Bài tập lớn giữa kỳ Đề tài scara robot irb 920 6 0 55

Nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, robot công nghiệp ngày nay không chỉ xuất hiện trong các nhà máy sản xuất lớn mà còn thâm nhập vào nhiều lĩnh vực khác như y tế, nông nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MÔN HỌC: KỸ THUẬT ROBOT

2

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về robot công nghiệp 4

1.2 Giới thiệu sơ lược về ABB 5

1.3 Giới thiệu về đối tượng nghiên cứu 5

1.4 Các nội dung thực hiện trong đề tài 6

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA IRB 920 6/0.55… 7 2.1 Kết cấu cơ khí 7

2.2 Không gian làm việc 9

2.3 Thông số kỹ thuật 10

CHƯƠNG III: XÁC ĐỊNH PHÉP QUAY VÀ THÔNG SỐ QUAY 11

3.1 Thông số quay, phép xoay ma trận 11

3.2 Công thức ma trận chuyển vị 12

CHƯƠNG IV: ĐỘNG HỌC THUẬN 15

4.1 Xác định bảng D-H 15

4.2 Tìm thành phần ma trận xoay 15

4.3 Kết quả 16

CHƯƠNG V: ĐỘNG HỌC NGHỊCH 17

5.1 Khái niệm về động học nghịch 17

5.2 Xác định phương pháp tìm động học nghịch robot 17

5.3 Tính toán tìm các công thức động học nghịch 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

3

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghiệp 4.0, robot công nghiệp đã trở thành một phần không thể thiếu trong quá trình sản xuất và tự động hóa Được trang bị các công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo, cảm biến và khả năng lập trình linh hoạt, robot công nghiệp không chỉ giúp tăng năng suất lao động mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu sai sót Những cỗ máy này có khả năng thực hiện các công việc nặng nhọc, lặp đi lặp lại, hoặc đòi hỏi độ chính xác cao, giúp con người tập trung vào các nhiệm

vụ có giá trị sáng tạo cao hơn

Nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, robot công nghiệp ngày nay không chỉ xuất hiện trong các nhà máy sản xuất lớn mà còn thâm nhập vào nhiều lĩnh vực khác như y tế, nông nghiệp và logistics Tầm quan trọng của chúng đối với nền kinh

tế và sự phát triển bền vững ngày càng rõ rệt, hứa hẹn mang đến những bước tiến mới cho nhân loại trong công cuộc chinh phục công nghệ và cải thiện chất lượng cuộc sống Việc tìm hiểu về robot công nghiệp không chỉ giúp chúng ta nắm bắt được xu hướng phát triển của công nghệ mà còn mở ra cơ hội cho các ứng dụng mới, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và tối ưu hóa nguồn lực trong mọi ngành nghề

Ban đầu khi mới được nghiên cứu và ra đời, robot chỉ có thể làm những thao tác

cơ bản chưa thể giúp được nhiều trong cuộc sống Nhưng cho đến hiện nay, nó đã được con người thiết kế với vô vàn tính năng khác nhau Thậm chí có những con robot còn có thể làm những công việc mà con người không thể làm được Những năm gần đây, sự phát triển như vũ bảo của khoa học kĩ thuật đã tác động sâu sắc đến các ngành nghề nói chung và ngành công nghiệp nói riêng

Thông qua môn học Kỹ thuật Robot để thực hiện tính toán động học của một cánh tay Robot cụ thể, chúng ta cần xem xét đến các yếu tố như cấu trúc của Robot, thông

số kỹ thuật cũng như không gian làm việc của Robot Từ đó có thể tính toán được thông số quay, phép quay, động học thuận, động học nghịch để phục vụ cho việc điều khiển và thiết kế robot

4

CHƯƠNG I: VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về Robot công nghiệp

1.1.1 Khái niệm

Robot công nghiệp là một dạng máy móc tự động được thiết kế để thực hiện các công việc sản xuất trong các ngành công nghiệp Chúng có khả năng thực hiện một loạt các công việc từ đơn giản đến phức tạp, như lắp ráp, hàn, sơn, xử lý vật liệu và nhiều hơn nữa

Robot công nghiệp thường được sử dụng trong các ngành như ô tô, điện tử và hàng không, nơi chúng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất Đặc biệt, với

sự phát triển của công nghệ học máy và trí tuệ nhân tạo, khả năng của Robot công nghiệp đã được mở rộng hơn nữa, cho phép chúng thực hiện các công việc phức tạp đòi hỏi khả năng thích ứng và ra quyết định

1.1.2 Phân loại Robot công nghiệp

Robot công nghiệp có nhiều dạng, dựa trên cấu trúc thì Robot công nghiệp có thể bao gồm các dạng như sau:

• Cánh tay Robot: Dạng Robot mô phỏng theo cấu trúc và chức năng của cánh

tay người, giúp thực hiện các nhiệm vụ như lắp ráp, hàn hoặc xử lý vật liệu thường dùng trong các chuyển động có quỹ đạo phức tạp

• Mobile Robot: Mobile Robot là dạng Robot có cấu trúc gồm các bánh xe giúp

Robot có thể di chuyển trên bề mặt phẳng Mobile Robot thường được ứng dụng trong sắp xếp, lưu trữ hàng hóa ở kho bãi hoặc di chuyển công cụ và sản phẩm trong các khu vực sản xuất

• Robot song song: Gồm các vài cơ cấu nối tiếp cùng di chuyển một

end-effector thực hiện nhiệm vụ Robot song song, điển hình là Robot Delta được ứng dụng cho các công việc lắp ráp sản phẩm, phân loại sản phẩm trên dây chuyền sản xuất

• Gantry Robot: Dạng Robot gồm ba khớp trượt đặt vuông góc nhau, di chuyển

theo ba trục XYZ, Robot này thường có thêm một khớp quay để định hướng

5

end-effector Gantry Robot được sử dụng trong các nhiệm vụ sắp xếp lưu trữ, lắp ráp sản phẩm hoặc hàn kim loại

• SCARA Robot: SCARA Robot gồm từ hai đến 3 khớp quay song song cho

phép robot hoạt động ở mặt phẳng ngang và có thêm một khớp trượt để di chuyển điểm end-effector theo phương dọc

1.2 Giới thiệu sơ lược về công ty ABB

ABB là một công ty đa quốc gia của Thuỵ Sĩ Công ty có trụ sở tại Zurich, Thuỵ

Sĩ Nó hoạt động chủ yếu trong ngành robot, điện, thiết bị điện nặng và công nghệ

tự động hoá Là một tập đoàn kỹ thuật hàng đầu trên thế giới đang thúc đẩy quá trình số hoá trong cuộc sống và trong các lĩnh vực sản xuất để có được một tương lai bền vững và hiệu quả hơn Thông qua các giải pháp kết nối phần mềm với danh mục đầu tư bao gồm thiết bị điện, robot, tự động hoá và truyền động, ABB vượt qua mọi giới hạn của công nghệ và đưa năng suất lên tầm cao mới

ABB được thành lập tại Việt Nam vào năm 1993 và hiện có 5 cơ sở trên toàn quốc phục vụ khách hàng trong nước và quốc tế Trong hành trình 27 năm phát triển tại Việt Nam, ABB đã đồng hành với sự phát triển của quốc qia thông qua nhiều công trình dân dụng, đồng thời đã cung cấp thiết bị điện và tự động hoá cho nhiều dự án, công trình cơ sở hạ tầng lớn, góp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế Việt Nam Trong đó ABB cũng phát triển các thế hệ Robot SCARA được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, trong đó có dòng Robot SCARA IRB 920T/IRB 920

1.3 Giới thiệu về đối tượng nghiên cứu

1.3.1 Tổng quan về Robot SCARA IRB920T/IRB92

Được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu của ngành công nghiệp điện tử, IRB

920T/IRB 920 cung cấp tốc độ, độ chính xác và khả năng lặp lại cao nhất cho nhiều nhiệm vụ lắp ráp, chọn và xử lý Với tốc độ hàng đầu và thiết kế nhỏ gọn, IRB 920T/IRB 920 có thể được lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau để xử lý nhanh chóng và

tiết kiệm chi phí

Dòng Robot SCARA IRB 920T/IRB 920 của ABB có các phiên bản như IRB 920 6/0.65, IRB 920 6/0.55, IRB 920T 6/0.65, IRB 920T 6/0.55, IRB 920T 6/0.45 Các

6

phiên bản này khác nhau ở một số thông số về khối lượng, chiều dài các khâu và tốc

độ vận hành tại các khớp

1.3.2 Ứng dụng của robot SCARA IRB920T/ IRB92

Robot SCARA IRB 920T/IRB 920 với chuyển động đơn giản rất phù hợp cho các ứng dụng pick and place như lắp ghép chi tiết sản phẩm, phân loại sản phẩm nhẹ trên băng Ngoài ra, tùy thuộc vào thiết bị end-effector, SCARA robot có thể thực hiện được các công việc khác như cắt laser, hàn kim loại trên mặt phẳng

1.3.2 Lý do chọn IRB 920 6/0.55 để nghiên cứu:

IRB 920 6/0.55 là phiên bản khá phổ biến nên việc nghiên cứu sẽ giúp ích rất nhiều trong quá trình sử dụng robot Ngoài ra IRB 920 6/0.55 có các thông số kỹ thuật phù hợp với mục đích thực hiện công việc lắp ghép các chi tiết trong các sản phẩm trên dây chuyền sản xuất các sản phẩm

1.4 Các nội dung thực hiện trong đề tài:

Với mục tiêu nghiên cứu, tìm hiểu cấu trúc, kết cấu cơ khí, cách thức xây dựng một

mô hình robot SCARA 4 bậc, nhóm sẽ thực hiện việc khảo sát cấu trúc, kết cấu cơ khí và thông số các phép xoay của Robot, tính toán động học robot và kiểm tra lại các động học thông qua phần mềm

Đây là khớp quay đầu tiên, cho phép cánh tay robot xoay quanh trục thẳng đứng

từ đế, giúp robot di chuyển phần cánh tay chính theo hướng trái hoặc phải Khớp này đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng phạm vi làm việc của robot trong khu vực làm việc hình tròn

• Khớp 2 - Trục quay cánh tay

Khớp này nối phần cánh tay chính với cánh tay phụ, giúp di chuyển phần cánh tay phụ theo hướng ngang Khớp này kết hợp với Khớp 1 cho phép robot có thể tiếp cận các điểm trong không gian làm việc với độ linh hoạt cao

8

Khớp cuối cùng này cho phép cổ tay của robot xoay quanh trục của chính nó, giúp điều chỉnh hướng của tay kẹp (end-effector) Khớp xoay này rất quan trọng khi robot cần phải thao tác với các vật liệu ở các góc độ khác nhau mà không di chuyển toàn bộ cánh tay

2.1.2 Các khâu của robot:

Robot có ba khâu chính l0, l1 và l2 với kích thước lần lượt là 250 mm, 290 mm và

260 mm

9

2.2 Không gian làm việc

2 Trọng lượng 23kg 7 Tốc độ tối đa trục 1 420°/giây

3 Trục 1(quay) +150° đến -150° 8 Tốc độ tối đa trục 2 701°/giây

4 Trục 2(quay) +145° đến -145° 9 Tốc độ tối đa trục 3 1,1m/giây

5 Trục 3(Z) -180 mm đến 0mm 10 Tốc độ tối đa trục 4 2500°/giây

2.3 Thông số kỹ thuật

• Thông số kỹ thuật của robot ABB IRB 920-6/0.55

1 Tầm với(m) 0.55 6 Nguồn điện và

tín hiệu tích hợp Lên đến 20 tín hiệu I/O

2 Số lượng

trục

3 Tiêu chuẩn

bảo vệ Tiêu chuẩn IP30 8 Lắp ráp Sàn nhà

4 Phòng sạch Không có 9 Cung cấp không

khí tích hợp

4 không khí trên cánh tay ngoài (Tối đa 6 Bar)

5 Bộ điều

khiển

OmniCore E10, C30, C90XT

10 Tích hợp mạng lưới

Một cổng Ethernet

1000 Base-T2

11

CHƯƠNG III: XÁC ĐỊNH PHÉP QUAY VÀ THÔNG SỐ QUAY

Hệ trục toạ độ của robot IRB 920

3.1 Thông số quay, phép xoay ma trận

Robot thực hiện phép quay quanh trục Z với các góc quay

3.2 Công thức ma trận chuyển vị

3.2.1 Các ma trận chuyển vị

a Ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ 4 về hệ tọa độ 3:

Để chuyển tọa độ hệ tọa độ 4 về hệ tọa độ 3, ta cần thực hiện một phép quay một góc π quanh trục x3 và tịnh tiến một đoạn - d

13

b Ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ 3 về hệ tọa độ 2:

Do gốc của hệ tọa độ 3 và 2 trùng nhau nên ta có ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ 3

về hệ tọa độ 2 sau khi thực hiện phép quay quanh trục z2 một góc 𝜃3:

T

3

cos θ3 − sin θ3 0 0sin θ3 cos θ3 0 0

] (3.2b)

c Ma trận chuyển vị từ hệ tọa 2 về hệ tọa độ 1:

Từ hệ tọa độ 2 chuyển vị về hệ tọa độ 1, ta cần thực hiện một phép quay quanh trục

d là khoảng tịnh tiến theo phương đứng của điểm end-effector

3.2.1 Ví dụ cho các ma trận chuyển đổi:

Cho vị trí ban đầu của robot với các góc quay θ1 = θ2 = θ3 = 0 và tọa độ tool ban đầu trong hệ tọa độ gốc [550 0 250]𝑇

Robot thực hiện phép quay quanh trục z với các góc quay

Với chiều dài các khâu l0 = 250 mm; l1 = 290 mm; l2 = 260 mm

Ma trận chuyển đổi từ tool về hệ tọa độ gốc:

3 + 290 sin

π3

17

CHƯƠNG 5: ĐỘNG HỌC NGHỊCH 5.1 Khái niệm về động học nghịch:

Động học nghịch là quá trình tính toán tìm ra các các thông số về góc quay, khoảng tịnh tiến của các khớp để đạt được vị trí và hướng của end-effector hay tọa độ tool của robot

Mục tiêu của động học nghịch là tìm ra bộ thông số hợp lý nhất để robot di chuyển một cách tiết kiệm thời gian và năng lương tiêu hao

5.2 Xác định phương pháp tìm động học nghịch robot:

Có nhiều phương pháp để tìm động học nghịch robot, nhằm đơn giản hóa phần tính toán, nhóm sẽ dùng phương pháp Decoupling để giải quyết bài toán động học nghịch robot

Phương pháp Decoupling là phương pháp chia nhỏ cụm robot thành các bài toán nghịch đảo về vị trí và hướng nhỏ hơn để tính các góc quay và chiều dài tịnh tiến

Xét hệ từ hệ tọa độ 0 đến hệ tọa độ 2, ta có ma trận chuyển vị

18

Hình 1 Sơ đồ hình chiều bằng của robot từ hệ tọa độ 2 về gốc

Đối với trường hợp 1 như hình 5.3.2a

𝜃1 = tan−1𝑌

𝑋+ tan

−1 l2sin θ2

𝑙1+ l2cos θ2 (5.3.2a) Đối với trường hợp 1 như hình 5.3.2b

𝜃1 = tan−1𝑌

𝑋− tan

−1 l2sin θ2

𝑙1+ l2cos θ2 (5.3.2b) Dựa trên ma trận chuyển vị T20 , xét cột cuối của ma trận chuyển vị là tọa độ điểm end-effector, ta được:

𝑋 = l2c12+ l1c1; 𝑌 = l2s12+ l1s1 Thực hiện bình phương 𝑋 và 𝑌 được biểu thức sau:

𝑋2+ 𝑌2 = 𝑙12+ 𝑙22+ 2𝑙1𝑙2cos 𝜃2

Từ biểu thức trên, tính được góc quay 𝜃2

𝜃2 = cos−1𝑋2+ 𝑌2− 𝑙12− 𝑙22

2𝑙1𝑙2 (5.3.3) Xét từ hệ tọa độ 3 về hệ tọa độ 0, ta có ma trận chuyển vị T30

19

Với góc 𝜃1 và 𝜃2 đã tính trước đó, tính được góc quay 𝜃3 theo công thức sau:

𝜃3 = tan−1c123

s123 − 𝜃1− 𝜃2 (5.3.4) Xét từ hệ tọa độ 4 về hệ tọa độ 0, ta có ma trận chuyển vị

Với chiều dài các khâu l0 = 250 mm; l1 = 290 mm; l2 = 260mm

Ta đi tìm động học nghịch của robot để đạt được tọa độ trên

20

Từ công thức (5.3.3), ta có góc quay thứ hai:

𝜃2 = cos−14002+ 2502− 2902− 2602

2.290.260 = 1,082 𝑟𝑎𝑑 ≈ 62° Sau khi có được 𝜃2, tìm được 𝜃1 theo công thức (5.2.2a và b):

21

TÀI LIỆU THAM KHẢO

https://new.abb.com/products/robotics/robots/scara-robots/irb-920t-irb920 https://search.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=9AKK107992A6 817&LanguageCode=en&DocumentPartId=&Action=Launch

001&LanguageCode=en&DocumentPartId=&Action=Launch