Động lực học robot gắp vật

Khái niệm Robot công nghiệp Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau: • Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ Robot institute of America: Robot là một tay máy vạn năng có

MỤC LỤC

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG

NGHIỆP

1 Khái niệm Robot công nghiệp

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

• 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 thểthay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

• Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp: Robot công nghiệp là một

cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chươngtrình, 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 nghệkhác nhau

• Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga: Robot công nghiệp làmột 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

2 Lịch sử phát triển Robot

 Trên thế giới

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921

Thuật ngữ Industrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo, mô phỏng một thiết bị có dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động, thực hiện một số thao tác sản xuất có tên gọi là

“Versatran”

Quá trình phát triển của Robot công nghiệp được tóm tắt như sau:

• Năm 1950 ở Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên

• Đầu năm 1960 công ty AMF cho ra đời sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran.

• Từ năm 1967, ở Anh, người ta đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo

IR theo bản quyền của Mỹ

• Từ năm 1970, việc nghiên cứu các tính năng của robot đã được chú ý nhiều hơn và cũng bắt đầu xuất hiện ở các nước Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển

• Từ năm 1968, ở Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu những ứng dụng của IR

• 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 với nhiều tính năng vượt bậc Chính vì vậy mà robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại như hiện nay.Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR trong

số đó bao gồm:

• 30 công ty của Mỹ, ta có thể lấy một số công ty điển hình như: Robots.Pro, Vecna Robotics, Robot Dynamics…cùng với những sảnphẩm nổi tiếng như: robot lấy sách tự động, robot HOAP-3, robot BEAR, robot tự hành Spirit and Opportunity…

• 80 công ty của Nhật, ta có thể lấy một số công ty điển hình như: Fanuc, Toyota, Honda, Hitachi, Kawasaki, shikawajima-Harima, Yasukawa…Cùng với những sản phẩm robot được áp dụng phổ biến như: robot Asimo, robot EMIEW 2, robot Simroid, robot chơi

vĩ cầm, robot phẫu thuật……

• Ngoài ra, trên thế giới còn có 90 công ty của Tây Âu và một số công ty của Nga, Tiệp….Do đó, ta có thể thấy rằng robot là một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng không thể thiếu của những nướcphát triển

 Tại Việt Nam

Nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm vừa qua

Nhiều đơn vị trên toàn quốc đã thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về robot như: Trung tâm Tự động hoá-Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử -Tin học, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN…

Bên cạnh đó, còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY doanh nghiệp thiết kế và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượngtrên trường quốc tế

Các nghiên cứu về động học và động lực học robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu quan tâm Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến

cơ học của các loại robot nối tiếp, song song, di động, thì các chương

trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển

để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế robot

3 Ưu điểm và nhược điểm của Robot

 Ưu điểm

hại:

Có khả năng thay thế con người làm việc trong các môi trường độc hại:• Có khả năng thay thế con người làm việc trong các môi trường

độc hại: việc nặng nhọc, gây nguy hiểm cho con người, như nóng,độc, phóng xạ, dưới nước sâu, trong lòng đất, ngoài khoảng

không vũ trụ,…

• Tính chính xác cao, có khả năng tự động hoá cao, có tính lặp lại

• Tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm

 Nhược điểm

đối • Giá thành đầu tư cho dây chuyền sử dụng robot công nghiệp

tương đối cao

• Việc ứng dụng robot công nghiệp vào sản xuất thì cần phải có kiến thức cũng như nhân công kĩ thuật sử dụng và vận hành

chúng, cùng những chi phí tốn kém trong việc bảo dưỡng và sửa chữa

4 Cấu trúc chung của Robot công nghiệp

• Tay máy: là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp, hình thành nên cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản

• Cổ tay: tạo nên sự linh hoạt của robot

• Phần công các: trực tiếp thực hiện các thao tác trên đối tượng

• Hệ thống cảm biến: gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi

Hệ thống dùng để nhận biết trạng thái của bản thân robot và trạng thái của môi trường bên ngoài

• Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực cho cơ cấu chấp hành là động cơ điện, động cơ thủy lực, động cơ khí nén,

• Hệ thống điều khiển: hiện nay thường là hệ thống điều khiển số,

có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot

5 Phân loại Robot công nghiệp

 Phân loại theo kết cấu

Phân loại theo kết cấu gồm có robot chuỗi và robot song song

• Robot chuỗi: là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là

đế và các khâu động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau Mỗi khâu động được liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết

• Robot song song: là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được liên kết với ít nhất hai khâu khác.

 Phân loại theo phương pháp điều khiển

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

• Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động

cơ thủy lực, khí nén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển Kiểu này đơn giản nhưng cho độ chính xác thấp

• Điều khiển kín: (điều khiển kiểu servo) sử dụng tín hiệu phản hồi

vị trí để tăng độ chính xác điều khiển Có hai kiểu điều khiển servo: Điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour)

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

 Điều khiển contour: đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kì, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các Robot hàn hồ quang và phun sơn

 Phân loại theo ứng dụng

Dựa vào những ứng dụng của robot trong sản xuất ta có những loại robot sau:

• Robot sơn

• Robot hàn

• Robot lắp ráp

• Robot dùng trong ngành dịch vụ

• Robot vận chuyển vật liệu

• Robot dùng trong lĩnh vực y tế

• Robot đóng gói sản phẩm

• Robot vận chuyển sản phẩm, hàng hóa

• Và còn có nhiều loại robot phục vụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau

6 Ứng dụng Robot công nghiệp

 Trên thế giới

Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất

lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt

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

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

660 Flex Palletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker Các robot này có thể gắp lần lượt các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải

• Ngoài ra, robot còn có nhiều lĩnh vực được nghiên cứu như robot dịch vụ, robot dùng trong lĩnh vực quân sự, robot di động đồng thời kết hợp với nhận dạng và điều khiển trên cơ sở xử lý những thông tin hình ảnh, đặc biệt là kết hợp với xử lý ngôn ngữ

 Tại Việt Nam

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

• Công nghiệp đúc: robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát

• Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làmviệc khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởngrèn dập

• Ngành gia công và lắp ráp: robot thường được sử dụng vào nhữngviệc như tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy ra công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động

PHẦN 2: ROBOT ABB IRB 2400

1 Giới thiệu về tập đoàn ABB

Với lịch sử hình thành và phát triển trên 125 năm, tập đoàn ABB (Thụy Sỹ) hiện là một trong những nhà cung cấp hàng đầu thế giới về các sản phẩm kỹ thuật điện và tự động hóa trong lĩnh vực công nghiệp

ABB tại Việt Nam đáp ứng nhu cầu của các nhóm khách hàng trong lĩnh vực công nghiệp và dịch vụ công cộng bằng việc cung cấp một hệ thống chủng loại sản phẩm, dịch vụ hoàn hảo cùng các giải pháp cho các sản phẩm điện, hệ thống điện, các sản phẩm tự động hóa và robot.ABB hoạt động trên 5 lĩnh vực

• Thiết bị điện (thiết bị điện cao thế và trung thế, máy biến thế …)

• Hệ thống điện (hệ thống phân phối và truyền tải điện, quản lý lưới điện, trạm điện và tự động hóa nhà máy điện)

• Thiết bị tự động hóa (sản phẩm hạ thế, PLC, thiết bị điều khiển, động cơ và truyền

• động, thiết bị đo lường phân tích)

• Quy trình tự động hóa (giải pháp tích hợp trong các ngành công nghiệp)

• Rôbốt công nghiệp (rôbốt, các môđun làm việc, phần mềm và giảipháp).

2 Robot ABB IRB 2400

IRB 2400 là robot được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công

nghiệp thế giới Với khoảng 14000 con được sử dụng Khả năng chịu tảilớn và vùng làm việc rộng là những ưu điểm của robot này Với thiết kế nhỏ gọn, dễ lắp đặt, tối giản hóa kết cấu giúp cho thời gian giữa các kỳbảo trì lớn, tiết kiệm thời gian và chi phí

• Vân chuyển nguyên liệu

Robot có 2 loại: IRB 2400 – 10 và IRB 2400 – 16

IRB 2400 – 16 có tấm với 1.55m, khả năng tải tối 16kg, điều khiển chuyển động tốt, khả năng dịch tải rộng, và chuyển động không giới hạn của trục 6 Điều này có nghĩa là robot hoạt động tốt trong việc vận

chuyển nguyên liệu, bảo dưỡng máy móc và ứng dụng trong quá trình gia công.

 Thông số kích thước của ABB IRB 2400

ABB IRB 2400 – 16 Thông số kỹ thuật

Khả năng tải của tay máy 16kg

Điện áp cung cấp 200 – 600V,

50/60Hz

Môi trường làm việc

Nhiệt độ trong quá trình

• Tính các ma trận

Ta có:

Dựa vào bảng DH ta tính được:

 Vậy ma trận Jacobi hoàn chỉnh là:

PHẦN 3: THIẾT KẾ DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG ABB IRB 2400

– 16

1 Tổng quan

Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghiệp thì việc chuyển đổi sang cơ chế sản xuất tự động và bán tự động trong các nhà máy, xínghiệp cũng là một điều tất yếu, việc điều khiển và vận hành cũng đã trở nên đơn giản hơn rất nhiều Việc sử dụng robot tự động phân loại sản phẩm mang lại hiệu quả cao trong sản xuất, giảm đi nhiều chi phí

và công sức

Đặt vấn đề: có 2 loại sản phẩm được sản xuất trên cùng một dây chuyền, với 2 màu đỏ và xanh lam Tốc độ băng chuyền là 1.2 m/s, khốlượng sản phẩn là 0.5 kg Trước đây, để tách các sản phẩm theo từng loại (dựa vào màu sắc) ta phải cần bố trí công nhân ở cuối băng

chuyền, việc phân loại và đóng gói các sản phẩm vào thùng đều do cáccông nhân thực hiện Bây giờ chúng ta sẽ xây dựng một hệ thống tự động phân loại sản phẩm sử dụng robot IRB 2400.

Với đề tài này, chúng ta sẽ tiến hành phân loại 2 sản phẩm với 2 màu đỏ và xanh lam được đưa từ dây chuyền sản xuất ra bộ phân đónggói thông qua một băng tải, sản phẩm sau khi phân loại sẽ được đặt

trên 2 chiếc bàn nằm cạnh nhau, đây cũng là vị trí đóng gói sản phẩm băng chuyền chính được đặt vuông góc với bàn

2 Giải thuật điều khiển

Việc phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc của sản phẩm Ta phân biệt các màu sắc bằng một cảm biến chuyên dụng, ở đây ta sử dụng cảm biến màu sắc E3MC, tín hiệu màu sắc được đưa về bộ phận xử lý cảm biến, sau đó tín hiệu được đưa về bộ điều khiển của Robot, dựa vào đây các cánh tay robot được điều khiển để gắp vật đưa về dúng vị

trí điều khiển

3 Cảm biến màu sắc E3MC

Để phân loại được sản phẩm ta dùng cảm biến phát hiện màu sắc E3MC của hãng Omron

• Còn ánh sáng có bước sóng nằm trong dải màu đỏ sẽ bị phản xạ ngược trở lại Và khiến mắt ta nhận biết vật thể đó là màu đỏ Màu sắc bất kì được tổng hợp từ 3 mầu cơ bản Blue, Green, Red

 Cấu tạo cảm biến E3MC

• Khối đầu tiên là mảng ma trận 8x8 gồm các photodiode Bao gồm 16 photodiode có thể lọc màu sắc xanh dương (Blue),16 photodiode có thể lọc màu đỏ (Red),16 photodiode có thể lọc màu xanh lá(Green) và 16 photodiode trắng không lọc

(Clear).Tất cả photodiode cùng màu được kết nối song song với nhau ,và được đặt xen kẽ nhau nhằm mục đích chống nhiễu Bản chất của 4 loại photodiode trên như là các bộ lọc ánh sáng có mầu sắc khác nhau Có nghĩa nó chỉ tiếp nhận

các ánh sáng có cùng màu với loại photodiode tương ứng và không tiếp nhận các ánh sáng có màu sắc khác Việc lựa chọn

4 loại photodiode này thông qua 2 chân đầu vào S2,S3

• Khối thứ 2 là bộ chuyển đổi dòng điện từ đầu ra khối thứ nhất thành tần số Tần số đầu ra có độ rộng xung 50% và tỉ lệ với ánh sáng có cường độ và mầu sắc khác nhau Tần số đầu ra nằm trong khoảng 2Hz-500Khz Ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số đầu ra ở các mức khác nhau như bảng trên cho phù hợp với phần cứng đo tần số

Ví dụ : Tần số khi S0=H,S1=H -Fout=500Khz thì:

S0=H,S1=L -Fout=100KhzS0=L,S1=H -Fout=10KhzS0=L,S1=L -Fout=0

 Nguyên lý hoạt động

Ánh sáng trắng là hỗn hợp rất nhiều ánh sáng có bước sóng màu sắc khác nhau

Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể bất kì Tại bề mặt vật thể

sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ và phản xạ ánh sáng

Ví dụ : Một vật thể có màu sắc đỏ khi được chiếu ánh sáng trắng thì những ánh sáng không nằm trong dải bước sóng màu đỏ sẽ bị vật thể hấp thụ Còn ánh sáng có bước sóng nằm trong dải màu đỏ sẽ bị phản

xạ ngược trở lại Và khiến mắt ta nhận biết vật thể đó là màu đỏ

Dựa trên nguyên lý sự phản xạ , hấp thụ ánh sáng trắng của vật thể

và sự phối chộn màu sắc bởi 3 màu cơ bản Blue, Green, Red thì 3ECM

có cấu tạo là 4 bộ lọc photodiode Blue, Green, Red và clear để nhận biết màu sắc vật thể

Hình bên dưới là bảng test quá trình chuyển đổi từ ánh sáng mà 4 loại photodiode nhận được thành tần số: