GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài
Nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài "Hệ thống tay máy song song sắp ruột bút chì tự động ứng dụng xử lý ảnh" do sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực robot Robot hiện nay ngày càng đa dạng và phức tạp, được ứng dụng trong nhiều ngành nghề như khám phá hành tinh, công nghệ nguyên tử, hỗ trợ người tàn tật, và sản xuất ô tô Nhận thấy tiềm năng lớn của công nghệ robot hóa trong việc nâng cao hiệu suất lao động và cải thiện đời sống con người, nhóm nghiên cứu mong muốn đóng góp vào lĩnh vực này thông qua việc phát triển hệ thống tay máy song song tự động.
Việt Nam đang chú trọng phát triển robot và đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể Mặc dù nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn còn hạn chế so với quốc tế, nhưng đã có những bước phát triển vượt bậc Hiện tại, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào tay máy nối tiếp, tuy nhiên, tiềm năng và sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ robot, đặc biệt là robot song song, đang được nhận diện trong các ngành sản xuất.
Hệ thống tay máy song song tự động sắp xếp ngòi bút chì ứng dụng công nghệ xử lý ảnh là một đề tài thú vị và tiềm năng Hệ thống này kết hợp tay máy, cảm biến, bộ xử lý ảnh và thuật toán điều khiển để phân loại ngòi bút chì dựa trên thông tin hình ảnh Khả năng phản ứng nhanh của robot song song cùng với ứng dụng xử lý ảnh sẽ tạo ra một hệ thống tự động hiệu quả và tiện lợi.
Việc lựa chọn ruột bút chì có kích thước nhỏ là rất quan trọng, vì hệ thống tay máy song song cần xử lý các đối tượng nhỏ như ngòi bút chì Ruột bút chì nhỏ cần được phân loại và sắp xếp chính xác để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy Sử dụng ruột bút chì trong ứng dụng cũng giúp tiết kiệm không gian và tăng khả năng chịu tải cho robot.
Nghiên cứu này không chỉ nhằm nâng cao khả năng phân tích, thiết kế và lập trình robot của nhóm, mà còn đối mặt với nhiều thách thức, yêu cầu phát triển giải pháp sáng tạo cho các vấn đề phức tạp Qua đó, nhóm sẽ cải thiện kỹ năng nghiên cứu và ứng dụng robot trong tương lai.
Nghiên cứu và ứng dụng robot đang trở thành một lĩnh vực quan trọng với tiềm năng ứng dụng rộng lớn Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và nhu cầu tự động hóa trong sản xuất đã thúc đẩy việc phát triển hệ thống tay máy song song ứng dụng xử lý ảnh, góp phần vào nghiên cứu của sinh viên và cung cấp tư liệu tham khảo Đề tài này không chỉ nhằm nâng cao công nghệ robot tại Việt Nam mà còn đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp và dịch vụ, thu hút sự quan tâm và đầu tư từ nhóm nghiên cứu.
Tính cấp thiết của đề tài
Robot song song là một phần quan trọng trong sự tiến hóa của công nghệ robot, nổi bật hơn so với các loại robot thông thường Chúng có khả năng chịu tải trọng lớn, độ cứng vững cao và đặc biệt là khả năng đáp ứng nhanh, độ chính xác và hiệu suất làm việc vượt trội.
Robot song song được thiết kế với khung chắc chắn và khớp nối có độ cứng cao, cho phép chịu tải trọng lớn và duy trì tính ổn định trong suốt quá trình hoạt động.
Robot song song nổi bật với khả năng đáp ứng nhanh chóng nhờ cấu trúc và cơ chế làm việc đặc biệt, cho phép di chuyển linh hoạt và thực hiện các tác vụ yêu cầu trong thời gian ngắn Điều này khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần tốc độ cao như đóng gói, sắp xếp và lắp ráp trong ngành công nghiệp Bên cạnh đó, robot song song còn nổi bật với độ chính xác cao trong việc định vị, nhờ phương pháp điều khiển tiên tiến giúp xác định vị trí và hướng di chuyển một cách chính xác Với khối lượng nhẹ và lực quán tính nhỏ, chúng có thể thực hiện các thao tác một cách nhẹ nhàng và chính xác.
Robot song song nổi bật với khả năng làm việc linh hoạt, cho phép thực hiện nhiều tác vụ đồng thời nhờ vào cơ cấu chấp hành hiệu quả.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và nhận thức ngày càng cao về lợi ích của robot, việc ứng dụng và phát triển robot tại Việt Nam dự kiến sẽ gia tăng trong tương lai Hệ thống "tay máy song song" của chúng tôi sẽ sử dụng công nghệ xử lý ảnh để nhận diện và phân loại ngòi bút chì dựa trên màu sắc, kích thước và các đặc điểm hình ảnh khác, giúp tiết kiệm thời gian và công sức so với việc sắp xếp thủ công.
Chúng tôi đang phát triển một công cụ đáng tin cậy bằng cách kết hợp xử lý ảnh và robot song song, nhằm tối ưu hóa quy trình sắp xếp hàng hóa, nâng cao năng suất và giảm thiểu sự phụ thuộc vào con người trong công việc này.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu kết hợp giữa robot song song và xử lý ảnh mở ra tiềm năng lớn cho nhiều ứng dụng trong công nghệ và nghiên cứu Đặc biệt, khả năng sắp xếp và phân loại ruột bút chì cho thấy độ chính xác cao trong việc xử lý các chi tiết nhỏ.
Nghiên cứu robot song song kết hợp với xử lý ảnh giúp robot nhận diện và định vị vật thể trong không gian làm việc, đồng thời theo dõi đối tượng một cách tự động và chính xác Điều này mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong tự động hóa, sản xuất công nghiệp, y tế, nông nghiệp thông minh và nhiều lĩnh vực khác.
Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng kiến thức để phát triển hệ thống robot song song, dựa trên lý thuyết, thiết kế cơ khí, thuật toán điều khiển và xử lý ảnh, nhằm đạt được các mục tiêu cụ thể.
- Tăng năng suất trong sắp ruột bút chì
- Tiết kiệm thời gian, giảm sức lao động con người
- Đảm bảo tính chính xác, độ tin cậy cao trong quy trình sản xuất
- Tiết kiệm chi phí và hiệu quả
Mở ra tiềm năng trong sản xuất và tự động hóa, vi điều khiển đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu giáo dục Những thành tựu này không chỉ thúc đẩy sự phát triển trong lĩnh vực trường học mà còn tạo cơ hội cho học sinh và sinh viên tiếp cận gần gũi hơn với công nghệ Sự kết hợp giữa sản xuất và tự động hóa góp phần nâng cao chất lượng giáo dục và nghiên cứu trong cộng đồng.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
- Củng cố kiến thức đã học, khám phá và tổng hợp các kiến thức thực tiễn trong quá trình nghiên cứu
- Thiết kế, kết nối và lập trình các thiết bị để tạo thành một hệ thống hoạt động đồng bộ
- Áp dụng các phương trình động học thuận và động học nghịch của tay máy trong quá trình thử nghiệm
- Lập trình điều khiển và thuật toán xử lý ảnh trên vi điều khiển
- Chế tạo và phát triển mô hình điều khiển đáp ứng yêu cầu của hệ thống
- Thực hiện thí nghiệm và đưa ra các phương án
Xác định hướng phát triển và triển khai sản phẩm trong quá trình sản xuất là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu và đảm bảo tính khả thi kỹ thuật.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu về hệ thống tay máy song song bao gồm việc xây dựng cơ sở lý thuyết tổng quan, tập trung vào các nguyên lý hoạt động, cấu trúc cơ khí, và các yêu cầu kỹ thuật cần thiết Bài viết cũng đề cập đến các định nghĩa và kiến thức chuyên ngành liên quan, nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc và toàn diện về lĩnh vực này.
Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển bao gồm việc phát triển thuật toán xử lý ảnh, thiết bị điều khiển, và chương trình điều khiển Đồng thời, cần giám sát hệ thống và thực hiện kiểm nghiệm trên mô hình để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.6.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là tay máy 3 bậc tự do, được phát triển dựa trên nguyên lý Delta Platform, nhằm mục đích tự động sắp xếp ruột bút chì và kết hợp với việc xử lý ảnh Tay máy này được thiết kế để có khả năng đáp ứng nhanh
Do hạn chế về kiến thức của nhóm nghiên cứu, đề tài sẽ tập trung vào việc triển khai các thuật toán xử lý ảnh và điều khiển hợp lý, đồng thời kiểm chứng thông qua việc thử nghiệm trên mô hình.
- Nhận diện và phân loại được ruột bút chì
- Thiết kế tập bản vẽ cơ khí và điện - điện tử của hệ thống
- Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát
- Thiết kế mô hình kiểm nghiệm
Một số mô hình, các sản phẩm, tay máy song song trong công nghiệp, giáo trình kỹ thuật robot, tài liệu tham khảo đa quốc gia,…
Phương pháp nghiên cứu
1.7.1 Nhóm phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Khảo sát tổng quan về robot song song, bài viết tập trung vào việc khám phá và tổng hợp tài liệu liên quan đến tính toán động học của loại robot này Nghiên cứu đưa ra giải pháp cho bài toán động học của robot song song với 3 bậc tự do, nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong ứng dụng thực tiễn.
Nghiên cứu tính toán và thiết kế thông số hình học của robot song song là bước quan trọng để đảm bảo không gian làm việc tối ưu và độ chính xác cao cho robot, từ đó tạo nền tảng vững chắc cho quá trình gia công chế tạo.
- Nghiên cứu mô phỏng chuyển động của robot song song theo quỹ đạo cho trước bằng matlab simulink
- Tiến hành nghiên cứu về phương pháp xử lý ảnh sử dụng thư viện OpenCV
- Tiến hành nghiên cứu và lập trình vi điều khiển để điều khiển động cơ
- Tiến hành nghiên cứu và phát triển giao diện điều khiển và hệ thống giám sát trạng thái của tay máy
1.7.2 Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn
Nghiên cứu thiết kế mô hình tay máy và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển cho hệ thống tay máy song song tự động sắp xếp ruột bút chì Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng mô hình thực tế nhằm đảm bảo tính chính xác và hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Kết cấu ĐATN
Báo cáo đồ án này gồm 7 chương:
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu về robot song song
2.1.1 Giới thiệu chung về robot song song
Trong lĩnh vực sản xuất, nhu cầu linh hoạt hóa ngày càng tăng đã thúc đẩy sự phát triển đa dạng của các cơ cấu robot Cơ cấu robot song song, được nghiên cứu bởi Gough và Whitehall vào năm 1962, là một trong những thành tựu đáng kể Năm 1965, Stewart đã ứng dụng cơ cấu này để phát triển buồng tập lái máy bay, thu hút sự chú ý lớn Hiện nay, cấu trúc robot song song đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Robot song song là một loại robot phức tạp, bao gồm nhiều thành phần kết hợp với nhau Nó bao gồm một bệ cố định và một bệ di động, được kết nối thông qua các chuỗi nối tiếp hoặc các chân robot Các chuỗi liên kết này hoạt động độc lập và thường có từ 3 chuỗi trở lên.
Robot được trang bị 6 liên kết, với số lượng liên kết tương ứng với số bật tự do của nó Những liên kết này hoạt động đồng thời để tạo ra chuyển động cho bệ di động của robot.
2.1.2 Đặc tính tối ưu của robot song song so với robot nối tiếp
Robot nối tiếp được thiết kế với chuỗi các khâu nối tiếp nhau qua các khớp quay hoặc trượt, kéo dài từ chân đế cố định đến đầu công tác cuối Cấu trúc nối tiếp này khiến khâu trước phải chịu lực từ khâu sau, dẫn đến khả năng chịu tải của chân đế cố định tăng lên với số lượng khâu nhiều hơn Tuy nhiên, điều này cũng làm giảm khả năng chịu tải tổng thể của robot Một trong những ưu điểm nổi bật của robot nối tiếp là không gian làm việc rộng lớn nhờ cấu trúc mở, đồng thời mô phỏng hình dáng cánh tay con người, cho phép robot có khả năng vươn xa hơn.
Cấu trúc robot nối tiếp hình cánh tay tạo ra hiệu ứng mô men và uốn cong tại đầu công tác, dẫn đến sai số trong quá trình hoạt động.
Các loại robot nối tiếp nổi bật hiện nay là SCADA và PUMA:
- SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm): Là một dạng robot nối tiếp, thường được áp dụng trong các ứng dụng lắp ráp và trong ngành công nghiệp
SCADA có hai cánh tay song song và khả năng di chuyển trong mặt phẳng ngang
PUMA (Máy lập trình đa năng cho lắp ráp) là một loại robot nối tiếp phổ biến trong ngành công nghiệp, với cấu trúc ba cánh tay linh hoạt Robot PUMA thường được sử dụng cho các ứng dụng như hàn, lắp ráp và gia công, giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong quá trình sản xuất.
Robot song song có cấu trúc với bộ truyền động kết nối trực tiếp tới các cánh tay, giúp chúng không chịu tải từ các khâu trước như robot nối tiếp Điều này mang lại khả năng hoạt động linh hoạt và độ chính xác cao Tuy nhiên, một hạn chế của robot song song là không gian làm việc nhỏ do cấu trúc khép kín của chúng.
Các loại robot song song nổi bật hiện nay là Stewart Platform và Delta robot:
Nền tảng Stewart là một loại robot song song với khung 6 chân gắn vào nền tảng di động, cho phép mỗi chân di chuyển độc lập Điều này tạo ra sự tương tác linh hoạt giữa chân và nền tảng, giúp robot thực hiện các chuyển động di chuyển và xoay trong không gian ba chiều Nền tảng Stewart thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, chẳng hạn như mô phỏng bay.
Robot Delta là một loại robot song song với ba cánh tay gắn trên nền tảng di động, nổi bật với tốc độ và độ chính xác cao Loại robot này là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần tốc độ lắp ráp, đóng gói và phân loại.
Dưới đây là bảng 2.1 [8] so sánh các tiêu chí, đặc tính giữa 2 loại robot đó là robot nối tiếp và robot song song
Bảng 2.1: So sánh giữa robot nối tiếp với robot song
STT Tiêu chí Robot nối tiếp Robot song song
1 Không gian làm việc Lớn Phức tạp và nhỏ
2 Phương trình động học và mô hình hóa Dễ tính toán Phức tạp
3 Tỉ số tải/khối lượng Thấp hơn Cao hơn
4 Độ chính xác Thấp hơn Cao hơn
5 Tốc độ làm việc Thấp hơn Cao hơn
6 Độ vững chắc Thấp hơn Cao hơn
7 Tải trọng quán tính Thấp hơn Cao hơn
8 Độ phức tạp thiết kế/ điều khiển Đơn giản Phức tạp
9 Mật độ điểm suy biến (kỳ dị) Ít hơn Nhiều hơn
10 Khối lượng robot Lớn Nhỏ hơn
2.1.3 Ứng dụng của robot song song
Robot song song đang ngày càng được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực Dưới đây là một số ví dụ tiêu biểu:
Nhiều nghiên cứu đã ứng dụng robot song song trong không gian, điển hình là robot 6-UPS CKCM được phát triển cho Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard NASA bởi Nguyen và đội ngũ kỹ sư của ông.
Dubowsky đã phát triển trình mô phỏng VES, sử dụng một robot song song để mô phỏng hành vi của robot nối tiếp và nghiên cứu tác động của các vật thể tự do trong không gian.
- Ứng dụng trong mô phỏng:
Vào năm 1965, Stewart đã đề xuất mô phỏng thiết bị bay với cơ cấu song song, như thể hiện trong hình 2.1 Kể từ đó, nghiên cứu về mô phỏng thiết bị bay, tàu thủy, tàu hỏa và lái xe đã phát triển mạnh mẽ.
Hình 2.1: Nền tảng Stewart được đề xuất cho mô phỏng chuyến bay
Robot song song dùng trong mô phỏng bay Airbus A340 và mô phỏng lái xe nghiên cứu bởi đại học Iowa được thể hiện dưới hình 2.2 [6] và hình 2.3 [6]:
Hình 2.2: Mô phỏng may bay Airbus A340
Hình 2.3: Mô hình mô phỏng lái xe
Mô hình Persival, được phát triển bởi Ecole Nationale d'Equitation của Pháp, nhằm mục đích mô phỏng hoạt động cưỡi ngựa và các tình huống liên quan, đã thu hút sự chú ý từ nhiều nghiên cứu thú vị.
- Ứng dụng trong kiểm tra độ rung lắc, chống rung:
Robot song song với cấu trúc linh hoạt đã được nghiên cứu để cải thiện khả năng chống rung và tương tác hiệu quả với rung động, như thể hiện trong hình 2.4 [6].
Hình 2.4: Hình bên trái là bài kiểm tra rung lắc Hình bên phải là cấu trúc robot song song được sử cho phóng tàu con thoi (OHE Hagenbuch, CSA)
Hệ thống Crigos của Brandt, một robot song song được áp dụng rộng rãi trong các hoạt động phẫu thuật chỉnh hình
At the Val de Grâce hospital in Paris, a Delta robot model has been implemented as a microscope support platform, alongside a spinal surgery assistance robot developed with the support of Mazor Surgical Technologies.
Hình 2.5: Hình bên trái, robot Delta dùng để đỡ kính hiển vi Hình bên phải, robot phẫu thuật cột sống
- Ứng dụng trong công nghiệp:
Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
Từ những năm 1960, nghiên cứu và phát triển robot song song đã được thực hiện trên toàn cầu, với sự đóng góp quan trọng từ nhiều quốc gia trong việc khám phá và ứng dụng công nghệ này trong các lĩnh vực đa dạng.
Các quốc gia và tổ chức nghiên cứu toàn cầu đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển và ứng dụng của robot cơ cấu song song Những thành tựu và nghiên cứu nổi bật đã được công bố, cung cấp kiến thức cơ bản và tiên tiến trong lĩnh vực này Nỗ lực nghiên cứu và phát triển vẫn đang tiếp diễn nhằm khai thác tiềm năng của robot cơ cấu song song và mở ra những ứng dụng mới trong tương lai.
Nhiều nghiên cứu đã được công bố về cấu trúc và phương pháp điều khiển của robot song song, dẫn đến sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của các loại robot này trên toàn cầu Đặc biệt, robot Delta là một trong những loại robot song song nổi bật hiện nay Các robot song song của ABB đang được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực như công nghệ đóng gói, xếp sản phẩm và lắp ráp.
Robot Delta ABB được sử dụng trong sắp sản phẩm, bên cạnh đó, các loại robot song song tương tự như FANUC M-1iA của FANUC, cùng với robot Delta của Omron và Igus, cũng được áp dụng trong các ứng dụng tương đương.
Hình 2.9: Robot Delta M-1iA của công ty FANUS phát triển
Hình 2.10: Robot X- Delta 3+1 của công ty Omron phát triển
2.2.2 Nghiên cứu trong quốc gia chúng ta Ở Việt Nam, công ty IMWI Technology là một doanh nghiệp khởi nghiệp trẻ, chuyên về lĩnh vực robot, in 3D và trí tuệ nhân tạo được thành lập năm 2019, công ty phát triển lấy tên Delta X Robot làm thương hiệu và phát triển về lĩnh vực robot Delta Robot Delta của công ty mang lại nhiều giá trị cho giáo dục và công nghiệp với nhiều mẫu mã (hình 2.11 [21]) Robot Delta đã tìm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm đóng gói, chế biến thực phẩm, nông nghiệp, y tế, dịch vụ và nhiều ngành công nghiệp khác [21]
Các loại robot Delta được phát triển bởi Delta X Robot, với nhiều nghiên cứu cụ thể từ các trường đại học và trung tâm nghiên cứu trên toàn quốc.
Thiết kế và chế tạo robot delta 3 bậc tự do:
Tại Đại học Bách khoa TP.HCM, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công robot delta 3 bậc tự do với khả năng xoay quanh trục z Họ đã thực hiện phân tích động học ngược, động lực học ngược và động lực học trực tiếp của robot, đồng thời đề xuất các thuật toán điều khiển PID và Fuzzy, nâng cao độ chính xác và tính linh hoạt trong hoạt động của robot.
Robot chọn gốc cỏ để xịt thuốc:
Nhóm sinh viên tại Đại học Bách khoa Hà Nội đã chế tạo thành công robot delta mang tên BK Delta, có khả năng phun thuốc diệt cỏ tự động Sản phẩm này hứa hẹn sẽ hỗ trợ hiệu quả trong nông nghiệp, giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người nông dân.
Robot này giải quyết vấn đề khó khăn trong việc thuê nhân công để phun thuốc diệt cỏ trong nông nghiệp, đồng thời giảm thiểu rủi ro về sức khỏe liên quan đến hóa chất độc hại Với khả năng nhận diện và phân biệt chính xác giữa cỏ dại và hoa màu thông qua camera, robot này mang lại hiệu quả cao trong việc chăm sóc cây trồng.
Nghiên cứu, chế tạo Robot Delta trong công nghiệp:
Công ty Cổ phần Phát triển Kỹ thuật Ý Tưởng đã đề xuất vào năm 2017 một nhiệm vụ chế tạo robot delta với khả năng thay đổi chức năng linh hoạt, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Sản phẩm này hứa hẹn mang lại tốc độ và độ chính xác cao, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả trong dây chuyền sản xuất Đây là một trong bốn nhiệm vụ quan trọng về phát triển doanh nghiệp khoa học và công nghệ tại TP.HCM.
Hệ thống robot gắp bịch và đóng thùng tự động:
Công ty Cổ phần Sữa TH, thuộc Tập đoàn TH, đã phát triển một hệ thống robot Delta tốc độ cao nhằm thay thế hoàn toàn quy trình đóng gói thủ công sữa mềm vào thùng Hệ thống này bao gồm máy tạo thùng và máy đóng thùng tự động, với công suất tối đa lên đến 12,000 bịch sữa mỗi giờ, tương đương với năng suất làm việc của 6 công nhân.
Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật TP.HCM nổi bật với chương trình đào tạo kỹ thuật uy tín, cung cấp nhiều ngành học đa dạng Sinh viên được hưởng môi trường học tập chất lượng cao, cùng với thư viện số phong phú, nơi có nhiều nghiên cứu về robot delta.
- Thiết kế bộ điều khiển cho Robot Delta
- Ứng dụng Robot Delta trong đóng gói sản phẩm
- Ứng dụng delta robot trong phân loại sản phẩm
- Thiết kế hệ thống điều khiển máy in 3D Delta
Các nghiên cứu tại các trường đại học do giảng viên thực hiện đã đóng góp đáng kể cho lĩnh vực nghiên cứu robot song song, điển hình là nghiên cứu của Nguyễn Đình Dũng.
[1], nhóm nghiên cứu của Lê Xuân Hoàng, Lê Hoài Nam [3] và nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh, PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương, ThS Tưởng Phước Thọ [5],…
Các tồn tại
Tiến bộ toàn cầu trong lĩnh vực robot song song chưa được phản ánh đầy đủ tại Việt Nam, nơi mà sự phát triển chủ yếu tập trung vào ngành công nghiệp Việc làm chủ công nghệ robot delta phức tạp đòi hỏi đầu tư lớn, nhưng nhiều công nghệ vẫn chưa hoàn toàn do Việt Nam phát triển Do đó, nghiên cứu và phát triển khoa học về robot song song tại Việt Nam được chú trọng Đánh giá các nghiên cứu từ giảng viên, kỹ sư và sinh viên tại các trường đại học cho thấy vẫn còn tồn tại và tiềm năng mới cần được khai thác trong lĩnh vực này.
Dưới đây là một số tồn tại của hệ robot song song tại Việt Nam:
- Hạn chế về phát triển:
Sự phát triển của robot song song tại Việt Nam chưa đạt đến mức đáng kể so với các quốc gia tiến tiến khác
- Thiếu mô hình robot Delta trong giảng dạy:
Mặc dù các trường đại học ở Việt Nam có chương trình đào tạo và nghiên cứu về robot, nhưng số lượng trường sở hữu mô hình robot Delta để hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu cho sinh viên còn hạn chế Chủ yếu, các chủ đề về robot song song được áp dụng trong nghiên cứu luận án tốt nghiệp, phụ thuộc vào khả năng tự học và tự nghiên cứu của sinh viên Thiếu hụt này có thể ảnh hưởng đến việc trang bị cho sinh viên những kỹ năng và kiến thức cần thiết về robot song song, cũng như khả năng phát triển chuyên sâu hơn về loại robot này và các loại robot mới khác.
Robot song song, đặc biệt là robot Delta, có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như gắp, phân loại và xử lý ảnh Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc ứng dụng robot song song vẫn còn hạn chế ở nhiều lĩnh vực ngoài công nghiệp.
Nhóm nghiên cứu không chỉ xác định các vấn đề tồn tại mà còn mong muốn cung cấp tư liệu nghiên cứu hữu ích cho sinh viên, hỗ trợ quá trình học tập tại các trường đại học Nghiên cứu của nhóm mang lại những ưu điểm nổi bật, khai thác sự mới mẻ, từ đó tạo ra ý nghĩa và cơ hội cho việc nghiên cứu và phát triển đề tài.
Hệ thống robot delta có thiết kế nhỏ gọn, cho phép điều khiển và hoạt động hiệu quả trong phạm vi mong muốn mà không gây ra sự dư thừa hay cồng kềnh, giúp dễ dàng di chuyển và sử dụng.
Hầu hết các đầu công tác hiện nay sử dụng hệ thống hút khí nén hoặc tay gắp lớn để gắp và phân loại sản phẩm Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này cho các chi tiết nhỏ như ruột bút chì vẫn chưa phổ biến Do đó, nhóm nghiên cứu quyết định thử nghiệm khả năng chính xác và khả năng gắp các sản phẩm nhỏ trong khi băng tải đang hoạt động.
- Với ứng dụng sắp ruột bút chì, đây được xem là ứng dụng mới.
Các phương án về thiết kế robot song song
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp cho hệ robot song song, so sánh các đặc điểm của các loại robot để chọn phương án phù hợp với yêu cầu đề tài và điều kiện nghiên cứu Mục tiêu là phát triển robot song song gắp sản phẩm trên băng tải một cách nhanh chóng Hệ robot được lựa chọn cần có cấu trúc linh hoạt và thuật toán điều khiển đơn giản, thuận lợi cho nghiên cứu và phát triển trong tương lai Nhóm đã đưa ra ba phương án về ba loại robot song song phổ biến, từ đó rút ra nhận xét và kết luận để lựa chọn phương án nghiên cứu thích hợp.
Hình 2.12: Mô hình robot song song 3 khớp quay
Các chuyển động của Robot được thực hiện nhờ 3 khớp quay gắn với cơ cấu hình bình hành, điều khiển tấm đế di động Chuyển động quay thường được tạo ra trực tiếp từ động cơ hoặc bộ giảm tốc, trong khi một số mô hình sử dụng bộ truyền bánh đai kết hợp với động cơ Tuy nhiên, phương pháp phổ biến nhất vẫn là sử dụng hệ thống truyền động với cơ cấu động cơ và hộp số.
Hình 2.13: Mô hình robot Delta chuyển động tuyến tính theo trục Z
Các chuyển động của robot được thực hiện thông qua các khớp tịnh tiến gắn trực tiếp với cơ cấu hình bình hành Phương án này áp dụng bộ truyền đai ốc – vít me hoặc bộ truyền đai để tạo ra chuyển động tuyến tính theo trục Z.
Mô hình robot Delta trong phương án 3 (hình 2.14) tương tự như phương án 2 (hình 2.13), với các khớp tịnh tiến tạo ra chuyển động cho robot Tuy nhiên, chuyển động tuyến tính ở đây không diễn ra theo trục Z mà có sự phức tạp hơn.
2.4.4 Đánh giá các phương án
So sánh các phương án với nhau dựa trên những ưu và nhược điểm:
+ Thiết kế đơn giản với 3 khớp quay, dễ triển khai và điều khiển
+ Di chuyển linh hoạt trong không gian làm việc hạn chế
+ Cấu trúc đế gắn cơ cấu truyền động đơn giản
+ Được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực đóng gói và phân loại sản phẩm
+ Khả năng tải trọng hạn chế, không phù hợp cho việc xử lý vật liệu nặng
+ Khả năng đáp ứng chính xác cao
+ Tốc độ chuyển động nhanh
+ Cấu trúc đế gắn cơ cấu truyền động đơn giản
+ Được sử dụng phổ biến trong máy in 3D
+ Không gian hoạt động nhỏ
+ Chuyển động tuyến tính bằng vít me gây ra ma sát, hiệu suất và tốc độ chuyển động thấp hơn phương án 1
+ Khả năng đáp ứng chính xác cao
+ Tốc độ chuyển động nhanh
+ Được sử dụng phổ biến trong máy in 3D
+ Không gian hoạt động nhỏ
+ Cấu trúc đế gắn cơ cấu truyền động phức tạp
+ Chuyển động tuyến tính bằng vít me gây ra ma sát, hiệu suất và tốc độ chuyển động thấp hơn phương án 1
Nhóm nghiên cứu đã quyết định phát triển mô hình robot song song 3 khớp quay (phương án 1) dựa trên yêu cầu của đề tài và các phương án được đề xuất Phương án 1 nổi bật với khả năng gắp sản phẩm trên băng tải, đáp ứng nhanh và có cấu trúc đơn giản, khiến nó trở thành lựa chọn tốt hơn và phù hợp hơn so với các phương án khác.
Cấu trúc robot song song, được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của giáo sư Reymond Clavel tại École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) vào những năm 1980, được biết đến với tên gọi Robot Delta.
Nhóm nghiên cứu quyết định sử dụng tên gọi Robot Delta thay cho Robot song song hoặc tay máy song song để cụ thể hóa nội dung nghiên cứu cho các phần tiếp theo của đề tài này.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM
Giả thiết nghiên cứu
- Hệ thống băng tải và tay máy kết hợp cân đối, nhỏ gọn, mang lại tính thẩm mỹ
- Cánh tay chịu được tải trọng của ít nhất 10N
- Các cơ cấu hoạt động trơn tru, an toàn, khả năng đáp ứng nhanh
- Đảm bảo độ bền của sản phẩm để sử dụng lâu dài
Bảng 3.1: Giả thiết về yêu cầu kỹ thuật của cả hệ thống
STT Tiêu chí kỹ thuật Định mức
01 Thời gian hoạt động trong ngày 24h/24h, 1 tháng ngừng bảo trì 1 lần
02 Năng suất tối thiểu 1500 sản phẩm/ giờ
03 Sai số xử lý ảnh Dưới 5%
Bảng 3.2: Yêu cầu thiết kế tay robot song song
STT Tiêu chí kỹ thuật Giá trị đáp ứng tối thiểu Đơn vị
02 Tốc độ gắp-sắp 1500 Sản phẩm / giờ
03 Phạm vi làm việc theo trục x (R) -130 ÷ 130 mm
04 Phạm vi làm việc theo trục y (R) -130 ÷ 130 mm
05 Phạm vi làm việc theo trục z (H) 150 mm
Tính toán thông số hình học và vùng làm việc của robot
Hình 3.1: Mô hình thông số kích thước Robot Delta
Hình 3.2: Mô hình thông số kích thước khác
Dựa vào các giả thiết nghiên cứu trong mục 3.1 cùng với mô hình kích thước của robot Delta như hình 3.1 và hình 3.2, nhóm nghiên cứu đã trình bày các thông số kích thước của robot Delta trong bảng 3.3 và thực hiện các phép tính cần thiết.
Bảng 3.3: Bảng thông số kích thước để tính toán robot Delta
Kí hiệu Ý nghĩa Giá trị Đơn vị
R Bán kính vùng làm việc 130 mm
H Chiều cao vùng làm việc 150 mm
𝜃max Góc làm việc giới hạn trên 45 Độ
𝜃min Góc làm việc giới hạn dưới 80 Độ
K1 Tỉ số giữa re, rf 2
K2 Tỉ số giữa r, h 1,98 α Tham số 45 Độ
Trong nghiên cứu này, giá trị K1 và K2 được xác định thông qua phân tích thống kê các robot nổi tiếng, với Robot KAWASAKI-YS02N làm tiêu chuẩn Cụ thể, K1 có giá trị là 2, là tỷ số giữa bán kính đế di động (h) và bán kính tấm đế cố định (r), trong khi K2 có giá trị 1.98, là tỷ số giữa cánh tay dài (re) và cánh tay ngắn (rf) Giá trị góc α là tham số quan trọng để tính bán kính làm việc (R) và chiều cao làm việc (H) của robot, được thể hiện rõ hơn trong công thức (3.1).
Dựa vào các thông số thiết kế trong bảng 3.1 và mô hình thông số ở hình 3.1 và 3.2, chúng ta có thể xác định các công thức cần thiết để tính toán các thông số hình học của Robot.
- Bán kính và chiều cao không gian hoạt động của Robot và hệ phương trình cho 6 tham số 𝑟 f , 𝑟 r , 𝑟, ℎ, 𝜃 𝑚𝑎𝑥 , 𝜃 𝑚𝑖𝑛 :
Các điều kiện thiết kế của robot Delta cần đảm bảo rằng các thông số q, ei và n đều phải dương Hình 3.1 minh họa cách xác định các thông số này từ dạng hình học.
Từ công thức (3.1) [14] ta được hệ phương trình (3.4) [14] sau:
Để hiểu rõ hơn về quá trình tính toán các thông số hình học của cánh tay robot Delta, lưu đồ hình 3.3 sẽ hỗ trợ chúng ta Nội dung chi tiết của lưu đồ này xác định kích thước của robot Delta.
Chọn không gian hoạt động cho robot là bước quan trọng trong thiết kế, bao gồm các thông số như bán kính làm việc, chiều cao làm việc, cũng như góc quay lên và xuống tối đa của cánh tay ngắn Những thông số này quyết định khả năng và hiệu suất hoạt động của robot trong môi trường thực tế.
- Hệ số K1 và K2 như đã giải thích ở trên được chọn làm 1 hằng số cho cả quá trình tính toán sau này
- Có các giá trị K1, K2, R, H, θmin, θmax và α, chúng ta tiếp tục tính toán theo công thức (3.2)
Các thông số kích thước được xác nhận qua công thức (3.3) nhằm đảm bảo tính chính xác của mô hình Nếu các điều kiện trong công thức (3.3) được thỏa mãn, chúng ta sẽ tiến hành bước tiếp theo Ngược lại, cần điều chỉnh lại góc α.
Các thông số kích thước cần đảm bảo tính khả thi trong thiết kế Nếu không, chúng ta sẽ điều chỉnh giá trị góc α Khi các thông số đáp ứng yêu cầu thiết kế và tính khả thi, chúng sẽ trở thành hằng số để tiếp tục thiết kế và tính toán cho phần còn lại của đồ án.
Sau khi lựa chọn và tính toán các thông số, nhóm nghiên cứu đã xác định được kích thước tối ưu cho robot Delta, đảm bảo tính thực tế và khả thi của hệ tay máy Các thông số này được thể hiện trong công thức (3.5) và chi tiết hơn trong bảng 3.4.
Bảng 3.4: Thông số hình học cánh tay Robot Delta
Kí hiệu và giá trị các thông số kỹ thuật quan trọng bao gồm: bán kính tấm đế cố định (r) là 77,24 mm, bán kính tấm đế di động (h) là 39,01 mm, chiều dài cánh tay ngắn (rf) là 135,61 mm, cạnh tam giác ngoại tiếp đường tròn bán kính r (f) là 267,567 mm, cạnh tam giác ngoại tiếp đường tròn bán kính h (e) là 135,135 mm, và khoảng cách từ trục động cơ đến băng tải (q) là 325,33 mm.
𝜃 𝑚𝑎𝑥 Góc giới hạn trên 45 Độ
𝜃 𝑚𝑖𝑛 Góc giới hạn dưới 80 Độ
Hình 3.4: Không gian hoạt động và giá trị các thông số thể hiện ở dạng 2D
Hình 3.4 minh họa không gian hoạt động của robot dưới dạng 2 chiều, với vùng màu vàng nhạt đại diện cho toàn bộ không gian Phạm vi làm việc cụ thể của robot được thể hiện bằng màu vàng đậm.
Hình 3.5 minh họa không gian hoạt động của robot dưới dạng 3D, cho thấy rằng các thông số đã được tính toán chính xác và có tính khả thi cao cho thiết kế và gia công Chương trình đã được sử dụng và điều chỉnh để tạo ra hình ảnh không gian hoạt động của robot Delta dựa trên các thông số tính toán của nhóm nghiên cứu, theo tài liệu [16].
ĐỘNG HỌC ROBOT
Sơ đồ động học robot Delta
Robot Delta được thiết kế với ba khớp xoay trên tấm cố định và một khớp xoay ở đầu công tác, như thể hiện trong hình 4.1 Sơ đồ động học của robot này bao gồm các khớp quay, khớp cầu và tay gắp, cho phép nó thực hiện các nhiệm vụ một cách linh hoạt và chính xác.
Sơ đồ động học robot Delta:
Hình 4.1 Sơ đồ động học của cánh tay robot
Mô hình động học robot Delta
Để tính toán thiết kế robot, chúng tôi xác định độ dài cạnh bên của đế cố định là f, độ dài cạnh của bệ dưới là e, chiều dài cánh tay ngắn là rf, và chiều dài cánh tay dưới là re Chúng tôi chọn hệ tọa độ với điểm quy chiếu tại tâm hình học của tam giác, trong đó trục Z hướng lên trên, khiến tọa độ z của bệ chuyển động luôn là số âm Cánh tay ngắn F1J1 chỉ có thể quay trong mặt phẳng YZ, mô tả một vòng tròn bán kính r với tâm tại điểm F1 Ngược lại, các nút J1 và E1 sử dụng khớp vạn năng, cho phép cánh tay dài E1J1 quay tự do so với E1, mô tả một hình cầu bán kính re với tâm tại điểm E1.
Hình 4.2 minh họa góc khớp quay của một cánh tay robot Mặt phẳng YZ giao nhau với mặt cầu tại tâm đường tròn bán kính E'1J1, trong đó E'1 là hình chiếu của E1 trên mặt phẳng YZ Điểm J1 là giao điểm của hai đường tròn có tâm tại E'1 và F1, cho phép xác định bán kính của chúng Các vòng tròn giao nhau tại hai điểm, nhưng chúng ta chỉ quan tâm đến điểm có tọa độ y nhỏ hơn để đảm bảo cánh tay robot luôn đưa "khuỷu tay" ra ngoài.
Chúng ta có thể dễ dàng xác định góc 𝜃 1 mà mình quan tâm Để thuận tiện, hình chiếu của hình ảnh ba chiều lên mặt phẳng YZ được trình bày trong hình 4.3 và các phương trình liên quan được liệt kê bên dưới.
Hình 4.3: Hình chiếu lên mặt phẳng YZ Đế dưới là một tam giác đều, tâm là điểm E0 (x0, y0, z0) Khoảng cách trung bình:
Từ đó ta có tọa độ sau của điểm E1 và hình chiếu E'1 trên mặt phẳng YZ:
2√3, 𝑧 0 ) (4.2) Khoảng cách E1E'1 = x0 khi đó, theo định lý Pitago
Vì đế trên cũng là một tam giác đều nên tọa độ của điểm F1 sẽ là:
2√3, 0) (4.4) Để tìm tọa độ điểm J1, là giao điểm của hai đường tròn, cần giải hệ phương trình:
1 ′) 2 = 𝑟 𝑒 2 − 𝑥 0 2 (4.5) Chúng ta biết tọa độ của tâm các đường tròn, nếu thay chúng vào, chúng ta nhận được biểu thức sau:
Bằng cách mở dấu ngoặc và trừ hai phương trình, chúng ta có thể biểu diễn tọa độ z của điểm J1 theo tọa độ y Sau đó, khi thay kết quả vào phương trình thứ hai, chúng ta sẽ thu được một phương trình bậc hai thông thường đối với y Từ đó, chúng ta chọn giải pháp nhỏ nhất và tìm ra tọa độ của điểm J1, từ đó xác định được góc cần tìm.
Các công thức tính toán sẽ được trình bày rõ hơn ở phụ lục 1: Động học nghịch 2
Tất cả các biểu thức trở nên đơn giản nhờ vào việc chọn hệ tọa độ hợp lý, trong đó cánh tay ngắn F1J1 chỉ di chuyển trong mặt phẳng YZ, cho phép bỏ qua tọa độ x Để duy trì lợi thế này trong việc xác định hai góc còn lại 𝜃 2 và 𝜃 3, chúng ta áp dụng phép đối xứng trong việc xây dựng robot Delta Đầu tiên, chúng ta quay hệ tọa độ 120 ° ngược chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng XY quanh trục Z.
Chúng tôi đã thiết lập một hệ tọa độ mới X'Y'Z, cho phép áp dụng các công thức hiện có để xác định góc 𝜃 2 Để thực hiện điều này, trước tiên cần tính toán tọa độ của điểm E0 trong hệ quy chiếu mới thông qua các phép biến đổi khi hệ thống quay quanh điểm gốc Để xác định góc 𝜃 3, chúng ta cũng cần quay hệ quy chiếu ban đầu theo chiều kim đồng hồ Kỹ thuật này có thể được thực hiện dễ dàng thông qua một chương trình, chỉ cần viết một hàm để tính góc 𝜃 trong mặt phẳng YZ và gọi hàm này ba lần cho ba góc và hệ quy chiếu.
Hình 4.5: Các góc khớp và vector của robot Delta
Hình 4.6: Vector và tọa độ 3 cánh tay nhìn từ trên xuống
Dựa vào hình ảnh trực quan về các góc và khớp quay, chúng ta có thể xác định các tọa độ J’i từ góc nhìn trên xuống Hình 4.5 và 4.6 cung cấp cái nhìn tổng quát về cách thức xác định các tọa độ này.
3 cánh tay, ta có các phương trình (4.8) [15]:
Gọi E0 (x0, y0, z0) là tọa độ điểm E0 (tâm tấm đế dưới)
Hình 4.7: Điểm chung của đồng thời 3 cánh tay Để tiện việc viết và hiểu rõ hơn, ta định nghĩa các tọa độ như sau:
Điểm J3 có tọa độ (x3, y3, z3) và điểm E0 là điểm chung nằm trên ba cánh tay, tương ứng với ba hình cầu được tạo ra từ các cánh tay này, như thể hiện trong hình 4.7 Giao điểm của ba hình cầu này chính là nghiệm của bài toán động học thuận, đồng thời cũng là nghiệm của hệ phương trình (4.9).
Thay (7) và (8) vào lại phương trình (1) lúc này ta có:
(𝑎 1 2 + 𝑎 2 2 + 1)𝑧 2 + 2(𝑎 1 + 𝑎 2 (𝑏 2 − 𝑦1) − 𝑧 1 )𝑧 + (𝑏 1 2 + (𝑏 2 − 𝑦 1 ) 2 + 𝑧 1 2 − 𝑟 𝑒 2 ) = 0 (4.13) Như vậy, tọa độ z của điểm E chính là nghiệm của phương trình trên Sau đó thay vào phương trình (7) và (8) để tìm các tọa độ x và y
Giải phương trình bậc hai này bằng cách sử dụng công thức nghiệm của phương trình bậc hai với:
Do đó chúng ta đã giải quyết được bài toán động học thuận của robot với x, y, z lần lượt là phương trình (7), (8), (4.15).
Kiểm nghiệm động học bằng Matlab Simulink
Khối động học nghịch giúp tính toán đầu vào từ các giá trị (x,y,z) được lấy từ mô-đun quy hoạch như đường thẳng, đường tròn và điểm Các giá trị này sẽ được chuyển đổi thành các giá trị khớp quay tương ứng 𝜃 1, 𝜃 2, 𝜃 3 của các cánh tay.
Với các thông số kích thước tay máy được tính toán kỹ lưỡng và chương trình động học đã được nghiên cứu, mô hình đảm bảo tính chính xác và phù hợp với thực tế.
Hình 4.8: Vị trí của robot tại điểm home Bằng cách thống nhất với nhau về vị trí điểm home để thiết kế robot với tọa độ (x, y, z)
= (0, 0, -160,85) Ta thu được từ khối động học nghịch các giá trị góc quay của tay máy robot
Hình 4.9: Vị trí robot tại điểm bất kì
Tương tự, với ví dụ hình 4.9 trên khi nhập 1 vị trí bất kỳ (x, y, z) = (100, 100, -280) thu được các góc 𝜃 1 , 𝜃 2 , 𝜃 3 lần lượt là 64,44 o ; 5,82 o ; 52,13 o
Sau quá trình kiểm nghiệm được thể hiện trong hình 4.8 và hình 4.9, chúng tôi đã xác nhận rằng kết quả động học nghịch tính toán trên Matlab Simulink là chính xác và đáng tin cậy.
Khối động học thuận sử dụng các giá trị khớp quay 𝜃 1, 𝜃 2, 𝜃 3 của cánh tay làm đầu vào và cho ra vị trí của robot với tọa độ (x, y, z) Để kiểm nghiệm tính chính xác của quá trình này, có thể so sánh tín hiệu đầu vào của mô hình động học nghịch với tín hiệu đầu ra của mô hình động học thuận.
Trong thí nghiệm này, một quỹ đạo đường tròn với tọa độ (x, y) thay đổi theo thời gian đã được áp dụng trong khối biên dạng, trong khi tọa độ z được duy trì ổn định ở mức -300 mm Bán kính của đường tròn được thiết lập là 100 mm.
Hình 4.10: Mô hình kiểm nghiệm động học thuận
Kết quả kiểm nghiệm động học thuận cho thấy quỹ đạo đường tròn đầu vào và tọa độ điểm đầu cuối đầu ra tương đồng, như minh họa trong hình 4.11 Điều này khẳng định rằng phép tính động học nghịch và động học thuận đã được thực hiện một cách chính xác và đáng tin cậy.
CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Thiết kế cơ khí
Sau khi tiến hành nghiên cứu, tính toán và kiểm nghiệm mô hình trên MATLAB, nhóm chúng tôi đã thiết kế một mô hình điều khiển để kiểm tra phương pháp điều khiển, như thể hiện trong hình 5.1.
Hình 5.1: Mô hình thử nghiệm hệ thống tay máy trên Inventor
5.1.1 Khung cố định tay máy Để lắp đặt tay máy đúng vị trí, cũng như là tránh được sự rung lắc trong quá trình tay máy hoạt động và khung máy giúp giữ an toàn khi tay máy hoạt động Khung máy được làm từ nhôm định hình 20mm x 20mm Với kích thước khung máy:
Chiều cao khung máy: 580 mm
Chiều rộng khung máy: 490 mm
Chiều dài khung máy: 490 mm
Hình 5.2: Khung cố định tay máy
Với thiết kế khung máy nhỏ gọn phù hợp với robot, điều đó còn giúp việc vận chuyển robot dễ dàng hơn
5.1.2 Tấm đế cố định robot
Tấm đế cố định của robot là chi tiết quan trọng kết nối khung robot với giá đỡ động cơ, chịu lực chính cùng với khung máy Thiết kế tấm đế này dựa trên các thông số từ chương 3, đảm bảo các trục quay của động cơ được định vị chính xác, từ đó nâng cao độ chính xác trong quá trình điều khiển và giảm thiểu sai số.
Hình 5.3: Chi tiết tấm đế cố định robot
Sử dụng giá đỡ động cơ servo giúp cố định động cơ lên tấm đế trên, giảm rung lắc và mô hình hoạt động chính xác hơn
Hình 5.4: Chi tiết giá đỡ động cơ
5.1.4 Trục khớp gắn động cơ (cánh tay ngắn)
Trục khớp gắn động cơ, hay còn gọi là cánh tay ngắn, là một cơ cấu chủ động kết nối trực tiếp với động cơ và hộp giảm tốc qua lắp ghép then trên trục hộp giảm tốc Các thông số của cánh tay ngắn được trình bày trong chương 3 Đây là một thành phần quan trọng trong chuỗi kín các khâu, vì vậy việc gia công chính xác chiều dài cánh tay là rất cần thiết Hình 5.5 minh họa chi tiết cánh tay ngắn.
Hình 5.5: Chi tiết cánh tay ngắn
5.1.5 Trục khớp hình bình hành (cánh tay dài) Được ghép nối từ thanh cacbon rỗng để giảm trọng lượng như hình 5.6 Chi tiết ống carbon được coi là một khâu, khâu này kết hợp với 2 khớp cầu ở 2 đầu tạo thành chi tiết trục khớp hình bình hành hay thường gọi là cánh tay dài của robot Delta
Do có 2 đầu khớp cầu nên tính linh hoạt của chi tiết này rất cao, điều này cho phép robot di chuyển linh hoạt hơn
Hình 5.6: Chi tiết cánh tay dài
5.1.6 Tấm đế dưới robot Đế dưới được in 3D để đầy đủ các thiết kế, trọng lượng nhẹ và phù hợp với chi phí Tấm đế dưới được thiết kế vị trí lắp đầu công tác để tương tác trực tiếp với sản phẩm, hình 5.7 Các thông số thiết kế của tấm đế dưới robot cũng như của các cánh tay dài, cánh tay ngắn và tấm đế cố định của động cơ đặt biệt quan trọng để điều khiển chính xác
Hình 5.7: Chi tiết tấm đế dưới
5.1.7 Cơ cấu kẹp gắp sản phẩm
Tay gắp sản phẩm là một bộ phận quan trọng trong dự án gắp sản phẩm, được thiết kế nhỏ gọn và dễ điều khiển Thiết kế này được thực hiện trên phần mềm 3D Inventor và chế tạo bằng công nghệ in 3D Các chi tiết nhỏ được lắp ráp lại với nhau, tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh như hình 5.8.
Thiết kế cơ cấu bánh răng của tay gắp sử dụng hai động cơ RC servo: một cho cơ cấu kẹp và một cho cơ cấu xoay Tay gắp được thiết kế chủ yếu để thử nghiệm gắp ruột bút chì, vì vậy lực kẹp không được tính đến Cơ cấu xoay có khả năng xoay tối đa 180 độ, trong khi độ mở rộng của kẹp có thể điều chỉnh thông qua lập trình.
5.1.8 Cụm lắp ghép với đầu công tác
Cụm chi tiết đế dưới được lắp ghép từ các chi tiết thiết kế và chế tạo, như thể hiện trong hình 5.9 Nó tương tác trực tiếp với bằng tải, đảm bảo khả năng hoạt động linh hoạt và liên tục của robot Ngoài ra, cụm chi tiết này còn đảm bảo tải trọng và tính thẩm mỹ, đóng góp quan trọng vào hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Trong trường hợp trục động cơ phải chịu tải trọng từ ngòi bút, cụm đế dưới, cánh tay ngắn và hai cánh tay dài, momen 0,32 Nm của động cơ không đủ đáp ứng Hơn nữa, tốc độ quay của cánh tay robot không đạt 3000 vòng/phút, do đó nhóm đã quyết định lựa chọn bộ giảm tốc phù hợp cho đầu ra của động cơ nhằm đáp ứng yêu cầu đề bài.
Bộ giảm tốc có vai trò quan trọng trong việc giảm tốc độ vòng quay và tăng momen cho cánh tay robot, từ đó giúp cải thiện độ chính xác trong việc điều khiển robot Với tỷ số truyền được nhóm chọn là 1:10, hiệu suất hoạt động của robot sẽ được tối ưu hóa.
10 = 300(rpm) Momen xoắn trên trục:
Bộ giảm tốc với tỷ số truyền 1:10 cho phép động cơ có tốc độ 300 vòng/phút và mô-men xoắn đạt 3,18 Nm.
Thiết kế và tính toán thông số chi tiết máy dựa trên lý thuyết được thực hiện, sau đó chuyển đổi sang hình ảnh 2D và phát triển thành mô hình 3D trên phần mềm Qua quá trình lắp ghép và mô phỏng trên phần mềm Inventor, mô hình đã chứng minh khả năng đáp ứng các tiêu chí lý thuyết Nhóm nghiên cứu đã tiến hành phát triển mô hình thực tế như hình 5.11.
Để phục vụ nhu cầu phát triển mô hình kiểm nghiệm và nghiên cứu các thuật toán điều khiển, xử lý ảnh, và gắp sản phẩm, các chi tiết trên mô hình có thể gặp sai số và vật liệu chế tạo chưa đạt tiêu chuẩn cơ khí của robot công nghiệp.
Hình 5.11: Mô hình thực tế robot Delta
TỔNG QUAN HOẠT ĐỘNG – ĐIỀU KHIỂN
Cơ sở lý thuyết về hệ thống điều khiển
Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot trên mô hình thử nghiệm trước khi chế tạo và triển khai mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc định hướng rõ nhiệm vụ và giảm hao phí vật liệu Ngoài ra, quy trình này còn tiết kiệm thời gian, đánh giá hiệu suất và giảm rủi ro Tóm lại, thử nghiệm trên mô hình giúp người thiết kế tiếp cận việc chế tạo robot một cách hiệu quả và thành công.
Hệ thống điều khiển bao gồm các phương pháp xử lý ảnh, lập trình điều khiển và giám sát, kết nối thiết bị cùng với các bản vẽ kỹ thuật.
Sơ đồ khối hệ thống và phương thức truyền thông
6.2.1 Sơ đồ khối hệ thống Để biểu diễn trực quan các cấu trúc và chức năng của hệ thống, hình 8.1 trình bày về một sơ đồ khối của một hệ thống robot Delta ứng dụng xử lý ảnh, cụ thể là hệ thống của robot Delta đang nghiên cứu Sơ đồ khối sử dụng các khối hình hộp đại diện cho các thành phần và mũi tên để biểu thị luồng thông tin, dữ liệu hoặc tài nguyên giữa các khối
Sơ đồ khối cung cấp cái nhìn tổng quát về quy trình và sự tương tác giữa các thành phần, giúp người dùng hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của hệ thống.
Hình 6.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Sơ đồ khối trong hình 6.1 giải thích cấu trúc và chức năng của các thành phần hệ thống như sau:
Nguồn cấp là một thành phần không thể thiếu để các thiết bị điện tử hoạt động trên sơ đồ trên
Hệ thống sử dụng camera và thuật toán xử lý ảnh để xử lý dữ liệu vị trí sản phẩm, sau đó gửi các thông tin về góc quay và vị trí vào cơ sở dữ liệu của Raspberry Pi Tại đây, các dữ liệu được lưu trữ, xử lý và truyền đến các thành phần tiếp theo, đồng thời hiển thị trạng thái hệ thống qua giao diện trình duyệt thông qua giao thức HTTP Dữ liệu được truyền qua STM32 qua giao thức UART dưới dạng vị trí, và các giá trị này được xử lý động học để chuyển đổi thành góc quay, sau đó phản hồi lại Raspberry Pi STM32 cung cấp xung PWM cho Driver xử lý, điều khiển động cơ AC servo hoạt động, trong khi động cơ này gửi lại tín hiệu góc quay để được xử lý Ngoài ra, một số dữ liệu góc quay của sản phẩm cũng được gửi về STM32 để điều chế độ rộng xung cho động cơ RC servo, thực hiện các hành động của đầu công tác hoặc tay kẹp.
Hoạt động của động cơ AC servo cho phép tay máy di chuyển đến vị trí mong muốn, trong khi tay kẹp thực hiện chức năng gắp và xoay sản phẩm Quá trình này giúp tay máy không chỉ gắp mà còn phân loại hiệu quả các sản phẩm, đặc biệt là ruột bút chì.
Bàn phím cho phép nhập giá trị trực tiếp vào Raspberry, giúp điều khiển góc quay và vị trí của tay máy mà không cần sử dụng xử lý ảnh Đây là một phương pháp điều khiển thủ công hiệu quả.
Các chip kỹ thuật số giao tiếp thông qua hai phương pháp chính: nối tiếp và song song Giao tiếp nối tiếp truyền tải dữ liệu tuần tự qua một dây duy nhất, trong khi giao tiếp song song cho phép truyền dữ liệu qua nhiều dây cùng lúc.
Bộ truyền nhận nối tiếp bất đồng bộ (UART) là một trong những giao thức nối tiếp lâu đời và phổ biến nhất Đặc điểm nổi bật của UART là không sử dụng tín hiệu nhịp để định thời, giúp đơn giản hóa quá trình truyền dữ liệu.
Giao diện UART yêu cầu tối thiểu hai đường truyền: một để nhận dữ liệu và một để truyền dữ liệu Điều này có nghĩa là dữ liệu chỉ có thể được truyền theo một hướng trên mỗi đường Ưu điểm của giao diện này là đơn giản và hiệu quả trong việc truyền tải thông tin.
- Đơn giản và phổ biến
- Tương thích với nhiều thiết bị đến từ các nhà sản xuất khác nhau
- Giao tiếp hai chiều, cho phép truyền truyền thông song song và đồng bộ với các thành phần hệ thống
- Độ tin cậy cao: Các bit kiểm tra lỗi có thể kiểm tra và sửa lỗi truyền thông
- Tốc độ truyền dữ liệu đa dạng
- Tốc độ truyền hạn chế hơn giao thức khác như Ethernet, USB,
- Không có định danh thiết bị: Vì sử dụng kết nối TX RX nên việc định danh trong hệ thống có nhiều thiết bị là vấn đề
- Suy hao tín hiệu khi độ dài cáp càng dài
HTTP (Hyper Text Transfer Protocol):
Giao thức HTTP (Hypertext Transfer Protocol) là tiêu chuẩn quan trọng để truyền tải dữ liệu qua mạng, thiết lập kết nối giữa máy chủ và máy khách Hoạt động của giao thức này dựa trên mô hình yêu cầu và đáp ứng, trong đó máy khách gửi yêu cầu đến máy chủ thông qua trình duyệt để thực hiện các thao tác như lấy, gửi, cập nhật và xóa dữ liệu Máy chủ sau đó sẽ phản hồi với dữ liệu hoặc thông báo lỗi tương ứng.
Giao diện điều khiển và giám sát trạng thái
Giao diện thể hiện ở hình 6.3 gồm 3 thành phần:
Thông số điều khiển hiển thị tọa độ làm việc (x, y, z), các góc (theta1, theta2, theta3) và trạng thái sản phẩm bao gồm góc lệch, thành phẩm và phế phẩm Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp các phím nhấn điều khiển cơ bản như bắt đầu, kết thúc, khởi động lại, cùng với chức năng chuyển đổi giữa điều khiển thủ công và tự động.
- Đồ thị góc theta1, theta2, theta3 khi robot hoạt động
- Bảng điều khiển thủ công phục vụ kiểm tra máy trước khi hoạt động
Hình 6.3: Giao diện điều khiển
Raspberry Pi đóng vai trò là trung tâm xử lý và điều khiển trong hệ thống giám sát trạng thái, với khả năng kết nối các thiết bị khác qua giao thức UART để truyền dữ liệu Giao thức này cho phép Raspberry Pi tương tác với các thiết bị ngoại vi thông qua các kết nối RS232 hoặc TTL Để lưu trữ dữ liệu trạng thái hệ thống, MySQL được sử dụng, là một hệ quản trị cơ sở dữ liệu phổ biến, giúp đảm bảo tính nhất quán và an toàn cho dữ liệu Raspberry Pi có khả năng kết nối và truy vấn dữ liệu từ MySQL, cho phép lưu trữ và truy xuất thông tin về trạng thái của hệ thống robot Delta.
Hệ thống triển khai một web server để cung cấp giao diện người dùng, có thể được xây dựng bằng dịch vụ như Apache hoặc Nginx Web server này cho phép người dùng truy cập giao diện qua trình duyệt web, hiển thị thông tin trạng thái hệ thống và cung cấp các chức năng điều khiển để tương tác với hệ thống robot Delta.
Hệ thống robot Delta được giám sát và điều khiển từ xa thông qua giao diện người dùng web, nhờ sự kết hợp của Raspberry Pi, giao thức UART, MySQL và web server Người dùng có thể dễ dàng truy cập vào web server từ bất kỳ thiết bị nào có kết nối mạng, mang lại sự thuận tiện và linh hoạt trong việc quản lý và điều khiển hệ thống robot Delta.
Xử lý ảnh
6.4.1 Phương pháp xử lý ảnh
Trong nghiên cứu, nhóm đã sử dụng xử lý ảnh để theo dõi và xác định vị trí ngòi bút trong không gian chuyển động của robot Delta Đầu tiên, các thuật toán xử lý ảnh được áp dụng để phân tích và xác định vùng chứa ngòi bút trong hình ảnh Quá trình này bao gồm việc xử lý màu sắc bằng cách chuyển đổi sang hệ không gian màu HSV, lọc nhiễu và làm mượt thông qua kỹ thuật Bilateral Filtering, cũng như phân đoạn và trích xuất đặc trưng để nhận diện ngòi bút.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng các thuật toán theo dõi để xác định vị trí của ngòi bút qua các khung hình liên tiếp Các phương pháp như theo dõi dựa trên đặc trưng, di chuyển và mô hình đã được sử dụng để xác định vị trí, góc xoay, trạng thái và số lượng ngòi bút theo thời gian.
Sau khi xác định vị trí, góc xoay, trạng thái và số lượng của ngòi bút, các tọa độ (x, y, z) được chuyển đổi vào hệ tọa độ của tay máy để thực hiện các tác vụ điều khiển Những thông số này được sử dụng để tính toán số xung cho động cơ và điều khiển tay gắp đến vị trí ngòi bút Dựa vào dữ liệu góc xoay (phi1) và trạng thái (TT), tay máy sẽ gắp và di chuyển theo quỹ đạo phù hợp, đảm bảo thả ngòi bút đúng yêu cầu.
Nghiên cứu của nhóm đã phát triển một hệ thống tự động kết hợp xử lý ảnh và điều khiển robot, cho phép theo dõi và tương tác với vật thể trong môi trường thực tế Hệ thống này có tiềm năng nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong các tác vụ tự động hóa và robot hóa, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghiệp, dịch vụ và y tế.
Hệ màu HSV (Hue Saturation Value) có tên gọi khác là là HSI (Hue Saturation Intensity) hoặc HSL (Hue Saturation Lightness) Hệ màu HSV gồm bộ ba giá trị
H, S, V Mô hình hệ màu này do tác giả Alvy Ray Smith đề xuất năm 1978[3] Hệ màu này dựa trên các đặc tính màu trực quan được như sắc (tint), bóng (shade) và tông màu (tone) hoặc họ màu, độ thuần khiết và độ sáng của hình ảnh trong thực tế để biểu diễn
Hình 9.2 Không gian màu HSV Hình 9.2 thể hiện một hệ tọa độ hình trụ được dùng để biểu diễn không gian màu HSV với:
Hue, hay còn gọi là màu sắc, là thành phần chính đại diện cho màu sắc của một pixel Giá trị Hue được biểu thị trong dải từ 0 đến 360 độ, bắt đầu từ màu đỏ, tiếp tục qua các màu khác và quay trở lại màu đỏ.
Độ bão hòa màu (Saturation) là một chỉ số quan trọng để đo lường mức độ bão hòa của màu sắc Giá trị của độ bão hòa này được thể hiện dưới dạng phần trăm, với 0% tương ứng với màu xám và 100% biểu thị màu sắc tối đa.
- Value (Giá trị ánh sáng): Đây là thành phần thể hiện cường độ ánh sáng của pixel Giá trị Value có thể từ 0 (đen) đến 100 (trắng)
Hệ không gian màu HSV được ưa chuộng trong xử lý ảnh và đồ họa máy tính nhờ khả năng tách biệt thông tin màu sắc và ánh sáng hiệu quả hơn so với RGB Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích, xử lý và thay đổi màu sắc HSV thường được áp dụng trong phát hiện màu sắc, đồ họa máy tính, và xử lý ảnh y học Trong dự án này, việc chuyển đổi sang hệ không gian màu HSV để phân loại và sắp xếp ngòi bút có màu trắng là giải pháp tối ưu.
Kỹ thuật Bilateral Filtering (Lọc kép) là phương pháp xử lý ảnh hiệu quả, giúp làm mờ ảnh trong khi vẫn giữ lại các đường biên quan trọng Đây là một dạng lọc không tuyến tính, có khả năng xử lý tốt các vùng có biên giới rõ ràng, giảm nhiễu mà không làm mất đi các chi tiết quan trọng trong ảnh.
Trong quá trình lọc kép, mỗi pixel trong ảnh được phân tích và giá trị trung bình của các pixel trong một vùng lân cận cụ thể được tính toán Điểm nổi bật của Lọc Bilateral là việc sử dụng hai hàm trọng số để thực hiện phép tính trung bình này.
Hàm trọng số không gian (Spatial Weight) đo lường sự tương đồng giữa các điểm ảnh trong vùng lân cận, giúp bảo tồn các đường biên quan trọng Bằng cách giảm thiểu ảnh hưởng của lọc đối với các điểm ảnh gần nhau, hàm này đảm bảo rằng các chi tiết trong khu vực xung quanh được giữ nguyên.
Hàm trọng số màu sắc (Range Weight) là một công cụ quan trọng trong việc đo lường sự tương đồng về giá trị màu sắc giữa các điểm ảnh lân cận Hàm này giúp đảm bảo rằng chỉ những pixel có màu sắc tương tự mới bị ảnh hưởng bởi quá trình lọc, từ đó giữ lại các đặc trưng màu sắc tự nhiên trong ảnh.
Bilateral Filtering kết hợp hai hàm trọng số để tạo ra hiệu ứng làm mờ, đồng thời giữ nguyên các cạnh và biên giới trong ảnh Kỹ thuật này rất phù hợp cho nhiều ứng dụng trong xử lý ảnh số, bao gồm loại bỏ nhiễu, làm mượt ảnh và giảm nét ảnh.
6.4.2 Thuật toán xử lý ảnh
Kết quả từ phương pháp xử lý ảnh, như thể hiện trong hình 6.5, cho thấy chương trình đã thành công trong việc phân loại sản phẩm thành hai loại: thành phẩm và phế phẩm Chương trình cũng có khả năng đếm số lượng sản phẩm đi qua và tính toán góc lệch của chúng Thêm vào đó, các thuật toán và phương pháp theo dõi vật thể sẽ được trình bày chi tiết hơn qua các sơ đồ khối trong hình 6.6 và 6.7.
Hình 6.5: Kết quả xử lý ảnh và tracking
Hình 6.6: Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh
Hình 6.7: Lưu đồ thuật toán theo dõi đối tượng
Lưu đồ giải thuật hình 6.6 thể hiện nội dung như sau:
- Chuyển đổi ảnh sang không gian màu HSV (Hue, Saturation, Value)
- Áp dụng bộ lọc HSV để phát hiện màu trắng trong ảnh
- Sử dụng bộ lọc kernel để làm mượt và loại bỏ nhiễu khỏi ảnh
- Áp dụng kỹ thuật Bilateral Filtering để lọc nhiễu trong ảnh, giữ lại các đường biên quan trọng
- Tìm kiếm đối tượng màu trắng trong ảnh bằng cách tìm các contours (đường viền) trong ảnh đã được xử lý
- Duyệt qua từng contour trong danh sách contours từ ảnh
- Tính diện tích của contour Nếu diện tích nằm ngoài ngưỡng nhất định, bỏ qua và xử lý contour tiếp theo
Quá trình theo dõi đối tượng bao gồm nhiều bước nhằm phân tích và xác định các đặc điểm của vật thể trong ảnh Lưu đồ hình 6.7 sẽ cung cấp một cái nhìn chi tiết về các quy trình này.
Kỹ thuật điều khiển chuyển động động cơ
Để điều khiển cánh tay máy song song, cần dựa vào bài toán động học nghịch, xác định góc quay của cánh tay ngắn từ vị trí đầu công tác, tương ứng với góc quay của trục động cơ Trong nghiên cứu này, tay máy có ba trạng thái chính: chờ, gắp và thả Nhóm nghiên cứu đã chọn quỹ đạo chuyển động là quỹ đạo đường thẳng, đồng thời giải quyết bài toán điều khiển cánh tay máy song song 3 bậc tự do bằng cách điều khiển góc quay của ba trục động cơ trong giới hạn cho phép Mục tiêu là đảm bảo tay máy di chuyển mượt mà theo quỹ đạo trong quá trình hoạt động.
Trong một khoảng thời gian nhất định, ba động cơ cần đồng thời thực hiện và hoàn thành chuyển động ở ba góc quay khác nhau, đây chính là kỹ thuật điều khiển chuyển động, hay còn gọi là motion control Trong bối cảnh điều khiển chuyển động của tay máy, bài toán này liên quan đến việc điều khiển chuyển động từ điểm xuất phát qi đến điểm mục tiêu qf trong khoảng thời gian từ 0 đến tf.
Hình 6.8: Các biên dạng chuyển động từ qi tới qf
Khi xem xét bài toán chuyển động từ góc qi tới góc qf trong khoảng thời gian từ 0 đến tf, có nhiều phương án di chuyển như chuyển động đều, nhanh dần đều, chậm dần đều Để lựa chọn cách chuyển động phù hợp, cần kết hợp thêm điều kiện năng lượng tiêu hao nhỏ nhất Kết quả của việc kết hợp ba điều kiện này là quỹ đạo chuyển động có dạng đa thức bậc 3.
Hình 6.9: Biên dạng chuyển động từ qi đến qf theo đa thức bậc 3
Các công thức tính toán liên quan đến chuyển động dựa theo đa thức bậc 3 được thể hiện như sau:
𝑞(t) = 𝑎 3 𝑡 3 + 𝑎 2 𝑡 2 + 𝑎 1 𝑡 + 𝑎 0 (6.1) Phương trình vận tốc là đạo hàm của vị trí: q˙(t) = 3𝑎 3 𝑡 2 + 2𝑎 2 𝑡 + 𝑎 1 (6.2)
Và đạo hàm vận tốc là gia tốc:
Kết hợp phương trình vị trí và vận tốc với các điều kiện đầu và cuối giúp xác định giá trị của a0, a1, a2, a3, từ đó xây dựng quỹ đạo chuyển động hoàn chỉnh cho các động cơ trong khoảng thời gian từ 0 đến tf Trong bài toán điều khiển chuyển động, góc qi chuyển đến góc qf trong thời gian 0 đến 2 giây, với các điều kiện tại thời điểm t = 0: q(0) = a0 = qi và q˙(0) = a1 = 0.
(ban đầu động cơ dừng) Ở thời điểm t = 2 (s): q(2) = 8a 3 + 4a 2 + 2a 1 + a 0 + q f (6.6) q˙(2) = 12a 3 + 4a 2 + a 1 = 0 (6.7) (kết thúc chuyển động động cơ dừng)
Giải hệ bốn phương trình trên ta có được giá trị a0, a1, a2, a3 như sau: a3 =𝑞 𝑓 − 𝑞 𝑖
Và phương trình quỹ đạo chuyển động:
Sau khi khảo sát, đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc cho thấy gia tốc suy ra từ đa thức bậc 3 của phương trình vị trí là đường thẳng và đạt cực trị ở hai điểm đầu và cuối, gây ra hiện tượng giật trong chuyển động Để tối ưu hóa chuyển động, cần tách đa thức bậc 3 thành ba đa thức: bắt đầu với bậc 2, tiếp theo là bậc 1 và cuối cùng là bậc 2 Phương pháp này sẽ giúp hạn chế hiện tượng giật và tạo ra chuyển động mượt mà hơn.
Trong bài toán quỹ đạo hỗn hợp, chuyển động được chia thành ba giai đoạn: giai đoạn tăng tốc, giai đoạn chuyển động đều và giai đoạn giảm tốc Đồ thị vị trí, vận tốc và gia tốc của đa thức bậc 3 cùng với phương trình đa thức kết hợp 2-1-2 thể hiện rõ sự phân chia này Thời gian tăng tốc và thời gian giảm tốc đều là 1.
4 lần thời gian chuyển động của động cơ nên tc = 1
4 x 2 giây = 0,5 giây Với quỹ đạo tăng tốc là đa thức bậc 2 có dạng q1(t) = a4t 2 + a5t + a6 chuyển động trong thời gian t từ 0 đến 0,5 giây
(ban đầu động cơ dừng)
Xét thời điểm t = 0,5 giây: q 1 (0,5) = 0,25a 4 + 0,5a 5 + a 6 = q(0,5) (6.12) Giải hệ ba phương trình trên ta có được giá trị a4, a5, a6 như sau: a 4 =5(𝑞 𝑓 − 𝑞 𝑖 )
Phương trình quỹ đạo có dạng: q1(t) = 5(𝑞 𝑓 − 𝑞 𝑖 )
Trong giai đoạn chuyển động đều và giảm tốc, phương trình quỹ đạo của chuyển động đều được biểu diễn dưới dạng đa thức bậc 1, cụ thể là: q2(t) = 22(qf - qi).
Quỹ đạo của chuyển động giảm tốc là đa thức bậc 2 có dạng: q 3 (t) = −22(𝑞 𝑓 − 𝑞 𝑖 )
Sau khi xác định được phương trình quỹ đạo chuyển động, chúng ta có thể suy ra phương trình vận tốc Từ đó, ta thiết lập tần số xung tương ứng cho từng giai đoạn của động cơ chuyển động.
Bài toán xử lý bắt điểm
Hình 6.11: Xử lý bắt điểm giữa băng chuyền và tay gắp Dựa trên hình 6.11, ta có:
- Khoảng cách 2 trục tọa độ là (166 mm)
- Khoảng cách từ tay gắp đến tâm của tọa độ gắp là 26( mm)
- Vận tốc của băng tải 𝑣 𝑏 = 47,5( mm/s)
Thời gian tịnh tuyến của 2 trục tọa độ là:
Khoảng cách từ tay gắp đến vị trí gắp là:
𝑑 = √𝑥 0 2 + 𝑦 0 2 + 26 2 (9.18) Thời gian tay gắp di chuyển đến vị trí gắp là:
Thời điểm gửi dữ liệu là:
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM - PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết quả thực nghiệm
7.1.1 Kiểm tra vị trí của mô hình thực tế
Nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa quy trình xử lý dữ liệu góc quay theta, đạt được độ sai số góc tối thiểu là 0,01 độ, tương đương với độ sai số vị trí chỉ 0,01269 mm Sau đó, họ đã tiến hành kiểm nghiệm thực tế với mô hình để xác nhận kết quả.
Hình 7.1 thể hiện kết quả kiểm tra vị trí của mô hình robot, với các vị trí được kiểm tra tại các điểm (0, 0), (-40, 0), (40, -40) và (30, -30) Kết quả cho thấy thuật toán điều khiển vị trí và các thông số kích thước của mô hình robot đạt độ chính xác cao với sai số nhỏ, chứng minh khả năng của thuật toán và mô hình trong việc xác định và duy trì vị trí chính xác của robot.
7.1.2 Kết quả xử lý ảnh và gắp sản phẩm
Dựa trên yêu cầu của đề tài tại Chương 3, mục 3.1, nhóm nghiên cứu đã cho băng chuyền hoạt động liên tục trong 1 phút với 25 ngòi bút, tương ứng với khả năng sản xuất 1500 sản phẩm mỗi giờ, trong đó có 15 thành phẩm và 10 phế phẩm Nhóm đã thực hiện kiểm tra liên tục 5 lần và thống kê kết quả đạt được trong bảng 7.1.
Bảng 7.1: Thống kê kết quả hệ thống tay máy trong 5 lần
Từ bảng thống kê 7.1, ta được các đồ thị thống kê như hình 7.2:
Hình 7.2: Thống kê kết quả hoạt động của hệ thống trong 5 lần Với thống kê ở bảng 7.1 trên ta tính được:
- Sai số xử lý ảnh: 2%
- Sai số gắp sản phẩm: 21.13%
- Sai số của cả hệ thống: 22.4%
- Năng suất tối thiểu: 1164 sản phẩm / giờ
Kết luận
Thông qua quá trình nghiên cứu cơ sở lý thuyết và mô phỏng hệ thống trên phần mềm MATLAB, đồ án đã đạt những kết quả sau:
Thống kê kết quả hoạt động
Thành phẩm Phế phẩmNgòi bút gắp được
- Tính toán, mô phỏng động học của robot Delta, xây dựng hình dáng Robot dựa trên mô phỏng MATLAB Simulink
Thông qua việc thử nghiệm trên mô hình điều khiển đồ án cũng đã đạt được những kết quả:
Đề xuất một thuật toán điều khiển động cơ hiệu quả nhằm kiểm soát chuyển động một cách hợp lý, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của động cơ trong hệ thống.
- Phát triển thuật toán xử lý ảnh hiệu quả và đáng tin cậy, cho phép xử lý và phân tích dữ liệu hình ảnh
Xây dựng phần mềm và chương trình điều khiển kết hợp với hệ thống giám sát, nhằm tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng điều khiển, giám sát và tương tác hiệu quả với các thành phần của đề tài.
Thiết kế và xây dựng bản vẽ cơ khí cùng bản vẽ điện-điện tử là rất quan trọng, đảm bảo sự kết nối và hoạt động chính xác cũng như an toàn cho các thành phần điện, điện tử và cơ khí.
Thành công trong việc áp dụng thuật toán và phần mềm vào mô hình điều khiển đã đảm bảo tính chính xác và ổn định trong quá trình giám sát và điều khiển.
7.2.2 Các mặt còn hạn chế
Robot đã chứng tỏ khả năng linh hoạt trong việc di chuyển và gắp ngòi bút trên băng chuyền, nhưng vẫn còn một số vấn đề cần khắc phục để tối ưu hóa hiệu suất Một số sai sót vẫn xảy ra, dẫn đến việc bỏ sót ngòi bút Các nguyên nhân chính cho tình trạng này cần được xác định và giải quyết.
Robot chưa hoạt động với tốc độ tối đa, điều này ảnh hưởng đến độ chính xác khi gắp ngòi bút và gây ra sự chậm trễ trong quá trình làm việc.
Sai số trong tính toán tọa độ có thể ảnh hưởng đến khả năng định vị chính xác của robot, dẫn đến việc gắp sản phẩm không đúng vị trí Việc này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cải thiện độ chính xác trong các phép tính tọa độ để đảm bảo hiệu suất gắp của robot.
Hệ thống camera hiện tại chưa hoàn thiện, với khả năng nhận dạng sản phẩm còn hạn chế, điều này ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu suất trong quá trình gắp sản phẩm.
Robot thể hiện sự linh hoạt và khả năng di chuyển chính xác đến các vị trí mục tiêu Hệ thống robot song song được cấu thành từ nhiều thành phần, bao gồm thiết kế chi tiết, lựa chọn động cơ, và phát triển thuật toán quỹ đạo di chuyển thông qua bộ điều khiển và thuật toán xử lý ảnh.
Kết quả thực nghiệm cho thấy robot có khả năng thực hiện các quỹ đạo nội suy theo yêu cầu, di chuyển linh hoạt và nhẹ nhàng, đồng thời gắp ngòi bút trong quá trình di chuyển trên băng chuyền Qua quá trình thử nghiệm và kiểm tra, các nhiệm vụ ban đầu đã được hoàn thành một cách hiệu quả.
Phương hướng phát triển
Hệ thống sẽ được chế tạo, kiểm nghiệm và hiệu chỉnh qua nhiều giai đoạn để đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp Các công việc cụ thể sẽ được thực hiện trong quá trình này.
Hiệu chỉnh và cải tiến thiết kế cơ khí là quá trình quan trọng nhằm điều chỉnh các thành phần cơ khí của hệ thống Việc nghiên cứu và cải thiện kích thước, hình dạng, vật liệu và khả năng chịu tải của robot sẽ giúp nâng cao tính chính xác và hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Phần điều khiển của hệ thống sẽ được cải tiến để nâng cao sự ổn định và chính xác trong hoạt động của robot Các thuật toán điều khiển sẽ được tinh chỉnh phù hợp với yêu cầu và tiêu chuẩn của ứng dụng.
Quá trình nâng cao chất lượng robot bao gồm các giai đoạn chế tạo, kiểm nghiệm và hiệu chỉnh, nhằm đảm bảo robot hoạt động hiệu quả và đáp ứng nhu cầu của người sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp thực tế.