Thiết kế cánh tay robot (trục x và trục y)

Đối với khối các doanh nghiệp thiết kế và chế tạo robot ở Việt Nam, nhiều sản phẩm robot cũng đã gây được ấn tượng trên thị trường trong nước và quốc tế, ví dụ robot có chức năng gắp các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT (TRỤC X VÀ TRỤC Y)

Tp Hồ Chí Minh, 2019

SKC 0 0 6 9 8 0

MÃ SỐ:SV2019-131

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT 6

MỞ ĐẦU 7

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 7

1.1 Trong nước 7

1.2 Ngoài nước 9

2 Lý do chọn đề tài 10

3 Mục tiêu đề tài 11

4 Phương pháp nghiên cứu 11

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

CHƯƠNG 1 KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 12

1 Lịch sử phát triển robot công ngiệp 12

2 Định nghĩa và phân loại Robot 12

2.1 Định nghĩa Robot 12

2.2 Phân loại 14

3 Ứng dụng Robot công nghiệp 16

3.1 Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp 16

3.2 Các lĩnh vực ứng dụng Robot công nghiệp 17

4 Hệ thống Robot 17

5 Bài bài toán cơ bản về Robot 18

5.1 Động học 18

5.2 Tĩnh học 19

5.3 Động lực học 19

6 Cấu trúc động học cơ cấu 19

6.1 Khâu và khớp 20

6.2 Chuỗi động của cơ cấu Robot 21

6.3 Bậc tự do của cơ cấu Robot 22

CHƯƠNG 2 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT .23

1 Động học thuận của Robot 23

1.1 Các toạ độ thuần nhất 23

1.1.1 Định nghĩa toạ độ thuần nhất 23

1.1.2 Phép quay thuần nhất tổng hợp 25

1.2 Bài toán động học thuận 25

2 Động học ngược 26

2.1 Bài toán 26

2.2 Phương pháp giải 27

3 Động lực học 28

3.1 Động năng tay máy 28

3.2 Thế năng của tay máy 29

3.3 Phương trình vi phân chuyển động của tay máy 29

CHƯƠNG 3 TÍNH ĐỘNG HỌC THUẬN, ĐỘNG HỌC NGƯỢC SCARA 36

1 Giới thiệu về Robot SCARA 36

1.1 Một số thông số cơ bản 36

1.2 Kết cấu cơ khí 36

1.3.Hệ thống điều khiển 36

2 Tính toán động học thuận Robot SCARA 37

2.1 Đặt bài toán 37

2.2 Sơ đồ động học 37

2.3 Xác định vị trí và hướng của bàn kẹp 40

3 Động học ngược Robot SCARA 41

3.1 Đặt bài toán 41

3.2 Giải bài toán động học ngược 41

4 Tính lực tác dụng vào khâu 1 và khâu 2 42

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 47

1 Động cơ điện một chiều (DC) 47

1.1 Đại cương về động cơ điện một chiều (DC) 47

1.1.1 Động cơ điện một chiều (DC) 47

1.1.2 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 47

1.1.3 Đảo chiều quay 48

1.2 Điều khiển động cơ DC 48

1.2.1 Thiết bị sử dụng 48

1.2.2 Các bước thực hiện 52

2 Bộ điều khiển tay máy 53

3 Phần mềm LabVIEW 55

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Hình 1.1: Robot Scara 4 bậc tự do 9

Hình 1.2: Các hệ thống cấu thành robot 17

Bảng 3.1: Thông số tay máy Scara 36

Hình 3.1: Sơ đồ động học tay máy Scara 37

Hình 3.2: Giới hạn góc quay của 2 khớp 38

Hình 3.3: Giới hạn không gian làm việc của tay máy Scara 39

Bảng 4.1: Động cơ điện một chiều 46

Hình 4.2: Lực tác dụng lên motor DC 50

Hình 4.3: Sơ đồ nối dây motor DC 50

Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống điều khiển tay máy Scara 53

Hình 4.5: Mã nguồn của LabViEW 56

Hình 5.1: Tay máy Scara 58

Hình 5.2: Máy in 3D Scara 58

Hình 5.3: Máy in 3D Scara 59

Hình 5.4: Một số sản phẩm in 59

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

D-H Denavit-Hartenberg

vỏ tàu thủy, robot phun hạt nix cọ rửa tàu, máy gia công 3D sử dụng robot song song Hexapode có độ chính xác cao, robot quay phim và hệ thống tự động sắp xếp và cấp vật tư kho gồm 3 robot di động chạy trên ray, các hệ điều khiển robot di động qua truyền thông không dây và Internet, đã được chế tạo và cung cấp cho thị trường

Cùng với chương trình NCKH&PTCN quốc gia về tự động hóa, từ năm 2005 Tp.Hồ Chí Minh cũng đã khởi động chương trình chế tạo robot cho doanh nghiệp Ngay trong năm 2005, Tp.Hồ Chí Minh đã đầu tư 50 tỷ đồng cho các nhà khoa học nghiên cứu chế tạo robot theo các đơn đặt hàng của các doanh nghiệp Mục tiêu là nhằm nâng cao chất lượng robot do trong nước chế tạo đạt yêu cầu tương đương so với các loại robot nhập khẩu từ nước ngoài, đồng thời giảm dần từ 20% đến 30% rồi 50% kim ngạch nhập khẩu robot và đến cuối năm 2005 phải bàn giao được 10 bộ robot cho các doanh nghiệp Về mặt chính sách, ưu tiên hỗ trợ cho những doanh nghiệp đặt hàng với số lượng nhiều và các hợp đồng ký trước Về dài hạn, Tp.Hồ Chí Minh phấn đấu khoảng 5-10 năm, Việt Nam có một ngành công nghiệp sản xuất robot phục vụ trong nước và xuất khẩu

Đối với khối các doanh nghiệp thiết kế và chế tạo robot ở Việt Nam, nhiều sản phẩm robot cũng đã gây được ấn tượng trên thị trường trong nước và quốc tế, ví dụ robot có chức năng gắp các sản phẩm từ máy ép nhựa, hệ thống hoạt động linh hoạt với nhiều chế độ của Công ty Suno (công ty của nhóm BKPro, vô địch Robocon Châu

Á – Thái Bình Dương năm 2005) thuộc chương trình robot của Tp.Hồ Chí Minh đã được nhiều doanh nghiệp biết tới; robot hàn di động, robot làm vệ sinh đường ống thông khí, robot vạn năng, hệ thống cấp vít tự động, tay máy cấp phôi của Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng và Dịch vụ Khoa học kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh Đặc biệt phải

kể đến các sản phẩm robot của Công ty Cổ phần Robot TOSY Công ty Cổ phần TOSY đã gây thương hiệu bằng robot dáng người đánh bóng bàn TOPIO Ping Pong được trình diễn tại Hội chợ quốc tế Robot IREX 2009 ở Nhật Bản, robot dịch vụ 23 bậc tự do TOPIO Dio và 2 sản phẩm robot công nghiệp với giá thành chỉ bằng 1/5 các robot tương đương trên thế giới tại Hội chợ quốc tế về Tự động hóa năm 2010 ở CHLB Đức và gần đây nhất là mRobo – robot có khả năng biến hình và nhảy múa tại Triển lãm Điện tử tiêu dùng 2012 (CES 2012) vào ngày 11/01/2012 ở Mỹ Ngoài ra, sản phẩm robot đồ chơi như TOSY UFO cũng đã được xuất khẩu ra nhiều thị trường trên thế giới

Mặc dù có nhiều loại robot đã được Nhà nước hỗ trợ cho nghiên cứu chế tạo qua các đề tài nghiên cứu các cấp trong suốt 25 năm qua nhưng hầu như các robot đó ít được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Nguyên nhân là do nền sản xuất của Việt Nam đang ở giai đoạn công nghiệp hóa sử dụng lao động thủ công với giá nhân công rẻ trong khi ứng dụng của robot trong sản xuất chỉ có hiệu quả khi dây chuyền sản xuất

có nhu cầu tự động hóa cao và ngành robot công nghiệp cũng chỉ mới được định hình, chưa thực sự được hình thành theo đúng nghĩa của nó và trong thực tế, Nhà nước chưa ban hành những giải pháp, chính sách cụ thể thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp trí tuệ này Hiện tại chỉ có một số ít các doanh nghiệp ở Tp.Hồ Chí Minh mạnh dạn sử dụng sản phẩm robot do trong nước chế tạo phục vụ sản xuất, còn đa phần các doanh nghiệp có nhu cầu sử dụng nhiều robot vẫn đang nhập ngoại

Ngoài ra một số đề tài nghiên cứu và triển khai vào giảng dạy loại Robot này ở một

số viện nghiên cứu và trường đại học Việt Nam:

- Robot SCARA mini do Trung Tâm Nghiên Cứu Kỹ Thuật Tự Động Hóa, trường Đại học Bách khoa Hà Nội thiết kế và chế tạo dùng trong giảng dạy

- Robot SCARA 4 bậc tự do của đại học Bách học Đà Nẵng được điều khiển bằng máy tính thông qua card LAP-PC+ để điều khiển các động cơ bước truyền dẫn động các khớp (Nghiên cứu thiết kế chế tạo Robot BKDN-01 của Phạm Đăng Phước)

1978, mỗi năm đã sản xuất được 10.000 hệ thống robot cung cấp cho thị trường Theo thống kê của Hiệp hội robot Nhật Bản, năm 1981 tại Nhật Bản ước tính đã có 67.435

robot được sử dụng trong sản xuất công nghiệp, chiếm 70% tổng số robot trên toàn thế giới và đến cuối năm 1995 là 387.000 robot được sử dụng Con số này gấp 5 lần số robot ở Mỹ và chiếm hơn 60% tổng số robot trên toàn thế giới và theo Cục Thống kê – Hiệp hội robot Quốc tế vào năm 2010, trong số 1.035.016 robot công nghiệp được đưa vào vận hành trên toàn thế giới, thì tại Nhật Bản số lượng robot công nghiệp được đưa vào vận hành là 285.800 chiếm 27.61%

Ở Hàn Quốc, theo Bộ Thông tin Kinh tế công bố tháng 12/2011, tổng số lượng robot vận hành trong các doanh nghiệp sản xuất ở Hàn Quốc trong năm 2010 đã đạt 87.400 đơn vị Số lượng robot này tiếp tục tăng qua từng năm

Hiện tại đang có nhiều nghiên cứu tại Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc và nhiều quốc gia khác trên thế giới để tạo ra các loại robot có ngoại hình, cử động và cả suy nghĩ như người thật Mặc dù nhiều dự án còn ở giai đoạn thiết kế và thử nghiệm, nhưng những nổ lực nêu trên chứng tỏ con người bằng trình độ và trí thông minh của mình đang luôn luôn tìm tòi và cố gắng chế ngự những kỹ thuật tinh xảo nhất

2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Thực tiễn đã cho thấy, việc sử dụng robot ở các nước công nghiệp trong vài chục

năm qua đã mang lại nhiều hiệu quả về kinh tế và xã hội, góp phần tăng năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu, sớm hoàn vốn đầu tư , cũng như chuyển đổi cơ cấu sản xuất trong sản xuất công nghiệp từ cơ cấu “con người

và máy móc” sang cơ cấu “con người – robot – máy móc” giúp cho con người thoát

khỏi những công việc nguy hiểm, nặng nhọc, ngăn ngừa được tai nạn lao động

Ngành công nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot công nghiệp

để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc con người Với ngành công nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiện nhiều trong các

dây chuyền sản xuất bởi vì sản phẩm này còn quá đắt đối với thị trường Việt Nam

Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot nên tôi đã

chọn đề tài “Thiết kế cánh tay robot (trục x và trục y)” Đề tài này hướng tới có thể thay đổi các bộ điều khiển của các công ty nước ngoài và xây dựng thuật điều khiển tối

ưu cho các đối tượng sản xuất mà các đối tượng này thích hợp với điều kiện sản xuất ở

nước ta

3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Mục đích của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và các phương pháp điều khiển

thích hợp trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến và xây dựng những giải pháp phần cứng cũng như phần mềm để chế tạo bộ điều khiển cánh tay robot theo trục x và trục

y Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, có thể áp dụng vào phòng thí nghiệm của các

trường cao đẳng, đại học cũng như ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn về chế tạo, điều khiển robot Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

- Nghiên cứu về phương trình động học ngược của robot

- Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm LabVIEW, CodeVisionAVR để điều khiển cánh tay robot theo trục x và trục y

5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là phương trình động học của robot để đưa ra thuật điều khiển tối ưu cho robot; phần mềm LabVIEW, CodeVisionAVR để điều khiển cánh tay robot theo trục x và trục y và phần cơ khí để chế tạo cánh tay robot Nghiên cứu này chỉ giới hạn trong phạm vi nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cánh tay robot theo trục x và trục y với các phần mềm điều khiển nêu trên

các loại tay máy chấp hành thuỷ lực và điện từ

Năm 1961, chiếc robot công nghiệp đầu tiên được đưa vào sử dụng ở nhà máy General Motor tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì Đến năm 1990, có hơn 40 công ty Nhật Bản đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến

sự lắp đặt thờm cỏc cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Một lĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành Các công trình nghiên cứu tạo ra robot tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật Các loại robot này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các ứng dụng kĩ thuật

về vi xử lí và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành

đã giảm đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dãy truyền tự động sản xuất hiện đại

2 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

2.1 Định nghĩa robot

Có nhiều định nghĩa robot cùng tồn tại, chúng ta hãy tham khảo một số định nghĩa sau:

 Định nghĩa theo từ điển New World College:

“Robot là một kết cấu cơ khí có hình dạng bất kì, được xây dựng để thực hiện những công việc bằng tay của con người”

Các định nghĩa sau này bao gồm các cánh tay cơ khí, các máy điều khiển số, các máy móc di chuyển theo kiểu bước đi và cả mô phỏng hình dạng con người trong khoa học viễn tưởng Các robot công nghiệp ngày nay chỉ thực hiện một phần nào đó công việc của con người

Các robot ban đầu thường được gọi là các tay máy (Manipulator)

 Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản:

Định nghĩa này mang tính khái quát nhất của tất cả các định nghĩa được sử dụng Nó bao gồm tất cả các thiết bị tay máy và có thể để xem xét khi định nghĩa một robot sau này

“Robot là một máy, cơ cấu thường gồm một số phân đoạn được nối với phân đoạn khác bằng khớp quay hay khớp trượt nhằm mục đích để gắp hay để di chuyển các đối tượng, thường có một số bậc tự do Nó có thể được điều khiển bởi một nguồn kích hoạt, một hệ điều khiển điện tử có thể lập trình được hay một hệ thống logic nào đó”

 Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp):

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

vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất (chi tiết , dông cụ gá lắp ) theo những hành trình thay đổi đã chương trỡnh hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau”

 Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Hoa Kỳ:

“Robot là một tay máy nhiều chức năng có thể lập trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, các phần tử, linh kiện, các dụng cụ và các thiết bị đặc biệt thông qua việc thay đổi các chương trình hoạt động đã được lập để thực hiện các tác vụ khác nhau”

 Định nghĩa theo hiệp hội robot Anh:

“Robot công nghiệp là một thiết bị có thể lập trình lại được thiết kế để thực hiện hai nhiệm vụ cầm nắm và vận chuyển các phần tử, linh kiện, các dụng cụ hoặc

các công cụ chế tạo đặc biệt thông qua việc thay đổi các chương trình hoạt động đã được lập để thực hiện các tác vụ gia công khác nhau”

 Định nghĩa theo GOST (Nga):

“Robot là một 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”

2.2 Phân loại robot

Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những cơ sở kĩ thuật khác nhau

Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:

• Phân loại theo số bậc tự do:

Một cách phân loại hiển nhiên của robot là phân loại theo bậc tự do của chúng Một cách lí tưởng, một robot có 6 bậc tự do khi cầm nắm một đối tượng tự do trong không gian ba chiều Từ quan điểm này, chúng ta gọi một robot là robot tổng quát (General Purpose Robot) nếu nó có sáu bậc tự do, gọi là robot dư (Redundant Robot) nếu nó có nhiều hơn sáu bậc tự do và gọi là robot thiếu (Dốicient Robot) nếu nó có ít hơn sáu bậc

tự do

Một robot sẽ linh hoạt hơn khi di chuyển và hoạt động trong một không gian kín bị hạn chế Mặt khác, trong một số ứng dụng đặc biệt như trong việc lắp ráp trong một mặt phẳng thì chỉ cần robot với bốn bậc tự do là đủ

• Phân loại theo cấu trúc động học:

Một phương pháp phân loại khác là phân loại theo cấu trúc động học của chúng Một robot được gọi là robot tuần tự hay robot chuỗi hở nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi động hở, gọi là robot song song nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm cả hai loại chuỗi hở và chuỗi đóng Nhìn nhận một cách tổng quát thì robot song song có nhiều

ưu điểm vì chúng có độ cứng vững cao hơn, khả năng tải cao hơn, nhưng không gian làm việc nhỏ hơn và cấu trúc phức tạp hơn

• Phân loại theo hệ thống động học hay công nghệ di chuyển:

- Hệ điện:

Thường dùng các động cơ điện một chiều, các động cơ bước hay động cơ Servo

Hệ năng lượng này có đặc điểm là hoạt động chính xác, tin cậy, đạt công suất cao và

có tính tuyến tính cao dễ điều khiển Hệ này cũng đảm bảo kết cấu gọn, truyền dẫn năng lượng trực tiếp Ngoài ra nó cũng đảm bảo an toàn vệ sinh môi trường

Nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả sử dụng đối với hệ này cần tuân theo những yêu cầu cơ bản sau:

+ Sử dụng các công nghệ mới, các loại vật liệu mới ít chịu ảnh hưởng của từ trường trái đất

+ Tiếp tục nâng cao công suất và hiệu suất công tác

+ Xử lí tốt các cụm nối ghép trong mạch nguồn, mạch điều khiển và hiệu chỉnh nâng cao hơn nữa độ tin cậy

- Hệ thuỷ lực - khí nén:

Hệ thuỷ lực có thể đạt đến công suất cao, đáp ứng được những điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường cồng kềnh, yêu cầu dòng dầu, chất lượng dầu cao, hơn nữa vận tốc lại có độ phi tuyến lớn, khó đảm bảo độ chính xác cao khi điều khiển

Hệ khí nén làm việc với công suất trung bình và nhỏ, có kết cấu đơn giản Đòi hỏi phải gắn liền với trung tâm khí nén, kém chính xác Thích hợp cho các loại robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản kiểu nhấc lên hạ xuống

• Phân loại theo hệ thống truyền động:

- Hệ truyền động gián tiếp:

Các cơ cấu chấp hành được nối với nguồn động lực thông qua các bộ truyền động

cơ khí thương gặp như hệ thống bánh răng thường, hệ bánh răng hành tinh, hệ bánh răng sóng, dây đai, bộ truyền xích hay cao hơn là bộ truyền vớt đai ốc bi Nhược điểm của hệ này là bị mòn tạo khe hở động học dẫn đến tính phi tuyến và hiệu ứng trễ ngày càng cao hơn Mặt khác hiệu suất sẽ giảm do tiêu hao công suất trên bộ truyền

- Hệ truyền động trực tiếp:

Các cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp với nguồi động lực, do đó kết cấu sẽ gọn nhẹ và hạn chế, loại bỏ được những nhược điểm của truyền động gián tiếp Mặt khác,

những khó khăn đặt ra là cần thiết kế chế tạo các động cơ có số vòng quay thích hợp

và cho phép điều khiển vô cấp trên một dải rộng

• Phân loại theo phương pháp điều khiển:

Dựa vào tính chất đặc trưng của quĩ đạo điều khiển có các qui tắc điều khiển cơ bản là:

- Điều khiển điểm

- Điều khiển quĩ đạo liên tục

- Điều khiển nhận dạng

- Điều khiển thích nghi

• Phân loại theo độ chính xác:

Trong hoạt động của robot cần phân biệt độ chính xác tuyệt đối và độ chính xác lặp lại để đánh giá mức độ tin cậy trong mét chu kì làm việc đơn lẻ và trong một quá trình

làm việc lâu dài.Mặt khác, để đánh giá trên một miền kích thước hay một phạm vi

chức năng rộng hơn, người ta còn đưa ra độ chính xác phân giải để đánh giá mức độ

chính xác trên các miền phân giải khác nhau

3 ỨNG DỤNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

3.1 Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động, Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot, đó là:

 Robot công nghiệp có thể thực hiện được một qui trình thao tác hợp lí bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế robot công nghiệp có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi sự thay đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh

 Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là giảm được đáng kể chi phí cho người lao động

 Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi

 Robot có thể cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần lưu tâm Vì trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc trong môi trường có hại cho sức khoẻ hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động

3.2 Các lĩnh vực ứng dụng robot công nghiệp

Robot công nghiệp được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực: đúc, gia công áp lực, hàn và nhiệt luyện, gia công và lắp ráp

4 Hệ thống robot

Hình 1.2 Các hệ thống cấu thành robot

Tay máy gồm các bộ phận :đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động 2, thân

3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6

Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí , thuỷ khí hoặc điện khí, là bộ phận

chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch của các khớp động

Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của robot theo các thông tin đặt

trước hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc

Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết các biến đổi thông tin về

hoạt động của bản thân robot (cảm biến nội tín hiệu) và môi trường, đối tượng mà

robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu)

Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển sau khi

xử lí bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay máy

5 BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ ROBOT

Robot là một ngành khoa học hay ngành học về công nghệ truyền thống kết hợp với

lí thuyết và ứng dụng của các hệ thống robot Việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn đề

là nghiên cứu lí thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra thành các lĩnh vực: công

tác thiết kế robot, cơ học cơ cấu, thiết kế quĩ đạo và điều khiển, công tác lập trình và

tri thức cho máy Cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu các vấn đề về năng

lượng, lực và tác dụng của chúng đối với chuyển động của các hệ thống cơ khí Việc

nghiên cứu bao gồm ba vấn đề có quan hệ với nhau là: Động học, Tĩnh học và Động

lực học

5.1 Động học

Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến

nguyên nhân gây ra chúng như lực và mô men Khoa học động học nghiên cứu về vị

trí, vận tốc, gia tốc Do đó, động học chỉ liên quan đến hình học và thời gian thay đổi

của chuyển động Sự thay đổi của các khâu của robot liên quan đến hướng và vị trí

của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các khớp Những quan hệ động

học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot Việc nghiên cứu động học có

hai vấn đề: Phân tích động học và Tổng hợp động học Tuy nhiên vấn đề phân tích

động học và tổng hợp động học luôn liên quan đến nhau

Nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tỡm cỏc quan hệ chuyển động của

các khâu gồm có hai bài toán là: Bài toán động học thuận và Bài toán động học ngược

Trong việc lập trình cho robot điều cơ bản là đặt ra các yêu cầu về vị trí của điểm tác

động cuối và hướng của khâu cuối, vận tốc và gia tốc của khâu bất kì trong không

gian Vấn đề ở đây là tìm tất cả các bộ thông số có thể chấp nhận được về sự thay đổi

của các khâu hoạt động và các đạo hàm tương ứng của chúng xảy ra ở khâu chấp hành

cuối cùng để đặt các yêu cầu về vị trí và hướng, đú chớnh là các thông số hoạt động

đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình học của robot

5.2 Tĩnh học

Tĩnh học nghiên cứu quan hệ về lực ở trạng thái cân bằng của các phần thay đổi của robot Một robot có thể hoạt động nhờ tác động lực sinh ra từ các nguồn kích động khác nhau, như trọng lực, tải trọng, lực ma sát, lực quán tính những lực này cần phải được xem xét cẩn thận khi thiết kế các robot bởi vì các thành phần của chúng có thể có trị số đáng kể và có thể làm cho robot không đảm bảo được các chức năng đã định Lực cân bằng phụ thuộc vào cấu tạo và đặc điểm của robot mà không phụ thuộc vào thời gian

5.3 Động lực học

Động lực học nghiên cứu về giữa các lực tác dung vào cơ cấu và chuyển động của

cơ cấu Động lực học robot là vấn đề rất phức tạp Một cách cụ thể, khâu chấp hành cuối cùng được truyền dẫn thông qua một đường dẫn với các thông số hoạt động chính xác

6 CẤU TRÚC ĐỘNG HỌC CƠ CẤU

Cơ cấu được tạo thành từ một số khâu nối với nhau bởi các khớp Số bậc tự do của một cơ cấu phụ thuộc vào số các khâu, các khớp và loại khớp để tạo nên cơ cấu Trong phần này chúng ta tìm hiểu các loại chuỗi động, cơ cấu và máy, sau đó tìm hiểu cách tính bậc tự do

Xét hai vật thể (hay hai khâu) A và B để rời trong không gian, gắn vào A một hệ toạ

độ Đề_cỏc Oxyz thì B sẽ cú sỏu khả năng chuyển động tương đối đối với A, gọi là sáu bậc tự do tương đối

Các khả năng chuyển động độc lập là:

- Các chuyển động tịnh tiến dọc các trục Ox, Oy, Oz, kí hiệu là Tx, Ty, Tz

- Các chuyển động quay quanh các trục Ox, Oy, Oz, kí hiệu là Rx, Ry, Rz

Sau đây chúng ta tiến hành nghiên cứu cụ thể các đối tượng

6.1 Khâu và khớp

- Phần có chuyển động tương đối so với phần khác trong cơ cấu được gọi là khâu

- Khớp là chỗ nối động giữa hai khâu

Tuỳ theo cấu trúc mỗi khớp hạn chế một số chuyển động giữa hai khâu Bề mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là một thành phần khớp Hai thành phần khớp tạo thành một khớp động khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớp cao tuỳ thuộc dạng tiếp xúc Khớp động thuộc loại khớp thấp nếu hai thành phần tiếp xúc là mặt Khớp động thuộc loại khớp cao nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường

Có một số loại khớp cơ bản thường dùng trong các cơ cấu máy và các robot, đó là:

Khớp quay (khớp bản lề) : khớp để lại chuyển động quay của khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay Khớp quay hạn chế năm khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp, có một bậc tự do

Khớp lăng trụ(khớp tịnh tiến): cho phép hai khâu trượt lên nhau trên một trục Hạn chế năm khả năng chuyển động giữa hai khớp, có một bậc tự do

Khớp trô: cho phép hai khả năng chuyển động độc lập gồm một chuyển động quay và một chuyển động tịnh tiến dọc trục quay Hạn chế bốn khả năng chuyển động giữa hai khớp, có hai bậc tự do

Khớp ren: cho phép chuyển động quay quanh trục và tịnh tiến dọc trục quay nhưng hai chuyển động này phụ thuộc nhau nên hạn chế năm khả năng chuyển động giữa hai khớp, có một bậc tự do

Khớp cầu: cho phép thực hiện chuyển động quay giữa hai thành phần khớp quanh tâm cầu theo tất cả các hướng, nhưng không cho phép chuyển động tịnh tiến giữa hai thành phần khớp này Hạn chế ba khả năng chuyển động giữa hai khớp, có ba bậc tự do

Khớp phẳng: cho hai khả năng chuyển động tịnh tiến theo hai trục trong mặt phẳng tiếp xúc và một khả năng chuyển động quay quanh trục vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc Hạn chế ba khả năng chuyển động giữa hai khớp, có ba bậc tự do

Khớp bánh răng phẳng: cho hai bánh răng ăn khớp với nhau Các mặt răng tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trượt trên nhau Hạn chế bốn khả năng chuyển động giữa hai khớp, có hai bậc tự do

Khớp cam phẳng: tương tù như khớp bánh răng phẳng Hạn chế bốn khả năng chuyển động giữa hai khớp, có hai bậc tự do

*Trong các khớp kể trên có khớp bánh răng phẳng và khớp cam phẳng là khớp cao còn lại là khớp thấp

6.2 Chuỗi động của cơ cấu Robot

Chuỗi động là tập hợp các khâu được nối với nhau bằng các khớp

Các loại chuỗi động: chuỗi hở,chuỗi đóng, chuỗi đơn, chuỗi kép

Một chuỗi động được gọi là cơ cấu khi có một khâu cố định Khâu cố định đôi khi còn gọi là khâu gốc Trong cơ cấu có thể có một hoặc nhiều khâu được cố định là khâu dẫn với các thông số cho trước Sự chuyển động của các khâu dẫn là độc lập, sự chuyển động của tất cả các khâu khác sẽ phụ thuộc vào sự chuyển động của các khâu dẫn Cơ cấu là một thiết bị truyền chuyển động từ một hay nhiều khâu dẫn tới các khâu khác

Bên cạnh định nghĩa trên cũng có định nghĩa như sau:

Một tập hợp các phần tử được gọi là cơ cấu nếu nó chỉ được dùng để truyền chuyển động, và được gọi là máy nếu nó được dùng để biến đổi năng lượng ngoài thành các dạng năng lượng hữu ích cho công việc

6.3 Bậc tự do của cơ cấu robot

Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập hay số thông số cần cho trước để vị trí của cơ cấu hoàn toàn xác định Ta có thể tìm được một công thức tổng quát tính bậc tự

do của cơ cấu theo số khâu, số khớp và loại khớp tạo thành cơ cấu:

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT

Bài toán động học của robot bao gồm các bài toán về vị trí, bài toán về vận tốc, về gia tốc Trong bài toán về vị trí thì việc xác định vị trí và hướng của điểm tác động cuối tại những thời điểm khác nhau là vấn đề cốt lõi Để có thể giải quyết được bài toán, thì như ta đã biết robot là một hệ nhiều vật rắn ghép nối với nhau bằng các khớp, chủ yếu là khớp quay và khớp tịnh tiến, do vậy cần phải xác định được các hệ toạ độ gắn với các khớp của robot

1 ĐỘNG HỌC THUẬN CỦA ROBOT

Trong bài toán động học thuận: Cho một vector gồm các biến khớp của robot công nghiệp, hãy xác định vị trí và hướng của bàn kẹp trong hệ toạ độ gắn với giá đỡ của tay máy Để trình bày phương pháp chung giải quyết động học thuận, trước hết ta cần nhắc lại một số khái niệm cơ bản

1.1 Các toạ độ thuần nhất

Do các phép quay thuần tuý chỉ đủ để xác định hướng của hệ trục toạ độ gắn vào vật Tuy nhiên để xác định vị trí tương đối này với hệ trục toạ độ cơ sở cố định phải sử dụng đến một phép biến đổi khác, phép tịnh tiến Phép tịnh tiến về khía cạnh nào đó rất khác biệt với phép quay So với phép quay, gốc toạ độ của hệ bị quay trùng với gốc toạ độ của hệ ban đầu Điều này cho phép chúng ta biểu diễn các phép quay trong không gian ba chiều bằng ma trận 3x3 Vì vậy phải dùng một số chiều lớn hơn 3 Không gian bốn chiều với hệ toạ độ thuần nhất

1.1.1 Định nghĩa toạ độ thuần nhất

Xét vị trí của một điểm P ở trong hệ toạ độ ba chiều 0xyz được xác định bởi vector sau:

3 2

1 e z e e





 (2.1) Giả sử  là một đại lượng vô hướng khỏc khụng tuỳ ý Khi đó toạ độ thuần nhất của điểm P được định nghĩa bởi hệ thức

 T

z y x

r      (2.2)

Trong kỹ thuật người ta thường chọn =1 Khi đó toạ độ thuần nhất bốn chiều của điểm P được mở rộng từ các toạ độ vật lý ba chiều của điểm P bằng cách thêm vào các thành phần thứ tư như sau

 T

z y x

r  1 (2.3) (2.3) Nhờ khái niệm toạ độ thuần nhất trong không gian bốn chiều ta có thể chuyển bài toàn cộng ma trận cột trong không gian ba chiều sang bài toán nhân ma trận trong không gian bốn chiều Cho a

2 2

1 1

3 2 1

3 2 1

b a

b a

b a

b b b

a a

a b

0100

0010

0001

1

3 3

2 2

1 1

3 3

2 2

1 1

b a

b a

b a

b a

b a

b a

(2.5)

1.1.2 Phép quay thuần nhất tổng hợp

Nói chung ma trận biến đổi thuần nhất có thể biểu diễn cả phép quay và phép tịnh tiến của một hệ toạ độ động so với một hệ toạ độ cố định Một trình tự phép quay và phép tịnh tiến có thể biểu diễn bằng một phép nhân các ma trận thuần nhất cơ bản Tuy nhiên vì phép nhân ma trận không có tính giao hoỏn nờn trình tự thực hiện phép quay

và phép tịnh tiến rất quan trọng Hơn nữa hệ toạ độ động có thể quay hay tịnh tiến theo vector đơn vị của hệ trục cố định hay của chính nó

Để giải quyết vấn đề này người ta thường sử dụng thuật toán sau:

a Khởi gán ma trận biến đổi T=I, trong đó I là ma trận đơn vị Điều này tương ứng với hai hệ toạ độ trực chuẩn F và M trùng nhau

b Biểu diễn các phép quay, tịnh tiến bằng các ma trận biến đổi thuần nhất riêng

rẽ

c Biểu diễn các phép quay tổng hợp bằng các ma trận thuần nhất cơ bản

f Tiếp bước d nếu có thêm nhiều phép quay hay tịnh tiến

1.2 Bài toán động học thuận

Cơ cấu chấp hành của robot thường là một cơ cấu hở, gồm một chuỗi các khâu nối với nhau bằng các khớp Để robot có thể thao tác linh hoạt, cơ cấu chấp hành của nó phải cấu tạo sao cho điểm mót của khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng di chuyển theo một quĩ đạo nào đó, đồng thời khâu này có một định hướng nhất định nào đó theo yêu cầu Khâu cuối cùng thường là bàn kẹp hoặc là khâu gắn liền với dụng cụ làm việc Điểm mót của khâu cuối cùng là điểm đáng quan tâm nhất vì đó là điểm tác động cuối của robot lên đối tác và được gọi là “điểm tác động cuối”.Ta cần quan tâm đến vị trí của điểm tác động cuối và hướng của khâu cuối trong không gian làm việc của robot Gắn vào điểm tác động cuối này một hệ toạ độ động thứ n, gắn với mỗi khâu động một hệ toạ độ động khác và gắn lên giá đỡ một hệ toạ độ cố định Đánh số kí hiệu các

hệ này từ 0 đến n bắt đầu từ giá cố định Khi khảo sát chuyển động của robot cần biết định vị của điểm tác động cuối và định hướng của khâu cuối trong mọi thời điểm Nhiều khi lại cần biết cả vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối cùng như các điểm khác của robot Đó là nội dung quan trọng của bài toán động học robot, chúng được xây dựng trên cơ sở thiết lập các mối quan hệ toạ độ động nói trên so với hệ toạ độ cố định

Ma trận Ti ( xem 5.1) là ma trận mô tả vị trí và hướng của hệ toạ độ thứ i gắn với khâu thứ i so với hệ toạ độ cố định Trong trường hợp i=n, với n là số hiệu chỉ hệ toạ

độ gắn liền với khâu làm việc Ta có :

z z z z

y y y y

x x x x

p a s n

p a s n

p a s n

(5.2)

Là ma trận chỉ hướng và vị trí của điểm tác động cuối

Bài toán động học thuận là bài toán tìm 9 tham sè nx, ny, nx, ax, ay, az, px, py, pz theo các biến khớp

Từ hệ phương trình (5.1) 0Tn= TE ta tìm được nx, ny, nx, ax, ay, az, px, py, pz theo các biến khớp bằng cách so sánh các phần tử của hai ma trận tương ứng 0Tn và TE

2 ĐỘNG HỌC NGƯỢC

2.1 Bài toán

Bài toán động học ngược được đặc biệt quan tâm vì lời giải của nó là cơ sở chủ yếu

để xây dựng chương trình điều khiển chuyển động của robot bám theo quĩ đạo cho trước Các lời giải tìm được cho líp bài toán này hầu như chỉ cho trường hợp riêng, cỏc đặc điểm động học riêng biệt được tận dụng để thiết lập các quan hệ cần thiết khi thiết lập lời giải

Xuất phát từ phương trình động học cơ bản ta có:

Có 3 trường hợp có thể xảy ra:

• Nếu ( thường cũng là số bậc tự do của cơ cấu robot) n<6 thì cơ cấu robot chỉ đưa bàn kẹp tới những vị trí và hướng hạn chế mà không đưa bàn kẹp tới vị trí và định hướng bất kì Trường hợp này được áp dụng khi không có yêu cầu thay đổi một số thông số định vị và định hướng của bàn kẹp

• Nếu n= 6 , thì bộ biến khớp q1 q6 hoàn toàn xác định Tuy nhiên, lời giải không phải lúc nào cũng dễ dàng tìm ra Bởi vì nói chung hệ phương trình tìm được thường là siêu việt và việc tìm nghiệm của hệ phương trình này không phải lúc nào cũng hội tụ

• Nếu n>6 , tức phương trình thì có khả năng có nhiều lời giải, tức là cùng đạt tới một vị trí và định hướng của bàn kẹp có thể có nhiều bộ thông số biến khớp qi

với i T n là ma trận chuyển đổi từ hệ toạ độ i sang hệ toạ độ n

Nhân hai vế của (1) với T i -1 ta có:

T i -1 T n= i T n và vì T i -1 =(A 1 A 2 A i ) -1 =A i -1 A 2 -1 A 1 -1 nên A i -1 A 2 -1 A 1 -1 T n= i T n

n n n

Nhận xét:

Việc giải bài toán động học ngược của cơ cấu robot rất phức tạp, cho đến nay vẫn

chưa có thuật giải tổng quát Để giải được các bài toán này người ta thường lợi dụng

một số tính chất của một cơ cấu để đơn giản hoá việc tính toán và chỉ tìm lời giải cho

những mô hình cụ thể, ví dụ như các đặc điểm hình học, các ràng buộc của các biến

khớp Việc giải bằng phương pháp giải tích thông thường nói chung là rất khó khăn,

đôi khi không giải được nhằm khắc phục khó khăn này ta sử dụng phương pháp số để

giải bài toán động học ngược robot

Khi giải bài toán động học ngược thường được một tập hợp nghiệm, vấn đề đặt ra

là: trong những nghiệm tìm được thì chọn nghiệm nào Để giải quyết vấn đề này thì ta

cần thực hiện tối ưu hoá các nghiệm tìm được theo một tiêu chuẩn nào đó, như tối ưu

về thời gian điều khiển, tối ưu về năng lượng

3 ĐỘNG LỰC HỌC

3.1 Động năng tay máy

Kí hiệu Ti là động năng của khâu thứ i (i=1 ,n) và dTi là động năng của một chất

điểm có khối lượng dm thuộc khâu thứ i

 V V dm Tr

dm z y x

2

2

1

trận

Thay biểu thức của (3.2) vào biểu thức (3.4) ta được:

dm q q U r r U Tr

dm r

q U r

q U Tr

dTi

i

p i

r

r p T ir T i i i i Ø T

r

i r ñi i

1

.

2

1 2

r

i ip

dT

1

.

12

1

(3.5)

Ma trận Uij không phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng mà chỉ phụ thuộc vào các

biến khớp

i ip i

T

1

.

12

z dm y dm

x

dm z dm z dm z y dm z x

dm y dm z y dm y dm y x

dm x dm z x dm y x dm x dm

r r J

i i

i

i i

i i i

i

i i

i i

i i

i i

i i

i i

T i i i i

2 2

Ji được gọi là ma trận quán tính của khâu thứ i

Động năng của toàn cơ cấu tay máy bằng tổng động năng của tất cả các khâu động:

r

i ip n

i n

i

T T

1

.

1 1

p i

r

r p T ir i

U Tr T

1 1 1

.2

1

(3.6)

3.2 Thế năng của tay máy

Thế năng i của khâu thứ i:

ci i i i ci i

Trong đó: g là vộctơ gia tốc trọng trường, g=[0,0,-g,0]

0rci, irci lần lượt là bán kính vector biểu diễn trọng tâm của khâu i trong

i

1 0 1

) ( (3.8)

3.3 Phương trình vi phân chuyển động của tay máy

Trong khảo sát động lực học của robot công nghiệp, việc xây dựng các phương trình chuyển động đóng một vai trò quan trọng, mà dùa vào đó có thể tiến hành các

tính toán của thiết kế cũng như khảo sát động lực Hai dạng phương trình thường được dùng để mô tả chuyển động các robot công nghiẹp là phương trình Newton-Euler và phương trình Lagrange Phương trình đầu tỏ ra khá đơn giản và thuận lợi trong việc lập các phương trình động học nhưng không đơn giản khi viết các phương trình liên kết đặc biệt số phần tử tham gia vào hệ lớn Phương trình sau thường cho kết quả khá gọn và đẹp đẽ do chọn các hệ toạ độ suy rộng là đủ Tuy nhiên với phương pháp sau việc tính toán các đại lượng động lực như động năng, lực suy rộng trong nhiều trường hợp gặp nhiều khó khăn, đặc biệt khi số bậc tự do lớn hoặc có nhiều khớp không gian phức tạp

Phương trình chuyển động dạng Lagrange có dạng:

*

i i

Q q

L q

L dt

k

n

j j

k j

m

n

j

cj j ji j m

k T ji j jkm k

T ji i ik

Q

*

(4.2)

Biểu thức trên (4.2) có thể viết gọn như sau:

m

i m k ikm k

*

(4.3)

với dạng ma trận:

) ( ) , ( ) ( )

(

*

q c q q h q q M t

Trong đó:

Q*là vectơ lực suy rộng của các lực không thế: