Mơ hình tốn học cùngvới các thơng số động họccủa robot đượcđượcdẫn ra và hiệuchỉnh nhằmtăngđộchính xácđịnh vị của cơcấu tácđộng cuối.. Experimental results show thatthe improvedmanipulat
Trang 1Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH
YSC5.F127
THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ ĐIÈU KHIỂN TAY MÁY SONG SONG HAI BẠC Tự
DO CẢI TIẾN ĐẺ BÓC TÁCH VÀ SẮP XẾP HÀNG HOÁ TRONG QUẢN LÝ
CHUỖI CƯNG ỨNG
TRẦNQUỐC THỊNH1, NGUYỄNMINH CƯỜNG1, BÙI THÀNH ĐẠT1, NGUYỄN THANH TÙNG1,
Tóm tăt Bài báo này đề xuất vàthiết kế robotsongsong 2 bậc tự do cho các ứng dụng gắp thả vậtnhư
bốc xếp hànghóa trong quản lý chuỗi cung ứng Mô hình toán học cùngvới các thông số động họccủa robot đượcđượcdẫn ra và hiệuchỉnh nhằmtăngđộchính xácđịnh vị của cơcấu tácđộng cuối Bên cạnh việc thiết kế cơ khí, hệ thốngđiện,bộđiều khiển dùngPLC Q02UCPU và moduleQD75MH4 thuộcdòng
Q của hãngMitsubishi vàgiao diệnđiềukhiển hực quancũngđượcthiết kếvà thực hiện để chophép người
dùng dễ dàngthaotácvà vận hành Quỹ đạocủa robot cũng đượcthiếtkế nhằm tối ưu không gian làm việc
và hoạt động hayđộhiệu quảcủa hệ thống Các kết quả thựcnghiệm cho thấy tay máy cải tiến có tính ổn định cao, khả năng hoạt động hiệu quả trong thời gian dài, đáng tin cậy trong thực hiện các nhiệm vụcần
sự chính xác
Từ khóa Robot songsong, robot SCARAhaibậc tựdo, PLC,động học, điểmkỳ dị
DESIGN, CONSTRUCTION AND CONTROL OF AN ADVANCED 2-DOF PARALLEL ROBOT FOR sORTING/PICKING GOODS IN THE SUPPLY CHAIN AND LOGISTICS
Abstract This paperproposes anddesigns 2-DOF parallel robot for pick-and-place applications such as picking and dropping goods in supply chain management The mathematical model along with the
kinematic parameters of the robot are derived and adjusted toincreasethepositioning accuracy ofdie end effector Besides mechanical design, electrical system, controller using PLC Q02UCPU and QD75MH4 module of Mitsubishi's Q series and intuitive controlinterface are also designed and implemented to allow
users to easily operate The trajectory ofthe robot is also designed to optimize the working space and operationorefficiency of the system Experimental results show thatthe improvedmanipulator hashigh stability, the ability to operate effectively for a long time, and is reliable in performing tasks requữing accuracy
Keywords, parallel robot, 2-DOFSCARArobot, PLC, kinematic,singularity
1 GIỚI THIEL
Robotgắp thả sản phẩm (Pick-and-Place Robot) làloại robot được sử dụngphổ biến trong các dâychuyền
sản xuất,chếtạo Việc gắpthả sản phẩmcủa robot này có cơchế lặp đi lặp lại liên tụcrất nhiều lần với tốc
độ nhanh vì thế loại robot này đãvà đang làmộtcông cụ vô cùng cầnthiếttrong các dây chuyền đóng gói
sảnphẩm Robotgắp thả sảnphẩmcórất nhiều loại, tuy nhiên nếu chúngta sử dụng loạirobot nối tiếp có
cơ cấu mở rộngcánhtay ra băngtải thìsẽ chiếm diện tích lớn và chi phí gia công sẽ cao hơn Vì vậy,robot song song sẽ làgiải pháp phù hợp vàthiết thực nhất.Robot nàyđược lắp đặt ngược lêntrên đểcác khâurơi
xuốngdưới, quađó chúngta sẽtiết kiệm khônggianhơn và tốcđộ di chuyển của các tay máy cũng được cải thiện hơn Quá hình nghiên cứusẽ tìm hiểu và xâydựng cơcấu cơkhí phù hợp cho môhình, kế đến sẽ
tiến hành lập trình và điều khiển cho robotnày,cuối cùng sẽ phântích và điều chỉnh nhằm áp dụng mô hình
này vào thực tế Qua đó giúp loạirobot này có thểứngdụngtốt hơn vào lĩnhvực quản lý chuỗi cungứng
Trang 2Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH
Bài báo này tập trung nghiên cứu và cải tiếnloạirobot có 2 khớp xoay với hệ thống dẫn động bên ngoài lấyý tưởngdựahên robot Delta được nghiên cứubởi giáo sư Reymond Clavel [1] Với thiếtkế hình bình
hành cho các cánh tay máy,robot loại này có cơ cấu tácđộngcuối (End- Effector) được thiếtkếphục vụ
cho mụcđích gắp thả sản phẩm trên các băng chuyền một cách nhẹ nhàng và linh động nhất Thực tế theo các nghiêncứu đã vàđangđược triển khai hên thế giới,loại robot đề tàiđang nghiêncứu có tên là Diamond [2].RobotDiamond có hai hoặc mộtcơ cấu hình bình hành tùythuộc vào mụcđích và yêu cầu sử dụng Ngoài ra, Hermes Giberti và các cộng sự đãsử dụng các xi-lanh khí nén cho loại robot này [3] Tuy nhiên,
nếu chúngta áp dụng cơcấu khí néntrên robot thì cơ cấu này không thực sự tối ưuvề không gianvà khối
lượngcủa robot, ngoàira cơcấunàycũng không mang tính thẩmmỹ cao Qua đó,khớp xoay được điều khiển bằng động cơ là sự lựa chọn hoànhảo đượcnhiều chuyêngia đồng thuận Trên cơ sở lý thuyết này, nhiềunghiên cứutrênthếgiới đã được công bố để hiệuchỉnh,tối ưu cho hệ thống 2trục songsong này Tuy nhiêncác nghiêncứutrên chỉ đều là loại robot phang,khônggianlàm việccủa robot chỉ có hai chiều Chính vì lý do đó, hướng phát hiển đề xuất là thiếtkế thêm 1 bậc tự do ở phần hên củamô hình để robot
có thể di chuyển theođầy đủ3 trục hong không giandựa theo chế độ làm việc(-+) mà Alexandre Figielski
và các cộng sự đãđề cập trong bàiviết của mình [4] Hướngphát hiểnnày sẽ giúp robotcó thể vận hành thoải máiđể ứngdụngvào mục đíchbóc tách và sắp xếp hàng hóa trong quản lý chuỗi cung ứng Bên cạnh
đó, đề tàicũng có thể áp dụng thêm một số phươngpháp hiệu chỉnh, tối ưu dựa trên các loại robot khác như robot SCARA 2 bậctựdo của Nguyễn Hoàng Dũng và các cộngsự [5], hiệuchỉnh PID bằng hệ mờ [6] hay
tính toán độnghọc của robot song song bất đối xứng nhóm 3URS [7]
Nghiên cứunày sẽ làmột cải tiến đángđược côngnhậnđểnângcấp cánh tay từhaibậc tự do lênbabậctự
do từđó sẽ tăng phạm vihoạt động phù hợp cho môihường sản xuấtyêu cầuvùng làm việc lớn hơn Hơn
thế nữa, đề tàinghiên cứunày sẽ làmột tư liệu tham khảođáng giá cho các nghiêncứu chi tiết, cụ thểhơn
saunày Các thiết kế này sẽ bổ sung cho các nghiên cứuvề hiệu chỉnh, tối ưu hệ thống và giảmthiểu chi phí gia công sản xuất saunày.Bố cục của bài báo được trình bày như sau: Phần2giới thiệuvềmô hình toán của robot;Phần 3 sẽ trình bàyvề quá trình thiếtkếvà thi công cho robot; Phần 4là quá trình thiết kế
và lập trình điều khiển cho robot; Phần 5 là quá trìnhkiểm tra và đánh giá mô hình robotđã thiết kế; và Phần 6 là kết luận
2 MÔ HÌNH TOÁN ROBOT
Mô hình toánrobotmô tả mối quan hệ đầu vào và đầurađặc tảcác thành phần của robot Trong bàibáo
này, mô hình toán sẽbao gồm phân tíchđộng học,hoạch định quỹ đạovà tối ưu không gian làm việc
2.1 Phân tích động học
Quá hình phân tíchđộng học sẽ phân tích chuyển độngcủa robot hong hệ tọa độcố địnhkhi không xét đến cáclực vàmoment gây rachuyển động Cụ thể, độnghọc mô tả mỗi quanhệ giữacác vị tríkhớp với vị hí
và hướng của khâutácđộng cuối Động học baogồm động họcthuận và động họcngược Ngoài ra,phần
nàycũngsẽ phân tích độnghọc kỳ dị để quá trình thiết kế được tối ưu hơn
2.1.1 Động học thuận
Bài toán động học thuận chophép mô tả vị trívà hướng đi của khâu tác độngcuối khi biết tat cả cácbiến khớp của taymáy
Trang 3Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023 (YSC202 3)- ỈUH
Hình 2 Động học nghịch
Bàitoán động học thuận cho biêtvị trí của E(x,y) tronghệ tọađộ Oxy khi biêttrước các góc q al và qa2.
Dựa vào Hình 1 và các nghiêncứucủa Lê TiênDũng và các cộngsự [8], taxác định được:
Ex = lo + 11cos <Ịaĩ + lĩcos <?p2 (2)
Ey = Ịt sinqai +í2 sinq V1 (3)
Trong đó ợplvà q P 2 được tính thông qua các góc(p:
ự>l = ự>3 = cos ự J (5)
CÓ 2 trường hợp cho qpl và qp2:
Đôi vói cơcâuhướnglên:
Đôi với cơcâuhướng xuông:
Trang 4Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈƯH
qpl = 2tt - + (Ọ 2
(11) (12)
2.1.2 Động học nghịch
Ngượclại với độnghọc thuận, bàitoán động học nghịch cho trước vị trívà hướngcủa khâu tác độngcuối
từ đó xác định đuợc giátrị các biến khớp của tay máy Bài toán động học nghịch tính toángiátrị các góc
<7ai vàq a2 từ vị trí của khâu tác động cuối E(x,y).Các côngthức chođộnghọcngu ọc khibiết truớctọađộ
của cơ cấu tác độngcuốinhu môtả trên Hình2.2 sẽ là:
(13)
Trong đó:
Qal = A ± «1
(15)
Vo -ị-X/
— X/
Do đókếtquả cho các công thức(13) và (14) sẽ có 4 truờng họp:
Từđây tùy theo bố trí thiết bị màta sẽ có từng công thức cụ thể chính xáccho tùng truònghọp Các công
thức này cũng đuợcsử dụngtrongmột nghiên cứu khác về bộ điềukhiển song song phẳng5 tìianh [9]
2.1.3 Động học kỳ dị
Các điểm kỳ dị trong khônggian làm việc củacáccấu trúc động học mạch kín haycácrobot song song là
vấnđề tìiu hút rất nhiều sự quan tâm, nghiêncúu vì nó lànguyên nhân dẫn đến mất khả năng điều khiển
chuyểnđộngdo sự thay đổiđộtngột về số bậc tựdocủacơ cấu nếu rơi vào cấuhìnhkỳ dị
Theođó, điểm kì dịsẽ xuất hiện khi vector trục cánh tay gần Uisong song vớivector trục cánh tay xa
và(hoặc)vectorcủahaitrục cánh tay xa song song nhau w r //w2.
Hình 3 Các tư thế xuất hiện đềm kì dị
về nghiên cứu cácđiểm kì dị, nghiêncúu của Qizhi Meng vàhai cộng sựcũngcó kết quảtuongtự [10]
Tuy nhiên cũngcó một cách địnhnghĩa khácdụa trênmatrận Jacobian củaLêTiến Dũng thuộc Trường Đạihọc Bách khoa -Đại học ĐàNằng và cộng sự đã được đề cậpở trên[8] Theo đó có 3 loại của điềmkì
dị tương úng với cáctrường họpkhi xét det[Ịa ] và det[Ịe ] Một số hình ảnh về điểm kì dị trongnghiên
Trang 5Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈƯH
cứu này được liệt kê dướiđây
Hình 4a Điểm kì dị xảy ra khi hoặc SI2 = 0
Hình 4b Điềm kì dị xảy ra khi sn = 0 Hình 4 Các trường hợp xảy ra đềm kì dị khi xét det [/a] và det[/g]
2.2 Hoạch định quỹ đạo
Quỹ đạo là đường đi khi có xét đến yếu tố thờigian, vận tốc hoặc giatốc Mụcđích của việc hoạch định quỹ đạo là tạo ra các tín hiệungõ vào tham chiếu chobộ điềukhiển chuyển độngnhằmđảm bảo Robot
chuyểnđộng theo quỹ đạo mong muốn Việc hoạch định quỹ đạo có thể đuợc thục hiện trongkhông gian
khóp hoặc không gianlàm việc
Chúng tacóthể sửdụng quỹđạo vận tốc hìnhthang(LSPB:Linear Segment with Parabolic Blend) để
hoạch định quỹ đạo điềm tới điểm cho một trục động cơ, sau đóchúng ta sẽ sử dụngtínhnăngnộisuycó sẵntrong phần mềm GX Works2để kiểm soát quỹ đạo của robot Theo đó, hàm số của quỹ đạo LSPB đuợc thể hiện nhu du ới đây:
( 1 " 4-2
qi + 2$ct'
/ tc\ q(t) = q> + qctự-yj
ựỉf-ịqcơf-t) ’
(23)
0 <t < tc
tc< t <tf- tc
tf-tc <t<tf
Trong đó,
Trang 6Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH
tf<ic - K<ỉf - <?c)
2 2^ cịc
(24)
Chọn:
(25)
Khi đó dấu“=” xảyra khi vàchỉkhi quỹ đạo vận tốc là hình tam giác
V
Gia tóc
Hình 5 Ví dụ quỹ đạo LSPB
Ởđây,quỹ đạo chuyển động của mô hình được dựa theo chuki máy tiêu chuẩncủa một robot gắp thả.Theo CorneliusJ Barnard vàcáccộng sự, quỹđạo gắp thả được lụa chọnlà dạng chữ ungược đi lên 25mmsau
đó đi ngang 350mm và đixuống25mm [11], Tuy nhiênđề tài nàychỉ sử dụngquỹ đạo gắp thả vói chiều
dài ngang là 300mm được mô tảnhư Hình 6 Đây đượcgọilà một chu kì máy hoàn chỉnh của robotgắprà thả
300mm
Hình 6 Chu kỳ máy tiêu chuẩn
2.3 Tối ưu không gian làm việc
Để tốiưu chuyển động, theonghiên cứu củaTian Huang vàcác cộngsự, kếtquả cho thấymột sốyếutổ
hiệu chỉnhtối tru cho hệthốngcóthể kể đến như là giói hạn hình học, giới hạngóc quay [ 12] Bêncạnh đó,
bài nghiêncứu cũngđã đề xuất một số hiệu chỉnhvề kích thước của mô hình nhằm tối ưukhônggianhoạt
động lần lượt là khoảng cáchhai trục động cơ 2e, độdài củavùng làm việc b so với kíchthước trục gần
lỵ và khoảng cách trục động cơ e. Cụthể,khoảng cách từ trụcđộng cơ đếntrung điểmcủa đoạn thẳng nối hai động cơ phải lớn hơngiá trị e-min
Và đảmbảo được độ dàicủa vùng làmviệcb
(27)
2" x
Mặt khác tacũngcần phải đảm bảo về khoảngcáchcủađộdài từ điểm giữa hai trục động cơ đếntâmcủa không gianlàmviệc H với độ cao khônggian làm việch và chiều dàicác trụcgầnli, trục xa 2theo công thức:
Trang 7Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈƯH
+ h)2 + (| + ^
- l 2 - lt < 0,ỉ 2 - lỵ - H < 0
(28)
Tươngtự, một nghiên cứu khác của Tian và các cộngsự nhằm tối ưuthiết kế với các thông số ràng buộc
về không gian làm việc vớikíchthước tay máy, các chỉsố đảm bảo hệ thống hoạt độnghiệu quả, [13], Nghiên cứu này cũng đã tính toán các công thức giúp chúng ta lụa chọn kích thước của mô hình theo các
quy ước:Gócgiớihạn trênd u tính từtrụcX, góc quay tối đa ớ, kích thước trụcngắn 11,kích thướctrụcdài
l 2, khoảngcách Htừ tâm vùng làmviệc đến trục tọa độ o,độcao vùng làm việc h, chiều dàivànglàmviệc
b, khoảng cách từ tâm tọa độ o đến trục động cơ e Các đơnvị được thể hiện như Hình 7 dưới đây:
Các công thức tính toán cho cácsố liệu sẽlà
h
H - l 2 + ỉ1sỉnớu
Asin(ớ - ỡw) + B cos(ổ - ỚM)4- c = 0 Trong đó các giá trị A, B, clần lượt là
B — 2 + eJ
(b \ 2 íh A2 ,7
(29)
(30)
(31)
(32)
(33)
Bên cạnh đó để tối ưu hóa thìchúng ta cũng cần phải xétđến tỉ lệ giũa không gian làm việcvà khối lượng máyô , đơn vị này thường được lấy ở mức 1,1 đến 1,2
b
1 < ỗ < ■ — ■■
2(e +y
(34)
Và góchọp bởi trục cánh taygần và trục cánh tay xa[/?] phải được lấy trong mức 35° - 40° theo công thức sau:
Trang 8Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH
< 0
(36)
Nhưvậy,sau khiđã tínhtoán, giói hạn và hiệuchỉnh tối tru, dướiđâylàbảng thôngsốdựkiến củamô hình:
Bảng 1 Thông số được lựa chọn
Khoảng cách trục đếntâmtọa độ(ỉ0) 70 mm
Độdàivùnglàmviệc (b) 550 mm
Độrộngràng làm việc(giớihạn vít-me) 360 mm
Dựa theo hình dángban đầu ta có thểthấy vùng làm việc của loại robot song song 2 bậc tự dohạn chế hơn
hẳnrobot Delta của Critian Szepvàcáccộngsựđãnghiêncứu [14], Do đó, việc cải tiếnthêmmộttrục giúp chorobot mỏ' rộngphạm vi hoạt động Hình 8mô tả sự biến đỗi của không gian làm việctừhoạt động trong
hệ trục Oxỵsanghoạt động trong hệtrục Oxyz
Hình 8 Không gian 2D và 3D
3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
3.1 Thiết kế CO’ khí
Phần cơ khí đượcchia thành 2 phần: tay máy vàtrụcvít-me Tay máy sẽchuyển động xoayvới 2trụcđộng
cơ trong khi đó trục vít-mecó cơ cấu chuyển độngtịnh tiến Khung mô hìnhđược phác thảo trên phần mềm SolidWorks, kích thướccủa khung sẽ là800x800x1000 mm
Trang 9Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈƯH
Hình 9 Bản vẽ mô hình 3D
Hình 10 Phác thảo khung mô hình
3.2 Thiết kế phần điện
Phầnđiện đượcthiết kế dựa trên cơ sở lý thuyết gồm 5khối chức năng chínhđólà: khối nguồn, khối cơ cấuchấp hành, khối điều khiển, khối nhận dạng, khối vận tải Phầnlayout tủ được thiết kế dựa trênphần mềmAutoCadđể dễdàngsắpxếp thiết bịhơn Với các tiêu chuẩn cơ bảncủa một tủđiệncôngnghiệp, dây
kích cỡ 1.5mm làmdây động lực và dây kíchcỡ 0.75mmlàmdây điềukhiển
, KHÔI NGUỎN
KHÓI ĐIẾU KHIÉN (PLC)
CHÀP HÀNH
Hình 11 Sơ đồ khối phần điện
Trang 10Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH
Hình 12 Layout tủ điện
3.3 Mô phỏng sức bền
Việc phân tích độ bền của cơ cấu giúpxác định kịp thời các vị tríchịunhiều áp lựcnhất [15].Mô hìnhđược
môphỏng qua2 phần mềm là Solid Works (Hình13)và phần mềmAnsỵs(Hình 14), cả hai đềucho ra cùng một kếtquả đólà cơ cấu tác động cuối lànơi chịunhiều biếndạng nhất Tuynhiên, mô phỏng Ansys lại cho kếtquả khâu bị động có xu hưóng bị uốn cong Đây có thể được coilà sựkhácnhau giữa việc thiết lập thôngsốcủa cácphần mềm
Hình 13a Mô phỏng chuyển vị
Hình 13b Mô phỏng úng suất
Trang 11Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈƯH
Hình 13c Mô phỏng biến dạng Hình 13 Mô phỏng trên phần mềm SolidWorks
Hình 14a Mô phỏng chuyển vị
Hình 14b Mô phỏng ứng suất
Trang 12Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-IUH
Ỉ>S,ÔÓ JW.OC(rwn)
Hình 14c Mô phỏng biến dạng Hình 14 Mô phỏng trên phần mềm Ansys Theo kết quả mô phỏng ở các Hình 13và Hình 14,mô hình bị biến dạngnhiềunhất ởphầncơ cáu tác động
cuối Lý giảichovấn đề này là vì đây là noi chịulực nhiều nhất của cơ cấu [16],Bên cạnh đó, các khâu của
tay máy cũng có xu hướng cong dần xuốngkhi ta càng tác dụng lực vào cơ cáu tác động cuối
3.4 Mô phỏng quỹ đạo
Sau khi đãtính toán, thiết kế mô hình,phần mềm MatlabSimulink sẽ đượcsử dụng đểkiểm tracác công thứcđộng học, quỹ đạo được hoạch định rà tính hiệu quảcủamô hình Để điềukhiển đượctrên Matlab, đầutiên cần mô hìnhtay máy 3D đơngiảntrên phần mềm SolidWorks, sau đó ta sẽ Hênkếtmô hình này
vóicáckhối chức năng của Matlab Ngoài ra, việclập trình để điều khiểntrên mô phỏng cần sử dụng các khối Function để tạo ra các quỹ đạo khác nhau Quá trình kiểm tragiũa mô phỏng và tính toánsẽ sử dụng các khổi Scope và các giá trị góc quay cũngnhưtọađộ các khớp
Trajectory planning
Hình 15 Sơ đồ Matlab Simulink
X Y Plot
-15
-20
-25
-30
* tsbmiteđ txMition
-35
Hình lổa Quỹ đạo tính toán