Chạy quỹ đạo đường thẳng từ điểm ( 40, 40,500) đến điểm (50,50,500) trong thời gian 10 giây.
Hình 4.17: Animation chuyển động đường thẳng của robot
Hình 4.21: Tín hiệu ngõ vào, ra của vị trí quy hoạch theo đường thẳng
Chạy quỹ đạo hình tam giác với tọa độ 3 đỉnh lần lượt là ( 100, 100,500) , (100,100,500) , (0,0,600) trong thời gian 12 giây.
Hình 4.23: Animation chuyển động tam giác của robot
:
Hình 4.27: Tín hiệu ngõ vào, ra của vị trí quy hoạch theo hình tam giác
Chạy quỹ đạo tròn với tọa độ tâm (0,0,500) với bán kính R=150 (mm) với tần số f=0.2 (Hz)
Hình 4.29: Tín hiệu ngõ vào giá trị góc theta quy hoạch theo hình tròn
Hình 4.31: Tín hiệu sai số góc theta quy hoạch theo hình tròn
Hình 4.32: Tín hiệu ngõ vào, ra của vị trí quy hoạch theo hình tròn
CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 5.1. Chế tạo mô hình Robot Quattro 4 bậc tự do:
Sau khi nghiên cứu và lên ý tưởng, nhóm chúng em đã chế tạo mô hình Robot Quattro như hình. Trong đó phần khung chịu lực của robot được làm nhôm định hình Tấm phủ phía trên và chịu lực được làm thép C45. Phần đỡ động cơ (Top base) được mica nhằm giảm khối lượng cho phần tấm phủ, nhưng vẫn đảm bảo độ chắc chắn cho robot. Phần khớp 1 được làm bằng kim loại nhôm. Khớp 2 được làm bằng thanh cacbon và kết nối với khớp 1 và điểm đầu cuối nhờ các mắt trâu. Điểm đầu cuối (EE) được gia công bằng nhôm và được gắn nam châm điện để thực hiện nhiệm vụ gắp và thả vật.
5.1.1.Phần khung robot:
Như đã đề cập robot song song có kết cấu vòng kín, các khớp, động cơ, điểm đầu cuối chịu ràng buộc lẫn nhau nên khi robot vận hành sẽ xuất hiện rung lắc. Vì vậy phần khung robot phải đảm bảo sự chắc chắn, nên nhóm đã sử dụng nhôm định hình 30x30 mm cùng các tấm kê góc và kê góc vuông nhôm. Vừa đảm bảo độ chắc chắn vừa đem lại sự thẩm mĩ cho robot.
Hình 5.2: Mô hình 3D khung robot trên Inventor
Kích thước:
- Chiều dài khung: 660 mm - Chiều rộng khung: 660 mm
- Chiều cao khung: 760 mm
Hình 5.3: Tấm kê góc
5.1.2.Tấm đế trên robot:
Là chi tiết dùng để kết nối phần khung của robot với phần đỡ động cơ. Do phải chịu tải lớn lên được làm bằng thép C45 để đảm bảo độ bền cũng như độ cứng vững.
Kích thước:
- Chiều dài: 660 mm - Chiều rộng: 660 mm - Chiều dày: 5 mm
5.1.3.Bệ đỡ động cơ:
Đúng với tên gọi, dùng để liên kết các động cơ với tấm đế trên. Được gia công bằng các tấm mica lắp ghép với nhau một cách đồng đều, nhằm làm giảm khối lượng của robot mà vẫn giữ được độ vững chắc của cơ cấu. Chi tiết này được nhắc đến ở chương 3 với tên gọi: “Bàn máy cố định tâm O”, kích thước của chi tiết này rất quan trọng và phải được gia công chính xác do ảnh hưởng trực tiếp đến tính toán kết quả động học của robot. Một sự sai lệch nhỏ vài mm cũng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của robot.
Hình 5.5: Mô hình 3D bệ đỡ động cơ trên Inventor
5.1.4.Khớp 1 (khớp chủ động):
Được gia công phay bằng vật liệu nhôm nhằm giảm bớt khối lượng và được tối ưu về mặt kích thước. Điều này sẽ làm tăng tính linh hoạt của robot khi hoạt động cũng
như đáp ứng được vùng làm việc của robot. Đây là “cánh tay” của robot, được kết nối với trục động cơ bằng mặt bích.
Hình 5.6: Mô hình 3D trục 1 trên Inventor
5.1.5.Khớp 2 (khớp bị động):
Được làm bằng thanh cacbon rỗng với chiều dài. Hai đầu được gắn với chi tiết mắt trâu nhằm thực hiện chuyển động “xoay và kéo theo” của khớp thứ nhất. Cứ 2 thanh cacbon ở khớp bị động này sẽ được gắn với khớp chủ động tạo nên cơ cấu hình bình hành thông qua cơ cấu nối khớp.
Hình 5.8: Mô hình 3D khớp 2 trên Inventor Hình 5.9: Mô hình 3D cơ cấu nối khớp
5.1.6.Đầu công tác – Đế dưới robot (EE):
Được nhắc đến ở chương 3 với tên gọi “Bàn máy động tâm A”, nối với 4 cặp thanh cacbon của khớp bị động bằng mắt trâu, tổng hợp chuyển động của các thanh này thành một chuyển động duy nhất. Được gia công phay bằng nhôm và được gắn module nam châm điện ở tâm để thực hiện ứng dụng gắp thả vật.
Hình 5.10: Mô hình 3D đế dưới robot trên Inventor
5.2.Thông số kỹ thuật của Robot:
Bảng 5.1: Bảng thông số chung của robot
Dài [mm] Kích thước tổng thể: Rộng [mm] Cao [mm] 660 660 765 Khối lượng tổng thế [kg] 35 Kích thước khớp 1 [mm] 181 Khối lượng khớp 1 [kg] 0.125 Kích thước khớp 2 [mm] 498 Khối lượng khớp 2 [kg] 0.093 Dài [mm]
Kích thước tủ điện: Rộng [mm] Cao [mm]
600 300 800
5.3.Lựa chọn thiết bị:
Xét theo yêu cầu cơ cấu đặt ra Kết hợp tra cứu catalogue của các nhà sản xuất đề xuất chúng tôi chọn một số loại thiết bị dưới đây:
5.3.1.Động cơ AC Servo Mitsubishi HC-KFS13:
Hình 5.11: Động cơ HC-HFS13
Bảng 5.2: Thông số kĩ thuật của động cơ HC-HFS13
Thông số Giá trị Đơn vị
Tốc độ định mức 3000 rpm
Tôc độ tối đa 4500 rpm
Dòng định mức 0.71 A
Dòng tối đa 22 A
Điện áp 220 V
Công suất 100 W
Mô-men xoắn cực đại 0.95 N.m
Hình 5.12: Thông só kích thước động cơ HC-HFS13
5.3.2.Hộp giảm tốc KSBL 44-10-P1:
Ở mỗi động cơ được lắp thêm một hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1/10 để tăng momen chịu tải.
Bảng 5.3: Thông số kĩ thuật của hộp giảm tốc
Thông số Giá trị Đơn vị
Tốc độ đầu vào định mức
3000 rpm
Tốc độ đầu vào max 8000 rpm
Mô men xoắn đầu ra định mức
14 Nm
Mô men cực đại 42 Nm
Mô men quán tính 0.09 Kg.cm2
Độ cứng xoắn 3 Nm/arcmin
Tải xuyên tâm tối đa 760 N
Tải dọc trục 380 N
Hình 5.14: Thông số kích thước hộp giảm tốc
5.3.3.Driver Mitsubishi MR-J2S-10A:
Để điều khiển xuất xung cho 4 động cơ Mitsubishi HC-KFS13 của robot, nhóm sử dụng 4 bộ driver cùng thương hiệu.
Hình 5.15: Driver Mitsubishi MR-J2S-10A Bảng 5.4: Thông số kĩ thuật MR-J2S-10A
Thông số Giá trị Đơn vị
Khối lượng 0.7 Kg
Điện áp 3 pha (200-230V)
1 pha (230V) VAC
Dòng điện 10 A
Tần số 50/60 Hz
Biến thiên điện áp cho phép
3 pha cho phép: 170-253
1 pha cho phép: 207-253 VAC
Biến thiên tần số ±5 %
Công suất (Động cơ sử
dụng trong đồ án) 100 W
Đầu vào điện áp Torque
(Chế độ Torque) 0 đến ±8 VDC
Tốc độ giới hạn (Chế độ Torque)
0 đến ±10
VDC
Hình 5.16: Thông só kích thước MR-J2S-10A
5.3.4.Arduino Nano V3.0 ATmega328P:
Board Arduino Nano là một trong những phiên bản nhỏ gọn của board Arduino. Arduino Nano có đầy đủ các chức năng và chương trình có trên Arduino Uno do cùng sử dụng MCU ATmega328P. Nhờ việc sử dụng IC dán của ATmega328P thay vì IC chân cắm nên Arduino Nano có thêm 2 chân Analog so với Arduino Uno.
Hình 5.17: Arduino Nano V3.0
Bảng 5.5: Thông số kĩ thuật Adruino nano v3.0
Thông số Giá trị Đơn vị
Vi điều khiển ATmega328
Điện áp hoạt động 5 V
Chân Digital I/O 14
Chân PWM Digital I/O 6
Chân đầu vào Analog 8
Dòng sử dụng I/O Pin 20 mA
5.3.5.Nguồn tổ ong 12V 5A:
Hình 5.18: Nguồn tổ ong 12V 5A
Bảng 5.6: Thông số kĩ thuật của nguồn tổ ong 12V 5A
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp đầu vào 100 ~ 250 VAC
Tần số hoạt động 47 ~ 63 Hz
Điện áp đầu ra 12 V
Dòng điện tối đa 5 A
Điện áp điều chỉnh ± 10 %
Hiệu suất ≥ 85 %
Điều chỉnh điện áp ( Đầy
tải ) ≤ 0.3 %
5.3.6.Nhôm định hình 30x30:
Nhôm định hình được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, dân dụng. Có thể kể đến những ứng dụng phổ biến như: Sản xuất hệ thống băng tải, sản xuất bàn thao tác, sản xuất khung nhôm cửa kính.
Hình 5.19: Nhôm định hình 30x30
Chọn nhôm định hình để làm khung robot vì những ưu điểm sau:
- Không bị cong vênh, co gót, oxy hóa và han gỉ theo thời gian như một số sản phẩm thông thường trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt
- Dễ lắp ghép
- Trọng lượng thấp của nhôm làm giảm tác động môi trường khi vận chuyển, nó cũng góp phần giảm chi phí vận chuyển.
5.3.7.MCB Schneider EZ9F34210:
Cầu dao tự động Easy9 bao gồm các chức năng: - Bảo vệ chống dòng quá tải
Hình 5.20: MCB Schneider EZ9F34210 Bảng 5.7: Thông số kĩ thuật MCB EZ9F34210
Thông số Giá trị Đơn vị
Số cực 2 P Dòng điện định mức 10 A Dòng cắt ngắn mạch 4.5 kA Điện áp định mức 230 V Kích thước H81x W36 x D66.5 mm 5.3.8.Contactor Schneider LC1D09M7:
Khởi động từ Schneieder dòng TeSys LC1D Series là sự kết hợp giữa độ bền của điện và máy cơ học, cung cấp đến một bộ tiếp xúc có độ tin cậy cao. Trong hệ thống điều khiển TeSys LC1D được thiết kế động cơ tích hợp sao cho phù hợp với bất kỳ các loại
ứng dụng khác nhau. Khởi động từ Schneider dòng TeSys LC1D series được tối ưu đơn giản, nhưng vẫn đảm bảo tuân thủ đầy đủ các tiêu chuẩn của quốc tế.
Hình 5.21: Contactor Schneider LC1D09M7
Bảng 5.8: Thông số kĩ thuật Contactor Schneider LC1D09M7
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp điều khiển 220 V
Dòng điện định mức 10 A
Công suất 4 kW
Tiếp điểm 1NC, 1NO
Kích thước H77x W45 x D86 mm
5.3.9.Lọc nhiễu nguồn MXB-1210-33:
Hình 5.22: Lọc nhiễu nguồn MXB-1210-33 Bảng 5.9: Thông số kĩ thuật bộ lọc nhiễu nguồn
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp đầu vào (AC/DC) 250 V
Dòng điện định mức 10 A
Trở kháng 0.1 Ω
Tần số 50/60 Hz
CHƯƠNG 6 : ĐIỀU KHIỂN ROBOT QUATTRO 4 BẬC TỰ DO 6.1.Lưu đồ giải thuật Robot Quattro:
6.1.1.Lưu đồ tổng quát quá trình nghiên cứu:
Để thực hiện đề tài này, nhóm tiến hành các bước sau:
- Khảo sát và tìm hiểu tổng quan về đề tài Robot công nghiệp đặc biệt là Robot song song, các kiến thức liên quan: Xử lí ảnh, lập trình C, MATLAB,…
- Lựa chọn cấu trúc mô hình và số bậc tự do của robot.
- Vẽ mô hình kích thước thật của robot trên Solidwork và Inventor.
- Tìm tài liệu và tính toán động học, động lực học của robot, vùng làm việc, quy hoạch quỹ đạo.
- Kiểm nghiệm kết quả tính toán động học trên Matlab Simulink.
- Viết chương trình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của Robot trên Matlab Simulink kết hợp với Simcape Multibody.
- Thi công mô hình thực tế robot dựa trên mô hình Solidwork đã mô phỏng. - Thiết kế mạch điện, lựa chọn thiết bị, thi công tủ điều khiển.
- Kết nối phần cứng robot với Adruino, Raspberry Pi 4. - Viết chương trình điều khiển robot và chạy thực nghiệm. - Phân tích, thu thập kết quả và viết báo cáo.
Hình 6.1: Lưu đồ giải thuật tổng quan quá trình nghiên cứu
6.1.2.Lưu đồ tổng quan hoạt động robot:
Phần này sẽ trình bày tổng quan về một chu trình hoạt động của robot: - Nhấn nút Start trên tủ điện để khởi động robot.
- Sau khi khởi động việc đầu tiên cần làm là set robot về điểm làm việc ban đầu (điểm home) bằng cách nhấn nút “Home”. Khi nhấn nút “Home” Raspberry sẽ phát tín hiệu cho adruino nano xuất xung cho động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ với tốc độ thấp. Động cơ sẽ quay cho đến khi chạm công tắc hành trình. (Task 1)
- Ở task 2 xử lí ảnh sẽ được ứng dụng. Camera sẽ được lắp ở tâm bệ đỡ động cơ, camera sẽ thu nhận tọa độ ( , , )x y z của vật chuyển động trên băng truyền nhờ thuật toán tracking và đưa tín hiệu thu được vào Raspberry ở Task 3.
- Sau khi nhận được tín hiệu tọa độ từ camera, raspberry sẽ xử lí chuyển thông tin từ dạng tọa độ ( , , )x y z sang thông tin dạng số của 4 góc theta nhờ vào các phương trình động học nghịch đã được lập trình trong raspberry. Dữ liệu góc theta sẽ được đưa vào các board adruino nano để xuất xung điều khiển động cơ quay dựa vào trị số góc tương ứng mà mình nhận được. (Task 3)
- Kết quả của quá trình trên đưa đến task 4: ở giâi đoạn này đầu công tác của robot sẽ được quy hoạch quỹ đạo đến điểm gắp vật trên băng tải. Sau khi nam châm điện hút vật, raspberry sẽ quy hoạch quỹ đạo đến điểm thả vật kết thúc 1 vòng làm việc,
- Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ cũng như xuất xung sẽ được trình bày cụ thể ở phần sau.
Hình 6.2: Lưu đồ tổng quan hoạt động robot Quattro
6.1.3.Lưu đồ giải thuật điều khiện động cơ:
- Để điều khiển động cơ trong hệ thống, chúng ta cần tính toán số xung cần điều đến mỗi động cơ thông qua các công thức động học nghịch đã được trình bày ở trên.
- Khi robot khởi động, camera được bật lên và bắt đầu lấy dữ liệu vị trí của vật thể trên băng chuyền.
- Tọa độ vật thể sau đó được đưa vào các công thức động học nghịch để tính toán góc theta, với mỗi cánh tay robot ta sẽ có được các góc theta khác nhau tương ứng với các công thức khác nhau.
- Các góc theta sau đó được quy đổi thành số lượng xung dành cho mỗi động cơ, công thức này dựa vào các chế độ cài đặt tương ứng trên driver điều khiển.
- Sau đó, để truyền dữ liệu tính toán đi, cần phải tách dữ liệu theo từng byte riêng biệt để thuận tiện cho quá trình gửi dữ liệu cũng như đảm bảo độ chính xác.
- Với từng cánh tay khác nhau ta sẽ quy định cho mỗi cánh tay từng địa chỉ khác nhau để gửi cùng với dữ liệu riêng biệt cho từng động cơ. Đây là cách để các slaver nhận đúng dữ liệu mà Raspberry gửi đi.
- Cuối cùng hệ thống sẽ tiếp tục hoạt động với dữ liệu liên tục từ camera cho đến khi nút stop được nhấn.
6.2.Điều khiển mô hình Robot Quattro 4 bậc tự do: 6.2.1.Thiết bị sử dụng: 6.2.1.Thiết bị sử dụng:
- 4 board vi điều khiển Aduino Nano. - 1 board vi điều khiển Raspberry Pi 4.
- 4 bộ động cơ Servo Mitsubishi HC-KFS13 và driver MR-J2S-10A. - Nam châm điện, camera,…
6.2.2.Kết nối phần cứng:
Để kết nối phần cứng của driver, động cơ và board điều khiển ta tham khảo sơ đồ kết nối trong datasheet của driver Mitsubishi MR-J2S-10A.
Để động cơ và driver chạy được thì bắt buộc ta phải giải tín hiệu Emergency ở kênh CN1B. Được thể hiện trong Hình 6.4.
Trong Hình 6.5 sẽ hướng dẫn ta tách kết nối board điều khiển với driver để xuất xung điều khiển động cơ. Trong đó cặp chân 13-3 ở kênh CN1A dùng để điều khiển chiều quay cho động cơ. Cặp chân 12-2 dùng để xuất xung điều khiển động cơ.
Hình 6.5: Datasheet hướng dẫn kết nối 2
Từ các sơ đồ kết nối trên đối với robot Quattro ta kết nối như hình Hình 6.6, sử