มือหุ่นยนต์อัตโนมัติ (Automatic Robot Gripper)
อาจารย์ที่ปรึกษา ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.กิตติพงษ์ เยาวาจา
หัวหน้ากลุ่มวิจัยวิทยาการหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติขั้นสูง
และผู้รับผิดชอบหลักสูตรหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ (นานาชาติ)
นายธนากร ศรีเรือง 6330302308
นายรณกร ศรีทับทิม 6330302634
นายนาธาน กุลมา 6330302391
บทคัดย่อ
โครงงานนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบ Automatic Robot Gripper เป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่จับถุงซิปในรูปแบบทรงกระบอกโดยเฉพาะ โดยที่พวกเราใช้ wCk-1108k1 Motor เป็นตัวขับเคลื่อนและทดสอบหาแรงที่จับวัตถุโดยทำให้วัตถุไม่เสียรูป โดยจะมีการสร้างชิ้นงานโดยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติและใช้ PLA เป็นวัสดุ
Topic Automatic Robot Gripper
Name Mr.Thanakorrn Sriruang 6330302308
Mr.Ronakorn Sritumtim 6330302634
Mr.Nathan Kullama 6330302391
Abstract
The objective of this project is to design an Automatic Robot Gripper, specifically intended for gripping zip-lock bags in a cylindrical shape. We utilize the wCk-1108k1 Motor to drive and test the gripping force, ensuring that the objects are not deformed during grasping. The components will be manufactured using 3D printing technology, with PLA as the material.
กิตติกรรมประกาศ
โครงงานนี้เป็นการออกแบบ Automatic Robot Gripper จากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ โครงงานนี้สามารถประสบความสำเร็จลุล่วงได้ ด้วยความสนับสนุนและความช่วยเหลือจาก ผศ.ดร.กิตติพงษ์ เยาวาจา อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงาน ที่ได้ให้คำปรึกษา ความรู้ ความเข้าใจ อีกทั้งยังให้คำแนะนำ เพื่อที่จะให้ไปต่อยอดในกระบวนการคิด อีกทั้งยังเอาใจใส่ในรายละเอียดต่างๆ ทำให้โครงงานสำเร็จเรียบร้อยไปด้วยได้ดี
ทางคณะผู้จัดทำขอกราบขอบคุณเป็นอย่างสูงไว้ ณ ที่นี้
ขอขอบคุณ ผศ.สุทาทิพย์ วิทยปิยานนท์ และ ผศ.ดร.บุญธรรม วงศ์ไชย สำหรับการคอยช่วยเหลือ ซัพพอร์ต ให้ข้อมูล ให้คำแนะนำต่างๆ
สารบัญ
บทนำ 1
- ความเป็นมา และ ความสำคัญของปัญหา 1
1.1 วัตถุประสงค์ของการศึกษา 3
1.2 ขอบเขตการศึกษา 3
ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง 4
2.1 การออกแบบ Gripper 4
2.1.1 จุดประสงค์ของการออกแบบ 4
2.1.2 ทฤษฎีการคำนวณ 5
การออกแบบ 15
3.1 การออกแบบ Robot Gripper สำหรับการจับถุงซิป โดยโปรแกรม SOLIDWORKS 15
3.2 การพิมพ์ชิ้นงานด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 21
3.3 การใช้งาน wCK Module 30
3.3.1 การเชื่อมต่อสายไฟ 30
3.3.2 การเชื่อมต่อ wCk Motor 35
3.3.3 การใช้ Program wCK motor 36
ผลการทดลอง 37
4.1 การทดสอบแรง 37
4.2 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูปมากที่สุด 39
4.3 ทดสอบแรงที่กระทำกับวัตถุที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที 45
4.4 การทดสอบ Backlash ของ Link gear 47
4.5 เปรียบเทียบผลการทดลอง 48
วิเคราะห์และสรุปผล 49
5.1 ผลการทดลองและวิเคราะห์ผลการทดลอง 49
5.2 สรุปผลการทดลอง 49
5.3 ข้อเสนอแนะและควรปรับปรุง 49
บรรณานุกรม 50
สารบัญภาพ
ภาพที่ 1.1 หุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติคืออนาคตของกระบวนการผลิต 1
ภาพที่ 1.2 ข้อมูลของ wCk motor 2
ภาพที่ 2.1 FBD 1 5
ภาพที่ 2.2 FBD 2 5
ภาพที่ 2.3 FBD Link age 8
ภาพที่ 2.4 FBD Li 10
ภาพที่ 2.5 FBD Link 11
ภาพที่ 2.6 FBD Link 1 12
ภาพที่ 3.1 ภาพ Isometric และ ตาราง BOM (Bill of material) 15
ภาพที่ 3.2 ภาพฉาย Isometric ของ Robot Gripper 16
ภาพที่ 3.3 มุมฉาย Isometric ของ Robot Gripper 16
ภาพที่ 3.4 ภาพ Explode view ของ Robot Gripper 17
ภาพที่ 3.5 Leg 1 x 2 17
ภาพที่ 3.6 Leg 3 x 2 18
ภาพที่ 3.7 Link gear motor 18
ภาพที่ 3.8 Link gear 19
ภาพที่ 3.9 Plate – F 19
ภาพที่ 3.10 Plate – B 20
ภาพที่ 3.11 การพิมพ์ Leg 1 x 2 โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 21
ภาพที่ 3.12 การพิมพ์ Leg 3 x 2 โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 21
ภาพที่ 3.13 การพิมพ์ Link gear motor โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 22
ภาพที่ 3.14 การพิมพ์ Link gear โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 22
ภาพที่ 3.15 การพิมพ์ Plate – F โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 23
ภาพที่ 3.16 การพิมพ์ Plate – B โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 23
ภาพที่ 3.17 ประกอบ Leg 1 เข้ากับ Leg 3 โดยเพลา 24
ภาพที่ 3.18 ประกอบ Leg 1,Leg 2 เข้ากับ Plate – F 25
ภาพที่ 3.19 นำLink gear motor และ Link gear เข้ากับ Plate – F โดยให้เฟืองทั้ง 2 ตัวขบกัน 26
ภาพที่ 3.20 นำ Motor มาติดเข้ากับ Plate – B 27
ภาพที่ 3.21 นำ Plate – F กับ Plate – B ประกอบเข้าด้วยกัน 28
ภาพที่ 3.22 การติดแผ่นยาง 29
ภาพที่ 3.23 ภาพ Diagram การต่อสายไฟ 30
ภาพที่ 3.24 ภาพการต่อ Power supply 31
ภาพที่ 3.25 ภาพการต่อสายไฟเข้า Wck motor 32
ภาพที่ 3.26 การต่อ HW – 597 USB to TTL 33
ภาพที่ 3.27 การเชื่อมสายผ่าน Bread Board 34
ภาพที่ 3.28 ภาพองค์ประกอบ wCK motor 35
ภาพที่ 3.29 ภาพ wCK Programer 36
ภาพที่ 4.1 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูป มุม 60 องศา 39
ภาพที่ 4.2 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูป มุม 55 องศา 40
ภาพที่ 4.3 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูป มุม 50 องศา 41
ภาพที่ 4.4 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูป มุม 45 องศา 42
ภาพที่ 4.5 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูป มุม 40 องศา 43
ภาพที่ 4.6 ภาพการทดสอบแรงที่กระทำกับวัตถุที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ 46
ภาพที่ 4.7 ภาพการหาค่า Backlash 47
สารบัญตาราง
ตารางที่ 4.1 38
ตารางที่ 4.2 กรณีไม่ติดแผ่นยาง 45
ตารางที่ 4.3 กรณีติดแผ่นยาง 45
ตารางที่ 4.4 ค่า Backlash 47
รายการสัญลักษณ์
P คือ ความดันที่ใช้จับ (N/mm^2)
F คือ แรงจับ (N)
A คือ พื้นที่ (m^2)
T คือ ทอร์กของมอเตอร์ (Nm)
M คือ โมเมนต์
μ คือ สัมประสิทฺธิ์แรงเสียดทาน
W คือ น้ำหนักในหน่วย (N)
L คือ ความยาวของ Link (m)
m คือ มวลของ Link (kg)
Safety Factor กำหนดให้มีค่าเท่ากับ 2
m_1 คือ มวลของ Link ที่ 1= 0.022 kg
m_2 คือ มวลของ Link ที่ 2= 0.125 kg
m_3 คือ มวลของ Link ที่ 3= 0.088 kg
m_4 คือ มวลของ Link ที่ 4= 0.075 kg
l_1 คือ ความยาวของ Link ที่ 1= 0.035 m
l_2 คือ ความยาวของ Link ที่ 2= 0.025 m
l_3 คือ ความยาวของ Link ที่ 3= 0.035 m
l_4 คือ ความยาวของ Link ที่ 4= 0.055 m
α คือ มุมของ Link1 ที่หยิบจับวัตถุ
θ คือ มุมของ Link3
M_1 คือ โมเมนต์ที่มีแรง F_1 มากระทำ
F_1 คือ แรงที่ย้ายลงมากระทำ ณ จุด B
r_1 คือ ระยะที่แรงย้ายลงมา
F_23 คือ แรงของ Link23
F_32 คือ แรงของ Link32
F_12 คือ แรงของ Link12
บทที่ 1 บทนำ
- ความเป็นมา และ ความสำคัญของปัญหา
ในระยะเวลาที่ผ่านมา ศักยภาพการทำงานของหุ่นยนต์ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง จนภาคผลิตทางอุตสาหกรรมได้นำหุ่นยนต์มาใช้ในกระบวกการทำงานอย่างมากขึ้นเป็นลำดับ เนื่องจากหุ่นยนต์ได้เข้ามามีบทบาทอย่างมากในการปฏิรูประบบการผลิต ทำให้การผลิตมีความเที่ยงตรง แม่นยำ ลดขั้นตอนและเพิ่มความเร็วของการผลิต ลดต้นทุนของผู้ประกอบการ สามารถทำหน้าที่ตรงพื้นที่ที่อาจจะเกิดอันตรายต่อมนุษย์ ทำให้ยกระดับความพึงพอใจอย่างมากสำหรับผู้ผลิตและผู้บริโภค
ภาพที่ 1.1 หุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติคืออนาคตของกระบวนการผลิต
ภาพจาก : https://www.prachachat.net/public-relations/news-561018
ซึ่งในประเทศไทยผู้ประกอบการส่วนใหญ่เป็นเพียงผู้ใช้งาน ไม่สามารถพัฒนาหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติได้เอง การพัฒนาด้านหุ่นยนต์จึงยังเป็นที่ต้องการมากสำหรับในท้องตลาดไทย รวมถึงอุปกรณ์ขับเร้าและอุปกรณ์ทางกลที่ใช้ในการผลิตหุ่นยนต์อุตสาหกรรมต่างๆ
Gripper เป็นหนึ่งใน End-of-Arm Tooling (EOAT) หรือ ชุดอุปกรณ์ที่เปรียบเสมือนมือของหุ่นยนต์ ที่ทำหน้าที่เป็นตัวจับชิ้นงาน พอติดตั้งเข้ากับแขนหุ่นยนต์แล้วจะทำให้ทำงานง่ายขึ้น เหมือนมีมือที่จับของได้คล่องตัวขึ้น คอยจับชิ้นงานแล้วส่งไปยังขั้นตอนถัดไป ซึ่ง Gripper ก็จะมีอยู่หลายประเภท เช่น Vacuum Gripper ที่จะใช้ยกของหนักได้ดี Hydraulic Gripper ที่มีพลังจับยอดเยี่ยม หรือ Electric Gripper ที่เหมาะกับงานความเร็วสูง โดยที่ทาง CC-Link สามารถใช้สร้างระบบเครื่องจักรเพื่อตั้งค่าการทำงานให้ใช้งานร่วมกับตัว Electric Gripper ได้ ประเภทของ Gripper เหล่านี้เกิดมาจากการ ทดลอง วิจัยต่างๆ จนทำให้ได้ Gripper ที่เหมาะกับงานประเภทต่างๆ
ข้อมูลจำเพาะของ wCK Motor
ภาพที่ 1.1 ข้อมูลของ wCK motor
โมดูล wCK ของ RoboBuilder เป็นโมดูลหุ่นยนต์อัจฉริยะที่ผู้ใช้สามารถสร้างหุ่นยนต์ที่สร้างสรรค์ในรูปแบบต่าง ๆ ได้อย่างง่ายดาย และสามารถดำเนินการและควบคุมหุ่นยนต์ได้โดยง่าย เป็นโมดูลหุ่นยนต์แบบ
บล็อกที่มีโครงสร้างการป้องเข้าของข้อต่อ โดยมีการประกอบข้อต่อแบบรวดเร็วและง่ายด้วยวิธีการเสียบที่ช่วยลดเวลาในการสร้าง เพียงแค่เสียบส่วนข้อต่อพลาสติกเข้ากับโมดูล wCK เพื่อเชื่อมต่อกันเข้ากับโมดูล wCK
อื่น ๆ อย่างที่ช่วยลดเวลาในการสร้าง ภายในนั้นประกอบด้วยบอร์ดควบคุมและกลไกเซอร์โซเวอร์ที่รวมอยู่ภายในโมดูล wCK เองสามารถทำงานเป็นระบบหุ่นยนต์เล็กๆ ได้เพราะมีพอร์ต I/O ภายนอกและสามารถรันโปรแกรมการเคลื่อนไหวได้เองได้โดยไม่ต้องมีการควบคุมจากภายนอก โมดูล wCK นำเทคโนโลยีควบคุมการเคลื่อนไหว PID และทำให้มีลักษณะการควบคุมการเคลื่อนไหวที่แม่นยำและแม่นขึ้นเหมือนกับมอเตอร์เซอร์โวอุตสาหกรรม
1.1 วัตถุประสงค์ของการศึกษา
เพื่อพัฒนาและปรับปรุงเทคโนโลยี Automatic Robot Gripper ให้ดียิ่งขึ้น และนำไปต่อยอดในงานวิศวกรรม
เพื่อสามารถหยิบวัตถุพลาสติก ในรูปแบบทรงกระบอกได้
ศึกษาแรงที่ทำให้วัตถุพลาสติก มีการเสียรูปน้อยที่สุด
1.2 ขอบเขตการศึกษา
ออกแบบและสร้าง Robot Gripper โดยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ
สามารถกำถุงพลาสติกใสที่มีน้ำหนักได้อย่างน้อย 0.0825 กิโลกรัม
บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง
2.1 การออกแบบ Gripper
โดยเราจะใช้การออกแบบโดยใช้ Gripper แบบขนาน โดยจะใช้ Parallelogram four-bar linkage mechanism ประกอบด้วยนิ้ว 2 นิ้ว ที่ทำจากพัสดุ PLA และชิ้นส่วน เฟือง เกียร์ สกรู จะขับเคลื่อนโดย wCK servo motor ที่ต่อกับเฟืองเกียร์ เพื่อขับเคลื่อนนิ้วทั้ง 2 นิ้วให้ขยับ
Four-bar linkage เป็นกลไกชิ้นต่อโยงที่มี 4 ชิ้นส่วน (Link) ที่เชื่อมต่อกัน (Joint) โดยจะต่อกันเป็นรูปวงปิด เพื่อทำให้เกิดการเคลื่อนที่ แบบลูกโซ่หรือแบบต่อเนื่อง ซึ่งเป็นกลไกพื้นฐานที่อยู่ในศาสตร์ที่เรียกว่า Kinematics ที่เป็นการศึกษาเกี่ยวกับการทำงานของกลไกเช่น การหมุน เคลื่อน ขยับ สั่น กระดก ลอย จม ดึง ดัน งัด ล็อก คลายของกลไก เป็นต้น โดยไม่มีการสนใจเรื่องแรง ความเร็ว ความเร่งเข้ามาเกี่ยวข้อง
2.1.1 จุดประสงค์ของการออกแบบ
จุดประสงค์ของการออกแบบ เพื่อให้ gripper สามารถปฏิบัติหน้าที่ได้อย่างเหมาะสม กับวัตถุประสงค์ โดยจำเป็นต้องสามารถจับวัตถุพลาสติกที่มีรูปแบบทรงกระบอก โดยไม่ทำให้เสียหายหรือเสียรูปมาก และสามารถจับวัตถุเอาไว้ได้ อีกทั้งยังต้องตอบสนองต่อคำสั่งเคลื่อนไหว ได้อย่างรวดเร็ว
2.1.2 ทฤษฎีการคำนวณ
- แรงในการจับชิ้นงาน
ภาพที่ 2.2 FBD 2
กำหนดให้
P คือ ความดันที่ใช้จับ (N/mm^2)
โดยเป็นความดันคงที่ P=F/A
F คือ แรงจับ (N)
A คือ พื้นที่ที่จับ (m^2)
จาก m=0.825 kg
e=0.095 m
μ=1
a=0.037 m
b=0.027 m
จากภาพที่ 2.2 FBD 2
mge= ∫▒2μxdF
โดย dF=pdA แทนค่าได้
mge= ∫▒2μpxdA
ให้ความดัน P คงที่ mge=2μp∫▒xdA
mge=2μp∫_0^b▒∫_0^a▒xdxdy
∑▒〖M_0=0〗
mge= μpa^2 b
P= mge/(μa^2 b)
F/ab= mge/(μa^2 b)
F=mge/μa
F=(0.0825×9.81×0.095)/(1×0.037)
F=2.023 N
กรณีเกิดการหมุนถ้า F น้อยกว่า 2.023 N
∑▒〖F_y=0〗
2μF=mg
F=mg/2μ
F=(0.0825×9.81)/(2×1)
F=0.404 N
กรณีเกิดการหล่นถ้า F น้อยกว่า 0.404 N
โดยกลไกที่เหมาะสมกับจุดประสงค์ของระบบนี้ คือ มือจับแบบขนาน โดยใช้กลไก four-bar linkage มือจับประกอบด้วย 2 นิ้ว ทำจากวัสดุ PLA โดยใช้ 3D Printer โดยการหมุนของ Gripper เซอร์โวมอเตอร์ที่มีแรงบิด 0.7 นิวตันเมตร จะเชื่อมต่อเข้ากับเกียร์
ภาพที่ 2.3 FBD Linkage
m_1=มวลของ Link ที่ 1= 0.022 kg
m_2=มวลของ Link ที่ 2= 0.125 kg
m_3=มวลของ Link ที่ 3= 0.088 kg
m_4=มวลของ Link ที่ 4= 0.075 kg
l_1=ความยาวของ Link ที่ 1= 0.035 m
l_2=ความยาวของ Link ที่ 2= 0.025 m
l_3=ความยาวของ Link ที่ 3= 0.035 m
l_4=ความยาวของ Link ที่ 4= 0.055 m
α=มุมของ Link1 ที่หยิบจับวัตถุ
θ=มุมของ Link3 โดยในขณะที่จับวัตถุ กลไกจะอยู่ในสถานะคงที่ ดังนั้น โดยการแก้สมการคงที่ จะได้น้ำหนักของวัตถุที่มือจับจับได้ หลังจากศึกษาค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของวัสดุต่างๆ แล้วพบว่าค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานเป็น 1 เป็นสมมติฐานที่ปลอดภัยและเหมาะสม เพื่อให้สมการง่ายขึ้น ให้ถือว่าจุดศูนย์กลางมวลของแต่ละจุดอยู่ตรงกลางดังภาพ 2.3
โดย F_23 คือ แรงของ Link23
F_32 คือ แรงของ Link32
F_12 คือ แรงของ Link12
ภาพที่ 2.4 FBD Li
Link 3: เชื่อมต่อกับอินพุตมอเตอร์ และแรงบิดจะถูกใช้ในจุด A จากแผนภาพ (FBD) จากรูปได้สมการเป็น
∑▒〖M_A=T+(m_3 g×l_3/2×cos(α))〗-(F_23×l_3×cos(α) )
+(F_23×l_3×sin(α) )=0
โดย T คือทอร์กของมอเตอร์ เท่ากับ 0.7 Nm โดยเป็นตัวส่งกำลังในจุด A
ภาพที่ 2.5 FBD Link
∑▒〖F_x=-F_1+F_12x-F_32x=0〗
∑▒〖F_y=m_4 g+m_2 g-F_12y+F_32y=0〗
∑▒〖M_B=-M_1+(m_2 g×l_2/2×sin(θ))〗-(F_12×l_2×sin〖(θ))〗+(F_12×l_2×cos(θ) )=0
M_1=F_1×r_1
เมื่อ M_1 คือ โมเมนต์ที่มีแรง F_1 มากระทำ
F_1 คือ แรงที่ย้ายลงมากระทำ ณ จุด B
r_1 คือ ระยะที่แรงย้ายลงมา
โดย M_1 คือ โมเมนต์ที่มีแรง F_1 กระทำบน Link 2
ภาพที่ 2.6 FBD Link 1
∑▒〖M_D=〗(F_12×l_1×cos〖(α))〗+(F_12×l_1×sin(α))+(m_1 g×l_1/2×sin(α) )=0
โดยหาน้ำหนักที่สามารถยกได้ จากสูตร
W=(2×F_1×μ)/(Safety Factor)
โดย W คือ น้ำหนักในหน่วย N
μ คือ สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน เท่ากับ 1
Safety Factor กำหนดให้มีค่าเท่ากับ 2
คำนวณที่มุม 85 องศา คือ มุมที่เหมาะสมกับการจับชิ้นงาน
∑▒〖M_A=T+(m_3 g×l_3/2×cos(α))〗-(F_23×l_3×cos(α) )
+(F_23×l_3×sin(α) )=0
0.7+(6.3×〖10〗^(-3)×9.81×(35×〖10〗^(-3))/2×cos(85) )-(F_23×35×〖10〗^(-3)×cos(85) )+(F_23×35×〖10〗^(-3)×sin(85) )=0
F_23=-22 N
∑▒〖M_B=-M_1+(m_2 g×l_2/2×sin(θ))〗-(F_12×l_2×sin〖(θ))〗+(F_12×l_2×cos(θ) )=0
-M_1+(12.5×〖10〗^(-3)×9.81×(25×〖10〗^(-3))/2×sin(53.21) )-(F_12×25×〖10〗^(-3)×sin(53.21) )-(F_12×25×〖10〗^(-3)×cos(53.21) )=0
-(F_1×40×〖10〗^(-3) )+(2.16×〖10〗^(-3) )-0.035F_12=0
F_12=((1.23×〖10〗^(-3) )-(F_1×40×〖10〗^(-3) ))/0.035
จาก ∑▒〖F_x=-F_1+F_12 cos(α)-F_32 cos〖(α)=0〗 〗
F_1=(((1.23×〖10〗^(-3) )-(F_1×40×〖10〗^(-3) ))/0.035) cos(85)-(22×cos(85))
F_1=1.74 N
F_12=((1.23×〖10〗^(-3) )-(1.74×40×〖10〗^(-3) ))/0.035
F_12=-1.98 N
∑▒〖M_D=〗(F_12×l_1×cos〖(α))〗+(F_12×l_1×sin(α))+(m_1 g×l_1/2×sin(α) )=0
∑▒〖M_D=〗(1.98×35×〖10〗^(-3)×cos〖(85))〗+(1.98×35×〖10〗^(-3)×sin〖(85))〗+(2.2×〖10〗^(-3)×(35×〖10〗^(-3))/2×sin(85) )
∑▒〖M_D=〗 0.075
หา W ได้จากสูตร กำหนดให้ μ สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน มีค่าเท่ากับ 1
Safety Factor มีค่าเท่ากับ 2
W=(2×F_1×μ)/(Safety Factor)
W=(2×1.74×1)/2
W=1.74 N
ส่วนบนของฟอร์ม
บทที่ 3 การออกแบบ
3.1 การออกแบบ Robot Gripper สำหรับการจับถุงซิป โดยโปรแกรม SOLIDWORKS
3.1.1 Assembly, Explode view และ Part ต่างๆ
ภาพที่ 3.1 ภาพ Isometric และ ตาราง BOM (Bill of material)
จากภาพที่ 3.1 เป็นโครงสร้างของตัว Robot Gripper รวมถึงบอกตำแหน่งส่วนประกอบต่างๆภายในตัวของ Gripper โดยตารางมีตาราง BOM (Bill of material) ดังตารางรูป 3.4 จะเป็นตัวบอกชิ้นส่วนต่างๆ ส่วนประกอบต่างๆ ที่ต้องใช้ในการผลิต
ภาพที่ 3.2 ภาพฉาย Isometric ของ Robot Gripper
ภาพที่ 3.3 มุมฉาย Isometric ของ Robot Gripper
3.1.2 ภาพ Explode view และ Past ต่างๆ ของ Robot Gripper
ภาพที่ 3.4 ภาพ Explode view ของ Robot Gripper
ภาพที่ 3.5 Leg 1 x 2
ภาพที่ 3.6 Leg 3 x 2
ภาพที่ 3.7 Link gear motor
ภาพที่ 3.8 Link gear
ภาพที่ 3.9 Plate – F
ภาพที่ 3.10 Plate – B
3.2 การพิมพ์ชิ้นงานด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
วัสดุที่ใช้ทำการผลิตชิ้นงานโดยใช้เส้นพลาสติก PLA เป็นตัวผลิต
ภาพที่ 3.11 การพิมพ์ Leg 1 x 2 โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
ภาพที่ 3.12 การพิมพ์ Leg 3 x 2 โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
ภาพที่ 3.13 การพิมพ์ Link gear motor โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
ภาพที่ 3.14 การพิมพ์ Link gear โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
ภาพที่ 3.15 การพิมพ์ Plate – F โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติภาพที่ 3.16 การพิมพ์ Plate – B โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
3.2 การประกอบชิ้นงาน
ภาพที่ 3.17 ประกอบ Leg 1 เข้ากับ Leg 3 โดยเพลา
ภาพที่ 3.18 ประกอบ Leg 1,Leg 2 เข้ากับ Plate – F
ภาพที่ 3.19 นำLink gear motor และ Link gear เข้ากับ Plate – F โดยให้เฟืองทั้ง 2 ตัวขบกัน
ภาพที่ 3.20 นำ Motor มาติดเข้ากับ Plate – B
ภาพที่ 3.21 นำ Plate – F กับ Plate – B ประกอบเข้าด้วยกัน
ภาพที่ 3.22 การติดแผ่นยาง
ตารางค่า friction coefficient
เลือกใช้ friction coefficient ค่าเท่ากับ 1 โดยใช้วัสดุระหว่าง Plastic กับ Rubber
3.3 การใช้งาน wCK Module
3.3.1 การเชื่อมต่อสายไฟในการเชื่อมต่อนี้จะใช้ power supply ส่งกระแสไฟไปที่ตัวมอเตอร์ ส่วน สายดิน จะต่อรวมกันที่ breadboard จากนั้น จะใช้ HW-597 ที่เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ต่อ USB กับคอมพิวเตอร์ และส่ง TXD และ RXD ไปที่มอเตอร์
ภาพที่ 3.33 ภาพ Diagram การต่อสายไฟ
ภาพที่ 3.34 ภาพการต่อ Power supply
Power supply ทำหน้าที่เป็นตัวจ่ายกระแสไฟ สาย VCC จึงต่อไปที่มอเตอร์ เพื่อไปเลี้ยงไฟที่ Motor และ สาย Ground หรือ สายดิน เป็นสายไฟหรือตัวนำที่ต่อจากอุปกรณ์ไฟฟ้า เป็นเส้นทางสำหรับกระแสไฟฟ้าที่เกิดการรั่วไหล หรือ ไฟรั่ว ไหลกลับไปยังระบบตัดไฟ เพื่อให้ระบบตัดไฟอัตโนมัติทำงาน หรือไหลลงสู่ดิน จึงต่อ สาย Ground ไป ที่ Breadboard
ภาพที่ 3.35 ภาพการต่อสายไฟเข้า wCK motor
การต่อที่ wCK Motor โดยสายจาก VCC จะต่อตรงมาจาก Power supply ส่วนสาย TXD และ RXD จะต่อไปที่ micro controller HW-597 โดยขา TXD ทำหน้าที่ในการส่งข้อมูลและขา RXD ทำหน้าที่ในการรับข้อมูล
และ สาย Ground หรือ สายดิน จะต่อ ไปที่ Breadboard
ภาพที่ 2 การต่อ HW – 597 USB to TTL
ไมโครคอนโทรลเลอร์ HW-597 USB to TTL เป็นอุปกรณ์แปลงสัญญาณการสื่อสารที่ใช้ในการเชื่อมต่อระหว่างคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พอร์ต TTL (Transistor-Transistor Logic) โดยสาย TXD และ RXD จะต่อกับ wCK Motor ส่วนสาย Ground หรือ สายดิน จะต่อไปที่ Breadboard
ภาพที่ 3.37 การเชื่อมสายผ่าน Bread Board
โดย Breadboard จะนำสาย Ground หรือ สายดิน มาต่อรวมกัน โดยสาย Ground จะมาจาก motor , Power Supply , HW-597
3.3.2 การเชื่อมต่อ wCK Motor
โมดูล wCK มาพร้อมกับตัวต่อสองช่องที่ตั้งอยู่ทั้งสองด้านของโมดูล สองตัวต่อนี้ถูกเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเพื่อการสื่อสาร หากเสียบตัวต่อใดตัวหนึ่งของสองตัวต่อเข้าไป โมดูลจะพร้อมที่จะสื่อสารทันที ตัวต่ออีกตัวหนึ่งใช้สำหรับขยายไปยังโมดูล wCK อื่น โดยตัวต่อที่ต่อที่สองของสายสัญญาณของโมดูล wCK มีการเชื่อมโยงเข้าเรียงกัน เพื่อลดความเสี่ยงในการทำข้อผิดพลาดในการต่อสายไฟและการเชื่อมต่ออีกด้วย
ภาพที่ 3.38 ภาพองค์ประกอบ wCK motor
3.3.3 การใช้ Program wCK motor
โดยโปรแกรม wCK program เป็นโปรแกรมที่ออกแบบมาเพื่อสำหรับควบคุมการทำงานของ wCK servo motor โดยจะมีฟังก์ชั่นการทำงานต่างๆให้ได้เลือกใช้ พร้อมสามารถสั่งการและควบคุม wCK motor ได้หลายตัว อีกทั้งยังมีฟังก์ชั่นการทำงานแบบอัตโนมัติให้เลือกใช้ได้อีกด้วย ดังรูป
ภาพที่ 3.39 ภาพ wCK Programer
บทที่ 4 ผลการทดลอง
4.1 การทดสอบแรง
การทดสอบแรงในการเคลื่อนที่ของนิ้ว Gripper เป็นกระบวนการที่มีความสำคัญในการตรวจสอบประสิทธิภาพและประสิทธิภาพของระบบหรืออุปกรณ์ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมหรือการทำงานที่ต้องการความแข็งแรงและความทนทานในการจับของหรือวัตถุต่าง ๆ ในการทดสอบนี้จะใช้นิ้ว Gripper ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการจับวัตถุต่าง ๆ โดยจะทดสอบความสามารถในการทำแรงในระหว่างการเคลื่อนที่ที่มีการเปลี่ยนแปลงในองศาการเคลื่อนที่ ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่สามารถพบเห็นในการประยุกต์ใช้จริง เช่น การจับวัตถุในมุมต่าง ๆ หรือรูปแบบการจับที่ต่างกัน การทดสอบนี้ช่วยให้ผู้พัฒนาหรือผู้ใช้สามารถปรับปรุงหรือปรับแต่งการตั้งค่าของ Gripper เพื่อให้สามารถทำงานได้ดียิ่งขึ้นในเงื่อนไขการใช้งานที่แตกต่างกันได้ เช่น การเพิ่มหรือลดแรงการจับในการตรวจสอบความเสี่ยงหรือความปลอดภัยของการใช้งานหรือเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการจับวัตถุที่มีลักษณะเฉพาะโดยเฉพาะในงานอุตสาหกรรมและการผลิต
ในการทดสอบการวัดแรงจะทำโดยการใช้ การตีแรงเข้าไปที่ตราชั่งวัดแรง ในแต่ละมุม และเก็บข้อมูลเกี่ยวกับแรงที่ได้ บันทึกลงในตารางที่แสดงแรงตามมุมที่เปลี่ยนไป
ตารางที่ 4.1 การทดลองวัดแรงบีบของแต่และมุม
รอบที่ มุม 85 ( g ) มุม 88 ( g ) มุม 105 ( g ) มุม 110 ( g ) มุม 115 ( g )
1 215 421 643 819 1016
2 211 402 650 822 1015
3 230 398 622 811 1012
4 236 417 678 806 1015
5 241 429 681 814 1027
โดนแรงเฉลี่ยแต่ละมุมจะได้
มุม 85 ( g ) มุม 88 ( g ) มุม 105 ( g ) มุม 110 ( g ) มุม 115 ( g )
เฉลี่ย 226.6 413.4 654.8 814.4 1017
เปลี่ยนเป็นหน่วย นิวตัน
มุม 85 ( N ) มุม 88 ( N ) มุม 105 ( N ) มุม 110 ( N ) มุม 115 ( N )
เฉลี่ย 2.22 4.05 6.42 7.99 9.97
4.2 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูปมากที่สุด
ในการทดลองเราจะสังเกตถุงซิปว่ามีการเปลี่ยนแปลงมากน้อยเพียงใด ให้สอดคล้องกับตารางที่ 4.1
ณ มุม 60 องศา แรง = 2.22 นิวตัน
ถุงซิปยังไม่มีการเปลี่ยนรูปเหมาะสมกบการจับวัสดุ
ภาพที่ 4.1 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูป มุม 60 องศา
ณ มุม 55 องศา แรง = 4.05 นิวตัน
ถุงซิปยังไม่มีการเปลี่ยนรูปเหมาะสมกบการจับวัสดุ
ภาพที่ 4.2 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูป มุม 55 องศา
ณ มุม 50 องศา แรง = 6.42 นิวตัน
ถุงซิปเริ่มมีการเปลี่ยนรูปเนื่องจาก แรงที่กระทำมากเกินไป
ภาพที่ 4.3 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูป มุม 50 องศา
ณ มุม 45 องศา แรง = 7.99 นิวตัน
ถุงซิปมีการเปลี่ยนรูปชัดเจน เนื่องจากแรงที่กระทำมากเกินไป
ภาพที่ 4.4 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูป มุม 45 องศา
ณ มุม 40 องศา แรง = 9.97 นิวตัน
ถุงซิปมีการเปลี่ยนรูปชัดเจน เนื่องจากแรงที่กระทำมากเกินไป
ภาพที่ 4.5 การทดสอบการหาแรงที่เหมาะสมในการจับวัตถุไม่ให้เสียรูป มุม 40 องศา
จากผลการทดลอง
มุมที่เหมาะสมกับการใช้งานมากที่สุด คือ มุม 55 องศา
โดย จากการคำนวณพบว่า มุมที่ 55 องศา แรงกระทำ เท่ากับ 1.74 N
จากการทดลองพบว่า มุมที่ 55 องศา แรงกระทำ เท่ากับ 2.22 N
ค่าความคลาดเคลื่อน= |(X_mean-X_t)/X_t |×100%
ค่าความคลาดเคลื่อน= |(2.22-1.74)/1.74|×100%
ค่าความคลาดเคลื่อน= 27.58%
ซึ่งค่าความคลาดเคลื่อนอาจเกิดจาก การทดลองแบบ Manual และความไม่ชำนาจของผู้ทดลอง ค่า Backlash ในส่วนประกอบอื่นๆของ Gripper การใช้วัสดุในเหมาะสม โดยภาพรวมเหล่านี้อาจจะให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการทดลองได้4.3 ทดสอบแรงที่กระทำกับวัตถุที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่
ตารางที่ 4.2 กรณีไม่ติดแผ่นยาง
รอบที่ มุม 85 ( g ) มุม 88 ( g ) มุม 105 ( g ) มุม 110 ( g ) มุม 115 ( g )
1 80 139 224 275 350
2 96 151 220 271 381
3 93 148 237 273 353
4 90 152 223 272 345
5 92 137 214 293 333
เฉลี่ย 90.2 145.4 223.6 276.8 352.4
แปลงหน่วยเป็น N
มุม 85 ( N ) มุม 88 ( N ) มุม 105 ( N ) มุม 110 ( N ) มุม 115 ( N )
เฉลี่ย 8.84 14.26 21.93 27.15 34.57
ตารางที่ 4.3 กรณีติดแผ่นยาง
รอบที่1 รอบที่2 รอบที่3 รอบที่ 4 รอบที่ 5
มุม 60 ( g ) 602 598 613 609 597
ภาพที่ 4.6 ภาพการทดสอบแรงที่กระทำกับวัตถุที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่
4.4 การทดสอบ Backlash ของ Link gear
ในการทดสอบหาค่า Backlash จะทำการจุดความคลาดเคลื่อนของตัว Link gear จุดนึงไปยังอีกจุดนึงโดยการเข้าสูตร arctan คำนวณ
จากสูตร tanθ=ข้าม/ชิด
ตารางที่ 4.4 ค่า Backlash
รอบที่1 รอบที่2 รอบที่3 รอบที่4 รอบที่5 เฉลี่ย
θ 2.37 2.30 2.46 2.35 2.23 2.342
ดังนั้น ค่า Backlash จะอยู่ที่ 2.34 องศา
ภาพที่ 4.7 ภาพการหาค่า Backlash
4.5 เปรียบเทียบผลการทดลอง
F=P(setpoint-actual)
เมื่อ มุมที่จุด Peak เท่ากับมุม 115 องศา แต่มุมที่วัดจริงได้ 111 องศา
ดังนั้น F=P(115-111)
แรงที่ได้จากการทดลอง F≈9-10 N
การจากทดลองสรุปได้ว่า เมื่อกำหนดมุม Set point มุม 115 องศา และเมื่อหยิบจับวัตถุจะสังเกตได้ว่าขาของ Gripper จะไม่ได้อยู่ในมุม Set point และวัดค่าได้ 111 องศา เนื่องจากมีวัตถุอยู่ระหว่างขาของ Gripper จะเรียกจุดนั้นว่า มุม Actual และเมื่อนำค่าของมุม Set point และ ค่าของมุม Actual มาลบกันจะได้ค่า Error ของมุมจับวัตถุของตัว Gripper และจากการทดลอง ตาราง 4.1 พบว่าแรงที่จับวัตถุเมื่อกำหนดมุม Setpoint ที่ 115 องศา จะมีแรงกดประมาณ 9-10 N
บทที่ 5 วิเคราะห์และสรุปผล
5.1 ผลการทดลองและวิเคราะห์ผลการทดลอง
จากตารางที่ 4.1 จะเห็นว่าแรงบีบของปลาย Gripper ที่เหมาะสมจะอยู่ที่มุม 60 องศา แรงเท่ากับ 2.26 N และ 55 องศา แรงเท่ากับ 4.05 N เนื่องจากการคำนวณแรงที่เหมาะสมจะมีค่าอยู่ที่ 0.4046 N จึงเพียงพอกับการหยิบจับวัตถุไม่ให้เสียรูปมากเกินไป จาการทำการทดสอบค่า Backlash จะพบว่ามีค่าอยู่ที่ 2.342 องศา อาจจจะเกิดจากการใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติทำการผลิตเพราะ การผลิตแต่ละชิ้นส่วนอาจจะมีค่า Error 0.2 – 0.3 mm และค่า Error จาก Motor เท่ากับ ± 0.8 องศา อาจจะทำให้เกิดค่า Backlash ได้
5.2 สรุปผลการทดลอง
โครงงานนี้ได้ทำการออกแบบ Automatic Robot Gripper โดยการใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ วัสดุทำมาจาก PLA โดยจากการทดลอง ตาราง 4.1 เมื่อกำหนดมุม Set point ของตัว Gripper แล้วเมื่อหยิบจับวัตถุจะสังเกตได้ว่าขาของ Gripper จะไม่ได้อยู่ในมุม Set point เนื่องจากมีวัตถุอยู่ระหว่างขาของ Gripper จะเรียกจุดนั้นว่า มุม Actual และเมื่อนำค่าของมุม Set point และ ค่าของมุม Actual มาลบกันจะได้ค่า Error ของมุมจับวัตถุของตัว Gripper และจากการทดลอง 4.3 พบว่าในกรณีติดแผ่นยางและไม่ติดแผ่นยางจะเห็นได้ว่าเมื่อนำแผ่นยางมาติดที่ปลายขาของ Gripper จะทำให้หยิบจับถุงซิปได้แน่นมากขึ้นกว่ากรณีที่ไม่ติดแผ่นยาง
5.3 ข้อเสนอแนะและควรปรับปรุง
กรณีไม่อยากให้เกิด Backlash ควรใช้วัสดุที่มีความคงทนต่อการสึกหรอ เนื่องจากเฟืองต้องมีการรับแรง หากใช้วัสดุ PLA อาจทำให้เกิด Backlash ได้
การเลือกซื้ออุปกรณ์ ควรเลือกอุปกรณ์ที่มีมาตรฐาน จะทำให้ชิ้นงานประกอบได้พอดีกับชิ้นงานที่เราออกแบบไว้
การเลือกใช้มอเตอร์ที่มีทอร์กมากขึ้น จะทำให้ Gripper สามารถหยิบจับวัตถุที่มีน้ำหนักได้ดีมากยิ่งขึ้น
บรรณานุกรม
2019 7th International Conference on Robotics and Mechatronics (ICRoM) https://ieeexplore-ieee-org.kasetsart.idm.oclc.org/document/9071887
การใช้โปรแกรมของมอเตอร์ https://robot-shop.nl/wp-content/uploads/2014/08/wCK-programmer-Manual.pdf
ข้อมูลจำเพราะของมอเตอร์ https://www.pishrobot.com/files/products/datasheets/wck.pdf
IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE) e-ISSN: 2278-1684,p-ISSN: 2320-334X, Volume 11, Issue 5 Ver. IV (Sep- Oct. 2014), PP 61-66 https://www.academia.edu/16774856/Design_and_Implementation_of_a_4_Bar_linkage_Gripper
อาจารย์ที่ปรึกษา ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.กิตติพงษ์ เยาวาจา
หัวหน้ากลุ่มวิจัยวิทยาการหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติขั้นสูง
และผู้รับผิดชอบหลักสูตรหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ (นานาชาติ)