ị ^ NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỶ THUẬT I N G U Y Ễ N M Ạ N H T lẾ N PHÂN TÍCH VÀ DIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP N H À X U Ấ T B Ả N K H O A H Ọ C VÀ K Ỹ T H U Ậ T HÀ NÔI Chịu trách nhiệm xuất bản: Đ N G K H Á C SỦ N G T S N G U Y Ễ N h u y T IẾ N Biên tập: XUÂN DŨNG Trình b y bìa: NHÀ XUẤT BÀN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 Trần Hưng Đạo - Hà Nội In 300 khổ 16 X 24cm, Xí nghiệp In NXB Văn hóa Dân tộc SỐ đăng ký kế hoạch XB: 235 - 2012/CXB/327 - 13/KHKT, ngày 06/3/2012 Quyết định XB sô';46/QĐXB - NXBKHKT ỉn xong nộp lưu chiểu Quý I năm 2013 H ời n ói đ a u Thuật ngữ roboĩ xuất lấn đáu tiên nám 1920 đ ể nhản vật tưởng " có khả làm việc mềm dẻo khỏe gấp nhiều lần ngưìri "Nlián vật " đ ó đ ã thực vào năm 1960 năm 1961 Robot công nghiệp đ ã íúìg dụng (rong cơng nghiệp Trong dây chuyền sản xuất với mức độ tự động hóa cao, roboĩ cơng nghiệp đóng vai írị quan trọng việc gidm cường độ lao đ ộ n g c h o n g i l a o đ ộ n g , t ă n g n n g s u ấ t v đ ộ c h í n h X(ỈC g i a c ô / t g , g ó p p h ầ n t â n g chất lượng sô'lượng giám giá thành sản phẩm Cuốn sách *^Phán tích điểu khiển Robot cơng nghiệp” có ĩỉội dung phán tích, tính (ốn cấu khí roboĩ, cấu chấp hcinìì robot cơng nghiệp làm s ỏ cho phân tích, tlĩiết k ế hệ thống điều khiển cho robot theo nhiệm vụ cơng nghiệp Cuốn sách bién soạn theo đ ề cương môn học Robot chuyên ngành Tự động hóa - Trưcrng Đại học Bách kììoa Hà Nội dược Hội đồng Khoa học Trường thơng qua, Với mục đích biên soạn cho giáng dạy môn học Robot Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trường đại học, cao dẳng khác, sách gồm chương xếp theo ĩrình tự hợp li, có nội dung chuyên sảu lĩnh vực kỹ thuật robot công nghiệp Trong chương có ví dụ họa tập tự giải Chươtig - Tổng quan vê robot cơng nghiệp: Trình bày cách tổng quan lịch sử phái triển, đặc tính roboĩ cơng nghiệp kháu roboĩ công nghiệp với mô tá chi tiết vê cấu Ịạo cấu chuyển độttg, Chương hai - Đ ộng học vị trí robot: Trinh bày sở quan trọng động học vị trí phép biến đổi, mối quan hệ vị trí phận robot th ể hai tốn động học ílìuận động học ngược Chươììg - Động học vị trí vi sai: Đ ề cập vấn đ ề chuyển động vi sai robot, quan hệ dịch chuyển vi sai plìận robot ma trận lacobien robot Chươìig - Đ ộng lực học robot: Phân tích xảy diơìg phươĩig trình động lực học roboĩ đơn giản robot n nối ỵáy dựng dạng mô hình tốn học củ a hệ thống rohoĩ quan hệ mơmen lực tĩnh robot Chươìig - Thiết k ế q u ĩ đạo chuyển động: Phân tích sỏ phương pháp xáy dựìig qu ĩ đạo chuyển động roboĩ ỏ không gian khớp không gian tay với sô dạng q u ĩ đạo thông dụng, Chương - Điểu khiển chuyển động robot: Phân ĩich Ciĩii ĩrúc phương pháp ĩổng lìỢp hệ ỉliấ/ìịỊ (íuUi khiên cliuyến ííộỉỉiĩ írì^ kliơỉìíỊ Ịỉiaìi khcrp: Hệ ĩhống điêu kììiển dộc lập, hệ ỉlidỉìg íỉiéii klìiếỉỉ ĩập Ịì liỉìịị, hệ íỉìõniỊ cíỉcii khiển ỉliích nghi hệ tliấiìịĩ (liều khiếu khơng gian íay sửcluníỉ nưi trậỉỊ Jacol)ỉcfì clìuvển vị vc) nghịclì dáo Đúỉìlì giá chất lượỉtg lìệ ĩlìơíiíỉ cHéii klìién tltỏiìiỉ íỊita kếí mị phóng Chương - H ệ thống điếu khiển lực Triỉìlì hìíy VC cúc phmrng plìúp điểu khiên ¡ực kinh điển: Điểu khiên ìnr khcuì^ vủ (liều khiển hon lìỢp với mộỉ so kết qitâ m ổ ClìUơỉìg - Cơ cấu chấp hành cấu trúc hệ thốìĩg diéỉi khiển: Pliàtì ĩíclì dặc điểm vủ cấu trúc cùa lỉệ thổng Iruyen dộỉiiị sử diuìịị roboĩ cơìì^ nghiệp: hệ thống ĩlĩủy lực, khí nén vù hệ thốếìỉĩ, truiì dộng (liệii Mơ íà cấu trúc c lìu n g c ủ a h ệ tlìố n g đ iề u k h iể n c ù a r o b o t, Chương - c ả m biến robot: Mơ íả vê cấu ìạo, ỉỉguyèìỉ lí lciììì việc, đực tính ứng dụng Cíỉnỉ hiéh sử diỉỉ, ìroỊìịị robot gồm cck' cảm biển bêfi t r o n g v ccĩm b i ế n b é n ììgocĩi Sách dùng ¡ùm giáo trinh clỉíỉilì cho chuxén ngcuih Tự cíộii^ h()ü, ciln^ có th ể làm tài liệu học tập cho sinh viên s ố ngcinh ĩrong ngiitih Điện SC ỉigàtilì lién quan, làm tài liệtỉ íham khảo cho học Vỉêỉi cưo học, ỉìglìiẽn cứu sitili chun tìgảnlỉ Tự dộng hóa-Diéii khiến ĩự dộng, cho cúc cán hộ kĩ tlìiiậỉ vậh hành, thiết k ế hảo clưâng cúc hệ ĩlỉong diều khiển robot cơng tìỊịlnệp Tác gia b \ tỏ lịng biết ơĩì vê lìlĩữiỉịỉ địỉilỉ hưcỉỊìg có Giáo sư Nguyễỉ c ỏ n g Hiền chờ sách Tác giả cảm ơn dồng nglìiệp Bộ mân Tự đỘHị hóa xí nghiệp cơtíg nghiệp- Trưởng Đại học Búdì khoa Hù Nội dã klĩiíyêh khích động viên tác giả có đóng góp cho nội dung ciưin sách Túc giả đặc hiệi cám ơn vợ gia đình đ ã dùnh cho tác giả ílùti giaỉỉ ĩự klỉith khích động viên giúp đờ trìịỉ tììời gian viết sách Tuy đ ã dành nhiều thời gian suy ỉìgltĩ hiên soạn, song vcn biên soạn lch đáu, sách không thê tránlỉ kiwi thiếu sóì, tác ^iủ xin clìán tlừnìli cam ơỉ vá mong nhận sựcUmg góp V kiến hạn đọc Các ý kiểỉỉ đóng góp xin gửi Bộ niỏn Tự động lìóa xí nghiệp cơng nghiệp Triừrng Đại lìọc Bách Khoa Hà Nội, Nhà xiiấì Klìoa học Ví) Kỳ tlìuậí - 7( Trail Hưng Đạo Hà Nội rf^ A _ _Ị c g iá M ỤC LỤC Lời nối đẩu C hưưng T q u an robot còng n g h iệp 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Tự động hóa robot cơng nghiệp Lịch sử phát triển robot Các đặc tính robot cơng n g h iệ p 12 Hệ thống chuyển động ro b o t 14 Hệ thống điều khiển ro b o t 22 1.6 úhg dụng ro b o t 23 C hương Động học vị trí r o b o t 28 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Biểu diễn ma t r ậ n 28 Phép biến đ ổ i 33 Nghịch đảo ma trận phép biến đ ổ i 41 Khung tọa độ không gian làm việc cùa ro b o t 43 Động học thuận ngược cấu hình robot điển hình 45 2.6 Thiết kế khung tọa độ nối 54 2.7 Động học ngược robot 59 Bùi tập 64 Phụ lục 6 C hư ưng Động học vị trí vi s a i 76 3.1 Dịch chuyển vi sai khung tọa đ ộ 76 3.2 Quan hệ dịch chuyển vi sai cùa khung tọa độ 80 3.3 Quan hệ dịch chuyển vi sai robot không gian làm v iệ c 82 3.4 Ma trận Ja c o b ie n 85 3.5 Quan hệ ma trân Jacobien toán tử vi s a i 92 3.6 Ma trân iacobien nghịch đ o 93 Bài tập 98 C hương Động lực học ro b o t 100 4.1 ị.2 4.3 •i.4 ■1.5 Bài tốn động lực h ọ c 100 Phưcmg trình L ag ran g e 101 Phương trình động lực học cùa cấu robot n ố i .102 Phưcmg trình động lực học cùa robot n n ố i 108 Hệ phương trình trạng thái động lực học cùa robot n n ố i " 4.6 Động lực học cùa robot với cư cấu chấp h n h 118 4.7 Lực mômen tĩn h 122 Bài lập 125 C hương T h iết k ế quĩ đạo chuyển d ộ iiỊỉ 127 5.1 5.2 5.3 5.4 Khái n iệ m 127 Cơ sở thiết kế quĩ đạo ro b o t 129 Thiết k ế quĩ đạo không gian k h p 132 Thiết kế qul đạo cho tay robot tronghệ lọa độ Đccac 141 Bài t ậ p 149 C hương Điéu khiển chuvển động robot 130 Bài toán điều khiển chuyển đ ộ n g .150 6.2 Hệ thống điều khiến độc lập cáck h p 151 6.3 Hệ thống điều khiển lập tru n g .157 6.4 Hệ thống điều khiến thích n g h i 169 6.5 Hệ thống điều khiến không gian làm v iệ c 179 Bài t ậ p 183 Phụ l ụ c 184 C hương Đ iều khiển l ự c 188 7.1 Điểu khiển trở k h n g 198 7.2 Điều khiển hỗn h ợ p 197 Phụ lục 208 C hư ơng C cấu c h ấp hành cấu trú c hệ thông điều k h iể n 212 8.1 Các đặc tính cùa hệ thống cấu chấp h n h 212 8.2 Cơ cấu chấp hành thủy lực 215 8.3 Cơ cấu chấp hành khí n é n 220 8.4 Đông đ i ệ n 221 8.5 Cấu hình phần cứng hệ thống điều khiển 235 C hư ơng C ảm biến tro n g r o b o t 238 9.1 Các đặc tính cảm b iế n 9.2 Cảm biến vị t r í 238 240 9.3 Cảm biến đo lực m ô m en 245 9.4 Cảm biến khoảng c c h 248 9.5 Cảm biến lân c ậ n 250 9.6 Cảm biến tiếp x ú c 253 Phụ lục 255 Tài liệu tham k h ả o 268 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỂ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Tự động hố robot cơng nghiệp T huật ngữ robot có nguồn gốc từ khoa học viễn tường T "R obota" lần xuất năm 1920 m ột kịch nhà viết kịch người Tiộp Karel C apek, ơng m tả m ột "nhân vật" ứng xử người, có khả làm viộc khoẻ gấp đơi người, khơng có cảm tính, cảm giác người Sự phát triển lĩnh vực Robot b đầu từ 40 năm sau R obot định nghĩa dạng khía cạnh khác R obot coi m ột tay m áy có m ội vài bậc tự do, điều kh iển m áy tính M ột định nghĩa khác robot công nghiệp chấp nhận là: robot công nghiệp m ột cấu khí lập trình thực cơng việc có ích m ột cách tự động không cần giúp đ ỡ trực tiếp người H iệp hội nhà c h ế tạo - nhà sử dụng đưa định nghĩa robot sau; R obot m ột thiết bị thực chức bình thường người hợp tác m ột cách thơng m in h đ ể có trí tuệ người Trong Bách khoa toàn Ihư (phiên 7.0 1995) viết: "R obot định nghĩa m ột thiết bị tự điểu khiển hoàn toàn bao gồm phận điộn tử, điện k h í " T ự động hố (A utom ation) kỹ thuật Robot (R obotics) hai lĩnh vực có liên quan m ật thiết với nhau, v ể phương diện cơng nghiệp, tự động hố m ột công nghệ liên kết với sử dụng hệ thống khí, điện tử hệ thống m áy tính vận hành điều khién q trình sản xuất V í dụ, dây chuyển vận chuyển, m áy lắp ráp khí, thống điểu khiển phản hồi, m áy công cụ diều khiển chương trình sơ' robot N hư vậy, coi robot m ột dạng thiết bị tự động hố cơng nghiộp Có ba loại hệ thống tự động hố cơng nghiệp: Tự độ n g hố cơ' định, tự động hố lập trình tự động hố linh hoạt Tự động hoá c ố địn h sử dụng dủy chuyền sản xuất \'ới số lượng sảii phẩm lớn, cầii thiết kế thiết bị đăc biệt để sản xuất sản phẩm với số' lượng km hiệu suất cao Công nghiệp sản xuất ơtơ có thổ coi m ột ví dụ điển hình Tính kinh tế tự động hoá cố định cao giá thành thiết bị chuyên dụng chia cho số lượng lớn đcfn vị sản phẩm , dẫn đến giá thành m ột đơn vị sản phẩm thấp hem so với phưcmg pháp sản xuất khác Tuv nhiên vốn đđu tư hệ thống tự động hố cơ' dịnh cao số lượng sản phẩm nhỏ thiết kế, giá thành sản phẩm cao M ạt khác, thiết bị chuyên dùng thiết kế cho sản xuất m ột loại sản phẩm , sau chu kỳ sán phẩm kết thúc, thiết bị chuyên dụng trở thành lạc hậu Tự động hố lập trình sử dụng trình sản xuất với sản phẩm đa dạng số lượng sản phẩm tưcmg đối thấp Trong hệ thống tự động hoá này, trang thiết bị sản xuất thiết k ế để thích nghi với dạng sàn phẩm khác Chưcmg trình lập trình đọc vào thiết bị sản xuất ứng với loại sản phẩm cụ thể v ề khía cạnh kinh tế, giá thành trang thiết bị lập trình phân cho số lượng lớn sản phẩm , với loại sản phẩm khác T ự động hoá linh hoạt hoăc hệ thống sản xuất linh hoạt (FM S), hệ thống sản xuất tích hợp m áy tính (hình ) Ý tuởng dạng tự động hoá linh hoạt pháp triển áp dụng vào thực tế quãng 20-25 năm cho thấy phạm vi ứng dụng thích hợp q trình sản xuất có số lượng sản phẩm trung bình Dạng tự động hoá linh hoạt bao gồm đậc diểm hai dạng lự động hố cơ' định lập trình Nó cần lập trình cho loại sản phẩm khác nhau, số dạng sản phẩm khác hạn chế hcfn loại tự động hoá lập trình Hệ thống sản xuất bao gổni nhiều trạm làiỉì việc dật Iiối tiếp m ột dây chuyền M áy tính trung tâm hệ thống điều khiển trung tâm điểu khiển thời trạm hoạt động SỔ lượng sản phẩm 15000 —' VđH 500 cố định TĐH linh hoaT^ 15 — TĐH lâp trình 1 15 1 30 KK) ì số loại sản phẩm KXX) H inh 1.1 Quan hệ số loại số lượng sản phẩm ứng với dạng tự động hoá ... sách *^Phán tích điểu khiển Robot cơng nghiệp” có ĩỉội dung phán tích, tính (ốn cấu khí roboĩ, cấu chấp hcinìì robot cơng nghiệp làm s ỏ cho phân tích, tlĩiết k ế hệ thống điều khiển cho robot theo... chuyển động vi sai robot, quan hệ dịch chuyển vi sai plìận robot ma trận lacobien robot Chươìig - Đ ộng lực học robot: Phân tích xảy diơìg phươĩig trình động lực học roboĩ đơn giản robot n nối ỵáy...N G U Y Ễ N M Ạ N H T lẾ N PHÂN TÍCH VÀ DIỀU KHIỂN ROBOT CƠNG NGHIỆP N H À X U Ấ T B Ả N K H O A H Ọ C VÀ K Ỹ T H U Ậ T HÀ NÔI Chịu trách nhiệm xuất bản: Đ N G K