LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án, tác giả luôn nhận được sự dạy bảo của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân, đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi, GS.TS Trần Văn Địch đã tận tình dạy bảo, hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt khoá học. Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích của các thầy đã giúp tôi có định hướng và tiế p cận tốt hơn với nội dung của đề tài để có thể hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp tôi có thể tra cứu, sưu tầm tài liệu và đóng góp ý kiến để tôi hoàn thành tốt luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt khoá học. NGHIÊN CỨU SINH Đỗ Anh Tuấn 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp” đều do tôi tự thực hiện hoặc đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi và GS.TS Trần Văn Địch. Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu khác. Không hề có sự sao chép, gian lậ n kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. TM TẬP THỂ HD NGHIÊN CỨU SINH PGS. TS Phan Bùi Khôi Đỗ Anh Tuấn 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 LỜI CAM ĐOAN 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6 DANH MỤC CÁC BẢNG 8 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 9 MỞ ĐẦU 11 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT 16 1.1 Giới thiệu cấu trúc robot công nghiệp 16 1.2 Thao tác của robot công nghiệp 18 1.3 Độ chính xác của robot công nghiệp 21 1.3.1 Tổng quan về sai số và độ chính xác của robot 21 1.3.2 Ảnh hưởng của sai số trong robot 25 1.4 Một số nghiên cứu về sai số và độ chính xác của robot 26 1.5 Hướng nghiên cứu của đề tài 28 1.6 Kết luận chương 1 31 2. KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP 32 2.1 Cơ sở khảo sát động học robot 32 2.1.1 Tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 32 2.1.2 Ma trận truyền 35 2.1.3 Phương pháp tam diện trùng theo 37 2.2 Thiết lập phương trình động học robot 38 2.2.1 Ma trận trạng thái khâu thao tác của robot 38 2.2.2 Phương trình động học robot cấu trúc chuỗi hở 40 2.2.3 Phương trình động học robot cấu trúc mạch vòng 41 2.2.4 Phương trình động học robot cấu trúc song song 45 2.3 Giải thuật và chương trình giải bài toán động học 49 2.4 Khảo sát động học robot 49 2.4.1 Bài toán động học robot hàn điểm 49 2.4.2 Khảo sát động học robot hàn hồ quang 58 4 2.5 Kết luận chương 2 63 3. SAI SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA SAI SỐ 64 3.1 Các nguồn gây ra sai số 65 3.1.1 Sai số hình học, động học 65 3.1.2 Sai số phi hình học 68 3.2 Phương pháp mô hình hoá sai số 70 3.2.1 Phương pháp vi phân ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 70 3.2.2 Phương pháp vi phân phương trình động học 76 3.3 Kết luận chương 3: 83 4. KHẢO SÁT SAI SỐ ROBOT CÔNG NGHIỆP 84 4.1 Giải thuật và chương trình tính toán sai lệch vị trí và hướng 84 4.2 Khảo sát sai số trong robot hàn điểm 86 4.2.1 Thiết lập mô hình khảo sát 86 4.2.2 Kết quả khảo sát 86 4.3 Khảo sát sai số trong robot hàn hồ quang 88 4.4 Kết luận chương 4 89 5. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SAI SỐ HÌNH HỌC, ĐỘNG HỌC CỦA KHÂU, KHỚP ROBOT 91 5.1 Cơ sở phương pháp xác định sai số của khâu, khớp 91 5.1.1 Phương pháp ma trận giả nghịch đảo Moore-Penrose 93 5.1.2 Phương pháp bình phương tối thiểu tuyến tính kết hợp giải thuật di truyền93 5.2 Giải thuật di truyền 95 5.2.1 Giới thiệu 95 5.2.2 Các khái niệm cơ bản 96 5.2.3 Mô hình giải thuật di truyền 97 5.2.4 Các tham số của GA 98 5.2.5 Mã hoá NST 98 5.2.6 Khởi tạo quần thể ban đầu 100 5.2.7 Các toán tử di truyền 101 5.2.8 Chiến lược nạp lại quần thể 104 5.3 Ứng dụng giải thuật di truyền xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp robot 104 5.3.1 Xác định sai số hình học, động học cho robot 2 bậc tự do: 105 5.3.2 Xác định sai số hình học, động học cho robot 6 tự do: 107 5.4 Kết luận chương 5 113 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 114 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 121 PHỤ LỤC 123 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải nội dung Đơn vị a i Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox mm i  Góc quay quanh trục ox rad CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing c i j Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận Cq i cos(qi) Cq i j cos(q i +q j ) CNC Computer Numerical Control D-H Denavit-Hartenberg d i Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz mm de M Véc tơ sai lệch vị trí và hướng khâu thao tác de Véc tơ sai số trong các khâu, khớp trung gian dq Véc tơ sai số động học ds Véc tơ sai số hình học i dT Vi phân của ma trận 1i i T  N dT Vi phân của ma trận N T e Véc tơ gia số sai lệch vị trí và hướng của robot GA Genetic Algorithm – Giải thuật di truyền IR Industrial Robot n Số bậc tự do của robot NC Numerical Control p Véc tơ vị trí và hướng của khâu thao tác q Véc tơ tham số động học q i Biến khớp thứ i rad i q Vận tốc biến khớp thứ i rad/s i q Gia tốc biến khớp thứ i rad/s 2 s Véc tơ tham số hình học Sq i sin(qi) 7 Sq i j sin(q i +q j ) t Thời gian s 1i i T  Ma trận truyền giữa khâu i-1 và khâu i T T Ma trận nghịch đảo của ma trận T T N Ma trận chuyền từ khâu n về khâu 0 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: Cấu trúc bảng dữ liệu các điểm hàn đối với hệ tọa độ đồ gá 51 Bảng 2-2: Bảng tham số các điểm hàn đối với hệ tọa độ đồ gá 55 Bảng 2-3: Mô hình hóa đường cong mối hàn 60 Bảng 4-1: Giá trị sai số hình học, động học của robot 88 Bảng 5-1: Bảng dữ liệu đo sai lệch ở những điểm khảo sát 92 B ảng 5-2: Dữ liệu đo sai lệch theo trục x và y: 106 Bảng 5-3: Giá trị sai số hình học, động học của robot 2 bậc tự do 107 Bảng 5-4: Bảng dữ liệu đo sai lệch tại 10 điểm đo 108 Bảng 5-5: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 1 109 Bảng 5-6: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lầ n 2 110 Bảng 5-7: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 3 110 Bảng 5-8: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 4 111 Bảng 5-9: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 5 111 9 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 0-1: Robot trên dây chuyền hàn thân xe ô tô 11 Hình 0-2: Robot ứng dụng trong y tế 11 Hình 0-3: Robot ứng dụng rà phá bom mìn 12 Hình 1-1: Hình ảnh một số loại robot công nghiệp phổ biến 16 Hình 1-2: Các thành phần chính của robot công nghiệp. 17 Hình 1-3: Mô hình robot 3 bậc tự do 19 Hình 1-4: Vị trí, hướng và quỹ đạo của khâu thao tác 20 Hình 1-5: Quỹ đạo công nghệ của các mối hàn điểm 20 Hình 1-6: Biểu diễn sai số do dung sai, biến dạng trong khâu 21 Hình 1-7: Sai số trong mô hình robot 1 khâu 23 Hình 1-8: Sai lệch quỹ đạo của robot 25 Hình 1-9: Sai số trong robot gây ảnh hưởng đến vị trí mối hàn. 25 Hình 1-10: Sai số trong robot gây sai lệch vị trí và hướng của dụng cụ cắt gọt trong robot gia công. 26 Hình 2-1: Mô hình điểm P thuộc vật rắn 33 Hình 2-2: Các tham số động học D-H: q, d, a và  35 Hình 2-3: Các tham số động học theo phương pháp tọa độ suy rộng: a, b, c, α, β và  36 Hình 2-4: Mô hình hóa quỹ đạo hàn 38 Hình 2-5: Tam diện vuông gắn điểm hàn và súng hàn 38 Hình 2-6: Robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở 40 Hình 2-7: Robot cấu trúc mạch vòng 42 Hình 2-8: Robot cấu trúc song song 45 Hình 2-9: Mạch động học chân 1 của robot song song 46 Hình 2-10: Dây chuyền robot hàn thân xe ô tô 49 Hình 2-11: Mô hình cơ hệ robot hàn và thân xe ô tô trên dây chuyền hàn tự động 50 Hình 2-12: Robot hàn điểm 6 bậc tự do, các hệ tọa độ khâu 50 Hình 2-13: Các điểm hàn 1, 2, 3 51 Hình 2-14: Tọa độ súng hàn theo phương x, y, z 56 Hình 2-15: Hình ảnh mô phỏng động robot hàn thân xe ô tô khi đồ gá cố định 56 Hình 2-16: Hình ảnh mô phỏng động robot hàn thân xe ô tô khi đồ gá di động 58 Hình 2-17: Mô hình robot hàn hồ quang thực hiện mối hàn nối 2 ống dẫn khí 58 Hình 2-18: Quỹ đạo mũi hàn 61 10 Hình 2-19: Tọa độ mũi hàn theo phương x, y, z 62 Hình 2-20: Quy luật chuyển động của các khâu của robot. 62 Hình 2-21: Hình ảnh mô phỏng động robot hàn hồ quang 63 Hình 3-1: Các sai số trong khớp trượt 66 Hình 3-2: Các sai số trong khớp quay 67 Hình 3-3: Ước lượng sai lệch vị trí và hướng của một khớp quay 67 Hình 3-4: Biểu diễn sai số theo phương pháp D-H 71 Hình 3-5: Biểu diễn sai số theo phương pháp tọa độ suy rộng 71 Hình 3-6: Robot nối tiếp chuỗi hở có n khâu động 73 Hình 4-1: Lưu đồ giải thuật tính sai lệch vị trí và hướng của robot 85 Hình 4-2: Mô hình robot hàn thân xe và quỹ đạo các điểm hàn 86 Hình 4-3: Mô phỏng kiểm tra sai lệch của khâu thao tác do sai số a – khi không có sai số, b - khi có sai 87 Hình 4-4: Sai lệch về quỹ đạo điểm tác động cuối của robot 89 Hình 4-5: Sai lệch về quỹ đạo điểm tác động cuối của robot 89 Hình 5-1: Hình minh họa bình phương tối thiểu tuyến tính [35]. 94 Hình 5-2: Sơ đồ mô tả giải thuật di truyền 97 Hình 5-3: Giao diện công cụ Genetic Algorithm trong Matlab [38] 105 Hình 5-4: Robot 2 bậc tự do 106 Hình 5-5: Kết quả xác định sai số cho robot 2 bậc tự do 107 Hình 5-6: Kết quả xác định sai số lần 1 109 Hình 5-7: Kết quả xác định sai số lần 2 110 Hình 5-8: Kết quả xác định sai số lần 3 110 Hình 5-9: Kết quả xác định sai số lần 4 111 Hình 5-10: Kết quả xác định sai số lần 5 111 Hình 5-11: Lưu đồ thu ật toán hiệu chuẩn robot 112 [...]... trúc của luận án bao gồm các chương như sau: Chương 1: Tổng quan về robot và độ chính xác của robot Trong chương này luận án trình bày khái quát về robot công nghiệp, về sai số và độ chính xác, phân tích ảnh hưởng của sai lệch khâu thao tác của robot tới chất lượng sản phẩm mà robot đó thực hiện trong một số ứng dụng của robot và trình bày một số nghiên cứu trong và ngoài nước về sai số trong robot. .. bảo cho robot đạt độ chính xác tốt hơn 16 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT 1.1 Giới thiệu cấu trúc robot công nghiệp Robot công nghiệp (Industrial Robot - IR) là máy, thiết bị thao tác tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người [4] Về mặt cơ học, robot là hệ nhiều vật, gọi là các khâu, nối với nhau bởi các khớp Theo khả năng di động của robot người... nhằm xác định giá trị thực các tham số động học và cấp nhật vào các chương trình tính toán và điều khiển để điều khiển robot đạt độ chính xác cao hơn Các nghiên cứu về robot tập trung chủ yếu về kết cấu, động học, động lực học, điều khiển, thiết kế quỹ đạo, cảm biến và xử lý tín hiệu, tích hợp và ứng dụng robot trong các lĩnh vực khác nhau và các nghiên cứu về sai số, độ chính xác và hiệu chuẩn robot. .. chuyển động của khâu thao tác - tạo nên thao tác của robot được thể hiện qua mối quan hệ vị trí và hướng của hệ tọa độ trên khâu này so với hệ tọa độ trên khâu khác Vị trí và hướng của mỗi khâu chính là vị trí và hướng của hệ tọa độ gắn lên nó, bằng toán học ta sẽ xác định được vị trí và hướng của hệ tọa độ sau so với hệ tọa độ liền kề trước nó Cứ như vậy ta sẽ xác định được vị trí và hướng của khâu... robot, sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác và độ chính xác của robot có mối liên hệ với nhau Sai số là luôn tồn tại, việc tìm biện pháp hạn chế, khử, bù sai số để nâng cao độ chính xác cho robot công nghiệp cũng như các máy công cụ là quan trọng và rất có ý nghĩa 25 1.3.2 Ảnh hưởng của sai số trong robot Theo [8], sự khác nhau về vị trí khâu thao tác của robot giữa một robot theo thiết kế và. .. xác của robot công nghiệp 1.3 Độ chính xác của robot công nghiệp 1.3.1 Tổng quan về sai số và độ chính xác của robot 1.3.1.1 Tổng quan về sai số Trong kỹ thuật, sai số hay sai lệch là sự sai khác về giá trị thực tế đạt được của một đối tượng so với giá trị mong muốn và điều này luôn luôn tồn tại trong kỹ thuật Robot được cấu tạo từ nhiều phần tử khác nhau, khi chế tạo và thiết lập các phần tử này thì... khâu thao tác là tổng hợp chuyển động của tất cả các khâu trung gian nối khâu thao tác với khâu đầu tiên (giá robot) Nếu chuyển động của tất cả các khâu là chính xác theo mong muốn thì chuyển động của khâu thao tác sẽ chính xác Ngược lại, nếu chuyển động của các khâu trung gian mà không chính xác thì sẽ làm tích lũy sai lệch chuyển động tới khâu thao tác và gây ra sai lệch vị trí và hướng của khâu thao... số do độ dơ của khớp quay, khe hở của bộ truyền cũng như độ biến dạng xoắn của trục khớp do mô men xoắn từ động cơ truyền vào gây ra sai số kích thước góc dq, làm sai lệch vị trí và hướng của khớp Về sai số trong dụng cụ đo, mặc dù được chế tạo rất chính xác để đo kiểm các kích thước của chi tiết gia công nhưng độ chính xác của dụng cụ đo cũng chỉ ở một giá trị giới hạn, độ phân giải (độ "mịn") của thang... giả trình bày kết quả nghiên cứu về độ chính xác robot và đề xuất phương pháp hiệu chuẩn sai số động học cho robot Các nghiên cứu dựa trên 4 tham số động học D-H với lập luận rằng vị trí và hướng của khâu thao tác của robot là hàm số phụ thuộc và các tham số D-H của mỗi khớp, khi các tham số động học này có sự sai lệch do chế tạo và lắp ráp sẽ làm cho vị trí và hướng của robot bị sai lệch so với vị trí... chuyển động của các khâu và do vậy sẽ làm sai lệch chuyển động của khâu thao tác Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng ảnh hưởng của sai số hình học, động học là lớn hơn nhiều so với sai số phí hình học Hầu hết các nghiên cứu của nước ngoài mà tác giả thu thập được đề tập trung vào sai số hình học, động học 1.3.1.2 Độ chính xác của robot Trong robot công nghiệp hay cũng như là các máy công cụ, sai số và độ chính . LỤC LỜI CẢM ƠN 1 LỜI CAM ĐOAN 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6 DANH MỤC CÁC BẢNG 8 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 9 MỞ ĐẦU 11 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA. Hình 5-4 : Robot 2 bậc tự do 106 Hình 5-5 : Kết quả xác định sai số cho robot 2 bậc tự do 107 Hình 5-6 : Kết quả xác định sai số lần 1 109 Hình 5-7 : Kết quả xác định sai số lần 2 110 Hình 5-8 :. tự do 19 Hình 1-4 : Vị trí, hướng và quỹ đạo của khâu thao tác 20 Hình 1-5 : Quỹ đạo công nghệ của các mối hàn điểm 20 Hình 1-6 : Biểu diễn sai số do dung sai, biến dạng trong khâu 21 Hình 1-7 :