Nghiên Cứu Và Xây Dựng Phương Trình Động Học Thuận Nghịch Cho Robot Cable Phục Vụ Tưới Trong Nông Nghiệp.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K THUT
THNH PH H CH MINH

CễNG TRèNH 1*+,ầ1&8.+2$+&&$6,1+9,ầ1

1*+,ầ1&89ơ;ặ<'1*3+1*75ẻ1+
1*+&7+811*+&+&+252%27&$%/(
3+&97,7521*1é1*1*+,3

MS: 69

SKC 0 0 7 3 6 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN
NGHỊCH CHO ROBOT CABLE PHỤC VỤ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP

Mã số đề tài : 40

Chủ nhiệm đề tài: Lê Cơng Lý

TP Hồ Chí Minh, Tháng 10/2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN
NGHỊCH CHO ROBOT CABLE PHỤC VỤ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP
Mã số đề tài : 40
Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật
SV thực hiện:
Lê Công Lý Nam, Nữ: Nam
Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 16146402, Cơ Khí Chế Tạo Máy
Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4
Ngành học: Cơ điện tử
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thu Thủy

TP Hồ Chí Minh, 10/2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu và xây dựng phương trình động học thuận nghịch cho robot
cable phục vụ tưới trong nông nghiệp

- Chủ nhiệm đề tài: Lê Cơng Lý
Mã số SV: 16146402
- Lớp: 161461
Khoa: Cơ Khí Chế Tạo Máy
- Thành viên đề tài:
Stt
1

Họ và tên
Đặng Xuân Trường

MSSV
16146546

Lớp
161461

Khoa
CKM

2
- Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thu Thủy
2. Mục tiêu đề tài:
Tính tốn đươc phương trình động học thuận nghịch của robot Cable
3. Tính mới và sáng tạo:
Robot Cable là một dạng robot mới và hiện có rất ít nghiên cứu về nó. Cho nên nghiên
cứu tính tốn được phương trình động học cho robot sẽ tạo ra nhiều khả năng để nghiên
cứu sâu hơn cũng như ứng dụng của robot này vào sản xuất và cuộc sống.
4. Kết quả nghiên cứu:
Kết quả nghiên cứu đưa ra được phương trình động học của robot đủ để điều khiển robot

di chuyển trong khơng gian tuy nghiên vẫn cịn hạn chế.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả
năng áp dụng của đề tài:
Việc nghiên cứu thành công robot sẽ mở ra nhiều ứng dụng cho các mục đích khác nhau
như: ứng dụng vào việc tưới tiêu trong nông nghiệp, giả lập ghế máy bay, vận chuyển cục
bộ hàng hoá, ứng dụng trong xây dựng …
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu
có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Ngày 20 tháng 10 năm 2020
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)


Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài
(phần này do người hướng dẫn ghi):
Ngày
tháng
năm
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)


TĨM TẮT
Đồ án này trình bày về robot song song dạng Cable, phân tích sơ lược về các dạng
cấu hình đồng thời lựa chọn cấu hình tối ưu nhất, nghiên cứu tính tốn động học, cũng
như là việc tính tốn thiết cơ khí, điện điều khiển và xây dựng một chương trình điều
khiển cho robot này. Sau khi thiết kế nhóm đã tiến hành thực nghiệm kiểm tra sai số vị
trí, sai số lặp lại, kiểm tra lực căng của dây. Kết quả thực nghiệm cho thấy cơ cấu robot
đã lựa chọn và thiết kế có thể đáp ứng được việc di chuyển chính xác trong khơng gian

theo u cầu đặt ra, hệ thống điện hoạt động hoạt động ổn định và hiệu quả, giao diện
điều khiển đơn giản và dễ dàng thao tác. Bên cạnh đó nhóm cũng đã triển khai nghiên
cứu cơ bản về vật liệu xây dựng phù hợp cho việc in 3D và thực nghiệm in vật liệu nhằm
kiểm tra thời gian động đặc của vật liệu đồng thời đánh giá khả năng hoạt động hiệu quả
của đầu công tác của robot.

i


ABSTRACT

The project shows a parallel cable robot, including a brief analysis of
configuration forms and a choice of the most optimal configuration, a study on
calculating kinetic parameters and calculating of mechanical and electrical control
equipment, as well as building a control program for the robot. After designing, the group
has conducted experiments to check position deviation, repeatability error, and check
wire tension. Experimental results show that the robot structure which was selected and
designed can meet the precise movement in space as required; the operation of electrical
system was stable and efficient; and the control interface was simple and easy to use. In
addition, our group also conducted a basic research on building material which was
suitable for 3D printing and conducted a material printing experiment to check the
densification time of the material and to evaluate the ability of end-effector of robot to
work effectively.

ii


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................... Error! Bookmark not defined.
LỜI CẢM ƠN ................................................................... Error! Bookmark not defined.

TÓM TẮT ........................................................................................................................ i
ABSTRACT .................................................................................................................... ii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH .......................................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................................ x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
1.2. Tình hình nghiên cứu .......................................................................................... 2
1.2.1. Ngoài nước ...................................................................................................... 2
1.2.2. Trong nước ...................................................................................................... 2
1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài ................................................................................ 3
1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài ......................................................................................... 3
1.3.2. Giới hạn nghiên cứu của đề tài ........................................................................ 3
1.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 3
1.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết .................................................................. 3
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ............................................................ 3
1.5. Nội dung ................................................................................................................ 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 5
2.1. Sơ lược về robot song song Cable ....................................................................... 5
2.2. Sơ lược về công nghệ in 3D ................................................................................. 9
2.2.1. Công nghệ FDM .............................................................................................. 9
2.2.2. Công nghệ Resin ........................................................................................... 10
2.2.3. Công nghệ SLS .............................................................................................. 10
2.3. Sơ lược về cáp ..................................................................................................... 12
2.4. Sơ lược về PLC ................................................................................................... 13

iii


2.5. Sơ lược về động cơ Servo .................................................................................. 14
2.6. Sơ lược về vật liệu .............................................................................................. 14

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ...................................................... 16
3.1. Các phương án thiết kế truyền động cho robot .............................................. 16
3.1.1. Phương án 1 ................................................................................................... 16
3.1.2. Phương án 2 ................................................................................................... 17
3.1.3. Phương án 3 ................................................................................................... 17
3.1.4. Phương án 4 ................................................................................................... 18
3.2. Lựa chọn phương án truyền động tối ưu......................................................... 19
3.3. Lựa chọn phương án truyền động .................................................................... 19
3.4. Chọn động cơ ...................................................................................................... 22
3.4.1. Chọn động cơ cho bộ tang cuốn cáp ............................................................. 22
3.4.2. Chọn động cơ cho đầu công tác .................................................................... 24
3.5. Tổng quan bộ cuốn cáp ..................................................................................... 24
3.5.1. Tang cuốn cáp ............................................................................................... 26
3.5.2. Bộ dẫn hướng dây cáp, cảm biến loadcell..................................................... 27
3.5.3. Bộ truyền đai răng ......................................................................................... 29
3.5.4. Thiết kế khung ............................................................................................... 31
3.6. Phân tích ứng suất và biến dạng của cơ cấu ................................................... 31
3.7. Tính tốn lựa chọn vít tải .................................................................................. 33
3.8. Thiết kế đầu công tác ......................................................................................... 34
3.9. Lựa chọn cáp thép và ròng rọc ......................................................................... 35
3.9.1. Lựa chọn cáp ................................................................................................. 35
3.9.2. Chọn rịng rọc ................................................................................................ 36
3.10. Tính số bậc tự do cho kết cấu robot ............................................................... 37
3.11. Động học robot ................................................................................................. 38
3.11.1. Động học nghịch robot với mơ hình tiêu chuẩn cáp ................................... 38
3.11.2. Động học nghịch cáp với mơ hình phi tiêu chuẩn cáp ................................ 40
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ........................................................... 44

iv

4.1. Tổng quan các thiết bị điện của hệ thống ........................................................ 44
4.1.1. Bộ điều khiển................................................................................................. 44
4.1.2. Driver và động cơ .......................................................................................... 45
4.1.3. Các thiết bị khác ............................................................................................ 45
4.2. Thiết kế tủ điều khiển trung tâm...................................................................... 47
4.3. Cấu trúc bộ điều khiển ...................................................................................... 49
4.4. PLC (program logic control) và phương thức truyền thông ......................... 52
4.4.1. Tổng quan về PLC ......................................................................................... 52
4.4.2. Truyền thơng giữa máy tính và PLC ............................................................. 54
CHƯƠNG 5. QUY TRÌNH XỬ LÝ VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM ....................... 59
5.1. Quy trình xử lý ................................................................................................... 59
5.1.1. Lập bản vẽ 3D ............................................................................................... 59
5.1.2. Xử lý file in ................................................................................................... 59
5.1.3. Tạo tín hiệu điều khiển .................................................................................. 60
5.1.4. Xuất tín hiệu và kiểm tra ............................................................................... 60
5.2. Bài toán quỹ đạo và nội suy .............................................................................. 60
5.2.1. Tổng quan về bài toán quỹ đạo. .................................................................... 60
5.2.2. Bài toán quỹ đạo trong robot song song. ....................................................... 61
5.2.3. Bài toán nội suy. ............................................................................................ 64
5.3. Cấu trúc phần mềm. .......................................................................................... 68
CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM ........................................................ 72
6.1. Robot song song Cable ...................................................................................... 72
6.2. Các bộ phận và cấu trúc cơ khí ........................................................................ 73
6.3. Hệ thống điều khiển ........................................................................................... 80
6.4. Thử nghiệm vật liệu ........................................................................................... 83
6.5. Dây cáp và loadcell ............................................................................................ 86
CHƯƠNG 7. TỔNG KẾT ........................................................................................... 92
7.1. Kết luận ............................................................................................................... 92
7.2. Hướng phát triển ............................................................................................... 93

v


TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 94
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 95
Phụ lục 1 – Bảng vẽ điện .......................................................................................... 96

vi


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Các mẫu chuyển động có thể có cho robot cable song song............................ 6
Hình 2.2: NIST RoboCrane.............................................................................................. 7
Hình 2.3: Cáp điều khiển camera robot Skycam ............................................................. 8
Hình 2.4: Ứng dụng Robot cable trong lắp đặt máy bay. ................................................ 8
Hình 2.5: Máy in sử dụng cơng nghệ FDM ..................................................................... 9
Hình 2.6: Máy in sử dụng cơng nghệ Resin ................................................................... 10
Hình 2.7: Máy in sử dụng cơng nghệ SLS ..................................................................... 11
Hình 2.8: Hình ảnh so sánh độ mịn của các cơng nghệ in ............................................. 12
Hình 2.9 Thơng số cáp ................................................................................................... 13
Hình 3.1: Robot sử dụng cấu hình 3 dây........................................................................ 16
Hình 3.2: Robot sử dụng cấu hình 4 dây........................................................................ 17
Hình 3.3: Robot sử dụng cấu hình 8 dây mắc song song ............................................... 18
Hình 3.4: Robot sử dụng cấu hình 8 dây mắc chéo ....................................................... 18
Hình 3.5: Nguyên lý bộ truyền trục vít. ......................................................................... 20
Hình 3.6: Thơng số kích thước hộp giảm tốc NMRV050.............................................. 21
Hình 3.7: Hình ảnh của hộp số MNRV050 .................................................................... 22
Hình 3.8: Hình ảnh động cơ Delta và Driver ................................................................ 23
Hình 3.9: Hình ảnh động cơ DC ................................................................................... 24

Hình 3.10: Bộ cuốn tang và cách đi dây cáp ................................................................. 25
Hình 3.11: Bộ cuốn cáp trên thiết kế ............................................................................. 26
Hình 3.12: Tang cuốn cáp thiế t kế ................................................................................ 27
Hình 3.13: Bộ dẫn hướng cáp thiết kế .......................................................................... 29
Hình 3.14: Chi tiết gá đai ốc trên thiết kế ...................................................................... 29
Hình 3.15: Bộ truyền đai răng thiết kế ........................................................................... 30
Hình 3.16: Mơ hình trên thiết kế .................................................................................... 31
Hình 3.17: Chuyển vị của khung robot .......................................................................... 32
Hình 3.18: Vít tải trên thiết kế ....................................................................................... 34
Hình 3.19: Bệ cơng tác trên thiết kế ............................................................................... 34
Hình 3.20: Đầu nối cáp ở đầu cơng tác .......................................................................... 35
Hình 3.21: Cáp khơng gỉ đường kính D = 4mm ............................................................ 36
Hình 3.22: Rịng rọc định hướng dây. ............................................................................ 37
Hình 3.23: Động học nghịch robot từ điểm A của trụ đến điểm B của đầu công tác .... 39
Hình 3.24: (a) góc chắn cung tạo bởi dây cáp (b) góc tạo bởi rịng rọc và mặt phẳng
Oxy ................................................................................................................................. 41

