Khảo sát động học rô bốt tác hợp

bộ giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hµ néi - luận văn thạc sĩ khoa học ngành : học kỹ thuật KHảO SáT Động học robot tác hợp NGUYễN THị THANH VÂN23.04.38 Hà Nội 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP NGÀNH: CƠ HỌC KỸ THUẬT MÃ SỐ: NGUYỄN THỊ THANH VÂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHAN BÙI KHÔI HÀ NỘI 2008 -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM KẾT LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG .7 TỔNG QUAN VỀ ROBOT .7 1.1 Giới thiệu chung Robot .7 1.1.1 Sơ lược lịch sử đời Robot 1.1.2 Cấu trúc động học Robot 11 1.1.3 Bậc tự chuyển động Robot 13 1.1.4 Hệ thống dẫn động 14 1.1.5 Hệ thống điều khiển Robot .15 1.2 Phân loại Robot .16 1.3 Các ứng dụng đời sống Robot 18 1.4 Giới thiệu Robot tác hợp 23 1.4.1 Giới thiệu Robot tác hợp 23 1.4.2 Các cấu trúc Robot tác hợp MRM 24 1.5 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học robot 26 1.5.1 Bài toán động học, ma trận biến đổi tọa độ 26 1.5.2 Thiết lập hệ phương trình động học robot cấu trúc liên tục .27 CHƯƠNG .35 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 35 2.1 Cơ sở lý thuyết 35 2.1.1 Mơ hình hóa thao tác cơng nghệ tương hỗ dụng cụ đối tượng công nghệ 35 2.1.2 Xác định điều kiện công nghệ 38 2.2 Thiết lập phương trình động học robot tác hợp 38 2.2.1 Các hệ tọa độ 38 2.2.2 Thiết lập hệ phương trình động học robot MRM 44 2.3 Các toán động học robot tác hợp 47 2.3.1 Bài toán thuận động học robot MRM .48 2.3.2 Bài toán ngược động học robot MRM 51 CHƯƠNG .56 TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 56 3.1 Phần mềm MAPLE ứng dụng 56 3.1 Sơ lược Maple 56 3.1.2 Một số cú pháp lệnh .56 3.2 Áp dụng tính tốn 62 3.2.1 Mơ hình tính tốn .62 3.2.2 Các liệu, bảng thông số Denavit-Hartenberg 64 3.2.3 Các kết tính tốn .65 -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 3.3 Mô chuyển động MRM 68 3.3.1 Ngơn ngữ lập trình VisuaL C++ ứng dụng MFC .68 3.3.2 Thư viện đồ họa OpenGL 68 3.3.3 Công cụ Object ARX 69 3.3.4 Chương trình mơ 69 3.3.5 Thao tác với chương trình mơ .70 KẾT LUẬN .73 TÀI LIỆU THAM KHẢO .74 -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Khảo sát động học Robot tác hợp” kết nghiên cứu Các kết nghiên cứu tính tốn hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác trước Tất thông tin mà tham khảo để hoàn thành luận văn liệt kê chi tiết phần tài liệu tham khảo Học viên Nguyễn Thị Thanh Vân -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật LỜI NĨI ĐẦU Trên giới, nước cơng nghiệp phát triển, robot áp dụng ngày rộng rãi, phổ biến nhiều lĩnh vực đời sống sản xuất cơng nghiệp Robot có nhiều loại với tính khác tuỳ thuộc lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng Trong robot tác hợp gồm có hai tay máy tác hợp chuyển động với Một tay máy để giữ mang chi tiết gia công, tay máy để mang dụng cụ gia công Với robot có nhiều ưu điểm bật thao tác cơng nghệ, thích ứng nhanh kinh tế cần thay đổi q trình cơng nghệ ứng với sản phẩm gia công đa dạng Với chuyên nghành đào tạo Cơ học kỹ thuật, tác giả dần nắm bắt kiến thức sở nghiên cứu, khảo sát robot: Lựa chọn cấu trúc động học Robot, sở tính tốn động học lập trình mơ hoạt động… Ở Việt Nam, robot nói chung Robot tác hợp nói riêng nghiên cứu triển khai, ứng dụng đời sống chưa rộng rãi Với niềm say mê nghiên cứu tác giả chọn đề tài “Khảo sát động học Robot tác