Đồ án Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng Robot công nghiệp

Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thể thực hiện được các chuyểnđộng như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiểnbằng chương trình được nạp sẵn trong ch

LỜI NÓI ĐẦU

Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chấtlượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự độnghóa sản xuất Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tínhlinh hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ…Vì thế ngày càng tăngnhanh nhu cầu ứng dụng người máy, các cánh tay máy tự động (Robot) để tạo

ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt

Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng sản xuất cũng như trongđời sống Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để dichuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền độngđược lập trình trước Khoa học robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số

ma trận

Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thể thực hiện được các chuyểnđộng như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiểnbằng chương trình được nạp sẵn trong chip trên bo mạch điều khiển robot.Chính vì vậy em chọn đề tài : “Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng robot côngnghiệp 3 bậc tự do”

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trongkhoa Công nghệ TĐH, cùng các bạn trong lớp KTĐ – ĐT K16D, đặc biệt làthầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Vôn Dim giảng viên trường Đại học Công nghệthông tin và Truyền thông, người đã trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức

L I NÓI Đ U ỜI NÓI ĐẦU ẦU

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 3

1.3.1 Kết cấu của tay máy 4

1.3.2 Bậc tự do của robot 5

1.3.3 Vùng làm việc của robot 6

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 nghiệp7 1.5.1 Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam 7

1.5.2 Ứng dụng của robot công nghiệp 8

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC CHO ROBOT 3 BẬC TỰ DO 10

2.1 Sơ đồ động học của robot 10

2.2 Thiết lập hệ tọa độ khảo sát và lập bảng D-H 11

2.3 Hệ phương trình động học Robot 13

2.4 Phương trình động học thuận Robot 14

2.5 Phương trình động học ngược Robot 17

3.1 Giới thiệu các phần mềm mô phỏng 19

3.1.1 Thiết kế cơ cấu robot trên SolidWorks 19

3.1.2 Thiết kế mô hình robot trên MATLAB/ Simulink 19

3.2 Điều khiển chuyển động robot 21

3.2.1 Điều khiển góc quay khớp với bộ điều khiển phản hồi PD 21

3.2.2 Điều khiển robot theo quỹ đạo thẳng 24

3.2.3 Điều khiển robot theo quỹ đạo tròn 27

3.2.4 Kết hợp điều khiển robot theo quỹ đạo tròn và bộ điều khiển phản hồi PD 28

KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

PHỤ LỤC……… … ………33

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Sự ra đời của robot công nghiệp

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏiứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo ranhững dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành.Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng mộtviệc nhất định trong lúc thị trường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng vềchủng loại, về kích cỡ và về tính năng v.v… Vì thế ngày càng tăng nhanh nhucầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất linh hoạt Thuật ngữ

“robot” lần đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1921 trong tác phẩm

“Rossum’s Universal Robot” của nhà viễn tưởng người Sec Karel Capek.Trong vở kịch này, ông dùng từ “robot”, biến thể của từ gốc Slavơ “Robota”,

để gọi một thiết bị do con người tạo ta Vào những năm 40 nhà văn viễntưởng người Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mangdiện mạo của con người Asimov cũng đặt tên cho ngành nghiên cứu về robot

là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:

- Robot không gây tổn hại cho con người

- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra Các quytắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất

- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm 2nguyên tắc trước Và cũng trong những năm này, ước mơ viễn tưởng củaKerel Capek đã bắt đầu thành hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2,

ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong cácphòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ

Vào những năm 1950 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiệncác loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minotaur I hoặc

tay máy Handyman của General Electric Năm 1954 George C Devol đã thiết

kế một thiết bị có tên là “cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chươngtrình” Đến năm 1956 Devol cùng với một kĩ sư trẻ của công nghiệp hàngkhông Joseph F.Engelber, đã tạo ra loại robot đầu tiên năm 1959 ở công tyUnimation Chỉ đến năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từcác sản phẩm robot đầu tiên này Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứngdụng đầu tiên năm 1961 ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton,New Jersey Hoa Kỳ

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp từ công ty AMF củaHoa Kỳ (American Machine and Foundry Company) Đến năm 1990 có hơn

40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi

và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot

1.2 Các định nghĩa về robot công nghiệp

Các nhà khoa học đã đưa ra rất nhiều định nghĩa về robot:

- Theo viện kỹ thuật robot của Hoa Kỳ: “Robot là loại tay máy nhiều chứcnăng, với chương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực hiện một số thaotác sản xuất.”

- Theo ISO (International Standards Organization): “Robot công nghiệp làmột tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do dễ dàng lập trình, điều khiển,dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác Do chương trình thaotác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng.”

- Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): “ Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyểnđộng tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chươngtrình đặt ra trên các trục tọa độ; có khả năng định vị, định hướng, di chuyểncác đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo những hành trình thayđổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.”

- Theo RIA (Robot institute of America): “Robot là một tay máy vạn năng cóthể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng

cụ hoặc cácthiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động cóthể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.”

- Theo ΓOCT 25686-85 (Nga): “Robot công nghiệp là một tay máy tự động,OCT 25686-85 (Nga): “Robot công nghiệp là một tay máy tự động,được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệthống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành cácchức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.”

- Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: “ Robot là một thiết bị có nhiều trục, thựchiện các chuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển độngcủa chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay tuyến tính của động trình.Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, cókhả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc cácphương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp vàgián tiếp.”

- Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: “Robot là máy tự động liên kết giữa một taymáy và một cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình côngnghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế chức năng tương tựcủa con người.” Bản chất của các định nghĩa khác nhau trên đây giúp ta thấyđược một ý nghĩa quan trọng là: Riêng một mình robot thì không thể hoànthành tốt được công việc Nó phải được liên hệ chặt chẽ với máy móc, công

cụ và các thiết bị công nghệ tự động khác trong một hệ thống tự động tổnghợp Do đó trong quá trình phân tích và thiết kế, không thể quan niệm robotnhư một đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại đó phải là những thiết kế tổng thể của

“hệ thống tự động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và đơn giảnkhi nhiệm vụ sản xuất thay đổi

1.3 Tay máy robot

1.3.1 Kết cấu của tay máy

Tay máy là phần cơ sở nó quyết định đến khả năng làm việc của robot Đó làthiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian đểthực hiện các nhiệm vụ như nâng hạ, vận chuyển, lắp ráp Tay máy robotthông thường là cơ cấu hở gồm một chuỗi các khâu liên kết với nhau bằng cáckhớp, khâu đầu tiên được nối với giá cố định Khớp tạo sự linh hoạt giữa cáckhâu với nhau nói riêng và toàn bộ toàn bộ tay máy robot công nghiệp nóichung Thông qua khớp nối, các khâu trong cơ cấu tay máy được chuyểnđộng tương đối với nhau Tùy theo yêu cầu về kết cấu của robot mà ta lựachọn loại khớp liên kết giữa các khâu khác nhau Trong robot công nghiệphiện nay, người ta thường dùng chủ yếu hai loại khớp là khớp quay và khớptrượt

Khớp quay: (thường được kí hiệu là R) loại khớp này cho phép chuyển độngquay của khâu này và khâu khác quanh một trục quay Loại khớp này hạn chếnăm khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp do đó có một bậc tự do

Hình 1.1 Khớp quay

Khớp trượt: (thường được kí hiệu là T) loại khớp này cho phép hai khâu trượttương đối với nhau theo phương của một trục nào đó và hạn chế năm khảnăng chuyển động do đó khớp có một bậc tự do

Hình 1 2 Khớp trượt

Ngoài ra trong một số trường hợp người ta còn dùng khớp cầu để tăng tínhlinh hoạt cho robot Với loại khớp này cho phép các khâu thực hiện cácchuyển động quay theo tất cả các hướng qua tâm khớp, và hạn chế chuyểnđộng tịnh tiến giữa các khâu Do đó khớp cầu có số bậc tự do là ba

Trong quá trình thiết kế tay máy robot, người ta quan tâm đến các thông sốảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của robot như:

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

- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác

w = 6n − ∑ ipi

i =1

1.3.3 Vùng làm việc của robot

Vùng làm việc của robot hay không gian làm việc của robot là toàn bộ thểtích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyểnđộng có thể

Vùng làm việc bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như cácràng buộc cơ học của các khớp Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô

tả vùng làm việc của một robot

Hình 1.3 Biểu diễn vùng làm việc của robot

1.4 Ưu điểm của robot công nghiệp

- Làm việc không biết mệt mỏi, ít xảy ra nhầm lẫn trong quá trình làm việc

- Làm việc được trong môi trường nguy hiểm, khắc nghiệt như: môi trường cónhiều phóng xạ, môi trường có khí độc, dưới đáy đại dương, ngoài vũ trụ,…

- Thay đổi các thao tác bằng cách thay đổi chương trình điều khiển

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

1.5.1 Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam

Trong giai đoạn trước năm 1990 hầu như trong nước hoàn toàn chưa du nhập

về kỹ thuật robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnhvực này Nhưng với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận kỹ thuật mới mẻ, trong nước

đã triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58.01.03trong giai đoạn 81-85 và đề tài 52B.03.01 trong giai đoạn 86-89 Kết quảnghiên cứu của các đề tài này không những đáp ứng được yêu cầu tiếp cận màcòn có những ứng dụng ban đầu trong kỹ thuật bảo hộ lao động và phục vụcông tác đào tạo cán bộ kỹ thuật ở nước ta Giai đoạn tiếp theo từ năm 1990các ngành công nghiệp trong nước bắt đầu được đổi mới Nhiều cơ sở đã nhậpngoại nhiều dây chuyền thiết bị mới Đặc biệt là ở một số cơ sở liên doanh vớinước ngoài đã nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ các công việc

1.5.2 Ứng dụng của robot công nghiệp

Robot được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, dưới góc độ thay thế sức người.Mục đích sử dụng trong các dây chuyển sản xuất nhằm nâng cao năng suất,chất lượng và hiểu quả sản xuất từ đó giảm giá thành sản phẩm, nâng cao khảnăng cạnh tranh

- Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng trong nhiều trong công nghệ đúc,hàn, cắt kim loại, vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm,…

- Robot được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất từ động nhằm tạo ra linhhoạt và tự động cao nhất cho dây chuyền, các robot này được điểu khiển bằngmột hệ thông các phương trình được lâp trình sẵn

- Robot còn được sử dụng trong lĩnh vực y học, quốc phòng, vũ trụ, …

Hình 1.4 Robot hàn trong công nghiệp

Hình 1 5 Robot phục vụ máy phay CNC

Robot có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống xãhội của con người Tuy nhiên, để chế tạo và đưa vào sử dụng một robot hoànchỉnh phải qua rất nhều quan trọng, từ thiết kế tính toán các thông số tới chếtạo Một trong nhưng công viêc đó là nghiên cứu, tính toán giải bài toán độnghọc của robot

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ

NGƯỢC CHO ROBOT 3 BẬC TỰ DO 2.1 Sơ đồ động học của robot

Sơ đồ động học của Robot RRR được cho trong hình 2.1 Trong cáctính toán và mô phỏng số sau này, ta sẽ lấy a1=5, a2=3, a3=2

Hình 2.1 Sơ đồ động học robot và hệ tọa độ theo qui tắc D – H.

λ: số bậc tự do của không gian trong đó tay máy thực hiện chuyển động.

n: số khâu động của tay máy.

k : số khớp của tay máy

fi : số bậc tự do chuyển động cho phép của khớp i

fc : số ràng buộc trùng

f p : số bậc tự do thừa

Với bài toán này, ta có: ƒ = 6(3-3) +(1+1+1)+0-0 = 3

Vậy Robot này có 3 bậc tự do

2.2 Thiết lập hệ tọa độ khảo sát và lập bảng D-H

- Qui ước hệ tọa độ theo Denavit-Hartenberg:

+ Trục zi được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1) Hướng của phép quay

và phép tịnh tiến được chọn tùy ý

+ Trục xi được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp thứ

i và (i+1), hướng từ khớp động thứ i tới trục (i+1)

+ Trục yi – xác định theo qui tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận)

Hình 2.2 Qui ước hệ tọa độ theo Denavit – Hartenberg

- Vị trí tương đối giữa hai hệ tọa độ liên tiếp j và (j-1) được mô tả bởi 4 tham

số động học là di, θi, ai, αi với:i, ai, αi với:i với:

+ di: dịch chuyển tịnh tiến giữa hai đường vuông góc chung của hai trục.+ θi, ai, αi với:i: góc giữa hai đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi theo qui tắc bàn tay phải

+ ai: khoảng dịch chuyển giữa hai trục khớp động kề nhau

+ αi với:i: góc lệch giữa trục của hai khớp động liền kề, là góc quay quanh trục xi sao cho trục zi-1 chuyển đến trục zi theo qui tắc bàn tay phải

-Từ qui ước trên, áp dụng cho đối tượng Robot RRR trong báo cáo, chọn được hệ tọa độ như trong hình 2.1 Từ đó, lập được bảng D – H cho robot nhưsau:

Các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D–H có dạng (với qui ước viết tắt: c=cos, s=sin, q23=q2+q3

Ma trận i-1 Ai cho phép biểu diễn quan hệ về tọa độ của một điểm trong hai hệ

tọa độ i và i-1 Ví dụ vị trí của một điểm P bất kì trong hệ tọa độ i là:

thì tọa độ của P trong hệ tọa độ thứ i-1 được xác định theo biểu thức:

Với Robot RRR, ta có các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H lần lượtnhư sau:

2.3 Hệ phương trình động học Robot

Lập ma trận trạng thái khâu thao tác (End-effector, viết tắt EF) theo cấu trúc động học

+ Với Robot RRR, ta có các biến khớp:

Ma trận mô tả hướng và vị trí của EF đối với hệ tọa độ cố định OX0Y0Z0

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác

+ Ta đưa ra vector tọa độ định vị khâu thao tác (sử dụng các góc Cardan xác định hướng vật rắn):

Trạng thái EF được biểu diễn qua các tọa độ suy rộng hoặc trực tiếp qua thời gian, tùy bài toán cụ thể :

thì hệ phương trình động học Robot ở trên có thể viết gọn lại thành:

2.4 Phương trình động học thuận Robot

- Phương trình động học thuận: Trong phương trình động học thuận, các biến

khớp xem như đã biết, yêu cầu phải tìm vị trí của khâu tác động cuối đối với

hệ tọa độ cố định

- Xây dựng quĩ đạo chuyển động của biến khớp

Giả sử ta có qui luật chuyển động của các biến khớp:

Phương trình động học Robot:

+ Vị trí của điểm tác động cuối:

+ Sử dụng ma trận định hướng của EF là ma trận Cardan, ta có:

+ So sánh trực tiếp các phần tử của hai ma trận quay ta được :

+ Mô phỏng và vẽ quỹ đạo bằng MATLAB và Robotics Toolbox:

Hình 2.3 Quỹ đạo EF biểu diễn với Matlab và Robotics Toolbox

2.5 Phương trình động học ngược Robot

- Phương trình động học ngược: vị trí các khâu thao tác xem như đã biết, yêu

cầu tìm giá trị các biến khớp ứng với vị trí cho trước đó

- Để giải phương trình này, ta sử dụng phương trình động học robot:

Giải phương trình này tìm được các biến khớp tương ứng với quĩ đạo chuyển động được chọn

- Xây dựng một quỹ đạo chuyển động của Robot:

Giải phương trình ngược với MATLAB, ta được 2 quỹ đạo nghiệm ứng với 2

trường hợp Elbow-up và Elbow-down của hai khớp q2 và q3

Hình 2.4 Quĩ đạo biến khớp trong trường hợp Elbow-up

Hình 2.5 Quỹ đạo biến khớp trong trường hợp Elbow-down

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

3.1 Giới thiệu các phần mềm mô phỏng

3.1.1 Thiết kế cơ cấu robot trên SolidWorks

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, mộtcông ty con của Dassault Systèmes, SA ( Vélizy, Pháp) SolidWorks hiệnđang được sử dụng hơn 1,3 triệu kỹ sư và nhà thiết kế ở hơn 130.000 công tytrên toàn thế giới

Robot được vẽ từng thanh và được ghép lại nhau trên phần mềm SolidWorks2007

Hình 3.1 Cơ cấu robot

3.1.2 Thiết kế mô hình robot trên MATLAB/ Simulink

MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởicông ty MathWorks MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị