Thiết kế và chế tạo tay máy 3 bậc tự do vuông góc nhỏ gọn ứng dụng trong dân dụng

HỒ CHÍ MINH --- CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2018 TÊN CÔNG TRÌNH: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO VUÔNG GÓC NHỎ GỌN ỨNG DỤN

BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH

-

CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA

LẦN THỨ XX NĂM 2018

TÊN CÔNG TRÌNH: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO VUÔNG GÓC NHỎ GỌN ỨNG DỤNG TRONG DÂN DỤNG

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ

CHUYÊN NGÀNH: Kỹ thuật công nghệ

Mã số công trình: ………

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH ii

TÓM TẮT 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1 Lý do chọn đề tài 2

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phạm vi nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, quy mô và phạm vi áp dụng 2

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP 4

1 Mục tiêu 4

2 Phương pháp 4

PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 5

1 Kết quả thiết kế nguyên lý hoạt động của hệ thống 5

2 Kết quả thiết kế tay máy robot 3 bậc tự do 5

3 Kết quả thi công sản phẩm tay máy robot : gia công, lắp ráp, lập trình 7

PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 13

1 Kết luận 13

2 Đề xuất và kiến nghị 13

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Bản vẽ lắp tay máy robot 5

Hình 2 Kết cấu trục 1 của tay máy 6

Hình 3 Kết cấu trục 2 của tay máy 6

Hình 4 Kết cấu trục 3 của tay máy 7

Hình 5 Hình ảnh thực tế của tay máy hoàn chỉnh 8

Hình 6 Hình ảnh thực tế của mạch vi điều khiển R3 8

Hình 7 Hình ảnh thực tế của driver động cơ bước TB6560 9

Hình 8 Sơ đồ kết nối mạch điện giữa mạch vi điều khiển Arduino UNO và mạch công suất động cơ bước 9

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu và chế tạo tay máy đa năng mini truyền động bằng điện ứng dụng trong dân dụng Tay máy thay thế cho con người trong một số thao tác, giúp nâng cao độ tin cậy, năng suất và tiết kiệm thời gian củ người dân Tay máy có 3 bậc

tự do Tay máy gồm 3 chuyển động lần lượt là trượt, trượt, trượt Mỗi chuyển động được truyền động bằng trục visme, dẫn động bằng động cơ bước DC Hoạt động tự động của tay máy được điều khiển bằng chip vi điều khiển ATMega Tay máy sau khi được tính toán, thiết kế, chế tạo đã được lắp ráp và có thể hoạt động tốt trong hộ

gia đình

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Lý do chọn đề tài

Công nghiệp hoá và hiện đại hoá giúp cho nền công nghiệp tăng năng suất từ đó giúp một đất nước phát triển Trong một đất nước phát triển, con người thường phải làm việc nhiều hơn, thời gian ở công ty, xí nghiệp nhiều hơn ở nhà và dẫn đến một thực tế là con người không có thời gian làm việc nhà Một trong những giải pháp cho vấn đề này là tự động hoá dân dụng, ứng dụng IoT vào cuộc sống Tay máy đa na8nng

sẽ thay thế con người đảm nhận nhiều công việc tương ứng với các chương trình khác nhau Tay máy robot được truyền động bằng nhiều dạng năng lượng khác nhau: thuỷ lực, khí nén, điện Tuỳ vào mức độ tinh vi và ứng dụng mỗi nguồn truyền động có ưu điểm khác nhau Trong ứng dụng dân dụng, tay máy truyền động bằng điện thể hiện

có nhiều ưu điểm hơn tay máy truyền động bằng các dạng năng lượng khác vì những

lý do sau sạch, đáp ứng nhanh, dễ cung cấp, dễ chế tạo, đơn giản và oan toàn cho người sử dụng

Tay máy ứng dụng trong dân dụng được sản xuất nhiều trên thế giới và giá thành khá cao, vì thế đề tài này thực hiện việc thiết kế và chế tạo tay máy với giá thành thấp hơn rất nhiều và chủ động phát triển công nghệ trong nước Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tính toán, thiết kế, chế tạo tay máy ứng dụng trong đời sống dân dụng tại Việt Nam

3 Đối tượng nghiên cứu

Tay máy đa năng ứng dụng trong dân dụng

4 Phạm vi nghiên cứu

Tay máy đa năng ứng dụng trong dân dụng tại Việt Nam

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, quy mô và phạm vi áp dụng

Ý nghĩa khoa học: thiết kế, chế tạo được tay máy robot ứng dụng trong dân dụng

sẽ giải quyết được bài toán nguồn lao động trong việc nhà

Ý nghĩa thực tiễn: giải quyết được vấn đề thiếu nguồn nhân lực phục vụ trong công việc nhà, giúp con người có thời gian nghỉ ngơi để tái sức sản xuất lao động

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Tay máy robot được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến trong công nghiệp và dân dụng [1-6] Ưu điểm của tay máy là khả năng định vị chính xác, lặp lại chính xác và

có thể thay đổi chương trình cho phù hợp với yêu cầu thao tác với các đối tượng khác nhau Tuỳ theo mỗi ứng dụng cụ thể, kết cấu cơ khí robot, các cảm biến trang bị, chương trình được thiết kế tương ứng phù hợp Trong các ứng dụng cần sự tinh vi, khéo léo, tay gắp robot truyền động bằng điện được sử dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm

dễ chế tạo, đáp ứng nhanh, đơn giản, điều khiển chuyển động phức tạp [6] Có nhiều kiểu thiết kế cấu trúc cơ khí tay gắp robot được nghiên cứu và trình bày trong tài liệu [3] Tay gắp 3 bậc tự do có vùng không gian làm việc là khối hình hộp hoặc cấu trúc kiểu toạ độ trụ Tuỳ mỗi ứng dụng mà cấu trúc cơ khí được thiết kế cho phù hợp [3] Năm 2007, đề tài “Ứng dụng camera trong điều khiển tay máy gắp sản phẩm nhựa” đoạt giải ba giải thưởng Vifotec năm 2006, giải ba giải thưởng SV nghiên cứu khoa học của Bộ Giáo dục - đào tạo do TS Bùi Thanh Luân hướng dẫn

Vì những lý do trên, thiết kế và chế tạo tay máy đa năng ứng dụng trong dân dụng được điều khiển sử dụng chip vi điều khiển là thực sự cần thiết trong việc giải quyết bài toán nguồn nhân lực làm việc nhà

PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP

1 Mục tiêu

- Thiết kế kết cấu cơ khí tay máy đáp ứng được yêu cầu gắp vật, thả vật, thao tác khéo léo trong các công việc nhà giống con người Từ đây xây dựng được bản

vẽ thiết kế tay máy

- Chế tạo kết cấu cơ khí tay máy dựa trên bản vẽ thiết kế Thiết kế và thi công bộ điều khiển hoạt động của tay máy Lắp ráp và hoàn thiện tay máy

- Chạy thử và kiểm tra sự chính xác, hiệu quả, độ an toàn của tay máy đối với con người và thiết bị xung quanh trong môi trường sống

2 Phương pháp

- Phương pháp tính toán lý thuyết áp dụng trong việc tính kết cấu tay máy

- Phương pháp thiết kế cơ khí sử dụng phần mềm Autocad

- Phương pháp chế tạo chi tiết máy và lắp ráp máy

- Nghiên cứu lập trình hệ thống điện điều khiển tay máy chuyển động

- Phương pháp kiểm tra và đánh giá độ tin cậy của tay máy

PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN

1 Kết quả thiết kế nguyên lý hoạt động của hệ thống

Định hướng ứng dụng của tay máy dùng để gắp, thao tác trong việc gia đình như xếp dụng cụ, ly tách, chén bát, nấu ăn Tay máy robot được ứng dụng trong đời sống dân dụng sẽ giúp giảm bớt việc sử dụng sức lao động của con người vào quá trình làm việc nhà, năng cao khả năng tái sản xuất sức lao động, tăng thời gian nghỉ ngơi

và thời gian học tập nâng cao trình độ từ đó tăng hiệu quả của công việc

Nguyên lý hoạt động: tay máy 3 bậc tự do được truyền động bằng 3 trục visme (xem hình 1), dẫn động bằng 3 động cơ bước DC Ba chuyển động thẳng này sẽ tạo

ra vùng không gian làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật có kích thước theo chiều dài × rộng × cao tương ứng lần lượt là 350 × 250 × 250 (mm)

Kích thước bao của tay gắp theo chiều dài × rộng × cao lần lượt là 420 × 310 ×

300 (mm)

Hình 1 Bản vẽ lắp tay máy robot

2 Kết quả thiết kế tay máy robot 3 bậc tự do

Bản vẽ lắp 3D của tay máy được thể hiện trong hình 1 Các bản vẽ cụm chi tiết thể hiện trong hình 2, 3, 4

Hình 2 Kết cấu trục 1 của tay máy Kết cấu tay máy được thiết kế 3D sử dụng phần mềm Solidwork Hình 5 mô tả

mô hình 3D của tay máy

Hình 3 Kết cấu trục 2 của tay máy

Hình 4 Kết cấu trục 3 của tay máy

3 Kết quả thi công sản phẩm tay máy robot : gia công, lắp ráp, lập trình

Kết quả gia công chế tạo các chi tiết cơ khí thành sản phẩm thực tế như thể hiện trong hình 5 Vật liệu chế tạo các chi tiết cơ khí là thép, khung gá các trục là mica tấm dày 10 mm

Cơ cấu cánh tay robot điều khiển bằng vi điều khiển sử du ̣ng adruino R3, điều khiển đô ̣ng cơ bước bằng driver TB6560

Arduino Uno R3 (hình 6) là dòng cơ bản, linh hoạt, thường được sử dụng cho

người mới bắt đầu Bạn có thể sử dụng các dòng Arduino khác như: Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino Micro… Nhưng với những ứng dụng cơ bản thì mạch Arduino Uno là lựa chọn phù hợp nhất

Hình 5 Hình ảnh thực tế của tay máy hoàn chỉnh

Hình 6 Hình ảnh thực tế của mạch vi điều khiển R3

Modul điều khiển động cơ bước TB6560 (Hình 7) là module chuyên dụng để điều khiển các loại động cơ bước lưỡng cực Module có các chế độ điều khiển full bước, nửa bước và vi bước

Hình 7 Hình ảnh thực tế của driver động cơ bước TB6560 Mạch điện kết nối giữa mạch vi điều khiển và 3 mạch công suất điều khiển động cơ bước, 3 động cơ bước được thể hiện trong hình 8

Hình 8 Sơ đồ kết nối mạch điện giữa mạch vi điều khiển Arduino UNO và mạch

công suất động cơ bước

Chương trình điều khiển hoạt động của tay máy được viết dựa trên ngôn ngữ lập trình C trên máy tính Sau đó nạp vào chip vi điều khiển Chương trình trong chip vi điều khiển vận hành hoạt động của tay máy Chương trình điều khiển hoạt động tay máy robot được thể hiện chi tiết như sau:

#include <Arduino.h>

#define ENA_X

#define DIR_X

#define CLK_X

#define ENA_Y

#define DIR_Y

#define CLK_Y

#define ENA_Z

#define DIR_Z

#define CLK_Z

(STEPS_PER_ROTATION_X/BUOC_VITME)

(STEPS_PER_ROTATION_Y/BUOC_VITME)

(STEPS_PER_ROTATION_Z/BUOC_VITME)

float x_current,y_current,z_current;

float x_expect, y_expect, z_expect;

unsigned long step_x, step_y, step_z;

float max_size[3] = {};

float min_size[3] = {};

void setup()

{

pinMode(ENA_X,OUTPUT);

pinMode(DIR_X,OUTPUT);

pinMode(CLK_X,OUTPUT);

digitalWrite(ENA_X,HIGH);

pinMode(ENA_Y,OUTPUT);

pinMode(DIR_Y,OUTPUT);

pinMode(CLK_Y,OUTPUT);

digitalWrite(ENA_Y,HIGH);

pinMode(ENA_Z,OUTPUT);

pinMode(DIR_Z,OUTPUT);

pinMode(CLK_Z,OUTPUT);

digitalWrite(ENA_Z,HIGH);

homing();

}

void loop()

{

set_site(10,10,10);

while(1);

}

void homing()

{

homing_x();

homing_y();

homing_z();

}

void set_site(float x_pos, float y_pos, float z_pos)

{

float dx = (x_expect - x_current);

if (dx > 0)

digitalWrite(DIR_X,HIGH); else

digitalWrite(DIR_X,LOW);

step_x = abs((long) dx * STEPS_X_PER_MM); float dy = abs((y_expect - y_current));

if (dx > 0)

digitalWrite(DIR_X,HIGH); else

digitalWrite(DIR_X,LOW); step_y = (long)dy * STEPS_Y_PER_MM;

float dz = (z_expect - z_current);

if (dx > 0)

digitalWrite(DIR_X,HIGH); else

digitalWrite(DIR_X,LOW); step_x = abs((long)dz * STEPS_z_PER_MM); }

void step_service()

{

while(step_x) {

digitalWrite(CLK_X,HIGH);

digitalWrite(CLK_X,LOW); delayMicroseconds(500);

step_x ;

} x_current = x_expect;

while(step_y) {

digitalWrite(CLK_Y,HIGH); digitalWrite(CLK_Y,LOW); delayMicroseconds(500);

step_y ;

} y_current = y_expect;

while(step_z) {

digitalWrite(CLK_Z,HIGH); digitalWrite(CLK_Z,LOW); delayMicroseconds(500);

step_z ;

} z_current = z_expect;

}

}

PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ

1 Kết luận

Đề tài nghiên cứu và chế tạo tay máy đa năng mini truyền động bằng điện ứng dụng trong dân dụng Tay máy thay thế cho con người trong một số thao tác, giúp nâng cao độ tin cậy, năng suất và tiết kiệm thời gian củ người dân Tay máy có 3 bậc

tự do Hoạt động của tay máy được điều khiển mạch Arduino (chip vi điều khiển ATmega) Tay máy sau khi được chế tạo và lắp ráp đã hoạt động đúng yêu cầu thiết

kế Tốc độ chuyển động có thể điều chỉnh được cho phù hợp với từng ứng dụng trong thực tế

2 Đề xuất và kiến nghị

Kết nối internet để có thể điều khiển và kiểm soát hoạt động tay máy từ xa Truyền động cho 3 chuyển động tay máy sử dụng động cơ servo, bộ điều khiển PID và trục visme Động cơ servo và bộ điều khiển PID giúp các chuyển động đáp ứng nhanh, không vọt lố và giảm tốc, dừng đúng vị trí mong muốn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 M Vukobratović D Stokić, 1988, ‘Application of robots in assembly automation, Journal of Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,’ Vol 4, Issues 1-2, pp 175-180

2 Kesheng Wang Terje K.Lien, 1989, ‘The structure design and kinematics of a robot manipulator - I Theory, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,’ Volume

5, Iss 2 - 3, pp 153-158

3 Craig, J J., 1989, ‘Introduction to Robotics, Mechanics and Control’, 2nd Edition, AddisonWesley

4 Sciavicco, L., and Siciliano, B., 1996 ‘Modeling and Control of Robot Manipulators,’ 2nd Edition, McGraw-Hill

5 Milind R Shinde, V N Bhaiswar, B G Achmare, 2016 ‘Designing a suitable robotic arm for loading and unloading of material on lathe machine using workspace simulation software’’

6 S Premkumar, K.Surya Varman, R Balamurugan, 2016, ‘Design and Implementation of multi handling Pick and Place Robotic Arm’

7 Rakesh.N, Pradeep Kumar.A, Ajay.S, 2013 ‘Design and Manufacturing of Low Cost Pneumatic Pick And Place Robot,’ Int Journal of Scientific & Technology Research Vol 2, Iss 8

8 Mạch vi điều khiển Arduino Mega: https://www.arduino.cc/