Thiết kế bộ điều khiển cho robot delta

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ LẮP GHÉP, THIẾT KẾ BỘ ÐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG CẤU HÌNH DELTA GVHD: ThS TƯỞNG PHƯỚC THỌ SVTH: UÔNG THANH SƠN NGUYỄN MẪN XUYÊN SKL004758 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: LẮP GHÉP, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG CẤU HÌNH DELTA GVHD SVTH LỚP KHĨA Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 i SVTH: ng Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: LẮP GHÉP, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG CẤU HÌNH DELTA GVHD SVTH LỚP KHĨA ii SVTH: ng Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ Bộ mơn Cơ Điện Tử Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: Ths Tƣởng Phƣớc Thọ Sinh viên thực hiện:Uông Thanh Sơn Nguyễn Mẫn Xuyên 1.Tên đề tài: Lắp ghép, thiết kế giao diện điều khiển robot song song cấu hình Delta 2.Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Phần khí robot song song cấu hình Delta - PLC delta DVP28SV, Driver servo Mitsubishi MR-J2S-40A, AC servo HC-MF - Phần mềm Visual Studio 2008, OpenCV 2.1, Delata WPL Soft 3.Nội dung đồ án: - Sửa chữa phần khí cho robot - Lắp ghép tủ điện, kết nối động – Driver – PLC – CPU - Thiết kế giao diện điều khiển (ứng dụng xử lý ảnh) 4.Ngày giao đồ án: 5.Ngày nộp đồ án: TRƢỞNG BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) Đƣợc phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) iii SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ LỜI CAM KẾT Tên đề tài: GVHD: Ths Tƣởng Phƣớc Thọ - - Họ tên SVTH: Uông Thanh Sơn MSSV: 12146157 Lớp: 121461D - SĐT: 01699.324.308 - Địa chỉ: 96/2 - đƣờng số 9-phƣờng Linh Tây-Thủ Đức-HCM - Email: kollholl1@gmail.com - Họ tên SVTH: Nguyễn Mẫn Xuyên MSSV: 12146238 Lớp: 121461C - SĐT: 01665.008.301 - Địa chỉ: 96/2 - đƣờng số 9-phƣờng Linh Tây-Thủ Đức-HCM - Email: nguyenmanxuyenx@gmail.com - Ngày nộp khóa luận đồ án tốt nghiệp: - Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” iv SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ LỜI CẢM ƠN Đó bốn năm kể từ chúng em bƣớc chân vào giảng đƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, khoảng thời gian học trƣờng Đại Học chúng em tiếp thu đƣợc lƣợng kiến thức đáng kể không kiến thức chuyên nghành mà kiến thức giới xung quanh Tất nhiên, chúng em khơng có đƣợc điều khơng có hỗ trợ trƣờng Đại Học với chƣơng trình tuyệt vời, nhƣ kiến thức đƣợc truyền đạt từ giảng viên mơn Cơ Điện Tử Vì lời cảm ơn chúng em xin gởi đến trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Bộ môn Cơ Điện Tử Đồ án hồn thành với hỗ trợ to lớn từ ngƣời giảng viên hƣớng dẫn – thầy Tƣởng Phƣớc Thọ Dƣới hƣớng dẫn chân thành nhiệt tình, chúng em thực bƣớc trở thành ngƣời nghiên cứu độc lập lĩnh vực học làm để tạo ý tƣởng nhƣ hoàn thành nhiệm vụ đề đồ án Thầy hỗ trợ chúng EM nhiều việc tiếp cận vấn đề chúng em xin gởi đến thầy lời cảm ơn chân thành M c d cố gắng hồn thành xây dựng mơ hình tƣơng đối hồn chỉnh nhƣng ch ng em không tránh kh i thiếu sót mong q thầy b qua nhắc nhở ch ng em để hoàn thành tốt Lời cảm ơn cuối c ng đƣợc gởi đến cha mẹ chúng em, ngƣời đƣa ch ng em đến hội để suốt đời giới TP HCM, ngày 10 tháng năm 2016 Nh m thực Uông Thanh Sơn Nguyễn Mẫn Xuyên v SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ TÓM TẮT ĐỀ TÀI Robot song song cấu trúc gồm nhiều chuỗi động kín với nhóm trục cấu tác động cuối mắc song song Do hình thành từ chuỗi động kín gồm nhiều chuỗi động nối tiếp nối với bệ chấp hành nhƣ làm tăng độ cứng vững bệ chấp hành cuối robot Ở dây chuyền tự động, nhƣ hệ thống gắp đ t, lắp ráp, yêu cầu hệ thống hoạt động tốc độ nhanh, độ xác cao Robot song song đƣợc sử dụng trƣờng hợp với hiệu suất cao Dù có nhiều nhà nghiên cứu loại robot nhƣng tài liệu báo cáo chi tiết loại robot song song không nhiều Đề tài giới thiệu loại cấu hình robot song song có bậc tự áp dụng nhiều vào hoạt động gắp đ t dây chuyền sản xuất thực phẩm, robot song song dạng Delta Đề tài chia thành nhiều chƣơng, phân tích cụ thể hệ thống robot song song Delta Ở chƣơng trình bày tổng quan robot song song, nghiên cứu nƣớc, mục d Tiếp theo chƣơng 2, đề tài đề cập đến việc tìm hiểu tốn động học, động lực học, từ tìm thơng số cho việc tìm động thích hợp Ở chƣơng đề tài sâu phân tích hệ thống điện, giao diện điều khiển robot Sau trình thực nghiệm kết đƣợc trình bày chƣơng vi SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ ABSTRACT Parallel Robot is a structure of many closed loop mechanism with a set of actuators and shaft end parallel each other In line automaton products, such as picking system installation, assembly, requires a system can operate faster Parallel robot can be used in these cases with high performance Although there are many studies of this kind of robot, but the materials and detailed reports on the parallel robot is not much This report will introduce a kind of parallel robot configuration has degrees of freedom apply to activities pick up many put in the food production line, which is parallel robot Delta This report will be divided into chapters analyze in detail the parallel Delta robot system In Chapter presents an overview of parallel robot Next referring to calculate the kinetic problem, the dynamics, which found the parameters for the search engine at the appropriate chapter Chapters and will introduce the electric system, as well as the motion controller of the robot and trajectory interpolation Finally, the experimental processes and results of this process will be in chapter vii SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii LỜI CẢM ƠN v TÓM TẮT ĐỀ TÀI vi ABSTRACT vii CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược phát triển robot song song 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Ngoài nước 1.2.2 Trong nƣớc 1.3 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.4 Hướng nghiên cứu 11 1.5 Nhiệm vụ đề tài giới hạn nghiên cứu 12 1.5.1 Nhiệm vụ đề tài 12 1.5.2 Giới hạn nghiên cứu đề tài 12 1.5.3 Phương pháp nghiên cứu 12 CHƢƠNG LẮP GHÉP PHẦN CƠ KHÍ ROBOT 14 2.1 Kết cấu robot 14 2.2 Phân tích động học, Jacobi động lực học cho robot cấu hình song song 15 2.2.1 Động học thuận 16 2.2.2 Động học nghịch 18 2.2.3 Chuyển động vi phân (chuyển động