Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo pointmass cable robot nâng vật

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

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: THS TƯỞNG PHƯỚC THỌ SVTH: VÕ VĂN THUẬN

LÊ MINH TIÊN

VÕ TẤN THỊNH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO POINTMASS CABLE ROBOT NÂNG VẬT

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

-

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

POINTMASS CABLE ROBOT NÂNG VẬT

Sinh viên thực hiện: LÊ MINH TIÊN MSSV: 20146196

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Học kỳ 2 / năm học 2023-2024 Giảng viên hướng dẫn: ThS Tưởng Phước Thọ

Sinh viên thực hiện: Lê Minh Tiên MSSV: 20146196

Sinh viên thực hiện: Võ Văn Thuận MSSV: 20146084

Sinh viên thực hiện: Võ Tấn Thịnh MSSV: 20146536

Đề tài đồ án cơ điện tử:

- Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo pointmass cable robot nâng vật

2 Nội dung chính của đồ án:

- Nghiên cứu, phân tích bài toán động học, vận tốc, lực căng dây trên matlab

- Nghiên cứu, thiết kế bộ tời thu dây có khả năng không xếp chồng dây lên nhau

- Chế tạo mô hình kiểm nghiệm lại bài toán về không gian hoạt động, vị trí chạy thực nghiệm

3 Các sản phẩm dự kiến

- Tủ điện trung tâm thực hiện các hoạt động điều khiển bộ tời thu dây

- Hoàn thiện các bản vẽ bộ tời thu dây, điều khiển và thực nghiệm

5 Ngày giao đồ án: 15/03/2023

6 Ngày nộp đồ án: 15/07/2023

7 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ ………

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Nhóm chúng em xin được chân thành cảm ơn các thầy cô của trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và các thầy cô, giảng viên của khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy nói riêng Trong những năm qua các thầy cô đã luôn luôn chỉ dạy và truyền đạt cho chúng em những kiến thức và kinh nghiệm quý giá của thầy cô trong quá trình giảng dạy

Ngoài ra, chúng em xin được cảm ơn thầy Ths.Tưởng Phước Thọ đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy và đưa ra những lời khuyên cho nhóm chúng em trong quá trình lên

ý tưởng cũng như là thi công, chạy thử nghiệm và hoàn thiện đề tài Vì vậy mà trong quá trình được thầy hướng dẫn, chúng em đã có thêm nhiều kiến thức mới, những kinh nghiệm quý giá và thái độ làm việc nghiêm túc, hiệu quả Đây sẽ là những thứ rất cần thiết cho chúng em sau này

Vì trong quá trình làm và hoàn thành đồ án khó tránh khỏi sai sót nên chúng em mong thầy cô bỏ qua và có thể góp ý thêm cho chúng em để chúng em có thể hoàn thiện bản thân hơn và có thể học hỏi được những kinh nghiệm từ thầy cô

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Trang 5

LỜI CAM KẾT

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO POINTMASS CABLE

ROBOT NÂNG VẬT

Giảng viên hướng dẫn: ThS TƯỞNG PHƯỚC THỌ

Sinh viên thực hiện: LÊ MINH TIÊN MSSV: 20146196

Lớp: 201462A, 201462C

Địa chỉ sinh viên: Thủ Đức

Số điện thoại liên lạc: 0901443102

Email: 20146196@student.hcmute.edu.vn

Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan đồ án này là công trình do chúng tôi nghiên cứu và thực

hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn

nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.”

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2024

Ký tên

Trang 6

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM KẾT ii

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tổng quan về Cable Robot 2

1.2.1 Lịch sử phát triển 2

1.2.2 Tình hình phát triển trong và ngoài nước 3

1.2.2.1 Nghiên cứu Cable Robot ở ngoài nước 3

1.2.2.2 Nghiên cứu Cable Robot ở trong nước 9

1.3 Lý do chọn đề tài 10

1.4 Tính cấp thiết của đề tài 10

1.5 Mục tiêu nguyên cứu của đề tài 10

1.6 Phương pháp nghi cứu 10

1.7 Giới hạn đề tài 11

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 Robot cáp cấu hình robot song song 12

2.2 Các loại cáp truyền động 13

2.3 Vi xử lý 13

2.4 Động cơ bước 14

2.5 Modbus RTU_RS232 14

CHƯƠNG III ĐỘNG HỌC CỦA CABLE ROBOT 15

Trang 7

3.1 Tính số bậc tự do của robot 15

3.2 Bài toán động học 15

3.2.1 Động học thuận của Robot 16

3.2.2 Động học nghịch của robot 17

3.3 Bài toán cân bằng lực 18

3.4 Bài toán vận tốc 25

3.5 Mô phỏng trên matlab 26

3.6 Bài toán không gian hoạt động của robot 30

3.7 Bài toán kiểm nghiệm lực căng dây 35

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 37

4.1 Giới thiệu sơ lượt về robot cable 37

4.2 Tính toán và chọn động cơ 38

4.3 Tính toán bộ truyền đai 40

4.4 Bộ tang cuốn dây 42

4.5 Tính toán chiều dài tang cuốn 44

4.6 Bộ dẫn hướng dây 45

CHƯƠNG V THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 47

5.1 Tổng quan các thiết bị điện hệ thống 47

5.1.1 Driver và động cơ 50

5.1.2 Thiết kế bảng điều khiển trung tâm 52

5.2 Cấu trúc bộ điều khiển 55

5.3 Nguyên lý làm việc 57

5.3.1 Bài toán quỹ đạo 57

5.3.2 Cấu trúc điều khiển của robot 59

CHƯƠNG VI MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 64

6.1 Mô hình Robot_cable 64

Trang 8

6.2 Kết quả thực nghiệm 70

6.3 Kết luận sau khi thi công và thực nghiệm Robot Cable 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 85

Trang 9

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Một số mô hình về Cable Robot [1] 1

Hình 1.2 The IPAnema [2] 3

Hình 1.3 The FALCON [3] 4

Hình 1.4 CDPRs for lifting and handling [4] 4

Hình 1.5 The MARIONET-CRANE for emergency rescue [5] 5

Hình 1.6 The ROBOCRANE [6] 6

Hình 1.7 Máy in xốp [7] 6

Hình 1.8 Máy in 3D [8] 7

Hình 1.9 CaRo Printer [9] 7

Hình 1.10 JASO CableCrane [10] 8

Hình 1.11 Cấu hình đã được thiết kế của robot CDPRs [11] 9

Hình 2.1 Thông số dây cáp 13

Hình 3.1 Động học của robot trong hệ trục tọa độ 16

Hình 3.2 Chiều của các lực căng dây T và trọng lực P 18

Hình 3.3 Chọn chiều của lực trong không gian Oxyz 19

Hình 3.4 Phân tích lực căng dây trên từng điểm A, B, C, D 19

Hình 3.5 Phân tích lực căng dây tại 1 điểm 20

Hình 3.6 Phân tích lực căng dây 𝑇1 tại điểm B 21

Hình 3.7 Mô phỏng vị trí điểm cuối của đầu công tác A (30, 40, 50) 26

Hình 3.8 Đồ thị thể hiện chiều dài của dây cáp theo thơi gian 27

Hình 3.9 Đồ thị thể hiện vận tốc của động cơ theo thời gian 27

Hình 3.10 Đồ thị thể hiện vị trí điểm cuối của đầu công tác A (0, 0, 30) 28

Hình 3.11 Đồ thị thể hiện chiều dài của dây khi di chuyển 29

Hình 3.12 Đồ thị thể hiện vận tốc của động cơ khi di chuyển 29

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng không gian hoạt động với thông sô đầu vào như bảng 3.3 31

Trang 10

Hình 4.1 Cấu hình của robot cable 37

Hình 4.2 Phân tích lực trên 1 động cơ 38

Hình 4.3 Bộ truyền đai 40

Hình 4.4 Bộ tang cuốn được thiết kế 43

Hình 4.5 Bộ tang cuốn dây được thiết kế 44

Hình 4.6 Tang cuốn cáp được thiết kế 45

Hình 4.7 Tang di chuyển dựa trên trục vitme 46

Hình 5.1 Sơ đồ tổng quang các thiết bị của hệ thống 47

Hình 5.2 Sơ đồ bố trí mạch điều khiển tring tâm 48

Hình 5.3 Vi điều khiển dóng vai trò là master 49

Hình 5.4 Vi điều khiển dóng vai trò Slave 49

Hình 5.5 Driver điều kiển động cơ bước 50

Hình 5.6 Sơ đồ kết nối các thiết bị 51

Hình 5.7 Động cơ bước có hộp số 52

Hình 5.8 Vị trí tủ điều kiển 53

Hình 5.9 Sơ đồ bố trí các thiết bị trong tủ điều kiển 53

Hình 5.10 Sơ đồ mạch điều khiển 54

Hình 5.11 Sơ đồ mạch điều khiển 54

Hình 5.12 Sơ đồ tổng quát 55

Hình 5.13 Sơ đồ giao tiếp giữa PC, bộ điều khiển, bo công suất 56

Hình 5.14: Các đường đi của robot 58

Hình 5.15: Hệ thống xử lý dữ liệu đầu vào và truyền tín hiệu xuống robot 59

Hình 5.16 Lưu đồ điều khiển trên từng động cơ 61

Trang 11

Hình 5.17 Lưu đồ điều khiển đầu công tác theo từng trục 62

Hình 5.18 Giao diện điều khiển bằng C# 63

Hình 6.1 Robot cable sau khi hoàn thành 64

Hình 6.2 Tang cuốn 66

Hình 6.3 Tang sau khi lắp vào bộ tời 66

Hình 6.4 Bộ dẫn hướng tang cuốn trong thiết kế 67

Hình 6.5 Bộ dẫn hướng tang cuốn khi lắp ráp 67

Hình 6.6 Bộ truyền đai răng thiết kế 68

Hình 6.7 Bộ truyền đai răng thực tế 68

Hình 6.8 Bộ tời quấn cap trong thiết kế 69

Hình 6.9 Bộ tời cuốn cap thực tế 69

Hình 6.10 Cân tải với khối lượng 4.6kg 70

Hình 6.11 Kết quả thực nghiệm tải 4.6kg lần 1 hình a, lần 2 hình b, lần 3 hình c 72

Hình 6.12 kết quả thực nghiệm tải 4.6kg lần 4 72

Hình 6.16 Cân tải với khối lượng 12.2kg 75

Hình 6.17 Kết quả thực nghiệm: tải 12.2kg lần 1 hình a, lần 2 hình b, lần 3 hình c 77

Trang 12

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số tại vị trí tại điểm cuối A (30, 40, 50) 28

Bảng 3.2 Thông số tại điểm cuối A (0, 0, 30) 30

Bảng 3.3 Thông số yêu cầu để mô phỏng không gian hoạt động 31

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật 39

Bảng 4.2 Thông số bộ truyền đai 42

Bảng 6.1 Thông số kỹ thuật 65

Bảng 6.2 kết quả thực nghiệm với khối lượng 4.6kg 70

Bảng 6.3 kết quả thực nghiệm với khối lượng 12.2kg 76

Trang 13

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

Robot mảng dây cáp, còn được gọi là robot điều khiển bằng dây cáp, là những robot điều khiển một hiệu ứng cuối bằng cách sử dụng nhiều dây cáp có động cơ Hệ thống này có nhiều ưu điểm hơn so với các cơ chế robot nối tiếp hoặc song song truyền thống, như khả năng hoạt động trên không gian làm việc lớn hơn, độ cứng và tốc độ tương đối cao, ít bộ phận chuyển động hơn và khả năng xử lý tải lớn so với trọng lượng của robot

Hình 1.1: Một số mô hình về Cable Robot [1]

Trên thực tế, sự phát triển của cable robot không chỉ dừng lại ở việc nâng vật nặng mà còn mở ra một loạt các ứng dụng đa dạng Hệ thống này có khả năng thích ứng linh hoạt với nhiều môi trường và nhiệm vụ khác nhau

Ở môi trường ứng dụng đặt thù, cable robot được tích hợp vào quy trình sản xuất

để nâng, di chuyển và đặt vật vào vị trí cần đặt Điều này mang lại lợi ích về tối ưu hóa không gian lưu trữ, tăng cường năng suất và giảm thiểu thời gian chờ đợi, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của các nơi ứng dụng

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,

Trang 14

từ sản xuất, y tế, đến xây dựng Sự linh hoạt, chính xác và tính hiệu quả của chúng đang làm thay đổi cách chúng ta tiếp cận và thực hiện các công việc hàng ngày

Robot cable khá đa dạng về cấu hình, với từng cấu hình thì sẽ có nhiều ưu và nhược điểm khác nhau của mô hình, dẫn đến khả năng làm việc và ứng dụng của mỗ

mô hình điều khác nhau

1.2 Tổng quan về Cable Robot

1.2.1 Lịch sử phát triển

Tính đến thời điểm hiện tại, lịch sử phát triển của robot cable đã trải qua một hành trình đáng kinh ngạc, từ những bước đầu tiên trong thập kỷ 2000 đến sự hiện diện rộng rãi và ứng dụng đa dạng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau

Xuất phát từ các ý tưởng về tự động hóa quy trình sản xuất và việc ứng dụng robot trong các môi trường công nghiệp, robot cable đã được tạo ra với mục tiêu tối

ưu hóa quá trình nâng và di chuyển vật liệu nặng Sự kết hợp giữa công nghệ cảm biến tiên tiến, hệ thống điều khiển tự động và việc sử dụng cáp như một phương tiện chính để vận hành đã tạo ra những thiết bị robot có khả năng di chuyển ở không gian

ba chiều một cách linh hoạt và hiệu quả

Trải qua quá trình nghiên cứu và phát triển, các công ty công nghệ hàng đầu cùng các tổ chức nghiên cứu đã đóng góp vào việc cải thiện robot cable Công nghệ điều khiển ngày càng thông minh và chính xác, vật liệu sử dụng trong việc sản xuất robot cũng ngày càng tiến bộ, giúp tăng cường sức mạnh nâng và độ chính xác của chúng

Ứng dụng của robot cable không chỉ dừng lại ở việc nâng vật nặng mà còn

mở ra hàng loạt các cơ hội mới Từ việc sử dụng trong các nhà máy sản xuất để tối

ưu hóa dòng chuyền sản xuất, đến việc áp dụng trong ngành y tế để di chuyển thiết

bị y tế nặng, và thậm chí cả trong lĩnh vực xây dựng để vận chuyển vật liệu, robot cable đã trở thành một công cụ đa năng và không thể thiếu trong nhiều môi trường làm việc

Với sự tiếp tục của nghiên cứu và đổi mới, có thể kỳ vọng rằng robot cable sẽ tiếp tục phát triển và mở rộng ứng dụng của mình vào những lĩnh vực mới, mang lại

sự linh hoạt, hiệu quả và an toàn cao hơn cho quy trình làm việc trong tương lai

Trang 15

1.2.2 Tình hình phát triển trong và ngoài nước

1.2.2.1 Nghiên cứu Cable Robot ở ngoài nước

- Không gian hoạt động của robot: Đầu tiên CDPR có thể thiết kế được không

gian hoạt động lớn vì chiều dài của cáp có thể thu vào và thả ra nên rất đễ dàng để mở rộng không gian làm việc của robot Vì vậy cap cho phép phạm vi hoạt động lớn hơn các liên kết cố định như thông thường

Hình 1.2 là giới thiệu về cấu hình song song của Robot Cable được điều khiển bằng cáp có tên là IPAnema được thiết kế và ứng dụng vào các ngành công nghiệp ngày này

Hình 1.2 The IPAnema [2]

- Tính năng động của robot: Vì cáp được sử dụng có khối lượng nhẹ hơn các

loại cáp khác hoặc các liên kết cứng thông thường và có mức độ quán tính thấp vậy nên

CDPR phù hợp dành cho các ứng dụng có tốc độ cao hoặc gia tốc cao vì dụ như : The 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

Trang 16

Hình 1.3 The FALCON [3]

- Chi phí thấp: Ngoài những ưu điểm trên cấu hình robot CDPR còn có chi phí

thiết kế và chế tạo thấp vì giá linh kiện điện tử trene thị trường ngày càng giảm, trong khi đó giá của các vật liệu cơ khí có xu hướng tăng CDPR có cấu trúc phần cơ khí

đơn gian nhưng phần điện tương đối phức tạp Do đó chi phí thiết kế robot chấp nhận được: Ví dụ như Skycam (hình 1.4) và kính thiên văn hình cầu (hình 1.4 tài liệu tham khảo [25]

Hình 1.4 là cấu hình robot cable song song được ứng dụng trong lĩnh lực quay phim trên cao và di chuyển với tốc độ nhanh, được ứng dụng nhiều trong các sân bóng

đá

Hình 1.4 CDPRs for lifting and handling [4]

- Cấu hình đơn gian dễ thiết kế: chúng có thể dễ dàng tháo rời và có thể lắp

ráp lại và vận chuyển di đến nhiều nơi khác nhau: đặc điểm này làm cho CDPR phù

Trang 17

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]

- Khả năng chịu tải trọng lớn: cấu hình CDPR có khả năng nâng vật với tải

trọng lớn Đối với câu hình robot nối tiếp mức tiêu thụ năng lượng cao và khả năng tải trọng của nó thấp vì mỗi bộ truyền động không chỉ mang tải trọng của đầu công tác

mà còn phải chịu tải trọng của các cơ cấu chấp hành CDPR sử dụng cáp nhẹ thày vì liên kết cứng tương đối nặng Tải trọng của đầu công tác được chia đều cho các cơ cấu chấp hành nên cùng 1 loại động cơ đó mà cấu hình robot song song có thể nâng được các vật nặng hơn: Ví dụ như hình 1.6

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

Trang 18

Hình 1.6 The ROBOCRANE [6]

Hình 1.7 Máy in xốp [7]

Hình 1.8 là một robot song song điều khiển bằng cáp dành cho in 3D được phát triển để có được không gian làm việc lớn hơn thay vì các thiết bị in 3D truyền thống

Trang 19

Hình 1.8 Máy in 3D [8]

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

Hình 1.9 CaRo Printer [9]

Trang 20

Hình 1.10 JASO CableCrane [10]

Tình hình phát triển robot cable trong và ngoài nước đã chứng kiến sự tăng trưởng đáng kể trong thập kỷ gần đây Nhiều quốc gia đang đầu tư mạnh mẽ vào nghiên cứu và phát triển công nghệ robot cable để cải thiện sản xuất và tối

ưu hóa các quy trình làm việc

Ở nhiều quốc gia, các doanh nghiệp công nghệ lớn và các tổ chức nghiên cứu đang đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển robot cable Trung Quốc, với việc tập trung vào ngành công nghiệp và sự tăng trưởng nhanh chóng, đã đầu tư lớn vào việc phát triển robot cable để cải thiện năng suất và hiệu quả sản xuất

Tại Nhật Bản, một quốc gia tiên tiến trong công nghệ, robot cable được xem xét và ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như ôtô, điện tử và y

tế Sự tiên tiến trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và sử dụng robot cable

đã giúp tăng cường sức cạnh tranh của các doanh nghiệp Nhật Bản trên thị trường quốc tế

Cùng với đó, các quốc gia châu Âu như Đức, Pháp, và Ý cũng đã chú trọng vào nghiên cứu và áp dụng robot cable trong các ngành công nghiệp khác nhau Mục tiêu của họ là cải thiện năng suất, đồng thời giảm thiểu rủi ro lao động

và tăng cường an toàn trong quy trình sản xuất

Trang 21

1.2.2.2 Nghiên cứu Cable Robot ở trong nước

Hình 1.11 Cấu hình đã được thiết kế của robot CDPRs [11]

Tại Việt Nam, việc áp dụng robot cable trong công nghiệp đang dần trở nên phổ biến hơn, nhất là trong các ngành sản xuất, xây dựng và logictics Mặc

dù vẫn đang ở giai đoạn đầu của việc tiếp nhận và áp dụng công nghệ này, nhưng

sự quan tâm và đầu tư vào robot cable đang ngày càng tăng lên

Các doanh nghiệp công nghệ, cũng như các nhà sản xuất lớn, đang chú trọng vào việc nghiên cứu và ứng dụng robot cable để tối ưu hóa quy trình sản xuất Việc sử dụng robot cable giúp cải thiện hiệu suất, giảm thiểu thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm

Trong lĩnh vực xây dựng, việc sử dụng robot cable để vận chuyển và nâng vật liệu xây dựng cũng đang trở nên phổ biến hơn Điều này giúp tăng cường năng suất và an toàn lao động trên các công trình xây dựng

Các ứng dụng khác của robot cable tại Việt Nam cũng có thể bao gồm trong lĩnh vực logistics và y tế, nơi mà việc di chuyển và vận chuyển hàng hóa hay thiết bị nặng có thể được tối ưu hóa bằng công nghệ này

Mặc dù robot cable vẫn còn mới mẻ và chưa được áp dụng rộng rãi như

ở một số quốc gia khác, nhưng tiềm năng của nó tại Việt Nam là rất lớn Sự tiếp

Trang 22

nhận và ứng dụng của công nghệ này đang ngày càng được khuyến khích và có thể sẽ phát triển mạnh mẽ hơn trong tương lai, đặc biệt khi các doanh nghiệp và ngành công nghiệp đang chuyển từ mô hình truyền thống sang tự động hóa và

sử dụng công nghệ tiên tiến hơn để cải thiện hiệu suất và cạnh tranh

1.3 Lý do chọn đề tài

Sự phát triển của robot cable trong việc nâng vật nặng, là một mô hình khá mới

có thể ứng dụng trong các lĩnh vực về vận tải, hàng không, nghệ thuật…

Với việc không ngừng tiếp tục nghiên cứu và sáng tạo trong lĩnh vực khoa học

và công nghệ, thì robot cable ngày càng được cải tiến và phát triển với nhiều dạng mô hình khác nhau, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả và đáp ứng được nhu cầu của con người Việc phát triển công nghệ và nghiên cứu mô hình thúc đẩy sự tiến bộ và phù hợp với nhu cầu ứng dụng mô hình Vì những lý do trên, nhóm đã chọn đề tài nghiên cứu

về mô hình “Cable Robot nâng vật nặng”

1.4 Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài về cable robot đang rất cấn thiết trong ngành công nghiệp ngày nay Với khả năng nâng vật nặng và di chuyển chính xác, chúng giảm nguy cơ tai nạn lao động

và tối ưu hóa quy trình sản xuất An toàn lao động được đặt lên hàng đầu khi sử dụng robot cable, đồng thời khả năng linh hoạt và đa dụng của chúng mang lại lợi ích rộng rãi cho nhiều ngành công nghiệp Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này không chỉ tăng cường hiệu suất và tiết kiệm chi phí mà còn đóng góp vào sự đổi mới và tiến

bộ của ngành công nghiệp tự động hóa

1.5 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,

3 bậc tự do dạng Point-Mass Ngoài ra còn thiết kế và chế tạo bộ tời điều phối dây cho robot cable có khả năng thu dây và nhả dây một cách chính xác không bị xếp chồng dây lên nhau và rối dây trong quá trình hoạt động Để dễ dàng tính toán chiều dài dây trong quá trình đưa ra giải thuật điều khiển cho robot

1.6 Phương pháp nghi cứu

Để thực hiện đề tài này, phương pháp sử dụng cho đề tài là nghiên cứu kết hợp giữ nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Về nghiên cứu lý thuyết, nhóm đã thực hiện tham khảo các tài cơ khí, điện điện tử, các tài liệu có liên quan trong và ngoài nước, các

Trang 23

đề tài nghiên cứu về robot cable Từ đó có thể mô phỏng trên các phần mềm hỗ trợ như matlab về bài toán động học của robot, không gian hoạt động Về thực nghiệm, nhóm thiết kế bộ tờ có khả năng thu và xếp dây không làm trượt dây, kết hợp với kiến thức điện tử và lập trình tiến hành làm mô hình có khả năng điều khiển

1.7 Giới hạn đề tài

Cấu hình Robot Cable rất dễ dàng mở rộng không gian hoạt động bằng cách tăng chiều dài của dây cáp và lắp nó ở bốn góc của các nhà máy để nâng các vật nặng để giảm thời gian vận chuyển

Nhưng trong quá trình nghiên cứu và chế tạo robot thì không gian hoạt động của robot bị hạn chế ở mức độ mô hình nhỏ vì không có đủ không gian để thực nghiệm nên nhóm chỉ thiết kế khung robot có kích thước: chiều dài 1.7m, chiều rộng 1.7m, chiều cao 1m

Đề tài robot là nâng vật nặng nhưng nhóm chỉ giới hạn tải trọng là 30kg và sử dụng động cơ bước để kéo vật vì chi phí quá lớn khi sử dụng các động cơ có công suất lớn để nâng các vật nặng hơn

Do mô hình thiết kế Robot Cable nâng vật với tốc độ chậm nên bỏ qua lực quán tính tại đầu công tác nên xét bài toán động học vật ở trạng thái tĩnh

Trang 24

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Robot cáp cấu hình robot song song

Robot Cable có thể được yêu cầu không chỉ cho các hoạt động có tính linh hoạt cao hơn, mà còn cho không gian làm việc lớn có thể tiếp cận và tải trọng cao Một đặc tính quan trọng của các trình điều khiển cáp là cáp chỉ có thể hoạt động đơn phương thông qua sức căng và không có 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: Điều này phân loại động học được đề xuất bởi Ming và Higuchi để phân biệt giữa các robot cable Một tiêu chí rõ ràng để phân loại là xem xét số lượng cáp được biểu thị bằng m và bậc tự do có thể kiểm soát của đầu công tác được ký hiệu là n Hơn nữa, bậc tự do thừa r = m - n được giới thiệu Người ta có thể phân biệt giữa các nhóm sau:

• m <n ≤ 6: Robot bị hạn chế động học không hoàn toàn Có tính đến trọng lực hoặc các lực tác động khác và lực xoắn, một hoặc nhiều tọa độ của robot ở trạng thái cân bằng ổn định hoặc không ổn định Tuy nhiên, trong trường này robot không thể kiểm soát được các trạng thái không ổn định Số lượng và hướng của mức độ tự do có thể kiểm soát khác nhau khắp không gian làm việc Lớp robot này được gọi là cơ chế định vị hoàn toàn hạn chế (IRPM)

• n = m: Robot bị hạn chế về mặt động học hoàn toàn nhưng trạng thái cân bằng lực phụ thuộc vào các lực được áp dụng như trọng lực Có một phạm vi lực hạn chế và lực xoắn mà robot có thể chịu được tùy thuộc vào độ lớn và hướng của lực tác dụng

• n + 1 = m: Robot có thể bị hạn chế thông qua các dây cáp ở một số tư thế nhất định Các loại mô hình chuyển động khác nhau Các lực mà robot có thể chịu được phụ thuộc vào các lực căng tối thiểu và tối đa trong các dây cáp có thể được tạo ra bởi robot Robot thuộc nhóm này được gọi là cơ chế định vị hạn chế (CRPM)

• n + 1 < m: Robot thừa ràng buộc và các lực phải được phân phối giữa các dây cáp Những robot này được gọi là cơ chế định vị thừa ràng buộc (RRPM) Sự dư thừa liên quan đến số lượng các ràng buộc động học và do đó cũng liên quan đến hoạt động của chúng vì có nhiều ràng buộc động học hơn bậc tự do Do đó, các tĩnh lực của robot thường không được xác định

Trang 25

2.2 Các loại cáp truyền động

Cáp thép có rất nhiều cấu trúc khác nhau, được cấu tạo từ số bó cáp x số sợi cáp Ta dựa vào cấu tạo của cáp thép mà sẽ biết sợi cáp đó là cáp cứng hay cáp mềm Cáp thép càng ít sợi cáp thì sợi cáp đó sẽ cứng và càng nhiều sợi thì sẽ càng mềm Cáp cứng thì có ưu điểm là chịu lực kéo đứt rất cao thường dùng trong cáp neo, cáp clang, cáp dự ứng lực và khi cuốn cáp thì tang cuốn phải có đường kính lớn mới

Để chọn được cáp thép sao cho phù hợp với tải trọng vật cần nâng thì nhà sản xuất sẽ dựa vào chất lượng cáp thép và lực kéo đứt của mỗi loại cáp thép để tính toán

Trang 26

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 được sử dụng trong mọi thiết bị điện tử từ máy tính, điện thoại di động, đến thiết bị gia đình và công nghiệp Sự tiến bộ trong công nghệ vi xử lý đã làm cho chúng trở nên nhỏ gọn, mạnh mẽ hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn, từ đó tăng cường 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,

Vì tốc độ xử lý của chip nhanh và hiệu quả mang lại cao, có nhiều chuẩn giao tiếp truyền thông UART, ICC2, SPI, … Vậy nên chúng ta có thể chọn dòng chip này để lập trình điều khiển hoạt động của Robot Cable

2.4 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, từ đó tạo ra sự quay và di chuyển Đặc điểm chính của động cơ bước là quay một góc cố định mỗi khi nhận một xung điều khiển

Cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển và không cần sử dụng máy biến tần để điều chỉnh tốc độ là những ưu điểm của động cơ bước Chúng có khả năng giữ vị trí một cách chính xác mà không cần hệ thống cơ khí hỗ trợ

Động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu kiểm soát chính xác vị trí, như máy in, máy quét, robot, máy gia công CNC, và các thiết bị y tế Tuy nhiên, chúng có thể có hiệu suất thấp ở tốc độ cao và độ bền có thể bị ảnh hưởng trong môi trường hoạt động nhiệt đới

sử dụng điện áp được cấp vào từ cổng kết nối giữa PC và vi điều khiển

Trang 27

CHƯƠNG III ĐỘNG HỌC CỦA CABLE ROBOT 3.1 Tính số bậc tự do của robot

Ta có mối quan hệ giữa số vòng độc lập L, số khâu N và số khớp J, số chuyển động trùng giữa hai khớp kề nhau và số bậc tự do Dof của robot như sau:

Dof =ℷ (n - j -1) +∑fi - fp

Với: là thông số động học của cơ cấu

n là số khâu của cơ cấu

j là số khớp của cơ cấu

fi là số khớp có khả năng di chuyển được

fp là 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

- Có tổng số khớp có thể di chuyển được là 7 (mỗi khớp cầu trên bệ công tác có 3 khả năng chuyển động tổng có 1 khớp cầu x3, trên ròng rọc có thể chuyển động có 4 khớp trên ròng rọc) nên 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

3.2 Bài toán động học

Sau khi đã tính toán được thông số động cơ cần thiết cũng như là thiết kế phần

cơ khí cho phù hợp cấu hình đã đặt ra Tiếp theo là tính toán động học cho robot song song Cable Đối với bài toán động học robot, phân tích vị trí của đầu công tác là bài toán quan trọng nhất Có 2 loại bài toán phân tích vị trí đó là bài toán thuận và bài toán nghịch Bài toán thuận xác định vị trí và hướng của đầu công tác khi biết được chiều dài của các dây Bài toán nghịch tính toán tìm ra chiều dài dây hợp lý khi biết được vị trí chuyển động của đầu công tác Đối với robot cấu hình nối tiếp việc tìm ra bài toán thuận tương đối đơn giản nhưng việc tính toán bài toán nghịch thì lại khá phức tạp hơn

Trang 28

Ngược lại, đối với robot cấu hình song song nói chung và robot Cable nói riêng việc

tìm ra bài toán nghịch lại đơn giản hơn nhưng bài toán thuận lại rất phức tạp Trong đồ

án này việc tính toán tìm ra bài toán thuận vẫn chưa giải quyết được cho nên nhóm chỉ

trình bài về cách tính toán tìm ra bài toán nghịch nhằm giải quyết vấn đề điều khiển của

robot

3.2.1 Động học thuận của Robot

Hình 3.1 Động học của robot trong hệ trục tọa độ

Đặt gốc tọa độ của hệ là tâm của mặt phẳng đáy và tâm của vật cách gốc tọa độ

2; −

b

2; h) (x3; y3; z3) = (−a

2;

b

2; h) (x4; y4; z4) = (a

2;b

2; h)

Trang 29

X = (x; y; z) Phương trình tổng quát tính chiều dài dây:

Trang 30

x = l3

2− l422a

y =l2

2− l322b

3.3 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

Fht

⃗⃗⃗⃗⃗ : Lực hướng tâm hay lực quán tính P

⃗⃗ : Trọng lực của vật Chiếu các lực trong hệ vật lên phương chiều Oxyz:

Trang 31

Hình 3.3 Chọn chiều của lực trong không gian Oxyz

Lực căng của dây:

Hình 3.4 Phân tích lực căng dây trên từng điểm A, B, C, D

Trang 32

Xét hệ phương trình theo phương Oy:

F⃗⃗⃗⃗ = Ty ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + T1_y ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + T2_y ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + T3_y ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = 0 (3.14) 4_y

=> −T1_y− T2_y+ T3_y+ T4_y = 0

Xét hệ phương trình theo phương Oz:

Trang 33

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

Hình 3.6 Phân tích lực căng dây 𝑇1 tại điểm B

Trong đó: T⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ : Lực căng dây chiếu lên mặt phẳng Oxy 1_xy

α: Góc tạo bởi dây cáp với mặt phẳng Oxy β: Góc tạo bởi T⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ và T1_xy ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 1_x

Tính góc α:

Véc tơ chỉ phương của dây cáp:

u⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = (xL1 1− x, y1− y, z1− z) (3.16)

Trang 34

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 , uOxy ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ )| =OA [0 (xA − xO) + 0 (yA− yO) + 1 (zA − zO)]

Tính toán tương tự với các lực căng dây còn lại:

Thay số vào phương trình (công thức 3.13):

Trang 38

sợi dây Như vậy tương ứng với từng dây sẽ có vận tốc riêng biệt Công thức tổng quát chung:

li̇ = lit+∆t− lit

∆t

3.5 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 h=100cm

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)

Trang 39

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

Trang 40

Hình ảnh ở trên thể hiện quá trình di chuyển của đầu công tác từ Q (0,0,30) đến vị trí

A (30,40,50)

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)

Định dạng
Số trang	104
Dung lượng	6,95 MB