Quả dứa thường mọc thẳng so với mặt đất với góc nghiêng từ 700 tới 900 . Các cây dứa được trồng trên liếp cách nhau với khoảng cách 0,4x0,4m
1.8. Phương pháp nghiên cứu của luận án
1.8.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của liên hợp máy và ứng dụng nguyên lý Euler- Lagrange, luận án đã xây dựng mơ hình động lực học điều khiển tay máy robot 3 DOF thu hoạch dứa. Bộ phận xử lý hình ảnh có nhiệm vụ nhận dạng và xác định tọa độ của những quả dứa đủ tiêu chuẩn thu hoạch. Luận án sử dụng lý thuyết điều khiển tự động để xây dựng hệ thống điều khiển và truyền động cho tay máy thu hoạch dựa trên cơ sở thuật toán PDDE, sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để khảo sát các phương trình vi phân động lực học của tay máy trong quá trình chuyển động thu hoạch dứa, từ đó đánh giá ảnh hưởng tới các thơng số thời gian, vị trí, điểm đặt quả dứa và vận tốc.
1.8.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Sử dụng các thiết bị đo và các phần mềm xử lý số liệu hiện đại để xác định các thông số phục vụ cho khảo sát bài tốn lý thuyết như vị trí tay máy theo trục X, Y. Luận án sử dụng tiêu chuẩn Cochran và tiêu chuẩn Fisher để kiểm tra tính đồng nhất của phương sai mẫu. Xây dựng mơ hình thực nghiệm và tiến hành các thử nghiệm về nhận dạng và thu hoạch dứa.
Kết luận chương 1
Từ những kết quả phân tích trình bày ở trên, luận án có thể đi đến một số kết luận sau:
1. Công nghệ và thiết bị thu hái quả dứa ở Việt Nam cịn thơ sơ, nhiều tồn tại đó là năng suất thấp, tốn nhiều công sức, nhân lực, quả dứa bị tổn thương và nhiễm bẫn sau khi thu hoạch, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng quả dứa sau thu hoạch.
2. Các cơng trình nghiên cứu về các máy cơng cụ hoặc liên hợp máy tự động thu hoạch trái cây ở Việt Nam cịn hạn chế, chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu về tay máy thu hoạch quả dứa ở Việt Nam.
Chương 2
ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY THU HOẠCH DỨA
Nội dung chính của chương này là xây dựng mơ hình động lực học của tay máy hái dứa bao gồm:
- Xây dựng bài toán động học ngược để xác định lượng dịch chuyển cần thiết cho các khớp tay máy.
- Xây dựng mơ hình động lực học tay máy trong trường hợp tay máy làm việc trong môi trường lý tưởng.
- Xây dựng mơ hình động lực học tay máy làm việc trong mơi trường thực tế chịu tác động của các yếu tố sau: Nền đất mặt ruộng yếu và không bằng phẳng, xuất hiện hiện tượng nghiêng của khung tay máy....; Hai tay máy cùng hoạt động gây nên độ rung lắc của khung liên hợp, ảnh hưởng tới chuyển động của tay máy; Tác động của ma sát tại các khớp do bụi bẩn gây nên trong môi trường làm việc đồng ruộng…
- Dựa trên mơ hình động lực học lý tưởng và mơ hình động lực học thực tế, luận án tiến hành phân tích sai lệch giữa hai mơ hình, tìm ra đặc điểm giới hạn trên của sai lệch mơ hình để có thể tính được chính xác mơ hình động lực học thực tế thông qua động lực học lý tưởng. Làm cơ sở cho việc thiết kế bài toán điều khiển chuyển động dựa trên động lực học tay máy tại chương 3.
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tay máy thu hoạch dứa
LHM thu hoạch dứa tự động (hình 1.15) bao gồm 02 tay máy robot thu hoạch dứa, được gắn trên khung cơng tác phía sau xe đầu kéo (hình 2.1). Hai tay máy này có cùng cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động và chương trình điều khiển tương tự nhau. Do vậy khơng mất tính tổng quát, luận án sẽ tập trung tiến hành nghiên cứu phân tích cho một tay máy.
Hình 2.1. Khung cơng tác gồm 2 tay máy
(1)-Khung công tác; (2)-Camera để nhận dạng quả dứa; (3), (4)- Hai tay máy hái dứa; (5)-Bàn tay máy gắn dao cắt dứa.
2.1.1. Cấu tạo tay máy thu hoạch dứa
Một cánh tay máy cắt dứa có 3 bậc tự do (hình 2.2), được thiết kế theo mơ hình cánh tay robot Gantry gồm 3 khớp trượt chuyển động trong hệ tọa độ đề các: khớp 1 chuyển động dọc theo trục X với hệ thống dẫn động khớp là động cơ điện; khớp 2 chuyển động dọc theo trục Y với hệ thống dẫn động động cơ điện; khớp 3 chuyển động dọc theo trục Z với hệ thống truyền động xilanh khí nén. Các thơng số cơ khí của cánh tay máy được thể hiện trên bảng 2.1, 2.2, 2.3.
(1) Xt Yt Zt (2) (3) Ot
Hình 2.2. Mơ hình cánh tay máy hái dứa
(1)-Khớp 1 chuyển động theo trục Xt; (2)-khớp 2 chuyển động theo trục Yt; (3)-khớp 3 chuyển động theo trục Zt.
2.1.1.1. Cấu tạo cơ khí khớp 1
Khớp 1 của cánh tay máy tạo chuyển động theo trục tọa độ X hệ tọa độ tay máy (hình 2.2). Hệ thống dẫn động thanh răng- bánh răng (hình 2.3) được dẫn động bằng động cơ điện có trang bị hộp giảm tốc đầu trục. Các tham số cơ khí của thanh nối thứ nhất được thể hiện trên bảng 2.1.
Hệ dẫn động thanh răng-bánh răng
Hình 2.3. Mơ hình cơ khí khớp 1 cánh tay hái dứa Bảng 2.1: Tham số cơ khí của khớp 1 Bảng 2.1: Tham số cơ khí của khớp 1
STT Tên tham số Giá trị Đơn vị
1 Khối lượng 38 kg 2 Chiều dài 2.4 m 3 Chiều rộng 0.25 m 4 Chiều cao 0.28 m 5 Hành trình (phạm vi di chuyển theo trục Xt) 0÷1.1 m
2.1.1.2. Cấu tạo cơ khí khớp 2
Khớp 2 (hình 2.4) của tay máy tạo chuyển động theo trục Y hệ tọa độ tay máy (hình 2.2). Hệ thống dẫn động của khớp thứ hai là hệ dẫn động puly- đai, với hệ thống truyền động là động cơ điện có trang bị hộp giảm tốc đầu trục. Tham số thanh nối 2 được mô tả trong bảng 2.2.
Khớp 2
Dẫn động bằng động cơ điện
Hình 2.4. Mơ hình cơ khí khớp 2 cánh tay hái dứa
Bảng 2.2: Tham số cơ khí khớp 2
STT Tên tham số Giá trị Đơn vị
1 Khối lượng 4.5 kg
2 Chiều dài 0.25 m
3 Chiều rộng 0.25 m
4 Chiều cao 0.1 m
5 Hành trình
( phạm vi di chuyển theo trục Yt) 2.4 m
2.1.1.3. Cấu tạo cơ khí khớp 3
Khớp 3 (hình 2.5) của tay máy tạo chuyển động theo trục Zt hệ tọa độ tay máy (hình 2.2), hệ thống truyền động của thanh nối 3 là hệ xilanh khí nén. Tham số khớp 3 được mô tả trong bảng 2.3, khối lượng thanh nối 3 là khối lượng quy đổi bao gồm khối lượng bản thân khớp 3 và khối lượng bàn tay cắt dứa được gắn tại điểm tác động cuối khớp 3.
Hình 2.5. Mơ hình cơ khí khớp 3 tay máy hái dứa Bảng 2.3: Tham số cơ khí của khớp 3 Bảng 2.3: Tham số cơ khí của khớp 3
TT Tên tham số Giá trị Đơn vị
1 Khối lượng 9.5 kg 2 chiều dài 0.25 m 3 chiều rộng 0.6 m 4 Chiều cao 1.7 m 5 Hành trình ( phạm vi di chuyển theo trục Zt) 1.5 m 2.1.2. Nguyên lý hoạt động
Sau khi nhận tọa độ quả dứa (x y zc, c, c) cần thu hoạch từ máy tính, tay máy hoạt động theo các bước sau:
Bước 1: Di chuyển bàn tay cắt tới vị trí phía trên quả dứa
- Tay máy chuyển động đồng thời theo hai trục (OXt, OYt) tiến tới phía
trên quả dứa, chuyển động này được tạo nên bởi hai chuyển động của khớp 1 và khớp 2.
- Bước này có u cầu về độ chính xác điều khiển cao, ảnh hưởng quyết
sẽ cắt nhầm quả dứa hoặc không cắt được cuống quả dứa hoặc cắt vào phần quả dứa.
Bước 2: Hạ bàn tay ôm vào quả dứa
- Tay máy chuyển động theo trục OZt nhờ hệ thống truyền động xilanh trượt xuống, đưa bàn tay cắt ôm vào quả dứa.
- Do yêu cầu công nghệ, với trục OZt của cánh tay khơng cần điều chỉnh chính xác vị trí (cuống dứa được cắt khơng u cầu về kích thước), chúng ta sử dụng hệ thống truyền động xilanh khí nén với các van điều khiển logic là có thể đáp ứng được yêu cầu điều khiển.
Bước 3: Cắt và đưa quả dứa vào băng tải vận chuyển
- Bàn tay cắt kẹp vào để động cơ gắn trên bàn tay cắt đứt cuống dứa; - Tay máy di chuyển lên theo phương trục OZt (xi lanh khí nén trượt lên); - Tay máy di chuyển tự do đồng thời theo hai trục OXt, OYt về gốc tọa độ (gốc tọa độ được xác định từ hai cảm biến hành trình gắn tại gốc). Quá trình di chuyển này chỉ quay ngược chiều động cơ theo tín hiệu logic mà khơng có tác động điều khiển vị trí;
- Bàn tay cắt mở ra để thả quả dứa vào băng tải vận chuyển.
2.2. Xây dựng mơ hình động học tay máy thu hoạch dứa
Việc phân tích động học tay máy thu hoạch dứa giải quyết bài toán mối liên hệ về tọa độ giữa quả dứa với camera và quả dứa với gốc tọa độ tay máy, tìm ra mối quan hệ tương đối giữa vị trí quả dứa với gốc tọa độ tay máy thơng qua tọa độ camera đọc được. Từ đó xác định được lượng dịch chuyển của các khớp thông qua tọa độ quả dứa do camera đo về.
2.2.1. Mối quan hệ giữa các hệ tọa độ
Từ vị trí đặt camera và vị trí gốc hai tay máy trên khung công tác, luận án tiến hành gán hệ tọa độ cố định cho các đối tượng (hình 2.6 biểu diễn khung tọa độ các đối tượng trên mặt phẳng nằm ngang). Các hệ tọa độ được gán như sau:
cùng tay máy 1 (hình 2.6) được xác định trong khung máy thơng qua 03 cảm biến vị trí. Ba trục 1 01 01 0 , , t t t
OX OY OZ có phương trùng với hệ trục tọa độ đề các.
- Hệ tọa độ
2 2 02 02
0t 0t t t
O X Y Z là hệ tọa độ gốc gán cho tay máy số 2. Gốc
2 0t
O
gán tại vị trí ban đầu của tay máy số 2,
2 0t
O đặt tại góc trong cùng tay máy 2 (hình 2.6) được xác định trong khung máy thơng qua 03 cảm biến vị trí. Ba trục
2 02 02
0 , ,
t t
t
OX OY OZ có phương trùng với hệ trục tọa độ đề các.
Nếu một quả dứa tại vị trí A, tâm quả dứa có tọa độ so với camera là
, ,
c c c
x y z (đây chính là tọa độ mà camera đọc được) thì quả dứa tại A sẽ có tọa độ so với tay máy như sau:
+ Nếu xc 0 thì tọa độ quả dứa tại A so với camera được quy đổi sang hệ tọa độ tay máy số 1 như sau:
1 1 1 1100 2400 t c t c t c x x y y z z (2.1)
+ Nếu xc 0 thì tọa độ quả dứa tại A so với camera được quy đổi sang hệ tọa độ tay máy số 2 như sau:
2 2 2 1100 2400 t c t c t c x x y y z z (2.2)
chỉ ra lệnh cắt cho 1 tay máy thực hiện việc thu hoạch, việc giao nhiệm vụ cắt cho tay máy nào phụ thuộc vào so sánh giá trị xc như trên. Cơng việc này nằm trong bài tốn nhận diện ảnh và xác định tọa độ quả dứa của camera được trình bày tại chương 3.
Do vậy, hệ phương trình (2.1) và hệ phương trình (2.2) trình bày mối liên hệ giữa hệ tọa độ camera với hệ tọa độ gốc gán cho tay máy hái dứa.
Vị trí Camera Oc 2200 (mm) 2400 (mm) S 1 0t O 1 0t X 1 0t Y 2 0t Y 2 0t X O0t2 c Y c X 1100 (mm) 2 t x 2 t y c x c y
(a)- Mối quan hệ 2 hệ trục tọa độ trên hình chiếu bằng
Zc Xc Yc Oc A 2400 mm 1100 mm 1 0t O 1 0t Z 1 0t X 1 0t Y
b- Biểu diễn mối quan hệ hai hệ trục tọa độ trong khơng gian
Hình 2.6. Mối quan hệ giữa các hệ tọa độ tay máy thu hoạch dứa
2.2.2. Phương trình động học tay máy
Động học tay máy có chức năng xác định các biến khớp (lượng dịch chuyển cần thiết của mỗi khớp) khi biết tọa độ quả dứa so với camera (x y zc, c, c).
- Đặt ry là lượng dịch chuyển của khớp 2 tay máy (biến khớp 2); - Đặt rz là lượng dịch chuyển của khớp 3 tay máy (biến khớp 3).
Khi đó phương trình động học ngược tay máy hái dứa được thể hiện như sau: 1100 2400 IF 0 x t c y t c c z t c c r x x r y y x r z AO z ; (2.3) hoặc 1100 2400 IF 0 x t c y t c c z t c c r x x r y y x r z AO z (2.4)
với x y zc, c, clà tọa độ quả dứa so với camera.
Hệ phương trình (2.3) và (2.4) là phương trình động học ngược của tay máy hái dứa. Hệ phương trình này cung cấp quãng đường dịch chuyển cần thiết cho mỗi khớp tay máy để đưa bàn tay máy đến đúng vị trí quả dứa cần thu hoạch (khâu tác động cuối của tay máy, có gắn bộ phận đĩa cắt).
Trong q trình tính tốn động học ngược, máy tính sẽ dựa và giá trị xc
do camera đọc được để phân luồng và truyền kết quả động học ngược tới tay máy số 1 hoặc tay máy số 2 (nếu xc 0 thì truyền cho bộ điều khiển chuyển
động tay máy số 1; nếu xc0 thì truyền cho bộ điều khiển chuyển động tay máy
phân luồng kết quả cho 02 tay máy, máy tính sẽ điều khiển tay máy 1 ưu tiên cắt những quả dứa có tạo độ trục X từ bé tới quả dứa có tọa độ trục X lớn (xtmin xtmax), ngược lại tay máy 2 ưu tiên cắt quả dứa có tọa độ trục X từ lớn tới quả dứa có tọa độ trục X bé (xtmaxxtmin). Điều này đảm bảo rằng, với mỗi một quả dứa chỉ có một tay máy phụ trách việc thu hoạch, loại trừ trường hợp hai tay máy cùng tiến tới gần nhau gây ra va chạm cơ khí dẫn đến hư hỏng trong quá trình thu hoạch.
2.3. Xây dựng mơ hình động lực học chuyển động tay máy hái dứa
2.3.1. Các giả thiết qui đổi của mơ hình động lực học
a) Cơ khí thực tế X Y Z Trục 1 Trục 2 Trục 3 o
b) Mơ hình lý tưởng quy đổi
c) Mơ hình gán hệ tọa độ tay máy
Hình 2.7. Mơ hình quy đổi cho việc tính tốn động học, động lực học
Để xây dựng được mơ hình động lực học cho tay máy, luận án sử dụng hệ toạ độ gốc cho tay máy O X Y Z0 0 0 0 được xác định từ mơ hình động học (hình
Gọi khối lượng của các khớp hay khối lượng các khớp của cánh tay máy là: mi (i=1÷3), vì tay máy có 3 khớp tương ứng với 3 bậc tự do.
Gọi lực tác động lên các khớp để di chuyển cánh tay theo 3 trục OX0, OY0, OZ0 là: 0 0 0 0 T x y z F F F F (2.7) T x y z F F F F
Ký hiệu F0 thể hiện lực tác động lên các khớp trong giả thiết lý tưởng, F thể hiện lực tác động lên các khớp trong thực tế khi có tác động của nhiễu trong quá trình làm việc.
2.3.2. Phương trình động lực học lý tưởng
Sử dụng phương pháp Euler-Lagrange II, phương trình động lực học tay máy tổng quát có dạng [6]. i i d L L F dt q q (2.8)
Trong đó qi i,1...3là biến tọa độ suy rộng, L là hàm Lagrange được tính là: L K P (2.9) với K là tổng động năng và P là tổng thế năng của tay máy hái dứa và được tính: 3 1 i i K K (2.10)
3 1 i
i
P P (2.11) Xác định tổng động năng K của tay máy được tính:
3 1 2 3 1 i i K K K K K (2.12) với 2 1 1 1 2 x K m r (2.13) 2 2 2 2 1