Khảo sát động họ rô bốt tác hợp

Tớnh c ph ng ỏc ươtrỡnh động học và kh sỏt ng h robot tỏảo độ ọc c hợpChương III : Tớnh toỏn, mụ phỏng động học Robot tỏc hợp Trang 10 7 --- CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT1.1 Giới thiệu c

bộ giáo dục và đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội

1 -

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

NGUYỄN THỊ THANH VÂN

NGƯỜI H ƯỚ N G DẪN KHOA HỌC: TS PHAN BÙI KHÔI

HÀ NỘI 2008

2

-

MỤC LỤC MỤC LỤC 2

LỜI CAM KẾT 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 7

TỔNG QUAN VỀ ROBOT 7

1.1 Gi ới thiệu chung về Robot 7

1.1.1 Sơ lược về lịch sử ra đời của Robot 7

1.1.2 Cấu trúc động học của Robot 11

1.1.3 Bậc tự do chuyển động của Robot 13

1.1.4 Hệ thống dẫn động 14

1.1.5 Hệ hống điều khiển Robot t 15

1.2 Phân loại Robot 16

1.3 Các ứng dụng trong đời sống của Robot 18

1.4 Giới thiệu về Robot tác hợp 23

1.4.1 Giới thiệu Robot tác hợp 23

1.4.2 Các cấu trúc Robot tác hợp MRM 24

1.5 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học robot 26

1.5.1 Bài toán động học, các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 26

1.5.2 Thiết lập hệ phương trình động học của robot cấu trúc liên tục 27

CHƯƠNG 2 35

KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 35

2.1 Cơ sở lý thuyết 35

2.1.1 Mô hình hóa thao tác công nghệ tương hỗ giữa dụng cụ và đối tượng công nghệ 35

2.1.2 Xác định điều kiện công nghệ 38

2.2 Thiết lập phương trình động học robot tác hợp 38

2.2.1 Các hệ tọa độ 38

2.2.2 Thiết lập hệ phương trình động học robot MRM 44

2.3 Các bài toán động học robot tác hợp 47

2.3.1 Bài toán thuận của động học robot MRM 48

2.3.2 Bài toán ngược của động học ro bot MRM 51

CHƯƠNG 3 56

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 56

3.1 Phần mềm MAPLE và ứng dụng 56

3.1 1 Sơ lược về Maple 56

3.1.2 Một số cú pháp lệnh cơ bản 56

3.2 Áp dụng tính toán 62

3.2.1 Mô hình tính toán 62

3.2.2 Các dữ liệu, bảng thông số Den avit-Hartenberg 64

3.2.3 Các kết quả tính toán 65

3

-

3.3 Mô phỏng chuyển động của MRM 68

3.3.1 Ngôn ng l p trình VisuaL C++ và ữ ậ ứ ng dụ ng MFC 68

3.3.2 Thư viện đồ ọ h a OpenGL 68

3.3.3 Công cụ Object ARX 69

3.3.4 Chương trình mô phỏng 69

3.3.5 Thao tác với chương trình mô phỏng 70

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

4 -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam oan t lu n v n đ đề ài ậ ă “Khảo sát động học Robot tác hợp” là k t ế

qu nghiêả n cứu ủa c tôi C k t qu nghiêác ế ả n cứu được tính toán là hoàn toàn trung th và ực chưa được công b b t k công trình nàố ở ấ ỳ o khác trước đây ấ T t

c c thôả ác ng tin mà tôi tham kh ho thành lu n vảo để àn ậ ăn n y sẽ được ệtà li kê chi ti t trong ph n t li u tham kh o ế ầ ài ệ ả

H viên ọc

Nguy n Th ễ ịThanh Vân

5 -

LỜI NÓI ĐẦU

Trên th gi , c nế ới ở ác ước công nghi phát tri n, robot ệp ể được áp dụng ngày m r ng rãột ộ i, phổ ế bi n trong nhi u l v c s ng và sề ĩnh ực ủa đời ố ản xuất công nghi Robot có nhi u lo v tính n ng khác nhau tu thu l nh v ệp ề ại ới ă ỳ ộc ĩ ựcnghiên c ng d ng Trong robot t h p gứu ứ ụ đó ác ợ ồm có hai tay má áy t c hợpchuy n ng v ể độ ớinhau Một tay m y để ữá gi và mang chi ti t gia côế ng, một tay

máy để mang dụng c gia công V robot nà ó nhi u u iụ ới y c ề ư đ ểm nổi ật b thao

tá ông ngh , thíc c ệ ch ứng nhanh và kinh t ếkhi cần thay c quá tr h công đổi ác ìnngh ng v c sệ ứ ới ác ản phẩm gia công đa dạng Với chuyên nghành được đào

t C h k thu , tác gi dạo ơ ọc ỹ ật ả đã ần nắm ắt được ữ b nh ng ki n thế ức cơ ở s

nghiên c , kh sát robot: L ứu ảo ựachọ ấn c u trúc động h c Robot, c s tính ọc ủa ơ ởtoán động học và l trìnập h mô ph ng ho ng… ỏ ạt độ

