Giáo trình môn học kỹ thuật robot - Bùi Như Cao - Trường đh công nghiệp

Giáo trình môn học kỹ thuật robot - Bùi Như Cao - Trường đh công nghiệp

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Biên soạn : Bùi Thư Cao Trần Hữu Toàn TP.HỒ CHÍ MINH, 03/10/2008 MỤC LỤC Chương ng qu n v ro ot 01 ch s ph t tri n Robot 01 1.2 C c ứng d ng Robot 04 1.1 1.2.1 C c ưu m s d ng Robot 04 1.2.2 Một số lĩnh vực ứng d ng 05 1.3 C c kh i ni m v robot - robot c ng nghi p 1.3 nh nghĩa v robot c ng nghi p 07 07 1.3.2 C c thành phần robot c ng nghi p 08 1.3.3 Bậc tự robot c ng ghi p 10 3.4 H toạ độ robot 11 1.4 Phân loại robot 13 1.4.1 Robot c ng nghi p 13 Robot nối tiếp 13 Robot song song 14 1.4.2 Robot di động 15 Chương Phân tích hệ cân ằng tĩnh chuyển động t y máy C c kh i ni m ti n đ tĩnh học 17 17 Trạng th i cân 17 .2 ực 17 .3 Momen lực tâm 17 .4 Momen lực đói với tr c 17 .5 H lực 18 .6 C c ti n đ tĩnh học 18 .7 Một số m hình phản lực liên kết 20 .8 Sức b n vật li u 22 .9 ực ma s t 23 2.2 Thiết kế h cân tĩnh 24 2.2 X c đ nh c c yếu tố đầu vào 24 2.2.2 Thiết kế khí 24 2.2.3 Tính to n ki m tra cân lực cho h 25 2.3 Phân tích chuy n động tay m y 28 2.3 Giới thi u 28 2.3.2 H toạ độ 28 2.3.3 Quĩ đạo robot 28 2.3.4 Phân tích chuy n động tổng qu t tay m y 28 2.3.5 Phép biến đổi h toạ độ 29 2.4 Phân tích chuy n động số tay m y 29 2.4 Phân tích chuy n động tay m y khớp quay 30 2.4.2 Phân tích chuy n động tay m y khớp quay 32 2.4.3 Phân tích chuy n động tay m y nhi u khớp nối 34 Chương Các ph p i n đ i thu n nh t homogenous tr nsform tion 34 3.1 ectơ m h toạ độ nh t 35 3.2 h c lại c c phép tính v vectơ ma trận 35 3.2 Phép nhân vectơ 36 3.2.2 C c phép tính v ma trận 36 a Phép cộng tr ma trận 36 b Tích hai ma trận 37 c Ma trận ngh ch đảo ma trận nh t 37 d ết ma trận 38 e ạo hàm tích phân ma trận 38 3.3 C c phép biến đổi d ng động học robot 38 3.3 Phép biến đổi t nh tiến 39 3.3.2 Phép quay quanh c c tr c toạ độ 40 3.3.3 Phép quay le Euler 41 3.3.4 Phép quay Roll – Pitch -Yaw 42 3.4 Biến đổi h toạ độ mối quan h gi a c c h toạ độ 2.4 Biến đổi h toạ độ 43 2.4.2 Mối quan h gi a c c h toạ độ 44 3.5 M tả vật th – ối tư ng làm vi c robot Chương Phương tr nh động h c c ro ot inem tic equ tions D n nhập 47 47 47 H toạ độ mối quan h gi a c c khâu robot 47 .2 hâu ch p hành cuối m t c động cuối 49 4.2 Bộ th ng số DE IT – HARTENBERG (DH) 4.2.1 D n nhập 49 49 4.2.2 ộ dài ph p tuyến chung an góc o n khâu n αn 50 4.2.3 hoảng c ch gi a hai khâu dn góc quay khâu n θn 50 4.2.4 Bộ thông số DH 51 4.3 G n h toạ độ cho robot 4.4 42 51 a Chọn gốc h toạ độ 51 b Chọn tr c n 51 c Chọn tr c n 51 d G n h toạ độ cho robot SC R 53 c trưng c c ma trận 53 4.3 h i ni m ma trận 53 4.3.2 C c phép biến đổi ma trận 54 4.5 X c đ nh c c ma trận T theo ma trận 55 4.6 Trình tự thiết lập h phương trình động học robot 55 4.6 C c bước thực hi n 55 a Chọn