THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động
hóa sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.
Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao
năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của
sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hang hóa đặt ra
một vấn đề thời sự là làm sao hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt
cao nhằm đáp ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hang hóa cạnh
tranh. Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra
những hệ thống tự động sản xuất linh hoạt đó.
Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, robot công nghiệp đã có một lịnh
sử phát triển hấp dẫn. Ngày nay robot công nghiệp được sử dụng rộng rãi ở nhiều
lĩnh vực sản xuất. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của các loại robot
đã được chọn lựa và đúc kết lại qua bao nhiêu năm ứng dụng ở nhiều nước.
Ở giai đoạn trước những năm 1990 hầu như trong nước ta hoàn toàn chưa
du nhập về kỹ thuật robot, thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật
về lĩnh vực này. Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập ngoại nhiều
loại robot nhặm phục vụ các việc như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công
CNC, lắp ráp các linh kiện điện tử, thao tác ở các máy ép nhựa,hàn vỏ xe ôtô, xe
máy và phun phủ bề mặt v.v… Có những nơi đã bắt đầu thiết kế, chế tạo và lắp ráp robot.
Ở nhiều trường đại học, cao đẳng và dạy nghề kỹ thuật cao đã bắt đầu
giảng dạy về robot công nghiệp. Đặc biệt trong những năm gần đây nhiều nơi đã
mở ngành đào tạo về cơ – tin – điện tử (Mechatronics) và rất quan tâm đến công
nghiệp. “cơ – tin – điện tử” và “Robot công nghiệp” là 2 linh vực khoa học kỹ
thuật cao rất gắn bó với nhau. Ở nhiều nước chúng kết hợp với nhau trong một
ngành đào tạo. Trong “Robot công nghiệp” có hầu hết các vấn đề của “cơ – tin –
điện tử” và đồng thời sự phát triển của “cơ – tin – điện tử” cũng đều phản ánh trong kỹ thuật robot.
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 1
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô,đặc biệt là thầy giáo ThS. Nguyễn
Trọng Du đã trực tiếp hướng dẫn cho em nhiều kiến thức quý báu để hoàn thành
đồ án môn học này. Bên cạnh đó em cũng gửi làm cảm ơn tới các bạn sinh viên
lớp Đ7 – CNCK đã góp ý đóng góp giúp em hoàn thiện các kỹ năng của mình hơn.
Do lần đầu làm quen với khối lượng kiến thức tổng hợp nên còn những
mảng chưa lắm vững vì vậy không thể tránh khỏi những sai sót, mong nhận dc
những ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn bè. Xin cảm ơn. 1 ) Tên đề tài:
Lập trình tính toán thiết kế Robot Stanford trên phần mềm mô phỏng Easy Rob
và phần mềm tính toán Maple.
2 ) Mục tiêu đề tài:
-Thiết lập và giải bài toán động học Thuận- Nghịch của Robot Stanford. -Mô phỏng
Robot Stanford trên phần mềm Easy Rob và xếp chữ theo chủ đề phòng chống khủng bố. -Tiêu đề:
“ SINH VIÊN CƠ KHÍ PHÒNG CHỐNG KHỦNG BỐ”
Ngày hoàn thành: ......../ 05 / 2015
Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện Nguyễn Như Quân Lê Anh Quang ThS. Nguyễn Trọng Du An Văn Thái Nguyễn Đức Thiệp
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1 Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp(IR : Industrial robot)
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là
công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Caper, vào
năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những
chiếc máy gần giống với con người để phục vụ cho con người. Có lẽ đó là một gợi
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 2
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu , máy móc bắt chước các
hoạt động cơ bắp của con người.
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry
Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công
nghiệp” (Industrial Robot). Ngày nay ngừoi ta đặt tên nguời máy công nghiệp (hay
robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như
tay người dược điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai
lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators)
và các máy công cụ điều khiển số (NC – Numerrically Controlled machine tool).
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ - tớ) đã phát triển
mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng
xạ. Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi bức tường có một
hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong. Các cơ cấu
điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp
ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được
nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý của
tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dung để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm.
Vào năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng nhu
cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực
chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng
lập trình của máy công cụ điều khiển số.
Dưới đây chúng ta điểm qua một số thời điểm phát triển của người máy công
nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot
Versantran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất
hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô.
Tiếp theo Mỹ các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh -
1967, Thụy Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp -1972; Ý -1973 …
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 3
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng
nhận biết và xử lý. Năm 1967 tại Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra
robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn
kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 công ty Mỹ Cincinnati đưa ra
loại robot điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow
Tool : công cụ của tương lai). Robot này có thể nâng được vật có khối lượng 40 Kg.
Có thể nói robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu
điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều
khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ
lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia …
Trong những năm sau này việc nâng cao tính năng của robot không ngừng
phát triển. Các loại robot được trang bị them các loại cảm biến khác nhau để nhận
biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin
học – Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt, số lượng robot
ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có
vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại.
Bảng 1: Một vài số liệu về số lượng Robot được sản xuất ở một vài nước phát triển Nước sản 1990 1998 xuất 2003 2006 Nhật 60.118 67.000 92.340 132.543 Mỹ 4.327 11.100 23.654 48.321 Đức 5.854 8.600 15.000 27.543 Anh 510 1.500 3.240 6.754 Pháp 1.488 2.000 4.563 9.123 Hàn Quốc 1.000 3.000 6.721 12.432
1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 4
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
Từ khi ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới
góc độ thay thế con người. Nhờ vậy các dây truyền sản xuất được tổ chức lại, năng
suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.
Ứng dụng làm các công việc : - Không biết mệt
- Cần sự thay đổi lien tục
- Trong môi trường chịu sự phóng xạ
- Trong môi trường cảm nhận được từ trường và sóng siêu âm -
Trong môi trường nhàm chán mệt mỏi.
Trong ngành cơ khí: Robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc,công
nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm, …
Ứng dụng trong Y học: Robot được ứng dụng trong y tế như nội soi, …
Ứng dụng để khai thác thềm lục địa.
Ứng dụng trong quốc phòng: Robot được sử dụng trong loại vũ khí tối tân
nhất như máy bay do thám không người lái, …
Kết luận: Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện
vượt hơn khả năng của con người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động
hóa, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng
nhọc độc hại. Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người,
trong dây truyền tự động, nếu có 1 robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của
cả dây truyền, cho nên robot vân luôn hoạt động dưới quyền kiểm soát của con người.
1.3 Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp
Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau :
Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) :
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động có thể lập trình, lặp lại các
chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ; có khả năng
định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, gá lắp, … theo
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 5
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
Đinh nghĩa theo RIA (Robot institute of America) :
Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết
kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thong qua
các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
Có thể nói robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng
phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong
nhiều khả năng thích nghi khác nhau.
Robot công nghiệp có khả năng chương trình hóa linh hoạt trên nhiều trục
chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp được trang
bị những bàn tay máy hoặc những cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ
xác định trong các quá trình công nghệ hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các
nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy, …)
hoặc phục vụ các quá trình công nghê (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá, …)
với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm
công nghệ, trong một hệ thống máy hoạt động linh hoạt, được gọi là “Hệ thống tự
động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm
vụ sản xuất thay đổi.
1.4 Bậc tự do của robot công nghiệp
1.4.1 Bậc tự do của robot
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu để dịch chuyển được
một vật thể nào đó trong không gian. Cơ cấu chấp hành của Robot phải đạt được
một số bậc tự do nhất định. Nói chung, cơ hệ của một Robot là một cơ cấu hở ( là
cơ cấu có một khâu nối giá ). Chuyển động của các khâu trong Robot thường là
một trong hai khâu chuyển động cơ bản là tịnh tiến hay chuyển động quay b. Xác
định số bậc tự do của robot (DOF- Defree Of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay
hoặctịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 6
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
hành của Robot phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của Robot là một
cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức : 6 W = 6n – ip i i 1
Ở đây: n - Số khâu động;
Pi- Số khớp loại i (i = 1,2,. . .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế)
Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc
tịnhtiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu
hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không
gian 3 chiều Robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự
do để định hướng. Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp... có thể yêu cầu số
bậc tự do ít hơn. Các Robot hàn, sơn... thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số
trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo... người ta dùng Robot.
Ví dụ: Xác định số bậc tự do của Robot sau:
Hình 1.1 Bậc tự do của robot
Xác định được số khớp loại 5 là 5 (4 khớp quay và một khớp tịnh tiến ),
do đó n=5 và P5 =5 nên số bậc tự do của robot này: W= 6.5 - 5.5 = 5 bậc.
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 7
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
1.4.2. Hệ tọa độ suy rộng (coordinate frames)
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. Hệtoạ 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 qua .Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.
Hình 1.2 Các toạ độ suy rộng
Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn
tay phải : Dùngtay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón
: cái, trỏ và giữa theo3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và
chiều của trục X, thì ngón trỏchỉ phương, chiều của trục Y và ngón giữa sẽ biểu thị
phương, chiều của trục Z (hình1.2).Trong Robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n
để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu thứn. Như vậy hệ toạ độ cơ bản (Hệ toạ độ gắn với
khâu cố định) sẽ được ký hiệu là O0; hệtoạ độ gắn trên các khâu trung gian tương
ứng sẽ là O1,O2,..., On-1, Hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On.
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 8
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
Hình 1.3 Quy tắc bàn tay phải
1.4.3.Trường công tác của robot
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 độngcó thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của
Robot cũng như cácràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có
chuyển động nhỏ hơn một góc 3600.Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả
trường công tác của một Robot.
Hình 1.4 Vùng làm việc của robot
1.5 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
1.5.1 Các thành phần chính của robot công nghiệp
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 9
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
Một robot công nghiệp thường gồm các phần chính như : cánh tay robot,
nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển,
máy tinhs, hệ thống truyền dẫn động, … các phần mềm lập trình cũng được coi là
một thành phần của hệ thống robot. Mối quan hệ của thành phần như trong hình.
Hình 1.5 sơ đồ cấu trúc robot công nghiệp
Cánh tay: Là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết bằng khớp động, nguồn
động lực là động cơ điện, hệ thống xi lanh khí nén thủy lực.
Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot có nhiều kiều khác
nhau như dạng bàn tay, mỏ hàn, đá mài.
Thiết bị dạy học là thiết bị dạy dỗ các thao tác cần thiết cho robot theo yêu
cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các thao tác đã được dạy để làm việc.
Các phần mềm lập trình và chương trình điều khiển của robot được cài đặt
trên máy tính, dùng điều khiển robot thong qua bộ điều khiển. 1.5.2. Kết cấu tay máy
Tay máy là một thành phần quan trọng nó quyết định khả nang làm việc
của Robot, kết cấu của tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay con người
Kết cấu của tay máy gồm hai chuyển động:
+ Chuyển động tịnh tiến ( kí hiệu T
+ Chuyển động quay ( kí hiệu R)
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 10
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
Kết cấu tay máy là tổ hợp, là chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay tạo
nên các vùng làm việc khác nhau Các kiểu tay máy:
+ Robot kiểu toạ độ Đề các : là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến
theo phương của các trục hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng
khối chữnhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính
xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng
Hình 1.6: Robot hoạt động theo tọa độ Đề-Các
+Robot kiểu toạ độ trụ : Vùng làm việc của Robot có dạng hình trụ rỗng.
Thườngkhớp thứ nhất chuyển động quay.
Ví dụ: Robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ 1.4. Có nhiều
Robot kiểu toạ độ trụnhư : Robot Versatran của hãng AMF (Hoa kỳ).
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 11
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
Hình 1.7 Robot kiểu toạ độ trụ
+Robot kiểu toạ độ cầu : Vùng làm việc của Robot có dạng hình cầu.
Thường độ cứng vững của loại Robot này thấp hơn so với hai loại trên.
Ví dụ: Robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu (hình 1.5).
Hình 1.8 Robot hoạt động theo hệ toạ độ cầu
+Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh) : Đây là kiểu Robot được
dùngnhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay,trục quay thứ
nhất vuông góc với hai trục kia. Các chuyển động định hướng khác cũng là các
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 12
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
chuyển động quay. Vùng làm việc của tay máy nầy gần giống một phần khối cầu.
Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là
bài toán phẳng, ưu điểm nổi bật của các loại Robot hoạt động theo hệ toạ độ góc
là gọn nhẹ, tức là có vùng làmviệc tương đối lớn so với kích cở của bản thân Robot,
độ linh hoạt cao. Một ví dụ của Robot hoạt động theo hệ tọa độ phỏng sinh, có cấu hình RRR.RRR
Hình 1.9: Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc
Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc như : Robot PUMA của hãng
Unimation- Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), Irb-6, Irb-60 (Thuỵ Điển), Toshiba,
Mitsubishi, Mazak (Nhật Bản) .v.v…
+Robot kiểu SCARA : Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại
họcYamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các
quátrình sản xuất. Tên gọi SCARA là viết tắt của "Selective Compliant Articulated
RobotArm" : Tay máy mềm dẽo tuỳ ý. Loại robot nàythường dùng trong công việc
lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt của "Selective Compliance
Assembly RobotArm". Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot nầy có cấu hình R.R.T,
các trục khớp đều theo phương thẳng đứng. Sơ đồ của Robot SCARA
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 13
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
Hình 1.10: Robot hoạt động theo hệ toạ độ cầu
1.6 Phân loại robot công nghiệp
Ngày nay, robot công nghiệp đã phát triển rất phong phú và đa dạng, vì
vậy phân loại chúng không đơn giản. Có rất nhiều quan điểm khác nhau và mỗi
quan điểm lại phục vụ một mục đích riêng. Dưới đây là hai cách phân loại chính.
1.6.1. Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết máy đã được sản xuất trên
thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau thông tin của tay máyngười -
Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương
trìnhcứng không có khả năng nhận biết thông tin. -
Thế hệ 2: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương
trìnhmềm bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin. -
Thế hệ 3: Thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng
nhậnbiết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người.
1.6.2 Phân loại theo kết cấu
Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các,
Kiểu toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA như đã trình bày ở trên.
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 14
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
1.6.3. Phân loại theo ứng dụng
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot
lắp ráp, robot chuyển phôi .v.v...
1.6.4 Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển
Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi),
Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để
tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển. Ngoài ra còn có thể có các
cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đích nghiên cứu
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT
2.1 Thiết kế bảng DH
2.1.1 Khảo sát động học của robot Hình2.1 Hệ tọa độ của robot stanford Theo phương pháp thông dụng khi nghiên
cứu về robot [2], ta gắn với các hệ tọa độ
tương ứng với các khâu và lập bảng thông số DH ( Denavit – Hartenberg) của cơ cấu.Sau đó ta nhập bảng thông số DH này vào chương trình phần mềm
tự động thiết lập các phương trình động học robot. Chương trình này được xây dựng năm 1993[3]
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 15
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
và gần đây đã được chúng tôi nghiên cứu cải tiến và nâng cấp trên cơ sở ứng dụng Matlab và Maple.
2.1.2– Chương trình tính toán động học Robot Stanford
Theo [2] ta thiết lập phương trình động học của robot theo các bước sau:
1. Xác định các hệ toạ độ
Việc gắn hệ toạ độ với các khâu có vai trò rất quan trọng khi thiết lập hệ
phương trình động học của robot. Trong thực tế các trục nối khớp động của robot
thường song song hoặc vuông góc với nhau, tức là rơi vào những trường hợp đặc
biệt, nên có thể gây nhầm lẫn. Hơn nữa việc xác định các hệ toạ độ cần phải phù
hợp với các phép biến đổi ma trận Ai để có thể sử dụng được bộ thông số DH. Vì
thế, trình tự xác định các hệ toạ độ cần được lưu ý các điểm sau:
Trục Zi phải chọn cùng phương với trục khớp động i+1
Các hệ toạ độ phải tuân theo quy tắc bàn tay phải
Khi gắn hệ toạ độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma trân
Ai. Đó là 4 phép biến đổi:
R(z,θi), Tp (0,0,di), Tp(ai,0,0), R(x,αi)
Như vậy có thể xem hệ toạ độ thứ i+1 là do phép biến đổi từ hệ toạ độ thứ i. Các
phép quay (R) và tịnh tiến (T) trong các phép biến đổi này phải có mặt trong các
phép biến đổi của ma trận Ai. Các thông số DH cũng được xác định dựa vào các phép biến đổi này.
Việc gắn hệ toạ độ lên các khâu ở vị trí, khi mà các biến khớp có giá trị ban đầu, thường bằng 0.
2.1.3– Bảng thông số DH
Các phần trên ta đã nghiên cứu tổng quát về cách lập và các bước thực
hiện thiết lập hệ phương trình động học của robot, trong phần này ta sẽ thực hiện
với robot sơ đồ 1 (hình 3.3.4). Vị trí ban đầu của robot được chọn khi các cánh tay
duỗi ngang, trên mỗi khâu động sẽ được gắn các hệ toạ độ (hình 3.3.4). Các biến
khớp là các góc quay θi, i = 1...6 của 6 khớp động. Ở vị trí ban đầu các biến khớp
có giá trị bằng 0. Bước tiếp theo ta xác định bộ thông số DH và lập thành bảng sau: Trong đó:
ai là khoảng cách theo phương xi từ Oi đến giao điểm của các trục xi và
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 16
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
zi-1 ( khoảng cách giữa 2 trục z ) di là khoảng cách theo phương zi từ Oi đến giao
điểm của các trục zi và
xi-1 ( khoảng cách giữa 2 trục x )
i là góc quay quanh trục xi từ zi-1 đến zi
i là góc quay quanh trục xi từ xi-1 đến xi
2.2– Các ma trận Ai
Ai=Rot(z,θº). Trans(a,0,0). Trans(0,0,d). Rot(x,α)
Qui ước viết tắt các hàm lượng giác như sau :
Ci = cosθi , Si = sinθi , Cij = cos(θi + θj) , Sij = sin(θi + θj) ; Ta có : Trong đó:
Rot(z,θº) là phép quay quanh trục z
Trans(a,0,0) là phép tịnh tiến theo trục z
Trans(0,0,d) là phép tịnh tiến theo trục x
Rot(x,α) là phép quay quanh trục x
2.3– Các ma trận Ti
Ta xác định các ma trận T theo các hệ tọa độ lần lượt từ khâu cuối trở về gốc
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 17
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD = = . =
= . . = = . . = = . . . =
2.4– Phương trình động học của Robot
Tích các ma trận ai được gọi là ma trận T ( phương trình động học )
T= TE= A1.A2.A3.A4.A5.A6 Ta còn
có ma trận trạng thái cuối : Trong đó: = ( ) = ( )
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 18
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD = = = = = + = - = = =
2.5– Giới thiệu Maple 2.5.1 Giới thiệu maple
Maple là một gói phần mềm toán học thương mại phục vụ cho nhiều mục
đích. Nó phát triển lần đầu tiên vào năm 1980 bởi Nhóm Tính toán Hình thức tại
Đại học Waterloo ở Waterloo, Ontario, Canada.
Từ năm 1988, nó đã được phát triển và thương mại hóa bởi Waterloo Maple
Inc. (còn được biết đến với tên gọi Maplesoft), một công ty Canada cũng có trụ sở
tại Waterloo, Ontario. Phiên bản hiện tại là Maple 13 được phát hành vào tháng 5
năm 2009. Đối thủ cạnh tranh chính của nó là Mathematica.
Maple là một phần mềm hiện đang được khá ưa chuộng trong giới học
sinh và sinh viên.Maple phục vụ đắc lực cho việc học tập, giảng dạy và nghiên cứu
toán sơ cấp và cao cấp. Khác hẵn so với các phiên bản trước, Maple 13 đã có giao
diện đồ họa thân thiện, hỗ trợ text unicode tốt, giúp trình bày các văn bản toán
nhanh chóng.Trên Maple ta hoàn toàn có thể viết “lập trình toán” như các ngôn
ngữ lập trình chuyên nghiệp, tất nhiên ta chỉ hạn chế “lập trình toán” mà thôi.
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 19
SVTH: Nhóm 5
THIẾT KẾ ROBOT STANFORD
Chúng ta đều biết rằng chương trình Maple của hạng MapleSoft là một
chương trình tính toán rất mạnh hỗ trợ trong việc giải các phương trình vi phân,
phương trình đạo hàm riêng, vẽ đồ thị trong không gian 2 chiều, 3 chiều.
2.5.2 Các chức năng chính của maple -
Thành lập các chức năng chuyển giao cho các mô hình dựa trên
phươngtrình vi phân, nhà nước không gian, các cực và đạt được số không. -
Việc chuyển đổi nhanh chóng của các mô hình từ một hình thức khác. -
Đồ họa phân tích: các mạch tần số, đồ thị, locus gốc, một đại diện
đồ họacủa zeros và cực của các hệ thống tuyến tính. -
Thế hệ của các tín hiệu của các hình thức khác nhau của các sóng để
tạora một xung, định kỳ, sinusoidal, bước, hình chữ nhật và tam giác tín hiệu kiểm tra. -
Mô phỏng các hệ thống rời rạc và liên tục. -
Giải pháp của phương trình vi phân với sự giúp đỡ của các thuật
toáncho các giải pháp tiên tiến theo tiêu chuẩn của phương trình vi phân (ODEs),
phương trình vi phân từng phần và phương trình đại số vi phân (DAEs). -
Việc sử dụng các thuật toán mới cho việc giải quyết các lớp học của
cácphương trình vi phân phi tuyến của tiêu chuẩn 1 và 2-thứ tự các phương trình
vi phân tuyến tính của trật tự 3. -
Ứng dụng của thuật toán mới để chuyển đổi các phương trình thành
cáchình thức thích hợp cho các giải pháp trong Maple. -
Công cụ cải tiến để làm việc với các phương trình với các dẫn xuất
mộtphần bao gồm các lệnh để làm việc với các nhà điều hành Euler, và dòng chảy
liên tục của nhân tố tích hợp tổng quát. -
Hội nghị các thách thức của người dùng xác định sự kiện, vấn đề
thamsố, định nghĩa của các biến rời rạc trong vấn đề: kết hợp với các sự kiện của
các biến rời rạc có thể được dùng để xác định các tiêu chí ngừng, điều kiện trở lại
và nhiều sự kiện khác diễn ra trong quá trình ra quyết định.
GVHD: ThS. Nguyễn Trọng Du 20
SVTH: Nhóm 5