Ứng dụng cánh tay robot 6 bậc tự do gắp thả sản phẩm vào vị trí không cố định

QUAN

Đ ẶT VẤN ĐỀ

Với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại, kỹ thuật robot đã trở nên quen thuộc với mọi người Robot hiện diện trong nhiều lĩnh vực của đời sống, từ công nghiệp đến dịch vụ, và ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và tiện ích.

Mục tiêu chính của việc ứng dụng robot trong công nghiệp là nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân Trong bối cảnh cạnh tranh hàng hóa ngày càng gay gắt, hệ thống tự động hóa sản xuất cần có tính linh hoạt cao để đáp ứng nhanh chóng nhu cầu thị trường Do đó, robot công nghiệp đã trở thành một phần thiết yếu trong các hệ thống sản xuất hiện đại.

Hình 1.1 Ứng dụng cánh tay robot trong công nghiệp

Trong các hệ thống sản xuất hiện đại, sự xuất hiện của robot là điều không thể thiếu Robot đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa thời gian lao động, nâng cao năng suất và cải thiện chất lượng sản phẩm.

Hiện nay, cánh tay robot được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau, với các loại như bốn trục, năm trục và sáu trục Trong đề tài tốt nghiệp này, nhóm chúng em đã quyết định nghiên cứu về cánh tay robot.

6 trục để thực hiện việc nghiên cứu

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 2

Để nâng cao độ chính xác trong ngành công nghiệp, việc kết hợp cánh tay robot với camera để xử lý hình ảnh là rất quan trọng Sự kết hợp này giúp robot hoạt động một cách chính xác và độc lập hơn.

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã gặp nhiều khó khăn, bao gồm việc kết nối servo với driver, chống nhiễu thiết bị và tính toán động học cho robot sáu bậc tự do Tuy nhiên, nhóm đã vượt qua những thách thức này và cuối cùng hoàn thành việc điều khiển cánh tay robot theo mong muốn.

M ỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu của chúng tôi là gắp vật thể cố định từ bàn và đặt chúng lên một chiếc bàn xoay đang quay theo thứ tự màu sắc tương ứng Để đạt được mục tiêu này, nhóm chúng tôi đã chia quá trình thực hiện thành nhiều giai đoạn khác nhau.

 Đầu tiên gắp từng vật ở vị trí cố định được đặt sẵn trên bàn sao cho robot chạy tới và gắp một cách chính xác nhất

Robot thực hiện việc gắp từng vật ở vị trí cố định, sau đó di chuyển đến bàn xoay đang đứng yên và đặt chúng xuống đúng vị trí đã được đánh dấu sẵn trên bàn.

 Thứ ba, robot gắp từng vật rồi di chuyển đến bàn xoay đang quay và đặt xuống đúng vị trí được đánh dấu sẵn.

N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương 1 : Tổng quan Ở chương này đưa ra các vấn đề, lý do chọn đề tài, đưa ra mục tiêu nghiên cứu cũng như giới hạn đề tài

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

Trình bày lý thuyết về PLC, giới thiệu các dòng Q PLC, Servo Driver, ngôn ngữ lập trình SFC

Chương 3 : Thiết kế và thi công hệ thống

Bài viết trình bày các bước thi công phần cơ và phần điện, bao gồm sơ đồ đấu nối và giới thiệu thiết bị sử dụng Ngoài ra, bài viết còn đề cập đến tính toán động học, thuật toán gắp vật và giải thuật điều khiển, giúp người đọc hiểu rõ quy trình và công nghệ áp dụng trong thi công.

Chương 4 : Vận hành hệ thống

Kiểm chứng động học của Robot, giới thiệu giao diện điều khiển và chế độ điều khiển

Chương 5 : Kết luận Đánh giá kết quả sau khi thực hiện đồ án, đưa ra những vấn đề còn tồn đọng và hướng phát triển Robot.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

G IỚI THIỆU VỀ D ENSO VS-6556

Trong đề tài này, nhóm sử dụng Robot Denso VS-6556

Cánh tay robot 6 trục này có khả năng tải trọng lên đến 7kg và tầm với tối đa 565mm, với độ lặp lại chính xác đạt 0.03mm Thiết kế nhỏ gọn và chiều dài các khớp của robot cho phép hoạt động hiệu quả trong những không gian hạn chế Robot thường được sử dụng trong các ứng dụng như hàn hồ quang, phân phối và hàn điểm.

K HÁI QUÁT VỀ PLC

2.2.1 Tổng quan về PLC Định nghĩa : PLC (Programmable Logic Controller) còn có tên gọi khác là bộ điều khiển lập trình, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình PLC sử dụng bộ nhớ

Bộ môn điều khiển tự động sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) để lưu trữ chương trình và thực hiện các yêu cầu điều khiển PLC được xem như một máy tính chuyên dụng, hoạt động đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp.

PLC bao gồm các thành phần chính như bộ xử lý trung tâm (CPU), khối ngõ vào (Module input, Analog input) và khối ngõ ra (Module output, Analog output).

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống PLC

 Bộ xử lý (CPU: Central Processing Unit)

Bộ não của PLC quyết định tốc độ xử lý và khả năng điều khiển chuyên biệt, là nơi tiếp nhận tín hiệu từ ngõ vào, đồng thời xử lý và xuất tín hiệu ra ngõ ra.

 Khối ngõ vào (Module Input): gồm hai loại: ngõ vào số DI (Digital Input) và ngõ vào tương tự AI (Analog Input)

Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu dạng xung như: nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến tiệm cận…

Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu liên tục như: cảm biến nhiệt độ, khoảng cách, độ ẩm

 Khối ra (Module Output): gồm hai loại: ngõ ra số DO (Digital Output) và ngõ ra tương tự AO (Analog Output)

Ngõ ra DO kết nối với các cơ cấu chấp hành điều khiển theo quy tắc On/Off như: đèn báo, chuông, van điện…

Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính…

Hình 2.3 Cấu trúc của hệ thống PLC

2.2.2 Đặc điểm PLC Ưu điểm: PLC có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với các mạch điều khiển dạng tiếp điểm truyền thống, cụ thể là:

 Khả năng điều khiển chương trình linh hoạt Muốn thay đổi yêu cầu hoạt động, đối tượng điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình bằng việc lập trình

PLC được trang bị sẵn Timer và Counter, đồng thời hỗ trợ các khối hàm chuyên dụng như bộ phát xung tốc độ cao, bộ đếm tốc độ cao và bộ điều khiển PID, giúp nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt trong các ứng dụng điều khiển tự động.

 PLC có thể thay thế toàn bộ mạch điều khiển truyền thống sử dụng dây dẫn

Cấu trúc của PLC dạng Module mang lại lợi ích lớn cho người dùng, cho phép thay thế và mở rộng đầu vào/ra một cách dễ dàng Người dùng có thể tùy chọn các loại Module theo nhu cầu cụ thể, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao tính linh hoạt trong việc mở rộng chức năng.

 Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác

 Khả năng chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp, tuổi thọ cao

Nhược điểm lớn nhất của PLC là giá thành cao, điều này khiến nó khó cạnh tranh với mạch điều khiển tiếp điểm truyền thống, đặc biệt trong các hệ thống đơn giản với yêu cầu điều khiển không nhiều Hơn nữa, việc sử dụng PLC đòi hỏi người dùng phải có kiến thức cơ bản về lập trình, điều này cũng là một rào cản cho việc áp dụng rộng rãi.

PLC là giải pháp tối ưu cho các ngành công nghiệp nhờ khả năng đa nhiệm, giúp nâng cao năng suất và sản lượng Nó đóng vai trò quan trọng trong tự động hóa và cải thiện hiệu quả dây chuyền sản xuất Hiện nay, PLC đã thay thế hầu hết các hệ thống điều khiển truyền thống, mang lại hiệu quả hoạt động cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, tiết kiệm nhân công và giảm thiểu sai sót từ người vận hành.

Hình 2.4 Các dòng PLC của Mitsubishi

C ÁC DÒNG Q CỦA HÃNG MITSUBISHI

2.3.1 Tổng quan về các dòng Q series

Hệ thống PLC Q của Mitsubishi cho phép người dùng linh hoạt kết hợp và lựa chọn giữa các thành phần như CPU, công cụ truyền tin, module điều khiển chuyên biệt và I/O trên cùng một nền tảng Người dùng có thể cấu hình hệ thống theo nhu cầu cụ thể, với khả năng tích hợp lên đến 4 CPU khác nhau, bao gồm CPU cơ bản, CPU nâng cao, Motion CPU và Process Controllers Điều này mang lại sự linh hoạt trong việc lựa chọn phương thức điều khiển và ngôn ngữ lập trình, tất cả đều hoạt động trên một nền tảng thống nhất.

Bảng 2.1 Kí hiệu các dòng PLC Q series

Tên CPU dòng Q Mô tả Mẫu CPU

QnUCPU Các tính năng, phương pháp, thiết bị cho lập trình

Mã CPU ứng dụng tổng quát

Các tính năng, phương pháp, thiết bị cho lập trình

Mẫu QCPU cơ bản/ hiệu năng cao/ điều khiển quy trình/ dự phòng

QCPU Thông tin cho cấu hình hệ thống đa CPU (cấu hình hệ thống, thông số I/O, liên kết thiết bị vào/ra và tính năng thiết bị thông minh

Mẫu QCPU cơ bản/ hiệu năng cao/ điều khiển quy trình/ ứng dụng tổng quan

QnPRHCPU Cấu hình hệ thống dự phòng, tính năng, kết nối với các thiết bị bên ngoài và xử lý sự cố

QnUCPU Tính năng liên kết thông qua cổng Ethernet gắn trong

Mã CPU ứng dụng tổng quát

Hình 2.5Các loại nguồn cung cấp CPU

Thông số của các loại nguồn cung các cho CPU:

Bảng 2.2Các loại nguồn cung cấp cho CPU

Module Đầu vào Đầu ra

Thông số các module ngõ vào :

16 QX10 QX40, QX40-S1 QX70 QX80

64 QX42, QX42-S1 QX72 QX82, QX82-

S1 Thông số các module ngõ ra :

Transistor 12 đến 24VDC Sink/source

PLC bao gồm một bộ nhớ chương trình RAM bên trong, có khả năng mở rộng với bộ nhớ ngoài EPROM Nó được trang bị một bộ vi xử lý cùng với cổng giao tiếp để kết nối với các modul vào/ra.

Hình 2.6 Cấu trúc PLC dòng Q

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của PLC Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (sensor, contact, …) được đưa vào CPU thông qua module đầu vào Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn Một chu kỳ bao gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội, tự kiểm tra lỗi, gửi cập nhật tín hiệu đầu ra được gọi là 1 chu kỳ quét hay 1 vòng quét (Scan Cycle) Thường thì việc thực hiện một vòng quét xảy ra trong thời gian rất ngắn (từ 1ms-100ms) Thời gian thực hiện vòng quét này phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, độ dài ngắn của chương trình, tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngoại vi

Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc đọc tín hiệu đầu vào, sau đó thực hiện chương trình từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc Tiếp theo, hệ thống thực hiện truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Cuối cùng, trạng thái được cập nhật tới đầu ra.

Đ ỘNG CƠ

2.4.1 Động cơ bước Động cơ bước là một thiết bị motor đồng bộ, dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển của máy móc, dây chuyền dưới dạng xung điện rời rạc, phát ra liên tiếp nhau thành chuyển động góc quay xác định Với động cơ bước này, người dùng có thể quy định được tần số góc quay Số xung đầu vào sẽ quyết định góc bước

Máy móc chuyên dụng như động cơ Servo cần Driver Servo để hoạt động chính xác Driver Servo cung cấp lực cần thiết cho động cơ, đảm bảo hiệu suất hoạt động của các thiết bị máy móc.

2.4.2.2 Phân loại servo Động cơ servo thông thường dựa trên dòng điện mà phân thành 2 loại:

Động cơ DC Servo sử dụng nguồn điện một chiều, phù hợp cho các hệ thống yêu cầu dòng điện nhỏ Loại động cơ này được chia thành hai nhóm: động cơ DC servo có chổi than và không có chổi than Điểm mạnh của động cơ DC servo nằm ở khả năng điều khiển tốc độ, cho phép duy trì tốc độ cao một cách ổn định nhờ vào bộ điều khiển PWM tích hợp.

 Động cơ AC Servo: là loại motor xoay chạy bằng dòng điện xoay chiều 3 pha

Động cơ AC Servo hoạt động dựa trên nguyên lý nam châm vĩnh cửu, với hệ thống encoder hồi tiếp giúp điều khiển và cảnh báo vị trí của rotor một cách chính xác So với động cơ DC servo, rôto có quán tính thấp hơn, trong khi hệ thống điều khiển phức tạp hơn, và driver điều phối dòng điện, tần số cùng pha của stato để đạt được vị trí mong muốn Tốc độ quay của AC servo có thể lên tới 6000 vòng/phút hoặc cao hơn trong các ứng dụng servo chuyên dụng Đối với hãng Mitsubishi, động cơ AC Servo được phân loại theo ứng dụng và được đánh dấu bằng Seri ký hiệu.

Động cơ quán tính trung bình (Series HF) đảm bảo độ chính xác cao, phù hợp cho các máy cần tăng tốc nhanh chóng.

 Động cơ quán tính thấp (Series HF-KP): Phù hợp với một trục phụ trợ đòi hỏi phải định vị tốc độ cao

Động cơ servo tuyến tính Series LM-F thích hợp cho môi trường sạch sẽ vì không sử dụng vít me bi, giúp loại bỏ nguy cơ nhiễm bẩn từ dầu mỡ.

Động cơ servo dẫn động trực tiếp Series TM-RB kết hợp mô-men xoắn cao và hệ thống điều khiển có độ lợi cao, mang lại khả năng tăng tốc và định vị nhanh chóng, giúp máy hoạt động mượt mà hơn.

Về mặt cấu tạo, động cơ servo AC được tạo nên từ 3 thành phần:

Bộ điều khiển là hệ thống bao gồm màn hình, nút bấm và các thiết bị nhận phát thông tin, có chức năng tiếp nhận dữ liệu về tốc độ, vị trí và momen Sau khi nhận thông tin, bộ điều khiển sẽ hiển thị kết quả lên màn hình.

Bộ khuếch đại Servo nhận thông tin mã hóa từ bộ mã hóa, sau đó truyền tải dữ liệu này đến bộ điều khiển để hiển thị trên màn hình.

Thiết bị dò và dẫn điện bao gồm hai thành phần chính: động cơ và bộ mã hóa sản phẩm Động cơ được cấu tạo từ rotor và stator, trong đó cuộn dây dẫn thứ cấp được làm từ đồng hoặc nhôm Ngoài ra, thiết bị còn sử dụng nam châm và phanh điện từ, hoạt động dựa trên hiện tượng từ trường của nam châm vĩnh cửu.

2.4.2.4 Chức năng Động cơ servo nhỏ nhưng rất quan trọng để sử dụng các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí chính xác

AC Servo có khả năng thực hiện ba loại điều khiển: điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ, điều khiển momen

 Điều khiển vị trí: AC Servo có khả năng điều khiển vị trí chính xác đến từng micromet mà mắt người không thể phát hiện được

Điều khiển tốc độ là công nghệ quan trọng được áp dụng cho các thiết bị như máy xi mạ quay, chuyên dùng trong quy trình sản xuất mạch bán dẫn.

 Điều khiển momen: momen là lực dùng để xoay các trục được sử dụng như máy in công nghiệp

2.4.2.5 Ưu nhược điểm của động cơ AC servo Ưu điểm:

 Điều khiển tốc độ chính xác, điều khiển trơn tru trên toàn bộ vùng tốc độ Hầu như không dao động

Mô tơ hiệu suất cao với hiệu suất trên 90% mang lại ít nhiệt, khả năng điều khiển tốc độ cao và vị trí chính xác, tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa Sản phẩm có mô men xoắn và quán tính thấp, hoạt động êm ái với tiếng ồn thấp, không có bàn chải mòn và hoàn toàn miễn phí bảo trì.

 Điều khiển tương đối phức tạp, các thông số ổ đĩa cần phải điều chỉnh các thông số PID để xác định nhu cầu kết nối nhiều hơn

E NCODER

Encoder (Rotary Encoder) là một cảm biến chuyển động cơ học, tạo ra tín hiệu analog hoặc kỹ thuật số để phản ứng với chuyển động Thiết bị này có khả năng chuyển đổi các dạng chuyển động như chuyển động tịnh tiến và quay của trục thành tín hiệu đầu ra số hoặc xung.

Encoder được sử dụng chủ yếu để phát hiện vị trí, hướng di chuyển, tốc độ,…của động cơ bằng cách đếm số vòng mà trục quay được

Encoder thường phân thành hai loại: encoder tuyệt đối (Adsolute encoder) và encoder tương đối (Incremental encoder)

Encoder tuyệt đối có khả năng phản hồi tín hiệu chính xác về vị trí mà không cần thêm bước xử lý nào từ người sử dụng Thiết bị này sử dụng đĩa mã nhị phân hoặc mã Gray, với đĩa mã hóa được chế tạo trong suốt, chia mặt đĩa thành các góc đều nhau và các đường tròn đồng tâm.

Encoder tương đối là thiết bị phát tín hiệu tăng dần hoặc theo chu kỳ Đĩa mã hóa của nó bao gồm một dãy băng tạo xung với nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau Chất liệu của đĩa thường trong suốt để ánh sáng có thể chiếu qua Thiết bị này thường có từ 1 đến 3 vòng lỗ, kèm theo một lỗ định vị.

2.5.3 Bộ điều khiển động cơ servo

Bộ điều khiển servo là thành phần quan trọng trong hệ thống servo, có chức năng nhận tín hiệu điều khiển xung hoặc analog từ PLC Nó truyền lệnh đến động cơ servo để điều khiển hoạt động, đồng thời nhận tín hiệu phản hồi liên tục về vị trí và tốc độ của động cơ từ encoder.

Khi nhận xung điều khiển, bộ điều khiển tính toán phát xung PWM cho động cơ, trong khi vị trí và tốc độ được phản hồi qua encoder Bộ điều khiển so sánh các tín hiệu nhận được để tính toán độ lệch và điều chỉnh xung xuất ra, giúp động cơ đạt vị trí và tốc độ mong muốn Cảm biến dòng cũng liên tục cung cấp thông tin về dòng điện tiêu thụ của động cơ.

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 16 là phương pháp xác định tải thực tế, cho phép tính toán và điều chỉnh dòng ra sao cho phù hợp với giá trị đặt.

Hình 2.10 Các loại Driver của Mitsubishi

AC servo driver phân loại theo phương thức điều khiển:

Phương pháp điều khiển bằng xung sử dụng PLC để phát xung tốc độ cao cho servo driver, giúp động cơ hoạt động chính xác theo số lượng và tần số xung mà PLC cung cấp Phương pháp này thường được áp dụng cho các bài toán điều khiển với ít trục servo.

Phương pháp sử dụng mạng truyền thông SSCNET cho phép tín hiệu điều khiển từ PLC đến driver được truyền qua mạng, kết nối với module điều khiển servo Điều này giúp đọc các thông số của hệ thống về PLC, từ đó nâng cao khả năng giám sát Mỗi hãng sẽ có hệ thống riêng biệt, phù hợp với các bài toán điều khiển nhiều trục servo.

Mặc dù nhiều động cơ servo yêu cầu một drive đặc trưng cho từng thương hiệu hoặc kiểu động cơ, nhưng hiện nay có nhiều drive tương thích với nhiều loại động cơ khác nhau.

Dòng Servo MR-J4 thế hệ mới sở hữu công nghệ tiên tiến hàng đầu thế giới, với tính năng chống rung chuyên dụng cho máy móc và autotuning thời gian thực, mang lại độ chính xác cao nhất trong chuyển động, thời gian đáp ứng nhanh và dễ dàng lắp đặt.

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 17 Để đáp ứng nhu cầu và ứng dụng điều khiển, Servo MR-J4 có hai dạng:

 Dòng MR-J4-A phù hợp với những điều khiển về tốc độ, momen xoắn, vị trí

 Dòng MR-J4-B chuyền dùng trong điều khiển nhiều trục chuyển động nội suy

2.5.4 Phương pháp điều khiển vị trí động cơ servo

 Thiết lập bộ truyền động:

Số xung trên mỗi vòng quay là số lượng xung cần thiết để động cơ hoàn thành một vòng quay Số xung này phụ thuộc vào số xung cố định của Encoder và hộp số được gắn trực tiếp vào động cơ.

Khoảng di chuyển trên mỗi vòng quay là một yếu tố quan trọng trong việc cài đặt các cơ cấu cơ khí liên kết với trục động cơ, như vít me, hệ thống tuyến tính và bàn xoay Việc xác định chính xác khoảng di chuyển này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của thiết bị và đảm bảo tính chính xác trong quá trình vận hành.

Chế độ phát xung là phương pháp cài đặt để truyền tín hiệu xung lệnh và xác định hướng quay, nhằm tối ưu hóa sự tương thích với bộ điều khiển servo được kết nối.

Bảng 2.5 Nguyên lí phát xung điều khiển động cơ Servo

Pulse/sign (xung/tín hiệu) Số vòng quay cũng như tốc độ quay phụ thuộc vào tín hiệu xung

Tín hiệu thuận nghịch độc lập với xung lệnh để điều khiển hướng quay

CW/CCW (clockwise/ counter clock wise)

Việc quay thuận nghịch không phải cố định mà thường quy ước theo chiều kim đồng hồ

Servo có thể được điều khiển chiều quay thông qua hai ngõ nhận xung Khi ngõ A nhận xung, động cơ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, trong khi khi ngõ B nhận xung, động cơ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ.

Việc ngõ nào quay theo chiều nào có thể cài đặt trong parameter hoặc truyền lệnh từ bộ điều khiển xuống driver servo

Pulse/pulse (xung/xung) Hướng quay điều khiển bởi độ lệch pha giữa hai ngõ phát xung

Quay thuận khi pha B trễ hơn so với A một góc 90 độ

Quay nghịch khi pha A trễ hơn so với pha B một góc

Output signal logic allows for the selection between two modes: Positive logic, which responds to a High level command, and Negative logic, which responds to a Low level command.

KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

T HI CÔNG PHẦN CỨNG

Mô hình cánh tay robot 6 trục của nhóm được thiết kế như một mô hình thực nghiệm, trong đó yếu tố quan trọng nhất để đạt được độ chính xác cao gần như tuyệt đối là gia công chi tiết cơ khí Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, yêu cầu về phần cơ khí cần phải được chú trọng và thực hiện một cách tỉ mỉ.

 Có khả năng điều khiển cả 6 trục, điều khiển từng trục một, dễ dàng điều khiển

 Có thể vận hành trong một không gian hạn chế chịu tác động nhiễu tốt, đạt sự chính xác ở tốc độ cao

 Kết cấu từng bộ phận chắc chắn, an toàn với người vận hành

 Phù hợp với nhu cầu giảng dạy, trưng bày

3.1.2 Thiết kế, bố trí phần cứng

Dựa vào không gian làm việc của robot và sự thuận tiện trong việc lắp đặt cơ khí, như bàn xoay và mặt bàn, nhóm đã thiết kế sơ đồ bố trí hệ thống hoàn chỉnh.

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí hệ thống

Sau khi lên bản vẽ sơ đồ bố trí hệ thống, ta bố trí hệ robot 6 bậc tự do ngoài thực tế:

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí hệ thống thực tế

3.1.3 Phần thi công bàn xoay

 Tỉ số gear bàn xoày so với động cơ: 1/8

 Bán kính bàn xoay: 120mm, độ dày bàn xoay: 10mm

 Chất liệu bàn xoay: mica nhựa trong suốt

Phôi đặt lên bàn xoay được gia công có kích thước D= 25mm, cân nặng 20g Gắp phôi đến bàn cố định có kích thước 300mm x 210mm

Hình 3.4 Phôi đặt trên bàn cố định

3.1.4 Khung mô hình Để có thể chịu tải lớn, tính chắc chắn cũng như dễ dàng lắp ráp, nhóm em sử dụng chất liệu nhôm để làm khung cho mô hình

P HẦN ĐIỆN

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống phần điện

Chức năng từng khối trong hệ thống:

Khối xử lý phần mềm và giao tiếp thực hiện nhiệm vụ lập trình và nạp dữ liệu cho khối xử lý trung tâm cùng với khối điều khiển chuyển động.

Khối xử lý trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp tín hiệu điều khiển cho các khối giao tiếp và xuất các tín hiệu điều khiển qua khối điều khiển chuyển động Nó cũng thực hiện giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như cảm biến và nút nhấn.

Khối điều khiển chuyển động đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp tín hiệu điều khiển cho khối chấp hành, đồng thời thực hiện tính toán và xử lý các thuật toán liên quan đến vị trí di chuyển Việc xuất xung điều khiển động cơ được thực hiện một cách chính xác, và lập trình bằng ngôn ngữ SFC giúp đơn giản hóa quá trình lập trình Motion.

 Khối xử lí trung tâm và khối điều khiển chuyển động sẽ được giao tiếp với nhau thông qua bộ nhớ trung gian giữa hai CPU chia sẻ

Khối chấp hành bao gồm 6 động cơ, được điều khiển bởi Driver MR-J4 Driver này nhận xung giao tiếp qua mạng SSCNET, được xuất ra từ khối điều khiển chuyển động.

3.2.2 Sơ đồ đấu nối hệ thống

Sau khi hoàn tất thi công và bố trí phần cơ khí, bước tiếp theo là thực hiện phần điện Dưới đây là sơ đồ đấu nối tổng quát của hệ thống PLC theo trình tự như trong hình 3.7.

Máy tính được kết nối với module PLC qua cáp USB, từ đó PLC kết nối với ba module Driver qua SSCNET III Các Driver sẽ điều khiển động cơ Servo tương ứng với số lượng động cơ Tiếp theo, module ngõ ra kết nối với các phần cơ khí như nút nhấn và nam châm điện Cuối cùng, để điều khiển hệ thống, cần cài đặt phần mềm hỗ trợ cho máy tính.

Hình 3.7 Sơ đồ đấu nối hệ thống PLC

Từ sơ đồ đấu nối hệ thống PLC, nhóm tiến hành thiết kế mạch điện chi tiết bao gồm: mạch động lực và mạch điều khiển

Hình 3.8 Sơ đồ mạch cung cấp điện áp cho EM1

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 30 Mạch động lực :

Hình 3.9 Sơ đồ mạch động lực

Hình 3.10 Mạch điều khiển ngõ ra QY42P

Dựa trên sơ đồ đấu nối hệ thống cùng với sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển, nhóm đã xây dựng một sơ đồ nối dây hệ thống chi tiết và hoàn chỉnh.

Hình 3.11 Sơ đồ nối dây hệ thống PLC hoàn chỉnh

Nguồn điện xoay chiều được phân phối qua CB tổng, sau đó chia thành ba CB con để cung cấp nguồn cho module PLC, bộ nguồn tổ ong 24V và các Driver Bộ nguồn tổ ong cung cấp điện áp 24VDC cho các thiết bị cơ khí như nút nhấn, đèn LED và nam châm điện Các Driver kết nối với động cơ Servo thông qua dây động lực.

Sau khi vẽ trên phần mềm CAD sơ đồ nối dây, nhóm tiến hành thi công tủ điện ngoài thực tế:

Hình 3.12 Thi công tủ điện

Để bảo vệ các thiết bị điện khỏi nguy cơ ngắn mạch và chập điện trong quá trình điều khiển, thiết bị đóng cắt đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.

Bảng 3.1Thông số kỹ thuật của EA52AC-CE Đặc điểm Hình ảnh

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của CB CP30-BA Đặc điểm Hình ảnh

Dòng điện định mức5A (AC250V /

DC125V) Khả năng ngắt dòng ngắn mạch2.5K A

 Bộ nguồn Omron S8JX-G05024CD

Bảng 3.3Thông số kỹ thuật của S8JX-G05024CD Điện áp ngõ ra 24V

Loại bộ nguồn tổ ong

Các thành phần cần thiết cho trạm CPU bao gồm: Base CPU, Module cấp nguồn, PLC chính, motion PLC, motion Module và I/O Module Dưới đây là bảng liệt kê các thiết bị cấu thành hệ thống trạm CPU.

Bảng 3.4Tên của các thành phần trong trạm CPU

Module Base CPU chính Motion

Output Module Tên thiết bị Q312DB Q04UDEH Q173DS QY41P

Bảng 3.5Thông số của Base Q35B Đặc điểm Hình ảnh

Phạm vi sử dụng: Q series

Số khe cắm: 5 I/O slots và 1 power supply slot

Bảng 3.6Thông số của bộ nguồn Q61P Đặc điểm Hình ảnh

Nguồn điện vào: 200 đến 240VAC (170 đến

Tần số đầu vào: 50/60Hz ±5%

Giới hạn dòng lớn nhất: 105VA

Dòng ra định mức: 6A/5VDC, 6A/24VDC

Bảo vệ quá áp, dòng: tối đa 6.6A, 6V

Q04UDHCPU là bộ vi xử lý hiệu năng cao của hãng Mitsubishi, được thiết kế để thực hiện các tác vụ phức tạp một cách nhanh chóng Với khả năng xử lý vượt trội, Q04UDHCPU có thể kết hợp hiệu quả với các hệ thống chuyển động đồng bộ, đáp ứng yêu cầu về tốc độ xử lý và độ phản hồi nhanh.

Bảng 3.7Thông số của CPU Q04UDHCPU Đặc điểm Hình ảnh

Tốc độ xử lý (LD instruction): 0.0095μs

Bộ nhớ chương trình: 180 KB

Số I/O tối đa có thể mở rộng: 8192

Tích hợp nhiều CPU tốc độ cao

Cổng truyền thông: RS232, USB

Bộ điều khiển PLC Q173DSCPU của Mitsubishi hỗ trợ tối đa 32 trục điều khiển, với khả năng thiết lập một hệ thống điều khiển lên đến 16 trục Sản phẩm này có thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt trong các không gian hạn chế PLC Q173DSCPU cung cấp 3200 điểm định vị và áp dụng nhiều phương pháp điều khiển như điều khiển điểm tới điểm, điều khiển dao động tốc độ cao, điều khiển đồng bộ và điều khiển cam.

Bảng 3.8Thông số kỹ thuật bộ điều khiển PLC Q173DSCPU

Số trục điều khiển 32 trục Điểm định vị 3200 điểm

Công suất chương trình servo 16k bước

Bảng 3.9Thông số kỹ thuật module ngõ ra QY42P Đặc điểm Hình ảnh

Ngõ ra Transistor (Sink) Điện áp đầu ra: 12-24V DC

Thời gian đáp ứng: 1 ms

Cấp độ bảo vệ: IP2X

3.2.5 Bộ điều khiển động cơ Để động cơ servo hoạt động ổn định không bị quá tải thì cơ cấu không thể thiếu trong quá trình điều khiển chính là driver Vì không gian hẹp nên cần driver có thể điều khiển nhiều servo Để thoả mãn các yêu cấu trên Đề tài sử dụng loại driver MR-J4W3-444B, MR-J4W3-222B và MR-J4W2-44B

Hình 3.13 Driver MR-J4W3-B và MR-J4W2-B

Thông số kỹ thuật của Driver:

Bảng 3.10 Thông số kỹ thuật của Driver

Công suất định mức ngõ ra 200 W

Ngõ ra Điện áp định mức: 3 – phase 170 VAC Dòng diện định mức: 1.5 A

Nguồn điện mạch chính Điện áp/Tần số: 3 – phase hoặc 1 – phase 200 VAC – 240 VAC, 50/60 Hz

Nguồn cung cấp mạch điều khiển Điện áp/Tần số: 1 – phase 200 VAC – 240 VAC, 50/60 Hz

Ngắt quá dòng, ngắt quá áp tái tạo và ngắt quá tải (nhiệt điện tử) là những biện pháp bảo vệ quan trọng cho động cơ servo Ngoài ra, việc bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ lỗi bộ mã hóa, bảo vệ lỗi tái tạo và bảo vệ quá áp cũng rất cần thiết Các cơ chế bảo vệ khác bao gồm bảo vệ mất điện tức thời, bảo vệ quá tốc độ và bảo vệ lỗi điều khiển servo tuyến tính.

Chức năng giao tiếp Kết nối máy tính cá nhân (tương thích MR

T ÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THÔNG SỐ CHO CÁNH TAY ROBOT 6 TRỤC

3.3.1 Đặt trục cho cánh tay robot

Để xác định số thanh liên kết và khớp của cánh tay robot, tất cả các khớp được biểu diễn theo trục z Việc đặt trục cho các khớp của cánh tay robot tuân theo 6 quy tắc của bàn tay phải.

1 Khung thứ i được gắn với liên kết thứ i

2 Trục zi được chọn dọc theo trục khớp thứ i

3 Trục xi được chọn theo đường vuông góc chung zi và zi+1

4 yi được chọn để làm thành một tọa độ bên phải

5 Khung thứ 0 thường được chọn khớp với khung thứ 1 khi biến khớp đầu bằng 0

6 Khung thứ N có thể được chọn tự do, thường được chọn tự do, đảm bảo càng nhiều số liên kết càng tốt

Hình 3.14Đặt trục robot 6 bậc tự do

Sau khi thiết lập trục cho robot và xác định đúng các trục theo quy tắc đã nêu, chúng ta sẽ tiến hành xây dựng bảng Denavit-Hartenberg (DH) cho robot 6 bậc tự do như được trình bày dưới đây.

Bảng 3.11Bảng DH cho robot 6 bậc tự do i ai-1 αi-1 di θi z0z1x0 1 0 0 l0 θ1 x0x1z1 z1z2x1 2 d1 -90 0 θ2 x1x2z2 z2z3x2 3 l2 0 0 θ3 x2x3z3 z3z4x3 4 d2 -90 l3 θ4 x3x4z4 z4z5x4 5 0 90 0 θ5 x4x5z5 z5z6x5 6 0 -90 0 θ6 x5x6z6

Trong bài viết này, các thông số quan trọng bao gồm ai-1, đại diện cho khoảng cách từ trục zi-1 đến trục zi theo chiều dọc của trục xi-1; αi-1, là góc lệch từ trục zi-1 đến trục zi theo chiều dọc của trục xi-1; di, khoảng cách từ trục xi-1 đến trục xi theo chiều dọc của trục zi; θi, góc quay từ trục xi-1 đến trục xi theo chiều dọc của trục zi; và d, độ dày của các khớp.

Với αi-1 và θi được xác định theo quy tắc bàn tay phải

Vị trí điểm cuối của robot lên hệ trục tọa độ thứ 6:

Sử dụng phương pháp đại số để tính động học thuận cho Robot 6 bậc tự do

Ma trận chuyển vị thuần nhất mô tả hướng và vị trí của khâu i so với khâu i-1 Trong đó, cos(θi) và sin(θi) lần lượt đại diện cho thành phần cos và sin của góc quay θi quanh trục Z giữa hai khâu Khoảng cách di giữa trục X của khâu i và khâu i-1 được ký hiệu là di.

1 s  i  : là s ( in  i  1 ) ( Với  i  1 là góc quay quanh trục X của khâu i so với khâu i1)

1 c  i  : là cos(  i  1 ) ( Với  i  1 là góc quay quanh trục X của khâu i so với khâu i1)

 i  : là khoảng cách giữa trục Z của khâu i so với khâu i1

Nếu viết ở dạng 2 ta sẽ có:

  là ma trận tịnh tiến của hệ trục

Ta tiến hành thay thế các thông số bảng DH vào công thức tổng quát ta được

Ma trận chuyển đổi giữa khớp 0 và 1:

Công thức chuyển đổi giữa các ma trận chuyển đổi đồng nhất :

Từ công thức ta tìm được ma trận chuyển đổi giữa khớp 0 và 6:

Phương pháp đại số được áp dụng để tính động học nghịch cho robot 6 bậc tự do Để thực hiện điều này, bài toán được chia thành hai phần: tịnh tiến và hướng của robot Trong nghiên cứu này, nhóm chọn hướng của robot là hướng xuống so với trục tọa độ gốc.

