Do an tot nghiep dai hoc bach khoa ha noi

Theo thiết kế ban đầu mẫu robot RoPC01 do Viện Khoa Học Kỹ Thuật và Bảo Hộ Lao Động làm chủ đề tài nghiên cứu thì tay máy con robot này có 6 khâu, 6 bậc tự do, gồm 1 khớp trụ xoay dưới cùng, 4 khớp quay bản lề và 1 khớp tịnh tiến dọc trục phía trên. Mẫu robot này hiện nay đã được chế tạo thành công và những bước đầu thử nghiệm đã cho kết quả khả quan về cấu trúc cũng như độ chính xác hoạt động. Từ những kết quả thu được có thể thấy rằng mẫu robot RoPC01 là 1 mẫu robot rất có triển vọng. Và từ mô hình của mẫu robot này ta có thể xây dựng nên những mẫu robot đa năng khác. Trong thời gian thực tập em đã được tiếp cận với đề tài robot RoPC01 này và khi thực hiện đồ án tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Đỗ Sanh em đã được thầy gợi ý và hướng theo 1 mẫu mới cho robot RoPC01 đó là mẫu robot RoPC01 – vòi lắc ngang. Và em đã quyết định chọn đề tài “Tính toán động học và mô phỏng mẫu robot RoPC01 – vòi lắc ngang”.

MỤC LỤC

Lời mở đầu 4

Chương I Tổng quan về robot công nghiệp 6

I Giới thiệu chung về robot 6

1 Khái quát về robot 6

2 Các cấu trúc động học của robot 8

3 Bậc tự do của robot 11

4 Phân loại robot 11

5 Ứng dụng của robot trong cuộc sống 16

II Giới thiệu về robot di động 20

1 Tổng quan 20

2 Sự ứng dụng của robot tự hành 21

3.Cơ sở lí thuyết khảo sát robot tự hành 21

Chương II Nghiên cứu mô hình và kết cấu mẫu robot RoPC01 22

I Khái quát về cấu trúc và kết cấu mẫu robot RoPC01 22

II Một số yêu cẩu trong tích hợp các môđun mẫu robot RoPC01 23

III Thiết kế mô hình và cấu trúc mẫu robot RoPC01 25

Chương III Tính toán động học mẫu robot RoPC01 29

I Cơ sở lý thuyết tính toán động học robot 29

1 Ma trận cosin chỉ hướng 29

1.1 Định nghĩa ma trận cosin chỉ hướng 29

1.2 Các ma trận quay cơ bản 31

1.3 Ý nghĩa ma trận cosin chỉ hướng 32

1.4 Một số tính chất của ma trận cosin chỉ hướng 33

2 Các tọa độ thuần nhất và các ma trận biến đổi 34

2.1 Các tọa độ thuần nhất 34

2.2 Ma trận biến đổi hệ tọa độ thuần nhất 35

3 Các phương pháp xác định ma trận cosin chỉ hướng 37

3.1 Phép quay theo 3 góc Euler 37

3.3 Phép quay theo góc Roll - Pitch- Yaw (RPY) 40

4 Phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg 41

4.1 Các tham số động học Denavit-Hartenberg 41

4.2 Ma trận Denavit-Hartenberg 44

4.3 Ma trận quan hệ 45

II Bài toán động học thuận 45

1 Phương pháp ma trận truyền 45

11 Các ma trận truyền cơ bản 45

1.2 Tính toán động học thuận robot RoPC01 47

2 Phương pháp Denavit-Hartenberg 50

2.1 Đặt trục tọa độ và lập bảng thông số Denavit-Hartenberg 50

2.2 Giải bài toán động học thuận 52

III Bài toán động học ngược 55

1 Xây dựng phương trình quỹ đạo làm việc của robot 55

2 Giải bài toán động học ngược 57

2.1 Điều khiển theo biến khớp q2 59

2.2 Điều khiển theo biến khớp q3 62

3 Thời gian làm việc của 1 chu trình 66

4 Vận tốc và gia tốc di chuyển của điểm làm việc 67

4.1 Vận tốc 67

4.2 Gia tốc 67

5 Vận tốc góc tuyệt đối của các khâu 68

5.1 Tính trực tiếp 68

5.2 Tính gián tiếp 71

6 Tọa độ trọng tâm của các khâu 79

7 Vận tốc khối tâm của các khâu 88

8 Kiểm tra kết quả tính toán 96

9 So sánh giữa các phương án 96

Chương IV Mô phỏng hoạt động của robot RoPC01 97

I Khái quát công việc mô phỏng robot 97

II Các bước mô phỏng robot 98

1 Xuất đối tượng sang file định dạng*.STL 98

2 Biên dịch file *.STL sang dạng file lưu trữ các tọa độ 100

III Đọc dữ liệu tính toán 100

IV Cấu trúc chương trình mô phỏng robot RoPC01 103

V Vẽ lại quỹ đạo làm việc 106

Chương V Tính toán động lực học robot RoPC01 110

I Cơ sở lí thuyết 110

1 Biểu thức động năng và thế năng của rôbôt công nghiệp xác định từ các ma trận Denavit – Hartenberg .110

2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của rôbôt công nghiệp bằng phương pháp Lagrange loại hai .111

