PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC RÔBỐT 6 BẬC TỰ DO CẤP PHÔI CHO CÁC MÁY PHAY CNC

PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC RÔBỐT 6 BẬC TỰ DO CẤP PHÔI CHO CÁC MÁY PHAY CNCPHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC RÔBỐT 6 BẬC TỰ DO CẤP PHÔI CHO CÁC MÁY PHAY CNCPHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC RÔBỐT 6 BẬC TỰ DO CẤP PHÔI CHO CÁC MÁY PHAY CNCPHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC RÔBỐT 6 BẬC TỰ DO CẤP PHÔI CHO CÁC MÁY PHAY CNCPHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC RÔBỐT 6 BẬC TỰ DO CẤP PHÔI CHO CÁC MÁY PHAY CNCPHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC RÔBỐT 6 BẬC TỰ DO CẤP PHÔI CHO CÁC MÁY PHAY CNC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VIỆN CƠ KHÍ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC RÔBỐT BẬC TỰ DO CẤP PHÔI CHO CÁC MÁY PHAY CNC Chủ nhiệm đề tài: TS HOÀNG MẠNH CƯỜNG Thành viên tham gia: KS NGUYỄN ĐỨC SANG Hải Phòng, tháng 05/2016 i MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Lịch sử hình thành phát triển Robot công nghiệp 1.2 Cấu trúc chung robot công nghiệp 1.3 Phân loại robot công nghiệp 1.4 Các tiêu đánh giá thông số kỹ thuật 1.5 Các toán thường gặp robot công nghiệp CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC ROBOT UR 11 2.1 Phân tích động thuận rôbốt UR 11 2.2 Phân tích động học ngược robot UR 18 2.3 Một số kết mô 32 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT UR 38 3.1 Giới thiệu chung kỹ thuật mô 38 3.2 Giới thiệu thư viện Simmechanics 39 3.3 Mô hoạt động Robot cấp phôi 42 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 ii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, việc tự động hóa trình sản xuất ngày nâng cao, làm cho công nghệ sản xuất chuyển sang thời kỳ mới: thời kỳ công nghệ sản xuất tiên tiến mà robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng, robot tham gia vào hầu hết nguyên công dần thay người công việc nhàm chán, nặng nhọc, nguy hiểm, … Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng robot vào sản xuất tự động nhiều người quan tâm nghiên cứu Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Robot công nghiệp sử dụng phổ biến hệ thống sản xuất linh hoạt, có nhiều cấu hình robot nghiên cứu ứng dụng sản xuất đề cập nhiều tài liệu [3, 4, 5, 6, 7] Tuy nhiên, cấu hình robot UR, với đặc điểm nhỏ gọn linh hoạt, nhiều người quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều hệ thống sản xuất khác Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Mục tiêu đề tài nghiên cứu đưa nghiệm giải tích toán phân tích động học ngược cấu hình robot công nghiệp, dựa vào nghiệm xây dưng chương trình mô chuyển động mô hình robot - Đối tượng nghiên cứu đề tài robot UR, cấu hình robot nhiều người quan tâm nghiên cứu nhiều ứng dụng - Phạm vi nghiên cứu, với giới hạn đề tài nghiên cứu cấp trường công trình dừng lại toán phân tích động học mô chuyển động đối robot UR Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng công trình phương pháp tính toán mô mô hình máy tính Kết cấu thuyết minh đề tài, mở đầu, kết luận, nội dung đề tài chia làm chương: chương 1, giới thiệu nét robot công nghiệp, chương 2, tập trung phân tích động học cấu hình robot UR, chương 3, tập trung xây dựng chương trình mô chuyển động robot UR Kết đạt đề tài Một số kết đạt đề tài là: - Phân tích động học thuận robot UR Xác định vị trí, vận tốc, gia tốc khâu thiết lập phương trình động học robot - Phân tích động học ngược robot UR Đã đưa nghiệm giải tích biến khớp, việc tìm nghiệm giải tích giúp cho việc giải toán điều khiển sau trở nên đơn giản - Xây dựng chương trình tính toán động học ngược mô chuyển động robot UR CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Lịch sử hình thành phát triển Robot công nghiệp Nhu cầu nâng cao suất chất lượng sản phẩm ngày đòi hỏi ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao hình thành Các thiết bị thay dần máy tự động “cứng” đáp ứng việc định thị trường đòi hỏi thay đổi mặt hàng chủng loại, kích cỡ tính Vì ngày tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo hệ thống sản xuất tự động linh hoạt Thuật ngữ “robot” lần xuất năm 1921 tác phẩm viễn tưởng “Rossum’s Universal Robot” Karel Capek Theo tiếng Séc robot người làm tạp dịch Trong tác phẩm nhân vật Rossum trai ông tạo máy gần giống người để hầu hạ người Hình 1.1 Ba robot kịch Karel Capek, 1921 Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng Karel Capek bắt đầu thực Ngay sau chiến tranh giới lần thứ 2, Hoa Kỳ xuất loại tay máy chép hình điều khiển từ xa phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào năm 50, bên cạnh tay máy chép hình khí , xuất loại tay máy chép hình thủy lực điện từ, tay máy Minotaur I tay máy Handyman General Electric Năm 1954 George C Devol thiết kế thiết bị có tên “ Cơ cấu lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1965 Devol với Joseph F Engelber, kỹ sư trẻ công nghiệp hàng không, tạo loại robot công nghiệp năm 1959 Công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 Công ty Unimation bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot Chiếc robot công nghiệp đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, nhà máy ô tô General Motors Trenton, New Jersey Hoa Kỳ Năm 1967 Nhật Bản nhập robot công nghiệp từ Công ty AMF Hoa Kỳ ( American Machine and Foundry Company) Đến năm 1990 có 40 công ty Nhật Bản, có công ty khổng lồ Công ty Hitachi Công ty Mitsubishi, đưa thị trường quốc tế nhiều loại robot tiếng Từ năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính robot ý nhiều đến lắp đặt thêm cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường Đại học Tổng hợp Standford người ta tạo loại robot lắp ráp tự động điều khiển máy vi tính sở xử lý thông tin từ cảm biến lực thị giác Vào thời gian này, Công ty IBM chế tạo loại robot có cảm biến xúc giác cảm biến lực, điều khiển máy tính để lắp ráp máy in gồm 20 cụm chi tiết Vào giai đoạn nhiều nước khác tiến hành công trình nghiên cứu tương tự, tạo loại robot tự hành theo hướng bắt chước chân người súc vật Các robot chưa có nhiều ứng dụng công nghiệp Tuy nhiên loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng đưa vào hoạt động hệ thống sản xuất tự động linh hoạt Từ năm 80, vào năm 90, 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 nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ robot công nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền tự động sản xuất đại Trước bước vào nghiên cứu nội dung tiếp theo, cần thống thuật ngữ “ robot công nghiệp” ( Industrial robot) Trong nhiều tài liệu khác nhau, định nghĩa robot công nghiệp khác Khi “ robot công nghiệp” đời, Công ty AMF quảng cáo loại máy tự động vạn Trong từ điển Webster định nghĩa robot máy tự động thực số chức người Nhưng có nhiều loại máy khác gọi robot Viện Kỹ thuật robot Hoa Kỳ định nghĩa robot loại tay máy nhiều chức năng, với chương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực số thao tác sản xuất Có nhiều tài liệu định nghĩa robot lưu ý đến tiêu chí điều khiển máy tính phân loại robot công nghiệp theo tiêu chuẩn Nhật Bản (JIS B 0134- 1979) có nhóm tay máy điều khiển tay Theo ISO ( International Standards Organization) thì: “ robot công nghiệp tay máy đa mục tiêu, có số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ vật dụng khác Do chương trình thao tác thay đổi nên thực nhiều nhiệm vụ đa dạng” Tuy nhiên, robot công nghiệp định nghĩa chưa hoàn toàn thỏa đáng Robot công nghiệp hiểu thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước chức lao động công nghiệp người Nói đến thiết bị tự động linh hoạt nhấn mạnh đến khả thao tác với nhiều bậc tự do, điều khiển trợ động lập trình thay đổi Còn nói đến bắt chước chức lao động công nghiệp người có ý nói đến không hạn chế từ chức lao động chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tùy theo loại hình công việc lao động cần đến chức hay không Đồng thời nói đến mức độ cần thiết bắt chước người hay không 1.2 Cấu trúc chung robot công nghiệp Trên hình 1.2 giới thiệu phận chủ yếu robot công nghiệp thông thường Tay máy gồm phận: đế đặt cố định gắn liền với xe di động 2, thân 3, cánh tay 4, cánh tay 5, bàn kẹp Hình 1.2 Các phận cấu thành robot công nghiệp Bên bên tay máy đặt nhiều phận khác nữa: + Hệ thống truyền dẫn động khí, thủy khí điện khí, phận chủ yếu tạo nên chuyển dịch khớp động + Hệ thống điều khiển đảm bảo hoạt động robot theo thông tin đặt trước nhận biết trình làm việc + Hệ thống cảm biến tín hiệu thực việc nhận biết biến đổi thông tin hoạt động thân robot (cảm biến nội tín hiệu) môi trường- đối tượng mà robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu) Các thông tin đặt trước cảm biến đưa vào hệ thống điều khiển sau xử lý máy vi tính, tác động vào hệ thống truyền dẫn động tay máy Trực tiếp liên hệ với bàn kẹp dụng cụ (tools) thao tác với môi trường đối tượng làm việc 1.3 Phân loại robot công nghiệp Ngày robot công nghiệp phát triển đa dạng Có thể phân loại robot công nghiệp theo nhiều cách khác nhau: + Theo vị trí “ công tác” phân loại robot cấp thoát phôi, robot vận chuyển, robot vạn + Theo dạng công nghệ chuyên dụng phân loại robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp + Theo cách thức đặc trưng điều khiển phân ra: robot điều khiển tự động, robot điều khiển dạy học, robot điều khiển tay, robot nhìn ( vision) + Theo hệ tọa độ dùng thực chuyển động phân robot hoạt động theo hệ tọa độ trụ, cầu sinh 1.4 Các tiêu đánh giá thông số kỹ thuật Để cấu tay máy hoạt động linh hoạt tức thực dễ dàng chuyển dịch muôn màu muôn vẻ, chúng cần phải có số bậc tự chuyển động cần thiết Như biết, với cấu tay máy dùng cấu hở không gian có khớp động loại số bậc tự số khâu động Khi tăng số bậc tự tức tăng số khâu động tăng số thiết bị động lực cho khâu động nên tăng độ phức tạp kết cấu chế tạo Vấn đề đặt số bậc tự chọn lựa cấu tay máy đảm bảo tính linh hoạt cao Tính linh hoạt cấu tay máy tiêu tổng hợp thể qua yếu tố sau đây: 1.4.1 Độ động cấu Khâu thao tác robot xác định thông số xE , yE , z E , ,  ,  , thông số đầu vị trí gốc hệ tọa độ gắn với khâu thao tác, thông số sau xác định hướng khâu thao tác Trong lúc cấu hình cấu tay máy xác định n giá trị biến khớp q1, , qn Số bậc tự n cấu tay máy khác Có thể xảy trường hợp sau: + Nếu n=6, điểm E thực di chuyển nhỏ  xE ,  yE , zE , , , sang vị trí đó, xác định  q1 , , qn cách đơn trị + Nếu n  lúc điểm E đạt tới vị trí với định hướng yêu cầu + Nếu n  có nhiểu lời giải để điểm E đạt tới vị trí với định hướng yêu cầu Hiệu số n-6=m gọi độ động tay máy Có thể xác định độ động m số bậc tự lại cấu giữ cố định bàn kẹp lại Ví dụ, trường hợp cấu hình 2.4 bàn kẹp vật vị trí cố định, tức khâu trở nên cố định số khâu động lại Tính theo công thức (2.1) lúc cấu lại bậc tự (w=1) Sự tồn độ động ( m  ) có lợi cấu tay máy đạt tới đích với nhiều phương án khác Điều quan trọng môi trường làm việc có chướng ngại Tuy nhiên dễ có độ động cao, tức cần số bậc tự cao độ phức tạp kết cấu tay máy tăng theo không tránh khỏi việc tăng giá thành giảm độ xác chuyển động 1.4.2 Hệ số phục vụ Trong vùng làm việc, tức khoảng không gian mà bàn kẹp tay máy thao tác được, điểm vùng bàn kẹp tay máy thao tác dễ dàng Để đánh giá mức độ dễ dàng thao tác người ta dùng khái niệm hệ số phục vụ Hệ số phục vụ  tỷ số góc phục vụ  so với 4 Góc phục vụ  góc nón quét vùng không gian mà phía bàn kẹp hướng tới tọa độ cần thiết:   4 Giá trị   phụ thuộc vào vị trí điểm thao tác vùng làm việc, mà phụ thuộc vào kết cấu tay máy 1.4.3 Độ dễ điều khiển cấu tay máy Trong thực tế điều khiển hoạt động tay máy, từ nhận tín hiệu định vị định hướng của” điểm tác động cuối” E điểm quỹ đạo, điều khiển để đạt mục tiêu đó, robot phải thực hoạt động khoảng thời gian định Thời gian bao gồm thời gian tính toán để xác định thông số điều khiển thời gian thực di chuyển Tổng thời gian gọi thời gian điều khiển Trong thời gian tính toán giá trị biến khớp qi theo thông số định vị định hướng điểm E, phụ thuộc vào loại cấu tay máy Qua thông số thời gian điều khiển nói xác định mức độ khó dễ điều khiển, tiêu đánh giá cấu tay máy a2  a3  0.4  m  ; d1  0.3; d  d  d  d5  0.2; d  0.15  m  ; 2.3.1 Mô toán động học thuận Trong thực tế, chuyển động rôbốt lúc làm việc thường chia làm giai đoạn chính, giai đoạn 1, rôbốt nhanh chóng đạt tới vị trí mong muốn chuyển động quay khớp đầu, giai đoạn 2, rôbốt thay đổi hướng khâu thao tác chuyển động quay khớp cuối Sau thực xong công việc, bôbốt quay lại vị trí ban đầu Từ đó, ta giả sử quy luật chuyển động khớp cho phương trình: q1  150; q2  105; q3  100  q4  75   t     t  10  ;  q  45  18 t      q6  30  24  t   q1  150  24  t  10   q1  30; q2  75; q3  80   q2  75   t  10   q4  105   t  15  10  t  15 ;  15  t  20  ;  q  135  18 t  15   q  80  t  10     q  105; q  135; q  150  q  150  24  t  15    q1  30  24t q  75  6t   t  5 ;  q  80  t  q4  75; q5  45; q6  30 Với tọa độ khớp cho trên, sau mô ta số kết cho hình từ 2.3 đến 2.7 Hình 2.3: Đồ thị mô tả góc quay khớp 33  Hình 2.4: Sự thay đổi hướng véctơ n  Hình 2.5: Sự thay đổi hướng véctơ s  Hình 2.6: Sự thay đổi hướng véctơ a 34 Hình 2.7: Quỹ đạo điểm định vị khâu thao tác 2.3.2 Mô toán động học ngược + Hoạt động Robot khảo sát qua trường hợp bản: TH1: Khâu thao tác chuyển động theo đường thẳng T=10(s): p x  0.55; p y  0.2; pz  0.9  0.04t ; nx  0; s y  0; a z  0 1 T 0  0 0.55  0 0.2   0.9  0.04t   0  TH2: Khâu thao tác chuyển động theo đường tròn T=10(s):     p x  0.55; py  0.1  R sin  t   ; pz  0.9  R cos  t   ; 2 2   nx  0; s y  0; az  0; R  0.1  m ;   2 /  s 1  0  1  T 0   0 0.55    2 t    0 0.1  0.1sin        2 t    0.9  0.1cos    2   0  35 Với số liệu cho sau tính toán ta kết cho hình từ 2.8 đến 2.11 Hình 2.8: Đồ thị mô tả biến khớp tính phương pháp số cho trường hợp Hình 2.9: Đồ thị mô tả biến khớp tính phương pháp giải tích cho trường hợp Hình 2.10: Đồ thị mô tả biến khớp tính phương pháp số cho trường hợp 36 Hình 2.11: Đồ thị mô tả biến khớp tính phương pháp Giải tích cho trường hợp Nhận xét: Kết toán động học ngược tính phương pháp số phương pháp giải tích giống nhau, ta có kết tin cậy Ở phần tiếp theo, kết toán động học ngược đầu vào cho toán mô hoạt động rôbốt 37 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT UR 3.1 Giới thiệu chung kỹ thuật mô Mô kỹ thuật đại, áp dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu sản xuất Ngày nay, trước bắt tay vào chế tạo sản phẩm, nhà sản xuất phải bắt đầu thiết kế, mô phỏng, tính toán sản phẩm máy vi tính nhằm có nhìn bao quát vấn đề xảy sau Trong lĩnh vực chế tạo robot toán mô hoạt động vấn đề quan trọng Khi nghiên cứu điều khiển robot thực điều khiển trực tiếp robot điều khiển mô Điều khiển mô dùng mô hình tính toán động học động lực học robot kết hợp với phương pháp đồ họa máy vi tính để mô tả kết cấu hoạt động cánh tay robot Nghiên cứu mô hoạt động robot máy tính giúp cho nhà thiết kế nhanh chóng chọn phương án hình- động học robot, kiểm tra khả hoạt động robot hình, kiểm tra phối hợp robot với thiết bị khác dây chuyền Điều có ý nghĩa trình thiết kế, chế tạo robot bố trí dây chuyền sản xuất Qua mô thiết kế đánh giá tương đối đầy đủ khả làm việc phương án thiết kế mà không cần chế thử Nó xem phương tiện đối thoại, hiệu chỉnh thiết kế theo yêu cầu đa dạng người sử dụng Phương pháp lập trình mô giúp người thiết kế chọn quỹ đạo công nghệ hợp lý robot trình làm việc với đối tượng cụ thể hay phối hợp với thiết bị khác công đoạn sản xuất tự động hóa Hiện có nhiều phần mềm công nghiệp phần mềm nghiên cứu khác để mô robot, phạm vi ứng dụng giá thành chúng khác Nhìn chung, phần mềm mô cần đáp ứng yêu cầu sau: Thiết kế phận cấu thành nên rôbốt (các khâu, khớp, dụng cụ thao tác ) Sau cho phép thiết lập ràng buộc khâu lắp ráp thành rôbốt có cấu trúc động học theo yêu cầu thực tế Cho phép mô hoạt 38 động robot thông qua việc cho trước liệu chuyển động khớp khâu thao tác Trong phạm vi chương này, mô hoạt động rôbốt kết hợp phần mềm thiết kế phần mềm lập trình, tính toán Cụ thể, mô hình 3D rôbốt thiết kế phần mềm SolidWorks, sau mô hình đưa vào tính toán, mô môi trường MATLAB/Simulink thông qua thư viện Simmechanics 3.2 Giới thiệu thư viện Simmechanics Simmechanics khối thư viện Simulink MATLAB, sử dụng để mô hình hóa mô hệ học, kết hợp với tiện ích khác Simulink công cụ mạnh, đặc biệt toán động lực học Đối với phiên gần đây, Simmechanics cho phép kết hợp với phần mềm thiết kế 3D chuyên nghiệp như: Inventor, SolidWorks, ProEngineer,…Sau thiết kế mô hình 3D phần mềm CAD, đặc tính hình học (kết cấu học, hình dáng, màu sắc, kích thước…) với đặc tính động lực học (khối lượng, trọng tâm, tenxo quán tính khối) chi tiết chuyển vào môi trường MATLAB/Simulink qua thư viện Simmechanics Từ đó, dựa mô hình “nhúng” này, cho phép ta thực toán mô phức tạp với công cụ tính toán số mạnh mẽ MATLAB Hình 3.1: Thư viện Simulink MATLAB 39 Trong thư viện Simmechanics bản, cung cấp khối chính: Bodies, Constraints & Drivers, Force Elements, Interface Elements, Joints, Sensor & Actuators Utilities Dưới đây, ta xem xét chức năn khối + Khối Bodies: Cung cấp cho mô hình gồm Body, Ground, Machine Environment Shared Environment Chức khối cung cấp mô tả vật rắn đặc tính khối lượng, tenxo quán tính khối, hệ tọa độ gắn vào vật rắn, mô tả hướng mô tả hình dáng Chú ý thông số nhập từ người dùng nhập từ mô hình vật rắn thiết kế phần mềm CAD Hình 3.2: Khối Bodies thư viện Simulink Hình 3.3: Khối Constraints & Drivers thư viện Simulink + Khối Constraints & Drivers: Cung cấp cho ta mô hình: Angle Driver, Distance Driver, Gear Constraint, Linear Driver, Parallel Constraint, Point-Cruve 40 Constraint Velocity Driver Chức khối mô tả ràng buộc khâu chuyển động khâu cố định theo quy tắc cho trước khoảng cách, song song, quan hệ vận tốc… + Khối Force Elements Interface Elements: Hai khối cung cấp cho mô hình, mô tả mối quan hệ khâu kề hệ, mối quan hệ mô hình lò xo-giảm chấn, Hình 3.4: Khối Force Elements Interface Elements thư viện Simulink + Khối Joints: Cung cấp cho ta mô hình ràng buộc vật rắn bất kỳ, trượt , quay tương nhau, gắn cứng với nhau, liên kết với qua khớp cầu, … Hình 3.5: Khối Joints thư viện Simulink + Khối Sensors & Actuators: Cung cấp cho ta “cảm biến” để đo góc, vị trí khớp, vị trí hướng hệ tọa độ gắn vật rắn, đồng thời cung cấp “động cơ” để thực hoạt động cho khớp, để khớp hoạt động cần có mô tả đặc tính chuyển động khớp vị trí, vận tốc, gia tốc mô tả lực đặt vào khớp 41 Hình 3.6: Khối Sensors & Actuators thư viện Simulink Như vậy, từ khối cung cấp thư viện Simmechanics cho phép ta thực việc mô hình hóa mô chuyển động hệ học Ở mục tiếp theo, ta sử dụng thư viện này, kết hợp với kết tính toán động học thuận, động học ngược chương để mô hoạt động robot 3.3 Mô hoạt động Robot cấp phôi Để mô hoạt động rôbốt, ta cần thiết kế quỹ đạo chuyển động khâu thao tác, dựa vào toán động học ngược ta tìm chuyển động khớp tương ứng Lấy kết làm đầu vào cho chuyển động mô hình robot môi trường Simmechanics 3.3.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động Với rôbốt gắp phôi, quỹ đạo thông thường gắp vật vị trí P1, sau chuyển phôi sang vị trí P2 quay lại vị trí P1 tiếp tục lặp lại trình Ở đây, ta giả sử quỹ đạo điểm tác động cuối khâu thao tác qua 42 điểm A, B, C, D, E đồ thị hình 3.7 Robot chuyển động theo quỹ đạo thẳng AB, BC, quỹ đạo cong CD cuối quỹ đạo thẳng DE Tọa độ điểm A(0.55, -0.2, 0.6); B(0.55, -0.2, 0.8); C(0.45, -0.2, 0.8); D(0.2, 0.45, 0.8); E(0.2, 0.45, 0.6) Sử dụng kết toán động học ngược chương 2, từ quỹ đạo chuyển động trên, ta tìm chuyển động khớp đồ thị Hình 3.7: Quỹ đạo khâu thao tác Hình 3.8: Đồ thị mô tả tọa độ khớp 3.3.2 Mô hình robot phần mềm SolidWorks Trong toán này, ta tập trung vào vấn đề mô hoạt động, việc thiết kế tập trung vào việc mô tả cấu trúc động học robot (có bậc tự do, trục khớp 2,3,4 song song với nhau) 43 Hình 3.9: Thiết kế mô hình rrôbốt Solidworks 3.3.3 Mô hoạt động MATLAB/Simulink 3.3.3.1 Mô hình hóa robot Simmechanics Hình 3.10: Các khối mô tả khâu rôbốt Như nói phần trước, thư viện Simmechanics giúp ta chuyển mô hình robot từ SolidWorks sang môi trường MATLAB/Simulink Các khớp quay mô tả khối Revolute, khâu mô tả khối Bodies Hình 3.11: Nhập tham số cho khâu rôbốt 44 Hình thể đặc tính khối lượng, tenxo quán tính tọa