CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngành xây dựng luôn có vai trò to lớn trong quá trình phát triển của một quốc gia hay một đế chế và là ngành không thể thiếu trong mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử. Ở thời kỳ đồ đá, xây dựng chính là việc lựa chọn, sắp xếp và cải tạo các hang động, hốc cây trở thành nơi ẩn náu, lưu trữ thực phẩm, tích trữ của cải. Đến thời cổ đại, với sự lao động của đôi bàn tay và khối óc, những người thợ xây đã xây dựng các kim tự tháp, các kinh thành, các trường đấu to lớn.
Cho đến ngày nay, khi xã hội ngày càng văn minh thì nhu cầu xây dựng của con người ngày càng phức tạp. Tuy nhiên, cách xây nhà đã không thay đổi từ thời trung cổ. Sự trì trệ trong xây dựng nhà đã không theo kịp nhu cầu và tăng trưởng dân số. Điều này đã góp phần vào một cuộc khủng hoảng nhà ở đang gia tăng.
Phương pháp xây nhà truyền thống là không hiệu quả và lãng phí. Những vấn đề quan trọng này đã thúc đẩy chi phí vượt qua điểm khả năng chi trả cho người bình thường. Chi phí cao cũng có nghĩa là cung cấp nơi trú ẩn đầy đủ ở các nước đang phát triển có thể gần như không thể. Người thu nhập thấp không thể mua được nhà.
Sự thật là vậy những người lao động với thu nhập thấp và kể cả không ổn định, việc mua hoặc xây dựng nhà ở với giá vài chục nghìn đô là điều không thể với họ. Thưc tế hiện nay hơn 1 tỷ người không có chỗ ở đúng nghĩa. Đa số dân cư sinh sống trên thế giới hiện nay đã có chỗ ở lý tưởng của mình. Tuy nhiên do sự phân chia giàu nghèo của các nước trên thế giới vẫn còn rất nhiều, nên một bộ phận không nhỏ người dân vẫn chưa có nơi ở thực sự tốt dành cho họ.
Hằng ngày, tại Hong Kong, trung tâm tài chính giàu có ở châu Á, thuê nhà là một trong những vấn đề lớn nhất mà người lao động và chính phủ đang vướng mắc. Dân số Hong Kong khoảng 7,3 triệu người, trong đó 200.000 người, bao gồm 35.500 trẻ dưới 15 tuổi, đang sống trong "căn hộ được chia nhỏ". Con số này tăng 18% so với 4 năm trước và không bao gồm hàng nghìn người đang sống tại những nơi như lều trên tầng thượng, căn hộ phân chia bằng lồng sắt và "nhà quan tài" là những buồng nhỏ bằng gỗ xếp chồng lên nhau. Hong Kong thường xuyên đứng đầu trong các cuộc khảo sát giá bất động sản toàn cầu.
Giá nhà ở đây cao gấp 19 lần thu nhập trung bình của một người. Chính vì vậy mà việc mua nhà là một trở ngại lớn đối với những người có thu nhập thấp không thể chi trả nỗi những khoản đắt đỏ để sở hữu một căn nhà cho riêng mình. 1 Luan van Xây nhà là không hiệu quả và lãng phí. Để hoàn thành một căn nhà đòi hỏi tiêu tốn khá nhiều thời gian, nhân lực, kể cả chi phí nguyên vật liệu.
Chưa tính trong lúc thi công sự hao hụt vật liệu và điều kiện thời tiết gây nên sự lãng phí tiền của. Chính vì vậy chúng ta cần một giải pháp để giải quyết sự kém hiệu quả của việc xây nhà bằng phương pháp thủ công này. Gần đây việc ứng dụng Robot, máy tự động vào việc phát triển các ngành công nghiệp đang được đẩy mạnh tại các nước trên thế giới. Nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt.
Chính vì những lý do trên, nên việc nghiên cứu phát triển Robot để phục vụ cho ngành xây dựng là một vấn đề cấp thiết hiện nay đặt biệt khi Việt nam muốn công nghiệp hóa sản xuất trên mọi lĩnh vực hiện nay. Nhận thấy được sự phát triền mạnh mẽ của in 3D trong lĩnh vực gia công chế tạo cùng với sự ra đời của loại robot mới là robot cáp nên chúng tôi quyết định nghiên cứu ứng dụng loại robot này vào trong thực tế chính là việc in 3D vữa bê tông để tạo ra sản phẩm cuối cùng chính là những ngôi nhà mà con người có thể ở và sinh sống được trong đó. Tình hình nghiên cứu 1. Ngoài nước Nghiên cứu về các bộ điều khiển song song treo dây cáp có nguồn gốc từ Mỹ vào năm 1984.
Landsberger ở MIT đã thiết kế một bộ điều khiển song song điều khiển cáp cho hoạt động dưới nước. Năm 1989, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia ở Mỹ đã bắt đầu dự án NIST RoboCrane. Vào cuối những năm 1980, hệ thống SkyCam, được phát minh bởi công ty August Design được sử dụng rộng rãi để phát sóng trực tiếp. Năm 2001, robot mảng cáp được đề xuất bởi Gorman từ Đại học bang Pennsylvania đây là một lớp cơ chế robot sử dụng nhiều dây cáp được kích hoạt để thao tác với các vật thể.
Trong nước Hiện nay, các ứng dụng của robot trong xây dựng ở Việt nam còn chưa có. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1. Nhiệm vụ của đề tài Từ vấn đề được nghiên cứu tìm hiểu ở các phần trên nên nhóm đã đặt ra nhiệm vụ cho đề tài là thiết kế và gia công cơ khí cho robot song song Cable. Robot sau khi gia công chế tạo sẽ được điều khiển để thực hiện nhiệm vụ in 3D các mô hình nhà cửa, di chuyển vật tư thiết bị để phục vụ trong xây dựng.
Cụ thể nhiệm vụ đặt ra là: - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của Robot cable. Lựa chọn kế cấu phù hợp với yêu cầu đặt ra. - Thiết kế gia công cơ khí cho robot. - Điều khiển robot in các mô hình nhà mà cụ thể là in nhà có diện tích 2x3 m2.
Giới hạn nghiên cứu của đề tài Do phạm vi nghiên cứu rộng và nhận thấy được một vài hạn chế của các quá trình gia công, lắp ráp, lập trình, điều khiển,. nên đề tài chỉ sẽ tập trung giải quyết những vấn đề sau: Nguyên lý động học vị trí của robot cable. Khối lượng đầu công tác tối đa là 50kg. Thuật toán điều khiển robot cable chạy với tốc độ 0,1 m/s trong vùng không gian hoạt động.
Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài các phương pháp nghiên cứu sau đã được lựa chọn và sử dụng: 1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: thu thập các thông tin có liên quan đến đề tài và tổng hợp theo từng phần cụ thể về robot cable. Tính toán thiết kế mô phỏng quá trì hoạt động của robot. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp thực nghiệm khoa học: tiến hành các thí nghiệm, thực nghiệm nhằm đánh giá các yếu tố tác động đến quá trình vận hành robot.
Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot đáp ứng yêu cầu đặt ra để in vữa xây nhà. Nội dung Nghiên cứu và lựa chọn cấu hình robot Nghiên cứu động học robot Tính toán thiết kế cơ khí Thiết kế hệ thống điện Nghiên cứu ứng dụng PLC trong điều khiển Thực nghiệm đánh giá phần điều khiển Thực nghiệm đánh giá khả năng in3D 4 Luan van CHƯƠNG 2. Sơ lược về robot song song Cable Robot Cable là các bộ điều khiển song song trong đó các end-effector được điều khiển bằng cáp thay vì các liên kết cứng. Những thách thức phải đối mặt trong lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật hiện đại của Robot Cable tương tự như những thách thức gặp phải trong các thao tác song song của Stewart.
Thật vậy, Robot Cable có thể được yêu cầu không chỉ cho các hoạt động có tính linh hoạt cao hơn, mà còn cho không gian làm việc lớn có thể tiếp cận và tải trọng cao. Một đặc tính quan trọng của các trình điều khiển cáp là cáp chỉ có thể hoạt động đơn phương thông qua sức căng và không có lực nén. Robot song song điều khiển cáp có nhiều nhiều phương thức phân loại khác nhau. Robot cable có thể được phân loại theo các tiêu chí sau: - Số lượng cáp m và bậc tự do n của robot: Điều này phân loại động học được đề xuất bởi Ming và Higuchi để phân biệt giữa các robot cable.
Một tiêu chí rõ ràng để phân loại là xem xét số lượng cáp được biểu thị bằng m và bậc tự do có thể kiểm soát của đầu công tác được ký hiệu là n. Hơn nữa, bậc tự do thừa r = m - n được giới thiệu. Người ta có thể phân biệt giữa các nhóm sau: • m <n ≤ 6: Robot bị hạn chế động học không hoàn toàn. Có tính đến trọng lực hoặc các lực tác động khác và lực xoắn, một hoặc nhiều tọa độ của robot ở trạng thái cân bằng ổn định hoặc không ổn định.
Tuy nhiên, trong trường này robot không thể kiểm soát được các trạng thái không ổn định. Số lượng và hướng của mức độ tự do có thể kiểm soát khác nhau khắp không gian làm việc. Lớp robot này được gọi là cơ chế định vị hoàn toàn hạn chế (IRPM) • n = m: Robot bị hạn chế về mặt động học hoàn toàn. nhưng trạng thái cân bằng lực phụ thuộc vào các lực được áp dụng như trọng lực.
Có một phạm vi lực hạn chế và lực xoắn mà robot có thể chịu được tùy thuộc vào độ lớn và hướng của lực tác dụng. • n + 1 = m: Robot có thể bị hạn chế thông qua các dây cáp ở một số tư thế nhất định. Các loại mô hình chuyển động khác nhau. Các lực mà robot có thể chịu được phụ thuộc vào các lực căng tối thiểu và tối đa trong các dây cáp có thể được tạo ra bởi robot.
Robot thuộc nhóm này được gọi là cơ chế định vị hạn chế (CRPM). • n + 1 < m: Robot thừa ràng buộc và các lực phải được phân phối giữa các dây cáp. Những robot này được gọi là cơ chế định vị thừa ràng buộc (RRPM). Sự dư thừa 5 Luan van liên quan đến số lượng các ràng buộc động học và do đó cũng liên quan đến hoạt động của chúng vì có nhiều ràng buộc động học hơn bậc tự do.
Do đó, các tĩnh lực của robot thường không được xác định.