BÀI GIẢNG - KỸ THUẬT ROBOT ( combo full slides 4 chương )

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT ROBOT

NỘI DUNG

 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT

 CHƯƠNG 2: CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI

 CHƯƠNG 3 ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT

 CHƯƠNG 4 ĐỘNG HỌC NGƯỢC ROBOT

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ

ROBOT

1.1 Lịch sử phát triển của robot

 1738 Vịt máy Vaucanson

1.1 Lịch sử phát triển của robot

 1774 Thư kí máy

1.1 Lịch sử phát triển của robot

 1890 búp bê biết nói Edison

1.1 Lịch sử phát triển của robot

 1926 bộ phim đầu tiên về robot của Đức Metropolis

1.1 Lịch sử phát triển của robot

 1939 người máy roboter

1.1 Lịch sử phát triển của robot

 1938 Pollar phát minh ra tay máy cơ khí phục vụ cho việc sơn

 1947 robot vận hành bằng vô tuyến điều khiển servo đầu tiên ra đời

 1948 máy điều khiển từ xa

1.1 Lịch sử phát triển của robot

 1968 R.S Mosher chế tạo ra robot đi bằng bốn chân

1.1 Lịch sử phát triển của robot

 1983 Odetics Inc phát triển xe di chuyển bằng sáu chân

 1985 Robot đi tự động đầu tiên ở đại học Ohiox

1.1 Lịch sử phát triển của robot

 1996 hãng Honda trình diễn robot Asimo

1.1 Lịch sử phát triển của robot

3 định luật khi chế tạo robot

 Robot không được tổn thương con người

 Robot phải tuân theo sự điều khiển của con

người nhưng không được chống lại định luật 1

 Robot phải bảo vệ sự tồn tại của nó

Định nghĩa robot

 A robot is a mechanical or virtual, artificial agent It is usually

an electromechanical system, which, by its appearance or movements, conveys a sense that it has intent or agency of its own The word robot can refer to both physical robots and virtual software agents, but the latter are usually referred to as

bots to differentiate- Aliiiance for Telecommunications

Solutions

Định nghĩa robot

 A robot device is an instrumented mechanism used in science or industay to take the place of a human being It may or may not physically resemble a human or perfome its tasks in a human way, and the line separating robot devices from merely automated machinery is not always easy to define In general, the more sophisticated and individualized the machine, the more likely it is

to be classed as a robot device

(Encyclopacdia Britannica)

1.2 Phân loại robot: hai loại

 Robot công nghiệp: là một tay máy robot có

thể hoạt động đa mục đích, có thể lập trình

được và điều có thể đặt cố định hoặc di động,

sử dụng cho các ứng dụng tự động hóa công

nghiệp

 Robot dịch vụ: là robot vận hành tự động hoặc

bán tự động để thực hiện công việc trong giải trí

và sản xuất Có hai loại:

 Robot dịch vụ cá nhân

 Robot dịch vụ chuyên nghiệp

Robot công nghiệp

Robot hàn trong công nghệ sản xuất cơ khí

Robot công nghiệp

Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp

Robot công nghiệp

Các ứng dụng Robot trong các lĩnh vực thám hiểm, quân sự,

vệ tinh

Robot dịch vụ

Robot nhện Robot dạng người

Robot dịch vụ

Robot chó Robot rắn

Robot dịch vụ

Robot hút bụi Robot lau kính

Robot dịch vụ

Robot phục vụ trong bệnh viện dã chiến COVID-19

Robot dịch vụ

Robot phục vụ trong nhà hàng

1.3 Cấu trúc của một hệ thống robot

 Phần cứng

 Phần mềm

Cấu trúc của robot công nghiệp

Cấu trúc của robot công nghiệp

 Cánh tay máy: thành phần chính là các khâu liên kết nhau bởi các khớp

Cấu trúc của robot công nghiệp

 Khớp: liên kết giữa hai khâu, có chức năng truyền chuyển động để thực hiện di chuyển của robot

Chủ yếu gồm 2 loại: khớp tịnh tiến và khớp quay

Cấu trúc của robot công nghiệp

 Khâu chấp hành cuối: được gắn lên cổ tay robot

để giúp robot thực hiện các thao tác Thường có

2 dạng: cơ cấu bàn kẹp và cơ cấu dụng cụ

Cấu trúc của robot công nghiệp

 Cơ cấu truyền động: giúp robot chuyển động và thay đổi tư thế

 Thường là động cơ điện, thủy lực, khí nén

Cấu trúc của robot công nghiệp

 Cảm biến: nhận biết và thu thập thông tin về

trạng thái thực của robot Ví dụ góc quay, vận

tốc góc, gia tốc, lực tác động…

 Bộ điều khiển: thu thập và xử lý thông tin từ cảm biến, đưa ra quyết định đến cơ cấu truyền động, truyền thông giao tiếp với thiết bị ngoại vi

Cấu trúc của robot công nghiệp

Cấu trúc của robot công nghiệp

 Bậc tự do là số khớp quay và tịnh tiến

Ba bậc

Bậc tự do của Robot công nghiệp

Robot Scara 4 bậc

Tóm lại

CHƯƠNG 2:

CÁC PHÉP BIẾN

ĐỔI

2.1 Định nghĩa

 Biểu diễn một điểm

2.1 Định nghĩa

 Biểu diễn một vecto

2.1 Định nghĩa

 Biểu diễn một hệ trục trong hệ trục

Các kí hiệu

 𝐴𝑃 : điểm P trong hệ tọa độ A

 𝐵𝐴𝑅 : ma trận xoay R biểu diễn A liên quan B

 𝑇𝐵𝐴 : ma trận dịch chuyển T biểu diễn A liên quan B

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

 Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động

cơ bản:

 Chuyển động tịnh tiến, ký hiệu là T

 Chuyển động quay, ký hiệu là R

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

 Biểu diễn sự chuyển động tịnh tiến

Ma trận chuyển vị T là:

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

 Điểm đặt mới của hệ trục là:

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

 Biểu diễn sự quay quanh một trục:

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

 Quay xung quanh trục x một góc θ

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

 Tọa độ điểm P mới là:

 Với ma trận xoay quay quanh trục x:

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

 Ma trận xoay quay quanh trục y

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

 Ma trận xoay quay quanh trục z

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

Ví dụ: Cho điểm u biểu diễn bởi

Quay u xung quanh z một góc 90𝑜 được v Tìm v? Giải:

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

Phép chuyển đổi bao gồm 1 xoay và 1 tịnh tiến

- Với là thành phần của vecto tịnh tiến

- Các thành phần r là của phép xoay

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

Ví dụ: Một hệ tọa độ B được tạo ra từ hệ tọa độ A bằng cách xoay quanh trục Z một góc 30𝑜, tịnh

tiến theo trục X 4 đơn vị và theo trục Y 3 đơn vị Tìm ma trận chuyển đổi 𝑇𝐵𝐴

2.2 Biểu diễn sự chuyển vị

Cho hệ tọa độ A ban đầu Sau mỗi phép chuyển đổi ta có hệ tọa độ tương ứng lần lượt là B,C,D,U

Ta có các phương trình chuyển đổi là:

Bài tập

Bài 2 Cho điểm trong hệ tọa độ A Điểm được tạo ra từ bằng cách quay quanh trục Z một góc 30𝑜, tịnh tiến 10 đơn vị theo trục X và 5

đơn vị theo trục Y Tìm

Biết

Gợi ý:

Bài tập

Bài 3 Cho hệ tọa độ A Xoay A quanh Z một góc

30𝑜 và quanh X một góc 30𝑜, được hệ tọa độ mới

B Tìm phép xoay?

 Gợi ý:

Bài tập

Bài 4 Cho hệ tọa độ A Xoay A quanh X một góc

30𝑜 và quanh Z một góc 30𝑜, được hệ tọa độ mới

B Tìm phép xoay?

 Gợi ý:

Nhận xét bài 3 và bài 4

 Thứ tự các phép quay là quan trọng, các ma trận được sử dụng để diễn tả các phép quay, không được hoán chuyển khi nhân các ma trận với nhau

Bài tập

Bài 6 Cho điểm P trong hệ tọa độ A Quay điểm P quanh trục Y góc 30𝑜 và sau đó quay quanh trục X một góc 45𝑜 Tìm ma trận xoay?

Bài tập

Bài 7 Cho các ma trận dịch chuyển sau Tìm 𝑇𝐵𝐶 ?

CHƯƠNG 3 ĐỘNG HỌC

THUẬN ROBOT

3.1 Giới thiệu

 Vấn đề cần giải quyết?

0 0

p a

O n

p a

O n

p a

O n

T

z z

z z

y y

y y

x x

x x

6

3.2 Trình tự thiết lập phương trình động học

0 Đánh số khâu và khớp

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên

các khâu

2 Lập bảng thông số DH (Denavit Hartenberg)

3 Dựa vào các thông số DH xác định các ma trận An

4 Tính các ma trận T và viết các phương trình động

học của robot

0 Đánh số khâu và khớp

0 Đánh số khâu và khớp

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở

rộng lên các khâu

 Quy tắc bàn tay phải để xác định các hệ trục tọa

độ

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

Quy tắc bàn tay phải để xác định chiều của góc quay quanh một trục tọa độ

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

- Các hệ toạ độ Oxyz phải tuân theo qui tắc bàn tay phải

- Gắn hệ toạ độ lên các khâu Gốc của hệ toạ độ gắn lên khâu thứ n đặt tại giao điểm của pháp tuyến an với trục khớp thứ n+1

- Trục z của hệ toạ độ gắn lên khâu thứ n trùng phương với trục khớp thứ n+1

- Trục x thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và hướng từ khớp n đến n+1 Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục x chọn theo tích vector

1 n

z    

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

Lưu ý:

- Gốc chuẩn của 1 robot là khâu 0 (cố định), không tính vào số khâu

- Khâu 1 nối với gốc chuẩn bởi khớp 1

- Không có khớp ở khâu cuối cùng

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

 Trục 𝑧𝑖−1 được đặt dọc theo trục khớp thứ i Trục 𝑧𝑖 được đặt dọc theo trục khớp thứ i+1

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

 Trục 𝑧𝑖−1 được đặt dọc theo trục khớp thứ i Trục 𝑧𝑖 được đặt dọc theo trục khớp thứ i+1

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

 Xác định 𝑂𝑖: kẻ đường vuông góc chung giữa

𝑧𝑖−1 và 𝑧𝑖 Khoảng cách giữa 𝑧𝑖−1 và 𝑧𝑖 là 𝑎𝑖

 𝑂𝑖 là giao điểm giữa 𝑎𝑖 và 𝑧𝑖

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở

rộng lên các khâu

 Xác định 𝑥𝑖: đặt dọc theo 𝑎𝑖, hướng từ 𝑧𝑖−1 đến 𝑧𝑖

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

 Xác định 𝑦𝑖: theo quy tắc bàn tay phải

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở

rộng lên các khâu

 Chọn gốc 𝑂0, 𝑥0 𝑣à 𝑦0 : trục của hệ {0} trùng với trục của hệ {1} tại vị trí ban đầu khi các biến khớp bằng 0

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

 Ví dụ 1

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

 Ví dụ 2

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu

 Ví dụ 3

2 Bộ thông số DH (Denavit Hartenberg)

3.2 Trình tự thiết lập phương trình động học

2 Bộ thông số DH (Denavit Hartenberg)

 Mỗi khâu được đặc trưng bởi 2 kích thước:

- Khoảng cách giữa hai trục 𝑧𝑖−1 và 𝑧𝑖 đo dọc theo 𝑥𝑖 : 𝑎𝑖

- Góc giữa hai trục 𝑧𝑖−1 và 𝑧𝑖: 𝛼𝑖

 Mỗi khớp được đặc trưng bởi 2 kích thước:

- Khoảng cách giữa hai khâu 𝑥𝑖−1 và 𝑥𝑖: 𝑑𝑖

- Góc giữa hai khâu 𝑥𝑖−1 và 𝑥𝑖 : 𝜃𝑖

- Các thông số ai, αi, di và θi được gọi là bộ thông số DH

2 Bộ thông số DH (Denavit Hartenberg)

2 Bộ thông số DH (Denavit Hartenberg)

2 Bộ thông số DH (Denavit Hartenberg)

 Ví dụ 1: Một tay máy gồm 3 khớp nối phẳng

2 Bộ thông số DH (Denavit Hartenberg)

 Ví dụ 2

2 Bộ thông số DH (Denavit Hartenberg)

 Ví dụ 3

2 Bộ thông số DH (Denavit Hartenberg)

 Ví dụ 4

2 Bộ thông số DH (Denavit Hartenberg)

Ví dụ 5: Robot SCARA

3.2 Trình tự thiết lập phương trình động học

0 Đánh số khâu và khớp

1 Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên

các khâu

2 Lập bảng thông số DH (Denavit Hartenberg)

3 Dựa vào các thông số DH xác định các ma trận An

4 Tính các ma trận T và viết các phương trình động

học của robot

3.3 Trình tự thiết lập phương trình động học

3 Xác định ma trận A

3.3 Trình tự thiết lập phương trình động học

3 Xác định ma trận A

- Quay quanh zn-1 một góc θn

- Tịnh tiến dọc theo zn-1 một đoạn dn

- Tịnh tiến dọc theo xn-1 một đoạn an

- Quay quanh xn-1 một góc xoắn αn

Bốn phép biến đổi thuần nhất này thể hiện quan hệ của hệ tọa độ thuộc khâu thứ n so với hệ tọa độ thuộc khâu n-1 và tích của chúng được gọi là ma trận A:

A n = Rot(z,θ)Trans(0,0,d)Trans(a,0,0)Rot(x,α)

3.3 Trình tự thiết lập phương trình động học

3 Xác định ma trận A

A n = = Rot(z,θ)Trans(0,0,d)Trans(a,0,0)Rot(x,α)

0 0

0 cos

sin 0

0 sin

cos 0

0 0

0 1

1 0 0 0

1 0 0

0 0 1 0

0 0 1

1 0 0

0

0 1 0

0

0 0 cos

sin

0 0 sin

cos

α α

α α

d

a θ

θ

θ θ

0 0

cos sin

0

sin sin

cos cos

cos sin

cos sin

sin cos

sin cos

d α

α

θ a

α θ

α θ

θ

θ a

α θ

α θ

θ

A n

i n

1 i

A T

Ta đã biết: Tn = A1.A2.A3 An

Ví dụ 1

 Robot 3 bậc

Ví dụ 1

 Ma trận chuyển hệ trục như sau:

 Kết quả:

Ví dụ 2

 Robot 3 bậc RTR

Ví dụ 3

 Robot 3 bậc tự do

Ví dụ 4

 Robot SCARA

CHƯƠNG 4

ĐỘNG HỌC

NGƯỢC ROBOT

4.1 Giới thiệu

 Tính toán tập hợp tất cả giá trị các biến khớp

4.1 Giới thiệu

 Tồn tại nhiều nghiệm

4.1 Giới thiệu

 Điều kiện tồn tại nghiệm: vị trí và hướng của

cơ cấu chấp hành phải nằm trong không

gian công tác của cánh tay robot

4.1 Giới thiệu

 Phương pháp giải bài toán động học ngược:

- Phương pháp đại số

- Phương pháp hình học

4.2 Ví dụ

 Ví dụ 1: Dùng phương pháp đại số để giải cánh tay robot 2 bậc tự do RR

 Phương trình động học thuận:

2 ) (

) ( 122 122 12 12 12 1 2 12 1 12 1

2 2

2 2

s s c c l l s

c l s

c l p

px  y      

2 1

2 2

2 1

2 2

2

2 l l

l l

l p

2 1

2 2

2 2

2  a   c c



2 2

s   

),

(2

2

2  c 

s

p s

c l

c l s

l

s l l

c l

1

1 1

2 2 2

2

2 2 1

2 2

s s c

c

c12  1 2  1 2 s12  s1c2 c1 s2

(l 2 c 2 +l 1 )c 1 - l 2 s 2 s 1 =p x

l 2 s 2 c 1 +(l 2 c 2 +l 1 )s 1 =p y

4.2 Ví dụ

 Giải phương trình ta được:

 Từ đó suy ra:

2 2 1

2 2

2 1

2 2 1

2 2

1 2

2 2

2

2 2 1

2 2

2 2

1 2

2

1

2

) (

c l l l

l

s l p l

c l p

l c

l s

l

s l l

c l

p s

l

p l

c l

(2



2 2 1

2 2

2 1

2 2 1

2 2

1 2

2 2

2

2 2 1

2 2

1 2

2

2 2

1

2

) (

c l l l

l

s l p l

c l p

l c

l s

l

s l l

c l

l c

l p

s l p

4.2 Ví dụ

 Cuối cùng ta tìm được:

