Luận văn nghiên cứu động học và động lực học robot scara bốn bậc tự do dùng trong công nghệ hàn

LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy, mơn Cơ Kỹ Thuật tận tình giảng dạy chúng em thời gian chúng em ngồi ghế nhà trường; kiến thức mà thầy, cô truyền đạt cho chúng em hành trang quý báu giúp chúng em bước đời, bắt đầu sống nhiều thử thách Trong trình làm đề tài luận văn này, em gặp nhiều khó khăn, lần đầu em tiếp xúc với giải thuật ngơn ngữ lập trình Nhưng hướng dẫn tận tình hết lịng giáo viên hướng dẫn thầy TS Trần Huy Long bạn sinh viên lớp Cơ Kỹ Thuật K05, bạn Ngyễn Hoài Nam, dạy thầy khoa, em hồn thành xong luận văn tốt nghiệp Lời cuối cùng, chúng xin dành để cảm ơn Cha Mẹ, Đấng Sinh Thành dưỡng dục quan tâm để chúng có ngày hơm Do hạn chế thời gian trình độ nên luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong quan tâm đóng góp thầy Chân thành cảm ơn.! i TĨM TẮT LUẬN VĂN Đề tài “Nghiên cứu động học động lực học robot Scara bốn bậc tự dùng cơng nghệ hàn” nhằm tìm hiểu vấn đề sau: -Tìm hiểu , tính tốn động học cho robot Scara bốn bậc tự Tính tốn động học nhằm tìm hiểu khả hoạt động robot Scara, linh hoạt để khâu chấp hành cuối di chuyển theo quỹ đạo có định hướng định theo u cầu Mục tiêu việc tính tốn động học định vị định hướng điểm tác động cuối thời điểm Trong tính tốn động học có hai tốn quan trọng tốn động học thuận tốn động học ngược Trong tốn động học ngược đóng vai trị quan trọng -Tính tốn tốn thuận để tìm vị trí hướng điểm tác động cuối so với hệ tọa độ gốc Tính tốn tốn động học ngược với kết nghiệm gồm góc θ 1, θ2, d3, θ4 -Tìm hiểu phần động lực học Nhằm tính tốn lực tổng qt, xác định moment lực động xuất trình chuyển động Tính tốn lực cấu tay máy việc cần thiết lựa chọn động cơ, kiểm tra độ bền… -Đồng thời xây dựng thuật toán tối ưu cho tốn động học ngược robot -Lập trình Matlab để giải toán động học cho robot Scara bốn bậc tự Chương trình có nhiệm vụ tính tốn phương trình động học cho robot Scara bốn bậc tự Tính tốn tốn thuận với kết vị trí khâu chấp hành cuối hệ tọa độ gốc Tính tốn tốn động học ngược với kết nghiệm biến khớp, θ 1, θ2, d3, θ4 Đây toán thực tế quan trọng robot Scara bốn bậc tự -Tiến hành mô robot Scara bốn bậc tự chương trình Easy-rob với nhiệm vụ hàn đường hai mối ghép kim loại hàn cắt theo đương trịn, để thấy q trình hoạt động robot mơi trường không gian ảo Đồng thời thông qua mô nhằm kiểm tra đánh giá khả hoạt động robot kiểm tra kết tính tốn tốn động học ngược Matlab i - MỤC LỤC Đề mục: Trang bìa…………………………………………………………………………… Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn………………………………………………………………………….i Tóm tắt…………………………………………………………………………… ii Mục lục……………………………………………………………………………iii Danh sách hình vẽ…………………………………………………………………iv Danh sách bảng biểu……………………………………………………………….v CHƯƠNG 1.TỔNGQUAN………………………………………………………………1 1.1 Sơ lược q trình phát triển robot cơng nghiệp……………………… 1.2 Ứng dụng robot công nghệ hàn…………………………………… 1.3 Phân loại robot…………………………………………………………………4 1.3.1 Phân loại theo kết cấu……………………………………………………5 1.3.2 Phân loại theo điều khiển……………………………………………… 1.3.3 Phân loại theo ứng dụng…………………………………………………8 1.4 Cấu trúc robot công nghiệp……………………………………… 1.4.1 Kết cấu chung……………………………………………………………9 1.4.2 Bậc tự tọa độ suy rộng……………………………………… CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT………………………………………………… 13 2.1 Lý thuyết động học vật rắn………………………………………………… 13 2.1.1 Khả chuyển động vật rắn không gian………………… 13 2.1.2 Biểu diễn hướng……………………………………………………… 13 2.1.2 Biểu diễn vị trí………………………………………………………….13 2.2 Các phép biến đổi nhất…………………………………………………14 2.2.1 Vectơ điểm tọa độ thuàn nhất……………………………………….14 2.2.2 Biến đổi ma trận dùng tọa độ nhất……………………………….16 2.3 Các phép biến đổi bản…………………………………………………… 17 2.3.1 Phép biến đổi nhất……………………………………………… 17 i 2.3.2 Phép quay quanh trục tọa độ………………………………………18 2.3.3 Phép quay quanh trục bất kỳ…………………………………… 19 2.3.4 Phép quay theo góc Euler………………………………………… 21 2.3.5 Phép quay theo Roll-Pitch-Yaw……………………………………….22 2.4 Các toán biến đổi ngược………………………………………………….23 2.4.1 Xác định góc quay trục quay……………………………………… 23 2.4.2 Xác định góc Euler………………………………………………… 27 2.4.3 Xác định góc RPY………………………………………………… 30 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…………………………………… 32 3.1 Động học…………………………………………………………………… 32 3.1.1 Giới thiệu……………………………………………………………….32 3.1.2 Bộ thơng số Denavit & Hartenberg…………………………………….34 3.1.3 Mơ hình biến đổi……………………………………………………… 35 3.1.4 Phương trình động học robot………………………………………… 36 3.1.5 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học robot…………………… 37 3.2 Động lực học………………………………………………………………….38 3.2.1 Giới thiệu……………………………………………………………….38 3.2.2 Phương trình Lagrange loại 2………………………………………… 38 3.2.3 Tính động năng…………………………………………………………39 3.2.4 Tính năng………………………………………………………… 40 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU GIẢI BÀI TỐN NGƯỢC ĐỘNG HỌC.41 4.1 Bài tốn động học ngược…………………………………………………… 41 4.2 Vấn đề đặt hướng giải quyết……………………………………………41 4.3 Ứng dụng phương pháp tối ưu vào toán mục tiêu……………………… 42 4.4 Một số phương pháp tối ưu………………………………………………… 46 4.4.1 Phương pháp tối ưu hóa lần lượt……………………………………… 46 4.4.2 Phương pháp dùng tiêu tổng hợp………………………………… 46 4.4.3 Phương pháp trọng số……………………………………………… 47 4.5 Chuyển toán (****) toán tối ưu mục tiêu…………………….47 i 4.6 Thuậ toán tối ưu giải toán (****)……………………………………… 48 4.7 Thuật toán giải toán ngược động học tay máy……………………………53 4.8 Giới thiệu chương trình Matlab………………………………………………56 4.9 Giới thiệu chương trình mơ Easy-rob…………………………………58 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN……………………………………………… 59 5.1 Mơ hình……………………………………………………………………….59 5.2 Giải tốn động học cho robot Scara………………………………………59 5.2.1 Bài toán động học thuận……………………………………………… 59 5.2.1.1 Giới thiệu…………………………………………………………… 59 5.2.1.2 Giải toán thuận cho robot Scara………………………………… 60 5.2.1.3 Lập trình Matlab để giải toán thuận cho robot Scara…………… 63 5.2.2 Bài toán động học ngược cho robot Scara…………………………… 65 5.2.2.1 Giới thiệu…………………………………………………………… 65 5.2.2.2 Giải toán ngược cho robot Scara………………………………….65 5.2.2.3 Giải toán động học ngược cho robot Scara dùng chương trình Matlab……………………………………………………………………………………68 5.3 Ứng dụng kiểm chứng……………………………………………………… 69 5.3.1 Kiểm chứng thuật toán đường dẫn thực tế mối hàn……………72 CHƯƠNG KẾT LUẬN……………………………………………………… …….82 DANH SÁCH HÌNH VẼ STT Hình Tên hình Trang 1.1 Robot hàn dây chuyền sản xuất ôtô 1.2 1.3 Robot kiểu tọa độ Đề Robot kiểu tọa độ trụ 1.4 Robot kiểu tọa độ cầu 1.5 Robot SCARA 6 1.6 Tay máy kiểu tay người 7 1.7 Một dạng Robot điều khiển servo i 1.8 Robot hàn 1.9 Robot tự hành NASA 10 1.10 Hình dạng điển hình phận robot công nghiệp 10 11 1.11 Các tọa độ suy rộng Robot 11 12 1.12 Vùng làm việc công tác 11 13 1.13 Robot RP 12 14 2.1 Khả chuyển động vật rắn 13 15 2.2 Biểu diễn cosin phương 13 16 2.3 14 17 2.4 Biểu diễn điểm không gian Các hệ tọa độ 18 2.5 18 19 2.6 Phép biến đổi tịnh tiến không gian Phép quay quanh trục 20 2.7 Phép quay Euler 21 21 2.8 23 22 2.9 Phép quay Roll-Pitch-Yaw Hàm arctg2(y,x) 23 3.1 Các vectơ định vị trí định hướng bàn tay máy 33 24 3.2 34 25 3.3 Chiều dài góc xoắn khâu Các thơng số khâu: θ, d, a α 26 4.1 Giao diện chương trình Matlab 57 27 4.2 Đồ thị Matlab 57 28 4.3 Lập trình giao diện người dùng 58 29 4.4 Giao diện chương trình Easy-rob 58 30 4.5 Mơ hình robot Scara 58 31 5.1 Mơ hình robot Scara hàn 59 32 5.2 Mơ hình robot Scara 60 33 5.3 Nhập thông số robot Scara 63 34 5.4 Nhập giá trị biến khớp 64 35 5.5 Xem kết 65 36 5.6 Bài toán động học ngược 68 37 5.7 Giải toán động học ngược 69 38 5.8 Robot SCARA hệ tọa độ (vị trí ban đầu) 70 39 5.9 Bảng thơng số DH robot SCARA 70 40 5.10 Hình ảnh mối ghép hàn theo đường thẳng 72 17 19 28 34 i 41 5.11 Hình ảnh tay máy hàn 75 42 5.12 Hình ảnh tay máy hàn xong 78 43 5.13 78 44 5.14 Hình ảnh mối hàn cắt theo đường trịn Hình ảnh tay máy hàn 45 5.15 Hình ảnh tay máy hàn xong 81 80 DANH SÁCH BẢNG BIỂU STT Bảng Tên bảng Trang 5.1 Thông số Denavit & Hartenberg 61 5.2 Tọa độ điểm đường hàn theo đường 73 thẳng 5.3 Tọa độ suy rộng đường hàn theo đường thẳng 74 5.4 Tọa độ suy rộng đường hàn.theo đường thẳng 76 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược q trình phát triển robot cơng nghiệp Thuật ngữ “Robot” sử dụng lần Karel Capek kịch ông Rossum’s Universal Robots xuất vào năm 1921 Có lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật việc sáng chế cấu, máy móc bắt chước hoạt động người Về mặt kỹ thuật, robot công nghiệp ngày có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) máy công cụ điều khiển số (NC- Numerically Controlled Machine Tool) Các cấu điều khiển từ xa (hay thiết bị kiểu chủ-tớ) phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ viện nghiên cứu nguyên tử lực Đó cấu sinh học bao gồm khâu khớp dây chằng gắn liền với hệ điều hành cánh tay người, thao tác thơng qua cấu khuyếch đại khí Cụ thể, gồm có kẹp bên (tớ) hai i tay cầm bên (chủ) Cả hai, tay cầm kẹp, nối với cấu sáu bậc tự để tạo vị trí hướng tùy ý cho tay cầm kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển kẹp theo chuyển động tay cầm Chính vậy, người thao tác tách biệt khỏi khu vực phóng xạ tường có vài cửa quan sát, nhìn thấy thực thao tác bên cách bình thường Vào khoảng năm 1949 máy cơng cụ điều khiển số đời nhằm đáp ứng nhu cầu gia công chi tiết ngành chế tạo máy bay Những robot thực chất nối kết khâu khí cấu điều khiển từ xa với khả lập trình máy công cụ điều khiển số Đầu thập kỷ 1960, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) cho đời robot công nghiệp đặt tên Versatran, Harry Johnson Veljko Milenkovic thiết kế Năm 1967 trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) chế tạo mẫu robot hoạt động theo mơ hình “mắt-tay”, có khả nhận biết định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ cảm biến Năm 1974 công ty Mỹ Cincinnati đưa loại robot điều khiển băng máy vi tính, gọi robot T (The Tomorrow Tool:cơng cụ tương lai) Robot nâng vật có khối lượng lên đến 45kg Những năm 80, năm 90,do áp dụng rộng rãi tiến kỹ thuật vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng, giá thành giảm rõ rệt, tính có bước tiến vượt bực Ngày 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, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động… Định nghĩa robot công nghiệp Viện nghiên cứu robot Mỹ đề xuất sử dụng rộng rãi: “RBCN tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình lập trình lại để hoàn thành nâng cao hiệu hoàn thành nhiệm vụ khác công nghiệp, vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng khác.” i Ngoài ý trên, định nghĩa Γ0CT 25686-85 bổ sung cho RBCN chức điều khiển trình sản xuất: “ RBCN tay máy tự động đặt cố định hay di động bao gồm thiết bị dạng thừa hành tay máy có số bậc tự hoạt động thiết bị điều khiển theo chương trình, tái lập trình để hồn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất” Chức vận động bao gồm hoạt động “cơ bắp” vận chuyển, định hướng, xếp đặt, gá kẹp, lắp ráp…đối tượng Chức điều khiển ám vai trò robot phương tiện điều hành sản xuất, cung cấp dịch vụ vật liệu, phân loại phân phối sản phẩm, trì sản xuất chí điêù khiển thiết bị liên quan Với đặc điểm lập trình lại, RBCN thiết bị tự động hóa khả trình ngày trở thành phận thiếu tế bào hệ thống sản xuất linh hoạt 1.2 Ứng dụng robot cơng nghệ hàn Có thể nói, robot tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa, với mức độ “tri thức” ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chương trình số kỹ thuật chế tạo cảm biến, công nghệ lập trình phát triển trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia… Tính hoạt động robot ngày nâng cao, khả nhận biết xử lý, nhiều loại robot có khả đặc biệt Số lượng robot ngày gia tăng, giá thành ngày giảm Trong công nghiệp gia công vật liệu, robot thực nhiệm vụ máy gia cơng Do tay robot gắn dụng cụ thay cho cấu kep Ứng dụng robot công nghiệp gia công vật liệu bao gồm công nghệ sau: Hàn điểm; hàn hồ quang lien tục… Hàn điểm ứng dụng phổ biến robot công nghiệp, đặc biệt công nghiệp lắp ráp ôtô i Hình 1.1 Robot hàn dây chuyền sản xuất ơtơ Hàn điểm thực hai phương pháp: dùng máy hàn điểm dùng súng hàn điểm Máy hàn điểm gồm hai điện cực ép chặt hai chi tiết cho dịng điện có giá trị lớn chạy qua, kết hai chi tiết hàn dính điểm Dùng hàn điểm gồm hai điện cực khung mở đóng hai điện cực; cáp lớn dẫn dịng chạy qua Hệ thống súng hàn điểm có trọng lượng kích thước lớn gây khó khăn cho người điều khiển dây chuyền sản xuất với tốc độ lớn Robot sử dụng hiệu công nghệ hàn điểm Ở dây chuyền lắp ráp ôtô, hàng chục robot hàn điểm làm việc với theo chương trình lập sẵn Robot hàn điểm phải có kích thước lớn, có khả mang tải trọng để điều khiển súng hàn có khối lượng lớn cách xác Robot cần phải đưa súng hàn vào vị trí hướng vị trí người khó thực Do số bậc tự robot phải lớn nhớ máy tính phải có dung lượng lớn Lợi ích tự động hóa cơng nghệ hàn điểm sử dụng robot nâng cao chất lượng sản phẩm, thao tác an toàn điều khiển tốt trình hàn Hàn hồ quang liên tục sử dụng công nghệ hàn đường: ghép hai phận kim loại hàn ống,…Môi trường làm việc người công nhân hàn hồ quang nguy hiểm độc hại: nhiệt độ cao Tia cực tím sinh q trình hàn gây nguy hiểm đến thị giác người …Việc ứng dụng robot nghệ hàn hồ quang cải thiện đáng i Hình 5.8 Robot SCARA hệ tọa độ (vị trí ban đầu) Khâu θi ∗ ∗ θ1 αi di a1 θ2 180 a2 0 0 d3∗ ∗ ∗ θ4 d4 Hình 5.9 Bảng thơng số DH robot SCARA Bằng ngơn ngữ lập trình MATLAB, ta viết chương trình Prog_main.m để xây dựng thuật tốn tối ưu clear all disp('SO DIEM TREN DUONG DAN:') sd=input('sd = ') % DIEU KIEN BIEN chuyen dong khop: theta0 = pi/2; d0 = 800; % CAC THONG SO DH KHOI TAO: xet tay may SCARA BTD, 1,2,4 la khop ban le, la khop tinh tien %CAC bien khop KHOI TAO:') theta1 =0; i theta2 =0; theta4 =0; d3 = 100; eps = input('Do chinh xac cho phep, eps = ') for k=1:sd disp('TOA DO CUA DIEM KHAO SAT THU:') k disp('Enter to continue') pause px0=input('Toa cua Ak tren Ox0 (0