Đồ Án môn học thiết kế robot công nghiệp Đề tài thiết kế và tính toán Động học cho robot thực hiện nhiệm vụ theo yêu cầu công nghệ

Trong thời gian tới robot sẽ còn được sự dụng rộng rãihơn nữa, nên việc nghiên cứu về robot là rất quan trọng.Ở nước ta lĩnh vực robot đã được nghiên cứu ở các trường đại học và trong cá

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: Vũ Đức Vương

Họ tên sinh viên: THÂN MAI THANH BÌNH

MSSV:

Thái Nguyên 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KTCN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMKHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIÊN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-o0o -ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Sinh viên: Thân Mai Thanh Bình

Mã số sinh viên : K215520114092

Lớp: K57CDT.02

Ngành: Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Ngày giao đề: Ngày hoàn thành

I Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CHO ROBOT THỰC

HIỆN NHIỆM VỤ THEO YÊU CẦU CÔNG NGHỆ.

1.Nội dung thuyết minh

Trưởng Bộ Môn Giáo Viên Hướng Dẫn

(Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tiến trình thông qua đồ án:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2024

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký ghi rõ họ tên)

ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2024 GIÁO VIÊN CHẤM 1 (Ký ghi rõ họ tên) GIÁO VIÊN CHẤM 2(Ký ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan rằng đồ án này hoàn toàn do chúng em tự tìm hiểu, tự làm theo

sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Nguyễn Đăng Hào Các nội dung, kết quả trong đồ ánnày là trung thực và hoàn toàn chưa được công bố dưới bất kì hình thức nào

Trong đồ án có sử dụng kiến thức, các nhận xét, đánh giá cũng như các thông số của cáctác giả, cơ quan tổ chức mà chúng em tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, được ghi rõtrong phần tài liệu tham khảo

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên không liên quan đến những vi phạmbản quyền, quyền tác giả do chúng em gây ra trong quá trình thực hiện đồ án (nếu có) Nếu có bất kì vi phạm về bản quyền ,quyền tác giả chúng em xin chịu hoàn toàn tráchnhiệm trước pháp luật

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Robot hiện nay được sử dụng khá rộng rãi trong nhà máy, y học, khoa học vũ trụ và

trong đời sống Sự phát triển của khoa học và CM công nghiệp 4.0 các robot ngày càng linhhoạt, thông minh và chính xác hơn Trong thời gian tới robot sẽ còn được sự dụng rộng rãihơn nữa, nên việc nghiên cứu về robot là rất quan trọng.

Ở nước ta lĩnh vực robot đã được nghiên cứu ở các trường đại học và trong các việnnghiên cứu và đã đặt nên móng cho sự phát triển của ngành khoa học non trẻ này ở ViệtNam.Trong công nghiệp nước ta, robot cũng được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuấtcủa nhà máy nhằm nâng cao năng suất, hiệu quả lao động và chế tạo các sản phẩm có độchính xác cao

Cùng với sự phát triển của khoa học, tin học và các ứng dụng của nó ngày càng trởnên quan trọng Máy tính được sử dụng như là một công cụ thay thế con người trong việctính toán các bài toán phức tạp Nó giúp chúng ta đưa ra kết quả nhanh và chính xác.Chương trình Maple là một trong những phần mềm tính toán mạnh và phổ biến giúp chúng

ta giải nhiều loại bài toán như: Bài toán phân tích, thống kê, bài toán cơ học, bài toán nhiệt,bài toán điện kỹ thuật…Ngoài ra nó còn là một ngôn ngữ lập trình thông dịch khá mạnhgiúp cho người kỹ sư tính toán các bài toán cơ học quen thuộc nhanh chóng và dễ dàng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Giới thiệu về robot công nghiệp

Robot công nghiệp có vị trí rất quan trọng trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, robotcông nghiệp là một trong những ứng dụng tiên tiến của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vựcđiều khiển tự động vào trong sản xuất Trong sản xuất tự động, robot công nghiệp đáp ứngcác công việc lặp đi lặp lại nhiều lần như: lắp ráp, đóng gói, vận chuyển sản phẩm; các côngviệc có độ chính xác rất cao như: lắp ráp các chi tiết máy nhỏ, mạch điện tử; hoặc các côngviệc nguy hiểm như: các thao tác trong nhà máy điện nguyên tử, các lò luyện kim loại,những nơi có nhiệt độ áp suất cao, dễ xảy ra cháy nổ… Hiện nay, nhiều nước trên thế giới

đã sử dụng Robot vào trong sản xuất như Mỹ, Nhật, Pháp, Hàn Quốc,… với nhiều dòng sảnphẩm của các hãng như: Mitsubishi, Siement, Honda, SONY Các loại Robot phổ biến nhưSCARA, PUMA, ASV, STANDFORD,…

1.2 Cấu trúc chung của Robot công nghiệp

Một RBCN được cấu thành bởi các hệ thống sau:

Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thànhcánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt

Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực củacác cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: 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 Cácrobot cần hệ thống sensor trong nhận biết trạng thái của bản thân và các sensor ngoài đểnhận biết trạng thái của môi trường

Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điềukhiển hoạt động của robot

1.3 Ứng dụng của Robot công nghiệp

Robot được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống của con người, trong

đó robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng và nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực côngnghiệp như:

- Phục vụ máy CNC và các hệ thống tự động linh hoạt

- Cho một nhu cầu trong sản xuất, cần di chuyển sản phẩm từ vị trí A (có dạng ngăn chứa

sản phẩm) đến vị trí B (có dạng ngăn chứa sản phẩm) theo như mô tả trên hình

Hình 1.1: hình chiếu đứng mô phỏng vị trí tương quan giữa vị trí A và vị trí B.

1.5 xác định thông số để lữa chọn robot phù hợp.

 Từ yêu cầu công nghệ:

- Khoảng cách gần nhất trên hình chiều đứng là 3400 mm và độ cao lệch nhau khoảng 1200 mm.

- Khoảng cách ngắn nhất của 2 vị trí ô chứa trên hình chiếu bằng là 1700 mm

 Vì vậy ta cần chọn robot chuỗi có tầm với lớn hơn 1700 mm

1.6 lựa chọn robot đáp ứng yêu cầu.

 Sử dụng robot IRB 6700-2.85m của hãng ABB

Hình 1.2: robot ABB IRB 6700-2.85.

1.7 xác định điểm đặt của robot.

-Do khoảng cách ở giữa 2 bên đặt vật thể là 1285 mm nên đặt robot ở vị trí gang hàng với

Hình 1.3: không gian làm việc của robot trên hình chiếu đứng.

Hình 1.4: không gian làm việc của robot trên hình chiếu bằng

Hình 1.4: tầm với của robot.

1.9 đánh giá khả năng đáp ứng yêu cầu.

Tầm với: robot IRB 6700 có tầm với 2845mm (>1200 mm)

Khả năng thao tác: robot IRB 6700-2.85 có khả năng thao tác trong không gian ba chiều,khả năng cơ động cao, chính xác và ổn định

1.10 Kết luận.

 Vậy với yêu cầu công nghệ: di chuyển sản phẩm từ vị trí A đến vị trí B thì robot IRB 6700-2.85 có đủ khả năng thực hiện nhiệm vụ

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC2.1 tổng quan về cấu trúc động học.

Động học robot là lĩnh vực nghiên cứu về các đặc trưng của chuyển động mà không

quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực và mô men Nó tập trung vào vị trí, vận tốc và gia tốc của robot, chỉ liên quan đến hình học và thời gian thay đổi của chuyển động Sự thay đổi của các khâu của robot được xác định bởi sự ràng buộc của các khớp,

và việc nghiên cứu động học tập trung vào các quan hệ này

-Có hai loại bài toán chính trong động học robot:

+ Bài toán động học thuận: chúng ta cần xác định phương trình động học của robot và vị trí của tay kẹp dựa trên chương trình chuyển động

+ Bài toán động học ngược: chúng ta cần xác định các biến khớp để đảm bảo rằng robot có thể thực hiện các chuyển động đã cho trước

2.2 bài toán động học thuận.

2.2.1 Mô hình động học robot.

Hình 2.1: thông số kích thước cơ bản của robot.

 Từ thông số như trên ta tiến hành lược đồ hóa robot

Hình 2.2: mô động học robot IRB 6700.

2.2.2 Xây dựng phương trình động học robot.

A i i−1=[ (cos α i) −(sin α i)∗(cos β i) (sin α i)∗(sin β i) (a i ∗cos α i)

(sin α i) (cos α i)∗(cos β i) −(cos α i)∗(sin β i) (a i¿sin α i)

- Ma trận mô tả vị trí và hướng của O1 đối với O0 :

A10

= [cos α 1 0 sin α 1 a 1 ∗cos α 1

sin α 1 0 −cos α 1 a1∗sin α 1

A01=[cos(q1) 0 sin(q1) a1*cos(q1);sin(q1) 0 -cos(q1) a1*sin(q1);0 1 0 d1;0 0 0 1]

- Ma trận mô tả vị trí và hướng của O2 đối với O1 :

A21=[cos α 2 −sin α 2 0 a 2cos α 2

sin α 2 cos α 2 0 a 2 sin α 2

A12=[cos(q2) -sin(q2) 0 a2*cos(q2);sin(q2) cos(q2) 0 a2*sin(q2);0 0 1 0;0 0 0 1]

- Ma trận mô tả vị trí và hướng của O3 đối với O2 :

A32

=[cos α 3 0 sin α 3 a 3 cos α 3

sin α 3 0 −cos α 3 a3 sin α 3

A23=[cos(q3) 0 sin(q3) a3*cos(q3);sin(q3) 0 -cos(q3) a3*sin(q3);0 1 0 0;0 0 0 1]

- Ma trận mô tả vị trí và hướng của O4đối với O3 :

A43=[cos α 4 0 −sin α 4 0

sin α 4 0 cos α 4 0

A34=[cos(q4) 0 -sin(q4) 0;sin(q4) 0 cos(q4) 0;0 1 0 d4;0 0 0 1]

- Ma trận mô tả vị trí và hướng của O5đối với O4 :

- Ma trận mô tả vị trí và hướng của O6đối với O5 :

∗A3 2

∗A4 3

∗A5 4

cos(q4)*(cos(q1)*cos(q2)*cos(q3) - cos(q1)*sin(q2)*sin(q3)))+ sin(q5)*(cos(q1)*cos(q2)*sin(q3) +

sin(q4)*(cos(q1)*cos(q2)*cos(q3) - cos(q1)*sin(q2)*sin(q3)))

- sin(q6)*(cos(q5)*(sin(q1)*sin(q4) +

cos(q4)*(cos(q1)*cos(q2)*cos(q3) - cos(q1)*sin(q2)*sin(q3)))+ sin(q5)*(cos(q1)*cos(q2)*sin(q3) +

a3*cos(q1)*cos(q2)*cos(q3) - a3*cos(q1)*sin(q2)*sin(q3)]

[- sin(q6)*(cos(q1)*cos(q4) -

sin(q4)*(sin(q1)*sin(q2)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1)))

cos(q3)*sin(q1)*sin(q2))) + a2*cos(q2)*sin(q1) +

a3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q1) - a3*sin(q1)*sin(q2)*sin(q3)]

[

- cos(q6)*(sin(q5)*(cos(q2)*cos(q3) - sin(q2)*sin(q3)) - cos(q4)*cos(q5)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2))) -

Ma trận xác định hướng và vị trí của hệ tọa độ O0 so với hệ tọa độ O6

A P = A6 0

= A1 0

∗A2 1

∗A3 2

∗A4 3

∗A5 4

∗A6 5

+ a2*cos(q1)*cos(q2) + a3*cos(q1)*cos(q2)*cos(q3) - a3*cos(q1)*sin(q2)*sin(q3)

+ px = sin(q6)*(sin(q5)*(cos(q2)*cos(q3) -

sin(q2)*sin(q3)) - cos(q4)*cos(q5)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2))) - cos(q6)*sin(q4)*(cos(q2)*sin(q3) +cos(q3)*sin(q2))

- Với kết quả như trên ta biết :

+) Vị trí tay kẹp mô tả qua vector P = (p x , p y , p z)

+) Hướng của tay kẹp mô tả qua ma trận[n x s x a x

n y s y a y

n z s z a z]

2.3 bài toán động học ngược.

 Bài toán thuận động học nhằm xác định định vị và định hướng của phần công táckhi cho trước các biến khớp Bài toán ngược cho trước vị trí và định hướng củakhâu tác động sau cùng đòi hỏi phải xác định bộ thông số tọa độ suy rộng để đảmbảo chuyển động cho trước của phần công tác Đối với các tay máy dạng chuỗiđộng hở, ứng với một bộ thông số mô tả định vị và định hướng của phần công táckhi giải bài toán ngược có thể xảy ra các trường hợp:

 Có thể có nhiều lời giải khác nhau

 Các phương trình đồng nhất thức thường có dạng phi tuyến

 Có thể gặp nghiệm vô định vì có các liên kết thừa

 Có thể có lời giải toán học, song lời giải này không chấp nhận được vềmặt vật lí do kết cấu của cấu trúc không đáp ứng được

 Nhìn chung khi số bậc tự do càng lớn thì bài toán ngược càng khó giải, sốnghiệm toán học lại càng nhiều, để chọn được nghiệm điều khiển đòi hỏi phảiloại bỏ các nghiệm không phù hợp dựa trên cơ sở các ràng buộc về giới hạn hoạtđộng của các khớp Việc lựa chọn phương pháp để giải bài toán ngược cũng làmột vấn đề vì không có phương pháp tổng quát nào có thể áp dụng cho tất cả cácrobot

2.3.1 Thiết kế bài toán, thông số đầu vào.

a thiết kế bài toán.

Cho vị trí và hướng của bàn kẹp tức là biết ma trận AP Cần phải xác định các biến khớp qi(i=1 6) theo vị trí và hướng bàn kẹp

 Input: Ma trận T là tích các ma trận thành phần đã tính ở bài toán thuận Ma trận A

là tọa độ thực đã biết

 Output: Kết quả của biến khớp qi ( i = 1,2,3,4,5,6 ).

b thông số đầu vào.

2.3.2 Phương pháp giải bài toán động học ngược robot.

 Sử dụng pháp số GRG Nonlinear để giải bài toán: Phương pháp này là tìm giá trị gầnđúng nhất của biến khớp mà sai số của nó nằm trong phạm vi cho phép Cân bằng cácphần tử của hai ma trận tọa độ lý thuyết và tọa độ thực ta có hệ phương trình

 Bài toán cần giải động học ngược của cơ cấu là: cho biết vị trí tay kẹp so với các khớpq1 q2 … để xử lý bài toàn ta cần xử dụng tới excel Với các giá trị ta có như sau:

 Từ ma trận 𝐴6 0 ta được hệ phương trình động học nghịch:

 được hệ phương trình động học nghịch:

{(Px −a14)2

=0(L 1)(Py −a 24)2

=0(L 2)(Pz −a34)2

=0(L 3)

{(nx−a11)2

=0( L 4 ) (ny−a 21)2

=0( L5) ( Az−a33)2

=0( L6)

2.3.2 Giải bài toán động học ngược trên excel.

Bước 1: Nhập các dữ liệu cần thiết cho việc tính toán.

-Dữ liệu về độ dài các khâu: d1=780(mm) , d4=1393(mm), d6=520.5(mm), a1=320(mm),a2=1125(mm), a3=200(mm)

-Dữ liệu về Px,Py,Pz,nx,ny,Az Vì robot có 6 bậc tự do nên ta chỉ cần lấy 6 phương trình.-Khởi tạo các biến khớp q1, q2, q3,q4,q5,q6

-Khởi tạo các giá trị trong ma trận A: a14, a24, a34, a11, a21, a33

-Các giá trị đã biết của biến khớp

Bước 2: Tính các giá trị L và tổng của chúng.

Bảng 2.2: thông số đầu vào.

CHƯƠNG 3:

THIẾT KẾ QUỸ DẠO CHO ROBOT

3.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp.

Hình 3.1: Quỹ đạo làm việc của robot.

Bảng 3.1: bảng thông số quỹ đạo biến khớp

Home

(2147,6;0; 1853,80) 0,2448 1,2387 0,1984 1,5795 1,581027 5,57

O1 (1916,04;558.68;984.52) 0,2699 0,9857 -0,29 1,7463 1,652564 5,8185

O2 (1916.04;0;781) 0,2041 0,6084 0,3496 1,5526 1,561514 5,7112

O3 (537.47;-1245;2301) -1,216 1,1265 0,8083 3,2855 1,876063 5,078

04 (91.24;-1245;2101) -1,511 1,1578 0,8094 3,1801 2,141448 4,8042

O5 (-409.3;-1245;2301) -1,806 1,1847 0,7619 2,9257 1,842347 4,7101

O6 -2,021 0,9829 0,873 2,6823 1,403037 4,7524

O7 (-993;-1860;2301) -1,98 1,0735 0,7412 2,6883 0,847863 4,778

3.2 Cơ sở nội suy không gian khớp.

Quỹ đạo không gian khớp có dạng hàm bậc 3:

u (t )=a1t3

+b1t2

+c1t +d1(*) Phương trình tiếp tuyến với quỹ đạo U(t) hay phương trình vận tốc tại thời điểm t là :

 Nếu sig(k i)≠ sig(k i+1)→ v i=0

 Nếu sig(k i)=sig(k i+1)→ v i=k i +k i+1

Giải hệ phương trình trên ta được phương trình u i (t )

Một số câu lệnh trong matlab:

 Plot (t, u) : đồ thị

 Hold on : giữ đồ thị trước đó vẽ tiếp vào

 Grid on: chia lưới đồ thị

 Plot ( t,u,’lineWidth’,3) : tăng độ nét dày hơn cho đường đồ thị =3.

3.3 Nột suy quỹ đạo trong không gian khớp.

Bước 1: Tính các hệ số góc ( vận tốc trung bình trên các đoạn ):

Công thức :

k i=q i+1−q i

t i+1−t i

Bước 2: tìm hệ số góc chuyển tiếp tại các điểm chốt:

 Nếu sig(k i)≠ sig(k i+1)→ k ci=0

 Nếu sig(k i)=sig(k i+1)→ k ci=k i +k i+1

-O4 1,51117- 6 -0,295 -0,255

O5 1,80629- 7 -0,215 0

O6

2,02142 8 0,0414 0

-O7 1,98002- 9 -0,041 0

O6

2,02142 10 2,2662  

a11=[t11.^3 t11.^2 t11 1;t12.^3 t12.^2 t12 1;3.*t11^2 2.*t11 1 0;3.*t12^2 2.*t12 10];

a12=[t12.^3 t12.^2 t12 1;t13.^3 t13.^2 t13 1;3.*t12^2 2.*t12 1 0;3.*t13^2 2.*t13 10];

hold on

grid on

plot ( T2,u2,'linewidth',3)

Hình 3.3: sự thay đổi của biến khớp q2

Hình 3.4: sự thay đổi của biến khớp q3

Hình 3.5: sự thay đổi của biến khớp q4

Hình 3.6: sự thay đổi của biến khớp q5.

Hình 3.7: sự thay đổi của biến khớp q6.

Chương 4: Mô Phỏng

3.4: Mô phỏng hoạt động.

Hình 3.4.1: robot ở vị trí home

Hình 3.4.2: robot di chuyển tới vị trí O2

Hình 3.4.3: robot di chuyển tới vị trí O1

Hình 3.4.7: robot di chuyen vật tới vị trí

KẾT LUẬN ĐỒ ÁN

1 Khái quát lại nội dung đồ án

 Từ yêu cầu công nghệ thực hiện gắp khối hàng từ vị trí A sang vị

trí B cách nhau 3400mm, đảm bảo sự tương quan vị trí của chữ

3 Ưu - nhược điểm.

 Đồ án của em về cơ bản đã hoàn thành được nội dung lý thuyết các yêucầu thiết kế và đã đạt được yêu cầu về kỹ thuật và ứng dụng Robot có thể

di chuyển được cánh tay, mang theo tay kẹp để kẹp gắp vật từ vị trí nàyđến vị trí kia

 Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian làm đồ án như kiến thức chuyên môn chưa thật tốt và cũng là lần đầu tiên làm đồ án nên chưa có kinh nghiệm,

đồ án bọn em chắc chắn vẫn còn nhiều hạn chế như tốc độ xử lý, điềukhiển chưa thể hoàn hảo vẫn còn thiếu sót…