CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU ROBOT DELTA Robot Delta, được phát triển bởi giáo sư Reymond Clavel tại École Polytechnique Fédérale de Lausanne từ những năm 1980, là một loại robot công nghiệp có cấu trúc cơ học đặc biệt, nổi bật với khả năng vượt trội trong các lĩnh vực đòi hỏi tốc độ và độ chính xác cao, làm nổi bật sự khác biệt của nó trong ngành tự động hóa. Robot Delta có cấu trúc đặc trưng với ba cánh tay song song nối từ một đế cố định đến một mâm di động. Mỗi cánh tay thường được cấu tạo từ hai thanh nối cứng, được điều khiển bởi ba động cơ đặt trên đế cố định. Đặc điểm này giúp mâm di động của robot Delta có thể hoạt động linh hoạt trong không gian ba chiều, nhưng chỉ giới hạn trong một vùng làm việc nhất định.
1: Hình ảnh Robot Delta 1 Ưu Điểm Của Robot Delta - Tốc Độ Cao: Nhờ cấu trúc nhẹ và linh hoạt, robot Delta có khả năng di chuyển nhanh chóng, thường được dùng trong các dây chuyền sản xuất cần tốc độ cao như đóng gói, lắp ráp linh kiện, và phân loại sản phẩm. - Độ Chính Xác Cao: Với thiết kế cơ học ổn định, robot Delta đảm bảo tính chuẩn xác trong các tác vụ đòi hỏi sự tỉ mỉ như gắp, đặt các chi tiết nhỏ trong dây chuyền sản xuất. - Linh Hoạt: Robot Delta dễ dàng lập trình để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau. - Tiết Kiệm Không Gian: Thiết kế nhỏ gọn và vùng làm việc tập trung giúp robot Delta tiết kiệm không gian trong các nhà máy sản xuất.
Với các đặc tính nổi trội Robot Delta được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là 1 số ví dụ cụ thể: - Ứng dụng trong công nghiệp: Phân loại và đóng gói các sản phẩm công nghiệp… - Ứng dụng trong y học: Đóng gói và kiểm tra chất lượng các sản phẩm y tế… - Ngành Tự Động Hóa: Thực hiện các nhiệm vụ gắp, đặt và phân loại trong dây chuyền sản xuất tự động… 1.2 MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1.1 Mục tiêu - Củng cố kiến thức đã học. - Phát triển mô hình robot Delta với cấu trúc cơ học tối ưu cho việc phân loại sản phẩm. - Đảm bảo robot phải hoạt động đúng với các tiêu chí đặt ra là ổn định, chính xác và hiệu quả.
- Đảm bảo hệ thống nhận diện chính xác các màu sắc khác nhau của sản phẩm (cụ thể là 3 màu xanh, đỏ, vàng). 2 - Thử nghiệm robot trong thực tế để đánh giá hiệu suất, điều chỉnh và tối ưu hoá hệ thống để đạt được hiệu quả cao.2 Nhiệm vụ - Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của robot Delta. - Nghiên cứu các công nghệ nhận diện màu sắc hiện đại. - Tiến hành chế tạo các bộ phận cơ khí, điện tử của robot và lắp ráp hoàn chỉnh robot.
- Phát triển phần mềm xử lý ảnh - Tiến hành thử nghiệm thực tế và đánh giá khả năng làm việc của robot - Thu thập dữ liệu sau đó phân tích đưa ra các điều chỉnh hệ thống để cải thiện hiệu quả hoạt động. - Tổng hợp kết quả trong quá trình thử nghiệm, đưa ra các đề xuất về việc ứng dụng robot Delta trong các lĩnh vực khác nhau nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Ý nghĩa khoa học Những kết quả nghiên cứu của robot Delta phân loại sản phẩm theo màu tạo ra tiềm năng lớn cho nhiều ứng dụng trong nghiên cứu. Ngoài ra việc nghiên cứu robot Delta kết hợp xử lý ảnh có thể giúp robot Delta nhận diện và định vị vật thể trong không gian làm việc, theo dõi đối tượng một cách tự động và chính xác. Điều này mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa, sản xuất công nghiệp, y tế, nông nghiệp thông minh và nhiều lĩnh vực khác.2 Ý nghĩa thực tiễn Nhóm đã triển khai kiến thức để phát triển hệ thống Robot Delta, dựa trên cơ sở lý thuyết, thiết kế cơ khí, thuật toán điều khiển và xử lý ảnh, nhằm đạt được các mục tiêu sau: - Tăng năng suất - Tiết kiệm thời gian, chi phí và giảm sức lao động.
3 - Đảm bảo tính chính xác trong quy trình sản xuất. - Mở ra tiềm năng trong lĩnh vực tự động hóa. Điều này cũng mang đến đóng góp quan trọng cho nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.1 Đồi tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là Robot Delta, sử dụng PLC S7-1200 kết hợp với công nghệ xử lý ảnh nhằm mục đích phân loại sản phẩm theo màu sắc. Bằng cách nghiên cứu tổng quan các khía cạnh về Robot Delta, đề tài sẽ cung cấp một cái nhìn toàn diện về việc ứng dụng robot Delta trong việc phân loại sản phẩm theo màu sắc 1.2 Phạm vi nghiên cứu Do kiến thức của nhóm nghiên cứu có hạn, nên đề tài xin phép được giới hạn trong việc triển khai các thuật toán xử lý ảnh và điều khiển hợp lý, kiểm chứng bằng cách kiểm nghiệm trên mô hình.
