Đồ án tốt nghiệp xây dựng chương trình tính toán động học, động lực học hệ tay máy hở tổng quát

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DH Denavit Hartenberg GUI Graphical User Interface GUIDE Graphical User Interface Development Environment CS Coordinate system CG Center of gravity DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU Trong nghiệp cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước, khoa học cơng nghệ đóng vai trị quan trọng, đặc biệt lĩnh vực Cơ điện tử tự động hóa hệ thống sản xuất Cùng với hội nhập, phát triển khoa học công nghệ nước nhà, việc ứng dụng loại robot nhằm mục đích nâng cao suất, giải phóng sức lao động người ngày quan tâm ứng dụng rộng rãi Đi đơi với nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao, phục vụ cho cơng cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Chính thế, phần lớn trường đại học nghiên cứu, mở rộng việc đào tạo nhân lực ngành Cơ điện tử, để khai thác, sử dụng, vận hành hệ thống robot cao n ữa nghiên cứu thiết kế hệ thống robot made in Việt Nam thay th ế cho hệ thống tự động nhập đắt tiền Từ thập niên 90 trở lại đây, nghiên cứu ứng dụng robot công nghi ệp ngày nhiều, phải kể đến robot có cấu trúc n ối tiếp Để có th ể xây dựng toán điều khiển robot trước hết cần phải gi ải b ài toán động học động lực học robot Kết toán tham số đầu vào quan trọng cho tất nghiên cứu ti ếp theo v ề robot Hiện tại, việc giải lớp toán phần lớn thực thủ công tay địi hỏi nhiều kỹ tính tốn, bên cạnh hiệu qu ả vi ệc tính tốn theo phương pháp thấp, khả xảy sai sót lớn khối lượng tính tốn lớn, phép toán ma tr ận ph ức t ạp, th ường ch ỉ gi ải quy ết trường hợp đơn lẻ, cụ thể Ở môn C học ứng d ụng, Viện Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội xây d ựng chương trình ROBOTDYN phục vụ cho việc tự động hóa tính tốn tốn Tuy nhiên, sản phẩm đặc thù họ, việc tiếp cận khai thác ph ần mềm khó khăn, khơng nói khơng thể sinh viên Với mục đích tạo cơng cụ tự động hóa tính tốn động học, động lực học, mơ động học robot thuận tiện cho trình học tập, nghiên cứu sinh viên, trình giảng dạy giáo viên, em ch ọn đề tài mang tên: “Xây dựng chương trình tính tốn động học, động lực học hệ tay máy hở tổng quát” Do thời gian không cho phép, nên phạm vi c đồ án l h ệ tay máy hở bậc tự xác định trước cấu hình theo phương pháp DenavitHartenberg, đồ án tập trung giải nội dung chủ yếu sau: - Tìm hiểu phương pháp tính tốn động học, động lực học tay máy - phục vụ cho việc xây dựng chương trình Xây dựng chương trình tính tốn động học, động lực học, mô - động học tay máy Tìm hiểu phương pháp, cách thức mơ hình hóa tay máy d ựa v gói cơng cụ SimMechanics Matlab phần mềm đồ họa Solidworks Trong trình thực đồ án này, kiến th ức robot có h ạn, th ời gian tài liệu nghiên cứu cịn nên đồ án em cịn nhiều thi ếu sót, mong góp ý thầy bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hoàng Long, th ầy Nguy ễn Hữu Phúc tồn thể thầy môn Robot đặc biệt & C điện tử giúp em hoàn thành đồ án Hà Nội, ngày…tháng…năm 2012 Sinh viên thực CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TAY MÁY Tay máy Tay máy phần sở, định khả làm việc Robot cơng nghiệp Đó cấu khí gồm khâu, khớp, chúng hình th ành cánh tay để tạo chuyển động bản, cổ tay tạo nên khéo léo, linh hoạt bàn tay để trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng Kết cấu tay máy Ý tưởng ban đầu việc thiết kế chế tạo tay máy theo cấu tạo chức tay người.Về sau, khơng cịn điều kiện b buộc Tay máy đa dạng nhiều loại với dáng vẻ khác r ất xa với tay người Tuy nhiên k ỹ thuật robot ng ười ta v ẫn dùng thuật ngữ quen thuộc, vai (Shoulder), cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), b àn tay (Hand) khớp (Ariculation), … để tay máy phận Trong thiết kế sử dụng tay, máy người ta thường quan tâm đến - thơng số có ảnh hưởng lớn đến khả làm việc chúng, như: Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp tay máy Tầm với hay vùng làm việc: kích thước hình dáng vùng mà phần cơng tác - vươn tới Sự khéo léo, nghĩa khả định vị định hướng phần công tác vùng làm việc Thông số liên quan đến số bậc tự phần cơng tác Các tay máy có đặc điểm chung kết cấu l cấu t ạo b ởi m ột s ố khâu (Links), nối với nhờ khớp (Joints), tạo th ành chu ỗi động học Một đầu chuỗi động học nối với giá (base), cịn đầu nối với phần cơng tác Mỗi khâu hình thành với khớp phía tr ước m ột cặp khâu–khớp Tùy theo kết cấu mà loại khớp đảm bảo cho khâu n ối sau khả chuyển động định Mỗi khớp đặc trưng tham số: - Các tham số khơng thay đổi q trình làm việc tay máy - gọi tham số Các tham số thay đổi tay máy làm việc, gọi biến khớp Hai loại khớp thông dụng kỹ thuật tay máy l kh ớp tr ượt v kh ớp quay Chúng khớp có bậc tự Phân loại tay máy Tuy theo số lượng cách bố trí khớp tạo tay máy kiểu tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA kiểu tay người 3.1 Tay máy kiểu tọa độ đề các: Tay máy gọi kiểu chữ nhật, dùng khớp trượt, cho phép phần công tác thực cách độc lập chuyển động thẳng, song song với trục tọa độ Vùng làm việc tay máy có dạng hộp chữ nhật Do đơn giản kết cấu, tay máy kiểu có độ cứng Hình 1.: Tay máy kiểu tọa độ đề vững cao, độ xác đảm bảo đồng tồn vùng làm việc, khéo léo.Vì vậy, tay máy kiểu đề dùng ch ủ y ếu vận chuyển lắp ráp 3.2 Tay máy kiểu tọa độ trụ Khác với tay máy kiểu đề khớp : Dùng khớp quay thay cho khớp tịnh tiến Vùng làm việc có dạng trụ rỗng Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy “thò” vào khoảng rỗng nằm ngang Độ cứng vững học tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, độ xác định vị góc mặt phẳng nằm ngang giảm tầm với tăng 3.3 Tay máy kiểu tọa độ cầu Hình 1.:Tay máy kiểu tọa độ trụ Khác kiểu trụ khớp thứ thay khớp quay Nếu quỹ đạo chuyển động phần công tác mơ tả tọa độ cầu bậc tự tương ứng với khả chuyển động vùng làm vi ệc l khối cầu rỗng Độ cứng vững loại tay máy thấp loại tay máy độ xác định vị phụ thuộc vào tầm với Tuy nhiên, loại “ nhặt ” vật SCARA 3.4 Đây kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm khớp quay khớp tịnh tiến, có trục song song vơi Kết cấu làm tay máy cứng vững Hình 1.: Tay máy kiểu tọa độ cầu theo phương ngang Loại chuyên dùng cho công nghệ lắp ráp với tải trọng nhỏ, theo Vùng làm việc SCARA phần phương thẳng đứng hình trụ rỗng Hình 1.: Tay máy kiểu SCARA Tay máy kiểu tay người Có khớp khớp quay, 3.5 trục thứ vng góc với trục Do tương tác với tay người, khớp thứ gọi khớp vai, khớp thứ gọi khớp khủy tay Với kết cấu này, khơng có tương ứng khả chuyển động khâu số bậc tự Tay Hình 1.: Tay máy kiểu tay người máy làm việc khéo léo, độ xác định vị phụ thuộc v ị trí c phần cơng tác vùng làm việc Vùng làm việc tay máy ki ểu n ày g ần giống khối cầu CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY I ĐỘNG HỌC TAY MÁY Động học tay máy nghiên cứu chuyển động khâu robot phương diện hình học, khơng quan tâm tới lực moment gây chuy ển động Động học tay máy giải vấn đề: - Bài toán động học thuận: Căn vào biến khớp để xác định vùng làm việc phần công tác mô tả chuyển động phần công tác vùng - làm việc Bài tốn động học ngược: Xác định biến khớp để đảm bảo chuyển động cho trước phần cơng tác Hình Bài tốn động học thuận, động học ngược Bài toán động học thuận Bài tốn động học thuận nhằm mơ tả (vị trí hướng) phần công tác dạng hàm số biến khớp Giải toán động học thuận robot thực chất cho trước cấu hình robot quy luật chuyển động khâu, t xác định quy luật chuyển động bàn kẹp (đi ểm tác động cu ối): vị trí bàn kẹp, vận tốc bàn kẹp, gia tốc chuyển động bàn k ẹp, v ận t ốc góc, gia tốc góc v.v… Để giải tốn động học thuận ta dùng phương pháp hình học giải tích Phương pháp thường áp dụng cho cấu đơn giản Để giải toán tổng quát ta cần phương pháp gi ải chung Có ph ương pháp sử dụng phổ biến: Phương pháp Denavit-Hartenberg 10 phương pháp Craig Trong nội dung đồ án xin trình bày phương pháp Denavit-Hartenberg 1.1 Phép biến đổi ma trận biến đổi Cho hệ quy chiếu R0 = {Ox0 y0 z0 } R1 = {Ox1 y1z1} hình vẽ Tọa độ điểm P hệ quy chiếu R0 r rp , hệ quy r uP chiếu R1 Khi ta có: r r r rP = rA + uP (1.1) Trong hệ quy chiếu R0 biểu thức (2.1) có r r r(0) rP(0) = rA(0) + u P (1.2) dạng: Hình Gọi A ma trận cosin hướng hệ quy chiếu R1 hệ quy chiếu R0  a11 a12 A =  a21 a22   a31 a32  Khi ta có hệ thức: a13  a23   a33   u (0) = Au (1) P P (1.3) Thế (2.3) vào (2.2) ta được: (0) (0) rP = rA + Au (1) P  x   x   a11 a12  (0)   (0)    yP  =  y A  +  a21 a22  z (0)   z (0)   a a  P   A   31 32 (0) P (0) A (1.4) a13  u   (1)  a23  u Py   a33  u (1)    Pz  (1) Px Nếu sử dụng khái niệm tọa độ ta có: (0)  xP   a11 a12  (0)    yP  =  a21 a22  z (0)   a a  P   31 32   0   Hay: a13 a23 a33 (1) (0) x A  u Px    (1)  y (0)  u Py  A (1) z (0)  u Pz  A        (1.5) (1.6) 60 Download SimMechanics Link: 1) Truy cập web theo địa để download SimMechanics Link tương ứng với phiên Matlab http://www.mathworks.com/products/simmechanics/download_smlink.html 2) Download file install_addon.m file *.zip (file nén) kèm Lưu file vào Folder Cài đặt SimMechanics Link: 1) Khởi động Matlab 2) Lựa chọn Current Directory thư mục chứa file download 3) Tại cửa sổ lệnh Matlab, nhập lệnh: install_addon('zip_file_name') Trong ‘zip_file_name’ tên file zip Ví dụ: install_addon(‘smlink.r2012a.win32.zip’) 4) Khi cài đặt thành cơng, cửa sổ lệnh Matlab có tin nhắn báo q trình cài đặt thành cơng 1.2 Liên kết SimMechanics Link với Solidworks - Sau cài đặt thành công SimMechanics Link, từ cửa sổ l ệnh - Matlab nhập lệnh: smlink_linksw Nếu liên kết thành công có tin nhắn báo Để hồn thành liên kết, khởi động Solidworks Chọn Add-Ins công cụ Hộp thoại Add-Ins mở ra, tích chọn SimMechanics Link nh hình vẽ Sau chọn OK 61 Hình 4.: Add-Ins Solidworks Đến q trình liên kết hồn tất Mơ hình hóa robot dựa vào Solidworks 2.1 Chuyển file CAD Assembly thành file định dạng *.xml - Hình 4.: Chuyển file CAD assembly thành Physical Modeling XML file Sau thiết kế lắp ráp khâu robot tạo thành file Assembly, t c ửa sổ Solid, chọn File  Save As Đặt tên mục File name, chọn 2.2 SimMechanics Link (*.xml) mục Save as type Sau lưu ta thu file *.xml, file dạng *.stl tương ứng với khâu cấu thành robot Tạo mơ hình SimMechanics 62 Hình 4.: Tạo mơ hình SimMechanics từ file Physical Modeling XML Từ cửa sổ lệnh Matlab nhập lệnh: Mech_import Khi cửa sổ ra: Hình 4.: Hộp thoại Import Physical Modeling XML - Trong mục XML file, chọn file XML cần thiết Mục Import mode cho phép tạo mơ hình mới, cập nhật thay đổi mơ hình đến mơ hình tồn - … Sau thiết lập xong, chọn OK Kết thu mơ hình SimMechanics robot Để mô robot ta cần thêm khối Joint Actuator, Joint Sensors, Scope 63 Mô robot Với toán động học ngược, sau thực tính tốn xong ta s ẽ thu góc quay, vận tốc, gia tốc suy rộng khâu Với toán động lực học ngược, ta thu mơ men Với tốn động học thuận, ta thu góc quay, vận tốc, gia tốc suy rộng c t ừng khâu Sử dụng khối FromFile để đọc giá trị 64 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN Kết thử nghiệm, đánh giá Để so sánh, đánh giá kết mà chương trình mang lại so v ới phương pháp tính th ủ cơng, ta xét ví dụ: Xét hệ tay máy Scara bậc tự Các thơng số cụ thể trình bày Phụ lục 1: Ví dụ ứng dụng chương trình Thực tính tốn theo cách - Cách 1: Tính tốn thủ công (Trang 1: - Phụ lục 1) Cách 2: Áp dụng chương trình (Trang 5:8 - Phụ lục 1) So sánh kết tính tốn theo cách ta th k ết qu ả tính tốn theo cách giống Bên cạnh đó: - Nếu đơn thực tính tốn tay tốn nhiều th ời gian, v d ễ nh ầm lẫn Đặc biệt tính tốn đến toán động học ngược, động lực học khối lượng tính tốn tăng lên, thời gian tính tốn lớn dễ nhầm lẫn.Tuy nhiên, với chương trình, người sử dụng cần nhập tham số, chương trình t ự động tính tốn, thời gian tính tốn giảm nhiều, nhầm lẫn xảy - - - trình người sử dụng nhập tham số vào chương trình Một số kết tính tốn chương trình (Ma trận DH, vận tốc góc khâu, ma trận khối lượng suy rộng, ma trận Coriolis, phương trình vi phân chuyển động, …) hiển thị cửa sổ lệnh Matlab, thuận tiện cho người s d ụng theo dõi, ki ểm tra Sau thực tính tốn tốn (Động học ngược, động lực học) , chương trình cho phép vẽ đồ thị tương ứng với kết tính tốn được, kết q trình tính tốn chương trình lưu lại, phục vụ cho m ục đích c người sử dụng Với phần mơ động học, chương trình cho phép đọc file *.STL c t ừng khâu, thay đổi màu sắc khâu theo ý muốn, làm cho trình mơ sinh động, trực quan Ở phần này, người sử dụng sử dụng phần mềm đồ họa Autodesk, 65 Inventor, SolidWorks, Pro-E,… để vẽ khâu robot, sau xu ất sang file định d ạng *.STL theo mã ASCII Để mô đúng, yêu cầu khâu phải vẽ hệ tọa độ gắn với khâu Các hệ tọa độ xác định theo phương pháp Denavit- Hartenberg - Về phần giao diện chương trình, chương trình có giao diện riêng phục vụ cho toán: Tính tốn động học thuận, động học ngược, động lực học, mơ động học.Trên giao diện có phân bố rành mạch vùng nhập liệu liên quan đến toán, di chuột đến vị trí nhập liệu có thích lên ch ỉ dẫn cho người sử dụng Các giao diện chương trình: Hình 5.: Giao diện 66 Hình 5.: Tính tốn động học thuận Hình 5.: Tính tốn động lực học thuận 67 Hình 5.: Tính tốn động học ngược Hình 5.: Tính tốn động lực học ngược 68 Hình 5.: Mơ robot Kết luận Sau tháng thực đồ án, với s ự n ỗ lực c thân v s ự h ướng d ẫn t ận tình thầy Nguyễn Hoàng Long, thầy Nguyễn Hữu Phúc thầy cô b ộ môn Robot đặc biệt & Cơ điện tử - Khoa Hàng không vũ trụ, đồ án ho àn thành thời gian quy định, đáp ứng yêu cầu đặt Kết đạt được: - Tìm hiểu thuật tốn tính tốn động học, động lực học hệ tay máy hở phục vụ cho xây - dựng chương trình Xây dựng chương trình tính tốn động học, động lực học, mơ động học hệ tay - máy hở Phương pháp, cách thức mơ hình hóa, mơ robot dựa vào phần m ềm đồ họa SolidWorks gói cơng cụ SimMechanics Matlab Hướng ứng dụng chương trình: Sử dụng làm phần mềm bổ trợ cho mơn học: Phân tích c h ệ nhi ều vật nh máy tính, Kỹ thuật Robot Hướng phát triển đồ án: - Tối ưu thuật toán cách thức lập trình Mở rộng tính tốn, mơ cho tay máy có số bậc tự lớn số c hệ song - song Xây dựng chương trình cho phép điều khiển, giám sát mơ hình robot thực tế 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Khang, Chu Anh Mỳ, Cơ sở Robot công nghiệp, Nhà xuất giáo dục Việt Nam, Hà Nội 2011 [2] Đào Văn Hiệp, Kỹ Thuật Robot, Nhà xuất khoa học k ỹ thu ật, Hà Nội 2011 [3] Phạm Đăng Phước, Robot công nghiệp, Nhà xuất sư phạm k ỹ thuật, thành phố Hồ Chí Minh [4] Nguyễn Tăng Cường, Matlab, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2011 [5] Nguyễn Trọng Hữu, Hướng dẫn sử dụng SolidWorks 2008, Nhà xuất giao thông vận tải [6] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học – Kỹ thuật [7] http://www.mathworks.com/products/matlab/ ... Tìm hiểu phương pháp tính tốn động học, động lực học tay máy - phục vụ cho việc xây dựng chương trình Xây dựng chương trình tính tốn động học, động lực học, mơ - động học tay máy Tìm hiểu phương... 9 CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY I ĐỘNG HỌC TAY MÁY Động học tay máy nghiên cứu chuyển động khâu robot phương diện hình học, khơng quan tâm tới lực moment gây chuy ển động Động học. .. dẫn động cần thiết cho khâu dẫn robot Bài toán gọi toán động lực học ngược Bài toán động lực học ngược mặt phải dựa vào toán động học ngược, m ặt liên quan đến b ài toán điều khiển chuyển động