Thiết kế cánh tay robot thi công và điều khiển cơ cấu pick and place gắp vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN KỸ THUẬT – CHUYÊN NGHÀNH CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU PICK AND PLACE GẮP VẬT Sinh viên thực hiện: LÊ TRẦN QUAN VINH – 17DCTA3 – 1711030341 TRẦN VŨ NGỌC TRUNG – 17DCTA3 – 1711030364 LÂM THÁI BẢO – 17DCTA3 – 1611030004 Giảng viên hướng dẫn: TS NGƠ HÀ QUANG THỊNH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN KỸ THUẬT – CHUYÊN NGHÀNH CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU PICK AND PLACE GẮP VẬT Sinh viên thực hiện: LÊ TRẦN QUAN VINH – 17DCTA3 – 1711030341 TRẦN VŨ NGỌC TRUNG – 17DCTA3 – 1711030364 LÂM THÁI BẢO – 17DCTA3 – 1611030004 Giảng viên hướng dẫn: TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2021 LỜI CAM ĐOAN Chúng tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu chúng tơi Luận văn cơng trình nghiên cứu thực hướng dẫn TS Ngô Hà Quang Thịnh Các số liệu, kết luận trình bày luận văn hồn tồn trung thực, khơng chép Sinh viên có tham khảo tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm tin cậy Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo Chúng tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021 (Ký ghi rõ họ tên) i LỜI CẢM ƠN Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn Đồ Án Tốt Nghiệp – thầy Ngô Hà Quang Thịnh tạo điều kiện để học tập, nghiên cứu thực đề tài thú vị, mang tính thực tiễn Q trình thực Đồ Án tạo hội để chúng em ứng dụng hoàn thiện kiến thức học, đồng thời học hỏi thêm nhiều kỹ để giúp ích cho nghiệp tương lai Sự hướng dẫn chia sẻ tận tình thầy tạo động lực thúc đẩy chúng em hoàn thành Đồ Án trọn vẹn hiệu Ngoài ra, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giảng viên Viện Kĩ Thuật HUTECH cung cấp kiến thức cần thiết để ứng dụng thực Đồ Án này, nghề nghiệp sau Bên cạnh đó, chúng em muốn thể biết ơn với gia đình, chỗ dựa tinh thần để giúp chúng em giữ vũng mục tiêu, vượt qua giai đoạn sinh viên đầy gian nan, thử thách vững bước đường nghiệp TP Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 2021 (Sinh viên) ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ix LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Định nghĩa robot công nghiệp 1.2 Cấu trúc chung robot công nghiệp 1.2.1 Phân loại theo phương pháp điều khiển 1.2.2 Phân loại theo ứng dụng 1.3 Tay gắp 10 1.3.1 Lịch sử hình thành 10 1.3.1.1 Sự phát triển tay gắp 11 1.3.1.2 Cơ cấu kẹp cấu xoay 12 1.3.1.3 Tình hình 13 1.3.2 Phân loại tay gắp 13 1.3.3 Một số cấu thường gặp thị trường 18 1.4 1.3.3.1 Tay gắp hai khớp (2-Finger and Adaptive Grippers): 18 1.3.3.2 Tay gắp ba khớp (3-Finger and Adaptive Grippers): 19 1.3.3.3 Cơ cấu khí nén 20 Tính cấp thiết đề tài 21 iii Hình 5.7 Sơ đồ đấu dây cho driver ❖ Mạch điều khiển xylanh tay kẹp Trong hình 5.8 sơ đồ nối dây card điều khiển mạch khí nén điều khiển cho xylanh (9) xylanh phụ (7) tay kẹp Khí nén từ nguồn qua lọc (1), van điều áp (2), đồng hồ đo áp (3) tra dầu (4) sau qua van điều khiển 5/2 (5) tiết lưu (6) vào xylanh khí nén tác động kép Mỗi xylanh có hai 93 cảm biến hành trình loại NPN (8) để giới hạn hành trình pittong Các tín hiệu cảm biến đưa đến card điều khiển, từ card điều khiển xuất tín hiệu đóng ngắt hai relay để đóng ngắt hai cuộn solenoid van 5/2 (5) Ngoài để điều khiển tay kẹp tay, tiến hành bật cơng tắc gạt (CTG3 ON) Khi đó, hai cuộn solenoid van 5/2 đóng ngắt tay nhờ hai cơng tắc gạt (CTG1 CTG2) Hình 5.8 Sơ đồ đấu dây card điều khiển với mạch khí nén Sau có hệ thống điện cho tay máy phận công tác trên, bước tiến hành thiết kế quỹ đạo chuyển động cho tay máy, từ làm sở để điều khiển tay máy 94 5.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho tay máy Để gắp xếp sản phẩm, phận công tác tay máy cần di chuyển từ vị trí mong muốn đến vị trí mong muốn với quỹ đạo chuyển động thiết kế theo không gian làm việc không gian khớp Quỹ đạo thiết kế không gian khớp giảm thiểu hiệu ứng bất lợi ví dụ quỹ đạo không trơn tru, nhiên quỹ đạo cong [2] Điều gây nguy hiểm cho tay máy môi trường làm việc chật hẹp, tay máy có khả va chạm với chướng ngại vật xung quanh Vì vậy, luận văn lựa chọn thiết kế quỹ đạo theo không gian làm việc để kiểm sốt lộ trình tay máy, tránh vùng nguy hiểm không gian làm việc Cụ thể, luận văn lựa chọn quỹ đạo phận công tác đoạn thẳng Q1Q2, Q2Q3, Q3Q4 Trong Q1 vị trí sản phẩm cần gắp băng tải; Q2 vị trí sản phẩm nhấc lên theo phương thẳng đứng trước di chuyển tới pallet Do đó, q trình gắp xếp sản phẩm, tọa độ không đổi Ngồi ra, vị trí chuẩn bị hạ sản phẩm và vị trí sản phẩm cần xếp pallet Theo toán cụ thể mục 1.5 chương 1, có tám tọa độ trí sản phẩm cần xếp pallet Với hai điểm A ( tương ứng với tám vị B ( bất kỳ, có phương trình (5.1) phương trình đoạn thẳng AB không gian: 95 (5.1) ❖ Trường hợp Trường hợp áp dụng cho quỹ đạo Từ phương trình (5.1) suy ra: (5.2) Chọn quỹ đạo thiết kế đa thức hàm bậc theo thời gian có dạng sau: (5.3) Với thời gian tay máy từ A đến B T (s) vận tốc hai vị trí A B Từ có hệ phương trình sau: (5.4) Suy ra: (5.5) 96 Từ (5.9), (5.10) (5.12) suy ra: (5.6) ❖ Trường hợp Trường hợp áp dụng cho quỹ đạo (5.7) 97 5.3 Xây dựng giải thuật điều khiển Bắt đầu S Tay máy vị trí Home Đưa tay máy vị trí Home Đ S Chọn chế độ tự động Chế độ điều khiển tay S Đ Chế độ tự động Ngừng thao tác Đ Kết thúc Hình 5.9 Lưu đồ giải thuật Tay máy điều khiển theo lưu đồ giải thuật hình 5.9 Trong đó, tay máy gồm hai chế độ điều khiển chế độ tự động theo lưu đồ hình 5.11 chế độ điều khiển tay theo lưu đồ hình 5.15 Theo lưu đồ giải thuật chính, sau cấp nguồn cho toàn tay máy, phải đưa tay máy trở vị trí Home có tọa độ (430, 25, 230) hình 5.10 Khi tay máy vị trí Home việc chọn chế độ điều khiển tay máy thực Trong suốt trình tay máy hoạt động, có cố xảy ra, toàn tay máy dừng nút nhấn Stop nhấn 98 Hình 5.10 Vị trí Home tay máy ❖ Chế độ điều khiển tự động Sau tay máy đưa vị trí Home lựa chọn chế độ điều khiển tự động tay máy điều khiển theo lưu đồ hình 5.11 Để điều khiển tay máy theo chế độ tự động, cần xác định tọa độ vị trí chu trình gắp xếp sản phẩm Q1, Q2, Q3, Q4 (hình 1.5) dựa vào điều kiện làm việc thực tế tay máy nhập tọa độ vào chương trình điều khiển Từ đó, chương trình điều khiển tính toán tọa độ điểm quỹ đạo giá trị biến khớp tương ứng từ giá trị biến khớp này, card điều khiển xuất xung cho driver điều khiển động 99 Hình 5.11 Lưu đồ điều khiển tay máy theo chế độ tự động 100 Để mơ q trình điều khiển tay máy, luận văn tiến hành thiết kế giao diện GUI hình 5.12 cho hai chế độ điều khiển chế độ tự động chế độ điều khiển tay Riêng chế độ tự động, tiến hành mô cho lần gắp nhả sản phẩm Cụ thể nhập tọa độ: Q1 (460, 783, 570); Q2 (460, 783,730); Q3 (1080, -227, 200); Q4 (1080, -227, 40) chu trình gắp xếp sản phẩm Sau nhấn nút “Calculate”, tọa độ điểm quỹ đạoQ2Q1, Q1Q2, Q2Q3, Q3Q4, Q4Q3 Q3Q2 (được thiết kế mục 5.2) tính tốn từ tốn động học ngược tính giá trị biến khớp điểm quỹ đạo Sau có giá trị biến khớp này, nhấn nút “Simulink” để tiến hành mô Kết thúc q trình mơ nhấn nút “Plot Scope Data” thu đồ thị hình 5.13 5.14 Hình 5.12 Giao diện GUI điều khiển tay máy 101 Hình 5.13 Đồ thị biểu diễn tọa độ phân cơng tác theo thời gian Hình 5.14 Quỹ đạo lần gắp xếp sản phẩm tay máy không gian 102 Nhận xét: từ đồ thị hình 5.13 5.14 nhận thấy tay máy điều khiển thực lần gắp xếp sản phẩm giây phận công tác tay máy theo quỹ đạo thiết kế ❖ Chế độ điều khiển tay Trong trình làm việc tay máy, số trường hợp đặc biệt cần xếp sản phẩm số vị trí khác với vị trí lập trình, tiến hành tạm dừng chu trình, đưa tay máy vị trí Home chuyển tay máy sang chế độ điều khiển tay (cơng tắc gạt ON) tay máy điều khiển theo lưu đồ hình 5.15 Trong đó, khâu tay máy điều khiển giới hạn biến khớp cách độc lập nhờ nút tăng giảm cho khâu Với lần nút nhấn nhấn, giá trị biến khớp điều khiển tăng lên giảm 10 Hai xylanh khí nén phụ tay kẹp điều khiển tay nhờ hai công tác gạt hình 5.8 Như vậy, chế độ giúp cho người điều khiển điều khiển phận cơng tác tay máy tới vị trí tùy ý để thao tác mà khơng cần lập trình trước cho tay máy 103 Chế độ điều khiển tay Đ Nhấn nút tăng ϴj = ϴj + 1; (j = 1, 2, 3, 4) S Đ Nhấn nút giảm ϴj = ϴj - 1; (j = 1, 2, 3, 4) S S Công tắc gạt ON Đ Pittong xylanh lui Pittong xylanh tiến S Công tắc gạt ON Đ Pittong xylanh phụ tiến S Pittong xylanh phụ lui Nút tạm dừng nhấn Đ Trở lại chương trình Hình 5.15 Lưu đồ điều khiển tay máy theo chế độ điều khiển tay 5.4 Kết luận chương Trong chương tiến hành thiết kế hệ thống điện cho toàn tay máy, đồng thời thiết kế quỹ đạo chuyển động đưa giải thuật điều khiển cho tay máy để tay máy gắp xếp sản phẩm lên pallet, hoàn thành nhiệm vụ đặt toán cụ thể mục 1.5 chương 104 CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Qua 15 tuần thực đồ án, khoảng thời gian khơng dài khơng ngắn nhóm chúng em cố gắng để thu thập thông tin vấn đề liên quan đến đồ án đề tài “Thiết kế cánh tay Robot, thi công điều khiển cấu pick and place gắp vật” cuối hoàn thành thời gian quy định Cũng qua đồ án chúng em học hỏi thêm nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu nghề nghiệp tương lai Hiểu rõ khó khăn cần phải giải bắt tay vào đồ án tốt nghiệp cuối khóa, cách bố trí thời gian cách hợp lý khoa học hồn thành Tuy nhiên kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót nhờ giúp đỡ bạn đặc biệt Thầy Ngô Hà Quang Thịnh giúp chúng em hoàn thành đồ án 6.1 Những kết đạt được: - Thiết kế mơ hình khí mơ 3D cho tay gắp - Biết cách thiết lập, điều khiển hệ thống truyền động AC servo - Thiết kế mạch điện điều khiển truyền liệu - Lập trình vận hành điều khiển thiết bị 6.2 Những hạn chế đề tài ảnh hưởng khách quan: Do khả kinh nghiệm hạn chế nên việc thực đề tài có khơng khuyết điểm cần cải thiện sau sau: - Độ xác lắp ráp cịn chưa cao - Tính tốn chưa chuẩn xác - Chương trình điều khiển cịn đơn sơ - Mơ 3D chưa chuẩn xác Ảnh hưởng nhiều từ đại dịch COVID-19 cản trở việc lại, mua sắm thiết bị, sức khỏe nhiều yếu tố khác 105 6.3 Hướng phát triển đề tài: - Sử dụng cấu xác cứng, vững để robot hoạt động cách chắn linh hoạt - Thiết kế khâu tác động cuối theo yêu cầu ứng dụng cụ thể - Thiết kế chế tạo robot công nghiệp - Phát triển mở rộng chương trình điều khiển robot - Ứng dụng thêm giải thuật khác để tăng độ hiệu 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://ifr.org/ifr-press-releases/news/record-2.7-million-robots-work-infactories- around-the-globe [2] Sigma V AC Servo Drives USER'S MANUAL Design and Maintenance [3] Cameron Hughes (May 22, 2016), Tracey Hughes "Robot Programming: A Guide to Controlling Autonomous Robots, 1st Edition", Que Publishing [4] Peter Mckinnon (January 28, 2016),"Robotics: Everything You Need to Know About Robotics from Beginner to Expert", CreateSpace Independent Publishing Platform [5] Richard P Paul - Robot Manipulators_ Mathematics, Programming, and Control (Artificial Intelligence)-The MIT Press (1981) [6] John J Craig - Introduction to Robotics Mechanics and Control 3rd editionPearson Education, Inc (2005) [7] Reza N Jazar (auth.) - Theory of Applied Robotics_ Kinematics, Dynamics, and Control (2nd Edition)-Springer US (2010) [8] J Norberto Pires - Industrial robots programming_ building applications for the factories of the future-Springer (2007) [9] https://github.com/mathworks-robotics/trajectory-planning-robot-manipulators 107