Tính toán động học, động lực học và mô phỏng chuyển động của robot general electric p60 (robot ge p60)

Thế kỉ XXI đánh dấu sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ hiện đại, với phương hướng phát triển trên toàn thế giới là xây dựng nền công nghiệp hiện đại 4.0 với sự tham gia chủ yếu vào sản xuất là các thiết bị máy móc tự động. Để thực hiện được công nghiệp 4.0 thì sự phát triển của Robot công nghiệp giữ một vai trò rất quan trọng. Robot là một phát minh vĩ đại của con người, hiện nay cụm từ “Robot” không còn xa lạ gì nữa khi trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống đều có sự tham gia của robot. Đặc biệt là trong ngành công nghiệp thì sự có mặt của robot đã làm thay đổi hoàn toàn về tư duy sản xuất cũng như hướng phát triển kinh tế. Robot được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp để giảm thiểu sức lao động của con người vào sản xuất, trong những công việc nặng nhọc, ô nhiễm và nguy hiểm thì robot công nghiệp được lựa chọn để thay thế con người vì thế càng ngày robot công nghiệp càng được đầu tư phát triển hiện đại hóa và tối ưu để phục vụ tốt nhất cho con người. Thế nhưng để chế tạo và đưa vào sử dụng hoàn chỉnh một robot thì phải trải qua rất nhiều công đoạn quan trọng từ thiết kế tính toán đến chế tạo điều khiển. Nhằm đáp ứng được xu thế phát triển và tận dụng những thành tựu khoa học của thế giới vào chế tạo robot. Em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu “Tính toán động học, động lực học và mô phỏng chuyển động của Robot General electric P60 (Robot Ge P60)” làm đề tài tốt nghiệp.

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể thầy, cô của bộ môn Kĩ Thuật Máy

đã tận tình giảng dạy chúng em trong thời gian chúng em còn ngồi trên ghế nhà trường;những kiến thức mà thầy, cô đã truyền đạt cho chúng em sẽ là hành trang quý báu giúpchúng em bước ra đời, bắt đầu một cuộc sống mới nhiều thử thách

Trong quá trình làm đề tài luận văn này, em đã gặp rất nhiều khó khăn, vì đây là lầnđầu em được tiếp xúc với các giải thuật và các ngôn ngữ lập trình Nhưng được sự hướngdẫn tận tình và hết lòng của giảng viên hướng dẫn là cô TS Đinh Thị Thanh Huyền vàcác bạn sinh viên lớp Cơ Điên Tử - K55, cũng như sự chỉ dạy của các thầy cô trong khoa,

em cũng đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp này

Lời cuối cùng, chúng con xin được dành để cảm ơn Cha Mẹ, các Đấng SinhThành đã dưỡng dục và luôn quan tâm, ủng hộ để chúng con có được ngày hôm nay

Do sự hạn chế về thời gian, kiến thức và thiếu kinh nghiệm nên trong bản luận vănkhông thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự quan tâm, giúp đỡ và đóng gópcủa các thầy cô

Chân thành cảm ơn.!

Mục Lục

LỜI CẢM ƠN

Mục Lục

Danh Sách Hình Vẽ

Mở Đầu 1

1) Đặt vấn đề 1

2) Mục đích của đề tài 1

3) Ý nghĩa của đề tài 1

4) Nội dung của đề tài 1

CHƯƠNG 1: Tổng Quan Về Robot 3

1.1) Sơ lược về quá trình phát triển của robot công nghiệp 3

1.2) Ứng dụng của robot trong sản xuất công nghiệp và cuộc sống 4

1.2.1) Ứng dụng trong công nghệ hàn 4

1.2.2) Ứng dụng trong các lĩnh vực khác 6

1.3) Phân loại robot 7

1.3.1) Phân loại theo kết cấu 7

1.3.2) Phân loại theo điều khiển 10

1.3.3) Phân loại theo ứng dụng 11

1.4) Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 11

1.4.1) Kết cấu chung 12

1.4.2) Bậc tự do và các tọa độ suy rộng 12

1.5) Robot General electric P60 15

Chương 2: Phân Tích Động Học Robot Ge P60 16

2.1) Phân tích cấu trúc và thiết lập hệ tọa độ cho robot 16

2.1.1) Cấu trúc của robot Ge P60 16

2.1.2) Đặt hệ tọa độ cho từng khâu của robot 16

2.2) Phân tích động học robot Ge P60 và giải bài toán động học cho robot 17

2.2.1) Bảng thông số Denavit-Hartenberg(DH) 17

2.2.2) Các ma trận biến đổi thuần nhất 18

2.2.3) Bài toán động học thuận 19

2.3) Mô phỏng chuyển động của Robot 21

2.3.1) Giới thiệu tổng quan về phần mềm SolidWorks và Matlab 21

2.4) Bài toán động học ngược 25

Chương 3: Động Lực Học Robot 31

3.1) Giới thiệu về động lực học robot và phương pháp tính toán 31

3.2) Bài toán động lực học robot Ge P60 31

3.2.1) Tính toán các thông số cho từng khâu của Robot 31

3.2.2) Lập hệ phương trình vi phân cho Robot 33

Phụ Lục 49

Kết Luận Và Hướng Phát Triển 63

Tài Liệu Tham Khảo 64

Danh Sách Hình

Hình 1.1: Robot hàn trong công nghiệp sản xuất oto 5

Hình 1.2: Robot hàn hồ quang 6

Hình 1.3: Ứng dụng robot trong phẫu thuật 7

Hình 1.4: Úng dụng robot trong thám hiểm không gian 7

Hình 1.5: Robot kiểu tọa độ decac 8

Hình 1.6: Robot kiểu tọa độ trụ 8

Hình 1.7: Robot kiểu tọa độ cầu 9

Hình 1.8: Robot SCARA 9

Hình 1.9: Tay máy kiểu tay người 10

Hình 1.10: Một dạng Robot điều khiển servo 10

Hình 1.11: Robot phun sơn 11

Hình 1.12: Robot tự hành của NASA 11

Hình 1.13: Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp 13

Hình 1.14: Các tọa độ suy rộng của Robot 13

Hình 1.15: Vùng làm việc công tác 14

Hình 1.16: Robot RP 15

Hình 1.17: Ứng dụng robot Ge P60 trong công nghệ hàn 16

Y Hình 2.1: Robot Ge P60 17

Hình 2.2: Sơ đồ robot và hệ tọa độ của từng khâu 18

Hình 2.3: Mô hình 3D của Robot 23

Hình 2.4: Sơ đồ Simulink 24

Hình 2.5: Sơ đồ mô phỏng Simulink có đầu vào 25

Hình 2 6: Đồ thị chuyển vị của các biến khớp qi 25

Hình 2.7: Đồ thị vận tốc của các khớp 26

Hình 2.8: Đồ thị tọa độ của điểm thao tác cuôi 26

Hình 2.9: Vị trí của điểm P5 và vector ez 5 trên hệ tọa độ 5 27

để giảm thiểu sức lao động của con người vào sản xuất, trong những công việc nặng nhọc,

ô nhiễm và nguy hiểm thì robot công nghiệp được lựa chọn để thay thế con người vì thếcàng ngày robot công nghiệp càng được đầu tư phát triển hiện đại hóa và tối ưu để phục

vụ tốt nhất cho con người Thế nhưng để chế tạo và đưa vào sử dụng hoàn chỉnh mộtrobot thì phải trải qua rất nhiều công đoạn quan trọng từ thiết kế tính toán đến chế tạođiều khiển

Nhằm đáp ứng được xu thế phát triển và tận dụng những thành tựu khoa học của

thế giới vào chế tạo robot Em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu “Tính toán động học, động

lực học và mô phỏng chuyển động của Robot General electric P60 (Robot Ge P60)” làm

đề tài tốt nghiệp

2) Mục đích của đề tài.

- Giải bài toán động học thuận và ngược.

- Mô phỏng chuyển động cho mô hình robot

- Giải bài toán động lực học

3) Ý nghĩa của đề tài.

Nội dung nghiên cứu của đề tài rất phù hợp với xu hướng phát triển của xã hội, có

ý nghĩa thực tiễn đối với con người Trong các nhà máy công nghiệp hiện nay thì vai tròcủa robot công nghiệp là rất to lớn, robot giúp tăng năng suất lao động và hiệu quả kinh

tế, tăng chất lượng của sản phẩm, giảm giá thành và rút bớt nhân công làm việc trongnhững môi trường khắc nghiệt Việc nghiên cứu và phát triển robot công nghiệp sẽ luôn làmột trong những việc mà được xã hội ưu tiên hàng đầu

4) Nội dung của đề tài.

Đề tài được trình bày với những nội dung cụ thể sau:

Chương 1: “ Tổng quan về robot ” Nội dung chủ yếu của chương là tìm hiểu sự ra đời vàphát triển của robot, các định nghĩa, các ứng dụng của robot trong thực tế Giới thiệu vềrobot General electric P60 (Ge P60)

Chương 2: “ Phân tích động học cho robot ” Nội dung chủ yếu của chương là giải bàitoán động học thuận và động học ngược của robot Ge P60 Ứng dụng phần mềm Matlab

và SolidWorks để mô phỏng chuyển động của robot theo động học thuận

Chương 3: “ Động lực học robot ” Nội dung chủ yếu của chương là giải bài toán động lựchọc cho robot Ge P60

CHƯƠNG 1: Tổng Quan Về Robot

1.1) Sơ lược về quá trình phát triển của robot công nghiệp.

Thuật ngữ “Robot” đã được sử dụng lần đầu tiên bởi Karel Capek trong vở kịch

của ông Rossum’s Universal Robots được xuất bản vào năm 1921 Có lẽ đó là một gợi ýban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về việc sáng chế những cơ cấu, máy móc bắt chướccác hoạt động của con người

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 (Teleoperator) 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 trong các việnnghiên cứu hạt nhân Đó là những cơ cấu phỏng sinh học bao gồm những khâu khớp vàcác dây chằng gắn liền với hệ điều hành chính là cánh tay của người, thao tác thông quacác cơ cấu khuyếch đại cơ khí Cụ thể, nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai taycầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáubậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý cho tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu này dùng đểđiều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm Chính vì vậy, mặc dù người thao tácđược tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát,vẫn có thể nhìn thấy và thực hiện các thao tác ở bên trong một cách bình thường

Vào khoảng năm 1949 các máy công cụ điều khiển số ra đời nhằm đáp ứng nhu

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.

Đầu thập kỷ 1960, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company)cho ra đời robot công nghiệp được đặt tên là Versatran, do Harry Johnson và VeljkoMilenkovic thiết kế

Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạtđộng theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vậtkẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot điều khiển băngmáy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: công cụ của tương lai) Robot này cóthể nâng được vật có khối lượng lên đến 45kg

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 gia tăng, giá thành giảm đi rõrệt, tính năng có những bước tiến vượt bực

Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh vựcrộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lậptrình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động…

Định nghĩa về robot công nghiệp do Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất được

sử dụng rộng rãi: “RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lậptrình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trongcông nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyêndùng khác.”

Ngoài các ý trên, định nghĩa trong 0CT 25686-85 còn bổ sung cho RBCN chứcnăng điều khiển trong quá trình sản xuất: “ RBCN là tay máy tự động được đặt cố địnhhay di động bao gồm thiết bị dạng thừa hành tay máy có một số bậc tự do hoạt động vàthiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vậnđộng và điều khiển trong quá trình sản xuất”

Chức năng vận động bao gồm các hoạt động “cơ bắp” như vận chuyển, địnhhướng, xếp đặt, gá kẹp, lắp ráp…đối tượng Chức năng điều khiển ám chỉ vai trò củarobot như một phương tiện điều hành sản xuất, như cung cấp dịch vụ và vật liệu, phân loại

và phân phối sản phẩm, duy trì sản xuất và thậm chí điêù khiển các thiết bị liên quan Với các đặc điểm có thể lập trình lại, RBCN là thiết bị tự động hóa khả trình vàngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các tế bào hoặc hệ thống sản xuấtlinh hoạt

1.2) Ứng dụng của robot trong sản xuất công nghiệp và cuộc sống.

1.2.1) Ứng dụng trong công nghệ hàn.

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 theochương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và cácphát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia…

Tính năng hoạt động của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhậnbiết và xử lý, nhiều loại robot có những khả năng đặc biệt Số lượng robot ngày càngđược gia tăng, giá thành ngày càng giảm

Trong công nghiệp gia công vật liệu, robot thực hiện nhiệm vụ như một máy giacông Do đó tay robot sẽ gắn một dụng cụ thay cho một cơ cấu kep Ứng dụng của robottrong công nghiệp gia công vật liệu bao gồm các công nghệ sau: Hàn điểm; hàn hồ quangliên tục…

Hàn điểm là một ứng dụng phổ biến của robot công nghiệp, đặc biệt trong côngnghiệp lắp ráp ôtô

Hình 1.1: Robot hàn trong công nghiệp sản xuất oto.

