hướng dẫn thiết kế mô phỏng robot gắp vật 5 bậc tự do chương 1 tổng quan robot chương 2 mô phỏng thiết kế robot,bài toán động học thuận,động học ngược,mô phỏng robot trên matlap vẽ cấu hình,xác định vị trí các biến khớp và tay kẹp,...
LỜI NÓI ĐẦU Ngày robot dùng rộng rãi nhà máy, ứng dụng nhiều ngành khoa học cơng nghệ ví dụ kỹ thuật hàn, kỹ thuật gia cơng khí, khoa học vũ trụ, đại dương nhiều ngành khoa học khác Robot thay người làm việc điều kiện khắc nhiệt công việc đòi hỏi độ xác cao Trong tương lai robot ứng dụng rộng rãi đời sống hàng ngày Ở nước ta lĩnh vực robot nghiên cứu trường đại học viện nghiên cứu đặt nên móng cho phát triển ngành khoa học non trẻ Việt Nam Trong công nghiệp Việt Nam, robot ứng dụng dây chuyền sản xuất nhà máy nhằm nâng cao suất, hiệu lao động chế tạo sản phẩm có độ xác cao Ta khái quát định nghĩa robot theo cách nhìn học chuỗi động, khâu ghép với khớp nối, hoạt động linh hoạt nhờ hệ dẫn động Các cấu tác động hoạt động phối hợp với để thực công việc phức tạp điều khiển củamột phận có cấu tạo máy tính, gọi điều khiển PC -based Với đặc điểm cấu tạo hoạt động robot thường sử dụng hệ thống sản xuất linh hoạt dạng workcell (FMS -Flexoble Manufacturing Systems) hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM – Computer Integrated Manufacturing) Càng ngày dây chuyền sản xuất tự động có sử dụng robot thay dần dây chuyền sản xuất tự động với chương trình hoạt động “cứng” trước Cùng với phát triển khoa học, tin học ứng dụng ngày trở nên quan trọng Máy tính sử dụng cơng cụ thay người việc tính tốn tốn phức tạp Nó giúp đưa kết nhanh xác Chương trình Maple phần mềm tính tốn mạnh phổ biến giúp giải nhiều loại toán như: Bài toán phân tích, thống kê, tốn học, tốn nhiệt, tốn điện kỹ thuật…Ngồi ngơn ngữ lập trình thơng dịch mạnh giúp cho người kỹ sư tính tốn tốn học quen thuộc nhanh chóng dễ dàng Được hướng dẫn bảo tận tình thầy NGƠ VĂN AN, chúng em lựa chọn đề tài: “ Thiết kế robot để thực nhiệm vụ gắp vật từ kệ tới băng tải ” CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Tổng quan Robot công nghiệp 1.1.1 Lịch sử phát triển Thuật ngữ robot xuất vào năm 1920 tác phẩm văn học nhà văn Tiệp Khắc tên Karel Capek Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) xuất Mỹ công ty AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô thiết bị mang dáng dấp có số chức tay người điều khiển tự động thực số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran Quá trình phát triển IR tóm tắt sau: - Từ năm 1950 Mỹ xuất viện nghiên cứu Vào đầu năm 1960 xuất sản phẩm có tên gọi Versatran công ty AMF Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu chế tạo IR theo quyền Mỹ từ năm 1967 Ở nước Tây Âu khác như: Đức, Pháp, Ý, Thụy Điển bắt đầu chế tạo IR từ năm 1970 Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968 Đến nay, giới có 600 cơng ty sản xuất IR số có 400 cơng ty Nhật Bản, 130 cơng ty Tây Âu,70 công ty Mỹ số cơng ty Nga, Tiệp Khắc … Trong 6/10 công ty sản xuất Robot lớn giới Nhật Bản 1.1.2 Cấu trúc chung Robot công nghiệp Một Robot công nghiệp cấu thành hệ thống sau: - - Tay máy (Manipulator) cấu khí gồm khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo chuyển động bản, cổ tay tạo lên khéo léo, linh hoạt bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho khâu tay máy Nguồn động lực cấu chấp hành động loại: điện, thủy lực, khí nén kết hợp chúng - Hệ thống cảm biến gồm sensor thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác Các robot cần hệ thống sensor để nhận biết trạng thái thân cấu robot sensor ngồi để nhận biết trạng thái mơi trường Hệ thống điều khiển (controller) thường máy tính để giám sát điều khiển hoạt động robot - 1.1.3 Phân loại robot công nghiệp a Phân loại theo kết cấu Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn: - Chuyển động thẳng theo hướng X, Y, Z không gian ba chiều thơng thường tạo nên khối hình có góc cạnh, gọi Prismatic (P) Chuyển động quay quanh trục X, Y, Z kí hiệu (R) Với ba bậc tự do, robot hoạt động trường công tác tùy thuộc tổ hợp P R ví dụ: + PPP trường công tác hộp chữ nhật lập phương + RPP trường công tác khối trụ + RRP trường công tác khối cầu + RRR trường công tác khối cầu Hình 1.0 : Robot làm việc tọa độ lập phương Hình 1.1 : Robot làm việc tọa độ trụ Hình 1.2 : Robot làm việc tọa độ cầu b Phân loại theo hệ thống truyền động Các dạng phổ biến là: - Hệ truyền động điện : Thường dùng động điện chiều (DC : Direct Current) động bước (step motor) Loại truyền động dễ điều khiển, kết cấu gọn - - Hệ truyền động thuỷ lực : Có thể đạt cơng suất cao, đáp ứng điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn độ phi tuyến lớn khó xử lý điều khiển Hệ truyền động khí nén : Có kết cấu gọn nhẹ không cần dẫn ngược lại phải gắn liền với trung tâm tạo khí nén Hệ làm việc với cơng suất trung bình nhỏ, xác, thường thích hợp với robot hoạt động theo chương trình định sẵn với thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP : Point To Point) c Phân loại theo ứng dụng Cách phân loại dựa vào ứng dụng robot Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dùng nghiên cứu khoa học, robot dùng kỹ thuật vũ trụ, robot dùng quân sự… d Phân loại theo cách thức đặc trưng phương pháp điều khiển Có kiểu điều khiển robot: điều khiển hở điều khiển kín - Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động điện động thủy lực, khí nén…) mà quãng đường góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu đơn giản, đạt độ xác thấp - Điều khiển kín (điều khiển kiểu servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ xác điều khiển Có kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm điều khiển theo đường(contour) 1.1.4 Ứng dụng Robot Robot sử dụng nhiều lĩnh vực sản xuất đời sống người Trong điều kiện làm việc khắc nhiệt, khó khăn người robot cơng nghiệp đóng vai trò quan trọng sử dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp khác như: - Trong gia cơng khí: thường sử dụng máy hàn tự động, máy khoan, dây truyền lắp ráp - Trong dây truyền sản xuất: tham gia vào số dây truyền sản xuất gia công, phun sơn, gắp sản phẩm, đóng gói bao bì + Trong vận tải thường để bốc xếp hàng hóa - Một số ứng dụng quan trọng robot công nghiệp: + Phục vụ máy CNC hệ thống tự động linh hoạt + Đúc + Lắp ráp, đóng gói + Phun, phủ + Tự động hàn + Đảm nhận thực cấp phôi phục vụ nguyên công dây chuyền sản xuất tự động + Chế tạo máy + Kiểm tra + Sơn + Y học Hình 1.3 : Ứng dụng robot tự động sản xuất ôtô Hình 1.4 : Robot lắp ráp ơtơ Hình 1.5 : Robot hàn tự động cơng nghiệp Hình 1.6 : Robot gia cơng chi tiết Hình 1.7 : Ứng dụng robot phẫu thuật y tế 1.2 Tổng quan robot gắp vật băng truyền sản xuất: 1.2.1 Tổng quan robot gắp vật băng truyền Nhiệm vụ, yêu cầu đặt phải làm để thay người làm công việc mang vác vật nặng từ kệ tới băng tải, robot gắp vật lựa chọn tối ưu Robot gắp công nghiệp tay máy tự động đặt cố định di động bao gồm thiết bị dạng tay máy có số bậc tự hoạt động thiết bị điều khiển theo chương trình, tái lập trình để hồn thành chức hoạt động điều khiển q trình sản xuất Robot gắp vật cơng nghiệp cấu hình yếu tố sau: 1) Tay máy cấu khí gồm khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạo chuyển động bản, cổ tay tạo nên khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác đối tượng 2) Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho khâu cổ tay máy, động nguồn động lực cấu chấp hành 3) Hệ thống cảm biến gồm cảm biến thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác, robot cần hệ thống cảm biến để nhận biết trạng thái thân, cấu robot cảm biến ngồi để nhận biết trạng thái mơi trường 4) Hệ thống điều khiển thường máy tính để giám sát điều khiển hoạt động robot Kết cấu tay máy gắp sản phẩm 5) Tay máy phần sở định khả làm việc RBCN thiết bị đảm bảo cho robot khả làm việc nâng hạ vật 6) Ban đầu người ta chế tạo tay máy tay người, tay máy đa dạng nhiều loại khác xa tay người, nhiên sử dụng thuật ngữ vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay khớp để phận tay máy 1.2.2 Thông số ảnh hưởng robot Trong thiết kế tay máy người ta quan đến thông số ảnh hưởng khả làm việc: 1) Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp tay 2) Tầm với vùng làm việc 3) Khả định vị, định hướng phần cơng tác 1.2.3 Một số hình ảnh robot gắp sản phẩm cơng nghiệp Hình 1.8 Robot gắp hộp Hình 1.9 Robot cắt gắp gạch tuynel Hình 1.10 Robot gắp hàng 1.2.4 Kết luận Trong điều kiện làm việc mang vác nặng điều kiện làm việc khắc nhiệt cơng nghiệp, robot gắp vật lựa chọn tối ưu nhất, thay sức người làm việc thời gian dài Ngồi khả tự động hóa cao, dễ dàng điều khiển lập trình thay đổi cơng việc mà muốn Việc sử dụng robot gắp vật dây truyền sản xuất có nhiều mặt tích cực Nó giúp tiết kiệm sức lực, thời gian tiền bạc Khả vận hành xác cao, tự động hóa, làm việc xác thay số vị trí người dây truyền sản xuất Để thực công việc robot phải thiết kế xác ,đầu tiên phải giải toán động học robot,bởi động học robot sở để điều khiển biến khớp robot từ xác định vị trí hướng làm việc tay kẹp robot thực công việc đặt trước ,được giải chương 2: động học robot CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC ROBOT 2.1: Tổng hợp cấu trúc động học Yêu cầu công nghệ nhiệm vụ đặt gắp vật từ kệ tới băng tải robot bậc tự đảm bảo yêu cầu Vì ngồi độ linh động khả mang vác tải nặng robot dễ dàng dàng điều khiển lặp lại xác Robot gắp vật có bậc tự bao gồm khớp xoay Mỗi khớp xoay dẫn động động điều khiển hệ thống điều khiển PLC 2.1.1 Bài toán động học thuận Bài toán động học thuận: Đây toán cho trước chương trình chuyển động dạng quan hệ hàm qi(t) biến khớp, ta cần phải xác định quy luật biến đổi tham số động học đặc trưng cho chuyển động khâu Việc giải toán thuận động học robot chủ yếu nhằm thiết lập phương trình động học robot xác định vị trí tay kẹp a, Phương pháp Denavit- Hartenberg Cơ sở phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) Theo DH, khớp ta gắn hệ trục toạ độ, quy ước cách đặt hệ toạ độ sau: - - Phân tích thuỷ khí động học ( thơng qua tốn phân tích lượng nước chảy qua robine bố trí quạt thơng gió cho CPU máy tính nhằm tản nhiệt tốt hơn) Phân tích q trình rót kim loại lỏng vào khuôn mức độ gia nhiệt cần thiết cho q trình Hình 4.1: Chức CAE Nói chung chương trình tính tốn nhanh cho phép thực phân tích cụm nhiều chi tiết, với thông số kết là: ứng suất, sức căng, chuyển vị, hệ số an toàn kết cấu … 4.3.3 Chức CAM Để dùng chức này, phải sử dụng modul solidworks SOLIDCAM Đây modul Cam Solid, tách để bán riêng Nếu có điều kiện tải dùng, chạy giao diện solidworks, việc sử dụng SolidCam thật vơ thân thiện, dễ sử dụng Hình 4.2: Chức CAM 4.4 Kết cấu robot gắp vật 4.4.1 Mô kết cấu robot Từ thông số chiều dài khâu robot xây dựng chương 2, từ mơ kết cấu khâu phần mềm solidworks - Bệ đặt chân robot: + Bệ đặt chân robot phần giữ cố định toàn khâu khác robot, giúp robot q trình hoạt động khơng bị rung lắc, nghiêng, giúp robot làm việc xác tuyệt đối bước di chuyển tay kẹp Hình 4.3: Bệ đặt chân robot (giá ) - Thân robot: + Thân robot phận gắn kết với cánh tay máy robot, đảm nhiệm chức giữ cho cánh tay chắn làm việc - Cánh tay robot: + Cánh tay robot đảm nhiệm chức tăng không gian gian làm việc cho robot, đồng thời kết nối khâu với Hình 4.4 : Thân robot Hình 4.5 : Cánh tay robot Hình 4.6 : Khâu cánh tay robot Hình 4.7 : Khâu cánh tay robot - Tay kẹp: + Tay kẹp robot giống bàn tay người giúp việc gắp vật, hàn điểm thao tác công nghệ mong muốn lập trước người thiết kế Hình 4.8 : Tay kẹp robot 4.4.2 Mơ tồn cánh tay robot Để mơ toàn cánh tay robot, sử dụng chức assemply solidworks,gắn kết phận robot với nhau: Hình 4.9 : Mơ toàn robot gắp vật PHỤ LỤC P1: Phương pháp nhân ma trận matlab -Nhân ma trận matlab sau: Bước 1: Khai báo chiều dài khâu robot số nguyên dương Bước 2: Khai báo q1,q2,q3,q4,q5 biến Bước 3: Khai báo dq1,dq2,dq3,dq4,dq5 đạo hàm biến khớp q1, q2, q3, q4, q5 Các đạo hàm dq1,dq2,dq3,dq4,dq5 biến Hình p0 :Khai báo chiều dài thanh, biến khớp đạo hàm Bước 4: Nhập ma trận A01, A12, A23, A34, A45 Hình p1a :Nhập giá trị ma trận Hình p1b :Nhập ma trận thành phần Bước 5: Nhân ma trận thành phần A01, A12 ,A23, A34, A45 TE T50 *Ta nhân ma trận = =A01*A12*A23*A34*A45 T Sau nhân xong ma trận E ta ma trận 4x4 mơ tả hướng vị trí hệ tọa độ tay kẹp so với hệ tọa độ gốc sau: nx s x a x � � n s a 0 TE T5 A1 A2 A3 A4 A5 �y y y � nz s z a z � �0 0 px � � py � pz � � � P2: Phương pháp giải toán động học ngược EXCEL Bước 1: nhập liệu cần thiết cho việc tính tốn + Dữ liệu khâu: + Dữ liệu Px,Py,Pz, Ay,Sx Vì robot có bậc tự nên ta lấy phương trình + Khởi tạo biến khớp q1, q2, q3, q4, q5 + Khởi tạo giá trị ma trận A: a14, a24, a34, a12,a23 + Ta chọn giá trị thông số : d1=200, a2=255 , a3= 240, d5=150 Bước 2: Tính giá trị L tổng chúng L1= ( PX a14 ) ^ L2= ( PY a24 ) ^ L3= ( PZ a34 ) ^ L4= (AY a 23 )^ L5= S X a12 ^ L =L1+ L2 + L3+ L4+ L5 Bước 3: Dùng cơng cụ solver tìm biến khớp q1, q2, q3, q4, q5 Trước tiên ta phải lấy gói cơng cụ Solver trước đường dẫn sau: Ở ta dùng phương pháp GRG thực MatLab Excel: Ta chọn giá trị thông số : d1=200 , a2=255, a3=240, d5=150 Bảng thông số điểm làm việc quỹ đạo chuyển động tay kẹp P : ST T 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 a14 400 400 400 400 370 358 348 334 320 288 239 186 140 100 80 59 20 10 0 +Thiết lập a24 0 0 69 90 99 112 131 165 205 206 207 250 270 300 320 350 400 400 a34 100 200 300 381 380 380 381 380 381 381 381 380 380 380 380 381 381 359 346 300 a12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a23 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Hình p2: Thiết lập execl + Khai báo nhãn cho thông số đầu vào gán giá trị ban đầu Hình p3: Khởi tạo ban đầu + Tính phần tử L: Hình p4: Tính phần tử L + Ta tính tổng hàm SUM: Hình p5: Tổng hàm SUM + Thiết lập Solver ( biến , hàm F, add, option) Hình p6 : Thiết lập cài đặt solver Hình p7: Thiết lập solver Hình p8: Gán giá trị solver +Nhập giá trị chiều dài khâu, tọa độ điểm làm việc tay kẹp : Bảng thông số điểm làm việc quỹ đạo chuyển động tay kẹp P: P q1 0 q2 0.225439 0.516157 0.591333 q3 -0.368317 -0.470531 -0.136984 q4 -0.46852 -0.4683 -0.63772 q5 -6.03955E-07 -4.65965E-07 -5.35094E-07 a14 400 400 400 a24 a34 L 10 2.45E-13 20 1.80E-13 30 2.77E-13 2.44E-14 0.637389 0.1849225 -0.60909 1.59732E-07 400 38 0.184369 0.642796 0.1854 -0.76161 0.190043265 370 69 38 0.000177 0.000167 0.246293 0.597652 0.2913269 -0.84168 0.240754989 358 90 38 0.277161 0.571369 0.3630881 -0.90318 0.2716285 348 99 38 0.000105 334 112 38 0.000163 38 0.000176 0.323546 0.564452 0.3733105 -0.97211 0.329669896 0.388561 0.52733 0.4779643 -1.02658 0.385900154 320 13 0.520267 0.459754 0.6778008 -1.11995 0.514332566 288 16 38 0.000113 38 0.000102 10 0.708971 0.423212 0.8075175 -1.21526 0.708487694 239 20 11 0.836374 1.360655 -1.018165 -0.35387 0.844449226 186 206 38 0.000136 140 207 38 0.000121 38 0.000109 12 0.976134 1.476208 -1.153427 -0.33473 0.980976253 13 1.19029 1.399772 -1.065596 -0.33994 -1.960269342 100 25 14 1.282739 1.348923 -1.003517 -0.34769 -1.863610929 80 270 38 0.000124 38 0.000128 38 0.000117 15 1.376608 1.230496 -0.843335 -0.39784 1.380860874 59 30 16 1.508378 1.154911 -0.735524 -0.43003 -1.631155906 20 32 17 1.542232 1.041323 -0.661829 -0.39001 -1.602069706 10 35 35 0.000118 34 0.000515 30 0.000163 18 1.570796 0.617691 0.0482777 -0.64328 1.570114724 40 19 1.570796 0.252306 0.6365985 -0.87684 1.574973463 40 P3 Phương pháp vẽ solidworks *Để vẽ xác robot thiết kế ta phải thực sau : + Xác định thành phần robot + Thiết lập chiều dài khâu ,lấy từ toán động học chương +Thiết lập tiết diện ,đường kính ,bề dày khâu cho hợp lý +Mô robot dạng 3D với giá trị có - Sử dụng lệnh công cụ solidwork để vẽ như: Để vẽ 2D : 1) Vẽ đường thẳng chọn sketch > line 2) Vẽ đường tròn chọn sketch > circle 3) Vẽ hình chữ nhật chọn sketch > corner rectangle center rectangle 4) Xóa tồn chọn delete xóa đường thẳng,chi tiết nhỏ chọn trim entities Để vẽ 3D : 1) Tạo hình khối chọn features > extruded boss/base 2) Tạo hình cầu chọ features > revolved boss/base 3) Xóa hình khối lớn sử dụng extruded cut Hình p9: Mơ robot solidworks ... q4 q5 a14 a24 a34 L 0 0.2 254 39 -0.368317 -0.46 852 -6.03 955 E-07 400 10 2.45E-13 1.80E-13 0 .51 6 157 -0.47 053 1 -0.4683 -4. 659 65E-07 400 20 0 .59 1333 -0.136984 -0.63772 -5. 350 94E-07 400 30 2.77E-13... 0.27162 85 348 99 38 0.32 354 6 0 .56 4 452 0.37331 05 -0.97211 0.329669896 334 112 38 0.000163 320 13 38 0.000176 38 0.000113 0.38 856 1 0 .52 733 0.4779643 -1.02 658 0.3 859 00 154 0 .52 0267 0. 459 754 0.6778008... nghệ nhiệm vụ đặt gắp vật từ kệ tới băng tải robot bậc tự đảm bảo yêu cầu Vì độ linh động khả mang vác tải nặng robot dễ dàng dàng điều khiển lặp lại xác Robot gắp vật có bậc tự bao gồm khớp xoay