Thiết kế và mô phỏng cánh tay robot công nghiệp 3 bậc tự do

thiết kế và mô phỏng cánh tay robot công nghiệp 3 bậc tự do sử dụng phần mềm SolidWorks và Matlab

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA BÁO CÁO BÀI TẬP MÔN HỌC KỸ THUẬT ROBOTICS VÀ CNC Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÁNH TAY ROBOT CÔNG NGHIỆP BẬC TỰ DO Sinh viên thực : Sầm Quang Truyền Hoàng Anh Tuấn Nguyễn Minh Tuấn Lớp : CNTĐH-K15A Giáo viên giảng dạy : TS Nguyễn Vôn Dim Thái Nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Trong trình thực đề tài báo cáo này, em xin đảm bảo báo cáo nhóm em thực hiện, khơng có chép nguyên văn tài liệu Nếu sai nhóm em xin chịu hình thức kỷ luật nhà trường Thái Nguyên , Ngày 01 tháng 10 năm 2020 Người cam đoan NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………… MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngành công nghiệp robot giới đưa sản phẩm robot công nghiệp để phục vụ sản xuất, chí phục vụ nhu cầu giải trí chăm sóc người Với ngành cơng nghiệp Việt Nam robot chưa xuất nhiều dây truyền sản xuất Vì sản phẩm đắt thị trường Việt Nam Nhằm nội địa hóa sản phẩm, nghiên cứu chuyên sâu robot, chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo điều khiển cánh tay robot bậc tự do” Đề tài hướng tới thay điều khiển cơng ty nước ngồi xây dựng thuật điều khiển tối ưu cho đối tượng sản xuất, mà đối tượng thích hợp với điều kiện sản xuất nước ta Với phịng thí nghiệm, mơ hình để sinh viên thực nghiệm nghiên cứu, để hướng tới cho bạn sinh viên nhìn cụ thể, thực tiễn robot Mục đích nghiên cứu đề tài Mục đích đề tài nghiên cứu cấu tạo phương pháp điều khiển thích hợp sở ứng dụng kỹ thuật tiên tiến xây dựng giải pháp phần cứng phần mềm để chế tạo điều khiển cánh tay robot ba bậc tự Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, áp dụng vào phịng thí nghiệm trường cao đẳng, đại học ứng dụng sản xuất công nghiệp Phần 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHÂN LOẠI ROBOT 1.1 Các khái niệm 1.1.1.Robot Robotics Từ thời cổ xưa, người mong muốn tạo vật giống để bắt chúng phục vụ cho thân Ví dụ, kho thần thoại Hy Lạp có chuyện người khổng lồ Promethe đúc người từ đất sét truyền cho họ sống, chuyện tên nô lệ Talus khổng lồ làm đồng giao nhiệm vụ bảo vệ hoang đảo Crete Đến năm 1921, từ "Robot" xuất lần đầu kịch "Rossum's Universal Robots" nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek Trong kịch này, ông dùng từ "Robot", biến thể từ gốc Slavơ "Rabota", để gọi thiết bị - lao công người (nhân vật Rossum) tạo Vào năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot máy tự động, mang diện mạo người, điều khiển hệ thần kinh khả trình Positron, người lập trình Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu robot Robotics, có ngun tắc bản: Robot khơng xúc phạm người không gây tổn hại cho người Hoạt động robot phải tuân theo quy tắc người đặt Các quy tắc không vi phạm nguyên tắc thứ Một robot cần phải bảo vệ sống mình, khơng vi phạm hai ngun tắc trước Các nguyên tắc sau trở thành tảng cho việc thiết kế robot Từ hư cấu khoa học viễn tưởng, robot giới kỹ thuật hình dung máy đặc biệt, người tác theo cấu tạo hoạt động mình, dùng để thay số cơng việc xác định Để hồn thành nhiệm vụ đó, robot cần có khả cảm nhận thơng số trạng thái môi trường tiến hành hoạt động tương tự người Khả hoạt động robot đảm bảo hệ thống khí, gồm cấu vận động để lại cấu hành động để làm việc Việc thiết kế chế tạo hệ thống thuộc lĩnh vực khoa học cấu truyền động, chấp hành vật liệu khí Chức cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu trạng thái mơi trường trạng thái thân hệ thống, cảm biến (sensor) thiết bị liên quan thực Hệ thống gọi hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu, hay đơn giản hệ thống cảm biến Muốn phối hợp hoạt động hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot tự điều chỉnh "Hành vi" hoạt động theo chức quy định điều kiện môi trường thay đổi, robot phải có hệ thống điều khiển Xây dựng hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển công nghệ thông tin Robotics hiểu ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot ứng dụng chúng lĩnh vực hoạt động khác xã hội loài người, nghiên cứu khoa học, kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng dân sinh [3,tr.8] Từ hiểu biết sơ chức kết cấu robot, hiểu, Robotics khoa học liên ngành, gồm khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển công nghệ thông tin Theo thuật ngữ nay, robot sản phẩm ngành - điện tử (Mechatronics) Khía cạnh nhân văn khía cạnh khoa học - kỹ thuật việc sản sinh robot thống điểm: thực hoài bão người, tạo thiết bị thay hoạt động khơng thích hợp với mình, như: - Các cơng việc lặp lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà, - Trong môi trường khắc nghiệt nguy hiểm: ngồi khoảng khơng vũ trụ, chiến trường, nước sâu, lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao, - Những việc địi hỏi độ xác cao, thơng tắc mạch máu ống dẫn thể, lắp ráp cấu tử vi mạch, Lĩnh vực ứng dựng robot rộng ngày mở rộng thêm Ngày nay, khái niệm robot mở rộng khái niệm nguyên thuỷ nhiều Sự tác kết cấu, chức năng, dáng vẻ người cần thiết khơng cịn ngự trị kỹ thuật robot Kết cấu nhiều "con" robot khác xa với kết cấu phận thể người chúng thực việc vượt xa khả người 1.1.2.Robot công nghiệp (RBCN) Mặc dù, định nghĩa chung robot nêu, khơng có giới hạn phạm vi ứng dụng robot, có thực tế hầu hết robot có dùng cơng nghiệp Chúng có đặc điểm riêng kết cấu, chức năng, thống hoá, thương mại hoá rộng rãi Lớp robot gọi Robot công nghiệp (Industrial Robot - IR) Kỹ thuật tự động hố (TĐH) cơng nghiệp đạt tới trình độ cao: khơng TĐH q trình vật lý mà q trình xử lý thơng tin Vì vậy, TĐH cơng nghiệp tích hợp cơng nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động có TĐH nhờ máy tính Hiện nay, công nghiệp tồn dạng TĐH: - TĐH cứng (Fixed Automation) hình thành dạng thiết bị dây chuyền chun mơn hố theo đối tượng (sản phẩm) Nó ứng dụng có hiệu điều kiện sản xuất hàng khối với sản lượng lớn sản phẩm loại - TĐH khả trình (Proqrammable Automation) ứng dụng chủ yếu sản xuất loạt nhỏ, loạt vừa, đáp ứng phần lớn nhu cầu sản phẩm công nghiệp Hệ thống thiết bị dạng thiết bị vạn điều khiển số, cho phép dễ dàng lập trình lại để thay đổi chủng loại (tức thay đổi quy trình cơng nghệ sản xuất) sản phẩm - TĐH linh hoạt (Flexible Automation) dạng phát triển TĐH khả trình Nó tích hợp cơng nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển máy tính, cho phép thay đổi đối tượng sản xuất mà không cần (hoặc hạn chế) can thiệp người TĐH linh hoạt biểu dạng: tế bào sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing Cell FMC) hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing System - FMS) RBCN có đặc trưng bản: - Là thiết bị vạn năng, TĐH theo chương trình lập trình lại để đáp ứng cách linh hoạt, khéo léo nhiệm vụ khác - Được ứng dụng trường hợp mang tính cơng nghiệp đặc trưng, vận chuyển xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường, Vì thể đặc trưng RBCN, định nghĩa sau robot công nghiệp Viện nghiên cứu robot Mỹ đề xuất sử dụng rộng rãi: RBCN tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình lập trình lại để hồn thành nâng cao hiệu hoàn thành nhiệm vụ khác công nghiệp, vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng khác Ngoài ý trên, định nghĩa rOCT 25686-85 bổ sung cho RBCN chức điều khiển trình sản xuất: RBCN máy tự động đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có số bậc tự hoạt động thiết bị điều khiển theo chương trình, tái lập trình để hồn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất Chức vận động bao gồm hoạt động "cơ bắp" vận chuyển, định hướng, xếp đặt, gá kẹp, lắp ráp, đối tượng Chức điều khiển ám vai trò robot phương tiện điều hành sản xuất, cung cấp dụng cụ vật liệu, phân loại phân phối sản phẩm, trì nhịp sản xuất chí điều khiển thiết bị liên quan Với đặc điểm lập trình lại, RBCN thiết bị TĐH khả trình ngày trở thành phận khơng thể thiếu tế bào hệ thống sản xuất linh hoạt 1.2 Cấu trúc RBCN 1.2.1.Kết cấu chung Một RBCN cấu thành hệ thống sau (hình 1.1): - Tay máy (Manipulator) 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 (End Effector) để trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng Hình 1.1: Sơ đồ khối RBCN - Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho khâu tay máy Nguồn động lực cấu chấp hành động loại: điện, thuỷ 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 Sơ đồ kết cấu chung robot hình 1.2 Hình 1.2: Sơ đồ kết cấu chung RBCN 1.2.2 Kết cấu tay máy Tay máy phẩn sở, định khả làm việc RBCN Đó thiết bị khí đảm bảo cho robot khả chuyển động không gian khả làm việc, nâng hạ vật, lắp ráp, Ý tưởng ban đầu việc thiết kế chế tạo tay máy tác cấu tạo chức tay người (hình 1.3) Về sau, khơng cịn điều bắt buộc Tay máy đa dạng nhiều loại có dáng vẻ khác xa với tay người Tuy nhiên, kỹ thuật robot người ta dùng thuật ngữ quen thuộc, vai (Shoulder), cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hund) khớp (Articulations), để tay máy phận Trong thiết kế sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến thơng số có ảnh hướng lớn đến khả làm việc chúng, như: - Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp tay, - Tầm với hay vùng làm việc: kích thước hình dáng vùng mà phần cơng tác với tới; - Sự khéo léo, nghĩa khả định vị định hướng phần công tác vùng làm việc Thông số liên quan đến số bậc tự phần cơng tác Hình 1.3: Sự tương tác tay người tay máy Để định vị định hướng phần công tác cách tuỳ ý khơng gian chiều cần có bậc tự do, bậc tự để định vị, bậc tự để định hướng Một số công việc nâng hạ, xếp dỡ, yêu cầu số bậc tự Robot hàn, sơn thường có bậc tự Trong số trường hợp cần khéo léo, linh hoạt cần tối ưu hố quỹ đạo, người ta dùng robot với số bậc tự lớn Các tay máy có đặc điểm chung kết cấu gồm có khâu, nối với khớp để hình thành chuỗi động học hở, tính từ thân đến phần công tác Các khớp dùng phổ biến khớp trượt khớp quay Tuỳ theo số lượng cách bố trí khớp mà tạo tay máy kiểu tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA kiểu tay người (Anthropomorphic) Tay máy kiểu tọa độ đề (hình 1.4), gọi kiểu chữ nhật, dùng khớp trượt, cho phép phần công tác thực cách độc lập chuyển động thẳng, song song với trục toạ độ Vùng làm việc tay máy có dạng hình hộp chữ nhật Do đơn giản kết cấu, tay máy kiểu có độ cứng vững cao, độ xác đảm bảo đồng tồn vùng làm việc, khéo léo Vì vậy, tay máy kiểu đề dùng để vận chuyển lắp ráp Tay máy kiểu tọa độ trụ (hình 1.5) khác với tay máy kiểu đề khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay cho khớp trượt Vùng làm việc có dạng hình trụ rỗng Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy "thò" vào khoang rỗng nằm ngang Độ cứng vững học tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, độ xác định vị góc mặt phẳng nằm ngang giảm tầm với tăng Tay máy kiểu tọa độ cầu (hình 1.6) khác kiểu trụ khớp thứ hai (khớp trượt) thay khớp quay Nếu quỹ đạo chuyển động phần công tác mô tả toạ độ cầu bậc tự tương ứng với khả chuyển động vùng làm việc khối cầu rỗng Độ cứng vững loại tay máy thấp loại độ xác định vị phụ thuộc vào tầm với Tuy nhiên, loại "nhặt" vật SCARA (hình 1.7) đề xuất lần đầu vào năm 1979 Trường đại học Yamanashi (Nhật bản) dùng cho cơng việc lắp ráp Đó kiêu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm khớp quay khớp trượt, khớp có trục song song với Kết cấu làm tay máy cứng vững theo phương thẳng đứng cứng vững (Compliance) theo phương chọn (Selective), phương ngang Loại chuyên dùng cho công việc lắp ráp (Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng Từ SCARA viết tắt "Selective Compliance Assembly Robot Arm" để mô tả đặc điểm Vùng làm việc SCARA phần hình trụ rỗng, hình 1.7 Tay máy kiểu tay người (Anthropomorphic), mơ tả hình 1.8, có khớp khớp quay, trục thứ vng góc với trục Do tương tự với tay người, khớp thứ hai gọi khớp vai (Shoulder joint), khớp thứ ba khớp khuỷu (Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay Với kết cấu này, khơng có tương ứng khả chuyển động khâu số bậc tự Tay máy làm việc khéo léo, độ xác định vị phụ thuộc vị trí phần công tác vùng làm việc Vùng làm việc tay máy kiểu gần giống phần khối cầu Toàn dạng kết cấu tả liên quan đến khả định vị phần cơng tác Muốn định hướng nó, cần bổ sung phần cổ tay Muốn định hướng cách tuỳ ý phần cơng tác, cổ tay phải có chuyển động quay quanh trục vng góc với Trong trường hợp trục quay khớp gặp điểm ta gọi khớp cầu (hình 1.9) Ưu điểm khớp cầu tách thao tác định vị định hướng phần cơng tác, làm đơn giản việc tính tốn Các kiểu khớp khác đơn giản kết cấu khí, tính tốn toạ độ khó hơn, không tách loại thao tác Phần công tác phận trực tiếp tác động lên đối tượng Tuỳ theo yêu cầu làm việc robot, phần cơng tác tay gắp (Gripper), cơng cụ (súng phun sơn, mỏ hàn, dao cắt, chìa vặn ốc, ) 1.3 Phân loại robot Thế giới robot phong phú đa dạng, phân loại chúng khơng đơn giản Có nhiều quan điểm phân loại khác Mỗi quan điểm phục vụ mục đích riêng Tuy nhiên, nêu cách phân loại bản: theo kết cấu, theo điều khiển theo phạm vi ứng dụng robot 1.3.1 Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân robot thành loại: đề các, trụ, cầu, SCARA, kiểu tay người dạng khác (xem hình từ 1.4 đến hình 1.9) Điều trình bày mục 1.2.2 1.3.2 Phân loại theo điều khiển Có kiểu điều khiển robot: điểu 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 điều khiển đơn giản, đạt độ xác thấp Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tãng độ xác điều khiển Có kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm điều khiển theo đường (contour) Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm đến điểm theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc) Nó làm việc điểm dừng Kiểu điều khiển dùng robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh, Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ điều khiển Có thể gặp kiểu điểu khiển robot hàn hồ quang, phun sơn 10 11 1.3.3 Phân loại theo ứng dụng Cách phân loại dựa vào ứng dụng robot Ví dụ, có robot cơng nghiệp, robot dùng nghiên cứu khoa học, robot dùng kỹ thuật vũ trụ, robot dùng quân sự, (hình 1.10) 12 Robot leo cáu thang (General Electric USA) "Cltãn máy" Hình 1.10: Một số loại robot ứng dụng thực tế 13 PHẦN GIỚI THIỆU VỀ CÁNH TAY ROBOT 2.1 Chi tiết cánh tay robot: 2.1.1 Đế robot 14 2.1.2 Khâu động 15 2.1.3 Khâu động 16 2.1.4 Khâu 17 2.2 Cánh tay robot: 18 PHẦN LẬP TRÌNH GIAO DIỆN GIAO TIẾP VỚI NGƯỜI DÙNG TRONG MATLAB (GUI) 3.1 CÁC LỆNH DÙNG TRONG BÀI BÁO CÁO - Lệnh get: Lấy giá trị + Cú pháp: get (biến,’thuộc tính biến’); + Dùng để lấy giá trị từ biến có thuộc tính +Ví dụ: get(handles.a,’String’); +Giải thích lệnh: Lấy giá trị từ TAG “a” đặt miền TAG nằm GUI Giá trị nhập từ bàn phím nên Matlab hiểu chuỗi kí tự - Lệnh Str2num: lệnh dùng để chuyển chuỗi ký tự thành số để tính logic - Lệnh set: đặt giá trị + Cú pháp: set (biến, ‘ thuộc tính biến’ , giá trị gán cho biến); + Ví dụ: set(handles.Px, ‘string’, num2str(X) : dùng để đặt giá trị X chuyển từ số sang ký tự sang biến Px hiển thị giao diện người dùng - Lệnh set_param: đặt giá trị + Cú pháp: set_param([Tên file ‘/Tên khối’],’Gain’ , giá trị); + Ví dụ: set_param([ModelName’/ Slider Gain1’], ‘Gain’, num2str(round(val))) +Giải thích lệnh: dùng để đặt giá trị “val” làm tròn vào khối “Slider Gain1” file có tên ModelName, hiển thị giao diện GUI GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG 19 20 PHẦN 4: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC CHO CÁNH TAY ROBOT 4.1 ĐỘNG HỌC THUẬN Tính tốn động học thuận - Đặt trục tọa độ cho cánh tay robot: 21 - Bảng thông số Denavit – Hartenberg: Ma trận chuyển đổi tổng quát link I i+1 BẢNG D-H n 1-0 2-1 3-2 - dn d1 0 an a2 a3 n o 0 a khoảng cách trục z, alpha góc trục z, d khoảng cách trục, theta góc trục x d1 = 70mm Hình vẽ minh họa cánh tay robot: a2 = 183,5mm a3 = 75mm - Các ma trận chuyển đổi tính tốn Matlab T1 = [ cosd(theta1) -sind(theta1)*cosd(anpha1) sind(theta1)*sind(anpha1) a1*cosd(theta1); sind(theta1) cosd(theta1)*cosd(anpha1) -cosd(theta1) a1*cosd(theta1); sind(anpha1) cosd(anpha1) d1; 0 ] ; T2 = [ cosd(theta2) -sind(theta2)*cosd(anpha2) sind(theta2)*sind(anpha2) a2*cosd(theta2); sind(theta2) cosd(theta2)*cosd(anpha2) -cosd(theta2) a2*cosd(theta2); sind(anpha2) cosd(anpha2) d2; 0 ] ; T3 = [ cosd(theta3) -sind(theta3)*cosd(anpha3) sind(theta3)*sind(anpha3) a3*cosd(theta3); sind(theta3) cosd(theta3)*cosd(anpha3) -cosd(theta3) a3*cosd(theta3); sind(anpha3) cosd(anpha3) d3; 0 ] ; - T = T1*T2*T3; - px=T(1,4); - py=T(2,4); - pz=T(3,4); Tính động học nghịch d1 = 70; a1=d1; a2 = 183.5; a3 = 75; theta1=atan2d(py,px); theta23= 0; d=sqrt(px^2+py^2); r3=d-a3*cosd(theta23); z3=pz-a3*sind(theta23); s=sqrt((z3-a1)^2+r3^2); theta3=acosd((s^2-a2^2-a3^2)/(2*a2*a3)); beta=atan2d(a3*sind(theta3),a2+a3*cosd(theta3)); alpha=atan2d(z3-a1,r3); theta2=alpha+beta; Khối mô Simulink Chạy giao diện Matlab mô simulink