Luận văn Tối ưu năng lượng tiêu thụ của cánh tay máy bằng cách thiết kế bổ sung cơ cấu cân bằng đối trọng (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Tối ưu năng lượng tiêu thụ của cánh tay máy bằng cách thiết kế bổ sung cơ cấu cân bằng đối trọng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ THU HIỀN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CỦA CÁNH TAY MÁY BẰNG CÁCH THIẾT KẾ BỔ SUNG CƠ CẤU CÂN BẰNGS K C 0 0 34 92ĐỐI5 98 TRỌNG NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 4 2 6 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ THU HIỀN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CỦA CÁNH TAY MÁY BẰNG CÁCH THIẾT KẾ BỔ SUNG CƠ CẤU CÂN BẰNG ĐỐI TRỌNG NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2014
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Thị Thu Hiền Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 29/8/1986 Nơi sinh: Bình Dương Quê quán: Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 76 Phạm Ngọc Thạch, P9, TP. Vũng Tàu Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: Email: II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 5/2010 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Công Nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Biên soạn tài liệu hướng dẫn giảng dạy môn “Thí Nghiệm Đo Lường Cơ Khí” III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của 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 Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Thị Thu Hiền ii
5. LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, học viên đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, và bạn bè. Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, chân thành đến Thầy TS.Trần Ngọc Đảm, người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn quý Thầy cô đã tham gia giảng dạy lớp cao học khóa 2011 – 2013, mang đến cho học viên những kiến thức quý báu làm nền tảng hoàn thành luận văn, cũng như hành trang vô cùng quý giá cho con đường nghiên cứu khoa học. Xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều về vật chất cũng như tinh thần, và đó chính là động lực giúp tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn ! iii
6. TÓM TẮT Ngày nay, robot được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống con người. Nó đóng một vai trò quan trọng và khó thay thế, nó giúp con người làm việc trong những điều kiện khó khăn. Trong tương lai, việc giảm tiêu thụ năng lượng là rất quan trọng. Dù sao hầu hết các robot làm việc trong công nghiệp không được tối ưu hoá năng lượng tiêu thụ. Trong nghiên cứu này, năng lượng tiêu thụ của robot được tối ưu để giải quyết nhược điểm này bằng cách tính toán thiết kế một hệ thống cân bằng đối trọng là một lò xo nối giữa trục xoay và tay máy của robot. Chuyển động của tay máy robot là chuyển động xoay của vật rắn quanh một điểm cố định được mô tả theo góc quay giữa trục đứng và tay máy. Khi tay máy di chuyển lên xuống, lò xo này bù một phần khối lượng của tay máy robot và do đó giảm tải trọng đặt lên động cơ truyền tải. Mô hình toán và hàm tiêu thụ năng lượng của tay máy robot với cơ cấu cân bằng đối trọng được xây dựng. Các tham số của lò xo và hai điểm kết nốt giữa lò xo - tay máy và lò xo – bệ tay máy được tính toán tối ưu sử dụng phương pháp tối ưu hoá số học. Mô hình thực tế của tay máy robot với cơ cấu cân bằng đối trọng được xây dựng nhằm kiểm tra tính toán. Kết quả cho thấy tổng năng lượng tiêu thụ của robot phụ thuộc mạnh mẽ vào chiều dài lò xo l, độ cứng lò xo k và hai điểm kết nối giữa lò xo - tay máy và lò xo – bệ tay máy. Năng lượng tiêu thụ tối ưu bằng cách sử dụng hệ thống cân bằng đối trọng là dễ dàng và có hiệu quả, có thể áp dụng được cho tất cả các loại robot. Với giá trị tính toán tối ưu, năng lượng tiêu thụ của robot có thể giảm đi từ 10% đến 20% phụ thuộc vào tổng khối lượng của robot. iv
7. ABSTRACT Nowadays, Robot is widely used in industry and human life. It has taken an important part and hardly to be replaced, it helps human to increase the yield and to work in dangerous or difficult conditions. For reaching a sustainable future, the reduction of consumed energy is very important. However, almost robotics working in industrial has not optimized energy. In this study, the consumed energy of robots was optimized to solve about disadvantages by adding a counterbalancing system that is a spring suspended between the rotating column and the link arm of the robot. The motion of the robot arm is a rotation of a rigid body about the fixed point described by the angle measured between the horizontal axis and the link arm. When the link arm is moved up and down this spring compensates a part of the weight of the robot arm and thus reduces the load on the motor actuating the second axis. The mathematical model and the consumed energy function of the robot arm with the counterbalancing system was used. The parameters of spring and the two connection points between spring and link arm and between spring and based arm are to be optimized using numerical optimization methods. The real model of the robot arm with the counterbalancing system was setup of testing. The results show that total consumed energy of robot strongly depends on the undeflected length l, the spring stiffness k and two connected point between spring and link arm and between spring and based arm. The optimal consumed energy by adding counterbalancing system is easily and efficiently and can be solved for all kind of robot. At the optimal solution, the consumed energy of robot can be reduced about 10% to 20% dependence on total mass of robot. v
8. MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt luận văn iv Mục lục vi Danh sách các hình ix Danh sách các bảng xi Chương 1. Tổng quan 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. 2 1.2.1 Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp 2 1.2.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 8 1.3 Mục đích của đề tài 10 1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 10 1.5 Kết quả dự kiến đạt được 11 vi
9. Chương 2. Cơ sở lý thuyết 12 2.1 Bậc tự do của tay máy 12 2.2 Tối ưu 12 2.3 Tối ưu hóa 12 2.4 Bài toán tối ưu 14 2.5 Phân loại bài toán tối ưu 15 2.6 Cấu trúc hệ thống điều khiển 17 2.7 Mô hình phương trình trạng thái 17 2.8 Tâm của hệ lực song song 19 2.9 Trọng tâm của vật rắn 20 2.10 Các định luật của Newton 21 2.10.1 Các khái niệm cơ bản 21 2.10.2. Các định luật của Newton 22 2.11 Phân tích vị trí trong chuyển động 24 2.12 Phân tích vận tốc và gia tốc 25 2.12.1 Giới thiệu 25 2.12.2 Vận tốc của vật cứng 27 2.12.3 Gia tốc của vật cứng 28 2.13 Mô men lực 30 2.14 Mối quan hệ giữa moment, năng lượng và công suất 31 Chương 3. Mô hình toán tay máy 32 3.1 Đặt vấn đề 32 vii
10. 3.2 Phân tích và giải quyết vấn đề: 33 3.3 Mô hình tay máy 36 Chương 4. Giải thuật tính toán và điều khiển 40 4.1 Giải thuật mô phỏng điều khiển tay máy 40 4.2 Bộ điều khiển động cơ: 41 4.3 Giải thuật tính toán: 43 Chương 5. Kết quả 44 Chương 6. Kết luận và hướng phát triển của đề tài 53 6.1 Những kết quả đạt được 53 6.2 Hạn chế của đề tài 53 6.3 Hướng phát triển của đề tài 53 Tài liệu tham khảo 54 Phụ lục A 56 Phụ lục B 62 viii
11. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack 3 Hình 1.2 Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 3 Hình 1.3 Năng lượng tiêu thụ khi sử dụng giải thuật GA và không sử dụng GA 8 Hình 2.1 Hệ lực song song 19 Hình 2.2 Khâu cứng phẳng với 2 nút 23 Hình 2.3 Tọa độ tham chiếu trực giao 26 Hình 3.1 Robot với hệ thống cân bằng đối trọng 32 Hình 3.2a Mô hình 34 Hình 3.2b Thực nghiệm 34 Hình 3.3 Mô hình giản lược 35 Hình 3.4 Trọng tâm C của robot 36 Hình 3.5 Cơ cấu cân bằng đối trọng 37 Hình 4.1. Giải thuật mô phỏng điều khiển tay máy 41 Hình 4.2. Điều khiển hồi tiếp 42 Hình 4.3. Giải thuật tính toán năng lượng 43 Hình 5.1. Kết quả tính toán tối ưu 47 Hình 5.2. Góc quay yêu cầu 47 Hình 5.3. Mô phỏng chuyển động thực của tay robot so với yêu cầu 48 Hình 5.4. Mô phỏng năng lượng tiêu thụ của tay máy khi không có cơ cấu cân bằng đối trọng 49 Hình 5.5a. Mô phỏng năng lượng tiêu thụ của tay máy với cơ cấu cân ix
12. bằng đối trọng 50 Hình 5.5b. Mô phỏng năng lượng tiêu thụ tối ưu của tay máy với cơ cấu cân bằng đối trọng 51 Hình 5.6. Công suất tính toán và công suất tiêu thụ thực tế 52 Hình B.1. Hình chiếu 2D 62 Hình B.2. Đầu trục 63 Hình B.3. Đế đỡ 64 Hình B.4. Gắn bộ giảm tốc 65 Hình B.5. Gắn lò xo 66 Hình B.6. Mặt đế 67 Hình B.7. Ren 68 Hình B.8. Tấm đỡ lò xo 69 Hình B.9. Thân 70 Hình B.10. Trục xoay 71 x
13. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot 4 Bảng 5.1. Các thông số của tay máy 44 Bảng 5.2. Giá trị tính toán 45 Bảng 5.3 Giá trị thực nghiệm 46 xi
14. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Ngày nay, năng lượng luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu của mỗi quốc gia. Chính sách năng lượng luôn lấy an ninh năng lượng làm mục tiêu phấn đấu. Những năm trước đây, khi các nguồn năng lượng còn giới hạn thì việc đảm bảo cung cấp năng lượng cho nhu cầu sử dụng của con người là hướng ưu tiên nên những ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường và con người của các công trình năng lượng chưa được quan tâm đầy đủ. Bây giờ khi đã tận thu gần như cạn kiệt nguồn tài nguyên không thể phục hồi, con người bắt đầu nghiên cứu những phương án sử dụng nguồn năng lượng mới và các phương pháp tiết kiệm đến mức tối đa năng lượng tiêu thụ vì sự phát triển bền vững của đất nước cũng như để bảo vệ môi trường sống của bản thân mình. Việc ứng dụng robot vào công nghiệp diễn ra ngày càng nhanh và trên quy mô rộng lớn. Tuy nhiên các robot này chủ yếu nhằm tối đa năng suất lao động, chưa xem xét đến yếu tố cần thiết như tối thiểu hoá năng lượng tiêu thụ. Hiện tại các nhà sản xuất cũng đã có nhiều cố gắng để giảm năng lượng tiêu thụ cho robot xuống bằng nhiều phương pháp như: giải thuật điều khiển thông minh, dùng động cơ phụ. Nhưng chi phí cao, phức tạp và mới chỉ là thiết kế chung cho toàn bộ hệ thống. Đối với trường hợp cụ thể, môi trường làm việc cụ thể, các yếu tố như không gian làm việc, vị trí làm việc ảnh hưởng tới năng lượng tiêu thụ so với tính toán của nhà sản xuất thì chưa được xem xét đầy đủ Do đó việc xem xét thiết kế tiết kiệm năng lượng cho một bộ phận nhỏ, đơn lẻ , trong từng trường hợp làm việc cụ thể là cần thiết. Ở đây chúng ta đang cố gắng xây dựng một hệ thống cân bằng đối trọng và giải thuật tính toán tối ưu cho robot công 1
15. nghiệp với mục đích giảm từ 10% đến 20% năng lượng tiêu thụ. Từ đó, áp dụng cho toàn bộ dây chuyền sản xuất lớn thì mức tiết kiệm năng lượng này khá là đáng kể. 1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. 1.2.1. Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp Nhìn ngược dòng thời gian chúng ta có thể nhận thấy rằng từ “Robot” đã xuất hiện từ khá lâu. Năm 1921 nhà viết kịch Karelcapek người Séc đã viết một vở kịch với tựa đề R.U.R (Rossums Universal Robot) mô tả về một cuộc nổi loạn của những cỗ máy phục dịch. Từ “Robot” ở đây có nghĩa là những máy móc biết làm việc như con người. Có lẽ đó cũng là một gợi ý cho những nhà sáng chế kỹ thuật thực hiện các mơ ước về những cỗ máy bắt chước được các thao tác lao động cơ bắp của con người. Gần một thế kỷ tiếp theo, khái niệm robot đã liên tục được phát triển, đóng góp thêm bởi nhiều nhà nghiên cứu, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực robot. Trước những năm 1970, người ta chỉ tập trung vào việc phát triển những robot tay máy hoạt động trong các nhà máy công nghiệp. Ngày nay, ngành công nghiệp Robot đã đạt được những thành tựu hết sức to lớn. Những tay máy được đặt trên một đế cố định, có thể di chuyển với tốc độ nhanh và chính xác để thực hiện các công việc có tính chất lặp đi lặp lại như hàn hoặc sơn . Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ dàng kết hợp những việc phụ và chính của một quá trình sản xuất thành một dây chuyền tự động. So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền tự động dùng robot có nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có thể tự động hoá toàn phần. 2
16. Hình 1.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack [21] Hình 1.2 Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 [22] 3
17. Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot Bảng 1.1 trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ chế tạo Robot, và những tác động của khoa hoc cũng như xã hội đối với từng thời kỳ. Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot [5] Mốc Nghiên cứu và Ứng dụng trong Các yếu tố thời Kỹ thuật hỗ trợ phát triển công nghiệp ảnh hưởng gian Khái niệm Robot 1920 xuất hiện trong tiểu thuyết Phát minh ra cánh 1940 tay máy Phát sinh khái niệm Giới thiệu về bộ 1950 Robot thông minh nhớ vòng Giới thiệu Robot điều khiển bằng Phát triển Robot Máy tính dùng máy tính. trong công nghiệp. transitor. 1960 Hoạt động nghiên Ứng dụng Robot ở Giới thiệu vi xử cứu được tăng NASA và NAVY. lý. cường. Sự hạn chế Robot có trí thông Sự bùng nổ lần 1970 Phát triển vi xử lý của nền kinh minh nhân tạo. đầu tiên của Robot tế. 1980 Chế tạo ra Robot Robot công nghiệp Kỹ thuật số và kỹ Nhu cầu tăng 4
18. để dùng trong được ứng dụng thuật quang phát cường lao những việc nguy rộng rãi triển. động. hiểm (1983) Điều khiển logic. Giới thiệu về Robot gây Nghiên cứu về 1990 Robot thông minh nên thất Robot trí thông trong sản xuất. nghiệp minh nhân tạo. Robot giống con Các tiến bộ về cơ 2000 người khí Bắt đầu dự án Swarm-bots. Swram-bots gồm 2001 nhiều Robot nhỏ hợp lại để thực hiện một nhiệm vụ chung. Xuất hiện Robot tự Phục vụ cho việc 2002 dò đường Roomba. lau chùi nhà cửa. Robot hoạt động Robot quét dọn tại hoàn toàn tự chủ, Công ty các bệnh viện, cao xử dụng một hệ Axxon 2003 ốc và các trung tâm thống cảm biến để Robotics mua thương mại phát tránh chướng ngại lại Intellibot triển mạnh. vật. 2004 Robot đồ chơi Trong “Dự án 5
19. Robosapien được Centibots” 100 Mark Tilden thiết Robot độc lập làm kế và bán ra thị việc với nhau để trường. thực hiện một bản đồ của một môi trường không rõ và tìm kiếm các đối tượng trong môi trường đó. Robot di chuyển bằng chân được Boston Dynamics ứng dụng để 2005 tạo ra một Robot mang vật nặng thú bốn chân. trên địa hình xe cộ di chuyển khó khăn. Talon-Sword, các Robot thương mại đầu tiên với súng phóng lựu và các Ứng dụng Robot tùy chọn vũ khí trong lĩnh vực 2006 tích hợp khác được quân sự được phát phát hành. triển mạnh. Robot Honda Asimo có khả năng học chạy và leo lên 6
20. cầu thang. Hàng loạt Robot được chế tạo ra để ứng dụng trong 2007 sinh hoạt, bệnh viện và quân sự Ví dụ : Kiva, Speci-Minder , Tug BigDog có thể đi Boston Dynamics trên địa hình băng phát hành đoạn 2008 giá và phục hồi sự phim video của một cân bằng của nó thế hệ mới BigDog trên mặt nước đá. QUINCE có thể tìm kiếm người Tình hình sống sót trong thiên tai, Nhật Bản chế đống đổ nát và động đất xảy 2010 tạoRobot cứu hộ cung cấp nước, ra thường QUINCE. thực phẩm hoặc xuyên tại điện thoại di động Nhật. vào khu vực xảy ra thiên tai. 7
21. 1.2.2. Một số kết quả nghiên cứu Robot đã có những bước tiến đáng kể hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu cần ăn nhập ngày càng nhiều với quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng dụng trong chế tạo máy thì các ứng dụng robot trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng là động lực cho các robot địa hình và robot dịch vụ phát triển. Một số kết quả nghiên cứu Yongfei Xiao [14] xây dựng một cơ cấu cân bằng đối trọng để tăng khả năng tải của robot công nghiệp. Đặc tính chuyển động của robot tải nặng được đánh giá từ đặc tính động học. Từ mô hình động học, sử dụng lý thuyết Lagrange để phân tính lực và moment. Gouri Shankar Sharma [16] đề xuất giải thuật GA để tối ưu hoá quỹ đạo di chuyển cho tay máy robot 3 khâu. Mục đích là giảm thiểu năng lượng tiêu thụ bởi bộ thực thi trong tay máy và thời gian thực hiện, trong khi không vượt qua mức moment tối đa đã định trước. Giải thuật tìm ra được đường đi ngắn nhất cho cơ cấu chấp hành với việc di chuyển các khớp ít nhất. Hình 1.3 Năng lượng tiêu thụ khi sử dụng giải thuật GA và không sử dụng GA[16] 8