Báo cáo thực tập chuyên ngành: Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng robot công nghiệp

Nội dung của báo cáo trình bày tổng quan về hệ thống robot công nghiệp; xây dựng phương trình động học thuận và ngược cho robot 3 bậc tự do; thiết kế mô hình robot 3 bậc tự do. Mời các bạn cùng tham khảo báo cáo để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu. | Báo cáo thực tập chuyên ngành: Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng robot công nghiệp

TRƯỜNG Đ I H C Ạ Ọ CNTT VÀ TRUY N THÔNGỀ

KHOA CÔNG NGH  T  Đ NG HÓAỆ Ự Ộ

BÁO CÁO TH C T P CHUYÊN NGÀNHỰ Ậ

Đ  tài : ề Nghiên c u, thi t k , mô ph ng robot công nghi p ứ ế ế ỏ ệ

3 b c t  do ậ ự

       Giáo viên hướng d n : ẫ T.S Nguy n Vôn Dimễ

       H  và tên SV      : ọ L i Đ c Toànạ ứ

      L p      : ĐHLT­ KTĐ­ ĐT­ K16Dớ

Thái Nguyên  3/ 2019

L I NÓI Đ UỜ Ầ

Theo quá trình phát tri n c a xã h i, nhu c u nâng cao s n xu t vàể ủ ộ ầ ả ấ  

ch t lấ ượng s n ph m ngày càng đòi h i  ng d ng r ng rãi các phả ẩ ỏ ứ ụ ộ ương ti nệ  

t  đ ng hóa s n xu t. Xu hự ộ ả ấ ướng t o ra nh ng dây chuy n và thi t b  tạ ữ ề ế ị ự 

đ ng có tính linh ho t cao đã hình thành và phát tri n m nh m …Vì thộ ạ ể ạ ẽ ế  ngày càng tăng nhanh nhu c u  ng d ng ngầ ứ ụ ười máy, các cánh tay máy tự 

đ ng (Robot) đ  t o ra các h  s n xu t t  đ ng linh ho t.ộ ể ạ ệ ả ấ ự ộ ạ

Robot  ng d ng r ng rãi và đóng vai trò quan tr ng s n xu t cũng nhứ ụ ộ ọ ả ấ ư  trong đ i s ng. Robot là c  c u đa ch c năng có kh  năng l p trình đờ ố ơ ấ ứ ả ậ ượ  c dùng đ  di chuy n nguyên v t li u, các chi ti t, các d ng c  thông qua cácể ể ậ ệ ế ụ ụ   truy n đ ng đề ộ ượ ậc l p trình trước. Khoa h c robot ch  y u d a vào cácọ ủ ế ự   phép toán v  đ i s  ma tr n.ề ạ ố ậ

Robot có cánh tay v i nhi u b c t  do và có th  th c hi n đớ ề ậ ự ể ự ệ ược các chuy nể  

đ ng nh  tay ngộ ư ười và đi u khi n đề ể ược b ng máy tính ho c có th  đi uằ ặ ể ề   khi n b ng chể ằ ương trình được n p s n trong chip trên bo m ch đi u khi nạ ẵ ạ ề ể   robot. Chính vì v y em ch n đ  tài : “ậ ọ ề Nghiên c u, thi t k , mô ph ng robotứ ế ế ỏ   công nghi p 3 b c t  doệ ậ ự ”

Đ u tiên em xin chân thành g i l i c m  n sâu s c t i các th y cô giáoầ ử ờ ả ơ ắ ớ ầ   trong khoa Công ngh  TĐH, cùng các b n trong l p KTĐ – ĐT K16D, đ cệ ạ ớ ặ  

bi t là th y giáo Tệ ầ iến sĩ Nguy n Vôn Dimễ  gi ng viên trả ường Đ i h c Côngạ ọ   ngh  thông tin và Truy n thông, ngệ ề ười đã tr c ti p gi ng d y và cho emự ế ả ạ  

ki n th c đ  hoàn thành đ  án này. ế ứ ể ồ

Trong quá trình làm đ  tài m c dù em đã nhi u c  g ng nh ng v n khôngề ặ ề ố ắ ư ẫ   tránh kh i sai xót. R t mong các th y thông c m và giúp đ  em nhi u h n.ỏ ấ ầ ả ỡ ề ơ  

Em xin chân thành c m  n !ả ơ

L I NÓI Đ UỜ Ầ

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1

1.1 Sự ra đời của robot công nghiệp 1

1.2 Các định nghĩa về robot công nghiệp 2

1.3 Tay máy robot 4

1.3.1 Kết cấu của tay máy 4

1.3.2 Bậc tự do của robot 6

1.3.3 Vùng làm việc của robot 7

1.4 Ưu điểm của robot công nghiệp 7

1.5 Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam và ứng dụng của robot công nghiệp 8

1.5.1 Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam 8

1.5.2 Ứng dụng của robot công nghiệp 8

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC CHO ROBOT 3 BẬC TỰ DO 11

2.1 Sơ đồ động học của robot 11

16

17

CHƯƠNG 3: THẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT 3 BẬC TỰ DO 20

3.1 Giới thiệu các phần mềm mô phỏng 20

3.1.1 Thiết kế cơ cấu robot trên SolidWorks 20 SolidWorks là một phần mềm CAD 3 chiều chạy trên hệ điều hành Windows và đang được phát triển bởi bởi Dassault Systèmes SolidWorks Corp, một công ty con của

Dassault Systèmes, SA ( Vélizy, Pháp) SolidWorks hiện đang được sử dụng hơn 1,3

triệu kỹ sư và nhà thiết kế ở hơn 130.000 công ty trên toàn thế giới 20

Robot được vẽ từng thanh và được ghép lại nhau trên phần mềm SolidWorks 2007 20

21

Hình 3.1 Cơ cấu robot 21

3.1.2 Thiết kế mô hình robot trên MATLAB/ Simulink 21

MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi công ty MathWorks 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 diện người dùng và liên kết với các chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác 21

Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật 21

Simulink là phần chương trình mở rộng của MATLAB nhằm mục đích mô hình hóa mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học Giao diện đồ họa trên màn hình của Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quên thuộc

21

Để thực hiện bài toán thiết kế bộ điều khiển cho robot, ta sử dụng thư viện Simmechanics và phần mềm "SolidWorks-to-SimMechanics Translator” để chuyển đổi cơ cấu robot từ SolidWorks sang dưới dạng khối Simulink 22

3.2.2 Điều khiển robot theo quỹ đạo thẳng 26

3.2.3 Điều khiển robot theo quỹ đạo tròn 29

3.2.4 Kết hợp điều khiển robot theo quỹ đạo tròn và bộ điều khiển phản hồi PD 30

32

Hình 3.18 Quỹ đạo đặt- quỹ đạo ra- robot ở cuối hành trình 32

Nhận xét: Robot chuyển động theo quỹ đạo với độ chính xác cao tuy nhiên có thời điểm robot bị quay ngược do góc đặt khớp biến đổi tức thời trong thời gian ngắn - thời điểm kết thúc chu kì trong đồ thị dưới 32

32

Hình 3.19 Tín hiệu góc quay của ba khớp 32

KẾT LUẬN 33

Sau một quá trình học tập và nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Vôn Dim và sự cố gắng nỗ lực em đã hoàn thành báo cáo thực tập chuyên ngành về đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng robot công nghiệp 3 bậc tự do” 33

Báo cáo đã thực hiện các nhiệm vụ: 33

- Thiết kế robot 3 trục quay trên SolidWorks và xây dựng sơ đồ khối trên MATLAB/Simulink 33

- Xây dựng phương trình động học thuận, động học ngược và lựa chọn các tham số bộ điều khiển PD cho robot 3 trục quay 33

- Thực hiện mô phỏng với kết quả tương đối chính xác 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

[1] TS Nguyễn Mạnh Tiến , Điều khiển robot công nghiệp, NXB Khoa học và kỹ thuật

34

[2] Nguyễn Phùng Quang , MATLAB và Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học và kỹ thuật 34

[3] GS.TS Nguyễn Công Hiền, TS Nguyễn Phạm Thục Anh, Mô hình hóa hệ thống và mô phỏng, NXB Khoa học và kỹ thuật 34

PHỤ LỤC 35

Chương trình mô phỏng robot trên matlab symbolic và robotics toolbox: 35

clear all % Xóa tất cả các biến hiện có ở Workspace 35

CHƯƠNG 1: T NG QUAN V  H  TH NGỔ Ề Ệ Ố

1.1. S  ra đ i c a robot công nghi pự ờ ủ ệ

Nhu c u nâng cao năng su t và ch t lầ ấ ấ ượng s n ph m ngày càng đòiả ẩ  

h i  ng d ng r ng rãi các phỏ ứ ụ ộ ương ti n t  đ ng hóa s n xu t. Xu hệ ự ộ ả ấ ướ  ng

t o ra nh ng dây chuy n v  thi t b  t  đ ng có tính linh ho t cao đang hìnhạ ữ ề ề ế ị ự ộ ạ   thành. Các thi t b  này đang thay th  d n các máy t  đ ng “c ng” ch  đápế ị ế ầ ự ộ ứ ỉ  

ng m t vi c nh t đ nh trong lúc th  tr ng luôn luôn đòi h i thay đ i m t

hàng v  ch ng lo i, v  kích c  và v  tính năng v.v… Vì th  ngày càng tăngề ủ ạ ề ỡ ề ế   nhanh nhu c u  ng d ng robot đ  t o ra các h  th ng s n xu t linh ho t.ầ ứ ụ ể ạ ệ ố ả ấ ạ   Thu t ng  “robot” l n đ u tiên xu t hi n vào kho ng năm 1921 trong tácậ ữ ầ ầ ấ ệ ả  

ph m “Rossum’s Universal Robot” c a nhà vi n tẩ ủ ễ ưởng người Sec Karel  Capek. Trong vở k ch này, ông dùng t  “robot”, bi n th  c a t  g c Slavị ừ ế ể ủ ừ ố ơ 

“Robota”, đ  g i m t thi t b  do con ngể ọ ộ ế ị ườ ại t o ta. Vào nh ng năm 40 nhàữ   văn vi n tễ ưởng người Nga, Issac Asimov, mô t  robot là m t chi c máy tả ộ ế ự 

đ ng, mang di n m o c a con ngộ ệ ạ ủ ười. Asimov cũng đ t tên cho ngànhặ   nghiên c u v  robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên t c c  b n:ứ ề ắ ơ ả

­ Robot không gây t n h i cho con ngổ ạ ười

­ Ho t đ ng c a robot ph i tuân theo các quy t c do con ngạ ộ ủ ả ắ ườ ặi đ t ra. Các  quy t c này không đắ ược vi ph m nguyên t c th  nh t.ạ ắ ứ ấ

­ M t robot c n ph i b o v  s  s ng c a mình, nh ng không độ ầ ả ả ệ ự ố ủ ư ược vi 

ph m 2 nguyên t c trạ ắ ước. Và cũng trong nh ng năm này, ữ ước m  vi nơ ễ  

tưởng c a Kerel Capek đã b t đ u thành hi n th c. Ngay sau chi n tranhủ ắ ầ ệ ự ế  

th  gi i th  2,   Hoa Kì đã xu t hi n nh ng tay máy chép hình đi u khi nế ớ ứ ở ấ ệ ữ ề ể  

t  xa trong các phòng thí nghi m v  v t li u phóng x ừ ệ ề ậ ệ ạ

1

Vào nh ng năm 1950 bên c nh các tay máy chép hình c  khí đó, đã xu tữ ạ ơ ấ  

hi n các lo i tay máy chép hình th y l c và đi n t , nh  tay máy Minotaurệ ạ ủ ự ệ ừ ư  

I ho c tay máy Handyman c a General Electric. Năm 1954 George C. Devolặ ủ  

đã thi t k  m t thi t b  có tên là “c  c u b n l  dùng đ  chuy n hàng theoế ế ộ ế ị ơ ấ ả ề ể ể  

chương trình”. Đ n năm 1956 Devol cùng v i m t kĩ s  tr  c a côngế ớ ộ ư ẻ ủ   nghi p hàng không Joseph F.Engelber, đã t o ra lo i robot đ u tiên nămệ ạ ạ ầ  

1959   công ty Unimation. Ch  đ n năm 1975 công ty Unimation m i b tở ỉ ế ớ ắ  

đ u có l i nhu n t  các s n ph m robot đ u tiên này. Chi c robot côngầ ợ ậ ừ ả ẩ ầ ế   nghi p đệ ược đ a vào  ng d ng đ u tiên năm 1961   m t nhà máy ô tô c aư ứ ụ ầ ở ộ ủ   General Motors t i Trenton, New Jersey Hoa K  ạ ỳ

Năm 1967 Nh t B n m i nh p chi c robot công nghi p t  công ty AMFậ ả ớ ậ ế ệ ừ  

c a Hoa K  (American Machine and Foundry Company). Đ n năm 1990 cóủ ỳ ế  

h n 40 công ty Nh t B n, trong đó có nh ng công ty kh ng l  nh  công tyơ ậ ả ữ ổ ồ ư   Hitachi và công ty Mitsubishi đã đ a ra th  trư ị ường qu c t  nhi u lo i robot.ố ế ề ạ 1.2. Các đ nh nghĩa v  robot công nghi pị ề ệ

Các nhà khoa h c đã đ a ra r t nhi u đ nh nghĩa v  robot:ọ ư ấ ề ị ề

­ Theo vi n k  thu t robot c a Hoa K : “Robot là lo i tay máy nhi u ch cệ ỹ ậ ủ ỳ ạ ề ứ   năng, v i chớ ương trình làm vi c thay đ i đệ ổ ược, dùng đ  th c hi n m t sể ự ệ ộ ố  thao tác s n xu t.”ả ấ

­ Theo ISO (International Standards Organization): “Robot công nghi p làệ  

m t tay máy đa m c tiêu, có m t s  b c t  do d  dàng l p trình, đi uộ ụ ộ ố ậ ự ễ ậ ề   khi n, dùng đ  tháo l p phôi, d ng c  ho c các v t d ng khác. Do chể ể ắ ụ ụ ặ ậ ụ ươ  ng trình thao tác có th  thay đ i nên th c hi n nhi u nhi m v  đa d ng.”ể ổ ự ệ ề ệ ụ ạ

­ Theo tiêu chu n AFNOR (Pháp): “ Robot công nghi p là m t c  c uẩ ệ ộ ơ ấ   chuy n đ ng t  đ ng có th  l p trình, l p l i các chể ộ ự ộ ể ậ ặ ạ ương trình, t ng h pổ ợ  

2

các chương trình đ t ra trên các tr c t a đ ; có kh  năng đ nh v , đ nhặ ụ ọ ộ ả ị ị ị  

hướng, di chuy n các đ i tể ố ượng v t ch t: chi ti t, dao c , gá l p… theoậ ấ ế ụ ắ  

nh ng hành trình thay đ i đã chữ ổ ương trình hóa nh m th c hi n các nhi mằ ự ệ ệ  

v  công ngh  khác nhau.”ụ ệ

­ Theo RIA (Robot institute of America): “Robot là m t tay máy v n năng cóộ ạ  

th  l p l i các chể ặ ạ ương trình được thi t k  đ  di chuy n v t li u, chi ti t,ế ế ể ể ậ ệ ế  

d ng c  ho c cácthi t b  chuyên dùng thông qua các chụ ụ ặ ế ị ương trình chuy nể  

đ ng có th  thay đ i đ  hoàn thành các nhi m v  khác nhau.”ộ ể ổ ể ệ ụ

­ Theo  OCT 25686­85 (Nga): “Robot công nghi p là m t tay máy t  đ ng,Γ ệ ộ ự ộ  

được đ t c  đ nh ho c di đ ng đặ ố ị ặ ộ ược, liên k t gi a m t tay máy và m t hế ữ ộ ộ ệ 

th ng đi u khi n theo chố ề ể ương trình, có th  l p trình l i đ  hoàn thành cácể ậ ạ ể  

ch c năng v n đ ng và đi u khi n trong quá trình s n xu t.”ứ ậ ộ ề ể ả ấ

­ Theo tiêu chu n VDI 2860/BRD: “ Robot là m t thi t b  có nhi u tr c,ẩ ộ ế ị ề ụ  

th c hi n các chuy n đ ng có th  chự ệ ể ộ ể ương trình hóa và n i ghép các chuy nố ể  

đ ng c a chúng trong nh ng kho ng cách tuy n tính hay tuy n tính c aộ ủ ữ ả ế ế ủ  

đ ng trình. Chúng độ ược đi u khi n b i các b  ph n h p nh t ghép k t n iề ể ở ộ ậ ợ ấ ế ố  

v i nhau, có kh  năng h c và nh  các chớ ả ọ ớ ương trình; chúng được trang bị 

d ng c  ho c các phụ ụ ặ ương ti n công ngh  khác đ  th c hi n các nhi m vệ ệ ể ự ệ ệ ụ 

s n xu t tr c ti p và gián ti p.”ả ấ ự ế ế

­ Theo tiêu chu n GHOST 1980: “Robot là máy t  đ ng liên k t gi a m tẩ ự ộ ế ữ ộ   tay máy và m t c m đi u khi n chộ ụ ề ể ương trình hóa, th c hi n m t chu trìnhự ệ ộ   công ngh  m t cách ch  đ ng v i s  đi u khi n có th  thay th  ch c năngệ ộ ủ ộ ớ ự ề ể ể ế ứ  

tương t  c a con ngự ủ ười.” B n ch t c a các đ nh nghĩa khác nhau trên đâyả ấ ủ ị   giúp ta th y đấ ược m t ý nghĩa quan tr ng là: Riêng m t mình robot thìộ ọ ộ   không th  hoàn thành t t để ố ược công vi c. Nó ph i đệ ả ược liên h  ch t chệ ặ ẽ 

3

v i máy móc, công c  và các thi t b  công ngh  t  đ ng khác trong m t hớ ụ ế ị ệ ự ộ ộ ệ 

th ng t  đ ng t ng h p. Do đó trong quá trình phân tích và thi t k , khôngố ự ộ ổ ợ ế ế  

th  quan ni m robot nh  m t đ n v  c u trúc bi t l p, trái l i đó ph i làể ệ ư ộ ơ ị ấ ệ ậ ạ ả  

nh ng thi t k  t ng th  c a “h  th ng t  đ ng linh ho t robot hóa” choữ ế ế ổ ể ủ ệ ố ự ộ ạ   phép thích  ng nhanh và đ n gi n khi nhi m v  s n xu t thay đ i.ứ ơ ả ệ ụ ả ấ ổ

1.3. Tay máy robot

1.3.1. K t c u c a tay máyế ấ ủ

Tay máy là ph n c  s  nó quy t đ nh đ n kh  năng làm vi c c a robot. Đóầ ơ ở ế ị ế ả ệ ủ  

là thi t b  c  khí đ m b o cho robot kh  năng chuy n đ ng trong khôngế ị ơ ả ả ả ể ộ   gian đ  th c hi n các nhi m v  nh  nâng h , v n chuy n, l p ráp  Tayể ự ệ ệ ụ ư ạ ậ ể ắ   máy robot thông thường là c  c u h  g m m t chu i các khâu liên k t v iơ ấ ở ồ ộ ỗ ế ớ   nhau b ng các kh p, khâu đ u tiên đằ ớ ầ ược n i v i giá c  đ nh. Kh p t o số ớ ố ị ớ ạ ự  linh ho t gi a các khâu v i nhau nói riêng và toàn b  toàn b  tay máy robotạ ữ ớ ộ ộ   công nghi p nói chung. Thông qua kh p n i, các khâu trong c  c u tay máyệ ớ ố ơ ấ  

được chuy n đ ng tể ộ ương đ i v i nhau. Tùy theo yêu c u v  k t c u c aố ớ ầ ề ế ấ ủ   robot mà ta l a ch n lo i kh p liên k t gi a các khâu khác nhau. Trongự ọ ạ ớ ế ữ   robot công nghi p hi n nay, ngệ ệ ười ta thường dùng ch  y u hai lo i kh p làủ ế ạ ớ  

kh p quay và kh p trớ ớ ượt

Kh p quay: (thớ ường được kí hi u là R) lo i kh p này cho phép chuy nệ ạ ớ ể  

đ ng quay c a khâu này và khâu khác quanh m t tr c quay. Lo i kh p nàyộ ủ ộ ụ ạ ớ  

h n ch  năm kh  năng chuy n đ ng gi a hai thành ph n kh p do đó cóạ ế ả ể ộ ữ ầ ớ  

m t b c t  do.ộ ậ ự

4

Hình 1.1. Kh p quay ớ

Kh p trớ ượt: (thường được kí hi u là T) lo i kh p này cho phép hai khâuệ ạ ớ  

trượ ươt t ng đ i v i nhau theo phố ớ ương c a m t tr c nào đó và h n ch  nămủ ộ ụ ạ ế  

kh  năng chuy n đ ng do đó kh p có m t b c t  do.ả ể ộ ớ ộ ậ ự

Hình 1. 2. Kh p tr ớ ượ t

Ngoài ra trong m t s  trộ ố ường h p ngợ ười ta còn dùng kh p c u đ  tăng tínhớ ầ ể   linh ho t cho robot. V i lo i kh p này cho phép các khâu th c hi n cácạ ớ ạ ớ ự ệ   chuy n đ ng quay theo t t c  các hể ộ ấ ả ướng qua tâm kh p, và h n ch  chuy nớ ạ ế ể  

đ ng t nh ti n gi a các khâu. Do đó kh p c u có s  b c t  do là ba.ộ ị ế ữ ớ ầ ố ậ ự

Trong quá trình thi t k  tay máy robot, ngế ế ười ta quan tâm đ n các thông sế ố 

nh h ng l n đ n kh  năng làm vi c c a robot nh :

5