Đồ án robot công nghiệp Robot puma560 6 bậc tự do

Đồ án robot công nghiệp Robot puma560 6 bậc tự do Làm 4 chương: Chương 1: tóm tắt về cơ bản Chương 2: Bài toán động học ngược và thuận của RB Chương 3: tìm hiểu về cấu tạo, ứng dụng Chương 4: mô phỏng robot bằng phần mềm solidworks có links video hướng dẫn cách vẽ Bản đồ án của mình, sinh viên DHKT công nghiệp thái nguyên.. Đã được kí và đạt tích A aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

KHOA ĐIỆN TỬ Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

-o0o -ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

Thiết kế: 1 Nghiêm Đức Bình Lớp: K49CĐT01

2 Nguyễn Mạnh Công

Giáo viên hướng dẫn: Lê Thị Thu Thuỷ

Đề tài: Thiết kế, mô phỏng robot công nghiệp dạng Puma 560

Nội dung: 1 Tổng quan về robot

Trưởng Bộ môn Giáo viên hướng dẫn

TS Phạm Thành Long Th.s Lê Thị Thu Thủy

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT CỦA HỘ ĐỒNG CHẤM ĐỒ ÁN ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU

2 Hình 1.2 Robot Puma trong công nghiệp 12

3 Hình 2.1: Hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot 14

4 Hình 2.2 Sơ đồ gắp vật của Robot Puma 21

13 Hình 3.1 Cấu tạo chung của Robot Puma 29

37 Hình 4.14 Các bộ phận lắp ghép 48

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển

Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phânxưởng sản xuất Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vàongày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch ngườiTiệpKaren Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota -theo tiếng Tiệp

có nghĩa là công việc lao dịch

Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụngtrong công nghiệp thực sự lại là những tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứuGoertz

đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùngnăm đó hãngGeneral Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tácđộng là những động cơđiện kết hợp với các cử hành trình Đến năm 1954,Goertz tiếp tục chế tạo một dạng taymáy đôi sử dụng động cơ servo và có thểnhận biết lực tác động lên khâu cuối Sử dụngnhững thành quả đó, vào năm1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt độngtrong công việc khảo sátđáy biển Năm 1968 R.S Mosher, thuộc hãng GeneralElectric, đã chế tạo mộtthiết bịbiết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg,

sử dụng động cơđốt trong có công suất gắn 100 mã lực Cũng trong lĩnh vực này, mộtthành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạtđược vào năm 1970 là xe tự hành thámhiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod , được điều khiển từ trái đất Viện nghiên cứuthuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế robot Shakey di động tinh vihơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiểnsử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh

để nhận dạng đối tượng Robotnày được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằngcamera, xác định đườngđi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học ViệnCông nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đãthiết

kế robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bịdo ông phátminh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình JosephEngelberger, người màngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot côngnghiệp, đã thành lập hãngUnimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devolvà sau đó đã phát triển những thế

hệ robot điều khiển theo chương trình Năm1962, robot Unmation đầu tiên được đưavào sử dụng tại hãng General Motors, và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trongkhông gian đã được sử dụng trên tàuthám hiểm Viking của cơ quan Không GianNASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đấttrên sao Hoả

Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạng của“cánhtay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ người máy -tay máy trongnhững tài liệu tham khảo và giáo trình về robot

1.2 Một số định nghĩa về robot

Robot công nghiệp là một tay máy tự động linh hoạt,được sử dụng để thaythếtừng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của conngười vớinhiều khả năng thích ngi khác nhau

Viện Nghiên cứu robot Hoa Kỳ đưa ra một định nghĩa về robot như sau:“Robot làmột tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động,được dùng để dichuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho nhữngcông việc đặc biệt thôngqua những chuyển động khác nhau đã được lập trìnhnhằm mục đích hoàn nhiệmvụ đadạng” (Schlussel, 1985).thành nhữngđịnh nghĩa của M.P.Groover về robot không dừnglại ở tay máy mà mở rộngra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự nhưcon người như làsuy nghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảmnhận đượcđặc điểm của vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý.TheoArtobolevski I.I., Vorobiov M.V và các nhà nghiên cứu thuộc trường pháikhốiSEV trước đây thì phát biểu rằng: “Robot công nghiệp là những máy hoạt độngtựđộng được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí củanhững đối

tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoácác quá trình sảnxuất” Robot công nghiệp là một tay máy vạn năng nhiều trục(số trục ít nhất là3), chuyểnđộng của cơ cấu chấp hành được điều khiển tự động (định nghĩa ttheotiêu chuẩn ISA TR 8373-1991)

Robot công nghiệp là một tay máy vạn năng hoạt động theo chươngtrìnhvà cóthể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệmvụ khácnhau trong công nghiệp,như vận chuyển nguyên vật liệu,chi tiết dụng cụhoặc các thiết

bị chuyên dùng khác(định nghĩa theo đề xuất của viện nghiên cứurobot của Mỹ)

1.3 Phân loại robot

Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể được phân loại theo các cáchsau:

- Phân loại theo kết cấu

- Phân loại theo hệ thống truyền động

- Phân loại theo ứng dụng

- Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển

1.4 Một số ứng dựng của Robot công nghiệp

Mục tiêu ứng dụng:

Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp là thay thế từng phần hoặc toàn bộ lao độngnặng nhọc của con người hoặc thay thế con người khi phải làm việc trong điều kiện kỹthuật,môi trường đặc biệt, đồng thời mang lại năng suất chất lượng và hiệu quả

Robot được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống của côn người trong đórobot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng và nó được ứng dụng trong nhiều lĩnhvực công nghiệp như:

- Phục vụ máy NC và các hệ thống tự động linh hoạt

- Kiểm tra chất lượng và hiệu quả

- Phạm vi ứng dụng:

Tình hình ứng dụng robot công nghiệp trên thế giới:nhìn chung viêc sử dụngrobot công nghiệp ở các nước phát triển như:Nhật, Mỹ, Italy, Pháp, Anh là rấtphổ biến và tốc độ phát triển hàng năm rất nhanh, theo thống kê chư đầy đủ tỷ

lệ phân bố phạm vi ứng dụng robot trong các lĩnh vực như sau:ô tô 31%, thiết

bị điện 16%, dầu khí,hóa thực phẩm 12%, thiết bị viễn thông 8%, máy công cụ

6 %, kim khí 4%, máy tính 3% và các lĩnh vực khác chiếm khoảng 20%

1.5 Tổng quan về Robot puma 560

1.5.1 Lịch sử phát triển

Robot PUMA là một cánh tay robot công nghiệp được phát triển bởi Victor

Scheinman người tiên phong trong việc phát triển của robot, Unimation Ban đầu đượcphát triển cho General Motors, PUMA được dựa trên các dự án Scheinman đầu tạo rakhi tham dựĐại học Stanford

Unimation sản xuất robot PUMA trong nhiều năm cho đến khi nó đã được muabởi Westinghouse (khoảng năm 1980), và sau đó là các công ty Thụy

Sĩ Staubli (1988) Nokia Robotics sản xuất khoảng 1500 PUMA robot trong nhữngnăm 80; Puma-650 đã trở thành mô hình phổ biến nhất trong số các khách hàng Một

số cũng được thiết kế bởi Nokia Robotics, như Nokia NS-16 công nghiệp Robot hoặcNRS-15 Nokia đã bán bộ phận robot của mình vào năm 1990

Năm 2002 General Motors Controls, Robotics và tổ chức hàn (CRW) tặng các mẫuthử nghiệm ban đầu của robot PUMA tại Bảo tàng Lịch sử Quốc gia Mỹ thuộc ViệnSmithsonian Đã tham gia vào một bộ sưu tập riêng biệt của robot lịch sử quan trọng,trong đó bao gồm một trong những người đầu tiên Unimate và Odetics Odex

Robot công nghiệp có những bước phát triển vượt bậc Nhiều nước trên thế giớsớm áp dụng mạnh mẽ kỹ thuật robot và sản xuất và nó đã đem lại những hiệu quả tolớn về kinh tế kỹ thuật, nâng cao năng suất lao động, tăng chất lượng và khả năng làm

việc cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện làm việc của công nhân Đối vớinước ta, kỹ thuật còn là vấn đề khá mới mẻ, nhất là việc nghiên cứu thiết kế, chế tạorobot Robot puma là loại robot hoạt động theo hệ tọa độ góc( hệ tọa độ phỏng sinhhọc) Với ưu điểm là gọn nhẹ, vùng thao tác tương đối lớn so với khuôn khổ kíchthước của nó, tính linh hoạt rất cao có thể phối hợp làm việc với các robot khác, d dodnod được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực của kỹ thuật, trong côngnghiệp, y tế, khai thác…

Robot puma được thiết kế đầu tiên vào năm 1978 bởi công ty Unimation Puma cónghĩa là một máy móc vạn năng lập trình được sử dụng trong công việc lắp ráp, taymáy robot Puma thường có 5 hoặc 6 khớp quay

Hình 1.1 Robot Puma 560

1.5.2 Vai trò

Robot Puma được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống của con ngườitrong đó robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng và nó được ứng dụng trongnhiều lĩnh vực công nghiệp như: hàn điểm, hàn mạch, chế tạo và lắp ráp vv

Hình 1.2 Robot Puma trong công nghiệp

1.5.3 Kết cấu

Robot PUMA là robot có 6 bậc tự do, cấu hình RRRRRRR, kích thước và số liệu

cụ thể như sau:

• 6 tay hướng trục có 3 trục tạo thành một cổ tay hình cầu

• kéo dài tối đa: 878mm từ trục trung tâm tại các trung tâm của cổ tay

• Payload có thể nặng từ 2.5 đến 4kg

• cánh tay Builder: 83 kg (khoảng)

• Độ lặp lại: ± 0.1mm

• 2,5 kg Tốc độ tối đa: 500mm / sec

• 4,0 kg Tốc độ tối đa: 470mm / sec

1.5.4 Kết luận

Qua việc nghiên cứu đề tài, cho chúng ta biết thêm về sự phát triển và

tầmquantrọng của robot công nghiệp Cho chúng ta biết thêm về hệ thống sản xuấttiên tiến Opencim đề tài đả khái quát hóa và xây dựng được mô hình

làmviệccho hệ thống OpenCIM phục vụ các chương trình đào tạo,nghiên cứukhoa họcvà chuyển giao công nghệ

- Thiết lập được mô hình làm việc cho hệ thống Cim

- Thiết kế-tích hợp mô hình làm việc cho hệ thống

- Quản lý, điều khiển và vận hành cho hệ thống

- Ứng dụng mô hình vào sản xuất thực tế

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

2.1 Tính toán động học thuận robot

Trong bài toàn này khảo sát bài toán điều khiển động học robot, chủ yếu tập trung vàohai bài toán

- Bài toán thuận: Xác định vị trí điểm cuối và hướng tay kẹp và tay máy đạt được khiquy luật thay đổi theo thười gian của các thông số định vị của tay máy là hàm đã biết.bài toán này nhắm phục vụ bài toán xác định phạm vi hoạt động của tay máy, bài toánthuận trong động lực học tay máy

- Bài toán ngược: Xác định quy luật thay đổi theo thời gian của tay máy để nó nắm bắtđược vị trí đã cho cảu đối tượng theo một hướng định trước của tay kẹp Bài toán nàynhắm phục vụ các bài toán điều khiển quỹ đạo, các bài toán điều khiển tối ưu

2.1.1 Sơ đồ động học và hệ tọa độ robot

Robot PUMA là robot có 6 bậc tự do, cấu hình RRRRRR

Sơ đồ động và hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot như sau:

Hình 2.1: Hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot

*BẢNG THÔNG SỐ DENAVIT - HARTENBERG (DH)

Ai = Rot(z, θ0) Trans(a,0,0) Trans(0,0,d) Rot(x, α)

cossin

0

sinsin

coscos

cos

sin

cossin

sincos

sincos

d a a

αα

θα

θα

θθ

θα

θα

θθ

Qui ước viết tắt các hàm lượng giác như sau:

Ci = cosθi; Si = sinθi; Cij = cos(θi+θj); Sij = sin(θi+θj);

a-vector có hướng tiếp cận (approach) đối tác

s-vector có hướng đường trượt (sliding) đóng mở bàn kẹp

hoặc phương nắm bắt(occupation) kí hiệu là o

n- vector pháp tuyến (normal)

sin(q5)*(cos(q1)*sin(q4) + cos(q4)*(sin(q1)*sin(q2)*sin(q3)

– cos(q2)*cos(q3)*sin(q1))) + cos(q5)*(cos(q2)*sin(q1)*sin(q3)

+ cos(q3)*sin(q1)*sin(q2)), d4*(cos(q2)*sin(q1)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q1)*sin(q2)) + d6*(sin(q5)*(cos(q1)*sin(q4) + cos(q4)*(sin(q1)*sin(q2)*sin(q3)

– cos(q2)*cos(q3)*sin(q1))) + cos(q5)*(cos(q2)*sin(q1)*sin(q3)

+ cos(q3)*sin(q1)*sin(q2))) + a2*cos(q2)*sin(q1)]

[

-cos(q6)*(sin(q5)*(cos(q2)*cos(q3) - sin(q2)*sin(q3)) – cos(q4)*cos(q5)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2))) - sin(q4)*sin(q6)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2)),

sin(q6)*(sin(q5)*(cos(q2)*cos(q3) - sin(q2)*sin(q3)) - cos(q4)*cos(q5)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2))) -cos(q6)*sin(q4)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2)),-cos(q5)*(cos(q2)*cos(q3) - sin(q2)*sin(q3)) - cos(q4)*sin(q5)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2)),

d1 - d4*(cos(q2)*cos(q3) - sin(q2)*sin(q3)) - d6*(cos(q5)*(cos(q2)*cos(q3) - sin(q2)*sin(q3)) + cos(q4)*sin(q5)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2))) + a2*sin(q2)] [

0,

0,

0, 1]

Trên cơ sở đó, ta có hệ phương trình động học của Robot PUMA như sau:

nx =C1C24 - S1S24 = C124

ny =S1C24 + C1S24 = S124

- Mục đính bài toán thuận:

Xác định vị trí điểm cuối và hướng tay kẹp và tay máy đạt được khi quy luật thay đổitheo thười gian của các thông số định vị của tay máy là hàm đã biết bài toán này nhắmphục vụ bài toán xác định phạm vi hoạt động của tay máy, bài toán thuận trong độnglực học tay máy

- Sau khi giải bài toán động học thuận thu được các phương trình mô tả hướng và vị trítổng quát của tay kẹp.khi cho trước các giá trị của biến khớp sẽ thu được vị trí vàhướng của tay kẹp một cách cụ thể

2.2 Tính toán động học ngược Robot

Trong thực tế, ta biết trước vị trí và hướng mà khâu chấp hành cuối của robot cần đạtđến Điều ta cần biết là giá trị của các biến khớp (góc quay) tại mỗi thời điểm đó Giải

hệ phương trình (1), khi biết trước hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn trên khâu chấphành cuối, ta sẽ xác định được tệp nghiệm (θ1, θ2, θ3, θ4,θ5,θ6) là giá trị của các biến

khớp Các phương trình xác định giá trị các biến khớp thông qua các véctơ được gọi

là hệ phương trình động học ngược của robot

Bài toán động học ngược là rất khó, đối với tay máy 6 khớp có ba khớp cuối đồng quytại một điểm, ta có thể tách bài toán động học ngược thành hai bài toán đơn giản hơn

là động học ngược vị trí vã động học ngược hướng

+ Tìm vị trí giao điểm các trục cổ tay ( tâm cổ tay)

+ Tìm hướng cưa cổ tay

- Trong thực tế với sự linh hoạt của 6 bậc tự do, robot Puma có

thể làm được rất nhiều công việc khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp như gắp vật,hàn, lắp ráp… Trong mô hình toán, để đơn giản hóa tính toán, cho robot stanford thựchiện nhiệm vụ gắp vật từ khay phân loại sản phẩm đặt vào khu vực đóng gói sảnphẩm Với các giá trị hướng và vị trí tay kẹp đã biết trước kết quả bài toán ngược trả

về giá trự của biến khớp tương ứng với mỗi vị trí và hướng của tay kẹp khi làm việc

- Căn cứ vào kiểu dáng và kích thước vùng làm việc của robot, bố trí vị trí phôi trongvùng làm việc theo sơ đồ sau:

Y0

Z0

Y0

Hình 2.2 Sơ đồ gắp vật của Robot Puma

Z 0

Y0

0 3 2 4 5 1

Hình 2.4 Kết quả vị trí tay kẹp home

P1 : Di chuyển tay kẹp đến vị trí 1 như hình vẽ

P3: Tay kẹp kẹp vật, đưa tay kẹp lên 35.6mm theo phương thẳng đứng ( về vị trí 1 )P3 =

Hì

nh 2.7 Kết quả vị trí tay kẹp thứ ba

P4: Tay robot di chuyển đến vị trí 4, chuẩn bị thả vật

P4 =

Hình 2.8 Kết quả vị trí tay kẹp thứ tưP5: Hạ tạy kẹp xuống 35.6 mm, và mở tay kẹp

đặt vật tại vị trí xác địnhP5 =

1.239242 1.136352564 -0.18783 -3.14159 -0.94852 3.158205

6.61887E-23

P4 1.257903 -0.54984351 -0.7986 -3.12568 4.544654 2.850383 0.005362013P5 1.262558 -0.74798347 -0.43434 -3.14159 4.323921 2.806329 3.83676E-22

Hình 2.10 Kết quả bài toán

2.2.1 Kết luận

- Khi giải bài toán động học ngược thu được biến khớp qua từng vị trí cụ thểđáp ứng yêu cầu kĩ thuật được giao Từ kết quả bài toán là cơ sở cho đầuvào của bài toán điều khiển

•