báo cáo Robot GRYPHON

Lời nói đầu
Cùng với sự vận động, phát triển của con người và xã hội hiện nay, khoa
học kĩ thuật cũng có những bước tiến rõ rệt hơn. Làm cho con người ngày
càng tiệm cận được với nhiều công nghệ hiện đại, trước kia tưởng như là
những điều không thể chỉ xuất hiện trong trí tưởng tượng thì giờ nó đã điều
hiện diện trước mặt. Một bước tiến vĩ đại của loài người là chế tạo ra robot,
được ứng dụng rất nhiều trong các nhà máy xí nghiệp. Robot có thể thay thế
con người trong những công việc đòi hỏi sự khó khăn hoặc nhàm chán…Với
sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Trọng Du nhóm sinh viên Trường Đại
Học Điện Lực lớp D8 CNCK chúng em đã cùng nhau tìm hiểu một số vấn đề
cơ bản về robot công nghiệp nói chung và Robot Gryphon nói riêng, mô
phỏng robot qua phần mềm Easy-Rob. Bản thuyết minh được chúng em
nghiên cứu gồm 4 chương lớn
Chương I:

Tổng quát về Robot Công Nghiệp

Chương II:

Tính toán động học của Robot Gryphon

Chương III: Mô phỏng Robot Gryphon bằng phần mềm Easy-rob
Các thành viên trong nhóm chúng em đã cố gắng nghiên cứu rất nhiều,
nhưng sẽ không tránh khỏi được những sai xót, chúng em mong thầy giáo
đưa ra những nhận xét để nhóm em có thể hoàn thành bài được tốt hơn.
Chúng em xin cảm ơn thầy.

Nhóm thực hiện
Nguyễn Hữu Hiếu
Trần Công Hậu
Nguyễn Văn Hoàng

Lê Tuấn Khanh

1


CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1. Khái niệm về Robot Công nghiệp
Có rất nhiều khái niệm về Robot công nghiệp
-

-

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.
Mỹ: Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình thiết kế để di chuyển
vật liệu thông qua các chương trình được thiết lập trong CPU.
Nga: Robot công nghiệp là một máy tự động đặt cố định hoặc di động liên kết với một
tay máy và hệ thống điều khiển theo chương trình, tái lập trình hoàn thành các chức năng.
Kết luận: Robot công nghiệp là một máy tự động có khả năng lập trình và tái lập trình
được phát minh ra nhằm phục vụ lợi ích con người.
1.2. Lịch sử phát triển
Thuật ngữ Robota được xuất hiện năm 1921 trong một tác phẩm văn học của nhà văn
người Ba Lan – Karel Capek.
Chính thuật ngữ “robota” này đã gợi ý cho con người phát triển Robot và một công ty ở
Mỹ - AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một thiết bị
mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người điều khiển tự động thực hiện một
số thao tác đế sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran.



Quá trình phát triển của Robot được tóm tắt như sau:
- Từ những năm 1950 ở Mỹ đã xuất hiện sản phẩm có tên là Versatran của công ty
AMF.
- Ở Anh, người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo Robot theo bản quyền của Mỹ từ
những năm 1967.
- Ở các nước Tây Âu khác như: Đức, Pháp, Ý, Thụy Điển thì bắt đầu chế tạo Robot
từ những năm 1970.
Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng Robot từ năm 1968.
2


Tuy Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra Robot nhưng Nhật Bản là nước sản xuất ra
nhiều nhất.
1.3. 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.
1.3.1. 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 máy-người
- Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng không có khả
năng nhận biết thông tin.
- Thế hệ 2: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm 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 nhận biết thông tin và
bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người.
1.3.2. 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.
1.3.3. 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...
1.3.4. 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

1.4. Ứng dụng của Robot công nghiệp

3


Robot công nghiệp được áp dụng trong công nghiệp dưới góc độ thay thế con
người, nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tăng năng xuất và hiệu quả.
− Ứng dụng làm các công viêc:
+ Không biết mệt
−

+ Cần sự thay đổi liên 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.
−

Ứng dụng trong Cơ khí: Robot được sử dụng trong công nghệ đúc, hàn, cắt, sơn,

phun phủ, tháo lắp, vận chuyển, ….

Ứng dụng trong Y học: Robot được ứng dụng trong lĩnh vực y tế như nội soi, …..
− Ứng dụng để khai thác thềm lục địa.
−
Ứng dụng trong quốc phòng: Robot công nghiệp được sử dụng trong loại vũ khí
tối tân nhất như máy bay do thám không người lái,…..
→ Kết luận: Robot công nghiệp có một số khả năng làm việc vượt trội so với khả năng
của con người, đó là phương tiện nâng cao năng suất lao động.
−

1.5. Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp

4


1.5. 1 –Các thành phần chính

Hình 1.1 Các thành phần chính của robot

-

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 là dạy bàn tay, mỏ hàn, đá mài
- Thiết bị dạy học là thiết bị dạy dỗ các thao tác cần thiết
- Các phần mềm lập trình
1.5.2 - Kết cấu tay máy
-

5


-

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)

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 1.2 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.
1.6. Bậc tự do của Robot công nghiệp

6


1.6.1.Bậc tự do của robot
a. Khái niệm
. 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 (DOFDefree 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 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 :

W = 6n 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 bằngtổng số bậc tự do của các khớp động.
Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian3
chiều Robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để
địnhhướng. 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:

7

Hình 1.3 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.
1.6.2. Hệ toạ 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 độtrung gian
khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong từng thời điểmhoạt động,
các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dàihoặc các
chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp qua .Các toạ độ suy rộngcòn được gọi
là biến khớp.

Một số hình ảnh về Robot

8


Hình 1.4 Robot công nghiệp PUMA

Hình 1.5: Robot ASIMO do Nhật Bản phát minh

9


Chương II:
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT GRYPHON

2.1. Khảo sát động học của ROBOT GRYPHON

2.1.1. Tóm tắt
Bài toán đề cập đến bài toán điều khiển động học của robot và áp dụng vào robot
gryphon. Nội dung của bái toán nhằm giải quyết bài toán thuận, bài toán ngược và mô
phỏng hoạt đông của robot trong không gian đồ hỏa ba chiều. đồng thời trong bài cũng
giời thiệu hướng nghiên cứu và điều khiện robot Gryphon bằng máy tính .
2.1.2. Mở đầu
Trong bài báo này khảo sát bài toán điều khiển động học robot, chủ yếu tập trung vào
hai bài toán :
-

Bài toán thuận : xác định vị trí điểm cuối và hướng tay kẹp mà tay may đạt được
khi quy luật thay đổi theo thời gian của các thông số định vị của tay máy là hàm đã
biết. bài toán này nhằm phục vụ bài toán xác định phạm vi hoạt động của tay máy,
bài toán động lực học tay máy …
10


-

Bài toán ngược : xác định quy luật thay đội theo thời gian của tay máy để nó nắm
bắt được vị trí đã cho của đối tượng theo mội hướng đingj trước của tay kẹp. Bài
toán này nhắm phục vụ bài toán điều khiển quỹ đạo. các bài toán điều khiển tối ưu
Bài báo dưới đây sẽ trình bày cơ sở lý thuyết của cacr hai bài toán và minh hỏa qua

việc áp dụng để mô phỏng một robot củ thể.Robot Gryphon.

2.2. Các góc quay cơ bản
2.2.1. Phép tịnh tiến
Khi chỉ có biến đổi tịnh tiến mà không có quay (φ = o ) ta có:

T=

= Tp (px, py, pz)

Đó là ma trận biến đổi tịnh tiến
Gọi u là vec tơ biểu diễn một điểm trong không gian cần dịch chuyển tịnh tiến:
u = ( x, y, z )T
và p là vecto chỉ hướng và độ dài cần dịch chuyển:
p = (px, py, pz) T
thì v là tọa độ trong không gian được tịnh tiến tới:
v = TP (px, py, pz) u
2.2.2. Phép quay các trục tọa độ
11


Nếu ta cần quay 1 điểm hoặc 1 vật thể xung quanh 1 trục tọa độ nào đó với 1 góc
quay, ta lần lượt có các ma trận chuyển đổi là:

Quanh trục x với góc quay α

Rot ( x, α) =
Quanh trục y với góc quay γ

Rot (y, γ ) =
Quay quanh trục z với góc quay θ

R ot ( z, θ ) =
Cột thứ 4 của các ma trận có 3 phần tử đầu đều bằng 0 vì ở đây không có sự tịnh
tiến. Các ma trận này được gọi là các ma trận quay cơ bản. Các ma trận quay khác có thể
xây dựng từ các ma trận cơ bản này.

12


2.3. Bộ thông số Denavit – Hentenberg (DH)
2.3.1. Định nghĩa DH
Quy tắc DH là một thuật giải quen thuộc và hiệu quả để xác định phương trình
động học của các Robot Công nghiệp có nhiều khâu nối tiếp nhau thông qua khớp động.
2.3.2 - Các bộ thông số cơ bản giữa 2 trục quay của khớp động i + 1 và i
ai là độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp động i và i + 1.
αi là góc chéo giữa 2 trục khớp động i và i.
di là khoảng cách đo trục khớp động i từ đường vuông góc chung giữa trục khớp động i
+1 và trục khớp động i tới đường vuông góc chung giữa khớp động i và trục khớp động i
θi là góc giữa hai đường vuông góc chung nói trên.
Nếu khớp động i là khớp quay thì θi là biến khớp
Nếu khớp động i là khớp tịnh tiến thì di là biến khớp
2.3.3. Thiết lập hệ tọa độ
Gốc của hệ tọa độ gắn liền với khâu thứ i đặt tại giao điểm giữa đường vuông góc
chung (ai) và trục khớp i + 1. Trường hợp 2 trục giao nhau thì gốc hệ tọa độ lấy trùng với
giao điểm đó.
Nếu 2 trục song song với nhau thì chọn gốc tọa độ là điểm bất kì trên trục khớp động
i + 1.
Trục zi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động i + 1
Trục xi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung hướng từ khớp động i
đến khớp i + 1. Trường hợp 2 trục giao nhau hướng trục xi trùng với hướng vecto tích zi .
zi-1 tức là vuông góc với mặt phẳng chứa zi, zi-1.
2.4.Giới thiệu mô hình và nguyên tắc hoạt động
13


Robot Gryphon là 1 trong những Robot được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công

nghiệp. Gryphon là robot có 5 khâu với cấu hình RRRRR. Tất cả 5 khâu đều chuyển
động quay
Rô bốt Gryphon do hãng FeedBack của Anh sản xuất phục vụ cho mục đích
nghiên cứu. Đây là 1 rô bốt 5 trục kèm theo bàn kẹp như hình 2
+ Trục hông (waist axis)
+ Trục vai (shoulder)
+ Trục khuỷu tay (elbow axis)
+ Trục cổ tay (tool pitch axis)
+ Trục cổ tay (tool roll axis)
+ Bàn kẹp (grypper)

- Những ưu điểm nổi bật của rô bốt là chuyển động nhanh, chính xác và mềm mại.
Rô bốt được điều khiển bởi 4 vi xử lý cho phép điều khiển đặt vật chính xác. Mỗi
trục của rô bốt được điều khiển bởi 1 động cơ bứơc với bộ mã phản hồi. Trong bộ
14


điều khiển, 1 vi xử lý sẽ giám sát vị trí của các trục. Hai cái khác sẽ quản lí các
động cơ và cái còn lại sẽ giám sát cả 3 trên đồng thời làm nhiệm vụ giao tiếp với
máy chủ.

2.5. Các hệ trục tọa độ và công thức xác định vị trí

Khi áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg gắn các hệ trục toạ độ vào các
khâu ta thu được sơ đồ động học của rô bốt Gryphon như hình 3

- Bảng thông số DH

D

ɑ

a

Trục
1

1

d1

2

2

0

0

a4

3

3

0

0

a5

4

4

-d3

15

a2

0


5

5

d6

0

0

Các ma trận A được xác định bằng ma trận tổng quát :

A1=
A2=
A3=
A4=

A5=
Tính các ma trận
Ta xác định các ma trân T theo các hệ tọa độ lần lượt từ khâu cuối trở về gốc:
4.=

2.6 Lập phương trình động học cơ bản

Để tính ta nhân với sau đó cân bằng các phần tử của ma trận ta được
một hệ thống các phương trình sau
nx = 16


ny =
nz =
Ox=
Oy=
Oz=
ax=
ay=
az=
px=
py=
pz=
Cột đầu tiên của ma trận có thể xác định bởi tích vectơ:

CHƯƠNG III:
MÔ PHỎNG ROBOT GRYPHON BẰNG EASY- ROB

Theo số liệu đề bài ROBOT GRYPHON có các giá trị như sau
a2 = 0.2m

d1 = 0.6m
Các giá trị

a4 = 0.4m

a5= 0.4m

d3 = 0.1m

d6 = 0.25m

chọn ban đầu bằng 0

Từ đó ta có bảng thông số DH cụ thể như sau:

17


Khâu

θi

D

α

a

1

d1

900

a2

2

0

0

a4

3

0

0

a5

4

-d3

900

0

5

d6

0

0

Bảng 3.1: Bảng thông số DH

3.1 – Xây dựng hệ tọa độ
Vào menu: File → Delete → Celfile → OK
− Vào menu chính: File → Load → Robotfile.
−

18


Hình 3.1 :Không gian vẽ robot file
Chọn file DH_TEMPL.ROB → Open.

Hình 3.2:Lựa chọn mẫu vẽ
Bấm nút
trên thanh công cụ On – Off để thể hiện các hệ tọa độ gắn vào
các khâu của Robot. Trong quá trình vẽ có thể bật hoặc tắt để quan sát.
− Vào menu: File → Save → Robotfile → đặt tên file và tên cho Robot
− Từ menu chính: Robotics → Robot Motion + Kinematics → Kinematics Data.
−

19


Hình 3.3:Không gian vẽ robot file
−

Chọn Active Joints → activ Jnt 1 RZ → ROT Z → OK

−

Hình 3.4: Thiết kế các khâu
-

Nhập thông số DH khâu thứ nhất → OK. Sau đó chọn Active Joints →Number
activ Joints (1) để bắt đầu nhập các khâu tiếp theo. Ta có chi tiết thông số 5 khâu
như sau:

20


Hình 3.5: Nhập thông số các khâu theo bảng DH

Kết quả các hệ tọa độ gắn trên các khâu như hình sau

21


−

Ta có thể kiểm tra các số liệu đã nhập bằng cách kích chuột vào menu :

Robotics→ Robotmotion + Kinematics → Kinematics Data → Kinematics
Information

Hình 3.6: Hệ tọa độ robot đã thiết kế

Ta có thể kiểm tra các số liệu đã nhập bằng cách kích chuột vào menu : Robotics→
Robotmotion + Kinematics→ Kinematics Data →KinematicsInformation

Hình 3.7: Kiểm tra các số liệu đã nhập

22


−

Chọn activ kin. RZ RZ RZ RZ RZ sẽ xuất hiện bảng :

Hình 3.8: Kết quả dữ liệu đã nhập
−

Ta xem lại số khâu, khớp và các thông số DH. Nếu vào dữ liệu sai ta có thể hiệu chỉnh
lại. Chọn OK →Quit để quay về màn hình làm việc.Ta sẽ thấy hệ tọa độ gắn vào các
khâu có màu vàng. Chọn File → Save để lưu lại.
3.2. Thiết kế hình dáng Robot
−

Vào menu 3D-CAD → Select Group

23

Hình 3.9:Thiết kế Robot
Có 3 đối tượng làm việc:
 Robot Group: Thiết kế hình dáng Robot
 Tool Group: Thiết kế dụng cụ làm việc của Robot
 Body Group: Thiết kế đối tượng làm việc của Robot

Ta chọn Robot Group → OK để vẽ hình dáng Robot
−

Vào menu 3D-CAD → Create/Import New 3D body → OK hiện ra bảng

Hình 3.10:Chọn đối tượng để tạo hình robot

24


−

Chọn 4 – CYLINDER → OK (vẽ khối trụ) hiện ra bảng nhập vị trí đặt khâu

Hình 3.11:Nhập vị trí đặt khâu
−

Sau đó xuất hiện hộp thoại để nhập kích thước của khâu:

Hình 3.12: Đặt kích thước cho khâu

25