Tài liệu Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG CÁNH TAY ROBOT Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS. NGÔ THANH NGHỊ PHẠM HỮU CƯỜNG ĐINH VĂN HỢP Đà Nẵng, 07/2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Họ tên sinh viên 1 Phạm Hữu Cường Số thẻ SV 101150158 Lớp Ngành 15CDT1 Kỹ thuật Cơ điện tử 2 Đinh Văn Hợp 101150167 15CDT1 Kỹ thuật Cơ điện tử 1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot 2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện 3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: sinh viên tự chọn 4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: a. Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nội dung 1 Phạm Hữu Cường C C Chương 1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu R L . T Đinh Văn Hợp 2 Phạm Hữu Cường Đinh Văn Hợp 3 Phạm Hữu Cường Đinh Văn Hợp b. Phần riêng: TT Họ tên sinh viên 1 2 Phạm Hữu Cường Đinh Văn Hợp Chương 2. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế U D Chương 3. Các thành phần trong hệ thống Nội dung Chương 4: thiết kế hệ thống Chương 5. Thiết kế bộ điều khiển 5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): a. Phần chung: TT 1 Họ tên sinh viên Phạm Hữu Cường Nội dung Bản vẽ nguyên lý hoạt động (bản vẽ chi tiết cỡ A0) Đinh Văn Hợp b. Phần riêng: TT 1 Họ tên sinh viên Phạm Hữu Cường Nội dung Bản vẽ tổng thể hệ thống (bản vẽ chi tiết cỡ A0) 2 3 Phạm Hữu Cường Đinh Văn Hợp Bản vẽ cánh tay robot (bản vẽ chi tiết cỡ A0) Bản vẽ sơ đồ nối dây (bản vẽ sơ đồ cỡ A0) 4 Đinh Văn Hợp Bản vẽ lưu đồ thuậ toán (bản vẽ sơ đồ cỡ A0) 6. Họ tên người hướng dẫn: TS. Ngô Thanh Nghị 7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 8. Ngày hoàn thành đồ án: Phần/ Nội dung: Toàn bộ 15/03/2020 30/06/2020 Đà Nẵng, ngày 02 tháng 07 năm 2020 Người hướng dẫn Trưởng Bộ môn TS. Ngô Thanh Nghị C C U D R L . T LỜI MỞ ĐẦU Kỹ thuật tự động là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh mẽ. Robotics, là một trong những chuyên ngành kỹ thuật điều khiển tự động, đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đã thu hút được nhiều sự chú ý ở nước ta. Để xây dựng nền sản xuất hiện đại, chúng ta cần nhanh chóng ứng dụng và phát triển tự động hóa, nổi bật là các sản phẩm Cơ điện tử như Robot. Vì thế đề tài nghiên cứu này xoay quanh vấn đề tìm hiểu tính toán và thiết kế hệ thống cánh tay robot dùng để phân loại sản phẩm dựa trên vật liệu sản phẩm nhằm mục đích nghiên cứu, tiếp cận ngành công nghiệp mới này Mục tiêu được đặt ra là thiết kế và xây dựng thành công mô hình cánh tay máy 4 bậc tự do hoạt động hiệu quả trong việc phân loại sản phẩm Đồ án nghiên cứu gồm: - Trình bày giới thiệu chung về cánh tay robot Phương pháp thiết kế cơ khí, điện tử Tính toán động học, động lực học Xây dựng mô hình cánh tay robot - Xây dựng chương trình điều khiển cánh tay robot C C R L . T U D I LỜI CẢM ƠN Qua thời gian làm đề tài, chúng em đã thu nhận thêm được nhiều kiến thức bổ ích cả trong sách vở lẫn thực tế và đã hoàn thành đề tài đúng thời gian quy định. Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy trong khoa cơ khí đã tận tình chỉ dạy những kiến thức để chúng em có thể hoàn thành xong đề tài. Đặc biệt cảm ơn đến thầy Ngô Thanh Nghị đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em có thể hoàn thành đê tài đúng theo thời gian quy định C C R L . T U D II CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt các quy định về liêm chính học thuật: - Không bịa đặt, đưa ra thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn. Không ngụy tạo số liệu trong quá trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập hoặc hoạt động học thuật khác. - Không sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt động học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình. - Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của người khác như thể là của mình, trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác mà không trích dẫn. - Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà không có trình dẫn hoặc phân mảnh thông tin về kết quả nghiên cứu của mình để công bố trên nhiều ấn phẩm. C C R L . Sinh viên thực hiện D T U PHẠM HỮU CƯỜNG ĐINH VĂN HỢP III MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... ii CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT.................................................................. iii MỤC LỤC......................................................................................................................... iv DANH MỤC HÌNH ẢNH.............................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................... ix TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ..................................................1 1.1 Giới thiệu chung về tự động hóa .............................................................................1 1.1.1 Các khái niệm cơ bản .......................................................................................1 C C 1.1.2 Robot công nghiệp ............................................................................................2 R L . T 1.2 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp ...................................................................4 1.2.1 Kết cấu chung ...................................................................................................4 U D 1.2.1.1 Kết cấu tay máy .........................................................................................4 1.2.1.2 Robot tọa độ góc (cartesian robot) ...........................................................4 1.2.1.3 Robot tọa độ trụ (cylindrical robot) ..........................................................5 1.2.1.4 Robot tọa độ cầu (spherical robot) ...........................................................5 1.2.1.5 Robot Scara ...............................................................................................5 1.2.1.6 Tay máy kiểu tay người .............................................................................5 1.2.2 Phân loại robot ..................................................................................................5 1.2.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động .........................6 1.2.2.2 Phân loại theo thế hệ .................................................................................6 1.2.2.3 Phân loại theo điều khiển ..........................................................................6 1.2.2.4 Phân loại theo nguồn dẫn động ................................................................7 1.2.3 Ứng dụng của robot công nghiệp .....................................................................7 1.2.3.1 Ứng dụng trong công nghiệp .....................................................................7 1.2.3.2 Ứng dụng trong các thao tác cần khuếch đại lực .....................................8 IV 1.2.3.3 Ứng dụng trong lắp ráp .............................................................................9 1.3 Tổng quan về đề tài nghiên cứu ............................................................................10 1.3.1 Giới thiệu về đề tài .........................................................................................10 1.3.2 Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................10 1.3.3 Nguyên lý hoạt động ......................................................................................11 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ..............................12 2.1 Yêu cầu nhiệm vụ ..................................................................................................12 2.2 Chọn phương án thiết kế .......................................................................................12 2.2.1 Chọn cụm phân loại ........................................................................................12 2.2.1.1 Cánh tay robot 3 bậc tự do R-R-R ...........................................................12 2.2.1.2 Cánh tay robot 4 bậc tự do R-R-R-R .......................................................13 C C 2.2.1.3 Xi lanh – pit tông .....................................................................................13 R L . T 2.2.2 Chọn cơ cấu gắp sản phẩm .............................................................................14 2.2.2.1 Cơ câu hút ...............................................................................................14 U D 2.2.2.2 Cơ cấu kẹp sử dụng động cơ bước để tạo áp lực ....................................14 2.2.3 Chọn bộ điều khiển .........................................................................................15 2.2.3.1 Bộ điều khiển logic khả lập trình ( PLC ) ...............................................15 2.2.3.2 Vi điều khiển Arduino và PIC16F877A ...................................................16 CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG ..............................................17 3.1 Cánh tay robot 4 bậc tự do.....................................................................................17 3.1.1 Mica dùng để làm robot ..................................................................................17 3.1.2 Động cơ servo MG995 ...................................................................................18 3.2 Băng tải ..................................................................................................................20 3.3 Arduino Uno R3 ....................................................................................................22 3.3.1 Năng lượng .....................................................................................................22 3.3.2 Các chân năng lượng ......................................................................................23 3.3.3 Bộ nhớ ............................................................................................................23 3.3.4 Các cổng vào/ra ..............................................................................................23 V 3.3.5 Lập trình cho Arduino ....................................................................................24 3.4 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại ..............................................................................25 3.5 Cảm biến hình ảnh .................................................................................................26 3.6 Module LM2596 ....................................................................................................26 3.7 Module relay 5V DC .............................................................................................27 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...............................................................................29 4.1 Động học thuận của cánh tay robot .......................................................................29 4.1.1 Lý thuyết .........................................................................................................29 4.1.1.1 Bộ thông số Denavit-Hartenberg ............................................................30 4.1.1.2 Đặc trưng của các ma trận A ..................................................................32 4.1.1.3 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học thuận của robot ................32 C C 4.1.2 Tính động học thuận cánh tay robot ...............................................................33 R L . T 4.1.3 Kết luận ..........................................................................................................35 4.2 Động học ngược của cánh tay robot ......................................................................35 U D 4.2.1 Lý thuyết .........................................................................................................35 4.2.1.1 Động học ngược cánh tay robot ..............................................................35 4.2.1.2 Điều kiện bài toán động học ngược ........................................................36 4.2.2 Tính động học ngược cánh tay robot ..............................................................36 4.2.3 Kết luận ..........................................................................................................40 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ......................................................................41 5.1 Tạo giao diện người dùng nhờ công cụ guide của matlab.....................................41 5.2 Các loại ảnh trong matlab ......................................................................................44 5.2.1 Ảnh chỉ số .......................................................................................................44 5.2.2 Ảnh biểu diễn theo độ sáng ............................................................................44 5.2.3 Ảnh nhị phân ..................................................................................................44 5.2.4 Ảnh RGB ........................................................................................................44 5.3 Các hàm xử lý ảnh cơ bản trong matlab ................................................................45 5.3.1 Hàm imread() ..................................................................................................45 VI 5.3.2 Hàm imshow() và imagesc() ..........................................................................45 5.3.3 Hàm imwrite() ................................................................................................45 5.3.4 Hàm rgb2gray() ..............................................................................................45 5.3.5 Hàm imhist() ...................................................................................................45 5.3.6 Hàm imadjust() ...............................................................................................45 5.3.7 Hàm im2bw()..................................................................................................46 5.3.8 Hàm imresize ..................................................................................................46 5.4 Nguyên lý nhận dạng hình ảnh tròn,vuông và tam giác ........................................46 5.5 Lưu đồ thuật toán ...................................................................................................47 5.5.1 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển ......................................................................47 5.5.2 Lưu đồ thuật toán hệ thống .............................................................................48 C C PHỤ LỤC: CÁC CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ....................................................50 R L . T 1. Chương trình điều khiển matlab ..............................................................................50 2. Chương trình điều khiển Arduino ...........................................................................57 U D TỔNG KẾT ......................................................................................................................63 1. những kết quả đạt được ...........................................................................................63 2. những hạn chế chưa làm được .................................................................................63 3. hướng phát triển của đề tài ......................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................64 VII DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Robot hàn điểm trong nhà máy cơ khí .......................................................7 Hình 1.2 Robot dùng trong thao tác động lực học của Nhật Bản .............................9 Hình 1.3 Robot lắp ráp Mitsubishi RV – 2AJ ........................................................10 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động ......................................................................11 Hình 2.1 Sơ đồ động robot 3 bậc tự do R-R-R .......................................................12 Hình 2.2 Mô hình robot 4 bậc tự do R-R-R-R ........................................................13 Hình 3.1 Một số loại tấm mica có trên thị trường ..................................................18 Hình 3.2 Động cơ servo MG995 ............................................................................19 Hình 3.3 Băng tải ....................................................................................................20 Hình 3.4 Động cơ băng tải ......................................................................................21 C C Hình 3.5 Sơ đồ băng tải ..........................................................................................21 R L . T Hình 3.6 Board mạch Ardunio Uno ........................................................................24 Hình 3.7 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại OMKQN – DS30C4 ..............................25 U D Hình 3.8 Cảm biến hình ảnh Dahua Z2+ ................................................................26 Hình 3.9 Module LM2596 ......................................................................................26 Hình 3.10 Module relay 5V DC .............................................................................28 Hình 3.11 Sơ đồ kết nối module relay 5V DC........................................................28 Hình 4.1 Các vector định vị trí và định hướng của tay máy ...................................30 Hình 4.2 Chiều dài và góc xoắn của 1 khâu ...........................................................31 Hình 4.3 Các thông số của khâu θ, a, d và α...........................................................31 Hình 4.4 Mô hình robot R-R-R-R...........................................................................33 Hình 5.1 Guide qick start ........................................................................................41 Hình 5.2 Cửa sổ biên soạn guide ............................................................................42 Hình 5.3 Cửa sổ Property Inspector .......................................................................43 Hình 5.4 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển ...............................................................47 Hình 5.5 Lưu đồ thuật toán hệ thống ......................................................................48 Hình 5.6 Các chương trình con ...............................................................................49 VIII DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động cơ servo MG995 ...............................................19 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Ardino Uno R3 ..........................................................22 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật Ardino Uno R3 ..........................................................25 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật ....................................................................................26 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật module LM2596 ........................................................27 Bảng 3. 6 Thông số kỹ thuật Module relay 5V DC ................................................27 Bảng 4.1 Bảng thông số D-H của cánh tay robot ………………………………...34 C C R L . T U D IX Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung về tự động hóa 1.1.1 Các khái niệm cơ bản Từ thời cổ xưa, con người đã mong muốn tạo ra những vật chất giống như mình để bắt chúng phục vu cho bản thân. Ví dụ, trong kho thần thoại Hy lap có chuyện người khổng lồ Promethe đúc ra con người từ đất sét và truyền cho họ sự sống, hoặc chuyện tên nô lệ Talus khổng lồ được làm bằng đồng và được giao nhiệm vụ bảo vệ hoang đảo Crete. Đến năm 1921, từ “Robot” xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rosum’s Universal Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Séc, Karel Capek. Trong vở kịch này, ông dùng từ “Robot”, biến thể của từ gốc Slavo “Robota”, để gọi một thiết bị lao công do con người (nhân vật Rosum) tạo ra. C C Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả R L . T trình Positron, do chính con người lập trình. Asimov cũng đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản: U D Robot không được xúc phạm và không gây tổn hại cho con người. Hoạt động của robot phải tuân theo các qui tắc do con người đặt ra. Các quy tắc này không phạm quy tắc thứ 1. - Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình nhưng không được vi phạm 2 nguyên tắc trước. Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot. - Từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng, robot dần dần được giới kỹ thuật hình dung như những chiếc máy đặc biệt, được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế mình trong một số công việc xác định. Để hoàn thành nhiệm vu đó, robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người. Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí. Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến. Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 1 Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh “hành vi” của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Một cách đơn giản, Robotics được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh. Từ hiểu biết sơ bộ về chức năng và kết cấu của robot, chúng ta hiểu Robotics là một khoa học liên ngành gồm: cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơ điện tử. Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học - kỹ thuật của việc sản sinh ra robot thống nhất ở một điểm: thực hiện hoài bão của con người là tạo ra thiết bị thay thế mình trong những hoạt động không thích hợp với mình như: C C - Các công việc lặp đi lặp lại,nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, - lắp ráp, lau cọ nhà,… Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: như ngoài khoảng không vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ - R L . T U D cao,… Những việc đòi hỏi độ chính xác cao như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch… Lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm. Ngày nay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thủy rất nhiều. Sự phỏng tác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng không còn ngự trị trong kỹ thuật robot nữa. Kết cấu của nhiều con robot khác xa với kết cấu các bộ phận của cơ thể người và chúng cũng có thể thực hiệnđược những việc vượt xa khả năng của con người. 1.1.2 Robot công nghiệp Mặc dù, như định nghĩa chung về robot đã nêu, không có gì giới hạn phạm vi ứng dụng của robot, nhưng có một thực tế là hầu hết robot hiện đang có đều được dùng trong công nghiệp. Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng đã thống nhất hóa, thương mại hóa rộng rãi. Lớp robot này được gọi là robot công nghiệp. Kỹ thuật tự động hóa trong công nghiệp đã đạt tới trình độ rất cao: không chỉ tự động hóa các quá trình vật lý mà cả quá trình xử lý thông tin. Vì vậy, tự động hóa trong công nghiệp tích hợp công nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có tự động hóa nhờ máy tính. Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 2 Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot Hiện nay, trong công nghiệp tồn tại 3 dạng tự động hóa : - - Tự động hóa cứng (Fixed Automation): được hình thành dưới dạng các thiết bị dây chuyền chuyên môn hóa theo đối tượng (sản phẩm). Nó được ứng dụng có hiệu quả trong điều kiện sản xuất hàng khối với sản lượng rất lớn các sản phẩm cùng loại. Tự động hóa khả trình (Programmable Automation): được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất loạt nhỏ, loạt vừa, đáp ứng phần lớn nhu cầu sản phẩm công nghiệp. Hệ thống thiết bị dạng này là các thiết bị vạn năng điều khiển số, cho phép dễ dàng lập trình lại để có thể thay đổi chủng loại (tức là thay đổi quy trình - công nghệ sản xuất ) sản phẩm. Tự động hóa linh hoạt (Flexible Automation): là dạng phát triển của tự động hóa khả trình. Nó tích hợp công nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính, cho phép thay đổi đối tượng sản xuất mà không cần hạn chế (hoặc hạn chế) sự C C can thiệp của con người. Tự động hóa linh hoạt được biểu hiện dưới 2 dạng: tế bào sản xuất linh hoạt và hệ thống sản xuất linh hoạt. R L . T Robot công nghiệp có 2 đặc trưng cơ bản: - Là thiết bị vạn năng, được tự động hóa theo chương trình và có thể lập trình lại - để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau. Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng như vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường,… U D Vì thể hiện 2 đặc trưng cơ bản trên của robot công nghiệp, hiện nay định nghĩa sau đây về robot công nghiệp do viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất được sử dụng rộng rãi. Robot công nghiệp là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác. Ngoài các ý trên, định nghĩa theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga còn bổ sung cho robot công nghiệp chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất. Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thêt lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Với đặc điểm có thể lập trình lại, robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa khả trình và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các tế bào hoặc hệ thống sản xuất linh hoạt. Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 3 Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot 1.2 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 1.2.1 Kết cấu chung Mọi Robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau: - Tay máy (manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (end effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. - - Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các 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. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường. 1.2.1.1 Kết cấu tay máy C C Tay máy là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của RBCN. Đó là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc như nâng hạ vật, lắp ráp,…Ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo tay máy là phỏng tác R L . T cấu tạo và chức năng của tay người. Về sau, đây không còn là điều bắt buộc nữa. Tay máy hiện nay rất đa dạng và có nhiều loại có dáng vẻ khác rất xa với tay người. Tuy nhiên, trong U D kỹ thuật robot người ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc như: vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay và các khớp… để chỉ tay máy và các bộ phận của nó. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của chúng như: - Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay,… Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dạng vùng mà phần công tác có thể với tới. - Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác. Ngoài ra để định vị và định hướng phần công tác một cách tùy ý trong không gian 3 chiều cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị trí, 3 bậc tự do để định hướng. 1.2.1.2 Robot tọa độ góc (cartesian robot) Robot tọa độ góc còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp trượt,cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục tọa độ. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu, tay máy kiểu Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 4 Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc nhưng ít khéo léo. Vì vậy,tay máy kiểu tọa độ góc được dùng để vận chuyển lắp ráp. 1.2.1.3 Robot tọa độ trụ (cylindrical robot) Khác với tay máy kiểu tọa độ góc ở khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy thò được vào khoang rỗng nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng. 1.2.1.4 Robot tọa độ cầu (spherical robot) Kháckiểu trụ do khớp thứ 2 (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn 2 loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể nhặt được vật dưới nền. C C R L . T 1.2.1.5 Robot Scara Được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại trường đại học Yamasashi dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, U D nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương đứng nhưng kém cứng vững theo phương ngang. Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương đứng. 1.2.1.6 Tay máy kiểu tay người Có cả 3 khớp đều xoay, trong đó trục quay thứ nhất vuông góc với 2 trục kia. Do sự tương tự với tay người, khớp thứ 2 được gọi là khớp vai, khớp thứ 3 là khớp khuỷu nối cẳng tay cới khuỷu tay. Với kết cấu này, không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy này gần giống một khối cầu. 1.2.2 Phân loại robot Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot để giúp cho việc nhận biết được dễ dàng. Yếu tố chính để phân loại robot như sau : - Theo dạng hình học của không gian hoạt động. Theo thế hệ robot. Theo họ điều khiển. - Theo nguồn dẫn động. Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 5 Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot 1.2.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động - Robot tọa độ góc (cartesian robot). Robot tọa độ trụ (cylindrical robot). Robot toa độ cầu (spherical robot). - Robot khớp bản lề. 1.2.2.2 Phân loại theo thế hệ Theo quá trình phát triển của robot,ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây: - Robot thế hệ thứ nhất o Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình. o Điều khiển vòng hở. o Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều khiển,tuy nhiên không thể thay đổi chương trình được. o Sử dụng phổ biến trong công việc gắp-đặt (pick and place) - C C Robot thế hệ thứ 2 o Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy. o Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước. R L . T U D o Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, - - panen điều khiển. Robot thế hệ thứ 3 o Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh. o Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau. Robot thế hệ thứ 4 o Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến. o Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biên không được xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot. 1.2.2.3 Phân loại theo điều khiển - Điều khiển hở dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén,…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu điều khiển này đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp. Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 6 Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot - Điều khiển kín (hay điều khiển servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm – điểm và điều khiển theo đường (contour). o Với kiểu điều khiển điểm - điểm phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc ). Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,… o Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang,phun sơn. 1.2.2.4 Phân loại theo nguồn dẫn động - Robot dùng nguồn cấp điện. Robot dùng nguồn khí nén. - Robot nguồn thủy lực. C C R L . T 1.2.3 Ứng dụng của robot công nghiệp 1.2.3.1 Ứng dụng trong công nghiệp 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. Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn luyện kim loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này đòi U D hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng. Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn và xưởng hàn. Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ. Hình 1.1 Robot hàn điểm trong nhà máy cơ khí Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 7 Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa đi khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước. Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khỏe của con người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot. Ngoài ra, con người phải mất hai năm để nắm kĩ được kĩ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vòng vài giờ và có khả năng lập lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp. Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng cũng như cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi trường độc hại. Tất cả các robot phun sơn đều được “dạy” bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng hướng, đường đi nó ghi lại và khi robot thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn. Như thế, robot phun C C sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng. Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm trung chuyển. R L . T 1.2.3.2 Ứng dụng trong các thao tác cần khuếch đại lực U D Kỹ thuật robot được ứng dụng đầu tiên trong công nghiệp hạt nhân với sự phát triển của điều khiển qua màn hình để xử lý vật liệu phóng xạ. Gần đay hơn robot được sử dụng để hàn từ xa và kiểm tra đường ống trong vùng nhiễm xạ nặng. Tai nạn nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island ở Pennsylvania năm 1979 thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của robot vào công nghiệp hạt nhân. Lò phản ứng số 2 (TMI-2) mất chất làm nguội, làm cho lò phản ứng chính bị hư hại nặng, đặt một vùng rộng lớn trong tình trạng không thể can thiệp được bởi con người. Do sự phát xạ nặng, các công việc dọn dẹp chỉ có thể được thực hiện thông qua điều khiển từ xa qua robot. Một ứng dụng phổ biến nữa là dùng robot để bốc dỡ hàn hóa, vật liệu, phôi có trọng lượng lớn, cồng kềnh trong các ngành công nghiệp nặng. Robot loại này có thể nâng tải trọng lên đến tối đa một tấn một cách dễ dàng với độ chính xác vị trí nhỏ hơn 1mm. Hình 1.2 trình bày một robot được gọi là “Hercules of Today”, thể hiện sự kết hợp của kỹ thuật điều khiển chính xác, thủy lực và kỹ thuật điện tử. Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 8