NGHIÊN cứu và THIẾT kế ROBOT sơn bốn bậc tự DO

…Robot được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, dịch vụ, quân sự, do thám…Trong công nghiệp, Robot đã thay thế con người thực hiện những công việc khó khăn, nguy

NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP

CHÚ Ý : SV phải dán tờ này vào trang thứ nhất của bản thuyết minh

HỌ VÀ TÊN : PHẠM VĂN HỒNG PHÚC MSSV : 20502117 NGÀNH : KỸ THUẬT CHẾ TẠO LỚP : CK05-KSTN

1 Đầu đề luận án :

Nghiên cứu và thiết kế robot sơn 4 bậc tự do

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

Thực hiện sơn mặt cong trụ có R>500mm Diện tích 500x400

- Thuyết minh (60 ~ 70 trang A4)

Tổng quan Chọn cấu hình robot sơn Khảo sát động học (bài toán thuận – nghịch) Thiết kế bộ điều khiển

Mô phỏng trên máy tính Kết luận

- Bản vẽ ( 3 )

Bản vẽ kết cấu tay máy ( 1 A0) Bản vẽ kết quả mô phỏng ( 2 A2)

3 Ngày giao nhiệm vụ luận án : 28 / 9 / 2009

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 12 / 1 / 2010

5 Họ tên người hướng dẫn : Phần hướng dẫn :

1/ TS Phan Tấn Tùng 80%

2/ ThS Huỳnh Duy Thanh 20%

Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn

Ngày …… tháng ……… năm 200…

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

Ts Phan Tấn Tùng

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN :

Người duyệt (chấm sơ bộ) : _

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ TẠO -o0o -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ROBOT SƠN

BỐN BẬC TỰ DO

GVHD: TS Phan Tấn Tùng SVTH: Phạm Văn Hồng Phúc MSSV: 20502117

TPHCM, 01/2010

ii

Để thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được nhiều sự chỉ dẫn, giúp đỡ, và động viên quý báu của nhiều người, thiếu một trong các sự giúp đỡ đó cũng có thể làm cho đề tài không đạt được kết quả như ngày hôm nay

Trước hết và trên hết em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc với Thầy TS Phan Tấn Tùng Thầy đã hướng dẫn tận tình cho em cho đến khi hoàn thành đề tài, Thầy hỗ trợ, cung cấp cho em nhiều kiến thức chuyên sâu cũng như các phương pháp nghiên cứu khoa học để thực hiện đề tài

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy ThS Huỳnh Duy Thanh Với hành trang kiến thức về việc tổ chức, lên kế hoạch giải quyết cho một vấn đề và cách thức viết báo cáo khoa học mà Thầy cung cấp cho em sẽ là rất hữu ích cho công tác kỹ sư và nghiên cứu khoa học sau này

Em cũng vô cùng cảm ơn Thầy TS.Trần Thiên Phúc về những ý kiến đóng góp quý giá và các thầy cô ở khoa Cơ Khí, trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã tham gia đào tạo và hướng dẫn em trong suốt thời gian đại học mà nhờ đó em có đủ kiến thức và sự tự tin thực hiện đề tài

Bên cạnh đó, với sự giúp đỡ, hợp tác của bạn bè cùng với sự hỗ trợ tư liệu từ các thế hệ đàn anh đã giúp tôi rất nhiều trong việc hoàn thành đề tài

Con cũng xin cảm ơn gia đình đã luôn quan tâm, chăm sóc, và động viên con rất nhiều trong quá trình học tập Và em vô cùng cảm ơn và tự hào về anh Bùi Trần Duy Vũ, anh đã giúp đỡ

em rất nhiều

TP.Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 01 năm 2010

Phạm Văn Hồng Phúc

iii

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, Robot ngày càng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp lẫn trong cuộc sống của con người …Robot được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, dịch vụ, quân sự, do thám…Trong công nghiệp, Robot đã thay thế con người thực hiện những công việc khó khăn, nguy hiểm -ví dụ như robot rà mìn, robot hoạt động trong môi trường độc hại ( môi trường phóng xạ, nhiễm khuẩn,công nghiệp hàn, sơn)… những công việc yêu cầu độ lặp lại và độ chính xác cao- như việc lắp ráp các linh kiện điện tử Ngày này việc ứng dụng robot vào trong công nghệ sơn đã trở nên phổ biến và thu hút được nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu

Việc xây dựng bài toán điều khiển cho đầu phun sơn di chuyển chính xác theo quĩ đạo cho trước là điều thiết yếu quan trọng ở robot sơn Robot được lập trình để hoạt động chính xác theo quĩ đạo Khâu chấp hành cuối của robot phải xác định đường đi qua các điểm nút theo thời gian thực Ở đây vấn đề thiết lập quĩ đạo và đề ra thuật toán điều khiển theo quĩ đạo là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng các nguyên công đảm nhận Việc điều khiển theo quĩ đạo là điều khiển qua việc xấp xỉ liên tục các điểm rời rạc trên quĩ đạo với vận tốc không đổi để đảm bảo độ đồng đều của lớp sơn Hiệu quả của bộ điều khiển được kiểm nghiệm và mô phỏng trên Matlab

Luận văn này thực hiện việc xây dựng nguyên lí điều khiển cho cánh tay robot bốn bậc tự do, thực hiện công việc sơn trong mặt cong phẳng Hiệu quả của bộ điều khiển sẽ là cơ sở cho việc phát triển các ứng dụng về việc điều khiển robot di chuyển chính xác theo quỹ đạo cho trước

iv

Trang bìa i

Nhiệm vụ luận văn

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt đề tài iii

Mục lục iv

Danh mục hình vẽ v

Danh mục bảng biểu vi

Danh sách các từ viết tắt vii

Chương 1 - Tổng quan 1

1.1 Giới thiệu chung về robot 1

1.1.1 Sơ lược lịch sử robot 1

1.1.2 Tình hình sử dụng robot trên thế giới 3

1.2 Ứng dụng robot trong công nghệ sơn 8

1.2.1 Những thuận lợi khi ứng dụng robot vào công nghệ sơn 8

1.2.2 Khả năng và ứng dụng robot sơn 10

1.3 Giới thiệu bài toán 12

Chương 2 - Cấu hình robot 16

2.1 Phân tích phương án cấu hình 16

2.2 Thiết kế cánh tay robot 20

iv

Chương 3 - Động học robot 22

3.1 Động học thuận robot 22

3.1.1 Xây dựng khung tọa độ-phép biểu diễn Danevit-Hartenberg 23

3.1.2 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học thuận robot 25

3.1.3 Phương trình động học thuận 26

3.1.4 Xây dựng ma trận Jacobian 31

3.2 Động học nghịch robot 34

3.2.1 Các điều kiện giải bài toán động học nghịch 35

3.2.2 Trình tự giải bài toán động học nghịch 39

3.2.3 Phương trình động học nghịch 39

Chương 4 - Thiết kế bộ điều khiển 40

4.1 Giới thiệu hàm Lyapunov 40

4.2 Định nghĩa sai số vị trí 41

4.3 Xây dựng bộ điều khiển 43

Chương 5 - Kết quả mô phỏng và kiểm nghiệm 46

5.1 Giới thiệu sơ lượt về chương trình mô phỏng 46

5.2 Kết quả mô phỏng 49

5.3 Tổng kết 64

iv

6.1 Độ thích hợp của đề tài 65

6.2 Hạn chế của đề tài 65

6.3 Hướng phát triển 66

Tài liệu tham khảo 67

Phụ lục 69

v

Hình 3.2 Xây dựng hệ tọa độ H-D trên mô hình cánh tay robot 27

v

Hình 5.13 Giá trị các vận tốc góc của các khớp (rad/s) 59

Hình 5.14 Biểu đồ mô phỏng đầu phun sơn di chuyển theo quĩ đạo vật thể 60

Hình 5.15 Biểu đồ kiểm tra giá trị sai số tại thời điểm ban đầu 61

vi

Bảng 1.1 Bảng tóm tắt sơ lược về lịch sử phát triển công nghệ robot 2

Biểu đồ 1.1 Biểu đồ số lượng robot được sản xuất ở một số nước trên thế giới năm 2007 4

Biểu đồ 1.2 Biểu đồ thống kê – dự tính số lượng robot trên thế giới từ năm 2006-2010 5

Biểu đồ 1.3 Biểu đồ số lượng robot ở một số ngành nghề chính trong 2 năm 2006, 2007 6

vii

(X-Y) Hệ tọa độ gốc

(x-y) Hệ tọa độ tương đối

vE vận tốc đều của điểm tác động cuối E [m/s]

EE ma trận sai số vị trí và hướng

1 p E vecto vị trí điểm tác động cuối

0 To ma trận quay chuyển đổi từ hệ tọa độ tương đối sang hệ tọa độ gốc

V E vecto vận tốc của điểm tác động cuối ứng với hệ tọa độ gốc

1 V E vecto vận tốc của điểm tác động cuối ứng với hệ tọa độ tương đối

 biến khớp (góc quay) của khâu thứ ith [rad/s]

E vận tốc góc của điểm tác động cuối R [rad/s]

e

góc tiếp tuyến với quĩ đạo của điểm tham chiếu R [rad] góc tiếp tuyến với quĩ đạo của điểm tác động E [rad]

Ký số

R



E



Trang 1

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về Robot

1.1.1 Sơ lược lịch sử của Robot

Vào năm 232 trước công nguyên, nhà vật lý, nhà phát minh người Hy Lạp Ctesibius

đã làm ra đồng hồ nước với các con số di chuyển được, nó được coi như là cái máy

đầu tiên của lịch sử loài người Đến thế kỉ 15, Leonardo Da Vinci thiết kế mô hình “

robot hiệp sĩ” tên là Anthrobot, tạo dựng hình ảnh đầu tiên về robot Đặc biệt thuật

ngữ Robot đã xuất hiện lần đầu tiên ở New York vào năm 1922 trong vở kịch có tên

“Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Khắc là Karen Chapek,

còn từ robot theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Thời gian sau đó, robot

được biết đến rộng rãi và được đóng góp thêm bởi nhiều nhà nghiên cứu, nhà khoa

học, các công ty sản xuất chuyên biệt

Ngày nay các nhà máy, các công ty đã ứng dụng những thành tựu của kỹ thuật tự

động để tăng sản lượng cũng như chất lượng sản xuất Với những lợi thế nhất định của

mình, robot – chính là chìa khóa quan trọng dẫn đầu trong xu hướng tự động hóa ở thế

kỉ 21 này

Sau đây là bảng tóm tắt sơ lược về lịch sử phát triển công nghệ robot

Tăng cường nghiên cứu

Phát triển robot trong công nghiệp

Ứng dụng ở

NAVY

Máy tính dùng

transitor

Giới thiệu vi xử lí

Phát triển vi xử lí

Kỹ thuật số và kỹ thuật quang điện

Điều khiển logic

Robot trí thông minh nhân tạo

Tăng số lượng sử dụng robot công nghiệp

1.1.2 Tình hình sử dụng robot trên thế giới

Trong những năm đầu thập niên 80, 70% robot được sử dụng ở các hệ thống tự động

hóa trong công nghiệp Trong suốt thời gian này, các nhà sản xuất luôn cải tiến độ ổn

định, sự hiệu quả và năng suất của quá trình làm việc Ngoài ra, việc ứng dụng robot

vào những lĩnh vực khác như an ninh, y tế, môi trường, không gian… cũng bắt đầu phát

triển mạnh mẽ

Trong những năm gần đây, số lượng robot được sử dụng ở các khu vực có nhiều biến

động: giảm ở Châu Á, phục hồi ở Châu Mĩ, tiếp tục tăng trưởng ở Châu Âu Trong

năm 2007, có khoảng 114365 robot công nghiệp, tăng khoảng 3%, giá trị tăng 11%

khoảng 6 tỉ Đôla Trong đó, có khoảng 59300 robot ở châu Á(bao gồm cả Úc), ít hơn

4% so với năm 2006 Thị trường chính (Nhật Bản và Hàn Quốc) vẫn tiếp tục giảm đầu

tư vào robot công nghiệp Mặt khác, vùng kinh tế mới nổi như Trung Quốc, Đông

Nam Á và Ấn Độ đều tăng trưởng về việc đầu tư robot

Trang 4

Biểu đồ 1.1: Biểu đồ số lượng robot được sản xuất ở một số nước trên thế giới năm 2007

[ Số liệu theo Tạp chí World Robotic 2008 ]

Giai đoạn 2008-2010: việc sản xuất robot sẽ tiếp tục tăng trong giai đoạn này Tuy nhiên

bóng đen của cuộc khủng hoảng kinh tế đã ảnh hưởng nhiều đến nền công nghiệp robot,

trong 6 tháng đầu năm 2008 số lượng robot tăng 12%, nhưng đến nửa cuối thì số lượng

giảm rõ rệt dẫn đến kết thúc năm 2008 chỉ đạt mức tăng bình quân 4% Theo dự báo của

Hiệp Hội Robot thế giới IRF, thị trường robot sẽ tiếp tục tăng trong thời gian tới vì với xu

hướng tăng sản lượng và cắt giảm chi phí nhân lực cũng như chi phí sản xuất thì robot

chính là chìa khóa quan trọng để đạt được mục tiêu Trong năm 2009 dự đoán số lượng

robot được sản xuất sẽ tăng 4.1% và đến đỉnh điểm sẽ tăng mạnh vào năm 2011

Trang 5

Biểu đồ 1.2: Biểu đồ thống kê – dự tính số lượng robot trên thế giới từ năm 2006-2010

[ Số liệu theo Tạp chí World Robotic 2008 ]

Trang 6

Biểu đồ 1.3: Biểu đồ số lượng robot trong một số ngành nghề chính trong 2 năm 2006,

2007

[ Số liệu theo Tạp chí World Robotic 2008 ]

Trong công nghiệp, robot được sử dụng nhiều vì tính linh hoạt trong vận hành; hoạt động tinh

vi, nhanh và chuẩn xác; nhất là khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc

hại và không an toàn là những yếu tố quyết định cho việc sử dụng robot trong sản xuất công

nghiệp Trên thế giới, robot được sử dụng nhiều nhất trong các ngành chế tạo ôtô, công

nghiệp điện và điện tử, chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực phẩm Các công việc

thường sử dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm và cấp phôi trong các dây chuyền

tự động

Trang 7

 Tình hình robot ở Việt Nam:

Tại Việt Nam, những năm qua, robot đã được sử dụng trong các ngành sản xuất vật

liệu xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí, công nghiệp đóng tàu, an ninh quốc phòng

và một vài lĩnh vực khác như thăm dò khai thác biển Trong sản xuất vật liệu xây

dựng, robot được sử dụng cho dây chuyền nghiền than tại Công ty Gốm xây dựng Hạ

Long Tại các lò luyện cốc, công đoạn cấp than là một điển hình về môi trường độc

hại, khói bụi và nhiệt độ cao, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người Các nhà khoa

học đã nghiên cứu thử nghiệm phương án sử dụng robot cho khâu cấp than từ phía đỉnh

lò và đề xuất phương án sử dụng robot ở một số khâu khác cho Công ty Gang thép

Thái Nguyên

Robot bốc xếp thay thế công nhân ở công đoạn lấy và sắp xếp sản phẩm trong dây

chuyền sản xuất kính cũng là một nhu cầu lớn Trong công đoạn đúc kim loại ở các

nhà máy cơ khí và luyện kim, có thể sử dụng robot ở các khâu rót kim loại và tháo dỡ

khuôn - những khâu nặng nhọc, dễ gây tai nạn

Hàn và cắt kim loại là công nghệ chiếm tỷ trọng lớn trong ngành công nghiệp đóng

tàu, có ý nghĩa quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm Nhu cầu sử dụng

robot hàn, cắt là rất đáng kể Robot được sử dụng trong một số công đoạn hàn vỏ tàu ở

phần đuôi, các robot tự hành có khả năng nhận dạng vết hàn phục vụ cho việc tự động

hóa một số công đoạn hàn trên boong và bên trong thân tàu thủy Trong công đoạn

sản xuất nhựa nói chung và sản xuất phôi cho chai nhựa nói riêng, các tay máy được

sử dụng để lấy sản phẩm đang ở nhiệt độ cao từ trong khuôn ra ngoài, rút ngắn chu kỳ

ép của máy ép nhựa Do hiệu quả mang lại khá cao, các nhà sản xuất nhựa đã nhập

một lượng lớn tay máy từ Canada, Nhật, Đài Loan với giá khá cao

Trang 8

1.2 Ứng dụng Robot trong công nghệ sơn

1.2.1 Những thuận lợi khi sử dụng robot trong công nghệ sơn

Vấn đề con người và an toàn:

- Phun sơn cũng là công việc có hại cho sức khỏe công nhân Môi trường làm

việc ồn, sử dụng nhiều hóa chất có thể gây ung thư, phải bê súng phun, và làm những việc lặp đi lặp lại Để bảo vệ nhân viên khỏi môi trường độc hại này, có nhiều biện pháp bảo hộ lao động được đưa ra như quần áo và mặt nạ bảo hộ

Nhưng những thứ này lại gây bất tiện cho công nhân trong khi làm việc

- Nhìn chung, robot được sử dụng thay thế con người và các máy móc khác trong

từng công việc cụ thể Robot có thể làm việc trong môi trường nguy hiểm, lặp

đi lặp lại, và những công việc có yêu cầu kỹ thuật cao Có thể lập trình và tái lập trình cho nhiều công việc khác nhau, và có khả năng thao tác với tốc độ nhanh hơn con người

- Phun sơn thủ công cần nhiều phụ phí đầu tư và hoạt động như thiết bị cấp khí

lớn, chi phí đào tạo nhân viên, và lương cho công nhân Còn đối với phun sơn sử dụng robot, mặc dù ban đầu cần một lập trình viên thành thạo, nhưng sau đó robot làm việc ngày đêm, không cần giám sát viên, không cần phải đào tạo nâng cao tay nghề, và những sản phẩm ra đời có chất lượng đồng đều, độ tin cậy cao Ngoài ra, robot còn có thể mang những thiết bị như súng phun sơn có khối lượng lớn hơn nhiều so với con người

Hình 1.1: Minh họa công việc phun sơn

Vấn đề kỹ thuật và kinh tế:

- Chất lượng bề mặt sơn phủ được cải thiện đáng kể: tăng độ đồng đều lớp sơn,

sự chính xác trong phạm vi hoạt động Những chuyển động nhuần nhuyễn, lặp

đi lặp lại chính xác cao của robot và sự ổn định trong tốc độ di chuyển cho ra đời những sản phẩm có bề mặt sơn đều, bóng, chất lượng cao

Trang 10

- Đa dang và linh hoạt: có thể đa dạng phối màu sơn với độ chính xác cao, tùy

theo bậc tự do của cánh tay robot mà có thể đạt được sự linh hoạt với môi trường làm việc

- Tránh sự lãng phí sơn, thời gian thay đổi hay phối màu Đồng thời cũng giảm

thời gian chu trình và giảm chi phí

- Có khả năng tích hợp thêm nhiều công cụ cho phép thực hiện được nhiều

nhiệm vụ khác nhau

1.2.2 Khả năng và ứng dụng Robot sơn:

Ngày nay, robot phun sơn đang được sử dụng được sử dụng trong nhiều ngành khác

nhau như trong ngành sản xuất ô tô, sơn vỏ điện thoại di động, máy tính, sứ vệ sinh,

máy biến thế, vỏ tủ điện, thiết bị gia dụng Trong công đoạn phun sơn, robot được sử

dụng nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng lực sản xuất và giảm thiểu lượng

sơn thừa Những lợi ích mà robot mang lại là chất lượng sản phẩm cao hơn, tận dụng

tối đa sơn, sản lượng cao hơn và không còn độc hại tới sức khỏe con người Những nhà

sản xuất sử dụng robot có được những sản phẩm rất cạnh tranh mà vẫn đáp ứng được

thị hiếu thích đồ rẻ chất lượng cao của khách hàng

Hình 1.2: Robot sơn trong công nghệ ô tô

Trang 11

Hình 1.3: Robot sơn trong việc sơn các sản phẩm

Trang 12

1.3 Giới thiệu bài toán:

Hiện nay có rất nhiều cách giải quyết cho bài toán robot sơn, cũng có rất nhiều cấu

hình robot sơn tùy thuộc vào những yêu cầu làm việc khác nhau

 Sơ lược các nghiên cứu được thực hiện gần đây:

- Suk-Swan Suh, et al., 1993 [10 ]: xây dựng hệ thống robot sơn phun theo phương

pháp điều khiển dẫn đường và lập trình offline

- D Kushida, et al., 2002 [11]: xây dựng thuật toán điều khiển cánh tay robot sơn

dựa trên sự bồi thường ma sát và quán tính

- Tung Phan Tan, et al., 2005 [9 ]: thiết kế và kiểm nghiệm bộ điều khiển cho

robot hàn theo phương pháp điều khiển lân cận, độ ổn định của bộ điều khiển dựa

trên công thức Lyapunov

- Georg Biegelbauer, et al., 2007 [12 ]: thiết kế robot sơn với việc ứng dụng kỹ

thuật quang học để chụp hình vật thể rồi bộ điều khiển tiến hành phân tích và lập

trình đường đi cho đầu phun sơn

Luận văn này tập trung xây dựng bộ điều khiển cho robot sơn với để đảm bảo việc

điều khiển đầu phun sơn di chuyển theo quĩ đạo vật thể với sai số trong phạm vi cho

phép Hiệu quả của thuật toán điều khiển được kiểm nghiệm trong Matlab Với việc

giả sử mô hình đối tượng vật thể có bề mặt là mặt cong phẳng nằm ngang – ví dụ

như là hình trụ

Để thực hiện công việc sơn cho đối tượng là mặt cong phẳng nằm ngang 2D thì cấu

hình yêu cầu là cánh tay robot có 4 bậc tự do Do đó, Luận văn này thực hiện việc

thiết kế cấu hình và điều khiển cánh tay robot với 4 bậc tự do thực hiện nhiệm vụ sơn

trong mặt cong phẳng (với 3 bậc tự do thực hiện việc chuyển động trong mặt cong

Trang 13

phẳng 2D, 1 bậc tự do tịnh tiến lên xuống để sơn phủ toàn bộ bề mặt của hình trụ)

Đế của cánh tay robot sơn là cố định, các khớp quay cũng như tịnh tiến thay đổi để

đảm bảo việc di chuyển đầu mũi sơn theo quĩ đạo của đối tượng sơn

 Mục tiêu luận văn: Xây dựng bộ điều khiển đảm bảo việc điều khiển cánh tay

robot di chuyển song song theo đúng biên dạng của đối tượng sơn với vận tốc

không đổi

- Sai số về khoảng cách hay vị trí của luôn nằm trong phạm vi 5mm

- Sai số về góc ( góc lệch giữa đầu phun sơn với pháp tuyến tại điểm cần sơn )

trong phạm vi 0

4

- Các sai số xuất hiện thì nhanh chóng trở về zero trong khoảng thời gian tối đa là

5s

- Đảm bảo sự hoạt động ổn định của robot trong vùng làm việc

 Những nhiệm vụ chính trong luận văn:

- Tìm hiểu về robot, nghiên cứu tính toán khái quát động học cho robot công

nghiệp, từ đó áp dụng tính toán động học cho robot bốn bậc tự do sơn được trong mặt phẳng

- Tính toán động học nhằm tìm hiểu nguyên lý hoạt động của robot, khả năng

chuyển động linh hoạt của các khâu làm cho khâu tác động cuối chuyển động theo một quỹ đạo mong muốn hoặc chuyển động từ điểm này đến điểm kia theo thời gian mong muốn Mục tiêu của việc tính toán động học là định vị và định hướng của điểm tác động cuối tại mọi thời điểm Trong tính toán động học có hai bài toán quan trọng là bài toán thuận và bài toán ngược Ngoài ra còn có bài toán vận tốc

Trang 14

- Tính toán bài toán thuận để tìm vị trí và hướng của điểm tác động cuối so với

hệ tọa độ gốc Tính toán bài toán động học ngược với kết quả là bộ nghiệm gồm các góc i Tính toán bài toán vận tốc để tìm mối quan hệ giữa vận tốc các khớp với vận tốc dài của điểm tác động cuối

- Dựa vào bài toán vận tốc để đưa ra luật điều khiển cho robot theo quỹ đạo, từ

đó đưa ra nguyên lý của bộ điều khiển cho robot

- Thiết kế bộ điều khiển: đưa ra thuật toán điều khiển hồi tiếp để đảm bảo sai số

nằm trong phạm vi cho phép và đảm bảo sự ổn định của hệ thống dựa trên hàm Lyapunov

- Tiến hành mô phỏng robot bốn bậc tự do bằng Simulink (một công cụ mô

phỏng của phần mềm Matlab) với nhiệm vụ của robot là sơn được trong mặt phẳng, để thấy được quá trình hoạt động của robot trong không gian ảo Đồng thời, thông qua kết quả mô phỏng nhằm kiểm tra đánh giá khả năng hoạt động của robot cũng như kiểm tra kết quả tính toán

- Thiết kế cấu hình cánh tay robot ứng với đối tượng làm việc

- Nhận xét và kết luận

- Kiến nghị và xem xét các hướng phát triển

 Phạm vi công việc:

- Đưa ra cấu hình robot sơn thích hợp cho môi trường làm việc là mặt cong

phẳng, chú trọng vào thuật toán điều khiển đảm bảo độ chính xác về động học

- Không nghiên cứu về động lực học

Trang 15

- Chỉ kiểm nghiệm về mặt thuật toán điều khiển thông qua công cụ Matlab,

không xây dựng các bộ điều khiển, không nghiên cứu về mạch điện hay các phần cứng

- Tiến hành mô phỏng trực quan thông qua Solid Work và Matlab, không xây

dựng mô hình hay chế tạo

 Phương pháp giải quyết vấn đề: Luận văn này sử dụng phương pháp điều khiển

động học nghịch, với việc giả thuyết là đã biết được sai số nên đây quá trình điều

khiển vòng kín với sự đảm bảo sai số luôn ở nằm trong phạm vi cho phép và giá trị

sai số luôn ổn định dựa trên hàm Lyapunov

Trang 16

Chương 2

CẤU HÌNH CỦA ROBOT

2.1 Phân tích các phương án cấu hình

Luận văn tập trung đưa ra xây dựng bộ điều khiển cho robot thực hiện nhiệm vụ sơn trong mặt cong phẳng 2D với môi trường đối tượng giả sử là hình cong phẳng có diện tích khoảng 1000 x 800 (mm) như sau

Hình 2.1: Đối tượng vật thể

Mô tả: Đầu cánh tay robot sẽ thực hiện công việc sơn lần lượt bao theo mặt cong của đối tượng, sau đó tịnh tiến theo chiều thẳng đứng để sơn phủ toàn bộ bề mặt cần sơn

Yêu cầu công việc: Đầu phun sơn phải đảm bảo:

+ Di chuyển đúng theo quĩ đạo của vật thể với vận tốc là hằng số v = 0.0075m/s (để đảm bảo độ đồng đều cho lớp sơn)

Trang 17

+ Sai số về khoảng cách hay vị trí của luôn nằm trong phạm vi 5mm

+ Đầu sơn luôn vuông góc với tiếp tuyến của tiếp điểm cần sơn trên bề mặt quĩ đạo, sai số về hướng ( góc ) là 0

4+ Hoạt động ổn định theo thời gian, có thể thích nghi với các đối tượng quĩ đạo cong phẳng khác thuộc phạm vi tầm với của cánh tay robot

Với đối tượng làm việc như trên thì yêu cầu cánh tay robot có 4 bậc tự do: bao gồm 3 bậc tự do ( để thực hiện việc sơn trong mặt cong phẳng nằm ngang 2D) và 1 bậc tự do tịnh tiến (để đảm bảo việc sơn cho toàn bộ chi tiết)

Ứng với đối tượng làm việc như trên thì ta có các phương án bố trí bậc tự do để thực hiện nhiệm vụ như sau:

Phương án 1: T –T –R

Hình 2.2: Phương án 1 của cấu hình robot

Trang 19

Phương án 4: R – R – R

Hình 2.5: Phương án 4 của cấu hình robot

Nhận xét: Ở các phương án bố trí bậc tự do 1, 2, 3 thì sự hoạt động của cách tay không linh hoạt, khó đáp ứng được việc di chuyển chính xác theo quỹ đạo đường cong phẳng như yêu cầu ( cản trở nhiều bởi lực ma sát trong các khớp trượt), kích thước cồng kềnh Còn ở phương án thứ 4, giống như mô hình robot SCARA, đạt được những thuận lợi sau:

 Di chuyển linh hoạt theo quỹ đạo đường cong phẳng 2.5D, thuận lợi cho việc điều khiển

 Kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm không gian làm việc

 Các khâu, khớp là cùng một loại,thích hợp cho việc chế tạo

 Vậy ta chọn phương án bố trí bậc tự do thứ 4 cho cánh tay robot, như vậy cánh tay robot sẽ bao gồm một bậc tự do tịnh tiến lên xuống kết hợp với 3 khớp quay trong mặt phẳng nằm ngang để thực hiện công việc sơn cho vật thể

Trang 20

2.2 Thiết kế cánh tay robot

 Cấu hình lựa chọn cho cánh tay robot sơn trong mặt phẳng thẳng đứng Z-X như sau

Hình 2.6: Cấu hình lựa chọn cánh tay robot

 Phương án thiết kế cánh tay robot

Do giới hạn của đề tài, Luận văn này không tập trung vào các thiết kế cơ khí và việc chế tạo, mà chỉ đề nghị phương án truyền động cho robot 4 bậc tự do thực hiện nhiệm vụ sơn trong mặt cong phẳng Do đó các bộ truyền động chỉ mang tính phương án, không yêu cầu khắt khe về tính chính xác về mặt thiết kế

Trang 21

Hình 2.7: Mô hình cánh tay robot

Mô tả: Robot sơn có cấu tạo dạng T.R.R.R gồm

- Động cơ DC gắn với bộ truyền động đai răng ( tỉ số truyền là 2 )

- Bộ truyền đai răng dẫn động cho vít me- bi để điều khiển chuyển động tịnh tiến của khâu 0

- Khâu 0: khâu tịnh tiến lên xuống trong mặt phẳng thẳng đứng Chuyển động tịnh tiến được thực hiện bằng bộ truyền vít me bi, đạt được độ chính xác cần thiết và độ bền cao

- Khâu 1, 2, 3: thực hiện chuyển động quay quanh trục thẳng đứng, được gắn với động

cơ bước, chiều dài mỗi khâu là 0.5m

- Điểm cuối của khâu 3 gắn đầu phun sơn

- Tất cả bộ truyền vít me bi, rãnh trượt của khâu tịnh tiến, các phần truyền động ở các khớp quay đều được bao bọc để tránh việc sơn dính vào ảnh hưởng đến chất lượng công việc và độ bền chi tiết máy

Trang 22

Chương 3

ĐỘNG HỌC ROBOT

Nghiên cứu động học là nghiên cứu khả năng di chuyển và vị trí, tọa độ tương quan của hệ thống robot, đặc biệt quan tâm đến trạng thái hình học của hệ thống Nghiên cứu động học cánh tay máy chia ra làm 2 vấn đề: bài toán động học thuận ( Forward Kinematics) và bài toán động học nghịch ( Inverse Kinematics )

Động học thuận: xác định vị trí và hướng của điểm tác động cuối nếu được cho biết các

thông số của các khớp

Động học nghịch: tìm các thông số có khả năng tồn tại của các biến khớp nếu được cho

biết hướng và vị trí của điểm tác động cuối cùng

3.1 Động học thuận robot

Mục đích của việc giải bài toán động học thuận của robot là xác định vị trí và hướng của tay robot khi đã biết các biến khớp

Bất kì robot nào cũng có thể coi là tập hợp các khâu (link) gắn liền với các khớp (joint) Và đặt trên mỗi khâu một hệ trục tọa độ, sử dụng các phép biến đổi thuần nhất có thể mô tả vị trí tương đối và hướng các tọa độ này Denavit Hartenberg (DH) đã gọi biến đổi thuần nhất mô tả quan hệ giữa một khâu và một khâu kế tiếp là một ma trận Và cụ thể hơn ma trận đó chính là ma trận mô tả phép biến đổi thuần nhất bởi phép quay và phép tịnh tiến tương đối giữa hai hệ trục tọa độ của hai khâu liền nhau

Trang 23

Vị trí khung tọa độ gắn lên vật thể có ba bậc tự do, do đó có thể sử dụng ba thông tin để xác định vị trí của vật thể đó Các khâu trong robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:

Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Đecac, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động nầy thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic)

Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R (Rotation) Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau

Có bốn cấu hình điển hình của robot là: Tọa độ Đecac; Tọa độ hình trụ; Tọa độ hình cầu; Tọa độ khớp nối (robot kiểu SCARA, hệ tọa độ phỏng sinh )

3.1.1 Xây dựng khung tọa độ-phép biểu diễn Danevit-Hartenberg: Xây dựng hệ trục tọa độ dựa theo phương pháp Denavit Hertenberg

Xét hai khớp i và i + 1, thanh nối giữa hai khớp i và i + 1 (hình 3.1)

Minh họa trên hình 3.1:

- ai là độ dài pháp tuyến chung của trục khớp i và i +1

- i là góc giữa hai trục khớp i và i +1 (góc giữa trục i +1 và đường thẳng song song trục i nằm trong mặt phẳng chứa trục i +1 và trực giao với pháp tuyến chung ai)

- i là góc quay của khớp, là góc giữa hai pháp tuyến chung của trục khớp i

- di là độ dịch chuyển tịnh tiến của khớp, là khoảng cách giữa hai chân pháp tuyến chung của trục i là di nên đặt di là biến của khớp tịnh tiến

Trang 24

Để nghiên cứu quan hệ giữa các thanh nối, khớp và tay robot, ta đặt các khung tọa độ cho các thanh nối Theo phương pháp biểu diễn Danevit-Hartenberg (D-H), khung tọa độ thanh nối i được xây dựng theo nguyên tắc sau (hình 3.1)

Gốc thanh tọa độ thanh i đặt trùng với chân pháp tuyến chung của trục i và i + 1 và nằm trên trục khớp i + 1

Trục zi đặt theo phương của trục khớp i + 1

Trục xi đặt thep phương pháp tuyến chung của trục i và i + 1 theo hướng đi từ trục i đến i + 1

Hình 3.1: Thiết kế khung tọa độ thanh nối

Các phép biến đổi trên được thực hiện so với khung tọa độ hiện tại (khung tọa độ ngay trước đó) Do đó phép biến đổi tổng hợp được xác định như sau:

A i Rot z, Trans 0, 0,d i Trans a i, 0, 0 Rot x, i (3-1)

3.1.2 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học thuận của robot

Để thiết lập hệ phương trình động học của robot, ta tiến hành theo các bước sau:

1) Chọn khung tọa độ cơ sở, gắn các khung tọa độ mở rộng lên các khâu

Việc gắn khung tọa độ lên các khâu đóng vai trò rất quan trọng khi xác lập hệ phương trình động học của robot, thông thường đây là phương pháp khó nhất Thông qua các phép biến đổi của ma trận A ta có thể xác định các khung tọa độ gắn trên các khâu của robot theo trình tự sau:

Giả định một vị trí ban đầu (vị trí mà các biến nhận giá trị ban đầu, thường bằng 0) của robot

Chọn gốc tọa độ O0, O1, …

Các trục zi phải chọn cùng phương với các trục khớp động thứ i + 1

Chọn trục xi là trục quay của zi thành zi + 1 và góc của zi với zi + 1 chính là #i + 1 Nếu

zi và zi + 1 song song hoặc trùng nhau thì ta có thể căn cứ theo nguyên tắc chung hay chọn xi theo xi + 1

Các khung tọa độ phải tuân theo qui tắc bàn tay phải

Trang 26

Khi gắn khung tọa độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma trận

Ai Đó là 4 phép biến đổi: Rot z, ,Trans 0, 0,d i ,Trans a i, 0, 0 ,Rot x, i

2) Lập bảng thông số D-H (Danevit-Hartenberg)

3) Dựa vào các thông số D-H xác định các ma trận Ai

4) Tính các ma trận T và viết các phương trình động học của robot

3.1.3 Phương trình động học thuận

Ma trận Ti là tích các ma trận Ai; ma trận Ti mô tả vị trí và hướng của khâu thứ i so với giá cố định: Ti = A1.A2…Ai

Thường ký hiệu ma trận T với 2 chỉ số trên và dưới Chỉ số dưới để chỉ khâu đang xét còn chỉ số trên để chỉ tọa độ được dùng để đối chiếu

Trường hợp i = n (robot có n khâu), với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với điểm tác động cuối, ta có:

Ta có thể biểu diễn điểm tác động cuối bởi phương trình ,do đó hiển nhiên ta có thể viết:

w w w

Hình 3.2: Xây dựng hệ tọa độ H-D trên mô hình cánh tay robot

Bảng 3.1: Bảng thông số D-H

* 3

Trang 28

- ai là độ dài pháp tuyến chung của trục khớp i và i +1

- i là góc giữa hai trục khớp i và i +1

- i là góc quay của khớp, góc #i là góc giữa hai pháp tuyến chung của trục khớp

i

- di là độ dịch chuyển tịnh tiến của khớp, đặt di là biến của khớp tịnh tiến

 Phương trình động học thuận về vị trí

 Ma trận được sử dụng để biểu diễn một điểm, một vectơ, một khung tọa độ, các phép biến đổi tịnh tiến, quay và biểu diễn một đối tượng trong khung tọa độ

Ma trận chuyển đổi giữa các khung tọa độ i và i +1 như sau: ( theo công thức 3-3)

- Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ Z0 - X0 sang Z1 – X1 là A1

0 1

- Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ Z2 – X2 sang Z3 – X3 là A3 :

2 2 2 2

2 2 2 2 3

- Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ Z3 – X3 sang Z4 – X4 là A4 :

3 3 3 3

3 3 3 3 4