Đổi với việc tạo khuôn cho một bộ truyền động sẽ thực hiện chế tạo các phần kết nối riêng cho từng bộ truyền động và một đế gắn các bộ truyền động lại thành một đầu gắp hoàn chỉnh. Cách thực hiện chế tạo và đổ khn cả đầu gắp nếu có thao tác nào thực hiện sai sẽ khiến cả đầu gắp khơng thể sử dụng tiếp. Cịn với cách thực hiện
41
từng bộ truyền động thì hỏng ở vị trí nào có thể thực hiện thay thế bộ truyền động đó mà khơng ảnh hưởng đến các bộ truyền động khác. Q trình tạo khn cho 3 phần của bộ truyền động bằng máy in Cube Corexy 3D với kích thước 400mmx400mmx300mm. Với thiết kế đề xuất này, không cần thêm các chi tiết hỗ trợ nên không cần xử lý sản phẩm sau in. Vật liệu được lựa chọn là nhựa PLA không pha tạp chất với nhiệt độ nóng chảy tại 190 độ. Một điều quan trọng khơng thể thiếu đó là khơng sử dụng nhựa có thêm tạp chất vì khơng thể xác định liệu các vật liệu được thêm vào có ảnh hưởng đến cấu trúc của đầu kẹp mềm hay không. Các bộ phận được in 3D được hiển thị trong Hình 44 (a-c) phiên bản đầu và Hình 46 (a-c) phiên bản cải tiến. Sau khi có khn, chúng ta dựa trên các đánh giá (23), (24) có thể tiến hành chế tạo khuôn bằng vật liệu EcoFlex 00-30 theo tỷ lệ 1: 1. Sau khi chờ 4 giờ để đông đặc các bộ phận, thiết bị truyền động được lấy ra khỏi khn một cách cẩn thận. Sau đó, cần cẩn thận loại bỏ vật liệu thừa, đặc biệt là ở các khu vực tiếp xúc của các phần để đảm bảo rằng khơng khí khơng bị thất thốt ra ngồi. Cuối cùng, chúng ta gắn lớp có thể kéo dài với lớp không thể kéo dài (được phủ bằng Eco-flex) để đảm bảo rằng khí nén khơng thể thốt ra ngồi và tăng ma sát khi nhặt đồ vật. Hình 44 (d) cho thấy một nguyên mẫu của bộ kẹp với các thông số thiết kế được lấy từ Bảng 1.
Hình 44. Các bộ phận in 3D và bộ kẹp khí nén được chế tạo. (a) đế kẹp, (b) cơ cấu truyền động mềm, (c) các bộ phận trên và dưới của đầu nối và (d) đầu gắp đã lắp ráp.
Đối với phiên bản đầu tiên thiết kế đang sử dụng đường khí cắm ngồi. Mỗi bộ truyền động mềm sẽ nối với đường khí qua lỗ có sẵn ở đầu nối (hình 44 d). Hạn chế của thiết kế này là đường khí vng góc với bộ truyền động chiếm khơng gian và vì là kết nối không đồng nhất nên thường xảy ra hiện tượng rị khí. Để khắc phục hạn chế,
42
thiết kế phiên bản số 2 đã được triển khai. Nhờ sự phát triển của các kỹ thuật in 3D làm cho khoảng cách giữa các lớp in trở nên đồng nhất, khơng có khơng khí giữa 2 lớp in. Bên cạnh đó việc in đường ống nào trước cũng quyết định thành công của ý tưởng. Qua quá trinh thử nghiệm và chọn vật liệu in PLA tối ưu nhất, thiết kế đường khí nằm bên trong lịng đầu nối từ ý tưởng đã được hiện thực hóa thành cơng (hình 45). Hiện tượng rị khí khơng cịn diễn ra cũng như không gian đã được giảm đi đáng kể. Ở phiên bản số 2 này các chi tiết khác cũng được làm lại để có thể dễ dàng tháo lắp bộ truyền động mềm, tháo lắp với cánh tay máy cũng như tổng thể ngoại hình hài hịa hơn.
2.3.2. Lắp đặt và kiểm thử
Trong các thí nghiệm của đề tài đều sử dụng một máy bơm khơng khí với áp suất tối đa 80Kpa, van điện tử, van tiết lưu để điều chỉnh tốc độ dịng khí đến bộ kẹp mềm, một cảm biến chuyển đổi áp suất khí nén sang tín hiệu tương tự và đồng hồ vạn năng để hiển thị giá trị từ áp suất. cảm biến. Các thử nghiệm đã được thực nghiệm gồm kiểm tra các đặc tính của góc uốn, trọng lượng giữ của bộ kẹp dưới các áp suất khơng khí khác nhau trên một số mẫu vật. Trong thí nghiệm với một đầu kẹp, áp suất bơm vào được bắt đầu ở 0 KPa cho đến khi áp suất làm cho bộ truyền động biến dạng ít hơn hoặc góc gấp đạt 90 độ. Sự dịch chuyển đầu của bộ truyền động mềm được thể hiện trong Hình. 48a bằng cách chụp ảnh và xử lý trên công cụ ImageJ dựa trên nền tảng Java. ImageJ là một chương trình chạy trên máy tính giúp giải các bài tốn liên quan đến hình học. Bài tốn này có thể là đo góc, đo khoảng cách, đo chiều dài đường cong… Trong thí nghiệm thử tải thực hiện bằng cách gắp và giữ các vật có khối lượng và đường kính khác nhau. Khơng khí sẽ đươc bơm vào bộ kẹp để giữ vật khơng bị rơi ra ngồi, sau đó giảm áp suất cho đến khi vật trượt xuống. Thời điểm vật thể trượt xuống xác định lực tối thiểu cần gắp cho mỗi vật thể. Tương ứng với lực tối thiểu thì chúng ta có thể suy ra áp suất tối thiếu cần cung cấp cho mỗi vật thế. Các vật liệu thử nghiệm bao gồm: thủy tinh, sứ, nhơm.
Hình 45. Thiết kế đầu nối trên (a) khơng có đường khí tích hợp, (b) có đường khí tích hợp
43
Hình 46. Các bộ phận in 3D và bộ kẹp khí nén được chế tạo phiên bản số 2. (a) đế kẹp, (b) cơ cấu truyền động mềm, (c) các bộ phận trên và dưới của đầu nối và (d) đầu
44
Kết quả chế tạo và thử nghiệm 2.4.
Hình 47 trình bày các hình ảnh của cơ cấu chấp hành mềm bị uốn cong dưới các áp suất tác dụng khác nhau trong thí nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải). Hình 48 (b-d) cho thấy mối tương quan giữa mô phỏng và dịch chuyển mũi thực tế. Đề tài đã mô phỏng và khảo sát dựa trên 3 kích thước độ dày vách trên lần lượt là 0.5mm, 1mm, 1.5mm. Có thể thấy rằng mặc dù biến dạng uốn là tương đương nhau, nhưng phản ứng của các buồng khí trong thực tế có một chút khác biệt do sự khơng hồn hảo của q trình sản xuất. Ngồi ra, áp suất thể hiện trong các biểu đồ này cũng là áp suất tối đa tương ứng với từng độ dày thành trên cùng để có thể hoạt động mà khơng bị hỏng hóc.
Bằng cách gắp các vật có đường kính và trọng lượng ngày càng tăng, thí ngiệm đã kiểm tra khả năng chịu tải của bộ kẹp. Thí nghiệm sử dụng các vật có đường kính 56mm, 64mm, 65mm và 72mm và tăng dần khối lượng cho đến khi áp lực tác dụng lên bộ kẹp đạt đến giới hạn và không thể nâng lên được. Thử nghiệm này cho thấy bộ kẹp được mơ tả ở đây có thể duy trì khả năng bám trên các bệ có đường kính lên đến 72mm và chịu tải trọng lên đến 120g. Trong tương lai, khối lượng tay nắm có thể được cải thiện bằng các thiết kế có giới hạn áp suất cao hơn hoặc các lớp không thể uốn nắn thay cho các vật liệu khác có độ ma sát tốt hơn. Trong hình 50 tóm tắt các kết quả và cho thấy mối tương quan giữa khối lượng và áp suất tối thiểu cần thiết cho mỗi vật liệu. Thử nghiệm với các đối tượng có vật liệu như sắt không gỉ 304 đường kính 72mm, sứ đường kính 64mm, nhơm đường kính 56mm và 65mm. Hình 49 cho thấy một số kết quả nhặt và giữ các đồ vật khác nhau. Hình 49 (f) là lỗi do đường kính của vật thể lớn hơn.
Từ sơ đồ có thể thấy rằng giữa các vật bằng vật liệu khác nhau thì đường kính của lực nắm là khác nhau. Bề mặt của các vật với vật kẹp có độ ma sát khác nhau, nên dù có cùng đường kính, cùng kích thước (ở đây là sứ và nhơm) thì lực nắm để giữ vật là khác nhau. Điều này cho thấy rằng vật liệu tạo nên vật thể sẽ ảnh hưởng đến lực bám tối thiểu cần thiết để giữ vật thể khơng rơi xuống. Bên cạnh đó, cùng một loại vật liệu nhưng có đường kính khác nhau, vật có đường kính càng nhỏ sẽ cần nhiều lực hơn. Điều này được lý giải là do bộ gắp sẽ phải uốn nhiều hơn đối với vật có đường kính nhỏ và ngược lại đối với vật có đường kính lớn. Kéo theo đó, việc tăng áp lực nhiều hơn đồng nghĩa với việc diện tích tiếp xúc sẽ bị giảm đi. Các kết quả này đã được trình bày trong bài báo tại hội nghị ICEMA6-2021. (25)
45
Hình 47. Biến dạng uốn của bộ truyền động mềm dưới các áp suất tác dụng khác nhau trong thí nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải).
Hình 48. Dịch chuyển của đầu thiết bị truyền động ở các áp suất tác dụng khác nhau trong mô phỏng và thực tế đối với độ dày thành trên tương ứng là 0,5mm (b), 1mm (c)
46
Hình 49. Kiểm tra độ bám: cốc sứ, b nút Stop, c lon nhôm, d Ống tiêm 60cc, ePCB 70x50 mm, f bánh răng
Hình 50. Mối tương quan giữa khối lượng và áp suất tối thiểu cần thiết cho mỗi vật liệu
47
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG ĐẦU GẮP MỀM Chương 3 trình bày hai ứng dụng đề tài đã sử dụng đầu gắp mềm vào bài toán cụ thể. Ứng dụng đầu tiên là cho robot di chuyển mang theo cánh tay máy có gắn đầu gắp mềm. Robot thực hiện bài toán di chuyển trong không gian làm việc, sử dụng cánh tay máy và đầu gắp mềm để gắp vật từ điểm A đến điểm B. Ứng dụng thứ hai là hệ băng tải phân loại sản phẩm. Hệ thống phân loại sử dụng camera chụp ảnh vật trên băng tải, kết quả từ camera sẽ quyết định vật được phân loại vào thùng hàng nào. Đầu gắp mềm thay thế cho đầu gắp cứng để phù hợp với những bài tốn phân loại có đối tượng là vật dễ vỡ, hoa quả, thực phẩm…
Robot di chuyển 3.1.
3.1.1. Thiết kế cánh tay robot 3 bậc tự do
Cơ sở và giải thích việc chọn mơ hình cánh tay robot 3 bậc tự
3.1.1.1.
do?
Cánh tay robot là một loại cánh tay cơ học, thường có thể lập trình được, với các chức năng tương tự như cánh tay con người. Cánh tay robot có thể là sự tổng hợp của một mơ hình cơ khí hồn chỉnh hoặc có thể là một phần của rơ bốt phức tạp hơn. Liên kết điều khiển giữa các phần của cánh tay robot được kết nối bằng các khớp cho phép chuyển động quay (rơ bốt có khớp nối) hoặc chuyển động tịnh tiến (tuyến tính). Chúng ta có thể coi các mắt xích của bộ thao tác tạo thành chuỗi động học của cánh tay rô bốt. Khâu cuối của chuỗi động học của bộ phận thao tác sẽ là điểm tương tác với vật thể như bàn tay là bộ phận cuối của cánh tay.
Cánh tay robot 3 bậc tự do là mơ hình chuẩn của cánh tay robot dạng nhỏ, có chức năng gắp sản phẩm tại mọi vị trí trong khơng gian làm việc cho phép, nó được thiết kế nhỏ gọn, chắc chắn, đầy đủ chức năng của một cánh tay robot thông thường. Với chất liệu phù hợp, kết hợp việc tích hợp các động cơ. Cánh tay robot 3 bậc tự do là một mơ hình hoạt động chắc chắn, tốc độ, đủ để đáp ứng các yêu cầu cơ bản của một dự án nghiên cứu thông thường.
Sau khi thử nghiệm nếu kết quả nghiên cứu của đề tài này có được những số liệu tốt thì việc nâng cấp và sử dụng các mơ hình cánh tay robot nhiều bậc hơn như 4, 5 hay 6 bậc tự do có thể dễ dàng phát triển. Trong đề tài nghiên cứu này, cánh tay máy sẽ sử dụng mơ hình cánh tay robot 3 bậc tự do. Cụ thể hơn, mơ hình cánh tay robot 3 bậc tự do sẽ xây dựng dựa trên ý tưởng của mơ hình cánh tay robot “uArm Metal Commercial”. Việc lựa chọn tham khảo mơ hình này là vì cánh tay đòn của “uArm Metal Commercial” bao gồm một liên kết song song để bộ tác động cuối luôn song song với bề mặt mà cánh tay địn được định vị. Tính năng này cịn loại bỏ một số phức tạp trong việc điều khiển cánh tay robot cứng.
Thiết kế và chế tạo
3.1.1.2.
Để tiến hành gia công được phần thân của rơ bốt thì trước tiên chúng ta cũng cần phải có bản vẽ thiết kế phần này trên phần mềm CAD hỗ trợ. Và dưới đây là hình ảnh mơ hình phần thân rơ bốt kết hợp với cánh tay rô bốt phục vụ cho việc gia công chế tạo phần cứng cịn lại của rơ bốt. Động cơ chọn theo từng bậc của cánh tay bao
48
gồm: bậc 1 xoay tại chỗ từ 0-360 độ sử dụng động cơ bước Step42; bậc 2 xoay từ 0- 150 độ sử dụng 2 động cơ Servo MG996R; bậc 3 xoay từ 0-120 độ sử dụng 1 động cơ Servo MG996R.
Hình 51. Mơ hình cánh tay robot “uArm Metal Commercial”