Tính toán, thiết kế và mô hình hóa mô phỏng động học robot kuka

Ngành công nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot công nghiệp để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc con người. Với ngành công nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiện nhiều trong các dây truyền sản xuất. Vì sản phẩm này còn quá đắt đối với thị trường Việt Nam. Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot, em chọn đề tài “Tính toán, thiết kế và mô hình hóa mô phỏng động học robot Kuka”. Đề tài này hướng tới có thể tiến hành chế tạo cánh tay robot trên thực tế, xác định vật liệu cũng như cơ cấu truyền động của mỗi bậc, tính toán thời gian thực hiện một chu trình từ đó có phương án kết hợp dây chuyền theo thời gian thực. Với hình ảnh 3D sẽ giúp sinh viên hướng tới thiết kế các loại robot khác nhau, ứng dụng dc phần mềm Solidwork trong tính toán, thiết lập góc độ. Mục đích của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và xây dựng những giải pháp phần cứng cánh tay robot năm bậc tự do. Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, có thể áp dụng vào phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học cũng như ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. PREFACE The robot industry in the world has brought the product is industrial robots to serve production, even serving the needs of entertainment as well as human care. With the industry of Vietnam, the robot has not appeared much in the production line. This product is too expensive for the Vietnamese market. For localization of products, as well as indepth research on robots, I chose the topic Calculation, design and modeling of Kuka robot dynamics. This topic aims to be able to construct the actual robot arm, define the material as well as the actuator of each stage, calculate the time to implement a cycle from which there is a plan to combine the chain in real time. With 3D visualization, students will be able to design different types of robots, using Solidwork software in their calculations, setting angles. The purpose of this topic is to study the structure and construction of fivedegree freehand robot arm solutions. To be the master of robotics, it is possible to apply to laboratories of colleges and universities as well as applications in industrial production. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 TÓM TẮT 2 DANH SÁCH HÌNH ẢNH 5 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 7 1.1. CÁC KHÁI NIệM CƠ BảN. 7 1.1.1. Robot và Robotics 7 1.1.2. Robot công nghiệp (RBCN) 9 1.2. CấU TRÚC CƠ BảN CủA RBCN 10 1.2.1. Kết cấu chung 10 1.2.2. Kết cấu của tay máy 11 1.3. PHÂN LOạI ROBOT 14 1.3.1. Phân loại theo kết cấu: 14 1.3.2. Phân loại theo điều khiển 14 1.3.3. Phân loại theo ứng dụng 15 CHƯƠNG 2.TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 16 2.1. BÀI TOÁN THUậN CủA ĐộNG HọC TAY MÁY 16 2.1.1. Hệ tọa độ vật 16 2.1.2. Ma trận quay 17 2.1.3. Quay một véc tơ: 18 2.2. BÀI TOÁN ĐộNG HọC NGƯợC CủA TAY MÁY: 21 2.2.1. Cơ cấu ba khâu phẳng: 22 2.2.2. Cơ cấu cầu: 24 2.3 TÍNH TOÁN ĐộNG HọC ROBOT KUKA 6 BậC Tự DO 25 2.3.1.Phương trình động học thuận 25 2.3.2. Phương trình động học ngược 27 CHƯƠNG. MÔ HÌNH HÓA MÔ PHÒNG ROBOT TRÊN SOLIDWORK 30 3.1. GIớI THIệU PHầN MềM SOLIDWORK. 30 3.1.1.Tính năng thiết kế trên phần mềm Solidworks 31 3.1.2. Tính năng lắp ráp các chi tiết 31 3.1.3. Xuất bản vẽ trên phần mềm solidworks 31 3.1.4. Tính năng gia công trên Solidworks 31 3.1.5. Phân tích động lực học trên Solidworks 31 3.1.6. Ưu điểm Solidworks 32 3.2. MÔ PHỏNG ROBOT KUKA TRÊN SOLIDWORK. 32 3.2.1. Chi tiết và trục tọa độ 3D. 32 3.2.2. Tiến hành Mates từng chi tiết 39 3.2.3. Tiến Hành mô phỏng 41 KẾT LUẬN 46 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa cóvai trò đặc biệt quan trọng

Nhằm nâng cao nâng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khảnăng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao năng suất laođộng.đặt ra là hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao.Robot công nghiệp, đặcbiệt là những tay máy robot là bô phận quan trọng để tạo ra những hệ thống đó Tay máy Robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước, ngày nay taymáy Robot đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ những ưu điểm mà taymáy Robot đó và đúc kết lại trong quá trình sản xuất làm việc, tay máy có nhữngtính năng mà con người không thể có được, khả năng làm việc ổn định, có thể làmviệc trong môi trường độc hại Do đó việc đầu tư nghiêc cứu, chế tạo ra những loạitay máy Robot phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiệntại và tương lai

“Tính toán, thiết kế và mô hình hóa mô phỏng động học robot Kuka”

giúp em làm quen và tìm hiểu kĩ hơn với những vấn đề cốt lõi và cơ bản nhất vềrobot và rất có ích cho chúng em sau này Qua đó em có thể tìm hiểu sâu hơn và tìmhiểu được cách tiếp cận và giải quyết các vấn đề của môn học Đồng thời qua làm

đồ án cũng hình thành thêm các kĩ năng làm việc,lập kế hoạch,viết báo cáo rất cóích cho sau này

Do kiến thức còn hạn chế và thời gian không quá 3 tháng để hoàn thành nên

em không tránh khỏi những sai sót trong thiết kế, cũng như cách trình bày Rấtmong sự thông cảm chỉ bảo và hướng dẫn của quý thầy cô và các bạn để đồ án tốtnghiệp của em được tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn.

Nghệ An, ngày 08 tháng 05 năm 2018

Người thực hiện

Trần Văn Hưng

TÓM TẮT

Ngành công nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot côngnghiệp để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc conngười Với ngành công nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiện nhiều trongcác dây truyền sản xuất Vì sản phẩm này còn quá đắt đối với thị trường Việt Nam.Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot, em

chọn đề tài “Tính toán, thiết kế và mô hình hóa mô phỏng động học robot Kuka” Đề tài này hướng tới có thể tiến hành chế tạo cánh tay robot trên thực tế,

xác định vật liệu cũng như cơ cấu truyền động của mỗi bậc, tính toán thời gian thựchiện một chu trình từ đó có phương án kết hợp dây chuyền theo thời gian thực.Với hình ảnh 3D sẽ giúp sinh viên hướng tới thiết kế các loại robot khác nhau,ứng dụng dc phần mềm Solidwork trong tính toán, thiết lập góc độ

Mục đích của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và xây dựng những giải phápphần cứng cánh tay robot năm bậc tự do Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, cóthể áp dụng vào phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học cũng như ứngdụng trong sản xuất công nghiệp

PREFACE

The robot industry in the world has brought the product is industrial robots toserve production, even serving the needs of entertainment as well as human care.With the industry of Vietnam, the robot has not appeared much in the productionline This product is too expensive for the Vietnamese market

For localization of products, as well as in-depth research on robots, I chose the

topic "Calculation, design and modeling of Kuka robot dynamics." This topic

aims to be able to construct the actual robot arm, define the material as well as theactuator of each stage, calculate the time to implement a cycle from which there is aplan to combine the chain in real time

With 3D visualization, students will be able to design different types of robots,using Solidwork software in their calculations, setting angles

The purpose of this topic is to study the structure and construction of degree free-hand robot arm solutions To be the master of robotics, it is possible toapply to laboratories of colleges and universities as well as applications in industrialproduction

five-MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT 2

DANH SÁCH HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 7

1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7

1.1.1 Robot và Robotics 7

1.1.2 Robot công nghiệp (RBCN) 9

1.2 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA RBCN 10

1.2.1 Kết cấu chung 10

1.2.2 Kết cấu của tay máy 11

1.3 PHÂN LOẠI ROBOT 14

1.3.1 Phân loại theo kết cấu: 14

1.3.2 Phân loại theo điều khiển 14

1.3.3 Phân loại theo ứng dụng 15

CHƯƠNG 2.TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 16

2.1 BÀI TOÁN THUẬN CỦA ĐỘNG HỌC TAY MÁY 16

2.1.1 Hệ tọa độ vật 16

2.1.2 Ma trận quay 17

2.1.3 Quay một véc tơ: 18

2.2 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CỦA TAY MÁY: 21

2.2.1 Cơ cấu ba khâu phẳng: 22

2.2.2 Cơ cấu cầu: 24

2.3 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT KUKA 6 BẬC TỰ DO 25

2.3.1.Phương trình động học thuận 25

2.3.2 Phương trình động học ngược 27

CHƯƠNG MÔ HÌNH HÓA MÔ PHÒNG ROBOT TRÊN SOLIDWORK 30

3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM SOLIDWORK 30

3.1.1.Tính năng thiết kế trên phần mềm Solidworks 31

3.1.2 Tính năng lắp ráp các chi tiết 31

3.1.3 Xuất bản vẽ trên phần mềm solidworks 31

3.1.4 Tính năng gia công trên Solidworks 31

3.1.5 Phân tích động lực học trên Solidworks 31

3.1.6 Ưu điểm Solidworks 32

3.2 MÔ PHỎNG ROBOT KUKA TRÊN SOLIDWORK 32

3.2.1 Chi tiết và trục tọa độ 3D 32

3.2.2 Tiến hành Mates từng chi tiết 39

3.2.3 Tiến Hành mô phỏng 41

KẾT LUẬN 46

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

HÌNH 1 1: CÁC HỆ THỐNG CẤU THÀNH ROBOT 11

HÌNH 1.2: SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA TAY NGƯỜI VÀ TAY MÁY 12

HÌNH 2.1: HỆ TỌA ĐỘ OYXZ VỚI CÁC VÉC TƠ ĐƠN VỊ LÀ X, Y, Z 17

HÌNH 2.2: QUAY HỆ O-XYZ QUANH TRỤC Z 17

HÌNH 2.3: MÔ TẢ ĐIỂM P TRONG HAI HỆ QUY CHIẾU TRÙNG GỐC 18

HÌNH 3.1: CHI TIẾT CƠ KHÍ 31

HÌNH 3.2: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 32

HÌNH 3.3: MÔ HÌNH KHUNG 32

HÌNH 3.4: CHI TIẾT ĐẾ, TRỤC TỌA ĐỘ 3D VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 33 HÌNH 3.5: CHI TIẾT TRỤC QUAY, TRỤC TỌA ĐỘ 3D VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 34

HÌNH 3.6: CHI TIẾT 3, TRỤC TỌA ĐỘ 3D VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 35

HÌNH 3.7: CHI TIẾT 4, TRỤC TỌA ĐỘ 3D VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 36

HÌNH 3.8: CHI TIẾT 5, TRỤC TỌA ĐỘ 3D VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 37

HÌNH 3.9: CHI TIẾT 6, TRỤC TỌA ĐỘ 3D VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 38

HÌNH 3.10: TỌA ĐỘ 3D CỦA CÁNH TAY ROBOT 39

HÌNH 3.11: CÁC CHI TIẾT KHI CHƯA MATES 39

HÌNH 3.12: CÁC CHI TIẾT SAU KHI MATES 40

HÌNH 3.13: TỔNG HỢP SỐ LẦN MATES 40

HÌNH 3.14: QUY ƯỚC CHIỀU CHUYỂN ĐỘNG CHO CÁC TRỤC KHỚP 41 HÌNH 3.15: TẠO CÁC TASK 41

HÌNH 3.16: CHỌN CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CHO MỖI TASK 42

HÌNH 3.17: CHƯƠNG TRÌNH CHẠY KHI TÍNH TOÁN 42

HÌNH 3.18: CÁNH TAY TRƯỢT TRÊN RAY 42

HÌNH 3.19: TIẾN HÀNH XÁC ĐỊNH VẬT 43

HÌNH 3.20: TIẾN HÀNH GẮP VẬT 43

HÌNH 3.21: XÁC ĐỊNH ĐIỂM THẢ VẬT 44

HÌNH 3.22: TIẾN HÀNH NHẢ VẬT 44

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Các khái niệm cơ bản.

1.1.1 Robot và Robotics

Từ thời cổ xưa, con người đã mong muốn tạo ra những vật giống như mình đểbắt chúng phục vụ cho bản thân mình Ví dụ, trong kho thần thoại Hy Lạp cóchuyện người khổng lồ Promethe đúc ra con người từ đất sét và truyền cho họ sựsống, hoặc chuyện tên nô lệ Talus khổng lồ được làm bằng đồng và được giaonhiệm vụ bảo vệ hoang đảo Crete

Đến năm 1921, từ "Robot" xuất hiện lần đầu trong vở kịch "Rossum'sUniversal Robots" của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek Trong vởkịch này, ông dùng từ "Robot", biến thể của từ gốc Slavơ "Rabota", để gọi một thiết

bị - lao công do con người (nhân vật Rossum) tạo ra

Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là mộtchiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệthần kinh khả trình Positron, do chính con người lập trình Asimov cũng đặt tên chongành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người.Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra Các quytắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất

Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hainguyên tắc trước

Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot

Từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng, robot dần dần được giới kỹ thuật hìnhdung như những chiếc máy đặc biệt, được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạtđộng của chính mình, dùng để thay thế mình trong một số công việc xác định

Để hoàn thành nhiệm vụ đó, robot cần có khả năng cảm nhận các thông sốtrạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người

Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí, gồm cơ cấuvận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc Việc thiết kế và chế tạo

hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu

cơ khí

Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạngthái của bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thựchiện Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là

hệ thống cảm biến

Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tựđiều chỉnh "Hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trongđiều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển Xây dựngcác hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệthông tin

Robotics được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế,chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xãhội loài người, như nghiên cứu khoa học, kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh

Từ hiểu biết sơ bộ về chức năng và kết cấu của robot, chúng ta hiểu, Robotics

là một khoa học liên ngành, gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệthông tin Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơ - điện tử(Mechatronics)

Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học - kỹ thuật của việc sản sinh ra robotthống nhất ở một điểm: thực hiện hoài bão của con người, là tạo ra thiết bị thay thếmình trong những hoạt động không thích hợp với mình, như:

- Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vậtliệu, lắp ráp, lau cọ nhà,

- Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: như ngoài khoảng không vũtrụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độcao,

- Những việc đòi hỏi độ chính xác cao, như thông tắc mạch máu hoặc các ốngdẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch,

Lĩnh vực ứng dựng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm Ngàynay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thuỷ rất nhiều Sự phỏngtác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng không còn ngựtrị trong kỹ thuật robot nữa Kết cấu của nhiều "con" robot khác xa với kết cấu các

bộ phận của cơ thể người và chúng cũng có thể thực hiện được những việc vượt xakhả năng của con người

1.1.2 Robot công nghiệp (RBCN)

Mặc dù, như định nghĩa chung về robot đã nêu, không có gì giới hạn phạm viứng dụng của robot, nhưng có một thực tế là hầu hết robot hiện đang có đều đượcdùng trong công nghiệp Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã đượcthống nhất hoá, thương mại hoá rộng rãi Lớp robot này được gọi là Robot côngnghiệp (Industrial Robot - IR)

Kỹ thuật tự động hoá (TĐH) trong công nghiệp đã đạt tới trình độ rất cao:không chỉ TĐH các quá trình vật lý mà cả các quá trình xử lý thông tin Vì vậy,TĐH trong công nghiệp tích hợp công nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuậtđiều khiển tự động trong đó có TĐH nhờ máy tính

Hiện nay, trong công nghiệp tồn tại 3 dạng TĐH:

- TĐH cứng (Fixed Automation) được hình thành dưới dạng các thiết bị hoặc dâychuyền chuyên môn hoá theo đối tượng (sản phẩm) Nó được ứng dụng có hiệu quảtrong điều kiện sản xuất hàng khối với sản lượng rất lớn các sản phẩm cùng loại

- TĐH khả trình (Proqrammable Automation) được ứng dụng chủ yếu trongsản xuất loạt nhỏ, loạt vừa, đáp ứng phần lớn nhu cầu sản phẩm công nghiệp Hệthống thiết bị dạng này là các thiết bị vạn năng điều khiển số, cho phép dễ dàng lậptrình lại để có thể thay đổi chủng loại (tức là thay đổi quy trình công nghệ sản xuất)sản phẩm

- TĐH linh hoạt (Flexible Automation) là dạng phát triển của TĐH khả trình

Nó tích hợp công nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính, cho phépthay đổi đối tượng sản xuất mà không cần (hoặc hạn chế) sự can thiệp của conngười TĐH linh hoạt được biểu hiện dưới 2 dạng: tế bào sản xuất linh hoạt(Flexible Manufacturing Cell - FMC) và hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible

để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong côngnghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyêndùng khác.

Ngoài các ý trên, định nghĩa trong ГOCT 25686-85 còn bổ sung cho RBCNchức năng điều khiển trong quá trình sản xuất:

RBCN là máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừahành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chươngtrình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trongquá trình sản xuất

Chức năng vận động bao gồm các hoạt động "cơ bắp" như vận chuyển, địnhhướng, xếp đặt, gá kẹp, lắp ráp, đối tượng Chức năng điều khiển ám chỉ vai tròcủa robot như một phương tiện điều hành sản xuất, như cung cấp dụng cụ và vậtliệu, phân loại và phân phối sản phẩm, duy trì nhịp sản xuất và thậm chí cả điềukhiển các thiết bị liên quan

Với đặc điểm có thể lập trình lại, RBCN là thiết bị TĐH khả trình và ngàycàng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các tế bào hoặc hệ thống sản xuấtlinh hoạt

1.2 Cấu trúc cơ bản của RBCN

1.2.1 Kết cấu chung

Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển saukhi xử lí bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay máy.

1.2.2 Kết cấu của tay máy

Tay máy là phẩn cơ sở, quyết định khả năng làm việc của RBCN Đó là thiết bị

cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làmviệc, như nâng hạ vật, lắp ráp, Ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo taymáy là phỏng tác cấu tạo và chức năng của tay người (hình 1.2) Về sau, đây khôngcòn là điều bắt buộc nữa Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại có dáng vẻkhác rất xa với tay người Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot người ta vẫn dùng các

thuật ngữ quen thuộc, như vai (Shoulder), cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay(Hund) và các khớp (Articulations), để chỉ tay máy và các bộ phận của nó.

Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnhhướng lớn đến khả năng làm việc của chúng, như:

- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay,

- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác

có thể với tới;

- Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trongvùng làm việc Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác

Hình 1.2: Sự tương tác giữa tay người và tay máy

Để định vị và định hướng phần công tác một cách tuỳ ý trong không gian 3chiều nó cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị, 3 bậc tự do để địnhhướng Một số công việc như nâng hạ, xếp dỡ, yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6.Robot hàn, sơn thường có 6 bậc tự do Trong một số trường hợp cần sự khéo léo,linh hoạt hoặc cần tối ưu hoá quỹ đạo, người ta có thể dùng robot với số bậc tự dolớn hơn 6

Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu, được nối vớinhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến phầncông tác Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay Tuỳ theo sốlượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra tay máy kiểu tọa độ đề các, tọa độtrụ, tọa độ cầu, SCARA và kiểu tay người (Anthropomorphic)

Tay máy kiểu tọa độ đề các, còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp trượt, chophép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song songvới 3 trục toạ độ Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật Do sự đơngiản về kết cấu, tay máy kiểu này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảođồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo léo Vì vậy, tay máy kiểu đềcác được dùng để vận chuyển và lắp ráp.

Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với tay máy kiểu đề các ở khớp đầu tiên:

Dùng khớp quay thay cho khớp trượt Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng.Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy "thò" được vào khoang rỗng nằmngang Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độchính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng

Tay máy kiểu tọa độ cầu khác kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thaybằng khớp quay Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong toạ

độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việccủa nó là khối cầu rỗng Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn 2 loại trên và

độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với Tuy nhiên, loại này có thể "nhặt" được

cả vật dưới nền

SCARA được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại Trường đại học Yamanashi(Nhật bản) dùng cho công việc lắp ráp Đó là một kiêu tay máy có cấu tạo đặc biệt,gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau.Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứngvững (Compliance) theo phương được chọn (Selective), là phương ngang Loại nàychuyên dùng cho công việc lắp ráp (Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phương thẳngđứng Từ SCARA là viết tắt của "Selective Compliance Assembly Robot Arm" để

mô tả các đặc điểm trên Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng.Tay máy kiểu tay người (Anthropomorphic), có cả 3 khớp đều là các khớpquay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2 trục kia Do sự tương tự với tay người,khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder joint), khớp thứ ba là khớp khuỷu(Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay Với kết cấu này, không có sự tương ứnggiữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do Tay máy làm việc rất khéo

léo, nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làmviệc Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu.

Toàn bộ dạng các kết cấu tả ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị củaphần công tác Muốn định hướng nó, cần bổ sung phần cổ tay Muốn định hướngmột cách tuỳ ý phần công tác, cổ tay phải có ít nhất 3 chuyển động quay quanh 3trục vuông góc với nhau Trong trường hợp trục quay của 3 khớp gặp nhau tại mộtđiểm thì ta gọi đó là khớp cầu Ưu điểm chính của khớp cầu là tách được thao tácđịnh vị và định hướng của phần công tác, làm đơn giản việc tính toán Các kiểukhớp khác có thể đơn giản hơn về kết cấu cơ khí, nhưng tính toán toạ độ khó hơn,

do không tách được 2 loại thao tác trên

Phần công tác là bộ phận trực tiếp tác động lên đối tượng Tuỳ theo yêu cầulàm việc của robot, phần công tác có thể là tay gắp (Gripper), công cụ (súng phunsơn, mỏ hàn, dao cắt, chìa vặn ốc, )

1.3 Phân loại robot

Thế giới robot hiện nay đã rất phong phú và đa dạng, vì vậy phân loại chúngkhông đơn giản Có rất nhiều quan điểm phân loại khác nhau Mỗi quan điểm phục

vụ một mục đích riêng Tuy nhiên, có thể nêu ra đây 3 cách phân loại cơ bản: theokết cấu, theo điều khiển và theo phạm vi ứng dụng của robot

1.3.1 Phân loại theo kết cấu:

Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn:

– Chuyển động thẳng theo các hướng X, Y, Z trong không gian ba chiềuthông thường tạo nên những khối hình có góc cạnh, gọi là Prismatic (P)

– Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu (R)

Với ba bậc tự do, robot sẽ hoạt động trong trường công tác tùy thuộc tổ hợp P

và R ví dụ:

• PPP trường công tác là hộp chữ nhật hoặc lập phương

• RPP trường công tác là khối trụ

• RRP trường công tác là khối cầu

1.3.2 Phân loại theo điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển robot: điểu 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 số xung điều khiển.Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp.

Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tãng

độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điềukhiển theo đường (contour)

Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đếnđiểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc) Nó chỉ làm việc tại cácđiểm dừng Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển,tán đinh, bắn đinh,

Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất

kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điểu khiển này trên các robothàn hồ quang, phun sơn

1.3.3 Phân loại theo ứng dụng

Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot Ví dụ, có robot công nghiệp,robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùngtrong quân sự…

Ngoài những kiểu phân loại trên còn có : Phân loại theo hệ thống năng lượng,phân loại theo hệ thống truyền động, phân loại theo độ chính xác…

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT

2.1 Bài toán thuận của động học tay máy

2.1.1 Hệ tọa độ vật

Một vật rắn trong không gian hoàn toàn xác định nếu vị trí và hướng của nóđược mô tả trong một hệ quy chiếu cho trước Trong hình vẽ dưới đây hệ tọa độOyxz với các véc tơ đơn vị là x, y, z được dùng làm hệ quy chiếu gốc Để mô tả vịtrí và định hướng của của vật rắn trong không gian, thường phải gắn lên nó một hệtọa độ, gọi là hệ quy chiếu địa phương, chẳng hạn hệ tọa độ O’x’y’z’ gốc củahệ tọa

độ này đại diện cho vị trí của vật trong hệ quy chiếu gốc Oxyz, biểu thức sau đâynói lên quan hệ giữa chúng:

• Trong đó là các hình chiếu vuông góc của véc tơ O’ lên hệtọa độ Oxyz Có thể mô tả định vị của điểm O’ qua véctơ O’như sau:

• Hướng của vật được đại diện bởi các véc tơ đơn vị x’, y’, z’ của hệ quy chiếuO’x’y’z’, và được mô tả bằng quan hệ sau:

• Các thành phần của các véc tơ đơn vị (x’x, x’y, x’z) là cosin chỉ phương củacác trục của hệ tọa độ địa phương so với hệ quy chiếu chung

O  o x o y o z   ' , ' , 'x y z

o o

o o

' '

' '

' ' '

Hình 2.1: Hệ tọa độ Oyxz với các véc tơ đơn vị là x, y, z

2.1.2 Ma trận quay

Để cho gọn, 3 véc tơ đơn vị ở trên có thể biểu diễn dưới dạng ma trận (3.3) gọi

là ma trận quay như sau:

Phép quay quanh một trục tọa độ là trường hợp đặc biệt của phép quay một vậtquanh một trục bất kì trong không gian, chiều quay được quy ước là dương nếu nhìn

từ ngọn về gốc của trục thuộc hệ quy chiếu đang xét thấy ngược chiều kim đồng hồ

Hình 2.2: Quay hệ O-xyz quanh trục z

Giả sử hệ O’x’y’z’ nhận được do quay hệ Oxyz quanh trục z một góc , véc tơđơn vị của hệ này được biểu diễn trong hệ Oxyz như sau:

Lần lượt ma trận quay quanh trục z, trục y, trục x của hệ quy chiếu O’ so với

hệ O có dạng:

Từ các phép quay căn bản quanh các trục của hệ quy chiếu cho phép thành lập

ra các ma trận quay một đối tượng quanh một trục bất kì

Cần lưu ý rằng các ma trận này có tính chất trực giao, ta có thể xác địnhnghịch đảo của nó theo hai cách, hoặc thay góc bằng giá trị đối dấu của nó vào matrận quay, hoặc chuyển vị ma trận quay đang có

0'

;0cos

sin'

;0sin

010

sin0cos)

0 cos sin

0 sin cos

0

sin cos

0

0 0

1 ) (

xR

Hình 2.3: Mô tả điểm P trong hai hệ quy chiếu trùng gốc

Lần lượt mô tả điểm P trong hai hệ tọa độ rồi tiến hành đồng nhất hai tọa độ đónhư sau:

Vì cùng mô tả một điểm nên có đồng nhất thức:

Hay cũng có thể biến đổi để có dạng:

Nếu viết dưới dạng khai triển ma trận quay có dạng đầy đủ của phép quay như sau:

Trong đó các cột của ma trận quay chính là các cosin chỉ phương của các cặptrục tương ứng giữa hai hệ quy chiếu Vì 3 trục của một hệ quy chiếu có quan hệ đôimột vuông góc nên 9 thành phần của ma trận quay chỉ có ba thành phần thực sự độclập tuyến tính

Tóm lại ma trận quay R có 3 ý nghĩa tương đương nhau:

Biểu diễn hướng giữa hai hệ tọa độ trong đó các cột của ma trận quay làcosin chỉ phương giữa các trục tọa độ tương ứng của hai hệ mới và cũ

Biểu diễn sự chuyển đổi tọa độ của một véc tơ giữa hai hệ tọa độ có gốctrùng nhau.

Biểu diễn phép quay của một véc tơ trong cùng một hệ quy chiếu

Nhiệm vụ của bài toán thuận là khi cho trước các biến khớp phải xác định vị trí vàđịnh hướng của tất cả các khâu trên cánh tay, thông thường nếu không khống chế quỹđạo của các khâu trên cánh tay nhằm tránh va chạm với các đổi tượng khác trong vùnglàm việc, người ta thường chỉ xác định vị trí và định hướng của khâu sau cùng

Trên cánh tay có các khâu và các khớp tổ hợp với nhau mà tạo thành, cánh tay

có hai hình thức cơ bản, có thể chuỗi động hình thành nên nó là kín, hoặc hở

Các khâu và các khớp được mô tả qua các thông số được chia ra hai loại, cácthông số không thay đổi (chiều dài khâu) gọi là tham số Các thông số thay đổi (gócquay của khâu, lượng di chuyển dài của khâu tịnh tiến) gọi là biến khớp

Trong kĩ thuật robot sử dụng phổ biến hai loại khớp thấp là quay và tịnh tiến,khớp cầu được tổ hợp từ ba khớp quay có đường trục quay giao nhau tại một điểm.Phép chuyển đổi tọa độ được biểu diễn bằng ma trận chuyển đổi thuần nhất:

có thể chọn như sau:

12 13 14

23 24 0

Để định vị và định hướng từng khâu trên cánh tay cũng như khâu tác động saucùng người ta phải gắn các hệ tọa độ suy rộng lên từng khâu, cả cơ cấu có một hệquy chiếu chung nối với giá cố định, hệ quy chiếu này có chức năng vừa để mô tảđịnh vị, định hướng khâu tác động sau cùng của tay máy, vừa để mô tả đối tượng tác

tính thống nhất cao, đòi hỏi tính xác định duy nhất Sau đây sẽ xem xét quy tắc DH

là một quy tắc điển hình

Một cách tổng quát tay máy coi là có n khâu, trong đó khâu thứ i liên kết khớp(i) với khớp (i+1) như hình vẽ Theo quy tắc DH các hệ tọa độ được xác định theoquy ước sau:

– Trục tọa độ zi trùng với trục quay của khớp (i + 1), gốc trùng vớichân của đường vuông góc chung giữa trục quay khớp (i) và trục quay khớp (i+1),trục x của nó trùng với đường vuông góc chung và hướng từ trục (i-1) tới trục (i),trục y tự xác định theo quy tắc bàn tay phải

– Trục tọa độ zi-1 trùng với trục quay của khớp (i), trục x trùng phươngđường vuông góc chung giữa trục (i-1) và khớp (i), chiều dương hướng từ trục (i-1)tới khớp (i) Trục y tự xác định theo quy tắc bàn tay phải

Công việc còn lại là biến đổi sao cho hệ quy chiếu Oi-1 trùng với hệ quy chiếu

Oi Trình tự biến đổi thực hiện như sau:

Tịnh tiến Oi-1 theo trục (Oi-1zi-1) một lượng di bằng ma trận tịnh tiến

Quay hệ quy chiếu O’i vừa nhận được một góc quanh trục z’i bằng ma trận quay.Nhân hai ma trận này với nhau có ma trận biến đổi thuần nhất của bước nàynhư sau

1 '

0)

' 1

i i

i

i i i i i

i i

i i i i i i i i i

i i i

i i

d c

s

s a s c c

c s

c a s s c s c A A q A

Có một số trường hợp đặc biệt của quy tắc DH như sau:

 Các hệ quy chiếu được định vị dựa vào giao điểm của đường vuônggóc chung giữa hai trục quay, vậy trong trường hợp hai trục quay song song vớinhau có thể tùy ý chọn vị trí gốc hệ quy chiếu Đồng thời trong trường hợp đó việcquay quanh trục x là không cần thiết

 Trong trường hợp hai trục quay giao nhau, lượng tịnh tiến theophương trục x bằng không

2.2 Bài toán động học ngược của tay máy:

Bài toán thuận động học nhằm xác định định vị và định hướng của phần côngtác khi cho trước các biến khớp Bài toán ngược cho trước vị trí và định hướng củakhâu tác động sau cùng đòi hỏi phải xác định bộ thông số tọa độ suy rộng để đảmbảo chuyển động cho trước của phần công tác

Đối với tay máy có kết cấu dạng chuỗi động hở, nếu cho trước bộ thông sốbiến khớp thì vị trí và định hướng của phần công tác xác định duy nhất, điều nàykhông đúng với các tay máy có cấu trúc dạng chuỗi động kín

Đối với các tay máy dạng chuỗi động hở, ứng với một bộ thông số mô tả định

vị và định hướng của phần công tác khi giải bài toán ngược có thể xảy ra các trườnghợp:

• Có thể có nhiều lời giải khác nhau;

• Các phương trình đồng nhất thức thường có dạng phi tuyến, siêu việt,thường không cho lời giải đúng;

• Có thể gặp nghiệm vô định vì có các liên kết thừa giống kiểu kết cấu siêutĩnh;

• Có thể có lời giải toán học, song lời giải này không chấp nhận được vềmặt vật lí do các yếu tố về kết cấu của cấu trúc không đáp ứng được

Nhìn chung khi số bậc tự do càng lớn thì bài toán ngược càng khó giải, số

phải loại bỏ các nghiệm không phù hợp dựa trên cơ sở các ràng buộc về giới hạnhoạt động của các khớp Việc lựa chọn phương pháp để giải bài toán ngược cũng làmột vấn đề, cho đến nay không có phương pháp tổng quát nào có thể áp dụng chotất cả các robot Sau đây giới thiệu một số ví dụ bài toán ngược tay máy của các cơcấu đã giải bài toán thuận ở mục trước.

2.2.1 Cơ cấu ba khâu phẳng:

Dựa trên kết quả đã triển khai ở bài toán thuận, ta đã có phương trình động họccủa tay máy này dưới dạng ma trận đồng nhất

00

01

00

0

0)

123 3 12 2 1 1 123

123 2

3

1 2

0 1

0 3

s a s a s a c

s

c a c a c a s

c A

A A q T

Ma trận định vị và định hướng phần tác động sau cùng trên cánh tay được chotrước trong bài toán ngược dưới dạng như sau:

Nhiệm vụ của bài toán ngược phải xác định một bộ công thức tính   1; ;2 3

dựa trên các đồng nhất thức tạo ra từ hai ma trận trên

Vì biến số nằm trong góc nên nếu giải trực tiếp hệ phương trình mô tả định vị

và định hướng là không thể Hãy xem hệ thiết lập được trên 2 điều kiện này:

13 23

0

a a

1 2 3 12

trước giá trị này

Vậy nếu xem đây là hệ hai phương trình hai ẩn với  1, 2 Matlab có thể giải rakết quả, từ đó tính ra tuy nhiên kết quả rất dài không có tính thực tế

Nếu coi điểm W là tâm của khớp quay thứ ba, hay là điểm tựa công nghệ.Định hướng của khâu sau cùng sẽ đạt được trên cơ sở xoay hướng khâu sau cùngphải là từ điểm này

Điểm tựa công nghệ W có thể xác định bằng hình học như sau:

1 3

12 2 1

1 3

s a s

a s

a p

p

c a c

a c

a p

p

y wy

x wx





Bình phương hai vế phương trình này rồi cộng lại nhận được:

2 1

2 2

2 1 2 2

2

2 a a

a a p p

2 2 2

2 1 1

)(

wy wx

wx wy

p p

p s a p

c a a s

2 2 2

2 1 1

)(

wy wx

wy wx

p p

p s a p c a a c

Cuối cùng tính được: 3 =  - 1 - 2

Bài toán ngược kết thúc phần xác định nghiệm toán học, cần tiếp tục căn cứvào các yêu cầu cụ thể chọn nghiệm điều khiển

2.2.2 Cơ cấu cầu: