Bài toán động học thuận và động học ngược robot năm 2024
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1 Tính cấp thiết của đề tàiTrong lĩnh vực sản xuất ngày càng phát triển, quy trình hàn đóng vai trò quan trọngtrong việc đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm. Sự phụ thuộc vào lao độngthủ công trong quá trình hàn không chỉ gặp phải những hạn chế về chính xác và hiệusuất mà còn đặt ra những thách thức đối với an toàn lao động và chi phí vận hành. Việcsử dụng lao động nhân viên trong quá trình vận chuyển và hàn sản phẩm không tránhkhỏi những sai sót có thể xuất hiện, từ việc định vị không chính xác đến sai sót trongquá trình hàn. Nhất là khi đối mặt với các dự án quy mô lớn, việc duy trì một lựclượng lao động đủ lớn có thể trở thành một thách thức lớn, tăng chi phí vận hành vàgiảm năng suất làm việc. Tuy nhiên, với sự xuất hiện của Robot hàn đã mở ra mộtcánh cửa mới, giải quyết nhiều vấn đề mà quá trình hàn truyền thống đối mặt. Robotnày không chỉ có khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian, mà còn có thể thựchiện các nhiệm vụ hàn ở các góc độ và vị trí khó tiếp cận. Điều này không chỉ tăngcường chính xác và đồng đều trong quá trình hàn mà còn giảm thiểu sai sót và tănghiệu suất. Bên cạnh đó, sự tự động hóa trong quá trình hàn bằng Robot không chỉ giảmchi phí lao động mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Robot có thể làm việc liên tụcmà không cần nghỉ ngơi, giúp tiết kiệm thời gian và tăng cường khả năng đáp ứng vớinhu cầu sản xuất biến động.Nhìn chung, việc nghiên cứu và ứng dụng Robot hàn trong quá trình sản xuất làmột bước tiến quan trọng, mang lại những lợi ích to lớn từ chất lượng sản phẩm, antoàn lao động đến hiệu suất và chi phí vận hành. Đề tài "NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾMÔ HÌNH ROBOT HÀN 4 BẬC TỰ DO TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT"được em lựa chọn nhằm chủ động đối mặt với những thách thức trên và đóng góp vàosự phát triển bền vững của ngành công nghiệp sản xuất.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu công nghệ Robot 4 bậc tự do Thiết kế mô hình hàn Kiểm soát tự động và lập trình Đánh giá hiệu năng và chất lượng hàn Ứng dụng thực tế1 Phương pháp thực hiện Nghiên cứu các công nghệ, hệ thống kiểm soát, và phần mềm điều khiển sửdụng trong robot 4 bậc tự do. Thiết kế một mô hình robot hàn 4 bậc tự do dựa trên thông số kỹ thuật và yêucầu của quá trình sản xuất hàn. Sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm tra và tối ưu hóa khả năng di chuyển vàtính chính xác của robot trong quá trình hàn.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước1.4 Tình hình nghiên cứu trong nướcTại Việt Nam, cộng đồng nghiên cứu đang đặc biệt quan tâm đến ứng dụng củarobot 4 bậc tự do trong lĩnh vực sản xuất. Trung tâm nghiên cứu và các trường đại họchàng đầu đang tiến hành các dự án nghiên cứu, tập trung vào cải thiện chất lượng hànvà hiệu suất lao động trong quá trình sản xuất.Hình 1. 1 Robot hàn của CARNO Plastic Machinery Nguyên lí hoạt độngCánh tay robot hàn của CARNO Plastic Machinery hoạt động dựa trên nguyênlý điều khiển số hóa (CNC). Theo nguyên lý này, các thông tin về vị trí, tốc độ và lựctác động của cánh tay robot sẽ được xử lý bởi bộ điều khiển CNC. Bộ cảm biến củacánh tay robot sẽ tiếp nhận các thông tin về đối tượng cần hàn, chẳng hạn như vị trí,kích thước, hình dạng, vật liệu,... Các thông tin này sẽ được truyền đến bộ điều khiểnCNC để xác định vị trí, góc hàn, lực hàn,... cần thiết để thực hiện thao tác hàn. Bộ điềuđược xác định. Hệ thống điều khiển của cánh tay robot AKB-IRV1 là một hệ thốngđiện tử có nhiệm vụ điều khiển các động cơ servo. Hệ thống điều khiển này có thểđược lập trình để thực hiện các thao tác phức tạp trong không gian 3 chiều. Ưu điểm Khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian 3 chiều. Độ chính xác cao. Có thể được lập trình để thực hiện các thao tác phức tạp. Nhược điểm Giá thành cao. Yêu cầu kỹ thuật cao trong quá trình vận hành và bảo trì.1.4 Tình hình nghiên cứu ngoài nướcTrong tầm nhìn quốc tế, các quốc gia tiên tiến như Hoa Kỳ, Nhật Bản, và cácnước châu Âu đã thể hiện những thành tựu xuất sắc trong việc áp dụng robot hàn 4 bậctự do. Các nghiên cứu tại đây không chỉ tập trung vào khả năng tự động hóa trong sảnxuất, mà còn chú trọng vào tích hợp robot với các hệ thống thông minh và quy trìnhcông nghiệp 4.Hì nh 1. 3 Cánh tay robot 6 bậc tự do KR 1000 L950 titan PA Nguyên lí hoạt độngĐầu tiên hệ thống điều khiển nhận tín hiệu đầu vào từ người dùng hoặc từ cáccảm biến. Tín hiệu đầu vào có thể bao gồm thông tin về vị trí, tốc độ và hướng dichuyển của cánh tay robot. Tiếp đó, hệ thống điều khiển sử dụng các thuật toán để tínhtoán các góc quay cần thiết cho các trục của cánh tay robot. Hệ thống điều khiển sẽ gửitín hiệu điều khiển đến các động cơ servo. Các động cơ servo này sẽ quay theo hướngvà tốc độ đã được xác định. Các khớp nối của cánh tay robot sẽ chuyển động theo cácgóc quay của các trục và di chuyển đến vị trí cần thiết. Ưu điểm Tải trọng hoạt động lớn Tầm với lớn Khả năng di chuyển nhanh chóng Độ chính xác cao Độ bền cao Nhược điểm Giá thành cao Yêu cầu kỹ thuật cao trong quá trình vận hành và bảo trìHì nh 1. 4 Cánh tay robot 6 bậc tự do IRB 6700-300/2. Nguyên lí hoạt động1 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học1.6 Ý nghĩa thực tiễnĐề tài mang lại ý nghĩa thực tiễn khi nó hướng đến việc tối ưu hóa quy trình sảnxuất hàn trong các ngành công nghiệp. Việc sử dụng robot hàn 4 bậc tự do có thể giúpgia tăng hiệu suất và chất lượng sản xuất, đồng thời giảm thiểu sai sót do tác động củacon người. Robot hàn 4 bậc tự do có khả năng tương tác linh hoạt với môi trường làmviệc, giảm nguy cơ tai nạn và tạo ra môi trường làm việc an toàn hơn cho nhân viên.Sự chính xác và đồng đều của robot có thể giúp nâng cao chất lượng của sản phẩmhàn. Điều này quan trọng đặc biệt trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xáccao như ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ,...1.6 Ý nghĩa khoa họcNghiên cứu này có thể giúp tích hợp công nghệ robot vào quá trình sản xuất,tăng cường sự hiệu quả và tự động hóa trong quá trình sản xuất công nghiệp giúp tăngcường hiệu suất và chất lượng trong quá trình hàn, một phần quan trọng của quá trìnhsản xuất nhiều sản phẩm. Sự tự động hóa thông qua robot có thể giảm chi phí lao độngvà tăng sức mạnh sản xuất, đồng thời giảm rủi ro tai nạn lao động. Nghiên cứu vềrobot 4 bậc tự do đóng góp vào sự phát triển của Công Nghiệp 4, nơi mà sự kết hợpcủa thông tin và tự động hóa đóng một vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất.Bằng cách thiết kế mô hình và thực hiện nghiên cứu, đề tài có thể chứng minh khảnăng ứng dụng thực tế của robot hàn 4 bậc tự do trong môi trường sản xuất côngnghiệp.1 Nội dung nghiên cứu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thiết kế Chương 3: Tính toán Chương 4: Mô phỏngCHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ2 Lý thuyết về cánh tay robot2.1 Tổng quanCánh tay robot là một thiết bị tự động hóa được sử dụng trong nhiều lĩnh vực,trong đó có sản xuất. Cánh tay robot được hình thành và phát triển dựa trên nhữngnghiên cứu về cơ học, điều khiển tự động và trí tuệ nhân tạo.Những nghiên cứu đầu tiên về cánh tay robot bắt đầu từ những năm 1920, khicác nhà khoa học bắt đầu tìm cách chế tạo các thiết bị tự động có thể thực hiện cácnhiệm vụ phức tạp. Năm 1922, nhà khoa học Karel Capek đã sử dụng thuật ngữ"robot" để mô tả những cỗ máy có thể thực hiện các nhiệm vụ thay cho con người.Những cánh tay robot đầu tiên được chế tạo vào những năm 1950. Cánh tayrobot 3 trục đầu tiên được chế tạo bởi George Devol vào năm 1954. Cánh tay robotnày được sử dụng trong lĩnh vực sản xuất ô tô.Trong những năm 1960, cánh tay robot bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong cáclĩnh vực sản xuất khác, bao gồm lắp ráp điện tử, chế tạo máy và đóng gói. Cánh tayrobot cũng được sử dụng trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như y tế, quân sự và thămdò không gian.Trong những năm 1970 và 1980, cánh tay robot tiếp tục được cải tiến về khảnăng vận hành và độ chính xác. Cánh tay robot cũng bắt đầu được sử dụng trong cácứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như lắp ráp linh kiện điện tử và phẫuthuật.Trong những năm 1990 và 2000, cánh tay robot tiếp tục phát triển mạnh mẽ.Cánh tay robot trở nên nhỏ gọn hơn, linh hoạt hơn và có khả năng tự động hóa caohơn. Cánh tay robot cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực mới, chẳng hạn như sảnxuất thực phẩm và dịch vụ khách hàng.Hiện nay, cánh tay robot là một công nghệ phổ biến trong nhiều lĩnh vực, trongđó có sản xuất. Cánh tay robot được sử dụng để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau,bao gồm lắp ráp, hàn, sơn, đóng gói và vận chuyển. Năng Lượng: Cánh tay robot được ứng dụng trong công việc bảo dưỡng và sửachữa hạ tầng năng lượng, như cảng điện gió và nhà máy điện. Nghiên Cứu và Phát Triển: Sử dụng để thực hiện các thí nghiệm và công việcnghiên cứu trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và y học.2.1 Những lợi ích mà cánh tay robot đem lạiCánh tay robot mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho các lĩnh vực khác nhau: Tăng Hiệu Suất: Cánh tay robot có khả năng thực hiện công việc liên tục vàlặp lại mà không cần nghỉ, tăng cường hiệu suất sản xuất và làm việc. Giảm Nguy Cơ Cho Nhân Công: Việc sử dụng cánh tay robot giảm nguy cơcho nhân công trong các nhiệm vụ nguy hiểm, nặng nhọc hoặc yêu cầu độ chínhxác cao. Chính Xác và Độ Tin Cậy: Được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ với độchính xác cao và độ tin cậy, giảm sai số so với con người. Tăng Linh Hoạt: Có thể lập trình lại cánh tay robot để thực hiện nhiều nhiệmvụ khác nhau, tăng cường linh hoạt trong môi trường làm việc. Giảm Chi Phí Sản Xuất: Sử dụng cánh tay robot giúp giảm chi phí lao động,đồng thời tăng cường năng suất và giảm lãng phí. Làm Việc Trong Môi Trường Nguy Hiểm: Cánh tay robot có thể được triểnkhai để làm việc trong môi trường nguy hiểm như nơi có chất độc hại, nhiệt độcao, hoặc áp suất lớn mà không gây nguy hiểm cho nhân viên. Tăng Cường Sự Chính Xác Trong Phẫu Thuật: Trong lĩnh vực y tế, cánh tayrobot hỗ trợ bác sĩ trong các ca phẫu thuật, mang lại độ chính xác và kiểm soáttốt hơn. Giảm Thiểu Lỗi Nhân Sự: Loại bỏ yếu tố con người khỏi các quy trình sảnxuất giảm thiểu sai sót do lỗi nhân sự. Tăng Cường Sự Tương Tác: Cánh tay robot có thể được lập trình để tương tácthông minh với môi trường xung quanh, tạo ra trải nghiệm người-máy tốt hơn. Hỗ Trợ Người Khuyết Tật: Cánh tay robot có thể hỗ trợ người khuyết tậttrong các hoạt động hàng ngày và tăng cường độc lập cá nhân.2 Chi tiết mô hình2.2 Đế robotHì nh 2. 1 Đế Robot Mô tảĐế robot của cánh tay robot 4 bậc tự do được thiết kế với mục đích cung cấpmột nền tảng ổn định và chắc chắn cho cánh tay robot hoạt động. Đế robot còn có cáclỗ vít để gắn chắc vào thành bám để giữ độ ổn định tránh các dao động.2.2 Khâu 1Hì nh 2. 2 Khâu 12.2 Khâu 3Hì nh 2. 4 Khâu 3 Mô tảKhâu 3 là khâu nối giữa cánh tay phụ và cánh tay gắp. Chức năng của khâu 3cũng tương tự như khâu 2 đều cung cấp khả năng xoay cánh tay robot quanh một trụccố định. Tuy nhiên, mỗi khâu được đặt ở vị trí khác nhau trong cấu trúc cánh tay vàđược điều chỉnh với các góc độ và hướng khác nhau. Do đó, mặc dù chức năng cơ bảnlà giống nhau, nhưng vị trí và góc độ của chúng có thể tạo ra các tình huống làm việckhác nhau và mang lại sự linh hoạt trong việc thực hiện nhiệm vụ của robot.2.2 Khâu 4Hì nh 2. 5 Khâu 412345 Show
Mô tảKhâu 4 là khâu nối giữa cánh tay gắp đầu hàn. Đây là một loại khớp đặc biệtđược thiết kế để chứa và kết nối đầu hàn. Nó là một khớp trục, cho phép đầu hàn dichuyển lên xuống. Là khâu nhỏ nhất và yếu nhất trong số 4 khâu của robot hàn nênthường được làm bằng vật liệu nhẹ, để giảm trọng lượng của đầu hàn. Khâu 4 được sửdụng để gắn đầu hàn vào cánh tay robot và định vị nó tại các vị trí cụ thể trên chi tiếtlàm việc. Cung cấp khả năng điều khiển đầu hàn để đảm bảo chất lượng và độ chínhxác trong quá trình hàn.2 Mô hình tổngHì nh 2. 6 Mô hì nh tổng Chú thích1. Đế robot 2. Khâu 1 3. Khâu 24. Khâu 3 5. Khâu 4Tổng quát: Với thiết kế hoàn chỉnh và tiên tiến, mô hình cánh tay robot 4 bậctự do này không chỉ mang lại sự linh hoạt và độ chính xác trong các nhiệm vụ vậnđộng, mà còn đem đến trải nghiệm đa dạng và hiệu suất cao. Với khả năng điều khiểnmỗi bậc tự do một cách chính xác, cánh tay robot này có thể thích ứng với môi trườngCHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN3 Động học thuậnPhương pháp này ta điều chỉnh vị trí của robot bằng cách thay đổi các góc θ 1 , θ 2 , θ3 , θ 4.Bảng DH tìm được:a α d θ1 0 90 486 ¿ θ 12 500 0 0 ¿ θ 23 430 0 0 ¿ θ 34 160 0 0 ¿ θ 4Trong đó:a: Là khoảng cách của 2 trục zα : Là góc hợp giữa 2 trục zd: Là khoảng cách của 2 trục xθ: Là góc hợp giữa 2 trục x Ma trận chuyển đổi tổng quát từ hệ i sang i+cos(theta), -cos(alpha)*sin(theta), sin(alpha)sin(theta), acos(theta)sin(theta), cos(alpha)*cos(theta), -sin(apha)cos(theta), asin(theta)0, sin(alpha), cos(alpha), d0, 0, 0, 1 Ma trận chuyển đổi từ hệ 0 sang hệ 1:T1 = [ cos(theta1) 0 -sin(theta1) 0;sin(theta1) 0 -cos(theta1) 0;0 -1 0 486;0 0 0 1 ] Ma trận chuyển đổi từ hệ 1 sang hệ 2:T2 = [ cos(theta2) -sin(theta2) 0 a2*cos(theta2);sin(theta1) cos(theta2) 0 a2*sin(theta2);0 0 1 0;0 0 0 1 ] Ma trận chuyển đổi từ hệ 2 sang hệ 3:T3 = [ cos(theta3) -sin(theta3) 0 a3*cos(theta3);sin(theta3) cos(theta3) 0 a3*sin(theta3);0 0 1 0;0 0 0 1 ] Ma trận chuyển đổi từ hệ 3 sang hệ 4T4 = [ cos(theta4) -sin(theta4) 0 a4*cos(theta4);sin(theta4) cos(theta4) 0 a4*sin(theta4);0 0 1 0;0 0 0 1 ] Ma trận chuyển đổi từ hệ 0 sang hệ 4:T = T1 x T2 x T3 x TTừ đó ta tìm được:Px=cos ( θ 1 ) ∗( a 3 ∗cos ( θ 2 +θ 3 ) + a 2 ∗cos ¿ ( θ 2 ) +a 4 ∗cos (θ 2 +θ 3 +θ 4 )) ¿¿ cos ( θ 1 )∗(430∗cos ( θ 2 + θ 3 ) + 500 ∗cos¿ ( θ 2 ) + 160 ∗cos (θ 2 +θ 3 + θ 4 ))¿Py=sin ( θ 1 )∗( a 3 ∗cos ( θ 2 +θ 3 ) +a 2 ∗cos¿ ( θ 2 ) +a 4 ∗cos (θ 2 +θ 3 +θ 4 ))¿¿ sin ( θ 1 )∗¿ ¿Pz=a 1 −a 3 ∗sin ( θ 2 +θ 3 )−a 2 ∗sin ( θ 2 ) −a 4 ∗sin ( θ 2 + θ 3 +θ 4 )¿ 0 −430∗sin ( θ 2 +θ 3 ) − 500 ∗sin ( θ 2 ) − 160 ∗sin ( θ 2 +θ 3 +θ 4 )T = r 11 r 12 r 13 Pxr 21 r 22 r 23 Pyr 31 r 32 r 33 Pz0 0 0 1Ta được:n1 = Px * C 1 + Py * S 1n2 = a1 – Pzn3 = Py * C 1 - Px * S 1m1 = a3 * C 23 + a2 * C 2 + a4 * C 234m2 = a3 * S 23 + a2 * S 2 + a4 * S 234m3 = 0Tính θ 1 :n3 = m3 Py * C 1 – Px * S 1 S1/ C 1 = Py/Px = tan(θ 1 ¿ θ 1 = atan2(Py/Px)Tính θ 3 :n1 = mn2 = mPx * C ₁ + Py * S = a3 * C₁ 23 + a2 * C 2 + a4 * C 234 (1)a1 - Pz = a3 * S 23 + a2 * S 2 + a4 * S 234 (2)(1) Px * C ₁ + Py * S 1 - a4 * C 234 = a3 * C 23 + a2 * C 2 (3)(2) a1 – Pz - a4 * S 234 = a3 * S 23 + a2 * S 2 (4)Đặt:Nx = Px * C 1 + Py * S 1 – a4 * C 234Ny = a1 – Pz – a4 * S 234Suy ra:(3) Nx = a3 * C 23 + a2 * C 2(4) Ny = a3 * S 23 + a2 * S 2 N x2+ N y2\=a 32∗( C 232+ S 232) + a 22∗( C 22+ S 22) + 2 ∗a 2 ∗a 3 ∗(C 2 ∗C 23 + S 2 ∗S 23 )¿ a 32+ a 22+ 2 ∗a 3 ∗a 2 ∗C 3 C 3 = ( N x2+ N y2) / 2a3a S 3 = √ 1 −C 32θ 3 =atan 2 ( S 3 , C 3 )Tính θ 2 :C 2 =N x∗( a 3 ∗C 3 +a 2 ) +a 3 ∗S 3 ∗N y(a 3 ∗C 3 + a 2 )####### 2 +a 3####### 2 ∗S 3####### 2 S 2 =N y∗( a 3 ∗C 3 +a 2 ) −a 3 ∗S 3 ∗N x(a 3 ∗C 3 +a 2 )####### 2 + a 3####### 2 ∗S 3####### 2 tan ( θ 2 )=S 2C 2\=N y∗( a 3 ∗C 3 +a 2 ) −a 3 ∗S 3 ∗N xN x∗( a 3 ∗C 3 + a 2 )+ a 3 ∗S 3 ∗N yθ 2 =atan 2 (S 2 , C 2 )Tính θ 4 :Với: theta2 + theta3 + theta4 = 0 (Góc định hướng và để cho robot luôn quay xuốngdưới )θ 4 =− ( θ 2 + θ 3 ) |
