CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp với nhiều công nghệ mới, đòi hỏi phải xây dựng thêm cơ sở hạ tầng để hỗ trợ. Điều này dẫn đến sự phát triển của các tay máy để hỗ trợ con người về mọi mặt từ làm việc đến nghiên cứu, robot cáp là một trong nhiều loại tay máy đã được nghiên cứu. Robot song song điều khiển bằng cáp hay còn gọi là CDPR (Cable-Driven Parallel Robot) là trường hợp đặc biệt của robot song song. Với robot song song truyền thống, một số bộ truyền động gặp nhau ở một đầu hoặc khớp tác động.
Tuy nhiên, bộ tác động của CPDR được hỗ trợ bởi n cáp được điều khiển bởi n bộ truyền động hỗ trợ căng. Chuyển động của robot sẽ được điều khiển bằng cách điều chỉnh chiều dài của dây cáp với lực căng (lực không âm). Do chuyển động của bộ điều khiển được điều khiển bằng cáp nên nó có thể được triển khai trong không gian làm việc rộng lớn và có thể đạt được tốc độ cao. Nhờ khả năng làm việc trong không gian làm việc rộng lớn mà không tiêu tốn quá nhiều diện tích như các robot khác nên việc chứng minh có thể áp dụng được cho nhiều vấn đề thực tế trong đời sống.
Nhóm đã bắt đầu nghiên cứu và tính toán về động học cũng như lập kế hoạch quỹ đạo, động lực học và phát triển robot cáp phẳng mô hình của riêng mình để kiểm tra dữ liệu tính toán của nhóm. Ứng dụng: Khi ứng dụng Planar Cable Robot vào thực tế, cấu trúc robot không thay đổi chỉ cần thay thế đầu công tác. Để cắt laser một tấm kim loại có kích thước lớn, có thể gắn 4 bộ tời ở 4 góc của một mặt phẳng 2D và máy cắt sẽ được treo bởi 4 sợi dây cáp.2 Phương pháp nghiên cứu Thiết kế và lắp ráp mô hình robot cáp 3 bậc tự do sử dụng 4 động cơ servo. Nghiên cứu về động học, phân tích, mô phỏng động học của robot 3 bậc tự do bao gồm: động học thuận, động học nghịch, phương trình động học vận tốc.
Xây dựng bài toán phân phối lực căng cáp cho cáp. Ứng dụng được truyền thông EtherCAT trong điều khiển hệ thống Xây dựng màn hình giám sát và điều khiển robot.3 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, tính toán động học nghịch, động học thuận, quy hoạch quỹ đạo, động lực căng của CDPR, xây dựng mô hình cho robot. Ứng dụng hiểu biết về cơ cấu chấp hành và cơ cấu tời để thiết kế hệ thống tời và nâng cao độ chính xác trong chuyển động của robot. Vận dụng kiến thức điều khiển động cơ AC bằng giao thức truyền thông Ethercat và chương trình trong Matlab.
Phân tích giao thức truyền thông tiên tiến Ethercat để điều khiển các bộ truyền động cùng lúc. Thực hiện lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao Structured Text 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết và công nghệ Robot hiện đang trở thành một phần quan trọng và không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, từ sản xuất công nghiệp đến y tế và dịch vụ. Các công nghệ mới đã mở ra những cơ hội lớn cho sự phát triển của robot, mang lại những khả năng và tính năng ngày càng đa dạng. Nhằm đáp ứng nhu cầu này, các công nghệ liên quan tới robot, đặc biệt là robot công nghiệp đang được phát triển và cải tiến từng ngày.
Robot đã tồn tại và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực thực tế khác nhau ở các quốc gia trên thế giới. Hệ thống robot đại diện cho một tập hợp các máy móc có khả năng thực hiện công việc một cách tự động, được điều khiển bằng máy tính hoặc các vi mạch điện tử đã được lập trình trước. Robot là sự kết hợp giữa cơ khí, trí tuệ nhân tạo và công nghệ điện tử, tạo nên một hệ thống hoạt động đa chiều và linh hoạt. Robot được hình thành và phát triển ban đầu là một máy tự động có hình dạng tương tự con người, được tạo ra và điều khiển bởi con người.
Tuy nhiên, việc lập trình robot đòi hỏi tuân thủ ba quy tắc cơ bản sau: Robot không được xúc phạm cũng như gây tổn hại đến con người. Hoat động của robot phải tuân theo nguyên tắc do con người đặt ra. Robot cần tự bảo vệ cho nó nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trên. Ba nguyên tắc trên đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng và vận hành robot.
Khả năng hoạt động của robot yêu cầu sự kết hợp giữa hai yếu tố chính là cơ khí và điện tử. yếu tố cơ khí ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu thiết kế, quy trình truyền động và cấu trúc thực hiện chức năng. Trong khi đó, yếu tố điện tử thu nhập các tín hiệu và dữ liệu môi trường, sau đó truyền về hệ thống điều khiển như máy tính hoặc vi mạch điện tử. Robot song song điều khiển bằng cáp (CDPR, viết tắt là robot cáp) là một nhánh của robot động học song song trong đó cáp linh hoạt được sử dụng làm bộ truyền động.
Robot truyền động bằng cáp là một loại robot có cấu tạo bao gồm một bệ di động hoặc cơ cấu chấp hành cuối được kết nối với khung cố định thông qua các dây cáp có chiều dài được điều khiển bằng tời hoặc các dạng khác. Nhìn chung, các robot cáp rẻ hơn và dễ chế tạo hơn các robot thông thường, có thể bao phủ các không gian làm việc khổng lồ với kích thước cơ cấu chấp hành nhỏ, dễ di chuyển. So với các robot song song liên kết cứng truyền thống, robot cáp có quán tính nhỏ hơn nhiều và 3 tỷ lệ trọng tải trên trọng lượng cao hơn, cung cấp tốc độ và gia tốc cao của cơ cấu chấp hành. Ngoài ra, do phạm vi mở rộng và tính khả thi của cáp, robot cáp có thể được áp dụng trong các nhiệm vụ đầy thách thức đòi hỏi phải di chuyển với không gian làm việc lớn, có thể tiếp cận và có khả năng phát triển tốt hơn.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí Đồ án này giúp nhóm áp dụng kiến thức đã học vào thực tế, bao gồm những kỹ năng và kiến thức sau đây: Kiến thức về vật liệu học: Chọn lựa vật liệu phù hợp dựa trên chức năng và độ bền của các thành phần trong đề tài.
Kỹ năng về kỹ thuật: Thiết kế và tạo ra bản vẽ 2D, 3D để phục vụ cho gia công cơ khí. Sử dụng các công cụ và phần mềm như Solidworks để tạo ra các mô hình và thiết kế chi tiết. Thiết kế cơ khí: Sử dụng phần mềm Solidworks và kiến thức về cơ khí để thiết kế và tính toán các thành phần và cấu trúc liên quan trong đề tài. Nguyên lý của chi tiết máy: Áp dụng kiến thức về nguyên lý cơ khí và các cơ cấu truyền động để tính toán và lựa chọn các phương án phù hợp cho cấu trúc và hoạt động của máy.
Dung sai kỹ thuật và đo lường: Áp dụng kiến thức về dung sai kỹ thuật và các phương pháp đo lường để kiểm tra sự chính xác và đảm bảo các chi tiết được thiết kế và gia công cơ khí đạt yêu cầu kỹ thuật. Kỹ thuật robot: Tính bài toán động học thuận và động học nghịch của ma trận. Các môn đại cương cũng góp phần lớn trong các phép tính. Với đề tài thiết kế robot cáp thì có rất nhiều cơ cấu và lựa chọn.
Nhưng nhìn chung đều có ba thành phần chính là khung máy, đầu công tác, bộ thu xả dây. Nhằm đảm bảo kiểm soát dễ dàng được các góc, lực căng dây cũng như cân bằng cho robot đòi việc tính toán và lựa chọn cấu hình robot phù hợp với yêu cầu đặt ra. Với cơ cấu phù hợp robot có thể dễ dàng di chuyển và hoạt động trong không gian làm việc. Bằng việc tính toán độ dài và lực căng dây cáp ta có thể xác định vị trí của robot thông qua các phương trình động học thuận và động học nghịch.3 Cơ sở lý thuyết về điện – điện tử Kiến thức về điện – điện tử được sử dụng rất phổ biến trong quá trình hoàn thành đồ án, kiến thức về các môn học như kỹ thuật số, kỹ thuật điện – điện tử và lập 4 trình trong kỹ thuật được áp dụng để lập trình, tính toán các giá trị sao cho phù hợp với yêu cầu thực tiễn.4 Cơ sở lý thuyết về lập trình Lập trình máy tính đã trở thành một công nghệ phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giáo dục, công nghiệp.
Nó đóng vai trò quan trọng điều khiển robot công nghiệp và các robot khác. Tính ứng dụng đa dạng của lập trình là một trong những yếu tố quan trọng tạo nên sự phổ biến của nó. Tuy nhiên nhìn chung thì để sử dụng phải có kiến thức về ngôn ngữ lập trình C. Vì đây là ngôn ngữ phổ biến được sử dụng rộng rãi nhất là trong môi trường sư phạm, kỹ thuật.
Ngôn ngữ này dễ tiếp cận, đơn giản dễ tiếp thu, có thư viện hỗ trợ. Ngôn ngữ lập trình C có thư viện phong phú, giúp người lập trình tiết kiệm thời gian, công sức. Cung cấp nhiều phép toán hữu ích cho giải quyết bài toán kỹ thuật phức tạp. Ngôn ngữ C còn cho phép người lập trình tự định nghĩa kiểu dữ liệu trừu tượng, mở rộng khả năng biểu diễn và xử lý dữ liệu theo từng bài toán cụ thể các nghiên cứu liên quan tới đề tài.5 Cơ sở lý thuyết về nội suy Giải thuật nội suy Giải thuật nội suy trong điều khiển động cơ là một phương pháp quan trọng để đảm bảo rằng các động cơ di chuyển một cách mượt mà và chính xác theo các lộ trình định trước.
Các giải thuật này thường được sử dụng trong các hệ thống CNC (Computer Numerial Control), robot và các ứng dụng tự động hóa khác. Dưới đây sẽ trình bày lý thuyết phương pháp nội suy đường thẳng và cung tròn cơ bản.1 Phương pháp DDA trong nội suy đường thẳng Hình 2. 1: Không gian làm việc 2D 5 Giả sử, hình 2.1 biểu diễn không gian làm việc của một máy CNC, đầu công tác muốn di chuyển từ điểm bắt đầu tới vị trí P1(A,B) thì có 3 cách: - Trục X di chuyển tới vị trí A, sau đó trục Y di chuyển tới vị trí B - Trục Y di chuyển tới vị trí B, sau đó trục X di chuyển tới vị trí A - Cả hai trục đồng thời chuyển động.