ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY BA BẬC TỰ DO DÙNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH

ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY BA BẬC TỰ DO DÙNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH MỤC LỤC GIỚI THIỆU: 1. Nhận xét của giáo viên hướng dẫn. 2. Nhận xét của giáo viên phản biện. 3. Mục lục. PHẦN A: MỞ ĐẦU 1 PHẦN B: NỘI DUNG 3 Chương 1: Cở sở lý thuyết 4 1.1 Lý thuyết PLC S7200 4 1.1.1 Giới thiệu PLC S7200 4 1.1.2 Bộ nhớ PLC S7200 6 1.1.3 Bộ điều rộng xung (PTOPWM) 7 1.1.4 Bộ đếm xung tốc độ cao 11 1.2 Tổng quan về Robot 18 1.2.1 Lịch sử phát triển 18 1.2.2 Hệ thống Robot 20 1.2.3 Phân loại Robot 20 1.2.4 Các khái niệm cơ bản 22 1.3 Khảo sát tay máy 3 bậc tự do 29 1.3.1 Quy tắc DenavitHartenberg 29 1.3.2 Động học và động lực học thuận 30 1.3.3 Động học ngược 39 1.4 Ứng dụng MATLAB 41 1.4.1 Xử lý ảnh trong MATLAB 41 1.4.2 OPC Toolbox 50 1.5 Sơ lược các bộ truyền động 55 1.5.1 Bộ truyền động bánh răng thẳng 55 1.5.2 Bộ truyền động bánh vít 56 1.6 Động cơ DC 57 1.6.1 Cấu tạo 57 1.6.2 Nguyên tắc hoạt động 58 1.6.3 Các phương pháp điều khiển 58 1.7 Rotary Encoder 59 1.7.1 Cấu tạo 59 1.7.2 Nguyên tắc hoạt động 60 1.8 Van khí nén 61 1.9 Xi lanh khí nén 62 Chương 2: Thiết kế và thi công phần cứng 63 2.1 Thiết kế mạch 63 2.1.1 Mạch nguồn 63 2.1.2 Mạch chuyển đổi áp 64 2.1.3 Mạch công suất 64 2.1.4 Mạch đảo chiều động cơ 65 2.1.5 Mạch lấy tín hiệu xung Encoder 65 2.1.6 Relay đóng mở van khí 66 2.2 Thông số khâu, khớp của tay máy 68 2.2.1 Thông số khâu 68 2.2.2 Góc ban đầu 68 2.2.3 Thông số encoder 68 2.2.4 Cách tính xung từ góc của khớp 68 2.3 Thi công 69 2.3.1 Mạch điều khiển 69 2.3.2 Hộp điều khiển 70 2.3.3 Không gian làm việc 70 2.3.4 Tay máy 71 Chương 3: Xây dựng phần mềm 72 3.1 Lưu đồ giải thuật cho toàn hệ thống 72 3.2 Lưu đồ giải thuật cho xử lý ảnh 73 3.3 Lưu đồ giải thuật cho chương trình PLC 74 3.3.1 Lưu đồ giải thuật cho chương trình chính 74 3.3.2 Lưu đồ giải thuật cho chương trình con 75 3.4 Giao diện điều khiển bằng MATLAB 77 PHẦN C: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 78 Phụ lục 80 Tài liệu tham khảo 110

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

NGUYỄN SĨ BÍCH

KHÓA : 2005 – 2009

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2009

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

Sau 4 năm học Đại học chúng em có được như ngày hôm nay là nhờ sự giúp

đỡ, động viên rất lớn từ nhiều phía.

Chúng em xin chân thành cảm ơn:

Gia đình đã luôn ủng hộ, giúp đỡ chúng em vượt qua khó khăn thử thách trong suốt thời gian qua.

Quý Thầy cô trong khoa Công nghệ Điện tử đã giúp chúng em có những kiến thức tốt để thực hiện đề tài này.

Thầy Trần Văn Trinh đã tận tình hướng dẫn chúng em trong quá trình chuẩn bị cũng như thực hiện đề tài.

Cùng tất cả các bạn đã giúp dỡ cho chúng tôi.

Võ Hoàng Trôvi Nguyễn Sĩ Bích

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2009 Chữ ký giáo viên: NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2009 Chữ ký giáo viên: MỤC LỤC

GIỚI THIỆU:

1 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn.

3 Mục lục.

PHẦN A: MỞ ĐẦU 1

PHẦN B: NỘI DUNG 3

Chương 1: Cở sở lý thuyết 4

1.1 Lý thuyết PLC S7-200 4

1.1.1 Giới thiệu PLC S7-200 4

1.1.2 Bộ nhớ PLC S7-200 6

1.1.3 Bộ điều rộng xung (PTO/PWM) 7

1.1.4 Bộ đếm xung tốc độ cao 11

1.2 Tổng quan về Robot 18

1.2.1 Lịch sử phát triển 18

1.2.2 Hệ thống Robot 20

1.2.3 Phân loại Robot 20

1.2.4 Các khái niệm cơ bản 22

1.3 Khảo sát tay máy 3 bậc tự do 29

1.3.1 Quy tắc Denavit-Hartenberg 29

1.3.2 Động học và động lực học thuận 30

1.3.3 Động học ngược 39

1.4 Ứng dụng MATLAB 41

1.4.1 Xử lý ảnh trong MATLAB 41

1.4.2 OPC Toolbox 50

1.5 Sơ lược các bộ truyền động 55

1.5.1 Bộ truyền động bánh răng thẳng 55

1.5.2 Bộ truyền động bánh vít 56

1.6 Động cơ DC 57

1.6.1 Cấu tạo 57

1.6.2 Nguyên tắc hoạt động 58

1.6.3 Các phương pháp điều khiển 58

1.7 Rotary Encoder 59

1.7.1 Cấu tạo 59

1.7.2 Nguyên tắc hoạt động 60

1.8 Van khí nén 61

1.9 Xi lanh khí nén 62

Chương 2: Thiết kế và thi công phần cứng 63

2.1 Thiết kế mạch 63

2.1.1 Mạch nguồn 63

2.1.2 Mạch chuyển đổi áp 64

2.1.3 Mạch công suất 64

2.1.4 Mạch đảo chiều động cơ 65

2.1.5 Mạch lấy tín hiệu xung Encoder 65

2.1.6 Relay đóng mở van khí 66

2.2 Thông số khâu, khớp của tay máy 68

2.2.1 Thông số khâu 68

2.2.2 Góc ban đầu 68

2.2.3 Thông số encoder 68

2.2.4 Cách tính xung từ góc của khớp 68

2.3 Thi công 69

2.3.1 Mạch điều khiển 69

2.3.2 Hộp điều khiển 70

2.3.3 Không gian làm việc 70

2.3.4 Tay máy 71

Chương 3: Xây dựng phần mềm 72

3.1 Lưu đồ giải thuật cho toàn hệ thống 72

3.2 Lưu đồ giải thuật cho xử lý ảnh 73

3.3 Lưu đồ giải thuật cho chương trình PLC 74

3.3.1 Lưu đồ giải thuật cho chương trình chính 74

3.3.2 Lưu đồ giải thuật cho chương trình con 75

3.4 Giao diện điều khiển bằng MATLAB 77

PHẦN C: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 78

Phụ lục 80

Tài liệu tham khảo 110

PHẦN A

Trong thời đại ngày nay, ngành công nghiệp đóng vai trò quan trọng trongnền kinh tế Từ những ngành như sản xuất, chế biến lương thực thực phẩm, nước uốngcho đến các ngành công nghệ chế tạo máy, công nghệ chế tạo ôtô, các ngành côngnghệ cao v.v…Tất cả những ngành đó có được hiệu quả kinh tế cao không ít nhờ vàocác hệ thống sản xuất tự động, những Robot tự động, những tay máy công nghiệp,chúng đã thay thế sức lao động con người một cách hiệu quả nhất Robot được sử dụngrộng rãi từ những nơi mà môi trường có tính độc hại, nguy hiểm, độ chính xác caotrong công nghiệp cho đến các công việc hằng ngày Do vậy Robot có tầm quan trọngrất lớn và là một trong những lĩnh vực nghiên cứu hàng đầu trong thời đại ngày nay.

Là sinh viên chuyên ngành điện tử tự động, để bổ sung những kiến thức đã họccũng như nghiên cứu những vấn đề mới trong lĩnh vực điều khiển nên chúng em quyết

định chọn đề tài “Điều khiển tay máy 3 bậc tự do dùng thị giác máy tính” Thông

qua luận văn chúng em sẽ khảo sát, nghiên cứu và điều khiển tay máy 3 bậc tự do đểgắp vật cố định trên mặt phẳng nhờ sự trợ giúp bởi Camera xác định tọa độ vật

Để điều khiển tay máy có thể dùng vi xử lý, vi điều khiển hoặc PLC kết hợp vớimạch công suất, mạch cảm biến Song thực tế cho thấy nếu xử lý ảnh dùng Camera

số bằng vi điều khiển hoặc PLC thì rất khó thực hiện, tốc độ xử ảnh chậm và giá thànhcao Chúng em đã chọn phương pháp dùng máy tính để xử lý ảnh và điều khiển taymáy thông qua PLC Mọi việc dễ dàng hơn nhiều và MATLAB trở thành phần mềmhữu hiệu để thực hiện theo cách trên MATLAB tích hợp nhiều công cụ cho nhiều lĩnhvực trong đó có hai Toolbox cần thiết là: Image Processing Toolbox cho việc xử lýảnh và OPC Toolbox cho việc kết nối PLC

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn đúng thời hạn nhưng trong quá trìnhthực hiện không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự đónggóp ý kiến từ quý Thầy cô và các bạn để đề tài của chúng em ngày càng hoàn thiệnhơn

PHẦN B

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong hệ thống tự động thường gặp những thiết bị làm việc theo nguyên tắc

tuần tự, tuân theo những quy luật được thiết kế sẵn với tín hiệu vào nằm hai mức có và

không như contact, relay, mạch định thời Các hệ thống này sẽ có sơ đồ phức tạp, độ

tin cậy kém, đáp ứng không nhanh, dễ hỏng v.v…Từ những năm 70 để đáp ứng nhucầu thực tế sản xuất, các mạch điều khiển bằng relay, bộ định thời đã không còn phùhợp, do đó bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller – PLC) rađời Các PLC đời đầu chỉ thực hiện các phép tính logic, tín hiệu vào là tín hiệu rời rạc.Hiện nay PLC còn thực hiện được các phép tính số học, logic và làm việc với tín hiệuvào là tín hiệu liên tục PLC S7-200 là một trong những PLC mạnh của hãng Siemens

PLC S7-200 gồm các phần chính sau:

- Khối CPU

- Khối nhớ RAM, ROM, EPROM, EEPROM

- Khối vào – ra

- Khối nguồn

- Khối mở rộng

Power Supply

InputInterface

Central Processing Unit

( CPU)Memory

OutputInterface

CPU 224 có hai loại thông dụng dựa vào ký hiệu trên nắp máy bao gồm:CPU

224 DC / DC / DC, CPU 224 AC / DC / RLY

Loại CPU 224 DC / DC / DC: Cần được cấp nguồn điện một chiều DC 24V,

các đầu vào và đầu ra cũng cần được cấp nguồn điện DC 24 V

Sơ đồ đấu dây :

Hình 1.2 : Sơ đồ đấu dây Loại CPU 224 DC / DC / DC

Loại CPU 224 AC / DC / RLY: Cần được cấp nguồn điện xoay chiều một pha

220ACV, các đầu vào cần được cấp nguồn điện DC 24 V và các đầu ra là các relay Sơ

đồ đấu dây :

Hình 1.3 : Sơ đồ đấu dây Loại CPU 224 AC / DC / RLY

Thông thường có 5 vùng như sau:

- Vùng nhớ I ( Process image input): vùng dữ liệu các cổng vào số, khi thựchiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic tất cả các cổng đầu vào rồi cất chúng trongvùng nhớ I Chương trình sẽ đọc giá trị logic các cổng vào thông qua vùng nhớ I

- Vùng nhớ Q ( Process Image Output): vùng nhớ đệm cho các cổng ra số Khikết thúc thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới cáccổng ra số

- Vùng nhớ M: chương trình sử dụng các tham số này cho việc lưu giữ các biếncần thiết Vùng nhớ này có thể truy cập theo bit (M), byte (MB), từ (MW) hay từ kép(MD)

- Vùng nhớ T (Timer): dùng để lưu trữ giá trị đặt trước, giá trị hiện tại cũng nhưgiá trị đầu ra của Timer

- Vùng nhớ C ( Counter): dùng để lưu trữ giá trị đặt trước, giá trị hiện tại cũngnhư giá trị đầu ra của Counter

1.1.2.3 Vùng chứa các khối dữ liệu:

- Data Block: vùng chứa dữ liệu được chia thành khối Kích thước do người sửdụng quy định Vùng nhớ này có thể truy cập theo từng bit (DBX), byte(DBB), từ(DBW) hoặc từ kép (DBD)

- Local Data Block: vùng dữ liệu địa phương, các khối chương trình chính,chương trình con, chương trình ngắt sử dụng và tổ chức cho các biến nháp tạm thời

trong chương trình chính, chương trình con hay chương trình ngắt Vùng nhớ này cóthể truy cập theo từng bit (L), byte(LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD).

1.1.3 Bộ điều rộng xung (PWM, PTO):

CPU S7-200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao Q0.0, Q0.1, dùng cho việc điều rộngxung tốc độ cao trong các ứng dụng điều khiển thiết bị bên ngoài như điều khiển tốc

độ động cơ, điều khiển nhiệt độ v.v

Có 2 cách điều rộng xung: điều rộng xung 50% (PTO) và điều rộng xung theo tỉ

lệ (PWM) Ở chế độ PWM, chu kì xung có thể ở mili giây hoặc micro giây Chu kì ởtầm 50ms đến 65,535ms hoặc ở 2μs đến 65,535 μs Ở chế độ PTO, chu kì ở tầm 50mss đến 65,535 μs đến 65,535 μs Ở chế độ PTO, chu kì ở tầm 50mss Ở chế độ PTO, chu kì ở tầm 50msđến 65,535ms hoặc ở 2μs đến 65,535 μs Ở chế độ PTO, chu kì ở tầm 50mss đến 65,535 μs đến 65,535 μs Ở chế độ PTO, chu kì ở tầm 50mss và xung đếm ở tầm từ 1 đến 4,294,967,295xung

Để tạo chương trình điều rộng xung thì có thể được thực hiện thông qua việcđịnh dạng Wizard

1.1.3.1 Điều rộng xung 50% (PTO):

Để thực hiện việc phát xung tốc độ cao ở chế độ PTO trước hết ta phải thựchiện các bước định dạng sau:

 Reset ngõ xung tốc độ cao ở chu kì đầu của chương trình

 Chọn loại ngõ ra phát xung tốc độ cao Q0.0 hay Q0.1

 Định dạng thời gian cơ sở ( Time base) dựa trên bảng sau:

Tham chiếu các byte điều khiển cho chế độ PTO

Result of executing the PLS instruction

Time Base Pulse Count Cycle

Time

Các Byte cho việc định dạng : SMB67 ( ngõ ra Q0.0)

Ngoài ra: Q0.0 Q0.1

SMW68 SMW78 : Xác định thời gian 1 chu kì.

SMD72 SMD82 : Xác định giá trị đếm xung PTO

1.1.3.2 Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM):

Để thực hiện việc phát xung tốc độ cao ở chế độ PWM trước hết ta phải thựchiện các bước định dạng sau:

 Reset ngõ xung tốc độ cao ở chu kì đầu của chương trình

 Chọn loại ngõ ra phát xung tốc độ cao Q0.0 hay Q0.1

 Định dạng thời gian cơ sở ( Time base) dựa trên bảng sau:

Tham chiếu các byte điều khiển cho chế độ PWM

Các Byte cho việc định dạng: SMB67 ( ngõ ra Q0.0)

- Vào Wizard chọn PTO/ PWM

Result of executing the PLS instruction

Cycle Time

Chọn thời gian khởi động đạt Max và thời gian Stop về Min.

Kết thúc tạo Wizard chương trình sẽ tạo hai chương trình con X_CTRL vàX_MAN Chúng ta sử dụng chương trình này cho việc định dạng xung.

1.1.4 Bộ đếm xung tốc độ cao (High-Speed Counter):

Bộ đếm xung tốc độ cao đếm các sự kiện tốc độ cao không phụ thuộc vào chu

kì quét của CPU Tần số đếm cao nhất phụ thuộc vào loại CPU Khi đếm bằng hai pha,

cả hai xung clock đều có thể hoạt động ở tốc độ cao nhất Chúng có thể hoạt động ởdạng nhân 1(1x) hoặc nhân 4 (4x) khi đếm hai pha

1.1.4.1 Hoạt động Reset:

Dưới đây là biểu đồ cho hoạt động Reset và Start

Hình 1.4: Hoạt động Reset không Start.

Hình 1.5: Hoạt động Reset với đầu vào Start.

Để tạo chương trình đọc xung tốc độ cao chúng ta có thể thông qua các bước Wizardnhư sau:

Chọn Wizard đọc xung tốc độ cao High Speed Counter:

Chọn Mode đọc xung tốc độ cao và loại Counter nào (HC0,HC1…)

Chế độ 2: Đếm tăng hoặc giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phépchọn bắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset Các Bit Start cũng nhưReset là các ngõ Input chọn từ bên ngoài

Hình 1.7: Giản đồ xung chế độ 3,4 và 5.

* Chế độ 6,7,8:

Dùng đếm 2 pha với 2 xung vào, 1 xung dùng để đếm tăng và một xung đếmgiảm

Chế độ 6: Chỉ đếm tăng giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset

Chế độ 7: Đếm tăng giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start

Chế độ 8: Đếm tăng giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắtđầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset Các Bit Start cũng như Reset là cácngõ Input chọn từ bên ngoài

Hình 1.8:Giản đồ xung chế độ 6,7 và 8.

* Chế độ 9,10,11 :

Dùng để đếm xung A/B của Encoder,có 2 dạng:

Dạng 1 (Quadrature 1x mode): Đếm tăng 1 khi có xung A/B quay theo chiềuthuận, và giảm 1 khi có xung A/B quay theo chiều ngược

Hình 1.9:Giản đồ xung Mode 9,10 và 11 Mode x1

Dạng 2 (Quadrature 4x mode): Đếm tăng 4 khi có xung A/B quay theo chiềuthuận, và giảm 4 khi có xung A/B quay theo chiều ngược

Chế độ 9: Chỉ đếm tăng giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset

Chế độ 10: Đếm tăng giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start

Chế độ 11: Đếm tăng giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọnbắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset Các Bit Start cũng như Reset làcác ngõ Input chọn từ bên ngoài

Hình 1.10: Giản đồ xung chế độ 9,10 và 11 ở dạng x 4.

Chế độ 12: Chỉ áp dụng với HSC0 và HSC3, HSC0 dùng để đếm số xung phát

ra từ Q0.0 và HSC3 đếm số xung từ Q0.1 ( Được phát ra ở chế độ phát xung nhanh)

mà không cần đấu phần cứng, nghĩa là PLC tự kiểm tra từ bên trong

Số Bit được sử dụng để điều khiển các chế độ của HSC

HSC0 HSC1 HSC2 HSC4 Description

Active level control bit for Reset**:

0 = Reset active high

1 = Reset active low SM47.1 SM57.1

Active level control bit for Start**:

0 = Start active high

1 = Start active low

1.2.1 Lịch sử phát triển:

Theo phương diện kỹ thuật Robot được định nghĩa là cơ cấu chấp hành đa chứcnăng tái lập trình, được thiết kế dùng để chuyển tải vật tư, công cụ hoặc thực hiệnnhững công việc cần phải có sự chính xác, những công việc trong môi trường độc hạiv.v…thông qua các chuyển động được lập trình Định nghĩa này gồm các cơ cấu chấphành tự động, các máy tự động hay các hệ thống tự động

Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1923, nhưng Robot công nghiệp chỉ thực

sự phát triển vào cuối những năm 1940 Robot công nghiệp ban đầu được dùng đểchuyển tải các loại vật tư nguy hiểm Cuối năm 1940 cơ cấu chấp hành chính phụ xuấthiện để chuyển tải vật liệu phóng xạ Cơ cấu chính được người điều khiển thao tác, cơcấu phụ sao chép chuyển động cơ cấu chính từ xa

Vào cuối những năm 1950, các cơ cấu lập trình xuất hiện Chúng liên tục đượccải tiến để ngày càng hoàn thiện Điều đặc biệt ở đây là các robot công nghiệp đã kếthợp với máy tính, các bộ vi xử lý với các cảm biến hồi tiếp về đã làm cho Robot trởnên hiệu quả và khả năng tự động càng cao Vào những năm 1960 Robot được trang bịthị giác máy tính, các loại cảm biến mô phỏng giác quan gần giống như con người

Trong những năm 80 Robot công nghiệp đã có những bước tiến mạnh mẽ doyêu cầu cao về tự động hóa và ngành công nghiệp ôtô Những năm 90 các nước ở Bắc

Mỹ, Châu Âu Nhật đã sử dụng rộng rãi robot trong các ngành công nghiệp

Ngày nay thì Robot đã tiến mức phát triển vượt bậc Robot gần như thay thếhoàn toàn sức lao động của con người trong các dây chuyền sản xuất tự động Khôngnhững chỉ trong ngành công nghiệp mà ngành khoa học vũ trụ robot cũng đóng vai tròquan trọng trong các thám hiểm ngoài không gian Robot còn đi vào cuộc sống hằngngày của con người, giúp con người trong sinh hoạt bình thường như: giặt quần áo, launhà, rửa chén bát.v.v Robot ngày càng có hình dạng giống con người, có khả nănggiao tiếp được với con người

HÌNH ẢNH MỘT SỐ ROBOT CÔNG NGHỆ HIỆN NAY:

Hình 1.11: Robot ASIMO

Hình 1.12: Robot công nghiệp KUKA

1.2.2 Hệ thống robot:

Hệ thống Robot gồm cơ cấu chấp hành, đầu tác động , bộ điều khiển dùng vi xử

lý, máy tính, hệ thống thị giác hoặc các bộ cảm biến không tiếp xúc Cơ cấu chấp hànhgồm nhiều khâu nối với nhau Một khâu cố định thường gọi là khâu đế, các khâu cònlại gọi là khâu động

Bộ tác động cuối ( tay kẹp) là thiết bị được gắn vào khâu động dùng để nâng,kẹp, xoay hoặc xử lý các chi tiết Thông thường bộ tác động cuối dùng để chuyển tảinhững vật có cùng kích thước, hình dạng, trọng lượng và công việc lặp đi lặp lại Cơcấu tác động thường là cơ cấu kẹp, thường là cơ cấu 1 DOF

Bộ điều khiển có thể từ loại đợn giản đến phức tạp, tùy theo yêu cầu của người

sử dụng Trong các khớp của Robot đều có các bộ mã hóa để chuyển đổi vận tốc, vị trícủa khớp thành các tín hiệu hồi tiếp về bộ điều khiển Một số bộ điều khiển có khảnăng tự học, tự tương tác với máy tính

Hình 1.13 : Minh họa một hệ thống robot.

1.2.3 Phân loại robot:

Robot có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn như số bậc tự do, cấu trúcđộng học, hệ thống truyền động, dạng hình học hoặc đặc tính chuyển động

1.2.3.1 Phân loại theo số bậc tự do:

Robot thường phân loại theo số bậc tự do Trong không gian làm việc ba chiều

Lệnh

Bộ điều khiển

Máy tính

bậc tự do thì thiếu Robot có số bậc tự do lớn hơn 6 đôi khi dùng để di chuyển Trongmột số trường hợp thì 4 bậc tự do cũng đủ yêu cầu làm việc như lắp ráp các chi tiếttrong mặt phẳng.

1.2.3.2 Phân loại theo cấu trúc động học:

Robot được gọi là Robot nối tiếp với cơ cấu chấp hành vòng hở nếu cấu trúcđộng học dạng chuỗi vòng hở, Robot song nếu cấu trúc động học dạng vòng kín.Robot lai thì có cả vòng kín và vòng hở Nhìn chung thì Robot song song có cấu trúcvững hơn Robot nối tiếp nhưng không gian làm việc hẹp hơn và điều khiển cũng phứctạp hơn

1.2.3.3 Phân loại theo hệ thống truyền động:

Trong hệ thống truyền động của Robot thì thường dùng các loại sau: điện, thủylực và khí nén Thông thường các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặcđộng cơ DC vì chúng dễ điều khiển Nếu từng khâu chuyển động độc lập bằng bộ tácđộng trên khâu thì phải thông qua hộp giảm tốc Việc dùng hộp giảm tốc thì giúp chođộng cơ được nhỏ gọn tuy nhiên độ sai lệch của các bánh răng truyền động trong hộpgiảm tốc gây ra sai số vị trí ở bộ phận chuyển động.Tuy nhiên đối các Robot cần tảitrọng lớn thì thường dùng thủy lực hay khí nén

1.2.3.4 Phân loại theo hình học không gian làm việc:

Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xách định là thể tích khônggian đầu tác động Thứ nhất là không gian có thể với tới, trong đó cơ cấu tác động cóthể với tới các điểm ít nhất là một chiều, thứ hai là không gian linh hoạt là thể tích mà

cơ cấu có thể với tới từng điểm và tác động nhiều chiều Tùy theo cấu trúc động họccủa Robot tạo ra các biên làm việc khác nhau gọi là vùng làm việc Ví dụ, đối vớiRobot có ba khớp lăng trụ thì không gian làm việc là hộp chữ nhật, Robot SCARAgồm hai khớp quay tiếp theo là khớp trụ, cổ tay chỉ có một bậc tự do nên Robot chỉthao tác các chi tiết trên mặt phẳng

1.2.3.5 Phân loại theo đặc tính chuyển động:

Các cơ cấu chấp hành của Robot có thể được phân loại theo bản chất củachuyển Chuyển động được gọi là chuyển động phẳng nếu tất cả các hạt trong vật thể tạo thành những đường cong phẳng trên những mặt phẳng song song Cơ cấu phẳng thìtất cả các chuyển động trong cơ cấu điều thực hiện chuyển động phẳng song song

Chuyển động được gọi là chuyển động cầu nếu tất cả các hạt trong vật tạo nên nhữngđường cong trên các mặt cầu đồng tâm Cơ cấu cầu nếu tất cả các khớp điều thực hiệnchuyển động cầu Tùy theo mụch đích ứng dụng, không gian làm việc của robot mà sửdụng loại cơ cấu phù hợp.

1.2.4 Các khái niệm cơ bản về Robot:

Cơ cấu dùng trong robot công nghiệp gồm nhiều khâu liên kết nhau bằng cáckhớp nối Số bậc tự do của cơ cấu phụ thuộc vào số khâu và khớp, loại khớp dùngtrong cơ cấu

- Khớp lăng trụ P: cho phép hai phần tử cặp đôi trược với nhau dọc trục đượcxác định bằng dạng hình học của khớp Khớp lăng trụ đôi khi gọi là cặp trược Khớplăng trụ là khớp 1 DOF

- Khớp trụ C: cho phép quay và tịnh tiến độc lập theo một trục được xác địnhbằng dạng hình học của khớp Khớp trụ là khớp 2 DOF

- Khớp xoắn H: cho phép hai phần tử cặp đôi quay và tịnh tiến dọc trục đượcxác định bằng dạng hình học của khớp Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến quan hệ theochuyển động quay của bước vít Khớp xoắn là khớp 1DOF

- Khớp cầu F: cho phép một phần tử quay tự do với phần tử kia ở tâm khối cầutheo một chiều Khớp cầu là khớp 3 DOF

- Cặp phẳng E: cho phép hai bậc tự do tịnh tiến trên mặt phẳng tiếp xúc và mộtbậc tự do quay quanh trục vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc Khớp này là khớp 3DOF

Các robot thực hiện hai chuyển động cơ bản :

- Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarde, cácchuyển động này thường kí hiệu T hoặc P.

- Chuyển động xoay theo các trục x, y, z kí hiệu là R (Rotation) Tùy theo kếtcấu của tay máy mà sẽ có vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp là robotkiểu tọa độ Descarde, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot scara…

Các kiểu Robot thông dụng:

+ Robot kiểu tọa độ Descarde: tay máy có 3 chuyển động tịnh tiến theo phươngcủa trục tọa độ gốc Trường làm việc có cấu trúc hình hộp chữ nhật

Hình 1.14: Robot kiểu tọa độ Descarde

+ Robot kiểu tọa độ trụ: vùng làm việc của Robot có dạng trụ rỗng, thườngkhớp đế chuyển động quay

Hình 1.15: Robot kiểu tọa độ trụ

+ Robot kiểu tọa độ cầu: Vùng làm việc của Robot có dạng hình cầu

Hình 1.16: Robot kiểu tọa độ cầu.

+ Robot kiểu tọa độ góc: thường được sử dụng nhiều nhất, ba chuyển động đầu

tiên là chuyển động quay, trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia Các chuyển độngkhác cũng là chuyển động quay nhưng trên những mặt phẳng khác nhau

Hình 1.17: Robot hoạt động theo tọa độ góc.

+ Robot kiểu Scara: Robot Scara ra đời vào năm 1979 tai trường Yamanashi(Nhật bản), là một dạng tay máy được ứng dụng rộng rãi và rất linh hoạt

Hình 1.18: Robot kiểu Scara.

* Những dạng cơ cấu khớp cơ bản:

Cơ cấu 3 xoay ( RRR) Cơ cấu 2 khớp xoay, 1 khớp trược (RRP)

1.2.4.2 Bậc tự do:

Cơ cấu 3 khớp trược ( PPP)

Cơ cấu 2 khớp xoay, 1 khớp

trược (RRP)

Cơ cấu 1 khớp xoay, 2 khớp trược ( RPP)

Trong nghiên cứu động học Robot thì vấn đề đầu tiên là số bậc tự do của cơcấu Số bậc tự do là số các thông số độc lập hoặc các thông số ngõ vào cần thiết để cấuthành cơ cấu hoàn chỉnh Ta có các ký hiệu sau dùng cho các phương trình về cơ cấu:

Ci: số ràng buộc của khớp i

F : số bậc tự do của cơ cấu

fi : số chuyển động tương đối của khớp i

j : số khớp trong cơ cấu

ji : số khớp với i bậc tự do

L : số vòng độc lập trong cơ cấu

n : số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định

λ : số bậc tự do trong không gian làm việc

Giả thiết các khớp đều là khớp hai chiều , khớp 3 chiều được coi là khớp 2chiều, khớp 4 chiều được coi là khớp 3 chiều Giá trị bậc tự do của cơ cấu bằng bậc tự

do liên quan tới tất cả các khâu chuyển động trừ đi số ràng buộc của khớp Nếu tất cảcác khâu đều không bị ràng buộc thì số bậc tự do của cơ cấu n khớp sẽ bằng

λ(n-1) Tuy nhiên tổng các ràng buộc của các khớp bằng i j c i, do đó giá trị bậc tự

do của cơ cấu được tính theo phương trình:

( 1)

j i i

Số ràng buộc của một khâu và số bậc tự do của khâu đó bằng thông số chuyểnđộng λ, do đó:

λ = ci + fi Tổng ràng buộc các khâu là:

Ví dụ: Với cơ cấu năm khâu phẳng Ta có: λ =3, n =5, j = ji = 5

Ta có F = 3(5-5-1)+5x1 =2 Cơ cấu này là cơ cấu 2 DOF

1.2.4.3 Hệ trục tọa độ:

Mỗi robot gồm nhiều khâu liên kết với nhau bởi các khớp tạo thành những mắcxích động học xuất phát từ những khâu cơ bản đứng yên Hệ tọa độ gắn với khâu cơbản gọi là hệ tọa độ cơ bản ( hay hệ tọa độ chuẩn) Các hệ tọa độ khác gọi là hệ tọa độsuy rộng xác định cấu hình của Robot Các hệ tọa độ suy rộng gọi là các biến khớp

Hình 1.19: Các tọa độ suy rộng của Robot.

Các hệ tọa độ gắn lên khâu phải tuân theo quy tắc bàn tay phải Thường dùngchữ O các chỉ số n chỉ hệ tọa độ gắn lên khâu n Hệ tọa độ cơ bản kí hiệu là O0, cáckhâu trung gian tương ứng là O1, O2, …On-1 Hệ tọa độ trên khâu cuối cùng On

1.2.4.4 Trường công tác:

Trường công tác của Robot là toàn bộ thể tích mà khâu chấp hành cuối đượcquét khi robot thực hiện các chuyển động có thể Trường công tác phụ thuộc vào cấutrúc hình học của Robot và cơ học của khớp

Hình 1.20: Biểu diễn trường công tác của robot 1.2.4.5 Động học:

Động học nghiên cứu chuyển động nhưng không xét đến các lực hay các

“momen” gây ra chuyển động Động học chỉ xét vị trí, vận tốc, gia tốc và các đạo hàmcác biến vị trí theo các biến thời gian, do đó chỉ đề cập tới tính chất hình học và thờigian của không gian chuyển động Giải tích động học nghiên cứu về đạo hàm, vi phântích phân của chuyển động tương đối Có hai dạng bài toán động học thuận và độnghọc ngược Động học thuận giải bài toán vị trí và định hướng của đầu tác động với cácbiến khớp là biến đầu vào, động học đảo thì ngược lại

1.2.4.6 Tĩnh học:

Tĩnh học nghiên cứu các quan hệ lực tạo ra sự cân bằng giữa các thành phầnkhác nhau của cơ cấu chấp hành Khi hoạt động, Robot chịu rất nhiều lực tác độngnhư: trọng lực, lực quán tính, trọng tải v.v…Do đó các lực phải xem xét kỹ trong gianđoạn thiết kế Robot Cân bằng lực phụ thuộc vào hình dạng của cơ cấu

1.2.4.7 Động lực học:

Động lực học nghiên cứu các lực và momen cần thiết để tạo nên chuyển độngtrong các cơ cấu chấp hành Động lực học cơ cấu là vấn đề phức tạp vì lực và momenkhông chỉ phụ không gian thời gian chuyển động mà còn phụ thuộc vào khối lượngcủa tải và ngoại lực Động học thuận giải bài toán chuyển động của đầu tác động theo

bài toán tìm các lực và “momen” với đầu vào là các biến quỹ đạo chuyển động của đầutác động theo thời gian.

1.3 Khảo sát tay máy 3 bậc tự do dạng RRR:

1.3.1 Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H):

Một Robot nhiều khâu cấu thành từ các khâu nối tiếp thông qua các khớp động.Gốc chuẩn của một Robot là khâu số 0, khâu 1 nối với khâu chuẩn bởi khớp 1, khâu 2nối với khâu 1 bởi khớp 2…Bất kì khâu nào cũng đặt trưng bởi hai kích thước:

- Độ dài pháp tuyến chung an

- Góc giữa các trục trong mặt phẳng vuông góc với an là αn

Hình 1.21: Chiều dài và góc xoắn của 1 khâu.

Hình 1.21: Các thông số khâu θ, d, a và α

Mỗi trục sẽ có hai pháp tuyến, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu Vị trí tươngđối của hai khâu liên kết với nhau được xác định bởi dn là khoảng cách giữa các pháptuyến đo dọc theo trục khớp n và θn là góc giữa các pháp tuyến đo trong mặt phẳngvuông góc với trục Trong thực tế thường dn và θn thường gọi là khoảng cách và gócgiữa các khâu Nguyên tắc hệ trục tọa độ như sau:

- Gốc của hệ tọa độ gắn lên khâu n đặt tại giao điểm của pháp tuyến an với trụckhớp thứ n + 1 Trường hợp hai trục khớp cắt nhau, gốc tọa độ sẽ đặt tại chính điểmcắt đó Nếu các trục khớp song song với nhau, gốc tọa độ được chọn trên trục khớpcủa khâu đế tiếp, tại điểm thích hợp.

- Trục z của hệ tọa độ gắn lên khâu thứ n đặt dọc theo trục khớp thứ n + 1

- Trục x thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và hướng từ n đến n + 1.Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục x chọn theo tích vector Z XZn n1.Trong trường hợp khớp tịnh tiến thì dn là biến khớp và an = 0

Gắn hệ trục tọa độ cho các khớp phải theo quy tắc bàn tay phải:

1 0 1 0

0 1 0

1

0 1 0

1

1

C S

S C

0 1 0 0

2 2 0 2 2

2 2 0 2 2

2 1

S

C l S

0 1 0 0

3 3 0 3 3

3 3 0 3 3

S

C l S

C

2 1

1 0

2 0

3

0 T T

T T

2

2 1

0 0

1 2 2 0

2 2

2 1 2 1 2

1 2

1

2 1 2 1 2

1 2

1

2

C S l C C

S C

S

C C l S S

C C

C T

0 0

0 1

0 0

2 2 23 3 0 23 23

2 2 23 3 0 23 23

l C

S

C l C

l S

C T

0 0

1 2 2 23 3 0

23 23

2 1 2 23 1 3 1 23

1 23

1

2 1 2 23 1 3 1 23

1 23

1

3

0

l S l S

l C

S

C S l C

S l C S

S C

S

C C l C

C l S S

C C

C T

Pz Az Sz Nz

Py Ay Sy Ny

Px Ax Sx Nx

;

Trong đó: Nx,y,z là phương vuông góc; Sx,y,z là phương tiếp cận; Ax,y,z là hướngcủa tay kẹp; Px,y,z là chỉ vị trí của tay kẹp

Jacobian:

32

1

32

Pz

Py Py

Py

Px Px

Px

Với :

2 1 2 23 1

l

2 1 2 23 1

3S C l S C

l

1 2 2 23

2 23 3 0

23 1 3 2 1 2 23 1 3 2

1 2 23 1 3

23 1 3 2 1 2 23 1 3 2 1 2 23 1 3

l C

l

S C l S

C l S

S l C

C l C

C l

S C l S

C l S

C l C

S l C

S l

D

)(

k i j

T ji j jk

)(

m k i j

T ji j jkm

j j ji i

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

3 2

Q

* Tính thông số Dik

)(

3

) , max(

T

k i j

) (

)

Tr Tr

Tr

) (

) ( 22 2 21 32 3 31

) ( 33 3 31

) (

) ( 21 2 22 31 3 32

) (

) ( 22 2 22 32 3 32

) ( 33 3 32

) ( 31 3 33

i j

T Q T

U

i j j j

ij

;0

;

1

1 0

T

Q

0 1

0 1

0 1

31

T Q

T

1 2

1

0

1 2

1 0

2 3

2 0

h

i

3

)(

m k i j

T ji j jkm

Tính h1

3 3 2

3

1 3 3

2 2

2 1

2 3

1 2

1 1

1

133

.

.

132

131

123

122

121

113

112

.

111

1

q q h q

q

h

q q h q q h q q h q q h q q h q q h q q

) (

) ( 111 1 11 211 2 21 311 3 31

Tr Tr



) (

) ( 212 2 21 312 3 31

I U

I U

Tr



) ( 331 3 31

3

1 3 3

2 2

2 1

2 3

1 2

1 1

1

233

.

.

232

231

223

222

221

213

212

.

211

2

q q h q

q

h

q q h q q h q q h q q h q q h q q h q q

) ( 211 2 22 311 3 32

) ( 212 2 22 312 3 32

I U

I U

3

1 3 3

2 2

2 1

2 3

1 2

1 1

1

333

.

.

332

331

323

322

321

313

312

.

311

3

q q h q

q

h

q q h q q h q q h q q h q q h q q h q q

Tr

