Bài tiểu luận mô hình hóa robot và hệ cơ điện tử

Bài tiểu luận mô hình hóa robot và hệ cơ điện tử

Lời nói đầu

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa

có vai trò đặc biệt quan trọng

Nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả

năng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao năng suất lao

động…vấn đề được đặt ra là hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao.Robot công

nghiệp, đặc biệt là những tay máy robot là bô phận quan trọng để tạo ra những hệ

thống đó

Tay máy Robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước, ngày nay tay

máy Robot đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, từ những ưu điểm mà tay máy Robot

hoạt động trong quá trình sản xuất, làm việc, chúng ta có thể đúc rút ra những tính

năng mà con người không thể có được : khả năng làm việc ổn định, có thể làm việc

trong môi trường độc hại… Do đó việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo ra những tay máy

Robot phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiện tại và

tương lai

Môn học giúp chúng em bước đầu làm quen, tìm hiểu,học cách giải các bài

toán động học thuận và động học ngược hay những bài toán tĩnh học, động lực học

đối với những mô hình tay máy Robot công ngiệp cơ bản và giúp chúng em củng

cố và mở rộng kiến thức phục vụ cho hoạt động học tập, nghiên cứu cũng như công

việc sau này

Trong quá trình học còn nhiều điều chưa hiểu cặn kẽ cũng như những thiếu

sót , mong thầy giúp đỡ chỉ bảo thêm

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG

NGHIỆP

1 Sơ lược lịch sử quá trình phát triển của robot công nghiệp

Hình 1.1 Hình ảnh robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm

1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động

cơ bắp của con người Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất

Theo viện nghiên cứu Robot của Mỹ đề xuất định nghĩa: “Robot công nghiệp

là tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp,

như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, sản phẩm, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dụng khác”

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators)

và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool) Các

cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác Nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một

cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm Vào khoảng năm

1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số

Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật -

1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở Ý - 1973 Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử

lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool : Công cụ của tương lai) Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG Ngày nay, khoa học về Robot “Robotics” phát triển mạnh mẽ, ngày càng hiện đại ứng dụng

2 Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp

Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau:

Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động

tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (Robot institute of America): Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động

có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga: Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Do đó, robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn

Với đặc điểm có thể lập trình lại được, robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất linh hoạt Vì vậy, robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người

3.1.Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp

3.1.Cấu trúc chung của robot công nghiệp

Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:

+Cơ cấu chấp hành(Actuator) tạo chuyển động cho các khâu của tay máy.Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện,thủy lực,khí nén

+Hệ thống cảm biến(Sensor) gồm các sensor và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu.Các

Robot cần hệ thống sensor bên trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu

của Robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường tác động

+Hệ thống điều khiển(Controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều

khiển hoạt động của Robot

+Tay máy(Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu,các khớp.Chúng hình thành

cánh tay để tạo chuyển động cơ bản,cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt và bàn tay

(End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

3.2 Bậc tự do của robot

Bậc tự do của Robot là đại lượng đặc trưng cho khả năng linh hoạt của

chuyển động của Robot Robot có số bậc tự do càng lớn thì khả năng linh hoạt càng

cao nhưng cấu trúc Robot càng trở nên phức tạp Cơ cấu tay của robot phải được cấu

tạo sao cho khâu cuối phải có vị trí và theo một hướng nhất định nào đó và dễ dàng

di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc Muốn vậy cơ cấu tay của robot phải đạt

được một số bậc tự do chuyển động Để tính số bậc tự do của robot thì có nhiều công

thức được đề xuất, dưới đây ta đưa ra cách tính dựa vào định lý Gruebler Định lý

này được sử dụng phổ biến trong nhiều tài liệu hiện nay

Theo Gruebler thì bậc tự do f được tính theo công thức:

0 1

g

i i



f : Là số bậc tự do của cơ cấu

: Bậc tự do của một vật rắn không chụi liên kết trong không gian làm việc của

robot ( = 3 ứng với không gian làm việc trong mặt phẳng,  = 6 ứng với không gian

làm việc trong không gian)

f : Số bậc

3.3 Phân loại Robot

3.3.1Phân loại theo phương pháp điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển robot: Điều khiển hở và Điều khiển kín

Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển Kiểu này đơn giản nhưng cho 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-điểm

và điều khiển theo đường (contour)

Kiểu điều khiển điểm-điểm: phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ không cao Kiểu điều khiển này thường được dùng trên các Robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh và bắn đinh

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

kì, với tốc điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các Robot hàn hồ quang và phun sơn

3.3.2 Phân loại theo ứng dụng

Dựa vào những ứng dụng của robot trong sản xuất ta có những loại robot sau: robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot dùng trong ngành dịch vụ, robot chuyển phôi

Hình 1.2 Robot hàn công nghiệp Hình 1.3 Robot trong nghành dịch vụ

4 Ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất

Trên thế giới:

Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt

Có thể kể đến một số ứng dụng điển hình của robot trên thế giới như:

Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB 660 Flex

Palletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker Các robot này có thể gắp lần lượt các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và đặt nó vào thùng gồm 20 hộp một cách chính xác

Robot dùng trong công nghệ ép phun nhựa: IRB 6650 của hãng ABB có thể

thao tác nhanh, dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở vị trí tách khuôn, giám sát, làm sạch, điều khiển chất lượng dựa trên camera……

Tại Việt Nam:

Nước ta ứng dụng của robot công nghiệp rất đa đạng, tùy vào những nghành, công việc khác nhau mà ta có thể áp dụng những robot công nghiệp riêng biệt Dưới đây là một số nghành trong hệ thống sản xuất mà áp dụng robot công nghiệp

Công nghiệp đúc: robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép

thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát

Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công

việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làm việc khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất

là ở trong các phân xưởng rèn dập

2.1 Thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg

Denavit-Hartenberg (1955) qui ước hệ tọa độ Decard gắn vào mỗi khâu của một tay máy Robot như sau:

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 động thứ i

và i+1, hướng từ khớp động thứ i tới trục i+1

Trục yi xác định theo quy tắc bàn tay phải

Hình 2.2: Sơ đồ thiết lập hệ tọa độ Các tham số động học Denavit-Hartenberg di, θi , ai, αi

di : Dịch chuyển tịnh tiến giữa 2 đường vuông góc chung của 2 trục di = Oi-1Oi’ là dương nếu vector Oi-1Oi’ theo chiều dương của trục zi-1 , âm trong trường hợp ngược lại

θi : Góc giữa 2 đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1

chuyển đến trục xi theo quy tắc bàn tay phải

ai : Khoảng dịch chuyển giữa 2 trục khớp động kề nhau ai = Oi’Oi

αi : Góc lệch giữa 2 trục của khớp động liền kề, là góc quay quanh trục xi sao cho trục zi-1 chuyển đến trục zi theo quy tắc bàn tay phải

Từ những điều trên ta vẽ ra sơ đồ động học của robot với cách đặt các hệ tọa độ như sau:

Khâu đế: Hệ tọa độ O0x0y0z0 gắn vào chân đế của Robot, trục z0 được chọn dọc theo trục của khớp 1 Trục x0 chọn tùy ý sao cho phù hợp với hình vẽ, trục y0 được xác định theo

quy tắc tam diện thuận

Khâu 1: Ta chọn trục z1 chọn trùng chiều với khớp 2, trục x1 là đường vuông góc chung của z0z1 có hướng từ z0 đến z1 , trục y1 được xác định theo tam diện thuận

Khâu 2: Ta chọn trục z2 chọn trùng chiều với khớp 3, trục x2 là đường vuông góc chung của z1z2 có hướng từ z1 đến z2 , trục y2 được xác định theo tam diện thuận

Khâu 3: Ta chọn trục z3 song song với z2 , trục x3 là đường vuông góc chung của z2z3

có hướng từ z2 đến z3 , trục y3 được xác định theo tam diện thuận

z3

z1=z2 a3 x3

z0

x2

a1 d2

1

d1 O1 x1

O0 yo

x0

Hình 2.3: Sơ đồ động học Robot

Từ đó ta lập được bảng Denavit-Hartenberg như sau:

Bảng 1: Bảng động học Denavit-Hartenberg

cos θ sin θ cosα sin θ sin α a cosθ

sin θ cosθ cosα sin α cosθ a sin θ

a a A

cosq sinq 0 a cosq

sinq cosq 0 a sinq

2.2 Thiết lập phương trình động học Robot

Do ma trận 0A3 biểu diễn qua thông số các biến khớp là qi Trong bài toán cụ thể thì

nó là các khớp xoay θi, với i=1÷3 Từ đó ta kí hiệu 0A3 là 0A3(q)

Sử dụng các góc Cardan xác định hướng của vật rắn,ta đưa ra vector tọa độ định vị khâu thao tác :

pE = x E,y E,z E, , ,  

Trong đó: x E,y E,z E mô tả vị trí của điểm tác động cuối E và là các góc quay Cardan của O3x3y3z3 so với hệ tọa độ O0x0y0z0 Do các tọa độ thao tác đều là hàm của thời gian Nên ta có thể biểu diễn:

cos sin cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos

sin sin cos cos sin sin sin sin cos cos sin cos

cos sin cos sin sin cos sin sin sin cos c

2.3 Bài toán động học thuận về vị trí

Với bài toán động học thuận, ta cho trước quỹ đạo chuyển động của các khâu

θ1, θ2 ,θ3 từ đó ta sẽ xác định được quỹ đạo chuyển động của điểm tác động cuối E theo điều kiện ban đầu đã cho

Từ hệ phương trình động học (2.4) ở trên ta nhận được vị trí của điểm tác động cuối

Sử dụng phần mền Maple ta xây dựng quy luật chuyển động của khâu thao

tác với các thông số đầu vào d1,a1,a2,a3 và cho quy luật chuyển động của θ1, θ2 ,θ3 :

Hình 2.5 : Chuyển động của yE theo t

Hình 2.6 : Chuyển động của zE theo t

Hình 2.7 : Chuyển động của khâu thao tác trong không gian

2.4 Bài toán động học thuận về vận tốc và gia tốc

x =4sin( cos(5t)) sin(5t)cos( sin(5t))-4cos( cos(5t))sin( sin(5t)) cos(5t)

+4cos( cos(5t)) sin(5t)sin( sin(5t))-4sin( cos(5t))cos( sin(5t)) cos(5t)

+4,5sin( cos(5t)) sin(5t)

y =-4cos( cos(5t)) sin(5t)cos( sin(5t))-4sin( cos(5t))sin( sin(5t)) cos(5t)

+4sin( cos(5t)) sin(5t)sin( sin(5t))+4cos( cos(5t))cos( sin(5t)) cos(5t)

-4,5cos( cos(5t)) sin(5t)

Hình 2.9 : Đồ thị gia tốc của điểm E Vận tốc góc của khâu thao tác có dạng :

3 Thiết kế động học ngược Robot

3.1 Giải bài toán động học ngược bằng phương pháp giải tích

arctan 2(sin(q ), cos(q ))

cos(q )

( cos(q ) x sin(q ))sin(q )

( cos(q ) x sin(q ))sin( )

xarctan 2(sin(q ), cos(q ))

Vậy khi cho các tham số điều kiện đầu ta có thể tìm được q1, d ,2 q3

Số bậc của Robot càng lớn thì việc tìm ra đáp án càng phức tạp và càng khó,

vì vậy sau đây chúng em xin trình bày cách giải bài toán động học ngược bằng phương pháp số

Phương pháp số ở đây chúng em trình bày cách giải bằng thuật toán Newton- Rapson sử dụng phần mền Maple để lập trình

3.2 Giải bài toán động học ngược bằng phương pháp số

Với bài toán động học ngược ta có thể giải bằng phương pháp giải tích cũng như phương pháp Newton-Raphson Phương pháp giải tích có thể giải được với những

mô hình có dưới 3 bậc tự do ta có thể giải được, nhưng từ 4 bậc tư do trở lên phương pháp giải tích cho thấy sự khó khăn trong việc giải toán Phương pháp Newton-Raphson khắc phục những nhược điểm đó của phương pháp giải tích