ĐỒ-ÁN (1)

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF American Machine and Foundry Company quảngcáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” Industrial Robot.Ngày nay người ta đặt tên ng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHỆP

HỌ VÀ TÊN : NGÔ QUANG TRƯỜNG

MSSV: K175520114127

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

1. TS NGÔ NGỌC VŨ

Thái Nguyên-2020Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ ROBOT KAWASAKI RS006L 1.1 – TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1.1 Lịch sử ra đời của robot

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạpdịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm

1921 Trong vở kịchnày, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người đểphục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động

cơ bắp của con người

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảngcáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot).Ngày nay người ta đặt tên ngườimáy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹthuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và cácmáy công cụ điềukhiển số (NC - Numerically Controlled machine tool)

Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiếntranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ

Người thao tác được tách biệtkhỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có mộthoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điềukhiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm

và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầugia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kếtgiữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điềukhiển số

Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robotVersatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loạirobot Unimate -1900 đượcdùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967, ThuỵĐiển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở ý -

1973

Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết vàxử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫurobot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờcác cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 ( The Tomorrow Tool : Công nghệ của tương lai) Robot này có khả năng nâng được vật có khối lượng đến 40KG

Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ tri thức ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia Trong những năm sau nầy, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệrobot với nhiều tính năng đăc biệt, Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

1.1.2 Vai trò, vị trí của robot trong các dây truyền sản xuất, trong công nghiệp cũng như trong đời sống.

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc

độ thay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất

và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm gópphần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, cảm thấy đợc cả từ trường và nghe được cả siêu âm Robot được dùng thay thế con người trong các trờng hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu,

dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn Trong ngành cơ khí, robot đợc sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với Robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao ở đây các máy và robot được điều khiển

bằng cùng một hệ thống chơng trình Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên

tử, trong các lĩnh vực xã hội Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một

số điều kiện vợt hơn khả năng của con người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để

tự động hoá, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại Nhược điểm lớn nhất của robot là cha linh hoạt như con người, trong dây chuyền tự động, nếu có một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dới sự giám sát của con người

1.1.3 Những ứng dụng chủ yếu của robot.

• Giải trí

• Y tế

1.2 - SƠ LƯỢC VỀ ROBOT KAWASAKI RS006L

Năm 1966, một nhà khoa học người Mỹ đã được mời đến Nhật Bản làm giảng viên về robot công nghiệp Nhà khoa học là Tiến sĩ Joseph Engelberger, người được coi là Cha của Robotics, và người chủ trì là Công ty Công nghiệp nặng Kawasaki (sau

đó là Máy bay Kawasaki)

Tiến sĩ Engelberger là người sáng lập Unimation, nhà sản xuất robot công nghiệp đầu tiên trên thế giới, trước đó đã cho ra mắt một robot công nghiệp, "Unimate" Mặc

dù ông kỳ vọng rằng chỉ có khoảng 10 người sẽ xuất hiện tại buổi diễn thuyết, dựa trên kinh nghiệm của ông ở Hoa Kỳ, hơn 200 nhà lãnh đạo của các công ty Nhật Bản

đã tập trung tại địa điểm này Để chứng minh thêm cho sự nhiệt tình của họ, một buổi hỏi đáp theo bài giảng được cho là đã kéo dài trong hai giờ

Khi các công đoàn lao động ở Hoa Kỳ về cơ bản được hình thành xung quanh mộtnghề nghiệp, nhận thức của các công đoàn về robot công nghiệp là mối đe dọa đối vớithị trường lao động trong những năm 1960 đã cản trở sự phát triển của các ứng dụng robot Tuy nhiên, tại Nhật Bản, sự quan tâm đến các hoạt động sản xuất tự động và không người lái đang tăng lên, vì nền kinh tế đang bùng nổ và đất nước này đang thiếu hụt lao động trẻ nghiêm trọng Về bối cảnh, loạt phim hoạt hình nổi tiếng, Cậu

bé Astro, Cậu bé mô tả robot là người giúp đỡ con người, kết hợp với hình ảnh tích cực khác của robot, cũng được cho là đã làm việc thuận lợi trong việc làm quen với người máy

Năm 1968, Kawasaki đã ký một thỏa thuận công nghệ với Unimation để phát triển robot công nghiệp sản xuất trong nước Đây là sự khởi đầu của kinh doanh robot công nghiệp của Nhật Bản Lịch sử này, đạt đến năm thứ 50 vào năm 2018, thực sự là lịch sử về cách thế giới đã sử dụng robot để sản xuất Một năm sau, vào năm 1969, Kawasaki đã cho ra mắt thành công robot chạy bằng thủy lực đầu tiên của Nhật Bản, Kawasaki Kawasaki-Unimate 2000 Tuy nhiên, đó là vào năm 1973, việc kinh doanh robot đã có một bước tiến đáng kể: Tập đoàn ô tô Toyota và Tập đoàn Nissan Motor quyết định sử dụng Kawasaki-Unimate để hàn điểm cơ thể tự động Quyết định này của hai nhà sản xuất ô tô nổi tiếng đã mở ra các trận lụt cho các ứng dụng robot trong ngành công nghiệp ô tô Nhật Bản Và bây giờ, Kawasaki đang tiết lộ một tầm nhìn mới liên quan đến hoạt động kinh doanh robot của mình trong 50 năm tới

Robot R series đang thiết lập chuẩn mực cho tất cả các robot công nghiệp cỡ nhỏ đến trung bình Thiết kế nhỏ gọn, cùng với tốc độ, phạm vi tiếp cận và phạm vi côngviệc hàng đầu trong ngành khiến cho R series Robots trở nên lý tưởng cho một loạt các ứng dụng trong vô số các ngành công nghiệp đa dạng

Robot Kawasaki RS006l Bộ điều khiển Robot

Robot Kawasaki RS006L là robot chuỗi có 6 bậc tự do Robot có khả năng sử lý cao và phạm vi chuyển động lớn nhưng lại có một kích thước tương đối nhỏ Vì vậy, Robot Kawasaki RS006L có thể được sử dụng trong nhiều công việc như tổ hợp, sử lý vật liệu, loại bỏ vật liệu, lắp ráp…

1.2.4 Cấu tạo và hình dáng

Nhờ vào khả năng sử lí nhiều công việc có độ khó cao, Kawasaki RS006l có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như:

Nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm ra quan hệ chuyển động của các khâugồm 2 bài toán là: Bài toán động học thuận và bài toán động học ngược Trong việc lậptrình cho robot điều cơ bản là đặt ra các yêu cầu về vị trí của điểm tác động cuối và hướngcủa 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 cácđạo hàm tương ứng của chúng xảy ra ở khâu chấp hành cuối cùng để đặt các yêu cầu vềhướng và vị trí, đó chính là các thông số hoạt động (bài toán động học thuận) hay từ yêucầu vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối tìm ra các thông số tương ứng của các khâutrước đó (bài toán động học ngược)

Tổng hợp động học chính là quá trình ngược lại của việc phân tích động học Trongtrường hợp này, nhà thiết kế cần đặt ra được những robot hay máy mới, điều đó đòi hỏinhững 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 thayđổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình học của robot

2.1 Xây dựng mô hình động học cho robot

2.1.1 Cơ sở xây dựng mô hình động học trên robot công nghiệp

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

=

=

2.1.2 Xây dựng phương trình động học

Ma trận thể hiện hướng và vị trí của tay kẹp so với hệ trục tọa độ gốc O0x0y0z0 là:

=

Bài toán động học thuận

Cho các giá trị biến khớp q1, q2, q3, q4 tìm ma trận toạ độ thực

Hệ phương trình động học thuận của robot

Bài toán động học ngược

Cho vị trí và hướng của bàn kẹp tức là biết ma trận tọa độ thực Cần phải xác định cácbiến khớp theo vị trí và hướng bàn kẹp

Mục đích của việc giải phương trình động học robot công nghiệp: để điều khiển tay máycủa robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì chúng ta phải tínhtoán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu

Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot

=

+ Từ phương trình của bài toán gốc:

- Giải hệ phương trình này ta nhận được các giá trị của biến khớp

Các phương pháp giải bài toán động học ngược:

a) Phương pháp giải tích:

Sử dụng các phép toán học giải tích để giải hệ phương trình để tìm giá trị của các biếnkhớp

b) Phương pháp số:

Phương pháp số GRG Nonlinear tích hợp trên Excel- một trong số nhưỡng phương pháp

số được sử dụng nhiều nhất, phương pháp này tìm giá trị gần đúng nhất của biến khớp màsai số của nó nằm trong phạm vi cho phép

- Viết lại phương trình tương đương:

=>

- Ta thấy vế trái không âm nên giá trị nhỏ nhất bằng không, tương đương với hệ phươngtrình trên thỏa mãn Đặt L bằng vế trái:

L=L1+L2+L3+L4

- Ở đây ta dùng MatLab và phương pháp GRG thực hiện trên Excel để giải bài toán

2.2 Giải bài toán động học cho Robot KAWASAKI RS006L

2.2.1 Tính toán động học thuận cho Robot KAWASAKI RS006L

c) Kích thước thực tế

*Chọn khoảng cách từ khâu cuối cùng đến tay kẹp là 240 mm

Bảng 2.1 Bảng D-H của Robot Kawasaki RS006L

− Ma trân 4x4 mô tả hướng và vị trí của hệ trục tọa độ gốc O1 đối với O0

− Ma trân 4x4 mô tả hướng và vị trí của hệ trục tọa độ gốc O2 đối với O1

− Ma trân 4x4 mô tả hướng và vị trí của hệ trục tọa độ gốc O3 đối với O2

− Ma trân 4x4 mô tả hướng và vị trí của hệ trục tọa độ gốc O4 đối với O3

− Ma trân 4x4 mô tả hướng và vị trí của hệ trục tọa độ gốc O4 đối với O3

− Ma trân 4x4 mô tả hướng và vị trí của hệ trục tọa độ gốc O4 đối với O3

− Ma trân 4x4 mô tả hướng và vị trí của hệ trục tọa độ gốc O6 đối với O0

− Kết quả của từng thành phần trong ma trận :

+

− Với kết quả như trên ta biết :

+ Vị trí tay kẹp mô tả qua vectơ P = ( t14 , t24 , t34 )

+ Hướng của tay kẹp được mô tả qua ma trận 3x3 :

2.2.2 Tính toán động học ngược cho Robot Kawasaki RS006l

a) Nhiệm vụ bài toán

Gắp vật theo đường gấp khúc từ vị trí điểm P1 đến vị trí điểm P4

-Bài toán động học ngược có nhiều cách giải, bởi với mỗi một loại robot khác nhau ta lại

có một cách giải khác nhau Nhưng nhìn chung ta có thể chia làm 2 cách : Giải bài toántheo phương pháp số và giải bài toán theo phương pháp giải tích

- Số bậc của robot tính toán càng nhiều thì số bộ càng nhiều và cách giải càng phức tạp.

Vì vậy có thể nói chưa có một phương pháp hay thuật toán nào tổng quát để cho ta lời giải

về tìm nghiệm của bài toán động học ngược một cách thỏa đáng

- Cơ sở của bài toán động học ngược cho robot ABB IRB 460 dựa trên phương phápGradient tổng quát (phương pháp giải số (GRG)- phương pháp áp dụng gần đúng cho một

+ Điểm P4 : vị trí làm việc đầu tiên của tay kẹp có hướng và vị trí mô tả qua ma trận 4x4 sau :

+ Điểm P12 : vị trí làm việc đầu tiên của tay kẹp có hướng và vị trí mô tả qua ma trận 4x4 sau :

b) Giải bài toán bằng excel

− Dữ liệu đầu vào bài toán :

− Dữ liệu đầu ra là các biến khớp q là: q1, q2, q3, q4, q5, q6

− Khởi tạo các giá trị ban đầu đều cho bằng 0:

+ q1, q2, q3, q4, q5, q6

+ a11, a12, a13, a14,a24,a34

− Các giá trị đã biết của các khâu:

+ a1,a2,a3,d1,d4,d6

− Tính tổng các hàm

+ L1= (Sx-A12)2

− Nhập dữ liệu bài toán

+ Các thành phần Sx, Ax, Ay, Px, Py, Pz được lấy từ ma trận T trong bài toán thuận.

+ Các thành phần a11, a12, a13 là hướng của tay kẹp

+ Các thành phần a14, a24, a34 là vị trí của tay kẹp trong không gian làm việc tươngứng với các điểm P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7,P8,P9,P10,P11,P12

− Dùng công cụ Solver để tính toán

+ Mở công cụ Solver : vào Data => Solver => Options