Giáo trình robot công nghiệp

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN VÀ XÂY DỰNG BẮC NINH GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: ROBOT CÔNG NGHIỆP NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ- CĐXD- ĐTHTQT ngày tháng….năm Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Bắc Ninh) Bắc Ninh, 2023 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Cuốn giáo trình “ Robot công nghiệp” biên soạn nhằm làm tài liệu phục vụ cho cơng tác dạy học giảng viên dùng làm tài liệu học tập dành cho sinh viên hệ cao đẳng nghề điện tử công nghiệp Nội dung tài liệu gồm trình bày theo trình tự mục tiêu thiết kế chương trình Trong đó: đầu nói cấu trúc chung Robot hoạt động tay máy; hướng dẫn sinh viên bước vào đường nghiên cứu hướng dẫn sinh viên tự lập trình, lắp ráp loại robot Đồng thời giáo trình biên soạn khơng túy lý thuyết mà lại hướng đến việc dạy học tích hợp cuối có phần câu hỏi ôn tập nhằm giúp người học củng cố kiến thức rèn luyện thêm kỹ Bắc Ninh, ngày….tháng… năm…… Tham gia biên soạn Chủ biên: Đinh Văn Mạnh Cộng tác viên: Đỗ Thị Hằng MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU .4 MỤC TIÊU MÔĐUN .6 Bài 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 12 1.1 Sơ lược trình phát triển .12 1.2 Các khái niệm Robot 22 1.2.1 Robot 22 1.2.2 Robotic .25 1.2.3 IR – Industrial Robot 26 1.3 Phân loại robot 29 1.3.1 Theo không gian làm việc: 29 1.3.2 Phân loại theo hệ 32 1.3.3 Phân loại theo điều khiển 36 1.3.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động .37 1.3.5 phân theo tính robot .40 1.4 Ứng dụng Robot .42 CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI .53 Bài 2: CẤU TRÚC CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 55 2.1 Sơ đồ khối cấu trúc Robot 55 2.2 Cấu trúc tay máy 61 2.2.1 Bậc tự tay máy .63 2.2.2 Tay máy toạ độ vuông góc 67 2.2.3- Tay máy toạ độ trụ 68 2.2.4- Tay máy toạ độ cầu 70 2.1.5- Tay máy toàn khớp lề SCARA 70 2.1.6 Cổ tay máy .71 2.1.7 Các chế độ hoạt động tay máy robot công nghiệp 73 2.2 Hệ thống truyền dẫn động 74 2.2.1 Hệ truyền động điều khiển điện 74 2.2.2 Hệ truyền động điều khiển thủy lực 78 2.2.3 Hệ truyền động khí nén 81 2.4 Hệ thống điều khiển 83 2.5 Tay gắp Robot 85 CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 87 Bài 3: MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT 90 3.1 Hệ tọa độ quỹ đạo 90 3.1.1 Hệ trục tọa độ 90 3.1.2 Quỹ đạo 96 3.2 Phương trình động học Robot 98 3.3 Chuyển động Robot .105 3.3.1 Robot di chuyển dùng bánh xe .105 3.3.2 Robot di chuyển dùng bánh xích 106 3.3.3 Robot di chuyển dùng chân 107 3.3.4 Robot bay .109 3.3.5 Robot Lặn/tàu/thuyền .109 3.3.6 Robot lai 110 3.3.7 Cánh tay & gắp .111 3.4 Động lực học Robot 111 CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 115 Bài 4: GIỚI THIỆU MỘT SỐ ROBOT ĐƠN GIẢN 132 4.1 Robot dò đường 132 4.1.1 Thế robot dò đường? 132 4.1.2 Cấu trúc chung cho robot dò đường đơn giản 134 4.1.3 Cơ chế hoạt động robot dò đường 138 4.1.4 Hướng dẫn thi cơng robot dị đường 140 4.1.5 Tiến hành lắp ráp 143 4.1.6 Lập trình cho robot dò đường 145 4.2 Robot điều khiển từ xa 155 4.2.1 Wifi 156 4.2.2 Bluetooth 166 4.2.3 Sóng RF 167 4.3 Cánh tay robot 170 CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI .171 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .172 TÀI LIỆU THAM KHẢO 174 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: Robot cơng nghiệp Mã số mô đun: MĐ 29 I Vị trí, tính chất mơ đun - Vị trí: Mơđun bố trí dạy sau học xong mơn như: Kỹ thuật cảm biến, Điện tử công suất, Vi điều khiển, PLC, Điều khiển điện, khí nén - Tính chất: Là mơ đun chun mơn ngành Điện tử cơng nghiệp - Ý nghĩa vai trị mơđun: Giúp cho sinh viên hiểu biết loại robot từ lịch sử hình thành phát triển loại robot Từ trang bị cho sinh viên kiến thức khái niệm, cấu trúc, vận hành, ứng dụng số loại robot thị trường II Mục tiêu mô đun: - Kiến thức: + Trình bày khái niệm Robot + Trình bày số ứng dụng Robot thực tế + Nhận dạng loại Robot + Trình bày sơ đồ khối cấu trúc Robot + Trình bày chức thành phần cấu trúc tay máy Robot cơng nghiệp + Trình bày hệ thống truyền động, hệ thống điều khiển cấu trúc tay máy + Phân tích dạng chuyển động Robot; +Thiết lập giải toán động lực học thuận- nghịch; + Trình bày cấu trúc robot cơng nghiệp + Phân tích q trình hoạt động robot dùng công nghiệp - Kỹ năng: + Biểu diễn phương trình chuyển động Robot; + Vận hành robot công nghiệp qui trình kỹ thuật + Bảo dưỡng, sửa chữa, thay số chi tiết hư hỏng robot công nghiệp - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn tính cẩn thận, khả sáng tạo khoa học; + Hình thành lịng u nghề tác phong công nghiệp Nội dung mô đun Bài 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT  Giới thiệu Trong giới thiệu tình hình phát triển robot lĩnh vực công nghiệp trải qua thời kỳ thời kỳ 4.0 nhờ công nghệ IoT (InternetOf Things) nhờ kết nối vật lại với lúc nơi thơng qua phương thức Internet Cuốn giáo trình trình bày chương khái niệm Robot, cách phân loại robot cho biết tầm quan trọng robot trongnhiều lĩnh vực: công nghiệp, dân dụng, quân sự, y tế, giải trí, với ví dụ liên quan thực tế nhằm tạo hứng thú cho sinh viên trình học tập nghiên cứu  Mục tiêu - Trình bày giai đoạn phát triển Robot; - Phát biểu quan niệm ROBOT; - Trình bày cách phân loại Robot theo phần; - Nêu lên vai trò ứng dụng Robot thực tiễn; - Về thái độ: hứng thú, động lực say mê học tập  Nội dung 1.1 Sơ lược trình phát triển Trở lịch sử trình phát triển ngành cơng nghiệp thấy phát triển cơng nghiệp trải qua bốn giai đoạn chính, từ máy móc đơn giản máy móc tinh vi, thơng minh phức tạp Hình 1.1: Lịch sử cách mạng công nghiệp  Giai đoạn I: Diễn vào khoảng cuối kỉ 18 đầu kỉ 19 Cuộc cách mạng công nghiệp bắt đầu phát triển sản xuất hàng hóa ngành cơng nghiệp dệt Sau đó, thương mại phát triển thuận lợi cho đời kênh đào giao thông đường sắt Động nước đưa đến gia tăng suất lao động đột biến Sự phát triển máy móc hai thập kỉ đầu kỉ 19 đưa đến chế tạo máy móc phục vụ cho ngành sản xuất khác Hình 1.2: Động nước tàu hỏa dùng nước James Watt (19 tháng năm 1736 – 19 tháng năm 1819) nhà phát minhngười Scotland kỹ sư có cải tiến cho máy nước mà nhờ làm tảng cho Cách mạng cơng nghiệp Ơng đưa khái niệm mã lực đơn vị SI lượng watt đặt theo tên ông Nhà bác học James Watt Năm 1705 Niucômanh phát minh máy nước Niucômanh Watt phát máy nước Niucômanh dùng rộng rãi có nhiều điểm cần 10 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản 4.2.3 Sóng RF Dùng module RF để phát nhận tín hiệu điều khiển Hình 4.38: Mạch thu phát RF 433 MHzRobot điều khiển từ xa dùng sóng RF sau lắp ráp xong Hình 4.39: Robot điều khiển sóng RF 129 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản 4.3 Cánh tay robot Cánh tay robot phổ biến điểm bật nhắc tới ngành robot, đượcứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Khoa học kỹ thuật ngày tiên tiến, loại robot liên tục nâng cấp từ loại robot nâng, chuyển vật nặng giúp người robot có phản xạ gần người xuất Hình 4.40: Sản phẩm cánh tay giả Lê Mạnh Trường (học sinh lớp 11A8, trường THPT Bùi Thị Xuân, TP.Đà Lạt, tỉnh Lâm Đồng) Trong hệ thống công nghiệp cánh tay robot hữu dụng, chúng thường có chức nâng, hạ sản phẩm băng chuyền sản xuất, để hàn điện, phun sơn, lắp ráp máy móc to, nặng 130 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản Hình 4.41 : Ứng dụng cánh tay robot công nghiệp Cánh tay robot chuyển động thông qua phận truyền động, có ba loạitruyền động: điện – khí nén – thủy lực Các bước thực để tạo cánh tay robot đơn giản Chuẩn bị vật liệu: 131 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản Hình 4.42: Các thành phần chế tạo cánh tay robot Khung tay robot SSC-32 Servo controller : + Arduino + 5v Power supply Hình 4.43 : Kết nối Arduino với SSC-32 servo controller 132 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản Nối Arduino với SSC-32 đơn giản, nối chân TX Arduino với chân RX SSC-32 (dây đỏ), nối chân GND arduino với chân GND SSC-32 (dây đen) Sau nối thành công, thiết lập tốc độ truyền thơng baudrate 9600 để hai mạch giao tiếp với Hình 4.44: Cách thiết lập baudrate cho SSC-32 Chỉnh công tắc theo (giá trị 01) để đạt tốc độ truyền thông 9600 tương ứng Tiếp theo nối servo vào mạch SSC-32: Hình 4.45 : Vị trí lắp đặt servo 133 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản Nối dây servo đến mạch SSC-32 vào chân tùy thuộc vào cách thiết lập lập trình Ở kết nối servo với SSC-32 sau: Servo - Pin A 16 B 19 C 20 D 15 E 14 F Thiết lập nguồn: Dùng nguồn 5v để cấp cho servo thông qua chân power supply SSC-32 (chân dành cho nguồn nuôi servo) Nguồn cấp cho arduino mạch SSC- 32 nguồn máy tính qua dây USB Hình 4.46 Board mạch nguồn 5V để ni servo Lập trình: Sau đoạn code demo cho tay robot gắp vật bàn đặt lên giá (thùng chứa) 134 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản Đoạn Code sau : void setup() { Serial.begin(9600); //thiết lập kênh giáo tiếp tần số baudrate 9600 } void homes()// vị trí mặc định { Serial.println("#7 P1000 T500"); // di chuyển servo vị trí số với xung 1000 thời gian di chuyển 500ms (từ vị trí đầu tới vị trí xung 1000) delay(1000); Serial.println("#4 P1300 T500");delay(1000); Serial.println("#15 P2350 T500");delay(1000); Serial.println("#19 P1000 T500");delay(1000); Serial.println("#16 P500 T500");delay(1000); } void foward()//di chuyển cánh tay tới trước { Serial.println("#20 P1200 T1000");//di chuyển servo trỏ tới vị trí 1200 delay(1000); Serial.println("#19 P1300 T1000");// di chuyển servo vai tới vị trí 1400delay(1000); Serial.println("#15 P1800 T1000");// di chuyển servo cổ tay tới vị trí 1800 135 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản delay(1000); } void back1()//di chuyển tay sau { Serial.println("#19 P1000 T500");delay(1000); Serial.println("#15 P2350 T500");delay(1000); } void back2()//di chuyển tay sau { Serial.println("#15 P2330 T500");delay(500); Serial.println("#16 P1500 #19 P1000 #20 P1200 T1000");// dùng “group move” : di chuyển đồng loạt servo vị trí đế-1500, vai-1000, trỏ-1200 1000ms delay(500); } void lift()//nâng lên { Serial.println("#16 P2400 #19 P1300 #20 P1700 T1000"); delay(1000); } void grip()//gắp vật { 136 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản Serial.println("#7 P1550 T500");delay(1000); } void drop()//thả vật { Serial.println("#15 P1900 T500");// di chuyển servo cổ tay tới vị trí 1900delay(1000); Serial.println("#7 P1000 T1000");delay(500); } void turnC()//quay cánh tay theo chiều kim đồng hồ (CW) { Serial.println("#16 P500 T1000");delay(1000); } void turnA()//quay cánh tay ngược chiều kim đồng hồ (ACW) { Serial.println("#16 P2400 T1000");delay(1000); } void halfturn()//quay cánh tay theo chiều kim đồng hồ (CW) { Serial.println("#16 P1500 T1000");delay(1000); } void loop() 137 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản { //Sắp xếp vào cho vào vòng lặp để chạy demo robot gắp vậthomes(); delay(1000); foward(); delay(1000); grip(); delay(1000); back1(); delay(1000); halfturn(); delay(500); lift(); delay(2000);drop(); delay(1000);back2(); delay(500); } 138 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI Câu 1: Trình bày thành phần thiết bị dùng để chế tạo Robot dị line? Câu 2: Giải thích ngun lý hoạt động thành phần robot dị line ? Câu 3: Các bước tiến hành lắp ráp kết nối sơ đồ chân cho robot dò line? Câu 4: Trình bày thành phần thiết bị dùng để chế tạo Robot điều khiển sóng RF? Câu 5: Giải thích nguyên lý hoạt động thành phần robot điều khiển sóng RF? Câu 6: Các bước tiến hành lắp ráp kết nối sơ đồ chân cho robot điều khiển bằngsóng RF wifi? Câu 7: Trình bày thành phần thiết bị dùng để chế tạo cánh tay Robot bậc tự do? Câu 8: Giải thích nguyên lý hoạt động thành phần cánh tay Robot4 bậc tự do? Câu 9: Các bước tiến hành lắp ráp kết nối sơ đồ chân cho cánh tay Robot bậctự do? Câu 10: Để đơn giản hóa nội suy thực theo kiểu: a Digital b Direct c Analog d Indirect Câu 11: Việc thực nội suy theo biên dạng gồm: a Parabol tròn b Analog digital c Direct indirect 139 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản d Phi tuyến tuyến tính 140 Bài 4: Giới thiệu số Robot đơn giản Câu 12: Các hệ CNC nội suy theo mức: a Đường thẳng đường cong b Nội suy tinh nội suy thô c Mức cao mức thấp d Nội suy hội tụ phân kỳ Câu 13: Nội suy tinh là: a Nội suy tuyến tính điểm đầu điểm cuối b Nội suy phi tính điểm đầu điểm cuối c Nội suy tuyến tính điểm trung gian d Nội suy phi tính điểm trung gian Câu 14 : Phương pháp phổ biến để huấn luyện cho mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp a Lược đồ xám (Histogram) b Tính tổng chập c Thuật Tốn Lan Truyền Ngược Back Propagation d Thuật toán xếp so sánh Câu 15: Nguồn động lực cấu chấp hành là: a Điện b Khí nén c Thủy lực d Kết hợp điện, khí nén thủy lực Câu 16: Trong tay máy robot khớp dùng phổ biến là: a Ít phải có khớp trượt b Khớp xoay 1800 c Khớp tịnh tiến d Khớp trượt khớp quay 141 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Alternating Current ADC analog to digital converter Ardui no IDE CSS Arduino Integrated Environment Cascading Style Sheets DAC Digital to analog converter DC Direct current IR Sensor InfraRed sensor IoT Internet Of Things HTM L PLC HyperText Markup Language Programable Logic Control PWM Pulse width modulation RF Radio Frequency RGB Red –Green – Blue UAV Unmanned Aerial Vehicle VOM Volt - Ohm - Milliam meter Development Trang 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Đào Văn Hiệp ( 2006), “Kỹ thuật Robot”, NXB KH&KT [2] Nguyễn Thiện Phúc (2006), “Robot cơng nghiệp”, NXB KH&KT [3] Lê Hồi Quốc (2001), “Nhập môn robot công nghiệp – Tập 1”, NXB KH&KT Trang 143