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 l
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT YASKAWA EP4000D
Giới thiệu về Robot Yaskawa ep4000d
Robot EP4000D của YASKAWA, thương hiệu thiết kế và chế tạo tại Nhật Bản với hơn 100 năm lịch sử từ năm 1915, nổi bật như một trong những tập đoàn hàng đầu thế giới trong lĩnh vực robot công nghiệp, biến tần và truyền động điện Các robot EP4000D có khả năng gánh tải 200 kg, chiều ngang 3,505 mm và tầm với thẳng đứng 2,629 mm, với thiết kế nhỏ gọn phù hợp để làm việc trong không gian chật hẹp Đây là loại robot sáu trục quay, vận hành bằng khí nén kết hợp động cơ điện, giúp robot vận hành linh hoạt, di chuyển dễ dàng đến từng vị trí và đảm bảo độ chính xác cao trong công việc.
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 lắp ráp ( Assembly/distributing)
Sử dụng robot EP4000D của Yaskawa đảm bảo tính tương thích, độ nhất quán và chất lượng dịch vụ cao trong tự động hóa dây chuyền sản xuất Yaskawa cung cấp đa dạng các loại robot phù hợp để giải quyết mọi bài toán và đáp ứng các yêu cầu khác nhau của khách hàng, góp phần nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Kết cấu cơ khí, thông số kĩ thuật cơ bản
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
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
Cấu trúc Kiểu cánh tay nối dọc
Tầm ngang 3,505 mm(138ꞌꞌ) Độ lặp lại ±0.5 mm(0.02ꞌꞌ)
Phạm vi chuyển động tối đa
Trục S Trục L Trục U Trục R Trục B Trục T ±150 o +25 o /-122 o +53 o /-70 o ±360 o ±120 o ±360 o
Trục S Trục L Trục U Trục R Trục B Trục T
Phanh Tất cả các trục Điện năng tiêu thụ 22 kVA
0 N • m Lực quán tính cho phép
Air Lines 2 – 3/8ꞌꞌ air lines
*Đáng giá trục T song song với sàn
Robot sử dụng bộ điều khiển DX100, giúp người vận hành dễ dàng lập trình và điều khiển robot hiệu quả hơn Bộ điều khiển còn dễ dàng tích hợp với hệ thống trong dây chuyền sản xuất, nâng cao tính linh hoạt và hiệu suất hoạt động Dưới đây là các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển DX100, mang lại giải pháp tối ưu cho quản lý robot tự động trong sản xuất.
Bảng 1.2 Thông số bộ điều khiển
THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN DX100**
Kích thước (mm) 1,200 (w) x 1,000 (h) x 650 (d) (47.2ꞌꞌ x 39.4ꞌꞌ x 25.6ꞌꞌ)
Khối lượng Tối đa 250 kg (551.3 lbs.)
Hệ thống làm mát Làm mát gián tiếp
Nhiệt độ môi trường xung quanh
Trong quá trình hoạt động: 0 o đến 45 o C (32 o đến 113 o F) Trong quá trình vận chuyển và lưu trữ: -10 o đến 60 o C
( 14 o đến 140 o F) Độ ẩm tương đối Tối đa 90% không ngưng tụ
3 pha 240/480/575 VAC ở mức 50/60 Hz Digital I/O
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
JOB: 200,000 bước, 10,000 lần truy cập Tiêu chuẩn CIO Ladder: 15,000 bước Mở rộng: 20,000 bước
Pendant Dim.(mm) 169(w) x 314.5(h) x 50(d) (6.7ꞌꞌ x 12.4ꞌꞌ x 299ꞌꞌ)
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
Hình ảnh hoạt động
Hình 1.7 Robot làm việc trong công nghiệp
Hình 1.8 Hình ảnh robot đang gắp sản phẩm
ĐỘNG HỌC THUẬN VỊ TRÍ ROBOT
Tính toán động học thuận
Xác định các hệ trục tọa độ gắn với Robot:
Hình 2.1 Hệ trục tọa độ Robot
Thành lập bảng thông số Denavit-Hartenberg:
Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit-Hartenberg i ai αi θi di
Xác định ma trận Ai :
1 ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) cos sin 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 sin cos 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 cos sin 0
Xác định ma trận Ti :
Chương trình tính toán trên matlab: syms a1 a2 a3 d1 d3 d5 i1 i2 i3 i4 i5 i6
A1=[cos(i1),0,sin(i1),a1*cos(i1);sin(i1),0,-cos(i1),a1*sin(i1);0,1,0,d1;0,0,0,1]; A2=[cos(i2),-sin(i2),0,a2*sin(i2);sin(i2),cos(i2),0,a2*sin(i2);0,0,1,0;0,0,0,1]; A3=[cos(i3),0,sin(i3),a3*cos(i3);sin(i3),0,-cos(i3),a3*sin(i3);0,1,0,d3;0,0,0,1]; A4=[cos(i4),0,-sin(i4),0;sin(i4),0,cos(i4),0;0,-1,0,0;0,0,0,1];
Ta thu được kết quả n x = s 6 (c 4 s 1 -s 4 c 1 c 23 ) - c 6 [s 5 c 1 s 23 -c 5 (s 1 s 4 +c 4 c 1 c 23 )] n y = -c 6 [s 5 s 1 s 23 +c 5 (c 1 s 4 -c 4 s 1 c 23 )] - s 6 (s 4 s 1 c 23 +c 1 c 4 ) n z = c 6 (c 23 s 5 +s 23 c 4 c 5 ) – s 23 s 4 s 6 , o x = s 6 [s 5 c 1 s 23 -c 5 (s 1 s 4 +c 4 c 1 c 23 )] + c 6 (c 4 s 1 -s 4 c 1 c 23 ) o y = s 6 [s 5 s 1 s 23 +c 5 (c 1 s 4 -c 4 s 1 c 23 )] - c 6 (s 4 s 1 c 23 +c 1 c 4 ) o z = -s 6 (c 23 s 5 +s 23 c 4 c 5 ) – s 23 c 6 s 4 a x = c 5 c 1 s 23 + s 5 (s 1 s 4 +c 4 c 1 c 23 ) a y = c 5 c 1 s 23 - s 5 (c 1 s 4 -c 4 s 1 c 23 ) a z = s 23 c 4 s 5 - c 23 c 5 p x = d 5 (c 4 s 1 -s 4 c 1 c 23 ) + a 1 c 1 + d 3 s 1 + a 2 c 1 s 2 + a 3 c 1 c 23 p y = a 1 s 1 - d 3 c 1 - d 5 (s 4 s 1 c 23 +c 1 c 4 ) + a 2 s 1 s 2 + a 3 s 1 c 23 p z = d 1 +a 3 s 23 + a 2 s 2 - d 5 s 23 s 4
Xây dựng phần mềm giao diện động học thuận vị trí
Sử dụng matlab guide, ta xây dựng được giao diện menu :
14 Xây dựng giao diện tính toán động học thuận :
Hình 2.3 Giao diện động học thuận
MA TRẬN JACOBY
Tính toán ma trận Jacoby
⎢⎡JH JH JH JH JH JH
JH JH JH JH JH JH
JH JH JH JH JH JH
JH JH JH JH JH JH
JH JH JH JH JH JH
JH JH JH JH JH JH ⎦⎥⎥⎥⎥⎤
Các bước tính toán ma trận Jacoby sử dụng thuật toán ma trận JH
Hình 3.1 Xác định ma trận T i n
Bước 2: Xác định ma trận 𝐽
- Khi (i+1) là khớp trượt, biến khớp 𝑟
- Khi (i+1) là khớp quay, biến khớp 𝜃
Chương trình tính toán trên Matlab
Xây dựng phần mềm giao diện tính toán Jacoby
Sử dụng công cụ guide trong matlab, ta xây dựng được giao diện:
ĐỘNG HỌC ĐẢO VỊ TRÍ ROBOT
Cơ sở lý thuyết
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
Tương tự các bước 2,3,4 Tìm 𝜃 2
Quay lại từ các bước 1 để xác định tiếp các khớp còn lại.
Tính động học đảo
Robot Ta Chia Yaskawa EP4000d được chia thành hai phần nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tính toán động học ngược Điều này là cần thiết vì robot có sáu bậc tự do, gây ra những khó khăn trong việc xác định vị trí và hướng của các khớp một cách chính xác Việc phân chia robot giúp đơn giản hóa quá trình phân tích, nâng cao hiệu quả và độ chính xác khi thực hiện các công việc tự động hóa trong sản xuất.
Ma trận định vị tổng quát có dạng:
Chương trình matlab: syms c1 s1 d1 c2 s2 c3 s3 d3 a1 a2 a3 nx ny nz ox oz oy ax ay az px py pz
T = [nx, ox, ax, px; ny, oy, ay, py; nz, oz, az, pz; 0 ,0 , 0, 1]
Dùng matlab tính ta được :
The calculations begin by determining θ1 using the arctangent function as θ1 = atan2(ox, -oy) Next, θ2 is computed with a more complex formula involving the positions and link parameters: θ2 = atan2(((pz - d1 - a3 * (ax * cos(θ1) + ay * sin(θ1))) / a2), (px * cos(θ1) - a1 + py * sin(θ1) - a3 * (nx * cos(θ1) + ny * sin(θ1))) / a2) Finally, θ3 is derived based on the results of θ2 and the orientation vectors, using the formula θ3 = atan2(cos(θ2) * nz * sin(θ2) * (nx * cos(θ1) + ny * sin(θ1)), cos(θ2) * (nx * cos(θ1) + ny * sin(θ1))) These calculations are essential for solving the inverse kinematics of the robotic arm.
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
THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CÁC KHỚP
Các bài toán trong thiết kế quỹ đạo
5.1.1 Chuyển động PTP (Point to Point)
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
Robot vẫn cần chuyển động tay máy từ vị trí này sang vị trí khác trong khoảng thời gian tf, tuy nhiên trên hành trình này tồn tại vô số chướng ngại vật gây trở ngại.
Bạn cần thiết lập các điểm trung gian nằm giữa các chướng ngại vật, đảm bảo khoảng cách an toàn để tạo ra quỹ đạo tránh chướng ngại vật hiệu quả Việc này giúp hệ thống có thể xác định các vị trí trung gian phù hợp, giảm thiểu khả năng va chạm và tối ưu hóa hành trình di chuyển Các điểm trung gian đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì khoảng cách an toàn, giữ cho quá trình di chuyển diễn ra suôn sẻ và hiệu quả hơn.
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
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
Trong thực tế, chúng ta mong muốn các robot chuyển động tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng của hệ thống đồng thời đảm bảo chính xác trong điều khiển vị trí Để tiết kiệm năng lượng, quá trình chuyển động bắt đầu bằng việc tăng tốc tối đa, sau đó duy trì tốc độ ổn định rồi giảm tốc để đưa vật thể về đúng vị trí mong muốn Do đó, bài toán chuyển động của robot phải tuân thủ các ràng buộc về tốc độ và gia tốc để đạt hiệu quả cao nhất.
Thiết kế quỹ đạo chuyển động PTP
Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot là yếu tố then chốt trong quá trình điều khiển robot di chuyển chính xác từ vị trí này sang vị trí khác trong không gian làm việc Quỹ đạo và đường đi được xác định rõ ràng nhằm tối ưu hóa hiệu quả và độ chính xác của hệ thống điều khiển vị trí robot Độ chính xác của quỹ đạo đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng di chuyển của robot, giảm thiểu sai số và đảm bảo thực hiện các tác vụ một cách hiệu quả nhất.
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 + 𝑐𝑡 2 Đa thức bậc 3 : x(t)= a + bt + 𝑐𝑡 2 + 𝑑𝑡 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 :
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 :
- Nếu robot đi từ A đến B là trong khoảng thời gian từ 0 s đến t f s và vận tốc tại 2 điểm A và B của bằng 0 Ta có hệ phương trình : i (0) a i
- Từ hệ phương trình trên, ta rút ra được 4 ẩn a , b , c, d như sau: i i (0) a i i (0) b
- Thay các giá trị a , b , c, d vào phương trình (1), (2) và (3) Từ đó thu được quỹ đạo chuyển động, vận tốc và gia tốc của mỗi khớp
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
Trong chuyển động ta cần các ràng buộc tốc độ 𝜃̇ và 𝜃̈ đều bằng 0 nên ta có:
Sử dụng công cụ matlab, ta thu được kết quả:
Hình 5.4 Đồ thị các khớp a Khớp 0 b Khớp 1 c Khớp 2 d Khớp 3 e Khớp 4 f Khớp 5
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG TRÊN TOOLBOX SIMSCAPE/MATLAB
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
Hình 6.3 Phần thanh nối thứ hai
Hình 6.4 Phần thanh nối thứ ba
Hình 6.5 Cơ cấu tác động
Tổng hợp mô hình robot :
Hình 6.6 Tổng hợp mô hình robot
Mô hình đối tượng trên Matlab
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