KHẢO sát ĐỘNG học ROBOT bốn bậc tự DO DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ sơn

Định nghĩa robot công nghiệp: Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot, có thể điểm qua một số định nghĩa sau: Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển

Ngày tháng năm

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN

(Dành cho người hướng dẫn/phản biện)

1 Họ và tên SV: Kiều Đức Vũ

MSSV: K0304384 Ngành (chuyên ngành): Cơ Kỹ Thuật

2 Đề tài: Khảo sát động học robot 4 bậc tự do ứng dụng trong công nghệ s ơn

3 Họ tên người hướng dẫn/phản biện:

4 Tổng quát về bản thuyết minh:

- Số bảng số liệu: - Số hình vẽ:

- Số tài liệu tham khảo: - Phần mềm tính toán:

Hiện vật (sản phẩm):

5 Tổng quát về các bản vẽ

- Số bản vẽ: 1 A0

- Số bản vẽ vẽ tay: 00 Số bản vẽ trên máy tính: 00

6 Những ưu điểm chính của LVTN: ……… ……

……… ………

……… ………

……… ………

……….…… ……… …………

7 Những thiếu sót chính của LVTN : ………

……… ……… ………

……… ………

……… ………

……….…… ……… …………

8 Đề nghị: Được bảo vệ  Bổ xung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ 9 Câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng (CBPB ra ít nhất 02 câu) a ………

………

b … ………

…….………

c ……… …

……… Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB) : Điểm _/10

Ký tên (ghi rõ họ tên)

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CƠ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT

BỐN BẬC TỰ DO DÙNG TRONG

CÔNG NGHỆ SƠN

GVHD: TS PHAN TẤN TÙNGSVTH : KIỀU ĐỨC VŨ

MSSV : K0304384

TP HCM, THÁNG 1/2009

Tp HCM, Tháng 1/2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Khảo sát động học robot bốn bậc tự do d ùng trong công nghệ sơn

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

Robot sơn được trong mặt phẳng có kích th ước tối đa 1500  850mm

Thuyết minh: (6070 trang A4)

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Động học robot

Chương 3: Thiết kế động học robot 4 bậc tự do

Chương 4: Thiết kế nguyên lý bộ điều khiển

Chương 5: Mô phỏng robot 4 bậc tự do

Kết luận

Bảng vẽ: 1 A0

Lập trình: Mô phỏng bằng Simulink

3 Ngày giao nhiệm vụ luận án: 15 tháng 9 năm 2008

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 tháng 12 năm 2008

5 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn:

1 TS Phan Tấn Tùng Toàn phần

(Bm Cơ Diện Tử - Khoa Cơ Khí)

Nội dung yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn:

Ngày 20 tháng 10 năm 2008

(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)

TS Phan Tấn Tùng PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt (chấm sơ bộ):

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Luận văn tốt nghiệp là giai đoạn cuối của một sinh vi ên trải qua sau những năm học tập

để trở thành một kỹ sư và có thể hoạt động trên lĩnh vực mà mình đã chọn sau khi hoàn thành chương trình đào tạo trong trường Đại học Quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp là quá trình đầu tư nghiêm túc của sinh viên, bên cạnh là các thầy cô giáo luôn động vi ên, giúp đỡ các sinh viên của mình Do đó, để hoàn tất đề tài luận văn một phần không nhỏ l à nhờ công

ơn của các thầy cô giáo đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em Đó cũng chính l à cơ sở và động lực để em hoàn thành tốt luận văn của mình.

Cảm ơn thầy Phan Tấn Tùng, thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giảng dạy và đã rất nhiệt tình cùng em đi suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn.

Cũng xin gởi lời cảm ơn đến các thầy cô Bộ môn C ơ Kỹ Thuật, đến các thầy cô trực tiếp giảng dạy em đồng thời gởi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên lớp KU03BCKT đã động viên

và đóng góp ý kiến giúp đỡ em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp cũng nh ư hoàn thành tốt chương trình đào tạo của trường.

Lời cuối cùng, con xin được dành để cảm ơn cả gia đình, đặc biệt là Cha Mẹ đã dưỡng dục và luôn quan tâm con để con có được ngày hôm nay.

Do sự hạn chế về thời gian cũng như trình độ nên bản luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót rất mong những góp ý, những lời nhận xét bổ sung của các thầy cô và các bạn sinh viên.

Xin chân thành cảm ơn!

Đề tài “Khảo sát động học robot bốn bậc tự do d ùng trong công nghệ sơn” nhằm tìm hiểu các vấn đề sau:

– Tìm hiểu về robot, nghiên cứu tính toán khái quát động học cho robot công nghiệp, từ

đó áp dụng tính toán động học cho robot bốn bậc tự do sơn được trong mặt phẳng.

– Tính toán động học nhằm tìm hiểu nguyên lý hoạt động của robot, khả năng chuyển động linh hoạt của các khâu l àm cho khâu tác động cuối chuyển động theo một quỷ đạo mong muốn hoặc chuyển động từ điểm n ày đến điểm kia theo thời gian mong muốn Mục tiêu của việc tính toán động học l à định vị và định hướng của điểm tác động cuối tại mọi thời điểm Trong tính toán động học có hai bài toán quan trọng là bài toán thuận và bài toán ngược Ngoài ra còn có bài toán vận tốc.

– Tính toán bài toán thuận để tìm vị trí và hướng của điểm tác động cuối so với hệ tọa độ gốc Tính toán bài toán động học ngược với kết quả là bộ nghiệm gồm các góc θ 1 , θ 2 , θ 3 Tính toán bài toán vận tốc để tìm mối quan hệ giữa vận tốc các khớp với vận tốc dài của điểm tác động cuối.

– Dựa vào bài toán vận tốc để đưa ra luật điều khiển cho robot theo quỹ đạo , từ đó đưa ra nguyên lý của bộ điều khiển cho robot.

– Tiến hành mô phỏng robot bốn bậc tự do bằng Simulink (một công cụ mô phỏng của phần mềm Matlab) với nhiệm vụ của robot là sơn được trong mặt phẳng, để thấy được quá trình hoạt động của robot trong không gian ảo Đồng thời, thông qua kết quả mô phỏng nhằm kiểm tra đánh giá khả năng hoạt động của robot cũng nh ư kiểm tra kết quả tính toán

Trang bìa……… …… i

Nhiệm vụ luận văn……… …… ii

Lời cảm ơn……… …… iii

Tóm tắc……… … iv

Mục luc……… … v

Danh sách hình vẽ……… ……… vii

Danh sách bảng biểu……… … x

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN……… 1

1.1 Sơ lượt quá trình phát triển của robot công nghiệp ……….… 1

1.2 Ứng dụng của robot trong công ng hệ sơn ……….… 3

1.3 Định nghĩa robot công nghiệp ……… 5

1.4 Các yêu cầu kỹ thuật ……… 7

1.4.1 Các đặt tính của robot công nghiệp ……… 7

1.4.2 Hệ thống chuyển động của robot ……… ……….8

1.5 Một số hình ảnh về robot sơn……… …11

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC ROBOT……… … 13

2.1 Động học vị trí robot ……… …13

2.1.1 Biểu diễn ma trận ……… ……13

2.1.2.Các phép biến đổi……… ………….16

2.1.3 Nghịch đảo của ma trận phép biến đổi ……… .25

2.2 Động học thuận của các cấu hình robot điển hình.……… …26

2.2.1 Phương trình động học vị trí thuận biểu diễn vị trí ……… ….26

2.3 Động học thuận robot ……… …… 33

2.3.1 Tham số của thanh nối và khớp ……… …… 33

2.3.2 Phương pháp thi ết kế khung tọa độ - Phép biểu diễn Danevit-Hartenberg …33

2.3.3 Quan hệ giữa hai khung tọa độ i v à i + 1 ……… …34

2.3.4 Phương trình động học ……… 35

2.3.5 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của robot ……… … 36

2.4 Động học ngược robot ……… 37

2.4.1 Các điều kiện giải bài toán động học ngược ……… 37

2.4.2 Lời giải của phép biến đổi Euler ……… …38

2.4.3 Lời giải của phép biến đổi Roll-Pitch-Yaw (RPY)……… … 40

2.5 Động học vận tốc……… …….42

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC ROBOT ……… ……44

3.1 Mô hình ……… …….44

3.2 Giải bài toán động học thuận của đề tài……… …… 45

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ BỘ ĐIỀU KHIỂN……… ……….52

4.1 Xây dựng ma trận Jacobian……… …………52

4.2 Động học vận tốc……… ……… 55

4.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ……… 56

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG ROBOT BẰNG SIMULINK ……… 58

5.1 Giới thiệu sơ lượt về Simulink……… .58

5.2 Mô phỏng robot bằng Simulink……… 60

5.2.1 Các khối chính được sử dụng……… …60

5.2.2 Chương trình mô phỏng……… ……… …62

5.2.3 Kết quả mô phỏng……… ….66

STT Hình Tên hình Trang

1 1.1 Robot đang thực hiện các nhiệm vụ sơn phức tạp cho khung ô tô 3

4 1.4 Robot phun sơn được trang bị thiết bị tay cuối tháo l ắp dễ dàng 6

6 1.6 Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp 9

10 1.10 Một số Robot sơn loại lớn của tập đoàn ABB 11

11 1.11 Một số hình ảnh về robot sơn loại nhỏ của tập đoàn ABB 12

13 2.2 Biểu diễn khung tọa có trùng gốc với khung tọa độ chuẩn 14

14 2.3 Biểu diễn khung tọa độ B trong khung tọa độ A 14

14 2.4 Biểu diễn phép biến đổi tịnh tiến đ ơn trong không gian 16

16 2.5 Tọa độ điểm P trước và sau khi quay trong khung t ọa độ B 17

17 2.6 Tọa độ điểm P trong khung tọa độ gốc v à khung tọa độ quay nhìn từ trục X 18

26 2.15 Phép biến đổi quay Euler 32

40 5.5 Chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển khớp 1 63

41 5.6 Chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển khớp2 64

42 5.7 Chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển khớp3 65

43 5.8 Chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển khớp tịnh tiến 65

44 5.9 Hình dạng robot tại sec 5 trong không gian 3 chiều 66

45 5.10 Hình dạng robot tại sec thứ 5 trong mặt phẳng X -Y 66

46 5.11 Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục X -Y tại sec thứ 5 67

47 5.12 Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z tại sec thứ 5 67

48 5.13 Đồ thị các góc θ 1 , θ 2 , θ 3 tại sec thứ 5 68

49 5.14 Đồ thị vận tốc V x , V y , V z tại sec thứ 5 69

52 5.17 Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục X -Y tại sec thứ 20 71

53 5.18 Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z tại sec thứ 20 71

54 5.19 Đồ thị các góc θ 1 , θ 2 , θ 3 tại sec thứ 20 72

55 5.20 Đồ thị vận tốc V x , V y , V z tại sec thứ 5 73

56 5.21 Hình dạng robot tại sec thứ 100 trong không gian 3 chiều 74

57 5.22 Hình dạng robot tại sec thứ 100 trong mặt phẳng X -Y 74

58 5.23 Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục X-Y tại sec thứ 100 75

59 2.24 Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z tại sec thứ 100 75

60 5.25 Đồ thị các góc θ 1 , θ 2 , θ 3 tại sec thứ 100 76

61 5.26 Đồ thị vận tốc V x , V y , V z tại sec thứ 100 77

62 5.27 Hình dạng robot tại sec thứ 150 trong không gian 3 chiều 78

63 5.28 Hình dạng robot tại sec thứ 150 trong mặt phẳng X -Y 78

64 5.29 Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục X -Y sec thứ 150 79

65 5.30 Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z sec thứ 150 79

66 5.31 Sai số trong quỹ đạo chuyển động tại sec 151 theo ph ương X 80

67 5.32 Hình dạng robot tại sec thứ 300 trong không gian 3 chiều 81

68 5.33 Hình dạng robot tại sec thứ 300 trong mặt phẳng X-Y 81

69 5.34 Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục X -Y tại sec thứ 300 82

70 5.35 Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z tại sec thứ 300 82

STT Bảng Tên bảng Trang

1 2.1 Tóm tắt các dạng phương trình động học 32

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lượt quá trình phát triển của robot công nghiệp (IR : Industrial Robot):

Thuật ngữ “Robot” xuất phá từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa l à công việc tạp dịch

trong vỡ kịch Rossum’s Universal Robots c ủa Karel Capek, vào năm 1921 Trong vỡ kịch

này, Rossum và con trai c ủa ông đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con ng ười để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nh à sáng chế kỹ thuật về cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người.

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng v à gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ng ày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ng ày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật

ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) và các máy công cụ điều khiển số (NC – Nummerically Controlled machine tool).

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng y êu cầu gia

công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết

giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập tr ình của máy công cụ điều khiển số.

Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển robot công nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu ti ên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF,

Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ cũng xuất hiện loại robot Unimate – 1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô.

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh – 1967; Thụy Điển

và Nhật – 1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức – 1971; Pháp – 1972; Ý – 1973…

Từ những năm 70 việc nghi ên cứu nâng cao tính năng của robot đ ã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi tr ường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Standford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực v à thị giác (mắt – tay) Vào thời gian này công

ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm giác v à cảm biến lực điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết.

Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng r ãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử

lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại.

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất Xu h ướng tạo ra những dây chuyền về thiết bị tự động

có tính linh động cao đang hình thành Các thiết bị nầy đang thay thế dần các máy tự động

“cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị tr ường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và về tính năng v.v…Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu c ầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Còn ở Việt Nam, trong giai đoạn tr ước năm 1990 hầu như trong nước hoàn toàn chưa du nhập về kỹ thuật robot, thậm chí ch ưa nhận được nhiều thông tin về lĩnh vực n ày Giai đoạn tiếp theo từ năm 1990 các ng ành công nghiệp trong nước bắt đầu đổi mới Nhiều c ơ sở đã nhập ngoại nhiều dây chuyền thiết bị mới Đặc biệt l à các cơ sở liên doanh với nước ngoài đã nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ cho các công việc nh ư: Tháo lắp các dụng cụ cho các trung tâm gia công và các máy CNC, lắp ráp các linh kiện điện tử, tháo sản phẩm ở các máy

ép nhựa tự động, hàn võ xe ô tô, phun phủ các bề mặt…

Tháng 4 năm 1998, nhà máy Rorze/Robotech bư ớc vào hoạt động, là nhà máy đầu tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp robot Đó là loại robot có cấu trúc đơn giản nhưng rất chính xác dùng trong sản xuất chất bán dẫn.

Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển sau.

Bảng 1.1: Bảng thông số quá trình phát triển của robot ở một số nước

1.2 Ứng dụng của robot trong công nghệ s ơn.

Ngày nay yêu cầu sản xuất những sản phẩm chất lượng cao với sản lượng tối đa và giá thành thấp nhất có thể đang là động lực thúc đẩy các nhà sản xuất đưa robot phun sơn vào sàn máy.

Robot sử dụng trong sản xuất công nghiệp đ ã rất đổi quen thuộc và trở thành công cụ triển vọng trong 10 năm trở lại đây Kinh nghiệm chuyển h ướng sang ứng dụng robot v ào sản xuất của ngành công nghiệp ô tô được lấy làm bài học cho nhiều ngành công nghiệp khác có tốc độ ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất rất chậm.

Hình 1.1: Robot đang cần mẫn thực hiện các nhiệm vụ sơn phức tạp cho khung ô tô

Nhìn chung, robot được sử dụng thay thế con ng ười và các máy móc khác trong t ừng công việc cụ thể Robot có thể l àm việc trong môi trường nguy hiểm, lặp đi lặp lại, v à những công việc có yêu cầu kỹ thuật cao Có thể lập trình và tái lập cho nhiều công việc khác nhau, v à có khả năng thao tác với tốc độ nhanh h ơn con người.

Phun sơn cũng là công việc có hại cho sức khỏe công nhân Môi tr ường làm việc ồn, sử dụng nhiều hóa chất có thể gây ung th ư, phải bê súng phun, và làm những việc lặp đi lặp lại.

Để bảo vệ nhân viên khỏi môi trường độc hại này, có nhiều biện pháp bảo hộ lao động đ ược đưa ra như quần áo và mặt nạ bảo hộ Nhưng những thứ này lại gây bất tiện cho công nhân trong khi làm việc.

a) b)

Phun sơn thủ công cần nhiều phụ phí đầu t ư và hoạt động như thiết bị cấp khí lớn, chi phí đào tạo nhân viên, và lương cho công nhân C òn đối với phun sơn sử dụng robot, mặc dù ban đầu cần một lập trình viên thành thạo, nhưng sau đó robot làm việc ngày đêm, không cần giám sát viên, không c ần phải đào tạo nâng cao tay nghề, và những sản phẩm ra đời có chất lượng đồng đều, độ tin cậy cao Ngo ài ra, robot còn có thể mang những thiết bị nh ư súng phun sơn có khối lượng lớn hơn nhiều so với con người.

Những lý do khác để sử dụng robot trong ng ành phun sơn gồm khối lượng sản xuất lớn,

sự đa dạng trong sản phẩm cần s ơn, giá thành nhân công, an toàn trong lao đ ộng, giá vật liệu, kích cỡ và độ phức tạp của sản phẩm

Ngày nay, robot phun sơn đ ang được sử dụng được sử dụng trong nhiều ng ành khác nhau như trong ngành sản xuất ô tô, sơn vỏ điện thoại di động, máy tính, sứ vệ sinh, máy biến thế,

vỏ tủ điện, thiết bị gia dụng Trong công đoạn phun s ơn, robot được sử dụng nhằm nâng cao

Hình 1.2: Công nhân đang làm việc phun sơn

động nhuần nhuyễn, lặp đi lặp lại chính xác cao của robot cho ra đời những sản phẩm có bề mặt sơn đều, bóng, chất lượng cao Những lợi ích m à robot mang lại là chất lượng sản phẩm cao hơn, tận dụng tối đa sơn, sản lượng cao hơn và không còn độc hại tới sức khỏe con ng ười Những nhà sản xuất sử dụng robot có đ ược những sản phẩm rất cạnh tranh m à vẫn đáp ứng được thị hiếu thích đồ rẻ chất l ượng cao của khách hàng.

1.3 Định nghĩa robot công nghiệp:

Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot, có thể điểm qua một số định nghĩa sau:

Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp):

Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập tr ình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ; có khả năng định vị, định h ướng,

di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp…theo những h ành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.

Hình 1.3: Robot đang sơn(a) và sản phẩm sơn (b)

Hình 1.4: Robot phun sơn được trang bị thiết bị tay cuối tháo lắp dễ d àng

Định nghĩa theo RIA (Robot indtitite of America):

Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các ch ương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị c huyên dùng thông qua các chương tr ình chuyển động có thể thay đổi để ho àn thành các nhiệm vụ khác nhau.

Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (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 lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

Có thể nói robot công nghiệp l à một tay máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau.

Robot công nghiệp với khả năng chương trình linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng Robot công nghiệp đ ược trang bị những bàn tay máy hoặc các

cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá tr ình công nghệ, hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguy ên công (sơn, hàn, phun ph ủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy…) hoặc phục vụ các quá tr ình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá…) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy linh hoạt, được gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất th ay đổi.

1.4 Các yêu cầu kỹ thuật.

1.4.1 Các đặt tính của robot công nghiệp.

Tải trọng: Là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một số đặt tính

nào đó Tải trọng lớn nhất lớn h ơn tải trọng định mức nhiều, nh ưng robot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức, vì khi đó robot không đảm bảo được độ chính xác di chuyển.

Ví dụ, robot LR Mate 200iB (h ình 1.5) của hãng Fanuc có trọng lượng 45kg chỉ mang trọng lượng 5kg.

Hình 1.5: Robot LR Mate 200iB Tầm với: Là khoảng cách lớn nhất robot có thể v ươn tới trong phạm vi làm việc Tầm

với là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc của robot.

Độ phân dãi không gian: Là lượng gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di

chuyển trong không gian Độ phân d ãi phụ thuộc vào độ phân dãi điều khiển và độ chính xác

cơ khí Độ phân dãi điều khiển xác định bởi độ phân d ãi hệ thống điều khiển vị trí v à hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp đ ược địa chỉ hóa trong bộ điều khiển của robot;

Độ di chuyển của robot l à tổng các dịch chuyển th ành phần Do đó dộ phân dãi của cả robot là tổng các độ phân dãi các từng khớp robot;

Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu truyền động các khớp v à khâu phản hồi của hệ thống điều khiển secvơ sẽ ảnh hưởng đến độ phân dãi Các yếu tố làm giảm độ chính xác cơ khí như khe hở trong hộp truyền, rò rỉ của hệ thống thủy lực, tải trọng tr ên tay robot, tốc độ di chuyển, điều kiện bảo dưỡng robot, … Độ chính xác c ơ khí làm giảm độ phân dãi.

Độ chính xác: Đánh giá độ chính xác vị trí tay robot có thể đạt đ ược Độ chính xác

được định nghĩa theo độ phân d ãi của cơ cấu chấp hành Độ chính xác di chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ nhất của khớp.

Độ lặp lại: Đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm trong nhiều lần

hoạt động (ví dụ 100 lần) Do một số yếu tố mà robot không thể với tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm với của robot nằm trong một v òng tròn với tâm là điểm đích mong muốn Bán kính của đường tròn đó là độ lặp lại.

Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan trọng hơn độ chính xác Độ chính xác được đánh giá bằng sai số cố định; sai số cố định có thể phán đoán được và có thể hiệu chỉnh bằng chương trình Nhưng sai số ngẫu nhiên sẽ khó có thể khử được.

Độ nhún: Biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lực hoặc mômen

tác dụng.

1.4.2 Hệ thống chuyển động của robot.

Hệ thống chuyển động robot công nghiệp đảm bảo cho robot có thể thực hiện các nhiệm

vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của th ân, cánh tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt tr ước.

1.4.2.1 Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Free dom)

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một c ơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến).

Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, c ơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Nói chung c ơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do (w) của nó có thể tính theo công thức:

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không gian 3 chi ều robot cần 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng Một số công việc đơn giản nâng, hạ, sắp xếp… có thể y êu cầu số bậc tự do ít hơn Các robot hàn,

sơn… thường yêu cầu 6 bậc tự do Trong một số tr ường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hóa quỹ đạo,… người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6.

1.4.2.2 Hệ tọa độ

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) li ên kết với nhau qua các biến khớp (joints) tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu c ơ bản (base) đứng yên Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản (hay hệ tọa độ chuẩn).

Các hệ tọa độ trung gian gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng Trong từng thời

điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch d ài

hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (h ình 3.7) Các tọa độ suy rộng còn được gọi là các biến khớp.

Hình 1.6: Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp

Hình 1.7: Các tọa độ suy rộng của robot

Các hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải: Dùng tay

phải, nắm hai ngón tay út v à áp vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón: c ái, trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương chiều của trục y (hình 3.8)

1.4.2.3 Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion)

Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot l à toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp h ành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể Tr ường công tác thường bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp.

Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot (h ình 1.9).

Hình 1.9: Biểu diễn trường công tác của robot

Hình 1.8: Quy tắc bàn tay phải

a) b) c)

Hình 1.11 Một số hình ảnh về robot sơn loại nhỏ của tập đoàn ABB

2.3 Động học thuận robot

2.3.1 Tham số của thanh nối và khớp

Xét hai khớp i và i + 1, thanh nối giữa hai khớp i và i + 1 (hình 2.16)

Như minh họa trên hình 2.16, ai là độ dài pháp tuyến chung của trục khớp i và i +1; αi là góc giữa hai trục khớp i và i +1 (góc giữa trục i +1 và đường thẳng song song trục i nằm trong mặt phẳng chứa trục i +1 và trực giao với pháp tuyến chung ai)

Tương tự trục khớp i-1 Pháp tuyến chung của trục khớp i và i-1 là ai-1

Khoảng cách giữa hai chân pháp tuyến chung của trục i là di Góc θi là góc giữa hai pháp tuyến chung của trục khớp i

Đối với khớp quay, θi là góc quay của khớp Do đó đặt θi là biến của khớp quay Đối với khớp tịnh tiến, di là độ dịch chuyển tịnh tiến của khớp, nên đặt di là biến của khớp tịnh tiến

2.3.2 Phương pháp thiết kế khung tọa độ - phép biểu diễn Danevit-Hartenberg

Để nghiên cứu quan hệ giữa các thanh nối, khớp và tay robot, ta đặt các khung tọa độ cho các thanh nối Theo phương pháp biểu diễn Danevit-Hartenberg (D-H), khung tọa độ thanh nối i được xây dựng theo nguyên tắc sau (hình 2.16)

 Gốc thanh tọa độ thanh i đặt trùng với chân pháp tuyến chung của trục i và i + 1 và nằm trên trục khớp i + 1

 Trục zi đặt theo phương của trục khớp i + 1

 Trục xi đặt thep phương pháp tuyến chung của trục i và i + 1 theo hướng đi từ trục

i đến i + 1

Một số trường hợp đặc biệt:

 Khi hai trục z cắt nhau: sẽ không có pháp tuyến chung giữa hai khớp Khi đó điểm gốc của thanh tọa độ là giao điểm của hai trục và trục x được đặt dọc theo đường vuông góc với mặt phẳng chứa hai trục z đó

 Hai trục song song, sẽ có nhiều pháp tuyến chung Khi đó chọn pháp tuyến chung trùng với pháp tuyến chung của khớp trước Gốc khung tọa độ chọn sao cho di là nhỏ nhất

 Đối với khớp tịnh tiến: khoảng cách di là biến khớp Hướng của trục khớp trùng với hướng di chuyển của khớp Hướng của trục được xác định, nhưng vị trí trong không gian không được xác định Khi đó chiều dài ai không có ý nghĩa nên đặt ai = 0 Gốc tọa độ đặt trùng với gốc thanh nối tiếp theo.

Hình 2.16: Thiết kế khung tọa độ thanh nối.

2.3.3 Quan hệ giữa hai khung tọa độ i và i + 1

Một cách tổng quát, quan hệ giữa hai khung tọa độ i và i-1 được xác định bằng các phép biến đổi theo thứ tự sau:

 Quay xung quanh trục zi-1 một góc θi sao cho trục xi-1 trùng với phương của trục

Hình 2.17: Quan hệ giữa hai khung tọa độ

Các phép biến đổi trên được thực hiện so với khung tọa độ hiện tại (khung tọa độ ngay trước đó) Do đó phép biến đổi tổng hợp được xác định như sau:

 ,  0, 0,   , 0, 0   , 

A  Rot z  Trans d Trans a Rot x 

Thay các ma trận của các phép biến đổi đơn vào (2-31), sau một số phép biến đổi, nhận được ma trận biểu diễn quan hệ giữa hai khung tọa độ i và i + 1 như sau:

Ví dụ, biểu thức (2-33) có thể được viết: Ti = 0Ti = A1.1Ti (2-34)Trường hợp i = n (robot có n khâu), với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với điểm tác động cuối thì từ (2-33) ta có:

(2-31)

Phương trình (2-36) là phương trình động học cơ bản của robot.

3.3.5 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của robot.

Để thiết lập hệ phương trình động học của robot, ta tiến hành theo các bước sau:

1) Chọn khung tọa độ cơ sở, gắn các khung tọa độ mở rộng lên các khâu

Việc gắn khung tọa độ lên các khâu đóng vai trò rất quan trọng khi xác lập hệ phương trình động học của robot, thông thường đây là phương pháp khó nhất Nguyên tắc gắn khung tọa độ lên các khâu đã được trình bày trong mục 3.1.3 này Trong thực tế, các trục khớp cùa robot thường song song học vuông góc với nhau, đồng thời thông qua các phép biến đổi của ma trận A ta có thể xác định các khung tọa độ gắn trên các khâu của robot theo trình tự sau:

 Giả định một vị trí ban đầu (vị trí mà các biến nhận giá trị ban đầu, thường bằng 0) của robot

 Chọn gốc tọa độ O0, O1, …

 Các trục Zi phải chọn cùng phương với các trục khớp động thứ i + 1

 Chọn trục xi là trục quay của zi thành zi + 1 và góc của zi với zi + 1 chính là αi + 1 Nếu

zi và zi + 1 song song hoặc trùng nhau thì ta có thể căn cứ theo nguyên tắc chung hay chọn xi theo xi + 1

 Các khung tọa độ phải tuân theo qui tắc bàn tay phải, như đã nêu trong mục 1.2.3

 Khi gắn khung tọa độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma trận

Ai(xem công thức 2-32) Đó là 4 phép biến đổi:

(2-36)

 , , 0,0, i,  i,0,0 ,  , i

Rot z  Trans d Trans a Rot x 

Nghĩa là ta coi khung tọa độ thứ i + 1 là biến đổi của khung tọa độ thứ i; các phép quay và tịnh tiến của biến đổi nầy phải là một trong các phép biến đổi của Ai, các thông số D-H cũng được xác định dựa vào các phép biến đổi nầy Trong quá trình gắn khung tọa độ lên các khâu, nếu xuất hiện phép quay của trục zi đối với zi-1 quanh trục yi-1 thì vị trí ban đầu của robot đã giả định là không đúng, ta cần chọn lại vị trí ban đầu khác cho robot

2) Lập bảng thông số D-H (Danevit-Hartenberg)

3) Dựa vào các thông số D-H xác định các ma trận Ai

4) Tính các ma trận T và viết các phương trình động học của robot

2.4.1 Các điều kiện giải bài toán động học ngược

Việc giài bài toán động học ngược của robot cần thỏa mãn các điều kiện sau:

1) Điều kiện tồn tại nghiệm:

Điều kiện này nhằm khẳng định: có ít nhất một tiệp nghiệm (θ1, θ2,…,θn,di) sao cho robot

vó hình thể cho trước (Hình thể là khái niệm mô tả tường minh của vectơ cuối Tn cả về vị trí

và hướng)

2) Điều kiện duy nhất của tiệp nghiệm :

Trong khi xác định các tiệp nghiệm cần phân biệt rõ hai loại nghiệm:

 Nghiệm toán (Mathematical Solution): Các nghiệm nầy thỏa mãn các phương trình cho trước của Tn

 Nghiệm vật lý (Physical Solution): Là các tiệp nghiệm toán, phụ thuộc vào các giới hạn vật lý (giới hạn về góc quay, kích thước…) nhằm xác định các tiệp nghiệm duy nhất

Việc giải hệ phương trình động học có thể được tiến hành theo hai phương pháp cơ bản sau:

 Phương pháp giả tích (Analytical Method): Tìm ra các công thức hay các phương trình toán giả tích biểu thị quan hệ giữa các giá trị của không gian biến trục và các thông số khác của bộ thông số D-H

 Phương pháp số (Numerical Method): Tìm ra các giá trị của tiệp nghiệm bằng kết quả của một quá trình lặp

2.4.2 Lời giải của phép biến đổi Euler.

Trong mục 2.2.2.2 ta đã nghiên cứu về phép biến đổi Euler để mô tả hướng của khâu chấp hành cuối: (ta giả thiết robot có 6 khâu)

E , ,   Rot z, Rot y, Rot z,

Tiệp nghiệm muốn tìm là các góc   , , khi đã biết ma trận biến đổi đồng nhất T6 (còn gọi là ma trận vectơ cuối), nếu ta có các giá trị số của các phần tử trong ma trận T6 thì có thể xác định được các góc Euler   , , thích hợp Như vậy ta có:

Trong đó f11, f12, f13 đã được định nghĩa ở (2-40), (2-41) và (2-42)

Khi tính toán vế trái, ta chú ý px, py, pz bằng 0 vì phép biến đổi Euler chỉ toàn phép quay không chứa một phép tịnh tiến nào, nên f11(p) = f12(p) = f13(p) = 0

Từ phương trình (2-43), cho cân bằng phần tử ở hàng 2 cột 3 ta có:

By Bx

k tg

k tg

(2-43)

(2-44)

 

2 Bx, By

  hoặc   arctg 2   kBx,  kBy

Như vậy phương trình (2-44) có một cặp nghiệm cách nhau 1800 (đây là nghiệm toán) và

có thể viết:  arctg k2 Bx,k By và   1800(hiểu theo cách viết lập trình máy tính).Nếu cả kBx, kBy đều bằng 0 thì góc  không xác định được Điều đó xảy ra khi bàn tay chỉ thẳng lên trên hoặc xuống dưới và cả hai góc  và  tương ứng với cùng một phép quay Điều này được coi là một phép suy biến (degeneracy), trong trường hợp này ta cho  = 0.Với giá trị của  nhận được, các phần tử ma trận ở vế bên trái của phương trình (2-43) sẽ được xác định Tiếp tục so sánh các phần tử của hai ma trận ta có:

 

 

11 13

Vậy:  arctg2sin i Bx cos , sin i By   j Bx cos  j By

Tóm lại 3 góc Euler, lời giải bài toán ngược, được xác định bằng các công thức sau:

2.4.3 Lời giải của phép biến đổi Roll-Pitch-Yaw (RPY)

Phép biến đổi RPY đã được dịnh nghĩa:

RPY    Rot z  Rot y  Rot x

Việc giải phương trình: T6 RPY  , ,  sẽ xác định được các góc   , ,

Cách giải được tiến hành tương tự như khi thực hiện lời giải cho phép quay Euler Nhân

T6 vời ma trận nghịch đảo Rot z ( , )  1

, ta có:

(2-45a)(2-45b)(2-45c)

sin sin cos

cos sin cos

Nên:   arctg 2(sin  kBx  cos  kBy, sin   jBx  cos  jBy)

Như vậy ta đã xác định được các góc quay Roll, Pitch, Yaw theo các phần tử của ma trận

J(q) là hàm số các biến khớp, gọi là Jacobian hình học

 Đối với khớp trượt (qi = di)

i

zi J

Chương 2: ĐỘNG HỌC ROBOT

2.1 Động học vị trí robot.

Động học thuận cho phép xác định vị trí và hướng của tay robot khi đã biết các biến khớp Động học ngược sẽ tính toán các biến khớp tương ứng với vị trí và hướng của tay Sử dụng công cụ ma trận để mô tả đối tượng: vị trí, hướng và chuyển động

2.1.1 Biểu diễn ma trận

Ma trận được sử dụng để biểu diễn một điểm, một vectơ, một khung tọa độ, các phép biến đổi tịnh tiến, quay và biểu diễn một đối tượng trong khung tọa độ

2.1.1.1 Biểu diễn một vectơ trong không gian

Một vectơ v  biểu diễn điểm P trong không gian

Trong đó vx, vy, vz– các hình chiếu của vectơ v  trên 3 trục của khung tọa độ chuẩn

Hình 2.1 Biểu diễn vectơ trong không gian

Trong kỹ thuật robot, vectơ v được biểu diễn bằng một ma trận cột với bổ xung thêm một thành phần thứ tư là hệ số tỷ lệ w

x y v

z w

vị của các trục.

2.1.1.2 Biểu diễn một khung tọa độ

Một khung tọa độ B có gốc trùng với gốc của khung tọa độ chuẩn A biểu diễn bằng 3 vectơ đơn vị    i j kB, B, B (hình 2.2) Mỗi vectơ đơn vị được biểu diễn bằng 3 thành phần là hình chiếu trên các trục của khung tọa độ chuẩn Như vậy có thể biểu diễn khung tọa độ B ở dạng ma trận (2–4):

Hình 2.3 Biểu diễn khung tọa độ

B trong khung tọa độ A Hình 2.2 Biểu diễn khung tọa có trùng

gốc với khung tọa độ chuẩn

khung tọa độ B được biểu diễn ở dạng ma trận (4 x 4), trong đó 3 cột đầu tiên biểu diễn hướng của khung tọa độ B, cột thứ 4 xác định vị trí của gốc khung tọa độ B:

Bx Bx Bx x

By By By y B

Để biểu diễn một đối tượng trong không gian, gắn một khung tọa độ lên đối tượng –

“Khung tọa độ đối tượng” và xác định vị trí của khung tọa độ đối tượng đó trong không gian Đối tượng gắn cố định ở “khung tọa độ đối tượng”, nên có thể xác định được vị trí và hướng của đối tượng đó trong “khung tọa độ đối tượng” Do đó, khi đã xác định quan hệ giữa khung tọa độ đối tượng trong khung tọa độ chuẩn, sẽ xác định dược vị trí và hướng của đối tượng so với khung tọa độ gốc cố định

Một điểm trong không gian chỉ có ba bậc tự do, tương ứng với ba thành phần trên ba trục khung tọa độ chuẩn có thể di chuyển dọc theo ba trục của khung tọa độ chuẩn Tuy nhiên một đối tượng có sáu bậc tự do, nghĩa là đối tượng có thể di chuyển dọc theo ba trục

x, y, z và quay xung quanh ba trục đó Như vậy phải cần 6 thông số mô tả vị trí trong khung tọa độ chuẩn và hướng tương đối so với các trục của khung tọa độ chuẩn, sẽ hoàn toàn xác định được đối tượng đó trong không gian

Nhưng ma trận (2–5) có 12 thành phần: 9 thành phần mô tả hướng và 3 thành phần xác định vị trí Do đó, cần phải có 6 phương trình ràng buộc để khử 6 thông số và số thông số độc lập là 6 Các điều kiện ràng buộc này là các thuộc tính của một khung tọa độ:

• 3 vectơ đơn vị vuông góc nhau → tích vô hướng của 2 vectơ đơn vị bằng không

→ có 3 phương trình

• Môđun của vectơ đơn vị bằng 1 → có 3 phương trình

(1)   i j  0; (4)  i  1;

(2)   i k  0; (5) j 1; (2–6)(3) k j  0; (6) k 1;

 Phép biến đổi tịnh tiến đơn dọc theo các trục tọa độ.

 Phép biến đổi quay đơn xung quanh các trục tọa độ

 Phép biến đổi kết hợp của phép tịnh tiến và phép biến đổi quay

2.1.2.1 Phép biến đổi tịnh tiến

Một khung tọa độ (có thể bao gồm một đối tượng) di chuyển trong không gian nhưng không thay đổi hướng của nó sẽ tương ứng với một phép biến đổi tịnh tiến Và được biểu diễn bằng ma trận như sau:

1 0 0 a

0 1 0 bT=Trans(a,b,c)=

Dạng ma trận biểu diễn khung tọa độ mới được xác định bằng nhân ma trận biến đổi tịnh tiến với ma trận biểu diễn khung tọa độ ban đầu.

Phương trình (3.9) được biểu diễn ở dạng ngắn gọn:

2.1.2.2 Phép biến đổi quay đơn

Giả sử khung tọa độ B(iB, jB, kB) đặt ở khung tọa độ gốc (x, y, z) và có các trục song song với khung tọa độ gốc Điểm P(px, py, pz) trong khung tọa độ gốc và có các tọa độ Bpx,

B

py, Bpz trong khung tọa độ B Khung tọa độ B quay xung quanh trục x một góc θ, điểm P

sẽ quay cùng khung tọa độ B

Hình 2.5 Tọa độ điểm P trước a) và sau b) khi quay trong khung tọa độ B