xây dựng và điều khiển mô hình robot song song delta phân loại sản phẩm dựa trên xử lý ảnh

Nội dung luận văn bao gồm phân tích mô hình robot delta 3 bậc tự do và triển khai hệ thống điều khiển chuyển động cho một mô hình robot đã có sẵn, sau đó thực hiện đánh giá khả năng hoạt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN SĨ LÂM

XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

MÔ HÌNH ROBOT SONG SONG DELTA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM DỰA TRÊN XỬ LÝ ẢNH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG -HCM

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Võ Tường Quân – Chủ tịch hội đồng 2 TS Dương Văn Tú – Thư ký

3 PGS.TS Đỗ Xuân Phú – Ủy viên (phản biện 1) 4 TS Lê Ngọc Bích – Ủy viên (Phản biện 2) 5 TS Phùng Thanh Huy – Ủy viên

LỜI CẢM ƠN

Qua quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, em đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức hay từ quý thầy cô và bạn bè Thông qua luận văn tốt nghiệp, em xin có lời cảm ơn đến tất cả những người đã quan tâm giúp đỡ em trong những tháng ngày học tại trường

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Phạm Công Bằng – người đã trực tiếp định hướng, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình làm luận văn Sự hỗ trợ và những lời nhận xét quý báu của thầy giúp em nhận thấy rõ những sai sót, kiến thức còn thiếu để hoàn thành mục tiêu luận văn

Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô đã trực tiếp giảng dạy em trong suốt quá trình vừa qua Những kiến thức mà quý thầy cô truyền đạt sẽ là một nguồn tư liệu quý báu để em hoàn thành luận văn và cũng là hành trang cho em bước trên con đường sự nghiệp sau này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè, đồng nghiệp, những người đã và đang hết sức động viên, chia sẻ và giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện đề tài này

Lời cuối, em xin gửi lời chúc sức khỏe đến các thầy cô Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Cơ khí và Bộ môn Cơ

điện tử

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2024

Trần Sĩ Lâm

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn này thực hiện tìm hiểu về mô hình robot delta và ứng dụng xử lý ảnh vào phân loại và sắp xếp sản phẩm Nội dung luận văn bao gồm phân tích mô hình robot delta 3 bậc tự do và triển khai hệ thống điều khiển chuyển động cho một mô hình robot đã có sẵn, sau đó thực hiện đánh giá khả năng hoạt động của mô hình từ đó đưa ra những nguyên nhân ban đầu dẫn đến sai số trong quá trình hoạt động của mô hình robot Tiếp theo, tiến hành tinh chỉnh và cải thiện độ chính xác cho mô hình, sau đó một lần nữa thực hiện kiểm tra sai số mô hình sau khi được thực hiện tinh chỉnh Kết quả của quá trình đánh giá cơ khí là cơ sở để ứng dụng công nghệ xử lý hình ảnh vào mô hình robot để thực hiện quá trình phân loại và sắp xếp sản phẩm

ABSTRACT

This thesis explores the delta robot model and employs image processing for the categorization and organization of products The research encompasses aspects like the analysis of a three-degree-of-freedom delta robot, the implementation of a motion control system for an existing robot, performance assessment, and the identification of error causes Following this, there is a focus on enhancing the model's accuracy through refinement and subsequent verification of the model error post fine-tuning The mechanical evaluation outcomes establish the basis for applying image processing technology to facilitate the sorting process in the robot model

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện

Các số liệu, kết quả nghiên cứu đều trung thực Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2024

Học viên

Trần Sĩ Lâm

1.2.1 Tìm hiểu về robot delta 3

1.2.2 Ứng dụng của robot delta 5

1.2.3 Giới thiệu mô hình cơ khí robot delta đã chế tạo 7

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài 8

1.3.1 Mục tiêu đề tài 8

1.3.2 Nhiệm vụ đề tài 8

1.3.3 Phạm vi đề tài 9

1.4 Cấu trúc luận văn 10

Chương 2 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC 11

2.1 Xác định bậc tự do robot 11

2.2 Phân tích động học ngược robot 12

2.3 Phân tích động học thuận robot 18

2.4 Kết luận 22

Chương 3 TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 23

3.1 Xây dựng hệ thống điều khiển điều khiển chuyển động (Motion control) 23

3.1.1 Triển khai hệ thống mạch điện điều khiển 23

3.1.2 Giải pháp tích hợp hệ thống điều khiển chuyển động 24

3.1.3 Xây dựng giao diện điều khiển (HMI) tích hợp trên phần mềm Mach3 CNC 25

3.2 Xây dựng lưu đồ giải thuật 26

4.1 Phân tích khả năng gây ra sai số của robot 32

4.2.5 Kiểm tra khâu di động 37

4.3 Kết quả cải tiến 38

5.1 Xây dựng giải thuật nhận diện và xác định tọa độ tâm của vật mẫu 43

5.1.1 Giới thiệu camera Basler acA3800-14uc 43

5.1.2 Giải thuật nhận diện vật mẫu và xác định tọa độ 44

6.1 Đánh giá kết quả đạt được 65

6.2 Một số kiến nghị và hướng phát triển của đề tài 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 73

Hình 1.1: Cấu trúc robot nối tiếp “Scara Robot” [1] 2

Hình 1.2: Cấu trúc robot song song [2] 2

Hình 1.3: Demaurex’s Line-Placer để đóng gói trong công nghiệp [35] 5

Hình 1.4: ABB Flexible Automation IRB 340 FlexPicker [35] 5

Hình 1.5: Robot delta của hãng FANUC Robotics [35] 6

Hình 1.6: Robot delta ứng dụng trong y học [2] 6

Hình 1.7: Rostock robot delta in 3D [36] 7

Hình 1.8: Mô hình robot delta thực đã chế tạo 7

Hình 1.9: Vật mẫu được sử dụng cho phân loại và sắp xếp 9

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của robot delta [37] 11

Hình 2.2: Các thông số động học ngược robot delta [39] 13

Hình 2.3: Đường tròn tâm '1E bán kính '1 1E J [39] 13

Hình 2.4: Mặt phẳng tọa độ YZ [39] 14

Hình 2.5: Các cấu hình động học ngược của robot 16

Hình 2.6: Quỹ đạo đường tròn XY với Z không đổi 17

Hình 2.7: Sự thay đổi của tọa độ Ox, Oy, Oz theo góc  17

Hình 2.8: Sự thay đổi của góc xoay 1i theo góc  18

Hình 2.9: Tính toán động học thuận robot [39] 18

Hình 2.10: Phương trình ba đường tròn cắt nhau tại E0(x y z0, 0, 0)[39] 19

Hình 2.11: Hệ tọa độ của bệ cố định robot [39] 19

Hình 2.12: Các cấu hình động học thuận của robot 21

Hình 2.13: Không gian làm việc sau khi giới hạn góc quay 22

Hình 3.1: Hệ thống điều khiển chuyển động cho robot 23

Hình 3.2: Hệ thống điều khiển chuyển động robot delta 25

Hình 3.3: Giao diện thiết kế tích hợp trong phần mềm Mach3 26

Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật 26

Hình 3.5: Quá trình cài home cho robot 27

Hình 3.6: Tạo tệp Gcode quỹ đạo đường tròn 29

Hình 3.7: Cấu hình cho động cơ bước 30

Hình 3.8: Quá trình vẽ của robot 30

Hình 3.9: Kết quả quá trình đánh giá 31

Hình 4.1: Trục động cơ truyền động trực tiếp với khâu chủ động 32

Hình 4.2: Kết nối ban đầu khâu bị động 32

Hình 4.3: Khâu chủ động 33

Hình 4.4: Mô hình tay đòn 34

Hình 4.5: Kích thước trục trung gian 34

Hình 4.6: Kích thước khớp nối 34

Hình 4.7: Cấu trúc của một bộ truyền động 35

Hình 4.8: Sơ đồ truyền động đai 35

Hình 4.16: Cấu hình lại động cơ bước 39

Hình 4.17: Đánh giá sai số lặp lại 40

Hình 4.18: Kết quả quá trình vẽ nhiều đường tròn không đồng tâm 41

Hình 5.1: Camera Basler acA3800-14uc 43

Hình 5.2: Sơ đồ biểu diễn lắp đặt cao độ camera 44

Hình 5.3: Lưu đồ xác định tọa độ vật thể 45

Hình 5.4: Kết quả nhận dạng vị trí và dán nhãn 47

Hình 5.5: Quan hệ tọa độ ảnh với tọa độ camera [32] 47

Hình 5.6: Quá trình thực hiện calibration camera 49

Hình 5.7: Bàn cờ được sử dụng Calib camera 50

Hình 5.8: Xác định tọa độ ô bàn cờ 50

Hình 5.9: Sai số calib camera 52

Hình 5.10: Quan hệ tọa độ camera và tọa độ robot 53

Hình 5.11: Kiểm tra sai số hệ thống 56

Hình 5.12: Quá trình phân loại và sắp xếp vật mẫu tự động 57

Hình 5.14: Giao diện tích hợp điều khiển robot 59

Hình 5.15: Hệ thống điện khí nén 59

Hình 5.16: Bố trí thực nghiệm phân loại theo màu sắc 60

Hình 5.17: Kết quả quá trình nhận diện vật mẫu 60

Hình 5.18: Kết quả quá trình phân loại theo màu sắc 60

Hình 5.19: Bố trí thực nghiệm phân loại theo kích thước 61

Hình 5.20: Kết quả quá trình nhận diện vật mẫu 61

Hình 5.21: Kết quả quá trình phân loạt vật mẫu theo kích thước 62

Hình 5.22: Bố trí thực nghiệm gắp và sắp xếp vật mẫu 62

Hình 5.23: Kết quả quá trình nhận diện vật mẫu 63

Hình 5.24: Kết quả quá trình gắp và sắp xếp vật mẫu 63

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1: So sánh robot nối tiếp và robot song song 3

Bảng 1.2: Bảng tham số động học robot delta đã chế tạo 7

Bảng 1.3: Thông số động cơ NEMA23 - KH56LM2B018 8

Bảng 1.4: Kích thước vật mẫu 10

Bảng 4.1: Bảng tham số động học của robot delta được thiết kế lại 38

Bảng 4.2: Kết quả đo đạc trên các đường tròn 41

Bảng 4.3: Sai số giữa kích thước vẽ mong muốn và kích thước đo được (mm) 42

Bảng 5.1: Thông số Camera Basler acA3800-14uc 43

Bảng 5.2: Mức ngưỡng cài đặt 46

Bảng 5.3: Kiểm tra sai số calib camera (mm) 51

Bảng 5.4: So sánh giá trị tính toán trên camera với giá trị thực (mm) 53

Bảng 5.5: Kiểm tra sai số hệ thống (mm) 55

Bảng 5.6: Sai số giữa tọa độ tính toán và tọa độ di chuyển thực của robot (mm) 56

Bảng 5.7: Tốc độ di chuyển cho từng vị trí làm việc robot 58

Bảng 5.8: Kết quả thực nghiệm phân loại vật mẫu theo màu sắc 61

Bảng 5.9: Kết quả thực nghiệm phân loại theo kích thước 62

Bảng 5.10: Kết quả thực nghiệm gắp và sắp xếp vật mẫu 63

Bảng 6.1: Thông số hệ thống sau khi thiết kế 65

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về robot 1.1.1 Giới thiệu

Ngày nay, với sự phát triển cực kỳ nhanh chóng của khoa học và công nghệ, con người đã đạt được nhiều thành tựu trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: sản xuất, y học, công nghệ thông tin, kỹ thuật quân sự, … Việc ứng dụng tự động hoá, cụ thể là sử dụng robot thay thế con người vào dây chuyền sản xuất kinh doanh là một xu hướng tất yếu nhằm tạo ra năng suất lao động cao Robot được sinh ra và trở thành một công cụ cực kỳ hiệu quả giúp thay thế con người thực hiện những công việc từ đơn giản đến phức tạp mà vượt xa khả năng của con người Từ đó, robot giúp nâng cao năng suất dây chuyền, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm

Việt Nam đang là một quốc gia sở hữu một nguồn lao động giá rẻ rất dồi dào Tuy nhiên, trong bối cảnh thế giới đang hướng tới ngành công nghiệp 4.0, sức lao động của con người đang dần được thay thế Công nghệ robot là một nhân tố quan trọng cho sự phát triển tương lai Đặc biệt sau những tác động tiêu cực của đại dịch Covid-19 vừa qua, đòi hỏi phải có những giải pháp để hạn chế rủi ro của dịch bệnh, nhu cầu sử dụng robot trong sản xuất công nghiệp càng được chú ý nhiều hơn, bởi nó không chỉ đảm bảo an toàn cho người lao động, mà còn có khả năng làm việc với tốc độ rất cao và chính xác trong dây chuyền sản xuất

1.1.2 So sánh robot nối tiếp và robot song song

Robot công nghiệp có thể được phân loại theo các yếu tố như: theo dạng hình học của không gian hoạt động, theo thế hệ robot, theo nguồn dẫn động hoặc theo cấu trúc cơ học Phân loại theo cấu trúc cơ học, robot được chia thành hai loại chính là robot nối tiếp và robot song song

Robot nối tiếp (được minh họa như Hình 1.1) là một hệ thống động học hở, gồm

nhiều khâu được nối với nhau thành một chuỗi bằng các khớp, thường là khớp tịnh tiến hoặc khớp xoay Robot nối tiếp có một khâu giá được gắn cố định được gọi là đế, đế robot sẽ liên kết với các khâu còn lại và cuối cùng liên kết với khâu công tác để thực hiện các tác vụ khác nhau [1] Với kết cấu được thiết kế giống như cánh tay người, robot nối tiếp có ưu điểm là không gian làm việc lớn hơn so với kích thước của nó, nhờ đó robot nối tiếp được ứng dụng nhiều trong sản xuất ô tô, sắp xếp các pallet, sơn phủ, hàn, cắt vật liệu và nhiều ngành khác

Hình 1.1: Cấu trúc robot nối tiếp “Scara Robot” [1]

Tuy nhiên, robot nối tiếp cũng có một số nhược điểm: với cấu trúc chuỗi như vậy có xu hướng lớn và đắt tiền do yêu cầu về độ cứng liên kết và truyền tải lực giữa các khâu Các động cơ và các khâu của các khớp kế tiếp trở thành tải trọng của các khớp trước đó Như vậy, tỉ lệ tải trọng / khối lượng robot thấp và bị ảnh hưởng bởi quán tính là rất lớn Kết quả là tốc độ và khả năng tăng tốc của khâu thao tác có thể đạt được là tương đối thấp Hơn nữa, các sai số về truyền động được tích lũy từng khâu và cộng dồn đến khâu thao tác Robot dạng nối tiếp sẽ không phù hợp với các công việc đòi hỏi tải cao hoặc độ chính xác cao [1]

Hình 1.2: Cấu trúc robot song song [2]

Robot song song là robot có cấu trúc động học vòng kín trong đó các khâu được

nối với nhau bằng hai hoặc nhiều chuỗi liên kết kết đặt biệt, mỗi chuỗi liên kết thường được gọi là chân Mỗi một chân gồm nhiều khâu được nối với nhau bằng các khớp động (khớp cầu, khớp tổng thể (khớp cardan), khớp trụ, khớp xoay hoặc khớp trượt) với nhiệm vụ liên kết bệ cố định với bàn máy di động, trong đó một khớp được dẫn động và các khớp còn lại là khớp bị động [1]

Mặc dù robot song song được biết đến với cấu trúc động học phức tạp, khó thiết kế và điều khiển, giới hạn không gian làm việc, ít khéo léo hơn [3] Tuy nhiên, nó sở hữu

nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với robot nối tiếp Đầu tiên, khả năng thực hiện công việc với tốc độ và chính xác cao nhờ vào việc các cơ cấu truyền động được đặt ở đế cố định làm cho các khâu di động không cần mang theo khối lượng của cơ cấu tác động, vì vậy chúng được thiết kế nhẹ hơn, gây ra ít quán tính Thứ hai là, với kết cấu như vậy mang lại cho robot độ cứng vững cao, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác, tỷ trọng giữa khối lượng và khả năng chịu tải cao hơn so với robot nối tiếp Ngoài ra, kết cấu song song giúp robot không bị tích lũy sai số như robot nối tiếp do các chuỗi liên kết ràng buộc lẫn nhau [4] Vì vậy việc nghiên cứu bài toán động học và điều khiển robot song song để tận dụng những ưu điểm của nó trở thành một vấn đề khoa học và có ý nghĩa thực tế

Tóm lại, hai loại robot này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Tùy theo mục đích sử dụng mà robot nối tiếp và robot song song được lựa chọn Bảng 1.1 so sánh các ưu nhược điểm của hai loại robot này

Bảng 1.1: So sánh robot nối tiếp và robot song song

1.2 Robot delta

1.2.1 Tìm hiểu về robot delta

Trong số các loại robot song song, dạng robot được ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp là robot delta, được nghiên cứu chế tạo lần đầu tiên bởi nhóm nghiên cứu người Thụy Sĩ - Reymond Clavel vào năm 1980 với ý tưởng là dùng các cơ cấu hình bình hành để chế tạo robot song song có 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay [5], [6] Giống như các robot song song khác, robot delta cũng có cấu trúc vòng kín Trong đó có ba chuỗi động học độc lập, mỗi chuỗi gồm một đầu gắn với khâu giá cố định, đầu kia gắn với khâu công tác thông qua cơ cấu hình bình hành Chuyển động của khâu công tác được điều khiển nhờ ba động cơ gắn trên giá cố định [7] Dựa vào cấu trúc của khâu di động, tùy vào từng yêu cầu gắp đặt mà robot delta có thể có 3 hoặc trên 3 bậc tự do (tối đa 6 bậc tự do) Thực tế, nhu cầu sử dụng tập trung vào các cấu trúc robot

delta có số bậc tự do thấp hơn 6 [4]

Robot delta có thiết kế nhẹ và các chuyển động của robot delta hầu như không gây ra quán tính, điều này rất có ích trong các công đoạn cần tính linh hoạt cao Sở hữu ưu thế về tốc độ mang lại năng suất làm việc cao, robot delta thu hút được sự quan tâm từ nhiều nghiên cứu [8] Một số nghiên cứu tập trung vào đánh giá hiệu năng hoạt động của robot delta [9], [10] Nhiều nghiên cứu tập trung vào việc phân tích quỹ đạo duy chuyển của robot delta nhằm tạo ra việc tối ưu tối đa về thời gian, cũng như phù hợp với các công việc cụ thể cho robot delta [11]–[16] Trong hoạt động giáo dục, mô hình robot delta được phát triển phục vụ cho việc tìm hiểu mô hình toán học robot hoặc cách mà robot hoạt động [17], [18]

Ngoài ra, nhờ vào sự phát triển của khoa học máy tính và các giải thuật xử lý hình ảnh, thị giác máy tính ngày càng phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau [19] Hệ thống thị giác máy tính có nhiệm vụ thu thập thông tin trong thực tế bằng camera và sau đó chuyển đổi về hình ảnh kỹ thuật số để xử lý trích xuất thông tin cần thu thập [20] Thị giác máy tính được ứng dụng rất rộng rãi trong cuộc sống như: các ứng dụng nhận dạng, phân loại, điều khiển, dẫn hướng… Nhiều nghiên cứu đã tích hợp robot delta và hệ thống thị giác cho các hoạt động nghiên cứu cũng như ứng dụng trong thực tế [21]–[27]

Ngoài ra, có nhiều nghiên cứu về robot delta được thực hiện trong nước Trong nghiên cứu [28] đã nghiên cứu và chế tạo mô hình cơ khí robot delta, thực hiện tính toán động học để phục vụ việc điều khiển vị trí robot Các tác giả trong nghiên cứu [29], [30] đã nghiên cứu chế tạo và thực hiện điều khiển mô hình robot delta, đồng thời kết hợp ứng dụng thị giác máy tính vào để thực hiện nhiệm vụ lắp ráp vật tròn tĩnh Nhóm nghiên cứu [31] đã mô tả quá trình thiết kế phần cứng cũng như thuật toán điều khiển kết hợp xử lý hình ảnh cho robot Delta để phân loại sản phẩm theo hình dạng và màu sắc Tác giả của nghiên cứu [32] đã thực hiện ứng dụng mô hình robot delta 4 bậc tự do và kết hợp ứng dụng xử lý ảnh vào hệ thống sắp xếp bịch sữa vào thùng

Qua những tìm hiểu trên, đề tài nhận thấy được những ưu thế nổi bật hơn so với robot dạng truyền thống, robot delta thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Ngoài ra, ứng dụng xử lý ảnh và thị giác máy tính gần đây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính và các giải thuật xử lý ảnh Từ đó, việc tích hợp robot delta và hệ thống thị giác máy tính trở thành vấn

đề mang tính khoa học và ứng dụng cao

1.2.2 Ứng dụng của robot delta

Nhờ vào những ưu thế về tốc độ, robot delta được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, với nhiệm vụ chính là gắp thả sản phẩm, đóng gói, sắp xếp [26], [33], [34] Trong lĩnh vực công nghiệp, sau khi mua giấy phép từ robot delta năm 1987, công ty Demaurex với mục đích để phát triển thành sản phẩm thương mại Sau vài năm, họ đã đưa sản phẩm robot delta họ ứng dụng trong ngành công nghiệp đóng gói trên khắp thế giới (Hình 1.3) [35]

Hình 1.3: Demaurex’s Line-Placer để đóng gói trong công nghiệp [35]

Hãng ABB Flexible Automation đã trình làng robot Delta IRB 340 FlexPicker (Hình 1.4) vào năm 1999 FlexPicker được trang bị với một hệ thống chân không có khả năng lấy và thả nhanh các vật nặng tới 1 kg Robot được dẫn với một hệ thống thị giác máy tính bởi Cognex và một bộ điều khiển ABB S4C Sau mười năm nghiên cứu, thế hệ thứ hai này hiệu quả hơn với tốc độ cao hơn và khả năng mang các vật nặng với thiết kế chân nhỏ hơn dùng trong trong lĩnh vực công nghệ đóng gói từ FlexPicker IBR 360 [35]

Hình 1.4: ABB Flexible Automation IRB 340 FlexPicker [35]

Hãng FANUC Robotics đã thực hiện lắp đặt tại hơn 200 000 robot trên toàn thế giới và là công ty dẫn đầu thế giới trong ngành công nghiệp robot Những robot này là

lý tưởng để thực hiện các nhiệm chuyển động phức tạp vượt xa khả năng con người, tốc độ nhanh và độ chính xác cao (Hình 1.5)

Hình 1.5: Robot delta của hãng FANUC Robotics [35]

Hiện nay, có một số loại robot delta đã được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất, phân loại sản phẩm như: Paloma D2 – BOSCH, Robot Hiwin 4 Trục Dòng Delta RD-403, Adept Quattro s650H,

Trong lĩnh vực y tế, Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã dùng robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20kg dùng trong việc giải phẫu (Hình 1.6)

Hình 1.6: Robot delta ứng dụng trong y học [2]

Các ứng dụng khác bao gồm các hoạt động lắp ráp độ chính xác cao trong một phòng sạch, chuyên cho linh kiện điện tử Gần đây, các biến thể của robot delta còn được ứng dụng vào công nghệ in 3D (Hình 1.7)

Hình 1.7: Rostock robot delta in 3D [36]

1.2.3 Giới thiệu mô hình cơ khí robot delta đã chế tạo

Đối tượng nghiên cứu để thực hiện điều khiển và đánh giá của đề tài này là robot delta ba bậc tự do Lấy ý tưởng từ mô hình robot đã được chế tạo và phục vụ nghiên cứu tại Khoa kỹ thuật cơ khí của Trường Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Cần Thơ (Hình 1.8) với các tham số động học như trong bảng Bảng 1.2

Hình 1.8: Mô hình robot delta thực đã chế tạo Bảng 1.2: Bảng tham số động học robot delta đã chế tạo

Mô hình sử dụng 3 động cơ bước NEMA23 - KH56LM2B018 với các thông số được trình bày trong Bảng 1.3

Bảng 1.3: Thông số động cơ NEMA23 - KH56LM2B018

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài 1.3.1 Mục tiêu đề tài

Từ những tìm hiều sơ bộ trên, nhận thấy rõ tầm quan trọng của robot delta cũng như ứng dụng của xử lý ảnh trong thực tế là rất lớn Với thực trạng ứng dụng mô hình robot delta trong dạy học ở cơ quan đang công tác chưa chưa hoàn chỉnh, với mong muốn xây dựng hoàn thiện một mô hình robot phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu về robot delta Từ đó, hình thành ý tưởng xây dựng mô hình thí nghiệm có giá thành rẻ ứng dụng được trong học tập và nghiên cứu Cụ thể, bằng cách thực hiện phân tích, điều khiển, cải thiện độ chính xác cho mô hình robot sẵn có, tích hợp ứng dụng thị giác máy tính vào phân loại và sắp xếp sản phẩm, cụ thể là thực hiện gắp các vật hình tròn đặt vào các lỗ tương ứng khác nhau về kích thước và màu sắc Đề tài đặt ra mục tiêu gắp và sắp xếp vật mẫu như sau:

➢ Vùng không gian làm việc: rộng 270mm và cao 130mm ➢ Tải trọng tối đa cho phép: 0,5kg

➢ Sai số xác định tâm vật: ± 0,5mm ➢ Vận tốc tối đa khâu di động: 300mm/s

➢ Tìm hiểu sơ đồ nguyên lý và phân tích bậc tự do của robot

➢ Phân tích bài toán động học thuận, tiến hành mô phỏng và xác định không gian làm việc của robot

➢ Phân tích bài toán động học nghịch, xác định góc quay của khớp chủ động, ứng dụng điều khiển vị trí cho robot

❖ Khảo sát, đánh giá trên mô hình thực tế:

➢ Từ mô hình thực tế, xác định các thông số của robot để đưa vào điều khiển ➢ Triển khai hệ thống điều khiển chuyển động cho mô hình robot

➢ Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển cho robot ➢ Đánh giá khả năng hoạt động thực tế

❖ Tiến hành phân tích và cải thiện độ chính xác cho mô hình: ➢ Phân tích nguyên nhân dẫn đến sai số cho mô hình ➢ Thực hiện thiết kế, tinh chỉnh kết cấu cơ khí mô hình

➢ Tiến hành thực nghiệm và đánh giá lại kết quả hoạt động mô hình ❖ Nghiên cứu xây dựng giải thuật xử lý hình ảnh:

➢ Xây dựng giải thuật xác định tọa độ vật mẫu ➢ Lập trình giải thuật phân loại và sắp xếp vật mẫu

➢ Xây dựng giao diện tích hợp thị giác máy tính và điều khiển robot ➢ Tiến hành thí nghiệm và đánh giá lại kết quả hoạt động mô hình

Hình 1.9: Vật mẫu được sử dụng cho phân loại và sắp xếp

Vật mẫu (Hình 1.9) được chuẩn bị bằng những vật thể có hình vuông được cắt

lazer lỗ tròn giữa tâm với kích thước thực tế đo được như Bảng 1.4: Bảng 1.4: Kích thước vật mẫu

Kích thước hình vuông

Đường kính vòng tròn D

(mm)

Độ hở (mm) Cạnh L

(mm)

Đường kính lỗ d

1.4 Cấu trúc luận văn

Với mục tiêu và nhiệm vụ đã đề ra, cấu trúc luận văn dự kiến gồm có 6 chương với nội dung như sau:

Chương 2: Tiến hành phân tích động học và khảo sát vùng làm việc, thực hiện

mô phỏng

Chương 3: Phân tích mô hình cơ khí, triển khai hệ thống điều khiển chuyển động

Tiến hành thực nghiệm

Chương 4: Phân tích nguyên nhân sai số, thực hiện thay đổi thiết kế cơ khí Tiến

hành thực nghiệm đánh giá giá lại độ chính xác của robot

Chương 5: Xây dựng giải thuật xác định tọa độ và phân loại sản phẩm mẫu Tiến

hành thực nghiệm và phân tích kết quả

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

Chương 2 sẽ thực hiện phân tích động học của robot delta Những thông số tìm được từ việc phân tích động học sẽ chỉ ra mối quan hệ giữa thông số đầu vào là góc quay động cơ và đầu ra là vị trí điểm công tác, tìm ra vùng không gian làm việc của robot Toàn bộ những tìm hiểu trên sẽ được dùng để xây dựng hệ thống về sau

2.1 Xác định bậc tự do robot

Mục đích nhằm xác định bậc tự do cơ cấu, từ đó giúp xác định được quy luật chuyển động của robot, số quy luật chuyển động cần biết trước của robot phải bằng số bậc tự do của cơ cấu

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của robot delta [37]

Robot delta bao gồm nhiều chuỗi động vòng kín với một nhóm các trục và cơ cấu tác động cuối mắc song song với nhau Robot delta là một robot bao gồm ba cánh tay được nối với các khớp quay ở bệ cố định Đặc điểm thiết kế chính của robot là sử dụng các khâu hình bình hành để giúp duy trì sự định hướng và cân bằng của khâu đầu cuối Cấu trúc cơ bản của robot delta được trình bày ở Hình 2.1, thành phần bao gồm:

• Khâu đế (Base plate): đế cố định được gá lên khung của robot, có nhiệm vụ định vị vị trí và hướng của động cơ truyền động

• Khâu chủ động (Upper arm): được gắn với động cơ dẫn động đặt trên khâu đế, có nhiệm vụ nhận lực dẫn động từ động cơ và truyền cho khâu bị động thông qua khớp xoay (khớp loại 5) với 1 bậc tự do

• Khâu bị động (Forearm): kết nối khâu chủ động và khâu công tác bằng cơ

cấu hình bình hành Cơ cấu hình bình hành gồm có hai thanh dẫn có cùng kích thước chiều dài, có nhiệm vụ nhận lực dẫn động từ khâu chủ động và truyền cho khâu công tác thông qua 4 khớp cầu (khớp loại 3) với 3 bậc tự do Tuy nhiên, các thanh dẫn này không được khóa cứng mà có thể xoay quanh trục của chính nó tạo thành một bậc tự do, bậc tự do này không ảnh hưởng đến quá trình cơ cấu làm việc nên được xem là bậc tự do thừa Do đó mỗi khâu bị động bị thừa 2 bậc tự do, ứng với mỗi thanh trong cơ cấu hình bình hành

• Khâu công tác (Travelling arm): kết nối ba khâu bị động với nhau, có nhiệm vụ mang theo đầu công tác để thực hiện các tác vụ cho robot Từ việc phân tích trên, robot delta có tổng cộng 10 khâu chuyển động, 3 khớp loại 5, 12 khớp loại 3 và 6 bậc tự do thừa

Với kết cấu không gian như vậy, số bậc tự do của robot có cơ cấu dạng song song được xác định theo công thức sau [38]:

2.2 Phân tích động học ngược robot

Bài toán động học ngược của robot delta là cần xác định giá trị của ba góc   1,2,3

khi đã biết được tọa độ tâm E0(x y z0, 0, 0) của bệ di động Đặt các ký hiệu cho thông số

động học của robot gồm có: f chiều dài cạnh khâu đế cố định, e chiều dài cạnh khâu di

động, rf chiều dài khâu hình chủ động, re chiều dài khâu bị động Đặt hệ tọa độ O(0, 0, 0)

là tâm của bệ cố định Hệ tọa độ của robot được đặt theo Hình 2.2, khi đó tọa độ z0 đặt tại tâm của bệ di động sẽ luôn luôn âm vì vậy vùng hoạt động của robot luôn quay xuống dưới

Hình 2.2: Các thông số động học ngược robot delta [39]

Do đặc tính thiết kế của robot nên có một khâu cánh tay trung gian chỉ có thể xoay trong mặt phẳng YZ tạo thành một đường tròn như Hình 2.3 với tâm tại khớp F1

và bán kính F J1 1=rf

Hình 2.3: Đường tròn tâm '1

E bán kính '1 1

E J [39]

Mặt khác khâu hình bình hành E J1 1 có thể xoay tự do tại khớp E1 tạo thành hình

cầu có tâm E1 và bán kính bằng chiều dài khâu bị động E J1 1=re như trong Hình 2.3 Khi đó mặt phẳng giao của hình cầu này với mặt phẳng YZ là một đường tròn có tâm tại '

E là hình chiếu của E1 lên mặt phẳng YZ Ngoài ra, hai đường tròn tâm '

E bán kính '1 1

E J và đường tròn tâm F1 bán kính rf cắt nhau tại một điểm như Hình 2.4, điểm đó cũng chính là điểm J1, khi đó có thể

tính được tọa độ của điểm J1 và từ đó cũng sẽ tính được góc 1 cần tìm

Hình 2.4: Mặt phẳng tọa độ YZ [39] Trong đó:

- Tọa độ tâm của bệ di động: E0(x y z0, 0, 0)

- Chiều dài đoạn E E0 1: E E01tan 30( )

- Tọa độ điểm E1: 1 0, 0 , 02 3

EE =x  '2'222

E J = E J −E E = r −x

- Tọa độ điểm F1: 1 0,, 02 3

Đặt :

2 32 3

 = −

Sau khi có được góc 𝜃2, bằng cách xoay tương tự hệ trục tọa độ quanh trục Z một

góc 120o cùng chiều kim đồng hồ Khi đó, tọa độ tâm mới của bệ di động là ''( '''''')00, 0, 0

Kiểm tra kết quả bài toán động học ngược: dựa vào kết quả của bài toán động học đã được phân tích ở trên, các cấu hình nghiệm ở bài toán ngược tương ứng với tọa độ điểm công tác được kiểm tra kích thước cụ thể các khâu được chọn như sau:

rf = 130m𝑚; re = 300𝑚𝑚; f = 263,397𝑚𝑚; e = 53,694𝑚𝑚

Kiểm tra kết quả tính toán trên bằng thông số đầu vào là điểm công tác O có tọa độ

(0, 0, 350 − ) Kết quả góc quay động cơ theo các tổ hợp (   trong đó i1, i2, i3) 1i có giá trị

154, 65 (+) Theo kết quả tính toán như trên, bằng cách tổ hợp các giá trị ‘+’ và ‘-’ thu được 8 bộ giá trị của   1, 2, 3 thỏa mãn điểm công tác O x y z( , , ), Hình 2.5 biểu diễn 8 cấu hình tương ứng với 8 tổ hợp Như vậy, bài toán động học ngược tìm được 8 cấu hình tương ứng với 8 tổ hợp giá trị góc quay của các động cơ

Tuy nhiên trong thực tế chỉ có một bộ giá trị duy nhất với () 01, 2, 3 90 ,

tổ hợp [(-)(-)(-)] là được sử dụng do giới hạn về kết cấu cơ khí của robot

Thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab, vẽ quỹ đạo khâu di động di chuyển đường tròn trên mặt phẳng XY tâm 0; 0; 380 ,−  bán kính 70mm, hình dạng robot tại vị

trí cuối của quỹ đạo được thể hiện ở các hình: Hình 2.6 và Hình 2.7 Hình 2.8 Trong đó, vị trí tọa độ điểm P có thể biểu diễn theo bán kính r và góc  (Hình 2.7):

cos ; sin ; 350

Hình 2.6: Quỹ đạo đường tròn XY với Z không đổi

Hình 2.7: Sự thay đổi của tọa độ Ox, Oy, Oz theo góc 

Hình 2.8: Sự thay đổi của góc xoay 1i theo góc 

2.3 Phân tích động học thuận robot

Tiến hành phân tích động học của robot dựa vào quan hệ hình học của robot [39] Xây dựng bài toán động học thuận của robot delta với mục đích xác định tọa độ tâm của bệ di động x y z, , khi đã biết được các góc xoay   1, 2, 3 của khâu dẫn động được truyền động bởi động cơ đã được cố định trên khâu đế Ở đây, tọa độ tâm của bệ di động được xét là điểm E0(x y z0, 0, 0) được trình bày khái quát theo Hình 2.9

Hình 2.9: Tính toán động học thuận robot [39]

Việc đầu tiên, cần xác định tọa độ các khớp J J J1, 2, 3 ở Hình 2.9 bằng cách nội suy từ tọa độ góc O đến các khớp F F F1, 2, 3 và dựa vào các góc   1, 2, 3 đã biết

Tiếp theo, khâu dẫn động có tâm quay quanh các khớp F F F1, 2, 3 tạo thành đường tròn bán kính J F J F J F1 1, 2 2, 3 3 Đồng thời, các khâu hình bình hành J E J E J E1 1, 2 2, 3 3 có thể xoay quanh tâm J J J1, 2, 3 tạo thành ba hình cầu có bán kính bằng độ dài khâu hình bình

hành re như Hình 2.10 Cuối cùng, tịnh tiến các vector khâu hình bình hành

J E J E J E như trong Hình 2.10 lần lượt theo vector E E E E E E1 0, 2 0, 3 0 Khi đó ba hình

cầu cắt nhau tại điểm E0, để tìm tọa độ x0, y0, z0, thực hiện giải ba phương trình đường tròn tâm '''

Hình 2.10: Phương trình ba đường tròn cắt nhau tại E0(x y z0, 0, 0)[39]

Hình 2.11: Hệ tọa độ của bệ cố định robot [39]

Dựa vào phân tích hình học không gian robot theo sơ đồ Hình 2.11, tiến hành tính toán tọa độ tại các khớp '''

 + + − − − = − − −

+ + − − − = − − −

 + + − − − = − − −

(2.2) (2.3) (2.4)

 + + − − − =

 + + − − − =

(2.5) = (2.2) - (2.3) (2.6) = (2.2) - (2.4) (2.7) = (2.3) - (2.4) Từ (2.5) - (2.6) đặt:

()() ()()

12

khi chuyển động, giới hạn góc quay của động cơ được thu lại trong khoảng 000 , 90

 

Hình 2.13: Không gian làm việc sau khi giới hạn góc quay

Kiểm tra lại bằng phần mềm Matlab, vùng không gian làm việc bao được hình

trụ tròn có kích thước thước (đường kính * chiều cao) = 300mm*150mm (Hình 2.13)

2.4 Kết luận

Như vậy, chương 2 đã hoàn thành việc phân tích robot delta bao gồm:

− Phân tích được mô hình động học, xác định được khả năng di chuyển của robot delta

− Phân tích bài toán động học thuận, xác định vùng không gian làm việc bao

phủ hình trụ tròn có kích thước (đường kính * chiều cao) = 300mm*150mm

− Phân tích động học nghịch, xác định được bộ nghiệm phù hợp trong điều khiển robot delta thực tế Thực hiện mô phỏng thông qua phần mềm Matlab và kết quả được sử dụng để xây dựng hệ thống điều khiển trong chương 3.

CHƯƠNG 3 TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Nội dung chương 3 sẽ đi vào tiến hành tích hợp hệ thống điều khiển chuyển động (Motion control) cho mô hình cơ khí robot delta đã được thiết kế sẵn, thành phần chính hệ thống điều khiển bao gồm: mạch điều khiển chuyển động và giao diện điều khiển Sau khi lựa chọn các thiết bị, sơ đồ mạch điện được thiết lập làm cơ sở cho việc xây dựng giải thuật điều khiển, giao diện điều khiển và tiến hành triển khai thực nghiệm Việc đánh giá khả năng hoạt động của mô hình bằng phương pháp vẽ quỹ đạo

3.1 Xây dựng hệ thống điều khiển điều khiển chuyển động (Motion control) 3.1.1 Triển khai hệ thống mạch điện điều khiển

Mục tiêu thiết kế bộ điều khiển hoạt động ổn định, đạt được yêu cầu đặt ra ở đề mục tiêu đã đặt ra ở chương 1, có giá thành rẻ, dễ dàng kết nối và phù hợp với các ứng dụng trong học tập và nghiên cứu Để đạt được mục đích trên, đề tài xây dựng sơ đồ hệ thống điện điều khiển được thể hiện ở Hình 3.1

STEPPERMOTOR 1

STEPPERMOTOR 2

B+A-A+ M

B-STEPPERMOTOR 3

Hình 3.1: Hệ thống điều khiển chuyển động cho robot

Vì robot delta được triển khai trong đề tài được dẫn động bằng 3 khớp xoay với 3 động cơ bước sẽ đảm nhận vai trò này, đi kèm với động cơ bước là các driver công suất để điều khiển động cơ Động cơ bước không thể tự nhận biết vị trí hiện tại do không có encoder hay các bộ phận hồi tiếp vị trí nên robot cần 3 cảm biến home để nhận biết vị trí home cho từng khâu chủ động của robot Các thành phần trong hệ thống giao tiếp

với nhau thông qua bộ điều khiển trung tâm Bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính và cấp xung điều khiển một cách đồng bộ cho tất cả các driver điều khiển hệ thống, từ đó giúp kiểm soát quỹ đạo di chuyển cho khâu di động của robot

• Các thiết bị trong hệ thống điều khiển bao gồm (Phụ lục II): − Mạch điều khiển chuyển động: Mach3 USB

− Driver điều khiển: TB6600

− Cảm biến home: Công tắc hành trình dạng đòn bẩy

• Kết nối máy tính với mạch điều khiển Mach3 CNC bằng giao tiếp thông qua cổng USB

• Ngoài ra, có các nút nhấn cơ cho hệ thống điều khiển

3.1.2 Giải pháp tích hợp hệ thống điều khiển chuyển động

Điều khiển chuyển động (Motion control) bắt nguồn từ việc điều khiển các động cơ servo, kết hợp với sự phát triển của máy tính điều khiển, kỹ thuật robot và tự động hóa trong các nhà máy [40], [41] Một hệ thống điều khiển chuyển động đóng vai trò như một cầu nối các khâu chuyển động của robot lại với nhau để hoàn thành quỹ đạo dự kiến và các thông số đã cho robot như: vị trí, vận tốc, gia tốc, kiểm soát đa trục, … Công nghệ điều khiển chuyển động được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp bao gồm: đóng gói, lắp ráp, công nghệ in, sản xuất linh kiện điện tử Cấu tạo của một hệ thống điều khiển chuyển động gồm các thành phần như: giao diện người dùng (HMI), mạch điều khiển chuyển động, driver điều khiển chuyển động, cơ cấu tác động, cấu trúc cơ khí, bộ phản hồi [42]

Từ những ưu điểm trên, đề tài thực hiện tích hợp hệ thống điều khiển chuyển động cho mô hình robot delta Như đã phân tích ở Chương 2, robot delta có cấu hình đặc biệt, sở hữu 3 chuỗi động học được bố trí lệch nhau một góc 0

120 và liên kết thành chuỗi động học kín Với cấu hình mặc định, việc sử dụng mạch Mach3 USB kết hợp với phần mềm Mach3 CNC để điều khiển cho robot delta RUS (Revolute-Universal-Spherical) là không thể [43] Vì vậy, để điều khiển vị trí cho robot, đề tài đưa ra giải pháp là sử dụng tính năng cho phép tùy chỉnh mở rộng của Mach3 CNC để cấu hình phù hợp với việc điều khiển robot delta

Phần mềm Mach3 CNC (Phụ lục I) được cài đặt trên máy tính để giao tiếp với mạch Mach3 USB Ưu điểm mạch Mach3 USB là có thể điều khiển đồng bộ chuyển động

của các động cơ dẫn động, kết hợp phần mềm Mach3 CNC hỗ trợ ngôn ngữ G-code và cung cấp khả năng thực thi các tệp macro (đoạn mã bằng ngôn ngữ Visual Basic (VB)), cho phép tùy chỉnh để tự động hóa các tác vụ lặp đi lặp lại hoặc thực hiện các chức năng đặc biệt [44]

Hệ thống điều khiển chuyển động được xây dựng như Hình 3.2 Bằng phương pháp lập trình các tệp macro (Phụ lục IV), phương trình động học ngược của robot sẽ được đưa vào để thực hiện chuyển đổi động học của robot delta, lúc này tính năng điều khiển chuyển động của Mach3 USB cho phép điều khiển đồng bộ nhiều trục được tích hợp vào hệ thống để thực hiện quá trình điều khiển các khớp xoay của robot song song song delta Việc thực hiện này giúp cho hệ thống điều khiển được xây dựng sẽ tận dụng được ưu thế nổi bậc của mạch Mach3 USB, từ đó giúp hỗ trợ cho việc điều khiển robot delta, tạo điều kiện thuận lợi cho việc đánh giá cũng như ứng dụng vào thực tế Các công việc được thực hiện để tích hợp hệ thống điều khiển chuyển động bao gồm:

➢ Xây dựng hệ thống mạch điện

➢ Lập trình xây dựng giao diện người dùng

➢ Lập trình điều khiển hệ thống điều khiển chuyển động sử dụng mạch Mach3 USB

Vị trí mong muốnX,Y,Z

Chuyển đổi động học

Hình 3.2: Hệ thống điều khiển chuyển động robot delta

3.1.3 Xây dựng giao diện điều khiển (HMI) tích hợp trên phần mềm Mach3 CNC

Giao diện điều khiển (HMI) là một phần trong hệ thống điều khiển chuyển động Giao diện được thiết kế với mục đích để thực hiện các quá trình điều khiển như cài home, di chuyển đến các vị trí mong muốn, tạo quỹ đạo di chuyển, tạo các file dạy cho robot (Teaching file) Ngoài ra, giao diện cho phép việc thay đổi các thông số cài đặt cho robot được thực hiện một cách trực tiếp trên giao diện Sau khi thiết đặt, phân bố các đối tượng lên giao diện, giao diện hoàn chỉnh để điều khiển robot được trình bày trong Hình 3.3

Đề tài sử dụng công cụ Machscreen V1.73 để tạo ra một giao diện riêng bao gồm

các nút nhấn, text box, label, … để phù hợp với mục đích điều khiển quỹ đạo cho robot delta Mỗi nút nhấn tương ứng với một đoạn mã thực hiện các chức năng tự động hóa khác nhau cho robot Bảng A phụ lục I thể hiện từng chức năng cụ thể của các đối tượng được sử dụng để điều khiển robot delta

Hình 3.3: Giao diện thiết kế tích hợp trong phần mềm Mach3

3.2 Xây dựng lưu đồ giải thuật

Để có thể thực hiện điều khiển và đánh giá được khả năng hoạt động của robot, cần thiết lập trình tự thực hiện phù hợp với kết cấu cơ khí và bộ điều khiển Do đó, chương trình điều khiển dựa vào lưu đồ giải thuật như Hình 3.4

Bắt đầu chương trình

Kết thúc

Khởi động chương trình, kết nối mạch điều khiển

Bắt đầu chương trình bằng việc kết nối máy tính với mạch điều khiển Mach3 USB và cấp nguồn cho driver điều khiển động cơ Sau đó, thực hiện quá trình cài home để xác định được vị trí ban đầu cho robot Tiếp theo, một tệp quỹ đạo được tạo ra dưới dạng text

file txt, trong đó là một chu trình gồm các lệnh Gcode di chuyển đến từng điểm riêng biệt,

tệp được load tự động lên giao diện Mach3 và sẵn sàng thực hiện chu trình Cuối cùng là thực hiện chạy chu trình và kết thúc quá trình vẽ quỹ đạo

a) Chu trình cài home

Sau khi kết nối chương trình với mạch điều khiển Mach3 USB và cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, thực hiện quá trình cài home cho mô hình robot

Khâu i quay

Chạm công tắc

hành trình i

Dừng động cơ iĐến vị trí cài home

i = 0

i = 3?i = i + 1

Hình 3.5: Quá trình cài home cho robot

Cụ thể, quá trình cài home được thực hiện bằng cách cho robot di chuyển đến vị trí cài home Ở vị trí này, các khâu chủ động đều cách công tắc hành trình một góc không

 = = = và kết thúc quá trình cài home cho robot

b) Chu trình tạo tệp quỹ đạo đường tròn

Bằng cách lập trình file dưới dạng macro bằng ngôn ngữ VB, quy trình vẽ quỹ đạo hình tròn dưới dạng G-code được tạo một cách tự động và được tải vào chương trình chạy của Mach3 CNC để thực hiện quá trình vẽ quỹ đạo Các thông số về kích thước của robot sẽ được thay đổi trực tiếp trên giao diện điều khiển, tiếp đến thông số về tọa độ tâm đường

tròn sẽ được lấy từ vùng dữ liệu Position Reference, bán kính đường tròn được lấy từ vùng Radial trên giao diện điều khiển

Lưu đồ quá trình tạo tệp Gcode tự động và load vào phần mềm Mach3 của robot được thể hiện ở Hình 3.6 Quá trình tạo quỹ đạo được thực hiện như sau: khi có được tọa độ tâm và bán kính quỹ đạo tròn, quỹ đạo đường tròn mong muốn sẽ được rời rạc thành

n điểm có tọa độ là x y zn, n, n với lần lượt n =1, 2, 359, 360; từng tọa độ điểm này lần lượt sẽ được đưa vào phương trình động học ngược để tính toán thành góc quay   1n,2n,3n

cho các động cơ dẫn động Các góc quay lần lượt sẽ được lưu vào tệp dưới dạng Gcode theo lệnh G01X Y  1 2Z 3 Sau khi giá trị tất cả tọa độ điểm quỹ đạo đã được tạo xong, lệnh G01X40 40 4YZ 0 được thêm vào để robot thực hiện việc nhấc bút, lúc này cả ba khâu

chủ động của động cơ đang ở góc 0

40 Cuối cùng thêm lệnh M30 để kết thúc quá trình vẽ của robot Tệp Gcode được tạo tự động sẽ lưu thành file “Circle.txt”, tệp này sẽ được

load trực tiếp vào giao diện chương trình, quá trình điều khiển thao tác được thực hiện

nhờ vào các phím chức năng ở vùng Control Mach3 trên giao diện điều khiển chính

Các file lập trình macro cho quá trình vẽ quỹ đạo được trình bày trong phần phụ lục III và phụ lục IV