Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển robot 2 bậc tự do

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Điều khiển robot 2 bậc tự do" có cấu trúc gồm 3 chương trình bày tổng quan về Robot công nghiệp và phương pháp điều khiển, thiết kế bộ điều khiển trượt, ứng dụng điều khiển trượt vào điều khiển robot planar hai bậc tự do. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển robot 2 bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Thăng Long ĐIỀU KHIỂN ROBOT 2 BẬC TỰ DO Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS. PHAN XUÂN MINH HÀ NỘI – 2014
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... 3 MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ..................................... 9 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP .................... 12 VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ......................................................... 12 1.1 Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp ....................................... 12 1.2 Định nghĩa về robot và một số khái niệm ............................................ 12 1.2.1 Các định nghĩa về Robot công nghiệp ........................................... 12 1.2.2 Một số khái niệm ........................................................................... 13 1.2.3 Một số thông số đặc trưng của hệ thống Robot .............................. 14 1.3 Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp ..................................... 14 1.3.1 Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp ................................... 14 1.3.2 Ứng dụng và mô hình hóa Robot công nghiệp ............................... 14 1.4 Cấu trúc của một hệ thống Robot công nghiệp .................................... 16 1.4.1 Các thành phần chính của Robot công nghiệp ............................... 16 1.4.2 Các dạng cơ cấu hình học của Robot ............................................. 17 1.4.3 Mô hình động lực học.................................................................... 18 1.5 Các phương pháp điều khiển Robot công nghiệp ................................. 29 1.5.1 Các phương pháp điều khiển truyền thống..................................... 29 1.5.2 Phương pháp điều khiển thông minh ............................................. 35 1.6 Lý thuyết ổn định Lyapunov................................................................ 40 CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ...................................................... 42 2.1 Đặc điểm điều khiển trượt ................................................................... 42 2.2. Điều khiển trượt ................................................................................. 43 2.3. Tổng hợp điều khiển trượt .................................................................. 45 2.4. Ví dụ minh họa ................................................................................... 46 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT .......................... 49 1
CHO ROBOT 2 BẬC TỰ DO.................................................................... 49 3.1 Mô hình Robot Planar 2 bậc tự do ....................................................... 49 3.2. Thiết kế bộ điều khiển trượt cho robot 2 bậc tự do mô hình xác định . 50 3.3 Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab-Simulink ............................... 51 3.3.1. Xây dựng các sơ đồ mô phỏng...................................................... 51 3.3.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................ 52 3.3.3. Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng ........................................... 56 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................... 57 PHỤ LỤC.................................................................................................... 61 2
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Điều khiển trượt cho robot hai bậc tự do” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của cô giáo GS.TS. Phan Xuân Minh. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực. Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận văn, tôi đảm bảo rằng không sao chép các công trình hoặc kết quả của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Học viên Hoàng Thăng Long 3
MỞ ĐẦU Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ… Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng người máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt. Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng sản xuất cũng như trong đời sống. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động được lập trình trước. Khoa học robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số ma trận. * Robot có thể thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh. * Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thể thực hiện được các chuyển động như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiển bằng chương trình được nạp sẵn trong chip trên bo mạch điều khiển robot. Càng ngày ngành robot càng phát triển, nó đem lại những thay đổi quan trọng trong chế tạo sản phẩm và nâng cao năng suất chất lượng ở rất nhiều ngành công nghiệp. Sử dụng Robot công nghiệp (RBCN), các xí nghiệp công nghiệp thu được nhiều lợi ích như: tăng thời gian hoạt động của máy móc, tăng độ linh hoạt, có khả năng định trước được công việc sản xuất và tăng sản lượng nhờ làm ổn định quá trình. Việc tự động hóa nhờ robot cũng khắc phục được tình trạng thiếu nhân công, đồng thời tăng được độ an toàn cho người và thiết bị. Việc tiết kiệm nhân công đã hạ được giá thành sản phẩm, một ưu điểm quyết định khả năng cạnh tranh. Giá thành của robot đang giảm đi trong khi tính năng của nó được gia tăng và công nghệ ngày càng dễ sử dụng. RBCN và máy CNC có thể kết hợp với nhau thành một hệ thống và có thể lập trình điều khiển bằng máy tính để cho chúng hoạt động theo công nghệ đã đặt ra. Robot đóng vai trò quan trọng trong tự động hóa linh hoạt như công tác vận chuyển bổ trợ cho máy CNC, trong dây chuyền lắp ráp, sơn hàn tự động, trong các thao tác lặp đi lặp lại, trong các vùng nguy hiểm. Một robot có thể chuyển động từ vị trí này sáng vị trí khác để cung cấp chi tiết đồng thời vẫn giao tiếp với các thiết 4
bị ngoại vi như bộ PLC, bàn điều khiển hoặc hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Ưu điểm quan trọng nhất của kỹ thuật robot là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử - robot và máy điều khiển theo chương trình đã cho phép tìm được những phương thức mới mẻ để tạo nên các dây chuyền tự động cho sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu, loại sản phẩm. Kỹ thuật robot công nghiệp và máy vi tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt (Hệ sản xuất linh hoạt FMS). Để hệ điều khiển robot (ĐKRB) có độ tin cậy, độ chính xác cao, giá thành hạ và tiết kiệm năng lượng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ ĐKRB phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh và điều khiển. Ngoài ra, hệ ĐKRB phải đảm bảo ổn định động và tĩnh, chống được nhiễu trong và ngoài, đồng thời không gây tác hại cho môi trường như: tiếng ồn quá mức quy định, sóng hài của điện áp và dòng điện quá lớn cho lưới điện ... Khi thiết kế hệ ĐKRB mà trong đó sử dụng các hệ điều chỉnh tự động truyền động, cần phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu kinh tế. Chất lượng của hệ thống được thể hiện trong trạng thái tĩnh và trạng thái động. Trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng là độ chính xác điều chỉnh. Trạng thái động thì có yêu cầu về độ ổn định và các chỉ tiêu về chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh và số lần dao động. Đối với hệ ĐKRB, việc lựa chọn sử dụng các bộ biến đổi, các loại động cơ điện, các thiết bị đo lường, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt là phương pháp điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ đạo của hệ. Đặc điểm cơ bản của hệ thống ĐKRB là thực hiện được điều khiển bám theo một quỹ đạo phức tạp đặt trước trong không gian, tuy nhiên khi dịch chuyển thì trọng tâm của các chuyển động thành phần và mômen quán tính của hệ sẽ thay đổi, điều đó dẫn đến thông số động học của hệ cũng thay đổi theo quỹ đạo chuyển động và đồng thời xuất hiện những lực tác động qua lại, xuyên chéo giữa chuyển động thành phần trong hệ với nhau. Các yếu tố trên tác động sẽ là cho hệ ĐKRB mang tính phi tuyến mạnh, gây cản trở rất lớn cho việc mô tả và nhận dạng chính xác hệ thống ĐKRB. Do vậy, khi ĐKRB bám theo quỹ đạo đặt trước phải giải quyết được những vấn đề sau. 5
* Khắc phục các lực tương tác phụ thuộc vào vận tốc, gia tốc của quỹ đạo riêng các chuyển động thành phần và quỹ đạo chung của cả hệ như: lực quán tính, lực ly tâm, lực ma sát... * Khi trọng tâm của các chuyển động thành phần và của cả hệ thay đổi theo quỹ đạo riêng và chung kéo theo sự thay đổi của các thông số động học của hệ, điều đó đòi hỏi phải có sự biến thiên các tham số đưa vào bộ điều khiển tương ứng để vẫn đảm bảo sự cân bằng, ổn định và bền vững đồng thời vẫn bám theo được quỹ đạo đặt. Các phương pháp điều khiển thông thường sử dụng biện pháp phân tích gián tiếp thông qua mô hình làm việc của hệ, song lại không cung cấp được thông tin một cách đầy đủ về toàn bộ hệ thống. Còn đối với những phương pháp phân tích trực tiếp thì ngoại trừ tiêu chuẩn Lyapunov cho việc phân tích tính ổn định và phương pháp mặt phẳng pha giới hạn ở hệ phi tuyến có hai biến trạng thái, cho tới nay chưa có một phương pháp cụ thể nào khác. Phương pháp điều khiển động lực học ngược cần phải biết chính xác thông số của đối tượng, trong khi đối tượng thực tế lại có thông số thay đổi và nhiễu không xác định trong môi trường làm việc. Do đó, việc thực hiện các bộ điều khiển theo phương pháp này gặp nhiều khó khăn về độ chính xác, hay nói cách khác là khó thực hiện được trong thực tế. Phương pháp điều khiển phân ly phi tuyến có nhược điểm là hệ thống điều khiển có tính phi tuyến cao, do đó độ phức tạp trong điều khiển là khá lớn, khó có khả năng thực hiện trong thực tế. Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn chỉ thực hiện đơn giản cho mô hình tuyến tính với giả thiết bỏ qua sự liên hệ động lực học giữa các chuyển động thành phần trong hệ. Ngoài ra, sự ổn định của hệ thống kín cũng đang là vấn đề khó giải quyết với tính phi tuyến cao của mô hình chuẩn. Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch có luật điều khiển thích nghi được đơn giản hóa bằng cách áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi suy giảm phân ly, do đó phương pháp này luôn tồn tại sai lệch quỹ đạo trong quá trình điều khiển thực và như vậy sẽ không phù hợp với yêu cầu của hệ điều khiển chính xác quỹ đạo. 6
Phương pháp điều khiển trượt có ưu điểm lớn đó là rất đơn giản và có tính bền vững cao. Trong thực tế nói chung và trong công nghiệp nói riêng có rất nhiều đối tượng ứng dụng phương pháp điều khiển trượt bởi những ưu điểm của phương pháp này, đặc biệt các đối tượng là robot. Mô hình động lực của Robot là mô hình phi tuyến với nhiều tham số bất định. Phương pháp tiếp cận đầu tiên để điều khiển các Robot là các phương pháp điều khiển tuyến tính, các phương pháp thiết kế này có một số hạn chế đặc biệt đối với Robot có đặc tính phi tuyến mạnh hoặc có tham số bất định. Chính vì vậy các phương pháp điều khiển phải được tiếp tục nghiên cứu để đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng hoạt động của Robot. Hệ thống điều khiển Robot đòi hỏi một cấu trúc điều khiển thay đổi linh hoạt để đảm bảo tính ổn định và chất lượng bền vững khi có sự thay đổi các tham số của mô hình và khi có nhiễu tác động. Và vì vậy điều khiển trượt (Sliding Mode Contrrol - SMC) hay còn gọi là điều khiển có cấu trúc thay đổi (Variable Structure System - VSS) là một phương pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Từ những đánh giá nêu trên, tác giả luận văn đã quyết định lựa chọn đề tài “Điều khiển trượt cho robot hai bậc tự do”. Nội dung luận văn được chia thành 3 chương với nội dung cơ bản như sau: Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và phương pháp điều khiển Trình bày các kiến thức cơ bản được áp dụng để thiết kế trong luận văn như các lí thuyết về - Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp - Định nghĩa về robot và một số khái niệm - Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp - Cấu trúc của một hệ thống Robot công nghiệp - Các phương pháp điều khiển Robot công nghiệp - Ổn định Lyapunov Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển trượt - Đặc điểm điều khiển trượt - Nguyên lý điều khiển trượt - Tổng hợp tín hiệu điều khiển trượt 7
Chương 3: Ứng dụng điều khiển trượt vào điều khiển robot planar hai bậc tự do Thiết kế bộ điều khiển trượt mô phỏng trên Matlab-Simulink. Cuối cùng tiến hành mô phỏng và đánh giá kết quả đạt được. Trong quá trình nghiên cứu, tác giả luận văn đã cố gắng tiếp cận và giải quyết vấn đề một cách triệt để nhất. Tuy vậy, do thời gian có hạn và trình độ chuyên môn còn nhiều điểm chưa hoàn thiện, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót nhất định. Kính mong nhận được sự đóng góp và chỉ bảo thêm của các thầy cô. Xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Viện Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Điều khiển Tự động trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn. Xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Phan Xuân Minh, người đã định hướng và tận tình chỉ bảo, giúp đỡ để tác giả có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Cuối cùng, xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp, những người luôn ủng hộ nhiệt tình và là nguồn động viên to lớn đối với tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Hà nội, ngày 26 tháng 3 năm 2014 Học viên Hoàng Thăng Long 8
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt VSC Variable Structure Control Điều khiển cấu trúc thay đổi RBCN Robot công nghiệp ĐKRB Điều khiển Robot 9
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Robot vận chuyển hàng Hình 1.2 Robot hàn Hình 1.3 Robot lắp ráp ô tô Hình 1.4 Các thành phần chính của Robot công nghiệp Hình 1.5 Một số dạng cơ cấu hình học Robot Hình 1.6 Hệ tọa độ Denevit – Hartenberg Hình 1.7 Robot Plannar có gắn các hệ trục tọa độ Hình 1.8 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển PD bù trọng trường Hình 1.9 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình Hình 1.10 Sơ đồ khối phương pháp J-1 Hình 1.11 Sơ đồ khối phương pháp JT Hình 1.12 Mô hình luật điều khiển Li-Slotine Hình 1.13 Minh họa hàm Lyapunov Hình 2.1 Các hệ thống có điều khiển trượt Hình 2.2 Chế độ làm việc của hệ thống trong điều khiển trượt Hình 2.3 Kết quả mô phỏng sử dụng hàm dấu Hình 2.4 Kết quả mô phỏng sử dụng hàm khuếch đại bão hòa Hình 3.1 Mô hình Robot Planar 2 bậc tự do Hình 3.2 Mô hình Simulink của rôbot planar Hình 3.3 Mô hình simulink của bộ điều khiển trượt cho robot planar Hình 3.4 Quỹ đạo bám và sai lệch quỹ đạo khớp 1 Hình 3.5 Quỹ đạo bám và sai lệch quỹ đạo khớp 2 10
Hình 3.6 Đáp ứng mô men khi có nhiễu tải khớp 1 Hình 3.7 Đáp ứng mô men khi có nhiễu tải khớp 2 Hình 3.8 Quỹ đạo bám và sai lệch quỹ đạo khớp 1 khi có nhiễu tải Hình 3.9 Đáp ứng mô men khớp 1 khi có nhiễu tải và nhiễu ổn trắng Hình 3.10 Đáp ứng mô men khớp 2 khi có nhiễu tải và nhiễu ổn trắng Hình 3.11 Bám quỹ đạo của khớp 1 khi có nhiễu tải và nhiễu ổn Hình 3.12 Bám quỹ đạo của khớp 2 khi có nhiễu tải và nhiễu ổn 11
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp Năm 1921, từ “Robot” xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rossum’s Universal Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek. Trong vở kịch này, ông dùng từ “Robot”, biến thể của từ gốc Slavơ “Rabota”, để gọi một thiết bị - lao công do con người (nhân vật Rossum) tạo ra. Đầu những năm 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “ người máy công nghiệp” và ngày nay được đặt tên là Robot công nghiệp. Ngày nay những loại thiết bị có dáng dấp và có một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất cũng được gọi là robot công nghiệp. Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh - 1967, Thụy Điển và Nhật - 1968, CHLB Đức - 1971, Pháp - 1972, Ý- 1973, … 1.2 Định nghĩa về robot và một số khái niệm 1.2.1 Các định nghĩa về Robot công nghiệp Theo IRA-Viện nghiên cứu robot Hoa Kì: Robot công nghiệp là một cơ cấu thao tác đa chức năng với chương trình làm việc có thể được lập trình lại, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng. Robot công nghiệp là phần tử tự động hóa khả trình, là bộ phận không thể thiếu trong s ản suất linh hoạt. Theo ISO -Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế: Robot công nghiệp là một cơ cấu thao tác đa chức năng với nhiều chiều chuyển động và được điều khiển tự động với chương trình làm việc có thể thay đổi cho các công việc có mục đích khác nhau. Nó có thể được gắn cố định trên sàn hoặc di động. Định nghĩa của M.Bradky: Robot công nghiệp là sự ghép nối thông minh từ nhận thức tới hành động. 12
Robot công nghiệp cũng được định nghĩa đơn giản là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người. Các định nghĩa về robot tuy khác nhau nhưng đều là các thiết bị tự động hóa được điều khiển theo chương trình lập trình sẵn nhờ các bộ vi xử lý và các mạch tích hợp chuyên dùng. Trong khuôn khổ luận văn này, em chỉ xin đề cập đến loại Robot nối tiếp Planar rất phổ biến trong công nghiệp và hệ thống điều khiển được thiết kế dựa trên chủ yếu là dựa trên phương trình động lực học của Robot. 1.2.2 Một số khái niệm a. Số bậc tự do Bậc tự do là số chuyển động độc lập hay số tọa độ cần thiết để biểu diễn vị trí và hướng của vật thể ở tay robot trong không gian làm việc. Để biểu diễn hoàn chỉnh một đối tượng trong không gian cần 6 tham số: 3 tọa độ để xác định vị trí đối tượng trong không gian và 3 tọa độ biểu diễn hướng của vật thể. Số bậc tự do sẽ tương ứng với số khớp hoặc số thanh nối của robot. b. Hệ tọa độ Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các khớp tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản. các hệ tọa độ gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng. trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các dịch chuyển dài hoặc dịch chuyển góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các hệ tọa độ gắn lên các khâu phải tuân theo quy tắc bàn tay phải. c. Vùng làm việc Vùng làm việc là tập hợp tất cả các điểm mà tay robot có thể chạm tới. Là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Vùng làm việc bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp. 13
1.2.3 Một số thông số đặc trưng của hệ thống Robot • Độ phân giải: đặc trưng bởi khoảng cách nhỏ nhất có thể biểu diễn được trên toàn bộ dải chuyển động của một khớp. • Độ chính xác: đặc trưng cho khả năng của robot điều chỉnh điểm cuối của tay máy đến một điểm bất kỳ trong không gian hoạt động của nó. • Độ lặp lại: đặc trưng cho khả năng của robot đưa đầu cuối bàn tay của nó chạm vào một điểm theo chương trình định sẵn. 1.3 Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp 1.3.1 Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp Ưu điểm quan trọng nhất của robot công nghiệp là tạo nên khả năng linh hoạt hoá sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương trình đã cho phép tìm được những phương thức mới để tạo nên những dây chuyền tự động sản xuất hàng loạt với nhiều loại sản phẩm. Kỹ thuật robot công nghiệp và máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt. Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế robot có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh. 1.3.2 Ứng dụng và mô hình hóa Robot công nghiệp Từ những mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp trên mà ta có thể phân chia ra các lĩnh vực ứng dụng như sau: a. Trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu Robot có thể nhặt chi tiết ở một vị trí và chuyển dời đến một vị trí khác. Robot có thể gắp một chi tiết ở một vị trí cố định hoặc trên một băng tải đang chuyển động và đặt ở một vị trí cố định khác hoặc đặt lên băng tải khác đang chuyển động với định hướng chi tiết khác. Trong dây chuyền sản xuất thì robot được sử dụng để đưa chi tiết và lấy chi tiết ra khỏi máy gia công kim loại, máy CNC, máy đột dập, máy ép nhựa hoặc dây chuyền đúc. Trong công đoạn đóng gói thì robot xếp các vật liệu lên một giá và đóng gói, xếp các sản phẩm vào kho hoặc đóng gói. 14
Hình 1.1: Robot vận chuyển hàng b. Trong lĩnh vực gia công vật liệu Ứng dụng trong lĩnh vực gia công vật liệu bao gồm các công nghệ như hàn, sơn, gia công kim loại, … Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại, đồng thời để đạt yêu cầu kĩ thuật đòi hỏi các thợ sơn phải được đào tạo mất thời gian và tốn kém trong khi Robot có thể học được tất cả các kiến thức phức tạp chỉ trong vài giờ và có thể lặp lại chính xác các động tác khó. Robot còn được dùng phục vụ máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian. Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường, vừa đạt năng suất cao và chịu được nhiệt rất nóng phát ra trong quá trình hàn. Cảm biến gắn trên robot sẽ xác định vị trí đúng của đường hàn. Hình 1.2: Robot hàn c. Trong lĩnh vực lắp ráp và kiểm tra sản phẩm 15
Hình 1.3: Robot lắp ráp ô tô Ứng dụng robot trong lắp ráp: Một nhà máy sản xuất tự động hoàn toàn: từ ý tưởng người ta thiết kế ra sản phẩm, sau đó đặt hàng vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy, điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy CNC, các robot tĩnh và động. Ứng dụng trong lĩnh vực kiểm tra: Robot cũng được sử dụng trong công đoạn thử nghiệm, kiểm tra như kiểm tra kích thước, vị trí và hình dạng của các chi tiết máy hoặc các bộ phận cơ khí. 1.4 Cấu trúc của một hệ thống Robot công nghiệp 1.4.1 Các thành phần chính của Robot công nghiệp - Cánh tay robot là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot. 16
Các cảm biến Bộ điều khiển Hệ truyền Cánh tay Thiết bị máy tính động robot dạy học Các chương Dụng cụ trình thao tác Hình 1.4: Các thành phần chính của Robot công nghiệp - Nguồn động lực là các động cơ điện là động cơ servo hoặc động cơ bước, các hệ thống xy lanh khí nén, thủy lực để tạo động lực cho máy hoạt động. - Dụng cụ thao tác được gắn lên khâu tác động cuối của robot, các dụng cụ này có thể có nhiều loại khác nhau như dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn,… - Thiết bị dạy học dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc. - Các cảm biến giúp cho robot nhận biết được trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc, hoặc có nhiệm vụ dò tìm khác, điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt độ ng phối hợp với các robot khác. 1.4.2 Các dạng cơ cấu hình học của Robot Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay (R) và chuyển động tịnh tiến (T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau. Các kết cấu thường gặp của Robot là kiểu tọa độ Đề các, kiểu tọa độ trụ, kiểu tọa độ cầu, robot kiểu Scara, hệ tọa độ khớp nối… 17
Một số dạng cơ cấu hình học của Robot: a) b) c) e) d) Hình 1.5: Một số dạng cơ cấu hình học Robot a – Cơ cấu dạng hệ tọa độ Đề các b – Cơ cấu dạng hệ tọa độ trụ c – Cơ cấu dạng hệ tọa độ cầu d – Cơ cấu dạng khớp nối e – Cơ cấu dạng SCARA 1.4.3 Mô hình động lực học * Hệ trục tọa độ Để xây dựng mô hình động lực học Robot trước hết ta cần định vị và định hướng từng khâu trên cánh tay cũng như khâu tác động sau cùng người ta phải gắn các hệ tọa độ suy rộng lên từng khâu, cả cơ cấu có một hệ quy chiếu chung nối với giá cố định, hệ quy chiếu này có chức năng vừa để mô tả định vị, định hướng khâu tác động sau cùng của tay máy, vừa để mô tả đối tượng tác động của tay máy mà nó cần nhận diện. Việc xây dựng các hệ quy chiếu này cần có tính thống nhất cao, đòi 18
hỏi tính xác định duy nhất. Sau đây sẽ xem xét quy tắc Denevit-Hartenberg là một quy tắc điển hình giúp xây dựng cấu trúc động học của Robot giúp giải quyết bài toán điều khiển phía sau : Hình 1.6: Hệ tọa độ Denevit – Hartenberg Một cách tổng quát tay máy coi là có n khâu, trong đó khâu thứ i liên kết khớp (i) với khớp (i + 1) như hình vẽ trên . Theo quy tắc DH các hệ tọa độ được xác định theo quy ước sau: Trục tọa độ zi trùng với trục quay của khớp (i + 1), gốc trùng với chân của đường vuông góc chung giữa trục quay khớp (i) và trục quay khớp (i + 1), trục x của nó trùng với đường vuông góc chung và hướng từ trục (i-1) tới trục (i), trục y tự xác định theo quy tắc bàn tay phải. Trục tọa độ zi-1 trùng với trục quay của khớp (i), - Trục x trùng phương đường vuông góc chung giữa trục (i-1) và khớp (i), chiều đường hướng từ trục (i - 1). - Trục y tự xác định theo quy tắc bàn tay phải. Quy ước các góc và khoảng cách trên lược đồ như sau: 19