Đồ án THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Khái niệm về robot công nghiệp Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau: Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp: Robot công nghiệp là

Trong quá trình học môn ĐỒ ÁN : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ chúng em còn nhiều thiết sót, mong thầy chỉ bảo thêm cho em . 

             Sinh viên thực hiện: 

17   

44 

45  

50 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Khái niệm về robot công nghiệp

Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau: 

Theo tiêu chuẩn AFNOR của 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 trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. 

Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (Robot institute of America): Robot là một tay máy 

vạn năng có thể lặp lại các chương trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau. 

Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga: Robot công nghiệp là một máy tự động, 

được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. 

thiếu được của các hệ  thống sản xuất linh hoạt. 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. 

1.2 Sự phát triển của Robot công nghiệp trên thế giới 

Thuật ngữ  “Robot”  xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc  tạp  dịch  trong  vở  kịch  Rossum’s  Universal  Robots    của  Karel  Capek,  vào  năm 

1921. 

Thuật  ngữ  Industrial  Robot  (IR)  xuất  hiện  đầu  tiên  ở  Mỹ  do  công  ty  AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo, mô phỏng một thiết bị có dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động, thực hiện một số thao tác sản xuất có tên gọi là “Versatran”. 

Quá trình phát triển của Robot công nghiệp được tóm tắt như sau: 

-  Năm 1950 ở Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên. 

- Đầu năm 1960 công ty AMF cho ra đời sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran. 

- Từ năm 1967, ở Anh, người ta đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ. 

-  Từ năm 1970, việc nghiên cứu các tính năng của robot đã được chú ý nhiều hơn và cũng bắt đầu xuất hiện ở các nước Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển. 

-  Từ năm 1968, ở Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu những ứng dụng của IR. 

-  Từ những năm 1980, nhất là vào những năm 1990, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng với nhiều tính năng vượt bậc. Chính vì vậy mà robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại như hiện nay . 

Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR trong số đó bao gồm: 

- 30 công ty của Mỹ, ta có thể lấy một số công ty điển hình như: Robots.Pro, Vecna Robotics, Robot Dynamics…cùng với những sản phẩm nổi tiếng như: robot lấy sách tự động, robot HOAP-3, robot BEAR, robot tự hành Spirit and Opportunity… 

vĩ cầm, robot phẫu thuật…… 

Ngoài  ra,  trên  thế  giới  còn  có  90  công  ty  của  Tây  Âu  và  một  số  công  ty  của  Nga, Tiệp….Do đó, ta có thể thấy rằng robot là một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng không thể thiếu của những nước phát triển. 

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 

25 năm vừa qua. Nhiều đơn vị trên toàn quốc đã thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về robot như: Trung tâm Tự động hoá-Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử -Tin học, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN… 

Bên cạnh đó, còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY doanh nghiệp thiết kế và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế. 

Các nghiên cứu về động học và động lực học robot được các khoa cơ khí, chế tạo  máy  ở  các  trường  đại  học  và  các  viện  nghiên  cứu  quan  tâm.  Ngoài  việc  tìm  các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại robot nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng 

và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế robot. 

Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú, từ các phương pháp điều khiển truyền thống như  PID,  phương  pháp  tính  mô  men,  phương  pháp  điều  khiển  trượt  đến  các  phương pháp điều khiển thông minh như: điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen 

và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho robot, các hệ visual servoing. 

1.3 Phân loại robot công nghiệp

 Phân loại theo kết cấu

- Phân loại theo kết cấu gồm có robot chuỗi hở và robot chuỗi kín. 

+ Robot chuỗi hở: là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và các khâu 

động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau. Mỗi khâu động được liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết. 

Hình 1.2: Robot cấu trúc song song

 Phân loại theo phương pháp điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển robot: Điều khiển hở và Điều khiển kín. 

+ Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén) 

mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển. Kiểu này đơn giản nhưng cho độ chính xác thấp. 

+ Điều khiển kín: (điều khiển kiểu servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ 

chính xác điều khiển. Có hai kiểu điều khiển servo: Điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour). 

- Kiểu điều khiển điểm-điểm: phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo 

đường  thẳng  với  tốc  độ  không  cao.  Kiểu  điều  khiển  này  thường  được  dùng  trên  các Robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh và bắn đinh. 

- Điều khiển contour: đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kì, với 

tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các Robot hàn hồ quang và phun sơn. 

 Phân loại theo ứng dụng 

Dựa vào những ứng dụng của robot trong sản xuất ta có những loại robot sau: robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot dùng trong ngành dịch vụ, robot chuyển phôi. 

Hình 1.3: Robot sơn trong công nghiệp

Hình 1.4 Robot hàn trong công nghiệp

1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp

 Trên thế giới

Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt.Có thể 

kể đến một số ứng dụng điển hình của robot trên thế giới như:Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB 660 Flex Palletizer,  IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker Các robot này có thể gắp lần lượt các hộp vắc xin bại liệt từ băng 

tải và đặt nó vào thùng gồm 20 hộp một cách chính xác. 

Hình 1.5: Robot dùng trong nghành dược phẩm

 Tại Việt Nam 

Ở nước ta, ứng dụng của robot công nghiệp rất đa đạng, tùy vào những nghành, công việc khác nhau mà ta có thể áp dụng những robot công nghiệp riêng biệt. Dưới đây là một số nghành trong hệ thống sản xuất mà áp dụng robot công nghiệp. 

 Công nghiệp đúc: robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép 

thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát. 

Hình 1.8: Robot dùng để làm sạch sản phẩm

 Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều 

công việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làm việc khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập. 

Hình 1.9: Robot Hàn

 Ngành gia công và lắp ráp: robot thường được sử dụng vào những việc như tháo 

lắp phôi và sản phẩm cho các máy ra công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán 

tự động. 

Hình 1.10: Robot lắp ráp sản phẩm

Ngoài ra, robot còn có nhiều lĩnh vực được nghiên cứu như  robot dịch vụ, robot dùng trong lĩnh vực quân sự, robot di động đồng thời kết hợp với nhận dạng và điều khiển trên cơ sở xử lý những thông tin hình ảnh, đặc biệt là kết hợp với xử lý ngôn ngữ. 1.5 Hệ thống điều khiển robot công nghiệp 

Hệ thống điều khiển robot thường được chia ra làm ba cấp độ: 

 Cấp hệ thống: Điều khiển robot thực hiện các nhiệm vụ nằm trong dây chuyền 

sản xuất. Cấp điều khiển này thường là hệ thống máy tính điều khiển trung tâm đưa ra các lệnh điều khiển thông qua mạng truyền thông. 

 Cấp điều khiển quỹ đạo: Tính toán quỹ đạo di chuyển của tay máy từ đó tính 

toán ra quỹ đạo vị trí tốc độ của từng khớp. Cấp này có thể sử dụng các máy tính công nghiệp hoặc các mạch vi xử lý, vi điều khiển, bộ điều khiển, bộ khuếch đại công suất được cung cấp bởi các hãng Siemens, Omron, Maxon. 

 Cấp điều khiển chấp hành: Là cấp điều khiển các cơ cấu chấp hành (động cơ 

servo, xi lanh thủy lực …) thực hiện các chuyền động theo vị trí, tốc độ đặt ra. Cấp này là các hệ điều khiển truyền động với các mạch vòng điều khiển vị trí tốc 

độ dòng điện… Và sự phức tạp của hệ truyền động này là sự thay đổi momen tải của các động cơ là rất nhiều khi các cánh tay robot vươn ra xa và co lại gần. Vì vậy đòi hỏi phải sử dụng các bộ điều khiển phức tạp. 

Tuy nhiên, không phải tất cả các robot đều thực hiện điều khiển theo các cấp điều khiển như vậy, có những robot chỉ hoạt động theo trình tự bằng các công tắc vị trí, hành trình với hệ thống truyền động hở. 

Vì vậy, phần cứng của hệ điều khiển truyền động robot về bản chất là các hệ truyền động thông thường: biến tần động cơ, hệ điều khiển động cơ điện một chiều, xoay chiều, 

hệ điều khiển động cơ bước, hệ điều khiển thủy lực, khí nén ….Và trong các tay robot công nghiệp thì người ta tích hợp tất cả thành phần này trong một tủ điện điều khiển các 

cơ cấu chấp hành của robot. 

1.6 Phần mềm vận hành và mô phỏng robot 

Hiện nay, có rất nhiều phần mềm giúp cho người vận hành có thể thiết kế và mô phỏng hoạt động của robot  một cách hiệu quả và chính xác. Quan  sát  một cách trực quan sự chuyển động của robot mà không cần phải làm thực tế, chúng ta có thể kể đến một số phần mềm được ứng dụng phổ biến: 

 Matlab & Simulink: Là công cụ hỗ trợ cho việc học toán, giải quyết giúp người 

học những vấn đề khó khăn cũng như mô phỏng những biểu đồ, đồ thị… và được ứng dụng trong nhiều môn học như: Toán, Lý, Công nghệ thông tin, Địa lý, Địa chất dầu khí và nhiều lĩnh vực khác. 

 Microsoft RDS: Là một trong những phần mềm thiết kế/mô phỏng robot tốt nhất 

vừa được phát triển bởi sự hợp tác giữa Microsoft và Dassault. Robot được thiết 

kế trong SolidWorks và sau đó được xuất sang phần mềm Microsoft VSE, phần mềm này sẽ mô phỏng hoạt động của robot. 

 RobotMastercam:    Là  một  modul  Robotic  được  tích  hợp  đầy  đủ,  xuất  phát  từ 

CAD/CAM dựa trên nền tảng các chương trình dành cho robot, cho phép người 

Ngoài ra, còn một số phần mềm khác như: Easy-rob, Labview, DSpace…. Tuy nhiên, việc sử dụng các phần mềm khác nhau để mô phỏng và giám sát hoạt động của robot cũng phụ thuộc vào mục đích, hoàn cảnh và những điều kiện khách quan khác. 

1.7 Thuật toán điều khiển robot 

Khi tiến hành thiết kế một hệ thống điều khiển tự động nói chung, công việc đầu tiên là ta phải xây dựng mô hình toán học cho đối tượng. Công việc này giúp ta hiểu biết thêm về đối tượng, giúp ta thành công trong việc tổng hợp bộ điều khiển. 

Một việc quan trọng không kém giúp ta giải quyết tốt bài toán là lựa chọn luật điều khiển cho hệ thống. Từ mô hình và yêu cầu kĩ thuật ta phải chọn luật điều khiển thích hợp cho hệ thống, để kết quả của việc thiết kế hệ thống có thể đáp ứng được theo mong muốn của người vận hành và điều khiển. 

Hiện nay trong thực tế có rất nhiều thuật toán điều khiển khác nhau, ta có thể liệt kê một số kiểu điều khiển: 

 Kiểu điều khiển PID: là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển, được sử dụng rộng 

rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển này tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn, và 

sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. 

Hình 1.11: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

 Kiểu điều khiển thích nghi: là tổng hợp các kĩ thuật nhằm tự động chỉnh định các 

bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độ 

Hình 1.12: Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi dựa theo mô hình

 Kiểu điều khiển Back-steping:  hay  còn  gọi  là  kiểu  cuốn  chiếu  là  một  phương 

pháp thiết kế bộ điều khiển nhiều triển vọng cho đối tượng phi tuyến. Kiểu điều khiển này thực sự thể hiện sức mạnh của nó khi được áp dụng cho hệ thống có những thành phần bất định. 

Hình 1.13: Sơ đồ khối bộ điều khiển Back-steping

Bên cạnh đó còn có rất nhiều các kiểu điều khiển khác nhau: kiểu điều khiển mờ, kiểu điều khiển phản hồi tuyến tính, kiểu điều khiển trượt, kiểu điều khiển mờ-noron. Tùy thuộc vào từng điều kiện làm việc, yêu cầu kĩ thuật và mô hình đối tượng mà ta chọn thuật toán điều khiển  

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D ROBOT

Sử dụng phần mềm thiết kế 3D Solidwork 

2.1 Mô hình 3D của robot 6 bậc tự do RRRRRR

Mô hình robot không gian 6 bậc tự do đc thiết kế như sau: 

Hình 2.1: Mô hình 3D của ROBOT PUMA 

Hình 2.2: Mô hình ROBOT không gian 6 bậc tự do RRRRRR mô phỏng cơ cấu. 

2.2 Các khâu của robot 

Hình 2.5 Khâu 2

Hình 2.6 Khâu 3

Hình 2.7 Khâu 4

Hình 2.8 Khâu 5

Hình 2.9 Khâu 6

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC ROBOT.TÌM

MIỀN LÀM VIỆC CỦA ROBOT

 : dịch chuyển dọc trục   để điểm  ′  chuyển đến điểm   

 : góc quay quanh trục   sao cho trục  ′ ( ′ // ) trùng với trục 

3.3 Thiết lập bộ thông số động học theo Denavit-Hatenberg

- Dạng tổng quát của ma trận  Denavit-Hartenberg cho các khâu 

sinθ 0 -cosθ a sinθ

A = A A A A A A       

0(C1.C2.C3-C1.S2.S3).S4-S1.C4).S6 

A6 [1,1] = (((C1.C2.C3-C1.S2.C3).C4+S1.S4).C5+(-C1.C2.S3-C1.S2.C3).S5).C6+(-0(C1.C2.C3-C1.S2.S3).S4-S1.C4).C6 

A6 [1,2]=-(((C1.C2.C3-C1.S2.S3).C4-S1.S4).C5+(-C1.C2.S3-C1.S2.C3).S5).S6+(-0A6 [1,3]=((C1.C2.C3-C1.S2.S3).C4-S1.S4).S5-(-C1.C2.S3-C1.S2.C3).C5 

0

A6 [1,4]=(((C1.C2.C3-C1.S2.S3).C4-S1.S4).S5-(-C1.C2.S3-S1.d2 

C1.S2.C3)C5).d6+(C1.C2.S3+C1.S2.C3).d4+C1.C2.a3.C3-C1.S2.a3.S3+C1.a2.C2-0(S1.C2.C3-S1.S2.S3).S4+C1.C4).S6 

A6 [2,1]=(((S1.C2.C3-S1.S2.S3).C4+C1.S4).C5+(-S1.C2.S3-S1.S2.C3).S5).C6+(-0(S1.C2.C3-S1.S2.S3).S4+C1.C4).C6 

A6 [2,2]=-(((S1.C2.C3-S1.S2.S3).C4+C1.S4).C5+(-S1.C2.S3-S1.S2.C3).S5).S6+(-0A6 [2,3]=((S1.C2.C3-S1.S2.S3).C4+C1.S4).S5-(-S1.C2.S3-S1.S2.C3).C5 

-  Khi đó, ma trận (3.8)  được kí hiệu thành 0 A6( )q  

Sử dụng các góc Cardan xác định hướng của vật rắn. Ta gọi x E,y E,z E, , ,   là giá trị mô tả trực tiếp vị trí và hướng của EX6Y6Z6 so với hệ tọa độ O0Z0Y0Z0. Trong đó:  

x E,y E,z E là các tọa độ điểm tác động cuối E và [ , , ] là các góc quay Cardan của EX6Y6Z6 so với hệ tọa độ O0Z0Y0Z0. Do các tọa độ thao tác đều là hàm của thời gian. Nên ta có thể biểu diễn:  

Hình 3.3 Đồ thị YE theo t

Hình 3.4 Đồ thị ZE theo t

Hình 3.5 Đồ thị quỹ đạo chuyển động của điểm tác động cuối trong không gian

 Vận tốc điểm thao tác cuối

(0) (0)

Ex 0

(0)

(0)(12)

E R

Ez

E

d x dt v

Hình 3.6 Đồ thị vận tốc của khâu thao tác cuối

 Gia tốc điểm thao tác cuối

(0) (0)

Ex 0

(0)

(0)(13)

Ex R

Ez

Ez

d v dt a

3.5.2 Xác định vận tốc góc và gia tốc góc các khâu thao tác

 Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác:

3.6.Bài toán động học ngược

3.6.1 Giải bằng phương pháp giải tích

Trong thực tế, thường ta biết trước vị trí và hướng mà khâu chấp hành cuối của robot cần đạt đến. Điều ta cần biết là giá trị của các biến khớp (góc quay) tại mỗi thời điểm 

+m<n : Robot có cấu trúc dư dẫn động. Khi đó bài toán có nhiều nghiệm, do vậy người 

ta đưa vào các điều kiện rằng buộc cho khâu thao tác. 

+m>n : Để bài toán có nghiệm thì cần có các rằng buộc điều kiện về tọa độ suy rộng.         Bài toán động học ngược là rất khó, đối với tay máy 6 khớp có ba khớp cuối đồng quy tại một điểm, ta có thể tách bài toán động học ngược thành hai bài toán đơn giản hơn là động học ngược vị trí và động học ngược hướng 

Vị trí của tâm cổ tay,  xác định qua vị trí công cụ và phương của Z6 .Do đó vị trí của tâm cổ tay phụ thuộc vào 3 biến khớp đầu tiên. 

Các biến khớp   xác định từ ma trận định hướng cổ tay   và ma trận định hướng công cụ   

T

0 3

T

6 6 6

0

6

 Khai triển hệ phương trình liên kết ta được: 

n

