Xây dựng mô hình và mô phỏng robot song song sử dụng ngôn ngữ matlab luận văn ths cơ học 60 44 21

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ TRẦN THẮNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG ROBOT SONG SONG SỬ DỤNG NGƠN NGỮ MATLAB NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐINH VĂN PHONG LUẬN VĂN ThS CƠ HỌC HÀ NỘI 2007 Xây dựng mô hình mơ Robot song song sử dụng ngơn ngữ MATLAB Mở đầu 1.1 1.2 1.3 Đặt vấn đề Mục đích luận văn Nội dung luận văn Tổng quan 2.1 Cở sở Robot 2.1.1 Hệ thống Robot 2.1.2 Các vấn đề liên quan với hệ thống Robot 2.1.3 Phân loại Robot 2.2 Robot song song Robot song song SPS 3.1 3.2 Mơ hình Robot song song SPS Vấn đề hình học, động học củ 3.2.1 3.2.2 Hình học Động học 3.3 Cơng cụ MATLAB/SIMULIN Kết đạt 4.1 4.2 Thư viện hàm giải v Mơ hình, mơ hệ thống 4.2.1 Kết tính tốn động học ngược 4.2.2 Kết tính tốn động học thuận 4.2.3 Các kết khác Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục 7.1 7.2 Phụ lục A Phụ lục B II Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter A watermark is added at the end of each output PDF file To remove the watermark, you need to purchase the software from http://www.anypdftools.com/buy/buy-pdf-splitter.html Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề Các cấu có cấu trúc động học song song nhiều nhà khoa học giới ý tập trung nghiên cứu từ năm 60 kể từ Stewart sử dụng cấu trúc song song bậc tự để mô buồng tập lái máy bay Cơ cấu có nhiều ưu điểm vượt trội so với cấu chuỗi truyền thống là: khả tải lớn yêu cầu kích thước, kết cấu lại nhỏ gọn cấu chuỗi; tốc độ đáp ứng nhanh với độ tin cậy cao; độ xác lớn nhiều so với cấu chuỗi (vì khơng có sai số cộng tích luỹ hai khâu liên tiếp Robot chuỗi, khơng u cầu có thiết bị dẫn hướng cân cồng kềnh tải trọng làm việc lớn); kết cấu thường đối xứng có nhiều chi tiết giống (các khớp trượt, khớp cầu, khớp đăng, ) thuận tiện cho chế tạo theo hướng mô đun hoá; thiết bị dây nối điều khiển đơn giản, gọn nhẹ Tuy vậy, nay, việc đưa loại cấu trúc vào ứng dụng có hiệu thực tế cịn gặp nhiều khó khăn số nhược điểm sau: có nhiều điểm kỳ dị khó xác định chúng xác (điểm kỳ dị làm độ cứng kết cấu dẫn tới khơng thể điều khiển làm hạn chế không gian làm việc cấu), tốn điều khiển chúng phức tạp địi hỏi tốc độ xử lý lớn, ảnh hưởng từ trình phát sinh nhiệt lúc Robot hoạt động tới hệ thống cần phải quan tâm Mặc dù cịn hạn chế mặt khơng gian làm việc bé, cấu có cấu trúc động học song song có tiềm ứng dụng lớn cơng việc địi hỏi tính linh hoạt, độ xác, độ ổn định là: quân (bệ đỡ súng tàu thuỷ, xe tăng, xe qn sự, ); gia cơng khí (máy gia công cắt gọn kim loại điều khiển số: máy phay, máy tiện, ); công nghệ mô thiết bị tập lái (buồng tập lái máy bay, buồng tập lái xe tăng, ); y tế (các thiết bị hỗ trợ q trình phẫu thuật) Robot cơng nghiệp khác Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB Trong tương lai, với phát triển khoa học công nghệ, đặc biệt khoa học máy tính, cơng nghệ thơng tin, điều khiển, tự động hố, hứa hẹn giải bước nhược điểm loại cấu trúc 1.2 Mục đích luận án Để sâu nghiên cứu Robot tương lai, mục đích tác giả luận án tự xây dựng củng cố sở lý thuyết hệ thống Robot tích hợp nói