Luận văn Thiết kế và chế tạo robot song song dạng delta sử dụng trong việc phân loại sản phẩm (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế và chế tạo robot song song dạng delta sử dụng trong việc phân loại sản phẩm (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TÐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Nguyễn Trường Thịnh S K C0 0 4 2 9 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh TP. HCM, 12/2013
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh Thành viên đề tài: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng ThS. Tƣởng Phƣớc Thọ TP. HCM, 12/2013
4. DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Cá nhân phối hợp thực hiện Họ và tên Đơn vị công tác và Nội dung nghiên cứu cụ thể lĩnh vực chuyên môn được giao PGS.TS. Nguyễn Trƣờng ĐH SPKT – BM CĐT Thiết kế bộ phận điều khiển Thịnh ĐH SPKT – BM CĐT Chế tạo phần cơ khí của máy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng Tên đơn vị Nội dung phối hợp nghiên Họ và tên ngƣời trong và ngoài nƣớc cứu đại diện đơn vị Thời gian thực hiện: 2/2013 – 12/2013 i
5. Mục lục DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH i Mục lục ii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vii PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1 I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1 I.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc 1 I.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc 5 II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 7 III. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 8 IV. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 8 V. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 8 VI. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 8 PHẦN 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 10 Chƣơng 1: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CƠ KHÍ 10 1.1 Các phƣơng án thiết kế truyền động cho robot 10 1.1.1 Phƣơng án 1 10 1.1.2 Phƣơng án 2 11 1.1.3 Phƣơng án 3 11 1.1.4 Lựa chọn phƣơng án chuyển động tối ƣu 13 1.1.5 Tính số bậc tự do cho kết cấu robot 13 1.2 Mô phỏng kết cấu robot. 14 1.3 Lựa chọn cơ cấu truyền động 17 1.4 Chọn động cơ và thông số bộ truyền cho robot 18 1.5 Phân tích động học, Jacobi và động lực học cho robot cấu hình song song 20 ii
6. 1.6 Động học thuận 20 1.7 Động học nghịch 22 1.8 Chuyển động vi phân (chuyển động Jacobi) 24 1.9 Động lực học 25 Chƣơng 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN ĐIỆN 28 2.1 Các thiết bị điện động lực của hệ thống: 28 2.1.1 Bộ điều khiển trung tâm 29 2.1.2 Driver và động cơ (Motor) 29 2.1.3 Các thiết bị điện khác 29 2.2 Thiết kế mạch điện điều khiển trung tâm 30 2.2.1Tổng quan về mạch điều khiển 30 2.2.2 Các module của mạch điều khiển trung tâm 30 2.3 Cấu trúc bộ điều khiển 34 2.3.1 Tổng quan về bộ điều khiển 34 2.3.2 Sơ đồ tổng quát về nguyên lý hoaṭ đôṇ g của bô ̣điều khiển 35 2.4 Vi điều khiển 37 2.4.1 Tổng quan về vi điều khiển 37 2.4.2 Các module của một vi điều khiển 37 2.4.3 Truyền thông giữa máy tính và vi điều khiển 38 CHƢƠNG 3 : QUỸ ĐẠO VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM 43 3.1 Bài toán Quỹ đạo và nội suy 43 3.1.1 Tổng quan về bài toán quỹ đạo 43 3.1.2 Bài toán quỹ đạo trong robot song song 44 3.1.3 Bài toán nội suy 48 3.2 Cấu trúc phần mềm 52 CHƢƠNG 4 : XỬ LÝ BÁM VẬT TRÊN BĂNG CHUYỀN 56 4.1Các phƣơng án phát hiên vật trên băng chuyền đang chuyển động 56 4.1.1 Sử dụng cảm biến 56 4.1.2Camera thu nhận và xử lý ảnh xác định vị trí vật 57 4.2 Giới thiệu ứng dụng xử lý ảnh phục vụ trong các hoạt động của robot 57 4.3 Cấu trúc hệ thống 58 iii
