Thiết kế và chế tạo robot delta

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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA

Giáo viên hướng dẫn: TS LÊ HOÀI NAM Sinh viên thực hiện: PHAN HUY THÀNH

Số thẻ sinh viên: 101130180

Lớp: 13CDT1

Đà Nẵng, 6/2018

I Thông tin chung:

1 Họ và tên sinh viên: PHAN HUY THÀNH

3 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta

4 Người hướng dẫn: LÊ HOÀI NAM Học hàm/ học vị: Tiến sĩ

V Thông tin chung:

5 Họ và tên sinh viên: PHAN HUY THÀNH

7 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta

8 Người phản biện: NGUYỄN DANH NGỌC Học hàm/ học vị: Tiến sĩ

VI Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

tối đa

Điểm trừ

Điểm còn lại

1 Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải

1a - Hiểu và vận dụng được kiến thức Toán và khoa học tự nhiên trong vấn đề nghiên cứu 15

1b - Hiểu và vận dụng được kiến thức cơ sở và chuyên ngành trong vấn đề nghiên cứu 25

1c - Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm mô phỏng,

tính toán trong vấn đề nghiên cứu 10

1d - Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài ứng

dụng trong vấn đề nghiên cứu 10

1e - Có kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn đề 10

1f - Đề tài có giá trị khoa học, công nghệ; có thể ứng dụng

2a - Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc tích 15

2b - Thuyết minh đồ án không có lỗi chính tả, in ấn, định dạng 5

3 Tổng điểm đánh giá: theo thang 100

Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)

3 Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung:

1 Họ và tên sinh viên: PHAN HUY THÀNH

3 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta

4 Người phản biện: NGUYỄN DANH NGỌC Học hàm/ học vị: Tiến sĩ

II Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời

1 ……….……….…… ………

………

2 ……… ………

………

Đáp án: (người phản biện ghi vào khi chấm và nộp cùng với hồ sơ bảo vệ) 1 ……….……….…… ………

………

………

………

2 ……… ………

………

………

………

………

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018

Người phản biện

TS Nguyễn Danh Ngọc

TÓM TẮT

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA

Họ và tên sinh viên: PHAN HUYTHÀNH

Số thẻ sinh viên : 101130180

Lớp : 13CDT1

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 có kết hợp xử lý ảnh Dựa trên những phương pháp cơ bản đó ta 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

Chương 1: Tổng quan về robot Delta Chương này chủ yếu cung cấp cho người đọc cái nhìn ban đầu về robot Delta, từ lịch sử phát triển, đến lợi thế của nó so với các robot

thông thường khác, các ứng dụng của nó trong đời sống và trong công nghiệp, đồng thời cũng khái quát sơ đồ tổng quan về hệ thống, đặt ra vấn đề để xây dựng robot Delta ứng dụng trong công nghiêp

Chương 2: Thiết kế cơ khí Chương này, ta sẽ phân tích cấu trúc lựa chọn 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, xậy dựng phương trình bắt điểm trên băng tải để áp dụng vào chương trình điều khiển 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 diều 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

Cuối cùng là đánh giá kết luận và rút ra hạn chế kinh nghiệm để có hướng phát triển đề tài

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Phan Huy Thành Số thẻ sinh viên: 101130180

Lớp: 13CDT1 Khoa: Cơ Khí Ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

1 Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo robot Delta

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:

……… ……… ……

………

… ……….… ……… ………

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

… ………

… ………

… ………

6 Họ tên người hướng dẫn: TS.Lê Hoài Nam

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …… /01/2018

8 Ngày hoàn thành đồ án: …… /06/2018

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018

Trưởng Bộ môn

TS Võ Như Thành

Người hướng dẫn

TS Lê Hoài Nam

I

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 Nguyễn Danh Ngọc và thầy giáo TS Lê Hoài Nam, 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

Phan Huy Thành

Đề tài: Thiết kế và chế tạo Robot Delta

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

Phan Huy Thành

III

MỤC LỤC

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 GIỚITHIỆUCHUNGVỀROBOTDELTA 2

1.1.1 Khái niệm cơ bản 2

1.1.2 Ứng dụng của robot delta 3

1.2 TỔNGQUANVỀHỆTHỐNG 5

1.2.1 Cấu trúc cơ bản 5

1.2.2 Đặt vấn đề 6

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 8

2.1 PHÂNTÍCHCẤUTRÚC 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 10

2.1.4 Hệ hình bình hành 10

2.1.5 Giá động cơ 11

2.1.6 Gá cơ cấu chấp hành 11

2.1.7 Cơ câu tay kẹp 12

2.2 MÔHÌNHTỔNGQUAN 12

2.3 THIẾTKẾHỆDẪNĐỘNGROBOT 14

2.3.1 Tính chọn động cơ 14

2.3.2 Thiết kế bộ truyền bánh răng 15

2.3.3 Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng 19

2.4 ĐỘNGHỌCROBOTDELTA 23

2.4.1 Động học thuận robot: 25

2.4.2 Động học ngược robot: 27

CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 30

3.1 CẤUTRÚCHỆTHỐNGĐIỀUKHIỂN 30

3.2 CÁCTHÀNHPHẦNCHÍNHTRONGHỆTHỐNG 30

3.2.1 Bộ điều khiển 30

3.2.2 Driver A4988 32

3.2.3 Động cơ bước: 33

3.3 SƠĐỒNGUYÊNLÝMẠCH 34

3.4 FILEMẠCHIN 35

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 36

4.1 LÝTHUYẾTXỬLÝẢNH 36

4.1.1 Các kiểu ảnh, các thao tác ảnh cơ bản 36

4.1.2 Các hàm chuyển đổi kiểu ảnh 37

4.1.3 Loại bỏ nhiễu 41

4.2 LƯUĐỒXỬLÝẢNHBẮTĐIỂMTRONGMATLAB 45

4.3 XỬLÝẢNHTRONGMATLAB 46

4.3.1 Khởi tạo video 46

4.3.2 Các bước chính xử lý ảnh dò tìm đối tượng 46

4.3.3 Chương Trình cơ bản xử lý dõi theo đối tượng trong Matlab 48

4.4 THIẾTLẬPPHƯƠNGTRÌNHBẮTĐIỂMTRÊNBĂNGTẢI 50

4.5 NGUYÊNLÝHOẠTĐỘNGCỦAHỆTHỐNG 51

4.6 SƠĐỒTHUẬTTOÁNĐIỀUKHIỂN 53

4.7 CHƯƠNGTRÌNHPHẦNMỀM 54

4.7.1 Chương trình cho mạch điều khiển 54

4.7.2 Lập trình giao diện trên Matlab 55

KẾT LUẬN 58

HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN 61

PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH TRONG MATLAB 65

V

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3.1: Bảng thông số cơ bản của Nano 31

Bảng 3.2: Bảng thông số 5 chế độ của Driver A4988 32

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 liên quan đến hệ thống robot 5

Hình 2.1: Cơ cấu robot Delta 2 bật tự do 8

Hình 2.2: Cơ cấu robot Delta 3 bật tự do 8

Hình 2.3: Cơ cấu dẫn động trực tiếp 9

Hình 2.4: Cơ cấu dẫn động gián tiếp bằng bộ truyền bánh răng 9

Hình 2.5: Hệ khớp dẫn động 10

Hình 2.6: Hệ hình bình hành 10

Hình 2.7: Gá động cơ 11

Hình 2.8: Gá cơ cấu chấp hành 11

Hình 2.9: Cơ cấu tay kẹp 12

Hình 2.10: Hình chiếu Đứng của mô hình 12

Hình 2.11: Hình chiếu không gian 13

Hình 2.12: ký hiệu các tham số tính toán 24

Hình 2.13: Hình chiếu lên mặt phẳng OXY 25

Hình 2.14: ký hiệu các tham số tính toán 27

Hình 2.15: Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ 28

Hình 2.16: ký hiệu tọa độ tính toán 29

Hình 3.1: Sơ đồ khối phần cứng Mạch điều khiển 30

Hình 3.2: Module Arduino Nano 31

Hình 3.3: Driver A4988 32

Hình 3.4:Động cơ bước 33

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý 34

Hình 3.6: file in mạch 35

Hình 4.1: Đọc ảnh 42

Hình 4.2: Tạo nhiễu cho ảnh 42

Hình 4.3: Lọc nhiễu với bộ lọc trung bình 43

Hình 4.4: Lọc nhiễu với bộ lọc median 43

Hình 4.5: Ảnh gốc và Ảnh kết quả 44

Hình 4.6: lưu đồ xử lý ảnh bắt điểm trong matlab 45

Hình 4.7: Ảnh data (RGB) 46

Hình 4.8: Ảnh redFrame 46

Hình 4.9:Ảnh cường độ đen trắng 47

Hình 4.10: Ảnh diffFrame 47

Hình 4.11: Ảnh diffFrame khi dùng hàm medfilt2 47

Hình 4.12: Ảnh nhị phân 48

Hình 4.13: Tọa độ bắt điểm 50

Hình 4.14: Sơ đồ thuật toán chương trình chính cho mạch điều khiển 53

Hình 4.15: Chương trình chính mạch điều khiển 54

Hình 4.16: Giao diện GUI điều khiển và thu thập dữ liệu từ mạch điều khiển 56

Hình 4.17: Giao diện GUI giao tiếp Webcam 56

Hình 4.18: Đoạn Chương trình giao tiếp Uart từ mạch điều khiển của Giao diện GUI 57

Hình 5.1: Mô hình Robot Delta 58

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 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 mấy 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 (bảng, băng tải

và vv) Động cơ thiết lập vị trí của cánh tay do đó, các vị trí tọa độ XYZ được điều chỉnh phù hợp

Lợi thế cót 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 đông 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

Một loại robot được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta Robot Delta được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập niên 1980 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

1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.2.1 Cấu trúc cơ bản

Hình 1.6 Các thành phần chính liên quan đến hệ thống robot

Hệ thống robot Delta được xây dựng từ các thành phần chính như: các khâu robot,

hệ thống dẫn động, máy tính, Dụng cụ thao tác……Mối liên hệ giữa các thành phần của robot được thể hiện như hình 1.6

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

ở đây ta dùng dạng tay kẹp được sử dụng để kẹp 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, servo, tạo nên sự chuyển động của robot

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(CPU) Bộ Điều Khiển Hệ thống dẫn động Các khâu robot

Máy tính(CPU) 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 giải phương trình bắt điểm 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 Các

mã điều khiển này bao gồm hai loại chính: tín hiệu điều khiển cứng như các nút nhấn start/stop,mã lấy tọa độ vị trí …và mã điều khiển mở Tín hiệu điều khiển cứng này được truyền tức thời khi có nhấn nút trên giao diện giao tiếp, còn mã điều khiển mở là mã được hệ thống quy định nhưng người vận hành có thể nhập vào thông qua giao diện giao tiếp tùy theo yêu cầu làm việc cho robot các mã điều khiển này được truyền tuần tự đến

bộ điều khiển để bộ điều khiển tiến hành xử lý như đã nêu

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(CPU) và chương trình điều khiển cho bộ điều khiển Chương trình giao tiếp trên máy tính(CPU) 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(CPU) 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 bằng bằng các mã đơn giản do hệ thống quy định thông qua giao diện giao tiếp trên máy tính mà không cần can thiệp chỉnh sửa phần mềm Ngoài ra để năng 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 đém 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, đồng thời vẫn đưa vật thể đến vị trí có thể cài đặt được thông qua giao diện giao tiếp Để có thể thực hiện các yêu cầu đề ra ta cần phải giải quyết các vấn đề sau:

• Thứ nhất, nếu chúng ta biết được vị trí mong muốn của cơ cấu chấp hành(ví dụ, chúng ta muốn gắp vật ở điểm có tọa độ X, Y, Z), chúng ta cần phải xác định 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, để thuận tiện cho người vận hành ta cần tạo ngôn ngữ dạy học cho robot hay có thể gọi là ngôn ngữ dùng để giao tiếp giữ người vận hành với hệ thống điều khiển của robot, sao cho hệ thống có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người vận hành cài đặt mà không cần can thiệp chỉnh sửa phần mềm điều khiển

• Thứ ba, tìm được tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải thông qua phương trình bắt điểm bằng 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

Các loại robot Delta phổ biến gồm robot Delta 2 bậc tự do (hình 2.1) và robot Delta 3 bậc tự do (hình 2.2)

Hình 2.1: Cơ cấu robot Delta 2 bật tự do

Hình 2.2: Cơ cấu robot Delta 3 bật 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 bật

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

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

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 (hình 2.3) và dẫn động gián tiếp qua hệ truyền bánh răng (hình 2.4)

Hình 2.3: Cơ cấu dẫn động trực tiếp

Hình 2.4: Cơ cấu dẫn động gián tiếp bằng bộ truyền bánh răng

Trong 2 phương án thiết kế thì phương án bộ truyền bánh băng tạo lực nâng đảm bảo cho cơ cấu tuy nhiên sẽ giảm tốc độ của robot

Hộp giảm tốc bánh răng trụ có hiệu suất truyền không cao, có tỉ số kích thước trên tỉ số truyền lớn,độ chính xác không cao,tỉ số truyền thấp, trong các robot có yêu cầu kết cấu nhỏ, độ chính xác cao thường không sử dụng Tuy nhiên với ưu điểm kết cấu cơ khí đơn giản, 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 bánh răng trụ vẫn được dùng phổ biến cho các tay máy công nghiệp.Nhưng để robot hoạt động ổn định thì ta chọn phương án 2

2.1.5 Giá động cơ

Hình 2.7: Gá động cơ

Gá động cơ được sử dụng để cố định động cơ cũng như cơ cấu truyền động được thiết kế bằng vật liệu tấm 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 2.8: Gá cơ cấu chấp hành

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

2.1.7 Cơ câu tay kẹp

Hình 2.9: Cơ cấu tay kẹp

Cơ cấu tay kẹp kiểu ngàm giúp tăng chiều rộng có thể kẹp đồng thời giúp phương tiến tay kẹp luôn luôn vuông góc với phương thẳng đứng giúp đảm bảo vật thể được ôm chặt và không bị lệch trong quá trình kẹp

2.2 MÔ HÌNH TỔNG QUAN

Hình 2.10: Hình chiếu Đứng của mô hình

Hình 2.11: Hình chiếu không gian

Số bậc tự do

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do

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

+ô =0.995:là hiệu suất ổ lăn

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

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

Từ bảng thông kê ta chọn được motor RSMZ đáp ứng được đầy đủ yêu cầu cho 3 khớp cánh tay

2.3.2 Thiết kế bộ truyền bánh răng

a) Công suất trên các trục

Công suất trên trục động cơ: 𝑃1 = 0.387 kW

Công suất trên trục công tác : 𝑃2= 𝑃1*ƞ = 0.387 * 0.96 = 0.371(kw)

b) Tốc độ quay trên các trục

Tốc độ quay trên trục động cơ: ndc = 5000 (vg / ph )

Tốc độ quay trên trục II : n2 = ndc /i= 5000/5 =1000 (vg / ph )

c) Momen xoắn trên các trục tính theo công thức sau

MX = 2

60.106.

+nt:số vòng quay tính toán của các trục (v/p)

● MI =

5000

387.0.10.55,

=3543.1 (N.mm)

d) Chọn vật liệu

Vì hộp giảm tốc chịu công suất trung bình nên ta chỉ cần chọn vật liệu nhóm I (HB≤350)

Để tăng khả năng chạy mòn ta nên chọn vật liệu bánh nhỏ có độ rắn lớn hơn bánh lớn

Ta xét độ bền tiếp xúc của mặt răng làm việc và độ bền uốn chân răng thông qua

ứng suất Ứng suất cho phép được xác đinh theo công thức:

[σH] = σHlimo

SH ZR .ZV KXH KHL (2.3) [σF] = σFlimo

SF YR .YS KXF KFL KFC (2.4) trong đó:

[σH] - Ứng suất tiếp xúc cho phép

ZR - Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ nhám bề mặt răng

ZV - Hệ số xét đến ảnh hưởng của vận tốc vòng, Zv = 0,85v0.1 (với HB ≤350)

KXH - Hệ số xét đến ảnh hưởng của kích thước bánh răng

KHL - Hệ số tuổi thọ

[σF] - Ứng suất uốn cho phép

YR - Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ nhám mặt lượn chân răng

Ys - Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ nhạy vật liệu với tập trung ứng suất

KXF - Hệ số xét đến ảnh hưởng của kích thước bánh răng

KXL - Hệ số tuổi thọ

KFC - Hệ số xét đến ảnh hưởng đặt tải

- Chọn sơ bộ: ZR .ZV KXH = 1

YR .YS KXF = 1

- SH,SF hệ số an toàn khi tính về ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn

Tra bảng 6.2/94 [1]ta được:

+mH mF: Bậc của đường cong mỏi khi thử về tiếp xúc và uốn

Khi HB ≤ 350 chọn mH = mF =6

+ NHO, NFO: Số chu kỳ thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp xúc và uốn

NHO1=30 HHB2,4 = 30*1802.4 = 7.76 106

NHO2=30 HHB2,4 = 30*1702.4 = 6.76 106

NFO = 4 106 (đối với tất cả các loại thép)

+NHE,NFE: Số chu kỳ thay đổi ứng suất tương đương

Do bộ truyền chịu tải trọng tĩnh => NHE = NFE=60cntΣ

c: Số lần ăn khớp trong 1 vòng quay c=1 n: Số vòng quay trong 1 phút n = 219,2 (v/ph)

tΣ: Tổng số giờ làm việc của bánh răng đang xét:

tΣ =6 năm x 365 ngày x 8h = 17520(h)

NHE1 = NFE1= 60.c.n.tΣ = 60.5000 17520 = 5,256.109( chu kỳ)

NHE2 = NFE2 = 60.c.n.tΣ = 60.1000 17520 = 1,051.109( chu kỳ)

- Ta thấy:

• NHE1 > NHO1, NHE2 > NHO2 do vậy ta lấy NHE1 = NHO1, NHE2 = NHO2 để tính, do đó

hệ số tuổi thọ xét đến ảnh hưởng của thời hạn phục vụ và chế độ tải trọng của bộ

- Vì sử dụng bánh răng thẳng nên [σH]=min([σH1], [σH2]) = 373 (MPa)

g) Ứng suất uốn cho phép

Cánh tay robot quay 2 chiều nên tải trọng đặt 2 chiều → KFC = (0,7 0,8)

h) Ứng suất cho phép khi quá tải

Bánh răng tôi cải thiện nên:

+ Ψba: Tỉ số giữa chiều rộng răng và khoảng cách trục

Tra bảng 6.6 ta chọn Ψba = 0,4

+ Ka: Hệ số phụ thuộc vào vật liệu của cặp bánh răng và loại răng

Tra bảng 6.5 [1] ta chọn Ka = 25 (MPa1/3)

+ TI: Momen xoắn trên bánh chủ động TI =739.2 (N.mm)

+[σH]: Ứng suất tiếp xúc cho phép của bộ truyền  σH = 373(MPa)

2.3.3 Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng

a) Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc

Ứng suất tiếp xúc hiện trên bề mặt răng của bộ truyền phải thỏa mãn điều kiện sau:

σH = ZM ZH Zε.√2 TI KH ( u+1)

bw un dw12 ≤ [σH] (2.26) trong đó:

- ZM: Hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp Tra bảng 6.5 [1] : ZM = 47,5(MPa)1/3

- ZH: Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc: ZH = 1,62

Zε=√4 - εα

3 =√

4 -1,64

3 = 0,9 trong đó:

- KH: Hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc KH= KHβ KHα KHv

Với: +KHβ: Hệ số kể đến sự phân bố không đều trên chiều rộng vành răng

+ KHv: Hệ số kể đến tải trọng động suất hiện trong vùng ăn khớp:

KHv = 1 + VH bw dw1

2 T1 KHβ.KHα Với

σH= 47,5 1,62 0,9 √2 739,2 1,26 (5 +1)

4 5 82 = 205 (MPa)

- Xác định chính xác ứng suất tiếp xúc cho phép:

Với v=2.1≤5(m/s)→Zv=1; với cấp chính xác động học là 9, chọn cấp chính xác về mức tiếp xúc là 8, khi đó cần gia công độ đạt độ nhám Ra=2,5…1,25µm, do đó ZR=0,95; với da < 700mm →KxH=1.Vậy ứng suất tiếp xúc cho phép chính xác là: [σH]cx = [σH] ZR .ZV KXH = 373 ∗ 0.95 = 354

Kiểm nghiệm: σH = 205 < [σH]min =354

Chênh lệch ∆σH ∆σH= |σH- [σH ]

[σH] 100%| = |205 - 354354 100%| = 42%

→ thỏa mãn điều kiện ứng suất tiếp xúc

b) Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn

Để đảm bảo độ bền uốn cho răng, ứng suất uốn sinh ra tại chân răng không được vượt quá một giá trị cho phép:

αF1 = 2 TI KbF Yε Yβ YF

w dw m ≤ [αF3] (2.27)

αF2 =YF2 αF3

YF1 ≤ [αF4] (2.28) trong đó:

- TI: Mômen xoắn trên bánh chủ động TI = 739,2(N.mm)

- Y: Hệ số kể đến độ nghiêng của răng: Y =β 1 vì răng thẳng  = 0

- YF

1, YF 2: Hệ số dạng răng của chúng phụ thuộc vào số răng tương đương và

KF= KFβ KFα KFv +KFβ: Hệ số kể đến sự phân bổ không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng khi tính về uốn Tra bảng 6.7 [1] chọn KFβ = 1,17

+ KFα: Hệ số kể đến sự phân bổ không đều tải trọng cho các đôi răng đồng thời

ăn khớp khi tính về uốn Tra bảng 6.14 chọn KFα= 1,37

+ KFv: Hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp khi tính về uốn

KFv = 1+ VF bw3 dw3

2 TI KFβ.KFα Với

VF=δF go.v.√aw2

uTra bảng 6.15 chọn: F = 0,011: Hệ số kể đến sự ảnh hưởng của sai số ăn khớp Tra bảng 6.16 chọn: g0 = 73: Hệ số kể đến sự ảnh hưởng sai lệch bước răng

Xác định chính xác độ bền uốn cho phép:

Trong tính toán sơ bộ, ta chọn Y R K x F YS = 1, bây giờ ta xác định chính xác ứng

suất uốn cho phép thông qua chọn lại chính xác các hệ số Y R K x F YS

Chọn K x F =1 (vì đường kính các bánh răng d mm a  400 )

Y R = 1 (bánh răng phay) Ys = 1,08 - 0,0695.ln( m) = 1,08 - 0,0695.ln(0.5) =1,23

[σF1]cx = [σF1] YR .YS KXF = 324 ∗ 1.23 = 399(MPa) [σF2]cx = [σF2] YR .YS KXF = 306 ∗ 1.23 = 376(MPa) Nhận thấy:

σF1= 384 (MPa) < [σF1]=399(MPa)

σF2= 326 (MPa) < [σF2]=376(MPa)  Vậy thoả mãn điều kiện độ bền uốn

c) Kiểm nghiệm răng về quá tải

Khi làm việc răng có thể bị quá tải (ví dụ như lúc mở máy, hãm máy ) với hệ số quá tải:

Kqt = Tmax

T (2.29)

trong đó:

Tmax: Mô men xoắn khi quá tải

T : Mô men xoắn danh nghĩa

Vì vậy cần kiểm nghiệm răng về quá tải dựa vào ứng suất tiếp xúc cực đại và ứng suất uốn cực đại:

Kqt = Tmax

T =

Kbd TI

TI = Kbd = 1,15

Để đánh giá biến dạng dư hoặc gãy dòn lớp bề mặt, ứng suất tiếp xúc cực đại Hmax

không được vượt quá một giá trị cho phép [H]max = 1260(MPa)

σHmax = σH √Kqt =373.√1,15 = 400 (MPa)< [σH]max = 1260 ( MPa) (2.30)

=> Thoả mãn điều kiện quá tải

Để đề phòng biến dạng dư hoặc phá hỏng tĩnh trên mặt lượn chân răng, ứng suất tiếp xúc cực đại Hmax không được vượt quá một giá trị cho phép [F]max

Fmax1 = F1 Kqt = 324.1,15 =372.6 < [F]max =464(MPa) (2.31) Fmax2 = F2 Kqt = 306.1,15 =352 < [F]max =360(MPa)

=> Thỏa mãn điều kiện quá tải

2.4 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 2.12: 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

2.4.1 Động học thuận robot:

Hình 2.13: 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), + E0J′

2 (2.36) +Ta có hệ phường trình (2.35) và (2.36) giải hệ ta đươc:

x = 𝑎1z + 𝑏1 và y = 𝑎2z + 𝑏2 (2.37) Trong đó:

+Thay (2.37) vào (2.32) ta có phương trình bât 2 sau:

(𝑎12+ 𝑎2 + 1)𝑧 2 + 2(𝑎2𝑏2+ 𝑎1[𝑏1− 𝑥1] − 𝑧1)𝑧 + (𝑏22+ (𝑏1− 𝑥1) 2 + 𝑧1 − 𝑟𝑒 ) = 0 (2.38)

Cuối cùng, chúng ta cần giải phương trình bậc hai (2.38) và tìm z0 và sau đó tính x0 và y0 từ (2.37)

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)

2.4.2 Động học ngược robot:

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

Hình 2.14: ký hiệu các tham số tính toán