Khảo sát động học robot song song bằng phương pháp đổi biến số

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGUYỄN ĐÌNH THANH KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật khí THÁI NGUYÊN – 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGUYỄN ĐÌNH THANH ĐỀ TÀI KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật khí NGƢỜI HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN TS Phạm Thành Long Nguyễn Đình Thanh PHỊNG QLĐT SAU ĐẠI HỌC XÁC NHẬN KHOA CƠ KHÍ PGS.TS Nguyễn Văn Dự THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái1Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ Ngành: Kỹ thuật khí Học viên: Nguyễn Đình Thanh Lớp: CHK14- CTM Hƣớng dẫn khoa học: TS Phạm Thành Long THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái2Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Nguyễn Đình Thanh Nơi cơng tác: Trƣờng Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì Tên đề tài: Khảo sát động học robot song song phƣơng pháp đổi biến số Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 60 52 01 03 Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi Các số liệu, kết có luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, ngày tháng 04 năm 2014 Học viên Nguyễn Đình Thanh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái3Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đề tài, tác giả nhận đƣợc quan tâm lớn nhà trƣờng, khoa khí, thầy cô giáo trƣờng Đại Học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên bạn lớp Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, thầy cô giáo tham gia giảng dạy tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Phạm Thành Long tập thể cán giảng viên Bộ môn Cơ điện tử cho dẫn quý báu để hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp thầy giáo thuộc khoa Cơ điện đồng nghiệp Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Việt Trì tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả tháo gỡ khó khăn thời gian làm luận văn Mặc dù cố gắng song kiến thức kinh nghiệm cịn hạn chế nên chắn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong muốn nhận đƣợc dẫn từ thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hồn thiện có ý nghĩa thực tiễn Xin chân thành cảm ơn! Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái4Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC Mục Nội dung Trang Trang phụ bìa luận văn Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ đồ thị GIỚI THIỆU 11 CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 13 1.1 Vị trí vai trị tốn động học robot 13 1.2 Các phƣơng pháp xây dựng liệu động học 14 1.2.1 Xử lý ảnh 14 1.2.2 Bài toán ngƣợc 14 1.2.3 Kỹ thuật dạy – học 16 1.2.4 Liên kết CAD/ CAM 17 1.3 Bài toán động học ngƣợc Robot phƣơng pháp điển hình 18 1.3.1 Giải hệ phƣơng trình phƣơng pháp giải tích 18 1.3.2 Giải hệ phƣơng trình phƣơng pháp số 18 1.3.3 Các phƣơng pháp khác giải toán động học ngƣợc 18 1.3.3.1 Phƣơng pháp “các nhóm 3” 18 1.3.3.2 Phƣơng pháp dịch chuyển vi phân 19 1.3.3.3 Phƣơng pháp Raghavan Roth 19 1.3.3.4 Phƣơng pháp loại trừ thẩm tách Sylvester 23 1.3.3.5 Phƣơng pháp Pieper 23 1.3.3.6 Phƣơng pháp Lee and Liang 25 1.3.3.7 Phƣơng pháp Tsai Morgan 26 1.3.3.8 Phƣơng pháp chuyển đổi ngƣợc 26 1.3.3.9 Phƣơng pháp Newton Raphason 28 1.3.3.10 Phƣơng pháp giải toán tối ƣu 29 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái5Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.4 Các hƣớng nghiên cứu tƣơng cận với đề tài 30 1.5 Hƣớng nghiên cứu đề tài 30 Kết luận chƣơng 31 Chƣơng 2: KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG 32 PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ 2.1 Xây dựng vòng khép kín véc tơ cấu trúc khác 32 2.2 Các dạng phƣơng trình liên kết khác với cấu trúc song song 32 2.2.1 Phƣơng trình liên kết dẫn động kiểu R (rotation) 33 2.2.2 Phƣơng trình liên kết dẫn động kiểu p (prismatic) 33 2.3 Phƣơng pháp giảm Gradient tổng quát (GRG) trình solver 34 2.3.1 Giới thiệu thuật toán GRG 35 2.3.2 Giới thiệu trình tối ƣu solver 38 2.4 Ứng dụng phƣơng pháp tối ƣu vào toán động học robot song song 42 2.4.1 Giới thiệu robot mơ hình động học 43 2.4.2 Bài tốn động học ngƣợc với phƣơng pháp GRG 44 2.4.3 Bài toán động học thuận với phƣơng pháp GRG 44 2.5 Công thức đổi biến số cấu trúc thay tƣơng đƣơng 46 2.5.1 Trƣờng hợp robot song song dẫn động khớp tịnh tiến, khớp chủ 47 động không nối giá 2.5.2 Trƣờng hợp robot song song dẫn động khớp tịnh tiến, khớp chủ 58 động nối giá 2.6 Xác lập quan hệ điểm cho không gian khác 60 Kết luận chƣơng 62 CHƢƠNG – XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM KIỂM TRA KẾT QUẢ 64 BÀI TOÁN 3.1 Những điểm nghi ngờ kết toán 64 3.2 Kiểm tra kết toán đồ họa 65 3.2.1 Sơ đồ robot thí nghiệm 65 3.2.2 Kiểm tra xác cơng thức đổi biến 66 3.2.3 Kiểm tra tính khép kín liệu 69 3.3 Kiểm tra thực nghiệm mô hình robot 71 Kết luận chƣơng 73 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái6Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Kết luận luận văn 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 79 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái7Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ BẢNG DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT KÍ HIỆU 6R 3R3P Robor có khớp quay khớp tịnh tiến 3RRR Robor có bậc tự tồn khớp quay 4R2P Robor có khớp quay khớp tịnh tiến 5R1- P Robor có bậc tự quay với bậc tự tịnh tiến 6R- P Robor có bậc tự quay với bậc tự tịnh tiến 7R DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ ĐƠN VỊ Robot có bậc tự quay Robot có bậc tự quay a(ax,ay,az) Vector thể hƣớng tiếp cận bàn kẹp Asea Brown Boveri (hãng sản xuất Thụy sĩ) ABB 10 Lƣợng tinh tiến dọc theo trục ox 11 Ai Ma trận Denavit- Hartenberg 12 CAD Computer Aided Design 13 CAM Computer Aided Manufacturing 14 CNC Computer Numerical Control 15 D 16 DH 17 di Lƣợng tịnh tiến dọc theo trục oz 18 f(x) Hàm mục tiêu toán tối ƣu 19 GA Genetic algorithms 20 GP Bài toán tối ƣu tổng quát 21 GRG 22 n 23 NC 24 qi 25 TPM 26 x mm Miền thỏa mãn ràng buộc vật lí khớp Denavit- Hartenberg (mm) Thuật toán Generalized Reduced Gradient Số bậc tự robot Numerical Control Biến khớp tổng quát Translations Parallel Manipulation Các biến tốn tối ƣu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái8Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU KÍ HIỆU NỘI DUNG BẢNG BIỂU TRANG Số lời giải toán động học ngƣợc tƣơng ứng với thông Bảng1.1 25 số khâu Bảng 2.1 Các thuật ngữ công cụ Solver giao diện chƣơng trình 40 Bảng 2.2 Ý nghĩa tùy chọn Option công cụ Solver 41 Bảng 2.3 Lời giải toán ngƣợc cho robot RRR thay cho RPR với 45 quỹ đạo 30 điểm key Bảng 2.4 Tọa độ điểm chốt quỹ đạo theo yêu cầu công nghệ 54 Bảng 2.5 Lời giải toán ngƣợc kết theo phƣơng pháp đổi biến số 55 BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ KÍ HIỆU NỘI DUNG HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRANG 1.1 Sơ đồ điều khiển không gian khớp 13 1.2 Sơ đồ điều khiển không gian công tác 13 1.3 Giao diện robot 14 1.4 Sơ đồ xử lý ảnh với hai camera bố trí để đo tam giác 15 1.5 Gia cơng khí với robot mang dụng cụ cắt bàn tay điều khiển qua liên kết CAD/CAM 18 1.6 Sơ đồ robot có cổ tay cầu 24 1.7 Phƣơng pháp chuyển đổi ngƣợc 27 1.8 Phƣơng pháp Newton Raphson 29 1.9 Phƣơng pháp tối ƣu giải tốn động học 29 2.1 Ngun tắc hình thành vịng kín hai kiểu robot khác 32 2.2 2.3 Sơ đồ khai triển chi tiết nhánh thứ i robot song song dẫn động quay Sơ đồ khai triển chi tiết nhánh thứ i robot song song dẫn động kiểu P 33 33 2.4 Hộp thoại Solver parameter 39 2.5 Hộp thoại Add- Ins tùy chọn cài đặt thêm Solver 40 2.6 Cơ cấu chấp hành song song 3RRR 43 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái9Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ lý toán tình cách đặt thêm ràng buộc toán học bổ sung bên cạnh ràng buộc vật lý vốn có tốn - Một đóng góp luận văn mặt khoa học làm rõ chế liên hệ biến kết cấu với biến điều khiển cách xác định tham số thông qua toán động học nhƣ nào, để phát triển đề tài xa cần nhiều thời gian cho toán điều khiển thiếu dẫn động với biến kết cấu trƣờng hợp Vì thân toán xuất phát từ thực tế khoa học sản xuất nên việc giải thành công cho kết với độ xác cao sở để ứng dụng kỹ thuật vào sản xuất, giảng dạy nghiên cứu khoa học Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 74 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Đào Văn Hiệp (2004), Kỹ thuật Robot, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, tr 18-55 Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm (2007), Nhập môn robot công nghiệp, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr 128-214 Nguyễn Thiện Phúc: Rôbốt công nghiệp Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, 2004 Phạm Đăng Phƣớc: Rôbốt công nghiệp Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội 2007 Phạm Thành Long, Nghiên cứu, khảo sát đặc tính làm việc hệ thống chấp hành robot công nghiệp Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Thái Nguyên 2009 Phạm Thành Long, Hoàng Vị, Xác định giá trị biến điều khiển động học Robot, Tạp chí KH & CN Trƣờng Đại học kỹ thuật, số 65, trang 31-34 Hà Nội 2008 Phạm Thành Long, Vũ Đức Vƣơng, Nâng cao độ xác đáp ứng vị trí hướng tốn động học ngược robot, Tạp chí khí Việt Nam, số 3, trang 77 - 81 Hà Nội 2012 Phạm Thành Long, Giải toán động học ngƣợc cho robot sử dụng quy tắc chuyển vị xoắn liên tiếp, Tạp chí KH & CN Trƣờng Đại học kỹ thuật, số 77, trang 89 - 93 Hà Nội 2010 Tạ Duy Liêm: Rơbốt hệ thống cơng nghệ robot hóa NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2004 10 Trần Thế San (biên dịch): Cơ sở nghiên cứu sáng tạo robot Nhà xuất Thống kê, Hà Nội 2003 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 75 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Tiếng Anh 11 A F Kuri-Morales and J Guitiérrez-Garcia (2001), Penalty functions methods for constraited optimization with genetic algorithm: a statistical analysis, Proc 2nd Mexican International Conference on Artificial Inte 12 lligence, Springer-Verlag, Heidelberg, Gemany, pp 108-117 Borm JH, Menq CH Determination of optimal measurement configurations for robot calibration based on observability measure The International Journal of Robotics Research 1991;10(1):51–63 13 Briot S, Bonev IA Are parallel robots more accurate than serial robots Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering 2007;31(4):–55 14 Campos L, Bourbonnais F, Bonev IA, Bigras P Development of a five-bar parallel robot with large workspace In: Proceedings of the ASME 2010,international design engineering technical conferences, Montreal, Quebec,Canada; 15–18 August 2010 15 Domagoj Jagobovic, Ocjena ucinkovitosti postupaka za rjesavanje kinematike Stewartowih paralelnih mehanizama, MAGISTARSKI RAD, zagreb 2001, Pages 81 16 Driels MR, Pathre US Significance of observation strategy on the design of robot calibration experiments Journal of Robotic Systems 1990;7(2):197–223 17 G Hadley, 1962, Linear programming Addison-Wesley, USA 18 J Abadie and J Carpentier (1969), Generalization of the Wolfe reduce gradient method to the case of nonlinear constraint, Optimization, Academic Press, London, pp 37-47 19 Kim HS Kinematic calibration of a Cartesian parallel manipulator InternationalJournal of