ĐỒ-ÁN (1)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHỆP HỌ VÀ TÊN : NGÔ QUANG TRƯỜNG MSSV: K175520114127 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGÔ NGỌC VŨ Thái Nguyên-2020 Chương TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ ROBOT KAWASAKI RS006L 1.1 – TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1.1 Lịch sử đời robot Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa cơng việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots Karel Capek, vào năm 1921 Trong kịch này, Rossum trai ông ta chế tạo máy gần giống với người để phục vụ người Có lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật cấu, máy móc bắt chước hoạt động bắp người Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo loại máy tự động vạn gọi “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày người ta đặt tên ngườimáy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho loại thiết bị có dáng dấp vài chức tay người điều khiển tự động để thực số thao tác sản xuất Về mặt kỹ thuật, robot cơng nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool) Các cấu điều khiển từ xa (hay thiết bị kiểu chủ-tớ) phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ Người thao tác tách biệt khỏi khu vực phóng xạ tường có vài cửa quan sát để nhìn thấy cơng việc bên Các cấu điều khiển từ xa thay cho cánh tay người thao tác gồm có kẹp bên (tớ) hai tay cầm bên (chủ) Cả hai, tay cầm kẹp, nối với cấu sáu bậc tự để tạo vị trí hướng tuỳ ý tay cầm kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển kẹp theo chuyển động tay cầm Vào khoảng năm 1949, máy công cụ điều khiển số đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công chi tiết ngành chế tạo máy bay Những robot thực chất nối kết khâu khí cấu điều khiển từ xa với khả lập trình máy công cụ điều khiển số Dưới điểm qua số thời điểm lịch sử phát triển người máy công nghiệp Một robot công nghiệp chế tạo robot Versatran công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian Mỹ xuất loại robot Unimate -1900 dùng kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967, Thuỵ Điển Nhật -1968 theo quyền Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ý 1973 Tính làm việc robot ngày nâng cao, khả nhận biết xử lý Năm 1967 trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) chế tạo mẫu robot hoạt động theo mơ hình “mắt-tay”, có khả nhận biết định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa loại robot điều khiển máy vi tính, gọi robot T3 ( The Tomorrow Tool : Cơng nghệ tương lai) Robot có khả nâng vật có khối lượng đến 40KG Có thể nói, Robot tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa với mức độ tri thức ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chương trình số kỹ thuật chế tạo cảm biến, công nghệ lập trình phát triển trí khơn nhân tạo, hệ chuyên gia Trong năm sau nầy, việc nâng cao tính hoạt động robot khơng ngừng phát triển Các robot trang bị thêm loại cảm biến khác để nhận biết môi trường chung quanh, với thành tựu to lớn lĩnh vực Tin học - Điện tử tạo hệ robot với nhiều tính đăc biệt, Số lượng robot ngày gia tăng, giá thành ngày giảm Nhờ vậy, robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất đại 1.1.2 Vai trò, vị trí robot dây truyền sản xuất, công nghiệp cũng đời sống Từ đời robot công nghiệp áp dụng nhiều lĩnh vực góc độ thay sức người Nhờ dây chuyền sản xuất tổ chức lại, suất hiệu sản xuất tăng lên rõ rệt Mục tiêu ứng dụng robot cơng nghiệp nhằm góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt mục tiêu nhờ vào khả to lớn robot như: làm việc mệt mỏi, dễ dàng chuyển nghề cách thành thạo, chịu phóng xạ mơi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, cảm thấy đợc từ trường nghe siêu âm Robot dùng thay người trờng hợp thực công việc không nặng nhọc đơn điệu, dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn Trong ngành khí, robot đợc sử dụng nhiều cơng nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm Ngày xuất nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm máy CNC với Robot cơng nghiệp, dây chuyền đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao máy robot điều khiển hệ thống chơng trình Ngồi phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot sử dụng việc khai thác thềm lục địa đại dương, y học, sử dụng quốc phòng, chinh phục vũ trụ, công nghiệp nguyên tử, lĩnh vực xã hội Rõ ràng khả làm việc robot số điều kiện vợt khả người; phương tiện hữu hiệu để tự động hố, nâng cao suất lao động, giảm nhẹ cho người công việc nặng nhọc độc hại Nhược điểm lớn robot cha linh hoạt người, dây chuyền tự động, có robot bị hỏng làm ngừng hoạt động dây chuyền, robot hoạt động dới giám sát người 1.1.3 Những ứng dụng chủ ́u robot • Giải trí • Y tế • Cơng nghiệp • Thám hiểm • Qn 1.1.4 Các thông số kỹ thuật quan trọng thiết kế robot • • • • • • • Số bậc tự Tải trọng Không gian làm việc Trọng lượng Robot Năng lượng Phạm vi chuyển động Môi trường lắp đặt 1.2 - SƠ LƯỢC VỀ ROBOT KAWASAKI RS006L 1.2.1 Tổng quan về đời Robot Kawasaki Năm 1966, nhà khoa học người Mỹ mời đến Nhật Bản làm giảng viên robot công nghiệp Nhà khoa học Tiến sĩ Joseph Engelberger, người coi Cha Robotics, người chủ trì Cơng ty Cơng nghiệp nặng Kawasaki (sau Máy bay Kawasaki) Tiến sĩ Engelberger người sáng lập Unimation, nhà sản xuất robot công nghiệp giới, trước cho mắt robot công nghiệp, "Unimate" Mặc dù ông kỳ vọng có khoảng 10 người xuất buổi diễn thuyết, dựa kinh nghiệm ông Hoa Kỳ, 200 nhà lãnh đạo công ty Nhật Bản tập trung địa điểm Để chứng minh thêm cho nhiệt tình họ, buổi hỏi đáp theo giảng cho kéo dài hai Khi cơng đồn lao động Hoa Kỳ hình thành xung quanh nghề nghiệp, nhận thức cơng đồn robot công nghiệp mối đe dọa thị trường lao động năm 1960 cản trở phát triển ứng dụng robot Tuy nhiên, Nhật Bản, quan tâm đến hoạt động sản xuất tự động không người lái tăng lên, kinh tế bùng nổ đất nước thiếu hụt lao động trẻ nghiêm trọng Về bối cảnh, loạt phim hoạt hình tiếng, Cậu bé Astro, Cậu bé mô tả robot người giúp đỡ người, kết hợp với hình ảnh tích cực khác robot, cho làm việc thuận lợi việc làm quen với người máy Năm 1968, Kawasaki ký thỏa thuận công nghệ với Unimation để phát triển robot công nghiệp sản xuất nước Đây khởi đầu kinh doanh robot công nghiệp Nhật Bản Lịch sử này, đạt đến năm thứ 50 vào năm 2018, thực lịch sử cách giới sử dụng robot để sản xuất Một năm sau, vào năm 1969, Kawasaki cho mắt thành công robot chạy thủy lực Nhật Bản, Kawasaki Kawasaki-Unimate 2000 Tuy nhiên, vào năm 1973, việc kinh doanh robot có bước tiến đáng kể: Tập đồn tơ Toyota Tập đồn Nissan Motor định sử dụng Kawasaki-Unimate để hàn điểm thể tự động Quyết định hai nhà sản xuất ô tô tiếng mở trận lụt cho ứng dụng robot ngành công nghiệp ô tô Nhật Bản Và bây giờ, Kawasaki tiết lộ tầm nhìn liên quan đến hoạt động kinh doanh robot 50 năm tới Tổng quan về Robot Kawasaki RS006L Robot R series thiết lập chuẩn mực cho tất robot công nghiệp cỡ nhỏ đến trung bình Thiết kế nhỏ gọn, với tốc độ, phạm vi tiếp cận phạm vi công việc hàng đầu ngành khiến cho R series Robots trở nên lý tưởng cho loạt ứng dụng vô số ngành công nghiệp đa dạng 1.2.2 Robot Kawasaki RS006l Bộ điều khiển Robot Robot Kawasaki RS006L robot chuỗi có bậc tự Robot có khả sử lý cao phạm vi chuyển động lớn lại có kích thước tương đối nhỏ Vì vậy, Robot Kawasaki RS006L sử dụng nhiều cơng việc tổ hợp, sử lý vật liệu, loại bỏ vật liệu, lắp ráp… 1.2.3 Thông số kỹ thuật Robot Kawasaki RS006L 1.2.4 Cấu tạo hình dáng Ứng dụng Robot Kawasaki RS006l Nhờ vào khả sử lí nhiều cơng việc có độ khó cao, Kawasaki RS006l sử dụng nhiều lĩnh vực như: 1.2.5 − − − − − Tổ hợp, lắp ráp vật liệu Xử lý vật liệu Niêm phong, pha chế Máy chăm sóc Loại bỏ vật liệu Chương 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 (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 Xây dựng mơ hình động học cho robot 2.1.1 Cơ sở xây dựng mơ hình động học robot cơng nghiệp Ma trận biến hình tổng hợp phép quay : = = 2.1.2 Xây dựng phương trình động học Ma trận thể hướng vị trí tay kẹp so với hệ trục tọa độ gốc O 0x0y0z0 là: = Bài toán động học thuận Cho giá trị biến khớp q1, q2, q3, q4 tìm ma trận toạ độ thực Hệ phương trình động học thuận robot Bài tốn động học ngược Cho vị trí hướng bàn kẹp tức biết ma trận tọa độ thực Cần phải xác định biến khớp theo vị trí hướng bàn kẹp Mục đích việc giải phương trình động học robot cơng nghiệp: để điều khiển tay máy robot công nghiệp tới vị trí làm việc có hướng xác định phải tính tốn giá trị biến khớp quay tịnh tiến lượng Động học ngược tay máy sở cho việc điều khiển robot = + Từ phương trình tốn gốc: - Giải hệ phương trình ta nhận giá trị biến khớp Các phương pháp giải toán động học ngược: a) Phương pháp giải tích: Sử dụng phép tốn học giải tích để giải hệ phương trình để tìm giá trị biến khớp b) Phương pháp số: Phương pháp số GRG Nonlinear tích hợp Excel- số nhưỡng phương pháp số sử dụng nhiều nhất, phương pháp tìm giá trị gần biến khớp mà sai số nằm phạm vi cho phép - Viết lại phương trình tương đương: => - Ta thấy vế trái không âm nên giá trị nhỏ khơng, tương đương với hệ phương trình thỏa mãn Đặt L vế trái: L=L1+L2+L3+L4 - Ở ta dùng MatLab phương pháp GRG thực Excel để giải toán 2.2 Giải toán động học cho Robot KAWASAKI RS006L 2.2.1 Tính toán động học thuận cho Robot KAWASAKI RS006L a) Đặt toán Biết giá trị biến khớp qi (i=1…4), cần phải xác định vị trí hướng bàn tay kẹp, tức xác đinh mà trận = b) Đặt hệ trục tọa độ c) Kích thước thực tế *Chọn khoảng cách từ khâu cuối đến tay kẹp 240 mm d) Lập bảng D-H TT RZi-1,i TZi-1,di TXi,ai RXi,βi (1) 430 100 90° (2) 850 0° (3) 0 90° (4) 900 -90° (5) 0 90° (6) 240 0° Bảng 2.1 Bảng D-H Robot Kawasaki RS006L − Ma trân 4x4 mơ tả hướng vị trí hệ trục tọa độ gốc O1 O0 − Ma trân 4x4 mơ tả hướng vị trí hệ trục tọa độ gốc O2 O1 − Ma trân 4x4 mơ tả hướng vị trí hệ trục tọa độ gốc O3 O2 − Ma trân 4x4 mơ tả hướng vị trí hệ trục tọa độ gốc O4 O3 − Ma trân 4x4 mơ tả hướng vị trí hệ trục tọa độ gốc O4 O3 − Ma trân 4x4 mơ tả hướng vị trí hệ trục tọa độ gốc O4 O3 − Ma trân 4x4 mơ tả hướng vị trí hệ trục tọa độ gốc O6 O0 − Giải ma trận matlab : + Khai báo biến khớp ) + Khai báo ma trận: , , , + Nhân ma trận với nhau: T= − Kết thành phần ma trận : + + + + + + + + + + + + + + + + − Với kết ta biết : + Vị trí tay kẹp mô tả qua vectơ P = ( t14 , t24 , t34 ) + Hướng tay kẹp mơ tả qua ma trận 3x3 : 2.2.2 Tính tốn động học ngược cho Robot Kawasaki RS006l a) Nhiệm vụ toán Gắp vật theo đường gấp khúc từ vị trí điểm P1 đến vị trí điểm P4 -Bài tốn động học ngược có nhiều cách giải, với loại robot khác ta lại có cách giải khác Nhưng nhìn chung ta chia làm cách : Giải toán theo phương pháp số giải tốn theo phương pháp giải tích - Số bậc robot tính tốn nhiều số nhiều cách giải phức tạp Vì nói chưa có phương pháp hay thuật toán tổng quát ta lời giải tìm nghiệm tốn động học ngược cách thỏa đáng - Cơ sở toán động học ngược cho robot ABB IRB 460 dựa phương pháp Gradient tổng quát (phương pháp giải số (GRG)- phương pháp áp dụng gần cho số robot dạng chuỗi) -Sử dụng ma trận cosin phương để định hướng tay kẹp : Ta có:  Hướng tay kẹp P: =cos = = cos = = cos + Điểm P1 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mô tả qua ma trận 4x4 sau : + Điểm P2 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : + Điểm P3 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : = = = + Điểm P4 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : + Điểm P5 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : + Điểm P6 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : + Điểm P7 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : + Điểm P8 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : + Điểm P9 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : + Điểm P10 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : + Điểm P11 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : = = = = = = = = + Điểm P12 : vị trí làm việc tay kẹp có hướng vị trí mơ tả qua ma trận 4x4 sau : − Thông số điểm làm việc quỹ đạo chuyển động tay kẹp P: = P 10 11 12 1 0.5 0.5 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0.75 0.75 1 0 0 500 500 500 600 600 600 550 550 550 550 600 600 300 300 300 300 400 400 300 350 400 400 350 350 100 200 300 400 500 150 200 250 300 300 500 b) Giải toán excel − Dữ liệu đầu vào toán : + d1 = 430 (mm) + d4 = 900 (mm) + d6 = 240 (mm) + a1 = 100 (mm) + a2 = 850 (mm) − Vì robot có bậc tự nên ta rút phương trình ma trận T tốn động học thuận giải là: đó: hướng tay kẹp vị trí tay kẹp Dữ liệu đầu biến khớp q là: q1, q2, q3, q4, q5, q6 Khởi tạo giá trị ban đầu cho 0: + q1, q2, q3, q4, q5, q6 + a11, a12, a13, a14,a24,a34 − Các giá trị biết khâu: + a1,a2,a3,d1,d4,d6 − Tính tổng hàm + L1= (Sx-A12)2 + + − − L2= (Ax – A13)2 L3= (Ay – A23)2 L4= (Px – A14)2 L5= (Py – A24)2 L6= (Pz – A34)2 L=L1+L2+L3+L4+L5+L6 − Nhập liệu toán + Các thành phần Sx, Ax, Ay, Px, Py, Pz lấy từ ma trận T toán thuận + Các thành phần a11, a12, a13 hướng tay kẹp + Các thành phần a14, a24, a34 vị trí tay kẹp khơng gian làm việc tương + + + + + + ứng với điểm P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7,P8,P9,P10,P11,P12 − Dùng cơng cụ Solver để tính tốn + Mở cơng cụ Solver : vào Data => Solver => Options ... *Chọn khoảng cách từ khâu cuối đến tay kẹp 240 mm d) Lập bảng D-H TT RZi-1,i TZi-1,di TXi,ai RXi,βi (1) 430 100 90° (2) 850 0° (3) 0 90° (4) 900 -90° (5) 0 90° (6) 240 0° Bảng 2.1 Bảng D-H Robot Kawasaki