Nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển và mô phỏng hoạt động hệ thống robot đồ gá thiết bị di trượt

động cuối Robot được chính xác, cung cấp đầu vào cho bài toán điều khiển Robot và phụ kiện.Đề tài đi vào xây dựng giải quyết bài toán động học ngược Robot 6 bậc tự do chuỗi động hở được

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

******************

Nguyễn Tuấn Hưng

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG

HỆ THỐNG ROBOT – ĐỒ GÁ – THIẾT BỊ DI TRƯỢT

Chuyên ngành : Chế tạo máy

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Tuấn Hưng

Đề tài luận văn: Nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển và mô phỏng hoạt động hệ thống robot – đồ gá – thiết bị di trượt

Chuyên ngành: Chế tạo máy – Máy dụng cụ

Mã số SV:CB130326

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 28/07/2016 với các nội dung sau:

- Chỉnh sửa kết cấu các chương phù hợp theo góp ý của Hội đồng chấm luận văn.

- Bổ sung phần kết luận ở cuối mỗi chương.

Ngày 08 tháng 08 năm 2016

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Tôi là: Nguyễn Tuấn Hưng - Mã HV: CB130326

Khoá 2013B – Viện Đào tạo Sau đại học – Đại học Bách khoa Hà Nội.

Chuyên ngành: Chế tạo máy.

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Tuấn Hưng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 7

1.1 Lịch sử phát triển của robot 7

1.2 Khái niệm robot công nghiệp 8

1.3 Phân loại robot công nghiệp 9

1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp 10

1.5 Tổng quan Robot hàn 11

1.6 Robot hàn ABB-IRB1520 12

1.7 Tổng quan về dạy học ngoại tuyến (teaching offline) 15

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CÁC KHÂU 16

2.1 Cơ sở khảo sát động học Robot 16

2.1.1 Các phép biến đổi tọa độ cơ bản 16

2.1.2 Hệ tọa độ Denavit – Hartenberg 18

2.1.3 Quy trình gắn hệ tọa độ lên Robot 19

2.2 Thiết kế mô hình Robot 22

2.3 Thiết kế mô hình đồ gá và thiết bị di trượt 25

2.4 Tính toán thiết kế động học 27

2.4.1 Xây dựng cấu hình và hệ tọa độ khâu 27

2.4.2 Bài toán động học ngược Robot sử dụng phương pháp Pieper 34

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC HỆ ROBOT VÀ THUẬT TOÁN NỘI SUY 40

3.1 Khảo sát động học hệ thống Robot – Đồ gá – Thiết bị di trượt 40

3.2 Các thuật toán nội suy 42

3.2.1 Nội suy đường thẳng 43

3.2.2 Nội suy đường cong bất kỳ 45

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH Đ ỘNG HỌC VÀ MÔ PHỎNG 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Phụ lục 1: Mã nguồn thuật giải động học ngược Robot 59 Phụ lục 2: Mã nguồn chương trình nạp mô hình và biến đổi thuần nhất hệ toạ độ Robot – Đồ gá và thiết bị di trượt 63

Đặc biệt, trong lĩnh vực khai thác dầu mỏ, robot hàn hồ quang đóng vai trò vô cùng to lớn trong việc hàn các kết cấu phức tạp như ống dẫn nhiên liệu, hệ thống khung giàn khoan, hệ thống bể chứa dung tích lớn,

Phổ biến hơn nữa là công nghiệp sản xuất linh – phụ kiện cho ô tô, xe máy, các kết cấu khung gầm ô tô, kết cấu hàn giữa khung xương và nắp lưng ô tô, những kết cấu này đều có đặc điểm yêu cầu là năng suất lớn, độ chính xác cao hay có thể là có vị trí nhân trắc học không thuận lợi cho con người Trong môi trường độc hại như hệ thống sơn vỏ ô tô, xe máy thì việc ứng dụng Robot lại càng thiết thực.

Từ những tiềm năng ứng dụng Robot công nghiệp tại Việt Nam và những yêu cầu thiết thực đặt ra như vậy, tác giả đã xây dựng luận văn này nhằm giải quyết việc tính toán động học cho Robot tiến tới xây dựng mô hình trong thực tế Nhìn nhận trong kỹ thuật điều khiển Robot hiện nay, đặc biệt là Robot hàn, việc xác định chính xác vị trí đầu mỏ hàn và hướng của dụng cụ đối với vị trí hàn và mở rộng không gian thao tác của Robot rất quan trọng đảm bảo tính công nghệ, chất lượng của mối hàn và năng suất sản xuất Vì vậy, tác giả đã nghiên cứu và xây dựng thuật toán để giải bài toán động học Robot sáu bậc tự do chuỗi động hở kết hợp đồ gá quay và thiết bị di trượt , bao gồm bài toán động học th uận và bài toán động học ngược nhằm xác định các biến khớp là các góc quay củ a động cơ dẫn động tại từng khớp của Robot cũng như trục quay động cơ dẫn động cho đồ gá

và thiết bị di trượt nhằm phục vụ thiết lập quỹ đạo chuyển động của khâu tác

động cuối Robot được chính xác, cung cấp đầu vào cho bài toán điều khiển Robot và phụ kiện.

Đề tài đi vào xây dựng giải quyết bài toán động học ngược Robot 6 bậc tự do chuỗi động hở được đặt trên thiết bị di trượt để nâng cao tầm vực hoạt đ ộng cho Robot, phối hợp cùng với đồ gá để nâng cao khả năng công nghệ hay vươn tới các vị trí tương đối mà bình thường Robot không thể với tới , toàn bộ các phần lập trình thuật giải động học được tác giả viết bằng ngôn ngữ C# trong bộ Visual Studio 2010 trên nền kiến trúc dotNET 4.5, các kết qủa mô phỏng được viết bằng ngôn ngữ C# tích hợp với thư viện đồ hoạ tiên tiến XNA Framework 4.0 Studio mang lại kết quả mô phỏng trực quan và chính xác

Nội dung luận văn được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về robot

Chương 2: Tính toán thiết kế động học các khâu

Chương 3: Khảo sát động học hệ robot và các thuật toán nội suy

Chương 4: Chương trình tính toán đ ộng học và mô phỏng hoạt động robot

Tác giả

Nguyễn Tuấn Hưng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Lịch sử phát triển của robot

Robot là một yếu tố cơ khí, nhân tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ điện tử Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng nó có giác quan giống như con người Trong lĩnh vực Robot, Mỹ và Nhật Bản là những nước đi đầu thế giới về lĩnh vực này

khí-Với những đặc trưng về sinh học - cơ học, robot có thể thay thế con người trong một số công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc, vận chuyển lắp ráp trong môi trường khắc nghiệt như ngoài khoảng không vũ trụ, trong lòng đất, lò phản ứng hạt nhân.

Sản phẩm Robot công nghiệp đầu tiên có tên là Verstran của công ty Mỹ, cũng vào khoảng thời gian này Mỹ xuất hiện một loại Robot Unimate 1900 được

sử dụng lần đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô, tiếp theo Mỹ và các nước khác cũng bắt đầu sản xuất ra Robot công nghiệp như Anh, Thụy Điển, Nhật Bản,… Cũng theo bản quyền của Mỹ , các nước trên thế giới đã chạy đua sản xuất robot công nghiệp Năm 1967 trường đại học tổng hợp Stanford của Mỹ đã hoàn thành Robot hoạt động theo mắt và tay, có khả năng định hướng và nhận biết bàn kẹp Năm 1974 công ty Cineinnati của Mỹ đã đưa Robot điều khiển bằng máy tính gọi là Robot T3 Robot này có thể nâng được vật có khối lượng 40 kg và vật nặng chuyển trên băng tải Vào những năm 80 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ

kỹ thuật như vi xử lý và tin học, Robot gia tăng số lượng và giá thành cũng giảm.

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước phát tiến đáng

kể trong vài thập niên qua Nhiều đơn vị trên toàn quốc nghiên cứu cơ bản và

nghiên cứu ứng dụng robot như : Trung tâm tự động hóa – Đại học Bách Khoa

Hà Nội, Viện Điện tử - Tin học, Viện khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện

kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học,…

Bên cạnh đó, còn phải kể đến công ty Cổ phần robot TOSY , doanh nghiệp thiết kế và chế tạo robot việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc

tế.

Các nghiên cứu về động học và động lực học robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu quan tâm Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại robot

nối tiếp, song song, di động , thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế robot.

1.2 Khái niệm robot công nghiệp

Robot công nghiệp là một lĩnh vực riêng của robot, nó có các đặc trưng riêng biệt như sau:

 Là thiết bị vạn năng được tự động hóa theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt khéo léo các nhiệm vụ khác nhau.

 Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng như vận chuyển và xếp đỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường.

Do có 2 đặc trưng trên nên robot công nghiệp có thể được định nghĩa như sau:

Theo viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất :

Robot công nghiệp là tay máy vạn năng , hoạt động theo chương trình và có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác.

Hay theo định nghĩa GHOST 35686-8:

Robot công nghiệp là tay máy được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết

bị thừa hình dạng tay máy, có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển

chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

1.3 Phân loại robot công nghiệp

a) Phân loại theo kết cấu

Phân loại theo kết cấu gồm có robot chuỗi và robot song song.

Robot chuỗi: là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và các

khâu động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau Mỗi khâu động được liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết.

Robot song song: là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được

liên kết với ít nhất hai khâu khác.

b) Phân loại theo phương pháp điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển robot: Điều khiển hở và Điều khiển kín.

Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực,

khí nén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển Kiểu này đơn giản nhưng cho độ chính xác thấp.

Điều khiển kín: (điều khiển kiểu servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng

độ chính xác điều khiển Có hai kiểu điều khiển servo: Điều khiển điểm-điểm

và điều khiển theo đường (contour).

Kiểu điều khiển điểm-điểm: phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ không cao Kiểu điều khiển này thường được dùng trên các Robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh và bắn đinh.

Điều khiển contour: đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất

kì, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các Robot hàn hồ quang và phun sơn.

c) Phân loại theo ứng dụng

Dựa vào những ứng dụng của robot trong sản xuất ta có những loại robot sau: robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot dùng trong ngành dịch vụ, robot chuyển phôi.

1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp

Nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện khả năng lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot

và đã được đúc kết qua nhiều năm được ứng dụng ở nhiều nước.

Những ưu điểm đó là:

 Robot có khả năng thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn một người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt một thời gian dài làm việc Vì thế robot có thể nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế nữa robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc, thích nghi nhanh với việc thay đổi mẫu mã, kích cỡ của sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.

 Có khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot giảm được chi phí cho người lao động nhất là ở các nước yêu cầu cao về tiền lương của người lao động, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội Theo số liệu của Nhật Bản thì robot làm việc thay cho một người thợ thì tiền mua cho robot chỉ bằng tiền chi phí cho người thợ trong vòng 3-5 năm, tùy theo robot có thể làm việc ngày mấy ca Còn ở Mỹ, trung bình trong mỗi giờ làm việc robot có thể đem lại số lãi 13 USD Ở Việt Nam trong những năm gần đây có nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí về lương cũng chiếm tỷ lệ cao trong giá thành sản phẩm.

 Ứng dụng robot làm tăng năng suất của dây chuyền công nghệ.

 Cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà ta quan tâm bởi trong thực tế có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc trong những môi trường nguy hiểm, bụi bặm, nóng nực, ẩm ướt hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần.

Từ những ưu điểm đó các ứng dụng điển hình của robot trong công nghiệp như

 Một trong các lĩnh vực đó là kỹ nghệ đúc Thường trong các phân xưởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng bức, bụi bặm, mặt hành luôn luôn thay đổi

 Trong nghành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng robot công nghiệp.

Trong ngành hàn và nhiệt luyện bao gồm nhiều công nghiệp nặng nhọc, độc hại

và ở nhiệt độ cao Do vậy nghành này cũng nhanh chóng ứng dụng robot công nghiệp Ngành gia công và lắp ráp thường sử dụng robot vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm trong các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy bán tự động.

1.5 Tổng quan Robot hàn

Robot hàn là một thiết tự động linh hoạt có thể thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người Đó là sản phẩm của sự kết hợp hài hoà giữa kỹ thuật cơ khí, điện tử và tin học Việc ứng dụng Robot hàn vào sản xuất có các ưu điểm nổi bật sau:

+ Khả năng tự động hoá cao.

+ Tăng năng suất và hiệu quả kinh tế.

+ Hình dáng kích thước và chất lượng mối hàn ổn định.

+ Ứng suất và biến dạng sau khi hàn nhỏ.

+ Thực hiện các đường hàn có độ phức tạp với độ chính xác cao.

+ Làm việc trong môi trường không thuận lợi thay thế con người.

Hình 1-1: Một số Robot hàn trong công nghiệp

Trong phạm vi luận văn, tác giả đã sử dụng Robot hàn ABB-IRB1520 là một

loại robot công nghiệp tiên tiến, được ứng dụng nhiều trong sản xuất, để làm nguyên mẫu tính toán và thiết kế.

1.6 Robot hàn ABB-IRB1520

Robot hàn ABB-IRB1520 là một loại robot công nghiệp của hãng ABB Corporation , được trang bị những tính năng vượt trội Trong đó đặc biệt phải kể đến như tính linh hoạt cao khi vận hành, khả năng ứng dụng rộng rãi vào quá trình dạy học và sản xuất công nghiệp, có độ ổn định và chính xác cao trong quá trình làm việc, kết nối được với nhiều thiết bị ngoại vi khác, thiết kế các cơ cấu khoa học và có tính thẩm mỹ cao Dưới đây là các thông số của robot hàn ABB- IRB1520 :

+ Vùng hoạt động: 1500x2601

+ Khối lượng của robot: 170 kg.

+ Trục 1 có góc quay giới hạn θ1 = ±1700, tốc độ quay 130o/s.

+ Trục 2 có góc quay giới hạn θ2 = (-900; +1500), tốc độ quay 140o/s.

+ Trục 3 có góc quay giới hạn θ3= (-1000; +800), tốc độ quay 140o/s.

+ Trục 4 có góc quay giới hạn θ4= ±1550,tốc độ quay 320o/s.

+ Trục 5 có góc quay giới hạn θ5= ±1350 tốc độ quay 380o/s.

+ Trục 6 có góc quay giới hạn θ6= ±2000 , tốc độ quay 460o/s.

Vùng hoạt động của robot là vùng không gian giới hạn của robot khi vận

hành Vùng hoạt động của robot thể hiện được tính khoa học trong quá trình thiết kế,cũng như tính linh ho ạt của robot trong quá trình vận hành.Vùng hoạt động cực đại ứng với các thông số hình động học và số bậc tự do của robot được giới hạn bằng đường bao nét đậm ở hình trên.

Hình 1-2: Sơ đồ động học và vùng hoạt động của robot hàn ABB IRB1520

1.7 Tổng quan về dạy học ngoại tuyến (teaching offline)

Phương pháp teaching offline hay phương pháp dạy học ngoại tuyến là phương pháp lập trình sử dụng robot ảo và chi tiết ảo bằng phần mềm sử dụng trên máy tính Các thành phần ảo sử dụng trong phần mềm là mô phỏng lại quá trình hoạt động của hệ thống thực tế, do đó qua phần mềm người học có thể nắm được các nguyên tắc hoạt động tương đồng với việc dạy bằng phương pháp dạy học trực tiếp Robot tương thích trong thực tế có thể sử dụng các chương trình đã được lập trình trong thông qua việc kết nối với phần mềm Phần mềm có thể được thiết kế từ một số phần mềm thiết kế khác nên chương trình rất đa dạng, phong phú.

Hiện nay để giảng dạy và nghiên cứu các hệ thống bao gồm robot và phôi hàn người ta cần thực hiện trên hệ thống thực tế Do đó chi phi đầu tư cho hệ thống trên là rất lớn đặc biệt là khi cần nghiên cứu, phát triển sản phẩm mới hoặc thay đổi kiểu dáng sản phẩm, khi lập trình trực tiếp trên robot bị hạn chế

vì không lưu lại được quỹ đạo thực của robot Ngoài ra khi lập trình trên hệ thống robot thực tế có thể dẫn tới sự cố do thao tác sai làm hỏng robot vì sai quy trình sử dụng Hơn thế nữa phương pháp dạy học trực tiếp chỉ được áp dụng cho một phạm vi nhỏ nên không thể đáp ứng được với số lượng lớn học viên, cũng như khó đánh giá năng lực của học viên Từ những hạn chế đó phần mềm dạy học ngoại tuyến là một trong những dự án có tính thực tiễn cao, phần mềm robot hiện tại được áp dụng cho robot hàn 6 bậc tự do với chi tiết hàn đa dạng.

Kết luận:

Trong phạm vi chương này, tác giả đã giới thiệu khái quát lịch sử của lĩnh vực nghiên cứu, sản xuất Robot công nghiệp; đồng thời nêu rõ định nghĩa của Robot công nghiệp và các yếu tố đặc trưng của Robot công nghiệp, cũng như

giới thiệu các phương pháp vận hành Robot trong thực tiễn sản xuất; để từ đó người đọc có những nhận thức sơ bộ trước khi chuyển sang chương tiếp theo.

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CÁC KHÂU

2.1 Cơ sở khảo sát động học Robot

2.1.1 Các phép biến đổi tọa độ cơ bản

Ma trận biến đổi tọa độ:

( , ) = 0

0 + Tịnh tiến theo trục Z:

Nguyên tắc gắn hệ tọa độ này như sau:

- Quy tắc áp dụng với Robot dạng nối tiếp, sử dụng hệ tọa độ Decart.

- Khâu thứ (i) nối tiếp với khâu tiếp theo là (i+1) và khâu trước đó là (i-1).

- Gốc tọa độ đặt tại giao điểm của 2 trục đi qua trục khớp thứ i và (i+1) hoặc đường vuông góc chung giữa 2 trục đi qua trục khớp thứ (i) và (i+1) cắt trục khớp thứ i, ta đặt gốc tọa độ Oi( gốc hệ tọa độ thứ i).

- Đặt trục Zinằm dọc theo trục khớp thứ (i)

- Trục Xi nằm dọc theo đường vuông góc chung giữa trục Zi+1 và trục Zi, hướng từ O1 đến Oi+1, hoặc nếu trục (i+1) và trục i cắt nhau thì Xi có phương vuông góc với mặt phẳng xác định bởi trục i và trục (i+1), chiều thuận chiều quay từ Zi+1đến Zi.

Khi đó ta xác định bộ thông số (D-H) như sau:

- dilà khoảng cách giữa Xi-1và Xiđo dọc theo trục Zi

- θilà góc quay Xi-1tới Xitheo chiều Zi

- ai-1 là khoảng cách giữa Zi-1và Ziđo dọc theo trục Xi-1

- αi-1là góc quay từ Zi-1tới Zitheo chiều Xi-1

2.1.3 Quy trình gắn hệ tọa độ lên Robot

1 – Thiết lập cấu hình Robot, liên kết các khâu khớp.

2 – Gắn các gốc tọa độ

3 - Xác định khớp quay hoặc khớp tịnh tiến

4 – Đặt hệ trục tọa độ cơ sở

5 – Đặt các hệ trục tọa độ lên các khâu theo quy tắc trên

6 – Lập bảng D-H như sau:

Khâu i

αi-1 (deg)

Ma trận quay chuyển đổi tọa độ từ hệ tọa độ thứ (i)về hệ tọa độ thứ (i-1) được

Từ đó, ta có ma trận chuyển đổi hệ tọa độ thứ (i) về hệ tọa độ thứ (i-1) như sau:

=

sin( ) cos( ) cos( ) cos( ) − sin( ) −sin( )

2.2 Thiết kế mô hình Robot

Các khâu của Robot được dựng trên phần mềm thiết kế UGS NX8.5

a) Khâu đế:

Hình 2-5: Mô hình thiết kế khâu đế

b) Khâu 1:

Hình 2-6: Mô hình thiết kế khâu 1

c) Khâu 2:

Hình 2.7: Mô hình thiết kế khâu 2

d) Khâu 3:

Hình 2-8: Mô hình thiết kế khâu 3

e) Khâu 4:

Hình 2-9: Mô hình thiết kế khâu 4

Hình 2-12: Mô hình đồ gá quay và vật hàn dạng ống

b) Thiết bị di trượt:

Hình 2-13: Mô hình thiết bị di trượt

2.4 Tính toán thiết kế động học

2.4.1 Xây dựng cấu hình và hệ tọa độ khâu

Hình 2-14: Hình chiếu đứng vùng hoạt động của Robot

Hình 2-15: Xây dựng cấu hình Robot và các hệ tọa độ theo quy tắc DH

Từ hình trên, ta xây dựng được bảng thông số Denavit-Hartenberg cho Robot.

- Trong đó d (mm) là chiều dài mở rộng của khâu chấp hành cuối.

Trạng thái cấu hình khâu cuối theo xích động học

Hệ tọa độ thứ {i} quy chiếu về hệ tọa độ {i-1} được biểu diễn thông qua ma trận biến đổi tọa độ sau:

=

sin( ) cos( ) cos( ) cos( ) − sin( ) −sin( )

Đặt cosθi= ci; sinθi= si; cos(θi+ θj) = cịj ; sin(θi+ θj) = sij

Khi đó, ta có các ma trận biến đổi tọa độ như sau:

là ma trận chỉ vị trí của điểm cuối dụng cụ.

- Ma trận gọi là ma trận chuyển đổi từ khâu 6 về khâu cố định (khâu 0).

- Khi cho biết quy luật của các góc quay θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6, thông qua ma trận ta xác định được hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối(dụng cụ)

- chính là bài toán động học thuận.

- Ngược trở lại, khi cho biết hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối, ta cần xác định giá trị các góc quay θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 để Robot thực hiện các khâu chấp hành để dụng cụ đến đúng hướng và vị trí yêu cầu.

2.4.2 Bài toán động học ngược Robot sử dụng phương pháp Pieper.

Cấu hình robot có 3 trục cuối giao nhau nên thỏa mãn điều kiện Pieper Quy trình giải bài toán động học ngược theo phương pháp Pieper như sau:

- Bước 1: Cho ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất T , T , T ,

và ma trận thể hiện vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối A được tính

từ bài toán động học thuận hoặc được cho từ quá trình điều khiển Robot.

p p p Trong đó, các giá trị pwx , pwy , pwz tính ra dưới dạng số.

Kết hợp với ma trận vị trí gốc của gốc hệ tọa độ thứ 4 ta có:

p = s (a c + d s + a c + a );

p = a s − d c + a s + d ; Giải hệ phương trình trên ta tìm được các góc θ1, θ2, θ3.

Khi đó, thay giá trị của θ1, θ2, θ3 vào ma trận R ta được giá trị ma trận

R dưới dạng số (chỉ hướng của khâu tác động cuối).

Xét ma trận biến đổi thuẩn nhất từ hệ tọa độ thứ 6 về hệ tọa độ thứ 3 ta có:

Khi đó hướng của khâu chấp hành cuối phụ thuộc vào bộ 3 góc θ4, θ5, θ6

biểu diễn bởi

⇔ θ = atan2(r , r )

- Nếu sin θ5= 0 => r13= r33= 0, khi đó:

cos(θ + θ ) = r