Nhìn chung, sự tiến bộ của công nghệ cable robot đã mở ra nhiều cánh cửa cho ứng dụng của nó không chỉ trong việc nâng vật nặng mà còn trong các lĩnh vực khác,... 1.2 Tổng quan về Cable
TỔNG QUAN
Giới thiệu
Robot mảng dây cáp, hay còn gọi là robot điều khiển bằng dây cáp, sử dụng nhiều dây cáp có động cơ để điều khiển hiệu ứng cuối Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm so với các cơ chế robot truyền thống, bao gồm khả năng hoạt động trong không gian làm việc lớn hơn, độ cứng và tốc độ cao, ít bộ phận chuyển động hơn, cùng với khả năng xử lý tải lớn so với trọng lượng của robot.
Hình 1.1: Một số mô hình về Cable Robot [1]
Sự phát triển của cable robot không chỉ giới hạn ở việc nâng vật nặng mà còn mở rộng ra nhiều ứng dụng đa dạng Hệ thống này có khả năng thích ứng linh hoạt với nhiều môi trường và nhiệm vụ khác nhau, đặc biệt trong quy trình sản xuất Cable robot được tích hợp để nâng, di chuyển và đặt vật vào vị trí cần thiết, giúp tối ưu hóa không gian lưu trữ, tăng cường năng suất và giảm thiểu thời gian chờ đợi, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của các nơi ứng dụng.
Sự tiến bộ của công nghệ cable robot đã tạo ra nhiều cơ hội ứng dụng, không chỉ trong việc nâng vật nặng mà còn mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác.
Sự linh hoạt, chính xác và hiệu quả của công nghệ đang cách mạng hóa cách chúng ta tiếp cận và thực hiện công việc hàng ngày, từ sản xuất, y tế cho đến xây dựng.
Robot cable có nhiều cấu hình đa dạng, mỗi cấu hình lại có những ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến khả năng làm việc và ứng dụng của từng mô hình.
Tổng quan về Cable Robot
Tính đến nay, robot cable đã trải qua một hành trình phát triển ấn tượng, bắt đầu từ những năm 2000 và hiện nay đã trở nên phổ biến với nhiều ứng dụng đa dạng trong các ngành công nghiệp khác nhau.
Robot cable được phát triển từ ý tưởng tự động hóa quy trình sản xuất và ứng dụng robot trong môi trường công nghiệp, nhằm tối ưu hóa việc nâng và di chuyển vật liệu nặng Sự kết hợp giữa công nghệ cảm biến tiên tiến và hệ thống điều khiển tự động, cùng với việc sử dụng cáp làm phương tiện chính, đã tạo ra các thiết bị robot có khả năng di chuyển linh hoạt và hiệu quả trong không gian ba chiều.
Các công ty công nghệ hàng đầu và tổ chức nghiên cứu đã cải tiến robot cable qua nghiên cứu và phát triển, với công nghệ điều khiển ngày càng thông minh và chính xác Vật liệu sản xuất robot cũng ngày càng tiên tiến, nâng cao sức mạnh và độ chính xác Robot cable không chỉ giúp nâng vật nặng mà còn mở ra nhiều cơ hội mới, từ tối ưu hóa dây chuyền sản xuất trong nhà máy, di chuyển thiết bị y tế nặng trong ngành y tế, đến vận chuyển vật liệu trong xây dựng, khẳng định vai trò quan trọng của chúng trong nhiều môi trường làm việc.
Với sự tiến bộ không ngừng trong nghiên cứu và đổi mới, robot cable được kỳ vọng sẽ phát triển mạnh mẽ và mở rộng ứng dụng sang nhiều lĩnh vực mới, mang lại sự linh hoạt, hiệu quả và an toàn cao hơn cho quy trình làm việc trong tương lai.
1.2.2 Tình hình phát triển trong và ngoài nước
1.2.2.1 Nghiên cứu Cable Robot ở ngoài nước
CDPR có khả năng thiết kế không gian hoạt động lớn nhờ vào chiều dài của cáp có thể thu vào và thả ra, giúp mở rộng dễ dàng không gian làm việc của robot Điều này cho phép robot hoạt động với phạm vi lớn hơn so với các liên kết cố định thông thường.
Robot Cable IPAnema là một thiết bị được thiết kế với cấu hình song song, được điều khiển bằng cáp và ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại.
Tính năng động của robot được cải thiện nhờ vào việc sử dụng cáp nhẹ hơn so với các loại cáp khác hoặc các liên kết cứng thông thường, cùng với mức độ quán tính thấp Do đó, CDPR rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ và gia tốc cao.
IPAnema hình 1.2(tài liệu tham khảo [26]) và FALLCON hình 1.3 (tài liệu tham khảo [27]) có thể đạt tốc độ tối đa 13m/s và khả năng tăng tốc tối đa 43
Chi phí thấp là một trong những ưu điểm nổi bật của robot CDPR, nhờ vào sự giảm giá của các linh kiện điện tử trên thị trường, trong khi giá vật liệu cơ khí có xu hướng tăng Cấu trúc cơ khí của CDPR tương đối đơn giản, nhưng phần điện lại phức tạp hơn, dẫn đến chi phí thiết kế robot vẫn ở mức chấp nhận được Ví dụ, các ứng dụng như Skycam và kính thiên văn hình cầu minh chứng cho tính khả thi về chi phí trong thiết kế và chế tạo robot CDPR.
Robot cable song song, như hình 1.4, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quay phim trên cao, cho phép di chuyển nhanh chóng và linh hoạt, đặc biệt là trong các sân bóng đá.
Hình 1.4 CDPRs for lifting and handling [4]
Cấu hình đơn giản và dễ thiết kế của CDPR cho phép tháo rời, lắp ráp lại và vận chuyển đến nhiều địa điểm khác nhau, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt cho người sử dụng.
5 hợp với việc tìm kiếm cứu nạn trong các khu vực địa hình phức tạp: Ví dụ như hình 1.5
Hình 1.5 Robot Cable Driven được ứng trong việc đưa người bị thương di chuyển nhanh hơn việc sử dụng cán để đưa người bị thương
Hình 1.5 The MARIONET-CRANE for emergency rescue [5]
Cấu hình CDPR có khả năng nâng vật với tải trọng lớn nhờ vào việc sử dụng cáp nhẹ, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng so với robot nối tiếp Trong khi robot nối tiếp phải chịu tải trọng từ cả đầu công tác và các cơ cấu chấp hành, CDPR phân chia tải trọng đều cho các cơ cấu này, cho phép sử dụng cùng một loại động cơ nhưng nâng được vật nặng hơn.
Hình 1.6 là Robot Parallels Cable (RPC) ứng dụng trong lĩnh vực vận chuyển hàng hóa trong các xưởng, nhà máy, … có không gian làm việc lớn
Robot song song điều khiển bằng cáp cho in 3D, như hình 1.8, được phát triển nhằm mở rộng không gian làm việc, vượt trội hơn so với các thiết bị in 3D truyền thống.
Hình 1.9 này đề cập đến việc thiết kế, triển khai và đánh giá thử nghiệm một robot song song điều khiển bằng cáp mới dành cho lĩnh vực in 3D
Trong thập kỷ qua, sự phát triển của robot cable đã chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ cả trong và ngoài nước Nhiều quốc gia đang đầu tư đáng kể vào nghiên cứu và phát triển công nghệ này nhằm nâng cao năng suất và tối ưu hóa quy trình làm việc Các doanh nghiệp công nghệ lớn và tổ chức nghiên cứu tại nhiều quốc gia đang tích cực thúc đẩy R&D robot cable Đặc biệt, Trung Quốc đã đầu tư lớn vào lĩnh vực này để cải thiện hiệu quả sản xuất và đáp ứng nhu cầu ngành công nghiệp đang tăng trưởng nhanh chóng.
Tại Nhật Bản, quốc gia tiên tiến về công nghệ, robot cable được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như ôtô, điện tử và y tế Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất với robot cable đã nâng cao sức cạnh tranh của doanh nghiệp Nhật Bản trên thị trường quốc tế.
Các quốc gia châu Âu như Đức, Pháp và Ý đang tập trung nghiên cứu và ứng dụng robot cable trong nhiều ngành công nghiệp Mục tiêu chính của họ là nâng cao năng suất, giảm thiểu rủi ro lao động và tăng cường an toàn trong quy trình sản xuất.
1.2.2.2 Nghiên cứu Cable Robot ở trong nước
Hình 1.11 Cấu hình đã được thiết kế của robot CDPRs [11]
Lý do chọn đề tài
Sự phát triển của robot cable đang mở ra những ứng dụng tiềm năng trong việc nâng vật nặng, đặc biệt trong các lĩnh vực như vận tải, hàng không và nghệ thuật Mô hình này không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn tạo ra những giải pháp sáng tạo cho các thách thức trong công việc nâng hạ.
Robot cable đang ngày càng được cải tiến và phát triển với nhiều mô hình khác nhau nhằm nâng cao hiệu quả và đáp ứng nhu cầu của con người Sự phát triển công nghệ và nghiên cứu mô hình không chỉ thúc đẩy tiến bộ mà còn phù hợp với nhu cầu ứng dụng thực tiễn Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài "Cable Robot nâng vật nặng" để khám phá và phát triển thêm.
Tính cấp thiết của đề tài
Đề tài về robot cáp đang trở nên ngày càng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại Với khả năng nâng và di chuyển chính xác, robot cáp không chỉ giảm thiểu nguy cơ tai nạn lao động mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất An toàn lao động được ưu tiên hàng đầu trong việc sử dụng loại robot này, trong khi tính linh hoạt và đa dụng của chúng mang lại nhiều lợi ích cho các lĩnh vực khác nhau Nghiên cứu và phát triển công nghệ robot cáp không chỉ nâng cao hiệu suất và tiết kiệm chi phí mà còn thúc đẩy sự đổi mới và tiến bộ trong ngành công nghiệp tự động hóa.
Mục tiêu nguyên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là thiết kế và chế tạo robot cable bốn sợi dây cáp,
Bài viết trình bày về thiết kế và chế tạo hệ thống 3 bậc tự do dạng Point-Mass, cùng với bộ tời điều phối dây cho robot cable Hệ thống này có khả năng thu và nhả dây một cách chính xác, ngăn chặn tình trạng dây bị xếp chồng và rối trong quá trình hoạt động Điều này giúp dễ dàng tính toán chiều dài dây, hỗ trợ cho việc phát triển các thuật toán điều khiển robot hiệu quả hơn.
Phương pháp nghi cứu
Để thực hiện đề tài này, nhóm đã áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Trong phần nghiên cứu lý thuyết, nhóm đã tham khảo các tài liệu về cơ khí, điện điện tử, cũng như các tài liệu liên quan từ trong và ngoài nước.
Dưới đây là 11 đề tài nghiên cứu về robot cable, cho phép mô phỏng trên phần mềm hỗ trợ như MATLAB để giải quyết bài toán động học và không gian hoạt động của robot Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một bộ tờ có khả năng thu và xếp dây mà không làm trượt dây, kết hợp với kiến thức về điện tử và lập trình để phát triển mô hình điều khiển hiệu quả.
Giới hạn đề tài
Cấu hình Robot Cable cho phép mở rộng không gian hoạt động một cách dễ dàng bằng cách tăng chiều dài dây cáp Bằng cách lắp đặt tại bốn góc của nhà máy, Robot Cable có khả năng nâng các vật nặng, từ đó giảm thiểu thời gian vận chuyển hiệu quả.
Trong quá trình nghiên cứu và chế tạo robot, không gian hoạt động của robot bị giới hạn ở mức mô hình nhỏ, với kích thước khung robot là 1.7m x 1.7m x 1m Đề tài tập trung vào việc nâng vật nặng, nhưng nhóm chỉ giới hạn tải trọng ở mức 30kg, sử dụng động cơ bước để kéo vật nhằm tiết kiệm chi phí so với việc sử dụng động cơ có công suất lớn hơn.
Mô hình thiết kế Robot Cable nâng vật với tốc độ chậm cho phép bỏ qua lực quán tính tại đầu công tác, do đó bài toán động học vật được xem xét trong trạng thái tĩnh.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Robot cáp cấu hình robot song song
Robot Cable được yêu cầu không chỉ cho các hoạt động linh hoạt mà còn cho không gian làm việc lớn với khả năng tiếp cận và tải trọng cao Một đặc tính quan trọng của trình điều khiển cáp là cáp chỉ hoạt động đơn phương thông qua sức căng mà không chịu lực nén.
Robot song song điều khiển cáp có nhiều nhiều phương thức phân loại khác nhau Robot cable có thể được phân loại theo các tiêu chí sau:
Số lượng cáp m và bậc tự do n của robot là tiêu chí phân loại động học được đề xuất bởi Ming và Higuchi để phân biệt các loại robot cable Cụ thể, m đại diện cho số lượng cáp, trong khi n là bậc tự do có thể kiểm soát của đầu công tác Bên cạnh đó, bậc tự do thừa r được định nghĩa là r = m - n Dựa trên các yếu tố này, có thể phân loại các nhóm robot khác nhau.
Robot trong khoảng m < n ≤ 6 bị hạn chế động học không hoàn toàn, chịu ảnh hưởng của trọng lực và các lực tác động khác Trong trạng thái cân bằng, robot có thể có một hoặc nhiều tọa độ ổn định hoặc không ổn định, nhưng không thể kiểm soát các trạng thái không ổn định Số lượng và hướng các mức độ tự do có thể kiểm soát khác nhau trong không gian làm việc Lớp robot này được gọi là cơ chế định vị hoàn toàn hạn chế (IRPM).
Robot có trạng thái cân bằng bị ảnh hưởng bởi các lực như trọng lực, và khi n = m, robot bị giới hạn về mặt động học Phạm vi lực mà robot có thể chịu đựng, bao gồm lực hạn chế và lực xoắn, phụ thuộc vào độ lớn và hướng của lực tác động.
Robot có thể bị hạn chế bởi các dây cáp ở những tư thế nhất định, dẫn đến sự xuất hiện của các mô hình chuyển động khác nhau Lực mà robot có thể chịu phụ thuộc vào lực căng tối thiểu và tối đa của các dây cáp, tạo ra bởi robot Những robot này được gọi là cơ chế định vị hạn chế (CRPM).
Robot thừa ràng buộc, hay còn gọi là cơ chế định vị thừa ràng buộc (RRPM), xảy ra khi số lượng ràng buộc động học vượt quá bậc tự do (n + 1 < m) Sự dư thừa này dẫn đến việc các lực cần được phân phối giữa các dây cáp, gây khó khăn trong việc xác định tĩnh lực của robot Do có nhiều ràng buộc động học hơn, hoạt động của các robot này trở nên phức tạp hơn.
Các loại cáp truyền động
Cáp thép có nhiều cấu trúc khác nhau, được hình thành từ số bó cáp và số sợi cáp Sự cấu tạo này giúp xác định loại cáp là cứng hay mềm; cáp có ít sợi sẽ cứng hơn, trong khi cáp có nhiều sợi sẽ mềm hơn Cáp cứng nổi bật với khả năng chịu lực kéo đứt cao, thường được sử dụng trong các ứng dụng như cáp neo, cáp clang và cáp dự ứng lực Để cuốn cáp cứng, tang cuốn cần có đường kính lớn để đảm bảo việc cuộn dễ dàng.
Cáp mềm có ưu điểm nổi bật là tính dẻo dai, dễ dàng uốn cong và cuốn vào tang cuốn Loại cáp này thường được sử dụng trong các cơ cấu nâng hạ như cần trục tháp, tời kéo và palang, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng nâng hạ.
Chúng tôi lựa chọn dây cáp thép vì nó không gây sai lệch chiều dài trong quá trình di chuyển của robot, đảm bảo quỹ đạo hoạt động chính xác Bên cạnh đó, dây cáp thép có khả năng chịu lực căng tốt, không dễ bị đứt trong quá trình vận hành Để chọn cáp thép phù hợp với tải trọng cần nâng, nhà sản xuất sẽ dựa vào chất lượng và lực kéo đứt của từng loại cáp thép để thực hiện tính toán và lựa chọn chính xác.
Hình 2.1 Thông số dây cáp
Vi xử lý
Vi xử lý là thành phần quan trọng trong hệ thống máy tính và thiết bị điện tử, được thiết kế dưới dạng chip điện tử tích hợp nhiều chức năng Thông thường, vi xử lý bao gồm CPU (Central Processing Unit), bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi điều khiển, đảm nhiệm các chức năng chính của hệ thống.
14 của vi xử lý là xử lý các tác vụ tính toán, điều khiển và thực hiện các lệnh được gửi từ các phần mềm và thiết bị khác
Vi xử lý là thành phần quan trọng trong mọi thiết bị điện tử, bao gồm máy tính, điện thoại di động và thiết bị gia đình, công nghiệp Sự phát triển công nghệ vi xử lý đã giúp chúng trở nên nhỏ gọn, mạnh mẽ và tiết kiệm năng lượng hơn, từ đó nâng cao hiệu suất và tính di động của các thiết bị điện tử.
STM32 là dòng chip được sử dụng phổ biến hiện tại để sử dụng cho việc lập trình hiện nay,
Chip với tốc độ xử lý nhanh và hiệu quả cao hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp như UART, ICC2, SPI, giúp chúng ta dễ dàng lập trình và điều khiển hoạt động của Robot Cable.
Động cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ điện không đồng bộ, hoạt động bằng cách chia các vòng đa giác của rotor thành các bước nhỏ để tạo ra chuyển động quay Điểm nổi bật của động cơ bước là khả năng quay một góc cố định mỗi khi nhận được một xung điều khiển.
Động cơ bước có cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển và không cần máy biến tần để điều chỉnh tốc độ, mang lại nhiều ưu điểm Chúng giữ vị trí chính xác mà không cần hệ thống cơ khí hỗ trợ, rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kiểm soát vị trí như máy in, máy quét, robot, máy gia công CNC và thiết bị y tế Tuy nhiên, động cơ bước có thể gặp khó khăn về hiệu suất ở tốc độ cao và độ bền có thể bị ảnh hưởng trong môi trường nhiệt đới.
Modbus RTU_RS232
RS232 là phương thức truyền dữ liệu bất đồng bộ giữa các thiết bị, cho phép truyền tín hiệu một cách nối tiếp Chuẩn giao tiếp này nổi bật với khả năng chống nhiễu từ các thiết bị xung quanh, đồng thời cung cấp tốc độ truyền dữ liệu nhanh khi các thiết bị ở gần nhau Một ưu điểm khác là thiết bị dễ dàng tháo lắp, thuận tiện cho việc di chuyển hoặc không sử dụng Thêm vào đó, điện áp có thể được cấp từ cổng kết nối giữa PC và vi điều khiển.
ĐỘNG HỌC CỦA CABLE ROBOT
Tính số bậc tự do của robot
Mối quan hệ giữa số vòng độc lập L, số khâu N, số khớp J, số chuyển động trùng giữa hai khớp kề nhau và số bậc tự do Dof của robot được thể hiện qua công thức: Dof = N - J + L Công thức này giúp xác định khả năng hoạt động và linh hoạt của robot trong các ứng dụng khác nhau Số bậc tự do Dof phản ánh mức độ tự do chuyển động của robot, từ đó ảnh hưởng đến khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp.
Thông số động học của cơ cấu được xác định bởi các yếu tố như n (số khâu), j (số khớp), fi (số khớp có khả năng di chuyển) và fp (số chuyển động trùng nhau giữa hai khớp liền nhau).
Qua phân tích và tính toán thì robot song song Cable ta có được các số liệu như sau:
- Là cơ cấu không gian nên = 6
- Không có chuyển động trùng nhau giữa hai khớp liền kề nên fp = 0
- Có tổng cộng 4 khâu (4 khâu khâu tịnh tiến cho mỗi dây cáp) nên n=8
- Có tổng số 5 khớp (1 trên bệ công tác là điểm mắc dây cáp lên, 4 khớp còn lại trên ròng rọc xoay) nên j=8
Bệ công tác có tổng cộng 7 khớp di chuyển, trong đó mỗi khớp cầu trên bệ có 3 khả năng chuyển động, và trên ròng rọc có 4 khớp có khả năng chuyển động Do đó, số bậc tự do fi = 6.
Dof = 6 (4 – 5 - 1) + 6 = 4 Vậy ta có số bậc tự do của cơ cấu robot được chọn là 4 bậc tự do.
Bài toán động học
Sau khi tính toán thông số động cơ và thiết kế cơ khí phù hợp, bước tiếp theo là thực hiện tính toán động học cho robot song song Cable Trong bài toán động học robot, phân tích vị trí của đầu công tác là yếu tố quan trọng nhất, bao gồm hai loại bài toán: bài toán thuận và bài toán nghịch Bài toán thuận xác định vị trí và hướng của đầu công tác dựa trên chiều dài dây, trong khi bài toán nghịch tìm chiều dài dây hợp lý từ vị trí chuyển động của đầu công tác Đối với robot cấu hình nối tiếp, bài toán thuận tương đối đơn giản, nhưng bài toán nghịch phức tạp hơn nhiều.
Ngược lại với robot cấu hình song song và robot Cable, bài toán nghịch lại dễ giải quyết hơn so với bài toán thuận Trong đồ án này, nhóm chưa tìm ra cách tính toán cho bài toán thuận, do đó chỉ trình bày phương pháp tính toán để giải quyết bài toán nghịch, nhằm cải thiện khả năng điều khiển của robot.
3.2.1 Động học thuận của Robot
Động học của robot trong hệ trục tọa độ được xác định bằng cách đặt gốc tọa độ tại tâm của mặt phẳng đáy, trong khi tâm của vật nằm cách gốc tọa độ một khoảng h.
Tọa độ các vị trí:
X = (x; y; z) Phương trình tổng quát tính chiều dài dây: l i 2 = (x − x i ) 2 + (y − y i ) 2 + (z − z i ) 2 (3.1)
Chiều dài của từng sợi dây: l 1 = √(x − x 1 ) 2 + (y − y 1 ) 2 + (z − z 1 ) 2 (3.2) l 2 = √(x − x 2 ) 2 + (y − y 2 ) 2 + (z − z 2 ) 2 (3.3) l 3 = √(x − x 3 ) 2 + (y − y 3 ) 2 + (z − z 3 ) 2 (3.4) l 4 = √(x − x 4 ) 2 + (y − y 4 ) 2 + (z − z 4 ) 2 (3.5)
3.2.2 Động học nghịch của robot
Tính toán tọa độ x, y, z theo chiều dài các sợi dây: l 1 2 = (x − a
Ta lấy lần lượt l 1 2 − l 2 2 hoặc l 4 2 − l 3 2 :
Ta lấy lần lượt l 1 2 − l 4 2 hoặc l 2 2 − l 3 2 :
Từ phương trình (*) suy ra: l 1 2 − (x −a
− h Vậy tọa độ trả về của x, y, z x = l 3 2 − l 4 2
Bài toán cân bằng lực
Tại mọi điểm chuyển động trong không gian, vật luôn được duy trì trạng thái cân bằng Phân tích lực tác dụng lên vật:
Hình 3.2 Chiều của các lực căng dây T và trọng lực P
Trong đó T⃗⃗⃗ : Lực căng dây
⃗⃗⃗⃗⃗ : Lực hướng tâm hay lực quán tính
P⃗⃗ : Trọng lực của vật Chiếu các lực trong hệ vật lên phương chiều Oxyz:
Hình 3.3 Chọn chiều của lực trong không gian Oxyz
Hình 3.4 Phân tích lực căng dây trên từng điểm A, B, C, D
20 Để vật đạt trạng thái cân bằng:
Xét hệ phương trình theo phương Ox:
Xét hệ phương trình theo phương Oy:
Xét hệ phương trình theo phương Oz:
Hình 3.5 Phân tích lực căng dây tại 1 điểm
Vị trí bộ tời: A Đầu công tác: O
Hình chiếu của đầu công tác lên bề mặt Oxy: B
Góc hợp bởi phương của lực căng dây và phương của trọng lượng tải: α u OA
Hình 3.6 Phân tích lực căng dây 𝑇 1 tại điểm B
Trong đó: T⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 1_xy : Lực căng dây chiếu lên mặt phẳng Oxy α: Góc tạo bởi dây cáp với mặt phẳng Oxy β: Góc tạo bởi T⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 1_xy và T⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 1_x
Véc tơ chỉ phương của dây cáp: u⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = (x L 1 1 − x, y 1 − y, z 1 − z) (3.16)
Véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng Oxy: n⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = (0,0,1) (3.17) Oxy
Góc giữa dây và mặt phẳng Oxy: sin α = |cos(n⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ , u Oxy ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ )| = OA [0 (x A − x O ) + 0 (y A − y O ) + 1 (z A − z O )]
Tính toán tương tự với các lực căng dây còn lại:
Thay số vào phương trình (công thức 3.13):
Thay số vào công thức (3.14):
Thay số vào phương trình (3):
Ta có hệ phương trình:
Hệ 3 phương trình 4 ẩn thường dẫn đến vô số nghiệm hoặc không có nghiệm Nếu tồn tại nghiệm, sẽ có ít nhất một ẩn tự do, và chúng ta có thể chọn ẩn tự do là T4.
Sử dụng phương pháp giải hệ phương trình tuyến tính bằng phương pháp Gauss:
Sau khi giải ma trận ta có thể tìm được lần lượt các biến lực căng dây
=> T 1 =m g − T 4 a 4 − T 3 a 3 − T 2 a 2 a 1 Vậy ta sẽ có vô số nghiệm dạng tổng quát:
Bài toán vận tốc
Vận tốc của Robot Cable được xác định là sự thay đổi chiều dài của dây trong khoảng thời gian ∆t Nói cách khác, vận tốc của dây chính là đạo hàm bậc 1 của chiều dài dây theo thời gian.
26 sợi dây Như vậy tương ứng với từng dây sẽ có vận tốc riêng biệt Công thức tổng quát chung: l i ̇ = l i t+∆t − l i t
Mô phỏng trên matlab
Chọn vị trí ban đầu có tọa độ trong không gian P(0,0,30)
Sử dụng phần mềm Matlap để mô phỏng chuyển động của đầu công tác
Kiểm nghiệm phương trình động học trên matlap theo thời gian cho trước code kiểm nghiệm tại Phụ lục (2)*:
Với tham số đầu vào:
Chiều dài a = 170cm Chiều rộng b = 170cm Chiều cao h0cm
Vị trí ban đầu của đầu công tác mà ta đã chọn điểm: P(0,0,30) và di chuyển đến vị trí A (30,40,50)
Hình 3.7 Mô phỏng vị trí điểm cuối của đầu công tác A (30, 40, 50)
Hình 3.8 Đồ thị thể hiện chiều dài của dây cáp theo thơi gian
Hình 3.9 Đồ thị thể hiện vận tốc của động cơ theo thời gian
Hình ảnh ở trên thể hiện quá trình di chuyển của đầu công tác từ Q (0,0,30) đến vị trí
Bảng 3.1 Thông số tại vị trí tại điểm cuối A (30, 40, 50) Động cơ Chiều dài dây(m) Vận tốc(m/s) Position End
Chọn vị trí ban đầu P (30,40,50) và di chuyển ngược lại về A(0,0,30)
Sủ dụng phần mềm matlap để mô phỏng chuyển động của đầu công tác
Hình 3.10 Đồ thị thể hiện vị trí điểm cuối của đầu công tác A (0, 0, 30)
Hình 3.11 Đồ thị thể hiện chiều dài của dây khi di chuyển
Hình 3.12 Đồ thị thể hiện vận tốc của động cơ khi di chuyển
Hình ảnh ở trên thể hiện quá trình di chuyển của đầu công tác từ Q (30, 40, 50) đến vị trí A (0;0;30)
Bảng 3.2 Thông số tại điểm cuối A (0, 0, 30) Động cơ Chiều dài dây(m) Vận tốc(m/s) Position End
Bài toán không gian hoạt động của robot
Hệ phương trình cân bằng lực:
T 1 a 1 + T 2 a 2 + T 3 a 3 = m g − T 4 a 4 Điều kiện của các lực căng dây: luôn dương và nhỏ hơn lực căng tối đa của bộ tời (300 N)
20 ≤ T 1 , T 2 , T 3 , T 4 ≤ 300 Hàm mục tiêu là tổng lực của 4 sợi cáp sao cho đạt giá trị nhỏ nhất: f min = T 1 + T 2 + T 3 + T 4
Sử dụng hàm linprog của Matlab để tối ưu các dữ liệu và cho kết luận về không gian hoạt động của Robot: f = T 1 + T 2 + T 3 + T 4
Bảng 3.3 Thông số yêu cầu để mô phỏng không gian hoạt động
Chiều dài: 1700(mm) Chiều rộng: 1700(mm) Chiều cao: 1000(mm)
Tải trọng m= 5Kg Điều kiện biên [𝑇 min : 𝑇 max ]
Hình 3.13 Kết quả mô phỏng không gian hoạt động với thông sô đầu vào như bảng 3.3
Bảng 3.4 Thông số yêu cầu để mô phỏng không gian hoạt động
Chiều dài: 1700(mm) Chiều rộng: 1700(mm) Chiều cao: 1000(mm)
Tải trọng mKg Điều kiện biên [𝑇 min : 𝑇 max ] = [20𝑁: 300𝑁]
Hình 3.14 Kết quả mô phỏng không gian hoạt động với thông sô đầu vào như bảng 3.4
Bảng 3.5 Thông số yêu cầu để mô phỏng không gian hoạt động
Chiều dài: 1700(mm) Chiều rộng: 1700(mm) Chiều cao: 1000(mm)
Tải trọng mKg Điều kiện biên [𝑇 min : 𝑇 max ]
Hình 3.15 Kết quả mô phỏng không gian hoạt động với thông sô đầu vào như bảng 3.5
Bảng 3.6 Thông số yêu cầu để mô phỏng không gian hoạt động
Chiều dài: 1700(mm) Chiều rộng: 1700(mm) Chiều cao: 1000(mm)
Tải trọng m Kg Điều kiện biên [𝑇 min : 𝑇 max ] = [20𝑁: 300𝑁]
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng không gian hoạt động với thông sô đầu vào như bảng 3.6
Với các giá trị tải trọng thay đổi, chúng ta có những vùng không gian hoạt động khác nhau Do đó, việc sử dụng các tải trọng này là cần thiết để đảm bảo rằng đầu công tác không vượt quá vùng không gian hoạt động, từ đó đảm bảo an toàn trong quá trình điều khiển robot.
Nếu đầu công tác nằm ngoài vùng hoạt động, động cơ có thể bị quá tải, dẫn đến đứt cáp hoặc trượt bước Hơn nữa, dây cáp cũng có thể không được căng trong quá trình robot hoạt động.
Bài toán kiểm nghiệm lực căng dây
Sử dụng bộ nghiệm thu được từ hàm linprog với tải 12kg:
T 4 = 129.1202(N) Tại vị trí (30,40,50), ta có: u 1 = 0.3782 u 2 = 0.6495 u 3 = 0.8632 u 4 = 0.6330 i 1 = 0.8595 i 2 = 0.7060 i 3 = 0.3378 i 4 = 0.5179 a 1 = 0.3438 a 2 = 0.2824 a 3 = 0.3753 a 4 = 0.5754 Thay số liệu vào hệ phương trình cân bằng lực:
Bài toán lực căng dây đã được kiểm nghiệm và cho kết quả gần chính xác với lý thuyết cân bằng lực, với giá trị 119.9979 ≈ m ∗ g = 120.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Sử dụng cấu hình nâng vật nặng từ điểm này sang điểm khác thông qua 4 sợi dây được treo trên 4 góc của khung robot như hình vẽ bên
Hình 4.1 Cấu hình của robot cable
Cấu hình robot như này có ưu điểm hơn các cấu hình robot khác: như cấu hình
Robot có thiết kế dây khung hình lăng trụ thường có không gian hoạt động hạn chế, dẫn đến độ linh hoạt thấp Hơn nữa, khả năng chịu tải nặng của loại robot này cũng không cao.
Sử dụng 4 bộ tời quấn cáp gắn ở 4 góc khung robot giúp điều khiển đồng thời 4 động cơ, đảm bảo đầu công tác đến đúng vị trí mong muốn Ưu điểm của hệ thống này là trong quá trình thu và nhả dây, cáp sẽ không bị rối hay chồng chéo lên nhau.
Việc tính toán chiều dài thực tế của dây giúp chúng ta dễ dàng điều khiển vị trí và xác định lực căng của dây một cách chính xác.
4.2 Tính toán và chọn động cơ Để đảm bảo cho robot Cable hoạt động một cách chính xác nhất và ổn định thì ta cần phải tính toán và chọn động cơ có công suất phù hợp Vì đề tài này yêu cầu là phải gắp được vật có khối lượng nặng nên đối với động cơ bước thì sẽ không đủ công suất để nâng vật nên ta phải sử dụng thêm hộp giảm tốc gắn vào đầu của mỗi động cơ để tăng moment xoắn Robot Cable sử dụng 4 động cơ bước gắn ở 4 góc của khung máy Vậy nên ta cần phải tính toán và chọn động cơ cho phù hợp với yêu cầu:
Hình 4.2 Phân tích lực trên 1 động cơ
- Các thông số đầu vào:
Khối lượng của vật: m0kg Đường kính tang cuốn dây: D = 100mm
Dựa theo mô phỏng phân tích lực căng dây: 𝑇 min < 𝑇 < 𝑇 max 00N
- Tính toán moment xoắn tại đầu công tác:
Trong đó: d là cánh tay đòn (m)
F là lực tại vị trí điểm A (N)
- Phân phối tỉ số truyền:
𝑢 𝑠𝑏 = 𝑢 𝑏𝑟 ∗ 𝑢 𝑑 tỉ số truyền sơ bộ
Trong đó: 𝑢 𝑑 = 2 tỉ số truyền bộ truyền đai
𝑢 𝑏𝑟 = 5 tỉ số truyền bộ truyền bánh răng
- Tính toán moment xoắn của động cơ
10 = 1.5 (N.m) Chọn động cơ Step motor 57HBP102AL4 với Moment xoắn 2.2 N.m Thông số kỹ thuật:
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật
STT Đặc điểm Giá trị
1 Loại động cơ Step motor
4.3 Tính toán bộ truyền đai
Dựa vào bảng 4.27 trang 68 tài liệu [15]
Với m = 2 chọn bề rộng của đai răng b = 25mm
Để lựa chọn loại đai phù hợp với các thông số môđun 𝑚 = 2, bước răng 𝑝 = 7.38 và bề rộng đai 𝑏 = 25mm là một thách thức Sau khi xem xét, loại đai Curoa 3M306 với bước đai 𝑝 = 2 được chọn làm lựa chọn thích hợp.
-Xác định thông số của bộ truyền
-Đường kính bánh đai dẫn
=> chọn 𝑑 2 = 60𝑚𝑚 -Tính sơ bộ khoảng cách trục:
Khoảng cách trục sơ bộ: a= 60mm -Tính chiều dài sơ bộ của bộ truyền đai
= 255.33mm Chọn chiều dài đai theo tiêu chuẩn L00mm -Tính lại khoảng cách chính xác: λ = L - П∗(𝑑 2 − 𝑑 1 )
2 = 15mm Khoảng cách trục a sau khi tính lại: a = λ + sqrt ( λ 2 + 8∗Δ 2 )
=> Thỏa mãn điều kiện 𝑎 𝑚𝑖𝑛 < a < 𝑎 𝑚𝑎𝑥 -Tính góc ôm
2 = 153.17 𝑜 -Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng q= 𝐹 𝑡 ∗ 𝐾 𝑑
Trong đó 𝐹 𝑡 là lực vòng đai:
𝐾 𝑑 là hệ số tải trọng theo bảng 4.7 tài liệu [17] chọn 𝐾 𝑑 = 1 , 𝑞 𝑚 là khối lượng 1m đai có chiều rộng 1mm, tra bảng 4.31 tài liệu [15] ta chọn 𝑞 𝑚 = 0,004
B là bề rộng của đai b = 25mm vận tốc vòng v = 0.4m/s q= 75 ∗ 1
25 + 0.004 ∗ 0 4 2 = 4.68 với m = 3 thì lực vòng cho phép [q] = 5
Bảng 4.2 Thông số bộ truyền đai
Thông số Ký hiệu Gía trị
Số bánh răng chủ động 𝑍 1 20 răng
Số bánh răng bị động 𝑍 2 60 răng
Bề rộng bánh răng B = b + m 28mm
Tang cuốn dây là một bộ phần của một chiếc tời dùng để nâng vật lên xuống theo nhu cầu của người dùng
Tang cuốn có hình dạng trụ, được thiết kế để cuộn dây một cách gọn gàng, ngăn ngừa tình trạng rối dây và xếp chồng lên nhau, từ đó đảm bảo độ chính xác trong quá trình tính toán quỹ đạo.
Chúng tôi đã thiết kế một hệ thống dẫn động cho tang di chuyển qua lại, đảm bảo dây được khớp vào rãnh đã khoét sẵn trên bề mặt tang cuốn Hệ thống bao gồm 3 thanh trục T6 giúp tang chịu được lực lớn hơn và ngăn ngừa hư hỏng, cùng với một trục vitme gắn cố định T8 để tang di chuyển đều đặn theo trục vitme.
Trong tính toán và thiết kế và vẽ trên solidworks :
Tang cuốn có bước xoắn là 4mm Chiều sâu của rãnh khoét là 2.5mm Đường khí tang là 100mm
Chiều dài tang cuốn là 110mm
Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của bộ tời và tránh tình trạng rối dây, cần sử dụng trục vitme có bước xoắn đồng bộ với tang cuốn, cụ thể là 4mm Việc này giúp đảm bảo rằng khi trục vitme quay 1 vòng, tang cuốn cũng quay 1 vòng, từ đó hỗ trợ robot hoạt động chính xác.
Sử dụng ròng rọc là cách hiệu quả để đảm bảo dây được cuốn vào hoặc thả ra một cách vuông góc với rãnh của tang cuốn, từ đó ngăn ngừa tình trạng dây bị lệch.
Hình 4.4 Bộ tang cuốn được thiết kế
Nguyên lý hoạt động của bộ tời cuốn cáp dựa trên việc khi động cơ quay, pulley dẫn sẽ kéo pulley bị dẫn quay Pulley bị dẫn được gắn cố định vào mặt bích [4] Mặt bích [1], ba thanh trục và mặt bích [4] được kết nối chặt chẽ với nhau.
Tang được gắn vào 3 thanh trụ và di chuyển trên 3 trục thông qua 6 con trượt Khi mặt bích quay, 3 thanh trục T6 cũng quay theo, khiến tang cuốn dây chuyển động tịnh tiến với bước xoắn 4mm Điều này cho phép tang thu dây vào hoặc nhả dây ra bằng cách điều chỉnh trục vitme sang trái hoặc sang phải.
Ròng rọc như hình 4.4 có vai trò quan trọng trong việc điều hướng dây khi đầu công tác nằm ở bên phải hoặc bên trái của bộ tời Nó giúp cấp dây cho con lăn bên dưới, đảm bảo dây thu vào hoặc nhả ra một cách vuông góc với rãnh của tang cuốn.
Hình 4.5 Bộ tang cuốn dây được thiết kế
4.5 Tính toán chiều dài tang cuốn Để đảm bảo chiều dài của dây khi thu vào và nhả ra không bị dư dây không quấn được vào tang nên ta cần phải tính toán chiều dài của tang để cuộn hết 10m dây Đối với tải trọng 30kg thì ta chọn loại dây có kích thước đường kính 2mm là vừa đủ
Thông số đầu vào: Đường kính của tang: D0mm Đường kính của dây: d=2mm Chiều dài của tang trong thiết kế: L 0mm Chu vi của tang cuốn dây:
Số vòng dây quấn được trên 110mm chiều dài của tang
4 = 27.5 𝑣ò𝑛𝑔 Trong đó: L là chiều dài tang cuốn cáp (m) b là bề rộng của rãnh trên tang cuốn (mm) Chiều dài cần thiết của tang cuốn dây: l = N x C= 100*П*27.5= 8639.37 (mm)=8.6(m)
45 trong đó: N là số vòng dây (Vòng)
C là chu vi của tang cuốn dây (mm) l là chiều dài dây(m)
Hình 4.6 Tang cuốn cáp được thiết kế
4.6 Bộ dẫn hướng dây Để đảm bảo quá trình tính toán chiều dài của dây không bị sai lệch ta cần thiết kế tang cuốn có rảnh để trong quá trình thu dây và thả dây thì dây sẽ không bị rối hoặc chồng lên nhau ta sẽ sử dụng ròng rọc để điều hướng dây khi thu vào
Bộ dẫn hướng bao gồm:
Thanh vitme T8 với bước xoắn 4mm, kết hợp cùng ba thanh trục T6 được lắp đặt để tăng cường sức chịu lực cho hệ thống Ngoài ra, bộ gá đai ốc của vitme và đai ốc dẫn hướng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.
750 = 4𝑚𝑚 chọn bước của vitme l = 4mm Trong đó: V là vận tốc lớn nhất khi chạy không tải (mm/phut) (v = 0.5cm/s)
N: là số vòng quay của động cơ(vg/phut)
L = tổng chiều dài lớn nhất + chiều dai đai ốc và ổ bị = 420 + 4000mm
Chọn phương án lắp chặt ở 2 đầu của vitme f!.9
Chọn tốc độ quay của động cơ khoảng 85% so với tốc độ quay giới hạn:
N = 0.85 *𝑁 𝑚𝑎𝑥 = 0.85*4500 = 3825 (vòng/phút) Bán kính của trục vitme:
21.9 ∗ 10 −7 = 3.69mm (4.8) Vậy ta chọn đường kính của vitme D=8mm
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Tổng quan các thiết bị điện hệ thống
Hệ thống điều khiển robot bao gồm một máy tính chạy Windows làm bộ điều khiển chính, sử dụng giao diện được phát triển bằng C# Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp các thiết bị phần cứng như động cơ, vi xử lý và driver để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Để điều khiển đầu công tác di chuyển của robot với cấu hình cáp song song, cần phải điều khiển 4 động cơ quay đồng bộ với nhau, dựa theo sơ đồ tổng quát như hình 5.1.
Hình 5.1 Sơ đồ tổng quang các thiết bị của hệ thống
Bộ điều khiển robot cable bao gồm các thành phần chính như máy tính với bộ xử lý trung tâm và bộ nhớ Nó sử dụng bộ điều khiển trung tâm được cấu tạo từ 4 vi điều khiển STM32F103C8T6 blue-pill, nhận tín hiệu từ STM32F407 Discovery để giao tiếp với máy tính và các thiết bị ngoại vi Qua đó, bộ điều khiển trung tâm kết nối với các driver nhằm điều khiển bốn động cơ bước, giúp robot hoạt động đồng bộ và hiệu quả.
Máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý các điều kiện đầu mà con người tính toán để thay thế tín hiệu truyền xuống cho robot Nó thực hiện các phép tính và mô phỏng lực căng dây cáp, không gian hoạt động và vị trí của đầu công tác khi di chuyển trên phần mềm Matlab Bên cạnh đó, máy tính còn tính toán và giải quyết bài toán động học thuận và nghịch của robot, đồng thời thiết kế giao diện trên Visual Studio sử dụng ngôn ngữ C#, tạo ra môi trường giao tiếp giữa con người và máy tính Điều này giúp xử lý các yêu cầu từ con người, như nhập vị trí mong muốn và điều khiển các trục di chuyển theo ba hướng xyz.
Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ máy tính sau khi đã xử lý, bao gồm vị trí điểm đầu và điểm cuối được nhập qua phần mềm C# Sau đó, bộ điều khiển sẽ xuất ra xung để điều khiển 4 động cơ hoạt động đồng bộ.
Nhóm đã chọn vi điều khiển STM32F407 Discovery làm Master để xử lý tín hiệu, kết nối với 4 vi điều khiển STM32F103C8T6 đóng vai trò là Slave thông qua giao tiếp UART.
Mục đích của việc kết hợp 5 vi điều khiển là để điều khiển đồng thời 4 động cơ, vì một vi điều khiển đơn lẻ không đủ khả năng để điều khiển cùng lúc 4 động cơ.
Hình 5.2 Sơ đồ bố trí mạch điều khiển tring tâm
Bộ vi điều khiển kết hợp giữa STM32F407 Discovery và STM32F103C8T6 blue-pill tạo ra hệ thống điều khiển mạnh mẽ, cho phép điều khiển đồng thời bốn động cơ, điều mà một vi điều khiển đơn lẻ không thể thực hiện.
Hình 5.3 Vi điều khiển dóng vai trò là master
Vi điều khiển STM32F407 Discovery là một công cụ phổ biến trong các mô hình học tập tại môi trường đại học Trong ứng dụng này, bộ điều khiển hoạt động như một master, nhận tín hiệu từ giao diện C# và xử lý các thông tin như tọa độ di chuyển và điều khiển 4 động cơ Qua các hàm lệnh đã được lập trình sẵn, bộ điều khiển trung tâm xuất các tín hiệu điều khiển đến các vi điều khiển đóng vai trò là slave.
Hình 5.4 Vi điều khiển dóng vai trò Slave
Vi điều khiển STM32F103C8T6 blue-pill là một vi điều khiển phổ biến, có chức năng giải mã tín hiệu từ vi điều khiển master Sau khi giải mã giá trị, nó sẽ xử lý và tạo ra xung điều khiển để điều khiển các động cơ.
Hình 5.5 Driver điều kiển động cơ bước
Cơ cấu chấp hành chính trong hệ thống robot Cable bao gồm bốn dây cáp thép, yêu cầu nguồn điện động lực và điện điều khiển cho driver để hoạt động hiệu quả Dựa trên công suất động cơ đã tính toán, chúng ta có thể lựa chọn động cơ phù hợp Bộ điều khiển driver đi kèm với động cơ, sử dụng điện áp 24VDC cho nguồn cấp và tín hiệu điều khiển 5VDC từ bộ vi điều khiển.
Bộ driver TB6600 hình 5.4 cung cấp nhiều chế độ hoạt động cho động cơ bước, bao gồm:
-Bước đầy đủ (Full step): Độ chính xác cao, tốc độ thấp
-Nửa bước (Half step): Tốc độ gấp đôi bước đầy đủ, độ chính xác giảm một nửa
-Vi bước (Microstep): Độ mượt mà cao, tiếng ồn thấp, tốc độ và độ chính xác thay đổi theo chế độ (1/4, 1/8, 1/16, 1/32 bước)
Mô hình sử dụng chế độ Microstep 1/32 để điều động cơ vì độ mượt và chính xác cực cao
Sơ đồ kết nói dây giữa động cơ và driver như hình vẽ
Hình 5.6 Sơ đồ kết nối các thiết bị
Chân A+ và A- kết nối với 4 tiếp điểm từ 4 đầu dây của động cơ, trong đó A+ và A- là một cặp của một cuộn dây, tương tự như B+ và B- cũng là một cặp của cuộn dây khác.
Chân DC- và DC+ là chân nguồn cấp cho bộ driver với nguồn điện áp đầu vào rơi từ 9V đến 45V
Chân EN có nhiệm vụ giữ momen cho vật nặng khi ở trạng thái đứng yên, trong khi chân PUL cung cấp xung cho động cơ Với 6400 xung, động cơ sẽ quay được 1 vòng.
32000 xung thì sẽ quay đc một vòng lớn của hộp giảm tốc, chân DIR là chân đảo chiều động cơ theo chiều kim đồng hồ và ngược lại
Động cơ bước là loại động cơ điện xoay chiều, hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển đổi từng bước góc nhỏ thành chuyển động quay liên tục Được điều khiển bằng xung điện, mỗi xung kích hoạt một cuộn dây, tạo ra chuyển động từng bước với độ chính xác cao, rất phù hợp cho các ứng dụng trong công nghiệp Đặc biệt, trong chế độ Microstep 1/32, động cơ cần 6400 xung để hoàn thành một vòng quay, và với một bước 1.8 độ, cần 32 xung Để tăng mô men, hộp giảm tốc 1/5 được lắp đặt, giúp động cơ quay một vòng với 32000 xung.
5.1.2 Thiết kế bảng điều khiển trung tâm
Sau khi lựa chọn thiết bị phù hợp, nhóm tiến hành lắp đặt tủ điều khiển Với kích thước robot dạng mô hình và nhiều động cơ phân bố ở mỗi trụ, nhóm quyết định bố trí tủ điện ở một bên như hình 5.6.
Hình 5.8 Vị trí tủ điều kiển
Cấu trúc bộ điều khiển
Bộ điều khiển của robot bao gồm nhiều thành phần khác nhau, với nhiệm vụ quan trọng nhất là điều khiển cơ cấu quấn nhả dây của robot.
Tín hiệu điều khiển robot được phát sinh từ phần mềm máy tính, với các chuỗi lệnh được truyền xuống bộ điều khiển qua giao thức UART giữa máy tính và STM32 Các dữ liệu này bao gồm thông tin từ giao diện đến vi điều khiển chính và các vi điều khiển thứ cấp, đảm bảo việc điều khiển vị trí và vận tốc động cơ Hình 5.10 minh họa sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển robot.
Hình 5.12 Sơ đồ tổng quát
Hình 5.13 Sơ đồ giao tiếp giữa PC, bộ điều khiển, bo công suất
Bộ điều khiển trung tâm nhận lệnh từ PC qua giao diện C#, cho phép người dùng nhập tọa độ để yêu cầu robot thực hiện nhiệm vụ Ngay lập tức, PC giao tiếp với vi điều khiển trung tâm qua giao tiếp UART, truyền các giá trị cần thiết Vi điều khiển chính xử lý yêu cầu dựa trên dữ liệu nhận được và thực hiện tính toán theo chương trình đã lập sẵn Cuối cùng, các giá trị tính toán được gửi đến vi điều khiển thứ cấp, giúp giải mã và tạo ra các xung điều khiển bốn động cơ thông qua bộ công suất của động cơ bước.
Sau khi nhận dữ liệu từ PC, các bộ điều khiển VSL gửi tín hiệu đến Driver Steper Motor, bao gồm các xung PULSE, DIR và EN, để điều chỉnh số vòng quay và chiều quay của động cơ Khi đạt giá trị mong muốn, tín hiệu Enable được kích hoạt để giữ mô men, giúp động cơ dừng đúng vị trí.
Bộ điều khiển driver mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng hoạt động theo chế độ điều khiển vị trí (Dir – Pulse), điều khiển vận tốc và điều khiển moment.
Bên trong thiết bị có bộ đệm xung giúp làm mềm các chuyển động gián đoạn, tối ưu hóa tốc độ nhận xung Kết hợp với thuật toán bù xung thông minh, việc điều khiển trở nên dễ dàng, chính xác và mượt mà Tuy nhiên, do hạn chế về kinh tế, động cơ và bộ công suất vẫn chưa thể sử dụng các bộ chuyển động như servo để đảm bảo độ chính xác cao nhất trong việc điều khiển số liệu.
Nguyên lý làm việc
Trong các chương trước, báo cáo đã trình bày các phương án thiết kế hệ thống cơ khí và điện - điều khiển cho robot song song Cable, tạo nền tảng cho phần cứng của robot Chương này sẽ tập trung vào thiết kế quỹ đạo và nội suy cho các chuyển động của robot, cũng như cấu trúc phần mềm của hệ điều khiển, nhằm cung cấp cái nhìn tổng quát và chi tiết về từng thành phần trong hệ thống robot.
5.3.1 Bài toán quỹ đạo Đối với mỗi quá trình nào thì cũng cần dữ liệu đầu vào để có thể tính toán được đầu ra theo yêu cầu của người điều khiển
Khi áp dụng các phương trình chuyển động của robot, chúng ta có thể xác định vị trí của robot thông qua các biến khớp hoặc ngược lại, xác định các biến khớp dựa trên vị trí và hướng của đầu công tác cuối Việc lập đường đi và quỹ đạo liên quan đến cách thức robot di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác theo một thuật toán đã được thiết lập.
Có nhiều phương pháp lập trình để giải quyết bài toán này, nhằm tạo ra quỹ đạo di chuyển giữa các đoạn nhỏ đã được chia trước, cũng như giữa các quỹ đạo theo đường thẳng.
Việc lập đường đi và quỹ đạo cho robot yêu cầu áp dụng cả động học và động lực học Đường đi được định nghĩa là chu trình quỹ đạo tuần tự của robot mà không phụ thuộc vào thời gian, ví dụ, khi robot di chuyển từ điểm A đến B và sau đó đến C Ngược lại, quỹ đạo liên quan đến con đường di chuyển của robot kèm theo biến thời gian, trong đó đường đi từ A đến B và C vẫn giữ nguyên, nhưng thời gian đạt được các vị trí này có thể khác nhau.
C có thể đạt được vào các thời điểm khác nhau, tạo nên các quỹ đạo khác nhau y [mm] x [mm]
Hình 5.14: Các đường đi của robot
Trong điều khiển chính xác, việc lựa chọn phương án giải bài toán quỹ đạo là rất quan trọng, với các hàm vị trí, vận tốc và gia tốc được xác định theo biến thời gian.
Quỹ đạo là đường di chuyển của vật thể trong không gian, đặc biệt trong lĩnh vực robot, nơi vật thể có thể là đầu công tác cuối của robot nối tiếp hoặc song song Quỹ đạo có thể được mô tả qua các phương pháp toán học, hình học, hoặc bằng cách theo dõi sự thay đổi tọa độ theo thời gian Để tạo quỹ đạo cho robot, cần xác định một số thông số quan trọng, chẳng hạn như loại quỹ đạo di chuyển là tuyến tính, bậc 3 hoặc bậc 5.
Để xác định quỹ đạo di chuyển của robot, cần thiết lập các thông số như vận tốc đầu, vận tốc cuối và vận tốc tối đa Quá trình nội suy sẽ được sử dụng để tính toán quỹ đạo, đảm bảo rằng nó bao gồm các thông số vận tốc, gia tốc và vị trí.
5.3.2 Cấu trúc điều khiển của robot
Sử dụng tọa độ đầu để thiết lập quỹ đạo cho robot, cho phép nó di chuyển qua nhiều điểm khác nhau Cụ thể, giá trị đầu của chuyển động tại điểm thứ i+1 được thay thế bằng giá trị cuối của chuyển động tại điểm thứ i.
Hình 5.15: Hệ thống xử lý dữ liệu đầu vào và truyền tín hiệu xuống robot
Để khởi động robot, người dùng cần nhập tọa độ điểm P (x, y, z) vào giao diện C# đã được thiết kế, nhằm điều khiển đầu công tác của robot di chuyển đến vị trí P.
Máy tính sẽ tiếp nhận các giá trị tọa độ đã nhập và tiến hành tính toán theo bài toán động học thuận và động học nghịch của robot, như đã được chứng minh trong Chương III, nhằm xác định chiều dài dây cần thu hoặc nhả cho từng động cơ.
Bài toán động học thuận của robot để tính ra chiều dài của sợi dây:
Phương trình tổng quát tính chiều dài dây: l i 2 = (x − x 1 ) 2 + (y − y 1 ) 2 + (z − z 1 ) 2 (3.1)
Chiều dài của từng sợi dây:
2) 2 + (z − h) 2 (3.5) Bài toán động học nghịch của robot để trả về giá trị của tọa độ:
Tọa độ trả về của x, y, z x = l 3 2 − l 4 2
− h Điều kiện delta là giá trị chiều dài sau trừ đi giá trị chiều dài trước
Sau khi xác định chiều dài dây và gửi tín hiệu đến vi điều khiển STM32F407 Discovery (Master), nếu giá trị delta > 0, vi điều khiển STM32F103C8T6 (Slave) sẽ nhận tín hiệu từ Master, điều khiển chân Dir của driver và xuất xung cho động cơ quay cùng chiều, giúp bộ tời nhả dây ra Ngược lại, nếu giá trị delta < 0, vi điều khiển STM32F103C8T6 sẽ nhận tín hiệu từ Master, điều khiển chân Dir của driver và xuất xung cho động cơ quay ngược chiều, giúp bộ tời thu dây lại.
Chạy microstep 1/32 (6400 pulse/rev), do dùng hộp giảm tốc tỉ lệ 1:5 nên cấp
32000 xung thì chạy được 1 vòng, 1 vòng thì thay đổi 15cm dây, 1000 xung sẽ chạy được 0.46875cm dây
Khi tín hiệu được gửi xuống cho động cơ, nếu đầu công tác nằm trong góc phần tư tương ứng, động cơ sẽ nha dây để bù trừ sai số Ngược lại, nếu đầu công tác ở góc phần tư khác, động cơ sẽ thu dây lại để điều chỉnh sai số.
Sau khi các động cơ hoàn tất hoạt động và dừng lại, tọa độ điểm P (x, y, z) sẽ được trả về cho phần mềm C# và vị trí P này sẽ được gán cho tọa độ ban đầu trước khi kết thúc quá trình.
Lưu đồ điều khiển từng động cơ:
Hình 5.16 Lưu đồ điều khiển trên từng động cơ
Để điều khiển động cơ quay, chúng ta sử dụng giao diện C# để gửi tín hiệu từ máy tính xuống động cơ bằng cách nhấn nút MOTOR1_T hoặc MOTOR1_N, như minh họa trong hình giao diện 5.18 cho trường hợp thu hoặc nhả dây STM32F4 sẽ truyền tín hiệu đến STM32F103 để kích hoạt chân dir=HIGH hoặc dir=LOW, cho phép động cơ quay thuận hoặc ngược theo lệnh từ giao diện Quy trình tương tự cũng được áp dụng cho ba động cơ còn lại.
Lưu đồ điều khiển từng trục:
MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Mô hình Robot_cable
Robot Cable sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh có hình dạng và đặc điểm như sau:
Hình 6.1 Robot cable sau khi hoàn thành
Không gian hoạt động là một hình hộp chữ nhật dài 1.7 m, rộng 1.7m, và hoạt động trong chiều cao tối đa là 1 m
Sau quá trình chế tạo, robot Cable sau khi hoàn thành có các thông số kỹ thuật sau:
STT Thông số kỹ thuật
2 Kích thước tổng thể 1700x1700x1000 mm
Bảng 6.1 Thông số kỹ thuật
Các bộ phận và chi tiết của robot
Sau quá trình thiết kế chi tiết cơ khí, các bộ phận sẽ được lắp ráp thành cụm để thuận tiện cho việc di chuyển và tháo lắp Ngoài ra, còn có các bộ phận sản xuất theo tiêu chuẩn như ốc lục giác, đai ốc, khớp nối, vit me, đai và dây đai Nhóm đã thiết kế thành công các chi tiết và cụm chi tiết cơ khí chính cho robot, như minh họa trong các hình ảnh dưới đây.
Hình 6.3 Tang sau khi lắp vào bộ tời
Bộ phận tang cuốn, như mô phỏng trong hình 6.1, có đường kính 100mm và bước ren 4mm, rãnh 4mm, được thiết kế để xếp đều các sợi cáp mà không bị chồng chéo, như thể hiện trong hình 6.3.
Hình 6.4 Bộ dẫn hướng tang cuốn trong thiết kế
Hình 6.5 Bộ dẫn hướng tang cuốn khi lắp ráp
Hình 6.4 là hình ảnh thực tế của thiết kế của hình và 6.5 mục đích dùng để xếp dây không bị chồng vào cuộn
Hình 6.6 Bộ truyền đai răng thiết kế
Bộ truyền đai rang được thiết kế để đảm bảo việc di chuyển bộ quấn cáp vào đúng rãnh của tang khi tang quay, giúp dây cáp vào tang một cách dễ dàng và tránh tình trạng rối hay gãy cáp Hình 6.7 minh họa kết quả gia công của thiết kế trong hình 6.6.
Hình 6.7 Bộ truyền đai răng thực tế
Sau khi hoàn thành các chi tiết trên sẽ được lắp ghép với nhau vào vỏ khung tạo thành một bộ tang cuốn cáp hoàn chỉnh như hình 6.9
Hình 6.8 Bộ tời quấn cap trong thiết kế
Hình 6.9 Bộ tời cuốn cap thực tế
Kết quả thực nghiệm
Chọn vị trí ban đầu là P (0,0,30) và cho đầu công tác từ vị trí P di chuyển đến vị trí A (30,40,50) ta được bảng kết quả thực nghiệm sau:
Hình 6.10 Cân tải với khối lượng 4.6kg
TH1: Với khối lượng tải như hình 6.10 là m = 4.6 kg
Bảng 6.2 kết quả thực nghiệm với khối lượng 4.6kg
Vị trí tính toán Vị trí thực nghiệm Lần X(cm) Y(cm) Z(cm) Xn (cm) Yn (cm) Zn (cm)
Hình 6.11 Kết quả thực nghiệm tải 4.6kg lần 1 hình a, lần 2 hình b, lần 3 hình c
Hình 6.12 kết quả thực nghiệm tải 4.6kg lần 4
Hình 6.13 kết quả thực nghiệm tải 4.6kg lần 5
Hình 6.14 kết quả thực nghiệm tải 4.6kg lần 6
Hình 6.15 kết quả thực nghiệm tải 4.6kg lần 7
Sai số dụng cụ đo: 0.1
Vậy kết quả của tọa độ X là: X = 30.95 ± 0.3(cm)
Sai số dụng cụ đo: 0.1
Vậy kết quả của tọa độ Y là: Y = 41.68 ± 0.79(cm)
Sai số dụng cụ đo: 0.1
Vậy kết quả của tọa độ Z là: Z = 50.92 ± 0.81(cm)
Vậy sai số của kết quả đo ở trường hợp tải trọng 4.6kg: (1.53 ÷ 4.59)%
Kết luận: Giá trị thực nghiệm thu được trong quá trình thử nghiệm trên mô hình không hoàn toàn chính xác so với kết quả mô phỏng trên Matlab Điều này chủ yếu do sai số trong quá trình đo đạc, sự rung lắc của đầu công tác khi di chuyển, và dây cáp chưa được căng hoàn toàn khi robot hoạt động, dẫn đến các sai số không mong muốn.
Hình 6.16 Cân tải với khối lượng 12.2kg
TH2: Với khối lượng tải như hình 6.16 là m = 12.2kg
Bảng 6.3 kết quả thực nghiệm với khối lượng 12.2kg
Vị trí tính toán Vị trí thực nghiệm
Lần X(cm) Y(cm) Z(cm) Xn (cm) Yn (cm) Zn (cm)
Hình 6.17 Kết quả thực nghiệm: tải 12.2kg lần 1 hình a, lần 2 hình b, lần 3 hình c
Hình 6.18 kết quả thực nghiệm tải 12.2kg lần 4
Hình 6.19 kết quả thực nghiệm tải 12.2kg lần 5
Hình 6.20 kết quả thực nghiệm tải 12.2kg lần 6
Hình 6.21 kết quả thực nghiệm tải 12.2kg lần 7
Sai số dụng cụ đo: 0.1
Vậy kết quả của tọa độ X là: X = 30.65 ± 0.49(cm)
Sai số dụng cụ đo: 0.1
Vậy kết quả của tọa độ Y là: Y = 41.61 ± 0.71(cm)
Sai số dụng cụ đo: 0.1
Vậy kết quả của tọa độ Z là: Z = 50.11 ± 0.25(cm)
Vậy sai số của kết quả đo ở trường hợp tải trọng 15kg: (1.02 ÷ 3.44)%
Kết luận: Trong quá trình thực nghiệm trên mô hình, giá trị thực nghiệm không hoàn toàn chính xác so với mô phỏng trên Matlab Điều này chủ yếu do sai số trong quá trình đo đạc và việc dây cáp chưa được căng hoàn toàn khi robot hoạt động, dẫn đến các sai số không mong muốn.
Kết luận sau khi thi công và thực nghiệm Robot Cable
Qua quá trình là đề tài Robot Cable nhóm đã làm dược:
Thiết kế và chế tạo robot cable 4 sợi dây cáp với 3 bậc tự do dạng Point-Mass Bộ tời điều phối dây cho robot cable được thiết kế để thu và nhả dây một cách chính xác, tránh tình trạng xếp chồng và rối dây trong quá trình hoạt động Điều này giúp dễ dàng tính toán chiều dài dây khi thực hiện các thuật toán điều khiển cho robot.
Tính toán động học thuận và động học nghịch của robot cable là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển chính xác các động cơ Bài viết này trình bày giải thuật điều khiển cho bốn động cơ, cho phép chúng hoạt động theo phương pháp nội suy điểm đến điểm (Point to Point) Việc áp dụng giải thuật này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong quá trình vận hành của robot.
Những vấn đề chưa giải quyết được:
Robot gặp vấn đề trong việc điều khiển vị trí đầu công tác, không đạt độ chính xác như kết quả tính toán và mô phỏng trên Matlab Thỉnh thoảng, dây cáp của một trong bốn động cơ không được căng, do nhóm sử dụng động cơ step với vòng hồi tiếp hở, dẫn đến không có encoder để cung cấp giá trị phản hồi, ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của robot.
Hướng phát triển tiếp của đề tài:
Chọn động cơ phù hợp là yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của Robot Cable Sử dụng AC Servo với vòng hồi tiếp giúp cải thiện khả năng điều khiển và cho phép nâng vật nặng hơn so với động cơ hiện tại, từ đó mở rộng không gian hoạt động của robot.