(Đề tài NCKH) thiết kế và chế tạo robot song song đa dạng delta sử dụng trong việc phân loại sản phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TÐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh SKC004291 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Trƣờng Thịnh TP HCM, 12/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Trƣờng Thịnh Thành viên đề tài: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng ThS Tƣởng Phƣớc Thọ TP HCM, 12/2013 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Cá nhân phối hợp thực Họ tên PGS.TS Nguyễn Trƣờng Thịnh PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng Tên đơn vị nƣớc Nội dung phối hợp nghiên cứu Họ tên ngƣời đại diện đơn vị Thời gian thực hiện: 2/2013 – 12/2013 i Mục lục DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH i Mục lục ii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vii PHẦN 1: MỞ ĐẦU I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC I.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc I.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc II TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI III MỤC TIÊU ĐỀ TÀI IV ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU V PHẠM VI NGHIÊN CỨU VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU PHẦN 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 10 Chƣơng 1: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG PHẦN CƠ KHÍ 10 1.1 Các phƣơng án thiết kế truyền động cho robot 10 1.1.1 Phƣơng án 10 1.1.2 Phƣơng án 11 1.1.3 Phƣơng án 11 1.1.4 Lựa chọn phƣơng án chuyển động tối ƣu 13 1.1.5 Tính số bậc tự cho kết cấu robot 13 1.2 Mô kết cấu robot 14 1.3 Lựa chọn cấu truyền động 17 1.4 Chọn động thông số truyền cho robot 18 1.5 Phân tích động học, Jacobi động lực học cho robot cấu hình song song 20 ii 1.6 Động học thuận 1.7 Động học nghịch 1.8 Chuyển động vi phân (chuyển động Jacobi) 1.9 Động lực học Chƣơng 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN ĐIỆN 2.1 Các thiết bị điện động lực hệ thống: 2.1.1Bộ điều khiển trung tâm 2.1.2Driver động (Motor) 2.1.3Các thiết bị điện khác 2.2 Thiết kế mạch điện điều khiển trung tâm 2.2.1Tổng quan mạch điều khiển 2.2.2Các module mạch điều khiển trung 2.3 Cấu trúc điều khiển 2.3.1Tổng quan điều khiển 2.3.2 Sơ đồ tổng quát vềnguyên lý hoaṭđôngg̣ cua bô đg̣ iều khiển 2.4 ̉ Vi điều khiển 2.4.1 Tổng quan vi điều khiển 2.4.2Các module vi điều khiển 2.4.3Truyền thơng máy tính vi điều k CHƢƠNG : QUỸ ĐẠO VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM 3.1 Bài toán Quỹ đạo nội suy 3.1.1Tổng quan toán quỹ đạo 3.1.2Bài toán quỹ đạo robot song song 3.1.3Bài toán nội suy 3.2 Cấu trúc phần mềm CHƢƠNG : XỬ LÝ BÁM VẬT TRÊN BĂNG CHUYỀN 4.1Các phƣơng án phát hiên vật băng chuyền chuyển động 4.1.1Sử dụng cảm biến 4.1.2Camera thu nhận xử lý ảnh xác định vị trí vật 4.2 Giới thiệu ứng dụng xử lý ảnh phục vụ hoạt động robot 4.3 Cấu trúc hệ thống iii 4.4 Quá trình xử lý ảnh cho việc phân loại bám vật băng chuyền 4.4.1 Mơ hình hệ thống robot song song Delta 4.4.2 Thu nhận ảnh nâng cao chất lƣợng ản 4.4.3 Phân đoạn ảnh để phân loại xác định 4.4.4 Xác định vị trí đối tƣợng thuật tốn 4.4.5 Tính diện tích tâm vật 4.6 Lƣu đồ trình robot gắp sản phẩm CHƢƠNG : KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 5.1 Các phận cấu trúc khí 5.2 Hệ thống điều khiển 5.3 Hệ thống camera phát bám vật 5.4 Giao diện điều khiển 5.5 Robot song song Delta PHẦN : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC II KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO Phụ lục 1: Bài báo khoa học Phụ lục 2: Bản thuyết minh đƣợc phê duyệt Phụ lục 3: Tính số bậc tự cấu Phụ lục 4: Động học thuận Phụ lục 5: Động học nghịch Phụ lục 6: Động Lực Học Robot Phụ lục 7: Chuyển động vi phân (chuyển động Jacobi) iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Đặc điểm phƣơng án di chuyển robot 12 Bảng 1.2: Thông số khối lƣợng phận robot 14 Bảng 2.3: Mô tả chân cổng COM máy tính 40 Bảng 5.4: Kết thử nghiệm hệ thống camera 76 Bảng 5.5: Thông số kỹ thuật Robot 79 Bảng 5.6: Kết thực nghiệm robot gắp sản phẩm 81 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MPa Mega Pascal USART The Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter D.O.F Degree of Freedom v BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM     Mã số: T2013-28TD Chủ nhiệm: ThS Tƣởng Phƣớc Thọ Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM Thời gian thực hiện: từ 2/2013 đến 12/2013 Mục tiêu: Mục tiêu đề tài thiết kế chế tạo robot song song chân bậc tự dựa nguyên lý Delta Platform cho mục đích phân loại thực phẩm kết hợp với việc xử lý ảnh, có khả đáp ứng nhanh dây chuyền đóng gói sản phẩm Tính sáng tạo: Kết hợp với hệ thống xử lý ảnh để tạo thiết bị công nghệ cao để tiến tới làm chủ công nghệ cao lĩnh vực chế biến thực phẩm Kết nghiên cứu: Robot song song chân bậc tự dựa nguyên lý Delta Platform cho mục đích phân loại thực phẩm Sản phẩm: Robot song song chân bậc tự với tính nhƣ sau : Mơ hình Robot song song Thơng số kỹ thuật Độ xác, Khả lặp lại vị trí Tốc độ đáp ứng Không gian làm việc Các trục hoạt động Khả tải Kích thƣớc máy Số bậc tự Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Khả áp dụng vào thực tiễn đề tài cao Địa ứng dụng: Các doanh nghiệp sản xuất bán, kẹo, thực phẩm Cơ quan chủ trì (ký, họ tên, đóng dấu) tháng năm 2013 Ngà y Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) vi INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: DESIGN AND DEVELOPMENT DELTA-PLATFORM ROBOT FOR SORTING FOOD Code number: T2013-28TD Coordinator: Tƣởng Phƣớc Thọ Implementing institution: The University of Technical Education Ho Chi Minh City Duration: from 2/2013 to 12/2013 Objective(s): Finding out technology design and manufacturing Delta Platform Robot that is able to sorting food Creativeness and innovativeness: Creating the ability to develop delta-platform parallel robot can be used in food processing industry Combine with image processing system to create high-tech equipment in the field of food processing Research results: Delta-platform parallel robot can be used in food processing industry Products: Delta-platform parallel robot with specification: Parallel Robot Specification Accuracy Workspace Number of axis Payload Force End effector Dimension Number of D.O.F Effects, transfer alternatives of research results and applicability: The application field of the subject is very large Address applications: Food processing company vii  Z A  ( L2 sin q1 )  d A  Z A L2 sin q1  Z A d A  d A L2 sinq1  L12  X A + YA + Z + A + r + d A + L2 − L12 + X A r + 3YA r − Z A d A + 3YA L2 cosθ1 rL2 cos θ1 + X A L2 cos θ1 + rL2 cos θ1 − Z A L2 sin θ1 + d A L2 sin θ1 = Đặt: f1" = X A + YA + Z A + r + d A + L2 − L12 + X A r + 3YA r − 2Z A dA 97 f" f" t = tan ⇒ Giải tương tự ta có: ⇒t=  θ1 = 2arctan(t) => Giá trị góc quay cánh tay thứ 98 Phụ lục 6: Động Lực Học Robot Theo trang 388 sách “cơ sở nghiên cứu sáng tạo robot” – NXB Thống Kê Phương pháp lagrange dựa cân lượng hệ thống trạng thái chuyển động Trong trình làm việc, lượng hệ thống gồm: động năng, lượng ngoại lực tác dụng phải cân Hơn nữa, tay máy song song tồn tọa độ thừa, nghĩa số tọa độ n lớn số bậc tự cấu Với yếu tố trên, phương trình Lagrange có dạng: ∂L ∂L d d t  − ∂q   ∂q  j  Trong đó: - L - hàm Lagrange, T – tổng động năng, U – tổng hệ L = T −U q = [ q1 , q2 , qn ]T - vecto tọa độ tổng quát Q = [Q1 , Q2 , Qn ]T - vecto ngoại lực tác động lên di động  i- hàm liên kết thứ i k - số hàm liên kết, hiệu số tọa độ n số bậc tự cấu λi - nhân tử Lagrange Để thuận tiện cho trình giải, phương trình hệ (1) chia thành hai nhóm Nhóm chứa ẩn nhân tử Lagrange Nhóm chứa ẩn lực tổng quát cấu phát động sinh Giả thiết k phương trình liên quan đến tọa độ thừa n − k phương trình cịn lại liên quan đến biến khớp nhóm phương trình đầu có dạng: ∑ ∂Γ k λ = i ∂q j i=1 Trong ˆ Q - lực tổng quát sinh ngoại lực (nếu có) j ˆ Q Đối với toán ngược, biết, nên vế phải hệ (2) biết Hệ có k phương trình với k ẩn nhân tử Lagrange λi Sau biết nhân tử Lagrange, lực phát động xác định nhờ nhóm phương trình thứ hai: Q j = dt  ∂q j  99 x φ i yi y a z i z dA b Bi x A A yA zA Hình P5.1: Cơ cấu robot song song dạng Delta có bậc tự tịnh tiến Phương trình (1) đại diện cho hệ phương trình có ẩn: ẩn nhân tử Lagrange: λi (i = 1, 2, 3) ẩn lực phát động Q j với ( j = 4, 5, 6) Chú ý lực Q j với j = 1, 2, 3là thành phần x, y , z ngoại lực tác động trọng tâm A di động Có thể nhận hàm liên kết Γi với ý khoảng cách khớp Ji Bi chiều dài b cánh tay dưới: Γ Hay Γi = ( Ax + hcφi − rcφi − acφi cθ1i ) + ( Ay + hsφi − rsφi − asφi cθ1i ) + ( Az − asθ1i ) − b2 = với i = 1, 2, Để đơn giản, giả thiết trọng tâm thân cánh tay nằm trục đối xứng đầu J , B Chúng ta xây dựng hàm Lagrange sau: Tổng động tay máy bằng: T = TA + ∑(Tai +Tbi ) i=1 Trong đó: TA - động di động Tai - rotor động khâu phát động 100 Tbi - động phần cánh tay thứ i T = A T = T = bi Với: mA , ma , mb - khối lượng đế di động, cánh tay trên, phần cánh tay Im - momen quán tính hướng trục rotor gắn cánh tay Vậy ta có T bằng: 1 2 2 2 2 mA ( Ax + Ay + Az ) + ( I m + ma a )(θ11 + θ12 +θ13 )  mb ( Ax + Ay + Az ) + mb a2 (θ112 + θ12 +θ132 ) T= 1 T= 2 ( m A + 3mb )( Ax Giả thiết gia tốc trọng trường hướng theo trục z Tương tự tay máy mặt phẳng cố định xOy sau: Trong đó: U Ubi = mb g c ( Az + asθ1i ) Thay vào phương trình (6) ta có U bằng: U = m A g c Az + ma g c a ( sθ11 + sθ12 + sθ13 ) + 3mb g c Az + mb g c a ( sθ11 + sθ12 + sθ13 ) U = (mA + 3mb ) gc Az + ( ma + mb ) g c a ( sθ11 + sθ12 + sθ13 ) 101 Thay biểu thức (5) (6) với i = 1, 2, vào hàm Lagrange L ta nhận được: L= ( m A + 3mb )( Ax −(m + 3m ) g A − ( bc z A Lấy đạo hàm Lagrange tương ứng với tọa độ tổng quát, ta nhận được: 0 0 = − ( m + 3m )g ∂L ∂Az ∂L A = −( 1m ∂θ11 d  ∂L  = ( I +   dt  ∂θ11  d  ∂L  d  ∂L  m m = ( I +   dt  ∂θ13  a b m ∂L a b ∂Ax ∂Γi ∂Ay a + mb )g c acθ11 a + mb )g c acθ12 a + mb )g c acθ13 = −( 1m m a + m a2 )θ , a b 13 Lấy dạo hàm riêng hàm liên kết  ∂Γi = −( 1m ∂θ13 12 c ∂θ12 11 m a + m a2 )θ , ∂L m a + m a2 )θ , = ( I +   dt  ∂θ12  b = 2( A + hcφ − rcφ − acφ cθ ) x i i i y i i i 1i = 2( A + hsφ − rsφ − asφ cθ ) 1i i theo tọa độ tổng quát, ta được: với i = 1, 2, với i = 1, 2, ∂Γi ∂Az ∂Γ1 = a (s θ ( A cφ + A sφ + h − r ) − A cθ ) ∂θ11 ∂Γi = với ∂θ 11 ∂Γ2 ∂θ = a (s θ ( A cφ + A sφ + h − r ) − A cθ ) 12 102 ∂Γi ∂θ ∂Γ3 = a (s θ ( A cφ + A sφ + h − r ) − A 13x3y3 ∂θ13 ∂Γi = với i = 1, ∂θ 13 Thay tất đạo hàm vào phương trình (2) (3), ta nhận hệ phương trình động lực học Với j = 1, 2, ta có: 2∑λi ( Ax + hcφi i=1 2∑λi ( Ay + hcφi i=1 2∑λi ( Az − asθ1i ) = ( m A + 3mb ) Az i=1 Trong f Ax , f Ay , f Az Với j = 4, 5, ta có: τ =(I τ + m =(I τ m 2 a + m a )θ + m 2 a + m a )θ + =(I 1 2 a + m a )θ 103 Phụ lục 7: Chuyển động vi phân (chuyển động Jacobi) yi O z θ Bi rb A Hình P6.1 Bi Với: = 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 đặc biết Cơ cấu có bậc tự tịnh tiến Ta có phương trình vịng kín nhánh i là: OA Lấy vi phân pt (1) theo thời gian: vA Với vA vận tốc tuyến tính củ Khâu Fi Ji nhánh thứ , Khâu Ji Bi =a J x Trong vector đầu vào tỷ suất khớp khác biến thụ động Để khử chúng, cần nhân hai vế pt(2) với bi : bi ⋅vA = ω1i ⋅ ( ×bi ) Biểu diễn vector phương trình (3) theo hệ tọa độ (x  cθ  a i i =a 0   θ sθ 1i 104 i Trạng thái đặc biệt động học nghịch, từ pt (5), trạng thái đặc biệt động học nghịch xảy thỏa điều kiện sau: θ 2i =0 3i =0 Trong i =1, v 2, Về mặt vật lý, trạng thái thỏa pt (6) khớp Thay biểu thức vào pt(3) rút gọn: J nối nhánh +J v ix khâu vào Ax Với mặt phẳng J ix = c (θ1i + θ i )sθ 3i cφi −cθ 3i sφi trạng thái (7) xảy tất J iy = c (θ1i + θ i )sθ 3i sφi − cθ 3i cφi khâu cấu J iz = s (θ1i +θ i )sθ3i bốn khâu lề Với ji = [ jix , jiy , jiz ]T vector đơn vị có hướng từ Ji đến chứa nhánh Bi tính hệ tọa độ cố định (x, y , z ) Phương trình (4) viết ba lần theo i =1, 2, có phương trình vơ hướng, tổ hợp theo ma trận: JxvA =Jqq Với  j1 x = J x  j  2x  j  3x đồng tuyến tính 105 Trạng thái đặc biệt động học thuận trạng thái xảy det(Jx ) = Tuy khó giải tất trạng thái đặc biệt khả dĩ, nhiều trạng thái cấu thỏa điều kiện nhận diện theo cách sau Mỗi hàng J x biểu thị vector đơn vị ji có chiều theo hướng khâu kép J i Bi cấu bốn khâu lề J x có trạng thái đặc biệt ba vector đơn vị trở nên phụ thuộc tuyến tính, nghĩa là: µ1 j1 + µ j2 + µ3 j3 = (8) Đối với vài giá trị thực µ1 , µ , µ3 tất giá trị µ Cấu hình thứ thỏa pt(8) vector đơn vị ji với i =1, 2, nằm mặt phẳng Ví dụ, ba cấu bốn khâu lề mặt phẳng song song với mặt phẳng Oxy, thành phần z phương trình (8) Do ln ln tìm giá trị µ1 , µ , µ3 khác Trạng thái là: s (θ11 + θ 21 )sθ31 = s (θ12 + θ 22 )sθ32 = s (θ13 + θ 23 )sθ33 = Phương trình (9) cho thấy cấu chấp hành trạng thái đặc biệt động học thuận tất nhánh bố trí theo điều kiện: θ1i +θ2i = π Hoặc θ3i = π Với i =1, 2, , điều kiện θ3i = π trạng thái động học đặc biệt hỗn hợp Sự diễn dịch hình học điều kiện cấu chấp hành có trạng thái đặc biệt động học thuận cấu bốn khâu lề ba nhánh có mặt phẳng bệ di động tác động khơng thể chịu lực tác dụng lên bệ di động theo chiều z Kiểu cấu hình xảy a + = b + rb Cấu hình thứ thỏa 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 mặt phẳng đế di động với ba liên kết nhánh phía song song với nhau, cần hai ba liên kết song song 106 Trạng thái đặc biệt hỗn hợp trạng thái xảy đồng thời thỏa 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 lúc nhận thêm bậc tự khâu đầu vào hoàn toàn bị khóa, điểm P định vị bề mặt cầu có tâm cách phía tâm đế cố định đoạn a mặt khác bệ di động đứng yên, khâu đầu vào quay vi phân 107 ... NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Cá nhân phối hợp thực Họ tên PGS.TS... TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Trƣờng Thịnh Thành viên đề tài: PGS.TS Nguyễn... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI