Đồ án robot Công nghiệp

Đồ án Robot MỤC LỤC Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 2 1 1 Tổng quan về Robot Công nghiệp 2 1 1 1 Giới thiệu chung về Robot 2 1 1 2 Cấu trúc chung của một Robot công nghiệp 3 1 1 3 Phân loại Robot công nghiệp 4 1 1 4 Ứng dụng của Robot 5 1 2 Giới thiệu về Robot ABB IRB1400 M97A 5 1 2 1 Tổng quan về robot thiết kế 5 1 2 2 Ưu và nhược điểm của robot 6 1 2 3 Kết luận chương 7 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT 8 2 1 Cơ sở xây dựng mô hình động học robot công nghiệp 8 2 1 1 Quy tắc Denavit – Harte.

M C L C Ụ Ụ

LỜI NÓI ĐẦU

Nền công nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càng cao, các hệthống máy móc dây chuyền sản xuất được hiện đại hoá, chuyên môn hoá chứcnăng để thực hiện các nhiệm vụ và yêu cầu sản xuất khác nhau Các vấn đề tựđộng điều khiển và các thiết bị tự động hoá được đặt lên hàng đầu trong quátrinh nghiên cứu cũng như ứng dụng công nghệ mới vào trong sản xuất Nó đòihỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo, sự chính xác của hệ thống ngày một caohơn để có thể đáp ứng được nhu cầu về số lượng, chất lượng, thẩm mỹ ngàycàng cao của xa hội và nhu cầu giải phóng sức lao động của con người nângcao hiệu quả lao động Và đó là lý do robot công nghiệp được ra đời

Khi nói về Robot công nghiệp, chúng ta đặt ra các bài toán: Động học, độnglực học và điều khiển Đây là những bước cơ sở ban đầu hết sức quan trọngtrước khi thiết kế chế tạo ra một trong những máy tự động hay robot

Trong đó robot công nghiệp là môn học xương sống của ngành cơ điện tử,với môn học này nhiệm vụ ban đầu là làm quen với việc thiết kế - kỹ năng cơbản của người kỹ sư Trong số rất nhiều các sản phẩm robot ứng dụng trongcông nghiệp thì robot công nghiệp là thiết bị điển hình về mức độ tích hợp vàđược coi là một tế bào hệ thống tự động linh hoạt Trên quan điểm hệ thốngđiều khiển số nhiều trục đồng thời, các hiểu biết về robot công nghiệp cũngđúng với các phẩm tử khác như máy công cụ điều khiển số, trung tâm giacông

Vì sự quan trọng của robot trong cuộc sống nên nghiên cứu và phát triển

nó là một trong những nhiệm vụ không thể bỏ qua của ngành cơ điên tử Do đómỗi sinh viên ngành cơ điện tử phải thực hiện làm đò án Robot công nghiệp đểtìm hiểu và thực hiện các tính toán thiết kế cơ bản về robot

Để thực hiện được đồ án này, em xin chân thành cảm ơn thầy Dương QuốcKhánh và Bộ môn Cơ điện tử đã cho chúng em định hướng trong quá trìnhthực hiện đồ án này

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT1.1 Tổng quan về Robot Công nghiệp

1.1.1 Giới thiệu chung về Robot

Khái niệm Robot ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1922 tại NewYork, khinhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cổ máyhoạt động một cách tự động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó

Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúc con người Đếnnăm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã chế tạo thànhcông tay máy đôi (master-slave manipulator) Đến năm 1954, Goertz đã chếtạo tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết được lực tác độnglênkhâu cuối

Rô bô hoặc Rôbốt, Rô-bốt (tiếng Anh: Robot) là một loại máy có thểthực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tínhhoặc các vi mạch điện tử được lập trình Robot được dùng trong nhiều côngviệc như y tế, giáo dục, dịch vụ, vũ trụ, … nhưng đa số được sử dụng trong cácngành công nghiệp (khoảng 80%)

Hình 1: Unimate- Robot công nghiệp hiện đại đầu tiên trên thế giới

Về mặt kỹ thuật, Robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹthuật: Cơ cấu điều khiển từ xa (trong chiến tranh thế giới thứ II) và các máycông cụ điều khiển số NC đáp ứng gia công các chi tiết máy bay (1949)

Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) được đặt tên cho nhữngdáng vấp và một vài chức năng như tay người để thực hiện một số thao tác sảnxuất

Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) được đặt tên cho những dángvấp và một vài chức năng như tay người để thực hiện một số thao tác sản xuất

Hình 2: Một số robot hiện đại ngày nay

1.1.2 Cấu trúc chung của một Robot công nghiệp.

Một RBCN được cấu thành bởi các hệ thống sau:

+ Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúnghình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo,linh hoạt vá bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đốitượng

+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồnđộng lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nénhoặc kết hợp giữa chúng

+ Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cầnthiết khác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bảnthân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môitrường

+ Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giámsát vá điều khiển hoạt động của robot

1.1.3 Phân loại Robot công nghiệp

1.1.3.1 Phân loại theo kết cấu

Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn:

-Chuyển động thẳng theo các hướng X, Y, Z trong không gian ba chiềuthông thường tạo nên những khối hình có góc cạnh, gọi là Prismatic (P)

- Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu (R).

Với ba bậc tự do, robot sẽ hoạt động trong trường công tác tùy thuộc tổhợp P và R ví dụ:

+ PPP trường công tác là hộp chữ nhật hoặc lập phương

+ RPP trường công tác là khối trụ

+ RRP trường công tác là khối cầu

+ RRR trường công tác là khối cầu

+ RRR trường công tác là khối cầu

1.1.3.2.Phân loại theo hệ thống truyền động

Các dạng phổ biến là:

Hệ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC :Direct Current) hoặc các động cơ bước (step motor) Loại truyền động nay dễđiều khiển, kết cấu gọn

Hệ truyền động thuỷ lực : có thể đạt được công suất cao, đáp ứng nhữngđiều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồngkềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển

Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫnngược nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ nay làm việcvới công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với cácrobot hoạt động theo chương trình định san với các thao tác đơn giản “nhấc lên

- đặt xuống” (Pick and Place or PTP : Point To Point)

1.1.3.3.Phân loại theo ứng dụng

Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot Ví dụ, có robot côngnghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũtrụ, robot dùng trong quân sự…

1.1.3.4.Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín:

- Điều khiển hở, dùng truyền động bước ( động cơ điện hoặc động cơthủy lực, khí nén, ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xungđiều khiển Kiểu này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

- Điều khiển kín ( điều khiển kiểu servo ), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí

để tăng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm điểm và điều khiển theo đường(contour)

-1.1.4 Ứng dụng của Robot

Robot được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống của conngười, trong đó robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng và nó được sử dụngtrong nhiều lĩnh vực công nghiệp như:

- Phục vụ máy CNC và các hệ thống tự động linh hoạt

1.2 Giới thiệu về Robot ABB IRB1400 M97A

1.2.1 Tổng quan về robot thiết kế

- Robot ABB IRB 1400 M97A được sử dụng như một trong những giảipháp tự động hóa tiên tiến hàng đầu hiện nay trong lĩnh vực gia công cơ khí

Sự ra đời của robot đánh dấu bước phát triển vượt bậc trong lĩnh vực tự độnghóa Chúng có cấu tạo đặc biệt được ứng dụng trong hàn, vận chuyển, lắp ráp,sơn và hoàn thiện, gắp, đóng gói, nâng hàng và hoàn thiện chi tiết

- Một robot ABB có 4 trục và 4 bậc tự do Tất cả các trục được thiết kế vớichuối Kinematic, bắt đầu từ nguồn gốc của trục đầu tiên Các trục tiếp theođược tính toán với vị trí, phương của trục trước đó Trong một robot ABB cáctrụ đều là chuyển động quay Tay kẹp được gắn trên phần cuối của trục Z ABB

có thể cho phép bán kính hoạt động từ 150mm đến 1400mm với dung tích tảitrọng là 250kg

- Phần mềm điều khiển: robot ABB được điều khiển bởi hệ thống điều khiểnFreelance Nó là hệ thống điều khiển phân tán của ABB trong các ứng dụng vềđiều khiển quá trình, kết hợp những ưu điểm tốt nhất của DCS và PLC.Freelance mang lại sức mạnh cảu một hệ thống điểu khiển lai - hybrid controlsystem – có giá thành và cấu trúc của PLC kết hợp các chức năng ưu việt củamột hệ DCS tân tiến

- Giá thành: 25,000 USD

1.2.2 Ưu và nhược điểm của robot

 Ưu điểm

- Tốc độ nhanh gấp nhiều lần so với thao tác của con người

- Vì robot chuyển động nhất quán nên các sản phẩm dàu ra sẽ hoàn toàn đồngnhất và không bị các sai sót như khi thực hiện bởi công nhân

- Tiết kiệm nguyên vật liệu

- Giảm chi phí nhân công

- Cải thiện môi trường làm việc

 Nhược điểm

- Chưa linh hoạt bằng các robot 5 và 6 bậc tự do

- Không gian làm việc hẹp

- Chi phí dầu vào đắt

Chương này đã giúp chúng ta tìm hiểu về những thông số cơ bản củarobot Để tìm hiểu sâu hơn, hiểu được cách thức làm việc trong không gianlàm việc, tính toán và xây dựng bài toán động học của robot một cách cụ thểtất cả đã sẽ có trong chương tiếp theo.

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT

Động học robot nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quantâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực mà mô men Khoa học động họcnghiên cứu về vị trí, vận tốc, gia tốc Do đó, động học chỉ liên quan đến hìnhhọc và thời gian thay đổi của chuyển dộng Sự thay đổi của các khâu của robotliên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộccủa các khớp Những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứuđộng học robot Việc nghiên cứu động học có hai vấn đề: Phân tích động học

và tổng hợp động học Tuy nhiên vấn đề phân tích động học và tổng hợp độnghọc luôn liên quan đến nhau

Nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm ra quan hệ chuyểnđộng của các khâu gồm 2 bài toán là: Bài toán động học thuận và bài toán độnghọc ngược Trong việc lập trình cho robot điều cơ bản là đặt ra các yêu cầu về

vị trí của điểm tác động cuối và hướng của khâu cuối, vân tốc và gia tốc củakhâu bất kì trong không gian Vấn đề ở đâu là tìm tất cả các bộ thông số có thểchấp nhận được về sự thay đổi của các khâu hoạt động và các đạo hàm tươngứng của chúng xảy ra ở khâu chấp hành cuối cùng để đặt các yêu cầu về hướng

và vị trí, đó chính là các thông số hoạt động(bài toán động học thuận) hay từyêu cầu vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối tìm ra các thông số tương ứngcủa các khâu trước đó(bài toán động học ngược)

Tổng hợp động học chính là quá trình ngược lại của việc phân tích độnghọc Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt ra được những robot hay máymới, điều đó đòi hỏi những thay đổi nhất định về mặt động học Cụ thể, khi cócác thông số vị trí và hướng (cùng vận tốc và gia tốc) của khâu chấp hành cuốicùng, chúng ta cần xác định các thay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động vàcấu trúc hình học của robot

2.1.Cơ sở xây dựng mô hình động học robot công nghiệp

2.1.1 Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H)

Xét hai khâu i - 1 và i liên kết khâu khớp bản lề, trục quay của khớp có

phương bất kì và hai khâu không nằm trong những mặt phẳng song song nhau

Hình 4: Mối quan hệ giữa các khâu và hệ tọa độ

- Sau khi được thiết lập, vị trí của hệ Oixiyizi so với hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 hoàn toàn

được xác định nhờ 4 thông số:

+ ai : khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương xi

+ di : khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương zi-1

+ αi : góc quay quanh trục xi giữa zi-1 và zi

+ θi : góc quay quanh trục zi-1 giữa xi-1 và xi

θi , ai , αi : tham số phụ thuộc kết cấu

- Ma trận chuyển đổi giữa hệ trục i và i -1

Để chuyển từ hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 sang hệ Oixiyizi là thực hiện liên tiếp 4 phépbiến đổi toạ độ :

+Quay quanh zi-1một góc θi : Rz-1, θ i

+Tịnh tiến dọc zi-1 một đoạn di : Tz-1, di

- Trên thực tế các Robot ABB đều có cấu trúc là 6 bậc tự do ( DOF) , tuy nhiên bài toán yêu cầu thiết kế Robot ABB 4 bậc tự do nên chúng ta sẽ thay thế 3 khớp cuối (để tạo thành cổ tay cầu) bằng một khớp xoay để bài toán đơn giản hơn Như vậy chúng ta sẽ có một robot 4 (DOF) thỏa mãn yêu cầu thiết kế.

∗ Theo đề ra ta có :

Tham số động học của Robot:

Bảng 1: Bảng thông số DH của Robot

- Như vậy hệ trục thứ i sẽ mô tả ma trận vị trí và hướng so với hệ trục thứi-1 thông qua phép biến đổi tọa độ thuần nhất DH như sau:

1

cos( ) sin( ).cos( ) sin( ).sin( ) cos( )sin( ) cos( ).cos( ) cos( ).sin( ) sin( )A

- Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất A0

n biểu diễn trạng thái khâu thao tác

có thể xác định từ cấu trúc động học robot A0

n có thể nhận được bằngcách nhân liên tiếp các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất tương ứng vớicác phép dịch chuyển hệ tọa độ từ hệ trục cố định tới hệ trục tọa độ gắnvới khâu thao tác:

+ Các ký hiệu giá trị góc quay thay bằng.

+ Các bươc thực hiện trên Matlab như sau:

• Khai báo các biến khớp qi

• Khai báo các tham số động học của Robot di, ai ( a1 a2 d1 d3 d4 )

• Khai báo 4 ma trận

Hình 6: Khai báo dữ liệu trên Matlab

• Kết quả giải trong Matlab ta tìm được ma trận TE

- Sau khi nhân xong trên Matlab ta có giá trị ma trận TE = là:

TE = [ cos(q4)*(sin(q1)*sin(q3) + cos(q1)*cos(q2)*cos(q3))

-cos(q1)*sin(q2)*sin(q4), - sin(q4)*(sin(q1)*sin(q3) +cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)) - cos(q1)*cos(q4)*sin(q2), cos(q3)*sin(q1) -cos(q1)*cos(q2)*sin(q3), d4*(cos(q3)*sin(q1) - cos(q1)*cos(q2)*sin(q3)) +

a1*cos(q1) + a2*cos(q1)*cos(q2) + d3*cos(q1)*sin(q2)]

[ cos(q4)*(cos(q1)*sin(q3) cos(q2)*cos(q3)*sin(q1))

-sin(q1)*sin(q2)*sin(q4), sin(q4)*(cos(q1)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1))

- cos(q4)*sin(q1)*sin(q2), - cos(q1)*cos(q3) - cos(q2)*sin(q1)*sin(q3),a1*sin(q1) - d4*(cos(q1)*cos(q3) + cos(q2)*sin(q1)*sin(q3)) +

a2*cos(q2)*sin(q1) + d3*sin(q1)*sin(q2)]

[ cos(q2)*sin(q4) + cos(q3)*cos(q4)*sin(q2), cos(q2)*cos(q4)

cos(q3)*sin(q2)*sin(q4), sin(q2)*sin(q3), d1 d3*cos(q2) + a2*sin(q2)

-d4*sin(q2)*sin(q3)]

[0,0, 0, 1]

• Hệ phương trình động học thuận của Robot là:

- n x= cos(q4)*(sin(q1)*sin(q3) + cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)) cos(q1)*sin(q2)*sin(q4)

- P z= d1 - d3*cos(q2) + a2*sin(q2) - d4*sin(q2)*sin(q3)

2.1.3 Bài toán động học ngược:

Trong bài toán động học ngược: Cho trước các thông số của Robot, vị trí vàhướng của khâu cuối trong không gian công tác, ta cần xác định các thông sốbiến đổi bao gồm: Độ dài dịch chuyển tịnh tiến và độ lớn các góc quay của cáckhâu trung gian cần thiết để thỏa mãn điều kiện cho trước

2.1.3.1 Các phương pháp giải bài toán động học ngược :

Trong các phương pháp giải bài toán động học ngược đã được nghiêncứu thì người ta đã đưa ra 2 phương pháp tối ưu nhất:

- Sử dụng pháp số GRG Nonlinear để giải bài toán:

Cân bằng các phần tử của hai ma trận tọa độ lý thuyết và tọa độ thực ta

có hệ phương trình

Bài toán cần giải động học ngược của cơ cấu là: cho biết vị trí tay kẹp

so với các khớp q1 q2 … để xử lý bài toàn ta cần xử dụng tới excel Với cácgiá trị ta có như sau Từ ma trận và ta được hệ phương trình động họcnghịch:

Chúng ta đi tìm Min (L) 0 với L =

Với a11, a14, a24, a34 là các tọa độ thực đã biết

2.1.3.2 Giải bài toán động học ngược trên excel

• Input: Ma trận TE là tích các ma trận biến đổi thành phân đã tính ở mục2.1

Hình 7: Không gian làm việc của Robot

Bảng 2: Bảng mô tả vị trí được xét của robot

∗ Ma trận tọa độ thực và ma trận tọa độ lý thuyết:

Ma trận cosin chỉ phương biểu diễn vị trí và hướng giữa O0 và O4 :

Tọa độ và vị trí các thời điểm của cánh tay Robot:

- Điểm P1:

P1=

- Điểm P2:

Bước 1: Nhập các dữ liệu cần thiết cho việc tính toán:

• Dữ liệu về độ dài các khâu:

Bảng 3: Dữ liệu về độ dài các khâu