Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn sẽ thiết kế được một bộ điều khiển để điều khiển robot 2 bậc tự do theo dạng điều khiển hiện đại, tính toán và thiết kế bộ điều khiển trên nền đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do, đảm bảo điều khiển các chuyển động của robot một cách chính xác. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THU HẰNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THEO ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO ROBOT 2 BẬC TỰ DO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2018
ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Thu Hằng Sinh ngày: 25/8/1991 Học viên lớp cao học Khóa 18 – Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại: Trường cao đẳng nghề số 1- Bộ Quốc Phòng Xin cam đoan về luận văn “ Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do” do thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ rang. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình/. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Thị Thu Hằng
iii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy PGS - TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do” đã được hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PGS - TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập.
iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN ............................................................................................... iii MỤC LỤC ...................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................... vi DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... vi PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài. ........................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................... 2 3. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................. 2 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài. .......................................... 2 4.1. Ý nghĩa khoa học. .................................................................................... 2 4.2. Ý nghĩa thực tiễn. ..................................................................................... 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY 3 1.1. Lịch sử phát triển...................................................................................... 3 1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng ........................................................ 7 1.3. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp.................................................... 7 1.4. Kết cấu tay máy. ....................................................................................... 8 1.5. Động học robot. ...................................................................................... 11 1.5.1. Bảng thông số DH. .............................................................................. 12 1.5.2. Tính toán ma trận mô tả quan hệ khâu i đối với hệ tọa độ gốc 0Ti . ... 15 1.6. Động lực học robot................................................................................. 16 1.6.1. Hàm Lagrange. .................................................................................... 16 1.6.2. Phương trình động lực học robot 2 bậc tự do. .................................... 19 1.6.3. Phương trình động lực học robot 2 bậc tự do. .................................... 21 1.7. Kết luận chương 1 .................................................................................. 24 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ 25
v 2.1. Suy luận xấp xỉ dựa trên tập mờ. ........................................................... 25 2.1.1. Khái niệm ............................................................................................ 25 2.1.2. Mô hình mờ đa điều kiện .................................................................... 26 2.2. Điều khiển mờ ........................................................................................ 28 2.2.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ ........................................................... 28 2.2.2. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ dựa trên luật. ....................... 29 2.3. Suy luận xấp xỉ dựa trên đại số gia tử .................................................... 31 2.3.1. Một số kiến thức cơ bản về đại số gia tử ............................................ 32 2.3.2. Ứng dụng đại số gia tử giải bài toán suy luận sấp xỉ. ......................... 42 2.4. Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử ....................................................... 47 2.5. Kết luận chương 2 .................................................................................. 48 CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRÊN NỀN .................. 50 ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO TAY MÁY HAI BẬC TỰ DO ............................... 50 3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tay máy 2 bậc tự do ............................. 50 3.2. Tổng hợp độ điều chỉnh PID cho động cơ điện một chiều .................... 52 3.2.1. Mô Hình toán của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập .................... 52 3.2.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện.......................................................... 53 3.2.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ................................................................ 55 3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng tay máy 2 bậc tự do ................................ 58 3.4. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho tay máy hai bậc tự do ........................... 59 3.4.1. Định nghĩa các tập mờ đầu vào và đầu ra ........................................... 60 3.4.2. Xây dựng luật điều khiển .................................................................... 61 3.4.3. Chọn luật hợp thành và phương pháp giải mờ .................................... 62 3.4.4. Kết quả mô phỏng ............................................................................... 63 3.5. Xây dựng bộ điều khiển trên nền đại số gia tử ...................................... 64 3.6. Kết luận chương 3 .................................................................................. 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 71
vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề các....................................................... 8 Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ............................................................. 9 Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu............................................................ 9 Hình 1.4. Tay máy kiểu tọa độ góc........................................................... 10 Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA .............................................................. 10 Hình 1.6. Sơ đồ khối đơn giản của động học robot................................... 11 Hình 1.7. Minh họa phương pháp DH....................................................... 11 Hình 1.8. Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm....................................... 16 Hình 1.9. Hệ tọa độ robot 2 bậc tự do........................................................ 16 Hình 2.1. Phép “and” được thực hiện theo công thức min........................ 26 Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ......................................... 27 Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển mờ........................................ 29 Hình 2.4. Độ đo tính mờ của các phần tử sinh........................................... 36 Hình 2.5. Độ đi tính mờ của một số hạng từ ngữ....................................... 37 Hình 2.6. Sự sắp xếp của các xX, hjH, cG......................................... 38 Hình 2.7. Hàm ánh xạ ngữ nghĩa định lượng............................................. 39 Hình 2.8. Mô hình của bộ suy luận xấp xỉ dựa trên đại số gia tử.............. 43 Hình 2.9. Sơ đồ bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử.......................... 45 Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển tay máy 2 bậc tự do........................... 48 Hình 3.2. Cấu trúc khối động cơ khớp 1.................................................... 49 Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều...................................... 51 Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện................................... 51 Hình 3.5. Sơ đồ thu gọn của mạch vòng điện........................................... 52 Hình 3.6. Sơ đồ mạch vòng tốc độ động cơ điện một chiều....................... 53 Hình 3.7. Sơ đồ thu gọn của mạch vòng tốc độ......................................... 54
vii Hình 3.8. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập............................................................................ 55 Hình 3.9. Mô Hình mô phỏng tay máy hai bậc tự do................................. 56 Hình 3.10. Sơ đồ mô phỏng khớp 1 của tay máy......................................... 56 Hình 3.11. Sơ đồ mô phỏng khớp 2 của tay máy......................................... 57 Hình 3. 12. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ.................................................. 57 Hình 3. 13. Các hàm liên thuộc đầu vào 1.................................................... 58 Hình 3. 14. Các hàm liên thuộc đầu vào 2 (sau khi hiệu chỉnh)................... 58 Hình 3. 15. Các hàm liên thuộc đầu ra.......................................................... 59 Hình 3.16. Tác động của luật điều khiển ứng với một cặp giá trị đầu vào.. 60 Hình 3.17. Quan hệ Vào – ra của bộ điều khiển mờ.................................... 61 Hình 3.18. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển tay máy bằng điều khiển mờ.... 61 Hình 3.19. Đường cong quĩ đạo các khớp khi sử dụng bộ điều khiển mờ 62 Hình 3.20. Cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng đại số gia tử.................. 62 Hình 3.21. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy sử dụng đại số gia tử........................................................................................... 65 Hình 3.22. Đáp ứng quá độ của tay máy khi điều khiển bằng đai số gia tử................................................................................................ 65 Hình 3.23. So sánh đáp ứng quá độ của hệ thống đối với bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển đại số gia tử.............................................. 66
viii DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT 1. SISO: Single in put -Single output 2. MISO: Mult input – Single output 3. MIMO: Mult input – Mult output 4. ĐSGT: Đại số gia tử 5. FAM : Fuzzy Associate Memory 6. HAC: Hệ thống điều khiển sử dụng đại số gia tử
1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, vấn đề tự động hóa sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng. Một trong những phương pháp giúp cho vấn đề tự động hóa đạt hiệu quả cao là sử dụng robot công nghiệp vào quá trình sản xuất. Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng, giảm giá thành sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra cho chúng ta vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt cao nhằm đáp ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hóa cạnh tranh. Robot công nghiệp là một bộ phận không thể thiếu trong việc tạo ra những hệ thống tự động sản xuất linh hoạt đó. Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy luôn là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Các hệ thống điều khiển tay máy hiện nay chủ yếu dùng phương pháp kinh điển và được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thông số của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron,…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại. Trong mấy năm gần đây đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển đối tượng phi tuyến. Trong đề tài này, tác giả nghiên cứu về: “Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do”. Sau đề tài nghiên cứu này, sẽ thiết kế được một bộ điều khiển để điều khiển robot
2 2 bậc tự do theo dạng điều khiển hiện đại, tính toán và thiết kế bộ điều khiển trên nền đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do, đảm bảo điều khiển các chuyển động của robot một cách chính xác. Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: “Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do”. 2. Mục đích nghiên cứu - Tính toán thiết kế bộ điều khiển mờ trên nền đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do; kiểm tra kết quả thông qua mô phỏng và thực nghiệm.. 3. Đối tượng nghiên cứu. - Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do theo mờ trên nền đại số gia tử. 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài. 4.1. Ý nghĩa khoa học. Bộ điều khiển mờ trên nền đại số gia tử giống như một công cụ điều khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến. Đề tài này đề cập đến ứng dụng mờ trên nền đại số gia tử trong việc điều khiển đối tượng phi tuyết đặc biệt là điều khiển robot. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn. Việc điều khiển canh tay robot được áp dụng mờ trên nền đại số gia tử có ý nghĩa thực tiễn lớn. Bời vì, robot được áp dụng ngày một rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng phải làm việc ở những môi trường có điều kiện khắc nghiêt và luôn thay đổi để thay thế cho con người. Việc nâng cao chất lượng điều khiển robot sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất và hiệu quả lao động.
3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY Robot công nghiệp là thuật ngữ có nhiều quan điểm khác nhau. Có định nghĩa là: Robot công nghiệp là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình được và có thể thực hiện những công việc có ích tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp của con người. Theo ISO thì “Rbot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển tự động , dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ và các vật dụng khác”. Do chương trình thao tác có thể thay đổi, thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng nên có thể nói robot công nghiệp được hiểu như một thiết bị tự động, linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động của con người. Theo đó, robot công nghiệp cũng là một hệ thống tự động hóa lập trình được. Robot công nghiệp có khả năng thực hiện được nhiều chức năng, phụ thuộc vào chương trình và công cụ làm việc. 1.1. Lịch sử phát triển Từ thế kỉ 1, một số thiết bị máy móc được chế tạo đã có một số đặc tính làm việc như robot công nghiệp hiện nay. Jacques de Vancanson đã chế tạo một vài “búp bê nhạc sỹ” . Năm 1805, Hentri Maillarder đã chế tạo một con búp bê cơ khí có khả năng vẽ tranh. Trong các đồ chơi đó, một số cơ cấu cam được sử dụng như một chương trình điều khiển thiết bị vẽ và viết. Trong cuộc cách mạng công nghiệp, một số phát minh cơ khí khác trong lĩnh vực dệt.
4 Một số điểm mốc của lịch sử phát triển công nghệ robot Thời Sự kiện quan trọng gian Giữa thế J.de Vancanson chế tạo được một con búp bê cơ khí đánh nhạc kỉ 17 1801 J.Jacquard phát minh khung dệt vải có thể lập trình 1805 H.Maillader chế tạo búp bê cơ khí biết vẽ tranh 1892 S.Babbitt (Mỹ) đã thiết kế một cần trục truyền động động cơ có cơ cấu kẹp để gắp thỏi thép đúc ra khỏi lò nung 1938 W.Pollard và H. Roselund (Mỹ) đã thiết kế một cơ cấu phun sơn lập trình do công ty DeVibiss 1946 G.C. Devol (Mỹ) sáng chế thiết bị điều khiển có thể ghi lại những tín hiệu điện bằng từ hóa, sau đó được sử dụng để điều khiển một máy cơ khí 1951 Cơ cấu máy điều khiển từ xa có thể mang các vật liệu phóng xạ được chế tạo 1952 Mẫu máy điều khiển số đầu tiên được trưng bày ở Viện Công nghệ Massachusetts sau vài năm nghiên cứu chế tạo. 1954 G.C. Devol đăng ký bản quyền phát minh thiết kế Robot “Unimate” đầu tiên được giới thiệu là robot thủy lực, nó sử dụng nguyên lý điều khiển số cho điều khiển cơ cấu tay máy. 1961 Công ty Ford lắp đặt robot Unimate
5 Thời Sự kiện quan trọng gian 1962 Công ty General Motor (GM) lắp đặt robot công nghiệp đầu tiên (Robot Unimate) trong dây chuyền sản xuất. 1966 Công ty robitTrallfa (Nauy) lắp đặt robot phun sơn 1968 Robot di chuyển “Shakey” được chế tạo tại Viện Nghiên Cứu Stanford (Mỹ). Robot này được trang bị một số cảm biến tiếp xúc, máy ảnh, có thể di chuyển trên mặt sàn 1970 Tay máy Stanford là robot nhỏ điều khiển bằng điện được chế tạo ở Đại học Stanford (Mỹ) 1971 Hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản (JIRA) bắt đầu đề xuất sử dụng robot trong công nghiệp Nhật Bản. 1973 Viện nghiên cứu Stanford (Mỹ) công bố ngôn ngữ lập trình máy tính đầu tiên cho Robot trên là ngôn ngữ WAVE. 1974 Công ty Cincinnati Milacron giới thiệu Robot T3 điều khiển bằng máy tính. Robot “Sigma” được sử dụng trong công nghiệp lắp ráp – là một trong ứng dụng robot trong dây chuyền lắp ráp đầu tiên 1975 Phòng thí nghiệm Charles Stack Draper (Mỹ) đã chế tạo cơ cấu nhún có tâm ở xa sử dụng cho robot lắp ráp 1976 Robot PUMA (máy lắp ráp vạn năng có thể lập trình) được trình diễn 1978 Robot T3 của hang Cincinnati được lập trình thực hiện các công việc khoan và hàn trên các bộ phận của máy bay.
6 Thời Sự kiện quan trọng gian Robot SCARA được sáng chế cho dây chuyền lắp ráp ở trường Đại học Yamanashi (Nhật). Một số robot thương mại này được giới thiệu vào năm 1981 1979 Robot công nghiệp bắt đầu một thời kì phát triển nhanh chóng, với các robot mới 1980 Robot truyền động trực tiếp (DDR) được sáng chế ở trường Đại học Carnegie – Mellon. 1981 Hãng máy tính IBM chế tạo Robot RS – 1 cho lắp ráp 1982 Một số hệ thống lập trình “OFF – line” được trình diễn cho robot 1986 Ứng dụng robot tiếp tục phát triển mạnh tập trung vào tích hợp robot trong các dây chuyền sản xuất linh hoạt (FMS) và hệ thống CIM 1991 Bước phát triển mới của nền kinh tế thế giới và tập trung sản xuất các sản phẩm phức tạp và ứng dụng công nghệ vi điện và công nghệ hiển thị trong robot của dây truyền sản xuất tự động hóa. Vào những năm đầu thế kỷ 20, điều khiển số và cơ cấu điều khiển từ xa là hai công nghệ quan trọng trong sự nghiệp phát triển robot. Robot hiện đại là sự kết hợp của kỹ thuật điều khiển số và cơ cấu điều khiển từ xa. Ngoài ra, còn có những đóng góp giá trị về ngôn ngữ lập trình robot đã đánh dấu bước phát triển quan trọng của robot hiện đại. Đó là công trình nghiên cứu về ngôn ngữ lập trình hướng, đối tượng cho robot của Viện Nghiên cứu Stanford: Ngôn ngữ thực nghiệm WAVE (1973) và ngôn ngữ AL (năm
7 1974). Ngôn ngữ VAL của công ty Unimate là ngôn ngữ lập trình Robot thương mại đầu tiên. 1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng - Một trong các lĩnh vực đó là kỹ thuật đúc. Thường trong xưởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng bức, bụi bặm, mặt hang thay đổi luôn và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác. - Trong ngành gia công áp lực, điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi. Nhất là trong các phân xưởng rèn, dập. Đòi hỏi áp dụng robot công nghiệp - Trong ngành hàn và nhiệt luyện bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy, ngành này nhanh chóng ứng dụng robot công nghiệp để thay thế cho con người. - Ngành gia công, lắp ráp thưởng sử dụng robot vào việc tháo lắp phôi và sản phẩm trong các máy gia công bánh rang, máy khoan, máy tiện bán tự động. 1.3. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp - Robot công nghiệp được cấu hình bởi các yếu tố sau: + Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo thành các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tượng. + Cơ cấu chấp hành tạo thành chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành. + Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và cá thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến bên ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.
