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

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

S K C 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

Lê Công Lý Nam, Nữ: Nam

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: 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

Mã số SV: 16146402

Khoa: Cơ Khí Chế Tạo Máy

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 - Lớp: 161461 - Thành viên đề tài:

Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa

1 Đặng Xuân Trường 16146546 161461 CKM

- 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.

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.

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

iii

2.4. Sơ lược về PLC ................................................................................................... 13

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

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

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 94

PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 95

Phụ lục 1 – Bảng vẽ điện .......................................................................................... 96

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

vii

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

viii

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

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

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

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.

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.

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.

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

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

• n = m: Robot bị hạn chế về mặt động học hoàn toàn. nhưng trạng thái cân bằng lực phụ thuộc vào các lực được áp dụng như trọng lực. Có một phạm vi lực hạn chế và lực xoắn mà robot có thể chịu được tùy thuộc vào độ lớn và hướng của lực tác dụng.

• n + 1 = m: Robot có thể bị hạn chế thông qua các dây cáp ở một số tư thế nhất định. Các loại mô hình chuyển động khác nhau. Các lực mà robot có thể chịu được phụ thuộc vào các lực căng tối thiểu và tối đa trong các dây cáp có thể được tạo ra bởi robot. Robot thuộc nhóm này được gọi là cơ chế định vị hạn chế (CRPM).

• n + 1 < m: Robot thừa ràng buộc và các lực phải được phân phối giữa các dây cáp. Những robot này được gọi là cơ chế định vị thừa ràng buộc (RRPM). Sự dư thừa

liên quan đến số lượng các ràng buộc động học và do đó cũng liên quan đến hoạt động của chúng vì có nhiều ràng buộc động học hơn bậc tự do. Do đó, các tĩnh lực của robot thường không được xác định.

Hình 2.1: Các mẫu chuyển động có thể có cho robot cable song song

- Mức độ song song: Robot cable có thể bị hạn chế hoàn toàn hoặc một phần thông qua các dây cáp. Robot cable bị ràng buộc hoàn toàn chỉ sử dụng cáp để kết nối đầu công tác với nền, trong khi bị ràng buộc một phần Robot cable có khớp nối thụ động để kết nối một số hoặc tất cả các bậc tự do của đầu công tác với nền.

Chức năng của robot cáp, ví dụ: như hệ thống định vị lập trình, như một hệ thống

tạo lực, hoặc như một hệ thống đo lường cho vị trí hoặc lực.

Việc phân loại là rất quan trọng đối với nhiều phương pháp và thuật toán được mô tả trong lựa chọn thiết kế mô hình, vì các loại robot cable khác nhau có các kết cấu và phương pháp điều khiển khác nhau.

Ý tưởng sử dụng dây cáp để thao tác tải hàng đã có từ rất lâu. Ngay cả trong thế giới cổ đại, dây cáp đã được sử dụng để nâng tải trong xây dựng và các ứng dụng tương tự. Cho đến ngày nay, cần cẩu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và sản xuất công nghiệp vì chúng là máy móc linh hoạt và tiết kiệm chi phí.

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. Các liên kết điều khiển là dây cáp, được làm mát bằng bơm thủy lực.

Hình 2.2: NIST RoboCrane

Năm 1989, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia ở Mỹ đã bắt đầu dự án NIST RoboCrane. Thiết kế RoboCrane sử dụng ý tưởng cơ bản của trình thao tác liên kết song song Stewart Platform. Tính năng độc đáo của phương pháp NIST là sử dụng dây cáp làm liên kết song song và sử dụng tời là m bộ truyền động. 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. Camera trong SkyCam được treo bằng 4 dây cáp, tốc độ có thể lên tới 44,8 km/h. Có thể thực hiện chụp ảnh tốc độ cao với SkyCam ở quy mô lớn.

Hình 2.3: Cáp điều khiển camera robot Skycam

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. Kết quả thử nghiệm được cung cấp cho hệ thống, cho thấy robot mảng cáp có khả năng theo dõi quỹ đạo trong phạm vi vài cm, đây là hiệu suất hợp lý cho nhiều ứng dụng công nghiệp.

Hình 2.4: Ứng dụng Robot cable trong lắp đặt máy bay.

Tuy nhiên, chỉ có một vài sản phẩm đã đưa nó vào thị trường. Ngoài đặc biệt máy móc mục đích như kính viễn vọng nói trên, chỉ có hệ thống camera sân vận động và thiết bị phục hồi chức năng cho người tàn tật. Các hệ thống trình diễn được trình bày từ khoảng năm 2010 trở về sau xuất hiện nhiều hơn và tốt hơn về mặt thiết kế cơ khí và công nghiệp hóa. Vì vậy nó là dự đoán rằng các lĩnh vực ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau.

2.2. Sơ lược về công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D không quá phức tạp như bạn nghĩ, đơn giản mà nói đây là một quá trình sản xuất các chất liệu (nhựa, kim loại hay bất kỳ thứ gì khác) theo phương cách xếp từng lớp với nhau để tạo nên một vật thể 3 chiều. Hiện nay, có ba phương pháp in 3D phổ biến nhất đó là: FDM (Fused deposition modelling), Resin và SLS (Selective Laser Sintering).

2.2.1. Công nghệ FDM

FDM là công nghệ in 3D đơn giản và có giá thành rẻ nhất. Cũng là công nghệ in trong hầu hết các máy in 3D trên thị trường. Về cơ bản, máy in FDM sẽ nung nóng chảy và đùn sợi vật liệu theo từng lớp một tạo thành mô hình.

Hình 2.5: Máy in sử dụng công nghệ FDM

Nguyên lý in 3D FDM

 Ưu điểm: Công nghệ in3D FDM giá rẻ, dễ sử dụng. in được các mẫu lớn

 Nhược điểm: Độ mịn không cao, khó in các mẫu phức tạp

 Ứng dụng: FDM có tầm ứng dụng rất rộng, hầu như mọi lĩnh vực đều có thể

áp dụng tốt!

2.2.2. Công nghệ Resin

Là tên gọi chung của một loạt công nghệ in 3D dựa trên loại mực in 3D resin lỏng.

Gồm có, công nghệ SLA, DLP và IN 3D liên tục.

Hình 2.6: Máy in sử dụng công nghệ Resin

Nguyên lý in 3D RESIN

 Ưu điểm: Công nghệ in3D RESIN cho ra sản phẩm có độ mịn cao nhất.

 Nhược điểm: Quy trình in resin phức tạp, chỉ nên dùng để in các mẫu bé và

tinh xảo.

 Ứng dụng: Tạo mẫu 3D đồ trang sức, nha khoa, mô hình minature

2.2.3. Công nghệ SLS

SLS là công nghệ in sử dụng tia laser chiếu lên các lớp bột (kim loại hoặc polymer)

làm chúng nóng chảy và kết dính với nhau tạo nên hình khối vật thể.

Hình 2.7: Máy in sử dụng công nghệ SLS

Nguyên lý in 3D SLS

 Ưu điểm: Công nghệ in3D SLS không ngại vật thể có hình dáng phức tạp.

Và là công nghệ in 3D màu full color hiệu quả nhất.

 Nhược điểm: Quy trình in SLS tốn kém và cần đầu tư nhiều thiết bị hỗ trợ.

 Ứng dụng: Tạo mẫu chi tiết máy, sa bàn, kiến trúc, in 3D tượng người

Hình 2.8: Hình ảnh so sánh độ mịn của các công nghệ in

Hình 1.9 là hình so sánh thực tế của ba công nghệ in hiện nay. Ta có thể thấy độ mịn của công nghệ resin cho chất lượng của chi tiết tốt nhất, kế đó là SLS với mức độ chi tiết kém hơn với resin tuy nhiên vẫn cao hơn FDM.

2.3. Sơ lược về cáp

Cáp thép có rất nhiều cấu trúc khác nhau, được cấu tạo từ số bó cáp x số sợi cáp. Ta dựa vào cấu tạo của cáp thép mà sẽ biết sợi cáp đó là cáp cứng hay cáp mềm. Cáp thép càng ít sợi cáp thì sợi cáp đó sẽ cứng và càng nhiều sợi thì sẽ càng mềm. Cáp cứng thì có ưu điểm là chịu lực kéo đứt rất cao thường dùng trong cáp neo, cáp căng, cáp dự ứng lực ... và khi cuốn cáp thì tang cuốn phải có đường kính lớn mới có thể cuốn được

Cáp mềm thì có ưu điểm là rất dẻo dễ uốn chỉnh hoặc cuốn vào tang cuốn: Thường

sử dụng cho cơ cấu nâng hạ như cần trục tháp, tời kéo, palang …

Để chọn được cáp thép sao cho phù hợp với tải trọng vật cần nâng thì nhà sản xuất sẽ dựa vào chất lượng cáp thép và lực kéo đứt của mỗi loại cáp thép để tính toán và lựa chọn.

Hình 2.9 Thông số cáp

2.4. Sơ lược về PLC

PLC viết tắt của programmable logic controller, là thiết bị điều khiển lập

trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông

qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình

tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động

vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm.

PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo phương

thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra

sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay

có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General

Electric, Omron, Honeywell...

2.5. Sơ lược về động cơ Servo

Động cơ servo là loại động cơ được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động để cung cấp một lực cơ học cụ thể trong khoảng thời gian nhất định. Để đạt được điều này, ta phải điều khiển vị trí, vận tốc và mô men của động cơ servo theo yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Để hoạt động chuẩn xác, động cơ servo phải kết hợp với: Bộ điều khiển, bộ điều khiển động cơ (driver), bộ mã hóa xung vòng quay (encoder)– tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ.

+ Bộ điều khiển – Thông thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng sẽ chạy chương trình điều khiển để thực hiện đúng theo yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.

+ Bộ điều khiển động cơ – Thiết bị điện tử có chức năng cung cấp nguồn cho động cơ servo đúng lượng, đúng thời điểm để điều khiển vị trí, tốc độ và mô men tương ứng với các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và từ bản thân động cơ servo.

+ Bộ mã hóa xung vòng quay – tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ.

2.6. Sơ lược về vật liệu

Vật liệu xây dựng là bất kỳ vật liệu được sử dụng cho mục đích xây dựng. Nhiều chất hiện diện trong tự nhiên, chẳng hạn như đất sét, đá, cát, và gỗ đã được sử dụng để xây dựng các tòa nhà. Ngoài các vật liệu tự nhiên, nhiều sản phẩm nhân tạo được sử dụng, một số tổng hợp ít hoặc nhiều ví dụ như xi măng hoặc các vật liệu composite. Trong thực tế xi măng được sử dụng rộng rãi để làm vật liệu xây dựng do tính ưu việt của nó cũng như là khả năng chống chịu với thời tiết và các môi trường khắc nghiệt tốt. Tuy nhiên nếu trộn xi măng với cát sỏi đá mà không đúng theo tỉ lệ tiêu chuẩn sẽ dẫn đến tình trạng sau khi hoàn thiện công trình thường xảy ra một số sự cố ngoài ý muốn như: bị nứt, rò nước, thấm dột … Thậm chí có những công trình sau khi xây xong do không đảm bảo yêu cầu nên không thể đưa vào sử dụng.

Chất lượng của các công trình phụ thuộc một phần lớn vào những nguyên vật liệu sử dụng trong quá trình xây dựng. Xi măng khi pha trộn thành các vật liệu như vữa, bê tông là nguồn vật liệu không thể thiếu và quan trọng giúp gắn kết các bức tường nền nhà,

gắn kết công trình. Chất lượng của công trình được đảm bảo hay không đều nằm ở chất lượng của bê tông và vữa sau khi pha trộn với tỉ lệ hợp lí.

Tỉ lệ trộn xi măng cát đá = 1 xi măng + 4 cát + 6 đá

Với cách trộn vữa thủ công thì ta cũng có công thức như sau:

Vữa mác 75 kG/cm²: 01 bao xi măng – 10 thùng cát.

Vữa mác 100 kG/cm²: 01 bao xi măng – 08 thùng cát.

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

3.1. Các phương án thiết kế truyền động cho robot

Với mục đích của đề tài là phục vụ cho xây dựng như là: in 3D các kết cấu thô trong xây dựng, vận chuyển vật liệu, thiết bị, … vì vậy yêu đặt ra cho robot là phải đáp ứng được ít nhất 3 bậc tự do. Với yêu cầu đó thì hiện tại trên thị trường Việt Nam, có những dạng cấu hình robot như: cánh tay robot, cơ cấu CNC 3 trục. Nhằm mở rộng sự lựa chọn trên thị trường nhóm quyết định triển khai nghiên cứu một cấu hình robot dạng song song mới gọi tên là Cable robot. Đó chính là loại robot song song sử dụng cơ cấu mềm (sợi cáp, dây không giãn chịu lực) thay thế các cơ cấu cứng truyền thống. Với loại robot này người sử dụng có thể dễ dàng thay đổi không gian hoạt động như thu nhỏ hay mở rộng vùng hoạt động của đầu công tác mà không cần thay thế các kết cấu cơ khí như những robot cơ cấu cứng thường thầy trên thị trường. Đồng thời, robot có thể dễ dàng thay đổi kích thước của đầu công tác phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau.

Theo các báo cáo nghiên cứu khoa học về Cable robot trên thế giới, để robot có thể điều khiển được ba bật tự do và khống chế ba bậc xoay thì phải cần ít nhất 3 dây và với mục đích phục vụ cho xây dựng cần một khoảng không lớn ở phía dưới vì vậy cấu hình dây phải mắc toàn bộ ở phía trên sao cho đầu công tác được treo lên cao để thực hiện các nhiệm vụ ở bên dưới.

3.1.1. Phương án 1

Cấu hình 3 dây được treo trên đỉnh trụ bằng ròng rọc xếp thành thành hình tam

giác đều như hình 3.1.

Hình 3.1: Robot sử dụng cấu hình 3 dây

Với phương án này, nhóm đề xuất sử dụng cấu hình tam giác đều là vì dễ dàng điều khiển và lực sẽ được phân bố đều trên các dây so với cấu hình dạng tam giác khác. Nhưng khi sử dụng cấu hình dạng tác giác này thì không gian hoạt động nhỏ không phù hợp trong xây dựng.

3.1.2. Phương án 2

Cấu hình dạng 4 dây được treo lên các đỉnh trụ hình vuông hay hình chữ nhật như

hình 3.2.

Hình 3.2: Robot sử dụng cấu hình 4 dây

Ở phương án này cũng có cấu hình dây tương tự với phương án thứ nhất tuy nhiên thay vì cấu hình gồm 3 dây thì sẽ thêm 1 dây nữa để tạo thành một tứ gíac và tăng không gian hoạt động của robot. Để dễ dàng trong việc điều khiển robot nên chúng tôi quyết định cấu hình là hình vuông hoặc hình chữ nhật. Nhưng trong điều khiển thực tế robot không khống chế được 3 bậc tự do xoay.

3.1.3. Phương án 3

Cấu hình 8 dây treo trên ròng rọc tương tự phương án 1 và 2, nhưng ở phương án này các dây treo trên ròng rọc ở đỉnh của 8 cột được đặt thành 4 cặp đặt ở 4 góc của hình chữ nhật hoặc hình vuông như hình 3.3. Vị trí mắc dây trên đầu công tác được mắc song song theo các cạnh của đầu công tác theo từng cặp.

Hình 3.3: Robot sử dụng cấu hình 8 dây mắc song song

Ở phương án này khắc phục được nhược điểm của 2 phương án trên và đáp ứng

được yêu cầu về số bậc tự do mong muốn của nhóm.

3.1.4. Phương án 4

Ở phương án này cấu hình dây tương tự như phương án 3 nhưng vị trí mắc dây trên đầu công tác được thay đổi. Vị trí dây mắc trên đầu công tác được mắc theo 2 đỉnh đường chéo của hình hộp theo từng cặp như hình 3.4.

Hình 3.4: Robot sử dụng cấu hình 8 dây mắc chéo

Ở phương án này có ưu điểm hơn phương án 3, ta có thể điều khiển được cả 6 bậc

tự do.

3.2. Lựa chọn phương án truyền động tối ưu

Từ yêu cầu đặt ra cho robot trong xây dựng là phải đảm bảo được không gian làm việc rộng, thay đổi linh hoạt về cấu hình hoạt động và cũng như về độ chính xác của robot ở mức chấp nhận được.

Đối với phương án thiết kế robot cấu hình 3 dây treo trên đỉnh trụ xếp thành tam

giác đều thì phạm vi hoạt động cũng như độ linh hoạt của robot bị hạn chế.

Đối với phương án thiết kế robot dựa vào 4 dây mắc lên đỉnh trụ xếp thành hình vuông hoặc hình chữ nhật thì đã giải quyết được yêu cầu về không gian phạm vi hoạt động của robot nhưng về độ chính xác và khả năng thay đổi cấu hình linh hoạt vẫn còn một số hạn chế.

Theo yêu cầu thiết kế robot của đề tài là ứng dụng vào xây dựng nên yêu cầu về độ chính xác là tương đối, về sự linh hoạt để thích hợp cho việc vận chuyển thiết bị vật tư. Thế nên phương án treo 8 dây được xem là phương án tối ưu hơn so với các phương án khác. Và do nhóm cũng muốn mở rộng nghiên cứu cho đề tài này nên chúng tôi đã quyết định lựa chọn phương án cấu hình 8 dây nhưng trên đầu công tác là mắc chéo dây, điều này tạo ra nhiều bậc tự do hơn và dễ dàng kiểm soát hơn trong điều khiển.

3.3. Lựa chọn phương án truyền động

Với phương án chuyển động cho robot đã được lựa chọn như trên thì ta cần có

tám động cơ để tạo chuyển động quay cho các tang cuốn dây.

Việc cho phép truyền động trực tiếp từ động cơ qua tang cuốn dây thì sẽ không có được momen phù hợp cho việc chuyển động nên ta cần một bộ hộp giảm tốc phù hợp để làm tăng momen quay cho tang cuốn dây nói riêng cũng như toàn bộ cơ cấu nói chung. Bên cạnh đó việc sử dụng hộp giảm tốc cũng sẽ làm tốc độ của robot bị giảm một phần, nhưng đổi lại việc điều khiển dễ dàng hơn cũng như tránh được một phản lực lớn tác động trực tiếp lên động cơ từ đó đảm bảo được tuổi thọ cho động cơ.

Hộp giảm tốc được sử dụng có sơ đồ nguyên lý của một hệ bánh răng thông

thường nên có được tỉ số truyền của cả hộp số là:

(3.1)

Với: k: là số cặp bánh răng ăn khớp ngoài.

: là kí hiệu số răng của các bánh răng tương ứng.

Đối với việc tạo chuyển động cho trục xoay thì việc sử dụng động cơ có thể lắp trực tiếp nhưng để đảm bảo cho độ an toàn của động cơ nên ta cần tới một hộp giảm tốc trục vít, bánh vít để có thể không bị lực tác động ngược trở lại động cơ như hình 3.5 nguyên lý bộ truyền trục vít.

Hình 3.5: Nguyên lý bộ truyền trục vít.

Đối với bộ truyền trục vít thì có ưu điểm về tỉ số truyền lớn:

(3.2)

Với: : là số mối ren của trục vít.

: là số răng ở bánh vít.

: lần lượt là số vòng quay của trục vít, bánh vít.

Tạo ra moment lớn, đáp ứng được nhu cầu tải trọng cao

Hộp giảm tốc có trục đầu vào, trục đầu ra vuông góc nhau tạo cho người sử dụng

dễ dàng tháo lắp động cơ, tiết kiệm được tiết diện lắp ráp

Hộp giảm tốc trục vít bánh vít còn có 2 cốt ấm và cốt dương, phù hợp với đa số các loại động cơ trên thị trường có sẵn trong đó có thể là động cơ không đồng bộ 3 phase hay (động cơ servo hiệu suất không cao).

Hộp giảm tốc được chọn là NMRV 050 (tỉ số truyền 1/30) với các thông số kích

thước như hình bên dưới:

Hình 3.6: Thông số kích thước hộp giảm tốc NMRV050

Hộp giảm tốc NMRV là hộp số dạng trục vít bánh vít lỗ cốt ra của hộp giảm tốc vuông góc với lỗ cốt vào, hộp số NMRV có cấu tạo Vỏ bằng hợp kim nhôm, trục vít làm bằng thép siêu bền, bánh vít làm bằng Đồng chất lượng cao, lỗ cốt ra của hộp giảm tốc vuông góc với lỗ cốt vào.

Ưu điểm của hộp giảm tốc NMRV là có tính năng tự hãm cao, kích thước gọn, trọng lượng nhẹ, các chân hộp số đều có lỗ bắt ốc để lắp được nhiều các vị trí, các hướng khác nhau.

Phụ kiện của hộp số NMRV sẽ là gồm có: Bích kết nối hoặc tay xách để có thể

lắp vào các vị trí khác nhau hoặc treo hộp số lên cao như hình 3.7.

Hình 3.7: Hình ảnh của hộp số MNRV050

3.4. Chọn động cơ

3.4.1. Chọn động cơ cho bộ tang cuốn cáp

Để giúp cho mỗi phần của robot cable hoạt động được và ổn định thì cần phải tính toán lựa chọn động cơ cho phù hợp. Với robot loại cấu trúc nối tiếp thì việc lựa chọn động cơ tương đối đơn giản do nó là hệ vòng hở. Đối với robot song song thì việc lựa chọn động cơ tương đối khó hơn do đây là hệ vòng kín, nên để đơn giản cho việc tìm động cơ đối với robot cấu hình song song Cable thì ta có thể chia bốn phần (mỗi trụ là một phần) của robot thành 4 phần nối tiếp độc lập với nhau, mỗi phần đều có dùng hộp giảm tốc gắn nối tiếp với động cơ. Từ đó việc lựa chọn động cơ dễ dàng hơn như sau:

Hiệu suất truyền động:

2. 𝜂𝑑 = 0.992 . 0.952 . 0.8

(3.3) 𝜂ℎ𝑠 = 𝜂𝑜𝑙

= 0.68

Với hiệu suất ổ lăn : 𝜂𝑜𝑙 = 0,99

Hiệu suất bộ truyền đai : 𝜂𝑑 = 0.95

Hiệu suất hộp giảm tốc: 𝜂 = 0.8

𝐹.𝑣

𝑚.10.𝑣

100.10.0,05

Công suất đầu ra cần thiết:

1000

= = = 0.05 𝑘𝑊 (3.4) 𝑃𝑡 =

Trong đó: m là khối lượng tối đa của đầu công tác.

v là vận tốc muốn điều khiển.

Với hiệu là: 𝜂ℎ𝑠 = 0.68

0.05

Công suất cần thiết của động cơ là:

𝑃𝑡 𝜂

0.68

𝑃 = = ≈ 0.074𝑘𝑊 ≈ 80𝑊 (3.5)

Đối với cấu hình robot song song cần sự chính xác trong cả đoạn đường di chuyển, có thể điều điều khiển theo vị trí, vận tốc trong suất quá trình nên nhóm quyết định chọn động cơ servo.

Tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng của người sử dụng thì servo được

chia ra làm 3 loại: RC servo, DC servo, AC servo.

Với mục đích đề tài ban đầu là ứng dụng robot cable trong xây dựng (tương đương với ứng dụng trong công nghiệp) nên nhóm đã chọn dòng AC servo để dễ dàng kết nối với các thiết bị công nghiệp, dễ thay thế và sửa chữa khi gặp sự cố.

So sánh với thông số động cơ AC servo của các hãng bán trên thị trường là từ nên và tái sử dụng lại động cơ sẵn có ta chọn động cơ có công suất đến

400W là phù hợp, kèm theo hộp số 1:30 như hình 3.8.

Hình 3.8: Hình ảnh động cơ Delta và Driver

3.4.2. Chọn động cơ cho đầu công tác

Để giúp cho vật liệu in vữa bê tông được đẩy ra một cách đều đặn trong lúc di chuyển cần có một động cơ ở đầu công tác hoạt động chạy ổn định và chuyển động đều, với mục đích trộn và đẩy vật liệu ra với khối lượng phù hợp với nhu cầu sử dụng tránh để vật liệu bị tắt trong nơi chứa vật liệu.

Nhận thấy vậy nhóm quyết định sử dụng động cơ DC, với giá thành rẻ, dễ dàng

tìm kiếm và thay thế khi gặp vấn đề.

𝐹.𝑣

𝑚.𝑔.𝑣

50.10.0.05

Công suất đầu ra cần thiết:

1000

≥ ≥ ≥ 0.025 (KW) (3.6) 𝑃𝑐𝑡 ≥

Trong đó:

m: tải trọng tối đa của đầu công tác

g: gia tốc trọng trường

v: vận tốc di chuyển đầu công tác

Tận dụng động cơ DC có sẵn, thỏa mãn điều kiện công suất cần thiết nên nhóm chọn động cơ DC 90W có kèm theo hộp giảm tốc với tỉ số truyền k = 1:10 như hình 3.9.

Hình 3.9: Hình ảnh động cơ DC

3.5. Tổng quan bộ cuốn cáp

Tang cuốn dây là bộ phận cuốn dây trong máy nâng, biến chuyển động quay thành

chuyển động tịnh tiến nâng, hạ vật.

Đặc điểm:

- Tang thường có dạng ống trụ, hai đầu có lỗ để lắp với trục, chuyển động quay.

- Vật liệu tang: gang hoặc thép.

- Bề mặt làm việc có thể nhẵn (tang trơn) hoặc cắt rãnh dạng ren tròn có bước

lớn hơn đường kính cáp tránh cáp chà xát vào nhau (tang xẻ rãnh).

- Tang có thể dùng để cuốn 1 lớp hoặc nhiều lớp cáp chồng lên nhau.

Thiết kế bộ tang cuốn dây bằng thép, đường kính 100mm, đường kính trục 25mm

sử dụng gối đỡ UCF có đường kính trong 25mm có thiết kế như hình 3.10.

Hình 3.10: Bộ cuốn tang và cách đi dây cáp

Bên cạnh đó chúng tôi còn thiết kế thêm cho bộ cuốn cáp bộ dẫn hướng cáp với mục đích tránh làm rối cáp giúp sợi cáp quấn vào tang đúng ngay rãnh đã được thiết kế sẳn. Bộ dẫn hướng cáp bao gồm: 2 thanh trục trơn thép mạ crom giúp định hướng và tang độ cứng chắc cho bộ tang, 1 vít me nhằm dẫn hướng đưa dây cáp vào đúng rãnh đã thiết kế, 1 chi tiết kết nối giữa 2 thanh trượt và thanh vít me, đồng thời lắp thêm 1 thanh loadcell để đo lực căng dây mà tải trên đầu công tác tác động nhằm tránh hiện tượng quá tải dẫn đến đứt cáp. Bộ dẫn hướng được truyền động thông qua cơ cấu đai được đặt ở cuối tang như hình 3.11.

Hình 3.11: Bộ cuốn cáp trên thiết kế

Một số chi tiết của bộ cuốn cáp:

3.5.1. Tang cuốn cáp

Để cáp cuốn vào và xả ra không bị chùng dây nên tang cuốn cáp thiết kế phải có

rãnh như hình 3.12.

