Đồ-án-Robot-Công-nghiệp (1)

1 Tổng quan Robot Công nghiệp 1.1 Giới thiệu chung Robot Khái niệm Robot đời vào ngày 09/10/1922 NewYork, nhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen Kapek tưởng tượng cổ máy hoạt động cách tự động, niềm mơ ước người lúc Từ ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot thúc người Đến năm 1948, phịng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz chế tạo thành công tay máy đôi (master-slave manipulator) Đến năm 1954, Goertz chế tạo tay máy đơi sử dụng động servo nhận biết lực tác động lênkhâu cuối Rô bô Rôbốt, Rô-bốt (tiếng Anh: Robot) loại máy thực cơng việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình Robot dùng nhiều công việc y tế, giáo dục, dịch vụ, vũ trụ, … đa số sử dụng ngành cơng nghiệp (khoảng 80%) Hình 1: Unimate- Robot công nghiệp đại giới Về mặt kỹ thuật, Robot công nghiệp ngày có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật: Cơ cấu điều khiển từ xa (trong chiến tranh giới thứ II) máy công cụ điều khiển số NC đáp ứng gia công chi tiết máy bay (1949) SV: Nguyễn Thị Doan Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) đặt tên cho dáng vấp vài chức tay người để thực số thao tác sản xuất Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) đặt tên cho dáng vấp vài chức tay người để thực số thao tác sản xuất Hình 2: Một số robot đại ngày 1.1.1 Cấu trúc chung Robot công nghiệp Một RBCN cấu thành hệ thống sau: + Tay máy (Manipulator) cấu khí gồm khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo chuyển động bản, cổ tay tạo lên khéo léo, linh hoạt vá bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng + Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho khâu tay máy Nguồn động lực cấu chấp hành động loại: điện, thủy 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 để nhận biết trạng thái môi trường + Hệ thống điều khiển (controller) thường máy tính để giám sát vá điều khiển hoạt động robot Phân loại Robot công nghiệp 1.2.1 Phân loại theo kết cấu 1.2 Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn: -Chuyển động thẳng theo hướng X, Y, Z không gian ba chiều thơng thường tạo nên khối hình có góc cạnh, gọi Prismatic (P) - Chuyển động quay quanh trục X, Y, Z kí hiệu (R) SV: Nguyễn Thị Doan Với ba bậc tự do, robot hoạt động trường công tác tùy thuộc tổ hợp P R ví dụ: + PPP trường cơng tác hộp chữ nhật lập phương + RPP trường công tác khối trụ + RRP trường công tác khối cầu + RRR trường công tác khối cầu + RRR trường công tác khối cầu 1.2.2 Phân loại theo hệ thống truyền động Các dạng phổ biến là: Hệ truyền động điện : Thường dùng động điện chiều (DC : Direct Current) động bước (step motor) Loại truyền động dễ điều khiển, kết cấu gọn Hệ truyền động thuỷ lực : đạt cơng suất cao, đáp ứng điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn độ phi tuyến lớn khó xử lý điều khiển Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ không cần dẫn ngược lại phải gắn liền với trung tâm tạo khí nén Hệ làm việc với cơng suất trung bình nhỏ, xác, thường thích hợp với robot hoạt động theo chương trình định san với thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP : Point To Point) 1.2.3 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… 1.2.4 Phân loại theo cách thức đặc trưng phương pháp điều khiển Có kiểu điều khiển robot: điều 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 đơn giản, đạt độ xác thấp - Điều khiển kín ( điều khiển kiểu servo ), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ xác điều khiển Có kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm điều khiển theo đường(contour) SV: Nguyễn Thị Doan 1.3.Ứng dụng Robot Robot sử dụng nhiều lĩnh vực sản xuất đời sống người, robot cơng nghiệp đóng vai trị quan trọng sử dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp như: - Phục vụ máy CNC hệ thống tự động linh hoạt - Đúc - Lắp ráp, đóng gói - Phun, phủ - Tự động hàn - Đảm nhận thực cấp phôi phục vụ nguyên công dây chuyền sản xuất tự động - Chế tạo máy - Kiểm tra - Sơn - Bảo vệ SV: Nguyễn Thị Doan Xây dựng mơ hình động học Robot Động học robot nghiên cứu đặc trưng chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây chúng lực mà mô men Khoa học động học nghiên cứu vị trí, vận tốc, gia tốc Do đó, động học liên quan đến hình học thời gian thay đổi chuyển dộng Sự thay đổi khâu robot liên quan đến hướng vị trí khâu chấp hành cuối ràng buộc khớp Những quan hệ động học trọng tâm việc nghiên cứu động học robot Việc nghiên cứu động học có hai vấn đề: Phân tích động học tổng hợp động học Tuy nhiên vấn đề phân tích động học tổng hợp động học liên quan đến Nội dung nghiên cứu động học robot việc tìm quan hệ chuyển động khâu gồm toán là: Bài toán động học thuận toán động học ngược Trong việc lập trình cho robot điều đặt yêu cầu vị trí điểm tác động cuối hướng khâu cuối, vân tốc gia tốc khâu khơng gian Vấn đề đâu tìm tất thơng số chấp nhận thay đổi khâu hoạt động đạo hàm tương ứng chúng xảy khâu chấp hành cuối để đặt yêu cầu hướng vị trí, thơng số hoạt động(bài toán động học thuận) hay từ yêu cầu vị trí hướng khâu chấp hành cuối tìm thơng số tương ứng khâu trước đó(bài tốn động học ngược) Tổng hợp động học q trình ngược lại việc phân tích động học Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt robot hay máy mới, điều địi hỏi thay đổi định mặt động học Cụ thể, có thơng số vị trí hướng (cùng vận tốc gia tốc) khâu chấp hành cuối cùng, cần xác định thay đổi tương ứng khâu hoạt động cấu trúc hình học robot 2.1.Cơ sở xây dựng mơ hình động học robot công nghiệp 2.1.1 Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H) Xét hai khâu i - i liên kết khâu khớp lề, trục quay khớp có phương hai khâu khơng nằm mặt phẳng song song SV: Nguyễn Thị Doan Hình 3: Mối quan hệ khâu hệ tọa độ - Sau thiết lập, vị trí hệ Oixiyizi so với hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 hoàn toàn xác định nhờ thông số: + : khoảng cách khớp liên phương xi + di : khoảng cách khớp liên phương zi-1 + αi : góc quay quanh trục xi zi-1 zi + θi : góc quay quanh trục zi-1 xi-1 xi - Nếu khớp i khớp quay : θi biến khớp di , , αi tham số thiết kế tạo - Nếu khớp i khớp tịnh tiến : di biến khớp θi , , αi : tham số phụ thuộc kết cấu - Ma trận chuyển đổi hệ trục i i -1 Để chuyển từ hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 sang hệ Oixiyizi thực liên tiếp phép biến đổi toạ độ : +Quay quanh zi-1một góc θi : Rz-1,θi +Tịnh tiến dọc zi-1 đoạn di : Tz-1, di +Tịnh tiến dọc xi đoạn ai: Tx, +Quay quanh xi góc αi : Rx,αi , Pi = Rz-1,θi Tz-1,di Tx, Rx,αi Pi-1 - Ma trận biến hình tổng hợp phép quay trên: SV: Nguyễn Thị Doan = = Ma trận thể hướng vị trí tay kẹp so với hệ trục tọa độ gốc 0x0y0z0 là: = 2.1.2 Bài toán động học thuận Hình 4: Mơ hình Robot Tham số động học Robot: • a1 • d1 • a2 • a3 • d5 ∗ Đặt tốn: • Biết giá trị biến khớp λi (i=1…5), cần phải xác định vị trí hướng bàn kẹp, tức phải xác định ma trận TE : • = ∗ Đặt hệ trục tọa độ: SV: Nguyễn Thị Doan Hình 5: Mơ hình động học Robot gắn hệ trục tọa độ i R(zi-1, θ i ) (θ1) (θ 2) (θ 3) (θ 4) (θ 5) T(zi-1, di) d1 0 D5 T(xi, ai) a1 a2 a3 0 R(xi, αi) 90 0 90 Bảng 1: Bảng thông số DH Robot - Như hệ trục thứ i mơ tả ma trận vị trí hướng so với hệ trục thứ i-1 thông qua phép biến đổi tọa độ DH sau: sin(θi ).sin(α i ) cos(θi )   cos(θi ) − sin(θi ).cos(α i ) sin(θ ) cos(θ ).cos(α ) − cos(θ ).sin(α ) sin(θ i )  i i i i i A ii −1 =  0  sin(α i ) cos(α i ) di  0 - Các biến khớp = - Với kí hiệu: 0 c1=cos(θ1) s1=sin(θ1) c2=cos(θ2) s2=sin(θ2) c3=cos(θ3) s3=sin(θ3) SV: Nguyễn Thị Doan   c4=cos(θ4) s4=sin(θ4) c5=cos(θ5) s5=sin(θ5) - Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ sang hệ tọa độ : A01= - Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ sang hệ tọa độ : A12= - Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ sang hệ tọa độ : A23= Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ sang hệ tọa độ : A34= Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ sang hệ tọa độ : A45= - - - Ma trận biến đổi tọa độ A 0n biểu diễn trạng thái khâu thao tác xác định từ cấu trúc động học robot A0n nhận cách nhân liên tiếp ma trận biến đổi tọa độ tương ứng với phép dịch chuyển hệ tọa độ từ hệ trục cố định tới hệ trục tọa độ gắn với khâu thao tác: A0n A01 A12 A23… An-1 Từ ta xác định vị trí hướng khâu gốc với khâu cuối hệ tọa độ: Giải ma trận TE Matlab: + Các ký hiệu giá trị góc quay thay + Các bươc thực Matlab sau: • Khai báo biến khớp qi • Khai báo tham số động học Robot di, ( a1 a2 d1 a3 d5 ) • Khai báo ma trận - SV: Nguyễn Thị Doan Hình 6: Khai báo liệu Matlab • Kết giải Matlab ta tìm ma trận TE Sau nhân xong Matlab ta có giá trị ma trận TE = là: TE = [ cos(q4)*(sin(q1)*sin(q3) + cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)) cos(q1)*sin(q2)*sin(q4), - sin(q4)*(sin(q1)*sin(q3) + cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)) cos(q1)*cos(q4)*sin(q2), cos(q3)*sin(q1) - cos(q1)*cos(q2)*sin(q3), d4*(cos(q3)*sin(q1) - cos(q1)*cos(q2)*sin(q3)) + a1*cos(q1) + a2*cos(q1)*cos(q2) + d3*cos(q1)*sin(q2)] [ - cos(q4)*(cos(q1)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1)) - sin(q1)*sin(q2)*sin(q4), sin(q4)*(cos(q1)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1)) - cos(q4)*sin(q1)*sin(q2), cos(q1)*cos(q3) - cos(q2)*sin(q1)*sin(q3), a1*sin(q1) - d4*(cos(q1)*cos(q3) + cos(q2)*sin(q1)*sin(q3)) + a2*cos(q2)*sin(q1) + d3*sin(q1)*sin(q2)] [ cos(q2)*sin(q4) + cos(q3)*cos(q4)*sin(q2), cos(q2)*cos(q4) cos(q3)*sin(q2)*sin(q4), -sin(q2)*sin(q3), d1 - d3*cos(q2) + a2*sin(q2) d4*sin(q2)*sin(q3)] [0,0, 0, 1] • Hệ phương trình động học thuận Robot là: - nx= cos(q4)*(sin(q1)*sin(q3) + cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)) cos(q1)*sin(q2)*sin(q4) - ny= [ - cos(q4)*(cos(q1)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1)) sin(q1)*sin(q2)*sin(q4) SV: Nguyễn Thị Doan - nz= cos(q2)*sin(q4) + cos(q3)*cos(q4)*sin(q2) sx= - sin(q4)*(sin(q1)*sin(q3) + cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)) cos(q1)*cos(q4)*sin(q2) sy= sin(q4)*(cos(q1)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1)) cos(q4)*sin(q1)*sin(q2) sz= cos(q2)*cos(q4) - cos(q3)*sin(q2)*sin(q4) ax= cos(q3)*sin(q1) - cos(q1)*cos(q2)*sin(q3), ay= - cos(q1)*cos(q3) - cos(q2)*sin(q1)*sin(q3), az= -sin(q2)*sin(q3), Px= d4*(cos(q3)*sin(q1) - cos(q1)*cos(q2)*sin(q3)) + a1*cos(q1) + a2*cos(q1)*cos(q2) + d3*cos(q1)*sin(q2) Py= a1*sin(q1) - d4*(cos(q1)*cos(q3) + cos(q2)*sin(q1)*sin(q3)) + a2*cos(q2)*sin(q1) + d3*sin(q1)*sin(q2)] Pz= d1 - d3*cos(q2) + a2*sin(q2) - d4*sin(q2)*sin(q3) SV: Nguyễn Thị Doan Mơ tả thí nghiệm 3.1 Giới thiệu phần mềm Scorbase SCORBASE for Controller - USB gói phần mềm điều khiển robot cơng nghệp Intelitek phát hành Là phần mềm ứng dụng lập trình hành vi robot trực quan sinh động có mơ phỏ giám sát tồn hoạt động kể việc thực thi lệnh hiển thị tọa độ cấu robot Phần mềm sử dụng cho robot ER-4U đến ER-9U, ER-400 Agv hệ thống CIM, hệ thống lưu trữ truy hồi AS/RS 36 đến 72 tế bào Úng dụng nhà máy sở đào tạo SCORBASE for SCORBOT ER-4u cung cấp nhiều khả năng: • Giao tiếp với điều khiển robot cổng USB ( Module Control USB) • Kiểm sốt hiển thị tình trạng thời gian thực năm trục robot, gripper hai trục ngoại vi • Hỗ trợ đầy đủ hiển thị tình trạng thời gian thực yếu tố đầu vào kỹ thuật số, đầu kỹ thuật số , đầu vào analog, kết đầu analog • Chức định nghĩa hiển thị chuyển động robot tay Phối hợp tham chiếu đến hệ thống (đơn vị mã hóa) • Các Cartesian phối hợp hệ thống (X, Y, Z Pitch Roll) sử dụng • Định nghĩa chuyển đến vị trí Robot, đường tuyến tính, tới thơng điệp, với thiết lập 10 tốc độ hoạt động (Tình trạng sẵn có phụ thuộc vào cách thức Level.) • Thiết lập mặc định 1.000 vị trí 1.000 dịng chương trình hoạt động • Gián đoạn lập trình để xử lý phản ứng với thay đổi trạng thái đầu vào kỹ thuật số • Biến Lập trình, mức độ phức tạp, đến trung bình đường cong quỹ đạo Điều làm cho người bắt đầu lập trình từ cấp độ thấp đến cấp độ cao, tập luyện có kỹ lập trình robotics (Trình độ hoạt động robot từ cấp sở, trung cấp cao cấp) • Lưu trữ tải dự án doạt động robot • SCORBASE cài đặt phần RoboCell, tương tác đồ họa, gói phần mềm mô robot thiết bị workcell SV: Nguyễn Thị Doan 3.2 Báo cáo thí nghiệm 3.2.1 Quy trình thí nghiệm Sử dụng phần mềm Scorbase lập trình điều khiển Robot gắp chai nước từ vị trí ban đầu đến vị trí Bước 1: Khởi động phần mềm Bước 2: Tiến hành dò Home cho Robot Bước 3: Khi Robot vị trí home, tiến hành lập trình Robot gắp vật Hình 7: Vị Trí kẹp ban đầu vật Hình 8: Vị Trí cuối vật SV: Nguyễn Thị Doan Hình 9: Lập trình quỹ đạo di chuyển tốc độ Robot SV: Nguyễn Thị Doan Hình 10: Tọa độ Robot tương ứng với vị trí • Kết luận: Từ bảng kết trên, đem đối chiếu với tính tốn lí thuyết, thấy kết xấp xỉ SV: Nguyễn Thị Doan