Đồ án môn học robot công nghiệp thiết kế và tính toán động học cho robot thực hiện nhiệm vụ theo yêu cầu công nghệ

Robot thực hiện gắp vật tự động được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong các hệ thống sản xuất tự động nhằm tăng chính xác về vị trí, liên tục theo chu trình hoạt động, đảm bảo quá trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN: CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP

Sinh viên thực hiện : LÊ CÔNG MINH

Lớp : 54CĐT.01

Mã số sinh viên : K185520114031

Giáo viên hướng dẫn : Ths VŨ ĐỨC VƯƠNG

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Thái Nguyên, ngày… tháng… năm…

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Thái Nguyên, ngày… tháng… năm…

GIÁO VIÊN CHẤM

(Ký ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án Robot công nghiệp “thiết kế và tính toán động học cho robot

thực hiện nhiệm vụ theo yêu cầu công nghệ” là công trình nghiên cứu của bản thân

Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong đồ án đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả trình bày trong đồ án là hoàn toàn trung thực, nếu sai chúng em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra

MỤC LỤC

CHƯƠNG 01 TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về robot Công nghiệp 2

1.1.1 Lịch sử phát triển 2

1.1.2 Cấu trúc chung của một Robot công nghiệp 2

1.1.3 Ứng dụng của Robot 3

1.2 Xác định robot sử dụng 5

1.2.1 Mô tả nhiệm vụ cộng nghệ đặt ra 5

1.2.2 Xác định các thông số để lựa chọn robot phù hợp 6

1.2.3 Xác định điểm đặt robot => vị trí gốc O 0 6

1.2.4 Lựa chọn robot đáp ứng được yêu cầu 6

1.2.5 Phác họa không gian làm việc: 7

1.2.6 Đánh giá khả năng đáp ứng được yêu của robot đã chọn 8

1.3 Kết luận 8

CHƯƠNG 02 ĐỘNG HỌC ROBOT 9

2.1 Tổng hợp cấu trúc động học 9

2.2 Phân tích động học 9

2.2.1 Mô hình động học robot IRB1200-5/0.9 9

2.2.2 Xây dựng phương trình động học cho robot IRB 1200-5/0.9 11

2.2.3 Bài toán động học ngược 15

2.3 Kết luận 22

CHƯƠNG 03 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHO ROBOT 23

3.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp 23

3.3 Nội suy quỹ đạo trong không gian khớp 27

3.3.1 Tính k và kc cho biến khớp 28

3.3.2 Dùng plot trong matlab để vẽ đồ thị 32

3.4 Mô phỏng chuyển động 40

KẾT LUẬN ĐỒ ÁN 44

1 Khái quát lại nội dung đồ án 44

2 Những thứ đã học được 44

3 Ưu - nhược điểm 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất Xu hướng tạo ra những dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng Robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Robot thực hiện gắp vật tự động được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong các hệ thống

sản xuất tự động nhằm tăng chính xác về vị trí, liên tục theo chu trình hoạt động, đảm bảo quá trình sản xuất ổn định, nâng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm

Với đề tài “thiết kế và tính toán động học cho robot thực hiện nhiệm vụ theo yêu

cầu công nghệ”, đồ án đã giải quyết được những công việc sau :

 Tìm hiểu tổng quát quá trình phát triển và ứng dụng của robot trong công nghiệp

 Thiết kế động học Robot

 Xây dựng quỹ đạo chuyển động Robot

 Nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động robot công nghệp

 Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm

Đây là một đề tài rộng với vốn kiến thức lớn, thời gian có hạn, cho nên những kết quả, những nhận định mà chúng em đã tìm hiểu và đưa ra chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót Chúng

em thành thật mong được các thầy cô giáo trong bộ môn chỉ bảo thêm để đề tài hoàn thiện hơn, ý nghĩa hơn

Em bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Vũ Đức Vương và các thầy cô giáo trong bộ môn đã chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án này

 Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau:

 Từ những năm 1950 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên

 Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran của công ty AMF

 Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ từ những năm 1967

 Ở những nước Tây Âu khác như: Đức, Pháp, Ý, Thụy Điển thì bắt đầu chế tạo IR

từ nhưng năm 1970

 Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng của IR từ những năm 1968

 Đến nay, trên thế giới có trên 600 công ty sản xuất IR trong số đó có 400 công ty của Nhật Bản, 130 công ty của Tây Âu,70 công ty của Mỹ và một số công ty của Nga, Tiệp Khắc … Trong đó 6/10 công ty sản xuất Robot lớn nhất thế giới của Nhật Bản

1.1.2 Cấu trúc chung của một Robot công nghiệp

 Một robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống 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 vá bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

 Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: 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 vá điều

1.1.3 Ứng dụng của Robot

 Robot được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống của con người, trong

đó robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng và nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như:

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

Hình 1.6: Robot sơn tự động

Hình 1.7: Robot đúc và rèn

1.2 Xác định robot sử dụng

1.2.1 Mô tả nhiệm vụ cộng nghệ đặt ra

Hình 1.8: Yêu cầu công nghệ

1.2.2 Xác định các thông số để lựa chọn robot phù hợp

 Từ yêu cầu công nghệ:

 Độ cao chênh lệch giữa 2 vị trí đặt box ban đầu và vị trí box cuối là 304mm

 Vị trí cụ thể sẽ phụ thuộc vào loại robot đã chọn

1.2.4 Lựa chọn robot đáp ứng được yêu cầu

 Lựa chọn robot IRB 1200–5/0.9 của hãng ABB

Hình 1.9: Robot IRB 1200-5/0.9

1.2.5 Phác họa không gian làm việc:

Hình 1.10: Không gian làm việc IRB 1200-5/0.9

1.2.6 Đánh giá khả năng đáp ứng được yêu của robot đã chọn

 Tầm với: robot IRB 1200-5/0.9 có tầm với 905 mm (> 827.5 mm)

 Khả năng thao tác: robot IRB 1200-5/0.9 có thể thao tác trong không gian ba chiều,

khả năng cơ động cao, chính xác và ổn định

1.3 Kết luận

Vậy với yêu cầu công nghệ: mang khối hàng từ vị trí A đến vị trí B và yêu câu giữ nguyên sự tương quan của chữ “TNUT” cùng một phía, Robot IBR 1200-5/0.9 có

đủ khả năng thực hiện nhiệm vụ trên

Hình 1.11: Tầm với của IRB 1200-5/0.9

CHƯƠNG 02 ĐỘNG HỌC ROBOT

2.1 Tổng hợp cấu trúc động học

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

 Động học robot nghiên cứu cách giải của 2 lớp bài toán :

 Bài toán động học thuận: Đây là bài toán cho trước chương trình chuyển động dưới

dạng quan hệ hàm qi(t) của các biến khớp, ta cần phải xác định quy luật biến đổi của các tham số động học đặc trưng cho chuyển động của các khâu Việc giải bài toán thuận của động học robot chủ yếu nhằm thiết lập phương trình động học robot

và xác định vị trí của tay kẹp

 Bài toán động học ngược: Đây là bài toán ta cần xác định biến khớp qi(t) đảm bảo cho bộ phận công tác của robot thực hiện các chuyển động cho trước Việc giải bài toán ngược là cơ sở để xây dựng phương trình điều khiển chuyển động của robot

2.2 Phân tích động học

2.2.1 Mô hình động học robot IRB1200-5/0.9

Hình 2.1: Thông số IRB 1200-5/0.9

 Từ thông số như trên, sẽ tiến hành lược đồ hóa robot

2.2.2 Xây dựng phương trình động học cho robot IRB 1200-5/0.9

2.2.2.2 Viết hệ phương trình động hoc (giải bằng matlab)

82*C(t5)*(C(t2)*C(t3) - S(t2)*S(t3)) - 82*C(t4)*S(t5)*(C(t2)*S(t3) +C(t3)*S(t2)) + 399 ]

[ 0,0,0,1 ]

 Ma trận 4x4 mô tả vị trí và hướng chuyển đổi từ hệ tọa độ gốc O 0 sang hệ tọa độ O 6.

 sx= -C(t6)*(C(t4)*S(t1) + S(t4)*(C(t1)*S(t2)*S(t3) - C(t1)*C(t2)*C(t3))) - S(t6)*(C(t5)*(S(t1)*S(t4) - C(t4)*(C(t1)*S(t2)*S(t3) - C(t1)*S(t2)*C(t3))) - S(t5)*(C(t1)*C(t2)*S(t3) + C(t1)*C(t3)*S(t2)))

 ax= - S(t5)*(S(t1)*S(t4) - C(t4)*(C(t1)*S(t2)*S(t3) - C(t1)*C(t2)*C(t3))) - C(t5)*(C(t1)*C(t2)*S(t3) + C(t1)*C(t3)*S(t2))

 ny= S(t6)*(C(t1)*C(t4) - S(t4)*(S(t1)*S(t2)*S(t3) - C(t2)*C(t3)*S(t1))) - C(t6)*(C(t5)*(C(t1)*S(t4) + C(t4)*(S(t1)*S(t2)*St3) - C(t2)*C(t3)*S(t1))) + S(t5)*(C(t2)*S(t1)*S(t3) + C(t3)*S(t1)*S(t2)))

 sy= C(t6)*(C(t1)*C(t4) - S(t4)*(S(t1)*S(t2)*S(t3) – C(t2)*C(t3)*S(t1))) + S(t6)*(C(t5)*(C(t1)*S(t4) + C(t4)*(S(t1)*S(t2)*S(t3) - C(t2)*C(t3)*S(t1))) + S(t5)*(C(t2)*S(t1)*S(t3) + C(t3)*S(t1)*S(t2)))

 ay= S(t5)*(C(t1)*S(t4) + C(t4)*(S(t1)*S(t2)*S(t3) - C(t2)*C(t3)*S(t1))) - C(t5)*(C(t2)*S(t1)*S(t3) + C(t3)*S(t1)*S(t2))

 nz= C(t6)*(S(t5)*(C(t2)*C(t3) -S(t2)*S(t3)) + C(t4)*C(t5)*(C(t2)*S(t3) + C(t3)*S(t2))) +S(t4)*S(t6)*(C(t2)*S(t3) + C(t3)*S(t2))

 sz= C(t6)*S(t4)*(C(t2)*S(t3) + C(t3)*S(t2)) - S(t6)*(S(t5)*(C(t2)*C(t3) - S(t2)*S(t3)) + C(t4)*C(t5)*(C(t2)*S(t3) + C(t3)*S(t2)))

 az= C(t5)*(C(t2)*C(t3) - S(t2)*S(t3)) - C(t4)*S(t5)*(C(t2)*S(t3) + C(t3)*S(t2))

 px= 448*C(t1)*C(t2) - 82*S(t5)*(S(t1)* S (t4) - C(t4)*(C(t1)*S(t2)*S(t3) - C(t1)*C(t2)*C(t3))) - 82*C(t5)*(C(t1)*C(t2)*C(t3) + C(t1)*C(t3)*S(t2)) - 42*C(t1)*S(t2)*S(t3) + 42*C(t1)*C(t2)*C(t3) + 451*C(t1)*C(t2)*S(t3) + 451*C(t1)*C(t3)*S(t2)

 py= 448*C(t2)*S(t1) + 82*S(t5)*(C(t1)*S(t4) + C(t4)*(S(t1)*S(t2)*S(t3) - C(t2)*C(t3)*S(t1))) - 82*C(t5)*(C(t2)*S(t1)*S(t3) + C(t3)*S(t1)*S(t2)) + 451*C(t2)*S(t1)*S(t3) + 451*C(t3)*S(t1)*S(t2) - 42*S(t1)*S(t2)*S(t3) + 42*C(t2)*C(t3)*S(t1)

 pz= 448*S(t2) - 451*C(t2)*C(t3) + 42*C(t2)*S(t3) + 42*C(t3)*S(t2) +

2.2.3 Bài toán động học ngược

 Bài toán thuận động học nhằm xác định định vị và định hướng của phần công tác khi cho trước các biến khớp Bài toán ngược cho trước vị trí và định hướng của khâu tác động sau cùng đòi hỏi phải xác định bộ thông số tọa độ suy rộng để đảm bảo chuyển động cho trước của phần công tác Đối với các tay máy dạng chuỗi động hở, ứng với một bộ thông số mô tả định vị và định hướng của phần công tác khi giải bài toán ngược

có thể xảy ra các trường hợp:

 Có thể có nhiều lời giải khác nhau

 Các phương trình đồng nhất thức thường có dạng phi tuyến

 Có thể gặp nghiệm vô định vì có các liên kết thừa

 Có thể có lời giải toán học, song lời giải này không chấp nhận được về mặt vật

lí do kết cấu của cấu trúc không đáp ứng được

 Nhìn chung khi số bậc tự do càng lớn thì bài toán ngược càng khó giải, số nghiệm toán học lại càng nhiều, để chọn được nghiệm điều khiển đòi hỏi phải loại bỏ các nghiệm không phù hợp dựa trên cơ sở các ràng buộc về giới hạn hoạt động của các khớp Việc lựa chọn phương pháp để giải bài toán ngược cũng là một vấn đề vì không có phương pháp tổng quát nào có thể áp dụng cho tất cả các robot

Hình 2.4: Quỹ đạo làm việc của robot yêu cầu

Hình 2.5: Thông số các điểm

2.2.3.1 Thiết lập bài toán, thông số đầu vào

a.1 Thiết lập bài toán:

 Cho vị trí và hướng của bàn kẹp tức là biết ma trận AP Cần phải xác định các biến khớp qi (i=1 6) theo vị trí và hướng bàn kẹp

 Input: Ma trận T là tích các ma trận thành phần đã tính ở bài toán thuận Ma trận

A là tọa độ thực đã biết

 Output: Kết quả của biến khớp qi ( i = 1,2,3,4,5,6 )

 d4=451(mm)

 d6=82(mm)

2.2.3.2 Phương pháp giải bài toán giải bài toán động học ngược robot

 Sử dụng pháp số GRG Nonlinear để giải bài toán: Phương pháp này là tìm giá trị

gần đúng nhất của biến khớp mà sai số của nó nằm trong phạm vi cho phép Cân bằng

các phần tử của hai ma trận tọa độ lý thuyết và tọa độ thực ta có hệ phương trình

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

khớp q1 q2 … để xử lý bài toàn ta cần xử dụng tới excel Với các giá trị ta có như sau:

 Từ ma trận 𝐴60 ta được hệ phương trình động học nghịch:

{

(𝑃𝑥 – 𝑎14)2 = 0 (= 𝐿1)(𝑃𝑦 − 𝑎24)2 = 0 (= 𝐿2)(𝑃𝑧 − 𝑎34)2 = 0 (= 𝐿3)(𝑆𝑦 − 𝑎22)2 = 0 (= 𝐿4)(𝐴𝑦 − 𝑎23)2 = 0 (= 𝐿5)(𝐴𝑧 − 𝑎33)2 = 0 (= 𝐿6)

 Chúng ta đi tìm Min(L) =0 với L =L1+L2+L3+L4+L5+L6

Với a14, a24, a34, a22, a23, a33 là các tọa độ thực đã biết

2.2.3.3 Giải bài toán động học ngược trên excel

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

 Dữ liệu về độ dài các khâu: d1=399(mm), a2=448(mm), a3=42(mm), d4=451(mm), d6=82(mm)

 Dữ liệu về Px,Py,Pz,Sy,Ay,Az Vì robot có 6 bậc tự do nên ta chỉ cần lấy 6 phương trình

 Khởi tạo các biến khớp q1, q2, q3,q4,q5,q6

 Khởi tạo các giá trị trong ma trận A: a11, a24, a34, a22, a23, a33

 Các giá trị đã biết của biến khớp

 Bước 2: Tính các giá trị L và tổng của chúng

 L1=(𝑃𝑥 – 𝑎14)2

 L2=(𝑃𝑦 − 𝑎24)2

 L3=(𝑃𝑧 − 𝑎34)2

 L4=(𝑆𝑦 − 𝑎22)2

 L5=(𝐴𝑦 − 𝑎23)2

 L6=(𝐴𝑧 − 𝑎33)2

 L=L1+L2+L3+L4+L5_L6

 Bước 3: Dùng công cụ Solver tìm biến khớp q1,q2,q3,q4,q5,q6

 Chọn gói công cụ Solver bằng đường dẫn

 Bật công cụ Solver trong Tab DATA lên và nhập dữ liệu



Hình 2.6: Chọn gói công cụ Solver

 Thiết lập solver Parameters

 Kích chuột options

 Thiết lập Tab All Methods

 Thiết lập Tab GRG Nonlinear

Hình 2.8: Thiết lập solver Parameters

Hình 2.9: Thiết lập All Methods

Hình 2.10: Thiết lập Tab GRG Nonlinear

 Thiết lập Tab Evolutionary

Hình 2.11 Thiết lập Tab Evolutionary

 Kết thúc ta nhấn OK

Bảng 2.13: Thông số đầu vào

2.3 Kết luận

Sau khi hoàn thành bài toán động học cho robot IRB1200-5/0.9 với 6 bậc tự do, ta

đã biết nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm ra quan hệ chuyển động của các khâu gồm 2 bài toán là: Bài toán động học thuận và bài toán động học ngược Nhờ các phần mềm hỗ trợ thông dụng và hữu ích như : MatLab và phương pháp GRG thực hiện trên Excel, các phần mềm autocad, inventor mà ta có thể giải được bài toán 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, vị trí tay kẹp (giáp hút), phạm vi hoạt động của robot IRB1200-5/0.9

O11 1.047198 1.537 -0.49619 0 -2.61171069 3.141568 O12 0.785398 1.537 -0.49619 0 -2.61171069 3.141568 O13 0.523599 1.537 -0.49619 0 -2.61171069 3.141568 O14 0.261799 1.537 -0.49619 0 -2.61171069 3.141568