Nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng không gian hoạt động một số rô bốt phỏng sinh sáu bậc tự do ứng dụng vào các quá trình sản xuất cơ khí

Luận văn Cao học Trường ĐHBK Hà Nội NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG MỘT SỐ RÔ BỐT PHỎNG SINH SÁU BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG VÀO CÁC QUÁ TRÌNH SẢN X

Trang 1

Luận văn Cao học Trường ĐHBK Hà Nội

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH

MÔ PHỎNG KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG MỘT SỐ RÔ BỐT PHỎNG SINH SÁU BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG VÀO CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CƠ KHÍ

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GVC TS NGUYỄN NGỌC THÀNH

HÀ NỘI 09/2012

Trang 2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ………04

LỜI CẢM ƠN ……… 05

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ……….…06

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ……… 07

DANH MỤC HÌNH VẼ ……… 08

MỞ ĐẦU ……….10

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN ……… 12

1.1- Lịch sử phát triển và ứng dụng của robot ………12

1.1.1- Lịch sử phát triển ………12

1.1.2- Ứng dụng ……….14

1.2- Phân loại ……… 16

1.2.1- Phương pháp (tiêu chí) phân loại ………16

1.2.2- Phân loại robot ………16

1.3- Tổng quan về mô phỏng không gian hoạt động roboot ……… 19

1.3.1- Vấn đề đặt ra ……… 19

1.3.2- Một số chương trình mô phỏng ……… 20

1.4- Các quá trình sản xuất cơ khí và khả năng ứng dụng của robot ……….20

1.4.1- Quá trình gia công cắt gọt ……… 20

1.4.2- Quá trình lắp ráp 21

1.4.3- Quá trình hàn ……… 23

1.4.4- Quá trình đúc ……… 24

1.4.5- Quá trình gia công áp lực ………26

1.5- Vấn đề đặt ra và kết luận ……….26

CHƯƠNG 2- MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA, KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VÙNG HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT ……… 27

2.1- Khái niệm, định nghĩa về bàn tay kẹp robot ………27

Trang 3

2.1.1- Khái niệm, định nghĩa ……….27

2.1.2- Vị trí và định hướng bàn tay kẹp 29

2.1.3- Độ cơ động và hệ số phục vụ 30

2.2- Vùng hoạt động của robot ……… 32

2.2.1- Một số định nghĩa ………32

2.2.2- Vùng hoạt động của một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do ……… 36

2.3- Ý nghĩa và ứng dụng thực tế ………38

2.4- Kết luận Chương 2 ……… 39

CHƯƠNG 3- NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG KGHĐ MỘT SỐ ROBOT PHỎNG SINH SÁU BẬC TỰ DO ……….39

3.1- Thuật toán, chương trình xác định vùng hoạt động cực đại của robot …………39

3.1.1- Cơ sở dữ liệu ……… 39

3.1.2- Mô tả và phân tích dạng hình học vùng hoạt động cực đại ………47

3.1.3- Xây dựng thuật toán xác định và mô phỏng vùng hoạt động ……… 50

3.1.4- Chương trình mô phỏng (Phụ lục) ……… 88

3.2- Xác định vùng hoạt động của robot theo hệ số phục vụ ……….88

3.2.1- Cơ sở lý thuyết ………88

3.2.2- Xác định hệ số phục vụ vùng hoạt động của một số robot ……….91

3.3- Kết quả mô phỏng không gian hoạt động của một số robot phỏng sinh 99

3.3.1- Kết quả mô phỏng bằng ngôn ngữ Matlab ……….99

3.3.2- Kết quả mô phỏng bằng ngôn ngữ Autodesk Inventor ……….103

3.4- Kết luận ……… 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… ………107

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ……….109

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung mà tôi trình bày trong luận văn này là do sự tìm hiểu

và nghiên cứu của bản thân Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác nếu có, đều được trích dẫn đầy đủ

Luận văn này, cho đến nay vẫn chưa được ai bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ trên toàn quốc cũng như nước ngoài và cho đến nay cũng chưa được bất

cứ ai công bố trên các phương tiện thông tin đại chúng nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình

Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2012

Tác giả

Nguyễn Bá Ân

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới:

Thầy hướng dẫn - GVC TS Nguyễn Ngọc Thành đã tận tình giúp đỡ chỉ dẫn tác giả

hoàn thành luận văn

Bộ môn Hàn - CNKL, Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học đã tạo mọi điều kiện cho việc học tập nghiên cứu, tiến hành luận văn của tác giả được hoàn thành đúng thời hạn

Gia đình cùng toàn thể anh em bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2012

Tác giả

Trang 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

KGHĐ – Không gian hoạt động

Trang 7

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang

Bảng 3.1- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Kuka ………40

Bảng 3.2- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Motoman ……….43

Bảng 3.3- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Almega AX-MV6 …………46

Bảng 3.4- Vị trí điểm P và hệ số phục vụ 2 j Robot Kuka ……… 92

Bảng 3.5- Vị trí điểm P và hệ số phục vụ 2 j của Robot Motoman MA-1400 95

Bảng 3.6- Vị trí điểm P và hệ số phục vụ 2 j của Robot Almega AX-MV6 ……… 97

Trang 8

DANH MỤC HÌNH VẼ Trang

Hình 1.1- Tọa độ Đề các ……… 17

Hình 1.2- Tọa độ trụ ……….17

Hình 1.3- Robot Scara ……… 17

Hình 1.4- Tọa độ cầu ………18

Hình 1.5- Tọa độ cầu ………18

Hình 1.6- Robot ứng dụng trong gia công cắt gọt ………21

Hình 1.7- Robot ứng dụng lắp ráp động cơ ……… 22

Hình 1.8- Robot ứng dụng lắp ráp ô tô ……… 22

Hình 1.9- Robot ứng dụng hàn khung vỏ ô tô ………23

Hình 1.10- Ứng dụng ba robot vào nguyên công sấy, lắp ráp khuôn và v.v……….24

Hình 1.11- Robot ứng dụng các công việc đúc áp lực ……… 25

Hình 1.12- Robot ứng dụng cấp phôi trong gia công áp lực……… 25

Hình 2.1- Tâm bàn tay kẹp……… 27

Hình 2.2a- Tâm bàn tay kẹp khi hàn điểm……… 28

Hình 2.2b- Tâm bàn tay kẹp khi hàn hồ quang……… 28

Hình 2.3- Vị trí và định hướng của mỏ hàn……….…29

Hình 2.4- Một số dạng vùng hoạt động rô bốt………33

Hình 2.4- Một số dạng vùng hoạt động rô bốt (tiếp)……… 33

Hình 2.5- Các khả năng định hướng của rô bốt……….… 34

Hình 2.6- Vùng hoạt động có hướng không đổi……… 35

Hình 2.7- Vùng hoạt động thực tế của rô bốt……… 36

Hình 2.8- Vùng hoạt động của robot Almega AX-MV6……….36

Hình 2.9- Robot Kuka KR6-ARC………37

Hình 2.10- Robot Motoman MA-1400……….37

Hình 3.1 -Vùng hoạt động cực đại của Robot Kuka KR6-ARC……… 39

Hình 3.2 - Sơ đồ động học Robot Kuka KR6-ARC……….41

Hình 3.3- Vùng hoạt động cực đại của Motoman MA1400……….42

Trang 9

Hình 3.4- Sơ đồ động học của Motoman -MA1400……….43

Hình 3.5- Vùng hoạt động cực đại robot Almega AX-MV6………44

Hình 3.6- Sơ đồ động học Robot Almega AX-MV6 ……….46

Hình 3.7- Dạng vùng hoạt động cực đại Robot Kuka KR6-ARC ……… 47

Hình 3.8- Vùng hoạt động cực đại Robot Motoman MA-1400………48

Hình 3.9- Dạng vùng hoạt động cực đại.của Almega AX-MV6……… 49

Hình 3.10a- Vị trí khi cánh tay trên (l 2 ), cánh tay dưới (l 1) duỗi thẳng 87

Hình 3.10b- Vị trí khi cánh tay trên (l 2 ), cánh tay dưới (l 1) co lại (“thẳng”)…………87

Hình 3.11- Xác định véc tơ Rj ……….89

Hình 3.12a- Không gian hoạt động của Robot Kuka. ………98

Hình 3.12b- Không gian hoạt động của Robot Kuka……… 99

Hình 3.13a- Không gian hoạt động của Robot Motoman……… 100

Hình 3.13b- Không gian hoạt động của Robot Motoman……… 100

Hình 3.14a- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6……….101

Hình 3.14b- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6 ……… 102

Hình 3.15a- Không gian hoạt động của Robot Kuka KR6-ARC (hình chiếu bằng).102 Hình 3.15b- Không gian hoạt động của Robot Kuka KR6-ARC (hình chiếu đứng).103 Hình 3.16a- Không gian hoạt động của Robot Motoman (hình chiếu đứng)……….103

Hình 3.16b- Không gian hoạt động của Robot Motoman (hình chiếu bằng)……….104

Hình 3.17a- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6 ………104

Hình 3.17b- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6……….105

Trang 10

MỞ ĐẦU

Với xu thế phát triển mạnh mẽ của công nghệ, các thành tựu trong lĩnh vực khoa học,

kỹ thuật ngày càng được ứng dụng một cách rộng rãi; trong đó không thể kể đến kỹ thuật, công nghệ robot, đặc biệt là các loại robot phỏng sinh sáu bậc tự do, chúng giữ vai trò khá quan trọng trong sản xuất tự động hóa Do đó, kỹ thuật, công nghệ robot không chỉ được ứng dụng trong những ngành công nghiệp tiên tiến, mà còn được ứng dụng phục vụ đời sông con người bởi những khả năng và ưu điểm vượt trội so với các loại máy móc thông thường, mà còn bởi những hoạt động, “suy nghĩ “ có thể bắt chước giống hệt con người Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, vấn đề tự động hoá sản xuất

có vai trò đặc biệt quan trọng Hiện nay, ngày càng nhiều dây chuyền sản xuất mới, hiện đại được nhập về Việt Nam, đã thay đổi đáng kể bộ mặt của nền công nghiệp nước nhà Trong các dây chuyền đó, robot công nghiệp xuất hiện ngày càng nhiều, thay thế dần vai trò của con người Nó đã góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện đáng kể điều kiện lao động Ngoài ra, robot còn được ứng dụng làm thay con người trong những môi trường đặc biệt như trong môi trường có bụi bẩn, ẩm ướt, nóng nực, ồn ào và độc hại quá mức cho phép

Tuy nhiên, vấn đề khai thác hiệu quả sử dụng robot công nghiệp cần được đặt ra với nhiều cơ sở sản xuất, nghiên cứu và đào tạo Sử dụng robot không chỉ dừng lại ở việc vận

hành, sửa chữa, mà còn phải quan tâm đến hiệu quả khai thác không gian hoạt động của

robot để có thể thực hiện được nhiều công việc nhất trong không gian đó, tiết kiệm thời gian, tạo ra năng suất lao động cao, hạ giá thành sản phẩm, góp phần khai thác triệt để các tính năng của các robot công nghiệp; đồng thời đưa vấn đề này vào giảng dạy và nghiên cứu một cách có hiệu quả nhất

Với những ứng dụng cũng như các ưu điểm trong việc khai thác không gian hoạt động của các loại robot phỏng sinh sáu bậc tự do, nên tác giả đã quyết định chọn đề tài :

“Nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng không gian hoạt động một

số robot phỏng sinh sáu bậc tự do ứng dụng vào các quá trình sản suất cơ khí ”

Trang 11

Đề tài này tập trung nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng không gian hoạt động, nâng cao khả năng công nghệ của một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do, được ứng dụng trong các quá trình sản xuất cơ khí, như: đóng tàu, các dây chuyên sản xuất xe hơi, xe máy, v.v., giúp nâng cao năng suất, chất lượng lao động, giảm sức người trong môi trường làm việc độc hại

Đề tài gồm 3 chương với nội dung chính như sau:

Chương 1- Tổng quan

Chương 2- Các định nghĩa, khái niệm cơ bản về thuật toán, chương trình và

không gian hoạt động của một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do

Chương 3- Nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng

không gian hoạt động một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do ứng

dụng vào các quá trình sản suất cơ khí

Để có thể hoàn thiện được đề tài này, ngoài sự cố gắng của bản thân, tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo cùng các cán bộ trong Bộ môn Hàn - CNKL, Bộ môn Cơ Điện Tử, Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và trang bị những kiến thức cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường

Tác giả đặc biệt cảm ơn thầy giáo GVC TS Nguyễn Ngọc Thành là người đã trực

tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình để tác giả hoàn thiện đề tài luận văn này

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã vận dụng những kiến thức lĩnh hội được và tìm hiểu qua các tài liệu chuyên ngành liên quan Nhưng do kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế, nên quá trình thực thiện đề tài không tránh khỏi những sai sót Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô và mọi người, để đề tài được hoàn chỉnh hơn

Hà Nội, ngày … tháng 09 năm 2012

Học viên

Trang 12

Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở múa rối “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek, sang tác

năm 1921 Thuật ngữ robot là cách gọi tắt của danh từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là

công việc tạp dịch Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra chiếc máy gần giống như con người để “hầu hạ” con người

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những cánh tay máy điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ

Vào những năm 50, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minotaur hoặc tay máy Handyman của General Electric

Năm 1954 George C Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề chuyển

hàng theo chương trình”

Đến năm 1956, Devol cùng với Joseph F Engelber - kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này Chiếc Robot công nghiệp được đưa và ứng dụng đầu tiên năm 1961 , ở một nhà máy ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì

Trang 13

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company)

