Bài giảng robotics HUST

Microsoft PowerPoint Khoi PB BG Robotics 2022 pptx TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SCHOOL OF MECHANICAL ENGINEERING TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA. bài giảng đại học bách khoa hà nội

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SCHOOL OF MECHANICAL ENGINEERING

VIỆN CƠ KHÍ

Hà Nội 2009-2022

ROBOTICS

PGS.TS Phan Bùi Khôi

HUST-SME 2009 Phan Bui Khoi khoi.phanbui@hust.edu.vn HUST-SME 2009 Phan Bui Khoi khoi.phanbui@hust.edu.vn 2

khối ngành Cơ khí, Cơ điện tử, Tự động

hóa, Điều khiển tự động

6 Điều kiện học phần:

Học phần tiên quyết:

Học phần học trước: Cơ học kỹ thuật,

Kỹ thuật điện, điện tử, Lý thuyết điều khiển tự động, Kỹ thuật lập trình

Học phần song hành:

HUST-SME 2009 Phan Bui Khoi khoi.phanbui@hust.edu.vn 4

@ Robotics

Trang 2

▪ Thiết kế quỹ đạo chuyển động,

▪ Nghiên cứu các giải thuật điều khiển robot

Khả năng nghiên cứu, ứng dụng robot.

▪ Thiết kế quỹ đạo chuyển động của

robot, tính toán và mô phỏng số

@ Robotics

8 Nội dung vắn tắt học phần:

▪ Cơ sở thiết kế robot,

▪ phương pháp dẫn động, các động cơ dẫn động,

▪ các thiết bị thông tin, giám sát

▪ Các giải thuật điều khiển robot

▪ Nghiên cứu ứng dụng robot

@ Robotics

Trang 3

9 Nhiệm vụ của sinh viên

1.Phan Bùi Khôi Bài giảng robotics

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2009

2.Nguyễn Thiện Phúc: Robot công nghiệp

NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

2002

@ Robotics

 Tài liệu tham khảo

1.Lung Wen Tsai Robot Analysis, The

Mechanics of Serial and Parallel

Manipulators John Willey & Sons, New

York/Toronto/ 505 pag 1999

2.John J Craig Introduction to Robotics,

Mechanics and Control 3rd Edition,

Pearson 400 pag 1989

@ Robotics

3.B Siciliano, L Sciavicco, L Villani, G

Oriolo: Robotics: Modelling, planning

and Control Springer 632 pag 2009.

4.Gordon McComb The Robot Builder’s

Bonanza 3rd Edition, McGraw-Hill 736

pag 2006

5.Myke Predko Programming Robot

Controllers McGraw-Hill 456 pag

2003

@ Robotics

Trang 4

6.Jean Pierre Merlet Parallel Robots.

Kluwer Academic Publishers,

Boston/London,… 355 pag 2000

7.Sicilianno B, Khatib O Springer

Hanbook of Robotics, Springer-Verlag

Berlin Heidelberg 2008

8.Andrew Glaser Industrial Robotics IP.

New York 275 pag 2009

@ Robotics

Phương châm:

 Đầu năm vất vả, cuối năm thong thả!

 Chi phí cho hành trang vào đời ít (16-20 năm), Hưởng thụ nhiều (60-80 năm)!

Làm thế nào để thoải mái nhất khi học mà hiệu quả lại cao (?): Chú ý những điều giảng viên nhắc nhở, lưu ý khi học trên lớp!

@ Robotics

A.MỤC ĐÍCH YÊU CẦU CỦA HỌC PHẦN

Tiếp cận khảo sát nghiên cứu:

▪ Cấu trúc chung của robot

▪ Thiết kế quỹ đạo chuyển động

▪ Các giải thuật điều khiển robot

▪ Các ứng dụng robot

▪ Sáng tạo robot

@ Robotics

Trang 5

A.MỤC ĐÍCH YÊU CẦU CỦA HỌC PHẦN

Yêu cầu khả năng người học:

▪ Kiến thức cơ bản, cơ sở chuyên môn

cần thiết

▪ Khả năng tin học, sử dụng các phần

mềm lập trình, tính toán, thiết kế, mô

phỏng

▪ Khả năng đọc tài liệu, đặc biệt là tài

liệu tiếng Anh, Nga, …

3.Phân loại robot4.Ứng dụng robot5.Robot tay máy 6.Robot di động

@ Robotics

TỔNG QUAN VỀ ROBOT

7 Các loại robot đặc biệt

8 Bộ phận thao tác của robot

2 Biểu diễn điểm trong không gian

3 Ma trận cosin chỉ hướng, ma trận quay của vật rắn

Trang 6

2 Ma trận trạng thái khâu thao tác

3 Thiết lập phương trình động học robot

4 Các bài toán động học robot

5 Phân tích vị trí robot cấu trúc nối tiếp

6 Phân tích vị trí robot cấu trúc song song

2 Vận tốc, gia tốc của điểm thuộc vật rắn

3 Bài toán động học thuận về vận tốc, gia tốc của robot

4 Bài toán động học ngược về vận tốc, gia tốc của robot

5 Khảo sát vận tốc, gia tốc robot cấu trúc nối tiếp

@ Robotics

Trang 7

ĐỘNG HỌC VI PHÂN CỦA ROBOT

6 Khảo sát vận tốc, gia tốc robot cấu trúc

1 Lực tác dụng lên các khâu của robot

2 Phương trình cân bằng lực tác dụng lên các khâu của robot

3 Nguyên lý di chuyển ảo

4 Độ cứng vững của robot cấu trúc nối tiếp

5 Các ví dụ

@ Robotics

TĨNH HỌC ROBOT

6 Khảo sát phương trình cân bằng lực tác

dụng lên các khâu của robot cấu trúc

3 Các bài toán động lực học robot

4 Động lực học robot cấu trúc nối tiếp

5 Ứng dụng Maple, Matlab lập trình tính toán động lực học

6 Các ví dụ và bài tập

@ Robotics

Trang 8

ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

7 Phương trình động lực Newton-Euler

8 Nguyên lý phù hợp

9 Phương trình Lagrange dạng nhân tử

10.Động lực học robot cấu trúc song song

2 Cơ sở thiết kế quỹ đạo

3 Thiết kế QĐ trong không gian khớp

4 Thiết kế QĐ trong không gian thao tác

5 Phương pháp số thiết kế quỹ đạo

2 Các phương pháp điều khiển

3 Điều khiển chuyển động của robot

4 Điều khiển độc lập các khớp

5 Điều khiển tập trung

6 Điều khiển trong không gian thao tác

7 Ứng dụng Malab, Simulink mô phỏng điều khiển robot

@ Robotics

Trang 9

ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH ROBOT

2 Các mô hình điều khiển robot

3 Phân tích ổn định theo Lyapunov

4 Điều khiển thích nghi

5 Điều khiển tối ưu

2 Điều khiển mờ (Fuzzy Control)

3 Trí tuệ nhân tạo trong điều khiển robot (Neural Network Control)

4 Giải thuật di truyền trong điều khiển robot (Genetic Algorithm)

5 Đại số gia tử trong điều khiển robot (Hedge Algebras)

@ Robotics

Trang 10

ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH ROBOT

6 Kết hợp Logic mờ - Mạng neural - Giải

thuật di truyền - Đại số gia tử trong

điều khiển robot

2 Làm bài tập theo chương trình học ở nhà, trên lớp

3 Làm tiểu luận báo cáo bài tập lớn

@ Robotics

TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.Giới thiệu về robot

2 Cấu trúc chung của robot, RBCN

3 Phân loại robot

7 Các loại robot đặc biệt

8 Bộ phận thao tác của robot

9 Tóm tắt10.Các ví dụ11.Bài tập

@ Robotics

Trang 11

@ Robotics

Giới thiệu về robot

 Sơ lược lịch sử ra đời và phát triển của

Trang 12

@ Robotics

Từ thủa đầu nền văn minh con người, con người đã có mong muốn tạo ra những vật dụng bằng chính đôi tay của mình

3500 Trước công nguyên

Trong thần thoại Hy Lạp con người đã biết sáng tạo ra những truyền thuyết, Promote nặn ra loài người từ đất sét, các vị thần khổng lồ cai quản trái đất

@ Robotics

Trong các ngôi đền Ai cập cổ đã có những cơ cấu để điều

khiển cửa và các bức tượng, có lẽ đó là tiền thân của

những ý tưởng chế tạo máy móc hiện nay

Đồng hồ nước được chế tạo bởi người Babylon cổ là máy tự

động đầu tiên của con người

@ Robotics

~ 350 Trước công nguyên

(c.428–c.347 BC) Archytas sống ở thành phố Tarentum

là nhà toán học lỗi lạc người Hy lạp

Archytas đã tạo nên một con chim bằng cơ khí, một chú chim bồ câu có thể đập cánh bằng năng lượng hơi nước

Nó được biết đến là mô hình vật thể bay đầu tiên trong lịch sử

@ Robotics

Trang 13

1495 Sau công nguyên

Leonardo DaVinci đã thiết kế ra 1 thiết bị cơ khí như

một giáp sĩ Kết cấu cơ khí bên trong robot của Leonardo

được thiết kế để làm cho giáp sĩ di chuyển như có 1

người Những nhà sáng chế thời trung cổ thường làm

những con “robot” giống như con của Da Vinci để làm trò

vui cho hoàng gia

1525 Máy tự động đầu tiên trong

hình dạng con người được chế tạo bởi Has Bullmann ở đại học Nuerberg Đức: Mô phỏng được một số hoạt

động của con người như có thể chơi

nhạc cụ để làm vui khách hàng

Hình bên là một người phụ nữ đang chơi nhạc cụ, hiện vẫn được lưu trữ ở bảo tàng Kunsthistorishes, Viên–Áo

@ Robotics

Trang 14

Nhận thấy rằng những nghiên cứu về máy, thiết bị tự

động, robot được thiết lập một cách rõ ràng qua

nhiều phát minh trong lịch sử

Tuy nhiên sự ra đời của “robot” với “kết cấu” và “khả

năng hoạt động linh hoạt” (nhờ kỹ thuật điều khiển)

phải đợi đến sự ra đời của những công nghệ tiên tiến

trong suốt thế kỷ 20 cho đến nay

@ Robotics

1921 –Thuật ngữ “ Robot” Xuất phát từ

“Robota” tiếng Tiệp Khắc có nghĩa là

“phục vụ” Nó được nhắc tới lần đầu tiên trong vở kịch “Rossum’s Universal Robot” được viết bởi nhà văn Czech Karl Capek

Cốt truyện của nó là: con người tạo ra robot sau đó robot giết chết con người!

@ Robotics

1940 Isaac Asimov (1920-1992) sáng

tác một loạt truyện về robots bắt đầu với

tác phẩm “A Strange Playfellow” tạm dịch

là “Người bạn đồng hành lạ lẫm” sau đổi

tên là “Robbie” cho tạp chí “Những câu

truyện khoa học viễn tưởng”

Câu truyện về một con robot và ảnh

hưởng của nó đến một đứa trẻ mà nó bảo

@ Robotics

Trang 15

Đóng góp quan trọng nhất của Isaac Asimov cho lịch sử

robot là đã đưa ra 3 nguyên tắc về robot:

1.Robot không được gây nguy hại cho con người, hoặc

bằng cách không hành động, cho phép con người gây

hại

2.Hoạt động của Robot phải tuân theo quy tắc do con

người đặt ra Các quy tắc này không vi phạm nguyên

“0” Robot không được làm tổn hại cho nhân loại hoặc,

bằng cách không hành động, cho phép nhân loại gây hại.

@ Robotics

1946

George Devol lấy bằng sáng chế một thiết bị phát lại sử

dụng ghi từ

Đó là ý tưởng để chế tạo thiết bị lưu trữ chương trình cho

máy tính sau này

Ý tưởng về máy tính kỹ thuật số đầu tiên được Whirtwind

đưa ra lần đầu tiên ở đại học M.I.T

@ Robotics

1948

Norbert Wiener,giáo sư ở M.I.T, cho xuất bản cuốn “Điềukhiển học” hay “Điều khiển và giao tiếp trong động vật”,một cuốn sách miêu tả tư tưởng về giao tiếp và điềukhiển trong hệ thống điện, cơ khí và sinh học

@ Robotics

Trang 16

William Greywalter, người tiên phong trong lĩnh vực robot

ở Anh, đã chế tạo ra chiếc máy tự động gọi là Elmer và

Elsie bắt chước được những hành vi của con người một

George Devol and Joe Engleberger thiết kế chủng robot

có chương trình và sử dụng thuật ngữ “Universal Automation” lần đầu tiên

Do đó sau này 2 người đã thành lập công ty robot đầu tiên trên thế giới-Unimation

Marvin Minsky and John McCarthy tổ chức một cuộc họp ở Dartmounth, Massachusets, Mỹ, đưa ra những kết quả nghiên cứu trong lĩnh cơ khí và robot Cuộc họp đã đưa ra thuật ngữ “Trí thông minh nhân tạo” (Artificial Intelligence-AI).

@ Robotics

Trang 17

@ Robotics

 50% người làm việc trong các nhà máy là nhặt và đặt

vật

 Tại sao máy móc chỉ làm những sản phẩm riêng biệt?

 Làm thế nào rút ngắn thời gian sản xuất bằng cách tạo

ra những chiếc máy có thể lấy và đặt mọi thứ

@ Robotics

Nhờ kết quả thảo luật trong năm đó mà 2 ông đã sáng lập ra công ty robot đầu tiên gọi là Unimation, Inc

Những sản phẩm của công ty là sự kết hợp của công nghệ

cơ khí và công nghệ vi tính mới ra đời

@ Robotics

Trang 18

Richard Greenblatt viết MacHack, một chương trình chơi

cờ vua Chương trình của Greenblatt là cơ sở cho những

chương trình chơi cờ trong tương lai, đỉnh cao ở Big Blue

chương trình cờ vua đã đánh bại cờ thủ Grand Master

Gary Kasparov

Japan nhập khẩu robot Versatran từ AMF (robot đầu

tiên nhập khẩu vào Nhật Bản)

@ Robotics

1.1.2 Một số định nghĩa

người:

 Có hình dạng giống người hoặc cánh tay người

 Có khả năng thao tác tự động

 Có khả năng thao tác và bắt chước thao tác giống người

@ Robotics

 Về cấu trúc Robot

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:

1.Cơ cấu chấp hành,

2.Hệ thống dẫn động,

3.Hệ thống điều khiển theo chương

trình có khả năng lập trình linh hoạt,

4 Hệ thống thông tin giám sát,

Trang 19

Robot công nghiệp

▪ Robot công nghiệp là robot phục vụ

con người trong sản xuất công

nghiệp.

▪ Robot công nghiệp có khả năng thao tác

tự động linh hoạt, bắt chước được các

chức năng lao động công nghiệp của

con người.

▪ Đưới đây Định nghĩa riêng cho RBCN:

@ Robotics

 Robot công nghiệp

Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, được tích hợp từ nhiều bộ

phận trong đó các bộ phận chính bao gồm:

1 Cơ cấu chấp hành,

2 Hệ thống dẫn động,

3 Hệ thống điều khiển theo chương trình

có khả năng lập trình linh hoạt,

4 Hệ thống thông tin giám sát,

@ Robotics

4 Hệ thống năng lượng

Nhờ vậy robot công nghiệp có khả

năng thao tác tự động linh hoạt,

bắt chước được các chức năng lao

động công nghiệp của con người

@ Robotics

 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot phục vụ con người.

 Robotics liên quan và tích hợp nhiều lĩnh vực khoa học

kỹ thuật và công nghệ như Cơ khí, điện, điện tử, công nghệ thông tin, CN vật liệu, CN sinh học,…

@ Robotics

Trang 20

VIỆN CƠ KHÍ

Hà Nội 2009-2022

ROBOTICS

HUST-SME 2009 Phan Bui Khoi khoi.phanbui@hust.edu.vn

Động học robot Kinematics of Robot

2 Biểu diễn điểm trong không gian

3 Ma trận cosin chỉ hướng, ma trận quay của vật rắn

4 Định vị, hướng và vị trí của vật rắn

5 Quaternion- siêu phức (tứ phương vị)

6 Dual quaternion-siêu phức (tứ phương vị) đối ngẫu

7 Screw Axis Representation-Phương pháp xoắn vít

@ Cơ sở tính toán

Trang 21

Các hệ tọa độ

hệ tọa độ trụ

hệ tọa độ Đề các̣

hệ tọa độ cầu

Trang 22

Biểu diễn điểm trong không gian

y

z

ji

u

vw

x x x A

Trang 23

v w

Trang 24

Nếu thực hiện lần lượt

n phép quay liên tiếp

Trang 26

Để biểu diễn hướng của

Trang 27

Phép biến đổi thuần nhất

@ Phép biến đổi thuần nhất

T

p= σp , σp , σp , σ    

Q

Current Frame B

x

yz

Trang 28

Tổng hợp các phép biến đổi thuần nhất

x1

x0

z0O

n

5

-sin cos 0 5T=

Trang 29

Phương pháp Denavit-Hartenberg

▪ Các thông số của khâu và các hệ tọa độ gắn vào khâu

▪ Quy ước hệ tọa độ theo Denavit-Hartenberg (DH)

▪ Các tham số động học DH

▪ Quy trình thiết lập hệ tọa độ DH

▪ Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất DH

@ Phương pháp Denavit-Hartenberg

Trang 30

Quy ước hệ tọa độ theo Denavit-Hartenberg (DH)

Denavit-Hartenberg (1955) qui ước hệ tọa độ Decard gắn vào mỗi khâu của một tay máy Robot như sau:

 Trục zi được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1) Hướng của phép quay và phép tịnh tiến được chọn tùy

ý

 Trục xi được xác định dọc theo đường vuông góc chung

giữa trục khớp động thứ i và (i+1), hướng tùy ý, thường

Trang 31

Vị trí tương đối giữa

hai hệ tọa độ liên

tiếp i và (i-1) được

mô tả bởi 4 tham số

Qui tắc thiết lập hệ tọa độ DH

 Từ khâu đế (gốc), đánh số liên tiếp các khâu và khớp

Gốc được xem là khâu 0, khâu cuối là khâu tác động

cuối Ngoại trừ gốc và khâu cuối, các khâu còn lại đều

bao gồm hai khớp Khớp thứ i liên kết khâu thứ i với

khâu i-1

 Vẽ các trục zi (nằm dọc theo trục khớp i+1), chọn chiều

dương Dựng đường vuông góc chung giữa các trục của

2 khớp kề nhau

Ngoại trừ gốc và khâu cuối, trục mỗi khớp (i) đều giao với

2 đường vuông góc chung, với trục khớp động thứ (i-1) và trục khớp động thứ (i+1)

 Thiết lập hệ tọa độ gốc, trục z0 dọc theo trục khớp động thứ nhất, x0 được chọn vuông góc với z0, trục y0 được xác định theo qui tắc hệ tọa độ thuận (quy tắc bàn tay phải )

Trang 32

 Thiết lập hệ tọa độ bàn kẹp khâu thứ n thỏa mãn xn

vuông góc với trục khớp liền trước zn-1 Trục zn được

chọn song song với trục zn-1 hoặc là hướng tiếp cận của

khâu cuối

 Gắn các hệ tọa độ Đề các tại khớp cuối của tất cả các

khâu như sau:

• Trục zi - trục khớp động thứ (i+1), chiều dương tùy ý

• Trục xi - đường vuông góc chung giữa zi-1 và zi,

thường chọn hướng từ zi-1 sang zi, hoặc ngược lại

• Trục yi được xác định theo qui tắc hệ tọa độ thuận (bàn tay phải),

• Nếu các trục zi-1 và zi song song, xi có thể chọn là bất

kỳ đường vuông góc chung của 2 trục nhưng lưu ý chọn sao cho: thuận quan sát, dễ tính toán và phù hợp cấu trúc động học robot

 Xác định các thông số của khâu và các biến khớp θi, di,

Trang 33

z0 a2

Ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-Hartenberg

Oi-1 xi-1

Link iJoint i Joint

Trang 34

i i

i i i-1 i

cosθ -sinθ 0 0 sinθ cosθ 0 0 T(z ,θ )=

Bảng thông số DH của tay máy 3 btd:

Trang 36

VIỆN CƠ KHÍ

Hà Nội 2009-2022

ROBOTICS

HUST-SME 2009 Phan Bui Khoi khoi.phanbui@hust.edu.vn

ĐỘNG HỌC ROBOTKinematics of robot

@ Kinematics of robot

ĐỘNG HỌC ROBOT

1 Giới thiệu một số khái niệm và định nghĩa

2 Ma trận trạng thái khâu thao tác

3 Thiết lập phương trình động học robot

4 Các bài toán động học robot

5 Phân tích vị trí robot cấu trúc nối tiếp

6 Phân tích vị trí robot cấu trúc song song

7 Phân tích vị trí robot tác hợp

8 Phân tích vị trí robot di động

9 Ứng dụng phần mềm Maple

10.Bài toán động học thuận về vận tốc, gia tốc của robot11.Bài toán động học ngược về vận tốc, gia tốc của robot

7 Khảo sát vận tốc, gia tốc robot cấu trúc nối tiếp

8 Khảo sát vận tốc, gia tốc robot cấu trúc song song10.Tóm tắt chương

11.Các ví dụ 12.Bài tập

Trang 37

Ma trận trạng thái khâu thao tác

 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa

Re volute jointq

(3.17)

@ Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác

Trang 38

@ Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác

Phương trình động học dạng ma trận

Các phần tử của các ma trận là hàm của các tọa độ khớp

và tọa độ thao tác:

Trang 39

Hệ phương trình động học của một

số cấu hình robot

Phân tích vị trí robot

 Bài toán động học thuận về vị trí của robot.

 Bài toán động học ngược về vị trí của robot.

 Bài toán hỗn hợp.

Bài toán động học thuận

về vị trí của robot

Trang 40

Từ phương trình (3.18) biểu diễn trong dạng vế phải là

ma trận DH tích hợp từ các ma trận truyền tại các khớp

đã xác định

Dạng khai triển:

Biết chuyển động của các khâu:

 

E E E

revolute jointq

Tính các góc Cardan bằng cách so sánh các phần tử của

hai ma trận quay để thành lập hệ 3 phương trình đại số

Bài toán động học ngược

về vị trí của robot

Định dạng
Số trang	168
Dung lượng	9,17 MB