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

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

Sự ra đời của robot công nghiệp

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm đang thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi tự động hóa trong sản xuất Xu hướng phát triển các dây chuyền thiết bị tự động linh hoạt ngày càng rõ rệt, thay thế các máy móc "cứng" chỉ thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Thị trường liên tục thay đổi về chủng loại, kích cỡ và tính năng sản phẩm, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng trong việc ứng dụng robot để xây dựng các hệ thống sản xuất linh hoạt.

“robot” lần đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1921 trong tác phẩm

“Rossum’s Universal Robot” là tác phẩm của nhà văn Karel Capek, người Séc, trong đó ông giới thiệu từ “robot”, xuất phát từ từ Slavơ “Robota”, để chỉ những thiết bị do con người tạo ra Vào thập niên 40, nhà văn viễn tưởng người Nga Isaac Asimov đã mô tả robot như một máy tự động với hình dáng con người và đặt tên cho lĩnh vực nghiên cứu này là Robotics, bao gồm ba nguyên tắc cơ bản.

- Robot không gây tổn hại cho con người.

- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra Các quy tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất.

Một robot phải bảo vệ sự sống của mình mà không vi phạm hai nguyên tắc cơ bản Trong những năm sau Chiến tranh Thế giới thứ hai, ước mơ viễn tưởng của Karel Čapek đã bắt đầu trở thành hiện thực khi những tay máy chép hình điều khiển từ xa xuất hiện tại các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu phóng xạ ở Hoa Kỳ.

Vào những năm 1950, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, đã xuất hiện tay máy chép hình thủy lực và điện từ, tiêu biểu như tay máy Minotaur I.

Báo cáo thực tập Tốt nghiệp tay máy Handyman của General Electric nêu rõ rằng vào năm 1954, George C Devol đã thiết kế thiết bị “cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956, Devol cùng với kỹ sư Joseph F Engelberger đã phát triển robot đầu tiên vào năm 1959 tại công ty Unimation Tuy nhiên, phải đến năm 1975, Unimation mới bắt đầu thu lợi từ các sản phẩm robot này Robot công nghiệp đầu tiên được ứng dụng tại một nhà máy ô tô của General Motors ở Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ vào năm 1961.

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp từ công ty AMF của Hoa Kỳ (American Machine and Foundry Company) Đến năm 1990 có hơn

Bốn mươi công ty Nhật Bản, bao gồm những tập đoàn lớn như Hitachi và Mitsubishi, đã giới thiệu ra thị trường quốc tế nhiều loại robot đa dạng.

Các định nghĩa về robot công nghiệp

Các nhà khoa học đã đưa ra rất nhiều định nghĩa về robot:

Theo Viện Kỹ Thuật Robot của Hoa Kỳ, robot được định nghĩa là một loại tay máy đa chức năng, có khả năng thay đổi chương trình làm việc để thực hiện nhiều thao tác sản xuất khác nhau.

Theo Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO), robot công nghiệp được định nghĩa là một tay máy đa mục tiêu, có khả năng lập trình và điều khiển dễ dàng với nhiều bậc tự do Chúng được sử dụng để tháo lắp phôi, dụng cụ và các vật dụng khác, cho phép thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng nhờ vào khả năng thay đổi chương trình thao tác.

Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp, robot công nghiệp được định nghĩa là một cơ cấu chuyển động tự động có khả năng lập trình và lặp lại các chương trình trên các trục tọa độ Robot này có khả năng định vị, định hướng và di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, dao cụ và gá lắp theo những hành trình đã được lập trình, nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ đa dạng.

Báo cáo thực tập Tốt nghiệp

Theo RIA (Robot Institute of America), robot được định nghĩa là một thiết bị cơ khí đa năng có khả năng lặp lại các chương trình được lập trình sẵn Chúng có thể di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc thiết bị chuyên dụng thông qua các chương trình chuyển động linh hoạt, cho phép hoàn thành nhiều nhiệm vụ khác nhau.

Theo tiêu chuẩn ΓOCT 25686-85 (Nga), robot công nghiệp là một tay máy tự động, có thể được lắp đặt cố định hoặc di động Nó kết nối giữa tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, cho phép lập trình lại để thực hiện các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD, robot được định nghĩa là thiết bị đa trục có khả năng thực hiện các chuyển động lập trình hóa và kết hợp chúng trong không gian tuyến tính Robot hoạt động dưới sự điều khiển của các bộ phận liên kết, có khả năng học hỏi và ghi nhớ các chương trình Chúng còn được trang bị công cụ hoặc công nghệ khác nhằm thực hiện các nhiệm vụ sản xuất, cả trực tiếp lẫn gián tiếp.

Theo tiêu chuẩn GHOST 1980, robot được định nghĩa là máy tự động kết nối giữa tay máy và cụm điều khiển chương trình, thực hiện chu trình công nghệ một cách chủ động Điều này cho thấy rằng robot không thể hoạt động hiệu quả một mình mà cần phải liên kết chặt chẽ với máy móc, công cụ và các thiết bị công nghệ tự động khác trong một hệ thống tổng hợp Vì vậy, trong quá trình phân tích và thiết kế, robot không thể được coi là một đơn vị cấu trúc biệt lập, mà cần được xem như một phần của thiết kế tổng thể.

“hệ thống tự động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi.

Tay máy robot

1.3.1 Kết cấu của tay máy

Tay máy là phần quan trọng quyết định khả năng hoạt động của robot, cho phép robot thực hiện các nhiệm vụ như nâng hạ, vận chuyển và lắp ráp Cấu trúc tay máy thường là cơ cấu hở, bao gồm chuỗi các khâu liên kết qua các khớp, với khâu đầu tiên gắn vào giá cố định Các khớp tạo ra sự linh hoạt giữa các khâu, cho phép chúng chuyển động tương đối với nhau Tùy vào yêu cầu thiết kế, có thể lựa chọn loại khớp liên kết phù hợp, trong đó hai loại khớp phổ biến trong robot công nghiệp hiện nay là khớp quay và khớp trượt.

Khớp quay (ký hiệu là R) cho phép hai khâu chuyển động quanh một trục quay Loại khớp này hạn chế năm khả năng chuyển động giữa hai thành phần, do đó chỉ có một bậc tự do.

Khớp trượt, ký hiệu là T, cho phép hai khâu trượt tương đối theo một trục nhất định Loại khớp này hạn chế khả năng chuyển động, do đó chỉ có một bậc tự do.

Khớp cầu được sử dụng để tăng cường tính linh hoạt cho robot, cho phép các khâu thực hiện chuyển động quay theo mọi hướng qua tâm khớp Loại khớp này hạn chế chuyển động tịnh tiến giữa các khâu, mang lại cho khớp cầu ba bậc tự do.

Trong quá trình thiết kế tay máy robot, người ta quan tâm đến các thông số ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của robot như:

- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay…

- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác có thể với tới.

- Sự khéo léo của robot: thông số này liên quan đến bậc tự do của robot

1.3.2 Bậc tự do của robot

Bậc tự do của robot là số khả năng chuyển động tịnh tiến hoặc quay của cơ cấu, cần thiết để dịch chuyển vật thể trong không gian Để đạt được các bậc tự do này, cơ cấu chấp hành của robot phải tuân theo công thức tính bậc tự do cho cơ hệ hở: w = 6n − ∑ ipi i =1.

Trong cơ cấu động, ký hiệu n đại diện cho số khâu động pi, tương ứng với số khớp loại i (i=1,2,…,5) thể hiện số bậc tự do bị hạn chế Đối với các cơ cấu có khâu nối bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5), số bậc tự do sẽ tương đương với số khâu động Đối với cơ cấu hở, tổng số bậc tự do được tính bằng tổng bậc tự do của các khớp động.

Số bậc tự do của robot ảnh hưởng trực tiếp đến tính linh hoạt trong công việc của nó; bậc tự do càng cao, robot càng có nhiều phương án thao tác, đặc biệt trong môi trường có chướng ngại vật Tuy nhiên, số bậc tự do không nên vượt quá sáu, vì với sáu bậc tự do được bố trí hợp lý, robot có thể linh hoạt tiếp cận đối tượng từ mọi hướng Đồng thời, việc tăng số bậc tự do có thể dẫn đến sai số dịch chuyển cao hơn, tăng chi phí, thời gian sản xuất và bảo trì Vì vậy, việc lựa chọn số bậc tự do phù hợp cho robot cần dựa trên yêu cầu và chức năng cụ thể.

1.3.3 Vùng làm việc của robot

Vùng làm việc của robot, hay không gian làm việc của robot, là tổng thể không gian mà khâu chấp hành cuối của robot có thể quét được trong quá trình thực hiện tất cả các chuyển động.

Vùng làm việc của robot được xác định bởi các thông số hình học và ràng buộc cơ học của các khớp Để mô tả vùng làm việc này, người ta thường sử dụng hai hình chiếu khác nhau.

Hình 1.3 Biểu diễn vùng làm việc của robot

Ưu điểm của robot công nghiệp

- Làm việc không biết mệt mỏi, ít xảy ra nhầm lẫn trong quá trình làm việc.

- Làm việc được trong môi trường nguy hiểm, khắc nghiệt như: môi trường có nhiều phóng xạ, môi trường có khí độc, dưới đáy đại dương, ngoài vũ trụ,…

- Thay đổi các thao tác bằng cách thay đổi chương trình điều khiển.

Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam và ứng dụng của robot công nghiệp7 1 Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam

1.5.1 Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam

Trước năm 1990, Việt Nam gần như chưa có thông tin về kỹ thuật robot, nhưng đã triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước như Đề tài 58.01.03 (1981-1985) và 52B.03.01 (1986-1989) nhằm tiếp cận công nghệ mới Các nghiên cứu này không chỉ đáp ứng yêu cầu tiếp cận mà còn có ứng dụng ban đầu trong bảo hộ lao động và đào tạo cán bộ kỹ thuật Từ năm 1990, ngành công nghiệp trong nước bắt đầu đổi mới, nhiều cơ sở đã nhập khẩu dây chuyền thiết bị mới, đặc biệt là các cơ sở liên doanh với nước ngoài đã đưa vào sử dụng nhiều loại robot phục vụ công việc.

1.5.2 Ứng dụng của robot công nghiệp

Robot đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để thay thế sức lao động Mục tiêu chính của việc sử dụng robot trong dây chuyền sản xuất là nâng cao năng suất, cải thiện chất lượng và hiệu quả sản xuất, từ đó giảm giá thành sản phẩm và tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường.

- Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng trong nhiều trong công nghệ đúc, hàn, cắt kim loại, vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm,…

Robot được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động để tăng cường tính linh hoạt và tự động hóa Những robot này hoạt động dựa trên một hệ thống các phương trình đã được lập trình sẵn, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

- Robot còn được sử dụng trong lĩnh vực y học, quốc phòng, vũ trụ, ….

Hình 1.4 Robot hàn trong công nghiệp

Hình 1 5 Robot phục vụ máy phay CNC

Robot đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội Việc chế tạo và đưa vào sử dụng một robot hoàn chỉnh yêu cầu nhiều bước quan trọng, từ thiết kế đến tính toán các thông số kỹ thuật Một trong những công việc thiết yếu trong quá trình này là nghiên cứu và giải quyết bài toán động học của robot.

XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC CHO ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Sơ đồ động học của robot

Sơ đồ động học của Robot RRR được cho trong hình 2.1 Trong các tính toán và mô phỏng số sau này, ta sẽ lấy a1=5, a2=3, a3=2.

Hình 2.1 Sơ đồ động học robot và hệ tọa độ theo qui tắc D – H.

- Tính số bậc tự do của Robot

Công thức tổng quát: trong đó: ƒ: số bậc tự do của cơ cấu tay máy.

Báo cáo thực tập Tốt nghiệp λ đề cập đến số bậc tự do của không gian trong đó tay máy thực hiện chuyển động Trong đó, n là số khâu động của tay máy, k là số khớp của tay máy Số bậc tự do chuyển động cho phép của khớp i được ký hiệu là fi, trong khi đó fc là số ràng buộc trùng Cuối cùng, f p là số bậc tự do thừa.

Với bài toán này, ta có: ƒ = 6(3-3) +(1+1+1)+0-0 = 3

Vậy Robot này có 3 bậc tự do.

Thiết lập hệ tọa độ khảo sát và lập bảng D-H

- Qui ước hệ tọa độ theo Denavit-Hartenberg:

+ Trục zi được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1) Hướng của phép quay và phép tịnh tiến được chọn tùy ý.

+ Trục xi được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp thứ i và (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 giữa hai hệ tọa độ liên tiếp j và (j-1) được mô tả bởi 4 tham số động học là di, θi, ai, αi với:

Dịch chuyển tịnh tiến giữa hai đường vuông góc chung của hai trục được ký hiệu là di Góc giữa hai đường vuông góc chung, ký hiệu là θi, là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi theo quy tắc bàn tay phải.

+ ai: khoảng dịch chuyển giữa hai trục khớp động kề nhau.

Góc αi là góc lệch giữa trục của hai khớp động liền kề, được xác định bằng cách quay quanh trục xi sao cho trục zi-1 chuyển đến trục zi theo quy tắc bàn tay phải.

Dựa trên qui ước đã nêu, chúng tôi áp dụng cho đối tượng Robot RRR trong báo cáo và chọn hệ tọa độ như hình 2.1 Từ đó, chúng tôi lập bảng D-H cho robot như sau:

Các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D–H có dạng (với qui ước viết tắt: c=cos, s=sin, q23=q2+q3

Ma trận i-1 Ai cho phép thể hiện mối quan hệ tọa độ của một điểm trong hai hệ tọa độ i và i-1 Chẳng hạn, vị trí của một điểm P trong hệ tọa độ i được xác định, và tọa độ của P trong hệ tọa độ i-1 được tính theo công thức cụ thể.

Với Robot RRR, ta có các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H lần lượt như sau:

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 các biến khớp:

Ma trận mô tả hướng và vị trí của EF đối với hệ tọa độ cố định OX0Y0Z0

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác

+ Ta đưa ra vector tọa độ định vị khâu thao tác (sử dụng các góc Cardan xác định hướng vật rắn):

Trạng thái EF được biểu diễn qua các tọa độ suy rộng hoặc trực tiếp qua thời gian, tùy bài toán cụ thể :

Phương trình động học Robot

+ Phương trình động học dạng ma trận

Từ phương trình động học dạng ma trận, có thể suy ra được hệ phương trình động học độc lập của Robot:

Nếu sử dụng vector các tọa độ suy rộng: và gọi thì hệ phương trình động học Robot ở trên có thể viết gọn lại thành:

Phương trình động học thuận Robot

Trong phương trình động học thuận, các biến khớp được coi là đã biết, và nhiệm vụ chính là xác định vị trí của khâu tác động cuối trong hệ tọa độ cố định.

- Xây dựng quĩ đạo chuyển động của biến khớp

Giả sử ta có qui luật chuyển động của các biến khớp:

Phương trình động học Robot:

+ Vị trí của điểm tác động cuối:

+ Sử dụng ma trận định hướng của EF là ma trận Cardan, ta có:

+ So sánh trực tiếp các phần tử của hai ma trận quay ta được :

Vận tốc điểm tác động cuối E:

- Vận tốc góc khâu thao tác:

Vẽ quỹ đạo chuyển động của điểm E bằng phần mềm MATLAB + Thay số ta nhận được quỹ đạo chuyển động của EF:

+ Mô phỏng và vẽ quỹ đạo bằng MATLAB và Robotics Toolbox:

Hình 2.3 Quỹ đạo EF biểu diễn với Matlab và Robotics Toolbox

Phương trình động học ngược Robot

Phương trình động học ngược là quá trình xác định giá trị các biến khớp dựa trên vị trí của các khâu thao tác đã biết trước Trong phương pháp này, mục tiêu là tìm ra các thông số cần thiết để đạt được vị trí mong muốn.

- Để giải phương trình này, ta sử dụng phương trình động học robot:

Giải phương trình này tìm được các biến khớp tương ứng với quĩ đạo chuyển động được chọn

- Xây dựng một quỹ đạo chuyển động của Robot:

Giải phương trình ngược với MATLAB, ta được 2 quỹ đạo nghiệm ứng với 2 trường hợp Elbow-up và Elbow-down của hai khớp q2 và q3

Hình 2.4 Quĩ đạo biến khớp trong trường hợp Elbow-up

Hình 2.5 Quỹ đạo biến khớp trong trường hợp Elbow-down

THẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Giới thiệu các phần mềm mô phỏng

3.1.1 Thiết kế cơ cấu robot trên SolidWorks

SolidWorks là phần mềm CAD 3D phát triển bởi Dassault Systèmes SolidWorks Corp, hoạt động trên hệ điều hành Windows Hiện nay, phần mềm này được hơn 1,3 triệu kỹ sư và nhà thiết kế sử dụng tại hơn 130.000 công ty trên toàn cầu.

Robot được vẽ từng thanh và được ghép lại nhau trên phần mềm SolidWorks 2007.

3.1.2 Thiết kế mô hình robot trên MATLAB/ Simulink

MATLAB là môi trường lập trình và tính toán số được phát triển bởi công ty MathWorks, cho phép người dùng thực hiện các phép toán với ma trận và tạo đồ thị một cách dễ dàng.

Báo cáo thực tập tốt nghiệp bao gồm việc phân tích hàm số và biểu đồ thông tin, thực hiện các thuật toán, thiết kế giao diện người dùng, cũng như liên kết với các chương trình máy tính được viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau.

Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật.

Simulink là phần mở rộng của MATLAB, chuyên dùng cho mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống động học Giao diện đồ họa của Simulink cho phép người dùng thể hiện hệ thống qua sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc Để thiết kế bộ điều khiển cho robot, chúng ta sử dụng thư viện Simmechanics cùng với phần mềm "SolidWorks-to-SimMechanics Translator" để chuyển đổi cơ cấu robot từ SolidWorks sang định dạng khối Simulink.

Hình 3.2 Thư viện Simmechanics của Simulink

Cơ cấu robot được đưa vào Simulink qua phần mềm "SolidWorks-to- SimMechanics Translator”

Hình 3.3 Mô hình robot trên Simulink

Điều khiển chuyển động robot

3.2.1 Điều khiển góc quay khớp với bộ điều khiển phản hồi PD

Vị trí góc mong muốn:

Hình 3.4 Mô hình điều khiển robot

Hình 3.5 Bộ điều khiển PD

Hình 3.7 Đồ thị góc quay khớp

Hình 3.8 Đồ thị vận tốc khớp

Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng góc quay đạt giá trị mong muốn trong 0.5 giây, đồng thời vận tốc góc cũng giảm về 0 trong khoảng thời gian tương ứng.

3.2.2 Điều khiển robot theo quỹ đạo thẳng

The inverse kinematics function is implemented using Embedded MATLAB, designed to calculate the joint angles theta1, theta2, and theta3 based on the 3D coordinates Px, Py, and Pz, along with the lengths of the robotic arms a2 and a3 The function begins by determining the angle t1 using the atan2 function to find the orientation in the XY plane It then calculates the cosine and sine values for angle t3, which are derived from the geometric relationship between the arm lengths and the target position Finally, the function computes the necessary parameters to return the joint angles, ensuring accurate positioning of the robotic arm in three-dimensional space.

Báo cáo thực tập Tốt nghiệp si=sqrt(1-ci^2); i=atan2(si,ci); sii=sqrt(c^2/(a^2+b^2)); cii=sqrt(1-sii^2); ii=atan2(sii,cii); t2=ii-i; theta1=t1*180/pi; theta3=t3*180/pi; theta2=t2*180/pi;

Hình 3.11 Quỹ đạo đặt- quỹ đạo ra- robot ở điềm cuối hành trình

3.2.3 Điều khiển robot theo quỹ đạo tròn

Hình 3.14 Quỹ đạo đặt- quỹ đạo ra- robot ở điểm cuối hành trình

3.2.4 Kết hợp điều khiển robot theo quỹ đạo tròn và bộ điều khiển phản hồi PD

Hình 3.16 Khối tính sai lệch

Hình 3.18 Quỹ đạo đặt- quỹ đạo ra- robot ở cuối hành trình

Robot di chuyển theo quỹ đạo với độ chính xác cao, nhưng đôi khi gặp phải hiện tượng quay ngược do sự biến đổi tức thời của góc khớp trong thời gian ngắn, đặc biệt là tại thời điểm kết thúc chu kỳ trong đồ thị.

Hình 3.19 Tín hiệu góc quay của ba khớp

Tiêu đề	Nghiên Cứu, Thiết Kế, Mô Phỏng Robot Công Nghiệp 3 Bậc Tự Do
Người hướng dẫn	T.S Nguyễn Vôn Dim
Trường học	Trường Đại Học CNTT Và Truyền Thông
Chuyên ngành	Công Nghệ Tự Động Hóa
Thể loại	báo cáo thực tập
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Thái Nguyên

Định dạng
Số trang	46
Dung lượng	1,08 MB