bobot elbow CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái niệm 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 2568685 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.
MỤC LỤC Robot nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp khác vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm dò Đi đầu lĩnh vực chế tạo, ứng dụng Robot công nghiệp Nhật Bản, Mỹ, Đức, Ý, Pháp Tuy nhiên nước ta việc nghiên cứu, thiết kế Robot chưa thực phát triển, Robot hầu hết nhập từ nước với chi phí lớn việc ứng dung Robot vào sản xuất hạn chế Robot thường xuất sở sản xuất lớn, yêu cầu công việc có tính tự động cao Xuất phát thực tế đó, nước ta cần đẩy mạnh công việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo Robot trường đại học, cao đẳng Công việc thiết kế, chế taọ Robot công việc phức tạp gồm nhiều công đoạn khác như: tìm hiểu loại Robot, lựa chọn loại, kết cấu Robot tối ưu nhất, tính toán động học, động lực học, mô máy tính Nhằm đáp ứng phần công việc để thiết kế Robot thực hoàn chỉnh ứng dụng vào thực tế em dựa vào kiến thức học trường môn học Robot em định nghiên cứu vào đề tài: “ Nghiên cứu robot Elbow” CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái niệm robot công nghiệp Robot công nghiệp định nghĩa theo số tiêu chuẩn sau: Theo tiêu chuẩn AFNOR Pháp: Robot công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục tọa độ, có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng vật chất chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo hành trình thay đổi chương trình hóa nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác Theo tiêu chuẩn RIA Mỹ (Robot institute of America): Robot tay máy vạn lặp lại chương trình, thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, thiết bị chuyên dùng thông qua chương trình chuyển động thay đổi để hoàn thành nhiệm vụ khác Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 Nga: Robot công nghiệp máy tự động, đặt cố định di động được, liên kết tay máy hệ thống điều khiển theo chương trình, lặp lặp lại để hoàn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất Do đó, robot công nghiệp hiểu thiết bị tự động linh hoạt, thực chức lao động công nghiệp người hệ thống điều khiển theo chương trình lập trình sẵn Với đặc điểm lập trình lại được, robot công nghiệp thiết bị tự động hóa ngày trở thành phận thiếu hệ thống sản xuất linh hoạt Vì vậy, robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao suất lao động giảm nhẹ cho người công việc nặng nhọc, độc hại giám sát người 1.2 Sự phát triển Robot công nghiệp 1.2.1 Trên giới Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa công việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots Karel Capek, vào năm 1921 Thuật ngữ Industrial Robot (IR) xuất Mỹ công ty AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo, mô thiết bị có dáng dấp có số chức tay người điều khiển tự động, thực số thao tác sản xuất có tên gọi “Versatran” Quá trình phát triển Robot công nghiệp tóm tắt sau: Năm 1950 Mỹ thành lập viện nghiên cứu Đầu năm 1960 công ty AMF cho đời sản phẩm có tên gọi Versatran Từ năm 1967, Anh, người ta bắt đầu nghiên cứu chế tạo IR theo quyền Mỹ.Từ năm 1970, việc nghiên cứu tính robot ý nhiều bắt đầu xuất nước Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển.Từ năm 1968, Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR Từ năm 1980, vào năm 1990, áp dụng rộng rãi tiến kỹ thuật vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng với nhiều tính vượt bậc Chính mà robot công nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất tự động đại Đến nay, giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR số bao gồm: 30 công ty Mỹ, ta lấy số công ty điển hình như: Robots.Pro, Vecna Robotics, Robot Dynamics…cùng với sản phẩm tiếng như: robot lấy sách tự động, robot HOAP-3, robot BEAR, robot tự hành Spirit and Opportunity…80 công ty Nhật, ta lấy số công ty điển hình như: Fanuc, Toyota, Honda, Hitachi, Kawasaki, shikawajima-Harima, Yasukawa…Cùng với sản phẩm robot áp dụng phổ biến như: robot Asimo, robot EMIEW 2, robot Simroid, robot chơi vĩ cầm, robot phẫu thuật…… Ngoài ra, giới có 90 công ty Tây Âu số công ty Nga, Tiệp….Do đó, ta thấy robot lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng thiếu nước phát triển 1.2.2 Tại Việt Nam Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot có bước tiến đáng kể 25 năm vừa qua Nhiều đơn vị toàn quốc thực nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng robot như: Trung tâm Tự động hoá-Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử -Tin học, Viện Khoa học Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN… Bên cạnh đó, phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY doanh nghiệp thiết kế chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trường quốc tế Các nghiên cứu động học động lực học robot khoa khí, chế tạo máy trường đại học viện nghiên cứu quan tâm Ngoài việc tìm phương pháp giải toán liên quan đến học loại robot nối tiếp, song song, di động, chương trình mô kết cấu chuyển động 3D áp dụng phát triển để minh họa phục vụ cho phân tích, thiết kế robot Lĩnh vực điều khiển robot phong phú, từ phương pháp điều khiển truyền thống PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến phương pháp điều khiển thông minh như: điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen phương pháp điều khiển tự thích nghi, phương pháp học cho robot, hệ visual servoing 1.3 Ứng dụng robot công nghiệp 1.3.1 Trên giới Hiện giới, nhu cầu sử dụng robot ngày nhiều trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, nâng cao khả cạnh tranh sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có khả thích ứng tốt thông minh với cấu trúc đơn giản linh hoạt Hình 1.1: robot elbow Hình 1.2: robot elbow thực tế CHƯƠNG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC THUẬN ROBOT 2.1 Xác định hệ tọa độ Hình 2.1 Vị trí ban đầu robot elbow trục tọa độ 2.2 Lập bảng D – H Bảng 2.1: Bộ thông số robot elbow 2.3 Xác định ma trận Ai Các ma trận A robot xác định sau 2.4 Tính ma trận T == == = Với ; ; ; + ); ); CHƯƠNG MA TRẬN JACOBY 3.1 Ma trận Jacoby Ý nghĩa ma trận Jacobi là: Biểu diễn quan hệ tốc độ tay tốc độ khớp: Biểu diễn quan hệ dịch chuyển vi sai tay dịch chuyển vi sai khớp: thức tổng quát ma trận Jacobi 3.1.1 Tính trực tiếp Từ 0T6 ta có : px = C1 (C234 a4 + C23a3 + C2a2 ) py = S1 (C234 a4 + C23a3 + C2a2 ) pz = S234 a4 + S23a3 + S2a2 ϕx = ϕy = θ2 + θ3 + θ4 + θ6 ϕz = θ1 + θ5 Vậy ma trận jacoby tính theo định nghĩa là: J 6.6 δ px δq δ py δ q1 δ p z ∂X δ q1 = = ∂Q δφx δ q1 δφ y δ q1 δφ z δ q1 δ px δ q2 δ py δ q2 δ py δ q2 δφx δ q2 δφ y δ q2 δφz δ q2 δ px δ q3 δ py δ q3 δ py δ q3 δφx δ q3 δφ y δ q3 δφz δ q3 δ px δ q4 δ py δ q4 δ py δ q4 δφ x δ q4 δφ y δ q4 δφ z δ q4 δ px δ q5 δ py δ q5 δ py δ q5 δφx δ q5 δφ y δ q5 δφ z δ q5 δ px δ q5 δ py δ q5 δ py δ q5 δφx δ q5 δφ y δ q5 δφ z δ q5 − S1 (C234 a4 + C23a3 + C2 a2 ) C1 (− S234 a4 − S23 a3 − S2 a2 ) C1 (− S234 a4 − S23a3 ) C1 (− S234 a4 ) C (C a + C a + C a ) S (− S a − S a − S a ) S (−S a − S a ) S (−S a ) 234 23 2 234 23 234 234 23 2 C234 a4 + C23a3 + C2 a2 C234 a4 + S23a3 c234 a4 0 0 1 0 = 0 0 0 0 1 0 Tính Jacoby theo JH Ta có • • T6 = A1 …A6 = T6 = A2 …A6 = nx 0 ny nz nx 1 ny nz C5C6C234 − S6C234 C S S − S C 234 5 234 = 0 ox px py pz ax oy ay oz 0 az 0x 1 px py pz ax 0y ay 0z az − S5 S6C234 − C6 S234 − S5 S6 S 234 − C6C234 0 S5C234 −C6 S 234 C5 10 (a6 S6 + a4 )C234 S 234 (−a6C5 + a4 ) + a3 S 23 + a2 S S a6C5 • T6 = A3 …A6 = nx 2 ny nz 0x 2 px py pz ax 0y ay 0z az − S5C5C34 - C6 S34 S5C34 C3C6C34 + S S34 − S (C S – S + C ) S ( −C S + S + C ) S S + C 34 34 34 34 34 − S 5C S C6 C5 0 = • • • nx 3 ny nz T6 =A4 …A6= T6 = A5 A6 T = A6 0x 0y ax ay 0z C5C6 S C S6 = − S6 C6 0 C6 S = 0 a6 ( S5 S34 + C5 ) + a4 C34 C5 a6 px C4C5 C6 − S4 S −C4C5 S6 − S4C6 C4 S5 C4 (S5 a6 + a4 ) p y S4C5 C6 + S6C4 − S4C5 S6 − S4 S S4 S5 S4 ( S5 a6 + a3 ) − S5 S C5 C5 a6 a z p z − S C6 0 = nx x a x p x − S5C6 S5 S5 a6 4 − S5C6 −C5 −C5 a6 y ay py ny nz z a z p z C6 0 0 0 = 3 C34 (a6 S + a4 ) 0 0 0 1 nx 5 ny nz = 5 px py pz ax 0y ay 0z az 0x 0 Do tất khớp khớp quay nên ta có n y p x − nx p y 0 0 o y px − ox p y 0 0 ∂ H X a y px − ax p y J H 6.6 = = ∂Q nz oz az n y p x − nx p y 1 o y p x − ox p y a y p x − ax p y 1 nz oz az n y p x − nx p y 2 o y p x − ox p y a y px − ax p y n y p x − nx p y 3 o y p x − ox p y a y px − ax p y nz oz az nz oz az 11 n y px − nx p y 4 o y p x − ox p y a y px − ax p y nz oz az n y p x − nx p y 5 o y px − ox p y 5 a y px − ax p y nz oz az nx 0 ny nz ⇒ J = 0 ox ax 0 oy ay 0 oz az 0 0 nx ox 0 ny oy 0 nz oz ax ay az J H 6.6 12 CHƯƠNG 4.THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG TRONG KHÔNG GIAN KHỚP 4.1 Các dạng quỹ đạo cho robot nDOF Không gian khớp: chuyển động cấu robot xác định thông qua giá trị biến khớp Một robot di chuyển từ điểm A đến điểm B không gian, sử dụng phương trình động học vị trí ngược xác định tất dịch chuyển khớp cần thiết lượng đặt hệ thống điều khiển vị trí khớp robot Phương pháp đảm bảo tay robot đạt đến vị trí đặt trước cách xác, đường di chuyển hai điểm dự báo trước Không gian tay: Biểu diễn chuyển động tay robot điểm đoạn di chuyển xác định không gian tay biến đổi không gian khớp tương ứng Quỹ đạo robot theo đường xác định cách chia nhỏ AB thành nhiều đoạn, robot bám theo đoạn Tuy nhiên, khối lượng tính toán lớn yêu cầu thời gian xử lí nhanh 4.2 Mục đích thiết kế quỹ đạo Tạo tín hiệu vào cho điều khiển: Hình 4.1.Mục đích thiết kế quỹ đạo 4.3 Các phương pháp thiết kế quỹ đạo Quỹ đạo chia làm dạng: quỹ đạo qua điểm đơn quỹ đạo qua số điểm trung gian.Ở ta xét quỹ đạo qua điểm đơn phương pháp quỹ đạo đa thưc bậc quỹ đạo dạng đa thức 2-1-2 4.3.1 Phương pháp quỹ đạo bậc 3 Giả sử quỹ đạo vị trí khớp: θ (t ) = a0 + a1t + a2t + a3t g Quỹ đạo tốc độ: θ (t ) = a1 + 2.a2 t + 3.a3 t 13 Giả sử góc khớp thứ i yêu cầu di chuyển từ góc khớp ban đầu θ0 đến θf thời gian tf, ta có: θ (t f ) = θ f θ (0) = θ ; g g g g θ (t f ) = θ f Ta có ràng buộc tốc độ: θ (0) = θ ; Tại thời điểm t=0, ta xác định được: a0 = θ g a1 = θ Tại thời điểm t = tf, ta xác định : g a2 = t 2f g a3 = g 3(θ f − θ ) − (2.θ + θ f ).t f g (θ + θ f )t f − 2(θ f − θ0 ) t 3f Ví dụ toán quỹ đạo chuyển động robot từ điểm đầu = đến điểm cuối = thời gian tf = (s) Biết tốc độ điểm đầu điểm cuối (0) = (f)=0 Dễ dàng giải phương trình ẩn ta tìm tham số a = 15, a1 = 0; a2 = 20 a3 = -4.44 Khi có phương trình quỹ đạo vị trí theo thời gian: θ(t) = 15 + 20t2 – 4.44t3 Khảo sát Matlab lệnh: >> t = 0:0.1 :3; >> y = -4.44*t.^3 + 20*t.^2 + 15; >> plot(t,y) >> title('Quan he vi tri voi thoi gian') >> t = 0:0.1 :3; >> z = -3.33*t.^2 + 40*t; >> plot(t,z) >> title('Quan he toc voi thoi gian') >> t = 0:0.1:3; 14 >> u = -26.67*t +40; >> plot(t,u) >> title('Quan he gia toc voi thoi gian') Ta đồ thị quỹ đạo chuyển động sau: Hình 4.2.Quỹ đạo vị trí với thời gian Hình 4.3.Quỹ đạo tốc độ với thời gian 15 Hình 4.4.Quỹ đạo gia tốc với thời gian 4.3.2 Phương pháp quỹ đạo dạng đa thức 2-1-2 Hình 4.5.Mô tả quỹ đạo dạng đa thức 2-1-2 Quỹ đạo ab: đường cong bậc gg θ (t ) = a0 + a2t = θ0 + θ t 2 g gg gg gg θ (t ) = θ t θ (t ) = θ = const 16 Quỹ đạo bc: đường thẳng gg θ (t ) = g θ (t ) = θ f − θ0 t f − tb g θ (t ) = θb + θ (t − tb ) Quỹ đạo cd: đường cong bậc gg θ (t ) = θ f − θ t 2 g gg gg gg θ (t ) = − θ t θ (t ) = − θ = const Để xác định tb ta cân giá trị tốc độ điểm b đường ab bc: θ f − θ gg θ −θ = θ tb → tb2 − t f tb + f gg = t f − tb θ → tb = ∆ = t 2f − Ta có tf − ∆ 4(θ f − θ ) gg θ gg →θ > ∆ = t 2f − với >0 4(θ f − θ ) t 2f 17 4(θ f − θ ) gg θ >0 [...]... Các dạng quỹ đạo cho robot nDOF Không gian khớp: chuyển động của cơ cấu robot được xác định thông qua các giá trị biến khớp Một robot di chuyển từ điểm A đến điểm B trong không gian, sử dụng phương trình động học vị trí ngược có thể xác định được tất cả các dịch chuyển của 3 khớp cần thiết là các lượng đặt của các hệ thống điều khiển vị trí các khớp robot Phương pháp này đảm bảo tay robot đạt đến vị trí... thể dự báo trước Không gian tay: Biểu diễn chuyển động của tay robot giữa các điểm bằng các đoạn di chuyển xác định trong không gian tay và được biến đổi về không gian khớp tương ứng Quỹ đạo robot sẽ đi theo một đường xác định bằng cách chia nhỏ AB thành nhiều đoạn, và robot sẽ bám theo những đoạn đó Tuy nhiên, khối lượng tính toán rất lớn và yêu cầu thời gian xử lí nhanh 4.2 Mục đích thiết kế quỹ... t=0, ta xác định được: a0 = θ 0 g và a1 = θ 0 Tại thời điểm t = tf, ta xác định được : g a2 = t 2f g a3 = g 3(θ f − θ 0 ) − (2.θ 0 + θ f ).t f g (θ 0 + θ f )t f − 2(θ f − θ0 ) t 3f Ví dụ bài toán quỹ đạo chuyển động của robot từ điểm đầu = đến điểm cuối = trong thời gian tf = 3 (s) Biết tốc độ tại điểm đầu và điểm cuối (0) = (f)=0 Dễ dàng giải 4 phương trình 4 ẩn ta tìm được các tham số a 0 = 15, a1 = ... Mỹ, ta lấy số công ty điển hình như: Robots.Pro, Vecna Robotics, Robot Dynamics…cùng với sản phẩm tiếng như: robot lấy sách tự động, robot HOAP-3, robot BEAR, robot tự hành Spirit and Opportunity…80... phẩm robot áp dụng phổ biến như: robot Asimo, robot EMIEW 2, robot Simroid, robot chơi vĩ cầm, robot phẫu thuật…… Ngoài ra, giới có 90 công ty Tây Âu số công ty Nga, Tiệp….Do đó, ta thấy robot. .. việc nghiên cứu, thiết kế Robot chưa thực phát triển, Robot hầu hết nhập từ nước với chi phí lớn việc ứng dung Robot vào sản xuất hạn chế Robot thường xuất sở sản xuất lớn, yêu cầu công việc có