Điều khiển robot 5 bậc tự do bằng nhận dạng giọng nói

ĐẠIHỌCTHÁINGUYÊN TRƯỜNGĐẠIHỌCKỸTHUẬTCÔNGNGHIỆP--- ---LUẬNVĂNTHẠCSĨKỸTHUẬTCHUYÊN NGÀNH:KỸTHUẬTĐIỀU KHIỂN VÀ TỰĐỘNGHÓA ĐỀTÀI:ĐIỀU KHIỂN ROBOT5BẬCTỰDOBẰNGNHẬNDẠNGGIỌNGNÓI Ngườihướngdẫn

ĐẠIHỌCTHÁINGUYÊN TRƯỜNGĐẠIHỌCKỸTHUẬTCÔNGNGHIỆP

-

 -LUẬNVĂNTHẠCSĨKỸTHUẬTCHUYÊN NGÀNH:KỸTHUẬTĐIỀU KHIỂN VÀ TỰĐỘNGHÓA

ĐỀTÀI:ĐIỀU KHIỂN ROBOT5BẬCTỰDOBẰNGNHẬNDẠNGGIỌNGNÓI

Ngườihướngdẫn khoahọc :PGS.TS.LẠIKHẮC

Trongthờigianthựchiệnluậnvăn,tácgiảđãnhậnđượcsựquantâmrấtlớncủanhàtrường,cáckhoa,phòngbanchứcnăng,cácthầy côgiáovàđồngnghiệp

TácgiảxinchânthànhcảmơnBangiámhiệu,phòngsauđạihọc,cácgiảngviênđãtạođiềukiệnchotôihoànthànhluậnvănnày

TácgiảxinbàytỏlờicảmơnchânthànhnhấtđếnthầyhướngdẫnkhoahọcPGS.TSLạiKhắcLãivềnhữngchỉdẫnkhoa

học,địnhhướngnghiêncứuv à tậntìnhhướngdẫntôitrongsuốtquátrìnhlàmluậnvăn

Mặcdùđãrấtcốgắng,songdotrìnhđộvàkinhnghiệmcònhạnchếnêncóthểluậnvăncònnhữngthiếusót.Tácgiảrấtmongnhậnđượcnhữngýkiếnđónggóptừcácthầycôgiáovàcácbạnđồngnghiệpđểluậnvănđượchoànthiệnvàcóýnghĩaứngdụngtrongthựctế

Cuốicùng,tôixincảmơngiađìnhvàbạnbè,nhữngngườiđãluônủnghộvàđộngviêntôiđểtôiyêntâmnghiêncứuluậnvănnày

Tháinguyên,tháng11năm 2017

Tácgiả

NgôThanhHải

ĐẶTVẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG1.TỔNGQUANVỀROBOT 2

1.1 KHÁIQUÁTCHUNGVỀROBOTCÔNG NGHIỆP(RBCN) 2

1.2 TỰĐỘNGHÓAVÀ ROBOT CÔNGNGHIỆP 3

1.3 SƠLƯỢCVỀLỊCHSỬPHÁT TRIỂN CỦA ROBOTCÔNGNGHIỆP 4

1.4 CÁCĐẶCTÍNH CỦA ROBOTCÔNGNGHIỆP 6

1.4.1 Tảitrọng 6

1.4.2 Tầmvới 7

1.4.3 Độphângiảikhônggian 7

1.4.4 Độchínhxác 7

1.4.5 Độlặplại 7

1.4.6 Độnhún 8

1.5 HỆTHỐNGROBOTTRONGCÔNGNGHIỆP 8

1.5.1 Hệthốngchuyểnđộngrobot 8

1.5.2 Hệthốngtruyềnđộngrobot 12

1.5.3 Hệthốngđiềukhiểnrobot 14

1.5.4 Hệthốngcảmbiến 15

1.6 ỨNGDỤNGCỦAROBOT CÔNG NGHIỆP 16

CHƯƠNG2 18

TỔNGHỢPHỆTHỐNG ĐIỀU KHIỂNCHO ROBOT5 BẬCTỰDO 18

2.1 MÔTẢTOÁNHỌCROBOT5 BẬCTỰDO 18

2.1.1 Độnghọcthuậnrobot 18

2.1.2 Độnghọcngượcrobot 22

2.2 ĐỘNGLỰCHỌCROBOT 23

2.2.1 HàmLagrange 23

2.2.2 Phươngtrìnhđộnglựchọcrobot 25

2.2.3 Phươngtrìnhđộnglựchọcrobot5bậctựdo 28

2.3 THIẾTKẾBỘĐIỀU KHIỂN CÁCKHỚP 36

2.3.1 Cấutrúchệthốngđiềukhiển 36

2.3.2Thiếtkếbộđiềukhiểnpidđiềukhiểnđốitượng 37

2.3.3 KếtquảmôphỏngdùngPID 44

CHƯƠNG3 46

ĐIỀU KHIỂNHOẠTĐỘNGCỦA ROBOT BẰNGGIỌNGNÓI 46

3.1 TỔNGQUANVỀNHẬNDẠNG GIỌNGNÓI 46

3.2 NHẬNDẠNGGIỌNGNÓITIẾNGVIỆT 48

3.2.1 TổngquanvềtiếngViệt 48

3.2.2 MôhìnhnhậndạngtiếngViệt 51

3.2.3 Hệthốngnhận dạngcơsở(Baseline) 51

3.2.4 Đặctrưngthanhđiệuvàvấnđềkhôngliêntụccủadữliệu 53

3.3 KẾTNỐIMODULE NHẬN DẠNGGIỌNGNÓIVỚIMODULEĐIỀU KHIỂN ROBOT 54

3.3.1 cánhtayrobot5bậctựdo 54

3.3.2 linhkiệnvàmodulekèmtheo 56

KẾTLUẬNVÀKIẾNNGHỊ 80

TÀILIỆUTHAMKHẢO 81

Hình2.9 Vòngđiềuchỉnhdòngcủađộngcơmộtchiều 39Hình2.10 Sơđồkhâuđiềuchỉnhdòngphầnứng 39Hình2.11 Cấutrúchệthốngđiềuchỉnhtốcđộquaycủađộngcơmộtchiều 40Hình2.12 Sơđồđiềukhiểnđộclậpmộtkhớpnối 41Hình2.13 Sơđồmôphỏnghệđiềukhiểnrobot5DOFbằng PID 44Hình2.14 ĐặctínhquáđộcủacáckhớpkhiđiềukhiểnbằngPID 45Hình3.1 Sơđồkhốitổngquancủamộthệthốngnhậndạngtiếngnói 48Hình3.2 Cácđườngđặctínhcủa6thanhđiệutiếngViệt 51Hình3.3 Đườngpitchcủacâunói“Nhậndạngtiếng Việt” 54

1 TH:KS NgôThanhHải HDKH:PGS.TS.LạiKhắcLãi

Trênthếgiớiđãcónhiềuhệthốngnhậndạnggiọngnói(tiếngAnh)đãvàđangđượcứngdụngrấthiệuquảnhư:ViaVoice,DragonNaturallySpeaking,SpokenToolketnhưngdosựkhácbiệtvềngônngữnênchúngtakhôngthểápdụngchươngtrìnhtrênđểnhậndạngtiếngViệt.Dođó,mộthệthốngnhậndạnggiọngnóitiếngViệtc ầnphảiđượcx â

y dựng.Đềt à i nàyxi nđ ư ợ cthiếtk ếmodulenhậndạnggiọngnóitiếngViệtđểđiềukhiểnrobot5bậctựdo.Bêncạnhđó,đềtàicũngtìmhiểuvànghiêncứuvềrobot5bậctựdoứngdụngtrongcôngnghiệpgắpsảnphẩm

Đềtài“điềukhiểnrobot5bậctựdobằnggiọngnóitiếngviệt’’làmộtđềtài

cótínhứngdụngthựctếcao,cóthểápdụngtrongsảnxuấtcôngnghiệpvànghiêncứutrongcáctrườngđạihọc

CHƯƠNG1.TỔNGQUAN VỀROBOT 1.1 KHÁIQUÁTCHUNGVỀROBOT CÔNGNGHIỆP (RBCN)

Robotcôngnghiệplàthuậtngữcónhiềuquanđiểmkhácnhau.Cóthểđịnhnghĩalà:Robotcôngnghiệplàmộtcơcấucơkhícóthểlậptrìnhđượcvàcó thểthựchiệnnhữngcôngviệccóíchmộtcáchtựđộngkhôngcầnsựgiúpđ ỡ trựctiếpcủaconngười.TheoISOthì“Robotcôngnghiệplàmộttaymáyđ a mụctiêu,cómộtsốbậctựdo,dễdànglậptrình,điềukhiểntựđộng,dùngđ ể tháolắpphôi, dụngcụvàcácvậtdụngkhác”

Dochươngtrìnhthaotáccóthểthayđổi,thựchiệnnhiềunhiệmvụđadạngnêncóthểnóirobotcôngnghiệpđượchiểulànhữngthiếtbịtựđộng,linhhoạt,bắtchướcđượccácchứcnănglaođộngcủaconngười.Theođó,robotcôngnghiệpcũnglàmộthệthốngtựđộnghóalậptrìnhđược,giốngnhưNC,CNC,DNCvàAC.ĐiểmkhácbiệtgiữarobotvàNClàNCđiềukhiểncácchuyểnđộngtrênbềmặt,theocáctrụccủahệtọađộthìrobotđiềukhiểncácchuyểnđộngtrongkhônggian

Yếutốđachứcnăngnhấnmạnhrobotcókhảnăngthựchiệnnhiềuchứcnăng,phụthuộcvàochươngtrìnhvàcôngcụlàmviệc.Vídụtrongdâychuyềnsảnxuấtôtô,mộtrobotcóthểđượcgắnmỏhànđểthựchiệncôngnghệhàntrongmộtphânxưởng.Tạiphânxưởngkhác,robotcócấuhìnhtươngtựvớikhâutácđộngcuốithaythếmỏhànbằngcácbànkẹpcóthểđượcđiềukhiểnđ ể vậnchuyểncácchitiếtvàlắprápnóvàocácvịtríyêucầu.Ứngvớimỗic h ứcnăngkhácnhau,chươngtrìnhđiềukhiểncủarobotsẽđượclậptrìnhlạichophùhợp.Yếutốđachứcnănglàmộttrongnhữngđiểmchínhđểphânbiệtrobotvớicácmáytựđộngđangsửdụngtrongsảnxuấthiệnnay

1.2 TỰĐỘNGHÓAVÀ ROBOT CÔNGNGHIỆP

Hailĩnhvựctựđộnghóa(Automation)vàkỹthuậtrobot(Robotics)cónhiềuliênquanmậtthiếtvớinhau.Vềphươngdiệncôngnghiệp,tựđộnghóal à mộtcôngnghệliênkếtvớisửdụngcáchệthốngcơkhí,

điệntửvàhệthốngmáytínhtrongvậnhànhvàđiềukhiểnsảnxuất.Vídụ,dâychuyềnvậnchuyển,c á c máylắprápcơkhí,cáchệthốngđiềukhiểnphảnhồi,cácmáycôngcụđiềukhiểnchươngtrìnhsốvàrobot.Nhưvậy,cóthểcoirobotlàmộtdạngcủathiếtb ịtựđộnghóacôngnghiệp

- Cóbaloạihệthốngtựđộnghóacôngnghiệp:Tựđộnghóacốđịnh,tựđộng

hóalậptrìnhđượcvàtựđộnghóalinhhoạt

+Tựđộnghóacốđịnhlànhữnghệthốngsảnxuấtmàtrìnhtựhoạtđộnglà

cốđịnh,đượcxáclậpsẵnbởithiếtbị.Mỗimộthoạtđộngtrongquátrìnhtuầntựthườnglàrấtđơngiản.Cácmáymóckếthợpcáchoạtđộngnàylạitrongmộth ệthốngphứctạp

+Tựđộnghóalinhhoạtlàbướcpháttriểncaohơncủatựđộnghóalậptrìnhđược,trongđóhệthốngcóthểđápứngcácyêucầuthayđổisảnphẩmmàkhôngmấtthờigianđểthiếtlậplạitrìnhtựhoạtđộng,dođóhệthốngcóthểs ảnxuấtrađượccácloạisảnphẩmkhácnhautheocáclịchtrìnhkhácnhau

Robotcóliênquanmậtthiếtvớitựđộnghóalậptrìnhđược.Robotlàmộtmáycókhảnănglậptrìnhvàcómộtsốđặctínhgiốngconngười.Robotc ó thểđượclậptrìnhđểdichuyểncáchtaythôngquacáctrìnhtựchuyểnđộngc ó tínhchukỳđểthựchiệnnhiệmvụkhácnhau.Vídụ,cácmáybốcdỡhàng,robothàn,sơn…

Robotcũngđượcsửdụngrộngrãitronghệthốngsảnxuấtlinhhoạthoặctronghệthốngtựđộnghóacốđịnh.Hệthốngnàygồmmộtsốmáy,hoặccácrobotlàmviệccùngnhauđượcđiềukhiểnbằngmáytínhhoặcbộđiềukhiểnlậptrình.Vídụ,dâychuyềnhànvỏôtôgồmnhiềucánhtayrobotcónhiệmvụhàncácbộphậnkhácnhau.Chươngtrìnhlưutrữtrongmáytínhđượcnạpchotừngrobotlàmviệcởmỗibộphậncủadâychuyềnhànôtô.Nhưvậyđ â y làmộtdâychuyềnsảnxuấtlinhhoạtvớimứcđộtựđộnghóacao

1.3.SƠLƯỢCVỀLỊCHSỬPHÁTTRIỂNCỦAROBOTCÔNGNGHIỆP

Thuậtngữ“Robot”xuấtpháttừtiếngSec(Czech)là“Robota”(cónghĩal à công

v i ệctạpdịch)trongvởkịchRossum’sUniversalRobotscủaKarelCapekvàonăm1920.Trongvởkịchnày,nhânvậtRossumvàcontraicủaôngt a đãchếtạoranhữngchiếcmáycóthểứngxửnhưconngười,cókhảnănglà mviệckhỏegấpđôiconngười,nhưngkhôngcócảmtính,cảmgiácnhư conngười

Vềmặtkỹthuật,nhữngrobotcôngnghiệpngàynaycónguồngốctừhailĩnhvựckỹthuậtrađờisớmhơnđólàcáccơcấuđiềukhiểntừxa(Teleoperators)vàcácmáycôngcụđiềukhiểnsố(NC-NumericallyControlled

Cáccơcấuđiềukhiểntừxa(haycácthiếtbịkiểuchủ-tớ)đãpháttriểnmạnhtrongChiếntranhthếgiớilầnthứIInhằmnghiêncứucácvậtliệuphóngx ạ.Ngườithaotácđượctáchbiệtkhỏikhuvựcphóngxạbởimộtbứctườngcómộthoặcvàicửaquansátđểcóthểnhìnthấyđượccôngviệcbêntrong.Cácc ơ cấuđiềukhiểntừxathaythếchocánhtaycủangườithaotác;nógồmcómộtbộkẹpởbêntrong(tớ)vàhaitaycầmởbênngoài(chủ).Cảhai,taycầmvàbộkẹp,đượcnốivớinhaubằngmộtcơcấusáubậctựdođểtạoracácvịtrív à hướngtùyýcủataycầmvà

bộkẹp.Cơcấudùngđể điềukhiểnbộkẹptheochuyểnđộngcủataycầm

Vàokhoảngnăm1949,cácmáycôngcụđiềukhiểnsốrađời,nhằmđápứngyêucầugiacôngcácchitiếttrongnghànhchếtạomáybay.Nhữngrobotđầutiênthựcchấtlàsựnốikếtgiữacáckhâucơkhícủacơcấuđiềukhiểntừx a vớikhảnănglậptrìnhcủamáycôngcụđiềukhiểnsố

MộttrongnhữngrobotcôngnghiệpđầutiênđượcchếtạolàrobotVersatrancủacôngtyAMFcủaMỹvàonăm1960.Cũngvàokhoảngthờigiannàyở MỹxuấthiệnloạirobotUnimateđượcdùngđầutiêntrongkỹnghệôtô

TiếptheoMỹ,cácnướckhácbắtđầusảnxuấtrobotcôngnghiệp:Anh-1967,T h ụyĐiểnv à Nhật-1968theob ảnquyềnc 1972;Ý-1973…

ủaMỹ;CHLBĐức-1971;Pháp-Tínhnănglàmviệccủarobotngàycàngđượcnângcao,nhấtlàkhảnăngnhậnbiếtvàxửlý.Năm1968,trườngđạihọctổnghợpStanford(Mỹ)đãchết ạoramẫurobothoạtđộngtheomôhình“mắt-

tay”,cókhảnăngnhậnbiếtvàđịnhhướngbànkẹptheovịtrívậtkẹpnhờcáccảmbiến

Năm1974,CôngtyCincinnaticủaMỹđãđưaraloạirobotđượcđiềukhiểnbằngmáyvitính,gọilàrobotT3(TheTomorrowTool:Côngcụcủatươnglai).Robotnàycó thểnângđượcvậtcókhốilượngđến40kg

Từnhữngnăm70,việc

nghiêncứunângcaotínhnăngcủarobotđãchúýnhiềuđếnsựlắpđặtthêmcáccảmbiếnđểnhậnbiếtmôitrườnglàmviệc.TạitrườngđạihọctổnghợpStanfordngườitađãtạoraloạirobotdùngđểlắprápt ựđộngvàđượcđiềukhiểnbằngmáyvitínhtrêncơsởxửlýthôngtintừcácc ảmbiếnlựcvàthịgiác.CũngvàothờigiannàycôngtyIBMđãchếtạoloạirobotcócáccảmbiếnxúcgiácvàcảmbiếnlực,điềukhiểnbằngmáytínhđểl ắprápcácmáyingồm20cụmchitiết

Năm1990,cóhơn40côngtycủaNhậtBảntrongđócónhữngcôngtykhổnglồnhưcôngtyHitachivàcôngtyMitsubishiđãđưarathịtrườngquốct ếnhiềuloạirobotnổitiếng

Trongnhữngnămsaunày,việcnângcaotínhnănghoạtđộngcủarobotkhôngngừngpháttriển.Cácrobotđượctrangbịthêmcácloạicảmbiếnkhácnhauđểnhậnbiếtmôitrườngxungquanh,cùngvớinhữngthànhtựutolớntronglĩnhvựcTinhọc-

Điệntửđãtạoracácthếhệrobotvớinhiềutínhnăngđ ặ cbiệt.Cóthểnóirobotlàsựtổhợpkhảnănghoạtđộng

linhhoạtcủacáccơc ấuđiềukhiểntừxavớimứcđộ“trithức”ngàycàngphongphúcủahệthốngđiềukhiểntheochươngtrìnhsốcũngnhưkỹthuậtchếtạocácbộcảmbiến,côngnghệlậptrìnhvàcácpháttriểncủatríkhôngnhântạo, hệ chuyêngia…

Sốlượngrobotngàycànggiatăng,

giáthànhngàycànggiảm.Nhờvậy,robotcôngnghiệpđãcóvịtríquantrọngtrongcácdâychuyềnsảnxuấthiệnđại

1.4 CÁCĐẶCTÍNHCỦAROBOT CÔNGNGHIỆP

1.4.1 Tảitrọng

Tảitrọnglàtrọnglượngrobotcóthểmangvàgiữtrongkhivẫnđảmbảomộtsốđặctínhnàođó.Tảitrọnglớnnhấtlớnhơntảitrọngđịnhmứcnhiềunhưngrobotkhôngthểmangtảitrọnglớnhơn

địnhmứcvìkhiđórobotkhôngđ ả mbảođượcđộchínhxácdichuyển.Tảitrọngrobotthôngthườngnhỏhơntrọnglượngrobot

1.4.2 Tầmvới

Tầmvớilàkhoảngcáchlớnnhấtrobotcóthểvươntớitrongphạmvilàmviệc Tầmvớilàmộthàmphụthuộcvàocấutrúccủarobot

1.4.3 Độphângiảikhônggian

Độphângiảikhônggianlàlượnggiatăngnhỏnhấtrobotcóthểthựchiệnkhidichuyểntrongkhônggian,phụthuộcvàođộphângiảiđiềukhiểnvàs a i sốcơkhí

Độphângiảiđiềukhiển,kíhiệulàCR,xácđịnhbởiđộphângiảihệthốngđiều

hồi:làtỷsốcủaphạmvidichuyểnvàs ốbướcdichuyểncủakhớpđượcđịachỉhóatrongbộđiềukhiểncủarobot:

CR=(dảichuyểnđộng)/2n

Trongđónlàsốbitđểbiểudiễnmộtsốtronghệthốngđiềukhiển

Saisốcơkhíphụthuộcvàokhehởtronghộptruyền,sựròrỉcủahệthốngthủyl ực,tảitrọngtrêntayrobot,tốcđộdichuyển,điềukhiệnbảodưỡngrobot.Nóichungsaisốcơkhítuântheophânbốxác suấtchuẩn

Độphângiảikhônggian,kíhiệulà SR,đượcxácđịnhnhư sau:SR=CR+6

(độlệchchuẩncủaphânbốsaisốcơkhí)

1.4.4 Độchính xác

Độchínhxácđặctrưngchokhảnăngcủarobotđiềuchỉnhđiểmcuốicủat a y máyđếnmộtđiểmbấtkỳtrongkhông gianhoạtđộngcủanó

Độchínhxác=CR/2+3

(độlệchchuẩncủaphânbốsaisốcơkhí)Độchínhxác=SR/2

1.4.5 Độlặplại

Độlặplạiđánhgiáđộchínhxáckhirobotdichuyểnđểvớitớimộtđiểmtrongnhiềulầnhoạtđộng.Dosaisốcơkhímàrobotkhôngthểvớitớicùngmộtđiểmtrongnhiềulầnhoạtđộng,màcácđiểmvớicủarobotnằmtrongmộtvòngtrònvớitâmlà

điểmđíchmongmuốn.Bánkínhcủađườngtrònđólàđộl ặplại

Độlặplại=(+/-)3.(độlệchchuẩncủaphânbốsaisốcơkhí)

1.4.6 Độnhún

Độnhúnbiểuthịsựdịchchuyểncủađiểmcuốicổtayrobotđápứnglạil ựchoặcmomentácdụng.Độnhúnlớncónghĩalàtayrobotdịchchuyểnnhiềukhilựctácdụngnhỏvàngượclại.Độnhúncóýnghĩaquantrọngvìnólàmg iảmđộchínhxácdịchchuyểnkhirobotmangtảitrọng.Nếurobotmangtảitrọngnặng,

Bộphậncơbảncủarobotlàcánhtay(arm),cánhtayđượccấuthànhbởicácthanh

nốiliênkếtvớinhauquacáckhớpnốimềm(joint),nhờcókhớpnốimàcósựchuyểnđộngtươngđốigiữahaithanhnốiliềnnhau.Cánhtayrobotđượcgắnlênthân(bệ–

base),cổtay(wrist)đượcgắnởthanhnốicuốicùngc ủacánht a y robot,bànt a y (hand–

cònđ ư ợ cgọil à cơc ấ u tácđộngcuối(endeffector))đượcgắnlêncổtayđểthựchiệncácnhiệmvụtheoyêucầucôngnghệ:cầmnắmhoặcgiacông

Hình1.2 Hìnhdạngcơkhícủa1RBCN

a Bậctựdocủarobot

Bậctựdocủarobotlàsốtọađộcầnthiếtđểbiểudiễnvịtrívàhướngcủav ậtthểởtayrobottrongkhônggianlàmviệc.Đểbiểudiễnhoànchỉnhmộtđốitượngtrongkhôngg

xácđịnhvịtríđốitượngtrongkhônggianvà3tọađộbiểudiễnhướngcủađốitượng.Nhưvậymộtrobotcôngnghiệpđiểnhìnhcósốbậctựdolà6.Nếusốbậctựdonhỏhơn6thìkhônggianchuyểnđộngcủatayrobotsẽbịhạnchế.Vớimộtrobot3bậctựdo,tayrobotchỉcóthểchuyểnđộngdọctheocáctrụcx,y,zvàhướngcủataykhôngx á c định

SốbậctựdocủaRBCNsẽtươngứngvớisốkhớphoặcsốthanhnốicủarobot.Robottrênhình1.2làrobot3bậctựdo

b Khớprobot

Khớplàkhâuliênkếthaithanhnốicóchứcnăngtruyềnchuyểnđộngđểthựchiệndichyểncủarobot.Thanhnốigầnvớirobotlàthanhnốivào,thanhnốiras ẽchuyểnđộngtươngđốisovớithanhnốivào

- Khớprobotđượcsửdụngtrongthiếtkếlàkhớptịnhtiếnvàkhớpquay

+Khớptịnhtiếnthựchiệnchuyểnđộngtịnhtiếnhoặctrượtthanhnốiđầura.C á c dạngcơcấukhớptịnhtiếnlàcơcấuxilanh-piston,cơcấukínhviễnvọng

+Khớpquaycó3dạng:R,T,V.KhớpquaydạngRcótrụcxoayvuônggócvớitrụchaithanhnối.KhớpquaydạngTcótrụcquaytrùngvớihaithanhnối.KhớpquaydạngVcótrụcquaytrùngvớitrụcthanhnốivàovàvuônggócvớitrụcthanhnốira

c Cổtayrobot

Cổtayrobotcónhiệmvụđịnhhướngchínhxácbàntayrobot(cơcấutácđộngcuối)trongkhônggianlàmviệc.Thôngthườngcơcấucổtay

robotcó3b ậctựdotươngứngvới3chuyểnđộng:cổtayxoayxungquanhtrụcthanhnốicuốicùng(Roll),cổtayxoayxungquanhtrụcnằmngangtạorachuyểnđộngl ê n xuốngcủabàntay(Pitch),cổt a y quayxungquanhtrụcthẳngđứngtạochuyểnđộnglắcphải,tráicủabàntay(Yaw)

d Bàntayrobot(cơcấutácđộngcuối)

Bàntayđượcgắnlêncổtayrobotđảmbảochorobotthựchiệncácnhiệmv ụkhácnhautrongkhônggianlàmviệc.Cơcấubàntaycóhaidạngkhácnhaut ù y theochứcnăngcủarobottrongdâychuyềnsảnxuất:c ơ c ấ ubànkẹp(gripper)và

cơcấudụngcụ(tool)

– Cơcấukẹp

+Cơcấukẹpđượcsửdụngđểcầmgiữmộtvậtthểhoặcchitiếtởcácrobotl à m việctrongdâychuyềnlắprápkhi

gắpmộtchitiếtvàlắprápmộtbộphậnc ủamộtmáy;robotởdâychuyềnđónggóihoặcởrobotcóchứcnăngvậnchuyểnnhưgắpmộtchitiếtđặtlênmộtbăngtảihoặcvậnchuyểnmộtchitiết

từvịtrínàysangvịtríkhác.Cácchitiếtcũngcócácloạivàhìnhdạngkhácnhau:chai,hộp, vậtliệuthôhoặcmộtdụngcụ.

+Cơcấukẹpthôngthườnggồmhaihaynhiềungóntay(finger).Cácngóntayc ó chứcnăngbiếnđổimộtdạngnănglượng(điện,cơkhí,khínénhoặcthủyl ực)nhờmộtcơcấuchấphànhthànhlựcđểnắmgiữmộtvậtthể.Cơcấucókhảnăngmởravànắmlạicácngóntayvàsinhlựcđủlớnđểgiữmộtvậtthểtrongtay

– Cơcấudụngcụ

Trongnhiềudâychuyềns ảnxuất,robotthựchiệnnhiệmvụnhưmộtdụngcụđểgiacôngkimloạihoặcmộtcôngnghệđặcbiệtnhưsơn,hàn.Đểthựchiệncáccôngnghệđó,dụngcụcóthểđượckẹptrênbàntayrobot(cơcấukẹp)hoặcmộtdụngcụđượcgắncốđịnhtrêncổtaycủarobot.Cácdụngcụlà:mũikhoan,dụngcụcắt,đámài,mộtbìnhsơn,cơcấuhànđiểm,

hànhồquang.Khibàntayrobotlàmộtdụngcụ,robotcầnđượcđiềukhiểnchuyểnđộngcủadụngcụtươngtựnhưđiềukhiểncơcấubàntaykiểukẹp

Hình1.3 Haivídụvềbàntayrobot:

(1)_Bàntayrobottruyềnđộngthủylựcc ó 4ngóntayđốixứng,

(2)_Bàntayrobotcó3ngóntaykhôngđốixứng.

e Cácdạngcơcấuhình họcvàkhônggianlàmviệccủaRBCN

Cấuhìnhrobotthôngthườngđượcđịnhnghĩatheoc á c khungt ọađộkhônggianlàmviệccủatayrobot.Có5dạngcơcấuhìnhhọcđiểnhình:cơcấukiểutọađộĐềcác,tọađộtrụ, tọađộcầu,SCARA,kiểutayngười:

CơcấukiểutọađộĐềcác:dùng3khớptrượt,chophépphầncôngtácth ựchiệnmộtcáchđộclậpcácchuyểnđộngthẳng,songsongvới3trục.Khônggianlàmviệccủataymáycódạnghìnhhộpchữnhật.Kếtcấutaymáyđơngiảnnêncóđộcứngvữngcao,độchínhxácđượcđảmbảođồngđềutrongtoànb ộkhônglàmviệc,nhưngítkhéoléo.Taymáykiểunàydùngđểvậnchuyểnv à lắpráp

Cơcấukiểutọađộtrụ:dùng1khớpquayvà2khớptrượt.Khônggianl à m việccủanócódạnghìnhtrụrỗng.Khớptrượtnằmngangchophéptaymáy“thò”đượcvàokhoangrỗngnằmngang.Độcứngvữngcơhọccủataymáytrụtốt,thíchhợpvớitảinặngnhưngđộchínhxácđịnhvịgóctrongmặtphẳngnằmnganggiảmkhitầmvớităng

Cơcấukiểutọađộcầu:dùng2khớpquayvà1khớptrượt.Khônggianlàmviệccủanólàkhốicầurỗng Độchínhxácđịnhvịphụthuộcvàtầmvới

CơcấukiểuSCARA:đâylàkiểutaymáycócấutạođặcbiệt,gồm2khớpquayvà1khớptrượtnhưngcảbakhớpđềucótrụcsongsongvớinhau.TêngọiSCARAlàviếttắtcủa“SelectiveCompliantArticulatedRobotArm”:t a y máymềmdẻotùyý.Loạitaymáynàythườngdùngtrongcôngviệclắpráp.Cơcấukiểutayngười:cả3khớpđềulàkhớpquay,trongđótrụcquaythứnhấtvuônggócvớihaitrụcquaycònlại

1.5.2 Hệthốngtruyềnđộngrobot

Cáckhớpcóthểthựchiệnchuyểnđộngnhờvàocáccơcấuchấphànhđượctruyềnđộngbởicáchệtruyềnđộngkhácnhaunhưtruyềnđộngđiện,thủyl ực,khínén

a Truyềnđộngthủylực

Cơcấuchấphànhthủylựccóhaidạngcơbảnđơngiảnnhất:cơcấuxilanhpistonsửdụngchocáckhớptịnhtiếnvà cơcấuvanquaytruyềnđộngchocáckhớpquay.

Hình1.4.Sơđồkhốihệtruyềnđộngthủylực.

Trênhình1.4làsơđồkhốihệtruyềnđộngthủylựcđiểnhình.Cơcấuxilanhh a i chiềuđượccấpdầuvàđiềukhiểnbằngmộtcơcấuvansecvo.Vansecvođượctruyềnđộngtừmộtđộngcơsecvo.Độngcơsecvođượcđiềukhiểnbởih ệthốngtruyềnđộngđiềukhiểnvịtrívớitínhiệuphảnhồilàvịtrícủapistonđượcđonhờcảmbiếnvịtrí.Độngcơchỉcầnsinhmộtlựcnhỏđểdichuyểnpistoncủavansecvo,từđóđiềuchỉnhđượclưulượngvàhướngcủađườngdầucungcấpchoxilanhv à đ i ề ukhiểnđ ư ợ ct ốcđộv à hướngdịchchuyểnc ủaxilanh

Ưuđiểmcủacácchấphànhthủylựclàcôngsuấtlớnvàchophépchịuđượctảilớn.Tuynhiênhệtruyềnđộngthủylựclạicónhiềunhượcđiểm

như:hiệntượngròrỉdầugâyảnhhưởngtớimôitrường,cóthểgâycháykhiứngdụngchohànhồquang,cầnnhiềucơcấuphụtrợ,độồnlớn,phảikiểmtrachấtlượngdầuthườngxuyên

b Truyềnđộngkhínén

Nguyênlýlàmviệccủacơcấukhínéntươngtựnhưcơcấuthủylựcnhưngdầuápsuấtcaođượcthaybằngkhínén.Cơcấukhínéncũngchialàmh a i loạituyếntínhvàquay

Ưuđiểmcủa cơcấukhínén: nguồnkhínén sẵncó,giáthànhcơcấukhínénthấp,khônglàmảnhhưởngtớimôitrường,chuyểnđộngnhanh.Nhượcđ i ể mcủa cơcấukhínénlàkhóápdụngluậtđiềukhiểnphảnhồi

Cơcấukhínénchỉđượcdùngchocôngsuấtnhỏvàchocácứngdụngđơngiảnn

hư trongcáccơcấuvậnchuyển,bànkẹp

c Truyềnđộngđiện

Hệthốngtruyềnđộng điệnbaogồmbộbiếnđổi,nguồnđiệnvàđộngcơđiện.Cácdạngđộngcơđiệnsửdụngtronghệthốngtruyềnđộngrobotlà:độngc ơ secvomộtchiều,độngcơsecvoxoaychiều,độngcơsecvomộtchiềukhôngchổithanvàđộngcơbước

Hệthốngtruyềnđộngđiệnthườngđượcchialàmhailoại:truyềnđộngt r ựctiếpvàgiántiếpquabộtruyềnđộngcơkhí.Độngcơđiệnsẽcungcấpmômencầnthiếtđểđịnhvịgócquaychínhxácchocáckhớptrựctiếphoặcgiántiếpthôngquabộtruyềnđộngcơkhínhưcáchệthốngpulivàđaitruyền,cáchộpgiảmtốc

vàcáchệthốngtruyềnđộngđiềuhòa

Ưuđiểmcủađộngcơđiệnlà cáchệthốngtruyềnđộngtrựctiếpchochuyểnđộngnhanhvàchínhxác,dễdàngthựchiệnluậtđiềukhiểnphảnhồi,d ễdàngphốihợp

vớimáytínhtronghệthốngđiềukhiển.Dođódâylà

loạicơc ấuchấphànhphổbiếnnhấttrongcáchệthốngrobot

1.5.3 Hệthốngđiềukhiểnrobot

Bộđiềukhiểncóthểđượcthiếtkếtừcácvixửlý,cácviđiềukhiển,bộđiềukhiểnlogickhảtrìnhPLChoặcmáytính

–Liênquanđếnđặcđiểmlàmviệccủarobotcóthểchiabàitoánđiều

khiểnrobotthànhhailoại:điềukhiểnthôvàđiềukhiểntinh

ĐiềukhiểnchuyểnđộngcóthểthựchiệnởhệtọađộkhớphaytọađộĐềcáctùythuộcquỹđạothiếtkếchotọađộkhớphaytọađộĐềcác.Đồánnàysẽtậptrungnghiêncứucácphươngphápvà cácluậtđiềukhiểnchuyểnđộng

+Điềukhiểntinhcòngọilàđiềukhiểnlực,đượcápdụngchorobotcótươngtácvớimôitrườnglàmviệc.Khiđóyêucầuđiềukhiểncảlựcvàchuyểnđộng

Haiphươngphápđiềukhiểnlựclà:điềukhiểntrởkháng(điềukhiểnđộnhún)vàđiềukhiểnhỗnhợp

1.5.4 Hệthốngcảmbiến

– Cáccảmbiếntrongrobotcóthểchialàmhailoại:

+Cảmbiếnngoạituyếntăngkhảnăngnhậnthứcchorobotvềmôitrườngxungquanh.+Cảmbiếnnộituyếncungcấpcácthôngtinvềđặctínhcủabảnthânrobot

a Cảmbiếnnộituyến

Gắntrựctiếptrêntrụckhớphoặcđộngcơ,thườnglàcácencodor,chiếtáp đovịtrí,cáccảmbiếnlực,thiếtbịđolực

b Cảmbiếnngoạituyến

Cungcấpcácthôngtinvềđốitượnghoặcmôitrườngtươngtác.Cáccảmbiếnngoạituyếncóchứcnăngnhưcácgiácquanchínhcủaconngười

+Cảmbiếnhìnhảnh(Camera)

Cameracócấutạobaogồmthấukính,tếbàoquanghọc,màngchắn.Cáctínhiệuvềánhsángsẽđượcchuyểnthànhtínhiệuđiện

+Cảmbiếnthínhgiác(Microphone)

Chuyểncác âmthanhtrongkhônggianthànhtínhiệuđiện

Ngoàiracòncócảmbiếnvềmùivị,cảmbiếnnhiệtđộcaobằngtiahồngngoại,cảmbiếnkhoảngcáchbằngphátsiêuâm

1.6.ỨNGDỤNGCỦAROBOT CÔNGNGHIỆP

Robotđượcsửdụngrộngrãitrongnhiềungànhcôngnghiệpkhácnhaubởinhữnglợiíchkinhtếmànómanglạilàrấtlớn.Nhìnchungrobotcóthểnângcácvậtnặng,làmviệcvớicácnguyênliệukhôngantoàn,cáchoạtđộngnguyhiểmhoặcmôitrườngkhôngthíchhợpvớiconngườihoặcnhữngcôngviệcnhàmchánlặpđilặplại.Cóthểphânloạiứngdụngcôngnghiệpcủarobotg ồmcáclĩnhvựcchính:vậnchuyển,bốcdỡvậtliệu,giacông,lắprápthămdòv à c á c ứngdụngkhác

a Ứngdụngrobotcôngnghiệptrongvậnchuyển,bốcdỡvậtliệu

Ứngdụngvàovậnchuyển,robotcónhiệmvụdichuyểnđốitượngtừvịt r í nàyđếnvịtríkhác.Nhiệmvụnàycủarobotthựchiệnbởicácthaotácnhặtv à đặtvậtthể.Robotnhặtchitiếtởmộtvịtrívàchuyểndờiđếnmộtvịtríkhác.Robotcóthểgắpmộtchitiếtởmộtvịtrícốđịnhhoặctrênmộtbăngtảiđangchuyểnđộngvàđặttrênmộtbăngtảikhácđangchuyểnđộngvớiđịnhhướngc h i tiết

b Ứngdụngrobottronglĩnhvựcgiacôngvậtliệu

Trongcôngnghiệpgiacôngvậtliệu,robotthựchiệnnhiệmvụnhưmộtmáygiacông.Dođótayrobotsẽgắnmộtdụngcụthaychomộtcơcấukẹp

Ứngdụngcủarobottrongcôngnghiệpgiacôngvậtliệubaogồmcáccôngnghệsau:hànđiểm,hànhồquangliêntục,sơnphủ,côngnghệgiacôngk i m loại

c Ứngdụngrobottronglắprápvàkiểmtasảnphẩm

– Côngnghệlắpráplàlắpmộtchitiếtvàomộtbộphậnkhác.Robotđượcsửdụngtrongdâychuyềnlắprápthôngthườngởbốndạngsau:lắpchitiếtvàol ỗ,lắplỗvàochitiết,lắpchitiếtnhiềuchânvàolỗvàlắpngănxếp

– Trongcôngnghiệplắpráp,robotcóthểhoạtđộngriênglẻđểlắphoànthiện

mộtthiếtbịhoặclàmviệctrongmộtdâychuyền,trongđómỗirobotsẽcónhiệmvụlắpmộtchitiếttrongmộtthiếtbịmáy

– Robotcũngđượcsửdụngtrongcôngđoạnthửnghiệmvàkiểmtra.Mộttrongnhữngứngdụngcủarobottronglĩnhvựcđovà kiểmtrasảnphẩmlàcácmáy

đotọađộ(CoordianteMeasureentMachine-CMM).Máyđotọađộđượcsửdụngrộngrãiđểkiểmtrakíchthước,vịtrívàhìnhdạngcủacácchitiếtmáyhoặccácbộphậncơkhí

Động học thuận Chuyển động các khớp Thông số hình học

Vị trí và hướng của điểm cuối

Động học ngược

CHƯƠNG2.

TỔNGHỢP HỆTHỐNGĐIỀU KHIỂNCHOROBOT5BẬCTỰDO 2.1 MÔTẢTOÁN HỌC ROBOT5BẬCTỰDO

Trongmôphỏngrobot,phântíchhệthốnglàcầnthiếtnhưlàphântíchđộnghọc,mụcđíchlàmanglạinhữnghiểubiếtcủanhữngchuyểnđộngcủatừngphầncơkhírobotvàmốiquanhệgiữachúng.Phântíchđộnghọcđượcchiathànhđộnghọcthuậnvàđộnghọcngược.Độnghọcthuậnbaogồmtìmravịtrícuốitrongkhônggianchuyểnđộngcủacáckhớplà

- ai:khoảngcáchtheo phươngxitừOiđ ế ngiaođiểmcủa cáctrụcxivàzi-1.

- di:khoảngcáchtheophươngzi-1từOi-1đếngiaođiểmcủacáctrụcxiv àzi-1

0.Cáctrục x0và y0đ ư ợ cchọnthỏaquitắctamdiệnthuận.-ChọngốctọađộOi làgiaođiểmcủađườngvuônggócchunggiữaz

vuônggócvớimặtphẳngtạobởizi1 vàz

i

-Xác địnhyi thỏaquytắc tamdiệnthuận.

Bước2:LậpbảngthôngsốDenavit– Hartenberg(D-H)choc ác khâutrênrobot.

trìnhbàynhưlàtíchcủa4chuyểnđổicơbảnsửdụngthôngsốcủakhâuivàkhớpnối(i-A i  Rotz,iTransz,d iTransx,a iRotx,

i

(2.1)

Ởđâykýhiệu Rotx,a iviếttắtquayquanhtrụcx i mộtgóci .

c x i mộtkhoảng a i.Giảithíchtươngtựký

hiệu Rotz,

i

b. Tínhtoánmatrậnmôtảquan hệkhâuiđốivớihệtọađộgốc0

Nhưta đãtrìnhbàytrongmục1.2.1matrận A

imôtảvitrívàhướngcủakhâuthứisovớikhâuthứi-1.Nhưvậytíchcủacácmatrận A

MatrậnRcókíchthước3x3,làmatrậnbiểudiễnhướngcủakhâuchấphànhcuối.Vecto pc ókíchthước3x1,biểudiễnmốiquanhệtọađộvịtrícủagốc

tọađộgắntrênkhâuchấphànhcuốiđốivớihệtọađộgốc

củakhungtọađộtayrobotđãbiếtcầnxácđịnhgiátrịcácbiếnkhớp.Nhânhaivếphươngtrình(2.5) matrận

1nghịchđảocủamatrậnA1: (A1) nhậnđượcphươngtrìnhsau:

az0



f13(0)0

f13(a)0

f13(p)

1 

f13(v)=S1x-C1y

Vớix,y,z tươngứnglàcácthànhphầncủa vectơv

Matrận1 Tsửdụngcácmatrận A(i=2÷5)c ó dạng:

-Xácđịnhmomenvàlựcđộngxuấthiệntrongquátrìnhchuyểnđộng

Khiđóquiluậtbiếnđổicủabiếnkhớp q i( t)coi

nhưđãbiết.Việctínhtoánlựctrongcơcấutaymáylàrấtcầnthiếtđểchọncôngsuấtđộngcơ,kiểmtrađộbền,

độcứngvững,đảmbảođộtincậycủarobot

-Xácđịnhcácsaisốđộngtứclàsailệchsovớiquiluậtchuyểnđộngtheochươngtrình.LúcnàycầnkhảosátPhươngtrìnhchuyểnđộngcủarobotcótínhđếnđặctínhđộnglựccủađộngcơvàcáckhâu

Cónhiềuphươngphápnghiêncứuđộnglựchọcrobot,nhưngthườnggặphơnc

ả l à phươngphápcơhọcLagrange,c ụthểl à

dùngphươngtrìnhLagrange-Euler.Đốivớicáckhâukhớpcủarobot,vớicácnguồnđộnglựcvàkênhđiềukhiểnriêngbiệt,khôngthểbỏquacáchiệuứngtrọngtrường(gravityeffect),quántính(initial),tươnghổ(Coriolis),lytâm(centripetal) mànhữngkhíacạnhnàychưađượcxétđầyđủtrongcơhọccổđiển;CơhọcLagrangenghiêncứucácvấnđềnêutrênnhưmộthệthốngkhépkínnênđâylànguyênl ý cơhọcthíchhợpđốivớicácbàitoánđộnglựchọcrobot

;i1

n

1

Saukhixácđịnhđộngnăngvàthếnăngcủatoàncơcấu,tacóhàmLagrangecủarobotcó5bậc tựdo:

đốivớibiếnkhớpq i cóthểdễdàngxácđịnhtheocôngthứcsau: