NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TAY GẮP ROBOT MỀM ỨNG DỤNG TRONG DÂY TRUYỀN ĐÓNG GÓI KHAY CƠM PHẦN TẠI CÁC KHU CÔNG NGHIỆP TẠI VIỆT NAM

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, Robot mềm hướng nghiên cứu phát triển lĩnh vực Robot tính linh hoạt cao, thân thiện với mơi trường người Thế giới có bước tiến việc nghiên cứu, chế tạo ứng dụng robot mềm đời sống Tuy nhiên Việt Nam, mảng nghiên cứu mẽ chưa thực thu hút nhiều nhà nghiên cứu nên chưa có nhiều nghiên cứu liên quan Bên cạnh đó, nước ta thúc đẩy mạnh nghiệp cơng nghiệp hóa, đại hóa sản xuất đời sống, dẫn đến nhu cầu ngày gia tăng Vì lý trên, khóa luận này, nhóm nghiên cứu bao gồm sinh viên K12 khoa Cơ khí lựa chọn đề tài Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị tay gắp robot mềm ứng dụng dây chuyền đóng gói khay cơm phần khu cơng nghiệp Việt Nam Mục tiêu q trình nghiên cứu tập trung vào phân tích ứng xử ngón tay mềm cụm ngón tay mềm Nhóm xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn - TS Đặng Hồng Minh, ban lãnh đạo khoa Cơ khí thầy cô khoa hỗ trợ, tạo điều kiện để nhóm hồn thành khóa luận Trong q trình thực có điều sai sót, kính mong ban lãnh đạo khoa, q thầy khoa thơng cảm, nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn! Nhóm nghiên cứu Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 Giới thiệu tóm tắt 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu tính cấp thiết tiến hành nghiên cứu 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.3 Đánh giá kết cơng trình nghiên cứu cơng bố (ưu, khuyết, tồn tại…) 1.2.4 Tính cấp thiết tiến hành nghiên cứu 1.2.4.1 Tính cấp thiết nhu cầu nghiên cứu mơ hình tay gắp robot mềm 1.2.4.2 Hiện trạng lao động nhu cầu cung cấp phần ăn Khu công nghiệp Việt Nam 1.2.4.3 Ứng dụng thiết bị gắp mềm dây chuyền đóng gói khay cơm phần CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp luận 10 2.2 Phương pháp mô 11 2.3 Phương pháp chế tạo 11 2.4 Phương pháp xác định tính vật liệu siêu đàn hồi 12 2.4.1 Cơ sở lý thuyết 13 2.4.2 Phương trình biến dạng 14 2.4.3 Một vài mơ hình vật liệu siêu đàn hồi 15 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ VẬT LIỆU SIÊU ĐÀN HỒI Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh 3.1 Đúc mẫu thử kéo 18 3.2 Kéo đơn phương 19 3.3 Fit liệu thực nghiệm 20 3.4 Đánh giá mơ hình kết cấu 21 CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MỘT NGĨN TAY MỀM 4.1 Thiết kế mơ hình 3D SolidWorks 25 4.2 Q trình chế tạo ngón tay mềm 26 4.2.1 In khuôn 26 4.2.2 Pha trộn silicon cho silicon vào khuôn 27 4.3 Q trình mơ đo góc uốn 27 4.3.1 Đưa file x_t vào ABAQUS 28 4.3.2 Gán vật liệu cho mơ hình (vật liệu hyperelastic) 28 4.3.3 Đưa mơ hình vào mơi trường Assembly 28 4.3.4 Tạo bước phân tích 28 4.3.5 Tạo tương tác 29 4.3.6 Tạo lực tác dụng 29 4.3.7 Chia lưới cho mơ hình 30 4.3.8 Tạo chạy phân tích (tạo Job) 30 4.3.9 Kiểm tra kết 30 4.4 Kiểm tra lực tác dụng thông qua mô 34 4.4.1 Phương pháp mô 35 4.4.2 Q trình mơ đo lực 35 4.5 Tìm mối quan hệ Fn, P h 42 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CÁNH TAY ROBOT MỀM Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh 5.1 Hệ thống cánh tay robot 45 5.1.1 Thiết kế lần 45 5.1.2 Thiết kế lần 46 5.2 Hệ thống cấp khí 48 5.3 Hệ thống điều khiển 50 5.3.1 Mạch điều khiển động 50 5.3.2 Mạch điều khiển khí nén 52 5.3.3 Điều khiển Bluetooth 53 5.4 Bảng mạch điều khiển thực tế 53 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG GẮP VẬT VÀ THỬ NGHIỆM GẮP VẬT 6.1 Quá trình mơ gắp vật 55 6.1.1 Tạo mơ hình 56 6.1.2 Gán vật liệu 56 6.1.3 Lắp ráp mơ hình 57 6.1.4 Tạo bước phân tích 57 6.1.5 Tạo tương tác 57 6.1.6 Tạo lực điều kiện biên 58 6.1.7 Chia lưới 59 6.1.8 Tạo Job chạy mô 59 6.1.9 Hậu xử lý 60 6.2 Thử nghiệm gắp vật 60 CHƯƠNG 7: THẢO LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Các nguyên nhân dẫn đến sai số thực nghiệm mô phỏng: 65 Cách để giảm thiểu sai số 65 7.2 Hướng phát triển 66 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 1: THẢO LUẬN CẤU TRÚC NGÓN TAY MỀM 69 PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 72 A Chương trình điều khiển động tay 72 B Chương trình điều khiển động tự động 75 C Chương trình điều khiển cấp khí 78 D Chương trình điều khiển bluetooth 81 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hồng Minh MỤC LỤC HÌNH Hình 1- Một vài cơng trình nghiên cứu soft-robot thời gian gần Hình 2- Thực trạng đóng gói khay cơm phần Việt Nam Hình 3- Phương pháp thực 10 Hình 4- Lý thuyết ứng suất-biến dạng 13 Hình 5- Quy trình xác định thơng số vật liệu siêu đàn hồi 17 Hình 6- Quy trình đúc mẫu thử kéo: Khuôn, silicon thành phần a); Pha trộn silicon, cho silicon vào khn, mẫu thử kéo hồn thiện b) 18 Hình 7- Silicon mẫu thử kéo độ cứng khác 19 Hình 8- Mẫu thử kẹp vào thiết bị HLB 19 Hình 9- Mẫu thử sau bị kéo đứt 19 Hình 10- Tổng hợp liệu thử kéo đường cong fit tương ứng với độ cứng 20 Hình 11- Tổng hợp biểu đồ ứng suất-biến dạng độ cứng 21 Hình 12- Mối quan hệ ứng suất-biến dạng mơ hình liệu thực nghiệm 22 Hình 13- Kích thước bao a) cấu trúc bên ngón tay mềm b) 25 Hình 14- Quá trình chế tạo ngón tay mềm: Khn trên, khn dưới, khn nắp a); Cho silicon vào khn, lắp thân nắp, ngón tay mềm hồn chỉnh b) 26 Hình 15- Buồng hút chân không sử dụng để loại bỏ bọt khí 27 Hình 16- Mơ hình ngón tay mềm Abaqus 28 Hình 17- Tương tác thành khoang khí 29 Hình 18- Điều kiện biên áp suất khí tác dụng vào cấu mềm 29 Hình 19- Góc uốn cấu mềm 30 Hình 20- Biểu đồ góc uốn-áp suất thực nghiệm mơ hình mơ 33 Hình 21- Lực Fn tác dụng vào bề mặt vật 35 Hình 22- Set ngàm xác định 36 Hình 23- Gán vật liệu thép cho khối chữ nhật 36 Hình 24- Gán vật liệu silicon cho ngón tay mềm 37 Hình 25- Bố trí mơ hình đo phản lực mơ 37 Hình 26- Các tương tác mơ 38 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh Hình 27- Áp suất tác dụng vào ngón tay mềm 39 Hình 28- Mơ hình sau chia lưới 40 Hình 29- Bảng điều khiển q trình chạy mơ 40 Hình 30- Kết trực quan biến dạng cấu mềm tác động vào vật 41 Hình 31- Biểu đồ thể thay đổi phản lực RF1 theo thời gian phân tích 41 Hình 32- Cơng cụ Surface Fit Matlab 42 Hình 33- Miền giá trị thể mối quan hệ Fn, h P 43 Hình 34- Hệ thống cánh tay robot cũ cụm gắp mềm 45 Hình 35- Thanh trượt trơn dẫn hướng ∅10 46 Hình 36- Động bước sử dụng 46 Hình 37- Vít me - Đai ốc loại ∅8, bước 12mm 47 Hình 38- Cấu trúc hệ thống cánh tay 48 Hình 39- Hệ thống bơm, bình chứa khí van đóng/ xả khí 48 Hình 40- Lưu đồ điều khiển 50 Hình 41- Mạch điều khiển động 51 Hình 42- Mạch điều khiển khí nén 52 Hình 43- Giao diện điều khiển bluetooth smartphone 53 Hình 44- Bảng mạch điều khiển 54 Hình 45- Bảng nút nhấn điều khiển 54 Hình 46- Cụm gắp mềm 55 Hình 47- Mơ hình vật gắp 56 Hình 48- Bố trí mơ hình mô 57 Hình 49- Các tương tác q trình mơ 58 Hình 50- Điều kiện biên áp suất khí tác dụng 58 Hình 51- Mơ hình sau chia lưới 59 Hình 52- Hộp thoại Job Manager 60 Hình 53- Kết mơ nâng vật 60 Hình 54- Vật gắp thử nghiệm 