Có hình dạng được phát triển thêm từ tay máy tồn khớp bản lề hình bình hành bằng cách thêm 2 hình bình hành ở khâu 1 và khâu 2 nhằm giữ hướng xoay của khâu cuối (thông thường là song song với mặt đất).
Đồng thời độ cứng vững cũng tốt hơn tay máy toàn khớp bản lề hình bình hành khi lực đã được phân chia ít nhiều về khâu hình bình hành. Do đó tay máy được sử dụng nhiều trong việc di chuyển các vật nặng với tốc độ cao.
Đặc điểm: Các động cơ được đưa về một khâu. Dựng thêm một cơ cấu hình
bình hành để dẫn động từ động cơ số 3 lên khâu 3.
Ưu điểm: Độ cứng vững tốt, phần khâu 2 và khâu 3 sẽ nhẹ hơn đang kể, hoạt
động với tốc độ cao hơn.
Nhược điểm: Tính động lực học khó vì nó là hệ kín và là phần quan trọng nhất
trong luận án này, nhiều khâu. Bị giới hạn khi phát triển lên robot 6 bậc, tính linh động khơng cao bằng cánh tay dạng truyền thống.
Ngồi ra, cơ cấu hình bình hành thường được phát triển thành các dạng robot palletizing như robot ABB IRB 460 nhằm tối ưu độ cứng vững vốn có của robot dạng hình bình hành đồng thời giữ được hướng của khâu cuối, giúp tiết kiệm bộ phận cơng
tác điều hướng khâu cuối. Thích hợp cho các ứng dụng đặc trưng khơng địi hịi độ linh động như gắp vật, hàn mạch, khâu vá, ....
Kết luận:
Sơ đồ nguyên lí cơ cấu robot palletizing được lựa chọn nhờ độ cứng vững của cơ cấu, giảm thiểu moment cần cung cấp, tốc độ cao. Thích hợp trong ứng dụng văn phịng và dễ dàng lựa chọn động cơ.
Cơ cấu định hướng của tay máy:
Cơ cấu định hướng của khâu cuối tay máy có hướng song song với mặt đất và cố định do nhu cầu hoạt động của tay máy được tối giản cũng như thoả mãn mục đích đặt ra ban đầu của để tài là sử dụng tay máy cơ cấu hình bình hành. Và tool được kết nối với khâu cuối ta chọn hệ thống hút chân không.
2.2 Thiết kế hệ thống điện: Truyền động: Truyền động:
Yêu cầu:
• Kết cấu nhỏ gọn, có bán nhiều trên thị trường.
• Tối ưu về năng lượng.
• Thích hợp hoạt động trong văn phịng.
• Trong các nguồn truyền động là thủy lực, khí nén và điện cơ thì truyền
động điện cơ là phù hợp với mục tiêu đặt ra nhất.
• Có 2 loại động cơ thường kể đến trong cơng nghiệp đó là động cơ DC servo,
động cơ bước:
Động cơ bước: Ưu điểm:
• Điều khiển đơn giản khi động cơ bước thực hiện quay qua các bước góc của động cơ, khơng cần dùng giải thuật điều khiển phức tạp.
• Giá thành rẻ.
Nhược điểm:
• Hiệu suất khơng cao (tầm 50-60%).
• Khơng có q trình phản hồi nên q trình kiểm tra độ chính xác gặp khó
khi hiện tượng trượt xung diễn ra trong quá trình điều khiển
Động cơ Dc servo: Ưu điểm:
• Hiệu suất cao (từ 80-90%).
• Có tín hiệu hồi tiếp từ encoder phục vụ cho luật điều khiển.
• Đường đặc tuyến giữa moment và tốc độ là tuyến tính.
• Moment cấp hoạt động từ vị trí dừng lớn.
Nhược điểm:
• Thường xun bảo trì chổi than để đảm bảo động cơ hoạt động tốt.
• Độ chính xác phụ thuộc vào encoder và bộ điều khiển.
Kết luận:
Với ưu điểm tối ưu về moment so với động cơ bước và giá thành rẻ không phải yếu tố chủ yếu. Động cơ DC servo được chọn sử dụng trong luận văn này.
Truyền động qua bộ trung gian: Bộ truyền bánh răng:
Ưu điểm:
• Hiệu suất truyền cao, có th t 0,97 ữ 0,99.
ã Tui th cao, làm việc với độ tin cậy cao.
Nhược điểm:
• Kết cấu trở nên cồng kềnh và nặng nề khi khoảng cách hai trục truyền lớn.
• Cần có phương pháp bơi trơn, che chắn.
Bộ truyền xích:
u im:
ã Hiu sut b truyn 0,95 ữ 0,97.
• Chủ động trong việc bố trí khoảng cách 2 trục.
Nhược điểm:
• Ồn khi các mắt xích và bánh xích vào ra khớp.
• Cần phải có giả pháp bơi trơn che chắn.
Bộ truyền đai răng:
Ưu điểm:
• Hiệu suất bộ truyền 0,92 ữ 0,98.
ã Kích thước bộ truyền nhỏ gọn, dễ bố trí, và tìm mua.
Nhược điểm:
• Hiện tượng trượt đai do qn tính.
• Cần phải có giải pháp căng đai.
Kết luận:
Vì yêu cầu thiết kế nhỏ gọn, truyền động trực tiếp được lựa chọn khi động cơ thường được bán sẵn kèm hộp số hành tinh.
2.3 Cảm biến:
Yêu cầu: Cảm biến có khả năng nhận biết vị trí của vật cần thao thác với vị trí khâu cuối của tay máy robot.
Kết luận:
Với mục tiêu đề ra cho đề tài ta chọn camera là cảm biến định hướng cho tay máy robot.
2.4 Thiết kế bộ điều khiển:
Có hai phương án phổ biến để lựa chọn cho thiết bị điều khiển của hệ thống.
Vi điều khiển:
Là một hệ thống bao gồm một vi xử lí có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ sử lí đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun I/O, các mô đun ADC và DAC, … để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển có ưu điểm nhỏ gọn,giá thành thấp, phù hợp cho các mạch điện tử, hệ thống nhúng. Nhược điểm của nó là độ tin cậy trong cơng nghiệp thấp, hoạt động với điện áp thấp.
PLC:
Là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngơn ngữ lập trình. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái ở đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra được lập trình sẽ thay đổi theo. PLC có độ tin cậy cao, hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp trong công nghiệp, lập trình dễ với dung lượng bộ nhớ lớn. Nhược điểm là giá thành tương đối cao, thường sử dụng trong cơng nghiệp thay vì các dự án nhỏ lẻ.
Kết luận:
Với kích thước nhỏ gọn của tay máy, vi điều khiển được lựa chọn là thiết bị điều khiển cho hệ thống trong luận văn.
2.5 Cấu trúc điều khiển:
Có 2 loại điều khiển là điều khiển tập trung và cấu trúc điều khiển phân cấp
Điều khiển tập trung:
Là cấu trúc điều khiển 1 bộ điều khiển trung tâm đảm nhận tồn bộ tính tốn, cũng như nhận tính hiệu phản hồi, xuất tính hiệu cơ cấu chấp hành, giao tiếp với máy tính,…
Ưu điểm:
• Khối lượng lập trình và đi dây được giảm tải khi giao tiếp truyền thơng giữa
các bộ xử lí được giảm tải.
• Bộ điều khiển đơn giản, dễ xử lí.
• Dễ kiểm tra khi có lỗi xảy ra, dễ quản lí.
Nhược điểm:
• Địi hỏi bộ xử lí trung tâm mạnh
• Địi hỏi bộ xử lí tập trung nhiều chức năng để sử dung dẫn đến khó khăn
trong lựa chọn.
Điều khiển phân cấp:
Là cấu trúc điều khiển gồm 1 bộ xử lí trung tâm và nhiều bộ xử lí nhỏ lẻ để thực hiện các tác khác nhau đồng thời.
Ưu điểm:
• Giảm thiểu tính tốn cho bộ trung tâm.
• Dễ dàng đáp ứng thời gian thực khi có nhiều bộ xử lí đồng thời.
• Bộ xử lí slave khơng địi hỏi q mạnh.
Nhược điểm:
• Khó quản lí, phát hiện lỗi.
• Đi dây rối rắm, bộ điều khiển cồng kềnh.
Kết luận:
Vì tay máy được thiết kế có 3 bậc tự do nên bộ điều khiển tập trung được lựa chọn trong luận văn này nhờ sự đơn giản, dễ quản lí.
2.6 Luật điều khiển robot:
Có nhiều luật điều khiển được áp dụng ở robot có 2 luật điều khiển đặc trưng: điều khiển PID, điều khiển moment.
Điều khiển PID:
Hình 2.4: Minh họa giải thuật PID (nguồn Internet)
Dựa vào tín hiệu hồi tiếp và giá trị ref, PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ
lệ, tích phân và vi phân, có khả năng điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ
đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế sự dao động.
Ưu điểm:
• Khơng cần phần cứng quá mạnh.
• Giải thuật đơn giản và đã được ứng dụng rộng rãi trong một thời gian dài
• Đa dạng trong tùy chỉnh để cải thiện chất lượng điều khiển.
Nhược điểm:
• Phụ thuộc nhiều và mơ hình tốn của Plant để điều khiển chính xác
Điều khiển moment:
Hình 2.5: Minh họa giải thuật điều khiển moment (nguồn Internet)
Giải thuật điều khiển moment dựa vào phương trình động lực học để tính ra moment cần thiết ở các khớp.
Ưu điểm:
• Giải thuật giúp robot đạt được tốc độ cao.
Nhược điểm:
• Khối lượng tính tốn lớn và địi hỏi phải đáp ứng nhanh trong q trình vận
hành robot.
• Yêu cầu thiết kế về phần cứng cao.
Kết luận:
Vì giới hạn robot địi hỏi tốc độ khơng cao nên giải thuật PID được lựa chọn trong luận văn nay.
2.7 Lựa chọn phương pháp thu nhận tín hiệu camera cho Visual servoing:
Yêu cầu: Để thực hiện việc điều khiển robot bằng phương pháp visual servoing ta cần phân tích được vị trí và chiều sâu của vật cần thao tác trên hình ảnh nhận được từ camera.
Xác định vị trí của vật trên hình ảnh:
Để xác định được vị trí của vật, ta lựa chọn phương pháp phân loại vùng (Feature extraction region) cụ thể là phân loại vùng dựa trên màu sắc.
Feature extraction region sẽ cho ta biết các đặc điểm về màu sắc, hình dạng, trọng tâm, hướng của vật hay đặc điểm được phân tính trong ảnh.
Xác định chiều sâu của vật trên hình ảnh:
Để có thể xác định được chiều sâu của vật hay cụ thể hơn là khoảng cách từ vật đến camera, ta lựa chọn phương pháp so sánh sự khác biệt của hình ảnh ở 2 điểm nhìn (Binocular disparity).
Với stereo camera ta có thể thu được hình ảnh của vật tại 2 điểm nhìn khác nhau, từ đó ta sẽ xác định được khoảng cách của vật mong muốn đến camera được gắn vào khâu cuối.
2.8 Tổng kết lựa chọn:
Bảng 2.1: Phương án lựa chọn
BẢNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Kết cấu tay máy Dạng hình bình hành palletizing
Truyền động Động cơ DC servo
Cơ cấu truyền động Truyền động trực tiếp
Cảm biến HOME Cơng tắc hành trình
Thiết bị điều khiển Vi điều khiển
Kiểu điều khiển Điều khiển tập trung
Luật điều khiển PID
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG HỌC
3.1 Động học thuận:
Phân tích động học thuận là tìm mối qua hệ về tốn học giữa vị trí và hướng của tay máy khi biết trước giá trị của các khớp góc
Hình 3.1: Sơ đồ ngun lý động học thuận của rbot
• Từ sơ đồ ta có ta thiết lập như sau:
Bảng 3.1: Bảng D-H Khâu αi(độ) a (mm) d (mm) θ Khâu αi(độ) a (mm) d (mm) θ 1 90o 0 d1 θ1 2 0 L2 0 θ 2 3 0 L3 0 θ 3 4 0 L4 0 θ 4=−(θ 2+ θ 3)
Ma trận chuyển đổi từ khâu i về khâu i-1:
(1)
Từ đó ta có ma trận chuyển đổi lần lượt từ các hệ tọa độ từ 0 đến 4:
(2)
(3)
(4)
(5)
Hệ tọa độ khâu 4 chuyển về tọa độ gốc: (2), (3), (4), (5)
Ta có tọa độ điểm cuối của tay máy trong hệ tọa độ gốc là:
Đặt:
Ma trận Jacobian:
(7)
Ta có vận tốc khâu cuối liên hệ với vận tốc các khớp thông qua biểu thức:
v = ṗ = J. 𝜃̇ => 𝜃̇ = J−1. v (9)
Với: v là vận tốc của vị trí khâu cuối theo x,y,z.
Cơng thức (9) sẽ được sử dụng để mơ phỏng tính tốn vận tốc các khớp khi khâu cuối di chuyển.
3.2 Động học nghịch:
Ý nghĩa của bài tốn phân tích động học ngược là tìm ra các giá trị các biến khớp khi biết trước vị trí và hướng của tool. Đối với bài toán trong luận văn này, robot palletzing có tác dụng giữ hướng khâu cuối nên tính tốn sẽ khơng q phức tạp so với các robot phải điều khiển hướng khâu cuối (robot 6 bậc tự do,..). Sử dụng phương pháp giải hình học để tìm các góc quay ở các khớp với giá trị điểm D mong muốn:
Hình 3.3: Sơ đồ tính tốn động học nghịch theo hình chiếu bằng
Dựa theo hình 3.2 và hình 3.3, Với tọa độ điểm mong muốn D là [𝑥𝐷,𝑦𝐷,𝑧𝐷]:
{ 𝑥𝐷 = √𝑥𝑑2+ 𝑦𝑑2 𝐴𝐺 = 𝑥𝑐 = 𝑥𝐷− 𝐿4 𝐶𝐺 = 𝑧𝐷− 𝑑 𝑧𝐷 = 𝑧𝑑 (10)
• Áp dụng định lý cosin và pytago trong tam giác ACG:
{𝐶𝐴𝐺̂ = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (𝐶𝐺 𝐴𝐺) = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ( 𝑧𝐷 − 𝑑 𝑥𝐷 − 𝐿4) (Với AG, CG > 0) 𝐴𝐶 = √𝐴𝐺2+ 𝐶𝐺2 = √(𝑥𝐷− 𝐿4)2+ (𝑧𝐷− 𝑑)2 (11)
• Áp dụng định luật cosin trong tam giác ABC:
𝐵𝐶2 = 𝐴𝐶2+ 𝐴𝐵2− 2 . AB. AC. cos(𝐵𝐴𝐶̂) (12)
cos(𝐵𝐴𝐶̂) = 𝐴𝐶2+ 𝐴𝐵2− 𝐵𝐶2 2. 𝐴𝐵. 𝐴𝐶 (13) 𝐵𝐴𝐶̂= arcos((𝑥𝐷−𝐿4)2+(𝑧𝐷−𝑑)2+𝐿22−𝐿32 2.𝐿2.√(𝑥𝐷−𝐿4)2+(𝑧𝐷−𝑑)2) = (𝑥𝐷−𝐿4)2+(𝑧𝐷−𝑑)2+𝐿22−𝐿23 2.𝐿2.√(𝑥𝐷−𝐿4)2+(𝑧𝐷−𝑑)2 (14) Từ (11), (14) ta tính được góc θ2 của khớp 2: θ2=𝐵𝐴𝐶̂+𝐶𝐴𝐺̂= 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (𝑧𝐷−𝑑 𝑥𝐷−𝐿4) +arcos((𝑋𝐷−𝐿4)2+(𝑍𝐷−𝑑)2+𝐿22−𝐿23 2.𝐿2.√(𝑋𝐷−𝐿4)2+(𝑍𝐷−𝑑)2 ) (15)
𝐴𝐶2 = 𝐴𝐵2 + 𝐵𝐶2− 2 . AB. BC. cos(𝐴𝐵𝐶̂) (16) cos(𝐴𝐵𝐶̂) =𝐴𝐵2+ 𝐵𝐶2− 𝐴𝐶2 2. 𝐴𝐵. 𝐵𝐶 = 𝐿22+ 𝐿23−(𝑋𝐷− 𝐿4)2− (𝑍𝐷− 𝑑)2 2. 𝐿2. 𝐿3 (17) 𝐴𝐵𝐶 ̂= arcos(𝐿22+𝐿23−(𝑋𝐷−𝐿4)2−(𝑍𝐷−𝑑)2 2.𝐿2.𝐿3 ) (18) Ta có góc θ3 của khớp 3: θ3=1800− 𝐴𝐵𝐶̂ =1800−arcos(𝐿22+𝐿32−(𝑋𝐷−𝐿4)2−(𝑍𝐷−𝑑)2 2.𝐿2.𝐿3 ) (19)
Dựa vào hình 3.3, Ta có góc quay θ1 của khớp 1 là :
θ1=𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (𝑦𝑑
𝑥𝑑) (20)
Kết luận động học ngược của robot, mối liên hệ giữa tọa độ mong muốn D [xd, yd, zd] và các khớp quay là: θ1= 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (𝑦𝑑 𝑥𝑑) (21) θ2 =𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (𝑧𝐷−𝑑 𝑥𝐷−𝐿4) +arco𝑠 ((𝑋𝐷−𝐿4)2+(𝑍𝐷−𝑑)2+𝐿22−𝐿23 2.𝐿2.√(𝑋𝐷−𝐿4)2+(𝑍𝐷−𝑑)2 ) (22) θ3 = 1800- arcos(𝐿22+𝐿32−(𝑋𝐷−𝐿4)2−(𝑍𝐷−𝑑)2 2.𝐿2.𝐿3 )
3.3 Moment của tay máy:
(23)
Do kết cấu tay máy palletizing phức tạp, tầm với tối đa bị hạn chế ở góc θ2 =
10o, θ3 = θ2 + 5 = 15o. Sản phẩm chế tạo trong luận văn này vẫn còn là bản thử nghiệm
để nghiên cứu giải thuật, tốc độ đòi hỏi không quá cao.
Dựa theo datasheet của robot ABB IBR 460 ta có yêu cầu kỹ thuật của momen các khớp:
ζ1max = 8,8875 Nm
ζ2max = 3,5147 Nm
Moment khớp 1 và 3 đạt tối đa khi gia tốc từ vị trí tĩnh đến chuyển động. Khớp 2 đạt moment tối đa khi cả 3 khớp đang di chuyển và khớp 1,3 giảm tốc, khớp 2 tăng tốc.
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
4.1 Thiết kế 2D:
Hình 4.1: Sơ đồ sơ lược và các vị trí tọa độ của robot
4.2 Thơng số thiết kế:
Vùng làm việc của tay máy được quyết định bởi 2 thông số là L2 và L3. Với tầm với mong muốn của tay máy là 475 mm, tức là ở dạng lí tưởng L = L2 + L3 +
L4 = 475 mm
Theo tài liệu, tỷ số r tối ưu nằm trong khoảng 0,5 ÷ 0,6, với r =𝐿2
𝐿
Từ yêu cầu đề bài, chọn L2 = 250 mm , L3 = 230 mm , L4 = 25 mm , lúc đó tỉ số r = 0,52 nằm trong khoảng tối ưu cần thiết kế.
Các giá trị tham số phụ như a1, a2, a3, β, γ không tham gia vào thiết kế vùng làm việc robot nhưng đó là giá trị để thiết kế hình bình hành để dẫn động các khâu 3 và 4 của robot. Các giá trị được chọn sao cho phù hợp với thiết kế nhỏ gọn của robot.
Bảng 4.1: Thơng số kích thước và góc của các khâu
d mm L2 mm L3 mm L4 mm a1 mm a2 mm a3 mm β độ γ độ 90 250 230 25 76 80 60 30 110 Bảng 4.2: Thông số bản DH, để thiết kế Khâu αi(độ) a (mm) d (mm) θ 1 90o 0 90 θ1 2 0 250 0 θ 2 3 0 230 0 θ 3 4 0 25 0 θ 4= -(θ 3+ θ 2) Giải thích:
Việc luôn giữ hướng khâu cuối của robot palletizing đó là nhờ thiết kế 2 khâu hình bình hành OABC và FCGH. OA được thiết kế cố định với khâu 1 và hợp với
phương nằm ngang một góc tham số β. Do OABC là hình bình hành, OA cố định, nên hướng BC sẽ cố định vì BC song song với OA. Xét ΔFCB, FC hợp với BC một góc tham số là γ. Do đó FC có hướng cố định, Tam giác FCB ln có hướng cố định. Xét đến khâu cuối GHIP. Vì GHCF l hình bình hành, FC song song với GH, FC hướng