8 + Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot. 1.4. Kết cấu tay máy Tay máy là một phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot công nghiệp, đó là thiết bị bảo đảm cho robot khả năng làm việc như nâng hạ vật. Ban đầu con người chế tạo tay máy phỏng theo tay người. Còn hiện nay, tay máy rất đa dạng và nhiều loại khác xa tay người. Tuy nhiên, vẫn sử dụng thuật ngữ như: Vai, cánh tay, cổ tay và các khớp để chỉ các bộ phận của nó. Trong thiết kế tay máy, người ta quan tâm đến các thông số ảnh hưởng khả năng làm việc. - Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay. - Tầm với của vùng làm việc. - Khả năng định vị, định hướng phần công tác. Chúng có đặc điểm sau: Kết cấu gồm các khâu được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở các khớp chủ yếu là các khớp quay và các khớp trượt tùy theo cách bố trí mà các khớp có thể tạo ra tay máy có tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ góc và SCARA. + Tay máy kiểu tọa độ đề các: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến théo phương của các hệ tọa độ gôc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng khối hình chữ nhật. 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 chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng,…
9 Hình 1.1 Tay máy kiểu tọa độ Đề các + Tay máy kiểu tọa độ trụ: Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng. Thường khớp thứ nhất chuyển động quay. Ví dụ: Như robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ + Tay máy tọa 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 tọa độ cầu (Hình 1.3) Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu
10 + Robot kiểu tọa độ góc: Đây là kiểu robot được dùng nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay. Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu. Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng, ưu điểm nổi bật của loại robot hoạt động theo hệ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân robot, độ linh hoạt cao. Hình 1.4. Tay máy kiểu tọa độ góc + Tay máy kiểu SCARA: Robot SCARA ra đời nă, 1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của quá trình sản xuất. Tên gọi SCARA là chữ viết tắt của “Selective Complaint Articulated Robot Arm” – Tay máy mềm dẻo tùy ý. Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là “Selective Complaince Articulated Robot Arm”. Ba khớp đầu tiên của Robot này có cấy hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng . Sơ đồ robot SCARA hình 1.5
11 Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA 1.5. Động học robot Trong mô phỏng robot, phân tích hệ thống là cần thiết như phân tích động học, mục đich là mang lạu những hiểu biết của những chuyển động của từng phần cơ khí robot và mối quan hệ giữa chúng. Phân tích động học được chia thành động học thuận và động học ngược. Động học thuận bao gồm tìm ra vị trí trong không gian chuyển động của các khớp là F(1, 2,….., n)= [x,y,z,R] và động học ngược bao gồm các thông số các biến khớp để có được vị trí cuối cùng và hướng mong muốn F(1, 2,….., n)= [x,y,z,R]. Hình 1.6. Sơ đồ khối đơn giản của động học robot. Một phương pháp phổ biến sử dụng thuận tiện cho việc lựa chọn khung tham chiếu trong ứng dụng robot là phương pháp Denavit – Hartenberg hoặc phương pháp D-H biểu diễn như hình 1.7
12 Hình 1.7. Minh họa phương pháp DH - ai: Khoảng cách theo phương xi từ Oi đến giao điểm xi và zi-1. - di: Khoảng cách theo phương zi -1 từ Oi-1 đến giao điểm của trục xi và zi- 1,di thay đổi khi khớp I là khớp trượt. - i: Là góc quay quanh trục xi từ zi-1 đến zi. - i: Là góc quay quanh trục zi-1 từ xi-1 đến xi. 1.5.1. Bảng thông số DH Bước 1: Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu: - Giả định vị trí ban đầu của robot. - Xác định các trục khớp và đặt tên tương ứng z0……. Zn-1. - Xác định hệ tọa độ nền. Đặt gốc của hệ tọa độ này tại bất kỳ điểm nào trên trục zo. Các trục x0 và y0 được chọn thỏa qui tắc tam diện thuận. - Chọn gốc tọa độ Oi là giao điểm của đường vuông góc chung giữa zi và zi-1. Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục xi chọn theo hướng vuông góc với mặt phẳng tạo bởi zi và zi-1. - Xác định yi theo qui tắc tam diện thuận. Bước 2: Lập bảng thông số Denavit – Hartenberg (D-H) cho các khâu robot.