Quy hoạch quỹ đạo cho robot sơn công nghiệp dựa trên mô hình 3d tạo bởi máy tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ ANH TÀI QUY HOẠCH QUỸ ĐẠO CHO ROBOT SƠN CÔNG NGHIỆP DỰA TRÊN MƠ HÌNH 3D TẠO BỞI MÁY TÍNH TRAJECTORY PLANNING FOR INDUSTRIAL SPRAY PAINTING ROBOT BASED ON 3D MODEL CREATED BY COMPUTERS Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số : 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS HUỲNH THÁI HOÀNG Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Quốc Chí Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Trương Đình Nhơn Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 20 tháng 01 năm 2021 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch: GS.TS Hồ Phạm Huy Ánh Thư ký: TS Phạm Việt Cường Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quốc Chí Phản biện 2: PGS.TS Trương Đình Nhơn Uỷ viên: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Lê Anh Tài MSHV : 1870413 Ngày, tháng, năm sinh : 09/11/1995 Nơi sinh : Thành Phố Hồ Chí Minh Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động Hóa Mã số : 8520216 I TÊN ĐỀ TÀI : Quy hoạch quỹ đạo cho robot sơn công nghiệp dựa mô hình 3D tạo máy tính (Trajectory planning for industrial spray painting robot based on 3D model created by computers) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : - Mơ hình robot cơng nghiệp, mơ hình vật mẫu sơn - Xây dựng giải pháp phần mềm xử lý mơ hình - Thử nghiệm thực tế robot công nghiệp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/09/2020 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/01/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng Tp HCM, ngày CÁN BỘ HƯỚNG DẪN tháng năm 2021 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Kính thưa Q Thầy Cơ trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Quá trình học tập chương trình thạc sỹ Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh với giảng dạy giúp đỡ từ Quý Thầy Cô Giảng Viên quãng thời gian quý báu cho phát triển kiến thức kỹ nghề nghiệp ngày hơm Qua tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến Thầy Cô Giảng Viên Khoa Điện – Điện Tử trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, người truyền đạt kiến thức, kỹ năng, kinh nghiệm cho suốt thời gian học tập Đó tảng vững để tơi có bước thấu hiểu hồn thành kiến thức chuyên môn đề tài mà hồn thành hơm Bên cạnh đó, việc kết nối làm quen với bạn bè học viên Cao học Tự Động Hóa 2018 giúp tơi học tập tốt hơn, cịn mối quan hệ nghề nghiệp hành trình tương lai phía trước Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn – thầy Huỳnh Thái Hồng, theo dõi, định hướng, giúp đỡ tạo điều kiện tốt để tơi thực luận văn Trong thời thực luận văn, khó khăn thiếu sót khơng thể tránh khỏi Thầy người giúp gợi ý cho tơi tìm phương pháp khắc phục hồn thiện luận văn Tơi cảm ơn tác giả báo mà sử dụng để làm tài liệu tham khảo Cuối gửi lời cảm ơn đến tất người thân, bạn bè luôn bên ủng hộ Vì kiến thức thân cịn nhiều hạn chế, luận văn chắn không tránh khỏi sai sót khúc mắc Kính mong nhận ý kiến đóng góp từ q Thầy Cơ để tơi cải thiện kiến thức thân nội dung luận văn TP Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 01 năm 2021 Học viên TĐH 2018 Lê Anh Tài iii TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn có mục tiêu hướng đến việc xây dựng phần mềm có chức khởi tạo điểm quỹ đạo sơn cho robot công nghiệp Miêu tả không gian điểm biến đổi dạng góc Euler, với tiêu chuẩn chương trình cho dạng robot cơng nghiệp khác để nạp vào điều khiển robot Phần mềm lập trình dựa thư viện đồ họa 3D sẵn có tảng Net, Windows Ngoài chức khởi tạo điểm quỹ đạo, phần mềm cịn có chức mơ chuyển động robot bao gồm động học thuận động học ngược để người dùng hình dung chuyển động thực tế robot iv ABSTRACT This thesis focuses on building software that is capable of generating waypoints of painting trajectories for industrial paint spraying robots Spatial presentation of these points is converted to Euler angles presentation, with standard program format for different industrial robot controllers from different brands The software is developed based on the built-in Windows Net framework's 3D graphical library Besides the trajectory’s points generating function, this software also allows simulating robot's movements including forward and inverse kinematics so that users can visualize the robot's movements in real life v LỜI CAM ĐOAN CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng, nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Những hình ảnh, mã lệnh yếu tố diễn họa liên quan tác giả thiết kế xây dựng Ngoài ra, luận văn này, tác giả có tham khảo số tài liệu ngồi nước, tất có ghi phụ lục Nếu phát có gian lận nào, tác giả xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nội dung luận văn Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh khơng liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền tác giả gây trình thực (nếu có) TP Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 01 năm 2021 Lê Anh Tài vi MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Ứng dụng sơn công nghiệp Ứng dụng Robot sơn công nghiệp Phương pháp lập trình Robot cơng nghiệp 1.2 Mục tiêu nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Động học robot 10 Động học thuận (Forward Kinematics) 10 Động học ngược (Inverse Kinematics) 15 2.2 Các thành phần đồ họa 3D 17 Shape Primitives (Các thành phần mơ hình) 17 Material (Vật liệu) 19 Light (Nguồn sáng) 20 CHƯƠNG XÂY DỰNG GIẢI PHÁP QUY HOẠCH QUỸ ĐẠO ROBOT SƠN 21 3.1 Giải pháp có thị trường 21 3.2 Giới thiệu phần mềm RoboDK 22 3.3 Ý tưởng nghiên cứu phát triển phần mềm 26 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 30 4.1 Xây dựng mô hình 3D 30 4.2 Xây dựng phần mềm mô C# WPF 37 Không gian làm việc 38 vii Mơ mơ hình robot cơng nghiệp 40 Chức thao tác mơ hình vật mẫu 52 Thử nghiệm thực tế 74 Đánh giá phân tích kết sản phẩm 83 Đánh giá phân tích phần mềm khởi tạo điểm 86 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87 5.1 Kết luận 87 5.2 Hướng phát triển đồ án tương lai 87 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Thợ phun sơn làm việc mơi trường độc hại Hình 1.2 Kỹ thuật viên sử dụng điều khiển robot để lập trình vận hành Hình 1.3 Teach Pendant dòng sản phẩm Universal Robot Hình 1.4 Lập trình chuyển động robot cách di chuyển đầu robot Hình 1.5 Giao diện lập trình IDE dành cho robot Hình 1.6 Giao diện đồ họa phần Robot Studio hãng ABB Hình 1.7 Đầu tác dụng robot mỏ hàn Hình 1.8 Đầu tác dụng robot súng phun sơn tự động Hình 2.1 Bản vẽ tổng quát thể số đo kết cấu khí robot AKB bậc 11 Hình 2.2 Chọn hệ tọa độ gốc gắn hệ tọa độ lân cận lên khâu cho robot AKB bậc tự 11 Hình 2.3 Các thông số DH kiểm chứng phần mềm Robot Analyzer 12 Hình 2.4 Thiết kế chiều dài thêm súng phun sơn 14 Hình 2.5 Kết cấu ba khâu đầu robot mặt phẳng 16 Hình 2.6 Tam giác hình thành điểm khơng gian 3D 18 Hình 2.7 Một khối vuông cấu tạo từ nhiều tam giác ghép với 19 Hình 2.8 Các khối hợp có màu đen khơng gian hiển thị chưa có nguồn sáng chiếu vào bề mặt vật 20 Hình 3.1 Giao diện phần mềm Robot Studio hãng ABB 21 Hình 3.2 Giao diện phần mềm Delfoi 22 Hình 3.3 Logo phần mềm RoboDK 23 Hình 3.4 Giao diện RoboDK sau tải mơ hình Universal robot UR5 vào 24 Hình 3.5 Robot UR5 gắn thêm đầu phun sơn từ thư viện có sẵn RoboDK 24 Hình 3.6 Vật mẫu cần sơn tải vào không