ĐIều khiển robot 3 bậc tự do

ĐIều khiển robot 3 bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO THỰC TẬP ROBOT THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT BẬC TỰ DO SVTH1: Lê Thành Trung SVTH2: Lê Toàn Gia Khánh GVHD: TS Nguyễn Văn Thái TPHCM, Tháng 1, Năm 2022 MSSV: 18151137 MSSV: 18151191 LỜI CẢM ƠN Sinh viên thực đề tài xin chân thành cảm ơn: Quý Thầy Cô khoa Điện – Điện Tử khoa Đào tạo Chất lượng cao Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, tận tình dẫn, truyền đạt kiến thức tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên suốt trình học tập vừa qua Đặc biệt thầy TS Nguyễn Văn Thái tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để nhóm thực hồn thành đề tài mơn học Tuy cố gắng tìm hiểu, học tập chắn nhóm khơng tránh khỏi thiếu xót, nhóm mong nhận thông cảm thầy Tp.HCM, Tháng năm 2022 Sinh viên thực Lê Thành Trung Lê Toàn Gia Khánh NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo viên hướng dẫn MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sự phát triển robot công nghiệp 2.2 Ứng dụng cánh tay robot trình sản xuất 2.3 Phân loại robot công nghiệp .5 2.3.1 Phân loại theo kết cấu 2.3.2 Phân loại theo điều khiển 2.3.3 Phân loại theo ứng dụng 2.4 Cấu trúc robot công nghiệp 2.4.1 Các thành phần robot cơng nghiệp 2.4.2 Kết cấu tay máy 2.5 Bậc tự cấu robot .11 2.6 Quy tắc Denavit Hartenberg (D-H) 12 2.7 Bài toán động học robot 14 2.7.1 Động học thuận robot .14 2.7.2 Động học nghịch robot 15 2.8 Động bước 15 CHƯƠNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH ROBOT BẬC TỰ DO 19 3.1 Tính tốn thiết kế 19 3.1.1 Yêu cầu thiết kế 19 3.1.2 Yêu cầu điều khiển .20 3.2 Thiết kế solid cho robot 20 CHƯƠNG TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC ROBOT 23 4.1 Tính toán động học cho robot 23 4.1.1 Tính tốn động học thuận .23 4.1.2 Tính toán động học nghịch 24 CHƯƠNG THI CƠNG MƠ HÌNH 26 5.1 Thi công lắp ráp robot 26 5.1.1 Linh kiện khí 26 5.1.2 Linh kiện điều khiển .27 5.2 Giao diện điều khiển 31 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 32 6.1 Kết đạt 32 6.2 Nhận xét 34 Chương 1: Tổng Quan Đề Tài CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật giới nước ta nay, việc ứng dụng cơng nghệ mới, máy móc vào dây chuyền sản xuất tiêu chí đánh giá phát triển kinh tế quốc gia Trong cách mạng công nghiệp 4.0, robot ngày trở thành phần thiết yếu sống Robot không thay người việc đáp ứng nhu cầu thao tác liên tục lặp lại, mà thực tác vụ thông minh người thực Bởi sở hữu tốc độ nhanh trí thơng minh nhân tạo, robot dễ dàng hồn thành nhiệm vụ thăm dò, làm việc nơi nguy hiểm, cứu người tai nạn, lĩnh vực chuẩn đoán thuốc Tại Việt Nam, thị trường Robot công nghiệp cho phát triển mạnh thời gian tới Robot công nghiệp tăng trưởng nhiều ngành: Sản xuất ô tô (83%), Việt Nam chuyên gia đánh giá thị trường tiềm Robot công nghiệp với nhiều nhà máy sản xuất sử dụng Robot như: Vinfast, Thaco… Để hoàn thành nhiệm vụ vậy, robot cần điều khiển tốt để giải yêu cầu giao khía cạnh độ xác đáp ứng nhanh Tuy nhiên, điều kiện hoạt động thực tế phức tạp khác trở ngại việc thiết kế điều khiển có độ xác cao cho hệ thống robot Trong dây chuyền công nghiệp, việc kiểm tra bề ngồi sản phẩm vơ quan trọng Để đạt suất cao tránh sai sót chủ quan người việc tự động hóa khâu kiểm tra bề thay người việc cần thiết Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm tiến hành thực mơ hình cánh tay máy robot bậc tự do, thực chuyển động người điều khiển máy tính điều khiển chương trình nạp sẵn chip bo mạch Hệ điều khiển robot đảm bảo ổn định động tĩnh, chống nhiễu ngồi, đồng thời khơng gây tác hại mơi trường Báo Cáo Đồ Án Robot Trang 1.2 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu chế tạo hệ thống robot bậc tự Cụ thể sau: - Thiết kế mơ hình cánh tay robot bậc tự với khả hoạt động ổn định tối ưu so với mơ hình cánh tay robot bậc tự trước - Chế tạo cánh tay robot bậc tự gồm khớp xoay để di chuyển đến vị trí khơng gian Oxyz - Nghiên cứu điều khiển góc quay động bước cho khớp cánh tay robot Arduino Uno - Tính tốn động học thuận động học nghịch cánh tay robot để điều khiển robot tới vị trí mong muốn - Độ linh hoạt cao dễ dàng tháo lắp sửa chữa Thiết kế tối ưu, nhỏ gọn, thẩm mỹ hợp lí hoạt động ổn định, dễ thao tác sử dụng Xem xét chọn mơ hình hệ thống, thiết bị phù hợp để thiết kế hệ thống Đảm báo chi phí, chất lượng an tồn - 1.3 Nội dung nghiên cứu Đồ án bao gồm nội dung sau:       Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế mơ hình robot bậc tự Chương 4: Tính tốn động học robot Chương 5: Thi cơng mơ hình Chương 6: Kết nhận xét Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sự phát triển của robot công nghiệp  Trên giới Thuật ngữ Industrial Robot (IR) xuất Mỹ công ty AMF (American Machine and Foundry Company) đưa ra, mô thiết bị có dáng dấp có số chức tay người điều khiển tự động, thực số thao tác sản xuất có tên gọi “Versatran” Q trình phát triển Robot cơng nghiệp tóm tắt sau: - - Năm 1950 Mỹ thành lập viện nghiên cứu Đầu năm 1960 công ty AMF cho đời sản phẩm có tên gọi Versatran Từ năm 1967, Anh, người ta bắt đầu nghiên cứu chế tạo IR theo quyền Mỹ Từ năm 1968, Châu Á, Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR Từ năm 1970, việc nghiên cứu tính robot ý nhiều bắt đầu xuất nước Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển Từ năm 1980, vào năm 1990, áp dụng rộng rãi tiến vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng với nhiều tính vượt bậc Chính mà robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất tự động đại Đến nay, giới có khoảng 200 cơng ty sản xuất IR số bao gồm: - - 30 cơng ty Mỹ, ta lấy số cơng ty điển hình như: Robots.Pro, Vecna Robotics, Robot Dynamics… với sản phẩm tiếng như: robot lấy sách tự động, robot HOAP-3, robot BEAR, robot tự hành spirit and Opportunity… 80 công ty Nhật Bản, ta lấy số cơng ty điển hình: Fanuc, Toyota, Honda, Kawasaki, Yasukaawa… Cùng với sản phẩm robot Báo Cáo Thực Tập Robot Trang áp dụng phổ biến như: robot Asimo, robot EMIEW 2, robot chơi vĩ cầm, robot phẫu thuật Ngoài ra, giới cịn có 90 cơng ty Tây Âu số công ty Nga, CH Séc… Do đó, ta thấy robot lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng thiếu nước phát triển  Tại Việt Nam Hình 2.1: Robot hàn ứng dụng cơng nghiệp Nghiên cứu phát triển robot có bước tiến đáng kể 25 năm vừa qua Nhiều đơn vị toàn quốc thực nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng robot như: Trung tâm Tự động hóa – Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử - Tin học, Viện Khoa học Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN Bên cạnh đó, cịn phải kể đến Cơng ty Cổ phần Robot TOSY doanh nghiệp thiết kế chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trường quốc tế Các nghiên cứu động học động lực học robot khoa khí, chế tạo máy trường đại học viện nghiên cứu quan tâm Ngồi việc tìm phương pháp giải toán liên quan đến học loại robot nối tiếp, song song, di động, chương trình mơ kết cấu chuyển động 3D áp dụng phát triển để minh họa phục vụ cho phân tích, thiết kế robot Lĩnh vực điều khiển robot phong phú, từ phương pháp điều khiển truyền thống PID, phương pháp tính mơ men, phương pháp điều khiển trượt đến phương pháp điều khiển thông minh như: Điều khiển sử dụng mạng nơ-ron, logic mờ, thuật gen phương pháp điều khiển tự thích nghi, phương pháp học robot, hệ visual servoing 2.2 Ứng dụng cánh tay robot trình sản xuất Ứng dụng cánh tay robot công nghiệp đa dạng, tuỳ thuộc vào ngành nghề, công việc khác mà ta áp dụng robot cơng nghiệp riêng biệt Dưới ta có số ngành hệ thống sản xuất mà áp dụng robot công nghiệp - - - Công nghiệp đúc: Cánh tay robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khn, cắt mép thừa, làm vật đúc làm tăng bề mặt vật đúc băng cách phun cát Ngành gia công áp lực: Các trình hàn nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc độc hại nhiệt độ cao, điều kiện làm việc nặng nề, dễ gây mệt mỏi phân xưởng rèn dập Ngành gia công lắp ráp: Cánh tay robot thường sử dụng vào việc tháo lắp phôi sản phẩm cho máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động 2.3 Phân loại robot công nghiệp 2.3.1 Phân loại theo kết cấu Robot công nghiệp phân loại theo kết cấu bao gồm: - Robot chuỗi: Là chuỗi động học hở với khâu cố định gọi đế khâu động, khâu động bố trí nối tiếp với Mỗi khâu động liên kết hay nối động với khâu khác nhờ khớp liên kết Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý hoạt động động bước Bên động bước có cuộn dây Stator xếp theo cặp đối xứng qua tâm Rotor nam châm vĩnh cửu có nhiều Động bước hoạt động sở lý thuyết từ trường cực dấu đẩy cực khác dấu hút Từ trường Stator dòng điện chạy qua lõi cuộn dây tạo ra, hướng dịng thay đổi cực từ trường thay đổi theo gây nên chuyển động đảo chiều động Động bước làm việc nhờ chuyển mạch điện tử đưa tín hiệu vào Stator theo thứ tự tần số định Số lần chuyển mạch tổng số góc quay Rotor, chiều quay tốc độ quay rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi Động bước sử dụng điều khiển vịng hở (khơng phản hồi) không cần trang bị cảm biến để phản hồi vị trí vận tốc xung tác động thiết kế kiểm soát để rotor động bước quay góc xác định Ưu nhược điểm: - Khi dùng động bước không cần mạch phản hồi cho điều khiển vị trí vận tốc Thích hợp với thiết bị điều khiển số Với khả điều khiển số trực tiếp, động bước trở thành thông dụng thiết bị điện tử đại Tuy nhiên phạm vi ứng dụng động bước vùng công suất nhỏ trung bình Việc nghiên cứu nâng cao cơng suất động bước vấn đề quan tâm Các thông số động bước: - Góc quay Động bước quay góc xác định ứng với xung kích thích Góc bước θ nhỏ độ phân giải vị trí cao Số bước s thông số quan trọng: 360◦ s= � - Tốc độ quay tần số xung: Tốc độ quay động bước phụ thuộc vào số bước giây Đối với hầu hết động bước, số xung cấp cho động số bước (tính theo phút) nên tốc độ tính theo tần số xung f Tốc độ quay động bước tính theo cơng thức sau: n = 60� (f: bước/phút)/(s: bước/vịng) � Trong đó: n – tốc độ quay (vòng/phút) f – tần số xung (Hz) s – số bước vịng quay Ngồi cịn thơng số quan trọng khác độ xác vị trí, momen quán tính động cơ, Các loại động bước tuỳ theo kiểu roto, động bước chia thành loại sau: - Động bước kiểu từ trở biến đổi (VR: Variable Resistance) Động bước nam châm vĩnh cữu (PM: Permanent Magnet) Động bước kiểu lai (Hybrid) tuỳ theo số cuộn dây độc lập stato động bước chia thành loại: pha, pha pha Roto động bước có nhiều cực (còn gọi răng) Số cực roto phối hợp với số cực stato xác định giá trị góc bước θ Phần lớn động bước có số bước s = 200, nên θ = 1,80 Số bước lớn độ phân giải cao định vị xác Nhưng thực tế, tăng số bước lên cao Tuy nhiên dùng cơng nghệ vi bước để chia bước thành bước nhỏ Phương pháp tạo nhiều vị trí trung gian cách cung cấp giá trị dòng khác cho cuộn dây Động tạo bước nhỏ có độ phân giải tinh nhiều Ví dụ động có số bước 200 bước/ vịng dùng vi bước để chia nhỏ đạt tới 200*4 = 800 bước/vịng Chương 3: Thiết Kế Mơ Hình Robot Bậc Tự Do CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ROBOT BẬC TỰ DO 3.1 Yêu cầu thiết kế - Quá trình thiết kế gồm cơng đoạn nhỏ để hình thành nên mơ hình cánh tay robot - Thiết kế bao gồm khớp xoay - Vật liệu khí thiết bị điều khiển thực chắn, nhẹ, dễ sử dụng 3.2 Thiết kế solid cho robot Hình 3.1 Mơ hình robot thiết kế Solidworks Báo Cáo Thực Tập Robot Trang 19 Chương 4: Tính Tốn Động Học Robot CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC ROBOT 4.1 Tính tốn động học cho robot 4.1.1 Tính tốn động học thuận Hình 4.1 Chọn hệ trục tọa độ góc quay khớp robot Dựa vào hệ trục toạ độ lập hình 4.1, ta có bảng D-H sau ��− � 90 ��−� di � L1 θ1 L2 θ2 L3 θ3 Bảng 4.1 Bảng D-H Báo Cáo Thực Tập Robot Trang 23