Đồ án tốt nghiệp tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR

Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR Tính toán động học, mô chuyển động robot MMR ( Mini Mobile Robot ) thiết kế, chế tạo mẫu robot MMR Đồ án chia thành phần : ♦ Phần I: Tính toán động học mô chuyển động robot MMR -Chương 1: Cơ sở lý thuyết khảo sát toán động học robot -Chương 2: Áp dụng tính động học cho robot MMR -Chương 3: Phần mềm tính toán mô ♦ Phần I : Thiết kế chế tạo mẫu robot MMR -Chương 1: Lựa chọn cấu trúc robot MMR -Chương : Thiết kế khí robot MMR Em xin chân thành cảm ơn T.S Phan Bùi Khôi toàn thể thầy cô môn học ứng dụng tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án Mặc dù cố gắng kiến thức thời gian có hạn nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo thầy, cô môn bạn sinh viên, người quan tâm đến robot -1- Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR PHẦN I TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG ROBOT MMR -2- Đồ án tốt nghiệp Tính toán ch uyển động chương trình thiết kế robot MMR C HƯƠNG CƠ SỞ LÝ THU YẾT K HẢO SÁT ĐỘNG HỌC R OBOT 1.Cấu trú c động h ọc robot 1.1 Khái quát robot Cùng với phát triển không ngừng nghành khoa học kỹ thu ật đặc biệt lĩnh vự c khí, điện tử điều khiển tin học làm cho ro bot ngày c àng có nhữ ng chức gần giống người nhiều hơn, robot có phận c cấu chấp hành, hệ dẫn động hệ thống điề u khiển C cấu chấp hành cánh tay chân người, hệ dẫn động l bắp trái tim người tương ứng với động đặ t robot vận hành, hệ thống điều khiển nã o điểu khiển hoạt động robot Mắt, mũi, tai (C ác senser cảm ứng) Não ( hệ thống điều khiển) Trái tim( Động cơ) Tay (Bàn k ẹp, mang dụng cụ gia công) Bắp thịt, huyết quản (Các truyền chuyển động) Da (Vỏ bọc rrobot) Khớp (Các khớp động rrobot) Xương ( K robot) Hình 1.1 N gười r obot Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR Cuộc sống ngày văn minh đại, mức sống người dân ngày nâng cao, đòi hỏi phải nâng cao suất chất lượng sản phẩm Vì phải ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hoá vào sản xuất nên tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo hệ thống sản xuất tự động linh hoạt Robot có đặc điểm trội là: ♦ Có thể thực công việc cách bền bỉ, mệt mỏi nên chất lượng sản phẩm giữ ổn định Giá thành sản phẩm hạ giảm chi phí cho người lao động Ở nước ta năm gần nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí lương bổng chiếm tỷ lệ cao giá thành sản phẩm, cần phải ứng dụng công nghệ robot vào dây chuyền sản xuất ♦ Nhất nhiều nơi cần ứng dụng công nghệ robot để cải thiện điều kiện lao động thực tế sản xuất người lao động phải làm việc suốt buổi môi trường bụi bặm, ẩm ướt, ồn ào… mức cho phép nhiều lần Thậm chí phải làm việc môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ người ♦ Mặt khác, áp dụng công nghệ robot vào sản xuất ta cần lưu ý phân tích kỹ toàn hệ thống sản xuất cho phù hợp với nguyên công phù hợp với tình hình sản xuất nhà máy Cần xét đến đầy đủ chi phí phụ hiệu mang lại cho toàn hệ thống Khi xác định đưa robot vào hệ thống sản xuất cần phải xét xem khả liệu robot có thay hay không có hiệu không Vì thực tế sản xuất cho thấy xu hướng thay hoàn toàn robot nhiều không hiệu việc giữ lại số công đoạn mà cần phải có khéo léo người ♦ Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng tạo nên khả linh hoạt hóa sản xuất Mà kĩ thuật robot máy vi tính đóng - 4- Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR vai trò quan trọng việc tạo dây chuyền tự động linh hoạt.Vì năm gần nhà khoa học mà nhà sản xuất tập trung ý vào việc hình thành áp dụng hệ sản xuất linh hoạt So với lúc đời, ngày công nghệ robot có bước phát triển vượt bậc Đặc biệt vào năm 60 kỉ trước, với góp mặt máy tính Ở giai đoạn đầu người ta quan tâm đến việc tạo cấu tay máy nhiều bậc tự do, trang bị cảm biến để thực công việc phức tạp Ngày có cải tiến quan trọng kết cấu phận chấp hành, tăng độ tin cậy phận điều khiển, tăng mức thuận tiện dễ dàng lập trình Tăng cường khả nhận biết xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot Trong tương lai số lượng lao động thay ngày nhiều mặt giá thành robot ngày giảm mặt hàng vi điện tử liên tục giảm giá đồng thời chất lượng liên tục tăng Mặt khác chi phí lương khoản phụ cấp cho người lao động ngày tăng Robot ngày vạn để làm nhiều việc dây chuyền Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất toàn dây chuyền Công việc lại đòi hỏi phải cẩn thận, nhẹ nhàng tinh tế xác Nên công nhân cần phải thợ có tay nghề cao làm việc đơn điệu, căng thẳng Robot có mặt nhiều công đoạn lắp ráp phức tạp thừa hưởng kĩ thuật cảm biến, kĩ thuật tin học với ngôn ngữ lập trình bậc cao Robot tự hành phát triển mạnh tương lai, chân để thích hợp với địa hình ví dụ tự leo bậc thang… Việc tạo cấu chấp hành khí vừa bền vững, nhẹ nhàng xác linh hoạt chân tay người đối tượng nghiên cứu chủ yếu -5- Đồ án tốt nghiệp Tín h toán ch uyển động chương trình thiết kế robot MMR Kỹ thu ật robot c ũng bước áp dụng kết nghiên cứu t rí khôn nhân tạo đưa vào ứng dụng công nghiệ p Cải tiến bổ xung cá c modul cảm biến modu l phần mề m phù hợp cải tiến thô ng minh h oá nhiều loại robot Điều quan trọng cấu chấp hành củ a robot ph ải hoạt độn g x ác 1.1 Cấu tr úc động học robot Ta khái q uát định ng hĩa robot theo cách nhìn học mộ t chuỗi độ ng, k hâu g hép với n hau khớp nối, hoạt động linh hoạt nhờ hệ dẫn độ ng đượ c điều khiển hệ thống điều khiển Dưới đ ây số hình robot liên t ục ứn g dụng nhiều cá c lĩnh vực: ♦ Trong gia công c khí: thường sử dụ ng c ác máy hà n tự động, máy k hoan, tron g dây truyền lắp ráp, v…v … ♦ Trong dây truyề n sản xuất: Tham gia vào số dây truyền sản xuấ t gia công, phun sơn, ng gói ba bì, v…v … ♦ Trong vận tải th ường dùng để bốc xếp hàng hó a Hình Robot Hipo Hình 1.3 Robot Puma Đồ án tốt nghiệp Tín h toán ch uyển động chương trình thiết kế robot MMR Hình 1.4 robot Kuka H ình 1.5 La ser Robotic Trong đồ án em xin chọn mô hình robot MMR khảo sát ch uỗi động hở, robot g ồm khâu khớp quay thao tác không gian cố định (xe không di chuyển )(h ình 1.6) Khâu cuối robot mang dụng cụ cắ t, mỏ hàn ,bàn kẹp, v …v… Đồ án tốt nghiệp Tín h toán ch uyển động chương trình thiết kế robot MMR H ình 1.6 Bậc tự r obot Cơ cấu tay r obot phải cấu t ạo cho khâu cuối phải có vị trí theo m ột hướng định dễ dàng di chuyển d ễ dàng tron g vùng làm việc Muốn cấu tay ro bot phải đ ạt mộ t số bậc tự chuyển độ ng Để tính số bậ c tự robot ta có nhiều cách tín h ta đưa cá ch tính dựa vào định lý Gruebl er Theo G ruebler bậc tự f tín h the o công th ức: g f = λ.(n − 1) − ∑(λ − f i ) − f0 i=1 (1.1) Trong : ♦ f : Là số bậc tự c cấu Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR ♦ λ : Bậc tự vật rắn không chụi liên kết không gian làm việc robot (λ = ứng với không gian làm việc mặt phẳng, λ = ứng với không gian làm việc không gian) ♦ n : Số khâu ( kể giá cố định) ♦ fi : Số bậc tự khớp thứ i ♦ g : Tổng số khớp cấu ♦ f0 : Số bậc tự thừa Một số ví dụ: - Số bậc tự mô hình robot đồ án ♦ λ = (Vì không gian làm việc không gian ) ♦ n = (Số khâu robot kể xe) ♦ fi = 1( Vì tất khớp quay robot có bậc tự do) ♦ g = (Tổng số khớp cấu) ♦ f0 =0 (Không có bậc tự thừa) Bậc tự robot : g f = λ ( n − 1) − ∑i=1 ( λ − f i ) − f0 f = 6.(5 − 1) − ∑(6 − 1) − = - Laser Robotic ( Hình 1.5) λ = , n = , g = , fi = 1, f0 =0 g Bậc tự robot : f = λ (n − 1) − ∑(λ − fi=1i ) − f0 f = 6.(7 − 1) − ∑(61 − 1) − = -9- Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR 1.3 Phương pháp khảo sát toán động học Sử dụng phương pháp ma trận chuyền Denavit- Hartenberg 1.3.1 Tọa độ ma trận biến đổi tọa độ a) Vector điểm tọa độ Vector điểm dùng để mô tả vị trí điểm không gian chiều Xét điểm M không gian chiều biểu diễn vector r hệ tọa độ Oxyz: r = (r , r , r )T x y z Vector r = (rx , ry , rz )T không gian ba chiều, bổ sung thêm thành phần thứ tư thể x vector mở rộng: r = (μrx , μ ry , μrz , m)T (1.3) Đó cách biều diễn vector điểm không gian tọa độ Như có nhiều cách biểu diễn tọa độ không gian tọa độ nhất, phụ thuộc vào giá trị hệ số tỉ lệ μ Nếu lấy μ = tọa độ biều diễn tọa độ có thực, vector mở rộng viết lại sau: r = (rx , ry , rz , 1)T (1.4) Nếu lấy μ ≠ tọa độ biều diễn gấp μ lần tọa độ thực b) Quay hệ tọa độ dùng ma trận 3x3 Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR o Concentic: Cho phép ghép hai mặt trụ, cầu đồng tâm o Parallel: Cho phép ghép hai mặt phẳng song song cách khoảng d o Perpendicular: Cho phép ghép hai mặt phẳng vuông góc với o Tangent: Cho phép ghép hai mặt cong, mặt trụ với trụ, mặt cầu với mặt phẳng, mặt trụ mặt côn với mặt phẳng tiếp xúc với Sau thiết kế bước đầu robot MMR ta lắp ghép khâu vào sau: Hình 1.3 - 77 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR CHƯƠNG THIẾT KẾ CƠ KHÍ ROBOT MMR Mô hình robot MMR ban đầu thiết kế có dạng: Khâu Khâu Khâu Khâu Xe Hình 2.1 Mô hình bề MMR ban đầu Từ mô hình chúng em thiết kế khâu, trình thiết kế khí robot MMR em giao trách nhiệm quan trọng thiết kế phần xe Vì em xin trình bày đầy đủ bước thiết kế vẽ chi tiết xe - 78 - Đồ án tốt nghiệp Tín h toán ch uyển động chương trình thiết kế robot MMR 2.1 Đặt vấn đề Xe phần vừa di chuyể n vừa man g tất khối lượng robo t, phải chứa n guồn mạch điều k hiển robot Trong di chuyển xe phải chắn, hình dạn g phải gọn phù hợp với điề u kiệ n làm việc Để đến thiết kế cụ thể mô hình c xe (hìn h 2.2 ) lựa chọn Robot MMR làm việc nh ững nơi nh ỏ hẹ p làm khoang tàu, sửa chữa khoang tàu Vì vậ y hình dán g củ a xe có ng hình th oi hợ p lý, hình dáng vừa cho khoảng trốn g xe rộng vừa tạo dáng công nghiệp Hình 2.2 Nếu h ình dáng x e mà ta thiết kế theo chi tiết ng hộp y cá c sắt dày ghép lạ i với kh ông khả thi mà giá c ả đắ t Vớ i robot M MR em xin đưa phươ ng án thiết kế là: s dụng c ác tha nh ghép l ại thành khung v sau dùng tô n bọc ngo ài Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR 2.2 Thiết kế xe 2.2.1 Khung xe Khung xe (hình 2.3) ghép với nhôm Để liên kết nhôm lại với ta dùng vít định tán Hình 2.3 - 80 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR 490 56 45 360 300 152 180 64 90 2.2.2 Vỏ bọc xe a) Tấm bọc gầm xe làm từ tôn chiều dày loại tôn chọn 0.3mm Hình 2.4 - 81 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR Ta ghép phần khung xe bọc vào hình 2.5 lắp chặt nhờ đinh tán - 82 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR Hình 2.5 b) Tấm bọc bên sườn xe Gồm hình vẽ ( loại có tấm) Ở to có bố trí lỗ để lắp bánh xe Hình 2.6 - 83 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR Kích thước cạnh ( gồm tấm) Kích thước ốp cạnh (gồm tấm) Các lắp vào khung (hình 2.7) - 84 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR Hình 2.7 c) Tấm phía trước mui xe (hình 2.8) kích thước 300 x 150 mm Hình 2.8 Ghép vào xe (hình 2.9) - 85 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR Hình 2.9 d)Bánh : Sau nắp xong chi tiết xe ta phải lắp bánh Gồm bánh bánh nhỏ bánh to (hình 2.10) Hình 2.10 - 86 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR Để điều khiển xe chạy theo hướng ta bố trí động bước gắn trực tiếp vào bánh lớn lắp vào xe (hình 2.11) Hình 2.12 Kích thước nắp xe: - 87 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR Khi chi tiết xe thiết kế lắp đặt xong phần khoảng trống xe nơi đặt thiết bị điều khiển (hình 2.13) Hình 2.13 - 88 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR KẾT LUẬN ƒ Về mặt lý thuyết: - Đã nắm sở học robot phương pháp nghiên cứu: + Phương pháp khảo sát toán động học thuận ngược + Phương pháp xây dựng quỹ đạo cho robot - Đã nắm quy trình tính toán, thiết kế chế tạo robot đơn giản ƒ Về mặt thực hành: - Đã thiết kế, chế tạo mẫu mô hình rôbốt mini điều khiển từ xa máy tính Thông qua mạch điều khiển thực việc kết nối khí điện tử.Thiết kế chương trình gồm mô đun tính toán, mô hoạt động, mạch điện tử điều khiển rôbốt Việc kết hợp học tập nghiên cứu lý thuyết gắn liền với thực tế chế tạo giúp chúng em hiểu sâu lý thuyết đồng thời bước đầu làm quen với công việc thực tế Về đề tài có thành công bước đầu nhiều hạn chế chúng em đề hướng phát triển tương lai là: ƒ Hoàn thiện kết cấu khí hệ thống điều khiển để robot hoạt động cách xác ƒ Trang bị thêm hệ thống sensor, camera dẫn đường cho rôbốt để rôbốt hoàn toàn điều khiển từ xa môi trường tách biệt Đặc biệt lập trình xử lý ảnh giúp rôbốt có khả tự động nhận biết giải thông minh tình đặt - 89 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình thiết kế robot MMR TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Khang: Cơ sở học kỹ thuật Tập I, II NXB Đại học Quốc gia Hà Nôi 2002 [2] Nguyễn Văn Khang: Bài giảng động lực học hệ nhiều vật ĐHBK Hà Nội 2002 [3] Nguyễn Thiện Phúc: Robot công nghiệp NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2002 [4] Trịnh Chất- Lê Văn Uyển: Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí Tập I, II NXB giáo dục 2001 [5] Phạm Huy Điển: Tính toán, lập trình giảng dạy toán học MAPLE NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội 2002 [6] 2002 - 90 - Phạm Công Ngô: Tự học lập trình VISUAL C++6.0 NXB thống kê [...]... - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR f1 f f= 2 M f6 (1.48) x = [ q1 , q2 , q3 , q4 , q5 , q6 xp , yp , zp , rotxp , rotyp , rotzp] (1.49) Nếu các tham số biết trước là xp , yp , zp , rotxp , rotyp , rotzp các tham số cần xác định là: [ q1 q 2 q3 q 4 q5 q6 ] và ngược lại CHƯƠNG 2 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT MMR 2.1 Hệ phương trình động học cơ bản của MMR Khảo sát chuyển. .. Đồ án tốt nghiệp động chương trình và thiết kế robot MMR 0 H1 = (1.36) ♦ Ma trận mô tả vị trí và hướng của Cx2y2z2 đối với Bx1y1z1 : 1H2 1 H2= ♦ Ma trận mô tả vị trí và hướng của Dx3y3z3 đối với Cx2y2z2 : 2H3 2 H3 = ♦ Ma trận mô tả vị trí và hướng của Dx4y4z4 đối với Dx3y3z3 : 3H4 cos q 4 3 sin q4 H4 = (1.39) ♦ Ma trận mô tả vị trí và hướng của Dx5y5z5 đối với Dx4y4z4 : 4 H5 - 22 Đồ án tốt nghiệp động. .. MMR 2.1 Hệ phương trình động học cơ bản của MMR Khảo sát chuyển động của robot MMR khi xe dừng lại và cánh tay thực hiện thao tác công việc Chọn hệ tọa độ theo quy tắc của DenavitHartenberg như hình 2.1 - 25 - Đồ án tốt nghiệp Tín h toán ch uyển động chương trình và thiết kế robot MMR hình 2.1 ♦ Chọn hệ tọa độ O0x0y0z0 gắn tại khâu 0 và đặt tại kh âu 1 Trục z 0 trùng với trục quay của khâu 1, x0, y0... mô vị trí và hướng của khâu thao tác trên vật đối với hệ tọa độ cố định - 29 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán ch uyển động chương trình và thiết kế robot MMR z0 yd Đối tượng thao tác xd zd x0 Hình 2.2 Theo c ơ sở lý th uyết đã trình bày ở chương 1 ta có : T=0 (2.6) Trong đó T4 Từ đâ y ta rút ra 6 phương trình gồm 10 tham số: fα ( x) = 0 (2.7) x = [q1 q2 q3 q4 xp yp zp rotxp rotyp rotzp] (2.8) Vì robot có... jv ix kw ru jy kw rv k k r z w w (1.9) - 11 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Gọi R là ma trận quay 3x3 với các phần tử là tích vô hướng 2 vector chỉ phương các trục tương ứng của 2 hệ tọa độ Oxyz và Ouvw Phương trình (1.9) được viết lại: rxyz = R.ruvw r uvw = R−1.r xyz Có thể biểu diễn các phần tử ma trận R và R-1 như sau: R= a ij (1.11) (1.12) Nhận xét:... về mặt động học của hai khâu liên tiếp, người ta thường sử dụng các quy ước do Denavit-Hartenberg (DH) đề xuất năm 1955 Theo DH, tại mỗi khớp ta gắn một hệ trục toạ độ, quy ước về cách đặt hệ toạ độ này như sau: Khâu 2 Khớp 2 Khâu n Khâu 1 Khớp 1 Khớp 0 Khâu cơ sở Hình 1.10 Robot n khâu - 16 - Khớp n Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR - Trục zi được liên kết với... Dịch chuyển dọc trục zi−1 đưa gốc toạ độ về nằm trên trục zi αi : Góc xoay đưa trục zi−1 ai : Dịch chuyển dọc trục xi , đưa gốc toạ độ về nằm trên trục xi Ma trận của phép biến đổi, ký hiệu là Hi , là tích của bốn ma trận biến đổi cơ bản và có dạng như sau Khớp i+1 Khớpi-1 di xi-1 Khâu i-1 Hình 1.11 Hai khâu liên tiếp - 17 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR. .. là hoàn toàn xác định 1.4 Chuỗi động học robot Giả sử khảo sát chuỗi động học của robot STANFORD như vẽ (hình 1.12) Các hệ tọa độ chọn theo quy tắc Denavit-Hartenberg Bảng thông số động học DH của robot STANFORD như sau: Khâu 1 2 3 4 5 6 - 20 - Đồ án tốt nghiệp Tín h toán ch uyển động chương trình và thiết kế robot MMR Hìn h 1.12 Robot STAN FORD Các ma trận H của rob ot STANF ORD được xác định theo...- 10 Đồ án tốt nghiệp động chương trình và thiết kế robot MMR Trước hết ta thiết lập quan hệ giữa 2 hệ tọa độ xyz và uvw chuyển động quay tương đối với nhau khi gốc O của 2 hệ vẫn trùng nhau Gọi (ix , jy , kz ) và (iu , jv , kw) là các vector đơn vị chỉ phương các trục Oxyz và Ouvw tương ứng Một điểm M nào đó được biểu diễn trong hệ tọa độ... tọa độ Oi xi yi zi Ma trận thuần nhất T4x4 hoàn toàn xác định vị trí (ma trận P) và hướng (ma trận R) của hệ tọa độ Oj xj yj zj sang hệ tọa độ Oi xi yi zi d) Các phép biến đổi cơ bản ♦ Phép biến đổi tịnh tiến: ta có ϕ =0, do đó: 1 T= 0 0 0 (1.21) - 14 - Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Tịnh tiến a đơn vị dọc theo trục x, b đơn vị dọc theo trục y, c đơn vị dọc