Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu và xây dựng phương trình động học thuận nghịch cho robot cable phục vụ tưới trong nông nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:112

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu và xây dựng phương trình động học thuận nghịch cho robot cable phục vụ tưới trong nông nghiệp" nhằm nghiên cứu tìm hiểu ở các phần trên nên nhóm đã đặt ra nhiệm vụ cho đề tài là thiết kế và gia công cơ khí cho robot song song Cable. Robot sau khi gia công chế tạo sẽ được điều khiển để thực hiện nhiệm vụ in 3D các mô hình nhà cửa, di chuyển vật tư thiết bị để phục vụ trong xây dựng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu và xây dựng phương trình động học thuận nghịch cho robot cable phục vụ tưới trong nông nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN NGHỊCH CHO ROBOT CABLE PHỤC VỤ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP MÃ SỐ: SV2020-40 SKC 0 0 7 3 6 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN NGHỊCH CHO ROBOT CABLE PHỤC VỤ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP Mã số đề tài : 40 Chủ nhiệm đề tài: Lê Công Lý TP Hồ Chí Minh, Tháng 10/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN NGHỊCH CHO ROBOT CABLE PHỤC VỤ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP Mã số đề tài : 40 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Lê Công Lý Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16146402, Cơ Khí Chế Tạo Máy Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Cơ điện tử Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thu Thủy TP Hồ Chí Minh, 10/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu và xây dựng phương trình động học thuận nghịch cho robot cable phục vụ tưới trong nông nghiệp - Chủ nhiệm đề tài: Lê Công Lý Mã số SV: 16146402 - Lớp: 161461 Khoa: Cơ Khí Chế Tạo Máy - Thành viên đề tài: Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 Đặng Xuân Trường 16146546 161461 CKM 2 - Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thu Thủy 2. Mục tiêu đề tài: Tính toán đươc phương trình động học thuận nghịch của robot Cable 3. Tính mới và sáng tạo: Robot Cable là một dạng robot mới và hiện có rất ít nghiên cứu về nó. Cho nên nghiên cứu tính toán được phương trình động học cho robot sẽ tạo ra nhiều khả năng để nghiên cứu sâu hơn cũng như ứng dụng của robot này vào sản xuất và cuộc sống. 4. Kết quả nghiên cứu: Kết quả nghiên cứu đưa ra được phương trình động học của robot đủ để điều khiển robot di chuyển trong không gian tuy nghiên vẫn còn hạn chế. 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Việc nghiên cứu thành công robot sẽ mở ra nhiều ứng dụng cho các mục đích khác nhau như: ứng dụng vào việc tưới tiêu trong nông nghiệp, giả lập ghế máy bay, vận chuyển cục bộ hàng hoá, ứng dụng trong xây dựng … 6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có): Ngày 20 tháng 10 năm 2020 SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên)
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi): Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ và tên)
TÓM TẮT Đồ án này trình bày về robot song song dạng Cable, phân tích sơ lược về các dạng cấu hình đồng thời lựa chọn cấu hình tối ưu nhất, nghiên cứu tính toán động học, cũng như là việc tính toán thiết cơ khí, điện điều khiển và xây dựng một chương trình điều khiển cho robot này. Sau khi thiết kế nhóm đã tiến hành thực nghiệm kiểm tra sai số vị trí, sai số lặp lại, kiểm tra lực căng của dây. Kết quả thực nghiệm cho thấy cơ cấu robot đã lựa chọn và thiết kế có thể đáp ứng được việc di chuyển chính xác trong không gian theo yêu cầu đặt ra, hệ thống điện hoạt động hoạt động ổn định và hiệu quả, giao diện điều khiển đơn giản và dễ dàng thao tác. Bên cạnh đó nhóm cũng đã triển khai nghiên cứu cơ bản về vật liệu xây dựng phù hợp cho việc in 3D và thực nghiệm in vật liệu nhằm kiểm tra thời gian động đặc của vật liệu đồng thời đánh giá khả năng hoạt động hiệu quả của đầu công tác của robot. i
ABSTRACT The project shows a parallel cable robot, including a brief analysis of configuration forms and a choice of the most optimal configuration, a study on calculating kinetic parameters and calculating of mechanical and electrical control equipment, as well as building a control program for the robot. After designing, the group has conducted experiments to check position deviation, repeatability error, and check wire tension. Experimental results show that the robot structure which was selected and designed can meet the precise movement in space as required; the operation of electrical system was stable and efficient; and the control interface was simple and easy to use. In addition, our group also conducted a basic research on building material which was suitable for 3D printing and conducted a material printing experiment to check the densification time of the material and to evaluate the ability of end-effector of robot to work effectively. ii
MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................... Error! Bookmark not defined. LỜI CẢM ƠN ................................................................... Error! Bookmark not defined. TÓM TẮT ........................................................................................................................ i ABSTRACT .................................................................................................................... ii DANH SÁCH HÌNH ẢNH .......................................................................................... vii DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................................ x CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 1.2. Tình hình nghiên cứu .......................................................................................... 2 1.2.1. Ngoài nước ...................................................................................................... 2 1.2.2. Trong nước ...................................................................................................... 2 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài ................................................................................ 3 1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài ......................................................................................... 3 1.3.2. Giới hạn nghiên cứu của đề tài ........................................................................ 3 1.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 3 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết .................................................................. 3 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ............................................................ 3 1.5. Nội dung ................................................................................................................ 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 5 2.1. Sơ lược về robot song song Cable ....................................................................... 5 2.2. Sơ lược về công nghệ in 3D ................................................................................. 9 2.2.1. Công nghệ FDM .............................................................................................. 9 2.2.2. Công nghệ Resin ........................................................................................... 10 2.2.3. Công nghệ SLS .............................................................................................. 10 2.3. Sơ lược về cáp ..................................................................................................... 12 2.4. Sơ lược về PLC ................................................................................................... 13 iii
2.5. Sơ lược về động cơ Servo .................................................................................. 14 2.6. Sơ lược về vật liệu .............................................................................................. 14 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ...................................................... 16 3.1. Các phương án thiết kế truyền động cho robot .............................................. 16 3.1.1. Phương án 1 ................................................................................................... 16 3.1.2. Phương án 2 ................................................................................................... 17 3.1.3. Phương án 3 ................................................................................................... 17 3.1.4. Phương án 4 ................................................................................................... 18 3.2. Lựa chọn phương án truyền động tối ưu......................................................... 19 3.3. Lựa chọn phương án truyền động .................................................................... 19 3.4. Chọn động cơ ...................................................................................................... 22 3.4.1. Chọn động cơ cho bộ tang cuốn cáp ............................................................. 22 3.4.2. Chọn động cơ cho đầu công tác .................................................................... 24 3.5. Tổng quan bộ cuốn cáp ..................................................................................... 24 3.5.1. Tang cuốn cáp ............................................................................................... 26 3.5.2. Bộ dẫn hướng dây cáp, cảm biến loadcell..................................................... 27 3.5.3. Bộ truyền đai răng ......................................................................................... 29 3.5.4. Thiết kế khung ............................................................................................... 31 3.6. Phân tích ứng suất và biến dạng của cơ cấu ................................................... 31 3.7. Tính toán lựa chọn vít tải .................................................................................. 33 3.8. Thiết kế đầu công tác ......................................................................................... 34 3.9. Lựa chọn cáp thép và ròng rọc ......................................................................... 35 3.9.1. Lựa chọn cáp ................................................................................................. 35 3.9.2. Chọn ròng rọc ................................................................................................ 36 3.10. Tính số bậc tự do cho kết cấu robot ............................................................... 37 3.11. Động học robot ................................................................................................. 38 3.11.1. Động học nghịch robot với mô hình tiêu chuẩn cáp ................................... 38 3.11.2. Động học nghịch cáp với mô hình phi tiêu chuẩn cáp ................................ 40 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ........................................................... 44 iv
