Thiết kế robot sơn 4 bậc

– 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 r

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM Khoa Khoa Học Ứng Dụng Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

-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 trang: - Số chương: - 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)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT

BỐN BẬC TỰ DO DÙNG TRONG

CÔNG NGHỆ SƠN

GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG SVTH : KIỀU ĐỨC VŨ

MSSV : K0304384

TP HCM, THÁNG 1/2009

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THANH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CƠ KỸ THUẬT

Tp HCM, Tháng 1/2008

iii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

-o0o -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 thước 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

(Bm Cơ Diện Tử - Khoa Cơ Khí)

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

Ngày 20 tháng 10 năm 2008

TS Phan Tấn Tùng PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt (chấm sơ bộ):

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp là giai đoạn cuối của một sinh viên 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 viên, 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 là 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 Cơ 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!

v

– 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.

vi

MỤC LỤC

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

vii

2.2.2 Phương trình động học thuận biểu diễn hướng 30

2.2.3 Phương trình động học biểu diễn vị trí và hướng 32

2.3 Động học thuận robot 33

2.3.1 Tham số của thanh nối và khớp 33

2.3.2 Phương pháp thiết kế khung tọa độ - Phép biểu diễn Danevit-Hartenberg 33

2.3.3 Quan hệ giữa hai khung tọa độ i và 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

vi ii

DANH SÁCH HÌNH VẼ

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 lắp 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 đơn trong không gian 16

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

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

ix

24 2.13 Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc 30

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

x

50 5.15 Hình dạng robot tại sec thứ 20 trong không gian 3 chiều 70

41 5.16 Hình dạng robot tại sec thứ 20 trong mặt phẳng X -Y 70

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

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

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 của Karel Capek, vào năm 1921 Trong vỡ kịch

này, Rossum và con trai của 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 nhà 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 và 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 nghiên 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.

13

-Từ những năm 80, nhất là những năm 90, 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, 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 hướng 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 cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Còn ở Việt Nam, trong giai đoạn trước 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 ngành công nghiệp trong nước bắt đầu đổi mới Nhiều cơ 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 vào 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 người và các máy móc khác trong từng công việc cụ thể Robot có thể làm việc trong môi trường nguy hiểm, lặp đi lặp lại, và 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)

Hình 1.2: Công nhân đang làm việc phun sơn

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 cần 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 như 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 đang được sử dụng được sử dụng trong nhiều ngành 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 chất lượng sản phẩm, tăng năng lực sản xuất v à giảm thiểu lượng sơn thừa Những chuyển

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 mà 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 người Những nhà sản xuất sử dụng robot có được những sản phẩm rất cạnh tranh m à vẫn đáp ứng được thị hiếu thích đồ rẻ chất lượng cao của khách hàng.

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

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 1.4: 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 hoàn 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 là 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 phủ, 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 thay 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 hơn tải trọng định mức nhiều, nhưng 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 (hình 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 và hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển của robot;

Độ di chuyển của robot là tổng các dịch chuyển thành 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 và 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 cơ 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 dãi 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 cơ 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 chiều 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 yêu cầu số bậc tự do ít hơn Các robot hàn,

Hình 1.7: Các tọa độ suy rộng của robot

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.

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

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 1.8: Quy tắc bàn tay phải

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 và áp vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón: cái, 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 hành 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

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 làgóc giữa hai trục khớp i và i +1 (góc giữa trục i +1 và đường thẳng song song trục i nằm trongmặt 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 pháptuyến 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 vớikhớp 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 chocác thanh nối Theo phương pháp biểu diễn Danevit-Hartenberg (D-H), khung tọa độ thanhnối i được xây dựng theo nguyên tắc sau (hình 2.16)

nằm trên trục khớp i + 1

đến i + 1

Một số trường hợp đặc biệt:

của thanh tọa độ là giao điểm của hai trục và trục x được đặt dọc theo đường vuônggóc với mặt phẳng chứa hai trục z đó

trùng với pháp tuyến chung của khớp trước Gốc khung tọa độ chọn sao cho di là nhỏnhất

25

-• Đối với khớp tịnh tiến: khoảng cách di là biến khớp Hướng của trục khớp trùng vớihướng di chuyển của khớp Hướng của trục được xác định, nhưng vị trí trong khônggian 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 phépbiến đổi theo thứ tự sau:

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:

A i = Rot ( z,θ ).Trans (0, 0, d i ).Trans ( a i , 0, 0).Rot (

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:

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:

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

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

n

Rot ( z,θ) ,Trans (0, 0, d i ) ,Trans (a i , 0, 0) , Rot ( x,αi )

Nghĩa là ta coi khung tọa độ thứ i + 1 là biến đổi của khung tọa độ thứ i; các phép quay vàtịnh tiến của biến đổi nầy phải là một trong các phép biến đổi của Ai, các thông số D-H cũngđược 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 đãgiả định là không đúng, ta cần chọn lại vị trí ban đầu khác cho 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:

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)

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

cho trước của Tn

hạn vật lý (giới hạn về góc quay, kích thước…) nhằm xác định các tiệp nghiệm duynhất

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

toán giả tích biểu thị quan hệ giữa các giá trị của không gian biến trục và các thông sốkhác của bộ thông số D-H

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 chấphành cuối: (ta giả thiết robot có 6 khâu)

E (φ,θ ,ψ) = Rot ( z,φ ).Rot ( y,θ).Rot ( z,ψ)

gọi là ma trận vectơ cuối), nếu ta có các giá trị số của các phần tử trong ma trận T6 thì có thểxác định được các góc Euler φ,θ ψ thích hợp Như vậy ta có:

phép nhân ma trận ở vế phải của (2-38), tìm ra các phần tử của ma trận có giá trị bằng 0 hoặcbằng hằng số, cho các phần tử nầy cân bằng với những phần tử tương ứng của ma trận ở vếtrái, cụ thể từ (2-38) ta có:

cos

φ sinφ 0 0i Bx 

j B x

k B x

k B z

Tích hai ma trận ở vế trái của phương trình (2-39) là một ma trận có thể được viết gọn lại bằng các ký hiệu sau:

Như vậy phương trình (3-57) có thể được viết thành:

 f11 (i B ) f11 ( j B ) f11 (k B ) 0  cosθsinψ −cosθsinψ sin θ 0

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:

Nếu cả kBx, kBy đều bằng 0 thì góc φkhông xác định được Điều đó xảy ra khi bàn tay chỉ

Điều này được coi là một phép suy biến (degeneracy), trong trường hợp này ta cho φ = 0.Với giá trị của φnhận được, các phần tử ma trận ở vế bên trái của phương trình (2-43) sẽđược xác định Tiếp tục so sánh các phần tử của hai ma trận ta có:

f11 (i B ) = cosφ.i Bx + sin φ.i By = sinθ

f13 (i B ) = i Bz = cosθ

Vậy: θ = arctg 2 (cosφ.i Bx + sin φ.i By , i Bz )

Tiếp theo ta có: f12 (i B ) =− sinφ.i Bx + cosφ.i By = sinψ

f12 ( j B ) =− sinφ j Bx + cosφ j By = cosψ

Vậy:

ψ= arctg 2 (− sin φ.i Bx + cosφ.i By , − sin φ j Bx + cos φ j By )

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

φ = arctg 2 ( kBx , kBy

)

θ = arctg 2 (cosφ.i Bx + sin φ.i By , i Bz )

ψ= arctg 2 (− sin φ.i Bx + cosφ.i By , − sin φ j Bx + cosφ

j By )

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

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

Phép biến đổi RPY đã được dịnh nghĩa:

RPY ( φ ,θ,ψ ) = Rot ( z,φ ).Rot ( y,θ ).Rot ( x,ψ )

Việc giải phương trình: T6 = RPY (φ,θ ,ψ) sẽ xác định được các góc φ,θ ,ψ.

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, φ )−1 , ta có:

Rot ( z,φ ).T6 = Rot ( y,θ ).Rot ( x,ψ )

ψ = arctg2(sin φ .kBx − cos φ .kBy , − sin φ jBx + cos φ jBy )

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

ψ = arctg2(sin φ .kBx − cos φ .kBy , − sin φ jBx + cos φ jBy )

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

• Đối với khớp trượt (qi = di) Vận

• Đối với khớp quay q i =θi