Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế chế tạo robot in 3d

Chuyên khảo phân tích Đề tài nckh thiết kế chế tạo robot in 3d, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Quang Phúc
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Minh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Robot In 3D
• Loại tài liệu: Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Của Sinh Viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tính Cấp Thiết và Ý Nghĩa của Đề Tài Nghiên Cứu Robot In 3D

Đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo robot in 3D đáp ứng nhu cầu phát triển công nghệ hiện đại trong lĩnh vực sản xuất. Các phương pháp sản xuất truyền thống dựa vào khuôn mẫu và công nghệ cắt gặp nhiều hạn chế khi thiết kế hình dạng hình học phức tạp. Robot in 3D giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả, không gặp thử thách lớn với vật liệu hỗ trợ phù hợp. Ý nghĩa khoa học nằm ở việc kết hợp cánh tay robot với công nghệ in FDM (Fused Deposition Modeling) để tạo ra hệ thống tự động hóa. Ý nghĩa thực tiễn giúp rút ngắn thời gian tạo mô hình, giảm chi phí sản xuất, và dễ dàng chỉnh sửa, tái sử dụng các thiết kế kiến trúc 3D.

1.1. Mục Tiêu Nghiên Cứu Đề Tài

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu tổng quan về cánh tay robot 3 bậc tự do và ứng dụng công nghệ in 3D. Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế, chế tạo mô hình cánh tay robot có khả năng thực hiện các chuyển động linh hoạt. Đồng thời, tìm hiểu sâu về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM để tích hợp vào hệ thống. Kết quả cuối cùng là một mô hình robot in 3D hoàn chỉnh, có khả năng ứng dụng trong thực tế sản xuất.

1.2. Phạm Vi và Đối Tượng Nghiên Cứu

Phạm vi nghiên cứu bao gồm cơ sở lý thuyết về cánh tay robot, các cơ cấu chuyển động, và cấu trúc không gian hoạt động. Đối tượng nghiên cứu tập trung vào bài toán động học và động lực học của robot in 3D. Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp Denavit-Hartenberg để mô phỏng chuyển động. Công nghệ in 3D được áp dụng nhằm chế tạo các linh kiện robot với độ chính xác cao, chi phí thấp và khả năng tái sử dụng linh hoạt.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Về Robot In 3D và Công Nghệ Tạo Mẫu Nhanh

Robot in 3D là sự kết hợp giữa cánh tay robot và công nghệ in 3D hiện đại. Cánh tay robot bao gồm các khớp nối, liên kết cơ học, và hệ thống điều khiển chuyên biệt. Công nghệ tạo mẫu nhanh cho phép chế tạo các linh kiện phức tạp mà không cần khuôn mẫu. Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) là phương pháp phổ biến nhất, sử dụng dây nhựa nóng để xây dựng mô hình lớp. Các công nghệ khác như SLA, LOM, SLS, 3DP cũng được nghiên cứu so sánh. Sự kết hợp này mang lại nhiều lợi ích: rút ngắn thời gian sản xuất, giảm chi phí, tăng độ chính xác, và dễ dàng tùy chỉnh thiết kế.

2.1. Cấu Tạo và Các Cơ Cấu của Robot

Cánh tay robot gồm khâu cơ sở (base), các liên kết (links), khớp nối (joints), và bộ tác động (end-effector). Robot 3 bậc tự do có 3 khớp chuyển động độc lập. Các cơ cấu chính bao gồm động cơ bước cung cấp lực quay, driver điều khiển (Step Driver) quản lý tín hiệu, và Arduino Mega 2560 xử lý logic điều khiển. Cấu trúc không gian hoạt động (workspace) được xác định bởi khả năng chuyển động của các khớp. Mỗi thành phần được chế tạo bằng công nghệ in 3D để tối ưu hóa chi phí.

2.2. Công Nghệ Tạo Mẫu Nhanh và Quy Trình In 3D

Công nghệ tạo mẫu nhanh cho phép tạo prototype trong thời gian ngắn từ thiết kế CAD. Quy trình bao gồm: thiết kế mô hình 3D, chuyển đổi sang định dạng STL, sử dụng phần mềm Cura để chuẩn bị file, và thực hiện in 3D. FDM là công nghệ phổ biến nhất với ưu điểm về chi phí thấp và dễ sử dụng. Các công nghệ khác như SLA, LOM, SLS cung cấp độ chính xác cao hơn nhưng có chi phí cao. Quy trình in 3D yêu cầu kiểm soát nhiệt độ, tốc độ in, và chất liệu hỗ trợ để đạt chất lượng tối ưu.

III. Bài Toán Động Học và Động Lực Học của Robot In 3D

Bài toán động học robot giải quyết mối quan hệ giữa chuyển động của khớp và chuyển động của bộ tác động cuối. Phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) được sử dụng để biểu diễn vị trí và định hướng của robot. Động học thuận tính toán vị trí bộ tác động từ góc khớp, trong khi động học nghịch xác định góc khớp cần thiết để đạt vị trí mong muốn. Bài toán động lực học phân tích lực và moment tác động lên robot. Động năng và thế năng của hệ được tính toán dựa trên khối lượng và vị trí các liên kết. Phương trình động lực học được thiết lập bằng phương pháp Lagrange để mô phỏng chuyển động thực tế của robot.

3.1. Phương Pháp Denavit Hartenberg và Động Học Thuận

Biểu diễn Denavit-Hartenberg sử dụng 4 tham số (a, α, d, θ) để mô tả mỗi khớp robot. Phương pháp này tạo lập ma trận biến đổi giữa các khâu liên tiếp. Động học thuận áp dụng các ma trận biến đổi để tính vị trí và định hướng bộ tác động từ các góc khớp. Các tham số D-H được xác định dựa trên cấu trúc hình học của robot 3 bậc tự do. Ma trận biến đổi tổng thể được tính bằng cách nhân các ma trận từng khớp. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác chuyển động robot.

3.2. Động Lực Học và Phân Tích Lực Moment

Động lực học robot phân tích lực và moment xoắn tác động lên các khớp. Động năng được tính từ vận tốc tuyến tính và góc của các liên kết. Thế năng phụ thuộc vào vị trí và khối lượng các liên kết trong trường hấp dẫn. Phương trình Lagrange được sử dụng để thiết lập phương trình động lực học. Moment xoắn cần thiết tại mỗi khớp được xác định dựa trên động năng, thế năng, và các lực tác động bên ngoài. Phân tích này giúp thiết kế hệ thống truyền động phù hợp cho robot.

IV. Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Robot In 3D và Hệ Thống Điều Khiển

Thiết kế robot in 3D bao gồm thiết kế khung cánh tay, các liên kết, và cơ cấu truyền động. Các linh kiện được chế tạo bằng công nghệ in 3D với vật liệu PLA hoặc ABS. Động cơ bước được sử dụng để cung cấp lực quay chính xác cho các khớp. Driver điều khiển (Step Driver 2 pha Autonics MD2U-MD2) quản lý tín hiệu điều khiển. Arduino Mega 2560 là bộ vi điều khiển chính, xử lý logic điều khiển và gửi lệnh tới driver. Phần mềm Cura được sử dụng để chuẩn bị file STL và thực hiện in 3D. Hệ thống này cho phép robot hoạt động tự động, thực hiện các chuyển động lập trình và in 3D các vật thể phức tạp.

4.1. Động Cơ Bước và Hệ Thống Điều Khiển

Động cơ bước cung cấp quay từng bước với độ chính xác cao, phù hợp cho robot. Cấu tạo bao gồm cuộn dây, nam châm thường, và rotor. Phân loại động cơ gồm unipolar và bipolar, mỗi loại có đặc tính riêng. Driver Step (Autonics MD2U-MD2) điều khiển dòng điện cho động cơ, cho phép điều chỉnh tốc độ và hướng quay. Arduino Mega 2560 có 54 chân I/O kỹ thuật số và 16 chân analog, cung cấp sức mạnh xử lý đủ cho ứng dụng. Giao tiếp USB cho phép lập trình dễ dàng. Hệ thống điều khiển tích hợp cho phép robot hoạt động tự động, chính xác.

4.2. Phần Mềm Cura và Quy Trình In 3D

Phần mềm Cura là công cụ slicer chuyên nghiệp, chuyển đổi mô hình 3D thành mã G-code cho máy in. Nguyên lý hoạt động: tải file STL, cắt thành các lớp nhin, và sinh mã lệnh. Trình tự công việc bao gồm: nhập mô hình, điều chỉnh tham số in (độ dày lớp, tốc độ, nhiệt độ), xác định vị trí in, thêm hỗ trợ nếu cần, và xuất mã G-code. Tham số như nhiệt độ đầu phun (200-220°C), tốc độ in (40-60 mm/s), và độ dày lớp (0.2 mm) ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Cura cho phép hiển thị trước mô phỏng in trước khi thực hiện in thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Các phương pháp sản xuất cũ dựa vào khuôn mẫu và các công nghệ cắt để tạo ra các hình dạng mong muốn. Thiết kế hình dạng hình học phức tạp có thể gây ra khó khăn và tốn kém cho công nghệ này. In 3D giải quyết vấn đề này một cách dễ dàng, và không có nhiều thử thách có thể làm khó được công nghệ này với vật liệu hỗ trợ phù hợp.

Khách hàng dễ dàng hình dung ý tưởng thiết kế. Rút ngắn thời gian tạo mô hình thu nhỏ kiến trúc 3D. Mô hình in 3D với chất lượng tuyệt vời, đa dạng chất liệu. Dễ dàng chỉnh sửa, tái sử dụng, in lại mô hình kiến trúc in 3D.

Để đáp ứng với nhu cầu ngày càng cao của các ngành tạo mẫu hay tạo khuôn thôi thúc công nghệ in 3D cũng như ra đời các loại máy in 3D khác nhau. Cánh tay robot in 3D là một trong số các loại máy in 3D hiện nay. Với những ưu thế nổi trội của cánh tay robot in 3D như: vật liệu in đa dạng (nhựa, kim loại, thực phẩm,…), có tính linh hoạt, độ bền, độ chính xác cao, thời gian in nhanh, tiết kiệm chi phí khi tạo khuôn. Bên cạnh đó, cánh tay robot in 3D được ứng dụng rỗng rãi trên nhiều lĩnh vực như xây dựng, kỹ thuật, sản suất,…Vì nó cho phép chúng ta tạo ra vật thể dưới dạng 3D một cách chính xác và hoàn chỉnh.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Tạo ra được các chi tiết dạng vừa và nhỏ, độ chính xác cao dưới hình dạng là mô hình 3D của chi tiết. Ý nghĩa thực tiễn: In 3D là để tạo mẫu công nghiệp một cách nhanh chóng và đơn giản, nhằm đẩy nhanh giai đoạn phát triển sản phẩm, phương thức sản xuất nguyên mẫu cho phép lặp lại nhiều mẫu thử với một giải pháp tối ưu. Điều này tiết kiệm thời gian và tiền bạc ngay từ khi bắt đầu quá trình phát triển toàn bộ sản phẩm và đảm bảo được độ chính xác trước khi làm công cụ sản xuất. Mục tiêu đề tài Đề tài nhằm nghiên cứu và thiết kế cánh tay robot in 3D, qua đó nghiên cứu tổng quan về cánh tay robot 3 bậc tự do, tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cánh tay robot, ứng dụng Arduino để điều khiển cánh tay robot.

Nghiên cứu công nghệ in FDM. Vận dụng các kiến thức đã học và tìm hiểu xây dựng mô hình cánh tay robot in 3D có thể hoạt động và lập trình được. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu Đối tương nghiên cứu của đề tài là mô hình cánh tay robot in 3D 3 bậc tự do sử dụng mạch Arduino để điều khiển. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo nguyên lý hoạt động của cánh tay robot và mạch điều khiển cũng như nghiên cứu công nghệ in FDM.

Vận dụng kiến thức để vận hành và lập trình điều khiển cánh tay robot in 3D. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan về cánh tay robot 3 bậc tự do. Nghiên cứu, thiết kế về truyền động của máy. Nghiên cứu hệ thống in FDM.

2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu khái quát về cánh tay robot Cánh tay robot là một loại cánh tay cơ khí, thường là có thể lập trình, với các chức năng tương tự như một con cánh tay con người, cánh tay có thể là tổng của cơ chế hoặc có thể là một phần của robot phức tạp hơn. Các liên kết của một bộ điều khiển như vậy được kết nối bằng các khớp cho phép chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến. Các mắt xích của bộ điều khiển có thể được coi là tạo thành một chuỗi động học.

Cấu tạo về cánh tay robot 2. Khâu Các vật rắn riêng lẻ hình thành nên robot gọi là khâu. Khâu robot là khâu cứng hoặc mềm có thể chuyên động tương đối với các khâu khác. Từ quan điểm động học thì hai hoặc nhiều vật rắn kết nối với nhau mà không có chuyển động tương đối với nhau thì được gọi là khâu đơn.1: Các loại khớp thường được sử dụng trong robot Số bậc Ký Kiểu khớp Chuyển động Sơ đồ động học tự do hiệu Khớp quay 1 R Quay tròn Khớp tịnh tiến 1 P Thẳng Khớp trụ 2 C Trụ Khớp cầu 3 S Cầu Khớp vít 1 H Xoắn ốc Khớp phẳng 3 F Phẳng 3 2.1: Khớp quay và tịnh tiến được sử dụng trên robot.

Hai khâu được nối với nhau thông qua khớp mà khi chuyển động tương quan có thể biểu diễn bởi một hệ trục. Trong các loại robot thường thấy hầu hết các loại khớp sử dụng đều là khớp quay và tịnh tiến. Khớp quay (R) giống như bản lề cho phép chuyển động quay giữa hai khâu. Khớp tịnh tiến (P) cho phép chuyển động tịnh tiến giữa hai khâu.

Chuyển động quay giữa hai khâu thông qua khớp quay xung quanh trục thì gọi là trục khớp. Tương tự như vậy, chuyển dộng tịnh tiến giữa hai khâu kết nối với nhau qua khớp tịnh tiến dọc theo trục gọi là trục khớp. Hệ trục thường gắn với khớp chủ động và được diều khiển bởi cơ cấu chấp hành. Khâu bị động không gắn với cơ cấu chấp hành hay động cơ nào.

Khớp chủ động thường là khớp quay hay khớp tịnh tiến tuy nhiên khớp bị động có thể là khớp loại thấp nhất để cho ra tếp xúc bề mặt. Có sáu kiểu khớp lạo thấp nhất như Bảng 2.1 gồm: quay, tịnh tiến, trụ, vít, cầu, phẳng. Khớp quay tịnh tiến là hai khớp thường được sử dụng nhiều nhất. Các cơ cấu trong robot Robot trong công nghiệp cũng như dịch vụ thường có nhiều bậc tự do hoạt động trong không gian đa chiều, có thể là chuỗi động học kín hay hở, chuỗi động học nối tiếp hay chuỗi đông học song song.

Trong hệ thống một bậc tự do, khi thay đổi một giá trị tại một khớp thì toàn bộ hệ thông thay đổi và các giá trị khác đuề được xác định thông qua các hàm ràng buộc. Tuy nhiên, trong cơ cấu nhiều bậc tự do thì các giá trị thay đổi riêng biệt để mà xác định các tham số hệ thống. Robot là kêt hợp của nhiều cơ cấu, mỗi cơ cấu cần biết được các giá trị các khớp để xác định vị trí cần tìm. Robot thường là hệ thống máu hoạt động trong không gian ba chiêu, vì vậy, chúng có thể di chuyển trong không gian hoạt động của chúng.

Robot có thể là cơ cấu dạng 4 chuỗi kín hay hở. Đối với chuỗi đong học hở khi tất cả các khớp thay đổi theo một giá trị đặc biệt thì vị trí khâu cuối vẫn không đổi. Còn đối với khâu hở thì biến dạng sẽ ảnh hưởng tói vị trí các khâu kế tiếp mà không ảnh hưởng đến khâu trước đó. Đối với chuỗi động hở, tất cả các tham số của khớp và khâu phải được đó liên tục và khâu cuối phải được kiểm soát để biết được vị trí động học của nó.

Sự khác nhau có thể biểu diễn bằng cách so sánh các phương trình vector mô tả mối liên hệ giữa các khâu khác nhau cảu hai cơ cấu trên như sau: - Đối với hệ thống kín ̅̅̅̅̅ 𝑂1 𝐴 + ̅̅̅̅ 𝐴𝐵 = ̅̅̅̅̅̅̅ 𝑂1 𝑂2 + ̅̅̅̅̅ 𝑂2 𝐵 - Đối với hệ thống hở ̅̅̅̅̅ 𝑂1 𝐴 + ̅̅̅̅ 𝐴𝐵 + ̅̅̅̅ 𝐵𝐶 + ̅̅̅̅̅ 𝑂1 𝐶 Hình 2.2: Cơ cấu chuỗi động học hở và chuỗi động học kín a. Bậc tự do Bậc tự do (Degree of Freedom – DoF) của cơ cấu là số lường tham số tự do hay khả năng di chuyển của cơ cấu. Số bậc tự do của robot chính là khả năng di chuyển cảu robot trong hệ tọa độ gắn liền với điểm tham chiếu. Các chuyển động kích hoạt trong robot chúng ta thường thấy là chuyển động quay hay tịnh tiến.3: Số bậc tự do của robot với các khớp quay và bệ di chuyển Hình 2.4: Bậc tự do của robot PUMA b.

Cấu trúc động học Theo cấu trúc động học, robot được chia ra làm hai loại: robot cấu trúc động học nối tiếp và robot cấu trúc động học song song. Robot được gọi là robot cấu trúc động học nối tiếp (Serial Robot) hay robot động học vòng hở (Open Loop Robot) nếu cơ sở cấu trúc động học của nó hình thành nên chuỗi hở. Robot song song (Parallel Robot) hay robot động học song song (Parallel Kinematic Robot) hay robot động học kín (Closed Loop Robot) nếu các khâu hình thành nên chuỗi động học kín. Robot 6 động học hỗn hợp bào gồm cả hai chuỗi động học kín và hở.

Mỗi loại cấu hình đều có ưu và nhược điểm riêng, do đó khi thiết kế robot chúng ta phải cần cân nhắc để lựa chọn cấu hình phù hợp. Một robot được gọi là tay máy đọng học nối tiếp hoặc hở nếu cấu trúc đọng học không tạo thành vòng kín. Còn tay máy vòng kín hoặc song song khai cấu trúc cảu nó tạo thành vòng. Còn robot dạng lai (hybrid) nếu cấu trúc của nó kết hợp cả chuỗi đông học kín và hở.

Như một hệ thống cơ khí, một robot là tập hợp các vật cũng kết nối với nhau thông qua các khớp.2: So sánh đặc tính của robot cơ cấu nối tiếp và song song Các khớp có thể là khớp tịnh tiến(P) hay khớp quay (R) bởi vì bất cứ khớp nào chúng ta cũng có thể mô hình hóa dươi dạng hai khớp đơn giản này. Hầu hết robot công nghiệp đều có sáu bậc tự do. Tay máy vòng hở có thể được phân loại dựa trên ba khớp đầu tiên bắt đàu từ khớp ở bệ. Với hai loại khớp, chúng ta có thể tổ hợp thành 72 cấu hình tay máy công nghiệp khác nhau.

Do mỗi khớp có thể tính tiến hay quay và các trục này có thể song song và các trục khớp này có thể song song, vương góc, cắt nhau. Cấu trúc không gian hoạt động Không gian hoạt động được xác định là thể tích không gian làm việc của cơ cầu chấp hành cuối mà nó có thể hướng tới. Không gian làm việc bị khống chế bởi kích thước hình học của tay máy cũng như khống chế bởi cấu trúc cơ khí của khớp. Hai khái niệm hay sử dụng trong không gian làm việc hay sử dụng là không gian với tới (ReachableWorkspace), không gian hoạt động đầu công tác.

Không gian với tới là không gian mà cơ cầu chấp hành có thể hướng tới theo ít nhất một hướng. Không gian dextrous là không gian tập hợp các điểm mà robot có thể hướng cơ câu chấp hành theo tất cả mọi hướng. Như vậy không gian hoạt động của đầu công tác là thể tích không gian mà đầu tay gắp có thê vươn tới mọi điểm trong không gian đó với mọi hướng.