Hình 4.12: Mơ phỏng sự chuyển vị khâu 3
• Sau khi mơ phỏng phân tích khâu 3, ta có kết quả:
Từ hình ảnh mơ phỏng ta có thể thấy đám mây ứng suất hình 4.12 khơng có sự phá hủy nào xảy ra vì đám mây ứng suất max và min đều nhỏ hơn mức độ ứng suất cho phép của vật liệu.
Cịn hình 4.13, ta có thể thấy đám mây chuyển vị cũng đang di chuyển và thay đổi từ vị trí đám mây xanh sang đám mây cam. Di chuyển theo hướng từ trên xuống. Sự chuyển vị ở đây xảy ra khá lớn vì đám mây lớn nhất max là 8.975e+00 MPA vượt cao hơn so với mức độ cho phép của vật liệu. Nhưng khơng có xảy ra sự biến dạng nào về mặt ngoại hình, vì theo trên hình, sự thay đổi duy nhất xảy ra là sự di chuyển vị trí ở phần chịu tác dụng lực.
Hình 4.13: Mơ phỏng phân tích ứng suất khâu 7
Hình 4.14: Mơ phỏng sự chuyển vị khâu 7
• Sau khi mơ phỏng phân tích khâu 7, ta có kết quả:
Từ hình ảnh mơ phỏng ta có thể thấy đám mây ứng suất hình 4.14 đang có sự phá hủy ở xung quanh rãnh đáy của chi tiết, do đám mây ứng suất màu cam xuất hiện
ở đó max là 6.364e+00 MPA cao hơn so với mức độ cho phép của vật liệu là 3.100e+02 MPA, Nhưng điều này chỉ xảy ra khi khâu này phải đứng yêu để chịu tải. Khâu 7 là khâu chuyển động liên tục theo cơ cấu di chuyển của robot nên việc bị phá hủy và biến dạng sẽ không xảy ra được (nhưng theo thời gian làm việc lâu dài thì hiện tượng phá hủy sẽ xảy ra).
Cịn hình 4.15, ta có thể thấy đám mây chuyển vị cũng đang di chuyển và thay đổi từ vị trí đám mây xanh sang đám mây cam. Di chuyển theo hướng dưới lên trên. Sự chuyển vị ở đây xảy ra khá nhỏ vì đám mây lớn nhất max là 3.356e+01 không vượt mức độ cho phép của vật liệu. Tuy nhiên ở đây cũng có sự thay đổi về vị trí ban đầu ở điểm đặt lực vì đây là nơi mà lực tác động vào.
Hình 4.16: Mơ phỏng sự chuyển vị khâu 1
• Sau khi mô phỏng khâu 1 xong và cho ra kết quả:
Từ hình ảnh mơ phỏng ta có thể thấy đám mây ứng suất hình 4.16 đang có sự biến dạng và thay đổi rất rõ rệt vì đám máy ứng suất max là 8.629e+08 MPA cao hơn so rất nhiều với 3.100e+02 MPA của vật liệu. Do lực chỉ tập trung vào phần khớp nối và không phân bổ lực đều ra xung quanh.
Cịn hình 4.17, Do việc ứng suất thay đổi khá rõ rệt nên điều đó cũng tác động đến sự thay đổi đám mây chuyển vị, khiến khu vực khớp nối có sự chuyển vị mạnh mẽ.
• Kết luận:
Thơng qua mơ phỏng lực tác dụng, hầu hết các khâu đều không ra sự phá hủy và biến dạng quá lớn, khi chịu tải (mức tải lý tưởng), ở một số khâu cũng xảy biến dạng, phá hủy và thay đổi nhưng khơng đáng kể. Vì các khâu đều có độ ứng suất và
chuyển vị nằm trong mức độ cho phép của vật liệu. Vì thế đảm bảo được độ bền của Robot khi gia công.
Nhưng ở khâu 1, sự phá hủy và biến dạng đã xảy ra, khiến cho chi tiết bị biến dạng và thay đổi về ngoại hình.
Với những khâu bị biến dạng, do sự tác động của tải trọng thì nhóm đã đưa ra phương án giúp giảm việc biến dạng xuống mức tối thiểu nhất. Xem ở phần 4.7
4.7 Cách khắc phục sự phá hủy và biến dạng ở các khâu:
Đối với khâu 1: Gắn thêm gối SKF FYJ 40mm, đóng vai trị hỗ trợ làm giảm lực tác động lên khâu 1 và đóng vai trị khớp trung gian giúp cố định thân với đế
Đối với các khâu cịn lại thì chỉ cần thêm những bulong ở các khớp để cố định các chi tiết ở trong khâu. Giúp cho các khâu vững vàng, kiên cố hơn.
Thông số kỹ thuật:
• d = 40mm là đường kính vịng lỗ
• d1= 51.8mm là đường kính ngồi của vịng trong
• A = 36mm là chiều rộng tổng thể
• A1 = 14mm là chiều rộng mặt bích
• A3 = 3.2mm là chiều sâu rãnh định tâm
• B = 49.2mm là chiều rộng tổng thể ổ lăn
• B4 = 8mm là khoảng cách từ mặt hơng thiết bị khóa đến tâm ren
• L = 130mm là chiều dài tổng thể
• J = 102mm là khoảng cách lỗ bulong ở đế
Kết quả
Thơng qua tính tốn, mơ phỏng và thiết kế thì ta có hình dáng thiết kế đầy đủ của robot:
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
5.1 Sơ đồ hệ thống điện sơ bộ:
Hình 5.1: Sơ đồ điện tổng quát Sơ đồ hệ thống điện tổng quát gồm có 3 khối chủ đạo: Sơ đồ hệ thống điện tổng quát gồm có 3 khối chủ đạo:
Khối động cơ: Bao gồm 3 động cơ DC có gắn encoder, driver để giao tiếp giữa vi điều khiển và động cơ, van điện và camera nhận diện ảnh trả tín hiệu về máy tính
Khối cảm biến: Gồm stereo camera để thu nhận hình ảnh cho việc điều khiển. Khối mạch điều khiển: Gồm 1 mạch điều khiển trung tâm đảm nhận việc nhận tín hiệu từ camera và tiến hành phân tích đưa ra chuyển động cho động cơ đồng thời truyền tín hiệu quan sát đến máy tính thơng qua ROS network.
Khối nguồn: Gồm 2 nguồn chính là 24V để ni động cơ, nguồn 5V để nuôi vi điều khiển, driver, encoder.
5.2 Sơ đồ đấu nối:
Hình 5.2: Sơ đồ đấu nối linh kiện điện tử
• Nguyên lý hoạt động của sơ đồ đấu nối:
Nguồn 24 V được cấp vào mạch hạ áp Module DCLM25963A (24 V – 5 V), với đầu ra 5 V để ni Raspberry pi hoạt động điều khiển tồn bộ hệ thống.
Driver điều khiển động cơ DC Servo PID MSD_EM với nguồn cấp 5 V, điều khiển động cơ có encoder, có khả năng dị tìm thơng số của hệ thống từ đó đưa ra các chuẩn đốn về các hệ số điều khiển của động cơ.
Raspberry pi được kết nối với Driver điều khiển DC Servo PID MSD_Em lần lượt các chân PUL1, PUL2, PUL3 kết nối với GPIO 12, GPIO 13, GPIO 18 điều khiển cho động cơ 1, 2, 3 với:
DIR: Là chân đảo chiều với 2 giá trị 0 và 1: 0 quay cùng chiều kim đồng hồ , 1 quay ngược chiều kim đồng hồ.
Động cơ được kết nối với DC Servo PID MSD_EM với nguồn 24V là nguồn cấp cho động cơ được nối với đúng chiều từ chân P+, P- của driver. Động cơ được nối vào chân L, R. Encoder được nối vào các chân theo thứ tự chân B, A, 5 V, GND cấp tín hiệu và nguồn.
Switch: Có chức năng bật tắt khởi động cánh tay. Cơng tắc hành trình: Đưa tay máy về vị trí home Van điện: Dùng để hút chân khơng di chuyển đồ vật
Camera: gửi hình ảnh nhận được đến Raspberry Pi để tiến hành phân tích.
5.3 Lựa chọn động cơ:
Dựa theo kết quả chương 4 (4.10), tải lớn nhất tác động lên các khớp gắn động cơ cần thiết là:
ζ1max = 8,8875 Nm ζ2max = 3,5147 Nm ζ3max = 2,1213 Nm
Tiến hành lựa chọn sao cho moment xoắc tối đa lớn hơn 8,8875 Nm
Hình 5.4: Bản vẽ thiết kế Các thông số của động cơ bao gồm: Các thông số của động cơ bao gồm:
• Khối lượng: 1000 gam
• Điện áp: 24 V DC • Tỉ số truyền 264:1 • Tốc độ qua giảm tốc: 30 vịng/phút • Encoder: 13 xung • Moment: 18 Nm • Cơng suất: 60 W
• Động cơ planet cao cấp, bền bỉ với thời gian. Hộp số mạnh mẽ với nhơng
ăn khớp trong chính xác, giảm tiếng ồn.
Kết luận:
Động cơ 24 V 60 W có gắn hộp số hành tinh và encoder đáp ứng đủ yêu cầu của đồ án:
• Khối lượng: 1000 gam
• Điện áp: 24 V DC
• Tỉ số truyền 1:139
• Tốc độ qua giảm tốc: 60 vịng/phút
• Encoder: 13 xung
• Công suất: 60 W
Động cơ planet cao cấp, bền bỉ với thời gian. Hộp số mạnh mẽ với nhông ăn khớp trong chính xác, giảm tiếng ồn.Lựa chọn driver động cơ:
Sử dụng động cơ trên cho cả 3 khớp quay.
5.4 Lựa chọn driver động cơ:
Nhờ khả năng cơng nghệ ngày một tiên tiến, ngồi việc vi điều khiển truyền trực tiếp tín hiệu driver, ngày nay driver đã có thể tích hợp thêm những dịng vi xử lí để thực hiện việc điều khiển động cơ như 1 slave nhưng với khả năng truyền thông đơn giản.
Luận văn này sử dụng driver PID MSD_EM có tích hợp nhân ARM Coretex- M3 với cơng nghệ mosfet tiên tiến.
Hình 5.5: DC driver PID MSD_EM của CCSmart (nguồn Internet)
Các thông số kĩ thuật của driver:
• Nguồn cấp: 10 – 28 V
• Tần số xung input tối đa: 500 KHz
• Cơng suất: 20 – 200 W
• Dịng tiêu thụ đối đa: 10 A
• Dịng tiêu thụ nhân xử lí: 150 mA
5.5 Lựa chọn vi điều khiển:
Hình 5.7: Raspberry Pi 4 (nguồn Internet) Thông số kỹ thuật: Thông số kỹ thuật:
• Broadcom BCM2711, Quad core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC @
1.5GHz
• 2GB, 4GB hoặc 8GB LPDDR4-3200 SDRAM (tùy thuộc vào kiểu máy)
• Bluetooth 5.0, BLE
• Gigabit Ethernet
• 2 cổng USB 3.0, 2 cổng USB 2.0
• Đầu cắm GPIO 40 chân tiêu chuẩn Raspberry Pi
• Khe cắm thẻ nhớ Micro-SD để tải hệ điều hành và lưu trữ dữ liệu
• 5V DC qua đầu cắm GPIO (tối thiểu 3A *)
• Nhiệt độ hoạt động: 0-50 độ C
Hình 5.8: Sơ đồ chân và các cổng giao tiếp của mạch (nguồn Internet) Trong 40 chân GPIO bao gồm: Trong 40 chân GPIO bao gồm:
• 26 chân GPIO. Khi thiết lập là input, GPIO có thể được sử dụng như chân
interupt, GPIO 14 & 15 được thiết lập sẵn là chân input.
• 1UART, 1 I2C, 2 SPI, 1 PWM (GPIO 4)
• 2 chân nguồn 5V, 2 chân nguồn 3.3V, 8 chân GND
• 2 chân ID EEPROM
Điện áp
• 2 chân 5V
• 2 chân 3V3
• Các chân đất 0 V
• Các chân inputs và outputs - 3V3(high) và 0V (low)
Yêu cầu kỹ thuật:
Cần 3 cặp chân xuất tín hiệu xung điều khiển và chiều quay đến driver Cần cổng USB để đọc tín hiệu từ camera.
Phần cứng có thể cài đặt hệ điều hành để giao tiếp với máy tính thơng qua ROS network, với nhu cầu điều khiển robot trong thời gian thực (real-time) đồng thời trả các giá trị điều khiển và hình ảnh từ camera về máy tính để người dùng có thể dễ dàng giao tiếp và quan sát.
Dựa vào các yêu cầu, tiến hành chọn Raspberry Pi Model B - 4GiB với các thông số kỹ thuật và ưu điểm sau:
• CPU ARM Cortex-A72 lõi tứ 64-bit 1.5GHz (ARM v8, BCM2837)
• RAM 1GB, 2GB hoặc 4GB (LPDDR4)
• Tích hợp Wireless LAN (băng tần kép 802.11 b/g/n/ac)
• 2 cổng USB 3.0
• 2 cổng USB 2.0
5.6 Lựa chọn thiết bị cho hệ thốn hút chân không: Van xả điện từ hai chiều: Van xả điện từ hai chiều:
Thơng số kỹ thuật:
• Điện áp định mức: 5V, 12 V, 24 V
• Tỷ lệ khử khí: < 3s ( thời gian cần thiết cho áp suất khơng khí từ 300mmHg đến 15mmHg trong thùng 500cc)
• Phạm vi áp suất: 0-350 mmHg
• Khả năng bịt kín: Thổi phồng sau khi áp suất tăng từ 0 đến 300mmHg trong
thùng chứa 500 cc và sau 30 giây ổn định, giá trị áp suất giảm nhỏ hơn 5mmHg/ phút
• Nhiệt độ hoạt động: 0 ° C ~ 55 ° C
• Cơng suất: < 2 W
Hình 5.10: Van xả điện từ hai chiều (nguồn Internet) Máy bơm hút chân không: Máy bơm hút chân không:
Hình 5.11: Máy bơm hút chân khơng Micro (nguồn Internet) Thơng số kỹ thuật: Thơng số kỹ thuật:
• Dịng định mức: 1500 mA, 900 mA
• Áp suất tối đa: > 525 mmHg (+701 Kpa) Kín : < 100 mmHg/ phút
• Hút tối đa: (-50 KPa)
Giác hút chân khơng:
Hình 5.12: Giác hút chân khơng (nguồn Internet)
Bộ giác hút chân không được làm bằng kim loại. Cốc hút chân không được làm từ silicone dẻo làm tăng lực hút và giữ chắc vật thể khi hoạt động. Ứng dụng cùng với van xả điện tử, ống dẫn khí mềm siliocone trắng và bơm hút chân khơng mini trong các mơ hình robot, gắp và thả sản phẩm.. Lắp ráp hệ thống bộ hút chân không và nguyên lý hoạt động:
Hình 5.14: Hệ thống thực tế (nguồn Internet)
Bộ hút chân không bao gồm: Giác hút chân không, van xả điện tử, máy bơm hút chân không, các bộ phận trên được kết nối với nhau bằng ống dẫn khí.
Nguyên lý hoạt động:
Máy bơm hút chân khơng ln hoạt động hút khí ra ngồi, luồng khí hút ra được giới hạn bởi van điện. Khi giác hút chân không tiếp xúc với bề mặt cần hút, van điện đóng máy hút chân khơng tiếp tục hút lượng khí cịn ra ngồi.
Khi hết khí vật được cố định chặt vào cốc hút và được vận chuyển đến vị trí yêu cầu.
Khi đến vị trí yêu cầu, van điện mở khí đưa vật được đặt tại vị trí yêu cầu.
5.7 Stereo Camera:
Stereo Camera là cảm biến 3D mới nhất từ Stereolabs để nhận biết chiều sâu, theo dõi chuyển động và AI không gian, cho phép các nhà phát triển xây dựng các hệ thống tiên tiến hiểu được môi trường của họ và thực hiện các hành động thông minh.
Thơng số kỹ thuật:
• Cáp USB 3.0 tích hợp
• Cảm biến có độ sâu
• Phát hiện đối tượng trong khơng gian
• Bộ xử lý lõi kép 2.3 GHz hoặc nhanh hơn
Hình 5.15: Stereo camera (nguồn Internet) 5.8 Cơng tắc hành trình:
Hình 5.16: Cơng tắc hành trình (nguồn Internet)
Là loại cơng tắc có bánh xe lăn để giới hạn một chuyển động, cơng tắc hành trình có chức năng đóng mở mạch điện, và nó được đặt trên hành trình hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nhất định sẽ tác động lên cơng tắc làm ngưng cơ cấu. Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay trịn.
• Cường độ dịng điện chịu được có thể lên tới 10A ở điện áp 250V.
• Địn bẩy có con lăn giúp giảm ma sát và kẹt khi hoạt động.
• Có 3 tiếp điểm COM, NC và NO (thường đóng và thường mở).
• Đầu ra tiếp điểm có thể hàn hoặc cắm giắc kết nối nhanh.
• Hoạt động được ở nhiệt độ lên tới 80 độ C.
• Lỗ bắt vào khung máy có đường kính 3.1mm, dễ dàng sử dụng với các loại
bulong M3 thông thường.
5.9 Lựa chọn nguồn:
Bảng 5.1: Lựa chọn thiết bị
Thiết bị Điện áp Dòng điện tiêu thụ SL
Động cơ DC Servo 24 V 10000 mA 3
Bơm hút chân không 24 V 1500 mA 1
Encoder 5 V 25 mA 3
Raspberry Pi 4 5 or 3.3 V 3000 mA 1
Driver MSD 5 V 150 mA 3
Van điện 5 V 150 mA 1
Từ Bảng trên ta có dịng tiêu thụ tối đa cho nguồn 5 V là:
I5V = 25.3 + 3000 + 150.3 + 150 = 3675 mA (25) Dòng tiêu thụ tối đa cho nguồn 24V là:
I5V = 10000.3 + 1500 = 31500mA (26) Tiến hành chọn nguồn tổ ong 12V-5V và nguồn meanwell 24 V-30 A 750 W:
Hình 5.17: Nguồn tổ ong 12 V-5 A (nguồn Internet)
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ PHỎNG
6.1 Phương trình động học của motor:
Ta có các phương trình động học của motor như sau:
𝑅𝑎𝑖𝑎(𝑡) + 𝐿𝑎𝑑𝑖𝑎(𝑡) 𝑑𝑡 + 𝑣𝑏(𝑡) = 𝑒𝑎(𝑡) 𝐽𝑚𝑑 2𝜃𝑚 𝑑𝑡 + 𝐷𝑚𝑑𝜃𝑚 𝑑𝑡 = 𝑇𝑚(𝑡) 𝑇𝑚 = 𝐾𝑡𝑖𝑎(𝑡) 𝑣𝑏(𝑡) = 𝐾𝑏𝑑𝜃𝑚 𝑑𝑡
Áp dụng biến đổi Laplace ta được:
𝑅𝑎𝐼𝑎(𝑠) + 𝐿𝑎𝑠𝐼𝑎(𝑠) + 𝐾𝑏𝑠𝜃𝑚(𝑠) = 𝐸𝑎(𝑠) 𝐽𝑚𝑠2𝜃𝑚(𝑠) + 𝐷𝑚𝑠𝜃𝑚(𝑠) = 𝐾𝑡𝐼𝑎(𝑠) => 𝐼𝑎(𝑠) = 𝐽𝑚𝑠
2𝜃𝑚(𝑠) + 𝐷𝑚𝑠𝜃𝑚(𝑠) 𝐾𝑡
Từ những phương trình trên ta có hàm truyền: