Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo robot tay máy ba bậc tự do RRR

1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT b Hệ số ma sát nhớt D-H Denavit-Hartenberg J Mô men quán tính L Điện cảm cuộn dây Kd Hệ số vi phân Ki Hệ số tích phân Kp Hệ số tỉ lệ M Mô men P Trọng lượng R Điện trở RC Servo Radio Control Servo ω Vận tốc góc ε Gia tốc góc 2 MỤC LỤC 3 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển như vũ bão. Nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật đã và đang được ứng dụng vào thực tiễn và đem lại những lợi ích to lớn, tạo ra những bước ngoặt cho sự phát triển của xã hội. Từ khi ra đời, Robot đã phát triển mạnh mẽ và đã góp phần đáng kể làm thay đổi bộ mặt của nền sản xuất – xã hội. Trong ứng dụng công nghiệp, từ những tay máy điều khiển từ xa cho ngành hoá phóng xạ ban đầu, ngày nay robot đã được sử dụng rộng khắp trong các lĩnh vực gia công, lắp ráp của nhiều ngành sản xuất như năng lượng, ô tô, máy bay, sản phẩm điện - điện tử… Trong nền sản xuất hiện đại, chúng ta không thể phủ nhận vai trò quan trọng của các robot công nghiệp trong các hệ thống sản xuất tự động . Robot công nghiệp giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giải phóng con người khỏi những công việc nguy hiểm hay những công việc nhàm chán trong quá trình sản xuất. Trong hệ thống sản xuất tự động, một robot công nghiệp có thể thực hiện các công việc như: vận chuyển sản phẩm, sơn, quét, lau chùi, … Trong lĩnh vực giáo dục, nghiên cứu về robot đang được đẩy mạnh thực hiện ở rất nhiều các trường đại học trên thế giới, ở nước ta hầu hết các trường kỹ thuật cũng đều được trang bị môn học robot công nghiệp tuy nhiên việc nắm bắt của sinh viên còn nhiều hạn chế do thiếu kỹ năng thực hành, vận dụng lý thuyết vào thực tế nên lĩnh vực robot của nước ta chưa phát triển. Trong nước mới có rất ít công ty phát triển về lĩnh vực này. Do đó robot là lĩnh vực rất cần được nghiên cứu và phát triển hơn nữa để ứng dụng nhanh vào đời sống kinh tế - xã hội của đất nước. Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp của học viên ngành cơ điện tử, được sự hướng dẫn tận tình của thầy Hoàng Quang Chính và thầy Hoàng Văn Tiến bộ môn Cơ điện tử và Robot đặc biệt – Học viện Kỹ thuật Quân sự. Tôi chọn đề tài “Thiết kế chế tạo robot tay máy ba bậc tự do RRR” để ứng dụng làm mô hình học cụ trong giảng dạy. 4 Đồ án được chia thành ba phần, bốn chương: Phần I: Mở đầu Phần II: Nội dung Chương 1: Tổng quan về robot tay máy Chương 2: Thiết kế cấu trúc động học của robot Chương 3: Thiết kế phần cứng robot Chương 4: Lập trình quỹ đạo và điều khiển robot Phần III: Kết luận Sau ba tháng thực hiện, đề tài đã hoàn thành, kết quả bước đầu khẳng định hướng nghiên cứu phù hợp với khả năng thực tế. Tuy vậy do khối lượng công việc nhiều, thời gian thực hiện ngắn nên đề tài có mặt còn hạn chế. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của các thầy trong bộ môn và hội đồng bảo vệ để đồ án của tôi hoàn thiện tốt hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy trong bộ môn Robot đặc biệt và Cơ điện tử đặc biệt là hai thầy hướng dẫn là thầy TS. Hoàng Quang Chính và thầy KS. Hoàng Văn Tiến đã tâm huyết hướng dẫn tôi hoàn thành đồ án của mình. Học viên thực hiện đồ án Đỗ Thành Nam 5 PHẦN I MỞ ĐẦU I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hiện nay, có nhiều loại robot được sử dụng trong sản xuất với nhiều bậc tự do, trong đó có robot ba bậc tự do kiểu RRR. Việc trang bị kiến thức về robot nói chung và Robot kiểu RRR nói riêng cho sinh viên kỹ thuật đặc biệt là sinh viên chuyên ngành cơ điện tử là rất cần thiết. Sinh viên cần phải được học tập, làm việc cùng với robot thật như trong sản xuất thực tế để nắm bắt vấn đề và đi vào vận dụng nhanh chóng có hiệu quả hơn. Các mô hình robot tay máy phục vụ giáo dục đào tạo đã được nhiều trường đại học trong và ngoài nước thực hiện khá nhiều. Tại Học viện Kỹ thuật Quân sự, đã được trang bị một số robot tay máy trong phòng thí nghiệm CIM, tuy nhiên số thiết bị này còn khá ít và đắt tiền chưa thể đáp ứng hết được yêu cầu và nội dung đào tạo vì tỉ lệ robot phục vụ dạy học so với tỉ lệ sinh viên, học viên còn khá thấp. II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Robot công nghiệp đã trở thành một môn học quan trọng trong chương trình đào tạo của các trường đại học trên thế giới, xuất hiện ngày càng nhiều công ty chuyên nghiên cứu sản xuất ra những robot dùng trong nền sản xuất công nghiệp, trong y học và trong các lĩnh vực khác của cuộc sống như: GENERAL MOTORS, HITACHI, MITSUBISHI, IBM,MOTOMAN, EPSON, PANASONIC, SONY, … Đặc biệt hơn hết là các robot được dùng trong giáo dục, chúng phải gần với thực tế sản xuất nhưng cũng phải mang nhiều tính khoa học sư phạm như: trực quan, dễ sử dụng, linh hoạt và phải được kết nối đa điều khiển để có thể đáp ứng nhiều hơn nhu cầu học tập, thực tập của người học. Vì vậy, các robot được ứng dụng trong học tập phải được kết nối với máy vi tính, phải có giao diện được lập trình và điều khiển thông qua máy tính. Nhưng số lượng các loại robot này không nhiều, chúng không được chú trọng trong các công ty sản xuất robot 6 công nghiệp trên thế giới. Mặt khác, chi phí cho một robot chuyên dùng trong giáo dục không phải là thấp. Vì vậy đã hạn chế phần nào cơ hội tiếp cận với robot cho sinh viên kỹ thuật. Tại Việt Nam, tỷ lệ robot phục vụ dạy học so với tỷ lệ sinh viên còn thấp hơn nhiều so với thế giới. Có nhiều trường đại học, cao đẳng kỹ thuật không thể trang bị robot dùng trong học tập của sinh viên. Các đề tài nghiên cứu về loại robot này trong các viện nghiên cứu, các trường đại học còn quá ít, chưa đạt thành tựu nhiều. Số lượng robot từ các đề tài này được đưa vào dạy học còn ít. III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục đích chính của đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TAY MÁY BA BẬC TỰ DO RRR” là: - Tìm hiểu, làm quen với việc nghiên cứu khoa học và áp dụng những kiến thức đã được trang bị vào thực tế. - Mặt khác việc nghiên cứu, thực hiện đề tài góp phần nâng cao kiến thức, tiếp cận được với những vấn đề của thực tế. - Cuối cùng là mục đích tạo ra mô hình robot tay máy thực tế làm mô hình thí nghiệm học tập và nghiên cứu cho sinh viên, học viên. IV. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Khảo sát các mẫu Robot đã có từ đó lựa chọn cấu trúc hợp lý để có thể triển khai chế tạo. Từ mô hình được lựa chọn, tính toán để giải các bài toán động học, động lực học, từ kết quả tính toán xây dựng chương trình mô phỏng để kiểm tra điều chỉnh cấu trúc tối ưu và cuối cùng là thiết kế chế tạo được mẫu robot tay máy ba bậc tự do RRR. V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ngoài sự hướng dẫn của người hướng dẫn đồ án các phương pháp nghiên cứu chủ yếu được sử dụng trong đề tài là: 7 Tham khảo tài liệu: Robot liên quan đến rất nhiều lĩnh vực như: cơ khí, điện – điện tử, đồ học máy tính, lập trình giao tiếp, … Vì vậy cần phải tham khảo nhiều loại tài liệu để có một nền tảng kiến thức hoàn chỉnh, có cái nhìn tổng quan chính xác về toàn bộ vấn đề chế tạo, điều khiển robot tay máy. Truy cập mạng Internet: Internet là một nguồn tài liệu phong phú và hữu ích cho con người. Nó chứa đựng những nguồn thông tin mới nhất, những tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật. Tự nghiên cứu: Sau khi đã tham khảo giảng viên hướng dẫn, tham khảo tài liệu và tìm thông tin trên Internet, tôi phải tự nghiên cứu để đưa ra và chọn phương pháp thiết kế, chế tạo và điều khiển cho robot tay máy. Phương pháp thử sai: Một trong những phương pháp để nghiên cứu cho kết quả đúng đắn hơn là phải trải nghiệm thực tế kiểm tra độ chính xác và đưa ra thông số điều khiển chính xác nhất. Hệ thống điều khiển: Là bộ phận đảm bảo sự hoạt động của robot theo các thông tin đặt trước. Giao diện điều khiển trên máy tính: Robot được điều khiển theo chương trình dựa trên phần mềm được lập trình và thực thi trên máy tính. Phần mềm lập trình bằng các ngôn ngữ cấp cao như: Basic, C, C++, Delphi, ….Trong đề tài này, phần mềm điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ C trên nền phiên bản Visual Basic và điều khiển thông qua cổng RS232 của máy tính. Phương pháp điều khiển: Điều khiển dạng vòng hở, đây là dạng điều khiển mà tín hiệu chỉ đi theo một hướng từ bộ điều khiển đến động cơ. Không có tín hiệu từ động cơ hoặc tải để cho bộ điều khiển biết rằng hành động hay chuyển động đã xảy ra. Vì vậy cần yêu cầu đảm bảo chính xác cả về cơ khí và kỹ thuật điều khiển. 8 PHẦN II NỘI DUNG CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT TAY MÁY Trong chương này sẽ trình bày sơ lược về lịch sử quá trình hình thành phát triển robot, các định nghĩa, phân loại về robot nói chung và robot tay máy nói riêng, ứng dụng của robot tay máy trong đời sống và các lĩnh vực khoa học kỹ thuật, sản xuất, quân sự… và xu hướng phát triển của robot công nghiệp. 1.1. Sơ lược quá trình phát triển của robot Robot là một thuật ngữ chỉ người lao công trong hệ ngôn ngữ X-la-vơ. Trong tiếng Nga, Robota có nghĩa là lao động, công việc. Thuật ngữ Robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất. Những Robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, trong đó Robot là tên của một loại máy tự động đã tiêu diệt ông chủ và chiếm lĩnh thế giới. Loại máy này giống con người, có khả năng làm việc gấp đôi người, có suy nghĩ và có cảm giác. Năm 1926, thuật ngữ Robot lần đầu tiên lên phim ảnh tại Đức, bộ phim mang tên Metropolis. Năm 1939, Robot đi bộ Elutoo và chú chó Sporko đã được triển lãm tại một hội chợ ở New York - Mỹ, thu hút được nhiều sự quan tâm của công chúng. Năm 1950, Isaac Asimov đã xuất bản cuốn sách “ I Robot ” bàn về các nguyên tắc thiết kế Robot với tư cách là một loại máy do con người chế tạo ra và có khả năng thay thế con người trong tương lai. Những Robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những Robot tay máy. Bởi vì vào năm 1948, trước nhu cầu tự động hóa ngày một lớn của các dây chuyền sản xuất và lắp ráp công nghiệp, một số loại tay máy đã được nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm tại các phòng thí nghiệm ở Mỹ, châu Âu và một số nước khác, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng 9 năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình. Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ). Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã thiết kế Robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình. Joseph Engelberger, người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của Robot công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển những thế hệ Robot điều khiển theo chương trình. Năm 1962, Robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors; và năm 1976 cánh tay Robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả (hình 1.1). Hình 1.1 Tay Robot trên tàu thám hiểm Viking 1 Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General Electric, sau nhiều năm nghiên cứu phát triển đã chế tạo một thiết bị biết đi và cho ra mắt sản phẩm robot bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suất gắn 100 mã lực (hình 1.2). 10 Hình 1.2 Robot 4 chân của hãng RS Mosher và hãng General Electric Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất (hình 1.3). Hình 1.3 Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1 Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế Robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 1.4). Robot [...]... tác tôi thiết kế sơ đồ cấu trúc động học của tay máy như hình 2.4 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc động học robot tay máy ba bậc tự do RRR không gian Tay máy thiết kế có dạng tọa độ cầu gồm 3 khớp bản lề ba bậc tự do gồm có ba khâu, các khớp nối giữa các khâu là các khớp quay loại 5 (còn gọi là 28 khớp bản lề) Khâu tác động cuối là tay gắp Tay gắp có kết cấu đơn giản được gắn cố định vào khâu ba của tay máy Với... thể ứng dụng đến robot nói chung và robot tay máy nói riêng Trong công nghiệp hầu hết sử dụng các robot tay máy để thực hiện các công việc như lắp ráp, phun sơn, hàn, cấp phôi… Đề tài tôi chọn là thiết kế chế tạo robot tay máy ba bậc tự do RRR mục đích để ứng dụng vào phục vụ thí nghiệm, giảng dạy các môn học về robot công nghiệp 24 CHƯƠNG II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐỘNG HỌC TAY MÁY Trong chương này... hiểu các vấn đề về đặc điểm thiết kế, phân tích tính toán để chọn kết cấu robot tay máy, sơ đồ cấu trúc, cấu trúc động học tay máy dựa trên các yêu cầu kỹ thuật, kiến thức đã được cung cấp qua các môn học, qua tìm hiểu tổng quan về robot tay máy 2.1 Yêu cầu kỹ thuật Để thiết kế robot tay máy ba bậc tự do RRR ta cần đặt ra các chỉ tiêu về yêu cầu kỹ thuật, chức năng nhiệm cụ của robot 2.1.1 Yêu cầu về chức... pháp thiết kế tối ưu 26 Giải pháp thiết kế robot theo nguyên tắc chia tách hệ thống robot thành các cụm, khối, modul để phân tích, so sánh, đánh giá chung sau đó xây dựng thành hệ thống tổng thể hoàn chỉnh Đa phần các hệ thống robot đều được cấu trúc ở dạng modul hóa Trên cơ sở đó tôi đã xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống robot tay máy ba bậc tự do như hình 2.2 ĐK máy tính Truyền tín hiệu Robot tay máy. .. tín hiệu điều khiển từ máy tính xuống vi điều khiển để điều khiển robot tay máy Khối Robot tay máy: Là phần cứng cơ khí bao gồm các khâu các khớp, động cơ của Robot tay máy Khối modul công tác: Là phần thực hiện chức năng công tác của Robot, bao gồm động cơ và phần cơ khí tay gắp Khối đối tượng: Là vật cần gắp Hoạt động của Robot: Cho trước quỹ đạo hoạt động của robot tay máy, máy tính sử dụng các hàm... phỏng hoạt động robot tay máy 3.1 Thiết kế các chi tiết cơ khí Dựa theo phần tính toán thiết kế sơ đồ cấu trúc động học như trình bày phần chương II tôi thiết kế các chi tiết cơ khí của tay máy như sau: 3.1.1 Thân đế robot Phần đế thân dưới của robot là nơi gá động cơ, bộ nguồn, mạch điều khiển nên yêu cầu có độ cứng vững nhất, trọng lượng lớn nhất so với các kết cấu khác của robot để tạo đối tải với... tay máy trong mặt phẳng 29 Hình 2.5 Các góc quay tay máy Không gian làm việc của robot tay máy phụ thuộc vào các góc quay và kích thước động học của các khâu Ta có vùng không gian hoạt động của tay máy như sau Hình 2.6 Không gian làm việc tay máy 30 Như vậy tay máy thiết kế đủ khả năng thực hiện được nhiệm vụ chức năng yêu cầu Hình 2.6 biểu diễn một lát cắt mang trục OZ của không gian hoạt động tay máy. .. sau chương 2 đã thiết kế được sơ đồ cấu trúc động học của robot, chọn được các thông số kích thước cũng như góc quay để đảm bảo thỏa mãn yêu cầu chức năng và các thông số động học của robot cần thiết kế 31 CHƯƠNG III THIẾT KẾ CÁC THÀNH PHẦN CỦA CÁNH TAY Trong chương này trình bày các vấn đề sau: - Thiết kế các chi tiết cơ khí cho robot; Lựa chọn động cơ dẫn động tại các khớp; Thiết kế bộ điều khiển;... Modul công tác Đối tượng Hình 2.2 Sơ đồ cơ cấu hệ thống robot tay máy Khối ĐK máy tính: Đây là khối có chức năng để điều khiển mọi hoạt động của robot tay máy Bao gồm máy tính, mạch vi điều khiển Khối này để tính toán động học, xây dựng hàm truyền, bộ điều khiển cho robot tay máy hoạt động theo quỹ đạo lập trình sẵn hoặc chạy trực tiếp dưới sự điều khiển ở chế độ bằng tay Khối truyền tín hiệu: Sử dụng... nghệ chế tạo Robot nhằm tạo ra sự tự động hóa trong quá trình sản xuất giảm đi sức lao động bằng chân tay của con người 1.2 Các định nghĩa về robot Có khá nhiều định nghĩa về Robot cho đến nay Năm 1986, McKerrow định nghĩa Robot là một loại máy móc cơ khí có thể lập trình để thực hiện một số công việc nào đó Schulussel (1985) lại định nghĩa Robot là một tay máy đa chức năng, khả trình được thiết kế để . Kỹ thuật Quân sự. Tôi chọn đề tài Thiết kế chế tạo robot tay máy ba bậc tự do RRR để ứng dụng làm mô hình học cụ trong giảng dạy. 4 Đồ án được chia thành ba phần, bốn chương: Phần I: Mở đầu Phần. cấu trúc tối ưu và cuối cùng là thiết kế chế tạo được mẫu robot tay máy ba bậc tự do RRR. V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ngoài sự hướng dẫn của người hướng dẫn đồ án các phương pháp nghiên cứu chủ. Tổng quan về robot tay máy Chương 2: Thiết kế cấu trúc động học của robot Chương 3: Thiết kế phần cứng robot Chương 4: Lập trình quỹ đạo và điều khiển robot Phần III: Kết luận Sau ba tháng thực hiện,