thiết kế robot công nghiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Một số khái niệm Robot công nghiệp: 1.1.1 Sơ lược trình phát triển Robot : - 1921: Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa công việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots Karel Capek - 1948: Phòng Thí Nghiệm Quốc Gia Argonne, nhà nghiên cứu Goertz nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi (master-slave manipulator) điều khiển từ xa đầu tiên, năm hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cấu tác động động điện kết hợp với cử hành trình - Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo loại máy tự động vạn gọi “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Đó loại thiết bị có dáng dấp có vài chức tay người điều khiển tự động để thực số thao tác sản xuất - Những năm 80, robot công nghiệp phát triển mạnh mẽ thám hiểm không gian công nghiệp ôtô; sau chúng sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp vào đầu năm 90 Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot có bước tiến đáng kể 25 năm vừa qua Nhiều đơn vị toàn quốc thực nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng robot như: Trung tâm Tự động hoá-Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử -Tin học, Viện Khoa học Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN… Hình 1.1-Xưởng Lắp ráp xe oto Hình 1.2-Robot Hàn Công nghiệp Bên cạnh đó, phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY doanh nghiệp thiết kế chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trường quốc tế Các nghiên cứu động học động lực học robot khoa khí, chế tạo máy trường đại học viện nghiên cứu quan tâm Ngoài việc tìm phương pháp giải toán liên quan đến học loại robot nối tiếp, song song, di động, chương trình mô kết cấu chuyển động 3D áp dụng phát triển để minh họa phục vụ cho phân tích, thiết kế robot Lĩnh vực điều khiển robot phong phú, từ phương pháp điều khiển truyền thống PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến phương pháp điều khiển thông minh như: điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen phương pháp điều khiển tự thích nghi, phương pháp học cho robot, hệ visual servoing 1.1.2 Ứng dụng Robot công nghiệp : • Robot công nghiệp áp dụng nhiều lĩnh vực nhằm thay sức người nâng cao suất,hiệu trình sản xuất • Được sử dụng môi trường làm việc độc hại phóng xạ,nhiệt độ cao,… Hình 1.3-Robot lắp kính Ô tô Hình 1.4-Robot phân loại sản phẩm Hình 1.5-Robot đóng hộp 1.1.3.Các • khái niệm định nghĩa Robot Bậc tự Robot (DoF-Degree of Freedom) Bậc tự số khả chuyển động cấu (chuyển định quay tịnh tiến).Để dịch chuyển vật không gian,cơ cấu chấp hành Robot phải đạt số bậc tự do.Nói chung hệ Robot cấu hở,do bậc tự tính theo công thức: - n số khâu (link) động - số khớp (joint) loại I (i=1,2,…,5:số bậc tự bị hạn chế) Để định vị định hướng khâu chấp hành cuối cách tùy ý không gian chiều,robot cần có DoFs,trong DoFs để định vị DoF để định hướng • Hệ tọa độ (Coordinate frames) Mỗi Robot bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với qua khớp (joints),tạo thành xích động học xuất phát từ khâu (base) đứng yên.Hệ tọa độ gắn với khâu gọi hệ tọa độ (hay hệ tọa độ chuẩn).Các hệ tọa độ trung gian khác gắn với khâu động gọi hệ tọa độ suy rộng.Trong thời điểm hoạt động,các tọa độ suy rộng xác định cấu hình Robot chuyển dịch dài chuyển dịch góc khớp tịnh tiến khớp quay.Các tọa độ suy rộng gọi biến khớp Hình 1.6-Các tọa độ suy rộng Robot Các hệ tọa độ gắn khâu Robot phải tuân theo quy tắc Bàn tay phải : Dùng tay phải,nắm hai ngón tay út áp út vào lòng bàn tay,xòe ngón :Cái,trỏ theo phương vuông góc nhau,nếu chọn ngón phương chiều trục Z,thì ngón trỏ phương,chiều trục x ngón biểu thị phương,chiều trục y Trong Robot ta thường dùng chữ O số n để hệ tọa độ gắn khâu thứ n.Như hệ tọa độ (Hệ tọa độ gắn với khâu cố định)sẽ ký hiệu ,hệ tọa độ gắn khâu trung gian tương ứng ,,… ,hệ tọa độ gắng khâu chấp hành cuối ký hiệu Hình 1.7-Quy tắc bàn tay phải • Vùng làm việc Robot (Workspace,Range of motion) Là toàn thể tích quét khâu chấp hành cuối Robot thực tất chuyển động Bị ràng buộc thông số hình học khớp, vd khớp quay có chuyển động nhỏ Người ta thường dùng hình chiếu để mô tả vùng làm việc Robot Hình 1.8- Vùng làm việc Robot 1.1.4 • Cấu trúc Robot: Các thành phần Robot công nghiệp : Một Robot công nghiệp thường bao gồm thành phần :Cánh tay Robot,nguồn động lực,dụng cụ gắn khâu chấp hành cuối,các cảm biến,bộ điều khiển,thiệt bị dạy học,máy tính,…Các phần mềm lập trình nên coi thành phần hệ thống Robot Hình 1.9-Các thành phần hệ thống Robot - - - - - • Cánh tay Robot (Tay máy) : kết cấu khí gồm khâu liên kết với khớp động để tạo nên chuyển động Robot Nguồn động lực : động điện ( chiều động bước),các hệ thống xy lanh khí nén ,thủy lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động Dụng cụ thao tác gắng khâu cuối Robot,dụng cụ Robot có nhiều kiểu khác : dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng công cụ làm việc mỏ hàn,đá mài,đầu phun sơn,… Thiết bị dạy học (Teach- Pendant) dùng để dạy cho Robot thao tác cần thiết theo yêu cầu cua trình làm việc ,sau Robot tự lặp lại động tác dạy để làm việc Các phần mềm để lập trình điều khiển Robot cài đặt máy tính,dùng điều khiển Robot thông qua điều khiển (Controller).Bộ điều khiển gọi Modun điều khiển (hay Unit,Driver),nó thường kết nối với máy tính.Một Modun điều khiển có cổng Vào-Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác cảm biến giúpRobot nhận biết trạng thái thân,xác định đối tượng vị trí làm việc dò tìm khác,điều khiển băng tải cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với Robot Kết cấu tay máy: Như nói trên,tay máy thành phần quan trọng nhất,nó định khả làm việc Robot.Các kết cấu nhiều tay máy theo cấu tạo chức tay người,tuy nhiên ngày tay máy thiết kế đa dạng,nhiều cánh tay Robot có hình dáng khác nhau,khác xa tay người.Trong thiết kế sử dụng tay máy,chúng ta cần quan tâm đến thông số hình-động học ,là thông số liên quan đến khả làm việc Robot như: Tầm với,số bậc tự do,độ cứng vững,tải trọng,lực kẹp… Các khâu Robot thường thực chuyển động bản:  Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z không gian Descarde ,thông thường tạo nên hình khối,các chuyển động thường ký hiệu T (Translation) P (Prismatic)  Chuyển động quay quanh trục x,y,z ký hiệu R (Roatation) Tùy thuộc vào số khâu tổ hợp chuyển động (R T) mà tay máy có kết cấu khác với vùng làm việc khác nhau.Các kết cấu thường gặp Robot Robot kiểu tọa độ Đề-Các,tọa độ trụ,tọa độ cầu,Robot kiểu SCARA,… Hình 1.10-Robot kiểu Đề-Các Hình 1.11-Robot kiểu Trụ Hình 1.12-Robot kiểu cầu Robot kiểu SCARA: Robot SCARA đời năm 1979 trường Đại Học Yamanashi (Nhật) kiểu Robot nhằm đáp ứng đa dạng trình sản xuất.Tên gọi SCARA viết tắt “Selective Compliant Articulated Robot Arm” : Tay máy mềm dẻo tùy ý.Loại Robot thường dùng Công nghiệp lắp ráp.Ba khớp Robot R.R.T Trang| A3= Cθ3 Sθ3 14.5 Cθ3 Sθ3 -Cθ3 14.5 Sθ3 0 0 => Ta có tọa độ điểm tác động cuối so với gốc khâu là: X= 14.5* Cθ1 * Cθ2 * Cθ3 -14.5* Cθ1 * Sθ2 * Sθ3 +30 * Sθ2 * Cθ1 Y=14.5* Cθ2 * Cθ3 * Sθ1-14.5* Sθ1 * Sθ2 * Sθ3 +30 * Sθ2 * Sθ1 Z=14.5* Sθ2 * Cθ3 +14.5*Cθ2 * Sθ3 +30 * Sθ2 +11 Trang| Hình 2.6-Các vị trí vật thể nơi đặt vật thể Ta chọn cánh tay robot nằm tâm đường tròn ngoại tiếp điểm: điểm vị trí đặt vật thể 1, điểm vị trí đặt vật thể 2, điểm vị trí đặt vật thể sau gắp, ta có hình vẽ sau đây: Trang| Hình 2.7- Vị trí vật thể so với nơi đặt cánh tay robot Trang| CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ROBOT 3.1 Phần Cứng: • Động cơ: Hình 3.1-Động RC Servo Động RC Servo MG946 thiên lực kéo với khả nâng 13 kg MG946 loại thường sử dụng thiết kế Robot cần có lực nâng,kéo nặng.Động RC Servo có lực kéo mạnh,các khớp bánh làm hoàn toàn kim loại nên có độ bền cao,động tích hợp sẵn Driver điều khiển động bên theo chế phát xungquay góc nên dễ sử dụng Thông số kỹ thuật : Chủng loại: AnalogRC Servo Điện áp hoạt động :4.8-6.6 VDC Kích thước : 40mm x 19mm x 43mm Trọng lượng: 55g Lực kéo :  10.5 kg-cm at 4.8V  13 kg-cm at 6V o Tốc độ quay:  0.2 s/60 degrees 4.8V  0.17 s/60 degrees 6V o o o o o Trang| Hình 3.2-Bảng thông số động Hình 3.3-Động RC Servo Digital Trang| Động RC Servo Digital thích hợp cho loại Robot giữ trạng thái xung gần ,tránh trường hợp khung Robot bị đổ sập bất ngờ trạng thái không điều khiển,động RC Servo Analog bị điều khiển bị dừng cấp xung đột ngột,dẫn đến việc khung Robot bị sập bất ngờ Động RC Servo Digital FR1501 có cấu tạo trục xoay giông Servo truyền thông giúp bạn dễ ứng dụng cho thiết kế Robot ,ngoài chất lượng loại động tốt,động có bánh kim loại,lực kéo mạnh,xoay êm,không rung,giữ vị trí tốt,là lựa chọn sang giá cho thiết kế Robot Thông số kỹ thuật: o o o o o o o Trọng lượng: 60g Kích thước: 40 x 20 x40.5 mm Tốc độ: 0.16s/ 60 độ 4.8V đến 7.2VDC Lực kéo: 17 kg/cm 4.8V đến 7.2 VDC Điện áp làm việc: 4.8 VDC đến 7.2 VDC Dòng điện tiêu thụ: >600mA Chiều dài cáp: 32 cm Bao gồm: o động FR1501 kèm phụ kiện hình Thứ tự dây: o o o Nâu :GND Đỏ: VCC (5-7.2 VDC) Cam: dây cấp xung Hình 3.4-Kích thước RC Servo Digital Trang| • Tay gắp: Hình 3.5-Tay gắp Robot • Robot hoàn thiện : Hình 3.6-Robot hoàn thiện Trang| 3.2 Phần mềm: Code chương trình: #include #define DCO4 #define DCO3 #define DCO2 #define DCO1 #define DCO5 10 Servo dco4; Servo dco3; Servo dco2; Servo dco1; Servo dco5; int pos4 = 55, bandau4 = 55; int pos3, bandau3 = 100; int pos2 = 180; int pos1, bandau1 = 50; int pos5, bandau5 = 0; int lan = 1; int sensor = 4; /////////////////////////////////// void setup() { dco4.attach(DCO4); dco3.attach(DCO3); dco2.attach(DCO2); dco1.attach(DCO1); dco5.attach(DCO5); pinMode(sensor, INPUT_PULLUP ); //configure pin4 as an input and enable the internal pull-up resistor pinMode(13, OUTPUT); } ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ///////////// Trang| void buoc1() { for (pos3 = 100; pos3 > 10 ; pos3 = pos3 - 1) // cho cánh tay duỗi từ xuống { // 127 gia trị ban đầu, 36 gia tri vừa tới để gấp vật dco3.write(pos3); // delay(30); } delay(100); for (pos1 = 50; pos1 < 100 ; pos1 = pos1 + 1) // kẹp { // dco1.write(pos1); // delay(30); } for (pos3 = 10; pos3 < 100 ; pos3 = pos3 + 1) // cho cánh tay kéo vật về, cbi quay { // dco3.write(pos3); // delay(30); } delay(100); for (pos5 = ; pos5 < 60 ; pos5 = pos5 + 1) zo sau { // dco5.write(pos5); // delay(30); // } // Quay, nao co gia tri góc delay(100); for (pos4 = 53; pos4 > 40 ; pos4 = pos4 - 1) // kéo cánh tay lên cao 10cm { // dco4.write(pos4); // 100 giá trị mà đẩy kéo (cánh tay kéo lên) delay(30); // } delay(100); for (pos3 = 100 ; pos3 > 30 ; pos3 = pos3 - 1) // cho cánh tay duỗi max { // 127 gia trị ban đầu, 36 gia tri vừa tới để gấp vật dco3.write(pos3); // Trang| delay(30); } delay(100); for (pos1 = 100; pos1 > 50 ; pos1 = pos1 - 1) // nhả kẹp { // dco1.write(pos1); // delay(30); } delay(100); for (pos3 = 30 ; pos3 < 100 ; pos3 = pos3 + 1) // kéo cánh tay về, c.bi quay { // dco3.write(pos3); // delay(30); } delay(100); for (pos5 = 59 ; pos5 > 30 ; pos5 = pos5 - 1) // Quay ve vi tri vat de c.bi gắp tiếp { // dco5.write(pos5); // g.tri ban đầu, 180 giá trí quay tối đa delay(30); // } delay(100); } ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //////////// void buoc2() { dco4.write(55); delay(100); for(pos3 = 100 ; pos3 > ; pos3 = pos3 - 1) { dco3.write(pos3); delay(30); } Trang| delay(100); for(pos1 = 50 ; pos1 < 100 ; pos1 = pos1 + 1) { dco1.write(pos1); delay(30); } delay(100); for (pos3 = 10 ; pos3 < 100 ; pos3 = pos3 + 1) // cho cánh tay kéo vật về, cbi quay { // dco3.write(pos3); // delay(30); } delay(100); for (pos5 = 30 ; pos5 < 60 ; pos5 = pos5 + 1) zo sau { // dco5.write(pos5); // delay(30); // } // Quay, nao co gia tri góc delay(100); for (pos4 = 53; pos4 > 30 ; pos4 = pos4 - 1) // kéo cánh tay lên cao phai lon hon 10cm, da co vật sẵn { // dco4.write(pos4); // 100 giá trị mà đẩy kéo (cánh tay kéo lên) delay(30); // } delay(100); for (pos3 = 100 ; pos3 > 30 ; pos3 = pos3 - 1) // cho cánh tay duỗi max { // 127 gia trị ban đầu, 36 gia tri vừa tới để gấp vật dco3.write(pos3); // delay(30); } delay(100); for (pos1 = 100; pos1 > 50 ; pos1 = pos1 - 1) // nhả kẹp { // Trang| dco1.write(pos1); delay(30); // } delay(100); for (pos3 = 30 ; pos3 < 100 ; pos3 = pos3 + 1) // kéo cánh tay về, c.bi quay { // dco3.write(pos3); // delay(30); } delay(100); for (pos5 = 59 ; pos5 > ; pos5 = pos5 - 1) // Quay ve vi tri vat de c.bi gắp tiếp { // dco5.write(pos5); // g.tri ban đầu, 180 giá trí quay tối đa delay(30); // } } ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //////////// void loop() { if(lan == 1) { dco5.write(bandau5); delay(100); dco4.write(bandau4); delay(100); dco3.write(bandau3); delay(100); dco2.write(pos2); delay(100); dco1.write(bandau1); delay(2000); buoc1(); } else if (lan == 2) { Trang| buoc2(); } else { digitalWrite(13, HIGH); delay(250); digitalWrite(13, LOW); delay(250); delay(10000); } lan++; } CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN • Đánh Gía:  Robot nhỏ gọn,hoàn thành yêu cầu đề đặt ra-đã gắp vật  Robot hoạt động chậm ổn định Trang|  Tuy nhiên Robot cần cải thiện nhiều chưa gắp xác đặt vị trí đặt • Kết Luận: Bằng nghiên cứu,tìm tòi nổ lực thành viên nhóm,Robot nhóm em hoàn thành theo yêu cầu đề bài,nhưng cần cải tiến thêm :Tốc độ,hình dạng,cảm biến,…Mong góp ý từ thầy bạn cho đề tài nhóm em để phát triển tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình robot công nghiệp- T.S Phạm Đăng Phước-ĐH Bách Khoa Đà Nẵng Trang| Giáo trình robot công nghiệp - Bùi Thứ Cao Giáo trình robot công nghiệp- ĐH BK-Tp.hcm FUNDAMENTALS OF ROBOTICS INTRODUCTION TO ROBOTICS-JOHN CRAIG Trang| ... mô tả vùng làm việc Robot Hình 1.8- Vùng làm việc Robot 1.1.4 • Cấu trúc Robot: Các thành phần Robot công nghiệp : Một Robot công nghiệp thường bao gồm thành phần :Cánh tay Robot, nguồn động lực,dụng...Hình 1.2 -Robot Hàn Công nghiệp Bên cạnh đó, phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY doanh nghiệp thiết kế chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trường... Articulated Robot Arm” : Tay máy mềm dẻo tùy ý.Loại Robot thường dùng Công nghiệp lắp ráp.Ba khớp Robot R.R.T Trang| Hình 1.13 -Robot kiểu SCARA 1.2 Phân loại Robot: 1.2 Phân loại theo kết cấu: theo kết