61 Hình 55- Áp suất 55 kPa cài đặt giống mô 61 Hình 56- Thử nghiệm gắp vật mẫu 61 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hồng Minh Hình 57- Các thử nghiệm gắp vật 64 Hình 58- Hình dạng a) cấu trúc b) ngón tay mềm 69 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hồng Minh MỤC LỤC BẢNG Bảng 1- Thơng số vật liệu silicon 18 Bảng 2- Hệ số tương quan mơ hình với liệu thực nghiệm độ cứng 22 Bảng 3- Hằng số vật liệu tương ứng với mơ hình Polynomial bậc 23 Bảng 4- Hằng số vật liệu tương ứng với mơ hình Yeoh 23 Bảng 5- Hằng số vật liệu tương ứng với mơ hình Ogden bậc 23 Bảng 6- Góc uốn ứng với mức áp suất 20 kPa, thực nghiệm mô với mơ hình 31 Bảng 7- Hệ số R2 kết đo góc uốn mơ hình thực nghiệm tương ứng với độ cứng 33 Bảng 8- Giá trị Fn tương ứng với khoảng cách h áp suất P 42 Bảng 9- Kết so sánh khả gắp vật cụm ngón tay khơng có lớp giấy cụm ngón tay có lớp giấy 70 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1 Giới thiệu tóm tắt Trong năm gần đây, bên cạnh phát triển robot cứng truyền thống (rigid-robot) robot mềm (soft-robot) hướng đi, hướng phát triển giới nói chung nhà nghiên cứu lĩnh vực robot nói riêng tính linh hoạt thân thiện với người mà robot cứng truyền thống khó đạt Xuất phát từ nguồn cảm hứng đó, nhà nghiên cứu phát triển mơ hình robot mềm bắt chước hành vi người, phận thể người (tay, chân, lưỡi,…) hay bắt chước hình dáng chuyển động lồi động vật nhằm mục đích phục vụ lĩnh vực y tế (phục hồi chức năng), sản xuất, thăm dò nghiên cứu Một số mơ hình robot mềm bật thiết bị tay gắp mềm (soft-gripper) Các tay gắp mềm chế tạo phương pháp in 3D mơ hình hóa, mơ chuyển động phần mềm Abaqus dựa sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Tuy nhiên q trình mơ mơ hình 3D tay gắp mềm phần mềm Abaqus đòi hỏi thông số cần thiết vật liệu siêu đàn hồi Do đó, đề tài này, tác giả đề xuất phương pháp nhằm tìm tính vật liệu silicon sử dụng Nhờ đó, q trình phân tích tay gắp mềm có sở tin cậy, đồng thời dự đốn thơng số đầu vào áp suất khí thơng số đầu góc uốn, lực gắp Sản phẩm đề tài thiết bị tay gắp mềm với nhiều thiết kế ứng dụng đời sống, đặc biệt dây chuyền đóng gói thực phẩm nói chung khay cơm phần khu cơng nghiệp Việt Nam nói riêng, bên cạnh báo Scopus Kết thu từ nghiên cứu đóng góp hữu ích cho q trình mơ phỏng, tính tốn robot mềm ngành cơng nghiệp đóng gói thực phẩm 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu tính cấp thiết tiến hành nghiên cứu 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Robotics ngành kỹ thuật khoa học liên ngành bao gồm kỹ thuật khí, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật thơng tin, khoa học máy tính ngành khác Robotics liên quan đến việc thiết kế, xây dựng, vận hành sử dụng robot, Thiết bị gắp robot mềm Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh Bảng 9- Kết so sánh khả gắp vật cụm ngón tay khơng có lớp giấy cụm ngón tay có lớp giấy Cụm ngón tay khơng có lớp giấy P= 33 kPa m= 79,74 gr P= 62 kPa m= 201,19 gr P= 69 kPa m= 300,01 gr Thiết bị gắp robot mềm Cụm ngón tay có lớp giấy P= 26 kPa m= 79,74 gr P= 47 kPa m= 201,19 gr P= 55 kPa m= 300,01 gr 70 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh Kết Bảng cho thấy, với vật, khối lượng, mức áp suất đưa vào để nâng gắp vật cụm có lớp giấy cụm khơng có lớp giấy khoảng 13 kPa Nguyên nhân cấu tạo ngón tay bao gồm lớp giấy, cấu trúc trở nên cứng vững hơn, tăng cường khả gắp giữ vật Thiết bị gắp robot mềm 71 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hồng Minh PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN A Chương trình điều khiển động tay float cai = 20; #define buttonDN // tăng #define buttonUP // giảm #define bd 20 int ascai; #include const int CLK = 7; const int DIO = 6; TM1637Display display(CLK, DIO); //////////////////////////////////////////////////////////// const int stepPin = 8; //PUL+ const int dirPin = 9; //DIR+ const int stepPin1 = 10; //PUL+ const int dirPin1 = 11; //DIR+ int nutnhan = 0; int led = 12; unsigned onoff = ; //////////////////////////////// int len = 4; int xuong = 5; int len1 = ;//quay trái int xuong1 = 3;//quay phải Thiết bị gắp robot mềm 72 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh void setup() { ascai=bd; display.setBrightness(0x0a); Serial.begin(9600); pinMode (nutnhan, INPUT_PULLUP); //ĐỘNG CƠ lên xuống pinMode(stepPin, OUTPUT); pinMode(dirPin, OUTPUT); pinMode(len, INPUT_PULLUP); pinMode(xuong, INPUT_PULLUP); //ĐỘNG CƠ trái phải pinMode(stepPin1, OUTPUT); pinMode(dirPin1, OUTPUT); pinMode(len1, INPUT_PULLUP); pinMode(xuong1, INPUT_PULLUP); } void loop() { if (digitalRead(buttonDN)==LOW) { delay(50); ascai++; } if(digitalRead(buttonUP)==LOW) {delay(50); ascai ; Thiết bị gắp robot mềm 73 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh } display.showNumberDec(ascai); //Display the Variable value; ///////////////////////////ĐỘNG CƠ 1//////////////////////////// if (digitalRead(len) == LOW) { while (digitalRead(len) == LOW) { //Serial.println("len"); digitalWrite(dirPin, HIGH); digitalWrite(stepPin, HIGH); delayMicroseconds( 600); digitalWrite(stepPin, LOW); delayMicroseconds( 600); } } /////////////////////////////////////////////////////// if (digitalRead(xuong) == LOW) { while (digitalRead(xuong) == LOW) { //Serial.println("xuong"); digitalWrite(dirPin, LOW); digitalWrite(stepPin, HIGH); delayMicroseconds(600); digitalWrite(stepPin, LOW); delayMicroseconds(600); } Thiết bị gắp robot mềm 74 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh } //////////////////////////ĐỘNG CƠ 2///////////////////////////// if (digitalRead(len1) == LOW) { while (digitalRead(len1) == LOW) { //Serial.println("len1"); digitalWrite(dirPin1, HIGH); digitalWrite(stepPin1, HIGH); delayMicroseconds(700); digitalWrite(stepPin1, LOW); delayMicroseconds(700); } } ////////////////////////////////////////////////////////// if (digitalRead(xuong1) == LOW) { while (digitalRead(xuong1) == LOW) { //Serial.println("xuong1"); digitalWrite(dirPin1, LOW); digitalWrite(stepPin1, HIGH); delayMicroseconds( 700); digitalWrite(stepPin1, LOW); delayMicroseconds( 700); }}} B Chương trình điều khiển động tự động int LEN = 2; Thiết bị gắp robot mềm 75 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đặng Hoàng Minh int XUONG = 0; int TRAI = 4; int PHAI = 5; int KHI = 6; int nutnhan =7 ; int led =8 ; unsigned onoff = ; ////////////////////////////// void setup() { pinMode (nutnhan, INPUT_PULLUP); pinMode (LEN, OUTPUT); pinMode (XUONG, OUTPUT); pinMode (TRAI, OUTPUT); pinMode (PHAI, OUTPUT); pinMode (KHI, OUTPUT); pinMode (led, OUTPUT); } /////////////////////////////////// void loop() { if(digitalRead (nutnhan)==LOW){ delay (30); if (digitalRead (nutnhan) == LOW){ if(onoff == 0) onoff =1 ; Thiết bị gắp robot mềm 76 Đồ án tốt nghiệp ///////////////////////////////////////// GVHD: TS Đặng Hoàng Minh SỐ LẦN LẶP LẠI for(int i = 1;i (ASdoi + ) ) { digitalWrite(role, LOW); } else if ((ascai)