Ở Việt Nam, robot nói chung và Robot tác hợp nói riêng được đãnghiên c và tri n khai, ng d ng trong s ng nh ng chứu ể ứ ụ đời ố ư ưa được ộ r ng rãi

V niới ềm say mê nghiên c tác gi ứu ả đãchọ đền tài “Khảo sát động học Robot tác hợp” Trên c s ơ ởnhững công vi ính c n th hi n, lu n vệcch ầ ực ệ ậ ăn gồm ba chương nh sau: ư

Ch ng I T ng quan v Robot ươ ổ ề

Trình bày về ữ nh ng ki n th c chung v rế ứ ề obot, các ấ c u trúc, khả ă n ng

ho ng ng d ng t bi là mô hình Robot táạt độ ứ ụ đặ ệt c hợp, trình bày cơ ở s lý thuy t khế ảo s độát ng h Robot táọc c hợp

Ch ng II : Kh sát ng h Robot táươ ảo độ ọc c hợp

Trình bày cơ ở khả s o sát i u khi n robot táđ ề ể c hợp Tính c ph ng ác ươtrình động học và kh sát ng h robot táảo độ ọc c hợp

Ch ng III : Tính toán, mô phươ ỏng độ ng h Robot táọc c hợp

Trong ch ng nàươ y trình bày chương trình lập trình trên phần mềm Maple a ra vi tíđư ệc nh toán, xây dự chương ng trình m phỏ theo một ỹô ng qu đạo ụ ể c th Xây d ng chương trình mô ph ng cho Robot tác hợp ự ỏ

6 -

Trong th gian nghiê úc làời m t m việc ưới ự ướ d s h ng d n nhi tìnẫ ệt h của

thầy giáo TS Phan Bùi Khôi, tác giả đã đạt được ột ố ế m s k t qu ng khích ả đá

l Tuy nhiên ệ đây là m l v l n, t c n có th gian hoàn thi n vào ột ĩnh ực ớ đề ài ầ ời để ệ

c nác ăm kế tiế p…Vì vậy, tác gi rả ất mong nhậ được ự chỉ ản s b o, giúp đỡ ủa c các thầy và ý ki n ng góp c c b n ế đó ủa ác ạ

M l n n tác gi xin chân thành cột ầ ữa ả ảm ơn sự ộ B môn C h ng ơ ọc ứ

d ng và cáụ c thầy đã ạo đ ề t i u ki n giúp táệ c giả hoàn thành luậ ăn v n nà y

H viên ọc

Nguy n Th Thanh Vân ễ ị

SUMMARIZATION

“Study kinematic of integrated Robot”

Chapter 1: General about Robot

Describe infomations of robot, structure and ability in active, application Specially give the integrated robot model Present base theory to study a integrated robot

Chapter 2: Study the integrated robot’s kinematic

Describe base to study the integrated robot’s control Compute the kenematic equations and study the integrated robot’s kinematic

Chapter 3: Compute and simulink the integrated robot

In this chapter describe the program on the Maple software, giving caculation and building program to simulink with a real trajectory

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài “Khảo sát động học Robot tác hợp”

Chương I: Tổng quan về Robot

Trình bày về nh ng ki n th c chung v ữ ế ứ ề robot, các ấ c u trúc, khả ă n ng

ho ng ng d ng t bi là mô hình Robot táạt độ ứ ụ đặ ệt c hợp, trình bày cơ ở s lý thuy t khế ảo s độát ng h Robot táọc c hợp

Chương II : Khảo sát động học Robot tác hợp

Trình bày cơ ở khả s o sát i u khi n robot táđ ề ể c hợp Tính c ph ng ác ươtrình động học và kh sát ng h robot táảo độ ọc c hợp

Chương III : Tính toán, mô phỏng động học Robot tác hợp

Trong ch ng nàươ y trình bày chương trình l trình trên phập ần mềm Maple a ra vi tíđư ệc nh toán, xây dựng ch ng trìnươ h m phỏô ng theo m qu ột ỹđạo ụ ể c th Xây d ng chương trình mô ph ng cho Robot tác hợp ự ỏ

7 -

TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Giới thiệu chung về Robot

1.1.1 Sơ lược về lịch sử ra đời của Robot

Robot:

• Là một thiết bị cơ khí có thể giống như con người và có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp của con người bởi các lệnh hoặc chương trình điều khiển

• Là máy hoặc thiết bị có thể hoạt động tự động hoặc được điều khiển từ

Và đến nay đã trải qua một quá trình cải tiến và hoàn thiện rất nhanh chóng Bắt đầu là cơ cấu tay máy chép hình cơ khí, thuỷ lực hoặc điện từ được điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ ở Hoa Kỳ như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman

Dưới đây ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển Robot

1938 Harolh Roselund và Willard người Mỹ đã thiết kế ra cơ cấu phun sơn

có thể lập trình đầu tiên cho công ty De Vibiss

1942 Isaac Asimov xuất bản cuốn “Runaround” trong đó ông đưa ra 3 nguyên tắc về Robot

8 -

1951 Raymond Goertz người Pháp đã thiết kế một cánh tay có khớp có thể hoạt động từ xa cho dự án năng lượng nguyên tử Thiết kế này dựa toàn bộ vào các mối nối cơ học giữa cánh tay chính và cánh tay phụ (sử dụng cáp bằng thép hoặc bằng ròng rọc) Mẫu thiết kế này ngày nay vẫn được sử dụng khi cần xử lý các mẫu hạt nhân Nói chung đây được coi như một bước ngoặt trong kỹ thuật hồi lực

Hình 1.1 Robot Handyman

1954 Goerge C Devol đã thiết kế ra một cơ cấu Robot có thể lập trình đầu tiên và đặt tên là Universal Automation và cũng chính là nguồn gốc tên công ty sau này của ông là Unimation

1959 Marvin Minsky và John McCarthy thành lập phòng thí nghiệm trí tuệ nhân tạo tại MIT (Massachusetts Institute of Technology)

1959 C Devol và các cộng sự cho ra đời chiếc Robot công nghiệp đầu tiên

có tên là Unimate

1960 Tập đoàn Codec đã mua lại Công ty Unimation của C.Devol và bắt đầu phát triển hệ thống Robot Unimate

9 -

1961 General Motors đã mua lại chiếc Robot công nghiệp đầu tiên Unimate từ công ty Unimation và lắp đặt cho dây chuyền sản xuất Robot điều khiển bằng tay chính là loại đầu tiên của thế hệ Robot Unimate

1963 John McCarthy đứng ra lãnh đạo phòng thí nghiệm trí tuệ nhân tạo tại trường Stanford

1964 Các phòng thí nghiệm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo được mở tại MIT, SRI (Stanford Research Institute), Trường đại học Stanford và trường đại học Edinburgh

1964 Hãng C&D Robotics được thành lập

1964 Carnegie Mellon University thành lập học viện về Robot (Robotics Institute)

1965 Phép biến đổi thuần nhất được ứng dụng cho cách tính động học Robot Nguồn gốc hình thành học thuyết Robot ngày nay

1967 Nhật bản nhập khẩu chiếc Robot Versatran từ h ng AMF (đây là ãchiếc Robot được nhập khẩu đầu tiên vào Nhật)

1968 Kawasaki đã cấp giấy phép thiết kế chiếc Robot thuỷ lực bởi Công ty Unimation và bắt đầu sản xuất tại Nhật

1968 SRI đã thiết kế ra Shakey, một Robot di động có khả năng quan sát

và được điều khiển bởi một máy cỡ lớn như một cái phòng

1970 Giáo sư Victor Scheinman của đại học Stanford đã thiết kế ra mẫu Robot Standard Arm Mà ngày nay cơ cấu động học của nó được xem như cánh tay Robot tiêu chuẩn

1973 Cincinnati Milacron đã phát minh ra loại T3, loại Robot công nghiệp mang tính thương mại được điều khiển bởi một máy tính mini (thiết kế bởi Richard Hohn)

1974 Giáo sư Victor Sheinman, nhà phát triển loại cánh tay Stanford, đã thành lập công ty Vicarm nhắm đưa ra thị trường một phiên bản cánh tay Robot cho các ứng dụng công nghiệp Loại cánh tay mới này được điều khiển bởi một máy tính mini

10 -

1976 Cánh tay Robot được sử dụng trên các tàu do vũ trụ Viking 1 và 2 Trong các thiết kế này công ty Vicarm đã sử dụng các vi tính máy tính (Microcomputer)

1977 ASEA, một công ty Robot Châu âu đã giới thiệu 2 loại Robot công nghiệp chạy bằng điện Cả hai đều sử dụng máy vi tính cho việc lập trình

và điều khiển hoạt động

1977 Unimation đã mua lại Công ty Vicarm

1978 Sử dụng công nghệ của Vicarm, Unimation đã sản xuất Robot PUMA

(Programmable Universal Machine for Assembly) Ngày nay chúng ta có thể thấy Puma vẫn có trong một số phòng thí nghiệm

1979 Sankyo và IBM đã đưa ra thị trường mẫu Robot Scara (Selective Compliant Articulated Robot Arm) tại trường Yamanashi của Nhật

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của Robot không ngừng phát triển Các Robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu

to lớn trong lĩnh vực Tin học Điện tử đã tạo ra các thế hệ Robot với nhiều - tính năng đặc biệt Số lượng Robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Do đó Robot công nghiệp đã chiếm vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất Đã có rất nhiều chủng loại Robot với nhiều hình dáng, kích cỡ và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của xã hội như: Công nghiệp, Khoa học, y tế, an ninh

Một vài số liệu về số lượng Robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như sau:

11 -

Bảng 1.1 Vài số liệu về tình hình ứng dụng robot

Nước sản xuất Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998

1.1.2 Cấu trúc động học của Robot

Về cấu trúc động học của Robot là một hệ nhiều khâu ghép nối với nhau bằng các khớp

Khâu: là những bộ phận có chuyển động tương đối với nhau Khâu có thể

là một hay nhiều chi tiết máy ghép cứng với nhau Chi tiết máy là các bộ phận không thể tháo rời nữa của máy

Khớp: là chỗ nối động giữa hai khâu, nghĩa là có chuyển động tương đối với nhau Như vậy cứ hai khâu nối với nhau tạo thành một khớp động và chỗ tiếp xúc giữa hai khâu tạo thành khớp động gọi là hai thành phần khớp động Khớp có các ràng buộc vật lý về chuyển động tương đối giữa hai thành phần của khớp

• Các khớp thường được sử dụng:

- Khớp quay (Revolute Joint R): Cho phép hai thành phần của khớp - chuyển động quay tương đối với nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của khớp Khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển

12 -

động tương đối giữa hai thành phần khớp Khớp quay còn gọi là khớp bản lề

- Khớp lăng trụ (Prismatic P): Cho phép hai thành phần của khớp trượt - với nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của khớp Do

đó khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa haithành phần khớp Khớp lăng trụ còn gọi là khớp tịnh tiến

- Khớp trụ (Cylindrical Joint C): Cho phép hai thành phần của khớp có - hai chuyển động độc lập, gồm một chuyển động quay quanh một trục

và một chuyển động tịnh tiến dọc theo trục quay đó Do đó khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp

- Khớp ren (Helical Joint - H): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động quay quanh một trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc chuyển động quay ởb i bước vít Do đó khớp ren hạn chế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp

- Khớp cầu (Spherical joint S): Cho phép hai thành phần của khớp thực - hiện chuyển động quay giữa hai khâu quanh tâm cầu theo tất cả các hướng Do đó khớp cầu hạn chế ba khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp

- Khớp phẳng (Plane Joint P): Cho phép hai thành phần của khớp - chuyển động tịnh tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc Do đó khớp phẳng

hạn chế ba khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp

- Khớp bánh răng (Gear Pair G): Hai bánh răng ăn khớp, cho phép một - bánh răng lăn và trượt với bánh răng kia tại điểm tiếp xúc giữa hai bánh răng ăn khớp Do đó khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động

13 -

Bậc tự

do tương đối

1.1.3 Bậc tự do chuyển động của Robot

Khả năng chuyển động của Robot xác định khả năng của nó trong việc thực hiện các di chuyển độc lập khác nhau Khả năng chuyển động của Robot được đặc trưng bới số bậc tự do chuyển động của nó và phụ thuộc vào số khâu, khớp, cấu trúc của các khớp và cấu trúc của mạch động học của Robot

Cấu trúc động học của Robot ràng buộc và hạn chế khả năng chuyển động của Robot, có thể cả về vị trí, vận tốc, gia tốc Về mặt cơ học, số bậc tự do của Robot được hiểu là số di chuyển ảo độc lập của nó Đố với các Robot

mà chuyển động của nó hạn chế về vị trí thì số bậc tự do được xác định bởi

Bảng 1.2 Cấu trúc của một số loại khớp robot

14 -

n: Là số khâu của Robot bao gồm cả giá cố định

λ: Là số bậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm việc của Robot (λ= 3,λ= 6 lần lượt tương ứng với không gian hai chiều và ba chiều)

Với các động cơ khí nén hoặc thuỷ lực, ưu điểm là khả năng tải rất lớn, cso khả năng điều khiển vô cấp được, tuy vậy nhược điểm là điều khiển phức tạp

và hay phải khắc phục vấn đề rò rỉ

Để tăng khả năng tải của các động cơ, người ta hay bố trí các bộ truyền động

để dẫn động các khâu, khớp Bộ truyền rất hay dùng đối với Robot là bộ truyền vít me bi

15 -

1.1.5 Hệ thống điều khiển Robot

Để hệ thống dẫn động làm việc đúng theo quy luật mong muốn khi thao tác công nghệ, cần phải có hệ thống điều khiển robot có khả năng lập trình được

và xử lý linh hoạt các tình huống Sự phát triển của công nghệ thông tin, điện, điện tử… cho phép khả năng điều khiển Robot ngày càng cao, hiện đại Ngày nay, hầu hết các Robot được điều khiển bằng kỹ thuật vi điều khiển Các chương trình điều khiển có thể được lập sẵn hoặc kết hợp với thao tác từ thiết

bị kết nối trực tiếp: Màn hình, bàn phím, bằng điều khiển từ xa Ta có thể sử dụng phương pháp điều khiển lập trình robot trực tuyến hoặc ngoại tuyến.Khi lập trìn trực tuyến, người điều khiển Robot tiến hành lập trình trên trực h tiếp robot hoặc thiết bị phụ trợ kèm theo Có thể tiến hành lập trình thủ công hoặc dẫn dắt “dạy học” Lập trình thủ công là phương pháp đơn giản và thích hợp với robot không được trang bị thiết bị trợ động, không có tín hiệu phản hồi Để lập trình có thể sử dụng các cữ tỳ, cơ cấu cam, bảng, ổ cắm điện, công tắc hành trình…Cách thức này đơn giản nhưng nhiều ứng dụng nhờ có thể tạo nhiều thao tác không đơn giản nhờ cách thức đơn giản này Phương pháp dẫn dắt để “dạy học” có thể thực hiện được những công việc tinh tế hơn, có thể dạy học bằng cách sử dụng hộp điều khiển “ teaching pendant” Người vận hành điều khiển dẫn dắt robot làm theo những thao tác yêu cầu và nó được ghi lại nhờ những thiệt bị cảm biến lắp trên robot.Tín hiệu ghi nhớ này sẽ tác động vào cơ cấu chấp hành làm cho robot lặp lại hoàn toàn một cách tự động những thao tác đã học được

Lập trình ngoại tuyến không tiến hành trực tiếp trên robot mà thực hiện trên máy tính nhờ sử dụng các ngôn ngữ lập trình sau đó kết nối truyền dẫn vào robot

16 -

1.2 Phân loại Robot

Có rất nhiều cách để phân loại Robot, theo các đặc trưng riêng của chúng

Theo cấu trúc động học, ta có thể phân thành:

- Robot cấu trúc liên tục: Là Robot mà cấu trúc của nó là chuỗi động học

hở (Các robot hình 1.2)

Hình 1.2 Các ro bot hàn cấu trúc li n tục ê

17 -

- Robot cấu trúc song song: Là Robot mà cấu trúc của nó là chuỗi mạch động học khép kín (Các robot hình 1.3)

- Robot tự hành (Hình 1.4)

Theo số bậc tự do: Có thể phân thành Robot có một bậc tự do, hai bậc tự

do, ba hay bốn bậc tự do…

Theo cách thức và đặc trưng điều khiển

- Robot điều khiển tự động

- Robot điều khiển bằng tay

18 -

- Cấu trúc mạch động học Robot: Mạch hở hay mạch kín

1.3 Các ứng dụng trong đời sống của Robot

Từ khi mới ra đời Robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt

Hình 1.4 Robot tự hành

19 -

Robot được ứng dụng rất đa dạng và ngày một phổ biến trong đời sống xã hội Robot được đưa vào trong công nghiệp, sản xuất dây chuyền, an ninh, khoa học kỹ thuật, y tế, giáo dục và còn được coi như một người bạn thân thiện trong sinh hoạt đời thường…

Hình 1.5 Robot song song được ứng dụng trong sản xuất dây chuyề n

20 -

\

Hình 1.6 Robot SurgiScope được ứng dụng trong phương pháp mổ nội soi trong y học

21 -

Hình 1.7 Robot thăm dò Spirit gắn tên lửa Delta II của NASA đưa Robot lên thăm dò tên sao Hoả

Hình 1.8 Nghiên cứu sóng biển trong nghành hàng hải hay nghiên cứu chất lỏng Nước được đổ vào một hộp có gắn các thiết bị đo lường đặt trên giá di động của Robot Hexa pod

22 -

Một số ứng dụng khác của Robot

Hình 1.9a Robot hàn của hãng F ANUC

Hình 1.9b Robot hàn trong nhà máy sả n xu t xe hơ i ấ

23 -

Hình 1.9c Robot được sử dụng trong dây chuyền sản xuất các sản phẩm nhựa

1.4 Giới thiệu về Robot tác hợp

1.4.1 Giới thiệu Robot tác hợp

Robot tác hợp – Mechanism of Relative Manipulation (MRM) là kiểu robot mới có xuất xứ từ nước Nga Loại Robot này gồm có hai tay máychuyển động phối hợp thao tác công nghệ Một tay máy giữ và mang chi tiết gia công, tay thứ hai mang dụng cụ gia công Các tay máy có thể có cấu trúc liên tục, song song hoặc phẳng Với cấu trúc liên tục thì việc giải bài toán lựa chọn cấu trúc cơ cấu, bài toán động học và động lực học là khá thuận lợi Các cấu trúc song song hoặc phẳng tuy rằng việc giải bài toán nói trên là khá khó khăn nhưng có nhiều ưu điểm: Độ cứng vững, độ chính xác vị trí cao, thuận lợi trong việc điều khiển và đảm bảo quy luật chuyển động giữa dụng cụ và chi tiết gia công…

Chuyển động cắt tương hỗ giữa dụng cụ và chi tiết cho phép tạo ra chi tiết có cấu hình phức tạp Do vậy, nó đáp ứng được tính thích ứng nhanh và kinh tế khi cần thiết phải thay đổi các quá trình công nghệ ứng với các sản phẩm gia công rất đa dạng Quá trình tác dụng tương hỗ từ sự phối hợp dịch chuyển theo quy luật của các tay máy cho phép Robot MRM làm việc với

24 -

nhiều đối tượng công nghệ như: Gia công cơ khí, hàn, gia công bằng tia lader, sơn phủ…

1.4.2 Các cấu trúc Robot tác hợp MRM

a. Cấu trúc chung của Robot tác hợp MRM

Hình 1.10 Mô hình Robot MRM không gian

Cấu trúc Robot tác hợp MRM không gian là loại cấu trúc mà hai tay máy mang dao và mang chi tiết có chuyển động không gian Mô hình ban đầu của Robot tác hợp MRM không gian được mô tả ở hình dưới Được biểu diễn là tay máy mang chi tiết có cấu trúc là một cơ cấu năm khâu phẳng tuy nhiên

25 -

khâu cuối cùng không nằm trong cùng mặt phẳng với cơ cấu trên và chi tiết có thể chuyển động trong một không gian nào đó Cơ cấu năm khâu phẳng có hai bậc tự do cộng thêm một bậc tự do của khâu cuối là ba Tay máy mang dao cũng gồm một cơ cấu năm khâu phẳng có hai bậc tự do và với khâu cuối một bậc tự do, điểm cuối của dao cũng chuyển động trong không gian Hai tay máy này nằm trong hai mặt phẳng nghiêng với nhau một góc α0 Như vậy, hai không gian chuyển động gồm của dụng cụ và chi tiết sẽ giao nhau và sự phối hợp chuyển động thao tác tương hỗ trong không gian của dụng cụ và chi tiết sẽ cho phép gia công được các bề mặt chi tiết, cũng như các thao tác công nghệ khác như hàn, sơn…

b Các dạng cấu trúc khác nhau của Robot tác hợp

Hình 1.11 Mô hình Robot MRM dạng máy công cụ

26 -

Hình 1.12 Robot MRM cấu trúc kín và song song

1.5 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học robot

1.5.1 Bài toán động học, các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất

Thao tác công nghệ của robot chính là sự chuyển động của khâu cuối (khâu 6 trên sơ đồ động học) trong không gian để thực hiện các nguyên công như vận chuyển, lắp ráp, đóng gói, gia công,… Chuyển động của khâu cuối nhận được từ chuyển động của các khâu của robot mà được thực hiện bởi các động cơ đặt tại các khớp Bài toán động học được thiết lập nhằm xác định sự phụ thuộc giữa các tọa độ ra của khâu cuối (vị trí và hướng) với các tọa độ được điều khiển (góc quay tại các khớp) Phương pháp phổ biến khi khảo sát động học robot là sử dụng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-

27 -

-Cơ sở xây dựng các ma trận Denavit Hartenberg là các phép tịnh tiến và quay các hệ tọa độ cho phép nhận được các ma trận mô tả sự biến đổi của các tọa độ (vị trí và hướng) Các ma trận 1.2 mô tả các phép quay và tinh tiến cơ bản:

0 cos sin 0 ( , )

1.5.2 Thiết lập hệ phương trình động học của robot cấu trúc liên tục

Để làm cơ sở cho việc khảo sát động học robot tác hợp MRM trong chương sau, ở đây dẫn ra việc thiết lập phương trình động học cơ bản cho mô

28 -

a) Cách xây dựng hệ trục tọa độ

Áp dụng phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg, trên hình 1 dẫn 13

ra các hệ tọa độ gắn với các khâu của robot cùng với các tọa độ suy rộng tương ứng với góc quay tại các khớp Khi biểu diễn chuyển động quay và tịnh tiến giữa các khâu với nhau, Denavit Hartenberg đưa ra phương pháp xây -dựng liên tiếp các hệ tọa độ gắn với các khâu của mạch động học Ý nghĩa của phép biểu diễn này là xây dựng được các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất cỡ

4x4 biểu diễn vị trí và hướng của hệ tọa độ gắn vào một khâu đối với hệ tọa độ

gắn với khâu trước đó Điều này cho thấy có thể biểu diễn liên tiếp các tọa độ

và hướng của bàn kẹp từ hệ tọa độ gắn vào khâu cuối với hệ tọa độ gắn vào giá cố định Các hệ tọa độ được xây dựng là hệ tọa độ Đề Các vuông góc, mà

hệ tọa độ (xi , y i , z i ) gắn với khâu thứ (i) tại khớp động thứ (i+1) Để xây dựng

các hệ tọa độ gắn với các khâu, Theo Denavit-Hartenberg:

1) Bắt đầu từ khâu đế, đánh số các khâu và các khớp theo thứ tự Đế được đánh số là khâu 0, khâu cuối cùng là đầu tác động Trừ đế và khâu cuối cùng, mỗi khâu đều có hai khớp Khớp i nối khâu i với khâu i-1

2) Vẽ các đường vuông góc chung giữa từng cặp trục khớp liên tiếp Trừ trục khớp thứ nhất và cuối cùng, mỗi trục khớp đều có hai đường vuông góc chung, một với trục khớp (i 1) và một với trục khớp (i+1).-

3) Thiết lập hệ tọa độ cơ sở gắn vào giá cố định sao cho trục zo thẳng hàng với trục khớp thứ nhất, trục xo vuông góc với trục zo và trục yo tạo với xo và zo

hệ qui chiếu thuận

4) Thiết lập hệ tọa độ đầu tác động n sao cho trục xn vuông góc trục khớp cuối cùng, trục zn thường được chọn theo chiều tiếp cận của đầu tác động 5) Đặt hệ tọa độ ĐềCác cho tất cả các khâu như sau:

-Trục zi-1 chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ i

-Trục xi-1 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của hai trục zi-2 và

zi-1, hướng đi từ trục zi-2 sang trục zi-1 Nếu trục zi-2 cắt trục zi-1 thì hướng của trục xi-1được chọn tùy ý

29 -

- Gốc tọa độ Oi-1 được chọn tại giao điểm của trục xi-1 và zi-1

- Trục yi-1 được chọn sao cho hệ (Oxyz)i-1là hệ qui chiếu thuận

Ngoài ra trục xo và trục zn được chọn tùy ý (thường được chọn như cách đã trình bày ở trên)

Cuối cùng xác định các thông số các khâu và các biến khớp

Như vậy, với robot gồm sáu khâu động cấu trúc liên tục, trên hình 1.3 chỉ ra các hệ tọa độ (x1, y1, z1), (x2, y2, z2),… (x6, y6, z6)

Hình 1.13 Xâ y dự ng h t a các âu ệ ọ độ kh b) Các tham số động học Denavit – Hartenberg

Khi các khâu được dẫn động bởi các động cơ đặt tại các khớp, khâu thứ (i) sẽ chuyển động tương đối với khâu thứ (i 1) và hệ tọa độ gắn với khâu -trước đó Với cách chọn các hệ tọa độ như trên hình 1.13, quan hệ về vị trí và hướng giữa hai hệ tọa độ liên tiếp được xác định bởi bốn tham số sau:

di : là khoảng cách khớp, là dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gốc

30 -

ai : độ dài khâu, là dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục xi để điểm O’i

trí tương đối của khâu i so với khâu i-1

Với mô hình robot như hình 1.13 ta xác định tham số cho các phép biến đổi

liên tiếp các hệ tọa độ và lập bảng, ta có “Bảng tham số động học Denavit

Ta có thể chuyển tọa độ khâu (Oxyz)i−1 sang hệ tọa độ khâu (Oxyz)i bằng bốn phép biến đổi cơ bản sau:

một góc θ

31 -

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi một đoạn ai

- Quay quanh trục xi một góc αi

Mỗi phép biến đổi cơ bản trên được xác định bằng một ma trận quay

hoặc tịnh tiến cơ bản dạng (1.1) gọi là các ma trận quay cơ bản thuần nhất

hoặc ma trận tịnh tiến thuần nhất Kết quả phép chuyển tọa độ khâu (Oxyz)i−1

sang hệ tọa độ khâu (Oxyz)i được biểu diễn bởi ma trận i 1

i A

− được xác định bởi công thức (1.4) được gọi là ma trận Denavit-Hartenberg Đó là ma trận chuyển tọa hệ qui chiếu (Oxyz)i−1 về hệ qui

chiếu (Oxyz)i Với phép mô tả dịch chuyển của các khâu từ khâu 1 đối với giá

cố định, khâu 2 đối với khâu 1,… cuối cùng là khâu thao tác đối với khâu

trước đó, vị trí và hướng của khâu cuối trong hệ tọa độ cố định được xác định

bởi tích các ma trận dạng (1 ) Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi trên đối 4

với robot n khâu ta được ma trận xác định vị trí của khâu thao tác (bàn kẹp)

của robot đã đuợc xác định bởi ma trận D-H o

n

A như trên Từ các ma trận o

n A

ta nhận thấy sự thay đổi vị trí và hướng của robot ở mỗi thời điểm được xác

định bởi các thông số động học biến đổi trong quá trình chuyển động của

32 -

robot Thường đó là các tham số biểu diễn sự dịch chuyển của các khâu, được thực hiện bởi các dẫn động đặt tại các khớp, gọi là các tọa độ điều khiển, ký hiệu là qi với i=1,n Khi đó

Là ma trận côsin chỉ hướng của hệ tọa độ khâu cuối x y z p p p đối với hệ tọa độ

cơ sở cố định x y z o o o và được xác định từ sơ đồ động học, do vậy các phần tử của nó là hàm của các tọa độ q i i( 1, )= n

d) Xác định ma trận trạng thái của khâu cuối

Xuất phát từ yêu cầu công nghệ, khâu cuối (khâu thao tác) của robot phải được dịch chuyển trong không gian theo một quỹ đạo xác định trước, còn gọi là quỹ đạo chương trình Khi đó, vị trí và hướng của khâu tác động cuối chính là vị trí

và hướng của hệ tọa độ x y z p p p, được xác định phụ thuộc vào dạng quỹ đạo chương trình, được biểu diễn bởi ma trận o

fi

A Chỉ số fi chỉ ra rằng ma trận này được xác định tại mỗi điểm thuộc quỹ đạo chương trình i f

33 -

Sử dụng 3 góc quay Cardan với 3 phép quay cơ bản quanh trục x, y, z lần lượt

3 góc φ, ψ, θ và tịnh tiến theo 3 trục tọa độ x, y, z khoảng cách lần lượt là x p ,

rotx = φ, roty= ψ, rotz = θ.

Ta viết lại (1 ) như sau:9

( ) ( ) ( )

o p

e) Thiết lập hệ phương trình động học của robot

34 -

Từ (1.1 ) ta nhận được:3

( ) ( ) ( ) ( )

Ở đây hệ phương trình đầu xác định bởi ba phương trình chỉ sự ràng buộc về

vị trí của điểm tác động cuối x q y q z q p( ), ( ), ( )p p và x t y t z t p( ), ( ), ( )p p

Hệ phương trình sau xác định bởi ba phương trình có được từ so sánh giữa các phần tử của hai ma trận côsin chỉ hướng o ( )

4 11 11

5 22 22

4 33 33

( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )

35 -

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 2.1 Cơ sở lý thuyết

Đối với robot cấu trúc liên tục, phương pháp khảo sát động học dựa vào việc thiết lập phương trình động học cơ bản của robot được chỉ ra trong chương 1 là khá thuận lợi Sự thuận lợi khi khảo sát và xây dựng phương trình động học robot cấu trúc liên tục thông thường là khâu tác động cuối thực hiện thao tác lên đối tượng cố định Ta nói là không gian thao tác của robot là không gian cố định

Đối với robot tác hợp thì như đã biết một tay robot mang đối tượng công nghệ, một tay mang bàn kẹp hoặc dụng cụ gia công (sau này ta gọi chung

là dụng cụ) Quá trình công nghệ diễn ra khi dụng cụ gia công tác động lên đối tượng ở trạng thái động Điều khiển chuyển động các cánh tay của robot MRM sao cho phối hợp đúng để thực hiện được quá trình công nghệ là một trong các vấn đề quan trọng hàng đầu khi nghiên cứu và ứng dụng MRM Phương pháp được sử dụng để khảo sát động học robot MRM tùy thuộc vào bài toán cụ thể Tuy vậy dù thao tác công nghệ khá đa dạng nhưng đều có thể

mô hình hóa thành quy luật tác động của dụng cụ lên đối tượng để từ đó cho phép xây dựng cơ sở lý thuyết chung cho bài toán khảo sát động học robot tác hợp MRM Trong các công trình [2], [3] đã chỉ ra phương pháp tam diện trùng theo khi khảo sát động học robot tác hợp

Dưới đây trình bày việc mô hình hóa thao tác công nghệ của robot thành quy luật chuyển động, xác định điều kiện công nghệ, làm cơ sở cho việc thiết lập phương trình động học robot tác hợp MRM

2.1.1 Mô hình hóa thao tác công nghệ tương hỗ giữa dụng cụ và đối tượng công nghệ

Như đã chỉ ra ở trên, thường thì robot tác hợp được chế tạo để phối hợp thao tác giữa các cánh tay robot Như vậy các thao tác ở đây chủ yếu hoặc gần