độ trọng tâm vị trí gốc hệ tọa độ gắn lên khâu Các đặc tính có từ việc ta thiết kế môi trường CAD 3.3.3.2 Mô hoạt động Để mô chuyển động robot, ta cần cung cấp quy luật chuyển động khớp, nghiệm toán động học ngược với quỹ đạo hoạt động thiết kế phần trước Ở có khối ta cần quan tâm, khối giải động học ngược, khối khai báo chuyển động khớp khối mô hình robot Hình 3.12: Sơ đồ khối chương trình mô chuyển động rôbốt 45 KẾT LUẬN Để thiết kế chế tạo rôbốt phục vụ cho việc đẩy mạnh công nghiệp hóa đại hóa công nghiệp việc nghiên cứu động học, động lực học điều khiển rôbốt công việc cần thiết quan trọng Trong đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu toán động học thuận động học ngược mô chuyển động robot UR bậc tự Đây toán việc phân tích tổng hợp robot Một số kết đạt đề tài là: Phân tích động học thuận robot UR Việc giải toán nhằm mục đích xác định vị trí, vận tốc gia tốc khâu robot, đồng thời từ phân tích giúp ta xây dựng phương trình động học robot, sở để giải toán phân tích động học ngược sau Phân tích động học ngược robot UR Đối với toán này, tác giả đưa nghiệm giải tích biến khớp, việc tìm nghiệm giải tích giúp cho việc giải toán điều khiển sau trở nên đơn giản nhiều Dựa toán động học thuận động học ngược, tác giả xây dựng chương trình tính toán động học ngược mô chuyển động robot UR 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Khang (2009), Động lực học hệ nhiều vật, NXB Khoa học kỹ thuật [2] Nguyễn Văn Khang, Chu Anh Mỳ (2011), Cơ sở rôbốt công nghiệp, NXB giáo dục Việt Nam [3] Nguyễn Thiện Phúc (2006), Rôbốt công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật [4] Lung Twen Sai (1999), Robot Analysis, The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators, John Willey & Sons, INC Pulisher [5] Đào Văn Hiệp (2006), Kỹ thuật rôbốt, NXB Khoa học kỹ thuật [6] Nguyễn Mạnh Tiến (2007), Điều khiển rôbốt công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật [7] Đinh Văn Phong, Đỗ Sanh, Nguyễn Trọng Thuần, Đỗ Đăng Khoa (2002),“ Tính toán động học mô 3D rô bốt Gryphon”, Đại học Bách Khoa Hà Nội 47 [...]... thao tác, cần tìm chuyển động của các khớp hoặc ngược lại Bên cạnh đó, vấn đề tính toán vận tốc dài, vận tốc góc cũng là 1 vấn đề quan trọng, làm đầu vào cho bài toán động lực học Các yếu tố đầu vào của bài toán động học bao gồm cấu trúc động học và kích thước các khâu của robot + Phân tích động lực học: Ở bài toán động lực học, chúng ta cần quan tâm đề nguyên nhân gây ra chuyển động tức là mối quan hệ... s s s  2 3 4  1 6 1 5 2 2 1 5 234 1 3 1 23 6 234 1 5  P  z P  d1  a3 s23  a2 s2  d 5c234  d 6 s5 s234 2.2 Phân tích động học ngược robot UR Đối với bài toán động học ngược, xuất phát từ hệ phương trình động học (2.11) với các thành phần về hướng và vị trí trong ma trận T ở (2.10) đã cho trước 18 cùng với các kích thước động học robot đã biết ta cần đi tìm chuyển động của các khớp, tức là tìm... (2.74) Kết hợp (2 .65 ) và (2 .68 ) cho ta giá trị xấp xỉ tốt hơn của qk+1 Nếu q k 1   thì ta tiếp tục lặp lại quá trình từ (2 .65 ) tới (2 .68 ) cho tới khi q k 1   , việc tính (tk 1 ) theo công thức (2 .62 ) và (2 .64 ) q (tk 1 ) , q 2.3 Một số kết quả mô phỏng Các thuật toán được triển khai trên môi trường MATLAB/Simulink từ việc thiết lập phương trình động học cho tới giải bài toán động học ngược bằng... giải tích Ở phần này, các tác giả cũng thiết kế mô hình 3D của robot trên môi trường SoildWorks, sau đó nhúng mô hình này vào môi trường MATLAB/Simulink thông qua thư viện Simmechanics Cách thức này cho phép ta mô phỏng 3D hoạt động của rôbốt Để tính toán số ta cho giá trị các tham số như sau: 32 a2  a3  0.4  m  ; d1  0.3; d 2  d 3  d 4  d5  0.2; d 6  0.15  m  ; 2.3.1 Mô phỏng bài toán động. .. với khâu thao tác và hệ tọa độ cố định có dạng  c6 ( s1s5  c234 c1c5 )  s234 c1s6  c (c s  c c s )  s s s 234 1 6 D6   6 1 5 234 5 1  c234 s6  s234 c5c6  0  s6 ( s1s5  c234 c1c5 )  s234 c1c6 c5 s1  c234 c1s5  s6 (c1s5  c234 c5 s1 )  s234 c6 s1 c234 s1s5  c1c5 c234 c6  s234 c5 s6 s234 s5 0 0 D6 [1, 4]  D6 [2, 4] D6 [3, 4]  1  Mặt khác, ma trận thuần nhất mô tả khâu thao tác... lớn của phương pháp giải tích là nghiệm sẽ ở dạng công thức giải tích, cho kết quả tính toán nhanh, thích hợp cho các bài toán điều khiển sau này do có thể đảm bảo đáp ứng điều khiển thời gian thực Sau đây sẽ giới thiệu cả phương pháp giải tích và phương pháp số trong việc phân tích động học ngược rôbốt UR 2.2.1 Phương pháp giải tích Ta đưa vào ký hiệu: i D6  Hi 1Hi 2 H6 (2.15) Phương trình (2.11)... đặt vào các khớp quay (hoặc tịnh tiến) và chuyển động tương ứng của các khớp đó Các yếu tố đầu vào của bài toán động lực học bao gồm kết quả của bài toán động học và các yếu tố về khối lượng, momen quán tính khối của các khâu của robot + Thiết kế quỹ đạo và điều khiển: Đây là bài toán sau cùng cũng là bài toán phức tạp nhất của tính toán robot Chúng ta cần thiết kế đường di chuyển cho khâu thao tác và. .. UR5 và UR10 11 z q5 4 x 4 O 6 x x z q B 2 O 3 5 x C 5 x’ O O q 3 4 z 2 q 2 3 4 3 6 x z 5 O 6 6 z 6 O1 q x 2 A z z 1 0 q 1 1 O 0 x’ 1 x 0 Hình 2.2 Mô hình chuyển động của rôbốt UR Bảng 2.1: Bảng các tham số động học DH của rôbốt UR Hệ trục i di ai αi 1 q1 d1 0 900 2 q2 d2 a2 00 3 q3 d 4  d3 a3 00 4 q4 0 0 -900 5 q5 d5 0 900 6 q6 d6 0 00 2.1.2 Xác định các ma trận DH Từ cách xây dựng hệ trục ở trên... D6  Di i D6 (2. 16) Nhân 2 vế của (2. 16) với Di 1 ta có Di 1.D6  i D6 và do 1 Di 1  i     H i   H i 1 H 2 1H11  i 1  ta thu được: 19 H i 1 H 2 1H11D6  i D6 (2.17) Thay D6 = T vào (2.17) ta sẽ nhận được: H i 1 H 2 1H11T  i D6 (2.18) Với i = 1  5, ta thu được 5 phương trình ma trận, sau đó đồng nhất các phần tử tương ứng của các phương trình ma trận (2.18) ta sẽ chọn được 6. .. giải tích ta sẽ tìm được 8 bộ nghiệm đối với các biến khớp q1, q2, q3, q4, q5, q6, được cho trong bảng dưới đây: Bảng 2.2: Các nghiệm giải tích của bài toán động học ngược Nghiệm q1 q5 q3 q2 q4 q6 1 q1(1) q5(1) q3(1) q2(1) q4(1) q6(1) 2 q1(1) q5(1) q3(2) q2(2) q4(2) q6(2) 3 q1(1) q5(2) q3(3) q2(3) q4(3) q6(3) 4 q1(1) q5(2) q3(4) q2(4) q4(4) q6(4) 5 q1(2) q5(3) q3(5) q2(5) q4(5) q6(5) 6 q1(2) q5(3) q3 (6) ... chất lượng robot 10 CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC ROBOT UR Trong chương tập trung giải hai toán phân tích động học toán động học thuận toán động học ngược Bài toàn động học thuận có nhiệm vụ chủ yếu... vào toán động học bao gồm cấu trúc động học kích thước khâu robot + Phân tích động lực học: Ở toán động lực học, cần quan tâm đề nguyên nhân gây chuyển động tức mối quan hệ momen ( lực) đặt vào... giải tích phương pháp số việc phân tích động học ngược rôbốt UR 2.2.1 Phương pháp giải tích Ta đưa vào ký hiệu: i D6  Hi 1Hi 2 H6 (2.15) Phương trình (2.11) viết lại sau: D6  Di i D6 (2. 16)