NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOTABB-IRB120 CÙNG CÁC BÀI TOÁN VỀ ROBOT

Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

KHOA CƠ ĐIỆN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP MỎ VÀ DẦU KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hà Nội 06/2019TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

KHOA CƠ ĐIỆN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP MỎ VÀ DẦU KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOT ABB-IRB120 CÙNG CÁC BÀI TOÁN VỀ ROBOT

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN: PGS.TS.NGUYỄN ĐỨC KHOÁT

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS.NGUYỄN ĐỨC KHOÁT

Hà Nội 06/2019

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 6

PHẦN MỞ ĐẦU: GIỚI THIỆU CÁC VẤN ĐỀ ĐẶT RA CHO ĐỒ ÁN 8

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ ROBOT ABB IRB120 9

1.1 Khái quát về robot công nghiệp 9

1.1.1 Lịch sử phát triển của Robot 9

1.1.2 Định nghĩa về Robot 12

1.1.3 Phân loại Robot 13

1.1.4 Các đặc tính của Robot công nghiệp 17

1.1.5 Cấu trúc của một hệ thống Robot 22

1.1.6 Ưu và nhược điểm của robot 24

1.1.7 Ứng dụng và tương lai của robot 25

1.2 Giới thiệu về Robot ABB IRB120 – Tủ IRC5 – Phần mềm RobotStudio 27

1.2.1 Robot ABB IRB120 27

1.2.2 Tủ điều khiển IRC5 30

1.2.3 Phần mềm RobotStudio 33

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CHO ROBOT ABB 120 36

2.1 Giới thiệu 36

2.1.1 Khái quát về động học vị trí 36

2.1.2 Phép biểu diễn Denavit – Hartenberg của bài toán động học robot 36

2.2 Động học thuận cho robot ABB IRB120 (FORWARD KINEMATICS) 41

2.2.1 Khái niệm về động học thuận và phương pháp xây dựng mô hình động học 41

2.2.2.Xây dựng giải thuật theo phép biểu diễn Danevit-Hartenberg 42

2.3 Động học ngược cho robot ABB IRB120 (INVERSE KINEMATICS) 47

2.3.1 Khái niệm về động học ngược 47

2.3.2.Tính toán và xây dựng các phương trình động học ngược cho robot ABB IRB120 51

2.3.3.Áp dụng giải thuật động học ngược giải bài toán gắp vật cho robot ABB 120 57

2.4 Lập trình điều khiển robot ABB 120 với bài toán động học ngược đã được giải 59 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ CHƯƠNG TRÌNH VÍ DỤ TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT 61 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các bước phát triển Robot trên thế giới từ đầu thế kỉ XX-nay…………

…….9

Hình 1.2 Các giai đoạn phát triển Robot tại Nhật Bản từ thế kỉ XX đến nay 10

Hình 1.3 Công ty OMRON nổi tiếng về các thiết bị tự động, robot, chăm sóc sức khỏe……… ………11

Hình 1.4 Một số hình ảnh đẹp về cuộc thi robocon……… ………12

Hình 1.5 Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất ô tô………

……… 14

Hình 1.6 Robot phục vụ nhà hàng và robot cún cưng Aibo-bước tiến thành công trong công nghệ robot Nhật Bản……… ……… ….16

Hình 1.7 Robot kiểu tọa độ Đề các – Trụ - SCARA……….…………

… 16

Hình 1.8 Minh họa độ chính xác và độ lặp lại………

18 Hình 1.9 Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp………

….19 Hình 1.10 Các dạng khớp của robot:………

… 20

Hình 1.11 Các tọa độ suy rộng của robot……… ………

20 Hình 1.12 Quy tắc bàn tay phải………

… 21

Hình 1.13 Biểu diễn trường công tác của robot:……….

……… 21

Hình 1.14 Cấu trúc hệ thống Robot……….…….22

Hình 1.15 Sơ đồ cấu trúc robot……… ……… 23

Hình 1.16 Kết cấu chung của tay máy……….…….24

Hình 1.17 Ảnh hưởng của CMCN 4.0 đến các lĩnh vực……… 25

Hình 1.18 Công nghệ robot với những bước phát triển vượt bậc trong công nghiệp và phục vụ, bảo vệ con người……… ……… …26

Hình 1.19 Hình ảnh Robot ABB IRB120…… ………

……… 27

Hình 1.20 Cấu tạo của robot ABB IRB 120………

……… 28

Hình 1.21 Hình ảnh robot ABB IRB120 thực tế trên phòng thí nghiệm…………

… 28

Hình 1.22 Tủ IRC5……… ….………

…… 30

Hình 1.23 Một số thành phần cấu tạo của IRC5……….………

……… 30

Hình 1.24 Cấu tạo mặt trước của Flexpendant ……….…………

………….31

Hình 1.25 Menu điều khiển bên trong của Flexpendant ………

……… 31

Hình 1.26 Giao diện trên RobotStudio… ……… …….…

33 Hình 1.27 Khả năng giả lập điều khiển bằng Flexpendant trên RobotStudio……… 34

Hình 1.28 Minh họa về khả năng lập trình các bước di chuyển của

robot………… 34

Hình 1.29 Mô phỏng hoạt động tạo các vật thể và robot trong phần mềm………… 35

Hình 1.30 Cái nhìn chung về điều khiển sơ bộ robot……… 35

Hình 2.1 Mô hình hóa các khâu và khớp theo phép biễu diễn Danevit-Hartenberg… 38

Hình 2.2 Mô hình hóa hệ tọa độ các khớp của robot ABB 120 theo phép biểu diễn D-H………42

Hình 2.3 Kích thước cơ cấu của Robot ABB 120………43

Hình 2.4 Mô phỏng bài toán động học ngược……….…….55

Hình 3.1 Robot chạy tọa độ hình chữ nhật……….… 67

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, khi nền công nghiệp ngày càng phát triển, kèm theo đó là các thiết bịgiúp nâng cao chất lượng sản xuất và thuận tiện cho quá trình sản xuất ngày càng pháttriển và phổ biến Do đó nhu cầu về tìm hiểu thông tin, cách vận hành các thiết bị tựđộng hóa sản xuất ngày càng tăng Nhận thấy cơ hội đó, chúng em đã và đang cố gắngtiếp thu các kiến thức chuyên ngành để nắm bắt được thời cơ nhằm hướng đến tươnglai tươi sáng hơn cho bản thân, gia đình và xã hội

Chúng em nhận thấy Robot Công nghiệp là một thành phần quan trọng, không thểthiếu trong các dây truyền sản xuất với mức tự động hóa cao Nó có thể được biết làmột cơ cấu cơ khí có thể lập trình và làm những công việc theo mong muốn của lậptrình viên Robot công nghiệp đóng vai trò giảm cường độ lao động, tăng năng suất laođộng và độ chính xác gia công, góp phần tăng chất lượng và số lượng đồng thời giảmgiá thành sản phẩm Đây là một trong những hướng đi quan trọng trong quá trình hộinhập và phát triển kinh tế, khoa học-kỹ thuật của đất nước ta

1 Lý do chọn đề tài:

Là một trong những sinh viên theo học chuyên ngành Tự động hóa cùng với nhữngnhu cầu, ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà Em muốn đượcnghiên cứu và tìm hiểu thêm về Robot Công nghiệp để có thêm kiến thức và kinhnghiệm thực tiễn giúp bản thân có nền tảng tốt trong con đường hoàn thiện tay nghềsau này

2 Quá trình thực hiện:

Trong quá trình thực hiện đồ án em phải tìm tòi, trao đổi với bạn bè, thầy cô hướngdẫn để vận dụng vào nghiên cứu, tìm cách giải quyết các bài toán điều khiển Robotmột cách chính xác để làm đồ án một cách hoàn chỉnh theo hiểu biết của bản thân

3 Nội dung thực hiện:

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đều đang rất quan tâm, chútrọng phát triển tới ngành kỹ thuật, công nghệ chế tạo và điều khiển Robot Nhiều hệthống máy móc, robot được ra đời ngày càng tân tiến giúp nâng cao năng suất laođộng, thay thế con người tại những công việc nguy hiểm và tối ưu hóa vấn đề phục vụcon người trong đời sống

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự động hóa, các thầy côtrong khoa Cơ điện và nhà trường đại học Mỏ-Địa chất đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp

đỡ em hoàn thành kì thực tập tốt nghiệp và đồ án tốt nghiệp này

Sinh viên thực hiện:

Đào Anh Vũ

PHẦN MỞ ĐẦU: GIỚI THIỆU CÁC VẤN ĐỀ ĐẶT RA CHO

Chúng em tập trung giải quyết từng vấn đề theo thứ tự đặt ra giúp đồ án rõ ràng cho

cả bản thân và người đọc có cái nhìn hoàn thiện, khoa học Bằng cách tham khảo tàiliệu, sách báo, internet để lựa chọn phương pháp hoàn thiện đồ án một cách hợp lýnhất có thể

- Như tìm hiểu cấu tạo robot ABB: cần tìm kiếm và xem xét các catalog của nhàsản xuất

- Tính các bài toán động học thuận, ngược: nghiên cứu trên một số sách điềukhiển robot chuyên ngành, đồ án điều khiển và vận hành robot của một vài cá nhân, tổchức

Phần sau đây là nội dung chi tiết của đồ án :

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ ROBOT CÔNG

NGHIỆP VÀ ROBOT ABB IRB120.

1.1 Khái quát về robot công nghiệp.

1.1.1 Lịch sử phát triển của Robot.

Ý tưởng về việc chế tạo các cỗ máy có thể làm việc tự động có từ thời cổ đại, nhưngnhững nghiên cứu về chức năng và khả năng ứng dụng không có bước tiến nào đáng

kể cho đến thế kỷ 20 Xuyên suốt lịch sử, robot học thường được nhìn nhận là để bắtchước hành vi của con người, và thường quản lý các nhiệm vụ theo cách thức tương

tự Ngày nay, robot là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng, nhờ công nghệ phát triểnliên tục, robot đã được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, đó làcác Robot dưới nước, robot công nghiệp hay robot quân sự Nhiều robot đã thay conngười làm những công việc độc hại như tháo ngòi nổ bom, mìn và thăm dò các con tàu

bị đắm

Một số quốc gia phát triển mạnh về robot ngày nay: Nhật Bản, Đức, Thụy sĩ…

Một số hình ảnh về sự phát triển Robot qua từng thời kì:

Hình 1.1 Các bước phát triển Robot trên thế giới từ đầu thế kỉ XX-nay

Hình 1.2 Các giai đoạn phát triển Robot tại Nhật Bản từ thế kỉ XX đến nay

Trước đây, robot xuất hiện là kết quả của sự kết hợp hai công nghệ điều khiển từ xa

và máy điều khiển theo chương trình số CNC Máy điều khiển từ xa phát triển từchiến tranh thế giới lần thứ II để di chuyển vật liệu phóng xạ và máy điều khiểnchương trình số CNC để tăng độ chính xác khi gia công các chi tiết của thiết bị mới.Những con robot đầu tiên được thiết kế để di chuyển các nguyên vật liệu từ điểm nàyđến điểm kia

Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các máy mócthiết bị trong công nghiệp ngày càng yêu cầu phải đạt năng suất cao, làm việc chínhxác, phức tạp như hàn, sơn, lắp ráp Mặt khác, nhu cầu tự động hóa cho các quá trìnhrời rạc ngày càng cao Các quá trình này có thể kể đến như nạp phôi cho máy công cụ,lắp ráp bảng mạch, ô tô,… Chính vì vậy mà robot xuất hiện để thỏa mãn những nhucầu này Cùng với đó là các công ty đầu ngành về robot như: ABB(Thụy sĩ),OMRON- Yaskawa- FANUC- Kawasaki (Nhật Bản), Kuka(Đức),…

Hình 1.3 Công ty OMRON nổi tiếng về các thiết bị tự động, robot, chăm sóc

sức khỏe

Trong robot, cơ khí đề cập đến việc thiết kế các bộ phận cơ khí, cánh tay, chân robot,bàn tay hoặc tay gắp cũng liên quan đến phần động học, động lực học, phân tích điềukhiển robot Phần điện làm việc với các cơ cấu chấp hành, động cơ, cảm biến, nguồnnăng lượng và hệ thống điều khiển Thiết kế hệ thống liên quan đến việc nhận dạng,cảm biến và phương pháp điều khiển của robot Lập trình hoặc kỹ thuật lập trình đềcập về logic, trí thông minh, truyền thông và mạng

Hiện nay có hơn 1000 tổ chức, hội, câu lạc bộ liên quan đến robot Hơn 500 tạp chí vềrobot và hơn 100 hội nghị về robot cùng với nhiều cuộc thi về robot hằng năm Điểnhình như: Cuộc thi Sáng tạo Robot châu Á – Thái Bình Dương ABU là cuộc thi chếtạo robot dành cho sinh viên các trường đại học, học viện và cao đẳng khối kĩ thuậtcủa các nước trong khu vực châu Á và Thái Bình Dương do Hiệp hội Phát thanhTruyền hình châu Á -Thái Bình Dương tổ chức mỗi năm 1 lần Việt Nam là nước đứngđầu cuộc thi với 7 lần vô địch trong 17 lần tham dự

Hình 1.4 Một số hình ảnh đẹp về cuộc thi robocon

Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả năng định

vị, di chuyển các đối tượng vật chất, chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.

Theo tiêu chuẩn GHOST 1980:

Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người

Bên cạnh khái niệm robot còn có khái niệm robotic, khái niệm này có thể hiểu nhưsau:

Robotics là một nghành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh

Robotics là một khoa học liên nghành gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin Nó là sản phẩm đặc thù của nghành cơ điện tử (mechatronics)

1.1.3 Phân loại Robot.

Robot có thể chi làm nhiều nhóm khác nhau phụ thuộc vào chức năng được thiết kế

và nhu cầu thị trường Theo hiệp hội quốc tế nghiên cứu robot thì robot hiện nay đượcchia làm hai loại đó là robot công nghiệp và robot dịch vụ Trong đó, chúng ta cũngchia robot dịch vụ làm hai loại là robot dịch vụ chuyên nghiệp và robot dịch vụ cánhân tùy vào chức năng và mục đích sử dụng

a) Robot công nghiệp.

Robot công nghiệp là một lĩnh vực riêng của robot, nó có đặc trưng riêng như sau:

- Là thiết bị vạn năng được TĐH theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt khéo léo các nhiệm vụ khác nhau

- Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng như vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường

Do có hai đặc trưng trên nên Robot công nghiệp có thể định nghĩa như sau:

- Theo Viện nghiên cứu robot của Mĩ đề xuất:

Robot CN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại

để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác

- Hay theo định nghĩa GHOST 25686 – 85 như sau:

Robot CN là tay máy được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình,

có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

Hình 1.5 Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất ô tô

Bảng 1.1 Sự

chuyển dịch cơ cấu sử dụng robot của các ngành công nghiệp

b) Robot dịch vụ.

Hiện nay, định nghĩa về robot dịch vụ cũng chưa được xác định chính xác, tuynhiên, dựa trên kiểu hoạt động, ứng dụng, trang thiết bị mà hiệp hội nghiên cứu robotđưa ra định nghĩa sau:

Robot dịch vụ là robot vận hành tự động hoặc bán tự động để thực hiện công việc hữu ích cho máy móc cũng như làm cho cuộc sống con người tiện nghi, phong phú hơn, không bao gồm hoạt động vận hành sản xuất.

Trong định nghĩa này, robot công nghiệp cũng được coi là robot dịch vụ khi nhữngrobot này không phục vụ cho hoạt động sản xuất Robot dịch vụ có thể có hoặc không

có trang bị tay máy như robot công nghiệp Thông thường robot dịch vụ là dạng diđộng

Do tính chất đa dụng cũng như khả năng ứng dụng đa dạng nên robot dịch vụ ngàycàng

Hình 1.6 Robot phục vụ nhà hàng và robot cún cưng Aibo-bước tiến thành

công trong công nghệ robot Nhật Bản

c) Một số cách phân loại robot khác.

Trên thế giới có nhiều cách phân loại robot tùy theo yêu cầu, công dụng cũng nhưcấu trúc và cấu tạo của chúng

 Phân loại theo kết cấu:

Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu tọa độ đề các, kiểu tọa độtrụ, kiểu tọa độ cầu, kiểu tọa độ góc, kiểu SCARA

Hình 1.7 Robot kiểu tọa độ Đề các – Trụ - SCARA

 Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển:

Có robot điều khiển hở ( Mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), robotđiều khiển kín (hay điều khiển servo): sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độchính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển

 Phân loại theo hệ thống truyền động:

- Hệ truyền động điện: Dùng các động cơ điện một chiều DC hoặc động cơ bước

- Hệ truyền động thủy lực: Đạt công suất cao, đáp ứng điều kiện làm việc nặng

- Hệ truyền động khí nén: luôn phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén

 Phân loại theo tiêu chuẩn của các hội Robot: Nhật Bản, Hoa Kỳ, Pháp,…

- Loại 1: Thiết bị điều khiển bằng tay

- Loại 2: Robot hoạt động theo chu kì tuần tự cố định

- Loại 3: Robot hoạt động theo chu kì tuần tự thay đổi

- Loại 4: Robot lặp lại (playback)

- Loại 5: Robot điều khiển theo chương trình số (Numerical Control Robot)

- Loại 6: Robot thông minh

1.1.4 Các đặc tính của Robot công nghiệp

a) Tải trọng.

Tải trọng là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một số đặctính nào đó (Tốc độ di chuyển, độ chính xác,…) Tải trọng robot thông thường nhỏhơn trọng lượng robot (Ví dụ như robot ABB-120 có tải 3kg so với trọng lượng robot

là 25kg)

b) Tầm với.

Là khoảng cách lớn nhất mà robot có thể vươn tới trong phạm vi làm việc Tầm vớiphụ thuộc vào cấu trúc robot

c) Độ phân dải không gian.

Là lượng gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di chuyển trong không gian

Độ phân dải phụ thuộc vào độ phân dải điều khiển và độ chính xác cơ khí Độ phân dảiđiều khiển xác định bởi độ phân giải hệ thống điều khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là

tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộđiều khiển của robot: Số bước di chuyển = 2n (n – Số bit của bộ nhớ)

Độ di chuyển của robot là tổng các dịch chuyển thành phần Do đó độ phân dải của

cả robot là tổng các độ phân giải từng khớp robot

Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu chuyển động các khớp sẽ ảnh hưởng đến độ phândải Các yếu tố làm giảm độ chính xác như: rò rỉ hệ thống thủy lực, tốc độ di chuyển,tải trọng,…

d) Độ chính xác.

Đánh giá độ chính xác vị trí tay robot có thể đạt được và được định nghĩa theo độphân dải của cơ cấu chấp hành Độ chính xác di chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụthuộc vào độ di chuyển nhỏ nhất của các khớp Trong thực tế, độ chính xác phụ thuộcvào nhiều yếu tố và cần phải được giới hạn ở một phạm vi cho phép để đảm bảo đặctính này Thông thường độ chính xác của robot công nghiệp đạt 0.025 mm

cần phải được xác định bằng kết hợp nhiều thực nghiệm với các tải trọng và các hướng

di chuyển khác nhau

Hình 1.8 Minh họa

độ chính xác và độ lặp lại

f) Độ nhún.

Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lực hoặcmomen tác dụng Độ nhún lớn có nghĩa là tay robot dịch chuyển nhiều khi lực tácdụng nhỏ và ngược lại Độ nhún có ý nghĩa quan trọng vì nó làm giảm độ chính xácdịch chuyển khi robot mang tải trọng

g) Bậc tự do của robot.

Bậc tự do của robot chính là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển độngquay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một cơ cấu trong không gian, cơ cấu chấphành của robot cần phải đạt được một số bậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một

cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó phải tính theo công thức:

W = 6n - ∑

i=1

6

i p i Với {p i−Số khớp loại i(i−số chuyển động bịhạn chế ) n−Số khâu động

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không gian 3chiều thì robot phải có 6 bậc tự do Trong đó, 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do đểđịnh hướng

Hình 1.9 Hình

dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp

h) Khớp robot.

Khớp là khâu liên kết hai thanh nối có chức năng truyền chuyển động để thực hiện

di chuyển của robot Thanh nối gần với thân robot là thanh nối vào, thanh nối ra sẽchuyển động so với thanh nối vào

Khớp gồm hai loại:

- Khớp tịnh tiến: thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc trượt thanh nối đầu ra.Các dạng cơ cấu khớp tịnh tiến là cơ cấu xilanh-piston, cơ cấu kính viễn vọng,…

- Khớp quay: có ba dạng R, T, V

động gọi là hệ tọa độ suy rộng Các

tọa độ suy rộng còn gọi là biến khớp

Hình 1.11 Các tọa độ suy rộng

của robot

Các hệ tọa độ gắn trên các khâu

của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải:

Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út

vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón: cái, trỏ và giữa

theo 3 phương vuông góc với nhau, nếu chọn

ngón cái là phương và chiều của trục z, thì

ngón trỏ chỉ phương và chiều của trục x và

ngón giữa sẽ biểu diễn phương, chiều của

trục y Hình 1.12 Quy tắc bàn tay phải

Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ tọa độ gắn trên khâu thứ n.Như vậy hệ tọa độ cơ bản sẽ được kí hiệu là O o; hệ tọa độ gắn trên các khâu trung giantương ứng là O1; O2; ….; O n

k) Trường công tác của robot.

Hay còn gọi là vùng làm việc, không gian công tác của robot là toàn bộ thể tíchđược quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể.Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràngbuộc cơ học của các khớp.

Hình 1.13 Biểu diễn trường công tác của robot:

Hình chiếu đứng (phải); Hình chiếu bằng (trái)

1.1.5 Cấu trúc của một hệ thống Robot.

a) Cấu trúc chung

Một Robot công nghiệp bao gồm các phần cơ bản sau:

Hình 1.14 Cấu trúc hệ thống Robot

Cơ cấu chấp hành: Cơ cấu chấp hành là động cơ cho phép robot có thể di chuyển,

tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Chúng có thể là động cơ thủy lực, khí nén,điện, áp điện, polymer dẫn điện thậm chí là tế bào sinh vật phụ thuộc vào công suấtnăng lượng yêu cầu và ứng dụng

Cảm biến (sensor): là thiết bị cho phép đo các thông số môi trường cũng như trạng

thái bên trong robot như khoảng cách, tốc độ, gia tốc, hướng, chiều, nhiệt độ, áp suất,mức độ ánh sáng, sự hiện diện của vật, sự có mặt hoặc không có mặt của chất hoặc cácthông số tác động đến vận hành của robot và thực hiện công việc của nó Hệ thốngcảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác

Hệ thống điều khiển: (controller) hiện nay thường là hệ thống điều khiển số có

máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot

Mạch điện-điện tử: được sử dụng để kết nối các thành phần điện và cơ khí của

robot như các mạch giao tiếp xử lý tín hiệu cảm biến, mạch khuếch đại, mạch điềuchỉnh công suất, mạch điều khiển,…

Cơ khí: Động cơ, bánh răng, trục, khâu, khớp là các thành phần hình thành nên hệ

thống cơ khí của robot

Hình 1.15 Sơ đồ cấu trúc robot

Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt trênmáy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Modun điều khiển hayUnit,Driver) và thường được kết nối với máy tính Một modun điều khiển có thể cócác cổng vào-ra (I/O) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúprobot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc Hoặcđiều khiển các băng tải phối hợp với robot

b) Kết cấu tay máy.

Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot Đó là phần cơ khíđảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc nhưnâng-hạ, lắp ráp, … Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại khác xa với tay người.Trong kỹ thuật robot dùng các thuật ngữ để chỉ các bộ phận của tay máy như vai(shoulder), cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations).Trong thiết kế quan tâm đến các thông số ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc củarobot như:

- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay…

- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần làm việc cóthể với tới

- Sự khéo léo, khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làmviệc

Hình 1.16 Kết cấu chung của tay máy

Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu được nối với nhaubằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đến vùng công tác.Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay (đã được nêu ở phầntrước)

1.1.6 Ưu và nhược điểm của robot.

a) Ưu điểm.

- Robot làm tăng năng suất, chất lượng, hiệu suất và tính đồng nhất của sản phẩm

- Robot có thể làm việc trong môi trường nguy hiểm mà không cần sự trợ giúp bênngoài

- Robot không cần môi trường làm việc tiện nghi.

- Robot có thể làm việc liên tục mà không làm hư hỏng sản phẩm

- Robot lặp lại chính xác trong toàn bộ thời gian làm việc

- Robot có thể thực hiện việc chính xác hơn con người ở một số lĩnh vực

- Robot có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ công việc trong cùng một lúc

b) Nhược điểm.

- Robot không có khả năng đáp ứng các trường hợp khẩn cấp

- Hiện nay các hệ thống cảm biến đã được nghiên cứu khá nhiều và đạt hiệu quả caotuy nhiên các robot vẫn giới hạn ở số bậc tự do, sự khéo léo, hệ thống cảm biến, hệthống thị giác và đáp ứng thời gian thực

- Nhược điểm lớn nhất của robot là giá thành quá cao do giá trang thiết bị cao, giálắp đặt, cần các thiết bị ngoại vi, chi phí huấn luyện, chi phí lập trình,…

1.1.7 Ứng dụng và tương lai của robot.

Hiện nay, chúng ta đang sống và phát triển trong thời kì cuộc cách mạng côngnghiệp 4.0 với sự phát triển vượt bậc về công nghệ-kỹ thuật Bản chất của Cách mạngcông nghệ lần thứ 4 là dựa trên nền tảng công nghệ số và tích hợp tất cả các công nghệthông minh để tối ưu hóa quy trình, phương thức sản xuất; nhấn mạnh những côngnghệ đang và sẽ có tác động lớn nhất là công nghệ in 3D, công nghệ sinh học, côngnghệ vật liệu mới, công nghệ tự động hóa, người máy, Đây là một mốc đánh dấubước nhảy để phát triển ngành robot nói riêng và công nghệ nói chung

Hình 1.17 Ảnh hưởng của CMCN 4.0 đến các lĩnh vực

Robot đang thời kì phát triển và biến đổi khá nhanh từ những robot ứng dụng trongcông nghiệp như: Vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, thăm dò,… thì hiện nay robotđang phát triển nhiều trong lĩnh vực dịch vụự con người để có thể hoạt động có hiệuquả và có thể thay thế con người Ngày nay, con người mong muốn chế tạo những máymóc thông minh với hình dạng, kích thước tương t ng robot dạng người đã hội tụnhững bước phát triển khoa học-kĩ thuật để tạo nên trí tuệ thông minh nhân tạo, khảnăng nhận dạng với sự kết hợp của nhiều lĩnh vực không chỉ là cơ khí, điện-điện tử,công nghệ thông tin mà còn là các ngành khoa học kỹ thuật khác để tạo ra các robot cóchức năng giống người nhất.Những robot với khả năng thông minh có khả năng hoạtđộng trong môi trường năng động để thực hiện các công việc hữu dụng trong các ứngdụng khác nhau với hình dáng và thiết kế phù hợp với nhiệm vụ đặt ra

Hình 1.18 Công nghệ robot với những bước phát triển vượt bậc trong công

nghiệp và phục vụ, bảo vệ con người

Việc sử dụng robot hiện nay ngày càng tăng do giá thành hạ, hiệu suất cao Khó cóthể tiên đoán một xã hội robot trong tương lai như thế nào nhưng chúng ta có thể thấyrằng đó sẽ là một tương lai đáng được mong đợi khi con người được giải phóng sứclao động từ robot và trí tuệ nhân tạo sẽ chạm tới đỉnh cao Hãy cùng góp sức và chờđợi điều đó

1.2 Giới thiệu về Robot ABB IRB120 – Tủ IRC5 – Phần mềm RobotStudio.

1.2.1 Robot ABB IRB120.

IRB 120 là loại robot nhỏ nhất bên cạnh phiên bản thứ 4 của công nghệ robot và làloại robot nhỏ nhất được sản xuất Rất lý tưởng cho các ứng dụng vận chuyển nguyênliệu và lắp ráp Loại robot IRB120 đưa ra các giải pháp nhanh nhẹn, nhỏ gọn và trọnglượng nhẹ với khả năng điều khiển tối tân và độ chính xác tuyệt đối

Với các ưu điểm:

- Nhỏ và nhẹ.

- Đa ứng dụng.

- Dễ dàng tích hợp.

- Phạm vi làm việc tối ưu.

- Nhanh, chính xác và linh hoạt.

- Bộ điều khiển nhỏ gọn IRC5- tối ưu cho các

robot nhỏ

- Giảm diện tích đế.

Hình

1.19 Hình ảnh Robot ABB IRB120

Các ưu điểm đó được coi là niềm tự hào của công ty ABB về sản phẩm của họ vàđược lọt trong top 10 công ty robot hàng đầu thế giới

Robot ABB 120 được cấu thành bởi 6 khớp xoay với sự điều khiển của tủ điềukhiển IRC5 cùng với đó là hệ thống điều khiển tay cầm Flexpendant và robotstudio sẽgiúp người sử dụng điều khiển và thiết kế gỉa lập được các bài toán, môi trường màthực tế công việc đặt ra cho

 Với số bậc tự do: W= 6n - ∑

i=1

6

ip = (6x6) – (6x5) = 6 (BTD)

Hình 1.20 Cấu tạo của robot ABB IRB 120

Hình 1.21 Hình ảnh robot ABB IRB120 thực tế trên phòng thí nghiệm

Bảng 1.2 Thông tin chi tiết của nhà sản xuất về ABB IRB120

1.2.2 Tủ điều khiển IRC5.

Bộ điều khiển Robot thế hệ thứ 5 Trên cơ sở hơn 4 thập kỷ hoạt động trong lĩnh vựcrobot, IRC5 đã đánh dấu một bước tiến mới trong ngành công nghiệp robot Kế thừacác thành tựu trong lĩnh vực điều khiển chuyển động, tính linh hoạt, khả năng ứngdụng, tính an toàn và tính bền vững, IRC5 đã có thêm bước tiến mới trong cấu trúcdạng môđun, khả năng tương tác với người sử dụng, điều khiển đa robot và có hỗ trợcủa hệ thống PC

Với các tính năng và ưu điểm:

- Tính an toàn

- Khả năng điều khiển tối ưu

- Tối ưu về thiết kế

- FlexPendant

- RAPID

- Khả năng giao tiếp

- Điều khiển từ xa

- RobotStudio

- MultiMove

Hình 1.23 Một số thành phần cấu tạo của IRC5

Hình 1.24 Cấu tạo mặt trước của Flexpendant

Hình 1.25 Menu điều khiển bên trong của Flexpendant

Bảng 1.3 Thông tin chi tiết của nhà sản xuất về IRC5