CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong thời đại kinh tế xã hội và khoa học kỹ thuật đang phát triển không ngừng như hiện nay, để tồn tại cũng như phát triển, các doanh nghiệp sản xuất trong nước cần tăng thêm năng suất, hiệu quả và giảm thiểu chi phí. Sử dụng công nghệ cao và công nghệ mới chính là bước đi quan trọng để vượt qua biên giới Việt Nam. Các ứng dụng công nghệ vào cuộc sống ngày càng phải thông minh hơn và khả năng tự động cao hơn.
Trong số các công nghệ mới nhằm tăng cường hiệu suất, nâng cao năng suất và cải thiện chất lượng sản phẩm, tự động hóa là một công nghệ quan trọng và robot là phần cốt lõi không thể thiếu trong công nghệ tự động hóa này. Tuy hiện nay, ứng dụng robot vào trong công nghiệp ở Việt Nam còn hạn chế do giá thành cao của thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài. Tuy nhiên, việc áp dụng robot trong các dây chuyền sản xuất là yếu tố quan trọng để doanh nghiệp tồn tại. Chính vì những lý do đó, nhóm đã quyết định nghiên cứu và thiết kế robot Delta để giảm giá thành trong nước.
Robot Delta (hay còn được gọi là Robot song song) được chế tạo nhằm thay thế cho con người thực hiện các công việc trong các hệ thống công nghiệp. Robot Delta có thể hoạt động trong các môi trường có sự độc hại ảnh hưởng trực tiếp cũng như gián tiếp đến sức khỏe của con người như: môi trường hóa chất, nhiệt độ cao, áp suất cao, phóng xạ, …để thực hiện nhiệm vụ thay thế con người. Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống Delta Robot là một vấn đề cấp thiết. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Robot công nghiệp đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực để thay thế sức người từ khi mới ra đời.
Mục tiêu của việc ứng dụng robot công nghiệp là tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện hiệu suất lao động. Trong ngành công nghiệp cơ khí, robot được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật ô tô, công nghệ hàn, công nghệ đúc, phun phủ kim loại, vận chuyển phôi và lắp ráp sản phẩm. Robot Delta trong mặt cơ học là một hệ thống nhiều vật có cấu trúc vòng động học kín, trong đó các khâu được nối với nhau thông qua các khớp động. Mặc dù Robot Delta là một hệ thống cơ học phức tạp, việc thiết kế và điều khiển Robot Delta cũng có độ phức tạp, nhưng nó có nhiều ưu điểm so với robot nối tiếp.
Robot Delta có khả năng chịu tải trọng lớn và độ cứng vững cao nhờ cấu trúc hình học của robot. Nó cũng có thể thực hiện các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao. Do đó, việc nghiên cứu về động lực học và điều khiển Robot Delta nhằm tận dụng những ưu điểm này có ý nghĩa quan trọng và mang tính thực tiễn. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu của dự án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot Delta dựa trên nguyên lý Delta Platform và tích hợp công nghệ xử lý ảnh, để tạo thành hệ thống Robot Delta phân loại 1 sản phẩm, giúp đỡ con người trong công nghiệp cũng như cuộc sống.
Đồng thời dự án cũng hướng đến việc phát triển một sản phẩm công nghệ cao trong nước, giúp nước ta có thể tự mình nắm bắt được công nghệ cao trong công nghiệp. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là hệ thống Robot Delta có 3 chân và 3 bậc tự do, xây dựng dựa trên nguyên lý Delta Platform, với mục tiêu phân loại sản phẩm và tích hợp việc xử lý ảnh. Đồng thời, hệ thống sẽ được thiết kế để đáp ứng nhanh trong quá trình phân loại sản phẩm.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một hệ thống robot Delta có 3 bậc tự do. Hệ thống này được cấu thành từ 3 chuỗi động học, bao gồm 3 bậc tự do tịnh tiến, dựa trên nguyên lý động học song song (Parallel Kinematic Machine).
Nhằm xây dựng một robot linh hoạt, chính xác cao và đáp ứng được những yêu cầu trong quy trình phân loại sản phẩm. Ngoài việc chế tạo robot, đề tài cũng tập trung vào xây dựng giao diện điều khiển đi kèm và tích hợp việc xử lý ảnh. Giao diện này sẽ phụ trách vai trò điều khiển robot và xử lý tín hiệu từ bộ xử lý ảnh, nhằm tạo ra một hệ thống có khả năng đáp ứng nhanh trong quá trình phân loại sản phẩm, bằng cách kết hợp sự tương tác giữa robot và xử lý ảnh. Tổng quan, phạm vi nghiên cứu bao gồm việc thiết kế và chế tạo robot song song với 3 bậc tự do, bên cạnh đó là việc phát triển giao diện điều khiển và tích hợp xử lý ảnh.
Mục tiêu là xây dựng một dây chuyền sản xuất linh hoạt, có khả năng đáp ứng nhanh trong quá trình phân loại sản phẩm. Phương pháp nghiên cứu Đề tài này kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm: Phần nghiên cứu lý thuyết: - Tiến hành tính toán động học thuận và động học nghịch của robot Delta để xây dựng thuật toán giải quyết bài toán động học thuận/ động học nghịch. - Thực hiện tính toán và thiết kế phần cơ khí cho robot, nhằm đảm bảo độ chính xác và độ cứng vững cần thiết để đồng thời đáp ứng yêu cầu điều khiển chính xác. - Nghiên cứu các phương pháp điều khiển, lựa chọn mạch điều khiển, xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển.
- Xây dựng thuật toán xử lý ảnh phân biệt màu sắc. Phần nghiên cứu thực nghiệm: - Chế tạo mô hình thực nghiệm của Robot Delta và bắt đầu điểu khiển robot thực hiện các công việc yêu cầu. 2 - Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát cho hệ thống để tương tác và quan sát quá trình hoạt động của hệ thống.1 Cơ sở phương pháp luận Một trong những phần quan trọng của nghiên cứu là xây dựng một phương pháp để có thể xác định cấu trúc và kích thước động nhằm tối ưu vùng không gian làm việc của đầu công tác. Phương pháp này sẽ sử dụng công cụ và phương pháp tính toán nhằm đạt được cấu trúc và kích thước động một cách chính xác và hiệu quả.
Đồng thời, đề tài còn tập trung vào nghiên cứu và thiết kế cơ hệ máy song song, đảm bảo độ cứng vững động lực khi chịu tác động của hệ lực làm việc. Một mô hình bài toán được sử dụng để đảm bảo tính cứng vững của cơ hệ máy song song và mô phỏng kết quả tính toán thông qua phần mềm hỗ trợ tính toán và mô phỏng động lực học. Việc này sẽ cung cấp cơ sở cần thiết cho mục đích chế tạo và tích hợp phần kết cấu cơ khí của toàn máy một cách hiệu quả. Phần quan trọng khác của đề tài là nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển cho robot Delta.
Trong quá trình này, sẽ tập trung vào phương pháp tính toán chính xác và xử lý thời gian thực cho bài toán động lực học thuận và động lực học nghịch. Ngoài ra, sẽ quan tâm đến việc nhận dạng thật chính xác các thông số từ mô hình và xây dựng cấu trúc điều khiển nhằm giảm tối đa ảnh hưởng của nhiễu trong quá trình hoạt động. Tóm lại, phương pháp luận của đề tài sẽ tập trung vào xác định cấu trúc và kích thước động, nghiên cứu thiết kế cơ hệ máy song song và phát triển bộ điều khiển cho Robot Delta. Để có thể làm tốt những việc trên thì cần phải được thực hiện thông qua việc sử dụng các công cụ tính toán, mô phỏng và xử lý dữ liệu để đạt được kết quả chính xác nhất và hiệu quả nhất trong quy trình thiết kế và chế tạo.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể Nghiên cứu tập trung vào việc lựa chọn giải pháp và thiết kế hệ thống truyền động dựa trên cấu trúc và kích thước đã được xác định trước đó.
Giải pháp ưu tiên được lựa chọn là truyền động gián tiếp sử dụng động cơ bước để đáp ứng yêu cầu về lực và đặc tính động học. Nghiên cứu xác định bài toán xử lý ảnh để nhận diện màu sắc và phân loại chính xác các đối tượng trong việc phân loại sản phẩm. Mục tiêu là xây dựng giao diện điều khiển kết hợp với tín hiệu từ bộ xử lý ảnh để tạo ra một hệ thống đáp ứng nhanh và chính xác. Tiến hành thực nghiệm để kiểm tra cùng với đó là đánh giá các chức năng hoạt động của robot và tích hợp vào dây chuyền sản xuất.
Kết quả được so sánh với quá trình phân loại thủ công trong dây chuyền phân loại sản phẩm. Qua quá trình này, đề tài sẽ hoàn thiện sản phẩm nghiên cứu và viết báo cáo tổng hợp kết quả nghiên cứu khoa học và công nghệ của đề tài. Kết cấu của ĐATN Đồ án tốt nghiệp bao gồm 7 chương, trong đó chương 2 trình bày tổng quan về nghiên cứu đề tài bao gồm khái niệm về Robot Delta và các nghiên cứu liên quan đến đề tài. Chương 3 đề cập đến các kiến thức đã được học để tính toán các thông số cần thiết.
Chương 4 tập trung vào thiết kế cơ khí cho hệ thống cũng như tính toán và lựa chọn các thông số phù hợp cho hệ thống. Chương 5 nêu tổng quan hệ thống điện, các thiết bị điện dùng được dùng trong hệ thống Robot Delta. Chương 6 chỉ ra các thuận toán để điều khiển và xử lý từng khâu trong hệ thống. Chương 7 là tổng quan về kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp và thực nghiệm của hệ thống.
4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2. Giới thiệu Thuật ngữ “Robot” được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai đã sáng tạo ra các thiết bị tự động giống con người nhằm phục vụ cho nhân loại. Robot Delta là một dạng robot song song, được tạo thành từ ba cánh tay được nối với các khớp quay tại một bệ cố định.
Đặc điểm đặc biệt trong thiết kế của nó là sử dụng hình bình hành trong các cánh tay, từ đó duy trì sự định hướng của bộ phận đầu cuối, điều này khác biệt với nền tảng Stewart là có thể thay đổi hướng của bộ phận đầu cuối.