Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu, điều khiển Robot Scara nâng cao độ chính xác cấp phôi cho máy in lụa

TÓM TẮT Mục tiêu của Luận văn là tiến hành phân tích động học ngược, động lực học của Robot SCARA, từ đó xây dựng giải thuật điều khiển quá trình xử lý sai số vị trí của phôi mũ giày để

TỔNG QUAN

Ứng dụng robot SCARA nâng cao độ chính xác cấp phôi cho máy in lụa

Robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) được phát minh vào năm 1981 bởi hãng NEC (Nhật Bản), là một robot có 4 bậc tự do được cấu thành bởi 3 khớp quay và một khớp tịnh tiến Hai trong số các khâu của Robot SCARA có cấu tạo gần giống cánh tay con người, do đó có thể hoạt động linh hoạt và có vùng làm việc rộng

Hình 1.5 Mô hình robot SCARA

Robot SCARA được ứng dụng nhiều trong công nghiệp và sản xuất như nạp nhiên liệu, cung cấp phôi và lấy thành phẩm từ một hệ thống, gia công chi tiết, thực hiện việc lắp ráp các chi tiết, ứng dụng trong lĩnh vực y tế Tùy vào từng hệ thống khác nhau mà Robot SCARA có thể thay đổi cấu tạo tại các khớp, khớp tịnh tiến có thể dùng động cơ hoặc khí nén

Hình 1.6 Robot SCARA đang thực hiện lấy sản phẩm trên băng tải

Hình 1.7 Robot SCARA dùng trong lĩnh vực y tế

Với nhiều ưu điểm trong khi hoạt động nên Robot SCARA có thể ứng dụng rất tốt trong việc nâng cao độ chính xác khi cấp phôi cho các máy in lụa 6 trạm

Dùng Robot SCARA điều chỉnh vị trí mũ giày ngay trong quá trình di chuyển mũ giày từ khay chứa sang băng tải của máy in

- Bước 1: Dùng cơ cấu cấp mũ giày (trong khay chứa) cho bàn trung gian (cố định)

- Bước 2: Dùng 1 camera (treo phía trên bàn trung gian) để chụp ảnh mũ giày

Sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh xác định biên của mũ giày và xác định tọa độ các điểm chuẩn trên mũ giày

- Bước 3: Tính sai số theo hai phương X, Y và sai số góc xoay 𝜃 của mũ giày từ việc so sánh tọa độ đo được với tọa độ chuẩn (đã được lưu trong máy tính)

- Bước 4: Dùng Robot SCARA để di chuyển mũ giày từ bàn trung gian sang băng tải của máy in lụa Các sai số vị trí của mũ giày sẽ được khử trong quá trình Robot di chuyển mũ giày bằng cách điều khiển các khâu, khớp của Robot

Hình 1.8 Quá trình cấp phôi (mũ giày) lên băng tải của máy in lụa dùng Robot

Tính cấp thiết của đề tài

Công đoạn cấp phôi (mũ giày) chính xác cho máy in lụa tự động để in các vạch nhấn, họa tiết trang trí trên mũ giày đang tồn tại các vấn đề sau:

- Tốn nhiều nhân công và thời gian trong việc định vị mũ giày lên băng tải của máy in lụa do thực hiện bằng tay và dựa vào kinh nghiệm của công nhân Điều này làm giảm năng suất và tăng giá thành của sản phẩm

- Có sai lệch vị trí của các vạch nhấn trên mũ giày sau khi in (sai lệch hiện tại ±

1 mm) nên ảnh hưởng lớn đến công đoạn may đường viền (trang trí) lên các vạch này trên mũ giày ở công đoạn tiếp theo, vì vậy có nhiều phế phẩm

- Qua khảo sát thực tế, các Công ty và Doanh nghiệp sản xuất giày đang rất cần giải quyết vấn đề cấp phôi chính xác cho máy in lụa để giảm sai số vị trí của các vạch nhấn trên mũ giày Tuy nhiên, cho đến nay, ngoài hướng giải quyết thủ công bằng tay thì chưa có biện pháp khả thi nào được đưa ra

HV: BÙI ANH TUẤN 20 Vì vậy, việc nghiên cứu một hệ thống cấp phôi tự động cho các máy in lụa là điều cần thiết Một trong những hướng nghiên cứu về hệ thống cấp phôi tự động và nâng cao độ chính xác của quá trình cấp phôi cho máy in lụa là việc ứng dụng robot SCARA để cấp phôi chính xác cho máy in lụa tự động nhiều trạm.

Mục tiêu của luận văn

Nghiên cứu, tính toán, điều khiển hệ thống cấp phôi (mũ giày) chính xác sử dụng robot SCARA cho máy in lụa nhiều trạm để in các vạch nhấn trên mũ giày đảm bảo sai lệch vị trí của phôi nhỏ hơn ± 0,5 mm.

TÍNH TOÁN SAI SỐ VỊ TRÍ CỦA MŨ GIÀY

Mô tả các hệ tọa độ

Trong hệ thống, ta sử dụng các hệ tọa độ sau: Hệ tọa độ ảnh (I), hệ tọa độ gắn với bàn trung gian (B), hệ tọa độ gắn với băng tải (A), hệ tọa độ Robot (O) của robot SCARA Để đơn giản, giả sử rằng ảnh chụp phủ vừa đủ bàn trung gian Điều này hoàn toàn có thể thực hiện thông qua quá trình điều chỉnh camera

Hình 2.1 Ảnh chụp trên bàn trung gian

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa các hệ tọa độ

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN SAI SỐ VỊ TRÍ CỦA MŨ GIÀY

HV: BÙI ANH TUẤN 22 Giả sử ảnh chụp có kích thước là m x n Vậy m (pixel) là chiều cao ảnh

Chuyển từ không gian ảnh (I) sang không gian bàn trung gian

(2.1) Ở đây kx, ky lần lượt là các hệ số phóng ảnh theo 2 phương Ix, Iy Chuyển từ hệ tọa độ bàn trung gian sang hệ tọa độ Robot

Chuyển từ hệ tọa độ ảnh sang hệ tọa độ Robot

Dễ thấy y3 = m/ky + y2, m là kích thước chiều cao ảnh, (m x n: kích thước ảnh)

Chuyển từ hệ tọa độ băng tải sang hệ tọa độ Robot

PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC NGƯỢC – ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

Thiết lập mô hình động học

Robot được tạo thành bởi nhiều khớp và khâu nối tiếp nhau Mỗi khớp có thể là khớp tịnh tiến hoặc khớp xoay, các khâu với các chiều dài khâu khác nhau, nằm trong các mặt phẳng bất kỳ

Thiết lập các hệ tọa độ cho mỗi khớp, sau đó xác định ma trận chuyển đổi tổng quát từ gốc tọa độ của khớp này sang gốc tọa độ của khớp khác Nếu kết hợp tất cả các ma trận chuyển đổi từ khớp đầu tiên đến khớp cuối cùng, ta được ma trận biến đổi tổng quát [T] của robot từ khớp đầu tiên đến khớp cuối cùng [3]

Hình 3.1 Sơ đồ hệ tọa độ các khâu (hình 3.5, trang 68, tài liệu [1])

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC NGƯỢC – ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SCARA

Trên hình 3.1 bao gồm 3 khớp Mỗi khớp có thể là khớp quay hoặc tịnh tiến Đặt khớp đầu tiên trên hình là khớp thứ i -1, khớp i là khớp thứ 2, khớp i +1 là khớp thứ 3 Có thể có các khớp trước và sau các khớp này Khâu thứ i - 1 là khâu nằm giữa khớp i - 1 và khớp i, khâu thứ i là khâu nằm giữa khớp i và khớp i +1 Đối với mô hình robot, trước tiên ta gán hệ tọa độ địa phương cho từng khớp, do đó mỗi khớp sẽ phải gán thêm trục z và trục x Xác định trục z trước, sau đó xác định trục x Trục y xác định theo quy tắc bàn tay phải

- Đối với khớp quay, ta xác định trục z i theo quy tắc vặn nút chai, đối với khớp tịnh tiến, trục z i trùng với phương tịnh tiến của khớp

- Trục x i được xác định theo phương của đường vuông góc chung của 2 trục z i-1 và z i

* Các tham số động học của ma trận T

Trong ma trận T, cần xác định 4 thông số cơ bản sau đây ([trang 69, tài liệu [1]):

- Góc θ i là góc giữa 2 trục x i-1 và x i khi nhìn từ trục z i

- d i là khoảng cách từ gốc tọa độ của khớp thứ i-1 đến khớp thứ i dọc theo trục z i

- α i là góc giữa 2 trục z i và z i+1 khi nhìn từ trục x i

- a i là khoảng cách từ gốc tọa độ của khớp thứ i đến khớp thứ i+1 dọc theo trục x i

Từ các thông số trên ta có ma trận biến hình tổng quát khi di chuyển gốc tọa độ của khớp đầu tiên đến gốc tọa độ của khớp cuối cùng trong cánh tay robot như sau

1 i i i-1 i i-1 i i-1 i i i-1 i i i i i-1 i i-1 i-1 i-1 i cosθ -sinθ a sinθ cosα cosθ cosα -sinα -d sinα

T A sinθ sinα cosθ sinα cosα co

Ma trận biến hình tổng quát từ gốc tọa độ R tới gốc tọa độ N (công thức 3.48, trang 148, tài liệu [2])

Trong đó: x y z p i p p  j p k = vị trí của gốc tọa độ mới x y z x i x x  jx k = hướng trục x của hệ tọa độ mới x y z y i y y  j y k = hướng trục y của hệ tọa độ mới x y z z i z z  jz k = hướng trục z của hệ tọa độ mới

Phân tích động học thuận robot SCARA

Chọn mô hình robot SCARA và hệ tọa độ như sau

Hình 3.2 Mô hình robot SCARA dùng để phân tích

Từ mô hình và hệ tọa độ trên ta lập được bảng thông số các khâu như sau

Bảng thông số các khâu của robot SCARA

Ma trận biến đổi từ gốc tọa độ thứ 0 tới gốc tọa độ thứ 1:

Ma trận biến đổi từ gốc tọa độ thứ 0 đến gốc tọa độ thứ 4:

0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 cos sin cos sin L L cos sin sin cos sin cos sin cos d d d d

0 cos sin L cos L cos sin cos L sin L sin d d d d

Ma trận 4 0 T thể hiện vị trí của khâu cuối cùng trên Robot so với vị trí của gốc tọa độ thứ 0

Phân tích động học ngược robot SCARA

Mục đích của việc phân tích động học ngược là tìm ra các giá trị biến khớp θ i

(hoặc d i ) tương ứng khi biết được ma trận biến đổi tổng quát hay nói cách khác là tìm góc quay θ i và đoạn dịch chuyển d i khi biết trước tọa độ của điểm cần điều khiển để mũ giày đến đúng vị trí

Từ ma trận tìm được trong bài toán thuận ở trên ta có:

Các biến khớp cần tìm trong bài toán này là θ 1 , θ 2 , θ 3 và d 3

3.3.1 Phân tích ngược vị trí khâu cuối robot SCARA (Analyse inverse position of end effector)

Từ các phương trình (3.9) ở trên, ta cần tìm giá trị của góc quay θ 1 và θ 2 trước

Vậy giá trị của góc θ 2 phụ thuộc vị trí gốc tọa độ mới (gốc tọa độ phôi mũ giày) và chiều dài các khâu 1, 2 Để tìm góc θ 1 ta dùng định lý cosine trong tam giác AOB ở hình 3.3

Hình 3.3 Mô hình mô tả quan hệ giữa các góc trong ΔAOB

(3.15) Để tìm góc 𝜃 3 , ta nhân ma trận biến đổi tổng quát 4 0 𝑇 với các ma trận nghịch đảo A 1  1 ,A 2  1 ,A 3  1 ta được:

HV: BÙI ANH TUẤN với

=>  3  arccos x c( x 12 x s y 12 ) (3.22) Mặt khác, vì d1, d2, d4 là hằng số nên d 3  d 1 d 2  d 4 p z (3.23)

3.3.2 Phân tích ngược vận tốc biến khớp (Analyse inverse velocities)

Khi biết được vận tốc của khâu cuối cùng trên cánh tay robot ta cần tìm mối quan hệ của nó với vận tốc các biến khớp [7]

Giải hệ phương trình trên, ta được

Ma trận Jacobi biểu diễn mỗi quan hệ giữa vận tốc dài và vận tốc góc của các khâu

Giá trị J -1 chỉ tồn tại khi det(J) khác 0

Vậy khi 2 = 0 hoặc  2 180 o thì det(J) = 0, tại đó không tồn tại ma trận J -1

Tại những vị trí này sẽ gây khó khăn cho việc điều khiển robot (các điểm kỳ dị)

Khi điều khiển cần tránh những vị trí này.

ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA CẤP PHÔI CHO MÁY IN

Xây dựng giải thuật điều khiển

Từ quá trình xử lý ảnh mũ giày trong chương 2, làm cơ sở để tính toán các bước cho quá trình xử lý sai số cho robot SCARA Trong robot SCARA khảo sát trong chương 3, có tất cả 4 biến khớp ( 3 khớp xoay và một khớp tịnh tiến) Trong các khớp này, khớp tịnh tiến chỉ đóng vai trò nâng và hạ mũ giày theo một khoảng cách cố định, các khớp xoay còn lại, có 2 khớp xoay đóng vai trò điều khiển chính xác vị trí (phương x, y) và khớp xoay thứ 3 sẽ điều chỉnh góc hướng Chương này tập trung xây dựng giải thuật điều khiển xử lý sai số mũ giày qua việc điều khiển 3 khớp xoay trên

Hình 4.1 Sơ đồ giải thuật điều khiển quá trình xử lý sai số

Tính toán giá trị biến khớp và góc xoay đầu hút mũ giày Điều khiển đưa tâm đầu hút mũ giày về tâm mũ giày trên bàn trung gian Điều khiển đưa tâm đầu hút mũ giày về tâm mũ giày chuẩn trên băng tải Quay đầu hút mũ giày để khử sai số góc hướng

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA CẤP PHÔI CHO MÁY IN LỤA

Hình 4.2 Vị trí đặt mũ giày trong hệ tọa độ robot

Tính toán thông số điều khiển cho robot

Từ các công thức 3.12 và 3.15 đã chứng minh ở chương 3, ta có thông số các góc quay θ 1 , θ 2 tính theo tọa độ tâm mũ giày C (x C , y C )

Mặt khác, từ công thức 2.3 trong chương 2, ta có

Hệ tọa độ Robot Vị trí tức thời của mũ giày cần điều chỉnh

   (4.5) Ở đây k x , k y lần lượt là các hệ số phóng ảnh theo 2 phương (Ix, Iy) Tọa độ ảnh

(Ix, Iy) tính bằng pixel

       (4.6) là sai số gây ra khi xoay các khớp xoay 1, 2, hình 4.3

   (4.7) là sai số góc hướng giữa phôi chuẩn và phôi cấp

Sai số mà khớp xoay 3 cần điều chỉnh

Hình 4.3 Sai số về góc hướng gây ra khi xoay các khớp xoay 1, 2

Vị trí của tâm đầu hút mũ giày (final position) phụ thuộc vào giá trị biến khớp

  Từ quá trình xử lý ảnh đưa vào ta tìm được giá trị cần thiết   1 d , 2 d Ta cần điều khiển 2 giá trị   1 , 2 sao cho tâm đầu hút mũ giày trùng với tâm mũ giày Nhưng trên thực tế, tồn tại sai số giữa giá trị mong muốn và giá trị đưa vào điều khiển

Quá trình điều khiển robot để chỉnh sai lệch mũ giày theo phương x, y bao gồm 3 sai số

- Sai số do quá trình di chuyển đầu hút mũ giày đến vị trí bàn trung gian (e 1 )

- Sai số do quá trình di chuyển đầu hút mũ giày từ vị trí bàn trung gian đến vị trí băng tải máy in (e 2 )

- Sai số do quá trình xử lý ảnh chụp để xác định tâm mũ giày (e3), gây ra do độ ổn định của camera và nhiễu nguồn sáng gây ra cho ảnh

Trong nghiên cứu này, ta chỉ xét đến 2 sai số (e 1 ) và (e 2 ) và giả sử sai số (e 3 =0)

Khi di chuyển đầu hút mũ giày từ vị trí chuẩn trên băng tải sang vị trí bàn trung gian để hút mũ giày, sai số giữa tâm đầu hút mũ giày và tâm mũ giày đặt trên bàn trung gian là (e 1 )

Tọa độ tâm đầu hút mũ giày của robot cần điều khiển tới vị trí tâm mũ giày trên bàn trung gian

Tọa độ tâm đầu hút mũ giày thực tế đạt được

Khi di chuyển đầu hút mũ giày từ vị trí bàn trung gian sau khi đã hút mũ giày về vị trí chuẩn trên băng tải máy in, sai số giữa tâm đầu hút mũ giày và tâm mũ giày chuẩn đặt trên băng tải là (e 2 )

Tọa độ tâm đầu hút mũ giày của robot cần điều khiển về vị trí chuẩn trên băng tải

Tọa độ tâm đầu hút mũ giày thực tế đạt được

Sai số của toàn bộ quá trình điều khiển

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN

Kết quả mô phỏng

Hình 5.1 Vị trí tâm mũ giày trên bàn trung gian và vị trí tâm mũ giày chuẩn trên băng tải Hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống

Thay các điều kiện đầu vào để tìm giá trị cần điều khiển

Các thông số ban đầu được chọn như sau:

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN

- kx = 7.5; ky = 6.5 (hệ số phóng ảnh theo phương x, y)

- Tọa độ chuẩn và góc hướng của tâm mũ giày trên băng tải máy in [ x Cr = 720,7325 mm; y Cr = 572,0748mm; α Cr = 32,9706 (độ)]

- Kp1 = 20; Kd1 = 10; Kp2 = 15; Kd2 = 10 (Các hệ số cho kết quả tốt nhất sau khi đã thử)

- Kích thước các khâu của robot dùng mô phỏng: L1= L2 = 0,5 m; M1 = M2

Bảng kết quả mô phỏng

Phôi đưa lên bàn trung gian Đặc trưng hình học phôi cấp Sai số sau cùng của phôi Tọa độ trọng tâm (mm)

Tọa độ trọng tâm (mm)

Sai so Theta1, Di chuyen den ban trung gian

Sai so Theta2, Di chuyen den ban trung gian

Sai so Theta 1 , Di chuyen den bang tai

Sai so Theta 2 , Di chuyen den bang tai

Thoi gian (giay) Đồ thị sai số góc tại các khớp (phôi số 1)

Hình 5.2 Đồ thị sai số góc các khớp 1, 2 trong quá trình robot di chuyển từ băng tải đến bàn trung gian

Hình 5.3 Đồ thị sai số góc các khớp 1, 2 trong quá trình robot di chuyển từ bàn trung gian đến băng tải

Van toc goc, theta1cham, Di chuyen den ban trung gian

Van toc goc, theta2cham, Di chuyen den ban trung gian

Van toc goc, theta1cham, Di chuyen den bang tai

Van toc goc, theta2cham, Di chuyen den bang tai

Thoi gian (giay) Đồ thị vận tốc và moment xoắn tại các khớp (phôi số 1)

Hình 5.4 Đồ thị vận tốc góc các khớp 1, 2 trong quá trình robot di chuyển từ băng tải đến bàn trung gian

Hình 5.5 Đồ thị vận tốc góc các khớp 1, 2 trong quá trình robot di chuyển từ bàn trung gian đến băng tải

Moment xoan tai khop 1, Di chuyen den ban trung gian

Moment xoan tai khop 2, Di chuyen den ban trung gian

Moment xoan tai khop 1, Di chuyen den bang tai

Moment xoan tai khop 2, Di chuyen den bang tai

Hình 5.6 Đồ thị moment xoắn tại các khớp 1, 2 trong quá trình robot di chuyển từ băng tải đến bàn trung gian

Hình 5.7 Đồ thị moment xoắn tại các khớp 1, 2 trong quá trình robot di chuyển từ bàn trung gian đến băng tải

Hình 5.8 Mô phỏng quá trình điều chỉnh mũ giày

Từ đồ thị trên, ta nhận thấy vận tốc của các khớp thay đổi trong phạm vi chấp nhận được

Thời gian chạy thỏa yêu cầu của việc điều khiển

Khi thay đổi các hệ số Kp, Kd thì ảnh hưởng sự thay đổi ở vận tốc khớp và moment tại các khớp

Các kết quả trên đây có được từ việc lựa chọn các điều kiện đầu vào như mục [5.1]

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Luận văn đã thực hiện được một số vấn đề sau

- Phân tích được mô hình động học ngược của robot SCARA từ đó làm cơ sở để điều khiển chính xác vị trí mũ giày như mong muốn

- Phân tích động lực học của robot SCARA từ đó mô phỏng được quá trình chuyển động của đầu hút mũ giày từ vị trí ban đầu trên băng tải đến bàn trung gian và ngược lại

- Kết hợp quá trình xử lý ảnh chụp và điều khiển robot để thực hiện mô phỏng việc điều chỉnh sai số phôi mũ giày

- Sai số của quá trình điều khiển có giá trị rất nhỏ (bảng kết quả mô phỏng)

5.2.2 Hướng phát triển của đề tài

- Xây dựng được mô hình thực tế để có thể thử nghiệm lại các nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu của đề tài làm cơ sở để xây dựng các hệ thống cấp phôi tự động cho công nghiệp giày tại Việt Nam

- Mở rộng các ứng dụng của đề tài sang nhiều lĩnh vực khác.