MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ CƠ ĐIỆN TỬ VÀ đồ án đề TÀI CÁNH TAY ROBOT SCARA 3 BẬC TỰ DO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI _ MÔN HỌC: MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ CƠ ĐIỆN TỬ VÀ ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI : CÁNH TAY ROBOT SCARA BẬC TỰ DO GIẢNG VIÊN: TRẦN CƯỜNG HƯNG NHÓM STT Họ tên Mã sinh viên Trần Việt Hoàng 18020569 Nguyễn Bá Hồng 18020563 Vũ Đình Hiệu Hà Nội, Ngày 08/11/2021 18020521 MỤC LỤC I Lịch sử phát triển Ro-bot Nguồn gốc thuật ngữ Robot khái niệm Lịch sử phát triển Sự thay đổi Ro-bot theo thời gian Ưu điểm bật Robot II III Phân loại ứng dụng Robot SCARA Giới thiệu Phân loại Robot SCARA Cấu tạo Robot SCARA IV Bài toán động học Robot SCARA bậc tự Hệ tọa độ Denavit- Hartenberg Phương trình đọc học Robot V Bài toán động học thuận VI Bài tốn động học ngược VII Mơ MATLAB Tính tốn thiết kế Robot SCARA bậc tự Vẽ lắp ráp Robot SCARA SolidWorks Xuất files Simulink để đưa vào MATLAB mô Xây dựng điều khiển I Lịch sử phát triển Robot Nguồn gốc thuật ngữ Robot khái niệm a Nguồn gốc thuật ngữ Robot dịch “ lao động cưỡng bức” ( dựa tiếng Séc robota ) Thuật ngữ nhà văn Séc Karel Čapek thức lần đưa vào sử dụng kịch “Các Robot Toàn Rossum” ông vào năm 1920 Và mở kỷ nguyên làm thay đổi nhân loại b Khái niệm Khái niệm chia làm khía cạnh:  Lý thuyết: Robot hiểu loại máy lập trình sẵn chương trình hoạt động bo vi mạch điện tử điều khiển hệ thống máy tính, để từ chúng thực công việc định cách tự động, khơng có tham gia người  Cấu tạo kỹ thuật: Robot hệ thống khí điện tử, hồn tồn làm chất xám, tư bàn tay người Do đó, chúng có đặc điểm là: ảo nhân tạo Từ “ Robot ” cấu tạo từ phần mềm lập trình hoạt động hệ thống khí Trên giới, có nhiều loại Robot với đa dạng cơng dụng hình dáng Sự khác xuất phát từ mức độ tự động hệ thống khí – điện tử chúng Lịch sử phát triển Sự thay đổi Ro-bot theo thời gian a Lịch sử phát triển Robot 09/10/1922: Đây giai đoạn đời thuật ngữ “Robot”. Thuật ngữ nghĩ nhà soạn kịch người Tiệp thời giờ. Ông ước mơ cỗ máy tự động hóa, giúp cải thiện sống người Năm 1948: Tay máy đơi, hay cịn gọi ( master-slave manipulator) đời bởi nhà sáng chế Goertz Năm 1954: Máy đôi sử dụng động servo đời có chức nhận biết lực tác động lên khâu cuối bởi nhà sáng chế Goertz Năm 1956: Nhà sáng chế Generall  Mills chế tạo thành công cánh tay robot hoạt động thám hiểm đại dương thành công Năm 1968: Nhà sáng chế: R.S Mosher đến từ General Electric chế tạo cỗ máy biết chân đời Chức năng: Hệ thống vận hành động đốt chân vận hành hệ thống servo thủy lực Năm 1969: Robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh đời Đại học Stanford Năm 1970: Robot Tự Hành Lunokohod thành công đời Lunokohod dùng để thám hiểm bề mặt mặt Trăng Năm 1973: KUKA robot group sản xuất robot công nghiệp 6 bậc tự Năm 1984: Robot biết chơi đàn organ Wabot-2 đời Năm 1994: Robot hỗ trợ phẫu thuật Cyberknife ra đời Năm 1999: Robot thú cưng hình chó Honda sản xuất Năm 2000: Sản xuất thành cơng Robot hình người ASIMO Năm 2002: iRobot sản xuất robot hút bụi đầu tiên Năm 2011: Robot hình người Robonaut sản xuất sử dụng tàu thoi phóng lên vũ trụ Năm 2017: Robot hình người Sophia là robot đầu tiên được cấp quyền công dân b Sự thay đổi Ro-bot theo thời gian  Trang bị thêm thiết bị cảm ứng Robot thời gian đầu máy cồng kềnh với điều khiển thủ cơng, ngày nghiên cứu tìm tịi người Chúng ta dễ dàng điều khiển Robot thơng qua loại thiết bị cảm biến (tiền đề quan trọng cho phát triển Robot ) và giao tiếp người Robot  Cấu tạo ngày nhỏ gọn Theo sau phát triển công nghệ, khoa học kỹ thuật, Robot ngày nhỏ gọn, tiện lợi hơn, kết hợp nhiều chức năng, công dụng đồng thời thông minh  Mô đặc điểm người động vật Con người đem đặc điểm động vật áp dụng lên Robot Loại xe Robocar sử dụng phổ biến hệ thống tự động hóa sản xuất phát minh dựa chuyển động động vật là: động vật chân, bò sát, Ưu điểm bật Robot  Tăng chất lượng môi trường làm việc lao động  Giúp Doanh nghiệp giảm chi phí  Tạo chất lượng sản phẩm đồng tốt  Hiệu suất doanh nghiệp tăng rõ rệt  Giá thành sản phẩm giảm doanh nghiệp tiết kiệm nguyên vật liệu  Tăng vị cạnh tranh Doanh nghiệp thị trường II Phân loại ứng dụng Phân loại dựa theo chức năng:  Giúp chữa cháy : Robot có khả di chuyển hoạt động linh hoạt nên robot ứng dụng vào việc thực hoạt động khu vực nguy hiểm, dập lửa , vận chuyển thiết bị , sơ tán , thu thập thông tin giám sát 24/7 thơng qua camera Hình ảnh số loại Robot giúp chữa cháy  Làm việc nhà máy : Robot thứ khơng thể thiếu nhà máy Nó ứng dụng hầu hết công đoạn nhà máy là: Sản xuất, vận chuyển, kiểm tra, đóng gói … Hình ảnh số loại Robot nhà máy sản xuất  Robot đồng hành với người cao tuổi: robot sử dụng nhằm hỗ trợ người, cải thiện môi trường làm việc, vực dậy tinh thần vui tươi cho người già Trò chuyện với người già giúp họ đỡ cô đơn hơn, massage giúp người già thoải mái đỡ bị đau nhức … Hình ảnh số loại Robot đồng hành với người già  Robot ứng dụng việc chăm sóc sức khoẻ: robot lễ tân, robot điều dưỡng (trong khu vực bệnh viện), robot cứu thương, robot tư vấn sức khoẻ từ xa, robot phục vụ bệnh viện, robot làm vệ sinh, robot phun xịt thuốc khử trùng, robot phẫu thuật, robot xạ trị, robot phục hồi chức năng, robot thực phẩm robot giao hàng ngồi trời Hình ảnh số loại Robot việc chăm sóc sức khỏe  Robot gia dụng tự động thực công việc nhà: Ứng dụng để làm công việc nhà là; quét dọn, lau chùi, hút bụi, rửa đồ… Robot hút bụi  Được sử dụng nhiệm vụ tìm kiếm hỗ trợ cứu nạn sau thiên tai: ứng dụng việc hỗ trợ cứu nạn, di chuyển đến nơi mà người kiểm tra được, nhỏ gọn dễ dàng di chuyển  Máy dò mìn vùng chiến sự: cảnh báo cho người biết chỗ có mìn dị tìm để tránh báo cáo đến quan chức để giải III Robot SCARA Giới thiệu a Thuật ngữ Robot SCARA  Nó tên viết tắt Selective Compliance dịch tiếng Việt có nghĩa “Cánh tay robot lắp ráp có chọn lọc” đề xuất lần vào năm 1979 Nhật Bản, hoạt động nghiên cứu lắp ráp trường đại học Yamanashi b Khái niệm Robot SCARA đó dạng robot kết cấu Cùng với Scara, phân loại theo kết cấu cịn có loại hình robot khác kiểu tay người, cầu, trụ, đề Phân loại Robot SCARA  Scara bậc  Scara bậc  Robot scara bậc  Scara bậc  Scara bậc Cấu tạo Robot SCARA Hình mẫu nguyên thủy Scara kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt Nó bao gồm khớp quay, khớp trượt khớp có trục song song với Các cấu trúc Scara cấu trúc nối tiếp Nghĩa động phải mang theo tất động khác sau Nếu Scara thiết kế theo đơi cánh tay động cố định có chức kéo theo, điều khiển động cịn lại IV Bài tốn động học Robot SCARA bậc tự Hệ tọa độ Denavit- Hartenberg a) Quy tắc gắn hệ tọa độ lên khâu Khi nghiên cứu động học Robot, người ta thường dùng quy tắc Denavit Hartenberg Theo quy tắc thông qua việc gắn hệ tọa độ lên khâu ta xác định ma trận biểu biến đổi biểu thị mối quan hệ hệ tọa độ với nhờ phép biến đổi Nhờ mà mà ta xác định vị trí điểm tác động cuối so với hệ tọa độ gốc Xét hai khâu Robot khâu thứ i-1 khâu thứ i liên kết với thông qua khớp i Nguyên tắc gắn hệ tọa độ lên khâu là: - Gốc tọa độ Oi hệ tọa độO i x i y i z i gắn liền với khâu thứ i đặt giao điểm trục khớp động thứ i+1 đường vng góc chung trục khớp thứ i trục khớp thứ i+1 Nếu hai trục khớp cắt gốc tọa độ Oi đặt giao điểm hai trục khớp Nếu hai trục khớp song song với ta đặt gốc tọa độ Oi điểm nằm trục khớp thứ i+1 - Trục zi hệ tọa độ O i x i y i z i đặt dọc theo trục khớp thứ i+1 - Trục xi hệ tọa độ O i x i y i z i đặt dọc theo phương đường vng góc chung trục khớp thứ i trục khớp thứ i+1 Chiều truc xi hướng từ khớp động thứ i sang khớp động thứ i+1 Trong số trường hợp hai trục khớp động thứ i trục khớp động thứ i+1 giao trục xi xác định tích hai vector z i x z i+1 - Sau xác định đƣợc gốc tọa độ Oi , trục zi trục xi ta xác định trục yi quy tắc bàn tay phải Tương tự xây dựng ta xác định hệ tọa độ Oi−1 x i−1 y i−1 zi−1được gắn liền với khâu i-1 b) Các thông số động học Denavit Hartenberg Bằng việc gắn hệ tọa độ Oi x i y i z ivà Oi−1 x i−1 y i−1 zi−1ta xác định thông số Denavit Hartenberg Thông qua tham số động học Denavit Hartenberg ta biểu thị mối quan hệ hệ tọa độ Oi x i y i z ivà Oi−1 x i−1 y i−1 zi−1bằng phép biến đổi Các thơng số động học Denavit Hartenberg là: - a i :Đường vng góc chung trục khớp thứ i trục khớp thứ i+1 Đây khoảng dịch chuyển để đưa điểm O i ' tới điểm Oi dọc theo chiều trục x i Ngoài người ta thường gọi a i chiều dài khâu i - α i :Góc hai trục khớp i trục khớp i+1 mặt phẳng vng góc với pháp tuyến chung Đây góc quay quanh trục xi để trục z i−1chuyển đến trục z i - d i :Là khoảng cách đo trục z i−1giữa đường vng góc chung tạo trục khớp i trục khớp i+1 đường vng góc chung tạo trục khớp i-1 trục khớp i Đây khoảng tịnh tiến dọc theo trục z i−1để gốc tọa độ Oi−1chuyển đến O i ' - θi Góc hai đường vng góc chung tạo trục khớp i trục khớp i+1 đường vng góc chung tạo trục khớp i-1 trục khớp i mặt phẳng vng góc với trục khớp i Đây góc quay quanh trục z i−1để phương trục tọa độ x i−1và trục x i trùng Hai thông số α i thông số khâu Hai thông số số độ lớn chúng phụ thuộc vào hình dáng, kích thước vị trí tương đối khâu thứ i khâu thứ i-1 Còn lại, d i θi gọi thông số khớp, chúng phụ thuộc vào loại khớp Trong trường hợp hai thông số số thông số lại ẩn số Nếu khớp khớp quay thơng số θi ẩn số ngược lại khớp khớp trượt thơng số d i ẩn số Phương trình đọc học Robot V Bài tốn động học thuận Mục đích tốn động học thuận xác định vị trí khâu tác động cuối tay máy biết biến khớp tay máy Các bước thực toán động học thuận cho tay máy: Bước 1: Xác định số khớp số nối Bước 2: Gắn lên nối từ đến n hệ trục tọa độ Ví dụ: Thanh nối i (i = ÷ n) gắn hệ trục Oi i i i ,X ,Y , Z  qi: góc quay nối thứ i,  di: độ lệch khâu,  ai: độ dài đường vng góc chung Zi-1 Zi ,  αi: góc vặn nối Cách xác định trục Zi: là trục mà xung quanh khớp thứ i+1 quay dọc theo khớp (i = 1÷ n-1) tịnh tiến  Z0: trục mà xung quanh khớp 1quay,  O0: tâm hệ trục tọa độ quy chiếu, chọn điểm cố định đế Robot,  Z1: trục mà xung quanh khớp quay khớp tịnh tiến,  Zn-1 : trục mà xung quanh khớp n quay,  Zn: trùng phương với Zn-1 Cách xác định trục Xi: Trục X thường đặt dọc theo pháp tuyến chung hướng từ khớp i đến i+1 Trong trường hợp trục khớp cắt trục X chọn theo tích vectơ Zi-1 x Zi Cách xác định trục Yi: Xác định theo quy tắc bàn tay phải Bước 3: Xác định biến khớp  Khớp quay tương ứng với biến khớp quay q  Khớp tịnh tiến tương ứng với biến khớp tịnh tiến d Bước 4: Xác định quan hệ hai khung tọa độ i i-1 Hệ trục tọa độ i hệ trục tọa độ i-1 hai khâu nối tiếp có quan hệ với phép biến đổi đồng nhất, theo trình tự sau:  Quay xung quanh trục Zi-1 góc θi cho trục Xi-1 trùng với phương trục Xi  Tịnh tiến dọc theo trục Zi-1 đoạn di để gốc khung tọa độ trùng chân pháp tuyến chung trục i-1 i, (Xi-1≡ Xi),  Tịnh tiến dọc theo trục Xi-1 đoạn ai, (Oi-1≡ Oi),  Quay xung quanh trục Xi-1 góc αi cho trục Zi-1 trùng với trục Zi Các phép biến đổi thực so với khung tọa độ tại, phép biến đổi tổng hợp xác định sau: Bước 5: Xác định phương trình động học thuận cho tay máy VI Bài tốn động học ngược Mục đích tốn động học ngược tìm biến khớp tay máy biết vị trí khâu tác động cuối tay máy Có phương pháp để xác định mơ hình động học ngược tay máy phép đảo hướng, phép đảo vị trí phép đảo kết hợp Thông thường hay sử dụng phương pháp đảo kết hợp nên em đưa cách giải toán động học ngược theo phương pháp đảo kết hợp Giả sử: (2.4) Ta nhân vế với ma trận nghịch đảo (A1-1) ta được: A1-1.T2 = A2 Với ma trận nghịch đảo: Cân thành phần cột phương trình ta nhận phương trình sau:  Cθ1.px + Sθ1.py – a2 = 0                (2.5)  Sθ1.px – Cθ1.py          = 0                (2.6)  –pz                              = d2                (2.7) ... niệm Robot SCARA? ?đó dạng robot kết cấu Cùng với Scara, phân loại theo kết cấu cịn có loại hình robot khác kiểu tay người, cầu, trụ, đề Phân loại Robot SCARA  Scara bậc  Scara bậc  Robot scara. .. Phân loại ứng dụng Robot SCARA Giới thiệu Phân loại Robot SCARA Cấu tạo Robot SCARA IV Bài toán động học Robot SCARA bậc tự Hệ tọa độ Denavit- Hartenberg Phương trình đọc học Robot V Bài tốn động... vụ bệnh viện, robot làm vệ sinh, robot phun xịt thuốc khử trùng, robot phẫu thuật, robot xạ trị, robot phục hồi chức năng, robot thực phẩm robot giao hàng trời Hình ảnh số loại Robot việc chăm