Tài liệu Thiết kế và chế tạo robot delta phân loại kẹo

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO Giáo viên hướng dẫn: TS. VÕ NHƯ THÀNH Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY NGUYỄN QUANG ĐẠT Lớp: 14CDT2 Đà Nẵng, 6/2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I. Thông tin chung: 1. Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên: 101140185 NGUYỄN QUANG ĐẠT 101140178 2. Lớp: 14CDT2 3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại kẹo 4. Người hướng dẫn: VÕ NHƯ THÀNH Học hàm/ học vị: Tiến sĩ II. Nhận xét đồ án tốt nghiệp: 1. Về tính cấp thiết, sáng tạo và ứng dụng của đồ án: (điểm đánh giá tối đa là 2đ) ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. 2. Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (điểm tối đa là 4đ) ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. 3. Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm đánh giá tối đa là 2đ) ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. 4. NCKH: (nếu có bài báo khoa học hoặc ĐATN là đề tài NCKH: (cộng thêm 1đ) ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. 5. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa: ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. III. Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm đánh giá tối đa 1đ) ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. IV. Đánh giá: 1. Điểm đánh giá: /10 2. Đề nghị: Được bảo vệ đồ án/ Bổ sung thêm để bảo vệ/ Không được bảo vệ Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019 Người hướng dẫn TS. VÕ NHƯ THÀNH ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin chung: 5. Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên: 101140185 NGUYỄN QUANG ĐẠT 101140178 6. Lớp: 14CDT2 7. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại kẹo 8. Người phản biện: Học hàm/ học vị: VI. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp: V. TT Các tiêu chí đánh giá 1 1a 1b 1c 1d 1e 1f 2 2a 2b 3 Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải quyết đủ nhiệm vụ đồ án được giao - Hiểu và vận dụng được kiến thức Toán và khoa học tự nhiên trong vấn đề nghiên cứu - Hiểu và vận dụng được kiến thức cơ sở và chuyên ngành trong vấn đề nghiên cứu - Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm mô phỏng, tính toán trong vấn đề nghiên cứu - Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài ứng dụng trong vấn đề nghiên cứu - Có kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn đề - Đề tài có giá trị khoa học, công nghệ; có thể ứng dụng thực tiễn: Kỹ năng viết: - Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc tích - Thuyết minh đồ án không có lỗi chính tả, in ấn, định dạng Điểm Điểm Điểm tối đa trừ còn lại 80 15 25 10 10 10 10 20 15 5 Tổng điểm đánh giá: theo thang 100 Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ) 3. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa: ……………………………………………………………………………………….. 4. Ý kiến khác: ……………………………………………………………………………………….. 5. Đề nghị: Được bảo vệ đồ án/ Bổ sung thêm để bảo vệ/ Không được bảo vệ Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019 Người phản biện ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I. Thông tin chung: 1. Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên: 101140185 NGUYỄN QUANG ĐẠT 101140178 2. Lớp: 14CDT2 3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại kẹo 4. Người phản biện: Học hàm/ học vị: II. Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời 1. ……………….……………….……..……………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 2. ………………………………………..…………………………………………….. ……………………………………………………………………………………… Đáp án: (người phản biện ghi vào khi chấm và nộp cùng với hồ sơ bảo vệ) 1. ……………….……………….……..……………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 2. ………………………………………..…………………………………………….. ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019 Người phản biện TÓM TẮT Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên: 101140185 NGUYỄN QUANG ĐẠT 101140178 Lớp : 14CDT2 Nội dung đồ án này đề cập cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích, tính toán động học, động học ngược và điều khiển robot Delta có kết hợp xử lý ảnh. Dựa trên những phương pháp cơ bản đó ta đi vào thiết kế và chế tạo một trong những mẫu robot điển hình là robot Delta để có cái nhìn toàn diện hơn về loại robot đang rất được chú trọng phát triển trong công nghiệp hiện nay. Chương 1: Tổng quan về robot Delta. Chương này chủ yếu cung cấp cho người đọc cái nhìn ban đầu về robot Delta, từ lịch sử phát triển, đến lợi thế của nó so với các robot thông thường khác, các ứng dụng của nó trong đời sống và trong công nghiệp, đồng thời cũng khái quát sơ đồ tổng quan về hệ thống, đặt ra vấn đề để xây dựng robot Delta ứng dụng trong công nghiêp. Chương 2: Tính toán và thiết kế cơ khí. Chương này, ta sẽ phân tích cấu trúc lựa chọn phương án thiết kế cũng như tính toán thiết kế dẫn động cho robot và giải quyết các vấn đề cơ bản nhất của động học Robot song song Delta như tính toán động học thuận, động học ngược trên cơ sở các phương trình liên kết bằng phương pháp hình học. Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển. Chương này giải quyết các vấn đề liên quan đến việc chọn dòng vi điều khiển trung tâm và các modun thích hợp mạch điều khiển cho robot cũng như thiết kế mạch điện điều khiển nhằm đảm bảo các chức năng cơ bản của robot. Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển. Chương này giới thiệu các lý thuyết cơ bản về xử lý ảnh nói chung cũng như các bước chính trong xử lý ảnh nói riêng, xây dựng phương trình bắt điểm trên băng tải để áp dụng vào chương trình điều khiển. Chương này cũng sẽ xây dựng nguyên lý làm việc cho robot từ đó tạo ra sơ đồ thuật toán và áp dụng vào chương trình điều khiển cho vi điều khiển cũng như xây dựng giao diện giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển nhằm giúp robot thực hiện theo đúng theo nguyên lý, sơ đồ thuật toán hoạt động của robot Delta. Chương 5: Thảo luận và phương hướng phát triển đề tài. Chương này là đánh giá kết luận và rút ra hạn chế kinh nghiệm để có hướng phát triển đề tài. 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 TT 1 2 Họ tên sinh viên Trần Đình Huy Nguyễn Quang Đạt Số thẻ SV 101140185 101140178 Lớp 14CDT2 14CDT2 Ngành Cơ Điện Tử Cơ Điện Tử 1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo Robot Delta phân loại kẹo 2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện 3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: 4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: a. Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nội dung - Tìm hiểu một số loại robot Delta ngoài thực tế và 1 Trần Đình Huy lựa chọn hệ thống phù hợp để thiết kế. 2 Nguyễn Quang Đạt - Đưa ra nguyên lý, lựa chọn các phương án phù hợp để thiết kế - Thi công robot thực tế. b. Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nội dung 1 Trần Đình Huy Tìm hiểu code điều khiển 2 Nguyễn Quang Đạt Tính toán hệ thống dẫn động, hoàn thành thuyết minh 5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): a. Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nội dung 1 Trần Đình Huy Bản vẽ lắp ráp băng tải A0 Bản vẽ lắp ráp Delta Robot A0 2 Nguyễn Quang Đạt Bản vẽ lưu đồ thuật toán A0 b. Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nội dung 1 Trần Đình Huy Hai bản vẽ chi tiết A0 2 Nguyễn Quang Đạt Bản vẽ sơ đồ mạch A0 3 Trần Đình Huy Bảng vẽ sơ đồ động A0 4 Nguyễn Quang Đạt Bản vẽ tổng thể A0 5.Họ tên người hướng dẫn: T.S Võ Như Thành 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 7. Ngày hoàn thành đồ án: Trưởng Bộ môn: Cơ Điện Tử Phần/ Nội dung: 01/02/2019 01/06/2019 Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019 Người hướng dẫn TS.Võ Như Thành LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả. Có thể nói rằng Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, một cách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn. Những hãng Robot từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật Bản, Nga, Hoa Kỳ ngày một khẳng định sự hiện diện của robot là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phía trước. Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày một đa dạng. Sau một thời gian học tập và rèn luyện, với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS. Võ Như Thành, cùng sự trợ giúp của các quý thầy cô bộ môn và các tài liệu có liên quan, mà em có thể hoàn thành xong đề tài. Đề tài đã hoàn thành xong, nhưng không thể tránh nhiều thiếu sót mong quý thầy cô giáo thông cảm và chỉ bảo thêm để đề tài có thể phát triển và ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các quý thầy cô! Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Đạt i Trần Đình Huy LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: Tôi tên là - Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa - Khoa Cơ khí : TRẦN ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên: 101140185 NGUYỄN QUANG ĐẠT Lớp Số thẻ sinh viên: 101140178 Khoa: Cơ khí : 14CDT2 Đề tài: Thiết kế và chế tạo Robot Delta phân loại kẹo. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng chúng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Đà Nẵng, ngày......tháng......năm 2019 Sinh viên thực hiện Nguyễn Quang Đạt ii Trần Đình Huy MỤC LỤC Tóm tắt Lời nói đầu và cảm ơn i Lời cam đoan liêm chính học thuật ii Mục lục iii Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ vi CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .....................................................................3 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DELTA........................................................3 1.1.1 Khái niệm cơ bản ............................................................................................ 3 1.1.2 Ứng dụng của robot Delta...............................................................................4 1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BĂNG TẢI ................................................................ 7 1.2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 7 1.2.2 Ưu điểm của băng tải ......................................................................................7 1.2.3 Cấu tạo chung của băng tải .............................................................................7 1.2.3 Các loại băng tải trên thị trường hiện nay ......................................................8 1.2.4 Giới thiệu băng tải dùng trong mô hình .........................................................8 1.3 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ..........................................................................10 1.3.1 Cấu trúc cơ bản ............................................................................................. 10 1.3.2 Đặt vấn đề .....................................................................................................11 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ....................................................................................12 CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ ...............................................13 2.1 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ROBOT DELTA ......................................................13 2.1.1 Lựa chọn cấu trúc .........................................................................................13 2.1.2 Cơ cấu dẫn động của động cơ ......................................................................14 2.1.3 Hệ khớp dẫn động.........................................................................................14 2.1.4 Hệ hình bình hành ........................................................................................15 2.1.5 Gá động cơ....................................................................................................15 2.1.6 Gá cơ cấu chấp hành .....................................................................................16 2.1.7 Bơm hút chân không.....................................................................................17 2.2 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC BĂNG TẢI ............................................................... 18 2.2.1 Đĩa xích ........................................................................................................19 2.2.2 Bộ truyền xích .............................................................................................. 19 2.2.3 Ổ bi Φ10 mm ................................................................................................ 20 2.2.4 Gá cơ cấu chấp hành .....................................................................................20 2.2.5 Ống tang Φ42 mm ........................................................................................21 2.2.6 Gá hộp Camera ............................................................................................. 21 2.2.7 Gá trục tang ..................................................................................................22 iii 2.3 MÔ HÌNH TỔNG QUÁT ...................................................................................22 2.4 THIẾT KẾ BĂNG TẢI .......................................................................................23 2.5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG................................................................ 23 2.6 ĐỘNG HỌC ROBOT.......................................................................................... 24 2.6.1 Số bậc tự do của Robot Delta .......................................................................25 2.6.2 Động học thuận............................................................................................. 26 2.6.3 Động học ngược Robot.................................................................................28 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ....................................................................................31 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .............................................32 3.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN............................................................ 32 3.2 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................... 32 3.2.1 Bộ điều khiển ................................................................................................ 32 3.2.2 Driver A4988 ................................................................................................ 34 3.2.3 Động cơ bước ............................................................................................... 35 3.2.3 Bơm hút chân không.....................................................................................36 3.2.4 Công tắc hành trình ......................................................................................36 3.3 SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI DÂY ......................................................................................37 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................38 CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ................................ 39 4.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VISUAL STUDIO VÀ THƯ VIỆN EMGU ..........39 4.1.1 Giới thiệu phần mềm Visual Stuio ............................................................... 39 4.1.2 Giới thiệu thư viện Emgu .............................................................................39 4.2 LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH ................................................................................40 4.2.1 Các kiểu ảnh cơ bản......................................................................................40 4.2.2 Quy trình xử lý ảnh.......................................................................................40 4.2.3 Một số hàm xử lý ảnh dùng thư viện EmguCV ...........................................41 4.3 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH BẮT ĐIỂM TRÊN BĂNG TẢI ......................42 4.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ..............................................43 4.5 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ........................................................... 44 4.5.1 Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh .........................................................................44 4.5.2 Lưu đồ thuật toán trên Arduino ....................................................................45 4.6 CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM ........................................................................46 4.6.1 Chương trình mạch điều khiển trên Arduino ...............................................46 4.6.2 Lập trình giao diện trên Visual Studio .........................................................46 4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ....................................................................................47 CHƯƠNG 5 THẢO LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ......48 5.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ......................................................................49 5.2 CÁC HẠN CHẾ TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT ....49 5.2.1 Các hạn chế...................................................................................................49 iv 5.2.2 Hướng giải quyết .......................................................................................... 50 5.3 CÁC HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 51 PHỤ LỤC 1 CHƯƠNG TRÌNH TRONG ARDUINO MEGA ............................... 52 PHỤ LỤC 2 CHƯƠNG TRÌNH TRONG VISUAL STUDIO.................................55 v DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 1.1 Danh sách các loại băng tải ..............................................................................8 Bảng 3.1 Bảng thông số cơ bản của Arduino Mega 2560 .............................................33 Bảng 3.2: Bảng thông số 5 chế độ của Driver A4988 ...................................................34 Hình 1.1 Robot Delta .......................................................................................................3 Hình 1.2 Robot Delta ứng dụng trong công nghệ thực phẩm .........................................4 Hình 1.3 Robot Delta trong phẫu thuật y học..................................................................5 Hình 1.4 Robot song song kiểu Stewwart .......................................................................5 Hình 1.5 Cấu trúc chấp hành song song 3RPS ................................................................ 6 Hình 1.6 Cấu tạo chung của băng chuyền .......................................................................7 Hình 1.7 Băng tải mô hình thiết kế trên solidworks ........................................................9 Hình 1.8 Hình ảnh băng tải thực tế..................................................................................9 Hình 1.9 Thành phần hệ thống robot .............................................................................10 Hình 2.1 Cấu trúc Robot Delta ......................................................................................13 Hình 2.2 Cơ cấu dẫn động trực tiếp...............................................................................14 Hình 2.3 Hệ khớp dẫn động........................................................................................... 14 Hình 2.4 Hệ hình bình hành .......................................................................................... 15 Hình 2.5 Gá động cơ ......................................................................................................15 Hình 2.6 Bàn máy di động ............................................................................................. 16 Hình 2.7 Bàn máy cố định ............................................................................................. 16 Hình 2.8 Bơm hút chân không.......................................................................................17 Hình 2.9 Cấu trúc của băng tải ......................................................................................18 Hình 2.10 Đĩa xích.........................................................................................................19 Hình 2.11 Bộ truyền xích .............................................................................................. 19 Hình 2.12 Ổ bi Φ10 mm ................................................................................................ 20 Hình 2.13 Gá cơ cấu chấp hành .....................................................................................20 Hình 2.14 Ống tang Φ42 mm ........................................................................................21 Hình 2.15 Gá hộp Camera ............................................................................................. 21 Hình 2.16 Gá trục tang ..................................................................................................22 Hình 2.17 Mô hình không gian thiết kế trên solidworks ...............................................22 Hình 2.18 Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E .....................................24 Hình 2.19: Ký hiệu các tham số tính toán .....................................................................25 Hình 2.20 Hình chiếu lên mặt phẳng OXY ...................................................................27 Hình 2.21 Ký hiệu các tham số tính toán ......................................................................29 vi Hình 2.22 Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ....................................................................29 Hình 2.23 Ký hiệu tọa độ tính toán ...............................................................................30 Hình 3.1 Sơ đồ đấu nối hệ thống điều khiển .................................................................32 Hình 3.2 Module Arduino Mega 2560 ..........................................................................33 Hình 3.3 Driver A4988 ..................................................................................................34 Hình 3.4 Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E .......................................35 Hình 3.5 Bơm hút chân không.......................................................................................36 Hình 3.6 Sơ đồ đấu nối dây ........................................................................................... 37 Hình 4.1 Tọa độ bắt điểm .............................................................................................. 42 Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh............................................................................44 Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán trên Arduino ......................................................................45 Hình 4.4 Chương trình chính mạch điều khiển ............................................................. 46 Hình 4.5 Giao diện xử lý dữ liệu trên Visual Studio .....................................................47 Hình 5.1 Sản phẩm kẹo để phân loại .............................................................................48 Hình 5.2 Mô hình Robot Delta lúc gắp sản phẩm .........................................................48 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài: Robot công nghiệp từ khi mới ra đời đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp là nhằm góp phần nâng cao năng suất, giảm giá thành, tăng chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện năng suất lao động. Trong ngành cơ khí robot được sử dụng trong kỹ thuật ô tô, công nghệ hàn, công nghệ đúc, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi và lắp ráp sản phẩm. Về mặt cơ học, robot song song là hệ nhiều vật có cấu trúc vòng động học kín có cấu trúc động học phức tạp, khó thiết kế và điều khiển. Tuy vậy, mà robot song song có thể thực hiện các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao. Vì vậy, việc đi sâu vào nghiên cứu động lực học và điều khiển robot song song trong việc phân loại sản phẩm là một vấn đề khoa học và có ý nghĩa thực tế. Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu là xây dựng được mô hình cơ học và mô hình toán học, xây dựng các thuật toán điều khiển cho robot song song Delta là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot song song Delta. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Động lực học và điều khiển robot song song Delta. Phạm vi nghiên cứu: Để có thể xây dựng được đề tài ta cần phải nắm rõ được cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích, tính toán động học, động học ngược và kỹ thuật xử lý ảnh, đồng thời với các kiến thức liên quan đến tính toán thiết kế cơ khí, mạch điều khiển, lập trình vi điều khiển cũng như công nghệ máy tính mới có thể đưa những lý thuyết cốt lõi thành mô hình thực tế đáp ứng được các nguyên lý hoạt động đề ra. SVTH: TRẦN ĐÌNH HUY NGUYỄN QUANG ĐẠT GVHD: TS.VÕ NHƯ THÀNH 1 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO Phương pháp nghiên cứu: Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết: + Tổng hợp tài liệu về tính toán động học thuận và ngược của robot delta, từ đó xây dựng thuật toán giải bài toán động học thuận và động học ngược. + Tính toán thiết kế mô hình cơ khí cho robot đảm bảo độ chính xác và độ cứng vững cần thiết, đáp ứng nhu cầu điều khiển chính xác. - Nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo mô hình thực nghiệm robot Delta và điều khiển chính xác. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Đề tài mang nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn: + Tạo tiền đề cho việc chế tạo các robot Delta ứng dụng vào thực tế: robot lắp ráp sản phẩm trong các hệ thống sản xuất, robot nâng chuyển... + Góp phần xây dựng mô hình dạy học về điều khiển tự động đối với robot công nghiệp tại các trường Cao đẳng và Đại học. Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY NGUYỄN QUANG ĐẠT Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH 2 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DELTA 1.1.1 Khái niệm cơ bản Robot Delta được phát minh trong đầu thập niên 80 ở Thụy Sĩ của giáo sư Reymond Clavel và đã được nhận Bằng sáng chế Hoa Kỳ 4.976.582, dưới đây là robot công nghiệp thực tế của hãng ABB như hình 1.1a. a) Robot Flex Picker của hãng ABB b) Cấu trúc của robot Delta Hình 1.1 Robot Delta Robot Delta bao gồm hai phần: Trên cùng bàn máy cố định với ba động cơ gắn trên nó và một bàn máy động kết nối các khớp cầu của chân bị động và với một cơ cấu thực hiện chức năng (bơm hút chân không…). bàn máy cố định và bàn máy động được nối thông qua ba cánh tay với chân bị động là hình bình hành, các hình bình hành tạo sự định hướng của bàn máy động được song song với bàn máy cố định và bề mặt làm việc (bảng, băng tải và vv). Động cơ thiết lập vị trí của cánh tay. Do đó, các vị trí tọa độ XYZ được điều chỉnh phù hợp. Lợi thế cốt lõi của robot Delta là tốc độ. Các loại cánh tay robot thông thường phải di chuyển không chỉ tải trọng, mà còn tất cả các động cơ servo trong mỗi phần, trong khi đó phần duy nhất chuyển động của robot Delta là khung của nó, mà thường được làm bằng vật liệu composite nhẹ. Do tốc độ của nó, robot Delta được sử dụng rộng rãi trong hoạt động di chuyển các vật thể tương đối nhẹ. Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY NGUYỄN QUANG ĐẠT Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH 3 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO 1.1.2 Ứng dụng của robot Delta a) Ứng dụng trong công nghiệp Một loại robot được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta. Robot Delta được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập niên 1980 với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay. Robot Delta đã nhận được 36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng như của WIPO (WO 87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4,976,582 cấp ngày 11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày 17/07/1991). Robot Delta được dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm thiết bị nâng gắp… Hình 1.2 Robot Delta ứng dụng trong công nghệ thực phẩm b) Ứng dụng trong y học Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã dùng robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20 kg dùng trong việc giải phẫu. Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY NGUYỄN QUANG ĐẠT Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH 4 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO Hình 1.3 Robot Delta trong phẫu thuật y học c) Các ứng dụng khác Phòng thí nghiệm PCR tại Đại học kỹ thuật Shaif đã thiết kế, mô phỏng, phân tích động học và chế tạo một loại tay máy song song dùng để leo cột điện thay bóng đèn thay cho công nhân. Đây là loại robot có 3 chuỗi động học, mỗi chuỗi động học được bố trí các khớp là UPU (U là khớp Cardan, P là khớp trượt). Hình 1.4 Robot song song kiểu Stewwart Một trong những công trình đầu tiên là của Stewart năm 1965, trong đó ông đã giới thiệu cách sử dụng các cấu trúc song song cho việc mô phỏng bay. Kể từ đó nhiều phiên bản của bệ này đã được đề xuất và nghiên cứu. Một robot song song rất phổ biến là robot Delta. Đặc điểm nổi bậc của các robot này là ở chổ bàn máy động chuyển động tịnh tiến nhờ các cơ cấu hình bình hành. Đặc điểm Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY NGUYỄN QUANG ĐẠT Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH 5 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO này cùng với độ cứng vững cao, loại robot song song Delta ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghệ in 3D. Robot song song 3RPS thường được thiết kế để mang phôi gia công và lắp đặt trên bàn gá phôi của máy phay. Ba chân với chiều dài có thể thay đổi được nhờ các xilanh thủy lực do đó khâu thao tác sẽ mang phôi chuyển động theo một quỹ đạo xác định trước. Hai đầu của các chân một đầu được liên kết với đế cố định bằng khớp bản lề và một đầu liên kết khâu thao tác bằng khớp cầu. Ưu điểm của robot này là khối lượng nhỏ, cấu trúc nhỏ gọn, độ cứng vững cao, có 3 bậc tự do và độ chính xác cao. Hình 1.5 Cấu trúc chấp hành song song 3RPS Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY NGUYỄN QUANG ĐẠT Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH 6