Luận văn Nghiên cứu động học và động lực học robot Scara bốn bậc tự do dùng trong công nghệ hàn

MỤC LỤC Đề mục: Trang bìa…………………………………………………………………………… Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn………………………………………………………………………….i Tóm tắt…………………………………………………………………………… ii Mục lục……………………………………………………………………………iii Danh sách hình vẽ…………………………………………………………………iv Danh sách bảng biểu……………………………………………………………….v CHƯƠNG 1.TỔNGQUAN………………………………………………………………1 1.1 Sơ lược trình phát triển robot công nghiệp……………………… 1.2 Ứng dụng robot công nghệ hàn…………………………………… 1.3 Phân loại robot…………………………………………………………………4 1.3.1 Phân loại theo kết cấu……………………………………………………5 1.3.2 Phân loại theo điều khiển……………………………………………… 1.3.3 Phân loại theo ứng dụng…………………………………………………8 1.4 Cấu trúc robot công nghiệp……………………………………… 1.4.1 Kết cấu chung……………………………………………………………9 1.4.2 Bậc tự tọa độ suy rộng……………………………………… CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT………………………………………………… 13 2.1 Lý thuyết động học vật rắn………………………………………………… 13 2.1.1 Khả chuyển động vật rắn không gian………………… 13 2.1.2 Biểu diễn hướng……………………………………………………… 13 2.1.2 Biểu diễn vị trí………………………………………………………….13 2.2 Các phép biến đổi nhất…………………………………………………14 2.2.1 Vectơ điểm tọa độ thuàn nhất……………………………………….14 2.2.2 Biến đổi ma trận dùng tọa độ nhất……………………………….16 2.3 Các phép biến đổi bản…………………………………………………… 17 2.3.1 Phép biến đổi nhất……………………………………………… 17 GVHD: TS Trần Huy Long SVTH: Phạm Minh Quân 2.3.2 Phép quay quanh trục tọa độ………………………………………18 2.3.3 Phép quay quanh trục bất kỳ…………………………………… 19 2.3.4 Phép quay theo góc Euler………………………………………… 21 2.3.5 Phép quay theo Roll-Pitch-Yaw……………………………………….22 2.4 Các toán biến đổi ngược………………………………………………….23 2.4.1 Xác định góc quay trục quay……………………………………… 23 2.4.2 Xác định góc Euler………………………………………………… 27 2.4.3 Xác định góc RPY………………………………………………… 30 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…………………………………… 32 3.1 Động học…………………………………………………………………… 32 3.1.1 Giới thiệu……………………………………………………………….32 3.1.2 Bộ thông số Denavit & Hartenberg…………………………………….34 3.1.3 Mô hình biến đổi……………………………………………………… 35 3.1.4 Phương trình động học robot………………………………………… 36 3.1.5 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học robot…………………… 37 3.2 Động lực học………………………………………………………………….38 3.2.1 Giới thiệu……………………………………………………………….38 3.2.2 Phương trình Lagrange loại 2………………………………………… 38 3.2.3 Tính động năng…………………………………………………………39 3.2.4 Tính năng………………………………………………………… 40 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC ĐỘNG HỌC.41 4.1 Bài toán động học ngược…………………………………………………… 41 4.2 Vấn đề đặt hướng giải quyết……………………………………………41 4.3 Ứng dụng phương pháp tối ưu vào toán mục tiêu……………………… 42 4.4 Một số phương pháp tối ưu………………………………………………… 46 4.4.1 Phương pháp tối ưu hóa lần lượt……………………………………… 46 4.4.2 Phương pháp dùng tiêu tổng hợp………………………………… 46 4.4.3 Phương pháp trọng số……………………………………………… 47 4.5 Chuyển toán (****) toán tối ưu mục tiêu…………………….47 GVHD: TS Trần Huy Long SVTH: Phạm Minh Quân 4.6 Thuậ toán tối ưu giải toán (****)……………………………………… 48 4.7 Thuật toán giải toán ngược động học tay máy……………………………53 4.8 Giới thiệu chương trình Matlab………………………………………………56 4.9 Giới thiệu chương trình mô Easy-rob…………………………………58 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN……………………………………………… 59 5.1 Mô hình……………………………………………………………………….59 5.2 Giải toán động học cho robot Scara………………………………………59 5.2.1 Bài toán động học thuận……………………………………………… 59 5.2.1.1 Giới thiệu…………………………………………………………… 59 5.2.1.2 Giải toán thuận cho robot Scara………………………………… 60 5.2.1.3 Lập trình Matlab để giải toán thuận cho robot Scara…………… 63 5.2.2 Bài toán động học ngược cho robot Scara…………………………… 65 5.2.2.1 Giới thiệu…………………………………………………………… 65 5.2.2.2 Giải toán ngược cho robot Scara………………………………….65 5.2.2.3 Giải toán động học ngược cho robot Scara dùng chương trình Matlab……………………………………………………………………………………68 5.3 Ứng dụng kiểm chứng……………………………………………………… 69 5.3.1 Kiểm chứng thuật toán đường dẫn thực tế mối hàn……………72 CHƯƠNG KẾT LUẬN……………………………………………………… …….82 GVHD: TS Trần Huy Long SVTH: Phạm Minh Quân DANH SÁCH HÌNH VẼ STT Hình Tên hình Trang 1.1 Robot hàn dây chuyền sản xuất ôtô 1.2 1.3 Robot kiểu tọa độ Đề Robot kiểu tọa độ trụ 1.4 Robot kiểu tọa độ cầu 1.5 Robot SCARA 6 1.6 Tay máy kiểu tay người 7 1.7 8 1.8 Một dạng Robot điều khiển servo Robot hàn 1.9 Robot tự hành NASA 10 1.10 Hình dạng điển hình phận robot công nghiệp 10 11 1.11 Các tọa độ suy rộng Robot 11 12 1.12 Vùng làm việc công tác 11 13 1.13 Robot RP 12 14 2.1 Khả chuyển động vật rắn 13 15 2.2 Biểu diễn cosin phương 13 16 2.3 14 17 2.4 Biểu diễn điểm không gian Các hệ tọa độ 18 2.5 18 19 2.6 Phép biến đổi tịnh tiến không gian Phép quay quanh trục 20 2.7 Phép quay Euler 21 21 2.8 Phép quay Roll-Pitch-Yaw 23 22 2.9 Hàm arctg2(y,x) 28 23 3.1 Các vectơ định vị trí định hướng bàn tay máy 33 24 3.2 34 25 3.3 Chiều dài góc xoắn khâu Các thông số khâu: θ, d, a α 26 4.1 Giao diện chương trình Matlab 57 27 4.2 Đồ thị Matlab 57 28 4.3 Lập trình giao diện người dùng 58 GVHD: TS Trần Huy Long 17 19 34 SVTH: Phạm Minh Quân 29 4.4 Giao diện chương trình Easy-rob 58 30 4.5 Mô hình robot Scara 58 31 5.1 Mô hình robot Scara hàn 59 32 5.2 Mô hình robot Scara 60 33 5.3 Nhập thông số robot Scara 63 34 5.4 Nhập giá trị biến khớp 64 35 5.5 Xem kết 65 36 5.6 Bài toán động học ngược 68 37 5.7 Giải toán động học ngược 69 38 5.8 Robot SCARA hệ tọa độ (vị trí ban đầu) 70 39 5.9 Bảng thông số DH robot SCARA 70 40 5.10 Hình ảnh mối ghép hàn theo đường thẳng 72 41 5.11 Hình ảnh tay máy hàn 75 42 5.12 Hình ảnh tay máy hàn xong 78 43 5.13 78 44 5.14 Hình ảnh mối hàn cắt theo đường tròn Hình ảnh tay máy hàn 45 5.15 Hình ảnh tay máy hàn xong 81 GVHD: TS Trần Huy Long 80 SVTH: Phạm Minh Quân DANH SÁCH BẢNG BIỂU STT Bảng Tên bảng Trang 5.1 Thông số Denavit & Hartenberg 61 5.2 Tọa độ điểm đường hàn theo đường 73 thẳng 5.3 Tọa độ suy rộng đường hàn theo đường thẳng 74 5.4 Tọa độ suy rộng đường hàn.theo đường thẳng 76 GVHD: TS Trần Huy Long SVTH: Phạm Minh Quân CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược trình phát triển robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” sử dụng lần Karel Capek kịch ông Rossum’s Universal Robots xuất vào năm 1921 Có lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật việc sáng chế cấu, máy móc bắt chước hoạt động người Về mặt kỹ thuật, robot công nghiệp ngày có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) máy công cụ điều khiển số (NC- Numerically Controlled Machine Tool) Các cấu điều khiển từ xa (hay thiết bị kiểu chủ-tớ) phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ viện nghiên cứu nguyên tử lực Đó cấu sinh học bao gồm khâu khớp dây chằng gắn liền với hệ điều hành cánh tay người, thao tác thông qua cấu khuyếch đại khí Cụ thể, gồm có kẹp bên (tớ) hai tay cầm bên (chủ) Cả hai, tay cầm kẹp, nối với cấu sáu bậc tự để tạo vị trí hướng tùy ý cho tay cầm kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển kẹp theo chuyển động tay cầm Chính vậy, người thao tác tách biệt khỏi khu vực phóng xạ tường có vài cửa quan sát, nhìn thấy thực thao tác bên cách bình thường Vào khoảng năm 1949 máy công cụ điều khiển số đời nhằm đáp ứng nhu cầu gia công chi tiết ngành chế tạo máy bay Những robot thực chất nối kết khâu khí cấu điều khiển từ xa với khả lập trình máy công cụ điều khiển số Đầu thập kỷ 1960, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) cho đời robot công nghiệp đặt tên Versatran, Harry Johnson Veljko Milenkovic thiết kế Năm 1967 trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) chế tạo mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả nhận biết định hướng bàn kẹp theo vị trí GVHD: TS Trần Huy Long SVTH: Phạm Minh Quân vật kẹp nhờ cảm biến Năm 1974 công ty Mỹ Cincinnati đưa loại robot điều khiển băng máy vi tính, gọi robot T3 (The Tomorrow Tool:công cụ tương lai) Robot nâng vật có khối lượng lên đến 45kg Những năm 80, năm 90,do áp dụng rộng rãi tiến kỹ thuật vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng, giá thành giảm rõ rệt, tính có bước tiến vượt bực Ngày chuyên ngành khoa học robot “robotics” trở thành lĩnh vực rộng khoa học, bao gồm vấn đề cấu trúc cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động… Định nghĩa robot công nghiệp Viện nghiên cứu robot Mỹ đề xuất sử dụng rộng rãi: “RBCN tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình lập trình lại để hoàn thành nâng cao hiệu hoàn thành nhiệm vụ khác công nghiệp, vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng khác.” Ngoài ý trên, định nghĩa Γ0CT 25686-85 bổ sung cho RBCN chức điều khiển trình sản xuất: “ RBCN tay máy tự động đặt cố định hay di động bao gồm thiết bị dạng thừa hành tay máy có số bậc tự hoạt động thiết bị điều khiển theo chương trình, tái lập trình để hoàn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất” Chức vận động bao gồm hoạt động “cơ bắp” vận chuyển, định hướng, xếp đặt, gá kẹp, lắp ráp…đối tượng Chức điều khiển ám vai trò robot phương tiện điều hành sản xuất, cung cấp dịch vụ vật liệu, phân loại phân phối sản phẩm, trì sản xuất chí điêù khiển thiết bị liên quan Với đặc điểm lập trình lại, RBCN thiết bị tự động hóa khả trình ngày trở thành phận thiếu tế bào hệ thống sản xuất linh hoạt 1.2 Ứng dụng robot công nghệ hàn Có thể nói, robot tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều GVHD: TS Trần Huy Long SVTH: Phạm Minh Quân khiển từ xa, với mức độ “tri thức” ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chương trình số kỹ thuật chế tạo cảm biến, công nghệ lập trình phát triển trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia… Tính hoạt động robot ngày nâng cao, khả nhận biết xử lý, nhiều loại robot có khả đặc biệt Số lượng robot ngày gia tăng, giá thành ngày giảm Trong công nghiệp gia công vật liệu, robot thực nhiệm vụ máy gia công Do tay robot gắn dụng cụ thay cho cấu kep Ứng dụng robot công nghiệp gia công vật liệu bao gồm công nghệ sau: Hàn điểm; hàn hồ quang lien tục… Hàn điểm ứng dụng phổ biến robot công nghiệp, đặc biệt công nghiệp lắp ráp ôtô Hình 1.1 Robot hàn dây chuyền sản xuất ôtô Hàn điểm thực hai phương pháp: dùng máy hàn điểm dùng súng hàn điểm Máy hàn điểm gồm hai điện cực ép chặt hai chi tiết cho dòng điện có giá trị lớn chạy qua, kết hai chi tiết hàn dính điểm Dùng hàn điểm gồm hai điện cực khung mở đóng hai điện cực; cáp lớn dẫn dòng chạy qua Hệ thống súng hàn điểm có trọng lượng kích thước lớn gây khó khăn cho người điều khiển dây chuyền sản xuất với tốc độ lớn Robot sử dụng hiệu công nghệ hàn điểm Ở dây chuyền lắp ráp ôtô, hàng chục robot hàn điểm làm việc với theo chương trình lập sẵn Robot hàn điểm phải có kích thước lớn, có khả mang tải trọng để điều khiển súng hàn có khối lượng lớn cách xác GVHD: TS Trần Huy Long SVTH: Phạm Minh Quân Robot cần phải đưa súng hàn vào vị trí hướng vị trí người khó thực Do số bậc tự robot phải lớn nhớ máy tính phải có dung lượng lớn Lợi ích tự động hóa công nghệ hàn điểm sử dụng robot nâng cao chất lượng sản phẩm, thao tác an toàn điều khiển tốt trình hàn Hàn hồ quang liên tục sử dụng công nghệ hàn đường: ghép hai phận kim loại hàn ống,…Môi trường làm việc người công nhân hàn hồ quang nguy hiểm độc hại: nhiệt độ cao Tia cực tím sinh trình hàn gây nguy hiểm đến thị giác người …Việc ứng dụng robot nghệ hàn hồ quang cải thiện đáng kể điều kiện làm việc người, đồng thời nâng cao suất chất lượng sản phẩm Tuy nhiên số vấn đề kỹ thuật nâng cao chất lượng hàn có thay đổi thành phần vật liệu hàn vấn đề kinh tế, nên robot sử dụng công nghệ hàn hồ quang dây chuyền sản xuất có sản lượng trung bình lớn Hệ thống robot hàn gồm hai phận: robot hàn với que hàn, hệ thống cấp dây hàn phận giữ chi tiết hàn có khả định vị định hướng chi tiết hàn tương đối so với robot Ngoài phân xưởng, nhà máy, robot sử dụng rộng rãi ngành khác như: khai thác thềm lục địa, thám hiểm đại duơng, thám hiểm vũ trụ, robot dùng y học để chẩn đoán giải phẫu, sử dụng robot công nghiệp hạt nhân, công nghiệp quốc phòng, lĩnh vực sinh hoạt xã hội khác… 1.3 Phân loại robot Ta phân loại theo cách bản: 1.3.1 Phân loại theo kết cấu * Tay máy kiểu tọa độ Descarte: tay máy có chuyển động tịnh tiến theo phương trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữ nhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy có độ cứng vững cao, độ xác khí dễ đảm bảo thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn rong mặt phẳng… GVHD: TS Trần Huy Long 10 SVTH: Phạm Minh Quân thuật toán tối ưu clear all disp('SO DIEM TREN DUONG DAN:') sd=input('sd = ') % DIEU KIEN BIEN chuyen dong khop: theta0 = pi/2; d0 = 800; % CAC THONG SO DH KHOI TAO: xet tay may SCARA BTD, 1,2,4 la khop ban le, la khop tinh tien %CAC bien khop KHOI TAO:') theta1 =0; theta2 =0; theta4 =0; d3 = 100; eps = input('Do chinh xac cho phep, eps = ') for k=1:sd disp('TOA DO CUA DIEM KHAO SAT THU:') k disp('Enter to continue') pause px0=input('Toa cua Ak tren Ox0 (0[...]... khâu động pi : số khớp loại i - Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng số khâu động Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động - Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không gian 3 chiều, Robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để... thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn Hình 1.8 Robot hàn 1.3.3 Phân loại theo ứng dụng Cách phân loại này dựa vào các ứng dụng của robot Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự, dân dụng… Hình 1.9 Robot tự hành của NASA 1.4 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 1.4.1 Kết cấu chung Một RBCN... sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường + Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát vá điều khiển hoạt động của robot 1.4.2 Bậc tự do và các tọa độ suy rộng * Bậc tự do (DOF: degrees of freedom) - Robot công. .. do để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp…có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn GVHD: TS Trần Huy Long 14 SVTH: Phạm Minh Quân Các robot hàn, sơn…thường yêu cầu 6 bậc tự do Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hóa quỹ đạo,…người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6 Hình 1.10: Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp * Tọa độ suy... là loại thiết bị tự động nhiều công dụng Cơ cấu tay máy của chúng phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật theo một hướng nhất định nào đó và di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc Muốn vậy cơ cấu tay máy phải đạt được một số bậc tự do chuyển động - Thông thường các khâu của tay máy được ghép nối với nhau bằng các khớp động - Có thể tính được số bậc tự do theo công thức thông dụng trong “Nguyên lý... số:trên và dưới Chỉ số trên chỉ hệ tọa độ tham chiếu tới, bỏ qua chỉ số trên nếu chỉ số đó bằng 0 Chỉ số dưới thường dùng để chỉ khâu chấp hành cuối Nếu một robot có 6 khâu ta có: T6 =A1.A2.A3.A4.A5.A6 (3.3) T6 mô tả mối quan hệ về hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối đối với hệ tọa độ gốc Một robot 6 khâu có thể có 6 bậc tự do và có thể được định vị trí và định hướng trong trường vận động của nó Ba bậc. .. thao tác được Hình 1.12 Vùng làm việc công tác Trong hình 1.12, giới thiệu một trong năm loại Robot được nghiên cứu thiết kế, chế tạo tại Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội Loại này ký hiệu là Robot RP Chữ P để chỉ đặc điểm ở đây sử dụng cơ cấu Pantograph có 2 con trượt dẫn động như một modul cơ cấu tay máy chuyển hóa Hình 1.13 Robot RP Loại hình cơ cấu tay máy này... động học đều có thể đưa về bài toán phẳng GVHD: TS Trần Huy Long 17 SVTH: Phạm Minh Quân CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết động học vật rắn 2.1.1 Khả năng chuyển động của vật rắn trong không gian Hình 2.1 Khả năng chuyển động của vật rắn Xét 2 vật thể A, B để rời trong không gian, gắn vào A một hệ toạ độ Descarte Oxyz thì B sẽ có 6 khả năng chuyển động tương đối đối với A, gọi là 6 bậc tự do tương... trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là một khối trụ rỗng Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác phụ thuộc vào tầm với Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn Hình 1.4 Robot kiểu tọa độ cầu * Tay máy SCARA: ... cấu thành bởi các hệ thống sau: + Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng + Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, ... ứng dụng robot Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dùng nghiên cứu khoa học, robot dùng kỹ thuật vũ trụ, robot dùng quân sự, dân dụng… Hình 1.9 Robot tự hành NASA 1.4 Cấu trúc robot công nghiệp... (khớp động loại 5) số bậc tự số khâu động Đối với cấu hở, số bậc tự tổng số bậc tự khớp động - Để định vị định hướng khâu chấp hành cuối cách tùy ý không gian chiều, Robot cần có bậc tự do, bậc tự. .. Trong công nghiệp gia công vật liệu, robot thực nhiệm vụ máy gia công Do tay robot gắn dụng cụ thay cho cấu kep Ứng dụng robot công nghiệp gia công vật liệu bao gồm công nghệ sau: Hàn điểm; hàn