CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Các phương pháp sản xuất cũ dựa vào khuôn mẫu và các công nghệ cắt để tạo ra các hình dạng mong muốn. Thiết kế hình dạng hình học phức tạp có thể gây ra khó khăn và tốn kém cho công nghệ này. In 3D giải quyết vấn đề này một cách dễ dàng, và không có nhiều thử thách có thể làm khó được công nghệ này với vật liệu hỗ trợ phù hợp.
Khách hàng dễ dàng hình dung ý tưởng thiết kế. Rút ngắn thời gian tạo mô hình thu nhỏ kiến trúc 3D. Mô hình in 3D với chất lượng tuyệt vời, đa dạng chất liệu. Dễ dàng chỉnh sửa, tái sử dụng, in lại mô hình kiến trúc in 3D.
Để đáp ứng với nhu cầu ngày càng cao của các ngành tạo mẫu hay tạo khuôn thôi thúc công nghệ in 3D cũng như ra đời các loại máy in 3D khác nhau. Cánh tay robot in 3D là một trong số các loại máy in 3D hiện nay. Với những ưu thế nổi trội của cánh tay robot in 3D như: vật liệu in đa dạng (nhựa, kim loại, thực phẩm,…), có tính linh hoạt, độ bền, độ chính xác cao, thời gian in nhanh, tiết kiệm chi phí khi tạo khuôn. Bên cạnh đó, cánh tay robot in 3D được ứng dụng rỗng rãi trên nhiều lĩnh vực như xây dựng, kỹ thuật, sản suất,…Vì nó cho phép chúng ta tạo ra vật thể dưới dạng 3D một cách chính xác và hoàn chỉnh.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Tạo ra được các chi tiết dạng vừa và nhỏ, độ chính xác cao dưới hình dạng là mô hình 3D của chi tiết. Ý nghĩa thực tiễn: In 3D là để tạo mẫu công nghiệp một cách nhanh chóng và đơn giản, nhằm đẩy nhanh giai đoạn phát triển sản phẩm, phương thức sản xuất nguyên mẫu cho phép lặp lại nhiều mẫu thử với một giải pháp tối ưu. Điều này tiết kiệm thời gian và tiền bạc ngay từ khi bắt đầu quá trình phát triển toàn bộ sản phẩm và đảm bảo được độ chính xác trước khi làm công cụ sản xuất. Mục tiêu đề tài Đề tài nhằm nghiên cứu và thiết kế cánh tay robot in 3D, qua đó nghiên cứu tổng quan về cánh tay robot 3 bậc tự do, tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cánh tay robot, ứng dụng Arduino để điều khiển cánh tay robot.
Nghiên cứu công nghệ in FDM. Vận dụng các kiến thức đã học và tìm hiểu xây dựng mô hình cánh tay robot in 3D có thể hoạt động và lập trình được. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu Đối tương nghiên cứu của đề tài là mô hình cánh tay robot in 3D 3 bậc tự do sử dụng mạch Arduino để điều khiển. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo nguyên lý hoạt động của cánh tay robot và mạch điều khiển cũng như nghiên cứu công nghệ in FDM.
Vận dụng kiến thức để vận hành và lập trình điều khiển cánh tay robot in 3D. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan về cánh tay robot 3 bậc tự do. Nghiên cứu, thiết kế về truyền động của máy. Nghiên cứu hệ thống in FDM.
2 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu khái quát về cánh tay robot Cánh tay robot là một loại cánh tay cơ khí, thường là có thể lập trình, với các chức năng tương tự như một con cánh tay con người, cánh tay có thể là tổng của cơ chế hoặc có thể là một phần của robot phức tạp hơn. Các liên kết của một bộ điều khiển như vậy được kết nối bằng các khớp cho phép chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến. Các mắt xích của bộ điều khiển có thể được coi là tạo thành một chuỗi động học.
Cấu tạo về cánh tay robot 2. Khâu Các vật rắn riêng lẻ hình thành nên robot gọi là khâu. Khâu robot là khâu cứng hoặc mềm có thể chuyên động tương đối với các khâu khác. Từ quan điểm động học thì hai hoặc nhiều vật rắn kết nối với nhau mà không có chuyển động tương đối với nhau thì được gọi là khâu đơn.1: Các loại khớp thường được sử dụng trong robot Số bậc Ký Kiểu khớp Chuyển động Sơ đồ động học tự do hiệu Khớp quay 1 R Quay tròn Khớp tịnh tiến 1 P Thẳng Khớp trụ 2 C Trụ Khớp cầu 3 S Cầu Khớp vít 1 H Xoắn ốc Khớp phẳng 3 F Phẳng 3 Luan van 2.1: Khớp quay và tịnh tiến được sử dụng trên robot.
Hai khâu được nối với nhau thông qua khớp mà khi chuyển động tương quan có thể biểu diễn bởi một hệ trục. Trong các loại robot thường thấy hầu hết các loại khớp sử dụng đều là khớp quay và tịnh tiến. Khớp quay (R) giống như bản lề cho phép chuyển động quay giữa hai khâu. Khớp tịnh tiến (P) cho phép chuyển động tịnh tiến giữa hai khâu.
Chuyển động quay giữa hai khâu thông qua khớp quay xung quanh trục thì gọi là trục khớp. Tương tự như vậy, chuyển dộng tịnh tiến giữa hai khâu kết nối với nhau qua khớp tịnh tiến dọc theo trục gọi là trục khớp. Hệ trục thường gắn với khớp chủ động và được diều khiển bởi cơ cấu chấp hành. Khâu bị động không gắn với cơ cấu chấp hành hay động cơ nào.
Khớp chủ động thường là khớp quay hay khớp tịnh tiến tuy nhiên khớp bị động có thể là khớp loại thấp nhất để cho ra tếp xúc bề mặt. Có sáu kiểu khớp lạo thấp nhất như Bảng 2.1 gồm: quay, tịnh tiến, trụ, vít, cầu, phẳng. Khớp quay tịnh tiến là hai khớp thường được sử dụng nhiều nhất. Các cơ cấu trong robot Robot trong công nghiệp cũng như dịch vụ thường có nhiều bậc tự do hoạt động trong không gian đa chiều, có thể là chuỗi động học kín hay hở, chuỗi động học nối tiếp hay chuỗi đông học song song.
Trong hệ thống một bậc tự do, khi thay đổi một giá trị tại một khớp thì toàn bộ hệ thông thay đổi và các giá trị khác đuề được xác định thông qua các hàm ràng buộc. Tuy nhiên, trong cơ cấu nhiều bậc tự do thì các giá trị thay đổi riêng biệt để mà xác định các tham số hệ thống. Robot là kêt hợp của nhiều cơ cấu, mỗi cơ cấu cần biết được các giá trị các khớp để xác định vị trí cần tìm. Robot thường là hệ thống máu hoạt động trong không gian ba chiêu, vì vậy, chúng có thể di chuyển trong không gian hoạt động của chúng.
Robot có thể là cơ cấu dạng 4 Luan van chuỗi kín hay hở. Đối với chuỗi đong học hở khi tất cả các khớp thay đổi theo một giá trị đặc biệt thì vị trí khâu cuối vẫn không đổi. Còn đối với khâu hở thì biến dạng sẽ ảnh hưởng tói vị trí các khâu kế tiếp mà không ảnh hưởng đến khâu trước đó. Đối với chuỗi động hở, tất cả các tham số của khớp và khâu phải được đó liên tục và khâu cuối phải được kiểm soát để biết được vị trí động học của nó.
Sự khác nhau có thể biểu diễn bằng cách so sánh các phương trình vector mô tả mối liên hệ giữa các khâu khác nhau cảu hai cơ cấu trên như sau: - Đối với hệ thống kín ̅̅̅̅̅ 𝑂1 𝐴 + ̅̅̅̅ 𝐴𝐵 = ̅̅̅̅̅̅̅ 𝑂1 𝑂2 + ̅̅̅̅̅ 𝑂2 𝐵 - Đối với hệ thống hở ̅̅̅̅̅ 𝑂1 𝐴 + ̅̅̅̅ 𝐴𝐵 + ̅̅̅̅ 𝐵𝐶 + ̅̅̅̅̅ 𝑂1 𝐶 Hình 2.2: Cơ cấu chuỗi động học hở và chuỗi động học kín a. Bậc tự do Bậc tự do (Degree of Freedom – DoF) của cơ cấu là số lường tham số tự do hay khả năng di chuyển của cơ cấu. Số bậc tự do của robot chính là khả năng di chuyển cảu robot trong hệ tọa độ gắn liền với điểm tham chiếu. Các chuyển động kích hoạt trong robot chúng ta thường thấy là chuyển động quay hay tịnh tiến.
5 Luan van Hình 2.3: Số bậc tự do của robot với các khớp quay và bệ di chuyển Hình 2.4: Bậc tự do của robot PUMA b. Cấu trúc động học Theo cấu trúc động học, robot được chia ra làm hai loại: robot cấu trúc động học nối tiếp và robot cấu trúc động học song song. Robot được gọi là robot cấu trúc động học nối tiếp (Serial Robot) hay robot động học vòng hở (Open Loop Robot) nếu cơ sở cấu trúc động học của nó hình thành nên chuỗi hở. Robot song song (Parallel Robot) hay robot động học song song (Parallel Kinematic Robot) hay robot động học kín (Closed Loop Robot) nếu các khâu hình thành nên chuỗi động học kín.
Robot 6 Luan van động học hỗn hợp bào gồm cả hai chuỗi động học kín và hở. Mỗi loại cấu hình đều có ưu và nhược điểm riêng, do đó khi thiết kế robot chúng ta phải cần cân nhắc để lựa chọn cấu hình phù hợp. Một robot được gọi là tay máy đọng học nối tiếp hoặc hở nếu cấu trúc đọng học không tạo thành vòng kín. Còn tay máy vòng kín hoặc song song khai cấu trúc cảu nó tạo thành vòng.
Còn robot dạng lai (hybrid) nếu cấu trúc của nó kết hợp cả chuỗi đông học kín và hở. Như một hệ thống cơ khí, một robot là tập hợp các vật cũng kết nối với nhau thông qua các khớp.2: So sánh đặc tính của robot cơ cấu nối tiếp và song song Các khớp có thể là khớp tịnh tiến(P) hay khớp quay (R) bởi vì bất cứ khớp nào chúng ta cũng có thể mô hình hóa dươi dạng hai khớp đơn giản này. Hầu hết robot công nghiệp đều có sáu bậc tự do. Tay máy vòng hở có thể được phân loại dựa trên ba khớp đầu tiên bắt đàu từ khớp ở bệ.
Với hai loại khớp, chúng ta có thể tổ hợp thành 72 cấu hình tay máy công nghiệp khác nhau. Do mỗi khớp có thể tính tiến hay quay và các trục này có thể song song và các trục khớp này có thể song song, vương góc, cắt nhau. Cấu trúc không gian hoạt động Không gian hoạt động được xác định là thể tích không gian làm việc của cơ cầu chấp hành cuối mà nó có thể hướng tới. Không gian làm việc bị khống chế bởi kích thước hình học của tay máy cũng như khống chế bởi cấu trúc cơ khí của khớp.
Hai khái niệm hay sử dụng trong không gian làm việc hay sử dụng là không gian với tới (ReachableWorkspace), không gian hoạt động đầu công tác. Không gian với tới là không gian mà cơ cầu chấp hành có thể hướng tới theo ít nhất một hướng. Không gian dextrous là không gian tập hợp các điểm mà robot có thể hướng cơ câu chấp hành theo tất cả mọi hướng.