Dựa trên cách đặt trục của robot, tọa độ điểm giao nhau của các trục 4, 5, 6 (Oc) không thay đổi khi các trục này di chuyển Điều này cho thấy tọa độ Oc chính là tọa độ điểm cuối của khâu 1, 2, 3 Để xác định tọa độ điểm Oc, cần tìm hướng của robot so với trục tọa độ góc.

Hướng của robot so với trục tọa độ góc như hình

Hình 3.15Hướng Robot so với toạ độ góc

Từ hình ta suy ra được ma trận hướng giữa trục tọa độ khâu cuối và trục tọa độ gốc từ công thức (3.14) và (3.15)

Từ công thức (3.16) ,suy ra:

Từ công thức (3.10), ta có thể suy ra

Nhân 2 vế của phương trình (3.18) với   0 1 T  1 ta được:

Từ thành phần (2, 4) của cả 2 ma trận trong công thức (2.20)

Ta cân bằng 2 phần tử (1, 4) và (3, 4) của cả 2 ma trận trong công thức (2.20)

Tổng bình phương 2 vế trong công thức (3.22), ta được:

Từ công thức (3.10), ta suy ra:

Từ công thức (3.28) , ta suy ra:

(3.29) Cân bằng phân tử (1, 4) và (2, 4) ở 2 ma trận trong công thức (3.29):

Ta rút s23 từ công thức (3.30) thay vào công thức (3.31) để tìm c23 và rút c23 từ công thức (3.30) thay vào công thức (3.31) đề tìm s23, ta được:

Khớp 4, 5, 6 của robot có cấu trúc dạng cầu, vì vậy chúng ta sử dụng góc Euler cùng với hướng của khâu cuối để xác định khớp xoay 4, 5, 6 Để giải quyết bài toán này, việc hiểu rõ về góc Euler là rất quan trọng.

Góc Euler là một tập hợp gồm ba góc, ký hiệu là α, β, γ, được sử dụng để xác định hướng của một khung tham chiếu thứ ba trong không gian 3D Để thực hiện điều này, hai khung tham chiếu Cartesian thuận tay phải được thiết lập: một khung cố định và một khung di động Ban đầu, hai khung này trùng khớp với nhau Khung di động sau đó được xoay theo một chuỗi các góc Euler để cuối cùng đồng nhất với khung tham chiếu thứ ba.

Xoay quanh trục X ˆ , Y ˆ và Z ˆ của khung cố định, hoạc xoay quanh X ˆ, Y ˆ và

Zˆ của khung di động một góc α

Sau đó xoay quanh trục X ˆ , Y ˆ và Z ˆ của khung cố định, hoạc xoay quanh X ˆ,

Yˆ và Z ˆ của khung di động một góc β

Và cuối cùng xoay quanh trục X ˆ , Y ˆ và Z ˆcủa khung cố định, hoạc xoay quanh

Xˆ, Y ˆ và Z ˆ của khung di động một góc γ

Sau khi thực hiện 3 phép quay, ta có 12 tổ hợp các góc Euler để mô tả hướng, bao gồm: XYX, XYZ, XZX, XZY, YXY, YXZ, YZX, YZY, ZXY, ZXZ, ZYX, và ZYZ Mỗi tổ hợp này có 2 cách quay khác nhau, tạo thành một chuỗi các phép quay đa dạng.

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 45 bao gồm các phép xoay quanh trục của khung cố định, cùng với chuỗi các phép xoay quanh trục của khung di động.

Ta có các công thức tính toán góc Euler cho mỗi ma trận xoay quanh các trục:

   (3.38) Đối với robot Denso, để mô tả hướng của robot ta sử dụng quy ước góc Z-Y-

Để thực hiện phép biến đổi Euler di động, trước tiên ta xoay khung x'-y'-z' quanh trục z của khung cố định x-y-z Tiếp theo, khung x"-y"-z" được xoay quanh trục y' của khung x'-y'-z' Cuối cùng, khung x"'-y"'-z"’ được xoay quanh trục z" của khung x"-y"-z".

Ta có công thức tính toán phép xoay các trục tương ứng:

Nhân các ma trận ta được phép xoay của hướng robot

(3.42) Để tìm các góc ta đặt:

Ta thấy hướng của robot phụ thuộc vào phép xoay giữa hệ trục tọa độ 6 và hệ trục tọa độ 3

Ta có ma trận xoay giữa hệ trục tọa độ 6 với hệ trục tọa độ 3 chính là ma trận xoay của góc Euler

Sau khi tính toán ta có được 8 bộ nghiệm tương ứng với mỗi cấu hình của robot

6 arctan( , ) arctan( , ) arctan , tan 2 , tan 2 1 , tan 2 ,

0 6 arctan( , ) arctan( , ) arctan , tan 2 , 180 tan 2 1 , tan 2 , 180

6 arctan( , ) arctan( , ) arctan , tan 2 , tan 2 1 , tan 2 , c c y x d l M d l M a c c s a s s s s a s c s c c s c c c s

0 6 arctan( , ) arctan( , ) arctan , tan 2 , 180 tan 2 1 , tan 2 , 180 c c y x d l M d l M a c c s a s s s s a s c s c c s c c c s

Đ IỀU KHIỂN ROBOT

3.4.1 Chế độ điều khiển thủ công (Manual)

Chế độ điều khiển thủ công cho phép người dùng thực hiện các chế độ khác nhau để điều khiển robot bao gồm các chế độ cơ bản:

 Chế độ Jog: Điều khiển từng khớp của robot quay thuận nghịch, có thể tùy chỉnh tốc độ

 Chế độ Home: Cài đặt vị trí ban đầu của các khớp robot

 Chế độ chạy theo góc: Nhập giá trị góc từng khớp và chạy theo cac giá trị đạ nhập

 Chế độ chạy theo tọa độ: Nhập các tọa độ xyz và chạy đến điểm đã nhập

Hình 3.16 Sơ đồ khối điều khiển robot theo chế đồ thủ công

Sơ đồ trên bao gồm 4 khối có chức năng khác nhau: tín hiệu, quy hoạch quỹ đạo, cơ cấu chấp hành, robot

 Khối tín hiệu điều khiển: là tín hiệu đầu vào của robot trên bảng điều khiển

 Khối quy hoạch quỹ đạo: bao gồm các quỹ đạo mong muốn của robot

 Khối cơ cấu chấp hành: các khớp của robot

 Khối robot: Các trạng thái của cánh tay robot theo các tín hiệu điều khiển

3.4.2 Chế độ điều khiển tự động (Auto)

Chế độ Auto cho phép robot hoạt động theo một chu trình đã được thiết kế sẵn, giúp tối ưu hóa quy trình làm việc Hình ảnh minh họa sơ đồ hoạt động của robot trong chế độ Auto cho thấy cách thức hoạt động tuần tự và hiệu quả của nó.

Hình 3.17Sơ đồ khối điều khiển Robot theo chế độ tự động

Khi người dùng kích hoạt chế độ Auto, Robot sẽ tự động di chuyển đến vị trí bắt đầu Sau đó, người dùng cần xác nhận rằng robot đã ở đúng vị trí và nhấn nút RUN để khởi động chương trình.

Khi khởi động chương trình, robot nhận tín hiệu điều khiển đã được cài đặt cho từng sản phẩm Các tín hiệu về vị trí trung gian và vị trí thả sản phẩm trên bàn xoay sẽ được xử lý qua khối quy hoạch quỹ đạo để xác định các vị trí đầu cuối của robot Sau đó, khối động học nghịch sẽ tính toán các góc xoay của từng khớp robot từ vị trí đầu cuối đã xác định.

Các góc xoay được truyền qua cơ cấu chấp hành để điều khiển servo của từng khớp robot Hệ thống robot mô tả trạng thái của nó theo từng vị trí cuối cùng Khi đạt được vị trí yêu cầu, robot sẽ quay về vị trí ban đầu và nhận tín hiệu của sản phẩm tiếp theo.

HÀNH HỆ THỐNG

M ÔI TRƯỜNG THỰC NGHIỆM

Mục tiêu của đề tài là phát triển một hệ thống có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường công nghiệp hoặc môi trường nhiễu Do đó, thí nghiệm sẽ được thực hiện trong một môi trường bình thường mà không yêu cầu kiểm soát các yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm.

K ẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

4.2.1 Kiểm chứng động học thuận

Chạy cánh tay robot với các cấu hình góc đặc biệt nhằm kiểm chứng động học thuận Ở vị trí ban đầu với các góc θ1 = 0, θ2 = -90, θ3 = 0, θ4 = 0, θ5 = 0, θ6 = 0, chúng tôi thu được kết quả thực nghiệm đáng chú ý.

Hình 4.1 thể hiện vị trí của robot với các góc 1  0, 2  90, 3  0, 4  0, 5  0, 6  0 Kết quả mô phỏng cho thấy các góc và chiều của từng khớp tương ứng với vị trí trục bàn đầu và điểm cuối được xác định chính xác theo tính toán động học thuận.

Chọn các góc θ1 = 0, θ2 = -90, θ3 = 0, θ4 = 0, θ5 =-90, θ6 = 0 ta thu được kết quả thực nghiệm như sau:

Hình 4.2 minh họa vị trí của robot với các góc khớp được thiết lập là  1  0,  2  90,  3  0,  4  0,  5  90, và  6  0 Kết quả mô phỏng cho thấy các góc và chiều của từng khớp phù hợp với vị trí của trục bàn đầu và điểm cuối, xác nhận tính chính xác của quá trình tính toán động học thuận.

Chọn các góc θ1 = 0, θ2 = -45, θ3 = 0, θ4 = 0, θ5 =-45, θ6 = 0 ta chu được kết quả thực nghiệm như sau

Hình 4.3 Vị trí của robot khi các góc  1  0, 2   45, 3  0, 4  0, 5   45, 6  0

Sau khi thực hiện mô phỏng, kết quả cho thấy các vị trí góc và chiều của từng khớp hoàn toàn khớp với trục bàn đầu, cùng với điểm đầu cuối chính xác như tính toán trong động học thuận.

4.2.2 Kiểm chứng động học nghịch Để kiểm chứng tính toán động học nghịch chính xác ta sử dụng phần mềm MATLAB

Sau khi kiểm tra động học thuận và xác định kết quả chính xác, chúng ta tiến hành kiểm tra động học nghịch Bằng cách đưa các vị trí điểm cuối vào khối động học nghịch, ta tính toán các góc xoay của các khớp Sau đó, các góc này sẽ được sử dụng trong khối động học thuận để tính toán vị trí Nếu vị trí tính toán trùng khớp với vị trí đã đưa ra, điều này chứng tỏ kết quả động học nghịch là chính xác.

 Kiểm tra bộ nghiệm 1 và 2

 Xét điểm A(300; 300; 200) Đưa vị trí A vào động học nghịch ta thu được hai bộ nghiệm như sau

Bảng 4.1 Bộ nghiệm 1 và 2 tại vị trí A

Bộ nghiệm 1 Bộ nghiệm 2 Đưa hai bộ nghiệm vừa tìm được vào động học thuận ta thu được kết quả lần lượt như bảng 4.2

Bảng 4.2 Cấu hình robot với bộ nghiệm 1 và 2 tại vị trí A

Kết quả điểm cuối của robot, như được thể hiện trong hình, khớp với tọa độ điểm A mà chúng ta đã chọn, cho thấy rằng bộ nghiệm động học nghịch của bộ nghiệm 1 và 2 là chính xác.

 Xét điểm B(-200, 300, 200) Đưa vị trí B vào động học nghịch ta thu được hai bộ nghiệm như sau

Bảng 4.3 Bộ nghiệm 1 và 2 tại vị trí B Đưa hai bộ nghiệm vừa tìm được vào động học thuận ta thu được kết quả lần lượt như bảng 4.4

Bảng 4.4 Cấu hình robot với bộ nghiệm 1 và 2 tại vị trí B

Kết quả điểm cuối của robot, như thể hiện trong hình, trùng khớp với tọa độ điểm B mà chúng ta đã chọn, cho thấy rằng bộ nghiệm động học nghịch của bộ nghiệm 1 và 2 là chính xác.

Bảng 4.5 Kết quả bộ nghiệm 3 và 4 tại vị trí A

Bộ nghiệm 3 Bộ nghiệm 4 Đưa hai bộ nghiệm vừa tìm được vào động học thuận ta thu được kết quả lần lượt như bảng 4.6

Kết quả điểm cuối của robot, như thể hiện trong hình, khớp với tọa độ điểm A đã chọn, xác nhận rằng bộ nghiệm động học nghịch của bộ nghiệm 3 và 4 là chính xác.

 Xét điểm B(-200, 300, 200) Đưa vị trí B vào động học nghịch ta thu được hai bộ nghiệm như sau

Bảng 4.7 Kết quả bộ nghiệm 3 và 4 tại vị trí B Đưa hai bộ nghiệm vừa tìm được vào động học thuận ta thu được kết quả tại bảng 4.8

Bảng 4.8 Cấu hình robot với bộ nghiệm 3 vã tại vị trí B

Kết quả cuối cùng của robot được hiển thị trong hình và khớp với tọa độ điểm B đã chọn, cho thấy bộ nghiệm động học nghịch của bộ nghiệm 3 và 4 là chính xác.

 Bộ nghiệm 5 và 6 : Xét điểm A(300; 300; 200) Đưa vị trí A vào động học nghịch ta thu được hai bộ nghiệm như sau

Bộ nghiệm 5 Bộ nghiệm 6 Đưa hai bộ nghiệm vừa tìm được vào động học thuận ta thu được kết quả tại bảng 4.10

Kết quả điểm cuối và cấu hình robot của hai bộ nghiệm được trình bày trong bảng 4.10 tương ứng với tọa độ điểm A đã chọn, cho thấy rằng kết quả bộ nghiệm động học nghịch của bộ nghiệm 5 và 6 là chính xác.

 Xét điểm B(-200; 300; 200) Đưa vị trí B vào động học nghịch ta thu được hai bộ nghiệm như sau

Bảng 4.11 Kết quả bộ nghiệm 5 và 6 tại vị trí B

Bảng 4.12 Cấu hình robot vơi bộ nghiệm 5 và 6 tại vị trí B

Kết quả điểm cuối và cấu hình robot của hai bộ nghiệm được trình bày trong bảng 4.12 tương ứng với tọa độ điểm B đã chọn, cho thấy rằng kết quả của bộ nghiệm động học nghịch 5 và 6 là chính xác.

Kết quả điểm cuối và cấu hình robot của hai bộ nghiệm được trình bày trong bảng 4.14 khớp với tọa độ điểm A đã chọn, cho thấy rằng kết quả của bộ nghiệm động học nghịch 7 và 8 là chính xác.

 Xét điểm B(-200; 300; 200) Đưa vị trí B vào động học nghịch ta thu được hai bộ nghiệm như sau

Bảng 4.15 Kết quả bộ nghiệm 7 và tại vị trí B

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 68 Đưa hai bộ nghiệm vừa tìm được vào động học thuận ta thu được kết quả tại bảng 4.16

Bảng 4.16 Cấu hình robot với bộ nghiệm 7 và 8 tại vị trí B

Kết quả điểm cuối và cấu hình robot của hai bộ nghiệm được trình bày trong bảng 4.16 phù hợp với tọa độ điểm B đã chọn, do đó, kết quả của bộ nghiệm động học nghịch cho bộ nghiệm 7 và 8 là chính xác.

Tùy vào giới hạn vật lý của robot và không gian làm việc ta lựa chọn bộ nghiệm phù hợp với cánh tay robot

Không gian làm việc của robot được xác định bởi khả năng di chuyển của nó, phụ thuộc vào góc quay và chiều dài các thanh liên kết Hơn nữa, hướng của robot cũng ảnh hưởng đến không gian làm việc này Trong đề tài này, hướng của robot được biểu diễn thông qua ma trận xoay.

Dựa vào mô hình robot ban đầu, các giới hạn góc quay được biễu diễn ở bảng 4.17

Bảng 4.17 Giới hạn các khớp xoay của robot

Khớp xoay thứ nhất θ1 (độ) -170 +170

Khớp xoay thứ hai θ2 (độ) -180 +45

Khớp xoay thứ ba θ3 (độ) -119 +166

Khớp xoay thứ tư θ4 (độ) -190 +190

Khớp xoay thứ năm θ5 (độ) -120 +120

Khớp xoay thứ sáu θ6 (độ) -360 +360

Từ giới hạn vật lý của các khớp, ta tìm ra được không gian làm việc phù hợp của robot trong môi trường làm việc xung quanh robot

Hình 4.4 minh họa không gian làm việc trước khi hiệu chỉnh theo hệ tọa độ XZ Trong Hình 3.16, màu xanh dương đại diện cho không gian làm việc theo giới hạn thông số vật lý của nhà sản xuất, trong khi đường màu đỏ biểu thị bệ đỡ của cánh tay (khớp 1 và khớp 2) Nhiều điểm cuối của robot, khi tuân theo thông số giới hạn vật lý, nằm trong vùng bệ đỡ, cho thấy khả năng va chạm giữa khâu cuối của robot và phần bệ.

Sau khi điều chỉnh ta có các thông số giới hạn góc xoay theo bảng sau

Bảng 4.18 Giới hạn các khớp xoay của robot sau khi hiệu chỉnh

Khớp xoay thứ nhất θ1 (độ) 0 +180

Khớp xoay thứ hai θ2 (độ) -160 -10

Khớp xoay thứ ba θ3 (độ) -100 +45

Khớp xoay thứ tư θ4 (độ) -190 +190

Khớp xoay thứ năm θ5 (độ) -120 +120

Khớp xoay thứ sáu θ6 (độ) -360 +360

Sau khi điều chỉnh ta có không gian làm việc của Robot sau khi hiệu chỉnh theo toạ độ XZ

Hình 4.5Không gian làm việc của robot sau khi hiệu chỉnh theo hệ tọa độ XZ

QUẢ VÀ NHẬN XÉT

K ẾT QUẢ

Sau 15 tuần nghiên cứu và thực hiện đề tài “Ứng dụng robot 6 bậc tự do gắp thả sản phẩm vào vị trí không cố định”, nhóm em cũng đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng với tiến độ đã đề ra Sau đây là đánh giá kết quả đề tài:

Để kiểm chứng thuật toán, chúng tôi đã cho robot thực hiện việc gắp thả sản phẩm 100 lần liên tục với các tốc độ khác nhau của bàn xoay Trong quá trình này, chúng tôi đã đo đạc sai lệch giữa vị trí của robot trên bàn xoay tại một ô màu cố định và vị trí sau khi hoàn thành 100 lần gắp thả Kết quả thu được cho thấy sai số vị trí cuối cùng của robot so với vị trí ban đầu, được trình bày trong bảng 5.2.

Bảng 5.2 Bảng đánh giá kết quả thuật toán

Tốc độ bàn xoay Số lần thử Sai số cộng dồn

Mục tiêu Yêu cầu đề ra

Gắp vật tại các vị trí đã chỉ định Hoàn thành

Thả vật tại các vị trí tính toán trên bàn xoay

Gắp thả vật đặt lên bàn xoay đang di chuyển với các tốc độ sau:

N HẬN XÉT

Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của động cơ AC Servo và các loại encoder là rất quan trọng để điều khiển chính xác vị trí và vận tốc của động cơ Việc sử dụng module điều khiển Q173DSCPU giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển, mang lại hiệu suất cao trong các ứng dụng công nghiệp.

 Tính toán được động học cho robot 6 bậc tự do và áp dụng vào giải thuật gắp thả vật trong công nghiệp

 Được kế thừa từ các khoá trước và gia công, xây dựng lại cơ khí để phù hợp với mục đích đề tài

 Tương đối chắc chắn, cơ cấu dễ dàng tháo lắp, dễ thay thế hay sửa chữa nếu có sự cố

 Giao diện người dùng: được xây dựng một cách dễ hiểu, dễ sử dụng, có thể dễ dàng tuỳ chỉnh và điều khiển

 Chương trình: Robot gắp tương đối chính xác vào tâm của vật (sai số 0.5-1mm), gắp thả được vật vào bàn xoay đang chuyển động

LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

K ẾT LUẬN

Sau quá trình nghiên cứu, thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển giám sát cho mô hình, nhóm đã đạt được những kết quả nhất định Mô hình này có những ưu điểm và nhược điểm đáng chú ý.

- Mô hình hoạt động chính xác, ổn định ở cả hai chế độ

- Nhờ sử dụng pin chuyên dụng, mô hình có khả năng chạy tiếp sau khi mất điện mà không phải hoạt động lại từ đầu

- Chế độ manual hoạt động độc lập, linh động và tương đối chính xác, tăng sự lựa chọn cho người dùng

- Quy hoạch quỹ đạo đường tròn chưa được tối ưu

- Giao diện người dùng chưa bảo mật cao, chỉ sử dụng một màn hình nên sẽ bất tiện trong việc điều khiển cũng như giao tiếp

- Sai số gắp vật vẫn còn nhưng trong khoảng chấp nhậnS được (

Tiêu đề	Ứng Dụng Cánh Tay Robot 6 Bậc Tự Do Gắp Thả Sản Phẩm Vào Vị Trí Không Cố Định
Tác giả	Nguyễn Nhật Trường, Nguyễn Thành Văn
Người hướng dẫn	ThS. Lê Hoàng Lâm
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	105
Dung lượng	7,33 MB