BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KC.03 YZ YZ YZ YZ YZ YZY YZ YZ YZY YZ YZ YZY “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG” MÃ SỐ: KC.03.08 BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THEO NHIỆM VỤ 3 - ĐỀ TÀI KC.03.08 Nhãm s¶n phÈm robot re HÀ NỘI 2006 1 MC LC I. Gii thiu chung 3 II. Tng quan v k thut tỏi hin ngc v nhng vn c bn v mụ phng cỏc ng cong, mt cong khụng gian 7 2.1. Giới thiệu chung về kỹ thuật tái hiện ngợc 7 2.1.1. Quá trình thiết kế 7 2.1.2. Quá trình sản xuất ngợc 8 2.1.3. Quá trình kỹ thuật tái hiện ngợc 8 2.1.4. ứng dụng kỹ thuật tái hiện ngợc 9 2.1.5. Các loại đầu dò số hóa 10 2.1.6. Các máy đo phục vụ kỹ thuật tái hiện ngợc 11 2.2. Phơng pháp mô tả đờng cong trên máy tính 14 2.2.1. Các phép nội suy và xấp xỉ đờng cong 14 2.3. Phơng pháp mô tả các mặt cong trên máy tính 31 2.3.1. Giới thiệu chung về mặt cong 31 2.3.2. Các mặt cong tự do 32 2.4. Đặt vấn đề về nội dung nghiên cứu 37 III. Nghiờn cu, thit k, ch to Robot RE 38 3.1. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo Robot RE 38 3.1.1. Giới thiệu chung 38 3.1.2. Động học Robot RE-01 42 3.1.3. Chơng trình tính toán động học Robot RE-02 43 3.1.4. Hệ phơng trình động học của robot RE-01 44 3.1.5. Phơng án chế thử Robot RE-01 55 2 3.2. Thiết kế Robot RE - 02 56 3.2.1. Phân tích kết cấu 56 3.2.2. Thiết kế cơ cấu dạng pantograph 57 3.2.3. Tính toán cơ cấu tay máy pantograph 58 3.3. Tính toán về độ chính xác của robot RE - 02 73 3.3.1. Tổng quan về sai số phép đo dùng cơ cấu tay đo 73 3.3.2. Tính toán sai số của robot RE 74 IV. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Robot RE-03 hoạt động theo tọa độ trụ 81 4.1. Giới thiệu chung 81 4.2. Các môđun hợp thành Robot RE-03 82 V. Xây dựng các chơng trình phần mềm tái hiện bề mặt cong không gian 100 5.1. Cơ sở thuật toán xây dựng các đờng cong và mặt cong không gian 100 5.1.1. Các thuật toán xây dựng đờng cong 100 5.1.2. Phơng pháp xác định điểm tựa và lu trữ dữ liệu của đờng cong 104 5.1.3. Một số ví dụ tái hiện đờng cong 105 5.1.4. Một số kết quả tái hiện đờng cong đợc thực hiện bằng robot RE 107 5.2. Cơ sở thuật toán xây dựng mặt cong không gian 109 5.3. Thuật toán quả bóng rơi 123 5.4. Xây dựng chơng trình máy tính 127 5.5. Chơng trình phần mềm tái hiện các bề mặt cong phức tạp 133 VI. Kết luận 143 Tài liệu tham khảo 145 3 báo cáo tóm tắt Các kết quả nghiên cứu nhiệm vụ 3 đề tài kc.03.08 nhóm sản phẩm robot re I. Giới thiệu chung Robot RE l gi tt tờn mt nhúm robot phc v k thut tỏi hin ngc (Reverse Engineering). Nhn xột rng, c cu ca cỏc mỏy o to CMM (Coordinate Measuring Machines) rt quen bit trong cụng nghip, cng nh c cu ca cỏc thit b tay o hoc CMM cm tay (Portable coordinate measuring machine - PCMM) u cú cu trỳc ng hc nh cỏc loi c cu robot. Trờn c s nhn xột ú hon ton cú th vn dng v phỏt trin cỏc ph ng phỏp nghiờn cu k thut robot nghiờn cu cỏc thit b o CNC, k c phn cng v phn mm. Cỏc phng phỏp hin i trong k thut robot t ra cú nhiu u im ni tri so vi cỏc phng phỏp kinh in khi vn hnh khai thỏc cỏc thit b CMM. Nh ó bit cỏc thit b CMM kinh in, cỏc rt t tin. Nhiu xớ nghip ang cú nhu cu bc sỳc trang b cỏc thit b ny. Trờn hỡnh 1 l vớ d v mỏy CMM v khi c lp thờm loi u o cú th quay nghiờng so vi trc thng ng, vớ d u o hỡnh 2. Trong trng hp ny s ng ca mỏy CMM ngoi 3 bc t do chuyn dch theo 3 trc to cũn cú cỏc bc t do b sung to cỏc nghiờng ca trc u o. 4 Hình 1 Máy đo CMM Hình 2. Đầu đo quay nghiêng được Còn trên hình 3 là một kiểu PCMM để bàn. Đó là tay đo 6 bậc tự do Spin Arm của hãng Mitutoyo. Ngoài ra còn có Micro Scribe 3D, Stringer PCMM, 3000i của Cim Core. Sơ đồ động của các thiết bị này đều là những cơ cấu chuỗi hở, như nhiều loại cơ cấu tay máy robot thường gặp. 5 Hình 3. Máy PCMM để bàn Một vấn đề quan trọng của thiết bị CMM là nâng cao độ chính xác đo lường. Ngày nay có xu thế không đơn thuần nỗ lực nâng cao độ chính xác chế tạo thiết bị, vì đó là những việc rất khó khăn và rất đắt tiền. Vì thế người ta còn đồng thời nghiên cứu đề xuất những phần mềm có thể suy luận của phép đo với số làn đo ít nhất có th ể. Với cách đặt vấn đề như trên, Đề tài đã triển khai đề mục nghiên cứu các nhóm sản phẩm robot RE với các nội sung sau: 1. Vận dụng các phương pháp của robotics để nghiên cứu các đặc tính hình động học, nhất là độ chính xác của các cơ cấu máy CMM 2. Xây dựng các chương trình phần mềm tái hiện các bề mặt phức tạp với số phép đo tối thiểu. 3. Nghiên cứu cải tiến các c ơ cấu thiết bị CMM để có khả năng hiện thực trong điều kiện chỉ có các trang bị thông thường cho công nghệ chế tạo. 6 Trong lĩnh vực này Đề tài đã nhận được các kết quả qua: 1. So với các phương pháp kinh điển thì vận dụng các phương pháp hiện đại trong robotics tỏ ra hiệu quả hơn khi giải các bài toán động học thuận, động học ngược và bài toán di chuyển nhỏ liên quan đến độ chính xác cơ cấu tay đo, nhất là đối với trường hợp cơ cấu nhiều khâu phức tạp. 2. Xây dựng được chươ ng trình phần mềm tái hiện các bề mặt phức tạp với số phép đo giảm thiểu và đã được cấp giấy bản quyền tác giả. 3. Đề xuất và tạo dựng thành công một loại thiết bị CMM kiểu mới (hình 4), hoạt động theo tọa độ trụ Z = Z (r, ϕ), có độ chính xác đảm bảo, mà giá thành thấp. Hình 4 Thiết bị CMM kiểu mới hoạt động theo tọa độ trụ 7 II. TỔNG QUAN VỀ TÁI HIỆN NGƯỢC VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MÔ PHỎNG CÁC ĐƯỜNG CONG, MẶT CONG KHÔNG GIAN. 2.1. Giới thiệu chung về kỹ thuật tái hiện ngược (Reverse Engineering) “Kỹ thuật tái hiện ngược” là một khái niệm được dịch từ một thuật ngữ tiếng Anh là Reverse Engineering (RE). Nhiều khi nó còn được hiểu và dịch với các tên gọi khác nhau như “kỹ thuật đảo chiều” hay là “kỹ thuật ngược”. Đây là một khái niệm còn tương đối mới mẻ không những ở nước ta mà còn với nhiều nước trên thế giới. Thuật ngữ này xuất hiện và có bản ch ất từ bài toán kỹ thuật lấy mẫu các chi tiết và vật thể với sự trợ giúp của máy tính. Từ các mẫu vật đã có sẵn như là các tác phẩm điêu khác, các chi tiết cần gia công nhưng không còn bản vẽ chi tiết v.v. Bài toán đặt ra là làm sao để chế tạo được các chi tiết giống hệt với các mẫu đó. Với mục tiêu như vậy dẫn đến ý tưởng là dựng lại mô hình bằng cách xác đị nh tọa độ các điểm trên bề mặt của vật thể. Tuy nhiên ta không thể đo được tất cả các điểm của vật thể đó, vì như vậy số điểm đo sẽ rất lớn và khó có thể kiểm soát được. Vấn đề ở đây là số điểm đo nhỏ nhất nhưng vẫn đủ để dựng lại chính xác hình dáng hình học c ủa vật thể. Có rất nhiều thuật toán và phương pháp xây dựng các đường và bề mặt không gian dựa trên các điểm tựa. Sau đây ta sẽ tìm hiểu chung về các thuật toán đó và xây dựng phần mềm tái hiện các đường và bề mặt không gian qua các điểm tựa. 2.1.1. Quá trình thiết kế Trong thiết kế kỹ thuật thông thường người thiết kế sẽ xuất phát từ ý tưởng của mình về sản phẩm trong tương lai. Khái niệm ban đầu ấy được xuất phát từ những yêu cầu cụ thể của một nhiệm vụ kỹ thuật nào đó. Với mục đích đã được xác định ý tưởng thiết kế sẽ nảy sinh và một hình hài của 8 sản phẩm được định hình sơ bộ trong óc người thiết kế. Nó có hình dáng ra sao, kích thước lớn nhỏ thế nào v.v. sẽ là những khái niệm đầu tiên. Với những ý tưởng như vậy nó sẽ đựoc kết hợp với quan niệm của người thiết kế để từng bước hình thành nên sản phẩm. Cũng như ý tưởng ban đầu thì quan niệm của mỗi người thiết kế sẽ r ất khác nhau. Từ quan niệm của mình sẽ đi đến thiết kế chi tiết. Trong bước này các kích thước, hình dáng sẽ được xác định và thể hiện thông qua các bản vẽ chi tiết CAD/CAM và các chương trình gia công CNC. Bước tiếp theo của quá trình thiết kế là khâu sản xuất dựa trên những bản vẽ chi tiết hoặc các chương trình CNC đã được thiết lập. Kết thúc khâu sản xuất sẽ cho ta một sản phẩm hoàn thiện của qúa trình thi ết kế này. 2.1.2. Quá trình “sản xuất ngược” Trong phần trên ta đã chỉ ra một quá trình thiết kế và sản xuất truyền thống với quy trình được mô tả sơ lược như sau: Ý tưởng → Quan niệm thiết kế → Thiết kế chi tiết CAD/CAM/CNC → Sản xuất → Sản phẩm hoàn thiện. Trong sơ đồ này bước khởi đầu là ý tưởng về sản phẩm rồi qua các bướ c tiếp theo để đi đến sản xuất ra sản phẩm cuối cùng. Quá trình “sản xuất ngược” (tức là ngược lại quá trình sản xuất) sẽ có điểm xuất phát từ một sản phẩm cụ thể đã có sẵn rồi thông qua sản phẩm này để quay lại quá trình sản xuất ra nó. Lược đồ của quá trình này như sau: Sản xuất ↓ Start → Sản phẩm hoàn chỉnh 2.1.3. Quá trình kỹ thuật tái hiện ngược 9 Quá trình này cũng có điểm xuất phát là một sản phẩm hoàn chỉnh và nó được xem như một vật mẫu. Nhưng ở đây không như quá trình sản xuất ngược là quay lại ngay sản xuất, mà đối với kỹ thuật tái hiện ngược còn qua khâu thiết kế chi tiết CAD/CAM/CNC. Nghĩa là mẫu sản phẩm hoàn chỉnh sẽ được tái hiện lại thông qua chương trình mô phỏng CAD/CAM hoặc chương trình gia công CNC rồi từ đ ó sản xuất ra sản phẩm hoàn chỉnh. Sơ đồ của quá trình kỹ thuật tái hiện ngựoc có thể được mô tả như sau: Thiết kế chi tiết CAD/CAM/CNC ↓ Kỹ thuật Sản xuất tái hiện ngựoc ↓ Start → Sản phẩm hoàn chỉnh 2.1.4. Ứng dụng kỹ thuật tái hiện ngược Đúng như tên gọi của phương pháp: kỹ thuật tái hiện ngược, bài toán đặt ra ở đây là đã có một sản phẩm hoàn chỉnh nào đó và ta cần phải dựng lại mô hình của nó thông qua hệ thống CAD/CAM hoặc chương trình CNC. Tiến đến việc sản xuất ra các phiên bản là sự sao chép y hệt với nguyên bản ban đầu của nó. Với đặc điểm của phương pháp như đã nêu, kỹ thuật tái hiện ngược có thể được ứng dụng rộng rãi trong các bài toán kỹ thuật như: - Thiết kế chi tiết dựa vào mẫu đã có - Lưu giữ hình dáng, tính chất của mẫu vật hoặc nguyên mẫu ban đầu. - Phục hồi những thiết kế không còn bản vẽ [...]... Hình 2.7 Khi các điểm tựa đầu và cuối trùng nhau thì đờng cong Bezier khép kín Để tăng cờng tính mềm dẻo cho thiết kế đòi hỏi số lợng lớn các điểm tựa, tuy nhiên khi đó các đa thức Bernstein đợc tạo ra sẽ có bậc cao dẫn đến việc khó quản lý chúng Để giữ cho bậc của đờng cong thấp mà vẫn giữ đợc sự mềm dẻo khi thiết kế, các đờng cong với số lợng lớn các điểm điều khiển đợc tạo ra bằng cách liên kết... Do vậy các phơng pháp xấp xỉ đợc thiết kế để thoả mãn phần nào các yêu cầu này Phơng pháp biểu diễn đờng cong xấp xỉ tạo ra đờng cong trơn xấp xỉ các điểm cho sẵn, chứ không đi qua chính xác tất cả các điểm đó Hai phơng pháp xấp xỉ thông dụng nhất trong các hệ thống CAD hiện nay là Bezier và B-spline a_ Đờng cong Bezier Đờng cong Bezier có các điểm tựa hoặc đỉnh tựa là 1 tập hợp theo thứ tự các điểm... thiết kế này đợc thực hiện bằng các phơng pháp hình học hoạ hình Ví dụ các mặt cong đợc phân ra thành các mặt phẳng và các đờng đặc tính Với những thông tin này các mô hình chính đợc tạo ra, và từ đó chế tạo ra khuôn dập Sự xuất hiện máy tính đã thay đổi hoàn toàn quá trình này Mô hình máy tính đợc tạo ra bằng quá trình số hoá các đờng và mặt cong định sẵn, từ đó phát ra các chỉ thị điều khiển máy gia... (2.19) Khi các giá trị Pi đã tìm đợc bằng trờng hợp 1 hoặc 2 thì các điểm trên đờng cong spline bậc 3 sẽ tìm đợc bằng phơng trình (2.8) 2.2.1.2- Các phép xấp xỉ Các phơng pháp toán học dùng để biểu diễn các đờng cong trong CAD và các phần mềm phát triển trên nền CAD dựa trên lý thuyết nội suy hoặc xấp xỉ Nếu là bài toán thiết kế đờng cong đi qua tập hợp các dữ liệu điểm, thì có thể sử dụng các phép nội... miền bao lồi của các điểm điều khiển - Các điểm góc của mặt cong và các điểm điều khiển tại góc trùng nhau Các điểm điều khiển của mặt cong Bezier có cùng chức năng nh các tham số sử dụng trong ô lới tham số bậc 3 Bốn điểm điều khiển góc nằm trên chính mặt cong Các véc tơ tiếp tuyến Hermite tại các góc đợc xác định bởi vị trí các điểm điều khiển Bezier kề sát các đờng cong biên Tất cả các véc tơ tiếp... vẽ chính đã đợc thay bằng các mô hình máy tính có dạng các mặt cong tự do Trong CAD, đặc biệt là trong các bài toán thiết kế mô tả ở trên, tiêu chuẩn quan trọng nhất là độ trơn của đờng cong hoặc mặt cong Có nghĩa là ngời thiết kế phải chấp nhận không quan tâm đến chất lợng của phép nội suy Một điều quan trọng nữa là bất kỳ thay đổi nào khi thiết kế đều chỉ là cục bộ, do đó các chỉnh sửa trong 1 vùng... nhiên trong các ứng dụng kỹ thuật đòi hỏi phải có các đờng cong phức tạp hơn Đờng cong bất kỳ có thể biểu diễn bằng ma trận các điểm, tuy vậy nó đòi hỏi sự lu trữ lớn và không thể biểu diễn chính xác hình dạng của đờng cong Vì vậy các phơng trình toán học, cụ thể là các hàm đa thức thờng đợc dùng để thể hiện các đờng cong Đa thức thể hiện các u điểm nổi bật nh về sự đơn giản trong tính toán các giá trị... sử dụng đợc phơng pháp này, ví dụ nh phần chuyển tiếp giữa thân và cánh máy bay, thân tàu thuỷ, vỏ xe ôtô, chúng đợc mô tả bằng các mặt cong có hình dạng tự do, mà không thể biểu diễn bằng các mặt cong giải tích nh mặt 22 phẳng, mặt trụ, Thiết kế các đờng cong và mặt cong có hình dạng tự do là phần quan trọng bậc nhất trong các bài toán thiết kế kỹ thuật Theo phơng pháp truyền thống, các bài toán thiết. .. học tại vị trí các đỉnh (hình 2.8) Có thể sử dụng các hàm liên kết trơn B-spline xen kẽ với các đa thức Bernstein để tạo ra đờng cong đa thức tham số từng khúc riêng lẻ thông qua một số điểm điều khiển Bậc của đa thức có thể đợc ngời thiết kế lựa chọn độc lập với số lợng các điểm tựa Đó là bậc của các hàm liên kết trơn hoặc hàm cơ sở, mà nó điều khiển bậc của đờng cong B-spline cuối cùng Các đờng cong... của nó bị ảnh hởng, phần còn lại của đờng cong không thay đổi Tính liên tục giữa các phân đoạn B-spline là một hàm có bậc của các hàm cơ sở Do đó tính liên tục là một nhân tố quan trọng trong việc hạ bậc có thể chọn bởi ngời thiết kế Đối với các ứng dụng nh thiết kế các đờng cong tự do trong đó độ trơn là một tiêu chuẩn quan trọng thì tính liên tục độ cong C2 đợc u tiên hơn Điều này đợc thoả mãn bởi . “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG” MÃ SỐ: KC.03.08 BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. số của robot RE 74 IV. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Robot RE-03 hoạt động theo tọa độ trụ 81 4.1. Giới thiệu chung 81 4.2. Các môđun hợp thành Robot