Đồ án kỹ thuật robot 6 bậc tự do

Đồ án kỹ thuật _robot 6 bậc tự do

Lời nói đầu

Loài ng-ời chúng ta đã bắt đầu b-ớc những b-ớc đầu tiên sang thế kỷ XXI, thế kỷ mà theo các nhà khoa học dự đoán là thế kỷ của công nghệ thông tin, công nghệ tự đông hoá và công nghệ sinh học Ng-ời ta có thể nhờ những công nghệ đó để tạo ra những thay đổi kỳ diệu mà chúng ta ch-a thể t-ởng t-ợng nổi trong xã hội ngày nay Con ng-ời đ-ợc giải phóng sức lao động nhờ những công nghệ mới đó Đó có thể là những ph-ơng tiện liên lạc hiện đại , đó có thể là những Robot sinh học có khả năng t- duy nh- con ng-ời, có khả năng hoạt động một cách linh hoạt nhờ những cơ cấu đặc biệt

đ-ợc kết hợp từ những công nghệ thông tin, tự động hoá và công nghệ sinh học

Đó là t-ơng lai trên thế giới, còn chúng ta là ng-ời Việt Nam đang sống, học tập và làm việc tr-ớc thềm thế kỷ mới Đất n-ớc ta có một trình độ khoa học công nghệ t-ơng đối thấp, hạ tầng cơ sở vật chất nghèo nàn lạc hậu, trình độ tự động hoá không cao.Các máy móc thiết bị chủ yếu nhập của n-ớc ngoài nh-ng đã cũ kỹ và lạc hậu.Vì vậy để có thể hiện đại hoá và công nghiệp hoá đất n-ớc chúng ta không còn cách nào khác là phải đẩy mạnh và phát triển công nghệ tự động hoá lên một tầm cao mới với việc áp dụng các công nghệ tự động hoá tiên tiến nhất trên thế giới.Đó là từng b-ớc đ-a Robot vào các nhà máy để thay thế con ng-ời, thực hiện những công việc mang tính nặng nhọc,cần độ chính xác cao, làm việc liên tục không mệt mỏi, nâng cao sản l-ợng và chất l-ợng sản phẩm

Trong đồ án tốt nghiệp này chúng em thực hiện việc tính toán và thiết kế Robot sáu bậc tự do quay vạn năng, nó có khả năng làm một số công việc nh- sơn, hàn, đo kiểm tra kích th-ớc,vận chuyển và lắp giáp các chi tiết

Ch-ơng I Dựng l-ợc đồ tổng quát

Robot 6 bậc tự do quay vạn năng bao gồm 6 khâu và 6 khớp quay có trục quay bố trí trong các mặt phẳng vuông góc với nhau Có khả năng chuyển động linh hoạt theo các h-ớng khác nhau trong không gian 3 chiều nên nó có một số khả năng làm đ-ợc một số công việc nh- sơn, hàn, lắp ráp,

đo, cấp phôi và kiểm tra kích th-ớc vv… Ngoài ra ta còn có thể cải tiến , mở rộng nh- thêm một số bậc tự do để robot linh hoạt hơn nữa khi yêu cầu công việc phức tạp hơn

Sau đây là các hình ảnh về l-ợc đồ tổng quát của robot và một số chức năng của robot , và l-ợc đồ về quá trìndh gắn các hệ toạ độ vào các khớp của robot phục vụ cho việc tính toán bàI toán động học thuận

1 - Giải bài toán thuận

a - Hệ toạ độ và thông số theo W Khallil

Ma trận chuyển đổi toạ độ thuận

Cosi -sini 0 di

Mi-1,i = Cosi sini cosi.cosi -sini -ri.sin

Sini sini sini.cosi cosi ri.cos

0 0 0 1

Ma trận chuyển đổi toạ độ nghịch

Cosi cosi.sini sini sini -di .cosi

Mi-1,i = -sini cosi.cosi sini cosi di.sini

Ma trận chuyển đổi toạ độ thuận

Cosi -cosi.cosi sini.cosi ai.cosi

Mi-1,i = Sini cosi.cosi -sini.cosi ai.sini

0 sini cosi di

0 0 0 1

Ma trận chuyển đổi toạ độ nghịch

Cosi sini 0 -ai

Mi,i-1 = -Cosi sini cosi.cosi sini -di.sini

Sini sini sini.cosi cosi -di.cosi

0 0 0 1

Ch-ơng II Khảo sát bài toán hình động học thuận

Ngày nay với sự trợ giúp vô cùng đắc lực của máy móc hiện đại đặc biệt là robot, trong đó phải kể đến việc đo l-ờng và kiểm tra đã đ-ợc thực hiện một cách chính xác và hiệu quả ở đây ta muốn nói đến ứng dụng của robot 6 bậc tự do vào việc đo l-ờng với việc tính toán bài toán thuận đ-a ra liên hệ giữa toạ độ của đầu đo và gốc toạ độ chuẩn gắn với thân máy đo bằng các ph-ơng trình liên hệ Nhờ vào các cảm biến đo góc mà chủ yếu là cảm biến quang, cảm biến đIện đ-ợc gắn trực tiếp vào các khớp của robot Sau khi đầu đo tiếp xúc với đIểm cần đo các cảm biến sẽ đo đ-ợc các góc

trình chuyển đổi toạ độ của bài toán thuận Giải hệ ph-ơng trình này ta sẽ

đ-ợc toạ độ của điểm đo

Trong bài toán vị trí của ronot 6 bậc tự do ta có hai ph-ơng pháp tính toán

Robot cho đến bàn tay M

Các ma trận chuyển toạ độ này đ-ợc thiết lập trong ch-ơng trình MapleVI , chúng đ-ợc nhân với nhau để ra ma trận cuối cùng , sau đó từ ma trận chuyển toạ độ cuối cùng đó ta thiết lập ph-ơng trình rồi giải ra nghiệm tổng quát Nghiệm đó chính là toạ độ điểm M (bàn tay) trong không gian

1 - Thiết lập ma trận chuyển hệ toạ độ từ vị trí của

O của Robot cho đến bàn tay M theo kiểu Khallil

* Hệ toạ độ Khallil :

Thiết lập ma trận chuyển hệ toạ độ từ vị trí của O của Robot cho đến bàn tay M, lấy thông số và gắn hệ trục theo kiểu Khallil

* C¸c ma trËn chuyÓn :

CosSin 0 0

Sin  Cos 0 0

M01 = 0 0 1 d1 0 0 0 1

 0 0

0 0 -1 s2

M12 = 0 -1 0 0

0 0 0 1

CosSin 0 0

Sin  Cos 0 0

M23 = 0 0 1 0

0 0 0 1

Cos-sin 0 a3 0 0 - 1 0

M34 = -sin4 -cos4 0 0

0 0 0 1

2 - Thiết lập ma trận chuyển hệ toạ độ từ vị trí củaO của Robot cho đến

* Hệ toạ độ gắn theo kiểu Denavit_Hartenberg

Thiết lập ma trận chuyển hệ toạ độ từ vị trí của O của Robot cho đến bàn

tay M, lấy thông số và gắn hệ trục theo kiểu Denavit- Hartenberg



Sin  Cos 0 0

M01 = 0 0 1 d1 0 0 0 1

 0 0

0 0 -1 -s2

M12 = 0 -1 0 0

0 0 0 1

Cos 0 Sin a 3 Cos Sin  0 Cos a 3 sin

M23 = 0 0 1 0

0 0 0 1

cos  - sin  0 a3 Sin  cos  0 0

M34 = 0 0 1 0

0 0 0 1

CosSin 0 a 5

Sin  Cos 0 0

M45 = 0 0 1 0

0 0 0 1

CosSin 0 a 6 Sin  Cos 0 0

M56 = 0 0 1 0

0 0 0 1

Có :

M01 M12 M23 M34 M45 M56 =M06

r 06 = M 06 r 6

II - Xác định miền làm việc của cơ cấu

Việc xác định miền với tới của Robot là vô cùng quan trọng nó có ý nghĩa quyết định trong việc xác định khả năng làm việc của Robot Tuỳ vào

khả năng linh hoạt của bàn tay xung quanh vị trí làm việc mà ta có thể định

rõ đ-ợc giới hạn làm việc của robot từ đó có thể chọn những công việc thích hợp, ví dụ nh- do yêu cầu kỹ thuật mà khi hàn ta bắt buộc que hàn phải tạo với đ-ờng hàn một góc nhất định không đổi, khi đó đòi hỏi vật cần hàn đó phải đ-ợc đặt trong vùng làm việc thích hợp của robot sao cho nó có khả năng thoả mãn những yêu cầu kỹ thuật đề ra, để hàn một đ-ờng xoắn ốc cánh tay cần hai chuyển động 1 là chuyển động thẳng 2 là chuyển động quay xung quanh trục của đ-ờng xoắn ốc, vì thế khi xét miền làm việc của robot ta xét tới các khả năng v-ơn xa hoặc quay tròn xung quanh điểm làm việc theo các mặt phẳng khác nhau Ngoài ra trong việc đo l-ờng giới hạn làm việc của cách tay cũng quyết định bởi độ phức tạp của biên dạng vật thể cần đo mà thiết bị có khả năng đo đ-ợc

1 Miền làm việc thứ nhất

Đây là vị trí xa nhất mà điểm M có thể với tới khi khâu 2 tịnh tiến ra xa nhất và các khâu 4,5,6 đều duỗi thẳng

Nh-ng đây cũng là vị trí mà việc xoay xung quanh vị trí làm việc (điểm làm việc) M là không có Nói cách khác chỉ có 1 vị trí duy nhất giữa khâu 6 và

điểm làm việc M Với vị trí này khi khớp 4 quay tròn xung quanh giới hạn phạm vi làm việc của M, tổng quát hơn khi các khớp 2,1 quay quanh trục trong mặt phẳng () và () ta sẽ đ-ợc vì ở vị trí này, vị trí t-ơng quan giữa khâu 6 và M bị hạn chế tối đa nếu việc áp dụng robot ở vị trí này vào

công việc nh- sơn, hàn, đo biên dạng v.v…cũng bị hạn chế, bởi vì M chỉ có thể chuyển động theo những quĩ đạo nhất định

7 6 5 4

l l l l

l l l l

Khi đó khâu 6 hoàn toàn có thể quay tròn 3600 xung quanh M và M1

Vì các độ dài l4, l5, l6 hoàn toàn biết tr-ớc và đã xác định nên ta có thể

có điều kiện t-ơng đ-ơng sau đối với l7

6 4 5 7

l l l l

l l l l

Rõ ràng đây là miền mà điểm làm việc M hoạt động rộng nhất (không bị hạn chế).Vì vậy trong miền này cơ cấu có thể đo hay hàn đ-ợc những biên dạng hay những quĩ đạo phức tạp mà không bị cản trở, hạn chế

T-ơng tự nh- tr-ờng hợp miền làm việc thứ nhất với việc hoạt động (quay) của khớp (1) và (2), ta luôn có những vị trí quét trong không gian ví dụ để

đạt tới vị trí M nh- trên ta luôn có vị trí t-ơng xứng, tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc và điều kiện về độ chính xác hay sai số mà ta chọn vị trí thích hợp

3 Miền làm việc thứ ba:

Khi l7 < l5+ l6- l4 (II)

góc nón 1 ứng với 2vị trí giới hạn của cánh tay lắc l4

4 6 5 7

l l l l

l l l l

Lúc này góc quay của khớp 6 quanh M bị hạn chế bởi các góc 1,2,11

và 12 đã tính đ-ợc ở phần trên

Ch-ơng III Tính toán bài toán ng-ợc

Tính toán bài toán ng-ợc nhằm mục đích đ-a ra đ-ợc các góc quay của các khâu để đạt đ-ợc ví trí v-ơn tới cho tr-ớc của bàn tay (hay điểm M), trong thực tế ta ứng dụng bài toán này để đ-a ra các ph-ơng án điều khiển

động cơ b-ớc Có rất nhiều ph-ơng pháp để giải bài toán ng-ợc, trong nhiều tài liệu th-ờng trình bày nhiều ph-ơng pháp giải bằng ma trận còn ở đây ta chỉ nêu ra 2 ph-ơng pháp là ph-ơng pháp hình học và ph-ơng pháp ma trận

Giả thiết của bàI toán : Cho tr-ớc vị trí của M,M1 có toạ độ lần l-ợt là

(Xm,Ym,Zm), (Xm1,Ym1,Zm1) hoặc cho tr-ớc đIểm M (Xm,Ym,Zm)

và véc tơ e (i,j,k) – là véc tơ chỉ ph-ơng của khâu cuối gắn với đIểm M Tức

là biết đ-ợc vị trí của khâu 6 , hai giả thiết trên là hoàn toàn t-ơng đ-ơng –

từ giả thiết này hoàn toàn có thể suy ra giả thiết kia Nên tuỳ tr-ờng hợp mà chọn giả thiết nào thuận tiện cho quá trình tính toán

Yêu cầu : Tính các thông số ()

Gãc lµ gãc t¹o bëi mÆt ph¼ng chøa kh©u 3,4,5,6 vµ trôc Z

T×m Beta ,cÇn t×m vect¬ ph¸p tuyÕn cña mÆt ph¼ng nµy

A (Xa ,Ya ,Za) ; M (Xm ,Ym ,Zm) ; M1(X1 ,Y1 ,Z1) ;

Ya-Ym Za-Zm Za-Zm Xa-Xm Xa-Xm Ya-Ym

(1)

( Xm : Toạ độ của đIểm M trong hệ toạ độ O1x1y1 )

Xác định toạ độ của đIểm M trong hệ toạ độ O1x1y1 :

ĐIều kiện bàI toán cho : Toạ độ của đIểm M trong hệ toạ độ Oxy

(hệ toạ độ gốc ).Và véc tơ chỉ ph-ơng của hệ toạ độ 7 (bàn tay) trong hệ toạ

độ gốc Dựa vào các đIều kiện đó để tính các số liệu sau :

M34 = -sin4 -cos4 0 0

0 0 0 1

CosSin 0 -a 5cos5

- Sin  Cos 0 a5cos5

M54 = 0 0 1 0

0 0 0 1

CosSin 0 a 6cos6

Sin  Cos 0 a6cos6

Dùng ch-ơng trình Maple V nhân các ma trận vào với nhau tính đ-ợc :

M04(1) và M04(2) sau đó đặt : M04(1) = M04(2)

GiảI các ph-ơng trình ra , tính đ-ợc các góc :

và s2

3 - Ph-ơng Pháp giải bằng véc tơ :

§©y lµ c¸ch gi¶i riªng cña Robot nµy

Ph-ơng pháp tính toán

Xét một cách tổng quát, ta xét 1 điểm Pi bất kỳ nằm trên khâu thứ i

Ta có bán kính vector của điểm Pi trong hệ toạ độ thứ i (hệ toạ độ gắn với khâu thứ i)

rPii = OiPi = XPi/i, YPi/i, ZPi/i T

Bán kính vector của điểm Pi trong hệ toạ độ thứ H0 (hệ toạ độ tổng quát)

rPi0 = OPi = XPi/0, YPi/0, ZPi/0 T

Ta có công thức liên hệ giữa hai bán kính vector trên là :

rPi0 = K0i rPii Trong đó K0i là ma trận chuyển toạ độ từ hệ H0 sang hệ Hi Dùng ph-ơng pháp đạo hàm trực tiếp ta sẽ có công thức tính vận tốc và gia tốc của điểm Pi nh- sau :

vPi=d rpio/dt=d[Koi.rpii]/dt (I)

aPi=d2rpio/dt2=d2[Koi.rpii]/dt2

Nh- vậy ta áp dụng công thức (I) để tính toán 1 robot bất kỳ có n khâu

Bây giờ ta áp dụng (I) để tính toán robot 6 bậc tự do trong đồ án này

Từ các ma trận chuyển toạ độ trong phần tính toán bài toán thuận tính

vị trí ta đạo hàm lần l-ợt từng ma trận rồi sau đó nhân chúng với nhau, ta tìm

đ-ợc ma trận cuối cùng của từng vị trí trên các khâu t-ơng ứng rồi sau đó dùng các phép toán trên đây giải chúng để tìm đ-ợc vận tốc , đạo hàm cấp 2

đối với ma trận vị trí t-ơng ứng ta tìm đ-ợc gia tốc

Giả sử rPii = X, Y, Z T Thay các ma trận trên và rPii vào công thức (I) ta sẽ có các công thức tính vận tốc và gia tốc của từng khâu

Ch-ơng V Mô phỏng hoạt động của Robot

động trong không gian 3 chiều

Mô phỏng Robot đ-ợc vẽ bằng ch-ơng trình 3D StudioMax 3.0 -đây là ch-ơng trình phần mềm thiết kế đồ hoạ chuyên để mô phỏng những đối t-ợng 3D chuyển động trong không gian 3 chiều

Robot đ-ợc dựng lên bởi 7 đối t-ợng d-ợc đạt từ d-ới lên trên nh- sau: (1)- Chân đế

(2)-Thân (Bộ phận lắp với chân đế )

(3)-Trục dọc (Bộ phận chuyển động tịnh tiến)

(4)-Khíp 1

(5)-Khíp 2:

(6)-Khíp 3

Để liên kết các bộ phận của Robot ta sử dụng công cụ Track View của 3D max dể thiết lập.Track View hiển thị mọi đối t-ợng trong khung cảnh mà hiện tạI đang sử dụng ch-ơng trình Nó hiển thị khung cảnh theo một danh sách phả hệ – cây gia tộc

Quan sát phả hệ trong 3D Max-Trên thanh công cụ vào Track View,rồi vào tiếp Open Track View Lúc đầu Track View -danh sách phả hệ - có chứa 10 th- mục :

Những mục bên d-ới World đ-ợc thụt dòng vào,ta hiểu những mục đó là

“ con” của World Ta thấy biểu t-ợng (+),(-) nhỏ nằm bên tráI mỗi mục ;dấu cộng (+) có nghĩa là mục đó còn chứa các mục khác nữa-các mục con,dấu trừ(-) có nghĩa mục này đã đ-ợc mở hết Riêng mục Scene Materials không

có dấu nào ở đầu vì nó cho biết ch-a có chất liệu nào có mặt trong khung cảnh Để mở hay đóng các mục này trong danh sách bằng cách kích chuột tráI vào dấu cộng(+) hoặc (-) ở tr-ớc mỗi mục

Trong Track View ở mục Objects có bảy đối t-ợng ,bảy đối t-ợng này ch-a

có sự liên kết – “ cha” và “ con” -nên Robot ch-a hình thành ,danh sách phả

hệ sẽ nh- sau:

Liên kết các đối t-ợng theo phả hệ – tạo ra một phả hệ liên kết chỉ đơn thuần chỉ là việc chọn một đối t-ợng cho nó làm con ,sau đó kích nút Select and Link trên thanh công cụ Rồi rê đối t-ợng đó đến đối t-ợng mà nó sẽ nhận làm cha

Thực hiện liên kết các đối t-ợng đ-ợc thực hiện nh- sau:

Đầu tiên liên kết “ chân đế “ với “ hộp thân máy “ ,thực hiện trong vùng nhìn Front (chiếu đứng)

- Kích chuột vào nút Selecct and link

- Sau đó kích chọn vào “ thân máy “ ,giữ nguyên rồi rê con chỏ chuột từ

“ thân máy” sang “ chân đế

Khi rê chuột ,con chỏ chuột sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu đối t-ợng mà

nó đI qua Trong khi con chỏ chuột đang chồng lên thân máy ,nó sẽ hiện lên một bảng cấm để chỉ thị :đó là liên kết bất hợp lệ – không thể liên kết nó với chính nó.Khi con chỏ rê đến “ chân đế ‘ ,ta sẽ thấy một khối mầu xanh lá ĐIều đó cho thấy rằng liên kết đó là hợp lệ Khi nhả nút chuột “ thân máy “ chớp lên mầu trắng để biểu thị rằng nó đã đ-ợc liên kết

Muốn kiểm tra liên kết ‘ thân máy “ với “ chân đế ” có đúng không-mối liên kết phả hệ: cha _con - Mở Track View ra ,không còn biểu t-ợng hình vuông bên tráI mục “ chân đế ” ,lúc này có biểu t-ơng dấu cộng (+) tr-ớc nó ” Chân đế “ đã có một đối t-ơng con là “ thân máy”

Làm t-ng tự với “ trục dọc” và “ thân máy” – khâu chuyển động tịnh tiến Khi làm xong để chắc chắn ,kiểm tra hai mối liên kết vừa tạo xong bằng cách :

-Kích vào nút Select and Move trên thanh công cụ – hoặc kích chuột tráI vào “ chân đế “ ,kích chuột phảI chọn Move

- Kích chuột vào chân đế ,mũi tên 4 chiều xuất hiên khi di chuột đến “ chân

đế “ ,giữ chuột tráI và di chuyển Nếu liên kết đúng khi chân dế di chuyển

“ thân máy “ và “ trục dọc “ sẽ di chuyển cùng theo

Tiếp tục ta liên kết khớp 1 với trục dọc – trên trục dọc tạI đầu có khối trụ tròn là nơI liên kết với khớp 1 Để phòng hờ tr-ờng hợp lặp lạI các mối liên kết ngoai việc chon Select and Link chọn thêm Edit/Hold trên thanh công

sẽ hiển thị ra mối liên kết phả hệ ,ở hình d-ới

Khi xem danh sách phả hệ nếu thấy chỗ nào ch-a đúng theo yêu cầu ,chọn các đối t-ợng con ch-a đ-ợc liên kết đúng ,kích nút Unlink Selection để huỷ bỏ liên kết giữa chúng Sau đó liên kết lạI

mối liên kết đó cho đúng đối t-ợng

c - Khống chế các trục toạ độ

Để có thể làm Robot chuyển động dễ dàng ,đúng theo yêu cầu ta phảI khống chế các trục quay của Robot Trong một tr-ơng hợp cụ thể tạI khớp quay hay tịnh tiến để chúng hoạt động đúng và hợp lý ,các đối t-ợng đ-ợc liên kết chỉ quay,di chuyển theo một trục nhất định nào đó – theo trục X,Y,Z.Ví dụ ;thân máy chỉ chuyển động quay quanh trục Z,khâu tịnh tiến chỉ tịnh tiến theo trục X.Có hai cách để khống chế các trục ,cách thứ nhất khống chế tức thời một trục bằng cách bấm vào nút c-ỡng chế các trục trên thanh công cụ Nh-ng trong tr-ờng hợp này ,đây là một liên hợp các đối t-ợng cấu thành Robot nên ta phảI sử dụng ph-ơng pháp khác ,khống chế vĩnh viễn các trục của đối t-ợng để thuận tiện cho việc xử lý các phép xử lý sau này

Mở bảng lệnh Hierarchy và kích nút Link Info (Thông tin liên kết )

Bảng Link Info xuất hiện

Hộp thân máy chỉ quay quanh trục Z nên bên d-ới Move tất cả các trục

đ-ợc đánh dấu để khoá sự di chuyển theo các trục D-ới Rotale khoá trục quay X và Y của đối t-ợng trong suốt quá trinhf chuyển động quay quanh trục Z Sau khi khoá các trục của thân máy ,thân máy không di chuyển dọc theo các trục ,không quay quanh trục X,Y đ-ợc mà chỉ quay quanh trục Z Có thể kiểm tra đìều này ngay sau khi khoá các trục; kích vào thân máy –hộp thân máy sẽ có một khung màu trắng bao quanh-kích tiếp chuột phảI rồi chon Rotate Giữ nguyên phím tráI chuột,rê chuột đI nếu thấy hộp thân máy quay quanh trục đứng – trục Z-thì khoá đã thành công