Thiết kế Robot sơn 4 bậc

…Robot được sử dụng nhiều trongcác 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 hi

Đại Học Quốc Gia Tp.HCM

TRƯỜNG ĐH BÁCH

KHOA

-Số : /BKĐT KHOA : CƠ KHÍ BỘ MÔN : CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

-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) :

Đơn vị :

Ngày bảo vệ :

Điểm tổng kết :

Nơi lưu trữ luận án :

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ

MINH 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

ii

TPHCM, 01/2010

ii

i

Lời cảm ơn

Để thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được nhiều sự chỉ dẫn, giúp đỡ, và động viên quýbáu của nhiều người, thiếu một trong các sự giúp đỡ đó cũng có thể làm cho đề tàikhông 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 cấpcho em nhiều kiến thức chuyên sâu cũng như các phương pháp nghiên cứu khoa học để thựchiện đề tài

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

Em cũng vô cùng cảm ơn Thầy TS.Trần Thiên Phúc về những ý kiến đóng góp quý giá vàcác thầy cô ở khoa Cơ Khí, trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã tham gia đào tạovà hướng dẫn em trong suốt thời gian đại học mà nhờ đó em có đủ kiến thức và sự tự tinthực 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 hệđàn 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 nhiềutrong quá trình học tập Và em vô cùng cảm ơn và tự hào về anh Bùi Trần Duy Vũ, anh đãgiúp đỡ em rất nhiều

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

Phạm Văn Hồng Phúc

Tóm tắt đề tài

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, Robot ngày càng được sử dụng phổ biếntrong công nghiệp lẫn trong cuộc sống của con người …Robot được sử dụng nhiều trongcác 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 nhưrobot rà mìn,

robot hoạt động trong môi trường độc hại ( môi trường phóng xạ, nhiễm khuẩn,côngnghiệp hàn, sơn)… những công việc yêu cầu độ lặp lại và độ chính xác cao- như việc lắp rápcác linh kiện điện tử Ngày này việc ứng dụng robot vào trong công nghệ sơn đã trở nênphổ 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 chotrước là điều thiết yếu quan trọng ở robot sơn Robot được lập trình để hoạt động chính xáctheo quĩ đạo Khâu chấp hành cuối của robot phải xác định đường đi qua các điểm nút theothời gian thực Ở đây vấn đề thiết lập quĩ đạo và đề ra thuật toán điều khiển theo quĩ đạolà 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 trênquĩ đạo với vận tốc không đổi để đảm bảo độ đồng đều của lớp sơn Hiệu quả của bộ điềukhiển 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 s ẽ là cơ sởcho việc phát triển các ứng dụng về việc điều khiển robot di chuyển chính xác theo quỹđạo cho trước

v

Mục Lục

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 o ä n g hoĐ ï c t hu a ä n r obo t 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 P h ươ n g t r ì n h đo ä n g ho ï c t hu a ä n 26

3.1.4 X a â y dư ï n g m a t r a ä n J a c ob i a n 31

3.2 o ä n g hoĐ ï c ngh ị c h r obo t 34

3.2.1 Các điều kiện giải bài toán động học nghịch 35

3.2.2 T r ì n h t ư ï g i a û i b a ø i t o a ù n đo ä n g ho ï c ngh ị c h 39

3.2.3 Phương trình động học nghịch 39

Chương 4 - Thiết kế bộ điều khiển 40

4.1 i ơ ù i t h i e ä u h a ø mG L y a puno v 40

4.2 Định nghĩa sai số vị trí 41

4.3 a â y dưX ï n g bo ä đ i e à u kh i e å n 43

Chương 5 - Kết quả mô phỏng và kiểm nghiệm 46

5.1 i ơ ù i t h i e ä u s ơ l ươG ï t v e à c hươn g t r ì n h m o â pho û n g 46

5.2 e á t quK a û m o â pho û n g 49

5.3 o å n g k e á t T 64

Chương 6 - Kết luận và kiến nghị 65

6.1 o ä t h í c h hơĐ ï p c u û a đ e à t a ø i 65

6.2 Hạn chế của đề tài 65

6.3 ươH ù n g ph a ù t t r i e å n 66

Tài liệu tham khảo 67

P h u ï l u ï c 69

Danh muïc hình veõ

v

Hình 5.6 Vị trí điểm E tại giây thứ 93.8 53

Danh mục bảng biểu

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

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

xi

Danh sách các từ viết tắt

(X-Y) Hệ tọa độ gốc

(x-y) Hệ tọa độ tương đối

dt khoảng thời gian lấy mẫu

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

vii

Ký hiệu Hy Lạp

 biến khớp (góc quay) của khâu thứ

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

1, 2, 3 Chỉ số của khâu 1, 2, 3 của cánh tay robot

E, R Chỉ số các điểm tác động cuối và điểm tham chiếu lúc làm việc

i

θi

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 Ctesibiusđã làm ra đồng hồ nước với các con số di chuyển được, nó được coi như là cáimáy đầu tiên của lịch sử loài người Đến thế kỉ 15, Leonardo Da Vinci thiết kế môhình “

robot hiệp sĩ” tên là Anthrobot, tạo dựng hình ảnh đầu tiên về robot Đặc biệt thuậtngữ Robot đã xuất hiện lần đầu tiên ở New York vào năm 1922 trong vở kịch cótên “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Khắc là KarenChapek, còn từ robot theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Thời giansau đó, robot được biết đến rộng rãi và được đóng góp thêm bởi nhiều nhà nghiêncứu, 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 thuậttự động để tăng sản lượng cũng như chất lượng sản xuất Với những lợi thế nhất địnhcủa 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

Trang14

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

1920 Khái niệm robot xuất hiện

trong tiểu thuyết

1940- Hình thành khái niệm và ý tưởng

1950- Phát minh ra cánh tay máy được Giới thiệu về

Phát triển robot

Robot được điều khiển bằng máy trong công

dùng1960-

transitor

Giới thiệu vi

Hình thành ý tưởng Robot trí

1970- thông minh nhân tạo. Nghiên cứu về

robot phát triển Phát triển vi

1979 Phát triển robot lập trình điều

khiển bởi máy tính

Ứng dụng rộng Kỹ thuật số1980- Robot dùng trong công việc nguy

1989 hiểm, do thám vũ trụ rãi trong công và kỹ thuật

Điều khiểnlogic

Robot trí thông minh nhân tạo

Tăng số lượngsử dụng robotcông 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 độnghóa trong công nghiệp Trong suốt thời gian này, các nhà sản xuất luôn cải tiến độổn định, sự hiệu quả và năng suất của quá trình làm việc Ngoài ra, việc ứng dụngrobot vào những lĩnh vực khác như an ninh, y tế, môi trường, không gian… cũng bắtđầu phát triển mạnh mẽ

Trong những năm gần đây, số lượng robot được sử dụng ở các khu vực có nhiềubiến 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 trịtăng 11% khoảng 6 tỉ Đôla Trong đó, có khoảng 59300 robot ở châu Á(bao gồm cảÚc), ít hơn 4% so với năm 2006 Thị trường chính (Nhật Bản và Hàn Quốc) vẫn tiếptục giảm đầu tư vào robot công nghiệp Mặt khác, vùng kinh tế mới nổi nhưTrung Quốc, Đông Nam Á và Ấn Độ đều tăng trưởng về việc đầu tư robot

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 Tuynhiên bóng đen của cuộc khủng hoảng kinh tế đã ảnh hưởng nhiều đến nền công nghiệprobot, trong 6 tháng đầu năm 2008 số lượng robot tăng 12%, nhưng đến nửa cuối thìsố lượng giảm rõ rệt dẫn đến kết thúc năm 2008 chỉ đạt mức tăng bình quân 4% Theodự báo của Hiệp Hội Robot thế giới IRF, thị trường robot sẽ tiếp tục tăng trong thời giantới vì với xu hướng tăng sản lượng và cắt giảm chi phí nhân lực cũng như chi phísản xuất thì robot chính là chìa khóa quan trọng để đạt được mục tiêu Trong năm 2009dự đoán số lượng robot được sản xuất sẽ tăng 4.1% và đến đỉnh điểm sẽ tăng mạnh vàonăm 2011

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

2006-[ Số liệu theo Tạp chí World Robotic 2008 ]

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 độngtinh vi, nhanh và chuẩn xác; nhất là khả năng thay thế con người làm việc trong môitrường độc hại và không an toàn là những yếu tố quyết định cho việc sử dụng robot trongsản xuất công nghiệp Trên thế giới, robot được sử dụng nhiều nhất trong các ngànhchế tạo ôtô, công nghiệp điện và điện tử, chế tạo máy và công nghiệp chế biến thựcphẩm Các công việc thường sử dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm và cấpphôi trong các dây chuyền tự động

 Tình hình robot ở Việt Nam:

Tại Việt Nam, những năm qua, robot đã được sử dụng trong các ngành sản xuất vậtliệu xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí, công nghiệp đóng tàu, an ninh quốc phòngvà một vài lĩnh vực khác như thăm dò khai thác biển Trong sản xuất vật liệuxây dựng, robot được sử dụng cho dây chuyền nghiền than tại Công ty Gốm xâydựng Hạ Long Tại các lò luyện cốc, công đoạn cấp than là một điển hình về môitrường 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 cấpthan từ phía đỉnh lò và đề xuất phương án sử dụng robot ở một số khâu khác choCông ty Gang thép Thái Nguyên

Robot bốc xếp thay thế công nhân ở công đoạn lấy và sắp xếp sản phẩm trongdây chuyền sản xuất kính cũng là một nhu cầu lớn Trong công đoạn đúc kim loại ởcác nhà máy cơ khí và luyện kim, có thể sử dụng robot ở các khâu rót kim loại vàtháo 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 đóngtàu, có ý nghĩa quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm Nhu cầu sử dụngrobot 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 tựđộng hóa một số công đoạn hàn trên boong và bên trong thân tàu thủy Trongcông đoạn sản xuất nhựa nói chung và sản xuất phôi cho chai nhựa nói riêng, cáctay 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 sảnxuất nhựa đã nhập một lượng lớn tay máy từ Canada, Nhật, Đài Loanvới giá khá cao

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 trườnglàm 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 độchại này, có nhiều biện pháp bảo hộ lao động được đưa ra như quần áo và mặtnạ bảo hộ Nhưng những thứ này lại gây bất tiện cho công nhân trong khi làmviệc

- Nhìn chung, robot được sử dụng thay thế con người và các máy móc kháctrong từng công việc cụ thể Robot có thể làm việc trong môi trường nguyhiểm, lặp đi lặp lại, và những công việc có yêu cầu kỹ thuật cao Có thể lậptrình và tái lập trình cho nhiều công việc khác nhau, và có khả năng thaotác với tốc độ nhanh hơn con người

- Phun sơn thủ công cần nhiều phụ phí đầu tư và hoạt động như thiết bị cấpkhí lớn, chi phí đào tạo nhân viên, và lương cho công nhân Còn đối với phunsơn sử dụng robot, mặc dù ban đầu cần một lập trình viên thành thạo, nhưngsau đó robot làm việc ngày đêm, không cần giám sát viên, không cần phảiđào tạo nâng cao tay nghề, và những sản phẩm ra đời có chất lượng đồngđều, độ tin cậy cao Ngoài ra, robot còn có thể mang những thiết bị như súngphun sơn có khối lượng lớn hơn nhiều so với con người

a) b)

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 lớpsơn, sự chính xác trong phạm vi hoạt động Những chuyển động nhuầnnhuyễn, lặp đi lặp lại chính xác cao của robot và sự ổn định trong tốc độ dichuyển cho ra đời những sản phẩm có bề mặt sơn đều, bóng, chất lượng cao

- Đa dang và linh hoạt: có thể đa dạng phối màu sơn với độ chính xác cao, tùytheo bậc tự do của cánh tay robot mà có thể đạt được sự linh hoạt vớimôi trường làm việc

- Tránh sự lãng phí sơn, thời gian thay đổi hay phối màu Đồng thời cũnggiảm thời gian chu trình và giảm chi phí

- Có khả năng tích hợp thêm nhiều công cụ cho phép thực hiện đượcnhiều 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 ngànhkhác nhau như trong ngành sản xuất ô tô, sơn vỏ điện thoại di động, máy tính, sứ vệsinh, máy biến thế, vỏ tủ điện, thiết bị gia dụng Trong công đoạn phun sơn, robotđược sử dụng nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng lực sản xuất và giảmthiểu lượng sơn thừa Những lợi ích mà robot mang lại là chất lượng sản phẩm caohơn, tận dụng tối đa sơn, sản lượng cao hơn và không còn độc hại tới sức khỏe conngười Những nhà sản xuất sử dụng robot có được những sản phẩm rất cạnh tranh màvẫn 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 10

Hình 1.3: Robot sơn trong việc sơn các sản phẩm

Trang 24

1.3 Giới thiệu bài toán:

Hiện nay có rất nhiều cách giải quyết cho bài toán robot sơn, cũng có rất nhiềucấu 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 khiểndựa 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 vàlập trình đường đi cho đầu phun sơn

Luận văn này tập trung xây dựng bộ điều khiển cho robot sơn với để đảm bảo việcđiều khiển đầu phun sơn di chuyển theo quĩ đạo vật thể với sai số trong phạm vicho phép Hiệu quả của thuật toán điều khiển được kiểm nghiệm trong Matlab Vớiviệc 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 thìcấu hình yêu cầu là cánh tay robot có 4 bậc tự do Do đó, Luận văn này thực hiệnviệc 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 trongmặt cong

40

phẳng 2D, 1 bậc tự do tịnh tiến lên xuống để sơn phủ toàn bộ bề mặt của hìnhtrụ) Đế của cánh tay robot sơn là cố định, các khớp quay cũng như tịnh tiến thayđổi 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 vớivận tốc không đổi

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

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

- 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 côngnghiệp, từ đó áp dụng tính toán động học cho robot bốn bậc tự do sơn đượctrong mặt phẳng

- Tính toán động học nhằm tìm hiểu nguyên lý hoạt động của robot, khả năngchuyển động linh hoạt của các khâu làm cho khâu tác động cuối chuyển độngtheo một quỹ đạo mong muốn hoặc chuyển động từ điểm này đến điểm kiatheo thời gian mong muốn Mục tiêu của việc tính toán động học là định vị vàđịnh hướng của điểm tác động cuối tại mọi thời điểm Trong tính toán động họccó hai bài toán quan trọng là bài toán thuận và bài toán ngược Ngoài ra còn cóbài toán vận tốc

- 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 nghiệmgồm các góc Tính toán bài toán vận tốc để tìm mối quan hệ giữa vận tốccác 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, từđó 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 sốnằm trong phạm vi cho phép và đảm bảo sự ổn định của hệ thống dựa trên hàmLyapunov

- Tiến hành mô phỏng robot bốn bậc tự do bằng Simulink (một công cụ môphỏng của phần mềm Matlab) với nhiệm vụ của robot là sơn được trong mặtphẳng, để thấy được quá trình hoạt động của robot trong không gian ảo Đồngthời, thông qua kết quả mô phỏng nhằm kiểm tra đánh giá khả năng hoạt độngcủa 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 mặtcong phẳng, chú trọng vào thuật toán điều khiển đảm bảo độ chính xácvề động học

- Không nghiên cứu về động lực học

- Chỉ kiểm nghiệm về mặt thuật toán điều khiển thông qua công cụMatlab, không xây dựng các bộ điều khiển, không nghiên cứu về mạch điệnhay các phần cứng.

- Tiến hành mô phỏng trực quan thông qua Solid Work và Matlab, khôngxây 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 quátrình điều khiển vòng kín với sự đảm bảo sai số luôn ở nằm trong phạm vi chophép và giá trị sai số luôn ổn định dựa trên hàm Lyapunov

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 sơntrong mặt cong phẳng 2D với môi trường đối tượng giả sử là hình cong phẳng códiện 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)

40

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

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

+ 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 đểthực hiện nhiệm vụ như sau:

Phương án 1: T –T –R

Hình 2.2: Phương án 1 của cấu hình robot

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 cáchtay không linh hoạt, khó đáp ứng được việc di chuyển chính xác theo quỹ đạo đườngcong 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, đạtđược những thuận lợi sau:

 Di chuyển linh hoạt theo quỹ đạo đường cong phẳng 2.5D, thuận lợi cho việcđiều 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 cánhtay robot sẽ bao gồm một bậc tự do tịnh tiến lên xuống kết hợp với 3 khớp quay trongmặt phẳng nằm ngang để thực hiện công việc sơn cho vật thể

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 chếtạo, mà chỉ đề nghị phương án truyền động cho robot 4 bậc tự do thực hiện nhiệm vụ sơntrong mặt cong phẳng Do đó các bộ truyền động chỉ mang tính phương án, không yêu cầukhắt khe về tính chính xác về mặt thiết kế

Trang 20

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 tiếncủa khâu 0

- Khâu 0: khâu tịnh tiến lên xuống trong mặt phẳng thẳng đứng Chuyển động tịnhtiến được thực hiện bằng bộ truyền vít me bi, đạt được độ chính xác cần thiết và độbền 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 ởcác khớp quay đều được bao bọc để tránh việc sơn dính vào ảnh hưởng đến chấtlượng công việc và độ bền chi tiết máy

Trang 35

Chương 3

ĐỘNG HỌC ROBOT

Nghiên cứu động học là nghiên cứu khả năng di chuyển và vị trí, tọa độ tương quan củahệ thống robot, đặc biệt quan tâm đến trạng thái hình học của hệ thống Nghiên cứuđộng học cánh tay máy chia ra làm 2 vấn đề: bài toán động học thuận ( ForwardKinematics) 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 hướngcủa 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 nhấtcó thể mô tả vị trí tương đối và hướng các tọa độ này Denavit Hartenberg (DH) đãgọi biến đổi thuần nhất mô tả quan hệ giữa một khâu và một khâu kế tiếp là một matrận Và cụ thể hơn ma trận đó chính là ma trận mô tả phép biến đổi thuần nhất bởiphép quay và phép tịnh tiến tương đối giữa hai hệ trục tọa độ của hai khâu liền nhau

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

Có bốn cấu hình điển hình của robot là: Tọa độ Đecac; Tọa độ hình trụ; Tọađộ 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

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

- 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

Rot z,.Trans 0, 0, di .Trans ai , 0, 0 Rot x, i

Để nghiên cứu quan hệ giữa các thanh nối, khớp và tay robot, ta đặt các khung tọa độcho các thanh nối Theo phương pháp biểu diễn Danevit-Hartenberg (D-H), khungtọa 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:

i i

i iS

0 i C0 i

Thay các ma trận của các phép biến đổi đơn vào (2-31), sau một số phép biến đổi, nhận được ma trận biểu diễn quan hệ giữa hai khung tọa độ i và i + 1 như sau:

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 lậphệ 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 gắntrên 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 bằng0) 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 tắcchung hay chọn xi theo xi + 1

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

,Trans 0, 0, di ,Trans ai , 0, 0 , Rot x, i

uxvxw xpx

uyvyw ypy

uz vz wz pz Tn

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,

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: