Nghiên cứu và chế tạo mô hình Robot song song

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM ANH ĐỨC NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT SONG SONG Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy Mã số : 60.52.04 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ CUNG Phản biện 1: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY Phản biện 2: PGS.TS LÊ VIẾT NGƢU Luận văn bảo trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 14 tháng 12 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại Học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU L họ ề tài Trong trình công nghiệp hóa hóa, nhà khoa học nghiên cứu chế tạo loại robot để phục vụ sản xuất Cùng với trình phát triển robot công nghiệp, loại robot đời, thay dần loại robot trước đây, robot song song, với đặc tính trội so với robot cổ điển như: - Khả chịu tải lớn - Các thành phần cấu tạo nhỏ nên tổng trọng lượng robot nhỏ - Độ cứng vững cao kết cấu hình học chúng hợp l - Tất lực tác động đồng thời phân bố cho chân đồng thời lực tác động l n chân robot lực o hay n n nhờ cấu tr c robot - Có thể thực thao tác phức tạp với độ xác cao công việc nhờ vào cấu trúc song song; sai số phụ thuộc vào sai số dọc trục sai số không bị tích luỹ - Các cấu chấp hành định vị - Các robot song song không cần làm việc bệ đỡ di chuyển tới nơi môi trường sản xuất có khối lượng ích thước tương đối nhỏ - obot song song có phạ vi s dụng há rộng, từ việc dùng lắp ráp chi tiết tinh vi việc tạo chuyển động phức tạp tạo hình, gia công biên dạng phức tạp - Năng suất làm việc cao Footer Page of 126 Header Page of 126 - Giá thành robot song song s dụng gia công rẻ nhiều so với máy CNC có tính tương đương Với tính ưu việt cao, robot song song ngày thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng rộng rãi loại robot nhiều lĩnh vực Chính lý định chọn đề tài cho luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu chế tạo mô hình robot song song” ứng dụng dây chuyền sản xuất dùng để vận chuyển sản phẩm dây chuyền Mục ích ề tài Đề tài nhằm nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot song song nhằm ứng dụng vào dây chuyển sản xuất ua ta phát triển thành sản phẩm ứng dụng gia công tạo hình, lắp ghép vận chuyển sản phẩm trình sản xuất Phạm vi nội dung nghiên cứu Đề tài thực với nội dung chủ yếu sau: - Nghiên cứu tổng quan robot song song - Nghiên cứu lý thuyết giải toán động học robot song song - Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình khí robot song song Nghiên cứu lựa chọn chế tạo mạch điện s dụng để điều khiển robot - Nghiên cứu thuật toán điều khiển xây dựng chương trình điều khiển vị trí robot song song Footer Page of 126 Header Page of 126 Đề tài giới hạn việc nghiên cứu robot Delta, điều khiển theo vị trí, sở điều khiển theo quỹ đạo Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài kết hợp nghiên cứu phương pháp lý thuyết thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết: + Tổng hợp tài liệu tính toán động học thuận ngược robot Delta, từ ây dựng thuật toán giải toán động học thuận/ động học ngược + Tính toán thiết kế mô hình khí cho robot đảm bảo độ xác độ cứng vững cần thiết, đáp ứng nhu cầu điều khiển xác + Tìm hiểu phương pháp điều khiển, lựa chọn mạch điều khiển, xây dựng thuật toán chương trình điều khiển - Nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo mô hình thực nghiệm robot Delta điều khiển thực công việc yêu cầu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài mang nhiều ý nghĩa khoa học thực tiễn: - Tạo tiền đề cho việc chế tạo robot Delta ứng dụng vào thực tế: thiết bị gia công biên dạng bề mặt phức tạp, tạo biên dạng theo đường cong bất kỳ, robot lắp ráp sản phẩm hệ thống sản xuất linh hoạt, robot nâng chuyển… - Góp phần xây dựng mô hình dạy học điều khiển tự động Robot công nghiệp trường Cao đẳng Đại học Footer Page of 126 Header Page of 126 Cấu trúc luậ vă Nội dung thuyết minh luận văn bao gồm: Mở đầu Chương 1: Tổng quan Robot song song Chương 2: Nghi n cứu động học robot Delta Chương 3: Thiết kế, chế tạo mô hình robot Delta Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển robot Delta Kết luận hướng phát triển đề tài Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 MỘT SỐ MẪU ROBOT SONG SONG 1.3 ƢU ĐIỂM CỦA ROBOT DELTA 1.4 CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƢỚC LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 1.5 KẾT LUẬN Trong chương ta khái quát tổng quan robot song song, trình bày số mẫu robot song song thông dụng Đồng thời ta n u bật tính hác biệt, cải tiến vượt trội robot Delta so với robot song song thông thường khác, tạo tiền đề cho thành công rực rỡ 20 nă Tr n sở tham khảo đề tài nghiên cứu liên quan đề tài robot Delta ta đề hướng nghiên cứu cho đề tài sau: nghiên cứu động học, xây dựng mô hình robot song song dựa tr n ích thước hâu động ác lập cuối thiết kế hệ thống điều khiển robot Delta Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC ROBOT DELTA 2.1 GIỚI THIỆU VỀ ROBOT DELTA 2.1.1 Phân loại robot Delta 2.1.2 Nguyên lý hoạt ộng 2.1.3 Các suy biến robot DELTA 2.2 CHỌN PHƢƠNG ÁN SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC ĐỂ THIẾT KẾ ROBOT DELTA Trong phạm vi luận án này, ta chọn sơ đồ động học hình 2.4a để thiết kế loại sơ đồ động học theo giống với nguyên ban đầu loại robot Delta nhất, với động quay quay gắn trực tiếp với cấu hình bình hành, hay nói cách khác ta sâu tì hiểu thiết kế loại robot Delta bậc tự với sơ đồ động học kết cấu hình 2.5 Hình 2.1 Sơ đồ động học kết cấu robot Delta bậc tự [7] Footer Page of 126 Header Page of 126 2.3 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ROBOT DELTA Hình 2.2 Thông số chiều dài góc đặc trưng robot Delta [7] 2.4 PHẠM VI HOẠT ĐỘNG 2.4.1 Giới hạn hình học Giới hạn : - Giới hạn : 30° ≤ max ≤ i i ≤ + max i [7] ≤ 180° [7] 2.4.2 Vùng làm việc tay máy robot Delta Bảng 2.1 Thông số hình học robot song song Delta thiết kế Thông số Giá trị Bán kính phẳng cố định RF 180 (mm) Bán kính phẳng di động RE 47 (mm) Chiều dài cánh tay L 160 (mm) Chiều dài cấu hình bình hành LP 620 (mm) Góc lắc lớn khớp cầu 230 Tỷ lệ r Footer Page of 126 max 0,74 Header Page 10 of 126 Tỷ lệ b Đường kính mặt cầu vùng hoạt động robot 780 (mm) Delta DG Đường kính phần hình trụ vùng làm việc D 488 (mm) Độ cao vùng làm việc robot 187 (mm) Độ cao lớn đạt tay máy 274 (mm) Hmax Diện tích bề mặt làm việc S 5,29.105(mm2) Thể tích vùng làm việc V = S.H 9,89.107(mm2) 2.4.3 Các ràng buộc kí h thƣớ ể trá h iểm suy biến 2.5 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT DELTA 2.5.1 Xá ịnh vấ 2.5.2 Bài t ề ộng học thuận robot Delta Hình 2.3 Sơ đồ mô tả nguyên tắc xây dựng toán động học thuận Hình 2.4 Các kích thước robot Delta [19] Footer Page 10 of 126 Header Page 12 of 126 10 (hình 2.23) Ta chọn giao điểm với giá trị tọa độ Y nhỏ Và ta biết J1, ta tính giá trị θ1 E1’ hình chiếu E1 theo phương ta có tọa độ E1’ y0 - e l n ặt phẳng Oyz hi , z0 ác định Từ hệ phương trình ta ác định tọa độ điểm J1 (0, yJ1, zJ1) 2.6 ac tan z J1 y F1 (2.29) [19] yJ1 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG DELTA ác định tốt khả vận hành tay máy, ta cần mô Nhằ động học thuận ngược loại robot Dựa phần mề Java ta ây dưng chương trình ô với giao diện hình 2.26: Hình 2.6 Mô toán động học Delta 2.6.1 Mô Động học thuận 2.6.2 Mô phỏ g Động họ gƣợc 2.6.3 Mô quỹ ạo chuyể 2.6.4 Kết mô Footer Page 12 of 126 ộng Header Page 13 of 126 11 a) Kết mô toán động học ngược thuận Bảng 2.2 Bảng kết tính toán động học ngược chương trình mô Giá trị cần xác định : góc quay Giá trị nhập: tọa độ tâm STT phẳng di động (x, y, z) ( 1, (0.15, -0.20, -0.56) 3) (0.26, -0.26, -0.95) (-0.10, 0.15, -0.56) 2, (-0.60, -0.22, 0.31) Bảng 2.3 Bảng kết tính toán động học thuận chương trình mô Giá trị cần xác định : tọa độ điểm Giá trị nhập: STT góc quay ( 1, 2, (0.26, -0.26, -0.95) (-0.60, -0.22, 0.31) b) phẳng di động (x, y, z) 3) E0 E1 E2 (0.15, -0.20, (0.19, -0.18, (0.11, -0.18, -0.56) -0.56) 0.56) (-0.10, 0.15, -(-0.6, 0.17, (-0.14, 0.17, 0.56) -0.56) -0.56 Kết mô quỹ đạo chuyển động robot delta Hình 2.7 Đồ thị mô tả góc quay động Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 12 Đồ thị vận tốc góc (rad/s) Hình 2.8 Đồ thị mô tả vận tốc góc động Đồ thị gia tốc góc (rad/s2) Hình 2.9 Đồ thị mô tả gia tốc động 2.7 KẾT LUẬN Nghiên cứu động học robot song song Delta ác định ích thước khâu chuỗi động, xây dựng chương trình mô toán động học robot song song Delta tạo tiền đề cho việc thiết kế hệ dẫn động robot Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 13 CHƯƠNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT DELTA 3.1 ĐỘNG CƠ 3.1.1 Hoạt ộng RC servo Hình 3.1Cấu tạo động Servo R/C [17] 3.1.2 Serv iều biế ộ rộng xung Hình 3.2 Mỗi 20ms, xung điều chỉnh biến thiên từ 1ms đến 2ms để 3.1.3 Vai trò Vôn kế 3.1.4 Các giới hạn quay 3.1.5 Hệ thống truyề ộ g bá h ră g truyền công suất 3.1.6 Thông số ộ g Serv R/C Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 3.2 14 CÁC THÀNH PHẦN CƠ KHÍ 40 135 20 12 25 10 205 Hình 3.3 Chi tiết cánh tay 120° 20 37 0° R20 12 46 R2 12 98 Hình 3.4 Chi tiết phẳng di động OT OB 20 80 R190 R40 190 DELTA R 120 ° 53 14 26 120° 380 Hình 3.5 Chi tiết phẳng cố định Footer Page 16 of 126 Header Page 17 of 126 15 R5 15 Ø9 Hình 3.6 Khớp cầu M4 610 10 Hình 3.7 Đoạn nối hai khớp cầu 3.3 ẢNH THỰC ROBOT SAU KHI CHẾ TẠO Hình 3.8 Sơ đồ mô hình robot Delta lắp ráp Footer Page 17 of 126 Header Page 18 of 126 3.4 16 KẾT LUẬN Nội dương chương sâu vào thiết kế, chế tạo mô hình robot Delta dựa ích thước kết cấu sẵn có chương Việc hoàn thiện kết cấu hí lựa chọn động hợp lý tạo tiền đề tốt cho việc xây dựng hệ điều khiển robot Delta Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT DELTA 4.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG DELTA 4.1.1 Sơ khối Hình 4.1 Mô hình hệ thống điều khiển robot 4.1.2 Nguyên lý hoạt ộng 4.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.2.1 Khối nguồn Hình 4.2 Sơ đồ khối nguồn mạch điều khiển Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 18 4.2.2 Khối vi iều khiển Hình 4.3 Sơ đồ khối vi điều khiển mạch 4.2.3 Khối giao tiếp máy tính Hình 4.4 Sơ đồ khối giao tiếp máy tính qua cổng RS232 Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 19 4.2.4 Ngõ nạp hƣơ g trì h h vi iều khiển Hình 4.5 Sơ đồ ngõ nạp chương trình cho vi điều khiển ATMega32 4.2.5 Ngõ cấp nguồ xu g iều khiể ộ g serv Hình 4.6 Ngõ cấp nguồn xung điều khiển động servo 4.2.6 Khối iều khiể ấu chấp hành cuối Hình 4.7 Sơ đồ khối điều khiển cấu chấp hành cuối Footer Page 21 of 126 Header Page 22 of 126 4.3 20 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 4.3.1 Thuật t iều khiển máy tính Hình 4.8 Sơ đồ thuật toán điều khiển giải toán động học ngược Footer Page 22 of 126 Header Page 23 of 126 21 4.3.2 Thuật toán lập trì h vi iều khiển a) Hàm main Hình 4.9 Thuật toán hàm (Main) b) Ngắt Timer Hình 4.10 Sơ đồ thuật toán ngắt Timer Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 22 c) Ngắt UART Hình 4.11 Sơ đồ thuật toán ngắt UART KẾT LUẬN 4.4 Chương đề cập đến việc thiết kế hệ thống điều khiển robot Delta, xây dựng sơ đồ khối khiển, chế tạo mạch điều khiển đưa sơ đồ thuật toán điều khiển cách hợp lý Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 23 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Qua trình thực đề tài đạt kết sau: - Đề xuất ô hình tính toán động học robot Delta cách đơn giản Từ ây dựng chương trình ô dựa Java để khảo sát động học robot - Xây dựng mô hình hoàn chỉnh robot song song Delta với kích thước cụ thể - Đưa phương thức điều khiển s dụng thành phần tối ưu để điều khiển hoạt động mô hình robot Delta thực tế Bước đầu xây dựng mô hình robot Delta với khả chuyển động theo vị trí cho trước, sai lệch phạm vi ±5mm - Đã ây dựng chương trình điều khiển với giao diện đơn giản Việc xác lập tọa độ cần di chuyển đến robot s dung cách nhập tọa độ xác điều khiển theo thời gian thực trỏ chuôt Tuy đề tài số tồn sau: - Nội dung luận văn chưa đề cập đến toán động lực cấu, giải nhiệm vụ đề để tính toán lực quán tính, ứng suất tác động lên khâu suốt trình chuyển động robot - Mô hình chuyển động theo nhiệm vụ đơn giản, chuyển động thẳng chưa ây dựng toán chuyển động theo đường cong Để khắc phục hạn chế này, cần có thêm nghiên cứu cụ thể ô hình toán động lực học; nâng cao khả lập trình chuyển động theo quỹ đạo dựa tr n sở nội suy từ Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 24 chuyển động thẳng; nghiên cứu nhận dạng vị trí hướng chi tiết, từ oay đưa chi tiết vị trí hướng theo yêu cầu Từ kết đạt nghiên cứu đề tài bước đầu tạo tiền đề cho việc nghiên cứu ứng dụng robot Delta Việt Nam Khi kết hợp với kỹ thuật x lý ảnh với giải tốt toán động lực học, mô hình xây dựng robot Delta chế tạo có triển vọng tốt để ứng dụng vào thực tế sản xuất Footer Page 26 of 126 ... yếu sau: - Nghiên cứu tổng quan robot song song - Nghiên cứu lý thuyết giải toán động học robot song song - Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình khí robot song song Nghiên cứu lựa chọn chế tạo mạch... nghiệp: Nghiên cứu chế tạo mô hình robot song song” ứng dụng dây chuyền sản xuất dùng để vận chuyển sản phẩm dây chuyền Mục ích ề tài Đề tài nhằm nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot song song nhằm... học nghiên cứu chế tạo loại robot để phục vụ sản xuất Cùng với trình phát triển robot công nghiệp, loại robot đời, thay dần loại robot trước đây, robot song song, với đặc tính trội so với robot