Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế tham số hoá, cân bằng và điều khiển tay máy 4 bậc tự do

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

CHÂU THÁI NGUYÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THAM SỐ HÓA, CÂN BẰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 4 BẬC TỰ DO

STUDY ON PARAMETRIZED DESIGN, BALANCE AND CONTROL OF 4 DOF MANIPULATOR

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Tấn Tiến

3 PGS TS Phạm Huy Hoàng - Cán bộ phản biện 1 4 PGS TS Nguyễn Hùng - Cán bộ phản biện 2 5 TS Đoàn Thế Thảo - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ và tên học viên: CHÂU THÁI NGUYÊN MSHV: 2170096 Ngày tháng năm sinh: 17/09/1997 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 8520114

I TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THAM SỐ HÓA, CÂN BẰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 4 BẬC TỰ DO

(Study on Parametrized Design, Balance and Control of 4 DOF Manipulator)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Tìm hiểu tổng quan tổng quan về tay máy công nghiệp: thiết kế, cân bằng, điều khiển, ứng dụng, … từ đó đặt đầu bài cho thiết kế

- Đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế khả thi - Thiết kế tay máy (cơ, điện, điều khiển, …)

- Mô phỏng với các tham số khác nhau, đánh giá thiết kế

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022

V NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 26/12/2022

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN

LỜI CẢM ƠN

“It always seems impossible until it has been done”, là câu nói nổi tiếng của Nelson Mandela, cũng chính xác là tinh thần “vượt khó” tôi cảm nhận được trong suốt quá trình

thực hiện luận văn tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn của Thầy, PGS TS Nguyễn Tấn Tiến

– giám đốc Phòng thí nghiệm Trọng điểm Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống (DCSELAB) Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy đã tận tình giúp đỡ và cho tôi nhiều lời khuyên từ ngày đầu đến lúc hoàn thành luận văn Được làm việc với thầy là một may mắn, giúp tôi nhìn nhận bản thân một cách thực tế, từng bước cải thiện những điểm yếu và trở thành một người tốt hơn trong chuyên môn

Xin cảm ơn tất cả tập thể anh, chị và những người bạn ở DCESLAB đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm việc vừa qua

Tôi thật sự biết ơn gia đình, người thân khi luôn là động lực, luôn đứng phía sau đồng hành cùng tôi trên con đường học tập, nghiên cứu

Dù cố gắng, nhưng do hạn chế về khả năng lý luận và giới hạn kiến thức, kính mong sự góp ý và chỉ dẫn của quý Thầy, Cô qua đó giúp luận văn của tôi được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Châu Thái Nguyên

TÓM TẮT

Luận văn trình bày những nghiên cứu về thiết kế tham số hóa, đề xuất các cơ cấu cân bằng và trình bày một giải thuật điều khiển trượt để điều khiển tay máy 4 bậc tự do có cấu hình kết hợp giữa cấu hình nối tiếp và cấu hình bình bình hành Để đảm bảo tính chắc chắn của thiết kế trước và trong quá trình hoạt động, vùng làm việc và động lực học của tay máy cũng được tính toán và trình bày Tiếp theo đó, đề tài ứng dụng trực tiếp những kết quả đã trình bày vào bài toán tay máy kiểm định bình chữa cháy Tính chắc chắn và hiệu quả của từng đề xuất được xác nhận thông qua việc phân tích các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab

ABSTRACT

The thesis illustrates study on parametrized design, proposes balancing mechanisms and presents a sliding mode algorithm to control 4 D.O.F manipulator with the configuration combined of serial and parallelogram To ensure the robustness of the design before manufacturing and during operations, manipulator workspace analysis and dynamic modelling are also computed and presented Next, the thesis applies theoretical results to solve the problem of Fire Extinguisher Testing Manipulator The effectiveness of proposal is verified through the analysis of simulation results on Matlab.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận văn tốt nghiệp được chính tôi thực hiện trong thời gian qua Những số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày là trung thực, thực hiện tại DCSELAB, Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh và không sao chép bất kỳ nguồn nào khác Trong nội dung luận văn, những nguồn tài liệu được tham khảo đã được trích dẫn trích dẫn và chú thích rõ ràng Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước bộ môn, khoa và nhà trường về sự cam đoan này

TPHCM, ngày 26 tháng 12 năm 2022

Học viên

Châu Thái Nguyên

1.3 Mục tiêu luận văn: 1

1.4 Cấu trúc luận văn: 2

1.5 Những kết quả nghiên cứu ban đầu: 2

Chương 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Các dạng tay máy công nghiệp: 3

2.1.1 Tay máy với cấu hình liên tục: 3

2.1.2 Tay máy với cấu hình song song: 5

2.1.3 Tay máy cấu hình SCARA: 7

2.1.4 Tay máy cấu hình hình bình hành: 8

2.2 Vấn đề cân bằng cho tay máy: 12

2.2.1 Cân bằng lực lắc ngang cho tay máy: 12

2.2.2 Cân bằng moment lắc ngang: 13

2.2.3 Cân bằng trọng lực tay máy: 13

2.3 Tổng quan về bộ điều khiển tay máy: 19

2.3.1 Phương pháp điều khiển tuyến tính hóa (Linear Control Technique): 19

2.3.2 Phương pháp điều khiển ổn định (Robust Force Control): 19

2.4 Ứng dụng của tay máy xếp dỡ hàng hóa 20

2.5 Tìm hiểu tham số hóa thông số tay máy: 21

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 22

3.1 Lựa chọn cấu hình tay máy: 22

3.2 Lựa chọn cơ cấu cân bằng cho tay máy 23

3.3 Lựa chọn bộ truyền động 24

3.4 Lựa chọn động cơ cho tay máy: 27

3.5 Lựa chọn bộ điều khiển 28

Chương 4 THIẾT KẾ VÀ MÔ HÌNH HÓA 29

4.1 Lựa chọn thông số cơ bản cho tay máy: 29

4.2 Động học thuận tay máy: 32

4.3 Động học nghịch tay máy: 38

4.4 Xác định vùng làm việc của tay máy: 42

4.5 Tính toán cân bằng tay máy: 45

4.5.1 Cân bằng khâu số 3: 46

4.5.2 Cân bằng khâu số 2: 47

Chương 5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 52

5.1 Động lực học tay máy: 52

5.1.2 Tính toán các biến phục vụ động lực học tay máy: 54

5.1.2.1 Vị trí khối tâm các khâu: 54

5.1.2.2 Vận tốc góc các khâu: 56

5.1.2.3 Vận tốc dài các khâu tay máy: 58

5.1.2.4 Tensor quán tính các khâu: 60

5.1.2.5 Ước tính khối lượng các khâu: 63

5.1.3 Động lực học tay máy sử dụng phương pháp Lagrange: 65

5.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt tay máy: 67

Chương 6 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 71

6.1 Bài toán tay máy kiểm tra bình chữa cháy: 71

6.2 Kết quả mô phỏng bám quỹ đạo: 77

6.3 Đánh giá kết quả mô phỏng: 82

6.3.1 Đánh giá bám quỹ đạo tay máy: 82

6.3.2 Đánh giá cơ cấu cân bằng: 84

6.4 Bàn luận về kết quả thiết kế tham số hóa: 84

6.5 Kết luận và định hướng nghiên cứu: 86

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 87

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

PHỤ LỤC 111

PL1 Chi tiết các ma trận động lực học tay máy 111

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 117

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý tay máy cấu hình liên tục 3

Hình 2.2 Tay máy Mitsubishi RV-20FR [2] 4

Hình 2.3 Tay máy Fanuc M-20iB/25 5

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý tay máy cấu hình hình bình hành, 3RRR 5

Hình 2.5 Tay máy cấu hình song song ABB FlexPicker [5] 6

Hình 2.6 Tay máy cấu hình song song Fanuc M-2iA/3A [6] 6

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý tay máy cấu hình SCARA 7

Hình 2.8 Tay máy cấu hình SCARA RH-3FHR3515 [7] 7

Hình 2.9 Tay máy cấu hình SCARA ABB IRB 910SC [8] 8

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý cấu hình tay máy hình bình hành 9

Hình 2.11 Tay máy cấu hình hình bình hành Yaskawa MPL500ii [9] 10

Hình 2.12 Tay máy cấu hình hình bình hành Fanuc M410iC/185 [10] 11

Hình 2.13 Đối trọng là động cơ, gắn trực tiếp lên khâu 14

Hình 2.14 Đối trọng là tải ngoài, gắn lên cơ cấu phụ 14

Hình 2.15 Cân bằng sử dụng lò xo, gắn trực tiếp lên khâu 15

Hình 2.16 Tay máy sử dụng 2 cơ cấu cân bằng trọng lực: đối trọng và lò xo 16

Hình 2.17 Tay máy MPL500ii và sơ đồ nguyên lý 17

Hình 2.18 Tay máy Fanuc M410ic – 500 và sơ đồ nguyên lý 18

Hình 2.19 Ứng dụng gắp thả sản phẩm vào pallet của tay máy [14] 20

Hình 2.20 Ứng dụng kiểm định bình chữa cháy [17] 21

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ bản tay máy 4 bậc tự do 23

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cấu hình tay máy hình bình hành cùng cơ cấu cân bằng 24

Hình 3.3 Cấu trúc bên trong tay máy Mitsubishi RV-4FR [19] 25

Hình 3.4 Cấu trúc bên trong tay máy Mitsubishi RV-100TFH [20] 25

Hình 4.1 Mô tả sơ bộ kích thước khâu chính tay máy Universal Manipulator 32

Hình 4.2 Định nghĩa khâu khớp theo Denavit – Hartenberg [21] 33

Hình 4.3 Hệ tọa độ các khâu Universal Manipulator 33

Hình 4.4 Kết quả mô phỏng động học tay máy Yaskawa 38

Hình 4.5 Hệ tọa độ r-z của Universal Manipulator 39

Hình 4.6 Vị trí đầu công tác dùng kiểm tra động học ngược 41

Hình 4.7 Vùng làm việc của Universal Manipulator 44

Hình 4.8 Biểu diễn khâu 3 khi quay góc −𝜃3, sử dụng đối trọng 46

Hình 4.9 Cơ cấu cân bằng GSM (a) cấu hình ban đầu, (b) cấu hình hoạt động [12] 47

Hình 4.10 Áp dụng GSM cho Universal Manipulator, khâu 2 51

Hình 5.1 Lực và moment xoắn tác dụng lên khâu i 53

Hình 6.1 Sơ đồ cấu hình tay máy kiểm tra bình chữa cháy 72

Hình 6.2 Vùng làm việc tay máy kiểm tra bình chữa cháy 74

Hình 6.3 Toàn bộ quỹ đạo của tay máy, trải ra không gian 2D 75

Hình 6.4 Dạng vận tốc trapezoid cấp cho tay máy 76

Hình 6.5 Quỹ đạo chassis và tay máy kiểm tra bình chữa cháy 76

Hình 6.6 Sai số đầu cuối và torque cần thiết, tải 20kg 77

Hình 6.7 Quỹ đạo và sai số từng khớp, có tải 77

Hình 6.8 Quỹ đạo tay máy trong hệ tọa độ địa phương và world 78

Hình 6.9 Đáp ứng và sai số các khớp, tải 20kg, có cơ cấu cân bằng 79

Hình 6.10 Sai số đầu công tác và moment xoắn, tải 20kg, có cơ cấu cân bằng 80

Hình 6.11 Sai số đầu cuối và torque cần cấp 81

Hình 6.12 Quỹ đạo và sai số góc trường hợp không tải, có cơ cấu cân bằng 81

Hình 6.13 Sơ đồ ứng dụng thiết kế thông số hóa 84

Hình 6.14 Một số tay máy công nghiệp có tỷ lệ tương đương 85

Hình 6.15 Biểu đồ torque cần cấp với các tỷ lệ khối lượng 86

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật tay máy Mitsubishi RV-20FR 4

Bảng 2.2 Đặc tính kỹ thuật tay máy Fanuc M-20iB/25 4

Bảng 2.3 Đặc tính kỹ thuật tay máy ABB IRB360-1/1130 FlexPicker 6

Bảng 2.4 Đặc tính kỹ thuật tay máy Fanuc M-2iA/3A 7

Bảng 2.5 Đặc tính kỹ thuật tay máy RH-3FHR3515 8

Bảng 2.6 Đặc tính kỹ thuật tay máy ABB IRB 910SC 8

Bảng 2.7 Đặc tính kỹ thuật tay máy Yaskawa MPL500ii 10

Bảng 2.8 Đặc tính kỹ thuật tay máy Fanuc M410iC/185: 11

Bảng 2.9 Các cơ cấu cân bằng sử dụng trong các tay máy công nghiệp 17

Bảng 3.1 Mô tả cấu hình cơ bản tay máy 22

Bảng 3.2 So sánh cơ cấu truyền động bằng bánh răng và truyền bằng đai răng 26

Bảng 3.3 So sánh động cơ Servo và động cơ bước: 27

Bảng 4.1 Tỷ lệ chiều dài các khâu tay máy, 4 bậc, cấu hình hình bình hành 29

Bảng 4.2 Giới hạn làm việc các khâu của các tay máy công nghiệp 30

Bảng 4.3 Vận tốc các khâu các tay máy công nghiệp 30

Bảng 4.4 Thông số cơ bản tay máy 31

Bảng 4.5 Thông số DH của tay máy Universal Manipulator 34

Bảng 4.6 Phân tích vùng làm việc tay máy 45

Bảng 5.1 Khối lượng tham khảo các tay máy có tải tăng dần 64

Bảng 5.2 Ước lượng tỷ lệ các khâu tay máy công nghiệp 64

Bảng 6.1 Yêu cầu thiết yếu đối với tay máy kiểm tra bình chữa cháy 71

Bảng 6.2 Thông số giả định tay máy Fire Extinguisher Testing 73

Bảng 6.3 Vùng làm việc tay máy Fire Extinguisher Testing 74

Bảng 6.4 Kết quả tổng hợp mô phỏng tay máy kiểm tra bình chữa cháy 83

Bảng 6.5 Ước tính torque cần thiết của tay máy Mitsubishi RV-20FR 83

Bảng 6.6 Kiểm tra tỷ lệ khối lượng được tham số hóa 85

Tay máy hiện nay đóng một vai trò rất quan trọng trong nhiều ngành, lĩnh vực công nghiệp như hàn, sơn, lắp ghép, xếp dỡ hàng hóa, gắp thả, đóng gói, … và liên tục vươn mình trong nhiều mảng mới như y tế, phòng cháy chữa cháy Bởi hiện nay, cùng với sự phát triển của ngành khoa học máy tính, tay máy ngày càng được tính hợp nhiều nhiều tính năng phức tạp, như trang bị hệ thống AI, khả năng tự cân chỉnh sai số sau quá trình làm việc, hệ thống xử lý ảnh, … Tuy nhiên, lĩnh vực nghiên cứu về tay máy hay chung hơn là ngành robotics ở Việt Nam vẫn còn hạn chế so với các nước bạn

Chính vì vậy, đề tài luận văn mong muốn thực hiện nghiên cứu, thiết kế, cân bằng và điều khiển tay máy 4 bậc tự do, đưa ra một mô hình tổng quát và tham số hóa, có khả năng ứng dụng làm nền tảng cho các nghiên cứu về sau

1.2 Đặt vấn đề:

Xuất phát từ thực tế hiện nay ngày càng nhiều doanh nghiệp Việt Nam mong muốn úng dụng tay máy trong xếp dỡ hàng hóa và nhiều ứng dụng khác như hàn, đóng gói, lắp ghép, sơn, … Đề tài tiến hành nghiên cứu một mô hình động lực học tay máy 4 bậc tự do sẽ được nghiên cứu, thiết kế, cân bằng và điều khiển

Ngoài ra, đề tài còn ứng dụng kiểu thiết kế tham số hóa đế linh hoạt thay đổi thiết kế, đánh giá nhanh tính khả thi của yêu cầu khách hàng cũng như nhanh chóng phát họa ra thiết kế cơ bản của tay máy phù hợp yêu cầu

1.3 Mục tiêu luận văn:

Cùng với những lý do và vấn đề được đặt ra, mục tiêu của luận văn được xác định

1.5 Những kết quả nghiên cứu ban đầu:

Luận văn bước đầu có những kết quả và được trình bày trong hội nghị quốc tế “The 7th International Conference on Advanced Engineering – Theory and Applications – AETA 2022”

- Xuan Quang Ngo, Thai Nguyen Chau, Cong Thang Doan, Van Tu Duong, Duy Vo Hoang and Nguyen Tan Tien, “Design of Mobile Manipulator for Fire Extinguisher

Testing Part I: Key Specifications and Conceptual Design”, The 7th International Conference on Advanced Engineering (AETA2022), 2022

- Thai Nguyen Chau, Xuan Quang Ngo, Van Tu Duong, Trong Trung Nguyen, Huy Hung Nguyen and Nguyen Tan Tien, “Design of Mobile Manipulator for Fire

Extinguisher Testing Part II: Design and Simulation”, The 7th International Conference on Advanced Engineering (AETA2022), 2022.

Chương 2 TỔNG QUAN

Chương 2 TỔNG QUAN

2.1 Các dạng tay máy công nghiệp:

Các dạng tay máy công nghiệp phổ biến hiện nay bao gồm: cấu hình liên tục (serial), cấu hình song song (parallel), cấu hình SCARA, cấu hình hình bình hành (parallelogram), … với những ưu nhược điểm khác nhau

2.1.1 Tay máy với cấu hình liên tục:

Đây là cấu hình robot được sử dụng phổ biến, với cơ cấu nối tiếp, đặt động cơ trên mỗi khớp để điều khiển trực tiếp các khâu, số bậc tự do tùy biến từ 4 đến 6 hoặc hơn

Ưu điểm của cấu hình là khả năng thực hiện nhiều tác vụ như hàn, cắt, sơn, và khả năng làm việc linh hoạt Tuy nhiên, do thiết kế nên cấu hình không tối ưu về khía cạnh động lực học, tải làm việc ở mức vừa và nhỏ

Các tay máy điển hình của cấu hình liên tục:

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý tay máy cấu hình liên tục

Chương 2 TỔNG QUAN

a Tay máy Mitsubishi RV-20FR

Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật tay máy Mitsubishi RV-20FR

b Tay máy Fanuc M-20iB/25

Bảng 2.2 Đặc tính kỹ thuật tay máy Fanuc M-20iB/25 Bậc tự do Tải làm

việc Tầm với

Độ chính

xác lặp lại Khối lượng

Hệ dẫn động

Vận tốc mỗi khớp Khớp 1:

110𝑜/𝑠

Khớp 2: 110𝑜/𝑠

Khớp 3: 110𝑜/𝑠

Khớp 4: 124𝑜/𝑠

Khớp 5: 125𝑜/𝑠

Khớp 6: 360𝑜/𝑠

Vận tốc mỗi khớp Khớp 1:

205𝑜/𝑠

Khớp 2: 205𝑜/𝑠

Khớp 3: 260𝑜/𝑠

Khớp 4: 415𝑜/𝑠

Khớp 5: 415𝑜/𝑠

Khớp 6: 880𝑜/𝑠 Hình 2.2 Tay máy Mitsubishi RV-20FR [2]

Chương 2 TỔNG QUAN

2.1.2 Tay máy với cấu hình song song:

Robot song song bao gồm một bệ di động được gắn vào một đế cố định nhờ tập hợp các chuỗi động học giống hệt nhau, thường được gọi là các chân [4] Ưu điểm của tay máy cấu hình song song là tốc độ làm việc cao với độ chính xác và lặp lại cao, đặc tính động lực học tốt hơn Tuy nhiên, có hạn chế lớn về vùng làm việc và tải làm việc, phù hợp với các tác vụ gắp thả sản phẩm nhỏ, đơn giản hay tác tác vụ lắp ghép cần độ chính xác cao, một số ví dụ về tay máy với cấu hình song song được trình bày bên dưới:

Hình 2.3 Tay máy Fanuc M-20iB/25

Chương 2 TỔNG QUAN

a Tay máy ABB IRB360-1/1130 FlexPicker

Bảng 2.3 Đặc tính kỹ thuật tay máy ABB IRB360-1/1130 FlexPicker

b Tay máy Fanuc M-2iA/3A

Tải làm việc Đường kính Độ chính

xác lặp lại Khối lượng Hệ dẫn động

Hình 2.5 Tay máy cấu hình song song ABB FlexPicker [5]

Hình 2.6 Tay máy cấu hình song song Fanuc M-2iA/3A [6]

Chương 2 TỔNG QUAN

Bảng 2.4 Đặc tính kỹ thuật tay máy Fanuc M-2iA/3A

2.1.3 Tay máy cấu hình SCARA:

Cơ cấu sử dụng hệ tọa độ trụ thường để bốc dỡ, xếp các hàng hóa có khối lượng nhẹ, tầm với nhỏ nhưng khả năng di chuyển linh hoạt, nhanh hơn và chính xác hơn cơ cấu tay máy cấu hình nối tiếp Các mẫu robot điển hình cho cơ cấu cấu hình SCARA:

a Tay máy Mitsubishi RH-3FHR3515:

Tải làm việc Đường kính Độ chính

xác lặp lại Khối lượng Hệ dẫn động

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý tay máy cấu hình SCARA

Hình 2.8 Tay máy cấu hình SCARA RH-3FHR3515 [7]

Chương 2 TỔNG QUAN

Bảng 2.5 Đặc tính kỹ thuật tay máy RH-3FHR3515

b Tay máy ABB IRB 910SC:

Bảng 2.6 Đặc tính kỹ thuật tay máy ABB IRB 910SC

2.1.4 Tay máy cấu hình hình bình hành:

Tay máy cấu hình hình bình hành là cơ cấu thiết kế đặt động cơ điều khiển các khớp ở vị trí gần hay trên khâu đế của tay máy, sử dụng cơ cấu bốn khâu bản lề tạo thành hình

Vận tốc mỗi khớp

Khớp 1: 415𝑜/𝑠 Khớp 2: 659𝑜/𝑠 Khớp 3: 1000𝑚𝑚/𝑠 Khớp 4: 2400𝑜/𝑠 Hình 2.9 Tay máy cấu hình SCARA ABB IRB 910SC [8]

Chương 2 TỔNG QUAN

tiếp trên các khâu, giảm moment quán tính khi tay máy làm việc, đặc biệt ở các cấu hình vươn xa, tăng tính động lực học cho tay máy Đặc trưng của cơ cấu giúp tay máy nếu cần thiết có thể cân bằng các khâu một cách độc lập, thuận tiện cho việc chế tạo và ứng dụng cân bằng cho tay máy Do đó, tay máy có khả năng làm việc với tải từ lớn đến rất lớn, ứng dụng trong các ngành công nghiệp vừa và nặng, các ứng dụng bốc dỡ hàng hóa khối lượng lớn, …

Tay máy sử dụng cấu hình hình bình hành thường có 4 bậc tự do Khâu số 1 quay quanh trục thẳng đứng, khâu 2 và 3 cung cấp chuyển động tịnh tiến và khâu cuối cùng dùng để xoay đầu công tác

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý cấu hình tay máy hình bình hành

Chương 2 TỔNG QUAN

b Tay máy Fanuc M-410iC/185

Bảng 2.8 Đặc tính kỹ thuật tay máy Fanuc M410iC/185:

Đối với các tay máy xếp dỡ hàng hóa, cấu hình điển hình được sử dụng là cấu hình tay máy hình bình hành

Bậc tự do Tải làm việc Tầm với Độ chính xác

lặp lại Khối lượng Hệ dẫn động

Vận tốc mỗi khớp

Khớp 1: 140𝑜/𝑠 Khớp 2: 140𝑜/𝑠 Khớp 3: 140𝑜/𝑠 Khớp 4: 305𝑜/𝑠 Hình 2.12 Tay máy cấu hình hình bình hành Fanuc M410iC/185 [10]

