Phân loại theo số bậc tự do trong tr-ờng công tác Rô bốt có hai hình thức chuyển động cơ bản làm chuẩn: Chuyển động thẳng theo các trục x, y, z trong không gian Đề-các với các khớp lăn
Bộ giáo dục đào tạo Ngô mạnh hiến Luận văn Tr-ờng đại học bách khoa hà nội - Ngô mạnh hiến Ngành khí Nghiên cứu động học động lực học điều khiển rô bốt, ứng dụng rôbốt kuka kr 6/2 Luận văn thạc sĩ ngành khí Khoá 2004 Hà nội - 2004 17081779062935cea0e1f-2684-46f4-8e03-94b17269ca66 17081779062939826ef73-70fe-4b16-9b95-affab2dc515f 17081779062926b8660d8-159a-48ba-bb6e-38d6ec201115 Bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội - Ngô mạnh hiến Nghiên cứu động học động lực học điều khiển rô bốt, ứng dụng rôbốt kuka kr 6/2 Chuyên Ngành: Máy Dụng cụ công nghiệp Luận văn thạc sĩ - khí Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Toàn Hà nội, 2004 Mơc lơc MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT KHÁI NIỆM VỀ RÔ BỐT PHÂN LOẠI RÔ BỐT 2.1 Phân loại theo số bậc tự trường công tác 2.2 Phân loại theo cấu trúc động học 2.2.1 Rô bốt nối tiếp (Serial manipulators) 2.2.2 Rô bốt song song (Parallel manipulators) 2.2.3 Rô bốt di chuyển (Mobile Robot) 2.2.4 Rơ bốt dạng hình người (Humanoid Robot) Trang 3 2.4 Phân loại theo phương pháp điều khiển 2.5 Phân loại theo đặc điểm hoạt động SƠ LƯỢC VỀ Q TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA RƠ BỐT 5 6 9 10 10 10 10 11 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC RƠ BỐT CƠ SỞ LÍ THUYẾT ĐỘNG HỌC VẬT RẮN 1.1 Khả chuyển động vật không gian 1.2 Biểu diễn hướng (Description of an Orientation) 1.3 Biểu diễn vị trí (Description of a Location) PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỒNG NHẤT 2.1 Biểu diễn điểm 2.2 Biểu diễn mặt phẳng 13 13 13 14 16 16 16 17 2.3 Phân loại theo hệ thống truyền động 2.3.1 Hệ truyền động gián tiếp 2.3.2 Hệ truyền động trực tiếp 2.3 Ma trận biến đổi đồng 2.4 Các phép biến đổi đồng 2.4.1 Phép tịnh tiến (Translation) 2.4.2 Phép quay (Rotation) 2.4.3 Phép quay quanh trục 2.4.4 Ma trận quay Euler 2.4.5 Biểu diễn hệ toạ độ 18 19 20 21 22 23 24 Mơc lơc Phương trình động học rơ bốt 3.1 Xác định quan hệ khâu 3.2 Hệ phương trình động học rơ bốt - tốn thuận 4.MA TRẬN JACOBIAN MIỀN LÀM VIỆC CỦA TAY MÁY 24 25 29 34 38 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC RƠ BỐT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT RẮN 1.1 Khối tâm 1.2 Ma trận quán tính ĐỘNG NĂNG CỦA TAY MÁY PHƯƠNG TRÌNH LARGANGE LOẠI 3.1 Toạ độ suy rộng 3.2 Động 3.3 Thế U 3.4 Các lực suy rộng hay lực tổng quát 3.5 Phương trình động lực học tổng quát 41 43 43 43 45 46 47 48 50 50 51 CHƯƠNG 4: QUỸ ĐẠO TRONG CHUYỂN ĐỘNG CỦA RƠ BỐT 1.CÁC KHÁI NIỆM VỀ BÀI TỐN QUỸ ĐẠO CÁC DẠNG QUỸ ĐẠO THƯỜNG DÙNG 2.1.Quỹ đạo tuyến tính với cung hai đầu Parabol 2.2 Quỹ đạo có hai cung hai đầu Parabol 2.3 Quỹ đạo CS (Path with Cubis Segment) 54 54 57 57 59 60 CHƯƠNG 5: GIẢI BÀI TỐN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CHO RƠ BỐT NỐI TIẾP BẬC TỰ DO - KUKA KR6/2 TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC RƠ BỐT KUKA KR 6/2 1.1 Phương trình động học thuận 1.2 Phương trình động học ngược 1.2.1 Phương trình động học ngược - Vị trí 1.2 Phương trình động học ngược - Hướng 1.3 Tính tốn động học vận tốc - ma trận Jacobian TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC RƠ BỐT KUKA KR 6/2 2.1 Xem xét tốn với cấu có hai bậc tự 2.2 Tính tốn động lực học rô bốt Kuka KR 6/2 61 61 62 67 68 71 73 82 83 86 Môc lôc ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SOLIDWORKS VÀ DYNAMIC DESIGNER MOTIONS FOR SOLIDWORKS MÔ PHỎNG TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC CHO RƠ BỐT KUKA KR6/2 3.1 Giới thiệu phần mềm 3.2 Hướng dẫn thực mô CHƯƠNG 6: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN RƠ BỐT KUKA KR6/2 MỘT SỐ BÀI TỐN TRONG ỨNG DỤNG THỰC TẾ HƯỚNG DẪN KHỞI ĐỘNG RÔ BỐT HƯỚNG DẪN LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN RƠ BỐT KUKA 2.1 Hệ toạ độ rô bốt Kuka 2.2 Các dạng lập trình điều khiển rơ bốt Kuka 2.2.1 Lập trình dạy điểm 2.2.2 Lập trình theo phần mềm MỘT SỐ BÀI TOÁN TRONG ỨNG DỤNG THỰC TẾ 3.1 Lập trình điều khiển Rơ bốt theo biên dạng mặt phẳng 3.2 Lập trình điều khiển Rơ bốt theo cạnh hình hộp 3.3 Lập trình điều khiển Rơ bốt định h−ớng vị trí để lấy dấu cầu giàn không gian Kết luận Tài liệu tham khảo 89 89 89 93 95 96 96 98 98 100 105 105 107 109 111 112 Lời nói đầu Lời nói đầu Ngày nay, rô bốt đà đ-ợc áp dụng phát triển rộng rÃi hầu hết lĩnh vực nh-: hàng không, vũ trụ, công nghiệp, giao thông vận tải, rô bốt siêu nhỏ chạy thể ng-ời làm nhiệm vụ khám chữa bệnh, đặc biệt rô bốt có hình dáng ng-ời nh- Asimo Honda vv Do đó, rô bốt đ-ợc nhiều n-ớc quan tâm phát triển nhằm tạo ứng dụng phục vụ cho sống Rô bốt đ-ợc coi sản phẩm điện tử tích hợp số ngành quan trọng: khí, điện tử công nghệ thông tin Chính mà phát triển rô bốt gắn liền với phát triển ngành Rô bốt công nghiƯp cã cÊu tróc ®éng häc nèi tiÕp ®· đ-ợc nghiên cứu phát triển mạnh song tính toán ứng dụng luôn lĩnh vực phong phú, đa dạng loại rô bốt thông dụng Trong luận văn tập trung nghiên cứu loại rô bốt từ lý thuyết vÊn ®Ị ®éng häc, ®éng lùc häc vv… sau ®ã đến vấn đề áp dụng rô bốt cụ thể Kuka KR 6/2 Nội dung luận văn bao gồm: Ch-ơng 1: Giới thiệu tổng quan rô bốt, Ch-ơng 2: Cơ sở lý thuyết tính toán động học rô bốt: đ-a lý thuyết để nghiên cứu vấn đề động học rô bốt, Ch-ơng 3: Giới thiệu vấn đề động lực học rô bốt nhằm mục đích phục vụ cho việc nghiên cứu điều khiển rô bốt theo quy luật chuyển động cho tr-ớc, Ch-ơng 4: Vấn đề thiết kế quỹ đạo chuyển động rô bốt nhằm cho việc điều khiển để đạt đ-ợc yêu cầu kỹ thuật đặt ra, Ch-ơng 5: áp dụng tính toán động học, động lực học cho loại rô bốt nối tiếp bậc tự - Kuka KR 6/2 từ có đ-ợc thông số thiết kế bản, Ch-ơng 6: Điều khiển rô bốt Kuka KR 6/2 số toán ứng dụng thực tế Kết luận chung h-ớng phát triển đề tài Lời nói đầu Trong suốt trình học tập nghiên cứu, đà hoàn thành luận văn d-ới h-ớng dẫn tận tình thầy h-ớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Toàn Nhân dịp xin chân thành cảm ơn tới Ths D-ơng Minh Tuấn toàn thể thầy, cô Bộ môn Máy Ma sát học bạn đồng nghiệp nh- thầy cô giáo Khoa Cơ khí ng-ời đà giúp đỡ đóng góp ý kiến quý báu để hoàn thành luận văn Do trình độ thời gian hạn chế, nên luận văn không tránh khỏi sai xót, mong nhận đ-ợc đóng góp thầy cô bạn đồng nghiệp Hà nội, 2004 Ngô Mạnh Hiến Tổng quan rô bốt Ch-ơng Ch-ơng Tổng quan rô bốt khái niệm rô bốt Ngày sản xuất, việc nâng cao suất chất l-ợng sản phẩm quan trọng, giải pháp cho vấn đề ứng dụng rộng rÃi ph-ơng tiện tự động hoá trình sản xuất Trên giới nói chung n-ớc phát triển nói riêng đà xuất xu h-ớng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao xu h-ớng đà đạt đ-ợc nhiều kết khả quan Chính nhu cầu ứng dụng Rô bốt để tạo hệ thống sản xuất tự động linh hoạt ngày trở lên cấp thiết Năm 1921, nhờ trình diễn nghệ sĩ Tiệp khắc với rối Robota có tên gọi lực sĩ (Force man) đà giúp cho nhà kỹ thuật có ý t-ởng sáng chế cấu máy móc bắt ch-ớc thao tác lao động bắp ng-ời Chính từ đó, vào năm 1961 Mỹ cho thị tr-ờng loại máy tự động vạn mới, đ-ợc gọi ng-ời máy công nghiệp có tên UNIMAT Từ công nghệ chế tạo rô bốt bắt đầu phát triển mạnh, chúng đ-ợc ứng dụng hầu hết lĩnh vực sống Định nghĩa rô bốt theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: Rô bốt thiết bị có nhiều trục, thực chuyển động tự động ch-ơng trình hoá nối ghép chuyển động chúng khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến động trình Chúng đ-ợc điều khiển hợp nối ghép với nhau, có khả học nhớ ch-ơng trình; chúng đ-ợc trang bị dụng cụ ph-ơng tiện công nghệ khác để thực nhiệm vụ sản xuất trực tiếp gián tiếp Các mẫu hình Rô bốt phải đảm bảo: Tổng quan rô bốt Ch-ơng + Thủ pháp cầm nắm, chuyển đổi tối -u + Khả làm việc khôn khéo + Kết cấu theo quy tắc Mô-đun hoá Phân loại rô bốt 2.1 Phân loại theo số bậc tự tr-ờng công tác Rô bốt có hai hình thức chuyển động làm chuẩn: Chuyển động thẳng theo trục x, y, z không gian Đề-các với khớp lăng trụ hay gọi khớp tr-ợt ký hiệu P Chuyển động quay quanh trục x,y,z ký hiệu R Tuỳ thuộc số bậc tự cách tổ hợp P R, Rô bốt hoạt động tr-ờng công tác với hình khối khác Ví dụ: Rô bốt có tr-ờng làm việc hình trụ: RRP, RPP, Rô bốt cần phải thao tác ngày khéo léo, tinh vi tr-ờng công tác cđa nã Sè bËc tù cđa R« bèt cã thể không hạn chế Tuy nhiên số bậc tự tăng lên kéo theo nhiều vấn đề kỹ thuật kinh tế phải giải Do việc chọn số bậc tự ph-ơng án tổ hợp để thiết lập không gian làm việc (tr-ờng công tác) Rô bốt phải đảm bảo tính hợp lý tính tối -u tính kỹ thuật xác định Rô bốt 2.2 Phân loại theo cấu trúc động học Một ph-ơng pháp phân loại khác cho Rô bốt phân loại theo cấu trúc hình học chúng Một Rô bốt đ-ợc gọi Rô bốt hay Rô bốt chuỗi hở cấu trúc động học chúng có dạng chuỗi động hở, gọi Rô bốt song song (Paralell Robots) cấu trúc động học chúng chuỗi đóng, gọi Rô bốt hỗn hợp bao gồm hai loại chuỗi hở chuỗi đóng Tổng quan rô bốt Ch-ơng 2.2.1 Rô bốt nối tiếp (Serial manipulators) Đây dạng phổ biến rô bốt công nghiệp, dạng chuỗi hở chuỗi hở có vòng kín Th-ờng có dạng cấu trúc giống cánh tay ng-ời, chuỗi khâu rắn liên kết với khớp (joints) có dạng nh- vai, khuỷu cổ tay Rô bốt có -u điểm vùng làm việc (workspace) rộng linh động D-ới ta đ-a bé phËn chÝnh cđa mét r« bèt c«ng nghiƯp: - Cấu trúc khí gồm khâu, khớp, - Cơ cấu chấp hành (actuators) tác động khớp làm tay máy chuyển động, - Cảm biến (sensors) dùng để đo l-ờng trạng thái tay máy (cảm biến trong) trạng thái môi tr-ờng (cảm biến ngoài) cần, - Một hệ thống điều khiển (có máy tính) để điều khiển giám sát chuyển động tay máy Nh-ợc điểm: Đặc điểm cố hữu độ cứng vững thấp để tạo cấu trúc động học, Sai số đ-ợc tích luỹ đ-ợc khuếch đại từ khâu sang khâu khác, Do phải mang chuyển động dẫn động (th-ờng động cơ) có khối l-ợng lớn nên tốc độ làm việc thấp, Do mà rô bốt mang đ-ợc tải thấp không cao (th-ờng khoảng vài chục kg) Rô bốt loại yêu cầu phải có bËc tù kh«ng gian (øng víi bËc tù cđa vËt thĨ) ®Ĩ cã thĨ tiÕp cận đ-ợc đối t-ợng vị trí với khả định h-ớng miền làm việc Chính chủ yếu Rô bốt có khớp Tuy nhiên, ứng dụng Rô bốt công nghiệp lắp ráp vận chuyển phôi sản phẩm trình sản xuất Các công việc mang đối t-ợng đặt vào vị trí cung cấp phôi liệu