Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án tốt nghiệp tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR
Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR - 1 - Tính toán động học, mô phỏng chuyển động của robot MMR ( Mini Mobile Robot ) và thiết kế, chế tạo mẫu robot MMR. Đồ án được chia thành 2 phần : ♦ Phần I: Tính toán động học và mô phỏng chuyển động robot MMR. -Chương 1: Cơ sở lý thuyết khảo sát bài toán động học robot. -Chương 2: Áp dụng tính động học cho robot MMR. -Chương 3: Phần mềm tính toán và mô phỏng. ♦ Phần I : Thiết kế và chế tạo mẫu robot MMR -Chương 1: Lựa chọn cấu trúc robot MMR -Chương 2 : Thiết kế cơ khí robot MMR Em xin chân thành cảm ơn T.S Phan Bùi Khôi cùng toàn thể các thầy cô trong bộ môn cơ học ứng dụng đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Mặc dù rất cố gắng nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy, các cô trong bộ môn cũng như các bạn sinh viên, những người quan tâm đến robot. Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR - 2 - PHẦN I TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG ROBOT MMR Đồđộ 31.11.1thurobtrođiềđộnđặthoạ ồ án tốt ngộng chươ3CƠ SỞ L1.Cấu trú1.1 Khái qCùng vuật đặc biệtbot ngày càng robot cều khiển. Cng chính làt trong robạt động củM(CứnTay (mangcông)DrKkrghiệp ơng trình LÝ THUúc động huát về robvới sự phátt là lĩnh vựàng có nhữó các bộ pCơ cấu chấpà các cơ bắot vận hàna robot. Mắt, mũi, taCác senser ng) (Bàn kẹp, g dụng cụ g) Da (Vỏ bọrobot) Khớp (Cáckhớp độngrobot) và thiết CHUYẾT KHhọc robotbot t triển khônực cơ khí, đững chức nhận như cơp hành cũnắp và đượcnh, hệ thốnai cảm gia c c g H kế robotHƯƠNG HẢO SÁT ng ngừng cđiện tử điềunăng gần giơ cấu chấpng như cánc trái tim cog điều khiểHình 1.1 N Tínht MMR 1 T ĐỘNGcủa các ngu khiển vàiống như cp hành, hệ dnh tay chânon người tưển là bộ nãNgười và roh toán chG HỌC Rghành khoaà tin học đãon người ndẫn động vn con ngườương ứng vão điểu khiNão ( hệ tBắp t(Các độngTrái obot huyển ROBOTa học kỹ ã làm cho nhiều hơn, và hệ thốngời, hệ dẫn với động ciển mọi thống điềuthịt, huyết bộ truyền g) tim( ĐộngXương ( Krobot) g cơ u khiển) quản chuyển g cơ) Khung Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR - 4 - Cuộc sống ngày càng văn minh hiện đại, mức sống của người dân ngày càng được nâng cao, đòi hỏi phải nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm. Vì vậy càng phải ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá vào sản xuất nên càng tăng nhanh nhu cầu về ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động và linh hoạt. Robot có những đặc điểm nổi trội đó là: ♦ Có thể thực hiện công việc một cách bền bỉ, không biết mệt mỏi nên chất lượng sản phẩm được giữ ổn định. Giá thành sản phẩm hạ do giảm được chi phí cho người lao động. Ở nước ta trong những năm gần đây ở nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí về lương bổng cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong giá thành sản phẩm, càng cần phải ứng dụng công nghệ robot vào dây chuyền sản xuất. ♦ Nhất là ở nhiều nơi hiện nay cũng cần ứng dụng công nghệ robot để cải thiện điều kiện lao động vì trong thực tế sản xuất người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, ồn ào…quá mức cho phép nhiều lần. Thậm chí phải làm việc trong môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con người. ♦ Mặt khác, khi áp dụng công nghệ robot vào sản xuất ta cũng cần lưu ý và phân tích kỹ toàn bộ hệ thống sản xuất sao cho phù hợp với các nguyên công và phù hợp với tình hình sản xuất của nhà máy. Cần xét đến đầy đủ các chi phí phụ và hiệu quả mang lại cho toàn bộ hệ thống. Khi xác định đưa robot vào hệ thống sản xuất thì cũng cần phải xét xem khả năng liệu robot có thay thế được hay không và có hiệu quả hơn không. Vì trong thực tế sản xuất cho thấy xu hướng thay thế hoàn toàn bằng robot nhiều khi không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà cần phải có sự khéo léo của con người. ♦ Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản xuất. Mà trong đó kĩ thuật robot và máy vi tính đã đóng Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR - 5 - vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt.Vì vậy trong những năm gần đây không những chỉ các nhà khoa học mà cả các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất linh hoạt. So với lúc mới ra đời, ngày nay công nghệ robot đã có những bước phát triển vượt bậc. Đặc biệt là vào những năm 60 của thế kỉ trước, với sự góp mặt của máy tính. Ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện những công việc phức tạp. Ngày càng có những cải tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của các bộ phận điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình. Tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot. Trong tương lai số lượng lao động được thay thế ngày càng nhiều vì một mặt giá thành robot ngày càng giảm do mặt hàng vi điện tử liên tục giảm giá đồng thời chất lượng liên tục tăng. Mặt khác chi phí về lương và các khoản phụ cấp cho người lao động ngày càng tăng. Robot ngày càng vạn năng hơn để có thể làm được nhiều việc trên các dây chuyền. Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây chuyền. Công việc lại đòi hỏi phải cẩn thận, nhẹ nhàng tinh tế và chính xác. Nên nếu là công nhân thì cần phải thợ có tay nghề cao và làm việc đơn điệu, căng thẳng. Robot đã có mặt nhiều trên các công đoạn lắp ráp phức tạp do được thừa hưởng kĩ thuật cảm biến, kĩ thuật tin học với những ngôn ngữ lập trình bậc cao. Robot tự hành cũng sẽ phát triển mạnh trong tương lai, có thể đi được bằng chân để thích hợp với mọi địa hình ví dụ như có thể tự leo bậc thang… Việc tạo ra các cơ cấu chấp hành cơ khí vừa bền vững, nhẹ nhàng chính xác và linh hoạt như chân tay người là đối tượng nghiên cứu chủ yếu. Đồđộ 6khôcácthôcủa 1.1mộlinhcác ồ án tốt ngộng chươ6Kỹ thuôn nhân tạc modul cảông minh ha robot phả1.2 Cấu trúTa có tột chuỗi độh hoạt nhờDưới đc lĩnh vực: ♦ Trong máy kh♦ Trong như gi♦ Trong Hình 1.2 ghiệp ơng trình uật robot cũo và đưa vảm biến và hoá nhiều lải hoạt độnúc động hthể khái quộng, mỗi khờ hệ dẫn độđây là một gia công choan, trongdây truyềna công, phvận tải thư2 Robot Hi và thiết ũng từng bvào ứng dụcác modulloại robot. ng chính xáọc robot uát định nghâu được gộng và đượsố hình rocơ khí: thườg các dây tn sản xuất:hun sơn, đóường dùng ipo kế robotbước áp dụnụng trong côl phần mềmĐiều quanác. ghĩa robot tghép với nhợc điều khiobot liên tụờng sử dụntruyền lắp r Tham gia óng gói baođể bốc xếp Tínht MMR ng các kết ông nghiệpm phù hợp n trọng là ctheo cách nhau bởi cácển bằng hục được ứnng trong cáráp, v…v…vào một so bì, v…v…p hàng hóa Hình toán chquả nghiêp. Cải tiến có thể cải ác cơ cấu cnhìn của cơc khớp nốihệ thống điềng dụng nhác máy hàn… ố dây truy… a . nh 1.3 Robohuyển n cứu về trvà bổ xuntiến và chấp hành ơ học là i, hoạt độnều khiển. hiều trong n tự động, yền sản xuấot Puma rí ng g ất Đồđộ 7 chukhôcó ồ án tốt ngộng chươ7 Hình 1Trong uỗi động hông gian cthể mang ghiệp ơng trình .4 robot Kđồ án này hở, robot gồố định (xe dụng cụ cắ và thiết Kuka em xin chồm 4 khâukhông di cắt, mỏ hàn, kế robot họn mô hìnhu và 4 khớpchuyển )(h,bàn kẹp, v Tínht MMR Hìh robot MMp quay có thhình 1.6). Kv…v… h toán chình 1.5 LasMR khảo hể thao tácKhâu cuối chuyển ser Roboticsát là mộtc trong của robot c. t Đồđộ 8 1.2trí vùndo Đểcáctheồ án tốt ngộng chươ8 2 Bậc tự dCơ cấuvà theo mng làm việchuyển độể tính số bậch tính dựaeo công thứ(1.1) Trong ♦ fghiệp ơng trình do của rou tay của romột hướng nệc. Muốn vộng. ậc tự do của vào định ức: .(f nλ= −đó : f : Là số b và thiết Hobot obot phải đnhất định nvậy cơ cấu ủa robot thìlý Grueble11) (giλ=− −∑ậc tự do củ kế robotHình 1.6 được cấu tạnào đó và dtay của robì ta có nhiềer. Theo G0)iffλ−−ủa cơ cấu. Tínht MMR ạo sao cho dễ dàng di bot phải đạều cách tínhGruebler th h toán chkhâu cuốichuyển dễạt được mộh dưới đâyhì bậc tự dohuyển i phải có vịễ dàng tronột số bậc tựy ta đưa ra o f được tín ị ng ự nh Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR - 9 - ♦ λ: Bậc tự do của một vật rắn không chụi liên kết trong không gian làm việc của robot (λ = 3 ứng với không gian làm việc trong mặt phẳng, λ = 6 ứng với không gian làm việc trong không gian). ♦ n : Số khâu ( kể cả giá cố định). ♦ if : Số bậc tự do của khớp thứ i. ♦ g: Tổng số khớp của cơ cấu. ♦ 0f: Số bậc tự do thừa Một số ví dụ: - Số bậc tự do của mô hình robot trong đồ án ♦ λ = 6 (Vì không gian làm việc trong không gian ). ♦ n = 5 (Số khâu của robot kể cả xe). ♦ if = 1( Vì tất cả các khớp quay trong robot đều có 1 bậc tự do). ♦ g= 4 (Tổng số khớp của cơ cấu). ♦ 0f =0 (Không có bậc tự do thừa). Bậc tự do của robot là : 01.( 1) ( )giif nffλλ==−− −−∑ 416.(5 1) (6 1) 0 4f =−− −−=∑ - Laser Robotic ( Hình 1.5) 6λ=, 7n=, 6g =, 1if =, 0f=0 Bậc tự do của robot là :01.( 1) ( )giif nffλλ== −− − −∑ 616.(7 1) (6 1) 0 6f= −− −−=∑ Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR - 10 - 1.3 Phương pháp khảo sát bài toán động học Sử dụng phương pháp ma trận chuyền Denavit- Hartenberg 1.3.1 Tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất a) Vector điểm và tọa độ thuần nhất Vector điểm dùng để mô tả vị trí của điểm trong không gian 3 chiều. Xét điểm M trong không gian 3 chiều có thể biểu diễn bằng vector r trong hệ tọa độ Oxyz: Txyzr = (r , r , r ) (1.2) Vector Txyzr = (r , r , r ) trong không gian ba chiều, được bổ sung thêm một thành phần thứ tư và thể hiện bằng một vector mở rộng: Txyzr = ( r , r , r , m) μ μμ (1.3) Đó là cách biều diễn vector điểm trong không gian tọa độ thuần nhất. Như vậy có rất nhiều cách biểu diễn tọa độ trong không gian tọa độ thuần nhất, nó phụ thuộc vào giá trị của hệ số tỉ lệ μ. Nếu lấy μ = 1 thì các tọa độ biều diễn bằng tọa độ có thực, vector mở rộng được viết lại như sau: Txyzr = (r , r , r , 1) (1.4) Nếu lấy 1 μ≠ thì các tọa độ biều diễn gấp μ lần tọa độ thực. b) Quay hệ tọa độ dùng ma trận 3x3 zxyrM0Hình 1.7 Biểu diễn một điểm trong không gian [...]... phương trình (1.36) dạng: f ( x) = 0 (1.47) Trong đó: - 24 - Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Đồ án tốt nghiệp ⎡ f1 ⎤ ⎢f ⎥ f = ⎢ 2⎥ ⎢M⎥ ⎢ ⎥ ⎣ f6 ⎦ (1.48) x = [q1 , q2 , q3 , q4 , q5 , q6 xp, yp, zp, rotxp, rotyp, rotzp] (1.49) Nếu các tham số biết trước là xp, yp, zp, rotxp, rotyp, rotzp các tham số cần xác định là: [ q1 q2 q3 q4 q5 q6 ] và ngược lại CHƯƠNG 2 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT. .. 2 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT MMR 2.1 Hệ phương trình động học cơ bản của MMR Khảo sát chuyển động của robot MMR khi xe dừng lại và cánh tay thực hiện thao tác công việc Chọn hệ tọa độ theo quy tắc của DenavitHartenberg như hình 2.1 - 25 - Tính toán ch h huyển độ chươ trình và thiết kế robot MMR ộng ơng t Đồ án tốt ng ồ ghiệp hình 2.1 ♦ C Chọn hệ tọa độ O0x0y0z0 gắn tại khâu 0 và đặt tại khâ 1 Trục a âu... - Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Đồ án tốt nghiệp x = [q1 q 2 q 3 q 4 xp yp zp rotxp rotyp rotzp] Vì vậy ta phải biết trước 4 tham số hay còn gọi là biến điều khiển Với mô hình robot MMR này ta cho biết trước [xp yp zp rotyp] Các phương trình trên đều là các phương trình đại số phi tuyến do đó để giải các phương trình này ta dùng phương pháp lặp Newton-Raphson 2.3 Bài toán. .. (2.8) Vì robot có 4 bậc tự do ta c thực hiệ điều khiển chuyển động của c chỉ ện n a rob với 4 th số ở đ cho quy luật của đ bot ham đây y điểm tác đ động: và ham c ớng xp = xp (t ), yp = yp (t ), zp = zp (t ) v một 1 th số xác định hướ cua p khâ thao tác có thể ch trước ro = 0 Từ đó giải 6 phương trình 6 ẩn âu c, ho T t otyp số 30 3 Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Đồ án tốt nghiệp. . .Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Đồ án tốt nghiệp Trước hết ta thiết lập quan hệ giữa 2 hệ tọa Z độ xyz và uvw chuyển động quay tương đối với nhau khi gốc O của 2 hệ vẫn trùng nhau Gọi (ix , jy , kz ) và (iu , jv , kw) là các vector đơn vị chỉ phương các trục Oxyz và Ouvw tương ứng độ Oxyz bằng vector: rxyz = (rx, ry, rz)T... 1⎦ Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Đồ án tốt nghiệp ⎡cos ϕ ⎢ sin ϕ R ( z ,ϕ ) = ⎢ ⎢ 0 ⎢ ⎣ 0 − sin ϕ cos ϕ 0 0 0 0⎤ 0 0⎥ ⎥ 1 0⎥ ⎥ 0 1⎦ (1.25) 1.3.2 Ma trận Denavit-Hartenberg Xét mô hình rôbốt gồm có n khâu như hình 1.10 Các khâu được đánh số tăng dần từ khâu cơ sở ( khâu 0 ) cho đến khâu thứ n Khớp thứ k nối giữa khâu k-1 và khâu k Hai loại khớp thường được dùng trong thiết kế. .. Thế vào được phương trình: & & J p p = J q q (2.16) Hay - 34 - M − ∂f 6 ∂q3 ∂f1 ⎤ ∂q4 ⎥ ⎥ ∂f 2 ⎥ − ∂q4 ⎥ ⎥ M ⎥ ⎥ ∂f 6 ⎥ − ∂q4 ⎥ ⎦ − M − ∂f 6 ∂q3 ∂f1 ⎤ ∂q4 ⎥ ⎥ ⎡ q1 ⎤ & ∂f 2 ⎥ ⎢ ⎥ − & q ∂q4 ⎥ ⎢ 2 ⎥ ⎥ ⎢q ⎥ & M ⎥⎢ 3⎥ & ⎥ q ∂f 6 ⎥ ⎣ 4 ⎦ − ∂q4 ⎥ ⎦ − Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Đồ án tốt nghiệp & & & p = J −1 J q q = J f q p (2.17) Trong đó J −1 J q = J f p (2.18) 2.2.2 Bài toán. .. 2 Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Đồ án tốt nghiệp ♦ Chọn hệ tọa độ O3x3y3z3 gắn tại khâu 3 và đặt tại khâu 4 Trục z3 trùng với trục quay của khâu 3, x3 được chọn sao cho là được vuông góc chung của z2 và z3, y3 chọn sao cho O3x3y3z3 là hệ quy chiếu thuận ♦ Chọn hệ tọa độ O4x4y4z4 đặt ở vị trí thao tác, trục z4 trùng với trục của khâu 4, x4 là đường vuông góc chung của z3 và. .. j y k w ⎥.⎢ rv ⎥ ⎥⎢ ⎥ k z k w ⎥ ⎢rw ⎥ ⎦⎣ ⎦ Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Đồ án tốt nghiệp Gọi R là ma trận quay 3x3 với các phần tử là tích vô hướng 2 vector chỉ phương các trục tương ứng của 2 hệ tọa độ Oxyz và Ouvw Phương trình (1.9) được viết lại: ⎧ rxyz = R.ruvw ⎨ −1 ⎩ruvw = R rxyz (1.10) Có thể biểu diễn các phần tử ma trận R và R-1 như sau: ⎡ cos( x, u ) cos( x, v) cos(... 1⎥ ⎦ ⎣ ⎦ (1.32) Đồng nhất từng phần tử ma trận khối của (1.31) ta được: A i B i = E ⇒ B i = ( A i ) = AT i −1 (1.33) A ib i + p i = 0 ⇒ bi = − ( A i ) p i = − AT p i i −1 (1.34) Vậy: - 19 - Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR Đồ án tốt nghiệp ( Ti ) −1 ⎡ AT i =⎢ ⎢ 0 ⎣ − AT p i ⎤ i ⎥ 1 ⎥ ⎦ (1.35) Với việc sử dụng ma trận biến đổi thuần nhất 4x4, việc xác định vị trí và hướng của một . Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR - 1 - Tính toán động học,. quan tâm đến robot. Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển động chương trình và thiết kế robot MMR - 2