báo cáo tổng quan về robot công nghiệp

Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp : Hình 2.1: Sơ đồ kết cấu chung của RBCN Tay máy Manipulator là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp.. Robot song song là một chuỗi động học kín, ở đó

1 TÊN ĐỀ TÀI:

“TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP”

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1 LỊCH SỬ RA ĐỜI ROBOT

Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sảnxuất Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người TiệpKaren Kapek viết năm 1921 Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai củaông đã tạo ra những chiếc máy gần giống con người để hầu hạ con người

Chiếc Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên ,năm 1961 ở một nhàmáy ô tô của General motor tại trenton, Mỹ

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đẩu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967,Thuỵ Ðiển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Ðức -l97l; Pháp - 1972;

ở Ý - 1973

Số liệu về số lượng Robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển:

Mỹ là nước đẩu tiên phát minh ra Robot , nhưng nước phát triển cao nhất tronglỉnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng Robot lại là Nhật

2 ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP

2.1 Mục tiêu ứng dụng:

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suấtdây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnhtranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động

2.2 Những ứng dụng điển hình của robot

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứngdụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên năng suất thấp do yêucầu chất lượng bề mặt mối hàng liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môitrường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn

Hình2.1 - Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi Hình 2.2- Hệ thống robot hàn

đường của hãng FANUC.

Hình 2.7- Robot sơn trong

4 THÀNH TỰU NỔI BẬT MỘT SỐ NƯỚC

Nhật: người máy mang tên ASIMO

Năm 1986, Tập đoàn Honda bắt đầu một chương trình phát triển robot giốngngười

Ngày 31/10/2000, sau 14 năm chế tạo robot , Honda cho ra mắt một loại robot mớimang tên ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility)

ASIMO trở thành người máy thông minh, giống người số 1 trên thế giới - đó làASIMO có thể thực hiện các cử chỉ, biểu lộ giống như con người: khóc, tức giận,vui mừng, ngạc nhiên, khoái chí

Trung Quốc: Robot tự hành Thỏ Ngọc của Trung Quốc đã được đưa thành cônglên mặt trăng bởi tàu thám hiểm không người lái Hằng Nga-3 vào ngày14/12/2013

MỸ: Robot quân sự

Chiếc máy bay không người lái tàng hình tự hành X-47B của Hải quân Mỹ

có thể tự bắn tên lửa khi phát hiện mục tiêu cần tiêu diệt theo như lập trình

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN TRONG NC IR

1 NHẬN DẠNG ROBOT CÔNG NGHIỆP

a Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp : 

Hình 2.1: Sơ đồ kết cấu chung của RBCN

Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thànhcánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt vàbàn tay (End Efector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lựccủa các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuyể lực, khí nén hoặc kết hợpgiữa chúng.

Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác.Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấucủa robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điềukhiển hoạt động của robot

Sơ đồ kết cấu chung của robot như trong hình 2.1

 Kết cấu của tay máy

Tay máy là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của RBCN Đó là thiết bị

cơ khí đảm bảo cho ro bot khả năng chuyển động trong không gian và khả nănglàm việc, như nâng hạ vật, lắp ráp, … ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạotay máy là phỏng tác cấu tạo và chức năng của ta người (hình 1.3) về sau, đâykhông còn là điều bắt buộc nữa Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại códáng vẻ khác rất xa với tay người tuy nhiên, trong khỹ thuật robot người ta vẫndùng các thuật ngữ quen thuộc, nhw vai (Shoulder), cánh tay (Ảm), cổ tay (Wrist),bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations),… để chỉ tay máy và các bộ phận củanó

Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnhhưởng lớn đến khả năng làm việc của chúng, như: Sức nâng, độ cứng vững, lựckẹp của tay,

Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công táctrong vùng làm việc thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác

b. Cách Thức phân loại IR

Phân loại theo kết cấu :

Phân loại theo kết cấu có robot chuỗi, robot song song

Robot chuỗi là một chuỗi động học hở với 1 khâu cố định gọi là đế và các khớpđộng, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp nhau Mỗi khâu động được liênkết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết

Robot cấu trúc nối tiếp

Robot song song là một chuỗi động học kín, ở đó các khâu luôn luôn được liênkết với ít nhất hai khâu khác.

Robot cấu trúc song song

Phân loại theo phương pháp điều khiển:

Có hai loại điều khiển Robot: điều khiển hở và điều khiển kín

Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hay động cơ thủy lực, khínén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển, kiểu nàyđơn giản nhưng độ chính xác thấp

Điều khiển kín (điều khiển kiểu Servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng

độ chính xác điều khiển, có hai kiểu điều khiển Servo:

Điều khiển điểm

Điều khiển theo đường

Điều khiển điểm - điểm phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kiatheo đường thẳng với tốc độ không cao

Kiểu điều khiển này thường được dùng trên các Robot hàn điểm, vận chuyển,tán đinh, bắn đinh

Điều khiển theo đường đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất

kỳ với tốc độ có thể điều khiển được, có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robothàn hồ quang và phun sơn

Phân loại theo ứng dụng:

Dựa vào ứng dụng của Robot trong sản xuất ta có các robot sau: robot sơn, robothàn, robot lắp ráp, robot dùng trong dịch vụ, robot chuyển phôi

Robot lắp ráp sản phẩm Hình 2.3

Robot hàn trong công nghiệp Hình 2.5

Robot sơn trong công nghiệp Hình 2.7

Robot trong ngành dịch vụ Hình 2.9

C Các thông số kỹ thuật của IR

 RoBot công nghiệp được đặt trưng bằng bảng các thông số kỹ thuật cơ bản

Thông số kỹ thuật Giá trị

Số bậc tự doTải nângGiá trị giới hạn (max, min )

 Biến khớp quay

 Biến khớp tịnh tiếnVận tốc góc lớn nhất khi quayVận tốc tịnh tiến lớn nhấtTầm với (Max / Min)Tầm cao (Max / Min)Sai số định vị

Hệ truyền dẫn động

Hệ điều khiển

Kg

-Radmmrad/smm/smmmm

± mm

-

-2 Mô hình hóa IR

a Khâu và khớp được sử dụng trong IR

Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu và khớp, chúng hình thành cánh taytạo nên các chuyển động cơ bản,cổ tay tạo nên sự khéo léo,linh hoạt và bàn taytrực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot công nghiệp

đó là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian vàkhả năng làm việc như nâng hạ lắp ráp

Trong thiết kế và sử dụng tay máy người ta quan tâm đến thông số có ảnhhưởng lớn đến khả năng làm việc của chúng như:

Sức nâng,độ cứng vững,lực kẹp của tay

Tầm với hay vùng làm việc : kích thước,hình dáng vùng mà phần công tác cóthể với tới

Sự khéo léo nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùnglàm việc

Để định vị và định hướng phần công tác một cách tùy ý trong không gian bachiều có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị,3 bậc tự do để địnhhướng.Một số công việc như nâng hạ,xếp dở yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6,Robothàn sơn thường có 6 bậc tự do

Các tay máy thường có đặc điểm chung về kết cấu là gồm các khâu,được nốivới nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đếnphần công tác.Các khớp phổ biến là khớp trượt và khớp quay

Cơ cấu IR :

Cơ cấu chấp hành : tạo chuyển động cho các khâu của tay máy.Nguồn độnglực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại : điện,thủy lực,khí nén hoặc kếthợp giữ chúng.

a Vẽ ,kí hiệu khâu, khớp và chuyển động trên IR

- Bậc tự do của Robot: bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu.

W =3 n−(2 P5+P4 )

Với n là số khâu động

p5 là số khớp

- Khâu : Một hay một số chi tiết máy liên kết cứng với nhau tạo thành một bộ phận

có chuyển động tương đối với các bộ phận khác trong cơ cấu được gọi là khâu

Khớp: Mối nối động giữa hai khâu liền nhau để hạn chế một phần chuyển động

tương đối giữa chúng được gọi là khớp động

- Chuyển động IR: các khâu của Robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản.

 Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z trong không gian Decarde, thông thườngtạo nên các hình khối

 Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R ( Roatation )

- Các kết cấu thường gặp của Robot

 Robot kiểu tọa độ Đề các: Tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo

phương các trục hệ tọa độ gốc do kết cấu đơn giản, nên có độ cứng vững cao, độchính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu,lắpráp…

 Robot kiểu tọa độ trụ: vùng làm việc của Robot có dạng hình trụ rỗng, thường

khớp thứ nhất có chuyển động quay

 Robot kiểu tọa độ cầu: vùng làm việc của Robot có dạng hình cầu thông thường

độ cứng vững của Robot này thấp hơn so với hai loại trên

 Robot kiểu tọa độ góc: đây là kiểu Robot được dùng nhiều hơn cả Ba chuyển

động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với hai trụcquay kia, ưu điểm nổi bậc của loại Robot hoạt động theo tọa độ góc là gọn nhẹ, độlinh hoạt cao

 Robot kiểu SCARA: Ba khớp đầu tiên của Robot này có cấu hình R,R,T các trục

khớp điều theo phương thẳng đứng

b Bộ thông số Denavit-Hartenberg của các khâu và khớp IR

Cách xác định bộ thông số Denavit- Hartenberg (DH)

-Đây là phần quan trọng nhất trong môn Robot công nghiệp

-Quy tắc Denavit-Hartenberg (DH) là một thuật giải quen thuộc và hiệu quả đểxác định phương trình động học của các rô bốt công nghiệp có nhiều khâu nối tiếpnhau thông qua các khớp động Các bước chủ yếu để thiết lập phương trình độnghọc rô bốt bằng bộ thôngsố DH là:

-Chọn hệ toạ độ cơ sở và gắn các hệ toạ độ cơ sở lên các khâu

-Lập bảng thông số DH (gồm bộ thông số θ, α, a, d)

-Xác định các ma trận quan hệ An dựa vào các thông số DH đã tìm được

-Tính các ma trận T và viết phương trình động học của rô bôt theo ma trận Tcuối cùng

-Trong thực tế, các rô bốt công nghiệp thường có các trục khớp song song hoặcvuông góc với nhau, và ở bài viết này chúng ta cũng xét các rô bốt như vậy Việcgắn hệ toạ độ lên cáckhâu chính xác đóng vai trò rất quan trọng khi xác lập phươngtrình động học rô bốt, đây làbước khó nhất và là chìa khoá để giải quyết bài toánđộng học Theo kinh nghiệm của mình,việc xác định các hệ toạ độ lên các khâuchúng ta cần lưu ý các điểm quan trọng sau:

-Các hệ toạ độ Oxyz phải tuân theo quy tắc bàn tay phải, đây là yêu cầu đầu tiên

và bắtbuộc

-Các trục zn phải chọn cùng phương với trục khớp n+1

-Các trục xn là trục quay của zn thành zn+1 Trong quá trình gắn hệ toạ độ, nếuxuất hiệnphép quay của trục zn+1 đối với zn quanh trục yn thì vị trí ban đầu(Home position) của rôbốt đã giả định không đúng và phải chọn lại.

-Khi xuất hiện trục khớp quay nối tiếp trục khớp tịnh tiến thì gốc toạ độ củakhâu tịnh tiếnđặt trùng với gốc toạ độ của khâu quay

-Với các rô bốt công nghiệp thường có các trục khớp song song hoặc vuônggóc với nhau,qua quá trình giải quyết một số bài toán động học rô bốt, mình cũngrút ra được một số kinh nghiệm xác định bộ thông số DH như sau:

-Với khâu tịnh tiến: d = d* (biến khớp), θ = a = 0 (nếu xuất hiện các trường hợpnhư trênthì xác định a theo các quy tắc đó)

-Với khâu quay: θ = θ* (biến khớp)

- Khi các trục z không cắt nhau thì a = độ dài pháp truyến chung nhỏ nhất củahai trục Khicác trục z cắt nhau thì a = 0

-αn là góc giữa các trục z trong mặt phẳng vuông góc với an αn = góc quayquanh trục xn biến zn thành zn+1

-dn là khoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp n Khi các trục

x không cắt nhau thì dn = khoảng cách giữa xn

-1xn Khi các trục x cắt nhau thì dn = 0

 Bộ thông số Denavit-Hartenberg của IR, cách xác định

- Dưới đây trình bày cách xây dựng các hệ tọa độ với hai khâu động liên tiếp i vài+1

Các hệ tọa độ đối với hai khâu động liên tiếp là khớp quay

Các hệ tọa độ với hai khâu động liên tiếp có khớp tịnh tiến

3 CÁC BÀI TOÁN CẦN GIẢI QUYẾT TRONG NGHIÊN CỨU IR

(Ma trận chuyển trong trường hợp 2 gốc tọa độ trùng nhau, ma trận chyển quanh trục bất kỳ)

3.1.Vị trí và hướng của vật rắn trong không gian

3.1.1 Hệ tọa độ vật

Thế (Posture) của một vật rắn trong không gian được coi là xác định hoàn toànnếu biết được vị trí và hướng của nó trong một hệ quy chiếu cho trước

Trên hình 2.1, hệ tọa độ O-xyz với các vector đơn vi là x, y, z được dung làm

hệ tọa độ gốc Để mô tả vị trí và hướng của vật rắn trong không gian,thường phảigắn lên nó một hệ tọa độ, gọi là hệ tọa độ gốc, ví dụ hệ 0'-x’y’z’ Gốc tọa độ 0' đạidiện trong vị trí của vật trong hệ 0-xyz, được xác định qua biểu thức:

O’=O , x X +O Y , Y +O Z , Z

trongđó O , x ,O , y ,O , zlà các thành phần của vector o'.trong hệ tọa độ 0-xyz Như vậy,

vị trí của điểm 0' được mô tả nhờ vector (3 x 1) sau:

Để cho gọn, 3 vectorđơn vị trong (2.2) có thể được biểu diễn dưới dạng ma trận(3 x 3), gọi là ma trận quay, kí hiệu là R, như sau:

Phép quay một vật quanh một trục tọa độ trường hợp riêng của phép quay mộtvật trong không không gian Chiều quay được quy ước là dương nếu ngược kimđồng hồ

Gỉa sử hệ 0'-x'y'z' nhận được do quay hệ 0-xyz quanh trục z một góc α (hình2.2), vector đơn vị của hệ này được biểu diễn trong hệ tọa độ0-xyz như sau:

Vì vậy, ma trận quay quanh trực z của hệ O'-x'y'z' so với hệ 0-xyz là

.Các ma trận trên sẽ rất hữu ích khi khảo sát phép quay vật quanh một trục bất

kỳ Có thê thử để xác minh chúng có các tính chất sau:

R(k, φ)= R T(k, φ) (2.7)Trong đó k = x, y, z; φ = α, β, y và RT là ma trận chuyển vị của ma trận R.

3.1.3 Phép quay một vector

Ma trận quay kông chỉ dung để biểu diễn vị trí của một hệ tọa độ so với một hệtọa độ khác mà còn được sử dụng để mô tả sự quay của một vector

Giả sử 2 tọa độ 0-xyz va O'-x'y'z', có gốc 0 và 0' trùng nhau (hình 2.3)

Điểm P trong không gian được mô tả lần lượt trong hệ O-xyz vàO'-x'y'z',bằngcác vector p và p':

Ví dụ: nếu hệ O-x'y'z' nhận được bằng cách quay hệ 0-xyz quanh trục z một góc

α (hình 2.4) thì ta có quan hệ giữa tọa độ của điểm P trong 2 hệ là:

Đó cũng chính là phương trình mô tả phép quay vector p quanh trục z một góc

α Biểu diễn hình học của phép quay này như trong hình 2.5

3.2 Phép quay một vector quanh một trục bất kỳ

3.2.1 Tổng hợp các ma trận quay

Thông thường một vật thể trong không gian có thể quay quanh một trục bấtkỳ.Trong trường hợp đó, có thể coi phép quay tổng quát là sự tổ hợp nào đó củacác phép quay đơn giản Nếu làm được như vậy thì ma trận quay tổng quát sẽ làtổng hợp của các ma trận quay đơn giản.

Giả sử có 3 hệ tọa độ chung gốc là O-xoyozo, O-x1y1z1, O-x2y2z2 Vector p đại diệncho một điểm bất kỳ trong không gian được biểu diễn trong mỗi hệ là po, , p1, p2*

Ký hiệu ma trận biểu diễn phép quay của hệ I so với hệ j là Rij

Ta có mối quan hệ giữa các vector p’ và p2 như sau:

P1 =R21p2 ( 2.10)Tương tự ta có:

P0 =R10p1 ( 2.11)

P0 =R20p2 (2.12)Thay (2.10) vào (2.11) và sử dụng (2.12); ta có: