Đồ án Robot Công nghiệp

Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công nghiệp Mục lục LỜI NÓI ĐẦU 4 Chương 1 TỔNG QUAN 5 1 1 Giới thiệu chung về Robot 5 1 2 Giới thiệu về Robot Scara 6 1 3 Kết luận 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 – Hartenberg (D H) 8 2 1 2 Bài toán động học thuận 10 2 1 3 Bài toán động học ngược 10 2 2 Xây dựng mô hình động học thuận cho robot Scara 12 2 2 1 Đặt bài toán 12 2 2 2 Bảng thông số D H 13 2 2 3 Xác định.

Mục lục

Danh mục hình ảnh

Bảng biểu

Đồ thị

Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU

Khi nĩi vĨI ĐẦUoc502258276 \h Q2 theo đặĩi vĨI ĐẦUoc50225827ộng học Robot, đhng lg học

Robotc502258276 \h QRobot Đây là

nhbotc502258276 \h Q2 thhây là nhbotctrọng

trưlà nhbotc502258 Robot.

Nền cơng nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càngcao, các hệ thống máy mĩc dây chuyền sản xuất được hiện đại hố,chuyên mơn hố chức năng để thực hiện các nhiệm vụ và yêu cầu sảnxuất khác nhau Các vấn đề tự động điều khiển và các thiết bị tự động hốđược đặt lên hàng đầu trong quá trinh nghiên cứu cũng như ứng dụngcơng nghệ mới vào trong sản xuất Nĩ địi hỏi khả năng xử lý, mức độhồn hảo, sự chính xác của hệ thống ngày một cao hơn để cĩ thể đáp ứngđược nhu cầu về số lượng, chất lượng, thẩm mỹ ngày càng cao của xa hội

và nhu cầu giải phĩng sức lao động của con người nâng cao hiệu quả laođộng Và đĩ là lý do robot cơng nghiệp được ra đời

Với sự phát triển vũ bão của cơng nghệ thơng tin như ngày nay, rấtnhiều lĩnh vực trong cơ khí đã tận dụng được sự phát triển này để tạo ra

sự nhảy vọt, trong đĩ cĩ cơng nghiệp.Khi nĩi về Robot cơng nghiệp,chúng ta đặt ra các bài tốn: Động học, động lực học và điều khiển Đây

là những bước cơ sở ban đầu hết sức quan trọng trước khi thiết kế chế tạo

ra một trong những máy tự động hay robot

Trong đĩ rRobot cơng nghiệp là mơn học xương sống của ngành cơđiện tử, với đồ án mơn học này nhiệm vụ banlúc đầu là làm quen vớiviệc thiết kế - kỹ năng cơ bản của người kỹ sư Trong số rất nhiều cácsản phẩm robot ứng dụng trong cơng nghiệp thì rrobot cơng nghiệp làthiết bị điển hình về mức độ tích hợp và được coi là một tế bào hệ thống

tự động linh hoạt Trên quan điểm hệ thống điều khiển số nhiều trục đồngthời, các hiểu biết về robot cơng nghiệp cũng đúng với các phẩm tử khácnhư máy cơng cụ điều khiển số, trung tâm gia cơng

Vì sự quan trọng của robot trong cuộc sống nên nghiên cứu và pháttriển nó là một trong những nhiệm vụ không thể bỏ qua của ngành cơđiên tử Do đó mỗi sinh viên ngành cơ điện tử phải thực hiện làm đò ánRobot công nghiệp để tìm 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 cô Lê Thị ThuThủy và Bộ môn Cơ điện tử đã cho chúng em định hướng trong quá trìnhthực hiện đồ án này

Chương 1:

TỔNG QUAN

TỔNG QUAN Đặt vấn đề

1.1 Giới thiệu chung về Robot.

Khái niệm robot ra đời đầu tiên vào năm gày 0/10/1922tại NewYork, khi nhà soạn kịch người Tiệp Khắc KarenKapek đã tưởng tượng ra một cỗ máy hoạt động một cách

tự động Và nóNó là niềểm mơ ước của con người lúcđóấy.,

Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúccon người Đến năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc giaArgonne, Goertz đã chế tạo thành công tay máy đôi(Mmaster-Sslave Mmanipulator) Đến năm 1954, Goertz đãchế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ Sservo và có thểnhận biết được lực tác động lên khâu cuối

Ngày nay Rô bô hoặc c Rôbốt, Rô-bốt (tiếng Anh:Robot) được định nghĩa là một loại máy có thể thực hiệnnhững công việc một cách tự động bằng sự điều khiển củamáy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình Robotđược dùng trong nhiều công việc như y tế, giáo dục, dịch

vụ, vũ trụ, … nhưng đa số được sử dụng trong các ngànhcông nghiệp (khoảng 80%)

Hình 1 : Robot Shakey thời kỳ đầu

Về mặt kỹ thuật, Robot công nghiệp ngày nay có nguồngốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật: Cơ cấu điều khiển từ xa (trongchiến tranh thế giới thứ II) và các máy công cụ điều khiển

số NC đáp ứng gia công các chi tiết máy bay (1949)

Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) đượcđặt tên cho những dáng vấp và một vài chức năng như tayngười để thực hiện một số thao tác sản xuất

Hình 2 : Một số robot hiện đại ngày nay

Robot công nghiệp ngày nay được tạo ra theo nhữngdáng vấp và một vài chức năng như tay người để thựchiện một số thao tác sản xuất Và Scara là một trongnhững robot công nghiệp đang được sử dụng rộng rãi

1.2 Giới thiệu về Robot ScaraScara:

Robot SCARA (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có

nghĩa là có thể lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay Robot.Từ khi mới

ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnhvực dưới góc độ thay thế sức người Nhờ vậy các dâychuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quảsản xuất tăng lên rõ rệt

Trong các robot được sử dụng trong công việc sản xuấtthì SCARA Scara là robot được sử dụng tương đối rộng rãitrong nhiều lĩnh vực khác nhau Vì SCARAScara là robot chỉ

có 3 bậc tự do và chuyển động của Robot Scara đơn giản, dễ dàngđiều khiển nên nó được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp nênthiết kế gọn và không gian làm việc cũng tương đối linhhoạt

Một robot SCARAScara có 3 trục và ba bậc tự do Tất cả

các trục được thiết kế với chuỗi Kinematic, bắt đầu từ

một nguồn gốc của trục đầu tiên, các trục tiếp theo đượctính toán với vị trí, phương của trục trước đó Trong mộtrobot SCARAScara, các trục thứ nhất và thứ hai quay, trụcthứ ba là khớp trượt hay tịnh tiến Tay kẹp được gắn trênphần cuối của trục Z SCARAScara có thể cho phép bánkính hành động từ 100 mm đến 1.200 mm, với dung tíchtải từ 1 kg đến 200 kg:

Hình 3 : Sơ đồ và hình dáng thực của robot ScaraScara

Loại robot này được phát triển đáp ứng với tốc độ cao

và tính lặp lại trong lắp ráp hàng loạt, chẳng hạn như

Pick-and-Place từ nơi này đến nơi khác Điểm mạnh nằm ở lực

lượng xử lý cao dọc (đôi khi> 300N) Điểm tiêu cực làchúng ta chỉ có thể làm việc trên một mặt phẳng nằmngang

Ví dụ ứng dụng của robot ScaraScara:

Hình 4 : Ứng dụng robot Scara phân loại thuốc Hình 5 : Ứng dụng robot Scara phân loại thuốc

1.3 Kết luận

Do Robot ScaraScara chỉ có 3 bậc tự do, cơ cấu thiết kế không quáphức tạp nên việc nghiên cứu và chế tạo được ưu tiên đầu tiên trong cáclựa chon phù hợp với công việc đòi hỏi các công việc đơn giản nhưng cầntốc độ cao vì ưu điểm của ScaraScara làm làm việc linh hoạt Ứng dụngcủa robot ScaraScara khá rộng rãi Việc ứng dụng được sử dụng rất nhiềutrong thực tế nhiều nhất là dùng để phân loại sản phẩm, di chuyển xếp đặt

vị trí sản phẩm theo yêu cầu

Vì lý do đó nên chúng ta cần nghiên cứu sâu hơn về hoạt động củaScara và ứng dụng của nó trong công nghiệp

Ví dụ ứng dụng của robot Scara:

Vì lý do đó nên chúng ta cần nghiên cứu sâu hơn về hoạt động

của Scara và ứng dụng của nó trong công nghiệp

Nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm raquan hệ chuyển động của các khâu gồm 2 bài toán là: Bàitoán động học thuận và bài toán động học ngược Trongviệc 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 của khâu bất kì trong không gian Vấn

đề ở đâu là tìm tất cả các bộ thông số có thể chấp nhậnđược về sự thay đổi của các khâu hoạt động và các đạohàm tương ứng của chúng xảy ra ở khâu chấp hành cuốicùng để đặt các yêu cầu về hướng và vị trí, đó chính là cácthông số hoạt động (( bài toán động học thuận ) hay từyêu cầu vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối tìm racác thông số tương ứng của các khâu trước đó ( bài toánđộng học ngược )

Tổng hợp động học chính là quá trình ngược lại củaviệc phân tích động học Trong trường hợp này, nhà thiết

kế cần đặt ra được những robot hay máy mới, điều đó đòihỏi những thay đổi nhất định về mặt động học Cụ thể, khi

có các thông số vị trí và hướng (cùng vận tốc và gia tốc )của khâu chấp hành cuối cùng, chúng ta cần xác định cácthay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hìnhhọc của robot

robot công nghiệp

2.1.1 Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H)

Xét hai khâu ii-11 và ii liên ki khâu tenberg khớp bản

lề, trục quay của khớp có phương bất kì và hai khâu khôngnằm trong những mặt phẳng song song nhau

Hình 7 : Mối quan hệ giữa các khâu và hệ tọa độ

- Sau khi được thiết lập, vị trí của hệ Oixiyizi so với hệ Oi-1x

i-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 phép biến đổi toạ độ :

Quay quanh zi-1một góc θi : Rz-1, θ i

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

2.1.2 Bài toán động học thuận

Cho các giá trị biến khớp q1, q2, q3, q4, q5, q6 tìm ma trận toạ độ thực

Hệ phương trình động học thuận của robot:

2.1.3 Bài toán động học ngược

Cho vị trí và hướng của tay kẹp tức là biết ma trân tọa

độ thực Cần phải xác định các biến khớp theo vị trí vàhướng của tay kẹpho voán động học ngượcc thuận củarobot, q5, q6 tìm ma trận to C voán động học ngượccthuận củ theo vn động học ngượcc thuận

Mục đích của việc giải phương trình động học robotcông nghiệp: Đđể điều khiển tay máy của robot côngnghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác đđịnh thìchúng ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặctịnh tiến một lượng là bao nhiêu

Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển

robot

= + Từ phương trình của bài toán gốc:

- Giải hệ phương trình này ta nhận được các giá trị của

biến khớp

 Các phương pháp giải bài toán động học ngược :

Trong các phương pháp giải bài toán động học ngược

đã được nghiên cứu thì người ta đã đưa ra 2 phương pháptối ưu nhất:

- Viết lại phương trình tương đương:

=>

Ta thấy vế trái không âm nên giá trị nhỏ nhất bằngkhông, tương đương với phương trình trên thỏa mãn Đặt Lbằng vế trái:

L=(Sx -a12)2+(Ax-a13)2+(Ay-a23)2+(Px-a14)2

+(Py-a24)2+(Pz-a34)2

Ở đây ta dùng MathLabp và phương pháp GRG thực

hiện trên Excell để giải bài toán

2.2 Xây dựng mô hình động học thuận cho robot

Đặt các hệ trục tọa độ:

Hình 8 : Mô hình hóa Robot ScaraScara

Hình 9 : Giao diện Mathlab

Nhập lệnh vào Command Window:

2.3 Xây dựng mô hình động học ngược cho robot

x, y, z thực tế.ó như sau

Từ ma trận và ta được hệ phương trình động học

ngượchịch:

Chúng ta đi tìm Min (L) 0 với L =

Với a11, a21, a31, a14, a24, a34 là các tọa độ thực đã biết

= a1*cos() + a2*cos(+)

= a1*sin() + a2*sin(

= d1 + d2 +- d3

2.3.3 Giải phương trình bằng excel:

a Bước 1: Khai báo độ dài các khâu, tọa độ lý thuyết, tọa độ thực

và khởi tạo giá trị các biến.

Hình 12 : Khai báo tọa độ lý thuyết, tọa độ thực, kích thước các khâu

b Bước 2: Tính các phần tử từ L1 cho tới L3 với:

Với các giá trị a14 a24 a34 là đầu ra của bài toán thuận ta có được:

c Bước 3: Ta tính tổng L bằng hàm “Sum(….)”:

Hình 13 : Tính tổng L

Hình 14: Tính tổng LBước 4 Khai báo điều kiện biên cho các biến theo không gian làm việc:

(…như hình vẽ…)

Hình 15 : Không gian làm việc của robot (chiếu bằng)

+ Thực hiện lập điều kiện biên trên Excel:

+ Thực hiện trên Excell:

Hình 16 : Lập điều kiện biên

+ Bấm Solver ta được:

Hình 17 : Ấn Solver Ttìm biến khớp Q bằng Solver

Hình 18 : Kếêt quả sau khi dùng GRG

Bảng kết quả giá trị các biến khớp sau khi giải bằng Excell:

Bảng 2 : Bảng kết quả giá trị biến khớp:

Đồ thị 1 : Đồ thị biến khớp Q1 theo các tâm khớp P

Hình 19 : Đồ thị biến khớp Q1 theo các tọa độ các tâm khớp P

Đồ thị 2 : Đồ thị biến khớp Q2 theo các tâm khớp P Hình 20 : Đồ thị biến khớp Q2 theo các tọa độ các tâm khớp P

Đồ thị 3 : Đồ thị biến khớp Q2 theo các tâm khớp P0 Hình 21 : Đồ thị biến khớp Q2 theo các tọa độ các tâm khớp P

2.4 Kết luận:

ScaraScara là loại robot linh hoạt có 3 bậc tự do Bằng phương pháp sửdụng bảng (D-H) được nghiên cứu và phát minh từ 2 tác nhà khoa học

Denavit và Hartenberg, chúng ta dễ dàng xác định được các tọa độ lý

thuyết của Robot ScaraScara và mô hình hóa nó

Bằng cách sử dụng bảng D-H việc giải quyết bài toán động học thuậntrở nên thuận tiện Và kết quả là xác định được ma trận chuyển vị của tâmtay kẹp.:

=

Các thông số của bài toán động học thuận là điều kiện cần có để có thểgiải quyết bài toán động học ngược Để giải bài toán động học ngượcphải sử dụng phương pháp GRG (Thuật toán tối ưu) được tích hợp trênphần mềm Excell

Từ tọa độ thực tế và thông qua phương pháp GRG ta tìm được giá trịcác biến khớp cần tìm.:

Từ các kết quả khảo sát, thông số tìm được dễ dàng tiến hành môphỏng Robot trên phần mềm để kiểm tra hoạt động của robot cũng nhưtiến hành thiết kế ra một robot thực tế

chuyên về thiết kế 3D do hãng Dassault System phát

hành dành cho những xí nghiệp vừa và nhỏ, đáp ứng hầuhết các nhu cầu thiết kế cơ khí hiện nay

Solidworks được biết đến từ phiên bản Solidworks 1998

và được du nhập vào nước ta với phiên bản 2003 và chođến nay với phiên bản 20172 và phần mềm này đã pháttriển đồ sộ về thư viện cơ khí và phần mềm này khôngnhững dành cho những xí nghiệp cơ khí nữa mà còn dànhcho các ngành khác như: đường ống, kiến trúc, trang trínội thất, mỹ thuật …

Sử dụng phần mềm SolidWorks mô phỏng các chuyểnđộng rất dễ dàng, có thể quan sát được chuyển động củarobot Phù hợp cho việc khảo sát quỹ đạo chuyển động.Trong SolidWorks có rất nhiều module hỗ trợ việc môphỏng các tác động ảnh hưởng lên máy công cụ, chi tiếtmáy hay robotrobot:

Chức năng CAE: Đây là một ưu điểm của hãng sản

xuất, khi mà họ mua trọn gói bộ phần mềm phân tích cức

kì nổi tiếng thế giới là Cosmos để tích hợp và chạy ngaytrong môi trường của SolidWorks, làm cho chức năng phântích nội lực, có thể vẽ ra biểu đồ nội lực trong cơ cấu:

.

Chức năng CAM: SolidWorks mô phỏng máy công cụ

làm việc gia công các chi tiết như tạo khuôn 3D, …

Ngoài ra còn có rất nhiều chức năng khác hỗ trợ choviệc vẽ các chi tiết cơ khí 3D hay khối (hay Solid) Trong đó

chức năng Animation có nhiệm vụ mô phỏng chuyển

động của các cơ cấu trong không gian làm việc của robottạo ra

1 Thiết kế từng chi tiếtMô phỏng từng Module:

B1: Mở phần mềm SolidWork (click đúp biểu tượng như

hình)

Hình 22 : Biểu tượng phần mềm

B2: Chọn File  New  Part  OK:

Hình 23 : Giao diện Solidworks

B4:Chọn Top plane  click chuột phải (chọn như hình):

Hình 24 : Chọn mặt làm việc

B5:Sử dụng thanh công cụ (1) trên phần mềm để vẽ hình chiếu bằng (2) của chi tiết:

Hình 25 : Chọn tạo hình chiếu bắng

B6: Ta click biểu tượng hình chữ nhật trong vùng (1)  đến vùng (2) chọn tâm  vẽ hình chũ nhật kích thước bất kỳ:

Hình 26 : Vẽ hình dáng chi tiết

B7: Chỉnh sửa kích thước theo sao cho phù hợp với các kích thước tương ứng chi tiết trên sơ đồ mô hình hóa robot:

Hình 27 : Sửa kích thước chi tiết

- (7): Click chọn hướng tạo độ dày (lên/xuống)

- (8): Độ dày là bao nhiêu

- (9): Chọn ok để hoàn tất

Hình 28 : Chọn chức năng tạo khối cho chi tiết

Hình 29 : Tạo khốối

B9: Hoàn thành ta được chi tiết:

Hình 30 : Chi tiết hoàn thành

Hình 31 : Góc nhìn 3D chi tiết