Nghiên cứu giải pháp dùng tay máy cho bài toán lưu trữ, trích xuất bình gas trong hệ thống phân phối

Mục tiêu chính của luận văn này là đưa ra một phương án tự động hóa côngviệc sắp xếp bình gas trong nhà kho, cụ thể là lựa chọn một robot để thực hiện côngviệc trên.. Đầu tư công nghệ th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-NGÔ PHONG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP DÙNG TAY MÁY CHO BÀI TOÁN LƯU TRỮ, TRÍCH XUẤT BÌNH GAS TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số ngành: 60520114

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-NGÔ PHONG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP DÙNG TAY MÁY CHO BÀI TOÁN LƯU TRỮ, TRÍCH XUẤT BÌNH GAS TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã

được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TP HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGÔ PHONG CƯỜNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/09/1968 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử MSHV: 1241840001

I- Tên đề

tài:

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP DÙNG TAY MÁY CHO BÀI TOÁN LƯU TRỮ,

TRÍCH XUẤT BÌNH GAS TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI

II- Nhiệm vụ và nội

dung:

- Thiết kế bố trí sản phẩm trong nhà kho, sử dụng tay máy (robot) gắp sản phẩmnhập xuất và lưu trữ Lựa chọn robot phù hợp để đáp ứng yêu cầu

- Phân tích động học thuận và nghịch của robot đã chọn

- Đề xuất giải thuật nhập xuất và sắp xếp sản phẩm trong nhà kho, mô phỏng

- Kết quả mô phỏng và kết luận

III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/06/2013

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/12/2013

V- Cán bộ hướng dẫn: TS.NGUYỄN DUY ANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sốliệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được aicông bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận vănnày đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ

rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Ngô Phong Cường

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt thời gian tham gia học chương trình cao học và thực hiện luận vănthạc sĩ, tôi đã nhận được sự giảng dạy, giúp đỡ, hướng dẫn, góp ý rất nhiều của quýThầy Cô bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ điện tử Trường Đại học Công Nghệ Tp.HCMcùng quí Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM

Trước tiên, tôi chân thành cám ơn các quý Thầy đã tham gia giảng dạychương trình cao học ngành Cơ điện tử, đã giúp chúng tôi tích lũy thêm những kiếnthức sâu rộng về chuyên môn, đã cung cấp cho tôi những biện pháp nghiên cứu vềlĩnh vực điều khiển

Tôi chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến Thầy Tiến sĩ Nguyễn Duy Anh,người Thầy đã giảng dạy, hướng dẫn và góp ý giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ

TpHCM, ngày17 tháng 11 năm 2013

Học viên

Ngô Phong Cường

TÓM TẮT

Hiện nay nhu cầu sử dụng bình gas dân dụng 12 kg ngày càng nhiều dẫn đếnnhu cầu xây dựng các nhà kho nhỏ có chức năng phân phối bình gas đến người tiêudùng càng lớn Từ hiện trạng đó vấn đề tự động hóa công việc lưu trữ, sắp xếp, phânphối trong nhà kho này là hết sức cần thiết nhằm tăng hiệu quả công việc

Mục tiêu chính của luận văn này là đưa ra một phương án tự động hóa côngviệc sắp xếp bình gas trong nhà kho, cụ thể là lựa chọn một robot để thực hiện côngviệc trên Đề tài tập trung giải quyết các phần sau:

 Đưa ra các phương án lựa chọn robot phù hợp với yêu cầu

 Mô phỏng robot trên phần mềm 3D thể hiện kết cấu và hoạt động của robot

 Đưa ra giải thuật sắp xếp kho:

- Tối ưu hóa đường đi của robot trong việc sắp xếp sản phẩm trong nhàkho

- Phân phối sản phẩm theo phương pháp sản phẩm nhập trước được xuấttrước(FIFO-“first-in-first-out”)

- Mô phỏng robot trên phần mềm 3D thể hiện hoạt động nhập xuất và sắpxếp sản phẩm của robot trong nhà kho

Nowadays, the demand for using of 12kg civil gas tanks has increased Thisleads to the set up of small warehouses which its function is distributing gas toconsummers has also increased As the current state, the issue of automatizestorage, arrangement and distribution in the warehouses is essential to improve workefficiency

The main objective of this thesis (essay) is to suggest a soution for arranging thegas tanks in the warehouses automatically- using a robot to handle this job is oneamong options Thesis focuses on the following sections:

 Providing alternative plans in design, analyzing, evaluating and opting the plans in accordance with the requirements

 Simulating 3D robot on a software representing structure and operation of therobot

