Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp

Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án, tác giả luôn nhận được sự dạy bảo của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân, đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi, GS.TS Trần Văn Địch đã tận tình dạy bảo, hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt khoá học. Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích của các thầy đã giúp tôi có định hướng và tiế p cận tốt hơn với nội dung của đề tài để có thể hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp tôi có thể tra cứu, sưu tầm tài liệu và đóng góp ý kiến để tôi hoàn thành tốt luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt khoá học. NGHIÊN CỨU SINH Đỗ Anh Tuấn 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp” đều do tôi tự thực hiện hoặc đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi và GS.TS Trần Văn Địch. Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu khác. Không hề có sự sao chép, gian lậ n kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. TM TẬP THỂ HD NGHIÊN CỨU SINH PGS. TS Phan Bùi Khôi Đỗ Anh Tuấn 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 LỜI CAM ĐOAN 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6 DANH MỤC CÁC BẢNG 8 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 9 MỞ ĐẦU 11 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT 16 1.1 Giới thiệu cấu trúc robot công nghiệp 16 1.2 Thao tác của robot công nghiệp 18 1.3 Độ chính xác của robot công nghiệp 21 1.3.1 Tổng quan về sai số và độ chính xác của robot 21 1.3.2 Ảnh hưởng của sai số trong robot 25 1.4 Một số nghiên cứu về sai số và độ chính xác của robot 26 1.5 Hướng nghiên cứu của đề tài 28 1.6 Kết luận chương 1 31 2. KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP 32 2.1 Cơ sở khảo sát động học robot 32 2.1.1 Tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 32 2.1.2 Ma trận truyền 35 2.1.3 Phương pháp tam diện trùng theo 37 2.2 Thiết lập phương trình động học robot 38 2.2.1 Ma trận trạng thái khâu thao tác của robot 38 2.2.2 Phương trình động học robot cấu trúc chuỗi hở 40 2.2.3 Phương trình động học robot cấu trúc mạch vòng 41 2.2.4 Phương trình động học robot cấu trúc song song 45 2.3 Giải thuật và chương trình giải bài toán động học 49 2.4 Khảo sát động học robot 49 2.4.1 Bài toán động học robot hàn điểm 49 2.4.2 Khảo sát động học robot hàn hồ quang 58 4 2.5 Kết luận chương 2 63 3. SAI SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA SAI SỐ 64 3.1 Các nguồn gây ra sai số 65 3.1.1 Sai số hình học, động học 65 3.1.2 Sai số phi hình học 68 3.2 Phương pháp mô hình hoá sai số 70 3.2.1 Phương pháp vi phân ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 70 3.2.2 Phương pháp vi phân phương trình động học 76 3.3 Kết luận chương 3: 83 4. KHẢO SÁT SAI SỐ ROBOT CÔNG NGHIỆP 84 4.1 Giải thuật và chương trình tính toán sai lệch vị trí và hướng 84 4.2 Khảo sát sai số trong robot hàn điểm 86 4.2.1 Thiết lập mô hình khảo sát 86 4.2.2 Kết quả khảo sát 86 4.3 Khảo sát sai số trong robot hàn hồ quang 88 4.4 Kết luận chương 4 89 5. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SAI SỐ HÌNH HỌC, ĐỘNG HỌC CỦA KHÂU, KHỚP ROBOT 91 5.1 Cơ sở phương pháp xác định sai số của khâu, khớp 91 5.1.1 Phương pháp ma trận giả nghịch đảo Moore-Penrose 93 5.1.2 Phương pháp bình phương tối thiểu tuyến tính kết hợp giải thuật di truyền93 5.2 Giải thuật di truyền 95 5.2.1 Giới thiệu 95 5.2.2 Các khái niệm cơ bản 96 5.2.3 Mô hình giải thuật di truyền 97 5.2.4 Các tham số của GA 98 5.2.5 Mã hoá NST 98 5.2.6 Khởi tạo quần thể ban đầu 100 5.2.7 Các toán tử di truyền 101 5.2.8 Chiến lược nạp lại quần thể 104 5.3 Ứng dụng giải thuật di truyền xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp robot 104 5.3.1 Xác định sai số hình học, động học cho robot 2 bậc tự do: 105 5.3.2 Xác định sai số hình học, động học cho robot 6 tự do: 107 5.4 Kết luận chương 5 113 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 114 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 121 PHỤ LỤC 123 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải nội dung Đơn vị a i Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox mm i  Góc quay quanh trục ox rad CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing c i j Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận Cq i cos(qi) Cq i j cos(q i +q j ) CNC Computer Numerical Control D-H Denavit-Hartenberg d i Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz mm de M Véc tơ sai lệch vị trí và hướng khâu thao tác de Véc tơ sai số trong các khâu, khớp trung gian dq Véc tơ sai số động học ds Véc tơ sai số hình học i dT Vi phân của ma trận 1i i T  N dT Vi phân của ma trận N T e Véc tơ gia số sai lệch vị trí và hướng của robot GA Genetic Algorithm – Giải thuật di truyền IR Industrial Robot n Số bậc tự do của robot NC Numerical Control p Véc tơ vị trí và hướng của khâu thao tác q Véc tơ tham số động học q i Biến khớp thứ i rad i q Vận tốc biến khớp thứ i rad/s i q Gia tốc biến khớp thứ i rad/s 2 s Véc tơ tham số hình học Sq i sin(qi) 7 Sq i j sin(q i +q j ) t Thời gian s 1i i T  Ma trận truyền giữa khâu i-1 và khâu i T T Ma trận nghịch đảo của ma trận T T N Ma trận chuyền từ khâu n về khâu 0 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: Cấu trúc bảng dữ liệu các điểm hàn đối với hệ tọa độ đồ gá 51 Bảng 2-2: Bảng tham số các điểm hàn đối với hệ tọa độ đồ gá 55 Bảng 2-3: Mô hình hóa đường cong mối hàn 60 Bảng 4-1: Giá trị sai số hình học, động học của robot 88 Bảng 5-1: Bảng dữ liệu đo sai lệch ở những điểm khảo sát 92 B ảng 5-2: Dữ liệu đo sai lệch theo trục x và y: 106 Bảng 5-3: Giá trị sai số hình học, động học của robot 2 bậc tự do 107 Bảng 5-4: Bảng dữ liệu đo sai lệch tại 10 điểm đo 108 Bảng 5-5: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 1 109 Bảng 5-6: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lầ n 2 110 Bảng 5-7: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 3 110 Bảng 5-8: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 4 111 Bảng 5-9: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 5 111 9 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 0-1: Robot trên dây chuyền hàn thân xe ô tô 11 Hình 0-2: Robot ứng dụng trong y tế 11 Hình 0-3: Robot ứng dụng rà phá bom mìn 12 Hình 1-1: Hình ảnh một số loại robot công nghiệp phổ biến 16 Hình 1-2: Các thành phần chính của robot công nghiệp. 17 Hình 1-3: Mô hình robot 3 bậc tự do 19 Hình 1-4: Vị trí, hướng và quỹ đạo của khâu thao tác 20 Hình 1-5: Quỹ đạo công nghệ của các mối hàn điểm 20 Hình 1-6: Biểu diễn sai số do dung sai, biến dạng trong khâu 21 Hình 1-7: Sai số trong mô hình robot 1 khâu 23 Hình 1-8: Sai lệch quỹ đạo của robot 25 Hình 1-9: Sai số trong robot gây ảnh hưởng đến vị trí mối hàn. 25 Hình 1-10: Sai số trong robot gây sai lệch vị trí và hướng của dụng cụ cắt gọt trong robot gia công. 26 Hình 2-1: Mô hình điểm P thuộc vật rắn 33 Hình 2-2: Các tham số động học D-H: q, d, a và  35 Hình 2-3: Các tham số động học theo phương pháp tọa độ suy rộng: a, b, c, α, β và  36 Hình 2-4: Mô hình hóa quỹ đạo hàn 38 Hình 2-5: Tam diện vuông gắn điểm hàn và súng hàn 38 Hình 2-6: Robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở 40 Hình 2-7: Robot cấu trúc mạch vòng 42 Hình 2-8: Robot cấu trúc song song 45 Hình 2-9: Mạch động học chân 1 của robot song song 46 Hình 2-10: Dây chuyền robot hàn thân xe ô tô 49 Hình 2-11: Mô hình cơ hệ robot hàn và thân xe ô tô trên dây chuyền hàn tự động 50 Hình 2-12: Robot hàn điểm 6 bậc tự do, các hệ tọa độ khâu 50 Hình 2-13: Các điểm hàn 1, 2, 3 51 Hình 2-14: Tọa độ súng hàn theo phương x, y, z 56 Hình 2-15: Hình ảnh mô phỏng động robot hàn thân xe ô tô khi đồ gá cố định 56 Hình 2-16: Hình ảnh mô phỏng động robot hàn thân xe ô tô khi đồ gá di động 58 Hình 2-17: Mô hình robot hàn hồ quang thực hiện mối hàn nối 2 ống dẫn khí 58 Hình 2-18: Quỹ đạo mũi hàn 61 10 Hình 2-19: Tọa độ mũi hàn theo phương x, y, z 62 Hình 2-20: Quy luật chuyển động của các khâu của robot. 62 Hình 2-21: Hình ảnh mô phỏng động robot hàn hồ quang 63 Hình 3-1: Các sai số trong khớp trượt 66 Hình 3-2: Các sai số trong khớp quay 67 Hình 3-3: Ước lượng sai lệch vị trí và hướng của một khớp quay 67 Hình 3-4: Biểu diễn sai số theo phương pháp D-H 71 Hình 3-5: Biểu diễn sai số theo phương pháp tọa độ suy rộng 71 Hình 3-6: Robot nối tiếp chuỗi hở có n khâu động 73 Hình 4-1: Lưu đồ giải thuật tính sai lệch vị trí và hướng của robot 85 Hình 4-2: Mô hình robot hàn thân xe và quỹ đạo các điểm hàn 86 Hình 4-3: Mô phỏng kiểm tra sai lệch của khâu thao tác do sai số a – khi không có sai số, b - khi có sai 87 Hình 4-4: Sai lệch về quỹ đạo điểm tác động cuối của robot 89 Hình 4-5: Sai lệch về quỹ đạo điểm tác động cuối của robot 89 Hình 5-1: Hình minh họa bình phương tối thiểu tuyến tính [35]. 94 Hình 5-2: Sơ đồ mô tả giải thuật di truyền 97 Hình 5-3: Giao diện công cụ Genetic Algorithm trong Matlab [38] 105 Hình 5-4: Robot 2 bậc tự do 106 Hình 5-5: Kết quả xác định sai số cho robot 2 bậc tự do 107 Hình 5-6: Kết quả xác định sai số lần 1 109 Hình 5-7: Kết quả xác định sai số lần 2 110 Hình 5-8: Kết quả xác định sai số lần 3 110 Hình 5-9: Kết quả xác định sai số lần 4 111 Hình 5-10: Kết quả xác định sai số lần 5 111 Hình 5-11: Lưu đồ thu ật toán hiệu chuẩn robot 112 [...]... số hình học, động học trong khâu, khớp robot Đưa ra các mô hình sai số của khâu, khớp robot, xây dựng mô hình toán học các sai số hình học, động học của khâu, khớp và sai lệch vị trí, hướng khâu thao tác của robot Chương 4: Khảo sát sai số robot công nghiệp Nội dung của chương này là đưa ra thuật toán và chương trình phần mềm để khảo sát sự ảnh hưởng của sai số hình học, động học của khâu, khớp tới sai. .. sai số hình học, động học của một số cấu trúc robot công nghiệp phổ biến, phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu về vấn đề sai số trong robot công nghiệp Mô hình sai số của robot mà luận án xây dựng được cho phép xác định, đánh giá hoặc dự đoán sai lệch, qua đó dự đoán được độ chính xác của robot trên cơ sở phạm vi sai số của các khâu, khớp robot đã được xác định Đồng thời mô hình sai số của robot. .. 2: Khảo sát động học robot công nghiệp Nội dung chủ yếu của chương này là trình bày cơ sở khảo sát động học robot công nghiệp, thiết lập phương trình động học robot, xây dựng giải thuật và chương trình tính toán động học thuận và động học ngược của robot Khảo sát động học của một số robot Chương 3: Sai số và phương pháp mô hình hoá sai số Trong chương này của luận án trình bày các nguồn gây ra sai số. .. gian của robot mà không bỏ qua những sai số bậc cao; khảo sát ảnh hưởng sai số đến sai lệch vị trí và hướng và vấn đề tìm sai số trong các khâu, khớp trung gian khi xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot Trong các chương tiếp theo của luận án sẽ lần lượt trình bày từng nội dung nghiên cứu cụ thể để xây dựng mô hình sai số cho robot công nghiệp, khảo sát ảnh hưởng của sai số của. .. gây ra sai lệch Sự rung động của hệ thống công nghệ cũng ảnh hưởng đến sai số của robot Có nhiều nguyên nhân gây ra sai số trong robot như trình bày ở trên, tùy theo sai số tồn tại trong đối tượng, dạng sai số nào mà người ta phân loại ra các sai số trong robot: sai số hình học, động học và sai số phi hình học [10, 13, 17, 19, 20, 23, 25, 27, 30] Sai số hình học, động học là các sai số do dung sai chế... cứu, thiết kế, chế tạo và sử dụng robot Vì lý do trên, đề tài Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp được tác giả lựa chọn trong khóa học nghiên cứu sinh Mục đích nghiên cứu Xây dựng cơ sở khoa học để khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của sai số của các khâu, khớp trung gian đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot, hoặc ngược lại, xác định giá trị các sai số của các khâu, khớp trung... tránh khỏi những sai số, nhưng ta cần tìm cách giảm tối đa sai số, khống chế sai số trong một phạm vi cho phép Nội dung tiếp theo trình bày về vấn đề sai số, độ chính xác của robot công nghiệp 1.3 Độ chính xác của robot công nghiệp 1.3.1 Tổng quan về sai số và độ chính xác của robot 1.3.1.1 Tổng quan về sai số Trong kỹ thuật, sai số hay sai lệch là sự sai khác về giá trị thực tế đạt được của một đối tượng... toán của chính nó - Về dạng sai số ảnh hưởng tới độ chính xác của robot: các nghiên cứu chỉ ra rằng các yếu tố sai số chia thành hai nhóm:  Sai số của các tham số hình học, động học (một số tài liệu gọi chung là sai số hình học): độ dài của khâu, góc xoắn khâu, hướng của trục khớp  Sai số của các yếu tố phi hình học: sai số trong bộ truyền bánh răng do bước răng hoặc profile của răng bị sai khi gia công, ... bởi các sai số hình dạng và kích thước của các khâu, khớp Các sai số chủ yếu đến từ sai lệch trong quá trình chế tạo và lắp ráp, không đồng tâm của các trục máy, sai số vị trí và độ thẳng của mỗi trục, sai số động phẳng, sai số chiều dài khâu, sai số góc bao gồm các góc roll, pitch, yaw, sai số độ vuông góc, sai số độ song song các sai số tăng lên do độ mòn, biến dạng đài hồi, tải trọng, độ mềm của nền... cứu đã được công bố như tác giả trình bày ở trên Tuy nhiên, chưa có công trình nào trong nước được công bố đầy đủ, chi tiết và rõ ràng kết quả xây dựng mô hình sai số robot công nghiệp; khảo sát sự ảnh hưởng của sai số của các khâu, khớp trung gian đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác và các đưa ra giải thuật, chương trình, giải thuật và công cụ hiện đại để tìm giá trị sai số của các khâu, . 2 63 3. SAI SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA SAI SỐ 64 3.1 Các nguồn gây ra sai số 65 3.1.1 Sai số hình học, động học 65 3.1.2 Sai số phi hình học 68 3.2 Phương pháp mô hình hoá sai số 70 3.2.1. 4. KHẢO SÁT SAI SỐ ROBOT CÔNG NGHIỆP 84 4.1 Giải thuật và chương trình tính toán sai lệch vị trí và hướng 84 4.2 Khảo sát sai số trong robot hàn điểm 86 4.2.1 Thiết lập mô hình khảo sát 86. Thao tác của robot công nghiệp 18 1.3 Độ chính xác của robot công nghiệp 21 1.3.1 Tổng quan về sai số và độ chính xác của robot 21 1.3.2 Ảnh hưởng của sai số trong robot 25 1.4 Một số nghiên