Control, Automation, and Systems 2005;3(3):453–60 20 K Miettinen, M M Makela, and J Toivanen (2003), Numerical Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 76 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ comparison of some penalty-based constraint handling techniques in genetic algorithms, J Global Optimum 27, (4), pp 427- 446 21 L S Lasdon, A D Warren, A Jain, and M Ratner (1978), Design and Testing of a generalized reduced gradient code for nonlinear Programming, ACM Trans Math SoftWare 4, (1), pp 34-50 22 L Sciavicco, B Siciliano (1996); Modeling and control of Robot Manipulator, McGraw –Hill, pp 61-85 23 L S Lasdon, A D Waren, A Jain & M Ratner, 1978, “Design and testing of a GRG code for nonlinear optimization,” ACM Tran Math Software, vol 4, pp.34-50 24 Lung-Wen Tsai, Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators, John 25 Wiley & Sons, New York, 1999 M Sakawa and K Yauchi (2000), Floating point genetic algorithms for non convex nonlinear programming problems: revised GENOCOP III, Electron Comm Japan 83, (8), pp 1-9 26 Merlet J.-P., Parallel Robots, Kluwer Academic Publishes, Dordrecht, Netherlands 2000 27 Ota H, Shibukawa T, Tooyama T, Uchiyama M Forward kinematic calibration and gravity compensation for parallel-mechanism-based machine tools.Journal of Multi-body Dynamics 2002;216(1):39–49 28 Ozgur Yeniay; A Comparative study on optimization methods for the constrained nonlinear programming problems; Mathematical Problems in Engineering 2005;2 (2005) 165-173 29 R Fletcher & C M Reeves, 1964, “Function minimization by conjugate gradient,”Computer Journal., pp.149-154 30 Pham Thanh Long, A New Method to Solve the Reverse Kinematic Robot Problem, ISTS Swissotel Le Concorde, Bangkok Thailand, pp 43-46, November 21-24/2012 31 Tsai L.W., Robot Analysis The Mechanics of Serial and Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 77 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Parallel Manipulators, John Wiley & Sons, Inc., 1999 32 Zhumadil Zh Baigunchekov, Scanderbek U Joldasbekov, Modular Synthesis of Spatial Manipulating Devices of High Classes, In Proceedings of the Twelfth International Conference on CAD/CAM Robotics and Factories of the Future, London, UK, 14-16 August 1996, pages 685-690 33 Zhumadil Zh Baigunchekov, Nazim M Nassiry and others,Kinematics of the Parallel Manipulators with Functionally Independent Drives (Part I and Part II), In The Eleventh World Congress in Mechanism and Machine Science, Proceedings, Volume 4, China Machine Press, pages 1647-1655 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 78 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ PHỤ LỤC Các vẽ thiết kế robot thí nghiệm: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 79 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 80 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 81 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 82 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 83 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 84 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 85 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 86 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 87 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 88 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ Ngành: Kỹ thuật khí Học viên:... phƣơng pháp tối ƣu vào toán động học robot song song 42 2.4.1 Giới thiệu robot mơ hình động học 43 2.4.2 Bài toán động học ngƣợc với phƣơng pháp GRG 44 2.4.3 Bài toán động học thuận với phƣơng pháp. .. buộc bổ sung mơ hình tốn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái31 Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỔI BIẾN SỐ 2.1 Xây dựng vòng khép