gian làm việc phần mềm RoboDK 25 ix Hình 4.45 Dựng hình vật mẫu thành mơ hình 3D Hình 4.46 Ta chọn khoảng cách từ tâm robot đến tâm vật mẫu 650 (mm) Bước tải mơ hình vào phần mềm tạo quỹ đạo tiến hành chọn điểm Hình 4-47 75 Hình 4.47 Các điểm quỹ đạo chọn Cuối cùng, ta chọn chức chuyển đổi thành liệu robot, tải vào điều khiển thêm vào số lệnh điều khiển để robot di chuyển Hình 4.48 File ARB chuyển đổi 76 Hình 4.49 Tập điểm quỹ đạo nạp vào điều khiển Cuối cùng, ta nhấn RUN điều khiển để robot hoạt động, ta quan sát kết sau sơn: Hình 4.50 Robot AKB tiến hành sơn vật mẫu 77 Hình 4.51 Mẫu vật sau sơn Ta thử nghiệm mơ hình khác phức tạp hơn: Một vật thể với bể mặt bao gồm đường cong liên tục, mặt vật giấy bìa cứng khơng thấm nước Hình 4.52 Mơ hình vật thể có mặt phẳng cong đặt hướng đối diện robot Cùng thực quy trình tương tự để khởi tạo điểm quỹ đạo sơn: 78 Hình 4.53 Khởi tạo điểm quỹ đạo Robot bắt đầu quy trình sơn thực tế vật mẫu có bề mặt cong: Hình 4.54 Quy trình sơn thực tế robot 79 Kết quy trình sơn vật mẫu có bề mặt cong: Hình 4.55 Kết sau robot sơn mặt phẳng cong Thử nghiệm sơn màu thực phẩm đơn giản, rõ quỹ đạo di chuyển đầu phun sơn bề mặt sản phẩm sơn Ta dùng sơn kim loại pha với xăng để làm nguyên liệu cho đầu phun sơn thay cho màu thức ăn Ta tiến hành khởi tạo điểm phần mềm tương tự phần trước, tải vào điều khiển robot Ta chạy lại hai thử nghiệm ban đầu với vật thể có mặt phẳng cong ván phẳng: 80 Hình 4.56 Robot tiến hành sơn chồng lên vật thể có mặt phẳng cong cũ Hình 4.57 Robot hồn thành sơn chồng lên vật thể có mặt phẳng cong cũ 81 Hình 4.58 Robot bắt đầu sơn ván phẳng Hình 4.59 Robot hồn thành sơn lại ván phẳng 82 Đánh giá phân tích kết sản phẩm Đánh giá sản phẩm sau sơn Vật thể có mặt phẳng cong: Hình 4.60 Vật thể có mặt phẳng cong sau sơn - Vật thể sơn khắp bề mặt với khoảng cách sơn - Nguyên liệu sơn pha chưa thật sạch, có lẫn nước tạp chất gây cặn bọt khí bề mặt sơn - Lớp sơn chưa đủ dày để che phần sơn trước màu thực phẩm 83 Tấm ván phẳng: Hình 4.61 Bề mặt sơn ván phẳng - Bề mặt sơn đồng với khoảng cách - Màu sơn toàn bề mặt ván Phân tích kết quả: Hình 4.62 So sánh phân tích kết sơn hai mẫu vật 84 So sánh Phân tích - Mẫu vật cong có độ bao phủ sơn - Do trình chọn điểm sử dụng phần mềm chưa hợp lý khoảng 80% - Tấm ván phẳng có độ bao phủ 95% - Ảnh hưởng sai số vị trí đặt mẫu vật cong - Mẫu vật cong có bề mặt không đồng - Mẫu vật cong sơn trước nên nguyên liệu sơn bị phần tạp chất màu sắc - Tấm ván phẳng có bề mặt đồng màu sắc từ nguyên liệu sơn cũ (màu thức ăn) - Tấm ván sơn sau nên nguyên liệu - Mặt phẳng cong cách robot chạy từ điểm đến điểm không gian khớp robot → Đầu phun có khoảng cách offset khác điểm Giải điều đòi hỏi nâng cấp phần mềm robot AKB chức khởi tạo điểm phức tạp phần mềm đề tài - Quá trình phun sơn robot di chuyển - Động học ngược robot chưa hoàn chỉnh, cần phải nghiên cứu phát triển góc lớn khơng có tính liên tục thêm Bảng 4-1 Bảng so sánh kết sơn hai mẫu vật 85 Đánh giá phân tích phần mềm khởi tạo điểm Phần mềm tạo quỹ đạo điểm sơn cho robot đạt yêu cầu sau: ✓ Chương trình khởi tạo điểm thành cơng ✓ Chương trình mô chuyển động robot tương tác với vật mẫu cần sơn cách trực quan ✓ Chương trình chuyển đổi điểm sang liệu ARB thành cơng ✓ Vị trí tương quan robot, vật mẫu cần sơn, điểm quỹ đạo sơn phần mềm mô với thực tế trùng khớp ✓ Robot hoạt động trơn tru, bật tắt đầu sơn để tiến hành sơn Một số hạn chế phần mềm cần phải khắc phục nâng cấp sau: o Phần mềm chưa thể tự khởi tạo điểm cách tự động o Phần mềm chưa tổng quát hoá tất trường hợp cho mẫu vật có độ phức tạp cao o Phần mềm chưa có tính chỉnh sửa điểm Các chức phần mềm thể cải tiến thêm tương lai: ➢ Phần mềm có chức tự động khởi tạo điểm sơn tùy theo thông số đầu phun tự động lựa chọn lộ trình sơn tối ưu ➢ Phần mềm có nhiều tính để trải nghiệm người dùng tốt trình thao tác với phần mềm ➢ Phần mềm có tính thể bề mặt sản phẩm chuyển động sơn thực thi 86 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Ứng dụng phần mềm khởi tạo điểm quỹ đạo cho robot sơn từ mơ hình 3D thực thử nghiệm thành công Dù vậy, ứng dụng đơn giản thiếu nhiều tính chủ chốt để trở thành đạt chuẩn cơng nghiệp sử dụng số điều kiện đơn giản Tuy nhiên, với tảng kiến thức kinh nghiệm thu sau trình nghiên cứu xây dựng phần mềm, việc phát triển tính mạnh mẽ cho phần mềm chuyện hoàn toàn khả thi Việc lập trình offline mơ phần hay tồn phần hệ thống tự động hóa xu hướng tập đoàn lớn giới tích cực phát triển để đem lại tính hiệu quả, suất chi phí cho doanh nghiệp đối tác Bên cạnh đó, việc sử dụng đồ họa 3D để mô biểu diễn lý thuyết trừu tượng công cụ hữu ích nghiên cứu khoa học đại Chúng ta thấy xu hướng qua mảng nghiên cứu cánh tay robot, xe tự hành AGV (ROS), hay thị giác máy tính, học máy v.v 5.2 Hướng phát triển đồ án tương lai Tác giả tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện chức tạo điểm phần mềm robot sơn Sau ứng dụng tảng mơ luận văn cho lĩnh vực khác robot robot quay phim, chụp ảnh, lĩnh vực tự động hóa khác như, mơ quy trình hoạt động cấu máy phức tạp v.v 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Denavit, Jacques, Hartenberg, R Scheunemann "A kinematic notation for lower-pair mechanisms based on matrices" Trans ASME J Appl Mech 23: 215–221, 1955 [2] Hartenberg, R Scheunemann; Denavit, Jacques Kinematic synthesis of linkages McGraw-Hill series in mechanical engineering New York: McGraw-Hill, p 435, 1965 [3] J J Craig Introduction to Robotics: Mechanics and Control, Pearson Education, Inc ,1986 [4] M W Spong Robot dynamics and control, John Wiley & Sons, 1989 [5] L Villani, G Oriolo, L Sciavicco, B Siciliano Robotics: Modelling, Planning and Control, Springer, 2009 [6] Lê Anh Kiệt, Lê Anh Tài, Huỳnh Công Đạt, Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Ngọc Lâm “Thiết kế chế tạo robot trục AKB-IRV1”, Hội nghị - Triển lãm Quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hoá VCCA, 2019 [7] R Stephens WPF 3d: Three-Dimensional Graphics with WPF and C#, CreateSpace Independent Publishing Platform, 2019 [8] A Olaszi, T Szabó “Kinematic analysis of robot and manipulator arms”, Advanced Logistic Systems, Vol No 1, pp 63-68, 2012 88 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Lê Anh Tài Ngày sinh: 09/11/1995 Nơi sinh: Thành Phố Hồ Chí Minh Địa chỉ: 45 Nguyễn Khối, Phường 1, Quận Thành Phố Hồ Chí Minh Q TRÌNH ĐÀO TẠO 2013-2017: Theo học đại học trường đại học Việt Đức, chuyên ngành Điện tử Công nghệ thông tin 2018-2020: Theo học thạc sỹ trường đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, khoa Điện – Điện tử, chuyên ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa Q TRÌNH CƠNG TÁC 2018 – Hiện nay: Làm việc vị trí kỹ sư phần mềm cơng ty TNHH Chế tạo máy AKB 89 ... số : 8520216 I TÊN ĐỀ TÀI : Quy hoạch quỹ đạo cho robot sơn công nghiệp dựa mơ hình 3D tạo máy tính (Trajectory planning for industrial spray painting robot based on 3D model created by computers)... Vì thế, quy trình sơn tự động điều bắt buộc phát triển ngành tự động hóa ngành cơng nghiệp sơn Hình 1.1 Thợ phun sơn làm việc môi trường độc hại Ứng dụng Robot sơn công nghiệp Robot công nghiệp. .. DỰNG GIẢI PHÁP QUY HOẠCH QUỸ ĐẠO ROBOT SƠN Trên sở khảo sát giải pháp có thực tế, với việc xác định lý thuyết tảng công cụ để giải vấn đề, tác giả xây dựng giải pháp quy hoạch quỹ đạo sơn 3.1 Giải