LỜI CẢM ƠN Trước tiên, Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN cùng các thầy cô của khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa đã quan tâm, tạo điều k
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Khuất Duy Huy
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO MÁY IN 3D 3 TRỤC
LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Khuất Duy Huy
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO MÁY IN 3D 3 TRỤC
LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Cán bộ hướng dẫn chính: TS Nguyễn Ngọc Linh
Cán bộ hướng dẫn phụ: TS Đỗ Trần Thắng
HÀ NỘI – 2021
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN cùng các thầy cô của khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa đã quan tâm, tạo điều kiện để em nghiên cứu nhiều kiến thức cũng như kỹ năng phát triển định hướng nghiên cứu khoa học trong suốt thời gian đào tạo chương trình thạc sỹ chuyên ngành công nghệ kỹ thuật cơ điện tử để em có thể hoàn thiện về bản thân, các phương pháp luận nghiên cứu cũng như những kĩ năng cần thiết phục vụ cho công việc của một nghiên cứu viên tại Viện nghiên cứu nhà nước
Em cũng xin gửi lời cảm ơn trân thành đến các thầy(cô) hướng dẫn gồm TS Nguyễn Ngọc Linh hiện đang làm việc nghiên cứu tại Khoa Cơ học Kỹ Thuật & Tự động hóa thuộc Trường Đại Học Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội; TS Đỗ Trần Thắng, Viện
Cơ Học, Viện HL KH & CN Việt Nam đã dành nhiều thời gian quý báu để hướng hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này
Lời cuối cùng, em xin kính chúc các thầy(cô) nhiều sức khỏe, công tác tốt và hạnh phúc trong cuộc sống
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Khuất Duy Huy
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế và tích hợp hệ thống
điều khiển truyền động cho máy in 3D 3 Trục” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự
hướng dẫn của TS Nguyễn Ngọc Linh- Trường Đại Học Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội cùng TS Đỗ Trần Thắng- Viện Cơ Học, Viện HL KH&CN Việt Nam Những phần
sử dụng tài liệu tham khảo trong khóa luận đã được nêu rõ trong phần Tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả trình bày trong khóa luận là hoàn toàn trung thực, nếu sai sót tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi kỉ luật của khoa và nhà trường đề ra
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Khuất Duy Huy
Trang 5NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TRUYỀN ĐỘNG CHO MÁY IN 3D 3 TRỤC
Khuất Duy Huy
Tóm tắt: Luận văn tập trung nghiên cứu, tích hợp hệ thống điều khiển truyền động cho tay máy
cấu trúc song song (Robot Delta) dạng 3R2S2S với nhằm mục tiêu ứng dụng cho máy in 3D
Hệ thống điều khiển có thể gửi các tín hiệu điều khiển như bật, tắt, đặt vận tốc, gia tốc của từng động cơ xuống mạch điều khiển DMC – 2163 Áp dụng các kiến thức về động học tay máy vào trong hệ thống điều khiển để có thể điều khiển tay máy đến các vị trí mong muốn khác nhau trong không gian Ngoài kiến thức về động học tay máy hệ thống điều khiển còn được áp dụng của kiến thức về nội suy quỹ đạo để có thể điều khiển tay máy theo những quỹ đạo nhất định
mà mình mong muốn (quỹ đạo hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình tam giác)
Từ khóa: Máy in 3D, Robot Delta, cấu trúc 3R2S2S
Trang 6MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
LỜI CAM ĐOAN ii
MỤC LỤC iv
Danh mục hình ảnh vi
Danh mục bảng x
Mở đầu 1
Chương 1 Tổng quan 3
1.1 Công nghệ in 3D 3
1.1.1 Lịch sử hình thành và quá trình phát triển [19] 3
1.1.2 Ưu điểm của công nghệ in 3D [20] 4
1.1.3 Ứng dụng của công nghệ in 3D [20] 5
1.2 Các cấu trúc truyền động trong máy in 3D [29] 10
1.2.1 Cấu trúc tuyến tính (Cartesian) 10
1.2.2 Cấu trúc trên hệ toạ độ cực (Polar) 10
1.2.3 Cấu trúc song song (Delta) 11
1.3 Cấu trúc song song (Robot Delta) 11
1.3.1 Giới thiệu 11
1.3.2 Phân loại 11
1.3.3 Ưu, nhược điểm 13
Chương 2 Phân tích động học cấu trúc song song kiểu 3-R2S2S 14
2.1 Tổng quan về cơ cấu 3 – R2S2S 14
2.2 Phân tích động học [8] 17
2.2.1 Bài toán động học nghịch 18
2.2.2 Bài toán động học thuận 19
2.2.3 Bài toán điểm kì dị 22
2.2.4 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot Delta 22
2.2.5 Vùng làm việc của robot 25
2.3 Mô hình hóa và mô phỏng 26
Trang 72.3.1 MATLAB/Simulink 26
2.3.2 Xây dựng mô hình 27
2.3.3 Mô phỏng chuyển động 28
Chương 3 Tích hợp hệ thống điều khiển 30
3.1 Tổng quan hệ thống 30
3.2 Cấu hình phần cứng [4][5] 33
3.2.1 Bo mạch điều khiển DMC-2163 [4] 33
3.2.2 Bộ khuếch đại công suất AMP-20540 [5] 34
3.2.3 Bộ chuyển đổi nguồn TIS 300 – 124 [15] 35
3.2.4 Máy tính 36
3.2.5 Động cơ và encoder [16][17] 36
3.3 Phần mềm điều khiển và giám sát 37
3.3.1 Visual Studio 2019 [9] 37
3.3.2 Khung giao diện người dùng (Windows Form) [12][18] 37
3.3.3 Thiết kế giao diện [6][7][14] 38
Chương 4 Mô phỏng và thử nghiệm 48
4.1 Mô phỏng và thử nghiệm 48
4.1.1 Mô hình mô phỏng 48
4.1.2 Kết quả mô phỏng 49
4.1.3 Kết quả thực nghiệm 55
KẾT LUẬN 66
Tài liệu tham khảo 67
Trang 8DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 In 3D trái tim nhân tạo [21] 6
Hình 1.2 Tên lửa Orbex Prime được trang bị động cơ in 3D [22] 6
Hình 1.3 Chiếc xe đầu tiên được thiết kế bằng in 3D [23] 7
Hình 1.4 Ứng dụng in 3D làm đồ trang sức [24] 7
Hình 1.5 Ứng dụng in 3D trong nghệ thuật, thiết kế, điêu khắc [25] 8
Hình 1.6 In 3D mô hình kiến trúc [26] 9
Hình 1.7 In 3D những vật dùng cần thiết trong đời sống [25] 9
Hình 1.8 Sơ đồ và nguyên lý robot tuyến tính 10
Hình 1.9 Sơ đồ và nguyên lý robot toạ độ trụ 10
Hình 1.10 Hình dạng và nguyên lý robot song song 11
Hình 1.11 Cấu trúc Robot Delta kiểu 3-PRPaR 11
Hình 1.12 Cấu trúc Robot Delta kiểu 3-RRPaR 12
Hình 1.13 Cấu trúc Robot Delta kiểu 3-P2S2S 12
Hình 1.14 Cấu trúc Delta kiểu 3-R2S2S 12
Hình 2.1 Robot Delta 3-R2S2S thực tế 14
Hình 2.2 Liên kết giữa ba cánh tay và đế cố định [8] 14
Hình 2.3 Mô hình hình học đơn giản của Robot Delta [8] 16
Hình 2.4 Mô hình đơn giản của mặt phẳng đế cố định [8] 16
Hình 2.5 Mô hình đơn giản của mặt phẳng bệ động [8] 16
Hình 2.6 Sơ đồ đơn giản Robot Delta có đường AiAiv [8] 19
Hình 2.7 : Quỹ đạo hàm vận tốc và gia tốc 22
Hình 2.8: Các thông số hình học của một cánh tay 25
Hình 2.9: Ba dạng hình xuyến 25
Hình 2.10 Mô hình Robot Delta trong mô phỏng 27
Hình 2.11 Đồ thị di chuyển điểm đến điểm theo quỹ đạo đường thẳng 28
Hình 2.12 Đồ thị di chuyển theo quỹ đạo bất kì 28
Hình 2.13 Toạ độ yêu cầu robot di chuyển theo thời gian để quỹ đạo có dạng hình vuông trong mô phỏng 29
Hình 2.14 Dữ liệu cần thiết cho robot di chuyển theo thời gian để quỹ đạo có dạng hình tròn trong mô phỏng 29
Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống 30
Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống có phản hồi vị trí 30
Trang 9Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống không có phản hồi toạ độ điểm P 31
Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ 32
Hình 3.5 Sơ đồ khối đơn giản điều khiển PID một động cơ 32
Hình 3.6 Chi tiết phần cứng 33
Hình 3.7 Bộ khuếch đại công suất AMP - 20540 34
Hình 3.8 Động cơ và encoder 36
Hình 3.9 Windows Form trong Visual Studio 2019 37
Hình 3.10 Tạo dự án với Visual Studio 38
Hình 3.11 Chọn loại dự án 38
Hình 3.12 Đặt tên dự án và vị trí lưu 39
Hình 3.13 Thêm Windows Form vào dự án 39
Hình 3.14 Sau khi thêm Windows Form vào dự án 40
Hình 3.15 Hệ thống điều khiển tay robot cơ cấu delta 40
Hình 3.16 Các nút điều khiển 41
Hình 3.17 Điều khiển robot theo góc quay của động cơ 42
Hình 3.18 Điều khiển robot theo toạ độ điểm P 43
Hình 3.19 Điều khiển robot theo quỹ đạo hình vuông 43
Hình 3.20 Điều khiển robot theo quỹ đạo hình chữ nhật 44
Hình 3.21 Điều khiển robot theo quỹ đạo hình tròn 44
Hình 3.22 Điều khiển robot theo quỹ đạo hình tam giác 45
Hình 3.23 Điều chỉnh các tham số chuyển động 45
Hình 3.24 Điều chỉnh các thông số bộ điều khiển PID 46
Hình 3.25 Điều chỉnh các tham số phần cứng 46
Hình 3.26 Gửi lệnh cho DMC-2163 và hiển thị giá trị phản hồi 47
Hình 4.1 Mô hình hệ thống điều khiển Robot Delta trong mô phỏng 48
Hình 4.2 Mô hình động cơ trong mô phỏng 48
Hình 4.3 Khối điều khiển PID vị trí cho động cơ 48
Hình 4.4 Toạ độ yêu cầu robot di chuyển theo thời gian để quỹ đạo có dạng hình tròn trong mô phỏng 49
Hình 4.5 Đồ thị mô phỏng quỹ đạo hình vuông cạnh 30mm 49
Hình 4.6 Đồ thị giá trị trục hoành (trục X) so với giá trị đặt 50
Hình 4.7 Đồ thị sai số của trục X 50
Trang 10Hình 4.8 Đồ thị giá trị trục tung (trục Y) so với giá trị đặt 51
Hình 4.9 Đồ thị sai số của trục Y 51
Hình 4.10 Đồ thị góc quay của khớp 1 so với giá trị đặt 51
Hình 4.11 Đồ thị góc quay của khớp 2 so với giá trị đặt 51
Hình 4.12 Đồ thị góc quay của khớp 3 so với giá trị đặt 52
Hình 4.13 Đồ thị mô phỏng quỹ đạo hình tròn đường kính 40mm 52
Hình 4.14 Đồ thị bán kính hình tròn 53
Hình 4.15 Đồ thị giá trị trục hoành (trục X) so với giá trị đặt 53
Hình 4.16 Đồ thị sai số của trục X 53
Hình 4.17 Đồ thị giá trị trục hoành (trục Y) so với giá trị đặt 54
Hình 4.18 Đồ thị sai số của trục Y 54
Hình 4.19 Đồ thị góc quay của khớp 1 so với giá trị đặt 54
Hình 4.20 Đồ thị góc quay của khớp 2 so với giá trị đặt 55
Hình 4.21 Đồ thị góc quay của khớp 3 so với giá trị đặt 55
Hình 4.22 Thông số di chuyển theo góc quay của khớp quay (30o, 30o, 30o) 55
Hình 4.23 Kết quả di chuyển theo góc quay của khớp quay (30o, 30o, 30o) 56
Hình 4.24 Thông số di chuyển theo góc quay của khớp quay (60o, 60o, 60o) 56
Hình 4.25 Kết quả di chuyển theo góc quay của khớp quay (60o, 60o, 60o) 57
Hình 4.26 Thông số di chuyển theo toạ độ đến điểm P(-40, 40, -454) 57
Hình 4.27 Kết quả di chuyển theo toạ độ đến điểm P(-40, 40, -454) 58
Hình 4.28 Thông số di chuyển theo toạ độ đến điểm P(0, 0, -454) 58
Hình 4.29 Kết quả di chuyển theo toạ độ đến điểm P(0, 0, -454) 59
Hình 4.30 Thông số di chuyển theo toạ độ đến điểm P(40, 40, -454) 59
Hình 4.31 Kết quả di chuyển theo toạ độ đến điểm P(40, 40, -454) 60
Hình 4.32 Thông số vẽ theo quỹ đạo hình vuông cạnh 40mm trên phần mềm 60
Hình 4.33 Kết quả vẽ theo quỹ đạo hình vuông cạnh 40mm 61
Hình 4.34 Thông số vẽ theo quỹ đạo hình chữ nhật cạnh 40x60mm trên phần mềm 61
Hình 4.35 Kết quả vẽ theo quỹ đạo hình chữ nhật cạnh 40x60mm 61
Hình 4.36 Thông số vẽ theo quỹ đạo hình tròn đường kính 40mm trên phần mềm 62
Hình 4.37 Kết quả vẽ theo quỹ đạo hình tròn đường kính 40mm 62
Hình 4.38 Thông số vẽ theo quỹ đạo hình tam giác trên phần mềm 63
Trang 11Hình 4.39 Kết quả vẽ theo quỹ đạo hình tam giác 63
Hình 4.40 Kết quả vẽ chữ “HSRL” 64
Hình 4.41 Kết quả vẽ quỹ đạo của một hình vuông và hai hình chữ nhật 64
Hình 4.42 Kết quả vẽ quỹ đạo năm hình vuông và một hình tròn 65
Hình 4.43 Kết quả vẽ chữ “HSRL” 65
Trang 12DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Bảng ký hiệu các tham số của Robot Delta 15
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật điện của bộ khuếch đại công suất AMP – 20540 35
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật bộ chuyển đổi nguồn TIS 300 - 124 35
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của động cơ 36
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật encoder 36
Bảng 3.5 Công dụng các nút bấm của chức năng điều khiển theo góc 41
Bảng 3.6 Công dụng các nút bấm trong chế độ điều khiển theo toạ độ 42
Bảng 3.7 Ký hiệu các tham số phần cứng 46
Trang 13MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài
Trong xã hội ngày nay in 3D đã trở nên rất quan trọng trong rất nhiều lĩnh vực Nó
đã giúp xã hội phát triển hơn rất nhiều Để có thể in 3D chúng ta cần có một cơ cấu di chuyển được trong không gian dưới sự điều khiển của con người Cánh tay robot đã khá phổ biến để làm đối tượng di chuyển đầu in 3D tạo hình theo mong muốn Với ưu điểm nhỏ nhẹ, linh hoạt của Robot song song (Robot Delta) nên nó đã được ứng dụng rất nhiều trong dây chuyền sản xuất, phân loại của các nhà máy và đương nhiên nó cũng rất hay được ứng dụng làm cơ cấu truyền động trong máy in 3D
Để điều khiển được Robot Delta cần xây dựng được phương trình động học của robot
và một chương trình trung gian vừa nhận được tín hiệu điều khiển từ con người vừa có thể gửi những yêu cầu điều khiển xuống mạch điều khiển của robot
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Từ nhu cầu và lợi ích của việc sử dụng Robot Delta trong thực tế, tìm hiểu và xây dựng cách điều khiển robot giúp ta hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phương trình động học của Robot Delta
Sử dụng phần mềm Inventor giúp ta nhanh chóng thiết kế ra mô hình 3D của robot
và cũng có thể dễ dàng để sử dụng mô hình này để mô phỏng chuyển động
Sự có mặt của MATLAB/Simulink giúp ta có thể dễ dàng mô phỏng quá trình hoạt động của robot giảm thiểu thời gian kiểm thử của robot
Việc sử dụng Window Form của phần mềm Visual Studio giúp giảm thiểu được thời gian xây dựng phần mềm và biết được các xây dựng một phần mềm, sử dụng được ngôn ngữ lập trình C++
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Robot Delta và mạch điều khiển DMC – 2163
Phương pháp nghiên cứu:
Sử dụng phần mềm Inventor để ra được bản thiết kế 3D của robot Từ đó đưa mô hình 3D này vào phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng động lực học cũng như kiểm chứng quá trình di chuyển và hoạt động của robot
Dựa trên mô hình của Robot Delta và một số nguồn tài liệu tham khảo để xây dựng lên phương trình động học vị trí
Đưa phương trình động học vị trí vào mô phỏng để mô phỏng robot chuyển động theo quỹ đạo
Trang 14Dựa trên các lệnh của mạch điều khiển trong tài liệu tham khảo, nắm bắt được cách
sử dụng và kết hợp các lệnh để có thể điều khiển được các động cơ hoạt động theo ý muốn
Tham khảo tài liệu trên mạng để biết cách sử dụng và xây dựng được phần mềm có thể điều khiển được bo mạch chủ DMC – 2163
Dựa trên phương trình động học vị trí và kết hợp các công cụ trong Visual Studio để xây dựng nên chương trình điều khiển
Nội dung nghiên cứu
Tìm hiểu và xây dựng phương trình động của Robot Delta
Thiết kế, chế tạo Robot Delta
Mô phỏng chuyển động quá trình hoạt động của Robot Delta bằng phần mềm MATLAB/Simulink
Tìm hiểu cách kết nối máy tính với bộ điều khiển DMC – 2163 và cách điều khiển
nó với tệp lệnh từ tài liệu của hãng
Xây dựng chương trình điều khiển bằng Window Form trong Visual Studio
Tích hợp các tính năng như điều khiển theo vị trí, điều khiển theo quỹ đạo,… vào phần mềm điều khiển
Cấu trúc Khóa luận tốt nghiệp:
Khóa luận này bao gồm: Phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận, trong đó nội dung chính của từng chương được trình bày ngắn gọn như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Phân tích động học cấu trúc song song kiểu 3-R2S2S
Chương 3: Tích hợp hệ thống điều khiển
Chương 4: Mô phỏng và thử nghiệm
Trang 15CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D là một sự đổi mới và đã nổi lên như một công nghệ đa năng Nó
mở ra những cơ hội mới và mang lại hy vọng về nhiều khả năng cho các công ty đang tìm cách nâng cao hiệu quả trong sản xuất Hiện nay có rất nhiều nguyên liệu có thể được sử dụng trong in 3D như: nhựa, kim loại, xi măng,… Công nghệ in 3D có tiềm năng cách mạng hoá các ngành công nghiệp và thay đổi dây truyền sản xuất Việc áp dụng công nghệ in 3D sẽ làm tăng tốc sản xuất đồng thời giảm chi phí Đặc biệt nó có thể đáp ứng được nhiều nhu cầu của khách hàng hơn, nó cho phép ta thay đổi kích thước sản phẩm để phù hợp với người tiêu dùng mà không cần bỏ ra bất kì chi phí nào để thay đổi khuôn mẫu Đồng thời các cơ sở in 3D có thể đặt gần hơn với người tiêu dùng như vậy sẽ làm giảm chi phí vận chuyển
1.1.1 Lịch sử hình thành và quá trình phát triển [19]
Năm 1981, Hideo Kodama tại Viện Nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya (Nhật Bản) công bố bài báo đầu tiên mô tả cách thức vật liệu photopolymer (polymer cảm quang) cứng lại khi tiếp xúc với tia cực tím (tia UV) Quá trình này có thể dùng để tạo hình các vật thể rắn một cách nhanh chóng Bài báo của Kodama đặt nền móng cho công nghệ in 3D sau này, nhưng ông không phải là người đầu tiên chế tạo ra máy in 3D Dựa trên kết quả nghiên cứu của Kodama, kỹ sư người mỹ Chuck Hull đã thiết kế
và tạo ra máy in 3D đầu tiên trên thế giới vào năm 1984 khi đang tìm cách sử dụng đen
UV để tạo ra lớp phủ bền chắc, hợp thời trang cho những chiếc bàn Nguyên lý hoạt động của máy in 3D này dựa trên kỹ thuật gọi là Stereolithography (SLA) Hull dùng tia UV làm đông cứng lớp photopolymer lỏng chứa trong bồn, từng lớp từng lớp để tạo nên vật thể 3D
Năm 1986, Charles Hull được cấp bằng sáng chế kỹ thuật in 3D Stereolithography Sau đó, ông thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiên với tên gọi Stereolithography Apparatus Hiện nay, 3D System là một trong những công
ty lớn nhất trong lĩnh vực in 3D
Năm 1989, Carl Deckard, một sinh viên tốt nghiệp Đại học Texas (Mỹ), đã được cấp bằng sáng chế cho một phương pháp in 3D mới gọi là thiêu kết laser chọn lọc (selective laser sintering – SLS) Đây là công nghệ in 3D sử dụng con lăn để dát mỏng nguyên liệu dạng bột thành từng lớp, sau đó xếp chồng và dính chặt các lớp lại với nhau bằng cách chiếu tia laser vào Các biến thể khác của công nghệ SLS là thiêu kết laser kim loại trực tiếp (direct metal laser sintering - DMLS) và nấu chảy bằng laser có chọn lọc (selective laser melting - SLM) thường được sử dụng để chế tạo các vật bằng kim loại
Trang 16Năm 1989, Crump được cấp bằng sáng chế cho công nghệ in 3D FDM Công nghệ FDM sử dụng nguyên liệu đầu vào là sợi nhựa nung nóng chảy Khi được giải phóng qua vòi phun, nhựa nóng chảy sẽ cứng lại ngay lập tức thành từng lớp trên một bệ đỡ Các lớp sẽ xếp chồng lên nhau để tạo ra vật thể 3D Ông cùng vợ thành lập công ty Stratasys chuyên sản xuất máy in 3D để bán ra thị trường Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên “3D Modeler” năm 1992
Trong những năm 2000, ngoài polyme và kim loại, nhiều loại vật liệu khác đã được
sử dụng để in 3D như sáp, giấy, vật liệu tương hợp sinh học (biocompatible material),
tế bào…Kể từ đó, nhiều phương pháp in 3D khác nhau đã được sáng chế
Năm 2005, Z Corporation giới thiệu dòng máy in 3D Spectrum Z510 có khả năng tạo ra những sản phẩm nhiều màu sắc chất lượng cao Năm 2006, tiến sĩ Adrian Bowyer tại Đại học Bath (Anh) khởi động dự án máy in 3D mã nguồn mở với tên gọi Reprap
Dự án sử dụng công nghệ FDM nhằm mục đích tạo ra những máy in 3D có thể sao chép chính bản thân nó Bạn có thể điều chỉnh hay sửa đổi mã nguồn tùy ý nhưng phải tuân theo điều luật GNU (General Public Licence) Năm 2008, phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành Nó có thể sản xuất được 50% các bộ phận của chính mình
Năm 2008, công ty Objet Geometries đã tạo ra cuộc cách mạng trong công nghệ tạo mẫu nhanh khi giới thiệu Connex500™ Đây là chiếc máy đầu tiên trên thế giới có thể tạo ra sản phẩm in 3D với nhiều loại vật liệu khác nhau trong cùng một thời điểm Năm 2010, Urbee - chiếc xe hơi nguyên mẫu in 3D đầu tiên được giới thiệu Đây là chiếc xe đầu tiên trên thế giới mà toàn bộ phần vỏ, kính chắn gió được tạo ra từ máy in 3D Fortus khổ lớn của công ty Stratasys Năm 2010, công ty Organovo chế tạo thành công mạch máu nhân tạo bằng công nghệ in 3D
Hiên nay, các ứng dụng của công nghệ in 3D ngày càng trở nên phổ biến Nó thâm nhập sâu từ các lĩnh vực công nghiệp như hàng không, vũ trụ, quốc phòng, điện tử,…cho đến các ngành cơ bản như y tế, giáo dục, xây dựng và thậm chí cả ẩm thực, nghệ thuật, thời trang
1.1.2 Ưu điểm của công nghệ in 3D [20]
1.1.2.1 Tính tuỳ chỉnh
Quá trình in 3D cho phép tuỳ biến hàng loạt – khả năng cá nhân hoá các sản phẩm theo nhu cầu và yêu cầu của từng cá nhân Ngay cả trong cùng một buồng in, công nghệ
in 3D có thể sản xuất được nhiều sản phẩm cùng một lúc theo yêu cầu của người dùng
mà không tốn thêm chi phí phát sinh
- Tính phức tạp
Trang 17Nhờ có phát minh của công nghệ in 3D, thế giới đã chứng kiến sự gia tăng của các sản phẩm (được thiết kế trong môi trường số hoá), có mức độ phức tạp cao, nhẹ hơn và chịu lực tương đối tốt
1.1.2.2 Không cần công cụ
Đối với sản xuất công nghiệp, một trong những giai đoạn tốn kém, mất thời gian và công sức nhất trong quá trình phát triển sản phẩm là sản xuất các công cụ Đối với các ứng dụng cần sản xuất một khối lượng vừa phải, công nghiệp in 3D hoặc sản xuất phụ gia giúp loại bỏ việc sản xuất dụng cụ, do đó chi phí, thời gian và nhân công liên quan đến nó cũng được cắt giảm Đây là một sự lựa chọn rất hấp dẫn, mà có ngày càng nhiều các nhà sản xuất đang tận dụng lợi thế Hơn nữa, nhờ có lợi thế có thể tạo ra chi tiết phức tạp, các sản phẩm có hình khối và các tính năng phức tạp có thể được thiết kế đặc biệt để tránh các yêu cầu cần lắp ráp, vì vậy sẽ loại bỏ lao động và chi phí liên quan đến quá trình lắp ráp
1.1.2.3 Tính bền và thân thiện với môi trường
In 3D cũng đang nổi lên như là một công nghệ tiết kiệm năng lượng; có thể mang lại hiệu quả về mặt môi trường ngay trong quy trình sản xuất, sử dụng tới 90% vật liệu chuẩn, và do đó tạo ra ít phế thải hơn; thêm vào đó, trong suốt quá trình sử dụng sản phẩm được in bằng công nghệ 3D, bởi có thiết kế nhẹ hơn và khoẻ hơn mà sẽ giảm lượng khí thải carbon so với việc sử dụng các sản phẩm được sản xuất truyền thống Hơn nữa, in 3D mang lại nhiều hứa hẹn trong việc hoàn thành mô hình sản xuất ngay tại địa phương, sản phẩm sẽ được sản xuất theo nhu cầu ở chính nơi thiết kế – loại yếu
tô kho bãi và vận chuyển
1.1.3 Ứng dụng của công nghệ in 3D [20]
Sự phát triển và cải tiến của quá trình in và các nguyên liệu, kể từ khi công nghệ in 3D mới ra đời cho việc tạo mẫu, cho thấy các quy trình đang được áp dụng cho các ứng dụng tiếp theo trong chuỗi quy trình phát triển sản phẩm Công nghệ in 3D đã được phát triển và sử dụng trong ứng dụng sản xuất dụng cụ và trong một vài công đoạn của quá trình đúc Một lần nữa, các ứng dụng này ngày càng được sử dụng và áp dụng trong các ngành công nghiệp
1.1.3.1 Y khoa và nha khoa
Công nghệ in 3D đang được sử dụng cho một loạt các ứng dụng khác nhau Ngoài các nguyên mẫu để hỗ trợ phát triển sản phẩm mới cho ngành y tế và nha khoa, các công nghệ này cũng được sử dụng để làm khuôn mẫu cho việc đúc kim loại cho mão và cầu răng hoặc trong việc sản xuất các dụng cụ nhựa để hình thành các bộ khung để tạo các
bộ chỉnh răng Công nghệ này cũng được tận dụng trực tiếp để sản xuất cả mặt hàng cần
Trang 18nhân, như máy trợ thính, đế lót đệm cho giày dép, chi giả và các mô cấy một lần cho bệnh nhân mắc các bệnh như viêm xương khớp, loãng xương và ung thư, cũng như nạn nhân bị tai nạn và chấn thương Các dẫn hướng phẫu thuật 3D được in cho từng ca phẫu thuật cụ thể cũng là một ứng dụng mới nổi giúp các bác sĩ phẫu thuật thuận lợi hơn và bệnh nhân hồi phục tốt hơn Công nghệ cũng đang được phát triển để in 3D các sản phẩm da, xương, mô, dược phẩm và thậm chí các cơ quan của con người Tuy nhiên, những công nghệ này vẫn còn mất nhiều thập niên nữa để được đưa vào thực tế
Hình 1.1 In 3D trái tim nhân tạo [21]
là trong nghiên cứu R & D, một số khách hàng rất lạc quan về tương lai
Hình 1.2 Tên lửa Orbex Prime được trang bị động cơ in 3D [22]
Trang 191.1.3.3 Ô tô
Một ngành sử dụng đầu tiên về công nghệ tạo mẫu nhanh – ứng dụng tiêu biểu, hiện thân của công nghệ in 3D – là ngành ô tô Nhiều công ty ô tô – đặc biệt là xe đua thể thao và công thức F1 – đã đi theo quỹ đạo tương tự như các công ty hàng không Đầu tiên (và vẫn còn) sử dụng công nghệ in 3D cho tạo mẫu, nhưng phát triển và thích nghi ứng dụng in 3D trong quy trình sản xuất của họ để kết hợp các lợi ích của vật liệu cải tiến và kết quả tốt cuối cùng cho các bộ phận của ô tô
Nhiều công ty ô tô hiện đang xem xét tiềm năng của công nghệ in 3D để hoàn thành các chức năng sau bán hàng về sản xuất phụ tùng thay thế, theo yêu cầu chứ không cần thiết phải là trữ một lượng hàng tồn kho khổng lồ
Hình 1.3 Chiếc xe đầu tiên được thiết kế bằng in 3D [23]
1.1.3.4 Đồ kim hoàn
Đối với ngành đồ trang sức, in 3D tỏ ra đặc biệt gây rối Có rất nhiều lợi ích – và sự tiếp nhận – dựa trên cách in ấn 3D có thể và sẽ góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp này Từ những thiết kế mới được tự do sáng bởi CAD 3D và in 3D, cho tới việc cải tiến các quy trình truyền thống cho sản xuất đồ trang sức và đó là sản xuất in 3D trực tiếp, loại bỏ nhiều bước truyền thống, in ấn 3D đã và đang tiếp tục có một tác động to lớn trong ngành trang sức này
Hình 1.4 Ứng dụng in 3D làm đồ trang sức [24]
Trang 201.1.3.5 Nghệ thuật, thiết kế và điêu khắc
Nguyên lý của việc quét 3D cùng với việc in 3D cũng mang lại một chiều hướng mới cho thế giới nghệ thuật, trong đó các nghệ sỹ và sinh viên hiện nay có một phương pháp
đã được kiểm chứng để tái tạo lại tác phẩm của các bậc thầy trong quá khứ và tạo ra các bản sao chính xác của các tác phẩm cổ đại (và gần đây hơn) các tác phẩm điêu khắc để
có thể nghiên cứu kỹ lưỡng – những tác phẩm nghệ thuật mà nếu họ không thể tương tác với tác giả được nữa Có rất nhiều nghệ sĩ đã làm nên tên tuổi cho mình bằng cách làm việc với mô hình 3D, công nghệ quét 3D và công nghệ in 3D: Joshua Harker; Dizingof; Jessica Rosenkrantz at Nervous System; Pia Hinze; Nick Ervinck; Lionel Dean and nhiều nghệ nhân khác
Hình 1.5 Ứng dụng in 3D trong nghệ thuật, thiết kế, điêu khắc [25]
1.1.3.6 Kiến trúc
Các mô hình kiến trúc từ lâu đã là một ứng dụng chủ yếu của công nghệ in 3D, để tạo ra các mô hình mẫu chính xác về ý tưởng của kiến trúc sư In 3D cung cấp phương pháp tương đối nhanh, dễ dàng và tiết kiệm về mặt kinh tế để sản xuất mô hình chi tiết trực tiếp từ 3D CAD, BIM hoặc các dữ liệu số khác mà kiến trúc sư sử dụng Nhiều công ty kiến trúc thành công hiện nay thường sử dụng in 3D (ngay tại khu thiết kế hoặc thuê dịch vụ) như là một phần quan trọng trong quy trình công việc của họ để tăng cường
sự đổi mới và cải thiện truyền thông
Gần đây, một số kiến trúc sư có tầm nhìn xa trông chờ vào việc in 3D như một phương pháp xây dựng nhà trực tiếp Nghiên cứu đang được tiến hành tại một số tổ chức
có nghiên cứu về kiến trúc, đáng chú ý nhất là Đại học Loughborough, Contour Crafting and Universe Architecture
Trang 21Hình 1.6 In 3D mô hình kiến trúc [26]
1.1.3.7 Khách tiêu dùng
Một thị trường tiềm năng cho các nhà cung cấp in 3D là người tiêu dùng cần in 3D Các công ty nghiên cứu phát triển các hệ thống, thiết bị in 3D đã làm cho quá trình in 3D và các thành phần phụ trợ (phần mềm, tệp dữ liệu số,…) dễ tiếp cận hơn và thân thiện với người dùng Hiện nay, người dùng dễ dàng có thể tạo ra nhưng sản phẩm in 3D của chính mình thông qua một mô hình thiết kế 3D do chính mình tạo ra hoặc đã được tải về từ trên internet
Hình 1.7 In 3D những vật dùng cần thiết trong đời sống [25]
Trang 221.2 Các cấu trúc truyền động trong máy in 3D [29]
1.2.1 Cấu trúc tuyến tính (Cartesian)
Cả ba trục điểu khiển chính của nó đều là tuyến tính (tức là chúng di chuyển theo đường thẳng) và các chuyển động đó vuông góc với nhau Ba khớp trượt tương ứng với việc khâu chấp hành cuối vào – ra, sang trái – sang phải, lên – xuống Đối với cách thiết
kế cơ khí này ta có thể đơn giản hoá phương pháp điều khiển robot
Hình 1.8 Sơ đồ và nguyên lý robot tuyến tính
1.2.2 Cấu trúc trên hệ toạ độ cực (Polar)
Robot toạ độ cực có ba bậc chuyển động cơ bản trong đó hai trục là chuyển động tịnh tiến và một trục quay Vùng làm việc của nó là một hình trụ
Hình 1.9 Sơ đồ và nguyên lý robot toạ độ trụ
Trang 231.2.3 Cấu trúc song song (Delta)
Robot song song là cơ cấu động học song song 3 bậc tự do Loại cơ cấu này có ba nhánh, với mỗi nhánh, một đầu được nối vào giá cố dịnh bằng khớp tịnh tiến hoặc khớp quay còn đầu kia được nối vào một giá di động thông qua cơ cấu hình bình hành
Hình 1.10 Hình dạng và nguyên lý robot song song
1.3 Cấu trúc song song (Robot Delta)
Trang 251.3.3 Ưu, nhược điểm
Nhìn chung, tất cả các cấu trúc của robot song song Delta đều có nhiều ưu điểm và
có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.Tuy nhiên robot song song Delta cũng có những nhược điểm nhất định khi so sánh với các dạng robot khác
- Có thể thiết kế ở nhiều kích thước khác nhau
- Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các tay và khớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn
- Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lượng và kích thước nhỏ gọn
- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền
- Tầm hoạt động của robot rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp, in 3D
- Robot có thể làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất
- Giá thành của các robot song song Delta ứng dụng trong gia công cơ khí ít hơn so với máy CNC có đặc tính tương đương
1.3.3.2 Nhược điểm
- Khó thiết kế
- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp
- Có nhiều điểm kì dị trong không gian làm việc
Trang 26CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CẤU TRÚC SONG SONG
KIỂU 3-R2S2S 2.1 Tổng quan về cơ cấu 3 – R2S2S
Theo Hình 2.1, Robot Delta bao gồm 1 đế cơ sở (đế cố định) bên trên, 3 cánh tay, 3 cẳng tay, 1 bệ động và các khớp nối giữa các phần với nhau
Hình 2.2 Liên kết giữa ba cánh tay và đế cố định [8]
Trang 27Tiếp theo cẳng tay sẽ liên kết với cánh thay thông qua 2 khớp cầu Đầu còn lại của cẳng tay cũng sẽ được liên kết với bệ động thông qua 2 khớp cầu Với mỗi cẳng tay sẽ chính là một cơ cấu hình bình hành để giúp bệ động sẽ luôn ở trạng thái song song với
đế cố định Bất kể chúng ta có di chuyển bệ động đi đâu thì nó vẫn sẽ giữ được trạng thái như vậy mà không bị thay đổi
Bảng 2.1 Bảng ký hiệu các tham số của Robot Delta
l Chiều dài giữa khớp liên kết với cánh tay và
khớp liên kết với bệ động của cẳng tay (= AiPi
θi Góc của cánh tay với mặt phẳng đế cố định
(góc bằng 0 khi cánh tay song song với mặt
phẳng đế cố định) (với i = 1, 2, 3)
độ
Trang 28Hình 2.3 Mô hình hình học đơn giản của Robot Delta [8]
Hình 2.4 Mô hình đơn giản của mặt phẳng đế cố định [8]
Hình 2.5 Mô hình đơn giản của mặt phẳng bệ động [8]
Trang 29Từ cấu tạo, cách liên kết giữa các phần của Robot Delta và các kí hiệu đã được đặt như Bảng 2.1 ta có thể vẽ lại Robot Delta dưới dạng mô hình hình học đơn giản như Hình 2.3 dưới đây Đặt hệ quy chiếu tại mặt phẳng SB như Hình 2.3 và có gốc toạ độ chính là điểm B
2.2 Phân tích động học [8]
Robot là một thiết bị cơ điện tử nhằm thực hiện công việc trong không gian dưới sự điều khiển từ máy tính Robot khi hoạt động có thể di chuyển được một khối lượng tải hoặc di chuyển các bộ phận của chính bản thân robot để thực hiện công việc yêu cầu
Để có thể làm được nhiệm vụ không đơn giản là di chuyển các khớp mà chúng ta cần xác định được vị trí robot cần đến và điều khiển nó di chuyển đến đó Việc này đòi hỏi chúng ta phải biểu diễn các khâu, khớp chuyển động dưới dạng toán học Đó chính là bài toán động học thuận và động học nghịch
Toạ độ các điểm khớp quay Bi trong mặt phẳng SB và Pi trong mặt phẳng SP là các hằng số cố định
Trang 302.2.1 Bài toán động học nghịch
Mục đích của việc tính toán động học nghịch là tìm ra các góc của các khớp quay 𝐿𝐿𝑖𝑖
để điểm P trên bệ động của robot có thể đến được toạ độ mong muốn đã biết
Đối với bài toán động học ngược của Robot Delta để tìm ra các góc 𝐿𝐿𝑖𝑖 chúng ta có thể giải riêng lẻ phương trình động học của từng tay
Từ ba phương trình động học ở trên, ta có thể viết ngắn ngọn lại như sau:
Trang 31Khi đó phương trình động học sẽ trở thành:
𝐸𝐸𝑖𝑖�1 − 𝑡𝑡1 + 𝑡𝑡𝑖𝑖2
𝑖𝑖2� + 𝐹𝐹𝑖𝑖�1 + 𝑡𝑡2𝑡𝑡𝑖𝑖
𝑖𝑖2� + 𝐺𝐺𝑖𝑖 = 0 ↔ (𝐺𝐺𝑖𝑖− 𝐸𝐸𝑖𝑖)𝑡𝑡𝑖𝑖2+ (2𝐹𝐹𝑖𝑖)𝑡𝑡𝑖𝑖+ (𝐺𝐺𝑖𝑖+ 𝐸𝐸𝑖𝑖) = 0 Vậy là phương trình động học đã được đưa về dưới dạng một phương trình bậc 2 Nếu phương trình thoả mãn điều khiện 𝐹𝐹𝑖𝑖2− (𝐺𝐺𝑖𝑖− 𝐸𝐸𝑖𝑖)(𝐺𝐺𝑖𝑖+ 𝐸𝐸𝑖𝑖) ≥ 0 thì nghiệm của phương trình bậc 2 là: 𝑡𝑡𝑖𝑖1 =−𝐹𝐹𝑖𝑖+�𝐸𝐸𝐺𝐺𝑖𝑖2+𝐹𝐹𝑖𝑖2−𝐺𝐺𝑖𝑖2
𝑖𝑖 −𝐸𝐸𝑖𝑖 và 𝑡𝑡𝑖𝑖2=−𝐹𝐹𝑖𝑖−�𝐸𝐸𝐺𝐺𝑖𝑖2+𝐹𝐹𝑖𝑖2−𝐺𝐺𝑖𝑖2
𝑖𝑖 −𝐸𝐸𝑖𝑖 Sau đó ta sẽ thay ngược 𝑡𝑡𝑖𝑖 lại để tìm ra 𝐿𝐿𝑖𝑖
𝐿𝐿𝑖𝑖 = 2 tan−1(𝑡𝑡𝑖𝑖) Như vậy chúng ta sẽ có hai giá trị cho 𝐿𝐿𝑖𝑖 tương ứng với 𝑡𝑡𝑖𝑖1 và 𝑡𝑡𝑖𝑖2 Giá trị nào thỏa mãn góc giới hạn của 𝐿𝐿 và vùng làm việc thì đó chính là giá trị của 𝐿𝐿𝑖𝑖 để P đạt vị trí X,
Y, Z hoặc không có giá trị nào của 𝐿𝐿𝑖𝑖 để P đạt được vị trí X, Y, Z (toạ độ điểm P nằm ngoài vùng làm việc của robot)
2.2.2 Bài toán động học thuận
Bài toán động học thuận là từ ba góc 𝐿𝐿1, 𝐿𝐿2, 𝐿𝐿3 biết trước của khớp quay ta cần tìm
vị trí toạ độ của điểm P tương ứng
Từ khớp liên kết giữa cẳng tay và cánh tay Ai (với i = 1, 2, 3) ta kẻ thêm các đường thẳng AiAiv song song với mặt phẳng SP và hướng vào gốc toạ độ như Hình 2.6:
Trang 32Khoảng cách từ Aiv đến P chính là khoảng cách từ Ai đến Pi và 4 điểm AiAivPPi đã tạo thành hình bình hành
Từ đó ta có thể tính được toạ độ điểm Aiv trong không gian:
Gọi ba mặt cầu đã biết là (Ci(xi, yi, zi), ri) với i = 1, 2, 3 Ba hình cầu có tâm là Ci và bán kính là ri:
(𝑥𝑥 − 𝑥𝑥1)2+ (𝑦𝑦 − 𝑦𝑦1)2+ (𝑧𝑧 − 𝑧𝑧1)2 = 𝑟𝑟12 (2.1) (𝑥𝑥 − 𝑥𝑥1)2+ (𝑦𝑦 − 𝑦𝑦1)2+ (𝑧𝑧 − 𝑧𝑧1)2 = 𝑟𝑟12 (2.2) (𝑥𝑥 − 𝑥𝑥3)2+ (𝑦𝑦 − 𝑦𝑦3)2+ (𝑧𝑧 − 𝑧𝑧3)2 = 𝑟𝑟32 (2.3) Đầu tiên trừ phương trình (2.1) và (2.2) cho (2.3) sẽ thu về được hai phương trình khác:
𝑎𝑎11𝑥𝑥 + 𝑎𝑎12𝑦𝑦 + 𝑎𝑎13𝑧𝑧 = 𝑏𝑏1 (2.4)
𝑎𝑎21𝑥𝑥 + 𝑎𝑎22𝑦𝑦 + 𝑎𝑎23𝑧𝑧 = 𝑏𝑏2 (2.5) Với: 𝑎𝑎11 = 2(𝑥𝑥3− 𝑥𝑥1) 𝑎𝑎21 = 2(𝑥𝑥3− 𝑥𝑥2)
Trang 33Nghiệm của bài toán động học thuận có 4 trường hợp có thể xảy ra:
1 Nghiệm chung: Hai nghiệm là giao điểm của một đường tròn và một mặt cầu
2 Nghiệm đơn: Khi mặt cầu tiếp xúc tại một điểm với đường tròn giao tuyến của hai mặt cầu còn lại Do đó bài toán chỉ có một nghiệm duy nhất
Trang 343 Nghiệm đơn: Tâm của hai mặt cầu bất kỳ trùng nhau, kết quả là vô số nghiệm
4 Vô nghiệm: Ba mặt cầu không giao nhau
2.2.3 Bài toán điểm kì dị
Điểm kì dị của robot là một số điểm trong không gian làm việc của robot mà cơ cấu
sẽ giảm đi một hoặc nhiều bậc tự do dẫn đến có thể mất hoàn toàn tính cứng vững của robot
Đối với robot song song Delta, không gian làm việc cũng như các trạng thái kì dị là một vấn đề quan trọng Không giống như robot nối tiếp, các chương trình vòng kín tạo nên sự phụ thuộc giữa các tọa độ suy rộng, việc chỉ ra không gian làm việc cũng như các điểm kì dị giúp ta có thể thiết kế quỹ đạo chuyển động an toàn cho robot khi làm việc
Theo như hai bài toán động học thuận và động học nghịch được trình bày ở trên, các trường hợp nghiệm đặc biệt và vô nghiệm được coi là trường hợp điểm kì dị của robot
Do đó để tránh các điểm kì dị đồng nghĩa với việc ta phải tránh được các trường hợp đặc biệt này Như vậy bài toán điểm kì dị đã được giải quyết để đảm bảo robot hoạt động
ổn định trong không gian làm việc
Các trường hợp điểm kì dị xảy ra là:
- Khi det (Jq) = 0 Tức là hoặc 𝐿𝐿2𝑖𝑖 = 0 hoặc 𝐿𝐿3𝑖𝑖 = 0(ℎ𝐿𝐿ặ𝐿𝐿 𝜋𝜋 ) với i =
1, 2, 3
- Khi det (Jq) = 0.Tức là hoặc 𝐿𝐿1𝑖𝑖 + 𝐿𝐿2𝑖𝑖 = 0(ℎ𝐿𝐿ặ𝐿𝐿 𝜋𝜋 ) hoặc 𝐿𝐿3𝑖𝑖 =0(ℎ𝐿𝐿ặ𝐿𝐿 𝜋𝜋 ) với i = 1, 2, 3
Khi det (Jq) = 0 và det (Jx) = 0 Tức là khi 𝐿𝐿3𝑖𝑖 = 0(ℎ𝐿𝐿ặ𝐿𝐿 𝜋𝜋 ) với i = 1, 2, 3
2.2.4 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot Delta
Do robot song song có cấu trúc vòng kín nên bài toán động học thuận khá phức tạp
vì phương trình có nhiều nghiệm Trong thực tế để robot làm việc theo yêu cầu mong muốn mà chúng ta chỉ quan tâm đến việc thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác
Hình 2.7 : Quỹ đạo hàm vận tốc và gia tốc
Trang 35Để thiết kế được quỹ đạo cho Robot, người ta sử dụng phương pháp xấp xỉ đa thức bậc n hoặc dạng phối hợp Ta chọn sử dụng đa thức bậc 3 bởi vì dạng này vừa đơn giản trong thiết kế đồng thời thỏa mãn được các yêu cầu đảm bảo tính liên tục của vận tốc để quỹ đạo không giật cục, gấp khúc, gây sốc trong quá trình hoạt động của robot
- Thiết kế quỹ đạo đường thẳng trong không gian thao tác
Tổng quát trong không gian làm việc là mặt phẳng ta có phương trình đường thẳng
giữa hai điểm A(x A ,y A ,z A ), B(x B ,y B ,z B ) là:
(2.12)
Độ dời dịch chuyển s(t) của điểm thao tác cuối trong không gian thao tác là đa thức bậc 3 theo thời gian:
�s(t) = a0+ a1t + a2t2+ a3t3ṡ(t) = a1+ 2a2t + 3a3t2 (2.13) Thời gian đặt quỹ đạo là ts(s) để đi từ A đến B theo một đường thẳng
Điều kiện đầu:
⎩
⎨
⎧ s(0) = 0ṡ(0) = 0s(te) = ABṡ(te) = 0Thay vào ta xác định được các hệ số như sau:
- Thiết kế quỹ đạo điểm – điểm (Point to Point) trong không gian thao tác
Khi khâu thao tác di chuyển từ A đến B, góc quay tại các khớp 𝐿𝐿(𝑡𝑡) =(𝐿𝐿1(𝑡𝑡), 𝐿𝐿2(𝑡𝑡), 𝐿𝐿3(𝑡𝑡)) thay đổi từ 𝐿𝐿𝐴𝐴 = (𝐿𝐿1𝐴𝐴, 𝐿𝐿2𝐴𝐴, 𝐿𝐿3𝐴𝐴) đến 𝐿𝐿𝐵𝐵 = (𝐿𝐿1𝐵𝐵, 𝐿𝐿2𝐵𝐵, 𝐿𝐿3𝐵𝐵) được xác định thông qua bài toán động học nghịch Góc quay 𝐿𝐿(𝑡𝑡) là đa thức bậc 3 theo thời gian:
�θi(t) = ai0+ ai1t + ai2t2+ ai3t3
θı̇ (t) = ai1 + 2ai2t + 3ai3t2 (2.14)
Trang 36(với i = 1, 2, 3) Thời gian đặt cho quỹ đạo là te(s) để đi từ A đến B
Điều kiện đầu:
Thay vào ta xác định được các hệ số như sau:
- Thiết kế quỹ đạo đường trong trong không gian thao tác Quỹ đạo đường tròn trong không gian thao tác thuộc mặt phẳng song song với mặt phẳng OXY là mặt z = h (h là hằng số) Trong không gian làm việc, điểm tác động cuối
di chuyển theo đường tròn có tâm I (x i , y i , h) và bán kính R:
(𝑥𝑥 − 𝑥𝑥𝑖𝑖)2+ (𝑦𝑦 − 𝑦𝑦𝑖𝑖)2 = 𝑅𝑅2 (2.15) Với mong muốn sao cho khoảng dịch chuyển trên đường tròn là đa thức bậc 3 theo thời gian t (yêu cầu động học):
𝐿𝐿(𝑡𝑡) = 𝑎𝑎𝑠𝑠0 + 𝑎𝑎𝑠𝑠1𝑡𝑡 + 𝑎𝑎𝑠𝑠2𝑡𝑡2+ 𝑎𝑎𝑠𝑠3𝑡𝑡3 = 𝑅𝑅𝑅𝑅(𝑡𝑡) (2.16) Thay việc xác định chuyển động s(t) bằng việc xác định góc 𝑅𝑅(𝑡𝑡) của bán kính nối tiếp điểm tác động cuối với tâm đường tròn:
⎩
⎨
⎧𝑅𝑅(0) = 𝑅𝑅𝑅𝑅̇(0) = 0 0𝑅𝑅(𝑒𝑒) = 𝑅𝑅𝑒𝑒𝑅𝑅̇(𝑡𝑡𝑒𝑒) = 0Thay vào ta xác định được các hệ số như sau:
Trang 372.2.5 Vùng làm việc của robot
Theo [3] với mỗi giá trị 𝐿𝐿𝐿𝐿, ta xác định được một mặt cầu 𝐿𝐿𝐿𝐿({𝐵𝐵𝐴𝐴𝐿𝐿}, 𝑙𝑙) với i = 1, 2, 3
Mỗi điểm trên mặt cầu 𝐿𝐿𝐿𝐿({𝐵𝐵𝐴𝐴𝐿𝐿}, 𝑙𝑙) thể hiện vị trí có thể của điểm 𝑃𝑃𝐿𝐿 Nếu 𝐿𝐿𝐿𝐿 thay đổi từ
[0,2𝜋𝜋], tâm Ai sẽ thay đổi theo vào di chuyển đường tròn 𝐿𝐿𝐿𝐿({𝐵𝐵𝐵𝐵𝐿𝐿}, 𝐿𝐿) với i = 1, 2, 3 (hình
2.9)
Hình 2.8: Các thông số hình học của một cánh tay
Hình 2.9: Ba dạng hình xuyến
Khi Ai di chuyển trên ci mặt cầu 𝐿𝐿𝐿𝐿 cũng sẽ thay đổi theo vào “quét” trong không
gian một vùng có hình xuyến, kí hiệu 𝑡𝑡𝐿𝐿 Nếu L > l hình xuyến có dạng ring torus; L = l
có dạng horn torus; L < l có dạng spindle torus chứa phần lõi bên trong (hình 2.10)
Trang 38Bằng cách tịnh tiến vùng không gian các điểm Pi theo vecto 𝑃𝑃𝐿𝐿𝑃𝑃 thì sẽ tìm được vùng không gian làm việc điểm P Giao điểm ba vùng không gian như vậy ở mỗi cánh tay chính là vùng làm việc của robot
Phương trình độc học có thể viết dưới dạng:
(𝑥𝑥 − 𝑥𝑥𝑖𝑖)2+ (𝑦𝑦 − 𝑦𝑦𝑖𝑖)2+ (𝑧𝑧𝑝𝑝− 𝑧𝑧𝑖𝑖)2 = 𝑙𝑙2 (2.18) Với 𝑥𝑥𝐿𝐿, 𝑦𝑦𝐿𝐿, 𝑧𝑧𝐿𝐿 là tọa độ của điểm ảo 𝐴𝐴𝐿𝐿𝐴𝐴 được đề cập trong nghiên cứu của Williams Phương trình (2.35) là phương trình của 3 mặt cầu tâm 𝐴𝐴𝐿𝐿𝐴𝐴 và bán kính là 𝑙𝑙
Vì tâm mặt cầu nội tiếp nằm trên Z B nên phương trình (2.35) được viết lại:
𝑥𝑥2+ 𝑦𝑦2+ (𝑧𝑧 − 𝑧𝑧𝑖𝑖)2 = 𝑙𝑙2 𝐴𝐴ớ𝐿𝐿 𝐿𝐿 = 1, 2, 3 (2.19) Nếu 𝑧𝑧1 = 𝑧𝑧2 = 𝑧𝑧3 = 𝑧𝑧𝐿𝐿𝐿𝐿𝑡𝑡 thì ba mặt cầu sẽ giao nhau tại một mặt cầu nội tiếp Điều kiện
và bán kính l nếu thỏa mãn điều kiện (2.19) Vì tồn tại duy nhất 1 mặt cầu nội tiếp,nên
đây là mặt cầu nội tiếp lớn nhất bên trong vùng làm việc
2.3 Mô hình hóa và mô phỏng
2.3.1 MATLAB/Simulink
MATLAB là một ngôn ngữ lập trình cấp cao gần nhất với phép toán thực tế Bằng ngôn ngữ này, các kỹ sư và các nhà khoa học có thể biểu diễn trực tiếp công thức, ma trận và mảng thiết kế để phân tích, thiết kế và mô phỏng các hệ thống và sản phẩm theo cách bạn suy nghĩ các công việc chúng ta muốn làm
Hộp công cụ MATLAB được phát triển chuyên nghiệp, kiểm tra nghiêm ngặt và được ghi chép đầy đủ trên nhiều lĩnh vực như thiết kế, xử lý ảnh và tín hiệu, nghệ thuật, cũng như thực hiện việc mô phỏng cách hoạt động của các Robot và máy móc cần có
bộ điều khiển với độ chính xác cao và cách xử lí với tốc độ nhanh Ứng dụng này cho phép chúng ta xem các thuật toán khác nhau hoạt động như thế nào với dữ liệu mà chúng
ta đưa vào Lặp lại cho đến khi chúng ta có kết quả như mong muốn, sau đó tự động tạo chương trình MATLAB để tái tạo hoặc tự động hóa công việc của chúng ta Từ đó,
Trang 39chúng ta có thể tránh được các sai sót, thất bại ở mức tối thiểu khi đươc máy móc hoặc Robot đưa ra thực tế lắp ráp, thử nghiệm
MATLAB được sử cho:
Hệ thống điều khiển: Thiết kế, phần tích, thử nghiệm và thực hiện các hệ thống điều khiển
Xử lý tín hiệu: Phân tích tín hiệu và dữ liệu chuỗi thời gian Mô hình, thiết kế và mô phỏng xử lý tín hiệu
Kiểm tra và đo lường: Thu thập, phân tích và khám phá dữ liệu và tự động hóa các bài kiểm tra
Bên cạnh đó, công cụ Simulink của MATLAB là một môi trường lập trình đồ họa dựa trên MATLAB để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các hệ thống động lực đa ngành Giao diện chính của nó là một công cụ sơ đồ khối đồ họa và một thư viện khối
có thể tùy chỉnh Nó cung cấp sự tích hợp chặt chẽ với các phần còn lại của MATLAB Simulink được sử dụng rộng rãi trong điều khiển tự động và xử lý tín hiệu kĩ thuật số để
mô phỏng và thiết kế dựa trên mô hình
2.3.2 Xây dựng mô hình
Ta có thể thấy trong Hình 2.10 gồm đầy đủ các phần của Robot Delta 3-R2S2S Nó gồm một đế cố định (Base), ba cánh tay (Arm), ba cơ cấu hình bình hành (Parallelogram structure) và một bệ động (Plate) Đế cố định được liên kết với ba cánh tay thông qua
ba khối khớp quay Axis1, Axis2, Axis3 Đầu vào của ba khối khớp quay này được nối vào ba đầu vào Angle1, Angle2, Angle3 của khối mô hình Robot Delta Đầu còn lại của cánh tay được liên kết với một đầu của cơ cấu hình bình hành và đầu còn lại của cơ cấu hình bình hành được liên kết với bệ động Toạ độ trọng tâm của bệ động chính là đầu ra
X, Y, Z của khối mô hình Robot Delta
Hình 2.10 Mô hình Robot Delta trong mô phỏng
Trang 402.3.3 Mô phỏng chuyển động
Hình 2.11 Đồ thị di chuyển điểm đến điểm theo quỹ đạo đường thẳng
Đầu tiên ta đi giải quyết bài toán di chuyển từ điểm đến điểm theo quỹ đạo là đường thẳng Ở Hình 2.11 ta sẽ di chuyển từ hoành độ điểm A đến hoành độ điểm B Ở đồ thị bên trái ta thấy hoành độ robot đang ở A khi đến thời gian t = 1 giây hoành độ yêu cầu của robot đột ngột thay đổi từ A sang B trong khoảng thời gian ∆t = 0 Khi robot phải đột ngột thay đổi vị trí như vậy sẽ làm robot không thể đáp ứng kịp thời Mặc dù robot chỉ thay đổi toạ độ trục hoành nhưng do cấu trúc của Robot Delta nên nó vẫn cần sự di chuyển ở cả ba cánh tay vì vậy quỹ đạo di chuyển không còn là đường thẳng Như vậy khi robot phải đột ngột thay đổi toạ độ và do cấu trúc Robot Delta nó sẽ xuất hiện rất nhiều sai số và quỹ đạo không phải là đường thẳng Quãng đường di chuyển ∆X càng lớn thì sai số càng nhiều
Để giải quyết vấn đề này ta sẽ cho robot từ từ thay đổi toạ độ đến điểm ta mong muốn như đồ thị bên trái của Hình 2.11 Quỹ đạo robot sẽ từ từ thay đổi từ XA đến XB
trong khoảng thời gian là ∆t Khi ∆t càng lớn thì robot càng có nhiều thời gian để bám theo quỹ đạo thẳng để đi đến điểm mong muốn và nó sẽ càng giảm được nhiều sai số nhưng đổi lại robot sẽ di chuyển chậm hơn Khi quãng đường di chuyển ∆X tăng ta đồng thời cũng cần tăng thời gian di chuyển ∆t Vì vậy để sai số của robot ở trong khoảng cho phép và tốc độ di chuyển không quá chậm ta cần lựa chọn thời gian di chuyển ∆t sao cho phù hợp với quãng đường di chuyển ∆X
Tiếp theo ta đi đến giải quyết bài toán di chuyển theo quỹ đạo bất kì Trong Hình 2.12 chính quỹ đạo mà ta mong muốn robot đi theo Nó gồm một đoạn thẳng từ A đến
B và hai đoạn cong từ B đến C và từ C đến D
Hình 2.12 Đồ thị di chuyển theo quỹ đạo bất kì