(TIỂU LUẬN) NGHIÊN cứu xây DỰNG GIẢI THUẬT điều KHIỂN và mô PHỎNG HOẠT ĐỘNG hệ THỐNG ROBOT – đồ gá – THIẾT bị DI TRƯỢT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ****************** Nguyễn Tuấn Hưng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG ROBOT – ĐỒ GÁ – THIẾT BỊ DI TRƯỢT Chuyên ngành : Chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BÙI VĂN HẠNH Hà Nội – Năm 2016 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Nguyễn Tuấn Hưng Đề tài luận văn:Nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển mô hoạt động hệ thống robot – đồ gá – thiết bị di trượt Chuyên ngành: Chế tạo máy – Máy dụng cụ Mã số SV: CB130326 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học H ội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 28/07/2016 với nội dung sau: - Chỉnh sửa kết cấu chương phù hợp theo góp ý Hội đồng chấm luận văn - Bổ sung phần kết luận cuối chương Ngày 08 tháng 08 năm 2016 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG SĐH.QT9.BM11 Ban hành lần ngày 11/11/2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Nguyễn Tuấn Hưng - Mã HV: CB130326 Khoá 2013B – Viện Đào tạo Sau đại học – Đại học Bách khoa Hà Nội Chuyên ngành: Chế tạo máy Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển mô hoạt động hệ thống robot – đồ gá – thiết bị di trượt Tôi xin cam đoan, luận văn riêng Các số liệu tính tốn kết trình bày luận văn phát triển, chưa công bố tài liệu cá nhân khác Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2015 Tác giả Nguyễn Tuấn Hưng LUẬN VĂN THẠC S Ĩ MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Lịch sử phát triển robot 1.2 Khái niệm robot công nghiệp 1.3 Phân loại robot công nghiệp 1.4 Ứng dụng robot công nghiệp 10 1.5 Tổng quan Robot hàn 11 1.6 Robot hàn ABB-IRB1520 12 1.7 Tổng quan dạy học ngoại tuyến (teaching offline) 15 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CÁC KHÂU 16 2.1 Cơ sở khảo sát động học Robot 16 2.1.1 Các phép biến đổi tọa độ 16 2.1.2 Hệ tọa độ Denavit – Hartenberg 18 2.1.3 Quy trình gắn hệ tọa độ lên Robot 19 2.2 Thiết kế mơ hình Robot 22 2.3 Thiết kế mơ hình đồ gá thiết bị di trượt 25 2.4 Tính tốn thiết kế động học 27 2.4.1 Xây dựng cấu hình hệ tọa độ khâu 27 2.4.2 Bài toán động học ngược Robot sử dụng phương pháp Pieper 34 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC HỆ ROBOT VÀ THUẬT TOÁN NỘI SUY 40 3.1 Khảo sát động học hệ thống Robot – Đồ gá – Thiết bị di trượt 40 3.2 Các thuật toán nội suy 42 3.2.1 Nội suy đường thẳng 43 3.2.2 Nội suy đường cong 45 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH Đ ỘNG HỌC VÀ MƠ PHỎNG 51 KẾT LUẬN 56 HV: Nguyễn Tuấn Hưng - Mã HV: CB130326 HDKH: PGS.TS Bùi Văn Hạnh LUẬN VĂN THẠC S Ĩ TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Phụ lục 1: Mã nguồn thuật giải động học ngược Robot 59 Phụ lục 2: Mã nguồn chương trình nạp mơ hình biến đổi hệ toạ độ Robot – Đồ gá thiết bị di trượt 63 HV: Nguyễn Tuấn Hưng - Mã HV: CB130326 HDKH: PGS.TS Bùi Văn Hạnh LUẬN VĂN THẠC S Ĩ HV: Nguyễn Tuấn Hưng - Mã HV: CB130326 HDKH: PGS.TS Bùi Văn Hạnh LUẬN VĂN THẠC S Ĩ MỞ ĐẦU Robot khái niệm khơng cịn xa lạ sản xuất đại, nhiên Việt Nam, nghiên cứu Robot lĩnh vực mẻ có nhiều tiềm Từ loại Robot nhỏ phục vụ sống hàng ngày thuộc lĩnh vực giải trí, y tế, quân …cho đến loại Robot phục vụ cơng nghiệp, hay cịn gọi tay máy – Manipulator Đặc biệt, lĩnh vực khai thác dầu mỏ, robot hàn hồ quang đóng vai trị vơ to lớn việc hàn kết cấu phức tạp ống dẫn nhiên liệu, hệ thống khung giàn khoan, hệ thống bể chứa dung tích lớn, Phổ biến công nghiệp sản xuất linh – phụ kiện cho ô tô, xe máy, kết cấu khung gầm ô tô, kết cấu hàn khung xương nắp lưng tơ, kết cấu có đặc điểm yêu cầu suất lớn, độ xác cao có vị trí nhân trắc học không thuận lợi cho người Trong môi trường độc hại hệ thống sơn vỏ ô tơ, xe máy việc ứng dụng Robot lại thiết thực Từ tiềm ứng dụng Robot công nghiệp Việt Nam yêu cầu thiết thực đặt vậy, tác giả xây dựng luận văn nhằm giải việc tính tốn động học cho Robot tiến tới xây dựng mơ hình thực tế Nhìn nhận kỹ thuật điều khiển Robot nay, đặc biệt Robot hàn, việc xác định xác vị trí đầu mỏ hàn hướng dụng cụ vị trí hàn mở rộng không gian thao tác Robot quan trọng đảm bảo tính cơng nghệ, chất lượng mối hàn suất sản xuất Vì vậy, tác giả nghiên cứu xây dựng thuật toán để giải toán động học Robot sáu bậc tự chuỗi động hở kết hợp đồ gá quay thiết bị di trượt, bao gồm toán động học thuận toán động học ngược nhằm xác định biến khớp góc quay động dẫn động khớp Robot trục quay động dẫn động cho đồ gá thiết bị di trượt nhằm phục vụ thiết lập quỹ đạo chuyển động khâu tác HV: Nguyễn Tuấn Hưng - Mã HV: CB130326 HDKH: PGS.TS Bùi Văn Hạnh LUẬN VĂN THẠC S Ĩ động cuối Robot xác, cung cấp đầu vào cho toán điều khiển Robot phụ kiện Đề tài vào xây dựng giải toán động học ngược Robot bậc tự chuỗi động hở đặt thiết bị di trượt để nâng cao tầm vực hoạt đ ộng cho Robot, phối hợp với đồ gá để nâng cao khả công nghệ hay vươn tới vị trí tương đối mà bình thường Robot khơng thể với tới , tồn phần lập trình thuật giải động học tác giả viết ngôn ngữ C# Visual Studio 2010 kiến trúc dotNET 4.5, kết qủa mô viết ngơn ngữ C# tích hợp với thư viện đồ hoạ tiên tiến XNA Framework 4.0 Studio mang lại kết mơ trực quan xác Nội dung luận văn trình bày chương: Chương 1: Tổng quan robot Chương 2: Tính toán thiết kế động học khâu Chương 3: Khảo sát động học hệ robot thuật toán nội suy Chương 4: Chương trình tính tốn động học mô hoạt động robot Tác giả Nguyễn Tuấn Hưng HV: Nguyễn Tuấn Hưng - Mã HV: CB130326 HDKH: PGS.TS Bùi Văn Hạnh LUẬN VĂN THẠC S Ĩ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Lịch sử phát triển robot Robot yếu tố khí, nhân tạo, ảo, thường hệ thống khíđiện tử Với xuất chuyển động mình, robot gây cho người ta cảm giác có giác quan giống người Trong lĩnh vực Robot, Mỹ Nhật Bản nước đầu giới lĩnh vực Với đặc trưng sinh học - học, robot thay người số công việc lặp lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc, vận chuyển lắp ráp môi trường khắc nghiệt ngồi khoảng khơng vũ trụ, lòng đất, lò phản ứng hạt nhân Sản phẩm Robot cơng nghiệp có tên Verstran cơng ty Mỹ, vào khoảng thời gian Mỹ xuất loại Robot Unimate 1900 sử dụng lần kỹ nghệ ô tô, Mỹ nước khác bắt đầu sản xuất Robot công nghiệp Anh, Thụy Điển, Nhật Bản,… Cũng theo quyền Mỹ , nước giới chạy đua sản xuất robot công nghiệp Năm 1967 trường đại học tổng hợp