Hàn điểm có thể thực hiện bằng hai phương pháp: dùng máy hàn điểm và dùngsúng hàn điểm Máy hàn điểm gồm hai điện cực ép chặt hai chi tiết và cho dòng điện cógiá trị lớn chạy qua, kết quả là hai chi tiết sẽ được hàn dính nhau ở một điểm Dùng hànđiểm gồm hai điện cực và một khung có thể mở hoặc đóng hai điện cực, một cáp lớn dẫndòng chạy qua

Hệ thống súng hàn điểm có trọng lượng và kích thước lớn và gây khó khăn chongười điều khiển trong một dây chuyền sản xuất với tốc độ lớn Robot sẽ được sử dụngrất hiệu quả trong công nghệ hàn điểm này Ở dây chuyền lắp ráp ôtô, hàng chục robothàn điểm sẽ làm việc với nhau theo một chương trình lập sẵn Robot hàn điểm phải cókích thước lớn, có khả năng mang tải trọng để điều khiển súng hàn có khối lượng lớn mộtcách chính xác

Robot cần phải đưa súng hàn vào đúng vị trí và đúng hướng ở những vị trí ngườikhó thực hiện được Do đó số bậc tự do robot phải lớn và bộ nhớ máy tính phải có dunglượng lớn Lợi ích của tự động hóa công nghệ hàn điểm sử dụng robot là nâng cao chấtlượng sản phẩm, thao tác an toàn và điều khiển tốt hơn quá trình hàn

Hàn hồ quang liên tục sử dụng trong công nghệ hàn đường: ghép hai bộ phận kimloại hoặc hàn ống,…Môi trường làm việc đối với người công nhân hàn hồ quang rất nguyhiểm và độc hại: nhiệt độ cao Tia cực tím sinh ra trong quá trình hàn sẽ gây nguy hiểmđến thị giác con người …Việc ứng dụng robot trong nghệ hàn hồ quang sẽ cải thiện đáng

kể điều kiện làm việc của con người, đồng thời nâng cao năng suất và chất lượng sảnphẩm

Hình 1.2: Robot hàn hồ quang.

Tuy nhiên do một số vấn đề về kỹ thuật như nâng cao chất lượng hàn khi có sựthay đổi các thành phần của vật liệu hàn và vấn đề kinh tế, nên robot chỉ được sử dụngtrong công nghệ hàn hồ quang ở các dây chuyền sản xuất có sản lượng trung bình và lớn

Hệ thống robot hàn gồm hai bộ phận: robot hàn với que hàn, hệ thống cấp dây hàn

và bộ phận giữ chi tiết hàn có khả năng định vị và định hướng chi tiết hàn tương đối sovới robot

Hàn tự động có các lợi ích lớn như có độ chính xác và năng suất cao, giảm thiểuđược sự độc hại ảnh hưởng trực tiếp đến con người Hàn bằng robot nâng cao độ tin cậycủa mối hàn Một khi đã được lập trình hợp lý thì các robot có thể tạo ra các mối hàn ynhư nhau trên các vật hàn có cùng kích thước và hình dạng Việc tự động hóa chuyểnđộng của mỏ hàn làm giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khốilượng công việc phải làm Robot không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể làmviệc suốt ngày đêm, hiệu quả hơn rất nhiều so với một thiết bị hàn tay

1.2.2) Ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

Hiện nay robot đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực xã hội với nhiềucấu hình và mục đích sử dụng khác nhau Nổi bật là các lĩnh vực như: vận chuyển, y tế,thám hiểm, quốc phòng…

Hình 1.3: Ứng dụng robot trong phẫu thuật.

Hình 1.4: Úng dụng robot trong thám hiểm không gian.

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật hiện nay thì robot sẽ ngày càngđược hiện đại hóa hơn và việc sử dụng robot vào các lĩnh vực trong cuộc sống cũng nhưsản xuất sẽ càng được phổ biến giúp giảm sức lao động của con người, tăng năng xuất sảnphẩm

1.3) Phân loại robot.

Ta có thể phân loại theo 3 cách cơ bản:

1.3.1) Phân loại theo kết cấu.

Tay máy kiểu tọa độ Descarte: là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theophương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữnhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễđảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng….

Hình 1.5: Robot kiểu tọa độ decac

Tay máy kiểu tọa độ trụ: khác với kiểu tay máy Descartes ở khớp đầu tiên, dùngkhớp quay thay cho khớp trượt Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng Khớp trượtnằm ngang cho phép tay máy thò được vào trong khoảng nằm ngang Độ cứng vững củatay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị trong mặt phẳng nằmngang giảm khi tầm với tăng

Hình 1.6: Robot kiểu tọa độ trụ.

Tay máy kiểu tọa độ cầu: khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thaybằng khớp quay Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc

tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là một khối trụrỗng Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác phụ thuộc vàotầm với Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn

Hình 1.7: Robot kiểu tọa độ cầu.

Tay máy SCARA: Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại họcYamanaski (Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm haikhớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau Kết cấunày làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơntheo phương được chọn, là phương ngang Loại này chuyên dùng trong công việc lắp rápvới tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Từ SCARA là viết tắt của chữ “SelectiveCompliance Articulated Robot Actuato” để mô tả các đặc điểm trên Vùng làm việc củaSCARA là một phần của hình trụ rỗng

Hình 1.8: Robot SCARA.

Tay máy kiểu tay người: tất cả các khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhấtvuông góc với hai trục kia Do sự tương tự giữa tay người, khớp thứ hai được gọi là khớpvai (Shoulder joint), khớp thứ ba là khớp khủy (Elbow joint), nối cẳng tay với khủy tay.Tay máy làm việc rất khéo léo Nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của vùng làmviệc

Hình 1.9: Tay máy kiểu tay người.

Toàn bộ kết cấu ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác.Muốn định vị nó, cần bổ sung cổ tay Muốn định hướng tùy ý phần công tác, cổ tay phải

có ít nhất ba chuyển động quay quanh ba trục vuông góc với nhau

1.3.2) Phân loại theo điều khiển.

Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở va điều khiển kín.

Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khínén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số sung điều khiển Kiểu điềukhiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

Điều khiển kín (hay điều khiển servo): sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độchính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiểntheo đường (contour)

Hình 1.10: Một dạng Robot điều khiển servo.

Với kiểu điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểmkia theo đường thẳng với tốc độ cao Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng Kiểu điều khiểnnày được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh,…

Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ,với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồquang, phun sơn

Hình 1.11: Robot phun sơn.

1.3.3) Phân loại theo ứng dụng

Cách phân loại này dựa vào các ứng dụng của robot Ví dụ, có robot công nghiệp,robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trongquân sự, dân dụng…

Hình 1.12: Robot tự hành của NASA

1.4) Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp.

1.4.1) Kết cấu chung.

Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:

+ Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thànhcánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá bàn tay(End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lựccủa các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữachúng

+ Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác.Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu củarobot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

+ Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát vá điềukhiển hoạt động của robot

1.4.2) Bậc tự do và các tọa độ suy rộng.

* Bậc tự do (DOF: degrees of freedom)

- Robot công nghiệp là loại thiết bị tự động nhiều công dụng Cơ cấu tay máy củachúng phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật theo một hướng nhất định nào đó và dichuyển dễ dàng trong vùng làm việc Muốn vậy cơ cấu tay máy phải đạt được một số bậc

tự do chuyển động

- Thông thường các khâu của tay máy được ghép nối với nhau bằng các khớp động

- Có thể tính được số bậc tự do theo công thức thông dụng trong “Nguyên lý máy”:

- Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không gian 3chiều, Robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để địnhhướng

Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp…có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn.Các robot hàn, sơn…thường yêu cầu 6 bậc tự do Trong một số trường hợp cần sự khéoléo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hóa quỹ đạo,…người ta dùng robot với số bậc tự dolớn hơn 6

Hình 1.13: Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp.

* Tọa độ suy rộng

- Các cấu hình khác nhau của cơ cấu tay máy trong từng thời điểm được xác địnhbằng các độ dịch chuyển góc hoặc các độ dịch chuyển dài của các khớp động hoặc cáckhớp tịnh tiến

- Các độ dịch chuyển tức thời đó, so với giá trị ban đầu nào đó lấy làm mốc tínhtoán được gọi là các tọa độ suy rộng (generalized joint coordinates) trong nhiều tài liệu vềrobot công nghiệp Ở đây còn gọi chúng là các giá trị biến khớp (joint variable)

Hình 1.14: Các tọa độ suy rộng của Robot.

- Trong trường hợp chung ta gọi qi, i=1,…,n là các biến khớp của cơ cấu tay máy vàbiểu thị bằng

qi   i i  (1 i) Si

Với i  1đối với khớp quay

i  0 đối với khớp tịnh tiến

Hình 1.16: Robot RP.

Loại hình cơ cấu tay máy này có các ưu điểm sau:

- Có thể bố trí nguồn động lực gắn với thân tay máy nhưng vẫn đảm bảo chuyểnđộng độc lập của các khâu chấp hành

- Đảm bảo đơn giản về kết cấu, linh hoạt về cấu trúc và nhỏ gọn về kích thước.

- Dễ dàng giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau và ít tiêu hao năng lượng

- Dễ tính toán điều khiển do có thể thực hiện dễ dàng các chuyển dịch các con trượtriêng rẽ và do các bài toán động học đều có thể đưa về bài toán phẳng

1.5) Robot General electric P60.

Robot General electric (Robot Ge P60) được phát triển và chế tạo bởi công tyGeneral electric (GE), đây là một trong những công ty hàng đầu thế giới về công nghệ số

và tự động hóa Được thành lập năm 1892 tại New York, Mỹ công ty GE đã là đầu tàucông nghệ của thế giới ở thế kỉ XX Với những sáng chế và sản phẩm công nghệ hiện đạicủa mình công ty GE đã góp phần rất lớn vào việc thúc đẩy sự phát triển của khoa họccông nghệ hiện đại ngày nay

Robot Ge P60 là một trong những sản phẩm của công ty GE Robot được chế tạovới nhiều module khác nhau, để ứng dụng vào các công việc khác nhau như: vận chuyển,hàn …

Hình 1.17: Ứng dụng robot Ge P60 trong công nghệ hàn

Là một sản phẩm của công ty GE nên robot Ge P60 cũng có được các thành tựu nghiêncứu công nghệ của công ty Cấu trúc linh hoạt và các kết cấu hợp lý giúp cho robotchuyển động dễ dàng và phù hợp với đặc thù công việc của nó

;;Chương 2: Phân Tích Động Học Robot Ge P60

2.1) Phân tích cấu trúc và thiết lập hệ tọa độ cho robot.

2.1.1) Cấu trúc của robot Ge P60.

Robot Ge P60 có 6 bậc tự do và các khớp chuyển động trên robot đều là khớpxoay Cấu trúc của robot không quá phức tạp các khâu tương đối rõ dàng nhưng để dễ chotính toán ta sẽ coi các khâu của robot là các thanh thẳng và bỏ qua các kích thước nhỏ củakhớp quay

Hình 2.1: Robot Ge P60

2.1.2) Đặt hệ tọa độ cho từng khâu của robot.

Viêc gắn hệ tọa độ lên các khâu đóng vai trò quan trọng khi phân tích động học củarobot Hệ tọa độ được gắn theo các bước cơ bản sau:

• Giả định một vị trí ban đâu của robot

• Chọn các gốc của hệ tọa độ trên các khâu

• Chon các trục Zi cùng phương với trục của khớp thứ i.

• Chon trục Xi là trục quay của Zi thành Z i+1 .

• Các hệ tọa độ được xác định phải tuân theo qui tắc bàn tay phải

Hình 2.2: Sơ đồ robot và hệ tọa độ của từng khâu.

2.2) Phân tích động học robot Ge P60 và giải bài toán động học cho robot.

2.2.1) Bảng thông số Denavit-Hartenberg(DH)

Dựa vào các hệ tọa độ được gắn lên cho từng khâu ta xác định được các giá trịtrong bảng thông số Denavit-Hartenberg theo quy luật:

• ai : khoảng cách từ trục Zi đến trục Z i+1 đo dọc theo trục Xi.

• α i : góc giữa trục Zi và trục Z i+1 xác định theo trục Xi.

• di: khoảng cách từ trục Xi-1 đến trục Xi đo dọc theo trục Zi.

• qi: góc giữa trục Xi-1 và trục Xi xác định theo trục Zi

Bảng thông số DH:

2.2.2) Các ma trận biến đổi thuần nhất.

Khâu 1: T10= [cosq1 −sin q1 0 0

Bàn tay robot: T76=[1 0 0 00 1 0 0

2.2.3) Bài toán động học thuận.

Điểm P là gốc tọa độ của bàn tay robot nên tọa độ của điểm P so với hệ tọa độ gốcchính là tọa độ của bàn tay robot so với hệ tọa độ gốc Trong bài toán động học thuậnrobot thì tọa độ của điểm P và hướng của bàn tay chính là cái mà chúng ta phải đi tìm

Để có thể tìm được tọa độ của điểm P và hướng của bàn tay so với hệ tọa độ gốc thì taphải sử dụng ma trận thuần nhất T70 thể hiện tọa độ của khâu cuối so với hệ tọa độ gốc

Ma trận T70 có dạng: [n x o x a x P x

n y o y a y P y

n z o z a z P z

Trong đó: P x, P y, P z là tọa độ của điểm P trong hệ tọa độ gốc

n⃗, o⃗, a⃗ là các vetor thể hiện hướng của bàn tay của robot

Ma trận T70 được tính theo công thức sau:

T70= T10T21T32T43T54T56T76 (1.1)

Sử dụng phần mềm Matlab ta thu được kết quả của phép tính như sau:

Đặt: cos q1= C 1 , sin q1= S 1 , cos q2= C 2 , sin q2=S 2

cos q3= C 3 , sin q3= S 3 , cos q4= C 4 , sin q4= S 4 cos q5= C 5 , sin q5= S 5 , cos q6= C 6 , sin q6= S 6

2.3) Mô phỏng chuyển động của Robot.

Sử dụng công cụ là phần mềm SolidWorks kết hợp với phần mềm Matlab để mô

phỏng chuyển động của mô hình Robot Ge P60 theo động học thuận robot Nghĩa là vớinhững giá trị biến khớp cho trước từ đó mô phỏng hoạt động của robot theo quỹ đạo bấtkì

2.3.1) Giới thiệu tổng quan về phần mềm SolidWorks và Matlab.

Phần mềm SolidWorks:

 SolidWorks là phần mềm vẽ 3D chạy trên hệ điều hành windows có mặt từ năm

1997 do hãng Dassault System phát hành SolidWorks được du nhập vào nước ta với phiên bản 2003 và cho đến nay là 2018, hiện nay phần mềm này được sử dụng khá phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

 Phần mềm Solidworks cung cấp cho người dùng những tính năng tuyệt vời nhất vềthiết kế các chi tiết các khối 3D, lắp ráp các chi tiết đó để hình thành nên nhưng bộphận của máy móc, xuất bản vẽ 2D các chi tiết đó Ngoài ra còn có những tínhnăng khác nữa như: Phân tích động học (motion), phân tích động lực học(simulation) Bên cạnh đó phần mềm còn tích hợp modul Solidcam để phục vụ choviệc gia công trên CNC nhờ có phay Solidcam và tiện Solidcam hơn nữa cũng cóthể gia công nhiều trục trên Solidcam, modul 3Dquickmold phục vụ cho việc thiết

kế khuôn

Phần mềm Matlab:

 Matlab là viết tắt của từ “MATrix LABoratory” được Cleve Barry Moler phát minh vàocuối thập niên 1970 Matlab là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lậptrình do công ty MathWorks phát hành Matlab cho phép tính toán số với ma trận,

vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diệnngười dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữlập trình khác Matlab được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu môphỏng thực tế đến sử dụng trong nghiên cứu thí nghiệm khoa học Với hàng triệu

kĩ sư và các nhà khoa học sử dụng trong cả môi trường công nghiệp lẫn hàn lâm,Matlab là ngôn ngữ của tính toán khoa học

2.3.2) Mô phỏng chuyển động Robot.

Mục đích của bài toán động học thuận là khi biết quy luật chuyển động của cácbiến khớp thì xác định được vị trí và hướng của điểm thao tác cuối Như vậy khi chotrước quy luật chuyển động của các biến khớp thì sẽ xác định được quỹ đạo vị trí củađiểm thao tác cuối Trong phần này ta sẽ tiến hành mô phỏng sự hoạt động của robot khicho trước quy luật dịch chuyển của các biến khớp, sau khi mô phỏng chuyển động thì thuđược các đồ thị chuyển vị, vận tốc của các biến khớp và vị trí của điểm thao tác cuối

Để mô phỏng được chuyển động cho robot theo động học thuận thì ta tiến hànhtheo các bước sau:

Hình 2.5: Sơ đồ mô phỏng Simulink có đầu vào.

Hình 2.7: Đồ thị vận tốc của các khớp.

Hình 2.8: Đồ thị tọa độ của điểm thao tác cuôi.

2.4) Bài toán động học ngược.

Bài toán động học ngược của robot có vai trò rất quan trọng trong việc nghiên cứuchế tạo và điều kiển robot Bởi vì trong thực tế cái mà ta biết trước là là vị trí và hướngcủa robot mà ta muốn robot dịch chuyển tới, vì thế ta cần xác định được giá trị của cácbiến khớp để đáp ứng được yêu cầu dịch chuyển đó Do đó nghiệm của bài toán động học

ngược là một thông tin rất quan trọng để điều khiển robot Tuy nhiên bài toán động họcngược thông thường rất khó giải và không có lời giải tổng quát cho mọi robot, đặc biệtvới robot có số bậc tự do lớn thì việc giải bài toán động học ngược sẽ gặp rất nhiều khókhăn.

Trong bài toán động học ngược robot ta sẽ sử dụng các phương trình trong phầnđộng học thuận để giải bài toán Ở đây ta sẽ sử dụng các phương trình là các giá trị củacác phần tử trong ma trận T70 để giải Nhưng vì robot Ge P60 có 6 bậc tự do nên cácphương trình chứa 6 ẩn là các biến khớp và các phương trình này rất phức tạp Do đó việcgiải các phương trình này sẽ gặp nhiều khó khăn, vì thế để đơn giản bài toán ta sẽ sử dụngvector vị trí gốc tọa độ P5 và vector đơn vị e⃗z 5 của trục z5 ở hệ tọa độ 5 theo hình (2.4).Hai vector này có thể được biểu thị trong hệ tọa độ 5 dưới dạng:5P5¿[0 0 0 1]T

và

5 5

z

e

⃗

Hình 2.9: Vị trí của điểm P5 và vector e⃗z 5 trên hệ tọa độ 5.

Vị trí của điểm P5 trong hệ tọa độ bàn tay là:

7 5

P = T57 5

5

trong đó: T57 là ma trận chuyển từ hệ tọa độ 5 sang hệ tọa độ bàn tay: T57=¿(T¿¿75)−1¿

5P5 là vị trí của điểm P5 trong hệ tọa độ 5.

Vị trí của điểm P5 trong hệ tọa độ gốc tính theo hệ tọa độ của bàn tay là:

0 5

trong đó: S34=sin(q3+q4) và C34=cos(q3+q4)

Thay 2 vế vào phương trình (1.5) và cân bằng các vị trí của ma trận ta được các phươngtrình sau:

 q1=atan(P y−a y l6)

(P x−a x l6)

Vị trí của vector e⃗z 5 trong hệ tọa độ bàn tay là:

7 5

Từ phương trình (1.15) chuyển vế đổi dấu của phương trình ta có thể tính được giátrị của biến khớp q6:

(−2 B1l3C2+2 B2l3S2+2 l2l3)S3+(2 B1l3S2−2 B2l3C2)C3=(l4+l5)2+4 B1B2C2C2+2 B1l2C2−B2l2S2−l22

(1.17)trong đó: B1=l1−(P z−a z l6)

Chương 3: Động Lực Học Robot

3.1) Giới thiệu về động lực học robot và phương pháp tính toán.

Động lực học robot nghiên cứu mối quan hệ giữa lực, moment, năng lượng… vớicác thông số chuyển động của robot Việc nghiên cứu động lực học robot thường đượcdùng để giải quyết các vấn đề sau:

 Xác định moment và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động Khi đó quyluật biến đổi của các biến khớp đã biết Việc tính toán lực trong cơ cấu tay máyrobot là rất cần thiết để chọn công suất động cơ, kiểm tra bền, độ cứng vững, đảmbảo độ tin cậy của robot

 Xác định sai số động tức là sái lệch so với quy luật chuyển động theo chương trình.Lúc này cần khảo sát chương trình chuyển động của robot có tính đến đặc tínhđộng lực của động cơ và các khâu

Để tính toán động lực học robot có thể sử dụng nhiều phương pháp nhưng trongthực tế phương pháp cơ học Lagrange được sử dụng nhiều Đối với các khâu khớp củarobot, cùng với các nguồn động lực và kênh điều khiển riêng biệt và các hiệu ứng trọngtrường, quán tính, tương hỗ, li tâm… mà những khía cạnh này chưa được xét đến đầy đủtrong cơ học cổ điển Cơ học Lagrange nghiên cứ các vấn đề nêu trên như một hệ thốngkhép kín nên đây là nguyên lý cơ học thích hợp đối với các bài toán động lực học robot

3.2) Bài toán động lực học robot Ge P60.

Để dễ dàng cho việc tính toán ta coi các khâu của robot là các thanh thẳng và cótrọng tâm nằm ở chính giữa mỗi khâu với khối lượng đã được xác định

3.2.1) Tính toán các thông số cho từng khâu của Robot.

Vector gia tốc trọng trường: ⃗r g = [0 0 −g 1]T