- Nhận diện và phân loại được sản phẩm theo màu. - Thiết kế tập bản vẽ cơ khí và điện - điện tử của hệ thống. - Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát. - Thiết kế mô hình kiểm nghiệm.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tham khảo sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn.
- Tham khảo tài liệu: Tham khảo các các thiết kế và điều khiển về Robot delta, tham khảo các video, tài liệu liên quan về Robot Delta trên Internet. - Tự nghiên cứu: Sau khi tham khảo giáo viên hướng dẫn, tài liệu thì tiếp tục tự nghiên cứu và chọn ra phương án thiết kế và điều khiển robot. - Phương pháp thử sai: Để nghiên cứu cho kết quả đúng thì sẽ đưa ra mô hình thực tế và phải trãi qua thực nghiệm kiểm tra độ chính xác và khả năng hoạt động hiệu quả của Robot. 4 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT DELTA 2.1 Cấu tạo robot Delta Hình 2.
1: Cấu tạo cơ bản của robot Delta [1] Như hình (Hình 2.1) cho thấy, cấu tạo Robot Delta bao gồm các bộ phận sau: - Bàn cố định F nằm ở phía trên. - Bàn di động E nằm ở phía dưới. 5 - Ba cánh tay chủ động F1 J1 , F2 J 2 và F3 J 3 liên kết với bàn cố định F và được dẫn động bởi 3 động cơ được gắn chặt với bàn máy cố định F. - Ba cánh tay bị động J1 E1 , J 2 E2 và J 3 E3 có cấu trúc hình bình hành giống nhau liên kết ba cánh tay chủ động với bàn di động E.
Cơ cấu hinh của ba cánh tay bị động đảm bảo chuyển động của bàn di động là chuyển động tịnh tiến. - Biến điều khiển 1 , 2 , 3 được xác định bằng quy tắc bàn tay phải [1].2 Động học thuận của robot Delta z y x rf re Hình 2. 2: Mô hình động học robot delta [1] - Các thông số của robot delta: - Độ dài cạnh tam giác của bàn cố định f. - Độ dài cạnh tam giác của bàn di động e.
6 - Độ dài khâu chủ động rf. - Độ dài khâu bị động re. Bài toán động thuận của robot detal là bài toán xác định tọa độ điểm E0 ( x0 ; y0 ; z0 ) dựa trên các giá trị của các góc 1 , 2 , 3 [1]. Nếu đã biết góc 1 , 2 , 3 , thì ta có thể tìm thấy tọa độ của các điểm J1 , J 2 và J 3.
Các khớp nối J1 E1 , J 2 E2 và J 3 E3 có thể tự do xoay quanh các điểm J1 , J 2 và J 3 tương ứng, tạo thành ba hình cầu có bán kính re [1]. 3: Mô hình động học robot delta [1] 7 Di chuyển tâm của các hình cầu từ các điểm J1 , J 2 và J 3 đến các điểm J1' , J 2' và J 3' bằng cách sử dụng các vector E1 E0 , E2 E0 và E3 E0 tương ứng. Sau khi di chuyển, tất cả ba mặt cầu sẽ giao nhau tại điểm E0 , như hình (Hình 2. 4: Mô hình động học robot delta [1] Từ hình (Hình 2.4) ta tìm được tọa độ các điểm J1 , J 2 và J 3 f f OF1 = OF2 = OF3 = tan(30) = (2.5) f −e J1' 0; − − rf cos 1; −rf cos 1 (2.6) 2 3 8 f −e f −e J 2' ( + rf cos 2 ) cos 30;( + rf cos 2 )sin 30; −rf cos 2 (2.7) 2 3 2 3 f −e f −e J 3' ( + rf cos 3 ) cos 30;( + rf cos 3 )sin 30; −rf cos 3 (2.8) 2 3 2 3 Giả sử tọa độ của các điểm J1 , J 2 , J 3 lần lượt là ( x1 , y1 , z1 ) , ( x2 , y2 , z2 ) , ( x3 , y3 , z3 ) và ta có x1 = 0 , thì suy ra được hệ ba phương trình mặt cầu như sau: x 2 + ( y − y1 ) 2 + ( z − z1 ) 2 = re2 ( x − x2 ) + ( y − y2 ) + ( z − z2 ) = re 2 2 2 2 (2.10) x2 + y 2 + z 2 − 2x x − 2 y y − 2z z = r 2 − x2 − y 2 − z 2 3 3 3 e 3 3 3 Đặt w i = xi2 + yi2 + zi2 với i=1,2,3.15) vào phương trình (1) của hệ phương trình (2.21) Cuối cùng, giải phương trình ta tìm được z0 (nên chọn gốc phương trình âm nhỏ nhất), và sau đó tính x0 và y0 từ (2.3 Động học nghịch của robot Delta Bài toán động nghịch của robot detal là bài toán xác định các giá trị của các góc 1 , 2 , 3 dựa trên tọa độ điểm E0 ( x0 ; y0 ; z0 ).
Như hình có thể thấy khớp nối F1 J1 của robot chỉ có thể xoay trong mặt phẳng YZ, tạo thành hình tròn với tâm tại điểm F1 và bán kính rf. Ngược lại với F1 , J1 và E1 được gọi là khớp vạn năng , nghĩa là E1 J1 có thể quay tự do tương đối với E1 , tạo thành hình cầu có tâm tại điểm E1 và bán kính re [1].