Bài giảng Robot công nghiệp

PowerPoint Presentation TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ ROBOT CÔNG NGHIỆP Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội 2020 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 2Bộ môn Kỹ thuật[.]

KHOA CƠ KHÍ

ROBOT CÔNG NGHIỆP

Bộ môn: Kỹ thuật Cơ điện tử

Hà Nội - 2020

➢ Nắm được kiến thức cơ bản về robot công nghiệp;

➢ Hiểu được nguyên tắc hình thành ý tưởng - thiết kế - triển

khai - vận hành hệ thống robot trong sản xuất công nghiệp;

➢ Có khả năng thiết kế cơ khí, tính toán động học thuận,

nghịch cho tay máy công nghiệp Nắm được phương pháptính toán động lực học robot;

➢ Nắm được nguyên lý điều khiển, vận hành robot

đạo có sẵn

➢ Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

➢ Chương 2: Cơ sở động học và động lực học vật rắn

➢ Chương 3: Động học thuận robot công nghiệp

➢ Chương 4: Động học ngược robot công nghiệp

➢ Chương 5: Động lực học robot công nghiệp

➢ Chương 6: Điều khiển robot, cơ sở thiết kế robot

Chương 1

Tổng quan về robot công nghiệp 1.1 Lịch sử phát triển của robot

1.2 Các đặc tính của robot công nghiệp

1.3 Xu hướng phát triển của robot công nghiệp

1.1.1 Định nghĩa robot

➢ Định nghĩa:

Robot là một đối tượng máy móc có thể lập trình điều khiển,

có chức năng nhiệm vụ, có thể tái lập trình, có thể đượcđiều khiển tự động hoặc điều khiển bằng tay…

➢ Robotics (Robot học): là môn khoa học liên ngành bao gồm:

+ Thiết kế, chế tạo, điều khiển và lập trình robot

1.1.2 Lịch sử phát triển của robot

➢ Năm 1927 thuật ngữ người máy “Robotrix” lần đầu tiên xuất

hiện trên phim ảnh được diễn xuất bởi nữ diễn viên ngườiĐức Brigitte Helm

➢ Năm 1942, nhà văn chuyên viết về đề tài khoa học viễn

tưởng Issaac Asimov đưa ra đề xuất 3 nguyên tắc củaRobot

➢ Năm 1948, Norbert Wiener đưa ra nguyên lý điều khiển học

làm nền tảng cho robot thực tế

➢ Năm 1956, Robot thương mại đầu tiên do công ty

Unimation sản xuất dựa trên các phát minh của Devol

➢ Năm 1973, Robot công nghiệp đầu tiên 6 bậc tự do ra đời

Robot Versatran Robot công nghiệp sơ khai

Robot công nghiệp ABB

1.2.1 Tổng quan về kỹ thuật robot công nghiệp

Robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn.

Vì vậy, robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người.

Số robot công nghiệp/10.000 lao động, năm 2017

1.2.2 Các đặc tính của robot công nghiệp

➢ Là thiết bị vạn năng được tự động hóa theo chương trình và

có thể lập trình lại để đáp ứng một cách khéo léo, linh hoạt các nhiệm vụ khác nhau

➢ Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính chất

công nghiệp đặc trưng như vận chuyển, xếp dỡ nguyên

liệu, lắp ráp, đo lường…

➢ Đáp ứng được tần suất làm việc cao, môi trường khắc

nghiệt và đảm bảo độ ổn định trong quá trình làm việc

Xu hướng phát triển của robot công nghiệp

Các thế hệ robot công nghiệp ngày càng thông minh, linhhoạt, nhỏ gọn, chính xác, tin cậy, tuổi thọ cao…Tuy nhiên cácnhà khoa học vẫn luôn phát triển, nghiên cứu hoàn thiện robotvới các bài toán cấp thiết:

➢ Tối ưu kết cấu cơ khí

➢ Các bài toán cơ học

• Số hóa các bài toán động học, động lực học robot

• Số hóa bề mặt quỹ đạo không gian chuyển động

• Giải quyết các bài toán lực, ngoại lực trong quá trình

hoạt động

➢ Các cơ cấu dẫn động và cảm nhận tín hiệu

trạng thái ngày càng được nghiên cứu hoàn thiện, chínhxác và ổn định hơn

➢ Điều khiển thông minh

robot ngày càng hoàn thiện hơn, thông minh hơn

2.1.1 Điểm vị trí và hướng của vật rắn

❖Vị trí của điểm O1 được xác định

bởi vectơ:

❖Hệ tọa độ R0={O0x0y0z0} với các

làm hệ quy chiếu gốc

) 0 ( 3 ) 0 ( 2 ) 0 (

1 ,e ,e

e  

) 0 ( 3

e

z0

x0

y0)

0 ( 1

e e 2(0)

) 1 ( 1

❖ Có thể xác định vị trí của vật rắn bằng ba vectơ đơn vị là

trên ba trục của hệ quy chiếu động R1 gắn chặt vào vật rắn B đối với

hệ quy chiếu R0:

) 0 ( 3 ) 0 ( 2 ) 0 (

1 ,e ,e

e  

) ( 3 33 )

( 2 23 )

( 1 13 )

1 ( 3

) ( 3 32 )

( 2 22 )

( 1 12 )

1 ( 2

) ( 3 31 )

( 2 21 )

( 1 11 )

1 ( 1

o o

o

o o

o

o o

o

e a e

a e

a e

e a e

a e

a e

e a e

a e

a e

=

+ +

=

+ +

=

Trong đó a1i, a2i, a3i với (i=1,2,3) là hình chiếu của vectơ đơn vị của

hệ quy chiếu R1 lên các trục của hệ quy chiếu cố định R0 Các thànhphần này gọi là các côsin chỉ hướng của các trục của hệ quy chiếuđộng R1 đối với hệ quy chiếu cố định R0

(2.1)

) 0 ( 3

) 1 ( 2

) 0 ( 3

) 1 ( 1

) 0 ( 3

) 1 ( 3

) 0 ( 2

) 1 ( 2

) 0 ( 2

) 1 ( 1

) 0 ( 2

) 1 ( 3

) 0 ( 1

) 1 ( 2

) 0 ( 1

) 1 ( 1

) 0 ( 1

e e e

e e

e

e e e

e e

e

e e e

e e

e A

i j

o i

31

23 22

21

13 12

11

a a

a

a a

a

a a

a A

(2.2)

(2.3)

Lúc này v đã trùng với trục Oz, phép quay quanh trục v đã trùng với

Oz là phép quay cơ bản đã nói trên Vậy thao tác biến đổi v về trùng

với Oz thực ra gồm hai bước như sau:

A1 = A2A3

2.1.3 Phép quay quanh trục bất kì:

r z

z z0

y0y

Ba góc ψ,φ,θ được gọi là 3 góc Euler Sử

dụng các góc Euler ta có thể quay hệ quy

chiếu R= Ox0y0z0 sang hệ quy chiếu Oxyz

z

Biến đổi biểu thức 2.8 dưới dạng đại số ta được ma trận cô sin chỉhướng để chuyển hệ quy chiếu Ox0y0z0 sang hệ quy chiếu Oxyz nhưsau:

sin cos

sin

sin sin

cos cos

sin cos

sin sin

cos cos

cos sin

sin cos

cos sin

sin cos

cos sin

sin cos

cos cos

b Góc Roll – pitch – Yaw:

Trên cơ sở đã hiểu thế nào là góc Euler, chúng ta có thể hiểu ngắn

gọn là RPY chẳng qua là bộ góc Euler theo trình tự (zyx) = ( song

điểm khác biệt căn bản là ba lần quay đều thực hiện quanh ba trục

của cùng một hệ quy chiếu ban đầu

) ( ) ( ) (  y  x 

z RPY A A A

Xét vật rắn B chuyển động đối với hệ quy

chiếu R0 Lấy vectơ bất kỳ thuộc vật



Định nghĩa: Lấy vectơ khác không tùy ý

thuộc vật rắn Vận tốc góc của vật rắn B

đối với hệ quy chiếu R0 là một vectơ ký

2.2.2 Các định lý về vận tốc góc của vật rắn

Định lý 1: Trong cơ sở vuông góc gắn liền vào vật rắn

B, vận tốc góc của vật rắn B đối với hệ quy chiếu R0 được xác đinhbằng công thức:

 ( 1 )

3

) 1 ( 2

) 1 ( 1

0 )

1 ( 3

) 1 ( 1

) 1 ( 3

0 )

1 ( 2

) 1 ( 3

) 1 ( 2

0 )

1 ( 1 0

.

dt

e

d e

e dt

e

d e

e dt

e

d e

R R

R B



Định lý 2: Cho A là ma trận côsin chỉ hướng của vật rắn B trong hệ quy

rắn trong hệ quy chiếu cố định R0 được xác định bởi công thức:

3 ) 0 ( 2 ) 0 ( 1

0 e ,e ,e

=

T B

R

A A.

~

z R B y R B x

R B

R

0

0 0

0 0

2.3.1 Cộng vận tốc góc của vật rắn

a) Đạo hàm của một véctơ trong hệ quy chiếu khác

) 0 ( 3

e

z0

x0

y0)

0 ( 1

e

) 0 ( 2

e

) 1 ( 1

R1 Hệ quy chiếu động R1 lại chuyển động

đối với hệ quy chiếu cố định R0 Trong hệ

quy chiếu động R1 véctơ được biểu diễn

như sau:

a

a

) 1 ( 3

) 1 ( 3

) 1 ( 2

) 1 ( 2

) 1 ( 1

) 1 (

a

+ +

=

Đạo hàm biểu thức trên ta được vận tốc

của véctơ a trong hệ quy chiếu R0:

a dt

a d dt

1 0

b) Công thức cộng vận tốc góc của vật rắn

Xét véctơ của vật rắn B, vật rắn B

chuyển động đối với hệ quy chiếu R1 hệ

quy chiếu R1 chuyển động đối với hệ

quy chiếu R0 Từ biểu thức 2.9 và 2.13

ta có:

a 

1 0 1

0

1 0 1

0

1 0

1 0

R R

B R B R

R R

B R B

R

R R

R R

a a

a

a dt

a d dt

a d



=



 +

=

) 0 ( 3

e

z0

x0

y0)

0 ( 1

e e 2(0)

) 1 ( 1

B R r

B R

e

r e

p  

 =   

3.1 Định nghĩa tọa độ thuần nhất

➢ Định nghĩa:

không gian 3 chiều Oxyz, tọa độ

Cho hai véc tơ trong không gian ba chiều

Phép cộng 2 véc tơ có thể chuyển về phép nhân trong hệ tọa độ thuầnnhất như sau:

3.2.1 Phép biến đổi thuần nhất

00

10

𝑎31

𝑏1

𝑏2

𝑏31

=

𝑎1 + 𝑏1

𝑎2 + 𝑏2

𝑎3 + 𝑏31

3.2.1 Các ma trận cơ bản trong phép biến đổi thuần nhất

Quy ước ma trận điểm viết sau ma trận biến hình có các ma

Nhờ 4 ma trận này có thể biểu thị chuyển động của một vật bất

kì trong không gian

+ Trục tọa độ xi-1 được chọn theo đường vuông góc chung của

zi-2 và trục zi-1

+ Gốc tọa độ Oi-1 được chọn tại giao điểm của trục xi-1 và zi-1

Trục được chọn sao cho hệ (Oxyz) là hệ quy chiếu thuận

3.3.1 Phương pháp ma trận DH

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 DH các hệ tọa

độ được xác định theo quy ước

sau:

+ Trục zi-1 được chọn dọc theo

hướng của trục khớp động thứ i

• Ma trận của phép biến đổi là Hi là tích của bốn ma trận biến đổi

cơ bản có dạng như sau:

0 0

0 cos

sin 0

0 sin

cos 0

0 0

0 1

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 1

1 0 0 0

1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

1 0 0

0

0 1 0

0

0 0 cos

sin

0 sin

cos

i i

i i

i

i

i i

i i

i i

a d

a H

0 0

cos sin

0

sin sin

cos cos

cos sin

cos sin

sin cos

sin cos

i i

i

i i

i i

i i

i

i i

i i

i i

i

i

d a

• 3.3.2 Một số ví dụ ứng dụng quy tắc DH:

• Tay máy ba khâu phẳng:

Sơ đồ động học của tay máy

cho thấy như hình vẽ:

Tay máy tọa độ cầu:

Sơ đồ động và bảng thông số DH cho thấy như hình vẽ:

3.4.1 Phương pháp ma trận Craig

Theo quy tắc Craig các hệ tọa độ được xác định theo quy ướcsau:

• Trục tọa độ zi được chọn dọc theo trục khớp động thứ i

• Trục tọa độ xi được chọn theo đường vuông góc chung củahai trục zi và zi+1, hướng từ zi tới zi+1 Nếu trục zi cắt trục zi+1thì hướng trục xi được chọn tùy ý Nếu zi // zi+1 thì trục xiđược chọn theo hướng pháp tuyến chung nào cũng được

• Gốc tọa độ Oi là giao điểm của xi và zi

• Trục yi được chọn sao cho {Oxyz}i là hệ quy chiếu thuận

• Hệ tọa độ khớp Ri-1 được chuyển sang hệ tọa độ khớp Ri bằngbốn phép biến đổi cơ bản sau:

- Quay quyanh trục xi-1 một góc αi-1

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi-1 một đoạn ai-1

- Quay quanh trục zi một góc θi

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi một đoạn di

Ma trận của phép biến đổi là tích của bốn ma trận biến đổi cơ bảnsau:

Ma trận Ki là ma trận Craig địa phương của khâu i cho biết vị trí của khâu i của robot so với khâu thứ i-1

Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi đối với robot n khâu

sin sin cos sin cos d cos

Sơ đồ động học của tay máy

cho thấy như hình vẽ:

Chương 4

Động học ngược robot công nghiệp

4.1 Thiết lập bài toán động học ngược

4.2 Các phương pháp giải tích

4.3 Các phương pháp số

4.4 Ma trận Jacobi giải tích và ma trận Jacobi hình học

4.1.1 Bài toán động học ngược của tay máy:

hướng của phần công tác khi cho trước các biến khớp Bài toánngược cho trước vị trí và định hướng của khâu tác động saucùng đòi hỏi phải xác định bộ thông số tọa độ suy rộng để đảmbảo chuyển động cho trước của phần công tác

trước bộ thông số biến khớp thì vị trí và định hướng của phầncông tác xác định duy nhất, điều này không đúng với các taymáy có cấu trúc dạng chuỗi động kín

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 toánngược 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,siêu việt, thường không cho lời giải đúng;

- Có thể gặp nghiệm vô định vì có các liên kết thừa giống kiểu kếtcấu siêu tĩnh;

- Có thể có lời giải toán học, song lời giải này không chấp nhậnđược về mặt vật lí do các yếu tố về kết cấu của cấu trúc khôngđáp ứng được

Ví dụ áp dụng: Cho cơ cấu tay máy như hình vẽ:

Từ bài toán động học ta có:

123 123 1 1 2 12 3 123

123 123 1 1 2 12 3 123 0

3

0 0 ( )

Giải phương trình trên ta được:

2 2 2 2

2 2 1 2 2

Giả sử ta biết được quan hệ giữa tọa độ thao tác và tọa độ khớptheo phương trình:

x= f(q)Đạo hàm 2 vế của phương trình trên ta có:

J(q) được gọi là ma trận jacobi

Đạo hàm 2 vế của biểu thức vận tốc ta có biểu thức gia tốc sau:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Từ các công thức trên ta có các bước thực hiện như sau:

Bước 1: Cho biết q0, ta tính được J(q0), J+(q0),

J f

Phương trình động học được viết lại như sau:

( )

( ) ( )

T

b R

Chương 5

Động lực học robot công nghiệp

5.1 Phương trình Lagrange loại II của robot công nghiệp

5.2 Dạng ma trận của phương trình Lagrange II

5.3 Một số tính chất của mô hình động lực học

5.1.1 Biểu thức động năng và thế năng của robot

a) Động năng của robot

Biểu thức động năng của vật rắn được xác định như sau:

Ii là ma trận tenxơ quán tính khối của vật rắn đối với hệ quy chiếu

5.1.2 Phương trình Lagrange loại 2

Phương trình Lagrange loại 2 dạng ma trận như sau:

Thay phương trình động năng và thế năng của robot vào phươngtrình Lagrange 2 ta nhận được phương trình vi phân chuyển độngcủa robot:

2

h q = m + m − m

Chương 6

Điều khiển robot, cơ sở thiết kế robot

6.1 Bài toán lập quỹ đạo chuyển động

6.2 Điều khiển trong không gian công tác

6.3 Điều khiển lực trong kỹ thuật robot

6.4 Cơ sở thiết kế robot

• Tay máy là thiết bị được điều khiển tự động theo chương trình.

khiển Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển là điều khiển tay máythực hiện các nhiệm vụ đặt ra, nghĩa là phần công tác phải dịchchuyển theo quỹ đạo định trước và thực hiện các chức năngcông tác Nội dung chính của điều khiển robot liên quan tớinhững vấn đề sau:

thông số động học, động lực học của tay máy

- Luật, phương pháp điều khiển và cấu trúc của hệ điều khiển

- Các cơ cấu của hệ thống điều khiển như cơ cấu phát động, cảmbiến, bộ điều khiển, cùng các cơ cấu chuyển đổi và truyền tínhiệu giữa chúng

nghành khoa học khác nhau, trong phạm vi chương này chúng

ta đề cập đến các vấn đề thiên về cơ khí trong bài toán điềukhiển robot

• 6.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp:

• Chuyển động của tay máy thường được mô tả trong vùng làmviệc bằng các điểm nút (gồm điểm đầu, điểm cuối, và có thể cómột số điểm trung gian) và thời gian chuyển động Vì vậy, đểthiết kế quỹ đạo trong không gian khớp phải giải bài toán ngượcđộng học để xác định giá trị các biến khớp tại các điểm nút Sau

đó thiết lập các hàm nội suy q(t) để mô tả quỹ đạo vừa nhậnđược

• Thuật toán thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp yêu cầu:

• Không đòi hỏi tính toán quá nhiều;

• Vị trí, vận tốc, có thể cả gia tốc của các khớp phải được biểudiễn bằng các hàm liên tục;

• Giảm thiểu các hiệu ứng bất lợi, ví dụ quỹ đạo không trơn

• Dạng dơn giản của quỹ đạo là chuyển động điểm - điểm, nếuthêm các điểm trung gian thì quỹ đạo có dạng chuyển động theo

6.1.2 Quỹ đạo trong không gian công tác:

• Quỹ đạo trong không gian khớp mô tả diễn tiến theo thời giancủa 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 điểmtrung gian Thực tế khi thiết kế quỹ đạo trong không gian khớpkhó có thể đảm bảo chuyển động chính xác của phần công tác

do ảnh hưởng phi tuyến của việc chuyển đổi các quan hệ độnghọc từ không gian khớp sang không gian công tác Muốn chophần công tác di chuyển theo đúng lộ trình đã định trong khônggian công tác cần thiết kế quỹ đạo trực tiếp trong chính khônggian này Quỹ đạo có thể xác lập bằng cách nội suy đường dịchchuyển qua các điểm chốt hoặc xác lập bằng giải tích hàmchuyển động

6.2.1 Điều khiển trong không gian công tác

Bài toán ngược được giải trong mạch phản hồi Sơ đồ này có hainhược điểm cơ bản:

+ Thứ nhất là hệ điều khiển phức tạp hơn

+ Thứ hai hệ thống đo thường gắn lên các các khớp, giám sáttrực tiếp các thông số của khớp

Muốn chuyển sang không gian công tác thì phải thực hiện phéptính động học thuận, đó cũng là nguyên nhân phát sinh sai số

6.2.2 Điều khiển quỹ đạo trong gian khớp:

Ở đây bài toán động học ngược được giải trước để chuển cácthông số từ không gian công tác sang không gian khớp Xemlược đồ sau:

• Mạch điều khiển nhận giá trị đặt của các biến khớp (có thể qua

hệ số chuyển đổi nào đó) và điều khiển khớp theo sát diễn tiếnthời gian của biến khớp Mạch điều khiển này đơn giản song độchính xác bị hạn chế do đối tượng bị giám sát trực tiếp là phầncông tác lại nằm ngoài mạch điều khiển

6.3.1 Điều khiển lực kết hợp với vị trí

Trong điều khiển vị trí ta mới chỉ nghiên cứu cho trường hợptay máy di chuyển tự do, tuy nhiên trong nhiều trường hợp taymáy chịu tải trọng lớn hoặc các ràng buộc => Cần xét đến bàitoán điều khiển vị trí kết hợp điều khiển lực

Điều khiển lực/vị trí giải quyết các vấn đề sau:

- Điều khiển vị trí tay máy theo các phương tồn tại liên kết lực tựnhiên

- Điều khiển lực tay máy theo các phương tồn tại các liên kết vị trí

tự nhiên

- Kết hợp các mô hình điều khiển trên theo các phương tươngứng