Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế điều khiển tay máy cắt ống phục vụ lắp ghép kết cấu ống thép

Chính vì vậy bản thân người thực hiện đề tàitrước hết muốn dé ra một mục tiêu khá khiêm tốn nhưng mang ý nghĩa thực tiễn vềkiến thức và kinh nghiệm, đó là bước đầu nghiên cứu, khảo sát m

LÊ QUỐC THÁI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tửMã ngành: 605268

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYEN TAN TIEN

PGS.TS NGUYEN TAN TIENCán bộ chấm nhận xét I : TS

TS

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS

TS

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp HCMngày tháng năm 2013.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

ch

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS.TS PGS.TS NGUYÊN HỮU LỘC

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM` ; Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ QUỐC THÁI MSHV: 11390717

Ngày, tháng, năm sinh: 27/05/1987 Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: KY THUAT CƠ ĐIỆN TU Ma sé: 605268I TEN DE TAI: NGHIÊN CỨU THIET KE DIEU KHIỂN TAY MAY CAT

ONG PHUC VU LAP GHEP KET CAU ONG THEP.

Il NHIỆM VU VA NOI DUNG:- Tim hiểu tong quan về robot và khảo sát mô hình tay máy 5 bậc tự do

- Phan tích động học thuận vi trí và động học ngược vi trí cho tay máy robot.- Phan tích động lực học

- _ Thiết kế bộ điều khiến tracking qui đạo

- _ Giáp pháp ứng dụng tay máy trong việc cắt ống.- _ Xây dựng phan mém điều khiến và khảo sát thực nghiệm.Ill NGÀY GIAO NHIỆM VU : 02/07/2012

IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU: 21/06/2013

V CAN BO HUONG DAN : PGS.TS NGUYEN TAN TIEN

Tp HCM, ngay thang năm 2012

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

PGS.TS NGUYEN TAN TIEN PGS.TS NGUYEN TAN TIEN

TRUONG KHOA CO KHI

PGS.TS NGUYEN HUU LOC

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tậntình của Thay PGS.TS Nguyễn Tan Tiến, Thay TS Phùng Trí Công cùng sự giúpđỡ của Thây TS Nguyễn Duy Anh và các bạn phòng LAB Hitech Mechatronics đãgóp ý, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện

Xin cảm ơn gia đình và những người bạn luôn động viên và ủng hộ tôi.Xin chân thành cảm on!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Tóm tắt:

Luận văn trình bày nghiên cứu thiết kế bộ điều khiến tracking qui đạo chocánh tay robot 5 bậc tự do và ứng dụng trong việc cắt ống Mô hình cánh tay robot 5bậc tự do có sẵn được khảo sát Từ đó xây dựng mô hình động học, mô hình độnglực học Bộ điều khiển tracking qui đạo được thiết kế và mô phỏng bang Matlab.Giải pháp ứng dụng cho việc cắt ống trụ phục vụ mục dich lắp ghép kết cau ốngthép cũng được đề xuất trong luận văn

Abstract:

This thesis focuses on researching and designing of a trajectory trackingcontroller for an 5-degree-of-freedom (5-DOF) robot arm, and the use of this robotin cutting metal pipes A 5-DOF robot arm is investigated Based on that, the robotkinematic model and dynamic model are derived The trajectory tracking controlleris designed and simulated by using Matlab This thesis also proposed a solution forcutting metal pipes in order to assemble metal pipe structures.

Luan văn nay gôm 8 chương với nội dung như sau:

s* Chương 1: Mở đầu+

Phần mở đầu trình bay ly do chon dé tai, mục đích, đối tượng và phạm vi

nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiên của dé tài nghiên cứu.

G

s* Chương 2: Tổng quan

Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong va

ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài: nêu những van dé còn tôn tại; chỉra những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết

lv°® Chương 3: Dong học vi tríTrinh bày cách tính động học thuận vi trí và động học ngược vi trí của cánhtay robot được khảo sát.

s* Chương 4: Động lực học

Trình bày phương pháp tính phương trình vi phân mô tả chuyển động của

robot hay động lực học robot.

Chương 5: Điều khiếnXây dựng bộ điều khiến cho hệ thống Mô phỏng và kết quả thu được.Chương 6: Ứng dụng cat ông phục vu cho việc lắp ghép kết cau ống thép.Xây dựng phương án dé áp dung tay máy vào việc cắt ống phục vụ lắp ghépkết cầu ống thép

Chương 7: Thực nghiệm và kết quả đạt được.Mô tả ngắn gon công việc thực nghiệm đã tiễn hành, các số liệu thu được của

luận văn.

Chương 8: Kết luận và kiến nghị những nghiên cứu tiếp theoTrình bày những kết quả đạt được của luận văn và đưa ra kiến nghị hướngnghiên cứu tiếp theo dựa trên kết quả đạt được

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng, nội dung của luận văn này là kết quả làm việc của tôi dướisự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Tan Tiến, Thay TS Phùng Trí Công,ngoại trừ các phần tham khảo từ các tài liệu khác được ghi rõ trong luận văn

Tp.HCM, Ngày tháng 06 năm 2013.

Lê Quốc Thái

MỤC LỤCLOL CAM ON 0 Ô ivTOM TAT LUẬN VAN Gv S E51 1151511111515151 5111111111111 E1 ne ri VLOL CAM ĐOAN co th HH1 re vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIET TAT VÀ KÝ HIỆU ¿2 2 s22 sex XDANH MUC HÌNHH G1111 3 519191 51 1 9 91111 1 9 11110128111 11g11 ng xiM.9/0:80/9:7.9 2 XỈV90I0/9)I9110.i007.1007 |1.1 Lý do chọn để tài: - ¿c6 tt S123 1 151111 21215111 1111111111111 rk |1.2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu cua để tài: cccccscsei 2

1.3 Phương pháp nghiÊn CỨU: - - - - << 5 S001 nh 3

14 Y nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của dé tài: -. 5- c2 cscscs¿ 3CHUONG 2 TONG QUAN 1ã 42.1 Tổng quan về Robot ccceccccccscsscsessssessssssesesssesscsesessssesesscsesesscsssesesscsesesscseeeeaes 4

2.1.1 Định nghĩa Robt? 00 ce eeeessnecceceeeseseeeceeeesesnaeeeeeeeseseeneeeeeeeseeeaeees 4

2.1.2 Các thành phan của Robot: c.ccccccscscssssessesesessesesessesesessesesessesesesseseseeeeses 42.1.3 Một số ứng dụng điển hình của robot trong công nghiệp: 72.2 Tổng quan về robot được khảo sát trong luận văn: -5- +: 72.3 Tổng quan về một số công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài: 9

2.3.1 Bài toán động học thuận: - Gv re 92.3.2 Bai toán động học NQuQe:? Ăn ng ke 102.3.3 Bài toán động lực hỌC: - << c SH ng vn I1

2.3.4 Bài toán điều khiển: -ccccctectitrrrtrrrrrirrrrrirrrirrrrrrerrie 122.3.5 Tổng quan về ứng dụng cắt ông phục vụ lắp ghép kết cau ống thép: 172.4 Cac van dé can tập trung giải quyết của dé tài: - - ccscsccec: 2099I019)1€E08909)i60:09040) 1 213.1 _ Tính bậc tự do Của CƠ CẤU: G111 1E 11919111 111112113 xnxx rrrei 21

3.2 Bai toán động học thuận V1 tri: -Ă cv ve, 213.3 Bài toán động học ngƯỢC VỊ tris -ĂĂS S113 vn ve 253.3.1 Xác định (Ø,,Ø,,,): HH kh 273.3.2 Xác định (Ø,,,): cọ 30

CHƯƠNG 4 DONG LUC HỌC -¿- (6 +22 132% 1E123E2111211121111 111211 x 31

4.1 Tinh động lực học theo phương pháp Lagrange: -++<<<<<«2 314.2 M6 phỏng động lực hỌC: - SH, 34

00I019))16689))5108.4:000))0017 Al5.1 Hoạch định qui đạo chuyển đỘng: LG HH ng ke 4I5.2 Vấn để điều khiỂn: :-5: 2t 2x2 E212 435.2.1 Vòng điều khiến vận tỐC: - - - + SE Tk St xggrtrgrg 435.2.2 Vòng điều khién Vi trÍ: -G- - Ek+E+ES SE SE Tkkgkgtg rkrtggreg 50

5.2.3 Tracking qui đạo trong không gian khớp: «««<<<<<s«+ 515.24 Tracking qui đạo trong không gian esCarft€s: -««- 57

CHUONG 6 UNG DUNG CAT ONG PHUC VU CHO VIEC LAP GHEP KET

9.10059061011177 a a 66

6.1 Van đề tiép xúc mặt tại V1 tri hàn: oo eeeeeeseeeeccccceeeeccceeeeeeseeeeeceeeeeeees 666.2 Qui đạo end-effector cắt ông Ry! cccccccscscssessssssessssesesesssessesesessesesessesesesseseeees 676.3 Qui dao end-effector cắt Ong Rot cceccccccssssessssssessssesessesesessesesessesesesseseseeseseeees 72CHƯƠNG 7 THUC NGHIEM VÀ KET QUA DAT ĐƯỢC - 76

TL Mô hình thực nghiỆm: G9900 000 vớ 76

7.1.1 Mạch driver điều khiến 90151207 77

7.1.2 Mach xử lÍ trung tam: << S00 ng 78

7.1.3 Phần mềm điều khiỂn: ¿52552 25+22+2E2ExvEveExerxrrrrrerrerree 787.2 Kết quả thực nghiệm: 5-5-5252 E2 E1 31111521 121112111111 E xe, 80CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

h6 “4 81

Sil KẾT luận: SQ QC TH TT 11212 TT 11g TT HT ng cư 81B.L.1 Các kết quả dat đƯỢC: 55t SE SE 1 E5 12111111 ecxre.818.1.2 Kết quả chưa đạt: 5-5 25222232221 21211121111 1211 re 818.2 Hướng phát triển của dé tài: cee ecccceccesesesscsesesscsssessesesessesesesseseseeeeseeen 82DANH MỤC TÀI LIEU THAM KHẢO - s6 k2 E+E#E£E+EEEsEeEeEsEeEeeseei 83LY LICH CÁ NHẦN k1 119121 1 91511191 1 9 1111151111 11111111 g1 ree 84

DANH MỤC CÁC CHU VIET TAT VÀ KÝ HIỆU

Chữ viết tắt Giải thích

DOF Degree of freedomDH Denavit—Hartenberg

DANH MUC HINH

Hình 1-1: Robot công nghiệp đầu tiên Unimate cccccccccscsesssesesesssesseseseecsessees l

Hình 2-1: Khớp xoay và khớp trượt [3] - - - << - 1111391111 11 99 11 ng 5

Hình 2-2: Thành phan tay máy với cau hình 3 khớp xoay [3] -. -5-<¿ 5Hình 2-3: Thành phan cô tay robot với thiết kế khớp cau [3] 6Hình 2-4: Một số ứng dụng điển hình của robot trong công nghiệp 7

Hình 2-5: Robot được khảo Sat . - E33 3110101111010 1911111111111 11 1 tr reg 8

Hinh 2-6: Robot duoc vé lai trén phan mềm Solid Works . 5 se cscsesxe: 9Hình 2-7: Định nghĩa các thông số DH a,,œ,,đ,,Ø cho khớp va khâu thứ i [3] 10Hình 2-8: Quang đường, vận tốc và gia tốc theo đường đa thức bậc 5 [1] 14Hình 2-9: Quang đường, vận tốc và gia tốc theo đường hình thang [1] 15Hình 2-10: Một sơ đồ điều khiển dựa trên mô hình đối tượng [1] . - l6Hình 2-11: Sơ đồ cắt băng khí [ 1 I] ¿-¿-¿- SE +E+E+E+E£E£EeEEEEEEEErkrkrerererered 17Hình 2-12: Nguyên lý cắt Plasma - ¿6 S22 E2 SE‡ESEEEEEEEErkrkrkrrkrrrreee 18Hình 2-13: Hai ống kim loại được hàn theo phương tạo với nhau một góc ø 19

Hình 3-1: Hình dang rOOI - - G9990 ngờ 21Hình 3-2: Robot được vẽ lại trong Solid Works S9 ereses 22

Hình 3-3: Gan hệ tọa độ cho tay máy trong SolidWorks - 5c 55s cscscsccee 22Hình 3-4: Gắn hệ toa độ cho tay máy - - - - SE SE SEEEEEEEkEkrkrkrkrkrkrkrkd 23Hình 3-5: Định nghĩa các tư thé của tay máắyy -¿-¿- + + 2 Sex rkrkrkrrrrerered 27Hình 3-6: Tính 0 cho tư thé RIGHT-ABOVE c.cccccertirrierirrrirrrries 29Hình 3-7: Tính 0 cho tư thé LEFT-ABOVE cccccsrsrierrirrirrrrrrirrrriee 29

Hình 4-1: Khau i và các vector thuộc tính động học [3 -««««««<<<s 52 31

Hinh 4-2: Thong số vị trí khối tâm, ma tran moment quán tính trong SolidWorks 34Hình 4-3: Sơ đồ mô phỏng chuyển động robot dưới tác dụng trọng lực 37Hình 4-4: Vị trí và vận tốc của khớp Ì ¿-¿-¿- - -kk+E+E+ESESESEEEEEEEEEkrkrkrkrkrkrkrkd 37Hình 4-5: Vị trí và vận tốc của khớp 2 ¿-¿-¿- - xkx+E*E# E5 EEEEEETxExtckrkgkrrưkg 38Hình 4-6: Vị trí và vận tốc khớp 3 ¿-¿-¿- -EEEEE*E*ES E5 5 11111111 Ekrkrkrkrkd 38Hình 4-7: Vị trí và vận tốc của khớp 4 ¿-¿- - kk+k+E*E* SE SE EExTxTxctrkgkrtrrkg 39Hình 4-8: Vị trí và vận tốc của khớp 5 - ¿+ + + 2 2123 E* SE E E121 1E rkrree 39

Hình 4-9: VỊ trí của end-©ÍÍ€COT << << C3 303333133111130 1 1111111111111 1 6c ren 40Hình 5-1: Qui đạo đường đa thức bậc Š - - -c S11 111111 1 1 9 1111111 kg 41Hình 5-2: Qui đạo đường hình thang . - (<< + 113999910111 1 9 11v re 42

Hình 5-3: Sơ đồ vòng điều khiến vận tỐc ¿ - - + 252 SE tt Erkrrrrerrsred43

Hình 5-4: Dap ứng của khớp 1 khi không có ma Sat . - << «<< <<<++2 44Hình 5-5: Dap ứng của khớp 2 khi không có ma Sat . - << «<< <<<++2 44Hình 5-6: Dap ứng của khớp 3 khi không có ma Sat << ««<<<++2 45Hình 5-7: Dap ứng của khớp 4 khi không có ma Sat . - << «<< <<<++2 45Hình 5-8: Dap ứng của khớp 5 khi không có ma Sat . - << «<< <<<++2 46

Hình 5-9: Sai số vận tốc các khớp khi không có ma sát . - 2-2 25552:46

Hình 5-10: Dap ứng khớp 1 khi có ma Sat . - 11111199 key 47Hình 5-11: Dap ứng khớp 1 khi có ma sát - + 1111 S99 1 ve erey 47Hình 5-12: Dap ứng khớp 3 khi có ma Sat . - S111 S99 1 ve 46

Hình 5-13:Hình 5-14:Hình 5-15:Hình 5-16:Hình 5-17:Hình 5-18:Hình 5-19:Hình 5-20:Hình 5-21:Hình 5-22:Hình 5-23:Hình 5-24:Hình 5-25:Hình 5-26:Hình 5-27:Hình 5-28:Hình 5-29:Hình 5-30:Hình 5-31:Hình 5-32:Hình 5-33:Hình 5-34:Hình 5-35:Hình 5-36:Hình 5-37:Hình 5-38:Descartes.Hình 5-39:Hình 5-40:Hình 5-41:Hình 5-42:Hình 5-43:

Hình 6-1: Hai ống kim loại cùng đường kính được hàn theo phương vuông góc

Đáp ứng khớp 4 khi có ma sát - ĂĂ S1 1 9 re, 46Đáp ứng khớp 5 khi có ma Sát - - - << - S1 1 1 re 49Đồ thị moment của các khớp . ¿+ - + 2 2+s+E+E+£z£E£E+EzezEersrerered 49Sai số vận tốc các khớp khi có ma sắt . - - + +c+s+E+E+£sEsrereei 50Sơ đô bộ điều khiến tracking qui đạo ¿-5- 5 55+c+c<£scscezescee 51Dap ứng khớp ] trong tracking qui dao khớp - - - +<<<<<<+ 52Đáp ứng khớp 2 trong tracking qui đạo khớp -««««<<<++2 52Dap ứng khớp 3 trong tracking qui đạo khớp << +<<<<<<+ 53Dap ứng khớp 4 trong tracking qui đạo khớp << -<<<<<+ 53Dap ứng khớp 5 trong tracking qui dao khớp << +<<<<<<+ 54Sai số vị trí khớp trong tracking qui đạo khớp . - s5: 54Sai số vận tốc khớp trong tracking qui đạo khớp . - 55

Vi tri end-effector trong tracking qui đạo khớp . - 55

Hướng cua end-effector (roll- -pitch- -yaw) trong tracking qui dao khớp .56Qui đạo của end-effector khi chiếu lên các mat phang Oxy, Oyz, Oxz 56Hoạch định qui đạo của end-effector trong hệ toa độ tu nhiên 58

Dap ứng cua end-effector trong hệ tọa độ tự nhiên .- 58

Dap ứng khớp ] trong tracking qui dao Descartes . - 59

Dap ứng khớp 2 trong tracking qui dao Descarfes -‹- 59

Dap ứng khớp 3 trong tracking qui dao Descartes . 60

Dap ứng khớp 4 trong tracking qui dao Descartes . - 60

Đáp ứng khớp 5 trong tracking qui dao Descartes . - 61

Sai số vi trí khớp trong tracking qui dao Descartes -: 61

Sai số vận tốc khớp trong tracking qui dao Descartes 62

Vi tri end-effector trong tracking qui dao Descartes . 62

Hướng cua end-effector (roll-pitch-yaw) trong tracking qui daoseceeesaeeeeeseaneeeeeeaeeeceesaceceeseaeeeeeseaaeeceseaeeceseaeeeceeeaaecceseaueeseseaeeseneeeaaeeeeseaaeeees 63Qui đạo của end-effector khi chiếu lên các mặt phẳng Oxy, Oyz, Oxz 63Sai số vị trí của end-eff€CfOT óc 2 + xxx 31128 E2 Esererecee 64Sai số về hướng của end-effCfOr - + 2525522 E£E£EzEzrrsrereee 64Sai số vận tốc của end-eff€CfOT -c- + xxx S318 ESEkekserersered 65Đồ thi moment của các khớp trong tracking qui dao Descartes 65

.66Hình 6-2: a Hình chiếu đứng: b Cac mặt tiếp xúc T1_P1, T1_P2, T2 PI,T2 P2vuông góc với mặt phdng năm ngang . ¿ - - + 2 252 E+E+ESEE£E£E+EzEEErkrkrerree 66Hình 6-3: Truong hợp hai ông Rị> Ra hợp với nhau QOC - 67

Hình 6-4: Hình trụ R, trong hệ tọa độ CS RÏ 5 5c ssrrses 67Hình 6-5: Hình trụ R, trong hệ tọa độ CS_ R2 KNNNNNNNNNHHHgAC 68Hình 6-6: Qui tích giao diém của ông R, va R› trên Ong R¡ - 5-5552 69Hình 6-7: Đặt ông R¡ vào hệ tọa độ CSO của robot 577cc v2 70Hình 6-8: Chọn nghiệm x = x, — JR? —(R, sin “RE 71

Hình 6-9: Qui tích giao điểm của ống Ry và Ro trên Ống Rạ 5-5- c5:73

Hình 6-10: Dat ông R› vào hệ toa độ CSO của robot .- << c2 74Hình 6-11: Chọn nghiệm y>( - (<1 19000109 rre 75

Hình 7-1: Mô hình thực tế sau khi chỉnh sửa được kết nối với mach driver điềukhiển và máy tính ¿ - - + 2E +E+EE9EE SE S311 5 1211151151111 11111111 1111111111111 xe 76Hình 7-2: Mạch driver được ghép thành module điều khiến 5 động cơ và tay gắp 77Hình 7-3: Mach xử lí trung tâm kết nối với driver điều khiển động cơ 78Hình 7-4: Phan giao diện xử lí dữ liệu . ¿ - - 2 2 2 5E+E+E+E£E+E£E+EeErErkrererree 79Hình 7-5: Phan giao diện giao tiếp người dùng occ eseseeseseecseeeseseeeeeeeees 79

DANH MỤC BANG

Bang 2-1: Thông số của các khớp ¿-¿- - + + 2+2 2E+E+ 2E EEEEEEE15E1 1111111113111 EEcxe, 8Bang 2-2: Điều kiện biên tại thời điểm t=0 và ET ove eeseseseseeeseseeseseeeee 13Bang 2-3: Bảng so sánh giữa hai phương pháp cat khí và cat Plasma [1 1] 18Bảng 3-1: Thông số DIHH ¿G52 S222 E9 5E 121115151511 11 1111511111171 111111 cxe 24Bang 4-1: Các thông số cân dé thiết dé mô phỏng động lực học - 35Bảng 5-1: Điều kiện biên tại thời điểm t=0 và †=T, -cscccececerrrrreeered AlBang 5-2: Hệ số Kp, Ki, Kd vòng điều khiến vận tốc veces csesesessesessessesesesees 44

CHUONG 1 MỞ DAU

1.1 Ly do chọn đề tai:

Bang sáng chế robot dau tiên được đăng ký bởi George Devol vào năm 1954và được cấp vào năm 1961 [1] Tiếp sau đó, công ty robotics dau tiên Unimation

được sáng lập bởi Devol va Joseph Engelberger vào năm 1956 Nam 1959, George

Devol và Joseph Engelberger đã phát triển robot công nghiệp đầu tiên mang tênUnimate Unimate nặng khoảng 2 tan, sử dụng các cơ cấu chấp hành thủy lực vàđược lập trình điều khiến vị trí các khớp [2]

Tầm nhìn của Devol và Engelberger về robot tự động hóa đã trở thành hiệnthực Sau năm 1960, nhiều loại cánh tay robot da được chế tạo và đưa vào hoạtđộng trong các lĩnh vực công nghiệp như hàn, sơn, chất và dỡ hàng, lắp ráp, đónggói và sắp xếp Thập niên 80 đã chứng kiến sự phát triển cực kì mạnh mẽ của

robotics trong khoa học kỹ thuật cũng như việc sử dụng robots trong các ngành

công nghiệp Ngày nay, thế giới có hơn 1000 t6 chức, hiệp hội, câu lạc bộ quốc tếliên quan đến robotics; hơn 100 hội nghị, cuộc thi về robotics được tổ chức hăng

năm: va hơn 50 chủ dé khóa học khác nhau trong các trường đại học liên quan đến

robotics [3 |.

Ngày nay, robots có ứng dụng cực ki rộng lớn trong công nghiệp Robots có

khả năng thực hiện nhiều loại thao tác tốt hơn con người và cung cấp độ chính xáccao hơn, tin cậy hơn Việc sử dụng robots đã dẫn đến tăng năng suất cũng như chấtlượng sản phẩm Trong công nghiệp chế tạo, robots giúp giúp hạ giá thành sản xuấtcũng như thay thế nhân công trong các điều kiện làm việc nhàm chán hay phức tạp,nặng nhọc, nguy hiểm Rất nhiều sản phẩm chúng ta sử dụng hang ngày được lắp

ráp hoặc vận hành bởi robots.

Tại Việt Nam, việc ứng dụng robots vào công nghiệp và khoa học kỹ thuật

đang và sẽ là van dé không thé tránh khỏi trong quá trình phát triển và hiện đại hóasản xuất Hiện nay, nền công nghiệp nước ta đang ở một khoảng cách lùi khá xa sovới các nước tiên tiến trên thế giới Chính vì vậy bản thân người thực hiện đề tàitrước hết muốn dé ra một mục tiêu khá khiêm tốn nhưng mang ý nghĩa thực tiễn vềkiến thức và kinh nghiệm, đó là bước đầu nghiên cứu, khảo sát một robot 5 bậc tựdo có sẵn tại phòng thí nghiệm; xây dựng mô hình động học và động lực học; xâydựng bộ điều khiển PID tracking qui dao va áp dụng robot vào việc cắt ống phục vụlắp ghép kết cầu ông thép

12 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:e ĐỀ tài này sẽ tìm hiểu, khảo sát một cánh tay robot 5 bậc tự do có sẵn tại

phòng LAB Hitech Mechatronics — Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hỗ Chí

Minh.

e Tìm hiểu, phân tích và xây dựng động học thuận vi trí va động học ngược vi

trí cho cánh tay robot.

e Tìm hiểu cách tính động lực học, sử dụng Matlab để mô phỏng động lực học.e Xây dựng một bộ điều khiển PID tracking qui đạo và sử dung Matlab dé mô

phỏng bộ điều khiến.e Xây dựng phương án dé áp dụng robot vào thực nghiệm cat ống phục vu lắp

chép kết cau ống thép

1.4

Tiến hành thực nghiệm trên robot 5 bậc tự do

Phương pháp nghiên cứu:

Tiến hành tìm hiểu, phân tích một số công trình nghiên cứu của các tác giảtrong và ngoài nước liên quan đến dé tài

Sử dụng các phần mềm hỗ trợ cho việc vẽ, tính toán và mô phỏng robot như

Matlab, SolidWorks.

Tiến hành thực nghiệm trên robot 5 bậc tự do.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài:Kết quả của để tài sẽ góp một phần kiến thức vào việc xây dựng bộ điềukhiến PID tracking qui đạo cho cánh tay robot 5 bậc tự do

Áp dụng thành công robot trong thực nghiệm cắt ống sẽ góp phần vào việcáp dụng robot trong thực tiễn sản xuất

CHƯƠNG 2 TONG QUAN

2.1 Tổng quan về Robot

2.1.1 Dinh nghĩa Robot:

Robot được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau

Theo định nghĩa cua Robotics Institute of America (RIA):“A robot (industrial robot) is a reprogrammable multifunctional manipulatordesigned to move material, parts, tools, or specialized devices through variableprogrammed motions for the performance of a variety of tasks.”

Theo quan điểm kỹ thuật:

“Robots are complex, versatile devices that contain a mechanical structure, asensory system, and an automatic control system Theoretical fundamentals ofrobotics rely on the results of research in mechanics, electric, electronics,automatic control, mathematics, and computer sciences `

Đến nay van chưa có một định nghĩa chính xác về robot Tuy nhiên, theonghĩa chung nhất, robot là một cỗ máy được lập trình phỏng lại hành động hoặc

dáng điệu của sinh vật thông minh.

Dé được xem là một robot, một cỗ máy phải có khả năng:e Cảm nhận và lay thông tin về môi trường chung quanh.e_ Có khả năng hoạt động như di chuyển hoặc điều khiến đồ vật.e Có thể lập trình lại để thực hiện các tác vụ khác nhau

e_ Có khả năng tự động, có thé giao tiếp với con người.2.1.2 Cac thành phan của Robot:

Tay may robot la mot chuỗi động học bao gôm nhiều khâu được nối với nhaubởi các khớp động Các thành phần cấu tạo của robot bao gồm: tay máy (manipulator ), cô tay ( wrist ), end-effector, cơ cau tác động ( actuators ), cam bién (sensors ), bộ điều khiến ( controller )

2.1.2.1 Khâu:

Toàn bộ bộ phận có chuyển động tương đối so với các bộ phận khác trong cơcầu được gọi là khâu Khâu có thé là một chi tiết hoặc tập hop các chi tiết không cóchuyển động tương đối với nhau

2.1.2.2 Khớp:

Toàn bộ chỗ tiếp xúc giữa hai khâu trên mỗi khâu khi nối động hợp thànhkhớp động hay gọi tắt là khớp Hai loại khớp cơ bản được sử dụng trong robot làkhớp xoay và khớp trượt Khớp xoay cho phép chuyển động xoay tương đối giữa 2khâu Khớp trượt cho phép chuyền động tịnh tiễn tương đối giữa 2 khâu

Đây là thành phần chính của robot Một tay máy khi có đủ các thành phầnnhư cổ tay, end-effector và bộ điều khiến sẽ trở thành một robot hoàn chỉnh

Za

Hình 2-2: Thanh phần tay máy với cầu hình 3 khép xoay [3]

2.1.2.4 Cổ tay:

Thành phan các khâu khớp giữa forearm va end-effector được gọi là cô tay.Khớp cầu thường được sử dụng trong thiết kế cỗ tay robot Khớp cau có 3 trục của3 khớp giao nhau tại một điểm Chính vị thế, việc sử dụng khớp câu giúp đơn giản

hóa việc phân tích động học của robot, cho phép tách vi trí và hướng của

end-effector Trong trường hợp này vị trí của end-effector sẽ được quyết định bởi taymáy, hướng của end-effector sẽ được quyết định bởi cô tay Với khớp cầu cổ tay sẽcó 3 bậc tự do Tuy nhiên, tùy vào từng ứng dụng cụ thé, cổ tay sẽ được thiết với

một, hai hoặc ba bậc tự do.

2.1.2.7 Bộ điều khiến:

Bộ điều khiến có nhiệm vu:e Thu thập và phân tích các dữ liệu cam biến.e Đưa ra quyết định cho chuyển động của robot.e_ Giao tiếp với người dùng

2.1.3 Một số ứng dụng điển hình của robot trong công nghiệp:

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứngdụng ban dau tập trung vào gap đặt vật liêu, phun sơn, hàn điểm Ngày nay, robotđược chế tạo và đưa vào hoạt động trong các lĩnh vực công nghiệp như hàn, sơn,chất và dỡ hàng, lắp ráp, đóng gói và sắp xếp

Application Automotive Industry

Poe

Ne

Í

+ AdaptationHình 2-4: Một số ứng dụng điển hình của robot trong công nghiệp.2.2 Tổng quan về robot được khảo sát trong luận văn:

Robot được khảo sát trong luận văn có cau hình 5 bậc tự do gồm 5 khớpxoay như hình 2-5 Trong đó, tay máy được thiết kế với 3 bậc tự do, cô tay gồm 2bậc tự do Với cau hình như trên, robot bi hạn chế trong việc điều khiển hướng của

end-effector.

Hình 2-5: Robot được khảo sát.

Robot sử dụng cơ cầu tác động là các động cơ điện DC servo của hãng

HarmonicDrive, có encoder với độ phân giải là 200 xung/vòng Động cơ được tích

hợp hộp số Harmonic với độ chính xác cao, đồng thời làm tăng moment cấp cho tải

Dựa vào datasheet của động cơ ta có được bang 2-1.

Bảng 2-1: Thông số của các khớpKhớp Tỉ số truyén Tỉ số truyện Độ phân giải | Maximum output

hộp số Harmonic | bộ truyền ngoài của encoder Torque (N.m)

(bánh răng) (xung/vòng)l 110 ] 22000 202 110 2.8 61600 503 100 2.5 50000 254 100 ] 20000 55 50 | 10000 3.5

Robot cũng được vẽ lại trên phần mém SolidWorks để có thé do, tính toán

các kích thước động học, khói lượng và moment quán tính các khâu Các số đo này

được sử dụng trong quá trình tính toán động học và mô phỏng động lực học chorobot.

2.3 Tống quan về một số công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tai:

Từ những năm 1960, robot đã có những bước phát triển rất mạnh mẽ trongkhoa học kỹ thuật và công nghiệp, chính vì vậy dé tài về robot là không mới Các kỹthuật và phương pháp đã được đưa ra để giải quyết những bài toán liên quan đếnđộng học, động lực học và tiễn dần đến điều khiến robot theo qui đạo

2.3.1 Bài toán động học thuận:

Ý nghĩa của bài toán động học thuận nhằm tim ra vị trị và hướng của mọikhâu và end-effector khi biết các biến khớp Với khớp xoay, biến khớp là giá trị củagóc xoay Với khớp tịnh tiễn, biến khớp là độ dịch chuyến tịnh tiến

Năm 1955, phương pháp DH (Denavit—Hartenberg) được Jacques Denavit

and Richard Hartenberg giới thiệu nhằm chuẩn hóa việc mô ta cau hình của robot

[4] Năm 1981, Richard Paul đã chứng minh lợi ích và hiệu quả của phương pháp

DH trong việc phân tích động học [5] Mặc dù trước đó có nhiều phương pháp khácnhau được phát triển nhưng phương pháp DH đã trở thành chuẩn mực trong robotcông nghiệp Nhờ đó, bài toán động học thuận được giải quyết dễ dàng và mangtính hệ thống.

11uof

| LÌ — Xj.)

\ Oj-]Hình 2-7: Định nghĩa các thông số DH a,,ơ,,d,,9 cho khớp va khâu thứ i [3]2.3.2 Bài toán động học ngược:

Ý nghĩa của bài toán động học ngược nhằm tìm ra giá tri các biến khớp khibiết vị trí và hướng của end-effector Đối với bài toán này, hai kỹ thuật được sửdụng pho biến đó là decoupling ( tách ) va iterative ( lặp )

Kỹ thuật decoupling: đòi hỏi kỹ năng và hiểu biết của người kỹ sư đối vớirobot cần khảo sát Một trong số những phương pháp pho biến nhất là tách bài toán

động học ngược thành hai bài toán nhỏ: động học ngược vị trí và động học ngược

hướng Tuy nhiên, tùy vào từng cấu hình cụ thể của robot, người kỹ sư phải ứngdụng những kiến thức về hình học, đại số để giải quyết bài toán

Kỹ thuật iterative: sử dụng một lượng lớn các phép tính lặp để cực tiểu saisố (trường hop lí tưởng sai số bang 0) giữa “vị trí và hướng của end-effector” mongmuốn với kết quả tính được Nói cách khác bằng cách thay đổi giá trị của các biếnkhớp theo một phương pháp nào đó, sai số “vị trí và hướng của end-effector” đạt

cực tiêu Khi đó giá trị các bién khớp chính là nghiệm của bài toán Phương phápthường được sử dụng để cực tiểu sai số là Newton-Raphson [3] Do số lượng cácphép tinh là không ít, kỹ thuật này chỉ được áp dụng trên máy tính dé giải quyết bàitoán động học ngược cho một robot bất kì Một số phương pháp mới thậm chí ápdụng mạng neural network nhăm tìm ra lời giải nhanh hơn, thích hợp với ứng dụng

realtime [6].2.3.3 Bài toán động lực học:

Ý nghĩa của bài toán động lực học nham tim ra phương trình hoặc hệ phươngtrình vi phân mô tả chuyển động của robot Thông qua bài toán động lực học ta cóthê hiểu được các loại lực khác nhau (lực phát động, lực ma sát, lực quán tính )sây ảnh hưởng lên chuyên động của robot như thé nào Chính vì thé, bài toán độnglực học là bước đệm khá quan trọng để giải quyết bài toán điều khiến

Có hai phương pháp để giải bài toán động lực học: phương pháp Euler và phương pháp Lagrange Ca hai phương pháp nham tìm ta phương trình viphân môt tả chuyên động của robot theo dạng sau:

Newton-@=M(4)q+C(q.4)4+ F(4)+G(4) (2.1)

Trong đó:

4.¿.ä: là lần lượt là vecto vị trí, vận tốc và gia tốc của của các khớp

M: là ma trận quán tính.C: là ma trận Coriolis và hướng tâm.F: là lực ma sát.

G: là lực trọng trường.Q: vecto lực phat động.

Với biểu thức (2.1), khi có vị trí, vận tốc và ola tốc, ta sẽ tính được lực hoặcmoment can thiết dé điều khiển robot và ngược lại

Phương pháp Lagrange: cung cấp một cách tiếp cận có hệ thống để thuđược phương trình vi phân mô tả chuyên động, tuy nhiên không thé hiện được mỗi

quan hệ tương tác giữa các lực tại các khớp.

Phương pháp Newton-Euler: có điểm lợi thé là có thé tính được lực tạitừng khớp tại một thời điểm Bắt đầu từ giá đến end-effector, ta phân tích vận tốc và

gia tốc của từng khớp dé có thé xác định được vận tốc va gia toc của từng khâu Sauđó, bắt dau từ end-effector đến giá, ta sẽ tính được lực và moment trên mỗi khâu và

nhờ đó tính được moment trên khớp.

Trong thực tế, với các co câu có bậc tự do lớn hon 3, việc tìm được chínhxác phương trình vi phân mô tả chuyển động là không đơn giản Các phương trìnhtrở nên quá phức tạp đến mức phải nhờ sự trợ giúp của máy tính dé tính được đạo

hàm Trong mô phỏng tính toán, thuật toán đệ qui Newton-Euler được sử dụng hiệu

quả hơn phương pháp Lagrange Bốn trong số những phương pháp hiệu quả nhất đã

được Walker va Orin phân tích và đánh giá vào năm 1982 [7].

2.3.4 Bài toán điều khiến:

Ý nghĩa của bài toán điêu khiển nhăm giải quyết van dé di chuyển effector từ điểm A đến điểm B cho trước Nếu chỉ quan tâm đến điều khiến vị trí thìbài toán trở nên khá đơn giản Tuy nhiên dé di chuyên của robot được êm mượt, liêntục, ngoài vi trí thì vận tốc và có thé bao gôm gia tốc là van dé cân quan tâm Lúcnày, bài toán quĩ đạo chuyên động từ điểm A đến B được đặt ra

end-2.3.4.1 Qui đạo chuyền động:

Có hai cách tiếp cận cho van dé qui đạo chuyển động đó là chuyển độngthăng trong không gian khớp và chuyển động thang Cartesian (chuyển động thang

trong không gian Descartes).

Chuyển động thang trong không gian khóp: quan tâm đến qui dao củatừng khớp khi end-effector di chuyên từ điểm A đến B Ta coi chuyển động củakhớp trong hệ tọa độ tự nhiên như chuyền động thắng với quãng đường s, vận tốc švà gia tốc ÿ Lúc nay, qui đạo của end-effector hoàn toàn phụ thuộc vào qui đạo

động của end-effector như chuyền động thang với quãng đường s, vận tốc § và giatốc š Lúc nay, qui đạo của các khớp được tính từ qui đạo của end-effector.

Ứng dụng: sơn, hàn cung (are welding) Cả hai cách tiếp cận trên déu sử dụng các phương pháp chung dé tạo ra quiđạo chuyển động trong hệ tọa độ tự nhiên, trong đó phô biến va hay được sử dụngnhất là đường polynomial (đường đa thức bậc 3 hoặc bậc 5) và đường hình thang

Phương pháp đường đa thức bậc 5:

Trong phương pháp đường đa thức bậc 5, quãng đường, vận tốc và gia tốc

được cho bởi các biêu thức sau:

s(t) = At + Bf+Cf`+ Di + Etr+F (2.2)§(t) = 5A?” +4Br +3Cf” +2Dr + E (2.3)S(t) = 20A?” +12Br* +6Ct+2D (2.4)

Các điêu kiện biên tại thời điểm t=0 (điểm A) va thời điểm t=T (điểm B)

được cho bởi bảng sau.

Bảng 2-2: Điều kiện biên tại thời điểm t=0 và t=T

Thời gian § S $t=0 S, S, ŠgT=T Sy Sy Sy

Băng cách giải biểu thức (2.5), ta có được các hệ số (A, B, C, D, E, P):

(s,\ ( 0 0 0 0 0 1\A)S, TT TỶ TỔ T ASB

Š 0 0 0 0 1 0ỊCf=] 4 , › (2.5)S, 5T° 4TẺ 37° 2T 1 O|]D

So 0 0 0 2 0 OF E

(S,) (207) 12T° ó7 2 O OJ F,

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

TimeHình 2-8: Quãng đường, vận tốc và gia tốc theo đường đa thức bậc 5 [1]

Phương pháp đường hình thang:

Trong phương pháp đường hình thang, quï đạo bao gồm một đoạn thăngtuyến tính và các đoạn cong parabol Vận tốc trong chuyển động gôm ba phan: phầntăng tuyến tính, phần chuyển động đều và phần giảm tuyến tính Tuy nhiên thànhphân gia tốc không được liên tục như đường đa thức bậc 5

1.00.8 10.67 :0.4 f :0.2 / ;0.0 _—

0 3 10 15 20 25 30 35 40 45

Time

0.04 T T T T T T T T T

sa 0,02 F0.010.00 + 1 + 1 1 L + 1 +

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45sự Time

Để điều khiến end-effector của robot di chuyên từ A đến B, ta điều khiếntừng khớp bám theo qui đạo của nó Có hai phương pháp tiếp cận vẫn đề điều khiếnkhớp: điều khiển khớp độc lập ( independent joint control ) và điều khiến dựa trênmô hình đối tượng ( model-based control )

Điều khiến khớp độc lập:Trong phương pháp này, mỗi khớp được xem như một hệ thống độc lập, điềukhiến khớp theo qui đạo cho trước Phương pháp được áp dụng rộng rãi trong công

nghiệp, thường có hai vòng điều khiến: vòng điều khiến vận tốc và vòng điều khiếnvị trí Luật điều khiển được sử dụng la PID ( proportional-integral-derivativecontroller ) Nhược điểm của phương pháp điều khiến feedback này là phải sử dungkhâu tích phân để bù cho sai số điều khiến Điều này dẫn đến hệ thống cần có thờigian xác lập và có vọt 16.

Điều khiến dựa trên mô hình đối tượng:Từ biểu thức (2.1), ta có thé tính được lực hoặc moment cần thiết để điềukhiến khớp theo qui đạo Đây là phương pháp điều khiến feedforward Tuy nhiên,điều khiến feedforward phụ thuộc vào độ chính xác của mồ hình đối tượng đượctính toán, chính vì thế nhiễu sẽ ảnh hưởng lớn đến sai số tracking Ví dụ, khi tảithay đổi, các thông số lực trong mô hình sẽ thay đối theo Vòng điều khiến feedback

được thêm vào dé bù sai sô trong các trường hợp này.

đề áp dụng trên vi điêu khiên có tôc độ tính toán và tài nguyên giới hạn.

Các phương pháp điều khiến dựa trên mô hình đối tượng được phát triển gầnđây cho sai số rất thấp và thời gian tính toán nhanh hơn để tiếp cận đến các ứng

dung realtime [8] [9] [10].

2.3.5 Tổng quan về ứng dung cắt ống phục vụ lap ghép kết cau ống thép:

Robot được gan dung cu cắt kim loại ở end-effector Tùy thuộc vào kim loạimà phương pháp cắt được chọn cho phù hợp

2.3.5.1 Phương pháp cắt bằng khí:

Thực chất của quá trình cắt kim loại bằng khí là đốt cháy kim loại băng dòngoxy, tạo thành các ôxit (FeO, Fe.O3, FezOx), làm nóng chảy các ôxit đó va thôichúng ra khỏi mép cắt tạo thành rãnh cắt [11]

3) Ngọn lửa nung nóng 4) Ranh cat 5) Phôi cat

2.3.5.2 Phương pháp cắt bang Plasma:

Nguyên lý cắt plasma dựa trên sự tận dụng nhiệt độ rất cao và tốc độ chuyểnđộng lớn của khí từ miệng phun của đầu plasmatron để làm nóng chảy và thối kimloại khỏi rãnh cắt [11]

l4 “=

"' gircrRoce

NES

.v 13

Ä ,

` v.v.“ep? PLASMA

4 Wars kL

đc(¿«áá(áả/(e«.dđ/(«/ é á*)

WY 9+#£ CứnG)GAS

Hình 2-12: Nguyên lý cat Plasma:Bang 2-3: Bảng so sánh giữa hai phương pháp cắt khí và cắt Plasma [11]

PLASMA ARC CUTTINGOXY/FUEL CUTTINGVat liệu Plasma có thé cat bat ky kim loại

có khả năng dẫn điện với bề daythay đổi trong khoảng khá lớn

(từ 3/8 inch tới 2 inch).

Khí thì chỉ có thé cắt được

các kim loại có chứa nguyên

tố sat và có thé cắt được bề

day lên tới 24 inch Các kim

loại: nhôm, Inox không thé sửdụng phương pháp cắt này vìcó cầu trúc của nguyên tố oxy

ngăn cản quá trình oxy hóakim loại.

Môi lửaKhông cân môi lửa.Cân có môi lửa.Hiệu quả Plasma chỉ có thé cat tốt kim loại

với bề dày dưới 0.5 inch và phụthuộc vào nguồn năng lượng.Thời gian chuẩn bị cho quá trìnhcắt ít do không cần môi lửa.Bé rộng vết cắt nhỏ, độ chínhxác tương đối cao

Vùng tỏa nhiệt nhỏ, tránh uốn

cong và phá hủy vật liệu.

Không cần thiết phải làm vệ sinhsau khi cắt

Cắt băng khí có thé cat đượckim loại có bề dày lên tới 24

inch và phương pháp này

không phụ thuộc nguồn năng

lượng.

Khả năng dichuyên

Khả năng di chuyên phụ thuộc

vào kỹ thuật, kích cỡ bộ nguồnnăng lượng, kích cỡ bình khí.

Khả năng di chuyền linh hoạt,

không phụ thuộc vào bộnguôn năng lượng, có khả

năng cat bat cứ nơi dau vớibình khí và dau cat.

Tính linh hoạt Vat cạnh, cat theo biên dạng, Với dau cat phôi hợp, phương

khoét lỗ, đều có thé thực hiện | pháp cat bằng khí có thé đượcđược bởi phương pháp cắt sử dụng dé đốt nóng, han,plasma khoét lỗ, uốn cong, An toan Điện giật, lửa có thé gây rabởi | Lửa có thé gây ra bởi người

người thợ, tia sáng hồ quang vàomắt gây ra thương mắt, nếu sửdụng không đúng cách có théphá hủy quân áo bảo hộ và da

công nhân, có tia sáng phản

hồi vào mat làm tốn thươngmắt, nếu sử dụng không đúngcách có thé phá hủy quan áo

bảo hộ và da.

2.3.5.3 Yêu cầu bài toán cắt ống:

Xét hai ông kim loại có:

- Ban kính ngoài R¡=l6 mm, độ dày dị=2 mm.- Ban kính ngoài Rz=l5 mm, độ dày d;=2 mm.

- Hai ống được han với nhau theo phương hợp với nhau một góc a =60” như

hình dưới đây:

B® stube 2mm (Default<Dispk &) YS G- -s- @ @-

S-he hal Cie lta

Hình 2-13: Hai ống kim loại được han theo phương tạo với nhau một góc a

Ta thay dé mối han được kín, đẹp và bên, tại vị trí hàn hai ống kim loại phảitiếp xúc mặt với nhau Bài toán đặt ra là xây dựng phương án, cụ thé là xây dựngqui đạo chuyển động của robot dé cắt ông, với yêu cầu hai ống hợp với nhau mộtgóc a va phải tiếp xúc mặt với nhau tại vi trí hàn.

2.4 Cac van đề cần tập trung giai quyết của đề tài:e Đề tài tập trung vào việc khảo sát mô hình động học thuận và động học

ngược robot 5 bac tự do.

e Khảo sát động lực học nhằm mục đích mô phỏng hệ thống trong bài toánđiều khiến

e Xây dựng bộ điều khiến tracking qui đạo cho robot.e Xây dựng phương án ứng dụng cắt ống nhằm phục vu lắp ghép (hàn) kết cau

ống thép.e Tiến hành thử nghiệm

CHƯƠNG 3 ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ

3.1 Tinh bậc tự do của cơ cấu:

F=An-j-D+ Vinh

Trong đó: i: số bậc tự do của không gian mà cơ cầu hoạt động

n: tong số khâu trong cơ cau kế cả khâu có định.j: tổng số khớp trong cơ cấu

f;: số chuyên động tương đối cho phép bởi khớp i.Áp dụng vào robot ta có: 4=6, n=6, j=5, f=1 với tat cả các khớp (có 5 khớp)> Tt đó ta có số bậc tự do của robot là F=6(6—5—1)+ÿ.;ƒ=5(bac tự do)

Hình 3-1: Hình dang robot.

Bảng 3-1: Thông số DH

i Ơi a; 0; dj

1 90° 0 0; 1,=220 (mm)2 0° lạ=150 (mm) 05 03 0° lz=120 (mm) 0a 04 90° L„=lusin(30=50(mm) Đa az=0 (mm)5 0° 0 0; Ls=I5+1,cos(30°)=140(mm)

Cac ma trận chuyên đôi giữa các hệ trục tọa độ :

lcosở 0 sind 0| lcosØ, -—sinØ, 0 Ù*cosổ, |" sinđ_ 0 -cosg 0 if, = sinØ cosở 0 ¿*sinó,

0 1 0 l 0 0 | 0| 00 0 L_ | 0 0 0 I |

/cos@, -sin@, 0 1,*cos@, | lcosở, 0 sin@, L,*cos@, |a sin@; cosđ 0 /*sing op sin@, 0 —cos@, L¿*sinØ,

° 0 0 1 0 , 0 1 0 a,

| 0 0 0 1 | | O 0 0 lL |

lcosØ_ -sinØ, 0 0 |4 sinØ cosởg 0 0

1 =

0 0 | L,| 0 0 0 1.

Ma tran chuyén đôi TT, biểu diễn hướng và vi trí của hệ tọa độ thứ i trong hệtọa độ gốc 0 và được tính theo công thức:

i x y Z Dp,

T= TTT =D 7T =| TU 7® 3.1

Khi i=3 ta được ma trận:

| cosØ cos(Ø +Ø,) —cosØ sinØ +Ø,) sinØ cosØ( cos(Ø +Ø,)+l,cosØ,):" sin@, cos(@, + @,) —sin@ sin(@ +6) —cos@ sinØ( cos(@, +6,)+1, cos6,) (3.2)

° sin(@ + @, ) cos(6, + d, ) 0 / sin(@, +Øđ,)+E sin, +1,

L 0 0 0 | |

Khi i=4 ta được ma trận:

|cosØ cos(Ø,+Ø +Ø,) sinØ cosØ sin(Ø,+Ø +Ø,)

" sinØ cos(Ø,+Ø +Ø,) -cosØ_ sinđsin(đ@ +Ø +6)‘ sin(@, +Ø, +Ø,) 0 —cos(O, + 0, +8)

Khi i=5 ta được ma trận °7,biéu diễn hướng và vi trí khâu cuôi cua tay máy:

| sin@ sinØ +cosØ cos(Ø,+Ø.+Ø,)cosØ -(cosØ cos(Ø,+Ø, +Ø,)sin 8, —sin Ø cos đ,)

—(cos @, sin đ —sin@, cos(đ, + 8, + @,)cos@;) —(sin @, cos(Ø,+Ø +Ø,)sinØ + cos đ cos đ )

sin(@, + 6, + @,) cos đ, —sin(@, + 8; + 6,)sin @,

3.3 ai toán động hoc ngược vi tri:

Sử dung phương pháp decoupling dé tính động học ngược vi trí Với cauhình tay máy 5 bậc, có 4 nghiệm cho 3 khớp đầu và mỗi nghiệm của 3 khớp đầu tasẽ tính được 1 nghiệm của 2 khớp cuối Vậy nên bài toán có tất cả 4 nghiệm