tính toán động học động lực học robot, mô phỏng trên phần mềm easy rob. giới thiệu về robot kuka kr 30 , phương pháp slover trên excel hiển thị kết quả trong không gian khớp, tính toán động lực học robot kuuka kr 30 . hình ảnh minh họa cơ cấu của robot kuka kr 30 trong không giân công tác cũng như không gian khớp ,
Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp KHOA ĐIỆN TỬ Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Bộ môn Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc điện tử o0o ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài : Tính toán ,điều khiển thiết kế robot KUKA KR30 L15/2 Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Thành Long Sinh viên thực : Nguyễn Văn Bản Lớp: K48.CĐT.01 Mssv : K125520114006 Ngày giao đề: Ngày hoàn thành: Trưởng Bộ môn TS.Phạm Thành Long Giáo viên hướng dẫn TS Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp – Trường DH KTCN Thái Nguyên Lời nói đầu Đã gần kỷ, kể từ xuất giới mẫu hình robot có hàng vạn robot đời làm việc nhiều lĩnh vực sản xuất đời sống – xã hội hầu khắp quốc gia giới ngày robot trở thành tên gọi phổ biến nhân dân Robot trở thành nguồn lực lao động với suất chất lượng cao nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, y học, an ninh quốc phòng v.v Trong số robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng Robot nói chung robot công nghiệp nói riêng tích hợp tinh vi lĩnh vực học – điện – điện tử kỹ thuật điều khiển Có thể nói robot số loại hình sản xuất trí tuệ cao cấp thời đại ngày nay, người tạo để phục vụ người Ở nước ta, robot công nghiệp xuất sau năm 1990 lĩnh vực khí, tự động hóa Để đáp ứng nhu cầu xã hội tiếp cận khoa học kỹ thuật tương lai, tảng ngành điện tử mà chúng em thầy cô truyền đạt nghiên cứu sở ban đầu để chúng em tiếp thu trang bị kiến thức cao Đồ án mà chúng em giao “Tính toán ,điều khiển thiết kế robot KUKA KR30 L15/2 ” Trong trình thiết kế đồ án với hướng dẫn tận tình thầy giáo Phạm Thành Long và thầy cô khác môn với nỗ lực thân, đến nhiệm vụ em hoàn thành, nhiều cố gắng trình tìm hiểu, tính toán thiết kế chắc không tránh khỏi sai sót Chúng em mong dẫn thầy cô giáo môn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Thái nguyên ngày 23 tháng 12 năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Văn Bản SVTH: Nguyễn Văn Bản GVHD: Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp – Trường DH KTCN Thái Nguyên Mục lục CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ CÁC BÀI TOÁN THIẾT KẾ , SỬ DỤNG ROBOT 1.1 Quá trình phát triển robot công nghiệp 1.2 Ứng dụng robot công nghiệp sản xuất 1.3 Bậc tự tối thiểu để hoàn thành nhiệm vụ 1.4 Vùng làm việc tay máy 1.5 Bài toán động học tay máy 1.5.1 Bài toán động học thuận tay máy 1.5.2 Bài toán động học ngược 12 1.6 Bài toán động lực học 13 1.6.1 Mục đích nghiên cứu động lực học tay máy 14 1.6.2 Các phương pháp sử dụng để nghiên cứu đặc trưng động lực học tay máy 14 1.7 Bài toán điều khiển 14 1.7.1 Khối điều khiển 14 1.7.2 Khối chấp hành 14 1.7.3 Khối kiểm tra 15 Chương Error! Bookmark not defined TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT KUKA KR30 L15/2 16 2.1 Tính toán động học thuận robot 16 2.1.1 Đặt toán 16 2.1.2 Sơ đồ động học 16 2.1.3 Xác định vị trí hướng bàn kẹp 17 2.2 Tính toán động học ngược robot 22 2.2.1 Đặt toán 22 2.2.2 Giải toán ngược động học 22 CHƯƠNG : ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 24 SVTH: Nguyễn Văn Bản GVHD: Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp – Trường DH KTCN Thái Nguyên 3.1 Nội suy quỹ đạo 24 3.1.1 Tính toán biến khớp 24 3.1.2 Tính toán minh họa với biến khớp q3 36 3.2 Mô robot KUKA KR30 L15/2 phần mềm easy_rob 2.0 39 3.2.1 Xây dựng hệ toạ độ 39 3.2.2 Thiết kế hình dáng robot 41 3.2.3 Lập trình điều khiển robot 46 CHƯƠNG KẾT LUẬN 48 4.1 Ưu nhược điểm 48 4.2 Hướng phát triển đề tài: 48 SVTH: Nguyễn Văn Bản GVHD: Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC BÀI TOÁN THIẾT KẾ , SỬ DỤNG ROBOT 1.1 Quá trình phát triển robot công nghiệp Thuật ngữ Robot lần xuất vào năm 1920 tác phẩm văn học nhà văn Tiệp Khắc có tên Karel Capek Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR)- xuất lần Mỹ công ty AMF (American Manchine Foundry company) quảng cáo mô tả thiết bị mang dáng dấp có số chức cánh tay điều khiển tự động để thực sản xuất số thiết bị gọi versatran Qúa trình phát triển IR tóm tắt sau : - Từ năm 50 kỷ trước Mỹ có viện nghiên cứu robot; -Đầu năm 60 xuất sản phẩm mang tên versatran công ty AMF; -Ở anh bắt đầu nghiên cứu chế tạo IR theo quyền công ty AMF Mỹ từ năm 1967; -Các nước tây âu khác bắt đầu nghiên cứu từ năm 70; -Châu có Nhật nghiên cứu từ năm 1968 Đến có 200 công ty sản xuất IR, có 80 công ty Nhật,90 công ty nước tây âu,30 công ty Mỹ số nước khác 1.2 Ứng dụng robot công nghiệp sản xuất Từ đời, robot công nghiệp áp dụng nhiều lĩnh vực góc độ thay sức người Nhờ vậy, dây chuyền sản xuất tổ chức lại, suất hiệu sản xuất tăng lên rõ rệt SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Robot công nghiệp ứng dụng rộng rãi sản xuất, lĩnh vực chủ yếu là: - Công nghệ đúc - Gia công áp lực - Các trình hàn nhiệt luyện - Công nghệ gia công lắp ráp - Phun sơn, vận chuyển hàng hóa (Robocar) Ứng dụng robot công nghiệp Các xu ứng dụng robot tương lai : - Robot ngày thay nhiều lao động Robot ngày trở nên chuyên dụng Robot ngày đảm nhận nhiều loại công việc lắp ráp Robot di động ngày trở nên phổ biến Robot ngày tinh khôn hơn……… Ứng dụng y tế SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Ứng dụng quân 1.3 Bậc tự tối thiểu để hoàn thành nhiệm vụ Bậc tự cấu số khả chuyển động tay máy( chuyển động quay chuyển động tịnh tiến ) Tay máy gồm khâu lien kết với khớp động, khâu không gian có DOF (degree of freedom ) gồm chuyển động quay chuyển động tịnh tiến Do hai khâu nối với khớp động Do điều kiện liên kết bắt buộc thành phần khớp động nên làm hạn chế chuyển động tương đối chúng Đối với khớp quay , khớp trượt khớp động hạn chế chuyển động tương đối hai khâu nối động với Vì hai khâu nối động với khớp quay số bậc tự : (6-5)=1 Số bậc tự tay máy tính theo công thức : DF= 6( -1)-5 Trong : + DF : số bặc tự chuỗi động không gian + : số khâu có cấu + : số khớp động có cấu Đối với cấu có khâu nối động với khớp quay số bậc tự cấu số khớp động có cấu SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Cách xác định bậc tự tối thiểu : Nếu tay máy chứa khớp động với số bậc tự tối thiểu = (có nghĩa gồm khớp tịnh tiến khớp quay) số bậc tự số khớp động tay máy Để định vị định hướng khâu chấp hành cuối cánh tay tùy ý không gian chiều , robot cần có bậc tự ba bậc tự để định vị ba bậc tự để định hướng Ví dụ : Bậc tự tay máy có nghĩa tay máy co chuyển động độc lập hay nói cách khác cần động để dẫn động cho tay máy làm việc 1.4 Vùng làm việc tay máy - Vùng làm việc robot trường vận động khâu tác động cuối, không gian lien tục có hình dáng thể tích xác định - Phương phát số: gọi biến khớp, vị trí khâu chất hành biểu diễn dạng vectơ → - → →( hay P= Trong : + + [ ] : toạ độ vị trí hướng đối tượng cần thao tác góc quay của góc toạ độ trung gian xunng quanh trục x,y,z Vị trí khâu chấp hành cuối phụ thuộc vào biểu :P=f( 1.5 Bài toán động học tay máy 1.5.1 Bài toán động học thuận tay máy a Nội dung toán - Đầu vào : thông số liên quan đến khớp cho cấu quy luật yếu tố chuyển động thể tọa độ suy rộng p - Đầu : xác định hướng vị trí tay kẹp(dụng cụ phun sơn, mỏ hàn …….) Nói cách khác ta phải xác định quy luật điểm khâu tác SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp động cuối nói riêng khâu tay máy nói chung hệ tọa độ đề b Mục đích toán Xây dựng hàm f để xác định hướng vị trí không gian tay kẹp c Quy ước đặt trục hệ tọa độ khớp Trên tay máy đặt (n+1) hệ trục tọa độ, đó: -1 hệ trục tọa độ cố định làm gốc (hệ sở): O0x0y0z0 - N hệ trục tọa độ tương ứng với n khâu (khớp) động, gọi hệ tọa độ địa phương: Oixiyizi (i=1÷n) Trong đó: Onxnynzn hệ trục tọa độ đặt tâm P khâu chấp hành Hệ trục tọa độ O0x0y0z0: O0 thường đặt tâm khớp z0 trùng trục khớp động x0 : chọn tùy ý, miễn x0 vuông góc z0 y0 : chọn cho hệ tạo thành tam diện thuận Hệ trục tọa độ Oixiyizi: zi : chọn tương tự z0 : đường vuông góc chung nhỏ nối từ zi-1 đến zi Oi : giao xi zi yi : xác định theo quy tắc bàn tay phải Trường hợp đặc biệt: - Nếu trục zi-1 cắt zi hướng trục xi chọn tùy ý miễn vuông góc với zi-1 - Khi hai trục zi-1 zi song song với nhau, hai đường có vô số đường pháp tuyến chung, thường quy ước chọn xi nằm khâu nối hai khớp để tâm Oi trùng tâm khớp i+1 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Hệ trục tọa độ đặt khâu tác động cuối Onxnynzn : On: trùng tâm P yn : nằm mặt phẳng kẹp, vuông góc phương kẹp, chiều tùy ý zn ( xn ): hướng đến đối tượng Trục lại xn (hoặc zn ): vuông góc mặt phẳng kẹp, chiều đảm bảo hệ tạo thành tam diện thuận d Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H) Xét khớp thứ i: 10 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Xét hai tình xảy : - Nếu ( ( → - Nếu ( ( → Trên sở xây dựng bảng hệ số góc chuyển tiếp bảng sau: F( ) F( ) F( ) F( ) F( ) F( ) 4,5E-07 1,4E-06 -1,4E-06 -5E-08 -0,1752 0,2328 6,5E-04 0,2322 0.2629 -0,3124 9,9E-03 4,5E-03 -0,0145 0,06916 0,1239 -1.9E-03 -0,2298 0,2087 0,2091 -0,0157 -6,9E-03 0,00227 -0,2998 0,0558 4,5E-03 -0,0603 0,2406 -0,785 0 0,6857 -0,4551 7,8E-04 0,4543 -0,2430 -0,0087 -5.8E-03 -5,5E-03 0,0112 -0,3365 0,3367 -1,6E-03 -0,3351 0,5918 0 0 2,3546 -0,5230 1,5692 -1,1773 Bảng 3.2: Hệ số góc tính toán điểm chuyển tiếp đồ thị ( Xét ba điểm theo thứ tự là: ( ( đa thức bậc năm đầy đủ sau hai phân tố qua hai điểm , ( Trong u thời gian quy đổi từ t thời gian thực, cụ thể sau : ( phân tố qua hai điểm ( ( công thức đổi biến t ( nên u ( Với đọan lại : ( 34 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Xét mô hình chuyển tiếp trơn hai đoạn bậc năm nói trên, toàn bộmô hình gồm 12 ẩn số cần có lượng phương trình độc lập tương ứng: - Điều kiện qua (sử dụng liệu bảng 3.1): ( ( ( ( Điều kiện liên tục vận tốc điểm chuyển tiếp (điều kiện liên tục , liệu bảng 3.2): ( ( ( ( Điều kiện liên tục gia tốc điểm chuyển tiếp: ( ( ( ( Tập hợp tất phương trình từ (3.20) đến (3.31) cho phép xác định xác 12 ẩn giả định vẽ đặc tính chuyển vị, vận tốc, gia tốc trơn khoảng thời gian ( Do tính chất mô hình sử dụng biến thời gian quy đổi nên thay kích thước hệ 12.12 hệ có kích thước 6.6, nửa so với mô hình gốc 35 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp 3.1.2 Tính toán minh họa với biến khớp q3 Tính cho đoạn thứ nhất: Xét ba điểm theo thứ tự là: ( ( ( gọi hai đa thức bậc năm đầy đủ sau hai phân tố qua hai điểm ( ( Trong u thời gian quy đổi từ t thời gian thực, cụ thể sau: ( ( phân tố qua hai điểm ( công thức đổi biến : - Điều kiện qua : ( → ( → - Điều kiện vận tốc : ( vận tốc đầu ) ( → ( → - Điều kiện liên tục gia tốc điểm chuyển tiếp: ( → ( → Tập hợp tất phương trình từ điều kiện ta có : ( → ( → ( → ( → ( → ( → { 36 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Giải hệ phương trình ta : { Phương trình nội suy đoạn thứ là: Tính đoạn thứ hai - Điều kiện qua : ( → ( → - Điều kiện vận tốc : ( ( - Điều kiện gia tốc : ( ( → → → → Tập hợp tất phương trình từ điều kiện ta có : ( ( → → ( → → ( ( { ( → → Giải hệ phương trình ta : { 37 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Phương trình nội suy đoạn thứ hai là: Tiếp tục triển khai ta giải toán lại ta có đầy đủ phương trình nội suy đoạn sau : Đoạn Phương Trình time 0-4s 4-6s 6-8s 8-10s 10-16s 16-18s 18-20s 20-22s 22-26s Bảng phương trình nội suy đoạn biến khớp q3 Vẽ minh họa chuyển vi biến khớp q3 matlab : 38 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp 3.2 Mô robot KUKA KR30 L15/2 phần mềm easy_rob 2.0 3.2.1 Xây dựng hệ toạ độ Bật nút lệnh số menu ngang, sau chọn : ROBOTICS > ROBOTMOTION + KINEMATICS > KINEMATICS DATA Chọn Active Join -> Ok -> Activ Joint (1) RZ (khớp thứ khớp quay) -> Ok -> Nhập thông số DH khâu thứ Vào lại bước -> Number Active Joint(1) -> Ok -> ấn đúp chuộtvào vệt xanh đưa trỏ vào phần nhập liệu (text box) ấn (Bây số khớp động 2), nhập thông số DH cho khâu số Làm tương tự nhập thông số DH cho khâu lại Chú ý tất khớp khớp quay (Activ Joint (n) RZ) 39 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Kết hệ tọa độ gắn khâu hình sau: Ta kiểm tra số liệu nhập cách kích chuột vào menu : ROBOTICS -> ROBOTMOTION + KINEMATICS -> KINEMATICS DATA-> KINEMATIC INFOMATION để xem lại số khâu, khớp thông số DH Nếu vào liệu sai ta hiệu chỉnh lại 40 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp 3.2.2 Thiết kế hình dáng robot Thiết kế robot - Vào menu 3D-CAD > select group -> robot group-> ok (Để thiết kế robot) Thiết kế khâu thứ nhất: - Vào menu 3D-CAD -> create/import new 3D body-> cylinder ( chọn khối hình trụ) - Chọn vị trí đặt khâu [Type a quote from the document or the summary of an interesting point You can position the text box anywhere in the document 41 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp - Điều chỉnh kích thước khâu - Chọn khớp mà khâu nối vào : - Đặt tên cho khâu: Nếu chưa vừa ý sửa chữa kích thước khâu , thay đổi vị trí khâu , thay đổi mầu xóa Làm tương tự để thiết kế hình dáng khâu lại 42 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Kết hình dáng robot sau thiết kế : - Thiết kế dụng cụ làm việc : Vào menu 3DCAD -> select group -> tool group-> ok (Để thiết kế dụng cụ làm việc) - Tương tự ta thiết kế dụng cụ làm việc theo ý muốn 43 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Tiếp theo ta thiết kế đối tượng làm việc cho robot Vào 3D-CAD > select group > chọn Body group > ok Sau vào 3D-CAD > Create/import new 3D body > block > ok Nhập thông số cho trạm cấp phôi 44 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp Sau tạo trạm cấp phôi làm thao tác tương tự để có đối tượng khác Kết sau thiết kế xong đối tượng cho robot : 45 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp 3.2.3 Lập trình điều khiển robot Sau thiết kế xong robot công việc cuối lập trình điều khiển robot Chương trình điều khiển robot kuka kr 30 l15/2 PROGRAMFILE ! prgfln C:\Users\TNSP\Desktop\excel rob\EASY_ROB\proj\AA2.prg - robot\easy ERC LOAD TOOL AM_GRF_O PTP_AX -84.4998 430.4991 -166.4999 114.9996 -42.0000 -389.0006 - PTP_AX -84.4998 430.4991 -166.4999 114.9996 -42.0000 -389.0006 - PTP_AX -273.4996 -3.9998 119.9996 -49.0000 -359.5009 -438.4991 PTP_AX -273.4996 -3.9998 119.9996 -62.5000 -357.5008 -422.4992 PTP_AX -273.4996 -1.9998 119.9996 -64.5000 -361.5008 -418.9992 ERC LOAD TOOL AM_GRF_C ERC GRAB BODY 3D_CAD.3 PTP_AX -275.4996 -1.9998 119.9996 -46.0000 -356.0008 -434.9991 PTP_AX -106.4997 434.9991 -275.4996 119.9996 -46.0000 -355.0009 - PTP_AX -99.9997 413.9992 -275.4996 107.4996 -52.5000 -365.0010 - 46 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp PTP_AX -91.9997 413.9992 -275.4996 107.4996 -57.5000 -365.0010 - ERC LOAD TOOL AM_GRF_O ERC RELEASE BODY 3D_CAD.3 PTP_AX -91.9997 434.9991 -269.4997 107.4996 -33.0000 -365.0010 - PTP_AX -28.4997 434.9991 -269.4997 136.9995 -53.5000 -365.0010 - ENDPROGRAMFILE 47 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Ưu nhược điểm Đồ án hoàn thành yêu cầu thiết kế robot gắp vật di chuyển cánh tay theo yêu cầu mong muốn Song bên cạnh robot chúng em số hạn chế như: Độ xác hạn chế, tốc độ xử lí điều khiển chưa lập trình, tính toán hạn chế… Do hạn chế thời gian kiến thức nên đồ án em hạn chế thiếu sót Rất mong góp ý bạn sinh viên, thầy cô giáo để đồ án nhóm em hoàn thiện 4.2 Hướng phát triển đề tài: Từ ứng dụng điều khiển robot gắp vật, ta ứng dụng nhiều mặt hàn, bắt vít, khắc , trạm trổ… Cụ thể lập trình cho robot thông minh hơn, chi tiết khí động tính tóa cụ thể xác có khả làm nhiều công việc khác di chuyển linh hoạt Kỹ thuật điều khiển đo lường vô quan trọng nên tiếp tục phát triển để làm cánh tay robot có ứng dụng cao 48 SVTH : Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long ... trang bị kiến thức cao Đồ án mà chúng em giao Tính toán ,điều khiển thiết kế robot KUKA KR3 0 L15/2 ” Trong trình thiết kế đồ án với hướng dẫn tận tình thầy giáo Phạm Thành Long và thầy cô khác môn... Bài toán điều khiển Điều khiển robot dựa nguyên lý chung hệ điều khiển tự động , điều khiển robot điều khiển trình hoạt động tay máy ( cấu chấp hành ) Cấu trúc hệ điều khiển gồm phần : + khối điều. .. Nguyễn Văn Bản GVHD : Phạm Thành Long Đồ án robot công nghiệp CHƯƠNG TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT KUKA KR3 0 L15/2 2.1 Tính toán động học thuận robot 2.1.1 Đặt toán Biết giá trị biến khớp αi(i=1 6),