đồ án thiết kế robot gắp vật 5 bậc tự do

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 nay robot được dùng rộng rãi trong các nhà máy, được ứng dụng trong nhiềungành khoa học công nghệ ví dụ như trong kỹ thuật hàn, trong kỹ thuật gia công cơkhí, trong khoa học vũ trụ, đại dương và trong nhiều ngành khoa học khác Robot cóthể thay con người làm việc trong mọi điều kiện khắc nhiệt và những công việc đòi hỏi

độ chính xác cao Trong tương lai robot sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn trong đời sốnghàng ngày

Ở nước ta lĩnh vực robot đã được nghiên cứu ở các trường đại học và trong cácviện nghiên cứu và đã đặt nên móng cho sự phát triển của ngành khoa học non trẻ này

ở Việt Nam Trong công nghiệp Việt Nam, robot cũng được ứng dụng trong các dâychuyền sản xuất của nhà máy nhằm nâng cao năng suất, hiệu quả lao động và chế tạocác sản phẩm có độ chính xác cao

Ta có thể khái quát định nghĩa robot theo cách nhìn của cơ học là một chuỗi động,mỗi khâu được ghép với nhau bởi các khớp nối, hoạt động linh hoạt nhờ hệ dẫn động Các cơ cấu tác động này có thể hoạt động phối hợp với nhau để thực hiện những công việc phức tạp dưới sự điều khiển củamột bộ phận có cấu tạo như máy tính, còn gọi là những bộ điều khiển PC -based Với những đặc điểm về cấu tạo và hoạt động thì robotthường được sử dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt dạng workcell (FMS -Flexoble Manufacturing Systems) và các hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM – Computer Integrated Manufacturing) Càng ngày các dây chuyền sản xuất tự động có

sử dụng robot thay thế dần các dây chuyền sản xuất tự động với chương trình hoạt động “cứng” trước đây

Cùng với sự phát triển của khoa học, tin học và các ứng dụng của nó ngày càng trởnên quan trọng Máy tính được sử dụng như là một công cụ thay thế con người trongviệc tính toán các bài toán phức tạp Nó giúp chúng ta đưa ra kết quả nhanh và chínhxác Chương trình Maple là một trong những phần mềm tính toán mạnh và phổ biếngiúp chúng ta giải nhiều loại bài toán như: Bài toán phân tích, thống kê, bài toán cơhọc, bài toán nhiệt, bài toán điện kỹ thuật…Ngoài ra nó còn là một ngôn ngữ lập trìnhthông dịch khá mạnh giúp cho người kỹ sư tính toán các bài toán cơ học quen thuộc

nhanh chóng và dễ dàng Được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy NGÔ VĂN

AN, chúng em đã lựa chọn đề tài: “ Thiết kế robot để thực hiện nhiệm vụ gắp vật từ kệ

tới băng tải ”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Tổng quan về Robot công nghiệp.

Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau:

- Từ những năm 1950 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên

- Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatrancủa công ty AMF

- Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ từnhững năm 1967

- Ở những nước Tây Âu khác như: Đức, Pháp, Ý, Thụy Điển thì bắt đầu chế tạo

IR từ nhưng năm 1970

- Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng của IR từ những năm 1968 Đến nay, trên thế giới có trên 600 công ty sản xuất IR trong số đó có 400 công tycủa Nhật Bản, 130 công ty của Tây Âu,70 công ty của Mỹ và một số công ty của Nga,Tiệp Khắc … Trong đó 6/10 công ty sản xuất Robot lớn nhất thế giới của Nhật Bản

1.1.2 Cấu trúc chung của Robot công nghiệp.

Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:

- Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thànhcánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vàbàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

- Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lựccủa các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kếthợp giữa chúng

- Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác.Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơcấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

- Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát vàđiều khiển hoạt động của 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 các hướng X, Y, Z trong không gian ba chiều thôngthường 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

+ RRR trường công tác là khối cầu

Robot làm việc trong tọa độ lập phương

Hình 1.1 : Robot làm việc trong tọa độ trụ.

Hình 1.2 : Robot làm việc trong tọa độ cầu

b Phân loại theo hệ thống truyền động.

Các dạng phổ biến là:

- Hệ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : DirectCurrent) hoặc các động cơ bước (step motor) Loại truyền động nay dễ điềukhiển, kết cấu gọn

- Hệ truyền động thuỷ lực : Có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điềukiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh,tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.

- Hệ truyền động khí nén : Có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưnglại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ nay làm việc với công suấttrung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt độngtheo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pickand Place or PTP : Point To Point)

c Phân loại theo ứng dụng.

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

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

Có 2 kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín

- Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khínén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu nàyđơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

- Điều khiển kín (điều khiển kiểu servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độchính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điềukhiển theo đường(contour)

1.1.4 Ứng dụng của Robot.

Robot được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống của con người.Trong điều kiện làm việc khắc nhiệt, khó khăn đối với con người thì robot công nghiệpđóng vai trò quan trọng và nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khácnhau như:

- Trong gia công cơ khí: thường sử dụng trong các máy hàn tự động, máy khoan, dây truyền lắp ráp

- Trong dây truyền sản xuất: tham gia vào một số dây truyền sản xuất như 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 của robot trong công nghiệp:

+ Phục vụ máy CNC và các hệ thống tự động linh hoạt

Hình 1.5 : Robot hàn tự động trong công nghiệp

Hình 1.6 : Robot gia công chi tiết

Hình 1.7 : Ứng dụng robot phẫu thuật trong y tế

1.2 Tổng quan robot gắp vật trên băng truyền trong sản xuất:

1.2.1 Tổng quan về robot gắp vật trên băng truyền

Nhiệm vụ, yêu cầu đặt ra là phải làm thế nào để có thể thay thế con người làm côngviệc mang vác vật nặng từ kệ tới băng tải, thì robot gắp vật là một lựa chọn tối ưu nhất Robot gắp trong công nghiệp là tay máy tự động được đặt cố định hoặc di động baogồm thiết bị dạng tay máy có số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theochương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng hoạt động và điều khiểntrong quá trình sản xuất Robot gắp vật trong công nghiệp được cấu hình bởi các yếu

tố sau:

1) Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạocác chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thaotác trên đối tượng

2) Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là nguồnđộng lực của các cơ cấu chấp hành

3) Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiếtkhác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản thân, các

cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

4) Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạtđộng của robot Kết cấu tay máy gắp sản phẩm

5) Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của RBCN đó là thiết bịđảm bảo cho robot khả năng làm việc nâng hạ vật

6) Ban đầu người ta chế tạo tay máy phỏng tay người, còn hiện nay tay máy rất đadạng và nhiều loại khác xa tay người, tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai, cánhtay, cổ tay, bàn tay và khớp để chỉ các bộ phận của tay máy

1.2.2 Thông số ảnh hưởng robot.

Trong thiết kế tay máy người ta quan tấn đến các thông số ảnh hưởng khả năng làmviệc:

1) Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay

2) Tầm với của vùng làm việc

3) Khả năng định vị, định hướng phần công tác

1.2.3 Một số hình ảnh robot gắp sản phẩm trong công nghiệp

Hình 1.8 Robot gắp hộp

Hình 1.9 Robot cắt và gắp gạch tuynel.

Hình 1.10 Robot gắp hàng.

1.2.4 Kết luận.

Trong điều kiện làm việc mang vác nặng và điều kiện làm việc khắc nhiệt trongcông nghiệp, thì robot gắp vật là một lựa chọn tối ưu nhất, vì nó có thể thay thế sứcngười và làm việc được trong thời gian dài Ngoài ra khả năng tự động hóa cao, dễdàng điều khiển lập trình khi thay đổi công việc mà mình muốn

Việc sử dụng robot gắp vật trong dây truyền sản xuất có rất nhiều mặt tích cực Nógiúp chúng ta tiết kiệm sức lực, thời gian và tiền bạc Khả năng vận hành chính xáccao, tự động hóa, làm việc chính xác và thay thế một số vị trí của con người trong dâytruyền sản xuất

Để thực hiện được các công việc thì robot phải được thiết kế chính xác ,đầu tiênphải giải quyết được bài toán động học robot,bởi vì động học robot là cơ sở để điềukhiển các biến khớp trên robot từ đó sẽ xác định được vị trí và hướng làm việc của taykẹp robot thực hiện các công việc chúng ta đặt trước ,được giải quyết trong chương 2:động học robot

CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC ROBOT.

2.1: Tổng hợp cấu trúc động học.

Yêu cầu công nghệ và nhiệm vụ đặt ra là gắp vật từ kệ tới băng tải thì robot 5 bậc

tự do là đảm bảo được yêu cầu Vì ngoài độ linh động và khả năng mang vác được tải nặng thì robot này còn dễ dàng dàng điều khiển và lặp lại chính xác

Robot gắp vật có 5 bậc tự do bao gồm các khớp xoay Mỗi khớp xoay được dẫn động bởi một động cơ và được điều khiển bởi hệ thống điều khiển PLC

2.1.1 Bài toán động học thuận.

Bài toán động học thuận: Đây là bài toán cho trước chương trình chuyển động dướidạng quan hệ hàm qi(t) của các biến khớp, ta cần phải xác định quy luật biến đổi củacác tham số động học đặc trưng cho chuyển động của các khâu Việc giải bài toánthuận của động học robot chủ yếu nhằm thiết lập phương trình động học robot và xácđịnh vị trí của tay kẹp

a, Phương pháp Denavit- Hartenberg.

Cơ sở của phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H)

Theo DH, tại mỗi khớp ta gắn một hệ trục toạ độ, quy ước về cách đặt hệ toạ độnày như sau:

- Trục z được liên kết với trục của khớp thứ i+1 Chiều của i z được chọn i

tuỳ ý

- Trục x được xác định là đường vuông góc chung giữa trục khớp i và i khớp i+1, hướng từ điểm trục của khớp i tới khớp i+1 Nếu hai trục song

song thì x có thể chọn bất kỳ là đường vuông góc chung hai trục khớp i

Trong trường hợp hai trục này cắt nhau, x được xác định theo chiều của i

1

i i

z z  ( hoặc quy tắc bàn tay phải)

- Trục y được xác định theo i x và i z theo quy tắc bàn tay phải i

Hình 2.0 Hệ trục tọa độ và các tham số DH của robot n bậc

Các thông số động học Denavit – Hartenberg được xác định như sau:

- d : khoảng cách O i i-1 và Oi theo trục zi-1.

- i: góc giữa 2 đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục

zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục xi theo qui tắc bàn tay phải

- i : góc xoay đưa trục zi-1về zi quanh zi theo quy tắc bàn tay phải

- a : khoảng dịch chuyển giữa 2 trục khớp động kề nhau i

b, Đặt bài toán.

Biết giá trị các biến khớp qi (i = 1, 2, 3, 4, 5) cần phải xác định vị trí và hướng củatay kẹp, tức là xác đinh ma trận T E

5

3 3 5

4 4

.

0 0 0

.

1

+ Tâm O0 trùng với tâm khớp 1

+ z0 trùng với trục khớp 1, chiều tùy ý

+ x0 tùy chọn,miễn là x0 vuông góc với z0

+ y0 được chọn sao cho hệ tạo thành một tam diện thuận

- Hệ trục tọa độ Oixiyizi :

+ zi đặt tại khớp tiếp theo tương tự z0.

+ xi là đường vuông góc chung nhỏ nhất nối từ zi-1 đến zi ( chiều từ zi-1 đến zi

)

+ Oi là giao điểm của xi và zi.

+ yi xác định theo quy tắc bàn tay phải

- Hệ trục tọa độ đặt tại khâu tác động cuối Onxnynzn

+ On trùng với điểm P

+ yn nằm trong mặt phẳng kẹp, vuông góc với phương kẹp,chiều tùy ý

+ zn (hoặc xi ) hướng tới đối tượng

+ trục còn lại là xn (hoặc zn): vuông góc với mặt phẳng kẹp, chiều đảm bảo hệ tạo thành một tam diện thuận

- Quy tắc D-H quy ước cách đặt các hệ tọa độ lên Robot

- Quy tắc D-H sử dụng 4 phép biến đổi để đưa hệ tọa độ Oi về trùng với hệ tọa độ

2   2 0 a2 00

d, Động học thuận về vị trí của robot.

- Như vậy hệ trục thứ i sẽ mô tả ma trận vị trí và hướng so với hệ trục thứ i-1 thôngqua phép biến đổi tọa độ thuần nhất D-H như sau :

a a d

a a

- Ma trận chuyển đổi hệ toạ độ từ khâu 3 sang khâu 4:

* Các bước thực hiện trên matlab như sau:

+ Khai báo các biến khớp q i¿q2, q3, q4, q5)

+ Khai báo các biến d i, a i (d1, a2, a3, d5)

+ Khai báo 5 ma trận: A10, A21, A32

, A43, A54 +Kết quả giải trong matlab ta tìm được ma trận T:

4 4 .

1

sin(q4)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2)) - cos(q4)*(cos(q2)*cos(q3) -

sin(q2)*sin(q3)),

d1 + a2*sin(q2) - d5*(cos(q4)*(cos(q2)*cos(q3) - sin(q2)*sin(q3)) -

sin(q4)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2))) + a3*cos(q2)*sin(q3) +

a3*cos(q3)*sin(q2) ]

[ 0, 0, 0, 1]

Cho

5 0

E

T  T ta được hệ phương trình động học thuận robot:

 nx

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

 ny

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

a2*cos(q2)*sin(q1) + a3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q1) - a3*sin(q1)*sin(q2)*sin(q3)

 pz = d1 + a2*sin(q2) - d5*(cos(q4)*(cos(q2)*cos(q3) - sin(q2)*sin(q3)) -

sin(q4)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2))) + a3*cos(q2)*sin(q3) +

E

T  T cần phải xác định cácbiến khớp α) i (i=1 5) theo vị trí và hướng bàn kẹp

b, Phương pháp giải bài toán.

- Input: Ma trận T là tích các ma trận thành phần đã tính ở chương 2

Ma trận A là tọa độ thực đã biết

- Output: Kết quả của biến khớp qi (i = 1,2,3,4,5)

Nội dung của bài toán động học thuận là cho biết chuyển động của các tọa độ khớp,

ta cần xác định chuyển động của các tọa độ khâu thao tác

Để giải quyết được bài toán động học ngược robot gắp vật 5 bậc tự do, ta sẽ dùngphần mềm EXCEL, cụ thể hơn là gói công cụ Solver trong phần mềm đó

Ngược lại trong bài toán động học ngược, cho biết chuyển động của các tọa độ thaotác, ta cần xác định chuyển động của các tọa độ khớp Các phương pháp giải bài toánđộng học ngược được phân thành hai nhóm: các phương pháp giải tích và các phươngpháp số

Sau đây em sẽ trình bày phương pháp giải tích để giải bài toán động học ngược chorobot gắp vật 5 bậc tự do

- Từ ma trận

5 0

Với a14, a24, a34, a12, a23 là các tọa độ thực đã biết

Vì Robot gắp vật có 5 bậc tự do, nên ta chỉ cần cần thiết lập 5 phương trình để giải

a2*cos(q2)*sin(q1) + a3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q1) - a3*sin(q1)*sin(q2)*sin(q3)

 pz = d1 + a2*sin(q2) - d5*(cos(q4)*(cos(q2)*cos(q3) - sin(q2)*sin(q3)) -

sin(q4)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2))) + a3*cos(q2)*sin(q3) +

P q1 q2 q3 q4 q5 a14 a24 a34 L

CHƯƠNG 3 QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG ROBOT

Sau khi giải xong bài toán động học ngược robot ta có bảng thông số quỹ đạo chuyển động của robot (bảng 2.2)

Từ đó chúng ta biểu diễn sự chuyển động của các biến khớp q ( q1,q2,q3,q4,q5)

và chuyển động của tay kẹp robot (hình 3.2)

3.1 Cách xây dựng đường cong nội suy

3.1.1 Cơ sở lý thuyết

Quỹ đạo không gian khớp có dạng hàm bậc 3:

u (t )=a1t3+b1t2+c1t +d1(*) Phương trình tiếp tuyến với quỹ đạo U(t) hay phương trình vận tốc tại thời

điểm t là :

u '(t)=3 a1t2

+2 b1t+c1

Hình 3.1: Sơ đồ tính toán hệ số góc tiếp tuyến chung tại P i

+ Nếu sig(k i) ≠ sig(k i+1)→ v i¿=0

+ Nếu sig(k i)=sig(k i+1)→ v i=k i+k i+1