tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật giới thiệu chung về robot công nghiệp

1.1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp Theo viện nghiên cứu robot Hoa Kỳ thì robot được định nghĩa như sau:Robot là một tay máy có nhiều chức năng thay đổi được các chương trình hoạ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-***** -TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP

GIA CÔNG CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

HỌC VIÊN : ĐẶNG VŨ KHÁNH

Thái Nguyên, năm 2013

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Cán bộ HDKH : PGS.TS PHAN BÙI KHÔI

Chủ tịch : PGS.TS Nguyễn Đăng Bình

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Vào 9 giờ 30 phút ngày 27 tháng 07 năm 2013.

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái

Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

CHƯƠNG 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 được định nghĩa như sau:Robot là một tay máy có nhiều chức năng thay đổi được các chương trình hoạt động,được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những côngviệc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mụcđích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng

Bậc tự do của robot

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của robot Để dịch chuyển được một vậtthể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do.Bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :

Trong đó :

f – Số bậc tự do của robot

λ – Bậc tự do của một khâu (trong phẳng λ=3 trong không gian λ=6) )

n – Số khâu chuyển động của robot

động gọi là hệ toạ độ khâu Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xácđịnh cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc ứng vớicác khớp tịnh tiến hoặc khớp quay Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.Các hệ tọa độ gắn trên khâu của robot thường tuân theo quy tắc bàn tay phải.

Hình 1.1: Các tọa độ suy rộng của robot

Vùng làm việc của robot

Không gian làm việc của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấphành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể Trường công tác bị ràngbuộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của cáckhớp Ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc Người tathường dùng hai hình chiếu để mô tả không gian làm việc của một robot

Hình 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 được phân loại theo các cách sau:

Phân loại theo cấu trúc động học

Phân loại theo số bậc tự do:

Phân loại theo hệ thống truyền động:

Phân loại theo không gian làm việc:

1.1.3 Ứng dụng và xu thế phát triển của robot công nghiệp

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động như máy CNC và robot.Các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá, linh hoạt cao Ngoài các phân xưởng, nhà máy,

kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong yhọc, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử,trong các lĩnh vực xã hội …Xu thế phát triển của robot công nghiệp hiện nay là tập trungvào các robot có những đặc điểm ưu việt hơn như tốc độ nhanh hơn, kinh tế hơn, các hệthống gọn nhẹ hơn, nhiều module hơn, chất lượng thiết bị tay cuối được cải tiến, hệ thốnggiao tiếp thông minh…Thay vì sử dụng các robot liên tục như trước kia trong côngnghiệp, xu hướng hiện nay là áp dụng các robot loại khác, như robot song song, robotlai, các robot phối hợp hoạt động như robot tác hợp… do những ưu điểm phù hợp với yêucầu sản xuất hiện nay Những loại robot này không những có khả năng chuyển động linhhoạt mà còn thể hiện được độ cứng vững cao hơn hẳn so với những loại robot khác, do đóchúng được sử dụng ngày càng nhiều để làm các giá đỡ di chuyển, các hệ thống gia côngchính xác, máy CNC…

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 mang đầu mỏ hàn.

Hình 1.3: Robot tác hợp thực hiện quá trình gia công

1.2.2 Ưu điểm của robot tác hợp

So với các robot hàn truyền thống, robot hàn tác hợp theo mô hình trên thể hiệncác ưu điểm về độ linh hoạt và chính xác, tính đa năng

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP

2.1 Cơ sở phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg

2.1.1 Các tọa độ thuần nhất và phương pháp biến đổi thuần nhất

2.1.1.1 Định nghĩa ma trận Cosin chỉ hướng

Cho vật rắn B và hệ quy chiếu

Trong đó các véc tơ

Được gọi là ma trận Cosin chỉ hướng của vật rắn B đối với hệ quy chiếu R0

2.1.1.2 Ý nghĩa của ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn

Ma trận Cosin chỉ hướng A cho phép biến đổi tọa độ của điểm bất kì P thuộc

vật rắn trong hệ quy chiếu động Oxyz sang tọa độ điểm P trong hệ quy chiếu cố định

Ox 0 y 0 z 0 và ngược lại.

2.1.1.3 Các ma trận quay cơ bản

2.1.1.4 Định nghĩa các tọa độ thuần nhất

2.1.1.5 Phép biến đổi vector trong không gian thuần

nhất 4 chiều

2.1.1.6 Phép biến đổi ma trận thuần nhất

Xét vật rắn B gắn với hệ R1={Ox 1 y 1 z 1} chuyển động

trong hệ quy chiếu cố định R0={Ox 0 y 0 z 0} Lấy một điểm

A thuộc vật rắn B và gắn chặt vào vật rắn hệ quy chiếu Axyz Lấy P là 1 điểm bất kỳ

thuộc vật rắn B Trong hệ tọa độ đề các R0 ta có :

Trong hệ quy chiếu R0 có dạng ma trận :

Gọi

Là ma trận cosin chỉ hướng của hệ quy chiếu R1 đối với hệ quy chiếu R0

2.1.1.7 Các ma trận quay cơ bản thuần nhất và ma trận tịnh tiến thuần nhất

Từ các khái niệm ma trận quay cơ bản trong không

gian 3 chiều ta định nghĩa các ma trận quay cơ bản

trong không gian thuần nhất như sau :

Các ma trận tịnh tiến cơ bản trong không gian thuần

nhất

Nếu tịnh tiến đồng thời trên các trục x,y,z ta có ma trận biến đổi thuần nhất:

2.1.2 Phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg

2.1.2.1 Cách xác định các trục của hệ tọa độ khớp

1 Trục zi-1 được chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ i

2 Trục xi-1 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của hai trục zi-2 và zi-1

hướng đi từ trục zi-2 sang trục zi-1 Nếu trục zi-1 cắt trục zi-2 thì hướng của trục x

i-1 được chọn tùy ý

3 Gốc tọa độ Oi-1 được chọn tại giao điểm của trục xi-1 và trục zi-1

4 Trục yi-1 được chọn sao cho hệ (Oxyz)i-1 là hệ tam diện thuận

5 Đối với hệ tọa độ (Oxyz)0 theo quy ước trên ta mới chỉ chọn được trục z0 còntrục x0 chưa có trong quy ước trên Ta có thể chọn trục x0 một cách tùy ý miễn

là x0 vuông góc với z0

6) Đối với hệ tọa độ (Oxyz)n , do không có khớp n+1 nên theo quy ước trên takhông xác định được trục zn Trục zn không được xác định duy nhất , trong khitrục xn lại được chọn theo pháp tuyến của trục zn-1 Trong trường hợp này nếukhớp n là khớp quay thì có thể chọn trục zn song song với trục zn-1 , có thể chọntùy ý sao cho hợp lý

7 Khi hai trục zi-2 và zi-1 song song với nhau, giữa hai trục này có nhiều đườngpháp tuyến chung , ta có thể chọn trục xi-1 hướng theo pháp tuyến chung nàocũng được.

8 Khi khớp thứ I là khớp tịnh tiến, về nguyên tác ta có thể chọn trục zi-1 mộtcách tùy ý Tuy nhiên trong nhiều trường hợp người ta thường chọn trục zi-1

dọc theo trục của khớp tịnh tiến này

2.1.2.2 Các tham số động học Denavit-Hartenberg

Vị trí của hệ tọa độ khớp (Oxyz)i đối với hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 được xác định

bởi 4 tham số Denavit-Hartenberg i , di , ai , αi như sau :

i : góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục xi’ (xi’ // xi)

di : dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gốc tọa độ Oi-1 trùng Oi’ là giao điểmcủa trục xi và trục zi-1

ai :dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục xi để điểm Oi’ đến điểm Oi

αi :góc quay quanh trục xi sao cho trục z’i-1 (z’i-1 // zi-1) chuyển đến trục zi-1

2.1.2.3 Ma trận Denavit-Hartenberg

Ta có thể chuyển hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 sang hệ tọa độ khớp (Oxyz)I bằng 4phép biến đổi cơ bản sau:

- Quay quanh trục zi-1 một góc i

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi một đoạn ai

- Quay quanh trục xi một góc αi

2.2 Khảo sát động học robot tác hợp

2.2.1 Cơ sở lý thuyết bài toán động học

Xác định vị trí khâu thao tác và vị trí điểm tác động cuối của robot

Xét mô hình cơ học của robot n khâu động nối tiếp nhau, Theo trên , ma trậnDenavit-Hartengerg cho ta biết :

- Vị trí điểm Oi trong hệ quy chiếu Ri-1

- Hướng của vật rắn Bi đối với hệ quy chiếu Ri-1

Từ đó suy ra khi biết ma trận Denavit-Hartenberg ta sẽ biết được tươngquan của hệ quy chiếu Ri=(Oxyz)i đối với hệ quy chiếu Ri-1=(Oxyz)i-1

Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi Denavit-Hartenberg đối với robot n khâu ta có :

Ma trận Dn cho biết vị trí của điểm P và hướng của khâu thao tác của robot đốivới hệ quy chiếu cố định R0

Ma trận D n có dạng

2.2.2 Bài toán động học robot tác hợp

Bài toán động học robot nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà khôngquan tâm đến các yếu tố động lực học - lực và mô men Tuy nhiên, với robot tác hợp

mà mô hình cụ thể như dưới đây thì bài toán động học của nó có cách xử lý riêngbiệt

Hình 2.4: Mô hình robot tác hợp hàn

Robot tác hợp là một hệ nhiều vật có cấu trúc động học mạch kín bao gồm 2khâu:

- Khâu tay máy mang đầu hàn

- Khâu bàn máy mang chi tiết cần gia công

Hướng giải quyết bài toán động học robot tác hợp trên gồm 3 phần như sau:

- Giải bài toán tương 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 phương trình động học.

Ta xây dựng hệ tọa độ cơ sở cho robot như sau:

Khâu

Khâu 21

Khâu 22 Khâu

23

Hình 2.5 : Hệ trục tọa độ xây dựng

- Hệ tọa độ cơ sở của robot là O0x0y0z0

- Hệ tọa độ gắn với bàn là OPxPyPzP với quy ước ma trận biến đổi tọa độ từ hệtọa độ OPxPyPzP về hệ tọa độ cơ sở ký hiệu là

- Hệ tọa độ gắn với điểm đầu hàn của tay máy là OExEyEzE Ma trận biến đổitọa độ từ hệ tọa độ OExEyEzE về hệ tọa độ cơ sở ký hiệu là

Ta có hệ phương trình động học cơ bản của robot tác hợp:

Từ đó ta có thể giải được các bài toán động học thuận và động học ngược củarobot tác hợp.

2.2.2.2 Áp dụng giải bài toán động học robot tác hợp

a Mô hình đ ng h c robot tác h p gia công hàn ộng học robot tác hợp gia công hàn ọc robot tác hợp gia công hàn ợp gia công hàn

Robot cấu tạo gồm 2 phần:

Hình 2.6: Sơ đồ động học tay máy

 Robot trên là tay máy 3 khâu, trong đó một khớp tịnh tiến cho phép đầumang mũi hàn di chuyển lên xuống Robot này là một robot 3 bậc tự do cấutrúc động học mạch hở

Hình 2.7 : Sơ đồ động học bàn máy

 Robot dưới là bàn máy mang chi tiết gia công, 2 bậc tự do, cho phép thayđổi hướng chi tiết gia công linh hoạt và cứng vững

Từ mô hình robot ta thấy các thông số biến khớp cần xác định ở đây bao gồm:

q 1 , q 2 , q 3 của tay máy và rotx, rotz (trong đó rotx, rotz là các góc roll, yaw xác định

hướng của bàn máy so với hệ tọa độ cơ sở)

Giải bài toán quỹ đạo đường hàn bằng phương pháp tam diện trùng theo ta xác

định được q 1 , q 2 , q 3 , rotx, rotz Sau đó ta giải bài toán động học của từng robot thành

phần

b Giải bài toán động học :

Giả sử ta xét robot tác hợp thực hiện việc gia công hàn biên dạng là chỗ nốigiữa hai ống của phôi có dạng như hình vẽ :

Hình 2.8: Bài toán hàn ống

Hình 2.9: Hệ trục tọa độ suy rộng tay máy

Ta đặt hệ trục tọa độ như hình vẽ, tuân theo nguyên tắc đặt hệ trục tọa độ

Bảng 0-1 : Bảng thông số Denavit-Hartenberg tay máy

Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ như sau:

Ta có :

Ox0y0z0 O21x21y21z

1

O22x22y22z22 O23x23y23z23

Bài toán động học thuận : khi biết q 1 , q 2 , q 3 ta có thể xác định được tọa độ điểm cuối:

(2.0)

Bài toán động học ngược:

Khi cho biết vị trí điểm cuối ta đi xác định các thông số động học biến khớp

Hệ trên gồm 3 phương trình tọa độ điểm cuối đủ để giải ra 3 ẩn qi (i=1,2,3) bằnggiải tích

Động học bàn máy :

Bàn máy là cơ cấu 2 bậc tự do có mô hình như sau:

Hình 2.10: Hệ trục tọa độ suy rộng bàn máy

Gắn vào khâu 11 hệ tọa độ O’x 11 y 11 z 11 trong đó z 11 có hướng pháp tuyến với mặt

phẳng bàn máy, O’x 11 là trục quay của khâu 11

Gọi P là tâm quay khâu 2, P nằm trên bề mặt khâu này Đặt hệ trục tọa độ

Px 12 y 12 z 12 tại P với trục Px12, Py12 nằm trong mặt phẳng bề mặt khâu 2, trục z12 hướnglên

Khoảng cách từ tâm O’ đến P là d

Ta dễ dàng tính được ma trận chuyển hệ trục tọa độ từ hệ tọa độ O’x 11 y 11 z 11

sang hệ Px 12 y 12 z 12 như sau:

Từ ma trận biến đổi thuần nhất ta dễ dàng tính toán được các thông sốđộng học bàn máy

Ở đây ta xét bài toán tác hợp của robot để thực hiện quá trình hàn 2 ống, từ đó ta

có cấu trúc động học robot tác hợp hàn ống như sau:

O 0 x 0 y 0 z 0 O’x 11 y 11 z 11 Px 12 y 12 z 12

O 0 x 0 y 0 z 0 O E x E y E z E

Với tay máy theo tính chất Denavit-Hartenbeg thì điểm thao tác cuối sẽ trùng

với gốc tọa độ khâu cuối, nghĩa là O E x E y E z E ≡ Nên ta có ma trận biến đổithuần nhất được tính như sau :

Gọi lx, ly, lz là các khoảng dịch chuyển hệ trục tọa độ theo ba trục x, y, z từ hệ Ox 0 y 0 z 0

sang hệ O’x 11 y 11 z 11 Khi đó ta có

Vị trí và hướng của (điểm hàn ) trong hệ tọa độ chi tiết được mô tảbởi ma trận

Ta tính được tọa độ điểm hàn :

Từ các giá trị x E , y E , z E tính được, kết hợp với tính toán giải động học ngược tay máy

ở trên ta giải được các thông số biến khớp tay máy

Theo lý thuyết ma trận biến đổi thuần nhất thì trong hệ tọa độ ta lấymột véc tơ chính là véc tơ đơn vị theo trục trong hệ tọa độ này Theo

lý thuyết tam diện trùng theo thì k phải có phương song song với trục z của hệ tọa độ

Ox0y0z0

Để k có phương song song với trục z của hệ tọa độ R0 thì :

Ta giải được bộ nghiệm :

Từ đó giải quyết được hoàn toàn bài toán robot hàn tác hợp trên.

Lựa chọn quy trình gia công :

 Tay máy thực hiện bám theo vị trí hàn trên ống

 Bàn máy thực hiện các chuyển động quay để thay đổi hướng của chi tiết saocho đảm bảo các yêu cầu công nghệ

Các hàm tính toán được viết trong tệp “kinematic.txt” bao gồm các hàm tính ma

trận quay cơ bản và hàm tính ma trận Denavit-Hartenberg

 Hàm Rotx:=proc(alpha): Hàm tính toán ma trận quay quanh trục x góc alpha.

 Hàm Roty:=proc(psi) : Hàm tính toán ma trận quay quanh trục y góc psi.

 Hàm Rotz:=proc(theta) : Hàm tính toán ma trận quay quanh trục z góc theta.

 Hàm Tranx:=proc(a) : Hàm tính toán ma trận tịnh tiến theo trục x đoạn a.

 Hàm Trany:=proc(b) : Hàm tính toán ma trận tịnh tiến theo trục y đoạn b.

 Hàm Tranz:=proc(c) : Hàm tính toán ma trận tịnh tiến theo trục z đoạn c.

 Hàm Dmatrix:=proc(theta,d,a,alpha) : Tính ma trận Denavit-Hartenberg