vii


Hình 3.25: Động học nghịch robot từ điểm giao rịng rọc A đến điểm M của đầu cơng
tác ................................................................................................................................... 42
Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan các thiết bị của hệ thống .................................................... 44
Hình 4.2: Sơ đồ kết nối với module đọc loadcell........................................................... 46
Hình 4.3: Sơ đồ bố trí tủ điều khiển ............................................................................... 47
Hình 4.4: Sơ đồ bố trí các thiết bị trong tủ điều khiển ................................................... 48
Hình 4.5: Sơ đồ mạch điều khiển ................................................................................... 49
Hình 4.6: Sơ đồ mạch động lực...................................................................................... 49
Hình 4.7: Sơ đồ tổng quan cấu trúc bộ điều khiển ......................................................... 50
Hình 4.8: Sơ đồ giao tiếp giữa PC và bộ điều khiển ...................................................... 51

Hình 4.9: Sơ đồ Driver nhận tín hiệu từ PLC ................................................................ 51
Hình 4.10: Sơ đồ đấu nối chân từ PLC vào Driver ........................................................ 52
Hình 4.11: Cổng Ethernet máy tính ............................................................................... 57
Hình 5.1: Các đường đi của robot .................................................................................. 61
Hình 5.2: Vận tốc đùn vật liệu ....................................................................................... 63
Hình 5.3: Hệ thống xử lý dữ liệu in ............................................................................... 64
Hình 5.4: Biểu diễn quỹ đạo đường thẳng và đồ thị vận tốc trong suốt quá trình di
chuyển ............................................................................................................................ 66
Hình 5.5: Cung trịn được tạo bởi 2 điểm A và B với điểm giữa là C được chia thành
nhiều đoạn nhỏ tương ứng với các nghiệm của phương trình tham số. ......................... 67
Hình 5.6: Cấu trúc của các thành phần được phát triển cho robot song song ................ 69
Hình 5.7: Cấu trúc lớp thấp của bộ điều khiển .............................................................. 70
Hình 6.1: Robot Cable sau khi hồn thành .................................................................... 72
Hình 6.2: Tang cuốn thiết kế .......................................................................................... 74
Hình 6.3: Tang cuốn sau khi thiết kế ............................................................................. 74
Hình 6.4: Tang cuốn sau khi được quấn cáp .................................................................. 75
Hình 6.5: Chi tiết gá loadcell thiết kế ............................................................................ 75
Hình 6.6: Chi tiết gá loadcell sau gia cơng .................................................................... 76
Hình 6.7: Bộ dẫn hướng cáp thiết kế ............................................................................. 76
Hình 6.8: Bộ dẫn hướng cáp sau lắp ráp ........................................................................ 77
Hình 6.9: Bộ truyền đai răng thiết kế ............................................................................. 77
Hình 6.10: Bộ truyền đai răng thực tế ............................................................................ 78
Hình 6.11: Bệ quấn cáp trên thiết kế .............................................................................. 78
Hình 6.12: Bộ cuốn cáp thực tế ...................................................................................... 79
Hình 6.13: Đầu cơng tác trên thiết kế ............................................................................ 79
Hình 6.14: Đầu cơng tác thực tế..................................................................................... 80
Hình 6.15: Cách bố trí các tủ điện.................................................................................. 81

viii

Hình 6.16: Tủ điện thực tế ............................................................................................. 81
Hình 6.17: Lưu đồ điều khiển động cơ .......................................................................... 82
Hình 6.18: Giao diện điều khiển .................................................................................... 83
Hình 6.19: Pha trộn vật liệu ........................................................................................... 84
Hình 6.20: Sản phẩm sau khi đùn .................................................................................. 85
Hình 6.21: Sơ đồ lực cáp ................................................................................................ 86
Hình 6.22: Kết quả kiểm tra lực căng dây khi robot di chuyển ..................................... 87
Hình 6.23: Kiểm tra khả năng đi theo quỹ đạo của robot .............................................. 89
Hình 6.24: Sai số tại một số điểm khi vẽ ....................................................................... 89
Hình 6.25: Vật liệu sau khi đùn ..................................................................................... 90
Hình 6.26: Hình dạng thực tế của vật liệu sau khi in ..................................................... 90

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 6.1 Thông số kỹ thuật. .......................................................................................... 73
Bảng 6.2 Kết quả thử nghiệm tỷ lệ pha trộn vật liệu ..................................................... 85
Bảng 6.3: Kiểm tra sai số vị trí ...................................................................................... 88

x


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngành xây dựng ln có vai trị to lớn trong q trình phát triển của một quốc gia
hay một đế chế và là ngành không thể thiếu trong mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử. Ở
thời kỳ đồ đá, xây dựng chính là việc lựa chọn, sắp xếp và cải tạo các hang động, hốc
cây trở thành nơi ẩn náu, lưu trữ thực phẩm, tích trữ của cải. Đến thời cổ đại, với sự lao

động của đôi bàn tay và khối óc, những người thợ xây đã xây dựng các kim tự tháp, các
kinh thành, các trường đấu to lớn. Cho đến ngày nay, khi xã hội ngày càng văn minh thì
nhu cầu xây dựng của con người ngày càng phức tạp.
Tuy nhiên, cách xây nhà đã không thay đổi từ thời trung cổ. Sự trì trệ trong xây
dựng nhà đã không theo kịp nhu cầu và tăng trưởng dân số. Điều này đã góp phần vào
một cuộc khủng hoảng nhà ở đang gia tăng. Phương pháp xây nhà truyền thống là khơng
hiệu quả và lãng phí. Những vấn đề quan trọng này đã thúc đẩy chi phí vượt qua điểm
khả năng chi trả cho người bình thường. Chi phí cao cũng có nghĩa là cung cấp nơi trú
ẩn đầy đủ ở các nước đang phát triển có thể gần như không thể.
Người thu nhập thấp không thể mua được nhà. Sự thật là vậy những người lao
động với thu nhập thấp và kể cả không ổn định, việc mua hoặc xây dựng nhà ở với giá
vài chục nghìn đơ là điều không thể với họ.
Thưc tế hiện nay hơn 1 tỷ người khơng có chỗ ở đúng nghĩa. Đa số dân cư sinh
sống trên thế giới hiện nay đã có chỗ ở lý tưởng của mình. Tuy nhiên do sự phân chia
giàu nghèo của các nước trên thế giới vẫn cịn rất nhiều, nên một bộ phận khơng nhỏ
người dân vẫn chưa có nơi ở thực sự tốt dành cho họ. Hằng ngày, tại Hong Kong, trung
tâm tài chính giàu có ở châu Á, thuê nhà là một trong những vấn đề lớn nhất mà người
lao động và chính phủ đang vướng mắc. Dân số Hong Kong khoảng 7,3 triệu người,
trong đó 200.000 người, bao gồm 35.500 trẻ dưới 15 tuổi, đang sống trong "căn hộ được
chia nhỏ". Con số này tăng 18% so với 4 năm trước và khơng bao gồm hàng nghìn người
đang sống tại những nơi như lều trên tầng thượng, căn hộ phân chia bằng lồng sắt và
"nhà quan tài" là những buồng nhỏ bằng gỗ xếp chồng lên nhau. Hong Kong thường
xuyên đứng đầu trong các cuộc khảo sát giá bất động sản toàn cầu. Giá nhà ở đây cao
gấp 19 lần thu nhập trung bình của một người. Chính vì vậy mà việc mua nhà là một trở
ngại lớn đối với những người có thu nhập thấp khơng thể chi trả nỗi những khoản đắt đỏ
để sở hữu một căn nhà cho riêng mình.

1

Xây nhà là khơng hiệu quả và lãng phí. Để hồn thành một căn nhà địi hỏi tiêu
tốn khá nhiều thời gian, nhân lực, kể cả chi phí nguyên vật liệu. Chưa tính trong lúc thi
cơng sự hao hụt vật liệu và điều kiện thời tiết gây nên sự lãng phí tiền của. Chính vì vậy
chúng ta cần một giải pháp để giải quyết sự kém hiệu quả của việc xây nhà bằng phương
pháp thủ công này.
Gần đây việc ứng dụng Robot, máy tự động vào việc phát triển các ngành công
nghiệp đang được đẩy mạnh tại các nước trên thế giới. Nhu cầu sử dụng robot ngày càng
nhiều trong các q trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất
dây chuyền cơng nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh
tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot cơng nghiệp cần có
những khả năng thích ứng tốt và thơng minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh
hoạt.
Chính vì những lý do trên, nên việc nghiên cứu phát triển Robot để phục vụ cho
ngành xây dựng là một vấn đề cấp thiết hiện nay đặt biệt khi Việt nam muốn cơng nghiệp
hóa sản xuất trên mọi lĩnh vực hiện nay. Nhận thấy được sự phát triền mạnh mẽ của in
3D trong lĩnh vực gia công chế tạo cùng với sự ra đời của loại robot mới là robot cáp nên
chúng tôi quyết định nghiên cứu ứng dụng loại robot này vào trong thực tế chính là việc
in 3D vữa bê tơng để tạo ra sản phẩm cuối cùng chính là những ngơi nhà mà con người
có thể ở và sinh sống được trong đó.

