การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

การพฒนาแขนหนยนต 3 แกนสำาหรบเคลอนยายวสดThe Development of 3-axis Robot Arm for

Material Handling สมฤกษ ปจฉาการ คมกรช ทองสะอาด จรญ แซเอยว จรพงศ ลม สายนต พรายม

สาขาวชาวศวกรรมการผลต คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ กรงเทพมหานคร 10800

E-mail: srpkarn@yahoo.com, nook_kkta@hotmail.com

Somrerk Poodchakarn Komkrich Thongsa-ard Charoon Sae-eaw Jirapomg Lim Sai-yan Primee

Department of Production Engineering, Faculty of Engineering King Mongkut’s University of Technology North Bangkok,

Bangkok 10800E-mail: srpkarn@yahoo.com, nook_kkta@hotmail.com

บทคดยองานวจยนนำาเสนอการออกแบบและพฒนาแขนหนยนต 3 แนวแกน (3-axis Articulated Robot Arm) รวมทงโปรแกรมควบคมการเคลอนทสำาหรบการขนถายวสด โดยขนตอนการดำาเนนงานประกอบดวย สวนแรกเปนการออกแบบโครงสรางและระบบขบเคลอนของแขนหนยนตโดยใชวสดอลมเนยม, สเตปปมอเตอร, ชดเฟองตรงและชดเฟองโซ เพอใหไดปรมาตรการทำางานในระบบพกดทรงกลมประมาณ 200,000 cm3 โดยระบบควบคมทางไฟฟาใชการสงสญญาณแบบดจตอลจากอปกรณเชอมตอระหวางคอมพวเตอรไปยงชดขบสเตปมอเตอร (Stepped Motor Driver) 5 ชด สวนทสองเปนการพฒนาโปรแกรมแลบวว (Labview) สำาหรบควบคมการเคลอนทของแขนหนยนต 3 แกน ซงประกอบดวยสวนเอว (Waist), ไหล (Shoulder) และศอก (Elbow) รวมทงระบบหยบจบชนงาน (Gripper) อก 2 แกน โดยพฒนารปแบบการประมวลผลของโปรแกรมใหสามารถควบคมการเคลอนทของทกแนวแกนหมน (Revolute Joint) ใหสมพนธกนได (Synchronization) เพอใหสวนปลายของแขนกล (End-effecter) เคลอนทจากจดทกำาหนดไปยงเปาหมายทตองการไดอยางตอเนอง ตามชดคำาสงของคาตำาแหนง, ทศทางและความเรว ผลการทดสอบเบองตนในการขนถายวสดในระบบพกดฉากจากจด (390,0,204) ไปยงจด (350,200,-206), จากจด

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

(390,0,204) ไปยงจด (350,-200,-206) และจากจด (390,0,204) ไปยงจด (550,0,0) พบวาสวนปลายของแขนกลสามารถเคลอนทไปยงคาเปาหมายทกำาหนดไดอยางนาพอใจคำาหลก แขนหนยนต, การขนถายวสด, แลบวว, การควบคม

AbstractThis research presents the development and design both of structure and controller programming for a 3-axis articulated robot arm for material handling. The development steps consist of to be designing the structure and actuation system of robot arm by using aluminum beam, stepper motors, spur gears, chains and chain sprockets. This robot has a working space about 200,000 cm3. The digital control system using interface card-NI USB 6501 for transfers command data between computer and 5 stepper motor drivers. The second step is the Labview programming development for control those 3 axes such as a waist, shoulder and elbow, including 2 axes of a gripper. The controller algorithm development can control all of rotation joints, synchronously. In order to moving the end-effecter from a starting point to any target points by a continuously coded commanders of positions, directions and velocities. Some preliminary experiments for material handling onto the Cartesian coordinate from the point (390,0,204) to (350,200,-206), from (390,0,204) to (350,-200,-206) and from (390,0,204) to (550,0,0) which can be implied that the end-effecter enable to move from starting points to any target points by satisfactory.Keywords: Articulated Robot Arm, Material Handling, Labview, Control

1. บทนำาปจจบนมการแขงขนทาง

อตสาหกรรมอยางสง ดงนนการจะหวงพงพาแรงงานจากมนษยเพยงอยางเดยวคงจะไมไดเนองจากแรงงานมนษยนนมขอจำากดหลายอยาง เชน ความเหนอยลา ความตองการดานความ

ปลอดภย ความแมนยำาในการทำางาน โครงงานนจงทำาการวจยและพฒนาแขนหนยนตตนแบบ เพอเปนแนวทางในการนำามาใชแทนแรงงานมนษยในงานอตสาหกรรม และเพมขดความสามารถในการแขงขนกบนานาประเทศเนองจากการพฒนาระบบหนยนตอตโนมตตองอาศย

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

พนฐานองคความรหลากหลายแขนงมาประยกตใชรวมกน เชน กลศาสตร โปรแกรมคอมพวเตอร วธเชงตวเลข ไฟฟาและอเลกทรอนกส อกทงตองใชตนทนสงในการศกษาและพฒนา งานวจยนจงไดทดลองออกแบบและพฒนาแขนหนยนตตนแบบทมตนทนตำาและงายตอการพสจนใชงาน โดยเลอกใชโครงสรางแบบหมนรอบแกน (Articulated Arm) 3 แกนและมสวนของมอจบ (Gripper) ทสามารถหยบจบและเคลอนยายวสดซงมมวลไมเกน 400 กรม ไดตามตำาแหนงทตองการ รวมทงพฒนาโปรแกรมแลบววเพอใชควบคมจดหมน 3 จดหมนคอ เอว (Waist), ไหล (Shoulder) และ ศอก (Elbow) ของแขนหนยนตไดโดยใชสเตปมอเตอร (Stepped Motor) เปนตวขบและเปนการควบคมการเคลอนทแบบเปด (Open-loop Control) ตามลำาดบชดคำาสงในระบบพกดฉาก [2]-[6], Gerry B. Andeen [8] แสดงทฤษฎการออกแบบกลไกหนยนตและระบบควบคมทเกยวของรวมทงหลกการวเคราะหดานกลศาสตร และพลศาสตร, Mark W.Spong และ M.Vidyasagar [9] แสดงทฤษฎหลกการวเคราะหดานจลศาสตรของหนยนต เชน จลศาสตรผกผนในรปแบบปด (Closed Form - inverse kinematics), Torsten Kroger

และ Friedrich M.Wahl [10] แสดงรปแบบงานวจยตางๆ เกยวกบระเบยบวธการควบคมหนยนต, Netsanet Gebregziabher [11] นำาเสนอรปแบบการใชโปรแกรมแลบววสำาหรบควบคมหนยนต จากหลกการตางๆ ดงกลาวจงนำามาประยกตใชพฒนาแขนหนยนต 3 แกนสำาหรบเคลอนยายวสด

2. ทฤษฎทเกยวของ2.1 โครงสรางพนฐานของหนยนต

องคประกอบของแขนหนยนตจะประกอบดวยอปกรณและชนสวนตางๆ มากมาย ซงแตละชนดจะมหนาทแตกตางกนไปตามลกษณะและวตถประสงคของการใชงาน การเลอกใชจงจำาเปนตองอาศยทงองคความรและประสบการณ เพอใหระบบกลไกสามารถทำางานไดอยางมประสทธภาพ รวดเรว คงทน และประหยดพลงงาน แขนหนยนตสามารถแบงสวนประกอบหลกไดเปน 4 สวน คอ อปกรณทางกล คอ (1) ชนสวนกลไกตางๆของหนยนต เชน โครงสราง เพลา เฟอง สกรสงกำาลง สายพาน โซ สปรง ขอตอสวมเพลา คลตช เบรก ขอตอ กานตอโยง ตลบลกปนและปลอกสวม (2) อปกรณขบเรา คอ อปกรณทสามารถเปลยนแปลงพลงงานไฟฟาทปอนเขาใหกลายเปนการกระจด การเคลอนท หรอแรง เชน มอเตอรไฟฟา ระบบนวแมตกส และระบบไฮโดรลกส (3) อปกรณไฟฟา

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

และอเลคทรอนกส คอ อปกรณทใชสญญาณทางระบบไฟฟา เชน อปกรณตรวจจบ วงจรขบตางๆ และอปกรณแสดงผล (4) อปกรณควบคม(Controller) คอสมองกลทควบคมการทำางานของหนยนต เชน สมองกลทประดษฐจากอปกรณอเลคทรอนกส เครองควบคมขนาดเลก คอมพวเตอรชนดแผงวงจรสำาเรจรป เครองควบคมเชงตรรกะทสามารถโปรแกรมได และคอมพวเตอรสวนบคคล [7]-[10]

2.2 จลนศาสตร [2], [7]-[10] จลนศาสตรเปนการศกษาถงตำาแหนง (Position), ความเรว (Velocity) และความเรง (Acceleration) ของจด รวมถงความเรวเชงมม (Angular Velocity) และความเรงเชงมม (Angular Acceleration) ของวตถ ซงคณสมบตเหลานจำาเปนทจะใชอธบายถงลกษณะของวตถแขงเกรง (Rigid Body) ตำาแหนงของวตถสามารถบอกไดจากตำาแหนงของจดทอยบนวตถประกอบกบตำาแหนงเชงมม (Angular Position) ของวตถนน ปญหาทางจลนศาสตรของหนยนตม 2 แบบ คอ จลนศาสตรแบบไปขางหนา (Forward Kinematics) หรอ (Direct Kinematics) และ จลนศาสตรแบบ

ผกผน (Inverse Kinematics) ในงานวจยนจะใชวธจลนศาสตรแบบผกผนในการคำานวณหาคาตวแปรของแตละขอตอหมน โดยการกำาหนดตำาแหนงทปลายแขนกล วธการคำานวณจลนศาสตรแบบผกผนนในบางครงมไดหลายคำาตอบหรอไมสามารถหาคำาตอบได การคำานวณจงคอนขางยงยากกวาการคำานวณจลนศาสตรแบบไปขางหนา ซงคำาตอบของวธการคำานวณจลนศาสตรผกผนนอาจเปนได 2 รปแบบ คอรปแบบปด (Closed Form) และระเบยบวธเชงตวเลข (Numerical Iterative Form) ซงวธรปแบบปดนนสามารถหาคำาตอบจากฟงกชนทางคณตศาสตร ซงมความสมพนธกบกลไก 2 กานโยงดงแสดงในรปท 1

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

รปท 1 ลกษณะของกานโยงบนระนาบ Y-Z และ X-Y [9]

รปแบบสมการจลนศาสตรผกผนแสดงดงตอไปน

θ1=tan−1 yx

(1)θ3=cos

−1( r2+s2−a2

2−a32

2a1a2 ) (2)

θ2=tan−1( rs )−tan−1( a2+a3 cosθ3a3 sin θ3 ) (3)

โดยท x, y และ z คอจดสวนปลายของแขนหนยนตทตองการใหเคลอนทไปในแนวแกน x, y และ z ตามลำาดบa2 คอความยาวของกานโยงท 1, a3 คอความยาวของกานโยงท 2, θ2 คอมมระหวางกานโยงท 1 กบระนาบ x-y, θ3 คอมมระหวางกานโยงท 1 กบ 2, r คอรศมการเคลอนทของแขนหนยนตโดย r=√x2+ y2 และ s คอระยะในแนวแกน z

2.3 โปรแกรมแลบวว (LabVIEW) โปรแกรมแลบววเปนโปรแกรม

คอมพวเตอรทสรางขนเพอนำามาใชงานดานการวดและการควบคมทางวศวกรรม ตวโปรแกรมจะประกอบไปดวย หนาจอควบคมและแสดงผล (Front Panel) และหนาจอแผนผงการทำางานของโปรแกรม (Block Diagram) ซงเทยบเคยงไดกบเปนตวโปรแกรม (Source Code) [3]

3. การดำาเนนงาน3.1 การออกแบบแขนหนยนต

การออกแบบแขนหนยนต ใหมลกษณะใชงานงายไมซบซอน โดยใชโครงสรางแบบอารตคเลต ซงโครงสรางลกษณะนจะมขอตอหมนของแขนอย 2 ขอ และทฐานหมนอก 1 ขอ โดยมความยาวของแตละชวงแขนคอ ชวงท 1 ยาว 204 mm, ชวงท 2 ยาว 200 mm และชวงท 3 ยาว 216.35 mm โดยมความสงวดจากพนถงขอตอท 1 คอ 235.70 mm และฐานของแขนหนยนตมขนาด 300x400 mm สรางจากวสดอลมเนยมซงมนำาหนกเบาและทำาการแปรรปไดงาย และใชสเตปปมอเตอรเปนตนกำาลงของแตละรอยตอหมน ดงแสดงในรปท 2

3.2 โปรแกรมประมวลผล การควบคมการเคลอนทของแขนหนยนต 3 แกน และปากจบ จะมขนตอนการทำางานดงน เรมจากเขยนโปรแกรมดวยคอมพวเตอรโดยใชโปรแกรมแลบวว เมอ