Jacobi) 20 2.2.4 Động lực học 21 2.3 Bản vẽ robot 23 CHƢƠNG LẮP GHÉP PHẦN ĐIỆN CHO ROBOT 24 3.1 Các thiết bị điện động lực hệ thống 24 viii SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ 3.2 Driver động (Motor) 25 3.3 Sơ đồ tổng quát nguyên l hoạt động điều khiển 30 3.4 PLC Delta dòng DVP28SV 32 CHƢƠNG BÀI TOÁN QUỸ ĐẠO VÀ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 34 4.1 Bài toán Quỹ đạo nội suy 34 4.1.1 Tổng quan toán quỹ đạo 34 4.1.2 Bài toán quỹ đạo robot song song 35 a Quỹ đạo với vận tốc đầu cuối cho trước 35 b Quỹ đạo gắp đặt 36 4.1.3 Bài toán nội suy 37 a Nội suy đường thẳng (Linear Interpolation) 38 b Nội suy cung tròn (Circular Interpolation) 39 c Điều khiển nội suy 40 4.2 Giao diện điều khiển 42 4.2.1 Kết nối CPU với PLC thông qua cổng COM PC 42 4.2.2 Điều khiển Manual 43 4.2.3 Điều khiển Auto 44 a Nút CAMERA 44 b Nút PICK START 46 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 48 5.1 Kết 48 5.1.1 Các phận cấu trúc khí 48 5.1.2 Các phận cấu trúc điện – điều khiển 50 5.2 Thực nghiệm 52 5.2.1 Kiểm tra chế độ Manual 52 ix L 11  ( m  m L 12 L a b )g c ac11  ( 13 i theo tọa độ tổng quát, ta đƣợc: ma mb )g c ac12  ( m  m )g a b c với i 1, 2, ac13 79 SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ i  2( Ay hsi rsi asi c1i ) Ay i  2( Az as1i ) Az 1 11 i 11 2    a (s11 ( Ax c1 Ay s1 h r ) Az c11 )  với i 2,  a (s 12 ( Ax c2 Ay s2 h r ) Az c12 ) 12 i 12 3 với i 1,  a (s 13 ( Ax c3 Ay s3 h r ) Az c13 ) 13   với i 1, i  13 Thay tất đạo hàm vào phƣơng trình (2) (3), ta nhận đƣợc hệ phƣơng trình động lực học Với j 1, 2, ta có: 2i ( Ax hci rci aci c1i ) ( m A 3mb ) Ax f Ax i1 2i ( Ay hci rci aci c1i ) ( m A 3mb ) Ay f Ay i1 2i ( Az as1i ) ( m A 3mb ) Az ( m A 3mb )g c f Az i1 Trong f Ax , f Ay , f Az thành phần x, y , z ngoại lực đ t lên đế dƣới di động Với j 4, 5, ta có: 80 SVTH: ng Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên  GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ  (I m  (I  (I b m  a 2 m a ) a 2 m a ) b  m a 2 m a ) b Phụ lục 5: Chuyển động vi phân (chuyển động Jacobi) x O yi y z  Bi rb A Bi Hình P5.1 Các góc khớp cánh tay robot Với: ai L2i Fi Ji , bi L1i Ji Bi , Từ cấu chấp hành robot song song cấu (cơ cấu chấp hành Maryland) khai triển ma trận Jacobi khảo sát số cấu hình đ c biết Cơ cấu có bậc tự tịnh tiến Ta có phƣơng trình vịng kín nhánh i là: Lấy vi phân pt (1) theo thời gian: Với vA vận tốc tuyến tính bệ di động, ji vận tốc góc khâu Khâu Fi Ji nhánh thứ , Khâu Ji Bi nhánh thứ hai 81 SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ Trong vector đầu vào q [11 , 12 ,13 ]T vector đầu v A[v Ax ,v Ay , vAz ]T Tất tỷ suất khớp khác biến thụ động Để khử chúng, cần nhân hai vế pt(2) với bi : bivA1i ( aibi ) Biểu diễn vector phƣơng trình (3) theo hệ tọa độ xi , yi , zi:  c i    1i  a     s  1i Thay biểu thức vào pt(3) rút gọn: J v ix Với Ax  J  J v  as v iy Ay iz Az 2i s  3i 1i J ix c (1i i )s i ci c i si J iy c (1i i )s i si c i ci J iz s (1i i )s3i Với ji[ jix , jiy , jiz ]T vector đơn vị có hƣớng từ Ji đến Bi đƣợc tính hệ tọa độ cố địnhx, y, z Phƣơng trình (4) đƣợc viết ba lần theo i1, 2, có phƣơng trình vơ hƣớng, đƣợc tổ hợp theo ma trận: J x v A J q q Với  J x  j 2x 2y j  j  1y j  j  j 1x 3x 3y SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ a J x Trạng thái đ c biệt động học nghịch, từ pt (5), trạng thái đ c biệt động học nghịch xảy th a điều kiện sau:   ho c 2i   ho c Trong i1, 2, Về m t vật lý, trạng thái th a pt (6) khớp nối nhánh khâu 3i vào m t phẳng trạng thái (7) xảy tất khâu cấu bốn khâu lề chứa nhánh đồng tuyến tính Trạng thái đ c biệt động học thuận trạng thái xảy det( J x ) Tuy khó giải tất trạng thái đ c biệt khả dĩ, nhƣng nhiều trạng thái cấu th a đ ng điều kiện đƣợc nhận diện theo cách sau Mỗi hàng Jx biểu thị vector đơn vị ji có chiều theo hƣớng khâu kép J i Bi cấu bốn khâu lề Jx có trạng thái đ c biệt ba vector đơn vị trở nên phụ thuộc tuyến tính, nghĩa là: 1 j1 j23 j3 (8) Đối với vài giá trị thực1 , ,3 tất giá trị Cấu hình thứ th a pt(8) vector đơn vị ji với i1, 2, 3đều nằm m t phẳng Ví dụ, ba cấu bốn khâu lề m t phẳng song song với m t phẳng Oxy, thành phần z phƣơng trình (8) Do ln ln tìm đƣợc giá trị1 ,  ,3 khác Trạng thái là: s (11 21 ) s 31 s (12 22 ) s 32 s (13 23 ) s33 Phƣơng trình (9) cho thấy cấu chấp hành trạng thái đ c biệt động học thuận tất nhánh bố trí theo điều kiện: 1i2i ho c 83 SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ Ho c3i ho c Với i1, 2, , điều kiện3i ho c trạng thái động học đ c biệt hỗn hợp Sự diễn dịch hình học điều kiện cấu chấp hành có trạng thái đ c biệt động học thuận cấu bốn khâu lề ba nhánh có m t phẳng bệ di động tác động khơng thể chịu lực tác dụng lên bệ di động theo chiều z Kiểu cấu hình xảy a ra b rb Cấu hình thứ th a pt(8) hai liên kết nhánh song song với nhau, nghĩa là: ji jk với i k (10) Cơ cấu chấp hành chịu lực tác dụng lên m t phẳng đế di động với ba liên kết nhánh phía song song với nhau, nhƣng cần hai ba liên kết song song Trạng thái đ c biệt hỗn hợp trạng thái xảy đồng thời th a hai điều kiện sau: (1) Dạng hình học đế di động đồng với đế cố định (2) Cả ba khâu ngõ vào vng góc với đế cố địnhAi Bi Oi Ai với i1, 2, Bệ di động l c nhận thêm bậc tự khâu đầu vào hồn tồn bị khóa, điểm P đƣợc định vị bề m t cầu có tâm cách phía tâm đế cố định đoạn a m t khác bệ di động đứng yên, khâu đầu vào quay vi phân 84 SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ Phụ lục 6: Cài đặt OpenCV Hình P6.1 Tool Options Hình P6.2 VC++ Directories SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ Hình P6.3 Chọn đường dẫn đến OpenCV Hình P6.4 Add “Library files” SVTH: Uông Thanh Sơn & Nguyễn Mẫn Xuyên GVHD: Th.s Tưởng Phước Thọ Hình P6.5 Add “Include files” Hình P6.6 Add “Source files” ... Thọ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: LẮP GHÉP, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG CẤU HÌNH DELTA. .. 1.Tên đề tài: Lắp ghép, thiết kế giao diện điều khiển robot song song cấu hình Delta 2.Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Phần khí robot song song cấu hình Delta - PLC delta DVP28SV, Driver servo... 39 c Điều khiển nội suy 40 4.2 Giao diện điều khiển 42 4.2.1 Kết nối CPU với PLC thông qua cổng COM PC 42 4.2.2 Điều khiển Manual 43 4.2.3 Điều khiển Auto