Thiết kế Robot sơn 4 bậc

Đại Học Quốc Gia Tp.HCM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA -Số : /BKĐT KHOA : CƠ KHÍ BỘ MƠN : CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc - NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CHÚ Ý : SV phải dán tờ vào trang thứ thuyết minh HỌ VÀ TÊN : PHẠM VĂN HỒNG PHÚC MSSV : 20502117 NGÀNH : KỸ THUẬT CHẾ TẠO LỚP : CK05-KSTN Đầu đề luận án : Nghiên cứu thiết kế robot sơn bậc tự Nhiệm vụ (u cầu nội dung số liệu ban đầu): Thực sơn mặt cong trụ có R>500mm Diện tích 500x400 - Thuyết minh (60 ~ 70 trang A4) Tổng quan Chọn cấu hình robot sơn Khảo sát động học (bài tốn thuận – nghịch) Thiết kế điều khiển Mơ máy tính Kết luận - Bản vẽ ( ) Bản vẽ kết cấu tay máy ( A0) Bản vẽ kết mơ ( A2) Ngày giao nhiệm vụ luận án : 28 / / 2009 Ngày hồn thành nhiệm vụ : 12 / / 2010 Họ tên người hướng dẫn : Phần hướng dẫn : 1/ TS Phan Tấn Tùng 80% 2/ ThS Huỳnh Duy Thanh 20% Nội dung u cầu LATN thơng qua Bộ mơn Ngày …… tháng ……… năm 200… CHỦ NHIỆM BỘ MƠN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH Ts Phan Tấn Tùng PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MƠN : Người duyệt (chấm sơ bộ) : Đơn vị : Ngày bảo vệ : Điểm tổng kết : Nơi lưu trữ luận án : ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ TẠO -o0o - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ROBOT SƠN BỐN BẬC TỰ DO GVHD: TS Phan Tấn Tùng SVTH: Phạm Văn Hồng Phúc MSSV: 20502117 ii TPHCM, 01/2010 ii i Lời cảm ơn Để thực đề tài, tác giả nhận nhiều dẫn, giúp đỡ, động viên quý báu nhiều người, thiếu giúp đỡ làm cho đề tài không đạt kết ngày hôm Trước hết hết em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc với Thầy TS Phan Tấn Tùng Thầy hướng dẫn tận tình cho em hoàn thành đề tài, Thầy hỗ trợ, cung cấp cho em nhiều kiến thức chuyên sâu phương pháp nghiên cứu khoa học để thực đềtài Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy ThS Huỳnh Duy Thanh Với hành trang kiến thức việc tổ chức, lên kế hoạch giải cho vấn đề cách thức viết báo cáo khoa học mà Thầy cung cấp cho em hữu ích cho công tác kỹ sư nghiên cứu khoa học sau Em vô cảm ơn Thầy TS.Trần Thiên Phúc ý kiến đóng góp quý giá thầy cô khoa Cơ Khí, trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM tham gia đào tạo hướng dẫn em suốt thời gian đại học mà nhờ em có đủ kiến thức tự tin thực đề tài Bên cạnh đó, với giúp đỡ, hợp tác bạn bè với hỗ trợ tư liệu từ hệ đàn anh giúp nhiều việc hoàn thành đề tài Con xin cảm ơn gia đình quan tâm, chăm sóc, động viên nhiều trình học tập Và em vô cảm ơn tự hào anh Bùi Trần Duy Vũ, anh giúp đỡem nhiều TP.Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 01 năm 2010 Phạm Văn Hồng Phúc Tóm tắt đề tài Với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật, Robot ngày sử dụng phổ biến công nghiệp lẫn sống người …Robot sử dụng nhiều lónh vực khác cô ng nghiệp, dòch vụ, quân sự, thám…Trong công nghiệp, Robot thay người thực công việc khó khăn, nguy hiểm -ví dụ robot rà mìn, robot hoạt động môi trường độc hại ( môi trường phóng xạ, nhiễm khuẩn,công nghiệp hàn, sơn)… công việc yêu cầu độ lặp lại độ xác cao- việc lắp ráp linh kiện điện tử Ngày việc ứng dụng robot vào công nghệ sơn trở nên phổ biến vàthu hút nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu Việc xây dựng toán điều khiển cho đầu phun sơn di chuyển xác theo q đạo cho trước điều thiết yếu quan trọng robot sơn Robot lập trình để hoạt động xác theo q đạo Khâu chấp hành cuối robot phải xác đònh đường qua điểm nút theo thời gian thực Ở vấn đề thiết lập q đạo đề thuật toán điều khiển theo q đạo quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nguyên công đảm nhận Việc điều khiển theo q đạo điều khiển qua việc xấp xỉ liên tục điểm rời rạc q đạo với vận tốc không đổi để đảm bảo độ đồng lớp sơn Hiệu điều khiển kiểm nghiệm mô Matlab Luận văn thực việc xây dựng nguyên lí điều khiển cho cánh tay robot bốn bậc tự do, thực công việc sơn mặt cong phẳng Hiệu điều khiển s ẽ sở cho việc phát triển ứng dụng việc điều khiển robot di chuyển xác theo quỹ đạo cho trước v Mục Lục Đề mục Trang Trang bìa i Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn .ii Tóm tắt đề tài iii Mục lục iv Danh mục hình vẽ v Danh mục bảng biểu vi Danh sách từ viết tắt vii Chương - Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung robot 1.1.1 Sơ lược lòch sử robot .1 1.1.2 Tình hình sử dụng robot giới 1.2 Ứng dụng robot công nghệ sơn 1.2.1 Những thuận lợi ứng dụng robot vào công nghệ sơn .8 1.2.2 Khả ứng dụng robot sơn 10 1.3 Giới thiệu toán 12 Chương - Cấu hình robot 16 2.1 Phân tích phương án cấu hình .16 2.2 Thiết kế cánh tay robot .20 iv Chương - Động học robot 22 3.1 Động học thuận r obot 22 3.1.1 Xây dựng khung tọa độ - phép biểu diễn Danevit-Hartenberg 23 3.1.2 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học thuận robot 25 3.1.3 Phươn g tr ình động học thuận 26 3.1.4 Xây dựng ma trận Jacobian 31 3.2 Động học nghòch r obot 34 3.2.1 Các điều kiện giải toán động học nghòch .35 3.2.2 Trình tự giải toán động học nghòch .39 3.2.3 Phương trình động học nghòch 39 Chương - Thiết kế điều khiển 40 4.1 Giới thiệu hàm Lyapunov 40 4.2 Đònh nghóa sai số vò trí 41 4.3 Xây dựng điều khiển 43 Chương - Kết mô kiểm nghiệm 46 5.1 Giới thiệu sơ lượt chương trình mô 46 5.2 Kết mô 49 5.3 Tổng kết 64 Chương - Kết luận kiến nghò 65 6.1 Độ thích hợp đề tài .65 6.2 Hạn chế đề tài .65 6.3 Hướng phát triển 66 Tài liệu tham khảo 67 Phụ lục 69 Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Minh họa công việc phun sơn Hình 1.2 Robot sơn công nghệ ô tô 10 Hình 1.3 Robot sơn việc sơn sản phẩm 11 Hình 2.1 Đối tượng vật thể 16 Hình 2.2 Phương án cấu hình robot 17 Hình 2.3 Phương án cấu hình robot 18 Hình 2.4 Phương án cấu hình robot 18 Hình 2.5 Phương án cấu hình robot 19 Hình 2.6 Cấu hình lựa chọn cho cánh tay robot 20 Hình 2.7 Mô hình cánh tay robot 21 Hình 3.1 Thiết kế khung tọa độ nối 24 Hình 3.2 Xây dựng hệ tọa độ H-D mô hình cánh tay robot 27 Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển 40 Hình 4.2 Sơ đồ xác đònh sai số 42 Hình 5.1 Sơ đồ khối Simulink tổng quát 50 Hình 5.2 Sơ đồ khối Simulink cho khớp tònh tiến 51 Hình 5.3 Vò trí cánh tay robot giây thứ 50 51 Hình 5.4 Vò trí điểm E giây thứ 50 52 Hình 5.5 Vò trí cánh tay robot giây thứ 93.8 52 v Hình 5.6 Vò trí điểm E giây thứ 93.8 53 Hình 5.7 Vò trí cánh tay robot giây thứ 150 53 Hình 5.8 Vò trí điểm E giây thứ 150 54 Hình 5.9 Vò trí cánh tay robot giây thứ 187.6 54 Hình 5.10 Vò trí điểm E giây thứ 187.6 55 Hình 5.11 Đồ thò sai số 56 Hình 5.12 Đồ thò góc khớp 58 58 Hình 5.13 Giá trò vận tốc góc khớp (rad/s) 59 Hình 5.14 Biểu đồ mô đầu phun sơn di chuyển theo q đạo vật thể 60 Hình 5.15 Biểu đồ kiểm tra giá trò sai số thời điểm ban đầu 61 Hình 5.16 Biểu đồ giá trò góc khớp theo thời gian 62 Hình 5.17 Biểu đồ giá trò biến khớp theo thời gian 63 Hình 5.15: Biểu đồ kiểm tra giá trò sai số thời điểm ban đầu  Hình 5.15 tập trung kết quả: từ giá trò sai số ban đầu e1=20 mm, e2=4 mm; e3= -4 điều khiển nhanh chóng điề u khiển giá trò sai số Zero sau thời gian làkhoảng 4s Điều cho thấy hiệu thuật toán điều khiển Trang 84 Hình 5.16: Biểu đồ giá trò góc khớp theo thời gian  Hình 5.16 thay đổi giá trò góc khớp 1,2,3 theo thời gian ứng với việc đầu phun sơn di chuyển liên tục qua điểm biên dạng tham chiếu với q đạo cong phẳng vật thể Hình 5.17: Biểu đồ giá trò biến khớp theo thời gian  Hình 5.17 thay đổi giá trò biến khớp ( vận tốc góc quay khớp ) 1,2,3 theo thời gian Đồ thò vận tốc quay khớp sở để chọn điều khiển động bước (gắn Encoder) chọn khâu nối với khớp quay tương ứng 5.3 Tổng kết Luận văn nhằm học tập, tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp tính toán động học cho robot dựa nguyên tắc Denavit & Hartenberg Luận văn vào tính toán động học đưa luật điều khiển cho “robot bốn bậc tự ứng dụng công nghệ sơn”, kết giải toán động học thuận luật điều khiển cho robot Luận văn đưa thuật toán điều khiển cho robot bậc tự di chuyển mặt cong phẳng dựa phép giải toán động học nghòch theo vận tốc vò trí Sự ổn đònh bộđiều khiển đảm bảo với hàm Lyapunov Nhiệm vụ luật điều khiển đảm bảo điểm tác động cuối ( đầu phun sơn ) di chuyển với vận tốc ổn đònh xác theo q đạo tham chiếu hướng phun sơn vuông góc với tiếp tuyến điểm làm việc Kết mô kiểm nghiệm thực với việc lập trình M_file Toolbox Simulink Matlab Chương trình mô robot Simulink mô quátrình hoạt động cách trực quan dựa sở tính toán động học luật điều khiển cho Chương KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ Trong luận văn đề xuất luật toán điều khiển chuyển động điểm rời rạc dựa hồi tiếp sai số cho cánh tay robot sơn bậc tự Đề xuất cấu hình đưa thiết kế khí cho cánh tay robot sơn thực nhiệm vụ sơn mặt cong phẳng thẳng đứng Hiệu luật điều khiển tính ổn đònh Lyapunov kiểm nghiệm mô matlab Kết thuật toán điều khiển trình bày Hội Nghò Khoa Học Công Nghệ lần thứ 11 diễn Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh tháng 10/2009 6.1 Độ thích hợp đề tài - Xây dựng điều khiển cho cánh tay robot sơn bốn tự với cấu sau : ba bậc tự khớp quay mặt phẳng nằm ngang, khớp tònh tiến lên xuống mặt phẳng thẳng đứng - Phương pháp điều khiển điều khiển chuyển động điểm rời rạc ( dựa hồi tiếp sai số ) nê n áp dụng linh hoạt cho q đạo cong phẳng với bán kính khác (nằm giới hạn phạm vi hoạt động robot) 6.2 Tính hạn chế đề tài - Không tập trung vào việc thiết kế chế tạo phần cứng nên thiếu kết kiểm nghiệm thực tế - Giả sử khối lượng robot bé, bỏ qua ảnh hưởng quán tính, gia tốc - Giới hạn đề tài dừng lại phần tính toán động học điều khiển động học không vào toán động lực học, toán vi sai… hay nói cách khác không vào thiết kế chi tiết cho robot hoàn chỉnh, phần hạn chếcủa đề tài 6.3 Hướng phát triển - Hiệu thuật toán điều khiển sở để phát triển cho phương pháp điều khiển di chuyển theo q đạo, phục vụ cho ứng dụng công nghệ sơn, hàn - Luận văn thêm vào toán động lực học toán vi sai để phát triển cho toán điều khiển hoàn chỉnh Hy vọng, có điều kiện em tiếp tục phát triển đề tài PHỤ LỤC Chương trình xây dựng q đạo sơn %creat the painting path clear all; close; disp('Please wait'); %=== initial parameters === xr(1) = 0.1; yr(1) = 0.5; phr(1) = 0; wr(1) = 0; vr= 0.0075; dt = 0.1; %========================= R = 0.4; n1 = 100; for i= 2:n1 xr(i)=xr(i-1)+vr*dt; yr(i)=yr(i-1); phr(i)=0; Trang 69 wr(i)=0; end; n2 = round(R*pi/4/(vr*dt)); for i=n1+1:n1+n2 phr(i)=phr(i-1)+pi/4/n2; xr(i)=xr(i-1)+R*(sin(phr(i))-sin(phr(i-1))); yr(i)=yr(i-1)-R*(cos(phr(i))-cos(phr(i-1))); wr(i)=vr/R; end; n3 = round(R*pi/4/(vr*dt)); for i=n1+n2+1:n1+n2+n3 phr(i)= phr(i-1)-pi/4/n3; xr(i)=xr(i-1)+R*(sin(phr(i-1))-sin(phr(i))); yr(i)=yr(i-1)-R*(cos(phr(i-1))-cos(phr(i))); wr(i)=-vr/R; end; n=n1+n2+n3; Trang 70 %============================= save path_painting xr yr phr wr n1 n2 n3 n; figure;plot(xr,yr); axis equal; disp(xr(n) Trang 92 Xay dựng điều khiển % Painting Robot close all; clear all; disp('Please wait'); load path_painting xr yr phr wr n1 n2 n3 n; dt=0.1; t(1)=0; nc=length(xr); R=0.4; vr=0.0075; % === at beginning ================= %n=100; % n=100 => t=10s % ==== Defining Firt Paramaters ============================== L1=0.1; L2=0.33; L3=0.33; L4=0.33; L=0.33; xe(1)=0.1; ye(1)=0.495; phe(1)=0; ve(1)=0; we(1)=0; %==== Base point p ============ xp=((yr(n)-L1)^2-(yr(1)-L1)^2+xr(n)^2-xr(1)^2)/(2*(xr(n)-xr(1))); %==== Joints variable ========== T1(1)=3*pi/4; yp=0; a=(yr(1)-L1-L*(sin(T1(1))+1))/L; b=(xr(1)-xp-L*(cos(T1(1))))/L; T2(1)=atan2(a,b)-T1(1); T3(1)=phe(1)+pi/2-T1(1)-T2(1); %================================ k1=2; k2=1.8; dT1(1)=0; k3=1.2; dT2(1)=0; dT3(1)=0; e1(1)=(xr(1)-xe(1))*cos(phe(1))+(yr(1)-ye(1))*sin(phe(1)); e2(1)=-(xr(1)-xe(1))*sin(phe(1))+(yr(1)-ye(1))*cos(phe(1)); e3(1)=phr(1)-phe(1); J0=[xp yp]; J1=[J0(1) J0(2)+L1]; J2=[J1(1)+L2*cos(T1(1)) J1(2)+L2*sin(T1(1))]; J3=[J1(1)+L2*cos(T1(1)) +L3*cos(T1(1)+T2(1)) J1(2)+L2*sin(T1(1))+L3*sin(T1(1)+T2(1))]; J4=[J1(1)+L2*cos(T1(1))+L3*cos(T1(1)+T2(1))+L4*cos(T1(1)+T2(1)+T3(1)) J1(2)+L2*sin(T1(1))+L3*sin(T1(1)+T2(1))+L4*sin(T1(1)+T2(1)+T3(1))]; line([J0(1),J1(1),J2(1),J3(1),J4(1)],[J0(2),J1(2),J2(2),J3(2),J4(2)],'Color','m'); Cp1=[xp-0.1 0]; Cp2=[xp-0.1 0.025]; Cp3=[xp+0.1 0.025]; Cp4=[xp+0.1 0]; line([Cp1(1),Cp2(1),Cp3(1),Cp4(1),Cp1(1)], [Cp1(2),Cp2(2),Cp3(2),Cp4(2),Cp1(2)],'Color','B'); %== main program ====================================================== for i=2:nc disp(i); t(i)=(i-1)*dt; dT1(i)=(vr*sin(T3(i-1)+e3(i-1))+(e2(i-1)*k2-e1(i-1)*we(i-1))*cos(T3(i-1))+(e1(i-1)*k1+e2(i1)*we(i-1))*sin(T3(i-1))+L4*(wr(i)+e3(i-1)*k3)*sin(T3(i-1)))/(L2*sin(T2(i-1))); dT2(i)=(-vr*(L2*sin(T2(i-1)+T3(i-1)+e3(i-1))+L3*sin(T3(i-1)+e3(i-1)))+(e1(i-1)*we(i-1)e2(i-1)*k2)*(L2*cos(T2(i-1)+T3(i-1))+L3*cos(T3(i-1)))-(L2*sin(T2(i-1)+T3(i1))+L3*sin(T3(i-1)))*(e1(i-1)*k1+e2(i-1)*we(i-1))-L4*(k3*e3(i-1)+wr(i))*(L2*sin(T2(i1)+T3(i-1))+L3*sin(T3(i-1))))/(L3*L2*sin(T2(i-1))); dT3(i)=(vr*sin(T2(i-1)+T3(i-1)+e3(i-1))+(e2(i-1)*we(i-1)+ k1*e1(i-1))*sin(T2(i-1)+T3(i- 1))+(wr(i)+e3(i-1)*k3)*(L4*sin(T2(i-1)+T3(i-1))+L3*sin(T2(i-1)))+(e2(i-1)*k2-e1(i-1)*we(i1))*cos(T2(i-1)+T3(i-1)))/(L3*sin(T2(i-1))); T1(i)=T1(i-1)+dT1(i)*dt; T2(i)=T2(i-1)+dT2(i)*dt; T3(i)=T3(i-1)+dT3(i)*dt; we(i)=dT1(i)+dT2(i)+dT3(i); phe(i)=T1(i)+T2(i)+T3(i)-pi/2; xe(i)=xp+L2*cos(T1(i))+L3*cos(T1(i)+T2(i)) +L4*cos(T1(i)+T2(i)+T3(i)); ye(i)=yp+L1+L2*sin(T1(i))+L3*sin(T1(i)+T2(i))+L4*sin(T1(i)+T2(i)+T3(i)); e1(i)=(xr(i)-xe(i))*cos(phe(i))+(yr(i)-ye(i))*sin(phe(i)); e2(i)=-(xr(i)-xe(i))*sin(phe(i))+(yr(i)-ye(i))*cos(phe(i)); e3(i)=phr(i)-phe(i); if mod(i,200)==0&&(phe(i)>0)&&(phe(i)