4.1. Tổng quan các thiết bị điện của hệ thống ........................................................ 44 4.1.1. Bộ điều khiển................................................................................................. 44 4.1.2. Driver và động cơ .......................................................................................... 45 4.1.3. Các thiết bị khác ............................................................................................ 45 4.2. Thiết kế tủ điều khiển trung tâm...................................................................... 47 4.3. Cấu trúc bộ điều khiển ...................................................................................... 49 4.4. PLC (program logic control) và phương thức truyền thông ......................... 52 4.4.1. Tổng quan về PLC ......................................................................................... 52 4.4.2. Truyền thông giữa máy tính và PLC ............................................................. 54 CHƯƠNG 5. QUY TRÌNH XỬ LÝ VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM ....................... 59 5.1. Quy trình xử lý ................................................................................................... 59 5.1.1. Lập bản vẽ 3D ............................................................................................... 59 5.1.2. Xử lý file in ................................................................................................... 59 5.1.3. Tạo tín hiệu điều khiển .................................................................................. 60 5.1.4. Xuất tín hiệu và kiểm tra ............................................................................... 60 5.2. Bài toán quỹ đạo và nội suy .............................................................................. 60 5.2.1. Tổng quan về bài toán quỹ đạo. .................................................................... 60 5.2.2. Bài toán quỹ đạo trong robot song song. ....................................................... 61 5.2.3. Bài toán nội suy. ............................................................................................ 64 5.3. Cấu trúc phần mềm. .......................................................................................... 68 CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM ........................................................ 72 6.1. Robot song song Cable ...................................................................................... 72 6.2. Các bộ phận và cấu trúc cơ khí ........................................................................ 73 6.3. Hệ thống điều khiển ........................................................................................... 80 6.4. Thử nghiệm vật liệu ........................................................................................... 83 6.5. Dây cáp và loadcell ............................................................................................ 86 CHƯƠNG 7. TỔNG KẾT ........................................................................................... 92 7.1. Kết luận ............................................................................................................... 92 7.2. Hướng phát triển ............................................................................................... 93 v
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 94 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 95 Phụ lục 1 – Bảng vẽ điện .......................................................................................... 96 vi
DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 2.1: Các mẫu chuyển động có thể có cho robot cable song song............................ 6 Hình 2.2: NIST RoboCrane.............................................................................................. 7 Hình 2.3: Cáp điều khiển camera robot Skycam ............................................................. 8 Hình 2.4: Ứng dụng Robot cable trong lắp đặt máy bay. ................................................ 8 Hình 2.5: Máy in sử dụng công nghệ FDM ..................................................................... 9 Hình 2.6: Máy in sử dụng công nghệ Resin ................................................................... 10 Hình 2.7: Máy in sử dụng công nghệ SLS ..................................................................... 11 Hình 2.8: Hình ảnh so sánh độ mịn của các công nghệ in ............................................. 12 Hình 2.9 Thông số cáp ................................................................................................... 13 Hình 3.1: Robot sử dụng cấu hình 3 dây........................................................................ 16 Hình 3.2: Robot sử dụng cấu hình 4 dây........................................................................ 17 Hình 3.3: Robot sử dụng cấu hình 8 dây mắc song song ............................................... 18 Hình 3.4: Robot sử dụng cấu hình 8 dây mắc chéo ....................................................... 18 Hình 3.5: Nguyên lý bộ truyền trục vít. ......................................................................... 20 Hình 3.6: Thông số kích thước hộp giảm tốc NMRV050.............................................. 21 Hình 3.7: Hình ảnh của hộp số MNRV050 .................................................................... 22 Hình 3.8: Hình ảnh động cơ Delta và Driver ................................................................ 23 Hình 3.9: Hình ảnh động cơ DC ................................................................................... 24 Hình 3.10: Bộ cuốn tang và cách đi dây cáp ................................................................. 25 Hình 3.11: Bộ cuốn cáp trên thiết kế ............................................................................. 26 Hình 3.12: Tang cuốn cáp thiế t kế ................................................................................ 27 Hình 3.13: Bộ dẫn hướng cáp thiết kế .......................................................................... 29 Hình 3.14: Chi tiết gá đai ốc trên thiết kế ...................................................................... 29 Hình 3.15: Bộ truyền đai răng thiết kế ........................................................................... 30 Hình 3.16: Mô hình trên thiết kế .................................................................................... 31 Hình 3.17: Chuyển vị của khung robot .......................................................................... 32 Hình 3.18: Vít tải trên thiết kế ....................................................................................... 34 Hình 3.19: Bệ công tác trên thiết kế ............................................................................... 34 Hình 3.20: Đầu nối cáp ở đầu công tác .......................................................................... 35 Hình 3.21: Cáp không gỉ đường kính D = 4mm ............................................................ 36 Hình 3.22: Ròng rọc định hướng dây. ............................................................................ 37 Hình 3.23: Động học nghịch robot từ điểm A của trụ đến điểm B của đầu công tác .... 39 Hình 3.24: (a) góc chắn cung tạo bởi dây cáp (b) góc tạo bởi ròng rọc và mặt phẳng Oxy ................................................................................................................................. 41 vii
Hình 3.25: Động học nghịch robot từ điểm giao ròng rọc A đến điểm M của đầu công tác ................................................................................................................................... 42 Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan các thiết bị của hệ thống .................................................... 44 Hình 4.2: Sơ đồ kết nối với module đọc loadcell........................................................... 46 Hình 4.3: Sơ đồ bố trí tủ điều khiển ............................................................................... 47 Hình 4.4: Sơ đồ bố trí các thiết bị trong tủ điều khiển ................................................... 48 Hình 4.5: Sơ đồ mạch điều khiển ................................................................................... 49 Hình 4.6: Sơ đồ mạch động lực...................................................................................... 49 Hình 4.7: Sơ đồ tổng quan cấu trúc bộ điều khiển ......................................................... 50 Hình 4.8: Sơ đồ giao tiếp giữa PC và bộ điều khiển ...................................................... 51 Hình 4.9: Sơ đồ Driver nhận tín hiệu từ PLC ................................................................ 51 Hình 4.10: Sơ đồ đấu nối chân từ PLC vào Driver ........................................................ 52 Hình 4.11: Cổng Ethernet máy tính ............................................................................... 57 Hình 5.1: Các đường đi của robot .................................................................................. 61 Hình 5.2: Vận tốc đùn vật liệu ....................................................................................... 63 Hình 5.3: Hệ thống xử lý dữ liệu in ............................................................................... 64 Hình 5.4: Biểu diễn quỹ đạo đường thẳng và đồ thị vận tốc trong suốt quá trình di chuyển ............................................................................................................................ 66 Hình 5.5: Cung tròn được tạo bởi 2 điểm A và B với điểm giữa là C được chia thành nhiều đoạn nhỏ tương ứng với các nghiệm của phương trình tham số. ......................... 67 Hình 5.6: Cấu trúc của các thành phần được phát triển cho robot song song ................ 69 Hình 5.7: Cấu trúc lớp thấp của bộ điều khiển .............................................................. 70 Hình 6.1: Robot Cable sau khi hoàn thành .................................................................... 72 Hình 6.2: Tang cuốn thiết kế .......................................................................................... 74 Hình 6.3: Tang cuốn sau khi thiết kế ............................................................................. 74 Hình 6.4: Tang cuốn sau khi được quấn cáp .................................................................. 75 Hình 6.5: Chi tiết gá loadcell thiết kế ............................................................................ 75 Hình 6.6: Chi tiết gá loadcell sau gia công .................................................................... 76 Hình 6.7: Bộ dẫn hướng cáp thiết kế ............................................................................. 76 Hình 6.8: Bộ dẫn hướng cáp sau lắp ráp ........................................................................ 77 Hình 6.9: Bộ truyền đai răng thiết kế ............................................................................. 77 Hình 6.10: Bộ truyền đai răng thực tế ............................................................................ 78 Hình 6.11: Bệ quấn cáp trên thiết kế .............................................................................. 78 Hình 6.12: Bộ cuốn cáp thực tế ...................................................................................... 79 Hình 6.13: Đầu công tác trên thiết kế ............................................................................ 79 Hình 6.14: Đầu công tác thực tế..................................................................................... 80 Hình 6.15: Cách bố trí các tủ điện.................................................................................. 81 viii
Hình 6.16: Tủ điện thực tế ............................................................................................. 81 Hình 6.17: Lưu đồ điều khiển động cơ .......................................................................... 82 Hình 6.18: Giao diện điều khiển .................................................................................... 83 Hình 6.19: Pha trộn vật liệu ........................................................................................... 84 Hình 6.20: Sản phẩm sau khi đùn .................................................................................. 85 Hình 6.21: Sơ đồ lực cáp ................................................................................................ 86 Hình 6.22: Kết quả kiểm tra lực căng dây khi robot di chuyển ..................................... 87 Hình 6.23: Kiểm tra khả năng đi theo quỹ đạo của robot .............................................. 89 Hình 6.24: Sai số tại một số điểm khi vẽ ....................................................................... 89 Hình 6.25: Vật liệu sau khi đùn ..................................................................................... 90 Hình 6.26: Hình dạng thực tế của vật liệu sau khi in ..................................................... 90 ix
DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 6.1 Thông số kỹ thuật. .......................................................................................... 73 Bảng 6.2 Kết quả thử nghiệm tỷ lệ pha trộn vật liệu ..................................................... 85 Bảng 6.3: Kiểm tra sai số vị trí ...................................................................................... 88 x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Ngành xây dựng luôn có vai trò to lớn trong quá trình phát triển của một quốc gia hay một đế chế và là ngành không thể thiếu trong mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử. Ở thời kỳ đồ đá, xây dựng chính là việc lựa chọn, sắp xếp và cải tạo các hang động, hốc cây trở thành nơi ẩn náu, lưu trữ thực phẩm, tích trữ của cải. Đến thời cổ đại, với sự lao động của đôi bàn tay và khối óc, những người thợ xây đã xây dựng các kim tự tháp, các kinh thành, các trường đấu to lớn. Cho đến ngày nay, khi xã hội ngày càng văn minh thì nhu cầu xây dựng của con người ngày càng phức tạp. Tuy nhiên, cách xây nhà đã không thay đổi từ thời trung cổ. Sự trì trệ trong xây dựng nhà đã không theo kịp nhu cầu và tăng trưởng dân số. Điều này đã góp phần vào một cuộc khủng hoảng nhà ở đang gia tăng. Phương pháp xây nhà truyền thống là không hiệu quả và lãng phí. Những vấn đề quan trọng này đã thúc đẩy chi phí vượt qua điểm khả năng chi trả cho người bình thường. Chi phí cao cũng có nghĩa là cung cấp nơi trú ẩn đầy đủ ở các nước đang phát triển có thể gần như không thể. Người thu nhập thấp không thể mua được nhà. Sự thật là vậy những người lao động với thu nhập thấp và kể cả không ổn định, việc mua hoặc xây dựng nhà ở với giá vài chục nghìn đô là điều không thể với họ. Thưc tế hiện nay hơn 1 tỷ người không có chỗ ở đúng nghĩa. Đa số dân cư sinh sống trên thế giới hiện nay đã có chỗ ở lý tưởng của mình. Tuy nhiên do sự phân chia giàu nghèo của các nước trên thế giới vẫn còn rất nhiều, nên một bộ phận không nhỏ người dân vẫn chưa có nơi ở thực sự tốt dành cho họ. Hằng ngày, tại Hong Kong, trung tâm tài chính giàu có ở châu Á, thuê nhà là một trong những vấn đề lớn nhất mà người lao động và chính phủ đang vướng mắc. Dân số Hong Kong khoảng 7,3 triệu người, trong đó 200.000 người, bao gồm 35.500 trẻ dưới 15 tuổi, đang sống trong "căn hộ được chia nhỏ". Con số này tăng 18% so với 4 năm trước và không bao gồm hàng nghìn người đang sống tại những nơi như lều trên tầng thượng, căn hộ phân chia bằng lồng sắt và "nhà quan tài" là những buồng nhỏ bằng gỗ xếp chồng lên nhau. Hong Kong thường xuyên đứng đầu trong các cuộc khảo sát giá bất động sản toàn cầu. Giá nhà ở đây cao gấp 19 lần thu nhập trung bình của một người. Chính vì vậy mà việc mua nhà là một trở ngại lớn đối với những người có thu nhập thấp không thể chi trả nỗi những khoản đắt đỏ để sở hữu một căn nhà cho riêng mình. 1
