Với thực trạng trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp dùng tay máy cho bài toán lƣu trữ, trích xuất bình gas trong hệ trong phân phối ” nhằm mục đích cải thiện điều kiện làm [r]
Trang 1TRƯỜNG 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
Trang 2TRƯỜNG 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
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN DUY ANH
TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2014
Trang 3CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN DUY ANH
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014
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)
Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 TS Ngô Cao Cường Chủ tịch
2 PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Phản biện 1
3 TS Nguyễn Hùng Phản biện 2
4 TS.Võ Hoàng Duy Ủy viên
5 TS Nguyễn Quốc Hưng Ủy viên, Thư ký
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
Trang 4PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
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: 124 184 000 1
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 phẩm nhập 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) (Họ tên và chữ ký)
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này 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
Trang 6LỜI CÁM ƠN
Trong suốt thời gian tham gia học chương trình cao học và thực hiện luận văn thạc sĩ, tôi đã nhận được sự giảng dạy, giúp đỡ, hướng dẫn, góp ý rất nhiều của quý Thầy Cô bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ điện tử Trường Đại học Công Nghệ Tp.HCM cùng quí Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM
Trước tiên, tôi chân thành cám ơn các quý Thầy đã tham gia giảng dạy chương trình cao học ngành Cơ điện tử, đã giúp chúng tôi tích lũy thêm những kiến thức sâu rộng về chuyên môn, đã cung cấp cho tôi những biện pháp nghiên cứu về lĩnh 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
Trang 7TÓM TẮT
Hiện nay nhu cầu sử dụng bình gas dân dụng 12 kg ngày càng nhiều dẫn đến nhu cầu xây dựng các nhà kho nhỏ có chức năng phân phối bình gas đến người tiêu dùng càng lớn Từ hiện trạng đó vấn đề tự động hóa công việc lưu trữ, sắp xếp, phân phối 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 công việc sắp xếp bình gas trong nhà kho, cụ thể là lựa chọn một robot để thực hiện công việc 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 nhà kho
- Phân phối sản phẩm theo phương pháp sản phẩm nhập trước được xuất trước(FIFO-“first-in-first-out”)
- Mô phỏng robot trên phần mềm 3D thể hiện hoạt động nhập xuất và sắp xếp sản phẩm của robot trong nhà kho
Trang 8ABSTRACT
Nowadays, the demand for using of 12kg civil gas tanks has increased This leads to the set up of small warehouses which its function is distributing gas to consummers has also increased As the current state, the issue of automatize storage, arrangement and distribution in the warehouses is essential to improve work efficiency
The main objective of this thesis (essay) is to suggest a soution for arranging the gas tanks in the warehouses automatically- using a robot to handle this job is one among 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 the robot
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
Trang 9MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT iii
ABSTRACT iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ix
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH x
Chương 1: Giới thiệu 1
1.1 Mở đầu 1
1.1.1 Đặt vấn đề 1
1.1.2 Phạm vi nghiên cứu và mục tiêu của luận văn 2
1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn 2
1.2 Tổng quan 3
1.2.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài 3
1.2.2 Tổng quan về kho bãi 4
1.2.3 Tiêu chuẩn và quy định an toàn trong vận chuyển và lưu trữ bình gas(LPG) 7
1.3 Tóm tắt các chương của luận văn 8
Chương 2: Thiết kế bố trí sản phẩm nhà kho và lựa chọn robot phù hợp 9
2.1 Yêu cầu thực tế nhà kho chứa bình gas 9
2.2 Thiết kế bố trí sản phẩm trong nhà kho 9
2.3 Lựa chọn robot phù hợp yêu cầu 11
2.3.1 Các dạng robot công nghiệp thường được sử dụng trong nhà kho 11
2.3.2 Xác định yêu cầu kỹ thuật cơ bản của robot 14
Trang 102.4 Sơ đồ nguyên lý robot gắp bình gas 15
2.5 Tính toán sơ bộ kích thước các khâu 16
Chương 3 Phân tích động học robot 18
3.1 Động học vị trí 18
3.1.1 Bài toán động học thuận 18
3.1.2 Bài toán động học ngược 19
3.2 Động học vận tốc 21
Chương 4 Giải thuật sắp xếp kho và mô phỏng 24
4.1 Giải thuật sắp xếp nhà kho và mô phỏng 24
4.1.1 Đặt vấn đề và giới hạn phạm vi thực hiện 24
4.1.2 Một số quy định 24
4.1.3 Đề xuất giải thuật nhập xuất và sắp xếp bình gas trong nhà kho 26
4.2 Mô phỏng giải thuật nhập xuất và sắp xếp bình gas trong nhà kho 31
4.2.1 Kết quả mô phỏng giải thuật nhập xuất và sắp xếp bình gas 31
4.2.1 Kết quả mô phỏng giải thuật sắp xếp xuất sản phẩm 36
4.3 Mô phỏng hoạt động của robot 38
4.3.1 Mô phỏng mô hình robot 38
4.3.2 Mô phỏng hoạt động mô hình robot nhập xuất và sắp xếp sản phẩm 40
Chương 5: Kết luận 42
5.1 Kết luận 42
5.2 Kiến nghị 42
Tài liệu tham khảo 44
Trang 11Ký 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
G : Vector trọng lực
Ii : Ma trận quán tính khâu i tại tâm khối lƣợng, 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
lƣợng khâu i
Jωi : Ma trận con Jacobi liên hệ với vận tốc góc của tâm khối lƣợng
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
L : Hàm Lagrange
M : Ma trận quán tính của cơ cấu chấp hành
Mij : Phần tử (ij) của M
n : Số lƣợng tọa độ tổng quát
: Vector vị trí tâm khối lƣợng Ci của khâu i theo hệ tọa độ khâu k và
đƣợc tính trọng hệ tọa độ tuyệt đối
: Vector vị trí nối từ gốc hệ trục j –1 đến tâm khối lƣợng Ci của
khâu i
Qi : Lực suy rộng ứng với tọa độ suy rộng thứ i
Trang 12: Vector các momen khớp do các thiết bị dẫn động hoặc các động
cơ tạo ra
Fe : Vector hợp lực và moment tác dụng tại bộ phận tác động cuối FIFO : First-In-First-Out
Trang 13Bảng 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
Trang 14Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ LPG tại Việt Nam [1] 1
Hình 1.2 Hệ thống AS/RS cỉa hãng Efacec 5
Hình 1 3 Xe tự hành của hãng JBT 6
Hình 1 4 carousel dạng ngang 7
Hình 1 5 Carousel dạng đứng 7
Hình 2 1 Bình gas 12 kg 9
Hình 2 2 Sơ đồ sắp xếp bình gas 10
Hình 2 3 Sơ đồ bố trí nhà kho 11
Hình 2 4 Robot khớp bản lề do hãng Kuka sản xuất 12
Hình 2 5 Robot tọa độ vuông góc (Gantry robot) của hãng Elettric80 12
Hình 2 6 Robot công nghiệp IRB 460 13
Hình 2 7 Sơ đồ tải trọng robot IRB460 của hãng ABB 14
Hình 2 8 Sơ đồ và bậc tự do của robot gắp bình gas 15
Hình 2 9 Sơ đồ đơn giản robot gắp bình gas 16
Hình 2 10 Lược đồ khâu 16
Hình 2 11 Vị trí bình gas gần và xa nhất trong nhà kho 17
Hình 3 1 Các hệ trục tọa độ trên robot 18
Hình 4 1 Sơ đồ vị trí bình gas 25
Hình 4 2 Giải thuật xác định các vị trí nhập sản phẩm 28
Hình 4 3 Giải thuật tính khoảng cách 29
Hình 4 4 Giải thuật xuất sản phẩm 30
Hình 4 5 Giải thuật tìm vị trí dời sản phẩm 31
Hình 4 6 Quỹ đạo đường đi của robot (sản phẩm) 32
Hình 4 7 Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (9,5,2) 32
Hình 4 8 Quỹ đạo đường đi của robot (sản phẩm) 33
Trang 15Hình 4 10 Quỹ đạo đường đi của robot (sản phẩm) 34
Hình 4 11 Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (1,10,1) 34
Hình 4 12 Quỹ đạo đường đi của robot (sản phẩm) 35
Hình 4 13 Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (11,11,1) 35
Hình 4 14 Quỹ đạo đường đi của robot (sản phẩm) 36
Hình 4 15 Xuất sản phẩm từ (9,6,1) sang (9,1,1) 37
Hình 4 16 Tầm với robot 1 38
Hình 4 17 Tầm với robot 2 38
Hình 4 18 Tầm với robot 3 39
Hình 4 19 Tầm với robot 4 39
Hình 4 20 Nhập và sắp xếp sản phẩm 1 40
Hình 4 21 Nhập và sắp xếp sản phẩm 2 40
Hình 4 22 Xuất sản phẩm 1 41
Hình 4 23 Xuất sản phẩm 2 41
Trang 161.1.1 Đặt vấn đề
Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquid Petroleum Gas – LPG) đã trở thành mặt hàng tiêu dùng thiết yếu trong cuộc sống sinh hoạt thường ngày và đang ngày càng 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 nhanh chóng: năm 1991 nhu cầu LPG cả nước 50,000 tấn, năm 2001 là 400,000 tấn và năm 2010 là 1.1 triệu tấn (Hình 1.1) Dự báo năm 2015 nhu cầu sử dụng LPG cả nước 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 phẩm LPG tại Việt Nam hiện nay, đối tượng cơ sở thương mại, dịch vụ và hộ tiêu thụ dân 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 xây dựng thêm các cửa hàng phân phối gas đến người tiêu dùng Các cửa hàng phân phối 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 tự động hóa các hoạt động nhập, sắp xếp, xuất bình gas… Tự động hóa nhằm bảo
Trang 17Hiện nay hoạt động vận chuyển, sắp xếp hàng trong các nơi lưu trữ gas ở Việt Nam chủ yếu vẫn dùng sức người là chính hoặc cao hơn là sử dụng xe nâng cho các nhà kho lớn Do đó giải quyết bài toán tự động hóa các hoạt động trong nhà 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 cho bài toán lưu trữ, trích xuất bình gas trong hệ trong phân phối ” nhằm mục đích cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao hiệu quả công việc, bước đầu tối ưu hóa đường đi của tay máy(robot) và phương pháp sản phẩm nhập trước xuất trước(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 thực hiện 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 các mục tiêu sau:
- Thiết kế bố trí sản phẩm trong nhà kho, sử dụng tay máy gắp sản phẩm nhập 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
1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn
Mô phỏng hoạt động robot giúp kiểm chứng kết quả lựa chọn, đánh giá tương 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 công việc
Trang 18 Ngoài nước Hiện nay, trên thế giới, robot công nghiệp dùng để vận chuyển và sắp xếp sản phẩm được nhiều công ty thiết kế và chế tạo Một số công ty chuyên sản xuất như: ABB, Kuka, Fanuc…Các công ty chủ yếu tập trung ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Đức, Ý… Ngày nay, xu thế phát triển của robot công nghiệp tập trung theo hướng tăng khả năng làm việc của robot (tốc độ làm việc, độ chính xác…), tăng tính an toàn, giảm giá thành, giảm kích cỡ và trọng lượng robot
Một số nghiên cứu đã triển khai có liên quan đến đề tài đã được công bố trên 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 integrated CAE procedures, 2008
Trong nước Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm qua Đặc biệt phải kể đến Công ty Cổ phần TOSY, đã thiết kế chế tạo thành công tay máy robot sáu bậc tự do Tuy nhiên cụ thể robot công nghiệp chuyên dùng để vận chuyển và sắp xếp hàng hóa vẫn chưa có cơ quan hoặc tổ chức 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