Tính toán động học và điều khiển robot scara

Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiÓn Robot SCARA CHƯƠNG I NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Ngay sau chiến tranh giới thứ hai, Hoa Kì xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào năm 50 kỉ 20, bên cạnh tay máy chép hình khí đó, xuất loại tay máy chép hình thuỷ lực điện từ Năm 1961, robot công nghiệp đưa vào sử dụng nhà máy ôtô General Motor Trenton, New Jersey, Hoa Kì Năm 1967, Nhật Bản nhập robot công nghiệp từ cơng ty AMF Hoa Kì Đến năm 1990, có 40 cơng ty Nhật Bản đưa thị trường quốc tế nhiều loại robot tiếng Từ năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính robot ý nhiều đến lắp đặt thêm cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Một lĩnh vực nhiều phịng thí nghiệm quan tâm robot tự hành Các cơng trình nghiên cứu tạo robot tự hành bắt chước chân người súc vật Các loại robot cịn chưa có nhiều ứng dụng cơng nghiệp, nhiên loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng đưa vào ứng dụng hệ thống sản xuất tự động linh hoạt Từ năm 80, năm 90, áp dụng rộng rãi ứng dụng kĩ thuật vi xử lí cơng nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng, giá thành giảm rõ rệt, tính có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây truyền tự động sản xuất đại II ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI II.1 Định nghĩa robot Sinh viªn thùc hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA Có nhiều định nghĩa robot tồn tại, tham khảo số định nghĩa sau:  Định nghĩa theo từ điển New World College: “Robot kết cấu khí có hình dạng bất kì, xây dựng để thực cơng việc tay người” Các định nghĩa sau bao gồm cánh tay khí, máy điều khiển số, máy móc di chuyển theo kiểu bước mơ hình dạng người khoa học viễn tưởng Các robot công nghiệp ngày thực phần cơng việc người Các robot ban đầu thường gọi tay máy (Manipulator)  Định nghĩa theo hiệp hội robot cơng nghiệp Nhật Bản: Định nghĩa mang tính khái quát tất định nghĩa sử dụng Nó bao gồm tất thiết bị tay máy để xem xét định nghĩa robot sau “Robot máy, cấu thường gồm số phân đoạn nối với phân đoạn khác khớp quay hay khớp trượt nhằm mục đích để gắp hay để di chuyển đối tượng, thường có số bậc tự Nó điều khiển nguồn kích hoạt, hệ điều khiển điện tử lập trình hay hệ thống logic đó”  Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): “Robot cấu chuyển đổi tự động chương trình hố, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục toạ độ; có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng vật chất (chi tiết , dụng cụ gá lắp ) theo hành trình thay đổi chương trình hố nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác nhau”  Định nghĩa theo hiệp hôi robot công nghiệp Hoa Kỳ: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học ®iỊu khiĨn Robot SCARA “Robot tay máy nhiều chức lập trình, thiết kế để di chuyển vật liệu, phần tử, linh kiện, dụng cụ thiết bị đặc biệt thông qua việc thay đổi chương trình hoạt động lập để thực tác vụ khác nhau”  Định nghĩa theo hiệp hội robot Anh: “Robot công nghiệp thiết bị lập trình lại 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 chương trình hoạt động lập để thực tác vụ gia công khác nhau”  Định nghĩa theo GOST (Nga): “Robot máy tự động liên kết tay máy cụm điều khiển chương trình hố, thực chu trình cơng nghệ cách chủ động với điều khiển thay chức tương tự người” II.2 Phân loại robot Việc phân nhóm, phân loại robot dựa sở kĩ thuật khác Dưới số cách phân loại chủ yếu: • Phân loại theo số bậc tự do: Một cách phân loại hiển nhiên robot phân loại theo bậc tự chúng Một cách lí tưởng, robot có bậc tự cầm nắm đối tượng tự không gian ba chiều Từ quan điểm này, gọi robot robot tổng quát (General Purpose Robot) có sáu bậc tự do, gọi robot dư (Redundant Robot) có nhiều sáu bậc tự gọi robot thiếu (Dèicient Robot) có sáu bậc tự Một robot linh hoạt di chuyển hoạt động khơng gian kín bị hạn chế Mặt khác, số ứng dụng đặc biệt Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học ®iỊu khiĨn Robot SCARA việc lắp ráp mặt phẳng cần robot với bốn bậc tự đủ • Phân loại theo cấu trúc động học: Một phương pháp phân loại khác phân loại theo cấu trúc động học chúng Một robot 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 qt robot song song có nhiều ưu điểm chúng có độ cứng vững cao hơn, khả tải cao hơn, không gian làm việc nhỏ cấu trúc phức tạp • Phân loại theo hệ thống động học hay công nghệ di chuyển: - Hệ điện: Thường dùng động điện chiều, động bước hay động Servo Hệ lượng có đặc điểm hoạt động xác, tin cậy, đạt cơng suất cao có tính tuyến tính cao dễ điều khiển Hệ đảm bảo kết cấu gọn, truyền dẫn lượng trực tiếp Ngồi cịn đảm bảo an tồn vệ sinh môi trường Nhằm nâng cao chất lượng hiệu sử dụng hệ cần tuân theo yêu cầu sau: + Sử dụng công nghệ mới, loại vật liệu chịu ảnh hưởng từ trường trái đất + 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 cy Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán ®éng häc vµ ®iỊu khiĨn Robot SCARA - Hệ thuỷ lực_ khí nén: Hệ thuỷ lực đạt đến công suất cao, đáp ứng điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường cồng kềnh, yêu cầu dòng dầu, chất lượng dầu cao, vận tốc lại có độ phi tuyến lớn, khó đảm bảo độ xác cao điều khiển Hệ khí nén làm việc với cơng suất trung bình nhỏ, có kết cấu đơn giản Địi hỏi phải gắn liền với trung tâm khí nén, xác Thích hợp cho loại robot hoạt động theo chương trình định sẵn với thao tác đơn giản kiểu nhấc lên hạ xuống • Phân loại theo hệ thống truyền động: - Hệ truyền động gián tiếp: Các cấu chấp hành nối với nguồn động lực thông qua truyền động khí thương gặp hệ thống bánh thường, hệ bánh hành tinh, hệ bánh sóng, dây đai, truyền xích hay cao truyền vít_đai ốc bi Nhược 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 nối trực tiếp với nguồi động lực, kết cấu gọn nhẹ hạn chế, loại bỏ nhược điểm truyền động gián tiếp Mặt khác, khó khăn đặt cần thiết kế chế tạo động có số vịng quay thích hợp cho phép điều khiển vô cấp dải rộng • Phân loại theo phương pháp điều khiển: Dựa vào tính chất đặc trưng quĩ đạo điều khiển có qui tắc điều khiển là: - iu khin im Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA - Điều khiển quĩ đạo liên tục - Điều khiển nhận dạng - Điều khiển thích nghi • 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 thước hay phạm vi chức rộng hơn, người ta cịn đưa độ xác phân giải để đánh giá mức độ xác miền phân giải khác III ỨNG DỤNG ROBOT CƠNG NGHIỆP III.1 Mục tiêu ứng dụng robot cơng nghiệp Mục tiêu ứng dụng robot cơng nghiệp nhằm góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động, Điều xuất phát từ ưu điểm robot, là:  Robot cơng nghiệp thực qui trình thao tác hợp lí người thợ lành nghề cách ổn định suốt thời gian làm việc Vì robot cơng nghiệp góp phần nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm Hơn robot cịn nhanh chóng thay đổi cơng việc để thích nghi thay đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu thị trường cạnh tranh  Khả giảm giá thành sản phẩm ứng dụng robot giảm đáng kể chi phí cho người lao động  Việc áp dụng robot làm tăng suất dây chuyền cơng nghệ Sở dĩ tăng nhịp độ khẩn trương dây Sinh viªn thùc hiƯn: Ngun Văn Thành - Đặng Thị Dung 1 Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA chuyền sản xuất, không thay người robot người thợ khơng thể theo kịp chóng mệt mỏi  Robot cải thiện điều kiện lao động Đó ưu điểm bật mà cần lưu tâm Vì thực tế sản xuất có nhiều nơi người lao động phải làm việc mơi trường có hại cho sức khoẻ dễ xảy tai nạn lao động III.2 Các lĩnh vực ứng dụng robot công nghiệp Robot công nghiệp ứng dụng nhiều lĩnh vực: đúc, gia công áp lực, hàn nhiệt luyện, gia công lắp ráp IV HỆ THỐNG ROBOT Hình 1.1: Các hệ thống cấu thành robot Tay máy gồm phận :đế đặt cố định gắn liền với xe di động 2, thân 3, cánh tay 4, cánh tay 5, bàn kẹp Hệ thống truyền dẫn động khí , thuỷ khí điện khí, phận chủ yếu tạo nên chuyển dịch khớp động Hệ thống điều khiển đảm bảo hoạt động robot theo thông tin đặt trước nhận biết q trình làm việc Sinh viªn thùc hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiĨn Robot SCARA Hệ thống cảm biến tín hiệu thực việc nhận biết biến đổi thông tin hoạt động thân robot (cảm biến nội tín hiệu) môi trường, đối tượng mà robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu) Các thơng tin đặt trước cảm biến đưa vào hệ thống điều khiển sau xử lí máy vi tính, tác động vào hệ thống truyền dẫn động tay máy V BA BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ ROBOT Robot ngành khoa học hay ngành học công nghệ truyền thống kết hợp với lí thuyết ứng dụng hệ thống robot Việc nghiên cứu bao gồm hai vấn đề nghiên cứu lí thuyết ứng dụng, vấn đề chia thành lĩnh vực: công tác thiết kế robot, học cấu, thiết kế quĩ đạo điều khiển, công tác lập trình tri thức cho máy Cơ học nhánh khoa học nghiên cứu vấn đề lượng, lực tác dụng chúng chuyển động hệ thống khí Việc nghiên cứu bao gồm ba vấn đề có quan hệ với là: Động học, Tĩnh học Động lực học V.1 Động học Động học nghiên cứu đặc trưng chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây chúng lực mô men Khoa học động học nghiên cứu vị trí, vận tốc, gia tốc Do đó, động học liên quan đến hình học thời gian thay đổi chuyển động Sự thay đổi khâu robot liên quan đến hướng vị trí khâu chấp hành cuối ràng buộc khớp Những quan hệ động học trọng tâm việc nghiên cứu động học robot Việc nghiên cứu động học có hai vấn đề: Phân tích động học Tổng hợp động học Tuy nhiên vấn đề phân tích động học tổng hợp động học liên quan đến Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA Ni dung nghiờn cu động học robot việc tìm quan hệ chuyển động khâu gồm có hai tốn là: Bài toán động học thuận Bài toán động học ngược Trong việc lập trình cho robot điều đặt yêu cầu vị trí điểm tác động cuối hướng khâu cuối,vận tốc gia tốc khâu khơng gian Vấn đề tìm tất thơng số chấp nhận thay đổi khâu hoạt động đạo hàm tương ứng chúng xảy khâu chấp hành cuối để đặt yêu cầu vị trí hướng, thơng số hoạt động (bài toán động học thuận) hay từ yêu cầu vị trí hướng khâu chấp hành cuối tìm thơng số tương ứng khâu trước đó(bài tốn động học ngược) Tổng hợp động học q trình ngược lại việc phân tích động học Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt robot hay máy mới, điều đòi hỏi thay đổi định mặt động học Cụ thể, có thơng số vị trí, hướng(cùng vận tốc gia tốc) khâu chấp hành cuối cuối, cần xác định thay đổi tương ứng khâu hoạt động cấu trúc hình học robot V.2 Tĩnh học Tĩnh học nghiên cứu quan hệ lực trạng thái cân phần thay đổi robot Một robot hoạt động nhờ tác động lực sinh từ nguồn kích động khác nhau, trọng lực, tải trọng, lực ma sát, lực quán tính lực cần phải xem xét cẩn thận thiết kế robot thành phần chúng có trị số đáng kể làm cho robot không đảm bảo chức định Lực cân phụ thuộc vào cấu tạo đặc điểm robot mà không phụ thuộc vào thời gian V.3 Động lực học Sinh viªn thùc hiƯn: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung Đồ án tốt nghiệp Tính toán động học điều khiển Robot SCARA Động lực học nghiên cứu lực tác dung vào cấu chuyển động cấu Động lực học robot vấn đề phức tạp Một cách cụ thể, khâu chấp hành cuối truyền dẫn thông qua đường dẫn với thơng số hoạt động xác VI CẤU TRÚC ĐỘNG HỌC CƠ CẤU Cơ cấu tạo thành từ số khâu nối với khớp Số bậc tự cấu phụ thuộc vào số khâu, khớp loại khớp để tạo nên cấu Trong phần tìm hiểu loại chuỗi động, cấu máy, sau tìm hiểu cách tính bậc tự Xét hai vật thể (hay hai khâu) A B để rời không gian, gắn vào A hệ toạ độ Đề_các Oxyz B có sáu khả chuyển động tương đối A, gọi sáu bậc tự tương đối Các khả chuyển động độc lập là: - Các chuyển động tịnh tiến dọc trục Ox, Oy, Oz, kí hiệu T x, Ty, T z - Các chuyển động quay quanh trục Ox, Oy, Oz, kí hiệu Rx, Ry, Rz Sau tiến hành nghiên cứu cụ thể đối tượng VI.1 Khâu khớp +Phần có chuyển động tương đối so với phần khác cấu gọi khâu +Khớp chỗ nối động hai khâu Tuỳ theo cấu trúc khớp hạn chế số chuyển động hai khâu Bề mặt tiếp xúc khâu khớp gọi thành phần khớp Hai thành phần khớp tạo thành khớp động khớp động phân thành khớp thấp khớp cao tuỳ thuộc dạng tiếp xúc Khớp động thuộc loại khớp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành - Đặng Thị Dung