Đồ-án-Robot-Công-nghiệp (1)

Tổng quan về Robot Công nghiệp 1.1.Giới thiệu chung về Robot Khái niệm Robot ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1922 tại NewYork, khi nhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen Kapek đã tưởng tượng

1 Tổng quan về Robot Công nghiệp

1.1.Giới thiệu chung về Robot

Khái niệm Robot ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1922 tại NewYork, khi nhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cổ máy hoạt động một cách tự động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó

Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúc con người Đến năm

1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã chế tạo thành công tay máy đôi (master-slave manipulator) Đến năm 1954, Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết được lực tác động lênkhâu cuối

Rô bô hoặc Rôbốt, Rô-bốt (tiếng Anh: Robot) là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình Robot được dùng trong nhiều công việc như y tế, giáo dục, dịch vụ, vũ trụ, … nhưng đa số được sử dụng trong các ngành công nghiệp (khoảng 80%)

Hình 1: Unimate- Robot công nghiệp hiện đại đầu tiên trên thế giới

Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) được đặt tên cho những dáng vấp và một vài chức năng như tay người để thực hiện một số thao tác sản xuất

Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) được đặt tên cho những dáng vấp và một vài chức năng như tay người để thực hiện một số thao tác sản xuất

Hình 2: Một số robot hiện đại ngày nay

1.1.1 Cấu trúc chung của một 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

1.2 Phân loại Robot công nghiệp

1.2.1 Phân loại theo kết cấu

Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn:

-Chuyển động thẳng theo các hướng X, Y, Z trong không gian ba chiều thông thường tạo nên những khối hình có góc cạnh, gọi là Prismatic (P)

- Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu (R)

Với ba bậc tự do, robot sẽ hoạt động trong trường công tác tùy thuộc tổ hợp P và

R ví dụ:

+ PPP trường công tác là hộp chữ nhật hoặc lập phương

+ RPP trường công tác là khối trụ

+ RRP trường công tác là khối cầu

+ RRR trường công tác là khối cầu

+ RRR trường công tác là khối cầu

1.2.2 Phân loại theo hệ thống truyền động

Các dạng phổ biến là:

Hệ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : Direct Current) hoặc các động cơ bước (step motor) Loại truyền động nay dễ điều khiển, kết cấu gọn

Hệ truyền động thuỷ lực : có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại

độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển

Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ nay làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định san với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP : Point To Point)

1.2.3 Phân loại theo ứng dụng

Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự…

1.2.4 Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín:

- Điều khiển hở, dùng truyền động bước ( động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén, ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

- Điều khiển kín ( điều khiển kiểu servo ), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường(contour)

1.3.Ứng dụng của Robot

Robot được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống của con người, trong đó robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng và nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như:

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

- Đúc

- Lắp ráp, đóng gói

- Phun, phủ

- Tự động hàn

- Đảm nhận thực hiện cấp phôi phục vụ các nguyên công trong các dây chuyền sản xuất tự động

- Chế tạo máy

- Kiểm tra

- Sơn

- Bảo vệ

2 Xây dựng mô hình động học Robot

Động học robot nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực mà 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 dộng 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 tìm ra quan hệ chuyển động của các khâu gồm 2 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, vân tốc và gia tốc của khâu bất kì trong không gian Vấn đề ở đâu 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 hướng và vị trí, đó chính là các thông số hoạt động(bài toán động học thuận) hay từ yêu cầu vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối tìm ra các thông số tương ứng của các khâu trước đó(bài toán động học ngược)

Tổng hợp động học chính là quá trình ngược lại của việc phân tích động học Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt ra được những robot hay máy mới, điều đó đòi hỏi những thay đổi nhất định về mặt động học Cụ thể, khi có các thông số vị trí và hướng (cùng vận tốc và gia tốc) của khâu chấp hành cuối cùng, chúng ta cần xác định các thay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình học của robot

2.1.Cơ sở xây dựng mô hình động học robot công nghiệp

2.1.1 Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H)

Xét hai khâu i - 1 và i liên kết khâu khớp bản lề, trục quay của khớp có phương

bất kì và hai khâu không nằm trong những mặt phẳng song song nhau

Hình 3: Mối quan hệ giữa các khâu và hệ tọa độ

- Sau khi được thiết lập, vị trí của hệ Oixiyizi so với hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 hoàn toàn được

xác định nhờ 4 thông số:

+ ai : khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương xi

+ di : khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương zi-1

+ αi : góc quay quanh trục xi giữa zi-1 và zi

+ θi : góc quay quanh trục zi-1 giữa xi-1 và xi

- Nếu khớp i là khớp quay :

θi là biến khớp

di , ai , αi là tham số do thiết kế tạo ra

- Nếu khớp i là khớp tịnh tiến :

di là biến khớp

θi , ai , αi : tham số phụ thuộc kết cấu

- Ma trận chuyển đổi giữa hệ trục i và i -1

Để chuyển từ hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 sang hệ Oixiyizi là thực hiện liên tiếp 4 phép biến đổi toạ độ :

+Quay quanh zi-1một góc θi : Rz-1, θ i

+Tịnh tiến dọc zi-1 một đoạn di : Tz-1, di

+Tịnh tiến dọc xi một đoạn ai: Tx, ai

+Quay quanh xi một góc αi :

Rx, α i , Pi = Rz-1, θ i Tz-1,di Tx, ai Rx, α i Pi-1

- Ma trận biến hình tổng hợp của các phép quay trên:

=

Ma trận thể hiện hướng và vị trí của tay kẹp so với hệ trục tọa độ gốc 0x0y0z0 là:

=

2.1.2 Bài toán động học thuận

Hình 4: Mô hình Robot

Tham số động học của Robot:

∗ Đặt bài toán:

• Biết giá trị các biến khớp λi (i=1…5), cần phải xác định vị trí và hướng của bàn kẹp, tức là phải xác định ma trận TE :

∗ Đặt hệ trục tọa độ:

Hình 5: Mô hình động học Robot gắn hệ trục tọa độ

i R(zi-1, θ i ) T(zi-1, di) T(xi, ai) R(xi, αi)

Bảng 1: Bảng thông số DH 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:

1

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

i i

a a d

−

−

- Các biến khớp =

- Với các kí hiệu:

c1=cos(θ1)

s1=sin(θ1)

c2=cos(θ2)

s2=sin(θ2)

c3=cos(θ3)

s3=sin(θ3)

s4=sin(θ4)

c5=cos(θ5)

s5=sin(θ5)

- Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ 0 sang hệ tọa độ 1 :

A0=

- Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ 1 sang hệ tọa độ 2 :

A1

2=

- Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ 2 sang hệ tọa độ 3 :

A2

3=

- Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ 3 sang hệ tọa độ 4 :

A3=

- Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ 4 sang hệ tọa độ 5 :

A4

5=

- Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất A0

n biểu diễn trạng thái khâu thao tác có thể xác định từ cấu trúc động học robot A0

n có thể nhận được bằng cách nhân liên tiếp các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất tương ứng với các phép dịch chuyển

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

A0

n A0

1 A1

2 A2 3…. An-1

- Từ đó ta xác định được vị trí và hướng của khâu gốc với khâu cuối hệ tọa độ:

- Giải ma trận TE bằng Matlab:

+ Các ký hiệu giá trị góc quay thay bằng

+ Các bươc thực hiện trên Matlab như sau:

• Khai báo các biến khớp qi

• Khai báo các tham số động học của Robot di, ai ( a1 a2 d1 a3 d5 )

• Khai báo 4 ma trận

Hình 6: Khai báo dữ liệu trên Matlab

• Kết quả giải trong Matlab ta tìm được ma trận TE

TE = [ cos(q4)*(sin(q1)*sin(q3) + cos(q1)*cos(q2)*cos(q3))

cos(q1)*sin(q2)*sin(q4), sin(q4)*(sin(q1)*sin(q3) + cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)) -cos(q1)*cos(q4)*sin(q2), cos(q3)*sin(q1) - cos(q1)*cos(q2)*sin(q3),

d4*(cos(q3)*sin(q1) - cos(q1)*cos(q2)*sin(q3)) + a1*cos(q1) + a2*cos(q1)*cos(q2) +

d3*cos(q1)*sin(q2)]

[ - cos(q4)*(cos(q1)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1)) - sin(q1)*sin(q2)*sin(q4), sin(q4)*(cos(q1)*sin(q3) cos(q2)*cos(q3)*sin(q1)) cos(q4)*sin(q1)*sin(q2), -cos(q1)*cos(q3) - cos(q2)*sin(q1)*sin(q3), a1*sin(q1) - d4*(-cos(q1)*cos(q3) + cos(q2)*sin(q1)*sin(q3)) + a2*cos(q2)*sin(q1) + d3*sin(q1)*sin(q2)]

[ cos(q2)*sin(q4) + cos(q3)*cos(q4)*sin(q2), cos(q2)*cos(q4)

cos(q3)*sin(q2)*sin(q4), sin(q2)*sin(q3), d1 d3*cos(q2) + a2*sin(q2)

-d4*sin(q2)*sin(q3)]

[0,0, 0, 1]

• Hệ phương trình động học thuận của Robot là:

-cos(q1)*sin(q2)*sin(q4)

- n y= [ - cos(q4)*(cos(q1)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1)) -

sin(q1)*sin(q2)*sin(q4)

- n z= cos(q2)*sin(q4) + cos(q3)*cos(q4)*sin(q2)

- s x= - sin(q4)*(sin(q1)*sin(q3) + cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)) -

cos(q1)*cos(q4)*sin(q2)

- s y= sin(q4)*(cos(q1)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1)) -

cos(q4)*sin(q1)*sin(q2)

- s z= cos(q2)*cos(q4) - cos(q3)*sin(q2)*sin(q4)

- a x= cos(q3)*sin(q1) - cos(q1)*cos(q2)*sin(q3),

- a y= - cos(q1)*cos(q3) - cos(q2)*sin(q1)*sin(q3),

- a z= -sin(q2)*sin(q3),

- P x= d4*(cos(q3)*sin(q1) - cos(q1)*cos(q2)*sin(q3)) + a1*cos(q1) + a2*cos(q1)*cos(q2) + d3*cos(q1)*sin(q2)

- P y= a1*sin(q1) - d4*(cos(q1)*cos(q3) + cos(q2)*sin(q1)*sin(q3)) + a2*cos(q2)*sin(q1) + d3*sin(q1)*sin(q2)]

- P z= d1 - d3*cos(q2) + a2*sin(q2) - d4*sin(q2)*sin(q3)

3 Mô tả thí nghiệm

3.1 Giới thiệu phần mềm Scorbase

SCORBASE for Controller - USB là một gói phần mềm điều khiển robot công nghệp

do Intelitek phát hành Là phần mềm ứng dụng lập trình hành vi robot rất trực quan sinh động có mô phỏ và giám sát toàn bộ hoạt động kể cả việc thực thi các lệnh và hiển thị tọa độ các cơ cấu của robot Phần mềm được sử dụng cho robot ER-4U đến ER-9U, ER-400 Agv và trong hệ thống CIM, hệ thống lưu trữ và truy hồi AS/RS 36 đến 72 tế bào Úng dụng trong các nhà máy và cơ sở đào tạo SCORBASE for

• Giao tiếp với bộ điều khiển robot trên cổng USB ( Module Control USB)

• Kiểm soát và hiển thị tình trạng thời gian thực của năm trục robot, gripper và hai trục

• Hỗ trợ đầy đủ và hiển thị tình trạng thời gian thực của 8 yếu tố đầu vào kỹ thuật số, 8 đầu ra kỹ thuật số , 4 đầu vào analog, và 2 kết quả đầu ra analog

• Chức năng định nghĩa và hiển thị cũng như chuyển động robot bằng tay Phối hợp tham chiếu đến hệ thống (đơn vị bộ mã hóa)

• Các Cartesian phối hợp hệ thống (X, Y, Z Pitch và Roll) cũng được sử dụng

• Định nghĩa chuyển đến vị trí Robot, đường tuyến tính, hoặc tới thông điệp, với các thiết lập 10 tốc độ hoạt động (Tình trạng sẵn có phụ thuộc vào cách thức Level.)

• Thiết lập mặc định của 1.000 vị trí và 1.000 dòng chương trình hoạt động

• Gián đoạn lập trình để xử lý phản ứng với những thay đổi trong trạng thái đầu vào

• Biến Lập trình, trong 3 mức độ phức tạp, đến trung bình các đường cong quỹ đạo Điều này làm cho người mới bắt đầu lập trình từ cấp độ thấp đến cấp độ cao, tập luyện

có kỹ năng trong lập trình robotics (Trình độ hoạt động của robot từ cấp cơ sở, trung

• Lưu trữ và tải các dự án doạt động của robot

• SCORBASE có thể được cài đặt như một phần của RoboCell, một tương tác đồ họa,

là gói phần mềm mô phỏng robot và các thiết bị trong workcell

3.2 Báo cáo thí nghiệm

3.2.1 Quy trình thí nghiệm

Sử dụng phần mềm Scorbase lập trình và điều khiển Robot gắp 2 chai nước từ

2 vị trí ban đầu đến 2 vị trí mới

Bước 1: Khởi động phần mềm.

Bước 2: Tiến hành dò Home cho Robot.

Bước 3: Khi Robot đã về vị trí home, tiến hành lập trình Robot gắp vật.

Hình 7: Vị Trí kẹp ban đầu của vật

Hình 9: Lập trình quỹ đạo di chuyển cùng tốc độ của Robot