Cấu trúc của hệ thống điều khiển robot và các thiết bị phần cứng được chỉ ra như trong hình. Một CPU-3.5GHz chạy trên nền Windows 10 được sử dụng là máy tính điều khiển chính. Bốn PLC S7-1200 Siemens dùng làm bộ điều khiển trung tâm để điều khiển 8 động cơ AC Servo thông qua các Driver Delta và các cảm biến loadcell kết nối với các khu vực điều khiển. Các tủ điều khiển ở mỗi trụ sẽ có 1 bộ PLC điều khiển vận tốc và vị trí của các động cơ với các lệnh gửi xuống từ máy tính. Máy tính làm việc với chức năng như bộ điều khiển chủ. Nó tính toán các thuật toán điều khiển hồi tiếp sau khi nhận được các dữ liệu từ các bộ encoder và cảm biến.
Hình 6.15: Cách bố trí các tủ điện
Các tủ điện trung tâm sẽ được kết nối với nhau bằng các sợi dây enthernet và sử dụng các bộ router Wifi dùng để tăng số lượng ngõ ra kết nối cho các PLC. Thông quá đó máy tính chủ có thể gửi dữ liệu xuống các thanh ghi của PLC và nhận dữ liệu phản hồi từ encoder và loadcell về để xử lý
Hình 6.16: Tủ điện thực tế
Trong hệ thống điều khiển robot Cable được thiết kế, nhóm đã được sử dụng các giải thuật nội suy đường thẳng. Vận tốc lớn nhất được quy ước bởi người điều khiển và quan hệ giữa vận tốc và vị trí được xác định từ dữ liệu tính toán nội suy. Đối với việc nội suy đường thẳng thì vận tốc bắt đầu di chuyển và sau đó tăng dần theo độ dốc và đạt giá trị lớn nhất, cuối cùng giảm dần khi về điểm kết thúc.
Một vấn đề quan trọng và mang tính quyết định chất lượng xử lý và đáp ứng của robot đó là đưa ra giải thuật điều khiển robot. Một giải thuật điều khiển tối ưu sẽ cho ra chất lượng đáp ứng tức là đường di chuyển theo quỹ đạo của robot sẽ mềm mại và chính xác. Ví dụ như ta muốn đi từ điểm A qua điểm B, trên đường đi ngang qua điểm C. Thì quỹ đạo sẽ được chia thành nhiều điểm nhỏ giữa A và B. Khoảng cách giữa các điểm trên quỹ đạo di chuyển sẽ được tìm bằng cách sử dụng phép nội suy bậc 3 spline. Giải thuật nội suy này là một dạng nội suy đa thức dành cho việc tính toán để làm mịn đường di chuyển của quỹ đạo cần điều khiển. Các thuật toán được tính toán dựa trên các bài toán động học được phân tích bằng phần mềm Matlab, sau đó nhóm sử dụng phần mềm Visual Studio 2017 kết hợp việc dùng các thư viện của Siemens để thiết kế giao diện và điều khiển.
Hình 6.18: Giao diện điều khiển
Giao diện được lập trình bằng ngôn ngữ C#, có các chức năng như giao tiếp với mạch điều khiển robot qua cổng Com, điều khiển chuyển động robot theo 3 trục X, Y, Z; điều khiển theo góc từng động cơ, hiển thị vị trí và vận tốc của bệ công tác và dây cáp… ngoài ra có các lệnh về START, STOP, HOME, RESET, PAUSE…
6.4. AThử nghiệm vật liệu
Vật liệu góp phần quan trọng trong việc hình thành nên sản phẩm trong xây dựng. Do vấn đề đặt ra là sử dụng vật liệu dạng lỏng đùn ra từ đầu công tác nên đầu tiên nhóm
nghĩ đến việc hoà trộn hỗn hợp giữa xi măng và cát để tạo ra hỗn hợp dạng sệt để cho vào đầu đùn. Sau khi pha hỗn hợp thì nhóm nhận ra sản phẩm tạo ra không thể giữ được hình dạng cố định sau khi đùn. Qua tìm tòi trên internet và các bài báo khoa học thì nhóm quyết định sử dụng bột thạch cao để giải quyết vấn đề trên. Tác dụng của bột thạch cao là hút hết phần nước dư thừa tạo liên kết với cát và xi măng hình thành nên hỗn hợp có thể giữ chắc hình dạng sau khi đùn ra khỏi đầu in.
Hình 6.19: Pha trộn vật liệu
Xi măng cát và bột thạch cao như hình 6.18 sẽ được hoà trộn với nhau theo tỷ lệ để đạt được một hỗn hợp đồng nhất. Sau khi tìm được vật liệu thì tiếp theo nhóm sẽ tính toán tỷ lệ hoà trộn để tìm ra tỷ lệ thích hợp nhất và kết quả đạt được như bảng 6.2.
STT 1 2 3 4 5
6 1 1 2 Bị khô, khó đùn Bảng 6.2 Kết quả thử nghiệ m tỷ lệ pha trộn vật liệu Với hỗn hợp có càng nhiều bột thạch cao thì hỗn hợp đó sẽ có xu hướng bị khô cứng hơn vì tính chất của bột thạch cao là hút nước. Còn hỗn hợp nhiều xi măng sẽ làm cho hỗn hợp có tính kết dính. Ngược lại càng nhiều cát thì sản phẩm sẽ dễ bị rạng nứt sau khi đùn, nhưng khi phối trộn với một tỷ lệ hợp lý thì sản phẩm đạt được sẽ đạt được độ cứng vững cũng như dễ định hình hơn khi đùn sản phẩm.
Hình 6.20: Sản phẩm sau khi đùn Sả n phẩm sau khi đùn đạt yêu cầu mong muốn với đường kính khoảng 25mm, và giữ được hình dạng cố định khi đến lúc đông cứng. Tuy nhiên thời gian 85
thể in lên được lớp tiếp theo là 30 phút cho nên chỉ có thể chịu được tối đa một lớp xếp chồng lên. Về vấn đề này nhóm sẽ cố gắng khắc phục trong phương hướng phát triển.
6.5. Dây cáp và loadcell
Để kiểm tra lực căng trên dây cáp nhóm sử dụng một loadcell đặt trên bộ cuốn tang, Khi đầu công tác có tải trọng sẽ gây ra một lực căng nhất định lên dây cáp. Lực căng dây được giữ nguyên thông qua các ròng rọc định hướng dây cáp. Qua quá trình nghiên cứu, để tính được lực căng của cáp thông qua công thức:
= đ (6.1) √2 Hình 6.21: Sơ đồ lực cáp 86
Trong khi di chuyển đầu công tác để đùn vật liệu thì các PLC liên tục cập nhật các tín hiệu từ loadcell gửi về để kiểm tra lực căng trên các dây cáp. Các lực căng này đóng vài trò rất quan trọng trong việc điều khiển robot di chuyển. Khi một trong 8 dây cáp quá chùng do một vài yếu tố như lỗi tín hiệu động cơ, thì loadcell lúc này như một cảm biến để xác định và phản hồi kịp thời về máy tính trung để xử lý quyết định các hành động tiếp theo của robot. Hình 6.21 là kết quả đo được của loadcell khi di chuyển trong quỹ đạo hình tròn. Có thể thấy được lực của các dây thay đổi khác nhau tuy nhiên không vượt quá một mức cố định là 10kg do tác động đồng thời của 8 dây cáp thì luôn luôn có 2 dây cáp kéo đầu công tác có trọng lượng khoảng 20kg. Vì vậy các lực này là thoả yêu yêu cầu của đề tài.
Hình 6.22: Kết quả kiểm tra lực căng dây khi robot di chuyển
Các thí nghiệm
Thí nghiệm đầu tiên, nhóm thực hiện cho robot di chuyển đến một vị trí cụ thể nhiều lần để kiểm tra sai số về vị trí và sai số lặp lại. Vận tốc di chuyển lúc này là tương đối khoảng 0.1m/s và vị trí di chuyển theo trục X là 75cm và trục Y là 60cm. Kết quả được thể hiện như bảng 6.3
STT
Bảng 6.3: Kiểm tra sai số vị trí
Như kết quả cho thấy vị trí có nhiều sai số do thực hiện khi đầu công tác không tải tức lúc đó các dây không được căng hết mức, và cả sai số do dụng cụ đo gây ra. Tuy nhiên do mục đích là phục vụ trong xây dựng nên sai số này trong khoảng chấp nhận được.
Thí nghiệm tiếp theo nhóm thực hiện là cho robot vẽ một vài hình cơ bản theo các toạ độ đã được lưu. Robot sẽ được cho di chuyển đến các vị trí mong muốn sau đó sẽ thực hiện thao tác lưu lại vị trí hiện tại trên màn hình điều khiển. Cuối cùng là cho robot chạy lại theo các điểm đã lưu trước đó.
Hình 6.23: Kiểm tra khả năng đi theo quỹ đạo của robot
Hình 6.24: Sai số tại một số điểm khi vẽ
Qua kết quả như hình 6.23 và hình 6.24 là các sai số khi vẽ hình ở các điểm khi robot đi qua. Ở một số điểm sai số lên khoảng 2 ~ 3cm, nguyên nhân là do việc gá đầu bút không được chắc chắn cộng thêm khi di chuyển tạo ra lực quán tính làm thay đổi quỹ đạo của robot gây ra sai số. Cách khắc phục là điều khiển đầu công tác di chuyển với vận tốc thấp đồng thời gắn cố định lại đầu bút để đạt độ chính xác cao hơn.
Cuối cùng nhóm thực nghiệm bằng việc cho robot vừa di chuyển vừa đùn vật liệu theo một biên dạng hình cho trước. Vật liệu đã được chuẩn bị sẵn theo công thức ở phần
trước. Sau đó được cho vào bồn chứa trên đầu công tác. Khi robot di chuyển thì bồn vừa trộn vừa đùn vật liệu xuống nền. Kết quả thu được như hình 6.25 và hình 6.26.
Hình 6.25: Vật liệu sau khi đùn
Hình 6.26: Hình dạng thực tế của vật liệu sau khi in
Mặc dù quá trình robot thực hiện in vật liệu vẫn còn nhiều sai số, nguyên nhân là do robot vẫn còn nhiều vấn đề để nghiên cứu sâu hơn như sai số cơ khí, sai số trong tính toán tọa độ, độ ổn định của các dây cáp chưa thật sự tốt nhưng robot đã hoạt động tốt với sự chuyển động linh hoạt, di chuyển tới các điểm vị trí một cách chính xác và tạo ra sản phẩm như mong muốn.
Hệ thống robot song song Cable phục vụ trong xây dựng gồm nhiều thành phần kết hợp với nhau. Đó là việc tính toán thiết kế các chi tiết cho robot, phân tích các thành phần lực cho việc chọn động cơ, nghiên cứu tìm ra động học cho robot, điều khiển robot thông qua các bộ điều khiển PLC, ngoài ra nghiên cứu áp dụng công nghệ in3d với vật liệu mới cũng đóng vai trò quan trọng. Qua quá trình thực nghiệm chúng ta thấy robot có thể di chuyển theo các quỹ đạo như mong muốn, dịch chuyển đầu công tác một cách linh hoạt nhẹ nhàng, có thể đùn ra sản phẩm với vật liệu mới, như vậy có thể nói các nhiệm vụ đặt ra ban đầu đã được thực hiện tốt qua quá trình kiểm tra, thực nghiệm.
CHƯƠNG 7. TỔNG KẾT
7.1. Kết luận
Qua thời gian thực hiện đồ án, nhóm đã nghiên cứu, tìm hiểu và thực hiện những vấn đề sau:
Nghiên cứu và tham khảo các mô hình robot cáp để tiến hành chọn cấu hình cáp phù hợp
Thiết kế, gia công cơ khí phần khung robot, đầu công tác. Gia công tang quấn dây, chọn loại cáp phù hợp. Tính toán chọn động cơ.
Tìm hiểu và ứng dụng PLC S7-1200 DC/DC/DC, đọc xung trả về của bộ encorder, giao tiếp profinet và protocol
Xây dựng phương trình động học nghịch cho robot cáp.
Tìm hiểu các phương pháp in 3d ứng dụng vào vật liệu mới (bê tông)
Đồ án “Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot cáp ứng dụng trong xây dựng” đã đạt được những mục tiêu sau:
Hoàn thành thiết kế và gia công phần cơ khí cho robot
Điều khiển robot chuyển động theo điểm đến điểm, theo quỹ đạo Thực hiện đo sai số vị trí robot
Thực hiện đo sai số lặp lại của robot Kiểm tra lực căng dây
Tìm được vật liệu phù hợp cho việc in 3D nhà ở
Tuy nhiên, trong thời gian thử nghiệm nhóm đã phát hiện ra một số khuyết điểm sau:
Phần cơ khí chạy còn thiếu ổn định. Có độ trễ tín hiệu trong lúc giao tiếp.
7.2. Hướng phát triển
Tiếp tục nghiên cứu để tìm ra vật liệu phù hợp nhất cho việc in vữa. Phát triển phần cơ khí để nâng cao hiệu suất làm việc
Tiếp tục nghiên cứu để tìm động học thuận và tính toán phương trình jacobi để điều khiển chính xác hơn
Phát triển phần mềm sử dụng để giao tiếp với robot Phát triển thêm các khả năng khác của robot
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt
[1] Th.sỹ Trần Quốc Hùng, “Dung sai - kỹ thuật đo”, NXB ĐHQG.
[2] Trịnh Chất ( 2009 ), “Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí – tập 1”, NXB giáo dục Việt Nam.
[3] Trịnh Chất ( 2009 ), “Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ 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.
Phụ lục 1 – Bảng vẽ điện