Chương 1 Tổng Quan 1.5 Giới thiệu nội dung Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau: Chương 2 Cơ sở lý thuyết: phân tích các mô hình xếp sản phẩm lên pallet và lựa chọn mô hình tối ưu nhất. Nêu các tiêu chí đánh giá chất lượng của pallet sau khi kết thúc qui trình xếp sản phẩm. Giới thiệu sơ lược về lựa chọn cấu hình hệ thống, động học Robot, giải thuật PID, xử lý ảnh làm cơ sở cho các chương sau. Chương 3 Tính toán động học cho cánh tay Robot: tính toán động học thuận, nghịch cho cánh tay Robot và kiểm chứng động học.
Chương 4: Nội dung thực hiện: nêu yêu cầu của hệ thống, đề xuất qui trình công nghệ. Thi công phần cứng và phần mềm cho hệ thống. Chương 5 Kết quả và đánh giá: trình bày các kết quả đạt được và đánh giá chất lượng. Chương 6 Kết luận và hướng phát triển: Chỉ ra đã làm được những gì trong đề tài này và nêu hướng phát triển trong tương lai.
3 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Các loại mô hình xếp sản phẩm lên pallet Có hai loại mô hình xếp sản phẩm lên pallet: Mô hình một: Mô hình xếp pallet kết hợp nhiều cơ cấu và xếp sản phẩm theo lớp, được mô tả như hình 2.1 Mô hình xếp pallet kết hợp nhiều cơ cấu Mô hình hai: Sử dụng cánh tay Robot để xếp một đến hai sản phẩm lần lượt lên pallet, được mô tả như hình 2.2 Mô hình xếp pallet sử dụng cánh tay Robot 4 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết 2.2 Ưu và nhược điểm của mỗi mô hình Mô hình một: Ưu điểm: Tốc độ xếp nhanh hơn. Dễ sử dụng. Nhược điểm: Cồng kềnh, tốn nhiều diện tích. Chỉ xếp được cho một loại sản phẩm một lúc.
Khả năng mở rộng, cải tiến hạn chế. Dễ gây trầy xước sản phẩm. Mô hình một Ưu điểm: Gọn gàng, tiếp kiệm không gian. Có thể xếp nhiều pallet cùng một lúc với các sản phẩm khác nhau.
Khả năng mở rộng, cải tiến linh hoạt. Ít gây trầy xước sản phẩm. Nhược điểm: Tốc độ xếp chậm hơn. Khó sử dụng hơn.
Để phù hợp với đề tài là có phân loại hai sản phẩm thì mô hình hai là sự lựa chọn phù hợp.3 Các tiêu chí đánh giá chất lượng Sau khi hoàn thành qui trình xếp sản phẩm lên pallet thì một pallet tiêu chuẩn phải thỏa mãn các tiêu chí sau: Sản phẩm không được trầy xước. Pallet phải đủ số lượng sản phẩm. Sản phẩm được xếp ngay ngắn, theo trật tự. Pallet ổn định, không dễ bị nghiêng, ngã.4 Tổng quan Robot Robot là những máy tự động, mô phỏng toàn bộ hoặc một phần hoạt động của con người.
Robot sinh ra để thay thế con người thực hiện các công việc phức tạp, 5 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết nguy hiểm. Robot được lập trình bởi một máy tính có khả năng thực hiện một loạt các hoạt động phức tạp dưới sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử và khớp nối chuyển động. Hầu hết các khớp robot hoạt động thông qua động cơ điện, dạng chuyển động là dạng chuyển động quay, thích hợp sử dụng trong hệ thống tải nhẹ. Robot có ưu điểm là đáp ứng được những công việc đòi hỏi sự lặp lại, tốc độ làm việc và chính xác cao, độ bền lớn.
Chúng thường được sử dụng trong các công việc lắp ráp, sản xuất, sửa chữa, làm việc trong các môi trường khắc nghiệt, độc hại, nguy hiểm.5 Động học Robot 2.1 Động học thuận Mục đích của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu tác động cuối của tay máy khi biết các biến khớp của tay máy. Ngoài ra động học thuận còn được sử dụng để xác định không gian làm việc của robot. Tay máy là một chuỗi động hở, được cấu tạo bởi một số khâu (Links), được nối với nhau nhờ các khớp. Một đầu của chuỗi nối với giá (Base), còn đầu kia nối với phần công tác (End effector).
Mỗi khâu hình thành cùng với khớp phía trước nó một cặp khâu khớp. Mỗi cặp khâu khớp được đặc trưng bởi hai loại thông số: Các thông số không thay đổi giá trị trong quá trình làm việc của tay máy được gọi là tham số. Các thông số thay đổi giá trị khi tay máy làm việc gọi là các biến khớp. Để biểu diễn sự thay đổi giữa hệ tọa độ của các khớp liền kề (cách gọi khác giữ hệ toạ độ thứ i và hệ toại độ thứ i-1) ta sẽ thực hiện một phép biến đổi đồng nhất.
Theo quy tắc Denavit-Hartenberg cho phép tổ hợp các ma trận chuyển vị riêng lẻ thành một ma trận chuyển vị thuần nhất. Sự biến đổi này cũng là một hàm chỉ có duy nhất một nghiệm, ba thông số còn lại là cố định với thiết kế cơ khí. Thông số trong hệ trục giữa Zi-1 và Zi như hình 2. Trong đó: i-1 là góc quay giữa trục Zi-1 đến Zi quay quanh trục Xi-1; ai-1 là khoảng cách giữa trục Zi−1 đến Zi dọc theo trục Xi−1 ; di là khoảng cách giữa trục Xi−1 đến Xi dọc theo trục Zi ; i là góc quay giữa trục Xi−1 và Xi quay quanh trục Zi.
Tính toán động học thuận bằng phương pháp Denavit-Hartenberg là phương pháp đặt các trục tọa độ tại các khớp của robot. Ta có ma trận chuyển đổi tổng quát giữa hệ trục thứ {i-1} và hệ trục thứ {i}: 6 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖 − 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖 0 𝑎𝑖−1 𝑖−1 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑖−1 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑖−𝑖 − 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑖−1 − 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑖−1𝑑𝑖 𝑖𝑇 = [ ] 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑖−1 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑖−1 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑖−1 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑖−1𝑑𝑖 0 0 0 1 Hình 2.3 Thông số trong hệ trục giữa Zi-1 và Zi (một cặp khâu khớp) Ma trận chuyển vị của hệ từ hệ 0 đến hệ i được tính bằng cách nhân các ma trận chuyển vị ở từng khâu lại với nhau: 0 0 1 𝑖−1 𝑖𝑇 = 1𝑇 2𝑇 … 𝑖𝑇 Động học thuận là quá trình tính toán vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối khi biết tất cả các giá trị biến khớp. Kết quả của quá trình này là ma trận có dạng như: 𝑛𝑥 𝑜𝑥 𝑎𝑥 𝑃𝑥 0 𝑛𝑦 𝑜𝑦 𝑎𝑦 𝑃𝑦 𝑅 𝑃 𝑖𝑇 = [ ] = [ 3𝑥3 3𝑥1 ] 𝑛𝑧 𝑜𝑧 𝑎𝑧 𝑃𝑧 0 1 0 0 0 1 Trong đó: R3×3 là ma trận biểu diễn hướng của điểm đầu cuối so với toạ độ gốc; P3×1 là ma trận biểu diễn vị trí của điểm đầu cuối so với toạ độ gốc.2 Động học nghịch Mục đích của bài toán động học nghịch là xác định các biến khớp của robot khi biết được toạ độ và hướng của cơ cấu chấp hành cuối. Một số phương pháp 7 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết giải bài toán động học nghịch như: phương pháp đại số, phương pháp hình học, phương pháp kết hợp đại số và hình học.
Robot càng nhiều bậc (đa bậc) thì việc tính toán động học nghịch càng trở nên phức tạp và cần phải áp dụng những phương pháp giải động học nghịch đặc biệt để giải quyết các bài toán này. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp như sau: Phương pháp đại số: Ưu điểm: Tìm đầy đủ các nghiệm nên không bị sót nghiệm. Nhược điểm: Nếu Robot quá phức tạp việc tính toán hệ phương trình nhiều ẩn sẽ rất khó khăn. Phương pháp hình học: Ưu điểm: Trực quan, dễ hình dung, dễ hiểu.
Nhược điểm: Dễ bị sót nghiệm. Phương pháp kết hợp đại số và hình học: Ưu điểm: Trực quan, dễ hình dung, dễ hiểu. Nhược điểm: Đòi hỏi cần có kiến thức chắc giữa đại số và hình học.6 Giải thuật điều khiển hệ thống Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điều khiển mới, nhưng nó được xem là phương pháp điều khiển kinh điển trong ngành điều khiển tự động bởi việc đơn giản, dễ vận dụng và có thể đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển nếu tìm được bộ thông số phù hợp. PID là sự kết hợp của ba bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả năng điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế sự dao động.
PID là viết tắt của Proportional, Integral và Derivative. Mỗi thuật ngữ này cung cấp một hành động cho động cơ băng tải, cụ thể như hình 2. Ngõ ra của bộ điều khiển PID được vi điều khiển tính toán, dựa trên đó có thể đưa ra giá trị xung PWM cần thiết để điều khiển động cơ giúp cho băng tải đạt đúng vận tốc mong muốn. 8 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết Hình 2.4 Sơ đồ giải thuật điều khiển PID 2.7 Cấu hình điều khiển, giám sát Hai loại kiến trúc điều khiển rất phổ biến trong lĩnh vực điều khiển và tự động hoá là kiến trúc điều khiển tập trung và kiến trúc điều khiển phân tán.
Mỗi kiến trúc có các thành phần, cấu trúc khác nhau phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Kiến trúc điều khiển tập trung được mô tả cụ thể trong hình 2.5 và kiến trúc điều khiển phân tán được mô tả cụ thể trong hình 2.1 I/O tập trung Hình 2.5 Kiến trúc điều khiển tập trung Kiến trúc điều khiển điều khiển tập trung (Centerlized Control System – CCS) dùng một máy tính duy nhất để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật. Máy tính 9 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết điều khiển (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển số trực tiếp – Direct Digital Control (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình. Trong thực tế, máy tính điều khiển thông thường tập trung ở các phòng điều khiển, cách xa hiện trường.
Trong hệ thống điều khiển tập trung, các tín hiệu và thông tin từ các thành phần và cảm biến bên trong hệ thống được gửi về trung tâm điều khiển và từ đó quyết định điều khiển và tác động lên các đối tượng hoạt động của hệ thống. Việc truyền nhận tín hiệu bên trong hệ thống điều khiển tập có thể được thực hiện dưới hình thức có dây hoặc không dây, song chúng đề hội tụ tại máy tính điều khiển trung tập. Kiến trúc điều khiển tập trung thường ứng dụng trong các dự án tự động hoá với quy mô vừa và nhỏ, điều khiển máy móc và thiết bị bởi sự đơn giản.6 Kiến trúc điều khiển phân tán Kiến trúc điều khiển phân tán (Distributed Control System – DCS) là một hình thức kiến trúc điều khiển trong đó quyết định và điều khiển của hệ thống được phân tán và phân chia giữa các thành phần và đơn vị điều khiển khác nhau.