Đồ án tốt nghiệp: Chế tạo cánh tay robot công nghiệp gắp và xếp vật

Đồ án tốt nghiệp về chế tạo cánh tay robot công nghiệp gắp và xếp vật. Trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết, thiết kế cơ khí và lập trình điều khiển.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Duy
• Người hướng dẫn: ThS. 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: Chế Tạo Cánh Tay Robot Trong Công Nghiệp Gắp Và Xếp Vật
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Cánh tay Robot Gắp và Xếp Vật

Đồ án tốt nghiệp cánh tay robot là một dự án nghiên cứu và phát triển công nghệ tự động hóa công nghiệp được thực hiện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài này tập trung vào thiết kế và chế tạo cánh tay robot công nghiệp có khả năng gắp và xếp vật một cách tự động và hiệu quả. Hệ thống robot tự động hóa này được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất, giúp tăng năng suất lao động và giảm chi phí nhân công. Dự án được thực hiện bởi các sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự động Hóa dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Hoàng Lâm. Mục tiêu chính của đồ án robot là tạo ra một mô hình hoạt động thực tế có thể ứng dụng trong sản xuất công nghiệp hiện đại.

1.1. Tổng quan về Hệ thống Robot Công nghiệp

Hệ thống robot công nghiệp bao gồm các thành phần chính như cơ cấu cơ khí, hệ thống điều khiển điện, và các thiết bị truyền động. Cánh tay robot được thiết kế với nhiều bậc tự do (DOF) để thực hiện các chuyển động phức tạp. Hệ thống này sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) để điều khiển các động cơ servo, đảm bảo độ chính xác cao trong việc gắp và xếp vật. Ứng dụng của robot tự động giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng hiệu suất công việc đáng kể.

1.2. Mục tiêu và Nội dung Nghiên cứu

Mục tiêu chính của đồ án cánh tay robot là thiết kế một hệ thống robot có khả năng thực hiện các tác vụ gắp và xếp vật một cách tự động. Nội dung nghiên cứu bao gồm phân tích động học robot, thiết kế phần cứng, phát triển mạch điều khiển, và lập trình điều khiển bằng HMI (Human-Machine Interface). Dự án cũng khảo sát các loại robot khác nhau như robot Descarte, robot trụ, robot địa cầu, và robot SCARA để lựa chọn thiết kế phù hợp nhất cho ứng dụng thực tế.

II. Cơ sở Lý thuyết và Cấu trúc Robot

Cánh tay robot hoạt động dựa trên các nguyên lý động học robot cơ bản bao gồm động học thuận và động học nghịch. Bậc tự do (DOF) của robot tự động xác định số lượng chuyển động độc lập mà robot có thể thực hiện. Trường công tác (Workspace) là không gian ba chiều mà end-effector có thể tiếp cận. Trong đồ án này, cánh tay robot được thiết kế với cấu trúc khớp tương tự như tay người để có tính linh hoạt cao. Các khớp được kết nối bằng các thanh kim loại và được truyền động bằng motor servo được điều khiển chính xác. Hệ thống sử dụng mạng SSCNET III/H để truyền thông giữa các thiết bị điều khiển và motor servo.

2.1. Cấu trúc Cơ bản của Robot Công nghiệp

Cấu trúc cơ bản của robot gồm: phần cơ sở cố định, các khớp (joints), các thanh nối (links), và end-effector (tay gắp). Cánh tay robot trong dự án được chia thành nhiều phần như chân đặt robot, thân robot, cánh tay thứ nhất, cánh tay thứ hai, và tay gắp. Bàn đặt vật được trang bị băng tải để vận chuyển các vật cần gắp. Khung đỡ mô hình được thiết kế chắc chắn để chịu lực và đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động của hệ thống robot tự động.

2.2. Phân loại và Ứng dụng Robot

Có nhiều loại robot công nghiệp khác nhau được phân loại theo hệ tọa độ: robot Descarte, robot trụ, robot địa cầu, và robot SCARA. Mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng. Robot SCARA phù hợp cho các tác vụ lắp ráp nhẹ nhàng. Robot khớp tay người có độ linh hoạt cao nhất, phù hợp cho việc gắp và xếp vật đa dạng. Ứng dụng robot rộng rãi trong các ngành công nghiệp như sản xuất ô tô, điện tử, thực phẩm, và logistics.

III. Thiết kế Phần Cứng và Hệ thống Điều khiển

Thiết kế phần cứng của đồ án cánh tay robot bao gồm hai phần chính: thiết kế phần cơ khí và thiết kế mạch điều khiển điện. Phần cơ khí gồm khung đỡ mô hình, bàn đỡ mô hình, chân đặt robot, bàn đặt vật, và cánh tay robot với các khớp xoay. Hệ thống truyền động sử dụng bánh răng puly và động cơ servo để truyền chuyển động. Mạch điều khiển được xây dựng dựa trên module PLC Q06H CPU của Mitsubishi, kết hợp với driver servo MR-J4-B để điều khiển các motor servo HG-KR. Mạng SSCNET III/H đảm bảo truyền thông nhanh chóng giữa CPU và các thiết bị ngoại vi, cho phép robot tự động hoạt động đồng bộ và chính xác.

3.1. Thiết kế Phần Cơ khí và Cánh tay Robot

Cánh tay robot được thiết kế với nhiều khớp xoay để thực hiện các chuyển động phức tạp. Các thành phần chính bao gồm chân đặt cứng chắc, thân robot kết nối với động cơ chính, hai cánh tay nối tiếp nhau, và tay gắp có hai ngón. Bánh răng puly được sử dụng để truyền lực từ động cơ tới các khớp. Bàn đặt vật trang bị băng tải điều khiển bởi motor servo riêng. Toàn bộ hệ thống cơ khí được chế tạo bằng thép và nhôm để đảm bảo độ bền cao.

3.2. Hệ thống Điều khiển Điện và Module PLC

Hệ thống điều khiển sử dụng PLC Mitsubishi với CPU Q06H làm trung tâm xử lý. Module nguồn Q61P cấp điện cho toàn bộ hệ thống. Driver servo MR-J4-B điều khiển motor servo HG-KR với độ chính xác cao. Mạch điều khiển được thiết kế với bộ lọc nhiễu MC để đảm bảo chất lượng tín hiệu. Mạng SSCNET III/H là công nghệ truyền thông hiện đại giúp robot tự động hoạt động ổn định và nhanh chóng.

IV. Lập trình Điều khiển và Kết quả Thực nghiệm

Phần mềm điều khiển được phát triển dựa trên giải thuật động học robot, bao gồm tính động học thuận để xác định vị trí end-effector từ góc các khớp, và tính động học nghịch để tính toán góc các khớp từ vị trí mong muốn. Giao diện HMI được thiết kế để người dùng có thể tương tác với hệ thống robot một cách dễ dàng, điều khiển các chuyển động của cánh tay robot và theo dõi trạng thái hoạt động. Lập trình PLC được thực hiện bằng ngôn ngữ ST (Structured Text) hoặc LD (Ladder Diagram). Các thông số D-H (Denavit-Hartenberg) được sử dụng để mô tả động học hệ thống. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot tự động có thể gắp và xếp vật với độ chính xác cao, hoàn thành các tác vụ được lập trình một cách ổn định và an toàn.

4.1. Giải thuật Động học và Lập trình Điều khiển

Động học thuận tính toán vị trí và hướng của end-effector dựa trên các góc khớp. Động học nghịch xác định các góc khớp cần thiết để đạt vị trí mong muốn, là yếu tố quan trọng trong điều khiển cánh tay robot. Ma trận D-H được xây dựng từ các thông số hình học của robot. Chương trình PLC sử dụng các hàm toán học để thực hiện các tính toán này trong thời gian thực. Thuật toán điều khiển đảm bảo robot tự động chuyển động mượt mà và chính xác theo quỹ đạo được lập trình.

4.2. Hướng Phát triển và Kết luận

Đồ án cánh tay robot đã đạt được mục tiêu thiết kế và chế tạo thành công. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm nâng cấp trục vít me để tăng tải trọng, thêm băng tải chuyển Pallet để hoàn thiện dây chuyền sản xuất, và tích hợp xử lý ảnh hoặc cảm biến để phát hiện người trong khu vực làm việc của robot. Hệ thống robot tự động có tiềm năng lớn trong ứng dụng công nghiệp thực tế, giúp tự động hóa các quy trình sản xuất phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Cơ sở lý thuyết về cánh tay robot Chương 3: Thiết kế phần cứng Chương 4: Thiết kế phần mềm Chương 5: Kết quả thực nghiệm Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 2 1.4 Phương pháp nghiên cứu Để có thể thực hiện được đề tài này, nhóm đã tìm hiểu các mô hình cánh tay được đưa vào ứng dụng trong công nghiệp. Dựa vào những tham khảo đó và đặc biệt là những góp ý tận tình cũng như những hệ thống có sẵn của giáo viên hướng dẫn. Nhóm đã có được định hướng cũng như phương pháp để thực hiện đề tài của mình.  Hướng giải quyết đề tài:  Tìm hiểu cách thức hoạt động của cánh tay SCARA  Nghiên cứu các giải pháp có thể thực hiện của mô hình  Nghiên cứu cách kết nối và điều khiển phối hợp các động cơ servo AC  Nghiên cứu về động học thuận, động học nghịch của cánh tay robot  Tìm hiểu các thiết bị điện liên quan cần thiết cho mô hình (Relay, biến áp, CB, cảm biến,…)  Thiết kế phần cơ khí cho hệ thống  Thiết kế tủ điện cho hệ thống  Nghiên cứu lập trình trên phần mềm của Mitsubishi  Thiết kế và lập trình giao hiện HMI  Chạy thử, kiểm tra và chỉnh sửa chương trình, các thông số cho phù hợp 1.5 Đối tượng nghiên cứu  Các đối tượng điều khiển:  Bộ điều khiển PLC dòng Q Mitsubishi  Bộ điều khiển Motion  Module ngõ vào/ra QX QY  Màn hình HMI Handy GOT  Bộ phát xung tay (Handy Pulser)  Bộ điều khiển Driver J4 và động cơ Servo  Cảm biến quang Omron  Các đối tượng cơ khí:  Cơ cấu Vít me  Truyền động dây Curoa và Puly  Tay gắp khí nén  Chi tiết cơ khí: mặt bích, taro, chốt định vị,… 3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁNH TAY ROBOT 2.1 Cơ sở lý thuyết về Robot Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Positron,do chính con người lập trình.

Asimov cũng đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics,trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản: - Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người. - Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra. Các quy tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất. - Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trước.

Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot. dùng để thay thế con người trong một số công việc xác định. Để robot có thể đảm nhiệm yêu cầu đó, robot cần có khả năng cảm nhận được trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người. Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc.

Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí. Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến. Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh "Hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển.

Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Việc chế tạo ra robot là mục đích của việc tạo ra thiết bị có thể thay thế mình ở những công việc không phù hợp như: - Các công việc thao tác có tính tuần hoàn lặp đi lặp lại, gây nhàm chán, nặng nhọc: quét dọn, di chuyển vật,. 4 - Làm việc ở những nơi ảnh hưởng đến sức khỏe con người như: ngoài khoảng không vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao,. - Những việc đòi hỏi độ chính xác cao, như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch,… 2.2 Cấu trúc và phân loại robot trong công nghiệp 2.1 Cấu trúc cơ bản của robot trong công nghiệp 2.1 Cấu tạo chung Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các thành phần sau: - Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp.

Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (End Effecr) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. - Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Thường sử dụng các loại động cơ: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. - Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác.

Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường. - Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.3: Cấu trúc chung của hệ robot 5 2.2 Kết cấu tay máy Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp,.  Các khâu của Robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản: - Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarte, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T hoặc P.

- Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R. Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của Robot là robot kiểu toạ độ Descarte, toạ độ trụ, toạ độ cầu, Robot kiểu SCARA, kiểu tay người.2 Phân loại robot 2.1 Phân loại theo không gian hoạt động a. Tọa độ Descarte Tay máy kiểu tọa độ Descarte (còn gọi là robot tuyến tính) là tay máy chuyển động tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ.

Trường công tác có dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng. Robot tọa độ Descartes kiểu cầu trục công nghiệp được ứng dụng trên dây chuyền sản xuất máy tiện CNC để bốc dỡ các bộ phận liên tục. Nó thực hiện chuyển động tuyến tính 3 trục (X, Y và Z) ở tốc độ cao để tiết kiệm số lượng toán tử.

Ngoài ra, robot có thể xử lý các tải trọng lớn về các quy trình nạp và chọn các bộ phận có độ chính xác định vị cao. Một số yêu cầu đặc biệt có thể là tiếng ồn thấp và bảng cung cấp tùy chỉnh, được thực hiện theo số lượng lưu trữ. Được ứng dụng nhiều nhất là trên máy CNC và các giàn trên không như cẩu gắp.2: Robot hệ tọa độ Descarte b. Robot tọa độ trụ Khác với kiểu tay máy Descarte, Robot tọa độ trụ có khớp đầu tiên là khớp xoay thay cho khớp trượt.

Độ cứng của trụ tốt nên tay máy có thể phù hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác sẽ giảm khi tầm với tăng.3: Robot tọa độ trụ c. Robot tọa độ địa cầu Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc 7 của nó là một khối cầu rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác phụ thuộc vào tầm với.

Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn.4: Robot tọa độ địa cầu d. Robot kiểu SCARA Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp, Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo phương được chọn, là phương ngang. Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng.

Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective Compliance Articulated Robot Actuator” để mô tả các đặc điểm trên. Robot khớp tay người Tay máy loại này tất cả các khớp đều là khớp xoay, nhưng có một khớp đầu tiên là khớp xoay vuông góc với hai khớp còn lại. Tay máy loại này làm việc rất khéo léo nhưng sự chính xác vẫn tùy theo từng vùng làm việc.6: Robot khớp tay người 2.2 Phân loại theo điều khiển Thông thường có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín. Điều khiển hở Đây là phương phép điều khiển trong môi trường không cần độ chính xác cao.

Do không có phản hồi về trạng thái cũng như môi trường làm việc của tay máy công nghiệp. Thường sử dụng trong công việc vận chuyển hàng hóa,… Do đó những động cơ được sử dụng trong phương pháp điều khiển này thường là động cơ bước, động cơ điện thường không có phản hồi về. Điều khiển kín Với phương pháp điều khiển này thì tay máy sẽ làm việc chính xác hơn rất nhiều, do phương pháp này điều khiển theo vòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường mà tay máy đang hoạt động. Nhưng bên cạnh đó điều khiển theo phương pháp này sẽ phức tạp do phải trang bị hệ thống để đo được các giá trị trạng thái của tay máy như: moment, vị trí, vận tốc và các thông số khác.

Phương pháp này có độ chính xác rất cao, nên ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các loại tay máy trong công nghiệp.