 Kết quả có hai trường hợp

),

1(

(2



Ví dụ 1:Lập trình cho cánh tay robot 2 bậc RR

Ví dụ 2: Dùng phương pháp đại số để giải cánh tay robot 3 bậc tự do RRR

0 0

0 1

0 0

0

0

12 2 1

1 123

123

12 2 1

1 123

123

3

c l c l s

c T

Ví dụ 2: Dùng phương pháp đại số để giải cánh tay robot 3 bậc tự do RRR

l p

2 1

2 2

2 2

2 2

2 1

2 2

2

2 l l

l l

p

p



Ví dụ 2: Dùng phương pháp đại số để giải cánh tay robot 3 bậc tự do RRR

 Từ đó cũng tính được sin θ2 như sau:

 Từ đó ta được:

=>

 Tiếp theo là tìm góc θ1 Ta có hệ phương trình:

 Thay vào ta lập được phương trình ma trận

(2

2  a   c c



),

(2

p s

c l

c l s

l

s l l

c l

1

1 1

2 2 2

2

2 2 1

2 2

Ví dụ 2: Dùng phương pháp đại số để giải

cánh tay robot 3 bậc tự do RRR

 Giải nghiệm ta được:

 Từ đó ta tìm được góc khớp θ1 như sau:

2 1 2

2

2 2 1

2 2 1

) (

) (

) (

s l l

c l

s l p l

c l

2 1 2

2

2 2 1

2 2 1

) (

) (

) (

s l l

c l

s l p l

c l

Ví dụ 2:Lập trình cho cánh tay robot 3 bậc RRR

Ví dụ 3: Dùng phương pháp đại số để giải cánh tay robot 4 bậc tự do RRRR

Ví dụ 3: Dùng phương pháp đại số để giải

4 3 2 1

n n n n

Ví dụ 3: Dùng phương pháp đại số để giải cánh tay robot 4 bậc tự do RRRR

𝑐1 = 𝑝𝑦

𝑝𝑥

 tan(θ1)= 𝑝𝑦

𝑝𝑥  θ1=atan2(py,px)

Ví dụ 3: Dùng phương pháp đại số để giải cánh tay robot 4 bậc tự do RRRR

⇔ 𝑛𝑥2 + 𝑛𝑦2 = 𝑎32 ∙ (𝑐232 +𝑠232 ) +𝑎22∙ (𝑐22 +𝑠22) +2𝑎3𝑎2(𝑐23𝑐2 + 𝑠23𝑠2)

⇔ 𝑛𝑥2 + 𝑛𝑦2 = 𝑎32+𝑎22 + 2𝑎3𝑎2 ∙ 𝑐3

⇔ 𝑐3= 𝑛𝑥2+𝑛𝑦2−𝑎3

2 −𝑎222𝑎3𝑎2

Ví dụ 3: Dùng phương pháp đại số để giải cánh tay robot 4 bậc tự do RRRR

Ví dụ 3: Dùng phương pháp đại số để giải

𝑎3𝑐3+ 𝑎2

Ví dụ 3: Dùng phương pháp đại số để giải cánh tay robot 4 bậc tự do RRRR

 “ Graphical User Interface Development

Environment ” : môi trường lập trình trực quan giao diện người dùng.

 GUI là công cụ để lập các giao diện đồ hoạ người dùng trực quan “VISUAL”, giúp lập trình viên tạo các nút bấm, menu điều khiển chương trình theo hướng sự kiện

 Lấy giá trị thuộc tính của đối tượng điều khiển Cú pháp:

bien = get(handles Tên tag_dieu_khien , ' ten thuoc tinh ')

a= get ( handles edit40, ‘String')

b= get ( handles edit43, ‘String')

 Gán giá trị thuộc tính cho đối tượng điều khiển Cú pháp:

set(handles Tên tag_dieu_khien , ' ten_thuoc_tinh ',

gia_tri )

set ( handles edit44, ‘string', 20)

 Biến đổi từ chuỗi sang số Cú pháp:

str2num (GIA TRI) a= str2num(a)