CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật điện tử và công nghệ điều khiển và khoa học tự động hóa đã có những bước phát triển vượt bậc trong công nghệ tự động hóa và robot. Liên đoàn Người máy Quốc tế (IFR) từng công bố Báo cáo Người máy Thế giới hàng năm của mình, trong đó cho thấy giá trị bán hàng toàn cầu hàng năm là 16,5 tỷ USD vào năm 2018. IFR cho biết 422.000 chiếc đã được xuất xưởng trong năm 2018, tăng 6% so với năm 2017. Tuy nhiên, tập đoàn cho biết các lô hàng trong năm 2019 sẽ giảm so với mức kỷ lục trong năm 2018, nhưng cũng dự kiến tăng trưởng trung bình 12% mỗi năm từ năm 2020 đến năm 2022.
1 Kỳ vọng tăng trưởng trung hạn đối với robot công nghiệp trong năm 2019-2022 [1] Với những dữ liệu chúng ta có thể thấy để hòa nhập với sự phát triển của thế giới, xây dựng một mô hình robot có khả năng dễ dàng đổi mới phần mềm và phần cứng, cố định trong không gian, không cấu tạo quá phức tạp dễ dàng tính toán và thi công, có thể làm việc trong không gian ba chiều, lập trình bộ điều khiển dễ dàng và đặc biệt phải điều khiển theo vòng kín chi phí thấp, đáp ứng được các đặc tính cơ học. Nó rất 3 Luan van cần thiết cho việc nghiên cứu, học tập hay thậm chí là ứng dụng vào các công việc đơn giản trong sản xuất. Trong dự án này, chúng tôi sẽ chế tạo một “cánh tay robot SCARA 2 bậc”, nó được coi là loại robot cơ bản, cổ điển và thông dụng nhất. Nếu hoàn thành tốt việc thiết kế và điều khiển robot này, chúng ta sẽ có nền tảng để chế tạo và điều khiển bất kỳ robot nào khác.
Đối với điều khiển robot, có nhiều cách thực hiện điều khiển với nhiều thuật toán điều khiển như điều khiển PID, điều khiển thần kinh, điều khiển mờ và bạn có thể tính toán động học của robot để điều khiển vị trí bằng nhiều phương pháp khác nhau như hệ thống điều khiển chế độ trượt, Hệ thống điều khiển LQR,. Nhưng trong dự án này, chúng tôi quyết định sử dụng phương pháp hình học để điều khiển động lực học của robot, PID để điều khiển động cơ và Matlab - Simulink để lập trình nó vì đây là những phương pháp, thuật toán và phần mềm hiệu quả đơn giản để xây dựng và điều khiển robot mà chúng tôi đã được dạy trong trường đại học.2 Mục tiêu đề ra Dự án của chúng tôi nhắm đến mục tiêu thiết kế, mô phỏng, xây dựng và điều khiển cánh tay robot 2-DOF di chuyển thiết bị đầu cuối theo quỹ đạo mong muốn (mặt phẳng hình tròn) trong thời gian thực. Khoảng vượt kiểm soát sẽ không quá 5% và thời gian chuyển tiếp sẽ từ 2 giây - 5 giây.3 Giới hạn đề tài Trong dự án này, cánh tay robot không di chuyển. Các tham số PID được lựa chọn để hệ thống có các chỉ tiêu chất lượng thỏa mãn trong miền thời gian (độ vọt lố, thời gian chuyển tiếp).
Tuy nhiên, việc lựa chọn tham số PID để giảm thiểu tham số tích phân cũng như các kỹ thuật điều khiển khác nằm ngoài phạm vi của đề tài. Cánh tay robot chỉ di chuyển theo quỹ đạo mong muốn mà không phải nắm lấy hoặc nâng bất kỳ vật thể nào.4 Nội dung đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế hệ thống 4 Luan van Chương 4: Cấu trúc sản phẩm Chương 5: Kết quả Chương 6: Kết luận Chương 7: Tài liệu tham khảo Chương 8: Phụ lục 5 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chương 2 Trong chương này, chúng ta sẽ thảo luận về tất cả các yếu tố cho một dự án cánh tay robot như cấu trúc cánh tay robot, thuật toán điều khiển và phần mềm vận hành, ưu nhược điểm của chúng tùy thuộc vào đó chúng ta sẽ lựa chọn những yếu tố phù hợp nhất cho dự án của mình.2 Cánh tay robot 2.1 Khái niệm về cánh tay robot Cánh tay robot là một loại máy chuyên phục vụ quá trình sản xuất công nghiệp và được vận hành bởi con người. Chúng có ưu điểm là thiết kế linh hoạt, dễ vận hành với tác dụng hoàn thiện từng chi tiết nhỏ nhất cho sản phẩm. Cánh tay robot hoạt động rất linh hoạt với cơ chế khớp ngón tay như tay người.
Đó là một ưu điểm vượt trội mà các loại máy cơ này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Máy móc có thể thay thế bàn tay con người trong việc lắp ráp, sửa chữa, thay thế các linh kiện nhỏ trong nhà máy. Cơ chế hoạt động dựa trên các liên kết của bộ điều khiển và khớp nối chuyển động. Nhờ đó, bộ điều khiển chủ động truyền lệnh đến các bộ phận kết nối để cánh tay đòn chuyển động hoặc di chuyển tuyến tính.
Liên kết này sẽ được vận dụng dựa trên nhu cầu sản xuất để tạo thành một chuỗi động lực. Trong đó, sự kết thúc của chuỗi hành động được gọi là hiệu ứng kết thúc và chúng hoạt động dựa trên sự mô tả của bàn tay con người.2 Cấu trúc của cánh tay robot Tay máy: Tay máy là một bộ phận cơ khí bao gồm các đường khâu và khớp nối. Chúng được chế tạo giống như những cánh tay với khả năng vận động cơ bản, bao gồm các chi tiết: khéo léo ở cổ tay, di chuyển dễ dàng; tay thực hiện các thao tác, trực tiếp hoàn thành công việc. Các bộ phận được kết nối với nhau bằng các khớp trượt và xoay, giúp cho cánh tay robot vừa chắc chắn vừa linh hoạt.
Hệ thống điều khiển: Đây là bộ phận chịu trách nhiệm thực hiện các thao tác sau khi các tín hiệu đã được nhận và xử lý. Tùy theo yêu cầu đối với từng hoạt động, các chức năng của hệ thống điều khiển cánh tay robot sẽ được phân thành nhiều cấp 6 Luan van độ khác nhau, từ giải quyết đơn giản phương thức hành động chung, xác định hệ tọa độ, vị trí thao tác, các điểm phải đi qua,. cho đến phức tạp hơn như thiết lập quỹ đạo, tính toán động năng, giải mã lệnh, nội suy, xử lý lỗi,. Phần mềm vận hành: Là môi trường lập trình, là phương tiện để người vận hành truyền lệnh cho robot.
Phần mềm tiêu chuẩn phải đi kèm với ngôn ngữ lập trình phù hợp, thân thiện và dễ sử dụng.3 Các loại cánh tay robot Cánh tay robot SCARA: Thiết kế hai khớp quay song song hoạt động trên một mặt phẳng. Chúng được sử dụng trong các hoạt động lắp ráp hoặc gia công các bộ phận máy móc. Ưu điểm của cánh tay robot SCARA là dễ chế tạo, cấu tạo, sửa chữa cũng như điều khiển, nhưng đồng thời do cấu tạo đơn giản nên nhược điểm chính là cánh tay thiếu tính linh hoạt. một số góc của môi trường và không gian đặc biệt.
Sau đây là hình ảnh của cánh tay robot SCARA: Hình 2. 1 Cánh tay robot Epson G1 Mini SCARA [2] Cánh tay robot nhân tạo: Được mô phỏng theo chuyển động của con người, bàn tay và ngón cái di chuyển độc lập với nhau. Chính sự linh hoạt cho phép họ tham gia vào việc lắp ráp và xử lý tất cả các loại linh kiện điện tử hay công nghệ microcar. 7 Luan van Các cánh tay robot nhân tạo có ưu điểm là thực hiện các công việc tỉ mỉ, phức tạp và phân tích, nhưng điều này cũng dẫn đến nhược điểm của chúng: giá thành cao, khó chế tạo và điều khiển.
Sau đây là hình ảnh của cánh tay robot nhân tạo: Hình 2. 2 Phó giáo sư Denny Oetomo đang thử nghiệm một cánh tay nhân tạo. Hình: David Caird / Herald Sun [3] Cánh tay rô bốt có khớp nối: Thường được thiết kế với ba khớp quay. Máy móc thông dụng là cánh tay rô bốt 3 tầng, 4 tầng… Theo đó, cấu tạo gồm hai nhánh đơn giản đến hệ thống có 10 khớp tương tác trở lên.
Ưu điểm của cánh tay rô bốt khớp nối là tính linh hoạt khá hữu dụng trong hầu hết các công việc cũng như việc chế tạo không quá phức tạp nhưng nhược điểm của nó là mặc dù chế tạo không phức tạp đối với người vận hành. và lập trình nó cũng cần có kiến thức chuyên môn nhất định để thực hiện 8 Luan van Đây là hình ảnh sau đây về một mô hình cổ điển của cánh tay rô bốt có khớp nối - cánh tay rô bốt 4-DOF: Hình 2. 3 Denso - cánh tay robot 4-DOF [3] 2.3 Thuật toán điều khiển 2.1 Khái niệm về thuật toán điều khiển Khi giải thích các thuật toán điều khiển, chúng ta cần giải thích ý nghĩa của chúng trong hai thuật toán và các thành phần điều khiển: Thuật toán: Trong toán học và khoa học máy tính, thuật toán là một chuỗi hữu hạn các lệnh được xác định rõ ràng, có thể thực hiện được bằng máy tính, thường để giải quyết một lớp vấn đề hoặc để thực hiện một phép tính [4]. Không phải tất cả các thủ tục đều có thể được gọi là một thuật toán.
Một thuật toán phải có các đặc điểm sau: Xác định: Thuật toán phải rõ ràng và không mơ hồ. Mỗi giai đoạn (hoặc bước) nên rõ ràng và chỉ có một mục đích cụ thể. Dữ liệu đầu vào được chỉ định: Một thuật toán phải có 0 hoặc nhiều dữ liệu đầu vào được xác định. Đầu ra: Một thuật toán phải có một hoặc nhiều dữ liệu đầu ra được xác định và phải kết nối với loại đầu ra mong muốn.
Thuật toán: Phải kết thúc sau một số bước hữu hạn. 9 Luan van Tính hiệu quả: Một thuật toán phải khả thi với các nguồn lực sẵn có và có thể giải quyết vấn đề một cách hiệu quả trong thời gian và nguồn lực cho phép. Phổ biến: Một thuật toán phổ biến nếu nó có thể giải quyết một lớp các vấn đề tương tự. Độc lập: Một thuật toán nên có các lệnh độc lập với bất kỳ mã lập trình nào.
Điều khiển: Điều khiển là một chức năng của quản lý giúp kiểm tra các sai sót để đưa ra các hành động sửa chữa. Điều này được thực hiện để giảm thiểu sự sai lệch so với các tiêu chuẩn và đảm bảo rằng các mục tiêu đã nêu của tổ chức đạt được theo cách thức mong muốn. Theo quan niệm hiện đại, điều khiển là một hành động thấy trước; các khái niệm trước đó về điều khiển chỉ được sử dụng khi các lỗi được phát hiện.