Xây nhà là không hiệu quả và lãng phí. Để hoàn thành một căn nhà đòi hỏi tiêu tốn khá nhiều thời gian, nhân lực, kể cả chi phí nguyên vật liệu. Chưa tính trong lúc thi công sự hao hụt vật liệu và điều kiện thời tiết gây nên sự lãng phí tiền của. Chính vì vậy chúng ta cần một giải pháp để giải quyết sự kém hiệu quả của việc xây nhà bằng phương pháp thủ công này. Gần đây việc ứng dụng Robot, máy tự động vào việc phát triển các ngành công nghiệp đang được đẩy mạnh tại các nước trên thế giới. Nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt. Chính vì những lý do trên, nên việc nghiên cứu phát triển Robot để phục vụ cho ngành xây dựng là một vấn đề cấp thiết hiện nay đặt biệt khi Việt nam muốn công nghiệp hóa sản xuất trên mọi lĩnh vực hiện nay. Nhận thấy được sự phát triền mạnh mẽ của in 3D trong lĩnh vực gia công chế tạo cùng với sự ra đời của loại robot mới là robot cáp nên chúng tôi quyết định nghiên cứu ứng dụng loại robot này vào trong thực tế chính là việc in 3D vữa bê tông để tạo ra sản phẩm cuối cùng chính là những ngôi nhà mà con người có thể ở và sinh sống được trong đó. 1.2. Tình hình nghiên cứu 1.2.1. Ngoài nước Nghiên cứu về các bộ điều khiển song song treo dây cáp có nguồn gốc từ Mỹ vào năm 1984. Landsberger ở MIT đã thiết kế một bộ điều khiển song song điều khiển cáp cho hoạt động dưới nước. Năm 1989, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia ở Mỹ đã bắt đầu dự án NIST RoboCrane. Vào cuối những năm 1980, hệ thống SkyCam, được phát minh bởi công ty August Design được sử dụng rộng rãi để phát sóng trực tiếp. Năm 2001, robot mảng cáp được đề xuất bởi Gorman từ Đại học bang Pennsylvania đây là một lớp cơ chế robot sử dụng nhiều dây cáp được kích hoạt để thao tác với các vật thể. 1.2.2. Trong nước Hiện nay, các ứng dụng của robot trong xây dựng ở Việt nam còn chưa có. 2
1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài Từ vấn đề được nghiên cứu tìm hiểu ở các phần trên nên nhóm đã đặt ra nhiệm vụ cho đề tài là thiết kế và gia công cơ khí cho robot song song Cable. Robot sau khi gia công chế tạo sẽ được điều khiển để thực hiện nhiệm vụ in 3D các mô hình nhà cửa, di chuyển vật tư thiết bị để phục vụ trong xây dựng. Cụ thể nhiệm vụ đặt ra là: - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của Robot cable. Lựa chọn kế cấu phù hợp với yêu cầu đặt ra. - Thiết kế gia công cơ khí cho robot. - Điều khiển robot in các mô hình nhà mà cụ thể là in nhà có diện tích 2x3 m2. 1.3.2. Giới hạn nghiên cứu của đề tài Do phạm vi nghiên cứu rộng và nhận thấy được một vài hạn chế của các quá trình gia công, lắp ráp, lập trình, điều khiển, ... nên đề tài chỉ sẽ tập trung giải quyết những vấn đề sau: Nguyên lý động học vị trí của robot cable. Khối lượng đầu công tác tối đa là 50kg. Thuật toán điều khiển robot cable chạy với tốc độ 0,1 m/s trong vùng không gian hoạt động. 1.4. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài các phương pháp nghiên cứu sau đã được lựa chọn và sử dụng: 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: thu thập các thông tin có liên quan đến đề tài và tổng hợp theo từng phần cụ thể về robot cable. Tính toán thiết kế mô phỏng quá trì hoạt động của robot. 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp thực nghiệm khoa học: tiến hành các thí nghiệm, thực nghiệm nhằm đánh giá các yếu tố tác động đến quá trình vận hành robot. Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot đáp ứng yêu cầu đặt ra để in vữa xây nhà. 3
1.5. Nội dung  Nghiên cứu và lựa chọn cấu hình robot  Nghiên cứu động học robot  Tính toán thiết kế cơ khí  Thiết kế hệ thống điện  Nghiên cứu ứng dụng PLC trong điều khiển  Thực nghiệm đánh giá phần điều khiển  Thực nghiệm đánh giá khả năng in3D 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Sơ lược về robot song song Cable Robot Cable là các bộ điều khiển song song trong đó các end-effector được điều khiển bằng cáp thay vì các liên kết cứng. Những thách thức phải đối mặt trong lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật hiện đại của Robot Cable tương tự như những thách thức gặp phải trong các thao tác song song của Stewart. Thật vậy, Robot Cable có thể được yêu cầu không chỉ cho các hoạt động có tính linh hoạt cao hơn, mà còn cho không gian làm việc lớn có thể tiếp cận và tải trọng cao. Một đặc tính quan trọng của các trình điều khiển cáp là cáp chỉ có thể hoạt động đơn phương thông qua sức căng và không có lực nén. Robot song song điều khiển cáp có nhiều nhiều phương thức phân loại khác nhau. Robot cable có thể được phân loại theo các tiêu chí sau: - Số lượng cáp m và bậc tự do n của robot: Điều này phân loại động học được đề xuất bởi Ming và Higuchi để phân biệt giữa các robot cable. Một tiêu chí rõ ràng để phân loại là xem xét số lượng cáp được biểu thị bằng m và bậc tự do có thể kiểm soát của đầu công tác được ký hiệu là n. Hơn nữa, bậc tự do thừa r = m - n được giới thiệu. Người ta có thể phân biệt giữa các nhóm sau: • m