HiÖn nay cã nhiÒu phÇn mÒm c«ng nghiÖp vµ c¸c phÇn mÒm nghiªn cøu kh¸c nhau ®Ó m« pháng robot, ph¹m vi øng dông vµ gi¸ thµnh cña chóng còng kh¸c nhau.. ®Ó vÏ kÕt cÊu cña robot.[r]
(1)ROBOT Công nghiệp 76
Chơng VI
Mô robot máy tính (Robot Simulation)
(Phần thực hành máy tính)
6.1 Kü thuËt m« pháng robot :
Mô kỹ thuật đại, đ−ợc áp dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu sản xuất
Khi nghiên cứu điều khiển robot, ta thực điều khiển trực tiếp robot điều khiển mô Điều khiển mô dùng mơ hình tính tốn động học động lực học robot kết hợp với ph−ơng pháp đồ hoạ máy vi tính để mơ tả kết cấu hoạt động cánh tay robot
Nghiên cứu mơ hoạt động robot máy tính giúp cho nhà thiết kế nhanh chóng lựa chọn đ−ợc ph−ơng án hình - động học robot, kiểm tra khả hoạt động robot hình, kiểm tra phối hợp robot với thiết bị khác dây chuyền Điều nầy có ý nghĩa q trình thiết kế chế tạo robot bố trí dây chuyền sản xuất
Qua mơ ng−ời thiết kế đánh giá t−ơng đối đầy đủ khả làm việc ph−ơng án thiết kế mà khơng cần chế thử Nó đ−ợc xem ph−ơng tiện đối thoại, hiệu chỉnh thiết kế theo yêu cầu đa dạng ng−ời sử dụng
Ph−ơng pháp lập trình mơ giúp ng−ời thiết kế chọn đ−ợc quỹ đạo công nghệ hợp lý robot trình làm việc với đối t−ợng cụ thể hay phối hợp với thiết bị khác công đoạn sản xuất đ−ợc tự động hố
Hiện có nhiều phần mềm cơng nghiệp phần mềm nghiên cứu khác để mô robot, phạm vi ứng dụng giá thành chúng khác nghiên cứu ph−ơng pháp mô robot dùng phần mềm EASY-ROB
6.2 GiíÝ thiƯu phÇn mỊm EASY-ROB :
(2)ROBOT C«ng nghiƯp 77
Coordinates) Easy-Rob có sẵn trình điều khiển động học thuận ng−ợc cấu hình robot thơng dụng, thiết kế ta cần khai báo kiểu động học thích hợp Trong tr−ờng hợp robot có kết cấu đặc biệt có khâu bị động gắn với chuyển động khớp cần phải giải toán động học ng−ợc xác định hàm toán học mô tả phụ thuộc khâu bị động khớp quay, viết ch−ơng trình xác định phụ thuộc ngơn ngữ C sau dùng tập tin MAKE.EXE C để dịch thành tập tin th− viện liên kết động er_kin.dll (Easy-Rob kinematic Dynamic link library), chạy ch−ơng trình, EASY-ROB liên kết với tập tin nầy thực kiểu động học đ−ợc khai báo ch−ơng trình điều khiển
Easy-ROB có số lệnh điều khiển riêng, Ch−ơng trình đ−ợc viết theo kiểu xử lý tuần tự, tập tin dạng Text, soạn thảo ch−ơng trình trình soạn thảo Các cơng cụ gắn khâu chấp hành cuối thay đổi đ−ợc Chúng ta viết ch−ơng trình chuyển động cho robot theo quỹ đạo mong muốn, kiểm tra khả v−ơn tới cánh tay, xác định vùng làm việc robot Robot mơ cầm nắm thả đối t−ợng làm việc Các chuyển động robot ghi vào tập tin thực lại
Phần mềm cho phép ta xem đ−ợc hệ toạ độ gắn khâu robot, xem đ−ợc quỹ đạo chuyển động điểm cuối công cụ gắn khâu chấp hành cuối Phần mềm cịn có nhiều tiện ích khác nh− : cho phép ta lập trình điều khiển robot ph−ơng pháp dạy học, thiết kế đối t−ợng làm việc robot, có cửa sổ toạ độ giá trị góc quay khớp thời điểm robot hoạt động
Việc sử dụng phần mềm EASY-ROB để mô robot giúp hai khả nghiên cứu :
a/ Mô lại robot có đối t−ợng làm việc Đánh giá khả làm việc mức độ linh hoạt robot, xác định thông số điều khiển, quỹ đạo chuyển động để dùng điều khiển thực
b/ Nghiên cứu thiết kế động học, kích th−ớc kết cấu robot máy tính để chọn đ−ợc ph−ơng án động học tốt nhất, đảm bảo cho robot hoàn thành nhiệm v yờu cu
6.3 Tìm hiểu hình EASYíROB :
a- Menu chÝnh :
Menu phần mềm EASY-ROB cung cấp nội dung hoạt động khác phần mềm B−ớc đầu làm quen, ta cần quan tâm Menu sau :
Menu FILE : Xử lý tác vụ File Trong Easy-Rob có nhiều loại file đ−ợc qui định phần mở rộng (đi File), ví dụ :
(3)ROBOT C«ng nghiƯp 78
12
1
18
Cửa sổ để thiết kế Thanh cơng cụ
Menu chÝnh Thanh c«ng 17
Hình 6.1 : Màn hình EASY-ROB
File cú dng *.Rob : (Robotfile) để mô tả riêng kết cấu robot File có dạng *.Bod : (Bodyfile) để mơ tả đối t−ợng làm việc robot
File có dạng *.Tol : (Toolfile) để mơ tả cơng cụ gắn khâu chấp hành cuối robot
File có dạng *.Vie : (Viewfile) để xác định góc nhìn khơng gian File có dạng *.igp : (Igrip Partfile) l−u trử phận kết cấu File có dạng *.Prg : (Programm) Ch−ơng trình điều khiển v.v
Menu Robotics : Dùng để nhập thơng số DH, xác định vị trí dụng cụ, xác định vị trí robot thơng số khác
Menu 3D-CAD : Cung cấp công cụ để vẽ kết cấu robot không gian chiều (3D) nh− để thiết kế công cụ, đối t−ợng làm việc Để vẽ đ−ợc kết cấu robot, dựa vào khối hình học đơn giản ta lắp ghép chúng lại để tạo nên hình dáng khác robot
b- C¸c c«ng :
Các nút cơng cụ dùng để thực thao tác nh− menu (mà khơng cần vào menu) Sử dụng nút công cụ cho phép ta thao tác nhanh phải vào menu Chức nút cơng cụ nh− sau :
(4)ROBOT C«ng nghiƯp 79
2 Chuyển tất đối t−ợng sang dạng l−ới Chuyển đối t−ợng dạng trụ / khối phức tạp Thể hiện/khơng thể sàn
6 ThĨ hiƯn sàn dạng lới Reset vị trí robot hình
8 Chuyn i ca s m Cellfile igip partfile (kết hợp với nút 7) Chy chng trỡnh
10 Tạm dừng chơng trình 11 Tiếp tục chạy chơng trình 12 Kết thúc chơng trình
13 Chạy ch−ơng trình theo b−ớc 14 Lặp lại ch−ơng trình sau kết thúc 15 16 Giảm tăng tốc độ điều khiển
17 Đánh giá sai số xem giá trị động học
Thanh công cụ nằm ngang phía dới, tính từ trái sang phải : Thấy không thấy kết cấu robot
2 Thấy không thấy dụng cụ
3 Thấy không thấy đối t−ợng làm việc Thể hiện/không thể hệ toạ độ gắn với dụng cụ
5 Thể hiện/không thể hệ toạ độ gắn khâu robot Thể vị trí điều khiển
7 Mơ động lực học Thể quĩ đạo chuyển động Sử dụng giới hạn khớp 10 Soạn thảo ch−ơng trình dạy học
12 Thể Hệ toạ độ gắn đối t−ợng thời 13 Chuyển đến đối t−ợng (khi thiết kế)
14 Xác định vị trí tuyệt đối đối t−ợng 15 Xác định vị trí t−ơng đối đối t−ợng 16 Reset vị trí đối t−ợng
17 Ghi lại vị trí đối t−ợng sau điều chỉnh 18 Đ−a robot vị trí dừng (Home position)
19 §iỊu khiĨn robot theo khíp quay
Thanh công cụ thẳng đứng (Thao tác chuột) , tính từ xuống : Dùng chuột để view, zoom Pan
2.3 Điều khiển h−ớng khâu chấp hành cuối chuột Điều khiển khớp 1,2,3 (Dùng phím chuột) Di chuyển thân robot (hệ toạ độ sở)
6 Di chuyển đối t−ợng (body) chuột Di chuyển tất đối t−ợng chuột
9 Chuyển đổi chuyển động quay tịnh tiến (Dùng hiệu chỉnh đối t−ợng vẽ)
11.12 Tăng giảm tốc độ điều khiển chuột 6.4 Thao tác chuột :
(5)ROBOT C«ng nghiƯp 80
Khi nút lệnh số công cụ thẳng đứng đ−ợc chọn :
zoom (Phãng to, thu nhá) : ấn nút chuột phải, rê chuột lên xuống theo
ph−ơng thắng đứng hình
Pan (thay đổi vị trí đối t−ợng so với khung hình) : ấn đồng thời hai nút chuột phải trái, rê chuột hình
Rotate (quay robot để nhìn góc độ khác nhau) : ấn chuột trái, rê chuột
Khi nút lệnh số công cụ thẳng đứng đ−ợc chọn :
Quay khớp 1: ấn nút chuột phải, rê chuột (nếu khớp tịnh tiến làm khâu chuyển động tịnh tiến)
Quay khớp 2: ấn đồng thời nút chuột phải trái, rê chuột Quay khớp 3: ấn nút chuột trái, rê chuột
6.5 Gắn hệ toạ độ :
Muốn xác định hệ toạ độ robot tr−ớc hết phải thực tay công việc sau:
Vẽ sơ đồ động robot vị trí dừng, gắn hệ toạ độ khâu lên hình vẽ giấy, xác định thơng số DH
C¸c b−íc tiÕp theo :
1- BËt nót lƯnh sè trªn menu ngang, d−íi
2- Vµo menu chÝnh : FILE -> LOAD -> ROBOTFILE chän DHTempl -> OPEN
3- Vµo menu chÝnh : ROBOTICS -> ROBOTMOTION + KINEMATICS -> KINEMATICS DATA
4- Chän Active Join -> Ok -> Activ Joint (1) RZ (hoặc chọn TZ khớp tịnh tiến) -> Ok -> Nhập thông số DH khâu thứ nhÊt
5- Chän Quit -> Ok
Vào lại b−ớc -> Number Active Joint(1) -> Ok -> ấn đúp chuột vào vệt xanh đ−a trỏ vào phần nhập liệu (text box) ấn (Bây số khâu động 2), nhập thông số DH cho khâu số
Làm t−ơng tự đủ số khớp yêu cầu
Ta kiểm tra số liệu nhập cách kích chuột vào menu : ROBOTICS -> ROBOTMOTION + KINEMATICS -> KINEMATICS DATA-> KINEMATIC INFOMATION để xem lại số khâu, khớp thông số DH Nếu vào liệu sai ta hiệu chỉnh lại
(6)ROBOT Công nghiệp 81
6.6 Vẽ hình d¸ng robot :
Sau hồn thành việc gắn hệ toạ độ robot, b−ớc vẽ hình dáng Hình dáng robot đ−ợc mô giống nh− robot thực nhờ công cụ 3D CAD EasyRob Menu 3D-CAD cho phép tạo khối hình học nh− khối trụ, khối cầu, khối chữ nhật, khối tam giác Sự phối hợp hợp lý kích th−ớc vị trí khối hình học nầy cho phép thể đ−ợc kết cấu khác robot
C¸c menu kÐo xng cđa Menu 3D-CAD nh− h×nh 6.2, mét số chức nh sau :
+ Select group : Chọn nhóm đối t−ợng để thiết kế : 1/Robot group, 2/Tool group hay 3/ Body group
+ Select body from group : Chọn phận robot vẽ (theo tên đặt tr−ớc) nhóm chọn hành
+ Create/Import new 3D body : Tạo nhập phận có sẳn Cần nhập thông số cần thiết để tạo đối t−ợng mong muốn
+ Modify sel Body_set Jnt_idx : HiƯu chØnh c¸c thc tÝnh cđa bé phËn hiƯn hành
+ Clone : Copy phận vẽ thành nhiều hình
+ Render : Biu đối t−ợng dạng
H×nh 6.2 : Menu 3D-CAD
l−íi, d¹ng hép,
+ Color : Thay đổi màu sắc + Name : Thay đổi tên phận vẽ + Clear : Xoá đối t−ợng (bộ phận)
hµnh
+ Position's : Thay đổi vị trí đối t−ợng (bộ phận) hành + 3D CAD Coorsys Visibility : Cho ẩn hệ tọa độ đối t−ợng vẽ
+ Next Body in group : Chọn đối t−ợng vẽ
Dùng menu 3D CAD ta lần l−ợt vẽ tất khâu robot, dùng màu sắc khác để thể hình dáng robot L−u ý trình vẽ, vẽ sai phải dùng mục CLEAR để xóa dùng mục MODIFY CEL để hiệu chỉnh Mỗi đối t−ợng vẽ phải gắn với khâu định, đ−ợc khai báo mục SET JOINT INDEX
(7)ROBOT Công nghiệp 82
6.7 Lập trình điều khiĨn robot m« pháng :
Để lập trình điều khiển robot mô ta dùng ph−ơng pháp lập trình kiểu dạy học Sau thiết kế hình dáng robot, cơng cụ gắn khâu chấp hành cuối, đối t−ợng làm việc khác ta lập trình để điều khiển robot mơ Việc lập trình thực theo trình tự sau :
Nhấp chuột vào nút lệnh số 10 (Show program window) để kích hoạt cửa sổ lập trình nh− hình 6.3 :
H×nh 6.3 : Cưa sỉ lËp tr×nh
Chọn New để đặt tên cho File ch−ơng trình
Chọn Append muốn bổ sung ch−ơng trình có đĩa
Xác định vị trí điểm mà dụng cụ phải qua (dùng chuột để điều khiển khớp, dùng menu đứng) Cứ sau lần xác định đ−ợc vị trí ấn nút PTP (điều khiển điểm) LIN (điều khiển đ−ờng) VIA (diểm trung gian dẫn h−ớng điều khiển đ−ờng cong), CIRC (điều khiển theo đ−ờng cong) Làm liên tục cho tất điểm để có ch−ơng trình hồn thiện
Sau kết thúc việc dạy robot học, ấn nút Close Program Window để kết thúc Để hiệu chỉnh bổ sung lệnh điều khiển khác vào ch−ơng trình, ấn chuột vào nút EDIT, Dùng lệnh EasyRob nh− d−ới để hồn thiện ch−ơng trình
ERPL - EASY-ROB-Program Language
Ghi chó :
- Đơn vị chiều dài Mét [m], Góc độ [deg] [%] - Đơn vị tốc độ [m/s]
- Vị trí h−ớng hệ tọa độ gắn khâu chấp hành cuối đ−ợc xác định gồm : X, Y Z : tọa độ vị trí, A, B C góc h−ớng
H−ớng khâu chấp hành cuối xác định theo góc ABC là: Rot (A,B,C) = Rot(X,A) * Rot(Y,B) * Rot(Z,C)
Cấu trúc chung chơng trình, Mô tả cú pháp số lệnh hay dùng :
(8)ROBOT C«ng nghiƯp 83
ENDPROGRAMFILE or END : Kết thúc chơng trình
CALL fct_name : Gọi hàm có tên fct_name(), đ−ợc định nghĩa ch−ơng trình
CALL FILE filename : Gäi File chơng trình có tên filename, File phải có cung cấu trúc nh chơng trình
FCT fct_name() : Bắt đầu Định nghĩa hàm có tên fct_name() ENDFCT : Kết thúc định nghĩa function
! Các ghi chơng trình
TOOL X Y Z A B C [m,deg] : Định tọa độ điểm cuối dụng so so với khâu chấp hành cuối
PTP X Y Z A B C [m,deg] : Di chuyển robot đến điểm (tọa độ tuyệt đối) Điều khiển điểm
PTP_REL dX dY dZ dA dB dC [m,deg] : Di chuyển robot đến điểm (tọa độ t−ơng đối) Điều khiển điểm
LIN X Y Z A B C [m,deg] : Di chuyển robot đến điểm (tọa độ tuyệt đối) Điều khiển đ−ờng
LIN_REL dX dY dZ dA dB dC [m,deg] : Di chuyển robot đến điểm (tọa độ t−ơng đối) Điều khiển đ−ờng
CIRC X Y Z A B C [X2 Y2 Z2] [m,deg] : Di chuyển robot đến điểm (tọa độ tuyệt đối) Điều khiển đ−ờng cong
[X2 Y2 Z2] - Điểm trung gian (3 điểm để xác định cung tròn)
CIRC_REL dX dY dZ dA dB dC [dX2 dY2 dZ2] [m,deg] : Di chuyển robot đến điểm (tọa độ t−ơng đối) Điều khiển đ−ờng cong
WAIT x [sec] : Robot dừng hoạt động x giây
ERC TRACK ON,OFF : Thể quỹ đạo chuyển động ERC LOAD TOOL filename : Gọi Tool file (*.tol)
ERC LOAD VIEW filename : Gäi mét View file (*.vie) ERC LOAD ROBOT filename Loads a Robot file (*.rob) ERC LOAD BODY filename Loads a Body file (*.bod) ERC LOAD TAGS filename Loads a Tag file (*.tag)
ERC GRAB BODY ’bodyname’ : Dơng cÇm lÊy mét vËt thĨ (body) cã tªn Bodyname
ERC GRAB BODY_GRP : Dơng cÇm lÊy mét nhãm vËt thĨ (Body_Grp) ERC RELEASE BODY bodyname : Dụng cụ thả (buông) mét vËt thĨ (body) cã tªn Bodyname
ERC RELEASE BODY_GRP Dụng cụ thả (bng) nhóm vật thể (Body_Grp) ERC ROBOT_BASE XYZ ABC [m,deg] : Di chuyển gốc tọa độ robot đến vị trí
v.v
Còn nhiều lệnh khác Easy-Rob, tham khảo Website: http ://www easy-rob.com
(9)Robot c«ng nghiƯp 84
chơng VII
Động lực học Robot (Dynamic of Robot)
7.1 Nhiệm vụ ph−ơng pháp phân tích động lực học robot
Nghiên cứu động lực học robot công việc cần thiết phân tích nh− tổng hợp q trình điều khiển chuyển động Việc nghiên cứu động lực học robot th−ờng giải hai nhiệm vụ sau :
1/ Xác định momen lực động xuất trình chuyển động Khi qui luật biến đổi biến khớp qi(t) coi nh− biết
Việc tính toán lực cấu tay máy cần thiết để chọn công suất động cơ, kiểm tra độ bền, độ cứng vững, đảm bảo độ tin cậy robot
2/ Xác định sai số động tức sai lệch so với qui luật chuyển động theo ch−ơng trình Lúc nầy cần khảo sát Ph−ơng trình chuyển động robot có tính đến đặc tính động lực động khâu
Có nhiều ph−ơng pháp nghiên cứu động lực học robot, nh−ng th−ờng gặp ph−ơng pháp học Lagrange, cụ thể dùng ph−ơng trình Lagrange - Euler Đối với khâu khớp robot, với nguồn động lực kênh điều khiển riêng biệt, bỏ qua hiệu ứng trọng tr−ờng (gravity effect), quán tính (initial), t−ơng hổ (Coriolis), ly tâm (centripetal) mà khía cạnh nầy ch−a đ−ợc xét đầy đủ học cổ điển; Cơ học Lagrange nghiên cứu vấn đề nêu nh− hệ thống khép kín nên nguyên lý học thích hợp toán động lực học robot
7.2 Cơ học Lagrange với vấn đề động lực robot
Hàm Lagrange hệ thống l−ợng đ−ợc định nghĩa :
L = K - P (7.1)
Trong : K tổng động hệ thống P tổng
K P đại l−ợng vô h−ớng nên chọn hệ toạ độ thích hợp để tốn đ−ợc đơn giản Đối với robot có n khâu, ta có :
vµ
K Ki
i n
= ∑
=1
P Pi
i n
= ∑
=1
ở đây, Ki Pi động khâu thứ i xét hệ toạ độ chọn.Ta biết đại l−ợng Ki Pi hàm số phụ thuộc nhiều biến số:
Ki = K(qi, ) vµ P i
q& i = P(qi, q&i)
Với qi toạ độ suy rộng khớp thứ i Nếu khớp thứ i khớp quay qi góc quay θi, khớp tịnh tiến qi độ dài tịnh tiến di
Ta định nghĩa : Lực tác dụng lên khâu thứ i (i=1, 2, , n) với quan niệm lực tổng quát (Generalized forces), lực momen (phụ thuộc vào biến khớp qi tịnh tiến quay), đ−ợc xác định bởi:
Fi = d −
dt L q
L q
i i
∂ ∂
∂ ∂
(10)Robot c«ng nghiƯp 85
Phơng trình nầy đợc gọi phơng trình Lagrange-Euler, hay thờng đợc gọi tắt phơng trình Lagrange
7.3 VÝ dơ ¸p dơng :
Xét robot có hai khâu nh− hình vẽ, Các khâu có chiều dài d1 d2 với khối l−ợng t−ơng ứng m1 m2 qui đổi đầu mút khâu Robot đ−ợc đặt thẳng đứng
chịu gia tốc trọng tr−ờng g Các khớp chuyển động quay với biến khớp θ1 θ2 Tính
lùc tỉng qu¸t
Qua ví dụ nầy, với mối liên kết hai khâu, vấn đề đặt có mặt q trình nghiên cứu động lực học, đó, ví dụ nêu mở rộng để áp dụng tr−ờng hợp phức tạp Đối với khâu :
m2 m1
θ2 θ1
g = 9,81m/s2
y2 y1 x2 x1 O0 z x y
K1 1m v1 12 m d1 12 12
1
= = θ& (7.3) P1 = -m1gd1cosθ1 (7.4)
Đối với khâu : Về toạ độ :
x2 = d1sinθ1 + d2sin(θ1 + θ2) y2 = -d1cosθ1 - d2cos(θ1 + θ2) ChiÒu cao thÕ :
h = d1cos1 + d2cos(1 + θ2) VỊ mỈt vËn tèc : v22 = x&22 +y&22
Víi x& d cos( )& cos( )(& & )
dtx d d
2 = = θ θ1 1+ θ1+θ2 θ1+θ2 & sin( )& sin( )(& & )
y d
dty d d
2 = = θ θ1 1+ θ1+θ2 θ1+θ2
v22 =[d12θ&12 +d22(θ&12 +2θ θ& &1 2 +θ&22)+2d d1 2cos(θ2)(θ&12 +θ θ& &1 2)]
Động :
K2 1m v2 22 m d2[ 12 12 d22 12 1 2 22 d d1 2 2 12 1 2 ]
1
2 2
= = θ& + (θ& + θ θ& & +θ& )+ cos(θ )(θ& +θ θ& & ) (7.5) P2 = −m g d2 [ 1cos(θ1)+d2cos(θ1+θ2)] (7.6)
7.4 Hàm Lagrange lực tổng quát :
áp dụng hàm Lagrange cho ví dụ trên, ta có : L = (K1 + K2) - (P1 + P2)
L= m +m d + m d + + +m d d +
2
1
2
1 2 2 2
1 2
2 2
1 ( ) θ& (θ& θ θ& & θ& ) cosθ θ(& θ& &θ )+
+(m1+m gd2) 1cosθ1+m gd2 2cos(θ1+θ2) (7.7) Khi tÝnh lùc tỉng qu¸t, c¸c biÕn cđa hƯ : q1 = θ1 vµ q2 = θ2
Đối với khâu :
∂θ θ θ θ θ θ θ L q L
m m d m d m d d m d d
&1 &1 ( ) & (& & ) cos & cos &
2
1 2
1 2 2 2 2