Bài tập lớn robot IRB360

MỤC LỤCLỜI MỞ ĐẦU1PHẦN 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT ABB FLEXPICKER41.1 Lịch sử phát triển41.2 Cấu tạo robot51.3 Thông số kĩ thuật6PHẦN 2. MÔ HÌNH HÓA ROBOT ABB FLEXPICKER102.1 Chữ viết tắt và các biến102.2 Động học robot112.2.1 Động học robot 2 thanh nối112.2.2 Động lực học tay máy14PHẦN 3. KHÔNG GIAN LÀM VIÊC CỦA ROBOT293.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến không gian làm việc của delta robot293.2 Các phương pháp khảo sát vùng làm việc293.2.1 Phương pháp hình học293.2.2 Phương pháp khảo sát không gian số303.3 Khảo sát vùng làm việc của robot delta với góc hướng tâm khâu là hằng số303.3.1 Không gian làm việc của tay máy với góc hướng tâm khâu là hằng số303.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vùng làm việc của robot delta khi góc hướng tâm là hằng số33PHẦN 4. CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT ABB FLEXPICKER354.1 PHẦN CỨNG364.2 PHẦN MỀM38PHẦN 5. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP405.1 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI405.2 ỨNG DỤNG CỦA ROBOT41

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT ABB FLEXPICKER 4

1.1 Lịch sử phát triển 4

1.2 Cấu tạo robot 5

1.3 Thông số kĩ thuật 6

PHẦN 2 MÔ HÌNH HÓA ROBOT ABB FLEXPICKER 10

2.1 Chữ viết tắt và các biến 10

2.2 Động học robot 11

2.2.1 Động học robot 2 thanh nối 11

2.2.2 Động lực học tay máy 14

PHẦN 3 KHÔNG GIAN LÀM VIÊC CỦA ROBOT 29

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến không gian làm việc của delta robot 29

3.2 Các phương pháp khảo sát vùng làm việc 29

3.2.1 Phương pháp hình học 29

3.2.2 Phương pháp khảo sát không gian số 30

3.3 Khảo sát vùng làm việc của robot delta với góc hướng tâm khâu là hằng số 30

3.3.1 Không gian làm việc của tay máy với góc hướng tâm khâu là hằng số 30

3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vùng làm việc của robot delta khi góc hướng tâm là hằng số 33

PHẦN 4 CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT ABB FLEXPICKER 35

4.1 PHẦN CỨNG 36

4.2 PHẦN MỀM 38

PHẦN 5 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 40

5.1 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 40

5.2 ỨNG DỤNG CỦA ROBOT 41

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình công nghiệp hóa hiện hóa, các nhà khoa học đã nghiêncứu chế tạo các loại robot để phục vụ sản xuất Cùng với quá trình phát triểncác robot công nghiệp, một loại robot mới ra đời, thay thế dần các loại robottrước đây, đó là robot ABB FlexPicker, với các đặc tính nổi trội so với robot

cổ điển như:

• Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên tổng trọng lượng của robot cũng nhỏ

Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng hợp lý

• Tất cả các lực tác động đồng thời được phân bố đều là lực kéo hay nén nhờcác cấu trục của robot

• Có thể thực hiện các thao tác phức tạp với độ chính xác cao trong côngviệc nhờ vào cấu trúc song song, các sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọctrục và sai số không bị tích luỹ

• Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên giá đỡ

• Các robot không cần làm việc trên giá đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơitrong môi trường sản xuất do có khối lượng và kích thước tương đối nhỏ

• Robot ABB FlexPicker có phạm vi sử dụng khá rộng, từ việc dùng lắp rápcác chi tiết tinh vi cho đến việc tạo các chuyển động phức tạp trong tạohình và công nghiệp thực phẩm

• Năng suất làm việc rất cao

• Giá thành của robot ABB FlexPicker rẻ hơn nhiều so với các tay có tínhnăng tương đương

• Với tính ưu việt cao, các robot ABB FlexPicker ngày càng thu hút đượcnhiều nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi các loại robot trongnhiều lĩnh vực

2 Mục đích của để tài

Đề tài nhằm nghiên cứu tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt đông và điềukhiển của robot ABB FlexPicker vận dụng cụ thể vào môn học Kĩ thuật robottrên lớp Qua đó có thể hiểu sâu hơn về những kiến thức đã học đồng thời có cáinhìn rõ ràng hơn về robot trong công nghiệp

