Giáo Trình ĐIỀU KHIỂN ROBOT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH - THÍ NGHIỆM TÊN HỌC PHẦN : ĐIỀU KHIỂN ROBOT MÃ HỌC PHẦN : 13316 HỆ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Hải Phòng, ngày…/…/20 Hải Phòng, ngày…/…/20 Hải Phòng, ngày…/…/20 TRƯỞNG KHOA TRƯỜNG BỘ MÔN NGƯỜI BIÊN SOẠN HẢI PHÒNG,… / 2009 Phần I: Giới thiệu chung về thực hành - thí nghiệm của môn học: - Mục tiêu chung của phần thực hành – thí nghiệm môn học: • Giúp sinh viên hiểu và nắm rõ hơn quá trình tính toán động học cho robot • Trên cơ sở lý thuyết đã được học, sinh viên liên hệ được với việc tính toán động học Robot trên thực tế mà cụ thể ở đây là Robot trên phòng TN Scobot-ER9 • Giúp sinh viên thực hành được các thao tác điều khiển Robot Scobot ER9 thông qua dụng cụ Teach Pendant và phần mềm điều khiển Robot Scobase - Phần mềm cung cấp công cụ cần thiết cho người sử dụng trong quá trình vận hành và lập trình cho Robot • Giúp sinh viên hiểu sâu hơn phần lý thuyết điều khiển Robot đã học ở trên lớp - Giới thiệu chung về thiết bị phòng thực hành – thí nghiệm: • Scorbot ER9: là loại robot dạng cánh tay người, bộ phận thân cơ khí của robot được nối bằng các khớp thẳng đứng, có 5 khớp quay. Với bàn kẹp được gắn vào thì robot có 6 bậc tự do. Mỗi khớp của robot được điều khiển bởi một động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu qua hộp truyền động bánh răng và dây cu roa • Máy tính • Bộ điều khiển Controller B: Là thiết bị trung gian kết nối giữa máy tính và robot để thực hiện việc điều khiển robot. Việc truyền thông giữa máy tính và bộ điều khiển thông qua cổng COM hoặc RS 232 cho phép chương trình được viết trên PC để điều khiển ROBOT. • Thiết bị Teach Pendant cho phép thực hiện điều khiển robot độc lập với máy tính . - Bảng tiến độ và thời lượng triển khai các bài thực hành thí nghiệm Thời ượng Tuần thứ 6 Tuần thứ 7 Tuần thứ 8 Tuần thứ 9 Tuần thứ 10 Tuần thứ 11 Bài 1 Bài 2 Bài 3 3h Nhóm 1 Nhóm 2 Nhóm 3 Nhóm 4 Nhóm 1 Nhóm 2 Nhóm 3 Nhóm 4 Nhóm 1 Nhóm 2 Nhóm 3 Nhóm 4 - Phương pháp đánh giá kết quả thực hành thí nghiệm của sinh viên: Bản báo cáo thí nghiệm - Công tác chuẩn bị của sinh viên: • SV phải ôn lại thật kỹ cơ sở toán học trong tính toán động học robot • Sinh viên phải nắm rõ được quá trình tính toán động học thuận và động học ngược cho Robot để đưa ra được các toạ độ mà Robot sẽ làm việc theo. • Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình SCOBASE (phần mềm chuyên dụng) cho Robot. - Cán bộ phụ trách, hướng dẫn thực hành thí nghiệm môn học: + KS. Phạm Thị Hồng Anh +ThS. Nguyễn Đình Thật - Tài liệu tham khảo • Tài liệu về Robot Scorbot ER9 trong phòng thí nghiệm • Điều khiển Robot. TS. Nguyễn Mạnh Tiến. Nhà xuất bản KHKT • Robot công nghiệp. PGS.TS Nguyễn Thiện Phúc • Giáo trình Robot công nghiệp. PGS.TS Phạm Thượng Cát Phần II: Nội dung chi tiết các bài THTN: Bài 1: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT SCORBOT-ER9 TRONG PHÒNG TN 1. Mục tiêu: Giúp SV nắm được tổng quan về cấu trúc robot trong công nghiệp, phương pháp điều khiển Robot, tìm hiểu về các thiết bị ngoại vi có liên quan đến Robot. 2. Công tác chuẩn bị của sinh viên: Đọc trước tài liệu về Robot Scorbot ER9 trong phòng thí nghiệm và bộ điều khiển Controller B Ôn lại cơ sở toán học cho điều khiển Robot 3. Trang thiết bị cần thiết: - Scorbot ER9 - Máy tính - Bộ điều khiển Controller B - Thiết bị Teach Pendant 4. Các nội dung, quy trình 4.1 Scorbot – ER9. Scorbot ER9 là loại robot dạng cánh tay người, bộ phận thân cơ khí của robot được nối bằng các khớp thẳng đứng, có 5 khớp quay. Với bàn kẹp được gắn vào thì robot có 6 bậc tự do. Việc thiết kế này cho phép end-effector có thể di chuyển tuỳ ý trong không gian làm việc rộng. Mỗi khớp của robot được điều khiển bởi một động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu qua hộp truyền động bánh răng và dây cu roa. Sự chuyển động của các khớp được mô tả theo bảng sau Hình 1: Các khớp chính của tay Robot Hệ trục Khớp Chức năng Động cơ 1 Đế Quay thân 1 2 Vai Nâng và hạ cánh tay trên 2 3 Khuỷu Nâng và hạ cổ tay 3 4 Cổ tay Nâng và hạ end_effector 4 5 Quay cổ tay Quay end_effector 5 Bảng 2: Tên và chức năng các khớp robot a. Bàn kẹp Bàn kẹp là một phần tử được gắn vào robot để thực hiện một công việc nào đó. Hoạt động của bàn kẹp khác hoạt động của các trục, nhưng ngược lại người ta có thể đưa một lệnh để xác định lượng chuyển động của các trục, từ đó chỉ dẫn bàn kẹp đóng hay mở hoàn toàn. Tuy nhiên nếu bàn kẹp kẹp vật thể lên thì nó sẽ dừng chuyển động của nó. Bàn kẹp trong robot này có thể là bàn kẹp chạy bằng khí nén hoặc động cơ điện servo 1 chiều . b. Điều khiển scorbot – ER9 - Điều khiển bằng phần mềm thông qua máy tính điều khiển hệ thống. Chủ yếu sử dụng phần mềm chuyên dụng SCORBASE, là phần mềm điều khiển robot được sử dụng trên nền của Window 98. Dễ sử dụng, có thể sử dụng trên bất kì hệ thống PC nào và thông tin với ACL, ngôn ngữ bên trong của bộ điều khiển bởi kênh RS232 - Qua thiết bị cầm tay Teach Pendant: Nó là một thiết bị đầu cuối điều khiển bằng tay sử dụng để điều khiển Scorbot er9 và các thiết bị ngoại vi. Trong thực tế Teach Pendant dùng để di chuyển các hệ trục, ghi lại vị trí, gửi các hệ trục để ghi lại vị trí và chạy chương trình . c. Hệ thống truyền động của ScorBot – ER9 Chuyển động của Scorbot được thực hiện nhờ 3 phần tử chính ( Hình 2). - Động cơ điện một chiều - Hộp truyền động - Dây curoa và puly Hình 3: Hệ thống truyền động của Scorbot – ER9 Hình trên là hệ thống truyền động của Scorbot cho các hệ trục từ 1 – 4. Riêng hệ trục 5 hệ truyền động không bao gồm dây cu roa và puly mà chỉ có hộp truyền động được sử dụng( Hộp số ). * Động cơ : Cánh tay robot được truyền động bởi động cơ điện 1 chiều. Các bộ tác động biến đổi tín hiệu từ bộ điều khiển ( Điện năng ) thành sự quay của trục động cơ ( Cơ năng ). Hình 4: Cấu Trúc Robot SCORBOT – ER9 Scorbot – ER9 sử dụng các động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu để chuyển động các trục. Các chuyển động của robot được thực hiện thông qua động cơ như hình dưới . Động cơ cho hệ trục 1,2 và 3 Động cơ cho hệ trục 4và 5 Các động cơ này có thể chuyển động với tốc độ quay rất lớn để chuyển động các tải có momen lớn và ( với encođer đã gắn ) để thực hiện các vòng quay lớn. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng dựa trên cơ sở dòng điện chạy qua chất dẫn điện được đặt trong từ trường. Vị trí này tạo ra một lực tác động vào chất dẫn điện Cấu trúc cơ bản của các động cơ gồm các thành phần chính mô tả trên hình sau: Hình 6: Cấu trúc của các động cơ Scorbot - Stato : Là phần tử tĩnh tạo ra từ trường, nó có thể là một nam châm vĩnh cửu hoặc một nam châm điện gồm một cuộn dây quấn quanh lõi thép mỏng . - Roto : Là phần tử quay trong từ trường. Tải bên ngoài được nối với trục của roto. Roto nói chung bao gồm hệ thống lõi thép đã được đục lỗ và các dây dẫn được quấn vài lần quanh tấm bản cực qua các lỗ. Hai đầu cuối của dây dẫn được nối tới hai nửa của bộ chuyển mạch nó được cấp nguồn thông qua 2 chổi than . - Chổi than: Nó nối các bộ chuyển mạch quay tròn và được cấp bởi dòng điện từ bên ngoài . *, Dây cu roa và các puly Có tác dụng liên kết các chuyển động, đảm bảo các khớp hoạt động một cách chắc chắn và an toàn . d. Các phần tử định vị và giới hạn vị trí Scorbot – er9 luôn bố trí các phần tử định vị và giới hạn trên cánh tay robot để đảm bảo các chuyển động diễn ra chính xác và an toàn. Các phần tử này bao gồm : - Encoder . - Ngắt cuối và công tắc hành trình - Dừng phần cứng . - Công tắc cơ sở . * Encoder Vị trí và chuyển động của mỗi trục Scorbot – ER9 được đo bởi encoder quang điện đã được gắn vào đầu trục động cơ để đưa tín hiệu truyền động cơ từ các trục về. Encođer biến chuyển động quay của trục động cơ thành một tín hiệu số bằng bộ điều khiển. Encoder được đặt trên động cơ như chỉ ở hình sau Hình 7: Vị trí đĩa Encoder trên động cơ Encoder sử dụng trên Scorbot – ER9 bao gồm một diot ( LED) quang như một nguồn sáng. Trước đèn led là một mạch tổ hợp đo sóng ánh sáng. IC này bao gồm một vài bộ thu tách sóng quang và một mạch điện để tạo ra một tín hiệu số. Một lỗ khoan trên đĩa quay được đặt vào giữa mạch tổ hợp bộ phát và bộ thu sóng . Khi đĩa quay tròn giữa đèn LED và bộ thu ánh sáng bị ngắt bởi các vạch trên đĩa, kết quả là một chuỗi xung nhận được bởi IC thu sóng . Hình 8: Đĩa encoder trên Scorbot – ER9 Encoder có 512 rãnh cắm như hình trên, mỗi khe bổ xung trên đĩa được sử dụng để phát ra một xung kim ( Xung C) cho mỗi vòng quay của đĩa. Dựa trên xung kim này để xác định vị trí gốc của các trục . Bộ thu sóng phải được sắp xếp sao cho khi thay đổi có thể phát hiện toàn bộ ánh sáng. Đầu ra các diode quang được đưa vào mạch xử lí tín hiệu, kết quả cho ra các tín hiệu như hình 9 Các bộ so sánh nhận tín hiệu và tạo ra các tín hiệu số ở các kênh A, B, và I. Đầu ra các kênh A lệch pha với kênh B một góc 90 o . Khi chiều quay của đĩa ngược với chiều quay kim đồng hồ, kênh A sẽ sớm pha hơn kênh B, và ngược lại khi chiều quay của đĩa theo chiều kim đồng hồ thì kênh B sẽ sớm pha hơn kênh A. Hình 9 :Tín hiệu điều chế đưa vào điều khiển *Ngắt cuối và công tắc giới hạn SCORBOT – ER9 sử dụng các công tắc giới hạn, để giới hạn các khớp chuyển động ra ngoài chức năng giới hạn của chúng. Khi có một lỗi điều khiển sẽ dừng hệ trục ở cuối hành trình làm việc, công tắc giới hạn sẽ tác động để tạm dừng các hành trình đó. Công tắc tới hạn là một bộ phận trên cánh tay robot độc lập với bộ điều khiển . Mỗi trục từ trục 1 đến trục 4 có 2 công tắc tới hạn. Vị trí của nó ở cuối phạm vi làm việc của các hệ trục. Trục 5 không có các công tắc tới hạn, nó có thể quay liên tục. Khi bàn kẹp được gắn vào trục 5 chuyển động của nó chỉ được điều khiển và giới hạn bởi phần mềm . Công tắc tới hạn được gắn trên các đĩa, các đĩa này được gắn với khung của robot. Đĩa cho trục 3 được chỉ như hình sau : Hình 10: Vị trí công tắc tới hạn Trục ra của hộp truyền động liên kết với đĩa được gắn với công tắc nhỏ. Ở vị trí chuyển động các khớp, mấu cam trên đầu ra của các trục chuyển động di chuyển đến một điểm, ở điểm đó nó sinh ra một lực trên nút kích thích của công tắc tới hạn vào vị trí mà nó làm hoạt động công tắc . * Công tắc cơ sở Scorbot – ER9 sử dụng công tắc quang cơ sở trên mỗi hệ trục để nhận dạng vị trí gốc, hoặc các vị trí cố định khác. Công tắc cơ sở được đặt trên đĩa giống như công tắc tới hạn và một cái cờ được gắn trên đầu ra của trục truyền động. Trong suốt quá trình đưa về vị trí gốc, các biến khớp của robot được chuyển động ở mỗi một thời điểm. Mỗi một trục được di chuyển cho đến khi cờ cắt tia sáng. Khi đó bộ thu sáng trên mỗi hệ trục gửi tín hiệu tới bộ điều khiển. Lần đầu tiên vị trí mà công tắc cơ sở phát hiện, động cơ tiếp tục quay cho đến khi encoder sinh ra xung kim. Tại thời điểm đó chính là vị trí gốc của hệ trục. . 4.2. CONTROLLER B hệ thống điều khiển robot Là thiết bị trung gian kết nối giữa máy tính và robot để thực hiện việc điều khiển robot. Việc truyền thông giữa máy tính và bộ điều khiển thông qua cổng COM hoặc RS 232 cho phép chương trình được viết trên PC để điều khiển ROBOT. Ngoài ra thông qua thiết bị teach Pendant cho phép thực hiện điều khiển robot độc lập với máy tính . Nói chung bộ điều khiển bao gồm những phần tử điện với hệ thống vi xử lí. Các hệ thống này điều khiển chuyển động của các end – effector thông qua việc điều khiển chuyển động của các biến khớp. Trong một số trường hợp có thể lưu trữ các chương trình trong bộ nhớ của chúng . a. Thông tin tổng quan bộ controler B Các đặc điểm của bộ điều khiển . + Loại điều khiển: Bao gồm điều khiển độc lập, thời gian thực, đa nhiệm, PID ( Tỉ lệ , tích phân và vi phân ), PWM điều khiển độ rộng xung + Điều khiển đường: gồm CP ( đường liên tục ), đường nối, đường thẳng, đường tròn, đường hình sin, đường được định nghĩa bởi người sử dụng toạ độ của thiết bị . + Điều khiển quỹ đạo: Bao gồm điều khiển quỹ đạo kiểu Parabonoit, quỹ đạo đường hình sin. + Các tham số điều khiển: Điều khiển servo, tốc độ, vận tốc trượt, sai lệch vị trí trục, hoạt động của bàn kẹp, bảo vệ nhiệt, va chạm, giới hạn, dẫn đường, giao diện encorder, và các phép tính . Ngoài ra còn nhiều các thông số khác như: Cấp nguồn vi phân, trọng lượng kích thước, dải nhiệt độ hoạt động, chíp, bộ nhớ card vào ra [...]... động học trong điều khiển Robot - Phương pháp đưa tọa độ để xác định vị trí của tay nắm Robot Bài 3: SCOBOT – ER9 LÀM VIỆC TRONG KỸ THUẬT HÀN 1 Mục tiêu: - Giúp sinh viên thực hành được các thao tác điều khiển Robot Scobot ER9 thông qua dụng cụ Teach Pendant và phần mềm điều khiển Robot Scobase - Phần mềm cung cấp công cụ cần thiết cho người sử dụng trong quá trình vận hành và lập trình cho Robot - Giúp... đầu nối giữa bộ điều khiển và Robot, máy tính và bộ điều khiển - Cấp nguồn 220VAC vào bộ điều khiển và máy tính - Bật công tắc ở bộ điều khiển bởi nút ON/OFF - Ấn nút cấp nguồn cho các động cơ một chiều ở mặt trước của bộ điều khiển - Khởi động máy tính - Trên thiết bị Teach Pendant, chuyển nút chế độ AUTO/TEACH ở chế độ auto - Mở phần mềm Scobase trong máy tính (Trên Desktop) - Đưa robot về vị trí... con Robot Scobot ER9 trong phòng thí nghiệm - Các phương pháp điều khiển Robot - Phần mềm Scobase-pro ngôn ngữ lập trình cho Robot Scobot ER9 Bài 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CHO ROBOT SCOBOT-ER9 1 Mục tiêu: - Giúp sinh viên hiểu và nắm rõ hơn quá trình tính toán động học cho robot - Trên cơ sở lý thuyết đã được học, sinh viên liên hệ được với việc tính toán động học robot trên thực tế mà cụ thể ở đây là Robot. .. sâu hơn phần lý thuyết điều khiển Robot đã học ở trên lớp 2 Công tác chuẩn bị của sinh viên: - Sinh viên phải nắm rõ được quá trình tính toán động học thuận và động học ngược cho Robot để đưa ra được các toạ độ mà Robot sẽ làm việc theo - Hiểu và lập trình được với ngôn ngữ SCOBASE (phần mềm chuyên dụng) cho Robot 3.Trang thiết bị cần thiết: - Scorbot ER9 - Máy tính - Bộ điều khiển Controller B - Thiết... vào bộ điều khiển Mỗi khối được đặt ở chế độ luôn nổi và có thể được tham chiếu tới các thiết bị ngoại vi khác nhau hoặc tới trạng thái tiếp đất của bộ điều khiển Các mạch đầu vào bộ điều khiển sử dụng cách li quang để đảm bảo cách ly về điện giữa bộ điều khiển và các thiết bị điện tử khác trong hệ thống - OUTPUT : Gồm 16 đầu ra , được chia thành 2 khối cách li quang Hình15: Đầu ra của bộ điều khiển. .. song song 7 Đầu nối nguồn robot 8 Đầu nối Encoder 9 Đầu nối trục chuyển động 10 Đầu nối Scorbot – ER9 11 Đầu nối các khối vào/ra 12 Công tắc điều khiển sự cố từ xa 13 Đầu nối ra để điều khiển từ xa cho động cơ servo 14 Cổng đa chức năng RS 232 * Cấu trúc bên trong của bộ điều khiển Đây là những thông tin về phần cứng của hệ thống Nó tích hợp đầy đủ các phần tử tạo nên bộ điều khiển bao gồm - CPU: Loại... trong tính toán động học robot - Phải nắm được cơ bản các bước tính toán động học của robot - Tính được các định thức, từ đó tính ra được vị trí của bàn kẹp robot Scobot-ER9 3 Trang thiết bị cần thiết: - Scorbot ER9 - Máy tính - Bộ điều khiển Controller B - Thiết bị Teach Pendant 4 Các nội dung, quy trình: 4.1 Động học thuận vị trí của robot Bài toán động học thuận vị trí của robot là bài toán xác định... Controller – B b Thành phần và chức năng giao tiếp của Controller – B * , Mặt trước của bộ điều khiển controller Mặt trước của khối điều khiển Gồm các thành phần và chức năng như sau: - Công tắc nguồn: Công tắc này ở vị trí sau của bộ điều khiển Công tắc nguồn có thể nối với nguồn 100/110/220/240 VAC tới bộ điều khiển Khi công tắc nguồn bật hệ thống bắt đầu hoạt động -Đèn nguồn: Đèn LED màu vàng sáng... đưa robot về vị trí gốc xong thì vào menu File/new để mở một file mới bằng cách lập trình và nạp các vị trí cho chương trình - Sau khi nạp các vị trí mới xong, cho chạy chương trình bằng cách vào menu Run + Nếu muốn Robot chạy theo từng dòng lệnh một thì chon Run Single line + Nếu muốn Robot chạy theo chu kỳ thì chọn Run Single cycle + Nếu muốn Robot chạy liên tục thì chọn Run Continuosly - Sau khi robot. .. từ bộ điều khiển Sử dụng cấp nguồn của bộ điều khiển có 4 điểm cuối là + 24VDC 2A, 12 VDC 2A, cấp nguồn di động chung, nối đất an toàn - Các điểm đầu ra: Có tất cả 16 đầu ra trong hệ thống robot để chuyển các tín hiệu đến các phần tử bên ngoài trong môi trường của robot Controller- B có 2 loại đầu ra, 4 rơle đầu ra và 12 tiếp điểm thường mở - Các tiếp điểm đầu vào: Có 16 đầu vào trong hệ thống robot . đặc điểm của bộ điều khiển . + Loại điều khiển: Bao gồm điều khiển độc lập, thời gian thực, đa nhiệm, PID ( Tỉ lệ , tích phân và vi phân ), PWM điều khiển độ rộng xung + Điều khiển đường: gồm. thể điều khiển Robot hoạt động thì phải thao tác theo trình tự sau: - Kiểm tra tất cả các đầu nối giữa bộ điều khiển và Robot, máy tính và bộ điều khiển - Cấp nguồn 220VAC vào bộ điều khiển. CONTROLLER B hệ thống điều khiển robot Là thiết bị trung gian kết nối giữa máy tính và robot để thực hiện việc điều khiển robot. Việc truyền thông giữa máy tính và bộ điều khiển thông qua cổng