Chương 1. Tổng quan lazer lỗ tròn giữa tâm với kích thước thực tế đo được như Bảng 1.4: Kích thước vật mẫu Kích thước hình vuông Đường kính Đường Độ hở Màu sắc Kích thước Cạnh L vòng tròn D kính lỗ d (mm) (mm) (mm) (mm) S 29,87 15,20 14,65 0,55 Đỏ M 39,85 20,31 19,75 0,56 L 49,95 25,25 24,90 0,35 S 29,75 15,10 14,65 0,45 Đen M 39,50 20,10 19,85 0,25 L 49,50 25,10 24,50 0,60 Trung bình 0,46 ➢ Robot có nhiệm vụ xác định vị trí của các vật mẫu bằng camera, tiến hành phân loại và sắp xếp các vật thể.4 Cấu trúc luận văn Với mục tiêu và nhiệm vụ đã đề ra, cấu trúc luận văn dự kiến gồm có 6 chương với nội dung như sau: Chương 2: Tiến hành phân tích động học và khảo sát vùng làm việc, thực hiện mô phỏng. Chương 3: Phân tích mô hình cơ khí, triển khai hệ thống điều khiển chuyển động. Tiến hành thực nghiệm.
Chương 4: Phân tích nguyên nhân sai số, thực hiện thay đổi thiết kế cơ khí. Tiến hành thực nghiệm đánh giá giá lại độ chính xác của robot. Chương 5: Xây dựng giải thuật xác định tọa độ và phân loại sản phẩm mẫu. Tiến hành thực nghiệm và phân tích kết quả.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Phân tích bài toán động học CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC Chương 2 sẽ thực hiện phân tích động học của robot delta. Những thông số tìm được từ việc phân tích động học sẽ chỉ ra mối quan hệ giữa thông số đầu vào là góc quay động cơ và đầu ra là vị trí điểm công tác, tìm ra vùng không gian làm việc của robot.
Toàn bộ những tìm hiểu trên sẽ được dùng để xây dựng hệ thống về sau.1 Xác định bậc tự do robot Mục đích nhằm xác định bậc tự do cơ cấu, từ đó giúp xác định được quy luật chuyển động của robot, số quy luật chuyển động cần biết trước của robot phải bằng số bậc tự do của cơ cấu.1: Cấu trúc cơ bản của robot delta [37] Robot delta bao gồm nhiều chuỗi động vòng kín với một nhóm các trục và cơ cấu tác động cuối mắc song song với nhau. Robot delta là một robot bao gồm ba cánh tay được nối với các khớp quay ở bệ cố định. Đặc điểm thiết kế chính của robot là sử dụng các khâu hình bình hành để giúp duy trì sự định hướng và cân bằng của khâu đầu cuối. Cấu trúc cơ bản của robot delta được trình bày ở Hình 2.1, thành phần bao gồm: • Khâu đế (Base plate): đế cố định được gá lên khung của robot, có nhiệm vụ định vị vị trí và hướng của động cơ truyền động.
• Khâu chủ động (Upper arm): được gắn với động cơ dẫn động đặt trên khâu đế, có nhiệm vụ nhận lực dẫn động từ động cơ và truyền cho khâu bị động thông qua khớp xoay (khớp loại 5) với 1 bậc tự do. • Khâu bị động (Forearm): kết nối khâu chủ động và khâu công tác bằng cơ 11 Chương 2. Phân tích bài toán động học cấu hình bình hành. Cơ cấu hình bình hành gồm có hai thanh dẫn có cùng kích thước chiều dài, có nhiệm vụ nhận lực dẫn động từ khâu chủ động và truyền cho khâu công tác thông qua 4 khớp cầu (khớp loại 3) với 3 bậc tự do.
Tuy nhiên, các thanh dẫn này không được khóa cứng mà có thể xoay quanh trục của chính nó tạo thành một bậc tự do, bậc tự do này không ảnh hưởng đến quá trình cơ cấu làm việc nên được xem là bậc tự do thừa. Do đó mỗi khâu bị động bị thừa 2 bậc tự do, ứng với mỗi thanh trong cơ cấu hình bình hành. • Khâu công tác (Travelling arm): kết nối ba khâu bị động với nhau, có nhiệm vụ mang theo đầu công tác để thực hiện các tác vụ cho robot. Từ việc phân tích trên, robot delta có tổng cộng 10 khâu chuyển động, 3 khớp loại 5, 12 khớp loại 3 và 6 bậc tự do thừa.
Với kết cấu không gian như vậy, số bậc tự do của robot có cơ cấu dạng song song được xác định theo công thức sau [38]: 5 W = 6n − kpk − R0 − r − s (2.1) k =1 Trong đó: n : số khâu động của cơ cấu. pk : số khớp loại k. 5 kp : tổng số ràng buộc. k =1 k R0 : tổng số ràng buộc trùng.
r : tổng số ràng buộc thừa. s : số bậc tự do thừa. Vậy, theo công thức (2.1) số bậc tự do của robot delta là: W = 6 10 + (3*5 + 12*3 − 0 − 0) − 6 = 3 Như vậy, khâu công tác của robot không thể xoay mà chỉ có thể chuyển động tịnh tiến theo 3 hướng X, Y, Z trong không gian nhờ 3 động cơ dẫn động tại khâu đế.2 Phân tích động học ngược robot Bài toán động học ngược của robot delta là cần xác định giá trị của ba góc 1 , 2 ,3 khi đã biết được tọa độ tâm E0 ( x0 , y0 , z0 ) của bệ di động. Đặt các ký hiệu cho thông số động học của robot gồm có: f chiều dài cạnh khâu đế cố định, e chiều dài cạnh khâu di 12 Chương 2.
Phân tích bài toán động học động, rf chiều dài khâu hình chủ động, re chiều dài khâu bị động. Đặt hệ tọa độ O ( 0, 0, 0 ) là tâm của bệ cố định. Hệ tọa độ của robot được đặt theo Hình 2.2, khi đó tọa độ z0 đặt tại tâm của bệ di động sẽ luôn luôn âm vì vậy vùng hoạt động của robot luôn quay xuống dưới.2: Các thông số động học ngược robot delta [39] Do đặc tính thiết kế của robot nên có một khâu cánh tay trung gian chỉ có thể xoay trong mặt phẳng YZ tạo thành một đường tròn như Hình 2.3 với tâm tại khớp F1 và bán kính F1 J1 = rf .3: Đường tròn tâm E1' bán kính E1' J1 [39] Mặt khác khâu hình bình hành E1 J1 có thể xoay tự do tại khớp E1 tạo thành hình 13 Chương 2. Phân tích bài toán động học cầu có tâm E1 và bán kính bằng chiều dài khâu bị động E1 J1 = re như trong Hình 2.
Khi đó mặt phẳng giao của hình cầu này với mặt phẳng YZ là một đường tròn có tâm tại E1' và có bán kính bằng chiều dài đoạn E1' J1 – trong đó E1' là hình chiếu của E1 lên mặt phẳng YZ. Ngoài ra, hai đường tròn tâm E1' bán kính E1' J1 và đường tròn tâm F1 bán kính rf cắt nhau tại một điểm như Hình 2.4, điểm đó cũng chính là điểm J1, khi đó có thể tính được tọa độ của điểm J1 và từ đó cũng sẽ tính được góc 1 cần tìm.4: Mặt phẳng tọa độ YZ [39] Trong đó: - Tọa độ tâm của bệ di động: E0 ( x0 , y0 , z0 ) Chiều dài đoạn E0 E1 : E 0 E1 = tan ( 30 ) = e e - 2 2 3 e e - Tọa độ điểm E1: E1 x0 , y0 − , z0 E1' 0, y0 − , z0 2 3 2 3 - Chiều dài đoạn E1' J1 : EE1' = x0 E1' J1 = E1 J12 − E1 E '21 = re2 − x02 f - Tọa độ điểm F1 : F1 0, − ,0 2 3 Xét hai phương trình đường tròn tâm F1 bán kính rf và đường tròn tâm E1' bán kính E1' J1 , có: ( yJ 1 − yF 1 )2 + ( z J 1 − z F 1 )2 = rf2 ( yJ 1 − yE ' 1 ) + ( z J 1 − z E ' 1 ) = re − x0 2 2 2 f 2 yJ 1 + + z J 1 = rf 2 2 2 3 2 e yJ 1 − y0 + 2 3 + ( z J 1 − z0 ) = re − x0 2 2 2 14 Chương 2. Phân tích bài toán động học f y1 = − 2 3 Đặt : y = y − e E 0 2 3 ( yJ 1 − y1 ) + z J 1 = rf 2 2 2 ( yJ 1 − yE ) + ( z J 1 − z0 ) = re − x0 2 2 2 2 z J21 = rf2 − y 2J 1 + 2 y J 1 y1 − y12 x02 + rf2 + y 2E + z 02 − re2 − y12 y1 − y0 zJ 1 = + yJ 1 2 z0 z0 x02 + rf2 + y 2E + z 02 − re2 − y12 Đặt: a = 2 z0 y −y b= 1 E z0 Từ đó: z J 1 = a + byJ 1 z J 1 = a + byJ 1 2 z J 1 = rf − y J 1 + 2 yJ 1 y1 − y1 2 2 2 z J 1 = a + byJ 1 (1 + b ) y J 1 + ( 2ab − 2 y1 ) yJ 1 − rf + y1 + a = 0 2 2 2 2 2 Đặt: = ( ab − y1 ) − (1 + b 2 ) ( −rf2 + y 2 + a 2 ) 2 1 = − ( a + by1 ) + rf ( b rf + rf ) 2 2 − ( y1 + ab ) yJ 1 = (1 + b ) 2 J1 ( 0, yJ 1 , z J 1 ) Khi đó góc 1 được tính như sau: zJ 1 1 = arctan yF 1 − y J 1 Sau khi tính được góc theta thứ nhất 𝜃1 , xoay hệ trục tọa độ góc quanh trục Z một góc 120o ngược chiều kim đồng hồ. Khi đó tọa độ tâm mới của bệ di động là E0' ( x0' , y0' , z0' ) Trong đó: x0' = x0 cos (120 ) + y0 sin (120 ) y0' = − x0 sin (120 ) + y0 cos (120 ) Bằng cách tính tương tự như trên, tìm được góc 2 : zJ 2 2 = arctan yF 2 − y J 2 Sau khi có được góc 𝜃2 , bằng cách xoay tương tự hệ trục tọa độ quanh trục Z một 15 Chương 2.
Phân tích bài toán động học góc 120o cùng chiều kim đồng hồ. Khi đó, tọa độ tâm mới của bệ di động là E0'' ( x0'' , y0'' , z0'' ) .