3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên bằng phương pháp dựa trên lý thuyết

• Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của robot

• Tổng hợp tài liệu tính toán Động học vị trí, Động lực học robot

• Điều khiển robot

4 Cấu trúc đề tài

 Mở đầu

 Phần 1 Tổng quan về robot ABB Flexpicker

 Phần 2 Xây dựng bài toán động học

 Phần 3 Tính toán vùng làm việc

 Phần 4 Cấu hình điều khiển

 Phần 5 Sự phát triển và ứng dụng

 Kết luận

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT ABB FLEXPICKER 1.1 Lịch sử phát triển

Robot ABB Flexpicker là thành quả của sự phát triển và cải tiếnkhông ngừng của nguyên mẫu Delta robot trong hai thập kỉ Từ những đầunhững năm 80 của thế kỉ 20, giáo sư Reymond Clavel đã nảy ra một ý tưởngđộc đáo là sử dụng cơ cấu hình bình hành để tạo ra một robot song song có

ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay Không như một số bài báo đãxuất bản đâu đó, ý tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ khôngphải bắt chước từ cơ cấu song song của Willard L Polard đăng kí bản quyềnnăm 1942

Ý tưởng căn bản của thiết kế robot Delta là sử dụng các hình bìnhhành Các hình bình hành cho phép khâu ra duy trì một hướng cố định tươngứng với khâu vào Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướngcủa tấm di động duy trì chỉ với ba bậc tự do tịnh tiến Các khâu vào của 3hình bình hành được gắn với các cánh tay quay bằng các khớp quay Cáckhớp quay của tay quay được truyền động theo 2 cách: hoặc sử dụng cácđộng cơ quay (DC hoặc AC servo), hoặc bằng các bộ tác động tuyến tính.Cuối cùng, cánh tay thứ tư được dùng để chuyển truyền chuyển động quay

từ đế đến khâu tác động cuối gắn trên tấm dịch chuyển

Robot song song Delta đã được đánh giá là một trong những thiết kếrobot song song thành công nhất trên thế giới với hàng nghìn robot đã vàđang hoạt động Năm 1999, giáo sư Reymond Clavel đã nhận được giảthưởng Golden Robot Award được tài trợ bởi ABB Flexible Automaiton, đểtôn vinh những những nghiên cứu của ông về robot song song Delta

1.2 Cấu tạo robot

Robot ABB Flexpicker cơ bản bao gồm một giá đỡ cố định phía trên(1) và một tấm dịch chuyển phía dưới (8) Mỗi cánh tay điều khiển (4) cómột đầu được gắn cố định với trục quay (2) của động cơ Ba liên kết của mỗitrục quay (2) và cánh tay điều khiển (4) tạo thành một phần của cơ cấutruyền động trong đó mỗi động cơ (3) được gắn trên giá đỡ cố định Đầu cònlại của cánh tay điều khiển được liên kết với hệ hai thanh song song (5a, 5b)bằng khớp nối (16), và đầu thứ hai của hai thanh song song được gắn vớitấm dịch chuyển Độ nghiêng và định hướng trong không gian của tấm dịchchuyển là không thay đổi cho dù có bất kì chuyển động nào của ba cánh tayđiều khiển Khâu tác động cuối (9) được gắn vào tấm dịch chuyển và có khảnăng quay được điều khiển bởi động cơ (11) Cánh tay (14) kết nối giữađộng cơ và khâu tác động cuối có thể co rút được

Hình 1.1 Cấu tạo robot delta

1.3 Thông số kĩ thuật

Dòng robot ABB Flexpicker của

ABB có nhiều phiên bản cho các mục

đích sử dụng khác nhau như đóng gói,

vận chuyển, lắp ráp… trong nhiều ngành

công nghiệp khác nhau Do vậy, trong

báo cáo chỉ trình bày một số thông số kĩ

thuật chung của các robot ABB

Flexpicker

Hình 1.2 Robot ABB Flexpicker (hình

bên)

