Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều khiển bằng máy tính phục vụ đào tạo

Tác giả cũng như các đồng nghiệp luôn tâm huyết với chất lượng đào tao…Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài „Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình Robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều khiển bằ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là: Trần Trọng Dương học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B Chuyên ngành: Cơ Điện Tử

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình Robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều khiển bằng máy tính phục vụ đào tạo

Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Thị Thanh Hải

Tôi xin cam đoan các nghiên cứu, thiết kế và chế tạo trong luận văn này là do

chính tác giả thực hiện

Hà Nội, tháng 9 năm 2015

Tác giả luận văn

Trần Trọng Dương

MỤC LỤC Trang phụ bìa

Lời cam đoan 1

Danh mục bảng biểu 4

Danh mục hình 5

Phần mở đầu 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 3

1.1 Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp 3

1.1.1 Quá trình hình thành của Robot công nghiệp 3

1.1.2 Quá trình phát triển của robot công nghiệp 3

1.2 Định nghĩa và phân loại Robot công nghiệp 6

1.2.1 Định nghĩa về Robot công nghiệp 6

1.2.2 Phân loại Robot công nghiệp 7

1.3 Tình hình ứng dụng và phát triển robot công nghiệp trên thế giới và trong nước 14

1.4 Kết luận 17

CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO 18

2.1 Mô hình Robot 3 bậc tự do 18

2.2 Động học Robot 20

2.2.1 Bài toán động học thuận 20

2.2.2 Bài toán động học ngược 23

2.3 Động lực học Robot 25

2.4 Mô phỏng số 33

2.5 Mô phỏng hoạt động Robot 34

2.6 Kết luận 34

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT 3 BẬC TỰ DO 35

3.1 Thiết kế điều khiển Robot 3 bậc tự do trên phần mềm Matlab 35

3.1.1 Trình tự thiết kế trong giao diện Guide 35

3.1.2 Giải bài toán động học thuận 39

3.1.3 Giải bài toán động học ngược 39

3.1.4 Thiết kế quỹ đạo 40

3.1.5 Tính momen động cơ 40

3.1.6 Thiết kế điều khiển 41

3.2 Thiết kế hệ thống cơ khí 42

3.2.1 Tính chọn động cơ 42

3.2.2 Tính trục 43

3.2.3 Thiết kế khung cho robot cầu RRR 47

3.2.4 Tính cánh tay robot 47

3.2.5 Tính chọn ổ bi 49

3.2.6 Tính chọn bộ truyền động đai răng robot RRR 49

3.2.7 Chế tạo hệ thống cơ khí 52

3.3 Thiết kế, thi công mạch điều khiển 56

3.3.1 Nguyên lý điều khiển động cơ 56

3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển 61

3.4 Kết quả chế tạo mô hình Robot ba bậc tự do 64

3.5 Kết luận 66

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG BÀI THỰC HÀNH CHO SINH VIÊN CAO ĐẲNG NGHỀ 67

4.1 Bài thực hành 1: Dạy học cho Robot 3 bậc tự do 67

4.2 Bài thực hành 2: Điều khiển Robot 3 bậc tự do theo phương trình động học thuận 75

4.3 Bài thực hành 3: Điều khiển Robot 3 bậc tự do theo phương trình động học ngược 76

4.4 Kết luận 77

KẾT LUẬN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 80

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg 20

Bảng 2.2 Bảng thông số D-H cho Robot 3 bậc tự do 22

Bảng 2.3 Bảng thông số động học DH 33

Bảng 3.1 Các ký hiệu L, H, XL và bước đai tương ứng 49

Bảng 3.2 Các chi tiết điển hình trên robot 56

Bảng 3.3 Bảng chân trị của mạch logic cho driver L298D 61

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Robot tạp dịch nổi loạn trong vở kịch của Karel Capek - 1920 3

Hình 1.2 Tay máy robot tọa độ Đề Các 7

Hình 1.3 Tay máy robot tọa độ trụ 8

Hình 1.4 Tay máy robot tọa độ cầu 8

Hình 1.5 Tay máy robot dạng phỏng sinh 9

Hình 1.6 Tay máy robot dạng SCARA 9

Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở 10

Hình 1.8 Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín 10

Hình 1.9 Robot trong ngành luyện kim 11

Hình 1.10 Robot hàn 13

Hình 1.11 Robot sơn 13

Hình 1.12 Robot lắp ráp 14

Hình 1.13 Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới 15

Hình 1.14 Biểu đồ thị trường robot công nghiệp Châu Á/Úc, Chấu Âu và Châu Mỹ 15 Hình 1.15 Biểu đồ sử dụng robot tại các nước 16

Hình 1.16 Biểu đồ robot phục vụ trong các ngành công nghiệp 17

Hình 2.1 Sơ đồ động Robot 18

Hình 2.2 Cấu tạo Robot được thiết kế trên Solidworks 18

Hình 2.3 Thân dưới 19

Hình 2.4 Khâu thứ 2 19

Hình 2.5 Khâu thứ 3 19

Hình 2.6 Mô phỏng robot RRR 23

Hình 2.7 Biểu diễn góc quay q1 24

Hình 2.8 Sơ đồ hình học của tay máy 24

Hình 2.9 Loại trừ chuyển động của tay máy 25

Hình 2.10 Giao diện động học thuận 34

Hình 2.11 Giao diện động học ngược 34

Hình 3.1 Cửa sổ bắt đầu matlab 35

Hình 3.2 Giao diện thiết kế 36

Hình 3.3 Lấy các đối tượng 37

Hình 3.4 Thuộc tính của đối tượng 38

Hình 3.5 Giao diện bài toán động học thuận 39

Hình 3.6 Giao diện bài toán động học ngược 39

Hình 3.7 Giao diện quỹ đạo chuyển động 40

Hình 3.8 Giao diện tính momen động cơ 40

Hình 3.9 Giao diện điều khiển chính 41

Hình 3.10 Bảng điều khiển 41

Hình 3.11 Bảng Teaching Mode 42

Hình 3.12 Thông báo chương trình chạy của robot 42

Hình 3.13 Trục tại khớp 3 43

Hình 3.14 Biểu đồ momen trục 1 44

Hình 3.16 Biểu đồ momen trục 2 45

Hình 3.17 Trục tại khớp 1 46

Hình 3.18 Biểu đồ momen trục 3 46

Hình 3.19 Khung robot 47

Hình 3.20 Cánh tay 1 48

Hình 3.21 Cánh tay 2 48

Hình 3.22 Tay kẹp 49

Hình 3.23 Hình lựa chọn bộ truyền đai 50

Hình 3.24 Thông số pulley nhỏ 50

Hình 3.25 Mô hình pulley nhỏ trong SolidWork 51

Hình 3.26 Thông số pulley lớn 51

Hình 3.27 Mô hình pulley to trong SolidWork 51

Hình 3.28 Chọn loại đai 52

Hình 3.29 Động cơ 57

Hình 3.30 Nguyên lý điều khiển 57

Hình 3.31 Mạch nguyên lý 58

Hình 3.32 Mạch công suất 58

Hình 3.33 Chip L298 59

Hình 3.34 Mạch logic 61

Hình 3.35 Khối vi điều khiển AVR 62

Hình 3.36 Khối kết nối máy tính 62

Hình 3.37 Khối nguồn 62

Hình 3.38 Khối cách ly quang 63

Hình 3.39 Khối logic 63

Hình 3.40 Mạch nguyên lý 63

Hình 3.41 Mạch in 64

Hình 3.42 Sản Phẩm Robot hoàn thiện 64

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Chúng ta luôn mong muốn chương trình đào tạo đại học và cao đẳng gắn liền với thực tế công nghiệp Đặc biệt với sinh viên hệ cao đẳng nghề, vấn đề này càng quan trọng Trong đó, Robot công nghiệp là thiết bị được sử dụng phổ biến tại các nước công nghiệp phát triển và bắt đầu được sử dụng ở Việt Nam

Sinh viên hệ cao đẳng nghề khi ra trường cần được kiến thức và kỹ năng làm việc tốt nên các môn học về Robot và Robot công nghiệp cũng như các bài thực hành trong các trường cao đẳng cần phải đáp ứng được yêu cầu thực tế công nghiệp

Do đó việc xây dựng các thiết bị thực nghiệm trong các trường đại học, cao đẳng nói chung và các trường cao đẳng nghề nói riêng là rất cần thiết để phục vụ đào tạo Trường cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội là một trong các trường đào tạo nghề và chưa có Robot phục vụ công tác đào tạo Việc chế tạo Robot và xây dựng các bài thực hành là rất quan trọng Hơn nữa, bản thân tác giả là giảng viên trường cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội Tác giả cũng như các đồng nghiệp luôn tâm huyết với chất lượng đào tao…Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài „Nghiên cứu, thiết kế

và chế tạo mô hình Robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều khiển bằng máy tính phục vụ đào tạo” làm luận văn cao học

2 Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

- Mục đích: Thiết kế, chế tạo được mô hình Robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều

khiển bằng máy tính để phục vụ mục đích đào tạo

- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

+ Đối tượng nghiên cứu là Robot 3 bậc tự do: Kết cấu cơ khí, động cơ servo,

van khí nén, vi điều khiển và Matlab

+ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan về robot công nghệp, Bài toán động học và động lực học cho robot Thiết kế và chế tạo robot 3 bậc tự do tọa độ cầu Thiết kế hệ thống điều khiển robot bằng vi điều khiển có kết nối máy tính

3 Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Luận văn được trình bày gồm 4 chương: Chương 1, nghiên cứu tổng quan về Robot công nghiệp Tìm hiểu lịch sử phát triển, phân loại robot công nghiệp theo

các cách khác nhau Phần cuối của chương phân tích tình hình phát triển robot công nghiệp trên thế giới và tình hình sử dụng robot công nghiệp cũng như xu hướng phát triển robot công nghiệp ở Việt nam Chương 2, nghiên cứu, tính toán động học

và động lực học cho Robot 3 bậc tự do để làm cơ sở cho việc thiết kế robot ba bậc

tự do chuyển động quay Bài toán động học thuận và động học ngược robot được giải theo phương pháp Denavit-Hartenberg Bài toán động lực học robot được giải theo phương pháp sử dụng định lý động năng, phương trình Lagrange II, Newton-Euler Chương 3, thiết kế và chế tạo Robot 3 bậc tự do Robot 3 bậc tự do được thiết

kế bằng phần mềm Matlab qua việc giải các bài toán động học, động lực học, thiết

kế điều khiển Tính và tính chọn các chi tiết cho hệ thống cơ khí Phần điều khiển được thiết kế và chế tạo gồm điều khiển động cơ Servo bằng vi điều khiển AVR 16

có kết nối máy tính Cuối chương 3 trình bày kết quả thực nghiệm việc chế tạo Robot 3 bậc tự do, các khâu 1, 2, 3 có chiều dài l1 = 240mm, l2 = 230mm và l3= 245mm, giới hạn các góc quay cho các khâu, = -1000 ÷ 1000, = 00 ÷ 900, = -

1000÷ 00 Chương 4, xây dựng các bài thực hành phục vụ đào tạo

Đóng góp mới của tác giả: Luận văn đã chế tạo được mô hình Robot 3 bậc tự

do phục vụ đào tạo và xây dựng các bài thực hành (Bài 1: Dạy học cho Robot; Bài 2: Điều khiển Robot theo phương trình động học thuận; Bài 3: Điều khiển Robot

theo phuơng trình động học ngược) cho môn học Robot công nghiệp

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết chung về tính toán, thiết kế, chế tạo Robot 3 bậc tự do

và xây dựng các bài thực hành

- Nghiên cứu tổng quan về Robot và Robot công nghiệp, các bài toán động học, động lực học Robot và điều khiển robot Từ đó có cơ sở tính toán, thiết kế và chế tạo Robot 3 bậc tự do, xây dựng các bài thực với Robot thực nghiệm phục vụ đào tạo

- Tính toán, thiết kế phần mềm điều khiển Robot 3 bậc tự do trên Matlab

- Tính và tính chọn các chi tiết điển hình cho Robot 3 bậc tự do

- Xây dựng các bài thực hành phục vụ đào tạo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp

1.1.1 Quá trình hình thành của Robot công nghiệp

Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1921 trong tác phẩm“Rossum‟s Universal Robots” của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek như hình 1.1 Trong tác phẩm này Rossum và con trai của ông đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Năm 1922, trên sân khấu múa rối Châu

Âu đã xuất hiện con rối Robota với tên gọi là lực sỹ do các nghệ sỹ Tiệp Khắc trình diễn Từ đó xuất hiện ý tưởng sáng chế kỹ thuật những cơ cấu máy có khả năng bắt chước các hoạt động của con người với mục đích robot công nghiệp thay cho cơ bắp con người [1] [2] [3]

Hình 1.1 Robot tạp dịch nổi loạn trong vở kịch của Karel Capek - 1920

1.1.2 Quá trình phát triển của robot công nghiệp

Robot công nghiệp hình thành và phát triển mạnh mẽ trên thế giới Quá trình phát triển của robot công nghiệp được chia làm 3 thời kỳ sau [2] [3]:

- Thời kỳ sơ khai (Trước năm 1946):

Đây là giai đoạn phát triển sản xuất tiến dần đến tự động hóa cơ khí (tự động hóa sản xuất cứng)

- Thời kỳ tiền robot (1946 – 1960):

Trong thời kỳ này, các robot đầu tiên phục vụ cho công nghiệp nguyên tử, đây

là giai đoạn phát triển mạnh của Kỹ thuật – Công nghiệp – Sản xuất Cụ thể như sau:

Năm 1946: Xuất hiện máy tính điện tử đầu tiên có tên là ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Caculartor)

Năm 1948: nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương

tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cữ hành trình Năm 1950: Chế tạo thành công “Máy phay điều khiển số NC” tại viện công nghệ Massachuset MIT, đây là thời kỳ phát triển Công nghệ khoa học – Kỹ thuật thông tin – Điều khiển với khởi đầu quá trình NC trí tuệ nhân tạo Từ đó ý tưởng

“Kết hợp hệ điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa với độ thông minh nhạy bén của hệ điều khiển NC đã đưa ra một thế hệ máy tự động cao cấp Đó là người máy

Năm 1954: Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối

Năm 1956: Hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển

- Thời kỳ kỷ nguyên của robotic(Từ năm 1960):

Đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của robot công nghiệp:

Năm 1961: Robot Unimate – USA của hãng General Motors được sử dụng trong phân xưởng đúc, đây là thời kỳ của robot thế hệ thứ nhất Lập trình điều khiển

để robot lặp lại các thao tác đã được định trước Nhờ vậy mà robot có các khả năng: + Một là: Làm việc liên tục trong 24 giờ và nắm vững các công việc trong vòng vài phút

+ Hai là: Làm việc trong mọi điều kiện: nóng bức, khó chịu, nguy hiểm và độc hại

Trên cơ sở bản quyền phát minh sáng chế của Mỹ, các nước trên thế giới cũng

bắt đầu chế tạo robot công nghiệp Ví dụ: nước Anh (1967) với robot Scara; Thụy điển, Nhật Bản (1968) với robot Fanuc; Đức(1971), Pháp(1972), Ý(1973) với robot Sigma

Năm 1967: Nhật Bản nhập robot công nghiệp đầu tiên của Hoa Kỳ Đến nay

đã có hơn 40 công ty Nhật Bản chế tạo robot như công ty Panasonic, Hitachi, Mitsubishi…

Từ năm 1960 – 1970: Ra đời robot công nghệ mạch tích hợp IC (Integrated Circuit), LSIC (Large Scale Integrated Circuit), bộ vi xử lý (Microprocessor) và máy vi tính PC (Personal Computer)

Từ năm 1968 – 1972: Đây là giai đoạn phát triển mạnh mẽ của robot trong công nghiệp ô tô, đặc biệt tại Nhật Bản với công ty YASKAWA – một trong những nơi đầu tư và nghiên cứu ứng dụng robot hàng đầu thế giới Thuật ngữ Cơ – Điện tử (Mechatronics) đã xuất hiện và luôn gắn liền với robot CN, CNC Năm 1970 xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất

Từ năm 1972: Viện nghiên cứu thuộc Trường đại học Stanford đã thiết kế robot Shakey di động tinh vi để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng

hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng Robot này được lập trình trước

để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng Do đó, robot thể hiện được sự tổng hợp của Khoa học – Kỹ thuật – Công nghệ cơ khí – Điện –Điện tử - Tự động điều khiển – Máy tính – Tin học Vì vậy, đây chính là thời kỳ của các robot thế hệ thứ hai: robot điều khiển bằng máy tính có các cảm biến liên hệ ngược Năm 1972 cũng là năm hội nghị đầu tiên của thế giới về robot được tổ chức tại Chicago Hoa Kỳ

Từ đó, robot bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực từ sản xuất đến nghiên cứu khoa học, y tế và đời sống hàng ngày

Năm 1976: Ra đời máy công cụ CNC được điều khiển bằng Microcomputer,

từ đó bắt đầu một thời kỳ ra đời ý tưởng Robot thông minh và thích nghi

Từ năm 1980 – 1990: Đây là giai đoạn phát triển như vũ bão của Khoa học –

Kỹ thuật – Công nghệ - Quy mô sản xuất và nghiên cứu khoa học, đặc biệt về máy

tính và tin học nhờ đó mà robot ngày càng chính xác, mạnh, linh hoạt, thích nghi và điều khiển thân thiện hơn Nhiều hiệp hội nghiên cứu về robot trên thế giới được hình thành và phát triển như hiệp hội RIA(Hoa Kỳ), BRA(Anh), AFRI (Pháp), SIRI (Italia), JIRA (Nhật Bản), SWIRA (Thụy Điển)

Thế kỷ 21 là thế kỷ của robot với sự phát triển theo các thế hệ sau:

+ Robot điều khiển theo chương trình đường dẫn: điều khiển theo thao tác, điều khiển dẫn dạy

+ Robot có lập trình điều khiển thích nghi, thông minh

+ Robot có trí khôn nhân tạo

Hiện nay, trên thế giới có khoảng trên 500 công ty và hàng nghìn mẫu robot; robot ngày càng hiện đại, đa dạng về chủng loại và lĩnh vực ứng dụng rất phong phú

1.2 Định nghĩa và phân loại Robot công nghiệp

1.2.1 Định nghĩa về Robot công nghiệp

Có nhiều cách định nghĩa về Robot công nghiệp, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau[1] [2] [3]:

Theo tiêu chuẩn ISO 8373: Robot công nghiệp là một tay máy đa mục đích

có thể điều khiển tự động, lập trình lại được, có nhiều hơn hoặc bằng 3 trục (“ An

industrial robot is defined by ISO as an automatically controlled, reprogrammable, multipurpose manipulator programmable in three or more axes”- ISO)

Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển

động tự động có thể lập trình, lặp đi lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ: Có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng, chi tiết, dao cụ…theo những hành trình thay đổi đã được lập trình trước để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

Theo định nghĩa của RIA (Robot institute of America): Robot là một tay

máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dung thông qua các chương trình chuyển động

có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

Theo định nghĩa của ΓOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp là một máy

tự động được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

1.2.2 Phân loại Robot công nghiệp

Có nhiều tiêu chí để phân loại robot công nghiệp, với mỗi một tiêu chí ta sẽ có các loại robot tương tự, với cùng một robot nhưng với các tiêu chí khác nhau sẽ có tên gọi khác nhau, sau đây là một số tiêu chí phân loại robot công nghiệp điển hình

1.2.2.1 Phân loại theo hình dạng hình học của không gian hoạt động

Dựa vào kết cấu của tay máy người ta phân robot công nghiệp ra thành các loại [2] [3]:

a Robot tọa độ Đề các

Hình 1.2 Tay máy robot tọa độ Đề Các

Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp tịnh tiến, không gian làm việc trong thể tích của một hình hộp chữ nhật Kích thước của hình hộp chữ nhật này phụ thuộc vào lượng dịch chuyển của các khâu trên tay máy Robot có tọa

độ đề các thường được sử dụng để làm việc với các đối tượng thuộc các mặt phẳng vuông góc trong không gian

b Robot tọa độ trụ

Hình 1.3 Tay máy robot tọa độ trụ

Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp: 1 khớp quay và 2 khớp tịnh tiến (RTT) Không gian làm việc trong thể tích một hình trụ Chiều cao của hình trụ phụ thuộc lượng tịnh tiến của khớp thứ 2, độ rộng của hình trụ phụ thuộc lượng tịnh tiến của khớp thứ 3

c Robot tọa độ cầu

Hình 1.4 Tay máy robot tọa độ cầu

Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp: 3 khớp quay RRR) hoặc 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến (RRT) Không gian làm việc trong thể tích một hình cầu Bán kính hình cầu phụ thuộc vào góc quay, lượng tịnh tiến và kích thước của hai khâu cuối

Robot thường được sử dụng khi làm việc với các chi tiết, bề mặt trong không gian Tùy vào trang bị của tay máy mà robot có thể dùng để sơn, hàn, lăp ráp…

d Robot dạng phỏng sinh

Hình 1.5 Tay máy robot dạng phỏng sinh

Cánh tay robot dạng phỏng sinh 6 bậc tự do RRRRRR đang được sử dụng rất nhiều trong thực tế Với cánh tay robot dạng này cho phép điều khiển được cả vị trí

và hướng của khâu tác động cuối

Với cấu trúc của mình, tùy vào trang bị của tay máy, robot 6 bậc tự do RRRRRR có thể sử dụng làm robot hàn, robot sơn, robot lắp ráp hay robot phục vụ cho máy CNC trong các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS, hệ thống sản xuất tích hợp CIM

e Robot dạng Scara

Hình 1.6 Tay máy robot dạng SCARA

Robot công nghiệp SCARA là cụm từ viết tắt của Selective Compliance Assemply Robot Arm hay Selective articulates Robot Arm Tức là cánh tay robot lắp ráp chọn lọc Robot được ra đời năm 1981 tại đại học Yamanashi Nhật Bản Cánh tay robot gồm 3 bậc tự do RRT, sau này phát triển thêm các biến thể

RRTR hoặc TRRT Robot có kết cấu đơn giản, tốc độ làm việc cao, làm việc tin cậy được sử dụng phổ biến để lắp ráp, phân loại sản phẩm trên các băng tải, dây chuyền

tự động

1.2.2.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển

Theo phương pháp điều khiển robot công nghiệp được phân ra làm 2 loại: điều khiển theo mạch hở và điều khiển theo vòng kín [2] [3]

a Điều khiển theo mạch hở

Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở

Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môi trường làm việc của tay máy robot công nghiệp Phương pháp điều khiển này tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong những trường hợp không đòi hỏi cao về

độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hàng hóa… Động cơ được sử dụng trên tay máy robot thường là động cơ bước, động cơ điện thông thường không phản hồi

b Điều khiển theo vòng kín

Hình 1.8 Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín

Khác với phương pháp điều khiển theo mạch hở, ở phương pháp điều khiển theo vòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường

mà tay máy tương tác Do đó điều khiển tay máy robot công nghiệp sẽ chính xác hơn So với phương pháp điều khiển theo mạch hở, phương pháp điều khiển này phức tạp hơn do phải trang bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái của tay máy như: vị trí, vận tốc, gia tốc, mômen…và các thông số môi trường làm việc Với ưu điểm là có độ chính xác cao, tin cậy trong quá trình làm việc nên phương pháp điều khiển theo vòng kín ngày càng được sử dụng nhiều trên các tay máy robot công nghiệp

1.2.2.3 Phân loại theo ứng dụng

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Nhưng ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn…[2] [3]

a Robot trong ngành luyện kim

Hình 1.9 Robot trong ngành luyện kim

Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn luyện kim loại ở nhiệt độ cao Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ

b Robot hàn

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi trường khắc nhiệt do khói hàn và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn Không giống

kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại Những hệ thống hàn đường thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn, và sau đó robot di chuyển dọc theo quỹ đạo được lập trình trước Ưu điểm duy nhất so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định Có thể thực hiện tăng năng suất bằng cách trang bị hàn định vị quay nhờ đó người vận hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong khi thực hiện việc hàn chi tiết khác Tuy nhiên, luôn có vẫn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong không đồng dạng Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt là đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng Hơn nữa, đường hàn có thể không xử lý được với mỏ hàn vì nó bị che khuất bởi chi tiết khác Thợ hàn tay phải xử lý khó khăn nhiều loại mối nối và vị trí các chi tiết khác nhau Gần đây các nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục đích giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất lượng mối hàn lại tăng Cảm biến trang bị trên các robot hàn phải có khả năng xác định vị trí đúng của đường hàn Như vậy, để mối hàn được chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và kích thước thì robot phải giữ theo đúng hướng của đường hàn với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi Xác định đường hàn cho các vật thể ba chiều thì phức tạp hơn cho các tấm phẳng vì thường cần phải mô hình hóa hình học để định ra đường di chuyển của robot Thông thường

để đào tạo một thợ hàn bậc cao phải mất nhiều năm, nhưng việc đưa robot vào sản xuất nhà máy tạo khả năng có thể thu nhận công nhân cả trẻ lẫn lớn tuổi, có kinh nghiệm nghề nghiệp rất khác nhau Hàn đường, một lĩnh vực tiềm năng cho việc ứng dụng robot, được xếp vào lĩnh vực kỹ thuật cao

Hình 1.10 Robot hàn

c Robot sơn

Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khỏe 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 Tất cả robot 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

Hình 1.11 Robot sơn

d Robot trong lắp ráp

Robot được sử dụng chủ yếu vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động…Trong ngành chế tạo

máy và dụng cụ đo, chi phí lắp ráp thường chiếm đến 40% giá thành sản phẩm, trong khi đó mức độ cơ khí hóa trong lắp ráp không quá 10 – 15% đối với sản phẩm hàng loạt và 40% đối với sản xuất hàng loạt lớn Bởi vậy việc chế tạo và sử dụng robot lắp ráp có ý nghĩa rất quan trọng và được thực hiện từ khá sớm

Hình 1.12 Robot lắp ráp

e Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất

Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hóa hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử Các robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn sản xuất khác kể

cả việc đưa và sắp xếp các sản phẩm vào kho

f Ứng dụng robot trong tương lai

Robot ngày càng thay thế nhiều lao động bởi những ưu điểm vượt trội về năng suất, mức độ ổn định, độ chính xác giá thành sản phẩm, khả năng làm việc đáp ứng được những yêu cầu cao trong sản xuất Trong tương lai, kỹ thuật robot sẽ tận dụng hơn nữa các thành tựu khoa học liên ngành, phát triển cả về phần cứng, phần mềm

và ngày càng chiếm lĩnh nhiều lĩnh vực trong công nghiệp

1.3 Tình hình ứng dụng và phát triển robot công nghiệp trên thế giới và trong nước

a) Tình hình ứng dụng và phát triển robot công nghiệp trên thế giới:

Tổng quan về tình hình ứng dụng robot công nghiệp trên thế giới có thể được

biểu hiện rõ nét qua các cuộc điều tra khảo sát của các tổ chức quốc tế có uy tín như Hiệp hội Robotics quốc tế (IFR- International Federation of Robotics) phối hợp với

ủy ban kinh tế châu Âu của Liên hợp quốc (UNECE- United Nations Economic Commission for Europe) Theo thống kê đến năm 2011 thế giới có khoảng 180.000 robot công nghiệp được sử dụng Sản lượng robot công nghiệp như trong hình 1.15

có xu hướng năm sau cao hơn nămtrước Ước tính năm 1994 có khoảng hơn 40.000 robot công nghiệp được sử dụng trên toàn thế giới thì đến năm 2011 con số này đã tăng lên hơn 6 lần là 180.000 robot [3]

Hình 1.13 Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới

Hình 1.14 Biểu đồ thị trường robot công nghiệp Châu Á/Úc, Chấu Âu và Châu Mỹ

Nhìn vào biểu đồ thị trường robot công nghiệp ta thấy Trong năm 2010, gần 70.000 robot đã được cung cấp cho các nước Châu á (bao gồm cả Australia và New Zealand) tăng 127% so với năm 2009 và chủ yếu đầu tư cho công nghiệp ô tô và

công nghệ lắp ráp hàng điện tử Ở các nước Châu âu, năm 2010 gần 30.000 robot đã được sử dụng tăng 45% so với năm 2009 Còn các nước Châu mỹ, năm 2010 số lượng robot được sử dụng là gần 20.000 tăng 87% so với năm 2009

Ở Nhật Bản năm 2007 số lượng robot được sử dụng là hơn 35.000 nhưng đến năm 2010 số lượng đã giảm còn hơn 20.000 Trong khi đó ở Hàn Quốc năm 2007

số lượng robot sử dụng là gần 10.000 nhưng đến năm 2010 số lượng đã là gần 25.000, dẫn đầu thế giới trong việc sử dụng robot

Hình 1.15 Biểu đồ sử dụng robot tại các nước

Việc sử dụng robot trong các ngành nghề cũng rất đa dạng, dựa vào biểu đồ robot phục vụ trong các ngành công nghiệp ta thấy lĩnh vực điện, điện tử ứng dụng robot nhiều nhất với hơn 25.000 chiếc trong năm 2010 Lĩnh vực ô tô cũng sử dụng gần 20.000 chiếc trong năm 2010 Bên cạnh đó việc sử dụng robot trong các ngành cao su- nhựa, kim loại máy móc, thực phẩm, dược, thủy tinh- gốm sứ cũng ngày càng cao hơn

Hình 1.16 Biểu đồ robot phục vụ trong các ngành công nghiệp

b) Tình hình ứng dụng và phát triển robot công nghiệp ở Việt Nam

Tại Việt Nam, việc phát triển robot công nghiệp chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu và thử nghiệm, việc ứng dụng vào sản xuất là chưa có mà hoàn toàn nhập khẩu

từ các nước đang phát triển

Có rất nhiều công trình khoa học cấp nhà nước nghiên cứu về robot như đề tài KC.03.02 thuộc chương trình khoa học công nghệ tự động hóa của Nhà nước, có tên gọi „‟ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn‟‟ Đề tài này có sản phẩm là 5 loại robot công nghiệp Đó là robot hàn cắt các tấm kim loại và được thử nghiệm tại nhà máy đóng tàu Hà Nội Robot vạn năng cấp phôi cho nhà máy tôi cao tần ở công ty cơ khí Sài Gòn, tay máy lấy sản phẩm phôi PET trên máy ép nhựa tại công ty CP nhựa Đô Thành, Tp Hồ Chí Minh, tay máy phục vụ việc vận chuyển đạn súng cối 81mm trong dây chuyền nạp thuốc đạn, Robot camera phục vụ trường quay phim truyền hình [3]

1.4 Kết luận

Chương này đã nghiên cứu tổng quan về Robot công nghiệp, lịch sử phát triển, phân loại và ứng dụng của nó từ trước cho đến nay Để nghiên cứu sâu hơn và về Robot công nghiệp, chương tiếp theo sẽ trình bày về động học và động lực học

Robot ba bậc tự do

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Độ dài khâu 1: l1 = 240 mm; khâu 2: l2 = 230 mm; khâu 3: l3= 245 mm

b) Mô hình được thiết kế như hình 2.2, hình 2.3, hình 2.4, hình 2.5 trên solidworks

Hình 2.2 Cấu tạo Robot được thiết kế trên Solidworks

Khối lượng toàn bộ canh tay: 11,1 kg (tính theo solidworks)

Khối lượng khâu thứ 3: 216,05 g (tính toán theo solidworks)

2.2 Động học Robot

2.2.1 Bài toán động học thuận

Dựa vào thông số động học như trong bảng 2.1 ta đặt hệ tọa độ theo D-H

Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg

Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H [4]:

Trục zi trùng hướng với hướng của trục zi+1

Trục xi cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục zi-1 và trục zi Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x đã xác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z,x theo quy tắc bàn tay phải

Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần giống nhất với hệ tọa độ gần nó Hệ tọa độ gốc chọn trục x bất kì

- Quay một góc θ1 quanh trục zi-1 để xi-1 cùng phương với xi

- Tịnh tiến một đoạm aitheo trục xi-1 để xi-1 trùng với xi

- Quay một góc αi quanh trục xi-1(≡xi) để zi-1≡zi

(d) (θ) (a) (α)

Ma trận biến đổi thuần nhất theo quy tắc D – H [4]:

= (d) (θ) (a) (α)

[

]

[

]

[

]

[

]

[

Bước 4: Nhân các ma trận biến đổi thuần nhất này với nhau theo đúng thứ tự

ta sẽ được phương trình động học Robot công nghiệp

=

Khi các trục khớp cắt nhau ta nên di chuyển các trục tọa độ có gốc trùng nhau

Áp dụng đối với robot RRR, từ sơ đồ động như hình 2.1 ta có:

Bảng D-H:

Bảng 2.2 Bảng thông số D-H cho Robot 3 bậc tự do

Ma trận tổng quát: [

]

[

]

[

Hình 2.7 Biểu diễn góc quay q 1

Ta có giá trị của ở các góc phần tư:

I: ( ≥ 0, ≥ 0) => = arctan ; II: ( ≤ 0, ≥ 0) => = arctan + 0

90

III: ( ≤ 0, 0) => =- arctan - 0

90 ; IV ( ≥ 0, ≤ 0) => = - arctan

Hình 2.8 Sơ đồ hình học của tay máy

Từ hình 2.8 ta thấy rằng, hệ quay quanh trục một góc θ1, các góc quay khác

θ2, θ3 có thể tách rời nhau Do đó việc tìm lời giải bài toán có thể thực hiện trong mặt phẳng Oz0x1 là bài toán động học cơ cấu hai khâu phẳng ta có: = √

Từ hình vẽ ta có: Cosβ =

Với β+ =180 => =180 -β Giới hạn góc như sau: -1200 ≤ ≤ 00

→ 600 ≤ β 1800

β luôn dương vì ta giới hạn chuyển động cho khâu 2 và 3

b) Mục đích nghiên cứu bài toán động học tay máy:

- Tính toán thiết kế kết cấu tay máy

- Mô phỏng chuyển động của tay máy

- Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp

c) Phân loại bài toán động lực học tay máy:

Bài toán động lực học thuận: Cho trước lực và momen tác dụng ở mỗi khớp tay máy, tìm chuyển động của tay máy

Bài toán động lực học ngược: Cho trước chuyển động của tay máy, tính toán lực và momen tác dụng vào các khớp của tay máy

d) Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy [4]:

Phương pháp sử dụng định lý động năng

Phương pháp sử dụng phương trình Lagarange II

Phương pháp newton-euler

Ta Sử dụng phương pháp Lagarange II đối với robot tọa độ cầu RRR: Giả sử khối lượng vật cần gắp 200g, quỹ đạo chuyển động Robot là hàm bậc 3

Phương trình Lagarange II có dạng như sau:

( ̇ ) Mđc Trong đó K là động năng của hệ, gồm:

K = + (chuyển động song phẳng)

K=K1 (chuyển động quay) K1= ̇

K=K2 (chuyển động tịnh tiến) K2=

trong đó ̇ ̇

P là thế năng của hệ P = m.g.h; Mđc là momen động cơ

Dựa vào sơ đồ động học như trong hình 2.1 ta Tính động năng:

 Khâu 1: Vì khâu 1 chỉ chuyển động quay nên ta có:

K1=

̇ Trong đó J1 là momen quán tính của khâu 1

Với khâu 1 được coi là đĩa đồng chất, bán kính r=40mm=0,04m, khối

lượng suy ra = 0,00133 kg

Vậy: K1= 0,00066 ̇

 Khâu 2: Vì khâu chuyển động quay và tịnh tiến nên ta có

K2=K21+K22Trong đó K21 là động năng tịnh tiến có công thức K21=

̇ ̇ ̇

Trong đó là tọa độ khối tâm của vật so với gốc

Dựa vào công thức quan hệ giữa các hệ tọa độ trên tay máy công nghiệp

]

[

[

̇ [ ]

̇ [ ] ̇ ̇ ̇ [ ]

̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇

Động năng của tay máy: K= K1+K2+K3

P3=

P= )+

0

+ * +- ̇ , ̇ ̇ ̇ ̇ - [ ̈ ̈ ( ̇ ̇ ) ] ̈ ̈

̇ ]]+ -{ ̇ ̇ ]

̇ ] ̇ ̇ ] ̇ ̇ ̇ ̇

̇ [ ̇ ̇ ̇ ]]

̈ ]

̇ ̇ * + * ̇ ̇ ̇ ̇ ̇

Để có thể mô phỏng robot trên Matlab ta cần áp dụng từ bài toán động học thuận

và ngược của cánh tay robot như trong hình 2.1 Sử dụng bảng DH để thành lập các ma trận truyền, ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu cuối so với khâu cố định đầu tiên [5]

Thiết kế giao diện của bài toán động học thuận và ngược được viết trong chương 4 phần 3.1.2 và 3.1.3, dưới đây là giao diện đã thiết kế

a) Bài toán động học thuận

Hình 2.10 Giao diện động học thuận

Nhập các góc của các khâu robot trong bảng điều khiển, nhấn “thực hiện” ta được các ma trận truyền

b) Bài toán động học ngược

Hình 2.11 Giao diện động học ngược

Nhập tọa độ của vị công tác và nhấn “thực hiện” ta được các góc tại các khâu

2.5 Mô phỏng hoạt động Robot:

- Mô phỏng chuyển động của robot(file đính kèm trong CD):

2.6 Kết luận:

Chương này nghiên cứu lý thuyết tính toán động học, động lực học trên Robot công nghiệp Trên cơ sở các thông số của phương trình động học và động lực học được mô phỏng, tính toán trên Matlab, từ đó tiến hành viết chương trình điều khiển Robot Để tiến hành chế tạo Robot 3 bậc tự do, chương tiếp theo sẽ tính toán, chế tạo hệ thống cơ khí và điều khiển Robot