Mô phỏng động học robot tác hợp gia công cơ khí

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP GIA CÔNG CƠ KHÍ Ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số: Học viên: ĐẶNG VŨ KHÁNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. PHAN BÙI KHÔI THÁI NGUYÊN, NĂM 2013 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP GIA CÔNG CƠ KHÍ Học viên: Đặng Vũ Khánh Lớp: K13 - CNCTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy Ngƣời HD khoa học: PGS.TS. Phan Bùi Khôi Ngày giao đề tài: 01/12/2011 Ngày hoàn thành: 05/2013 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. PHAN BÙI KHÔI HỌC VIÊN ĐẶNG VŨ KHÁNH DUYỆT BGH KHOA SAU ĐẠI HỌC S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5 LỜI NÓI ĐẦU 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 8 1.1 Khái quát về robot công nghiệp 8 1.1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp 8 1.1.2 Phân loại robot công nghiệp 11 1.1.3 Ứng dụng và xu thế phát triển của robot công nghiệp 12 1.2 Robot tác hợp 13 1.2.1 Giới thiệu chung về robot tác hợp 13 1.2.2 Ƣu điểm của robot tác hợp 14 CHƢƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 16 2.1 Cơ sở phƣơng pháp ma trận Denavit-Hartenberg 16 2.1.1 Các tọa độ thuần nhất và phƣơng pháp biến đổi thuần nhất 16 2.1.1.1 Định nghĩa ma trận Cosin chỉ hƣớng 16 2.1.1.2 Ý nghĩa của ma trận cosin chỉ hƣớng của vật rắn 17 2.1.1.3 Các ma trận quay cơ bản 18 2.1.1.4 Định nghĩa các tọa độ thuần nhất 19 2.1.1.5 Phép biến đổi vector trong không gian thuần nhất 4 chiều 19 2.1.1.6 Phép biến đổi ma trận thuần nhất 20 2.1.1.7 Các ma trận cơ bản thuần nhất 21 2.1.2 Phƣơng pháp ma trận Denavit-Hartenberg 22 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 2 2.1.2.1 Cách xác định các trục của hệ tọa độ khớp 22 2.1.2.2 Các tham số động học Denavit-Hartenberg 23 2.1.2.3 Ma trận Denavit-Hartenberg 23 2.2 Khảo sát động học robot tác hợp 24 2.2.1 Cơ sở lý thuyết bài toán động học 24 2.2.2 Bài toán động học robot tác hợp 24 2.2.2.1 Cách thiết lập hệ tọa độ và xây dựng hệ phƣơng trình động học. 26 2.2.2.2 Áp dụng giải bài toán động học robot tác hợp 28 2.2.3 Lập trình giải bài toán động học robot tác hợp trên Maple 39 CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 41 3.1 Xây dựng chƣơng trình mô phỏng 41 3.1.1 Mô phỏng chuyển động robot với OpenGL 42 3.1.2 Xây dựng các đối tƣợng 3 chiều 42 3.1.3 Tạo chuyển động cho các đối tƣợng. 43 3.1.4 Lập trình giao diện tƣơng tác ngƣời dùng 44 3.2 Thiết kế mô hình robot tác hợp 45 3.2.1 Khâu 1 tay máy 46 3.2.2 Khâu 2 tay máy 46 3.2.3 Đầu hàn tay máy 47 3.2.4 Bàn máy x 47 3.2.5 Bàn máy z 48 3.2.6 Thân máy 48 3.3 Cấu trúc chƣơng trình mô phỏng 49 3.4 Giao diện và cách sử dụng chƣơng trình mô phỏng 50 3.4.1 Bảng điều khiển chức năng: 51 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 3 3.4.2 Vùng hiển thị quá trình mô phỏng. 54 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 58 Phụ lục 1: Mã nguồn chƣơng trình Maple 58 Phụ lục 2: Chƣơng trình mô phỏng 60 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1.1 : Các tọa độ suy rộng của robot 10 1.2 : Biểu diễn vùng làm việc của robot 11 1.3 : Cấu trúc động học robot 11 1.4 : Robot tác hợp thực hiện quá trình gia công 13 1.5 : Mô hình robot hàn 14 2.1 : Mô hình robot tác hợp hàn 25 2.2 : Hệ trục tọa độ xây dựng 26 2.3 : Phương pháp tam diện trùng theo 27 2.4: Sơ đồ động học tay máy 29 2.5 : Sơ đồ động học bàn máy 29 2.6 : Bài toán hàn ống 30 2.7: Hệ trục tọa độ suy rộng tay máy 31 2.8 : Hệ trục tọa độ suy rộng bàn máy 34 Hình 3.1 : Phần mềm Visual Studio 2010 44 Hình 3.2 :Mô hình tổng thể robot 45 Hình 3.3 : Thân máy 48 3.4 : Giao diện chương trình 50 3.5 : Bảng điều khiển chức năng 51 3.6 : Cấu hình tham số robot 51 3.7 : Khởi chạy chương trình 52 3.8 : Ẩn hiện đường hàn 52 3.9 : Khung điều khiển robot 53 3.10 : Chế độ chạy tác hợp 53 3.11 : Reset dữ liệu hệt thống 54 3.12 : Vùng hiển thị quá trình mô phỏng 54 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 2-1 : Bảng thông số Denavit-Hartenberg tay máy 32 2-2 :Bảng D-H phép biến đổi hệ tọa dộ bàn máy sang điểm hàn 37 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 6 LỜI NÓI ĐẦU Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên đƣợc ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con ngƣời làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trƣờng độc hại. Do nhu cầu cần sử dụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh họat và thông minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác nhƣ trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các robot địa hình và robot dịch vụ phát triển. Robot tác hợp - Mechanism of relative manipulation (MRM) là một hệ hai tay máy phối hợp thao tác công nghệ, một tay máy mang khâu thao tác của robot, tay thứ hai mang đối tƣợng thao tác, thƣờng là các chi tiết máy. Ứng dụng robot tác hợp có thể gia công cơ khí các chi tiết có bề mặt cong phức tạp. Khả năng thao tác gia công, tính phức tạp và độ chính xác của chi tiết phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó trƣớc hết là khả năng chuyển động tƣơng đối giữa dụng cụ gia công và chi tiết đƣợc gia công, độ cứng vững của robot. Đi theo xu hƣớng đó, luận văn này tập trung nghiên cứu đến bài toán động học và lập trình tính toán mô phỏng hoạt động và thiết kế mô hình robot tác hợp. Nội dung luận văn bao gồm ba chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về robot, robot tác hợp. Từ đó nêu ra đƣợc những ƣu nhƣợc điểm của robot tác hợp và lựa chọn mô hình tiến hành nghiên cứu. Chƣơng 2: Khảo sát động học robot tác hợp. Trong chƣơng này tác giả đã nêu lên cơ sở lý thuyết và giải quyết bài toán động học thuận, động học ngƣợc với cơ cấu tay máy và bàn máy. Qua đó phối hợp tính toán động học robot tác hợp để hai cơ cấu phối hợp gia công một chi tiết theo yêu cầu công nghệ nhất định. Chƣơng 3: Thiết kế các cơ cấu, khâu khớp trên phần mềm 3D Solidwork 2010, sau đó thực hiện xuất ra tệp *.stl kết hợp với việc sử dụng công cụ lập trình Visual Stdio 2010, thƣ viện đồ họa OpenGL để xây dựng chƣơng trình mô phỏng hoạt động của robot. S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 7 LỜI CẢM ƠN Bằng tất cả sự kính trọng em xin chân thành cảm ơn tới Thầy PGS. TS. Phan Bùi Khôi - ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn tới Viện nghiên cứu cơ khí – Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Ban giám hiệu trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Khoa Sau đại học - trƣờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, Ban giám hiệu trƣờng Cao đẳng Kinh tế - kỹ thuật Đại Học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này. Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và ngƣời thân đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 8 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Khái quát về robot công nghiệp Việc sử dụng robot công nghiệp trong vài chục năm qua đã mang lại nhiều hiệu quả về kinh tế và xã hội, ví như tăng năng suất, cải tiến chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu, sớm hoàn vốn đầu tư và ngăn ngừa tai nạn lao động. Những hiệu quả kinh tế và xã hội xuất phát từ thực tế là robot công nghiệp rất đa năng và linh hoạt, chuyển động thoải mái như tay người. Việc áp dụng robot công nghiệp đã chuyển đổi cơ cấu sản xuất từ cơ cấu “con người và máy móc” sang cơ cấu “con người-robot-máy móc”, giúp cho con người thoát khỏi những công việc nguy hiểm, nặng nhọc. 1.1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp Theo viện nghiên cứu robot Hoa Kỳ thì robot đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Robot là một tay máy có nhiều chức năng thay đổi đƣợc các chƣơng trình hoạt động, đƣợc dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã đƣợc lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng. Định nghĩa robot còn đƣợc Mikell P .groover, một nhà nghiên cứu robot mở rộng nhƣ sau: Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động đƣợc điều khiển theo chƣơng trình thể hiện việc thay đổi vị trí của những đối tƣợng thao tác khác nhau với mục đích tự động hóa các quá trình sản xuất. Không dừng lại ở những định nghĩa trên robot còn đƣợc nhiều nhà khoa học đƣa ra nhiều định nghĩa khác nhau với giáo sƣ Sitegu Watanabe (Đại học tổng hợp Tokyo) robot phải thỏa mãn các yếu tố sau: Có khả năng thay đổi chuyển động. Có khả năng cảm nhận đƣợc đối tƣợng thao tác. Có số bậc chuyển động (bậc tự do cao). [...]... phƣơng trình động học cơ bản của robot tác hợp: Từ phƣơng trình trên ta có thể giải đƣợc các bài toán động học thuận và động học ngƣợc của robot tác hợp 2.2.2.2 Áp dụng giải bài toán động học robot tác hợp a Mô hình động học robot tác hợp gia công hàn Robot cấu tạo gồm 2 phần: Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn 2.4: Sơ đồ động học tay máy Robot trên là... sản xuất công nghiệp ngày càng cao hiện nay Với nhiệm vụ đặt ra, luận văn này sẽ tập trung vào việc thiết kế mô hình, khảo sát động học và mô phỏng động học robot Việc mô phỏng động học robot sẽ cung cấp quy luật chuyển động về mặt hình học để cho phép khảo sát bài toán động lực học và điều khiển robot Mô phỏng động học cũng cho hình ảnh trực quan về quá trình hoạt động của robot tác hợp tạo cơ sở điều... 1.4: Robot tác hợp thực hiện quá trình gia công Đối với robot tác hợp gồm hai robot đơn lẻ phối hợp hoạt động sẽ có thể có các kiểu phối hợp nhƣ sau: Cả hai robot đơn đều là robot liên tục Robot mang dụng cụ gia công là robot liên tục, robot giữ chi tiết là robot song song Robot mang dụng cụ gia công và robot giữ chi tiết cần gia công đều thuộc loại robot song song Loại thứ 2 và 3 do có sử dụng robot. .. phát triển robot hiện nay 1.2 Robot tác hợp 1.2.1 Giới thiệu chung về robot tác hợp Robot tác hợp là hệ cơ cấu gồm hai hay nhiều robot cùng phối hợp hoạt động với nhau theo một chương trình cho trước để thực hiện một nhiệm vụ nhất định Thông thường số lượng robot đơn trong cơ cấu robot tác hợp là hai, ví dụ như robot hàn thì một robot làm nhiệm vụ giữ, thay đổi vị trí chi tiết cần hàn và robot còn lại... quy chiếu R0 đƣợc xác định bởi 2.2.2 Bài toán động học robot tác hợp Bài toán động học robot nghiên cứu các đặc trƣng của chuyển động mà không quan tâm đến các yếu tố động lực học - lực và mô men.Có thể nói những quan hệ động học là trọng tâm việc nghiên cứu động học robot Đối với một robot thông Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn thƣờng có dạng mạch... Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn 1.2: Biểu diễn vùng làm việc của robot 1.1.2 Phân loại robot công nghiệp Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể đƣợc phân loại theo các cách sau: Phân loại theo cấu trúc động học Robot đƣợc gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi động hở, robot song song là robot có cấu trúc mạch động học kín và robot lai nếu có cả chuỗi động kín và... 4 ma trận biến đổi cơ bản : Ma trận trên đƣợc gọi là ma trận Denavit-Hartenberg Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn 2.2 Khảo sát động học robot tác hợp 2.2.1 Cơ sở lý thuyết bài toán động học Bài toán động học thuận nhằm mô tả vị trí và hƣớng của điểm thao tác cuối dƣới dạng hàm số của các biến khớp Đó là cơ sở để giải bài toán động học ngƣợc theo phƣơng... tọa độ và hƣớng của khâu thao tác chỉ đơn giản qua ma trận biến đổi thuần nhất từ hệ quy chiếu khâu thao tác đối với hệ quy chiếu gốc Tuy nhiên, với robot tác hợp mà mô hình cụ thể nhƣ dƣới đây thì bài toán động học của nó có cách xử lý riêng biệt Khâu 23 Khâu 22 Khâu 11 Khâu 21 Khâu 12 2.1: Mô hình robot tác hợp hàn Robot tác hợp là một hệ nhiều vật có cấu trúc động học mạch kín bao gồm 2 khâu: -... khâu Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Từ những nhận xét trên đây ta đƣa ra hƣớng giải quyết bài toán động học robot tác hợp trên gồm 3 phần nhƣ sau: - Giải bài toán tƣơng tác động học giữa tay máy và bàn máy - Giải bài toán động học khâu tay máy - Giải bài toán động học khâu bàn máy 2.2.2.1 Cách thiết lập hệ tọa độ và xây dựng hệ phƣơng trình động học. .. theo hệ thống truyền động: Có 3 hệ thống truyền động phổ biến là điện, thủy lực và khí nén đƣợc dùng cho robot Thông thƣờng thì các động cơ thƣờng là động cơ điện do dễ điều Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn khiển, tuy nhiên khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải lớn thì thƣờng dùng động cơ thủy lực hoặc khí nén do loại động cơ này khá linh hoạt và . toán động học robot tác hợp 28 2.2.3 Lập trình giải bài toán động học robot tác hợp trên Maple 39 CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 41 3.1 Xây dựng chƣơng trình mô phỏng 41 3.1.1 Mô phỏng. động học và mô phỏng động học robot. Việc mô phỏng động học robot sẽ cung cấp quy luật chuyển động về mặt hình học để cho phép khảo sát bài toán động lực học và điều khiển robot. Mô phỏng động. robot công nghiệp 12 1.2 Robot tác hợp 13 1.2.1 Giới thiệu chung về robot tác hợp 13 1.2.2 Ƣu điểm của robot tác hợp 14 CHƢƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 16 2.1 Cơ sở phƣơng pháp ma trận