CHƯƠNG 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Robot là một phần không thể thiếu trong dây chuyền công nghiệp hiện đại, sự ra đời của robot là một bước tiến lớn thúc đẩy nền kinh tế và góp phần thay đổi lực lượng lao động truyền thống sang hệ thống tự động hóa. Ưu điểm của robot nằm ở sự chính xác, tính bền bỉ và tạo ra được hiệu suất cao trong công việc. Hiện nay các tác vụ mà robot thực hiện rất đa dạng và hoạt động trong vùng không gian khác nhau, vì thế tinh linh động và hệ thống điều khiển chính xác được coi là yếu tố quan trọng để nâng cao tính ứng dụng của robot. Một trong những phương pháp rất được ưa chuộng là phương pháp điều khiển dựa trên mô hình.
Robot thực tế được tiến hành xác định các thông số liên quan và chuyển hóa thành mô hình toán học. Mô hình này sau đó được ứng dụng để xây dựng thuật toán và phục vụ cho việc phân tích, đánh giá robot trước khi thực hiện thử nghiệm trên robot thực. Tuy nhiên trong thực tế, việc xác định thông số robot gặp nhiều khó khăn do thông tin bị sai lệch hay không được cung cấp đầy đủ từ nhà sản xuất, từ đó không đảm bảo được tính chính xác trong quá trình thực hiện. Việc phát triển các phương pháp nhận dạng thông số là một giải pháp tối ưu để giải quyết vấn đề này.
Phương pháp nhận dạng tiến hành chạy thử nghiệm robot để tính toán, tìm ra các thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hoạt động. Việc này giúp loại bỏ được các yếu tố không cần thiết hay không ảnh hướng quá nhiều đến robot giảm bớt độ phức tạp và giúp dễ dàng hơn trong tính toán. Các thông số sau đó sẽ được tích hợp để hình thành nên mô hình toán học, từ đó có thể ứng dụng vào việc xây dựng hệ thống điều khiển nhằm đánh giá sâu hơn và kiểm soát được tốt hơn hiệu suất hoạt động của robot. Đồng thời hỗ trợ trong quá trình xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo để robot có thể di chuyển thực hiện theo đúng các tác vụ mong muốn, linh hoạt trong chuyển động, có thể di chuyển đến nhiều vị trí khác nhau trong không gian hoạt động với tốc độ và và độ chính xác cao.
Trên cơ sở đó, đề tài “Nhận dạng và điều khiển quỹ đạo chuyển động Scara Robot” được thực hiện nhằm áp dụng những kiến thức, kỹ thuật đã được học để xây dựng một mô hình điều khiển cho robot có thể ứng dụng làm mô hình để thực hành trong các môn học liên quan đến robot, điều khiển tự động trong tương lai.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài “Nhận dạng và điều khiển quỹ đạo chuyển động Scara robot” được thực hiện mang ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn, cụ thể: Ý nghĩa khoa học: - Ứng dụng được các phương pháp nhận dạng thông số robot: việc áp dụng phương pháp nhận dạng thông số robot giúp hiểu rõ hơn về robot, cũng như tạo tiền đề để xây dựng 1 nên hệ thống đánh giá, phân tích sâu hơn các kết quả và trạng thái của robot khi được vận hành. - Mô phỏng thử nghiệm robot trên Matlab: Đề tài sử dụng phần mềm Matlab và các công cụ hỗ trợ để phục vụ cho việc mô phỏng, xây dựng thuật toán cho robot. Việc mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian hơn trong quá trình tính toán, hoàn thiện mô hình. - Xây dựng được hệ thống điều khiển robot: hệ thống điều khiển robot mang tính linh họa và có độ chính xác cao được thực hiện giúp tăng được độ chính xác, an toàn cũng như hiệu suất khi hoạt động.
Ý nghĩa thực tiễn: - Tăng tính linh hoạt trong điều khiển robot: Robot được xây dựng một giao diện người dùng, giúp người dùng dễ dàng hơn trong việc sử dụng, điều khiển robot. - Tăng độ chính xác trong điều khiển robot: hệ thống giúp thử nghiệm được robot trong các chế độ khác nhau từ đó dễ dàng điều chỉnh phục vụ cho các tác vụ và hoạt động được yêu cầu.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Xây dựng phương trình động học và động lực học cho robot. - Đề xuất phương pháp nhận dạng thông số động học. - Thiết kế và thi công tủ điện điều khiển sử dụng PLC và module điều khiển vị trí.
- Quy hoạch quỹ đạo chuyển động của robot. - Mô phỏng trong Matlab để kiểm chứng các phương pháp đã nghiên cứu 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu - Robot SCARA 4 bậc tự do - Các tài liệu liên quan về robot.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA bằng bộ điều khiển PLC dòng Q và xây dựng giao diện người dùng trên PC, giao tiếp với PLC thông qua phần mềm MX Component.5 Phương pháp nghiên cứu 1.1 Cơ sở phương pháp luận - Phương pháp điều khiển robot dựa trên mô hình toán học (động học và động lực học): động học và động lực học phục vụ cho việc điều khiển và phân tích hoạt động của tay máy robot. - Phương pháp kiểm chứng và đánh giá: kiểm chứng kết quả robot chạy thực tế so với tính toán.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể - Nghiên cứu mô hình robot thực tế, đánh giá sơ bộ về khả năng vận hành của robot. 2 - Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển robot công nghiệp - Nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình robot giữa Matlab và SolidWorks.
- Tìm hiểu về phương pháp nhận dạng thông số của robot. - Nghiên cứu phương pháp đánh giá hiệu suất, độ chính xác của robot.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp gồm 7 chương, trong đó: - Chương 2 trình bày tổng quan các vấn các khái niệm, định nghĩa, kiến thức liên quan đến đề tài nghiên cứu. Nêu ra các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài và xác định nhiệm vụ thực hiện trong đề tài. - Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết, các phương pháp, kiến thức cần thiết để thực hiện đề tài.
- Chương 4 xây dựng phương trình động học và động lực học robot để làm cơ sở tính toán cho phần nhận dạng và quy hoạch quỹ đạo cho robot. - Chương 5 phân tích yêu cầu từ đó đưa ra các phương án, giải pháp để lựa chọn và xác định các công việc cần triển khai để hoàn thành đề tài, đồng thời tiến hành nhận dạng thông số động học. Trong chương này cũng trình bày cách quy hoạch quỹ đạo cho robot. - Chương 6 nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển robot, trình bày sơ đồ điện, hệ thống PLC, đồng thời xây dựng giao diện cho người dùng.
- Chương 7 tiến hành chạy thực nghiệm quỹ đạo cho robot, thu thập dữ liệu và đưa ra nhận xét, đánh giá kết quả đã đạt được. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Robot công nghiệp Robot là một thành phần không thể thiếu trong ngành công nghiệp hiện nay. Nhờ vào khả năng linh hoạt, đa dạng trong việc thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. robot đem lại nguồn lợi nhuận không hề nhỏ, đồng thời cũng giúp ích cho quá trình phát triển sản xuất, giảm thiểu tai nạn lao động.
Theo tiêu chuẩn ISO [21] “Robot công nghiệp là một loại máy móc được điều khiển tự động và lập trình sẵn, sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, có khả năng vận động nhiều hơn ba trục và có thể cố định hoặc di động theo những ứng dụng của nó trong công nghiệp tự động”. Robot công nghiệp có khả năng linh hoạt cao nhờ vào số bậc tự do của chúng. Để hoàn thành nhiều tác vụ khác nhau robot thường được gắn các cơ cấu chấp hành cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi. Hiện nay robot đang dần thay thế con người trong nhiều công việc từ sản xuất đến an ninh, thám hiểm hay nghiên cứu không gian.
Có thể thấy việc ứng dụng robot là một bước tiến cần thiết để giúp con người tiếp cận gần hơn với những bước tiến mới trong tương lai. 1 Hệ thống robot lắp ráp trong nhà máy của Vinfast [20] 2.2 Robot SCARA và ứng dụng SCARA là một loại robot công nghiệp thường được sử dụng trong công việc lắp ráp, lựa chọn, sắp xếp, kiểm tra và đóng gói. Robot SCARA thường có 4 bậc tự do và có cấu trúc khớp song song (parallel axis), cho phép robot hoạt động dễ dàng trong không gian hai chiều (X, Y). Robot SCARA thường có tốc độ nhanh hơn các hệ thống robot Cartesian, và có kích thước nhỏ gọn, điều này giúp việc lắp đặt dễ dàng hơn.
SCARA được phát triển vào năm 1981 dưới sự hướng dẫn của giáo sư Hiroshi Makino, trường đại học Yamanashi, Nhật Bản. Nhờ vào tốc độ và kích thước nhỏ gọn, SCARA robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp: 4 - Ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử: Robot SCARA được sử dụng để lắp ráp các linh kiện điện tử nhỏ và nhạy cảm, như mạch in, chip, LED. các công việc đòi hỏi tốc độ và độ chính xác cao. 2 Sắp xếp Pin và kiểm tra mối hàn sử dụng robot SCARA [19] [10] - Ứng dụng trong việc đóng gói thực phẩm và sản xuất hàng tiêu dùng.
3 Đóng gói bánh kẹo và sản xuất khăn ướt sử dụng robot SCARA Bên cạnh đó, SCARA cũng có các điểm hạn chế: - Không gian làm việc hạn chế: Robot SCARA chỉ có thể hoạt động hiệu quả trong không gian hai chiều (XY), không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu di chuyển theo trục Z. - Khả năng chịu tải hạn chế: Robot SCARA chỉ có thể gắp và di chuyển các vật liệu nhẹ và nhỏ, không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu chịu tải nặng hoặc kích thước lớn. - Độ phức tạp cao: Robot SCARA yêu cầu một hệ thống điều khiển và lập trình phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật viên có kỹ năng cao để vận hành và bảo trì.2 Đặc tính của hệ thống SCARA là loại robot khá phổ biến trong công nghiệp vì tính linh hoạt và khả năng thích ứng được với nhiều tác vụ khác nhau của chúng. Tùy vào từng hệ thống robot SCARA khác nhau mà các đặc tính có thể thay đổi, các đặc tính cơ bản của robot SCARA được thực hiện trong đề tài: - Cấu trúc robot: Gồm 4 bậc tự do trong đó có ba khớp xoay và 1 khớp tịnh tiến.
Robot có khả năng di chuyển theo trục x, y và cả trục z. 5 - Ứng dụng của robot: Robot SCARA thường được ứng dụng trong các công việc lắp ráp đòi hỏi tính chính xác cao như gắp đặt linh kiện, đóng gói sản phẩm.