3.Giải bài toán động học thuận robot công nghiệp 115

4.Giải bài toán động học ngược robot công nghiệp 116

III.Thiết lập phương trình vi phânchuyển động 116

IV.Giải bài toán động học thuận 126

V.Giải bài toán động học ngược 127

So sánh giữa 2 mẫu RoPc01 gốc và RoPC01-vòi lắc ngang 129

Những vấn đề cần mở rộng và nghiên cứu 130

Kết luận 131

Phụ lục 132

Tài liệu tham khảo 150

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học côngnghệ Robot đã có mặt ở khắp mọi nơi, trong mọi lĩnh vực sản xuất và đời sống.Đến thời điểm này không ai có thể phủ nhận lợi ích to lớn mà Robot mang đếncho con người., chúng được ứng dụng vào hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống,đặc biệt là vào nền công nghiệp sản xuất Robot có những ưu điểm là tính ổnđịnh, độ hoạt động chính xác cao, có khả năng chuyên sâu cũng như linh độngtrong mọi công việc Do đó sự ứng dụng của Robot trong các ngành công nghiệpgiúp nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, giảm giá thành, tăng sức cạnhtranh cho sản phẩm Khi nền công nghiệp càng phát triển thì sự ứng dụng và vaitrò của Robot là càng to lớn Xuất phát thêm từ thực tế hiện nay là có rất nhiềucông việc phải tiến hành trong những điều kiện môi trường đặc biệt mà con ngườikhông thực hiện được như : làm việc trong không gian hạn hẹp, đòi hỏi phải dichuyển nhiều hoặc những không gian làm việc ảnh hưởng đến sức khỏe của conngười như nóng ẩm, ồn ào, khói bụi, khí độc, phóng xạ Trong những điều kiệnnhư vậy thì việc nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng những mẫu Robot di động đượcđiều khiển từ xa thay thế con người để làm việc trong những môi trường như vậy

là rất thực tế và cấp thiết

Là một sinh viên Đại Học Bách Khoa Hà Nội được đào tạo chuyên ngành CơĐiện Tử được trang bị những kiến thức về cơ học, tin học, điện và điện tử chophép em có khả năng tìm hiểu nghiên cứu về Robot Vì vậy em đã quyết địnhchọn đề tài Robot để làm Đồ án tốt nghiệp nhằm vận dụng, trau đồi những kiếnthức đã học để nghiên cứu và xây dựng, chế tạo một mẫu Robot có ứng dụngthực tế Qua thực tế và tìm hiểu thông qua các phương tiện truyền thông hiện nay

em được biết rằng ngành công nghiệp đóng tàu của Việt Nam hiện nay đang rấtphát triển và đòi hỏi sự ứng dụng rất nhiều của Robot Chẳng hạn như trong côngđoạn làm sạch bề mặt vỏ tàu rất cần đến sự ứng dụng của Robot do điều kiện làmviệc với cái bụi ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động Vì vậy dẫn đến nhucầu chế tạo mọt loại Robot di động có khả năng thay thế người lao động trong

việc phun cát làm sạch bề mặt của các tấm bề mặt vỏ tàu Và hiện nay mẫu RobotRoPC01 đang được nghiên cứu, chế tạo để phục vụ những yêu cầu đó.

Theo thiết kế ban đầu mẫu robot RoPC01 do Viện Khoa Học Kỹ Thuật vàBảo Hộ Lao Động làm chủ đề tài nghiên cứu thì tay máy con robot này có 6khâu, 6 bậc tự do, gồm 1 khớp trụ xoay dưới cùng, 4 khớp quay bản lề và 1 khớptịnh tiến dọc trục phía trên Mẫu robot này hiện nay đã được chế tạo thành công

và những bước đầu thử nghiệm đã cho kết quả khả quan về cấu trúc cũng như độchính xác hoạt động Từ những kết quả thu được có thể thấy rằng mẫu robotRoPC01 là 1 mẫu robot rất có triển vọng Và từ mô hình của mẫu robot này ta cóthể xây dựng nên những mẫu robot đa năng khác Trong thời gian thực tập em đãđược tiếp cận với đề tài robot RoPC01 này và khi thực hiện đồ án tốt nghiệp dưới

sự hướng dẫn của GS.TSKH Đỗ Sanh em đã được thầy gợi ý và hướng theo 1mẫu mới cho robot RoPC01 đó là mẫu robot RoPC01 – vòi lắc ngang Và em đãquyết định chọn đề tài “Tính toán động học và mô phỏng mẫu robot RoPC01 –vòi lắc ngang”

Trong thời gian làm đồ án mặc dù đã cố gắng và nỗ lực hết sức nhưng dokiến thức còn có hạn nên đồ án của em không tránh khỏi những hạn chế và saisót Em mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô để đồ án của em đượchoàn chỉnh hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn GS-TSKH ĐỖ SANH, TS.TRIỆU QUỐC LỘC

và các thầy trong bộ môn đã hướng dẫn tận tình hướng dẫn, giúp em hoàn thành

đồ án tốt nghiệp này

Sinh viên thực hiện

Ngô Trung Dũng

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT

1 Khái quát về Robot

1.1 Định nghĩa Robot

 Là một thiết bị cơ khí đôi khi giống một con người và có thể thức hiện nhiềunhiệm

vụ phức tạp của con người bởi các lệnh hoặc chương trình điều khiển

 Là một cái máy hoặc một thiết bi có thể hoạt động tự động hoặc đươc điềukhiển từ

xa

 Nó như là một con người làm việc một cách cơ học ngoài ý thức, tức là trảlời một

cách tự động bởi các lệnh điều khiển của ai khác

1.2 Lịch sử ra đời và sự phát triển của Robot

Từ khi robot đầu tiên xuất hiện, hơn 20 năm sau ước mơ viễn tưởng của KerelCapek ( Zech - 1922 ) về việc tạo ra những robot làm nhiệm vụ tạp dịch trongnhà, đến nay đã trải qua một quá trình cải tiến và hoàn thiện rất nhanh chóng Bắtđầu là cơ cấu tay máy chép hình cơ khí, thủy lực hoặc điện từ được điều khiển từ

xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ ở Hoa Kỳ như tay máyMinotaur I hoặc tay máy Handyman

1951 ở Pháp RayMond Goertz đã thiết kế một cánh tay có khớp có thể hoạt động

từ xa cho dự án năng lượng nguyên tử Thiết kế này dựa toàn bộ vào các mối nối

cơ học giữa cánh tay chính và cánh tay phụ (sử dụng cáp bằng thép và ròng rọc).Mẫu thiết kế này ngày nay vẫn được sử dụng khi cànn sử lý các mẫu hạt nhân.Nói chung đây được coi như một bước ngoặc trong kỹ thuật phản hồi lực

1954 Goerge C Devol đã thiết kế ra một cơ cấu robot có thể lập trình đầu tiên vàđặt tên là Universal Automation, và cũng chính là nguồn gốc tên công ty sau nàycủa ông là Unimation

1959 Marvin Minsky và John McCarthy thành lập phòng thí nghiệm trí tuệ nhântạo tại MIT ( Massachusetts Institute of Technology)

1959 C.DeVol và các công sự cho ra đời chiếc robot công nghiệp đầu tiên có tên

là Unimate

1960 Tập đoàn Codec đã mua lại công ty Unimation của C.Devol và bắt đầu pháttriển hệ thống robot Uminate

1961 General Motors đa mua lại chiếc robot công nghiệp đầu tiên Unimate tưcông ty Unimation và lắp đặt cho dây truyền sản xuất Robot điều khiển bằng taychính là loại đầu tiên của thế hệ robot Unimate

1963 John McCarthy đứng ra lãnh đạo phòng thí nghiệm tí tuệ nhân tạo tạitrường đại học Stanford

1964 Các phòng thí nghiệm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo nhân tạo được mở tạiMIT,SRI(Stanford Research Institute), Trường Đai học Stanford, và trường đạihọc Edinburgh

1964 hãng C&D Robotics được thành lập

1964 Carnegie Mellon University thành lập học viện về robot ( RoboticsInstitute)

1965 phép biến đổi thuần nhất được ứng dụng cho cách tính động học robot –Nguồn gốc hình thành học thuyết robot ngày

1967 Nhật bản nhập khẩu chiếc robot Versatran từ hạng AMF( đây là chiếc robotđược nhập khẩu đầu tiên vào Nhật)

1968 Kawasaki đã cấp giấy phép thiết kế chiếc robot thủy lực bởi công tyUnimation và bắt đầu sản xuất tại Nhật

1968 SRI đã thiết kế ra Shakey, một robot di động có khả năng quan sát và đượcđiều khiển bởi một máy cỡ lớn như một cái phòng

1970 Giáo sư Victor Scheinman của đại học Stanford đã thiết kế ra mẫu robotStandard Arm Mà ngày nay cơ cấu động học của nó đứoc xem như là cách tayrobot tiêu chuẩn

1973 Cincinnati Milacron đã phát minh ra loại T3, loại robot công nghiệp mangtính thương mại được điều khiển bởi một máy tính mini commercially available(designed by Richard Hohn)

1974 Giao su Victor Scheinman, nhà phát triển loại cánh tay Stanford , đã thànhlập công ty Vicarm nhắm đưa ra thị trường một phiên bản cánh tay robot cho cácứng dụng công nghiệp Loại cánh tay mới này được điều khiển bởi một máy tínhmini

1976 Cánh tay robot được sủ dụng trên các tàu tham do vũ trụ Viking 1 và 2.Trong các thiết này công ty Vicarm đã sư dụng các vi tính máy tính(microcomputer)

1977 ASEA, một công ty robot của Châu Âu đã giới thiệu 2 loại robot côngnghiệp chạy bằng điện Cả 2 đều sử dụng máy vi tính cho việc lập trình và điềukhiển hoạt động

1977 Unimation đã mua lại Công ty Vicarm

1978 Sử dụng công nghệ của Vicarm, Unimation đã sản xuất robot PUMA(Programmable Universal Machine for Assembly ) Ngày nay chúng ta có thểthấy Puma vẫn có ở trong một số phòng thí nghiệm

1979 Sankyo va IBM đã đưa ra thị trường mẫu robot Scara (Selective compliantarticulated robot arm) tại trường Yamanashi của Nhật

Cho đến nay nhờ áp dụng có các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệthông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, tính năng có nhiều bước tiếnvượt bậc Do đó robot công nghiệp đã chiếm vị trí quan trọng trong cá dây truyềnsản xuất

Đã có rất nhiều chủng loại robot với nhiều hình dáng, kích cỡ và được ứng dụngtrong nhiều lĩnh vực của xã hội, như : công nghiệp, khoa học , y tế , an ninh…

2.Các cấu trúc động học của robot.

Về cấu trúc động học Robot là một hệ nhiều khâu ghép nối với nhau bằng cáckhớp

_Khâu: là những bộ phận có chuyển động tương đối với nhau Khâu có thể

là một hay nhiều chi tiết máy ghép cứng với nhau Chi tiết máy là các bộ phậnkhông thể tháo rời nữa của máy

_Khớp: Là chỗ nối động giữa hai khâu, nghĩa là có chuyển động tương đốivới nhau Như vậy cứ hai khâu nối với nhau tạo thành một khớp động và chỗ tiếpxúc giữa hai khâu tạo thành khớp động gọi là hai thành phần khớp động Khớp

có các ràng buộc vật lý về chuyển động tương đối giữa hai thành phần của khớp

 Khớp quay (Revolute Joint-R): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động quay tương đối với nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của khớp Khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp Khớp quay còn gọi là khớp bản lề.

Hình 1 2

 Khớp lăng trụ (Prismatic-P) : Cho phép hai thành phần của khớp trượt vớinhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của khớp Do đó khớp lăngtrụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp Khớplăng trụ còn gọi là khớp tịnh tiến

Hình 1 3

 Khớp trụ (Cylindrical Joint-C) : Cho phép hai thành phần của khớp có haichuyển động độc lập, gồm một chuyển động quay quanh một trục và một chuyểnđộng tịnh tiến dọc theo trục quay đó Do đó khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyểnđộng giữa hai thành phần của khớp

Hình 1.4

 Khớp ren (Helical Joint-H) : Cho phép hai thành phần của khớp chuyểnđộng quay quanh một trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay Tuy nhiên chuyểnđộng tịnh tiến phụ thuộc chuyển động quay bởi bước vít Do đó khớp ren hạn chế

5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp

Robot thực ra cũng là một cơ cấu tay máy, do đó bậc tự do của robot trongkhông gian được tính theo công thức sau:

5 k k=2

Ro:Số ràng buộc trùng

Pk: Số khớp loại k

4 Phân loại robot.

Robot có thể phân ra nhiều loại khác nhau tùy theo cấu trúc, ứng dụng

4.1 Về cấu trúc robot lại đựoc phân ra thành :

 Robot liên tục hoặc song song

Hình 1.9 Mẫu robot liên tục 5 bậc tự do

Hinh 1.10 Robot song song RPS

 Theo số bậc tự do của robot

Hình 1.11

Robot 4 bậc tự do

Hình 1.12 Robot 6 bậc tự do

 Cấu trúc mạch động học robot: mạch hở hoặc mạch kín

4.2 Theo cấu trúc cơ khí, robot có thể được phân chia thành các loại chính như sau:

_Cartesian robot/ Gantry robot:

Hình 1.13 Cartesian robot

Loại robot này thích hợp với công việc gắp vật thể và đặt chúng vào vị trí khác Các ứng dụng có thể là đóng gói, lắp ráp máy móc, cầm nắm các máy công cụ hoặc hàn theo hình cung Đối với loại robot này, cánh tay được tạo thành từ 3 khớp trượt mà trục của chúng trùng với hệ trục tọa độ Đê-các-tơ

_Cylindrical robot:

Hình 1.14 Cylindrical robot

Sử dụng trong công nghệ lắp ráp, cầm nắm các máy công cụ, hàn điểm Loại robot này, trục có dạng hệ tọa độ trụ

_Spherical/Polar robot:

Hình 1.15 Spherical robot

Được sử dụng để cầm nắm các dụng cụ, hàn điểm, đánh bóng, hàn hơi hoặc hàn theo cung Trục của robot tạo thành hệ tọa độ cầu

_SCARA robot:

Hình 1.16 SCARA robot

Được sử dụng để gắp nhả vật, đóng gói, lắp ráp hay cầm nắm máy công cụ Robot có 2 khớp xoay song song với nhau cho phép thao tác trên mặt phẳng

_Articulated robot.

Hình 1.17 Articulated robot

Sử dụng để lắp ráp, đánh bóng, hàn hơi, hàn theo cung, sơn phun Loại robot này có tối thiểu 3 khớp xoay

_Parallel robot:

Hình 1.18 Parallel robot

Thường được ứng dụng để tạo ra khung đế xoay tự do trong mô phỏng bay Loại robot này có các khớp trượt và xoay đồng thời

5 Ứng dụng của Robot trong cuộc sống.

Hiện nay khi xã hội loài người càng phát triển, cuộc sống càng văn minh hiện đại hơn thì Robot không chỉ dừng lại ở ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp mà nó ngày càng được ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau của xã hội để phục vụ cuộc sống của con người Dưới đây là hình ảnh một số Robot hiệnđại đang được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống :

_ Trong công nghiệp sản xuất :

Hình 1.19

Robot assisted plasmatron welding.

Dây chuyền Robot lắp ráp mới được đưa vào hoạt động của Ford Việt Nam.

Hình 1.20.

Robot công nghiệp trong nhà 1 dây chuyền sản xuất xe hơi của BMW.

Hình 1.23.

Mẫu Robot bảo vệ “Asendro” của quân đội Đức.

Hình 1.24.

Hai mẫu Robot quân sự mới nhất của Mỹ.

_Trong lĩnh vực y tế, chăm sóc con người :

Hình 1.25.

Robot MRI dùng trong các ca phẫu thuật não.

Hình 1.26 Robot uBOT-5 giúp chăm sóc và cấp cứu người cao tuổi.

II GIỚI THIỆU VỀ ROBOT DI ĐỘNG

1 Tổng quan

1.1 Giới thiệu chung

Robot tự hành (Mobile Robot) ngày nay được nghiên cứu và sử dụng rộng rãitrên thế giới Rôbốt này dùng để nghiên cứu và tìm hiểu ở các môi trường nguyhiểm hoặc ở những nơi mà con người không thể trực tiếp tham gia Ví dụ: Loạirôbốt này được sử dụng tại các nhà máy hạt nhân để thu gom rác thải hạt nhân,đặc biệt rôbốt này đã được đưa lên sao Hoả, hay được sử dụng đưa vào cácđường ống ngầm nguy hiểm… Trong các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS(Flexible Manufacturing System) , robot làm những công việc chuyển tiếp giữacác máy công tác

Trong các nhà máy hiện đại, phương tiện dẫn đường tự động AGV (AutomaticGuided Vehicles) đã trở nên phổ biến Loại đơn giản là những chiếc xe vậnchuyển trong nội bộ phân xưởng được điều khiển theo chương trình với một quỹđạo định sẵn Đó là những robot di động, còn gọi là robocar

hiện bằng các chương trình lập sẵn hoặc kết hợp chương trình lập sẵn với sự canthiệp của con người.

 Xe tự hành (giá mang cánh tay rôbốt) di chuyển được nhờ các bánh xe Động

cơ một chiều hoặc động cơ bước được sử dụng để truyền chuyển động cho xethông qua bộ truyền xích

 Cánh tay rôbốt có cấu trúc liên tục, là một chuỗi động học hở có khả năngthao tác linh hoạt, mô phỏng gần giống cánh tay con người Do đó có độ cơđộng rất cao

2 Sự ứng dụng của rôbốt tự hành

Nhờ có cơ cấu chấp hành linh hoạt và chính xác, khả năng di chuyển tự dotheo ý muốn nên rôbốt tự hành được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực Ta có thểchia ra ứng dụng của robot tự hành trong phạm vi những không gian kín (trongnhà) và nhưng không gian mở (ngoài trời)

 Trong nhà : phục vụ an ninh, giám sát các tòa nhà, các robot thong minh phục

vụ công việc nhà như lau chùi dọn dẹp nhà cửa, giúp đỡ người già, trẻ em,vận chuyển hàng hóa tại các kho hàng bến bãi…

 Ngoài trời : robot dò đường, chỉ dẫn, robot quân sự, robot dùng trong cácngành công nghiệp khai khoáng, robot dùng trong công nghiệp vũ trụ, robotphục vụ cho xây dựng, thủy lợi, công trình ngầm, chữa cháy, cứu người…

3 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học rôbốt tự hành

Từ cấu trúc của rôbốt tự hành đã nói đến trong phần 1.2 ta thấy chuyển độngcủa rôbốt tự hành gồm 2 chuyển động cơ bản Đó là chuyển động của xe tự hành

và chuyển động của cánh tay rôbốt Nhiệm vụ của rôbốt tự hành là di chuyển tới

vị trí cần thao tác và cánh tay rôbốt thực hiện những dịch chuyển để thao tác vớiđối tượng Như vậy chuyển động của xe tự hành độc lập với chuyển động củarôbốt Việc điều khiển chuyển động của xe tự hành được thực hiện thông quaviệc điều khiển các động cơ bước gắn với các bánh xe Khi rôbốt tự hành đã đến

cánh tay rôbốt thực hiện những chuyển động cần thiết để đưa đối tượng tới vị trímới Do đó bài toán động học cần khảo sát trong đồ án này chủ yếu là khảo sátchuyển động của cánh tay rôbốt

Để khảo sát bài toán động học của cánh tay rôbốt ta sử dụng cơ sở lý thuyếtchung về khảo sát động học rôbốt Tức là cần xây dựng các hệ toạ độ cho rôbốt,xây dựng các ma trận biến đổi toạ độ và sử dụng các phương pháp giải bài toánđộng học rôbốt

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ KẾT CẤU MẪU

Như vậy về cấu tạo, robot RoPC01 sẽ có kết cấu gồm bốn môđun cơ bản sau:

 Môđun di chuyển – M1: Là loại xe di chuyển bằng 6 bánh lốp hoặc đai xích,

có tính năng cơ bản là không bị trơn, trượt khi di chuyển trên bề mặt phủ cát vàvới nguồn động lực là các động cơ DC, thông qua truyền động đai, hoặc xích,đồng thời được điều khiển không dây từ xa theo 2 chế độ tự động và bằng tay.Điều khiển tự động được sử dụng trong quá trình robot thực hiện nguyên côngphun cát (được lập trình điều khiển theo công nghệ); còn điều khiển bằng taydùng để di chuyển “ thô ” robot tới vị trí thao tác công nghệ Để nâng cao độ ổn

định của robot trong quá trình di chuyển, ở chế độ điều khiển bằng tay, các thaotác di chuyển như tiến, lùi, quay, rẽ trái và phải… đều có thể thực hiện ở 3 cấp độkhác nhau: nhanh (F- Fast), trung bình (N- Normal) và chậm (S- Slow).

 Môđun công tác – M2: Về bản chất là một tay máy 6 bậc tự do, có cấu trúcđộng học hở dạng cây Với 6 khâu và 6 bậc tự do, robot RoPC01 hoàn toàn có thể

di chuyển khâu cuối (khâu thao tác công nghệ) tới một điểm bất kỳ trong khônggian thao tác tương ứng của robot, đảm bảo cả về vị trí và hướng

Để truyền động và dẫn động môđun công tác, ở đây đã sử dụng 6 động cơ bướchoặc servo tương ứng với 6 khâu công tác Toàn bộ hoạt động của môđun côngtác – M2 cũng được điều khiển từ xa với hai chế độ: tự động và bằng tay Haichức năng điều khiển này tương tự như đối với môđun di chuyển

 Môđun điều khiển – M3: Bao gồm bộ điều khiển trung tâm được thiết kế lắpđặt ngay bên trong robot và thiết bị điều khiển từ xa nằm ngoài robot (bảng điềukhiển cầm tay hoặc laptop kết nối không dây) Dựa trên yêu cầu về chế độ điềukhiển, cũng như những thông số cụ thể về đặc tính động học và động lực học đặt

ra đối với robot RoPC01, tiến hành tính toán thiết kế và lập trình điều khiển chotừng môđun cụ thể, sau đó được tích hợp để tạo ra hệ thống mạch điều khiểnchung cho toàn bộ hoạt động của robot

 Môđun quan sát định vị - M4: Gồm có hai cụm thiết bị: cụm định vị - là cácsensor siêu âm dùng để xác định các vị trí khoảng cách theo yêu cầu của côngnghệ đặt ra, duy trì và đảm bảo độ chính xác thao tác khâu cuối của robot, đặcbiệt trong chế độ điều khiển làm việc tự động; cụm quan sát – là một cameraquan sát (loai thông thường, hoặc hồng ngoại – khi làm việc trong điều kiện môitrường ánh sáng yếu), truyền tín hiệu hình ảnh của đối tượng công nghệ và khuvực hoạt động làm việc của robot về thiết bị điều khiển từ xa, giúp cho việc điềukhiển bằng tay di chuyển robot được thuận lợi, dễ dàng, cũng như cho phép giámsát quá trình làm việc tự động của robot một cách chặt chẽ và với độ tin cậy cao

II MỘT SỐ YÊU CẦU CƠ BẢN TRONG TÍCH HỢP CÁC MÔĐUN MẪU ROBOT RoPC01

o Dẫn động và truyền động bằng động cơ điện DC, với bộ truyền động cơtới các bánh xe bằng xích, hoặc đai thông dụng Tuy nhiên các bộ truyềnđộng này phải được tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn và sử dụng các loạiphụ tùng, phụ kiện, vật liệu v.v có chất lượng cao.

o Bộ vi điều khiển hoạt động của các động cơ bước thiết kế lập trình chuẩn,với ưu tiên sử dụng transitor để đóng cắt (hạn chế tối đa sử dụng rơle)trong tính toán thiết kế mạch điều khiển

o Đảm bảo đủ độ bền kết cấu, có tính đến tải trọng tĩnh và động học cácmôđun khác Đối với cụm truyền động chính phải được tính toán kiểm trabền

o Đảm bảo yêu cầu kín khít nói chung, hạn chế tối đa sự xâm nhập của cátbụi vào bên trong làm ảnh hưởng tới chất lượng làm việc cũng như độ bền

và tuổi thọ của kết cấu Song vẫn dễ dàng, thuận tiện tháo lắp khi kiểm tra,sửa chữa hoặc bảo dưỡng thay thế

 Môđun công tác M2

o Các khâu dẫn động bằng các động cơ bước hoặc động cơ servo và để nângcao độ chính xác của cơ cấu trong quá trình hoạt động, hệ thống truyềnđộng ở các khâu được sử dụng với các bộ truyền động chất lượng cao như

bộ truyền động bánh răng sóng, bộ truyền động bánh răng con lăn hànhtinh và bộ truyền động trục vít bi

o Ưu tiên sử dụng transitor trong các mạch điều khiển khi tính toán thiết kế

bộ vi điều khiển

o Lựa chọn sử dụng những loại vật liệu nhẹ, có độ bền, cứng cao trong chếtạo các chi tiết của môđun công tác Yêu cầu kiểm tra bền theo tải trọngtĩnh và động, cũng như đảm bảo tính toán kiểm tra chính xác độ ổn địnhtrong quá trình làm việc của toàn bộ cơ cấu, đặc biệt ở những vị trí “nguyhiểm – tầm với xa nhất” (thỏa mãn điều kiện moomen gây lật nhỏ hơnmômen chống lật)

o Đảm bảo yêu cầu kín khít nói chung, hạn chế tối đa sự xâm nhập của cátbụi vào trong làm ảnh hưởng tới chất lượng làm việc cũng như độ bền và

tuổi thọ của kết cấu Song vẫn dễ dàng, thuận tiện tháo lắp khi kiểm tra,sửa chữa hoặc bảo dưỡng thay thế.

 Môđun điều khiển M3

o Bộ điều khiển trung tâm được thiết kế lắp đặt bên trong thân robot, thànhmột khối riêng độc lập, có khả năng che chắn kín khít, tránh bụi lọt vàobên trong (sử dụng các gioăng cao su), song cũng thỏa mãn yêu cầu tảnnhiệt của các mạch điện tử khi hoạt động

o Để hạn chế tối đa tác động của những rung động, cũng như những va đập

cơ học có thể xảy ra trong quá trình hoạt động của robot, làm ảnh hưởngtới độ bền tuổi thọ và chất lượng của các linh kiện điện tử trong các mạchđiều khiển Bộ điều khiển trung tâm cần phải được lắp đặt trên các lớpđệm đàn hồi vừa đảm bảo đủ cứng vững, lại vừa có khả năng giảm chấntốt

o Lựa chọn và ưu tiên sử dụng các phụ tùng, linh kiện điện tử chất lượngcao, có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng và đặc biệt có đầy đủ chính xác cácthông số, đặc tính kỹ thuật tương ứng trong lắp ráp chế tạo các mạch điềukhiển điện tử của Bộ điều khiển trung tâm

o Thiết bị điều khiển từ xa, mà trọng tâm là máy tính có thể sử dụng PC đểbàn hoặc Laptop, song phải đảm bảo có cấu hình phần cứng đủ mạnh vàkhả năng kết nối không dây

o Ưu tiên sử dụng camera hồng ngoại có độ phân giải cao, có tính năng kếtnối và điều khiển qua máy tính

o Đảm bảo thiết kế lập trình chuản Bộ vi điều khiển hoạt động của cácsensor với ưu tiên sử dụng transitor trong tính toán thiết kế mạch điềukhiển.

III THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ CẤU TRÚC MẪU ROBOT RoPC01 – VÒI LẮC NGANG

Theo thiết kế ban đầu con robot RoPC01 do Viện Khoa học kỹ thuật và bảo

hộ lao động làm chủ đề tài nghiên cứu thì tay máy con robot này có 6 khâu, 6 bậc

tự do, gồm 1 khớp trụ xoay dưới cùng, 4 khớp quay bản lề và 1 khớp tịnh tiến dọc trục phía trên Con robot này hiện nay đã được chế tạo thành công và những bước đầu thử nghiệm đã cho kết quả khả quan về cấu trúc cũng như độ chính xác hoạt động Và từ mẫu robot này ta có rất nhiều hướng phát triển mới để xây dựngnên những mẫu robot đa năng khác Với đồ án tốt nghiệp này em đã được sự gợi

ý của GS.TSKH Đỗ Sanh hướng theo 1 mẫu mới cho con robot RoPC01 đó là mẫu robot RoPC01 – vòi lắc ngang

Tay máy mẫu robot RoPC01 - vòi lắc ngang là 1 cơ cấu gồm có 5 khâu, 5 khớp Đầu tiên là 2 khớp bản lề lắc dọc phẳng, tiếp đó đến 1 khớp tịnh tiến dọc trục, sau đó lại 1 khớp bản lề lắc dọc tiếp, và cuối cùng là 1 khớp bản lề lắc ngang

Bản vẽ đặt các hệ trục tọa độ cho robot

Bản vẽ các thông số ban đầu của robot

Bản vẽ 3D robot RoPC01

Trong đồ án này ta chỉ khảo sát động học cánh tay làm việc của robot, nên tachỉ xét đến cấu trúc của cánh tay máy robot

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC MẪU ROBOT

RoPC01

I CƠ SỞ LÍ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT

1 Ma trận cosin chỉ hướng

1.1 Định nghĩa ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn

Cho vật rắn Bi trong hệ qui chiếu  ( 0 )

3 ) 0 ( 2 ) 0 ( 1

R     Trong đó

) 0 ( 3 )

)

1i , e i , e i

e   là ba vectơđơn vị trên ba trục Oixi, Oiyi, Oizi (hình 3.1)

Định nghĩa: Ma trận vuông cấp ba:

) 2 ) 0 ( 3

) 1

) 2 ) 0 ( 2

) 1

) 2 ) 0 ( 1

) 1

i i

i

i i

i

i i

i

i

e e e e e

e

e e e e e

e

e e e e e

được gọi là ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn Bi đối với hệ qui chiếu R0.

Nếu đưa vào ký hiệu:

) 3 1 , ( ) , cos( ( 0 ) ) )

) ( 2

i

e 

) ( 3

i

e 

yiz0

x0

y0 )

0 ( 2

e 

) 0 ( 1

e 

Hình 3.1

Oi

O

23 22

21

13 12

11

a a

a

a a

a

a a

)sin(

0

)sin(

)cos(

0

00

1

.)

(

) 3 ) 0 ( 3

) 2 ) 0 ( 3

) 1 ) 0

(

3

) 3 ) 0 ( 2

) 2 ) 0 ( 2

) 1 ) 0

(

2

) 3 ) 0 ( 1

) 2 ) 0 ( 1

) 1 ) 0

i

i i

i

i i

i

x

e e e e e e

e e e e e e

e e e e e e

e 

) 2

i

e 



) 0 ( 3

e 

) ( 3

i

e 



Hình 3.3 2.3

010

)sin(

0)cos(

.)

(

) 3 ) 0 ( 3

) 2 ) 0 ( 3

) 1 ) 0

(

3

) 3 ) 0 ( 2

) 2 ) 0 ( 2

) 1 ) 0

(

2

) 3 ) 0 ( 1

) 2 ) 0 ( 1

) 1 ) 0

i

i i

i

i i

i

y

e e e e e e

e e e e e e

e e e e e e

0)cos(

)sin(

0)sin(

)cos(

.)

(

) 3 ) 0 ( 3

) 2 ) 0 ( 3

) 1 ) 0 ( 3

) 3 ) 0 ( 2

) 2 ) 0 ( 2

) 1 ) 0 ( 2

) 3 ) 0 ( 1

) 2 ) 0 ( 1

) 1 ) 0 ( 1

i

i i

i

i i

i

z

e e e e e e

e e e e e e

e e e e e e

1.3 Ý nghĩa của ma trận cosin chỉ hướng

Xét hệ qui chiếu R0 và Ri có chung gốc O Trong hệ qui chiếu R0Ox0y0z0 là hệqui chiếu cố định, hệ qui chiếu RiOxiyizi gắn liền với vật rắn Bi Lấy một điểm

P bất kỳ thuộc vật rắn Bi Vị trí điểm P được xác định bởi vectơ định vị OP rp

Ký hiệu các tọa độ của điểm P trong hệ qui chiếu động Oxiyizi là ) , ) , i)

P

i P

1

) i i

P i i P i

e 

) ( 1

i

e 



) 0 ( 2

e 

) ( 2

e 

) 1

Thay thế hệ thức (3.3) vào hệ thức (3.8) ta được:

So sánh (3.7) và (3.9) ta được hệ phương trình:

) 13

) 12

) 22

) 32

33 32 31

23 22 21

13 12 11

i P

i P

P

P

P

z y x

a a a

a a a

a a a

P P







 .(   ( 0 ))

3 32 ) 0 ( 2 22 ) 0 ( 1 12 ) a e a e a e

y i P

z i P

(a x a y a z e

P i

P i

P p

i P

 (3.9)

) 0 ( 3

) 33

) 32

i P

i

e 

) 0 ( 3

e 

) ( 3

i

e 

) 0 ( 1

e 

) ( 1

x

0

xi

P

Hình 3.6

Ma trận cosin chỉ hướng Ai biến đổi các tọa độ của điểm P bất kỳ thuộc vật rắntrong hệ qui chiếu động Oxi yi zi sang các tọa độ của điểm P đó trong hệ qui chiếu

cố đinh Ox0 y0 z0.

1.4 Một số tính chất cơ bản của ma trận cosin chỉ hướng

 Ma trận cosin chỉ hướng là ma trận trực giao

 Ma trận cosin chỉ hướng Ai có ít nhất một trị riêng =1

2 Các tọa độ thuần nhất và các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất

2.1 Các tọa độ thuần nhất

Vị trí điểm P trong hệ tọa độ Oxyz được xác định bởi vectơ sau:

3 2

1 e z e e

r= [x y z 1 ]T (3.13)

Nhờ khái niệm tọa độ thuần nhất trong không gian 4 chiều ta có thể chuyển bàitoán cộng ma trận trong không gian ba chiều sang bài toán nhân ma trận trong

không gian bốn chiều Cho a và b là hai vectơ trong không gian ba chiều, tacó:

2 2

1 1

3 2 1

3

2

1

b a

b a

b a

b b b

1 0 0

0 1 0

0 0 1

3 2 1

3 2 1

3 3

2 2

1 1

b b b a a a

2.2 Ma trận biến đổi hệ tọa độ thuần nhất

Xét vật rắn B chuyển động trong hệ qui chiếu cố định Ox0y0z0 Lấy một điểm Oi

nào đó của vật rắn B và gắn chặt vào vật rắn hệ qui chiếu Oixiyizi (hình3.7) Lấy P

là một điểm bất kỳ thuộc vật rắn B Trong hệ tọa độ vầt lý Ox0y0z0 ta có:

33 32 31

23 22 21

13 12 11

i y

i x

a a a

a a a

a a a

s là tọa độ vectơ sOiP trong hệ qui chiếu Oixiyizi Nế sử dụng các tọa

độ thuần nhất (3.17) có thể được viết lại dưới dạng sau:

) 0 ( 33 32 31

) 0 ( 23 22 21

) 0 ( 13 12 11

i y

i x

Oi Oi Oi

P

P

P

s s s z a a a

y a a a

x a a a

zi

xi

) ( 1

i

e

) ( 2

e

) 0 ( 2

e

) 0 ( 1

) 0 ( 33 32 31

) 0 ( 23 22 21

) 0 ( 13 12 11

A A A

z a a a

y a a a

x a a a

được gọi là ma trận chuyển đổi tọa độ thuần

nhất của điểm P từ hệ Oixiyizi sang hệ Oz0y0z0

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

Trong đó a, b, c là tọa độ của điểm Oi trong hệ tọa độ Ox0 y0 z0

3 Các phương pháp xác định ma trận cosin chỉ hướng

3.1 Phép quay theo ba góc Euler

a Xác định ma trận cosin chỉ hướng từ góc Euler

Vị trí của điểm B quay quanh điểm O cố định được xác định bởi vị trí của

hệ quy chiếu động Oxyz (gắn chặt vào vật rắn B) so với hệ quy chiếu cố định

Ox0y0z0 (Hình3.8) Giả sử giao của mặt phẳng Ox0y0 và mặt phẳng Oxy là trục

OK Trục OK được gọi là đường nút

Cách xác định ba góc Euler (hình 3.9):

- Quay quanh Oz một góc  (Ox0y0z0 ->Ox1y1z1, Oz1  Oz0)

- Quay quanh Ox1 một góc  (Ox1y1z1-> Ox2y2z2, Ox2  Ox1)

- Quay quanh Oz2 một góc  (Ox2y2z2-> Oxyz, Oz  Oz2)

Các ma trận quay tương ứng với góc Euler có dạng:

0

0 ) cos(

) sin(

0 ) sin(

) cos(

x

0

x

y0y

) sin(

0

) sin(

) cos(

0

1 0

0

0 ) cos(

) sin(

0 ) sin(

) cos(

Ma trận quay từ hệ Ox0y0z0 sang hệ quy chiếu Oxyz (cũng là ma trận cosin chỉ

hướng của hệ quy chiếu Oxyz đối với hệ quy chiếu Oxcy0z0) là:

0

0 ) cos(

) sin(

0 ) sin(

) cos(

) cos(

) sin(

0

) sin(

) cos(

0

1 0

1 1 0

0

0 ) cos(

)

sin(

0 ) sin(

) cos(

) sin(

) sin(

) sin(

) sin( ) cos(

) cos(

) cos(

) cos(

) sin(

) sin(

) sin(

) cos(

) cos(

) cos(

)

sin(

) sin( ) sin(

) cos(

) cos(

) sin(

) sin(

) cos(

) sin(

) cos(

) sin(

) cos(

31

23 22

21

13 12

11

a a

a

a a

a

a a

a

A

Từ hai ma trận AE=A ta tính được , ,  theo aij (i, j  1 3)

)sin(

)sin(

,)sin(

)cos(

)sin(

)sin(

,)sin(

)cos(

1)

sin(

,)cos(

31 32

13 23

2 33 33

a a

a a

Khi sin()=0 hay =k. thì không xác định được các góc Euler Giá trị này gọi là

giá trị tới hạn của góc 

3.2 Phép quay theo góc Cardan

a Xác định ma trận cosin chỉ hướng từ các góc Cardan

Khi xác định vị trí của vật rắn bằng góc Cardan, người ta quay hệ quy

chiếu cố định Ox0y0z0 sang hệ quy chiếu Oxyz bằng ba phép quay Cardan như

sau (hình 3.10) :

- Quay quanh trục Ox0 một góc  (Ox0y0z0 ->Ox1y1z1, Ox1Ox0)