Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật mô phỏng động học robot tác hợp gia công cơ khí

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ***** TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ 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 Phản biện 1 : PGS.TS. Ngô Như Khoa Phản biện 2 :PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung 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. 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 công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích 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 vật thể 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 . k – Số khớp. f i – Số bậc tự do của khớp thứ i. f c – Số liên kết thừa. f p – Số bậc tự do thừa. Hệ tọa độ Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các khớp, tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản. Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 1 động gọi là hệ toạ độ khâu. Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc ứng với các 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 chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp. Ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc . Người ta thường 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: Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 2 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 y học, 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 trung vào các robot có những đặc điểm ưu việt hơn như tốc độ nhanh hơn, kinh tế hơn, các hệ thống gọn nhẹ hơn, nhiều module hơn, chất lượng thiết bị tay cuối được cải tiến, hệ thống giao tiếp thông minh…Thay vì sử dụng các robot liên tục như trước kia trong công nghiệp, xu hướng hiện nay là áp dụng các robot loại khác, như robot song song, robot lai, các robot phối hợp hoạt động như robot tác hợp… do những ưu điểm phù hợp với yêu cầu sản xuất hiện nay. Những loại robot này không những có khả năng chuyển động linh hoạt mà còn thể hiện được độ cứng vững cao hơn hẳn so với những loại robot khác, do đó chúng được sử dụng ngày càng nhiều để làm các giá đỡ di chuyển, các hệ thống gia công chính xác, máy CNC… 1.2Robot 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 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 hiện các ưu điểm về độ linh hoạt và chính xác, tính đa năng. Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 3 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 1.3 Cơ sở phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg 1.3.1 Các tọa độ thuần nhất và phương pháp biến đổi thuần nhất 1.3.1.1 Định nghĩa ma trận Cosin chỉ hướng Cho vật rắn B và hệ quy chiếu . Trong đó các véc tơ là 3 véc tơ đơn vị trên các trục Ox 0 , Oy 0 , Oz 0 . Ta gắn chặt vào vật rắn B hệ quy chiếu . Với là 3 véc tơ đơn vị trên các trục Ax,Ay,Az . Ma trận vuông cấp ba Được gọi là ma trận Cosin chỉ hướng của vật rắn B đối với hệ quy chiếu R 0 . 1.3.1.2 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. 1.3.1.3 Các ma trận quay cơ bản 1.3.1.4 Định nghĩa các tọa độ thuần nhất 1.3.1.5 Phép biến đổi vector trong không gian thuần nhất 4 chiều 1.3.1.6 Phép biến đổi ma trận thuần nhất Xét vật rắn B gắn với hệ R 1 ={Ox 1 y 1 z 1 } chuyển động trong hệ quy chiếu cố định R 0 ={Ox 0 y 0 z 0 }. Lấy một điểm Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 4 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 R 0 ta có : Trong hệ quy chiếu R 0 có dạng ma trận : Gọi Là ma trận cosin chỉ hướng của hệ quy chiếu R 1 đối với hệ quy chiếu R 0 1.3.1.7 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. Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 5 Nếu tịnh tiến đồng thời trên các trục x,y,z ta có ma trận biến đổi thuần nhất: 1.3.2 Phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg 1.3.2.1 Cách xác định các trục của hệ tọa độ khớp 1. Trục z i-1 được chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ i. 2. Trục x i-1 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của hai trục z i-2 và z i-1 hướng đi từ trục z i-2 sang trục z i-1 . Nếu trục z i-1 cắt trục z i-2 thì hướng của trục x i- 1 được chọn tùy ý. 3. Gốc tọa độ O i-1 được chọn tại giao điểm của trục x i-1 và trục z i-1 . 4. Trục y i-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 z 0 còn trục x 0 chưa có trong quy ước trên. Ta có thể chọn trục x 0 một cách tùy ý miễn là x 0 vuông góc với z 0 . 6. Đối với hệ tọa độ (Oxyz) n , do không có khớp n+1 nên theo quy ước trên ta không xác định được trục z n . Trục z n không được xác định duy nhất , trong khi trục x n lại được chọn theo pháp tuyến của trục z n-1 . Trong trường hợp này nếu khớp n là khớp quay thì có thể chọn trục z n song song với trục z n-1 , có thể chọn tùy ý sao cho hợp lý. 7. Khi hai trục z i-2 và z i-1 song song với nhau, giữa hai trục này có nhiều đường pháp tuyến chung , ta có thể chọn trục x i-1 hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được. Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 6 8. Khi khớp thứ I là khớp tịnh tiến, về nguyên tác ta có thể chọn trục z i-1 một cách tùy ý. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp người ta thường chọn trục z i-1 dọc theo trục của khớp tịnh tiến này. 1.3.2.2 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 θ i , d i , a i , α i như sau : θ i : góc quay quanh trục z i-1 để trục x i-1 chuyển đến trục x i’ (x i’ // x i ) d i : dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục z i-1 để gốc tọa độ O i-1 trùng O i ’ là giao điểm của trục x i và trục z i-1 . a i :dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục x i để điểm O i ’ đến điểm O i . α i :góc quay quanh trục x i sao cho trục z’ i-1 (z’ i-1 // z i-1 ) chuyển đến trục z i-1 . 1.3.2.3 Ma trận Denavit-Hartenberg Ta có thể chuyển hệ tọa độ khớp (Oxyz) i-1 sang hệ tọa độ khớp (Oxyz) I bằng 4 phép biến đổi cơ bản sau: - Quay quanh trục z i-1 một góc θ i - Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục z i-1 một đoạn d i - Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục x i một đoạn a i - Quay quanh trục x i một góc α i 1.4 Khảo sát động học robot tác hợp 1.4.1 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 trận Denavit-Hartengerg cho ta biết : - Vị trí điểm O i trong hệ quy chiếu R i-1 . - Hướng của vật rắn B i đối với hệ quy chiếu R i-1 . Từ đó suy ra khi biết ma trận Denavit-Hartenberg ta sẽ biết được tương quan của hệ quy chiếu R i =(Oxyz) i đối với hệ quy chiếu R i-1 =(Oxyz) i-1 . Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi Denavit-Hartenberg đối với robot n khâu ta có : Ma trận D n cho biết vị trí của điểm P và hướng của khâu thao tác của robot đối với hệ quy chiếu cố định R 0 . Ma trận D n có dạng Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 7 1.4.2 Bài toán động học robot tác hợp Bài toán động học robot nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan 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 riêng biệt. 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 2 khâu: - 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. 1.4.2.1 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: Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 8 Khâu 11 Khâu 12 Khâu 21 Khâu 22 Khâu 23 [...]... động học thuận và động học ngược của robot tác hợp 1.4.2.2 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: Hình 2.6: Sơ đồ động học tay máy • Robot trên là tay máy 3 khâu, trong đó một khớp tịnh tiến cho phép đầu mang mũi hàn di chuyển lên xuống Robot này là một robot 3 bậc tự do cấu trúc động học mạch hở Hình 2.7 : Sơ đồ động học. .. mô phỏng Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 22 KẾT LUẬN Qua quá trình thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS Phan Bùi Khôi, em đã hoàn thành luận văn Mô phỏng động học robot tác hợp gia công cơ khí với các kết quả đạt được như sau: - Trình bày các kiến thức cơ sở liên quan đến động học robot, từ đó giải quyết bài toán động học thuận, động học ngược cho robot tác hợp - Thiết kế mô. .. Denavit-Hartenberg Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 17 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 1.5 Xây dựng chương trình mô phỏng Từ những yêu cầu đặt ra, ta đưa ra các bước xây dựng chương trình mô phỏng như sau: • Xây dựng mô hình cơ học và thiết lập phương trình chuyển động • Xây dựng mô hình thể hiện đối tượng bằng phần mềm thiết kế 3D và xuất từng đối tượng ra tệp *.stl • Lập trình đồ họa mô phỏng hoạt động của đối... thư viện hỗ trợ giao diện MFC 1.5.1 Mô phỏng chuyển động robot với OpenGL Trong công nghệ đồ họa động đang ngày càng được ứng dụng trong cuộc sống và ngày nay nó đã được phát triển tương đối mạnh mẽ ở Việt Nam.Trong kỹ thuật thì việc sử dụng các ứng dụng của OpenGL cũng như DirectX vào việc mô phỏng các cơ cấu máy móc, các họat động của robot công nghiệp trước khi đem thử nghiệm bằng mô hình thực là... thiết kế các giao diện Hình 3.11: Phần mềm Visual Studio 2010 1.6 Thiết kế mô hình robot tác hợp Trong chương này tác giả sẽ thiết kế mô hình robot tác hợp dựa trên những kết quả tính toán ở trên và sử dụng phần mềm thiết kế 3D SolidWork 2010.Dưới đây là bản vẽ chi tiếp các khâu khớp và thành phần trong hệ thống Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 19 Hình 3.12: Mô hình tổng thể robot Robot này gồm 2 robot thành... bộ cho robot hàn ống - Dựa trên những tính toán thu được, xây dựng chương trình mô phỏng hoạt động trực quan của robot Những hạn chế của luận văn: - Việc thiết kế mô hình 3D đơn giản, chưa tính toán kiểm bền và tối ưu các kết cấu robot - Chưa tính toán các bộ truyền động cho các cơ cấu - Chương trình mô phỏng còn đơn giản Những vấn đề tiếp tục nghiên cứu trong tương lai: - Xây dựng mô hình robot linh... dàng tính toán được các thông số động học bàn máy  Động học tương tác giữa tay máy và 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: 0 0’ A0’ O0x0y0z0 O’x11y11z11 0 BE O0x0y0z0 Tính AP OExEyEzE P Px12y12z12 Afi E Bk : Với tay máy theo tính chất Denavit-Hartenbeg thì điểm thao tác cuối sẽ trùng với gốc tọa... 1.8 Giao diện và cách sử dụng chương trình mô phỏng Hình 3.13: Giao diện chương trình Giao diện chính của chương trình gồm 2 phần: Phần 1: Bảng điều khiển chức năng mô phỏng robot Phần 2: Vùng hiển thị quá trình mô phỏng Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 21 1.8.1 Bảng điều khiển chức năng: Hình 3.14: Bảng điều khiển chức năng 1.8.2 Vùng hiển thị quá trình mô phỏng Hình 3.15 : Vùng hiển thị quá trình mô. .. ta xác định được q1, q2, q3, 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 nối giữa hai ống của phôi có dạng như hình vẽ : Hình 2.8: Bài toán hàn ống  Động học tay máy: Hình 2.9: Hệ trục tọa độ suy rộng tay máy Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 11 Ta đặt hệ trục tọa độ như hình... năng hoạt động cao hơn - Tính toán động lực học và điều khiển robot - Thiết kế tối ưu các kết cấu khâu khớp robot, cũng như tính toán các bộ truyền động - Nghiên cứu và tìm hiểu từng bước xây dựng mô hình robot hàn thực tế Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Phan Bùi Khôi Bài giảng Robot công nghiệp Trường ĐHBKHN, 2009 2 Phan Bùi Khôi Bài gia ng tính toán thiết kế robot Trường