Với tải trọng yêu cầu 50kg, so sánh với bảng thông số cáp [1] thì chọn cáp 4mm

là phù hợp

Chu vi một vòng tang cuốn dây cáp:

(3.7) C = 𝜋.(D+d)

= 𝜋.(100+4)

= 104𝜋 (𝑚𝑚)

Trong đó:

D: đường kính tang (mm)

d: đường kính cáp (mm)

Số vòng dây cần quấn được để đạt được 20 (m):

𝐿 = N = 𝐶

20×103 104𝜋

= 61.21 ≈ 61.2 (vòng) (3.8)

Trong đó:

L: chiều dài mong muốn (m)

d: chu vi một vòng tang (mm)

Chiều dài cần thiết của tang cuốn cáp:

l = N x b = 61.2 x 5 = 306 (mm) ≈ 300 (𝑚𝑚) (3.9)

Trong đó:

l: chiều dài tang cuốn cáp (m)

b: bề rộng mỗi rãnh trên tang cuốn cáp (mm)

Hình 3.12: Tang cuốn cáp thiế t kế

3.5.2. Bộ dẫn hướng dây cáp, cảm biến loadcell

Để các dây cáp không bị rối trong khi quấn dây thì nhóm thiết kế một bộ cuốn dây cáp như hình 3.13 trên đó có kèm theo một cảm biến loadcell dùng để đo lực căng của dây cáp khi đầu công

Bộ dẫn hướng gồm:

- Một thanh vít me đường kính 20 (mm), bước 5

- Hai thanh dẫn hướng đường kính 16(mm)

- Bộ gá đai ốc vít me, đai ốc thanh dẫn

- Loadcell (100kg)

3000

Bước vít me:

𝑉 = l ≥ 𝑁

750

= 4 (𝑚𝑚) => chọn l = 5 (mm) (3.10)

Trong đó:

V: vận tốc lớn nhất khi chạy không tải (mm/ph) (v = 0.5 cm/s)

N: số vòng quay của động cơ (vg/ph)

L= tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài đai ốc, ổ bi

=660+70=730mm (3.11)

Kiểu ổ bi là lắp chặt ở cả hai đầu -> f = 21,9

Chọn tốc độ quay cho động cơ khoảng 80% so với tốc độ quay giới hạn nên ta

có: n=80%. Nmax = 80%. 4500 = 3600 vòng/ph.

n.𝐿2 f

36000.7302 21.9

=> Bán kính trục vít : dr = (3.12) . 10−7 = . 10−7

= 8.76 (mm) ≈ 10 (mm)

Hình 3.13: Bộ dẫn hướng cáp thiết kế

Hình 3.14: Chi tiết gá đai ốc trên thiết kế

3.5.3. Bộ truyền đai răng

Thanh vít me có bước răng 𝑝1 = 5 , bước trên trên tang cuốn cáp 𝑝2 = 5 nên ta

chọn tỉ số truyền k = 1.

0.4

Chiều rộng dây đai:

6000

= 1.42 (3.13) m = 35 × √𝑃 3 = = 35 × √ 𝑁

Trong đó:

m: modun

P: công suất trên bánh đai chủ động

N: số vòng quay trên bánh chủ động

Tra theo tiêu chuẩn bảng chiều rộng răng [2] ứng với m = 1.5 ta chọn chiều rộng

đai b = 16 (mm)

Ứng với bề rộng răng b = 16 ta chọn được số răng cần thiết của pulley 30 < Z <

40 (răng)

Tính toán chiều dài dây đai:

1 x[L-𝜋(𝑅1 + 𝑅2) + √𝐿 − 𝜋(𝑅1 + 𝑅2)2 − 8(𝑅1 + 𝑅2)2] A = 4

(3.14)

100 = x[L-𝜋(38 + 38) + √L − 𝜋(38 + 38)2 − 8(38 + 38)2]

 L = 380 (mm)

Trong đó:

A: Khoảng cách trục

L: Chiều dài đai

R1, R2: Bán kính pulley 1, 2

Hình 3.15: Bộ truyền đai răng thiết kế

3.5.4. Thiết kế khung

Robot cable ứng dụng trong xây dưng cần có không gian hoạt động lớn để dễ dàng di chuyển đến vị trí mong muốn mà không bị vướng mắc với các vật thể khác trong quá trình điều khiển. Ròng rọc được bố trí ở trên cao ở bốn điểm ở bốn phía, 4 điểm này tạo thành 1 hình tứ giác. Để tạo nên không gian này, chúng ta cần thiết kế 4 trụ để đưa ròng rọc lên cao, đáp ứng yêu cầu trên.

Trong thiết kế này, robot dùng để in vữa bê tông có kích thước dao động từ 150-

200mm, để robot hoạt động trong không gian 3.5x5x2.8 (m) như hình 2.15.

Hình 3.16: Mô hình trên thiết kế

(3.15)

3.6. Phân tích ứng suất và biến dạng của cơ cấu 𝑝⃗ = 𝑇1⃗⃗⃗⃗ + 𝑇2⃗⃗⃗⃗ + 𝑇3⃗⃗⃗⃗ + 𝑇4⃗⃗⃗⃗

Chiếu (1) lên trục y, ta có:

P= T1*cos(90 − 𝛼) + T2*cos(90 − 𝛽) + T3*cos(90 − 𝛾) + T4*cos(90 − 𝜃)

( 𝛼, 𝛽, 𝛾, 𝜃 : góc giữa T và mặt phẳng xOz)

Vì phản lực P trên đầu công tác sẽ phân bố ra lực căng dây của bốn trụ. Để đảm

𝑃

bảo trụ bền ta tính phản lực tác dụng lên một trụ duy nhất.

𝑐𝑜𝑠(90−𝛽)

P = T1*cos(90 − 𝛽) => T1 =

Vậy khi 𝛽 tiến về 0 thì cos(90 − 𝛼) sẽ tiến về 0 và T1 tiến tới ∞

Vậy lực căng dây lớn nhất là lực cắt đứt nhỏ nhất trên dây cáp là 2,8kN=2800N Thông số vật liệu làm trụ, tính toán ứng suất

Sử dụng thép ống vuông 90x90x1.2 mm

Sử dụng thép hộp 100x60x1.2 mm

Hình 3.17: Chuyển vị của khung robot

3.7. Tính toán lựa chọn vít tải

Để trộn và đẩy vật liệu (vữa bê tông) xuống một cách đều đặn trong quá trình đầu công tác di chuyển với quỹ đạo được lập trình sẵn phù hợp với nhu cầu của người sử thì cần phải có một cơ cấu đẩy vật liệu từ bồn chứa xuống đầu phun ra. Trong đồ án này nhóm sử dụng trục vít tải để đẩy vật liệu ra do cơ cấu dễ tháo lắp và lực đẩy mạnh như hình 3.18.

Trong quá trình tìm hiểu và thiết kế nhóm nhận thấy cơ cấu vít tải khá thích hợp

với nhu cầu được đặt ra ở trên

Một số ưu điểm của vít tải:

Cấu tạo đơn giản, dễ gia công

Giá thành không cao

Kích thước bao ngang nhỏ

Ít tổn thất vật liệu trong quá trình hoạt động

An toàn trong làm việc và bảo dương

Một số nhược điểm có thể chấp nhận được:

Năng suất không được cao

Sự mài mòn mạnh của cánh vít tải với thành

𝑄

100

Với yêu cầu đặt ra là năng suất làm việc của máy Q = 100kg/h

3 ≈ 0.28. √

3 𝐷 ≈ 0.28. √

𝐾.𝑛.𝛾.𝜑.𝑐

0,3.15.0,01.0,32.0,1

≈ 16.5 ≈ 17 (𝑚𝑚) (3.16)

Với các thông số:

Q: Năng suất làm việc

K: Hệ số phụ thuộc vật liệu (vật liệu trung bình)

n: số vòng quay của vít tải

𝛾 ∶ ℎệ 𝑠ố 𝑠𝑎𝑖 𝑙ệ𝑐ℎ 𝑣ò𝑛𝑔 𝑞𝑢𝑎𝑦

𝜑 ∶ ℎệ 𝑠ố 𝑔ó𝑐 𝑞𝑢𝑎𝑦 𝑐ủ𝑎 𝑐á𝑛ℎ 𝑣í𝑡

c: hệ số truyền động

Hình 3.18: Vít tải trên thiết kế

3.8. Thiết kế đầu công tác

Để đẩy ra vật liệu ra đều đặn theo thời gian thì phần đầu công tác phải được thiết kế một cách hợp lí, với tải trọng trung bình để làm căng tám sợi cáp khi di chuyển tránh trường hợp một trong tám sợi dây bị võng khi di chuyển như hình 3.19.

Với những yêu cầu trên nhóm đã thiết kế phần đầu công tác gồm một số chi tiết:

 Vít tải là chi tiết quan trong phần đầu công tác vì nó trực tiếp trộn và đẩy

vật liệu xuống ra đầu in

 Thùng chứa vật liệu phải có kích thước đủ lớn để chứa được lượng vật

liệu với năng suất được đề ra trước đó

 Khung đầu công tác liên kết với tám sợi cáp để điều khiển

 Động cơ DC

 Đồ gá động cơ chống rung lắc cho động khi phần đầu công tác di chuyển

Hình 3.19: Bệ công tác trên thiết kế

Nhóm dùng vật liệu là sắt ống vuông 40x40 mạ kẽm, sơn chống rỉ, hàn thành

khung kích thước 500x500.

Đầu nối cáp sử dụng móc Inox chống rỉ, có đường kính 30mm như hình 3.20.

Hình 3.20: Đầu nối cáp ở đầu công tác

3.9. Lựa chọn cáp thép và ròng rọc

3.9.1. Lựa chọn cáp

+ Đặc điểm

Với không gian làm việc với kích thước 4x3.5x2(m) quãng đường duy chuyển lớn

nhất của của đầu công tác tính từ ròng rọc là: 7m

Tổng chiều dài dây cần thiết là: 14m. Chọn chiều dài dây là 20m.

Cáp được cuộn vào tang đường kính 100mm.

Nâng vật, di chuyển vữa bê tông.

Chọn cáp thép inox chống rỉ, cáp mềm và có hệ số an toàn là 5.5 (do nâng vật).

+ Tính toán tiết diện cáp

Chúng ta có lực căng dây tối đa: F = 10m = 500 (N)

Ftt = Flt x 5,5 (hệ số an toàn) (3.17)

= 500 x 5.5 = 2750 (N) = 2,75 (kN)

Suy ra chọn dây có đường kính 4 mm có lực kéo đứt nhỏ nhất là 6 KN làm bằng

vật liệu thép chống rỉ gồm 6 bó mỗi bó 7 sợi và lõi bố. (6x7FC).

Hình 3.21: Cáp không gỉ đường kính D = 4mm

3.9.2. Chọn ròng rọc

Được tạo thành bởi một bánh xe được gia công có khe rãnh và một sợi dây cáp. Dây được lắp vừa vặn trên các rãnh của bánh xe. Một phần của sợi dây cáp được gắn liền với tải.

Ròng rọc cho phép di chuyển tải lên, xuống, hoặc nghiêng, sử dụng tốt trong việc di chuyển các đối tượng khó tiếp cận địa điểm, với việc bánh xe được gia công có khe rãnh giúp cho dây cáp không bị tuông ra khi di chuyển giúp công tác di chuyển những vật nặng dễ dàng hơn.

Với lực kéo của tải tác dụng lớn nhất lên ròng rọc là F = 1000N, chúng ta lựa chọn

ròng rọc có sẵn trên thị trường như hình 3.22.

Hình 3.22: Ròng rọc định hướng dây.

3.10. Tính số bậc tự do cho kết cấu robot

Trong chuỗi động học kín của các robot song song hình thành các vòng (Loop). Người ta đã chứng minh được rằng mối quan hệ giữa số vòng độc lập L, số khâu N và số khớp J, số chuyển động trùng giữa hai khớp kề nhau và số bậc tự do Dof của robot như sau:

(3.18)

Với: là thông số động học của cơ cấu.

là số khâu của cơ cấu.

là số khớp của cơ cấu.

là số khớp có khả năng di chuyển được.

là số chuyển động trùng nhau giữa hai khớp liền nhau.

Qua phân tích và tính toán thì robot song song Cable ta có được các số liệu như

- Là cơ cấu không gian nên = 6.

- Không có chuyển động trùng nhau giữa hai khớp liền kề nên = 0.

- Có tổng cộng 10 khâu (8 khâu khâu tịnh tiến cho mỗi dây cáp, 1 khâu trên bệ

công tác và 1 trên khung) nên n=10.

- Có tổng số 16 khớp (8 khớp cầu trên bệ công tác là điểm mắc dây cáp lên, 8

khớp còn lại trên ròng rọc xoay) nên j=16.

- Có tổng số khớp có thể di chuyển được là 48 (mỗi khớp cầu trên bệ công tác có 3 khả năng chuyển động tổng có 8 khớp cầu x3, trên ròng rọc có thể chuyển động 2 trục

xoay và 1 tịnh tiến như vậy có 8 khớp x3 trên ròng rọc) nên =48.

Dof = 6(10 - 16 - 1) + 48 = 6

Vậy ta có số bậc tự do của cơ cấu robot được chọn là 6 bậc tự do gồm 3 bậc tự do

tịnh tiến và 3 bậc tự do xoay.

3.11. Động học robot

Sau khi đã tính toán được thông số động cơ cần thiết cũng như là thiết kế phần cơ khí cho phù hợp cấu hình đã đặt ra. Tiếp theo là tính toán động học cho robot song song Cable. Đối với bài toán động học robot, phân tích vị trí của đầu công tác là bài toán quan trọng nhất. Có 2 loại bài toán phân tích vị trí đó là bài toán thuận và bài toán nghịch. Bài toán thuận xác định vị trí và hướng của đầu công tác khi biết được chiều dài của các dây. Bài toán nghịch tính toán tìm ra chiều dài dây hợp lý khi biết được vị trí chuyển động của đầu công tác. Đối với robot cấu hình nối tiếp việc tìm ra bài toán thuận tương đối đơn giản nhưng việc tính toán bài toán nghịch thì lại khá phức tạp hơn. Ngược lại, đối với robot cấu hình song song nói chung và robot Cable nói riêng việc tìm ra bài toán nghịch lại đơn giản hơn nhưng bài toán thuận lại rất phức tạp. Trong đồ án này việc tính toán tìm ra bài toán thuận vẫn chưa giải quyết được cho nên nhóm chỉ trình bài về cách tính toán tìm ra bài toán nghịch nhằm giải quyết vấn đề điều khiển của robot.

3.11.1. Động học nghịch robot với mô hình tiêu chuẩn cáp

Trong mô hình chuẩn, người ta cho rằng các cáp là đường thẳng và lực căng dây ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑣à 𝑎𝑖⃗⃗⃗⃗ luôn trong giới hạn cho phép. Hơn nữa, nó được giả định rằng cả hai vector 𝑏𝑖 không phụ thuộc vào tư thế của đầu công tác, ví dụ: ảnh hưởng của ròng rọc dẫn hướng

hoặc các yếu tố cố định trên nền tảng này có thể được bỏ qua. Áp dụng một vòng lặp vector, ta có phương trình vector sau:

Hình 3.23: Động học nghịch robot từ điểm A của trụ đến điểm B của đầu công tác

(3.19) ⃗⃗⃗ = 𝑇 𝑏 𝑙𝑖 𝑝 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + 𝑅 𝑥 𝑏𝑖 ⃗⃗⃗⃗⃗ − 𝑎𝑖⃗⃗⃗⃗

Trong đó:

⃗⃗⃗ biểu thị vector của cáp trong hệ tọa độ toàn cục O Vector 𝑙𝑖

R là ma trận góc xoay lần lượt theo phương x, y, z

(3.20) 𝑅 = 𝑅𝑥 𝑥 𝑅𝑦 𝑥 𝑅𝑧

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ biểu thị tọa độ tam P của khung công tác trong hệ tọa độ toàn 𝑏 Vector 𝑇 𝑝

cục O

Vectơ 𝑏𝑖

⃗⃗⃗⃗⃗ biểu thị các vị trí tương đối của các đỉnh của đầu công tác Bi trên nền tảng khung công tác được đưa ra trong tọa độ tham chiếu Op của khung công tác.

Vectơ vị trí 𝑎𝑖⃗⃗⃗⃗ biểu thị các điểm gắn Ai vào khung ở tọa độ toàn cục O

Từ công thức (2.9) ta có thể tính được độ dài các dây cáp:

2 + 𝑦𝑙𝑖⃗⃗⃗

2 + 𝑧𝑙𝑖⃗⃗⃗

(3.21) 𝑙𝑖 = √𝑥𝑙𝑖⃗⃗⃗

3.11.2. Động học nghịch cáp với mô hình phi tiêu chuẩn cáp

Mô hình robot cáp tiêu chuẩn đã được thảo luận chi tiết ở chương trên. Áp dụng động học tương ứng để điều khiển khả năng hoạt động của robot. Tuy nhiên, những thao tác khác biệt của robot như điều khiển với khả năng đáp ứng nhanh, di chuyển đến những điểm ở ranh giới không gian hoạt động hoặc mô hình robot lớn làm sai lệch đáng kể so với mô hình động học tiêu chuẩn. Sự khác biệt bao gồm sai số về vị trí, không đủ độ cứng, độ rung và cáp chùng. Do đó nền tảng động học nghịch robot với mô hình tiêu chuẩn cáp không phù hợp trong thực tế điều khiển. Vì vậy chúng ta phải xem xét một vài điều kiện đã bỏ qua trong mô hình động học tiêu chuẩn.

Nội dung của chương này là một phần mở rộng của mô hình chuẩn để hợp lý hơn trong thực tế. Cụ thể trong chương này chúng ta chỉ tính toán phần thiết hụt cáp do ròng rọc và bỏ qua sự võng dây vì khối lượng đầu công tác lớn (khoảng 100kg) và đường kính dây không đáng kể (3mm) nên ta xem như dây là đường thẳng.

Trên thực tế, cáp có giới hạn độ cứng và uốn cong do đó cáp dc dẫn hướng trên các bề mặt cong thường được thực hiện bằng ròng rọc. Vì vậy biến đổi động học phải tìm cách đưa chiều dài dây dưới dạng cong của cáp tại các điểm neo.

Hình 3.24: (a) góc chắn cung tạo bởi dây cáp (b) góc tạo bởi ròng rọc và mặt phẳng

Oxy

Trong mô hình cáp chuẩn, hạn chế đơn giản xuất phát từ giả định của 1 điểm cố định cho đến cuối cáp (điểm mắc trên đầu công tác). Trong mô hình ròng rọc, các điểm bị hạn chế trong mô hình chuẩn sẽ được giải quyết khi ta xem xét thêm biên dạng hình horn torus với bán kính 𝑟𝑅lớn như hình 3.24 .

Các thông số và tọa độ khung dùng để xác định chính xác các chuyển động và hình học của một ròng rọc. Kết quả này thì giữ đúng đối với tất cả các chân trong robot. Các chuyển động của ròng rọc được nhận ra bởi 2 bậc tự do của điểm C ảo nơi cáp rời khỏi ròng rọc. Khớp quay đầu tiên thẳng hàng với trục z của khung. Khớp thứ 2 là của chính ròng rọc và nó ban đầu được thẳng hàng với trục y. Tâm của khớp quay thứ 2 là điểm M.

Sử dụng các kết quả từ phần mô hình robot căn bản, ta có thể lấy được các phương trình động học của chiều dài dây như sau: đầu tiên, ta phải tính toán vector đến điểm B đối với khung KA, nơi khưng KA sẽ là khung gốc và khung tham chiếu cho vector. Chúng ta có:

𝑇 𝑥 (𝑅 𝑥 𝑏 + 𝑟 − 𝑎 𝑃

𝐴 = 𝑅𝐴 𝑏

) (3.22)

Hình 3.25: Động học nghịch robot từ điểm giao ròng rọc A đến điểm M của đầu công

tác

Trong đó 𝑏

𝐴 = [𝑏𝑥 𝑏𝑦 𝑏𝑧]𝑇 là vector từ điểm A đến điểm B trong khung KA và 𝑃 là vector từ điểm B đến tâm điểm tham chiếu trên đầu công tác. Sau đó, ta phải xem 𝑏 xét các mặt phẳng xác định bởi trục z của khung và điểm b mà được thể hiện trong hình 3.25. Chiều dài cáp điều chỉnh có tính đến cáp quấn quanh ròng rọc, ta được:

(3.23) l = 𝛽𝑅 𝑥 𝑟𝑅 + 𝑙𝐹𝑖

trong đó 𝛽𝑅𝑖 là góc ở tâm bị chắn bởi dây cáp, 𝑟𝑅 là bán kính ròng rọc, và 𝑙𝐹 là chiều dài dây cáp từ điểm C đến điểm B. Xét 2 tam giác vuông như tình 3.9, ta có:

2 + 𝑏𝑧

2 = 𝑀𝐵̅̅̅̅̅2 = 𝑙𝐹

2 + 𝑟𝑅

là tọa độ của điểm B liên quan đến khung KA trong

(3.24) 𝑏𝑥𝑦

2 + 𝑏𝑦

2 và 𝑏𝑧

Với 𝑏𝑥𝑦 = √𝑏𝑥

hệ thống trụ phối hợp. Do đó chiều dài cáp được viết lại như sau

2 + 𝑏𝑧

2 − 𝑟𝑅

(3.25) 𝑙𝐹 = √𝑏𝑥𝑦

𝜋

tại điểm B. Sử dụng công thức lượng giác, ta có: Với động học robot phát triển này, ta cần góc 𝛽𝑅 và có thể được xem xét như sau: xét tứ giác BCMN, ta thấy 2 góc 𝐵𝐶𝑀̂ và 𝐵𝑁𝑀̂ là 2 góc vuông. Do đó, tổng 2 góc 𝛽1 + 𝛽2 ở điểm M bằng góc 𝛽𝑅 −

√𝑏𝑥𝑦

𝑙𝐹 2+ 𝑏𝑧 2

𝑏𝑧 2+ 𝑏𝑧 2

(3.26) = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 + 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 + 𝛽𝑅 = 𝛽1 + 𝛽2 +

𝜋

𝑏𝑥𝑦

Ta có thể giảm thời gian tính toán bằng cách sử dụng định lý arccos thay vào công thức (2.15) như sau:

√𝑏𝑥𝑦

𝑟𝑅 2+ 𝑏𝑧 2

2+ 𝑏𝑧 2

𝜋

(3.27) + 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 + 𝛽𝑅 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛

𝑟𝑅 𝑙𝐹

𝑏𝑥𝑦 𝑏𝑧

= arctan + 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 +

Góc quay thứ nhất 𝛾𝑅 của ròng rọc là góc hợp bởi truc là khung KA thì đơn giản được tính bằng công thức:

𝑏𝑦 𝑏𝑥

(3.28) 𝛾𝑅 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛

𝜋

Do đó, ta nhận được kết quả chiều dài l từ việc kết hợp các phương trình trên:

2 + 𝑏𝑧

2 − 𝑟𝑅

√𝑏𝑥𝑦

𝑙𝐹 2+ 𝑏𝑧 2

𝑏𝑧 2+ 𝑏𝑧 2

l = (𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 + 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 + ) 𝑥 𝑟𝑅 + √𝑏𝑥𝑦

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

4.1. Tổng quan các thiết bị điện của hệ thống

Cấu trúc của hệ thống điều khiển robot và các thiết bị phần cứng được chỉ ra như trong hình 4.1. Một máy tính chạy trên nền Windows được sử dụng như là bộ điều khiển chính. Các thiết bị khác như bộ thu phát Wi-fi, động cơ, PLC, Driver …

Sơ đồ tổng quát:

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan các thiết bị của hệ thống

Bộ điều khiển robot song song cấu thành từ các bộ phận như máy tính bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ, ngoài ra còn plc kết nối để làm bộ giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi, ở đây là các bộ điều khiển các động cơ servo cũng như các cảm biến gắn trên robot. Thấy sơ đồ khối của hệ thống điều khiển cũng như quá trình tính toán điều khiển robot song song.

4.1.1. Bộ điều khiển

+Bộ điều khiển trung tâm:

Bộ điều khiển trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc tương tác với hệ thống của người sử dụng qua Panel điều khiển. Bộ điều khiển trung tâm bao gồm: CPU điều khiển tín hiệu và mạch điều khiển trung tâm. CPU điều khiển tín hiệu hoạt động với hiệu điện thế 220VAC-50Hz với đặc tính là hoạt động ổn định được trong điều kiện liên tục.

Mạch điều khiển trung tâm hoạt động với hiệu điện thế 5-12VDC 2A, với mục đích là cung cấp và thu thập tín hiệu điều khiển của các cơ cấu chấp hành, cảm biến ….

+ Bộ điều khiển chính:

Bộ điều khiển chính đóng vai trò cũng rất quan trong trong việc điều khiển robot, đảm nhận vai trò nhận dữ diệu từ bộ điều khiển trung tâm và sau đó thi hành các lệnh phức tạp để điều khiển cơ cấu chấp hành theo đúng yêu cầu của người điều khiển và phản hồi lại thông tin dữ liệu cần thiết cho bộ điều khiển trung tâm xử lý. Bộ điều khiển trung tâm có thể là vi điều khiển, PLC, các bộ xử lý tốc độ cao ...

Các bộ PLC hiện nay rất thông dụng trên thị trường công nghiệp lý do là bởi chúng có thể xử lý nhiều tác vụ phức tạp cùng lúc với tốc độ cao, độ an toàn và tin cậy cao hơn so với các vi điều khiển, và giá thành cũng rất hợp lý không quá cao như là các bo mạch xử lý tốc độ cao hiện có trên thị trường. Chính vì những lý do đó mà nhóm quyết định sử dụng PLC là bộ điều khiển chính đảm nhận vai trò phát xung tốc độ cao xuống để điều khiển động cơ thực hiện theo yêu cầu của người dùng.

4.1.2. Driver và động cơ

Cơ cấu chấp hành chính trong hệ thống robot Cable chính là 8 dây cáp thép. Để các cơ cấu này hoạt động thì cần sự cung cấp điện động lực cũng như điện điều khiển cho driver. Do đó, với công suất động cơ tính được ở chương trước, ta lựa chọn được động cơ thích hợp. Đi liền với động cơ là bộ điều khiển driver. Điện áp cung cấp cho driver là 220VAC, tín hiệu điều khiển driver dùng điện áp 24VDC.

4.1.3. Các thiết bị khác

+ Module Wifi:

Đóng vai trò như thiết bị quản lý các kết nối Enthernet. Các PLC có cổng giao tiếp bằng enthernet được cắm vào đây và thông qua đó máy tính có thể truy cập vào các địa chỉ của PLC để thực hiện việc điều khiển cũng như lấy dữ liệu từ các cảm biến trả về.

+ Load cell:

Thành phần cấu tạo cơ bản của loadcell bao gồm hai bộ phận chính. Thành phần thứ nhất là “Strain Gauge” và thành phần còn lại là “Load”. Strain Gauge là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi

bằng một nguồn điện ổn định, chỉ nhỏ bằng móng tay, được dán chết lên Load, nghĩa là một thanh kim loại chịu tải. Thanh kim loại này một đầu được gắn cố định, đầu còn lại tự do và gắn với mặt bàn cân (Đĩa cân). Khi ta bỏ một khối lượng lên đĩa, thanh kim loại này sẽ bị uốn cong do trọng lượng của khối lượng cân gây ra. Khi thanh kim loại bị uốn, điện trở Strain Gauge sẽ bị kéo dãn ra và thay đổi điện trở. Như vậy, khi đặt vật cân lên bàn cân, tùy theo khối lượng vật mà Load, thanh kim loại sẽ bị uốn đi một lượng tương ứng và lượng này được đo lường qua sự thay đổi điện trở của Strain Gauge. Thông thường, thanh kim loại sẽ được cấu tạo sao cho bất chấp vị trí ta đặt vật cân lên bàn/ đĩa, nó đều cho cùng một mức độ bị uốn như nhau.

Chức năng là để kiểm tra xem những sợi dây cáp có căng hay không. Từ đó để bộ điều khiển tính toán và đưa ra lệnh điều khiển hợp lý hình thức đấu nối loadcell cần một module chuyển đổi tính hiểu như hình 4.2.

