đặt vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, bố cục đồ án và giới hạn của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày cơ sở lý thuyết về robot SCARA, mô hình động học của Robot. Cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển lập trình, thị giác máy tính (Machine Vision), Position control. Chương 3: Tính toán và thiết kế.
Chương này nói về cách tính toán và bố trí các thiết bị trong mô hình cho phù hợp với yêu cầu đặt ra. Mô tả cách thức hoạt động của mô hình. Dựa vào cơ sở đã tính toán lựa chọn thiết bị phù hợp cho mô hình. Chương 4: Giải thuật và chương trình điều khiển Mô tả hệ thống và giải thuật điều khiển, trình bày lưu đồ giải thuật.
Thiết kế thuật toán điều khiển và phần mềm giám sát thỏa yêu cầu hệ thống. Chương 5: Kết quả thực hiện Trình bày kết quả đạt được. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 1.4 Giới hạn Sử dụng lại cánh tay cơ khí cũ, đề tài không tính toán thực hiện bài toán thiết kế cánh tay robot SCARA, thiếu dữ kiện về lý thuyết động lực học robot. Phân loại và gắp xếp 6 sản phẩm mẫu với 6 loại khác nhau lên 1 bệ đỡ cố định, không thực hiện bài toán đồng bộ các trục servo.
Tốc độ di chuyển sản phẩm tối đa của băng tải đạt đến 3000mm/phút thì camera bắt đầu xuất hiện hiện tượng không nhận biết và bỏ vật. Nhóm sử dụng các tính năng được tích hợp sẳn trong phần mềm camera, không nghiên cứu chuyên sâu lý thuyết xử lý ảnh BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 Giới thiệu Robot SCARA 2.1 Giới thiệu robot Robot công nghiệp là một thiết bị cơ khí có thể được lập trình để thực hiện các thao tác nhiệm vụ dưới sự điều khiển tự động. Các robot công nghiệp có thể được phân loại theo năm loại hình: - Robot tọa độ đề-các - Robot hình trụ - Robot hình cầu - Robot SCARA - Robot song song Thuật ngữ Scara được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1979 tại Nhật Bản, trong các hoạt động nghiên cứu lắp ráp tại trường đại học Yamanashi.
Nó là tên viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm. Dịch ra tiếng Việt có nghĩa là “Cánh tay robot lắp ráp có chọn lọc”. Hình mẫu nguyên thủy của Scara là một kiểu tay máy có cấu tạo rất đặc biệt. Nó bao gồm 2 khớp quay, 1 khớp trượt.
3 khớp đều có trục song song với nhau. Các cấu trúc của Scara là cấu trúc nối tiếp. Nghĩa là động cơ đầu tiên phải mang theo tất cả những động cơ khác sau đó. Nếu Scara được thiết kế theo đôi cánh tay thì 2 động cơ đầu tiên sẽ được cố định ở đấy và có chức năng kéo theo, điều khiển các động cơ còn lại.
So với kết cấu theo phương thẳng đứng, thì kết cấu này vững hơn, cứng hơn. Tuy nhiên so với phương ngang thì nó lại kém cứng vững hơn. Vùng làm việc của Scara là một phần của hình trụ rỗng, theo mô thức cử động tay như thao tác của con người. Cùng với tên gọi robot Scara, nó còn được gọi với nhiều tên gọi khác như Scara song song (parallel scara robot), Scara cánh tay (scara robot arm).
Scara cũng có rất nhiều loại: - Scara 2 bậc BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 4 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Scara 3 bậc - Robot scara 4 bậc - Scara 5 bậc - Scara 6 bậc Mặc dù sự phát triển liên tục trong công nghệ chế tạo robot, Scara vẫn là một cỗ máy được sử dụng rất rộng rãi trong ứng dụng công nghiệp. Thành công của robot này là có thể nhờ vào các yếu tố chính sau: - Độ chính xác; - Tốc độ cao; - Chuyển động trơn tru; - Cấu trúc đơn giản và đáng tin cậy; Hình 2.1 Robot Hirata AR-300 BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 5 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong hình 2.1, Hirata AR-300 là một trong những robot Scara đầu tiên được ra mắt.
Robot này được sử dụng ở các kích cỡ khác nhau trong tất cả các loại ngành công nghiệp như ô tô, điện tử và dược phẩm. Các ứng dụng phổ biến nhất là: - Gắp và xếp sản phẩn; - Lắp ráp sản phẩm; - Xếp chồng sản phẩm; - Đóng gói sản phẩm; 2.2 Hệ tọa độ Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng.
Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón: cái, trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 6 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 Quy tắc bàn tay phải 2.3 Trường công tác của robot ( Workspace or Range of motion) Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể (hình 2.
Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc 360o. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 7 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3 Không gian làm việc của robot Scara 2.2 Mô hình động học Mỗi công ty sản xuất robot SCARA với các tính năng khác nhau, nhưng cấu trúc cơ bản khá giống nhau. Nó có những điểm tương đồng với cánh tay người với vai, khuỷu tay và cổ tay.
Cấu trúc hai khớp liên kết và 4 trục cho phép bốn bậc tự do. Hai khớp quay song song và khớp dọc tuyến tính cho phép tự do trong không gian X- Y-Z. Mức độ tự do trục thứ tư được đưa ra bởi chuyển động quay của bộ phận đầu cuối.1 Động học thuận Mục tiêu của động học thuận là xác định vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối của robot dựa vào các góc khớp và khoảng dịch chuyển tịnh tiến cho trước. Việc đặt tọa độ x y z tuân thủ theo quy ước của phương pháp Denavit-Hertenberg (hình 2.3 biểu thị sự liên kết giữa trục i-1 và i): - Trục z trùng với trục của động cơ - Trục x trùng với đường vuông góc chung của 2 khớp - Trục y sẽ tuân theo quy tắc bàn tay phải BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 8 Chương 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp Denavit-Hertenberg, được gọi là phương pháp DH, hiện là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất của mô hình động học robot, sử dụng ma trận biến đổi đồng nhất để mô tả vị trí tương đối giữa hai khâu liên kết liền kề.4 Sự liên kết giữa trụ i-1 và i Các thông số cần quan tâm giữa 2 link khi liên kết với nhau thông qua 1 khớp: - Độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp gọi là chiều dài link (a). - Góc lệch giữa 2 trục khớp nhau gọi là độ xoắn của link ( ). - Khoảng cách giữa 2 mặt phẳng chứa 2 trục x của 2 khớp liên tiếp gọi là độ lệch (d). - Góc giữa 2 trục x được gọi là góc khớp ( ).
Hệ tọa độ tương đối của mỗi trục của robot SCARA được thiết lập bằng phương pháp DH được biểu thị như hình 2. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 9 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.5 Các khớp của robot Scara Hình 2.6 Đặt hệ trục tọa độ cho các khớp Các thông số DH của robot SCARA được biểu thị trong Bảng 2.1: Khớp di(mm) ai-1(mm) i1 () i 1 () 1 d1 L1 0 1 2 0 L2 0 2 3 -d3 0 180 0 4 0 0 0 4 Bảng 2.1 Bảng DH Robot scara BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 10 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ma trận tổng quát của phương pháp DH biến đổi từ trục i-1 đến i: Robot Scara có 4 bậc tự do ta sẽ thu được 4 ma trận chuyển đổi T0,1 đến T3,4 như sau: Ma trận biến đổi cuối cùng của khâu chấp hành của robot có được bằng cách nhân các ma trận biến đổi của mỗi khớp: Nếu được cung cấp đầy đủ các tham số, chúng ta có thể tính toán vị trí đầu cuối của robot ( Px , Py , Pz ) trên hệ tọa độ tham chiếu.
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 11 Chương 2.2 Động học nghịch Mục tiêu là xác định góc và khoảng dịch chuyển các trục của robot khi biết trước vị trí và hướng của khâu chấp hành. Có nhiều cách để tính toán động nghịch cho robot, đối với robot SCARA thì phương pháp hình học là đơn giản nhất. Với mỗi vị trí (Px ,Py ,Pz ) thì đối với robot SCARA sẽ có 2 hướng di chuyển của các khớp khác nhau như hình 2.7 Cách di chuyển thứ nhất của robot BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 12 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.8 Cách di chuyển thứ 2 của robot - Trong đó, OB là độ dài link thứ nhất, BA là độ dài link thứ hai.
- Với tọa độ điểm của khâu chấp hành là ( Px , Py , Pz ) ta có 2 vị trí của robot đạt được tọa độ yêu cầu, trường hợp 1 là 2 dương , trường hợp 2 là và 2 âm. Xét trường hợp 1: θ 2 dương Tính d3: Ta có Pz d1 d3 nên d3 d1 Pz Tính góc 2 : Xét tam giác OBA ta có: OA 2 OB2 BA 2 2 * OB* OA * cos(OBA) OB2 BA 2 OA 2 cos(OBA) 2* BA *OB Mà: cos(OBA) cos( OBA) cos(2 ) OA 2 OB2 BA 2 2 a cos( ) trong đó OA Px 2 Py 2 2* BA *OB BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 13 Chương 2.