nghiên cứu, thiết kế Robot 3 bậc tự do tọa độ cầu

MỤC LỤC NG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung Năm 1921 từ Robot xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rossum’s Universal Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek. Trong vở kịch này ông dùng từ “Robot” biến thể của từ gốc slavo “Rabota” để gọi một thiết bị lao công do con người tạo ra (nhân vật Rossum). Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Positron, do chính con người lập trình. Asimov cũng đặt tên cho ngành nghiên cứu về robot là robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản: - Robot không được xúc phạm con người và 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 cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trước. Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng robot dần dần được giới kĩ thuật hình dung như những chiếc máy đặc biệt được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế con người trong một số công việc nhất định. Để hoàn thành nhiệm vụ đó robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người. Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm: cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí. Chức năng cảm nhận gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống do các cảm biến và các thiết bị liên quan thực hiện, được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến. Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh hành vi của mình và hoạt động đúng theo chức năng quy định trong điều 1 kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Hình 1.1 Một số hình ảnh về robot công nghiệp Robot sử dụng trong công nghiệp đòi hỏi tính linh hoạt, hoạt động nhanh, tinh vi và chuẩn xác, có khả năng thay thế con người hoạt động trong môi trường nguy hiểm, độc hại. Robot 3 bậc tự do tọa độ cầu là một robot linh hoạt, chính xác, có tính ứng dụng trong các dây chuyền công nghiệp, có thể được phát triển để ứng dụng vào việc lắp ráp các sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. 1.2 Các vấn đề đặt ra Với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế Robot 3 bậc tự do tọa độ cầu” yêu cầu: - Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí chính xác, đảm bảo hệ thống hoạt động chắc chắn, chạy êm, cơ cấu di chuyển tới vị trí mong muốn. - Giải quyết bài toán động học và động lực học làm cơ sở để điều khiển robot. - Sử dụng phần mềm matlab để tính toán, mô phỏng robot - Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot: mạch điều khiển, mạch công suất. 1.3 Phương pháp nghiên cứu 2 Trong một hệ thống cơ điện tử, phương pháp thiết kế có ý nghĩa rất quan trọng, mang tính tổng quát, tiên phong. Để hoàn thành đề tài, nhiều kiến thức chuyên ngành cơ điện tử và kiến thức liên ngành đã được áp dụng trong các hệ thống cơ khí, điện tử, công nghệ thông tin, điều khiển hệ thống. Đồ án sử dụng các phương pháp: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các mô hình, hệ thống thực tế, thiết bị có sẵn trên thực tế để lựa chọn phương pháp phù hợp. - Sử dụng các công cụ thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng trên máy tính để đánh giá mô hình thiết kế, và đồng thời loại trừ các sai sót trước khi chế tạo. 1.4 Phạm vi giới hạn của đề tài Đây là một đề tài rộng và có nhiều ứng dụng trong thực tế, trên thị trường có rất nhiều sản phẩm hoàn thiện về cả chất lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn với những tính năng sau: - Kết cấu cơ khí: Robot có ba bậc tự do Robot có không gian làm việc: (x,y,z) = (475 mm, 475 mm, 715 mm) - Độ phân giải điều khiển tại các khớp: Khớp 1: 1 phút Khớp 2: 1 phút Khớp 3: 1 phút - Robot có thể điều khiển theo góc và theo vị trí. - Xây dựng bộ phần mềm giải quyết bài toán động học thuận, động học ngược, bài toán thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp. - Xây dựng phần mềm điều khiển robot trên máy tính bằng phương pháp dạy học. 3 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Tổng quan về robot công nghiệp Robot công nghiệp có thể được hiểu là máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau. Là thiết bị có thể thao tác với nhiều bậc tự do, được điều khiển nhờ các chương trình đã được lập trình sẵn và có khả năng lập trình lại được. Robot có thể thực hiện nhiều công việc thay cho con người với độ chính xác và tin cậy cao. Ngày nay với nhiều ưu điểm, robot công nghiệp đã trở thành thiết bị tự đông hóa không thể thiếu cho các hệ thống sản xuất linh hoạt. Robot công nghiệp góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như: làm việc không mệt mỏi, linh hoạt trong việc chuyển đổi các chức năng giữa các dây chuyền khác nhau, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “Cảm nhận” được từ trường và “Nghe” được cả siêu âm… Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn. Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, hàn, cắt, kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm… Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động nếu robot vì một lý do nào đó mà ngừng hoạt động thì sẽ làm ảnh hưởng đến hoạt động của toàn bộ dây chuyền. Vì vậy, trong quá trình hoạt động của robot vẫn cần có sự giám sát của con người. 2.2 Cấu trúc cơ bản và phân loại Robot công nghiệp 2.2.1 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay và tịnh tiến mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của robot kiểu tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ góc (phỏng sinh)… - Tay máy Robot công nghiệp: được ví như phần khung xương và cơ bắp của robot. 4 Robot có cứng vững hay không, có tải trọng lớn hay không, có làm việc chính xác hay không phụ thuộc phần lớn kết cấu của tay máy tobot công nghiệp. Hình 2.1 Cấu trúc chung của Robot công nghiệp - Hệ thống cảm biến: được ví như giác quan của Robot, giúp đo đạc các thông số về trạng thái bản thân robot: vị trí, tốc độ, gia tốc… cũng như các thông số của môi trường: nhiệt độ, lực, momen… - Cơ cấu chấp hành: Tạo chuyển động cho các khâu của tay máy, nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là các loại động cơ như: điện, thủy lực, khí nén, hoặc sự kết hợp giữa chúng. - Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển được ví như não bộ của robot. Hệ thống điều khiển đưa ra các lệnh điều khiển cho tay máy robot công nghiệp, đọc các dữ liệu từ hệ thống cảm biến để so sánh với dữ liệu sẵn có, tính toán và đưa ra lệnh điều khiển tay máy. - Giao diện người – Robot: Thường là những phần mềm chuyên dụng, điều khiển trên máy tính hoặc các tay cầm điều khiển. Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay và tịnh tiến mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp 5 Môi trường: Đối tượng Lực, moment Phần công tác Sensor giám sát trạng thái hệ thống Truyền động cơ khí Sensor giám sát thông số môi trường Cơ cấu chấp hành Hệ thống điều khiển Giao diện người - Robot của robot là robot kiểu toạn độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ góc (phỏng sinh)… 2.2.2 Phân loại robot công nghiệp a) Phân loại hình dạng hình học và không gian hoạt động Robot kiểu tọa độ đề các Hình 2.2 Robot kiểu tọa độ Đề Các Robot kiểu tọa độ trụ Hình 2.3 Robot kiểu tọa độ trụ Robot kiểu tọa độ cầu Hình 2.4 Robot kiểu tọa độ cầu Robot kiểu tọa độ Scara 6 Hình 2.5 Robot kiểu SCARA b) Phân loại theo phương pháp điều khiển Theo phương pháp điều khiển robot công nghiệp được phân ra làm 2 loại: điều khiển theo mạch hở và điều khiển theo vòng kín. - Điều khiển theo mạch hở: Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môi trường làm việc của tay máy robot công nghiệp. Do đó, độ chính xác không cao, phương pháp điều khiển này tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong những trường hợp không đòi hỏi cao về độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hàng hóa… Động cơ được sử dụng trên tay máy robot thường là động cơ bước, động cơ điện thông thường không phản hồi. - Điều khiển theo vòng kín: Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín Khác với phương pháp điều khiển theo mạch hở, ở phương pháp điều khiển theo vòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường mà tay máy tương tác. Do đó, điều khiển tay máy robot công nghiệp sẽ chính xác hơn. So với phương pháp điều khiển theo mạch hở, phương pháp này phức tạp hơn do phải trang bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái của tay máy như: vị trí, vận tốc, gia tốc, momen… và các thông số môi trường làm việc. Với ưu điểm như vậy nên phương pháp điều khiển theo vòng kín ngày càng được sử dụng nhiều trên các tay máy robot công nghiệp. 7 Môi trường làm việc Tay máy robot công nghiệp Hệ thống điều khiển Tay máy robot công nghiệp Môi trường làm việc Hệ thống điều khiển Hệ thống cảm biến c) Phân loại theo ứng dụng Robot được phân loại tùy theo ứng dụng trong nhiều chuyên ngành công nghiệp như: robot hàn, robot sơn, robot lắp ráp, robot trong ngành luyện kim… 2.3 Cơ sở lý thuyết 2.3.1 Động học tay máy a) Động học thuận Bài toán động học thuận sử dụng phương pháp do Denavit-Hartenberg đề xuất. Phương pháp đó được sử dụng để biểu thị mối quan hệ giữa 2 khâu với nhau: Khâ u 1 2 … N Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H : Trục z i trùng hướng với hướng của trục z i+1 Trục x i cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục z i-1 và trục z i Gốc tọa độ trên khâu được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x đã xác định của khâu đó. Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theo quy tắc bàn tay phải. Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần nhất với hệ tọa độ gần nó. Hệ tọa độ gốc chọn trục x bất kì. Phép rời trục tọa độ: Bản chất của quy tắc D – H là việc rời hệ tọa độ theo quy tắc nhất định để 2 hệ trục tọa độ trùng khớp nhau. Thứ tự rời như sau: - Tịnh tiến một đoạn d i theo trục z i-1 để x i-1 nằm trên mặt phẳng pháp tuyến của z i-1 chứa x i . - Quay một góc θ 1 quanh trục z i-1 để x i-1 cùng phương với x i . - Tịnh tiến một đoạn a i theo trục x i-1 để x i-1 trùng với x i . - Quay một góc α i quanh trục x i-1 (≡x i ) để z i-1 ≡z i . (d)(θ)(a)(α) Ma trận biến đổi thuần nhất theo quy tắc D – H: = (d)(θ)(a)(α) 8 Các bước thiết lập phương trình động học Robot bằng phương pháp Denavit – Hartenberg: Bước 1: Đặt hệ trục tọa độ theo quy tắc D - H Bước 2: Lập bảng thông số động học D – H. Bước 3: Từ bảng thông số động học D – H thay vào công thức tính được các ma trận biến đổi thuần nhất tương ứng. Bước 4: Nhân các ma trận biến đổi thuần nhất này với nhau theo đúng thứ tự được phương trình động học Robot công nghiệp. = . . . . Khi các trục khớp cắt nhau nên di chuyển các trục tọa độ có gốc trùng nhau. b) Động học ngược Khái niệm: Động học ngược tay máy là việc giải phương trình động học robot công nghiệp để tìm ra các giá trị của biến khớp khi cần di chuyển khâu công tác tới vị trí xác định và hướng xác định. Mục đích của việc giải phương trình động học robot công nghiệp: để điều khiển tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì chúng ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu. Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot. Các phương pháp giải bài toán động học ngược : - Phương pháp số. - Phương pháp giải tích. 2.3.2 Động lực học tay máy a) Khái niệm Bài toán động lực học tay máy là bài toán nghiên cứu mối quan hệ giữa chuyển động của tay máy và nguyên nhân gây ra các chuyển động đó. b) Mục đích nghiên cứu bài toán động học tay máy - Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp. - Tính toán chọn động cơ. c) Phân loại bài toán động lực học tay máy - Bài toán động lực học thuận: Cho trước lực và momen tác dụng ở mỗi khớp tay máy, tìm chuyển động của tay máy. - Bài toán động lực học ngược: Cho trước chuyển động của tay máy, tính toán lực và momen tác dụng vào các khớp của tay máy. d) Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy - Phương pháp sử dụng định lý động năng. 9 - Phương pháp sử dụng phương trình Lagarange II. - Phương pháp Newton-Euler. 2.4 Các hệ thống điển hình của Robot công nghiệp Robot công nghiệp được cấu thành bởi 3 hệ thống chính: hệ thống chấp hành, hệ thống cảm biến, hệ thống điều khiển. 2.4.1 Hệ thống chấp hành Hệ thống chấp hành là hệ thống tạo ra nguồn động lực cho mọi chuyển động của tay máy robot công nghiệp. Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống chấp hành Công suất nguồn P p . P c là tín hiệu điều khiển. Công suất điện cung cấp cho động cơ P a . Công suất cơ học do động cơ phát ra P m . Công suất cơ học cần thiết để làm chuyển động khớp P u . Công suất tổn hao: P da ; P ds ; P dt trên mạch khuếch đại công suất, động cơ và hệ thống dẫn động cơ khí. a) Truyền dẫn cơ khí Hệ thống truyền dẫn cơ khí trên tay máy robot công nghiệp có tác dụng truyền chuyển động và momen từ các động cơ tới các khớp và bộ phận công tác của robot. Các loại truyền dẫn cơ khí: - Cơ cấu trục vít bánh vít. - Cơ cấu vít me đai ốc. - Truyền động xích. - Gắn trực tiếp rotor của động cơ tuyến tính lên trục của khớp. - Truyền động đai răng. 10 [...]... hoạt động của robot - Công cụ phục vụ cho việc đào tạo và học tập 30 - Khả năng kiểm tra đánh giá và chứng minh tính khả thi của một thiết kế robot mới nào đó b) Thiết kế cánh tay robot Robot tọa độ cầu RRR được thiết kế như sau: Hình 3. 17 Mô hình robot c) Mô phỏng chuyển động của robot (file easy-rob đính kèm trong CD) 31 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 Thiết kế phần mềm 4.1.1 Trình tự thiết. .. là tọa độ khối tâm của vật so với gốc Dựa vào công thức quan hệ giữa các hệ tọa độ trên tay máy công nghiệp Áp dụng cho khâu 2 ta có: Trong đó: là tọa độ điểm xc2 so với gốc O0 là tọa độ điểm xc2 so với gốc O1 => => => = K21= = K22= K22= K2=+ Khâu 3: vì khâu 3 chuyển động quay và tịnh tiến nên ta có: K3=K31+K32 Trong đó: K31 là động năng tịnh tiến K32 là động năng quay K31= + • 20       K31={... THỐNG 3. 1 Mô hình vật lý a) Mô hình robot Hình 3. 1 Mô hình robot Tính toán kích thước các khâu: Robot có không gian làm việc: (x,y,z) = (475 mm, 475 mm, 715 mm)  Ta có: l1 + l2 + l3=715(mm) l2 + l3=475(mm) Chọn độ dài khâu 1: l1 = 240 mm Chọn độ dài khâu 2: l2 = 230 mm Chọn độ dài khâu 3: l3= 245 mm b) Mô hình được thiết kế trên solidworks Hình 3. 2 Cấu hình và các hệ trục tọa độ gắn trên robot cầu RRR... học Robot công nghiệp = Khi các trục khớp cắt nhau ta nên di chuyển các trục tọa độ có gốc trùng nhau Áp dụng đối với robot RRR ta có: Bảng D-H: Khâu Hình 3. 6 Kết cấu tọa độ cầu RRR 1 L1 0 90 2 Bảng 3. 2 Bảng Di θi 0 L2 0 3 0 L3 0 Ma trận tổng quát: Ta có: Ta có: = 16 ai thông số D-H tay máy robot = = = 3. 3 Bài toán động học ngược Khái niệm: động học ngược tay máy là việc giải phương trình động học robot. .. 3 0 L3 0 Bảng 3. 3 Thông số động học D-H Thiết kế giao diện của bài toán động học thuận và ngược được viết trong chương 4, dưới đây là giao diện đã thiết kế a) Bài toán động học thuận Nhập các góc của các khâu robot trong bảng điều khiển, nhấn “Tăng hoặc Giảm” để điều chỉnh sau đó nhấn “Dịch chuyển” ta được tọa độ vị trí công tác 22 Hình 3. 9 Giao diện động học thuận b) Bài toán động học ngược Nhập tọa. .. K31={ K32= J3= K32=  K3={ Động năng của tay máy: K=K1+K2+K3 K=0,00066+++{  =         Tính thế năng P=mgh=P1+P2+P3 Trong đó: P1= P2= ) P3= P= )+ 0 Thay vào phương trình Lagarange II ta có: 21 Mđci Với động cơ 1 ta có: Mđc1== Với động cơ 2 ta có: Mđc2=-{}+ Mđc3 =3. 5 Mô phỏng số Để có thể mô phỏng cánh tay robot trên Winform ta cần áp dụng từ bài toán động học thuận và ngược của cánh tay robot. ..Truyền động đai răng được sử dụng rộng rãi trên robot công nghiệp, chúng có ưu điểm hạn chế trượt, khối lượng nhỏ, truyền được chuyển động, momen giữa các trục tương đối xa b) Động cơ Động cơ là nguồn tạo động lực chuyển động cho các khớp Yêu cầu động cơ trên robot công nghiệp: Quán tính nhỏ, dải tốc độ làm việc rộng, độ chính xác định vị cao, có thể làm việc trơn tru ở vận tốc thấp Các loại động cơ... b) Mục đích nghiên cứu bài toán động học tay máy: - Tính toán thiết kế kết cấu tay máy - Mô phỏng chuyển động của tay máy - Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp c) Phân loại bài toán động lực học tay máy: - Bài toán động lực học thuận: Cho trước lực và momen tác dụng ở mỗi khớp tay máy, tìm chuyển động của tay máy - Bài toán động lực học ngược: Cho trước chuyển động của tay máy, tính toán lực và... trục zi - Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x đã xác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theo quy tắc bàn tay phải Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần giống nhất với hệ tọa độ gần nó Hệ tọa độ gốc chọn trục x bất kì: Khâu 1 2 … n Bảng 3. 1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg Phép rời trục tọa độ: Bản chất... với chế độ so sánh và chia - tần số tách biệt và chế độ bắt mẫu 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM Có đến 13 ngắt ngoài và trong Bộ so sánh Analog 6 chế độ ngủ : Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power- down, Standby và Extended Standby - Giao tiếp nối tiếp Master/Slave SPI 3. 6 .3 Khối công suất điều khiển động cơ Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyển động . Các vấn đề đặt ra Với đề tài Nghiên cứu, thiết kế Robot 3 bậc tự do tọa độ cầu yêu cầu: - Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí chính xác, đảm bảo hệ thống hoạt động chắc chắn, chạy êm, cơ cấu. độ Đề Các Robot kiểu tọa độ trụ Hình 2 .3 Robot kiểu tọa độ trụ Robot kiểu tọa độ cầu Hình 2.4 Robot kiểu tọa độ cầu Robot kiểu tọa độ Scara 6 Hình 2.5 Robot kiểu SCARA b) Phân loại theo phương. hệ tọa độ góc (phỏng sinh)… 2.2.2 Phân loại robot công nghiệp a) Phân loại hình dạng hình học và không gian hoạt động Robot kiểu tọa độ đề các Hình 2.2 Robot kiểu tọa độ Đề Các Robot kiểu tọa độ