Đến năm 1990, hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi, Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng kỹ thuật của robot đã chú ý nhiều đến việc trang bị thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo loại robot lắp giáp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy

Vào thời điểm này ở nhiều nước khác, cũng tiến hành công trình nghiên cứu tương tự, tạo ra các robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và các thiết

bị giao tiếp người với máy

Một lĩnh vực được nhiều nhà khoa học quan tâm là robot tự hành Các công trình nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người hoặc súc vật Các robot này còn chưa ứng dụng nhiều trong công nghiệp Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng đưa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

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 ra tăng, giá thành giảm đi

rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy, robot công nghiệp có vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

Ngày nay, chuyên ngành khoa học về robot - “robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng của nhiều ngành khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu, động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động, v.v

Những robot thực sự có ích, được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp, y học, đời sống, quân sự, không gian vũ trụ, v.v

Quá trình phát triển của robot có thể được chia ra như sau:

- Thời kỳ sơ khai (từ năm 1946 trở về trước), đây là giai đoạn phát triển của sản xuất tiến dần tới tự động hóa cơ khí

Trang 14

- Thời kỳ tiền robot (1946 - 1961), đây là thời kỳ phát triển của các robot thương mại đầu tiên phục vụ cho công nghiệp nguyên tử

- Kỷ nguyên robotics (từ năm 1961 trở về đây), năm 1961 tại Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ, robot công nghiệp lần đầu tiên được đưa vào ứng dụng trong ngành sản xuất ô tô tại một nhà máy của hãng General Motors Trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, đã xuất hiện rất nhiều loại robot khác nhau góp phần nâng cao số lượng và chất lượng của sản phẩm

Hiện nay, robot đang bước sang thế hệ mới Từ các robot điều khiển theo kiểu thao tác (Manual input) rồi đến điều khiển dẫn đường - dạy học, các kiểu điều khiển này gọi chung

là điều khiển có chương trình dẫn đường (dạy học)

Tiếp theo, đến các robot có trình điều khiển thích nghi - thông minh, robot có trí khôn (Robot Spiens) và robot thân thiện với con người Xu hướng này đã đạt được nhiều thành tựu cao nhưng còn nhiều hạn chế, đòi hỏi sự phát triển cao hơn nữa trong nghiên cứu và sáng tạo của con người

1.1.2- Ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp

Robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần như chuyển tải và xếp dỡ vật tư, lắp ráp các chi tiết máy thành cụm Nó còn được dùng trong các môi trường nguy hiểm bao gồm chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, khai thác mỏ, quân sự, hàn, sơn, phun phủ, v.v Ngoài ra, robot còn được dùng trong xây dựng, y tế và giúp việc trong gia đình

Cho đến nay, trên thế giới có rất nhiều phòng thí nghiệm, các hãng, công ty nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot Những hiệp hội nghiên cứu robot đã được ra đời như: RIA (Hoa Kỳ), AFRI (Pháp), BRA (Anh), JIRA (Nhật Bản), v.v Robot ngày càng hiện đại, đa dạng về chủng loại và lĩnh vực ứng dụng ngày càng phong phú Điều đó đã khẳng định vai trò của robot trong sản xuất công nghiệp cũng như nền kinh tế thế giới

Nhằm góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ trong sản xuất cơ khí, giảm giá thành, nâng cao và ổn định chất lượng, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện, môi trường làm việc, được xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của

Trang 15

robot phỏng sinh sáu bậc tự do và đã được đúc kết qua nhiều năm ứng dụng ở nhiều nước Những ưu điểm đó là:

- Robot phỏng sinh sáu bậc tự do có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý, bằng hoặc hơn một người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc.Vì thế robot có thể nâng cao chất lượng và khẳ năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế, nó còn

có thể nhanh chóng thay đổi công việc, thích nghi nhanh với việc thay đổi mẫu mã, kích

cỡ của sảm phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh

- Có khả năng giảm giá thành sản phẩm do giảm đáng kể chi phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức cao về tiền lương của người lao động

Ở nước ta, trong những năm gần đây có nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí về lương cũng chiếm tỷ lệ cao trong giá thành sản phẩm

- Việc ứng dụng Robot sẽ tăng năng suất của dây chuyền công nghệ Trong dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ sẽ sớm mệt mỏi hoặc không theo kịp Theo tài liệu của Fanuc (Nhật Bản), năng suất khi ứng dụng Robot trong sản xuất sẽ tăng hơn 3 lần, thậm chí còn hơn thế nữa so với các thao tác cơ khí và thủ công

- Ứng dụng robot trong công nghiệp và trong các quá trình sản xuất cơ khí sẽ cải thiện đáng kể điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần phải quan tâm Trong thực tế sản xuất, có những nơi - người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực, ồn ào quá mức gấp cho phép nhiều lần Thậm chí ở nhiều nơi, người lao động phải làm việc trong môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khỏe của con người, dễ xảy ra tai nạn, nhiễm chất độc hại vào cơ thể, nhiễm sóng điện từ, phóng xạ, v.v

Tỷ lệ phân bố các loại công việc được dùng robot:

Trang 16

6 Nghiên cứu, đào tạo: 5,7%

7 Phun phủ bề mặt: 5,7%

8 Nâng chuyển, xếp đặt: 3,9%

Tỷ lệ phân bố các hình thức điều khiển robot:

1 Điều khiển bằng tay: 4%

2 Điều khiển theo chu kỳ cứng: 59%

3 Điều khiển theo chu kỳ thay đổi theo chương trình: 11%

4 Điều khiển bằng dạy học: 18%

5 Điều khiển theo chương trình số: 5%

6 Điều khiển thích nghi: 3%

1.2- Phân loại

1.2.1- Phương pháp (tiêu chí) phân loại

Robot có thể phân loại dựa theo nhiều tiêu chí Chẳng hạn, theo dạng cấu trúc động học (robot chuỗi động hở hay chuỗi động kín); theo số bậc tự do; theo loại truyền động; theo hình thức điều khiển; v.v Tùy theo nhu cầu nghiên cứu, khảo sát mà lựa chọn tiêu chí phân loại cho phù hợp

Dưới đây giới thiệu một số robot được phân loại theo một vài tiêu chí hay được quan tâm trong kỹ thuật robot

1.2.2- Phân loại rô bốt

Theo số bậc tự do - trong không gian 3 chiều, đối với robot chuỗi động hở, số bậc tự

do được thiết kế tùy thiết kế tùy thuộc vào nhu cầu công việc thực tế mà robot đảm nhiệm;

có thể là 1 hoặc 2, v.v., hoặc 6 bậc tự do Đôi khi còn lớn hơn 6

Đối với những loại công việc có thao tác đơn giản, lặp đi lặp lại nhiều lần và cần được chuyên môn hóa, TĐH cao, người ta sẽ thiết kế robot có 1 đến 2 bậc tự do Loại công việc cần nhiều thao tác hơn sẽ thiết kế robot có 3 đến 4 bậc tự do Khi mà các thao tác công nghệ đòi hỏi mức độ khéo léo, phức tạp hơn nữa, thì các robot với 5 đến 6 bậc tự do sẽ

Trang 17

được thiết kế và áp dụng một cách có hiệu quả Hình 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 và 1.5 giới thiệu một số robot với: 3, 3, 4, 3 và 3 bậc tự do

Theo dạng không gian làm việc (khả năng với tới và định hướng của robot) - theo [1],

gồm có:

Không gian làm việc cực đại (hình 1.1 đến 1.5)

Không gian làm việc toàn phần (hình 1.4 đến 1.5 trong đó có có một số vùng chứa không gian hoạt động toàn phần)

Không gian làm việc một phần (hình 1.4 đến 1.5 trong đó có có một số vùng chứa không gian hoạt động một phần)

Không gian làm việc có hướng không đổi (hình 1.1 đến 1.3)

Không gian làm việc thực tế (hình 1.7 đến 1.12)

Theo loại truyền động - có các loại:

Robot truyền động điện, robot truyền động cơ khí, robot truyền động thủy lực, robot truyền động khí nén, robot truyền động kết hợp các loại truyền động trên

Theo dạng kết cấu hệ tọa độ - gồm các

loại: Robot hoạt động trong hệ tọa độ Đề các

Hình 1.3 giới thiệu robot Scara, là một

Trang 18

Hình 1.3- Robot Scara (tiếp)

Khớp quay - tịnh tiến - tịnh tiến: QTT (hình 1.2)

Quay - quay - quay - tịnh tiến: QQQT (hình 1.3)

Quay - quay - tịnh tiến: QQT (hình 1.4)

Quay - quay - quay: QQQ (hình 1.5), v.v

Theo nguyên lý điều khiển - có hai loại: robot điều khiển theo nguyên lý hở và robot

điều khiển theo nguyên lý kín

Điều khiển hở thường dùng truyền động bước (bằng động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực, khí nén, v.v.) mà quãng đường và góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Nguyên lý điều khiển này đơn giản, đạt độ chính xác thấp khi xích truyền động dài

Điều khiển kín (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, điều khiển theo đường

Trang 19

(contour) Nguyên lý điều khiển này có cấu trúc phức tạp hơn, đạt độ chính xác cao hơn, nhưng giá thành đắt hơn

Ngoài ra, có thể phân loại robot theo những tiêu chí khác, chẳng hạn: theo thế hệ (mức

độ thông minh, hiện đại); theo dạng điều khiển, có các dạng điều khiển: bằng tay, theo chu

kỳ cứng, theo chu kỳ thay đổi theo chương trình, bằng dạy học, theo chương trình, điều khiển có thích nghi, v.v ; hay theo phạm vi ứng dụng, có: robot lắp ráp, robot hàn, robot sơn, robot cấp phôi, v.v

1.3- Tổng quan về mô phỏng không gian hoạt động robot

1.3.1- Vấn đề đặt ra

Trên thế giới, việc nghiên cứu, thiết kế mô phỏng không gian hoạt động robot công nghiệp đã được triển khai ở các mức độ khác nhau Hầu hết các robot này đều có (được thiết kế vẽ ra) một không gian hoạt động ứng với cấu trúc động học và kích thước của chúng Tuy nhiên, về lý thuyết các không gian hoạt động này chỉ cho biết phạm vi hoạt

động của chúng; chưa phản ánh hết được những tính năng kỹ thuật, công nghệ cụ thể

hơn nữa mà chúng có thể đạt được Đó là một trong số các yêu cầu cần được giải quyết

trong sản xuất Ví dụ: trong mỗi không gian hoạt động, vùng nào robot xác định vị trí và định hướng tốt nhất (được nhiều nhất); vùng nào trung bình hay vùng nào kém nhất Điều này rất có ý nghĩa thực tế, sẽ giúp cho việc gá lắp đối tượng công nghệ (phôi, bán thành phẩm) vào vùng mà thao tác của robot dễ dàng, thuận tiện nhất và đối tượng công nghệ ít phải thay đổi gá lắp nhất (một lần gá) trong quá trình gia công Trong luận văn này, sẽ giải quyết ở một mức độ nhất định yêu cầu này

Ngoài ra, các không gian hoạt động được vẽ ra bằng cách nào cho từng robot cụ thể

thì các nhà thiết kế hay các nhà cung cấp không đưa ra chi tiết cho người sử dụng (các cơ

sở sản xuất, đào tạo) biết Vì thế, đây cũng là một trong những nội dung sẽ được nghiên

cứu, giải quyết trong luận văn này Trước đây, vấn đề này đã được nghiên cứu cho robot

Almega AX-MV6; trên cơ sở đó, tác giả nghiên cứu tiếp cho các robot Kuka (Đức) và Motoman (Nhật)

Trang 20

Cơ sở lý thuyết để giải quyết các nội dung trên cần căn cứ vào việc giải các bài toán động học (thuận, ngược) robot sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo

1.3.2- Một số chương trình mô phỏng

Hiện nay, có nhiều chương trình mô phỏng dạng “đề mô” đang sử dụng nhiều và bằng các ngôn ngữ khác nhau, chẳng hạn: Catia, Proengineer, Inventor, v.v của các hãng OTC

Daihen, Kuca, Fanuc, Panasonic, v.v

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm Matlab và Autodesk Inventor để lập trình mô phỏng xác định (vẽ) không gian hoạt động các robot Kuka-KR6, Motoman MA-

1400, Almega AX-MV6 và được trình bày trong Phụ lục của luận văn

1.4- Các quá trình sản xuất cơ khí và khả năng ứng dụng của rô bốt

Cho đến nay, ở các mức độ khác nhau, tất cả các quá trình sản xuất cơ khí đều có ứng dụng robot công nghiệp dạng phỏng sinh Dưới đây giới thiệu một số quá trình gia công

cơ khí cơ bản được ứng dụng robot

1.4.1- Quá trình gia công cắt gọt

Hình 1.6 mô tả robot làm nhiệm vụ cấp phôi cho các máy gia công cắt gọt (tiện CNC)

Trang 21

Hình 1.6- Robot ứng dụng trong gia công cắt gọt

Hình bên trái, robot cấp phôi (tháo/lắp) cho một máy tiện CNC Hình bên phải, một ro bot cấp phôi cho hai máy đánh bóng và một máy tiện

1.4.2- Quá trình lắp ráp cơ khí

Hình 1.7 giới thiệu robot làm nhiệm vụ lắp ráp trên dây chuyền lắp ráp động cơ

Chuyển động theo nhịp (gián đoạn) của dây chuyền được điều khiển phối hợp với các thao tác lắp ráp của robot Dây chuyền này, được bố trí nhiều robot đảm nhận các nhiệm

vụ (thao tác) lắp ráp trên các vị trí khác nhau của động cơ

Hình 1.8 là dây chuyền robot lắp ráp ô tô Trong đó có nhiều nguyên công lắp ráp bằng hàn và lắp ráp bằng cơ khí (lắp bằng ren) Tương tự dây chuyền ở hình 1.7, dây chuyền này là một hệ thống các robot phỏng sinh được điều khiển qua một trung tâm, phối hợp với chuyển động theo nhịp của dây chuyền Mỗi robot được phân công, đảm nhiệm (lập trình) một số thao tác công nghệ xác định

Các dây chuyền loại này được áp dụng cho quy mô sản xuất hàng loạt

Trong chế tạo máy và dụng cụ đo, chi phí lắp ráp chiếm đến 40% giá thành sản phẩm Nếu áp dụng robot tự động hóa lắp ráp, chi phí chiếm khoảng quá (10÷15)% giá thành sản

Trang 22

Hình 1.7- Robot ứng dụng lắp ráp động cơ

phẩm Điều này cho thấy ý nghĩa rất quan trọng của ứng dụng robot vào quá trình lắp ráp

Hình 1.8- Robot ứng dụng lắp ráp ô tô

Trang 23

Khi dùng robot lắp ráp, yếu tố thời gian và độ chính xác định vị là vấn đề cơ bản và quan trọng, nếu bằng thao tác thủ công, nhất là trong sản xuất hàng loạt, thì các yếu tố này không thể bảo đảm Hơn nữa, tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại công việc, nhiều loại sản phẩm thì robot hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu này

1.4.3- Quá trình hàn

Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều nguyên công, bước mà tại đó, tính chất công việc rất nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao Do vậy, robot công nghiệp đã nhanh chóng được ứng dụng Khi sử dụng robot vào quá trình hàn, đặc biệt là hàn hồ quang, với mối hàn chạy theo đường cong không gian, cần phải đảm bảo sao cho điều chỉnh được phương trục mỏ hàn đúng theo góc công nghệ và thích ứng theo đường cong đó; đồng thời khoảng cách từ đầu điện cực tới mối hàn luôn không đổi Nhiệm vụ đó cần được xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng hệ thống điều khiển có liên hệ phản hồi để điều khiển các thông số chuyển động của đầu điện và chế độ hàn bằng một chương trình trong hệ điều khiển (trung tâm) thống nhất Hình 1.9 giới thiệu một dây chuyền hàn khung, vỏ ô tô bằng các robot hàn

Hình 1.9- Robot ứng dụng hàn khung vỏ ô tô

Trang 24

1.4.4- Quá trình đúc

Một trong các lĩnh vực hay ứng dụng robot là kỹ nghệ đúc Trong phân xưởng đúc, công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực, bụi bặm, cường độ cao, v.v Việc tự động hoá toàn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng dây truyền tự động làm việc phối hợp với một số robot đã được ứng dụng

Thông thường với các máy tự động chuyên dùng, sẽ đòi hỏi phải có các thiết bị phức tạp, đầu tư khá lớn Vì thế, trên thế giới, robot đã được ứng dụng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc, phổ biến nhất là đúc áp lực Đối với công nghệ đúc này, robot có thể làm được nhiều việc, như: rót kim loại lỏng vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát, làm sạch và bôi trơn khuôn, v.v

Dùng robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều ưu điểm, đó là: đảm bảo ổn định chế

độ làm việc, chuẩn hoá về thời gian thao tác, về nhiệt độ và điều kiện tháo vật đúc ra khỏi khuôn ép, v.v., bởi thế chất lượng vật đúc tăng lên

Hình 1.10 cho thấy ứng dụng ba robot làm việc phối hợp tại một số nguyên công (sấy, lắp khuôn và rót kim loại lỏng vào khuôn) trong dây chuyền đúc trong khuôn cát Các nguyên công còn lại được cơ khí hóa hoặc thực hiện bằng tay

Hình 1.10- Ứng dụng ba robot vào nguyên công sấy, lắp ráp khuôn và rót

kim loại lỏng và khuôn trong dây chuyền đúc trong khuôn cát

Trang 25

Hình 1.11- Robot ứng dụng các công việc đúc áp lực

Hình 1.11 là ứng dụng hai robot trong dây chuyền đúc áp lực Robot ở dưới đảm

nhiệm năm loại công việc: múc và rót kim loại lỏng vào khuôn; tháo vật đúc ra khỏi

khuôn (sau khi thiết bị đúc tự động mở nửa khuôn và đẩy ra ngoài); mài sạch ba via; đưa vật đúc tới vị trí đặt thiết bị hút để hút sạch mạt kim loại; đặt sản phẩm lên băng tải

(chuyển ra nơi quy định) Robot ở trên đảm nhiệm hai loại công việc: làm sạch khuôn

bằng khí nén (sau khi robot thứ nhất tháo vật đúc ra); phun dầu bôi trơn khuôn

Hình 1.12- Robot ứng dụng cấp phôi trong gia công áp lực

Trang 26

1.4.5- Quá trình gia công áp lực

Trong nhiều dây chuyền gia công áp lực, các thao tác: di chuyển, lấy (tháo), cấp (lắp - định vị) phôi phục vụ cho các thiết bị gia công (lò nung, các máy dập, v.v.) khá nặng nhọc, nóng nực, độc hại Vì vậy, các cơ sở sản xuất đã ứng dụng robot đảm nhiệm các thao tác này Hình 1.12 minh họa ba robot phục vụ trong dây chuyền này Robt thứ nhất lấy phôi từ lò nung ra, chuyển sang cấp (định vị) phôi này cho máy dập bước 1 Sau khi dập bước 1 xong, robot thứ hai tháo bán thành phẩm ở máy dập bước 1, chuyển sang định

vị vào máy dập bước 2 (dập hoàn chỉnh sản phẩm); khi máy dập bước 2 kết thúc công việc, robot thứ ba tháo sản phẩm ở máy dập bước 2, chuyển sang dây chuyền giá treo đưa đến nơi quy định

1.5- Vấn đề đặt ra và kết luận

Đối với mỗi robot công nghiệp, không gian hoạt động có một ý nghĩa rất quan trọng, cho biết phạm vi hoạt động (phạm vi thực hiện các thao tác kỹ thuật, công nghệ) khi lắp đặt robot; và trong không gian đó, sẽ hiệu quả hơn nếu đồ gá và đối tượng công nghệ được lắp đặt đúng chỗ, tại đó số lần gá lắp đối tượng công nghệ là ít nhất và robot thực hiện được nhiều nhất các thao tác công nghệ mong muốn

Để chuẩn bị tốt cho yêu cầu này, việc thiết kế mô phỏng không gian hoạt động robot

và đặc biệt hơn là tìm cách xác định trong không gian đó - những vùng nào lắp đặt đồ gá

và đối tượng công nghệ nhằm phục vụ cho quá trình gia công, chế tạo hiệu quả nhất Vì vậy đề tài nghiên cứu đặt ra cho bản luận văn này là:

Nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng không gian

hoạt động một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do ứng dụng vào các quá trình sản xuất cơ khí

Kết luận

Trong chương này, sau khi tìm hiểu lịch sử phát triển và ứng dụng của robot đã phân loại chúng theo một số tiêu chí; tiếp đến đã trình bày tổng quan về thiết kế mô phỏng rô bốt Ngoài ra, Chương 1 đã đưa ra và phân tích ứng dụng của robot vào một số quá trình sản xuất cơ khí cơ bản, như: gia công cắt gọt, lắp ráp, hàn, đúc và gia công áp lực

Trang 27

Cuối cùng đã nêu ra nhu cầu cấp thiết và nội dung đề tài mà luận văn cần nghiên cứu, giải quyết

CHƯƠNG 2- MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA, KHÁI NIỆM CƠ BẢN

VỀ VÙNG HOẠT ĐỘNG CỦA RÔ BỐT

2.1- Khái niệm, định nghĩa về bàn tay kẹp robot

2.1.1- Khái niệm, định nghĩa

T©m bµn tay kÑp - theo [1] là một điểm hình học (M) được chọn làm chuẩn (tương

đối) “trên cơ cấu chấp hành cuối” (cơ cấu tay kẹp) của robot; điểm M là cơ sở và là một

trong số những yếu tố được tính toán trong quá trình robot hoạt động Vì vậy, khi tính toán thiết kế robot, người ta coi điểm M đặc trưng cho vị trí của robot Hình 2.1 là ví dụ

về tâm bàn tay kẹp - điểm M được chọn là trọng tâm của vật kẹp

Hình 2.1- Tâm bàn tay kẹp

Trong sản xuất công nghiệp, tâm M bàn tay kẹp được lựa chọn, thiết kế tuỳ thuộc vào tính chất công việc mà robot đảm nhận Việc lựa chọn tâm bàn tay kẹp phải sao cho phùhợp với và thuận tiện với việc tính toán thiết kế cơ khí, với quá trình điều khiển của robot

và cuối cùng là phải phù hợp với công nghệ sản xuất Ví dụ, khi dùng rô bốt vận chuyển, tâm bàn tay kẹp thường được chọn là tâm hình học của cơ cấu kẹp, khi kẹp vật, tâm này thường trùng với tâm hình học hay trọng tâm của vật; khi dùng robot lắp ráp, tâm bàn tay kẹp cũng được chọn tương tự Khi hàn, chẳng hạn hàn điểm, tâm bàn tay kẹp được chọn là

Trang 28

tâm hình học mối hàn điểm M (Hình 2.2a); hay khi hàn hồ quang, tâm bàn tay kẹp đƣợc chọn là tâm ngọn lửa hồ quang (cách bề mặt chi tiết hàn 3 đến 5 mm) Ví dụ, khảo sát chuyển động dao động dích dắc hàn hồ quang một cách chi tiết trên hình 2.2b, tập hợp các

vị trí đánh số từ 1 đến 7 cũng nhƣ các điểm trung gian giữa các vị trí đó, là quỹ tích của điểm M thuộc tâm bàn tay kẹp

Hình 2.2a- Tâm bàn tay kẹp khi hàn điểm

Hình 2.2b- Tâm bàn tay kẹp khi hàn hồ

quang

Trang 29

bàn tay kẹp khi tiếp cận đối tượng (hướng

của trục mỏ hàn so với vật hàn tại điểm

hàn M) xem hình 2.2, hình 2.3

1, 2, 3, là góc định hướng theo

phương Mn, Ms, Ma của trục mỏ hàn khi

hàn so với hệ tọa độ cố định Mxyz (khi đó

cho gốc cố định O trùng M)

Như vậy, để thực hiện được các thao

tác kỹ thuật, công nghệ, chuyển động của

robot, do đó chuyển động của bàn tay kẹp

Hình 2.3- Vị trí và định hướng của mỏ hàn

phải xác định được vị trí và hướng của nó (trong kỹ thuật robot, vị trí hướng được gọi là thế của bàn tay kẹp) Chú ý rằng, các góc 1, 2 và 3 được xác định theo công nghệ hàn tương ứng

Theo phép biến đổi Denavit - Hartenberg, ma trận xác định vị trí và hướng của khâu n

so với khâu (giá) cố định O (hệ Oxyz) trong robot chuỗi động hở có dạng:

1 0 0 0

)

0 0 0 0

1

n n z

z z z

y y y y

x x x x

q A q A q A M

a s n

M a s n

M a s n q

Ba phần từ đầu của cột thứ tư là vị trí của tâm M bàn tay kẹp trong hệ Oxyz

Trang 30

1

i

A , i = 1n - là các ma trận chuyển hệ tọa độ từ hệ i về hệ i-1

qi, i = 1n - tọa độ suy rộng của khớp thứ i

2.1.3- Độ cơ động và hệ số phục vụ

Về bản chất, khái niệm Độ cơ động và Hệ số phục vụ của robot đều phản ánh tính linh

hoạt, mềm dẻo của rô bốt khi làm việc Điều khác biệt là: độ cơ động chủ yếu phản ánh

tính linh hoạt, mềm dẻo của robot khi xác định vị trí; còn hệ số phục vụ chủ yếu phản ánh khả năng linh hoạt, mềm dẻo của robot khi định hướng Các khái niệm này đều có mối

liên quan khá rõ nét với khái niệm về các vùng hoạt động của robot (được trình bày dưới đây)

a- Độ cơ động

Về lý thuyết, một robot có bậc tự do n = 6 là có thể đáp ứng được rất nhiều thao tác kỹ thuật, công nghệ Tuy nhiên, các robot được thiết kế, chế tạo có số bâc tự do n có thể nhỏ hơn 6 tùy thuộc vào nhiệm vụ robot đảm nhiệm Khi đó, độ cơ động được định nghĩa: là hiệu số n - 6 = m, m nguyên

Nếu m = 0, bài toán động học luôn có lời giải duy nhất Khi đó, ứng với 12 phần tử trong 4 cột đầu của phương trình (2.1) luôn xác định được (giải được nghiệm duy nhất của phương trình (2.1)) một bộ các tọa độ suy rộng qi tương ứng

Nếu m < 0 độ cơ động bị hạn chế do (2.1) không phải lúc nào cũng thỏa mãn, nghĩa là với 12 phần tử trong 4 cột đầu của phương trình (2.1), không phải lúc nào cũng xác định được (giải được phương trình (2.1)) một bộ qi tương ứng

Nếu m > 0, bài toán động học luôn có nhiều lời giải Khi đó, tại một vị trí sẽ có nhiều

bộ thông số định hướng ứng với các bộ qi khác nhau, khả năng cơ động của robot tăng lên nhiều lần

Như vậy, nếu liên hệ với khái niệm về các vùng hoạt động của robot (xem mục 2.2), chúng ta sẽ thấy:

 Vùng hoạt động một phần, vùng hoạt động có hướng không đổi sẽ có m ≤ 0, vùng hoạt động toàn phần sẽ có m > 0

Trang 31

 Đối với một số robot có bâc tự do n ≥ 6, trong vùng hoạt động cực đại, sẽ gồm những vùng có m = 0 hoặc m< 0 hoặc m > 0

Những nhật xét trên đây có ý nghĩa rất lớn trong thực tế trong việc bố trí, lắp đặt robot sao cho hiệu quả sử dụng cao nhất

Như vậy, với robot có góc i càng lớn, khả năng định hướng càng tăng (tiếp cận được đối tượng ở một vị trí theo nhiều hướng khác nhau)

Đối với robot phẳng, ta có:

1 = 1/2 (2.3)

Do đó:

min = 0 ≤ 1 ≤ 2 = max (2.4)  min = 0 ≤ 1 ≤ 1 = max (2.5) Đối với robot không gian, ta có:

Do đó:

min = 0 ≤ 1 ≤ 4 = max (2.7)  min = 0 ≤ 1 ≤ 1 = max (2.8)

Trang 32

Trường hợp i = min = 0 ứng với robot có vùng hoạt động có hướng không đổi Khi

đó, tại mọi điểm trong vùng hoạt động, bàn tay kẹp chỉ tiếp cận được vật theo một hướng duy nhất

Trường hợp 1 > i > 0 ứng với robot có vùng hoạt động một phần

Trường hợp i =1 ứng với robot có vùng hoạt động toàn phần

Giá trị của i rất phụ thuộc vào cấu trúc động học và số bậc tự do của robot

2.2- Vùng hoạt động của Robot

Vùng hoạt động của robot là một trong những khái niệm quan trọng khi nghiên cứu ro bot Đã có một số tài liệu khảo sát, tìm hiểu và định nghĩa về khái niệm này Tuy nhiên, nội dung và mức độ nghiên cứu còn chưa nhiều, chỉ dừng ở khái niệm, định nghĩa và nêu

ra một số kết luận chung về ứng dụng của vùng hoạt động của robot trong thực tế, chưa khai thác hết những giá trị của nó Vì vậy, để khắc phục những khoảng trống còn chưa được nghiên cứu, trong [1] và [2] - khái niệm vùng hoạt động của robot đã được khảo sát, nghiên cứu có hệ thống hơn và khá chi tiết hơn Dưới đây, tóm tắt lại một số nội dung chính về vùng hoạt động của robot đã được nghiên cứu, trình bày trong [1] và [2], làm cơ

sở cho những hướng nghiên cứu tiếp theo trong Luận văn này

2.2.1- Một số định nghĩa

a- Vùng hoạt động

Vùng hoạt động của robot là một vùng phẳng hoặc không gian xác định, trong đó bàn tay kẹp có thể thực hiện những thao tác kỹ thuật, công nghệ nhất định nào đó ứng với các thông số hình học và số bậc tự do của nó

Với mỗi robot, xét về lý thuyết, vùng hoạt động được chia ra làm nhiều dạng khác nhau, đó là vùng hoạt động cực đại, vùng hoạt động một phần, vùng hoạt động có hướng không đổi và vùng hoạt động toàn phần Hình 2.4 mô tả một số dạng vùng hoạt động của một số robot

Trang 33

Hình 2.4- Một số dạng vùng hoạt động robot

Hình 2.4- Một số dạng vùng hoạt động robot (tiếp)

b- Định nghĩa về các dạng vùng hoạt động

Vùng hoạt động cực đại - là vùng tập hợp các vị trí trong mặt phẳng hay trong không

gian mà tâm bàn tay kẹp (điểm M) có thể đạt tới được ứng với các thông số hình học và bậc tự do xác định của robot (hình 2.4) Vùng hoạt động cực đại luôn có kích thước (thể tích) lớn nhất Vùng hoạt động cực đại chưa tính đến sự định hướng của bàn tay kẹp

Các vùng hoạt động còn lại dưới đây đều tính đến sự định hướng của bàn tay kẹp

Vùng hoạt động một phần - là vùng tập hợp các vị trí trong mặt phẳng hay trong không

gian mà tâm bàn tay kẹp (điểm M) có thể đạt tới được theo một số hướng khác nhau ứng với các thông số hình học và bậc tự do xác định của robot

Hình 2.5 mô tả các khả năng của bàn tay kẹp đạt tới vị trí hàn M hay M* ở một số hướng khác nhau trong vùng hoạt động cực đại ABCDEF Các vị trí lân cận M*, bàn tay (mỏ hàn) chỉ tiếp cận được chi tiết hàn (hàn được) theo một số hướng (chẳng hạn: hướng

1, hướng 2); do hạn chế về kích thước hay bậc tự do mà bàn tay kẹp không thể đưa mỏ

Trang 34

hàn để hàn tại vị trí M* theo những hướng khác nhau (chẳng hạn hướng 3, hướng 4,

hướng 5, hướng 6 như đối với vị trí M) Khi đó, vùng tập hợp bởi các điểm ở lân cận M*

(xung quanh M*) trong mặt phẳng hay không gian, gọi là vùng làm việc một phần

Nhưng tại vị trí M, mỏ hàn có thể hàn được ở nhiều hướng khác nhau hơn, thậm chí

nếu tại M và những vị trí xung quanh M, mỏ hàn có thể hàn được ở mọi hướng, khi đó

vùng tập hợp bởi điểm M và các điểm ở xung quanh (lân cận) M gọi là vùng hoạt động

toàn phần Dưới đây là định nghĩa về vùng hoạt động toàn phần

Vùng hoạt động toàn phần - là vùng tập hợp các vị trí trong mặt phẳng hay không

gian mà tâm bàn tay kẹp (điểm M) có thể đạt tới được theo mọi hướng ứng với các thông

Hình 2.5- Các khả năng định hướng của robot

số hình học và bậc tự do xác định của robot Hình 2.5- vùng hoạt động toàn phần tạo bởi

tập hợp điểm M và các điểm ở xung quanh M, khi đó mỏ hàn hàn được mọi hướng

Vùng hoạt động có hướng không đổi - là vùng tập hợp các vị trí trong mặt phẳng hay

trong không gian mà tâm bàn tay kẹp (điểm M) chỉ đạt tới theo một hướng không đổi ứng với

các thông số hình học và bậc tự do xác định của robot

Trang 35

Hình 2.6- Vùng hoạt động có hướng không đổi

Hình 2.6 mô tả vùng hoạt động có hướng không đổi của hai robot ba bậc tự do, hoạt động trong hệ toạ độ Đề các Đối với những robot này, khi tiếp cận đối tượng hay khi hàn, tâm bàn tay kẹp chỉ đạt được theo một hướng duy nhất (robot bên trái có hướng tiếp cận đối tượng chỉ theo một hướng chuyển động q1, còn robot bên phải, tiếp cận đối tượng theo hướng q3) Những robot dạng này, chỉ tiếp cận được đối tượng theo một hướng là do dạng cấu trúc động học của bản thân robot quyết định, cụ thể là do dạng (loại) khớp động học liên kết giữa các khâu của robot và cách bố trí vị trí các khớp trong chuỗi động học quyết định khả năng định hướng của chúng Chẳng hạn, các robot toàn khớp trượt (hình 2.4b), hoặc robot có một số khớp quay và khớp trượt (hình 2.4c) chỉ tiếp cận và định hướng vào đối tượng công tác theo một hướng duy nhất

Vùng hoạt động thực tế - trong thực tế, khi lắp đặt robot tại nơi làm việc, do không

gian nơi làm việc bị hạn chế bởi các trang thiết bị đi kèm (chẳng hạn, máy gia công (máy tiện, máy hàn, v.v.), đồ gá, phôi, trang thiết bị phụ, v.v.) hoặc do cách bố trí lắp đặt mà một số vị trí trong vùng động hoạt, ở đó cánh tay rô bốt, theo lý thuyết có thể với tới, nhưng khi làm việc thực tế lại bị hạn chế; thậm chí vùng hoạt động còn bị hạn chế bởi ngay cả những robot cùng làm việc phối hợp (hình 2.7) Do vậy, thể tích của vùng hoạt động thực tế của robot sẽ bằng thể tích vùng hoạt động cực đại trừ đi thể tích vùng hoạt

Trang 36

Hình 2.7- Vùng hoạt động thực tế của hai robot

động bị hạn chế (do không gian lắp đặt hoặc cách bố trí robot)

2.2.2- Vùng hoạt động của một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do

Trang 37

vùng hoạt động này đƣợc in trong catalog quảng cáo chào hàng của nhà cung cấp Thông tin duy nhất đối với khách hàng là phạm vi (giới hạn) không gian hoạt động củatừngrobot

Hình 2.9- Robot Kuka KR6-ARC

Ngoài ra, không thể biết chắc chắn rằng - trong từng không gian đó (về lý thuyết và thực tế), nên lắp đặt đồ gá, đối tƣợng công nghệ vào những vị trí nào để robot thực hiện các

Hình 2.10- Robot Motoman MA-1400

Trang 38

thao tác kỹ thuật, công nghệ là hiệu quả nhất Đây là một nhu cầu thực tiễn và rất cần thiết Đồng thời, việc vẽ các vùng hoạt động đó như thế nào thì các nhà thiết kế và sản xuất không cung cấp; bởi vì để đáp ứng được các yêu cầu nêu trên, điều đầu tiên, các nhà chuyên môn phải nghiên cứu xây dựng cho được thuật toán và chương trình vẽ các vùng hoạt động này

b- Một số nhận xét về hình dạng vùng hoạt động

Qua các hình 2.8 đến 2.10, chúng ta nhận thấy rằng - mỗi robot có một dạng (hình

dạng tiết diện chứa trục OZ) vùng hoạt động cực đại khác với các robot khác (không

đồng dạng), do đó các vùng hoạt động một phần, toàn phần và có hướng không đổi (thuộc vùng hoạt động cực đại này) chắc chắn cũng sẽ khác nhau khi so sánh giữa các robot Đặc điểm này rất quan trọng, sẽ giúp cho việc nghiên cứu ứng dụng từng robot sao cho phù hợp với hoạt động sản xuất thực tiễn của cơ sở, đơn vị

2.3- Ý nghĩa và ứng dụng thực tế

Vùng hoạt động của robot là một trong những tính năng kỹ thuật quan trọng, cho biết giới hạn không gian hoạt động, khả năng định hướng của bàn tay kẹp của robot tại những vị trí khác nhau Nghiên cứu khảo sát vùng hoạt động sẽ tạo cơ sở khai thác triệt để tính năng

kỹ thuật trong quá trình lắp đặt, sử dụng robot Khi nghiên cứu khảo sát vùng hoạt động, sẽ tính được giá trị hệ số phục vụ tại các điểm trong vùng hoạt động, từ đó biết được việc bố trí, lắp đặt robot như thế nào là hợp lý nhất

2.4- Kết luận Chương 2

Với các dạng vùng hoạt động đã định nghĩa ở trên, dẫn đến một số hướng nghiên cứu giải quyết tiếp theo (cho một số loại robot) trong luận văn này sẽ là:

 Xây dựng thuật toán và chương trình vẽ vùng hoạt động cực đại của một số robot

 Trên cơ sở tính toán hệ số phục vụ, từ đó xác định (tìm) trong vùng hoạt động cực đại, vùng nào là: vùng hoạt động một phần? Vùng hoạt động toàn phần? Vùng hoạt động

có hướng không đổi

 Ứng dụng các kết quả nghiên cứu trên vào thực tế sản xuất

Trang 39

CHƯƠNG 3- NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG KGHĐ MỘT SỐ RÔ BỐT PHỎNG

SINH SÁU BẬC TỰ DO 3.1- Thuật toán, chương trình xác định vùng hoạt động cực đại của robot

3.1.1- Cơ sở dữ liệu

a- Robot Kuka KR6-ARC

Căn cứ vào tính năng kỹ thuật của robot Kuka Kr6- Arc, và hình 3.1 giới thiệu vùng

hoạt động cực đại của robot này (do nhà cung cấp đưa ra), số liệu ban đầu gồm có:

 Dạng cấu trúc động học - là chuỗi động hở, các khâu liên kết với nhau bằng các khớp loại 5, số bậc tự do bằng 6

 Kích thước các khâu: l 1 = 435, l 2 = 680, l 3 = 35, l 4 = 670, l 5 = l + 115, l - khoảng cách

từ vị trí lắp mỏ hàn (hoặc dụng cụ thao tác nào đó) đến tâm ngọn lửa hồ quang Khoảng cách này là không đổi đối với mỗi loại mỏ hàn

 Giới hạn chuyển động các khớp quay (bảng 3.1)

Hình 3.1 -Vùng hoạt động cực đại của Robot Kuka KR6-ARC

Trang 40

Bảng 3.1- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Kuka

 Vị trí ban đầu của Kuka như trên hình 3.2 (tại đó robot sẽ khởi động để bắt đầu các thao tác kỹ thuật, công nghệ)

 Hệ toạ độ của robot Kuka KR6-ARC được thiết lập trên hình 3.2

Nhận xét: khi khảo sát vùng hoạt động, với đặc điểm cấu trúc động học của Kuka

KR6-ARC, chỉ cần xét vị trí của điểm P (điểm P là tâm của khớp nối khâu 4 với khâu 5) Điểm P trùng với điểm Oo (vị trí Oo), là điểm ứng với vị trí (thế) chuẩn ban đầu của robot, trước khi thực hiện các thao tác kỹ thuật, công nghệ; bởi vì, khoảng cách từ điểm P đến

Định dạng
Số trang	108
Dung lượng	2,51 MB