wifi ESP8266. 69

5.1.2- Module hạ áp LM2596. 71

5.1.3- LCD 16*2. 71

5.1.4- Cảm biến hồng ngoại73

5.1.5- Mosfet IRF840. 75

5.1.6- Nguồn Adapter 12V-5A. 76

5.2- Sơ đồ mạch nguyên lý và sơ đồ khối điều khiển. 78

5.3- Phần mềm lập trình điều khiển. 82

5.3.1- Phần mềm Arduino IDE. 82

5.3.2- Sơ đồ thuật toán điều khiển. 83

5.3.3- Code điều khiển. 84

CHƯƠNG 6- MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM.. 85

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.. 86

7.1- Các yêu cầu cho thiết bị86

7.2- Mức độ hoàn thành. 86

7.3- Đánh giá. 86

7.4- Kết luận. 87

7.5- Hướng phát triển. 87

KẾT LUẬN.. 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 90

PHỤ LỤC 1. 91

 

MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống ngày nay, robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, một cách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn. Những hãng Robot (RB) từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày một khẳng định sự hiện diện của các tay máy là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phía trước. Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày một đa dạng.

Trong khuôn khổ môn học Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế hệ thống robot 4 bậc tự do, em tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong đồ án này sẽ là bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán và thiết kế các loại tay gắp và cụm tay gắp trong công nghiệp.

Với bố cục gồm:

1- Tổng quan về tay máy

Phần này sẽ là cái nhìn sơ qua về tay máy nói riêng và robot nói chung bao gồm lịch sử phát triển, phân loại và ứng dụng hiện nay giúp chúng ta hình dung tính quan trọng cũng như sự hữu dụng của nó tới cuộc sống.

2- Tính toán thiết kế robot 4 bậc tự do

Bao gồm các bước tính toán thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống điều khiển mô phỏng để kiểm chứng tính đúng đắn của quá trình thiết kế sẽ cung cấp các quá trình cơ bản để có thể xác định cách có thể một sản phẩm tay gắp được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống.

Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy …, cảm ơn thầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi gặp mặt. Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp em tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị của em hoặc cũng có thể kiến thức em mang đến trong đồ án này còn một số sai sót và chưa đúng. Em rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa đó.

CHƯƠNG 1- NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ

1.1- Tổng quát về hệ thống sản xuất thông minh

Mô hình sản xuất thông minh

Các cụm hệ robot thống tay gắp là một phần của hệ thống mô hình sản xuất thông minh. Vậy thì mô hình sản xuất thông minh có vai trò và những đặc điểm gì, chúng ta sẽ tìm hiểu khái quát về nó sau đây.

Mô hình sản xuất thông minh là hệ thống điều khiển hoàn toàn tự động như hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS: Flexible Manufacturing System) được áp dụng rộng rãi vào sản xuất hàng loạt có thể đạt được các yêu cầu về năng suất và chất lượng của sản phẩm. Các FMS sẽ kích hoạt các hoạt động tự động bằng các chương trình được lập trình trước đó. Do đó, các FMS này gặp  khó khăn để đạt được các yêu cầu về tính khả dụng, khả năng thích ứng và độ tin cậy. Các hệ thống sản xuất do con người vận hành với khả năng nhận thức như nhận thức, học hỏi và lý luận để đưa ra quyết định có thể đáp ứng các yêu cầu này. Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của các hệ thống này thấp do chi phí sản xuất cao cũng như chỉ thích hợp để sản xuất nguyên mẫu hoặc quy mô lô nhỏ. Vì vậy, cần phải tích hợp khả năng nhận thức vào các FMS để đạt được các hệ thống FMS với các đặc tính tiên tiến lấy cảm hứng sinh học.

Smart-CPMS (Cyber Physical Manufacturing System) có các đặc điểm nâng cao như sau:

-        Mỗi yếu tố trong Smart-CPMS là một thực thể tự trị được trang bị các khả năng mới như nhận thức, lý luận để đưa ra quyết định, giao tiếp và hợp tác. Mỗi CPS có khả năng đưa ra quyết định một cách tự chủ;

-        Cải thiện hệ thống về tính thông minh và tính tự chủ của FMS, Smart-CPMS có khả năng thích ứngvới những thay đổi trong sản xuất trong thời gian ngắn và tức thì.

Hệ thống sản xuất vật lý không gian mạng thông minh (Smart-CPMS) được thể hiện trong Hình 1. Một trong những xu hướng lớn hơn của sản xuất là các sản phẩm được cá nhân hóa. Smart-CPMS có khả năng trả lời nhanh chóng và chính xác những thay đổi của môi trường sản xuất mà không cần can thiệp từ bên ngoài.

Hình 1.1- Mô hình quy trình sản xuất thông minh

Ở cấp độ quản lý, khách hàng đặt mua bằng cách lựa chọn sản phẩm trên màn hình kĩ thuật số. Sau đó, thông tin sản phẩm được gửi đến bộ phận lập kế hoạch và quy trình thiết kế trên xưởng. Các thuật toán lấy cảm hứng từ sinh học như thuật toán di truyền, thuật toán bầy đàn, v.v. được sử dụng để lập ra quy trình thực hiện. Nhờ đó mà nhiều phương pháp tối ưu hóa được đưa ra. Như Smart-CPMS, Internet of Service (IoS) được sử dụng hiệu quả để phân công các nhiệm vụ từ thiết kế đến lập kế hoạch.

Ở cấp độ phân xưởng, Smart-CPMS được coi là sự hợp tác trong IoT giữa các thiết bị thông minh để thực hiện các nhiệm vụ. CPS là một tổ chức tự quản có thể tự kiểm soát trong việc thích ứng với những thay đổi cũng như hợp tác với các CPS khác để hoàn thành việc lập kế hoạch.

Giao diện người - máy (HMI), Smart-Phone và trợ lý kỹ thuật sốcá nhân (PDA) được sử dụng để giao tiếp giữa máy với con người. Cơ sở hạ tầng CNTT-TT như hệ thống thực thi sản xuất (MES),hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (ERP) , mạng không dây, hệ thống RFID và mạng cảm biến cho phép CPS nắm bắt trạng thái của nó cũng như giao tiếp với các CPS.

Phần không gian mạng đưa ra quyết định tùy theo trạng thái được giao. Cơ chế lập luận dựa trên tri thức từ trí tuệ nhân tạo  để đưa ra quyết định, lập kế hoạch mới, chẳng hạn như các thông số cắt mới cho quá trình gia công hoặc yêu cầu hợp tác với các CPS khác. Mô-đun giao tiếp chịu trách nhiệm tương tác với các CPS khác cũng như các thiết bị HMI và PDA.

Triển khai hệ thống Smart-CPS (Cyber Physical System)

CPS có thể hiểu đơn giản như một cụm kết cấu thực hiện một hoạt động trong một chuỗi các hoạt động của dây chuyền sản xuất hiện đại. Trạm gắp phân loại sản phẩm cũng là một CPS như vật. thực hiện quá trình phát hiện và phân loại các sản phẩm để đưa tới các CPS tiếp theo.

Hình 1.2- Mô hình thực nghiệm CPS

Mô hình thể hiện trong H1.2 để kiểm tra các hành vi của CPS dựa trên các tác nhân nhận thức. Gồm có:

1. Các tác nhân nhận thức đã được cài đặt trong máy tính cá nhân (3 PC). 
2. Hệ thống có 3 bộ PLC (Programmable Logic Controller),
3. Hệ thống RFID (Radio Frequency Identification) công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến
4. Hệ thống thi hành sản xuất MES (Manufacturing excution system) để theo dõi, giám sát và lưu trữ thông tin từ vật tư đầu vào thành sản phẩm đầu ra
5. Các tác nhân nhận thức được giao tiếp thông qua thiết bị chuyển đổi  không dây Buffalo TM Ethernet.
6. 3 công tắc đã được sử dụng làm thiết bị cho tạo ra những xáo trộn “Disturbance”

Robot 4 bậc tự do là một thành phần của CPS thuộc một mô hình sản xuất thông minh trong các nhà máy công nghiệp hiện nay. Cánh tay robot là một cơ cấu trong hàng ngàn thiết kế của hệ thống các tay máy công nghiệp. Để có cái nhìn tổng quát về tay máy công nghiệp ta đi đến mục 1.2.

1.2- Lịch sử phát triển robot công nghiệp

Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay máy chấp hành điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ. Vào những năm 50 của thế kỉ 20, bên cạnh những tay máy chấp hành cơ khí đó, đã xuất hiện các tay máy chấp hành thủy lực và điện tử.

Năm 1961, chiếc robot công nghiệp đầu tiên được đưa vào sử dụng ở nhà máy Genaral Motor tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì. Năm 1967, Nhật Bản mới nhập khẩu chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì. Đến năm 1990, có hơn 40 công ty Nhật Bản đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng.

Từ những năm 70, việc nghiên cứu và nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Một lĩnh vực nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành. Các nghiên

cứu robot tự hành bắt chước hoạt động chân người, chân động vật. Các loại robot này chưa có ứng dụng nhiều trong công nghiệp, tuy nhiên các loại xe robot (robotcar) lại nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt.

Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các ứng dụng kĩ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp đã có chỗ đứng trong các dây chuyền sản xuất tự động.

1.3- Định nghĩa và phân loại

1.3.1- Định nghĩa

Có nhiều định nghĩa robot cùng tồn tại, chúng ta hãy cùng tham khảo một số định nghĩa như sau:

Định nghĩa theo từ điển New World College

“Robot là một kết cấu cơ khí có hình dạng bất kì, được xây dựng để thực hiện những công việc bằng tay của con người”.

Các định nghĩa sau này bao gồm các cánh tay cơ khí, các máy móc điều khiển số, các máy móc di chuyển theo kiểu bước đi và mô phỏng hình dáng con người. Các robot công nghiệp ngày này chỉ thực hiện một phần công việc của con người.

Các robot ban đầu thường được gọi là các tay máy (Manipulator).

Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản

Định nghĩa này mang tính khái quát nhất của tất cả các định nghĩa được sử dụng. Nó bao gồm tất cá các thiết bị tay máy và có thể xem khi định nghĩa một robot sau này.

“Robot là một máy, cơ cấu thường gồm một số bộ phận phân đoạn được nối với phân đoạn khác bằng khớp quay hay khớp trượt nhằm mục đích để gắp hay di chuyển các đối tượng, thường có một số bậc tự do. Nó có thể điều khiển bởi một nguồn kích hoạt, một hệ thống điện tử có thể lập trình được hay một hệ thống logic nào đó”.

Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp)

  “Robot là một cơ cấu chuyển đội tự động có thể chương trình hóa, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên sườn các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất (chi tiết, dụng cụ gá lắp.v.v.) theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.”

Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Hoa Kì

“Robot là một tay máy có nhiều chức năng có thể lập trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, các phần tử, linh kiện, các dụng cụ và thiết bị đặc biệt thông qua việc thay đổi các chương trình hoạt động đã được lập để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau.”

Định nghĩa theo hiệp hội robot Anh

 “Robot công nghiệp là một thiết bị có thể được lập trình lại, được thiết kế để thực hiện hai nhiệm vụ cầm nắm và vận chuyển các phần tử, linh kiện, các dụng cụ hoặc các công cụ chế tạo đặc biệt thông qua việc thay đổi các chương trình hoạt động đã được thiết lập để thực hiện các tác vụ gia công khác nhau.”

Định nghĩa GOST (Nga)

“Robot là một máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự con người.”

Như vậy, qua các định nghĩa trên, ta có thể hiểu đơn giản robot công nghiệp là một loại thiết bị được thiết kế và chế tạo để phục vụ một số hoạt động trong quá trình sản xuất, thông qua các chương trình được thiết lập sẵn, và có thể thay đổi tùy vào mục đích sử dụng.

 

1.3.2- Phân loại robot

Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những yếu tố kĩ thuật khác nhau. Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:

a- Phân loại theo số bậc tự do

Định nghĩa

Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập cần cho trước để xác định hoàn toàn vị trí của các khâu trong cơ cấu khi cơ cấu hoạt động. Điều đó có nghĩa mỗi thông số độc lập sẽ là một quy luật cho trước để xác định quy luật chuyển động của cơ cấu. Khâu có quy luật chuyển động cho trước được gọi là khâu dẫn, khâu dẫn được nối với giá bằng một khớp loại 5 vì khớp loại 5 chỉ có một thông số xác định.

Hình 1.3- Robot 3 bậc tự do [*]

Trong H1.3 là mô hình robot 3 bậc tự do gồm 1 bậc tự do tịnh tiến và 2 bậc tự do quay.

Công thức tính số bậc tự do của cơ cấu

Đối với robot là dạng chuỗi động hở như robot sacra đang xét thì số bậc tự do có thể tính theo công thức sau:

                                  W= 6n –                                                     (2.1)

Trong đó: n là số khâu động

là số khớp loại i (i=1,2,..,5: số bậc tự do bị hạn chế)

Ví dụ robot scara: Có 4 khâu động, 3 khớp quay loại 5 và 1 khớp trượt loại 5.

W= 6*4 – (3*5+5) = 4 (bậc tự do)

Một robot sẽ linh hoạt hơn khi di chuyển và hoạt động trong một không gian bị hạn chế. Mặt khác, trong một số ứng dụng đặc biệt như trong việc lắp ráp trong một mặt phẳng thì chỉ cần bốn bậc tự do.

Phân loại theo cấu trúc động học

 Một robot được gọi là robot tuần tự hay robot chuỗi hở nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi động học hở, gọi là robot song song nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm hai loại chuỗi hở và chuỗi đóng.

Hình 1.4- Robot song song [*]

 

Nhìn nhận một cách tổng quát thì robot song song có nhiều ưu điểm vì chúng có độ cứng vững cao hơn, khả năng tải cao hơn, nhưng không gian làm việc nhỏ hơn và cấu trúc phức tạp hơn. Tuy nhiên trong các đơn vị công nghiệp lắp ráp, hàn xì, đúc,.v.v. thường sử dụng các robot chuỗi động hở vì khả năng vận hành linh hoạt và thiết kế đơn giản.

Hình 1.5- Robot hàn chuỗi hở [*]

 

  Như trong hình mô tả về robot hàn chuỗi hở, nó có thể tùy ý thao tác các hoạt động trong một không gian làm việc rộng và điều chỉnh được hướng và vị trí của mũi hàn.

c- Phân loại theo nguồn động lực sử dụng

Nguồn năng lượng điện (động cơ điện)

Thường sử dụng các động cơ điện một chiều, các động cơ bước (H1.4) hay động cơ Servo.

Các loại động cơ này có đặc điểm là hoạt động chính xác, tin cậy, đạt công suất cao và có tính tuyến tính cao dễ điều khiển. Hệ này cũng đảm bảo kết cấu gọn, truyền dẫn năng lượng trực tiếp. Ngoài ra nó còn đảm bảo an toàn vệ sinh môi trường.

Hình 1.6- Cấu tạo động cơ bước (Step Motor) [*]

 

Nhằm nâng cao chất lượng là hiệu quả sử dụng đối với hệ này cần tuân theo những nguyên tắc cơ bản sau:

 - Sử dụng các công nghệ mới, các loại vật liệu mới ít chịu ảnh hưởng bở từ trường Trái Đất.

 - Tiếp tục nâng cao công suất và hiệu suất công tác.

 - Xử lý tốt các cụm ghép nối trong mạch nguồn, mạch điều khiển và hiệu chỉnh nâng cao hơn nữa độ tin cậy.

Nguồn năng lượng thủy, khí(động cơ thủy lực, khí nén)

Động cơ thủy lực có thể đạt đến công suất cao, đáp ứng những yêu cầu làm việc nặng. Tuy nhiên, hệ thống thủy lực thường cồng kềnh, yêu cầu dòng dầu, chất lượng dầu cao, hơn nữa vận tốc phải có độ phi tuyến lớn, khó đảm bảo độ chính xác cao khi điều khiển.

Hình 1.7- Động cơ khí nén[*]

Hệ khí nén làm việc với công suất trung bình và nhỏ có kết cấu đơn giản. Đòi hỏi phải gắn liền với trung tâm khí nén, kém chính xác. Thích hợp cho các loại robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản kiểu nâng lên hạ xuống.

d- Phân loại theo hệ thống truyền động

Hệ truyền động gián tiếp

Các cơ cấu chấp hành được nối với nguồn động lực thông qua các bộ truyền động cơ khí thường gặp như hệ bánh răng thường, hệ bánh răng hành tinh, hệ bánh răng song, dây đai răng (H1.6) bộ truyền xích haylà bộ truyền vít me đai ốc bi.v.v.

Nhược điểm của hệ này là tạo mòn khe hở động học dẫn đến phi tuyến và hiệu ứng trễ ngày càng cao hơn. Mặt khác hiệu suất sẽ giảm do tiêu hao công suất trên bộ truyền.

Hình 1.8- Bộ truyền dây dai răng và bánh răng [*]

 

 Do quá trình hoạt động với cường độ làm việc liên tục và ảnh hưởng của lực ma sát gây nên những hư hỏng liên quan đến bộ truyền trung gian như mẻ răng, mòn răng, dãn đai,.v.v. làm ảnh hưởng tới hiệu suất và chất lượng hoạt động của các robot công nghiệp.

Hệ truyền động trực tiếp

 Các cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp với nguồn động lực, do đó kết cấu sẽ gọn nhẹ và hạn chế, loại bỏ được những nhược điểm khi truyền động gián tiếp. Mặt khác khó khăn đặt ra là phải thiết kế chế tạo các động cơ có số vòng quay thích hợp cho phép điều khiển vô cấp trên một dải rộng.

1.4- Ứng dụng của robot công nghiệp

Đơn vị: 1000 chiếc

Hình 1.9- Biểu đồ phân bố robot công nghiệp trong các lĩnh vực [*]

Qua biểu đồ số liệu trên, ta nhận thấy robot công nghiệp được sử dụng nhiều nhất trong ngành công nghiệp ô tô 98 000 chiếc (2015) và tăng lên 126 000 chiếc (2017), ngoài ra ngành điện, điện tử cũng là ngành sử dụng nhiều robot công nghiệp với mức tăng 33% từ 65 000 (2015) lên 121 000 (2017).

Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot:

- Robot công nghiệp có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế robot công nghiệp góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế robot có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi về mẫu mã và kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.

- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dung robot là giảm được đáng kể chi phí cho người lao động.

- Việc áp dụng robot làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ. Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ sẽ không đuổi kịp hoặc nhanh chóng mệt mỏi.

Hình 1.8- Hệ thống robot trong nhà máy VinFast [*]

- Robot có thể cải thiện được điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần lưu tâm. Vì trong thực tế có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc có môi trường có hại cho sức khỏe hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động.

1.5- Tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm vừa qua. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về robot như Trung tâm Tự động hoá, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử, Tin học, Tự động hoá thuộc Bộ Công nghệp, Đại học Bách khoa TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN. Bên cạnh đó còn phải kể đến Công ty Cổ phần robot TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chết tạo robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế.

Song song với chế tạo robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về rô bốt được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới. Các nghiên cứu về rô bốt ở Việt Nam liên quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho robot. Các nghiên cứu về động học và động lực học robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, cơ khí quan tâm cả trong dân sự và quân sự.

1.6- Nội dung nghiên cứu

Với đề tài được giao, nhóm đã xác định phải giải quyết các vấn đề sau đây:

1.6.1- Cơ khí

- Tính toán, thiết kế robot có kết cấu, hình dạng phù hợp với yêu cầu linh hoạt về công việc đặt ra;

- Hệ thống cơ khí, truyền động chính xác, gia công phải đảm bảo độ chuẩn theo yêu cầu kích thước bản vẽ. Đảm bảo cho robot chạy êm, đúng yêu cầu kĩ thuật;

- Các khâu đảm bảo không gian làm việc ổn định, tự do, không va chạm, đảm bảo gắp phôi được ở vị trí mong muốn.

1.6.2- Mạch điều khiển

- Mạch điều khiển thiết kế hoạt động ổn định, hạn chế được tối đa ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu;

- Thiết kế giao diện điều khiển đơn giản, trực quan.

1.6.3- Phương pháp điều khiển

- Xây dựng mô hình toán học cho robot. Từ đó lựa chọn, thiết kế giải thuật điều khiển đảm bảo cánh tay hoạt động bám quỹ đạo mong muốn và hoạt động ổn định dưới tác động của các yếu tố nhiễu;

- Mô phỏng để đánh giá giải thuật.

1.6- Phương pháp nghiên cứu của đề tài

1.6.1- Lý thuyết

Về phần lý thuyết của đề tài, nhóm nghiên cứu một số vấn đề sau đây:

- Nghiên cứu bài toán động học thuận (ngược), bài toán động lực học;

- Thiết kế quỹ đạo cho robot và bài toán nội suy;

- Một số phương pháp điều khiển robot.

1.6.2- Thực nghiệm

Ứng dụng những gì đã học được trong chuyên ngành Cơ điện tử vào nghiên cứu:

- Thiết kế hệ thống đồng thời song song cả phần cơ khí, điện, điện tử, lập trình;

- Mô hình hóa phần cơ khí, phần điện;

- Tối ưu hóa tất cả từ phần lên ý tưởng đến phần gia công hoàn chỉnh sản phẩm.

1.7- Phạm vi nghiên cứu đề tài

Đây là đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tế, vì vậy có rất nhiều phương pháp, cũng như hướng giải quyết, phát triển khác nhau. Nhóm quyết định xây dựng mô hình cánh tay robot phân loại sản phẩm theo chiều cao và di chuyển theo quỹ đạo cho trước.

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1- Lựa chọn phương án thiết kế cánh tay robot 4 bậc RRRR

2.1.1- Đánh giá các loại mô hình có sẵn trên thị trường

Hiện nay, trên thì trường cũng có sẵn rất nhiều mô hình robot (1, 2, 3,… bậc tự do) để ứng dụng trong việc mô phỏng các chuyển động phục vụ mục đích thí nghiệm và giải trí. Riêng ở Việt Nam có rất nhiều đề tài nghiên cứu về robot chuỗi động hở hay robot song song 6 bậc tự do (hexapod) hay robot chuỗi hở 4 bậc tự do ứng dụng trong gia công cơ khí do Viện Cơ học nghiên cứu và đưa ra sản phẩm thực tế; sản phẩm này chưa áp dụng rộng rãi trên thị trường. Các nghiên cứu khác về robot song song mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng, chưa có sản phẩm thực tế.

Hình 2.1- Một số loại robot hiện nay

Các mô hình có sẵn trên thị trường thì chúng đều có nhưng ưu nhược điểm, nhưng nhìn chung về mặt chi phí tương đối cao so với việc tự nghiên cứu, chế tạo trong nước. Các mô hình này thường được thiết kế với tải trọng lớn nên sử dụng các động cơ công suất lớn, động cơ hộp số với tỉ lệ truyền cao. Chuyển động quay trái – quay phải là một trong những yếu tố quan trọng cần phải có của đề tài này. Đây cũng chính là điểm mới trong nghiên cứu ứng dụng và phát triển hơn những mô hình sẵn có.

2.1.2- Lựa chọn mô hình robot

Sau đây, nhóm đưa ra 5 loại cánh tay robot phổ biến nhất hiện nay:

Robot có khớp nối

Hình 2.2- Robot có khớp nối

Cánh tay Robot có khớp nối là loại robot vô cùng phổ biến. Và mỗi khi nhắc đến Robot chúng ta sẽ lập tức nghĩ ngay đến chúng. Giống như các nhà máy CNC, Robot khớp nối được phân loại theo số điểm quay hoặc số trục mà chúng có. Phổ biến nhất là robot khớp 4 trục. Ngoài ra còn có các loại robot 6 trục và 7 trục cũng rất phổ biến trên thị trường.

Tính linh hoạt, khéo léo và khả năng tiếp cận khiến Robot có khớp nối là sự lựa chọn phù hợp lý tưởng cho các nhiệm vụ thực hiện trên các mặt phẳng không song song, chẳng hạn như chỉnh sửa máy móc.

Robot có khớp nối cũng có thể dễ dàng tiếp cận khoang máy công cụ và dưới các vật cản để tiếp cận phôi. Hoặc thậm chí xung quanh vật cản, trong trường hợp này là robot 7 trục.

Ưu điểm:

-      Các khớp nối kín và ống bảo vệ cho phép Robot có khớp nối hoạt động tốt trong môi trường sạch cũng như môi trường bẩn. Khả năng năng lắp cánh tay Robot 4 bậc tự do này trên bất kỳ bề mặt nào. ( Ví dụ: trần nhà, đường ray trượt). Điều này cho phép doanh nghiệp có nhiều sự lựa chọn khi làm việc.

-      Tuy nhiên, sự tinh tế và hiện đại của robot có khớp nối này sẽ đi kèm với giá thành cao. Do đó, robot này cao hơn so với các loại robot có trọng tải tương tự trên thị trường.

Khuyết điểm:

-      Và khuyết điểm của dòng Robot này là: Chúng sẽ không phù hợp với các ứng dụng tốc độ rất cao. Do chúng có hệ thống chuyển động học phức tạp với nhiều chi tiết bộ phận.

 

Robot SCARA

Cánh tay robot khớp nối tuân thủ có chọn lọc (SCARA) là một lựa chọn tốt. Và hiệu quả về chi phí cho doanh nghiệp.

Hình 2.3- Robot SCARA

 

Robot SCARA này sẽ phù hợp với việc thực hiện các hoạt động giữa hai mặt phẳng song song (ví dụ: chuyển các bộ phận từ khay sang băng tải). Robot SCARA có tính vượt trội trong các nhiệm vụ lắp ráp theo chiều dọc như chèn các chốt mà không cần ràng buộc do độ cứng dọc của chúng.

Robot SCARA có trọng lượng nhẹ và có dấu chân nhỏ. Điều này là sự lựa chọn lý tưởng cho các công việc mà thực hiện trong không gian đông đúc. Chúng cũng có chu kỳ làm việc rất nhanh.

Do thiết kế cánh tay xoay cố định, vốn là một lợi thế trong một số ứng dụng nhất định. Nhưng Robot SCARA phải đối mặt với những hạn chế khi thực hiện các nhiệm vụ yêu cầu tiếp cận các vật thể bên trong sản phẩm và làm việc. Như là: đồ đạc, đồ gá hoặc máy công cụ trong ô làm việc.

 

Robot Delta

Robot Delta, còn được gọi là “robot nhện”. Robot này sử dụng ba động cơ gắn trên đế để kích hoạt các cánh tay điều khiển định vị cổ tay. Robot delta cơ bản là các đơn vị 3 trục. Nhưng các mô hình 4 trục và 6 trục của nó cũng phổ biến không kém.

Hình 2.4- Robot Delta

 

Bằng cách gắn các thiết bị truyền động vào hoặc rất gần đế cố định thay vì ở mỗi khớp (như trong trường hợp Robot có khớp nối). Cánh tay của rô bốt delta có thể rất nhẹ. Điều này cho phép di chuyển nhanh chóng. Và làm cho Robot delta trở thành Robot lý tưởng các hoạt động yêu cầu tốc độ rất cao.

Một điều quan trọng cần lưu ý khi bạn so sánh Robot Delta với các loại rô bốt khác:

Phạm vi tiếp cận đối với Robot Delta thường được xác định bằng đường kính của phạm vi làm việc. Trái ngược với bán kính từ chân đế, như trong trường hợp đơn vị SCARA và khớp nối. Ví dụ: một Robot Delta có phạm vi tiếp cận 40 ”sẽ chỉ bằng một nửa phạm vi tiếp cận (20” trên bán kính) của đơn vị SCARA hoặc có khớp nối 40 ”.

 

Robot Descartes

Robot Descartes thường bao gồm ba hoặc nhiều bộ truyền động tuyến tính được lắp ráp để phù hợp với một ứng dụng cụ thể. Được đặt ở phía trên không gian làm việc. Robot Descartes có thể được nâng lên để tối đa hóa không gian sàn và đáp ứng nhiều loại kích thước phôi. (Khi được đặt trên một cấu trúc trên cao treo lơ lửng trên hai đường ray song song, Robot Descartes được gọi là “rô bốt giàn”).

Hình 2.5- Robot Descartes

 

Robot Descartes thường sử dụng bộ truyền động tuyến tính tiêu chuẩn và giá đỡ. Nó giúp giảm thiểu chi phí và độ phức tạp của bất kỳ hệ thống Cartesian “tùy chỉnh” nào.

Robot 6 bậc tự do

Hình 2.6- Robot 6 trục

Đây là loại cánh tay robot này có 6 khớp nối (hay còn gọi là bậc hoặc trục). Những khớp nối  này cho phép những chuyển động được thực hiện dễ dàng với các thao tác linh hoạt hơn. Trong đó, hướng chuyển động các trục cụ thể như sau:

-      Trục 1: Thực hiện nhiệm vụ xoay robot ở đế.

-      Trục 2: Đây là trục cho phép những cánh tay dưới mở rộng về phía trước hay phía sau trong khi vận hành.

-      Trục 3: Thiết kế của trục này cho phép cánh tay robot chuyển động nâng hay hạ xuống.

-      Trục 4: Trục này cho phép cuộn cổ tay hay xoay quanh cổ tay trên theo chuyển động tròn khi làm việc.

-      Trục 5: Thiết kế trục này của cánh tay robot cho phép phần cổ tay của robot có thể nghiêng lên hay nghiêng xuống.

-      Trục 6: Chúng cho phép xoay cổ tay của cánh tay robot 6 bậc. Phần trục này có thể giúp robot xuat hơn 360 độ theo cả hướng ngược kim đồng hồ hay cùng chiều kim đồng hồ đều được.

Cánh tay robot 6 trục giúp xóa bỏ những hạn chế của dòng cánh tay robot ít trục. Dòng robot này vì thế mang đến cho dây chuyền sản xuất sự linh hoạt tối đa trong những chuyển động cũng như thao tác của robot trong khi vận hành.

Nhờ đó mà những cánh tay robot này có thể chạm đến bất cứ điểm nào hoặc xoay theo bất cứ hướng nào trong môi trường mà nó vận hành

Thường thì cánh tay robot 6 bậc được ứng dụng trong các hoạt động khác nhau trong các dây chuyền sản xuất của nhiều lĩnh vực. Chẳng hạn như tham gia vào việc xếp hàng, đóng gói, dán nhãn, kiểm tra hay làm khuôn ép…

Dựa vào những đặc điểm của các loại robot thông dụng trên nói chung và của loại robot phân loại sản phẩm nói riêng, yêu cầu về kỹ thuật của đề bài được giao và giá thành phù hợp với sinh viên, nhóm lựa chọn sử dụng dạng robot 4 bậc tự do để nghiên cứu chế tạo thực hiện đề tài cánh tay robot phân loại sản phẩm theo hướng mà nhóm đã đặt ý tưởng ban đầu.

 

2.2- Lựa chọn phương án điều khiển

2.2.1- Lựa chọn phương pháp điều khiển

Robot tự động thực hiện các nhiệm vụ dịch chuyển hoặc các thao tác. Các hoạt động của robot thường được lập trình, việc thực hiện các nhiệm vụ thường làm thay đổi một phần hoặc toàn bộ vị trí của robot trong không gian. Có thể coi robot hiện đại như những người máy, thực hiện tất cả các thao tác phức tạp, có độ chính xác cao.

Điều khiển chuyển động của tay máy trong không gian là xác định các thành phần momen lực tổng quát và thành phần tác động lên các khớp, momen lực được cung cấp bởi các nguồn động lực như động cơ. Vì vậy, nhóm lựa chọn phương pháp điều khiển robot theo bài toán động lực học.

Quá trình điều khiển phải đảm bảo bộ điều khiển sẽ thực hiện điều khiển chuyển động các khớp theo quỹ đạo, sao cho quỹ đạo robot chuyển động luôn bám với quỹ đạo đã đặt.

Hình 2.7- Nguyên lí điều khiển kín robot

 

Nguyên lí điều khiển kín robot trên H2.7 được mô tả như sau, robot sẽ bám theo quỹ đạo đặt trước (được lập trình sẵn hoặc có thể đưa vào từ phần mềm kết nối bên ngoài) sử dụng bộ điều chỉnh để điều khiển chuyển động và lực, sử dụng các cảm...

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG

 

3.1- Thiết kế hệ thống cơ khí cho cánh tay Robot

3.1.1- Xây dựng bản vẽ sơ bộ cánh tay robot trên phần mềm SolidWorks

a- Solidworsk

Để mô phỏng robot 4 bậc tự do, em chọn sử dụng phần mềm Solidworks. Phần mềm Solidworks cung cấp cho người dùng những tính năng tuyệt vời nhất về:

- Thiết kế các chi tiết các khối 3D, lắp ráp các chi tiết đó để hình thành nên nhưng bộ phận của máy móc; xuất bản vẽ 2D các chi tiết đó là những tính năng rất phổ biến của phần mềm Solidworks; ngoài ra còn có những tính năng khác nữa như: phân tích động học, phân tích động lực học; bên cạnh đó phần mềm còn tích hợp modul Solidcam để phục vụ cho việc gia công trên CNC nhờ có phay Solidcam và tiện Solidcam; hơn nữa, cũng có thể gia công nhiều trục trên Solidcam, modul 3Dquickmold phục vụ cho việc thiết kế khuôn;

- Phân tích động lực học: Solidworks Simulation cung cấp các công cụ mô phỏng để kiểm tra và cải thiện chất lượng bản thiết kế của bạn. Các thuộc tính vật liệu, mối ghép, quan hệ hình học được định nghĩa trong suốt quá trình thiết kế được cập nhật đầy đủ trong mô phỏng;

- Tính năng gia công: giải pháp gia công CAD CAM kết hợp, giải pháp có tên Solidworks CAM, nó được tách ra để bán riêng. Giài pháp này khá đơn giản và dễ dùng. Các modul đơn giản thân thiện;

- Thiết kế mô hình 3D: trong phần mềm Solidworks thì đây được coi là tính năng nổi bật với việc thiết kế các các biên dạng 2D bạn sẽ dựng được các khối 3D theo yêu cầu;

- Lắp ráp các chi tiết: các chi tiết 3D sau khi được thiết kế xong bởi tính năng thiết kế có thể lắp ráp lại với nhau tạo thành một bộ phận máy hoặc một máy hoàn chỉnh.

- Xuất bản vẽ dễ dàng: phần mềm Solidworks cho phép ta tạo các hình chiếu vuông góc các chi tiết hoặc các bản lắp với tỉ lệ và vị trí do người sử dụng quy định mà không ảnh hưởng đến kích thước. Công cụ tạo kích thước tự động và kích thước theo quy định của người sử dụng. Sau đó nhanh chóng tạo ra các chú thích cho các lỗ một cách nhanh chóng. Chức năng ghi độ nhám bề mặt, dung sai kích thước và hình học được sử dụng dễ dàng;

- Các tiện ích cải tiến khác: Online Licensing giúp cho việc sử dụng các license trên nhiều máy tính tiện lợi hơn trước rất nhiều. Solidworks Login sẽ chuyển các nội dung và cài đặt các tùy chịn đến bất kỳ máy tính nào được cài Solidworks, trong khi Admin Portal cho phép quản lý các sản phẩm và dịch vụ của Solidworks dễ dàng hơn.

b- Hình 3D tổng thể hệ thống

Hình 3.1- Tổng thể hệ thống phân loại sản phẩm

 

Cánh tay robot bao 4 khâu ghép nối với nhau thông qua các kết cấu và chi tiết cơ khí. Sau đây, ta sẽ đi lần lượt từng cụm chi tiết qua các mục 3.1.2 đến 3.1.5.

3.1.2- Cụm truyền động cho khớp quay thứ nhất

Hình 3.2- Cụm truyền động khớp quay thứ nhất

 

Để thực hiện chuyển động quay của khâu 1 so với khâu cố định, nhóm lựa chọn sử dụng hệ truyền động trực tiếp gắn khâu làm việc với trục động cơ. Nhóm lựa chọn truyền động trực tiếp bởi một số ưu, nhược điểm sau đây:

Ở đây ta đưa ra hai phương án là dẫn động trực tiếp từ động cơ (H3.3) và dẫn động gián tiếp qua hệ truyền bánh răng (H3.4).

Hình 3.3-Dẫn động trực tiếp từ động cơ

Hình 3.4- Dẫn động gián tiếp qua hệ bánh răng

 

Trong 2 phương án thiết kế thì phương án bộ truyền bánh băng tạo lực nâng đảm bảo cho cơ cấu tuy nhiên sẽ giảm tốc độ của robot. Hộp giảm tốc bánh răng trụ có hiệu suất truyền không cao, có tỉ số kích thước trên tỉ số truyền lớn, độ chính xác không cao, tỉ số truyền thấp, trong các robot có yêu cầu kết cấu nhỏ, độ chính xác cao thường không sử dụng. Tuy nhiên với để kết cấu cơ khí đơn giản, giá thành rẻ và có khả năng làm việc với phạm vi vận tốc và tải trọng rộng và để robot hoạt động với tốc độ cao thì ta chọn phương án dẫn động trực tiếp.

Tiếp theo đây, nhóm sẽ trình bày về đặc điểm, vật liệu gia công và bản vẽ của một số chi tiết trên.

a- Động cơ Servo MG996

Động cơ RC Servo MG996 là loại thường được sử dụng nhiều nhất trong các thiết kế Robot hoặc dẫn hướng xe. Động cơ RC Servo MG996 có lực kéo mạnh, các khớp và bánh răng được làm hoàn toàn bằng kim loại nên có độ bền cao, động cơ được tích hợp sẵn driver điều khiển động cơ bên trong theo cơ chế phát xung - quay góc nên rất dễ sử dụng.

Có rất nhiều chủng loại Động cơ RC Servo MG996 được bán trên thị trường với nhiều mức giá khác nhau, loại chất lượng tốt, phù hợp để làm Robot có các đặc điểm như sau:

-      Loại chất lượng tốt luôn có hộp số được làm hoàn toàn bằng kim loại, có đầy đủ bộ phụ kiện như hình: (tròn, sao, chữ thập, 4 cánh, loại chất lượng không tốt có rất ít phụ kiện).

-      Loại chất lượng tốt luôn có độ gì nặng khi bạn thử nghiệm bằng cách quay trục, thử nghiệm bằng cách gắn 1 trong các phụ kiện là các khớp nhựa vào động cơ, không cấp điện và quay bằng tay, loại chất lượng tốt có độ gì nặng, loại không tốt quay rất nhẹ nên cũng rất yếu.

-      Loại chất lượng tốt có dây dẫn cứng hơn loại chất lượng kém do sử dụng dây dẫn nhiều lõi hơn.

Hình 3.5- Động cơ Servo 996R

Thông số kỹ thuật:

-      Chủng loại: Analog RC Servo.

-      Điện áp hoạt động: 4.8~6.6VDC;

-      Lực kéo:

3.5 kg-cm (180.5 ozin) ở 4.8V-1.5A;

5.5 kg-cm (208.3 ozin) ở 6V-1.5A;

-      Tốc độ quay:

0.17sec / 60 độ(4.8V);

0.13sec / 60 độ (6.0V);

-      Kích thước: 40mm x 20mm x 43mm;

-      Trọng lượng: 55g.

 

b- Tấm xoay khâu 1

Tấm xoay khâu 1 đóng vai trò là nơi cố định của các chi tiết khác thuộc khâu 2, 3, 4, 5, 6. Tấm này có vai trò làm xoay cánh tay robot theo trục Z ở khớp xoay thứ nhất. Nhóm lựa chọn vật liệu làm tấm xoay bằng nhựa in 3D, độ dày 3mm. Được gia công chế tạo bằng phương pháp in 3D có độ chính xác cao theo bản vẽ đã thiết kế trên phần mềm SolidWorks.

Hình 3.6- Bản vẽ tấm xoay khâu 1

 

c- Bộ giá robot

Bộ giá robot đóng vai trò là nơi cố định của các chi tiết khác thuộc khâu 1, 2, 3, 4. Bộ gá robot là gốc của robot. Là nơi cố định vị trí robot ở không gian hoạt động. Nhờ và kích thước và hướng chuyển động của các động cơ, cánh tay robot vẽ nên quỹ đạo hoạt động xung quanh gốc này. Tùy thuộc vào kích thước và nhu cầu sử dụng robot thì không gian làm việc có thể là lớn hay bé. Nhóm lựa chọn vật liệu làm tấm xoay bằng nhựa in 3D, độ dày 4mm. Các chi tiết được ghép nối với nhau bằng bu lông đai ốc M4 qua các lỗ và bộng được thiết kế chính xác như bản vẽ 3D.

Hình 3.7- Bộ giá robot

 

3.1.3- Cụm truyền động cho khớp quay thứ hai

Hình 3.8- Cụm truyền động cho khớp quay thứ hai

 

Để thực hiện chuyển động quay cho khớp thứ 2, ta cũng dùng động cơ truyền động trực tiếp tương tự như khâu 1, gồm các bộ phận sau: cánh tay khâu 2, động cơ servo MG996. Có một số chi tiết đã nhắc đến ở mục 3.1.2 nên ở đây nhóm sẽ chỉ nói tới các chi tiết mới.

 

a- Cánh tay khâu 2

Cánh tay khâu 2 đóng vai trò là thân khâu 2. Tấm này có vai trò làm xoay cánh tay robot theo trục Z (nằm ngang) ở khớp xoay thứ hai.

Nhóm lựa chọn vật liệu làm cánh tay nhựa in 3D, độ dày 5mm vừa nhỏ gọn và khối lượng tương đối nhẹ. Được gia công chế tạo bằng phương pháp in 3D có độ chính xác cao theo bản vẽ đã thiết kế trên phần mềm SolidWorks.

Hình 3.9- Cánh tay khâu 2

 

3.1.4- Cụm truyền động cho khớp quay thứ ba

Hình 3.10- Cụm truyền động cho khớp quay thứ ba

 

Cụm truyền động cho khớp quay thứ 3 của cánh robot cũng có nguyên lí giống hai cụm trước đó. Tuy nhiên để giảm khối lượng cho cánh tay robot và đơn giản hóa cấu trúc chuyển động, nhóm lựa chọn sử dụng phương pháp đẫn động trực tiếp từ động cơ. Ở đây gồm: 1 động cơ servo MG996; khớp nối; khâu 3.

 

a- Cánh tay khâu 3

Cánh tay khâu 3 đóng vai trò là thân khâu 3. Tấm này có vai trò làm xoay cánh tay robot theo trục Z (nằm ngang) vuông góc với trục Z ở khớp xoay thứ hai.

Nhóm lựa chọn vật liệu làm cánh tay nhựa in 3D, độ dày 5mm vừa nhỏ gọn và khối lượng tương đối nhẹ. Được gia công chế tạo bằng phương pháp in 3D có độ chính xác cao theo bản vẽ đã thiết kế trên phần mềm SolidWorks.

Hình 3.11- Bản vẽ cánh tay khâu 3

 

3.1.5- Cụm truyền động cho khớp quay thứ tư

Hình 3.12- Cụm truyền động cho khớp quay thứ tư

 

Cụm truyền động cho khớp quay thứ 4 của cánh robot cũng có nguyên lí giống các cụm trước đó. Tuy nhiên để giảm khối lượng cho cánh tay robot và đơn giản hóa cấu trúc chuyển động, nhóm lựa chọn sử dụng phương pháp đẫn động trực tiếp từ động cơ. Ở đây gồm: 1 động cơ servo SG90; khớp nối; khâu 4. Trong đó động cơ SG90 được gắn trên gá đỡ in 3D khâu 3. Lúc này khâu 4 lại thực hiện chuyển động quay so với khâu 3.

 

a- Cánh tay khâu 4

Cánh tay khâu 4 đóng vai trò là thân khâu 4. Tấm này có vai trò làm xoay cánh tay robot theo trục Z (nằm ngang) vuông góc với trục Z ở khớp xoay thứ ba.

Nhóm lựa chọn vật liệu làm cánh tay nhựa in 3D, độ dày 4mm vừa nhỏ gọn và khối lượng tương đối nhẹ. Được gia công chế tạo bằng phương pháp in 3D có độ chính xác cao theo bản vẽ đã thiết kế trên phần mềm SolidWorks. Ngoài ra trên khâu 4 còn thiết kế lỗ gia công để có thể gắn động cơ khâu 5 (H3.14).

 

3.1.6- Cụm tay gắp

Bao gồm 2 động cơ servo sg90 vầ một bàn tay kẹp bằng nhựa in 3D. Dưới đây là hình ảnh của cụm tay gắp nói trên.

Hình 3.13- Cụm tay gắp của robot

 

3.2- Tính toán các kết cấu cơ khí

3.2.1-Tính toán động cơ bàn tay kẹp (khớp quay thứ 4)

Bàn tày kẹp như đã nêu có nhiệm vụ gắp phôi và giữ phôi từ vị trí ban đầu đến vị trí các hộp chứa. Bàn tay kẹp lựa chọn là bàn tay kẹp dạng G4 Gripper sử dụng động cơ sg90 (H3.13).

Với mục đích bàn tay kẹp có thể xoay 360 độ và gắp vật đặt theo hướng bất kì, ta cần 1 động cơ gắn trên khâu 3 thực nhiện nhiệm vụ đó.

Thông số đầu vào:

-     Khối lượng bàn tay kẹp: 43.3 (g);

-     Động cơ sg90: 9 (g);

-     Phôi (nhựa): 50 (g);

-   Khoảng cách từ điểm gá đến tâm bàn tay gắp:

Khối lượng tải là:

Momen nhỏ nhất của động cơ khâu 4 là:

Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng . Ngoài ra loại động cơ này cần có khối lượng nhỏ để giảm trọng lượng cánh tay robot.

Vì vậy nhóm lựa chọn động cơ servo SG90 để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, với một số thông số sau:

-     Khối lượng: 9 (g);

-     Momen: 0,16 (Nm) > 0,059 (Nm).

Như vậy nhóm đã lựa chọn được động cơ cho khớp quay 4.

 

3.2.2- Tính toán động cơ khớp quay thứ 3

Thông số đầu vào:

-    Khâu 4:  (g) (bao gồm khâu 4và động cơ khâu 4);

-      Khối lượng cánh tay khâu 3: 0,089 (kg) = 89.09 (g) (theo tính toán của phần mềm SolidWorks H3.14)

-      Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 3, 4 đến động cơ:

Hình 3.14- Tính khối lượng thanh khâu 3

 

Như vậy tổng khối lượng của khâu 3, 4 là:

Momen nhỏ nhất của động cơ khâu 3 là:

Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng . Ngoài ra loại động cơ này cần có khối lượng nhỏ để giảm trọng lượng cánh tay robot.

Vì vậy nhóm lựa chọn 1 động cơ servo MG996R để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, với một số thông số sau:

-        Khối lượng: 55 (g);

-     Momen:

Như vậy nhóm đã lựa chọn được động cơ cho khớp quay 3.

 

3.2.3- Tính toán động cơ khớp quay thứ 2

Thông số đầu vào:

-    Khâu 3, 4:  (g) (bao gồm khâu 3, 4 và động cơ khâu 3);

-      Khối lượng cánh tay khâu 2: 0,082 (kg) = 82.49 (g) (theo tính toán của phần mềm SolidWorks H3.15)

-      Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 2, 3, 4 đến động cơ:

Hình 3.15- Tính khối lượng thanh thép khâu 2

 

Như vậy tổng khối lượng của khâu 2, 3, 4 là:

Momen nhỏ nhất của động cơ khâu 2 là:

Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng . Ngoài ra loại động cơ này cần có khối lượng nhỏ để giảm trọng lượng cánh tay robot.

Vì vậy nhóm lựa chọn 1 động cơ servo MG996R để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, với một số thông số sau:

-        Khối lượng: 55 (g);

-     Momen:

Như vậy nhóm đã lựa chọn được động cơ cho khớp quay 2.

 

3.2.4- Tính toán động cơ khớp quay thứ 1

Thông số đầu vào:

-    Khâu 234:  (g) (bao gồm khâu 2, 3, 4 và động cơ khâu 2);

-    Khối lượng đĩa quay khâu 1:  (g) (theo tính toán của phần mềm SolidWorks H3.16)

-      Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 1 và khớp quay:

Hình 3.16- Tính khối lượng chi tiết quay khâu 1

 

Như vậy tổng khối lượng của khâu 1, 2, 3, 4 là:

Momen nhỏ nhất của động cơ khâu 1 là:

Tuy nhiên trục quanh của trục 1 lại song song với hướng trọng lực, vì thế momen quay cảu khớp 1 thường sẽ bằng 2/3 giá trị tính toán.

Như vậy:

Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng . Ngoài ra loại động cơ này cần có khối lượng nhỏ để giảm trọng lượng cánh tay robot.

Vì vậy nhóm lựa chọn 1 động cơ servo MG996R để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, với một số thông số sau:

-        Khối lượng: 55 (g);

-     Momen:

Như vậy nhóm đã lựa chọn được động cơ cho khớp quay 2.

 

3.3- Tính toán bộ truyền băng tải dây belt

Tính toán các thông số cơ bản

Thông số đầu vào:

-      Công suất, kW;

-      Số vòng quay  , vg/ph;

-        Tỷ số truyền u;

Hình 3.17-Động cơ giảm tốc JGB37-520

 

Với một số thông số cơ bản như sau:

-          Điện áp định mức: 12V 

-          Tốc độ quay 66 vòng/phút

-          Lực kéo: 0.5 N.m

 

Theo [giáo trình chi tiết máy], trang 122

1. Chọn vật liệu đai tùy theo điều kiện làm việc.

2. Định đường kính pully chủ động theo công thức:

trong đó:

 - công suất tính bằng kW;

 - số vòng quay tính bằng vg/ph.

Ta có: đường kính bánh đai nhỏ sơ bộ

Hoặc có thể tìm  theo mômen xoắn  (đơn vị Nmm):

Ta có:

 

Chọn theo tiêu chuẩn: 30,40, 45, 50, 56, 63, 71, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 160, 180, 225, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 560, 630, 710, 800, 900, 1000, 1250, 1400, 1600, 1800, 2000.

Chọn

3. Tính vận tốc đai và kiểm tra có phù hợp không. Nếu không thì thay đổi đường kính

bánh đai nhỏ:

4. Chọn hệ số trượt tương đối ξ .

Với

Mong muốn tỷ số truyền u = 1

Sau đó tính  theo công thức  và chọn theo tiêu chuẩn như .

Tính chính xác tỉ số truyền u theo công thức:

Chênh lệch tỉ số truyền so với giá trị ban đầu không vượt quá 3%.

Theo dãy tiêu chuẩn.

Chọn

Vậy tỉ số truyền u = 1,02

5. Chọn khoảng cách trục a theo điều kiện:

15 (m) ≥ a ≥ 1,5 *( + ) trường hợp bộ truyền đai hở

15 (m) ≥ a ≥ ( + ) trường hợp bộ truyền có bánh căng đai.

Ta có :

15m ≥ a ≥ 1,5 *( + ) = 90 (mm)

Chọn khoảng cách hai trục là 390 mm

6. Chiều dài Lmin của đai được chọn theo điều kiện giới hạn số vòng chạy của đai

trong một giây:

    (trường hợp bộ truyền đai hở)

   (trường hợp bộ truyền có bánh căng đai).

7. Sau khi chọn a, ta tính chiều dài L dây đai theo công thức:

Để nối đai ta tăng chiều dài đai L lên một khoảng 100 ÷ 400 mm để nối đai.

Suy ra L = 874,2 + 100 = 974,2 (mm).

Thỏa mãn điều kiện  .

8. Tính góc ôm đai  của bánh đai nhỏ theo công thức:

 (rad)

 (rad)

Khi cần thiết tăng góc ôm đai thì ta tăng khoảng cách trục a hoặc sử dụng bánh căng đai.

Vậy góc ôm đai

CHƯƠNG 4- XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 4 BẬC

4.1- Đặt vấn đề

Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực, mô men. Khoa học động học nghiên cứu về vị trí, vận tốc, gia tốc. Do đó, động học chỉ liên quan đến hình học và thời gian thay đổi chuyển động. Sự thay đổi của các khâu của robot liên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các khớp. Những hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot. Việc nghiên cứu động học có hai vấn đề: Phân tích động học và Tổng hợp động học. Tuy nhiên cả hai vấn đền đều luôn liên quan đến nhau.

Nội dung nghiên cứu động học của robot gồm hai bài toán: Bài toán động học thuận và Bài toán động học ngược. Trong việc lập trình cho robot điều khiển cơ bản là đặt ra các yêu cầu về vị trí của điểm tác động cuối và hướng của khâu cuối, vận tốc và gia tốc của khâu bất kì trong không gian. Vấn đề ở đây là tìm tất cả các bộ thông số có thể chấp nhận được về sự thay đổi của các khâu hoạt động và các đao hàm tương ứng của chúng xảy ra ở khâu cuối để đặt các yêu cầu về vị trí và hướng, đó chính là các thông số hoạt động (bài toán động học thuận) hay từ yêu cầu về vị trí và hướng của khâu tác động cuối tìm ra các thông số tương ứng của các khâu trước đó (bài toán động học ngược).

Tổng hợp động học chính là quá trình ngược lại của việc phân tích động học.Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt ra được những robot hay máy mới, điều đó đòi hỏi những thay đổi nhất định về mặt động học. Cụ thể, khi có các thông tin vị trí, hướng, vận tốc, gia tốc của khâu chấp hành cuối, chúng ta cần xác định các thay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình học của robot.

4.2- Cấu trúc động học robot

4.2.1- Hệ tọa độ

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản (hay hệ tọa độ chuẩn).Các hệ tọa độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng.Trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hay các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hay khớp quay.Các tọa độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.

Các hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải (H4.1). Dùng tay phải, nắm hai ngón tay áp út và ngót út vào long bàn tay, xòe 3 ngón: cái, trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc với nhau, nếu chọn ngón cái là phương chiều trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y.

Hình 4.1– Quy tắc bàn tay phải

 

Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ tọa độ gắn trên khâu thứ n. Như vậy hệ tọa độ cơ bản (hệ tọa độ gắn với khâu cố định) sẽ được kí hiệu là O₀; hệ tọa độ các khâu trung gian tương ứng sẽ là O₁, O₂,…,O_n-1. Hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối kí hiệu là O_n.

 

4.2.2- Cấu trúc động học chuỗi động hở

a- Định nghĩa

+ Khâu: Trong cơ cấu và máy, toàn bộ những bộ phận có chuyển động tương đối so với các bộ phận khác gọi là khâu

+ Bậc tự do của khâu: Là khả năng chuyển động độc lập hay là số thông số độc lập để xác định vị trí của khâu.

Để tạo thành cơ cấu, các khâu không thể rời xa nhau mà phải được liên kết với nhau theo một cách nào đó sao cho khi nối với nhau các khâu vẫn còn khả năng chuyển động tương đối. Gọi là nối động các khâu.

Hình 4.2- Biểu diễn các thành phần khớp động

Chỗ tiếp xúc trên mỗi khâu gọi là thành phần khớp động. Tập hợp hai thành phần khớp động của hai khâu gọi là một khớp động.

H4.2 đã thể hiện rõ hai thành phần khớp động của hai khâu tiếp xúc với nhau bằng mặt trụ. Khi chuyển động tạo thành sự quay tương đối của hai bản lề với nhau. Số bậc tự do bọ hạn chế trong một khớp động được gọi là số ràng buộc của khớp.

b- Phân loại các khớp

b.1- Phân loại theo đặc điểm tiếp xúc

Dựa vào đặc điểm tiếp xúc của các thành phân khớp động, ta chia thành khớp cao và khớp thấp. Trong đó, khớp thấp là khớp có hai thành phâng khớp động tiếp xúc với nhau theo mặt, còn khớp cao thì hai thành phần khớp tiếp xúc với nhau theo đường hoặc điểm.

Hình 4.3- Khớp cao

 

Hình 4.4- Khớp thấp

 

H4.3 lần lượt là hai khớp cao tiếp xúc dạng điểm và đường.Trong đó sự tiếp xúc điểm là sự tiếp xúc của hình cầu và mặt phẳng, còn sự tiếp xúc đường là giữa mặt bên của hình trụ và mặt phẳng.

Khớp thấp (H4.4) có đặc điểm là sự tiếp xúc với nhua là bề mặt của hai thành phần khớp động.Có thể là hai mặt cầu, hai mặt trụ hoặc 2 mặt phẳng. Dạng tiếp xúc mặt phẳng sẽ có ma sát lớn hơn nhiều so với tiếp xúc điểm hoặc đường

b.2-Phân loại theo bậc tự do bị hạn chế

Định nghĩa:

- Khớp loại i tức là khớp bị hạn chế i bậc tự do.

Hình 4.5- Khớp quay

Khớp quay là khớp loại 5 do chỉ có 1 bậc tự do quay quanh trục khớp. Là loại khớp được ứng dụng nhiều trong đời sống.

Hình 4.6-Khớp cầu

Khớp cầu là khớp loại 3 do bị hạn chế các bậc tự do tịnh tiến theo 3 trục x,y,z.

Hình 4.7-Khớp trụ

Khớp trụ là khớp loại 4 do bị hàn chế các bậc tự do tịnh tiến theo 2 trục x,y.

Hình 4.8- Khớp trượt (khớp tịnh tiến)

Khớp trụ là khớp loại 5 do bị hàn chế các bậc tự do tịnh tiến theo 2 trục y,z và các bậc tự do quanh 3 trục tọa độ.

Hình 4.9- Khớp vít

 

Là một dạng khớp đặc biệt khi nó thực hiện đồng thời 2 chuyển động quay và tịnh tiến.Tuy nhiên nó vẫn là khớp loại 5 bởi chuyển động tịnh tiến của nó là sự quay tương đối của hai thành phần khớp động qua mối liên kết ren giữa chúng.

Robot mà nhóm sử dụng là robot có 4 bậc quay.

c- Chuỗi động

Khi nối một số khâu nhất định với nhau bằng các khớp theo một quy tắc nhất định sẽ hình thành chuỗi động. Trong quá trình nghiên cứu, chuỗi động được biểu diễn bằng lược đồ chuỗi, trên chuỗi động khâu được biểu diễn bằng lược đồ khâu và lược đồ khớp. Dựa vào cấu trúc của chuỗi người ta chia chuỗi động thành 2 loại: chuỗi động kín (H4.12), chuỗi động hở (H4.11) và chuỗi động hỗn hợp.

                                              

Hình 4.11–Chuỗi hở                                       Hình 4.12–Chuỗi kín

 

Đối tượng nghiên cứu trong đồ án là robot 6 bậc tự do là một robot chuỗi động hở.

4.3- Mô hình hóa cánh tay robot

4.3.1- Xây dựng hệ tọa độ Denavit Haterberg

Một robot thường gồm nhiều khâu liên kết nối tiếp với nhau thông qua các khớp động. Gốc (khâu cơ bản) của một robot được gọi là khâu 0 và không tính vào số các khâu.Khâu 1 nối với khâu cơ bản bằng khớp 1 và không có khớp ở đầu mút khâu cuối cùng, trên khâu cuối cùng có gắn một công cụ.Như vậy các khâu, các khớp được đánh số tăng dần từ khâu cơ bản. Xét một khâu bất kì riêng rẽ thứ i, bất kì khâu nào cũng được đặc trưng bởi hai kích thước:

- Độ dài pháp tuyến chung .

- Góc giữa các trục khớp đo trong mặt phẳng vuông góc với . Kí hiệu là .

Thông thường người ta thường gọi  là chiều dài khâu, còn  là góc xoắn khâu.

Hình 4.13- Chiều dài và góc xoắn khâu thứ i

...

Hình 5.11- Sơ đồ mạch nguyên lí của mạch điều khiển

Hình 5.12- Mạch 2D PCB

 

Hình 5.13- Mạch 3D PCB

Hình 5.14- Sơ đồ khối hoạt động của robot 4 bậc tự do

 

Nhận tín hiệu điều khiển: Người điều khiển quan sát máy và từ màn hình hiển thị. Bật công tắc hoạt động của robot. Thực hiện thả hàng lên băng tải. Tín hiệu điều khiển động cơ được thực hiện và hành trình di chuyển nhờ các cảm biến trên robot được xử lý ngay sau đó được gửi sang ESP8266.

Mã hóa: là quá trình sử lý tín hiệu của ESP8266 (hệ thống điều khiển). ESP8266 giao tiếp với App trên điện điện thoại để nhận tín hiệu, sau đó mã hóa tín hiệu điều khiển truyền cho modul ESP8266.

Truyền tín hiệu điều khiển: Thực chất đây là quá trình trao đổi thông tin giữa module ESP8266 và các động cơ. Tín hiệu điều khiển nhận từ các cảm biến được truyền tới Module ESP8266 thu tín hiệu đó, chuyển thành tín hiệu đó chuyển thành tín hiệu và gửi về các động cơ.

Khối điều khiển: Nhận tín hiệu điều khiển từ ESP8266, điều khiển nguồn động lực cung cấp cho các động cơ hoạt động.

Nhiệm vụ của từng khối:

-        Khối Nguồn 5VDC: Nhận điện áp từ nguồn Adapter qua 5V cung cấp điện áp cho toàn bộ mạch.

-        Khối xử lý ESP8266: Nhận tín hiệu từ Input và điều khiển động cơ.

-        Input: Đưa tín hiệu cần xử lí vào ESP8266.

-        Output: Nhận tín hiệu điều khiển từ ESP8266 điều khiển nguồn động lực cung cấp cho các động cơ.

 

5.3- Phần mềm lập trình điều khiển

5.3.1- Phần mềm Arduino IDE

Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và biên dịch mã vào module Arduino.

Đây là một phần mềm Arduino chính thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng. Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường.

Có rất nhiều các module Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro và nhiều module khác. Trong phạm vi đồ án này, nhóm sử dụng module Arduino Nano. Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên bo mạch được lập trình và chấp nhận thông tin dưới dạng mã. Mã chính, còn được gọi là sketch, được tạo trên nền tảng IDE sẽ tạo ra một file Hex, sau đó được chuyển và tải lên trong bộ điều khiển trên bo. Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần cơ bản: Trình chỉnh sửa và Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã được yêu cầu và phần sau được sử dụng để biên dịch và tải mã lên module Arduino. Môi trường này hỗ trợ cả ngôn ngữ C và C ++.

Khi người dùng viết mã và biên dịch, IDE sẽ tạo file Hex cho mã. File Hex là các file thập phân Hexa được Arduino hiểu và sau đó được gửi đến bo mạch bằng cáp USB. Mỗi bo Arduino đều được tích hợp một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển sẽ nhận file hex và chạy theo mã được viết.

Arduino IDE bao gồm các phần khác nhau:

1. Window bar
2. Menu bar
3. Phím tắt
4. Text Editor
5. Output Panel

Hình 5.15- Giao diện lập trình trên phần mềm Arduino IDE

 

5.3.2- Code điều khiển

(Phụ lục 1)

CHƯƠNG 6- MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

(chèn video hoạt động của robot vào)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1.  

7.1- Các yêu cầu cho thiết bị

Đối với phạm vi của Đồ án tốt nghiệp, nên nhóm chúng em đặt ra yêu cầu cho hệ  thống trong đề tài này: Phân loại các sản phẩm theo chiều caodựa vào cánh tay robot 4 bậc tự do.

7.2- Mức độ hoàn thành

-        Bộ khung của thiết bị đã được hoàn thiện.

-        Các chi tiết cơ khí đã được lắp đặt hoàn chỉnh.

-        Mạch điện điều khiển đã lắp đặt và kiểm tra..

-        Chương trình điều khiển hoạt động tốt.

-        Mô hình nhận diện phôi và phân loại một cách chính xác.

7.3- Đánh giá

Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm đã gặp nhiều thuận lợi và khó khăn nhất định.

Thuận lợi:

-      Được sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn trong việc thiết kế và thực hiện.

-      Phân bổ công việc hợp lý giữa các thành viên trong nhóm về phần thiết kế chế tạo cơ khí và lắp đặt điện, lập trình.

Khó khăn:

-      Khó khăn lớn nhất là tình hình dịch bệnh diễn biến vô cùng phức tạp, trong quá trình giãn cách khó khăn trong việc đặt mua và gia công các chi tiết

-      Việc tính toán thiết kế các thông số cần thiết của các chi tiết trong thiết bị.

-      Khó khăn trong việc tìm mua các bộ phận, linh kiện phù hợp với thiết kế.

-      Sai số chế tạo cao do không có đầy đủ các dụng cụ cũng như kinh ngiệm cần thiết.

-      Thiết kế cơ khí và lập trình điều khiển chưa đồng bộ tốt gây tốn thời gian để điều chỉnh, chỉnh sửa không cần thiết.

-      Chưa có bộ phận căng dây đai nên hay xảy ra hiện tượng trượt đai.

-      Khó khăn trong việc lập trình thiết bị đáp ứng tốt các yêu cầu đã đề ra.

7.4- Kết luận

-   Cánh tay robot di chuyển, xoay trở tốt;

-   Hệ thống băng tải nhận diện màu phôi đạt độ chính xác cao;

-   Chế độ Auto cần hoàn thiện thêm;

-   Chưa khắc phục được hiện tượng trượt dây đai khi thiết bị xoay chuyển nhanh;

-   Khả năng phân loại tương đối trơn tru và có độ chính xác cao.

Thiết kế thành công mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do xoay phân loại sản phẩm vận hành tương đối ổn định, tuy nhiên có khuyết điểm là cơ cấu cơ khí vận hành chưa được chính xác khiến cho thiết bị đôi khi không hoạt động ổn định.

7.5- Hướng phát triển_­

-   Cải tiến mô hình hoạt động với tốc độ hợp lý hơn, tải trọng vật nâng lớn hơn và đảm bảo không gian hoạt động linh hoạt có thể di chuyển mọi ngóc ngách;

-   Xây dựng giải thuật hoàn chỉnh hơn;

-   Đảm bảo khả năng sang các hướng ổn định và giảm bớt tiếng ồn.

-   Đưa vào những thiết bị có độ chính xác cao, phân loại bằng phương pháp xử lí ảnh.

 

 

 

 

 

KẾT LUẬN

 

Trên đây là bản báo cáo đồ án tốt nghiệp Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao bằng cánh tay robot 4 bậc tự do xoay RRRR của nhóm chúng em. Đây là một đề tài có tính thực tế cao, trong thời đời công nghiệp ngày càng phát triển sự cạnh tranh không ngừng đòi hỏi năng suất và chất lượng phải được cải thiện nhờ dây chuyền máy móc hiện đại thay thế lao động thủ công của con người.

Như vậy trong đồ án môn học em đã được tìm hiểu được cách xây dựng một mô hình robot, từ tính toán thiết kế hệ thống cơ khí đến lập trình, mô phỏng hoạt động, thiết kế và xây dựng mô hình thực tế. Công việc hoàn thành bao gồm:

- Tổng quan về robot công nghiệp, giới thiệu robot;

- Tính toán các bài toán động học của robot;

- Xây dựng kết cấu 2D cho robot bằng phần mềm AutoCad;

- Dựng mô hình 3D bằng Solidworks;

- Chọn, động cơ, kích thước và độ bền các khâu;

- Xây dựng mô hình robot phân loại thực tế;

- Xây dựng giải thuật và code dựa trên nền tảng phần mềm Arduino IDE;

- Mô phỏng chuyển động của robot.

Qua đề tài trên nhóm chúng em đã biết cách vận dụng những kiến thức chuyên môn được đào tạo ở trường …… trong thời gian qua vào với thực tế cuộc sống nhất là với công nghiệp. Không chỉ vậy qua đồ án này chúng em cũng học được rất nhiều như kĩ năng làm việc nhóm, giải quyết vấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo... rất có ích cho sau này. Một lần nữa nhóm xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy …… cùng các thầy cô trong bộ môn đã giúp em hoàn thành đề tài này.

Do giới hạn về thời gian, kiến thức và tình hình dịch bệnh gây nhiều khó khăng trong quá trình thực hiện trong đồ án này, nhóm em mới chỉ giải quyết một số vấn đề cơ bản trong việc thiết kế một robot ngoài ra còn rất nhiều vấn đề cần phải giải quyết để có một sản phẩm robot hoàn thiện vì vậy em rất mong quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài này hoàn thiện hơn nữa.

Em xin chân thành cảm ơn!