Tính toán thiết kế mô phỏng robot dùng maple

Tính toán thiết kế mô phỏng robot dùng maple

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN - TỬ

Đề tài: Tính toán thiết kế chế tạo và mô phỏng robot

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Phan Bùi Khôi

Hà Nội – 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đồ án “Tính toán thiết kế và mô phỏng robot stanford” là nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phan Bùi Khôi Các số liệu trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng và được trích dẫn Nếu có gian lận nào tôi xin chịu mọi trách nhiệm.

LỜI MỞ ĐẦU

Ở một tầm nhìn rộng, trên thế giới khái niệm robot đã không còn mới mẻ nữa, thậm chí

nó còn trở nên phổ biến ở những quốc gia phát triển Robot được nghiên cứu, chế tạo, phát triển để phục vụ những nhu cầu của con người, nên những chủng loại và kiểu dáng tương đối phong phú và đa dạng Công nghệ robot trên thế giới đã rất phát triển nhưng con người không muốn dừng lại ở đó và vẫn muốn đẩy mạnh phát triển hơn nữa cho robot, tiến đến giải phóng hoàn toàn sức lao động của con người

Ở tầm nhìn hẹp hơn, Với nước ta, một nước đang phát triển, và đang trên con đường trởnày một nước công nghiệp tiên tiến Robot lại là một trong những mảng không thể thiếu trong công nghiệp hiện đại Thế nên việc đào sâu nghiên cứu về robot đã được tiến hành

từ rất sớm Tuy ra đời muộn hơn nhưng robot Việt Nam đã và đang dần bắt kịp với các nước trên thế giới

Trong phạm vi đồ án sau đây, em xin đề cập đến những vấn đề cơ bản khi nghiên cứu một mô hình robot Stanford

Tuy còn thiếu xót, nhưng những phần cơ bản về điều khiển robot và robotics đều được trình bày trong đồ án này Mong Thầy ĐÀO ANH TÙNG và các bạn có thể đóng góp ý kiến để em hoàn thiện hơn nữa bài tập này

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT VÀ MÔ HÌNH THIẾT KẾ

1.1.Giới thiệu chung về robot:

Robot là máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ con người:

- Có hình dạng giống người hoặc cánh tay người

- Có khả năng thao tác tự động

- Có khả năng bắt chước thao tác giống người

Cuộc sống ngày càng văn minh hiện đại , mức sống của người dân ngày càng được nâng cao, đòi hỏi phải nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm Vì vậy càng phải ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa vào sản xuất nên càng tăng nhanh nhu cầu về ứng dụng Robot để tạo ra các hệ thống sản phẩm tự động và linh hoạt

Robot là máy , thiết bị cố định hoặc di động , được tích hợp từ nhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm:

- Cơ cấu chấp hành

- Hệ thống dẫn động

- Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt

- Hệ thống thông tin giám sát

Trong những năm gần đây thì việc áp dụng các loại robot vào các dây chuyền sản xuất ngày cầng được sử dụng rộng rãi ở doanh ngiệp Ví dụ như các loại robot: Robot hàn,Robot phun sơn ở các công ty sản xuất và lắp ráp ô tô Đặc biệt là ở các công ty sản xuất và lắp ráp các linh kiện điện tử Đây là công việc đòi hỏi độ chính xác cao , thường lặp lại nên dê gây mệt mỏi cho người làm vì vậy sử dụng Robot ở các công ty này là rất phổ biến Ngoài ra hiện nay ở các phân xưởng sản xuất sử dụng rất nhiều loại xe Robocar hoặc ở các công việc trong môi trường độc hại , thường xuyên tiếp xúc với hóa chất độc hại thì cũng sử dụng Robot làm thay con người

Hình 1.1 : Một số hình ảnh về robot trong công nghiệp

1.2.Giới thiệu chung về robot Stanford và nguyên lý hoạt động của robot Stanford:

1.2.1:Giới thiệu chung về robot Stanford:

Stanford Cart (1965-1979)

Từ năm 1979, phòng thí nghiệp Stanford tiếp tục đưa ra một thiết kế mới, xe tự định

vị Standford, được xây dựng với mục đích ban đầu là tạo ra một thiết bị điều khiển từ

xa lưu động (rover) trên mặt trăng Từ năm 1967 cho đến 1970, nó được thiết kế lại để

có thể tự động đi theo một vạch kẻ màu trắng trên đường Một máy tính từ xa điều khiển hoạt động của xe này nhờ thông tin truyền về từ một camera vô tuyến gắn trên

xe Năm 1977 Hans Moravec tiếp tục thiết kế lại, trang bị cho nó một camera vô tuyến gắn trên đỉnh để chụp ảnh từ các góc độ khác nhau và chuyển về cho máy tính Máy tính sẽ tính toán khoảng cách xe và chướng ngại vật sau đó điều khiển xe đi vòng qua những chướng ngại vật này Năm 1979, Stanford Cart chỉ mất gần 5 giờ len lỏi qua mộtcăn phòng đầy bàn ghế - không hề có sự trợ giúp của con người Đây quả là cột mốc đánh dấu thành quả mới cho những cỗ xe tự định vị

1.2.2 Nguyên lý hoạt động:

Thứ tự thao tác của robot, gồm 3 bước:

- Bước 1: Robot kẹp vật từ trên xuống, trên mặt phẳng bất kì trong miền làm việc

- Bước 2: Tịnh tiến vật lên hoặc xuống theo phương Z nhờ khớp tịnh tiến

- Bước 3: Di chuyển vật đến vị trí cần thiết trong mặt phẳng mới bằng việc quay các góc xác định với độ dài các khâu là cố định

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC:

- Khâu 3 : ta chọn hệ tọa độ X3Y3Z3 có trục Z3 chọn trùng với khớp 4, trục X3 // X2, trục Y3 chọn theo quy tắc tam diện thuận.

- Khâu 4 : ta chọn hệ tọa độ X4Y4Z4 có trục Z4 chọn trùng với khớp 5, trục X4 // X3, trục Y4 chọn theo quy tắc tam diện thuận

- Khâu 5 : ta chọn hệ tọa độ X5Y5Z5 có trục Z5 chọn trùng với khớp 6, trục X4 trùng

X5, trục Y5 chọn theo quy tắc tam diện thuận

- Khâu 6 : ta chọn hệ tọa độ X6Y6Z6 có trục Z6 hướng thẳng đứng,trục X6// X5, trục

Y6 chọn theo quy tắc tam diện thuận

Hình 2.1 : Sơ đồ đặt tọa độ

2.1.2 Bảng Denavit – Hartenberg.

Từ việc chọn hệ tọa độ ta có bảng DH sau:

Trong đó các giá trị đã biết:

d1= 1; d2=0.5; q3=0.643; d4= 0.095; d6=0.2;

2.2.Hệ phương trình động học cơ bản của Stanford:

Ta có: Dạng tổng quát của ma trận Denavit – Hartenberg cho các khâu:

1

Các ma trận H của robot STANFORD được xác định theo công thức (2.1)

• Ma trận mô tả vị trí và hướng của O1X1Y1Z1 đối với O0X0Y0Z0 : H1

c H

Từ các ma trận Denavit – Hartenberg ta tính được vị trí , hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định O0X0Y0Z0 là ma trận D6

D =H H H H H H

(2.8)Các giá trị H1, H2, H3, H4, H5, H6 được xác định từ công thức (2.2),(2.3), ,(2.7)

Ma trận D6 cho ta biết hướng và vị trí của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định hay nóicách khác là vị trí của điểm tác động cuối và hướng của hệ tọa độ động gắn vào khâu tại điểm tác động cuối trong hệ tọa độ cố định

Mặt khác nếu ta gọi [ xe ye ze rotxe rotye rotze] là vector mô tả trực tiếp vị trí và hướng của O6X6Y6Z6 trong hệ tọa độ O0X0Y0Z0 Trong đó [xp yp zp] là tọa độ và [rotxp rotyp rotzp] là các góc quay Roll-Pitch-Yaw của O6X6Y6Z6 đối với O0X0Y0Z0 Khi đó ta có:

E6 : là ma trận cosin chỉ hướng mô tả hướng của O6X6Y6Z6 đối với O0X0Y0Z0

6

os os os sin sin sin os os sin os sin sin

sin os sin sin sin os os sin sin os os sin

Trong đó ký hiệu , θ=rotxe Ψ=rotye, Φ=rotze

Ma trận D6 là ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định thong qua các biến khớp qi

Từ (2.8) và (2.9) suy ra hệ 6 phương trình độc lập:

2.3.1 Bài toán thuận.

• Biết trước giá trị của biến khớp (q1, q2, q4 ,q5, q6)

• Yêu cầu tìm các tọa độ của khâu cuối (xe, ye, ze, rotxe, rotye, rotze)

Vị trí của điểm tác động cuối lên đối tượng cần thao tác được xác định bởi tọa độ điểm

E(xe, ye, ze) , hướng của nó được xác định bởi các góc quay (rotxe, rotye, rotze)

f = sin(rotze)sin(rotye)sin(rotxe)+cos(rotze)cos(rotye)+((sin(q1)cos(q2)cos(q4)

+cos(q1)sin(q4))cos(q5)-sin(q1)sin(q2)sin(q5))sin(q6)-(-sin(q1)cos(q2)sin(q4)+cos(q1)cos(q4))cos(q6) 6

4 5

6

=cos( ).cos( )=0

1 sin( ).sin( ).sin( )+cos( ).cos( )+ 3 0

2 cos( ).cos( )=0

f f

f

θθ

2.3.2 Bài toán ngược:

Bài toán ngược là bài toán có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tế

Khi biết quy luật chuyển động của khâu thao tác và ta phải tìm các giá trị của biến khớp Việc xác định các giá trị của biến khớp cho phép ta điều khiển robot theo đúng quỹ đạo đã cho

Hình 2.2 : Sơ đồ khối giải bài toán động học ngược

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN MAPLE:

3.1 Các gói thư viện cần sử dụng trong maple:

>

 Thủ tục tính ma trận cosin chỉ hướng:

Tính ma trận:

>

>

3.3.Bài toán thuận:

>

> restart;

> eqn1:=cos(rotze)*cos(rotxe):

eqn2:=sin(rotze)*sin(rotye)*sin(rotxe)+cos(rotze)*cos(rotye)+(1/2)*sqrt(3): eqn3:=cos(rotxe)*cos(rotye):

> solve({eqn1=0,eqn2=0,eqn3=0},{rotze, rotye, rotxe});

>

Hình 3.1 : Đồ thị

3.5.Bài toán ngược:

> restart;

> for iii from 1 to 100 do

> for i from 1 to m do #give value to a list li_ in order to evaluate jacobian matrix and fff_

end do:

> FileTools[Text][Close](stanford);

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN SOLIDWORK:

4.1 Giới thiệu chung về solidwork:

SolidWorks phần mềm thiết kế ba chiều được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như xây dựng, kiến trúc, cơ khí… được sử dụng các công nghệ mới nhất về lĩnh vực đồ họa máy tính.Phần mềm này cho phép người sử dụng xây dựng các

mô hình chi tiết 3D, lắp ráp chúng lại với nhau thành một bộ phận máy (máy) hoàn chỉnh, kiểm tra động học, cung cấp thông tin về vật liệu……….

Phần mềm SolidWorks cũng cho phép nhiều phần mềm ứng dụng nổi tiếng khác chạy trực tiếp trên môi trường của nó SolidWorks có thể xuất ra các file dữ liệu định dạng chuẩn để người sử dụng có thể khai thác mô hình trong môi trường các phần mềm phântích khác như ANSYS, ADAMS, Pro-Casting…

Chức năng thiết kế thì phần mềm này có những các công dụng:

– Xây dựng mô hình khối 3D:

– Lắp ráp các chi tiết nhỏ thành một cụm chi tiết:

Hình 4.2:Khâu 1

Hình 4.3: Khâu 2

Hình 4.4: Khâu 3

Hình 4.5 : Khâu 4

Hình 4.6: Khâu 5

Hình 4.7: Khâu 6

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG TRÊN EASYROB:

5.1 Giới thiệu chung về easyrob:

EASY-ROB là công cụ mô phỏng robot sử dụng đồ hoạ trong không gian 3 chiều (3D) và các hình ảnh có thể hoạt động được Một hệ thống 3D-CAD đơn giản cho phéptạo ra các khối hình học cơ bản như khối trụ, khối cầu, khối chữ nhật, khối tam giác, khối hình thang, để vẽ kết cấu của robot Trong EASY-ROB chúng ta có thể dùng chuột để quay hoặc tịnh tiến robot đến một toạ độ tuỳ ý EASY-ROB cũng có các chức năng phóng to, thu nhỏ đối tượng vẽ như nhiều phần mềm thiết kế khác Chương trìnhcho phép thiết kế các robot đến 12 bậc tự do Chuyển động của Robot có thể được điều khiển theo các biến khớp hoặc các toạ độ Đề-cát Chúng ta cũng có thể mô tả động họccủa robot theo kiểu DH hoặc trong hệ toạ độ toàn cục (Universa Coordinates) Easy-Rob đã có sẵn các trình điều khiển động học thuận và ngược của các cấu hình robot thông dụng, khi thiết kế ta chỉ cần khai báo kiểu động học thích hợp Trong trường hợprobot có kết cấu đặc biệt hoặc có các khâu bị động gắn với các chuyển động của các khớp thì cần phải giải bài toán động học ngược hoặc xác định hàm toán học mô tả sự phụ thuộc của khâu bị động đối với khớp quay, viết chương trình xác định sự phụ thuộc đó bằng ngôn ngữ C và sau đó dùng tập tin MAKE.EXE trong C để dịch thành tập tin thư viện liên kết động er_kin.dll (Easy- Rob kinematic Dynamic link library), khi chạy chương trình, EASY-ROB sẽ liên kết với tập tin nầy và thực hiện kiểu động học đã được khai báo trong chương trình điều khiển

Easy-ROB có một số các lệnh điều khiển riêng, Chương trình được viết theo kiểu

xử lý tuần tự, tập tin dạng Text, có thể soạn thảo chương trình trong bất kỳ trình soạn thảo nào Các công cụ gắn trên khâu chấp hành cuối có thể thay đổi được Chúng ta có thể viết một chương trình chuyển động cho một robot theo một quỹ đạo mong muốn,

có thể kiểm tra khả năng vươn tới của cánh tay, xác định vùng làm việc của robot Robot mô phỏng có thể cầm nắm hoặc thả các đối tượng làm việc Các chuyển động của robot có thể ghi vào một tập tin và có thể thực hiện lại

Phần mềm cho phép ta xem được các hệ toạ độ đã gắn trên các khâu của robot, xem được quỹ đạo chuyển động của điểm cuối công cụ gắn trên khâu chấp hành cuối Phần mềm còn có nhiều tiện ích khác như : cho phép ta lập trình điều khiển robot bằng

phương pháp dạy học, thiết kế các đối tượng làm việc của robot, có các cửa sổ về toạ

độ và giá trị góc quay của các khớp tại từng thời điểm khi robot hoạt động

Việc sử dụng phần mềm EASY-ROB để mô phỏng robot giúp chúng ta hai khả năngnghiên cứu :

- Mô phỏng lại một robot đã có và các đối tượng làm việc của nó Đánh giá khảnăng làm việc và mức độ linh hoạt của robot, xác định các thông số điều khiển, quỹđạo chuyển động để dùng trong điều khiển thực

- Nghiên cứu thiết kế động học, các kích thước và kết cấu của robot trên máy tính

để có thể chọn được phương án động học tốt nhất, đảm bảo cho robot hoàn thành cácnhiệm vụ yêu cầu

Hình 5.1: Lưu đồ giải thuật của Easyrob

A.Thiết kế mô hình Robot

Bưóc 1: Đầu tiên chúng ta kick chuột vào Robotics

Rồi chọn open Kinematics Window (Ctrl+K) ta đưọc hộp thoại sau:

Buớc 2:

Nhắp vào Create rồi chọn mục thứ 6

Bước 3: ta được hộp thoại sau:

1: Chọn Kinematics: rồi chọn Active Joints

Nhập các thông số DH của khâu thứ nhất.

chuột vào vệt xanh hoặc đưa con trỏ vào phần nhập dữ liệu (text box) ấn 2 (Bây giờ số khớp động là 2), nhập các thông số

DH cho khâu số 2

- Làm tương tự nhập các thông số DH cho 4 khâu còn lại Chú ý khớp thứ 3 là khớp tịnh tiến:

Ta được bảng thông số động học DH của robot Stanford như sau:

Bước 4:

1: vào mục 3D-CAD chọn open 3D CAD- WINDOW ta được hộp thoại sau:

2: kik chuột vào Create Import chọn STL ascii or binary FILE duyệt đến thư

mục chứa file STL muốn chèn:

Tại hộp thoại này mục thứ 4 ta chọn tỉ lệ là 0.001:

Ta được khâu tương ứng thứ 1:

-tiếp đến nhấn vào 3D-CAD chọn mục SET Jnt_Idx for robot Group

Ta được hộp thoại:

-ở mục TEXT điền là 1 vì đây là khớp 1:

Làm tương tự với 6 khâu còn lại: chú ý ở các khâu tiếp theo khi ta ấn ok ở mục

Body attached to active Jnt Base

ở khâu thứ 2 chở đi sẽ xuất hiện bảng thông báo ta chon NO:

-Cuối cùng ta được hình của robot Stanford như sau:

B: Mô phỏng chuyển động của robot:

• Các nút quan trọng cần biết trong phần mềm:

13 14 Tăng giảm tốc độ điều khiển bằng chuột

Bước 1:

Ta kik chuột vào biểu tượng open prỏgam Teach Window

-Biểu tượng số 8 thể hiện quỹ đạo chuyển động của robot:

Bước 2: chọn New

Bước 3: ấn vào nút PTP để bắt đầu mô phỏng chuyển động robot: -mỗi lần ấn nút ta di chuyển toạ độ của robot đi đến vị trí khác nhau:

- cứ lặp đi lặp lại như vậy

Quỹ đạo chuyển động của robot sẽ chuyển động theo mục đựơc đánh dấu ở trên: Bước 4:

Ta nhấn nút Run PRGStep để chạy chương trình ấn lien tục:

Các quỹ đạo chuyển động:

5.2 Mô hình thiết kế trên easyrob:

Hình 5.2: Mô phỏng easy rob

KẾT LUẬN:

Qua môn đồ án này chúng em :

- Đã nắm được cơ sở học robot và các phương pháp nghiên cứu:

+ Phương pháp khảo sát bài toán động họcthuận và ngược

+ Phương pháp xây dựng quỹ đạo cho robot

- Đã nắm được quy trình tính toán , thiết kế và chế tạo một robot đơn giản

Sau cùng chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy ĐÀO ANH TÙNG Thầy đã giúp

đỡ rất nhiều cho chúng em trong lần làm đồ án này

Mục Lục