BÀI TẬP LỚN KT ROBOT : ROBOT YASKAWA EP4000D

Microsoft Word KTRobot ThuyetMinh Nhom4 docx TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN MÔN HỌC BÀI TẬP DÀI ROBOT YASKAWA EP4000D Giảng viên hướng dẫn PGS TS Nguyễn Phạm Thục Anh Bộ môn Tự động hóa công nghiệp Viện Điện Nhóm 4 Thành viên Nguyễn Thế Thiết 20181767 Quách Cao Hiển 20181465 Nguyễn Công Minh 20181650 Bùi Trung Nghĩa 20181672 Nguyễn Đình Chí 20181350 Đào Công Đoàn 20181393 Trần Minh Hoàng 20181496 Đỗ Tuấn Quang 20181710 Vũ Mạnh Hùng 20181513 Nguyễn Sách Dương 20181439 HÀ NỘI, 12022 1 Lời.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

BÀI TẬP DÀI : ROBOT YASKAWA EP4000D

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Phạm Thục Anh

Thành viên: Nguyễn Thế Thiết - 20181767

Quách Cao Hiển - 20181465 Nguyễn Công Minh - 20181650 Bùi Trung Nghĩa - 20181672 Nguyễn Đình Chí - 20181350 Đào Công Đoàn - 20181393 Trần Minh Hoàng - 20181496

Đỗ Tuấn Quang - 20181710

Vũ Mạnh Hùng - 20181513 Nguyễn Sách Dương - 20181439

HÀ NỘI, 1/2022

1

Lời mở đầu Trong những năm gần đây cùng sự phát triển mãnh mẽ của các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của chúng trong các ngành công nghiệp, điện tử nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Đặc biệt, robot công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những hệ thống tự động sản xuất có tính linh hoạt cao trong thị trường hàng hóa cạnh tranh

Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, robot công nghiệp đã có một lịch sử phát triển hấp dẫn Ngày nay robot công nghiệp được dùng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản xuất Điều

đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của các loại robot đã được chọn lựa và đúc kết lại qua bao nhiêu năm ứng dụng ở nhiều nước

Với đề tài “Tìm hiểu về robot yaskawa ep4000d”, nhóm em sẽ tìm hiểu các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, điều khiển chuyển động,… Các vấn

đề này sẽ lần lượt được đề cập trong các chương :

Chương I: Giới thiệu chung về robot yaskawa ep4000d

Chương II: Động học thuận vị trí robot

Chương III: Ma trận Jacoby

Chương IV: Động học đảo vị trí robot

Chương IV: Thiết kế quỹ đạo chuyển động các khớp

Chương IV: Mô hình động lực học đối tượng trên toolbox simscape/matlab Qua việc thiết kế đồ án môn học, giúp nhóm em hiểu rõ hơn những gỡ mắc trong quá trình học môn Kỹ thuật Robot Hiểu được những ứng dụng thực tế của robot trong công nghiệp Tuy nhiên do nội dung mới mẻ, nguồn tài liệu ít ỏi cùng với tầm hiểu biết còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Phạm Thục Anh

đã giảng dạy và giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án môn học này

2

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT YASKAWA EP4000D 6

1.1 Giới thiệu về Robot Yaskawa ep4000d 6

1.2 Ứng dụng của Robot trong công nghiệp 6

1.3 Kết cấu cơ khí, thông số kĩ thuật cơ bản 7

1.3.1 Kết cấu cơ khí 7

1.3.2 Thông số kĩ thuật cơ bản 8

1.3.3 Bộ điều khiển Robot 9

1.4 Hình ảnh hoạt động 10

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC THUẬN VỊ TRÍ ROBOT 11

2.1 Tính toán động học thuận 11

2.2 Xây dựng phần mềm giao diện động học thuận vị trí 13

CHƯƠNG 3 MA TRẬN JACOBY 15

3.1 Tính toán ma trận Jacoby 15

3.2 Các bước tính toán ma trận Jacoby sử dụng thuật toán ma trận JH 15

3.3 Chương trình tính toán trên Matlab 17

3.4 Xây dựng phần mềm giao diện tính toán Jacoby 18

CHƯƠNG 4 ĐỘNG HỌC ĐẢO VỊ TRÍ ROBOT 19

4.1 Cơ sở lý thuyết 19

4.2 Tính động học đảo 19

4.3 Xây dựng giao diện nhập xuất dữ liệu và hiển thị kết quả 20

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CÁC KHỚP 21

5.1 Các bài toán trong thiết kế quỹ đạo 21

5.1.1 Chuyển động PTP (Point to Point) 21

5.1.2 Chuyển động thông qua một số điểm trung gian 21

5.1.3 Chuyển động có ràng buộc về tốc độ và gia tốc 22

5.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động PTP 22

5.3 Tính toán thiết kế quỹ đạo chuyển động 22

CHƯƠNG 6 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG TRÊN TOOLBOX SIMSCAPE/MATLAB 25

6.1 Thiết kế robot trên Solid Work 25

6.2 Mô hình đối tượng trên Matlab 27

KẾT LUẬN 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

PHỤ LỤC 31

3

1 Chi tiết xây dựng giao diện động học thuận 31

2 Chi tiết xây dựng giao diện ma trận Jacoby 34

3 Chi tiết xây dựng động học nghịch 37

4 Chi tiết xây dựng quỹ đạo bậc 3 38

5 Chi tiết xây dựng mô hình đối tượng trên Matlab 39

6 Nhiệm vụ các thành viên trong nhóm 44

4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot Yaskawa EP4000d 6

Hình 1.2 Robot nhìn từ phía trước 7

Hình 1.3 Robot khi nhìn từ trên xuống 7

Hình 1.4 Mặt đáy robot 7

Hình 1.5 Mặt cắt cơ cấu cuối 7

Hình 1.6 Kích thước và vùng làm việc robot 8

Hình 1.7 Robot làm việc trong công nghiệp 10

Hình 1.8 Hình ảnh robot đang gắp sản phẩm 10

Hình 2.1 Hệ trục tọa độ Robot 11

Hình 2.2 Giao diện menu 13

Hình 2.3 Giao diện động học thuận 14

Hình 3.1 Xác định ma trận Ti n 15

Hình 3.2 Giao diện Jacoby 18

Hình 4.1 Giao diện động học đảo 20

Hình 5.1 Chuyển động PTP 21

Hình 5.2 Chuyển động thông qua một số điểm trung gian 21

Hình 5.3 Chuyển động có ràng buộc về tốc độ và gia tốc 22

Hình 5.4 Đồ thị các khớp 24

Hình 6.1 Phần chân đế robot 25

Hình 6.2 Phần thanh nối thứ nhất 25

Hình 6.3 Phần thanh nối thứ hai 26

Hình 6.4 Phần thanh nối thứ ba 26

Hình 6.5 Cơ cấu tác động 27

Hình 6.6 Tổng hợp mô hình robot 27

Hình 6.7.Mô hình điều khiển 28

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật Robot 8

Bảng 1.2 Thông số bộ điều khiển 9

Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit-Hartenberg 11

Bảng 0.1 Nhiệm vụ thành viên 44

Đây là loại robot có sáu trục quay vận hành bằng khí nén kết hợp với động cơ điện, giúp robot vận hành một cách linh hoạt, di truyển dễ dàng dến từng vị trí đảm bảo độ chính xác của robot trong công việc

Hình 1.1 Robot Yaskawa EP4000d 1.2 Ứng dụng của Robot trong công nghiệp

Robot EP4000D được phát triển để ứng dụng vào các dây truyền sản xuất công nghiệp với phù hợp với nhiều công việc khác nhau như:

 Robot nâng bốc, đóng gói ( Picking/packing, palletizing)

 Robot hàn, hàn điểm ( Arc handling, spot welding)

 Robot sơn ( Painting)

 Robot lắp ráp ( Assembly/distributing)

Do vậy việc sử dụng sản phẩm robot EP4000D của Yaskawa sẽ đảm bảo tính tương thích,

độ nhất quán và chất lượng dịch vụ cao trong việc tự động hóa các máy móc, dây chuyền sản xuất vì Yaskawa có thể cung cấp tát cả các loại robot để giải quyết các bài toán và đáp ứng các yêu cầu khác nhau của khách hàng

7

1.3 Kết cấu cơ khí, thông số kĩ thuật cơ bản

1.3.1 Kết cấu cơ khí

Hình 1.2 Robot nhìn từ phía trước

Hình 1.3 Robot khi nhìn từ trên xuống

Hình 1.4 Mặt đáy robot Hình 1.5 Mặt cắt cơ cấu cuối

8

Hình 1.6 Kích thước và vùng làm việc robot Hình ảnh bên dưới cho ta thấy các kích thước của robot, cũng như vùng làm việc của robot

là vùng có màu xanh

1.3.2 Thông số kĩ thuật cơ bản

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật Robot THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ROBOT

EP4000D Standard Press Robot

±150o +25o/-122o +53o/-70o

±360o

±120o

±360o

9

Tốc độ

tối đa

Trục S Trục L Trục U Trục R Trục B Trục T

1,274 N • m 2,156 N • m

0 N • m Lực quán tính

cho phép

Trục R Trục B Trục T*

84.5 kg • m2

330 kg • m2

80 kg • m2

*Đáng giá trục T song song với sàn

1.3.3 Bộ điều khiển Robot

Robot dùng bộ diều khiển DX100, giúp người vận hành có thể dễ dàng lập trình và điều khiển robot, cũng như dễ dàng kết nối robot với hệ thống trong dây chuyền sản xuất Dưới đây là các thông số kĩ thuật của bộ điều khiển

Bảng 1.2 Thông số bộ điều khiển THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN DX100**

Độ ẩm tương đối Tối đa 90% không ngưng tụ

Yêu cầu

về điện

3 pha 240/480/575 VAC ở mức 50/60 Hz Digital I/O

NPN - Tiêu chuẩn

PNP - Tuỳ chọn

I/O tiêu chuẩn: 40 đầu vào/40 đầu ra bao gồm 16 đầu vào/16 đầu ra

hệ thống và 24 đầu vào/24 đầu ra người dùng

32 đầu ra Transistor, 8 đầu ra Relay Tối đa I/O (tuỳ chọn): 2,048 đầu vào/2,048 đầu ra Phản hồi vị trí Bằng bộ mã hoá tuyệt đối

Bộ nhớ

chương trình

JOB: 200,000 bước, 10,000 lần truy cập Tiêu chuẩn CIO Ladder: 15,000 bước Mở rộng: 20,000 bước

10

Pendant Dim.(mm) 169(w) x 314.5(h) x 50(d) (6.7ꞌꞌ x 12.4ꞌꞌ x 299ꞌꞌ)

Pendant Weight 0.998 kg (2.2 lbs)

Giao diện 1 khe cắm flash; 1 cổng USB (1.1)

Nút nhấn Teach/Play/Remote Keyswitch selector Servo On, Start, Hold, and

Emergency Stop Buttons Ngôn ngữ lập trình INFORM III, lập trình menu-driven

Chức năng bảo trì Hiển thị và khắc phục sự cố cảnh báo, dự đoán độ mòn của bộ giảm

tốc

Số lượng robot/trục Lên tới 8 rô bot, 72 trục

Đa tác vụ Lên tới 16 công việc đồng thời, 4 công việc hệ thống

Fieldbus DeviceNet Master/Slave, AB RIO, Profibus, Interbus-S, M-Net, CC

Link, EtherNer IP/Slave Ethernet 10 Base T/100 Base TX

Safety Nút dừng khẩn cấp kênh đôi, công tắc kích hoạt 3 vị trí,

Nhả phanh bằng tay Đáp ứng ANSI/RIAR15.06-1999, ANSI/RIA/ISO 10218-2007 và CSAZ434-03

1.4 Hình ảnh hoạt động

Hình 1.7 Robot làm việc trong công nghiệp

Hình 1.8 Hình ảnh robot đang gắp sản phẩm

A6=[cos(i6),-sin(i6),0,0;sin(i6),cos(i6),0,0;0,0,1,0;0,0,0,1];

T60=simplify(A1*A2*A3*A4*A5*A6);

2.2 Xây dựng phần mềm giao diện động học thuận vị trí

Sử dụng matlab guide, ta xây dựng được giao diện menu :

Hình 2.2 Giao diện menu

14 Xây dựng giao diện tính toán động học thuận :

Hình 2.3 Giao diện động học thuận

15

CHƯƠNG 3 MA TRẬN JACOBY 3.1 Tính toán ma trận Jacoby

3.2 Các bước tính toán ma trận Jacoby sử dụng thuật toán ma trận JH Bước 1: Xác định ma trận 𝑇 (𝑖 = 0 → 𝑛 − 1)

Hình 3.1 Xác định ma trận Ti

n Bước 2: Xác định ma trận 𝐽

z i

H

y i

z i

H

i z

z i

p

nr

p

or

p

ar

17 3.3 Chương trình tính toán trên Matlab

18

3.4 Xây dựng phần mềm giao diện tính toán Jacoby

Sử dụng công cụ guide trong matlab, ta xây dựng được giao diện:

Hình 3.2 Giao diện Jacoby

Bước 2: Tìm phần tử O hoặc hằng số trong VF1

Bước 3: Cân bằng với phần tử tương ứng trong VF1

Áp dụng các trường hợp trong động học đảo giải tích

theta2=atan2(((pz-d1-a3*(ax*cos(theta1)+ay*sin(theta1)))/a2),(px*cos(theta1)-theta3=atan2((cos(theta2)*nzsin(theta2)*(nx*cos(theta1)+ny*sin(theta1))),cos(theta2)*(nx*cos(theta1)+ny*sin(theta1)

)+sin(theta2)*nz);

4.3 Xây dựng giao diện nhập xuất dữ liệu và hiển thị kết quả

Sử dụng công cụ guide trong matlab, ta xây dựng được giao diện:

Hình 4.1 Giao diện động học đảo

21

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CÁC KHỚP

5.1 Các bài toán trong thiết kế quỹ đạo

5.1.1 Chuyển động PTP (Point to Point)

Hình 5.1 Chuyển động PTP

 Tay máy robot được yêu cầu chuyển động từ một vị trí này đến vị trí khác trong khoảng thời gian tf

 Không yêu cầu theo quỹ đạo chính xác

 Áp dụng trong môi trường không có chướng ngại vật

5.1.2 Chuyển động thông qua một số điểm trung gian

Hình 5.2 Chuyển động thông qua một số điểm trung gian

 Vẫn yêu cầu tay máy chuyển động từ vị trí này sang vị trí khác trong khoảng thời gian tf, nhưng có vô số chướng ngại vật trên đường đi của robot

 Ta thiết lập các điểm trung gian nằm giữa các chướng ngại vật và có khoảng cách tương đối an toàn với chúng để tạo quỹ đạo tránh chướng ngại vật

 Quỹ đạo có thể không cần chính xác đi qua điểm trung gian Nhưng bắt buộc phải dừng tại điểm cuối trong thời gian yêu cầu

22

5.1.3 Chuyển động có ràng buộc về tốc độ và gia tốc

Hình 5.3 Chuyển động có ràng buộc về tốc độ và gia tốc Trên thực tế bao giờ chúng ta cũng mong muốn chuyển động Robot làm sao tận dụng được tối ưu năng lượng của hệ thống, và đảm bảo chính xác về điều khiển vị trí Để tiết kiệm năng lượng thì khi bắt đầu chúng ta cần tăng tốc tối đa, sau đó giữ tốc độ ổn định rồi giảm tốc để đưa vật thể về đúng vị trí Từ đó sinh ra bài toán chuyển động có ràng buộc về tốc

độ và gia tốc

5.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động PTP

Thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot có liên quan đến bài toán điều khiển robot di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong không gian làm việc Đường đi và quỹ đạo được thiết kế là đại lượng đặc trưng cho hệ thống điều khiển vị trí của Robot Do đó độ chính xác của quỹ đạo sẽ ảnh hưởng đến chất lượng di chuyển của Robot

Yêu cầu thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot:

- Khâu chấp hành phải đảm bảo đi qua lần lượt các điểm trong không gian làm việc hoặc di chuyển theo một quỹ đạo xác định

- Quỹ đạo của robot phải là đường liên tục về vị trí trong một khoảng thời gian nhất định

- Không có bước nhảy về vận tốc, gia tốc Quỹ đạo là các đường cong có dạng:

Đa thức bậc 2 : x(t)= a + bt + 𝑐𝑡2

Đa thức bậc 3 : x(t)= a + bt + 𝑐𝑡2 + 𝑑𝑡3

…

Đa thực bậc n : x(t)= a + bt + 𝑐𝑡2 + … + m 𝑑𝑡𝑛5.3 Tính toán thiết kế quỹ đạo chuyển động

- Chọn quỹ đạo thiết kế là hàm đa thức bậc 3 theo thời gian như sau :

( )

i t ai b t c ti i d ti

Với i = 1,2,3,4,5,6 tương ứng với 6 khớp của robot

Suy ra, quỹ đạo tốc độ và gia tốc của khớp thứ i có công thức :

Ví dụ: Giả sử robot cần di chuyển từ điểm A (ứng với góc quay của các khớp là ma trận

𝑄 ) tới điểm B (ứng với góc quay của các khớp là ma trận 𝑄 ) trong 5s

25

CHƯƠNG 6 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG TRÊN

TOOLBOX SIMSCAPE/MATLAB 6.1 Thiết kế robot trên Solid Work

Dưới đây là các bộ phận riêng biệt của robot được thiết kế bằng phần mềm SolidWork:

Hình 6.1 Phần chân đế robot

Hình 6.2 Phần thanh nối thứ nhất

26

Hình 6.3 Phần thanh nối thứ hai

Hình 6.4 Phần thanh nối thứ ba

Sau khi xuất file xml, chúng ta import vào matlab bằng lệnh smimport để được mô hình điều khiển trên matlab như hình dưới :

28 Hình 6.7.Mô hình điều khiển

29

KẾT LUẬN Robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người Robot có khả năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều khiển trợ động và lập trình thay đổi được

Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, nhóm chúng em thu được những kết quả sau:

• Tìm hiểu rõ hơn về robot yaskawa ep4000d

• Biết cách tính động học thuận, jacoby, động học đảo, quỹ đạo chuyển động,…

• Sử dụng matlab để xây dựng phần mềm tính toán

• Tích lũy được kinh nghiệm để đưa lý thuyết vào với thực tế

• Biết cách lên kế hoạch, khả năng làm việc nhóm cũng như trình bày một đề tài

30

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Văn Hiệp ( 2006), “Kỹ thuật Robot”, NXB KH&KT

[2] Nguyễn Thiện Phúc (2006), “Robot công nghiệp”, NXB KH&KT

[3] Lê Hoài Quốc (2001), “Nhập môn robot công nghiệp – Tập 1”, NXB

KH&KT

[4] Cameron Hughes (May 22, 2016), Tracey Hughes "Robot

Programming: A Guide to Controlling Autonomous Robots, 1st

Edition",Que Publishing

[5] Peter Mckinnon (January 28, 2016),"Robotics: Everything You Need

to Know About Robotics from Beginner to Expert", CreateSpace

Independent Publishing Platform

31

PHỤ LỤC

1 Chi tiết xây dựng giao diện động học thuận

- Sử dụng matlab guide, ta xây dựng được giao diện menu :

- Nút “Động học thuận” sẽ mở giao diện tương ứng

close

donghocthuan

- Nút “Ma trận Jacobi” sẽ mở giao diện tương ứng

close

JACOBY

close

Tinh_dong_hoc_nguoc

- Xây dựng giao diện tính toán động học thuận :

32

- Nút “Tính toán” sẽ tính toán dựa vào các giá trị Theta đã nhập và cho ra ma trận 0T6

% Lay du lieu theta

% Khai bao a,d

a1=550; d1=740; a2=1100; a3=250; d3=2135; d5=255;

% Tinh toan

nx=(sin(i6)*(cos(i4)*sin(i1) - sin(i4)*(cos(i1)*cos(i2)*cos(i3) - cos(i1)*sin(i2)*sin(i3))) - cos(i6)*(sin(i5)*(cos(i1)*cos(i2)*sin(i3) + cos(i1)*cos(i3)*sin(i2)) - cos(i5)*(sin(i1)*sin(i4) + cos(i4)*(cos(i1)*cos(i2)*cos(i3) - cos(i1)*sin(i2)*sin(i3)))));ny=(- cos(i6)*(sin(i5)*(cos(i2)*sin(i1)*sin(i3) + cos(i3)*sin(i1)*sin(i2)) + cos(i5)*(cos(i1)*sin(i4) - cos(i4)*(cos(i2)*cos(i3)*sin(i1) - sin(i1)*sin(i2)*sin(i3)))) - sin(i6)*(sin(i4)*(cos(i2)*cos(i3)*sin(i1) - sin(i1)*sin(i2)*sin(i3)) + cos(i1)*cos(i4)));nz=(cos(i6)*(cos(i2 + i3)*sin(i5) + sin(i2 + i3)*cos(i4)*cos(i5)) - sin(i2 + i3)*sin(i4)*sin(i6));