1.2. Tình hình nghiên cứu
1.2.1. Ngồi nước
Nghiên cứu về các bộ điều khiển song song treo dây cáp có nguồn gốc từ Mỹ vào
năm 1984. Landsberger ở MIT đã thiết kế một bộ điều khiển song song điều khiển cáp
cho hoạt động dưới nước. Năm 1989, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia ở Mỹ đã
bắt đầu dự án NIST RoboCrane. Vào cuối những năm 1980, hệ thống SkyCam, được
phát minh bởi công ty August Design được sử dụng rộng rãi để phát sóng trực tiếp. Năm
2001, robot mảng cáp được đề xuất bởi Gorman từ Đại học bang Pennsylvania đây là
một lớp cơ chế robot sử dụng nhiều dây cáp được kích hoạt để thao tác với các vật thể.
1.2.2. Trong nước

Hiện nay, các ứng dụng của robot trong xây dựng ở Việt nam cịn chưa có.

2


1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài
Từ vấn đề được nghiên cứu tìm hiểu ở các phần trên nên nhóm đã đặt ra nhiệm
vụ cho đề tài là thiết kế và gia công cơ khí cho robot song song Cable. Robot sau khi gia
cơng chế tạo sẽ được điều khiển để thực hiện nhiệm vụ in 3D các mơ hình nhà cửa, di
chuyển vật tư thiết bị để phục vụ trong xây dựng. Cụ thể nhiệm vụ đặt ra là:
- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của Robot cable. Lựa chọn kế cấu phù hợp với
yêu cầu đặt ra.
- Thiết kế gia công cơ khí cho robot.
- Điều khiển robot in các mơ hình nhà mà cụ thể là in nhà có diện tích 2x3 m2.
1.3.2. Giới hạn nghiên cứu của đề tài
Do phạm vi nghiên cứu rộng và nhận thấy được một vài hạn chế của các q trình
gia cơng, lắp ráp, lập trình, điều khiển, ... nên đề tài chỉ sẽ tập trung giải quyết những
vấn đề sau:
Nguyên lý động học vị trí của robot cable. Khối lượng đầu cơng tác tối đa là 50kg.
Thuật toán điều khiển robot cable chạy với tốc độ 0,1 m/s trong vùng không gian
hoạt động.

1.4. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài các phương pháp nghiên cứu sau đã được lựa chọn và sử dụng:
1.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: thu thập các thơng tin có liên quan
đến đề tài và tổng hợp theo từng phần cụ thể về robot cable.
Tính tốn thiết kế mơ phỏng quá trì hoạt động của robot.
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm khoa học: tiến hành các thí nghiệm, thực nghiệm nhằm
đánh giá các yếu tố tác động đến q trình vận hành robot.
Nghiên cứu thuật tốn điều khiển robot đáp ứng yêu cầu đặt ra để in vữa xây nhà.

3


1.5. Nội dung
 Nghiên cứu và lựa chọn cấu hình robot
 Nghiên cứu động học robot
 Tính tốn thiết kế cơ khí
 Thiết kế hệ thống điện
 Nghiên cứu ứng dụng PLC trong điều khiển
 Thực nghiệm đánh giá phần điều khiển
 Thực nghiệm đánh giá khả năng in3D

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Sơ lược về robot song song Cable
Robot Cable là các bộ điều khiển song song trong đó các end-effector được điều
khiển bằng cáp thay vì các liên kết cứng. Những thách thức phải đối mặt trong lĩnh vực
ứng dụng kỹ thuật hiện đại của Robot Cable tương tự như những thách thức gặp phải
trong các thao tác song song của Stewart. Thật vậy, Robot Cable có thể được u cầu
khơng chỉ cho các hoạt động có tính linh hoạt cao hơn, mà cịn cho khơng gian làm việc
lớn có thể tiếp cận và tải trọng cao. Một đặc tính quan trọng của các trình điều khiển cáp
là cáp chỉ có thể hoạt động đơn phương thơng qua sức căng và khơng có lực nén.
Robot song song điều khiển cáp có nhiều nhiều phương thức phân loại khác nhau.
Robot cable có thể được phân loại theo các tiêu chí sau:

- Số lượng cáp m và bậc tự do n của robot: Điều này phân loại động học được đề
xuất bởi Ming và Higuchi để phân biệt giữa các robot cable. Một tiêu chí rõ ràng để phân
loại là xem xét số lượng cáp được biểu thị bằng m và bậc tự do có thể kiểm sốt của đầu
cơng tác được ký hiệu là n. Hơn nữa, bậc tự do thừa r = m - n được giới thiệu. Người ta
có thể phân biệt giữa các nhóm sau:
• m hoặc các lực tác động khác và lực xoắn, một hoặc nhiều tọa độ của robot ở trạng thái cân
bằng ổn định hoặc không ổn định. Tuy nhiên, trong trường này robot khơng thể kiểm
sốt được các trạng thái khơng ổn định. Số lượng và hướng của mức độ tự do có thể kiểm
sốt khác nhau khắp khơng gian làm việc. Lớp robot này được gọi là cơ chế định vị hồn
tồn hạn chế (IRPM)
• n = m: Robot bị hạn chế về mặt động học hoàn toàn. nhưng trạng thái cân bằng
lực phụ thuộc vào các lực được áp dụng như trọng lực. Có một phạm vi lực hạn chế và
lực xoắn mà robot có thể chịu được tùy thuộc vào độ lớn và hướng của lực tác dụng.
• n + 1 = m: Robot có thể bị hạn chế thông qua các dây cáp ở một số tư thế nhất
định. Các loại mơ hình chuyển động khác nhau. Các lực mà robot có thể chịu được phụ
thuộc vào các lực căng tối thiểu và tối đa trong các dây cáp có thể được tạo ra bởi robot.
Robot thuộc nhóm này được gọi là cơ chế định vị hạn chế (CRPM).
• n + 1 < m: Robot thừa ràng buộc và các lực phải được phân phối giữa các dây
cáp. Những robot này được gọi là cơ chế định vị thừa ràng buộc (RRPM). Sự dư thừa

5


liên quan đến số lượng các ràng buộc động học và do đó cũng liên quan đến hoạt động
của chúng vì có nhiều ràng buộc động học hơn bậc tự do. Do đó, các tĩnh lực của robot
thường khơng được xác định.

Hình 2.1: Các mẫu chuyển động có thể có cho robot cable song song
- Mức độ song song: Robot cable có thể bị hạn chế hồn tồn hoặc một phần thông

qua các dây cáp. Robot cable bị ràng buộc hoàn toàn chỉ sử dụng cáp để kết nối đầu công
tác với nền, trong khi bị ràng buộc một phần Robot cable có khớp nối thụ động để kết
nối một số hoặc tất cả các bậc tự do của đầu công tác với nền.

6


Chức năng của robot cáp, ví dụ: như hệ thống định vị lập trình, như một hệ thống
tạo lực, hoặc như một hệ thống đo lường cho vị trí hoặc lực.
Việc phân loại là rất quan trọng đối với nhiều phương pháp và thuật tốn được
mơ tả trong lựa chọn thiết kế mơ hình, vì các loại robot cable khác nhau có các kết cấu
và phương pháp điều khiển khác nhau.
Ý tưởng sử dụng dây cáp để thao tác tải hàng đã có từ rất lâu. Ngay cả trong thế
giới cổ đại, dây cáp đã được sử dụng để nâng tải trong xây dựng và các ứng dụng tương
tự. Cho đến ngày nay, cần cẩu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và sản xuất cơng
nghiệp vì chúng là máy móc linh hoạt và tiết kiệm chi phí.
Nghiên cứu về các bộ điều khiển song song treo dây cáp có nguồn gốc từ Mỹ vào
năm 1984. Landsberger ở MIT đã thiết kế một bộ điều khiển song song điều khiển cáp
cho hoạt động dưới nước. Các liên kết điều khiển là dây cáp, được làm mát bằng bơm
thủy lực.

Hình 2.2: NIST RoboCrane
Năm 1989, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia ở Mỹ đã bắt đầu dự án NIST
RoboCrane. Thiết kế RoboCrane sử dụng ý tưởng cơ bản của trình thao tác liên kết song
song Stewart Platform. Tính năng độc đáo của phương pháp NIST là sử dụng dây cáp
làm liên kết song song và sử dụng tời là m bộ truyền động. Vào cuối những năm 1980,
hệ thống SkyCam, được phát minh bởi công ty August Design được sử dụng rộng rãi để

7

phát sóng trực tiếp. Camera trong SkyCam được treo bằng 4 dây cáp, tốc độ có thể lên
tới 44,8 km/h. Có thể thực hiện chụp ảnh tốc độ cao với SkyCam ở quy mơ lớn.

Hình 2.3: Cáp điều khiển camera robot Skycam
Năm 2001, robot mảng cáp được đề xuất bởi Gorman từ Đại học bang
Pennsylvania đây là một lớp cơ chế robot sử dụng nhiều dây cáp được kích hoạt để thao
tác với các vật thể. Kết quả thử nghiệm được cung cấp cho hệ thống, cho thấy robot
mảng cáp có khả năng theo dõi quỹ đạo trong phạm vi vài cm, đây là hiệu suất hợp lý
cho nhiều ứng dụng cơng nghiệp.

Hình 2.4: Ứng dụng Robot cable trong lắp đặt máy bay.

8


Tuy nhiên, chỉ có một vài sản phẩm đã đưa nó vào thị trường. Ngồi đặc biệt máy
móc mục đích như kính viễn vọng nói trên, chỉ có hệ thống camera sân vận động và thiết
bị phục hồi chức năng cho người tàn tật. Các hệ thống trình diễn được trình bày từ khoảng
năm 2010 trở về sau xuất hiện nhiều hơn và tốt hơn về mặt thiết kế cơ khí và cơng nghiệp
hóa. Vì vậy nó là dự đốn rằng các lĩnh vực ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau.

2.2. Sơ lược về công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D không quá phức tạp như bạn nghĩ, đơn giản mà nói đây là một
q trình sản xuất các chất liệu (nhựa, kim loại hay bất kỳ thứ gì khác) theo phương cách
xếp từng lớp với nhau để tạo nên một vật thể 3 chiều. Hiện nay, có ba phương pháp in
3D phổ biến nhất đó là: FDM (Fused deposition modelling), Resin và SLS (Selective
Laser Sintering).
2.2.1. Công nghệ FDM
FDM là cơng nghệ in 3D đơn giản và có giá thành rẻ nhất. Cũng là công nghệ in

trong hầu hết các máy in 3D trên thị trường. Về cơ bản, máy in FDM sẽ nung nóng chảy
và đùn sợi vật liệu theo từng lớp một tạo thành mơ hình.

Hình 2.5: Máy in sử dụng công nghệ FDM
Nguyên lý in 3D FDM
 Ưu điểm: Công nghệ in3D FDM giá rẻ, dễ sử dụng. in được các mẫu lớn
 Nhược điểm: Độ mịn khơng cao, khó in các mẫu phức tạp

9


 Ứng dụng: FDM có tầm ứng dụng rất rộng, hầu như mọi lĩnh vực đều có thể
áp dụng tốt!
2.2.2. Công nghệ Resin
Là tên gọi chung của một loạt công nghệ in 3D dựa trên loại mực in 3D resin lỏng.
Gồm có, cơng nghệ SLA, DLP và IN 3D liên tục.

Hình 2.6: Máy in sử dụng cơng nghệ Resin
Ngun lý in 3D RESIN
 Ưu điểm: Công nghệ in3D RESIN cho ra sản phẩm có độ mịn cao nhất.
 Nhược điểm: Quy trình in resin phức tạp, chỉ nên dùng để in các mẫu bé và
tinh xảo.
 Ứng dụng: Tạo mẫu 3D đồ trang sức, nha khoa, mơ hình minature
2.2.3. Cơng nghệ SLS
SLS là công nghệ in sử dụng tia laser chiếu lên các lớp bột (kim loại hoặc polymer)
làm chúng nóng chảy và kết dính với nhau tạo nên hình khối vật thể.

10