Báo cáo môn học robot topic thiết kế và mô phỏng robot scara 3 bậc tự do

Các loại robot này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, tuy nhiên các loại xe robot robocar lại nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ, ĐHQGHN

BÁO CÁO MÔN HỌC

Thái độ học tập

cách giải quyết.Khi bạn có thắc mắc? Hãy hỏi Hãy hỏi từ bạn bè mình trước: “Học thầy không tày học bạn”.

không ai giúp được bạn Nếu bạn không chủ động, không ai thúc được bạn Nếu bạn vừa yếu lại vừa lười, bạn sẽ trượt Hãy chăm học ngay từ tuần đầu tiên

bạn Nếu bị phát hiện có sao chép thì xử lý các bạn có liên quan bằng hình thức đánh

giá 0 (không) điểm quá trình và cuối kỳ Ở nhiều trường đại học, chép bài sẽ bị đuổi

học Ở nhiều nước, ăn cắp bản quyền sẽ bị ra tòa.

 Nghi ngờ: Đừng cả tin, sách có thể sai, giáo viên có thể sai Tất nhiên, bạn có thể sai.

Hãy thắc mắc!

khác đánh giá! Có thể đặt câu hỏi nghĩa là khá hơn rất rất nhiều so với việc không thể hỏi Thực tế là những bạn hay hỏi thường là các bạn học tốt "No question is stupid!"

I Lịch sử robot

Ngay sau chiến tranh thế giới thứ hai, ở Hoa Kỡ đó xuất hiện những tay máy chộp hỡnh điều khiển từ xa trong cỏc phũng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ Vào những năm 50 của thế kỉ 20, bên cạnh những tay máy chộp hỡnh cơ khí đú, đó xuất hiện các loại tay máy chộp hỡnh thuỷ lực và điện từ

Năm 1961, chiếc robot công nghiệp đầu tiên được đưa vào sử dụng ở nhà mỏy utụ General Motor tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì Đến năm 1990, có hơn 40 công ty Nhật Bản đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú

ý nhiều đến sự lắp đặt thờm cỏc cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Một lĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành Các công trình nghiên cứu tạo ra robot tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật Các loại robot này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các ứng dụng kĩ thuật về vi xử lí và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp

đã gia tăng, giá thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượtbậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong cỏc dãy truyền

tự động sản xuất hiện đại

II Định nghĩa, phân loại robot và ứng dụng

1 Định nghĩa

Các nhà khoa học đã đưa ra rất nhiều các định nghĩa khác nhau về Robot

 Viện nghiên cứu Mỹ “ Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được

chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ

hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau

đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng”

 Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp)

“ Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp

lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các hệ tọa

 Theo tiêu chuẩn GOST 1980 (Nga)

“Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều

khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người”

Tổng kết lại, với những định nghĩa trên Robot công nghiệp có hai đặc trƣng cơ bản là:

 Là thiết bị vạn năng được tự động hóa theo chương trình và có thể lặp lại để

đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau

 Được ứng dụng trong trường hợp mang tính công nghệ đặc trưng nhưvận

chuyển và xếp dỡ nguyên liệu, lắp ráp, đo lường…

Với đặc điểm có thể lập trình lặp lại Robot công nghiệp ngày càng trở thành

bộ phận không thể thiếu được trong các hệ thống sản xuất linh hoạt

2 Phân loại robot

Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những cơ sở kỹ thuật khác nhau Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:

 Phân loại theo số bậc tự do:

Một số cách phân loại hiển nhiên của robot là phân loại theo bậc tự do của chúng Một cách lý tưởng, một robot có 6 bậc tự do khi cầm năm một đối tượng tù do không gian 3 chiều Từ quan điểm này, chúng ta gọi một robot là robot tổng quát (General Purpose Robot) nếu nú cú sỏu bậc tự do,

gọi là robot dự (Redundant Robot) nếu nó có nhiều hơn sáu bậc tự do và gọi

là robot thiếu (Dốicient Robot) nếu nó cú Ýt hơn sáu bậc tự do

Mét robot sẽ linh hoạt hơn khi di chuyển và hoạt động trong một không gian kín bị hạn chế Mặt khác, trong một số ứng dụng đặc biệt như trong việc lắp ráp trong một mặt phẳng thì chỉ cần robot với bốn bậc tự do là đủ

 Phân loại theo cấu trúc động học:

Một phương pháp phân loại khác là phân loại theo cấu trúc động học củachúng Mét robot được gọi là robot tuần tù hay robot chuỗi hở nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi động hở, gọi là robot song song nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm cả hai loại chuỗi hở và chuỗi đóng Nhìn nhận một cáchtổng quát thì robot song song có nhiều ưu điểm vỡ chồng có độ cứng vững cao hơn, khả năng tải cao hơn, nhưng không gian làm việc nhỏ hơn và cấu trúc phức tạp hơn

 Phân loại theo hệ thống động học hay công nghệ di chuyển:

- Hệ điện:

+ Sử dụng các công nghệ mới, các loại vật liệu mới ít chịu ảnh hưởngcủa từ trường trái đất

+ Tiếp tục nâng cao công suất và hiệu suất công tác

+ Xử lí tốt các cụm nối ghép trong mạch nguồn, mạch điều khiển và |hiệu chỉnh nâng cao hơn nữa độ tin cậy

- Hệ thuỷ lực - khí nén:

+ Hệ thuỷ lực có thể đạt đến công suất cao, đáp ứng được những điềukiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường cồng kềnh, yêu cầu dòng dầu, chất lượng dầu cao, hơn nữa vận tốc lại có độ phi tuyến lớn, khó đảm bảo độ chính xác cao khi điều khiển

+ Hệ khí nén làm việc với công suất trung bình và nhỏ, có kết cấu đơn giản Đòi hỏi phải gắn liền với trung tâm khí nén, kém chính xác Thích hợp cho các loại robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản kiểu nhấc lên hạ xuống

 Phân loại theo hệ thống truyền động:

- Hệ truyền động gián tiếp: Các cơ cấu chấp hành được nối với nguồn động lực thông qua các bộ truyền động cơ khí thường gặp như hệ thống bánh răng thường, hệ bánh răng hành tinh, hệ bánh răng sóng, dây đai, bộtruyền xích hay cao hơn là bộ truyền vớt đai ốc bị Nhược điểm của hệ này là bị mòn tạo khe hở động học dẫn đến tính phi tuyến và hiệu ứng trễ ngày càng cao hơn Mặt khác hiệu suất sẽ giảm do tiêu hao công suất trên

bộ truyền

- Hệ truyền động trực tiếp: Các cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp với nguồn động lực, do đó kết cấu sẽ gọn nhẹ và hạn chế, loại bỏ được những

nhược điểm của truyền động gián tiếp Mặt khác, những khó khăn đặt ra

là cần thiết kế chế tạo các động cơ có số vòng quay thích hợp và cho phépđiều khiển vô cấp trên một dải rộng

 Phân loại theo phương pháp điều khiển:

Dựa vào tính chất đặc trưng của quĩ đạo điều khiển củ cóc qui tắc điều khiển

cơ bản là:

– Điều khiển điểm

– Điều khiển quĩ đạo liên tục

– Điều khiển nhận dạng

– Điều khiển thích nghi

 Phân loại theo độ chính xác:

Trong hoạt động của robot cần phân biệt độ chính xác tuyệt đối và độ chính xác lặp lại để đánh giá mức độ tin cậy trong mét chu kì làm việc đơn lẻ

và trong một quá trình làm việc lõu dài Mặt khác, để đánh giá trên một miềnkích thước hay một phạm vi chức năng rộng hơn, người ta còn đưa ra độ chính xác phân giải để đánh giá mức độ chính xác trờn cỏc miền phân giải khác nhau

3 Ứng dụng robot công nghiệp

 Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp

– Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suấtdây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động– Robot công nghiệp có thể thực hiện được một qui trình thao tác hợp lí bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế robot công nghiệp có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi và thay đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh

• Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là giảm được đáng

kể chi phí cho người lao động

Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi

• Robot có thể cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần lưu tâm Vì trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao

động phải làm việc trong môi trường có hại cho sức khoẻ hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động.

 Các lĩnh vực ứng dụng robot công nghiệp

Robot công nghiệp được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực: đúc, gia công

áp lực, hàn và nhiệt luyện, gia công và lắp ráp,…

Hình 1 Robot phục vụ máy phay CNC

Hình 2 Hệ thống Robot hàn vỏ ôtô

III Robot scara

 Khái quát robot Scara

– Thuật ngữ Scara được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1979 tại Nhật Bản, trong các hoạt động nghiên cứu lắp ráp tại trường đại học Yamanashi Nó

là tên viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm Dịch ra tiếng Việt có nghĩa là “Cánh tay robot lắp ráp có chọn lọc”

 Cấu tạo

– Hình mẫu nguyên thủy của Scara là một kiểu tay máy có cấu tạo rất đặc biệt Nó bao gồm 2 khớp quay, 1 khớp trượt 3 khớp đều có trục song song với nhau Các cấu trúc của Scara là cấu trúc nối tiếp Nghĩa là động cơ đầu tiên phải mang theo tất cả những động cơ khác sau đó Nếu Scara được thiết

kế theo đôi cánh tay thì 2 động cơ đầu tiên sẽ được cố định ở đấy và có chứcnăng kéo theo, điều khiển các động cơ còn lại

– So với kết cấu theo phương thẳng đứng, thì kết cấu này vững hơn, cứng hơn Tuy nhiên so với phương ngang thì nó lại kém cứng vững hơn Vùng làm việc của Scara là một phần của hình trụ rỗng, theo mô thức cử động tay như thao tác của con người Cùng với tên gọi robot Scara, nó còn được gọi với nhiều tên gọi khác như Scara song song (parallel scara robot), Scara cánh tay (scara robot arm) Scara cũng có rất nhiều loại:

IV Bài toán động học Robot SCARA 3 bậc tự do

Robot SCARA thường là cơ cấu hở, gồm một chuỗi các khâu nối với nhau

bằng các khớp động, khâu đầu tiên được nối với giá cố định (chân đế) Các khớp động này có thể là khớp quay hoặc khớp tịnh tiến Để Robot có thể thao tác linh hoạt theo mục tiêu đặt ra thì cấu trúc chuỗi động của nó phải đảm bảo sao cho điểm mút của khâu cuối đi theo một quỹ đạo cho trước nào

đó và bản thân các khâu các khớp có khả năng thay đổi hướng một cách dễ dàng phù hợp với công việc Khâu cuối cùng thường là bàn kẹp hoặc khâu gắn liền với dụng cụ làm việc (mỏ hàn, camera, dao cắt, …) Do đó khi

nghiên cứu Robot ta cần quan tâm không những vị trí của nó mà còn phải quan tâm hướng của khâu cuối cùng trong hệ tọa độ cơ sở.

Khi nghiên cứu các bài toán động học Robot công nghiệp, người ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau: phương pháp vẽ hình, phương pháp giải tích vector, … Một trong những phương pháp phổ biến, đơn giản và hiệu quả nhất hiện nay là dùng ma trận biến đổi thuần nhất Denavit

Hartenberg Theo phương pháp này để xác định vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối Robot so với hệ tọa độ cố định, ta gắn vào khâu tác động cuối một hệ tọa độ động n và gắn mỗi khâu động một hệ tọa độ động khác (từ khâu n đến khâu n-1) theo một quy tắc gọi là quy tắc Denavit Hartenberg Taxác định các thông số của khâu, khớp (thông số Denavit Hartenberg) của Robot và biểu diễn mối quan hệ giữa các hệ tọa độ động gắn trên khâu thôngqua các thông số này dưới dạng ma trận (4x4), nhờ đó mà người ta xác định được vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối Như vậy thông qua các phép tính toán các ma trận dạng (4x4) ta dễ dàng xác định được vị trí và

hướng của cơ cấu tác động cuối hay một khâu bất kỳ nào đó trên robot

1 Hệ tọa độ Denavit – Hartenberg

a) Quy tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu

Khi nghiên cứu động học Robot, người ta thường dùng quy tắc Denavit Hartenberg Theo quy tắc này thông qua việc gắn các hệ tọa độ lên các khâu

ta có thể xác định được các ma trận biểu biến đổi biểu thị mối quan hệ giữa các hệ tọa độ với nhau nhờ các phép biến đổi thuần nhất Nhờ đó mà mà ta xác định được vị trí của điểm tác động cuối so với hệ tọa độ gốc

Xét hai khâu kế tiếp nhau của Robot là khâu thứ i-1 và khâu thứ i được liên

kết với nhau thông qua khớp i Nguyên tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu là:

- Gốc tọa độ O i của hệ tọa độO i x i y i z i gắn liền với khâu thứ i đặt tại giao điểm

của trục khớp động thứ i+1 và đường vuông góc chung của trục khớp thứ

tại điểm bất kỳ nằm trên trục khớp thứ i+1

- Trục zi của hệ tọa độ O i x i y i z i đặt dọc theo trục của khớp thứ i+1

- Trục xi của hệ tọa độ O i x i y i z i đặt dọc theo phương của đường vuông góc chung giữa trục khớp thứ i và trục khớp thứ i+1 Chiều của truc xi hướng

từ khớp động thứ i sang khớp động thứ i+1 Trong một số trường hợp khi hai trục khớp động thứ i và trục khớp động thứ i+1 giao nhau thì trục xi được xác định bằng tích giữa hai vector z i x z i+1

- Sau khi đã xác định đƣợc gốc tọa độ Oi , các trục zi và trục xi ta có thể xác

định trục yi bằng quy tắc bàn tay phải

Tương tự như các xây dựng trên ta xác định được hệ tọa độ

O i−1 x i−1 y i−1 z i −1được

gắn liền với khâu i-1

b) Các thông số động học Denavit Hartenberg

Bằng việc gắn các hệ tọa độ O i x i y i z ivà O i−1 x i−1 y i−1 z i −1ta xác định các thông số

Denavit Hartenberg Thông qua các tham số động học Denavit Hartenberg này ta

có thể biểu thị mối quan hệ giữa hệ tọa độ O i x i y i z ivà O i−1 x i−1 y i−1 z i −1bằng các phép

biến đổi thuần nhất Các thông số động học Denavit Hartenberg đó là:

- a i:Đường vuông góc chung giữa trục khớp thứ i và trục khớp thứ i+1 Đâycũng là khoảng dịch chuyển để đưa điểm O i ' tới điểm O i dọc theo chiều của trục x i Ngoài ra người ta thường gọi a i là chiều dài khâu i

- α i:Góc giữa hai trục khớp i và trục khớp i+1 trong mặt phẳng vuông góc với pháp tuyến chung ai Đây là góc quay quanh trục xi để trục z i−1chuyểnđến trục z i

- d i:Là khoảng cách đo trên trục z i−1giữa đường vuông góc chung tạo bởi trục khớp i và trục khớp i+1 và đường vuông góc chung tạo bởi trục khớpi-1 và trục khớp i Đây cũng là khoảng tịnh tiến dọc theo trục z i−1để gốc tọa độ O i−1chuyển đến O i '

- θ iGóc giữa hai đường vuông góc chung tạo bởi trục khớp i và trục khớp i+1 và đường vuông góc chung tạo bởi trục khớp i-1 và trục khớp i trong mặt phẳng vuông góc với trục khớp i Đây cũng là góc quay quanh trục

z i−1để phương của trục tọa độx i−1và trục x i trùng nhau

Hai thông số ai và α i là 2 thông số của khâu Hai thông số này luôn là hằng số độ lớn của chúng phụ thuộc vào hình dáng, kích thước và vị trí tương đối giữa khâu thứ i và khâu thứ i-1 Còn lại, d i và θ i được gọi là thông

số của khớp, chúng phụ thuộc vào loại của khớp Trong mỗi trường hợp thì một trong hai thông số này là hằng số thông số còn lại là ẩn số Nếu khớp là khớp quay thì thông số θ i là ẩn số và ngược lại nếu khớp là khớp

trượt thì thông số d i là ẩn số

2 Ma trận biến đổi giữa các hệ tọa độ

Để có thể chuyển hệ tọa độ O i−1 x i−1 y i−1 z i −1 về hệ tọa độ O i x i y i z i ta lần lượt thực

hiện bốn chuyển động sau:

- Đầu tiên ta quay hệ tọa độ O i−1 x i−1 y i−1 z i −1 quanh trục z i−1 một góc i

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục z i−1một đoạn d i

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc dọc x i một đoạn a i

- Cuối cùng ta quay quanh trục x i một góc α i