Tính toán thiết kế robot Scara có khâu thao tác tịnh tiến RRRT

Tính toán thiết kế rô bốt Scara có khâu thao tác tịnh tiến RRRT. Đồ án ngành cơ điện tử. Mô hình robot công nghiệp Scara.///////Chương 1: giới thiệu về robot công nghiệpChương 2: bài toán động học thuận ngượcChương 3: thiết kế quỹ đạo trong không gian khớpChương 4: mô phỏng kết cấu robot

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CƠ KHÍ

Bộ môn: CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔN HỌC :THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Sinh viên : Lê Văn Bình MSSV : K185520114057

MÔN HỌC: THIẾT KẾ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP

BỘ MÔN: CƠ ĐIỆN TỬ

Sinh viên: Lê Văn Bình MSSV : K185520114057

Lớp: 54CĐT.02 Nguyễn Thị Mỹ Anh MSSV : K185520114056

Lớp 54CĐT.02 Ngành: Cơ điện tử

Ngày giao đề : 5/4/2021 Ngày hoàn thành : 19/6/2021

1.Tên đề tài: Tính toán thiết kế rô bốt Scara có khâu thao tác tịnh tiến

RRRT (Mã số: IR-01)

2 Nội dung thuyết minh tính toán:

Nhiệm vụ đồ án bao gồm:

 Tổng quan về đối tượng thiết kế

 Giải quyết bài toán động học thuận, động học ngược

 Giải quyết bài toán lập trình quỹ đạo làm việc

 Mô phỏng động học quá trình làm việc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 20

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 20

GIÁO VIÊN CHẤM

(Ký ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian tìm hiểu và thi công đồ án môn học, được sự giảng

dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ thầy Nguyễn Ngọc Hà cùng các thầy cô bộ

môn cơ điện tử học đã giúp chúng em hoàn thành đồ án các thống đo cơ điện

tử.Chúng em xin chân thành gửi lời cám ơn đến thầy Nguyễn Ngọc Hà cùng các

thầy bộ môn cơ điện tử đã truyền thụ cho chúng em những kiến thức rất bổ ích không chỉ cần thiết cho đồ án mà còn cần thiết cho công việc sau này

MỤC LỤC

Contents

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Tổng quan về Robot công nghiệp

1.2 Các khái niệm về robot

1.3 Phân loại robot công nghiệp

1.4 Ứng dụng của Robot

1.5 Tổng quan robot scara :

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT

2.1 Bài toán động học thuận

2.2 Bài toán động học nghịch robot………

2.2 Kết luận

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO TRONG KHÔNG GIAN KHỚP

3.1 Cơ sở nội suy quỹ đạo trong không gian khớp

3.2 Một số câu lệnh trong matlab

3.2.1Tính cho biến khớp q1

3.2.2 Đồ thị sự thay đổi của các biến khớp tại cái vị trí theo thời gian

3.3 Kết luận

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HOAT ĐỘNG CỦA ROBOT SCARA 4 BẬC TỰ DO… 4.1 Mô phỏng kết cấu robot Scara 4 bậc tự do………

4.1.1 Khâu thứ nhất………

4.1.2 Khâu thứ hai………

4.1.3 Khâu thứ ba………

4.1.4 Khâu thứ tư………

4.1.2 Hoàn thiện robot …… ………

4.2 Mô phỏng chuyển động của robot………

4.3 Kết luận chương………

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN………

TÀI LIỆU THAM KHẢO………

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay robot được dùng rộng rãi trong các nhà máy, được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học công nghệ ví dụ như trong kỹ thuật hàn, trong kỹ thuật gia công

cơ khí, trong khoa học vũ trụ, đại dương và trong nhiều ngành khoa học khác Robot có thể thay con người làm việc trong mọi điều kiện khắc nhiệt và những công việc đòi hỏi độ chính xác cao Trong tương lai robot sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn trong đời sống hàng ngày

Ở nước ta lĩnh vực robot đã được nghiên cứu ở các trường đại học và trong các viện nghiên cứu và đã đặt nên móng cho sự phát triển của ngành khoa học non trẻ này ở Việt Nam.Trong công nghiệp việt nam, robot cũng được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất của nhà máy nhằm nâng cao năng suất, hiệu quả lao động và chế tạo các sản phẩm có độ chính xác cao

Cùng với sự phát triển của khoa học, tin học và các ứng dụng của robot ngày càng trở nên quan trọng Máy tính được sử dụng như là một công cụ thay thế con người trong việc tính toán các bài toán phức tạp Nó giúp chúng ta đưa ra kết quả nhanh

và chính xác Chương trình Maple là một trong những phần mềm tính toán mạnh

và phổ biến giúp chúng ta giải nhiều loại bài toán như: Bài toán phân tích, thống

kê, bài toán cơ học, bài toán nhiệt, bài toán điện kỹ thuật…Ngoài ra nó còn là một ngôn ngữ lập trình thông dịch khá mạnh giúp cho người kỹ sư tính toán các bài toán cơ học quen thuộc nhanh chóng và dễ dàng Được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy NGUYỄN NGỌC HÀ em đã chọn đề tài: “TÍNH TOÁN VÀ THIẾT

KẾ RÔ BÔT SCARA CÓ KHÂU THAO TÁC TỊNH TIẾN “

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

I Tổng quan về Robot công nghiệp

Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau:

Từ những năm 1950 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên

Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran của công ty AMF

Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ từ những năm 1967

Ở những nước Tây Âu khác như: Đức, Pháp, Ý, Thụy Điển thì bắt đầu chế tạo IR

từ nhưng năm 1970

Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng của IR từ những năm 1968 Đến nay, trên thế giới có trên 600 công ty sản xuất IR trong số đó có 400 công ty của Nhật Bản, 130 công ty của Tây Âu,70 công ty của Mỹ và một số công ty của Nga, Tiệp Khắc … Trong đó các công ty sản xuất Robot lớn nhất thế giới có thể

kể ra như là: ABB, FANUC, YASKAWA…

1.2 Các khái niệm về Robot

- Robot còn có những cách định nghĩa khác nhƣ sau:

+ Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8373 định nghĩa rô-bốt nhƣ sau: "Đó là một loại máy móc đƣợc điều khiển tự động, đƣợc lập trình sẵn, sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, có khả năng vận động theo nhiều hơn 3 trục, có thể

cố định hoặc di động tùy theo những ứng dụng của nó trong công nghiệp

tự động."

+ Joseph Engelberger, một người tiên phong trong lĩnh vực rô-bốt công nghiệp nhận xét rằng: "Tôi không thể định nghĩa rô-bốt, nhưng tôi biết loại máy móc nào là rô-bốt khi tôi nhìn thấy nó!!"

+ Từ điển Cambridge trực tuyến định nghĩa rô-bốt rằng: "Đó là một loại máy

có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính"

+ Người máy hay Rô-bốt là công cụ cơ điện tử, thủy lực, nhân tạo ảo thay thế con người trong công nghiệp hay môi trường nguy hiểm Rôbốt còn là

công cụ để giúp con người giải trí, tìm hiểu khoa học

1.3 Cấu trúc chung của Robot công nghiệp

Một RBCN được cấu thành bởi các hệ thống sau:

+ Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

+ 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, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

+ Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết 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

+ Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát

vá điều khiển hoạt động của robot

1.4 Phân loại robot

Trong công nghiệp có 4 yếu tố chính để phân loại robot như sau:

- Theo không gian làm việc - Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot được gọi là không gian làm việc gồm có: Robot tọa độ vuông góc, robot toạ độ trụ, Robot toạ độ cầu, Robot khớp bản lề

- Phân loại theo thế hệ

- Phân loại theo bộ điều khiển gồm có: Robot gắp - đặt, Robot đường dẫn liên tục

- Phân loại robot theo nguồn dẫn động gồm: Robot dùng nguồn cấp điện, Robot dùng nguồn khí nén, Robot dùng nguồn thuỷ lực

- Phân theo tính năng robot

1.5 Ứng dụng của Robot

Ngày nay, chúng ta có thể thấy ứng dụng của robot có mặt hầu như ở mọi lĩnh vực, trong đó lĩnh vực công nghiệp chiếm đại đa số Ngoài ra còn nhiều lĩnh vực khác như là quốc phòng, dân sinh, y tế cũng rất được quan tâm

Ứng dụng của robot trong công nghiệp đã có từ rất lâu với sự đa dạng về chủng loại cũng như công việc không chỉ là nâng, kéo, thả, mang vật nặng và phân loại, sắp xếp sản phẩm mà còn đảm nhận những công việc phức tạp như:

- Phục vụ máy CNC và các hệ thống tự động linh hoạt

- Một số hình ảnh Robot công Nghiệp:

Hình 1.1: Robot chuỗi

Hình 1.2: Robot chuỗi

1.6 Tổng quan robot SCARA:

* Robot SCARA đời vào năm 1979, đây là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt

sử dụng nhiều trong việc lắp ráp các tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Robot Scara bao gồm hai khớp nối và hai cánh tay, trên hai khớp nối sẽ có hai động cơ

để cung cấp momen

- Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay

để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tượng

- Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành

- Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

- Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot Kết cấu tay máy gắp sản phẩm

- Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của RBCN đó là thiết

bị đảm bảo cho robot khả năng làm việc nâng hạ vật

- Ban đầu người ta chế tạo tay máy phỏng tay người, còn hiện nay tay máy rất đa dạng và nhiều loại khác xa tay người tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay và khớp để chỉ các bộ phận của tay máy

∗ Trong thiết kế tay máy người ta quan tấn đến các thông số ảnh hưởng khả năng làm việc:

- Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay

- Tầm với của vùng làm việc

- Khả năng định vị, định hướng phần công tác

∗ Một số hình ảnh robot Scara trong công nghiệp

ỨNG DỤNG:

- Scara robot là một trong những loại robot công nghiệp mang tính ứng dụng cao nhất hiện nay Chuyển động tay máy của Scara giúp nó có khả năng gắp đặt vật liệu hoàn hảo Vì vậy, nó được ứng dụng nhiều nhất trong những dây chuyền sản xuất có công đoạn công việc này Hơn nữa, nó cũng được sử dụng cho các công việc liên quan đến hàn xì, lái vít, lắp ráp, phân phối keo, hàn tải và đỡ, xếp chồng và kiểm tra

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT

Trong chương này nghiên cứu giải quyết Động học tay máy ta phải giải quyết hai bài toán Động học thuận và Động học ngược tay máy

2.1 Bài toán động học thuận

- Bài toán động học thuận: Đây là bài toán cho trước chương trình chuyển động dưới dạng quan hệ hàm qi(t) của các biến khớp, ta cần phải xác định quy luật biến đổi của các tham số động học đặc trưng cho chuyển động của các khâu Việc giải bài toán thuận của động học robot chủ yếu nhằm thiết lập phương trình động học robot và xác định vị trí của tay kẹp

2.1.1 Phương pháp Denavit- Hartenberg

a, Cơ sở của phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H)

Theo DH, tại mỗi khớp ta gắn một hệ trục toạ độ, quy ước về cách đặt hệ toạ độ này như sau:

- Trục được liên kết với trục của khớp thứ i+1 Chiều của được chọn tuỳ ý

- Trục được xác định là đường vuông góc chung giữa trục khớp i và khớp i+1, hướng từ điểm trục của khớp tới khớp i+1 Nếu hai trục song song thì

có thể chọn bất kỳ là đường vuông góc chung hai trục khớp Trong trường hợp hai trục này cắt nhau, được xác định theo chiều của (hoặc quy tắc bàn tay phải)

- Trục được xác định theo và theo quy tắc bàn tay phải

Các thông số động học Denavit – Hartenberg được xác định như sau:

- : khoảng cách Oi-1 và Oi theo trục zi-1.

- : góc giữa 2 đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi-1 để

trục xi-1 chuyển đến trục xi theo qui tắc bàn tay phải

- : góc xoay đưa trục zi-1về zi quanh zi theo quy tắc bàn tay phải

- : khoảng dịch chuyển giữa 2 trục khớp động kề nhau

2.1.1.3: Đặt các hệ trục tọa độ

- Chọn O0x0y0z0 làm hệ cơ sở gốc

+ Tâm O0 trùng với tâm khớp 1

+ z0 trùng với trục khớp 1, chiều tùy ý

+ x0 tùy chọn, miễn là x0 vuông góc với z0

+ y0 được chọn sao cho hệ tạo thành một tam diện thuận

- Hệ trục tọa độ Oixiyizi :

+ zi đặt tại khớp tiếp theo tương tự z0.

+ xi là đường vuông góc chung nhỏ nhất nối từ zi-1 đến zi (chiều từ zi-1 đến zi ) + Oi là giao điểm của xi và zi.

+ yi xác định theo quy tắc bàn tay phải

- Hệ trục tọa độ đặt tại khâu tác động cuối Onxnynzn

+ On trùng với điểm P

+ yn nằm trong mặt phẳng kẹp, vuông góc với phương kẹp,chiều tùy ý

+ zn (hoặc xi ) hướng tới đối tượng

+ trục còn lại là xn (hoặc zn): vuông góc với mặt phẳng kẹp, chiều đảm bảo hệ tạo thành một tam diện thuận

- Quy tắc D-H quy ước cách đặt các hệ tọa độ lên Robot

- Quy tắc D-H sử dụng 4 phép biến đổi để đưa hệ tọa độ Oi về trùng với hệ tọa độ

Oi+1

+ R(z,α) là phép quay quanh trục zi một góc αđể đưa trục tọa độ xi về trùng với xi+1 + T(z,d)là phép tịnh tiến theo phương z một lượng d để 2 hệ tọa độ Oi và Oi+1 có cùng cao độ

+ T(x,a) là phép tịnh tiến theo phương xi+1 một lượng a để hệ tọa độ Oi về trùng với

- Hình ảnh robot SCARA :

- Từ hình ảnh robot SCARA, mô hình hóa robot với 4 bậc tự do :

Hình 2.1 Mô hình hóa robot Scara

2.1.2 Động học thuận về vị trí của robot

-Như vậy hệ trục thứ i sẽ mô tả ma trận vị trí và hướng so với hệ trục thứ i-1 thông qua phép biến đổi tọa độ thuần nhất DH như sau:

i 1

i

A

a a d

𝐴32 = [

𝑐𝑜𝑠𝜃3 −𝑠𝑖𝑛𝜃3 0 0𝑠𝑖𝑛𝜃3 𝑐𝑜𝑠𝜃3 0 0

độ từ hệ trục cố định tới hệ trục tọa độ gắn với khâu thao tác:

+ Khai báo các biến khớp q2, q3)

+ Khai báo các biến , ( d1, d2,d3,d4, a1,a2)

]

Chương trình tính ma trận tọa độ lý thuyết trên Matlab

• Kết quả ma trận T sau khi nhân matlab:

T = [ cos(q3)*(cos(q1)*sin(q2) + cos(q2)*sin(q1)) - sin(q3)*(cos(q1)*cos(q2) - sin(q1)*sin(q2)), - cos(q3)*(cos(q1)*cos(q2) - sin(q1)*sin(q2)) - sin(q3)*(cos(q1)*sin(q2) + cos(q2)*sin(q1)), 0, a1*cos(q1) + a2*cos(q1)*cos(q2)

- a2*sin(q1)*sin(q2)]

[ - cos(q3)*(cos(q1)*cos(q2) - sin(q1)*sin(q2)) - sin(q3)*(cos(q1)*sin(q2) + cos(q2)*sin(q1)), sin(q3)*(cos(q1)*cos(q2) - sin(q1)*sin(q2)) - cos(q3)*(cos(q1)*sin(q2) + cos(q2)*sin(q1)), 0, a1*sin(q1) + a2*cos(q1)*sin(q2) + a2*cos(q2)*sin(q1)]

[ 0, 0, -1, d1 - d3 - d4]

[ 0, 0, 0, 1]

Cho T E =T 4 ta được hệ phương trình động học thuận robot:

𝑛𝑥 = cos(q3)*(cos(q1)*sin(q2) + cos(q2)*sin(q1)) - sin(q3)*(cos(q1)*cos(q2) - sin(q1)*sin(q2))

𝑛𝑦 = - cos(q3)*(cos(q1)*cos(q2) - sin(q1)*sin(q2)) - sin(q3)*(cos(q1)*sin(q2) + cos(q2)*sin(q1))

𝑝𝑥 = a1*cos(q1) + a2*cos(q1)*cos(q2) - a2*sin(q1)*sin(q2)

𝑝𝑦 = a1*sin(q1) + a2*cos(q1)*sin(q2) + a2*cos(q2)*sin(q1)

𝑝𝑧 = d1 - d3 - d4

2.2 Động học ngược robot

2.2.1 Chức năng bài toán động học ngược

Bài toán thuận động học nhằm xác định định vị và định hướng của phần công tác khi cho trước các biến khớp Bài toán ngược cho trước vị trí và định hướng của khâu tác động sau cùng đòi hỏi phải xác định bộ thông số tọa độ suy rộng để đảm bảo chuyển động cho trước của phần công tác

Đối với tay máy có kết cấu dạng chuỗi động hở, nếu cho trước bộ thông số biến khớp thì vị trí và định hướng của phần công tác xác định duy nhất, điều này không đúng với các tay máy có cấu trúc dạng chuỗi động kín

Đối với các tay máy dạng chuỗi động hở, ứng với một bộ thông số mô tả định

vị và định hướng của phần công tác khi giải bài toán ngược có thể xảy ra các trường hợp:

- Có thể có nhiều lời giải khác nhau;

- Các phương trình đồng nhất thức thường có dạng phi tuyến, siêu việt, thường không cho lời giải đúng;

- Có thể gặp nghiệm vô định vì có các liên kết thừa giống kiểu kết cấu siêu tĩnh;

- Có thể có lời giải toán học, song lời giải này không chấp nhận được về mặt vật lí

do các yếu tố về kết cấu của cấu trúc không đáp ứng được

Nhìn chung khi số bậc tự do càng lớn thì bài toán ngược càng khó giải, số nghiệm toán học lại càng nhiều, khi đó để chọn được nghiệm điều khiển đòi hỏi phải loại

bỏ các nghiệm không phù hợp dựa trên cơ sở các ràng buộc về giới hạn hoạt động của các khớp Việc lựa chọn phương pháp để giải bài toán ngược cũng là một vấn

đề, cho đến nay không có phương pháp tổng quát nào có thể áp dụng cho tất cả các robot

2.2.2 Đặt bài toán:

Cho vị trí và hướng của bàn kẹp tức là biết ma trận TE Cần phải xác định các biến khớp αi (i=1 4) theo vị trí và hướng bàn kẹp

2.2.3 Phương pháp giải bài toán

- Input: Ma trận T là tích các ma trận thành phần đã giải được ở phần trên Bài toán động học thuận

Ma trận A là tọa độ thực đã biết

- Output: Kết quả của biến khớp qi ( i = 1,2,3)

Nội dung của bài toán động học thuận là cho biết chuyển động của các tọa độ các khớp, ta cần xác định chuyển động của các tọa độ khâu thao tác

Để giải quyết được bài toán động học ngược robot gắp vật 4 bậc tự do, ta sẽ dùng phần mềm EXCEL, cụ thể hơn là gói công cụ Solver trong phần mềm đó

Ngược lại trong bài toán động học ngược, cho biết chuyển động của các tọa độ