hợp” Trên sở cơng việc cần thực hiện, luận văn gồm ba chương sau: Chương I Tổng quan Robot Trình bày kiến thức chung robot, cấu trúc, khả hoạt động ứng dụng đặt biệt mơ hình Robot tác hợp, trình bày sở lý thuyết khảo sát động học Robot tác hợp Chương II : Khảo sát động học Robot tác hợp Trình bày sở khảo sát điều khiển robot tác hợp Tính phương trình động học khảo sát động học robot tác hợp Chương III : Tính tốn, mơ động học Robot tác hợp Trong chương trình bày chương trình lập trình phần mềm Maple đưa việc tính tốn, xây dựng chương trình mơ theo quỹ đạo cụ thể Xây dựng chương trình mơ cho Robot tác hợp -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật Trong thời gian nghiêm túc làm việc hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo TS Phan Bùi Khôi, tác giả đạt số kết đáng khích lệ Tuy nhiên lĩnh vực lớn, đề tài cần có thời gian để hồn thiện vào năm kế tiếp…Vì vậy, tác giả mong nhận bảo, giúp đỡ thầy ý kiến đóng góp bạn Một lần tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Cơ học ứng dụng thầy tạo điều kiện giúp tác giả hoàn thành luận văn Học viên Nguyễn Thị Thanh Vân -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật SUMMARIZATION “Study kinematic of integrated Robot” Chapter 1: General about Robot Describe infomations of robot, structure and ability in active, application Specially give the integrated robot model Present base theory to study a integrated robot Chapter 2: Study the integrated robot’s kinematic Describe base to study the integrated robot’s control Compute the kenematic equations and study the integrated robot’s kinematic Chapter 3: Compute and simulink the integrated robot In this chapter describe the program on the Maple software, giving caculation and building program to simulink with a real trajectory -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài “Khảo sát động học Robot tác hợp” Chương I: Tổng quan Robot Trình bày kiến thức chung robot, cấu trúc, khả hoạt động ứng dụng đặt biệt mơ hình Robot tác hợp, trình bày sở lý thuyết khảo sát động học Robot tác hợp Chương II : Khảo sát động học Robot tác hợp Trình bày sở khảo sát điều khiển robot tác hợp Tính phương trình động học khảo sát động học robot tác hợp Chương III : Tính tốn, mơ động học Robot tác hợp Trong chương trình bày chương trình lập trình phần mềm Maple đưa việc tính tốn, xây dựng chương trình mơ theo quỹ đạo cụ thể Xây dựng chương trình mô cho Robot tác hợp -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Giới thiệu chung Robot 1.1.1 Sơ lược lịch sử đời Robot Robot: • Là thiết bị khí giống người thực nhiều nhiệm vụ phức tạp người lệnh chương trình điều khiển • Là máy thiết bị hoạt động tự động điều khiển từ xa • Có thể ví giống người làm việc cách học ý thức Tức trả lời cách tự động lệnh điều khiển Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa cơng việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots Karel Capek vào năm 1921 Trong kịch này, Rossum trai ông ta chế tạo máy gần giống với người để phục vụ người Có lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật cấu, máy móc bắt chước hoạt động bắp người Và đến trải qua q trình cải tiến hồn thiện nhanh chóng Bắt đầu cấu tay máy chép hình khí, thuỷ lực điện từ điều khiển từ xa phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Hoa Kỳ tay máy Minotaur I tay máy Handyman Dưới ta điểm qua số thời điểm lịch sử phát triển Robot 1938 Harolh Roselund Willard người Mỹ thiết kế cấu phun sơn lập trình cho công ty De Vibiss 1942 Isaac Asimov xuất “Runaround” ơng đưa ngun tắc Robot -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 60 print(v); [ 1, 4, 9, v4 ] [> v[2]; • Kiểu bảng (table) > table([22,42]); table([1 = 22, = 42]) d) Lập trình maple • Vịng lặp for Cấu trúc cú pháp: for name from start by change to finish statement sequence end do; • Lệnh điều kiện if Cấu trúc cú pháp: if condition then startement sequence startement sequence else end if; • Tạo hàm chu trình proc()…end Ví dụ xây dựng hàm tính giá trị lớn ba số thông qua việc sử dụng lệnh điều kiện if…then…else… [>max3:= proc(a,b,c) print(‘gia tri lon nhat so la’) if a < b then if b < c then c else b fi ; elif a < c then c else a fi ; end; Sử dụng chương trình gọi lệnh -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 61 [> max3(1,10,5) ; Gia tri lon nhat so la : 10 e) Thao tác với file fopen( name, mode, type): Mở file fclose(files) : Đóng file fprintf: Ghi liệu từ file fscale: Đọc liệu từ file feadline: Đọc dòng liệu từ file feaddata: Đọc dịng liệu từ file định sẵn Ví dụ mở file để lưu kết tính toán dạng ma trận N hàng M cột WriteFile_in:=proc(A,file_in) local N,M,i,j,fd; N:=rowdim(A); M:=coldim(A); fd := fopen(file_in, WRITE); for i from by to N for j from by to M fprintf(fd, "%.7g ",A[i,j]); end do; fprintf(fd,"\n"); end do; fclose(fd); end: -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 62 3.2 Áp dụng tính tốn Trong luận văn dẫn ví dụ tính tốn chuyển động robot tác hợp MRM thực thao tác công nghệ 3.2.1 Mơ hình tính tốn Mơ hình tính tốn robot tác hợp bậc tự có cấu trúc hình 2.2 hình 3.1 Tay máy dụng cụ có bậc tự gồm chuyển động quay tương đối chuyển động tịnh tiến Tay máy chi tiết bàn máy bậc tự quay quanh trục vng góc -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 63 Bằng khả thực chuyển động không gian, đầu dụng cụ robot (có thể mũi khoan, mỏ hàn,…) di chuyển đến vị trí tùy ý vùng làm việc Bằng chuyển động quay quanh hai trục vng góc với nhau, bàn máy chi tiết tạo hướng tùy ý cho đầu dụng cụ tác dụng lên đối tượng Robot MRM có tính tương tự máy CNC trục Sau ta chọn ví dụ minh họa tính tốn quy luật chuyển động cho khâu MRM để thực mối hàn nối ống trụ lên bề mặt nghiêng chi tiết -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 64 3.2.2 Các liệu, bảng thông số Denavit-Hartenberg Với cánh tay robot MRM, ta cho thông số động học thể bảng D-H: Bảng 3.1 Bảng thông số D-H tay máy dụng cụ Khớp θ d a α q11 D11 a11 q12 D12 a12 d13 0 Các biến khớp q11, q12, d13 Các tham số động học biết: D11 = 820 mm, D12=40 mm, a11=330 mm, a12=330 mm; Bảng 3.2 Bảng thông số D-H tay máy chi tiết Khớp θ d a α q11 D11 a11 q12 D12 a12 Các biến khớp q21, q22 Các khâu bàn máy quay quanh hai trục vng góc với nhau, giao điểm cố định Chuyển động nhận chi tiết gia công chuyển động quay quanh điểm cố định Vị trí điểm cố định xác định hệ tọa độ sở: x20 = 450 mm, y20 =0 mm, z20= 300 mm Các thông số xác định quỹ đạo thao tác robot: Mặt nghiêng góc α = 450 so với mặt phẳng đáy chi tiết Chi tiết ống trụ cần hàn có bán kính r = 70mm, trục vng góc với mặt nghiêng Giao tuyến mặt trụ với mặt nghiêng đường trịn có tâm xác định hệ tọa độ chi tiết giá trị sau: -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 65 -xd = 190mm yd = −50mm zd = 190mm Giả sử trình hàn, trục mỏ hàn cần phải nghiêng với trục ống trụ góc θ = 300 3.2.3 Các kết tính tốn Sử dụng chương trình lập cách ứng dụng phần mềm Maple, ta tính quy luật di chuyển khâu MRM ứng với điểm đường cong hàn, đường trịn, xác định góc ϕ điểm đường trịn Các hình 3.3 a,b,c,d,e mơ tả vị trí khâu 11,12,13,21,22 tay máy -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 66 -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 67 -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 68 3.3 Mô chuyển động MRM Mô động học MRM cho phép quan sát q trình thao tác cơng nghệ MRM, khẳng định kết tính tốn tốn động học Các cơng cụ xây dựng tốn mơ gồm có: • Ngơn ngữ lập trình Visual C++ ứng dụng MFC • Thư viện đồ hoạ OpenGL • Phần mềm thiết kế AutoCAD SolidWorks • Gói cơng cụ Object ARX & phần mềm tính tốn Maple 3.3.1 Ngơn ngữ lập trình VisuaL C++ ứng dụng MFC Visual C++ ngơn ngữ lập trình dựa tảng C++ lập trình hướng đối tượng Visual C++ đời khoảng năm 90 ngày sử dụng rộng rãi Nó ngơn ngữ lập trình thuộc dịng Visual Studio hãng Microsoft Việc tạo giao diện phức tạp trình bày đẹp Visual C++ đơn giản, mạnh ngơn ngữ lập trình việc trợ giúp đắc lực cho người lập trình xây dựng đề án chương trình lớn kỹ thuật lập trình hệ thống MFC lớp tảng Microsoft (Microsoft Foundation Classes), công cụ mạnh lập trình ứng dụng cho hầu hết lĩnh vực có giao diện đáp ứng nhu cầu người sử dụng 3.3.2 Thư viện đồ họa OpenGL OpenGL định nghĩa "giao diện phần mềm cho phần cứng đồ họa", thiết kế hãng Silicon Graphics Thực chất, OpenGL thư viện hàm đồ họa, xem tiêu chuẩn thiết kế công nghiệp cho đồ họa ba chiều Cùngvới việc phát hành phiên NT 3.5, OpenGL trở thành phần hệ điều hành Windows Hiện với hỗ trợ OpenGL Windows 95 & Windows 98 giá ngày hạ tăng tốc đồ hoạ, triển -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 69 vọng sử dụng OpenGL máy tính ngày trở nên phổ biến Với giao diện lập trình mạnh mẽ, OpenGL cho phép tạo ứng dụng 3D phức tạp với độ tinh vi, xác cao, mà người thiết kế khơng phải quan tâm đến cơng thức tốn học mã nguồn phức tạp Và OpenGL tiêu chuẩn công nghiệp, ứng dụng tạo từ dùng phần cứng hệ điều hành khác 3.3.3 Công cụ Object ARX Object Arx (AutoCad runtime Extension) mơi trường lập trình phát triển cho ứng dụng AutoCad với ngơn ngữ lập trình C++ Mơi trường lập trình Object Arx bao gồm số thư viện liên kết động (Dlls) chạy không gian địa AutoCad hoạt động trực tiếp với cấu trúc liệu AutoCad mã lệnh Các thư viện liên kết động có thuận lợi kiến trúc mở AutoCad, cho phép truy cập trực tiếp đến cở sở liệu AutoCad, hệ thống đồ hoạ, chế hình học AutoCad đến lớp mở rộng khả thời gian chạy chương trình Thêm vào sử dụng Dlls để tạo lệnh hoạt động theo cách hoàn toàn giống lệnh ban đầu AutoCad Nội dung phần đề cập chi tiết phần tính tốn nên khơng trình bày 3.3.4 Chương trình mơ Các bước xây dựng chương trình mơ gồm có: Tạo project MFC Khởi tạo OpenGL Thiết kế mơ hình vật thể phần mềm thiết kế khí SolidWorks Từ vẽ SolidWorks lưu đối tượng với file định dạng *.stl Xây dựng module đọc liệu từ tệp số liệu mô để xây dựng lại mơ hình vật thể chương trình mơ -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 70 Số hoá quỹ đạo cần thao tác công nghệ khâu thao tác robot vẽ AutoCAD, sử dụng gói cơng cụ Object ARX, với module lập trình SPline.arx Lập trình tính toán Maple, lấy số liệu số hoá để tạo file liệu cho mô Xây dựng module đọc số liệu vị trí để cung cấp quỹ đạo chuyển động cho mơ hình mơ Trên hình 3.4 giao diện chương trình mơ chuyển động robot MRM 3.3.5 Thao tác với chương trình mơ Khởi tạo chương trình từ thư mục lưu chương trình Ta có giao diện hình 3.4 Từ góc bên trái cửa sổ giao diện ta nhận thấy có nút chức Một cho ta lựa chọn cấu hình robot cần mơ Nút thứ hai cho phép lựa chọn liệu thao tác công nghệ Như chương trình mơ xây dựng cho phép lựa chọn, thay đổi việc mô hoạt động lớp MRM có cấu hình khác Các mơ hình MRM khác thiết kế 3D, lưu thành file định dạng *.stl chứa thư mục tùy ý Để lựa chọn cấu trúc MRM để mô ta nhấn vào nút: “Dữ liệu cấu trúc robot” hình xuất cửa sổ cho phép đường dẫn tới thư mục chứa liệu cấu trúc robot MRM (Hình 3.5) -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 71 Để mô q trình thao tác cơng nghệ MRM ta nhấn vào nút: “Dữ liệu mô robot” hình xuất cửa sổ cho phép đường dẫn tới thư mục chứa liệu tương ứng với q trình thao tác cơng nghệ MRM Chọn xong liệu cấu trúc robot liệu thao tác công nghệ, cần nhấn nút “Run” chương trình mơ cho thấy q trình hoạt động MRM -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 72 -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 73 KẾT LUẬN Trong luận văn đề tài “Khảo sát động học Robot tác hợp” tiến hành khảo sát vấn đề khái quát robot nói chung, cấu trúc động học khả hoạt động robot Khả ứng dụng rộng rãi robot cho thấy việc nghiên cứu robot vấn đề thời Từ khái qt robot nói chung, tác giả trình bày việc khảo sát cấu trúc động học robot tác hợp, mơ hình robot có nhiều tính ứng dụng cơng nghệ khí … Bên cạnh tác giả đưa phương pháp khảo sát toán động học Robot cho phép ứng dụng phần mềm tin học để lập trình tính tốn, tính tốn cho quỹ đạo cụ thể đưa kết biểu diễn đồ thị Xây dựng phần mềm mô hoạt động Robot Kết mô khẳng định độ tin cậy tính xác chương trình tính tốn khẳng định thuật tốn tính tốn động học Robot tác hợp Nếu có điều kiện nghiên cứu tiếp, đề tài cịn phát triển với nội dung sau: Xây dựng phần mềm tính tốn chun nghiệp hơn, để áp dụng tính tốn động học cho robot tác hợp sử dụng hỗ trợ cho công tác giảng dạy Nghiên cứu, triển khai, chế tạo robot tác hợp gia cơng khí với bề mặt phức tạp với độ xác cao Xây dựng chương trình điều khiển kết nối với phần mềm mô -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Khang (2005), “Cơ sở học kỹ thuật” (Tập 1,2) Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội [2] Nguyễn Thiện Phúc (2006), “Robot Công nghiệp” NXB Khoa học kỹ thuật [3] Phạm Duy Điển, Đinh Thế Lực, Tạ Duy Phương (1998) “Hướng dẫn thực hành tính tốn chương trình Maple V” Nhà xuất Giáo dục [4] Website: http://cuasotinhoc.vn [5] Website: http://picvietnam.com/forum [6] Nguyễn Văn Dao, “Stability of Dynamic Systems” Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội -Nguyễn Thị Thanh Vân - Luận văn Thạc sỹ Cơ học kỹ thuật ... thuyết khảo sát động học Robot tác hợp Chương II : Khảo sát động học Robot tác hợp Trình bày sở khảo sát điều khiển robot tác hợp Tính phương trình động học khảo sát động học robot tác hợp Chương... hoạt động ứng dụng đặt biệt mơ hình Robot tác hợp, trình bày sở lý thuyết khảo sát động học Robot tác hợp Chương II : Khảo sát động học Robot tác hợp Trình bày sở khảo sát điều khiển robot tác hợp. .. (2.17) gọi hệ phương trình động học robot tác hợp MRM Hệ phương trình cho phép ta thực việc khảo sát toán động học MRM 2.3 Các toán động học robot tác hợp Việc khảo sát toán thuận robot cho phép