Nghiên cứu động học và động lực học điều khiển robot ứng dụng trên robot ku ka 6 2

Bộ giáo dục đào tạo Ngô mạnh hiến Luận văn Tr-ờng đại học bách khoa hà nội - Ngô mạnh hiến Ngành khí Nghiên cứu động học động lực học điều khiển rô bốt, ứng dụng rôbốt kuka kr 6/2 Luận văn thạc sĩ ngành khí Khoá 2004 Hà nội - 2004 Bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội - Ngô mạnh hiến Nghiên cứu động học động lực học điều khiển rô bốt, ứng dụng rôbốt kuka kr 6/2 Chuyên Ngành: Máy Dụng cụ công nghiệp Luận văn thạc sĩ - khí Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Toàn Hà nội, 2004 Mục lơc MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT KHÁI NIỆM VỀ RÔ BỐT PHÂN LOẠI RÔ BỐT 2.1 Phân loại theo số bậc tự trường công tác 2.2 Phân loại theo cấu trúc động học 2.2.1 Rô bốt nối tiếp (Serial manipulators) 2.2.2 Rô bốt song song (Parallel manipulators) 2.2.3 Rô bốt di chuyển (Mobile Robot) 2.2.4 Rơ bốt dạng hình người (Humanoid Robot) Trang 3 2.4 Phân loại theo phương pháp điều khiển 2.5 Phân loại theo đặc điểm hoạt động SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA RƠ BỐT 5 6 9 10 10 10 10 11 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC RƠ BỐT CƠ SỞ LÍ THUYẾT ĐỘNG HỌC VẬT RẮN 1.1 Khả chuyển động vật không gian 1.2 Biểu diễn hướng (Description of an Orientation) 1.3 Biểu diễn vị trí (Description of a Location) PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỒNG NHẤT 2.1 Biểu diễn điểm 2.2 Biểu diễn mặt phẳng 2.3 Ma trận biến đổi đồng 2.4 Các phép biến đổi đồng 2.4.1 Phép tịnh tiến (Translation) 2.4.2 Phép quay (Rotation) 2.4.3 Phép quay quanh trục 2.4.4 Ma trận quay Euler 2.4.5 Biểu diễn hệ toạ độ 13 13 13 14 16 16 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2.3 Phân loại theo hệ thống truyền động 2.3.1 Hệ truyền động gián tiếp 2.3.2 Hệ truyền động trực tiếp Môc lôc Phương trình động học rơ bốt 3.1 Xác định quan hệ khâu 3.2 Hệ phương trình động học rơ bốt - toán thuận 4.MA TRẬN JACOBIAN MIỀN LÀM VIỆC CỦA TAY MÁY 24 25 29 34 38 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC RƠ BỐT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT RẮN 1.1 Khối tâm 1.2 Ma trận quán tính ĐỘNG NĂNG CỦA TAY MÁY PHƯƠNG TRÌNH LARGANGE LOẠI 3.1 Toạ độ suy rộng 3.2 Động 3.3 Thế U 3.4 Các lực suy rộng hay lực tổng quát 3.5 Phương trình động lực học tổng quát 41 43 43 43 45 46 47 48 50 50 51 CHƯƠNG 4: QUỸ ĐẠO TRONG CHUYỂN ĐỘNG CỦA RƠ BỐT 1.CÁC KHÁI NIỆM VỀ BÀI TỐN QUỸ ĐẠO CÁC DẠNG QUỸ ĐẠO THƯỜNG DÙNG 2.1.Quỹ đạo tuyến tính với cung hai đầu Parabol 2.2 Quỹ đạo có hai cung hai đầu Parabol 2.3 Quỹ đạo CS (Path with Cubis Segment) 54 54 57 57 59 60 CHƯƠNG 5: GIẢI BÀI TỐN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CHO RƠ BỐT NỐI TIẾP BẬC TỰ DO - KUKA KR6/2 TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC RƠ BỐT KUKA KR 6/2 1.1 Phương trình động học thuận 1.2 Phương trình động học ngược 1.2.1 Phương trình động học ngược - Vị trí 1.2 Phương trình động học ngược - Hướng 1.3 Tính tốn động học vận tốc - ma trận Jacobian TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC RÔ BỐT KUKA KR 6/2 2.1 Xem xét tốn với cấu có hai bậc tự 2.2 Tính tốn động lực học rô bốt Kuka KR 6/2 61 61 62 67 68 71 73 82 83 86 Môc lôc ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SOLIDWORKS VÀ DYNAMIC DESIGNER MOTIONS FOR SOLIDWORKS MƠ PHỎNG TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC CHO RÔ BỐT KUKA KR6/2 3.1 Giới thiệu phần mềm 3.2 Hướng dẫn thực mô 89 89 89 CHƯƠNG 6: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN RƠ BỐT KUKA KR6/2 MỘT SỐ BÀI TỐN TRONG ỨNG DỤNG THỰC 93 TẾ HƯỚNG DẪN KHỞI ĐỘNG RÔ BỐT HƯỚNG DẪN LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT KUKA 2.1 Hệ toạ độ rô bốt Kuka 2.2 Các dạng lập trình điều khiển rơ bốt Kuka 2.2.1 Lập trình dạy điểm 2.2.2 Lập trình theo phần mềm MỘT SỐ BÀI TOÁN TRONG ỨNG DỤNG THỰC TẾ 3.1 Lập trình điều khiển Rô bốt theo biên dạng mặt phẳng 3.2 Lập trình điều khiển Rơ bốt theo cạnh hình hộp 3.3 Lập trình điều khiển Rơ bốt định h−ớng vị trí để lấy dấu cầu giàn không gian Kết luận Tài liệu tham khảo 95 96 96 98 98 100 105 105 107 109 111 112 Lời nói đầu Lời nói đầu Ngày nay, rô bốt đà đ-ợc áp dụng phát triển rộng rÃi hầu hết lĩnh vực nh-: hàng không, vũ trụ, công nghiệp, giao thông vận tải, rô bốt siêu nhỏ chạy thể ng-ời làm nhiệm vụ khám chữa bệnh, đặc biệt rô bốt có hình dáng ng-ời nh- Asimo Honda vv Do đó, rô bốt đ-ợc nhiều n-ớc quan tâm phát triển nhằm tạo ứng dụng phục vụ cho sống Rô bốt đ-ợc coi sản phẩm điện tử tích hợp số ngành quan trọng: khí, điện tử công nghệ thông tin Chính mà phát triển rô bốt gắn liền với phát triển ngành Rô bốt công nghiệp có cấu trúc động học nối tiếp đà đ-ợc nghiên cứu phát triển mạnh song tính toán ứng dụng luôn lĩnh vực phong phú, đa dạng loại rô bốt thông dụng Trong luận văn tập trung nghiên cứu loại rô bốt từ lý thuyết vấn đề ®éng häc, ®éng lùc häc vv… sau ®ã ®Õn vÊn đề áp dụng rô bốt cụ thể Kuka KR 6/2 Nội dung luận văn bao gồm: Ch-ơng 1: Giới thiệu tổng quan rô bốt, Ch-ơng 2: Cơ sở lý thuyết tính toán động học rô bốt: đ-a lý thuyết để nghiên cứu vấn đề động học rô bốt, Ch-ơng 3: Giới thiệu vấn đề động lực học rô bốt nhằm mục đích phục vụ cho việc nghiên cứu điều khiển rô bốt theo quy luật chuyển động cho tr-ớc, Ch-ơng 4: Vấn đề thiết kế quỹ đạo chuyển ®éng cđa r« bèt nh»m cho viƯc ®iỊu khiĨn ®Ĩ đạt đ-ợc yêu cầu kỹ thuật đặt ra, Ch-ơng 5: áp dụng tính toán động học, động lực học cho loại rô bốt nối tiếp bậc tự - Kuka KR 6/2 từ có đ-ợc thông số thiết kế bản, Ch-ơng 6: Điều khiển rô bốt Kuka KR 6/2 số toán ứng dụng thực tế Kết luận chung h-ớng phát triển đề tài Lời nói đầu Trong suốt trình học tập nghiên cứu, đà hoàn thành luận văn d-ới h-ớng dẫn tận tình thầy h-ớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Toàn Nhân dịp xin chân thành cảm ơn tới Ths D-ơng Minh Tuấn toàn thể thầy, cô Bộ môn Máy Ma sát học bạn đồng nghiệp nh- thầy cô giáo Khoa Cơ khí ng-ời đà giúp đỡ đóng góp ý kiến quý báu để hoàn thành luận văn Do trình độ thời gian hạn chế, nên luận văn không tránh khỏi sai xót, mong nhận đ-ợc đóng góp thầy cô bạn đồng nghiệp Hà nội, 2004 Ngô Mạnh Hiến Tổng quan rô bốt Ch-ơng Ch-ơng Tổng quan rô bốt khái niệm rô bốt Ngày sản xuất, việc nâng cao suất chất l-ợng sản phẩm quan trọng, giải pháp cho vấn đề ứng dụng rộng rÃi ph-ơng tiện tự động hoá trình sản xuất Trên giới nói chung n-ớc phát triển nói riêng đà xuất xu h-ớng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao xu h-ớng đà đạt đ-ợc nhiều kết khả quan Chính nhu cầu ứng dụng Rô bốt để tạo hệ thống sản xuất tự động linh hoạt ngày trở lên cấp thiết Năm 1921, nhờ trình diễn nghệ sĩ Tiệp khắc với rối Robota có tên gọi lực sĩ (Force man) đà giúp cho nhà kỹ thuật có ý t-ởng sáng chế cấu máy móc bắt ch-ớc thao tác lao động bắp ng-ời Chính từ đó, vào năm 1961 Mỹ cho thị tr-ờng loại máy tự động vạn mới, đ-ợc gọi ng-ời máy công nghiệp có tên UNIMAT Từ công nghệ chế tạo rô bốt bắt đầu phát triển mạnh, chúng đ-ợc ứng dụng hầu hết lĩnh vực sống Định nghĩa rô bốt theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: Rô bốt thiết bị có nhiều trục, thực chuyển động tự động ch-ơng trình hoá nối ghép chuyển động chúng khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến động trình Chúng đ-ợc điều khiển hợp nối ghép với nhau, có khả học nhớ ch-ơng trình; chúng đ-ợc trang bị dụng cụ ph-ơng tiện công nghệ khác để thực nhiệm vụ sản xuất trực tiếp gián tiếp Các mẫu hình Rô bốt phải đảm bảo: Tổng quan rô bốt Ch-ơng + Thủ pháp cầm nắm, chuyển đổi tối -u + Khả làm việc khôn khéo + Kết cấu theo quy tắc Mô-đun hoá Phân loại rô bốt 2.1 Phân loại theo số bậc tự tr-ờng công tác Rô bốt có hai hình thức chuyển động làm chuẩn: Chuyển động thẳng theo trục x, y, z không gian Đề-các với khớp lăng trụ hay gọi khớp tr-ợt ký hiệu P Chuyển động quay quanh trục x,y,z ký hiệu R Tuỳ thuộc số bậc tự cách tổ hợp P R, Rô bốt hoạt động tr-ờng công tác với hình khối khác Ví dụ: Rô bốt có tr-ờng làm việc hình trụ: RRP, RPP, Rô bốt cần phải thao tác ngày khéo léo, tinh vi tr-ờng công tác Sè bËc tù cđa R« bèt cã thĨ kh«ng hạn chế Tuy nhiên số bậc tự tăng lên kéo theo nhiều vấn đề kỹ thuật kinh tế phải giải Do việc chọn số bậc tự ph-ơng án tổ hợp để thiết lập không gian làm việc (tr-ờng công tác) Rô bốt phải đảm bảo tính hợp lý tính tối -u tính kỹ thuật xác định Rô bốt 2.2 Phân loại theo cấu trúc động học Một ph-ơng pháp phân loại khác cho Rô bốt phân loại theo cấu trúc hình học chúng Một Rô bốt đ-ợc gọi Rô bốt hay Rô bốt chuỗi hở cấu trúc động học chúng có dạng chuỗi động hở, gọi Rô bốt song song (Paralell Robots) cấu trúc động học chúng chuỗi đóng, gọi Rô bốt hỗn hợp bao gồm hai loại chuỗi hở chuỗi đóng Tổng quan rô bốt Ch-ơng 2.2.1 Rô bốt nối tiếp (Serial manipulators) Đây dạng phổ biến rô bốt công nghiệp, dạng chuỗi hở chuỗi hở có vòng kín Th-ờng có dạng cấu trúc giống cánh tay ng-ời, chuỗi khâu rắn liên kết với khớp (joints) có dạng nh- vai, khuỷu cổ tay Rô bốt có -u ®iĨm chÝnh lµ vïng lµm viƯc (workspace) réng vµ linh động D-ới ta đ-a phận chÝnh cđa mét r« bèt c«ng nghiƯp: - CÊu tróc khí gồm khâu, khớp, - Cơ cấu chấp hành (actuators) tác động khớp làm tay máy chuyển động, - Cảm biến (sensors) dùng để đo l-ờng trạng thái tay máy (cảm biến trong) trạng thái môi tr-ờng (cảm biến ngoài) cần, - Một hệ thống điều khiển (có máy tính) để điều khiển giám sát chuyển động tay máy Nh-ợc điểm: Đặc điểm cố hữu độ cứng vững thấp ®Ĩ t¹o mét cÊu tróc ®éng häc, Sai sè đ-ợc tích luỹ đ-ợc khuếch đại từ khâu sang khâu khác, Do phải mang chuyển động dẫn động (th-ờng động cơ) có khối l-ợng lớn nên tốc độ làm việc thấp, Do mà rô bốt mang đ-ợc tải thấp không cao (th-ờng khoảng vài chục kg) Rô bốt loại yêu cầu phải có bậc tù kh«ng gian (øng víi bËc tù vật thể) để tiếp cận đ-ợc đối t-ợng vị trí với khả định h-ớng miền làm việc Chính chủ yếu Rô bốt có khớp Tuy nhiên, ứng dụng Rô bốt công nghiệp lắp ráp vận chuyển phôi sản phẩm trình sản xuất Các công việc mang đối t-ợng đặt vào vị trí cung cấp phôi liệu Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-ơng Nhận xét: Việc vạch quy luật chuyển động thay đổi chuyển động khâu có ý nghĩa cho việc điều khiển rô bốt nh-ng phụ thuộc vào tính chất công việc mà rô bốt thực Đối với công việc quan tâm tới điểm đầu điểm cuối quÃng đ-ờng không quan trọng, rô bốt hàn sơn quỹ đạo hoạt động theo đ-ờng cho tr-ớc Các kết tính toán hình học, động học rô bốt, để điều khiển rô bốt theo quỹ đạo ta phải tính toán động lực học rô bốt Chẳng hạn nh- việc điều khiển động cung cấp lực để rô bốt theo quỹ đạo trên, với lực sinh động biết tr-ớc yêu cầu ta phải tìm quỹ đạo chuyển động rô bốt Các kết đóng vai trò thông số đầu vào toán động lực học, điều khiển tính toán ổn định hệ thống 81 Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-ơng Tính toán động lực học rô bốt kuka kr 6/2 Để tính toán động lực học cho rô bốt, ta phải lập hệ ph-ơng trình vi phân chuyển động, sau tiến hành giải ph-ơng trình vi phân để tìm thông số cần thiết Có nhiều ph-ơng pháp để lập hệ ph-ơng trình vi phân chuyển động nh- ph-ơng pháp Newton-Euler, ph-ơng pháp Lagrange D-ới xin trình bày theo ph-ơng pháp Lagrange Ph-ơng trình Lagrange loại Từ ph-ơng trình động lực học tổng quát Mq + V + G = Q Trong ®ã: n M =  (J Tvi mi J vi + J Ti I i J i ) : i =1 Ii = 0Ri.iIi.( 0Ri)T : Ma trận quán tính khâu thứ i biểu diễn hệ toạ độ sở (cố định) J Ji =  vi  : Ma trËn Jacobian J i  V = [V1 , V2 , , V6 ]T :  Mij Mjk  Vi =  −  q j qk qi  j =1 k =1  q k n n G = [G1 , G2 , , G6 ]T : Lùc ¶nh h-ëng cña gia tèc träng tr-êng n Gi = − mjgT J ivj j =1 Q = Q1 ,Q2 , ,Q n  : C¸c lùc suy réng T Qi =  i + J T Fei − fri 82 Gi¶i toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 2.1 Ch-ơng Xem xét toán với cấu có hai bậc tự do: Các hệ trục toạ độ đ-ợc đặt vào cấu nh- hình vẽ bên: Sau lập hệ ph-ơng trình vi phân chuyển động Lagrange cho cấu Các ma trận chun ®ỉi DH nh- sau: c1 − s1 s c1 A1 =   0   0 a1c1  a1s1  Hình 5.7: Cơ cấu cã hai bËc tù c s A2 =     − s c 0 a2 c  a2 s    Trọng tâm khâu biểu diễn hệ toạ độ khâu nh- sau: a1 / 2 rc1 =     − a2 / 2 rc =  Đặt góc hai toạ độ suy rộng độc lập tuyến tính Ta tính ma trận quán tính khâu, ma trận Jacobian, lực tác động trọng tr-ờng, Ma trận quán tính khâu: Ma trận quán tính khâu thứ i biểu diễn hệ toạ độ khâu thứ i là: 0  i Ii = mi ai2 0 0 12 0 1 víi i = 1; 83 Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-ơng Các ma trận quán tính biểu diễn hệ toạ độ sở là: s 21 − s1c1 0   I1 = m1a12 − s1c1 c 21 0 12  0 1   s 212 − s12c12 0   I2 = m2 a22 − s12c12 c 212 0 12  0 Ma trận Jacobian Véc tơ vị trí trọng tâm khâu biểu diễn hệ toạ độ sở là: a c 1 2    * pc1 =  a1s1  ; 2      1  a c  12 2    1 * pc =  a2 s12  ; 2        a c  + a c  1 12     * pc =  a1s1 + a2 s12        Ma trËn Jacobian Jvi vµ Ji lµ:  − a1c1  Jv1 =  a1s1     0  0 ;  0  1   − a s  − a s  − a2 s12  1 12  2   1 Jv2 =  a1c1 + a2 c12 a2 c12  ; 2   0     Ma trận quán tính khâu: 84 J 0  = 0 0 1 0 J 0 = 0 1 Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-ơng M = J vT1m1 Jv1 + JT1 I1 J1 + JvT2 m2 Jv2 + JT2 I2 J = 1  1 2 m a + m ( a + a a c  + a ) m ( a a c  + a2 ) 1 1 2 2 2 3 3 =  1 2 m2 ( a1a2 c2 + a2 ) m2 a2     3 VÐc tơ liên kết vận tốc: 2 M M jk     j k = −m2 a1a2 s 12 + 22  V1 =   j − 1   j =1 k =1   k  2  M M jk     j k = −m2 a1a2 s 212 V2 =   j −   j =1 k =1   k VÐc t¬ träng tr-êng: 1 G1 = m1 gc a1c1 + m2 gc a1c1 + m2 gc a2 c12 2 G2 = m2 gc a2 c12 Thay giá trị ta thành lập đ-ợc ph-ơng trình vi phân chuyển động nhsau:   1  1  Q1 =  m1 + m2 a12 + m2 a1a2 c2 + m2 a22 1 +  m2 a1a2 c2 + m2 a22 2 3  2         − m2 a1a2 s2 12 + 22  + gc  m1 + m2 a1c1 + m2 a2 c12       1 1 1  Q2 =  m2 a1a2c2 + m2 a22 1 + m2 a222 + m2 a1a2 s212 + m2 gc a2c12 3 2 2  NÕu bá qua lực ma sát không tính đến lực tác động từ bên Q1 = Q2 = Nh- sau lập đ-ợc hệ ph-ơng trình vi phân chuyển động Q Q2 ta hoàn toàn tính đ-ợc lực tác động lên khâu, khớp mà đà biết 85 Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-ơng đ-ợc vận tốc gia tốc khớp (Bài toán ng-ợc) Hoặc cho lực tác động lên khâu, khớp ta tìm đ-ợc gia tốc, vận tốc, quỹ đạo chuyển động khâu, khớp (Bài toán thuận) 2.2 Tính toán động lực học cho rô bốt Kuka KR6/2 Rô bốt Kuka rô bốt nối tiếp bậc tự đ-ợc dùng phổ biến công nghiệp Việc tính động lực học cho loại rô bốt thực tế phức tạp kết cấu, cấu trúc khí khâu có hình dáng phức tạp mà trình tính động lực học ta phải biết đ-ợc ma trận quán tính khâu biểu diễn hệ sở, khối l-ợng véc tơ vị trí trọng tâm khâu, Hiện phát triển ngành công nghệ máy tính, ch-ơng trình phần mềm tính toán ma trận quán tính dựa ph-ơng pháp phần tử hữu hạn mô hình vật thể chiều đà phát triển mạnh nh- Mechanical Desktops, SolidWork, ProEngineer, Invester, ta dùng phần mềm để xác định thông số đầu vào cho việc tính toán động lực học rô bốt Các thông số gồm: khối l-ợng khâu (mi), véc tơ vị trí trọng tâm biểu diễn hệ toạ độ khâu (ipci), ma trận quán tính biểu diễn hệ toạ độ khâu (iIi) Trong luận văn việc thiết lập hệ ph-ơng trình vi phân chuyển động tính toán đ-ợc lập trình phần mềm Matlab với thông số đầu vào thông số ®éng häc DH, c¸c ma trËn qu¸n tÝnh cđa tõng khâu đ-ợc biểu diễn hệ toạ độ khâu (iIi), véc tơ vị trí trọng tâm khâu (ipci), khối l-ợng khâu (mi) D-ới hình minh hoạ cho việc lấy liệu khâu thứ phục vụ cho việc tính toán cho ch-ơng tình tính toán động lực học phần mềm SolidWork… KÕt qu¶: Mass properties of truc21 ( Part Configuration - Default ) Density = 0.0079 grams per cubic millimeter Mass = 162966.8716 grams Volume = 20760111.0364 cubic millimeters Surface area = 910796.8727 square millimeters Center of mass: ( millimeters ) 86 Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-¬ng X = 0.0000 Y = 254.0250 Z = 130.0610 Principal axes of inertia and principal moments of inertia: ( grams * square millimeters ) Taken at the center of mass Ix = (0.0000, 0.9997, -0.0261) Px = 1388026050.9953 Iy = (-1.0000, 0.0000, 0.0000) Py = 8320059298.1880 Iz = (0.0000, 0.0261, 0.9997) Pz = 8745290981.1279 Moments of inertia: ( grams * square millimeters ) Taken at the center of mass and aligned with the output coordinate system Lxx = 8320059298.1878 Lxy = -1131.1251 Lxz = -34.5520 Lyx = -1131.1251 Lyy = 1393046746.5243 Lyz = -192128550.0787 Lzx = -34.5520 Lzy = -192128550.0787 Lzz = 8740270285.5991 Moments of inertia: ( grams * square millimeters ) Taken at the output coordinate system Ixx = 21592825793.6495 Ixy = -949.9356 Ixz = 58.2172 Iyx = -949.9356 Iyy = 4149771971.6214 Iyz = 5192092492.7627 Izx = 58.2172 Izy = 5192092492.7627 Izz = 19256311555.9637 87 Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-ơng Sơ đồ thuật toán việc lập trình thiết lập giải hệ ph-ơng trình vi phân chuyển động rô bốt đ-ợc trình bày Hình 5.9 Ch-ơng trình đ-ợc trình bày phần phụ lục Begin N¹p iIi, ipci, ai, li, mi, di, TÝnh ma trËn qu¸n tÝnh Ii TÝnh ma trËn Jacobian Ji TÝnh ma trËn qu¸n tÝnh M K, U, G, V Mq + V + G = Q End Hình 5.9: Sơ đồ khối thiết lập giải hệ PT vi phân 88 Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-ơng ứng dụng phần mềm Solidworks Dynamic Designer Motions For SolidWorks mô tính toán động häc cho r« bèt KuKa KR6/2 3.1 Giíi thiƯu vỊ phần mềm SolidWorks phần mềm đ-ợc xây dựng dành riêng cho đồ hoạ 3D Đây phần mềm chuyên cho thiết kế 3D ngành khí, đ-ợc đánh giá phần mềm 3D hay phổ biến Việt Nam Việc xây dựng mô hình 3D SolidWork t-ơng tự nh- AutoCAD 3D nh-ng lệnh đơn giản hơn, nhanh hơn, giao diện đẹp Kích th-ớc đ-ợc kiểm tra chỉnh sửa trực tiếp từ mô hình 3D Đồng thời dung l-ợng File tiết kiệm Điều có ý nghĩa vẽ chi tiết phức tạp Cho tới đà có nhiều phiên Solid Works với tính ngày đ-ợc cải tiến nâng cấp đáng kể Dynamic Designer Motions For SolidWorks phần mềm nhúng hỗ trợ cho mô động học chạy môi tr-ờng Solid Works để mô hoạt động mô hình đà đ-ợc xây dựng 3.2 H-ớng dẫn thực mô Sau chi tiết đ-ợc vẽ lắp ráp SolidWorks, khởi động ch-ơng trình Dynamic Designer Motions For SolidWorks cách vào mục Add-ins Tools cđa SolidWorks, sau ®ã chän Dynamic Designer Motions For SolidWorks KÝch chuét vµo menu “Motion” vµ chän “Intellimotion Builder để xác định chế độ chọn thông số liên kết nh- dạng chuyển 89 Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-ơng động Menu Units xác định đon vị lực, thời gian Menu Gravity cho phép xác định hệ toạ độ cố định Menu Part cho phép ta xác định khâu cố định chuyển động Robot (Ground Parts Moving Parts) Menu Joints cho phép ta gán thông số chuyển động khớp nối rô bốt để thực chuyển động Để thực việc giới hạn chuyển động Robot, ta ấn chuột phải vào khớp nối chọn Properties đ-ợc bảng thể hình Theo bảng này, ta chọn kiểu chuyển động cho khớp nối Robot Ta nhập số liêu đà tính toán sẵn từ Matlab cách chọn Load from File bảng 90 Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-ơng Menu Springs cho phép ta đặt thêm liên kết lò xo vào cấu (nếu có) Menu Motion cho phép ta kiểm tra lại thông số khớp Menu Simulation cho phép ta chạy thử kiểm tra kết cách nhấn chuột vào Simulate Hình 8.4 Ch-ơng trình mô cụ thể đ-ợc thực máy tính 91 Giải toán ĐH, ĐLH rô bốt Kuka KR 6/2 Ch-ơng Kết luận ch-ơng: Trong ch-ơng đà minh hoạ cho lý thuyết đ-ợc giới thiệu ch-ơng tr-ớc kết thiết lập giải hệ ph-ơng trình động học ®éng lùc häc r« bèt Ku ka bËc tù Từ sở cho nghiên cứu điều khiển rô bốt theo quỹ đạo nh- mong muốn ch-ơng III IV Từ ta nhận đ-ợc thông số cho việc mô hình hoá rô bốt tiến tới thiết kế cấu trúc khí rô bốt Nếu kết qủa nhận đ-ợc từ toán hợp lý đạt đ-ợc yêu cầu kỹ thuật b-ớc dựa thông số ta lập mô hình tìm thuật toán điều khiển rô bốt cách dễ dàng Trong phạm vi luận văn chủ yếu giải vấn đề mô hình hoá rô bốt việc ứng dụng mô máy tính, nên không sâu vào chọn thông số tối -u cho thiết kế khí, ch-ơng trình thiết lập đ-ợc có khả giải dễ dàng vấn đề này, có tính tổng quát cao Song thực tế, phụ thuộc vào nhiều yếu tố hơn, nh-ng chủ yếu yếu cầu kỹ thuật, tính rô bốt tính kinh tế hiệu 92 Kết luận Kết luận Thông qua nghiên cứu lý thuyết để mô hình hoá rô bốt công nghiệp, đề tài đà đạt đ-ợc số kết sau: Tổng hợp lý thuyết cho toán mô hình hoá rô bốt công nghiệp sở nghiên cứu vấn đề động học động lực học, từ áp dụng tính toán động học cho rô bốt Kuka bậc tự do, loại rô bốt điển hình phổ biến công nghiệp, nhằm nêu bật tính khoa học thực tiễn lý thuyết đà đ-a thông qua kết đ-ợc tính toán ch-ơng trình Matlab Kết thông số phục vụ cho công việc chọn th«ng sè tèi -u rÊt quan träng cho viƯc thiÕt, kế chế tạo Đồng thời, cho thấy tính hiệu ph-ơng pháp ứng dụng máy tính hỗ trợ thiết kế chế tạo sản phẩm, vấn đề phát triển giới Các kết thu đ-ợc phù hợp với lý thuyết, Ch-ơng trình đà kiểm nghiệm thông số đầu vào toán thuận đầu toán ng-ợc đà t-ơng đối trùng nhau, nhiên kết có sai số ph-ơng pháp phải sử dụng ph-ơng pháp số để giải Ch-ơng trình lập đ-ợc thuật toán có tính tổng quát cao ứng dụng tính toán mô cho loại rô bốt dạng nối tiếp bậc tự công nghiệp Kết mô phần mềm Dynamics Design Motion for Solidworks đà chứng minh tính đắn vấn đề lý thuyết nêu Khả ứng dụng h-ớng phát triển đề tài: Với kết đạt đ-ợc đề tài, ta ứng dụng khảo sát cho loại rô bốt nh- đà nêu nhằm mục đích hỗ trợ cho công việc thiết kế chế tạo tốt Từ nhà thiết kế, chế tạo tham khảo để có đ-ợc kết ban đầu phục vụ cho việc đề xuất ý t-ởng thiết kế sản xuất rô bốt công nghiệp theo mục tiêu nhu cầu thực tế đặt Với kết qủa b-ớc đầu, sở tốt cho việc thiết lập phần mềm tính toán cho thông số việc thiết kế cấu trúc khí phục vụ cho đào tạo sản xuất rô bốt Công việc nhằm tối -u hoá thiết kế cấu trúc khí dựa phần mềm phần tử hữu hạn nh-: Ansys, Catia, Nastran, Mechanical Desktops, Adam, Đó mục đích công việc thiết kế sở mô mô hình rô bốt máy tính máy tính 113 Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] K.S Fu “Robotics: control, sensing, vision an itelligence”, Graw Hill, 1987 [2] Lung – wen Tsai “Robot analysis: the Mechanics of Serial and Parallel Manipulators”, John wiley & Sons, Inc 1999 [3] Ing Joanchim Lckel “Proceeding of third conference on Mechatronics and robotics”, Stuttgart, 1995 [4] Richard M Murray, Ixeiang Li, S Shankar Sastry “A Mathematical introduction of robotic manipulators”, CRS Press, Inc 1994 [5] Herman Bruyninckx and Joris De Shutter “Introduction of intelligent robotics”, 7th edition, Belgium 2001 [6] Sabana “Dynamics of multi body”, John wiley & Sons, Inc 1999 [7] Terrence J Akai “Applied Numerical Methods for Engineering”, Singapore, 1994 [8] Mark W Abbott “Master of Science in Mechanical Engineering” , Blacksburg, 2002 [9] Guy BESSONNET “Optimisation dynamique des mouvements point µ point de robots manipulateurs” , 1992 [10] Tạ Duy Liêm Máy điều khiển theo ch-ơng trình số rô bốt công nghiệp, Tập 1,2, Hà nội 1992 [11] Đinh Gia T-ờng, Phan Văn Đồng, Tạ khánh Lâm Nguyên lý máy, tập 2, Hà nội 2001 [12] Nguyễn Thiện Phúc Ng-ời máy công nghiệp sản xuất tự động linh hoạt, Hà nội, 1999 [13] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Khắc Kiểm, Nguyễn Trung Dũng, Hà Trần Đức Lập trình Matlab, Hà Nội, 2003 [14] Nguyễn Hoài Sơn, Đỗ Thanh Việt , Bùi Xuân Lâm 114 Tài liệu tham khảo ứng dụng Matlab tính toán kĩ thuật , tập 1, 2002 [15] Lê Đức Độ, Đàm Hải Nam Đồ án tốt nghiệp , Hà nội, 2004 [16] D-ơng Minh Tuấn Luận Văn Thạc sĩ , Hà nội, 2002 [17] Stephen J Chapman “Matlab Programming for Engineers” , Hµ néi, 2002 Mét sè c¸c trang Web: [1] http://www Kuka-roboter.de [2] http://www Motion.com [3] http://www Ewizlab.com/robotics.html [4] http://www cross-automotion.com 115 ... BỐT KUKA KR 6/ 2 2. 1 Xem xét toán với cấu có hai bậc tự 2. 2 Tính tốn động lực học rơ bốt Kuka KR 6/ 2 61 61 62 67 68 71 73 82 83 86 Môc lôc ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SOLIDWORKS VÀ DYNAMIC... TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CHO RÔ BỐT NỐI TIẾP BẬC TỰ DO - KUKA KR6 /2 TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC RÔ BỐT KUKA KR 6/ 2 1.1 Phương trình động học thuận 1 .2 Phương trình động học. .. s234c5 + s1s5 Ox = s234s5 az = −c234 px = c1 (a1 + a2c2 + a3c23 − d5s234 ) py = s1 (a1 + a 2c2 + a3c23 − d5s234 ) (2. 32) pz = d1 − a 2s2 a3s23 d5c234 ) Hệ 2. 32 hệ ph-ơng trình động học Vì rô bốt