Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Cơ sở lý thuyết về cánh tay robot Chương 3: Thiết kế phần cứng Chương 4: Thiết kế phần mềm Chương 5: Kết quả thực nghiệm Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 2 do an 1.4 Phương pháp nghiên cứu Để có thể thực hiện được đề tài này, nhóm đã tìm hiểu các mô hình cánh tay được đưa vào ứng dụng trong công nghiệp. Dựa vào những tham khảo đó và đặc biệt là những góp ý tận tình cũng như những hệ thống có sẵn của giáo viên hướng dẫn. Nhóm đã có được định hướng cũng như phương pháp để thực hiện đề tài của mình. Hướng giải quyết đề tài: Tìm hiểu cách thức hoạt động của cánh tay SCARA Nghiên cứu các giải pháp có thể thực hiện của mô hình Nghiên cứu cách kết nối và điều khiển phối hợp các động cơ servo AC Nghiên cứu về động học thuận, động học nghịch của cánh tay robot Tìm hiểu các thiết bị điện liên quan cần thiết cho mô hình (Relay, biến áp, CB, cảm biến,…) Thiết kế phần cơ khí cho hệ thống Thiết kế tủ điện cho hệ thống Nghiên cứu lập trình trên phần mềm của Mitsubishi Thiết kế và lập trình giao hiện HMI Chạy thử, kiểm tra và chỉnh sửa chương trình, các thông số cho phù hợp 1.5 Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng điều khiển: Bộ điều khiển PLC dòng Q Mitsubishi Bộ điều khiển Motion Module ngõ vào/ra QX QY Màn hình HMI Handy GOT Bộ phát xung tay (Handy Pulser) Bộ điều khiển Driver J4 và động cơ Servo Cảm biến quang Omron Các đối tượng cơ khí: Cơ cấu Vít me Truyền động dây Curoa và Puly Tay gắp khí nén Chi tiết cơ khí: mặt bích, taro, chốt định vị,… 3 do an Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁNH TAY ROBOT 2.1 Cơ sở lý thuyết về Robot Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Positron,do chính con người lập trình.
Asimov cũng đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics,trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản: - Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người. - Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra. Các quy tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất. - Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trước.
Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot. dùng để thay thế con người trong một số công việc xác định. Để robot có thể đảm nhiệm yêu cầu đó, robot cần có khả năng cảm nhận được trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người. Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc.
Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí. Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến. Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh "Hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển.
Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Việc chế tạo ra robot là mục đích của việc tạo ra thiết bị có thể thay thế mình ở những công việc không phù hợp như: - Các công việc thao tác có tính tuần hoàn lặp đi lặp lại, gây nhàm chán, nặng nhọc: quét dọn, di chuyển vật,. 4 do an - Làm việc ở những nơi ảnh hưởng đến sức khỏe con người như: ngoài khoảng không vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao,. - Những việc đòi hỏi độ chính xác cao, như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch,… 2.2 Cấu trúc và phân loại robot trong công nghiệp 2.1 Cấu trúc cơ bản của robot trong công nghiệp 2.1 Cấu tạo chung Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các thành phần sau: - Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp.
Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (End Effecr) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. - Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Thường sử dụng các loại động cơ: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. - Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác.
Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường. - Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.3: Cấu trúc chung của hệ robot 5 do an 2.2 Kết cấu tay máy Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp,. Các khâu của Robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản: - Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarte, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T hoặc P.
- Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R. Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của Robot là robot kiểu toạ độ Descarte, toạ độ trụ, toạ độ cầu, Robot kiểu SCARA, kiểu tay người.2 Phân loại robot 2.1 Phân loại theo không gian hoạt động a. Tọa độ Descarte Tay máy kiểu tọa độ Descarte (còn gọi là robot tuyến tính) là tay máy chuyển động tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ.
Trường công tác có dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng. Robot tọa độ Descartes kiểu cầu trục công nghiệp được ứng dụng trên dây chuyền sản xuất máy tiện CNC để bốc dỡ các bộ phận liên tục. Nó thực hiện chuyển động tuyến tính 3 trục (X, Y và Z) ở tốc độ cao để tiết kiệm số lượng toán tử.
Ngoài ra, robot có thể xử lý các tải trọng lớn về các quy trình nạp và chọn các bộ phận có độ chính xác định vị cao. Một số yêu cầu đặc biệt có thể là tiếng ồn thấp và bảng cung cấp tùy chỉnh, được thực hiện theo số lượng lưu trữ. Được ứng dụng nhiều nhất là trên máy CNC và các giàn trên không như cẩu gắp. 6 do an Hình 4.2: Robot hệ tọa độ Descarte b.
Robot tọa độ trụ Khác với kiểu tay máy Descarte, Robot tọa độ trụ có khớp đầu tiên là khớp xoay thay cho khớp trượt. Độ cứng của trụ tốt nên tay máy có thể phù hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác sẽ giảm khi tầm với tăng.3: Robot tọa độ trụ c. Robot tọa độ địa cầu Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc 7 do an của nó là một khối cầu rỗng.
Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn.4: Robot tọa độ địa cầu d. Robot kiểu SCARA Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp, Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo phương được chọn, là phương ngang.
Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective Compliance Articulated Robot Actuator” để mô tả các đặc điểm trên.5: Robot SCARA 8 do an e. Robot khớp tay người Tay máy loại này tất cả các khớp đều là khớp xoay, nhưng có một khớp đầu tiên là khớp xoay vuông góc với hai khớp còn lại. Tay máy loại này làm việc rất khéo léo nhưng sự chính xác vẫn tùy theo từng vùng làm việc.6: Robot khớp tay người 2.2 Phân loại theo điều khiển Thông thường có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.
Điều khiển hở Đây là phương phép điều khiển trong môi trường không cần độ chính xác cao. Do không có phản hồi về trạng thái cũng như môi trường làm việc của tay máy công nghiệp. Thường sử dụng trong công việc vận chuyển hàng hóa,… Do đó những động cơ được sử dụng trong phương pháp điều khiển này thường là động cơ bước, động cơ điện thường không có phản hồi về. Điều khiển kín Với phương pháp điều khiển này thì tay máy sẽ làm việc chính xác hơn rất nhiều, do phương pháp này điều khiển theo vòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường mà tay máy đang hoạt động.
Nhưng bên cạnh đó điều khiển theo phương pháp này sẽ phức tạp do phải trang bị hệ thống để đo được các giá trị trạng thái của tay máy như: moment, vị trí, vận tốc và các thông số khác.