Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

 i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ-BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
o0o LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT
ỨNG DỤNG TRONG HÀN ĐIỂM

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng
SVTH: Lê Minh Chọn
MSSV: 21000315
TP.Hồ Chí Minh, 12/2014

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
Tp.HCM, ngày…tháng .…năm….

TS. Phan Tấn Tùng
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm



v

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với nhữngsự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngườikhác. Trong suốt thời gian từ
khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại họcđến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan
tâm, giúp đỡ rất nhiều từ quý Thầy Cô,gia đình và bạn bè
Trước tiên em xin được gửi lời cám ơn và tri ân đến ba mẹ, người đã sinh và nuối
em lớn không đên ngà nay, nhờ có họ là niềm phấn đấu vươn lên của em. Em xin gửi lời
cảm ơn đến các quý thầy cô trong trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh cũng như
các thầy cô ở khoa Cơ Khí, đã nhiệt tình dạy dỗ và truyền đạt cho em nhiều kiến thức nền
tảng để em có được hành trang tốt chuẩn bị bước vào đời.
Đặc biệt là em muốn tỏ lòng cảm ơn thật nhiều đến thầyTS.Phan Tấn Tùng– Bộ
môn Thiết Kế Máy, người thầyđãân cần, tận tụy hướng dẫn em trong suốt thời gian thực
hiện luận văn này.Nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy mà em đã hoàn thành tốt bài luận
văn tốt nghiệp này, một lần nữa cho em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy, người lái đò sống
mãi với sự nghiệp giáo dục, diều dắt những thế hệ trẻ tụi em trên con đường học tập và
nghiên cứu khoa học.
Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong Khoa Cơ Khí và Thầy TS. Phan Tấn
Tùng thật dồi dào sứckhỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là
truyền đạtkiến thức cho thế hệ mai sau.

Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

vi

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Với tính linh hoạt trong vận hành, tự động hóa cao, nhanh và chuẩn xác; khả năng

LỜI CẢM ƠN v
TÓM TẮT LUẬN VĂN vi
MỤC LỤC vii
DANH MỤC HÌNH VÀ CÁC BẢNG x
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆPError! Bookmark not defined.
1.1. Ứng dụng robot: Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Ứng dụng trong công nghiệp Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Ứng dụng trong phòng thí nghiệm Error! Bookmark not defined.
1.1.3. Ứng dụng trong nông nghiệ
p Error! Bookmark not defined.
1.1.4. Ứng dụng trong thám hiểm Error! Bookmark not defined.
1.2. Phân loại robot Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Phân loại theo hình dạng hình học không gian của không gian hoạt
động…. Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Phân loại theo thế hệ robot Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Phân loại theo bộ điều khiển Error! Bookmark not defined.
1.2.4. Phân loại robot theo nguồn dẫn động Error! Bookmark not defined.
1.2.5. Phân loại theo kết cấu cánh tay robot Error! Bookmark not defined.
1.3. Ưu và nhược điểm khi đưa Robot vào các ứng dụng:Error! Bookmark not defined.
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

viii

1.3.1. Ưu
điểm…….………………………………………………………Error!
Bookmark not defined.
1.3.2. Nhược điểm Error! Bookmark not defined.
1.4. Tình hình sản xuất robot Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOTError! Bookmark not defined.
2.1.Cơ sở lý thuyết bài toán động học thuận. Error! Bookmark not defined.

6.3. Kết quả mô phổng Error! Bookmark not defined.
6.4. Chương trình mô phỏng Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU KHAM THẢO 1
PHỤ LỤC A 111

Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

x

DANH MỤC HÌNH VÀ CÁC BẢNG
Hình 1.1: Robot hàn điểm của hãng Motoman. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2: Cánh tay robot hoạt động trên trạm không gian quốc tếError! Bookmark not defined.
Hình 1.3: Robot tọa độ cầu có không gian làm việc là dạng khối cầuError! Bookmark not defined.
Hình 1.4: SCARA Robot thuộc thế hệ robot thứ ba Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5: Robot song song của ABB Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6: Robot song song của KuKa Error! Bookmark not defined.
Hình 1.7: Loại STAUBLI TX40 Robot Error! Bookmark not defined.
Hình 1.8: KuKa KR30-3 robot Error! Bookmark not defined.
Hình 1.9: ABB IRB 120 Robot Error! Bookmark not defined.

Hình 2.1 Cách xác định các giá trị của bảng thông số D-H Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2: Thứ tự quay của ba góc Euler Z-Y-X. Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1: Mô hình thứ nhất của robot 6-DOF Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2: Mô hình thứ hai của robot 6-DOF Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3: Mô hình thứ ba của robot 6-DOF Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4: Mô hình thứ tư của robot 6-DOF Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5: Hệ trục tọa độ của robot 6-DOF Error! Bookmark not defined.


Hình 1.1: Robot hàn điểm của hãng Motoman
+Phun sơn: phun sơn là công việc nặng nhọc độc hại đối với sức khỏe con
người và đòi hỏi tay nghề người thợ rất cao, trong khi đó robot có thể giải quyết
được tất cả vấn đê trên.
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

2

+Lắp ráp: Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự động hoàn
toàn, chính việc ứng dụng robot vào dây chuyền sản xuất giúp nâng cao năng
suất, chất lượng, hạ giá thành, tang khả năng cạnh tranh cho sản phẩm.

1.1.2: Ứng dụng trong phòng thí nghiệm
Robot thay cho con người trong 1 số thao tác lập đi lặp lại nhằm tăng năng
suất, tăng chất lượng và giảm sơ suất của con người.

1.1.3:
Ứng dụng trong nông nghiệp
Đối với nhiều người ứng dụng robot trong lĩnh vực này có thể là đều không
tưởng, nhưng thực tế trên Thế giới đã thực hiện như robot cắt lông cừu, mổ xẻ
thịt ở Úc.

1.1.4: Ứng dụng trong thám hiểm
Thám hiểm không gian hay đáy đại dương là lĩnh vực chuyên dùng robot vì
hoạt động ở ngoài Trái Đất hoặc nơi sâu tận đáy đại dươ
ng luôn chứa đựng
những yếu tố bất ngờ và nguy hiểm.

Hình 1.2: Cánh tay robot hoạt động trên trạm không gian quốc tế
Ngoài ra robot còn được ứng dụng nhiều trong giáo dục và hỗ trợ người tàn tật.

- Robot thế hệ thứ hai: Robot được trang bị các bộ cảm biến, có feedback tín
hiệu về bộ điều khiển.
- Robot thế hệ thứ ba: Thế hệ robot này được phát triển dưa trên thế hệ robot
thứ hai, được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (Vision -
controlled robot) cho phép robot nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác.
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

4 Hình 1.4: SCARA Robot thuộc thế hệ robot thứ ba
- Robot thế hệ thứ tư: Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều
khiển thích nghi (adaptively controlled robot). Bộ điều khiển của robot thế hệ
này có bộ nhớ tương đối lớn để giải quyết các bài toán tối ưu.
- Robot thế hệ thứ năm: Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo
(artificially intelligent robot). Robot có thể
nhận dạng tiếng nói, hình ảnh…,
được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học.

1.2.3: Phân loại theo bộ điều khiển
- Robot gắp-đặt: Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình PLC, thực
hiện điều khiển vòng hở.
- Robot đường dẫn liên tục: Robot này sử dụng bộ điều khiển servo để th
ực
hiện điều khiển vòng kín. Quỹ đạo robot được lập trình theo một đường chính
xác.

1.2.4: Phân loại robot theo nguồn dẫn động
- Robot dùng nguồn dẫn động bằng điện: thường điều khiển động cơ DC. Nếu
nguồn AC cũng được chuyển sang DC để điều khiển.


1.3: Ưu và nhược điểm khi đưa Robot vào các ứng dụng:
1.3.1: Ưu điểm:
- Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý, bằng hoặc hơn một
người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế
robot có thể nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Robot
có thể nhanh chóng thay đổi công việc, thích nghi nhanh với việc thay đổi mẫu
mã, kích cỡ của s
ản phẩm theo yêu cầu thị trường cạnh tranh
- Giảm chi phí nhân công, đặc biệt có ý nghĩa trong ở các nước có nguồn nhân
công giá cao.
- Sản phẩm làm ra ít bị sai sót và giảm phế phẩm tối đa.
- Tăng năng suất của dây chuyền sản xuất vì robot có thể làm việc rất nhanh,
nhip độ cao, thời gia dài mà con người không thể đáp ứng được.
- Robot có thể làm việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, độc hại, nhi
ều
bụi bậm.
3.2: Nhươc điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu, bảo trì, bảo dưỡng robot khá lớn, chỉ những công ty,
xi nghiệp lớn và đủ vốn mới có thể trang bị dây chuyền sản xuất dùng robot
phục vụ.
- Cần nguồn nhân công có đủ trình độ, chuyên môn để vận hành, điều khiển
robot.
- Robot thường được ứng dụng trong dây chuyền sản xuât và sản xuất hàng loạt
nên nếu có l
ỗi trong quá trình lập trình, dạy robot thì cả loạt sản phẩm sản xuất
ra sẽ đều thành phế phẩm…
- Robot không thông minh như con người, nên chỉ làm được 1 số nhiệm vụ nhất
định.


WP…
+ Dòng robot loại tải trọng nhỏ: KR 5 arc, KR6-2, KR 16-3 S, KR16-2….
+ Dòng robot loại tải trọng trung bình: KR30-3, KR 30 L160-2, KR40PA,
KR 60-3,
+ Dòng robot loại tải trọng lớn: KR QUANTEC pro, KR QUANTEC
extra,…
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

8

+ Dòng robot loại tải trọng nặng: KR 360 FORTEC, KR 500
FORTEC,……

Hình 1.8: KuKa KR30-3 robot
Model KR 30-3
Tải thông thường 30kg
Tải lớn nhất 35kg
Tầm với 2033mm
Số trục 6
Sai số 0.06mm
Trong lượng robot 665kg - ABB robot: IRB 120, IRB 2600, IRB 4400…
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

9 Hình 1.9: ABB IRB 120 Robot

so với h
ệ quy chiếu đã chọn (thường là hệ quy chiếu cố định- giá) nhờ vào giá
trị góc các biến khớp.
- Có nhiều phương pháp phân tích bài toán động học, trong luận văn này tôi sẽ
trình bài phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg để thực hiện giải quyết bài
toán động học robot.
- Để giải bài toán động học ta cần đặt hệ tọa độ lên từng khâu.
- Ta có 1 số quy ước như sau khi xác định hệ tọa độ gắn trên 1 khâu thứ
i:
+ Trục Z là trục quay tương đối giữa 2 khâu, trục quay tương đối giữa
khâu thứ i và i+1 là Zi.
+ Trục Xi được là định là đường vuông góc chung của 2 trục quay Zi-1 và
Zi, hướng từ Zi-1 đến Zi.
+ Trục Yi được xác định theo quy tắc bàn tay phải khi đã biết 2 trục Zi và
Xi. Hình 2.1 Cách xác định các giá trị của bảng thông số D-H
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

11

- Vị trí và hướng của 1 điểm trên khâu thứ i hoàn toàn có thể được xác định
thông qua hệ tọa độ liền kề trước nó i-1, vì thế ta có thể hoàn toàn xác định
được vị trí và hướng của điểm công tác ở khâu cuối so với hệ tọa độ đứng yên
thông qua công thức sau:
001 1
.
12
N

i-1
đến Z
i
.
+ α
i
là góc tạo bởi 2 trục Z
i-1
và Z
i
, chiều dương là chiều từ Z
i-1
đến Z
i
nhìn
từ X
i
.
+ d
i
là đoạn vuông góc chung giữa 2 trục X
i-1
và X
i
nhìn từ Z
i-1

+ θ
i
là góc tạo bởi trục X

iiiiiii
iii iiii
i
i
ii
cc ac
cc c a
T
cd

  

  











(1.2)
Từ công thức (1.1) và (1.2) với các thông số D-H ta có thể hoàn toàn xác định
được vị trí và hướng của điểm công tác so với gốc tọa độ 0, gốc tọa độ gắn với
giá khi biết ma trận
0
T


Hình 2.2: Thứ tự quay của ba góc Euler Z-Y-X
Giả sử ban đầu hệ tọa độ A và B trùng nhau, hệ tọa độ A sẽ là hệ tọa độ tham
chiếu:
- Đầu tiên hệ tọa độ B xoay quanh trục Z
B
1góc α.
- Sau đó, hệ tọa độ B xoay quanh trục Y
B
1 góc β
- Cuối cùng, hệ tọa độ B xoay quanh trục X
B
1 góc γ
Khi xoay ba góc Euler như trên, ta có hướng của hệ tọa độ B so với A được
tính như sau:
(,,) () () ()
''' ' ' '
0010
0
= 0 0 1 0 0
001 0 0
(,,)
'''
A
RRRR
B
ZYZ Z Y X
cs c s
s
ccs








Hay nói cách khác, ma trận ta đã biết là
0
01
N
R
p
T





Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

13

Với N=6 (robot 6 bậc tự do) thì ta có
11 12 13
21 22 23
0
6
31 32 33
01


- Giả sử ta đã có ma trân
0
6
T
xác định vị trí và hướng của điểm công tác so
với hệ tọa độ cố định-giá như trên. Đồng thời ta cũng có cá ma trận thành
phần phụ thuộc vào các biến khớp:
012345
112233445566
( ), ( ), ( ), ( ), ( ), ( )TT TT TT



- Theo bài toán động học thuận ta có:
4
0 012345
6123456
T TTTTTT
(1.4)
Ta có thể nhân các ma trận nghịch đảo
01
1
T

vào (1.3) để tìm biến khớp
1

:
0012345

; Vế phải của (1.5) bắt
buộc phải có ít nhất 1 phần tử của ma trận hướng hoặc ít nhất 1 phần tử ma
trận vị trí là hằng số hoặc bằng 0.
Tương tự ta tìm biến khớp
2

:
0 012345
6123456
110 10 110 1012345
21621 123456
110 10 2345
216 3456
11010 2
216 6

.( )TTTTTTT
TTTTT TTTTTT
TTT TTTT
TTT T
 







i

phải có khả năng nghịch đảo được.
+ Khi thực hiện đồng nhất 2 ma trận để tìm biến khớp thì bắt buộc phải
có 1 ma trận có ít nhất 1 phần tử là hằng số hoặc bằng 0.
2.3: Cơ sở lý thuyết bài toán động lực học:
- Cho những mục đích thiết kế và điều khiển, cần thiết phải có mô hình toán
học mô tả động lực học cho hệ
thống. Mô hình đó thường là những phương
trình vi phân. Trong nghiên cứu động lực học robot cần giải quyết 2 vấn đề
sau:
+ Nhiệm vụ thứ nhất: Xác định moment và lực động xuất hiện trong quá
trình chuyển động.
+ Nhiệm vụ thứ hai: Xác định các sai số động tức là độ lệch so với quy luật
chuyển động theo chương trình.
- Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học robot như
ng thường gặp
hơn là phương pháp tĩnh học và phương pháp dùng phương trình
Lagrange bậc 2.
- Phương pháp tĩnh học xây dựng trên nguyên lý D’Alembert cho phép xác
định các lực truyền dẫn để thực hiện chuyển động của bộ phận công tác,
đồng thời cho phép xác định lực quán tính trong các khớp.
- Phương pháp dùng phương trình Lagrange dùng để xây dựng mô hình
động học robot là phương pháp hiệu quả và thuận tiện cho việc xây dựng
thuật toán giải trên máy tính, kể
cả khi xét đến tính đàn hồi của khâu.
- Trong luận văn này, chỉ trình bài phương pháp dùng phương trình
Lagrange bậc 2 để xây dựng bài toán động lực học.
- Phương trình chuyển động Lagrange thiết lập cho cơ hệ:
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm


  


  
(1.8)
Trong đó:
()M

là ma trận quán tính
(,)V



là vector lực Coriolis hoặc/và lực hướng tâm
()F


là lực ma sát
()G

là vector trọng lực
d

là nhiễu thêm vào.

- Ở phương trình (5.8) như trên, ta công thêm lực ma sát và nhiễu vào để ta
có thể khái quát hóa phương trình động lực học. Thật chất việc xác định lực
ma sát là không dễ chút nào. Nhiễu được thêm vào để bù cho trường hợp
mô hình động lực học có sai sót mà ta chưa lường hết trước được.