Giải bài toán động học thuận và động học ngược của tay máy PUMA 6 bậc tự do

Vì vậy em đã chọn việc nghiên cứu robot PUMA 6 bậc tự do, với mục đích tìm hiểu robot công nghiệp cũng như các kỹ năng để giải bài toán động học thuận, động học ngược của các robot th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

BỘ MÔN : KỸ THUẬT MÁY

KHOA: CƠ KHÍ

1 Họ tên sinh viên : Nguyễn Tài Thu

2 Tên đề tài :“Giải bài toán động học thuận và động học ngược của tay máy PUMA

4 Nội dung nghiên cứu , tính toán thuyết minh

Đặt vấn đề : Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu động học tay máy robot

Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

Chương 2: Tay máy robot Puma 6 bậc tự do

Chương 3: Động học vị trí của tay máy

Chương 4: Bài toán động học thuận của tay máy

Chương 5: Bài toán động học ngược của tay máy

Kết luận Những kết quả đạt được Những vấn đề cần nghiên cứu tiếp Tự nhận xét, đánh giá Phụ lục

5 Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Lê Phước Ninh

6 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp :

7 Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp :

TL \ HIỆU TRƯỞNG Ngày… tháng….năm 2013 Đã giao nhiệm vụ TKTN

Trưởng Khoa Trưởng Bộ Môn Giáo viên hướng dẫn

Đã nhận toàn bộ TKTN nộp cho bộ môn của Sinh viên : …… ………

Lớp : ……….……… Khóa : …………

Ngày ……….….… tháng… ……… năm 2013

LỜI NÓI ĐẦU

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

xuất có vai trò đặc biệt quan trọng

Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất

dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm,

đồng thời cải thiện điều kiện lao động Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra một vấn đề thời

sự là làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt cao nhằm đáp

ứng sự biến đổi thường xuyên của thị trường Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành

không thể thiếu trong việc tạo dựng những hệ thống sản xuất linh hoạt đó Việc giải

các bài toán động học thuận và động học ngược là những nội dung quan trọng của

quá trình thiết kế, chế tạo robot công nghiệp

Trên thế giới có rất nhiều loại robot công nghiệp, với những tính năng linh hoạt khác

nhau, phục vụ những nhiệm vụ mà ngành kỹ thuật cần, trong số đó có thể kể đến robot

PUMA 6 bậc tự do với những tính năng cực kỳ linh hoạt Vì vậy em đã chọn việc

nghiên cứu robot PUMA 6 bậc tự do, với mục đích tìm hiểu robot công nghiệp cũng

như các kỹ năng để giải bài toán động học thuận, động học ngược của các robot

thông qua một robot điển hình

Trong quá trình thực hiện đồ án, được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng

dẫn và các thầy giáo ở bộ môn, cùng với sự tìm hiểu các nguồn tài liệu, trong thư

viên, trên mạng internet, và thực tế Với nội dung cần hoàn thành nhiệm vụ đề ra

trong thiết kế tốt nghiệp, em đã cố gắng hoàn thành các yêu cầu đó

Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn PGS.TS.LÊ PHƯỚC NINH, cùng

với các thầy giáo ở bộ môn Kỹ thuật máy, Khoa Cơ khí, Trường Đại học giao thông

vận tải đã nhiệt tình hướng dẫn, và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như

trong quá trình thực tập tốt nghiệp và thực hiện đồ án tốt nghiệp này

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Tài Thu

TÓM TẮT

Sau thời gian tìm hiểu và tiến hành thực hiện đề tài tốt nghiệp em đã hoàn thành các

nội dung cơ bản của đề tài : “Giải bài toán động học thuận và động học ngược của

robot PUMA 6 bậc tự do” Qua việc thực hiện đề tài tốt nghiệp này em đã có được

những kiến thức cơ bản về robot, giải đáp được những câu hỏi như :

Thế nào là robot ? Các bộ phận cấu thành robot công nghiệp? Tìm hiểu các loại robot

và phương pháp phân loại robot, miền làm việc của robot ? Chức năng và phạm vi ứng dụng của tay máy robot PUMA 6 bậc tự do? Lý do giải bài toán động học? Mục đích nội dung và phương pháp nghiên cứu động học robot? Biết cách xác định vị trí của tay máy robot nói chung và robot PUMA nói riêng, nắm được trình tự để giải 1 bài toán động học thuận và động học ngược Sau khi tiến hành giải cụ thể, em đã có thể giải bài toán động học thuận và động học ngược của các robot khác như robot SCARA 2,3,4 bậc tự do, robot ELBOW, robot Stanford Trên cơ sở tham khảo nhiều nguồn tài liệu khác nhau em đã giải được bài toán động học thuận và động học ngược của robot PUMA 6 bậc tự do, qua đó biết được một số phương pháp thường dùng khi giải bài toán động học thuận và động học ngược của các robot, đặc biệt là những robot có

số bậc tự do 6 Ngoài ra biết cách sử dụng sự hỗ trợ của máy tính trong việc tính

toán và giải bài toán động học của robot Nội dung luận án tốt nghiệp gồm 5 chương :

 Chương I : TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

 Chương II : TAY MÁY ROBOT PUMA 6 BẬC TỰ DO

 Chương III : ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA TAY MÁY

 Chương IV : BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN CỦA TAY MÁY ROBOT

 Chương V : BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CỦA TAY MÁY ROBOT

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

TÓM TẮT 4

MỤC LỤC 5

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7

ĐẶT VẤN ĐỀ 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 9

1.1 Vài nét về lịch sử phát triển của Robot và Robot công nghiệp 9

1.2 Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp 10

1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 11

1.3.1 Các bộ phận cấu thành robot công nghiệp 11

1.3.2 Các đặc trưng cấu trúc của robot công nghiệp 12

1.4 Phân loại robot công nghiệp 14

1.5 Ứng dụng robot công nghiệp 17

1.5.1 Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp 17

1.5.2 Một số ứng dụng điển hình của robot công nghiệp 18

CHƯƠNG II: TAY MÁY ROBOT PUMA 6 BẬC TỰ DO 19

2.1 Giới thiệu về robot Puma 6 bậc tự do 19

2.1.1 Ứng dụng của robot Puma 6 bậc tự do 20

2.2 Sơ đồ động và hệ tọa độ của robot Puma 6 bậc tự do 21

CHƯƠNG III: ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA TAY MÁY 23

3.1 Tọa độ thuần nhất và mô tả vật đối tượng 23

3.1.1 Mô tả vị trí điểm 23

3.1.2 Tọa độ thuần nhất 23

3.1.3 Mô tả phương hướng của trục tọa độ 24

3.1.4 Mô tả vị thế của hệ tọa độ động 25

3 2 Phép biến đổi thuần nhất và cách tính 27

3.2.1 Phép biến đổi thuần nhất tịnh tiến (translation) 27

3.2.2 Phép biến đổi thuần nhất quay (rotation) 29

3.2.3 Phép quay theo 3 góc Euler 30

3.2.4 Phép quay Roll-Pitch-Yaw 31

3.3 Động học Robot 33

3.3.1 Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu động học 33

3.3.2 Các bước giải bài toán động học 33

CHƯƠNG IV: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN CỦA TAY MÁY ROBOT 35

4.1 Các tham số khâu của robot công nghiệp và ma trận biến đổi thuần nhất 35

4.1.1 Các tham số khâu và thiết lập hệ tọa độ khâu 35

4.1.2 Ma trận biến đổi giữa các hệ tọa độ khâu 36

4.2 Động học thuận của robot Puma 38

4.2.1 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của robot 38

4.2.2 Giải bài toán động học thuận của robot PUMA 6 bậc tự do 39

4.2.3 Xác định tư thế của bàn tay nắm bắt robot PUMA 6 bậc tự do 43

CHƯƠNG V: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CỦA TAY MÁY ROBOT 45

5.1 Các phương pháp giải bài toán động học ngược 45

5.1.1 Mục đích và nội dung giải bài toán động học ngược 45

5.2 Giải bài toán động học ngược robot Puma 6 bậc tự do 47

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 54

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Các bộ phận cấu thành robot 11

Hình 1.2 : Các tọa độ suy rộng của robot 12

Hình 1.3 : Khớp tịnh tiến 13

Hình 1.4 : Khớp quay 13

Hình 1.5 : Không gian hình hộp chữ nhật 14

Hình 1.6 : Không gian hình vành khăn 14

Hình 1.7 : Không gian hình cầu rỗng 14

Hình 1.8 : Không gian làm việc của robot SCARA 14

Hình 1.9 : Robot kiểu tọa độ Đề các 15

Hình 1.10 : Robot kiểu tọa độ trụ 15

Hình 1.11 : Robot kiểu tọa độ cầu 16

Hình 1.12: Robot hoạt động theo hệ tọa độ phỏng sinh học 16

Hình 1.13 : Robot kiểu SCARA 16

Hình 2.1 : Sơ đồ cấu tạo của robot Puma 6 bậc tự do 19

Hình 2.2 : Miền làm việc của robot Puma 6 bậc tự do 20

Hình 2.3 : Mô hình 3D của robot Puma 560 20

Hình 2.4 : Hình ảnh robot Puma sử dụng trong việc lắp đặt 21

Hình 2.5 : Hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot Puma 21

Hình 3.1 : Vị trí của 1 điểm trong hệ tọa độ {O} 23

Hình 3.2 : Hệ tọa độ thuần nhất mô tả hướng các trục 24

Hình 3.3 : Mô tả vị thế của vật rắn 25

Hình 3.4 : Vị trí và tư thế của bàn kẹp 26

Hình 3.5 : Hệ tọa độ mô tả phép biến đổi thuần nhất tịnh tiến 28

Hình 3.6 : Phép quay quanh trục bất kì 30

Hình 3.7 : Phép quay Euler 31

Hình 3.8 : Phép quay Roll – Pitch – Yaw 32

Hình 4.1 : Chiều dài và góc xoắn của 1 khâu 35

Hình 4.2 : Các tham số của khâu 35

Hình 4.3 : Hệ tọa độ gắn lên robot Puma 39

Hình 5.1 : Tay máy hai bậc tự do toàn khớp phẳng 46

Nội dung nghiên cứu động học tay máy robot chủ yếu là tìm hiểu, nghiên cứu giải bài toán động học thuận, bài toán động học ngược của một trong những robot điển hình đó là robot PUMA 6 bậc tự do

Phương pháp nghiên cứu là sử dụng kiến thức đã được học và kết hợp với những nguồn tài liệu tham khảo có liên quan để hoàn thành đồ án

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Vài nét về lịch sử phát triển của Robot và Robot công nghiệp

Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s

Universal Robots” của Karel Capek Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ

Vào giữa những năm 1950 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minotaur I, hoặc tay máy Handyman của General Electric Năm 1954 George C.Devol đã thiết kế một thiết bị

có tên là “cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng hóa theo chương trình” Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kĩ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo

ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này

Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961 ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kỳ (American Machine and Foundry Company) Đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi và Mitsibishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 1970 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học Tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy tính trên cở sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết

Vào giai đoạn này ở nhiều nước khác cũng tiến hành các công trình nghiên cứu tương tự, tạo ra các robot điều khiển bằng máy tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và thiết bị giao tiếp người và máy

Từ những năm 1980, nhất là vào những năm 1990, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ

kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành đã giảm rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây truyền tự động sản xuất hiện đại

1.2 Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp

Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot công nghiệp, ta có thể điểm qua 1 số định

nghĩa như sau:

Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (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 các chi tiết, dao cụ, gá lắp…theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Định nghĩa theo RIA(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

Định nghĩa theo IOCT 25686-85(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 lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong suốt quá trình sản xuất

Có thể nói robot công nghiệp là một 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 Nó được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ hoặc trực tiếp tham gia các nguyên công ( sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy…), hoặc phục vụ quy trình công nghệ (thao tác lắp chi tiết gia công, dao cụ,

đồ gá …) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các

trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, được gọi là “Hệ thống tự

động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm

vụ sản xuất thay đổi

1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

1.3.1 Các bộ phận cấu thành robot công nghiệp

Trên hình 1.1 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của robot công nghiệp loại thông

thường

Hình 1.1 : Các bộ phận cấu thành robot

Tay máy gồm các bộ phận: Đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động 2, thân 3,

cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn tay nắm bắt 6

Đặt bên trong hoặc ở bên ngoài tay máy còn có nhiều bộ phận khác nữa:

Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thủy khí hoặc điện khí, là bộ phận chủ

yếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động của robot

Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của robot theo các thông tin đặt trước

hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc

Hệ thống cảm biến tín hiệu

Thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot

(cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường, đối tượng mà robot phục vụ (cảm biến

ngoại tín hiệu)

Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển sau khi

xử lý bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay máy

Trực tiếp liên hệ với bàn kẹp là các dụng cụ (tools) thao tác với môi trường và đối tượng làm việc

1.3.2 Các đặc trưng cấu trúc của robot công nghiệp

a) Bậc tự do

Bậc tự do là một chỉ tiêu kĩ thuật quan trọng của robot công nghiệp, nó được quyết định bởi cấu trúc của robot công nghiệp và ảnh hưởng trực tiếp đến tính cơ động

của của nó Số bậc tự do của tay máy cũng được định nghĩa như sau:

- Số bậc tự do của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của các khâu

của cơ cấu tay máy đối với hệ quy chiếu gắn với thân của tay máy

- Số bậc tự do của tay máy đồng thời là số tham số độc lập xác định vị trí của tay máy với một hệ quy chiếu gắn với thân robot (tham số độc lập đó là các

.

i i

p

i (1.1) Trong đó :

n là số khâu động

pi là số khớp loại i

i là loại của khớp (i=1, 2, 3, 4, 5)

b) Tọa độ suy rộng : ta có thể dùng tọa độ suy rộng để xác định cấu hình của cơ

cấu tay máy tại các thời điểm khác nhau

Tọa độ suy rộng thường biểu thị các chuyển vị dài hoặc chuyển vị góc của các khớp trượt hoặc khớp quay tạo thành cơ cấu tay máy

Hình 1.2 : Các tọa độ suy rộng của robot

c) Khâu và khớp động

Theo sách Nguyên lý máy [1] định nghĩa “khâu do một hoặc một số chi tiết máy nối cứng với nhau tạo thành Khâu là đơn vị chuyển động còn chi tiết máy là đơn vị chế tạo”

Khớp động là một liên kết động của hai khâu Thông thường các khâu của tay máy được nối với nhau bởi các khớp quay và khớp tịnh tiến Trong đó các khớp quay và các khớp tịnh tiến đều thuộc khớp động học loại 5

Hình 1.3 : Khớp tịnh tiến Hình 1.4 : Khớp quay

d) Bàn tay nắm bắt đối tượng

Tùy theo hình dạng, kích thước, trọng lượng, điều kiện làm việc của đối tượng cần nắm bắt, người ta chọn kết cấu, nguyên lý hoạt động của bàn tay nắm bắt (bàn kẹp) phù hợp, cho phép xác định vị trí và thời điểm làm việc hoặc nắm bắt Bàn tay nắm bắt là bộ phận làm việc trực tiếp của tay máy

Đối tượng cần nắm bắt của tay máy là những chi tiết rất đa dạng nên bàn tay nắm bắt của tay máy cũng rất khác nhau về cấu trúc cũng như về nguyên lý làm việc

Người ta thường dung các bàn tay nắm bắt cơ khí Ngoài ra còn có thể thực hiện việc nắm bắt bằng khí nén, thủy lực hoặc điện từ.

e) Độ cơ động

Độ cơ động của tay máy là số bậc tự do của tay máy khi cố định bàn kẹp (bàn tay nắm bắt)

m = W – 6 (1.2) Trong đó : W là số bậc tự do của tay máy

m là độ cơ động

Khi bậc tự do của robot W < 6 thì không phải lúc nào bàn tay nắm bắt cũng đạt tới vị trí và định hướng mong muốn Còn khi W > 6 thì sẽ có nhiều giải pháp đưa bàn tay nắm bắt tới vị trí và định hướng theo yêu cầu

Qua đó, ta thấy: độ cơ động của robot càng lớn, càng có nhiều phương án để bộ phận làm việc đạt tới mục tiêu Điều đó càng quan trọng khi robot làm việc trong môi trường có chướng ngại Tuy nhiên, cũng cần phải thấy rằng khi độ cơ động tăng thì mức độ phức tạp của kết cấu tay máy cũng tăng theo (do tăng số bậc tự do của cơ cấu) làm cho độ chính xác khi chuyển động giảm và giá thành tăng

f) Miền làm việc

Miền làm việc của robot là khoảng không gian hoạt động của bàn tay nắm bắt (bàn

kẹp)

Trong trường hợp cụ thể nào đó không phải bất cứ điểm nào trong miền làm việc tối

đa có thể tay máy cũng dễ dàng thao tác Khi đó, cần xác định thêm miền phục vụ Miền phục vụ là không gian trong miền làm việc mà bàn tay nắm bắt có thể hoạt động

dễ dàng

Hình 1.5: Không gian hình hộp chữ nhật Hình 1.6 : Không gian hình vành khăn

Hình 1.7 : Không gian hình cầu rỗng Hình 1.8 : Không gian làm việc của robot SCARA

1.4 Phân loại robot công nghiệp

Tùy theo mục đích sử dụng, nội dung nghiên cứu và sử dụng, robot công nghiệp được phân loại theo những tiêu chuẩn khác nhau

-Theo tải trọng danh nghĩa : robot mini (<1 kg), robot loai nhỏ (1 ÷ 10 kg), robot loại vừa (>10 ÷ 200 kg), robot loại lớn (>200 ÷ 1000 kg) và robot loại siêu lớn (>1000kg) -Theo số bậc tự do : robot có 1 bậc tự do, robot có 2 bậc tự do và robot có n bậc tự do -Theo khả năng di chuyển : robot di động và robot có vị trí cố định

-Theo hệ tọa độ được dùng khi thực hiện các chuyển động : robot hoạt động trong hệ tọa độ vuông góc (đề các), trong hệ tọa độ trụ, trong hệ tọa độ cầu, trong hệ tọa độ góc hoặc SCARA

Theo kết cấu của tay máy người ta phần thành robot kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa

độ cầu, tọa độ góc…

Robot kiểu tọa độ Đề các : là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương

của các trục hệ tọa độ gốc ( cấu hình TTT ) Trường công tác có dạng khối hộp chữ nhật, do đó kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy thường được dùng để vẫn chuyển phôi liệu , lắp ráp, hàn trong mặt phẳng…

Hình 1.9 : Robot kiểu tọa độ Đề các

Robot kiểu tọa độ trụ : vùng làm việc của robot có hình trụ rỗng, thường khớp thứ

nhất chuyển động quay

Hình 1.10 : Robot kiểu tọa độ trụ

Robot kiểu tọa độ cầu: vùng làm việc của robot có dạng hình cầu, thường độ cứng

vững của loại robot này thấp hơn so với 2 loại trên Ví dụ robot 3 bậc tự do ,cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu

Hình 1.11 : Robot kiểu tọa độ cầu

Robot kiểu tọa độ góc (hệ tọa độ phỏng sinh học): Là loại robot được sử dụng nhiều

hơn cả , 3 chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay , trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục quay kia Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay Vùng làm việc của tay máy gần giống một khối cầu Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng Ưu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo hệ tọa độ góc là gọn nhẹ , tức là có vùng làm việc tương đối lớn so với kích thước của bản thân robot, độ linh hoạt cao

Các robot hoạt động theo hệ tọa độ góc như : Robot PUMA của hang Unimation – Nokia (Hoa kì – Phần Lan ), IRb-60 (Thụy Điển), Toshiba,Mitsubishi, Mazak (Nhật Bản ).vv…

Ví dụ một loại robot hoạt động theo kiểu hệ tọa độ góc ( Hệ tọa độ phỏng sinh), có cấu hình RRR.RRR

Hình 1.12: Robot hoạt động theo hệ tọa độ phỏng sinh học

Robot kiểu SCARA: là một kiểu robot mới ra đời nhằm đáp ứng sự đa dạng của quá

trình sản xuất Tên gọi SCARA là viết tắt của “Selectic Compliant Articulated Robot

Arm” : Tay máy mềm dẻo tùy ý Loại robot này thường được dùng trong công việc lắp giáp Ba khớp đầu tiên của robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng

Hình 1.13 : Robot kiểu SCARA

-Theo mục đích sử dụng : robot vận chuyển, robot cấp phôi, robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot vạn năng…

-Theo kiểu truyền động : truyền động thủy lực, truyền động khí nén, truyền động điện

…

-Theo phương thức điều khiển : điều khiển bằng tay và điều khiển tự động

-Theo kiểu điều khiển : điều khiển hở và điều khiển kín

1.5 Ứng dụng robot công nghiệp

1.5.1 Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần năng cao năng suất dây chuyền công nghiệp, giảm giá thành, năng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot, đã đúc kết lại qua bao nhiêu năm được ứng dụng ở nhiều nước Đó là : -Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn một người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc

-Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức cao về tiền lương lao động, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội

-Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế bằng robot thì người thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi

-Ứng dụng robot có thể cải thiện điều kiện lao động chính là ưu điểm nổi bật nhất

1.5.2 Một số ứng dụng điển hình của robot công nghiệp

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứng dụng

ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như trong lò đúc, xưởng rèn và xưởng hàn Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng

sợ Những ứng dụng điển hình có thể kể ra của robot công nghiệp là:

-Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường (hàn theo vết hoặc đường dẫn liên tục) -Ứng dụng robot trong lắp ráp

-Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất

CHƯƠNG II: TAY MÁY ROBOT PUMA 6 BẬC TỰ DO 2.1 Giới thiệu robot PUMA 6 bậc tự do

Ra đời cách đây nửa thế kỷ, robot công nghiệp đã có những phát triển vượt bậc Nhiều nước trên thế giới sớm áp dụng mạnh mẽ kỹ thuật robot vào sản xuất và nó đã đem lại những hiệu quả to lớn về kinh tế và kỹ thuật, nâng cao năng suất lao động, tăng chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện làm việc của công nhân

Đối với nước ta, kỹ thuật robot vẫn còn là vấn đề khá mới mẻ, nhất là việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot Robot Puma là loại robot hoạt động theo hệ tọa độ góc (hệ tọa độ phỏng sinh học) Với ưu điểm là gọn nhẹ, vùng thao tác tương đối lớn so với khuôn khổ kích thước của nó, tính linh hoạt rất cao có thể phối hợp làm việc với các robot khác, do đó nó được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực của kĩ thuật, trong công nghiệp, y tế, khai thác

Hình 2.1 : Sơ đồ cấu tạo của robot puma 6 bậc tự do

Robot PUMA được thiết lần đầu tiên vào năm 1978 bởi công ty Unimation PUMA có nghĩa là một máy móc vạn năng lập trình được sử dụng trong công việc lắp ráp tay máy robot PUMA thường có 5 hoặc 6 khớp quay

Hình 2.2 : Miền làm việc của robot Puma 6 bậc tự do

Hình 2.3 : Mô hình 3D của robot Puma 560

2.1.1 Ứng dụng của robot PUMA 6 bậc tự do

Với tốc độ lặp lại cao và tính linh hoạt thì robot PUMA phù hợp với các bộ phận xử lý nhỏ và nó có thể dễ dàng thiết kế các chương trình ứng dụng để thực hiện nhiệm vụ khó khăn nhất Robot PUMA được ứng dụng thực tế vào việc lắp các bảng mạch ô tô, động cơ điện, bo mạch in, radio, tivi và đồ gia dụng…Ngoài

ra còn có chức năng đóng gói trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm …nó còn được ứng dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt, dùng để tháo lắp thiết bị, gá đặt phôi

Hình 2.4 : Hình ảnh robot PUMA sử dụng trong việc lắp đặt

2.2 Sơ đồ động và hệ tọa độ của robot PUMA 6 bậc tự do

Robot PUMA là robot có 6 bậc tự do, cấu hình RRRRRR

Sơ đồ động và hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot như sau:

Hình 2.5 : Hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot Puma

BẢNG THÔNG SỐ DENAVIT - HARTENBERG (DH)

Khâu i a i-1 i-1 d i i

CHƯƠNG III: ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA TAY MÁY

3.1 Tọa độ thuần nhất và mô tả vật đối tượng

Khi gắn các hệ tọa độ lên các khớp động, ta có thể dùng các phép biến đổi thuần nhất

để mô tả vị thế và phương hướng tương đối giữa các hệ tọa độ đó Phép biến đổi thuần nhất có ý nghĩa hình học tương đối trực quan nên còn có thể mô tả quan hệ giữa các khâu Vì vậy nó thường được dùng để giải các bài toán động học

3.1.1 Mô tả vị trí của điểm

Trong hệ tọa độ vuông góc chọn trước  O , vị trí điểm P bất kỳ trong không gian có thể biểu thị bằng véc tơ vị trí AP:

p p

p

(3.1)

Trong đó : ký hiệu chữ A bên trái P biểu thị hệ tọa độ tham khảo chọn trước, px, py,pz

là 3 thành phần tọa độ vị trí của điểm P trong hệ tọa độ  O

p p p

(3.2)

Biểu thị điểm P trong hệ tọa độ vuông góc không gian 3 chiều  A thì ma trận chuyển vị p x p y p z1T gọi là tọa độ thuần nhất của P trong không gian 3 chiều

Chú ý : Không phải chỉ có 1 cách duy nhất biểu diễn véc tơ trong không gian tọa độ thuần nhất, ta có thể nhân tất cả các phần tử trên với ω (≠0), ta được véc tơ mở rộng vẫn biểu thị véc tơ của cùng điểm P trong không gian tọa độ thuần nhất nghĩa là:

p p p

(3.3)

Trong đó : a=ωpx ; b=ωpy ; c=ωpz

Các tọa độ thực của véc tơ mở rộng này vẫn là px, py, pz nếu lấy ω=1 thì các tọa độ biểu diễn bằng các tọa độ thực Nếu ω≠1 thì các tọa độ biểu diễn gấp ω lần tọa độ thực Khi cần biểu diễn sự thay đổi tọa độ cùng với sự biến dạng tỷ lệ thì lấy ω≠1

3.1.3 Mô tả phương hướng của trục tọa độ

Như biểu thị ở hình 3.2 i, j, k lần lượt là các véc tơ đơn vị của các trục tọa độ X, Y,

Z trong hệ tọa độ vuông góc Nếu dùng tọa độ thuần nhất để mô tả phương hướng của các trục tọa độ X, Y, Z thì

Ta quy ước : trong ma trận (4x1) [a b c 0]T phần tử thứ tư bằng 0 và a2+b2 +c2=1 sẽ biểu thị phương hướng của trục nào đó (vecto nào đó) Trong ma trận (4x1) [a b c ω]Tphần tử thứ tư khác không , sẽ biểu thị vị trí của điểm nào đó trong không gian

Có thể dùng ma trận (4x1) để biểu thị phương hướng của véc tơ υ trên hình vẽ 3.2

υ = [a b c 0]T (3.4) a=cosα ; b=cosβ ; c=cosγ Điểm O của véc tơ υ trên hình 3.2 là gốc tọa độ có thể dùng ma trận (4x1) để biểu thị

O = [0 0 0 1]T.`

3.1.4 Mô tả vị thế của hệ tọa độ động

Mô tả vị thế của hệ tọa độ động là mô tả vị trí của điểm gốc của hệ tọa độ động và

mô tả phương hướng của các trục tọa độ của hệ tọa độ động

Để hiểu rõ điều đó, ta xét hai trường hợp sau đây :

a) Mô tả vị trí và tư thế của vật rắn

Mỗi khâu của robot có thể xem như 1 vật rắn Nếu cho trước vị trí của một điểm nào

đó trên vật rắn Q và tư thế của vật rắn đó trong không gian thì hoàn toàn có thể xác định được vật rắn đó trong không gian

Giả sử có vật rắn biểu thị như trên hình 3.3 O’ là 1 điểm nào đó trong vật rắn O’X’Y’Z’ là hệ tọa độ gắn chặt với vật rắn gọi là hệ tọa độ động Vị trí của vật rắn trong hệ tọa độ cố định OXYZ có thể dùng ma trận cột (4x1) kiểu tọa độ thuần nhất

z y x

(3.5)

Tư thế của vật rắn có thể biểu thị qua phương hướng của các trục của các hệ tọa độ

thuộc hệ tọa độ động Gọi n, o, a lần lượt là các véc tơ đơn vị chỉ phương hướng của

các trục tọa độ X’, Y’, Z’ Mỗi thành phần của véc tơ đơn vị chỉ phương hướng trên

hệ tọa độ cố định là cosin chỉ phương hướng của các trục tọa độ của hệ tọa độ động có thể biểu thị lần lượt bằng các ma trận (4x1) kiểu tọa độ thuần nhất :

0 0 0

z n n n

y o o n

x a o n

z z z

y y y

x x x

(3.7)

Rõ ràng rằng : mô tả vị thế của vật rắn Q là mô tả vị thế của hệ tọa độ O’X’Y’Z’ gắn với vật rắn

b) Biểu thị vị trí và tư thế của bàn tay nắm bắt

Vị trí và tư thế của bàn kẹp của robot có thể biểu thị bằng vị thế của hệ tọa độ {O} gắn

chặt với bàn tay nắm bắt ( hình 3.4 )

Hình 3.4 : Vị trí và tư thế của bàn kẹp

Có thể xác định hệ tọa độ {O} theo cách sau đây : Lấy điểm trung tâm của bàn tay nắm bắt (điểm tác động cuối ) làm điểm gốc OB Lấy đường trục của khớp làm trục

ZB Véc tơ đơn vị chỉ hướng a của trục ZB gọi là véc tơ tiếp cận của đối tác, hướng ra ngoài Trục dọc theo phương của đường trượt đóng mở bàn tay nắm bắt (phương nắm bắt) là trục YB Véc tơ đơn vị chỉ phương hướng o của trục YB gọi là véc tơ tư thế, chiều chọn tùy ý, các trục XB YB và trục ZB vuông góc với nhau từng đôi một Véc tơ

đơn vị chỉ phương hướng n gọi là véc tớ pháp tuyến ; và n=o x a ; có chiều phù hợp

với quy tắc bàn tay phải

Véc tơ vị trí của bàn tay nắm bắt là véc tơ p có gốc là gốc tọa độ của hệ tọa độ tham

khảo cố định và mút là gốc của hệ tọa độ {O} của bàn kẹp n, o, a là các véc tơ chỉ

phương hướng của bàn kẹp Như vậy, vị thế của bàn tay nắm bắt biểu thị bằng ma trận (4x4) sau đây :

z z z z

y y y y

x x x x

p n n n

p o o n

p a o n

(3.8)

Phương pháp này thuận tiện khi tính toán biến đổi nhưng không thuận tiện khi dùng

để mô tả tư thế của bàn tay Hơn nữa n, o, a cần phải thỏa mãn điều kiện trực giao (n=o x a) nên 9 phần tử của ma trận chỉ phương chỉ có 3 phần tử độc lập Điều đó

chứng tỏ để mô tả tư thế của bàn tay cần 3 tham số độc lập Khi đó chúng ta sử dụng phương pháp giả định góc (ví dụ như phương pháp Euler và phương pháp Roll- Pitch-Yaw)

3.2 Phép biến đổi thuần nhất và cách tính

Chuyển động của vật rắn hợp thành từ chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay Để

có thể dùng cùng một ma trận biểu thị quay và tịnh tiến, cần phải dùng ma trận biến đổi thuần nhất (4x4)

3.2.1 Phép biến thuần nhất tịnh tiến ( translation)

Thoại tiên xét chuyển vị của điểm trong hệ tọa độ vuông góc không gian Điểm A nào

đó trong không gian có tọa độ là (x,y,z), sau khi di chuyển tới điểm A’( hình 3.5) có tọa độ là (x’, y’, z’) Khi đó :

x’ = x + x y’ = y + y ( 3.9)

z’ = z + z

Hình 3.5 : Hệ tọa độ mô tả phép biến đổi thuần nhất tịnh tiến

Hoặc viết dưới dạng :

z y x

1 0 0

0 1 0

0 0 1

z y x

1 0 0

0 1 0

0 0 1

z y x

(3.11)

Trong đó : các phần tử x, y, z ở cột 4 lần lượt biểu thị độ chuyển dịch theo các trục tọa độ X, Y, Z Toán tử nhân trái khi đó biểu thị phép biến đổi tọa độ với hệ tọa độ cố định Công thức biến đổi thuần nhất tịnh tiến (3.10) cũng có thể dùng cho các phép biến đổi hệ tọa độ, biến đổi vật thể…

3.2.2 Phép biến đổi thuần nhất quay ( rotation )

a) Phép quay quanh các trục tọa độ

Giả sử cần quay 1 điểm hay 1 vật thể nào đó xung quanh tọa độ nào đó với góc quay

 ta lần lượt có các ma trận chuyển đổi như sau:

0

0 cos sin

0

0 sin cos

0

0 0 0

0 cos 0 sin

0 0 1 0

0 sin 0 cos

0 1 0 0

0 0 cos sin

0 0 sin cos

b) Phép quay quanh trục bất kỳ

Hình 3.6 biểu thị tình huống quay điểm A quay đi góc θ quanh các véc tơ đơn vị đi qua điểm gốc bất kỳ, kx, ky, kz lần lượt là 3 thành phần của véc tơ đơn vị k trên các trục tọa độ X, Y, Z của hệ tọa độ tham khảo cố định và kx2+ky2 +kz2=1

Ta có công thức biến đổi thuần nhất quay khi quay đi góc θ quanh véc tơ đơn vị k đi qua điểm gốc bất kỳ :

0 0

0 cos sin

sin

0 sin cos

sin

0 sin sin

vers k k k

vers k k

k vers k k vers

k k k

vers k k

k vers k k k

vers k k vers

k k

z z z

z y y

z x

x y

z y

y z

y x

y x

z z

x y x

x

(3.15)

Trong đó : vers = (1 - cosθ)

(3.15) là biểu thức tổng quát thường dùng trong các phép biến đổi thuần nhất quay, bao gồm cả các trường hợp đặc biệt của các phép biến đổi thuần nhất quay quanh trục

X, trục Y, trục Z Ví dụ :

Khi kx=1, nghĩa là ky=kz =0, thì biểu thức (3.15) có dạng biểu thức (3.12)

Khi ky=1, nghĩa là kx=kz =0, thì biểu thức (3.15) có dạng biểu thức (3.13)

Khi kz=1, nghĩa là kx=ky =0, thì biểu thức (3.15) có dạng biểu thức (3.14)

3.2.3 Phép quay theo 3 góc Euler

Trên thực tế việc định hướng thường là kết quả của phép quay xung quanh các trục x,

y, z Phép quay Euler mô tả khả năng định hướng bằng cách quay liên tiếp :

1) Quay góc  quanh trục z

2) Quay tiếp góc θ xung quanh trục y mới, đó là y’

3) Cuối cùng quay góc Ψ quanh trục z mới, đó là z’’

Ta biểu diễn phép quay Euler bằng cách nhân 3 ba ma trận quay với nhau

Euler (,, ) = Rot(z, ).Rot(y,θ).Rot(z,Ψ) (3.16)