Khảo sát động học robot song song bằng phương pháp đổi biến số

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN ĐÌNH THANH KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật cơ khí THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN ĐÌNH THANH ĐỀ TÀI KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật cơ khí NGƢỜI HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN TS. Phạm Thành Long Nguyễn Đình Thanh PHÒNG QLĐT SAU ĐẠI HỌC XÁC NHẬN KHOA CƠ KHÍ PGS.TS. Nguyễn Văn Dự THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Học viên: Nguyễn Đình Thanh Lớp: CHK14- CTM Hƣớng dẫn khoa học: TS. Phạm Thành Long THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Nguyễn Đình Thanh Nơi công tác: Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Việt Trì Tên đề tài: Khảo sát động học robot song song bằng phƣơng pháp đổi biến số Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí. Mã số: 60 52 01 03 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày tháng 04 năm 2014 Học viên Nguyễn Đình Thanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, khoa cơ khí, các thầy cô giáo trƣờng Đại Học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Phạm Thành Long và tập thể cán bộ giảng viên Bộ môn Cơ điện tử đã cho những chỉ dẫn quý báu để hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp của các thầy giáo thuộc khoa Cơ điện và các đồng nghiệp tại Trƣờng Đại học Công nghiệp Việt Trì đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả tháo gỡ những khó khăn trong thời gian làm luận văn. Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận đƣợc những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 MỤC LỤC Mục Nội dung Trang Trang phụ bìa luận văn 1 Lời cam đoan 3 Lời cảm ơn 4 Mục lục 5 Danh mục các thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt 6 Danh mục bảng biểu 9 Danh mục các hình vẽ đồ thị 9 GIỚI THIỆU 11 CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 13 1.1 Vị trí và vai trò của bài toán động học robot 13 1.2 Các phƣơng pháp xây dựng dữ liệu động học 14 1.2.1 Xử lý ảnh 14 1.2.2 Bài toán ngƣợc 14 1.2.3 Kỹ thuật dạy – học 16 1.2.4 Liên kết CAD/ CAM 17 1.3 Bài toán động học ngƣợc Robot và các phƣơng pháp điển hình 18 1.3.1 Giải hệ phƣơng trình bằng phƣơng pháp giải tích 18 1.3.2 Giải hệ phƣơng trình bằng phƣơng pháp số 18 1.3.3 Các phƣơng pháp khác giải bài toán động học ngƣợc 18 1.3.3.1 Phƣơng pháp “các nhóm 3” 18 1.3.3.2 Phƣơng pháp dịch chuyển vi phân 19 1.3.3.3 Phƣơng pháp Raghavan Roth 19 1.3.3.4 Phƣơng pháp loại trừ thẩm tách Sylvester 23 1.3.3.5 Phƣơng pháp Pieper 23 1.3.3.6 Phƣơng pháp Lee and Liang 25 1.3.3.7 Phƣơng pháp Tsai Morgan 26 1.3.3.8 Phƣơng pháp chuyển đổi ngƣợc 26 1.3.3.9 Phƣơng pháp Newton Raphason 28 1.3.3.10 Phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 1.4 Các hƣớng nghiên cứu tƣơng cận với đề tài 30 1.5 Hƣớng nghiên cứu của đề tài 30 Kết luận chƣơng 1 31 Chƣơng 2: KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ 32 2.1 Xây dựng vòng khép kín của véc tơ trong các cấu trúc khác nhau 32 2.2 Các dạng phƣơng trình liên kết khác nhau với cấu trúc song song 32 2.2.1 Phƣơng trình liên kết khi dẫn động kiểu R (rotation) 33 2.2.2 Phƣơng trình liên kết khi dẫn động kiểu p (prismatic) 33 2.3 Phƣơng pháp giảm Gradient tổng quát (GRG) và trình solver 34 2.3.1 Giới thiệu về thuật toán GRG 35 2.3.2 Giới thiệu về trình tối ƣu solver 38 2.4 Ứng dụng phƣơng pháp tối ƣu vào bài toán động học robot song song 42 2.4.1 Giới thiệu robot và mô hình động học 43 2.4.2 Bài toán động học ngƣợc với phƣơng pháp GRG 44 2.4.3 Bài toán động học thuận với phƣơng pháp GRG 44 2.5 Công thức đổi biến số và cấu trúc thay thế tƣơng đƣơng 46 2.5.1 Trƣờng hợp robot song song dẫn động bằng khớp tịnh tiến, khớp chủ động không nối giá 47 2.5.2 Trƣờng hợp robot song song dẫn động bằng khớp tịnh tiến, khớp chủ động nối giá 58 2.6 Xác lập quan hệ giữa 2 điểm cho không gian khác nhau 60 Kết luận chƣơng 2 62 CHƢƠNG 3 – XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM KIỂM TRA KẾT QUẢ BÀI TOÁN 64 3.1 Những điểm nghi ngờ về kết quả bài toán 64 3.2 Kiểm tra kết quả bài toán bằng đồ họa 65 3.2.1 Sơ đồ robot thí nghiệm 65 3.2.2 Kiểm tra sự chính xác của công thức đổi biến 66 3.2.3 Kiểm tra tính khép kín của dữ liệu 69 3.3 Kiểm tra bằng thực nghiệm trên mô hình robot 71 Kết luận chƣơng 3 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 Kết luận của luận văn 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 BẢNG DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT KÍ HIỆU DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ ĐƠN VỊ 1 6R Robot có 6 bậc tự do quay 2 3R3P Robor có 3 khớp quay và 3 khớp tịnh tiến 3 3RRR Robor có 3 bậc tự do toàn khớp quay 4 4R2P Robor có 4 khớp quay và 2 khớp tịnh tiến 5 5R1- P Robor có 5 bậc tự do quay với 1 bậc tự do tịnh tiến 6 6R- P Robor có 6 bậc tự do quay với 1 bậc tự do tịnh tiến 7 7R Robot có 7 bậc tự do quay 8 a(a x, a y ,a z ) Vector thể hiện hƣớng tiếp cận của bàn kẹp 9 ABB Asea Brown Boveri (hãng sản xuất của Thụy sĩ) 10 a i Lƣợng tinh tiến dọc theo trục o x mm 11 A i Ma trận Denavit- Hartenberg 12 CAD Computer Aided Design 13 CAM Computer Aided Manufacturing 14 CNC Computer Numerical Control 15 D Miền thỏa mãn các ràng buộc vật lí của các khớp 16 DH Denavit- Hartenberg 17 d i Lƣợng tịnh tiến dọc theo trục oz (mm) 18 f(x) Hàm mục tiêu của bài toán tối ƣu 19 GA Genetic algorithms 20 GP Bài toán tối ƣu tổng quát 21 GRG Thuật toán Generalized Reduced Gradient 22 n Số bậc tự do của robot 23 NC Numerical Control 24 q i Biến khớp tổng quát 25 TPM Translations Parallel Manipulation 26 x Các biến trong bài toán tối ƣu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU KÍ HIỆU NỘI DUNG BẢNG BIỂU TRANG Bảng1.1 Số lời giải của bài toán động học ngƣợc tƣơng ứng với các thông số khâu 25 Bảng 2.1 Các thuật ngữ của công cụ Solver trên giao diện chƣơng trình 40 Bảng 2.2 Ý nghĩa của các tùy chọn trong Option của công cụ Solver 41 Bảng 2.3 Lời giải bài toán ngƣợc cho robot RRR thay cho RPR với một quỹ đạo 30 điểm key 45 Bảng 2.4 Tọa độ điểm chốt trên quỹ đạo theo yêu cầu công nghệ 54 Bảng 2.5 Lời giải bài toán ngƣợc và kết quả theo phƣơng pháp đổi biến số 55 BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ KÍ HIỆU NỘI DUNG HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRANG 1.1 Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp 13 1.2 Sơ đồ điều khiển trong không gian công tác 13 1.3 Giao diện của robot 14 1.4 Sơ đồ xử lý ảnh với hai camera bố trí để đo tam giác 15 1.5 Gia công cơ khí với robot mang dụng cụ cắt trong bàn tay điều khiển qua liên kết CAD/CAM. 18 1.6 Sơ đồ robot có cổ tay cầu 24 1.7 Phƣơng pháp chuyển đổi ngƣợc 27 1.8 Phƣơng pháp Newton Raphson 29 1.9 Phƣơng pháp tối ƣu giải bài toán động học 29 2.1 Nguyên tắc hình thành vòng kín trên hai kiểu robot khác nhau 32 2.2 Sơ đồ khai triển chi tiết nhánh thứ i của robot song song dẫn động quay 33 2.3 Sơ đồ khai triển chi tiết nhánh thứ i của robot song song dẫn động kiểu P 33 2.4 Hộp thoại Solver parameter 39 2.5 Hộp thoại Add- Ins tùy chọn cài đặt thêm Solver 40 2.6 Cơ cấu chấp hành song song 3RRR 43 [...]... riờng thỡ robot song song hng ca khõu chp hnh cng c m bo thụng qua rng buc v trớ ca cỏc ta Tc l trong mụ hỡnh ng hc ca robot song song khụng cú phng trỡnh m bo v trớ riờng v phng trỡnh m bo nh hng riờng Do cú nhiu vũng kớn nờn s lng phng trỡnh liờn kt ca robot song song cú th nhiu hn 6 l s phng trỡnh liờn kt ti a ca robot kiu chui h 2.2 Cỏc dng phng trỡnh liờn kt khỏc nhau vi cu trỳc song song V c bn... khi robot song song, thng ch s dng 2 h quy chiu, mt gn vi b c nh v mt gn vi b di ng, vũng kớn robot chui h cha ton b n+1 h quy chiu suy rng trong khi vũng kớn robot song song cng cha hai h quy chiu A3 A4 A5 zB A2 A6 T P A1 R Ov X O0 E ODG Hỡnh 2.1: Nguyờn tc hỡnh thnh vũng kớn trờn hai kiu robot khỏc nhau robot chui h nu phng trỡnh liờn kt tỏch ra lm hai ni dung l mụ t v trớ v nh hng riờng thỡ robot. .. hai loi: CAD-CAM Robot dựng cho robot 3 trc v CAD-CAM Robot dựng cho robot 5 trc (c hai u s dng y sỏu trc cỏnh tay robot) Trong ú, loi dựng cho robot 3 trc thng iu khin robot gia cụng (phay, cỏn, ct) vt dng 2,5D Cũn loi dựng cho robot 5 trc iu khin robot gia cụng vt dng 3D Loi ny yờu cu phn mm iu khin khỏc vi loi dựng cho robot 3 trc Tuy nhiờn, c hai loi CAD-CAM cho Robot ny u cú cụng sut CNC ln v... robot c gi l bi toỏn ng hc ngc, nhm xỏc nh giỏ tr ca cỏc bin khp theo cỏc thụng s ó bit ca khõu chp hnh cui Kết quả của việc giải hệ phơng trình động học đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc điều khiển robot Thông thờng, điều ta biết là các vị trí và hớng mà ta muốn robot phải dịch chuyển tới và điều ta cần biết là mối quan hệ giữa các hệ toạ độ trung gian để phối hợp tạo ra chuyển động của robot, ... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHNG 2 KHO ST NG HC ROBOT SONG SONG BNG PHNG PHP I BIN S 2.1 Xõy dng vũng khộp kớn ca vộc t trong cỏc cu trỳc khỏc nhau Phng trỡnh liờn kt l cn c c bn hỡnh thnh bi toỏn ng hc v ng lc hc, nguyờn tc chung xõy dng phng trỡnh liờn kt cho c hai kiu robot l da vo cỏc vũng vộc t khộp kớn, hỡnh thnh theo kt cu c th ca tng robot S khỏc nhau l ch vi robot dng chui h, tt c cỏc khp cú mt trong... thng khi robot l mt thnh phn ca h ú Trc õy, vic mó hoỏ tớn hiu tp tin CAD thnh cỏc thao tỏc ca robot thng rt tn kộm v phc tp Mt phn do cỏc h thng c s dng l nhng mỏy múc mi nht Phn khỏc do chi phớ phn mm tng i cao Nhng nay vic mó hoỏ tp tin CAD ó tr nờn n gin v tn kộm hn nh CAD-CAM Robot, gii phỏp to ng dn trc tip t cỏc tp tin CAD robot gia cụng vt dng 2,5D n 3D.CADCAM Robot cú hai loi: CAD-CAM Robot. .. im gõy khú khn khụng ớt khi thc hnh trờn Robot song song l c bi toỏn thun v bi toỏn ngc u cú nhiu nghim, cú nhiu phng phỏp gii, tuy nhiờn c s lý thuyt ca cỏc phng phỏp ny khú hiu v mi mt phng phỏp c th ch hiu qu trờn mt nhúm nh i tng khc phc nhc im trờn, trong bn lun vn ny tỏc gi tp trung phỏt trin mt phng phỏp mi gii quyt bi toỏn ng hc cho nhúm robot song song trờn nhng quan im sau: - Phng phỏp mi... quyt nh phng phỏp gii v trỡnh ng dng no c la chn 2.2.1 Phng trỡnh liờn kt khi dn ng kiu R (rotation) a) Mt trc b) Mt bờn Hỡnh 2.2: S khai trin chi tit nhỏnh th i ca robot song song dn ng quay Xột s khai trin chi tit nhỏnh th i ca robot song song dn ng quay nh hỡnh 2.1 vi cu hỡnh mt nhỏnh dng SRS, phng trỡnh liờn kt vi chõn ú cú dng nh sau: OP RRPY PCi OAi Ai Bi BiCi (2-1) Phng trỡnh chi tit vi chõn... khác đó chính là giá trị của các biến khớp ứng với mỗi toạ độ và hớng của khâu chấp hành cuối hoặc công S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn 15 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, muốn vậy ta phải giải hệ phơng trình động học của robot, tuy nhiờn thc hin bi toỏn ny thỡ cú khú khn nhng im sau: - Nu n . ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN ĐÌNH THANH KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ LUẬN VĂN. TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Học viên:. Nơi công tác: Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Việt Trì Tên đề tài: Khảo sát động học robot song song bằng phƣơng pháp đổi biến số Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí. Mã số: 60 52 01 03 Tôi xin