CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu Robot Delta Khái niệm robot có cấu trúc song song được Gough và Whitehall đưa ra vào năm 1962. Ngày nay, Delta robot (robot song song là một loại robot được sử dụng nhiều trong công nghiệp, đặc biệt là trong khâu phân loại và đóng gói sản phẩm nhờ vào đặc tính có tốc độ và độ chính xác cao. Robot Delta có cơ cấu động học song song ba bậc tự do, cấu trúc vòng kín.
Trong đó có ba nhánh, với mỗi nhánh, một đầu được nối vào giá di động thông qua cơ cấu hình bình hành. Với cấu trúc hình học như vậy nên giá di động luôn định hướng và chỉ có thể chuyển động tịnh tiến theo 3 trục XYZ. Với nhiều đặc tính nổi trội nên Robot Delta được ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống. Dưới đây là 1 số ví dụ cụ thể: Ứng Dụng Trong Công Nghiệp: Hình 1.1 Robot Delta công đoạn đóng gói sản phẩm nhà máy Vinamilk 1 Hình 1.2 Robot Delta trong công nghiệp Ứng dụng trong Y học: Hình 1.3 Robot Delta sử dụng để nâng kính giúp bác sĩ phẫu thuật 2 Ứng dụng trong học tập, nguyên cứu khoa học: Hình 1.4 Sáng kiến SV ứng dụng robot Delta diệt cỏ loại sâu 1.
Mục tiêu, nhiệm vụ đề tài Tìm hiểu cấu tạo thành phần, cấu trúc cơ bản của Robot Delta, tính toán động lực học và áp dụng thực tế về phân loại sản phẩm. Xây dựng phần mềm điều khiển Robot Delta với cả 2 chế độ Auto và Manual, mô phỏng quá trình phân loại sản phẩm trong công nghiệp. Phương án Nhận dạng đối tượng bằng Camera sau đó gửi về PC các giá trị tọa độ, màu sắc, kích thước của đối tượng. PC nhận được dữ liệu sẽ tính toán qua phương trình động lực học để gửi thông tin cho PLC để điều khiển Robot tới gắp và thả vào ô phân loại.
Sử dụng động cơ bước cho 3 cánh tay của Robot để robot vận hành một cách linh hoạt. Sử dụng Web Camera để để nhận dạng vì Web Camera có giá thành rẻ, dễ dàng kết nối với PC nhưng vẫn đáp ứng đủ các tiêu chí theo yêu cầu của đề tài. Các bước tiến hành B1: Xây dựng chương trình tính toán động lực học thuận/nghịch của Robot Delta. B2: Cấu hình PLC S7-1200 đề điều khiển nhiều động cơ bước cùng lúc, sử dụng phần mềm TIA Portal V15.
3 B3: Xây dựng giao diện chương trình điều khiển Robot Delta với ba phần chính: Kết nối PC với PLC, Chế độ Manual, Chế độ Auto. Sử dụng nền tảng Winform của C#. B4: Thiết kế và thi công mô hình in 3D của Robot Delta. B5: Đưa phương trình động lực vào trong chương trình điều khiển truyền thông giữa chương trình điều khiển với PLC bằng OPC Kepserver, tiến hành vận hành Manual.
B6: Nhúng thư viện EmguCV vào phần mềm, lắp thêm Web Camera, điều khiển, xây dựng chương trình xác định tọa độ và màu sắc của vật mẫu để tiến hành phân loại, tiến hành vận hành Auto. B7: Vận hành hiểu chỉnh phần cứng và phần mềm. 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Phương trình động lực học Robot Delta 2.
Cấu tạo robot song song Delta Hình 2.1 Cấu tạo cơ bản của Robot Delta Cấu tạo của robot bao gồm các phần như sau: - Bàn máy cố định F, bàn máy động E. - Ba khâu chủ động F1J1, F2J2, F3J3 liên kết với bàn máy cố định bằng các khớp quay và được dẫn động bởi 3 động cơ, các động cơ này gắn chặn với bàn máy cố định F. - Ba khâu bị động J1E1, J2E2, J3E3, mỗi khâu là một cấu trúc hình bình hành. Nhờ tính chất của các khâu hình bình hành nên bàn máy động là một vật rắn chuyển động tịnh tiến trong không gian.
Như vậy robot có 3 bậc tự do xác định bởi 3 toạ độ θ1 , θ2 , θ3 trong không gian khớp. Động học thuận Robot Từ các góc θ1 , θ2 , θ3 → Tọa độ (𝐱 𝟎 , 𝐲𝟎 , 𝐳𝟎 ) của điểm E0. Nếu ta đã biết góc θx , chúng ta có thể dễ dàng tìm thấy tọa độ của các điểm J1, J2 và J3. Các khớp nối J1E1, J2E2 và J3E3 có thể tự do xoay quanh các điểm J1, J2 và J3 tương ứng, tạo thành ba hình cầu có bán kính re.2 Mô hình động học robot delta Ta di chuyển các tâm của các hình cầu từ các điểm J1 , J2 và J3 đến các điểm J’1 , J2′ và J’3 bằng cách sử dụng các vector chuyển tiếp E1 E0 , E2 E0 và E3 E0 tương ứng.
Sau quá trình chuyển đổi này, tất cả ba hình cầu sẽ giao nhau tại một điểm: E0 , như được thể hiện trong hình phía dưới: Hình 2.3 Mô hình động học robot delta Vì vậy, để tìm tọa độ (x0 , y0 , z0 ) của điểm E0 , chúng ta cần giải quyết tập hợp ba 2 2 2 phương trình như (x − xj ) + (y − yj ) + (z − zj ) = re2 , nơi tọa độ các tâm hình cầu (xj , yj , zj ) và bán kính re đã biết.4 Tọa độ các điểm J1′ , J2′ , J3′ trên mặt phẳng Oxy f f OF1 = OF2 = OF3 = tan(300 ) = 2 2√3 e e J1 J1′ = J2 J2′ = J3 J3′ = tan(300 ) = 2 2√3 F1 J1 = rf cos(θ1 ) , F2 J2 = rf cos(θ2 ) , F3 J3 = rf cos(θ3 ) f−e J1′ (0; − − rf cos θ1 ; −rf sin θ1 ) 2√3 f−e f−e J2′ (( + rf cos θ2 ) cos 300 ; ( + rf cos θ2 ) sin 300 ; −rf sin θ2 ) 2√3 2√3 f−e f−e J3′ (( + rf cos θ3 ) cos 300 ; ( + rf cos(θ3 )) sin 300 ; −rf sin θ3 ) 2√3 2√3 Trong các phương trình sau đây ta sẽ chỉ định tọa độ của các điểm J1 , J2 , J3 là (x1 , y1 , z1 ), (x2 , y2 , z2 ) và (x3 , y3 , z3 ). Dưới đây là phương trình của ba hình cầu: x 2 + (y − y1 )2 + (z − z1 )2 = re2 {(x − x2 )2 + (y − y2 )2 + (z − z2 )2 = re2 (x − x3 )2 + (y − y3 )2 + (z − z3 )2 = re2 x 2 + y 2 + z 2 − 2y1 y − 2z1 z = re2 − y12 − z12 (1) ⇒ { x 2 + y 2 + z 2 − 2x2 x − 2y2 y − 2z2 z = re2 − x22 − y22 − z22 (2) x 2 + y 2 + z 2 − 2x3 x − 2y3 y − 2z3 z = re2 − x32 − y32 − z32 (3) Đặt: wi = xi2 + yi2 + zi2 , ta được: 7 (w1 − w2 ) x2 x + (y1 − y2 )y + (z1 − z2 )z = (4) = (1) − (2) 2 (w1 − w3 ) x3 x + (y1 − y3 )y + (z1 − z3 )z = (5) = (1 ) − (3) 2 (w 2 − w 3 ) (x 2 − x 3 )x + (y2 − y3 )y + (z2 − z3 )z = (6) = (2) − (3) { 2 Từ (4) - (5): x = a1 z + b1 (7) y = a2 z + b2 (8) 1 a1 = [(z − z1 )(y3 − y1 ) − (z3 − z1 )(y2 − y1 )] d 2 1 b1 = − [(w2 − w1 )(y3 − y1 ) − (w3 − w1 )(y2 − y1 )] 2d 1 a2 = − [(z2 − z1 )x3 − (z3 − z1 )x2 ] d 1 b2 = [(w2 − w1 )x3 − (w3 − w1 )x2 ] 2d d = (y2 − y1 )x3 − (y3 − y1 )x2 Thế (7), (8) vào (1) ta được: (a21 + a22 + 1)z 2 + 2(a1 + a2 (b2 − y1 ) − z1 )z + (b12 + (b2 − y1 )2 + z12 − re2 ) = 0 Cuối cùng, ta cần giải phương trình này và tìm z0 (chúng ta nên chọn gốc phương trình âm nhỏ nhất), và sau đó tính x0 và y0 từ (7) và (8). Động học nghịch Robot Động học nghịch: Hình 2.5 Mô hình động học robot delta với các thông số cho trước 8 Các thông số: f, rf, re, e cho trước. Do khớp nối thiết kế của robot F1J1 (xem hình bên dưới) chỉ có thể xoay trong mặt phẳng YZ, tạo thành hình tròn với tâm tại điểm F1 và bán kính rf.
J1 và E1 được gọi là khớp nối phổ quát, có nghĩa là E1J1 có thể xoay tự do tương đối với E1, tạo thành hình cầu với tâm tại điểm E1 và bán kính re.6 Minh họa động học của cánh tay đòn Giao điểm của hình cầu này và mặt phẳng YZ là một đường tròn có tâm tại điểm E1′ và bán kính E1′ J1 (trong đó E1′ là phép chiếu của điểm E1 trên mặt phẳng YZ). Điểm J1 có thể được tìm thấy bây giờ như là giao điểm của các đường tròn bán kính đã biết với tâm là E1′ và F1 (chúng ta chỉ nên chọn một điểm giao nhau với tọa độ Y nhỏ hơn). Và nếu ta biết J1 , ta có thể tính được góc θ1. Xét mặt phẳng YZ: Hình 2.7 Mặt phẳng YZ 9 Ta có: E(x0 , y0 , z0 ) e e EE1 = tan30o = 2 2√3 e e E1 (x0 , y0 − , z0 ) ⇒ E1′ = (0, y0 − , z0 ) 2√3 2√3 2 EE1′ = x0 ⇒ E1′ J1 = √E1 J12 − E1 E1′ = √re2 − x02 f F1 (0, − , 0) 2√3 2 2 (yJ1 − yF1 ) + (zJ1 − zF1 ) = rf2 { 2 2 (yJ1 − yE′1 ) + (zJ1 − zE′1 ) = re2 − x02 2 f (yJ1 + ) + zJ21 = rf2 ⇒ 2√3 ⇒ J1 (0, yJ1 , zJ1 ) e 2 2 (yJ1 − y0 + ) + (zJ1 − z0 ) = re2 − x02 { 2√3 zJ1 θ1 = arctan ( ) yF1 − yJ1 Do khớp F1 J1 chỉ di chuyển trong mặt phẳng YZ, vì vậy chúng ta hoàn toàn bỏ qua tọa độ X.
Để tận dụng tính chất này cho các góc còn lại θ2 và θ3 , chúng ta nên sử dụng tính đối xứng của delta robot. Đầu tiên, chúng ta hãy xoay hệ tọa độ trong mặt phẳng XY xung quanh trục Z một góc 1200 ngược chiều kim đồng hồ, như được hiển thị bên dưới.8 Quy đổi tọa độ 10 Ta đã có một khung tham chiếu mới X'Y'Z', và với khung này ta có thể tìm thấy góc 𝛉𝟐 bằng cách sử dụng cùng một thuật toán mà ta sử dụng để tìm 𝛉𝟏 .