Báo cáo thực tập chuyên ngành nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng robot công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH Đề tài : Nghiên cứu, thiết kế, mô robot công nghiệp bậc tự Giáo viên hướng dẫn : T.S Nguyễn Vơn Dim : Lại Đức Tồn Lớp : ĐHLT- KTĐ- ĐT- K16D Tố t ng hi ệp Họ tên SV Bá o cá o th ực tậ p Thái Nguyên 3/ 2019 LỜI NÓI 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 thơng qua truyền động lập trình trước Khoa học robot chủ yếu dựa vào phép toán 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 em chọn đề tài : “Nghiên cứu, thiết kế, mô robot công nghiệp bậc tự do” Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô giáo ệp khoa Công nghệ TĐH, bạn lớp KTĐ – ĐT K16D, đặc biệt hi thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Vôn Dim giảng viên trường Đại học Công nghệ ng thông tin Truyền thông, người trực tiếp giảng dạy cho em kiến thức Tố t để hoàn thành đồ án tậ p Trong trình làm đề tài em nhiều cố gắng khơng tránh khỏi sai xót Rất mong thầy thông cảm giúp đỡ em nhiều Bá o cá o th ực Em xin chân thành cảm ơn ! LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Sự đời robot công nghiệp .1 1.2 Các định nghĩa robot công nghiệp .2 1.3 Tay máy robot 1.3.1 Kết cấu tay máy 1.3.2 Bậc tự robot .5 1.3.3 Vùng làm việc robot 1.4 Ưu điểm robot công nghiệp .7 1.5 Tình hình tiếp cận robot Việt Nam ứng dụng robot cơng nghiệp 1.5.1 Tình hình tiếp cận robot Việt Nam 1.5.2 Ứng dụng robot công nghiệp .8 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ ệp NGƯỢC CHO ROBOT BẬC TỰ DO .10 ng hi 2.1 Sơ đồ động học robot .10 Tố t 2.2 Thiết lập hệ tọa độ khảo sát lập bảng D-H 11 tậ p 2.3 Hệ phương trình động học Robot 13 ực 2.4 Phương trình động học thuận Robot 14 o th 2.5 Phương trình động học ngược Robot .17 Bá o cá CHƯƠNG 3: THẾT KẾ MƠ HÌNH ROBOT BẬC TỰ DO .19 3.1 Giới thiệu phần mềm mô 19 3.1.1 Thiết kế cấu robot SolidWorks 19 3.1.2 Thiết kế mơ hình robot MATLAB/ Simulink 19 3.2 Điều khiển chuyển động robot .21 3.2.1 Điều khiển góc quay khớp với điều khiển phản hồi PD .21 3.2.2 Điều khiển robot theo quỹ đạo thẳng .24 3.2.3 Điều khiển robot theo quỹ đạo tròn 27 3.2.4 Kết hợp điều khiển robot theo quỹ đạo tròn điều khiển phản hồi PD .28 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO .32 Bá o cá o th ực tậ p Tố t ng hi ệp PHỤ LỤC…………………………………… … …………………………33 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 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 luôn đòi 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 ngun tắc bản: - Robot khơng gây tổn hại cho người hi tắc không vi phạm nguyên tắc thứ ệp - Hoạt động robot phải tuân theo quy tắc người đặt Các quy ng - Một robot cần phải bảo vệ sống mình, khơng vi phạm Tố t nguyên tắc trước Và năm này, ước mơ viễn tưởng Kerel Capek bắt đầu thành thực Ngay sau chiến tranh giới thứ 2, tậ p Hoa Kì xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa ực phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ th Vào năm 1950 bên cạnh tay máy chép hình khí đó, xuất Bá o cá o 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 cơng 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.” ệp - Theo ISO (International Standards Organization): “Robot công nghiệp hi tay máy đa mục tiêu, có số bậc tự dễ dàng lập trình, điều khiển, ng dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ vật dụng khác Do chương trình thao Tố t tác thay đổi nên thực nhiều nhiệm vụ đa dạng.” - Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): “ Robot công nghiệp cấu chuyển tậ p động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương ực trình đặt trục tọa độ; có khả định vị, định hướng, di chuyển th đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo hành trình thay Bá o cá o 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 hồn thành nhiệm vụ khác nhau.” - Theo ΓOCT 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 ệp người.” Bản chất định nghĩa khác giúp ta thấy hi ý nghĩa quan trọng là: Riêng robot khơng thể hồn ng thành tốt cơng việc Nó phải liên hệ chặt chẽ với máy móc, cơng Tố t 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 tậ p 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 Bá o cá o 1.3 Tay máy robot th ực nhiệm vụ sản xuất thay đổi 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 Thông 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 Tố t ng hi ệp năm khả chuyển động hai thành phần khớp có bậc tự tậ p Hình 1.1 Khớp quay ực Khớp trượt: (thường kí hiệu T) loại khớp cho phép hai khâu trượt th tương theo phương trục hạn chế năm khả Bá o cá o 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 hi ệp 1.3.2 Bậc tự robot ng Bậc tự số khả chuyển động tịnh tiến quay cấu Để dịch Tố t chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành robot phải đạt số bậc tự Nói chung hệ robot cấu hở nên số tậ p bậc tự tính theo cơng thức: i =1 Bá o cá o th ực w = 6n − ∑ ipi 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 trình làm việc Số bậc tự lớn robot linh hoạt, nhiều phương án để điểm thao tác thực yêu cầu công việc, điều có ý nghĩa trường hợp robot làm việc mơi trường có nhiều chướng ngại vật Tuy nhiên số bậc tự chuyển động khơng 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 ệp 1.3.3 Vùng làm việc robot hi Vùng làm việc robot hay khơng gian làm việc robot tồn thể ng tích quét khâu chấp hành cuối robot thực tất chuyển Tố t động tậ p Vùng làm việc bị ràng buộc thơng số hình học robot ràng buộc học khớp Người ta thường dùng hai hình chiếu để mơ Bá o cá o th ực tả vùng làm việc robot