GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ROBOT PGS TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* PGS TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH GIÁO TRÌNH NHÀ XUẤT BẢN[.]
PGS TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ROBOT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* PGS TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH GIÁO TRÌNH NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2014 LỜI NÓI ĐẦU Trong “Chiến lược phát triển khoa học công nghệ Việt Nam“ khẳng định Cơ điện tử hướng công nghệ trọng điểm phục vụ phát triển kinh tế xã hội Trên giới, Cơ điện tử lĩnh vực chiến lược đóng vai trị quan trọng kinh tế phát triển Kỹ thuật Cơ điện tử lĩnh vực khoa học cơng nghệ hình thành từ cộng ba ngành Khoa học Cơng nghệ chủ yếu Cơ khí, Điện tử Cơng nghệ thơng tin nhằm hồn thiện, linh hoạt hóa, thơng minh hóa thiết bị máy móc phục vụ người Và nhắc đến Cơ điện tử, khơng thể qn robot sản phẩm đặc trưng ngành điện tử Trong năm vừa qua với lớn mạnh khoa học công nghệ, kỹ thuật robot không ngừng phát triển Cuốn giáo trình hy vọng giúp cho người yêu thích quan tâm đến robot hiểu robot, biết kỹ thuật robot sử dụng giới Cuốn giáo trình khơng có tham vọng đưa tất kiến thức robot, mà giúp cho người đọc có nhìn tồn diện cụ thể cho phần cấu trúc hình thành nên robot Giáo trình “Kỹ Thuật Robot” biên soạn cho đối tượng học viên cao học, sinh viên đại học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Kỹ thuật, trường Cao đẳng Kỹ thuật, kỹ sư giáo viên dạy nghề… Giáo trình chia làm hai tập: Tập 1, giới thiệu kiến thức tảng Kỹ thuật robot; Tập 2, tập trung chương viết cấu trúc nâng cao kỹ thuật robot, phương pháp thiết kế robot công nghiệp, robot biến hình, robot sinh Trong giáo trình tập gồm có 10 chương, trình bày cách hệ thống kiến thức kỹ thuật robot robot công nghiệp từ phần cấu trúc chung thành phần cấu tạo robot, phân tích động học robot phần phân tích động học vận tốc, động lực học, phương pháp lập quỹ đạo chuyển động công nghệ tiên tiến tích hợp lên robot cảm biến, thị giác máy cấu truyền động cấu chấp hành cuối Để hồn thành “Giáo trình Kỹ thuật Robot”, tác giả làm việc với tinh thần trách nhiệm cao, song q trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến phản hồi từ đọc giả để hồn chỉnh giáo trình lần xuất Thư góp ý xin gửi Bộ môn Cơ điện tử - Khoa Cơ khí Chế tạo Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh thơng qua địa email: thinhnt@hcmute.edu.vn TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Tác giả PGS TS Nguyễn Trường Thịnh MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ROBOT 13 1.1 GIỚI THIỆU 13 1.2 PHÂN LOẠI ROBOT 24 1.2.1 Robot công nghiệp 25 1.2.2 Robot dịch vụ 25 1.3 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA ROBOT 29 1.3.1 Ưu điểm 29 1.3.2 Nhược điểm 29 1.4 CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG ROBOT 30 1.4.1 Phần cứng 30 1.4.2 Phần mềm 32 1.5 TƯƠNG LAI CỦA ROBOT 36 1.6 KẾT LUẬN 37 Chương 2: NỀN TẢNG ROBOT 41 2.1 GIỚI THIỆU 41 2.2 CẤU TRÚC TAY MÁY ROBOT 41 2.2.1 Khâu 41 2.2.2 Khớp 43 2.2.3 Các cấu robot 43 2.2.4 Cấu trúc không gian hoạt động 49 2.3 CÁC THÀNH PHẦN ROBOT 55 2.3.1 Khớp cổ tay 56 2.3.2 Tay gắp (Cơ cấu chấp hành cuối) 56 2.3.3 Cơ cấu chấp hành 56 2.3.4 Cảm biến 56 2.4 MỘT SỐ BIẾN THỂ CỦA CÁNH TAY ROBOT 57 2.4.1 Robot bậc tự thừa (siêu tĩnh) 57 2.4.2 Robot với phần tử linh hoạt 58 2.4.3 Bàn tay robot 59 2.5 ROBOT DI ĐỘNG 60 2.5.1 Robot có bánh xe 60 2.5.2 Robot bánh xích 62 2.5.3 Robot có chân 63 2.5.4 Robot nhảy 64 2.5.5 Robot rắn 66 2.5.6 Robot di chuyển nước 69 2.5.7 Robot bay 71 2.5.8 Robot trèo 72 2.5.9 Robot tự cấu hình 73 2.6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ROBOT 74 2.6.1 Quá trình thiết kế 74 2.6.2 Đặc điểm ảnh hưởng đến trình thiết kế 78 2.7 KẾT LUẬN 81 Chương 3: BIỂU DIỄN HƯỚNG VÀ VỊ TRÍ 83 3.1 GIỚI THIỆU 83 3.2 BIỂU DIỄN MA TRẬN 83 3.2.1 Biểu diễn điểm không gian ma trận 83 3.2.2 Biểu diễn vector không gian 84 3.2.3 Biểu diễn hệ trục tọa độ gốc hệ trục tham chiếu cố định 85 3.2.4 Biểu diễn hệ trục hệ trục tham chiếu cố định 85 3.2.5 Biểu diễn vật rắn 86 3.3 MA TRẬN CHUYỂN VỊ THUẦN NHẤT 87 3.4 BIỂU DIỄN SỰ CHUYỂN VỊ 88 3.4.1 Biểu diễn chuyển động tịnh tiến 88 3.4.2 Ma trận biểu diễn quay quanh trục 89 3.4.3 Biểu diễn chuyển vị kết hợp 92 3.5 NGHỊCH ĐẢO CỦA MA TRẬN CHUYỂN VỊ 92 3.6 PH P QUAY TH O BA GÓC UL R 96 3.7 PH P QUAY ROLL-PITCH-YAW (RPY) 97 Chương 4: ĐỘNG HỌC ROBOT 101 4.1 GIỚI THIỆU 101 4.2 BIỂU DIỄN D NAVIT – HARTENBERG CỦA BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 101 4.3 ĐỘNG HỌC THUẬN 107 4.4 ĐỘNG HỌC NGHỊCH 122 4.5 ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT 3R TỔNG QUÁT 137 4.6 ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CHẤP HÀNH CUỐI 151 4.6.1 Khớp cổ tay 151 4.6.2 Kết nối động học 154 4.7 KHÔNG GIAN KHỚP, KHÔNG GIAN D SCART S, KHÔNG GIAN NHIỆM VỤ 158 4.7.1 Không gian khớp 159 4.7.2 Không gian Descartes 159 4.7.3 Không gian nhiệm vụ 159 4.7.4 Sự suy biến, kỳ dị tính linh hoạt (Degeneracy & Dexterity) 160 4.8 KẾT LUẬN 160 Chương 5: JACOBI VÀ ĐỘNG HỌC VẬN TỐC 167 5.1 GIỚI THIỆU 167 5.2 VẬN TỐC TRONG HỆ TRỤC D SCART S VÀ VẬN TỐC GÓC 167 5.3 MA TRẬN JACOBI CỦA ROBOT 168 5.4 VẬN TỐC DÀI CỦA CƠ CẤU CHẤP HÀNH CUỐI 170 5.4.1 Vận tốc tạo khớp quay 171 5.4.2 Tịnh tiến vận tốc khớp 173 5.5 VẬN TỐC GÓC CỦA CƠ CẤU CUỐI 174 5.6 T NH TOÁN JACOBI 176 5.6.1 Jacobi robot khớp 180 5.6.2 Jacobi đoạn cổ tay robot 182 5.6.3 Jacobi robot khớp hệ tọa độ Descartes 182 5.6.4 Ma trận Jacobi robot Puma 560 185 5.6.5 Biểu diễn ma trận Jacobi 188 5.7 PH P T NH VI PHÂN TRONG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGHỊCH 190 5.8 HƯỚNG VÀ VẬN TỐC GÓC 191 5.9 VẬN TỐC KHÂU 194 5.10 ĐỘNG HỌC VẬN TỐC NGHỊCH 202 5.11 TÓM T T 205 Chương 6: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 211 6.1 GIỚI THIỆU 211 6.2 ĐỘNG LỰC HỌC LAGRANG – EULER 212 6.2.1 Lực, quán tính lượng 212 6.2.2 Phương trình chuyển động Lagrange 214 6.3 MOMENT QUÁN TÍNH 222 6.4 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC DÀNH CHO ROBOT NHIỀU BẬC TỰ DO 230 6.4.1 Động 230 6.4.2 Cấu trúc tính chất phương trình động lực học robot 240 6.5 KẾT LUẬN 241 Chương 7: BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 245 7.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG ROBOT 245 7.2 NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 249 7.2.1 Thiết kế hệ thống điều khiển vị trí vịng kín dành cho robot 249 7.2.2 Bộ điều khiển PID 251 7.3 ĐIỀU KHIỂN CẤU TRÚC NHIỀU KHÂU 256 7.4 KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI 258 7.4.1 Mơ hình khơng gian trạng thái 258 7.4.2 Mơ hình hóa 262 7.4.3 Thiết kế điều khiển PID 263 7.4.4 Áp dụng cho điều khiển vị trí 265 7.4.5 Áp dụng cho điều khiển vận tốc 265 7.5 ĐIỀU KHIỂN ROBOT PHI TUYẾN 267 7.5.1 Tuyến tính hóa 268 7.5.2 Điều khiển thích nghi hướng khác 269 7.6 ĐIỀU KHIỂN KHƠNG SỬ DỤNG MƠ HÌNH 272 7.6.1 Điều khiển logic mờ 273 7.6.2 Mạng thần kinh nhân tạo 294 7.7 HỌC VỚI MẠNG NHIỀU LỚP 298 7.8 BIỂU DIỄN N URON RIÊNG LẺ 300 7.9 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ KẾT HỢP MẠNG THẦN KINH NHÂN TẠO 303 7.10 ĐIỀU KHIỂN PID/ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG 310 7.10.1 Vòng điều khiển khớp robot 311 7.10.2 Vòng điều khiển dòng 312 7.10.3 Vòng điều khiển vận tốc vị trí 312 7.11 ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG 313 7.11.1 Thuận lợi việc điều khiển qua mạng ứng dụng 314 ... trình ? ?Kỹ Thuật Robot? ?? biên soạn cho đối tượng học viên cao học, sinh viên đại học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Kỹ thuật, trường Cao đẳng Kỹ thuật, kỹ sư giáo viên dạy nghề… Giáo trình. .. tảng Kỹ thuật robot; Tập 2, tập trung chương viết cấu trúc nâng cao kỹ thuật robot, phương pháp thiết kế robot công nghiệp, robot biến hình, robot sinh Trong giáo trình tập gồm có 10 chương, trình. .. robot, biết kỹ thuật robot sử dụng giới Cuốn giáo trình khơng có tham vọng đưa tất kiến thức robot, mà giúp cho người đọc có nhìn tồn diện cụ thể cho phần cấu trúc hình thành nên robot Giáo trình