ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR: INDUSTRIAL ROBOT) 1.2 ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG SẢN XUẤT 1.3 CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.3.1 Định nghĩa robot công nghiệp 1.3.2 Bậc tự robot (DOF: Degrees Of Freedom) 1.3.3 Hệ toạ độ (Coordinate frames) 1.3.4 Trường công tác robot (Workspace or Range of motion) 1.3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.4.1 Các thành phần robot công nghiệp 10 1.4.2 Kết cấu tay máy 10 1.5 PHÂN LOẠI ROBOT CÔNG NGHIỆP 11 1.5.1 Phân loại theo kết cấu 11 1.5.2 Phân loại theo hệ thống truyền động 11 1.5.3 Phân loại theo ứng dụng 11 1.5.4 Phân loại theo cách thức đặc trưng phương pháp điều khiển 11 PHẦN II: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D ROBOT RR 13 2.1 MÔ HÌNH 3D CỦA ROBOT PHẲNG HAI BẬC TỰ DO 13 PHẦN III: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC ROBOT 16 3.1 ĐẶT HỆ TỌA ĐỘ 16 3.2 CÁC XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ĐỘNG HỌC CỦA BẢNG DH 17 3.3 THIẾT LẬP BỘ THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC DENAVIT – HARTENBERG 17 3.4 THIẾT LẬP CÁC PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT 19 3.5 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN 21 3.5 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC 27 PHẦN IV : BÀI TOÁN TĨNH HỌC 31 4.1 TÍNH LỰC DẪN ĐỘNG TẠI CÁC KHỚP ĐẢM BẢO CÂN BẰNG TĨNH 31 4.2 XÉT KHÂU TÁC ĐỘNG CUỐI 32 Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa 4.3 XÉT KHÂU THỨ 1: 34 PHẦN V: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 37 5.1 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐỘNG HỌC 37 PHẦN VI: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 41 6.1 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO THEO KHÔNG GIAN KHỚP 41 6.2 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO THEO KHÔNG GIAN LÀM VIỆC 46 6.2.1 Quỹ đạo điểm tác động cuối theo đường thẳng từ A đến B t (s) 46 6.2.2 Thiết kế quỹ đạo tác động tác động cuối di chuyển theo đường tròn từ A đến B tc(s) lấy AB làm đường kính 48 PHẦN VII : ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG ROBOT 51 7.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG KHÔNG GIAN KHỚP 51 7.1.1 Hệ thống điều khiển phản hồi 51 7.1.2 Thiết kế cho robot RR 53 7.1.3 Sử dụng phương trình động lực học mô điều khiển simulink: 54 7.2 SỬ DỤNG MÔ HÌNH XUẤT RA TỪ SOLIDWORKS 58 PHẦN VIII MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT BẰNG 63 PHẦN MỀM VISUAL STUDIO VÀ THƯ VIỆN OPENGL 63 8.1.Thiết kế 3D 63 8.2 Mô hoạt động robot 63 PHẦN IX: KẾT LUẬN 66 PHẦN X :CÁC CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ CÁC BẢN VẼ 67 Phần XI : TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa LỜI NÓI ĐẦU Trong nghiệp công nghiệp hóa, đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa có vai trò đặc biệt quan trọng Nhằm nâng cao nâng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao suất lao động đặt hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao.Robot công nghiệp, đặc biệt tay máy robot bô phận quan trọng để tạo hệ thống Tay máy Robot có mặt sản xuất từ nhiều năm trước, ngày tay máy Robot dùng nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ ưu điểm mà tay máy Robot đúc kết lại trình sản xuất làm việc, tay máy có tính mà người có được, khả làm việc ổn định, làm việc môi trường độc hại… Do việc đầu tư nghiêc cứu, chế tạo loại tay máy Robot phục vụ cho công tự động hóa sản xuất cần thiết cho tương lai ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ giúp chúng em làm quen tìm hiểu kĩ với vấn đề cốt lõi robot có ích cho chúng em sau Qua chúng em tìm hiểu sâu tìm hiểu cách tiếp cận giải vấn đề môn học Đồng thời qua làm đồ án hình thành thêm kĩ làm việc,lập kế hoạch,viết báo cáo……rất có ích cho sau Trong trình làm đồ án có nhiều vấn đề đặt mà phạm vi khả em hạn chế chưa giải triệt để được, em mong cô bảo hướng dẫn thêm Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR: INDUSTRIAL ROBOT) Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa công việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots Karel Capek, vào năm 1921 Trong kịch nầy, 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 người máy 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 công 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 công 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 Một Robot Công nghiệp chế tạo Robot Versatran công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian nầy Mỹ xuất loại robot Unimate (1900) dùng kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh (1967), Thụy Điển Nhật (1968) theo quyền Mỹ, CHLB Đức (1971), Pháp (1972), Ý (1973) Tính làm việc robot ngày nâng cao, khả Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa nhận biết xử lý Năm 1967 trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) chế tạo mẫu robot hoạt động theo mô 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: Công cụ tương lai) Robot nầy nâng vật có khối lượng đến 40 KG 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 khôn nhân tạo, hệ chuyên gia… Trong năm sau nầy, việc nâng cao tính hoạt động robot không 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 công nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất đại Một vài số liệu số lượng robot sản xuất vài nước công nghiệp phát triển sau: Bảng 1: số lượng sản xuất robot nước công nghiệp Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998 Nhật 66.118 29.756 67000 Mỹ 4.237 7.634 11000 Đức 5.845 5.125 8.600 Ý 2.500 2.408 4000 Pháp 1.448 1.197 2000 Anh 510 1086 1500 1000 1200 Nước SX Hàn Quốc 1.2 ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG SẢN XUẤT 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 Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Mục tiêu ứng dụng robot công 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 : làm việc mệt mỏi, dễ dàng chuyển nghề cách thành thạo, chịu phóng xạ môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” từ trường “nghe” siêu âm Robot dùng thay người trường hợp thực công việc không nặng nhọc đơn điệu, dễ gây mệt mõi, nhầm lẫn Trong ngành khí, robot sử dụng nhiều công 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 công nghiệp, dây chuyền đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao máy robot điều khiển hệ thống chương trình Ngoài 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 vượt khả người; phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao suất lao động, giảm nhẹ cho người công việc nặng nhọc độc hại Nhược điểm lớn robot chưa linh hoạt người, dây chuyền tự động, có robot bị hỏng làm ngừng hoạt động dây chuyền, robot hoạt động giám sát người 1.3 CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.3.1 Định nghĩa robot công nghiệp Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục toạ độ; có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo hành trình thay đổi chương trình hoá nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America): Robot tay máy vạn lặp lại chương trình thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng thông qua chương trình chuyển động thay đổi để hoàn thành nhiệm vụ khác Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp máy tự động, đặt cố định di động được, liên kết tay máy hệ thống điều khiển theo chương trình, lập trình lại để hoàn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất Có thể nói Robot công nghiệp máy tự động linh hoạt thay phần toàn hoạt động bắp hoạt động trí tuệ người nhiều khả thích nghi khác Robot công nghiệp có khả chương trình hoá linh hoạt nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự chúng Robot công nghiệp trang bị bàn tay máy cấu chấp hành, giải nhiệm vụ xác định trình công nghệ : trực tiếp tham gia thực nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy ) phục vụ trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá ) với thao tác cầm nắm, vận chuyển trao đổi đối tượng với trạm công nghệ, hệ thống máy tự động linh hoạt, gọi “Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh thao tác đơn giản nhiệm vụ sản xuất thay đổi 1.3.2 Bậc tự robot (DOF: Degrees Of Freedom) Bậc tự số khả chuyển động cấu (chuyển động quay tịnh tiến) Để dịch chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành robot phải đạt số bậc tự Nói chung hệ robot cấu hở, bậc tự tính theo công thức: w  6n   ipi i 1 Ở đây: n - Số khâu động; pi - Số khớp loại i (i = 1, 2, ,5 : Số bậc tự bị hạn chế) Đối với cấu có khâu nối với khớp quay tịnh tiến (khớp động loại 5) số bậc tự với số khâu động Đối với cấu hở, số bậc tự tổng số bậc tự khớp động Để định vị định hướng khâu chấp hành cuối cách tuỳ ý không gian chiều robot cần có bậc tự do, bậc tự để định vị bậc tự để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, xếp yêu cầu số bậc tự Các robot hàn, sơn thường yêu cầu bậc tự Trong số trường hợp cần khéo léo, linh hoạt cần phải tối ưu hoá quỹ đạo người ta dùng robot với số bậc tự lớn 1.3.3 Hệ toạ độ (Coordinate frames) Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với qua khớp (joints), tạo thành xích động học xuất phát từ khâu Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa (base) đứng yên Hệ toạ độ gắn với khâu gọi hệ toạ độ (hay hệ toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với khâu động gọi hệ toạ độ suy rộng Trong thời điểm hoạt động, toạ độ suy rộng xác định cấu hình robot chuyển dịch dài chuyển dịch góc khớp tịnh tiến khớp quay Các toạ độ suy rộng gọi biến khớp (Hình 1.1) Các hệ toạ độ gắn khâu robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út áp út vào lòng bàn tay, xoè ngón : cái, trỏ theo phương vuông góc nhau, chọn ngón phương chiều trục z, ngón trỏ phương, chiều trục x ngón biểu thị phương, chiều trục y (hình 1.2) Trong robot ta thường dùng chữ O số n để hệ toạ độ gắn khâu thứ n Như hệ toạ độ (Hệ toạ độ gắn với khâu cố định) ký hiệu O0; hệ toạ độ gắn khâu trung gian tương ứng O1, O2, , On-1, Hệ toạ độ gắn khâu chấp hành cuối ký hiệu On 1.3.4 Trường công tác robot (Workspace or Range of motion) Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) robot toàn thể tích quét khâu chấp hành cuối robot thực tất chuyển động Trường công tác bị ràng buộc thông số hình học robot ràng buộc học khớp; ví dụ, khớp Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa quay có chuyển động nhỏ góc 3600 Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác robot (hình 1.3) 1.3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP Hình Sơ đồ khối Robot công nghiệp Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa 1.4.1 Các thành phần robot công nghiệp Một robot công nghiệp thường bao gồm thành phần : cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, cảm biến, điều khiển , thiết bị dạy học, máy tính phần mềm lập trình nên coi thành phần hệ thống robot Cánh tay robot (tay máy) kết cấu khí gồm khâu liên kết với khớp động để tạo nên chuyển động robot Nguồn động lực động điện (một chiều động bước), hệ thống xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động Dụng cụ thao tác gắn khâu cuối robot, dụng cụ robot có nhiều kiểu khác như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng công cụ làm việc mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot thao tác cần thiết theo yêu cầu trình làm việc, sau robot tự lặp lại động tác dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học) Các phần mềm để lập trình chương trình điều khiển robot cài đặt máy tính, dùng điều khiển robot thông qua điều khiển (Controller) Bộ điều khiển gọi Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), thường kết nối với máy tính Một mođun điều khiển có cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái thân, xác định vị trí đối tượng làm việc dò tìm khác; điều khiển băng tải cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot 1.4.2 Kết cấu tay máy Như nói trên, tay máy thành phần quan trọng, định khả Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa làm việc robot Các kết cấu nhiều tay máy theo cấu tạo chức tay người; nhiên ngày nay, tay máy thiết kế đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình dáng khác xa cánh tay người Trong thiết kế sử dụng tay máy, cần quan tâm đến thông số hình động học, thông số liên quan đến khả làm việc robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự (thể khéo léo linh hoạt robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp Các khâu robot thường thực hai chuyển động bản: • Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z không gian Descarde, thông thường tạo nên hình khối • Chuyển động xoay theo trục x, y, z không gian • Các chuyển động thường ký hiệu T (Translation) P (Prismatic) 1.5 PHÂN LOẠI ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.5.1 Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu 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 trình bày 1.5.2 Phân loại theo hệ thống truyền động Có dạng truyền động phổ biến là: Hệ truyền động điện: Thường dùng động điện chiều (DC: Direct Current) động bước (step motor) Loại truyền động nầy dễ điều khiển, kết cấu gọn Hệ truyền động thuỷ lực: đạt công 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 nầy làm việc với công suất trung bình nhỏ, xác, thường thích hợp với robot hoạt động theo chương trình định sẳn với thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP: Point To Point) 1.5.3 Phân loại theo ứng dụng Dựa vào ứng dụng robot sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v 1.5.4 Phân loại theo cách thức đặc trưng phương pháp điều khiển Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển quan hệ phản hồi), Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 11 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo): sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ xác mức độ linh hoạt điều khiển Ngoài có cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm mục đích nghiên cứu Sơ đồ điều khiển : Hình 1.5 Sơ đồ điều khiển hở Hình 1.6 sơ đồ điều khiển kín Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 12 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa PHẦN II: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D ROBOT RR Sử dụng phần mềm thiết kế 3D Solidwork 2.1 MÔ HÌNH 3D CỦA ROBOT PHẲNG HAI BẬC TỰ DO Thiết kế khí khâu đế khâu: Khâu đế : Hình 2.1 Khâu đế Khâu 1: Hình 2.2:khâu Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 Khâu Hình2 Khâu 13 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Các chi tiết khác: Hình 2.4 Bánh khâu 1,2 Hình 2.6 Nắp hộp bánh Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 Hình 2.5 Then Hình 2.7 Trục bánh 14 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Hình 2.8 Khớp bánh GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Hình 2.9 Khớp bánh Cơ cấu phẳng hai bậc tự RR đc thiết kế sau: Hình 2.10 Mô hình 3D ROBOT phẳng hai bậc tự (chi tiết thông số xem thêm phần phụ lục phía cuối) Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 15 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa PHẦN III: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC ROBOT 3.1 ĐẶT HỆ TỌA ĐỘ Hình 3.1 hệ trục tọa độ robot Theo Denavit – Hartenberg (1955) quy ước hệ tọa độ Decard gắn vào khâu tay máy Robot sau: * Trục 𝑧𝑖 chọn dọc theo trục khớp thứ (i+1) Hướng phép quay phép tịnh tiến chọn tùy ý * Trục 𝑥𝑖 xác định dọc theo đường vuông góc chung trục khớp động thứ i (i+ 1), hướng từ khớp động thứ i tới trục ( i+1) * Trục 𝑦𝑖 xác định theo quy tắc bàn tay phải Từ quy tắc ta xây dựng tọa độ khảo sát (Hình 2.1)  Hệ tọa độ 𝑂0 𝑥0 𝑦0 𝑧0 : Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 16 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Gốc tọa độ đặt tâm khớp động thứ Trục 𝑂0 𝑧0 dọc theo hướng trục khớp động thứ hướng từ Trục 𝑂0 𝑥0 có phương vuông góc với 𝑧0 ta chọn vị trí nằm ngang Trục 𝑂0 𝑦0 xác định theo quy tắc bàn tay phải  Hệ tọa độ 𝑂1 𝑥1 𝑦1 𝑧1 : Gốc tọa độ đặt tâm khớp động thứ Trục 𝑂1 𝑧1 có phương hướng theo trục khớp động thứ vuông góc với mặt phẳng hình vã có chiều hướng từ rong (như hình vẽ) Trục 𝑂1 𝑥1 có phương nằm đường vuông góc chung trục 𝑂0 𝑧0 𝑂1 𝑧1 𝑂0 𝑧0 // 𝑂1 𝑧1 nên ta chọn 𝑂1 𝑥1 có hướng dọc theo khâu hình vẽ Trục 𝑂1 𝑦1 xác định theo quy tắc bàn tay phải  Hệ tọa độ 𝑂2 𝑥2 𝑦2 𝑧2: Gốc tọa độ đặt đầu khâu thứ Trục 𝑂2 𝑧2 có phương // với 𝑂1 𝑧1 có chiều hướng từ Trục 𝑂2 𝑥2 có phương nằm đường vuông góc chung trục 𝑂1 𝑧1 𝑂2 𝑧2 ta chọn phương dọc theo trục khâu Trục 𝑂2 𝑦2 xác định theo quy tắc bàn tay phải 3.2 CÁC XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ĐỘNG HỌC CỦA BẢNG DH Vị trí hệ tọa độ khớp (𝑂𝑥𝑦𝑧)𝑖 hệ tọa độ khớp (𝑂𝑥𝑦𝑧)𝑖−1 xác định tham số 𝜃𝑖 , 𝑑𝑖 , 𝛼𝑖 , 𝑎𝑖 sau: 𝜃𝑖 : góc quay quanh trục 𝑧𝑖−1 để trục 𝑥𝑖−1 trùng với trục 𝑥′𝑖 (𝑥𝑖 //𝑥′𝑖 ) 𝑑𝑖 : dịch chuyển tịnh tiế dọc trục 𝑧𝑖−1 để gốc tọa độ 𝑂𝑖−1 chuyể đến 𝑂′𝑖 giao điểm trục 𝑥𝑖 trục 𝑧𝑖−1 𝑎𝑖 : dịch chuyển dọc trục 𝑥𝑖 để điểm 𝑂′𝑖 chuyển đến điểm 𝑂𝑖 𝛼𝑖 : góc quay quanh trục 𝑥𝑖 cho trục 𝑧′𝑖−1 (𝑧′𝑖−1 // 𝑧𝑖−1 ) trùng với trục 𝑧𝑖 3.3 THIẾT LẬP BỘ THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC DENAVIT – HARTENBERG Với cách thành lập hệ tọa độ ta xác định tham số động học robot sau: Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 17 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Bảng 3.1 bảng DH thông số động học robot RR khâu 𝜃𝑖 𝑑𝑖 𝑎𝑖 𝛼𝑖 𝜃1 a1 𝜃2 a2 Trong 1 ,2 biến khớp , a1 , a2 số Và X=[x1,x2,]T véc tơ biểu diễn vị trí bàn kẹp hệ cố định q=[q1,q2] với q1 =  1, q2 =  góc xoay biến khớp với giới hạn góc quay q1    7 : , q2   2 2 : 3 ta có vùng không gian làm việc Robot sau: Hình 3.2 Không gian làm việc Robot - Dạng tổng quát ma trận Denavit-Hartenberg cho khâu Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 18 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ cosθ i  sin θ i i-1 Ai=      sin θi cos αi cosθi cos α i sin αi sin θi sin αi  sin α i cosθ i cos αi GVHD:ThS Mạc Thị Thoa a i cosθi  a i sin θ i  di    Ma trận Denavit-Hartenbergcủa khâu 1: cos q1  sinq1  sin q cos q 1 A1    0   0 a1.cos q1  a1.sin q1      3.1 a2 cos q2  a2 sin q2      3.2  Ma trận Denavit-Hartenbergcủa khâu 2: cos q2  sin q2  sin q cos q 2 A2    0   3.4 THIẾT LẬP CÁC PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT Từ ma trận (2.1) (2.2) ta xác định ma trận biến đổi tọa độ khâu so với trục hệ tọa độ cố định 𝑂0 𝑥0 𝑦0 𝑧0 : cos(q  q2 )  sin(q1  q2 ) sin(q  q ) cos(q  q ) 2 0 A2  A1 A2    0  0  a1.cos q1  a2 cos(q1  q2 )  a1.sin q1  a2 sin(q1  q2 )     (3.3) - Ma trận A2 cho ta biết hướng vị trí khâu thao tác hệ tọa độ cố định hay nói cách khác vị trí điểm tác động cuối hướng hệ tọa độ động gắn vào khâu điểm tác động cuối hệ tọa độ cố định Vì biểu diễn qua thông số biến khớp ta tạm gọi qi Trong toán cụ thể khớp xoay θi, với i=1÷2 Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 19 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ - Khi đó, ma trận (2.3) kí hiệu thành GVHD:ThS Mạc Thị Thoa A2 (q) Sử dụng góc Cardan xác định hướng vật rắn Ta gọi  xE , yE , z E ,  ,  ,  giá trị mô tả trực tiếp vị trí hướng EX2Y2Z2 so với hệ tọa độ O0Z0Y0Z0 Trong đó:  xE , yE , z E  tọa độ điểm E [𝛼, 𝛽, 𝜂] góc quay Cardan EX2Y2Z2 so với hệ tọa độ O0Z0Y0Z0 Do tọa độ thao tác hàm thời gian Nên ta biểu diễn:  Rn (t ) An (t )   T  0 rE (t )    (3.4) Với: AE ma trận Cardan mô ta hướng EX2Y2Z2 so với hệ tọa độ O0Z0Y0Z0 rE vectơ mô tả vị trí điểm tác động cuối hệ tọa độ O0Z0Y0Z0 0 Rn  RCD rE (t )   xE (t), yE (t), z E (t )  T (3.5) cos  cos  cos  sin sin       sin  sin  cos  cos  sin  sin  sin  sin  cos  cos  sin  cos     cos  sin  cos  sin  sin cos  sin  sin  sin  cos cos  cos   - Do ma trận A2 (q) biểu diễn vị trí hướng khâu thao tác hệ tọa độ cố định thông qua biến khớp qi (Ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học) Còn ma trận AE (t ) mô tả vị trí hướng khâu thao tác thông qua hệ tọa độ khâu thao tác Ở ta chọn cách biểu diễn thông qua góc Cardan 0 Từ ta có PT động học ROBOT có dạng: A2 (q)  An (t ) Với n = cấu ROBOT có khâu A2 (q) 0 A2 (t ) (3.7) - Từ hệ thức (3.3), (3.4), (3.5),(3.6), (3.7) Ta xây dựng hệ phương trình độc lập sau: Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 20 (3.6) [...]... Hình2 3 Khâu 2 13 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Các chi tiết khác: Hình 2.4 Bánh răng khâu 1,2 Hình 2.6 Nắp hộp bánh răng Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 Hình 2.5 Then Hình 2.7 Trục bánh răng 14 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Hình 2.8 Khớp bánh răng 1 GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Hình 2.9 Khớp bánh răng 2 Cơ cấu phẳng hai bậc tự do RR đc thiết kế như sau: Hình... nghiên cứu Sơ đồ điều khiển cơ bản : Hình 1.5 Sơ đồ điều khiển hở Hình 1.6 sơ đồ điều khiển kín Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 12 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa PHẦN II: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D ROBOT RR Sử dụng phần mềm thiết kế 3D Solidwork 2.1 MÔ HÌNH 3D CỦA ROBOT PHẲNG HAI BẬC TỰ DO Thiết kế cơ khí của khâu đế và các khâu: Khâu đế : Hình 2.1 Khâu đế Khâu 1: Hình...ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa làm việc của robot Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông... các quan hệ phản hồi), Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 11 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa 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 Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đích nghiên cứu Sơ đồ điều khiển cơ bản : Hình 1.5 Sơ đồ điều khiển... các thông số xem thêm ở phần phụ lục phía cuối) Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 15 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa PHẦN III: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC ROBOT 3.1 ĐẶT HỆ TỌA ĐỘ Hình 3.1 hệ trục tọa độ của robot Theo Denavit – Hartenberg (1955) đã quy ước hệ tọa độ Decard gắn vào mỗi khâu của một tay máy Robot như sau: * Trục 𝑧𝑖 được chọn dọc theo trục... thao tác trong hệ tọa độ cố định hay nói cách khác là vị trí của điểm tác động cuối và hướng của hệ tọa độ động gắn vào khâu tại điểm tác động cuối trong hệ tọa độ cố định Vì thế nó còn được biểu diễn qua thông số các biến khớp ta tạm gọi là qi Trong bài toán cụ thể thì nó là các khớp xoay θi, với i=1÷2 Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 19 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ - Khi đó, ma... trên 1.5.2 Phân loại theo hệ thống truyền động Có các dạng truyền động phổ biến là: Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC: Direct Current) hoặc các động cơ bước (step motor) Loại truyền động nầy dễ điều khiển, kết cấu gọn Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại... 𝛼𝑖 : góc quay quanh trục 𝑥𝑖 sao cho trục 𝑧′𝑖−1 (𝑧′𝑖−1 // 𝑧𝑖−1 ) trùng với trục 𝑧𝑖 3.3 THIẾT LẬP BỘ THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC DENAVIT – HARTENBERG Với cách thành lập hệ tọa độ như trên ta có thể xác định các tham số động học của robot như sau: Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 17 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Bảng 3.1 bảng DH các thông số động học của robot RR khâu 𝜃𝑖... sát (Hình 2.1)  Hệ tọa độ 𝑂0 𝑥0 𝑦0 𝑧0 : Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 16 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Gốc tọa độ đặt tại tâm của khớp động thứ nhất Trục 𝑂0 𝑧0 dọc theo hướng của trục khớp động thứ nhất hướng từ trong ra ngoài Trục 𝑂0 𝑥0 có phương vuông góc với 𝑧0 và ta chọn ở vị trí nằm ngang Trục 𝑂0 𝑦0 xác định theo quy tắc bàn tay phải  Hệ tọa độ 𝑂1 𝑥1... bàn kẹp trong hệ cố định q=[q1,q2] với q1 =  1, q2 =  2 là các góc xoay các biến khớp với giới hạn các góc quay q1    7 6 : 6 , q2   2 2 : 3 3 thì ta có vùng không gian làm việc của Robot như sau: Hình 3.2 Không gian làm việc của Robot - Dạng tổng quát của ma trận Denavit-Hartenberg cho các khâu Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Anh Lớp CĐT2- K55 18 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ cosθ i 