Thiết kế chế tạo robot scara ứng dụng trong việc phân loại sản phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT SCARA ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.S Lê Tấn Sang Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Văn Kịp Minh 1711030240 17DCTA2 Tạ Bửu Trí 1711030291 17DCTA2 Huỳnh Anh Tuấn 1711030299 17DCTA2 Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT SCARA ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.S Lê Tấn Sang Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Văn Kịp Minh 1711030240 17DCTA2 Tạ Bửu Trí 1711030291 17DCTA2 Huỳnh Anh Tuấn 1711030299 17DCTA2 Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2021 'HUTECH Dei hoc cong nghé Tp.HCM BM01/QT05/DT-KT THU*T HUTECH PHIÉU DANG DÉ TRI DO ÅN/KHÖA LUAN TOT NGHI@P He: CHiNHQUY(CQ, LT, B2, VLVH) I HQvi ten Sinh vién/ nh6m Sinh vién däng k! db tåi (si so nh6m ): (1) Vän Kip Minh MSSV: 1711030240 Dién thoei :0938989130 Email: vankipminh@gmail.com (2) To Btu Tri MSSV: 1711030291 Dien th0@i:0933662538 Email: buutri.ta288@gmail.com (3) Huynh Anh Tuån MSSV: 1711030299 Dien thoei :0938089723 Email: tuanhuynhanhl 00@gmail.com Ngånh L6p: 17DCTA2 L6p: 17DCTA2 L6p: 17DCTA2 KY Thuat Chuyén ngånh : KY thuat Co Dien Tt t•.t s.wta ar.q ßl"trd Tén db tåi däng kg: Tl.e,e.t % u.a c%.@ tcw kcß n 2wg Ø.xtc Fn {.czi 75Qs Sinh vién dä hieu rö yéu cau cüa de tåi vå cam két thvc hién dé tåi theo tien dé vå hoån thånh düng thbi hon Giång vién htr6ng dän (KYvå ghi rö ho ten) TP HCM, ngåy 27 thång näm 2021 Sinh vién däng k! (KS'vå ghi rư h? tén) LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu nhóm với tên đề tài “Thiết kế, chế tạo robot SCARA ứng dụng việc phân loại sản phẩm” với hướng dẫn Thạc sĩ Lê Tấn Sang Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng năm 2021 (Ký tên ghi rõ họ tên) Văn Kịp Minh i Tạ Bửu Trí Huỳnh Anh Tuấn LỜI CẢM ƠN Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thạc sĩ Lê Tấn Sang, thầy tận tình hướng dẫn, định hướng mục tiêu giúp nhóm em hướng hoàn thành đồ án tốt nghiệp Thầy giành thời gian trao đổi giải đáp thắc mắc nhóm Nhóm em xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy Viện Kỹ Thuật nhiệt tình giúp đỡ, giải đáp thắc mắc suốt trình học tập trường thời gian làm đồ án tốt nghiệp Nhóm em gửi lời cảm ơn đến tập thể lớp 17DCTA2 nhiệt tình giúp đỡ nhóm chia sẻ thơng tin, kinh nghiệm để hoàn thành đồ án tốt nghiệp Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng năm 2021 (Ký tên ghi rõ họ tên) Văn Kịp Minh Tạ Bửu Trí ii Huỳnh Anh Tuấn MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh sách bảng vi Danh sách hình vii Lời mở đầu x Chương 1: Tổng quan .1 1.1 Giới thiệu robot SCARA 1.2 Một số hãng sản xuất robot SCARA 1.2.1 Hãng Epson .4 1.2.2 Hãng Precise Automation 1.3 Báo cáo nghiên cứu FUM SCARA Iran 1.4 Đặt đầu Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế Robot SCARA 11 2.1 Thiết kế khí 11 2.1.1 Phân loại dạng Robot SCARA phổ biến 11 2.1.2 Kết cấu khớp robot 12 2.1.3 Các truyền thường gặp khí 14 2.2 Thiết kế hệ thống điện 16 2.2.1 Phân tích loại động điện 16 2.2.2 Cảm biến 19 2.3 Thiết kế điều khiển 20 Chương 3: Thiết kế khí 24 3.1 Thơng số kế thiết kế mơ hình .24 3.2 Vật liệu .25 3.3 Tính tốn hệ thống dẫn động khâu .25 3.3.1 Tính tốn hệ thống dẫn động khâu 25 iii 3.3.2 Tính tốn hệ thống dẫn động khâu 30 3.3.3 Tính tốn hệ thống dẫn động khâu 36 3.3.4 Tính tốn hệ thống dẫn động khâu 41 3.4 Thiết kế mơ hình Robot Scara 44 3.4.1 Mô hình 2D thiết kế sơ cánh tay robot 44 3.4.2 Thiết kế mơ hình 3D cho cánh tay robot 45 3.5 Kiểm tra độ bền ứng suất mơ hình: 45 Chương 4: Thiết kế hệ thống điện 47 4.1 Sơ đồ khối chung hệ thống điện 47 4.2 Giới thiệu thành phần hệ thống điện 47 4.2.1 Kit STM32F411 Discovery (ARM Cortex M4 + DSP Core) 47 4.2.2 Driver điều khiển Step motor 48 4.2.3 Nguồn .50 4.2.4 Động Digital RC Servo MG996R 51 4.2.5 Cảm biến màu TCS3200 52 4.2.6 Cảm Biến Vật Cản Hồng Ngoại E18-D80NK 52 4.2.7 Module relay có opto cách ly 53 4.3 Tính tốn nguồn cung cấp 54 4.4 Điều khiển vị trí step motor 56 4.4.1 Cài đặt vi bước cho Driver .56 4.4.2 Tính tốn vi bước 57 4.5 Điều khiển vị trí Digital RC Servo MG996R .59 4.6 Kết nối xử lý tín hiệu từ cảm biến 59 4.6.1 Cảm biến màu TCS3200 59 4.6.2 Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK module relay 62 4.7 Bản vẽ điện 63 Chương 5: Thiết kế điều khiển 65 5.1 Mơ hình động học tay máy 65 5.1.1 Mơ hình động học thuận 65 iv 5.2 Giải thuật điều khiển Hình 5.4: Trạng thái Về Home Robot Scara Hình 5.3: Chương trình Robot Scara 72 Hình 5.5: Trạng thái Đưa vật vào vị trí Hình 5.6: Trạng thái Đưa vật vào vị trí 73 CHƯƠNG 6: MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 6.1 Mơ mơ hình Matlab Simscape công cụ Matlab cho phép chuyển đổi mơ hình từ mơi trường Solidworks sang mơi trường Simulink dạng khối kết nối khớp Cơng cụ cịn cung cấp cho người dùng chức xác định vật thể tính chất khối lượng chúng; mơ chuyển động vật, ràng buộc động học, hệ tọa độ; đo chuyển động; hay hỗ trợ việc tìm phương trình động học Điều làm cho việc mơ hình hóa phân tích dễ dàng người dùng khơng cần trải qua q trình mơ hình hóa phức tạp Hình 6.1: Giao diện sơ đồ khối Robot Scara Simulink Sau xuất mơ hình từ mơi trường Solidworks sang môi trường Matlab Ta tiến hành dùng lệnh “smimport” để khai báo tên “file solidworks xml” xuất trình chiếu sơ đồ khối Robot Scara Simulink Để tiến hành mô trước hết thiết lập khối kiên kết khớp: 74 ❖ Khối Constant (khối số): Tạo số không phụ thuộc vào thời gian, dùng để nhập giá trị đầu vào ❖ Khối Slider Gain (khối trượt): Nhận giá trị từ khối Constant để điều khiển góc xoay Robot ❖ Khối Gain (khối tỉ lệ):Khuếch đại tín hiệu đầu vào, chuyển giá trị độ từ khối Slider Gain sang dạng radian ❖ Khối Simulink-PS Converter: Đổi giá trị đơn vị từ độ sang radian Hình 6.2: Giao diện điều khiển Robot Scara Sau đó, thiết kế giao diện điều khiển liên kết tới sơ đồ khối Robot Scara Ở đây, Q1- Q2- Q3- Q4 tên khớp; xE- yE- zE- n tọa độ vị trí hướng tay gắp Robot; có MODE (chế độ): FORWARD KINEMATICFW (động học thuận), INVERSE KINEMATIC- INV (động học nghịch), DEFAULT (vị trí bắt đầu robot), CLOSE (dừng hoạt động) 75 Hình 6.3: Hình ảnh mơ Robot Scara Cuối hình ảnh mơ Để bắt đầu chương trình cần phải tương tác giao diện điều khiển kết nối tới sơ đồ khối Robot Scara để bắt đầu hoạt động hình ảnh mơ 6.2 Mơ giải thuật Solidworks Solidworks Motion công cụ tạo mẫu ảo cung cấp khả mô chuyển động để đảm bảo chức thiết kế cách Từ mô trình chiếu chuyển động đơn giản đến phức tạp Việc sử dụng cơng cụ Solidworks Motion cho khả nhìn thấy chi tiết, lắp ráp mô động học giúp có nhìn sâu sắc hình dung rõ nét vấn đề tiềm ẩn thay cho thiết bị vào sản xuất phát Từ kỹ sư sửa chữa, khắc phục vấn đề cách hiệu Để hiểu rõ sơ đồ giải thuật điều khiển trình bày mục 5.2 chương 5, nhóm chúng em định dùng phần mềm Solidworks để vẽ chi tiết dùng công cụ Motion để mô hoạt động Robot Scara 76 Hình 6.4: Tiến hành Home Robot Scara Ở trạng thái Robot sau khởi động, khớp hoạt động để chạm vào cơng tắc hành trình sau tiến vị trí Home để bắt đầu Hình 6.5: Tiến hành gắp vật Robot Scara Sau nhận tín hiệu phát vật từ cảm biến quang, băng tải dừng lại, cảm biến màu sắc phát vật màu đỏ Lúc Robot bắt đầu tính tốn động học ngược để xác định vị trí thực chu trình gắp vật 77 Hình 6.6: Tiến hành thả vật Robot Scara Sau gắp vật, Robot bắt đầu tính tốn động học ngược để xác định vị trí thực chu trình đặt vật màu đỏ Tương tự vật màu xanh, lúc cảm biến màu sắc phát tín hiệu sản phẩm cịn lại tiến hành chu trình gắp vật đặt vật màu xanh Cuối cùng, thiết kế Robot Scara giao tiếp với người dùng thông qua nút nhấn Start Stop Nên Robot không phát vật, nhấn Stop để kết thúc trình hoạt động Robot Scara 78 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Kết luận 7.1.1 Kết đạt Sau tổng hợp kết đạt đem so sánh với yêu cầu mục tiêu thiết kế hệ thống đáp ứng tương đối đầy đủ xác Nhóm thực đầy đủ bước: Thiết kế khí, thiết kế hệ thống điện, thiết kế hệ thống điều khiển cho robot, phân tích lựa chọn cấu trúc, giải tốn động học Bên cạnh có ứng dụng phần mềm Matlab, Solidworks việc hỗ trợ mô tốn Từ tính tốn thiết kế hoàn thiện mẫu Robot Scara Phân loại tốt theo màu sắc đề 7.1.2 Những mặt hạn chế Tải trọng gắp vật cịn thấp nhỏ 0.5 kg Chưa có giao diện giao tiếp người dùng qua máy tính Chỉ phân loại qua màu sắc, không phát sản phẩm lỗi không đếm sản phẩm 7.2 Hướng phát triển Tạo giao diện giao tiếp với người dùng qua máy tính Cải thiện thiết kế để gắp vật có tải trọng lớn Phân loại đa nhiệm kèm theo phát sản phẩm lỗi, đếm sản phẩm Cải thiện tốc độ xử lý để đạt hiệu tốt 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Chất - Lê Uyển, Tính tốn thiết kế dẫn động khí, Tập 1, NXB Giáo dục, Năm 2006 [2] Trịnh Chất - Lê Uyển, Tính tốn thiết kế dẫn động khí, Tập 2, NXB Giáo dục, Năm 2006 [3] Trịnh Chất: Cơ sở thiết kế máy chi tiết máy , NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1994 [4] PGS TS Nguyễn Trường Thịnh, Giáo trình Kỹ thuật Robot, NXB Đại học Quốc gia, TP.HCM 2014 [5] Chủ nhiệm ThS Nguyễn Thị Thu Lan, Giáo trình Robot Cơng nghiệp, Trường Cao đẳng Giao thông vận tải, TP.HCM 2017 [6] PGS.TS Phan Bùi Khôi, Bài giảng Robotics, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, 2016 [7] TS Nguyễn Mạnh Tiến, Điều khiển Robot công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2007 IEEE FUMSCARA Hội nghị quốc tế RSI / ISM lần thứ hai năm 2014 Robot Cơ điện tử (ICRoM), 2014 [8] IFR China leads post-pandemic recovery https://ifr.org/ifr-pressreleases/news/china-leads-post-pandemic-recovery, 15/7/2021 [9] Precise Automation PF3400 Scara robot The World’s Safest/Fastest Robot http://preciseautomation.com/PF3400.html , 15/7/2021 [10] Nguyễn Văn Cường Động bước cách tính bước https://www.diyeverything.xyz/2020/06/dong-co-buoc-va-cach-tinh-buoc-steppermotor-nema.html, 15/7/2021 80 [11] Nguyễn Hữu Phước Nhận biết màu sắc dùng cảm biến màu TCS3200 https://dientuviet.com/nhan-biet-mau-sac-dung-cam-bien-mau-tcs3200/, 17/7/2021 [12] Dejan Scara robot https://howtomechatronics.com/projects/scara-robothow-to-build-your-own-arduino-based-robot/, 20/6/2020 [13] vietmachine Robot Scara ứng dụng thực tiễn https://vietmachine.com.vn/robot-scara-va-nhung-ung-dung-thuc-tien.html, 18/7/2020 [14] Khuê Nguyễn Lập trình STM32 https://khuenguyencreator.com/laptrinh-stm32-tu-a-toi-z/#Kien_thuc_ve_ngon_ngu_lap_trinh, 20/7/2021 [15] Cuongabba STM32F4 ứng dụng PWM điều khiển động servo SG90.https://vidieukhien.xyz/2018/04/20/bai-13-stm32f4-ung-dung-cua-pwm-trongdieu-khien-dong-co-servo-sg90/, 22/7/2021 81 PHỤ LỤC 1: BẢN VẼ CƠ KHÍ ❖ Mơ hình 2d: Ghi chú: có đính kèm file vẽ ❖ Bản vẽ chi tiết: 82 Ghi chú: có đính kèm file vẽ Ghi chú: có đính kèm file vẽ Ghi chú: có đính kèm file vẽ 83 PHỤ LỤC 2: BẢN VẼ ĐIỆN ❖ Bản vẽ điện: Ghi chú: có đính kèm file vẽ 84 PHỤ LỤC 3: CODE MÔ PHỎNG MATLAB ❖ Tính động học thuận: 85 ❖ Tính động học ngược: 86