đồ án thiết kế robot gắp vật 3 bậc tự do RRR

hướng dẫn mô phỏng thiết kế robot gắp vật 3 bậc tự do RRRchương 1 nêu tổng quan về robotchương 2 đưa ra các cấu hình và chọn cấu hình tối ưu,giới thiệu sơ qua về robot 3 bậc tự do RRR. Mô phỏng thiết kế,tính toán bài toán động học thuận và ngược để xác định được vị trí biến khớp và tay kẹp để đánh giá mức độ phù hợp của robot trong công nghiệp,....

Khoa Điện tử Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Bộ môn Cơ điện tử Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

-o0o -ĐỒ ÁN MÔN HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VĂN TÚC

Mssv:K145520114053

Lớp : K50 CĐT01

Giảng viên hướng dẫn: DƯƠNG QUỐC KHÁNH

Đề tài: Tính toán thiết kế Robot ba bậc tự do RRR gắp vật

- Thông số kĩ thuật của robot cần thực hiện :

1.Tổng quan về đối tượng thiết kế

2.Giải quyết bài toán động học, động lực học

3.Mô phỏng động học quá trình làmviệc

Ngày giao đề: 10/07/2018

Ngày hoàn thành:15/08/2018

Trưởng bộ môn Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Phạm Thành Long Ths.Dương Quốc Khánh

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

-o0o -

Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2018 Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

-o0o -

Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2018 Giáo viên

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 3

I.Tổng quan về Robot công nghiệp 3

1.1.Định nghĩa robot công nghiệp 3

1.2 Lịch sử phát triển 3

1.3 Phân loại Robot công nghiệp 5

1.4 Ứng dụng của Robot 7

1.5 Hình ảnh một số robot 3 bậc tự do thông dụng 8

1.6 Ưu điểm , nhược điểm, ứng dụng của robot 3 bậc tự do gắp vật trong công nghiệp 9

II Robot Công nghiệp 3 bậc tự do RRR 10

2.1 Một số cấu hình Robot RRR 10

2.2 Robot 3 bậc tự do cần thực hiện 12

2.3 Qũi đạo làm việc của robot 13

2.4 Kết luận 14

CHƯƠNG II: ĐỘNG HỌC ROBOT CHUỖI 3 BẬC TỰ DO RRR 15

2.1 Mục đích nghiên cứu: ……… .15

2.2 Nội dung nghiên cứu: 15

2.3 Tính toán động học thuận Robot: 16

2.4 Động học Robot 3 bậc tự do 16

2.4.1 Tính toán bài toán động học thuận Robot 16

2.4.2 Giải bài toán động học 20

CHƯƠNG III: Kết Luận 47

 Những kết quả có được: 47

 Định hướng phát triển tương lai 47

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan rằng đồ án này hoàn toàn do chúng em tựtìm hiểu, tự làm theo sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo DƯƠNG QUỐC KHÁNH Các nội dung, kết quả trong đồ án này là trung thực vàhoàn toàn chưa được công bố dưới bất kì hình thức nào

Trong đồ án có sử dụng kiến thức, các nhận xét, đánh giá cũng nhưcác thông số của các tác giả, cơ quan tổ chức mà chúng em tham khảo từnhiều nguồn khác nhau, được ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên không liên quanđến những vi phạm bản quyền, quyền tác giả do chúng em gây ra trong quátrình thực hiện đồ án (nếu có)

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Túc

LỜI NÓI ĐẦU

Đã gần một thế kỷ, kể từ khi xuất hiện trên thế giớimẫu hình robot cho tới nay đã có hàng vạn robot ra đời vàđang làm việc trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống –

xã hội ở hầu khắp các quốc gia trên thế giới ngày nay robot

đã trở thành một tên gọi khá phổ biến trong nhân dân.Robot đã và đang trở thành một nguồn lực lao động vớinăng suất và chất lượng cao trong nhiều lĩnh vực như: côngnghiệp, nông nghiệp, y học, an ninh quốc phòng v.v Trong

số đó robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng Robotnói chung và robot công nghiệp nói riêng là sự tích hợp rấttinh vi giữa các lĩnh vực cơ học – điện – điện tử và kỹ thuậtđiều khiển Có thể nói robot là một trong số các loại hìnhsản xuất trí tuệ cao cấp trong thời đại ngày nay, do conngười tạo ra để phục vụ con người Ở nước ta, robot côngnghiệp xuất hiện sau những năm 1990 trong các lĩnh vực cơkhí, tự động hóa Để đáp ứng được nhu cầu xã hội và tiếpcận nền khoa học kỹ thuật tương lai, thì nền tảng củangành cơ điện tử mà chúng em đang được các thầy côtruyền đạt và nghiên cứu là cơ sở ban đầu để chúng emtiếp thu và trang bị những kiến thức cao hơn nữa , để làmchủ của những máy móc công cụ hiện đại

Đề tài mà nhóm em được giao là “Thiết kế robot công nghiệp 3 bậc tự do RRR gắp vật” Đó là một đề tài

rất bổ ích Nó đã giúp chúng em làm quen và tìm hiểunhững vấn đề cốt lõi và cơ bản nhất về Robot Qua đó

chúng em có thể tìm hiểu sâu hơn, qua làm đồ án cũnghình thành thêm những kỹ năng làm việc, lập kế hoạch, viếtbáo cáo…rất có ích cho sau này

Trong quá trình làm đồ án có rất nhiều vấn đề đặt ra

mà trong phạm vi kiến thức và hiểu biết của chúng emchưa giải quyết được, chúng em rất mong nhận được sự chỉbảo và hướng dẫn của các thầy cô để đồ án được hoànthiện hơn!

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm hướng

thầy cô giáo khác trong bộ môn Cơ điện tử trường Đại học

kĩ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Em xin chân thành cảm ơn!

CH ƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP NG I : GI I THI U V ROBOT CÔNG NGHI P ỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP Ề ROBOT CÔNG NGHIỆP ỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

I.Tổng quan về Robot công nghiệp

1.1.Định nghĩa robot công nghiệp

* Robot công nghiệp là thiết bị tự động được đặt cố định hay di động,có thểliên kết với nhiều thiết bị tự động khác,có thể lập trình để thực hiện các chứcnăng hoặc thao tác trong quá trình sản xuất

* Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyểnđộng tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chươngtrình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển cácđối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đãđược chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

* Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (Robot institute of America): Robot là một taymáy vạn năng có thể lặp lại các chương trình, được thiết kế để di chuyển vậtliệu, chi tiết, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trìnhchuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

* Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga: Robot công nghiệp là một máy tựđộng, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệthống điều khiển theo chương trình, có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành các chứcnăng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

* Do đó, robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt,thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thốngđiều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn

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

- Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi làVersatran của công ty AMF.

- Ở những nước Tây Âu khác như: Đức, Pháp, Ý, Thụy Điển thì bắt đầu chếtạo IR từ nhưng năm 1970

- Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng của IR từ những năm1968

Đến nay, trên thế giới có trên 200 công ty sản xuất IR trong số đó có 80công ty của Nhật Bản, 90 công ty của Tây Âu, 30 công ty của Mỹ và một sốcông ty của Nga

b Tại Việt Nam.

* Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể

trong 25 năm vừa qua Nhiều đơn vị trên toàn quốc đã thực hiện các nghiên cứu

cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về robot như: Trung tâm Tự động hoá-Đại họcBách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử -Tin học, Viện Khoa học và Công nghệ quân

sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộcViện KHCNVN…

* Bên cạnh đó, còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY doanh nghiệpthiết kế và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên thị trường

1.2.1.Kết cấu chung

-Tay máy (Manipulator):là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thànhcánh tayđể tạo các chuyển động cơ bản, cổ taytạo nên 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, thuỷ lực, khí nén hoặc kếthợp giữa chúng

-Hệ thống cảm biến:gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiếtkhác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thâncác cơ cấu 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 và điều khiển hoạt động của robot

1.2.2.Cấu tạo Robot

Một robot thường gồm có ba bộ phận chính đó là: tay máy, bộ phận dẫn động,

bộ phận điều khiển

a.Tay máy:

Tay máy (manipulator): là một bộ phận cơ khí quan trọng, đóng vai trò là một

bộ phận chấp hành của robot Tay máy được mô phỏng giống bàn tay con người,nên nó có các bộ phận chính với các tên gọi như sau: Đó là cánh tay gồm khớpvai, cánh tay, khuỷu tay, cẳng tay và bàn tay Cánh tay được nói với giá bằngkhớp vai còn bàn tay được nối với cánh tay bằng khớp cổ tay Như vậy giữacánh tay và bàn tay có nhiều khâu và khớp trung gian, số lượng các khâu vàkhớp để tạo nên một cánh tay máy tùy thuộc vào chức năng, nhiệm vụ của robot

mà cấu tạo của tay máy cũng rất khác nhau

b Bộ phận dẫn động:

Bộ phận dẫn động (power unit): Thường là các loại động cơ sau: Động cơ điện;Động cơ điện xoay chiều Động cơ điện một chiều; Động cơ bước; Động cơ khínén; Động cơ thủy lực

c.Bộ phận điều khiển:

Bộ phận điều khiển (control unit): Để điều khiển các hoạt động của robot, bộ phận điều khiển trong robot giữ vai trò quan trọng giống như bộ não của con người Bộ phận điều khiển thường đượcthực hiện thôngqua một hệ thống

chương trình điều khiển- mỗi chương trình được đảm nhận một nhiệm vụ cụ thể.Tùy thuộc vào đặc điểm làm việc của từng loại robot mà các chương trình điều khiển nói trên được xây dựng khác nhau cho phù hợp

1.3 Phân lo i Robot công nghi p ại Robot công nghiệp ệp

a.Phân loại theo kết cấu:

-Robot chuỗi: là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và cáckhâu động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau Mỗi khâu độngđược liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết

Hình 1.2: Hình ảnh của robot chuỗi

-Robot song song: là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn đượcliên kết với ít nhất hai khâu khác

Hình 1.3: Hình ảnh của robot song song

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 san với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống”(Pick and Place or PTP : Point To Point)

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, robotdùng trong quân sự…

c Phân loại theo 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,khí nén, ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển.Kiểu này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

- Điều khiển kín ( điều khiển kiểu servo ), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí đểtăng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm -điểm và điều khiển theo đường(contour)

1.4 Ứng dụng của Robot.

Robot được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống của con người,trong đó robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng và nó được sử dụng trongnhiều lĩnh vực công nghiệp như:

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

1.5 Hình ảnh một số robot 3 bậc tự do thông dụng.

Hình 1.4: Robot 3 khâu phẳng

Hình 1.5: Robot phun sơn thông dụng

- Hoạt động linh hoạt : hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác; nhất là khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn

- 1 robot có thể làm nhiều việc khác nhau

- giải bài toán động học , động lực học không quá phức tạp

* Nhược điểm:

- Chưa linh hoạt bằng các robot 4,5 và 6 bậc tự do

- Không gian làm việc hẹp

- Chỉ thao tác được công việc đơn giản: hàn , phun sơn , gắp vật

*Ứng dụng:

-Sử dụng trong các dây chuyền sản xuất như : y tế , thực phẩm , đồ tiêu dùng….

- Dây truyền lắp ráp oto

- Đảm nhận thực hiện cấp phôi phục vụ các nguyên công trong các dây chuyền sản xuất tự động

II Robot Công nghi p 3 b c t do RRR ệp ậc tự do RRR ự do RRR

2.1 M t s c u hình Robot RRR ột số cấu hình Robot RRR ố cấu hình Robot RRR ấu hình Robot RRR

2.1.1 Cơ cấu Robot tọa độ cầu

Hình 2.1: Biểu diễn không gian thao tác của robot

Hìn

h 2.1a

-Ưu điểm: Cơ cấu này giúp cho Robot hoạt động với vùng không gian làm việc dạng hình cầu, vì vậy mà Robot có thể làm được nhiều việc khác nhau Độ cứng vững của cơ cấu cao.

-Nhược điểm: Quá trình tính toán động học, động lực học phức tạp, tầm với ngắn

2.1.2 Robot cơ cấu phẳng

Hình 2.1b-Ưu điểm: Cơ cấu tính toán động học, động lực học đơn giản Tầm với dài trong không gian công tác Độ cứng vững thấp

-Nhược điểm: Robot hoạt động với vùng không gian dạng mặt phẳng nên chỉ làm được một số việc đơn giản như gắt vật

2.1.3 Cơ cấu Robot tọa độ trụ

Hình 2.1c

-Ưu điểm: Cơ cấu có vùng không gian làm việc hình trụ rỗng nên có thể làm được một số công việc

-Nhược điểm: Bài toán động học, động lực hoc tính toán khá phức tạp Tầm với trung bình.

2.2 Robot 3 b c t do c n th c hi n ậc tự do RRR ự do RRR ần thực hiện ự do RRR ệp

Hình 2.2: Lược đồ cấu trúc động học của Robot 3dof RRR

Ta chọn d1=450mm ; a2=470mm ;a3= 460mm

Thông sỗ kỹ thuật cơ bản robot :

+ Robot bao gồm : Cánh tay cơ khí , bộ điều khiển , cáp truyền thông , phần mềm lập trình

-Trục 2 : Khuỷu quay -90 đến 90 độ-Trục3 : Khuỷu quay -140 đến 140 độ

+Tốc độ chuyển động của Robot

-J1 76 độ / giây ( 1,33 rad / giây)

-J2 76 độ /giây (1,33 rad/ giây )

-J3 67 độ/ giây ( 1,17 rad / giây)

2.3 Qũi đạo làm việc của robot

Hình 2.3 : Quỹ đạo làm việc của Robot

 Bảng thông số quỹ đạo làm việc của Robot

_ Từ cái nhỉn tổng quan ta biết được robot gắp vật cần thực hiện gồm 3 bậc tự

do , hình dáng , cấu tạo , khả năng làm việc , ứng dụng của robot 3 bậc tự do gắpvật trong thực tiễn

_Robot 3 bậc tự do gắp vật đã góp phần vào sự phát triển của nền công nghiệp robot và sản xuất

CH ƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP NG II: Đ NG H C ROBOT CHU I 3 B C T DO RRR ỘNG HỌC ROBOT CHUỖI 3 BẬC TỰ DO RRR ỌC ROBOT CHUỖI 3 BẬC TỰ DO RRR ỖI 3 BẬC TỰ DO RRR ẬC TỰ DO RRR Ự DO RRR 2.1 Mục đích nghiên cứu:

Động học robot nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà

không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực mà mô men Khoa học động học nghiên cứu về vị trí, vận tốc, gia tốc Do đó, động học chỉ liên quan đến hình học và thời gian thay đổi của chuyểndộng Sự thay đổi của các khâu của robot liên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các khớp Những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động

học robot Việc nghiên cứu động học có hai vấn đề: Phân tích động học và tổng hợp động học Tuy nhiên vấn đề phân tích động học và tổng hợp động học luôn liên quan đến nhau.

2.2 Nội dung nghiên cứu:

Nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm ra quan hệchuyển động của các khâu gồm 2 bài toán là: Bài toán động họcthuận và bài toán động học ngược Trong việc lập trình cho robotđiều cơ bản là đặt ra các yêu cầu về vị trí của điểm tác động cuối vàhướng của khâu cuối, vân tốc và gia tốc của khâu bất kì trong khônggian Vấn đề ở đâu là tìm tất cả các bộ thông số có thể chấp nhậnđược về sự thay đổi của các khâu hoạt động và các đạo hàm tươngứng của chúng xảy ra ở khâu chấp hành cuối cùng để đặt các yêu cầu

về hướng và vị trí, đó chính là các thông số hoạt động( bài toán độnghọc thuận ) hay từ yêu cầu vị trí và hướng của khâu chấp hành cuốitìm ra các thông số tương ứng của các khâu trước đó( bài toán độnghọc ngược )

Tổng hợp động học chính là quá trình ngược lại của việc phân tích động học Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt ra được những robot hay máy mới, điều đó đòi hỏi những thay đổi nhất định về mặt động học Cụ thể, khi có các thông số vị trí và hướng( cùng vận tốc

và gia tốc ) của khâu chấp hành cuối cùng, chúng ta cần xác định cácthay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình học của robot

2.3 Tính toán động học thuận Robot:

+ Cột thứ 4 mô tả vị trí của Oi trong hệ Ri-1.

+ Ma trận 3x3 bên trái mô tả hướng của Ri so với Ri-1

A i i−1=[cos❑i − sin ❑i cos❑ i sin ❑i sin❑ i a i cos❑ i

sin ❑i cos ❑i cos❑i −sin ❑i cos❑i a i sin❑ i

A21=[cos❑2 − sin ❑2 0 a❑2 cos❑2

sin ❑2 cos ❑2 0 a2 sin❑2

Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ 2 sang hệ tọa độ 3:

A32 =[cos❑3 −sin ❑3 0 a❑3.cos❑3

sin ❑3 cos ❑3 0 a3 sin❑3

0 0 0 1]∗[cos❑2 −sin ❑2 0 a❑2 cos❑2

sin ❑2 cos ❑2 0 a2 sin❑2

0 0 0 1 ]∗[cos❑3 −sin ❑3 0 a❑3 cos❑3

Giải ma trận trên matlap:

Khai báo các biến khớp qi: (q1, q2, q3) ( thay cho θi1, θi2,θi3)

Khai báo các biến di,ai: ( d1,a2,a3 )

Hình 2.1c

2.4.2 Gi i bài toán đ ng h c ải bài toán động học ột số cấu hình Robot RRR ọc thuận Robot

2.4.2.1 Giải bài toán trên Matlab Simulink và Solidworks

Mô phỏng các khâu động học của robot trên Solidworks

- Bước 1: Vẽ đế cho Robot và gán hệ trục tọa độ

Hình 2.2: Đế Robot

- Bước 2: Vẽ khâu 1 và gán hệ trục tọa độ

Hình 2.3: Khâu 1 của robot

- Bước 3: Vẽ khâu 2 và gán hệ trục tọa độ

Hình 2.4: khâu 2 của robot

- Bước 4: Vẽ khâu 3 và tay kẹp rồi gán hệ trục tọa độ