 Dưới đây là một số phiên bản của dòng robot ABB Flexpicker

Loại robot Khả năng vận chuyển Phạm vi làm việc Số trục

Tại cánh tay dưới 350 gram

Bảng 1 Một số loại robot trong dòng ABB Flexpicker

Hình 1.3 Hai loại robot trong dòng sản phẩm ABB Flexpicker

 Thông số về nguồn điện:

Điện áp: 220 – 600 V, 60 Hz

Công suất định mức: 7.2 kW

Tín hiệu điện điều khiển: có 12 tiếp điểm 50V, 250mA

 Lắp đặt và môi trường làm việc

Loại rửa được 1.5

Bảng 2 Thời gian chu kỳ tiêu chuẩnHoạt động của robot với băng tải

Môi trường làm việc: nhiệt độ tử 0 - 45, độ ẩm 95 %, độ ổn 70 dB, robot cũng đảm bảo đạt các tiêu chuẩn phù hợp với từng ứng dụng như IP54 (công nghiệp thực phẩm), IP69K (công nghiệp dược) và có bảo vệ tỏa nhiệt.Không gian làm việc:

Hình 1.4 Không gian làm việc của robot

PHẦN 2 MÔ HÌNH HÓA ROBOT ABB FLEXPICKER2.1 Chữ viết tắt và các biến

Ký hiệu các chữ sẽ được sử dụng

{R} khung tọa độ Gốc

{Ri} khung tọa độ cánh tay i

R ma Trận chuyển đổi giữa khung {R} và {Ri}

góc hợp bởi cánh tay phía trên thứ nhất với động cơ 1góc hợp bởi cánh tay phía trên thứ 2 với động cơ 2góc hợp bởi cánh tay phía trên thứ 3 với động cơ 3góc quay khung tọa độ của cánh tay với động cơ 1góc quay khung tọa độ của cánh tay với động cơ 2góc quay khung tọa độ của cánh tay với động cơ 3chiều dài của cánh tay trên

chiều dài của cánh tay dướikhoảng cách từ tâm của bệ đỡ cố định tới 1 trong 3 cánh taykhoảng cách từ tâm của bệ đỡ di chuyển tới 1 trong 3 cánh tay dưới

J ma trận Jacobi của robot 3 bậc

vector cột, ( , , )x y z T là tọa độ TCP trong {R}

Pai vị trí motor thứ i

Pbi vị trí điểm nối giữa cánh tay dưới với bệ đỡ di chuyển

Pci vị trí khớp nối cánh tay trên và cánh tay dưới

P vecto (x, y, z) vị trí đầu mút của cánh tay dưới ở mô hình giản lược

mb khối lượng của cánh tay trên

mfb khối lượng của cánh tay dưới

mn khối lượng của bệ đỡ di chuyển

mnt tổng khối lượng thêm vào của bệ đỡ di chuyển

mc khối lượng của khủy tay

rGb trọng tâm của cánh tay dưới

vecto cột ( , , )    1 2 3 T

của momen

kr tỷ số chuyển đổi giữa trục động cơ và trục robot

Motor

ipeak dòng điện cực đại của động cơ

inom dòng điện tức thời

Thông thường, các tay máy sẽ có thể đo được góc độ nghiêng bằng việc sử dụngmột số loại encoder và mã hóa cho mỗi góc Trong trường hợp một robot hai thanhnối thể hiện trong hình tọa độ (x, y) của tay máy có thể được thể hiện trong khungtọa độ cơ sở với hai phương trình:

(2.1)

Ở đây a là chiều dài của cánh tay dưới, b là chiều dài của cánh tay trên và , là

góc hợp bởi cánh tay trên

Hình 2.1 Mô hình robot 2 thanh nối

Đối với robot song song 3 bậc thì những phương trình này có thể được tính toánsao cho chỉ điều khiển một góc thay vì hai góc độ như đối với các robot hai thanhnối Điều này làm cho các phương trình phức tạp hơn và không thể được viết mộtcách dễ dàng như đối với robot 2 thanh nối

2.2.1.2 Động học ngược

Yêu cầu đặt ra là cần xác định góc (, ) để robot di chuyển từ điểm A tới điểm B.Việc tính toán này gọi là động học ngược Lấy ví dụ cho robot 2 thanh nối trênkhung tọa độ phẳng (x, y) Nếu cho 1 điểm có tọa độ (x, y) sẽ có 2 kết quả thuđược cặp góc (, ) như trên hình vẽ

Hình 2.2 Mô tả phương pháp xác định phương trình động học ngược robot 2

thanh nối

Từ định lý cosin và lượng giác ta có thể tính toán góc

(2.2)

(2.3)Phương trình đưa ra hai kết quả tương ứng với khuỷu tay ở trên đường chéo vàkhuỷu tay ở dưới

(2.4)Kết quả phụ thuộc vào nên sẽ có 2 cặp nghiệm

(2.5)Trình bày dưới dạng vector được đưa ra tới đây

 Các vị trí nối (giữa giá đỡ cố định cánh tay trên và giữa tấm dịch chuyển các cánh tay dưới) đều giống nhau đặt trên một vòng tròn

-Do đó, tấm dịch chuyển có thể được thay thế bởi một điểm P mà ba cánh tay làkết nối đến

Hình 2.3 cấu tạo robot delta 3 bậc tự do

2.2.2.2 Tham số hình học

Khung tham chiếu {R} được chọn như trong hình đặt tại ở tâm của vòng tròn ởđĩa cố định với z hướng lên trên và x vuông góc với trục của động cơ 1 Do robotDelta có 3 cánh tay đối xứng, mỗi cánh tay có thể được xem như độc lập Các môhình mới được thể hiện trong hình Các chỉ số i (i = 1,2,3) được sử dụng để xácđịnh ba cánh tay Mỗi cánh tay cách nhau một góc 120 Đối với mỗi cánh tay, mộtkhung tương ứng được chọn, nằm ở cùng một vị trí như khung {R} nhưng xoay =

0, = 120 và = 240 cho ba cánh tay tương ứng Các khung khác nhau {Ri} có thểđược mô tả bởi một ma trận xoay quanh trục z khung tham chiếu {R} Ma trậnxoay được cho bởi

Các giả định trên là ba cánh tay có thể được kết nối trong một thời điểm, chophép chúng ta xem xét các khoảng cách từ khung tọa độ tham chiếu {R} tới mộttrong những động cơ là R = RA – RB Như vậy các cánh tay dưới được kết nối trongmột điểm P Mỗi góc của mỗi trong ba cánh tay trên có giá trị ban đầu = 0, songsong với trục x của khung {Ri} Giá trị góc sau đó sẽ tăng khi cánh tay di chuyểnxuống phía dưới và giảm xuống khi cánh tay chuyển động trở lên Tham số làchiều dài của cánh tay trên và tham số là chiều dài của cánh tay dưới

Hình 2.4 Mô tả các tham số hình học

2.2.2.3 Động học thuận

Cũng giống như định nghĩa về động học thuận đối với robot 2 thanh nối Khicho biết giá trị các khớp xác định vị trí của điểm P có tọa độ (x,y,x) trong khônggian Đề-các

Hình 2.5 Bài toán động học thuận

Với mỗi hình cầu có tâm PCi là vị trí nối giữa cánh tay trên với cánh tay dưới vàxem độ dài cánh tay dưới lB là bán kính hình cầu Mô hình động học thuận củarobot có thể tính qua việc xem xét điểm giao nhau giữa 3 hình cầu Có thể hìnhdung được có 2 điểm giao nhau Một điểm phía trên có tọa độ z dương, một điểm

có tọa độ z âm Khung tọa độ chọn là cánh tay hướng xuống dưới ngược chiềudương của trục z nên lựa chọn điểm giao nhau có tọa độ z âm

Hình 2.6 Mô tả 2 vị trí giao nhau của 3 hình cầu

Dựa trên sự mô phỏng giả định đưa ra ở mục 2.2.1 Ta có đặt R = RA – RB và

vector P Ci mô tả tọa độ khuỷu tay cho một trong ba cánh tay như sau

(2.10)

Để đạt được một ma trận mô tả tất cả các ba điểm PCi trong khung cơ sở {R}

người ta phải nhân P Ci với ma trận quay

(2.11)

Kết quả là ma trận P C

(2.12)Thiết lập phương trình giao điểm của 3 hình cầu với mỗi hình cầu có phươngtrình

(2.13)Trong đó x0; y0; z0 là tọa độ của tâm P Ci

(2.14)

Giải hệ phương trình được nghiệm 2 nghiệm (x, y, z) tuy nhiên chỉ chọn nghiệm

có z âm

2.2.2.4 Động học ngược

Động học ngược giải bài toán đi tìm các góc khi biết tọa độ của TCP (x,y,z)

Hình 2.7 Bài toán động học ngược

Bài toán động học ngược cho nhiều đáp án của vectơ θ với nhiều góc độ cho tất

cả các đáp ứng cụ thể Điều này có thể gây ra vấn đề vì hệ thống phải có khả nănglựa chọn Giải pháp là các di chuyển các liên kết càng ít càng tốt

Hình 2.8 Các trường hợp nghiệm của bài toán động học ngược

Các mô hình động học ngược thu được bằng cách giải phương trình :

Ta có

(2.19)Đạo hàm 2 vế ta được

(2.20)

Áp dụng tính chất chuyển vị của tích ta được

ta có đạo hàm công thức (2.18)

(2.22)với

(2.23)Cho mỗi cánh tay robot ở phương trình 2.21 có thể viết lại

(2.27)Các ma trận Jacobian J không những phụ thuộc vào θ như trường hợp đối vớicác robot nối tiếp, mà còn là một hàm của vị trí TCP Xn, chúng có thể được tínhtoán dựa vào mô hình động học thuận của robot

(2.29)Mối quan hệ giữa gia tốc trong tọa độ đề các và vận tốc trong không gian khớp

có thể được thể hiện như

2.2.2.7 Động học cơ cấu chấp hành

Trong hầu hết các robot công nghiệp, một truyền dẫn được kết nối giữa mỗi thiết

bị truyền động và tương ứng với khớp nối của các tay máy Minh họa trong hình

Hình 2.9 Mô hình các tham số động cơ truyền lực và hộp truyền

Giả thiết thiết bị truyền động và hộp truyền nối cứng trục, không có khe hởtrong bánh răng ta nhận được mối quan hệ giữa đầu vào (vận tốc) và đầu ra (vậntốc) là hoàn toàn tỷ lệ thuận bởi công thức

(2.31)

là góc quay của động cơ truyền động

là góc quay của khớp

là tỷ số của hộp truyền

Iload là momen quán tính của cánh tay

là momen tại cánh tay robot

là momen tại trục của động cơ truyền lực

giả thuyết đơn giản hóa sau:

• Các momen của cánh tay được bỏ qua

• Cho mục đích phân tích, khối lượng của cánh tay dưới tách tùy ý thành haiphần và chia cho cánh tay trên và đĩa di chuyển

Momen quán tính của 1 thanh dài có khối lượng m độ dài L được tính bởi côngthức

khối lượng của đĩa di chuyển

khối lượng tải

khối lượng thanh dưới của cánh tay

là phần khối lượng được nhận từ 3 thanh dưới của cánh tay

r = 2/3 như trong giả thiết chọn

(2.34)

Vị trí trọng tâm cho mỗi thanh trên của cánh tay được tính theo tỷ số khối lượng

(2.35)

là khối lượng của thanh trên

là khối lượng của khủy tay

phần khối lượng thanh dưới quy lên thanh trên

Quán tính của mỗi cánh tay

(2.36)Quán tính động cơ

uán tính phanh hãm động cơ

Quán tính tay robot

(2.37) Nguyên lý điều khiển

Do thanh nối cứng nên công sinh ra làm quay khớp 1 lượng sẽ phải bằng côngsinh ra làm dịch chuyển TCP 1 lượng do đó

(2.38)momen tương ứng trong không gian khớp

momen tương ứng trong không gian đề-các

Khi giới thiệu về mối quan hệ giữa tốc độ quay khớp và tốc độ dịch chuyểntrong tọa độ Descartes trong công thức (2.26)

từ phương trình (2.38) chia cả 2 vế cho đồng thời lấy xấp xỉ đạo hàm của côngthức 2.26 ta được

hay

Tính toán mô hình động học

Có 2 lực tác động lên trục của robot Lực hấp dẫn và lực quán tính:

Hai lực này tác động trên các khớp của mỗi cánh tay Các momen xoắn đượcsinh ra bởi lực hấp dẫn và từ các quán tính tác động trên mỗi cánh tay

(2.39)