Thiết kế kẹp cho robot vận chuyển trong dây chuyền sản xuất tự động

C thể n i, Robot là sự tổng hợp khả năng của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình khoa học của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu

trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ của PGS.TS Phan Bùi Khôi Viện cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các kết quả của luận

văn chưa được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào

Hà nội, ….ngày ….tháng….năm 2012

Học viên thực hiện

Tống Ngọc Dũng

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC RO OT 25

2.1.1 Tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 25

2.2.1 Các ma trận truyền D - H 31

CHƯƠNG 3 T NH TOÁN THI T K K T CẤU N K P 46

3.2.1 Tương tác giữa bàn kẹp của Robot vận chuyển và đối tượng công nghệ 52

DANH MỤC CÁC ẢNG

Bảng 1.1 Số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển 59

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.2 Robot đƣợc sử dụng trên máy ép nhựa để lấy thành phẩm 14

Hình 2.7 Ma trận ten xơ quán tính của khâu i đối với khối tâm 41

Hình 3.6 Sơ đồ tay kẹp điện - từ 50

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại học,

Viện Cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả

hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả cũng chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Cao đẳng Công nghiệp Quốc Phòng đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện Luận văn này

Do năng lực bản thân c mức độ nên Luận văn không tránh khỏi thiếu s t, tác giả rất mong nhận đƣợc sự đ ng g p ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Học viên

Tống Ngọc Dũng

M ĐẦU

Thuật ngữ “Robot” được xuất hiện vào năm 1921 trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta

đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người

Các robot thật được nghiên cứu để đưa vào ứng dụng trong công nghiệp lại là những tay máy Những tay máy này thay con người làm những việc nặng, nguy hiểm,

kh khăn như: Rèn kim loại ở nhiệt độ cao, phun sơn vỏ ô tô, hàn điểm Trong hoạt động sản xuất đa số những robot c hình dạng của “cánh tay cơ khí”

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay c nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đ là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC – Numerically Controlled machine tool) C thể n i, Robot là sự tổng hợp khả năng của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như

kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia…

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng được phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực tự động h a – công nghệ thông tin đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt Nhờ vậy, robot công nghiệp đã c vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

1 T nh cấp thi t c t i

Với sự phát triển của ngành công nghiệp nói chung và tự động h a n i riêng, robot công nghiệp đ ng một vai trò hết sức quan trọng sản xuất dây chuyền, nó mang lại năng suất, giảm sức lao động và đảm bảo độ chính xác trong sản xuất

Về mặt cơ học robot là hệ nhiều vật gồm các khâu được nối với nhau nhờ các khớp (khớp cầu, khớp bản lề, khớp tịnh tiến, khớp quay) Khi robot hoạt động, các khâu chuyển động làm cho khâu cuối (gọi là khâu cuối hoặc bàn kẹp) tác động lên

đối tượng để thực hiện nhiệm vụ thao tác, chẳng hạn di chuyển đối tượng từ chỗ này sang chỗ kia, từ vị trí này sang vị trí khác trong những khoảng thời gian, vận tốc đã định trước…

Khâu thao tác của robot, còn gọi là bàn kẹp đ ng vai trò quan trọng và trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ hoặc phục vụ việc thiết kế bàn kẹp robot dựa trên cơ sở nghiên cứu các bài toán động học và động lực học robot, từ đ tính được động học và động lực học của khâu cuối của robot Đặc biệt việc thiết cơ cấu kẹp cho robot trong dây chuyền sản xuất tự động đòi hỏi yêu cầu thao tác công nghệ, độ tin cậy và tính linh hoạt trong quá trình sản xuất công nghiệp hiện đại

Nhằm đáp ứng phần nào các yêu cầu trên đây, luận văn của Tôi tập trung

nghiên cứu “ Thiết kế cơ cấu kẹp cho robot vận chuyển trong dây chuyền sản xuất

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

 Áp dụng khảo sát một số cơ cấu kẹp

 Kiểm tra đánh giá kết quả và mô phỏng

4 N i dung c uận v n

 Chương 1 Tổng quan về robot công nghiệp

 Chương 2 Khảo sát động học - Động lực học robot

 Chương 3 Tính toán thiết kế kết cấu bàn kẹp

Luận văn đã trình bày tổng quan về robot công nghiệp, đã khảo sát được bài toán lý thuyết về động học và động lực học robot Từ đ làm cơ sở tính toán, thiết kế

kết cấu bàn kẹp cho robot vận chuyển Dựa vào các bài toán lý thuyết đã thiết kế tính toán được bàn kẹp cho robot vận chuyển trong dây chuyền sản xuất tự động

Trong quá trình thực hiện luận văn kh tránh khỏi những thiếu sót, tôi kính mong nhận được sự đ ng g p ý kiến của các thầy, cô và đồng nghiệp

Một lần nữa, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Phan Bùi Khôi,

cùng toàn thể các Thầy, Cô trong Viện cơ khí, Viện đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành bản luận văn này đúng kế hoạch

TÁC GIẢ

CHƯƠNG 1

T NG QUAN V RO OT C NG NGHI P

1 1 Giới thi u s ợc v robot công nghiệp

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người

Đầu thập k 60, công ty của Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Ngừời máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại 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 ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực

kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC- Numerically Controlled machine tool)

Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong và hai tay cầm ở bên ngoài Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu 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 trình của máy công cụ điều khiển số

Có thể nói, robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực tin học - điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt, số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như bảng 1.1:

Bảng 1.1 Số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi c khối lượng lớn với nhiệt độ cao trong xưởng

Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là

một vấn đề kh khăn đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong

lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn

Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: Khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy

Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi

đ robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước

Hình 1.1 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi

Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot

Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất

Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hoá hoàn toàn: Chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn c khả năng hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử

Chỉ với vài người giám sát công việc, các máy m c này c thể hoạt động suốt ngày đêm, các robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn sản xuất khác, kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho

Trong các nhà máy, thao tác di chuyển đối tượng công nghệ từ vị trí này sang vị trí khác, từ dây chuyền này sang dây chuyển khác chiếm t lệ lớn (c khi đến 50% khối lượng công việc) Công việc này vừa nhàm chán, vất vả nặng nhọc và c khi không thực hiện được bởi con người do khối lượng sản phẩm lớn hoặc cường độ lao động cao

Việc ứng dụng robot công nghiệp trong việc gắp, di chuyển đối tượng trong các nhà máy được nghiên cứu, triển khai ngày càng trở nên phổ biến Ví dụ robot được sử dụng trên máy ép nhựa để lấy sản phẩm như hình 1.2

Hình 1.2 Robot được sử dụng trên máy ép nhựa để lấy thành phẩm

1.2 Cấu trúc v phân oại robot công nghiệp

12 1 Cấu trúc chung

Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: Cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều

khiển , thiết bị dạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng được coi là một thành phần của hệ thống robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như hình 1.3

H nh 1.3 Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot

Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng các khớp động để c thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot Nguồn động lực

là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bước), các hệ thống xy lanh khí nén, thủy lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động

Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot c thể c nhiều kiểu khác nhau như: Dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn

Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đ robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học)

Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt trên máy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller) Bộ điều khiển còn được gọi là mođun điều khiển (hay unit, driver), n thường được kết nối với máy tính

Một mođun điều khiển c thể còn c các cổng vào - ra (i/o Port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân,

xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác, điều khiển các băng tải

hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot

1.2.2 Phân oại Robot

Robot c thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc động học, hệ thống truyền động…Ở đây, ta xét phân loại các loại chính sau:

a Phân loại theo dạng h nh học của không gian hoạt động

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (r và t) mà tay máy c các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp của robot loại này là robot kiểu toạ độ đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu Scara, hệ toạ độ g c (phỏng sinh)

Robot kiểu toạ độ đ các: Là robot c 3

chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của

các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T) trường

công tác c dạng khối chữ nhật Loại tay máy

này c độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí

dễ đảm bảo Ví dụ robot 3 bậc tự do như hình

1.4, n được dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp

ráp, hàn trong mặt phẳng

H nh 1.4 Robot kiểu toạ độ đ các

Robot kiểu toạ độ trụ: Trường công tác

của robot c dạng hình trụ rỗng Thường khớp

thứ nhất chuyển động quay Ví dụ robot 3 bậc

tự do, cấu hình R.T.T như hình 1.5 c nhiều

robot kiểu toạ độ trụ như: Robot Versatran của

hãng AMF (Mỹ)

H nh 1.5 Robot kiểu toạ độ trụ

Robot kiểu toạ độ cầu: Trường công tác của robot c dạng hình cầu Thường độ

cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu như hình 1.6

H nh 1.6 Robot kiểu toạ độ cầu Robot kiểu tọa độ g c hệ toạ độ ph ng sinh : Đây là kiểu robot được dùng

nhiều hơn cả Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông g c với hai trục kia Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng Ưu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo hệ tọa độ g c là gọn nhẹ, vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân robot, độ linh hoạt cao

Các robot hoạt động theo hệ toạ độ g c như: Robot puma của hãng Unimation - Uokia (Hoa kỳ - Phần lan), IRb-6, IRb-60 (Thụy điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật bản) v.v

Robot kiểu Scara: Là một kiểu robot mới nhằm

đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất Tên

gọi Scara là viết tắt của Selective compliant

articulated robot arm": Tay máy mềm dẻo tuỳ ý

Loại robot này thường dùng trong công việc lắp

ráp nên Scara đôi khi được giải thích là từ viết tắt

của Selective compliance assembly robot arm

Ba khớp đầu tiên của kiểu robot này c cấu hình

r.r.t, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng, sơ

đồ của robot scara như hình 1.8 Hình 1.8 Robot kiểu Scara

b Phân loại theo thế hệ

Theo quá trình phát triển ta c thể chia robot theo các mức độ khác sau đây:

Robot thế hệ thứ nhất: Bao gồm các dạng Robot hoạt động lặp lại theo một chu

trình không thay đổi theo chương trình định trước Chương trình ở đây cũng c hai dạng: Chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiểm bằng hệ thống cam và điều khiển với chương trình c thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính

Robot thế hệ thứ 2: Thế hệ này bao gồm các robot sử dụng cảm biến trong điều

khiển cho phép tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với những thay đổi của môi trường thao tác Dạng robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là Robot được điều khiển thích nghi cấp thấp

Robot thế hệ thứ 3: Đây là dạng phát triển cao nhất của Robot tự cảm nhận Các

robot ở đây được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng Robot thế hệ này bao gồm các các Robot được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác

Robot thế hệ thứ 4: Bao gồm các Robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều

khiển thích nghi được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một

mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ta những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác

Robot thế hệ thứ 5: Là tập hợp những Robot được trang bị trí tuệ nhân tạo

Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ đề các, kiểu toạ

độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ g c, robot kiểu scara như đã trình bày ở trên

c Phân loại theo bộ đi u khiển

Robot gắp - đặt: Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén Bộ

điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở Robot hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình

cơ khí đặt trên các trục của tay máy

Robot đường dẫn liên tục: Robot loại này dử dụng bộ điều khiển servo thực hiện

điều khiểm vòng kín Hệ điều khiển liên tục là hệ thống trong đ Robot được lập trình theo một đường chính xác Trong hệ điều khiển này, đường dẫn được biểu diễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ Robot, sau đ Robot sẽ thực hiện lại chính xác đường dẫn đ

d Phân loại theo hệ thống truy n động

Hệ thống truyển động điện: Nguồn điện cấp cho Robot thường là DC để điều

khiển động cơ DC Hệ thống dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC Các động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo Robot loại này c thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác Các ứng dụng phổ biến là Robot sơn, hàn

Hệ truy n động khí nén: Robot loại này thường được sử dụng trong các ứng

dụng c tải trọng nhỏ, c tay máy là các xy lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng

và chuyển động quay Do khí nén là lưu chất nén nên Robot lạo này thường sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao

Hệ truy n động thủy lực: Tay máy là các xy lanh thủy lực chuyển động thẳng và

quay Robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng c tải trọng lớn

1.3 Cấu trúc chung c cấu kẹp c robot

Cơ cấu kẹp của robot là một hệ nhiều vật nối lại với nhau bởi các khớp

Cơ cấu kẹp của robot rất đa dạng Trên các robot chuyên dùng thì phần công tác cũng là thiết bị chuyên dùng Ví dụ, phần công tác của robot hàn là kìm kẹp dây hàn, mỏ hàn của robot phun sơn là súng phun sơn, phần công tác của robot vận chuyển các chi tiết hình trụ là cơ cấu kẹp c cơ cấu hãm…

Các đối tượng được kẹp và di chuyển rất khác nhau về kích thước, hình dạng

và tính chất vật lý, nên cơ cấu kẹp cũng hết sức đa dạng Dẫn động cơ cấu kẹp c nhiều dạng

Các dạng truyền động phổ biến là:

Hệ truy n động cơ khí: Đ là loại tay kẹp để giữ, di chuyển đối tượng bằng các

mỏ kẹp, m c, càng, tấm đỡ…Trên hình 1.9 là cơ cấu kẹp loại bánh răng thanh răng

Hình 1.9.Cơ cấu kẹp loại bánh răng thanh răng

Hệ truy n động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (dc: direct current)

hoặc các động cơ bước (step motor) Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn

như hình 1.10

Hình 1.10.Cơ cấu kẹp sử dụng điện từ

Hệ truy n động thu lực: C thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều

kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thu lực thường c kết cấu cồng kềnh, tồn tại

độ phi tuyến lớn kh xử lý khi điều khiển Trên hình 1.11 là tay kẹp dẫn động bằng thủy lực

Hình 1.11.Cơ cấu kẹp dẫn động bằng thủy lực

Hệ truy n động khí nén: C kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng

lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ này làm việc với công suất trung bình

và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định s n với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and place or ptp : Point

to point)

Các bài toán phân tích động học robot bao gồm:

Biết quy luật chuyển động (vị trí, vận tốc, gia tốc) của các khâu của robot dẫn đến xác định đƣợc quy luật chuyển động (vị trí, vận tốc, gia tốc) của khâu thao tác

Biết quy luật chuyển động (vị trí, vận tốc, gia tốc) của các khâu thao tác, xác định quy luật chuyển động (vị trí, vận tốc, gia tốc) của các khâu của robot

Chuyển động của robot và của cơ cấu kẹp liên quan mật thiết với nhau Khảo sát động học robot xác định đƣợc quy luật chuyển động của robot từ đ ta xác định đƣợc yêu cầu về quy luật chuyển động (quá trình thao tác) của cơ cấu kẹp Khảo sát bài toán động học robot là cơ sở để khảo sát, tính toán động học cơ cấu kẹp cũng nhƣ tính toán và thiết

kế cơ cấu kẹp

b T nh to n ng ực học

Động lực học robot nghiên cứu chuyển động của robot dưới tác dụng của lực và (hoặc) mô men điều khiển (dưới đây để đơn giản gọi chung là lực điều khiển) để thực hiện thao tác theo mục đích công nghệ hoặc phục vụ

Các bài toán phân tích động lực học bao gồm:

Khảo sát tính toán các đại lượng đặc trưng cho chuyển động dưới tác dụng của lực

cơ cấu kẹp là cơ sở để tính toán thiết kế cấu trúc cơ khí của cơ cấu kẹp

1.4 3 T nh to n ng ực học cho c cấu kẹp

Nghiên cứu chuyển động của cơ cấu kẹp dưới tác dụng của lực và mô men điều khiển thực hiện thao tác di chuyển đối tượng từ vị trí này đến vị trí khác trong những khoảng thời gian đã định trước theo đúng mục đích công nghệ

Phân tích động lực học cơ cấu kẹp là khảo sát, tính toán các đại lượng đặc trưng cho chuyển động dưới tác dụng của lực và mô men Đặc biệt là xác định được các lực và

mô men dẫn động các khâu của cơ cấu kẹp Đây là cơ sở để thiết kế kết cấu cơ khí của bàn kẹp, lựa chọn dẫn động, công suất, lực (mô men) dẫn động cho bàn kẹp

1 4 4 Thi t k c cấu kẹp

Việc khảo sát động học, động lực học của robot là cơ sở để tính toán, khảo sát động học, động lực học cơ cấu kẹp Khảo sát động học, động lực học cơ cấu kẹp nhận được kết quả cho phép tính toán, thiết kế cơ cấu kẹp

Trong luận văn sẽ sử dụng các phần mềm tính toán, thiết kế để tính toán cho một số

cơ cấu kẹp

Chương tiếp theo sẽ dẫn ra việc khảo sát động học, động lực học robot

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC RO OT 2.1 C sở khảo s t t nh to n robot

Để khảo sát động học robot vận chuyển chúng ta nghiên cứu việc sử dụng tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất để mô tả vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối của Robot thông qua việc xác lập các hệ tọa độ gắn với các khâu và phương pháp ma trận Denavit - Hartenberg

2 1 1 Tọ thuần nhất v m trận bi n ổi tọ thuần nhất

Cho điểm P trong không gian 3

chiều, thường vị trí P được biểu diễn:

T

x y z

p  p , p , p 

Là vectơ chỉ vị trí của 1 điểm đối với hệ

quy chiếu A trong không gian 3 chiều

p thuộc không gian 4 chiều,  là đại lượng vô hướng khác không Khi

sử dụng tọa độ thuần nhất để biểu diễn vị trí của P bởi vectơ:

T

x y z

p    p , p , p ,  

Vectơ không gian 3 chiều của P c thể nhận được từ vectơ tọa độ thần nhất 4

chiều bằng cách chia 3 thông số tọa độ thuần nhất đầu tiên cho thông số tọa độ thứ 4:

* x x

p p



 ,

* y y

p p



 , * z

z

p p

z

Được tạo nên từ các ma trận con như sau:

Ma trận con A

B

R ( 3x3 ) phía trên bên trái là ma trận cosin chỉ hướng (ma trận

quay) biểu thị hướng của hệ quy chiếu động B đối với hệ quy chiếu tham chiếu A

Ma trận con A

q( 3x1 ) phía trên bên phải chỉ ra vị trí điểm gốc hệ qui chiếu động

đối với hệ quy chiếu tham chiếu

Ma trận (1x1) phía dưới biểu diễn phép biến đổi phối cảnh

Thành phần ( 1x1) g c phải phía dưới là một đại lượng vô hướng

Với các bài toán về động học cơ cấu và tay máy Robot, đại lượng vô hướng được chọn là đại lượng đơn vị, ma trận phép biến đổi phối cảnh ( 1x1) đồng nhất

Phương trình trên cung cấp một phép biến đổi các hệ tọa độ thuần nhất từ một

hệ qui chiếu sang hệ qui chiếu khác Cho trước ma trận ta c thể xác định vị trí hệ qui chiếu động B trong hệ qui chiếu cố định A và ngược lại, khi biết hệ qui chiếu động B

so với hệ qui chiếu cố định A, ta tìm được ma trận chuyển đổi A

B

T

2 1 2 Ph ng ph p Den vit - Hartenberg

C nhiều cách tính ma trận chuyển đổi tổng thể 0

i

A, ở đây chúng ta sử dụng các qui ước Denavit - Hartenberg để biến đổi tọa độ thuần nhất

Denavit - Hartenberg quy ước hệ tọa độ Decard gắn vào mỗi khâu của một tay máy Robot như sau:

 Trục zi được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1) Hướng của phép quay và phép tịnh tiến được chọn tùy ý

 Trục xi được xác định dọc theo đường vuông g c chung giữa trục khớp động thứ

i và (i+1), hướng từ khớp động thứ i tới (i+1)

Trục yi - xác định theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận)

H nh 2.2 Hệ tọa độ chuẩn và quy tắc bàn tay phải

Vị trí tương đối giữa hai hệ tọa độ liên tiếp i và (i-1) được mô tả bởi 4 tham số động học Denavit - Hartenberg: d , ,a ,i i i i

x(a)

0

 - g c lệch giữa trục của hai khớp động liền kề, là g c quay quanh trục

i

x sao cho trục zi 1 chuyển đến trục zi theo quy tắc bàn tay phải

Hình 2.3 Biểu diễn cá thông số D-H của khớp quay

Quy tắc thiết lập hệ tọa độ Denavit - Hartenberg c thể được t m tắt như au:

1 Từ khâu đế (cố định), khâu và khớp được đánh số liên tiếp Đế được xem là khâu 0, khâu cuối là khâu tác động cuối Ngoại trừ gốc và khâu cuối, các khâu còn lại đều bao gồm hai khớp Khớp thứ i liên kết khâu thứ i với khâu thứ i 1 

2 Dựng đường vuông g c chung giữa các trục của 2 khớp kề nhau Ngoại trừ gốc

và khâu cuối, trục mỗi khớp ( i ) đều gắn với 2 đường vuông g c chung, với tục khớp động thứ ( i 1) và trục khớp động thứ ( i 1) 

3 Thiết lập đệ tọa độ gốc, ví dụ

0

z dọc theo trục khớp động thứ nhất, x0 được chọn vuông g c z0, trục y0 được xác định theo quy tắc bàn tay phải

4 Thiết lập hệ tọa độ bàn kẹp thứ n thoản mãn xn vuông g c với trục khớp liền trước Trục zn được chọn là hướng tiếp cận của khâu cuối

5 Gắn các hệ tọa độ Để các tại khớp cuối của tất cả các khâu như sau:

i 1

z sang z i Nếu các trục này song song, xi c thể chọn bất kỳ đường vuông g c chung của hai trục Trong trường hợp hai trục cắt nhau, gốc được chọn tại giao điểm và hướng trục x i được xác định qua tích hữu hướng zi 1  zi

- Trục

i

y được xác định theo quy tắc bàn tay phải

6 Xác định các thông số của khâu và các biến khớp a ,i  i, ,di i

2.1.3 C c m trận Den vit - Hartenberg (D - H)

Từ hình vẽ ta c thể thấy hệ tọa độ i c thể chuyển từ hệ tọa độ (i-1) bằng các phép quay và tịnh tiến liên tiếp dưới đây:

1 Hệ tọa độ (i-1) dịch chuyển theo trục zi-1 một khoảng cách di, đồng thời mang gốc 0i-1 theo đến vị trí Hi-1 Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất tương ứng là:

i i

1 0 0 a

0 1 0 0 T( x ,a )

Khảo sát robot vận chuyển loại Kuka

như hình…

Robot Kuka là một trong những

Robot vận chuyển được sử dụng rộng rãi,

Robot này c sáu bậc tự do sử dụng toàn

khớp quay Vùng làm việc của robot này

gần giống một phần khối cầu Ưu điểm nổi

bật của robot Kuka là hoạt động gọn nhẹ,

vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ

của bản thân n , độ linh hoạt cao

Ta c mô hình cơ học của Robot kuka

Khâu 2 Khâu 6

Khâu 5

Khâu 3 Khâu 4

hệ phương trình động học của robot Trên hình 2.6 mô tả các hệ tọa độ được gắn vào các khâu, các thông số động học robot cũng được chỉ ra trên hình 2.6

Từ Ma trận tổng quát:

i-1 i

0 0

6

( , , ) ( , , )( , , , , , )

( , , ) ( , , ) ( , , )

E E E

Các ma trận (I) và (II) đều mô tả vị trí và hướng của khâu thao tác của robot

trong hệ tọa độ cố định, ta c phương trình ma trận:

Phương trình (III) hoặc (IV) là phương trình động học robot trong dạng ma trận

Phương trình này cho phép giải các bài toán động học robot

2 1 4 Khảo s t c c b i to n ng học c robot

a i to n thuận v vị tr

Xuất phát từ phương trình ma trận ta sẽ giải bài toán thuận của động học robot

Khi đ giả sử cho quy luật chuyển động của các khâu của robot:

Ta xẽ tính vị trí, hướng của khâu thao tác Từ phương trình trên ta biểu diễn lại trong dạng vế phải là ma trận DH tích hợp từ các ma trận truyền tại các khớp đã xác định