Tính toán động học và điều khiển robot scara1

Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA Mục lục Lời nói đầu .6 Chơng I Những kiến thức sở Robot công nghiệp .7 I Lịch sử phát triĨn robot c«ng ngiƯp II Định nghĩa phân loại Robot .8 II.1 Định nghĩa Robot .8 II.2 Phân loại .9 III.øng dơng Robot c«ng nghiƯp .12 III.1 Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp 12 III.2 C¸c lÜnh vùc øng dơng Robot c«ng nghiƯp .13 IV HƯ thèng Robot 13 V Ba toán Robot 14 V.1 §éng häc 14 V.2 TÜnh häc 15 V.3 §éng lùc häc 15 VI CÊu tróc ®éng häc c¬ cÊu 16 VI.1 Khâu khớp 16 VI.2 Chuỗi động, cấu Robot 17 VI.3 BËc tù cđa c¬ cÊu Robot .18 Chơng II Bài toán động học Robot .19 I §éng häc thn cđa Robot 19 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA I.1 Một số khái niệm b¶n 19 I.1.1 Ma trËn cosin chØ híng 19 I.1.2 C¸c tÝnh chÊt 21 I.2 Các toạ độ 22 I.2.1 Định nghĩa toạ độ .23 I.2.2 Ma trận quay 23 I.2.3 Các ma trận quay tịnh tiến .24 I.2.4 Phép quay tổng hợp 25 I.3 Một số phép quay đặc biệt ma trận biến đổi 26 I.3.1 Các góc Euler ma trận quay 26 I.3.2 C¸c gãc R-P-Y (Roll – Pitch – Yaw) ma trận quay 28 I.4 Bé thông số Denavit Hartenberg ma trận Denavit Hartenberg 29 I.4.1 Các tham số động học Denavit Hartenberg 29 I.4.2 Ma trËn Denavit Hartenberg 33 I.4.3 Ma trËn quan hÖ 34 I.4.4 Phơng trình xác định vị trí khâu thao tác Robot 34 I.5 Bài toán động học thuận 34 II Động học ngợc .35 II.1 Bài toán .35 II.2 Phơng pháp giải 36 III §éng lùc häc .38 Sinh viªn thùc hiƯn: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA III.1 VËn tèc vµ gia tèc 38 III.1.1 VËn tèc 38 III.1.2 Gia tèc .39 III.2 Động tay máy 39 III.3 Thế tay máy .40 III.4 Phơng trình vi phân chuyển động Robot 41 Chơng III Tính toán động học thuận động học ngợc Robot SCARA 47 I Giíi thiƯu vỊ Robot SCARA 47 I.1 Mét số thông số 47 I.2 KÕt cÊu c¬ khÝ 47 I.3.HƯthèng ®iỊu khiĨn .48 II TÝnh to¸n ®éng häc thuËn Robot SCARA 48 II.1 Đặt toán 48 II.2 Sơ đồ động học 48 II.3.Xác định vị ttrÝ vµ híng cđa bµn kĐp 49 III Động học ngợc Robot SCARA 51 III.1 Đặt toán .51 III.2 Giải toán động học ngợc 51 IV Tính lực tác dụng vào khâu khâu 52 IV ¸p dơng thÓ 55 Chơng IV Điều khiển Robot SCARA .63 I.Động điện chiều (DC) 63 Sinh viªn thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA I.1 Đại cơng động điện chiều (DC) 63 I.1.1 Động ®iƯn mét chiỊu (DC) 63 I.1.2 Điều khiển tốc độ động điện chiều 65 I.1.3 Đảo chiều quay 65 I.2 Điều khiển động DC 65 I.2.1 ThiÕt bÞ sư dơng 66 I.2.2 C¸c bíc thùc hiƯn 70 II MOSFET 71 III Các phần tử logic 78 III.1 PhÇn tư AND 78 III.2 PhÇn tư No .79 IV GhÐp nèi víi m¸y tÝnh (LPT) 79 IV.1 Các đờcg dẫn vào 79 IV.2 Giao diƯn hai híng cổng máy in .84 V Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình DELPHI 85 VI Bé ph¸t xung .86 VII Giải thích sơ đồ mạch điều khiển động DC 87 VIII LËp tr×nh DELPHI 90 VIII.1 Lu đồ thuật toán 90 VIII.2 LËp tr×nh .92 Tµi liƯu tham kh¶o 113 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA Lời nói đầu Cùng với phát triển cách mạng khoa học kỹ thuật giới tiến lĩnh vực điều khiển tự động hoá sản xuất Một thành tựu bật trình tự động hoá cánh tay máy Robot Những Robot từ đơn giản đến phức tạp, đà đóng góp nhiều việc thay ngời môi trờng làm việc cờng độ cao, độc hại đòi hỏi xác cao Để phát triển ứng dụng Robot rộng rÃi sản xuất, bên cạnh kiến thức điện, điện tửthì việc nghiên cứu tính toán độngthì việc nghiên cứu tính toán động học điều khiển Robot yếu tố quan trọng làm sở tảng cho việc chế tạo Robot Trong đồ án chúng em đà tiến hành phân tích, tính toán động học điều khiển Robot SCARA Đồ án gồm bốn chơng: Chơng I: Trình bày tổng quát Robot Chơng II:Bài toán động học Robot Chơng III:Tính toán động học thuận động học ngợc Robot SCARA Chơng IV: Điều khiển Robot SCARA Trong đồ án có sử dụng chơng trình tính toán MAPLE ngôn ngữ lập trình DELPHI Em xin chân thành cảm ơn TS Lê Văn Ngự đà tận tình hớng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đồ án Em xin cảm ơn thầy Phạm Thành Chung, Bộ môn Cơ học ứng dụng Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Thầy, Cô giáo Khoa Điện - Cơ - Điện tử đà tạo điều kiện để em hoàn thành công việc Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2005 Sinh viên Nguyễn Văn Thành Đặng Thị Dung chơng I kiến thức sở robot công nghiệp I Lịch sử phát triển Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiĨn Robot SCARA Ngay sau chiÕn tranh thÕ giíi thø hai, Hoa Kì đà xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào năm 50 kỉ 20, bên cạnh tay máy chép hình khí đó, đà xuất loại tay máy chép hình thuỷ lực điện từ Năm 1961, robot công nghiệp đợc đa vào sử dụng nhà máy ôtô General Motor Trenton, New Jersey, Hoa Kì Năm 1967, Nhật Bản nhập robot công nghiệp từ công ty AMF Hoa Kì Đến năm 1990, có 40 công ty Nhật Bản đà đa thị trờng quốc tế nhiều loại robot tiếng Từ năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính robot đà ý nhiều đến lắp đặt thêm cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trờng làm việc Một lĩnh vực đợc nhiều phòng thí nghiệm quan tâm robot tự hành Các công trình nghiên cứu tạo robot tự hành bắt chớc chân ngời súc vật Các loại robot cha có nhiều ứng dụng công nghiệp, nhiên loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng đợc đa vào ứng dụng hệ thống sản xuất tự động linh hoạt Từ năm 80, năm 90, áp dụng réng r·i c¸c øng dơng kÜ tht vỊ vi xư lí công nghệ thông tin, số lợng robot công nghiệp đà gia tăng, giá thành đà giảm rõ rệt, tính đà có nhiều bớc tiến vợt bậc Nhờ robot công nghiệp đà có vị trí quan trọng dây truyền tự động sản xuất đại II Định nghĩa phân loại II.1 Định nghĩa robot Có nhiều định nghĩa robot tồn tại, hÃy tham khảo số định nghĩa sau: Định nghĩa theo từ điển New World College: Robot kết cấu khí có hình dạng bất kì, đRobot kết cấu khí có hình dạng bất kì, đ ợc xây dựng để thực công việc tay ngời Các định nghĩa sau bao gồm cánh tay khí, máy điều khiển số, máy móc di chuyển theo kiểu bớc mô hình dạng ngời khoa học viễn tởng Các robot công nghiệp ngày thực phần công việc ngời Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA Các robot ban đầu thờng đợc gọi tay máy (Manipulator) Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản: Định nghĩa mang tính khái quát tất định nghĩa đợc sử dụng Nó bao gồm tất thiết bị tay máy để xem xét định nghĩa robot sau Robot kết cấu khí có hình dạng bất kì, đRobot máy, cấu thờng gồm số phân đoạn đợc nối với phân đoạn khác khớp quay hay khớp trợt nhằm mục đích để gắp hay để di chuyển đối tợng, thêng cã mét sè bËc tù Nã cã thÓ đợc điều khiển nguồn kích hoạt, hệ điều khiển điện tử lập trình đợc hay hệ thống logic Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot kết cấu khí có hình dạng bất kì, đRobot cấu chuyển đổi tự động chơng trình hoá, lặp lại chơng trình, tổng hợp chơng trình đặt trục toạ độ; có khả định vị, định hớng, di chuyển đối tợng vật chất (chi tiết , dụng cụ gá lắp ) theo hành trình thay đổi đà chơng trình hoá nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác Định nghĩa theo hiệp hôi robot công nghiệp Hoa Kỳ: Robot kết cấu khí có hình dạng bất kì, đRobot tay máy nhiều chức lập trình, đ ợc thiết kế để di chuyển vật liệu, phần tử, linh kiện, dụng cụ thiết bị đặc biệt thông qua việc thay đổi chơng trình hoạt động đà đợc lập để thực tác vụ khác Định nghÜa theo hiƯp héi robot Anh: “Robot lµ mét kÕt cấu khí có hình dạng bất kì, đRobot công nghiệp thiết bị lập trình lại đợc thiết kế để thực hai nhiệm vụ cầm nắm vận chuyển phần tử, linh kiện, dụng cụ công cụ chế tạo đặc biệt thông qua việc thay đổi chơng trình hoạt động đà đợc lập để thực tác vụ gia công khác Định nghĩa theo GOST (Nga): Robot kết cấu khí có hình dạng bất kì, đRobot máy tự động liên kết tay máy cụm điều khiển chơng trình hoá, thực chu trình công nghệ cách chđ ®éng víi sù ®iỊu khiĨn cã thĨ thay thÕ chức tơng tự ngời II.2 Phân loại robot Việc phân nhóm, phân loại robot dựa sở kĩ thuật khác Dới số cách phân loại chủ yếu: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA ã Phân loại theo số bậc tự do: Một cách phân loại hiển nhiên robot phân loại theo bậc tự chúng Một c¸ch lÝ tëng, mét robot cã bËc tù cầm nắm đối tợng tự không gian ba chiều Từ quan điểm này, gọi robot robot tổng quát (General Purpose Robot) có sáu bậc tự do, gọi robot d (Redundant Robot) có nhiều sáu bậc tự vµ gäi lµ robot thiÕu (DÌicient Robot) nÕu nã có sáu bậc tự Một robot linh hoạt di chuyển hoạt động không gian kín bị hạn chế Mặt khác, số ứng dụng đặc biệt nh việc lắp ráp mặt phẳng cần robot với bốn bậc tự đủ ã Phân loại theo cấu trúc động học: Một phơng pháp phân loại khác phân loại theo cấu trúc động học chúng Một robot đợc gọi robot hay robot chuỗi hở cấu trúc động học chúng có dạng chuỗi động hở, gọi robot song song cấu trúc động học chúng có dạng chuỗi đóng gọi robot hỗn hợp bao gồm hai loại chuỗi hở chuỗi đóng Nhìn nhận cách tổng quát robot song song có nhiều u điểm chúng có độ cứng vững cao hơn, khả tải cao hơn, nhng không gian làm việc nhỏ cấu trúc phức tạp ã Phân loại theo hệ thống động học hay công nghệ di chuyển: - Hệ điện: Thờng dùng động điện chiều, động bớc hay động Servo Hệ lợng có đặc điểm hoạt động xác, tin cậy, đạt công suất cao có tính tuyến tính cao dễ điều khiển Hệ đảm bảo kết cấu gọn, truyền dẫn lợng trực tiếp Ngoài đảm bảo an toàn vệ sinh môi trờng Nhằm nâng cao chất lợng hiệu sử dụng hệ cần tuân theo yêu cầu sau: + Sử dụng công nghệ mới, loại vật liệu chịu ảnh hởng từ trờng trái đất Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA + Tiếp tục nâng cao công suất hiệu suất công tác + Xử lí tốt cụm nối ghép mạch nguồn, mạch điều khiển hiệu chỉnh nâng cao độ tin cậy - HƯ thủ lùc - khÝ nÐn: HƯ thủ lùc đạt đến công suất cao, đáp ứng đợc điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thờng cồng kềnh, yêu cầu dòng dầu, chất lợng dầu cao, vận tốc lại có độ phi tuyến lớn, khó đảm bảo độ xác cao điều khiển Hệ khí nén làm việc với công suất trung bình nhỏ, có kết cấu đơn giản Đòi hỏi phải gắn liền với trung tâm khí nén, xác Thích hợp cho loại robot hoạt động theo chơng trình định sẵn với thao tác đơn giản kiểu nhấc lên hạ xuống ã Phân loại theo hệ thống truyền động: - Hệ truyền động gián tiếp: Các cấu chấp hành đợc nối với nguồn động lực thông qua truyền động khí thơng gặp nh hệ thống bánh thờng, hệ bánh hành tinh, hệ bánh sóng, dây đai, truyền xích hay cao truyền vít_đai ốc bi Nhợc điểm hệ bị mòn tạo khe hở động học dẫn đến tính phi tuyến hiệu ứng trễ ngày cao Mặt khác hiệu suất giảm tiêu hao công suất truyền - Hệ truyền động trực tiếp: Các cấu chấp hành đợc nối trực tiếp với nguồi động lực, kết cấu gọn nhẹ hạn chế, loại bỏ đợc nhợc điểm truyền động gián tiếp Mặt khác, khó khăn đặt cần thiết kế chế tạo động có số vòng quay thích hợp cho phép điều khiển vô cấp dải rộng ã Phân loại theo phơng pháp điều khiển: Dựa vào tính chất đặc trng quĩ đạo điều khiển có qui tắc điều khiển là: - Điều khiển điểm - Điều khiển quĩ đạo liên tục - Điều khiển nhận dạng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA - Điều khiển thích nghi ã Phân loại theo độ xác: Trong hoạt động robot cần phân biệt độ xác tuyệt đối độ xác lặp lại để đánh giá mức độ tin cậy chu kì làm việc đơn lẻ trình làm việc lâu dài.Mặt khác, để đánh giá miền kích thớc hay phạm vi chức rộng hơn, ngời ta đa độ xác phân giải để đánh giá mức độ xác miền phân giải khác III ứng dụng robot công nghiệp III.1 Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lợng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động, Điều xuất phát từ u điểm robot, là: Robot công nghiệp thực đợc qui trình thao tác hợp lí ngời thợ lành nghề cách ổn định suốt thời gian làm việc Vì robot công nghiệp góp phần nâng cao chất lợng khả cạnh tranh sản phẩm Hơn robot nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi thay đổi mẫu mÃ, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu thị trờng cạnh tranh Khả giảm giá thành sản phẩm ứng dụng robot giảm đợc đáng kể chi phí cho ngời lao động Việc áp dụng robot làm tăng suất dây chuyền công nghệ Sở dĩ nh tăng nhịp độ khẩn trơng dây chuyền sản xuất, không thay ngời robot ngời thợ theo kịp chóng mệt mỏi Robot cải thiện điều kiện lao động Đó u điểm bật mà cần lu tâm Vì thực tế sản xuất có nhiều nơi ngời lao động phải làm việc môi trờng có hại cho sức khoẻ dễ xảy tai nạn lao động III.2 Các lĩnh vực ứng dụng robot công nghiệp Robot công nghiệp đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực: đúc, gia công áp lực, hàn nhiệt luyện, gia công lắp ráp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung