Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta

Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 3

1.1 - Lịch sử phát triển robot công nghiệp 3

1.2 - Định nghĩa và phân loại 4

1.2.1 - Định nghĩa 4

1.2.2 - Phân loại robot 6

1.3 - Ứng dụng của robot công nghiệp 11

1.4 - Giới thiệu dạng robot song song và Robot Delta 13

1.4.1 - Robot có cấu trúc song song 13

1.4.2 - So sánh Robot nối tiếp và robot song song 14

1.4.3 - Ứng dụng của robot song song 17

1.5 - Tổng quan về hệ thống thiết kế của nhóm 20

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT DELTA 24

2.1 - Phân tích cấu trúc 24

2.1.1 - Lựa chọn cấu trúc 24

2.1.2 - Cơ cấu dẫn động 25

2.1.3 - Hệ khớp dẫn động 32

2.1.4 - Hệ hình bình hành 35

2.1.5 - Giá động cơ 36

2.1.6 - Gá cơ cấu chấp hành 38

2.1.7 - Bàn tay kẹp 40

2.1.8 - Khung robot 41

2.1.9 - Các hệ thống phụ trợ 44

2.2 - Mô hình tổng quan 47

2.3 - Thiết kế hệ dẫn động cho robot 50

2.3.1 - Tính chọn động cơ 51

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO ROBOT SONG SONG DELTA 53

3.1 - Mô hình động học robot song song Delta không gian 53

3.1.1 - Mô hình động học robot song song Delta 54

3.1.2 - Động học thuận Robot 59

3.1.3 - Động học ngược Robot 61

3.2 - Động lực học Robot Delta 65

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 73

4.1 - Cấu trúc hệ thống điều khiển 73

4.2 - Các thành phần chính trong hệ thống điều khiển 74

4.2.1 - Kit điều khiển Arduino Nano 74

4.2.2 - Driver A4988 76

4.2.3 - Cảm biến hồng ngoại 78

4.3 - Lập trình điều khiển 80

4.3.1 - Phần mềm lập trình điều khiển 82

4.3.2 - Code điều khiển 84

LỜI KẾT 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC 1 88

DANH MỤC HÌNH V

Hình 1.1- Robot 3 bậc tự do [*] 6

Hình 1.2 - Robot song song [*] 7

Hình 1.3- Robot hàn chuỗi hở [*] 8

Hình 1.4- Cấu tạo động cơ bước(Step Motor) [*] 9

Hình 1.5 - Động cơ khí nén[*] 10

Hình 1.6 - Bộ truyền dây dai răng và bánh răng [*] 11

Hình 1.7- Biểu đồ phân bố robot công nghiệp trong các lĩnh vực [*] 12

Hình 1.8- Hệ thống robot trong nhà máy VinFast [*] 13

Hình 1.9- Cấu trúc robot song song 14

Hình 1.10- Robot Puma 15

Hình 1.11- Hai robot song song Delta 3RUS và 3PUS 17

Hình 1.12- Cơ cấu song song Gough 17

Hình 1.13- Robot Delta dùng trong công nghiệp thực phẩm 18

Hình 1.14- Cơ cấu Robot song song Stewart 19

Hình 1.15- Sản phẩm của hãng École Nationale d E1quitation‟ 19

Hình 1.16- Bộ mô phỏng của Viện KAIST và Motek 20

Hình 1.17- Các thành phần của hệ thống robot Delta 20

Hình 2.1- Robot Delta 2 bậc tự do 24

Hình 2.2- Robot Delta 3 bậc tự do 24

Hình 2.3- Dẫn động trực tiếp từ động cơ 26

Hình 2.4- Dẫn động gián tiếp qua hệ bánh răng 26

Hình 2.5- Bản vẽ khớp nối động cơ 28

Hình 2.6- Bản vẽ thanh truyền 29

Hình 2.7- Đồ thị phương trình đường cong mỏi 31

Hình 2.8- Hệ khớp dẫn động 33

Hình 2.9- Bản vẽ khớp nối cầu 35

Hình 2.10- Hệ hình bình hành 35

Hình 2.11- Ống nhôm làm hệ hình bình hành 36

Hình 2.12- Giá động cơ 37

Hình 2.13- Bản vẽ động cơ bước 37

Hình 2.14- Gá cơ cấu chấp hành 38

Hình 2.15- Bản vẽ gá đỡ tay gắp 39

Hình 2.16- Bàn tay kẹp 40

Hình 2.17- Tay gắp Robot G4 Gripper 41

Hình 2.18- Bản vẽ tấm gá trên 42

Hình 2.19- Bản vẽ nhôm định hình 43

Hình 2.20- Nhôm định hình 43

Hình 2.21- Bản vẽ tấm gá dưới 44

Hình 2.22- Bản vẽ băng tải 46

Hình 2.23- Băng tải mini 46

Hình 2.24- Hình chiếu đứng của mô hình 47

Hình 2.25- Hình chiếu không gian của mô hình 48

Hình 2.26- Bản vẽ tổng 49

Hình 2.27- Động cơ NEMA17 51

Hình 2.28- Thông số kích thước động cơ NEMA17 52

Hình 3.1- Robot song song Delta3RUS 54

Hình 3.2-Mô hình động học và hệ tọa độ Robot song song Delta3RUS 55

Hình 3.3- Ký hiệu các tham số tính toán 58

Hình 3.4- Hình chiếu lên mặt phẳng OXY 59

Hình 3.5- Kí hiệu tham số tính toán 62

Hình 3.6- Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ 63

Hình 3.7- Kí hiệu tọa độ tính toán 64

Hình 4.1- Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển 73

Hình 4.2- vi điều khiển Atemega328P 75

Hình 4.3- vi điều khiển Atemega328P Pinout 75

Hình 4.4- Driver A4988 76

Hình 4.5- Bảng chế độ hoạt động của A4988 77

Hình 4.6- Cảm biến hống ngoại 78

Hình 4.7- Sơ đồ cấu tạo cảm biến hống ngoại 78

Hình 4.8- Sơ đồ mạch nguyên lí của hệ thống điều khiển 81

Hình 4.9- Sơ đồ thuật toán điều khiển 82

Hình 4.10- Giao diện lập trình trên phần mềm Arduino IDE 84

MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống ngày nay, Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộcsống mới, một cách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn Nhữnghãng Robot (RB) từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹngày một khẳng định sự hiện diện của RB là phần không thiếu trong cuộc sốnghiện nay và tương lai của phía trước Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học

vĩ mô cho tới vi mô và ngày một đa dạng

Trong khuôn khổ môn học Đồ án thiết kế hệ thống CK-CĐT thiết bị tự động

với đề tài thiết kế robot song song Delta, chúng em tin tưởng rằng với những kếtquả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệmquan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tínhtoán và thiết kế các loại Robot công nghiệp

Với bố cục gồm:

1- Tổng quan về Robot

Phần này sẽ là cái nhìn sơ qua về Robot bao gồm lịch sử phát triển, phân loại vàứng dụng hiện nay giúp chúng ta hình dung tính quan trọng cũng như sự hữu dụngcủa nó tới cuộc sống

2- Xây dựng mô hình thực tế

Bao gồm các bước tính toán xây dựng mô hình cơ học để kiểm chứng tính đúngđắn của quá trình thiết kế sẽ cung cấp các quá trình cơ bản để có thể xác định cách

có thể một sản phẩm Robot được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống

3- Giải quyết bài toán động học và động lực học ngược

Bao gồm nêu lên yêu cầu và ý nghĩa của bài toán ngược, qua đó đề xuất phươngpháp giải và các bước thực hiện

4- Xây dựng mô hình điều khiển thực tế cho robot song song Delta

Từ các tính toán ở chương 2 và chương 3, nhóm sẽ đề xuất mô hình thiết kế hệthống điều khiển cho robot song song Delta bằng một số phần mềm đồ họa môphỏng.

Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Văn A, cảm ơn thầy vì những đóng gópqua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi gặpmặt Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp em tự tin hơn trong cáchthức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bịcủa em hoặc cũng có thể kiến thức em mang đến trong bài báo cáo này con sai sót

và chưa đúng Em rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa đó

Em chân thành cảm ơn và chúc thầy sức khoẻ!

CHƯƠNG 1: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ ROBOT CÔNG

NGHIỆP TỔNG QUAN VÀ GIỚI THIỆU VỀ ROBOT SONG SONG

1.1 - Lịch sử phát triển robot công nghiệp

Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay máy chấphành điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ Vào nhữngnăm 50 của thế kỉ 20, bên cạnh những tay máy chấp hành cơ khí đó, đã xuất hiệncác tay máy chấp hành thủy lực và điện tử

Năm 1961, chiếc robot công nghiệp đầu tiên được đưa vào sử dụng ở nhà máyGenaral Motor tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì Năm 1967, Nhật Bản mới nhậpkhẩu chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì Đến năm 1990,

có hơn 40 công ty Nhật Bản đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 70, việc nghiên cứu và nâng cao tính năng của robot đã chú ýnhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làmviệc Một lĩnh vực nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành Các nghiêncứu robot tự hành bắt chước hoạt động chân người, chân động vật Các loại robotnày chưa có ứng dụng nhiều trong công nghiệp, tuy nhiên các loại xe robot(robotcar) lại nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong các hệ thống sản xuất linhhoạt

Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các ứng dụng kĩthuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng,giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robotcông nghiệp đã có chỗ đứng trong các dây chuyền sản xuất tự động

1.2 - Định nghĩa và phân loại

1.2.1- Định nghĩa

Có nhiều định nghĩa robot cùng tồn tại, chúng ta hãy cùng tham khảo một sốđịnh nghĩa như sau:

Định nghĩa theo từ điển New World College

“Robot là một kết cấu cơ khí có hình dạng bất kì, được xây dựng để thực hiệnnhững công việc bằng tay của con người”

Các định nghĩa sau này bao gồm các cánh tay cơ khí, các máy móc điều khiển số,các máy móc di chuyển theo kiểu bước đi và mô phỏng hình dáng con người Cácrobot công nghiệp ngày này chỉ thực hiện một phần công việc của con người.Các robot ban đầu thường được gọi là các tay máy (Manipulator)

Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản

Định nghĩa này mang tính khái quát nhất của tất cả các định nghĩa được sử dụng

Nó bao gồm tất cá các thiết bị tay máy và có thể xem khi định nghĩa một robot saunày

“Robot là một máy, cơ cấu thường gồm một số bộ phận phân đoạn được nối vớiphân đoạn khác bằng khớp quay hay khớp trượt nhằm mục đích để gắp hay dichuyển các đối tượng, thường có một số bậc tự do Nó có thể điều khiển bởi mộtnguồn kích hoạt, một hệ thống điện tử có thể lập trình được hay một hệ thống logicnào đó”

Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp)

“Robot là một cơ cấu chuyển đội tự động có thể chương trình hóa, lặp lại cácchương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên sườn các trục tọa độ, có khả

năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất (chi tiết, dụng cụ gálắp.v.v.) theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện cácnhiệm vụ công nghệ khác nhau.”

Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Hoa Kì

“Robot là một tay máy có nhiều chức năng có thể lập trình, được thiết kế để dichuyển vật liệu, các phần tử, linh kiện, các dụng cụ và thiết bị đặc biệt thông quaviệc thay đổi các chương trình hoạt động đã được lập để thực hiện các nhiệm vụkhác nhau.”

Định nghĩa theo hiệp hội robot Anh

“Robot công nghiệp là một thiết bị có thể được lập trình lại, được thiết kế đểthực hiện hai nhiệm vụ cầm nắm và vận chuyển các phần tử, linh kiện, các dụng cụhoặc các công cụ chế tạo đặc biệt thông qua việc thay đổi các chương trình hoạtđộng đã được thiết lập để thực hiện các tác vụ gia công khác nhau.”

Định nghĩa GOST (Nga)

“Robot là một máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiểnchương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sựđiều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự con người.”

Như vậy, qua các định nghĩa trên, ta có thể hiểu đơn giản robot công nghiệp làmột loại thiết bị được thiết kế và chế tạo để phục vụ một số hoạt động trong quátrình sản xuất, thông qua các chương trình được thiết lập sẵn, và có thể thay đổi tùyvào mục đích sử dụng

1.2.2- Phân loại robot

Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những yếu tố kĩ thuật khác nhau.Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:

a- Phân loại theo số bậc tự do

Định nghĩa

Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập cần cho trước để xác định hoàn toàn

vị trí của các khâu trong cơ cấu khi cơ cấu hoạt động Điều đó có nghĩa mỗi thông

số độc lập sẽ là một quy luật cho trước để xác định quy luật chuyển động của cơ cấu Khâu có quy luật chuyển động cho trước được gọi là khâu dẫn, khâu dẫn đượcnối với giá bằng một khớp loại 5 vì khớp loại 5 chỉ có một thông số xác định

Hình 1.1- Robot 3 bậc tự do [*]

Trong H1.1 là mô hình robot 3 bậc tự do gồm 1 bậc tự do tịnh tiến và 2 bậc tự

do quay

Công thức tính số bậc tự do của cơ cấu

Đối với robot là dạng chuỗi động hở như robot sacra đang xét thì số bậc tự do cóthể tính theo công thức sau:

W= 6n – (2.1)Trong đó: n là số khâu động

là số khớp loại i (i=1,2, ,5: số bậc tự do bị hạn chế)

Áp dụng vào robot scara: Có 4 khâu động, 3 khớp quay loại 5 và 1 khớp trượt loại 5

W= 6*4 – (4*5) = 4 (bậc tự do)Một robot sẽ linh hoạt hơn khi di chuyển và hoạt động trong một không gian bị hạnchế Mặt khác, trong một số ứng dụng đặc biệt như trong việc lắp ráp trong mộtmặt phẳng thì chỉ cần bốn bậc tự do

Phân loại theo cấu trúc động học

Một robot được gọi là robot tuần tự hay robot chuỗi hở nếu cấu trúc động họccủa chúng có dạng một chuỗi động học hở, gọi là robot song song nếu cấu trúcđộng học của chúng có dạng một chuỗi đóng và gọi là robot hỗn hợp nếu nó baogồm hai loại chuỗi hở và chuỗi đóng

Hình 1.2 - Robot song song [*]

Nhìn nhận một cách tổng quát thì robot song song có nhiều ưu điểm vì chúng có

độ cứng vững cao hơn, khả năng tải cao hơn, nhưng không gian làm việc nhỏ hơn

và cấu trúc phức tạp hơn Tuy nhiên trong các đơn vị công nghiệp lắp ráp, hàn xì,đúc,.v.v thường sử dụng các robot chuỗi động hở vì khả năng vận hành linh hoạt

và thiết kế đơn giản

Hình 1.3- Robot hàn chuỗi hở [*]

Như trong hình mô tả về robot hàn chuỗi hở, nó có thể tùy ý thao tác các hoạtđộng trong một không gian làm việc rộng và điều chỉnh được hướng và vị trí củamũi hàn

c- Phân loại theo nguồn động lực sử dụng

Nguồn năng lượng điện (động cơ điện)

Thường sử dụng các động cơ điện một chiều, các động cơ bước (H1.4) hay động

cơ Servo

Các loại động cơ này có đặc điểm là hoạt động chính xác, tin cậy, đạt công suất cao

và có tính tuyến tính cao dễ điều khiển Hệ này cũng đảm bảo kết cấu gọn, truyềndẫn năng lượng trực tiếp Ngoài ra nó còn đảm bảo an toàn vệ sinh môi trường

Hình 1.4- Cấu tạo động cơ bước(Step Motor) [*]

Nhằm nâng cao chất lượng là hiệu quả sử dụng đối với hệ này cần tuân theo nhữngnguyên tắc cơ bản sau:

- Sử dụng các công nghệ mới, các loại vật liệu mới ít chịu ảnh hưởng bở từ trườngTrái Đất

- Tiếp tục nâng cao công suất và hiệu suất công tác

- Xử lý tốt các cụm ghép nối trong mạch nguồn, mạch điều khiển và hiệu chỉnhnâng cao hơn nữa độ tin cậy

Nguồn năng lượng thủy, khí (động cơ thủy lực, khí nén)

Động cơ thủy lực có thể đạt đến công suất cao, đáp ứng những yêu cầu làm việcnặng Tuy nhiên, hệ thống thủy lực thường cồng kềnh, yêu cầu dòng dầu, chấtlượng dầu cao, hơn nữa vận tốc phải có độ phi tuyến lớn, khó đảm bảo độ chínhxác cao khi điều khiển

Hình 1.5 - Động cơ khí nén[*]

Hệ khí nén làm việc với công suất trung bình và nhỏ có kết cấu đơn giản Đòi hỏiphải gắn liền với trung tâm khí nén, kém chính xác Thích hợp cho các loại robothoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản kiểu nâng lên hạxuống

d- Phân loại theo hệ thống truyền động

Hệ truyền động gián tiếp

Các cơ cấu chấp hành được nối với nguồn động lực thông qua các bộ truyền động

cơ khí thường gặp như hệ bánh răng thường, hệ bánh răng hành tinh, hệ bánh răngsong, dây đai răng (H1.6)bộ truyền xích haylà bộ truyền vít me đai ốc bi.v.v Nhược điểm của hệ này là tạo mòn khe hở động học dẫn đến phi tuyến và hiệu ứngtrễ ngày càng cao hơn Mặt khác hiệu suất sẽ giảm do tiêu hao công suất trên bộtruyền

Hình 1.6 - Bộ truyền dây dai răng và bánh răng [*]

Do quá trình hoạt động với cường độ làm việc liên tục và ảnh hưởng của lực masát gây nên những hư hỏng liên quan đến bộ truyền trung gian như mẻ răng, mònrăng, dãn đai,.v.v làm ảnh hưởng tới hiệu suất và chất lượng hoạt động của cácrobot công nghiệp

Hệ truyền động trực tiếp

Các cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp với nguồn động lực, do đó kết cấu sẽgọn nhẹ và hạn chế, loại bỏ được những nhược điểm khi truyền động gián tiếp.Mặt khác khó khăn đặt ra là phải thiết kế chế tạo các động cơ có số vòng quaythích hợp cho phép điều khiển vô cấp trên một dải rộng

1.3 - Ứng dụng của robot công nghiệp

Đơn vị: 1000 chiếc

Hình 1.7- Biểu đồ phân bố robot công nghiệp trong các lĩnh vực [*]

Qua biểu đồ số liệu trên, ta nhận thấy robot công nghiệp được sử dụng nhiềunhất trong ngành công nghiệp ô tô 98 000 chiếc (2015) và tăng lên 126 000 chiếc(2017), ngoài ra ngành điện, điện tử cũng là ngành sử dụng nhiều robot côngnghiệp với mức tăng 33% từ 65 000 (2015) lên 121 000 (2017)

Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dâychuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng và khả năngcạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều đó xuất phát

từ những ưu điểm cơ bản của robot:

- Robot công nghiệp có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặchơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thếrobot công nghiệp góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sảnphẩm Hơn thế robot có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sựthay đổi về mẫu mã và kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh

- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dung robot là giảm được đáng kể chiphí cho người lao động

- Việc áp dụng robot làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ Sở dĩ như vậy vìnếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế conngười bằng robot thì người thợ sẽ không đuổi kịp hoặc nhanh chóng mệt mỏi.

Hình 1.8- Hệ thống robot trong nhà máy VinFast [*]

- Robot có thể cải thiện được điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất màchúng ta cần lưu tâm Vì trong thực tế có rất nhiều nơi người lao động phải làmviệc có môi trường có hại cho sức khỏe hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động

1.4 - Giới thiệu dạng robot song song và Robot Delta

1.4.1- Robot có cấu trúc song song

Do được ứng dụng rộng rãi nên robot được phát triển rất đa dạng và phong phú.Khái niệm robot có cấu trúc song song được Gough và Whitehall đưa ra vào năm

1962 [43] và sự chú ý ứng dụng của nó được khởi động bởi Stewart vào năm 1965.Ông là người cho ra đời một phòng tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song.Ngày nay, robot song song đã có những sự phát triển vượt bậc và có khả năng đạtđược 6 bậc tự do

Robot có cấu trúc song song thường gồm có bàn máy động được nối với giá cốđịnh, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là chân Thường số chânbằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặcngay trên chân Do đó, robot song song đôi khi được gọi là robot có bệ.

Hình 1.9 Cấu trúc robot song song

-1.4.2- So sánh Robot nối tiếp và robot song song

Thiết kế robot truyền thống dựa trên chuỗi nối tiếp các khâu cứng được liên kết bởicác khớp quay hoặc khớp trượt Một đầu của chuỗi này là cố định được gọi là bệhoặc đế cố định, và đầu kia của chuỗi được trang bị một bàn kẹp được gọi là khâuthao tác Loại robotchuỗi này, được mô phỏng theo cánh tay của con người, có lợithế là không gian làm việc lớn nhưng khả năng chịu tải tương đối kém Các cấutrúc chuỗi như vậy có xu hướng lớn và đắt tiền do yêu cầu về độ cứng liên kết vàtruyền tải lực giữa các khâu Chúng có thể được phân loại thêm như các thao táckhông gian và phẳng Robot Puma là loại thao tác không gian điển hình (Hình1.10) Do cấu trúc nối tiếp, tải trọng của loại tay máy này bị giới hạn bởi mô menxoắn dẫn động của các động cơ trong chuỗi động Các động cơ và các khâu của cáckhớp kế tiếp trở thành tải trọng của các khớp trước đó Như vậy, tải trọng của cáctay máy có thể chịu được là thấp và ảnh hưởng của quán tính rất lớn Kết quả là,tốc độ và khả năng tăng tốc của khâu thao tác có thể đạt được là tương đối thấp.Khi ta nhìn vào các thông số kỹ thuật của một số robot chuỗi sẽ thấy rằng nó rất

lớn và nặng nhưng chỉ có khả năng gắp những vật nhẹ Hơn nữa, các sai số vềtruyền động được tích lũy từng khâu và cộng dồn đến khâu thao tác.

Hình 1.10- Robot Puma

Robot song song có độ cứng vững cao và khả năng chịu tải từ các thiết bịtruyềnđộng hoạt động song song để hỗ trợ tải Độ chính xác vị trí của robot song songcao vì các sai số được bù trung bình từ sai số của từng chân do cấu trúc song song

mà không bị tích lũy như robot chuỗi Trong khi các chuỗi động học tạo ra các ràngbuộc và giới hạn về không gian làm việc, các thiết kế điển hình có đặc tính quántính thấp Các lĩnh vực ứng dụng robot song song bao gồm: Máy CNC, máy chínhxác cao, máy móc tự động hóa trong bán dẫn và công nghiệp lắp ráp điện tử tốc độ

và gia tốc cao Để so sánh giữa robot chuỗi với robot song ta có bảng sau:

STT Tính năng Robot nối tiếp Robot song song

Loại robot song song được nghiên cứu nhiều nhất là bệ Stewart và các biếnthểcủa nó Dạng đơn giản nhất của bệ Stewart là một bát giác với hình tam giáctrên đỉnh và bệ bên dưới được kết nối bởi sáu chân Sự sắp xếp này tạo cho bệ ổnđịnh với sáu bậc tự do Bệ Stewart hiện nay thường được sử dụng cho các chuyếnbay giả lập và ghế ngồi giải trí, những nơi có yêu cầu gia tốc được kiểm soátnhưng có tải trọng lớn và không gian thao tác nhỏ Điều này rất khó thực hiện vớirobot chuỗi 6 bậc tự do (DOF), chỉ cần tưởng tượng là thiết bị truyền động cơ sởlớn đến mức nào để có thể đỡ các thiết bị truyền động khác, các liên kết trongchuỗi và tải trọng Loại bệ đầu tiên được sử dụng bởi Gough năm 1949 để thửnghiệm lốp xe và sau đó Stewart ứng dụng trong mô hình bay giả lập Kể từ đó,nhiều biến thể đã được đề xuất bởi các tác giả khác nhau và chúng được gọi là

“Stewart Platforms”

Hai robot song song Delta 3RUS và 3PUS

Hình 1.11- Hai robot song song Delta 3RUS và 3PUS

1.4.3- Ứng dụng của robot song song

a- Ứng dụng trong công nghiệp

Hình 1.12 Cơ cấu song song Gough

-Vào năm 1949, Eric Gough đã đưa ra nguyên lý cơ bản và phát triển thiết bị tênlà: “Universal Tyre-Testing machine” (hay còn gọi là Universal Rig) dùng để kiểmtra lốp xe cho hãng Dunlop (Hình 1.12) Thiết bị này chính thức đi vào vận hànhnăm 1955 Tấm dịch chuyển của thiết bị này có hình lục giác, mỗi góc nối với cáckhâu dẫn động tịnh tiến bằng các khớp cầu Đầu còn lại của các khâu tác độngđược nối với bệ bằng các khớp Cardan Các khâu có chiều dài thay đổi do cơ cấudẫn động tịnh tiến Thiết bị này vẫn sử dụng đến năm 2000 Hiện nay, thiết bị nàyđang được trưng bày tại viện bảo tàng khoa học Anh

Hình 1.13 Robot Delta dùng trong công nghiệp thực phẩm

-Một loại robot khác được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta(H1.13) Robot song song Delta được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thậpniên 1980 với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay Robot Delta đãnhận được 36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng nhưcủa WIPO (WO 87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4, 976,

582 cấp ngày 11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày17/07/1991) Robot Delta được dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làmthiết bị nâng gắp…

b- Ứng dụng trong mô phỏng

Vào năm 1965, Stewart đã đề xuất sử dụng cơ cấu song song để làm thiết bị môphỏng bay (Hình 1.14) Hãng École Nationale d E1quitation (Pháp) đã phát triển‟một thiết bị được đặt tên là Persival dùng để huấn luyện các nài ngựa (Hình 1.15).Sản phẩm này đã được thương mại hóa

Hình 1.14- Cơ cấu Robot song song Stewart

Hình 1.15- Sản phẩm của hãng École Nationale d E1quitation ‟

Viện KAIST (Hàn Quốc) đã phát triển thiết bị mô phỏng xe đạp (Hình 1.16).Motek đã chế tạo Caren dùng để huấn luyện thể thao và phục hồi chức năng chongười bệnh và khuyết tật

Hình 1.16- Bộ mô phỏng của Viện KAIST và Motek

1.5 - Tổng quan về hệ thống thiết kế của nhóm

Hình 1.17- Các thành phần của hệ thống robot Delta

Hệ thống robot Delta được xây dựng từ các thành phần chính như: các khâurobot, hệ thống dẫn động, dụng cụ thao tác……Mối liên hệ giữa các thành phầncủa robot được thể hiện như hình 1.17 Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuốicủa robot, dụng cụ thao tác của robot ở đây ta dùng dạng tay kẹp được sử dụng đểkẹp nhả vật thể trên băng tải hoặc ở các khu vực khác do người điều khiển quy

định Các khâu robot là kết cấu cơ khí gồm các khâu động, khâu bị động, bàn máyđộng liên kết với nhau bằng khớp cầu tạo nên hình dáng và các chuyển động cơbản của robot Hệ thống dẫn động là các động cơ bước, servo, tạo nên sự chuyểnđộng của robot và dụng cụ thao tác Các công tắt hành trình phản hồi tín hiệu để bộđiều khiển xử lý xác lập vị trí ban đầu cho robot Cảm biến tiệm cận phát hiện cácvật thể trên băng tải và gửi về hệ thống điều khiển để tiến hành xử lý thông tin xácđịnh tọa độ của các vật thể trên băng tải củng như tiến hành phân biệt màu sắc củacác vật thể trên băng tải Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điềukhiển từ máy tính và giải mã tín hiệu đồng thời thực hiện tính toán động học ngượcrobot truyền tín hiệu điều khiển đến các driver điều khiển động cơ để thực hiệnđiều khiển góc quay cho động cơ Bộ điều khiển còn thực hiện nhận các tín hiệnphản hồi của các công tắc hành trình, nút nhấn để thực hiện các chức năng được đề

ra cho bộ điều khiển

Đặt vấn đề:

Nếu chúng ta muốn xây dựng robot Delta ứng dụng trong công nghiệp Chúng tacần phải xây dựng robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụngcài đặt bằng bằng các mã đơn giản do hệ thống quy định thông qua giao diện giaotiếp trên máy tính mà không cần can thiệp chỉnh sửa phần mềm Ngoài ra để năngcao thêm chức năng tự động phân loại hay tự động gắp vật thể trên băng tải, nhưngvật thể này là luôn di chuyển (tức băng tải không dừng) và nằm ở vị trí bất kỳ trênbăng tải rộng thì chúng ta cần phải kết hợp với thêm các camera Khi kết hợp vớicamera chương trình điều khiển tiến hành đếm số lượng, phân loại theo màu sắc vàtìm tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải, từ đó tạo robot vẫn bắt được vật thể

ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải không dừng, thông qua tọa độ điểmtìm được, đồng thời vẫn đưa vật thể đến vị trí có thể cài đặt được thông qua giao

diện giao tiếp Để có thể thực hiện các yêu cầu đề ra ta cần phải giải quyết các vấn

đề sau:

Thứ nhất, nếu chúng ta biết được vị trí mong muốn của cơ cấu chấp hành(ví dụ,chúng ta muốn gắp vật ở điểm có tọa độ X, Y, Z), chúng ta cần phải xác định góctương ứng của mỗi tay (góc của khâu chủ động) thiết lập động cơ ở đúng vị trí đểchọn Quá trình xác định như vậy được biết đến như là phép tính ngược hay chính

là giải động học ngược robot Và, ở trường hợp hai, nếu chúng ta biết các góc củakhâu chủ động (ví dụ, chúng ta đã đọc các giá trị của bộ mã hoá động cơ), chúng tacần xác định vị trí của cơ cấu chấp hành, quá trình xác định như vậy được biết giảiđộng học thuận robot Ở đây để robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào màngười sử dụng cài đặt bằng bằng các mã đơn giản do hệ thống quy định (tức làchạy theo tọa độ điểm đươc cài đặt trước), ta cần quá trình giải động học ngượcrobot

Thứ hai, để thuận tiện cho người vận hành ta cần tạo ngôn ngữ dạy học chorobot hay có thể gọi là ngôn ngữ dùng để giao tiếp giữ người vận hành với hệthống điều khiển của robot, sao cho hệ thống có thể chạy theo bất cứ hành trìnhnào mà người vận hành cài đặt mà không cần can thiệp chỉnh sửa phần mềm điềukhiển

Thứ ba, tìm được tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải thông qua phươngtrình bắt điểm bằng các tham số lấy từ camera và robot như tọa độ ban đầu củarobot, tọa độ ban đầu của vật thể trên băng tải, vận tốc tương đối của robot từ đórobot vẫn bắt được vật thể ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải khôngdừng Giúp ta tăng tốc độ cho dây chuyền sản suất bằng cách tạo cho Robot vàbăng tải hoạt động song song nhau tức là robot vẫn bắt được vật thể trên băng tải

dù băng tải đang hoạt động thông qua tọa độ điểm tìm được

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ VÀ XÂY DỰNG

MÔ HÌNH ROBOT DELTA2.1 - Phân tích cấu trúc

Để khâu thao tác có thể di chuyển được trên mặt phẳng thẳng đứng yêu cầu ítnhất sẽ phải có 2 bậc tự do cho việc di chuyển Tuy nhiên nếu chỉ với hai bậc tự dokia thì đối tượng sẽ phải di chuyển đến vị trí thích hợp mới có thể đảm bảo thựchiện chức năng, như vậy yêu cầu tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận (việcvào/ ra mặt phẳng làm việc) thì yêu cầu thêm 1 bậc tự do nữa, nên ta chọn cấu trúcrobot Delta 3 bật tự do.

Kết cấu của Robot Delta 3 bật tự do bao gồm các phần:

 Có 3 chân bị động, mỗi chân sử dụng một cấu trúc hình bình hành

 Robot có 12 khớp cầu, mỗi cơ cấu hình bình hành có 4 khớp cầu, để liênkết giữa 2 chân chủ bị động với 2 thanh nối

2.1.2 - Cơ cấu dẫn động

Ở đây ta đưa ra hai phương án là dẫn động trực tiếp từ động cơ (hình 2.3) và dẫnđộng gián tiếp qua hệ truyền bánh răng (hình 2.4)

Hình 2.20 - Dẫn động trực tiếp từ động cơ

Hình 2.21 - Dẫn động gián tiếp qua hệ bánh răng

Trong 2 phương án thiết kế thì phương án bộ truyền bánh băng tạo lực nâng đảmbảo cho cơ cấu tuy nhiên sẽ giảm tốc độ của robot Hộp giảm tốc bánh răng trụ cóhiệu suất truyền không cao, có tỉ số kích thước trên tỉ số truyền lớn, độ chính xáckhông cao, tỉ số truyền thấp, trong các robot có yêu cầu kết cấu nhỏ, độ chính xáccao thường không sử dụng Tuy nhiên với ưu điểm kết cấu cơ khí đơn giản, giáthành rẻ và phổ biến trên thị trường có khả năng làm việc với phạm vi vận tốc vàtải trọng rộng nên bộ truyền bánh răng trụ vẫn được dùng phổ biến cho các tay máycông nghiệp Nhưng để robot hoạt động với tốc độ cao thì ta chọn phương án 1

-2.1.3 - Hệ khớp dẫn động

Hệ khớp động ta sử dụng khớp cầu.Ưu điểm độ chính xác của cơ cấu cao tuynhiên khó gia công

 Được làm bằng các Phương pháp xử lý đặc biệt khác nhau như photphat bềmặt, chiên, đệm, phun, vv, và sẽ không dễ bị hư hỏng

 Sản phẩm có đặc tính khả năng chịu tải lớn, chống va đập, chống ăn mòn,chống mài mòn, tự sắp xếp và bôi trơn tốt, v v

 Sản phẩm có kích thước hợp lý, thuận tiện cho việc lắp đặt và tháo gỡ

Đặc điểm kỹ thuật:

 Mẫu: si18t/K

 Đường kính trong D: Xấp xỉ 18mm/0,7in

 Đường kính ngoài D2: Xấp xỉ 46mm / 1.8in

 Độ dày bên trong B: Xấp xỉ 23mm / 0.9in

 Độ dày bên ngoài C1: Xấp xỉ 17mm/0,7in

 Độ dài: Khoảng 95mm/3,7in

 Trọng lượng: Xấp xỉ 320g / 11.3oz

 Đặc điểm sử dụng: chống ăn mòn

 Chất bôi trơn: không bôi trơn

 Phương pháp bôi trơn dầu: bôi trơn Vòng dầu (Bộ thu dầu)

 Trạng thái bôi trơn: bôi trơn biên

Hình 2.25- Bản vẽ khớp nối cầu

2.1.4- Hệ hình bình hành

Hệ hình bình hành tạo sự định hướng của nền dưới được song song với bề mặtlàm việc (bảng, băng tải và vv), giúp robot đảm bảo được số bật tự do cần thiết Hệbình bình hành được làm từ các ống tio bằng nhôm, có độ cứng cững cao, chắcchắn cho sản phẩm

Hình 2.26- Hệ hình bình hành

Thông số kỹ thuật:

 Vật liệu: Nhôm

 Đường kính ren vòng ngoài: 4mm

Hình 2.28 Giá động cơ

-Hình 2.29 Bản vẽ gá động cơ bước

-2.1.6 - Gá cơ cấu chấp hành

Hình 2.30 Gá cơ cấu chấp hành

-Gá cơ cấu chấp hành phải đảm bảo thuận lợi cho các chuyển động củng như gáđặt cơ cấu cấp hành Gá cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ mang theo cánh tay gắp(bàn tay kẹp) đến các vị trí xác định Nó được làm bằng nhựa pia để bảo đảm vềkhối lượng cũng như độ bền của cơ cấu Ngoài liên kết với bàn tay kẹp, nó còn liênkết với 3 khớp xoay của hệ hình bình hành nhằm bảo đảm tính linh hoạt trong khi

di chuyển của robot

Hình 2.31- Bản vẽ gá đỡ tay gắp