Chương 2 TỔNG QUAN

2.2 Vấn đề cân bằng cho tay máy:

Đối với hệ tay máy, vấn đề cân bằng cũng tương tự như các cơ cấu cơ khí khác, đó là mong muốn loại bỏ hoặc giảm tác động của lực quán tính trong quá trình làm việc, bởi một hệ thống khi chịu tác dụng của lực lắc ngang hoặc moment lắc ngang sẽ gây ra một dao động đáng kể tác dụng lên đế Trước tiên ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống, sau có khả năng gây hư hỏng, nguy hiểm đến hệ thống và môi trường xung quanh Khi nhắc đến cân bằng hệ tay máy, người ta thường đề cập đến cân bằng lực lắc ngang, cân bằng moment lắc ngang [11] Ngoài ra, hiện nay rất nhiều các hệ thống robotics đang hoạt động ở vận tốc thấp để thực hiện nhiều tác vụ khác nhau Trong trường hợp này, moment quán tính gây ra bởi khối lượng của các khâu lớn hơn nhiều so với moment do lực quán tính gây ra Do vậy, cân bằng trọng lực vẫn rất hữu ích đối với các hệ thống robotic hoạt động ở vận tốc thấp và sự phát triển các nghiên cứu về cân bằng lực trọng trường đến nay vẫn còn phát triển

2.2.1 Cân bằng lực lắc ngang cho tay máy:

Cân bằng lực lắc ngang (Shaking Force Balancing of Manipulators) cho tay máy được định nghĩa là khi vị trí khối tâm của tay máy được giữ cố định hoặc không thay đổi trong suốt quá trình hoạt động của tay máy dù có sự tác động của cả lực trọng trường và lực quán tính Hiện nay có nhiều phương pháp được sử dụng để cân bằng lực lắc ngang cho tay máy:

- Sử dụng đối trọng giữ cho vị trí khối tâm của các khâu di chuyển không đổi: các đối trọng sẽ được thêm vào cuối khâu sao cho vị trí khối tâm của khâu, gắn lên khớp phía trước không đổi Khoảng cách từ đối trọng đến khớp xoay cần xét sẽ thay đổi ứng với lực quán tính sinh ra trong quá trình làm việc

- Sử dụng các cơ cấu phụ trợ: người ta thường sử dụng cơ cấu hình bình hành làm cơ cấu phụ trợ để tạo cân bằng cho tay máy

Chương 2 TỔNG QUAN

- Điều chỉnh các tham số động học: trong nghiên cứu của Ouyang và Zhang năm 2005, khối lượng các khâu không đổi, trong khi đó chiều dài các khâu và vị trí trọng tâm được tính lại đảm bảo cân bằng lực lắc ngang

- Giảm thiểu lực lắc ngang bằng cách điều khiển gia tốc khối tâm: mục đích của phương pháp là với quỹ đạo tay máy phải đi, làm sao giảm thiểu các bước khiến cho khối tâm của tay máy dao động nhiều, qua đó giảm thiểu lực lắc ngang

2.2.2 Cân bằng moment lắc ngang:

Các phương pháp hiện nay được sử dụng để cân bằng moment lắc ngang (Shaking moment balancing of manipulator) cho tay máy:

- Sử dụng cơ cấu quay ngược: Cơ cấu bao gồm đối trọng, bộ truyền bánh răng được phát triển lần đầu bổi Berestov năm 1975 Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thấp nhưng lại tăng khối lượng tổng thể và có rơ do dùng bộ truyền bánh răng

- Sử dụng module động lực học bốn khâu cân bằng: Trình bày lần đầu bởi Ricard và Gosselin năm 2000 và sau đó tiếp tục phát triển Toàn bộ lực lắc ngang và moment lắc ngang được cân bằng mà không cần sử dụng thêm cơ cấu quay ngược Phù hợp với các robot humanoid

- Tối ưu hóa quỹ đạo cho tay máy: quỹ đạo của tay máy sẽ được tính toán sao cho đảm bảo cân bằng moment lắc ngang cho tay máy Công trình được trình bày lần đầu bởi Papadopoulos và Abu-Abed năm 1994, đến năm 2006, He và Lu cũng trình bày một nghiên cứu tương tự

2.2.3 Cân bằng trọng lực tay máy:

Hiện nay, cân bằng trọng lực cho tay máy được chia thành 3 nhóm: cân bằng trọng lực sử dụng đối trọng, cân bằng trọng lực sử dụng lò xo và cân bằng trọng lực sử dụng xy lanh thủy lực, thiết bị điện từ

- Sử dụng đối trọng: Là hướng tiếp cận cổ điển trong việc cân bằng trọng lực cho tay máy để giữ cho tọa độ khối tâm tay máy cố định trong quá trình làm việc Ưu điểm dễ chế tạo, ứng dụng đơn giản Nhược điểm làm tăng khối lượng tổng quát của tay máy

Chương 2 TỔNG QUAN

Đối trọng có thể được gắn trực tiếp lên khâu cần cân bằng hoặc thông qua các cơ cấu phụ trợ như bốn khâu bản lề

Hình 2.13 Đối trọng là động cơ, gắn trực tiếp lên khâu

Hình 2.14 Đối trọng là tải ngoài, gắn lên cơ cấu phụ

Chương 2 TỔNG QUAN

- Sử dụng lò xo, các phần tử đàn hồi: Lò xo sẽ cân bằng trọng lực tay máy theo hướng làm cho thế năng tại khâu cần cân bằng không thay đổi Để đạt được trạng thái cân bằng hoàn toàn, cần sử dụng lò xo zero-free-length, nghĩa là lò xo có độ dài ban đầu bằng 0 Lò xo có thể được gắn trực tiếp lên khâu cần cân bằng hoặc thông qua các cơ cấu khác như cáp – pulley, cơ cấu cam, … Ưu điểm trong việc sử dụng lò xo là đơn giản, không tăng khối lượng tổng của tay máy Tuy nhiên, vùng tuyến tính của lò xo nhỏ, cần phải xét đến khi sử dụng

- Sử dụng xy lanh thủy lực, khí nén: Có thể được nối trực tiếp hoặc gián tiếp lên khâu cần cân bằng Năm 2009, Lauzier trình bày phương pháp sử dụng đối trọng nối với tay máy qua bộ truyền thủy lực Hay các xy lanh khí nén cũng được sử dụng trong các tay máy công nghiệp tương tự như lò xo

Nhận xét: Đối với các tay máy nhiều bậc tự do, có nhiều hơn một khâu cần đến các cơ cấu cân bằng để hoạt động với tốc độ cao hơn, giảm công suất cần thiết của động cơ, … Trong khi đó, việc thiết kế một cơ cấu cơ bằng có thể cân bằng nhiều khâu là một vấn

Hình 2.15 Cân bằng sử dụng lò xo, gắn trực tiếp lên khâu

Chương 2 TỔNG QUAN

đề tương đối phức tạp và khó khăn, bởi góc quay của mỗi khớp là khác nhau ở mỗi cấu hình tay máy khác nhau Do đó, đối với các tay máy có tải trọng làm việc vừa và nhỏ, nhà sản xuất sẽ chủ động bỏ qua các cơ cấu cân bằng, chấp nhận sử dụng các loại động cơ có công suất lớn hơn mà vẫn đáp ứng nhu cầu

Còn đối với các tay máy có tải làm việc lớn và rất lớn, moment xoắn cần thiết luôn ở ngưỡng rất lớn, do đó việc chọn một động cơ có công suất đủ lớn cũng thật sự là một vấn đề Nhà sản xuất thường nghĩ đến các phương pháp cân bằng và cho từng khâu riêng biệt

Ví dụ trong hình 2.16, tay máy Kuka KR270 sử dụng đối trọng để cân bằng khâu 3 và hệ lò xo để cân bằng khâu 2 Tay máy Kuka KR270 sử dụng cấu hình liên tục, còn đối với cấu hình hình bình hành tay máy ABB IRB 760, trình bày trong hình 1.10 Đối trọng được sử dụng để cân bằng ảnh hưởng của trọng lực trong khâu 3, trong khi lò xo được sử dụng để cân bằng trọng lực khâu 2 Tương tự, đối với tay máy Yaskawa MPL500ii, đối trọng được sử dụng cân bằng trọng lực khâu 3, còn khâu 2 sử dụng cơ cấu cân bằng lò xo, chi tiết trong hình bên dưới

Hình 2.16 Tay máy sử dụng 2 cơ cấu cân bằng trọng lực: đối trọng và lò xo

Chương 2 TỔNG QUAN

2.2.4 Cơ cấu cân bằng trong các tay máy công nghiệp:

Tiến hành tìm hiểu một số tay máy công nghiệp, cấu hình tay máy hình bình hành, tải làm việc vừa và lớn như Fanuc M410iC-500, Yaskawa MPL500ii, ABB IRB760, … xác định được các cơ cấu cân bằng được sử dụng như Bảng 2.2

Bảng 2.9 Các cơ cấu cân bằng sử dụng trong các tay máy công nghiệp Cơ cấu

cân bằng

Fanuc M410iC/500

Yaskawa MPL500ii

ABB IRB 760

Hình 2.17 Tay máy MPL500ii và sơ đồ nguyên lý

Chương 2 TỔNG QUAN

Trong tài liệu [12] về cân bằng khối tâm cho tay máy, nhóm tác giả cũng đề cập hướng chính trong việc cân bằng trọng lực trong các tay máy công nghiệp, tăng độ chính xác đầu công tác của cấu hình tay máy hình bình hành:

- Sử dụng đối trọng để cân bằng khâu thứ 3 và cân bằng khâu số 2 nếu có thể

- Sử dụng cấu hình tay máy hình bình hành nhằm giảm việc tải di chuyển bằng cách đặt các động cơ tại khâu đế, hoặc càng gần khâu đế càng tốt Đối với cụ thể tay máy đang được nghiên cứu, 2 động cơ điều khiển khâu số 2 và khâu số 3, được đặt đối xứng gần đế tay máy, đảm bảo vị trí khối tâm của tay máy nằm trên trục thẳng đứng, qua đó hạn chế sự sinh ra lực lắc ngang, tạo dao động cho tay máy trong quá trình làm việc

Đối với các tay máy có tốc độ làm việc thấp, việc cân bằng trọng lực càng có ý nghĩa hơn vì moment xoắn cần thiết để cơ cấu hoạt động phần nhiều dùng để bù cho moment của trọng lực [12] do có ít sự tác động của lực quán tính và moment quán tính

Cụ thể, các tay máy ABB IRB 760 và Yaskawa MPL500ii cùng với sơ đồ nguyên lý của nó đã được trình bày lần lượt ở các hình 2.16 và 2.17 Tay máy Fanuc M410ic – 500 cùng sơ đồ nguyên lý kèm theo cơ cấu cân bằng cũng sẽ được trình bày bên dưới:

Chương 2 TỔNG QUAN

2.3 Tổng quan về bộ điều khiển tay máy:

Hiện nay, trong các ứng dụng tay máy, bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi là bộ điều khiển PID và các tổ hợp của nó Tuy nhiên, bộ điều khiển PID có nhược điểm đáp ứng không tốt khi tải thay đổi

2.3.1 Phương pháp điều khiển tuyến tính hóa (Linear Control Technique):

Tuyến tính hóa phương trình chuyển động của tay máy xung quanh điểm làm việc là một kỹ thuật điều khiển truyền thống Phương pháp làm việc tốt và ổn định lân cận điểm làm việc, bao gồm 3 khâu và các biến thể của các khâu: P (propotional – khâu tỷ lệ), I (Intergal – khâu tích phân), D (Derivative – khâu đạo hàm).Tuy nhiên, phương pháp tuyến tính hóa ổn định cục bộ, địa phương, vùng ổn định của hệ thống tương đối nhỏ và khó xác định khi áp dụng phương pháp tuyến tính hóa hệ thống cho điều khiển tay máy 2.3.2 Phương pháp điều khiển ổn định (Robust Force Control):

Robust Force Control [13] thuộc phương pháp điều khiển nâng cao (Advanced Force Control), có mục tiêu đạt được trạng thái động lực học của robot, đồng thời duy trì sự ổn định của hệ thống dù có sự xuất hiện của các phần tử không xác định (uncertainties hay modelling error) hoặc nhiễu

Đầu vào của Robust Force Control bao gồm 2 pha: pha điều khiển ổn định (robust control law) và pha điều khiển hồi tiếp (feedback control law) Đối với điều khiển hồi tiếp, thường sử dụng PI, PD và PID Vấn đề nằm ở việc thiết kế một luật điều khiển ổn định đủ tốt, từ đó ý tưởng thiết kế bộ điều khiển sử dụng Sliding Mode ra đời Điểm mạnh của bộ điều khiển trượt bao gồm: độ ổn định, thời gian hội tụ xác định và giảm bậc của bài toán động lực học

Với thông tin về sai số từ khâu điều khiển hồi tiếp, khâu điều khiển ổn định thường được thiết kế sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov để đạt được yêu cầu động lực học của robot, đồng thời duy trì sự ổn định mặc dù có sự có mặt của các yếu tố sai số mô hình hóa hay nhiễu

Chương 2 TỔNG QUAN

2.4 Ứng dụng của tay máy xếp dỡ hàng hóa

Hiện nay, tay máy hay robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong các hoạt động sản xuất công nghiệp Lấy ví dụ trong quy trình sản xuất đóng gói phân bón, các gói sản phẩm sau khi đóng gói sẽ di chuyển đến cuối băng tải, lúc này tay máy đóng vai trò sắp xếp các tấm pallet trước khi tiến hành lưu kho hoặc vận chuyển

Ngoài ra, hiện nay nhờ những tiện ích và sự vượt trội của tay máy so với con người ở khả năng làm những việc nặng và nguy hiểm, tay máy còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mới, chẳng hạn như phòng cháy chữa cháy Các nghiên cứu về ứng dụng tay máy trong phòng tránh hỏa hoạn và kiểm định các tiêu chuẩn phòng cháy bước đầu được nghiên cứu Chee Fai Tan và cộng sự đã thiết kế một thiết bị chữa cháy bao gồm hệ thống di chuyển bằng đai cao su (rubber track), hệ thống vòi phun công suất lớn, camera và cảm biến nhiệt để chữa cháy và quan sát hiện trường cháy [15] Poonam cùng các nhà nghiên cứu khác thực hiện thiết kế hệ thống quan sát thông minh trong các tòa nhà để nhận dạng đám cháy, cảnh báo người dân và chuyển các bình chữa cháy đến khu vực hỏa hoạn [16]

Hình 2.19 Ứng dụng gắp thả sản phẩm vào pallet của tay máy [14]

Chương 2 TỔNG QUAN

2.5 Tìm hiểu tham số hóa thông số tay máy:

Luận văn hướng đến mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và cân bằng tay máy xếp dỡ hàng hóa có thể thực hiện được nhiều tác vụ, do đó tham số hóa các thông số của tay máy dưới dạng các khối lượng đơn vị, chiều dài đơn vị, … là cần thiết Khi đó, ứng với từng ứng dụng cụ thể, lần lượt các biến dạng tham số sẽ được chọn phù hợp Hướng tham số hóa sẽ tiết kiệm đáng kể thời gian nghiên cứu, thiết kế mà vẫn đảm bảo các đặc tính kỹ thuật của tay máy

Hiện nay, theo tìm hiểu thuộc phạm vi giới hạn luận văn, đề tài chưa tìm thấy các nghiên cứu có dạng tham số hóa các biến của tay máy xếp dỡ hàng hóa qua đó đáp ứng đa dạng các tải làm việc

Kết luận: Thông qua chương 2, luận văn đã trình bày tổng quan các dạng tay máy công

nghiệp, vấn đề cân bằng cho tay máy cũng như bộ điều khiển tay máy Ngoài ra, các ứng dụng tay máy và khái niệm tham số hóa thông số tay máy cũng được trình bày làm tiền đề tiến vào Chương 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Hình 2.20 Ứng dụng kiểm định bình chữa cháy [17]

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

3.1 Lựa chọn cấu hình tay máy:

Đối với đầu bài đặt ra ở phần tổng quan về số bậc tự do là 4 Trong đó, chọn khâu số 1 có khớp quay quanh trục thẳng đứng, mở rộng vùng làm việc của tay máy trong không gian (spatial) Khâu số 2 và 3 hợp cùng nhau tạo ra chuyển động của tay máy trong mặt phẳng đầu chứa đầu công tác Khâu số 4 sẽ linh động quay quanh trục thẳng đứng (góc yaw) hoặc quay vuông góc với mặt phẳng tạo thành của khâu 2 và 3 (góc pitch)

Qua quá trình phân tích và yêu cầu tính toán dạng tham số hóa chiều dài các khâu ứng với tải thay đổi, đề tài lựa chọn cấu hình tay máy hình bình hành bởi những ưu điểm sau: - 4 bậc tự do đáp ứng đủ các tác vụ xếp dỡ hàng hóa

- Độ cứng vững cao, tải làm việc có thể đáp ứng ở mức lớn đến rất lớn [18]

- Vùng làm việc cho độ chính xác cao nhất nằm giữa vùng làm việc thay vì nằm tại biên như cấu hình nối tiếp [18]

- Tách rời cân bằng trọng lực cho lần lượt các khâu nhờ đặc trưng cơ cấu [12]

Bảng 3.1 Mô tả cấu hình cơ bản tay máy

Loại khớp Khớp xoay Khớp xoay Khớp xoay Khớp xoay Cấu hình truyền Nối tiếp Hình bình hành Hình bình hành Nối tiếp

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

3.2 Lựa chọn cơ cấu cân bằng cho tay máy

Vấn đề cân bằng tay máy bao gồm cân bằng lực lắc ngang, cân bằng moment lắc ngang và cân bằng trọng lực Nội dung đề tài nghiên cứu thiết kế tay máy có tốc độ làm việc thấp và vừa, do đó chỉ tiến hành cân bằng trọng lực cho tay máy

Cấu hình tay máy trong đề tài có khâu số 1 và khâu số 4 là khâu xoay, nên chuyển động sinh ra không ảnh hưởng đến cân bằng khối tâm của tay máy Do đó, quá trình cân bằng tay máy phụ thuộc vào việc cân bằng khối tâm của khâu 2 và 3, tạo nên chuyển động của tay máy trong mặt phẳng chứa đầu công tác Khi làm việc không tải, tọa độ khối tâm của khâu thứ 2 và 3 sẽ thay đổi, kéo theo thay đổi tọa độ khối tâm của tay máy Lựa chọn cơ cấu cân bằng: Tay máy cấu hình hình bình hành, 4 bậc tự do ứng dụng xếp dỡ hàng hóa, sử dụng lò xo để cân bằng khâu số 2 và đối trọng để cân bằng khâu số 3 Ưu điểm lớn nhất của cả 2 cơ cấu cân bằng đó chính là việc dễ chế tạo, phục vụ mục đích nghiên cứu, thiết kế

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ bản tay máy 4 bậc tự do

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

3.3 Lựa chọn bộ truyền động

Mục đích của bộ truyền động là chuyển đổi chuyển động xoay thành chuyển động tịnh tiến, truyền lực, giảm vận tốc, … Trong các ứng dụng tay máy công nghiệp, chuyển động đầu ra của động cơ sẽ tiếp tục đi qua các bộ phận truyền động như hộp số giảm tốc, bộ truyền đai răng, hoặc sẽ kết hợp truyền qua cả hộp số giảm tốc và bộ truyền đai răng Do tay máy yêu cầu độ chính xác đầu cuối cao, nên trong hầu hết các tay máy công nghiệp, các loại hộp số giảm tốc được sử dụng là hộp số bánh răng hành tinh (planetary gearbox), hộp số harmonic Những loại hộp số này có ưu điểm là không bị rơ (zero backlash), tỷ số truyền lớn (có thể lên đến 1:150 tùy mã) và nhỏ gọn, phù hợp với không gian bị giới hạn trong các tay máy công nghiệp

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cấu hình tay máy hình bình hành cùng cơ cấu cân bằng

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Lấy ví dụ, trong tay máy Mitsubishi RV-4FR có tải làm việc 4kg, tại khớp số 1, chuyển động xoay đầu ra của động cơ < 1 > tiếp tục đi qua bộ truyền đai < 2 > và hộp số giảm tốc < 3 > để tạo nên chuyển động quay với đủ moment xoắn làm quay khớp số 1 Tại khớp số 2, chuyển động đầu ra của động cơ < 4 > sẽ đi qua hộp số giảm tốc < 5 > và làm quay khâu Chi tiết được mô tả trong hình 3.3

Hình 3.3 Cấu trúc bên trong tay máy Mitsubishi RV-4FR [19]

Hình 3.4 Cấu trúc bên trong tay máy Mitsubishi RV-100TFH [20]

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Ở một ví dụ khác, trong tay máy có tải 100kg, cấu hình tay máy hình bình hành, mã Mitsubishi RV-100TFH Tại khớp số 1, chuyển động đầu ra của động cơ sẽ đi qua hộp số giảm tốc và làm quay khâu số 1 Chi tiết được mô tả trong hình 3.4

Có thể nhận xét rằng, thành phần truyền động chính và được sử dụng trong hầu hết các tay máy công nghiệp là hộp số giảm tốc, giúp tăng moment, giảm tốc nhằm giảm công suất cần thiết của động cơ, qua đó giảm kích thước tổng thể Bộ truyền đai cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng tay máy, đặc biệt trong các tay máy có tải làm việc nhỏ và trung bình, ví dụ trong các tay máy cấu hình SCARA

Tiến hành so sánh cơ cấu truyền động bằng bánh răng và truyền bằng đai răng, được mô tả chi tiết trong bảng 3.2

Bảng 3.2 So sánh cơ cấu truyền động bằng bánh răng và truyền bằng đai răng

- Dùng khi khoảng cách cần truyền động ngắn

- Dùng trong các ứng dụng cần truyền công suất lớn

- Dùng trong các ứng dụng có không gian truyền động giới hạn

- Cần bôi trơn thường xuyên - Có tiếng ồn khi vận hành - Hiệu suất truyền cao hơn

- Dùng khi khoảng cách cần truyền động vừa và lớn

- Dùng trong các ứng dụng cần công suất truyền nhỏ hoặc vừa

- Không cần dùng dung dịch bôi trơn - Gây ít tiếng ồn khi vận hành

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

3.4 Lựa chọn động cơ cho tay máy:

Trong môi trường công nghiệp, yếu tố ổn định, chính xác luôn được đặt lên hàng đầu Vì vậy, động cơ AC Servo luôn được sử dụng trong các ứng dụng robot Tiêu biểu như trong 4 palletizing robot bao gồm: Fanuc M410ic - 500, Yaskawa MPL500ii, ABB IRB 760 và Kawasaki CP500 đều sử dụng động cơ AC Servo

Còn xét trong ứng dụng tay máy, các loại động cơ khả dĩ có thể sử dụng là động cơ Servo và động cơ bước

Bảng 3.3 So sánh động cơ Servo và động cơ bước:

- Điều khiển rất chính xác - Cho phép lập trình - Tiết kiệm năng lượng - Giá thành cao

- Điều khiển vị trí tương đối chính xác, nhưng kém hơn động cơ Servo

- Giá thành rẻ

Lựa chọn động cơ: Đề tài sử dụng động cơ AC Servo cho ứng dụng tay máy, bởi tính phổ biến, tiết kiệm năng lượng và điều khiển chính xác Tuy nhiên, nếu xét riêng cho từng ứng dụng cụ thể và với cấp chính xác khác nhau, có thể sử dụng các loại động cơ khác nhau

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

3.5 Lựa chọn bộ điều khiển

Với yêu cầu thiết kế bộ điều khiển đáp ứng ổn định, chính xác trong quá trình làm việc bất kể có sự xuất hiện của của nhiễu bên ngoài hoặc sai số mô hình hóa hệ thống, đề tài sử dụng bộ điều khiển trượt Sliding Mode

Bộ điều khiển bao gồm 2 khâu: khâu điều khiển hồi tiếp và khâu điều khiển ổn định Ở khâu điều khiển hồi tiếp, một luật điều khiển 𝑢 được thiết lập sao cho tín hiệu ra (real trajectory) bám theo tín hiệu đặt (reference trajectory) Khâu điều khiển ổn định thiết kế sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov Sau cùng, qua 2 khâu điều khiển, hệ thống đảm bảo đạt được trạng thái động lực học của tay máy và duy trì tính ổn định của đáp ứng đầu ra, bất chấp sự có mặt của sai số mô hình hóa hoặc nhiễu

Kết luận: Thông qua chương 3, luận văn đã tiến hành chọn được cấu hình tay máy sử

dụng để thiết kế, bên cạnh đó là cấu hình cân bằng, bộ truyền động, động cơ và bộ điều khiển cho tay máy Những thông tin này sẽ được sử dụng để thiết hành mô hình hóa và thiết kế tay máy, được trình bày cụ thể trong Chương 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ HÌNH HÓA Hình 3.5 Cấu trúc bộ điều khiển Robust Force control, gồm Sliding mode [13]