7. 4.4 Quá trình xử lý ảnh cho việc phân loại và bám vật trên băng chuyền 59 4.4.1 Mô hình hệ thống robot song song Delta 59 4.4.2 Thu nhận ảnh và nâng cao chất lƣợng ảnh 60 4.4.3 Phân đoạn ảnh để phân loại và xác định đối tƣợng 61 4.4.4 Xác định vị trí đối tƣợng bằng thuật toán dán nhãn (labeling) 63 4.4.5 Tính diện tích và tâm vật 66 4.6 Lƣu đồ quá trình robot gắp sản phẩm 67 CHƢƠNG 5 : KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 69 5.1 Các bộ phận và cấu trúc cơ khí 69 5.2 Hệ thống điều khiển 71 5.3 Hệ thống camera phát hiện và bám vật. 75 5.4 Giao diện điều khiển 76 5.5 Robot song song Delta 77 PHẦN 3 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 I. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 84 II. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 Phụ lục 1: Bài báo khoa học Phụ lục 2: Bản sao thuyết minh đã đƣợc phê duyệt Phụ lục 3: Tính số bậc tự do của cơ cấu Phụ lục 4: Động học thuận Phụ lục 5: Động học nghịch Phụ lục 6: Động Lực Học Robot Phụ lục 7: Chuyển động vi phân (chuyển động Jacobi) iv
8. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Đặc điểm của các phƣơng án di chuyển của robot. 12 Bảng 1.2: Thông số khối lƣợng các bộ phận của robot. 14 Bảng 2.3: Mô tả các chân cổng COM máy tính. 40 Bảng 5.4: Kết quả thử nghiệm hệ thống camera. 76 Bảng 5.5: Thông số kỹ thuật của Robot 79 Bảng 5.6: Kết quả thực nghiệm robot gắp sản phẩm. 81 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MPa Mega Pascal USART The Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter D.O.F Degree of Freedom v
9. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TD Chủ nhiệm: ThS Tƣởng Phƣớc Thọ Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM Thời gian thực hiện: từ 2/2013 đến 12/2013 2. Mục tiêu: Mục tiêu của đề tài này là thiết kế và chế tạo một robot song song 3 chân 4 bậc tự do dựa trên nguyên lý Delta Platform cho mục đích phân loại thực phẩm kết hợp với việc xử lý ảnh, có khả năng đáp ứng nhanh trong các dây chuyền đóng gói sản phẩm 3. Tính mới và sáng tạo: Kết hợp với hệ thống xử lý ảnh để tạo ra thiết bị công nghệ cao để tiến tới làm chủ công nghệ cao trong lĩnh vực chế biến thực phẩm. 4. Kết quả nghiên cứu: Robot song song 3 chân 4 bậc tự do dựa trên nguyên lý Delta Platform cho mục đích phân loại thực phẩm 5. Sản phẩm: Robot song song 3 chân 4 bậc tự do với các tính năng nhƣ sau : Mô hình Robot song song 01 Thông số kỹ thuật Độ chính xác, Khả năng lặp lại vị trí 0.1mm Tốc độ đáp ứng 1 chu kỳ/ 1 giây Không gian làm việc Đƣờng kính 200 mm x 60 mm Các trục hoạt động 3 trục Khả năng tải 2 kg Kích thƣớc máy 1.5 x 1.5 x 1.8 m Số bậc tự do 4 dof (x,y,z,Ф) 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Khả năng áp dụng vào thực tiễn của đề tài rất cao. Địa chỉ có thể ứng dụng: Các doanh nghiệp sản xuất bán, kẹo, thực phẩm. Ngày tháng năm 2013 Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) vi
10. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: DESIGN AND DEVELOPMENT DELTA-PLATFORM ROBOT FOR SORTING FOOD Code number: T2013-28TD Coordinator: Tƣởng Phƣớc Thọ Implementing institution: The University of Technical Education Ho Chi Minh City Duration: from 2/2013 to 12/2013 2. Objective(s): Finding out technology design and manufacturing Delta Platform Robot that is able to sorting food. 3. Creativeness and innovativeness: Creating the ability to develop delta-platform parallel robot can be used in food processing industry. Combine with image processing system to create high-tech equipment in the field of food processing. 4. Research results: Delta-platform parallel robot can be used in food processing industry 5. Products: Delta-platform parallel robot with specification: Parallel Robot 01 Specification Accuracy 0.1 mm Workspace Đƣờng kính 200 mm x 60 mm Number of axis 3 Payload 2 kg Force End effector 40 N Dimension 1.5 x 1.5 x 1.8 m Number of D.O.F 4 dof (x,y,z,Ф) 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: The application field of the subject is very large. Address applications: Food processing company. vii
11. PHẦN 1: MỞ ĐẦU I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC I.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Được các khoa học nghiên cứu chế tạo và phát triển bắt đầu từ giữa thế kỷ XX. Đặc biệt có thể lưu ý tới một số nhà khoa học có những bước đi đầu tiên trong việc nghiên cứu cơ cấu robot có cấu hình song song là: Willard L. Polard, Eric Gough, Stewart, Klaus Cappel, Reymond Clavel. Hình 0: Sơ đồ của robot Delta (theo bằng sáng chế Hoa Kỳ số 4,976,582). Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sư của Đại học EPFL) đã nảy ra một ý tưởng độc đáo là sử dụng cơ cấu hình bình hành để tạo ra một robot song song có ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay như trong hình 1 ở bằng sáng chế Hoa Kỳ số 4,976,582 . Ý tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ không phải bắt chước từ cơ cấu song song đã được đăng ký bản quyền vào năm 1942 (hình 2), và vào thời điểm đó Willard L. Polard cũng không hề biết đến giáo sư Clavel. Robot song song Delta đã được đánh giá là một trong những thiết kế robot song song thành công nhất với hàng trăm robot đang hoạt động trên toàn thế giới. Năm 1999, tiến sĩ Clavel đã nhận được giải thưởng Golden Robot Award được tài trợ bởi ABB Flexible Automation, để tôn vinh những hoạt động sáng tạo của ông về robot song song Delta. 1
12. Ý tưởng căn bản của thiết kế robot Delta là sử dụng các hình bình hành. Các hình bình hành cho phép khâu ra duy trì một hướng cố định tương ứng với khâu vào. Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng của bệ di động duy trì chỉ với ba bậc tự do tịnh tiến. Các khâu vào của 3 hình bình hành được gắn với các cánh tay quay bằng các khớp quay. Các khớp quay của tay quay được truyền động theo 2 cách: hoặc sử dụng các động cơ quay (DC hoặc AC servo), hoặc bằng các bộ tác động tuyến tính. Cuối cùng, cánh tay thứ tư được dùng để truyền chuyển động quay từ đế đến khâu tác động cuối gắn trên tấm dịch chuyển. Hình 2: Mô hình robot song song công nghiệp đầu tiên vào năm 1942. Việc sử dụng các bộ tác động gắn trên đế và các khâu có khối lượng nhẹ cho phép tấm dịch chuyển đạt được gia tốc lên đến 50 G trong phòng thí nghiệm và 12 G trong các ứng dụng công nghiệp. Chính điều này làm cho robot Delta trở thành một ứng cử viên sáng giá cho các hoạt động gắp – đặt đối với các đối tượng nhẹ. Vùng làm việc của nó là sự giao nhau của 3 đường gờ tròn, nhưng robot Delta trên thị trường có thể hoạt động trong vùng làm việc hình trụ với đường kính là 1 m và có chiều cao là 0,2 m. Vào năm 1983 khi mà hai anh em người Thụy Sĩ là marc-Olivier và Pascal Demaurex thành lập công ty Demaurex đóng tại Romanel-sur-Lausanne, Thụy Sĩ. Năm 1987, họ mua giấy phép sử dụng bản quyền robot Delta và đặt ra mục tiêu chính là thương mại hóa robot này vào ngành công nghiệp đóng gói. Sau vài năm, Demaurex đã thành công trong việc giữ vai trò trọng yếu trong thị trường mới mẻ đầy khó khăn này. Và họ cũng đã tiến hành một vài cải tiến sản phẩm của họ. Bốn phiên bản khác cũng đã được đưa ra thị trường với tên gọi là Pack-Placer, Line-Placer, Top-Placer và Presto. Đến thời điểm hiện nay, Demaurex tuyên bố đã bán được hơn 500 robot Delta trên toàn thế giới (hình 3). 2
13. Hình 3: Robot Line-Placer của hãng Demaurex dùng để đóng gói bánh quy. Hình 4: SurgiScope đang vận hành tại Surgical Robotics lab, Đại học Humboldt, Berlin. 3
14. Khi mới bắt đầu Công ty Demaurex sản xuất robot Delta cỡ nhỏ từ những nghiên cứu của EPFL còn có Công ty DeeMed sản xuất robot Delta dùng để nâng đỡ kính hiển vi có khối lượng lớn (20 kg), sản phẩm này có tên gọi là SurgiScope (hình 4), Công ty ABB sản xuất robot Delta với các kích cỡ lớn. và hiện nay Công ty Demaurex đã bắt tay sản xuất robot có kích cỡ lớn hơn (khoảng từ 1.200 mm trở lên). Ngoài ra còn có Công ty Đức GROB-Werke sản xuất TRIAGLIDE 5g, và Mikron Technology Group sản xuất robot Triaglide, cả 2 robot này đều là loại robot Delta được trang bị động cơ tuyến tính. Gần đây, 3 robot Delta khác cũng đã được SIG Pack Systems giới thiệu là C23, C33 do Demaurex sản xuất và CE33 do SIG Pack Systems sản xuất (hình 6). Hình 5: Robot Delta của hãng Hitachi Seiki thực hiện chức năng nâng - đặt và khoan. Robot Delta không chỉ được ứng dụng trong công nghiệp mà còn được quan tâm nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm. Rất nhiều biến thể của robot này đã được tạo ra, song hầu hết chúng đều gần với thiết kế gốc. Một trong những biến thể được tạo bởi đại học Genoa, trong thiết kế này cơ cấu hình bình hành được thay thế bằng các cơ cấu tương đương. Một phiên bản khác là robot NUWAR, được chế tạo tại đại họcWestern Australia. NUWAR được thiết kế để có thể đạt gia tốc 600m/s2. Robot này khác biệt nhờ sự sắp xếp không đồng phẳng các trục của cơ cấu chấp hành. Phiên bản với ba động cơ tuyến tính cũng đã được tạo ra trong phòng thí nghiệm tạiFerdinand-von-Steinbeis Schule, ETH Zurich, và đại học Stuttgart. Tất nhiên nơi robot Delta được nghiên cứu nhiều nhất và có nhiều biến thể nhất là tại nơi sinh ra chúng - EPFL. Hàng năm đều có những Hội nghị 4
15. khoa học quốc tế do IFAC, IEEE, ICRA, IROS tổ chức về những phát triển và ứng dụng mới về robot song song. Đại học EPFL – Thụy Sĩ là nơi thường đăng cai những nghiên cứu ứng dụng robot song song trong phẫu thuật. Hình 6: Hai trong ba robot được SIG Pack Systems giới thiệu, C33 và CE33. I.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Hình 7: Robot song song 3 bậc tự do của Tosy. 5
16. Đánh giá tình hình nghiên cứu trong nước: Qua tổng hợp những công bố nghiên cứu và triển khai trong nước hiện nay về robot song song, nhóm nghiên cứu thấy rằng với robot song song dạng 6 chân hexapod được nghiên cứu khá nhiều và được công bố khá rộng rãi trong và ngoài nước, tuy nhiên có thể nhận thấy đều là robot song song thực hiện các tác vụ như máy gia công CNC với quá trình điều khiển phức tạp, chứ không phải là thực hiện các tác vụ như gắp nhặt, đặt vật. Về robot dạng song song ứng dụng cho việc gắp, đặt vật chưa có đơn vị nghiên cứu nào quan tâm giải quyết những vấn đề rất cơ bản trong tính toán thiết kế hệ thống, xác định các thông số cấu trúc và động học tối ưu cho hệ thống được thực hiện. Và gần đây vào năm 2012, Công ty Tosy có đưa ra thông tin về robot song song (hình 7), tuy nhiên nhóm nghiên cứu không thể nào xác định được các thông số và thông tin về robot này do đó khó mà có thể so sánh hay đối chiếu được những gì mà nghiên cứu này đã làm được. Ngoài ra ở các trường đại học, cũng có những nghiên cứu mang tính rời rạc về robot dạng Delta, tuy nhiên chưa đáp ứng được yêu cầu về mức độ học thuật cũng như ứng dụng vào cuộc sống. Do đó, việc làm chủ công nghệ, tiếp cận cùng với ứng dụng những công nghệ mới, hiện đại vào việc nghiên cứu robot vào trong các dây chuyền sản xuất và chế biến thực phẩm là việc làm khá cần thiết hiện nay của các nhà khoa học, làm sao ứng dụng những công nghệ mới và tiên tiến để giảm giá thành sản phẩm, tăng năng suất, hiệu quả, chất lượng, an toàn là việc làm cấp thiết hiện nay. Việc tăng năng suất, tăng hiệu quả và giảm giá thành là yếu tố sống còn của doanh nghiệp cùng với ứng dụng công nghệ mới là bước đi cần thiết của các doanh nghiệp sản xuất trong nước nếu muốn bước ra khỏi biên giới Việt Nam. Một trong những công nghệ mới nhằm tăng hiệu quả, tăng năng suất, cải tiến chất lượng và giảm giá thành là việc ứng dụng tự động hóa vào trong công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp sản xuất thực phẩm khi nó đòi hỏi vệ sinh an toàn thực phẩm cho người sử dụng. Từ trước tới nay tại Việt Nam hầu như chưa có đơn vị nào ứng dụng robot vào quá trình sản xuất thực phẩm do giá thành cao từ việc nhập khẩu thiết bị của nước ngoài. Việc ứng dụng robot vào trong các dây chuyền sản xuất là yếu tố quan trọng cho sự phát triển thị trường của các doanh nghiệp. Hiện nay, các ứng dụng về robot trong công nghiệp sản xuất thực phẩm ở nước ta còn rất ít. Nguyên nhân là các thiết bị này đều là ngoại nhập nên khá đắt (robot IRB 360/1 FLEX PICKER ROBOT 3 bậc tự do giá tới trên hơn 500 triệu). Vì vậy, việc đầu tư cho các dây chuyền sản xuất với những robot loại này thì không phải là vấn đề dễ giải quyết, trong khi không có đơn vị nào trong nước tổ chức nghiên cứu, thiết kế các thiết bị loại này phù hợp với yêu cầu sản xuất đặc thù trong nước. Có thể nói, vấn đề thiết kế, chế tạo 6
17. tay máy song song trong nước còn khá mới lạ. Do đó, việc thiết kế chế tạo tay máy song song phục vụ trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm trong nước là rất cần thiết do chưa có đơn vị nghiên cứu và thực hiện. II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Robot song song là một cấu trúc gồm nhiều chuỗi động kín với một nhóm các trục và cơ cấu tác động cuối mắc song song nhau. Do hình thành từ những chuỗi động kín (closed–loop mechanism) gồm nhiều chuỗi động nối tiếp (serial kinematics chains) cùng nối với khâu chấp hành (platform) và nền (base) như vậy sẽ làm tăng độ cứng vững của khu chấp hành cuối trên robot. Hơn thế nữa, chúng ta có thể đặt tất cả các cơ cấu chấp hành lên giá nếu cần nhằm làm cho các phần di chuyển của kết cấu trở nên gọn nhẹ, nhờ đó tận dụng được phần lớn năng lượng trực tiếp từ trục động cơ đồng thời giảm được sai số vị trí của cơ cấu tác động cuối. Nhờ những đặc điểm này mà các robot song song chiếm ưu thế trong tốc độ tác động cao với độ chính xác cao, tải trọng lớn và có độ cứng vững cao hơn hẵn các loại tay máy nối tiếp. Đặc điểm của Robot song song Ƣu điểm Nhƣợc điểm Chịu được tải trọng lớn Không gian làm việc bị giới hạn Độ cứng vững cao Điều khiển song song/đồng thời Tốc độ tác động nhanh Bài toán động học thuận phức tạp Định vị chính xác, lực quán tính nhỏ Tồn tại các điểm kỳ dị (singularities) Bài toán động học ngược đơn giản Để tăng năng suất, tăng hiệu quả và giảm giá thành là yếu tố sống còn của doanh nghiệp. Việc ứng dụng công nghệ cao và công nghệ mới là bước đi cần thiết của các doanh nghiệp sản xuất trong nước nếu muốn bước ra khỏi biên giới Việt Nam. Một trong những công nghệ mới nhằm tăng hiệu quả, tăng năng suất cải tiến chất lượng và giảm giá thành là việc ứng dụng tự động hóa vào trong công nghiệp đặc biệt là công nghiệp sản xuất thực phẩm khi nó đòi hỏi vệ sinh an toàn thực phẩm cho người sử dụng. Từ trước tới nay tại Việt Nam hầu như chưa có đơn vị nào ứng dụng robot vào vào quá trình sản xuất thực phẩm do giá thành cao từ việc nhập khẩu thiết bị của nước ngoài. Việc ứng dụng robot vào trong các dây chuyền sản xuất là yếu tố sống còn của các doanh nghiệp. 7
18. III. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Mục tiêu của đề tài này là thiết kế và chế tạo một robot song song 3 chân 4 bậc tự do dựa trên nguyên lý Delta Platform cho mục đích phân loại thực phẩm kết hợp với việc xử lý ảnh, có khả năng đáp ứng nhanh trong các dây chuyền đóng gói sản phẩm. Mục tiêu chính của đề tài này nhằm: Làm chủ thiết kế và công nghệ chế tạo robot song song 4 bậc tự do với 3 chuỗi động học để tạo ra robot 4 bậc tự do 3 tịnh tiến và 1 xoay dựa trên nguyên lý động học song song (Parallel Kinematic Machine). Tạo ra khả năng chế tạo robot song song - Hexapod trong nước để sử dụng vào thực tế công nghiệp chế biến thực phẩm. Kết hợp với hệ thống xử lý ảnh để tạo ra thiết bị công nghệ cao để tiến tới làm chủ công nghệ cao trong lĩnh vực chế biến thực phẩm. IV. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu là robot song song 3 chân 4 bậc tự do dựa trên nguyên lý Delta Platform cho mục đích phân loại thực phẩm kết hợp với việc xử lý ảnh, có khả năng đáp ứng nhanh trong các dây chuyền đóng gói sản phẩm. V. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Thiết kế chế tạo Robot song song 4 bậc tự do với 3 chuỗi động học là 3 tịnh tiến và 1 xoay dựa trên nguyên lý động học song song (Parallel Kinematic Machine). Xây dựng phần mềm điều khiển kết hợp với tín hiệu từ bộ xử lý ảnh để tạo nên một dây chuyền sản xuất đáp ứng nhanh. VI. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Xây dựng cơ sở phương pháp luận để xác định cấu trúc và kích thước động nhằm đạt mục tiêu tối ưu về kích thước của vùng không gian làm việc của bệ chuyển động (moving platform) gắn với thiết bị công tác (end-effector) để phù hợp với dây chuyền sản xuất thực phẩm. Nghiên cứu thiết kế cơ hệ máy song song dựa trên mô hình bài toán bảo đảm độ cứng vững động lực học dưới tác động của hệ lực làm việc, mô phỏng kết quả tính toán bằng các phần mềm hỗ trợ tính toán và mô phỏng động lực học cơ hệ làm cơ sở để chế tạo và tích hợp phần kết cấu cơ khí của toàn máy. Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho robot song song - Hexapod. Trong đó quan tâm đến các phương pháp tính toán chính xác và xử lý thời gian thực cho mô hình bài toán động lực học thuận và ngược, nhận dạng chính xác các thông số của mô hình và kiến trúc điều khiển cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu. 8
19. Nghiên cứu lựa chọn giải pháp và thiết kế hệ thống truyền động trên cơ sở kết cấu và kích thước hệ thống cơ đã được xác định. Giải pháp lựa chọn ưu tiên là truyền động gián tiếp nhờ những động cơ servo thông dụng nhằm bảo đảm yêu cầu về lực và đặc tính động học. Nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển truyền động. Nghiên cứu bài toán xử lý ảnh nhằm xác định chính xác đối tượng để phân loại trong dây chuyền sản xuất thực phẩm, từ đó tạo ra lệnh phù hợp để điều khiển hệ thống làm việc chính xác và hiệu quả. Xây dựng phần mềm điều khiển kết hợp với tín hiệu từ bộ xử lý ảnh để tạo nên một dây chuyền sản xuất đáp ứng nhanh. Thực nghiệm các chức năng hoạt động của máy và kết hợp với dây chuyền sản xuất và so sánh kết quả với việc phân loại thủ công trong dây chuyền sản xuất thực phẩm. Hoàn thiện sản phẩm nghiên cứu và viết báo cáo tổng hợp kết quả KHKT đề tài. 9
20. PHẦN 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN CHƯƠNG 1 : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CƠ KHÍ Chương thiết kế phần cơ khí robot sẽ trình bày cụ thể các phương án thiết kế truyền động cho robot mà nhóm đã tìm hiểu từ đó rút ra được một phương án thiết kế truyền động tối ưu cho việc thi công robot phù hợp với điều kiện thực tế, thiết kế các chi tiết của robot, mô phỏng ứng suất và chuyển vị cho robot, bài toán động học thuận nghịch, động lực học robot. 1.1 Các phƣơng án thiết kế truyền động cho robot. Với mục đích của đề tài là gắp các sản phẩm đang được dịch chuyển trên băng chuyền vì vậy yêu cầu đế dưới của robot phải chuyển động song phẳng với đế cố định do đó phương án thiết kế phải đáp ứng được số bậc tự do của cơ cấu là 3 bậc. Ngoài việc robot có chuyển động song phẳng của đế dưới robot nếu được gắn thêm đầu công tác thì robot yêu cầu có thêm 1 bậc tự do xoay để có thể điều chỉnh hướng của vật được gắp. Đối với bậc tự do quay này (hay gọi là trục xoay) được gắn thêm vào chính giữa tâm đế dưới nên trong quá trình thiết kế xem đây là một bộ phận hỗ trợ thêm cho hoạt động của robot cho nên tác động của trục xoay không ảnh hướng lớn đến kết cấu của robot. Theo các báo cáo nghiên cứu khoa học về robot song song trong nước ở [phụ lục 1] để robot song song chuyển động song phẳng thì một trong hai phần chân của cánh tay robot được tạo bởi cơ cấu bình hành 4 khâu, đảm bảo được độ cứng vững hơn. Tiếp thu ưu điểm đảm bảo độ cứng vững của cơ cấu bình hành 4 khâu mà trong ba phương án thiết kế robot dưới đây được đề xuất với các chân robot gắn với đế chuyển động đều là cơ cấu bình hành 4 khâu. Chỉ khác nhau ở bộ phận tạo chuyển động cho robot là cánh tay trên. 1.1.1 Phương án 1 Ba cánh tay trên chuyển động trượt lên xuống 3 thanh thẳng đứng như hình 1.1. Mỗi thanh dùng cho chuyển động trượt của robot sẽ được đặt trên ba đỉnh của một tam giác đều. Ở phương án này, nhóm đã suy nghĩ và đề suất phương án sử dụng bộ truyền động vít me – đai ốc để tạo chuyển động trượt lên xuống của các cánh tay. Khi sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc thì tốc độ cũng như độ chính xác có phần bị hạn chế. 10
21. Hình 1.1: Phương án 1. 1.1.2 Phương án 2. Phương án 2 ba cánh tay trên sẽ trượt theo 3 cạnh của một hình chóp tam giác đều như hình 2.2. Ba chân cố định đặt tại ba đỉnh của một tam giác đều. Hình 1.2: Phương án 2. Ở phương án này cũng gần giống với phương án thứ nhất nhưng khoản dịch chuyển của các cánh tay phụ thuộc vào chiều dài các cạnh của hình chóp. 1.1.3 Phương án 3 Ở phương án 3, mỗi cánh tay trên của robot sẽ được tạo chuyển động quay bằng các khớp quay như hình 1.3. Vị trí đặt cố định mỗi gối đỡ trục quay là tại đỉnh của một tam giác đều. 11