Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu. Con người từ lâu đã muốn chế tạo một cỗ máy có thể bắt chước kỹ năng lao động của đôi tay, thay mình làm những việc nặng và nguy hiểm. Robot là đối tượng được con người gửi gắm nhiều tri thức về y khoa, cơ khí, điện-điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển học. Từ chỗ vô tri vô giác, chuyên đảm nhiệm những công việc lao động cơ bắp đơn thuần.
Robot ngày nay có khả năng quan sát, cảm nhận bản thân và môi trường xung quanh. Việc thành công bước đầu trong những nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, hứa hẹn robot trong tương lai có những hành xử giống như con người. Ngày nay Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn.
Các công việc của con người trong môi trường khắc nghiệt như trong lò đúc, xưởng rèn, xưởng hàn và phóng xạ dần được thay bằng Robot .1: Robot hàn Hình 1.2: Robot nâng, chuyển Một số nghiên cứu điều khiển Robot liên quan gần đây: - Thiết kế và phân tích sự ổn định cho một bộ điều khiển lai giữa Fuzzy và PID thông thường để tăng cường hiệu suất và độ bền của bộ điều khiển của các tác giả S. Nghiên cứu sử dụng MATLAB/Simulink Trang 1 Luan van để thiết kế và mô phỏng một bộ điều khiển Fuzzy và PID thông thường để đưa ra các thông số cho thấy ưu điểm của bộ điều khiển lai ổn định hơn và nghiên cứu chỉ dừng lại ở mô phỏng (2). - Mô phỏng Robot 5 bậc tự do Mitsubishi RV-2AJ sử dụng MATLAB/Simulink và V-Realm Builder của các tác giả Muhammad Ikhwan Jambak, Habibollah Haron và Dewi Nasien. Nghiên cứu xây dựng phần mềm mô phỏng thực tế ảo dựa trên phần mềm MATLAB/Simulink and V-Realm Builder và sử dụng thông số Robot 5 bậc RV-2AJ của Mitsubishi và camera 3D để tăng độ chính xác của Robot trong công nghiệp (3).
- Phân tích động học thuận robot 5 bậc tự do và các ứng dụng trong công nghiệp của tác giả Dr. Trong bài viết này,tác giả phân tích mối quan hệ giữa các khớp của cánh tay robot và vị trí và hướng của khớp cuối, tác giả áp dụng phương pháp Denavit Hartenberg (DH) để xây dựng mô hình toán học để dự đoán, mô phỏng và phục vị trí cuối (vị trí và hướng) trên cánh tay robot R5150. Tác giả sử dụng phần mềm mô phỏng RoboCIM. Giao diện người dùng của RoboCIM cho phép nhập thông số vào là bàn phím (teach pendant) cánh tay Lab_volt R5150.
Các mô phỏng của cánh tay robot chuyển động được thực hiện bằng phần mềm MATLAB (4).2 Nghiên cứu Robot ở Việt Nam hiện nay và tính cấp thiết của đề tài.1 Nghiên cứu Robot ở Việt Nam. - 10/2013 Viện Cơ học thuộc Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam "Tay máy 6 bậc tự do“ eRobot có tầm với lớn nhất trong bán kính 600mm (toàn hướng).Tay máy 6 bậc tự do - eRobot có tầm với lớn nhất: 600 mm, độ chính xác vị trí: ± 2 mm, độ chính xác lặp: ± 2 mm, có thể thực hiện thao tác nắm gắp và di chuyển đối tượng có khối lượng < 0,5 kg, hàn điểm. Phần mềm điều khiển eRobot được viết bằng ngôn ngữ Visual C++, tích hợp công nghệ đồ họa 3D OpenGL, kết nối với các bộ điều khiển qua cổng COM theo chuẩn RS232. eRobot có ưu điểm có độ chính xác có giao diện đồ họa trực quan.
Trang 2 Luan van Hình 1.3: Tay máy eRobot đang sử dụng que hàn So với sự phát triển chung của thế giới, ngành Tự động hóa Việt Nam tuy chưa ở mức phát triển cao nhưng cũng đã đạt được những thành quả nhất định nhưng nhìn chung các Robot phát triển ở Việt Nam có một số vấn đề sau cần nghiên cứu và phát triển: - Tăng độ chính xác, tốc độ và sự mềm mại cho robot. - Giao tiếp với giao diện qua cổng USB hoặc không dây thay cho giao tiếp phần mềm qua cổng LPT hoặc cổng COM. - Áp dụng các thuật toán vào cho Robot để làm chủ công nghệ thay vì sử dụng các thuật toán tích hợp trong PLC hoặc các bộ điều khiển Robot tích hợp sẵn. - Cách đưa quỹ đạo Robot thân thiện hơn thay cho các Robot truyền thống đưa quỹ đạo cho Robot thực hiện bằng cách lập trình theo ngôn ngữ của Robot(ACL.), file tọa độ hay file CAD.
Tính cấp thiết của đề tài. Nhu cầu sử dụng robot trong động hóa trong quá trình sản xuất giảm đi sức lao động bằng chân tay của người lao động, thay thế con người làm việc trong môi Trang 3 Luan van trường độc hại ngày càng tăng vì vậy việc làm chủ kỹ thuật công nghệ điều khiển robot là rất cần thiết. Vì vậy luận văn thực hiện với tên đề tài là “THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 5 BẬC TỰ DO.” nhằm mụch đích tạo ra một bộ điều khiển cho robot với giá thành rẽ và có thể áp dụng cho các mô hình điều khiển khác.2 Giới hạn đề tài. - Đề tài chỉ nghiên cứu mô phỏng động học thuận và động học nghịch trên Robot 5 bậc tự do (Scorbot).
- Đề tài nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển Robot 5 bậc tự do.3 Phương Pháp nghiên cứu. Các phương pháp người thực hiện đề tài thường sử dụng trong đề tài -Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu phương pháp nội suy spline và phân tích khả năng ứng dụng để xây dựng mô hình toán học cho bài toán điều khiển rôbốt trên quỹ đạo cho trước dạng phức tạp. - Mô phỏng: Tính toán và chạy mô phỏng trên máy tính để kiểm chứng kết quả nghiên cứu. - Phương pháp thử sai: Có những bài toán gặp phải trong đề tài mà thông số biến không xác định và ngõ vào biến rất lớn do đó không thể giải quyết được do đó người thực hiện đề tài phải sử dụng phương pháp thử sai.
- Phương pháp chuyên gia: Người nghiên cứu có tham khảo các bộ điều khiển đã chế tạo. Trang 4 Luan van Chương 2 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT 2.1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SỬ DỤNG: Mô hình để người thực hiện đề tài sử dụng cánh tay Robot SCORBOT-ER V ở hình 2.1 cấu trúc của một cánh tay Robot công nghiệp. Robot trên hình 2.2 có 5 bậc tự do với 5 trục chuyển động như sau: 1. Trục bả vai (chuyển động của khớp bả vai) 3.
Trục khuỷu tay (chuyển động của khớp khuỷu tay) 4. Trục cổ tay chuyển động theo phương thẳng đứng; 5. Trục cổ tay chuyển động theo phương phương ngang. Ngoài ra còn có cơ cấu kẹp chi tiết.
So với chuyển động của tay người (không tính đến chuyển động của các ngón tay) có 10 bậc tự do (10 khả năng chuyển động độc lập) cánh tay robot trên là loại có đủ khả năng nắm bắt một vật bất kỳ trong không gian hoạt động. Cánh tay robot công nghiệp thường có các bộ phận chính sau: - Hệ thống điều khiển. - Hệ thống chấp hành : Bao gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chịu lực. - Bàn kẹp : Bàn kẹp là bộ phận công tác cuối cùng của cánh tay robot ,nơi cầm nắm các thiết bị cộng nghệ hay vật cần di chuyển.
Trang 5 Luan van Hình 2.1 : Mô hình cánh tay robot công nghiệp CẤU TRÚC ROBOT SCOBOT-ER V: SCORBOT-ER V có 5 bậc tự do đều là khớp quay, sử dụng động cơ điện một chiều có công suất nhỏ, tốc độ quay của động cơ và chuyển động các khớp của cánh tay robot cánh tay robot phụ thuộc vào điện áp đặt vào động cơ và có thể điều chỉnh vô cấp. Kết cấu bộ truyền động cơ khí đơn giản thông qua bộ bánh răng giảm tốc và có khả năng tự hãm khá tốt khi làm việc. Trang 6 Luan van Ghi chú : 1. Khớp bả vai 4 3.
Khớp khuỷu tay 6 2 4. Khớp cổ tay 5. Khớp cổ tay 6. Tay kẹp 5 1 Hình 2.2 : Chú thích mô hình scorbot-ERV Hệ thống chấp hành của Robot Kết cấu Robot gồm 6 DC động cơ phục vụ cho các chuyển động của Robot theo kết cấu như hình 2.4 dưới đây: Hình 2.3: Cơ cấu các khớp và cánh tay Robot Trang 7 Luan van Trục số Tên khớp chuyển động Chuyển động Động cơ 1 Base Xoay thân 1 2 Shoulder Nâng hạ cánh tay trong 2 3 Elbow Nâng hạ cánh tay ngoài 3 4 Wrist Pitch Nâng hạ tay kẹp 4+5 5 Wrist Roll Xoay tay kẹp 4+5 - Cơ cấu bao gồm 6 động cơ công tác, trong đó 5 động cơ có số thứ tự từ 1 đến 5 có công suất đỉnh là 40W được mô tả như trên, một động cơ làm nhiệm vụ kẹp và mở, công suất 20W.
- Hộp số động cơ cánh tay trong (1, 2, 3) có tỷ số truyền 127:1; hộp số động cơ cánh tay ngoài có tỷ số truyền 65:1; tay kẹp có tỷ số 19:1. - Các động cơ 1, 2, 3, 4, 5 được bố trí trên 5 khâu chuyển động và hình thành 5 bậc tự do. Đặc tính động cơ: - Kết cấu động cơ như hình 2.4: Động cơ Pittman gồm hộp số và Encoder và kết cấu Encoder Trang 8 Luan van 2.2 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN, ĐỘNG HỌC NGHỊCH CHO CÁNH TAY ROBOT 5 BẬC TỰ DO Trong đề tài này chỉ khảo sát hai vấn đề điều khiển động học cho robot là bài toán thuận và bài toán ngược Bài toán thuận:Xác định vị trí điểm cuối và hướng tay kẹp mà cánh tay robot đạt được khi quy luật thay đổi theo thời gian của các thông số định vị của cánh tay robot là hàm đã biết. Bài toán này là bài toán nhằm xác định phạm vi hoạt động của cánh tay robot.
Bài toán ngược: xác định quy luật thay đổi theo thời gian của cánh tay robot với vị trí đã cho của đối tượng theo một hướng định trước của tay kẹp. Bài toán này nhằm phục vụ các bài toán điều khiển quỹ đạo, các bài toán điều khiển tối ưu. Trang 9 Luan van 2.1 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN: Sử dụng phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg gán các trục tọa độ vào từng khâu của cánh tay robot. Nhờ mối quan hệ về tọa độ của cùng một điểm trên hai hệ trục kế tiếp nhau sẽ được xác định bằng một ma trận chuyển 4x4.
Gọi H JJ1 là ma trận chuyển tọa độ một điểm từ hệ j (Oxj-1yj-1zj-1), ta có: cos(j ) cos(j ).1) 0 sin(j ) cos(j ) dj 0 0 0 1 Trong đó các tham số có ý nghĩa như sau: j là góc quay trục xj-1 đến trục xj quanh trục zj-1. dj là dịch trục xj-1 đến trục xj dọc trục zj-1.