Thiết kế và chế tạo robot delta phân loại sản phẩm

Chương này cũng sẽ xây dựng nguyên lý làm việc cho robot từ đó tạo ra sơ đồ thuật toán và áp dụng vào chương trình điều khiển cho vi điều khiển cũng như xây dựng giao diện giao tiếp giữa

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn: TS ĐẶNG PHƯỚC VINH

Người duyệt: TS LÊ HOÀI NAM Sinh viên thực hiện: TRẦN NHẬT TRÌNH

TÓM TẮT

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

Lớp: 14CDT2

Nội dung đồ án này đề cập cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích, tính toán động học, động học ngược và điều khiển robot Delta kết hợp công nghệ xử lý ảnh Dựa trên những phương pháp cơ bản đó, tác giả đi vào thiết kế và chế tạo một trong những mẫu robot điển hình là robot Delta để có cái nhìn toàn diện hơn về loại robot đang rất được chú trọng phát triển trong công nghiệp hiện nay Đồ án gồm 5 chương,

Chương 2: Thiết kế cơ khí Chương này, tác giả phân tích các phương án thiết

kế cũng như tính toán thiết kế dẫn động cho robot, và giải quyết các vấn đề cơ bản nhất của động học robot song song Delta như tính toán động học thuận, động học ngược trên cơ sở các phương trình liên kết bằng phương pháp hình học

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển Chương này giải quyết các vấn đề liên

quan đến việc chọn dòng vi điều khiển trung tâm và các modun thích hợp mạch điều khiển cho robot cũng như thiết kế mạch điện điều khiển nhằm đảm bảo các chức năng

cơ bản của robot

Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển Chương này giới thiệu các lý

thuyết cơ bản về xử lý ảnh nói chung cũng như các bước chính trong xử lý ảnh nói riêng Chương này cũng sẽ xây dựng nguyên lý làm việc cho robot từ đó tạo ra sơ đồ thuật toán và áp dụng vào chương trình điều khiển cho vi điều khiển cũng như xây dựng giao diện giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển nhằm giúp robot thực hiện theo đúng theo nguyên lý, sơ đồ thuật toán hoạt động của robot Delta

Chương 5: Kết luận Chương này đánh giá và rút ra hạn chế kinh nghiệm để có

hướng phát triển đề tài

Lớp: 14CDT2 Khoa: Cơ Khí Ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

1 Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Tham khảo tài liệu thực tế

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Chương 1: Tổng quan về robot Delta

Chương 2: Thiết kế cơ khí

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển

Chương 5: Kết luận

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

Bản vẽ tổng thể robot (1A0)

Bản vẽ sơ đồ động (1A0)

Bản vẽ sơ đồ mạch điện (1A0)

Bản vẽ lưu đồ thuật toán (1A0)

Bản vẽ các cụm chi tiết (1A0)

6 Họ tên người hướng dẫn: TS.Đặng Phước Vinh

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019

TS Đặng Phước Vinh

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động

của con người đạt hiệu quả

Có thể nói rằng Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, một cách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn Những hãng Robot từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật Bản, Nga, Hoa Kỳ ngày một khẳng định sự hiện diện của robot là phần không thiếu trong cuộc sống hiện 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

Sau một thời gian học tập và rèn luyện, với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của

thầy giáo TS Đặng Phước Vinh, cùng sự trợ giúp của các quý thầy cô bộ môn và các

tài liệu có liên quan, mà em có thể hoàn thành xong đề tài

Đề tài đã hoàn thành xong, nhưng không thể tránh nhiều thiếu sót mong quý thầy cô giáo thông cảm và chỉ bảo thêm để đề tài có thể phát triển và ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các quý thầy cô!

Sinh viên thực hiện

Trần Nhật Trình Huỳnh Hoàng Vũ

Đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp được tôi thực hiện không sao chép hay trùng với đề tài nào đã thực hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo Các

số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực

Nếu sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

Trần Nhật Trình Huỳnh Hoàng Vũ

MỤC LỤC

Tóm tắt I Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp II Lời nói đầu III Cam đoan IV Mục lục V Danh sách các bảng, hình ảnh VIII

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Giới thiệu chung về robot Delta 2

1.1.1 Khái niệm cơ bản 2

1.1.2 Ứng dụng của robot Delta 3

1.2 Tổng quan về hệ thống 5

1.2.1 Các thành phần của bản của robot 5

1.2.2 Đặt vấn đề 6

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 8

2.1 Phân tích cấu trúc 8

2.1.1 Lựa chọn cấu trúc 8

2.1.2 Cơ cấu dẫn động của động cơ 9

2.1.3 Hệ khớp dẫn động 9

2.1.4 Hệ hình bình hành 9

2.1.5 Gá động cơ 10

2.1.6 Gá cơ cấu chấp hành 10

2.1.7 Cơ cấu xoay cơ cấu chấp hành 11

2.1.8 Cơ cấu gắp 11

2.2 Mô hình tổng quan 12

2.3 Thiết kế băng tải 14

2.4 Thiết kế hệ dẫn động robot 15

2.4.1 Tính chọn động cơ 15

2.4.2 Tính chọn bộ truyền đai 16

2.5 Động học robot Delta 17

2.5.1 Động học thuận robot: 18

2.5.2 Động học ngược robot: 20

CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 23

3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển 23

3.2 Các thành phần chính trong hệ thống 23

3.2.1 Bộ điều khiển 23

3.2.2 Driver a4988 25

3.2.3 Động cơ bước 26

3.2.4 Ramps 1.4 27

3.2.5 Động cơ servo 28

3.2.6 Công tắc hành trình 29

3.2.7 Động cơ encorder 30

3.3 sơ đồ nguyên lý mạch 31

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 32

4.1 Giới thiệu phần mềm visual studio và thư viện emgu 32

4.1.1 Giới thiệu phần mềm visual studio 32

4.1.2 Giới thiệu thư viện Emgu CV 33

4.2 Lí thuyết xử lí ảnh 33

4.2.1 Các kiểu ảnh cơ bản 33

4.2.2 Quy trình xử lý ảnh 33

4.2.3 Một số hàm xử lý ảnh dùng thư viện Emgu CV 34

4.3 Thiết lập bắt điểm trên băng tải 37

4.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 37

4.5 Sơ đồ thuật toán điều khiển 40

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH TRONG ARDUINO MEGA 46

PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH TRONG VISUAL STUDIO 50

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH ẢNH

Bảng 3 1: Các cổng giao tiếp 24

Bảng 3 2: Thông số kĩ thuật Arduino Mega 24

Bảng 3 3: Bảng thông số 5 chế độ của Driver A4988 25

Hình 1.1: Robot Delta 2

Hình 1.2: Robot Delta của hãng ABB ứng dụng trong công nghiệp nhẹ 3

Hình 1.3: Robot Delta hãng Fanuc ứng dụng trong công nghệ thực phẩm 3

Hình 1.4: Robot SurgiScope đang vận hành 4

Hình 1.5: Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương 4

Hình 1.6: Các thành phần chính của hệ thống 5

Hình 2 1: Cơ cấu robot Delta 3 bậc tự do 8

Hình 2 2: Hệ khớp dẫn động 9

Hình 2 3: Hệ hình bình hành 9

Hình 2 4: Gá động cơ 10

Hình 2 5: Gá cơ cấu chấp hành 10

Hình 2 6: Hệ thống bánh răng 11

Hình 2 7: Cơ cấu gắp 11

Hình 2 8: Bản vẽ 3D của robot Delta 12

Hình 2 9: Hình ảnh robot 13

Hình 2 10: Bản vẽ băng tải 14

Hình 2 11: Mô hình băng tải thực tế 14

Hình 2 12: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E 15

Hình 2 13: Bộ truyền đai răng 16

Hình 2 14: Ký hiệu các tham số tính toán 17

Hình 2 15: Hình chiếu lên mặt phẳng OXY 18

Hình 2 16: Ký hiệu các tham số tính toán 20

Hình 2 17: Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ 20

Hình 2 18: Ký hiệu tọa độ tính toán 21

Hình 3 1: Vi điều khiển 23

Hình 3 2: Driver A4988 25

Hình 3 3: Động cơ bước 26

Hình 3 4: Ramps 1.4 27

Hình 3 5: Động cơ servo MG90S 28

Hình 3 6: Công tắc hành trình 29

Hình 3 7: Động cơ encoder 30

Hình 3 8: Sơ đồ nguyên lý mạch 31

Hình 4 1: Lưu đồ thuật toán xử lí ảnh 36

Hình 4 2: Giao diện chương trình hoạt động 38

Hình 4 3: Giao diện xử lí ảnh 38

Hình 4 4: Xử lí ảnh vật thể hình chữ nhật 39

Hình 4 5: Xử lí ảnh vật thể hình tròn 39

Hình 4 6: Đếm số lượng sản phẩm 40

Hình 4 7: Lưu đồ thuật toán gắp sản phẩm 41

Hình 4 8: Sơ đồ chương trình con 42

Hình 5 1: Mô hình thực tế robot 43

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật tự động là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh

mẽ Robotics, là một trong những chuyên ngành kỹ thuật điều khiển tự động, đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đã thu hút được nhiều sự chú ý ở nước ta Để xây dựng nền sản xuất hiện đại, chúng ta cần nhanh chóng ứng dụng và phát triển tự động hóa, nổi bật là các sản phẩm Cơ điện tử như Robot, ô tô, …Đặt biệt trong số những sản phẩm được ứng dụng rộng rải trong công nghiệp, thì robot Delta có tìm năng phát triển cao trong nền công nghiệp vì lợi thế cót lõi của robot Delta là tốc độ, chính vì vậy robot Delta vẫn bắt được vật thể dù băng tải không dừng điều này là một trong các lợi thế giúp tăng tốc độ của dây chuyền sản xuất.Và trên cũng là mục tiêu cót lõi của đề tài, xây dựng được mô hình robot Delta bắt vật thể trên băng tải dù băng tải không dừng, ngoài ra còn có thể tạo robot Delta thực hiện chạy theo hành trình có thể dạy học được

Để có thể xây dựng được đề tài ta cần phải nắm rõ được cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích, tính toán động học, động học ngược và kỹ thuật xử lý ảnh, đồng thời với các kiến thức liên quan đến tính toán thiết kế cơ khí, mạch điều khiển, lập trình vi điều khiển cũng như công nghệ máy tính mới có thể đưa những lý thuyết cót lõi thành mô hình thực tế đáp ứng được các nguyên lý hoạt động đề ra

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DELTA

1.1.1 Khái niệm cơ bản

Robot Delta được phát minh trong đầu thập niên 80 ở Thụy Sĩ của giáo sư Reymond Clavel và đã được nhận bằng sáng chế Hoa Kỳ với mã số 4.976.582, dưới đây là robot công nghiệp thực tế của hãng ABB

a) Robot Flex Picker của hãng ABB b) Cấu trúc của robot Delta

Hình 1.1: Robot Delta

Robot Delta bao gồm hai phần: trên cùng bàn máy cố định với ba động cơ gắn trên nó, và một bàn mấy động kết nối các khớp cầu của chân bị động và với một cơ cấu thực hiện chức năng (tay kẹp…) Bàn máy cố định và bàn máy động được nối thông qua ba cánh tay với chân bị động là hình bình hành, các hình bình hành tạo sự định hướng của bàn máy động được song song với bàn máy cố định và bề mặt làm việc (băng tải) Động cơ thiết lập vị trí của cánh tay do đó, các vị trí tọa độ XYZ được điều chỉnh phù hợp

Lợi thế cốt lõi của robot Delta là tốc độ Các loại cánh tay robot thông thường phải di chuyển không chỉ tải trọng, mà còn tất cả các động cơ servo trong mỗi phần, trong khi đó phần duy nhất chuyển động của robot Delta là khung của nó, mà thường được làm bằng vật liệu composite nhẹ Do tốc độ của nó, robot Delta được sử dụng rộng rãi trong hoạt động di chuyển các vật thể tương đối nhẹ

1.1.2 Ứng dụng của robot Delta

a) Ứng dụng trong công nghiệp

Robot Delta được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Robot Delta được sáng chế với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay Robot Delta đã nhận được 36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng như của 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 ngày 17/07/1991) Robot Delta được dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm thiết bị nâng gắp…

Hình 1.2: Robot Delta của hãng ABB ứng dụng trong công nghiệp nhẹ

Hình 1.3: Robot Delta hãng Fanuc ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

b) Ứng dụng trong y học

Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã dùng robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20 kg dùng trong việc giải phẫu

Hình 1.4: Robot SurgiScope đang vận hành

Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (viết tắt của chữ Compact Robot for Image Guided Orthopedic) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm cung cấp cho các bác

sĩ phẫu thuật với một công cụ hiệu suất cao cho phẫu thuật xương

Hình 1.5: Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương

Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ thao tác của robot

ở đây ta dùng động cơ hút chân không để hút và 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 máy động liên kết với nhau bằng khớp cầu tạo nên hình dáng và các chuyển động cơ bản của robot

Hệ thống dẫn động là các động cơ bước tạo nên sự chuyển động của robot và dụng cụ thao tác

Các công tắc hành trình phản hồi tín hiệu để bộ điều khiển xử lý xác lập vị trí ban đầu cho robot

Camera thực hiện chụp hình ảnh của các vật thể trên băng tải và gửi về hệ thống máy tính để tiến hành xử lý ảnh xác định tọa độ của các vật thể trên băng tải cũng như tiến hành phân biệt màu sắc của các vật thể trên băng tải

Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính và giải

mã tín hiệu đồng thời thực hiện tính toán động học ngược robot, truyền tín hiệu điều khiển đến các driver điều khiển động cơ để thực hiện điều khiển góc quay cho động

cơ Bộ điều khiển còn thực hiện nhận các tín hiện phản hồi của các công tắc hành trình, nút nhấn để thực hiện các chức năng được đề ra cho bộ điều khiển

Máy tính

tínhTính(CPU)

Bộ Điều Khiển

Dụng cụ thao tác

Chương trình giao

Máy tính tiến hành nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ webcam để tiến hành xử lý ảnh tìm ra tọa độ ban đầu của vật thể để tìm ra tọa độ của vật thể sau khoảng thời gian di chuyển trên băng tải nhằm giúp cơ cấu chấp hành biết được chính xác vị trí của vật thể

Chương trình giao tiếp và điều khiển được viết ra nhằm thực hiện tính toán các phương trình, giao tiếp giữa người vận hành với hệ thống điều khiển và thực hiện các nguyên lý đề ra Chương trình giao tiếp và điều khiển bao gồm chương trình giao tiếp trên máy tính và chương trình điều khiển cho bộ điều khiển Chương trình giao tiếp trên máy tính được tạo ra nhằm nhận truyền dữ liệu điều khiển, thực hiện xử lý ảnh từ

dữ liệu ảnh nhận về để tìm ra tọa độ điểm cần bắt, để robot thực hiện tự động bắt vật thể đang di chuyển ở vị trí bất kỳ trên băng tải đồng thời có thể đưa vật thể đến vị trí

mà người vận hành quy định Chương trình điều khiển cho bộ điều khiển thực hiện giải mã các dữ liệu từ máy tính truyền qua, tính toán động học robot điều khiển hệ thống dẫn động để thực hiện các chức năng nguyên lý đề ra cho robot

1.2.2 Đặt vấn đề

Nếu chúng ta muốn xây dựng robot Delta ứng dụng trong công nghiệp Chúng

ta cần phải xây dựng robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng cài đặt thông qua giao diện giao tiếp trên máy tính mà không cần can thiệp chỉnh sửa phần mềm Ngoài ra để nâng cao thêm chức năng tự động phân loại hay tự động gắp vật thể trên băng tải, nhưng vật thể này là luôn di chuyển (tức băng tải không dừng) và nằm ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng thì chúng ta cần phải kết hợp với webcam Khi kết hợp với webcam chương trình máy tính tiến hành đếm số lượng, phân loại theo màu sắc và tìm 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 điểm tìm được 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 góc tương ứng của mỗi tay (góc của khâu chủ động) thiết lập động cơ ở đúng vị trí để chọn 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 của khâu chủ động (ví dụ, chúng ta đã đọc các giá trị của bộ mã hoá động cơ), chúng ta cần xác định vị trí của cơ cấu chấp hành, quá trình xác định như vậy được biết giải động học thuận robot Ở đây để robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng cài đặt bằng bằng các mã đơn giản do hệ thống quy định (tức là chạy theo tọa độ điểm đươc cài đặt trước), ta cần quá trình giải động học ngược robot

• Thứ hai, tìm được tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải thông qua các tham số lấy từ webcam và robot như tọa độ ban đầu của robot, tọa độ ban đầu của vật thể trên băng tải, vận tốc tương đối của robot Từ đó robot vẫn bắt được vật thể ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải không dừng Giúp ta tăng tốc độ cho dây chuyền sản suất bằng cách tạo cho Robot và băng 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 CƠ KHÍ

2.1 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC

2.1.1 Lựa chọn cấu trúc

Hình 2 1: Cơ cấu robot Delta 3 bậc tự do

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

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

2.1.2 Cơ cấu dẫn động của động cơ

Ở đây ta có hai phương án là dẫn động trực tiếp từ động cơ và dẫn động gián tiếp qua bộ truyền đai Trong 2 phương án thiết kế thì phương án bộ truyền đai tạo lực nâng đảm bảo cho cơ cấu nhưng sẽ giảm tốc độ của robot Tuy nhiên bộ truyền đai có kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, độ chính xác cao, giá thành rẻ và phổ biến trên thị trường

có khả năng làm việc với phạm vi vận tốc và tải trọng rộng nên bộ truyền đai vẫn được dùng phổ biến cho các tay robot

2.1.5 Gá động cơ

Hình 2 4: Gá động cơ

Gá động cơ được sử dụng để cố định động cơ cũng như cơ cấu truyền động được thiết kế đảm bảo tạo được hình tam giác đều để định góc gá đặt chính xác cho ba động cơ

2.1.6 Gá cơ cấu chấp hành

Hình 2 5: Gá cơ cấu chấp hành

Gá cơ cấu chấp hành phải đảm bảo thuận lợi cho các chuyển động cũng như gá đặt cơ cấu cấp hành

2.1.7 Cơ cấu xoay cơ cấu chấp hành

Sử dụng giác hút kết hợp với động cơ hút chân không giúp tăng tốc độ gắp vật thể, không làm vật thể bị biến dạng do lực kẹp

đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:

2.3 THIẾT KẾ BĂNG TẢI

• Chọn băng tải có kích thước 160×20 mm

• Chọn động cơ hộp giảm tốc

• Sử dụng hộp giảm tốc trục vít bánh vít có tỉ số truyền i = 16

• Sử dụng động cơ DC giảm tốc có tốc độ động cơ nđc = 130 rpm

• Các bộ phận cơ khí được thiết kế với kích thước theo bản vẽ

Hình 2 10: Bản vẽ băng tải

Hình 2 11: Mô hình băng tải thực tế

• Tốc độ băng tải

vbt=µ 𝑛đ𝑐

𝑖 = 0.83×130×2×3.14

16×60 × 50 = 17.6 (mm/s) Trong đó: µ: hiệu suất chung của hệ thống truyền động

+ô =0.995:là hiệu suất ổ lăn

+br =0.97: là hiệu suất của bộ truyền đai

trong đó:  = ô br = 0.96 là hiệu suất truyền động

- Dòng chịu tải:1- 1.3A

- Góc bước: 1.8°/step

2.4.2 Tính chọn bộ truyền đai

a) Công suất trên các trục

Công suất trên trục động cơ: 𝑃1 = 25 W

Công suất trên trục công tác : 𝑃2= 𝑃1×ƞ = 85 × 0.96 = 24 W

b) Tốc độ quay trên các trục

Tốc độ quay trên trục động cơ: nđc = 200 (vg / ph )

Tốc độ quay trên trục công tác : n = nđc /3= 200/3× = 66 (vg / ph )

Ta chọn sử dụng bộ truyền đai có sẵn trên thị trường

Hình 2 13: Bộ truyền đai răng

❖ Ưu điểm :

• Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau ( <15m )

• Làm việc êm, không gây ồn nhờ vào độ dẽo của đai nên có thể truyền động với vận tốc lớn

• Nhờ vào tính chất đàn hồi của đai nên tránh được dao động sinh ra do tải trọng thay đổi tác dụng lên cơ cấu

• Nhờ vào sự trượt trơn của đai nên đề phòng sự quá tải xảy ra trên động cơ

• Kết cấu và vận hành đơn giản

❖ Nhược điểm :

• Bị trượt qua sự giãn nở của dây đai, qua đó không có tỷ lệ truyền chính xác

• Nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn

• Thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng cần thiết của dây đai

Ta chọn bộ truyền đai răng tỉ số truyền i = 3

2.5 ĐỘNG HỌC ROBOT DELTA

- Trước tiên, ta đặt một số thông số quan trọng của hình học của robot:

+f là Khoảng cách từ tâm O của bàn máy cố định tới trục mỗi động cơ, ở đây ta giả sử tâm O có cùng độ cao với trục các động cơ

+ e là khoảng cách từ tâm E bàn máy di động tới các trục thanh nối của bàn máy động + rf là chiều dài của khâu dẫn động

+ re là chiều dài của cấu trúc hình bình hành (tức chiều dài của khâu bị động)

Đây là các thông số vật lý được xác định để thiết kế của robot Khung tham chiếu sẽ được chọn với nguồn gốc ở trọng tâm của gá tam giác cố định, do đó, toạ độ z của gá khâu công tác kết thúc sẽ luôn luôn dương, như được hiển thị dưới đây:

Hình 2 14: Ký hiệu các tham số tính toán

Để chương trình xử lý động học robot được hiệu quả giảm sai số và dể dàng thiết lập cho vi điều khiển, nên ở đây ta sẽ thiết lập đơn giản động học robot bằng phương pháp hình học

2.5.1 Động học thuận robot:

Hình 2 15: Hình chiếu lên mặt phẳng OXY

Gọi J′′1, J′′2, J′′3 là hình chiếu của J1, J2, J3 lên mặt phẳng OXY

+ OF1 = OF2 = OF3 = 𝑓

+ J1J′1 = J2J′2 = J3J′3 = 𝑒

+ F1J′′1 = 𝑟𝑓cos Ɵ1, F2J′′2 = 𝑟𝑓cos Ɵ2, F3J′′3 = 𝑟𝑓cos Ɵ3,

+ J′1((𝑓 − 𝑒) + 𝑟𝑓cos Ɵ1; 0; 𝑟𝑓sin Ɵ1),

J′2(−[(𝑓 − 𝑒) + 𝑟𝑓cos Ɵ2] sin 30 ; [(𝑓 − 𝑒) + 𝑟𝑓cos Ɵ2] cos 30 ; 𝑟𝑓sin Ɵ2),

J′3(−[(𝑓 − 𝑒) + 𝑟𝑓cos Ɵ2] sin 30 ; −[(𝑓 − 𝑒) + 𝑟𝑓cos Ɵ2] cos 30 ; 𝑟𝑓sin Ɵ3),

x0 và y0 từ (2.6)

Chúng ta nên chọn gốc có góc Ɵ nhỏ nhất Ɵ1= Ɵ2= Ɵ3=0 Để xét vị trí gốc ban đầu tìm được tọa độ E0(x0,y0,z0)

2.5.2 Động học ngược robot:

• Ta gọi hình chiếu của E1 lên mặt phẳng XZ là E1’

Hình 2 16: Ký hiệu các tham số tính toán

• Ta xét mặt phẳng XZ và tính góc theta1:

Hình 2 17: Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ

Gọi tọa độ E0(x0,y0,z0)

Hình 2 18: Ký hiệu tọa độ tính toán

Ta có tọa độ E0 trong tọa độ mới OX’Y’ là:

𝐸0′ = Rot(z, 120)−1𝐸0 = [

− sin 1200

cos 1200

01

00

= [

𝑥0cos 120 + 𝑦0sin 120

− 𝑥0sin 120 + 𝑦0cos 120

𝑧01

] (2.9)

=> 𝐸0′ = (𝑥0cos 120 + 𝑦0sin 120 , − 𝑥0sin 120 + 𝑦0cos 120 , 𝑧0)

 Tương tự các bước tính theta1:

=> Vậy từ tọa độ E0(x0,y0,z0) ta tìm ra được 3 góc theta

Từ đây ta có thể tạo ra chương trình tính động học robot giúp robot hoạt động

Chương trình xác định 3 góc khi biết được tọa độ: ( viết bằng visual studio)

int delta_calcInverse(float x0, float y0, float z0, float &theta1, float &theta2, float

&theta3) {

theta1 = theta2 = theta3 = 0;

int status = delta_calcAngleYZ(x0, y0, z0, theta1);

if (status == 0) status = delta_calcAngleYZ(x0*cos120 + y0*sin120, x0*sin120, z0, theta2); // rotate coords to +120 deg

if (status == 0) status = delta_calcAngleYZ(x0*cos120 - y0*sin120, y0*cos120+x0*sin120, z0, theta3); // rotate coords to -120 deg

return status;

}

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Máy tính nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ webcam để tiến hành xử

lý ảnh tìm ra tọa độ ban đầu của vật thể để tìm ra tọa độ của vật thể sau khoảng thời gian t từ đó tự động tạo ra mã điều khiển, đồng thời cũng nhận các tín hiệu và chương trình từ người vận hành, các chương trình này thể hiện vị trí làm việc mong muốn cho robot được viết theo mã mà hệ thống quy định

Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính và giải

mã tín hiệu đồng thời thực hiện tính toán động học ngược robot truyền xung điều khiển đến các driver điều khiển động cơ để thực hiện điều khiển góc quay cho động cơ

và gửi xung điều khiển servo Bộ điều khiển còn thực hiện nhận các tín hiện phản hồi của các công tắc hành trình, nút nhấn để thực hiện các chức năng được đề ra cho bộ điều khiển

3.2 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG

3.2.1 Bộ điều khiển

Khối vi điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino Mega, nó đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống để điều khiển hệ thống Khối vi điều khiển bao gồm mạch tạo dao động thạch anh, mạch Reset để reset hệ thống lại trạng thái ban đầu Các chân của vi điều khiển sẽ được kết nối với các khối khác như rơ le, bàn phím, khối hiển thị, module sim Lưu trữ dữ liệu qua bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ dữ liệu ngay khi mất điện Toàn bộ dữ liệu mà ta thiết kế để điều khiển hệ thống khóa số đều được chứa trong bộ nhớ của vi điều khiển

Hình 3 1: Vi điều khiển

Arduino Mega 2560 là một vi điều khiển hoạt động dựa trên chip ATmega2560 Bao gồm:

• 54 chân digital (trong đó có 15 chân có thể được sủ dụng như những chân PWM là từ chân số 2 → 13 và chân 44,45,46)

• 6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3 (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21 (interrupt 2)

• 16 chân vào analog (từ A0 đến A15)

• 4 cổng Serial giao tiếp với phần cứng: