ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP NHÓM SỐ 1 Lớp CN TĐH K20C Khoa Kỹ Thuật Và Công Nghệ Giáo viên giảng dạy Nguyễn Thù[.]
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MÔN HỌC: ROBOT CÔNG NGHIỆP
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: ROBOT CÔNG NGHIỆP
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÁNH TAY ROBOT CÔNG
NGHIỆP 3 BẬC TỰ DO
nhóm 1
Lớp: CN TĐH K20C Khoa: Kỹ thuật và Công nghệ Giáo viên giảng dạy: Nguyễn Thùy Dung
Trang 3Thái Nguyên, ngày 01 tháng 11 năm 2023
LỜI MỞ ĐẦUTheo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượngsản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất
Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hìnhthành và phát triển mạnh mẽ…Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng ngườimáy, các cánh tay máy tự động (Robot) để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt.Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng sản xuất cũng như trong đời sống.Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di chuyển nguyênvật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động được lập trình trước Khoahọc robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số ma trận
Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thể thực hiện được các chuyển động nhưtay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiển bằng chương trìnhđược nạp sẵn trong chip trên bo mạch điều khiển robot Chính vì vậy có thể thay thếcon người trong rất nhiều công việc nguy hiểm
Đầu tiên nhóm em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trongkhoa Công nghệ TĐH, cùng các bạn trong lớp CN- TĐH K20C, đặc biệt là cô NguyễnThị Dung giảng viên trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông, người đãtrực tiếp giảng dạy và cho nhóm kiến thức để hoàn bài tập này
Trong quá trình làm đề tài mặc dù đã nhiều cố gắng nhưng vẫn không tránh khỏi saixót Rất mong các thầy thông cảm và giúp đỡ chúng em nhiều hơn Em xin chân thànhcảm ơn !
Trang 4CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1 Sự ra đời của robot công nghiệp
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứngdụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo ra những dâychuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành Các thiết bị này đangthay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thịtrường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và về tính năngv.v… Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sảnxuất linh hoạt Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1921 trongtác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của nhà viễn tưởng người Sec Karel Capek.Trong vở kịch này, ông dùng từ “robot”, biến thể của từ gốc Slavơ “Robota”, để gọimột thiết bị do con người tạo ta Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng người Nga,Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người.Asimov cũng đặt tên cho ngành nghiên cứu về robot là Robotics, trong đó có 3 nguyêntắc cơ bản:
- Robot không gây tổn hại cho con người
- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra Các quy tắc nàykhông được vi phạm nguyên tắc thứ nhất
- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm 2 nguyêntắc trước Và cũng trong những năm này, ước mơ viễn tưởng của Kerel Capek đã bắtđầu thành hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện nhữngtay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.Vào những năm 1950 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loạitay máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minotaur I hoặc tay máyHandyman của General Electric Năm 1954 George C Devol đã thiết kế một thiết bị
có tên là “cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956Devol cùng với một kĩ sư trẻ của công nghiệp hàng không Joseph F.Engelber, đã tạo raloại robot đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 công tyUnimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ các sản phẩm robot đầu tiên này Chiếc robotcông nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên năm 1961 ở một nhà máy ô tô củaGeneral Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kỳ
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp từ công ty AMF của Hoa Kỳ(American Machine and Foundry Company) Đến năm 1990 có hơn 40 công ty NhậtBản, trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đãđưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot
Trang 51.2 Các định nghĩa về robot công nghiệp
Các nhà khoa học đã đưa ra rất nhiều định nghĩa về robot:
- Theo viện kỹ thuật robot của Hoa Kỳ: “Robot là loại tay máy nhiều chức năng, vớichương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực hiện một số thao tác sản xuất.”
- Theo ISO (International Standards Organization): “Robot công nghiệp là một taymáy đa mục tiêu, có một số bậc tự do dễ dàng lập trình, điều khiển, dùng để tháo lắpphôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác Do chương trình thao tác có thể thay đổi nênthực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng.”
- Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): “ Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tựđộng có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trêncác trục tọa độ; có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: chitiết, dao cụ, gá lắp… theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thựchiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.”
- Theo RIA (Robot institute of America): “Robot là một tay máy vạn năng có thể lặplại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc cácthiết
bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thànhcác nhiệm vụ khác nhau.”
- Theo ŠOCT 25686-85 (Nga): “Robot công nghiệp là một tay máy tự động, được đặt
cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theochương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiểntrong quá trình sản xuất.”
- Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: “ Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện cácchuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trongnhững khoảng cách tuyến tính hay tuyến tính của động trình Chúng được điều khiểnbởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chươngtrình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiệncác nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp.”
- Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: “Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy vàmột cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cáchchủ động với sự điều khiển có thể thay thế chức năng tương tự của con người.” Bảnchất của các định nghĩa khác nhau trên đây giúp ta thấy được một ý nghĩa quan trọnglà: Riêng một mình robot thì không thể hoàn thành tốt được công việc Nó phải đượcliên hệ chặt chẽ với máy móc, công cụ và các thiết bị công nghệ tự động khác trongmột hệ thống tự động tổng hợp Do đó trong quá trình phân tích và thiết kế, không thểquan niệm robot như một đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại đó phải là những thiết kế
Trang 6tổng thể của “hệ thống tự động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và đơngiản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi.
1.3 Tay máy robot
1.3.1 Kết cấu của tay máy
Tay máy là phần cơ sở nó quyết định đến khả năng làm việc của robot Đó là thiết bị
cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian để thực hiện cácnhiệm vụ như nâng hạ, vận chuyển, lắp ráp Tay máy robot thông thường là cơ cấu hởgồm một chuỗi các khâu liên kết với nhau bằng các khớp, khâu đầu tiên được nối vớigiá cố định Khớp tạo sự linh hoạt giữa các khâu với nhau nói riêng và toàn bộ toàn bộtay máy robot công nghiệp nói chung Thông qua khớp nối, các khâu trong cơ cấu taymáy được chuyển động tương đối với nhau Tùy theo yêu cầu về kết cấu của robot mà
ta lựa chọn loại khớp liên kết giữa các khâu khác nhau Trong robot công nghiệp hiệnnay, người ta thường dùng chủ yếu hai loại khớp là khớp quay và khớp trượt
Khớp quay: (thường được kí hiệu là R) loại khớp này cho phép chuyển động quay củakhâu này và khâu khác quanh một trục quay Loại khớp này hạn chế năm khả năngchuyển động giữa hai thành phần khớp do đó có một bậc tự do
Hình 1.1 Khớp quay
Khớp trượt: (thường được kí hiệu là T) loại khớp này cho phép hai khâu trượt tươngđối với nhau theo phương của một trục nào đó và hạn chế năm khả năng chuyển động
do đó khớp có một bậc tự do
Trang 7Hình 1 2 Khớp trượt
Ngoài ra trong một số trường hợp người ta còn dùng khớp cầu để tăng tính linh hoạtcho robot Với loại khớp này cho phép các khâu thực hiện các chuyển động quay theotất cả các hướng qua tâm khớp, và hạn chế chuyển động tịnh tiến giữa các khâu Do đókhớp cầu có số bậc tự do là ba
Trong quá trình thiết kế tay máy robot, người ta quan tâm đến các thông số ảnh hưởnglớn đến khả năng làm việc của robot như:
- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay…
- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác có thểvới tới
- Sự khéo léo của robot: thông số này liên quan đến bậc tự do của robot
1.3.2 Bậc tự do của robot
Bậc tự do là số khả năng chuyển động tịnh tiến hoặc quay của cơ cấu Để dịch chuyểnđược một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một sốbậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở nên số bậc tự do của nó có thểtính theo công thức:
w = 6n − ∑ ipi
i =1Trong đó:
Số bậc tự do của robot quyết định đến tính linh hoạt của robot trong quá trình làm việc
Số bậc tự do càng lớn robot càng linh hoạt, càng nhiều phương án để điểm thao tác
Trang 8thực hiện được yêu cầu công việc, điều này rất có ý nghĩa trong trường hợp robot làmviệc trong môi trường có nhiều chướng ngại vật Tuy nhiên số bậc tự do chuyển độngnày không nên lớn hơn sáu, bởi vì nếu sáu bậc tự do nếu bố trí một cách hợp lý sẽ đủ
để tạo ra khả năng linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượngtheo mọi hướng Mặt khác cũng phải thừa nhận rằng số bậc tự do lớn kéo theo hệ quảlà: tăng sai số dịch chuyển, tăng chi phí, thời gian sản xuất và bảo dưỡng robot Do đótùy theo yêu cầu, chức năng mà người ta lựa chọn số bậc tự do cho robot thích hợp
1.3.3 Vùng làm việc của robot
Vùng làm việc của robot hay không gian làm việc của robot là toàn bộ thể tích đượcquét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể
Vùng làm việc bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràngbuộc cơ học của các khớp Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả vùng làmviệc của một robot
Hình 1.3 Biểu diễn vùng làm việc của robot
1.4 Ưu điểm của robot công nghiệp
- Làm việc không biết mệt mỏi, ít xảy ra nhầm lẫn trong quá trình làm việc
- Làm việc được trong môi trường nguy hiểm, khắc nghiệt như: môi trường có nhiềuphóng xạ, môi trường có khí độc, dưới đáy đại dương, ngoài vũ trụ,…
- Thay đổi các thao tác bằng cách thay đổi chương trình điều khiển
1.5 Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam và ứng dụng của robot công nghiệp 1.5.1 Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam
Trong giai đoạn trước năm 1990 hầu như trong nước hoàn toàn chưa du nhập về kỹthuật robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh vực này Nhưngvới mục tiêu chủ yếu là tiếp cận kỹ thuật mới mẻ, trong nước đã triển khai các đề tàinghiên cứu khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58.01.03 trong giai đoạn 81-85 và đề tài52B.03.01 trong giai đoạn 86-89 Kết quả nghiên cứu của các đề tài này không nhữngđáp ứng được yêu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu trong kỹ thuật bảo
Trang 9hộ lao động và phục vụ công tác đào tạo cán bộ kỹ thuật ở nước ta Giai đoạn tiếp theo
từ năm 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt đầu được đổi mới Nhiều cơ sở đãnhập ngoại nhiều dây chuyền thiết bị mới Đặc biệt là ở một số cơ sở liên doanh vớinước ngoài đã nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ các công việc
1.5.2 Ứng dụng của robot công nghiệp
Robot được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, dưới góc độ thay thế sức người Mục đích
sử dụng trong các dây chuyển sản xuất nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và hiểuquả sản xuất từ đó giảm giá thành sản phẩm, nâng cao khả năng cạnh tranh
- Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng trong nhiều trong công nghệ đúc, hàn, cắtkim loại, vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm,…
- Robot được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất từ động nhằm tạo ra linh hoạt và
tự động cao nhất cho dây chuyền, các robot này được điểu khiển bằng một hệ thôngcác phương trình được lâp trình sẵn
- Robot còn được sử dụng trong lĩnh vực y học, quốc phòng, vũ trụ, …
Hình 1.4 Robot hàn trong công nghiệp
Trang 10Hình 1 5 Robot phục vụ máy phay CNC
Robot có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hội của conngười Tuy nhiên, để chế tạo và đưa vào sử dụng một robot hoàn chỉnh phải qua rấtnhều quan trọng, từ thiết kế tính toán các thông số tới chế tạo Một trong nhưng côngviêc đó là nghiên cứu, tính toán giải bài toán động học của robot
Trang 11CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ
NGƯỢC CHO ROBOT 3 BẬC TỰ DO 2.1 Sơ đồ động học của robot
Sơ đồ động học của Robot RRR được cho trong hình 2.1 Trong các tính toán
và mô phỏng số sau này, ta sẽ lấy a1=5, a2=3, a3=2
Hình 2.1 Sơ đồ động học robot và hệ tọa độ theo qui tắc D – H.
- Tính số bậc tự do của Robot
Công thức tổng quát:
trong đó:
ƒ: số bậc tự do của cơ cấu tay máy
λ: số bậc tự do của không gian trong đó tay máy thực hiện chuyển động
n: số khâu động của tay máy.
k : số khớp của tay máy
fi : số bậc tự do chuyển động cho phép của khớp i
fc : số ràng buộc trùng
Trang 12f p : số bậc tự do thừa
Với bài toán này, ta có: ƒ = 6(3-3) +(1+1+1)+0-0 = 3
Vậy Robot này có 3 bậc tự do
2.2 Thiết lập hệ tọa độ khảo sát và lập bảng D-H
- Qui ước hệ tọa độ theo Denavit-Hartenberg:
+ Trục zi được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1) Hướng của phép quay và phép tịnh tiến được chọn tùy ý
+ Trục xi được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp thứ i và (i+1), hướng từ khớp động thứ i tới trục (i+1)
+ Trục yi – xác định theo qui tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận)
Hình 2.2 Qui ước hệ tọa độ theo Denavit – Hartenberg
- Vị trí tương đối giữa hai hệ tọa độ liên tiếp j và (j-1) được mô tả bởi 4 tham số động học là di, θi, ai, αi với:i, ai, αi với:i với:
+ di: dịch chuyển tịnh tiến giữa hai đường vuông góc chung của hai trục
+ θi, ai, αi với:i: góc giữa hai đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi theoqui tắc bàn tay phải
+ ai: khoảng dịch chuyển giữa hai trục khớp động kề nhau
+ αi với:i: góc lệch giữa trục của hai khớp động liền kề, là góc quay quanh trục xi sao cho trục zi-1 chuyển đến trục zi theo qui tắc bàn tay phải
Trang 13-Từ qui ước trên, áp dụng cho đối tượng Robot RRR trong báo cáo, chọn được hệ tọa
độ như trong hình 2.1 Từ đó, lập được bảng D – H cho robot như sau:
Các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D–H có dạng (với qui ước viết tắt: c=cos, s=sin, q23=q2+q3
Ma trận i-1 Ai cho phép biểu diễn quan hệ về tọa độ của một điểm trong hai hệ tọa độ i
và i-1 Ví dụ vị trí của một điểm P bất kì trong hệ tọa độ i là:
thì tọa độ của P trong hệ tọa độ thứ i-1 được xác định theo biểu thức:
Với Robot RRR, ta có các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H lần lượt như sau: