Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone LỜI NÓI ĐẦU Trong nghành sản xuất Công nghiệp hiện nay, nước ta đã có những bước phát triển vượt bậc trong việc áp dụng các công nghệ tiên tiến. Một trong những công nghệ đó là Robot Công nghiệp. Được ứng dụng rộng rãi trong các công việc ở các nhà máy, xí nghiệp Robot có thể thay thế con người trong những công việc đòi hỏi sự khó khăn, nhàm chán….Và dưới sự hướng dẫn của thầy giáo: Ths. Nguyễn Trọng Du nhóm sinh viên Trường Đại học Điện Lực đã cùng nhau nghiên cứu, mô phỏng Robot qua phần mềm Easy – Rob. Tài liệu này đã được nhóm thảo luận và đã nêu ra được một số vấn đề cơ bản về Robot Công nghiệp. Tài liệu gồm 6 chương: Chương I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP Chương II: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP (ROBOT GRYPHONE) Chương III: HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT GRYPHONE Chương IV: GIỚI THIỆU VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM EASY – ROB Chương V: MÔ PHỎNG ROBOT GRYPHONE BẰNG PHẦN MỀM EASY – ROB Chương VI: KẾT LUẬN Tuy đã cố gắng rất nhiều nhưng nhóm không tránh được những thiếu xót, mong thầy giáo và các bạn sẽ đưa ra những ý kiến để nhóm hoàn thành tốt hơn. NHÓM THỰC HIỆN: 1. Lâm Đức Thái 2. Hồ Anh Thắng 3. Lê Ngọc Tân GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 1 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1. Khái niệm về Robot Công nghiệp Có rất nhiều khái niệm về Robot công nghiệp - Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ. Có khả năng định vị, định hướng di chuyển các đối tượng vật chất. - Mỹ: Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình thiết kế để di chuyển vật liệu thông qua các chương trình được thiết lập trong CPU. - Nga: Robot công nghiệp là một máy tự động đặt cố định hoặc di động liên kết với một tay máy và hệ thống điều khiển theo chương trình, tái lập trình hoàn thành các chức năng. - Kết luận: Robot công nghiệp là một máy tự động có khả năng lập trình và tái lập trình được phát minh ra nhằm phục vụ lợi ích con người. 1.2. Lịch sử phát triển Thuật ngữ Robota được xuất hiện năm 1921 trong một tác phẩm văn học của nhà văn người Ba Lan – Karel Capek. Chính thuật ngữ “robota” này đã gợi ý cho con người phát triển Robot và một công ty ở Mỹ - AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người điều khiển tự động thực hiện một số thao tác đế sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran.  Quá trình phát triển của Robot được tóm tắt như sau: - Từ những năm 1950 ở Mỹ đã xuất hiện sản phẩm có tên là Versatran của công ty AMF. - Ở Anh, người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo Robot theo bản quyền của Mỹ từ những năm 1967. - Ở các nước Tây Âu khác như: Đức, Pháp, Ý, Thụy Điển thì bắt đầu chế tạo Robot từ những năm 1970. Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng Robot từ năm 1968. - - Tuy Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra Robot nhưng Nhật Bản là nước sản xuất ra nhiều nhất. Năm 2006: GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 2 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone - Một vài số liệu về số lượng Robot được sản xuất ở một vài nước phát triện : Nước sản xuất 1990 1998 2003 2006 Nhật 60.118 67.000 92.340 132.543 Mỹ 4.327 11.100 23.654 48.321 Đức 5.854 8.600 15.000 27.543 Anh 510 1.500 3.240 6.754 Pháp 1.488 2.000 4.563 9.123 Hàn Quốc 1.000 3.000 6.721 12.432 Bảng 1.1.Số lượng Robot các nước công nghiệp phát triển 1.3. Phân loại Robot Công nghiệp Ngày nay, robot công nghiệp đã phát triển rất phong phú và đa dạng, vì vậy phân loại chúng không đơn giản. Có rất nhiều quan điểm khác nhau và mỗi quan điểm lại phục vụ một mục đích riêng. Dưới đây là hai cách phân loại chính. 1.3.1. Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau thông tin của tay máy-người - Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin. - Thế hệ 2: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin. - Thế hệ 3: Thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người. 1.3.2. Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA như đã trình bày ở trên. 1.3.3. Phân loại theo ứng dụng Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi .v.v 1.3.4. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển. GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 3 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đích nghiên cứu 1.4. Ứng dụng của Robot công nghiệp − Robot công nghiệp được áp dụng trong công nghiệp dưới góc độ thay thế con người, nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tăng năng xuất và hiệu quả. − Ứng dụng làm các công viêc: + Không biết mệt + Cần sự thay đổi liên tục + Trong môi trường chịu sự phóng xạ + Trong môi trường cảm nhận được từ trường và sóng siêu âm + Trong môi trường nhàm chán, mệt mỏi. − Ứng dụng trong Cơ khí: Robot được sử dụng trong công nghệ đúc, hàn, cắt, sơn, phun phủ, tháo lắp, vận chuyển, …. − Ứng dụng trong Y học: Robot được ứng dụng trong lĩnh vực y tế như nội soi, … − Ứng dụng để khai thác thềm lục địa. − Ứng dụng trong quốc phòng: Robot công nghiệp được sử dụng trong loại vũ khí tối tân nhất như máy bay do thám không người lái,… → Kết luận: Robot công nghiệp có một số khả năng làm việc vượt trội so với khả năng của con người, đó là phương tiện nâng cao năng suất lao động. 1.5. Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp 1.5. 1 - Các thành phần chính GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 4 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone - Cánh tay: Là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết bằng khớp động, nguồn động lực là động cơ điện, hệ thống xi lanh khí nén thủy lực - Dụng cụ thao tác là dạy bàn tay, mỏ hàn, đá mài - Thiết bị dạy học là thiết bị dạy dỗ các thao tác cần thiết - Các phần mềm lập trình 1.5.2 - Kết cấu tay máy - Tay máy là một thành phần quan trọng nó quyết định khả nang làm việc của Robot, kết cấu của tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay con người - Kết cấu của tay máy gồm hai chuyển động: + Chuyển động tịnh tiến ( kí hiệu T ) + Chuyển động quay ( kí hiệu R) GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 5 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone - Kết cấu tay máy là tổ hợp, là chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay tạo nên các vùng làm việc khác nhau - Các kiểu tay máy: + Robot kiểu toạ độ Đề các : là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng khối chữnhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng Hình 1.6 Robot hoạt động theo tọa độ Đề Các. +Robot kiểu toạ độ trụ : Vùng làm việc của Robot có dạng hình trụ rỗng. Thườngkhớp thứ nhất chuyển động quay. GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 6 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Ví dụ: Robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ 1.4. Có nhiều Robot kiểu toạ độ trụnhư : Robot Versatran của hãng AMF (Hoa kỳ). Hình 1.7 Robot kiểu toạ độ trụ +Robot kiểu toạ độ cầu : Vùng làm việc của Robot có dạng hình cầu. Thường độ cứng vững của loại Robot này thấp hơn so với hai loại trên. Ví dụ: Robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu (hình 1.5). Hình 1.8 Robot hoạt động theo hệ toạ độ cầu +Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh) : Đây là kiểu Robot được dùngnhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay,trục quay thứ nhấtvuông góc với hai trục kia. Các chuyển động định hướng khác cũng là các GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 7 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone chuyển độngquay. Vùng làm việc của tay máy nầy gần giống một phần khối cầu. Tất cả các khâu đềunằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng, ưu điểmnổi bật của các loại Robot hoạt động theo hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làmviệc tương đối lớn so với kích cở của bản thân Robot, độ linh hoạt cao. Một ví dụ của Robot hoạt động theo hệ tọa độ phỏng sinh, có cấu hình RRR.RRR Hình 1.9 Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc như : Robot PUMA của hãng Unimation- Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), Irb-6, Irb-60 (Thuỵ Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật Bản) .v.v… +Robot kiểu SCARA : Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại họcYamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quátrình sản xuất. Tên gọi SCARA là viết tắt của "Selective Compliant Articulated RobotArm" : Tay máy mềm dẽo tuỳ ý. Loại robot nàythường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt của "Selective Compliance Assembly RobotArm". Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot nầy có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng. Sơ đồ của Robot SCARA GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 8 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Hình 1.10 Robot hoạt động theo hệ toạ độ cầu 1.6. Bậc tự do của Robot công nghiệp 1.6.1.Bậc tự do của robot a. Khái niệm . Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu để dịch chuyển được một vật thể nào đó trong không gian. Cơ cấu chấp hành của Robot phải đạt được một số bậc tự do nhất định. Nói chung, cơ hệ của một Robot là một cơ cấu hở ( là cơ cấu có một khâu nối giá ). Chuyển động của các khâu trong Robot thường là một trong hai khâu chuyển động cơ bản là tịnh tiến hay chuyển động quay b. Xác định số bậc tự do của robot (DOF- Defree Of Freedom) Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặctịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của Robot phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của Robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức : W = 6n - Ở đây: n - Số khâu động; P i - Số khớp loại i (i = 1,2,. . .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế) Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnhtiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động . Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằngtổng số bậc tự do của các khớp động. Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian3 chiều Robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để địnhhướng. Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn.Các Robot hàn, sơn thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo người ta dùng Robot. GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 9 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Ví dụ: Xác định số bậc tự do của Robot sau: Hình 1.11 Bậc tự do của robot Xác định được số khớp loại 5 là 5 (4 khớp quay và một khớp tịnh tiến ), do đó n=5 và P 5 =5 nên số bậc tự do của robot này: W= 6.5 - 5.5 = 5 bậc. 1.6.2. Hệ toạ độ suy rộng (Coordinate frames) Mỗi Robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp(joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệtoạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn).Các hệ toạ độtrung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong từng thời điểmhoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dàihoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp qua .Các toạ độ suy rộngcòn được gọi là biến khớp. Hình 1.12 Các toạ độ suy rộng GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 10 Nhóm 9-Robot gryphone [...]... Du 13 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Hình 1.18 Robot công nghiệp Scara Việt Nam chế tạo GVHD:Ths Nguyễn Trọng Du 14 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone CHƯƠNG II TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Khảo sát động học của robot gryphone 2.1.1 Tóm tắt Bài toán đề cập đến bài toán điều khiển động học của robot và áp dụng vào robot gryphon Nội dung... một góc 3600.Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một Robot GVHD:Ths Nguyễn Trọng Du 11 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Hình 1.14 Vùng làm việc của robot 1.7 – Một số hình ảnh về Robot do Việt Nam chế tạo Hình 1.15 Robot dịch vụ GVHD:Ths Nguyễn Trọng Du 12 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Hình 1.16 Robot đánh bóng bàn TOPIO... thành chuyển các hệ toạ độ trên sơ đồ động học GVHD:Ths Nguyễn Trọng Du 26 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Chương IV GIỚI THIỆU VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM EASY – ROB 4.1 Giới thiệu phần mềm EASY-ROB 2.0 EASY-ROB là công cụ mô phỏng robot sử dụng đồ hoạ trong không gian 3 chiều (3D) và các hình ảnh có thể hoạt động được Một hệ thống 3D-CAD đơn giản cho phép tạo ra các khối hình.. .Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải : Dùngtay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón : cái, trỏ và giữa theo3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục X, thì ngón trỏchỉ phương, chiều của trục Y và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều... zi-1 tức là vuông góc với mặt phẳng chứa zi, zi-1 CHƯƠNG III HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT GRYPHON 3.1.Giới thiệu mô hình và nguyên tắc hoạt động GVHD:Ths Nguyễn Trọng Du 19 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Robot Gryphone là 1 trong những Robot được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp Gryphone là robot có 5 khâu với cấu hình RRRRR Tất cả 5 khâu đều chuyển động... quen thuộc và hiệu quả để xác định phương trình động học của các Robot Công nghiệp có nhiều khâu nối tiếp nhau thông qua khớp động GVHD:Ths Nguyễn Trọng Du 18 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone 2.2.2 - Các bộ thông số cơ bản giữa 2 trục quay của khớp động i + 1 và i ai là độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp động i và i + 1 αi là góc chéo giữa 2 trục khớp động i và i di... của robot Robot mô phỏng có thể cầm nắm hoặc thả các đối tượng làm việc Các chuyển động của robot có thể ghi vào một tập tin và có thể thực hiện lại Phần mềm cho phép ta xem được các hệ toạ độ đã gắn trên các khâu của robot, xem được quỹ đạo chuyển động của điểm cuối công cụ gắn trên khâu chấp hành cuối Phần GVHD:Ths Nguyễn Trọng Du 27 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone mềm... *.Prg : (Programm) Chương trình điều khiển  Menu Robotics : Dùng để nhập các thông số DH, xác định vị trí của dụng cụ, xác định vị trí robot và các thông số khác Hình 4.5: Menu Robotics GVHD:Ths Nguyễn Trọng Du 30 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone  Menu simulate: Dùng mô phỏng hoạt động của robot Hình 4.6: Menu simulate  Menu 3D-CAD: Cung cấp các công cụ để vẽ kết cấu robot trong... ứng được chọn : thẳng ứng Zoom (Phóng to, thu nhỏ) : ấn nút chuột phải, rê chuột lên xuống theo phương thắng ứng của màn hình Pan (thay đổi vị trí của đối tượng so với khung màn hình) : ấn đồng thời hai nút chuột phải và trái, rê chuột trên màn hình Rotate (quay robot để nhìn ở các góc độ khác nhau) : ấn chuột trái, rê chuột GVHD:Ths Nguyễn Trọng Du 35 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone. .. việc sử dụng liên tiếp các hệ toạ độ, ma trận chuyển hệ toạ độ gắn vào tay kẹp về hệ toạ độ gắn vào đế của rôbốt có dạng: = ( q1) ( q2)… ( qn)= ( q) Trong đó hệ toạ độ đế rô bốt kí hiệu là 0, hệ toạ độ tay kẹp rô bốt kí hiệu là n, q là ma trận N x 1 của các toạ độ suy rộng,chúng là các thông số định vị của rôbốt R(q) là ma GVHD:Ths Nguyễn Trọng Du 22 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone . 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Hình 1.18 Robot công nghiệp Scara Việt Nam chế tạo GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 14 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone CHƯƠNG. 3.1.Giới thiệu mô hình và nguyên tắc hoạt động GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 19 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone Robot Gryphone là 1 trong những Robot được ứng dụng nhiều. khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển. GVHD:Ths. Nguyễn Trọng Du 3 Nhóm 9-Robot gryphone Ứng dụng và mô phỏng Robot-gryphone