tính toán động học và mô phỏng chuyển động robot mmr

Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR LI M U 3 Ngi thc hin 5 PHN I 6 TNH TON NG HC V Mễ PHNG CHUYN NG ROBOT MMR 6 CHNG 1 7 C S Lí THUYT KHO ST NG HC ROBOT 7 1.1.Cu trỳc ng hc robot 7 1.1.1 Khỏi quỏt v robot 7 MT, MI, TAI 7 HèNH 1.1 NGI V ROBOT 7 CUC SNG NGY CNG VN MINH HIN I, MC SNG CA NGI DN NGY CNG C NNG CAO, ềI HI PHI NNG CAO NNG SUT V CHT LNG CA SN PHM. Vè VY CNG PHI NG DNG RNG RI CC PHNG TIN T NG HO VO SN XUT NấN CNG TNG NHANH NHU CU V NG DNG ROBOT TO RA CC H THNG SN XUT T NG V LINH HOT 8 1.1.2 Cu trỳc ng hc robot 10 1.2 Bc t do ca robot 12 1.3 Phng phỏp kho sỏt bi toỏn ng hc 14 1.3.1 Ta thun nht v ma trn bin i ta thun nht 14 a) Vector im v ta thun nht 14 b) Quay h ta dựng ma trn 3x3 15 Trc ht ta thit lp quan h gia 2 h ta xyz v uvw chuyn ng quay tng i vi nhau khi gc O ca 2 h vn trựng nhau 15 c) Bin i ta dựng ma trn thun nht 16 d) Cỏc phộp bin i c bn 18 1.3.2 Ma trn Denavit-Hartenberg 20 1.4 Chui ng hc robot 24 CHNG 2 30 BI TON NG HC ROBOT MMR 30 2.1 H phng trỡnh ng hc c bn ca MMR 30 Khõu 31 2.2 Bi toỏn v trớ 36 2.2.1 Bi toỏn thun 36 Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 1 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR 2.2.2 Bi toỏn ngc 37 2.3 Bi toỏn vn tc 37 2.3.1 Bi toỏn thun 37 2.2.2 Bi toỏn ngc 39 2.3Bi toỏn gia tc 41 2.3.1 Bi toỏn thun 41 2.3.2 Bi toỏn ngc 42 2.4 Chuyn ng chng trỡnh ca robot MMR 43 2.4.1 Robot thao tỏc trong quỏ trỡnh úng gúi sn phm 43 2.4.2 Robot thc hin mt cụng vic trờn b mt chi tit 47 CHNG 3 49 XY DNG PHN MM TNH TON V Mễ PHNG 49 3.1 Phn mm ng dng tớnh toỏn 49 3.1.1 Gii thiu v Maple 49 a) Mt s lnh c bn 51 b) Cỏc kiu d liu c bn 53 c) Lp trỡnh trong Maple 54 Toỏn t 55 S hc 55 3.1.2 Gii bi toỏn thun v bi toỏn ngc 57 3.1.3 Cỏc vớ d 65 a) Bi toỏn thun 65 b)Bi toỏn ngc 66 3.1.3 Gii thiu v th vin OpenGL 68 3.1.4 Mụ phng chuyn ng ca robot MMR 69 PHN II 76 THIT K V CH TO MU ROBOT MMR 76 CHNG 1 77 GII THIU CHUNG 77 1.2 Gii thiu v phn mm Solid Works 78 a) Bn v chi tit (Part) 80 b) Bn v lp(Assembly) 83 CHNG 2 84 THIT K C KH ROBOT MMR 84 2.1.t vn 85 2.2 Thit k xe 86 2.2.1 Khung xe 86 2.2.2 V bc ca xe 88 KT LUN 96 Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 2 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR TI LIU THAM KHO 97 LI M U gy nay cựng vi s phỏt trin khụng ngng trong cỏc lnh vc c khớ, in t, tin hc thỡ s tớch hp ca 3 lnh vc ú l c in t cng phỏt trin v c coi l mt trong nhng ngnh mi nhn trong quỏ trỡnh hin i húa v cụng nghip húa t nc. Sn phm ca c in t rt nhiu nhng robot thỡ th hin tt c trong 3 lnh vc c khớ, in t, tin hc. Kh nng lm vic ca robot thỡ cú rt nhiu u im: Cht lng v chớnh xỏc cao, hiu qu v kinh t cao, lm vic trong mụi trng c N Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 3 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR hi m con ngi khụng th lm c, trong cỏc cụng vic m ũi hi phi cn thn khụng c nhm ln, thao tỏc nh nhng, tinh t v chớnh xỏc nờn cn cú th tay ngh cao v phi lm vic cng thng sut ngy thỡ robot cú kh nng thay th hon ton L mt sinh viờn i Hc Bỏch Khoa H Ni c o to chuyờn ngnh C in T ó bc u nm bt c nhng kin thc c s v nghiờn cu kho sỏt, tớnh toỏn robot: V cu trỳc ng hc ca robot, c s lý thuyt tớnh toỏn, thit k, lp trỡnh mụ phng hot ng ca robot, iu khin ng hc, ng lc hc Trong quỏ trỡnh lm ỏn c thy Phan Bựi Khụi giao nhim v: tớnh toỏn ng hc, mụ phng chuyn ng ca robot MMR ( Mini Mobile Robot ) v thit k, ch to mu robot MMR. Vi ỏn ny em ó bc u tip cn tỡm hiu, lm quen vi vic nghiờn cu khoa hc v ỏp dng nhng kin thc ó c trang b vo thc t. Ngoi ra cũn gúp phn nõng cao kin thc, tip cn c vi nhng vn thc t. thc hin ti ny em cựng nhúm sinh viờn lp C in T 1 K47 ó tin hnh nghiờn cu chc nng hot ng v kh nng ng dng thc t ca robot MMR, ó a ra cu trỳc hp lý cú kh nng ch to. ỏn c chia thnh 2 phn : Phn I: Tớnh toỏn ng hc v mụ phng chuyn ng robot MMR. -Chng 1: C s lý thuyt kho sỏt bi toỏn ng hc robot. -Chng 2: p dng tớnh ng hc cho robot MMR. -Chng 3: Phn mm tớnh toỏn v mụ phng. Phn I : Thit k v ch to mu robot MMR -Chng 1: La chn cu trỳc robot MMR -Chng 2 : Thit k c khớ robot MMR Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 4 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR Em xin chõn thnh cm n T.S Phan Bựi Khụi cựng ton th cỏc thy cụ trong b mụn c hc ng dng ó tn tỡnh hng dn em hon thnh ỏn ny. Mc dự rt c gng nhng do kin thc v thi gian cú hn nờn ỏn khụng trỏnh khi thiu sút. Em mong nhn c s ch bo ca cỏc thy, cỏc cụ trong b mụn cng nh cỏc bn sinh viờn, nhng ngi quan tõm n robot. i Hc Bỏch Khoa H Ni Ngi thc hin Vit Hng Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 5 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR PHN I TNH TON NG HC V Mễ PHNG CHUYN NG ROBOT MMR Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 6 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR CHNG 1 C S Lí THUYT KHO ST NG HC ROBOT 1.1.Cu trỳc ng hc robot 1.1.1 Khỏi quỏt v robot Cựng vi s phỏt trin khụng ngng ca cỏc nghnh khoa hc k thut c bit l lnh vc c khớ, in t iu khin v tin hc ó lm cho robot ngy cng cú nhng chc nng gn ging nh con ngi nhiu hn, trong robot cú cỏc b phn nh c cu chp hnh, h dn ng v h thng iu khin. C cu chp hnh cng nh cỏnh tay chõn con ngi, h dn ng chớnh l cỏc c bp v c trỏi tim con ngi tng ng vi ng c t trong robot vn hnh, h thng iu khin l b nóo iu khin mi hot ng ca robot. Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 7 - Nóo ( h thng iu khin) Bp tht, huyt qun (Cỏc b truyn chuyn ng) Trỏi tim( ng c) Xng ( Khung robot) Mt, mi, tai (Cỏc senser cm ng) Tay (Bn kp, mang dng c gia cụng) Da (V bc robot) Khp (Cỏc khp ng robot) Hỡnh 1.1 Ngi v robot Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR Cuc sng ngy cng vn minh hin i, mc sng ca ngi dõn ngy cng c nõng cao, ũi hi phi nõng cao nng sut v cht lng ca sn phm. Vỡ vy cng phi ng dng rng rói cỏc phng tin t ng hoỏ vo sn xut nờn cng tng nhanh nhu cu v ng dng robot to ra cỏc h thng sn xut t ng v linh hot. Robot cú nhng c im ni tri ú l: Cú th thc hin cụng vic mt cỏch bn b, khụng bit mt mi nờn cht lng sn phm c gi n nh. Giỏ thnh sn phm h do gim c chi phớ cho ngi lao ng. nc ta trong nhng nm gn õy nhiu doanh nghip, khon chi phớ v lng bng cng chim t l khỏ cao trong giỏ thnh sn phm, cng cn phi ng dng cụng ngh robot vo dõy chuyn sn xut. Nht l nhiu ni hin nay cng cn ng dng cụng ngh robot ci thin iu kin lao ng vỡ trong thc t sn xut ngi lao ng phi lm vic sut bui trong mụi trng bi bm, m t, n o quỏ mc cho phộp nhiu ln. Thm chớ phi lm vic trong mụi trng c hi, nguy him n sc kho con ngi. Mt khỏc, khi ỏp dng cụng ngh robot vo sn xut ta cng cn lu ý v phõn tớch k ton b h thng sn xut sao cho phự hp vi cỏc nguyờn cụng v phự hp vi tỡnh hỡnh sn xut ca nh mỏy. Cn xột n y cỏc chi phớ ph v hiu qu mang li cho ton b h thng. Khi xỏc nh a robot vo h thng sn xut thỡ cng cn phi xột xem kh nng liu robot cú thay th c hay khụng v cú hiu qu hn khụng. Vỡ trong thc t sn xut cho thy xu hng thay th hon ton bng robot nhiu khi khụng hiu qu bng vic gi li mt s cụng on m cn phi cú s khộo lộo ca con ngi. Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 8 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR K thut robot cú u im quan trng nht l to nờn kh nng linh hot húa sn xut. M trong ú k thut robot v mỏy vi tớnh ó úng vai trũ quan trng trong vic to ra cỏc dõy chuyn t ng linh hot.Vỡ vy trong nhng nm gn õy khụng nhng ch cỏc nh khoa hc m c cỏc nh sn xut ó tp trung s chỳ ý vo vic hỡnh thnh v ỏp dng cỏc h sn xut linh hot. So vi lỳc mi ra i, ngy nay cụng ngh robot ó cú nhng bc phỏt trin vt bc. c bit l vo nhng nm 60 ca th k trc, vi s gúp mt ca mỏy tớnh. giai on u ngi ta rt quan tõm n vic to ra nhng c cu tay mỏy nhiu bc t do, c trang b cm bin thc hin nhng cụng vic phc tp. Ngy cng cú nhng ci tin quan trng trong kt cu cỏc b phn chp hnh, tng tin cy ca cỏc b phn iu khin, tng mc thun tin v d dng khi lp trỡnh. Tng cng kh nng nhn bit v x lý tớn hiu t mụi trng lm vic m rng phm vi ng dng cho robot. Trong tng lai s lng lao ng c thay th ngy cng nhiu vỡ mt mt giỏ thnh robot ngy cng gim do mt hng vi in t liờn tc gim giỏ ng thi cht lng liờn tc tng. Mt khỏc chi phớ v lng v cỏc khon ph cp cho ngi lao ng ngy cng tng. Robot ngy cng vn nng hn cú th lm c nhiu vic trờn cỏc dõy chuyn. Cụng on lp rỏp thng chim t l cao so vi tng thi gian sn xut trờn ton b dõy chuyn. Cụng vic li ũi hi phi cn thn, nh nhng tinh t v chớnh xỏc. Nờn nu l cụng nhõn thỡ cn phi th cú tay ngh cao v lm vic n iu, cng thng. Robot ó cú mt nhiu trờn cỏc cụng on lp rỏp phc tp do c tha hng k thut cm bin, k thut tin hc vi nhng ngụn ng lp trỡnh bc cao. Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 9 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR Robot t hnh cng s phỏt trin mnh trong tng lai, cú th i c bng chõn thớch hp vi mi a hỡnh vớ d nh cú th t leo bc thang Vic to ra cỏc c cu chp hnh c khớ va bn vng, nh nhng chớnh xỏc v linh hot nh chõn tay ngi l i tng nghiờn cu ch yu. K thut robot cng tng bc ỏp dng cỏc kt qu nghiờn cu v trớ khụn nhõn to v a vo ng dng trong cụng nghip. Ci tin v b xung cỏc modul cm bin v cỏc modul phn mm phự hp cú th ci tin v thụng minh hoỏ nhiu loi robot. iu quan trng l cỏc c cu chp hnh ca robot phi hot ng chớnh xỏc. 1.1.2 Cu trỳc ng hc robot Ta cú th khỏi quỏt nh ngha robot theo cỏch nhỡn ca c hc l mt chui ng, mi khõu c ghộp vi nhau bi cỏc khp ni, hot ng linh hot nh h dn ng v c iu khin bng h thng iu khin. Di õy l mt s hỡnh robot liờn tc c ng dng nhiu trong cỏc lnh vc: Trong gia cụng c khớ: thng s dng trong cỏc mỏy hn t ng, mỏy khoan, trong cỏc dõy truyn lp rỏp, vv Trong dõy truyn sn xut: Tham gia vo mt s dõy truyn sn xut nh gia cụng, phun sn, úng gúi bao bỡ, vv Trong vn ti thng dựng bc xp hng húa . Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 10 - Hỡnh 1.3 Robot Puma [...]... nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR Hỡnh 1.2 Robot Hipo Hỡnh 1.4 robot Kuka Hỡnh 1.5 Laser Robotic Trong ỏn ny em xin chn mụ hỡnh robot MMR kho sỏt l mt chui ng h, robot gm 4 khõu v 4 khp quay cú th thao tỏc trong khụng gian c nh (xe khụng di chuyn )(hỡnh 1.6) Khõu cui ca robot cú th mang dng c ct, m hn,bn kp, vv Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 11 - Tính toán chuyển động ch... yp, zp, rotxp, rotyp, rotzp cỏc tham s cn xỏc nh l: [ q1 q2 Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 29 - q3 q4 q5 q6 ] v ngc li Tính toán chuyển động ch ơng Đồ án tốt nghiệp trình và thiết kế robot MMR CHNG 2 BI TON NG HC ROBOT MMR 2.1 H phng trỡnh ng hc c bn ca MMR Kho sỏt chuyn ng ca robot MMR khi xe dng li v cỏnh tay thc hin thao tỏc cụng vic Chn h ta theo quy tc ca DenavitHartenberg nh hỡnh 2.1 x2 a2 q3... tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR x = [q1 q 2 q 3 q 4 xp yp zp rotxp rotyp rotzp] (2.8) Vỡ robot cú 4 bc t do ta ch thc hin iu khin chuyn ng ca robot vi 4 tham s õy cho quy lut ca im tỏc ng: xp = xp(t ), yp = yp (t ), zp = zp (t ) v mt 1 tham s xỏc nh hng cua khõu thao tỏc, cú th cho trc rotyp = 0 T ú gii 6 phng trỡnh 6 n s Cỏc phng trỡnh ng hc ca robot MMR nh sau:... ca mt khõu bt k ca rụbt l hon ton xỏc nh 1.4 Chui ng hc robot Gi s kho sỏt chui ng hc ca robot STANFORD nh v (hỡnh 1.12) Cỏc h ta chn theo quy tc Denavit-Hartenberg Bng thụng s ng hc DH ca robot STANFORD nh sau: Khõu 1 1* Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 24 - di 0 ai 0 -900 Tính toán chuyển động ch ơng Đồ án tốt nghiệp trình và thiết kế robot MMR 2* 0 4* 5* 6* 2 3 4 5 6 z6 z3 z5 E d2 900 0 -900... E d2 900 0 -900 900 0 0 0 0 0 0 d3* 0 0 0 x3 x4 x5 x6 z4 q6 q5 D q4 x2 z2 z0 z1 q1 q2 B q3 C x0 x1 A Hỡnh 1.12 Robot STANFORD Cỏc ma trn H ca robot STANFORD c xỏc nh theo cụng thc (1.27) Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 25 - Tính toán chuyển động ch ơng Đồ án tốt nghiệp trình và thiết kế robot MMR cos i sin i i 1 Hi = Hi = 0 0 sin i cos i sin i sin i cos i cos i cos i sin i sin i cos i... ca robot k c xe) f i = 1( Vỡ tt c cỏc khp quay trong robot u cú 1 bc t do) g = 4 (Tng s khp ca c cu) f 0 =0 (Khụng cú bc t do tha) Bc t do ca robot l : g f = .(n 1) ( f ) f i 0 i =1 4 f = 6.(5 1) (6 1) 0 = 4 1 - Laser Robotic ( Hỡnh 1.5) = 6 , n = 7 , g = 6 , f i = 1 , f 0 =0 g Bc t do ca robot l : f = .( n 1) ( f ) f i i =1 Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 13 - 0 Tính toán chuyển động. .. tử 1 - 12 - Tính toán chuyển động ch ơng Đồ án tốt nghiệp trình và thiết kế robot MMR : Bc t do ca mt vt rn khụng chi liờn kt trong khụng gian lm vic ca robot ( = 3 ng vi khụng gian lm vic trong mt phng, = 6 ng vi khụng gian lm vic trong khụng gian) n : S khõu ( k c giỏ c nh) f i : S bc t do ca khp th i g : Tng s khp ca c cu f 0 : S bc t do tha Mt s vớ d: - S bc t do ca mụ hỡnh robot trong ... O0x0y0z0 theo cụng thc: T4 =0H1 1H2 2H3 3H4 (2.5) Gi s robot cn thc hin thao tỏc i vi i tng nh hỡnh v ( hỡnh 2.2) Ta s dng h ta Od xd yd zd gn vo i tng Khi ú ma trn mụ t v trớ v hng ca Od xd yd zd trong h ta c nh O0 x0 y0 z0 l 0 ma trn: A d Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 33 - Tính toán chuyển động ch ơng Đồ án tốt nghiệp trình và thiết kế robot MMR Ma trn mụ t v trớ v hng ca khõu thao tỏc trờn i tng... DH, ti mi khp ta gn mt h trc to , quy c v cỏch t h to ny nh sau: Khõu 2 Khp 2 2 Khõu 1 Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 20 - Khõu c s Khp 1 Khp 0 Hỡnh 1.10 Robot n khõu Khõu n Khp n Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR - Trc zi c liờn kt vi trc ca khp th i+1 Chiu ca zi c chn tu ý - Trc xi c xỏc nh l ng vuụng gúc chung gia trc khp i v khp i+1, hng t im trc ca khp i ti... quay quanh cỏc trc ta Quay quanh trc x gúc 0 1 0 cos R ( x , ) = 0 sin 0 0 0 sin cos 0 (1.23) Quay quanh trc y gúc Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 19 - 0 0 0 1 Tính toán chuyển động ch ơng Đồ án tốt nghiệp trình và thiết kế robot MMR cos 0 R ( y, ) = sin 0 0 sin 1 0 0 cos 0 0 0 0 0 1 (1.24) Quay quanh trc z gúc cos sin R ( z , ) = 0 0 sin 0 0 cos 0 0 0 1 0 0 0 1 (1.25) . 1.3 Robot Puma Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR Hỡnh 1.2 Robot Hipo Hỡnh 1.4 robot Kuka Hỡnh 1.5 Laser Robotic. Trong ỏn ny em xin chn mụ hỡnh robot. CHUYN NG ROBOT MMR Đỗ Viết Hng - Cơ điện tử 1 - 6 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR CHNG 1 C S Lí THUYT KHO ST NG HC ROBOT 1.1.Cu trỳc ng hc robot 1.1.1. tốt nghiệp Tính toán chuyển động ch ơng trình và thiết kế robot MMR LI M U 3 Ngi thc hin 5 PHN I 6 TNH TON NG HC V Mễ PHNG CHUYN NG ROBOT MMR 6 CHNG 1 7 C S Lí THUYT KHO ST NG HC ROBOT 7 1.1.Cu