h toạ độ g n c c h toạ độ trung gian 55 b ập bảng th ng số DH 55 c X c đ nh c c ma trận i 55 d Tính c c ma trậpn T 55 e iết phương trình động học robot 56 4.6.2 í d thiết lập phương trình động học số robot Chương Động lực h c Ro ot ứng dụng u hiển 64 64 M c đích phương ph p khảo s t động lực học Robot 64 5.2 ộng lực học robot với phương trình Euler-Lagrange 65 5.3 hảo s t to n động lực học tay m y nhi u bậc tự 71 5.4 Phương trình động lực học tay m y 71 5.4 Tổng qu t 72 5.4.2 Ma trận qu n tính 74 5.4.3 ector Coriolis/hướng tâm 74 5.4.4 ector trọng lực 75 5.5 Xây dựng Robot với đ c tính phi tuyến - Ứng d ng u n Chương Đi u hiển Ro ot 78 Biến đổi quĩ đạo t h tọa độ Descartes sang kh ng gian khớp 78 ội suy đường đa thức 78 80 .2 ội suy quĩ đạo theo thời gian nhỏ nh t 82 6.2 i u n h robot phi tuyến 82 6.3 i u n trự tiếp h robot 93 6.4 Tính to n u n theo momen - hồi tiếp tuyến tính h robot 93 6.4 ạo hàm vòng hồi tiếp Feedforward Loop) Deravition of Inner 93 6.4.2 Thiết kế PD vịng ngồi 96 6.4.3 í d minh họa 98 6.4.4 Thiết kê PID vịng ngồi 100 6.4.5 Bảng tóm t t 102 6.4.6 Áp d ng Matlab đ khảo s t c c to n c th 103 Chương 1: Tổng quan Robot công nghiệp Chương TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Lịch sử phát triển Robot Khái niệm Robot đời vào ngày 09/10/1922 NewYork, nhà soạn kịch người Tiệp Kh Karen Kapek tưởng tượng cổ máy hoạt động cách tự động, niềm mơ ước người lúc Từ ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot thúc người Đến năm 1948, phịng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz chế tạo thành công tay máy đôi (master-slave manipulator) Đến năm 1954, Goertz chế tạo tay máy đơi sử dụng động servo nhận biết lực tác động lên khâu cuối Năm 1956 hãng Generall Mills chế tạo tay máy hoạt động việc thám hiểm dại dương Năm 1968 R.S Mosher, General Electric chế tạo cỗ máy biết chân Hệ thống vận hành động đốt chân vận hành hệ thống servo thủy lực Năm 1969, đại học Stanford thiết kế Robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh Hình 1.1 Robot Shakey Năm 1970 người chế tạo Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt mặt trăng Chương 1: Tổng quan Robot công nghiệp Trong giai đoạn này, nhiều nước khác tiến hành công tác nghiên cứu tương tự, tạo Robot điều khiển máy tính có lắp đặt loại cảm biến thiết bị giao tiếp người máy Hình 1.2 Robot hàn điểm (Nguồn KUKA, Inc) Hình 1.3 Robot phẫu thuật (Nguồn Accury, Inc) Theo tiến khoa học kỹ thuật, Robot ngày chế tạo nhỏ gọn hơn, thực nhiều chức hơn, thông minh Một lĩnh vực nhiều nước quan tâm Robot tự hành, chuyển động chúng ngày đa dạng, bắt chước chuyển động chân người hay lồi động vật : bị sát, động vật chân, … Và loại xe Robot (robocar) nhanh chóng ứng dụng rộng rãi hệ thống sản xuất tự động linh hoạt (FMS) Chương 1: Tổng quan Robot cơng nghiệp Hình 1.4 Mobile Robot ứng dụng công nghệ xử lý ảnh (Nguồn SRI, Stanford, CA) Từ trở người liên tục nghiên cứu phát triển Robot để ứng dụng qt trình tự động hố sản xuất để tăng hiệu kinh doanh Ngồi Robot cịn sử dụng thay cho người công việc môi trường độc hại, khắc nghiệt, … Chuyên ngành khoa học robot “robotics” trở thành lĩnh vực rộng khoa học, bao gồm vấn đề cấu trúc cấu động học, động lực học, quĩ đạo chuyển động, chất lượng điều khiển… Tuỳ thuộc vào mục đích phương thức tiếp cận, tìm hiểu lĩnh vực nhiều khía cạnh khác Hiện nay, phân biệt loại Robot hai mảng : Các loại robot cơng nghiệp (cánh tay máy) loại robot di động (mobile robot) Mỗi loại có ứng dụng đặc tính khác Ngoài ra, loại Chương 1: Tổng quan Robot cơng nghiệp robot cơng nghiệp cịn phân chia dựa vào cấu tạo động học : Robot nối tiếp (series robot) robot song song (parallel robot) Hình 1.5 Robot song song bậc tự Merlet.( Nguồn : Dr J - P Merlet Prof V Hayward.) Chính cơng nghệ tiên tiến tất lĩnh vực : khí, vi mạch, điều khiển, công nghệ thông tin … tạo tảng thách thức lớn khoa học nghiên cứu robot Chính vậy, người tiếp tục phát triển nâng cao mức độ hoàn thiện lĩnh vực đầy hấp dẫn Chương 1: Tổng quan Robot công nghiệp Hình 1.6 Nguyên Robot Hexapod TU Munich ( Nguồn : Prof F Pfeiffer, TSI Enterprises, Inc.) 1.2 Các ứng dụng Robot 1.2.1 Các ưu điểm sử dụng Robot Các loại Robot tham gia vào qui trình sản xuất đời sống sinh hoạt người, nhằm nâng cao suất lao động dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm tạo Robot thay người làm việc ổn định thao tác đơn giản hợp lý, đồng thời có khả thay đổi cơng việc để thích nghi với thay đổi qui trình cơng nghệ Sự thay hợp lý robot cịn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhân công nước mà nguồn nhân cơng chi phí cao : Nhật Bản, nước Tây Âu, Hoa Kỳ… Tất nhiên nguồn lượng từ robot lớn, có nhu cầu tăng suất cần có hỗ trợ chúng thay sức lao động người Chúng làm công việc đơn giản dễ nhầm lẫn, nhàm chán Robot có khả nghe siêu âm, cảm nhận từ trường Bên cạnh đó, ưu điểm bậc robot môi trường làm việc Chúng thay người làm việc mơi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bặm hay nguy hiểm Ở nơi nhà máy hoá chất, nhà máy phóng xạ, lịng đại dương, hay hành tinh khác … việc ứng dụng robot để cải thiện điều kiện làm việc hữu dụng ... loại Robot công nghiệp, tức cánh tay máy Các toán cân lực, phương trình động học động lực học tảng để bạn học viên tiếp cận với chuyên nghành kĩ thuật Robot 1.3.1 Định nghĩa robot công nghiệp. .. thể khả công nghệ trình làm việc 1.3 Các khái niệm Robot – Robot công nghiệp Lĩnh vực nghiên cứu Robot đa dạng phong phú Trong Chương 1: Tổng quan Robot công nghiệp tài liệu này, chúng tơi trình. .. phương trình động học robot 56 4.6.2 í d thiết lập phương trình động học số robot Chương Động lực h c Ro ot ứng dụng u hiển 64 64 M c đích phương ph p khảo s t động lực học Robot 64 5.2 ộng lực học