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

สงใหแขนหนยนต 3 แกนเคลอนท โปรแกรมจะทำาการประมวลผลและสงสญญาณผานอปกรณเชอมตอระหวางคอมพวเตอร (NI card) และอปกรณขบสเตปปมอเตอร เพอทำาการสงใหมอเตอรหมนไปในทศทาง ตำาแหนง และความเรวทตองการ ซงจะทำาใหสวนปลายปากจบของแขนหนยนตเคลอนทไปยงตำาแหนงทตองการ ดงรปท 3

รปท 2 โครงสรางของแขนหนยนต 3 แกน

รปท 3 องคประกอบของระบบควบคม

หลกการทำางานของโปรแกรม คอผใชปอนคาตำาแหนงของวตถทวางอย และตำาแหนงทจะใหวตถนนไปวาง เมอ

โปรแกรมไดรบคาแลวจะถกคำานวณโดยใชสมการจลนศาสตรผกผน โดยทำาการคำานวณคาจากระบบพกดฉากไปเปนระบบพกดเชงมมเพอสงใหแขนหนยนตเคลอนทไปยงตำาแหนงทตองการ ซงมรายละเอยดดงน ในสวนแรกของโปรแกรมจะเปนสวนรบคาเขามา คอในทนจะรบคาตวเลขของตำาแหนงของวตถเปนคา X, Y, Z โดยผใชงานจะตองใสตำาแหนงของวตถทวางอย (X0, Y0, Z0) และใสคาตำาแหนงทตองการจะวางวตถ(X1, Y1, Z1) โดยชองทสามารถใสคาลงในโปรแกรมจะอยในสวนของหนาหลก ดงแสดงในรป 4 จากนนโปรแกรมจะรบคาตำาแหนงทปอนเขามา และจะสงคาไปคำานวณหาระยะทางกระจด จากนนโปรแกรมจะนำาคาระยะทางกระจดเพอไปคำานวณหาคาระยะ X,Y,Z ยอย ณ ระยะทางกระจดนนๆ ทถกปอนเขามาสงไปยงสมการจลนศาสตรแบบผกผน สมการท (1), (2) และ (3) และจะใชสมการคำานวณหาคาองศาการหมนของแตละรอยตอหมนสำาหรบการควบคมการเคลอนทของสวนเอว หวไหลและขอศอกของแขนหนยนต ตามลำาดบ

3.3 การใชงานโปรแกรม การทำางานของโปรแกรมแลบววทใชในการควบคมแขนหนยนต ซงสวนทใชสงงานจะอยในสวนของผงวงจรของโปรแกรม โดยผใชเพยงแตปอนตำาแหนง

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

ของวตถทวางอยในตำาแหนงเรมตนและตำาแหนงทจะนำาวตถไปวาง ซงในตวโปรแกรมจะมชองใหใสคา X0, Y0, Z0 ซงเปนตำาแหนงของวตถทวางอยในตำาแหนงเรมตน และ X1, Y1, Z1 ซงเปนตำาแหนงทจะนำาวตถไปวาง เมอผใชงานปอนคาพกดตำาแหนงครบทกพกด จงกดปมเรมใหตวโปรแกรมทำางาน โดยในหนาของผงวงจรนอกจากจะมสวนรบคาแลว ยงมในสวนของสญญาณไฟกระพรบเพอใหผใชไดทราบวาทศทางการหมนของสเตปปมอเตอรในขณะนนหมนไปในทศทางใด ดงรปท 5

4. ผลการทดลองในขนตอนแรกไดทำาการทดลอง โดยใสคาตำาแหนงตางๆ ลงไป และสงงานเรม

โปรแกรมจากนนตรวจสอบคาตางๆ ทแสดงผลออกมา เพอหาจดบกพรองของโปรแกรม และทำาการปรบเทยบแกไขตวแปรและคาคงทตางๆ หลงจากนนนำาโปรแกรมทสามารถใชงานไดสมบรณ มาทดสอบโดยหยบวตถมวลไมเกน 400 กรม รปทรงลกบาศกขนาด 60 x 60 x 60 mm โดยใหหยบจบวตถจากตำาแหนงหนง แลวนำาไปวางไวอกตำาแหนงหนง ดงรปท 6 โดยทำาการสรางจดเปนสญลกษณไวบนแผนพนกระดานและเมอแขนหนยนตนำาวตถไปวาง กจะทำาการวดระยะทางในแนวแกนตางๆ เพอทำาการตรวจสอบคาความผดพลาดของตำาแหนงทเกดขนจากคาพกดตำาแหนงทตองการ ซงจะทำาการทดลองการหยบวตถจากตำาแหนงหนงไปวางไว

รปท 4 หนาจอการปอนคาชดคำาสงควบคมการเคลอนท

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

รปท 5 หนาจอโปรแกรมสำาหรบปอนคาพกดทตองการ และการแสดงสถานะการทำางานแบบตอเนองของแขนกล

อกตำาแหนงหนงทงหมด 10 ครง ซงไดแสดงผลการทดสอบไวในตารางท 1

ดงนนในการทดลองนจะมเปอรเซนตความผดพลาดของตำาแหนงวตถเมอแขนหนยนตทำาการเคลอนทไปหยบวตถและนำาไปวาง โดยการทดสอบการวางวตถทพกด 350,-200,-206 โดยหยบวตถมาจากพกด 390,0,204 ผลคอมเปอรเซนตความผดพลาดในแกน X เทากบ 4.286% แกน Y เทากบ 3.750% สวนในแกน Z เทากบ 0% และการทดสอบวางวตถทพกด 550,0,0 โดยหยบวตถมาจากพกด 390,0,204 ผลคอมเปอรเซนตความผดพลาดในแกน X เทากบ 1.727% แกน Y เทากบ 0% สวนในแกน Z เทากบ 6.600%

5. สรป โครงงานนเปนการสรางและพฒนาแขนหนยนตเพอใชในการเคลอนยายวตถโดยไดทำาการออกแบบ สราง และการพฒนาโปรแกรมแลบววสำาหรบควบคมการเคลอนทขนมาใหม พรอมทงทดสอบสมรรถนะการทำางานของแขนหนยนต จากการทดลองโดยใหเคลอนทไปหยบจบชนงานและนำาไปปลอยวางไวอกจดหนง ตามชดคำาสงทไดปอนคาพกดตำาแหนงลงไปในโปรแกรมแลบวว พบวาสวนปลายของแขนกลสามารถเคลอนทไปยงคาเปาหมายทกำาหนดไดอยางนาพอใจ โดยมคาประมาณของเปอรเซนตความผดพลาดไมเกน 7%

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

ตารางท 1 ตำาแหนงทตองการวางวตถกำาหนดเปนพกด (350,200,-206) โดยหยบวตถมาจากพกด (390,0,204)

รปท 6 ตำาแหนงเรมตนและตำาแหนงการวางชนงาน

กตตกรรมประกาศงานวจยและพฒนานไดรบการ

สนบสนนจาก ภาควชาวศวกรรมการผลต คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ และการใชโปรแกรมลขสทธ LabVIEW 8.2 Student Edition

เอกสารอางอง[1] วรทธ องภากรณ และ ชาญ ถนดงาน. 2522. การ ออกแบบเครองจกรกล เลม 1 และ 2. กรงเทพฯ, ซ เอดยเคชน.[2] สถาพร ลกษณะเจรญ. 2548. วศวกรรมหนยนต. กรงเทพฯ, สมาคมสงเสรมเทคโนโลย (ไทย-ญปน).[3] กจไพบลย ชวพนธศร. 2550. การออกแบบแอพ พลเคชนในระบบกราฟฟกดวย LabVIEW. กรงเทพมหานคร, ซเอดยเคชน.[4] http://www.trs.or.th/index.php/article/robot- story/41-meaning.[5] http://www.trs.or.th/index.php/article/robot- story/43-component.[6] ฐาปนนท ประเสรฐสม และ ตฤณ สวรรณนยม. 2553. การพฒนาแขนหนยนต 3 แกนสำาหรบ เคลอนยายวสด. ปรญญานพนธวศวกรรมศาสตร-

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

บณฑตภาควชาวศวกรรมการผลต มหาวทยาลย เทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอปการศกษา.[7] H.Asada and J.J.E.Slotine. 1986. Robot analysis and control, New York, Wiley.[8] Gerry B. Andeen. 1988. Robot design handbook, New York, McGraw-Hill.[9] Mark W.Spong and M.Vidyasagar. 1989. Robot dynamics and control, New York, Wiley.[10] Torsten Kroger and Friedrich M.Wahl. 2009. Advances in robotics research : theory, implementation, application, Berlin, Springer[11] Netsanet Gebregziabher. 2006. LabVIEW™ Database Interfacing for Robotic Control, Master of Science in Chemical Informatics (Laboratory Informatics Specialization)

Indiana University, May 2006.