Ứng dụng logic mờ để điều khiển robotứng dụng trong gia công cơ khí

Tổng quan về robot công nghiệp và ứng dụng của robot trong gia công cơ khí. Động học robot mài 5 bậc tự do. Ứng dụng logic mờ để điều khiển robot. Tổng quan về robot công nghiệp và ứng dụng của robot trong gia công cơ khí. Động học robot mài 5 bậc tự do. Ứng dụng logic mờ để điều khiển robot.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn Mạnh Hà

Ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot,

ứng dụng trong gia công cơ khí.

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Phan Bùi Khôi

Hà Nội – Năm 2018

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : ……… ………

Đề tài luận văn: ……… ……… ….

Chuyên ngành:……… ……… …

Mã số HV:……… ……… …

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày… ………… với các nội dung sau: ……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

………

Ngày tháng năm

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi được hoàn thành dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của PGS.TS Phan Bùi Khôi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng,

đã công bố theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi

tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn

và chưa được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Học viên

Nguyễn Mạnh Hà

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh

sự nỗ lực cố gắng của bản thân và sự nhiệt tình hướng dẫn của Thầy PGS.TS Phan Bùi Khôi, tôi còn nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy PGS.TS Phan Bùi Khôi người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu học tập Thạc sĩ tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các Thầy Cô đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi hoàn thiện đề tài luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn cùng học và các đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018

Học viên

Nguyễn Mạnh Hà

Mục Lục

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

Danh mục các từ viết tắt 6

Danh mục hình vẽ 7

Danh mục bảng biểu 10

LỜI MỞ ĐẦU 11

Lý do chọn đề tài 11

Mục đích nghiên cứu 11

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 12

Phương pháp nghiên cứu 13

Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và ứng dụng của Robot trong gia công cơ khí 14

1.1 Giới thiệu về Robot công nghiệp 14

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 14

1.1.2 Các khái niệm về Robotics 17

1.2 Ứng dụng của Robot trong gia công cơ khí 18

1.2.1 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp 18

1.2.2 Ứng dụng của Robot trong gia công cơ khí 20

Chương 2: Động học Robot mài 5 bậc tự do 25

2.1 Đề xuất mô hình Robot và hệ trục tọa độ Robot mài 25

2.1.1 Đề xuất mô hình Robot 25

2.1.2 Hệ trục tọa độ Robot 26

2.1.3 Các ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit – Hartenberg

29

2.2 Bài toán động học thuận 32

2.2.1 Vị trí và hướng của khâu thao tác 32

2.2.2 Bài toán thuận về vận tốc và gia tốc 34

2.2.3 Các đồ thị thể hiện vị trí, vận tốc và gia tốc điểm tác động cuối 36

2.3 Bài toán động học ngược 42

2.3.1 Đặc trưng hình học của đối tượng gia công 42

2.3.2 Phương pháp tam diện trùng theo xác định điều kiện thao tác 44

2.3.3 Giải hệ phương trình động học ngược Robot 46

2.4 Thiết kế quỹ đạo đường đi 50

2.5 Động lực học Robot mài 57

2.5.1 Khối lượng, tọa độ trọng tâm và ten-xơ quán tính 57

2.5.2 Ma trận Jacobi (J Ti ) 61

2.4.3 Ma trận Jacobian J Ri 69

2.4.4 Động năng 72

2.4.5 Thế năng của Robot 73

2.6 Phương trình động lực học của Robot viết dưới dạng ma trận 74

Chương 3: Ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot 76

3.1 Bài toán điều khiển Robot 76

3.2 Điều khiển động lực học ngược 77

3.3 Bộ điều khiển mờ 82

3.3.1 Sơ lược về logic mờ 82

3.3.2 Ứng dụng logic mờ vào điều khiển Robot 84

3.3.3 Kết quả mô phỏng 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

1 Kết luận 96

2 Kiến nghị 96

Tài liệu tham khảo 97

Danh mục các từ viết tắt

CNC – Computer Numerical Control

IFR - International Federation of Robotics

DH – Denavit Hartenberg

PID – Proportional Integral Derivative

PD – Proportional Derivative

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: Robot hàn 15

Hình 1.2: Cấu trúc chung của một Robot công nghiệp 18

Hình 1.3: Hình dạng điển hình của Robot công nghiệp 19

Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo các bộ phận của Robot công nghiệp 20

Hình 1.5: Biểu đồ phân bố Robot công nghiệp 21

Hình 1.6: Robot hàn 22

Hình 1.7: Robot sơn vỏ ô tô BMW 23

Hình 1.8: Robot phay 24

Hình 1.9: Robot mài 24

Hình 2.1: Mô hình Robot mài 5 bậc tự do 25

Hình 2.2: Gắn các hệ trục tọa độ vào mô hình Robot 26

Hình 2.3: Các tham số động học Denavit – Hartenberg 28

Hình 2.4: Quỹ đạo điểm E 37

Hình 2.5: Đồ thị vị trí điểm thao tác E và hướng của khâu thao tác 37

Hình 2.6: Đồ thị vị trí của khâu thao tác 38

Hình 2.7: Đồ thị hướng của khâu thao tác 38

Hình 2.8: Đồ thị vận tốc dài điểm E 38

Hình 2.9: Đồ thị vận tốc dài điểm E theo các phương 39

Hình 2.10: Đồ thị vận tốc góc khâu E 39

Hình 2.11: Vận tốc góc khâu E theo từng phương 39

Hình 2.12: Đồ thị gia tốc dài của điểm E 40

Hình 2.13: Đồ thị gia tốc dài của điểm E theo từng phương 40

Hình 2.14: Đồ thị gia tốc góc khâu E 41

Hình 2.15: Đồ thị gia tốc góc khâu E theo từng phương 41

Hình 2.16: Hệ tọa độ đồ gá 42

Hình 2.17: Đặc trưng hình học của đối tượng gia công 43

Hình 2.18: Thuật toán giải các biến khớp 48

Hình 2.19: Quỹ đạo di chuyển của đá mài 50

Hình 2.20: Phép chuyển hệ trục tọa độ 52

Hình 2.21: Mô phỏng Robot trên MATLAB 53

Hình 2.22: Đồ thị tọa độ điểm cuối 53

Hình 2.23: Đồ thị vị trí các khâu 55

Hình 2.24: Đồ thị vận tốc các khâu 56

Hình 2.25: Đồ thị gia tốc các khâu 57

Hình 3.1: Các hệ tọa độ trung gian 76

Hình 3.2: Mô hình điều khiển động lực học ngược 79

Hình 3.3: Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PD + lực 80

Hình 3.4: Các khối vị trí, vận tốc, gia tốc đặt 80

Hình 3.5: Khối điều khiển PD 81

Hình 3.6: Khối điều khiển Lực 81

Hình 3.7: Khối Robot 82

Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn tập mờ 83

Hình 3.9: Dạng của tập mờ 86

Hình 3.10: Bộ điều khiển mờ 88

Hình 3.11: Sơ đồ SIMULINK điều khiển mờ 88

Hình 3.12: Sơ đồ các bộ điều khiển mờ 89

Hình 3.13: Đồ thị góc quay khâu 1 92

Hình 3.14: Sai số biến khớp 1 92

Hình 3.15: Đồ thị dịch chuyển khâu 2 93

Hình 3.16: Sai số biến khớp 2 93

Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu 3 93

Hình 3.18: Đồ thị sai số biến khớp 3 94

Hình 3.19: Đồ thị góc quay khâu 4 94

Hình 3.20: Đồ thị sai số biến khớp 4 94

Hình 3.21: Đồ thị góc quay khâu 5 95

Hình 3.22: Đồ thị sai số biến khớp 5 95

Danh mục bảng biểu

Bảng 1: Bảng các tham số động học DH của Robot 28

Bảng 2: Bảng tham số động lực học về khối lượng và tensor quán tính 61

Bảng 3: Các tham số động học của hệ tọa độ trung gian 76

Bảng 4: Các tham số động học của Robot 77

Bảng 5: Các tham số động lực học của Robot 77

Bảng 6: Các lực không thế Q ở các khâu 77

Bảng 7: Giá trị ngôn ngữ 85

Bảng 8: Bảng FAM 86

LỜI MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, ngành Điều khiển, Tự động hóa và thiết kế các hệ thống Cơ điện tử đang đóng một vai trò hết sức quan trọng Cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đang trong giai đoạn phát triển một cách toàn diện và tác động đến hầu hết mọi lĩnh vực trong đời sống Các Robot, đặc biệt là Robot công nghiệp có một vị trí đặc biệt quan trọng trong các quá trình sản xuất sản phẩm, gia công cơ khí cũng như trong dịch vụ

và giải trí Nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ sản xuất, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, tăng năng suất lao động… đặt ra vấn đề cần giải là hệ thống Robot công nghiệp trong sản xuất phải có tính linh hoạt cao và được điều khiển chính xác

Tay máy Robot đã xuất hiện trong sản xuất từ nhiều năm trước Ngày nay, tay máy Robot được sử dụng trong rất nhiều các lĩnh vực, với những tính năng

mà con người không thể có được như: khả năng làm việc ổn định với khối lượng công việc lớn, có thể làm việc trong môi trường độc hại, khả năng xử lý công việc trong thời gian ngắn đảm bảo độ chính xác cao,… Do đó, việc nghiên cứu, chế tạo và điều khiển những loại tay máy Robot phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất, ứng dụng trong gia công cơ khí là rất cần thiết cho hiện tại và tương lai

Mục đích nghiên cứu

Luận văn này trình bày về đề tài: “Ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot,

ứng dụng trong gia công cơ khí” Mục đích nghiên cứu của đề tài là: Thiết lập

phương trình động lực học cho Robot ứng dụng trong gia công cơ khí, xây dựng được giải thuật và chương trình điều khiển Robot dựa trên logic mờ Đề tài giúp tác giả làm quen và tìm hiểu sâu hơn những vấn đề cơ bản và cốt lõi trong việc thiết kế và điều khiển Robot, rất có ích cho việc học tập nghiên cứu và làm việc sau này

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hiện nay, trong việc gia công cơ khí, mài là một công đoạn không thể thiếu Trong tất cả các loại máy cắt kim loại như máy phay, máy tiện, máy bào, máy doa … và các chi tiết gia công thông thường sẽ phải có công đoạn mài Mài là một trong những hình thức gia công kim loại cơ bản và khá phổ biến Để mài chi tiết, người ta thường sử dụng đá mài Đá mài sẽ lấy đi một lớp kim loại mỏng trên bề mặt chi tiết, làm nhẵn mịn chi tiết và thông thường sau gia công mài, sản phẩm sẽ có độ bóng trên bề mặt rất cao

Việc sử dụng máy mài đã xuất hiện từ lâu và có xu hướng cải tiến đến mức

tự động hóa cao Nhưng trong thực tế vẫn gặp phải vấn đề khó khăn đó là:

- Số trục gia công hạn chế dẫn tới không gian làm việc ít

- Trong quá trình gia công, sẽ rất khó để xác định chính xác các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình mài ví dụ như lực cắt, lực cản – lực ma sát …

Để cải thiện những hạn chế như trên, chúng ta có thể dùng tới các Robot mài sử dụng bộ điều khiển mờ để tăng độ chính xác và ổn định Các Robot có kích thước nhỏ gọn và linh hoạt đảm bảo mọi vị trí gia công phức tạp như mặt nghiêng, đường cong, … đáp ứng được chất lượng sản phẩm cao

Qua tìm hiểu thực tế các mô hình Robot trên thế giới, trong phạm vi luận văn này, tác giả xin đề xuất mô hình và bộ điều khiển mờ cho Robot mài 5 bậc

tự do

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Quá trình gia công mài yêu cầu Robot phải có độ cứng vững cao, tải trọng của Robot phải lớn, tối ưu hóa vùng làm việc Từ đây ta phải lựa chọn và đề xuất mô hình Robot hợp lý Sau đó xây dựng các thông số rồi giải quyết các bài toán động học thuận và ngược Xây dựng phương trình động lực học của Robot Để thực hiện được quá trình gia công mài trên mặt phẳng bất kì so với

vị trí đặt Robot thì Robot cần tối thiểu 5 bậc tự do để đảm bảo Robot có thể thao tác theo mọi vị trí và hướng trong không gian

Nguyên tắc mài là đá mài được gắn ở điểm tác động cuối của Robot sẽ di chuyển theo quỹ đạo lập trình cho trước để thực hiện nguyên công mài Lúc này sẽ xuất hiện lực tương tác giữa dụng cụ và chi tiết gia công (phôi) Trong quá trình mài, sẽ có lực tương tác nhưng khó xác định chính xác Do đó các phương pháp điều khiển rõ sẽ gặp nhiều khó khăn khi thực hiện Điều khiển

mờ theo tư duy con người, dễ điều chỉnh giúp khắc phục những yếu tố động lực không xác định được hoặc xác định không chính xác, chẳng hạn ma sát, lực cắt, …

Vì vậy luận văn này trình bày ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot, ứng dụng trong gia công cơ khí, ở đây là quá trình gia công mài

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn này sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết từ các tài liệu chuyên ngành, sách, báo và kế thừa các kiến thức về ứng dụng công nghệ Robot Từ đó tác giả đề xuất mô hình Robot và thực hiện khảo sát các chuyển động của mô hình như động học, động lực học Sau đó áp dụng các kỹ thuật điều khiển để mô phỏng và tính toán

Quá trình thực hiện có sử dụng các phần mềm và công cụ hỗ trợ như Solidworks, MATLAB và MATLAB simulink…

Trong quá trình làm luận văn có thể sẽ có nhiều vấn đề đặt ra mà trong phạm vi khả năng của tác giả còn hạn chế nên rất mong được các Thầy Cô chỉ bảo và góp ý thêm

Chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Mạnh Hà

Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và ứng dụng của

Robot trong gia công cơ khí

1.1 Giới thiệu về Robot công nghiệp

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Thuật ngữ Robot có nghĩa là “người máy” trong tiếng Việt, xuất hiện lần

đầu trong vở kịch R.U.R (Rossum’s Universal Robots) của nhà văn Karel Čapek

người Tiệp Khắc công diễn vào năm 1920 Nguyên gốc từ Robot là từ chữ Robota trong tiếng Slavơ, nghĩa là công nhân Vở kịch diễn tả bối cảnh một nhà máy chế tạo các nhân công nhân tạo được gọi là Robot, các sinh vật này có thể bị nhầm lẫn với con người nhưng có khả năng làm việc nhanh nhẹn hơn, mạnh hơn và không có cảm xúc suy nghĩ như con người - tương tự như những

ý tưởng hiện đại về người máy

Từ nhu cầu thay thế người lao động nhằm tự động hóa, chuyên môn hóa, tăng năng suất và độ chính xác công nghệ của các dây chuyền sản xuất, lắp ráp công nghiệp, Robot công nghiệp đã và đang được sử dụng ngày càng nhiều trong khoa học và kĩ thuật đặc biệt là trong các ngành sản xuất lắp ráp chế tạo như ô tô, tàu thủy, công nghiệp cơ khí chế tạo…

Robot là sự liên kết, giao thoa của nhiều ngành khoa học từ Vật lý, Toán học tới kĩ thuật Cơ khí, kĩ thuật Điện tử và khoa học máy tính Xuyên suốt từ thập kỉ 70 của thế kỉ XX đến nay các công trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo

và ứng dụng các hệ Robot trở nên rộng rãi Đó chính là các minh chứng rõ nét

về sự phát triển của Robot và ngành Cơ Điện Tử

Hiện nay nhu cầu sử dụng Robot trong công nghiệp ngày càng tăng, các loại Robot được chế tạo ngày càng đa dạng với độ chính xác cao, linh hoạt, giá

cả phù hợp năng suất và tuổi thọ cao Mặc dù dải ứng dụng của Robot ngày càng được mở rộng (thay thế con người trong các công việc nặng nhọc, nguy hiểm, độc hại…) nhưng theo thống kê năm 2000 tại Mỹ thì lượng Robot hàn

và Robot xử lý phôi liệu chiếm phần lớn Robot công nghiệp trên thị trường Hình 1.1 là một hệ thống Robot hàn

Hình 1.1: Robot hàn

Từ hình ảnh Robot trên, ta thấy rằng người thiết kế Robot phải lựa chọn cấu trúc tay máy và các đặc trưng kết cấu, đặc trưng động học phù hợp với vùng công tác, số bậc tự do, vận tốc … Kế tiếp phải kể đến các vấn đề về cơ học, động học, động lực học … các vấn đề về điều khiển, xử lý tín hiệu, xử lý hình ảnh từ camera, điều chỉnh vị trí hành trình tay kẹp … lập trình Robot…

Như vậy hiển nhiên để thiết kế, chế tạo, lập trình và sử dụng các hệ Robot chúng ta cần phải quan tâm đến các lĩnh vực sau:

+ Cơ học và kỹ thuật cơ khí (giải quyết các vấn đề về cơ khí của hệ Robot) + Toán học cung cấp các công cụ, thuật toán, phương pháp mô tả toán học… kỹ thuật tính toán xung quanh vấn đề thiết kế Robot và ứng dụng điều khiển Robot

+ Lập trình điều khiển học tập trung vào giải quyết các phương pháp, kỹ thuật điều khiển để Robot có thể hoạt động theo đúng yêu cầu, chức năng và nhiệm vụ công tác

+ Kỹ thuật điện – điện tử tập trung vào đối tượng bộ điều khiển và hệ thống điện trên Robot; tối ưu hệ thống mạch tích hợp với việc xử lý tín hiệu, mạch công suất, các bộ đệm, mạch giao tiếp với tín hiệu cảm biến, mạch thu phát tín hiệu từ xa

+ Khoa học máy tính giải quyết các vấn đề cơ sở tính toán, lập trình xử lý tín hiệu điều khiển trực tiếp cho các cơ cấu dẫn động; xây dựng các thuật toán cho các ứng dụng Robot

Tự động hóa (Automation) và kỹ thuật Robot ( Robotics) là hai lĩnh vực

có liên quan mật thiết với nhau Về phương diện công nghiệp, tự động hóa là một công nghệ liên kết với sử dụng các hệ thông cơ khí, điện tử và hệ thống máy tính trong vận hành và điều khiển quá trình sản xuất Ví dụ : dây chuyền vận chuyển, các máy lắp ráp cơ khí, các hệ thống điều khiển phản hồi, các máy công cụ điều khiển chương trình số và Robot Như vậy, có thể coi Robot là một dạng của thiết bị tự động hóa công nghiệp

Nhằm mục đích thiết kế, chế tạo các thế hệ Robot công nghiệp ngày càng thông minh, linh hoạt, nhỏ gọn, rẻ tiền, tin cậy, chính xác, tuổi thọ cao, một số bài toán sau đây đang là vấn đề thời sự, được các nhà khoa học quan tâm giải quyết:

+ Tối ưu hóa cấu trúc cơ khí với nhiều chú ý tới việc sử dụng vật liệu nhẹ,

độ bền cao; lựa chọn các bộ truyền, tỷ số truyền và hiệu suất lớn, tuổi thọ và độ chính xác cao để tăng độ chính xác điều khiển, tăng ổn định và tuổi thọ của Robot

+ Các bài toán cơ học, động học, động lực – điều khiển, cân bằng, dư dẫn động, rung, tránh va chạm, … cho các dạng cấu trúc Robot công nghiệp truyền thống và đặc biệt cho các cấu trúc động học song song, cấu trúc Robot công nghiệp tích hợp trên Robot di động Các bài toán cơ học và điều khiển hệ tay

máy có kể đến các yếu tố đàn hồi (chuyển vị, dao động) và khe hở (giữa các mối ghép, tương tác…) là các vấn đề cũng đang được đề cập rộng khắp, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển theo yêu cầu, tránh cộng hưởng, nâng cao tuổi thọ, độ bền cơ cấu,…

+ Các cơ cấu dẫn động và cảm nhận tín hiệu cũng là vấn đề quan tâm lớn trong kĩ thuật Robot Đáp ứng yêu cầu về kết cấu và điều khiển Robot, các cơ cấu dẫn động được nghiên cứu ứng dụng theo hướng tiết kiệm năng lượng, bền lâu, đủ công suất, gọn nhẹ Các cảm biến được nghiên cứu phát triển sao cho đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác cảm nhận tín hiệu, tốc độ lấy mẫu, chống nhiễu…

+ Điều khiển thông minh là hướng phát triển lớn của kĩ thuật Robot, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới Cùng sự phát triển và thành tựu của các lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo, Thị giác máy và xử lý ảnh, xử lý

âm thanh, tiếng nói, … lĩnh vực điều khiển thông minh trong kĩ thuật Robot đang trên đà phát triển vô cùng mạnh mẽ

1.1.2 Các khái niệm về Robotics

Theo quan điểm của McKerrow (1986) định nghĩa Robot là một đối tượng máy móc cơ khí có thể lập trình để thực hiện một số công việc nào đó

Schlussel (1985) lại định nghĩa Robot là một tay máy đa chức năng, khả trình (có thể lập trình và tái lập trình) được thiết kế để vận chuyển nhiên vật liệu, phôi, chi tiết gia công hoặc là thiết bị đặc thù để được lập trình chuyển động đa dạng để thực hiện nhiệm vụ nào đó

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

Như vậy từ các định nghĩa, khái niệm trên ta có thể thấy Robot là một tay máy có thể lập trình (tái lập trình) để thực hiện các chức năng nhiệm vụ, Robot

có thể được điểu khiển tự động bằng máy tính hoặc điều khiển bằng tay

Lĩnh vực khoa học lấy đối tượng nghiên cứu là các hệ thống Robot (thiết

kế, chế tạo, điều khiển và lập trình ứng dụng cho Robot …) được gọi là Robot học (Robotics) Ta có thể hiểu Robot học là một liên ngành đặc thù của Cơ điện

1.2 Ứng dụng của Robot trong gia công cơ khí

1.2.1 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp

Một Robot công nghiệp có cấu trúc như hình 1.2 sau:

Hình 1.2: Cấu trúc chung của một Robot công nghiệp

Hệ thống chuyển động Robot công nghiệp đảm bảo cho Robot có thể thực hiện các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của

thân, cánh tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước Hình 1.3 biểu diễn hình dạng điển hình của Robot công nghiệp

Hình 1.3: Hình dạng điển hình của Robot công nghiệp

Bộ phận cơ bản của Robot (Tay máy – Manipulator) bao gồm cánh tay

(arm) gồm một số thanh nối cứng (link) liên kết với nhau bởi các khớp mềm (joint), thân (base), cổ tay (wrist), bàn tay (hand) và các ngón tay (fingers) Cánh tay Robot được gắn trên thân, cổ tay được gắn ở thanh nối cuối cùng cánh tay Robot, bàn tay hay còn gọi là cơ cấu tác động cuối được gắn lên cổ tay có nhiệm vụ thực hiện các hoạt động theo yêu cầu công nghệ: cầm hoặc gia công

Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác

Các Robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các

cơ cấu của Robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn

động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

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

Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo các bộ phận của Robot công nghiệp

1.2.2 Ứng dụng của Robot trong gia công cơ khí

Ưu điểm của Robot:

- Có khả năng thay thế con người làm việc trong các môi trường độc hại: việc nặng nhọc, gây nguy hiểm cho con người, như nóng, độc, phóng xạ, dưới nước sâu, trong lòng đất, ngoài khoảng không vũ trụ,…

- Tính chính xác cao, có khả năng tự động hoá cao, có tính lặp lại

- Tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm: do Robot có thể làm việc nhiều

ca mà không mệt mỏi, không cần ăn trưa, không đòi hỏi lương…

Chính vì những ưu điểm nói trên Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp cơ khí như:

+ Robot hàn điểm

+ Robot phun sơn

+ Robot cưa, cắt kim loại

+ Robot khoan, cắt, khắc laze

+ Robot rèn, đúc kim loại ở nhiệt độ cao

+ Robot phay bề mặt kim loại

+ Robot mài

Doanh số bán Robot công nghiệp trên toàn cầu đã tăng 27% trong năm

2014, số liệu từ báo cáo mới nhất của Liên đoàn quốc tế về người máy (IFR) cho biết Theo IFR, chỉ riêng trong năm 2014 đã có khoảng 225.000 Robot công nghiệp được bán ra trên toàn thế giới, với gần 2/3 trong số đó được bán tại châu

Á

Theo ước tính chưa đầy đủ của Liên đoàn Robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có khoảng 770.000 Robot đang được sử dụng trong sản xuất công nghiệp Trong đó, Nhật Bản sử dụng nhiều nhất với 350.000 Robot (chiếm 45,5%), EU khoảng 233.000 (30,3%) Bắc Mỹ khoảng 104.000 (13,5%), còn lại

là các nước khác Theo dự báo của IRF, mức tăng trưởng về doanh số của sản phẩm Robot nói chung (trong đó Robot công nghiệp chiếm hơn 65%)

Hình 1.5: Biểu đồ phân bố Robot công nghiệp

Nhật bản EU Bắc Mĩ khác

45.5%

30.3%

13.5%

10.7%

Robot hàn:

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng Robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi đó Robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước

Hình 1.6: Robot hàn

Robot phun sơn:

Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với Robot Ngoài ra, con người phải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi Robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vài giờ và

có khả năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng cũng như cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi trường độc hại Tất cả Robot phun sơn đều được ‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng đường; đường đi đó được ghi lại; và khi Robot thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn

đó Như thế, Robot phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng Ứng dụng này đưa đến sự phát triển một loại tay Robot dạng ‘vòi voi’ có độ linh hoạt cao

Hình 1.7: Robot sơn vỏ ô tô BMW

Việc sử dụng máy CNC đã xuất hiện từ lâu và có xu hướng cải tiến đến mức tự động hóa cao Nhưng trong thực tế vẫn gặp phải vấn đề khó khăn đó là:

- Số trục gia công hạn chế dẫn tới không gian làm việc ít

- Kích thước máy lớn, không phù hợp trong những môi trường chật hẹp

Để cải thiện những hạn chế như trên, chúng ta có thể sử dụng tới các Robot phay Với việc sử dụng Robot sẽ linh hoạt hơn, kích thước nhỏ gọn Sử dụng Robot với 5,6 bậc tự do đảm bảo mọi vị trí gia công phức tạp như mặt nghiêng, đường cong,… đáp ứng được chất lượng sản phẩm cao

Hình 1.8: Robot phay

Robot mài:

Trong ngành chế tạo máy hiện đại, mài chiếm một tỷ lệ rất lớn, máy mài chiếm khoảng 30% tổng số máy cắt kim loại Đặc biệt là trong ngành chế tạo ổ

bi, nguyên công mài chiếm khoảng 60% toàn bộ quy trình công nghệ Vì vậy

sự ra đời của Robot mài là điều tất yếu Tính linh hoạt trong vận hành; hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác; nhất là khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn là những yếu tố quyết định cho việc

sử dụng Robot gia công mài

Hình 1.9: Robot mài

Chương 2: Động học Robot mài 5 bậc tự do

2.1 Đề xuất mô hình Robot và hệ trục tọa độ Robot mài

2.1.1 Đề xuất mô hình Robot

Để thực hiện quá trình mài trên mặt phẳng bất kì so với vị trí đặt Robot thì cần tối thiểu 5 bậc tự do Trong đó 3 bậc tự do đảm bảo vị trí (3 tọa độ dài xác định vị trí của một điểm trong không gian) và 2 bậc đảm bảo hướng của đá mài trong không gian

Quá trình gia công mài yêu cầu Robot phải có độ cứng vững cao, tải trọng của Robot phải lớn, tối ưu hóa vùng làm việc Từ đây ta phải lựa chọn và đề xuất mô hình Robot hợp lý Lập luận trên cũng giải thích rằng nếu với cấu trúc bốn bậc tự do thì không thể đạt được đồng thời cả vị trí điểm thao tác và hướng

đá mài tùy ý trong không gian

Với cấu trúc năm bậc tự do sẽ đơn giản hơn Robot với cấu trúc bằng hoặc lớn hơn sáu bậc tự do từ việc tính toán, thiết kế, chế tạo, điều khiển mà vẫn thỏa mãn yêu cầu thao tác công nghệ đa dạng từ đơn giản đến phức tạp

Từ các yêu cầu đó ta đề xuất mô hình Robot công nghiệp như hình 2.1 Robot có 5 bậc tự do, sử dụng các khớp quay cho vùng làm việc lớn

Hình 2.1: Mô hình Robot mài 5 bậc tự do

2.1.2 Hệ trục tọa độ Robot

Hình 2.2: Gắn các hệ trục tọa độ vào mô hình Robot

Robot có 5 khâu, 5 bậc tự do Trên hình 2.2 biểu diễn các hệ tọa độ khảo sát gắn vào giá cố định và gắn vào các khâu của Robot theo quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H)

- Hệ Coordinate System 0: Cố định tại đế của Robot

- Hệ Coordinate System 1: Gắn vào khâu 1, gốc trùng với gốc O theo phương z

- Hệ Coordinate System 2: Gắn vào khâu 2, tại vị trí khớp 2

- Hệ Coordinate System 3: Gắn vào khâu 3, tại vị trí khớp 3

- Hệ Coordinate System 4: Gắn vào khâu 4, tại vị trí khớp 4

- Hệ Coordinate System 5: Gắn vào điểm tác động cuối (vị trí lắp đá mài)

Ta tiến hành xác định các tham số động học Denavit – Hartenberg cho Robot như sau:

Denavit – Hartenberg (1955) đã quy ước hệ tọa độ Decart gắn vào mỗi khâu của một tay máy Robot như sau:

* Trục z i được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i +1) Hướng của phép quay và phép tịnh tiến được chọn tùy ý

* Trục x i được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp động thứ i và (i + 1), hướng từ khớp động thứ i tới trục (i +1)

* Trục y i được xác định phù hợp với x z i, i sao cho x y z i, i, i theo thứ tự tạo thành một tam diện thuận

1 i: góc quay quanh trục z i−1 để trục x i−1 chuyển đến trục '

O, giao điểm của trục x i và trục z i−1

3 a i: dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục x i để điểm '

Trong bốn tham số trên, các tham số a ivà i luôn luôn là các hằng số, độ lớn của chúng phụ thuộc vào hình dáng và sự ghép nối các khâu thứ i – 1 và thứ i Hai tham số còn lại một là hằng số, một là biến số phụ thuộc vào khớp quay hay khớp tịnh tiến Khi khớp i là khớp quay thì i là biến, d i là hằng số, ngược lại khi khớp i là khớp tịnh tiến thì d i là biến số còn i là hằng số

Hình 2.3: Các tham số động học Denavit – Hartenberg

Bảng 1 biểu diễn các tham số động học D-H, các giá trị số của các tham

số được cho khi tính toán

2.1.3 Các ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit – Hartenberg

Áp dụng công thức dạng tổng quát của ma trận Denavit-Hartenberg cho các khâu:

hệ tọa độ cơ sở như sau:

Ma trận Denavit-Hartenberg cho khâu 1:

3

cos(θ ) 0 sin(θ ) 0sin(θ ) 0 -cos(θ ) 0

4 4

3 4

4

cos(θ ) 0 sin(θ ) 0sin(θ ) 0 -cos(θ ) 0

Từ (2.5) và (2.8) ta xác định được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu 4 trong hệ tọa độ cố định O x y z0 0 0 0 là:

Ma trận 0

5

A được xác định theo cấu trúc động học Robot và biểu diễn vị trí và hướng của hệ tọa độ dụng cụ, tức là vị trí và hướng của đá mài, trong không gian

2.2 Bài toán động học thuận

2.2.1 Vị trí và hướng của khâu thao tác

Vị trí của khâu thao tác (đá mài) được xác định trong hệ tọa độ cố định R0được xác định bởi điểm tác động cuối End-Effector và hướng của khâu thao tác Theo (2.12) ta có

( ) ( ) ( ) ( )

Ma trận cosin chỉ hướng (xác định hướng của khâu thao tác) như sau

) + sin(θ + θ )cos(θ )sin(θ )

Sử dụng ma trận xác định hướng của EE là ma trận Cardan ta có:

cos( ).cos( ) cos( ).sin( ) sin( )

sin( ).sin( ).cos( ) cos( ).sin( ) sin( ).sin( ).sin( ) cos( ).cos( ) sin( ).cos( )

cos( ).sin( ).cos( ) sin( ).sin( ) cos( ).sin( ).sin( ) sin( ).cos( ) cos( ).cos( )

Trong đó q =  q q q q q1 2 3 4 5Tlà véc tơ các tọa độ khớp

Gọi các toạ độ thao tác của điểm cuối là:

E E E

13 2 23 33 12 11

2.2.2 Bài toán thuận về vận tốc và gia tốc

Trong quá trình mài cần phải kiểm tra, xác định vận tốc của đá mài đối với vật cần gia công Từ đó ta phải khảo sát bài toán vận tốc Ứng với các biến khớp q1, q2, q3, q4 và q5cùng với các đạo hàm q1, q2, q3, q4 và q5thì sau khi

giải bài toán động học thuận về vị trí ta tìm được tọa độ x P , y P và z P của điểm tác động cuối cùng với các góc định hướng của khâu thao tác Lúc này ta xác định vận tốc dịch chuyển của điểm tác động cuối và vận tốc góc của khâu thao tác tức là xác định các thông số x P, y P, z P, ,  và 

Từ hệ 6 phương trình (2.17) ta có thể viết lại dưới dạng

f (p,q) = 0 (2.19)

Trong đó: q =  q q q q q1 2 3 4 5T : là véc tơ các tọa độ khớp

 E E E T

Đạo hàm phương trình (2.19) theo thời gian ta được

p f p

p f p f p f p

Để xác định được gia tốc của điểm tác động cuối và gia tốc góc của khâu thao tác ứng với qui luật chuyển động của các khâu xác định bởi các góc quay tương đối, vận tốc góc, gia tốc góc của các khâu này, đạo hàm phương trình (2.20) theo thời gian ta có

Trong đó p là véc tơ xác định gia tốc của điểm cuối

2.2.3 Các đồ thị thể hiện vị trí, vận tốc và gia tốc điểm tác động cuối

Cho biết các thông số đầu vào q1, q2, q3, q4 và q5 và các kích thước động học a2 = 0.4m, d3 = 0.08m, d4=0.4m, dE = -0.15m

Giả sử quy luật chuyển động của các khâu như sau

Sử dụng phần mềm toán học MATLAB, thay các giá trị q(t) và các kích

thước động học vào biểu thức tọa độ điểm cuối x E , y E và z E Từ đây ta vẽ được

đồ thị vị trí điểm tác động cuối theo thời gian

Lấy t0 = 0; tE = 2.15s và t= 0.01s, sử dụng phần mềm MATLAB ta thu được quỹ đạo và đồ thị tọa độ điểm cuối theo thời gian

Hình 2.4: Quỹ đạo điểm E

Từ (2.18) ta thay số giải các phương trình về hướng của khâu thao tác

Đồ thị vị trí điểm thao tác E và các góc Cardan định hướng theo thời gian với thứ tự màu p=x E,y z E, E, , ,  T = red, violet, blue, black, purple,gold T

Hình 2.5: Đồ thị vị trí điểm thao tác E và hướng của khâu thao tác

s

x E y E z E

Hình 2.6: Đồ thị vị trí của khâu thao tác

Hình 2.7: Đồ thị hướng của khâu thao tác

Đạo hàm tọa độ thao tác theo thời gian ta thu được các thành phần vận tốc dài của điểm thao tác theo thời gian r E =x E,y z E, ET = red, violet, blue T