TÌM HIỂU CÁNH TAY ROBOT PUMA

Trên thế giới có rất nhiều loại robot công nghiệp, với những tính năng khác nhau, phục vụ những nhiệm vụ mà ngành kỹ thuật cần, trong số đó có thể kể đến robot Puma với những tính năng c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN - -

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN KĨ THUẬT ROBOT

ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU CÁNH TAY ROBOT PUMA

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Tiến

Nhóm sinh viên thực hiện:

Vũ Ngọc Cẩm 20121296

Hà Nội-2016

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2

1.1 Lịch sử hình thành 2

1.2 Các khái niệm và định nghĩa về Robot công nghiệp 3

1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 4

1.3.1 Các bộ phận cấu thành robot công nghiệp 4

1.3.2 Các đặc trưng cấu trúc của robot công nghiệp 5

1.4 Phân loại robot công nghiệp 8

1.5 Ứng dụng robot công nghiệp 11

1.5.1 Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp 11

1.5.2 Một số ứng dụng điển hình của robot công nghiệp 11

Chương 2: TAY MÁY ROBOT PUMA 6 BẬC TỰ DO 12

2.1 Giới thiệu Robot Puma 6 bậc tự do 12

2.2 Ứng dụng của robot PUMA 6 bậc tự do 13

2.3 Sơ đồ động và hệ tọa độ của robot PUMA 6 bậc tự do 14

Chương 3: ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ ROBOT PUMA 16

3.1 Động học thuận của robot PUMA 16

3.1.1 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của robot 16

3.1.2 Giải bài toán động học thuận của robot PUMA 6 bậc tự do 17

3.1.3 Xác định tư thế của bàn tay nắm bắt robot PUMA 6 bậc tự do 21

3.2 Động học ngược của Robot PUMA 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

LỜI MỞ 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 để 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

Trên thế giới có rất nhiều loại robot công nghiệp, với những tính năng khác nhau, phục vụ những nhiệm vụ mà ngành kỹ thuật cần, trong số đó có thể kể đến robot Puma với những tính năng cực kỳ linh hoạt.Puma là một loại Robot đang được sử dụng rộng rãi, ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp quan trọng Vì vậy nhóm em đã chọn đề tài tìm hiểu về cánh tay robot Puma

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến đã trực tiếp hướng dẫn và góp ý cho chúng em nhiều kiến thức quý báu để hoàn thành môn học này

Do lần đầu làm quen với Robot công nghiệp và khối lượng kiến thức tổng hợp còn những mảng chưa nắm vững cho nên không thể tránh được những sai sót, mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Nhóm sinh viên thực hiện:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Lịch sử hình thành

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

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:

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

máy với một hệ quy chiếu gắn với thân robot (tham số độc lập đó là các tọa độ suy rộng)

Công thức xác định số bậc tự do của robot là công thức tính bậc tự do của cơ cấu không gian sử dụng trong Nguyên lý máy [1]:

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

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

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 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

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 (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…

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

chuyển động quay

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

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

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

- 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

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

Chương 2: 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

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

2.2 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