Tài liệu Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động

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 hệ thống gắp thức ăn cho hộp cơm tự động Người hướng dẫn: TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH Người duyệt: TS. VÕ NHƯ THÀNH Sinh viên thực hiện: BÙI TRUNG HUY CAO ANH TUẤN Số thẻ sinh viên : 101150169 101150193 Lớp: 15CDT1 Đà Nẵng, 12/2019 TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động. Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy Số thẻ SV: 101150169 Cao Anh Tuấn Số thẻ SV: 101150193 Lớp: 15CDT1 Giảng viên hướng dẫn : TS. Đặng Phước Vinh Giảng viên duyệt : TS. Võ Như Thành 1. Nhu cầu thực tế của đề tài Trong cuộc sống hiện tại, khi nền kinh tế phát triển kèm theo áp lực công việc lớn, nhằm tiết kiệm thời gian, nhu cầu sử dụng thức ǎn được chế biến sẵn của con người ngày một tǎng cao. Ðể làm cơm hộp thông thường người công nhân phải đưa những loại thức ǎn khác nhau vào hộp một cách thủ công, gây tốn nhiều thời gian, nhân lực cũng như không gian làm việc dẫn đến nǎng suất thấp. Dưới sự yêu cầu và tài trợ của công ty Sunfield – Nhật Bản, nhóm quyết định chọn đề tài “thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động”. Đây là đề tài có tính thực tiễn cao và nếu hoàn thiện sẽ giúp ích rất nhiều cho các doanh nghiệp sản xuất. 2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài ✓ Đề tài nghiên cứu chế tạo về phần gắp thức ăn tự động đặt vào hộp cơm để vị trí cho trước: • Yêu cầu đặt ra của đề tài: Gắp 4 mẫu thức ăn (gà rán, trứng chiên, cà chua, xúc xích) vào hộp đựng thức ăn với vị trí đã quy định trước. • Đề tài chỉ yêu cầu khâu đưa thức ăn vào vị trí hộp cơm, khâu đặt thức ăn để gắp thì có thể đặt tự do mọi vị trí mà tay gắp có thể gắp được và không được dùng khí nén để hút thức ăn. • Tốc độ gắp đặt ra khi hoàn thành một chu trình gắp không quá 24 giây. ✓ Nghiên cứu và ứng dụng lập trình PLC và xử lý hình ảnh ứng dụng vào đề tài. ✓ Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm thiết kế cơ khí và điện ứng dụng vào việc thiết kế và chế tạo mô hình có khả năng ứng dụng thực tế. ✓ Xây dựng hệ thống có thể cho phép lựa chọn các thông số theo yêu cầu thực tiễn với độ chính xác cho phép. ✓ Ứng dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu bên ngoài vào việc thiết kế và chế tạo hệ thống . ✓ Thiết kế và chế tạo các mạch điều khiển, mạch cách ly ứng dụng vào hệ thống. 3. Nội dung đề tài đã thực hiện ✓ Số trang thuyết minh: 60-70 trang ✓ Số bản vẽ: 5 bản vẽ A0 ✓ Mô hình: 1. 4. Kết quả đạt được • Phần lý thuyết ✓ Nghiên cứu, ứng dụng lập trình điều khiển cơ cấu gắp với 2 chế độ dạy học và xử lý hình ảnh của thức ăn yêu cầu. ✓ Thiết kế hệ thống bằng phần mềm Solidwork, nghiên cứu và mô phỏng lực gắp bằng phần mềm Abaqus. ✓ Lý thuyết về các loại xi lanh kẹp, van điều khiển và đấu nối dây PLC với hệ thống gắp. • Phần tính toán, thiết kế ✓ Thiết kế và chế tạo phần cơ khí. ✓ Thiết kế, mô phỏng lực và chế tạo ngón tay gắp mềm ✓ Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình, mô hình hoạt động tương đối ổn định. 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: Bùi Trung Huy Số thẻ sinh viên: 101150169 Lớp: 15CDT1 Khoa: Cơ khí Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Họ tên sinh viên: Cao Anh Tuấn Số thẻ sinh viên: 101150193 Lớp: 15CDT1 Khoa: Cơ khí Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử 1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động. 2. Đề tài thuộc diện: Không kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện 3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: • Các số liệu yêu cầu về phạm vi hoạt động, tốc độ, chu kỳ của hệ thống theo yêu cầu của công ty Sunfield – Nhật Bản. • Thông số kỹ thuật của hệ thống do công ty Sunfield – Nhật Bản cung cấp. • Các vật liệu: Nhôm định hình, inox, thép, nhựa. 4. Nội dung các phần thuyết minh và thiết kế: • Chương 1: Tổng quan • Chương 2: Thiết kế hệ thống tay gắp thức ăn • Chương 3: Thiết kế hệ thống truyền động • Chương 4: Xử lý ảnh và điều khiển • Chương 5: Kết luận 5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): • Bản vẽ sơ đồ đấu nối mạch điện : 1A0 • Bản vẽ sơ đồ tổng quát hệ thống : 1A0 • Bản vẽ lưu đồ thuật toán lập trình : 1A0 • Bản vẽ tổng quát hệ thống : 1A0 • Bản vẽ tay gắp và đồ gá tay gắp : 1A0 6. Họ tên người hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh 7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 26/08/2019 8. Ngày hoàn thành đồ án: 02/12/2019 Đà Nẵng, ngày 26 tháng 8 năm 2019 Trưởng bộ môn Người hướng dẫn TS. Đặng Phước Vinh LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nền kinh tế trong và ngoài nước đang trên đà phát triển mạnh mẽ, các ngành công nghiệp ngày càng tự động hóa sản xuất, đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật cao. Nhu cầu của nhà sản xuất cũng như nhà tiêu dùng là tăng không ngừng. Đây là cơ hội và cũng là thách thức cho ngành cơ điện tử, với việc ứng dụng các thành tựu nhân loại để phục vụ nhu cầu xã hội. Robot là một ứng dụng thiết thực nhất, từ những cỗ máy đơn giản đến phức tạp nhất, nó có thể góp mặt vào trong mọi lĩnh vực đời sống sản xuất con người. Các robot đã và đang trở thành công cụ lao động thông minh, từng bước thay thế con người trong hoạt động sản xuất. Nhờ có robot mà năng suất và chất lượng lao động ngày càng được cải thiện và tiệm cận sự hoàn hảo. Trong học phần này, chúng em thực hiện đề tài: Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động. Với mục tiêu tạo ra một sản phẩm hoạt động linh hoạt và có khả năng ứng dụng thực tế mang lại hiệu quả kinh tế cao. Các nhiệm vụ cần thực hiện trong đề tài này bao gồm: • Xác định phương án thiết kế và thiết kế tay gắp. • Nghiên cứu và điều khiển hệ thống. • Xử lý ảnh xác định vật thể kết hợp với lập trình PLC. Để đồ án này đạt kết quả tốt đẹp, nhóm đã nhận được sự hổ trợ, giúp đỡ của nhiều cơ quan, cá nhân. Với tình cảm sâu sắc trước hết chúng tôi gửi tới các thầy Khoa Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Đại học Đà Nẵng lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc. Với sự quan tâm, chỉ dạy và truyền đạt kiến thức để chúng tôi hoàn thành đề tài này. Đặc biệt chúng tôi gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo – TS. Đặng Phước Vinh đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn hoàn thành tốt đề tài này trong thời gian qua. Không thể không nhắc tới sự hổ trợ truyền đạt kinh nghiệm của các anh lớp 14CDT và các bạn trong tập thể lớp 15CDT. Tuy nhiên do kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế nên khó tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn sinh viên để đồ án của chúng tôi được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn. Đà Nẵng, ngày 17 tháng 12 năm 2019 Người thực hiện đề tài Cao Anh Tuấn i Bùi Trung Huy CAM ĐOAN Kính gửi khoa Cơ Khí – Trường đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt các quy định về liêm chính học thuật: - - Không sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày thể hiện các hoạt động học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình. Không bịa đặt, đưa ra các thông tin sai lệch so với nguồn gốc trích dẫn. Không ngụy tạo số liệu trong quá trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập hoặc hoạt động học thuật khác. Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách trích dẫn, diễn đạt của người khác như thể là của mình, trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác mà không có trích dẫn. Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà không có trích dẫn hoặc phân mảnh thông tin về kết quả nghiên cứu của mình để công bố trên nhiều ấn phẩm. Sinh viên thực hiện Bùi Trung Huy ii Cao Anh Tuấn MỤC LỤC Lời nói đầu .......................................................................................................................i Cam đoan ....................................................................................................................... ii Mục lục .......................................................................................................................... iii Danh sách các hình vẽ .................................................................................................... v Danh sách các bảng biểu và sơ đồ ................................................................................vii Danh sánh các chữ viết tắt và ký hiệu........................................................................ viii Chương 1: Tổng quan ................................................................................................ 1 1.1. Tổng quan về robot ...................................................................................... 1 1.1.1. 1.1.2. 1.1.3. 1.1.4. 1.2. 1.3. 1.4. Đặt vấn đề .................................................................................................... 8 Yêu cầu của đồ án ........................................................................................ 9 Cấu trúc của đồ án ...................................................................................... 10 Chương 2: 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. Giá đỡ trục dọc. .................................................................................. 16 Giá đỡ cơ cấu gắp. .............................................................................. 16 Cơ cấu gắp nhả thức ăn .............................................................................. 17 2.5.1. 2.5.2. 2.5.3. Chương 3: 3.1. 3.2. 3.3. Thiết kế hệ thống tay gắp thức ăn ......................................................... 11 Tổng quan về hệ thống ............................................................................... 11 Tính toán động học cho cánh tay. ............................................................... 12 Cơ cấu truyền động .................................................................................... 14 Giá đỡ ........................................................................................................ 16 2.4.1. 2.4.2. 2.5. Giới thiệu chung về robot ..................................................................... 1 Phân loại robot ...................................................................................... 3 Ứng dụng .............................................................................................. 7 Hệ thống găp thức ăn tự động ............................................................... 8 Khớp xoay của cơ cấu. ........................................................................ 17 Cơ cấu gắp, thả vật. ............................................................................ 19 Ngón gắp mềm ................................................................................... 21 Thiết kế hệ thống điều khiển và truyền động ....................................... 28 Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................................. 28 Hệ thống truyền động ................................................................................. 29 Hệ thống điều khiển ................................................................................... 29 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. 3.3.5. Bộ điều khiển công suất ...................................................................... 30 Bộ điều khiển lập trình PLC................................................................ 33 Module CC-Link FX3U-16CCL-M..................................................... 37 Bộ điều khiển Arduino. ....................................................................... 41 Module điều khiển động cơ bước TB660. ........................................... 42 iii 3.3.6. 3.3.7. 3.4. Thiết kế hệ thống điện ............................................................................... 46 Chương 4: 4.1. Điểm ảnh............................................................................................ 48 Độ phân giải ảnh ................................................................................ 48 Mức xám của ảnh ............................................................................... 48 Cấu trúc lưu dữ liệu ............................................................................ 48 Quy trình xử lý ảnh .................................................................................... 49 Lập trình điều khiển hệ thống truyền động. ................................................ 56 Chương 5: 5.1. 5.2. 5.3. Điều khiển và xử lý ảnh......................................................................... 48 Các khái niệm chung liên quan đến xử lý ảnh ............................................ 48 4.1.1. 4.1.2. 4.1.3. 4.1.4. 4.2. 4.3. Van Solenoid 5/3 ................................................................................ 43 Camera xử lý ảnh. .............................................................................. 44 Kết luận ................................................................................................. 66 Kết quả đạt được........................................................................................ 66 Hạn chế ..................................................................................................... 66 Hướng phát triển ........................................................................................ 66 Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 67 Phụ lục ............................................................................................................................ 1 iv DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 1.1 Robot xếp bao Kuka ..................................................................................... 2 1.2 Robot kiểu tọa độ Descarte........................................................................... 3 1.3 Robot kiểu hệ tọa độ..................................................................................... 4 1.4 Robot kiểu tọa độ cầu ................................................................................... 4 1.5 Robot kiểu Scar ............................................................................................ 4 1.6 Robot kiểu tay người .................................................................................... 5 1.7 Robot đầu bếp .............................................................................................. 7 1.8 Robot đưa vào thu hoạch nông nghiệp .......................................................... 7 1.9 Công nhân làm cơm hộp tại Yamagata, Nhật Bản......................................... 8 1.10 Tay gắp thức ăn phiên bản 1 (ĐATN lớp 14CDT) ...................................... 9 1.11 Hộp thức ăn mẫu do phía công ty Sunfield cung cấp ................................ 10 2.1 Tổng quan hệ thống tay gắp ....................................................................... 11 2.2 Hệ tọa độ gắn lên từng khâu của cánh tay ................................................... 12 2.3 Cấu tạo cơ cấu truyền động. ....................................................................... 14 2.4 Các thông số hình học cơ bản của cơ cấu chuyển động............................... 15 2.5 Giá đỡ trục dọc ........................................................................................... 16 2.6 Giá đỡ cơ cấu gắp....................................................................................... 17 2.7 Tổng quan khớp quay của cơ cấu. .............................................................. 18 2.8 Động cơ Nema 23 ...................................................................................... 18 2.9 Cơ cấu gắp phiên bản đầu tiên .................................................................... 19 2.10 Cơ cấu gắp bằng xi lanh ........................................................................... 20 2.11 Xi lanh kẹp MHF2-16D2.......................................................................... 20 2.12 Kích thước các chi tiết trên xi lanh MHF2-12D2 ...................................... 21 2.13 Ngón tay gắp được thiết kế ...................................................................... 21 2.14 Ngón tay khi chưa tác dụng và sau khi tác dụng lực ................................. 22 2.15 Nhựa nhiệt dẻo TPU ................................................................................. 23 2.16 Các mặt phẳng được tác động lực. ............................................................ 24 2.17 Kết quả sau khi mô phỏng lực trên các mặt phẳng .................................... 24 2.18 Kết quả sau khi tác dụng 1/3 ngón gắp phiên bản 1 .................................. 25 2.19 Kết quả tác dụng lực lên ngón gắp phiên bản 2. ........................................ 25 2.20 Máy in 3D. ............................................................................................... 26 2.21 Các mẫu ngón gắp sau khi in 3D. ............................................................. 26 2.22 Ảnh chụp hệ thống thực tế ........................................................................ 27 3.1 Sơ đồ tổng quan của hệ thống..................................................................... 28 3.2 Các phần của hệ thống truyền động. ........................................................... 29 3.3 Hệ thống điều khiển. .................................................................................. 29 3.4 Cấu trúc của PCON – CB/CFB................................................................... 30 3.5 Sơ đồ đấu nối bộ phận truyền động ............................................................ 31 v Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 3.6 Kết nối dây PCON không kích hoạt chế độ EMG- stop. ............................ 32 3.7 Kết nối dây PCON kích hoạt chế độ EMG- stop ........................................ 32 3.8 PLC Mitsubishi FX3G-60M ...................................................................... 34 3.9 Cấu trúc bộ điều khiển lập trình PLC ......................................................... 35 3.10 Hoạt động của PLC.................................................................................. 36 3.11 Module CC-Link FX3U-16CCL-M. ........................................................ 37 3.12 Tối ưu hóa hệ thống CC-Link. ................................................................. 38 3.13 Liên kết dữ liệu giữa các trạm trong hệ thống CC-Link ........................... 39 3.14 Kiểu nối dây CC-Link.............................................................................. 39 3.15 Tự động kết nối và chọn chế độ hoạt động. .............................................. 40 3.16 Thiết lập Parameter cho cơ cấu truyền động............................................. 40 3.17 Thiết lập Position cho cơ cấu truyền động................................................ 41 3.18 Arduino Uno. ........................................................................................... 41 3.19 Module TB6600....................................................................................... 42 3.20 Van 5/3. ................................................................................................... 43 3.21 Cấu tạo của van 5/3.................................................................................. 44 3.22 Ký hiệu của van 5/3. ................................................................................ 44 3.23 Camera Logitech HDc270h...................................................................... 45 3.24 Sơ đồ mạch điện của hệ thống.................................................................. 46 3.25 Sơ đồ điện đấu nối động cơ và Aduino..................................................... 47 3.26 Hệ thống điện sau khi đấu nối .................................................................. 47 4.1 Các loại thức ăn cần phân loại ................................................................... 49 4.2 Lưu đồ quá trình xử lý ảnh......................................................................... 49 4.3 Kết quả xử lý ảnh....................................................................................... 55 4.4 Sơ đồ khối chi tiết xử lý ảnh ..................................................................... 56 4.5 Minh họa quá trình truyền dữ liệu .............................................................. 57 4.6 Các thanh ghi được cấp phát ...................................................................... 57 4.7 Các thanh ghi được cấp phát ...................................................................... 58 4.8 Vị trí địa chỉ các thanh ghi ......................................................................... 59 4.9 Hai cấu trúc đọc và ghi từ Buffer Memory ................................................. 59 4.10 Chu trình PLC điều khiển Servo .............................................................. 61 4.11 Khối khởi động PLC ................................................................................ 61 4.12 Bật servo.................................................................................................. 63 4.13 Bật bit CSTR để servo hoạt động ............................................................. 63 4.14 Lược đồ vị trí ........................................................................................... 64 4.15 Lưu đồ thuật toán lập trình PLC chương trình cơ bản .............................. 65 vi DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU VÀ SƠ ĐỒ Bảng 2.1 Thông số DH .............................................................................................. 13 Bảng 2.2 Chiều dài các khâu. ..................................................................................... 16 Bảng 2.3 Bảng khối lượng các chi tiết cơ cấu gắp ...................................................... 18 Bảng 2.4 Bảng thông số động cơ Nema 23 ................................................................ 19 Bảng 3.1 So sánh giữa PLC và RƠ-LE ...................................................................... 33 Bảng 3.2 So sánh các phương pháp truyền dữ liệu của CC-Link. ............................... 37 vii DANH SÁNH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt: • ACC – Acceleration • BCM – Broadcom • GPIO – General Purposr • BKLS – Brake Release Input/Output • CGA – Color Graphic Adaptor • GPU – Graphics Processing Unit • CPU – Central Processing Unit • HĐH – Hệ điều hành. • DCL – Deceleration • HDMI – High-Definition • EMG – Emergency Multimedia Interface • HSV – Hue, Saturation, Value • EPROM – Erasable • I2C – Inter-Integrated Circuit Programmable Read-Only Memory • IP – Internet Protocol • FEA – Phân tích phần tử hữu • MISO – Master Out Slave Out • MOSI – Master Out Slave In hạn • GND – Ground • MP – Motor Power • NOOBS – New Out Of the Box • SCL – Serial Clock • SCLK – Serial Clock Software • PC – Personal Computer • SD - Secure Digital • PLC – Programmable Logic • SDA – Serial Data • SIO – Serial Input/Output Controller • RAM – Random Access Memory • SPI – Service Provider Interface • RCEC – Robo Cylinder • UART – Universal • TXD – Transmit Data • RGB – Red Green Blue • RW – Remote word Asynchronous ReceiverTransmitter • RX – Remote Input • USB - Universal Serial Bus • RXD – Receive Data • XLA – Xử lý ảnh. • RY – Remote Output viii Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về robot 1.1.1. Giới thiệu chung về robot Robot là máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ con người, có các tính năng: - Có hình dạng giống người hoặc cánh tay người. Có khả năng thao tác tự động. Có khả năng bắt chước thao tác giống người. Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty của Mỹ AMF (American Machine Foundary Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Về mặt kỹ thuật, những robot hiện nay có nguồn gốc từ hai loại kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC – Numerically Controlled machine tool). Các cơ cấu điều khiển từ xa đã được phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Các cơ cấu này thay thế cho cánh tay của người thao tác gồm có một bộ kẹp bên trong và hai tay cầm bên ngoài. Cả tay cầm và bộ kẹp được nối với cơ cấu 6 bậc tự do để tạo ra hướng và vị trí tuỳ ý. Robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF. Cũng trong khoản thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate1990 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô. Tiếp theo Mỹ, thì các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp như: Anh – 1967, Thuỵ Điển và Nhật – 1968 theo bản quyền của Mỹ, Cộng Hoà Liên Bang Đức – 1971, Pháp – 1972, Italia – 1973, …Tính năng làm việc của robot ngày càng nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967, trường đại học Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt – tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 công ty Cincinnati (Mỹ) đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính gọi là robot T3 (The Tomoorrow Tool), robot này có khả năng nâng vật có khối lượng lên đến 40kg. Có thể nói, robot là sự tổng hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ tri thức ngày càng phơng phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia, …Ngày nay, việc nâng cao tính năng của Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy Cao Anh Tuấn Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh 1 Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động robot ngày càng được phát triển, nhiều robot thông minh hơn nhiều, đặc biệt là Nhật Bản đã chế tạo nhiều robot giống người như Asimo, robot có cảm giác, … Một robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau: - - - - Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá bàn tay để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot. Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot. Các kết cấu của nhiều tay máy được mô phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người, tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như: Tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp, . . . Hình 1.1 Robot xếp bao Kuka Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy Cao Anh Tuấn Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh 2 Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản: - Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarte, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T hoặc P. Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R. Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của Robot là robot kiểu toạ độ Descarte, toạ độ trụ, toạ độ cầu, Robot kiểu SCARA, kiểu tay người... 1.1.2. Phân loại robot ❖ Phân loại theo dạng không gian hoạt động: - Robot tọa độ Descarte Tay máy kiểu tọa độ Descarte là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng. Hình 1.2 Robot kiểu tọa độ Descarte - Robot tọa độ trụ Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với kiểu tay máy Descartes ở khớp đầu tiên, dung khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy thò được vào trong khoảng nằm ngang. Độ cứng vững của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng. Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy Cao Anh Tuấn Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh 3 Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động Hình 1.3 Robot kiểu hệ tọa độ - Robot kiếu tọa độ cầu Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là một khối trụ rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn. Hình 1.4 Robot kiểu tọa độ cầu - Robot kiểu SCARA Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski (Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp. Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt,nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo phương được chọn, là phương ngang. Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective Compliance Articulated Robot Actuato” để mô tả các đặc điểm trên. Hình 1.5 Robot kiểu Scar Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy Cao Anh Tuấn Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh 4 Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động - Robot kiểu tay người Tất cả các khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Do sự tương tự giữa tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai, khớp thứ ba là khớp khủy, nối cẳng tay với khủy tay. Tay máy làm việc rất khéo léo. Nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của vùng làm việc. Hình 1.6 Robot kiểu tay người Toàn bộ kết cấu ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác. Muốn định vị nó, cần bổ sung cổ tay. Muốn định hướng tùy ý phần công tác, cổ tay phải có ít nhất ba chuyển động quay quanh ba trục vuông góc với nhau. ❖ Phân loại theo điều khiển: Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín. - Điều khiển hở: Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số sung điều khiển. Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. - Điều khiển kín (hay điều khiển servo): Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour). Với kiểu điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao. Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, … Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn. Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy Cao Anh Tuấn Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh 5 Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động ❖ Phân loại theo thế hệ: - Robot thế hệ thứ nhất Sử dụng cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình. Điều khiển vòng hở có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều khiển, tuy nhiên không thể thay đổi chương trình được. Sử dụng phổ biến trong công việc gắp đặt (pick and place). - Robot thế hệ thứ hai Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy. Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước. Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, panel điều khiển. - Robot thế hệ thứ ba Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh. Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau. - Robot thế hệ thứ tư Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến. Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biên không đươc xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot. ❖ Phân loại theo hệ thống truyền động: Có các dạng truyền động phổ biến là: Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn. - Hệ truyền động thuỷ lực: Có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển. - Hệ truyền động khí nén: Có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (pick and place or point to point). ❖ Phân loại theo ứng dụng: - Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v... Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy Cao Anh Tuấn Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh 6 Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động 1.1.3. Ứng dụng Từ khi mới vừa ra đời robot công nghiệp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy, các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt. Mục tiêu của việc ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Lợi thế của robot là làm việc không biết mệt mỏi, có khả năng làm trong môi trường phóng xạ độc hại, nhiệt độ cao, … Ngày nay, đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức độ tự động hoá và mức độ linh hoạt cao,.. Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, trong quốc phòng, trong việc chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, … Như vậy, robot công nghiệp được sử dụng trong nhiều lĩnh vực bởi ưu điểm của nó, tuy nhiên nó chưa linh hoạt như con người nên cũng cần con người giám sát. Hình 1.7 Robot đầu bếp Hình 1.8 Robot đưa vào thu hoạch nông nghiệp Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy Cao Anh Tuấn Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh 7