 Providing warehouse arrangement algorithm:

- Optimization of robot paths in arranging items in a warehouse

- Item distribution by FIFO (First-In-First-Out) method

- 3D Robot simulation on a software showing I/O operation of items in the warehouse

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Giải thích nghĩa

zi-1 : Vector đơn vị theo trục z của khớp thứ i

: Vector xác định từ gốc của hệ trục tọa độ khớp thứ i – 1 đến

gốc tọa độ của khâu tác động cuối

Ii : Ma trận quán tính khâu i tại tâm khối lượng, viết trong hệ tọa độ

tuyệt đối: Ma trận quán tính khâu i trong hệ tọa độ khâu i

`Ji : Ma trận Jacobi của vận tốc trọng tâm khâu i

Jvi : Ma trận con Jacobi liên hệ với vận tốc tuyến tính của tâm khối

lượng khâu i

Jωi : Ma trận con Jacobi liên hệ với vận tốc góc của tâm khối lượng

khâu i

K : Động năng của hệ thống cơ học

VCi : Vận tốc tịnh tiến tuyệt đối của khối tâm

ωi : Vận tốc quay tuyệt đối của khâu i

U : Thế năng của hệ thống cơ học

M : Ma trận quán tính của cơ cấu chấp hành

Mij : Phần tử (ij) của M

n : Số lượng tọa độ tổng quát

: Vector vị trí tâm khối lượng Ci của khâu i theo hệ tọa độ khâu k vàđược tính trọng hệ tọa độ tuyệt đối

: Vector vị trí nối từ gốc hệ trục j –1 đến tâm khối lượng Ci của khâui

Qi : Lực suy rộng ứng với tọa độ suy rộng thứ i

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Thông số bình gas………

Bảng 2 2 Thông số kỹ thuật………

Bảng 2.3 Robot khớp bản lể cố định………

Bảng 3 1 Bảng thông số Denavit Hartenberg………

Bảng 5.1 Cấu hình robot………

11 14 15 19 43

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Chương 1: Giới thiệu

1.1 Mở đầu

1.1.1 Đặt vấn đề

Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquid Petroleum Gas – LPG) đã trở thành mặthàng tiêu dùng thiết yếu trong cuộc sống sinh hoạt thường ngày và đang ngàycàng được sử dụng rộng rãi Theo số liệu (năm 2010) từ Ban phân tích – Công ty

cổ phần chứng khoán dầu khí [1], nhu cầu tiêu thụ LPG tại Việt Nam tăng nhanhchóng: năm 1991 nhu cầu LPG cả nước 50,000 tấn, năm 2001 là 400,000 tấn vànăm 2010 là 1.1 triệu tấn (Hình 1.1) Dự báo năm 2015 nhu cầu sử dụng LPG cảnước khoảng 1,5 triệu tấn và năm 2020 đạt 2 triệu tấn [2]

Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ LPG tại Việt Nam [1]Theo số liệu thống kê ở trên ta nhận thấy thị trường gas Việt Nam có tốc

độ tăng trưởng 15% / năm trong vòng 10 năm qua Thị trường tiêu thụ sản phẩmLPG tại Việt Nam hiện nay, đối tượng cơ sở thương mại, dịch vụ và hộ tiêu thụdân dụng (sử dụng bình gas 12kg) chiếm khoảng 65% [1] Từ số liệu trên chúng

ta nhận thấy nhu cầu sử dụng bình gas 12 kg là rất lớn

Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ to lớn trên, các công ty gas đang đầu tư xâydựng thêm các cửa hàng phân phối gas đến người tiêu dùng Các cửa hàng phânphối không chỉ có chức năng lưu trữ mà còn là nơi các công ty đầu tư công nghệ

để quảng bá sản phẩm và thương hiệu Đầu tư công nghệ thể hiện bằng việc tựđộng hóa các hoạt động nhập, sắp xếp, xuất bình gas… Tự động hóa nhằm bảo

đảm độ an toàn, tăng năng suất và đồng thời xây dựng hình ảnh công ty hiện đại

và chuyên nghiệp

Hiện nay hoạt động vận chuyển, sắp xếp hàng trong các nơi lưu trữ gas ởViệt Nam chủ yếu vẫn dùng sức người là chính hoặc cao hơn là sử dụng xe nângcho các nhà kho lớn Do đó giải quyết bài toán tự động hóa các hoạt động trongnhà kho chứa gas là hết sức cần thiết và mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp.Với thực trạng trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp dùng tay máy chobài toán lưu trữ, trích xuất bình gas trong hệ trong phân phối ” nhằm mục đíchcải thiện điều kiện làm việc, nâng cao hiệu quả công việc, bước đầu tối ưu hóađường đi của tay máy(robot) và phương pháp sản phẩm nhập trước xuấttrước(First In First Out - FIFO)

1.1.2 Phạm vi nghiên cứu và mục tiêu của luận văn

Tự động hóa việc vận chuyển xuất nhập và sắp xếp bình gas có thể thựchiện bằng nhiều cách Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu,

đề xuất thiết kế dạng tay máy khớp bản lề để thực hiện các tác vụ trong nhà kho.

Để đạt được mục đích nêu ở phần 1, luận văn cần phải hoàn thành cácmục tiêu sau:

- Thiết kế bố trí sản phẩm trong nhà kho, sử dụng tay máy gắp sản phẩmnhập xuất và lưu trữ Lựa chọn robot phù hợp để đáp ứng yêu cầu

- Phân tích động học thuận và nghịch của robot đã chọn

- Đề xuất giải thuật nhập xuất và sắp xếp sản phẩm trong nhà kho, môphỏng

1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Mô phỏng hoạt động robot giúp kiểm chứng kết quả lựa chọn, đánh giátương đối đầy đủ khả năng làm việc của robot mà không cần chế tạo thử

Mô phỏng giải thuật sắp xếp bình gas giúp ta đánh giá và lựa chọn đường

đi hợp lý cho robot nhằm tiết kiệm năng lượng, thời gian và tăng hiệu suất côngviệc

Một số nghiên cứu đã triển khai có liên quan đến đề tài đã được công bốtrên các tạp chí chuyên ngành.

[1] Guan Xiaoqing, Wang Jidong, “Mechanical design and kinematic analysis of

a new kind of palletizing robot”, Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), 2011 Second International Conference on, 2011, pp.404-408.

[2] Murat AKDAG, Design and analysis of robot manipulators by integratedCAE procedures, 2008

 Trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kểtrong 25 năm qua Đặc biệt phải kể đến Công ty Cổ phần TOSY, đã thiết kế chếtạo thành công tay máy robot sáu bậc tự do Tuy nhiên cụ thể robot công nghiệpchuyên dùng để vận chuyển và sắp xếp hàng hóa vẫn chưa có cơ quan hoặc tổchức nào tiến hành nghiên cứu và sản xuất

Danh mục các nghiên cứu có liên quan

[1] Phan Tấn Tùng, “Mô hình động học và động lực học của tay máy di động 5 bậc tự do”, Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 9: Phân ban Cơ điện tử và Robot, Đại học Bách Khoa Tp.HCM, tr 24-32, 2005.

[2] Lê Đình Nguyên, Nghiên cứu thiết kế và giải thuật điều khiển tay máy theovết một đường cong không gian, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Tp HCM,2009.

[3] Nguyễn Quốc Cường, Xây dựng giải thuật điều khiển cho robot hàn giàn giáodựa trên mô hình động lực học, Luận văn Thạc sĩ, Đai học Bách Khoa Tp HCM.[4] Huỳnh Quang Huy, Nghiên cứu, thiết kế tay máy gắp bình gas, Luận vănThạc sĩ, Đai học Bách Khoa Tp HCM

1.2.2 Tổng quan về kho bãi

 Các khái niệm cơ bản và vai trò của kho bãi

Kho bãi là một phần trong hoạt động hậu cần Do đó trước khi tìm hiểu vềkho bãi chúng ta có cái nhìn sơ lược về hậu cần Logistic được định nghĩa nhưsau: “Logistics là một môn khoa học của việc hoạch định, tổ chức, quản lý vàthực hiện các hoạt động cung ứng hàng hóa và dịch vụ” [3] Mục tiêu của hậucần là phân phối đúng sản phẩm, đúng thời gian với đúng số lượng và chất lượngtại đúng nơi

Khái niệm kho bãi: Kho bãi là một trung tâm phân phối hàng hóa, với mụctiêu đưa hàng hóa đến người dùng cuối một cách thuận tiện nhất Chức năng cơbản của kho bãi là bao gồm nhận hàng hóa, nhận biết và sắp xếp, phân phối hànghóa đến nơi lưu giữ, lấy hàng từ nơi lưu giữ ra theo yêu cầu của khách hàng,đóng gói, gửi hàng

Vai trò của kho bãi: Kho bãi đóng một vai trò quan trọng trong hoạt độnghậu cần Kho bãi có tác dụng duy trì một nguồn hàng liên tục, giảm chi phí vậntải và là địa điểm trung chuyển hàng gom hàng từ nhiều khách hàng hoặc táchhàng cho nhiều khách hàng khác nhau Đối với các công ty nhập khẩu nguyênliệu, kho bãi giúp công ty chủ động được nguồn nguyên liệu không phụ thuộcvào sự biến động giá cả của thị trường

 Một số hệ thống vận chuyển và sắp xếp hàng hóa tự động được sử dụngtrong nhà kho

Hệ thống AS/RS là hệ thống lưu kho & truy hồi tự động Hệ thống này đượcứng dụng cho số lượng hàng hóa lưu trữ lớn mà không gian lại giới hạn.

Một Hệ thống lưu kho & truy hồi tự động, hoặc AS/RS, là sự kết hợp của cácthiết bị và sự kiểm soát, nhằm xử lý, lưu kho và truy hồi vật liệu với sự rõ ràng,chính xác và tốc độ Các hệ thống có thể thay đổi từ tương đối đơn giản, điềukhiển bằng tay hoạt động trong các cấu trúc kho chứa đến các hệ thống lưu kho

và truy hồi điều khiển bằng máy tính, được tích hợp hoàn toàn vào các quy trìnhsản xuất và phân phối

Một AS/RS cho phép các công ty lấy lại không gian sàn, nâng cao hiệu quả

và bảo đảm việc kiểm soát tồn trữ

Các thiết bị cần thiết cho một AS / RS bao gồm một máy Lưu kho & Truyhồi, hoặc SRM, được sử dụng cho việc lưu kho và truy hồi vật liệu nhanh chóng.Các loại SRM thông thường là tải mini và tải đơn vị Một SRM di chuyển tải trên

ba trục: đứng và/hoặc ngang ở lối đi, và sau đó là sang bên để đặt tải tại ví trí lưukho

Hình 1.2 Hệ thống AS/RS cỉa hãng Efacec

Ưu điểm: Hệ thống AS/RS mang lại những lợi ích sau

- Quá trình lưu và xuất hàng hóa nhanh, hoạt động liên tục 24 giờ/ ngày

- Tiết kiệm không gian lưu trữ

- Khả năng lưu trữ linh hoạt và dễ dàng mở rộng theo nhu cầu

- Sử dụng lao động ít nên tiết kiệm chi phí nhân công, quản lý, bảo hiểm vàthiết bị hỗ trợ

- Quản lý chuyên nghiệp và hiệu quả nhờ phần mềm quản lý kho kết hợpvới công nghệ mã vạch (Barcode) hay thẻ từ (Transponder).

Khuyết điểm: Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống cao.

Xe tự hành (AGVs – Automated Guided Vehicles)

Xe tự hành là một dạng xe chở hàng không người lái, hoạt động nhờ động

cơ điện và pin Chiếc xe đầu tiên được phát minh vào năm 1953 Tải trọng nângđược của xe từ vài kg tới hơn 100 tấn Xe tự hành có thể nâng, hạ và vận chuyểnpallet một cách tự động bằng các càng nâng hoặc đầu nâng tùy thuộc vào loại vàkích cỡ của hàng hóa cần vận chuyển Những chiếc xe đầu tiên nhận biết đường

đi nhờ vệt sơn trên sàn, dải dẫn hướng (inductive guide wire) v.v… Những nămgần đây, công nghệ dò đường hiện đại hơn đã được sử dụng như bộ dò laser, cảmbiến siêu âm, cảm biến hồng ngoại, hệ thống camera…

Hình 1 3 Xe tự hành của hãng JBT

Carousel

Carousel là một dạng kệ lưu giữ hàng hóa, có thể chuyển động nhờ hệthống xích dẫn động bằng động cơ điện Carousel được ứng dụng trong chu trìnhlấy hàng từ nơi lưu giữ ra theo yêu cầu của khách hàng (order picking) quy mônhỏ Có hai dạng carousel: đứng và ngang

Trong carousel dạng ngang ở hình 1.4, các ngăn đựng hàng được gắn trênkhung kệ, các ngăn này có thể chuyển động tới lui nhờ hệ thống xích Hàng hóatheo yêu cầu được mang tới người điều khiển theo đường ngắn nhất.

Hình 1 4 carousel dạng ngangTrong carousels dạng đứng (hình 1.5), các ngăn được giữ trên khung kệđược lắp giữa hai hệ thống truyền động động cơ – xích lắp thẳng đứng Các kệ dichuyển lên xuống theo đường ngắn nhất mang hàng hóa theo yêu cầu đến ngườivận hành

Hình 1 5 Carousel dạng đứng

1.2.3 Tiêu chuẩn và quy định an toàn trong vận chuyển và lưu trữ bình gas(LPG)

Các tiêu chuẩn và quy định nhà nước hiện hành có liên quan:

• TCVN 6304 : 1997 Chai chứa khí đốt hóa lỏng – yêu cầu an toàn trongbảo quản, xếp dỡ và vận chuyển

• TCVN 6223 : 2011 Cửa hàng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) – Yêu cầuchung về an toàn

• Nghị định 107/2009/NĐ – CP Về kinh doanh khí dầu mỏ hóa lỏng

• LPG là loại nhiên liệu thuộc nhóm nguy hiểm, dễ cháy nổ do đó thiết

bị vận chuyển bình gas trong nhà kho thuộc loại thiết bị chuyên môn,đặc thù Thiết bị này khi hoạt động phải tuân thủ chặt chẽ các tiêuchuẩn, quy định về bảo quản, xếp dỡ vận chuyển Người thực hiện đềtài đã tìm hiểu những tiêu chuẩn, quy định nhà nước hiện hành có liênquan đến việc bảo quản, xếp dỡ, vận chuyển và qua đó rút ra nhữngyêu cầu cần đáp ứng đối với thiết bị này

• Khi vận chuyển và sắp xếp các bình gas phải luôn ở tư thế thẳng đứng,van ở trên

• Các bình gas được xếp chồng lên nhau, độ cao tối đa mỗi chồng là 1.5mét

1.3 Tóm tắt các chương của luận văn

Chương 1: Giới thiệu về đề tài và các kiến thức tổng quan có liên quanđến đề tài

Chương 2: Thiết kế bố trí sản phẩm trong nhà kho và đưa ra phương ánchọn robot phù hợp với yêu cầu

Chương 3: Phân tích động học của robot

Chương 4: Đề cập tới giải thuật nhập xuất và sắp xếp sản phẩm trong nhàkho, tối ưu hóa đường đi của robot trong việc sắp xếp sản phẩm và phân phối sảnphẩm theo phương pháp sản phẩm nhập trước được xuất trước, sau đó là phần

mô phỏng kiểm chứng

Cuối cùng các kết quả đạt được, những mặt hạn chế và hướng phát triển

đề tài sẽ được trình bày trong chương 5

Chương 2: Thiết kế bố trí sản phẩm nhà kho và lựa chọn robot

- Sắp xếp vị trí đặt sản phẩm để nhà kho chứa được nhiều nhất

- Sử dụng tay máy(robot) để thực hiện việc nhập, lưu trữ và xuất sản phẩm.khi có yêu cầu

- Khi vận chuyển bình gas luôn vuông góc với sàn và tránh không được vađập

2.2 Thiết kế bố trí sản phẩm trong nhà kho

- Để tuân thủ các tiêu chuẩn, quy định về bảo quản an toàn, xếp dỡ vậnchuyển bình gas, tác giả đề xuất các bình được xếp chồng lên nhau, mỗichồng 2 bình và khoảng cách các bình là 50mm

- Vị trí đặt robot: Có nhiều phương án, đặt tại sàn trên tường hoặc trên trầnnhà kho Để thuận lợi cho việc lắp đặt, vận hành bảo trì sửa chữa và giảmchi phí tác giả chọn đặt robot trên sàn Đồng thời phát huy hết tầm hoạtđộng của robot chọn vị trí đặt robot tại tâm của nhà kho

- Di chuyển bình gas vào vị trí nhập và di chuyển bình gas ra khỏi vị trí xuất sử dụng băng tải

- Bố trí sản phẩm trong nhà kho: Có những phương án bố trí như bố trí theotọa độ cực, tọa độ vuông góc(decac)… Số lượng các sản phẩm bố trí theocác phương án gần như bằng nhau, tác giả chọn phương án bố trí theo tọa

độ vuông góc nhằm để thuận lợi trong việc lập giải thuật điều khiển

- Bình gas được bố trí mười hàng, mười một cột, hai tầng và một hàng để

bố trí sản phẩm nhập xuất Vị trí đặt robot không được đặt sản phẩm.Tổng số bình gas lưu trữ trong kho là: [(11x10)-(5x5)] x 2=170 bình

- Bình gas được chồng lên nhau nên mỗi chồng bao gồm hai tầng Tầng một

là tầng đáy, tiếp xúc mặt sàn của nhà kho, tầng hai là tầng kế tiếp tầngmột, riêng tầng ba không được sắp sếp sản phẩm mà chỉ là tầng bộ đệm để

di chuyển cánh tay robot khi gắp và không gắp sản phẩm

Hình 2 2 Sơ đồ sắp xếp bình gas

Hình 2 3 Sơ đồ bố trí nhà kho

2.3 Lựa chọn robot phù hợp yêu cầu

sử dụng trong nhà kho

Robot khớp bản lề cố định (Stationary articulated robot)

hoặc dỡ hàng từ pallet Ba chuyển động đầu tiên của robot đều là các khớp quay,

Băng tải xuất sp Băng tải nhập sp

4 5

4 0 0

50

Vùng lưu trữ bình gas 50

4000 3800

giống một phần khối cầu Robot có thể được gắn cố định trên sàn, trần hoặc lắptrên đường ray để tăng độ linh hoạt.

Hình 2 4 Robot khớp bản lề do hãng Kuka sản xuất

Ưu điểm: Robot có thao tác linh hoạt, vùng làm việc tương đối lớn so với

kích cỡ của robot Kết cấu gọn, lắp đặt đơn giản hơn gantry robot Tính cơ độngcao có thể thay đổi nơi làm việc dễ dàng

Khuyết điểm: Tính toán động học phức tạp, cấu trúc trở nên không cứng

vững khi robot đạt tầm với lớn nhất

Robot tọa độ vuông góc (Gantry robot)

Hình 2 5 Robot tọa độ vuông góc (Gantry robot) của hãng Elettric80

Ba chuyển động đầu tiên của robot đều là các khớp trượt, chuyển độngtịnh tiến dọc theo các trục X, Y, Z Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộpchữ nhật

Ưu điểm: Mô hình động học đơn giản, kết cấu cứng vững Lập trình đơn

giản Khả năng xác định vị trí khi gắp và đặt vật chính xác hơn các loại robotkhác

Khuyết điểm: So với robot khớp bản lề, robot tọa độ vuông góc có những

khuyết điểm sau:

• Vùng làm việc tương đối nhỏ so với kích cỡ robot

• Kết cấu cồng kềnh (bao gồm khung, giá đỡ, …) chiếm nhiều diện tích

• Yêu cầu chiều cao nơi lắp đặt phải lớn

• Bảo trì khó khăn và tốn nhiều thời gian hơn

• Tốc độ thực hiện một tác vụ không cao

• Thao tác không linh hoạt

Nhận xét: Dựa vào những phân tích ở trên ta nhận thấy robot khớp bản lề cố

định có những đặc điểm đáng chú ý sau: kết cấu gọn, lắp đặt đơn giản, thao tác linh hoạt Những đặc điểm này rất phù hợp với diện tích nhà kho nhỏ 4m x 4m x 3m Mặt khác, hình thức của robot còn là một công cụ quảng cáo hữu hiệu.

Một số dạng robot khớp bản lề hiện có trên thị trường có kết cầu phù hợpvới việc vận chuyển và sắp xếp bình gas Thể hiện ở phụ lục 1

Sau khi khảo sát các dạng robot công nghiệp để vận chuyển hàng hóatrong nhà kho, tác giả đề xuất sử dụng robot công nghiệp IRB 460 của hãngABB

chuyển và sắp xếp hàng hóa không có nhiều chướng ngại so với công việc sơn và hàn cho nên kết cấu robot chỉ cần 3 đến 4 bậc tự do là thỏa mãn yêu cầu công việc Số bậc tự do ít sẽ làm cho kết cấu tay máy đơn giản hơn cũng như giá thành

sẽ giảm, đồng thời giúp cho việc điều khiển dễ dàng hơn.

Tác giả chọn mẫu robot IRB 460 của hãng ABB để tham khảo thiết kế vì chúng có những đặc điểm phù hợp với yêu cầu thiết kế như: 4 bậc tự do, sử dụng

cơ cấu hình bình hành để cho vật cần vận chuyển luôn vuông góc với sàn, trọng lượng mang vật và tầm với lớn

2.3.2 Xác định yêu cầu kỹ thuật cơ bản của robot

Một đặc điểm quan trọng của robot khớp bản lề là khi tầm với càng tăngthì tải trọng robot mang được càng giảm Ví dụ, xét trường hợp robot IRB460của hãng ABB, theo sơ đồ hình 2.5 khả năng tải lớn nhất của robot là 110 kg, khitay máy vươn xa nhất thì tải trọng mang được chỉ còn 60 kg

Hình 2 5 Sơ đồ tải trọng robot IRB460 của hãng ABB

Vì vậy với yêu cầu tay máy vận chuyển được bình gas 26.5 kg và khoảngcách giữa vị trí bình xa nhất tới tâm tay máy là 2300 mm, tham khảo thêm robotIRB 460 ta xác định yêu cầu kỹ thuật cơ bản của robot gắp bình hóa chất nhưsau:

Bảng 2.3 Robot khớp bản lể cố định

Số trục (bậc tự do) 4

Chiều cao < 2000 mm

Có cơ cấu hình bình hành

Robot gắp bình gas được thể hiện dưới dạng sơ đồ đơn giản như hình 2.8

Hình 2 7 Sơ đồ và bậc tự do của robot gắp bình gas

2.4 Sơ đồ nguyên lý robot gắp bình gas

Hình 2.9 thể hiện kết cấu robot gắp bình gas dưới dạng mô hình đơn giản Nguyên lý hoạt động: Toàn bộ tay máy sẽ quay quanh O, tay máy dưới

AD được dẫn động bởi động cơ và quay quanh khớp A, tay máy trên CH quayquanh D nhờ cơ cấu hình bình hành ABCD với AB là khâu dẫn động Cổ tayHIJL chuyển động tịnh tiến bởi các cơ cấu hình bình hành AEFD và DGIH Do

đó trục cổ tay robot luôn vuông góc với sàn cho nên bình gas khi được vậnchuyển luôn thẳng đứng so với sàn

A, B, D, E, F,

G, H, I Khớp bản lề

AB, AD Khâu dẫn động

AE Khâu nối giá (cũng chính là thân robot)

BC, EF, GI Thanh truyền FGD Khâu trung gian

2.5 Tính toán sơ bộ kích thước các khâu

Theo yêu cầu cơ bản đã được xác định ở trên, robot gắp bình gas sẽ códạng robot khớp bản lề, gồm có 4 khâu và 4 khớp OA là chiều dài khâu 1, L3 làchiều dài khâu 2 và L5 là chiều dài khâu 3 (hình 2.10)

Trong đó và L5 = L4 + Lcổ tay

Hình 2 9 Lược đồ khâu

Vị trí xa nhất và gần nhất của bình gas so với trục quay của robot đượcthể hiện ở hình 2.11 Với A là vị trí gần nhất và B là vị trí xa nhất Dựa vào đặcđiểm của robot khớp bản lề có kết hợp cơ cấu hình bình hành ta nhận thấy để vớitới điểm xa nhất phải thỏa các điều kiện sau

Hình 2 10 Vị trí bình gas gần và xa nhất trong nhà khoTheo điều kiện ở trên và tham khảo robot IRB 460 của hãng ABB ta chọnkích thước các khâu như sau:

L1 = 742.5; L2 = 260; L3 = 945; L4 = 1025 và Lcổ tay = 220

Chương 3 Phân tích động học robot

3.1 Động học vị trí

3.1.1 Bài toán động học thuận

Bài toán động học thuận vị trí được tiến hành theo các bước sau:

Thiết lập hệ tọa độ cho các khâu

Hình 3 1 Các hệ trục tọa độ trên robotLập bảng thông số Denavit Hartenberg (DH)

Bảng 3 1 Bảng thông số Denavit Hartenberg

(3.4)

(3.5)(3.6)

Phương trình động học thuận của robot

(3.7)Trong đó

Vị trí tọa độ điểm A

(3.8)

3.1.2 Bài toán động học ngược

(3.9) (3.10)

Với

Từ (3.9) và (3.10) ta có

(3.12)

(3.13)Mặt khác ta có

(3.14) (3.15)

Áp dụng công thức ta được

(3.19)Với

Ta có

Thay vào (3.22) ta được vận tốc của điểm cuối khâu 3

Nhận xét: Do sử dụng cơ cấu hình bình hành nên vận tốc của khâu tácđộng cuối cũng chính là vận tốc của điểm cuối khâu 3

Chương 4 Giải thuật sắp xếp kho và mô phỏng

4.1 Giải thuật sắp xếp nhà kho và mô phỏng

4.1.1 Đặt vấn đề và giới hạn phạm vi thực hiện

Công việc của một nhà kho phân phối bình gas là nhập bình gas mới, lưutrữ, xuất bình gas khi có đặt hàng Tất cả các công việc trên sẽ được thực hiệnbởi cánh tay robot Để cánh tay robot hoạt động hiệu quả yêu cầu phải có mộtgiải thuật để điều khiển robot thực hiện các công việc trên Trong phạm vi đề tàinày, tác giả bước đầu thực hiện việc đưa ra giải thuật sắp xếp kho: Tối ưu hóađường đi của robot trong việc sắp xếp sản phẩm trong nhà kho và phân phối sảnphẩm theo phương pháp sản phẩm nhập trước được xuất trước(FIFO-“first-in-first-out”)

Một số tiêu chí khi tối ưu hóa đường đi của robot:

- Tầng một nhập sản phẩm trước tầng hai nhập sau

- Tối ưu tổng quảng đường di chuyển nhập và xuất sản phẩm của robot

- Vận tốc chuyển động của robot là hằng số

- Sắp xếp và di chuyển sản phẩm có khoảng cách an toàn tránh va đập

- Robot không di chuyển vào vùng chết

Vùng chết là vùng giới hạn bởi bốn đỉnh có tọa độ

( ) ( ) ( ) ( )

iv

z viii z

iv

.4.,

4,

,8,,

8,

- Xuất sản phẩm theo phương pháp FIFO

- Khi cần xuất sản phẩm ở tầng một mà tầng hai đang có sản phẩm thì phảithực hiện việc dời sản phẩm ở tầng hai

- Khi dời sản phẩm phải tối ưu về khoảng cách và thời gian lưu kho

4.1.2 Một số quy định

Để đơn giản trong việc lập giải thuật ta quy định:

- Chia nhà kho thành một ma trận vuông 11 dòng 11 cột, vị trí các bình gaschính là các phần tử của ma trận (Hình 4.1)

- Do bình gas được chồng lên nhau nên mỗi chồng bao gồm 2 tầng Tầng 1

là tầng đáy, tiếp xúc mặt sàn của nhà kho, tầng 2 là tầng kế tiếp tầng 1,riêng tầng 3 không được sắp sếp sản phẩm mà chỉ là tầng bộ đệm để dichuyển cánh tay robot khi gắp và không gắp sản phẩm

- Robot di chuyển từng điểm theo chiều ngang, dọc (trục x,y), hoặc dichuyển chéo giữa hai đỉnh của ma trận vuông

- Quét các vị trí theo cột từ trái sang phải (từ i sang xi)

- Khi xác định các vị trí có cùng trọng số thì ưu tiên vị trí có cột nhỏ nhất

- Khi robot thực hiện nhập xuất sản phẩm tổng quảng đường di chuyển lênxuống theo trục z của mỗi tầng luôn bằng nhau Như vậy quảng đường dichuyển của robot chỉ xét theo (x,y)

0 i ii iii iv v vi vii viii ix x xi

Hình 4 1 Sơ đồ vị trí bình gas

Quy định mã số vị trí bình gas được lấy ví dụ như sau: ví dụ bìnhX(iii,7,1) là bình gas có vị trí trục hoành (x) là dãy thứ iii, vị trí trục tung (y) làdãy thứ 7, vị trí tầng là tầng số 1 (z)

Khi bình gas được xếp vào vị trí A(viii, 4, 1) thì robot phải kiểm tra bằnggiải thuật để đảm bảo rằng vị trí B(viii, 4, 2) trống (đương nhiên vị trí A đã được

TẦNG 1

Quét Các Điểm

Quét Các Điểm

N

N

N

Vị Trí Trống

Không được xảy ra va chạm giữa các bình gas Khoảng cách các sản phẩm

là 50mm

Thỏa mãn được quy định FIFO trong sắp xếp kho Bình gas nào được xếpvào trước sẽ được lấy ra trước Luật này được sử dụng để tránh tồn hàng cũ trongkho

4.1.3 Đề xuất giải thuật nhập xuất và sắp xếp bình gas trong nhà kho

Để đáp ứng yêu cầu nhập xuất và sắp xếp bình gas trong nhà kho tác giả

đưa ra các giải thuật như sau:

 Giải thuật xác định các vị trí nhập sản phẩm

Để xác định được vị trí nhập sản phẩm bất đầu quét tìm các vị trí ở tầng mộttrước Vì sản phẩm ở tầng hai bao giờ cũng có date sau tầng một và để thỏa đượcluật FIFO thì sản phẩm tầng một phải xuất trước, như vậy phải ưu tiên nhập sảnphẩm ở tầng một trước để hạn chế việc dời sản phẩm Nếu xác định được các vịtrí trống ở tầng một sẽ tính tổng quảng đường nhập xuất để tìm ra vị trí nhập sảnphẩm có giá trị trọng số nhỏ nhất (1)

TS1= x−x in + y− y in + x−x out + y− y out (1)

Nếu quét tầng một không xác định được vị trí trống thì quét tầng hai để tìm vịtrí trống Sau đó tính tổng quảng đường nhập xuất và date nhập ở tầng dưới đểrồi tìm ra giá trị trọng số nhỏ nhất (2)

TS2= x−x in + y− y in + x−x out + y− y out +0.9*date(x,y,1) (2)