Stanford Mỹ hồn thành Robot hoạt động theo mắt tay, có khả định hướng nhận biết bàn kẹp Năm 1974 công ty Cineinnati Mỹ đưa Robot điều khiển máy tính gọi Robot T3 Robot nâng vật có khối lượng 40 kg vật nặng chuyển băng tải Vào năm 80 áp dụng rộng rãi tiến kỹ thuật vi xử lý tin học, Robot gia tăng số lượng giá thành giảm Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot có bước phát tiến đáng kể vài thập niên qua Nhiều đơn vị toàn quốc nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng robot : Trung tâm tự động hóa – Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử - Tin học, Viện khoa học Công nghệ quân sự, Học viện kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học,… HV: Nguyễn Tuấn Hưng - Mã HV: CB130326 HDKH: PGS.TS Bùi Văn Hạnh LUẬN VĂN THẠC S Ĩ Bên cạnh đó, cịn phải kể đến cơng ty Cổ phần robot TOSY , doanh nghiệp thiết kế chế tạo robot việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trường quốc tế Các nghiên cứu động học động lực học robot khoa khí, chế tạo máy trường đại học viện nghiên cứu quan tâm Ngồi việc tìm phương pháp giải toán liên quan đến học loại robot nối tiếp, song song, di động , chương trình mơ kết cấu chuyển động 3D áp dụng phát triển để minh họa phục vụ cho phân tích, thiết kế robot 1.2 Khái niệm robot công nghiệp Robot cơng nghiệp lĩnh vực riêng robot, có đặc trưng riêng biệt sau: Là thiết bị vạn tự động hóa theo chương trình lập trình lại để đáp ứng cách linh hoạt khéo léo nhiệm vụ khác Được ứng dụng trường hợp mang tính cơng nghiệp đặc trưng vận chuyển xếp đỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường Do có đặc trưng nên robot cơng nghiệp định nghĩa sau: Theo viện nghiên cứu robot Mỹ đề xuất : Robot công nghiệp tay máy vạn , hoạt động theo chương trình lặp lặp lại để hoàn thành nâng cao hiệu hoàn thành nhiệm vụ khác công nghiệp, vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng khác Hay theo định nghĩa GHOST 35686-8: Robot công nghiệp tay máy đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hình dạng tay máy, có số bậc tự hoạt động thiết bị điều khiển HV: Nguyễn Tuấn Hưng - Mã HV: CB130326 HDKH: PGS.TS Bùi Văn Hạnh LUẬN VĂN THẠC S Ĩ q2 = 90.0f - t / 10.0f; q3 = -t / 10.0f; q4 = t - 120.0f; q5 = t / 5.0f - 50.0f; q6 = t; t += 0.1f; } else { t = 0.0f; } } } //Dừng chạy tự động if (is_stop) { q1 = 0.0f; q2 = 90.0f; q3 = 0.0f; q4 = 0.0f; q5 = 0.0f; q6 = 0.0f; q_A = 0.0f; q_B = 0.0f; is_analysis_orbit = false; is_number_orbit = false; } //////Di chuyen Robot ve phia trai - LEFT //Kiem tra Bam LEFT if (is_pos_dec) { rail_position -= 10.0f; if (rail_position = 1500.0f) { rail_position = 1500.0f; q_A = 0.0f; q_B = 0.0f; } } if (rail_position == 1500.0f) { jig_position = true; } if (rail_position == -1500.0f) { jig_position = false; } //////Quay truc A HV: Nguyễn Tuấn Hưng - Mã HV: CB130326 HDKH: PGS.TS Bùi Văn Hạnh 81 LUẬN VĂN THẠC S Ĩ //Kiem tra Bam A+ if (is_A_inc) { q_A += 0.2f; if (q_A >= 100.0f) q_A = 100.0f; } //Kiem tra Bam Aelse if (is_A_dec) { q_A -= 0.2f; if (q_A = 180.0f) q_B = 180.0f; } //Kiem tra Bam Belse if (is_B_dec) { q_B -= 0.2f; if (q_B = 110.0f) q5 = 110.0f; } //Kiem tra Bam RotYelse if (is_RotY_dec) { q5 -= 0.4f; if (q5