Scara Robot luôn là chủ đề được quan tâm nhiều trong lĩnh vực tự động hóa bởi tính ứng dụng thực tiễn của nó trong xã hội hiện nay nói chung và trong ngành công nghiệp nói riêng.. SCARA
TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA
Giới thiệu về robot Scara
Scara Robot ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản) dùng trong việc lắp ráp Đó là tay máy scara đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng (Z) nhưng kém cứng vững hơn theo phương ngang (XY) Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective Compliance Articulated Robot Actuato”
Scara Robot luôn là chủ đề được quan tâm nhiều trong lĩnh vực tự động hóa bởi tính ứng dụng thực tiễn của nó trong xã hội hiện nay nói chung và trong ngành công nghiệp nói riêng Mỗi tay máy đều có một cơ cấu khác nhau, do đó có các phương trình động học, động lực học cũng khác nhau cho nên việc tính toán và điều khiển mỗi loại tay máy là rất phức tạp Có thể thấy tay máy là một đề tài không mới nhưng nó mang tính chất khó, tính nghiên cứu và ứng dụng cao.
Nhờ bố trí khớp trục song song của SCARA, cánh tay hơi tuân theo hướng XY nhưng cứng nhắc theo hướng 'Z' Điều này là thuận lợi cho nhiều loại hoạt động lắp ráp.
Thuộc tính thứ hai của SCARA là bố trí cánh tay hai liên kết tương tự như cánh tay của con người chúng ta, do đó thuật ngữ thường được sử dụng, khớp nối Tính năng này cho phép cánh tay mở rộng vào các khu vực hạn chế và sau đó rút lại hoặc "gập lại" ra khỏi đường đi Điều này thuận lợi cho việc chuyển các bộ phận từ ô này sang ô khác hoặc để tải / dỡ tải các trạm xử lý.
SCARA thường nhanh hơn các hệ thống robot Cartesian tương đương SCARA có thể đắt hơn các hệ thống Cartesian tương đương và phần mềm điều khiển yêu cầu động học ngược cho các di chuyển nội suy tuyến tính.
Robot Scara của một số hãng sản xuất:
Hình 1 Một số hình ảnh thực tế robot scara
Các ứng dụng trong công nghiệp
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động, Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot, đó là:
Robot công nghiệp có thể thực hiện được một qui trình thao tác hợp lí bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế robot công nghiệp có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi sù thay đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.
Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là giảm được đáng kể chi phí cho người lao động.
Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi.
Robot có thể cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần lưu tâm.
Vì trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc trong môi trường có hại cho sức khoẻ hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động.
Robot công nghiệp được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực: đúc, gia công áp lực, hàn và nhiệt luyện, gia công và lắp ráp
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tính toán động học thuận, nghịch Robot Scara
Các phương pháp giải bài toán động học thuận vị trí:
+ Đối với những robot có số bậc tự do nhỏ: Sử dụng phương pháp hình học để tính toán trực tiếp
+ Khi robot có bậc tự >2 sẽ gây khó khăn trong việc tính toán trực tiếp
Sử dụng phương pháp Denavit – HaHartenberg
Robot Scara có số bậc tự do n=4
Ta sẽ sử dụng phương pháp Denavit – Hartenberg để giải quyết bài toán.
Hình 2 Động học robot scara
+ Đặt lên thanh nối một hệ trục tọa độ (O i X i Y i Z i )
+ Xác định vị trí và hướng của trục {i } trong { i 1} là i 1
+ Xác định vị trí và hướng của hệ trục tọa độ { n } trong {0} là 0 T n
2.1.2 Bài toán động học thuận vị trí Robot Scara
Hình 3 Động học thuận robot scara
Từ hình vẽ ta lập được bảng D-H:
Vị trí và hướng của khâu tác động cuối.
2.1.3 Bài toán động học nghịch vị trí Robot Scara
Ma trận 0T4 cho ta biết hướng và vị trí của khâu tác động cuối của Robot Yêu cầu của bài toán động học ngược vị trí là xác định giá trị của các biến khớp để khâu tác động cuối có vị trí và hướng mong muốn
Các linh kiện sử dụng
2.2.1 Mạch điều khiển Arduino Uno
Board Arduino, nơi thực thi các chương trình lập trình Các board này có thể điều khiển hoặc đáp trả các tín hiệu điện, vì vậy các thành phần được ghép trực tiếp vào nó nhằm tương tác với thế giới thực để cảm nhận và truyền thông Ví dụ các cảm biến bao gồm các thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia tốc Các thiết bị truyền động bao gồm đèn, motor, loa và các thiết bị hiển thị.
Có rất nhiều ứng dụng sử dụng Arduino để điều khiển Arduino có rất nhiều module, mỗi module được phát triển cho một ứng dụng.Về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính Các bo mạch chính về cơ bản là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có sự khác nhau Một số bo mạch có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth Các bo mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính ví dụ như tính năng kết nối Ethernet,
Wireless, điều khiển động cơ.
Arduino Uno R3 là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip ATmega 328P
Hình 4 Mạch điều khiển Arduino Uno R3
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328P Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau.
- Khối xử lý trung tâm là vi điều khiển Atmega328P.
- Điện áp đầu vào khuyến nghị là 7-12V.
- Điện áp đầu vào giới hạn 6-20V.
- Dòng điện một chiều trên các chân vào ra là 20mA.
- Dòng điện một chiều cho chân 3.3V là 50mA.
- Tốc độ xung nhịp 16 MHz.
Khối xử lý trung tâm : Trong bo mạch Arduino IC đóng vai trò xử lý trung tâm là Atmega328P cấu trúc sơ đồ chân của nó như sau:
Hình 5 Sơ đồ chân trong ATmega 328P
Khối xử lý trung tâm trong IC ATmega 328 như sau: Đây là kiến trúc chung trong lõi AVR nói chung Chức năng chính của lõi CPU là để đảm bảo thực hiện chương trình chính xác CPU do đó phải có khả năng truy cập nhanh, thực hiện các tính toán, thiết bị ngoại vi điều khiển và xử lý ngắt Để tối đa hóa hiệu suất, AVR sử dụng một kiến trúc Harvard và đường bus riêng biệt cho chương trình và dữ liệu Hướng truyền dữ liệu trong bộ nhớ chương trình thực hiện với một tốc độ nhất định.
Arduino có thể được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc với một nguồn cung cấp điện bên ngoài Các nguồn năng lượng được lựa chọn tự động Hệ thống vi điều khiển có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên ngoài từ 6V đến 20V Nên cung cấp với ít hơn 7V, tuy nhiên pin 5V có thể cung cấp ít hơn 5V và hệ thống vi điều khiển có thể không ổn định Nếu sử dụng nhiều hơn 12V điều chỉnh điện áp có thể quá nóng Phạm vi khuyến nghị là 7V đến 12V.
• Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài. Chúng ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này.
• Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển và các bộ phận khác trên bo mạch và cung cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi khi kết nối tới bo mạch.
• Chân 3V3: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến.
• Chân GND : Chân nối đất.
Hình 7 Sơ đồ cấu trúc CPU trong ATmega 328P
Mạch CNC Shield V4 Cho Arduino Nano là board mở rộng của Arduino Nano dùng để điều khiển các máy CNC mini Board có 3 khay dùng để cắm các mô đun điều khiển động cơ bước A4988, khi đó board có thể điều khiển 3 trục X, Y, Z.
Hình 9 Sơ đồ của Arduino CNC Shield V3
2.2.3 Động cơ RC Servo SG90
Hình 10 Bộ động cơ RC Servo SG90
2 Kích thước: 23mmX12.2mmX29mm
4 Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây
6 Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC
Kích thước bao: 42mm x 42mm x 32mm
2.2.5 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988
Hình 13 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988
1 Điện áp cấp tối thiểu: 8 V
2 Điện áp cấp cực đại: 35 V
3 Dòng cấp liên tục cho mỗi pha: 1 A (không cần tản nhiệt, làm mát)
4 Dòng cấp liên tục cho mỗi pha: 2 A (khi có làm mát, tản nhiệt)
5 Điện áp logic 1 tối thiểu: 3 V
6 Điện áp logic 1 tối đa: 5.5 V
7 Độ phân giải: full, 1/2, 1/4, 1/8, và 1/16
8 A4988 Stepper Motor Driver có thể dùng cho các máy in 3D kèm với board RAMPS 1.4 Mạch kết hợp với board CNC Shield V3 dùng cho máy CNC, laser mini, hoặc dùng điều khiển động cơ bước. i Sơ đồ Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988
Hình 14 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước A4988
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
Giới thiệu và thiết kế Robot Scara trên solidworks
SolidWorks là phần mềm thiết kế 3D chạy trên hệ điều hành Windows và có mặt từ năm 1997, và được tạo bởi công ty Dassault Systèmes SolidWorks Corp., là một nhánh của Dassault Systèmes, S A (Vélizy, Pháp) SolidWorks hiện tại được dùng bởi hơn 2 triệu kỹ sư và nhà thiết kế với hơn 165,000 công ty trên toàn thế giới Đây là phần mềm cung cấp các công cụ thiết kế và mô phỏng các sản phẩm cơ khí chuyên nghiệp.
SOLIDWORK có một số đặc điểm nổi trội sau:
Có khả năng thiết kế theo tham số, trực tiếp, dạng dự do và dựa trên các quy tắc
Có các công cụ tích hợp từ cơ bản đến nâng cao cho kim loại tấm, thiết kế khung, ống, cáp, bản trình bày, mô phỏng, thiết kế máy và nhiều công cụ khác nữa Trong báo cáo này, nhóm chúng tôi sử dụng bản SOLIDWORKS 2019.
Hình 15 Khởi động Solidworks Prenium 2019
Dưới đây là các bản vẽ chi tiết của từng bộ phận Robot Scara: Đế và khớp tịnh tiến:
Hình 16 Bản vẽ đế và khớp tịnh tiến
Khớp xoay 2: Hình 17 Bản vẽ khớp xoay 1
Hình 18 Bản vẽ khớp xoay 2
Tay gắp: Hình 19 Bản vẽ khớp xoay 3
Hình 20 Bản vẽ tay gắp
Hình 21 Bản vẽ hoàn chỉnh Robot Scara
Sơ đồ hệ thống
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 22 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 23.Sơ đồ đấu nối
3.3.1 Lựa Chọn Bộ Điều Khiển
Với mô hình của nhóm, chúng em lựa chọn bộ điều khiển FUZZY a) a Định Nghĩa:
Bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC) là một hệ thống điều khiển sử dụng logic mờ (fuzzy logic) để xử lý thông tin không chắc chắn hoặc mơ hồ, thay vì logic nhị phân thông thường Dưới đây là thông tin chi tiết về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của bộ điều khiển logic mờ. b Nguyên lý cơ bản của Logic Mờ
Logic mờ là một mở rộng của logic cổ điển (boolean logic), trong đó các giá trị biến có thể nằm trong khoảng từ 0 đến 1, thay vì chỉ có hai giá trị 0 và 1 Logic mờ được phát triển để xử lý các thông tin mơ hồ hoặc không chắc chắn, giống như cách con người suy nghĩ và ra quyết định. c.Cấu trúc của Bộ Điều Khiển Logic Mờ
Bộ điều khiển logic mờ thường bao gồm các thành phần chính sau đây:
Chuyển đổi các đầu vào có giá trị cụ thể (crisp inputs) thành các tập mờ (fuzzy sets).
Ví dụ, biến đầu vào nhiệt độ có thể được chuyển đổi thành các giá trị mờ như "thấp",
2 Rule Base (Cơ sở luật):
Tập hợp các luật IF-THEN (nếu-thì) để điều khiển hệ thống.
Ví dụ, "IF nhiệt độ là 'cao' THEN quạt chạy 'nhanh'".
3 Inference Engine (Động cơ suy diễn):
Áp dụng các luật từ cơ sở luật để tạo ra các giá trị mờ đầu ra dựa trên các giá trị mờ đầu vào.
Sử dụng các phương pháp suy diễn như Mamdani hoặc Sugeno.
Chuyển đổi các giá trị mờ đầu ra trở lại thành các giá trị cụ thể (crisp outputs).
Ví dụ, giá trị mờ "quạt chạy nhanh" được chuyển đổi thành giá trị cụ thể như 70% công suất. d Các Bước Hoạt Động của Bộ Điều Khiển Logic Mờ
Nhận các đầu vào từ các cảm biến hoặc hệ thống đo lường.
Ví dụ, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, v.v.
Sử dụng hàm thành viên (membership functions) để chuyển đổi các giá trị cụ thể thành các giá trị mờ.
Ví dụ, nhiệt độ 30°C có thể được chuyển đổi thành "trung bình" với giá trị mờ là 0.7.
Sử dụng cơ sở luật để xác định các hành động dựa trên các giá trị mờ đầu vào.
Ví dụ, "IF nhiệt độ là 'trung bình' THEN quạt chạy 'vừa'".
Kết hợp các giá trị mờ đầu ra từ nhiều luật để tạo ra một giá trị mờ tổng hợp.
Ví dụ, nếu có nhiều luật đưa ra các giá trị đầu ra khác nhau, các giá trị này được tổng hợp lại để tạo ra một giá trị duy nhất.
Chuyển đổi giá trị mờ tổng hợp thành giá trị cụ thể để điều khiển hệ thống.
Ví dụ, giá trị mờ "vừa" được chuyển đổi thành 50% công suất quạt. e Ứng dụng của Bộ Điều Khiển Logic Mờ
Bộ điều khiển logic mờ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng xử lý thông tin mơ hồ và không chắc chắn Một số ứng dụng phổ biến bao gồm:
Điều khiển hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC).
Tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho động cơ điện.
3 Hệ thống lái tự động:
Cải thiện khả năng lái tự động của xe hơi và tàu biển.
Tăng cường khả năng điều khiển chính xác và linh hoạt của robot.
5 Điều khiển quá trình công nghiệp:
Tối ưu hóa quá trình sản xuất và xử lý trong các nhà máy công nghiệp.
3.3.2 Thiết Kế Bộ Điều Khiển Fuzzy Cho Robot Scara 4 Bậc Tự Do.
Mục tiêu điều khiển là đảm bảo cho điểm cuối P(X,Y) của Robot Scara di chuyển đến đúng vị trí đặt, các vị trí đặt này có thể thay đổi trong một chu trình chuyển động tuỳ thuộc vào nhiệm vụ đặt ra Ngoài ra, với mỗi vị trí đặt P(X,Y) nào đó, có thể dễ dàng xác định giá trị của 2 góc đặt θ1, θ2 của 2 thanh quay theo mô hình động học ngược của hệ thuận (1) Như vậy, bài toán điều khiển vị trí được chuyển thành bài toán điều khiển góc của 2 thanh quay theo giá trị đặt Để có thể thực hiện bài toán này, trong nghiên cứu này nhóm tác giả đề xuất áp dụng bộ điều khiển mờ Trong các thuật toán điều khiển sử dụng trí tuệ nhân tạo thì điều khiển sử dụng logic mờ tích hợp được kinh nghiệm chuyên gia vào bộ điều khiển Những kinh nghiệm này tích lũy trong quá trình thử nghiệm, vận hành đối tượng điều khiển và được phát biểu bằng các mệnh đề hợp thành Đồng thời khi xây dựng khâu mờ hóa, kinh nghiệm điều khiển cũng được đưa vào thông qua các hàm thuộc Một bộ điều khiển mờ kinh điển có cấu trúc bao gồm 4 khâu: khâu mờ hóa, khâu suy diễn mờ, khâu hợp mờ và khâu giải mờ, trong đó hai khâu suy diễn mờ và hợp mờ tạo thành thiết bị hợp thành như hình.
Sơ Đồ Khối Trong Matlab Simulink:
Sơ Đồ Khối Simulink Xuất phát từ mô hình động lực học của Robot Scara, hệ thống điều khiển sẽ được thiết kế với 2 bộ điều khiển mờ riêng biệt cho 2 động cơ servo của 2 khớp quay Do mô hình Robot Scara không có khâu tích phân lý tưởng nên trong mỗi bộ điều khiển mờ FLC có hai tín hiệu vào là sai lệch e của góc quay và vi phân của sai lệch góc quay là de, tín hiệu ra của bộ điều khiển là vi phân của tín hiệu điều khiển, tín hiệu ra này đưa qua khâu tích phân để trở thành tín hiệu điều khiển Mỗi khâu tỉ lệ, vi phân, tích phân ở đầu vào và đầu ra bộ điều khiển mờ đều đi kèm với hệ số tương ứng Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển Robot Scara hai bậc tự do được xây dựng băng công cụ Fuzzy Logic Toolbox của Matlab & Simulink như thể hiện ở hình “Sơ Đồ Khối Simulink” Các khối chính trong sơ đồ cấu trúc như sau: 2 khối Fuzzy Logic Controller là các bộ điều khiển mờ được xây dựng nhờ công cụ của phần mềm Matlab & Simulink, mỗi bộ điều khiển mờ được dùng cho động cơ servo tương ứng, số 1 dùng cho khớp quay thanh 1, số 2 dùng cho khớp quay thanh 2; Khối Robot Scara là khối mô phỏng tay máy Scara 2 bậc tự do theo hệ phương trình đã tính ở phần trước, trong đó động cơ servo được đơn giản hoá thành khâu quán tính bậc 1.
Giao diện bộ điều khiển:
TỔNG KẾT
“Thiết kế robot SCARA 4 bậc tự do” là một đề tài mang tính thực tế cao, khi mà công nghiệp ngày càng phát triển, sự cạnh tranh không ngừng đòi hỏi, năng suất và chất lượng phải được cải thiện nhờ dây chuyền máy móc hiện đại thay thế lao động chân tay của con người.
Như vậy trong học phần “Mô phỏng và thiết kế hệ cơ điện tử ”, nhóm em đã được tìm hiểu được cách xây dựng một mô hình robot SCARA, đồng thời tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí cho robot Công việc cụ thể hoàn thành bao gồm như sau:
Tổng quan về robot SCARA
Xây dựng kết cấu cho robot
Xây dựng bản vẽ lắp ráp, chi tiết cho robot
Mô hình đã hoạt động đầy đủ các chức năng đã được lập trình
Các khối vật thể chiều cao đã đưa vào đúng vị trí mong muốn
Tuy còn gặp trục trặc về vấn đề nguồn cho các servo để có thể chạy cố định. Nhưng cơ bản đã đáp ứng đầy đủ yêu cầu hoạt động đã đề ra.
Hướng phát triển: Nhóm dự định sẽ cơ khí hóa sản phẩm để có cơ hội dùng thực tế trong các nhà máy và các hộ sản xuất nhỏ lẻ, thêm các tính năng khác để phù hợp với từng đối tượng sử dụng