Thuyết Minh Đatn 20202.Pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ CẢI TIẾN CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC TỰ DO NGUYỄN VĂN TUẤN tuan nv164392@sis hust edu vn PHẠM ĐĂNG CHIẾN chien pd160430@sis hust edu vn Ngành Kỹ[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trương Hoành Sơn

Giảng viên phản biện: TS Nguyễn Kiên Trung

Bộ môn: Công nghệ chế tạo máy

HÀ NỘI, 07/2021

Chữ ký của GVHD

Chữ ký của GVPB

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

(NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY)

1 Thông tin về sinh viên

Họ và tên SV: Nguyễn Văn Tuấn Lớp: Kỹ thuật cơ khí 01-K61 ĐT: 0904.517.520

Họ và tên SV: Phạm Đăng Chiến Lớp: Kỹ thuật cơ khí 03-K61 ĐT: 0343.171.166 Email (đại diện): tuan.nv164392@sis.hust.edu.vn

Hệ đào tạo: Chính quy Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Phòng T110 – Nhà T – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Thời gian làm ĐATN: Từ ngày 01/03/2021 đến 30/06/2021

2 Đầu đề thiết kế

NGHIÊN CỨU VÀ CẢI TIẾN CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC TỰ DO

3 Nội dung thuyết minh và tính toán:

 Tổng quan và tính toán kết cấu cơ khí cánh tay robot 4 bậc tự do

 Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo các bộ phận cải tiến

4 Các bản vẽ:

 Bản vẽ chi tiết lồng phôi: 2 bản A0

 Bản vẽ sơ đồ nguyên công: 4 bản A0

 Bản vẽ đồ gá: 4 bản A0

 Bản vẽ lắp: 1 bản A0

 Bản vẽ trường công tác Robot: 1 bản A0

Hà Nội, ngày 10 tháng 07 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN CNCTM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên SV: Nguyễn Văn Tuấn Lớp: Kỹ thuật cơ khí 01-K61

Họ và tên SV: Phạm Đăng Chiến Lớp: Kỹ thuật cơ khí 03-K61

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Tên đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu và cải tiến cánh tay robot 4 bậc tự do NỘI DUNG NHẬN XÉT I Khối lượng đồ án: 1 Phần thuyết minh: 109 trang 2 Phần bản vẽ: 12 bản A0 II Ưu điểm của đồ án ………

………

………

………

………

………

III Nhược điểm của đồ án ………

………

………

………

………

IV Kết luận ………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày 10 tháng 07 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN CNCTM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên SV: Nguyễn Văn Tuấn Lớp: Kỹ thuật cơ khí 01-K61

Họ và tên SV: Phạm Đăng Chiến Lớp: Kỹ thuật cơ khí 03-K61

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Tên đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu và cải tiến cánh tay robot 4 bậc tự do NỘI DUNG NHẬN XÉT V Khối lượng đồ án: 1 Phần thuyết minh: 109 trang 2 Phần bản vẽ: 12 bản A0 VI Ưu điểm của đồ án ………

………

………

………

………

………

VII Nhược điểm của đồ án ………

………

………

………

………

VIII Kết luận ………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày 10 tháng 07 năm 2021

Giảng viên phản biện

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Lịch sử hình thành: 1

1.2 Xu hướng phát triển: 1

1.3 Nội dung nghiên cứu: 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu đề tài: 3

1.4.1 Lý thuyết: 3

1.4.2 Thực nghiệm: 3

1.5 Phạm vi nghiên cứu đề tài: 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 4

2.1 Một số định nghĩa về robot 4

2.1.1 Định nghĩa về robot công nghiệp (IR – Industrial Robot): 4

2.1.2 Bậc tự do của robot (DOF: Degree Of Freedom): 4

2.1.3 Hệ toạ độ (Coordinate Frame): 4

2.1.4 Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion): 5

2.2 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp 5

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: 5

2.3 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp 6

2.3.1 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: 6

2.3.2 Phân loại robot: 7

2.4 Động học và động lực học robot 10

2.4.1 Động học robot: 10

2.4.2 Động lực học robot: 13

2.5 Thiết kế quỹ đạo robot 14

2.6 Cơ sở điều khiển robot 16

2.6.1 Yêu cầu điều khiển robot: 16

2.6.2 Nguyên tắc điều khiển: 16

2.6.3 Các phương pháp điều khiển robot: 17

CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN VÀ MÔ HÌNH HOÁ SẢN PHẨM 23

3.1 Mô hình hoá hệ thống cơ khí: 23

3.1.1 Yêu cầu bài toán thiết kế và cải tiến sản phẩm: 23

3.1.2 Trường công tác của robot: 23

3.1.3 Tính toán thiết kế chi tiết: 25

3.1.4 Mô hình hoá cánh tay Robot: 29

3.2 Chế tạo sản phẩm: 31

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG MỘT SỐ CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH 44

4.1 Chi tiết dạng hộp (Vỏ hộp giảm tốc trục vít bánh vít) 44

4.1.1 Phân tích chức năng làm việc, tính công nghệ trong kết cấu, xác định dạng sản xuất, và phương pháp chế tạo phôi: 44

4.1.2 Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết: 48

4.1.3 Tính và tra lượng dư gia công: 56

4.1.4 Tính và chế độ cắt cho các nguyên công: 60

4.1.5 Tính thời gian gia công bản cho các nguyên công: 66

4.1.6 Tính và thiết kế đồ gá: 70

4.2 Chi tiết dạng hộp (Nắp động cơ bước size 57): 76

4.2.1 Phân tích chức năng làm việc, tính công nghệ trong kết cấu, xác định dạng sản xuất và phương pháp gia công: 77

4.2.2 Thiết kế quy trình gia công chi tiết: 80

4.2.3 Tính và tra lượng dư gia công: 88

4.2.4 Tính và tra chế độ cắt cho các nguyên công: 91

4.2.5 Tính thời gian gia công bản cho các nguyên công: 94

4.2.6 Tính và thiết kế đồ gá: 98

KẾT LUẬN 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 3.1 Trường công tác của cánh tay máy 24

Hình 3.3 Sơ đồ tính toán 25

Hình 3.4 Sơ đồ hệ dẫn động khâu 2 (khâu cánh tay) robot 27

Hình 3.5 Mô hình cánh tay Robot 29

Hình 3.6 Các khâu trên tay máy robot 4 bậc tự do 30

Hình 3.7 Các trục của tay máy Robot 4 bậc tự do 31

Hình 3.8 Khâu chân đế 31

Hình 3.9 Sơ đồ lắp ráp Khâu 1 “Khâu chân đế” 34

Hình 3.10 Khâu bả vai 34

Hình 3.11 Sơ đồ lắp ráp Khâu 2 “Khâu bả vai” 38

Hình 3.12 Khâu khuỷu tay 38

Hình 3.13 Khâu cánh tay 41

Hình 3.14 Sơ đồ lắp ráp Khâu 4 “Khâu cánh tay” 43

Hình 3.15 Mô hình chế tạo 43

Hình 4.1 Tính trọng lượng chi tiết trên phần mềm SolidWorks 46

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí mặt phân khuôn chi tiết vỏ hộp giảm tốc 47

Hình 4.3 Bản vẽ khuôn đúc chi tiết vỏ hộp giảm tốc trục vít 48

Hình 4.4 Bản vẽ lồng phôi chi tiết vỏ hộp giảm tốc 48

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên công 1 50

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên công 2 51

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên công 3 51

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên công 4 52

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên công 5 53

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên công 6 53

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên công 7 54

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên công 8 54

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên công 9 55

Hình 4.14 Sơ đồ nguyên công 10 55

Hình 4.15 Sơ đồ nguyên công 11 56

Hình 4.16 Sơ đồ kiểm tra độ không đồng tâm giữa 2 lỗ 𝜙24 56

Hình 4.17 Sơ đồ chuỗi kích thước xác định sai số chuẩn kích thước 25+0,1 58

Hình 4.18 Sơ đồ phân tích lực cắt khi khoan 71

Hình 4.19 Sơ đồ tính lực cắt khi phay 75

Hình 4.20 Tính trọng lượng chi tiết trên phần mềm SolidWorks 78

Hình 4.21 Mặt phân khuôn chi tiết nắp động cơ bước 79

Hình 4.22 Bản vẽ lồng phôi chi tiết nắp động cơ bước 80

Hình 4.23 Sơ đồ nguyên công 1 82

Hình 4.24 Sơ đồ nguyên công 2 83

Hình 4.25 Sơ đồ nguyên công 3 83

Hình 4.26 Sơ đồ nguyên công 4 84

Hình 4.27 Sơ đồ nguyên công 5 84

Hình 4.28 Sơ đồ nguyên công 6 85

Hình 4.29 Sơ đồ nguyên công 7 85

Hình 4.30 Sơ đồ nguyên công 8 86

Hình 4.31 Sơ đồ nguyên công 9 86

Hình 4.32 Sơ đồ nguyên công 10 87

Hình 4.33 Sơ đồ nguyên công 11 87

Hình 4.34 Sơ đồ kiểm tra giữa mặt đầu với lỗ 𝜙22 88

Hình 4.35 Sơ đồ chuỗi kích thước xác định sai số chuẩn kích thước 33.2+0.1 89

Hình 4.36 Sơ đồ phân tích lực cắt khi khoan 99

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng thông số kỹ thuật của hộp giảm tốc trục vít 27

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của cánh tay Robot 30

Bảng 3.3 Bảng góc quay của Robot 31

Bảng 3.4 Bảng thống kê các chi tiết máy trong khâu 1 cánh tay robot 33

Bảng 3.5 Bảng thống kê các chi tiết máy trong khâu 2 cánh tay robot 37

Bảng 3.6 Bảng thống kê các chi tiết máy khâu 3 cánh tay máy 40

Bảng 3.7 Bảng thống kê các chi tiết máy trong khâu 4 cánh tay robot 42

Bảng 4.1 Bảng phương pháp gia công cho từng bề mặt chi tiết 49

Bảng 4.2 Bảng tính toán kích thước giới hạn các bước NC 59

Bảng 4.3 Bảng tổng hợp tính toán lượng dư NC “Khoét, doa lỗ 𝜙24” 60

Bảng 4.4 Bảng tra lượng dư gia công các bề mặt chi tiết vỏ hộp giảm tốc 60

Bảng 4.5 Bảng tổng hợp chế độ cắt cho nguyên công 6 65

Bảng 4.7 Bảng tra lượng dư gia công các bề mặt chi tiết nắp động cơ bước 90

Bảng 4.8 Bảng thông số kỹ thuật của cơ cấu mỏ kẹp liên động 100

LỜI CẢM ƠN

Sau 5 năm học tập và rèn luyện trên giảng đường đại học Chúng em đã trải qua các môn học và đồ án tốt nghiệp là học phần cuối cùng trong chặng đường sinh viên của chúng em trước khi tốt nghiệp Đây là một cơ hội để chúng em có thể áp dụng những kiến thức trong một sản phẩm cơ khí thực tế

Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình và chu đáo của các Thầy (Cô) trong Bộ môn Công nghệ chế tạo máy Đặc biệt là

Thầy PGS TS Trương Hoành Sơn - Giảng viên trực tiếp hướng dẫn chúng em khoá

luận tốt nghiệp này Qua đây chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Thầy PGS TS Trương Hoành Sơn và các Thầy (Cô) trong Bộ môn đã giúp chúng

em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Ngày nay, các thiết bị đa năng đã trở nên phổ biến trong cuộc sống và sản xuất Với

sự kết hợp mạnh mẽ của Cơ khí - Điện tử - Tin học trong thời gian ngắn gần đây, các thiết bị ngày càng thông minh, linh hoạt và hữu ích trong cuộc sống của chúng ta Với xu thế đó, Cơ điện tử là một chuyên ngành phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới cũng như ở Việt Nam Với tư cách là sinh viên ngành Cơ Khí chế tạo máy, chúng em

đã có những kiến thức tổng quát về cơ khí - điện tử - tin học, có thể kết hợp những lĩnh vực được học để thiết kế các thiết bị với tính năng hiện đại, hoạt động bền vững với độ tin cậy cao

Với đề tài được giao “Nghiên cứu và cải tiến cánh tay robot 4 bậc tự do”

Với mô hình cơ khí sẵn có chúng em tiếp tục nghiên cứu và cải tiến cánh tay máy với những nội dung chính sau:

 Thiết kế, tối ưu hoá mô hình cơ khí của cánh tay máy (tính chọn động cơ các khâu, tính toán lại trường công tác, lựa chọn vật liệu phù hợp, sử dụng hộp giảm tốc trục vít tăng momen xoắn cho khâu 2) Từ đó lập QTCN gia công các chi tiết điển hình

 Tăng độ chính xác cho khâu 4 (bàn tay máy) bằng cách sử dụng tay song song được ra lực bằng động cơ servo giúp cho cánh tay máy có thể kẹp phôi và di chuyển phôi đến vị trí được xác định một cách chính xác

 Nghiên cứu ứng dụng Arduino giao tiếp với máy tính cùng phương pháp điều khiển PID vào mô hình tay máy thiết kế

Các phần cải tiến mô hình cơ khí cánh tay robot, chúng em đã chế tạo bằng máy công cụ vạn năng, máy CNC,….Qua đó rút ra nhiều kinh nghiệm cũng như kiến thức trong sản xuất thực tế

Nguyễn Văn Tuấn

Phạm Đăng Chiến

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử hình thành:

Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’s Universal Robot” của Karel Capek Theo tiếng Czech thì Robot là người làm tạp dịch Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ

Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại công

ty Unimation

Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất Robot Công Nghiệp: Anh – (1967), Thụy Điển – (1968), CHLB Đức – (1971), Pháp – (1972), Ý – (1973),… Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF (American Machine and Foundry Company) của Mỹ

Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Năm 1967, tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực

và thị giác

Năm 1976, hãng General Motor đã chế tạo thành công cánh tay robot được sử dụng trên tàu Viking của cơ quan hàng không vũ trụ NASA nhằm lấy mẫu đất trên sao hỏa

Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…

1.2 Xu hướng phát triển:

Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại

Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay máy robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh học

(Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots) Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles)

Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng,

an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng là động lực cho các robot

địa hình và robot dịch vụ phát triển

Tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam :

Các công trình nghiên cứu khoa học về robot được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới, liên quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho robot Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính momen, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp dạy học cho robot …

Các nghiên cứu về thị giác robot được quan tâm cả ở robot công nghiệp và robot

di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển robot trên cơ sở thông tin hình ảnh Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nói tiếng Việt bắt đầu được chú ý cho các loại robot dịch vụ

Mặc dù có nhiều loại robot đã được Nhà nước hỗ trợ cho nghiên cứu chế tạo qua các đề tài nghiên cứu các cấp suốt 25 năm qua nhưng hầu như các robot đó ít được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Nhiều nhóm nghiên cứu phát triển robot được hình thành ở các trường đại học, viện nghiên cứu ở 3 miền đất nước nhưng chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo Ứng dụng mạnh mẽ của robot trong sản xuất chỉ

có hiệu quả khi dây chuyền sản xuất có nhu cầu tự động hóa hóa cao trong khi đó nền sản xuất của Việt Nam đang ở giai đoạn công nghiệp hóa sử dụng lao động thủ công với giá nhân công rẻ Mặc dù vậy các nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam vẫn phát triển mạnh đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực công nghệ cao đang rất thiếu cho quá trình phát triển của đất nước

1.3 Nội dung nghiên cứu:

Với đề tài được giao “Nghiên cứu và cải tiến cánh tay robot 4 bậc tự do” nhóm xác định các vấn đề giải quyết như sau:

a) Về Cơ khí:

- Thiết kế, tối ưu hoá mô hình cơ khí của cánh tay máy (tính chọn động cơ các khâu, tính toán lại trường công tác, lựa chọn vật liệu phù hợp, sử dụng hộp giảm tốc trục vít tăng momen xoắn cho khâu 2) Từ đó lập QTCN gia công các chi tiết điển hình

- Nâng cao độ chính xác và lực kẹp phôi cho khâu 4 (bàn tay máy) bằng tay kẹp song song giúp cho cánh tay máy có thể kẹp phôi và di chuyển phôi đến vị trí được xác định một cách chính xác

b) Mạch điều khiển:

- Mạch điều khiển được thiết kế hoạt động ổn định, hạn chế được tối đa ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu

- Thiết kế giao diện điều khiển trực quan

c) Phương pháp điều khiển:

- Xây dựng mô hình toán học cho robot Từ đó chọn lựa chọn, thiết kế giải thuật điều khiển để đảm bảo cánh tay robot bám quỹ đạo mong muốn và hoạt động

ổn định dưới tác động của các yếu tó nhiễu

1.4 Phương pháp nghiên cứu đề tài:

1.4.1 Lý thuyết:

- Giải quyết các bài toán động học ngược, động học thuận của robot

- Giải quyết các bài toán động lực học tay máy

- Giải quyết bài toán nội suy theo đường thẳng và theo đường cong

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot

1.4.2 Thực nghiệm:

Ứng dụng những kiến thức chuyên ngành nhóm đã tiếp tục nghiên cứu dựa trên mô hình tay máy sẵn có để khắc phục những lỗi và tối ưu hoá khả năng làm việc của cánh tay robot:

- Thiết kế hệ thống đồng thời song song cả phần cơ khí, điện tử, lập trình

- Chế tạo các chi tiết máy phần dựa theo phần tính toán cải tiến tay máy

1.5 Phạm vi nghiên cứu đề tài:

Đây là đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tế, vì vậy sẽ có nhiều phương pháp cũng như là hướng giải quyết và phát triển khác nhau Nhóm quyết định cải tiến mô hình để tối ưu hoá kết cấu cơ khí, tăng độ chính xác dựa trên quy đạo chuyển động được xác định trước

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

2.1 Một số định nghĩa về robot

2.1.1 Định nghĩa về robot công nghiệp (IR – Industrial Robot):

+ Robot công nghiệp: là một máy tự động linh hoạt có khả năng thay thế từng

bộ phận hoặc toàn phần các chức năng cơ bắp, trí tuệ của con người với những khả năng và những mức thích nghi khác nhau

+ Robot có mối liên hệ chặt chẽ với móc, công dụng trong một hệ thống tự động tổng hợp cho phép thích ứng nhanh và đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi:

 Thủ pháp cầm nắm di chuyển tối ưu

 Trình độ tay nghề khôn khéo và linh hoạt

 Kết cấu tuân theo nguyên tắc modun hoá

 Lập trình dễ dàng và độ tin cậy cao

2.1.2 Bậc tự do của robot (DOF: Degree Of Freedom):

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Nhìn chung cơ hệ của robot thường là một cơ cấu hở Do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :

2.1.3 Hệ toạ độ (Coordinate Frame):

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một chuỗi động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên

Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng Các hệ toạ

độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải

Hình 2.1 Hệ tọa độ khớp robot

2.1.4 Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion):

Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động

có thể Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp, ví dụ một khớp có thể quay 1 góc nhỏ hơn360° Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot (Hình

Hình 2.2 Trường công tác của robot 2.2 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp:

a) Cấu tạo chung:

Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các thành phần sau:

+ Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình

thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt

và bàn tay (End Effecr) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Thường sử

dụng các loại động cơ: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

+ Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết

khác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

+ Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và

điều khiển hoạt động của robot

2.3 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp

2.3.1 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp:

a) Cấu tạo chung:

Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các thành phần sau:

+ Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình

thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt

và bàn tay (End Effecr) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Thường sử

dụng các loại động cơ: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

+ Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết

khác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

+ Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và

điều khiển hoạt động của robot

Hình 2.3 Cấu trúc chung của hệ robot

b) Kết cấu tay máy:

Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp,

Các khâu của Robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:

+ Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarte, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T hoặc P + Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp của Robot là robot kiểu toạ độ Descarte, toạ độ trụ, toạ độ cầu, Robot kiểu SCARA, kiểu tay người

2.3.2 Phân loại robot:

a) Phân loại theo dạng không gian hoạt động:

 Toạ độ Descarte:

Tay máy kiểu tọa độ Descarte là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữ nhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng

Hình 2.4 Robot tọa độ kiểu Descarte

 Toạ độ trụ:

Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với kiểu tay máy Descartes ở khớp đầu tiên, dùng khớp quay thay cho khớp trượt Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng

Độ cứng vững của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định

vị trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng

Hình 2.5 Robot tọa độ trụ

 Toạ độ cầu:

Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là một khối cầu rỗng Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác phụ thuộc vào tầm với Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn

Hình 2.6 Robot tọa độ cầu

 Robot kiểu scara:

Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo phương được chọn, là phương ngang Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp

với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective Compliance Articulated Robot Actuator” để mô tả các đặc điểm trên

Hình 2.7 Robot kiểu SCARA

 Robot kiểu tay người:

Tất cả các khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder joint), khớp thứ ba là khớp khủy (Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay Tay máy làm việc rất khéo léo nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của vùng làm việc

b) Phân loại theo điều khiển:

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

 Điều khiển hở:

Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môi trường làm việc của tay máy robot công nghiệp Do đó độ chính xác không cao Phương pháp điều khiển này tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong những trường hợp không đòi hỏi cao về độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hàng hóa… Động cơ được sử dụng trên tay máy robot dạng điều khiển này thường là động

cơ bước, động cơ điện thông thường không phản hồi

Hình 2.8 Cấu trúc hệ điều khiển hở

 Điều khiển kín (hay điều khiển Servo):

Khác với phương pháp điều khiển theo mạch hở, ở phương pháp điều khiển theo vòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường

mà tay máy tương tác Do đó điều khiển tay máy hay robot công nghiệp sẽ chính xác hơn So với phương pháp điều khiển mạch hở, phương pháp này điều khiển phức tạp hơn do phải trang bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái của tay máy như:

vị trí, vận tốc, momen và các thông số môi trường làm việc

Với ưu điểm là có độ chính xác cao, tin cậy trong quá trình làm việc nên phương pháp điều khiển theo vòng kín ngày càng được sử dụng nhiều trên các tay máy robot công nghiệp

Hình 2.9 Cấu trúc hệ điều khiển phản hồi

c) Phân loại theo ứng dụng:

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v

 Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D-H:

Một cách tổng quát tay máy coi là có n khâu, trong đó khâu thứ i liên kết khớp (i) với khớp (i+1) như hình vẽ Theo quy tắc D-H các hệ tọa độ được xác định theo quy ước sau:

+ Trục tọa độ zi cùng hướng với hướng của trục khớp i+1

+ xi cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục zi-1 và trục zi

+ Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của truc z và trục x đã xác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theo quy tắc bàn tay phải

+ Hệ tọa độ gốc: x0 được chọn tùy ý vuông góc với z0

 Quy tắc rời trục tọa độ theo Denavit-Hartenberg:

+ Tịnh tiến một đoạn di theo trục zi-1 để xi-1 nằm trên mặt phẳng pháp tuyến của

zi-1 chứa xi

+ Quay một góc i quanh trục zi-1 để xi-1 cùng phương với xi

+ Tịnh tiến một đoạn ai theo trục xi-1 để xi-1 trùng với xi

+ Quay một góc αi quanh trục xi-1 (trùng với xi) để zi-1 trùng với zi

Hình 2.10 Quy tắc đặt trục tọa độ Denavit - Hartenberg

Ma trận biến đổi thuần nhất các hệ trục tọa độ theo D-H:

Tương ứng với các phép tịnh tiến và phép quay trên ta có các ma trận biến đổi

thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ liên tiếp theo quy tắc D-H là các ma trận H i i-1

]

Phương trình động học robot công nghiệp:

Động học ngược tay máy là việc giải phương trình động học robot công nghiệp

để tìm ra các giá trị của biến khớp khi cần di chuyển khâu công tác tới vị trí xác định

và hướng xác định

 Mục đích của bài toán động học ngược tay máy:

Để điều khiển tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì chúng ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot

 Các phương pháp giải bài toán động học ngược:

Hướng giải bài toán động học ngược:

Gọi ma trận mô tả robot ( định hướng và vị trí) đã biết là:

𝑇(𝜃1, , 𝜃𝑛) = 𝑇(𝜃1) .𝑛𝑛−1𝑇(𝜃1) (2.6) Phương trình (2) đưa đến việc giải 12 phương trình phi tuyến với n ẩn sau:

𝑇𝑖𝑗 = (𝜃𝑖, , 𝜃𝑛) = 𝑘𝑖𝑗,𝑖 = 1,2,3; 𝑗 = 1, ,4 (2.7) Trong đó 𝑇ij, 𝑘ijtương ứng là 12 phần tử có giá trị của 𝑛0𝑇 và K (trừ hàng cuối của

ma trận) Giải hệ phương trình (2.5) ta sẽ được nghiệm là các biến khớp𝜃 =(𝜃1, 𝜃2, 𝜃𝑛)𝑇 cần tìm

+ Phương pháp giải tích: có nhược điểm là tính toán phức tạp, không mang tính toàn diện cho mọi robot, khó áp dụng với các robot có số bậc tự do lớn (6) Tuy nhiên

ưu điểm của phương pháp này là khi tìm được kết quả thì việc thay giá trị để tính toán lại trở nên đơn giản

+ Phương pháp số: có các phương pháp điển hình sau:

 Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester

 Phương pháp dựa trên khai triển chuỗi Taylor

 Phương pháp RAGHAVAN và ROTH

 Mục đích nghiên cứu bài toán động lực học tay máy:

- Tính toán thiết kết cấu tay máy

- Mô phỏng chuyển động của tay máy

- Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp

 Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy:

- Phương pháp sử dụng phương trình Lagrange II

- Phương pháp Newton – Euler

 Phương pháp Lagrange:

Hàm Lagrange của một hệ thống năng lượng được định nghĩa:

𝐿 = 𝐾– 𝑃 (2.8) Trong đó : K là tổng động năng của các khâu, P là tổng thế năng

K và P là những đại lượng vô hướng nên có thể chọn bất cứ hệ tọa độ nào để giải bài toán được đơn giản Đối với 1 cánh tay robot n khâu, ta có :

𝐾 = ∑𝑛𝑖=1𝐾i (2.9)

𝑃 =∑𝑛𝑖=1𝑃i (2.10)

Ở đây Ki, Pi là động năng và thế năng của khâu thứ i xét trong hệ tọa độ được chọn

Ta biết mỗi đại lượng Ki, Pi là một hàm số phụ thuộc nhiều biến số:

𝐾i = 𝐾(qi,𝑞̇i) và 𝑃i = 𝑃(qi,𝑞̇i) (2.11) Với qi là tọa độ suy rộng của khớp thứ i Nếu khớp thứ i là khớp quay thì qi là góc quay i, nếu là khớp tịnh tiến thì qi là độ dài tịnh tiến di

Ta định nghĩa: Lực tác dụng lên khâu thứ i( i = 1, 2, 3, , n ) là lực tổng quát (Generalized forces), nó có thể là một lực hay momen (phụ thuộc vào biến khớp qi là quay hay tịnh tiến) và được xác định bởi:

 Phương pháp Newton – Euler:

Để thiết lập phương trình vi phân chuyển động theo phương pháp Newton-Euler ta đi theo trình tự các bước sau:

- Bước 1: Xây dựng sơ đồ động học, chọn hệ tọa độ suy rộng, thiết lập bảng tham số động học, động lực học robot

- Bước 2: Xác định các ma trận truyền D-H, từ đó xác định ma trận quay tương ứng

- Bước 3: Tách robot (hệ có nhiều vật) thành từng vật, khảo sát hệ lực trên từng vật (Theo thứ tự từ vật thứ n đến vật thứ nhất)

- Bước 4: Tìm các thuộc tính cho từng vật rắn: vị trí, vận tốc, gia tốc, Tenxo quán tính khối…

- Bước 5: Thiết lập hệ phương trình vi phân cho từng vật rắn, bắt đầu từ vật rắn thứ n

2.5 Thiết kế quỹ đạo robot

Quỹ đạo chuyển động là vấn đề chung trong điều khiển robot, vì để hoàn thành nhiệm vụ cụ thể của mình thì trước hết phần công tác phải di chuyển theo đúng quỹ đạo xác định Nói cách khác, quỹ đạo là yếu tố cơ bản để mô tả hoạt động của robot Việc thiết kế quỹ đạo cung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển nên cũng là

cơ sở trực tiếp cho việc điều khiển

Thiết kế quỹ đạo ở đây được hiểu là xác định quy luật chuyển động của các biến khớp để điều khiển chuyển động của từng khớp và tổng hợp thành chuyển động chung của robot theo một quỹ đạo đã được xác định

Bài toán thiết kế quỹ đạo liên kết các vấn đề động học và động lực học Các yếu

tố đầu vào của bài toán thiết kế quỹ đạo bao gồm đường dịch chuyển, thời gian dịch chuyển và các điều kiện ràng buộc về động học và động lực học Đầu ra của bài toán

là quỹ đạo của phần công tác

Bài toán thiết kế quỹ đạo được đặt ra cả trong không gian khớp lẫn không gian công tác Các điều kiện ràng buộc của quỹ đạo, nhất là đường dịch chuyển, thường

được mô tả trong không gian công tác Ngược lại, lực truyền động của hệ thống xuất phát từ các khớp nên việc xác định quy luật theo thời gian của các biến khớp được thực hiện trong không gian khớp

a) Quỹ đạo không gian khớp:

Chuyển động điểm-điểm: chuyển động này ta chỉ quan tâm đến các tọa độ điểm

đầu, điểm cuối của đường dịch chuyển chứ không quan tâm đến dạng hình học của đường dịch chuyển

 Quỹ đạo là đa thức bậc 3:

Quỹ đạo di chuyển của khớp giữa 2 vị trí sẽ thỏa mãn 4 điều kiện: Vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng, tốc độ tại vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng Do đó quỹ đạo bậc

3 sẽ thích hợp cho quỹ đạo của khớp robot:

Phương trình vị trí: q(t)=a 3 t 3 + a 2 t 2 + a 0 (2.13)

Phương trình vận tốc: 𝑞̇(𝑡)=3a 3 t 3 + 2a 2 t + a 1 (2.14) Gia tốc thay đổi theo quy luật bậc nhất: 𝑞̈(t)=6a3 t + 2a 2 (2.15) Trong đó a3, a2, a1, a0 là các thông số giả định cần xác định

Để xác định 4 hệ số giả định này cần 4 điều kiện: vị trí đầu q i , vị trí cuối q f, vận tốc đầu 𝑞̇i, vận tốc cuối 𝑞̇f (thường chọn 𝑞̇i = 𝑞̇ f= 0)

 Quỹ đạo là đa thức bậc 5:

{

𝑞(𝑡) = 𝑎5𝑡5+ 𝑎4𝑡4+ 𝑎3𝑡3+ 𝑎2𝑡2+ 𝑎1𝑡 + 𝑎0 𝑞̇(𝑡) = 5𝑎5𝑡4+ 4𝑎4𝑡3+ 3𝑎3𝑡2+ 2𝑎2𝑡 + 𝑎1𝑞̈(𝑡) = 20𝑎5𝑡3+ 12𝑎4𝑡2+ 6𝑎3𝑡 + 2𝑎2

Chuyển động theo đường:

Trong nhiều hoạt động, ví dụ hàn hồ quang, sơn, xếp dỡ vật liệu trong không gian có nhiều chướng ngại vật, robot cần được điều khiển theo đường Khi đó số lượng của mỗi đường lớn hơn hai Đó có thể không chỉ là điểm phải đi qua đơn thuần

mà tại đó có thể phải khống chế cả vận tốc và gia tốc để đáp ứng yêu cầu công nghệ Các điểm như vậy gọi là các điểm chốt, số lượng điểm chốt nhiều hay ít phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác của quỹ đạo

b) Quỹ đạo không gian công tác:

Quỹ đạo trong không gian khớp mô tả diễn tiến theo thời gian của các biến khớp q(t) sao cho phần công tác di chuyển thẳng từ điểm đầu đến điểm cuối của quỹ đạo

hoặc đi qua các điểm trung gian

Muốn cho phần công tác di chuyển theo đúng lộ trình đã định trong không gian công tác cần thiết kế quỹ đạo trực tiếp chính trong không gian này Quỹ đạo có thể xác lập bằng cách nội suy đường dịch chuyển qua các điểm chốt hoặc xác lập bằng giải tích hàm chuyển động

Nhiệm vụ của việc xây dựng quỹ đạo trong không gian công tác là quy luật biến thiên của biến khớp trong không gian khớp để điều khiển động cơ làm việc Quỹ đạo của robot trong không gian công tác xây dựng qua việc giải bài toán động học ngược, đây cũng là chuẩn đầu vào của hệ điều khiển

2.6 Cơ sở điều khiển robot

2.6.1 Yêu cầu điều khiển robot:

Định vị và định hướng tại điểm tác động cuối: khâu cuối cùng thường là bàn kẹp (gripper) hay là khâu gắn liền với dụng cụ thao tác (tool) Đây là điểm đáng quan tâm nhất vì đó là điểm tác động của robot lên đối tượng Và chúng ta cần xác định không chỉ vị trí của điểm này trong không gian mà còn cả hướng của khâu cuối đó

Vị trí điểm tác động cuối E được xác định bằng 3 tọa đô 𝑥𝐸, 𝑦𝐸, 𝑧𝐸 trong hệ tọa trục tọa độ cố định Còn hướng tác động của khâu cuối đó có thể được xác định bằng 3 thông số góc RPY, Euller hay Cardan

Điều khiển chuyển động của tay máy trong không gian là xác định n thành phần momen lực tổng quát tác động lên các khớp, momen lực tổng quát được cung cấp bởi

cơ cấu chấp hành Quá trình điều khiển phải đảm bảo bộ điều khiển sẽ thực hiện sẽ khiển chuyển động của các khớp theo quỹ đạo q(t) sao cho q(t) luôn bám qd(t), với

qd(t) là quỹ đạo chuyển động mong muốn Trên cơ sở đó, ta cần đưa ra các phương thức điều khiển làm cho tay máy thực hiện công việc này Quỹ đạo dự kiến đòi hỏi người lập trình điều khiển phải tìm kiếm đường đi có tính đến những vấn đề liên quan đến môi trường ứng dụng như tránh sự va chạm, các yêu cầu về tốc độ đáp ứng

2.6.2 Nguyên tắc điều khiển:

Hệ thống điều khiển robot cũng giống như các hệ điều khiển các quá trình tự động hóa khác Nguyên tắc điều khiển là cần điều chỉnh hệ thống theo hướng làm cực tiểu hàm sai số

Hàm sai số được xác định bằng công thức: 𝜀 = 𝜃𝑑− 𝜃 (2.16) Trong đó: 𝜃𝑑là vị trí mong muốn đạt được

𝜃 là vị trí thực tế của khớp Khi ε → 0 thì khớp robot được coi là đã đạt đến vị trí mong muốn Có rất nhiều phương pháp điều kiển để đạt được điều kiện ε → 0, trong đó có việc mô phỏng trên Matlab thông qua hàm điều khiển thì việc quan sát đường đặc tính đầu ra cho ta cái nhìn trực quan hơn Tuy nhiên, trong thực tế còn nhiều yếu tố khách quan khác tác động đến cơ cấu chuyển động của robot ví dụ như ma sát, điều kiện môi trường, chướng ngại vật… có thể làm cho thông số điều khiển thay đổi Vì vậy, tùy từng trường hợp cụ thể mà đưa ra hàm điều khiển cho sát với thực tế hơn

2.6.3 Các phương pháp điều khiển robot:

a) Điều khiển độc lập các khớp:

Đối với các robot có tỉ số truyền của bộ truyền lớn, có thể coi hệ thống robot n bậc tự do sẽ gồm n hệ thống độc lập và là hệ thống 1 đầu vào/ 1 đầu ra (SISO) và sự ràng buộc giữa các khớp được coi là thành phần nhiễu

Hệ thống điều khiển phản hồi: gồm 3 mạch vòng điều chỉnh gia tốc, tốc độ và

vị trí khớp với 3 bộ điều khiển tương ứng là 𝑅𝑎(𝑝), 𝑅𝜔(𝑝) và 𝑅𝑝(𝑝) Cấu trúc bộ điều khiển mạch vòng trong cùng 𝑅𝑎(𝑝) có dạng tỷ lệ - tích phân (PI) để nhận được sai lệch tĩnh bằng không Các bộ điều khiển vòng ngoài có cấu trúc tỷ lệ (P) Các hệ số

𝐾𝑎, 𝐾𝑝 và 𝐾𝑝 tương ứng là hệ số phản hồi gia tốc, tốc độ, vị trí khớp

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi

Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển xây dựng với mô hình hệ thống lý tưởng, tức là bỏ qua thời gian điện từ động cơ, hằng số thời gian bộ biến đổi, tính đàn hồi của bộ truyền lực Điều đó có nghĩa là để đáp ứng các yêu cầu chất lượng đặt ra,

hệ thống cần có hệ số phản hồi lớn Tuy nhiên sẽ không thích hợp trong thực tế vì chất lượng hệ bị suy giảm gây ra bởi đặc tính động học của hệ thống cơ điện, ví dụ tồn tại khâu đàn hồi trong bộ truyền cơ

b) Hệ thống điều khiển tập trung:

 Hệ thống điều khiển phản hồi:

Khi thiết kế hệ thống điều khiển, có thể bỏ qua động học của cơ cấu chấp hành: quán tính động cơ và bộ biến đổi Như vậy chức năng của bộ điều khiển là tạo ra một momen cần thiết để truyền động các khớp robot đảm bảo khớp robot luôn bám quỹ đạo đặt

Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi robot, được trình bày trên hình 2.12 𝑞̄𝑑 là vecto tín hiệu đặt vị trí của các khớp (𝑞𝑑 = 𝜃𝑑 đối với khớp quay và 𝑞𝑑 =

𝑟𝑑 đối với khớp tịnh tiến) 𝑞̄ là vị trí thực của các khớp robot tương ứng 𝑀̄ là vecto momen của các khớp quay và lực đối với khớp tịnh tiến Phương trình động lực học tổng quát của robot có dạng:

𝐾𝐷 = 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝐾𝐷1, 𝐾𝐷𝑛) Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển là momen truyền động cho robot mô tả bởi mô hình động lực học trực tiếp R, đầu ra của mô hình robot R là vị trí thực của các khớp

 Điều khiển PID:

Dưới đây trình bày cấu trúc hệ thống điều khiển Robot sử dụng PID:

Hình 2.13 Cấu trúc bộ điều khiển PID

𝑞𝑑(𝑡): là vectơ góc quay đặt của biến khớp

𝑞(𝑡): là vectơ góc đáp ứng của biến khớp

Cấu trúc bộ điều khiển PID gồm các luật điều khiển tỷ lệ - đạo hàm - tích phân như sau:

𝜏 = 𝐾𝑝 𝑒 + 𝐾𝐷 𝑒. + 𝐾𝑖∫ 𝑒(𝑡)0𝑡 𝑑𝜏 (2.19) Trong đó:

𝐾𝑃- ma trận đường chéo các hệ số khuếch đại của n khớp động:

Để điều chỉnh bộ điều khiển PID có thể sử dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính, phương pháp điều khiển tách kênh Ngoài ra cũng có thể sử dụng phương pháp chỉnh định thông số qua mô phỏng trên Matlab – Simulink

 Hệ thống điều khiển momen tính toán:

Phương pháp momen tính toán hay phương pháp điều khiển động lực học, phương pháp điều khiển theo mô hình Nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển

là lựa chọn luật điều khiển sao cho khử được các thành phần phi tuyến của phương trình động lực học robot và phân ly đặc tính động lực học của thanh nối Kết quả là

sẽ nhận được một hệ thống tuyến tính, dễ dàng thiết kế theo các phương pháp kinh điển của hệ thống tuyến tính đảm bảo độ chính xác chuyển động yêu cầu

Dựa trên phương trình động lực học của robot, giả thiết tất cả các tham số robot

đã biết hoặc được xác định chính xác, phương trình mô tả bộ điều khiển momen tính toán được chọn như sau:

𝑀̄ = 𝐻(𝑞̄) 𝑈̄ + 𝑉(𝑞̄, 𝑞̄̇) + 𝐺(𝑞̄) (2.25) Cân bằng momen với phương trình động lực học tổng quát ta có: 𝑞̄̈ = 𝑈̄ Đây

là phương trình vi phân tuyến tính cấp 2 độc lập với các khớp Do đó có thể thiết kế

bộ điều khiển độc lập có cấu trúc PD hoặc PID cho từng khớp Luật điều khiển phụ 𝑈̄ có cấu trúc PID như sau:

𝑈̄ = 𝑞̄̈𝑑+ 𝐾𝑃 𝜀̄ + 𝐾𝐷 𝜀̄̇ + 𝐾𝐼 ∫ 𝜀̄(𝑡) 𝑑𝑡0𝑡 (2.26) Nhược điểm của phương pháp điều khiển momen tính toán là phải biết đầy đủ

và chính xác thông số cũng như đặc tính động lực học của robot Tuy nhiên các thông

số động học của robot thay đổi trong quá trình làm việc, nên để khử hoàn toàn các thành phần phi tuyến và phân ky hoàn toàn động lực học của các khớp, cần phải ước lượng chính xác các thông số của robot trong quá trình làm việc Hơn nữa thuật toán luật điều khiển momen tính toán sẽ liên quan đến các phép toán trung gian, nên phải thực hiện phép nhân các vecto va ma trận phụ, khối lượng tính toán sẽ lớn Thời gian tính toán lớn sẽ hạn chế khả năng áp dụng phương pháp này trong robot công nghiệp

 Hệ thống điều khiển thích nghi:

Các phương pháp điều khiển trình bày ở trên yêu cầu một mô hình động lực học robot chính xác và các tham số của robot phải được biết chính xác Tuy nhiên, một

số tham số khó có thể đo hoặc xác định chính xác hoặc một số tham số biến đổi trong quá trình làm việc như khối lượng tải robot gắp ở tay, momen quán tính tải, các thành phần ma sát trong các khớp robot Với các bộ điều khiển kinh điển khó đạt được độ chính xác chuyển động, đặc biệt robot hoạt động tốc độ cao Các hệ thống điều khiển thích nghi được xây dựng sẽ đáp ứng được chính xác chuyển động khi tham số robot không được xác định chính xác hoặc biến đổi

Hai phương pháp điều khiển thích nghi được ứng dụng trong robot công nghiệp: Điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn và điều khiển thích nghi tự chỉnh Nội dung của phương pháp điều khiển là chuyển động của robot được điều khiển bám theo chuyển động của một mô hình chuẩn ( mô hình thiết kế trước ) với các chỉ tiêu chất lượng mong muốn Sơ đồ hệ điều khiển được chỉ ra bên dưới:

Hình 2.14 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

Hình 2.15 Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh c) Điều khiển lực:

 Các hệ thống điều khiển tuyến tính:

Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến cho phép mô

tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính Sử dụng nguyên lý xếp

chồng của hệ tuyến tính, ta còn có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặc trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt chẽ, chính xác mà lại rất đơn giản, hiệu quả Sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả hệ thống có nhiều ưu điểm như:

- Mô hình đơn giản, các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng xác định được bằng các phương pháp thực nghiệm mà không cần phải đi từ những phương trình hoá lý phức tạp mô tả hệ thống

- Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và không tốn nhiều thời gian để thực hiện

- Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiển một cách dễ dàng và có thể chỉnh định lại mô hình cho phù hợp với yêu cầu thực tế Chính vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển tuyến tính và mô hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn

 Các hệ thống điều khiển phi tuyến:

Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động học phi tuyến, tức là không thoả mãn nguyên lý xếp chồng; và không phải đối tượng nào,

hệ thống nào cũng có thể mô tả được bằng một mô hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tính cũng được thoả mãn Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu

ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứu tính toán động học và động lực học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến

CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN VÀ MÔ HÌNH HOÁ CÁNH TAY ROBOT

3.1 Mô hình hoá hệ thống cơ khí:

3.1.1 Yêu cầu bài toán thiết kế và cải tiến sản phẩm:

a) Yêu cầu đầu vào:

Cánh tay robot công nghiệp 4 bậc tự do làm nhiệm vụ vận chuyển phôi trong xưởng sản xuất cơ khí Phôi được vận chuyển có dạng hộp (Khối lượng tối đa m = 1 [kg])

Robot làm nhiệm vụ chính là vận chuyển phôi từ vị trí ban đầu đến vị trí mới được chỉ định

Với mô hình sẵn có yêu cầu cần phải cải tiến cánh tay máy về phần cơ khí để đảm bảo khả năng àm việc, tính bền thì phải giải quyết các vấn đề sau:

- Tính toán lại kết cấu cơ khí để khắc phục hiện tượng quá tải gây trượt bước động cơ tại khâu 2 (khâu bả vai)

- Tăng độ chính xác trong việc gắp nhả phôi

- Cánh tay máy chế tạo theo modul để thuận lợi cho việc chế tạo, lắp ráp

và bảo dưỡng

b) Yêu cầu đầu ra:

+ Di chuyển phôi đến vị trí mới được chỉ định với sai lệch vị trí không quá 1

mm

+ Các khâu chuyển động êm, không rung lắc

+ Bộ điều khiển đơn giản, thân thiện và dễ sử dụng

3.1.2 Trường công tác của robot:

Trường công tác của robot chế tạo (không gian làm việc) của cánh tay được

thể hiện trong hình 3.1 Cánh tay máy có thể hoạt động gần như toàn bộ trong không

gian có dạng là một nửa hình cầu có bán kính R = 475 mm và độ cao lớn nhất mà tay máy có thể vươn tơi là h = 675 mm Chiều dài các khâu lần lượt là:

Hình 3.1 Trường công tác của cánh tay máy

3.1.3 Tính toán thiết kế chi tiết:

Hiện tượng: Cánh tay máy khi gắp và nâng phôi xảy ra hiện tượng khâu 2(khâu khuỷu tay) không chuyển động

Đánh giá sơ bộ: Xảy ra hiện tượng quá tải do trọng lượng tập trung của phôi và bản thân các khâu 3,4 làm trượt bước động cơ

Phương án cải tiến phần cơ khí:

+ Tính toán hệ dẫn động cho khâu 2 bao gồm: chọn động cơ cho khâu 2 kết hợp hộp giảm tốc trục vít bánh vít giúp tăng momen xoắn, tăng khả năng tự hãm

và có thể nâng được phôi có trọng lượng lớn hơn

+ Thay đổi vị trí đặt động cơ khâu 3 (khâu cánh tay) và dẫn động lên khâu 3 bằng bộ truyền đai răng để giảm trọng lượng tập trung

 Tính chọn bộ truyền trục vít:

Xét vị trí làm việc nguy hiểm của cánh tay máy:

Hình 3.2 Sơ đồ tính toán

Trong trường hợp này, momen xoắn trên trục ra khâu 2 là lớn nhất Ta sẽ tính toán

để lựa chọn đường kính trục ra hộp giảm tốc phù hợp và từ đó chọn động cơ dẫn động khâu 2

Khối lượng phôi: Mph = 0,5 [kg]

+ Momen xoắn gây ra tại O do phôi gây ra là:

Mph = Pph (lt+ l3+ l2) Trong đó: 𝑙𝑡: khoảng cách từ phôi đến khớp cổ tay máy, 𝑙𝑡 = 0,07 (m)

𝑙2: là chiều dài khâu 2 𝑙2 = 0,275 (m)

𝑙3: là chiều dài khâu 3 𝑙3 = 0,220 (m)

Mph = 0,5.10 (0,07 + 0,275 + 0,220) = 2,84 (Nm) + Momen xoắn gây ra tại O do động cơ khâu 3 là:

Mdc3 = Pdc3 (l3+ l2) = 0,5.10 (0,275 + 0,220) = 2,475 (Nm)

+ Momen xoắn gây ra tại O do trọng lượng khâu 3 gây ra là:

Mk3 = Pk33 (l3

2 + l2) = 0,5.10 (

0,22

2 + 0,275) = 1,925 (Nm) + Momen xoắn do gây ra tại O do trọng lượng khâu 2 là:

Mk2 = Pk2.l2

2 =

1.10.0,275

2 = 1,375 (Nm) + Momen xoắn gây ra tại O động cơ khâu 2 là:

Mdc2 = Pdc2 l2′ = 1.10 (0,275 − 0,1185) = 1,565 (Nm) Trong đó: 𝑙2′ = 𝐿2− khoảng cách trục bộ truyền đai răng = 0,275 – 0,1185 = 0,1565

m

Vậy momen xoắn tổng hợp gây ra tại O là:

∑ M = k (Mph+ Mdc3+ Mk3+ Mk2+ Mdc2) Trong đó: k là hệ số an toàn, k = 1,2 ÷ 1,5

∑ M = 1,2 (2,84 + 2,475 + 1,925 + 1,375 + 1,565) = 12,216 (Nm)

Để không xảy ra hiện tượng quá tải thì momen xoắn trên trục ra của hộp giảm tốc phải thoả mãn:

Mx ≥ ∑ M Chọn 𝑀𝑥 = 13 (Nm)

Đường kính trục sơ bộ được xác định theo công thức:

dsb = √ Mx

0,1 [σ]

3

= √130000,1.80

Đường

kính trục

vào, mm

Đường kính trục

ra, mm

Chiều dài phần nhô ra trục vào,

mm

Chiều dài phần nhô ra trục ra, mm

Tỷ số truyền u

Kích thước

vỏ hộp DxRxH,

mm

Bảng 3.1 Bảng thông số kỹ thuật của hộp giảm tốc trục vít

Bộ truyền trục vít có những ưu điểm như sau:

+ Tỷ số truyền lớn

+ Làm việc êm và không ồn

+ Có khả năng tự hãm

Bên cạnh đó thì truyền động trục vít có những nhược điểm như:

+ Hiệu suất thấp, nhiệt sinh nhiều nên cần phải có các biện pháp làm nguội + Cần dùng vật liệu giảm ma sát (đồng thanh) tương đối đắt để làm bánh vít

 Tính toán lựa chọn động cơ bước:

Hình 3.3 Sơ đồ hệ dẫn động khâu 2 (khâu cánh tay) robot

+ Tốc độ quay lớn nhất khâu 2: v = 15 (vg/ph)

+ Tốc độ quay trên trục ra hộp giảm tốc: v2 = 15 (vg/ph)

+ Tốc độ quay trên trục vào hộp giảm tốc:

v1 = v2 utv = 15.10 = 150 (vg/ph) + Công suất trên trục công tác (trục ra HGT):

Plv = Mx v9,55.103 = 13.14

9,55.103 = 0,019 (kW)

+ Công suất trên trục vào hộp giảm tốc:

𝜂𝑡𝑣: là hiệu suất của bộ truyền trục vít

+ Công suất trên trục động cơ:

Pdc = P1

ηdc−I =

0,020,99= 0,0202 (kW) Trong đó: 𝜂𝑑𝑐−𝐼 = 𝜂𝑘𝑛: là hiệu suất của khớp nối

+ Momen xoắn cần thiết trên trục động cơ:

Mdc = 9,55.103.Pdc

v1 = 9,55.10

3.0,0202

150 = 1,28 (Nm) + Momen mở máy cần thiết:

Mmm = (1,2 ÷ 1,5) Mdc = 1,3.1,28 = 1,66 (Nm) Dựa vào momen khởi động của động cơ và tốc độ tối đa ta chọn động cơ bước 2 trục size 57 01G0806533MS20, với bước góc 1,8° và momen xoắn tối đa là 2,8 (Nm)

 Ưu điểm:

+ Góc bước tương ứng với số xung tín hiệu điều khiển, sẽ dễ dàng cho việc thực hiện các chuyển động phân độ, gián đoạn, cũng có thể thực hiện các chuyển động liên tục mịn với các góc vi bước

+ Vị trí góc quay chính xác vì không có sai số tích lũy ở mỗi góc bước

+ Thích hợp với các thiết bị điều khiển số Với khả năng điều khiển số trực tiếp, động cơ bước trở thành thông dụng trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại + Chi phí thấp

+ Có một dải rộng độ phân giải về góc quay

 Nhược điểm:

+ Dễ xảy ra hiện tượng trượt bước khi gặp vấn đề quá tải

+ Tốc độ quay không cao

+ Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình Việc nghiên cứu nâng công suất động cơ bước đang là vấn đề rất được quan tâm hiện nay + Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác

3.1.4 Mô hình hoá cánh tay Robot:

Cánh tay robot gồm 4 khâu và 4 khớp quay:𝜃

Hình 3.4 Mô hình cánh tay Robot

- Khâu 1: Có thể xoay góc 360° xung quanh trục Oz, chuyển động này được dẫn động từ động cơ bước qua 1 bộ truyền đai răng Khâu này còn là khâu phát động

- Khâu 2: Có thể xoay 1 góc 90° quay quanh trục ra hộp giảm tốc trục vít bánh vít Trục động cơ truyền chuyển động đến hộp giảm tốc trục vít bằng khớp nối đàn hồi Hộp giảm tốc được gắn chặt với động cơ và được cố định trên thân khâu bả vai của tay máy

- Khâu 3: Có thể xoay quanh trục khớp A3 một góc 270° Khớp A3 được truyền động từ động cơ bước qua 1 bộ truyền đai răng

- Khâu 4: Có thể xoay quanh trục động cơ và là cơ cấu tay kẹp được bắt vít chí

cố định Tay kẹp được truyền lực bởi động cơ RC servo MG996 thông qua hệ thống bánh răng và các thanh nối

Hình 3.5 Các khâu trên tay máy robot 4 bậc tự do

Dưới đây là mô hình chi tiết của từng khâu cánh tay Robot Mỗi khâu được truyền động bởi một động cơ Có 5 động cơ trong cánh tay máy Động cơ 1 gắn với khâu 1 được gắn trên bàn máy bằng vít đóng vai trò phát động Động cơ 1 truyền chuyển động lên khâu 2 Khâu 2 được nối với trục ra của hộp giảm tốc trục vít để truyền chuyển động lên khâu 3 Khâu 4 được truyền động bởi động cơ số 3 gắn cố định trên khâu 2 Động cơ 4 gắn chặt với khâu 3 truyền chuyển động trực tiếp cho tay gắp song song ABS Động cơ 5 được gắn trên tay kẹp truyền động để gắp nhả phôi

Thông số kỹ thuật

Cụm chi tiết chính

Chiều dài khâu

L [mm]

Khối lượng

M [kg]

Động cơ điều khiển