Nghiên cứu và xây dựng phương trình động học thuận nghịch cho robot cable phục vụ tưới trong nông nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN NGHỊCH CHO ROBOT CABLE PHỤC VỤ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP MÃ SỐ: SV2020-40 SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN NGHỊCH CHO ROBOT CABLE PHỤC VỤ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP Mã số đề tài : 40 Chủ nhiệm đề tài: Lê Cơng Lý TP Hồ Chí Minh, Tháng 10/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN NGHỊCH CHO ROBOT CABLE PHỤC VỤ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP Mã số đề tài : 40 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Lê Công Lý Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16146402, Cơ Khí Chế Tạo Máy Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: Cơ điện tử Người hướng dẫn: ThS Phan Thị Thu Thủy TP Hồ Chí Minh, 10/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng phương trình động học thuận nghịch cho robot cable phục vụ tưới nông nghiệp - Chủ nhiệm đề tài: Lê Công Lý Mã số SV: 16146402 - Lớp: 161461 Khoa: Cơ Khí Chế Tạo Máy - Thành viên đề tài: Stt Họ tên Đặng Xuân Trường MSSV 16146546 Lớp 161461 Khoa CKM - Người hướng dẫn: ThS Phan Thị Thu Thủy Mục tiêu đề tài: Tính tốn đươc phương trình động học thuận nghịch robot Cable Tính sáng tạo: Robot Cable dạng robot có nghiên cứu Cho nên nghiên cứu tính tốn phương trình động học cho robot tạo nhiều khả để nghiên cứu sâu ứng dụng robot vào sản xuất sống Kết nghiên cứu: Kết nghiên cứu đưa phương trình động học robot đủ để điều khiển robot di chuyển không gian nghiên cịn hạn chế Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Việc nghiên cứu thành công robot mở nhiều ứng dụng cho mục đích khác như: ứng dụng vào việc tưới tiêu nông nghiệp, giả lập ghế máy bay, vận chuyển cục hàng hoá, ứng dụng xây dựng … Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày 20 tháng 10 năm 2020 SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ tên) TĨM TẮT Đồ án trình bày robot song song dạng Cable, phân tích sơ lược dạng cấu hình đồng thời lựa chọn cấu hình tối ưu nhất, nghiên cứu tính tốn động học, việc tính tốn thiết khí, điện điều khiển xây dựng chương trình điều khiển cho robot Sau thiết kế nhóm tiến hành thực nghiệm kiểm tra sai số vị trí, sai số lặp lại, kiểm tra lực căng dây Kết thực nghiệm cho thấy cấu robot lựa chọn thiết kế đáp ứng việc di chuyển xác không gian theo yêu cầu đặt ra, hệ thống điện hoạt động hoạt động ổn định hiệu quả, giao diện điều khiển đơn giản dễ dàng thao tác Bên cạnh nhóm triển khai nghiên cứu vật liệu xây dựng phù hợp cho việc in 3D thực nghiệm in vật liệu nhằm kiểm tra thời gian động đặc vật liệu đồng thời đánh giá khả hoạt động hiệu đầu công tác robot i ABSTRACT The project shows a parallel cable robot, including a brief analysis of configuration forms and a choice of the most optimal configuration, a study on calculating kinetic parameters and calculating of mechanical and electrical control equipment, as well as building a control program for the robot After designing, the group has conducted experiments to check position deviation, repeatability error, and check wire tension Experimental results show that the robot structure which was selected and designed can meet the precise movement in space as required; the operation of electrical system was stable and efficient; and the control interface was simple and easy to use In addition, our group also conducted a basic research on building material which was suitable for 3D printing and conducted a material printing experiment to check the densification time of the material and to evaluate the ability of end-effector of robot to work effectively ii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined TÓM TẮT i ABSTRACT ii DANH SÁCH HÌNH ẢNH vii DANH SÁCH CÁC BẢNG x CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Ngoài nước 1.2.2 Trong nước 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ đề tài 1.3.2 Giới hạn nghiên cứu đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 1.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 1.5 Nội dung CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sơ lược robot song song Cable 2.2 Sơ lược công nghệ in 3D 2.2.1 Công nghệ FDM 2.2.2 Công nghệ Resin 10 2.2.3 Công nghệ SLS 10 2.3 Sơ lược cáp 12 2.4 Sơ lược PLC 13 iii 2.5 Sơ lược động Servo 14 2.6 Sơ lược vật liệu 14 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 16 3.1 Các phương án thiết kế truyền động cho robot 16 3.1.1 Phương án 16 3.1.2 Phương án 17 3.1.3 Phương án 17 3.1.4 Phương án 18 3.2 Lựa chọn phương án truyền động tối ưu 19 3.3 Lựa chọn phương án truyền động 19 3.4 Chọn động 22 3.4.1 Chọn động cho tang cáp 22 3.4.2 Chọn động cho đầu công tác 24 3.5 Tổng quan cáp 24 3.5.1 Tang cáp 26 3.5.2 Bộ dẫn hướng dây cáp, cảm biến loadcell 27 3.5.3 Bộ truyền đai 29 3.5.4 Thiết kế khung 31 3.6 Phân tích ứng suất biến dạng cấu 31 3.7 Tính tốn lựa chọn vít tải 33 3.8 Thiết kế đầu công tác 34 3.9 Lựa chọn cáp thép ròng rọc 35 3.9.1 Lựa chọn cáp 35 3.9.2 Chọn ròng rọc 36 3.10 Tính số bậc tự cho kết cấu robot 37 3.11 Động học robot 38 3.11.1 Động học nghịch robot với mơ hình tiêu chuẩn cáp 38 3.11.2 Động học nghịch cáp với mơ hình phi tiêu chuẩn cáp 40 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 44 iv 4.1 Tổng quan thiết bị điện hệ thống 44 4.1.1 Bộ điều khiển 44 4.1.2 Driver động 45 4.1.3 Các thiết bị khác 45 4.2 Thiết kế tủ điều khiển trung tâm 47 4.3 Cấu trúc điều khiển 49 4.4 PLC (program logic control) và phương thức truyền thông 52 4.4.1 Tổng quan PLC 52 4.4.2 Truyền thông giữa máy tính PLC 54 CHƯƠNG QUY TRÌNH XỬ LÝ VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM 59 5.1 Quy trình xử lý 59 5.1.1 Lập vẽ 3D 59 5.1.2 Xử lý file in 59 5.1.3 Tạo tín hiệu điều khiển 60 5.1.4 Xuất tín hiệu kiểm tra 60 5.2 Bài toán quỹ đạo nội suy 60 5.2.1 Tổng quan toán quỹ đạo 60 5.2.2 Bài toán quỹ đạo robot song song 61 5.2.3 Bài toán nội suy 64 5.3 Cấu trúc phần mềm 68 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 72 6.1 Robot song song Cable 72 6.2 Các phận cấu trúc khí 73 6.3 Hệ thống điều khiển 80 6.4 Thử nghiệm vật liệu 83 6.5 Dây cáp loadcell 86 CHƯƠNG TỔNG KẾT 92 7.1 Kết luận 92 7.2 Hướng phát triển 93 v Một vấn đề quan trọng mang tính định chất lượng xử lý đáp ứng robot đưa giải thuật điều khiển robot Một giải thuật điều khiển tối ưu cho chất lượng đáp ứng tức đường di chuyển theo quỹ đạo robot mềm mại xác Ví dụ ta muốn từ điểm A qua điểm B, đường ngang qua điểm C Thì quỹ đạo chia thành nhiều điểm nhỏ giữa A B Khoảng cách giữa điểm quỹ đạo di chuyển tìm cách sử dụng phép nội suy bậc spline Giải thuật nội suy dạng nội suy đa thức dành cho việc tính tốn để làm mịn đường di chuyển quỹ đạo cần điều khiển Các thuật tốn tính tốn dựa tốn động học phân tích phần mềm Matlab, sau nhóm sử dụng phần mềm Visual Studio 2017 kết hợp việc dùng thư viện Siemens để thiết kế giao diện điều khiển Hình 6.18: Giao diện điều khiển Giao diện lập trình ngơn ngữ C#, có chức giao tiếp với mạch điều khiển robot qua cổng Com, điều khiển chuyển động robot theo trục X, Y, Z; điều khiển theo góc động cơ, hiển thị vị trí vận tốc bệ cơng tác dây cáp… ngồi có lệnh START, STOP, HOME, RESET, PAUSE… 6.4 AThử nghiệm vật liệu Vật liệu góp phần quan trọng việc hình thành nên sản phẩm xây dựng Do vấn đề đặt sử dụng vật liệu dạng lỏng đùn từ đầu công tác nên nhóm 83 nghĩ đến việc hồ trộn hỗn hợp giữa xi măng cát để tạo hỗn hợp dạng sệt vào đầu đùn Sau pha hỗn hợp nhóm nhận sản phẩm tạo khơng thể giữ hình dạng cố định sau đùn Qua tìm tịi internet báo khoa học nhóm định sử dụng bột thạch cao để giải vấn đề Tác dụng bột thạch cao hút hết phần nước dư thừa tạo liên kết với cát xi măng hình thành nên hỗn hợp giữ hình dạng sau đùn khỏi đầu in Hình 6.19: Pha trộn vật liệu Xi măng cát bột thạch cao hình 6.18 hồ trộn với theo tỷ lệ để đạt hỗn hợp đồng Sau tìm vật liệu nhóm tính tốn tỷ lệ hồ trộn để tìm tỷ lệ thích hợp kết đạt bảng 6.2 Kết Xi măng Cát Bột thạch cao 1 Hỗn hợp nhão 1 Khơng định hình tốt 1 Định hình tốt Đạt độ vững cần thiết 1 Hỗn hột dính khó đùn STT 84 1 Bị khơ, khó đùn Bảng 6.2 Kết thử nghiệm tỷ lệ pha trộn vật liệu Với hỗn hợp có nhiều bột thạch cao hỗn hợp có xu hướng bị khơ cứng tính chất bột thạch cao hút nước Còn hỗn hợp nhiều xi măng làm cho hỗn hợp có tính kết dính Ngược lại nhiều cát sản phẩm dễ bị rạng nứt sau đùn, phối trộn với tỷ lệ hợp lý sản phẩm đạt đạt độ cứng vững dễ định hình đùn sản phẩm Hình 6.20: Sản phẩm sau đùn Sản phẩm sau đùn đạt yêu cầu mong muốn với đường kính khoảng 25mm, giữ hình dạng cố định đến lúc đơng cứng Tuy nhiên thời gian đơng cứng để có 85 thể in lên lớp 30 phút chịu tối đa lớp xếp chồng lên Về vấn đề nhóm cố gắng khắc phục phương hướng phát triển 6.5 Dây cáp loadcell Để kiểm tra lực căng dây cáp nhóm sử dụng loadcell đặt tang, Khi đầu cơng tác có tải trọng gây lực căng định lên dây cáp Lực căng dây giữ nguyên thông qua rịng rọc định hướng dây cáp Qua q trình nghiên cứu, để tính lực căng cáp thơng qua cơng thức: 𝑇= 𝑇đ𝑜 (6.1) √2 Hình 6.21: Sơ đồ lực cáp 86 Trong di chuyển đầu công tác để đùn vật liệu PLC liên tục cập nhật tín hiệu từ loadcell gửi để kiểm tra lực căng dây cáp Các lực căng đóng vài trị quan trọng việc điều khiển robot di chuyển Khi dây cáp chùng vài yếu tố lỗi tín hiệu động cơ, loadcell lúc cảm biến để xác định phản hồi kịp thời máy tính trung để xử lý định hành động robot Hình 6.21 kết đo loadcell di chuyển quỹ đạo hình trịn Có thể thấy lực dây thay đổi khác nhiên không vượt mức cố định 10kg tác động đồng thời dây cáp ln ln có dây cáp kéo đầu cơng tác có trọng lượng khoảng 20kg Vì lực thoả yêu yêu cầu đề tài Hình 6.22: Kết kiểm tra lực căng dây robot di chuyển Các thí nghiệm Thí nghiệm đầu tiên, nhóm thực cho robot di chuyển đến vị trí cụ thể nhiều lần để kiểm tra sai số vị trí sai số lặp lại Vận tốc di chuyển lúc tương đối khoảng 0.1m/s vị trí di chuyển theo trục X 75cm trục Y 60cm Kết thể bảng 6.3 87 STT Trục X Trục Y 75,5 60,5 74 60,5 74,8 60 74 61 75,5 61 75 59,7 75,3 60 75,5 60,3 74.5 60,5 10 75 59,5 Bảng 6.3: Kiểm tra sai số vị trí Như kết cho thấy vị trí có nhiều sai số thực đầu công tác không tải tức lúc dây khơng căng hết mức, sai số dụng cụ đo gây Tuy nhiên mục đích phục vụ xây dựng nên sai số khoảng chấp nhận Thí nghiệm nhóm thực cho robot vẽ vài hình theo toạ độ lưu Robot cho di chuyển đến vị trí mong muốn sau thực thao tác lưu lại vị trí hình điều khiển Cuối cho robot chạy lại theo điểm lưu trước 88 Hình 6.23: Kiểm tra khả theo quỹ đạo robot Hình 6.24: Sai số số điểm vẽ Qua kết hình 6.23 hình 6.24 sai số vẽ hình điểm robot qua Ở số điểm sai số lên khoảng ~ 3cm, nguyên nhân việc gá đầu bút không chắn cộng thêm di chuyển tạo lực quán tính làm thay đổi quỹ đạo robot gây sai số Cách khắc phục điều khiển đầu công tác di chuyển với vận tốc thấp đồng thời gắn cố định lại đầu bút để đạt độ xác cao Cuối nhóm thực nghiệm việc cho robot vừa di chuyển vừa đùn vật liệu theo biên dạng hình cho trước Vật liệu chuẩn bị sẵn theo công thức phần 89 trước Sau cho vào bồn chứa đầu cơng tác Khi robot di chuyển bồn vừa trộn vừa đùn vật liệu xuống Kết thu hình 6.25 hình 6.26 Hình 6.25: Vật liệu sau đùn Hình 6.26: Hình dạng thực tế vật liệu sau in 90 Mặc dù q trình robot thực in vật liệu cịn nhiều sai số, nguyên nhân robot nhiều vấn đề để nghiên cứu sâu sai số khí, sai số tính tốn tọa độ, độ ổn định dây cáp chưa thật tốt robot hoạt động tốt với chuyển động linh hoạt, di chuyển tới điểm vị trí cách xác tạo sản phẩm mong muốn Hệ thống robot song song Cable phục vụ xây dựng gồm nhiều thành phần kết hợp với Đó việc tính tốn thiết kế chi tiết cho robot, phân tích thành phần lực cho việc chọn động cơ, nghiên cứu tìm động học cho robot, điều khiển robot thông qua điều khiển PLC, ngồi nghiên cứu áp dụng cơng nghệ in3d với vật liệu đóng vai trị quan trọng Qua trình thực nghiệm thấy robot di chuyển theo quỹ đạo mong muốn, dịch chuyển đầu công tác cách linh hoạt nhẹ nhàng, đùn sản phẩm với vật liệu mới, nói nhiệm vụ đặt ban đầu thực tốt qua trình kiểm tra, thực nghiệm 91 CHƯƠNG TỔNG KẾT 7.1 Kết luận Qua thời gian thực đồ án, nhóm nghiên cứu, tìm hiểu thực những vấn đề sau:  Nghiên cứu tham khảo mơ hình robot cáp để tiến hành chọn cấu hình cáp phù hợp  Thiết kế, gia cơng khí phần khung robot, đầu cơng tác  Gia cơng tang quấn dây, chọn loại cáp phù hợp  Tính tốn chọn động  Tìm hiểu ứng dụng PLC S7-1200 DC/DC/DC, đọc xung trả encorder, giao tiếp profinet protocol  Xây dựng phương trình động học nghịch cho robot cáp  Tìm hiểu phương pháp in 3d ứng dụng vào vật liệu (bê tông) Đồ án “Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot cáp ứng dụng xây dựng” đạt những mục tiêu sau:  Hoàn thành thiết kế gia cơng phần khí cho robot  Điều khiển robot chuyển động theo điểm đến điểm, theo quỹ đạo  Thực đo sai số vị trí robot  Thực đo sai số lặp lại robot  Kiểm tra lực căng dây  Tìm vật liệu phù hợp cho việc in 3D nhà Tuy nhiên, thời gian thử nghiệm nhóm phát số khuyết điểm sau:  Phần khí chạy cịn thiếu ổn định  Có độ trễ tín hiệu lúc giao tiếp 92 7.2 Hướng phát triển Tiếp tục nghiên cứu để tìm vật liệu phù hợp cho việc in vữa Phát triển phần khí để nâng cao hiệu suất làm việc Tiếp tục nghiên cứu để tìm động học thuận tính tốn phương trình jacobi để điều khiển xác Phát triển phần mềm sử dụng để giao tiếp với robot Phát triển thêm khả khác robot 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Th.sỹ Trần Quốc Hùng, “Dung sai - kỹ thuật đo”, NXB ĐHQG [2] Trịnh Chất ( 2009 ), “Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí – tập 1”, NXB giáo dục Việt Nam [3] Trịnh Chất ( 2009 ), “Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí – tập 2”, NXB giáo dục Việt Nam Tiếng anh [4] Prof Bruno Siciliano and Prof Oussama Khatib (2018), “Cable – driven parallel robot”, Springer [5] Edoardo Idà, Tobias Bruckmann and Marco Carricato (2015) ,“Rest-to-Rest Trajectory Planning for Underactuated Cable-Driven Parallel Robots”, IEEE Senior Member [6] Manfred Hiller, Shiqing Fang, Sonja Mielczarek, Richard Verhoeven, Daniel Franitza (2004), ”Design, analysis and realization of tendon-based parallel manipulators”, Mechanism and Machine Theory [7] Andreas Pott, Tobias Bruckmann (2019), “Cable-Driven Parallel Robots”, Springer [8] Han Yuan (2015), ”Static and dynamic stiffness analysis of cable-driven parallel robots”, INSA de Rennes 94 PHỤ LỤC 95 Phụ lục – Bảng vẽ điện 96 ... đươc phương trình động học thuận nghịch robot Cable Tính sáng tạo: Robot Cable dạng robot có nghiên cứu Cho nên nghiên cứu tính tốn phương trình động học cho robot tạo nhiều khả để nghiên cứu. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN NGHỊCH CHO ROBOT CABLE PHỤC VỤ TƯỚI TRONG. .. KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN NGHỊCH CHO ROBOT CABLE PHỤC VỤ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP Mã số đề tài : 40 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: