CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DELTA 3 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th S Lê Tấn Sang Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Lê Văn Danh 1711030183 17DCTA2 Phạm Phước Sang 1711030263 17DCTA2 Trương Tiến Phú 1711030055 17DCTA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng (ghi ngày tháng bảo vệ) iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜ.
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Vào thập niên 80 của thế kỷ 19, ngành công nghiệp đóng gói phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi một robot di chuyển linh hoạt, nhanh chóng và chính xác Mặc dù robot mô phỏng cánh tay con người đã được nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả, việc sử dụng robot nặng hàng trăm kilôgram để di chuyển vật nhẹ chỉ vài trăm gram là lãng phí Do đó, Robot Delta ra đời nhằm giải quyết vấn đề này, đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp đóng gói.
Trong những năm qua, nghiên cứu về Robot Delta đã gia tăng đáng kể, dẫn đến sự ra đời của nhiều công ty mới, thúc đẩy sự phát triển của công nghệ này Robot Delta không chỉ được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng gói và lắp ráp linh kiện, mà còn thu hút sự quan tâm nghiên cứu trong các lĩnh vực khác, bao gồm y tế và phòng thí nghiệm.
Đề tài này tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và điều khiển Robot Delta 3 bậc tự do dạng khớp xoay, với khả năng di chuyển từ điểm này đến điểm khác Mục tiêu chính là thực hiện nghiên cứu, tính toán và thiết kế robot để điều khiển theo cả ba phương tọa độ X, Y, Z, nhằm kiểm tra tính chính xác của phương pháp động học.
Tổng quan về robot delta
Robot Delta là một loại robot song song ba bậc tự do với cấu trúc vòng kín Nó bao gồm ba nhánh, mỗi nhánh được kết nối với giá cố định qua khớp tịnh tiến hoặc khớp xoay, trong khi đầu còn lại gắn với giá di động thông qua cơ cấu hình bình hành Cấu trúc này cho phép giá di động luôn được định hướng và chỉ có khả năng chuyển động tịnh tiến trong mặt phẳng Oxy và theo phương z.
Vào đầu thập niên 80, dưới sự dẫn dắt của giáo sư Reymond Clavel từ EPFL, Thụy Sĩ, một nhóm nghiên cứu đã phát triển một ý tưởng độc đáo là sử dụng cơ cấu hình bình hành để chế tạo robot song song với ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay Robot mới này được thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu công nghiệp về việc thao tác gắp nhả các vật nhẹ và nhỏ với tốc độ cao.
Giáo sư Reymond Clavel đã nhận ra những hạn chế của robot nối tiếp, như việc các động cơ được đặt tại mỗi khớp nối tiếp khiến công suất động cơ tăng dần, gây tốn kém chi phí sản xuất Hơn nữa, với cơ cấu khớp nối tiếp và di chuyển độc lập, robot cần có khối lượng lớn để đảm bảo độ cứng vững Để khắc phục vấn đề này, Clavel đã cố định tất cả các động cơ, giúp giảm đáng kể khối lượng các khâu Kết quả là, robot nhẹ hơn dẫn đến moment xoắn tại các động cơ giảm, cho phép vận tốc di chuyển của Robot Delta cao hơn so với robot nối tiếp.
Hình 1.1: Mô hình robot delta đầu tiên của giáo sư Remond Clevel
Mặc dù robot song song, như Robot Delta, có nhiều ưu điểm, nhưng chúng cũng tồn tại những nhược điểm nhất định Một trong những hạn chế lớn nhất của Robot Delta so với robot nối tiếp là mô hình tính toán phức tạp hơn, cùng với sự giới hạn trong chuyển động và không gian làm việc.
Lịch sử Robot Delta bắt đầu từ năm 1983 khi hai anh em Thụy Sĩ, Marc-Olivier và Pascal Demaurex, thành lập công ty Demaurex tại Romanel-sur-Lausanne Đến năm 1987, họ đã mua giấy phép sử dụng bản quyền Robot Delta với mục tiêu chính là thương mại hóa robot này trong ngành công nghiệp đóng gói.
Hình 1.2: Robot Line-Placer dùng trong công nghiệp đóng gói bánh quy
Trong những năm tiếp theo, công ty Demaurex đã giới thiệu các phiên bản mới ra thị trường với các tên gọi Pack-Placer, Line-Placer, Top-Placer và Presto Đặc biệt, vào năm 1996, anh em nhà Demaurex đã mua bản quyền công nghệ Robot Delta từ công ty EPFL.
Vào năm 1991, Reymond Clavel đã bảo vệ luận án tiến sĩ với đề tài “Conception d'un robot parallèle rapide à 4 degrés de liberté” Ông đã được vinh danh với giải thưởng “Golden Robot Award” vào năm 1999 nhờ những đóng góp quan trọng trong nghiên cứu và phát triển robot delta.
Năm 1999, công ty ABB Flexible Automation đã ra mắt robot Delta IRB 340 FlaxPicker, nổi bật với hệ thống chân không tích hợp, cho phép nhấc và thả nhanh các vật nặng đến 1 kg Robot được điều khiển bởi thiết bị quan sát của Cognex và bộ điều khiển ABB S4C, đồng thời có thể sử dụng bộ điều khiển chuyển động và hệ thống quan sát của Adept Technology Với vận tốc lên tới 10 m/s, FlaxPicker có khả năng thực hiện khoảng 150 lần nhấc mỗi phút với tải trọng từ 1 đến 2 kg.
Sau sự phát triển của công nghệ, nhiều công ty chuyên sản xuất robot delta đã ra đời, phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau Điển hình là Elekta, một công ty Thụy Điển nổi tiếng với sản phẩm robot SurgiScope trong lĩnh vực giải phẫu Ngoài ra, tập đoàn FANUC của Nhật Bản cũng chuyên cung cấp các sản phẩm tự động hóa, bao gồm robot và hệ thống điều khiển số bằng máy tính.
Hình 1.4: SurgiScope robot đang vận hành thử tại Surgical Robotics Lab, đại học Humboldt, Đức
Năm 2009, FANUC giới thiệu robot delta mới nhất, FANUC M-1iA, và sau đó tiếp tục phát triển các biến thể cho tải nặng hơn Năm 2010, FANUC cho ra mắt M-3iA với khả năng tải trọng lớn hơn, và gần đây nhất, vào năm 2012, là Robot FANUC M-2iA dành cho tải trọng trung bình.
Hiện nay, nhiều biến thể của robot Delta đã được phát triển, nhưng hầu hết vẫn giữ thiết kế gốc Trên thị trường robot toàn cầu, Robot Delta vẫn dẫn đầu về tốc độ thực thi, cho thấy không có đối thủ cạnh tranh nào.
Robot Delta là một loại robot song song, bao gồm nhiều chuỗi động kết nối giữa khâu nền và khâu tác động cuối Loại robot này tạo ra chuyển động ba bậc tự do cho khâu tác động cuối, với cơ cấu truyền động có thể là dạng trượt hoặc quay Dựa vào đặc điểm này, người ta phân loại robot Delta thành ba nhóm cơ bản.
− Delta robot khớp xoay (rotation delta)
− Delta robot khớp trượt (linear delta)
− Delta robot tổng hợp vừa khớp trượt vừa khớp xoay (hybrid delta)
Hình 1.6: Sơ đồ phân loại delta robot 3 bậc tự do Các dạng cơ cấu delta robot lần lượt được trình bày như sau:
• Cơ cấu delta robot dạng khớp xoay (rotational delta robot)
Hình 1.7: Cơ cấu robot delta dạng khớp xoay Ưu điểm:
- Tốc độ nhanh do các khâu delta liên kết trực tiếp với động cơ
- Không gian làm việc rộng
- Khả năng lặp lại vị trí tốt, chính xác
- Chịu tải kém do các khâu delta liên kết trực tiếp với trục động mà không thông qua bộ truyền
- Kết cấu giá đỡ phải cứng vững để tránh cho robot bị rung trong quá trình làm việc với tốc độ cao, gây tốn kém chi phí
• Cơ cấu delta robot dạng khớp trượt (linear delta robot)
Cơ cấu delta robot sử dụng khớp trượt rất đa dạng, cơ bản được phân loại theo những dạng sau:
Hình 1.8: Cơ cấu robot delta dạng khớp trượt Ưu điểm:
- Có sự linh hoạt trong vùng không gian làm việc, ứng với mỗi bố trí khớp trượt mà ta có vùng không gian làm việc khác nhau
- Khả năng chịu lực cao
- Không gian làm việc bị hạn chế
- Tốc độ di chuyển khá chậm so với robot delta dạng khớp xoay do phải thông qua các bộ truyền như cơ cấu vít me – đai ốc
- Rất khó canh chỉnh trong quá trình lắp ráp
• Cơ cấu delta robot dạng tổng hợp
Cơ cấu delta robot tổng hợp kết hợp giữa khớp trượt và khớp xoay, mang lại khả năng di chuyển linh hoạt cho robot.
Hình 1.9: Cơ cấu robot delta dạng tổng hợp Ưu điểm:
- Kích thước nhỏ gọn, thường dùng để lắp rắp các sản phẩm có kích thước nhỏ
- Khả năng di chuyển linh hoạt
- Không gian làm việc bị hạn chế
- Tốc độ di chuyển chậm do phải thông qua bộ truyền như vít me – đai ốc
Hiện nay, nhiều công ty như ABB, Fanuc, và Hwin đã sản xuất robot delta, thúc đẩy sự phát triển của loại robot này Với ưu điểm vượt trội về tốc độ và độ chính xác, robot delta được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như phân loại và đóng gói sản phẩm, lắp ráp linh kiện điện tử, công nghệ in 3D, y học, và công nghệ giao tiếp Haptic.
Delta robot được ứng dụng chủ yếu trong việc phân loại và đóng gói sản phẩm trên các dây chuyền sản xuất hiện nay nhờ vào tính linh hoạt, tốc độ cao và khả năng lặp lại vị trí chính xác.
Hình 1.10: Ứng dụng của delta robot trong đóng gói sản phẩm
Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của đề tài
“ Thiết kế , chế tạo và điều khiển Robot Delta 3 bậc tự do ứng dụng trong việc phân loại sản phẩm ”
Tìm hiểu và thiết kế mô hình Robot Delta 3 bậc tự do với khả năng di chuyển từ điểm này đến điểm khác Áp dụng kiến thức về cơ khí, điện và lập trình, robot được chế tạo với kết cấu vững chắc, hoạt động ổn định và chính xác, đồng thời có sai số nhỏ.
− Tìm hiểu tổng quan về đề tài và lựa chọn phương án
− Khối lượng tải tối đa: 50 gram
− Phân tích bài toán động học
− Thiết kế phần cơ khí và mạch điện
− Mô phỏng động học trên matlab simulink
− Thiết kế giải thuật điều khiển
Tổ chức đồ án
Quá trình đạt được mục tiêu và hoàn thành nhiệm vụ được chia thành 6 chương, trong đó nội dung của từng chương được trình bày một cách tuần tự và logic.
Chương 1: Trình bày tổng quan về robot delta bao gồm giới thiệu về lịch sử hình thành và phát triển Robot Delta, phân loại các dạng cơ cấu delta 3 bậc tự do và cuối cùng là trình bày những ứng dụng nổi bật của robot delta trong các lĩnh vực Sau đó, đưa ra mục tiêu, nhiệm vụ cho đề tài
Chương 2: Tìm hiểu, phân tích và lựa chọn để đưa ra phương án phù hợp nhất cho đề tài bao gồm lựa chọn dạng cơ cấu delta, động cơ truyền động và chọn bộ điều khiển
Chương 3: Phân tích bài toán động học bao gồm việc giải phương trình động học thuận - nghịch, kiểm tra tính đúng đắn của phương trình động học thuận – nghịch và đưa ra vùng không gian làm việc cho robot delta
Chương 4: Trình bày tính toán, thiết kế cơ khí và mạch điện dựa trên những yêu cầu đặt ra ở các chương trên
Chương 5: Mô phỏng động học trên phần mềm matlab simulink và trình bày lưu đồ giải thuật điều khiển robot delta
Chương 6: Trình bày kết quả thực nghiệm mô phổng, đánh giá và hướng phát triển đề tài.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Lựa chọn cơ cấu delta
Dựa trên nội dung phân loại robot delta trong chương 1 và mục tiêu của đề tài, cơ cấu delta dạng khớp xoay đã được lựa chọn.
Hình 2.1: Cơ cấu robot delta dạng khớp xoay được lựa chọn
Lựa chọn động cơ truyền động
2.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ phổ biến
Động cơ một chiều DC (Direct Current Motors) là loại động cơ điều khiển trực tiếp với cấu tạo gồm hai dây, cho phép quay nhanh Để tăng momen quay, hộp giảm tốc có thể được sử dụng, tuy nhiên điều này làm cho động cơ trở nên cồng kềnh Tốc độ của động cơ DC tỷ lệ thuận với điện áp, và một phương pháp phổ biến để điều khiển tốc độ là phương pháp băm xung (PWM), thông qua việc thay đổi duty cycle của xung, từ đó thay đổi điện áp trung bình và tốc độ động cơ Để thay đổi chiều quay của động cơ, chỉ cần đảo chiều kết nối dây nguồn.
Động cơ bước là loại động cơ điện không đồng bộ, có khả năng chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành chuyển động góc quay Qua việc đóng cắt điện áp theo thứ tự nhất định, các stator tạo ra từ trường thay đổi, khiến rotor quay từng bước Số lần đóng cắt tín hiệu tương ứng với tổng số góc quay của rotor, trong khi chiều quay và tốc độ phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi của tín hiệu.
Động cơ servo là một hệ thống phức hợp bao gồm động cơ DC, bộ giảm tốc, vi điều khiển và cảm biến, được thiết kế cho các ứng dụng hồi tiếp vòng kín Khi động cơ hoạt động, vận tốc và vị trí được gửi về mạch điều khiển, giúp theo dõi và điều chỉnh chuyển động Nếu có bất kỳ trở ngại nào ngăn cản động cơ quay, cơ cấu hồi tiếp sẽ phát hiện tín hiệu không đạt yêu cầu, và mạch điều khiển sẽ điều chỉnh để đảm bảo động cơ đạt được độ chính xác cần thiết.
Động cơ DC-servo có đặc tính vận hành phụ thuộc vào đặc tính từ và phương pháp điều khiển Hiện nay, có ba loại động cơ servo phổ biến, trong đó động cơ servo AC không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi.
(Hình 2.5), động cơ servo DC dựa trên nền tảng của động cơ DC (Hình 2.4) và động cơ servo dựa trên nền tảng động cơ AC lồng sốc
Hình 2.5: Động cơ AC-servo 2.2.2 Lựa chọn động cơ
Để xây dựng một mô hình robot thực nghiệm có kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, hoạt động êm, ổn định và chính xác với chi phí thấp, chúng tôi đã quyết định không sử dụng động cơ DC thông thường và động cơ AC-servo.
Động cơ DC thường có vận tốc đầu ra rất lớn, vượt quá 5000 rpm Để sử dụng động cơ này trong việc điều khiển robot delta, cần thiết phải trang bị một bộ giảm tốc, điều này sẽ ảnh hưởng đến kích thước của robot.
Để đạt được sự điều khiển chính xác cho động cơ DC, việc lắp đặt thêm encoder hoặc cảm biến cùng với một bộ hồi tiếp là cần thiết Tuy nhiên, điều này cũng làm tăng độ phức tạp cho robot.
− Trong khi đó, động cơ AC-servo sử dụng nguồn điện AC lớn hơn 100V nên cần đảm bảo an toàn về điện
Tổ hợp động cơ AC-servo có giá thành cao hơn so với động cơ bước và động cơ DC-servo khi cùng một công suất Ngoài ra, việc mua kèm driver từ các nhà sản xuất động cơ cũng làm tăng chi phí, do đó không phù hợp với tiêu chí đề ra của đề tài.
Do đó, chỉ lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ DC-servo dựa vào bảng so sánh dưới đây:
Bảng 2.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của động cơ bước và động DC-servo
Loại động cơ Động cơ bước Động cơ DC-servo Ưu điểm
- Điều khiển chính xác vị trí và vận tốc
- Dễ điều khiển do điều khiển vòng hở không cần tín hiệu hồi tiếp
- Điều khiển vị trí và vận tốc chính xác nhờ có tín hiệu hồi tiếp trả về từ encoder
- Có thể hoạt động ở tốc độ cao (3000-5000 rpm)
- Không xảy ra hiện tượng trượt bước khi quá tải
- Xảy ra hiện tượng trượt bước khi quá tải
- Điều khiển vòng hở dễ gây ra sai số
- Không thích hợp cho các ứng dụng làm việc với tốc độ cao (từ 2000 rpm trở lên)
- Khi dừng, dễ bị dao động tại vị trí dừng gây rung lắc
- Điều khiển và xử lý tín hiệu phức tạp
- Độ chính xác của động cơ phụ thuộc vào độ chính xác của bộ điều khiển
Kết luận, tác giả lựa chọn động cơ bước cho robot delta dạng khớp xoay nhờ vào khả năng giữ mômen tốt, giúp duy trì vị trí home mà không bị rung động Động cơ bước còn hỗ trợ điều khiển chính xác vị trí và vận tốc, dễ dàng trong việc điều khiển và có giá thành hợp lý.
Lựa chọn khớp truyền động
Sự khác biệt giữa các cơ cấu delta thể hiện qua việc lựa chọn khớp kết nối của cơ cấu hình bình hành Khớp kết nối cần đáp ứng các yêu cầu về tính linh hoạt, khối lượng nhẹ và giá thành hợp lý Hai phương án chính được lựa chọn là khớp cầu và khớp xoay.
Hình 2.6: Khớp cầu Ưu điểm:
- Phù hợp với các cơ cấu cần di chuyển linh hoạt để hạn chế rủi ro cho phần cơ khí
- Giá thành rẻ, khối lượng nhẹ
- Khả năng chịu tải kém
- Dễ bị rơ trong quá trình cơ cấu di chuyển
Hình 2.7: Khớp xoay Ưu điểm:
- Tính vững chắc và chịu lực tốt, phù hợp với các cơ cấu cần chịu tải nặng
- Giá thành cao, khối lượng nặng
- Ít bậc tự do hơn khớp cầu
Kết luận: Mục tiêu của luận văn là lựa chọn khớp nối tối ưu cho cơ cấu di chuyển linh hoạt, nhẹ và có chi phí thấp Dựa trên các yêu cầu này, khớp cầu đã được chọn làm giải pháp phù hợp.
Lựa chọn bộ điều khiển
Yêu cầu: Áp dụng được trong sản xuất công nghiệp, tốc độ xử lý nhanh, sử dụng các ngôn ngữ lập trình đã được học
Một số bộ điều khiển được trình bày theo bảng sau
Bảng 2.2: Bảng so sánh bộ điều khiển
Bộ điều khiển Ưu điểm Nhược điểm
- Tốc độ xử lý nhanh
Chỉ sử dụng cho các ứng dụng đơn giản
- Dùng nhiều trong sản xuất công nghiệp
- Ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ sử dụng
- Bộ nhớ không lớn và bị giới hạn (có thể được mở rộng)
- Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ nhưng ứng dụng đa dạng
- Cho phép lập trình theo các ngôn ngữ phổ biến như ngôn ngữ C
- Cấu hình sản xuất hiếm khi phù hợp ứng dụng
- Cấu hình riêng là có thể sản xuất nhưng chỉ dùng cho số lượng lớn
Kết luận: Từ những phương án đề ra, phương án sử dụng vi điều khiển được lựa chọn vì phù hợp với yêu cầu của đề tài.
PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC
Cấu trúc cơ bản của robot delta
Để phân tích một hệ thống, bước đầu tiên là tìm hiểu cấu tạo cơ bản của hệ thống đó Hệ thống Robot Delta thường bao gồm các bộ phận chính như: khung robot, động cơ, cảm biến và bộ điều khiển.
1 Bệ cố định gắn với giá đỡ
3 Cánh tay trên nối trực tiếp với động cơ
4 Cánh tay dưới (hình bình hành) nối với cánh tay trên và bệ di chuyển thông qua khớp nối cầu
5 Bệ di chuyển để gắn điểm công tác
Xây dựng mô hình toán học
Hình 3.2: Cấu trúc hình học của robot delta
Theo hình 3.2, giả sử bệ di chuyển luôn song song với bệ cố định
Hệ trục tọa độ cố định {𝑅} gắn với bệ cố đinh, hệ trục tọa độ di chuyển {𝑃} gắn với bệ di chuyển
Trục 𝑥𝑜 của hệ trục tọa độ cố định {𝑅} trùng với hình chiếu của cánh tay trên số
1, chiều dương của trục 𝑧𝑜 hướng lên trên
Ba trục của động cơ nằm tiếp tuyến với đường tròn có tâm là gốc của hệ trục tọa độ cố định {𝑅} và bán kính rA
Trung điểm giữa hai khớp cầu gắn với bệ di chuyển nằm trên đường tròn có tâm là gốc tọa độ của hệ trục tọa độ di chuyển {𝑃}, với bán kính rB.
Robot delta với cấu trúc vòng kín gặp khó khăn trong việc giải bài toán động học bằng phương pháp của robot nối tiếp Để giảm bớt khối lượng công việc trong việc giải quyết bài toán động học thuận và nghịch, chúng ta cần giả định một số thông số nhất định.
Bệ di chuyển luôn giữ song song với bệ cố định, và hướng của nó so với hệ trục tọa độ cố định không thay đổi trong suốt quá trình chuyển động Do đó, phần hình bình hành của cánh tay dưới có thể được đơn giản hóa tương ứng với một trục nối.
− Ta dịch chuyển ba cánh tay lại một đoạn rBđể ba tiếp điểm 𝐶𝑖 cùng giao nhau tại gốc tọa độ của hệ tọa độ {𝑃}
Hình 3.3: Đơn giản hóa mô hình toán học robot delta
Với hệ trục tọa độ {𝑅} như hình trên, các cánh tay của robot delta có tính đối xứng, cho phép tính toán riêng biệt cho từng cánh tay (i = 1, 2, 3) Hai cánh tay tạo thành góc 120 độ, do đó, mỗi cánh tay được gán một hệ trục tọa độ {𝑅𝑖} tương ứng với hệ tọa độ gốc và quay một góc 𝛼𝑖 (𝛼𝑖 = {0°, 120°, 240°}).
Hình 3.4: Hình chiếu điểm hệ trục tọa độ cố định trong hệ tọa độ Oxy
Các hệ trục tọa độ {Ri} được biểu thị bằng ma trận quay quanh trục z của hệ trục tọa độ {R}, ma trận quay 𝑅 𝑅𝑧 :
Theo quy định đơn giản hóa, khoảng cách từ tâm của {𝑅} tới tâm của {𝑃} được xác định là r = rA − rB Tại điểm P, các điểm Ci trùng nhau, với giá góc 𝜃𝑖1 ở vị trí khởi động bằng 0 và tăng lên khi cánh tay di chuyển lên trên, ngược lại, giá góc sẽ giảm khi cánh tay hạ xuống Độ dài cánh tay trên được ký hiệu là 𝐿𝑎 và cánh tay dưới là 𝐿𝑏.
Hình 3.5: Kí hiệu các khâu
Dựa vào quy định trên ta đặt hệ trục tọa độ (Hình 3.6), ta đi tìm phương trình động học thuận và nghịch
Hình 3.6: Hệ trục tọa độ các khâu
3.2.2 Bài toán động học thuận
Bài toán động học thuận (forward kinematics) giúp ta xác định vị trí của điểm công tác khi biết giá trị của các khớp quay 𝜃1 𝑖 của các khớp
Hình 3.7: Sơ đồ bài toán động học thuận
Có nhiều phương pháp để giải bài toán động học như hình học giải tích, vector, và bảng tọa độ D-H, nhưng bảng tọa độ D-H chủ yếu được áp dụng cho robot nối tiếp Trong chương này, tác giả áp dụng phương pháp hình học giải tích kết hợp với phép toán Trilateration để giải bài toán động học thuận cho robot delta 3 bậc tự do Phương pháp này giúp rút ngắn thời gian giải nghiệm cho phương trình động học thuận và giảm công sức tính toán so với các phương pháp truyền thống như rút thế hay đặt biến phụ Để bắt đầu, động học thuận của delta robot được tính dựa vào 3 điểm 𝐵𝑖 ′, là tâm của 3 hình cầu bán kính 𝐿𝑏, với 3 hình cầu này giao nhau tại 2 điểm: một điểm có giá trị z dương và một điểm có giá trị z âm.
Hệ trục toạ độ {𝑅} có trục z dương hướng lên, do đó ta có tọa độ điểm giao nhau tại P có giá trị z âm
Hình 3.8: Ba hình cầu giao nhau tại hai điểm
Theo hình 3.8, tọa độ điểm công tác được xác định tại điểm giao nhau của ba hình cầu tâm 𝐵𝑖 ′ Trong đó, hai hình cầu giao nhau tạo thành một đường tròn, và đường tròn này giao với hình cầu còn lại tại hai điểm Tọa độ điểm 𝐵𝑖 ′ của mỗi cánh tay được mô tả như sau:
𝐵𝑖 ′ = [(𝑟 + 𝐿𝑎 cos(𝜃𝑖1)) 0 𝐿𝑎 sin(𝜃𝑖1)] 𝑇 (3.3) Để chuyển tọa độ điểm 𝐵𝑖 ′ về Base frame {𝑅} ta nhân với ma trận quay 𝑅 𝑅𝑖 𝑧 với
Ba hình cầu được tạo ra với bán kính bằng nhau là 𝐿𝑏 và có tâm là 𝐵 ′ 𝑖
Thay vào ta tìm được hệ tọa độ tâm P của hệ trục tọa độ {P}:
Với các giá trị góc (𝛼1; 𝛼2; 𝛼3) = (0°, 120°, 240°), chúng ta sẽ giải phương trình (3.6) theo các biến x, y, z Mục tiêu là tìm nghiệm cho tọa độ điểm cuối P(x,y,z) của đầu công tác khi các góc 𝜃1, 𝜃2, 𝜃3 thay đổi.
3.2.3 Bài toán động học nghịch
Bài toán động học nghịch (inverse kinematics) giúp ta tìm được giá trị các biến góc 𝜃𝑖1 khi đã biết vị trí của điểm P trong hệ trục tọa độ {𝑅}
Hình 3.9: Sơ đồ bài toán động học nghịch
𝑖 Động học nghịch delta robot với một điểm P(x, y, z) xác định cho 2 giá trị kết quả đối với 1 biến khớp quay 𝜃𝑖1
Hình 3.10: Hai vị trí cánh tay số 1
Với một điểm P cố định ta có 2 cấu hình của cánh tay số 1 thỏa điều với trường hợp góc 𝜃11 lớn có thể gây va chạm sau:
Phương trình động học ngược có thể tìm được dựa vào phương trình ràng buộc
− 𝐶 ′ : tọa độ của P = [Xp Yp Zp] 𝑇
− 𝐵 ′ : tọa độ của điểm trong Base frame {𝑅}
Xét phương trình (3.22) cho cánh tay số 1:
Ta đưa phương trình trên về dạng:
Sau đó, thế lần lượt giá trị 𝛼𝑖 = {0 0 , 120 0 , 240 0 } vào các giá trị A, B, C ta
Từ các hệ số trên, ta thay lần lượt các giá trị tương ứng vào công thức (3.24) Sau đó, giải phương trình (3.24) ta được giá trị các góc 𝜃𝑖
Trong 2 kết quả thu được ta chọn góc 𝜃𝑖 nhỏ hơn và nằm trong giới hạn khớp
3.2.4 Không gian làm việc của robot delta
Vùng không gian làm việc của robot delta được xác định bởi tập hợp tất cả các điểm mà robot có khả năng di chuyển, dựa trên kích thước của các khâu và khớp nối.
Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, không gian làm việc của robot thường được thiết kế dưới dạng hình trụ hoặc hình vuông, nhằm đơn giản hóa quá trình tính toán và thiết kế các khâu.
Chiều dài các khâu được chọn là Ra = 100mm, Rb = 40mm, La = 100mm và Lb = 280mm, nhằm đảm bảo đáp ứng yêu cầu về không gian làm việc mong muốn Hơn nữa, việc hạn chế góc của khớp quay cũng tác động đến vùng làm việc tối đa của robot delta.
Hình 3.11: Kích thước các khâu
Kết luận
Chương 3 đã trình bày đầy đủ yêu cầu đặt ra, từ kết quả tính toán phương trình động học thuận và động học nghịch, kiểm tra bài toán động học Đưa ra kích thước các khâu dùng cho quá trình tính toán thiết kế ở chương sau.
THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ MẠCH ĐIỆN
Thiết kế cơ khí
Robot delta 3 bậc tự do dạng khớp xoay thường được sử dụng để gắp sản phẩm từ băng chuyền Để thực hiện nhiệm vụ này, cần có sự phối hợp nhịp nhàng giữa chuyển động của băng chuyền và robot, đảm bảo băng chuyền di chuyển với tốc độ phù hợp mà không cần dừng lại khi robot gắp sản phẩm Tuy nhiên, đồ án chỉ tập trung vào thiết kế và điều khiển chuyển động của robot từ điểm này đến điểm khác, không đề cập đến việc thiết kế và điều khiển tốc độ của băng tải hay các bộ phận gắp khác.
Thiết kế mô hình robot delta với những yêu cầu sau:
− Khối lượng tải tối đa: 50 gram
Robot Delta yêu cầu làm việc với tốc độ cao, do đó thiết kế cần sử dụng vật liệu nhẹ, có độ cứng và độ bền tốt Với những tiêu chí này, nhôm được chọn làm vật liệu chính nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
− Khối lượng riêng nhỏ (khoảng 2700 kg/𝑚 3 ) nên cùng một kích thước thì khối lượng của nhôm chỉ nặng bằng 1/3 so với thép
Nhôm có khả năng chống ăn mòn cao nhờ vào tính oxy hóa, biến lớp bề mặt thành oxit nhôm (Al2O3) với cấu trúc chặt chẽ và bền bỉ Điều này giúp nhôm có khả năng chống ăn mòn vượt trội mà không cần lớp sơn bảo vệ bề mặt.
− Không có từ tính: đây là ưu điểm nổi bật của vật liệu nhôm so với thép trong nhiều ứng dụng cần tránh nhiễu
Cụ thể, nhôm được lựa chọn là hợp kim nhôm 1060 với những đặc tính như sau:
Bảng 4.1: Đặc tính của hợp kim nhôm 1060
Tính chất Giá trị Đơn vị
Nhiệt độ nóng chảy 660,32 °C Độ bền kéo 68,94 N/𝑚𝑚 2 Ứng suất chảy dẻo 27,57 N/𝑚𝑚 2
4.1.3 Thiết kế các cụm chi tiết
4.1.3.1 Kết cấu cụm động cơ và khâu 1:
− Vị trí của 3 động cơ trên đế cố định lệch nhau mỗi góc 120 𝑜 là như nhau
− Vị trí của khâu 1 so với động cơ tại mỗi trục là như nhau
Tấm đế cố định là phần quan trọng gắn liền với giá bên ngoài, chịu toàn bộ khối lượng của robot Thiết kế yêu cầu vật liệu có độ cứng tốt để đảm bảo sự vững chắc cho robot Ngoài việc gia công hai bề mặt để đảm bảo độ đồng phẳng cho các chi tiết gá động cơ, tấm đế còn được phay lõm 3mm để định vị chính xác cho ba chi tiết gá động cơ, ngăn chặn hiện tượng dịch chuyển do bulong siết bị lỏng.
Chi tiết gá động cơ được lắp đặt ở phía trên tấm đế cố định nhằm giảm bớt trọng lượng mà nó phải chịu, tránh việc phải gánh toàn bộ trọng lượng của robot Khi robot di chuyển, các rung động phát sinh có thể làm biến dạng chi tiết gá, dẫn đến sai số trong hoạt động Do đó, việc đặt gá ở vị trí trên tấm đế cố định giúp nó chỉ phải chịu một phần trọng lượng của robot, từ đó nâng cao độ chính xác và độ bền của hệ thống.
− Khâu 1, tấm đế cố định, gá động cơ được gia công bằng phương pháp CNC để đảm bảo độ chính xác về kích thước
− Vật liệu sử dụng: nhôm 1060
Hình 4.1: Bản vẽ phân rã 3D một nhánh của kết cấu cụm động cơ và khâu 1
4.1.3.2 Kết cấu khâu 2 và đầu công tác
− Đảm bảo độ song song giữa khâu 1 và khâu 2
− Đầu công tác phải định vị được vị trí của khâu Delta
Khâu 2, hay còn gọi là khâu delta, bao gồm hai trục song song liên kết với các khâu khác qua khớp cầu và trục nối Một yếu tố quan trọng trong thiết kế khâu 2 là đảm bảo khoảng cách giữa tâm của hai khớp cầu ở mỗi trục song song phải bằng nhau, nhằm tránh hiện tượng lệch đầu công tác và giảm thiểu sai số trong hệ thống Để đạt được điều này, các thanh nối với khớp cầu của khâu delta được chế tạo thành các trụ trơn, được tiện ren hai đầu để kết nối với khớp cầu và có vai trò định vị khoảng cách giữa hai tâm khớp cầu.
− Phương gia công CNC để đảm bảo độ chính xác
Hình 4.2: Bản vẽ phân rã 3D một nhánh kết cấu cụm khâu 2 và đầu công tác
Sau khi hoàn thành thiết kế các cụm chi tiết, việc phân rã một nhánh mô hình 3D của Robot Delta trên phần mềm Solidworks giúp người dùng có cái nhìn tổng quát hơn về toàn bộ kết cấu của mô hình thiết kế.
Hình 4.3: Bản vẽ phân rã 3D một nhánh của mô hình robot Delta trên Solidwork
4.1.4 Tính toán công suất và lựa chọn động cơ
Do kết cấu của 3 cánh tay robot và khả năng chịu tải của các động cơ là như nhau nên chỉ tính toán công suất cho 1 động cơ
- Động cơ thỏa mãn yêu cầu làm việc của robot delta (moment, vận tốc…)
- Là động cơ bước (theo lựa chọn phương án đã trình bày ở chương 2)
Để tính công suất làm việc của robot, cần chọn vị trí chịu tải lớn nhất, thường là vị trí khâu 1 nằm ngang và vuông góc với khâu Việc này là cần thiết do robot hoạt động ở trạng thái thẳng đứng.
Hình 4.4: Vị trí khâu 1 nằm ngang và vuông góc với khâu 2
Robot được áp dụng trong các trường hợp chịu tải nhẹ, với khối lượng tải lớn nhất là 0,05 kg Qua quá trình thiết kế mô hình 3D trên Solidworks, khối lượng các khâu được đo là 0,56 kg.
− r là chiều dài cánh tay đòn cũng chính là chiều dài khâu 1
− F là lực gây ra bởi khối lượng robot (xét ở vị trí robot chịu tải lớn nhất)
Chọn hệ số an toàn: α = 1,1
Suy ra: 𝑀𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ≥ 𝑀 α = 0,55.1,1 = 0,605 𝑁𝑚 (4.3) Dựa vào những yêu cầu trên tác giả chọn động cơ bước Sumtor 57HS11230A4 Thông số kỹ thuật của động cơ:
− Vận tốc không tải: 300 vòng/phút
4.1.4 Tổng kết phần cơ khí
Dựa trên thiết kế cơ khí đã được trình bày, để tiết kiệm chi phí chế tạo, khung nhôm định hình và tấm đỡ robot đã được tối giản trong thiết kế Các cụm chi tiết khác vẫn được chế tạo và lắp ráp chính xác theo bản thiết kế ban đầu.
Thiết kế mạch điện
Trong phần này, chúng tôi trình bày thiết kế mạch điện cho Robot Delta, có nhiệm vụ đọc tín hiệu từ cảm biến và gửi về vi điều khiển để xác định vị trí home Vi điều khiển sau đó sẽ thực hiện điều khiển động cơ bước, giúp di chuyển từ điểm này đến điểm khác một cách chính xác.
4.2.1 Yêu cầu hệ thống điện
Hệ thống mạch điều khiển bao gồm một board mạch chính sử dụng vi điều khiển Tiva C LaunchPad, được cấp nguồn 5V từ máy tính Board mạch này kết nối với các thiết bị khác, bao gồm 3 Driver điều khiển động cơ bước Leadshine DM542 (sử dụng nguồn 24V DC) và 3 module cảm biến đo góc nghiêng MPU6050 – GY521 (sử dụng nguồn 5V DC).
Hình 4.5: Sơ đồ khối mạch điện của toàn hệ thống
Mạch Arduino Uno R3 có chức năng tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, đồng thời đọc dữ liệu từ máy tính và cung cấp xung điều khiển cho từng driver step.
• Mạch điều khiển động cơ step có nhiệm vụ cung cấp dòng và xung cần thiết cho mỗi động cơ, dữ liệu này được lấy từ vi điều khiển
4.2.2 Mạch Arduino Uno R3 Đối với vấn đề lựa chọn vi điều khiển cho bất cứ đề tài nào, trước hết người ta thường phân vân chọn vi điều khiển của hãng nào Thực tế việc lựa chọn phụ thuộc vào mức độ am hiểu để sử dụng vi điều khiển của người thiết kế, tiếp theo đó là lựa chọn dòng vi điều khiển có khả năng đáp ứng nhu cầu của hệ thống
Đề tài đồ án hệ thống yêu cầu vi điều khiển thực hiện chức năng nhận và xử lý tín hiệu từ 3 cảm biến, đồng thời cấp xung điều khiển vị trí cho 3 động cơ bước Để đáp ứng các yêu cầu này, Arduino Uno R3 đã được lựa chọn nhờ vào tính năng phù hợp và giá thành hợp lý Hệ thống thiết kế sử dụng Arduino Uno R3 với mạch nguồn 3.3V tích hợp, cho phép cấp nguồn cho vi điều khiển, mạch nạp và debug thông qua một cổng USB, giúp giảm thiểu khối lượng thiết kế.
Các tính năng Arduino Uno R3:
• Chíp điều khiển chính: Atmega328P
• Dòng điện DC Curent chân 3.3V: 50mA
• Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn
Động cơ bước là loại động cơ đồng bộ, chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành chuyển động góc quay và có khả năng cố định roto tại các vị trí cần thiết Hoạt động của động cơ bước phụ thuộc vào bộ chuyển mạch điện tử, điều khiển tín hiệu vào stato theo thứ tự và tần số nhất định Số lượng góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều và tốc độ quay cũng phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi Khi xung điện áp được áp dụng vào cuộn dây stato, roto sẽ quay một góc nhất định, tương ứng với một bước quay của động cơ Động cơ bước có thể hoạt động ở chế độ một bước, nửa bước hoặc vi bước, trong đó chế độ vi bước giúp động cơ hoạt động mượt mà hơn và giảm rung động Để điều khiển động cơ ở chế độ vi bước, cần sử dụng các driver chuyên dụng, đảm bảo cung cấp đủ dòng cho động cơ hoạt động, vì động cơ bước điều khiển theo dòng chứ không phải theo áp.
Dựa trên các thông số hoạt động của động cơ, việc lựa chọn Driver có khả năng chịu dòng hoạt động trên 3A là rất quan trọng Vì vậy, chúng tôi đã quyết định chọn Driver điều khiển động cơ bước Leadshine MD542 – 05
Hình 4.7: Sơ đồ khối Driver Leashine DM542 - 05 Chức năng các khối:
- Khối nguồn: Sử dụng nguồn 12 – 40V DC cấp cho động cơ và biến đổi thành điện áp 5V cung cấp cho các khối còn lại
Khối thiết lập chế độ cho phép người dùng điều chỉnh các tùy chọn như dòng điện cung cấp cho động cơ và chế độ vi bước thông qua các switch.
- Khối cách li: cách li tín hiệu điều khiển với mạch động lực
Khối tín hiệu điều khiển bao gồm 6 chân: Enable + và Enable – dùng để kích hoạt hoặc không kích hoạt module; Pulse + và Pulse – là tín hiệu xung điều khiển động cơ bước; Dir + và Dir – là tín hiệu xung điều khiển chiều quay của động cơ.
- Khối động cơ: gồm 4 chân A-, A+, B-, B+ kết nối với 4 dây của động cơ bước
- Khối driver động cơ sử dụng IC DM542-05 điều khiển hoạt động động cơ
Để điều khiển động cơ bước, cần cung cấp tín hiệu xung vào chân PUL+, với mỗi xung tương ứng với một bước quay của động cơ Chiều quay của động cơ được xác định bởi tín hiệu gửi vào chân DIR+.
Giả sử độ rộng xung cấp cho driver là τ thì tốc độ của động cơ sẽ xác định theo công thức: n = vòng/phút 60m
− α là bước góc của động cơ (thường là 1,8 𝑜 )
− m là số xung cần cấp để động cơ quay hết một vòng (với driver Leashine DM542-05, m có thể lên đến 25600 xung)
4.2.4 Cảm biến xác định vị trí Home
Vị trí home là điểm khởi đầu quan trọng cho robot, cần đảm bảo sai số nhỏ khi lặp lại thao tác Delta robot có cấu trúc khớp xoay, với khâu 1 liên kết trực tiếp với động cơ, do đó việc xác định giá trị góc 𝜃𝑖 là cần thiết Để xác định vị trí home cho delta robot, đề tài lựa chọn cảm biến MPU - 6050 của InvenSense.
Cảm biến MPU-6050 là cảm biến gia tốc phổ biến nhất hiện nay, có khả năng đo 6 thông số: 3 trục góc quay (Gyroscope) và 3 trục gia tốc (Accelerometer) Thiết bị này được trang bị ba bộ chuyển đổi ADC 16-bit để số hóa đầu ra con quay hồi chuyển và ba ADC 16-bit cho đầu ra gia tốc kế Độ phân giải góc của MPU-6050 đạt ± 250, ± 500, ± 1000, và ± 2000 °/s, trong khi độ phân giải gia tốc là ± 2g, ± 4g, ± 8g, và ± 16g Để giảm thiểu khối lượng công việc, module GY-521 MPU-6050 được sử dụng.
6050 có tích hợp sẵn cảm biến MPU - 6050 có thể giao tiếp với nhiều loại vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý module GY – 521 MPU – 6050
Khối nguồn của hệ thống đảm nhiệm việc cung cấp năng lượng cho động cơ và driver Động cơ step trong hệ thống hoạt động với điện áp 24V và dòng điện tối đa đạt 3A.
Hệ thống sử dụng ba động cơ, do đó dòng điện yêu cầu là 9A Ta sử dụng nguồn tổ ong 24V-15A cho khối driver và động cơ step
Vi điều khiển và cảm biến sử dụng nguồn tổ ông 5V – 5A
Bảng 4.2: Thông số điện áp nguồn cấp cho hệ thống
Tên nguồn điện Điện áp ngõ vào Điện áp ngõ ra Dòng điện mức
Bài viết đã nêu rõ các yêu cầu cần thiết để xây dựng hệ thống điện cho việc điều khiển robot delta Hệ thống này bao gồm ba module chính: khối ngoại vi, khối công suất và khối nguồn.
MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
Mô phỏng động học trên phần mềm Matlab Similink
5.1.1 Xây dựng mô hình mô phỏng
Mục đích của việc mô phỏng hoạt động của mô hình robot trên phần mềm Matlab là để kiểm tra sai số động học giữa thiết kế cơ khí và mô hình robot lý tưởng Đầu tiên, mô hình 3D được xây dựng trên phần mềm SolidWorks, sau đó sử dụng SimMechanics Link để xuất các file định dạng “.STL” từ khối 3D Liên kết động học giữa các khối được thể hiện qua sơ đồ trong Matlab Simulink Để thực hiện mô phỏng, cần thiết lập các thông số cho các khối trong mô hình.
• Machine Environment: thông số gia tốc trọng trường, chế độ phân tích, sai số, những điều kiện ràng buộc
• Ground: tọa độ gốc (world frame)
Khối Body của các khâu bao gồm khối lượng, ma trận moment quán tính và hệ trục tọa độ tương ứng Những thông số này được xác định từ phần thiết kế trên SolidWorks, sau khi lựa chọn vật liệu và các thông số kỹ thuật cần thiết.
Khối Joint (khớp nối) được sử dụng theo thiết kế của robot delta, với việc hiệu chỉnh các trục quay để phù hợp với hệ tọa độ nối từ các khâu trước đó.
Hình 5.1 Phần động học thuận trong phần mềm matlab
- Động học thuận là xác định vị trí của khâu tác động cuối của tay máy khi biết các biến khớp của tay máy
Hình 5.2 Phần động học ngược trong phần mềm matlab
Động học ngược là quá trình xác định các biến khớp của tay máy dựa trên vị trí của khâu tác động cuối Có ba phương pháp chính để thực hiện mô hình động học ngược cho tay máy, bao gồm phép đảo hướng, phép đảo vị trí và phép đảo kết hợp.
5.1.2 Kết quả mô phỏng Để vẽ ra quỹ đạo đáp ứng của cụm robot delta đã thiết kế, ta cho thông số đầu vào của mô phỏng động học là một đường tròn nằm trong mặt phẳng Oxy
Quỹ đạo đường tròn được áp dụng trong hàm chia điểm trong MATLAB, thông qua bài toán động học ngược đã được trình bày ở chương 3, từ đó ta tính toán được tập hợp góc cho khâu.
Để đạt được quỹ đạo đường tròn, cần thiết phải quay một góc nhất định, và tập hợp góc này sẽ được truyền vào các khối mô phỏng trong Simulink Để đo quỹ đạo đáp ứng của mô phỏng, chúng ta sử dụng khối đồ thị Graph XY để vẽ quỹ đạo đầu ra và đầu vào của robot.
Ta nhận thấy rằng sai số động học của thiết kế cơ khí so với công thức động học ngược đã được tính ra ở chương 3 là khá nhỏ
Thiết kế giải thuật điều khiển
Phần này trình bày lưu đồ giải thuật điều khiển Robot Delta di chuyển từ điểm đến điểm
5.2.1 Yêu cầu thiết kế Để điều khiển delta robot di chuyển từ điểm đến điểm, ta đưa về giải quyết bài toán điều khiển vị trí cho 3 động cơ bước Từ tập hợp điểm đó, thông qua bài toán động học ngược ta tính được tập hợp góc mà động cơ cần quay Từ đó, ta tính được số xung cấp tương ứng với từng động cơ Sau đó, vi điều khiển bắn xung xuống driver để động cơ đi đến vị trí mong muốn Công việc này thực hiện tuần tự và liên tục cho đến khi kết thúc
5.2.2 Chương trình điều khiển robot delta
Khi vi điều khiển được bật lên, bước đầu tiên của chương trình điều khiển là khởi tạo các ngoại vi cho vi điều khiển.
− Cấp xung clock cho ngoại vi cần sử dụng
− Ngõ ra cấp xung, chiều cho động cơ
− Ngõ vào tín hiệu cảm biến
− Khởi tạo các Timer, chương trình ngắt
− Khởi tạo module giao tiếp I2C
Bus I2C là một giao tiếp chỉ sử dụng hai dây, bao gồm Dây Đồng Hồ (SCL) và Dây Dữ Liệu (SDA) Dữ liệu được truyền qua dây SDA và được đồng bộ hóa với tín hiệu đồng hồ từ SCL Tất cả các thiết bị và IC trong mạng I2C đều được kết nối chung với hai đường SCL và SDA.
Hình 5.3 Sơ đồ giao tiếp I2C
Cả hai đường bus I2C (SDA, SCL) hoạt động như các bộ lái cực máng hở, cho phép các thiết bị hoặc IC trên mạng I2C có khả năng kéo SDA và SCL xuống mức thấp, nhưng không thể kéo chúng lên mức cao Để duy trì mức cao (điện áp dương) theo mặc định, mỗi đường bus cần được trang bị một điện trở kéo lên có giá trị khoảng 1 kΩ đến 4,7 kΩ.
Trong hệ thống bus I2C, các thiết bị được chia thành hai loại: thiết bị Chủ (Master) và thiết bị Tớ (Slave) Chỉ có một thiết bị Master hoạt động tại một thời điểm, điều khiển tín hiệu đồng hồ SCL và quyết định các hoạt động trên đường dữ liệu SDA Dữ liệu giữa thiết bị Master và các thiết bị Slave được truyền qua một đường dữ liệu SDA duy nhất, thông qua các chuỗi số nhị phân (bit) có cấu trúc, mỗi chuỗi được gọi là giao dịch (transaction).
Sau khi khởi tạo hệ thống, bước quan trọng tiếp theo là đưa robot delta về vị trí Home Vị trí này được xác định thông qua ba cảm biến đo góc nghiêng MPU6050.
Robot GY521 được lắp đặt trên ba cánh tay trên của nó Sau khi thiết lập vị trí Home cho robot, chúng ta sẽ điều khiển vị trí của ba động cơ và đưa chúng về vị trí Home.
N Cảm biến 2 Set góc Ɵi= a
N Cảm biến 3 Set góc Ɵi = a
Return Động cơ 2 dừng Động cơ 1 dừng Động cơ 3 quay lên Động cơ 2 quay lên Động cơ 1 quay lên
5.2.3 Giải thuật điều khiển đưa robot về vị trí Home
Vị trí Home của robot được xác định khi ba cánh tay trên của nó tạo thành một góc bằng nhau so với phương ngang Khi chương trình điều khiển khởi động, nó sẽ kiểm tra ba cảm biến để xác định xem robot đã ở vị trí Home hay chưa Nếu giá trị của ba cảm biến không đồng nhất với góc đã định, chương trình sẽ kích hoạt động cơ tương ứng để điều chỉnh cánh tay robot cho đến khi đạt được giá trị mong muốn Chương trình ngắt sẽ tắt động cơ khi robot đã đạt vị trí Home.
Hình 5.4 : Lưu đồ giải thuật đưa robot về vị trí Home Điều khiển vị trí goc[i] = new_goc[i] – old_goc[i]
Giá trị Timer[i] = clock/[(2500.goc[i])/9]
Sau khi đưa robot về vị trí Home, cần nhập điểm đến mà robot sẽ di chuyển Tiếp theo, robot thực hiện bài toán nội suy để tính toán giá trị các góc và xuất ra số xung tương ứng nhằm điều khiển động cơ.
5.2.4 Giải thuật điều khiển vị trí
Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật điều khiển vị trí
Ta phân chia điểm di chuyển của robot thành một tập hợp các điểm Bằng cách sử dụng bài toán động học nghịch, chúng ta có thể tính toán các góc mà động cơ cần quay dựa trên tập hợp điểm đó Trong lưu đồ giải thuật, biến goc[i] = new_goc[i] – old_goc[i] biểu thị giá trị góc mà động cơ cần tiếp tục quay để đạt được vị trí mong muốn.
Timer[i] là khoảng thời gian giữa hai lần đếm của timer Để robot di chuyển mượt mà hơn, driver điều khiển động cơ được thiết lập với số lượng 25600 xung/vòng Số xung cần cấp cho mỗi động cơ được tính bằng công thức xung[i] = (25600 * goc[i]) / 360 = (1250 * goc[i]) / 9 Từ đó, giá trị giữa hai lần đếm được xác định là Timer[i].
Giá trị chu kỳ xung clock của hệ thống được tính bằng công thức 𝑐𝑙𝑜𝑐𝑘/[(1250 𝑔𝑜𝑐[𝑖])/9] Sau đó, chúng ta cần cài đặt giá trị cho timer, để khi timer tràn, chương trình sẽ thực hiện ngắt.
Nếu số xung hiện tại nhỏ hơn số xung cần cấp, chương trình sẽ gọi hàm ngắt để kích hoạt động cơ quay, đồng thời biến đếm n[i] sẽ tăng thêm 1 sau mỗi lần gọi hàm Quá trình này tiếp diễn cho đến khi đủ số xung cần thiết, và động cơ đạt được giá trị góc mong muốn, lúc này chương trình sẽ dừng lại.
THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
Mục đích thực nghiệm
- Kiểm nghiệm tính đúng đắn của phương trình động học và giải thuật điều khiển đã xây dựng
- Đánh giá sai số dựa trên kết quả thực nghiệm
- Đánh giá các nguyên nhân gây ra sai số và hướng phát triển đề tài.
Bố trí thí nghiệm kiểm tra
Solidworks Motion là một công cụ mô phỏng ảo mạnh mẽ, giúp người dùng kiểm tra và đảm bảo chức năng thiết kế thông qua việc mô phỏng chuyển động Tính năng này hỗ trợ từ các mô phỏng chuyển động đơn giản đến phức tạp, mang lại cái nhìn sâu sắc về hiệu suất và tính khả thi của sản phẩm.
Việc sử dụng công cụ Solidworks Motion cho phép người dùng quan sát chi tiết và cách lắp ráp của Robot Delta trong mô phỏng động học, từ đó giúp phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trước khi đưa thiết bị vào sản xuất Để hiểu rõ hơn về sơ đồ giải thuật điều khiển đã trình bày trong mục 5.1 của chương 5, nhóm chúng tôi đã quyết định sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế các chi tiết và áp dụng Solidworks Motion để mô phỏng hoạt động của Robot Delta.
Robot Delta sẽ khởi động và các khớp của nó sẽ hoạt động để di chuyển đến vị trí Home, sẵn sàng cho công việc Tại đây, robot sẽ chờ đợi các gói hàng hóa chạy tới để tiến hành phân loại sản phẩm trên băng tải.
Hình 6.2 : Tiến hành gắp vặt
Sau khi cảm biến quang phát hiện hàng hóa, cảm biến màu sắc nhận diện vật thể màu đỏ Ngay lập tức, Robot Delta tiến hành tính toán động học ngược để xác định vị trí và thực hiện chu trình gắp vật.
Hình 6.3 : Tiến hành thả vật
Sau khi thực hiện gắp vật , Robot Delta bắt đầu tính toán động học ngược để xác định vị trí và thực hiện chu trình đặt vật màu đỏ
Khi cảm biến màu sắc nhận diện vật màu xanh, nó sẽ phát tín hiệu cho biết sản phẩm vẫn còn Sau đó, hệ thống sẽ thực hiện quy trình gắp vật và tính toán để đặt vật vào đúng vị trí màu xanh.
Robot Delta được thiết kế để giao tiếp với người dùng thông qua các nút nhấn Start và Stop Khi băng tải không còn hàng hóa, người dùng cần nhấn nút Stop để kết thúc quá trình làm việc của Robot Delta Kết quả mô phỏng đã được đánh giá.
Sau khi thực hiện mô phỏng trên Solidworks Motion, chúng tôi nhận thấy sản phẩm hoạt động đúng như mục tiêu ban đầu Tuy nhiên, một số phần của hệ thống vẫn chưa đạt được độ nhạy và ổn định như mong đợi Nguyên nhân một phần là do hệ thống của nhóm còn ở mức cơ bản.
Tổng kết và đánh giá kết quả
Đồ án thực hiện được những nhiệm vụ sau:
− Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan về về robot delta
− Phân tích lựa chọn phương án thiết kế
− Mô phỏng động học và xây dựng giải thuật điều khiển robot delta
− Mô phổng thành công Robot Delta trên phần mềm giả lặp
Mặc dù các nhiệm vụ đã được hoàn thành, nhưng kết quả đạt được vẫn chưa đáp ứng yêu cầu về sai số Quá trình thực nghiệm vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế cần khắc phục.
− Giải thuật điều khiển còn đơn giản, mới giải quyết bài toán điều khiển vị trí, chưa xét đến bài toán điều khiển vận tốc và moment
Việc phân tích các yếu tố chưa đồng nhất khi mô phỏng trên phần mềm Solidworks gặp khó khăn, như độ chính xác của cảm biến so với mô hình, tốc độ phân biệt vật thể của Robot Delta và các giới hạn trong thiết kế Ngoài ra, cần xem xét xem tốc độ gắp và đặt vật liệu có đạt yêu cầu như mong đợi hay không.
Phương án khắc phục hạn chế và hướng phát triển đề tài
Từ những hạn chế đã nên trên, đề tài có thể phát triển thêm một số hướng để khắc phục và phát triển như sau:
− Xây dựng giải thuật điều khối tối ưu điều khiển robot delta
− Giữa vào thông tin nghiên cứu ở trên để làm tài liệu để sao này áp dụng chế tạo ra 1 sản phẩm hoàn thiện
− Tính toán hay nâng cấp Robot Delta có thể nhiều mục đich khác nhau hơn
