ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP NHÓM SỐ 1 Lớp CN TĐH K20C Khoa Kỹ Thuật Và Công Nghệ Giáo viên giảng dạy Nguyễn Thù[.]
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: ROBOT CƠNG NGHIỆP NHĨM SỐ: Lớp : CN TĐH K20C Khoa: Kỹ Thuật Và Công Nghệ Giáo viên giảng dạy: Nguyễn Thùy Dung Thái Nguyên, ngày 01 tháng 11 năm 2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: ROBOT CÔNG NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÁNH TAY ROBOT CÔNG NGHIỆP BẬC TỰ DO nhóm Lớp: CN TĐH K20C Khoa: Kỹ thuật Công nghệ Giáo viên giảng dạy: Nguyễn Thùy Dung Thái Nguyên, ngày 01 tháng 11 năm 2023 LỜI MỞ ĐẦU Theo trình phát triển xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất chất lượng sản phẩm ngày đòi hỏi ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao hình thành phát triển mạnh mẽ…Vì ngày tăng nhanh nhu cầu ứng dụng người máy, cánh tay máy tự động (Robot) để tạo hệ sản xuất tự động linh hoạt Robot ứng dụng rộng rãi đóng vai trị quan trọng sản xuất đời sống Robot cấu đa chức có khả lập trình dùng để di chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thông qua truyền động lập trình trước Khoa học robot chủ yếu dựa vào phép tốn đại số ma trận Robot có cánh tay với nhiều bậc tự thực chuyển động tay người điều khiển máy tính điều khiển chương trình nạp sẵn chip bo mạch điều khiển robot Chính thay người nhiều công việc nguy hiểm Đầu tiên nhóm em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô giáo khoa Công nghệ TĐH, bạn lớp CN- TĐH K20C, đặc biệt cô Nguyễn Thị Dung giảng viên trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thơng, người trực tiếp giảng dạy cho nhóm kiến thức để hồn tập Trong q trình làm đề tài nhiều cố gắng khơng tránh khỏi sai xót Rất mong thầy thông cảm giúp đỡ chúng em nhiều Em xin chân thành cảm ơn ! CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sự đời robot công nghiệp Nhu cầu nâng cao suất chất lượng sản phẩm ngày đòi hỏi ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao hình thành Các thiết bị thay dần máy tự động “cứng” đáp ứng việc định lúc thị trường ln ln địi hỏi thay đổi mặt hàng chủng loại, kích cỡ tính v.v… Vì ngày tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo hệ thống sản xuất linh hoạt Thuật ngữ “robot” lần xuất vào khoảng năm 1921 tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” nhà viễn tưởng người Sec Karel Capek Trong kịch này, ông dùng từ “robot”, biến thể từ gốc Slavơ “Robota”, để gọi thiết bị người tạo ta Vào năm 40 nhà văn viễn tưởng người Nga, Issac Asimov, mô tả robot máy tự động, mang diện mạo người Asimov đặt tên cho ngành nghiên cứu robot Robotics, có nguyên tắc bản: - Robot không gây tổn hại cho người - Hoạt động robot phải tuân theo quy tắc người đặt Các quy tắc không vi phạm nguyên tắc thứ - Một robot cần phải bảo vệ sống mình, không vi phạm nguyên tắc trước Và năm này, ước mơ viễn tưởng Kerel Capek bắt đầu thành thực Ngay sau chiến tranh giới thứ 2, Hoa Kì xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào năm 1950 bên cạnh tay máy chép hình khí đó, xuất loại tay máy chép hình thủy lực điện từ, tay máy Minotaur I tay máy Handyman General Electric Năm 1954 George C Devol thiết kế thiết bị có tên “cơ cấu lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956 Devol với kĩ sư trẻ công nghiệp hàng không Joseph F.Engelber, tạo loại robot năm 1959 công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 công ty Unimation bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot Chiếc robot công nghiệp đưa vào ứng dụng năm 1961 nhà máy ô tô General Motors Trenton, New Jersey Hoa Kỳ Năm 1967 Nhật Bản nhập robot công nghiệp từ công ty AMF Hoa Kỳ (American Machine and Foundry Company) Đến năm 1990 có 40 cơng ty Nhật Bản, có công ty khổng lồ công ty Hitachi công ty Mitsubishi đưa thị trường quốc tế nhiều loại robot 1.2 Các định nghĩa robot công nghiệp Các nhà khoa học đưa nhiều định nghĩa robot: - Theo viện kỹ thuật robot Hoa Kỳ: “Robot loại tay máy nhiều chức năng, với chương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực số thao tác sản xuất.” - Theo ISO (International Standards Organization): “Robot công nghiệp tay máy đa mục tiêu, có số bậc tự dễ dàng lập trình, điều khiển, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ vật dụng khác Do chương trình thao tác thay đổi nên thực nhiều nhiệm vụ đa dạng.” - Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): “ Robot công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục tọa độ; có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo hành trình thay đổi chương trình hóa nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác nhau.” - Theo RIA (Robot institute of America): “Robot tay máy vạn lặp lại chương trình thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ cácthiết bị chun dùng thơng qua chương trình chuyển động thay đổi để hoàn thành nhiệm vụ khác nhau.” - Theo ŠOCT 25686-85 (Nga): “Robot công nghiệp tay máy tự động, đặt cố định di động được, liên kết tay máy hệ thống điều khiển theo chương trình, lập trình lại để hồn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất.” - Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: “ Robot thiết bị có nhiều trục, thực chuyển động chương trình hóa nối ghép chuyển động chúng khoảng cách tuyến tính hay tuyến tính động trình Chúng điều khiển phận hợp ghép kết nối với nhau, có khả học nhớ chương trình; chúng trang bị dụng cụ phương tiện công nghệ khác để thực nhiệm vụ sản xuất trực tiếp gián tiếp.” - Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: “Robot máy tự động liên kết tay máy cụm điều khiển chương trình hóa, thực chu trình cơng nghệ cách chủ động với điều khiển thay chức tương tự người.” Bản chất định nghĩa khác giúp ta thấy ý nghĩa quan trọng là: Riêng robot khơng thể hồn thành tốt cơng việc Nó phải liên hệ chặt chẽ với máy móc, cơng cụ thiết bị công nghệ tự động khác hệ thống tự động tổng hợp Do q trình phân tích thiết kế, khơng thể quan niệm robot đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại phải thiết kế tổng thể “hệ thống tự động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh đơn giản nhiệm vụ sản xuất thay đổi 1.3 Tay máy robot 1.3.1 Kết cấu tay máy Tay máy phần sở định đến khả làm việc robot Đó thiết bị khí đảm bảo cho robot khả chuyển động không gian để thực nhiệm vụ nâng hạ, vận chuyển, lắp ráp Tay máy robot thông thường cấu hở gồm chuỗi khâu liên kết với khớp, khâu nối với giá cố định Khớp tạo linh hoạt khâu với nói riêng tồn tồn tay máy robot cơng nghiệp nói chung Thơng qua khớp nối, khâu cấu tay máy chuyển động tương Tùy theo yêu cầu kết cấu robot mà ta lựa chọn loại khớp liên kết khâu khác Trong robot công nghiệp nay, người ta thường dùng chủ yếu hai loại khớp khớp quay khớp trượt Khớp quay: (thường kí hiệu R) loại khớp cho phép chuyển động quay khâu khâu khác quanh trục quay Loại khớp hạn chế năm khả chuyển động hai thành phần khớp có bậc tự Hình 1.1 Khớp quay Khớp trượt: (thường kí hiệu T) loại khớp cho phép hai khâu trượt tương theo phương trục hạn chế năm khả chuyển động khớp có bậc tự Hình Khớp trượt Ngồi số trường hợp người ta dùng khớp cầu để tăng tính linh hoạt cho robot Với loại khớp cho phép khâu thực chuyển động quay theo tất hướng qua tâm khớp, hạn chế chuyển động tịnh tiến khâu Do khớp cầu có số bậc tự ba Trong trình thiết kế tay máy robot, người ta quan tâm đến thông số ảnh hưởng lớn đến khả làm việc robot như: - Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp tay… - Tầm với hay vùng làm việc: kích thước hình dáng vùng mà phần cơng tác với tới - Sự khéo léo robot: thông số liên quan đến bậc tự robot 1.3.2 Bậc tự robot Bậc tự số khả chuyển động tịnh tiến quay cấu Để dịch chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành robot phải đạt số bậc tự Nói chung hệ robot cấu hở nên số bậc tự tính theo công thức: w = 6n − ∑ ipi i =1 Trong đó: n: Số khâu động pi : Số khớp loại i (i=1,2,…,5: Số bậc tự bị hạn chế) Đối với cấu có khâu nối với khớp quay tịnh tiến (khớp động loại 5) số bậc tự với số khâu động Đối với cấu hở, số bậc tự tổng số bậc tự khớp động Số bậc tự robot định đến tính linh hoạt robot q trình làm việc Số bậc tự lớn robot linh hoạt, nhiều phương án để điểm thao tác thực u cầu cơng việc, điều có ý nghĩa trường hợp robot làm việc môi trường có nhiều chướng ngại vật Tuy nhiên số bậc tự chuyển động không nên lớn sáu, sáu bậc tự bố trí cách hợp lý đủ để tạo khả linh hoạt khâu tác động cuối nhằm tiếp cận đối tượng theo hướng Mặt khác phải thừa nhận số bậc tự lớn kéo theo hệ là: tăng sai số dịch chuyển, tăng chi phí, thời gian sản xuất bảo dưỡng robot Do tùy theo yêu cầu, chức mà người ta lựa chọn số bậc tự cho robot thích hợp 1.3.3 Vùng làm việc robot Vùng làm việc robot hay không gian làm việc robot tồn thể tích qt khâu chấp hành cuối robot thực tất chuyển động Vùng làm việc bị ràng buộc thơng số hình học robot ràng buộc học khớp Người ta thường dùng hai hình chiếu để mơ tả vùng làm việc robot Hình 1.3 Biểu diễn vùng làm việc robot 1.4 Ưu điểm robot công nghiệp - Làm việc khơng biết mệt mỏi, xảy nhầm lẫn trình làm việc - Làm việc môi trường nguy hiểm, khắc nghiệt như: môi trường có nhiều phóng xạ, mơi trường có khí độc, đáy đại dương, vũ trụ,… - Thay đổi thao tác cách thay đổi chương trình điều khiển 1.5 Tình hình tiếp cận robot Việt Nam ứng dụng robot cơng nghiệp 1.5.1 Tình hình tiếp cận robot Việt Nam Trong giai đoạn trước năm 1990 nước hoàn toàn chưa du nhập kỹ thuật robot, chí chưa nhận nhiều thông tin kỹ thuật lĩnh vực Nhưng với mục tiêu chủ yếu tiếp cận kỹ thuật mẻ, nước triển khai đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58.01.03 giai đoạn 81-85 đề tài 52B.03.01 giai đoạn 86-89 Kết nghiên cứu đề tài đáp ứng yêu cầu tiếp cận mà cịn có ứng dụng ban đầu kỹ thuật bảo hộ lao động phục vụ công tác đào tạo cán kỹ thuật nước ta Giai đoạn từ năm 1990 ngành công nghiệp nước bắt đầu đổi Nhiều sở nhập ngoại nhiều dây chuyền thiết bị Đặc biệt số sở liên doanh với nước nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ công việc 1.5.2 Ứng dụng robot công nghiệp Robot áp dụng nhiều lĩnh vực, góc độ thay sức người Mục đích sử dụng dây chuyển sản xuất nhằm nâng cao suất, chất lượng hiểu sản xuất từ giảm giá thành sản phẩm, nâng cao khả cạnh tranh - Trong ngành khí, robot sử dụng nhiều công nghệ đúc, hàn, cắt kim loại, vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm,… - Robot sử dụng dây chuyền sản xuất từ động nhằm tạo linh hoạt tự động cao cho dây chuyền, robot điểu khiển hệ thơng phương trình lâp trình sẵn - Robot sử dụng lĩnh vực y học, quốc phịng, vũ trụ, … Hình 1.4 Robot hàn cơng nghiệp Hình Robot phục vụ máy phay CNC Robot có vai trị ý nghĩa quan trọng nhiều lĩnh vực đời sống xã hội người Tuy nhiên, để chế tạo đưa vào sử dụng robot hoàn chỉnh phải qua nhều quan trọng, từ thiết kế tính tốn thơng số tới chế tạo Một cơng viêc nghiên cứu, tính tốn giải tốn động học robot CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC CHO ROBOT BẬC TỰ DO 2.1 Sơ đồ động học robot Sơ đồ động học Robot RRR cho hình 2.1 Trong tính tốn mô số sau này, ta lấy a1=5, a2=3, a3=2 Hình 2.1 Sơ đồ động học robot hệ tọa độ theo qui tắc D – H - Tính số bậc tự Robot Cơng thức tổng quát: đó: ƒ: số bậc tự cấu tay máy λ: số bậc tự không gian tay máy thực chuyển động n: số khâu động tay máy k : số khớp tay máy fi : số bậc tự chuyển động cho phép khớp i fc : số ràng buộc trùng f p : số bậc tự thừa Với tốn này, ta có: ƒ = 6(3-3) +(1+1+1)+0-0 = Vậy Robot có bậc tự 2.2 Thiết lập hệ tọa độ khảo sát lập bảng D-H - Qui ước hệ tọa độ theo Denavit-Hartenberg: + Trục zi chọn dọc theo trục khớp thứ (i+1) Hướng phép quay phép tịnh tiến chọn tùy ý + Trục xi xác định dọc theo đường vng góc chung trục khớp thứ i (i+1), hướng từ khớp động thứ i tới trục (i+1) + Trục yi – xác định theo qui tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận) Hình 2.2 Qui ước hệ tọa độ theo Denavit – Hartenberg - Vị trí tương đối hai hệ tọa độ liên tiếp j (j-1) mô tả tham số động học di, θi, ai, αi với:i, ai, αi với:i với: + di: dịch chuyển tịnh tiến hai đường vng góc chung hai trục + θi, ai, αi với:i: góc hai đường vng góc chung Là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi theo qui tắc bàn tay phải + ai: khoảng dịch chuyển hai trục khớp động kề + αi với:i: góc lệch trục hai khớp động liền kề, góc quay quanh trục xi cho trục zi-1 chuyển đến trục zi theo qui tắc bàn tay phải -Từ qui ước trên, áp dụng cho đối tượng Robot RRR báo cáo, chọn hệ tọa độ hình 2.1 Từ đó, lập bảng D – H cho robot sau: Các ma trận biến đổi tọa độ D–H có dạng (với qui ước viết tắt: c=cos, s=sin, q23=q2+q3 Ma trận i-1Ai cho phép biểu diễn quan hệ tọa độ điểm hai hệ tọa độ i i-1 Ví dụ vị trí điểm P hệ tọa độ i là: tọa độ P hệ tọa độ thứ i-1 xác định theo biểu thức: Với Robot RRR, ta có ma trận biến đổi tọa độ D-H sau: 2.3 Hệ phương trình động học Robot Lập ma trận trạng thái khâu thao tác (End-effector, viết tắt EF) theo cấu trúc động học + Với Robot RRR, ta có biến khớp: Ma trận mô tả hướng vị trí EF hệ tọa độ cố định OX0Y0Z0 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác + Ta đưa vector tọa độ định vị khâu thao tác (sử dụng góc Cardan xác định hướng vật rắn): Trạng thái EF biểu diễn qua tọa độ suy rộng trực tiếp qua thời gian, tùy toán cụ thể : Hoặc Phương trình động học Robot + Phương trình động học dạng ma trận Từ phương trình động học dạng ma trận, suy hệ phương trình động học độc lập Robot: Nếu sử dụng vector tọa độ suy rộng: gọi hệ phương trình động học Robot viết gọn lại thành: 2.4 Phương trình động học thuận Robot - Phương trình động học thuận: Trong phương trình động học thuận, biến khớp xem biết, yêu cầu phải tìm vị trí khâu tác động cuối hệ tọa độ cố định - Xây dựng quĩ đạo chuyển động biến khớp Giả sử ta có qui luật chuyển động biến khớp: Phương trình động học Robot: + Vị trí điểm tác động cuối: + Sử dụng ma trận định hướng EF ma trận Cardan, ta có: + So sánh trực tiếp phần tử hai ma trận quay ta : Vận tốc điểm tác động cuối E: - Vận tốc góc khâu thao tác: Vậy Vẽ quỹ đạo chuyển động điểm E phần mềm MATLAB + Thay số ta nhận quỹ đạo chuyển động EF: + Mô vẽ quỹ đạo MATLAB Robotics Toolbox: Hình 2.3 Quỹ đạo EF biểu diễn với Matlab Robotics Toolbox 2.5 Phương trình động học ngược Robot - Phương trình động học ngược: vị trí khâu thao tác xem biết, yêu cầu tìm giá trị biến khớp ứng với vị trí cho trước - Để giải phương trình này, ta sử dụng phương trình động học robot: Giải phương trình tìm biến khớp tương ứng với quĩ đạo chuyển động chọn - Xây dựng quỹ đạo chuyển động Robot: Giải phương trình ngược với MATLAB, ta quỹ đạo nghiệm ứng với trường hợp Elbow-up Elbow-down hai khớp q2 q3 Hình 2.4 Quĩ đạo biến khớp trường hợp Elbow-up Hình 2.5 Quỹ đạo biến khớp trường hợp Elbow-down CHƯƠNG 3: THẾT KẾ MƠ HÌNH ROBOT BẬC TỰ DO 3.1 Giới thiệu phần mềm mô 3.1.1 Thiết kế cấu robot SolidWorks SolidWorks phần mềm CAD chiều chạy hệ điều hành Windows phát triển bởi Dassault Systèmes SolidWorks Corp, công ty Dassault Systèmes, SA ( Vélizy, Pháp) SolidWorks sử dụng 1,3 triệu kỹ sư nhà thiết kế 130.000 cơng ty tồn giới Robot vẽ ghép lại phần mềm SolidWorks 2019 Hình 3.1 Cơ cấu robot 3.1.2 Thiết kế mơ hình robot MATLAB/ Simulink MATLAB mơi trường tính tốn số lập trình, thiết kế công ty MathWorks MATLAB cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thơng tin, thực thuật tốn, tạo giao diện người dùng liên kết với chương trình máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mơ tính tốn, thực nghiệm nhiều mơ hình thực tế kỹ thuật Simulink phần chương trình mở rộng MATLAB nhằm mục đích mơ hình hóa mô khảo sát hệ thống động học Giao diện đồ họa hình Simulink cho phép thể hệ thống dạng sơ đồ tín hiệu với khối chức quen thuộc