Hình 4.2: Sơ đồ kết nối với module đọc loadcell.

+ Nguồn cấp 24V:

Để PLC và các thiết bị như Driver, Loadcell hoạt động được thì phải có nguồn

cấp phù hợp cho thiết bị.

4.2. Thiết kế tủ điều khiển trung tâm

Sau khi đã lựa chọn được các thiết bị cần thiết phù hợp thì nhóm tiến hành bố trí lắp đặt tủ điều khiển. Do kích thước của robot lớn và sử dụng nhiều động cơ phân bố ở mỗi trụ nên bắt buộc phải lắp đặt cho mỗi trụ một tủ điều khiển để có thể dể dàng điều khiển cũng như đọc tín hiệu trả về từ encoder và loadcell chính xác nhất tránh trình trạng bị nhiễu hoặc mất xung. Sơ đồ bố trí các tủ được thể hiện như hình 4.3.

Hình 4.3: Sơ đồ bố trí tủ điều khiển

Trong tủ bố trí các thiết bị như: PLC, Driver, nguồn cấp 24V, bộ khuếch đại loadcell, và các thiết bị khác … Hầu hết các loại tủ điện đều có nút nhấn, bộ phận này thường được thiết kế ở mặt trước của tủ điện để dễ dàng cho việc sử dụng và vận hành. Bên cạnh đó còn có nút dừng khẩn có thể giúp đóng cắt toàn bộ mạch điện trong trường hợp hệ thống điện gặp phải sự cố.

Tụ điện điều khiển trung tâm có các bộ phận được chế tạo từ thép mạ điện và cũng được phun sơn tĩnh điện. Dạng tủ điện này có cơ chế vận hành tại chỗ, có nghĩa là có thể

điều khiển từ xa trong trường hợp muốn đảo chiều động cơ, thay đổi tốc độ quay của động cơ hay đóng ngắt động cơ.

Hình 4.4: Sơ đồ bố trí các thiết bị trong tủ điều khiển

Để các thiết bị có thể chạy đúng và chính xác nhất thì các thiết bị phải kết nối với nhau. Nguồn điện cần được cấp cho PLC, Driver, và cả động cơ và xung sẽ được xuất từ PLC xuống để điều khiển động cơ thông qua Driver cũng như là nhận các tín hiệu từ loadcell về để điều khiển vị trí đầu công tác … Do đó chúng ta cần các bản vẽ điều khiển hình 4.5 cũng như là bản vẽ mạch động lực hình 4.6 cho quá trình đấu nối tủ điện đơn giản hơn.

Hình 4.5: Sơ đồ mạch điều khiển

Hình 4.6: Sơ đồ mạch động lực

4.3. Cấu trúc bộ điều khiển

Bộ điều khiển của một robot bao gồm nhiều thành phần khác nhau. Nhiệm vụ quan trọng nhất của bộ điều khiển chính là điều khiển cơ cấu quấn nhả dây của robot.

Các tín hiệu điều khiển robot xuất phát từ phần mềm máy tính, các chuỗi lệnh được gửi xuống bộ điều khiển thông qua giao thức profinet bao gồm các lệnh khởi động PLC, điều khiển vị trí, điều khiển vận tốc động cơ, cũng như lệnh điều khiển đầu công tác xoay để đùn vật liệu ra ngoài. Đồng thời bộ điều khiển nhận tín hiệu từ các cảm biến, công tắc, loadcell, … phản hồi về để căn cứ vào đó mà điều khiển đến vị trí tiếp theo. Hình 4.7 là sơ đồ tổng quát của toàn bộ hệ thống điều khiển của robot.

Hình 4.7: Sơ đồ tổng quan cấu trúc bộ điều khiển

Hình 4.8: Sơ đồ giao tiếp giữa PC và bộ điều khiển

Bộ điều khiển trung tâm nhận lệnh từ PC thông qua các thanh ghi có sẵn. Khi người dùng yêu cầu robot thực hiện một nhiệm vụ nào đó thông qua việc nhập các toạ độ vào màn hình điều khiển, thì ngay tức thời PC sẽ truy cập vào các thanh ghi địa chỉ của PLC và truyền xuống các giá trị cần thiết vào đó, sau khi nhận được PLC sẽ thực hiện các yêu cầu của người điều khiển theo các giá trị đã được lưu vào trước đó.

Hình 4.9: Sơ đồ Driver nhận tín hiệu từ PLC

Sau khi nhận dữ liệu từ PC các bộ điều khiển PLC tiến hành gửi các tín hiệu xuống

Driver AC Servo cụ thể là gửi các xung PULSE và DIR như hình 4.10.

Hình 4.10: Sơ đồ đấu nối chân từ PLC vào Driver

Có thể nói, bộ điều khiển servo driver có một số ưu điểm nhất định như hoạt động theo chế độ điều khiển vị trí (Dir – Pulse), điều khiển vận tốc, điều khiển moment, … Bên trong có bộ đệm xung (làm mềm các chuyển động gián đoạn do quá trình điều khiển gây ra) nhằm đạt tốc độ nhận xung cao nhất. Ngoài ra, Driver còn trang bị bộ PID và bộ bù xung thông minh giúp cho việc điều khiển dễ dàng, chính xác và mềm mại.

4.4. PLC (program logic control) và phương thức truyền thông

4.4.1. Tổng quan về PLC

PLC viết tắt của programmable logic controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell... Các khối chức năng chính của PLC S7-1200 gồm:

a. Khối CPU

Khối CPU là loại khối có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông ... và có thể còn có một vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra số có trên CPU được gọi là cổng vào/ra onboard.

b. Khối vào (INPUT)

Các ngõ vào của khối này sẽ được kết nối với các bộ chuyển đổi tín hiệu và biến đổi các tín hiệu này thành tín hiệu phù hợp với tín hiệu xử lý của CPU. Dựa vào loại tín hiệu vào sẽ có các khối ngõ vào tương ứng. Gồm có hai loại khối vào cơ bản sau: Khối vào số (Digital Input) và khối vào tương tự (Analog Input).

c. Khối ra (OUT PUT)

Khối này có nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu sau xử lý của CPU (được gửi đến vùng đệm ra) cung cấp cho đối tượng điều khiển là cuộn dây, đèn báo, van từ ... Tùy thuộc vào đối tượng điều khiển nhận tín hiệu dạng nào mà sẽ có các khối ra tương ứng. Gồm có hai loại khối ra tiêu biểu: Khối ra số (DO: Digital Output), khối ra tương tự (AO: Analog Output).

d. Timer

Bộ định thời được sử dụng trong các yêu cầu điều khiển cần trì hoãn về thời gian. Đây là phần tử chức năng cơ bản của các bộ PLC và rất thường được sử dụng trong các chương trình điều khiển. Chẳng hạn như một băng tải khi có tín hiệu hoạt động sẽ chạy trong 10s rồi dừng lại, một van khí nén cần có điện trong 5s, nguyên liệu cần trộn trong thời gian 10 phút…Các PLC S7-200 có 256 Timer có địa chỉ từ T0 đến T255, chia làm 3 loại (xem them chương 4 Bộ điều khiển lập trình PLC S7-200):

+ Timer đóng mạch chậm TON (On-delay Timer).

+ Timer đóng mạch chậm có nhớ TONR (Retentive On-delay Timer).

+ Timer ngắt mạch chậm TOF (Off-delay Timer).

e. Counter

Trong nhiều trường hợp, việc kiểm tra một số lượng xác định phải thông qua tổng các xung. Có thể thực hiện đếm các xung này bằng các bộ đếm. Sử dụng bộ đếm có thể giải quyết được một số vấn đề sau:

+Đếm số lượng

+So sánh với một giá trị đặt trước ở các trường hợp bằng nhau, nhỏ hơn, lớn hơn.

+Kiểm tra sự khác biệt về số lượng. Các PLC thường có 3 loại bộ đếm: bộ đếm

lên, bộ đếm xuống, bộ đếm lên-xuống.

+Bộ đếm lên CTU (Up Counter).

+Bộ đếm xuống CTD (Down Counter).

+Bộ đếm lên-xuống (Up/Down Counter).

4.4.2. Truyền thông giữa máy tính và PLC

Việc giao tiếp giữa phần mềm điều khiển trên máy tính với các PLC, trong trường hợp này máy tính đóng vai trò là Master điều khiển và giám sát hoạt động của 4 PLC Slave, qua đó điều khiển các biến độ dài của dây cáp.

Để có thể thực hiện việc truyền thông giữa máy tính và các PLC, nhóm chúng tôi sử dụng phương thức truyền bằng Ethernet kết nối với 4 PLC thông qua module wifi theo kiểu Master-Slave. Các Slave sẽ được gán cho một ID cố định riêng cho mình, khi quá trình truyền thông diễn ra thì Master sẽ gửi lệnh kèm địa chỉ xuống và các Slave sẽ nhận được lệnh, tuy nhiên Slave nào có đúng địa chỉ thì mới được nhận lệnh. Sau đó là quá trình giao tiếp giữa Master và Slave, giao tiếp xong thì Master chủ động đóng cổng giao tiếp lại và quá trình truyền thông giữa Master – Slave kết thúc.

Khi muốn dữ liệu từ Slave gửi lên Master (Điển hình ở đây là gửi lên giá trị hồi tiếp Encoder của động cơ) thì tại một thời điểm chỉ có truyền thông giữa Master và một Slave duy nhất, thì Master phải chủ động liên kết truyền thông với Slave để mở kết nối. Tiếp đó Master sẽ truy cập vào bộ nhớ của Slave (PLC) để lấy dữ liệu lên thông qua địa chỉ các thanh ghi mà Master gửi xuống Slave.

Hệ điều khiển các dây của Robot Cable gồm 4 PLC Siemen S7-1200 dùng để điều khiển 8 động cơ AC Servo Delta thông qua 4 Driver Delta, mỗi PLC điều khiển 2 Driver và nhận tín hiệu từ cảm biến.

Nhiệm vụ của hệ thống như sau:

Điều khiển vận tốc và vị trí của các trục thông qua điều khiển số xung xuất ra và

tần số xung xuất.

Nhận tín hiệu hồi tiếp từ Encoder gửi lên máy tính để theo dõi quá trình điều

khiển.

Nhận tín hiệu trả về từ các cảm biến để xác định độ căng của dây cáp và xác định

khối lượng tải đầu công tác

Giao tiếp với máy tính qua cổng Ethernet thông qua giao thức profinet, nhằm gửi

tín hiệu điều khiển các động cơ thông qua phần mềm được thiết kế trên máy tính.

a. Khái niệm phương thức giao tiếp profinet

Profinet (thường được viết thành là PROFINET, như một từ viết tắt của Process Field Net) là một tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp để truyền dữ liệu qua Ethernet công nghiệp, được thiết kế để thu thập dữ liệu từ và điều khiển thiết bị trong các hệ thống công nghiệp, với sức mạnh đặc biệt trong việc cung cấp dữ liệu theo hạn chế thời gian chặt chẽ (theo thứ tự 1ms trở xuống). Tiêu chuẩn này được PROFIBUS & PROFINET International (PI), một tổ chức ô có Ưu điểm của truyền thông profinet.

Ưu điểm của truyền thông profinet:

- Hiệu năng: Tự động hóa trong thời gian thực.

- An toàn: truyền thông đảm bảo an toàn.

- Phân tích: Vận hành nhanh chóng và khả năng xử lý sự cố hiệu quả.

- Đầu tư hiệu quả: Tích hợp liền mạch các hệ thống fieldbus trụ sở tại Karlsruhe,

Đức duy trì và hỗ trợ.

Chức năng của truyền thông profinet:

- Thiết bị có thể thay thế mà không cần dùng đến công cụ ES.

- Khả năng về mặt kỹ thuật.

- Các thông số của từng thiết bị đều được bảo vệ và tách biệt không chịu ảnh

hưởng bởi thiết bị khác.

- Tạo ra một sơ đồ top của thiết bị.

- Quản lý thiết bị.

- Truyền tải dữ liệu chính xác theo thời gian.

- Cung cấp hệ thống dự phòng.

- Dễ dàng thay thế thiết bị.

b. Truyền dữ liệu bằng Ethernet

Ethernet là một dạng công nghệ truyền thống dùng để kết nối các mạng LAN cục bộ, cho phép các thiết bị có thể giao tiếp với nhau thông qua một giao thức - một bộ quy tắc hoặc ngôn ngữ mạng chung. Là một lớp giao thức data-link trong tầng TCP/IP, Ethernet cho thấy các thiết bị mạng có thể định dạng và truyền các gói dữ liệu như thế nào, sao cho các thiết bị khác trên cùng phân khúc mạng cục bộ có thể phát hiện, nhận và xử lý các gói dữ liệu đó. Cáp Ethernet là một hệ thống dây vật lý để truyền dữ liệu qua.

So với công nghệ mạng LAN không dây, Ethernet thường ít bị gián đoạn hơn - cho dù là do nhiễu sóng vô tuyến, trở ngại vật lý hay băng thông. Ethernet cũng cung cấp mức độ bảo mật và kiểm soát mạng tốt hơn so với công nghệ không dây (các thiết bị phải được kết nối bằng cáp vật lý - người ngoài sẽ gặp khó khăn khi truy cập dữ liệu mạng hay khi cố gắng điều hướng băng thông cho các thiết bị không được cung cấp.

c. Sơ đồ chân của cổng Ethernet

Như chúng ta đều biết, Ethernet là một công nghệ mạng được sử dụng để kết nối

máy tính của bạn với Internet và giao tiếp với các máy tính hoặc thiết bị mạng khác.

Giao diện kết nối được sử dụng cho mạng máy tính và trong viễn thông được gọi là Registered Jack (RJ) và cổng RJ-45 nói riêng được sử dụng cho Ethernet thông qua cáp. Đầu nối RJ-45 là đầu nối kiểu mô-đun 8 chân 8 (8P - 8C).

Công nghệ Ethernet mới nhất được gọi là Gigabit Ethernet và hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu trên 10Gigabits mỗi giây. Ethernet hoặc cổng LAN có đầu nối loại 8P - 8C cùng với cáp RJ-45 male được hiển thị ở hình ảnh bên dưới.

Đầu nối mô-đun 8P - 8C không có khóa thường được gọi là Ethernet RJ-45. Thông thường, các cổng RJ-45 được trang bị hai đèn LED thông báo phát hiện truyền dữ liệu và gói lưu lượng.

Như đã đề cập trước đó, một cổng Ethernet RJ-45 có 8 chân kết nối và hình dưới

đây mô tả sơ đồ kết nối trong một cổng RJ-45.

Hình 4.11: Cổng Ethernet máy tính

d. Điều khiển vị trí và vận tốc

Vị trí của động cơ được điều khiển bằng cách cấp đúng số xung vuông cần thiết

để trục động cơ đạt được vị trí mong muốn.

Vận tốc của động cơ được điều khiển kết hợp với vị trí, theo đó, với số xung cần cấp, vận tốc cấp xung nhanh hay chậm, hay còn gọi là tần số phát xung nhanh hay chậm sẽ tỉ lệ thuận với vận tốc của trục động cơ.

Khi gửi dữ liệu xuống các PLC, ta cần phải truy cập vào thanh ghi điều khiển vị trí hoặc vận tốc được quy định trên PLC thông qua thư viện được viết trên VS Studio 2017.

CHƯƠNG 5. QUY TRÌNH XỬ LÝ VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM

Tại các chương trước, báo cáo đã chỉ ra các phương án thiết kế hệ thống cơ khí và điện - điều khiển cho robot song song Cable. Các thiết kế này là tiền đề để tạo nên phần cứng cho robot. Tiếp đến, trong chương này sẽ trình bày phương án thiết kế quỹ đạo và nội suy cho các chuyển động của robot cũng như cấu trúc phần mềm của hệ điều khiển robot song song Cable nhằm cung cấp cái nhìn tổng quát cũng như cụ thể về từng thành phần trong cả hệ thống robot.

5.1. Quy trình xử lý

Đối với mỗi quá trình nào thì cũng cần dữ liệu đầu vào để có thể tính toán được đầu ra theo yêu cầu của người điều khiển. Vì vậy việc thiết lập nên quy trình xử lý cũng rất quan trọng nó quyết định đến chất lượng của sản phẩm in cuối cùng. Để xử lý ra được tín hiệu đầu ra thì trước tiên phải trải qua các quá trình: thiết lập bản vẽ 3D, xử lý file in, tạo tín hiệu điều khiển động cơ, xuất tín hiệu và kiểm tra.

5.1.1. Lập bản vẽ 3D

Quá trình lập bản vẽ rất quan trọng, nó sẽ quyết định hình dạng và kết cấu của sản phẩm tạo ra. Đầu tiên bản vẽ sẽ được phát thảo và sau đó được vẽ trên các phần mềm 3D chuyên dụng như AutoCad, Inventor, SolidWorks … Bản vẽ sau khi được phát thảo sẽ được chuyển đổi thành định dạng STL để xử dễ dàng xử lý cắt lớp sau này.

5.1.2. Xử lý file in

Trong bước này, một chương trình tiền xử lý file STL sẽ được xây dựng, một số chương trình có sẵn và hầu hết cho phép người dùng điều chỉnh kích thước, vị trí và hướng mô hình. Tuy nhiên do cấu hình robot mới vẫn chưa tối ưu và các chức năng vẫn chưa hoàn chỉnh cho nên nhóm xử lý file dựa trên một chương trình do nhóm tự viết trên Matlab có chức năng đọc vị trí của các điểm cần di chuyển từ mô hình 3D có sẵn sau đó thông qua động học nghịch tính toán các độ dài dây thích hợp từ đó tạo ra một ma trận các xung để điều khiển các động cơ để đạt được vị trí của đầu công tác như yêu cầu.

5.1.3. Tạo tín hiệu điều khiển

Sao quá trình xử lý file in thì chúng ta sẽ thu được một ma trận các xung điều khiển. Muốn robot hoạt động được thì chúng ta phải xử lý ma trận đó thành các véc tơ xung. Các dữ liệu này sẽ được chương trình điều khiển trên máy tính đọc và chia nhỏ thành từng gói dữ liệu để phù hợp cho việc gửi xuống các PLC để điều khiển.

5.1.4. Xuất tín hiệu và kiểm tra

Sau khi đã có các xung từ PC gửi xuống PLC tiến hành xuất các xung xuống driver để điều khiển các động cơ theo dữ liệu đã được truyền xuống. Sau đó PLC đọc và kiểm tra vị trí của động cơ do các driver phản hồi về và gửi lại PC nhằm kiểm tra xem các động cơ đã chạy đúng vị trí chưa.

5.2. Bài toán quỹ đạo và nội suy

5.2.1. Tổng quan về bài toán quỹ đạo.

Khi sử dụng các phương trình chuyển động của robot, chúng ta có thể xác định vị trí của robot dựa vào các biến khớp, hoặc ta có thể xác định các biến khớp dựa vào vị trí và hướng của đầu công tác cuối. Việc lập đường đi và quỹ đạo có liên quan đến cách mà robot di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác với một thuật toán cho trước.

Có rất nhiều phương pháp lập trình cho bài toán này với mục đích là tạo quỹ đạo di chuyển giữa các đoạn nhỏ được chia trước, giữa các quỹ đạo theo đường thẳng, hoặc các quỹ đạo tuần tự. Việc lập đường đi và quỹ đạo yêu cầu phải sử dụng cả bài toán động học và động lực học của robot.

Đường đi và quỹ đạo:

Đường đi được định nghĩa là một chu trình quỹ đạo tuần tự của robot độc lập với biến thời gian. Vì thế, nếu robot ở A di chuyền từ điểm B rồi lại sang điểm sang điểm C như hình 5.1 . Thì đoạn đường di chuyển từ A đến B và đến C là một đường đi. Ngược lại, quỹ đạo lại liên quan đến con đường di chuyển của robot nhưng có kèm theo biến thời gian. Ví dụ như trong bài toán quỹ đạo, bất kể khi nào đạt được vị trí B và C, thì đường đi là như nhau. Trong khi đó, dựa vào bài toán vận tốc và gia tốc, các điểm B và C có thể đạt được vào các thời điểm khác nhau, tạo nên các quỹ đạo khác nhau.

Hình 5.1: Các đường đi của robot

Do đó, trong điều khiển chính xác, ta sẽ chọn phương án giải bài toán quỹ đạo

với hàm vị trí, vận tốc và gia tốc theo biến thời gian.

Quỹ đạo là một đường đi mà vật thể di chuyển trong không gian. Trong lĩnh vực robot, vật thể có thể là đầu công tác cuối của một dạng robot nối tiếp hay song song. Quỹ đạo có thể được mô tả bằng phương pháp toán học hay phương pháp hình học, hoặc sự thay đổi tọa độ của vật thể qua thời gian. Có một vài thông số cần xác định khi tạo quỹ đạo cho robot. Lấy ví dụ, nếu quỹ đạo di chuyển là tuyến tính, bậc 3 hay bậc 5, ta cần xác định các thông số như vận tốc đầu, vận tốc cuối, vận tốc tối đa…. Sau đó, quỹ đạo di chuyển của robot sẽ được tính toán thông qua quá trình nội suy. Như vậy, quỹ đạo của robot phải bao gồm các thông số vận tốc, gia tốc và vị trí.

5.2.2. Bài toán quỹ đạo trong robot song song.

a. Quỹ đạo với vận tốc đầu và cuối cho trước.

Một cách để tạo quỹ đạo mượt cho robot, ví dụ tọa độ của robot theo thời gian được xác định theo đa thức. Trong trường hợp này, các hệ số có thể là vận tốc đầu và cuối của đầu công tác. Giả sử X là vector biểu diễn hệ trục tọa độ (x, y, z) của đầu công tác cuối, t0 là thời điểm bắt đầu chuyển động.

(5.1)

(5.2)

Và tf là thời điểm ở cuối chuyển động.

(5.3)

(5.4)

Giả sử nội suy theo hàm bậc 3, ta cần xác định 4 hệ số của đa thức sao cho thỏa

mãn hàm:

(5.5)

Trong đó là tọa độ (x,y,z) của đầu công tác tại thời điểm t

Hàm vận tốc được xác định bằng cách đạo hàm theo biến t phương trình hàm vị

trí:

(5.6)

Và cuối cùng là hàm gia tốc, là đạo hàm của hàm vận tốc theo biến t:

(5.7)

Kết quả là 4 hệ số của quá trình nội suy bậc 3 được xác định bằng cách giải hệ 3

phương trình trên.

Cuối cùng, khi biết tf và t0, thay vào hàm vị trí, ta có:

(5.8)

Trong đó,

Kết quả này có thể được sử dụng để tạo quỹ đạo cho robot đi qua nhiều điểm khác nhau bằng cách thay thế giá trị đầu của chuyển động tại điểm thứ i+1bằng giá trị cuối của chuyển động tại điểm thứ i.

b. Tính toán vị trí in.

Do quá trình in diễn ra là phải phụ thuộc vào 3 biến là vận tốc đầu công tác, vận tốc đùn ra vật liệu in và biến thời gian. Do còn liên quan đến chất lượng của vật liệu lên nhóm đã quyết định đến phương pháp thực nghiệm thay vì việc thiết lập công thức để tính ra các thông số có liên quan. Nhóm đã pha trộn vật liệu với tỉ lệ xi măng, cát, thạch cao là 1:2:1. Với vận tốc di chuyển của đầu công tác là V=20mm/s, vân tốc đùn ra của vật liệu là v=30 vòng/ phút thì nhóm đã được kết như mong muốn.

Hình 5.2: Vận tốc đùn vật liệu

Hệ thống xử lý được mô tả theo hình 5.3:

Hình 5.3: Hệ thống xử lý dữ liệu in

5.2.3. Bài toán nội suy.

Nội suy đóng vai trò sinh ra dữ liệu vị trí để dịch chuyển các trục từ các khối dữ liệu tạo ra bởi bộ thông dịch. Nó là một trong những bộ phận quan trọng phản ánh độ chính xác của hệ điều khiển. Trong mục này, các loại nội suy khác nhau được giới thiệu một cách cơ bản. Ưu điểm và nhược điểm của chúng cũng được đề cập.

Các đặc điểm yêu cầu đối với bộ nội suy để nó có thể thực hiện tốt việc tính toán các vị trí trung gian và tốc độ dịch chuyển của các trục từ dữ liệu hình dáng đường đi của đầu công tác:

1. Dữ liệu từ bộ nội suy phải trùng với hình dáng (đường) của đầu công tác

2. Bộ nội suy phải xem xét về giới hạn tốc độ tùy theo cấu trúc của máy và đặc

tính của động cơ servo trong quá trình tính toán vận tốc.

3. Cần phải tránh sai số tích lũy trong quá trình nội suy

Nếu phân chia nội suy theo loại đường cần nội suy, hiện nay người ta dùng các

phương pháp nội suy sau:

- Nội suy thẳng dùng để gia công các đường thẳng đi qua các điểm.

- Nội suy tròn dùng để đi theo cung tròn hoặc các đường tròn khép kín.

- Nội suy xoắn ốc.

- Nội suy bậc 2, bậc 3, parapol, hypepol và spline.

Để robot có thể di chuyển nhịp nhàng suốt quỹ đạo, vấn đề đặt ra là phải giải được bài toán nội suy. Trong bài toán này, vấn đề quan trọng nhất là điều khiển vận tốc đầu công tác sao cho robot có thể chuyển động linh hoạt và chính xác. Ở đề tài này, nhóm thực hiện đề tài đã sử dụng 3 phương pháp nội suy thường dùng đó là nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, và nội suy đường cong Spline để thực hiện các chuyển động cơ bản của robot

a. Nội suy đường thẳng.

Hiện nay, nội suy đường thẳng 2 hay 3 trục tương đối phổ biến. Trong nội suy đường thẳng, đầu công tác dịch chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc theo một đường thẳng. Trong lập trình một chuỗi của các dịch chuyển đường thẳng, chỉ tọa độ điểm cuối của mỗi đường phải chỉ ra bởi vì điểm cuối của một đường trở thành điểm đầu của đường tiếp theo. Nội suy đường thẳng có thể được thực hiện để tạo đường đi của mọi biên dạng và mặt cong. Nội suy đường thẳng yêu cầu 3 tham số: các tọa độ điểm đầu, các tọa độ điểm đích, tốc độ dịch chuyển.

Trong nội suy đường thẳng 2 trục, bộ nội suy tính toán tốc độ cho trục X và Y làm sao bảo đảm tỉ lệ tốc độ giữa trục X và Y bằng tỉ lệ của khoảng gia số theo yêu cầu dx/dy. Với nội suy đường thẳng 3 trục, bộ nội suy tính toán khoảng gia số dx, dy, dz dọc theo các trục X, Y, Z từ điểm bắt đầu tới điểm kết thúc. Đối với robot song song dạng Cable, các gia số theo trục X, Y, Z được tính qua bài toán động học nghịch vị trí của Robot, từ các gia số về vị trí đó, ta tìm được các gia số độ dài dây. Các khoảng gia

số này trở thành đầu vào trực tiếp để điều khiển vị trí, và tỉ lệ giữa chúng được sử dụng để tạo tốc độ cho 8 dây tạo nên chuyển động đầu công tác cho robot Cable.

Phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm được biểu diễn bằng phương trình tham

số như sau:

(5.15)

Với: là điểm đi qua, và là vector chỉ phương của đường thẳng

Hình 5.4: Biểu diễn quỹ đạo đường thẳng và đồ thị vận tốc trong suốt quá trình di

chuyển

Ví dụ: Đường thẳng đi qua điểm đầu A(1,1,0) và B(-2,5,1) vậy vector chỉ phương

là vector AB=(-3,4,1).

Vậy phương trình tham số của đường thẳng là

(5.16)

b. Nội suy cung tròn.

Trong nội suy cung tròn, dây cung được chia thành các phân đoạn thẳng nhỏ. Bộ nội suy tính toán các thành phần vận tốc dọc trục Vx và Vy và tạo các xung cho mỗi trục

chuyển động. Tổng số của các xung xác định vị trí của trục và tần số xung xác định vận tốc của trục.

Ưu điểm của nội suy cung tròn là khả năng tạo một cung tròn chỉ với vài dòng lệnh chương trình cơ bản. Các thông tin cần thiết cho lập trình nội suy cung tròn bao gồm: Các tọa độ của điểm đầu, tọa độ điểm đích, bán kính của cung tròn hoặc tọa độ tâm, hướng di chuyển của đầu công tác.

Nội suy cung tròn bị giới hạn trong mặt phẳng 2 trục. Một đường tròn được tạo

trong mặt phẳng XY, ZX hoặc YZ.

Trong đó cung tròn được cho bởi PTTS như sau:

(5.17)

Trong đó: R là bán kính cung tròn.

(x0 ,y0 ,z0) là tọa độ tâm đường tròn.

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.

5.3. Cấu trúc phần mềm.

Trong phần này, chúng tôi mô tả một thành phần dựa trên kiến trúc phần mềm điều

khiển được phát triển để có được một nền tảng robot thử nghiệm mạnh mẽ. Hai mục

tiêu cơ bản của hệ kiến trúc phần mềm đó là: chuẩn hóa các chức năng của cảm biến và các thành phần điều khiển, tính toán của robot, thứ hai là mở rộng khả năng tùy chỉnh

của phần mềm.

Mặc dù cấu trúc phần mềm của mô hình thí nghiệm về cơ bản có chứa hai máy tính:

máy tính chủ và các máy tính điều khiển, nó bao gồm một hệ thống các thành phần được

chia thành bốn lớp chính đề xuất ban đầu của (Nilsson & Johansson, 1999): lớp thấp nhất, lớp trung gian, lớp cao và lớp người dùng cuối. Mỗi lớp có chứa các thành phần

khác nhau được phân loại tùy thuộc vào chức năng của nó (hình 5.5). Thành phần này

có liên quan đến một khối hoặc một hệ thống cấu trúc phần cứng. Bốn lớp đó là:

1. Lớp thấp nhất: có thành phần tương ứng với môi trường vật lý. Ví dụ như các

thành phần cảm biến hoặc các thành phần điều khiển các khớp.

2. Lớp giữa: Các thành phần có thể sử dụng thông tin của các lớp thấp nhất và lớp

cao. Ví dụ có thể là một thành phần cảm biến ảo hoặc một thành phần điều khiển tay

máy.

3. Lớp cao: các thành phần tạo quỹ đạo di chuyển.

4. Lớp người dùng cuối: Các thành phần thiết lập tác vụ, giao tiếp với người dùng.

Các thành phần trong một ứng dụng điều khiển được trình bày ở hình 5.5.

Lớp người dùng cuối mô tả các tác vụ bao gồm các vị trí cuối, hướng và vận tốc của

đầu công tác cuối của robot. Các thành phần khác đã được phát triển và được sử dụng

dựa trên tác vụ với không gian mở, với chuyển động ràng buộc hoặc với cả hai. Thêm

vào đó, thành phần còn lại được thiết kế để điều khiển robot song song. Các ngõ vào của các thành phần trong lớp này có thể là vị trí và hướng của robot, lực tác động bởi tay máy vào môi trường hoặc thậm chí có thể là thị giác máy. Hiện tại, các ngõ vào này chỉ có thể thiết lập ngoại tuyến, vẫn chưa thể xác định bằng phương pháp trực tuyến, và như thế, robot có thể được lập trình phù hợp với vị trí thực của thiết bị đã được thiết đặt sẵn.

Lớp cao là sự kết hợp cơ bản giữa 2 thành phần với các chức năng của bộ tạo đường đi. Bộ này sẽ tạo quỹ đạo giữa các set point cho robot, dựa trên lệnh chuyển động được

nhận từ bộ quản lý tác vụ. Các lệnh này phụ thuộc vào lớp thấp hơn có thể là quỹ đạo trong không gian khớp hoặc quỹ đạo trong không gian Decard của đầu công tác robot.

Thành phần thứ hai được phát triển để nâng cao hiệu năng tính toán của khối trước nếu

cần thiết. Đặc biệt, nó bao gồm sự phân tích cấu trúc hình học của robot thành 2 hệ thống

phụ: một cho vị trí và một cho hướng. Thành phần này chỉ ra giải pháp phân tích nhằm đơn giản hóa vấn đề các điểm kỳ dị trong robot. Hơn nữa, phải chấp nhận một số hạn

chế để tránh các điểm kỳ dị xuất hiện ở các khớp. Mặc dù quỹ đạo được phát triển chưa

tốt, nhưng không gian làm việc đáp ứng tốt nhu cầu chuyển động cần thiết.

Hình 5.6: Cấu trúc của các thành phần được phát triển cho robot song song

Đối với lớp giữa, đứng trên góc độ kỹ thuật, các điều chỉnh đối với bộ điều khiển

chuyển động yêu cầu người dùng phải thành thạo. Ở lớp này, cấu trúc được chia làm hai

lớp nhỏ bao gồm: lớp ứng dụng điều khiển (các ràng buộc chuyển động, tool mass, …) và lớp điều khiển (điều chỉnh vòng lặp điều khiển, các hệ số, …)

Sử dụng các công cụ có sẵn của Matlab để liên kết các tín hiệu (các lệnh tham chiếu,

giá trị trả về của vị trí, vận tốc, momen, cảm biến, …) và các biểu thức toán học. Các

khối này được thiết kế với số lượng ngõ vào và ngõ ra được định sẵn. Trong mỗi khối, một có thể thực hiện các nguyên lý điều khiển khác nhau, hoặc các liên kết cảm biến, kết

hợp thành một ngôn ngữ lập trình tính toán với hiệu suất cao bằng các biến vào ra đều

có thể đọc ghi dễ dàng.

Ở lớp thấp nhất của cấu trúc phần mềm, lớp này thực hiện các công việc liên quan

đến cảm biến, mỗi một cảm biến được mô hình hóa bởi một thành phần bao gồm 2 phần

cơ bản: một cho việc xây dựng cấu trúc dữ liệu và một cho việc chia sẻ dữ liệu cảm biến.

Một chức năng của các thành phần cảm biến là xử lý các thông tin của từng cảm biến cụ

thể và để cung cấp một dữ liệu thống nhất cho bộ quản lý dữ liệu. Tác dụng chính của

bộ quản lý này là có thể trực tiếp điều chỉnh dữ liệu cảm biến. Hơn nữa, dữ liệu cảm biến

phải được chia sẻ với tất cả chức năng cần thiết trong kiến trúc phần mềm. Một chức

năng quan trọng khác của thành phần cảm biến là đánh dấu thời điểm khi nào cần đo

đạc, hoặc tương tác.

Hình 5.7: Cấu trúc lớp thấp của bộ điều khiển

Về phần điều khiển khớp, ở đây sử dụng một giao thức mức thấp (LLI) được thiết kế bởi Staubli Robots (Pertin& Bonnet, 2004); Thực ra, chỉ có module phần mềm là còn giữ lại thiết kế của hệ thống Staubli nguyên bản. Mức LLI này tuân theo cấu trúc được đưa ra trên hình 5.7. Và nhiêm vụ của nó là cho phép điều khiển từng khớp riêng biệt một cách dễ dàng. Ba thành phần khác nhau được định nghĩa trong cấu trúc phần mềm (cho phép điều khiển: momen, vị trí và vận tốc).

Muốn robot hoạt động một cách linh hoạt và ổn định, nhất thiết phải tập trung vào

bài toán thiết kế di chuyển cho robot. Ở chương này, vấn đề tạo quỹ đạo chuyển động

và nội suy của robot song song Cable đã được trình bày, trong đó quỹ đạo gắp đặt đóng

vai trò quan trọng trong đề tài, phù hợp với mục đích đã đặt ra. Ngoài ra, cấu trúc phần mềm của hệ thống robot cũng được đề cập, cung cấp một cái nhìn tổng quát nhất về hệ

điều khiển robot từ phần cứng đến phần mềm. Chương kế tiếp sẽ đi sâu vào phần xử lý

ảnh, là "con mắt" của toàn hệ thống.

CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM

Đối với mỗi đề tài nghiên cứu, điều quan trọng nhất chính là phần kết quả và thực nghiệm. Dựa trên kết quả thực nghiệm những sản phẩm làm ra, những lần vận hành thử để biết được những mặt đã làm được, những mặt chưa làm được cũng như là các thiếu sót để tìm hướng khắc phục. Các sai sót thiết kế hay hệ thống hoạt động có ổn định hay không thì qua thực nghiệm kiểm tra sẽ nói lên điều đó. Sau đây là kết quả thực nghiệm robot mà nhóm thiết kế.

6.1. Robot song song Cable

Robot Cable sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh có hình dạng và đặc điểm như sau:

Hình 6.1: Robot Cable sau khi hoàn thành

Không gian hoạt động là một hình hộp chữ nhật dài 3m, rộng 2m, và hoạt động

trong chiều cao tối đa là 1,5m.

Sau quá trình chế tạo, robot Cable sau khi hoàn thành có các thông số kỹ thuật

STT Thông số kỹ thuật

1 Số bậc tự do 3 tịnh tiến, 3 xoay

2 Kích thước tổng thể 4000x3500x2800 mm

3 Tải tối đa 100 kg

4 Phạm vi hoạt động Chiều dài 3000 mm

Rộng 2000 mm

Cao 1500 mm.

5 Tốc độ tối đa 0.6 m/s

6 200-300V Điện áp cung cấp

50-60 Hz

7 Công suất động cơ 400 W

Bảng 6.1 Thông số kỹ thuật.

6.2. Các bộ phận và cấu trúc cơ khí

Các chi tiết bộ phận kết cấu cơ khí sau quá trình thiết kế từng chi tiết riêng biệt hoặc một số chi tiết sau khi gia công sẽ lắp thành cụm để dễ dàng trong việc di chuyển cũng như tháo lắp. Bên cạnh đó cũng có các bộ phận sản xuất theo tiêu chuẩn như: ốc lục giác, đai ốc, khớp nối, vit me, đai và dây đai, … Nhóm đã thiết kế được các chi tiết, cụm chi tiết cơ khí chính của robot như những hình sau đây.

Hình 6.2: Tang cuốn thiết kế

Hình 6.3: Tang cuốn sau khi thiết kế

Hình 6.2 là hình thực tế của bộ phận tang cuốn được thiết kế mô phỏng như hình 6.1 với đường kính 100mm bước ren 5mm rãnh 4mm đế xếp đều các sợi cáp không bị chồng chéo lên nhau như hình 6.3.

Hình 6.4: Tang cuốn sau khi được quấn cáp

Hình 6.5: Chi tiết gá loadcell thiết kế

Hình 6.6: Chi tiết gá loadcell sau gia công

Hình 6.5 là chi tiết dùng để gá loadcell để kiểm tra độ căng của các dây cáp. Chi tiết sẽ được lắp với các ổ trượt con trượt, sau đó gá các thanh trục trơn và vit me vào thành bộ dẫn hướng như hình 6.6.

Hình 6.7: Bộ dẫn hướng cáp thiết kế

Hình 6.8: Bộ dẫn hướng cáp sau lắp ráp

Hình 6.9: Bộ truyền đai răng thiết kế

Bộ truyền đai rang được tạo ra nhằm mục đích di chuyển bộ quấn cáp đi đúng vào các rãnh của tang khi tang quay. Nhờ đó mà các dây cáp được đi vào tang một cách dễ dàng tránh rối cáp gãy cáp. Hình 6.9 là ảnh sau khi gia công của thiết kế như hình 6.8.

Hình 6.10: Bộ truyền đai răng thực tế

Sau khi hoàn thành các chi tiết trên sẽ được lắp ghép với nhau vào vỏ khung tạo

thành một bộ tang cuốn cáp hoàn chỉnh như hình 6.10.

Hình 6.11: Bệ quấn cáp trên thiết kế

Hình 6.12: Bộ cuốn cáp thực tế

Để thực hiện được nhiệm vụ in vữa thì đầu công tác cũng phải thiết kế sao cho có thể đẩy được vật liệu ra theo yêu cầu của người dùng. Đầu công tác như hình 6.12 cấu tạo gồm một trục vít tải xoắn một đầu được gắn động cơ đặt trong một thùng chứa vật liệu. Khi động cơ xoay thì vật liệu sẽ được đẩy từ từ ra theo đường di chuyển của đầu công tác tạo thành các sản phẩm mà người dùng yêu cầu.

Hình 6.13: Đầu công tác trên thiết kế

Hình 6.14: Đầu công tác thực tế

6.3. Hệ thống điều khiển

Cấu trúc của hệ thống điều khiển robot và các thiết bị phần cứng được chỉ ra như trong hình. Một CPU-3.5GHz chạy trên nền Windows 10 được sử dụng là máy tính điều khiển chính. Bốn PLC S7-1200 Siemens dùng làm bộ điều khiển trung tâm để điều khiển 8 động cơ AC Servo thông qua các Driver Delta và các cảm biến loadcell kết nối với các khu vực điều khiển. Các tủ điều khiển ở mỗi trụ sẽ có 1 bộ PLC điều khiển vận tốc và vị trí của các động cơ với các lệnh gửi xuống từ máy tính. Máy tính làm việc với chức năng như bộ điều khiển chủ. Nó tính toán các thuật toán điều khiển hồi tiếp sau khi nhận được các dữ liệu từ các bộ encoder và cảm biến.

Hình 6.15: Cách bố trí các tủ điện

Các tủ điện trung tâm sẽ được kết nối với nhau bằng các sợi dây enthernet và sử dụng các bộ router Wifi dùng để tăng số lượng ngõ ra kết nối cho các PLC. Thông quá đó máy tính chủ có thể gửi dữ liệu xuống các thanh ghi của PLC và nhận dữ liệu phản hồi từ encoder và loadcell về để xử lý

Hình 6.16: Tủ điện thực tế

Trong hệ thống điều khiển robot Cable được thiết kế, nhóm đã được sử dụng các giải thuật nội suy đường thẳng. Vận tốc lớn nhất được quy ước bởi người điều khiển và quan hệ giữa vận tốc và vị trí được xác định từ dữ liệu tính toán nội suy. Đối với việc nội suy đường thẳng thì vận tốc bắt đầu di chuyển và sau đó tăng dần theo độ dốc và đạt giá trị lớn nhất, cuối cùng giảm dần khi về điểm kết thúc.

Hình 6.17: Lưu đồ điều khiển động cơ

Một vấn đề quan trọng và mang tính quyết định chất lượng xử lý và đáp ứng của robot đó là đưa ra giải thuật điều khiển robot. Một giải thuật điều khiển tối ưu sẽ cho ra chất lượng đáp ứng tức là đường di chuyển theo quỹ đạo của robot sẽ mềm mại và chính xác. Ví dụ như ta muốn đi từ điểm A qua điểm B, trên đường đi ngang qua điểm C. Thì quỹ đạo sẽ được chia thành nhiều điểm nhỏ giữa A và B. Khoảng cách giữa các điểm trên quỹ đạo di chuyển sẽ được tìm bằng cách sử dụng phép nội suy bậc 3 spline. Giải thuật nội suy này là một dạng nội suy đa thức dành cho việc tính toán để làm mịn đường di chuyển của quỹ đạo cần điều khiển. Các thuật toán được tính toán dựa trên các bài toán động học được phân tích bằng phần mềm Matlab, sau đó nhóm sử dụng phần mềm Visual Studio 2017 kết hợp việc dùng các thư viện của Siemens để thiết kế giao diện và điều khiển.

Hình 6.18: Giao diện điều khiển

Giao diện được lập trình bằng ngôn ngữ C#, có các chức năng như giao tiếp với mạch điều khiển robot qua cổng Com, điều khiển chuyển động robot theo 3 trục X, Y, Z; điều khiển theo góc từng động cơ, hiển thị vị trí và vận tốc của bệ công tác và dây cáp… ngoài ra có các lệnh về START, STOP, HOME, RESET, PAUSE…

6.4. AThử nghiệm vật liệu

Vật liệu góp phần quan trọng trong việc hình thành nên sản phẩm trong xây dựng. Do vấn đề đặt ra là sử dụng vật liệu dạng lỏng đùn ra từ đầu công tác nên đầu tiên nhóm

nghĩ đến việc hoà trộn hỗn hợp giữa xi măng và cát để tạo ra hỗn hợp dạng sệt để cho vào đầu đùn. Sau khi pha hỗn hợp thì nhóm nhận ra sản phẩm tạo ra không thể giữ được hình dạng cố định sau khi đùn. Qua tìm tòi trên internet và các bài báo khoa học thì nhóm quyết định sử dụng bột thạch cao để giải quyết vấn đề trên. Tác dụng của bột thạch cao là hút hết phần nước dư thừa tạo liên kết với cát và xi măng hình thành nên hỗn hợp có thể giữ chắc hình dạng sau khi đùn ra khỏi đầu in.

Hình 6.19: Pha trộn vật liệu

Xi măng cát và bột thạch cao như hình 6.18 sẽ được hoà trộn với nhau theo tỷ lệ để đạt được một hỗn hợp đồng nhất. Sau khi tìm được vật liệu thì tiếp theo nhóm sẽ tính toán tỷ lệ hoà trộn để tìm ra tỷ lệ thích hợp nhất và kết quả đạt được như bảng 6.2.

Cát Kết quả STT Xi măng Bột thạch cao

1 1 1 Hỗn hợp bệt nhão 0

2 1 0 Không định hình tốt 1

1 Định hình khá tốt 3 1 1

2 Đạt độ vững cần thiết 4 1 1

1 Hỗn hột dính khó đùn 5 2 1

1 Bị khô, khó đùn 6 1 2

Bảng 6.2 Kết quả thử nghiệm tỷ lệ pha trộn vật liệu

Với hỗn hợp có càng nhiều bột thạch cao thì hỗn hợp đó sẽ có xu hướng bị khô cứng hơn vì tính chất của bột thạch cao là hút nước. Còn hỗn hợp nhiều xi măng sẽ làm cho hỗn hợp có tính kết dính. Ngược lại càng nhiều cát thì sản phẩm sẽ dễ bị rạng nứt sau khi đùn, nhưng khi phối trộn với một tỷ lệ hợp lý thì sản phẩm đạt được sẽ đạt được độ cứng vững cũng như dễ định hình hơn khi đùn sản phẩm.

Hình 6.20: Sản phẩm sau khi đùn

Sản phẩm sau khi đùn đạt yêu cầu mong muốn với đường kính khoảng 25mm, và giữ được hình dạng cố định khi đến lúc đông cứng. Tuy nhiên thời gian đông cứng để có

thể in lên được lớp tiếp theo là 30 phút cho nên chỉ có thể chịu được tối đa một lớp xếp chồng lên. Về vấn đề này nhóm sẽ cố gắng khắc phục trong phương hướng phát triển.

6.5. Dây cáp và loadcell

Để kiểm tra lực căng trên dây cáp nhóm sử dụng một loadcell đặt trên bộ cuốn

tang, Khi đầu công tác có tải trọng sẽ gây ra một lực căng nhất định lên dây cáp. Lực

căng dây được giữ nguyên thông qua các ròng rọc định hướng dây cáp. Qua quá trình

nghiên cứu, để tính được lực căng của cáp thông qua công thức:

𝑇đ𝑜 √2

𝑇 = (6.1)

Hình 6.21: Sơ đồ lực cáp

Trong khi di chuyển đầu công tác để đùn vật liệu thì các PLC liên tục cập nhật các tín hiệu từ loadcell gửi về để kiểm tra lực căng trên các dây cáp. Các lực căng này đóng vài trò rất quan trọng trong việc điều khiển robot di chuyển. Khi một trong 8 dây cáp quá chùng do một vài yếu tố như lỗi tín hiệu động cơ, thì loadcell lúc này như một cảm biến để xác định và phản hồi kịp thời về máy tính trung để xử lý quyết định các hành động tiếp theo của robot. Hình 6.21 là kết quả đo được của loadcell khi di chuyển trong quỹ đạo hình tròn. Có thể thấy được lực của các dây thay đổi khác nhau tuy nhiên không vượt quá một mức cố định là 10kg do tác động đồng thời của 8 dây cáp thì luôn luôn có 2 dây cáp kéo đầu công tác có trọng lượng khoảng 20kg. Vì vậy các lực này là thoả yêu yêu cầu của đề tài.

Hình 6.22: Kết quả kiểm tra lực căng dây khi robot di chuyển

Các thí nghiệm

Thí nghiệm đầu tiên, nhóm thực hiện cho robot di chuyển đến một vị trí cụ thể nhiều lần để kiểm tra sai số về vị trí và sai số lặp lại. Vận tốc di chuyển lúc này là tương đối khoảng 0.1m/s và vị trí di chuyển theo trục X là 75cm và trục Y là 60cm. Kết quả được thể hiện như bảng 6.3

STT Trục X Trục Y

1 75,5 60,5

2 74 60,5

3 74,8 60

4 74 61

5 75,5 61

6 75 59,7

7 75,3 60

8 75,5 60,3

9 74.5 60,5

10 75 59,5

Bảng 6.3: Kiểm tra sai số vị trí

Như kết quả cho thấy vị trí có nhiều sai số do thực hiện khi đầu công tác không tải tức lúc đó các dây không được căng hết mức, và cả sai số do dụng cụ đo gây ra. Tuy nhiên do mục đích là phục vụ trong xây dựng nên sai số này trong khoảng chấp nhận được.

Thí nghiệm tiếp theo nhóm thực hiện là cho robot vẽ một vài hình cơ bản theo các toạ độ đã được lưu. Robot sẽ được cho di chuyển đến các vị trí mong muốn sau đó sẽ thực hiện thao tác lưu lại vị trí hiện tại trên màn hình điều khiển. Cuối cùng là cho robot chạy lại theo các điểm đã lưu trước đó.

Hình 6.23: Kiểm tra khả năng đi theo quỹ đạo của robot

Hình 6.24: Sai số tại một số điểm khi vẽ

Qua kết quả như hình 6.23 và hình 6.24 là các sai số khi vẽ hình ở các điểm khi robot đi qua. Ở một số điểm sai số lên khoảng 2 ~ 3cm, nguyên nhân là do việc gá đầu bút không được chắc chắn cộng thêm khi di chuyển tạo ra lực quán tính làm thay đổi quỹ đạo của robot gây ra sai số. Cách khắc phục là điều khiển đầu công tác di chuyển với vận tốc thấp đồng thời gắn cố định lại đầu bút để đạt độ chính xác cao hơn.

Cuối cùng nhóm thực nghiệm bằng việc cho robot vừa di chuyển vừa đùn vật liệu theo một biên dạng hình cho trước. Vật liệu đã được chuẩn bị sẵn theo công thức ở phần

trước. Sau đó được cho vào bồn chứa trên đầu công tác. Khi robot di chuyển thì bồn vừa trộn vừa đùn vật liệu xuống nền. Kết quả thu được như hình 6.25 và hình 6.26.

Hình 6.25: Vật liệu sau khi đùn

Hình 6.26: Hình dạng thực tế của vật liệu sau khi in

Mặc dù quá trình robot thực hiện in vật liệu vẫn còn nhiều sai số, nguyên nhân là do robot vẫn còn nhiều vấn đề để nghiên cứu sâu hơn như sai số cơ khí, sai số trong tính toán tọa độ, độ ổn định của các dây cáp chưa thật sự tốt nhưng robot đã hoạt động tốt với sự chuyển động linh hoạt, di chuyển tới các điểm vị trí một cách chính xác và tạo ra sản phẩm như mong muốn.

Hệ thống robot song song Cable phục vụ trong xây dựng gồm nhiều thành phần kết hợp với nhau. Đó là việc tính toán thiết kế các chi tiết cho robot, phân tích các thành phần lực cho việc chọn động cơ, nghiên cứu tìm ra động học cho robot, điều khiển robot thông qua các bộ điều khiển PLC, ngoài ra nghiên cứu áp dụng công nghệ in3d với vật liệu mới cũng đóng vai trò quan trọng. Qua quá trình thực nghiệm chúng ta thấy robot có thể di chuyển theo các quỹ đạo như mong muốn, dịch chuyển đầu công tác một cách linh hoạt nhẹ nhàng, có thể đùn ra sản phẩm với vật liệu mới, như vậy có thể nói các nhiệm vụ đặt ra ban đầu đã được thực hiện tốt qua quá trình kiểm tra, thực nghiệm.

CHƯƠNG 7. TỔNG KẾT

7.1. Kết luận

Qua thời gian thực hiện đồ án, nhóm đã nghiên cứu, tìm hiểu và thực hiện những

vấn đề sau:

 Nghiên cứu và tham khảo các mô hình robot cáp để tiến hành chọn cấu

hình cáp phù hợp

 Thiết kế, gia công cơ khí phần khung robot, đầu công tác.

 Gia công tang quấn dây, chọn loại cáp phù hợp.

 Tính toán chọn động cơ.

 Tìm hiểu và ứng dụng PLC S7-1200 DC/DC/DC, đọc xung trả về của bộ

encorder, giao tiếp profinet và protocol

 Xây dựng phương trình động học nghịch cho robot cáp.

 Tìm hiểu các phương pháp in 3d ứng dụng vào vật liệu mới (bê tông)

Đồ án “Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot cáp ứng dụng trong xây dựng” đã đạt

được những mục tiêu sau:

 Hoàn thành thiết kế và gia công phần cơ khí cho robot

 Điều khiển robot chuyển động theo điểm đến điểm, theo quỹ đạo

 Thực hiện đo sai số vị trí robot

 Thực hiện đo sai số lặp lại của robot

 Kiểm tra lực căng dây

 Tìm được vật liệu phù hợp cho việc in 3D nhà ở

Tuy nhiên, trong thời gian thử nghiệm nhóm đã phát hiện ra một số khuyết điểm

 Phần cơ khí chạy còn thiếu ổn định.

 Có độ trễ tín hiệu trong lúc giao tiếp.

7.2. Hướng phát triển

Tiếp tục nghiên cứu để tìm ra vật liệu phù hợp nhất cho việc in vữa.

Phát triển phần cơ khí để nâng cao hiệu suất làm việc

Tiếp tục nghiên cứu để tìm động học thuận và tính toán phương trình jacobi để

điều khiển chính xác hơn

Phát triển phần mềm sử dụng để giao tiếp với robot

Phát triển thêm các khả năng khác của robot

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng việt

[1] Th.sỹ Trần Quốc Hùng, “Dung sai - kỹ thuật đo”, NXB ĐHQG.

[2] Trịnh Chất ( 2009 ), “Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí – tập 1”, NXB giáo dục Việt Nam.

[3] Trịnh Chất ( 2009 ), “Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí – tập 2”, NXB giáo dục Việt Nam.

Tiếng anh

[4] Prof. Bruno Siciliano and Prof. Oussama Khatib (2018), “Cable – driven parallel robot”, Springer.

[5] Edoardo Idà, Tobias Bruckmann and Marco Carricato (2015) ,“Rest-to-Rest Trajectory Planning for Underactuated Cable-Driven Parallel Robots”, IEEE Senior Member.

(2004), ”Design, analysis and realization of

[6] Manfred Hiller, Shiqing Fang, Sonja Mielczarek, Richard Verhoeven, Daniel Franitza tendon-based parallel manipulators”, Mechanism and Machine Theory.

[7] Andreas Pott, Tobias Bruckmann (2019), “Cable-Driven Parallel Robots”, Springer.

[8] Han Yuan (2015), ”Static and dynamic stiffness analysis of cable-driven parallel robots”, INSA de Rennes.