Đồ án Cánh tay robot gắp sản phẩm dùng board Arduino Atmega 2560 (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Cánh tay robot gắp sản phẩm dùng board Arduino Atmega 2560 (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ CÁNH TAY ROBOT GẮP SẢN PHẨM DÙNG BOARD ARDUINO ATMEGA 2560 GVHD: THS. NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT SVTH: HUỲNH THANH TÙNG MSSV: 09201062 SKL003114 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: CÁNH TAY ROBOT GẮP SẢN PHẨM DÙNG BOARD ARDUINO ATMEGA 2560 GVHD:ThS . NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT SVTH: HUỲNH THANH TÙNG MSSV : 09201062 LỚP : 09201C Tp. Hồ Chí Minh - 7/2014
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: CÁNH TAY ROBOT GẮP SẢN PHẨM DÙNG BOARD ARDUINO ATMEGA 2560 GVHD: ThS.NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT SVTH : HUỲNH THANH TÙNG MSSV: 09201062 LỚP : 09201C TP. HỒ CHÍ MINH -7/2014
4. LỜI MỞ ĐẦU Với xu thế tự động hóa của ngành sản xuất, thì việc phát triển robot gắp sản phẩm trong công nghiệp trở thành vấn đềtất yếu của ngành công nghiệp, trên thế giới hiện nay robot gắp sản phẩm rất phát triển tại các nước tiên tiến như Mỹ, Nhật Bản, Đức , và đã đạt nhiều thành tựu đáng kể. Với đề tài “THIẾT KẾ THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT GẮP SẢN PHẨM ” nhóm thực hiện xin giới thiệu một phần cơ sở trong vấn đề điều khiển robot và sử dụng vi điều khiển trong điều khiển robot (ATMega 2560), nhằm giúp các bạn sinh viên có một ph ần kiến thức cơ bản khi bước vào nghiên cứu vấn đề này và một số giải thuật điều khiển robot hàn. Không thể kể hết tên những người đóng góp cho hệ thống này, em xin đặc biệt cảm ơn côNguyễn Trần Minh Nguyệt, cô đã hướng dẫn em thực hiện đề tài, tập thể lớp 09201 – trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM, những thành viên hỗ trợ đề tài. Trong quá trình thực hiện không thể tránh những thiếu sót, mong quý thầy cô và bạn đọc đóng góp ý kiến, để đề tài được thực hiện tốt hơn, chân thành cảm ơn. Tp.Hồ Chí Minh, ngày Tháng Năm 2014 Sinh viên thực hiện (Kí và ghi rõ họ tên ) MỤC LỤC Đồ án tốt nghiệp Trang 1
5. ĐỀ MỤC TRANG LỜI MỞ ĐẦU 1 MỤC LỤC 2 DANH CÁC HÌNH .5 DANH SÁCH CÁC BẢNG 6 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN . 9 1.1 Giới thiệu 9 1.2 Đặt vấn đề 9 1.3 Mục tiêu đề tài .10 1.4 Giới h ạn đề tài 10 1.5 Phương pháp nghiên cứu 10 1.6 Nội dung đề tài .10 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .12 2.1 Lịch sử phát triển robot 12 2.2 Các lĩnh vực ứng dụng robot 14 A. Ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí 14 B. Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp .15 C. Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất 16 2.3.1 Kết cấu và phân loại robot công nghiệp .17 2.3.2 Kết cấu tay máy robot . .17 2.3.3 Bậc tự do và tọa độ suy rộng . 18 2.3.4 Phân loại robot .18 2.4 Các tham số động học và Giải bài toán động học thuận robot dư dẫn động bằng phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg 20 2.5 Giải bài toán động học thuận robot dư dẫn động bằng phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg . .20 2.6 Các tham số động học và ma trận Denavit-Hartenberg .21 Đồ án tốt nghiệp Trang 2
6. 2.7 Động học tay máy 22 2.7.1 Vị trí và hướng của vật rắn trong không gian . 22 2.7.2 Phép quay một vecto quanh một trục bất kì . 23 2.7.3 Phép chuy ển đổi thuần nhất . 25 2.7.4 Ma trận DH tuyệt đối . .27 2.7.5 Ma trận DH tương đối . 29 2.7.6 Ma trận DH quay 30 2.7.7 Ma trận DH tịnh tiến . .31 2.7.8 Quy ước Denavit- Hartenberg 31 2.7.9 Bài toán động học tay máy . 32 2.8 Cơ sở điều khiển robot 33 2.8.1 Thiết kế quỹ đạo 33 2.8.2 Điều khiển chuyển động 33 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ROBOT . 34 3.1 Yêu cầu công nghệ 34 3.2 Phân tích chọn lựa kết cấu robot 34 3.3 Thiết kế cơ khí robot . 35 3.3.1 Kết cấu chung robot . 35 3.3.2 Kích thước của các phần tử . 36 3.4 Tính toán động học lực 40 3.5 Tính momen tại khớp 5 40 3.6 Tính momen tại khớp 4 40 3.7 Tính momen tại khớp 3 41 3.8 Tính momen tại khớp 2 41 3.9 Tính toán chọn động cơ .42 3.9.1 Động cơ (khớp 1): Dùng động cơ rcservo MG996R .42 3.10 Thiết kế mạch điều khiển cho robot .43 Đồ án tốt nghiệp Trang 3
7. 3.10.1Giới thiệu về vi điều khiển Arduino ATMega 2560 .43 CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 4.1 Tính toán xác định phương trình động lực học tay máy .48 4.1.1 Xây dựng hệ tọa độ quy chiếu 48 4.2 Tính toán động học ngược cho tay máy 50 4.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển cánh tay robot 51 CHƯƠNG V: TỔNG KẾT 5.1 Kết luận . 53 5.2 Hướng phát triển trong tương lai . . 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO . .54 PHỤ LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH TÊN TRANG Hình 2.1: Robot Shakey -robot đầu tiên nhận dạng đối tượngbằng camera 12 Hình 2.2: Robot hàn điểm 13 Hình 2.3: Robot phẫu thuật 13 Hình 2.4: Nguyên bản của Robot Hexapod TU Munich 14 Đồ án tốt nghiệp Trang 4
8. Hình 2.5: Robot hàn ABB .15 Hình 2.6: Ứng dụng Robot trong các hệ thống sản xuất 15 Hình 2.7: Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp 16 Hình 2.8: Các ứng dụng Robot trong các lĩnh vực quân sự, vệ tinh . .16 Hình 2.9: Sơ đồ thiết lập hệ tọa độ các khâu . .21 Hình 3.1: Robot sau khi thi công . 35 Hình 3.2 : Khâu 3 của cánh tay . 36 Hình 3.3 : Khâu 4 của cánh tay . 37 Hình 3.4 : Khâu 3 của cánh tay .37 Hình 3.5 : Khâu 2 của cánh tay 38 Hình 3.6 : Khớp 0 của cánh tay .39 Hinh 3.7 : khớp 1 cánh tay 40 Hinh 3.8 : Động cơ servo MG996R 42 Hình 3.9 Board Arduino ATMega 2560 .43 Hình 3.10 : Board Arduino ATMega 2560 45 Hình 4.1: Hệ trục tọa độ gắn liền với robot 48 Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán .52 DANH SÁCH CÁC BẢNG Đồ án tốt nghiệp Trang 5
9. Tên bảng Trang Bảng 4.1 thông s ố DH của robot 4 khâu .49 Đồ án tốt nghiệp Trang 6
10. CHƢƠNG  : TỔNG QUAN CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu: Robot đã có những bước tiến đáng kể hơn nửa thế kỉ qua, robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu ngày càng nhiều với quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng dụng trong chế tạo máy thì các ứng dụng robot trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp đóng tàu, xây dựng an ninh quốc phòng và gia đình có nhu cầu gia tăng là động lực cho robot địa hình và robot dịch vụ phát triển. Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot cónhững bước phát triển đáng kể trong 26 năm qua. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về robot như Trung Tâm TựĐộng Hóa, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện Tử, Tin Học Bên cạnh đó phải kể đến công ty cổ phần robot TOSY, doanh nghiệp chế tạo và thiết kế robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế. Tay máy robot (robot manipulators) là một dạng robot mô phỏng theo cấu tạo cánh tay người nh ằm thực hiện thay công việc của cánh tay người, nó đư ợc xem là mô hình đơn giản nhất của một con robot hoàn chỉnh. Tùy thuộc vào công nghệ chế tạo mà cánh tay robot có thể thực hiện những chức năng đơn giản đến phức tạp. Hiện nay, có nhiều tay máy kết h ợp lại với nhau nhưng được ứng dụng nhiều nhất là tay máy từ 3 đến 6 bậc tự do. Các loại tay máy này có cấu tạo đơn giản dễ thực hiện, dễ điều khiển đồng thời có đủ khả năng linh hoạt cần thiết đ ểthực hiện những công việc trong mô hình sản xuất như gắp, hàn, vẽ, di chuyển ngoài ra trong giáo dục những tay máy này mô hình rất phù hợp để sinh viên nghiên cứu và tiếp cận công nghệ robot. Để có một cánh tay robot có khả năng hoạt động thì một kết cấu cơ khí hoàn chỉnh thì cần phải có mô hình điều khiển tối ưu. Để điều khiển cho cánh tay robot có nhiều cách khác nhau như dùng PLC, vi điều khiển, máy tính trong đó thì dùng máy tính điều khiển robot được sử dụng khá rộng rãi vì khả năng linh hoạt của máy tính trong vận hành và điều khiển. Hiện nay , công nghệ thông tin phát triển nhanh chóng kéo theo thì nhiều phần mềm hỗ trợ điều khiển robot cũng được hoàn thiện. 1.2 Đặt vấn đề Công nghiệp ngày càng phát triển, trong đó công nghệ hàn ngày càng phát triển mạnh. Nhưng con người phải đối mặt trong môi trường rất độc hại và không an toàn. Chi phí rất cao cho việc trả lương cho nhiều công nhân, để thay th ế con người làm trong môi trường đó và bài toán về kinh tế, cánh tay robot hàn tự động rất đáng được đầu tư vào hệ thống và nhằm nâng cao công nghệ đảm bảo chất lượng sản phẩm. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9
11. CHƢƠNG  : TỔNG QUAN Phương pháp điều khiển robot hàn được ứng dụng vào hệ thống là dùng Matlab và Visual Studio để quản lí và điều khiển cánh tay robot. 1.3 Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài là thiết kế, thi công, và điều khiển cánh tay robot hàn.Tính toán thiết kế cơ khí đảm bảo cho những mối hàn có qu ỹ đạo phức tạp, đảm bảo mối hàn đúng yêu cầu kĩ thuật. Có th ể điều khiển tự động và điều khiển bằng tay. Toàn bộ các qu ỹ đạo và thông số các khớp, có thể điều chỉnh và quản lí. 1.4 Giới hạn đề tài Trong đề tài này, các qu ỹ đạo hàn tự động của robot còn rất hạn chế, các quỹ đạo mới khi điều chỉnh bằng tay, robot không nhớ quỹ đạo mới, độ chính xác cơ khí robot hoạt động còn hạn chế, độ chính xác cơ khí chưa cao. Tuy nhiên, việc robot nhớ quỹ đạo điều chỉnh bằng tay và các phương pháp điều khiển khác nằm ngoài phạm vi đề tài. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Dựa trên các robot trên thị trường trong và ngoài nước, đề tài này đưa thiếtkế kết cấu cơ khí đảm bảo một số quỹ đạo phức tạp, sử dụng các vật liệu có sẵn trong th ị trường giá thành thấp, sử dụng động cơ servo AC để điều khiển chính xác vị trí hoạt động các khớp.Đảm bảo sản phẩm giá thành thấp, điều khiển chính xác quỹ đạo, tuổi thọ cao đáp ứng nhu cầu của các công ty ở Việt Nam hiện nay 1.6 Nội dung đề tài Đề tài được xây dựng và kết cấu theo từng bước cụ th ể như sau: Chƣơng1: Tổng quan Giới thiệu sơ lược về đề tài và khái quát về cánh tay robot hàn tự động Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chương hai trình bày về kiến thức nền tảng hệ thống robot, trình bày mô hình toán học xây dựng phương trình động học robot gồm: động học thuận và động học ngược, quỹ đạo với các thông số thay đ ổi đ ể làm cơ sở thiết kế cho các chương sau. Chƣơng 3: Tính toán thiết kế phần cứng robot Chương ba trình bày về tính toán động lực và chọn công suất động cơ cho robot hàn tự động năm bậc tự do. Lựa chọn các thiết bị phù hợp, thiết kế board mạch điều khiển dùng chíp ATMega 2560 Chƣơng 4 : Thuật toán điều khiển Chương bốn trình bày về cơ sở điều khiển hoạt động của robot, xây dụng thuật toán điều khiển nội suy, thiết kế giao diện điều khiển trên Visual Studio ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10
12. CHƢƠNG  : TỔNG QUAN Chƣơng 5: Tổng kết Chương năm trình bày về những kết quả đạt được về phần cứng và phần mềm, trình bày vấn đề giải quy ết của đề tài và đưa ra hướng phát triển Phụ lục ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 11
13. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lịch sử phát triển robot Khái niệm robot ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1922 tại NewYork, khi nhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cỗ máy hoạt động tự động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó. Từ đó, ý tưởng thiết kế chế tạo robot đã luôn thôi thúc con người. Đến năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne Goertz đã chế tạo thành công tay máy đôi (masterslave manipulator) Đến năm 1954, Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết được lực tác động lên khâu cuối. Năm 1956, hãng Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt động trong thám hiểm đại dương. Năm 1968, R.S. Mosher, của General Electric đã chế tạo một cỗ máy biết đi bằng 4 chân. Hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong và mỗi chân vân hành bởi hệ thống servo thủy lực, năm 1969, đại học Stanford đã thiết kế được robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh. Hình 2.1: Robot Shakey-robot đầu tiên nhận dạng đối tượng Năm 1970, con người đ ã chế tạo được robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt của mặt trăng. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 12
14. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong giai đoạn này, ở nhiều nước khác cũng tiến hành nghiên cứu tương tự tạo ra các robot điều khiển bằng máy tính có lắp đặt các loại cảm biến và thiết bịgiao diện người và máy. Hình 2.2: Robot hàn điểm Hình 2.3: Robot phẫu thuật Theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các Robot ngày càng được chế tạonhỏ gọn hơn, thực hiện được nhiều chức năng hơn, thông minh hơn. Một lĩnh vực được nhiều nước quan tâm là các robot tự hành, các chuy ển động của chúng ngày càng đa dạng, bắt chước các chuyển động của chân người hay các loài động vật như: Bò sát, động vật bốn chân, và các loại xe robot nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) từ đó trở đi con người tiếp tục nghiên cứu phát triển robot để ứng dụng trong quá trình ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 13
15. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT tự động hóa sản xuất để tăng hiệu quả kinh doanh. Ngoài ra,robot còn được sử dụng thay cho con người trong các môi trường độc hại, khắc nghiệt, Chuyên ngành khoa học về robot về robot đã trở thành lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, quỹ đạo chuy ển động, chất lượng điều khiển tùy thuộc vào mục đích và phương thức tiếp cận, chúng ta có thể hiểu lĩnh vực này ở nhiều khía cạnh khác nhau Hiện nay, có thể phân biệt các loại robot ở hai mảng chính: Các loại robot công nghiệp và các loại robot di động. mỗi loại có các ứng dụng cũng như đặc tính khác nhau. Ngoài ra, trong các loại robot công nghiệp còn phân chia dựa vào cấu tạo động học của nó. Hình 2.4: Nguyên bản của Robot Hexapod TU Munich 2.2 Các lĩnh vực ứng dụng robot A. Ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí Trong lĩnh vực cơ khí, robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hoạt động chính xác và tính linh hoạt cao. Các loại robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sản xuất ôtô, sản xuất các vỏ bọc cơ khí Hình 2.5: robot hàn ABB ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 14
16. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ngoài ra, người ta sử dụng robot phục vụ cho công nghệ đúc, một môi trường nóng bức, bụi bặm và các thao tác luôn đòi hỏi độ tin cậy cao. Đặc biệt trong các h ệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), robot đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất. Hình 2.6: Ứng dụng Robot trong các hệ thống sản xuất. B. Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp Các thao tác này thường được tự động hóa bởi các robot được gia công chính xác và ở mức độ tin cậy cao. Hình 2.7: Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp. C. Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 15
17. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ngày nay, việc sử dụng các tiện ích từ robot đến các lĩnh vực quân sự, y tế, rất được quan tâm. Nhờ khả năng hoạt động ổn định và chính xác, robot đặc biệt là tay máy được dùng trong kĩ thuật dò tìm, bệ phóng, và trong các ca phẫu thuật y khoa với độ tin cậy cao. Hình 2.8: Các ứng dụng Robot trong các lĩnh vực quân sự, vệ tinh Ngoài ra, tùy thuộc vào các ứng dụng cụ thể khác mà robot được thiết kếđể phục vụ cho các mục đích khác nhau, tận dụng được các ưu điểm của robot đồng thời thể hiện khả năng công nghệ trong quá trình làm việc. 2.3 Kết cấu và phân loại robot công nghiệp 2.3.1 Kết cấu chung của robot Một robot công nghiệp được cấu thành bởi các y ếu tố sau:  Tay máy: Là cơ cấu cơ khí bao gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuy ển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay trực tiếp tiến hành thao tác trên đối tượng.  Cơ cấu chấp hành: Tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của cơ cấu chấp hành là các loại động cơ: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 16
18. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Hệ thống cảm biến: Gồm các sensor và các thiết bị chuy ển đổi tín hiệu cân thiết khác, các robot cần hệ thống sensor để nhận biết trạng thái cơ bản của kết cấu robot và các sensor nhận biết trạng thái môi trường.  Hệ thống điều khiển: Hiện nay thường là dùng máy tính để kết nối giám sát và điều khiển hoạt động của robot hoặc dùng một số chip vi xử lí để điều khiển thay cho máy tính để hạ giá thành sản phẩm. 2.3.2 Kết cấu tay máy robot Tay máy là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuy ển động trong khả năng làm việc như nâng, h ạ, lắp ráp, hàn, vẽ ý tưởng ban đầu của việc chế tạo tay máy là mô phỏng các cấu tạo và chức năng của tay người về sau không còn là điều bắt buộc nữa. Tay máy hiện nay có nhiều kết cấu và cấu tao hình dáng khác nhau nhưng thường có kết cấu cơ bản như cánh tay , cổ tay ,các khớp . các kiểu tay máy cơ bản: Tay máy tọa độ vuông góc (cartessian robot): Robot loại này có ba bậc chuy ển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc.  Tay máy tọa độ trục (cylindrical robot): Ba bậc chuy ển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay.  Tay máy tọa độ cầu (spherical robot): Có ba trục chuy ển động cơ bản gồm một chuy ển động tịnh tiến và hai chuyển động quay. 2.3.3 Bậc tự do và tọa độ suy rộng Robot công nghiệp là loại thiết bị tự động nhiều công dụng cơ cấu tay máy. Tay máy của chúng phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật di chuy ển dễ dàng trong vùng làm việc. Muốn vậy, cơ cấu tay máy phải đ ạt được số bậc tự do chuyển động. Thông thường các cơ cấu cơ khí tay máy được ghép với nhau bằng các khớp quay hoặc các khớp tịnh tiến. Gọi chung là khớp động, các khớp quay và khớp tịnh tiến là khớp động học loại năm, đồng thời trong cơ cấu tay máy các khâu nối tiếp với nhau gọi là cơ cấu hở và mỗi khâu gắn liền với nguồn động lực riêng, cho nên với lo ại cơ cấu dùng khớp loại 5 thì sốbậc bằng với số khâu động. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 17
19. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các cấu hình khác nhau của robot trong từng thời điểm được xác định bằng độ dịch chuy ển góc hoặc dịch chuy ển dài của các khớp tịnh tiến. Các độ dịch chuy ển tức thời đó so với giá trị ban đầu làm mốc tính toán được gọi là tọa độ suy rộng của robot. 2.3.4 Phân loại robot Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot để giúp cho việc nhận biết d ễ dàng có 3 yếu tố chính đểphân loại robot như sau: + Theo dạng hình học của không gian hoạt động. + Theo thế hệ robot. + Theo bộ điều khiển. Phân loại robot theo hình học của không gian hoạt động + Robot tọa độ vuông góc. + Robot tọa độ trục. + Robot tọa độ cầu. + Robot bản lề. Phân loại theo thế hệ: Trong quá trình phát triển của robot ta có thể chia theo m ức độ sau:  Robot thế hệ thứ nhất: Bao gồm các dạng robot hoạt động lặp đi lặp lại theo một chu trình không thay đổi (playback robot) theo chương trình định trước. Chương trình cũng có hai dạng: chương trình cứng, không thay đổi được như điều khiển hệ thống cam và điều khiển chương trình có thể thay đổi chương trình theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính.  Robot thế hệ thứ hai: Trong trường hợp này robot được trang bị bộ cảm biến cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi trở lại hệ thống điều khiển về trang thái, vị trí không gian của robot cũng như những thông tin về môi trường bên ngoài trạng thái, vị trí của đối tư ợng thao tác của các may công nghệ mà robot phối hợp, nhiệt độ của môi trường giúp cho bộ điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp để điều khiển robot thực hiện xử lí thao tác phù hợp. Nói cách khác đây cũng là robot với điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với những thay đổi của môi trường thao tác dạng robot này la robot được điều khiển thích nghi thấp. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 18
20. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Robot thế hệ thứ ba: Đây là dạng phát triển cao nhất của robot. Các robot ởđây được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng, nhờ đó mà robot tựphải biết làm để hoàn thành công việc đặt ra cho chúng. Hiện nay cũng đã có nhiều công bố về những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới d ạng những robot giải trí có hình d ạng các động vật máy.  Robot thế hệ thứ tư: Bao gồm robot sử dụng thuật toán và cơ ch ế điều khiển thích nghi được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng theo mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều khiển của môi trường thao tác.  Robot thế hệ thứ năm: Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo. Phân loại theo điều khiển :  Robot gắp-đặt: Robot này nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén. Bộđiều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (plc) để điều khiển vòng hở. Robot hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm gián đoạn hành trình cơ khí đặt trên trục của tay máy.  Robot đường dẫn liên tục: Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều khiển vòng kín. Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó robot được lập trình theo một đường chính xác. Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn được biểu diễn bằng một lo ạt các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ robot, sau đó robot thực hiện lại chính xác đường dẫn đó. 2.4 Các tham số động học và Giải bài toán động học thuận robot dƣ dẫn động bằng phƣơng pháp ma trận Denavit – Hartenberg Trong các tài liệu về robot người ta thường ký hiệu véc tơ tọa độ suy rộng(véc tơ mô tả cấu hình của robot) bởi T1 2 n q = q, q, , q và ký hiệu véctơ xác định vị trí và hướng của bàn kẹp trong hệ quy chiếu cố định bởi T1 2 m x = x, x, , x. Từ bài toán động học thuận của robot ta xác đ ịnh được hệthức x = f (q) (1.1). Trong đó q∈Rn; x, f ∈Rm. Khi m = n robot được gọi là robot chuẩn, còn khi m < n robot được gọi là robot dư dẫn động. Nội dung của bài toán động học ngược là: Cho biết x = x(t), tìm q = q(t). Như vậy trong bài toán động học ngược chúng ta phải thiết lập được quan hệ hình thức: q =f-1(x).Các phương pháp giải bài toán động học ngược robot được phân thành hai nhóm: nhóm các phương pháp giải ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 19
21. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT tích và nhóm các phương pháp số. Việc sử dụng các phương pháp giải tích đ ể giải bài toán động học ngược của robot. 2.5 Giải bài toán động học thuận robot dƣ dẫn động bằng phƣơng pháp ma trậnDenavit – Hartenberg Để nghiên cứu động học của robot robot, Denavit và Hartenberg đã đề xuất phương án gắn hệ trục tọa độ lên các khâu của robot, để từ đó chuyển đổi tọa độcủa điểm thao tác về hệ tọa độ gắn liền với h ệ quy chiếu cố định. Hệ tọa độDenavit – Hartenberg được xây dựng như sau: Xét 2 khâu kế tiếp nhau của robot là khâu thứ i–1 và khâu thứ i. Gốc i O của hệtrục tọa độ Oixiyi ziđược gắn liền với khâu thứ i (hệ tọa độ thứ i) và được đặt tại giao điểm của trục khớp động thứ i+1 với đường vuông góc chung của các trục khớp động thứ i và thứ i+1. Trường hợp 2 trục khớp động giao nhau thì gốc tọa độ là điểm giao nhau đó, còn nếu chúng song song nhau thì gốc tọa độ là điểm bất kỳ trên trục khớp động thứ i+1. Trục zicủa hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động thứ i+1. Trục xicủa hệ tọa độ th ứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung của 2 trục khớp động là khớp thứ i và i+1, có hướng từ khớp động thứ i tới kh ớp độngthứ i+1. Trong trường hợp 2 trục khớp động giao nhau thì hướng của trục i trùng với hướng tích véc tơ ii-1z × z. Trục thứ i, y được chọn sao cho hệ tọa độ Oixiyi zilà hệ tọa độ thuận. Hình 2.9: Sơ đồ thiết lập hệ tọa độ các khâu. Với cách thiết lập các trục của hệ tọa độ như đã trình bày thì hệ quy chiếu đôi khi không được xác định một cách duy nhất, vì vậy ta cần bổ sung thêm một số điều kiện như sau: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 20
22. S K L 0 0 2 1 5 4