Robot

Desain dan Implementasi Robot Paralel DELTA Baru dalam Kompetisi Robotika

Desain dan Implementasi Robot Paralel DELTA Baru dalam Kompetisi Robotika Penyelidikan ini menyangkut desain dan implementasi robot paralel DELTA, yang mencakup seluruh proses mekatronika, yang melibatkan kinematika, desain kontrol dan metode pengoptimalan. Untuk mempercepat konstruksi robot, pencetakan 3D digunakan untuk membuat bagian-bagian end-effector. Suku cadangnya modular, berbiaya rendah, dapat dikonfigurasi ulang dan dapat dirakit dalam waktu yang lebih singkat daripada yang dibutuhkan untuk suku cadang yang dibuat secara konvensional. Pengontrol, termasuk algoritma kontrol dan antarmuka manusia-mesin (HMI), dikodekan menggunakan lingkungan perangkat lunak Borland C ++ Builder 6 Personal. Integrasi pengontrol gerak dengan pengenalan gambar ke dalam sistem opto-mekatronika disajikan. Sistem robot telah mengikuti kompetisi robotik di Taiwan.

1. Perkenalan

Robot paralel memiliki keunggulan untuk banyak aplikasi di bidang robotika, seperti kekakuan, kecepatan, massa gerak rendah, dan akurasi yang unggul. Namun, kelemahan utama dari robot paralel adalah ruang kerjanya yang kecil dan kemampuan manipulasinya yang terbatas di area tertentu dari ruang [ 1 ]. Beberapa inisiatif penelitian yang dilakukan dalam domain ini, terutama yang dilakukan oleh Clavel, telah menghasilkan arsitektur inovatif seperti robot DELTA yang terkenal [ 2 ].

Robot DELTA telah menarik banyak perhatian baik di dunia akademis maupun industri. Literatur berisi banyak informasi tentang sejarah dan jenis robot paralel [ 3 ]. Secara umum, robot DELTA terdiri dari alas segitiga sama sisi, dengan satu lengan (digerakkan melalui sambungan revolute) yang memanjang dari setiap sisi. Pelat kecil berbentuk segitiga dihubungkan ke setiap lengan dengan sepasang lengan bawah berbentuk jajaran genjang. Hasilnya adalah tiga derajat kebebasan translasi, dengan satu derajat kebebasan rotasi tambahan yang tidak digabungkan di end-effector, menghasilkan satu motor yang dipasang ke alas dan dihubungkan ke end-effector oleh lengan teleskopik dengan dua sambungan universal [ 4 ] .

Evaluasi kinerja merupakan masalah penting untuk penentuan posisi robot yang optimal dalam sel kerja [ 3 ]. Literatur telah mengusulkan beberapa analisis kinerja untuk robot paralel. Metode kalibrasi mata-tangan untuk robot DELTA paralel disajikan dalam [ 5 ]. Stan dkk. (2011) mengusulkan metodologi evaluasi tiga derajat kebebasan (DOF) yang terdiri dari manipulabilitas lokal, kualitas transmisi, kekakuan dan ketangkasan [ 6 ]. Demikian pula, analisis kinematika baru dari robot 3-DOF DELTA juga ditampilkan di [ 7 ]. Selain itu, analisis kinematik untuk 4-DOF ditunjukkan dalam [ 8 – 11 ].

Optimasi desain robot memainkan peran penting dalam upaya berkelanjutan untuk meningkatkan kinerja robot dan meningkatkan produktivitas [ 3 ]. Beberapa solusi telah diusulkan untuk masalah dalam optimasi kinerja [ 3 – 4 , 8 , 10 – 13 ]. Sayangnya, literatur tidak memiliki perawatan rinci untuk multifungsi end-effector dari robot paralel DELTA, terutama dalam operasi pick-and-place.

Memahami mekatronika mungkin cukup menantang karena karakter multidisiplinnya dan kebutuhan akan alat dan informasi mutakhir [ 14 – 15 ]. Oleh karena itu, makalah ini memperkenalkan desain baru untuk robot DELTA dengan end-effector untuk operasi multifungsi dan memberikan wawasan tentang cara inovasi akademik ini diubah menjadi kit mekatronika untuk pendidikan universitas.

Makalah ini disusun sebagai berikut. Arsitektur robot yang diimplementasikan DELTA akan didemonstrasikan di Bagian 2 . Bagian 3 membahas analisis kinematika dan definisi ruang kerja. Implementasi sistem ditunjukkan pada Bagian 4 . Hasil eksperimen real-time robot DELTA disajikan di Bagian 5 , dan kesimpulan diberikan di Bagian 6.

2. Arsitektur Robot

Desain dan Implementasi Robot Paralel DELTA Baru dalam Kompetisi Robotika

Robot DELTA yang diusulkan memiliki manipulator paralel yang terdiri dari kerangka pendukung utama tetap dan platform bergerak yang dihubungkan oleh tiga rantai kinematik independen, identik dan terbuka ( Gbr. 1). Robot DELTA terdiri dari platform bergerak yang dihubungkan ke rangka penyangga utama oleh tiga rantai kinematik yang identik dan paralel, yang masing-masing digerakkan oleh motor revolute yang dipasang pada rangka penyangga. Lengan bawah terdiri dari dua batang dengan panjang yang sama, dan setiap batang diakhiri dengan sambungan bola. Kedua palang di masing-masing lengan dirancang agar tetap sejajar satu sama lain saat robot bekerja. Dengan demikian, formasi jajaran genjang menjamin kesejajaran antara alas tetap dan platform bergerak, memaksakan batasan mekanis yang diperlukan untuk membatasi gerakan dalam ruang tiga dimensi (3D) tertentu. End-effector diamankan ke platform bergerak dan terhubung ke aktuator keempat yang diamankan pada platform seluler.

 

3. Kinematika

3.1 Kinematika Invers dan Maju

Analisis kinematik sederhana menunjukkan bahwa mekanisme yang didasarkan pada arsitektur paralel dapat memiliki akurasi dan pengulangan yang tinggi. Ini karena gerakan end-effector dihasilkan oleh tautan yang digerakkan yang terhubung langsung ke basis. Robot Paralel DELTA menggunakan tiga jajaran genjang yang memungkinkan platform bergerak tetap pada orientasi tetap sehubungan dengan pangkalan tetap. Arsitektur kinematik paralel dengan penggerak yang dipasang ke alas membuat akselerasi yang sangat tinggi dari efektor akhir menjadi mungkin.

Kinematika dapat diselesaikan sebagai tugas maju atau mundur. Analisis kinematika didasarkan pada geometri robot DELTA, yang dapat digambarkan sebagai berikut. Robot terdiri dari platform bergerak segitiga dan alas tetap ( Gbr.2).

Desain dan Implementasi Robot Paralel DELTA Baru dalam Kompetisi Robotika

Kerangka koordinat Kartesius statis XYZ dipasang di tengah pangkalan, di mana bingkai koordinat Kartesius seluler XYZ ditetapkan ke tengah platform seluler. P i , i = 1, 2, 3, dan C i , i = 1, 2, 3, adalah sambungan yang terletak di tengah alas (seperti yang disajikan pada Gambar 2) dan sambungan pasif platform bergerak.

Koordinat titik P i dalam kerangka acuan yang terkait dengan pelat alas tetap diberikan oleh

[𝑃1𝑃2 𝑃3]Β =

𝑅 | 𝑅2 | 𝑅2

0 |𝑅3√20 |𝑅3√20

0 | 0 |Β  0

dengan R adalah jari-jari lingkaran alas tetap.

Demikian pula, koordinat titik C i dalam kerangka acuan yang terkait dengan platform bergerak diberikan oleh

[𝐢1𝐢2 𝐢3] =

π‘ŸΒ  | π‘Ÿ2Β  | π‘Ÿ2π‘Ÿ

0 | π‘Ÿ3√20 | π‘Ÿ3√20Β 

0 |Β  0 | 0

dimana r adalah jari-jari lingkaran platform yang bergerak.

Oleh karena itu, persamaan kendala untuk robot DELTA dihasilkan dengan menerapkan aturan Pythagoras dalam tiga dimensi untuk setiap pasangan lengan [ 4 , 7 ]. Memperhatikan bahwa L 1 = L 2 = L 3 , persamaan tersebut mendefinisikan tiga bidang:

(Β π‘ŸΒ – 𝑅 + 𝑋)2+π‘Œ2+( 𝑍𝑄1)2=𝐿12

{Β ( 𝑅 –Β π‘ŸΒ )12+ 𝑋}2+{Β (Β π‘ŸΒ – 𝑅 )3√2+Β π‘Œ}2+( 𝑍𝑄2)2=𝐿22

{Β ( 𝑅 –Β π‘ŸΒ )12+ 𝑋}2+{Β ( 𝑅 –Β π‘ŸΒ )3√2+Β π‘Œ}2+( 𝑍𝑄3)2=𝐿32

Oleh karena itu, Persamaan. (3) digunakan untuk menetapkan ekspresi model kinematik terbalik:

𝑄1= 𝑍+𝐿2(Β π‘ŸΒ – 𝑅 + 𝑋)2π‘Œ2

𝑄2= 𝑍+𝐿2{Β ( 𝑅 –Β π‘ŸΒ )12+ 𝑋}2{Β (Β π‘ŸΒ – 𝑅 )3√2+Β π‘Œ}2

𝑄3= 𝑍+𝐿2{Β ( 𝑅 –Β π‘ŸΒ )12+ 𝑋}2{Β ( 𝑅 –Β π‘ŸΒ )3√2+Β π‘Œ}2

Alternatifnya, untuk pembentukan model kinematik langsung, kami menyelesaikan sistem (3) sehubungan dengan X, Y, Z, yang menghasilkan sistem berikut:

𝑋= 𝐴 𝑍+ 𝐡

π‘Œ= 𝐢𝑍+ 𝐷

𝑍=𝐺 +𝐺2– 𝐹𝐻√𝐹

dimana

𝐴 =𝑄2+𝑄3–Β 2𝑄13Β ( 𝑅 –Β π‘ŸΒ ) 𝐡 =2𝑄21𝑄22𝑄236Β ( 𝑅 –Β π‘ŸΒ )

𝐢=(𝑄2𝑄3)3⎯⎯√(Β π‘ŸΒ – 𝑅 ) 𝐷 =(𝑄23𝑄22)23⎯⎯√(Β π‘ŸΒ – 𝑅 )

𝐸=Β π‘ŸΒ – 𝑅 + 𝐡 𝐹 =𝐴2+𝐢2+Β 1

𝐺 = 𝐴 𝐸+ 𝐢𝐷 𝑄1 𝐻=𝐸2+𝐷2+𝑄21𝐿2

3.2 Definisi Ruang Kerja

Pada subbagian ini, ruang kerja robot DELTA yang diusulkan akan dibahas secara detail. Untuk robot dalam konteks aplikasi industri dan parameter yang diberikan, penting untuk menganalisis luas dan bentuk ruang kerjanya. Perhitungan ruang kerja dan batas-batasnya dengan ketepatan yang sempurna sangat penting, karena mempengaruhi desain dimensional, posisi manipulator di lingkungan kerja, dan ketangkasan robot dalam menjalankan tugas. Ruang kerja dibatasi oleh beberapa kondisi, terutama batas yang diperoleh melalui penyelesaian kinematika terbalik. Selain itu, ruang kerja dibatasi pertama oleh aksesibilitas drive dan sendi, kemudian oleh terjadinya singularitas dan akhirnya oleh tabrakan tautan dan platform.

Gambar 3menggambarkan definisi dan dimensi tugas. Gambar 4menunjukkan konsep dimensi robot DELTA dan menggambarkan ruang kerjanya, lokasi kerangka acuan dunianya dan parameter geometris utama ruang kerja. Dan gambar 4menunjukkan lokasi pusat antarmuka mekanis dari pusat platform yang bergerak. Selain itu, sudut 0 pada Gambar 4dibatasi antara 30 Β° dan 80 Β°. Untuk menghasilkan ruang kerja yang dapat dijangkau (1000 mm Γ— 700 mm Γ— 400 mm) untuk sistem robot DELTA yang diusulkan, algoritma numerik diperkenalkan. Untuk desain robot DELTA, parameter kinematik robot harus ditentukan terlebih dahulu. Parameter desain ditentukan untuk ruang kerja yang diinginkan dengan teknik pengoptimalan yang dijelaskan dalam [ 13 ].

Desain dan Implementasi Robot Paralel DELTA Baru dalam Kompetisi Robotika

Desain dan Implementasi Robot Paralel DELTA Baru dalam Kompetisi Robotika

Dengan menganalisis Persamaan. (4) , kami mencatat bahwa untuk setiap nilai yang diberikan Q i ( Q i ∊ [ Q imin Q imax ]), ruang kerja setiap rantai kinematik adalah radius bola R , yang bentuknya tidak beraturan. Mendapatkan ruang kerja dari form biasa mungkin dengan membentuk persamaan lingkaran X 2 + Y 2 = r 2 yang tegak lurus terhadap Z . Tujuannya adalah untuk mendapatkan ruang kerja terbesar yang ditentukan dan teratur menggunakan fungsi tujuanπ‘Ÿ =( 𝐴 𝑍+ 𝐡 )2+( 𝐢𝑍+ 𝐷 )2. Di sini, parameter kinematik adalah tiga variabel yang akan ditentukan: R = 889 mm, r = 49 mm dan L = 1540 mm.

4. Implementasi Sistem

Implementasi sistem akan terdiri dari tiga bagian: mekanisme dan pengembangan perangkat keras, kinematika dan pengembangan perangkat lunak ( Gbr.5).

Desain dan Implementasi Robot Paralel DELTA Baru dalam Kompetisi Robotika

4.1 Mekanisme dan pengembangan perangkat keras
Desain robot DELTA yang diusulkan meliputi rotasi pergelangan tangan dua sumbu, gripper dan lengan robot enam sumbu. Robot DELTA yang diusulkan terdiri dari basis tetap, pelat perjalanan, dan tiga rantai kinematik yang menghubungkan basis tetap ke pelat perjalanan, yang merupakan efektor akhir robot. Setiap rantai kinematik terdiri dari lengan atas yang digerakkan oleh motor servo DC tanpa sikat yang berputar dan lengan bawah. Gambar 6 menampilkan gambar konsep 3D dan sistem yang dibangun.

Untuk mempercepat konstruksi robot, pencetakan 3D digunakan untuk membuat bagian-bagian efektor-ujung, yang dirancang secara modular untuk kemudahan konfigurasi ulang dan perakitan ( Gbr. 7). Metode ini mengurangi biaya dan waktu perkakas sekitar 80% dari nilai-nilai yang dicapai dengan menggunakan Computerized Numerical Control (CNC) dalam pembuatan suku cadang.

4.2 Kontrol dan Pengenalan Gambar
Chip kontrol enam sumbu tunggal 8051 (Model: C8051F360) digunakan sebagai papan kontrol dalam pekerjaan ini. Chip tersebut digunakan untuk menghubungkan Universal Asynchronous Receiver Transmitters (UART) ke komputer kontrol. Penggerak motor loncatan (Model: 7080), diproduksi oleh Produk Gerak Terapan, digunakan untuk menggerakkan lengan bawah robot DELTA. Selain itu, kamera video Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) (Model: VMD-P310A) dengan 300 megapiksel digunakan untuk pengenalan gambar.

4.3 Pengembangan Perangkat Lunak
Perangkat lunak ini terdiri dari kompiler bahasa pemrograman standar dan boot loader yang menjalankan fungsi pada mikrokontroler. Pengontrol, termasuk algoritme kontrol dan antarmuka manusia-mesin (HMI), dikodekan dalam lingkungan perangkat lunak Borland C ++ Builder 6 Personal. Kerangka perangkat lunak adalah bagian dari sel perakitan robotik. Untuk tugas pemosisian, setiap koordinat posisi input dihitung, diberi referensi dan posisi robot yang diukur. Nilai input untuk ruang tugas kemudian diubah menjadi ruang sendi menggunakan kinematika terbalik dan kontrol kemudian diterapkan ke setiap sumbu robot.

5. Hasil dan Pembahasan

Evaluasi kinerja penting untuk penentuan posisi robot yang optimal dalam ruang kerja. Untuk mengevaluasi unjuk kerja robot DELTA yang dikembangkan, maka dibuatlah pengaturan pengukuran. Uji pengulangan dilakukan untuk memastikan keakuratan sistem robot. Pengaturan pengukuran memiliki sembilan titik, masing-masing dengan koordinat yang ditetapkan ( Gbr.8). Robot DELTA yang diusulkan bergerak melalui titik uji (titik 1βˆ’9) 15 kali, dan memperkirakan koordinat titik tersebut setiap kali dilewati. Jelas, koordinat terukur dari setiap titik sangat dekat satu sama lain. Kesalahan posisi rata-rata kecil, sekitar 2 approximately3 mm. Kesalahan rata-rata (mm) dari pengukuran titik 1βˆ’9 adalah (βˆ’2,3), (0, βˆ’2), (2, βˆ’2), (0,0), (0,0), (0 , 0), (2, βˆ’3), (βˆ’2,2) dan (2, βˆ’2). Akurasi posisi ini mendekati akurasi robot komersial yang setara. Hasil ini mengungkapkan bahwa sistem robot dapat diandalkan.

Sistem robot yang diusulkan dimasukkan ke dalam kompetisi robotik di Taiwan. Tiga tes yang dilakukan dalam kompetisi tersebut dibahas di bawah ini.

5.1 Uji Eksperimen Domino Kasus I.
Pertama, operasi pick-and-place dalam uji domino digunakan untuk memverifikasi keandalan sistem robot DELTA. Operasi pick-and-place melibatkan gerakan vertikal lurus di lokasi pengambilan (dari titik awal hingga titik akhir), diikuti dengan gerakan horizontal lurus dan gerakan vertikal lurus lainnya di lokasi penempatan. Proses perencanaan jalur terdiri dari pencarian gerakan yang memastikan penyelesaian tugas yang diberikan ini. Jika posisi end-effector yang diinginkan ditentukan, maka sudut yang sesuai dari masing-masing dari ketiga lengan harus ditentukan. Eksperimen ini berfokus pada gerakan titik-ke-titik di sepanjang jalur yang ditentukan. Setelah perangkat keras diinisialisasi, robot DELTA dipindahkan ke posisi yang telah ditentukan. Setelah memperoleh koordinat benda kerja, sistem memulai perencanaan jalur; ini memperkirakan waktu kapan robot DELTA dapat memulai proses penelusuran. Setelah koordinat titik yang diinginkan telah ditentukan, operator dapat menggunakan kinematika terbalik untuk menghitung lintasan kontrol yang akan diikuti. Lintasan kendali penuh dibagi menjadi beberapa bagian. Setiap domino diterjemahkan dari titik awal ke titik target. Titik referensi dari jalur pilih dan tempat bertepatan dengan setiap titik kisi untuk menemukan posisi terbaik antara robot dan tugas.

Untuk memainkan permainan domino, diidentifikasi simetri jalur domino. Gambar 9 (a)menampilkan lokasi asli kartu domino. Tebal setiap kartu domino adalah 10 mm dan jarak antar kartu domino yang berdekatan adalah 30 mm. Robot harus mengambil kartu domino dan menempatkannya di posisi yang ditentukan (dari titik “S” ke titik “E” pada Gambar 9 (b) – (c)). Gambar 9 (d)menyajikan jalur domino yang sebenarnya selama percobaan. Lokasi domino dikaitkan dengan jalan setapak. Akhirnya, semua kartu domino ditempatkan setelah robot DELTA mendorong domino pertama ( Gbr. 9 (e)). Oleh karena itu, percobaan mengungkapkan fakta bahwa pengontrol yang diusulkan dapat melacak jalur yang diinginkan. Robot DELTA yang diusulkan dimaksudkan untuk melakukan operasi pick-and-place.

5.2 Lingkungan Skenario Eksperimen Kasus II
Tes kedua adalah tes menulis dan menggambar untuk memverifikasi keandalan robot DELTA yang diusulkan. Gambar 10menunjukkan jalur gambar yang diinginkan dalam pengujian. Gambar tersebut menggabungkan karakter Cina dengan gambar robot. Dan gambar yang diinginkan pada Gbr.10dipindai dan diubah menjadi koordinat titik. Gambar 11menyajikan jalur yang diinginkan di antara titik kisi. Atas dasar masukan batas ruang kerja, kendala lingkungan dan analisis resolusi, ruang kerja dipisahkan menjadi titik grid yang koordinatnya dihitung dan dinomori. Di antara semua titik kisi, yang layak menjadi titik acuan dipilih untuk tujuan itu. Gambar 12menunjukkan performa robot dalam tes menggambar dan menulis, berdasarkan Gambar 11. Uji reliabilitas dilakukan beberapa kali, dan tugas terkait diselesaikan dengan tingkat keberhasilan 100%. Karenanya, skema yang diusulkan dapat menyebabkan robot DELTA mengikuti jalur dan bergerak ke target bahkan saat membuat gambar yang kompleks.

5.3 Uji Pengenalan Gambar Kasus III
Kasus III adalah tes pengenalan citra. Robot harus mengambil bola berwarna dan meletakkannya di lubang dengan warna yang sama. Gambar 13menampilkan diagram alir untuk tugas pengenalan gambar. Gambar 14menyajikan kinerja pick-and-place aktual dari robot DELTA yang diusulkan dalam pengujian ketiga ini, dan menunjukkan bahwa robot secara efektif melakukan tugas pick-and-place dengan bola berwarna. Robot dengan aman menghindari rintangan dan mencapai lubang target. Tes ini dilakukan berkali-kali, dan tugas diselesaikan dengan tingkat keberhasilan sekitar 92%. Eksperimen ini menunjukkan bahwa robot DELTA melacak objek dengan warna yang diinginkan, dan bahwa sistem yang diusulkan efektif karena kemampuan beradaptasi, stabilitas, dan ketahanannya yang canggih.

6. Kesimpulan
Karya ini memperkenalkan desain baru robot DELTA dengan end-effector untuk melakukan operasi multifungsi, dan memberikan wawasan tentang cara inovasi akademik ini diubah menjadi kit mekatronika untuk pendidikan universitas. Desain robot DELTA yang diusulkan meliputi rotasi pergelangan tangan dua sumbu, gripper, dan lengan robotik enam sumbu. Implementasi sistem robot melibatkan pengembangan mekanisme, baik perangkat keras maupun perangkat lunaknya. Biaya penerapan seluruh sistem robot yang diusulkan adalah sekitar US $ 1.000, yang hanya 10% dari biaya robot komersial yang setara. Oleh karena itu, keuntungan utama dari sistem yang diusulkan adalah modular, dapat dikonfigurasi ulang dan lebih murah daripada alternatifnya. Uji pengulangan dilakukan untuk memastikan keakuratan sistem robot. Untuk mengevaluasi kinerja robot DELTA, berbagai skenario eksperimental diperkenalkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa robot DELTA yang diusulkan menyelesaikan tugas secara efektif. Diharapkan solusi yang diusulkan untuk masalah yang dibahas dalam penelitian ini berguna dalam konstruksi, otomasi dan pembuatan sistem robot paralel-link berskala besar.

Baca Juga Artikel Tentang: Hal Menarik Tentang Robot SCARA