Đồ Án Tốt Nghiệp: Điều Khiển Robot SCARA 4 Trục Gắp Xếp Sản Phẩm

Robot công nghiệp, đặc biệt là robot SCARA, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất… 93 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2021.

• Tác giả: Trần Lê Minh Huy
• Người hướng dẫn: Th.S. Lê Hoàng Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Robot SCARA 4 Trục Gắp Xếp Sản Phẩm
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nội dung nghiêm cứu
• 1.2. Đối tượng nghiêm cứu
• 1.3. Giới hạn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu Robot
• 2.2. Hệ tọa độ
• 2.3. Không gian làm việc của Robot (Workspace or Range of motion)
• 2.4. Mô hình động học
• 2.4.1. Động học thuận
• 3. TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ
• 3.1. Yêu cầu điều khiển
• 3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống
• 3.3. Yêu cầu cơ khí của hệ thống
• 3.3.1. Khung đỡ mô hình
• 3.3.2. Khung treo Camera
• 3.4. Yêu cầu chức năng điện
• 3.4.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.4.2. Chọn thiết bị cho hệ thống
• 3.4.3. Bộ điều khiển
• 3.4.4. Digital Output Module
• 3.4.5. Ethernet Interface Module
• 3.4.6. Cơ cấu gấp nhả
• 3.4.7. Tổng quan trạm CPU
• 3.4.8. Thiết bị đóng/ngắt (CB)
• 3.4.9. Lọc nhiễu nguồn AC (Noise Filter)
• 3.4.10. Mạch động lực
• 3.4.11. Mạch điều khiển
• 4. GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Mô tả hoạt động của mô hình
• 4.2. Lưu đồ của hệ thống
• 4.2.1. Lưu đồ chạy dọc theo băng tải
• 4.2.2. Lưu đồ hoạt động của hệ thống
• 4.3. Giải thuật điều khiển
• 4.3.1. Sử dụng bài toán động học thuận
• 4.3.2. Sử dụng bài toán động học nghịch
• 4.3.3. Giải thuật điều khiển robot chạy đường thẳng
• 4.3.4. Bù góc cho trục 4
• 4.3.5. Điều khiển trục 3
• 4.3.6. Giải thuật chạy nội suy nhiều trục
• 4.3.7. Phương pháp điều khiển động cơ servo
• 4.3.8. Phần mềm lập trình PLC
• 4.3.9. Phần mềm thiết kế HMI
• 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 5.1. Kết quả phần cứng
• 5.2. Kết quả phần điện
• 5.3. Kết quả chạy thực tế
• 6. KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Robot SCARA 4 Trục Gắp Xếp

Robot công nghiệp, đặc biệt là robot SCARA, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất hiện đại. Chúng tự động hóa các công việc lặp đi lặp lại như lắp ráp, đóng gói và vận chuyển. Robot SCARA cũng thực hiện các công việc đòi hỏi độ chính xác cao hoặc nguy hiểm. Ứng dụng robot SCARA giúp tăng năng suất và cải thiện chất lượng sản phẩm. Trong dây chuyền sản xuất, việc di chuyển số lượng lớn sản phẩm nhanh chóng và chính xác đòi hỏi ứng dụng robot công nghiệp. Robot SCARA là lựa chọn hàng đầu nhờ hiệu suất và tốc độ cao. Theo tài liệu, "Robot SCARA là sự lựa chọn hàng đầu vì có hiệu suất và tốc độ tốt nhất trong các loại robot có đặc tính làm việc của cơ cấu chấp hành luôn luôn song song với mặt phẳng làm việc".

1.1. Ứng Dụng Robot SCARA Trong Công Nghiệp Hiện Đại

Ngày nay, robot SCARA được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Chúng thực hiện các công việc như gắp xếp sản phẩm, lắp ráp, xếp chồng và đóng gói. Ngoài ra, robot SCARA còn được sử dụng để kiểm tra lỗi bề mặt, đọc mã vạch và QR code. Việc tích hợp thị giác máy tính giúp robot SCARA xác định hướng, vị trí và hình dạng sản phẩm. Điều này giúp phân loại và sắp xếp sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả. Việc ứng dụng robot SCARA kết hợp với camera công nghiệp mang lại hiệu quả kinh tế cao.

1.2. Mục Tiêu Của Đồ Án Tốt Nghiệp Về Robot SCARA

Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào việc xây dựng và điều khiển robot SCARA 4 trục để gắp xếp sản phẩm. Mục tiêu chính bao gồm: xây dựng phần cơ khí vững chắc, thiết kế tủ điện điều khiển an toàn, xây dựng giải thuật điều khiển và lập trình. Yêu cầu điều khiển bao gồm: gắp sản phẩm tĩnh, chạy dọc theo băng tải, thả vật lên băng tải, chạy chế độ Manual và Auto, gắp sản phẩm trên băng tải và sắp xếp. Thiết kế giao diện vận hành trực quan và dễ sử dụng cũng là một mục tiêu quan trọng.

II. Thách Thức Giải Pháp Điều Khiển Robot SCARA 4 Trục

Việc điều khiển robot SCARA 4 trục để gắp xếp sản phẩm đặt ra nhiều thách thức. Một trong số đó là đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống. Sai lệch do quán tính chuyển động của cánh tay robot cần được giảm thiểu. Thiết kế giải thuật điều khiển chính xác và hiệu quả là rất quan trọng. Ngoài ra, việc tích hợp thị giác máy tính để nhận diện và định vị sản phẩm cũng là một thách thức. Giải pháp bao gồm: xây dựng cơ khí vững chắc, sử dụng bộ điều khiển chất lượng cao, phát triển giải thuật điều khiển tối ưu và tích hợp hệ thống thị giác tiên tiến.

2.1. Vấn Đề Về Độ Chính Xác Trong Điều Khiển Robot SCARA

Độ chính xác là yếu tố then chốt trong điều khiển robot SCARA. Sai số có thể phát sinh từ nhiều nguồn, bao gồm: sai số cơ khí, sai số cảm biến và sai số điều khiển. Để giảm thiểu sai số, cần sử dụng các linh kiện chất lượng cao, hiệu chỉnh cảm biến và áp dụng các thuật toán điều khiển bù sai số. Theo tài liệu, "Xây dựng, lắp ráp lên phần cơ khí chắc chắn đảm bảo giảm thiểu đến mức tối thiểu sai lệch gây ra bởi quán tính chuyển động của cánh tay robot từ phần cơ khí robot EPSON có sẵn và các chi tiết gia công thêm khác."

2.2. Giải Pháp Tích Hợp Thị Giác Máy Tính Cho Robot SCARA

Tích hợp thị giác máy tính giúp robot SCARA nhận diện và định vị sản phẩm một cách tự động. Hệ thống thị giác bao gồm: camera, bộ xử lý ảnh và phần mềm xử lý ảnh. Camera chụp ảnh sản phẩm, bộ xử lý ảnh phân tích ảnh và xác định vị trí, hướng của sản phẩm. Thông tin này được sử dụng để điều khiển robot SCARA gắp và xếp sản phẩm một cách chính xác. Việc sử dụng camera Cognex để quét QR code là một ví dụ về ứng dụng thị giác máy tính.

III. Phương Pháp Điều Khiển Robot SCARA 4 Trục Hiệu Quả

Có nhiều phương pháp điều khiển robot SCARA 4 trục, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến bao gồm: điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ và điều khiển lực. Điều khiển vị trí là phương pháp đơn giản nhất, trong đó robot di chuyển đến một vị trí xác định. Điều khiển tốc độ cho phép robot di chuyển với tốc độ mong muốn. Điều khiển lực cho phép robot tác dụng một lực nhất định lên đối tượng. Lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể.

3.1. Điều Khiển Vị Trí Robot SCARA Bằng PLC Mitsubishi

Điều khiển vị trí là phương pháp cơ bản để điều khiển robot SCARA. Trong đồ án này, PLC Mitsubishi được sử dụng để điều khiển vị trí của robot. PLC nhận thông tin về vị trí mong muốn và điều khiển các động cơ servo để di chuyển robot đến vị trí đó. Việc sử dụng Positioning Module QD75MH4 giúp điều khiển vị trí một cách chính xác và hiệu quả. Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Ladder trên phần mềm Gxwork 2.

3.2. Ứng Dụng Động Học Thuận Và Động Học Nghịch

Động học thuận và động học nghịch là hai khái niệm quan trọng trong điều khiển robot. Động học thuận cho phép tính toán vị trí và hướng của robot dựa trên các góc khớp. Động học nghịch cho phép tính toán các góc khớp cần thiết để đạt được một vị trí và hướng mong muốn. Trong đồ án này, cả động học thuận và động học nghịch đều được sử dụng để điều khiển robot SCARA gắp xếp sản phẩm. Theo tài liệu, "Sử dụng bài toán động học thuận. Sử dụng bài toán động học nghịch."

IV. Ứng Dụng Thực Tế Gắp Xếp Sản Phẩm Với Robot SCARA

Ứng dụng thực tế của đồ án là điều khiển robot SCARA gắp xếp sản phẩm trên băng tải. Robot nhận diện sản phẩm bằng camera, sau đó gắp sản phẩm và đặt lên băng tải. Robot di chuyển đồng bộ với băng tải để đảm bảo sản phẩm không bị rơi. Cuối cùng, robot gắp sản phẩm từ băng tải và sắp xếp vào vị trí mong muốn. Ứng dụng này thể hiện khả năng tự động hóa và linh hoạt của robot SCARA trong sản xuất.

4.1. Thiết Kế Hệ Thống Gắp Xếp Tự Động Với Robot SCARA

Hệ thống gắp xếp tự động bao gồm: robot SCARA, băng tải, camera, PLC và HMI. Robot SCARA thực hiện các thao tác gắp và xếp sản phẩm. Băng tải vận chuyển sản phẩm. Camera nhận diện và định vị sản phẩm. PLC điều khiển toàn bộ hệ thống. HMI cho phép người dùng giám sát và điều khiển hệ thống. Thiết kế hệ thống cần đảm bảo tính ổn định, chính xác và hiệu quả.

4.2. Kết Quả Thực Nghiệm Và Đánh Giá Hiệu Quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy robot SCARA có thể gắp xếp sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả. Tốc độ và độ chính xác của hệ thống đáp ứng yêu cầu đặt ra. Hệ thống hoạt động ổn định và có khả năng tự động hóa cao. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục, chẳng hạn như: tốc độ chuyển động của robot chưa đủ nhanh và thiếu cảm biến để giám sát sản phẩm.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Đồ Án Robot SCARA

Đồ án đã thành công trong việc xây dựng và điều khiển robot SCARA 4 trục để gắp xếp sản phẩm. Hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển tiềm năng. Việc tích hợp thêm các cảm biến, cải thiện tốc độ và độ chính xác của robot, và phát triển các ứng dụng mới là những hướng đi đầy hứa hẹn.

5.1. Tổng Kết Các Kết Quả Đạt Được Trong Đồ Án

Đồ án đã đạt được các kết quả sau: xây dựng phần cơ khí vững chắc, thiết kế tủ điện điều khiển an toàn, xây dựng giải thuật điều khiển và lập trình, điều khiển robot SCARA gắp xếp sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả. Hệ thống hoạt động ổn định và có khả năng tự động hóa cao. Giao diện vận hành trực quan và dễ sử dụng.

5.2. Đề Xuất Các Hướng Phát Triển Tiềm Năng Cho Tương Lai

Các hướng phát triển tiềm năng bao gồm: tích hợp thêm các cảm biến để giám sát sản phẩm, cải thiện tốc độ và độ chính xác của robot, phát triển các ứng dụng mới như: lắp ráp sản phẩm, kiểm tra chất lượng sản phẩm, và tích hợp robot SCARA vào các hệ thống sản xuất thông minh. Ngoài ra, việc nghiên cứu và áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như: điều khiển thích nghi, điều khiển mờ và điều khiển học máy cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, robot công nghiệp và đặc biệt là robot SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) giữ vai trò quan trọng trong việc tự động hóa các dây chuyền lắp ráp, đóng gói và vận chuyển sản phẩm. Đặc tính cơ học của robot SCARA là cơ cấu chấp hành luôn hoạt động song song với mặt phẳng làm việc, mang lại tốc độ di chuyển cao, chuyển động nhịp nhàng và độ chính xác lặp lại lớn. Đồng thời, xu hướng tích hợp thị giác máy tính (Machine Vision) vào các hệ thống cánh tay robot giúp nhận diện, định vị tọa độ và kiểm tra chất lượng sản phẩm một cách tự động, thay thế các thao tác thủ công vốn tiêu tốn thời gian và dễ phát sinh sai số.

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển robot SCARA 4 trục gắp xếp sản phẩm" được thực hiện bởi sinh viên Trần Lê Minh Huy và Lương Hoàng Sơn (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Hoàng Lâm. Xuất phát từ nhu cầu nghiên cứu công nghệ điều khiển chuyển động (Motion Control) và khai thác cơ chế phối hợp giữa robot SCARA với hệ thống phụ trợ công nghiệp, đề tài tập trung vào việc tận dụng phần cơ khí sẵn có để xây dựng một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm các nội dung cụ thể:

1. Xây dựng và lắp ráp phần cơ khí chắc chắn từ xác robot EPSON sẵn có kết hợp các chi tiết gia công thêm, nhằm giảm thiểu sai lệch do quán tính khi robot chuyển động tốc độ cao.
2. Thiết kế sơ đồ bố trí và thi công tủ điện điều khiển an toàn, gọn gàng, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.
3. Xây dựng giải thuật điều khiển và lập trình hệ thống đáp ứng các chức năng vận hành:
   • Gắp sản phẩm tĩnh từ bàn phôi.
   • Chạy dọc đồng bộ theo băng tải.
   • Thả vật lên băng tải và gắp sản phẩm từ băng tải để chuyển sang bàn phôi.
   • Vận hành linh hoạt với hai chế độ: Chế độ thủ công (Manual) và Chế độ tự động (Auto).
   • Sắp xếp sản phẩm theo quy cách hình học nhất định trên bàn phôi (bù góc quay và xếp chồng vật).
   • Thiết kế giao diện giám sát, vận hành HMI trực quan, thân thiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu phần cứng cơ khí: Cánh tay robot SCARA EPSON G6-551S; cơ cấu truyền động bánh răng, puly và dây đai; cơ cấu chấp hành nam châm điện 24VDC; hệ thống băng tải phôi và bàn đỡ phôi; khung bệ đỡ mô hình bằng thép đặc khối lượng trên 100 kg.
• Đối tượng điều khiển và phần điện: Hệ thống PLC Mitsubishi Q-CPU (Q03UDCPU); các module điều khiển vị trí QD75MH4, QD75MH1; module ngõ ra số QY42P; module truyền thông Ethernet QJ71E71-100; các bộ Driver và động cơ AC Servo Mitsubishi kết nối mạng SSCNET III; camera công nghiệp Cognex model 800-5870-1R.
• Phạm vi và giới hạn nghiên cứu: Tận dụng phần cơ khí cũ của robot EPSON G6-551S nên đề tài không tính toán thiết kế cơ cấu cơ khí cánh tay từ đầu; tốc độ chuyển động bị giới hạn theo độ rơ cơ khí cũ; hệ thống thực nghiệm còn thiếu cảm biến phụ trợ giám sát sản phẩm; module xử lý ảnh bằng camera Cognex chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết, chưa tích hợp vào mô hình chạy thực tế do gián đoạn dịch bệnh kéo dài 6 tháng trong thời gian thực hiện đề tài (từ tháng 3/2021 đến tháng 12/2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên lý thuyết động học robot công nghiệp, kỹ thuật điều khiển vị trí (Positioning Control) và công nghệ điều khiển động cơ AC Servo qua mạng truyền thông công nghiệp tốc độ cao:

1. Mô hình động học robot SCARA 4 bậc tự do:

   • Cấu trúc robot gồm 3 khớp xoay ($\theta_1, \theta_2, \theta_4$) và 1 khớp trượt ($d_3$), tạo ra khả năng định vị trong không gian 3 chiều ($X, Y, Z$) và xoay hướng khâu chấp hành cuối. Quy tắc bàn tay phải được sử dụng để thiết lập hệ tọa độ chuẩn tại bệ robot và các hệ tọa độ suy rộng tại các khớp.
   • Phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H): Thiết lập ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất giữa các khâu liên tiếp từ khâu gốc (base) đến khâu chấp hành cuối. Bảng tham số D-H được xác định dựa trên kích thước cơ học thực tế của cánh tay robot EPSON G6-551S (chiều dài khâu 1 là $L_1 = 300\text{ mm}$, chiều dài khâu 2 là $L_2 = 250\text{ mm}$). Ma trận biến đổi tổng quát $T_{0,4}$ được tính toán bằng phần mềm MATLAB để tìm ra tọa độ điểm làm việc $P_x, P_y, P_z$.
   • Bài toán động học nghịch: Sử dụng phương pháp hình học dựa trên tam giác tạo bởi các khâu liên kết ($OBA$) để giải góc quay khớp $\theta_1, \theta_2$ và độ dịch chuyển khớp tịnh tiến $d_3$ khi biết trước tọa độ mục tiêu $(P_x, P_y, P_z)$. Phương pháp hình học đưa ra hai bộ nghiệm tương ứng với hai cấu hình làm việc của robot (trường hợp $\theta_1, \theta_2$ cùng dương và trường hợp $\theta_1$ dương, $\theta_2$ âm).

2. Kỹ thuật điều khiển vị trí và hệ truyền động AC Servo:

   • Động cơ AC Servo 3 pha nam châm vĩnh cửu tích hợp bộ mã hóa xung (encoder) độ phân giải cao, hỗ trợ 3 chế độ vận hành: điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ và điều khiển momen.
   • Mạng truyền thông cáp quang tốc độ cao SSCNET III/H: Giao thức truyền thông chuyên dụng giữa bộ điều khiển vị trí của Mitsubishi và các Driver Servo dòng MR-J3, MR-J4 với tốc độ đường truyền đạt 150 Mbps, chu kỳ quét lệnh 0,44 ms, giúp giảm thiểu đáng kể số lượng dây dẫn và loại bỏ nhiễu tín hiệu xung điện áp so với phương pháp điều khiển phát xung truyền thống.

3. Lý thuyết thị giác máy tính trong công nghiệp:

   • Nghiên cứu khái niệm của Hiệp hội Hình ảnh Tự động (AIA) và 4 chức năng cơ bản của Machine Vision: dẫn hướng robot (Guide), kiểm tra khuyết tật ngoại quan (Inspection), đo lường kích thước (Gauge) và truy xuất nguồn gốc sản phẩm qua mã vạch, QR Code hoặc nhận dạng ký tự quang học OCR (Identification).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được nhóm tác giả áp dụng bao gồm: phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành; phương pháp giải tích hình học và mô phỏng toán học động học trên MATLAB; phương pháp thiết kế thi công phần cứng điện - cơ khí; và phương pháp thực nghiệm kiểm chứng từng phần trên mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế tích hợp giữa phần cơ khí cải tạo, phần cứng điều khiển công nghiệp và chương trình phần mềm điều khiển thời gian thực.

Hạng mục phần cứng	Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật	Chức năng trong hệ thống
Robot SCARA	EPSON G6-551S ($L_1 = 300\text{ mm}, L_2 = 250\text{ mm}$)	Cơ cấu chấp hành chuyển động 4 bậc tự do
Động cơ trục 1	Mitsubishi HG-KR43 (Công suất 400W)	Điều khiển khớp xoay 1
Động cơ trục 2	Mitsubishi HG-KR43B (Công suất 400W, có phanh)	Điều khiển khớp xoay 2
Động cơ trục 3	Mitsubishi HG-KR23B (Công suất 200W, có phanh)	Điều khiển trục tịnh tiến nâng hạ Z
Động cơ trục 4	Mitsubishi HF-KP23B (Công suất 100W, có phanh)	Điều khiển trục xoay định hướng khâu cuối
Động cơ băng tải	Động cơ Servo 100W, tỷ số truyền puly - đai 1.5	Kéo băng tải vận chuyển phôi tròn
Driver Servo trục 1 & 2	Mitsubishi MR-J3W-44B (2 trục, 400W/trục)	Nhận lệnh điều khiển qua SSCNET III
Driver Servo trục 3 & 4	Mitsubishi MR-J4W2-22B (2 trục, 200W/trục)	Nhận lệnh điều khiển qua SSCNET III
Driver Servo băng tải	Mitsubishi MR-J3-10B (1 trục, 100W, dòng 1.1A)	Điều khiển tốc độ và vị trí động cơ băng tải
Bộ điều khiển lập trình	Mitsubishi Q03UDCPU (bộ nhớ 120 KB, 0.0095 $\mu$s/lệnh)	Khối xử lý trung tâm của toàn hệ thống
Module điều khiển vị trí	Mitsubishi QD75MH4 (4 trục, mạng SSCNET III)	Phát lệnh điều khiển nội suy vị trí cho robot
Module điều khiển vị trí	Mitsubishi QD75MH1 (1 trục, mạng SSCNET III)	Điều khiển độc lập trục động cơ băng tải
Module ngõ ra số	Mitsubishi QY42P (ngõ ra transistor 24VDC)	Kích đóng/ngắt rơle điều khiển nam châm điện
Module Ethernet	Mitsubishi QJ71E71-100 (10/100 Mbps)	Giao tiếp truyền thông mạng hệ thống
Cơ cấu kẹp gắp	Nam châm điện 24VDC	Hút giữ và nhả sản phẩm kim loại
Thiết bị bảo vệ	CB NF30-FA, CB30-BA, Noise Filter WYFS20T1AD	Đóng ngắt nguồn động lực, nguồn điều khiển và lọc nhiễu

Quy trình triển khai phần mềm và giải thuật điều khiển:

• Ngôn ngữ lập trình: Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ sơ đồ bậc thang (Ladder Diagram) trên phần mềm GX Works2 của Mitsubishi.
• Thiết kế giao diện HMI: Sử dụng phần mềm GT Designer để xây dựng các màn hình điều khiển cho màn hình GOT 1000, phân tách rõ các trang chức năng vận hành bằng tay (Jog, Home, đóng/ngắt nam châm) và vận hành tự động (Auto Run, cài đặt tọa độ điểm gắp, điểm nhả).
• Hiện thực hóa bài toán động học: Các công thức lượng giác của phương pháp D-H và bài toán động học nghịch được chuyển đổi thành các khối lệnh toán học số thực (Floating-point) trực tiếp trong chương trình PLC để tính toán góc đặt cho từng trục Servo theo thời gian thực.
• Giải thuật nội suy và phối hợp trục: Sử dụng tính năng nội suy đường thẳng (Linear Interpolation) và điều khiển điểm - điểm (PTP) tích hợp sẵn trong module QD75MH4 để đồng bộ vận tốc trục 1 và trục 2 khi di chuyển khâu chấp hành theo quỹ đạo thẳng dọc theo trục tọa độ $X, Y$.
• Bù góc xoay trục 4 và đồng bộ băng tải: Giải thuật tính toán sai lệch góc hướng của sản phẩm đến, kích hoạt trục 4 quay một góc bù tương ứng để đưa phôi về vị trí chuẩn trước khi hạ trục 3 và nhả sản phẩm lên bàn phôi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài, nêu bật vai trò của robot SCARA trong việc gia tăng năng suất và độ chính xác ở các khâu lắp ráp, phân loại công nghiệp. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế, cải tạo mô hình cơ khí robot SCARA EPSON G6-551S kết hợp hệ thống điều khiển PLC dòng Q của Mitsubishi. Chương này cũng phân định cụ thể đối tượng nghiên cứu phần cứng, phần điện, đồng thời thẳng thắn chỉ rõ các giới hạn của đề tài về mặt cơ khí cũ và việc chưa tích hợp xử lý ảnh thực nghiệm do ảnh hưởng gián đoạn của dịch bệnh.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng toán học và kỹ thuật cho hệ thống. Nội dung bao gồm lịch sử phát triển của robot SCARA từ mẫu Hirata AR-300 năm 1979, quy tắc bàn tay phải và không gian làm việc. Tác giả thiết lập hệ trục tọa độ theo phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H), xây dựng bảng tham số D-H và giải bài toán động học thuận để tìm ma trận vị trí khâu cuối $P_{0_EE}$. Tiếp theo, tác giả giải chi tiết bài toán động học nghịch bằng phương pháp hình học, phân tích 2 trường hợp cấu hình góc khớp $\theta_1, \theta_2$. Chương này cũng trình bày nguyên lý điều khiển vị trí, cấu tạo động cơ AC Servo 3 pha nam châm vĩnh cửu, nguyên lý hoạt động của Driver Servo dòng MR-J3, MR-J4 qua giao thức SSCNET III và cơ sở lý thuyết về thị giác máy tính công nghiệp.

Chương 3: Tính toán - Thiết kế

Chương 3 chi tiết hóa quá trình tính toán và lựa chọn thiết bị cho hệ thống. Dựa trên thông số kích thước của robot SCARA EPSON G6-551S ($L_1 = 300\text{ mm}, L_2 = 250\text{ mm}$), tác giả lập bảng tham số D-H cụ thể và tính toán ma trận biến đổi thuần nhất $T_{0,4}$. Tác giả phân tích yêu cầu cơ khí (khung thép nặng hơn 100 kg chống rung, giá treo camera) và thông số sản phẩm mẫu (phôi tròn đường kính 25 mm, nặng 50 g). Phần tính toán điện đưa ra sơ đồ khối hệ thống và lý do lựa chọn từng thiết bị: động cơ HG-KR43 (trục 1: 400W), HG-KR43B (trục 2: 400W), HG-KR23B (trục 3: 200W), HF-KP23B (trục 4: 100W); giải pháp tiết kiệm không gian tủ điện bằng driver 2 trục MR-J3W-44B và MR-J4W2-22B; bộ điều khiển PLC Q03UDCPU kết hợp module vị trí QD75MH4 và QD75MH1; các thiết bị nguồn và chống nhiễu (CB NF30-FA, CB30-BA, Noise Filter WYFS20T1AD).

Chương 4: Giải thuật và chương trình điều khiển

Chương 4 mô tả toàn bộ nguyên lý vận hành và lưu đồ giải thuật của hệ thống. Tác giả trình bày lưu đồ hoạt động tổng quát, lưu đồ điều khiển robot di chuyển dọc theo băng tải và giải thuật điều khiển chuyển động theo đường thẳng. Các công thức toán học của bài toán động học thuận và động học nghịch được chuyển ngữ sang tập lệnh Ladder trong phần mềm GX Works2. Chương này phân tích chi tiết giải thuật bù góc cho trục 4 để định hướng lại sản phẩm, giải thuật phối hợp chuyển động giữa trục 3 và trục 4, cùng giải thuật chạy nội suy nhiều trục trên module QD75MH4. Bên cạnh đó, tác giả trình bày cấu hình tham số truyền động (parameters) cho 4 trục động cơ và giao diện điều khiển giám sát HMI được thiết kế trên phần mềm GT Designer.

Chương 5: Kết quả thực hiện

Chương 5 báo cáo các kết quả thực nghiệm đạt được sau quá trình thi công và hiệu chỉnh. Về phần cứng, nhóm tác giả hoàn thiện việc lắp ráp cơ khí, gá đặt chắc chắn các động cơ Servo mới vào khung robot EPSON, chế tạo bàn phôi, băng tải và khung đỡ thép vững chắc. Về phần điện, tủ điện được đấu nối hoàn chỉnh, phân chia rõ ràng mạch động lực và mạch điều khiển, tích hợp các thiết bị đóng cắt và bảo vệ an toàn. Về kết quả chạy thực tế, robot thực hiện thành công chu trình: gắp phôi từ bàn phôi, đưa lên băng tải, di chuyển đồng bộ bám theo phôi trên băng tải đang chạy, gắp phôi ở cuối băng tải, thực hiện bù góc xoay và xếp chồng 3 vật liên tiếp lên nhau trên bàn phôi theo đúng chiều mũi tên chỉ định.

Chương 6: Kết luận – Hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các nhiệm vụ đã hoàn thành đối chiếu với mục tiêu ban đầu, xác nhận hệ thống vận hành ổn định các chức năng gắp, di chuyển đồng bộ và xếp sản phẩm. Đồng thời, tác giả đề xuất các hướng phát triển tiếp theo nhằm hoàn thiện mô hình thành một dây chuyền tự động hóa hoàn chỉnh trong công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài:

• Lắp ráp cơ khí và thi công thành công mô hình robot SCARA 4 bậc tự do từ khung thân EPSON G6-551S kết hợp bàn bệ thép đặc khối lượng trên 100 kg, đảm bảo hệ thống không bị rung lắc khi các trục chuyển động đồng thời ở tốc độ cao.
• Đấu nối và tích hợp hoàn chỉnh tủ điện điều khiển công nghiệp sử dụng PLC Mitsubishi Q03UDCPU, kết nối mạng cáp quang SSCNET III với 2 bộ driver đôi (MR-J3W-44B, MR-J4W2-22B) và 1 driver đơn (MR-J3-10B), kiểm soát chính xác 4 trục động cơ robot và 1 trục động cơ băng tải.
• Lập trình thành công các khối hàm tính toán động học thuận, động học nghịch trực tiếp trên PLC bằng sơ đồ Ladder, cho phép robot di chuyển điểm - điểm (PTP) và chuyển động nội suy thẳng chính xác giữa bàn phôi và băng tải.
• Thực nghiệm gắp và phân loại thành công phôi mẫu (phôi tròn đường kính 25 mm, khối lượng 50 g): Robot bắt kịp sản phẩm trên băng tải chuyển động liên tục, thực hiện thuật toán bù góc quay tại trục 4 và xếp chồng chính xác 3 sản phẩm thẳng hàng theo cùng một hướng mũi tên xác định.

Đóng góp kỹ thuật do nhóm tác giả tự nêu:

• Làm chủ kỹ thuật điều khiển chuyển động đa trục (Multi-axis Motion Control) của hãng Mitsubishi thông qua mạng truyền thông cáp quang tốc độ cao SSCNET III, thay thế phương pháp điều khiển xung truyền thống.
• Đưa ra giải pháp tối ưu hóa không gian tủ điện và chi phí thiết bị bằng cách sử dụng các dòng Driver Servo 2 trục (MR-J3W và MR-J4W2) thay vì sử dụng 4 Driver đơn lẻ cho cánh tay robot.
• Ứng dụng thành công lý thuyết động học hình học để nhúng thuật toán điều khiển tọa độ không gian thực tế vào bộ nhớ PLC công nghiệp mà không cần dùng đến các bộ điều khiển robot chuyên dụng đắt tiền từ nhà sản xuất gốc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được ghi nhận trong văn bản:

• Cơ cấu cơ khí sử dụng lại từ xác robot EPSON cũ nên độ rơ cơ khí còn tồn tại, khiến tốc độ di chuyển chưa thể đẩy lên mức tối đa của động cơ Servo nhằm bảo đảm độ chính xác.
• Đề tài chưa thực hiện tính toán, thiết kế tối ưu hóa cánh tay robot từ bài toán động lực học cơ khí ban đầu mà chỉ dừng ở việc cải tạo và thay thế động cơ.
• Hệ thống thực nghiệm còn thiếu các cảm biến kiểm tra và giám sát trạng thái phôi tại các vị trí đầu/cuối băng tải.
• Module thị giác máy tính công nghiệp (Machine Vision) với camera Cognex 800-5870-1R chưa được tích hợp hoàn chỉnh vào giải thuật điều khiển mô hình thực tế do thời gian thi công bị gián đoạn 6 tháng bởi tình hình dịch bệnh.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Tích hợp hoàn thiện hệ thống xử lý ảnh công nghiệp với camera Cognex để nhận diện tự động hình dạng, mã QR code và tọa độ ngẫu nhiên của sản phẩm trên băng tải thay cho việc cố định tọa độ.
• Lắp đặt thêm các cảm biến hành trình, cảm biến quang điện trên băng tải và bàn phôi nhằm nâng cao độ an toàn và độ tin cậy trong giám sát quá trình gắp thả.
• Nâng cấp giải thuật điều khiển thích nghi, tối ưu hóa thời gian chu kỳ gắp - xếp (Cycle time) và mở rộng khả năng phân loại nhiều dòng sản phẩm có kích thước và hình dáng khác nhau.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Robotics và Cơ khí Tự động.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

• Phương pháp giải toán động học thuận và nghịch cho robot SCARA: Cách thức thiết lập bảng tham số D-H và giải thuật hình học rút gọn được trình bày tường minh, dễ áp dụng cho các cấu hình tay máy 4 bậc tự do tương đương.
• Kỹ thuật lập trình điều khiển chuyển động Motion Control trên PLC Mitsubishi dòng Q: Hướng dẫn cấu hình tham số hoạt động, bản đồ vùng nhớ và thiết lập module điều khiển vị trí QD75MH qua mạng cáp quang SSCNET III.
• Kỹ thuật chuyển đổi công thức toán học số thực sang sơ đồ khối lệnh Ladder trong phần mềm GX Works2: Đây là kinh nghiệm lập trình thực tế giá trị cho việc triển khai các giải thuật toán học phức tạp trên phần cứng PLC công nghiệp vốn có tập lệnh toán học hạn chế.
• Quy trình thiết kế tủ điện và phối ghép thiết bị công nghiệp: Tài liệu cung cấp bản vẽ bố trí, sơ đồ đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển ngõ ra transistor kích rơle nam châm điện, mạch lọc nhiễu AC và giải pháp kết hợp driver servo đa trục.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hình học các khâu của robot SCARA trong mô hình thực nghiệm là bao nhiêu?
Theo bảng tham số D-H và thông số kỹ thuật của khung robot EPSON G6-551S được nêu trong đồ án, chiều dài khâu thứ nhất ($L_1$) là 300 mm và chiều dài khâu thứ hai ($L_2$) là 250 mm. Khâu chấp hành cuối có hành trình chuyển động tịnh tiến dọc trục $Z$ ($d_3$) và xoay định hướng quanh trục 4 ($\theta_4$).

2. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn Driver đôi MR-J3W-44B và MR-J4W2-22B thay vì dùng 4 Driver đơn lẻ?
Việc lựa chọn driver 2 trục (mỗi bộ điều khiển độc lập 2 động cơ Servo) giúp tối ưu hóa không gian lắp đặt bên trong tủ điện, tiết kiệm diện tích ray nhôm, giảm số lượng dây cáp nguồn và đơn giản hóa việc kết nối đường truyền cáp quang của mạng SSCNET III về module điều khiển vị trí QD75MH4.

3. Tại sao nội dung thị giác máy tính với camera Cognex chưa được vận hành trên mô hình thực nghiệm?
Trong quá trình thực hiện đồ án, thời gian thi công thực tế bị đình trệ kéo dài 6 tháng do ảnh hưởng của dịch bệnh, nhóm tác giả không có đủ thời gian tiếp cận phòng thực nghiệm để kết nối truyền thông và tích hợp giải thuật xử lý ảnh của camera Cognex 800-5870-1R vào hệ thống điều khiển PLC.

4. Mô hình thực nghiệm sử dụng sản phẩm thử nghiệm có quy cách như thế nào và kết quả gắp xếp đạt được ra sao?
Sản phẩm thử nghiệm là phôi kim loại hình tròn có đường kính 25 mm và khối lượng 50 g. Hệ thống đã vận hành thành công việc gắp phôi từ băng tải đang chạy, bù góc xoay của phôi tại trục 4 và xếp chồng chính xác 3 sản phẩm liên tiếp lên nhau trên bàn phôi theo cùng một hướng mũi tên.

5. Đồ án sử dụng giải pháp gì để điều khiển cơ cấu gắp sản phẩm ở khâu cuối?
Cơ cấu chấp hành cuối sử dụng một nam châm điện 24VDC. Tín hiệu đóng ngắt được xuất từ module ngõ ra số transistor QY42P của PLC Q03UDCPU thông qua một rơle trung gian để cấp nguồn đóng/ngắt lực hút từ trường cho nam châm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển robot SCARA 4 trục gắp xếp sản phẩm" đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và cải tạo thành công hệ thống robot công nghiệp SCARA 4 bậc tự do từ khung cơ khí EPSON G6-551S kết hợp nền tảng điều khiển PLC Mitsubishi Q-CPU. Hệ thống làm chủ thành công công nghệ điều khiển chuyển động đa trục qua mạng truyền thông cáp quang tốc độ cao SSCNET III, nhúng trực tiếp giải thuật động học hình học và nội suy đường thẳng vào chương trình Ladder để gắp xếp và định hướng phôi mẫu ổn định. Công trình được hội đồng chuyên môn đánh giá đạt yêu cầu bảo vệ với điểm số 8/10, cung cấp nguồn tư liệu kỹ thuật thực tế cho việc thiết kế, tích hợp và lập trình hệ thống robot công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Giới hạn - Sử dụng lại cánh tay cơ khí cũ, tốc độ chuyển động không quá nhanh, đề tài không tính toán thực hiện bài toán thiết kế cánh tay robot SCARA - Thiếu cảm biến để giám sát sản phẩm. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.

Giới thiệu Robot Robot công nghiệp là một thiết bị cơ khí có thể được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ mà con người mong muốn. Các robot công nghiệp có thể được phân loại theo năm loại hình: - Robot tọa độ đề-các - Robot hình trụ - Robot hình cầu - Robot SCARA - Robot song song Robot SCARA được giới thiệu tại Nhật Bản vào năm 1979 (hình 2.1) và từ đó đã được nhiều nhà sản xuất áp dụng.1, Hirata AR-300, một trong những robot SCARA đầu tiên được ra mắt. Vào năm 1980, Robot SCARA đã đóng góp phần lớn vào tính linh hoạt và hiệu quả của các hệ thống lắp ráp của Nhật Bản, do khả năng thích ứng và chức năng của nó với việc giảm tương đối về chi phí sản xuất với đối thủ cạnh tranh. Giá của các sản phẩm giảm và đặc biệt là các sản phẩm điện tử trở nên hợp lý hơn trên thị trường toàn cầu.

Mặc dù sự phát triển liên tục trong chế tạo robot, SCARA vẫn là một cỗ máy được sử dụng rất rộng rãi trong ứng dụng công nghiệp. Thành công của robot này làcó thể nhờ vào các yếu tố chính sau: - Độ chính xác - Tốc độ cao - Chuyển động nhịp nhàng - Cấu trúc đơn giản và đáng tin cậy BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Robot Hirata AR-300 [2] Robot này được sử dụng ở các kích cỡ khác nhau trong tất cả các ngành công nghiệp sản xuất như ô tô, điện tử và dược phẩm hay tiêu dùng.

Các ứng dụng phổ biến nhất là: - Gắp và xếp sản phẩm; - Lắp ráp sản phẩm; - Xếp chồng sản phẩm; - Đóng gói sản phẩm; 2. Hệ tọa độ Mỗi robot thường bao gồm nhiều chi tiết (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một hệ động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng.

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón: cái, trỏ vàgiữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trụcz, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y. Quy tắc bàn tay phải [3] 2.

Không gian làm việc của Robot (Workspace or Range of motion) Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộthể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển độngcó thể (hình 2. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển độngnhỏ hơn một góc 360o. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Vùng làm việc robot SCARA 2. Mô hình động học Mỗi công ty sản xuất robot SCARA với các tính năng khác nhau, nhưng cấu trúc cơ bản khá giống nhau. Nó có những điểm tương đồng với cánh tay người với vai, khuỷu tay và cổ tay. Cấu trúc hai khớp liên kết và 4 trục cho phép bốn bậc tự do.Hai khớp quay song song và khớp dọc tuyến tính cho phép tự do trong không gian X-Y-Z.

Mức độ tự do trục thứ tư được đưa ra bởi chuyển động quay của bộ phận đầu cuối. Động học thuận Mục tiêu của động học thuận là xác định vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối của robot dựa vào các góc khớp và khoảng dịch chuyển tịnh tiến cho trước. Việcđặt tọa độ x y z tuân thủ theo quy ước của phương pháp Denavit-Hertenberg (hình 2.4) biểu thị sự liên kết giữa trục i-1 và i: - Trục z trùng với trục của động cơ - Trục x trùng với đường vuông góc chung của 2 khớp - Trục y sẽ tuân theo quy tắc bàn tay phải BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp Denavit-Hertenberg, được gọi là phương pháp DH, hiện là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất của mô hình động học robot, sử dụng ma trận biến đổi đồng nhất để mô tả vị trí tương đối giữa hai khâu liên kết liền kề.

Sự liên kết giữa trục i-1 và i [4] Các thông số cần quan tâm giữa 2 link khi liên kết với nhau thông qua 1 khớp: - Độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp gọi là chiều dài link (a) - Góc lệch giữa 2 trục khớp nhau gọi là độ xoắn của link (𝛼) - Khoảng cách giữa 2 mặt phẳng chứa 2 trục x của 2 khớp liên tiếp gọi là độ lệch (d). - Góc giữa 2 trục x được gọi là góc khớp (𝜃) Hệ tọa độ tương đối của mỗi trục của robot SCARA được thiết lập bằng phương pháp D-H được biểu thị như (hình 2. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Các khớp của robot SCARA θ4 Hình 2. Đặt trục tọa độ cho các khớp Bảng 2. Bảng tham số D-H của robot SCARA i 𝒂𝒊−𝟏 𝜶𝒊−𝟏 𝒅𝒊 𝜽𝒊 𝑧0 𝑧1 𝑥0 1 0 0 0 𝜃1 𝑥0 𝑥1 𝑧1 𝑧1 𝑧2 𝑥1 2 L1 0 0 𝜃2 𝑥1 𝑥2 𝑧2 𝑧2 𝑧3 𝑥2 3 L2 0 0 0 𝑥2 𝑥3 𝑧3 𝑧3 𝑧4 𝑥3 4 0 0 0 𝜃3 𝑥3 𝑥4 𝑧4 BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 10 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ma trận tổng quát của phương pháp DH biến đổi từ trục i-1 đến i: Robot Scara có 4 bậc tự do ta sẽ thu được 4 ma trận chuyển đổi T0,1 đến T3,4 như sau: Ma trận biến đổi cuối cùng của khâu chấp hành của robot có được bằng cách nhân các ma trận biến đổi của mỗi khớp: Nếu được cung cấp đầy đủ các tham số, chúng ta có thể tính toán vị trí đầu cuối của robot (Px, Py, Pz) trên hệ tọa độ tham chiếu.

Dưới đây là kết quả điểm đầu cuối 𝑃0_𝐸𝐸 được tính toán bằng phần mềm Matlab 𝑙1 𝑐1 + 𝑙2 𝑐12 𝑃0_𝐸𝐸 = [𝑙1 𝑠1 + 𝑙2 𝑠12 ] 𝑙3 BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 11 CHƯƠNG 2. Động học nghịch Mục tiêu là xác định góc và khoảng dịch chuyển các trục của robot khi biết trước vị trí và hướng của khâu chấp hành. Có nhiều cách để tính toán động nghịch cho robot, đối với robot SCARA thì phương pháp hình học là đơn giản nhất. Với mỗivị trí (Px;Py;Pz) thì đối với robot SCARA sẽ có 2 hướng di chuyển của các khớp khác nhau như (hình 2.

Cách di chuyển thứ nhất của Robot Hình 2. Cách di chuyển thứ hai của Robot BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 12 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong đó, OB là độ dài link thứ nhất, BA là độ dài link thứ hai. Với tọa độ điểm của khâu chấp hành là (Px;Py;Pz) ta có 2 vị trí của robot đạt được tọa độ yêu cầu, trường hợp 1 là 𝜃1 và 𝜃2 đều dương , trường hợp 2 là 𝜃1 dương và 𝜃2 âm.

Xét trường hợp 1: 𝜽𝟏 và 𝜽𝟐 đều dương - Tính d3: Ta có: 𝑃𝑧 = 𝑑1 − 𝑑3 𝑛ê𝑛 𝑠𝑢𝑦 𝑟𝑎 𝑑3 = 𝑑1 − 𝑃𝑧 - Tính góc θ2 : Xét tam giác OBA ta có : 𝑂𝐴2 = 𝑂𝐵2 + 𝐵𝐴2 − 2 ∗ 𝑂𝐵 ∗ 𝐵𝐴 ∗ cos (𝑂𝐵𝐴) (1) 𝑂𝐵2 + 𝐵𝐴2 − 𝑂𝐴2 ̂= Từ (𝟏) ⟹ 𝑐𝑜𝑠𝑂𝐵𝐴 ̂) 𝑚à cos(𝑂𝐵𝐴) = −cos(𝜋 − 𝑂𝐵𝐴 2 ∗ 𝐵𝐴 ∗ 𝑂𝐴 = cos(−𝜃2 ) (𝟐) −𝑂𝐵2 − 𝐵𝐴2 + 𝑂𝐴2 𝑇ừ (𝟐) ⟹ 𝜃2 = 𝑎𝑐𝑜𝑠 ( ) (𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 đó 𝑂𝐴 = √𝑃𝑥 2 + 𝑃𝑦 2 ) 2 ∗ 𝐵𝐴 ∗ 𝑂𝐴 Xét tam giác OBA ta có : 𝐴𝐵2 = 𝑂𝐵 2 + 𝑂𝐴2 − 2 ∗ 𝑂𝐴 ∗ 𝑂𝐵. cos(𝛼) (3) 𝑂𝐵2 + 𝑂𝐴2 − 𝐴𝐵2 𝑇ừ (𝟑) => 𝛼 = acos ( ) (𝟒 ) 2 ∗ 𝑂𝐴 ∗ 𝑂𝐵 𝑃𝑦 𝑂𝐵2 + 𝑂𝐴2 − 𝐴𝐵2 ( ) 𝑇ừ 𝟒 => 𝜃1 = atan ( ) − acos ( ) 𝑃𝑥 2 ∗ 𝑂𝐴 ∗ 𝑂𝐵 BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 13 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Xét trường hợp 𝜽𝟏 dương và 𝜽𝟐 âm - Tính d3: Ta có: 𝑃𝑧 = 𝑑1 − 𝑑3 𝑛ê𝑛 𝑠𝑢𝑦 𝑟𝑎 𝑑3 = 𝑑1 − 𝑃𝑧 - Tính góc 𝜃2 : Xét tam giác OBA ta có : 𝑂𝐴2 = 𝑂𝐵2 + 𝐵𝐴2 − 2 ∗ 𝑂𝐵 ∗ 𝐵𝐴 ∗ cos (𝑂𝐵𝐴) (5) Từ (𝟓) => cos (𝑂𝐵𝐴) = − cos(𝜋 − 𝑂𝐵𝐴) = −cos (𝜃2 ) (6) 𝑂𝐴2 − 𝑂𝐵 2 − 𝐵𝐴2 Từ (𝟔) => 𝜃2 = acos ( ) 2 ∗ 𝑂𝐵 ∗ 𝐵𝐴 Xét tam giác OBA tac có: 𝐴𝐵2 = 𝑂𝐵2 + 𝑂𝐴2 − 2. 𝑂𝐵 𝑃𝑦 𝑂𝐵2 + 𝑂𝐴2 − 𝐴𝐵2 𝑇ừ (8) => 𝜃1 = atan ( ) + acos ( ) 𝑃𝑥 2 ∗ 𝑂𝐴 ∗ 𝑂𝐵 BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 14 CHƯƠNG 2.

Định nghĩa Positioning Control là điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ như Servo hay Step Motor đến vị trí mong muốn. Đối với Robot, cần điều khiển các trục của robot để đưa điểm cuối cùng của Robot tới vị trí yêu cầu từ trước. Để làm được điều đó, yêu cầu 3 đến 6 cơ cấp chấp hành phải làm việc cùng lúc. Các thành phần của Positioning Control Thuật ngữ điều khiển vị trí không mô tả một thành phần hoặc bộ phận cụ thể.

Thay vào đó, nó mô tả một nhóm các thành phần riêng lẻ cùng hoạt động để đạt được vị trí có kiểm soát trong một máy. Một số phần chính bao gồm: - Bộ điều khiển - một thiết bị điện tử đóng vai trò là bộ não của bộ phận điều khiển chuyển động điều khiển các động cơ. Số lượng bộ điều khiển được sử dụng trong một ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như trong một dây chuyền sản xuất, sẽ thay đổi dựa trên số lượng các quy trình riêng lẻ cần được kiểm soát. Đối với một hệ thống phức tạp, có thể có nhiều bộ điều khiển.

Mỗi bộ điều khiển này có khả năng nhận lệnh điều khiển và phản hồi cho bộ điều khiển về toàn bộ dây chuyền sản xuất.