đồ án kỹ thuật cơ khí Chương trình tính toán động học ngược và mô phỏng Robot song song sáu bậc tự do bằng phần mềm ứng dụng OpenGL có sự hỗ trợ của CAD 3D.

Đồ án tốt nghiệp Cơ tin kỹ thuật LỜI NÓI ĐẦU Sù ra đời của Robot song song đánh dấu một bước phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp Robot. Các nước phát triển đã thấy được những lợi Ých vượt trội mà Robot song song mang lại và nhanh chóng tiến hành nghiên cứu phát triển ngày càng mạnh mẽ và đưa vào ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Việc thiết kế và chế tạo các Robot song song với chất lượng kỹ thuật cũng nh yêu cầu thương mại cao ở các nước phát triển được thực hiện theo quy trình đòi hỏi vốn đầu tư lớn và tốn nhiều công sức. Công đoạn khiến nhiều nhà sản xuất đổ nhiều công sức và chi phí nhất là thiết kế và chế tạo thử nghiệm trên nhiều mô hình để đạt được kết quả tối ưu. Giải pháp mà một số nhà chế tạo đưa ra để khắc phục tình trạng này là áp dụng thành công của quá trình thiết kế và chế tạo với sự trợ giúp của các phần mềm máy tính như: Phần mềm hỗ trợ thiết kế CAD (Computer Aided Design) và phần mềm hỗ trợ chế tạo sản xuất CAM (Computer Aided Manufacturing). Giải pháp này có ưu điểm nổi bật là tiết kiệm được chi phí sản xuất và thời gian thử nghiêm trên các mô hình. Đây cũng là giải pháp tốt nhất để áp dụng vào nền công nghiệp Việt Nam tiếp cận với một kiểu mô hình Robot kỹ thuật cao Robot song song. Xuất phát từ ý tưởng tính toán và mô phỏng động học Robot song song nhờ sự hỗ trợ của máy tính em đã xây dựng một chương trình tính toán động học ngược và mô phỏng Robot song song sáu bậc tự do bằng phần mềm ứng dụng OpenGL có sự hỗ trợ của CAD 3D. Chương trình hỗ trợ người dùng tiếp cận với Robot song song 6 bậc tự do HexaSPS nói riêng và Robot song song nói chung từ đó nhanh chóng đưa Robot song song vào đời sống. Ưu điểm của việc đưa OpenGL vào mô Nguyễn Quang Cảnh 1 Đồ án tốt nghiệp Cơ tin kỹ thuật phỏng trong bài toán này là hiện nay OpenGL đang được sử dụng rộng dãi trong kĩ thuật không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới. Chương trình được xây dựng thành các mô đun nhờ đó người dùng có thể sử dụng các mô đun Êy phát triển chương trình theo những hướng khác nhau. Do thiếu kinh nghiệm thực tế, chương trình không tránh khỏi còn những hạn chế. Rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy trong bộ môn Cơ Sở Thiết Kế Máy Và Robot đặc biệt là thầy giáo Phạm Minh Hải người trực tiếp hướng dẫn em trong đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn ! Nguyễn Quang Cảnh 2 Đồ án tốt nghiệp Cơ tin kỹ thuật CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1. Lịch sử phát triển của robot: Thuật ngữ "Robot" lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm " Russum's Universal Robot " của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì Robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai đã tạo ra những chiếc máy gần giống người để hầu hạ con người. Ước mơ viễn tưởng đó của Karel Capek đã dần trở thành hiện thực. Nền công nghiệp Robot đã ra đời và không ngừng phát triển. Sự phát triển của Robot có thể tạm chia thành các thời kì sau: 1.1. Thời kì đầu tiên (1947-1961): Năm 1947, Raymond Goetz đưa ra ý tưởng sản xuất thế hệ đầu tiên Robot chép hình. Đến năm 1948, thế hệ M1 ra đời và không ngừng được cải thiện để hoàn chỉnh hơn. Đến năm 1954, thế hệ M4 ra đời dựa trên cơ sở song song cải tiến về mặt cơ học và phương thức truyền động giữa phần điều khiển và tay máy. Năm 1954, người Mĩ đầu tư vào dự án lớn về hàng không, thúc đẩy sử dụng năng lượng hạt nhân. Nhóm General Electric đã tạo ra những hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả rất cao, với bản mẫu là Handyman (1958). Trong giai đoạn này sự ra đời và phát triển của máy tính điện tử đã tạo tiền đề quan trọng thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của Robot. Những cơ sở đầu tiên của lĩnh vực điều khiển từ xa cũng bắt đầu xuất hiện trong giai đoạn này. Nguyễn Quang Cảnh 3 Đồ án tốt nghiệp Cơ tin kỹ thuật 1.2. Thời kì phát triển của Robot(1962-1975): Năm 1961, sản phẩm Robot công nghiệp đầu tiên được xuất hiện có tên Vowtan của công ty AMF-Mỹ. Cùng trong năm này, sản phẩm mang tên Unimate lần đầu tiên được đưa vào sử dụng trong nhà máy General Motors. Trong năm tiếp theo, người máy Daimber Benz xuất hiện ở Đức. Trong những năm tiếp theo, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất và ứng dụng Robot trong sản xuất với quy mô ngày càng mở rộng: Anh từ năm 1967, Thuỵ Điển từ năm 1968, Pháp từ năm 1972, Italia từ năm 1973. 1.3. Thời kì từ năm 1975: Từ năm 1975, xu hướng chính của phát triển Robot là nâng cao tính năng sử dụng bởi việc điều khiển bằng máy tính điện tử và gắn thêm các cảm biến để nhận biết và xử lí môi trường làm việc. Các nhà khoa học tại truờng đại học Stanford đã chế tạo thành công Robot lắp ráp các loại máy bơm nước điều khiển bằng máy vi tính PDP-10 trên cơ sở xử lí thông tin từ các cảm biến lực và hình ảnh. Cùng thời gian này, IBM chế tạo thành công Robot có cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính dùng để lắp ráp các máy có trên 20 côm chi tiết. Vào giai đoạn này, ở nhiều nước cũng tiến hành các công trình ngiên cứu chế tạo các loại Robot tổ hợp: các tay máy được điều khiển bằng máy vi tính có gắn các thiết bị cảm biến và các thiết bị giao tiếp người - máy. Đến những năm 80 của thế kỉ 20, sự phát triển của tin học và vi điều khiển đã thúc đẩy nền công nghiệp Robot phát triển mạnh mẽ cả về chất luợng và só lượng. Cho đến nay, trên thế giới có rất nhiều phòng thí nghiệm, nhiều công ty sản xuÊt Robot với trang thiết bị hiện đại. Robot ngày càng trở nên thông minh hơn và gần gũi với con người hơn. Ngày nay, Robot không chỉ phục vụ Nguyễn Quang Cảnh 4 Đồ án tốt nghiệp Cơ tin kỹ thuật trong công nghiệp mà ngày càng đi sâu vào đời sống hàng ngày của con người. 1.4. Lịch sử phát triển Robot song song: Năm 1962 các nhà khoa học đã bắt tay vào nghiên cứu một loại Robot khác hẳn với cấu trúc các Robot truyền thống đó là Robot chuỗi động kín được gọi là Robot song song. Các công trình ngiên cứu của: - Grough, của Stewart công bố năm 1965-1966. - Hunt công bố năm 1983. - Kolhi công bố năm 1988. - Behi công bố năm 1989. - Clavel công bố năm 1994.v.v. Và rất nhiều công trình nghiên cứu khác đã mang lại những thành công rực rỡ trong việc ứng dụng Robot phục vụ con người. Hexapod là một đại diện điển hình của Robot song song. 2. Robot và hệ thống sản xuất linh hoạt FMS: FMS viết tắt của thuật ngữ:”Flexible Manufactoring System” tạm dịch là hệ thống sản xuất linh hoạt.Từ những năm 60 do sự xuất hiện của vi tính Robot đã có những thành tựu mới. Trong thời đại ngày nay, kinh tế thị trường thúc đẩy cạnh tranh do đó các nhà sản xuất phải liên tục cải thiện chất lượng sản phẩm, cũng nh mẫu mã các sản phẩm. Nếu nh thay đổi cả dây truyền sản xuất là vô cùng tốn kém và không khả thi. Do đó một kiểu hệ thống sản xuÊt mới ra đời để có thể đáp ứng sự biến động thường xuyên của thị trường. Đó chính là phần mềm hoá quy trình sản xuất dựa trên cơ sở kỹ thuật số và công nghệ thông tin. Do đó khi cải tiến hay thay đổi mẫu mã, chất lượng sản phẩm, các nhà sản xuất chỉ việc thay đổi phần mềm một cách linh hoạt. Đó chính là hệ thống sản xuất FMS. Nguyễn Quang Cảnh 5 Đồ án tốt nghiệp Cơ tin kỹ thuật Phát triển nền công nghiệp Robot chính là giải pháp mà các nước phát triển chọn lựa và đã đạt được những thành công rực rỡ. Khi đó Robot làm những công việc chuyển tiếp giữa các máy công tác (Ví dụ cấp thoát phôi và dụng cụ cho các trung tâm gia công), vân chuyển trong phân xưởng, thao tác trong các kho tự động Bản thân các Robot cũng đã là những cơ cấu điều khiển linh hoạt. Người ta chia Robot ra hai nhóm chính: Robot chuỗi hở và Robot song song. 3. Robot chuỗi hở: Là Robot có cấu trúc động học hở, một khâu chỉ nối tối đa với một khâu khác. Các Robot chuỗi hở thường ở dạng tay máy. Robot chuỗi hở được nghiên cứu sớm và nhanh chóng đưa vào ứng dụng. Do tải trọng tác động lớn lên khâu cuối cùng nên muốn Robot chuỗi hở làm việc trong điều kiện tải trọng lớn thì đòi hỏi cấu trúc Robot cũng phải lớn theo. Tuy nhiên do cấu trúc dạng chuỗi hở, Robot loại này có làm việc trong những ngóc ngách, đòi hỏi cần xử lí một cách tinh tế. Một số ứng dụng của Robot chuỗi hở: ♦ Trong gia công cơ khí: Thường ứng dụng trong các máy hàn tự động, máy khoan, trong các dây chuyền lắp ráp v.v ♦ Trong dây truyền sản xuất: Tham gia vào một số khâu trong dây truyền sản xuất như: phun sơn, khâu bao bì, làm nguội v.v ♦ Trong vận tải thường dùng để bốc xếp hàng hoá. Một số ví dụ về Robot chuỗi hở trong thực tế: Nguyễn Quang Cảnh 6 Đồ án tốt nghiệp Cơ tin kỹ thuật Hình 1.1. Robot Hipo1 4. Robot song song: Là Robot có kiểu cấu trúc động học kín. Mỗi khâu được nối với Ýt nhất 2 khâu khác. Robot song song thường có cấu truc song song đối xứng gồm: một giá cố định một bàn động và các chân sắp xếp một cách đối xứng. Do cấu trúc nh vậy tải trọng được chia nhá ra san sẻ cho các chân do đó mỗi chân chịu tải trọng nhỏ hơn so với Robot chuỗi hở khi làm việc với cùng tải trọng. Độ cứng vững của Robot song song còng cao hơn Robot chuỗi hở. Một số hình ví dụ của Robot song song: Nguyễn Quang Cảnh 7 H×nh 1.2. Robot Puma560 H×nh 1.3. Hexapod H×nh 1.4. Mobile Robot Đồ án tốt nghiệp Cơ tin kỹ thuật Section I.1 Section I.2 Việc điều khiển Robot song song cũng gần nh khác hoàn toàn điềukhiển Robot chuỗi hở. Ta phải thống nhất điều khiển phối hợp giữa các chân để đạt được chuyển động của giá động nh ý muốn. Việc điều khiển này cần được tính toán điều khiển song song giữa các chân. Việc ứng dụng Robot song song ngày càng rông rãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống: ♦ Trong gia công các sản phẩm cơ khí: ứng dụng làm bàn gá dao, bàn gá phôi, ứng dụng rộng rãi trong các máy gia công CNC. Nguyễn Quang Cảnh 8 H×nh 1.5. Robot song song ph¼ng 3 bËc tù do Đồ án tốt nghiệp Cơ tin kỹ thuật ♦ Trong ngành vận tải: do có độ cứng vững cao nên khi đem ứng dụng trong vận tải Robot song song phát huy tính ổn định của nó. Được ứng dụng khi chuyên chở, bốc dỡ, làm việc nơi các bến cảng ♦ Trong quân sự: Làm bệ phóng tên lửa, giá đỡ ra đa ♦ Trong y học: ứng dụng trong phẫu thuật, trong những ca khó đòi hỏi sự chính xác cao, làm giá đỡ đèn chùm. Đặc biệt các nhà khoa học đã đưa ra phương án tao loại Robot n bậc tự do bằng cách ghép nối tiếp các “khớp cơ sinh”. Bản thân các khớp cơ sinh này là các mô đun Robot song song. Loại Robot nhiều bậc tự do này linh hoạt nh con rắn. Ngoài ứng dụng trong y học nó còn được ứng dụng khi thao tác trong các đường hầm trong cống ngầm v.v ♦ Trong nghiên cứu sinh học: Mô phỏng hoạt động của các động vật nhiều chân đối xứng v.v ♦ Trong công nghiệp lắp ráp: Robot song song có thể được bố trí ở nhiều vị trí khác nhau, thậm trí ngay cả trên tường, trên trần xưởng, lắp ráp linh hoạt. 5. Bậc tù do của Robot: Tính theo công thức Grubler : Công thức tính: F = λ (n - j - 1) + ∑ = j i i f 1 - f b. λ : Bậc tự do không gian mà cơ cấu hoạt động. n : Số khâu trong cơ cấu (Kể cả khâu cố định ). f i : Bậc tự do của khớp thứ i. j : Số khớp của cơ cấu. f b : Số bậc tự do thừa. Nguyễn Quang Cảnh 9 Đồ án tốt nghiệp Cơ tin kỹ thuật Ví dụ, đối với Robot Hexapod (Hình 5.1) ta có: λ = 6, n=14, j = 18, ∑ = j i i f 1 = 6+36 =42, f b = 6. Thay vào ta được: F = λ (n - j - 1) + ∑ = j i i f 1 - f b. = 6(14-18-1) +6+36-6 = 6 CHƯƠNG II CƠ SỞ TOÁN HỌC 1. Hệ toạ độ Descartes: Hệ toạ độ Descartes là một hệ toạ độ trực chuẩn thuận, được xác định bởi một điểm gốc và một cơ sở trực chuẩn thuận )e,e,e,O( zyx . Một điểm được xác định trong hệ toạ độ Descartes bởi các toạ độ (x, y,z). Nguyễn Quang Cảnh 10 H×nh 1.6. Robot Hexapod [...]... ng h do ti trng khụng phi dn ht vo mt khõu u tiờn Vỡ vy tu tng trng hp cụng vic c th ngi ta quyt nh dựng cu trỳc chui ng kớn hay h thit k c cu, chi tit Hình 3.6 Chuỗi động hở Nguyn Quang Cnh Hình 3.7 Chuỗi động kín 27 ỏn tt nghip C tin k thut Chuỗi động kín Hình 3.8 Mô hình Robot Puma dạng chuỗi động học hở CHNG IV Nguyn Quang Cnh 28 ỏn tt nghip C tin k thut PHN TCH V Mễ PHNG NG HC ROBOT SONG SONG... chõn Robot i= 0 ữ 5 ; j l thi im ta xột, ta cú: di cỏc chõn theo mi thi im: lij = ( x Aij xBij )2 + ( y Aij yBij ) 2 + ( z Aij zBij ) 2 Bin thiờn di cỏc chõn: lij = lij - lij-1 Hay khong dch chuyn mi chõn di= lij li0 õy chớnh l thụng s iu khin cỏc chõn ti mi thi im Nguyn Quang Cnh 35 ỏn tt nghip C tin k thut LC THUT GII BI TON NGC: Bắt đầu Nhập định hớng giá động Rp và toạ độ tâm giá động P Tính. .. tin k thut PHN TCH V Mễ PHNG NG HC ROBOT SONG SONG 6 BC T DO CU TRC KIU SPS 1 Cu trỳc hỡnh hc: Robot Hexapod kiu SPS gm mt giỏ di ng cú th chuyn ng t do trong khụng gian ni vi giỏ c nh bi 6 chõn Cỏc chõn ny cú di thayi gn vi giỏ ng cng nh giỏ c nh bi cỏc khp cu Cỏc chõn cú th thay i di nh cỏc khp trt trờn cỏc chõn Trong thc t ó cú cỏc mụ hỡnh Robot tng t nh cỏc hỡnh a, b, c, d, f dựng ng c thu lc gn... thanh rng (jack and pinion) +) Khp cam (cam pair ) Hình 3.4 Khớp bánh răng C cu: Nguyn Quang Cnh 25 ỏn tt nghip C tin k thut C cu l tp hp cỏc vt rn lp thnh c h nhm to ra mt chuyn ng xỏc nh C cu ch gm cỏc vt rn chuyn ng song phng vi mt mt phng xỏc nh gi l c cu phng C cu cú cỏc vt rn chuyn ng trong khụng gian gi l c cu khụng gian Hình 3.5 Cơ cấu 4 khâu tay quay cần lắc 4 Chui ng hc c cu: Cỏc khõu trong... theo một trc Do ú khp trt cng hn ch nm kh nng chuyn ng tng i gia hai khõu (Hỡnh 3.2) - Khp tr (Cylindrical Joint - C): L khp cho phộp hai chuyn ng c lp gm mt chuyn ng tch tin v mt chuyn ng quay Do ú khp tr hn ch bn chuyn ng tng i gia hai khõu - Khp ren (Helical Joint - H): L khp cho phộp chuyn ng quay quanh trc ng thi tch tin theo trc quay Tuy nhiờn chuyn ng tch tin ph thuc vo bc ca ren vớt Do ú khp ren... bc gn vi cỏc chõn thay i di cỏc chõn: a Nguyn Quang Cnh b 29 ỏn tt nghip C tin k thut c e d Hỡnh 4.1 f Xột cu trỳc hỡnh hc c cu rụ bt ta xột: Od Nguyn Quang Cnh 30 ỏn tt nghip C tin k thut Hỡnh 4.2 Robot Hexapod cu trỳc SPS Trong ú cỏc khp cu c b trớ trờn giỏ ng nh hỡnh 1.3, cỏc khp cu c b trớ trờn giỏ c nh nh hỡnh 1.4 C2 C3 C1 C0 C4 C5 Hỡnh 4.3 Giỏ ng A2 A3 A1 A0 A4 A5 Hỡnh 4.4 Giỏ c nh 2 t h to... to : t h to ng O dxdydzd gn vi giỏ ng Od t tõm mt trờn giỏ ng, zdvuụng gúc vi giỏ ng, xd v yd c b trớ nh hỡnh 2.1 Nguyn Quang Cnh 31 ỏn tt nghip C tin k thut Yd C3 C2 Od C1 Xd C0 C4 C5 Hỡnh 4.5 Tng tự ta t h to Oxyz c nh gn vi giỏ c nh O trựng vi tõm mt ỏy giỏ c nh Cỏc trc x, y c b trớ nh hỡnh 2.2 Y A2 A3 O A1 X A0 A4 A5 Hỡnh 4.6 3 Bi toỏn ngc: 3.1 t bi toỏn ngc: Bi toỏn cho ta bit trc v trớ v nh... gch chõn l ma trn Vớ d: A A l ma trn 3x3 vi cỏc phn t aij = cos(ei , e j ) vi (i, j = 1, 2, 3) Chú ý: T phng trỡnh (1.5) cho ta thy ma trn cosin ch phng cho phộp bin i t h quy chiu ng v h quy chiu c nh Do vy, ma trn cosin ch phng cũn gi l ma trn quay Nguyn Quang Cnh 16 ỏn tt nghip C tin k thut + 1 A = 1 - 1 Chuyển từ hệ thuận sang hệ thuận hoặc nghịch sang nghịch Chuyển từ hệ thuận sang hệ nghịch hoặc... chớnh l thụng s iu khin cỏc chõn ti mi thi im Nguyn Quang Cnh 35 ỏn tt nghip C tin k thut LC THUT GII BI TON NGC: Bắt đầu Nhập định hớng giá động Rp và toạ độ tâm giá động P Tính toạ độ các chân Ai và Ci trong hệ toạ độ cố định Độ dài các chân: lij= Khoảng dịch chuyển mỗi chân: lij = lij - lij-1 Hỡnh 4.7 Kết thúc 4 Khỏi quỏt bi toỏn thun: Nguyn Quang Cnh 36 . và mô phỏng Robot song song sáu bậc tự do bằng phần mềm ứng dụng OpenGL có sự hỗ trợ của CAD 3D. Chương trình hỗ trợ người dùng tiếp cận với Robot song song 6 bậc tự do HexaSPS nói riêng và Robot. Robot kỹ thuật cao Robot song song. Xuất phát từ ý tưởng tính toán và mô phỏng động học Robot song song nhờ sự hỗ trợ của máy tính em đã xây dựng một chương trình tính toán động học ngược và. áp dụng thành công của quá trình thiết kế và chế tạo với sự trợ giúp của các phần mềm máy tính như: Phần mềm hỗ trợ thiết kế CAD (Computer Aided Design) và phần mềm hỗ trợ chế tạo sản xuất CAM