chung, sâu vào vấn đề hình học học Robot song song, làm tiền đề cho nghiên cứu chuyên sâu sau với nguyện vọng ứng dụng Robot song song vào thực tế có hiệu Từ sở xây dựng, tác giả phát triển thư viện hàm giải vấn đề Robot song song bậc tự dạng SPS (sẽ giải thích rõ phần 3.1), viết ngơn ngữ MATLAB®: viết phương trình động học giải toán động học ngược, động học thuận, tìm kiếm khơng gian làm việc Robot (theo hạn chế giới hạn khớp, va chạm khâu Robot, điểm kỳ dị), viết hàm tiện ích khác Các hàm thư viện hỗ trợ việc mơ hình hố hệ thống Robot song song bậc tự dạng SPS mơ mơi trường MATLAB có sử dụng thêm SIMULINK tuỳ theo mục đích riêng Cuối luận án chọn mơ hình hệ thống Robot có thật, lấy thơng số kỹ thuật hệ thống sử dụng hàm thư viện xây dựng, tiến hành mơ hình MATLAB/SIMULINK, mô phỏng, lấy hiển thị kết 1.3 Nội dung luận án Luận án bao gồm phần sau: Phần mở đầu: giới thiệu vấn đề mà luận án quan tâm, mục đích luận án nội dung luận án thực Xây dựng mô hình mơ Robot song song sử dụng ngơn ngữ MATLAB Phần tổng quan: tổng hợp, giới thiệu lại hệ thống Robot nói chung, vấn đề liên quan tới hệ thống Robot phân loại Robot, sở phục vụ cho luận án Cuối phần đề cập tới loại Robot song song kiểu SPS hay gọi Hexapod SPS, Robot luận án sâu nghiên cứu Phần sở lý thuyết: tập trung sâu vào cơng cụ tốn học, học liên quan tới Robot phần mềm MATLAB/SIMULINK, phương thức sử dụng chúng để giải vấn đề mà luận án đưa Xây dựng mơ hình đối tượng Robot phần mềm MATLAB, xây dựng viết hàm giải vấn đề động học, hình học, hàm tiện ích khác đối tượng Robot phần mềm MATLAB (các m file) Phần kết đạt được: nêu kết đạt luận án Sử dụng kết để tiến hành mô hệ thống Robot cụ thể đưa kết cụ thể Mơ hình Robot thật mà tác giả chọn để mô hệ thống Robot PR6-01, chi tiết sau Phần kết luận: tổng kết lại nội dung thực luận án theo mục đích đề ra, trình bày dự kiến nghiên cứu tương lai Phần phụ lục: đưa Phương trình ràng buộc chân Robot số chương trình MATLAB giải vấn đề động học ngược, động học thuận tìm biên khơng gian làm việc Robot cụ thể Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB Tổng quan 2.1 Cở sở Robot Thuật ngữ Robot có từ năm 1923, đến có nhiều định nghĩa giải thích cho thuật ngữ Tác giả xin trích dẫn định nghĩa Robot Robotics Institute of America - "A Robot is a re-programmable multi-function manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devices, through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks." - tạm dịch là: "Một Robot tay máy đa chức lập trình lại, thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết khí, cơng cụ thiết bị đặc biệt theo chuyển động lập trình để thực nhiều cơng việc khác nhau" Ngày quan điểm, cách nhìn Robot xã hội loài người thay đổi nhiều thân thiện đời sống, thông minh ứng dụng trợ giúp thay người Robot, Khơng có để bàn cãi khẳng định Robot ngày tương lai tiếp tục phát triển độ thông minh khả ứng dụng đa nhiệm vụ a) Robot công nghiệp b) Robot thiết bị tập lái c) Robot dạng người Hình 2.1 Một số ứng dụng Robot Hình 2.1 minh hoạ số loại Robot ứng dụng nhiều lĩnh vực khác thực tế Hình 2.1 a) loại Robot tay máy sử dụng cơng nghiệp, Hình 2.1 b) Robot có cấu trúc song song ứng dụng việc mô Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB thiết bị tập lái, Hình 2.1 c) Robot ASIMO dạng người sử dụng giải trí 2.1.1 Hệ thống Robot Robot cấu trúc máy sáng tạo để phục vụ lợi ích người Máy bao gồm khâu (thường vật rắn không biến dạng, nhiên cơng việc địi hỏi tải trọng lớn tốc độ đáp ứng cao, ảnh hưởng biến dạng vật liệu cần phải đưa vào xem xét) nối ghép với khớp tạo thành chuỗi động học hay gọi cấu Mỗi cấu có nhiệm vụ biến đổi chuyển động, truyền tải lực mômen từ khâu ban đầu (khâu đầu vào - thường cố định) đến khâu cuối (khâu đầu ra) để thực theo nhiệm vụ xác định Robot - máy tích hợp nối ghép cấu (gọi thiết bị biến đổi chuyển động) với thiết bị điều khiển (máy tính, vi điều khiển, thiết bị điều phối chuyển động chuyên dụng ), thiết bị biến đổi lượng, thiết bị ghép nối (cáp truyền thông tin, cáp điện), thiết bị khuyếch đại công suất, thiết bị chấp hành (xilanh, chân trượt vítme, ), thiết bị cảm biến (đầu đo lực, đầu đo vị trí, camera, ) thiết bị khác để biến đổi lượng ngồi thành cơng có ích đạt mục đích sử dụng người Tuỳ theo mục đích ứng dụng cụ thể mà hệ thống đơn giản vô phức tạp sơ đồ nối ghép lẫn thành phần, nhiên mặt bản, hệ thống Robot thường có cấu trúc minh hoạ Hình 2.2 Từ sơ đồ Hình 2.2, thấy hệ thống Robot điển hình gồm có phần chính: 1) Máy tính với phần mềm 2) Bộ điều khiển 3) Mơ hình khí Robot Máy tính lưu trữ trạng thái khâu cuối Robot theo thời gian (xe , ye , ze ,ϕe ,θe ,ψ e ), tính tốn trạng thái biến khớp chủ động truyền kết xuống điều khiển (θ1 ,θ2 ,θ3 , ) Dựa liệu mà máy tính gửi xuống, điều Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB khiển điều khiển cấu chấp hành cho Robot thực cơng việc mong muốn Máy tính Thiết bị theo dõi (bằng Lazer hình ảnh) Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống Robot điển hình Nhận xét từ sơ đồ trên, đọc giả nhận thấy điều, khoa học Robot khoa học liên ngành, bao gồm kết hợp nhiều ngành khoa học công nghệ khác như: Cơ học, Điều khiển, Thơng tin, Điện tử, Chính xuất nhiều vấn đề liên quan tới hệ thống Robot cần giải 2.1.2 Các vấn đề liên quan với hệ thống Robot Để đọc giả có nhìn khái qt vấn đề cần giải với hệ thống Robot, tác giả muốn nhắc lại ngắn gọn vấn đề quan trọng sau: a) Cấu trúc Cấu trúc vấn đề liên quan tới việc xây dựng sơ đồ ghép nối khâu Robot Mơ hình khí Robot phận hệ thống Robot bao gồm: Các khâu (thường vật rắn) liên kết với khớp (còn gọi cặp động học) thiết kế để khâu tác dụng cuối thực cơng việc mong đợi Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB Để làm Robot di chuyển, cần phải làm số khớp Robot chuyển động nhờ cấu chấp hành (động cơ) - khớp gọi khớp chủ động giới hạn hành trình cho phép chúng Các khớp khớp chủ động gọi khớp thụ động Một số loại khớp hay sử dụng Robot là: khớp trượt (P - Prismatic), khớp quay (R - Revolution), khớp cầu (S - Spherical), khớp đăng (U - Universal), … a) Khớp trượt (P) b) Khớp lề (R) c) Khớp cầu (S) d) Khớp đăng (U) Hình 2.3 Các loại khớp hay dùng Robot Trên Hình 2.3 mơ tả số loại khớp hay sử dụng Robot Hình 2.3 a) loại khớp trượt có bậc tự chuyển động tương đối, Hình 2.3 b) loại khớp có bậc tự do, chuyển động tương đối chuyển động quay quanh trục khớp Hai loại khớp thường sử dụng Robot dạng chuỗi Hình 2.3 c) loại khớp cầu có ba bậc tự ứng với ba Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngơn ngữ MATLAB Phương trình (3.40) 1 = C l1 − R 2 C l1 = R2 + cϕ sθ − s − RB = C l1 − = R3 C + d1.sϕ = R1 C = R2 − d1.cϕ C = R3 + d1.cθ − R3 = C −c = R 1 −R C8= R2 R13 + c C = −s β +c R13 R 2 β +s cϕ R 13 P 13 R +c RP.sθ 13 R 10 +c = C β −s β 13 R +c 2 RP.c β +s RP.cϕ +c R13 R 83 Xây dựng mơ hình mô Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB Phương trình (3.41) l 11 C − =R 12 C l1 = R2 + cϕ sθ + s − RB = 13 = C − R3 14 = C R 15 = C R 16 C = R3 + d2.cθ 17 = R C = R C18 C R13 19 =1 +s β R13 + c 2P β −s R 2P β 13 R +c 13 R C20 = +s β 13 R +c 2 β −s RP.cϕ β R13 + c 2P 84 Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngơn ngữ MATLAB Phương trình (3.42) l 21 =R C − C 22 =R + l 23 C − = R3 2+ C 24=R5 + C 25=R5 − 26 =R C + 2+ 27 C C = R1 − c 28 ( 5)2 + (R6 = R −R 13 R C = 29 π s π −c 13 R π π R β + s 13 RP.cϕ −c + + 85 Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngơn ngữ MATLAB Phương trình (3.43) l 31 =R C − 32 C l = R2 + cϕ sθ + s RB = C 33 =R − 34 C 35 C 36 + d4.s = R1 − d4.c = R2 C + d4.c = R3 α 37 = C +c R 38 C R = − R1 13 R C39 = π +s − R π 13 −c − β π − −s RP.cϕ 22 π β 13 R −c 13 − R 40 C = π +s π 13 R −c β π −s − RP.cϕ 22 π β 13 R − −c 86 − Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngơn ngữ MATLAB Phương trình (3.44) l5 41=R9 C − 42 C l1 + = R2 43 C − =R 44 C 45 + d5.sϕ = R1 C − d5.cϕ = R2 46 C + d5.cθ = R3 47 = R C +c 48 10 C = R1 13 R 49 = C π −s − π R13 − c π β − +s RP 22 π 13 R −c 13 50 R = C π −s − π R13 − c π β +s − R 2P π 13 −c R 3 87 − Xây dựng mơ hình mô Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB Phương trình (3.45) 51 C 11 l1 − = R1 52 C 11 l + = R2 l C 53 = R11 − 54 11 C + d6.sϕ = R1 C 55 =R 11 −d 56 C 11 + d6.cθ = R3 π α 11 57 = R C −c −R C58 = R12 11 R 59 13 −c = C π −s π 13 −c R + π +s β + π 13 −c R R 2P + R 60 13 −c = C π −s π + R13 − c π β +s + π 13 −c R RP 88 + Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter A watermark is added at the end of each output PDF file To remove the watermark, you need to purchase the software from http://www.anypdftools.com/buy/buy-pdf-splitter.html Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Merger! To remove this page, please register your program! Go to Purchase Now>> AnyBizSoft PDF Merger ƒ Merge multiple PDF files into one ƒ ƒ Select page range of PDF to merge Select specific page(s) to merge Extract page(s) from different PDF files and merge into one  ... cần đưa vào xem xét 24 Xây dựng mơ hình mô Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB a) Robot song song gia cơng khí b) Robot song song y học c) Robot song song thiên văn d) Robot song song hàng... 32 Xây dựng mơ hình mô Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB A = − RP c 3P A4P = − RP c X X1 C5 A 3B A A 2B 1B Hình 3.3 Hệ toạ độ vật Robot 33 Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngôn. .. loại Robot tay máy sử dụng cơng nghiệp, Hình 2.1 b) Robot có cấu trúc song song ứng dụng việc mơ Xây dựng mơ hình mơ Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB thiết bị tập lái, Hình 2.1 c) Robot