Đang tải... (xem toàn văn)
Tính toán thiết kế mô phỏng robot dùng maple
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN - TỬ Đề tài: Tính toán thiết kế chế tạo và mô phỏng robot NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Phan Bùi Khôi Hà Nội – 2013 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án “Tính toán thiết kế và mô phỏng robot stanford” là nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Phan Bùi Khôi. Các số liệu trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng và được trích dẫn. Nếu có gian lận nào tôi xin chịu mọi trách nhiệm. 2 LỜI MỞ ĐẦU Ở một tầm nhìn rộng, trên thế giới khái niệm robot đã không còn mới mẻ nữa, thậm chí nó còn trở nên phổ biến ở những quốc gia phát triển. Robot được nghiên cứu, chế tạo, phát triển để phục vụ những nhu cầu của con người, nên những chủng loại và kiểu dáng tương đối phong phú và đa dạng. Công nghệ robot trên thế giới đã rất phát triển nhưng con người không muốn dừng lại ở đó và vẫn muốn đẩy mạnh phát triển hơn nữa cho robot, tiến đến giải phóng hoàn toàn sức lao động của con người. Ở tầm nhìn hẹp hơn, Với nước ta, một nước đang phát triển, và đang trên con đường trở này một nước công nghiệp tiên tiến. Robot lại là một trong những mảng không thể thiếu trong công nghiệp hiện đại. Thế nên việc đào sâu nghiên cứu về robot đã được tiến hành từ rất sớm. Tuy ra đời muộn hơn nhưng robot Việt Nam đã và đang dần bắt kịp với các nước trên thế giới. Trong phạm vi đồ án sau đây, em xin đề cập đến những vấn đề cơ bản khi nghiên cứu một mô hình robot Stanford Tuy còn thiếu xót, nhưng những phần cơ bản về điều khiển robot và robotics đều được trình bày trong đồ án này. Mong Thầy ĐÀO ANH TÙNG và các bạn có thể đóng góp ý kiến để em hoàn thiện hơn nữa bài tập này. Sinh viên thực hiện 3 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT VÀ MÔ HÌNH THIẾT KẾ 1.1.Giới thiệu chung về robot: Robot là máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ con người: - Có hình dạng giống người hoặc cánh tay người. - Có khả năng thao tác tự động. - Có khả năng bắt chước thao tác giống người. 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 hóa vào sản xuất nên càng tăng nhanh nhu cầu về ứng dụng Robot để tạo ra các hệ thống sản phẩm tự động và linh hoạt. Robot là máy , thiết bị cố định hoặc di động , được tích hợp từ nhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm: - Cơ cấu chấp hành - Hệ thống dẫn động - Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt. - Hệ thống thông tin giám sát. Trong những năm gần đây thì việc áp dụng các loại robot vào các dây chuyền sản xuất ngày cầng được sử dụng rộng rãi ở doanh ngiệp . Ví dụ như các loại robot: Robot hàn,Robot phun sơn ở các công ty sản xuất và lắp ráp ô tô. Đặc biệt là ở các công ty sản xuất và lắp ráp các linh kiện điện tử . Đây là công việc đòi hỏi độ chính xác cao , thường lặp lại nên dê gây mệt mỏi cho người làm vì vậy sử dụng Robot ở các công ty này là rất phổ biến . Ngoài ra hiện nay ở các phân xưởng sản xuất sử dụng rất nhiều loại xe Robocar hoặc ở các công việc trong môi trường độc hại , thường xuyên tiếp xúc với hóa chất độc hại thì cũng sử dụng Robot làm thay con người. 4 Hình 1.1 : Một số hình ảnh về robot trong công nghiệp 1.2.Giới thiệu chung về robot Stanford và nguyên lý hoạt động của robot Stanford: 1.2.1:Giới thiệu chung về robot Stanford: Stanford Cart (1965-1979) Từ năm 1979, phòng thí nghiệp Stanford tiếp tục đưa ra một thiết kế mới, xe tự định vị Standford, được xây dựng với mục đích ban đầu là tạo ra một thiết bị điều khiển từ xa lưu động (rover) trên mặt trăng. Từ năm 1967 cho đến 1970, nó được thiết kế lại để 5 có thể tự động đi theo một vạch kẻ màu trắng trên đường. Một máy tính từ xa điều khiển hoạt động của xe này nhờ thông tin truyền về từ một camera vô tuyến gắn trên xe. Năm 1977 Hans Moravec tiếp tục thiết kế lại, trang bị cho nó một camera vô tuyến gắn trên đỉnh để chụp ảnh từ các góc độ khác nhau và chuyển về cho máy tính. Máy tính sẽ tính toán khoảng cách xe và chướng ngại vật sau đó điều khiển xe đi vòng qua những chướng ngại vật này. Năm 1979, Stanford Cart chỉ mất gần 5 giờ len lỏi qua một căn phòng đầy bàn ghế - không hề có sự trợ giúp của con người. Đây quả là cột mốc đánh dấu thành quả mới cho những cỗ xe tự định vị. 1.2.2 Nguyên lý hoạt động: Thứ tự thao tác của robot, gồm 3 bước: - Bước 1: Robot kẹp vật từ trên xuống, trên mặt phẳng bất kì trong miền làm việc - Bước 2: Tịnh tiến vật lên hoặc xuống theo phương Z nhờ khớp tịnh tiến. - Bước 3: Di chuyển vật đến vị trí cần thiết trong mặt phẳng mới bằng việc quay các góc xác định với độ dài các khâu là cố định. CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC: 2.1.Hệ tọa độ trục và bảng DH. 2.1.1Thiết lập hệ tọa độ trục. - Khâu đế: ta chọn hệ tọa độ X 0 Y 0 Z 0 có trục Z 0 chọn trùng với khớp 1,trục X 0 chọn tùy ý sao cho phù hợp nhất như hình vẽ, trục Y 0 chọn theo quy tắc tam diện thuận. - Khâu 1: ta chọn hệ tọa độ X 1 Y 1 Z 1 có trục Z 1 chọn trùng với khớp 2,trục X 1 // X 0 , trục Y 1 chọn theo quy tắc tam diện thuận. - Khâu 2 : ta chọn hệ tọa độ X 2 Y 2 Z 2 có trục Z 2 chọn trùng với khớp 3, trục X 2 // X 1 , trục Y 2 chọn theo quy tắc tam diện thuận. 6 - Khâu 3 : ta chọn hệ tọa độ X 3 Y 3 Z 3 có trục Z 3 chọn trùng với khớp 4, trục X 3 // X 2 , trục Y 3 chọn theo quy tắc tam diện thuận. - Khâu 4 : ta chọn hệ tọa độ X 4 Y 4 Z 4 có trục Z 4 chọn trùng với khớp 5, trục X 4 // X 3 , trục Y 4 chọn theo quy tắc tam diện thuận. - Khâu 5 : ta chọn hệ tọa độ X 5 Y 5 Z 5 có trục Z 5 chọn trùng với khớp 6, trục X 4 trùng X 5 , trục Y 5 chọn theo quy tắc tam diện thuận. - Khâu 6 : ta chọn hệ tọa độ X 6 Y 6 Z 6 có trục Z 6 hướng thẳng đứng,trục X 6 // X 5 , trục Y 6 chọn theo quy tắc tam diện thuận. 7 Hình 2.1 : Sơ đồ đặt tọa độ 8 2.1.2. Bảng Denavit – Hartenberg. Từ việc chọn hệ tọa độ ta có bảng DH sau: Trong đó các giá trị đã biết: d 1 = 1; d 2 =0.5; q 3 =0.643; d 4 = 0.095; d 6 =0.2; 2.2.Hệ phương trình động học cơ bản của Stanford: Ta có: Dạng tổng quát của ma trận Denavit – Hartenberg cho các khâu: 1 os sin os sin sin os sin os os os sin sin 0 sin os 0 0 0 1 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i c c a c c c c a H H c d θ θ α θ α θ θ θ α θ α θ α α − − − = = (2.1) Các ma trận H của robot STANFORD được xác định theo công thức (2.1) • Ma trận mô tả vị trí và hướng của O 1 X 1 Y 1 Z 1 đối với O 0 X 0 Y 0 Z 0 : H 1 9 1 1 1 1 1 1 osq 0 sin q 0 sin q 0 cosq 0 0 1 0 0 0 0 1 c H d − = − (2.2) • Ma trận mô tả vị trí và hướng của O 2 X 2 Y 2 Z 2 đối với O 1 X 1 Y 1 Z 1 : H 2 2 2 2 2 2 2 osq 0 sin q 0 sin q 0 cosq 0 0 1 0 0 0 0 1 c H d − = (2.3) • Ma trận mô tả vị trí và hướng của O 3 X 3 Y 3 Z 3 đối với O 2 X 2 Y 2 Z 2 : H 3 3 3 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 H q = (2.4) • Ma trận mô tả vị trí và hướng của O 4 X 4 Y 4 Z 4 đối với O 3 X 3 Y 3 Z 3 : H 4 4 4 4 4 4 4 osq 0 sin q 0 sin q 0 cos q 0 0 1 0 0 0 0 1 c H d − = − (2.5) • Ma trận mô tả vị trí và hướng của O 5 X 5 Y 5 Z 5 đối với O 4 X 4 Y 4 Z 4 : H 5 5 5 5 5 5 osq 0 sin q 0 sin q 0 cosq 0 0 1 0 0 0 0 0 1 c H − = (2.6) • Ma trận mô tả vị trí và hướng của O 6 X 6 Y 6 Z 6 đối với O 5 X 5 Y 5 Z 5 : H 6 10 [...]... để vẽ kết cấu của robot Trong EASY-ROB chúng ta có thể dùng chuột để quay hoặc tịnh tiến robot đến một toạ độ tuỳ ý EASY-ROB cũng có các chức năng phóng to, thu nhỏ đối tượng vẽ như nhiều phần mềm thiết kế khác Chương trình cho phép thiết kế các robot đến 12 bậc tự do Chuyển động của Robot có thể được điều khiển theo các biến khớp hoặc các toạ độ Đề-cát Chúng ta cũng có thể mô tả động học của robot. .. điều khiển robot bằng 33 phương pháp dạy học, thiết kế các đối tượng làm việc của robot, có các cửa sổ về toạ độ và giá trị góc quay của các khớp tại từng thời điểm khi robot hoạt động Việc sử dụng phần mềm EASY-ROB để mô phỏng robot giúp chúng ta hai khả năng nghiên cứu : - Mô phỏng lại một robot đã có và các đối tượng làm việc của nó Đánh giá khả năng làm việc và mức độ linh hoạt của robot, xác... thông số điều khiển, quỹ đạo chuyển động để dùng trong điều khiển thực - Nghiên cứu thiết kế động học, các kích thước và kết cấu của robot trên máy tính để có thể chọn được phương án động học tốt nhất, đảm bảo cho robot hoàn thành các nhiệm vụ yêu cầu Hình 5.1: Lưu đồ giải thuật của Easyrob 34 A .Thiết kế mô hình Robot Bưóc 1: Đầu tiên chúng ta kick chuột vào Robotics Rồi chọn open Kinematics Window (Ctrl+K)... trị của biến khớp cho phép ta điều khiển robot theo đúng quỹ đạo đã cho 14 Hình 2.2 : Sơ đồ khối giải bài toán động học ngược CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN MAPLE: 3.1 Các gói thư viện cần sử dụng trong maple: > 15 > > > > > 3.2 Tính ma trận Thủ tục tính trận DH: 16 Thủ tục tính ma trận cosin chỉ hướng: Tính ma trận: 17 > > > > > 18 > > 19 3.3.Bài toán thuận: > > restart; > eqn1:=cos(rotze)*cos(rotxe):... trên môi trường của nó SolidWorks có thể xuất ra các file dữ liệu định dạng chuẩn để người sử dụng có thể khai thác mô hình trong môi trường các phần mềm phân tích khác như ANSYS, ADAMS, Pro-Casting… Chức năng thiết kế thì phần mềm này có những các công dụng: – Xây dựng mô hình khối 3D: – Lắp ráp các chi tiết nhỏ thành một cụm chi tiết: – Xây dựng các bản vẽ 2D từ các mô hình 3D: 4.2 :Mô hình thiết kế: ... của các cấu hình robot thông dụng, khi thiết kế ta chỉ cần khai báo kiểu động học thích hợp Trong trường hợp robot có kết cấu đặc biệt hoặc có các khâu bị động gắn với các chuyển động của các khớp thì cần phải giải bài toán động học ngược hoặc xác định hàm toán học mô tả sự phụ thuộc của khâu bị động đối với khớp quay, viết chương trình xác định sự phụ thuộc đó bằng ngôn ngữ C và sau đó dùng tập tin MAKE.EXE... chi tiết: – Xây dựng các bản vẽ 2D từ các mô hình 3D: 4.2 :Mô hình thiết kế: Hình 4.1: Mô hình robot Stanford 29 Hình 4.2:Khâu 1 Hình 4.3: Khâu 2 30 Hình 4.4: Khâu 3 Hình 4.5 : Khâu 4 31 Hình 4.6: Khâu 5 Hình 4.7: Khâu 6 32 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG TRÊN EASYROB: 5.1 Giới thiệu chung về easyrob: EASY-ROB là công cụ mô phỏng robot sử dụng đồ hoạ trong không gian 3 chiều (3D) và các hình ảnh có thể hoạt động được... một chương trình chuyển động cho một robot theo một quỹ đạo mong muốn, có thể kiểm tra khả năng vươn tới của cánh tay, xác định vùng làm việc của robot Robot mô phỏng có thể cầm nắm hoặc thả các đối tượng làm việc Các chuyển động của robot có thể ghi vào một tập tin và có thể thực hiện lại Phần mềm cho phép ta xem được các hệ toạ độ đã gắn trên các khâu của robot, xem được quỹ đạo chuyển động của... > FileTools[Text][Close](stanford); 27 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN SOLIDWORK: 4.1 Giới thiệu chung về solidwork: SolidWorks phần mềm thiết kế ba chiều được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như xây dựng, kiến trúc, cơ khí… được sử dụng các công nghệ mới nhất về lĩnh vực đồ họa máy tính. Phần mềm này cho phép người sử dụng xây dựng các 28 mô hình chi tiết 3D, lắp ráp chúng lại với nhau thành... cos(rotxe)cos(rotye)+sin(q2)cos(q4)sin(q5)-cos(q2)cos(q5) Giải các phương trình trên ta sẽ tính được hướng của hệ tọa độ khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định Ta được: f(x)=0 Giải hệ 3pt: chu 13 f 4 =cos(Φ).cos(θ )=0 1 f 5 = sin(Φ ).sin(Ψ ).sin(θ )+cos(Φ ).cos(Ψ )+ 3 = 0 2 f 6 = cos(θ ).cos(Ψ)=0 Π Φ= 2 −Π Ψ = 2 Π θ= 3 2.3.2 Bài toán ngược: Bài toán ngược là bài toán có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tế Khi . (2.8) và (2.9) suy ra hệ 6 phương trình độc lập: 11 1 6 2 6 3 6 4 6 6 5 6 6 6 6 6 [1 ,4] [2 ,4] [3 ,4] [1, 1] [1, 1] [2,2] [2,2] [3,3] [3,3] f D f D f D f E D f. H 3 3 3 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 H q = (2 .4) • Ma trận mô tả vị trí và hướng của O 4 X 4 Y 4 Z 4 đối với O 3 X 3 Y 3 Z 3 : H 4 4
