NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOTABB-IRB120 CÙNG CÁC BÀI TOÁN VỀ ROBOT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐÀ KHOA CƠ ĐIỆN O AN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA XÍ NGHIỆP MỎ VÀ DẦU KHÍ H -*** VŨ LỚ P TỰ ĐỘ NG HÓ AVT KH ÓA 59 NĂ M Đề tài: 201 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOT ABB-IRB120 CÙNG CÁC BÀI TOÁN VỀ ROBOT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS.NGUYỄN ĐỨC KHOÁT SINH VIÊN THỰC HIỆN: ĐÀO ANH VŨ Hà Nội 06/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA CƠ ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA XÍ NGHIỆP MỎ VÀ DẦU KHÍ -*** - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Sinh viên thực hiện: Đào Anh Vũ Ngày sinh: 19/02/1995 Mã sinh viên: 1421011425 Khóa: 59 Hệ đào tạo: Chính quy Chun ngành: Tự Động Hóa Mã số: 7520216 Đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOT ABB-IRB120 CÙNG CÁC BÀI TỐN VỀ ROBOT CHỦ NHIỆM BỘ MƠN: PGS.TS.NGUYỄN ĐỨC KHOÁT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS.NGUYỄN ĐỨC KHOÁT Hà Nội 06/2019 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN MỞ ĐẦU: GIỚI THIỆU CÁC VẤN ĐỀ ĐẶT RA CHO ĐỒ ÁN CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ ROBOT ABB IRB120 1.1 Khái quát robot công nghiệp 1.1.1 Lịch sử phát triển Robot 1.1.2 Định nghĩa Robot 12 1.1.3 Phân loại Robot 13 1.1.4 Các đặc tính Robot cơng nghiệp 17 1.1.5 Cấu trúc hệ thống Robot 22 1.1.6 Ưu nhược điểm robot 24 1.1.7 Ứng dụng tương lai robot .25 1.2 Giới thiệu Robot ABB IRB120 – Tủ IRC5 – Phần mềm RobotStudio 27 1.2.1 Robot ABB IRB120 27 1.2.2 Tủ điều khiển IRC5 30 1.2.3 Phần mềm RobotStudio 33 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CHO ROBOT ABB 120 36 2.1 Giới thiệu 36 2.1.1 Khái quát động học vị trí 36 2.1.2 Phép biểu diễn Denavit – Hartenberg toán động học robot .36 2.2 Động học thuận cho robot ABB IRB120 (FORWARD KINEMATICS) 41 2.2.1 Khái niệm động học thuận phương pháp xây dựng mơ hình động học 41 2.2.2.Xây dựng giải thuật theo phép biểu diễn Danevit-Hartenberg 42 2.3 Động học ngược cho robot ABB IRB120 (INVERSE KINEMATICS) 47 2.3.1 Khái niệm động học ngược 47 2.3.2.Tính tốn xây dựng phương trình động học ngược cho robot ABB IRB120 51 2.3.3.Áp dụng giải thuật động học ngược giải toán gắp vật cho robot ABB 120 57 2.4 Lập trình điều khiển robot ABB 120 với tốn động học ngược giải 59 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ CHƯƠNG TRÌNH VÍ DỤ TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT 61 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .69 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Sự chuyển dịch cấu sử dụng robot ngành công nghiệp………… 15 Bảng 1.2 Thông tin chi tiết nhà sản xuất ABB IRB120……………………… 29 Bảng 1.3 Thông tin chi tiết nhà sản xuất IRC5…………………………… … 32 Bảng 2.1 Bảng D-H robot ABB IRB120…………… ……………………… 43 Bảng 2.2 Bảng tham số động học ngược robot ABB IRB120… ……………….58 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các bước phát triển Robot giới từ đầu kỉ XX-nay………… …….9 Hình 1.2 Các giai đoạn phát triển Robot Nhật Bản từ kỉ XX đến .10 Hình 1.3 Cơng ty OMRON tiếng thiết bị tự động, robot, chăm sóc sức khỏe……………………………………………… …………………………………11 Hình 1.4 Một số hình ảnh đẹp thi robocon…………… ……………………12 Hình 1.5 Ứng dụng robot cơng nghiệp sản xuất tơ…………… …………… 14 Hình 1.6 Robot phục vụ nhà hàng robot cún cưng Aibo-bước tiến thành công công nghệ robot Nhật Bản……………………………………………… ……… ….16 Hình 1.7 Robot kiểu tọa độ Đề – Trụ - SCARA………………….………… … 16 Hình 1.8 Minh họa độ xác độ lặp lại………………………………………… 18 Hình 1.9 Hình dạng điển hình phận robot cơng nghiệp…………… ….19 Hình 1.10 Các dạng khớp robot:…………………………………………… … 20 Hình 1.11 Các tọa độ suy rộng robot…………………………………… ……… 20 Hình 1.12 Quy tắc bàn tay phải………………………………………………… … 21 Hình 1.13 Biểu diễn trường cơng tác robot:…………………………… ……… 21 Hình 1.14 Cấu trúc hệ thống Robot…………………………………………….…….22 Hình 1.15 Sơ đồ cấu trúc robot…………………………………………… ……… 23 Hình 1.16 Kết cấu chung tay máy………………………………………….…….24 Hình 1.17 Ảnh hưởng CMCN 4.0 đến lĩnh vực…………………………… 25 Hình 1.18 Công nghệ robot với bước phát triển vượt bậc công nghiệp phục vụ, bảo vệ người…………………………… ………………………… …26 Hình 1.19 Hình ảnh Robot ABB IRB120…… …………… ……………………… 27 Hình 1.20 Cấu tạo robot ABB IRB 120…………………… …………………… 28 Hình 1.21 Hình ảnh robot ABB IRB120 thực tế phòng thí nghiệm………… … 28 Hình 1.22 Tủ IRC5……………………………………………… ….……… …… 30 Hình 1.23 Một số thành phần cấu tạo IRC5……….……………… …………… 30 Hình 1.24 Cấu tạo mặt trước Flexpendant ……………….………… ………….31 Hình 1.25 Menu điều khiển bên Flexpendant ………………… ……… 31 Hình 1.26 Giao diện RobotStudio… ………………………………… …….… 33 Hình 1.27 Khả giả lập điều khiển Flexpendant RobotStudio……… 34 Hình 1.28 Minh họa khả lập trình bước di chuyển robot………… 34 Hình 1.29 Mô hoạt động tạo vật thể robot phần mềm………… 35 Hình 1.30 Cái nhìn chung điều khiển sơ robot……………………………… 35 Hình 2.1 Mơ hình hóa khâu khớp theo phép biễu diễn DanevitHartenberg… 38 Hình 2.2 Mơ hình hóa hệ tọa độ khớp robot ABB 120 theo phép biểu diễn DH………………………………………………………………………………………42 Hình 2.3 Kích thước cấu Robot ABB 120……………………………………43 Hình 2.4 Mơ tốn động học ngược………………………………….…….55 Hình 3.1 Robot chạy tọa độ hình chữ nhật……………………………………….… 67 LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, cơng nghiệp ngày phát triển, kèm theo thiết bị giúp nâng cao chất lượng sản xuất thuận tiện cho trình sản xuất ngày phát triển phổ biến Do nhu cầu tìm hiểu thơng tin, cách vận hành thiết bị tự động hóa sản xuất ngày tăng Nhận thấy hội đó, chúng em cố gắng tiếp thu kiến thức chuyên ngành để nắm bắt thời nhằm hướng đến tương lai tươi sáng cho thân, gia đình xã hội Chúng em nhận thấy Robot Công nghiệp thành phần quan trọng, thiếu dây truyền sản xuất với mức tự động hóa cao Nó biết cấu khí lập trình làm cơng việc theo mong muốn lập trình viên Robot cơng nghiệp đóng vai trò giảm cường độ lao động, tăng suất lao động độ xác gia cơng, góp phần tăng chất lượng số lượng đồng thời giảm giá thành sản phẩm Đây hướng quan trọng trình hội nhập phát triển kinh tế, khoa học-kỹ thuật đất nước ta Lý chọn đề tài: Là sinh viên theo học chuyên ngành Tự động hóa với nhu cầu, ứng dụng thực tế cấp thiết công nghiệp nước nhà Em muốn nghiên cứu tìm hiểu thêm Robot Cơng nghiệp để có thêm kiến thức kinh nghiệm thực tiễn giúp thân có tảng tốt đường hoàn thiện tay nghề sau Quá trình thực hiện: Trong trình thực đồ án em phải tìm tòi, trao đổi với bạn bè, thầy cô hướng dẫn để vận dụng vào nghiên cứu, tìm cách giải tốn điều khiển Robot cách xác để làm đồ án cách hoàn chỉnh theo hiểu biết thân Nội dung thực hiện: Bao gồm chương: Chương 1: Giới thiệu khái quát robot công nghiệp robot ABB IRB120 Chương 2: Tính tốn động học vị trí Robot ABB IRB120 Chương 3: Một số sơ đồ điều khiển chương trình ví dụ điều khiển robot Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Hiện nay, giới nói chung Việt Nam nói riêng quan tâm, trọng phát triển tới ngành kỹ thuật, công nghệ chế tạo điều khiển Robot Nhiều hệ 10 >> m1=simplify(T16(1,4)) >> m2=simplify(T16(2,4)) >> m3=simplify(T16(3,4)) Từ kết matlab ta có hệ phương trình sau: Suy ra: Từ (3) => Có khả sau: => => + Vậy nằm khoảng: Đặt , từ (1) (2) suy ra: (2.25) Ta bình phương hai vế phương trình (4) (5) được: Ta cộng phương trình (6) (7) ta được: >> simplify(cos(th2+th3)*cos(th2)+sin(th2+th3)*sin(th2)) %Ta dùng matlab để rút gọn Từ (8) => => => Từ (7) (8) suy ra: + Để tìm ta quay lại dùng phương trình (4) (5), ta có: => => Ta (12) vào (11) biến đổi biểu thức ta tìm : 54 Ta (11) vào (12) biến đổi biểu thức ta tìm : Từ (13) (14) ta tìm : 55  Khớp 4,5,6: + Để tính ta áp dụng cơng thức (3.12) Ta có: Câu lệnh matlab sau: >> T43FK=simplify(T43*FK) >> T46=simplify(T45*T56) >> n1=simplify(T43FK(1,4)) >> n2=simplify(T43FK(2,4)) >> n3=simplify(T43FK(3,4)) >> m1=simplify(T46(1,4)) >> m2=simplify(T46(2,4)) >> m3=simplify(T46(3,4)) Ta hệ phương trình sau đây: (15) Từ (15.3) suy : Vậy nằm khoảng : + Để tính ta lại dùng phương trình (3.12): Câu lệnh matlab sau: >> T54FK=simplify(T54*FK) >> T34T56=simplify(T34*T56) >> n1=simplify(T54FK(1,4)) >> n2=simplify(T54FK(2,4)) >> n3=simplify(T54FK(3,4)) >> m1=simplify(T34T56(1,4)) >> m2=simplify(T34T56(2,4)) >> m3=simplify(T34T56(3,4)) Ta hệ phương trình sau đây: (16) => Ta thấy phương trình (16.3) có dạng , nên ta thay vào phương trình (16.3), ta được: Trong : (16.3.1) => => Vậy: + Để tính ta tiếp tục dùng cơng thức (3.12), ta có Câu lệnh matlab sau: >> T65FK=simplify(T65*FK) 56 >> T34T45=simplify(T34*T45) >> n1=simplify(T65FK(1,4)) >> n2=simplify(T65FK(2,4)) >> n3=simplify(T65FK(3,4)) >> m1=simplify(T34T56(1,4)) >> m2=simplify(T34T56(2,4)) >> m3=simplify(T34T56(3,4)) Ta hệ phương trình sau đây: (17) Từ (15.2) suy : Vậy nằm khoảng : 2.3.3.Áp dụng giải thuật động học ngược giải toán gắp vật cho robot ABB 120 Trong thực tế để giải toán gắp vật từ điểm qua điểm khác khơng gian ta phải xác định vị trí vật vị trí tay máy cần với tới khơng gian, sau ta áp dụng biểu thức lượng giác tính tốn động học ngược để tìm góc quay cần thiết trục Để tính góc ta cần xác định giá trị biểu thức sau: (2.26) Theo tốn đặt (Hình 2.2 ),vị trí X vật mà tay máy muốn với tới đặt hệ tọa độ (,): + C ma trận dịch chuyển vị trí hướng góc tọa độ chứa vật (,) so với hệ tọa độ gốc chân đế robot: + X ma trận dịch chuyển vị trí hướng hệ tọa độ công cụ khâu chấp hành cuối tay máy () vị trí vật so với hệ tọa độ chứa vật: + Gk ma trận dịch chuyễn vị trí hướng hệ tọa độ công cụ so với khâu chấp hành cuối, tốn đặt robot ABB 120 khơng gắn công cụ, ta xét khâu chấp hành cuối tay máy , ma trận Gk ma trận đơn vị: 57 Từ ma trận (2.26) ta có giá trị thay vào phương trình biến khớp mà ta vừa tính ta tính góc quay khớp tương ứng ta lập bảng biểu để dễ dàng cho việc lập trình: Vị trí T ên Biến khớp (độ) P x P y 500 P P z 00 16,74 7.36 19 ,63 P i Bảng 2.2 Bảng tham số động học ngược robot ABB IRB120 Vậy ta biết góc khớp quay tương ứng, từ ta tạo Jointtarget để lập trình cho Robot ABB IRB 120 ứng dụng Robot Studio với ngơn ngử RAPID 2.4 Lập trình điều khiển robot ABB 120 với toán động học ngược giải Động học ngược giúp ta thuận tiện khâu lập trình, với ngơn ngữ Rapid phần mềm Robot Studio ta truy cập vào chương trình hệ thống bắt đầu lập trình: - Ở cửa sổ Controller -> chọn RAPID -> chọn T_ROB1->Main Module ta bắt đầu viết chương trình - Ta tạo jointtarget tương ứng với vị trí ta muốn tay máy di chuyển đến, câu lệnh tạo biến jointtarget sau : CONST jointtarget pX_joint := [[rx1,rx2,rx3,rx4,rx5,rx6], [9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]]; - Trong rx1, rx2, rx3, rx4, rx5, rx6 tương ứng với góc khớp Robot từ Axis1 đến Axis6 Với vị trí X để gắp vật tính tốn ta có câu lệnh khai báo biến khớp vị trí X sau đây: CONST jointtarget pHome := [ [ 0, 0, 0, 0, 0, 0], [ 0, 9E9, 9E9, 9E9, 9E9, 9E9] ]; CONST jointtarget pX_joint:=[[0,16.75,27.36,0,19.63,0], [9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]]; 58 - Trong mục PROC main() , ta viết câu lệnh thực di chuyển, với biến jointtarget ta dùng lệnh MoveAbsJ để thực di chuyển khớp với biến khớp khai báo, ta có chương trình sau: MODULE MainModule CONST jointtarget pHome := [ [ 0, 0, 0, 0, 0, 0], [ 0, 9E9, 9E9, 9E9, 9E9, 9E9] ]; CONST jointtarget pX_joint:=[[0,16.75,27.36,0,19.63,0], [9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]]; PROC main() MoveAbsJ pHome,v200,fine,tool0; MoveAbsJ pX_joint,v100,fine,tool0; ENDPROC ENDMODULE - Như với toán động học ngược giải ta dễ dàng lập trình toán cho robot di chuyển tay máy tới vị trí lập - 59 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ CHƯƠNG TRÌNH VÍ DỤ TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT Sau số lưu đồ cách khởi động chương trình điều khiển robot mà chúng em làm nhằm giúp người đọc có nhìn tổng qt điều khiển lập trình cho robot: 60 61 62 63 64 65 66 Hình 3.1 Robot chạy tọa độ hình chữ nhật KẾT LUẬN Qua tháng thời gian thực tập tìm hiểu, chúng em đạt số kiến thức robot nói chung robot ABB IRB120 nói riêng Các chương đồ án toàn hiểu biết chúng em nguồn gốc, ứng dụng, cấu tạo, kết cấu chung robot công nghiệp, kiến thức tổng quát robot kiến thức robot ABB IRB120, động học thuận, động học ngược robot Chúng em nhận thấy, Robot ngành khoa học kỹ thuật vô quan trọng, thiết yếu cho cơng tự động hóa – đại hóa đất nước ta quan tâm nhiều lĩnh vực Đó hướng rộng mở cho tương lai nghề nghiệp kĩ sư tự động hóa thời đại Tuy nhiên, thời gian eo hẹp, khả tiếp thu kiến thức chưa cao, khó khăn q trình nghiên cứu đề tài khó đòi hỏi nhiều kinh nghiệm tiếp xúc làm việc với robot với có tham khảo đề tài coi mẻ nước ta Đó bất lợi mà chúng em gặp phải trình nghiên cứu đề tài lần này, nên nhiều vấn đề mà chưa giải như: động lực học robot, điều khiển robot, kết nối thiết bị ngoại vi camera cảm biến robot nhằm mục đích ứng dụng thực tiễn vào hoạt động sản xuất công nghiệp Một lần chúng em xin cảm ơn thầy hướng dẫn, thầy khoa Tự đơng hóa với Ban giám hiệu trường Đại học Mỏ - Địa chất giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn ! 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Martin Gaudreault, Ahmed Joubair, and Ilian A Bonev, “Local and Closed-Loop Calibration of an Industrial Serial Robot using a New Low-Cost 3D Measuring Devic” [2] Katie DiCola, B Eng, “Kinematic Calibration of a Serial Robotic Arm Using a Linear Movement Constraint” [3] TS.Lê Hoài Quốc, KS.Chung Tấn Lâm, “Nhập môn robot công nghiệp” [4] TS.Nguyễn Mạnh Tiến, “Điều khiển Robot công nghiệp”, NXB Khoa học kỹ thuật, tháng năm 2007 [5] GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc, “Robot công nghiệp”, NXB Khoa học kỹ thuật, In lần thứ 3, năm 2006 [6] PGS.TS Nguyễn Đức Khoát, “Robot cơng nghiệp”, Giáo trình dạy học 68