Kỹ thuật robot nguyễn hoàng long

- Yêu cầu: HV,SV phải nắm bắt được các khái niệm cơ bản, các mảng kiến thức về cơ học, cơ khí qua đó vận dụng nghiên cứu các kết cấu cơ khí của tay máy, phương pháp nghiên cứu đông học

Trang 1

Giáo viên: Nguyễn Hoàng Long

Đơn vị: Bộ môn Robot đặc biệt & CĐT, Khoa Hàng không vũ trụ

Trang 2

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

- Mục đích: Trang bị cho Học viên, Sinh viên nắm bắt được những kiến thức cơ bản về Robot và kỹ thuật Robot qua đó xây dựng những nền tảng kỹ thuật cần thiết cho hoạt động công tác sau này của các bạn HV,SV.

- Yêu cầu: HV,SV phải nắm bắt được các khái niệm cơ bản, các

mảng kiến thức về cơ học, cơ khí qua đó vận dụng nghiên cứu các kết cấu cơ khí của tay máy, phương pháp nghiên cứu đông học và động lực học tay máy, các mảng kiến thức về điều khiển cũng như hiểu và nắm bắt được những hướng ứng dụng của Robot trong cuộc sống ngày nay.

- Vị trí môn học: Là một trong những môn học cơ bản nhất trong

học thuật và nghiên cứu chuyên ngành Cơ điện tử (cốt lõi xương

sống của nghành)

Trang 3

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

Ø Phương pháp học tập, nghiên cứu môn học

- Học và nắm bắt bài giảng kết hợp nghiên cứu giáo trình, tài liệu.

- Học lý thuyết kết hợp vận dụng làm bài tập, nghiên cứu thực hành cụ thể khi có điều kiện

Ø Phương pháp đánh giá môn học

- Theo giờ lên lớp

- Theo thời hạn hoàn thành bài tập được giao

- Hình thức đánh giá khi thi: Thi vấn đáp.

Trang 4

Tổng quan chương trình môn học

Ø Tiểu luận, bài tập lớn.

Ø Giáo trình, tài liệu tham khảo.

1 Cơ sở robot công nghiệp Nguyễn Văn

Khang, Chu Anh Mỳ NXB GD năm 2011

2 Kỹ thuật Robot Đào Văn Hiệp NXB

KH&KT 2003,2004

3 Robot công nghiệp Phạm Đăng Phước

4 Modeling and control of Robot manipulator Lorenzo Sciavicco and

Bruno Siciliano

Trang 5

— Năm 1926, thuật ngữ Robot lần đầu tiên lên phim ảnh tại Đức, bộ phim mang tên

— Năm 1968, Mosher của công ty General Eletric (Mỹ) đã chế tạo Robot chân, sử dụng năng lượng động cơ xăng Các chân được dẫn động nhờ các xi lanh thủy lực, điều khiển bằng tay

— – Năm 1952 chiếc máy CNC đầu tiên trên thế giới đã ra đời tại Viện công nghệ

Massachusetts, Mỹ, theo nguyên tắc điều khiển số, hoạt động theo chương trình máy tính

Trang 6

2 CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT VÀ ROBOT HỌC (ROBOTICS)

Từ đó có một số định nghĩa về Robot như sau:

— Định nghĩa 1: (McKerrow 1986) Robot là một loại máy móc cơ khí có thể lập trình để thực hiện một số công việc nào đó, cũng tương tự như định nghĩa máy tính PC là một thiết bị điện tử có thể lập trình để thực thi các nhiệm vụ

cụ thể

— Định nghĩa 2:(Schlussel 1985) Robot là một tay máy đa chức năng, khả trình (có thể lập trình và tái lập trình) được thiết kế để vận chuyển nguyên nhiên vật liệu, phôi, chi tiết gia công; hoặc Robot là thiết bị đặc thù được lập trình chuyển động đa dạng để thực hiện các nhiệm vụ nào đó

Trang 7

2 CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT VÀ ROBOT HỌC (ROBOTICS)

khâu được nối tiếp nhau và di chuyển tương đối với nhau nhằm mục đích gắp và di chuyển các đối tượng theo một số bậc tự do nhất định

nhiệm vụ, có thể tái lập trình, có thể được điều khiển tự động hoặc điều khiển bằng tay,

thiết kế, chế tạo, điều khiển, ứng dụng robot ) được gọi là Robot học

(Robotics) Ngắn gọn hơn, Brady (1985) đã định nghĩa Robot học là sự nối kết thông minh giữa tri giác và hành động (của máy móc) Hay nói ngắn gọn:

Robotics là một ngành khoa học, có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các

người, như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.

Robot học là một khoa học liên ngành bao gồm:

- Thiết kế, chế tạo, điều khiển và lập trình Robot

- Sử dụng Robot

- Nghiên cứu về công nghệ điều khiển, cảm biến, các thuật toán điều khiển

- Ứng dụng các công nghệ điều khiển và các thuật toán để thiết kế Robot.

Trang 8

3 KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA ROBOT.

3.1 Kết cấu cơ bản của robot.

Trang 9

3.1 Một số kết cấu thường gặp của robot.

3.1.1 Kết cấu song song:

Trang 10

3.1 Một số kết cấu thường gặp của robot.

3.1.1 Kết cấu nối tiếp.(Tay máy)

• Tay máy kiểu tọa độ Đề các.

Tay máy kiểu tọa độ đề các, còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp trượt Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật Tay máy kiểu này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo léo Vì vậy, tay máy kiểu đề các hay được dùng trong vận chuyển và lắp ráp.

Trang 11

— Tay máy kiểu tọa độ trụ

Tay máy kiểu tọa độ trụ: khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay cho khớp trượt Vùng

l àm việc có dạng hình trụ rỗng Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.

— Tay máy kiểu tọa độ cầu:

Khớp thứ hai được thay bằng khớp quay Vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn 2 loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với Tuy nhiên, loại này có thể nhặt được cả các vật ở dưới nền.

Trang 12

— SCARA:

2 khớp quay và 1 khớp trượt, có trục song song với nhau Tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững theo phương được chọn Dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng SCARA - "Selective Compliance Assembly robot Arm" Vùng làm việc là một phần của hình trụ rỗng.

— Tay máy kiểu tay người:

3 khớp đều là các khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2 trục kia Với kết cấu này, không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do Tay máy làm việc rất khéo léo, nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu.

Trang 13

4 PHÂN LOẠI ROBOT.

4.1 Theo kết cấu

- Kiểu Đề các, trụ, cầu, Scara, kiểu tay người.(như đã trình bày ở trên)

4.2 Theo hệ điều khiển

Có hai kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.

- Điều khiển hở

Dùng truyền động b ước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén, ) mà quãng

đ ường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

- Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng

độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và

điều khiển theo đường (contour).

+ Điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm nμy đến điểm kia

theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc) Nó chỉ làm việc tại các điểm

dừng Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán

đinh, bắn đinh,

+Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn

hồ quang, phun sơn.

4.3 Phân loại theo ứng dụng

- Robot công nghiệp:

- Robot thám hiểm:

- Robot quân sự:

Trang 14

4 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ROBOT CÔNG NGHIỆP

– Lĩnh vực Robot là sự liên kết, giao thoa của nhiều ngành khoa học, từ Vật lý, Toán học, kỹ thuật Điện tử, kỹ thuật

Cơ khí và Khoa học máy tính

Trang 15

4 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ROBOT CÔNG NGHIỆP

Þ Để thiết kế, chế tạo và khai thác sử dụng Robot các hệ Robot

giống như trên ví dụ đang xem xét chúng ta cần quan tâm đến:

Ø Cơ học và kỹ thuật cơ khí (giải quyết các vấn đề về cơ khí của hệ Robot với tư cách là một loại máy móc, chẳng hạn như máy gia công)

Ø Toán học cung cấp các công cụ, thuật toán, phương pháp mô tả toán học kỹ thuật tính toán xoay quanh vấn đề thiết kế Robot và ứng dụng Robot

Ø Điều khiển học tập trung vào giải quyết các phương pháp, kỹ thuật

điều khiển để Robot có thể hoạt động được theo đúng yêu cầu chức năng công tác

Ø Kỹ thuật điện - điện tử tập trung vào đối tượng bộ điều khiển và hệ thống điện trên Robot; Tối ưu hệ thống mạch tích hợp xử lý tín hiệu, mạch công suất, các bộ đệm, mạch giao tiếp với tín hiệu cảm nhận, mạch thu phát tín hiệu từ xa,

Ø Khoa học máy tính giải quyết các vấn đề cơ sở tính toán, lập trình xử lý tín hiệu điều khiển trực tiếp cho các cơ cấu dẫn động; xây dựng các thuật toán cho các ứng dụng Robot,…

Trang 16

5 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

Ø Tối ưu cấu trúc cơ khí, chú ý tới việc sử dụng vật liệu nhẹ, độ bền cao; lựa chọn

bộ truyền có tỷ số truyền và hiệu suất lớn, tuổi thọ, độ chính xác cao để tăng độ chính xác điều khiển, tăng ổn định và tuổi thọ của Robot.

rung, tránh va chạm, cho các cấu trúc Robot công nghiệp truyền thống và đặc biệt cho các cấu trúc động học song song, cấu trúc tích hợp trên Robot di động Các bài toán có kể đến yếu tố đàn hồi (chuyển vị, dao động) và khe hở (giữa các mối ghép, tương tác, ) là các vấn đề cũng đang được đề cập rộng khắp, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển theo yêu cầu, tránh cộng hưởng, nâng cao tuổi thọ, độ bền cơ cấu,

Ø Các cơ cấu dẫn động và cảm biến tín hiệu: Đáp ứng yêu cầu về kết cấu và điều khiển Robot, các cơ cấu dẫn động được nghiên cứu ứng dụng theo hướng tiết kiệm năng lượng, bền lâu, đủ công suất, gọn nhẹ Các sensor được nghiên cứu phát triển sao cho đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác cảm nhận tín hiệu, tốc độ lấy mẫu, chống nhiễu,

Ø Điều khiển thông minh: Cùng với sự phát triển và thành tựu của các lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo, Thị giác máy và xử lý ảnh, xử lý âm thanh, tiếng nói, lĩnh vực điều khiển thông minh trong kỹ thuật Robot đang trên đà phát triển vô cùng mạnh mẽ

và được nhiều người quan tâm.

Trang 17

Bài giảng Cơ sở động học,

động lực học vật rắn.

Bộ môn: Robot đặc biệt và cơ điện tử.

Trang 18

1 Động học thuận của robot công nghiệp.

1.1 Định nghĩa các tọa độ thuần nhất.

Trang 19

Bài giảng: Động học thuận

Robot công nghiệp.

Trang 20

1 So sánh hai cách thiết lập tọa độ.

Trang 21

2 So sánh cách thiết lập trục.

1 Trục zi-1 được chọn dọc theo hướng của trục

khớp động thứ i.

2 Trục xi-1được chọn dọc theo đường vuông góc

chung của hai trục zi-2 và zi-1, hướng đi từ trục z

i-2 sang trục zi-1 Nếu trục zi-1 cắt trục zi-2 thì

hướng của trục xi-1 được chọn tùy ý miễn là

vuông góc với trục zi-1 Khi hai trục zi-2 và zi-1

song song với nhau, giữa hai trục này có nhiều

đường pháp tuyến chung, ta có thể chọn trục xi-1

hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được.

3 Gốc tọa độ Oi-1được chọn tại giao điểm của

trục xi-1và trục zi-1.

4 Trục yi-1 được chọn sao cho hệ (Oxyz)i-1 là hệ

qui chiếu thuận.

5 Đối với hệ tọa độ (Oxyz)0theo qui ước trên ta

mới chỉ chọn được trục z0, còn trục x0 chưa có

trong qui ước trên Ta có thể chọn trục x0 một

cách tùy ý, miễn là x0 vuông góc với z0.

6 Đối với hệ tọa độ (Oxyz)n, do không có khớp

n+1, trục xn lại được chọn theo pháp tuyến của

trục zn-1 Khi đó, nếu khớp n là khớp quay ta có

thể chọn trục zn song song với trục zn-1- Ngoài

ra ta có thể chọn tùy ý sao cho hợp lý.

7 Khi khớp thứ i là khớp tịnh tiến: thường chọn

trục zi-1-dọc theo trục của khớp tịnh tiến này.

1 Trục ziđược chọn dọc theo trục khớp động thứ i.

2 Trục xi được chọn theo đường vuông góc chung của hai trục zivà zi+1, hướng từ zitới zi+1 Nếu trục zicắt trục zi+1thì hướng trục xi được chọn tùy ý Nếu zi// zi+1có vô số đường vuông góc chung, trục xi được chọn hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được

3 Gốc tọa độ Oi là giao điểm của xivà zi.

4 Trục yi được chọn sao cho {Oxyz}i là hệ qui chiếu thuận.

5 Đối với hệ tọa độ (Oxyz)0theo qui ước trên ta mới chỉ chọn được trục z0, còn trục x0chưa có trong qui ước trên Ta có thể chọn trục x0một cách tùy ý, miễn

là x0 vuông góc với z0.

6 Đối với hệ tọa độ (Oxyz)n, do không có khớp n+1, trục xnlại được chọn theo pháp tuyến của trục zn-1 Khi đó, nếu khớp n là khớp quay ta có thể chọn trục

znsong song với trục zn-1- Ngoài ra ta có thể chọn tùy ý sao cho hợp lý.

7 Khi khớp thứ i là khớp tịnh tiến: thường chọn trục

zi-1-dọc theo trục của khớp tịnh tiến này.

Trang 22

2 So sánh các tham số:

được xác định bởi bốn tham số

trục xi và trục zi-1.

đến điểm Oi

cho trục z'i-1 chuyển đến trục zi.

được xác định bằng 4 tham số động học Craig được xác định như sau:

trục zi-1 tiến tới z’i song song với trục zi ( // zi)

dọc trục xi-1 để gốc Oi-1 tiến O’i (O’i

là giao điểm trục xi-1 và zi)

xi-1 tiến tới x’i- (x’i // xi)

dọc trục zi- để trục x’i tiến tới trục xi

Trang 26

Bài giảng: Động học thuận

Robot công nghiệp.

Trang 27

1 Các tọa độ thuần nhất và phép biến đổi thuần nhất.

1.1 Định nghĩa các tọa độ thuần nhất

a) Tọa độ vật lý và tọa độ thuần nhất.

Giả sử σ là một đại lượng vô hướng khác

không tùy ý Tọa độ thuần nhất của điểm

P trong không gian 4 chiều được định nghĩa:

b) Ý nghĩa của khái niệm tọa độ thuần nhất.

Khi đưa vào tọa độ thuần nhất, ta có thể biến đổi một đa thức không thuần nhất của tọa độ vật lý thành một đa thức thuần nhất của các tọa độ thuần nhất.

Trang 28

1.2 Biến đổi phép cộng véc tơ trong không gian vật lý ba chiều thành phép nhân ma trận trong không gian thuần nhất bốn chiều.

1.3 Phép biến đổi thuần nhất và ma trận biến đổi thuần nhất

Ta đã biết ở chương trước:

Trang 29

1.3 Phép biến đổi thuần nhất và ma trận biến đổi thuần nhất

Sử dụng khái niệm tọa độ thuần nhất ta có:

Ta đưa vào ký hiệu:

Từ đây ta cũng dễ dàng tính được ma trận nghịch đảo của ma trận thuần nhất

1

T T

A T

Trang 30

1.4 Các ma trận quay cơ bản thuần nhất và ma trận tịnh tiến

Trang 31

xi-1 quanh trục zi-1 đến trục xi‘ // xi

+ Tham số thứ hai di , là khoảng cách

Trang 32

2.1 Cách xác định các trục của hệ tọa độ khớp.

Trang 33

2.1 Cách xác định các trục của hệ tọa độ khớp.

hướng đi từ trục zi-2 sang trục zi-1 Nếu trục zi-1 cắt trục zi-2 thì hướng của

Note:

cho hợp lý.

i-1-dọc theo trục của khớp tịnh tiến này.

Trang 34

2.2 Các tham số động học Denavit-Hartenberg

- θi- :góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục x'i (x'i // xi)

giao điểm của trục xi và trục zi-1.

Trang 35

2.4 Phương trình xác định vị trí khâu thao tác của robot.

Ma trận Denavit–Hartenberg cho ta biết:

- Vị trí điểm điểm định vị của vật rắn trong hệ qui chiếu ,

- Hướng của vật rắn đối với hệ qui chiếu

2.5 Xác định vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối

2.6 Xác định vận tốc góc, gia tốc góc các khâu của robot bằng phương pháp trực tiếp.

Ex R

o Ez

o E

d x dt v

Ex R

o Ez

d v dt a

Trang 36

q2

q3

d10 0

0

a2

a3

π /2 0 0

Trang 37

3 Phương pháp ma trận Craig.

3.1 Cách xác định các trục của hệ tọa độ khớp

1 Trục zi được chọn dọc theo trục khớp động thứ i.

2 Trục xi được chọn theo đường vuông góc chung của hai trục zi và

zi+1, hướng từ zi tới zi+1 Nếu trục zi cắt trục zi+1 thì hướng trục xiđược chọn tùy ý Nếu zi // zi+1 có vô số đường vuông góc chung, trục xi được chọn hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được.

3 Gốc tọa độ Oi là giao điểm của xi và zi.

4 Trục yi được chọn sao cho {Oxyz}i là hệ qui chiếu thuận.

3.2 Các tham số động học Craig

- αi-1 : góc quay quanh trục xi-1 để trục zi-1 tiến tới z’i song song với trục zi ( // zi)

- ai-1 : đoạn dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi-1 để gốc Oi-1 tiến O’i

(O’i là giao điểm trục xi-1 và zi)

- θi : góc quay quanh trục zi để trục xi-1 tiến tới x’i- (x’i // xi)

- di : đoạn dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi- để trục x’i tiến tới trục xi (hay điểm O’i tiến tới điểm Oi)

Trang 38

3.3 Ma trận Craig

Ta có thể chuyển hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 sang hệ tọa độ khớp

(Oxyz)i bằng bốn phép biến đổi cơ bản như sau:

- quay quanh trục xi-1 một góc αi-1

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

Trang 39

Bài giảng: Động lực học thuận Robot công nghiệp.

Trang 40