Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển
động chương trình và thiết kế robot MMR
- 4 -
Cuộc sống ngày càng văn minh hiện đại, mức sống của người dân ngày
càng được nâng cao, đòi hỏi phải nâng cao năng suất và chất lượng của sản
phẩm. Vì vậy càng phải ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá vào
sản xuất nên càng tăng nhanh nhu cầu về ứng dụng robot để tạo ra các hệ
thống sản xuất tự động và linh hoạt.
Robot có những đặc
điểm nổi trội đó là:
♦ Có thể thực hiện công việc một cách bền bỉ, không biết mệt mỏi nên
chất lượng sản phẩm được giữ ổn định. Giá thành sản phẩm hạ do
giảm được chi phí cho người lao động. Ở nước ta trong những năm
gần đây ở nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí về lương bổng cũng
chiếm tỷ lệ khá cao trong giá thành s
ản phẩm, càng cần phải ứng
dụng công nghệ robot vào dây chuyền sản xuất.
♦ Nhất là ở nhiều nơi hiện nay cũng cần ứng dụng công nghệ robot để
cải thiện điều kiện lao động vì trong thực tế sản xuất người lao động
phải làm việc suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, ồn
ào…quá mức cho phép nhiều lần. Thậm chí ph
ải làm việc trong môi
trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con người.
♦ Mặt khác, khi áp dụng công nghệ robot vào sản xuất ta cũng cần lưu
ý và phân tích kỹ toàn bộ hệ thống sản xuất sao cho phù hợp với các
nguyên công và phù hợp với tình hình sản xuất của nhà máy. Cần xét
đến đầy đủ các chi phí phụ và hiệu quả mang lại cho toàn bộ hệ
thống. Khi xác định đưa robot vào hệ thống sản xu
ất thì cũng cần
phải xét xem khả năng liệu robot có thay thế được hay không và có
hiệu quả hơn không. Vì trong thực tế sản xuất cho thấy xu hướng
thay thế hoàn toàn bằng robot nhiều khi không hiệu quả bằng việc
giữ lại một số công đoạn mà cần phải có sự khéo léo của con người.
♦ Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh
hoạ
t hóa sản xuất. Mà trong đó kĩ thuật robot và máy vi tính đã đóng
Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển
động chương trình và thiết kế robot MMR
- 5 -
vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh
hoạt.Vì vậy trong những năm gần đây không những chỉ các nhà khoa
học mà cả các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào việc hình
thành và áp dụng các hệ sản xuất linh hoạt.
So với lúc mới ra đời, ngày nay công nghệ robot đã có những bước phát
triển vượt bậc. Đặc biệt là vào những năm 60 của thế kỉ trước, với sự góp
mặt của máy tính. Ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra
những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện
những công việc phức tạp. Ngày càng có những cải tiến quan trọng trong
kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của các bộ phận điều khiển,
tăng mức thu
ận tiện và dễ dàng khi lập trình. Tăng cường khả năng nhận
biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc để mở rộng phạm vi ứng dụng
cho robot.
Trong tương lai số lượng lao động được thay thế ngày càng nhiều vì
một mặt giá thành robot ngày càng giảm do mặt hàng vi điện tử liên tục
giảm giá đồng thời chất lượng liên tục tăng. Mặt khác chi phí về lương và
các khoản phụ
cấp cho người lao động ngày càng tăng. Robot ngày càng
vạn năng hơn để có thể làm được nhiều việc trên các dây chuyền.
Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản
xuất trên toàn bộ dây chuyền. Công việc lại đòi hỏi phải cẩn thận, nhẹ
nhàng tinh tế và chính xác. Nên nếu là công nhân thì cần phải thợ có tay
nghề cao và làm việc đơn điệu, căng thẳng. Robot đ
ã có mặt nhiều trên các
công đoạn lắp ráp phức tạp do được thừa hưởng kĩ thuật cảm biến, kĩ thuật
tin học với những ngôn ngữ lập trình bậc cao.
Robot tự hành cũng sẽ phát triển mạnh trong tương lai, có thể đi
được bằng chân để thích hợp với mọi địa hình ví dụ như có thể tự leo bậc
thang… Việc tạo ra các cơ cấu chấp hành cơ khí v
ừa bền vững, nhẹ nhàng
chính xác và linh hoạt như chân tay người là đối tượng nghiên cứu chủ yếu.
Đ
ồ
đ
ộ
6
kh
ô
cá
c
th
ô
củ
a
1.
1
m
ộ
lin
h
cá
c
ồ
án tốt n
g
ộ
ng chư
ơ
6
Kỹ th
u
ô
n nhân tạ
c
modul c
ả
ô
ng minh
h
a
robot ph
ả
1
.2 Cấu tr
ú
Ta có
t
ộ
t chuỗi đ
ộ
h
hoạt nh
ờ
Dưới
đ
c
lĩnh vực:
♦ Trong
máy k
h
♦ Trong
như gi
♦ Trong
Hình 1.
2
g
hiệp
ơ
ng trình
u
ật robot c
ũ
o và đưa
v
ả
m biến và
h
oá nhiều
l
ả
i hoạt độ
n
ú
c độn
g
h
t
hể khái q
u
ộ
ng, mỗi k
h
ờ
hệ dẫn đ
ộ
đ
ây là một
gia công
c
h
oan, tron
g
dây truyề
n
a công, p
h
vận tải th
ư
2
Robot H
i
và thiết
ũ
ng từng
b
v
ào ứng dụ
các modu
l
l
oại robot.
n
g chính x
á
ọc robot
u
át định n
g
h
âu được
g
ộ
ng và đư
ợ
số hình r
o
c
ơ khí: thư
ờ
g
các dây
t
n
sản xuất:
h
un sơn, đ
ó
ư
ờng dùng
i
po
kế robo
t
b
ước áp dụ
n
ụ
ng trong c
ô
l
phần mề
m
Điều qua
n
á
c.
g
hĩa robot
t
g
hép với n
h
ợ
c điều khi
o
bot liên
t
ụ
ờ
ng sử dụ
n
t
ruyền lắp
r
Tham gia
ó
ng gói ba
o
để bốc xế
p
Tín
h
t
MM
R
n
g các kết
ô
ng nghiệ
p
m
phù hợp
n
trọng là c
t
heo cách
n
h
au bởi cá
c
ển bằng
h
ụ
c được ứ
n
n
g trong c
á
r
áp, v…v
…
vào một s
o
bì, v…v
…
p
hàng hó
a
Hì
n
h
toán c
h
quả nghiê
p
. Cải tiến
có thể cải
ác cơ cấu
c
n
hìn của c
ơ
c
khớp nố
i
h
ệ thống đi
ề
n
g dụng n
h
á
c máy hà
n
…
ố dây tru
y
…
a
.
n
h 1.3 Rob
o
h
u
y
ển
n cứu về t
r
và bổ xu
n
tiến và
c
hấp hành
ơ
học là
i
, hoạt độn
ề
u khiển.
h
iều trong
n
tự động,
y
ền sản xu
ấ
o
t Puma
r
í
n
g
g
ấ
t
Đ
ồ
đ
ộ
7
ch
u
kh
ô
có
ồ
án tốt n
g
ộ
ng chư
ơ
7
Hình 1
Trong
u
ỗi động
h
ô
ng gian c
thể mang
g
hiệp
ơ
ng trình
.4 robot
K
đồ án này
h
ở, robot g
ồ
ố định (xe
dụng cụ c
ắ
và thiết
K
uka
em xin c
h
ồ
m 4 khâu
không di
c
ắ
t, mỏ hàn
,
kế robo
t
h
ọn mô hìn
h
u
và 4 khớ
p
c
huyển )(
h
,
bàn kẹp,
v
Tín
h
t
MM
R
H
ì
h
robot M
M
p
quay có t
h
h
ình 1.6).
K
v
…v…
h
toán c
h
ì
nh 1.5 La
s
MR
khảo
h
ể thao tá
c
K
hâu cuối
c
h
u
y
ển
s
er Roboti
c
sát là mộ
t
c
trong
c
ủa robot
c
.
t
Đ
ồ
đ
ộ
8
1.
2
trí
vù
n
do
Đ
ể
cá
c
th
e
ồ
án tốt n
g
ộ
ng chư
ơ
8
2
Bậc tự
d
Cơ cấ
u
và theo
m
n
g làm vi
ệ
chuyển đ
ộ
ể
tính số b
ậ
c
h tính dự
a
e
o công th
ứ
(1.1)
Trong
♦
f
g
hiệp
ơ
ng trình
d
o của r
o
u
tay của r
o
m
ột hướng
n
ệ
c. Muốn
v
ộ
ng.
ậ
c tự do c
ủ
a
vào định
ứ
c:
.(
f
n
λ
=
−
đó :
f
: Là số b
và thiết
H
o
bo
t
o
bot phải
đ
n
hất định
n
v
ậy cơ cấu
ủ
a robot th
ì
lý Gruebl
e
1
1) (
g
i
λ
=
−
−
∑
ậ
c tự do c
ủ
kế robo
t
H
ình 1.6
đ
ược cấu t
ạ
n
ào đó và
d
tay của ro
b
ì
ta có nhi
ề
er
. Theo
G
0
)
i
ff
λ
−−
ủ
a cơ cấu.
Tín
h
t
MM
R
ạ
o sao cho
d
ễ dàng di
b
ot phải đ
ạ
ề
u cách tín
h
G
rueble
r
t
h
h
toán c
h
khâu cuố
i
chuyển d
ễ
ạ
t được m
ộ
h
dưới đâ
y
h
ì bậc tự d
o
h
u
y
ển
i
phải có v
ị
ễ
dàng tro
n
ộ
t số bậc t
ự
y
ta đưa ra
o
f được tí
n
ị
n
g
ự
n
h
Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển
động chương trình và thiết kế robot MMR
- 9 -
♦
λ
: Bậc tự do của một vật rắn không chụi liên kết trong không
gian làm việc của robot (λ = 3 ứng với không gian làm việc
trong mặt phẳng, λ = 6 ứng với không gian làm việc trong
không gian).
♦
n : Số khâu ( kể cả giá cố định).
♦
i
f
: Số bậc tự do của khớp thứ i.
♦
g
: Tổng số khớp của cơ cấu.
♦
0
f
: Số bậc tự do thừa
Một số ví dụ:
- Số bậc tự do của mô hình robot trong đồ án
♦
λ
= 6 (Vì không gian làm việc trong không gian ).
♦
n = 5 (Số khâu của robot kể cả xe).
♦
i
f
= 1( Vì tất cả các khớp quay trong robot đều có 1 bậc tự do).
♦
g
= 4 (Tổng số khớp của cơ cấu).
♦
0
f
=0 (Không có bậc tự do thừa).
Bậc tự do của robot là :
0
1
.( 1) ( )
g
i
i
f
nff
λλ
=
=−− −−
∑
4
1
6.(5 1) (6 1) 0 4f =−− −−=
∑
- Laser Robotic ( Hình 1.5)
6
λ
= , 7n = ,
6g
=
,
1
i
f
=
,
0
f
=0
Bậc tự do của robot là :
0
1
.( 1) ( )
g
i
i
f
nff
λλ
=
=
−− − −
∑
6
1
6.(7 1) (6 1) 0 6f
=
−− −−=
∑
Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển
động chương trình và thiết kế robot MMR
- 10 -
1.3 Phương pháp khảo sát bài toán động học
Sử dụng phương pháp ma trận chuyền Denavit- Hartenberg
1.3.1 Tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất
a) Vector điểm và tọa độ thuần nhất
Vector điểm dùng để mô tả vị trí của điểm trong không gian 3 chiều.
Xét điểm M trong không gian 3 chiều có thể
biểu diễn bằng vector r trong hệ tọa độ Oxyz:
T
xyz
r = (r , r , r )
(1.2)
Vector
T
xyz
r = (r , r , r )
trong không gian ba
chiều, được bổ sung thêm một thành phần thứ tư và thể
hiện bằng một vector mở rộng:
T
xyz
r = ( r , r , r , m)
μ
μμ
(1.3)
Đó là cách biều diễn vector điểm trong không gian tọa độ thuần nhất.
Như vậy có rất nhiều cách biểu diễn tọa độ trong không gian tọa độ
thuần nhất, nó phụ thuộc vào giá trị của hệ số tỉ lệ μ. Nếu lấy μ = 1 thì các
tọa độ biều diễn bằng tọa độ có thực, vector mở rộng được viết lại như sau:
T
xyz
r = (r , r , r , 1)
(1.4)
Nếu lấy
1
μ
≠
thì các tọa độ biều diễn gấp μ lần tọa độ thực.
b) Quay hệ tọa độ dùng ma trận 3x3
z
x
y
r
M
0
Hình 1.7 Biểu diễn một
đi
ể
m tron
g
khôn
g
g
ian
Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển
động chương trình và thiết kế robot MMR
- 11 -
Trước hết ta thiết lập quan hệ giữa 2 hệ tọa
độ xyz và uvw chuyển động quay tương đối với
nhau khi gốc O của 2 hệ vẫn trùng nhau.
Gọi (i
x
, j
y
, k
z
) và (i
u
, j
v
, k
w
) là các vector
đơn vị chỉ phương các trục Oxyz và Ouvw
tương ứng.
Một điểm M nào đó được biểu diễn trong hệ tọa
độ Oxyz bằng vector:
r
xyz
= (r
x
, r
y
, r
z
)
T
(1.5)
còn trong hệ tọa độ Ouvw bằng vector :
r
uvw
= (r
u
, r
v
, r
w
)
T
(1.6)
Như vậy:
⎩
⎨
⎧
++==
++==
wwvvuuuvw
zzyyxxxyz
krjrirrr
krjrirrr
(1.7)
Từ đó ta có:
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
++==
++==
++==
wwzvvzuuzzz
wwyvvyuuxyy
wwxvvxuuxxx
rkkrjkrikrkr
rkkrjjrijrjr
rkirjiriirir
(1.8)
Hoặc viết dưới dạng ma trận:
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
w
v
u
wzvzuz
wyvyuy
wxvxux
z
y
x
r
r
r
kkjkik
kjjjij
kijiii
r
r
r
.
(1.9)
x
y
u
w
v
O
M
Hình 1.8 Các hệ tọa độ
Z
Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển
động chương trình và thiết kế robot MMR
- 12 -
ϕ
b
a
O
i
x
i
x
j
z
j
y
j
y
i
z
i
Gọi R là ma trận quay 3x3 với các phần tử là tích vô hướng 2
vector chỉ phương các trục tương ứng của 2 hệ tọa độ Oxyz và
Ouvw. Phương trình (1.9) được viết lại:
1
.
.
x
yz uvw
uvw xyz
rr
rr
−
=
⎧
⎨
=
⎩
R
R
(1.10)
Có thể biểu diễn các phần tử ma trận R và R
-1
như sau:
cos( , ) cos( , ) cos( , )
cos( , ) cos( , ) cos( , )
cos( , ) cos( , ) cos( , )
ij
x
uxvxw
ayuyvyw
zu zv zw
⎡
⎤
⎢
⎥
⎡⎤
==
⎣⎦
⎢
⎥
⎢
⎥
⎣
⎦
R
(1.11)
1
cos( , ) cos( , ) cos( , )
cos( , ) cos( , ) cos( , )
cos( , ) cos( , ) cos( , )
ij
ux uy uz
bvxvyvz
wx wy wz
−
⎡
⎤
⎢
⎥
⎡⎤
==
⎣⎦
⎢
⎥
⎢
⎥
⎣
⎦
R
(1.12)
Nhận xét:
-1 T
= RR
c) Biến đổi tọa độ dùng ma trận thuần nhất
Bây giờ ta thiết lập quan hệ giữa 2 hệ tọa độ: hệ tọa độ O
j
x
j
y
j
z
j
sang hệ tọa độ mới O
i
x
i
y
i
z
i
. Chúng không những quay tương đối với nhau
mà tịnh tiến cả gốc tọa độ .
O
j
Đồ án tốt nghiệp Tính toán chuyển
động chương trình và thiết kế robot MMR
- 13 -
Hình 1.9
Gốc O
j
xác định trong hệ tọa độ O
i
x
i
y
i
z
i
bằng vector p:
p = (a, -b, -c, 1)
T
(1.13)
Giả sử vị trí của điểm M trong hệ tọa độ O
j
x
j
y
j
z
j
được xác định
bằng vector r
j
: r
j
= (x
j
, y
j
, z
j
,1)
T
(1.14)
và trong hệ tọa độ O
i
x
i
y
i
z
i
được xác định bằng vector r
i
:
r
i
= (x
i
, y
i
, z
i
,1)
T
(1.15)
Dễ dàng thiết lập được các tọa độ:
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
==
−−=
+=
1
j
t
i
t
j
btsin
j
zcos
j
y
i
y
j
at
j
x
i
x
ϕϕ
(1.16)
Sắp xếp các hệ số ứng với x
j
, y
j
, z
j
và t
j
thành một ma trận:
10 0
0cos sin
0sin cos
00 0 1
ij
a
b
c
ϕϕ
ϕϕ
⎡⎤
⎢⎥
−
−
⎢⎥
=
⎢⎥
−
⎢⎥
⎣⎦
T
(1.17)
Phương trình biến đổi tọa độ được viết lại:
iijj
= rTr
(1.18)
Ma trận T
ij
biểu thị bằng ma trận 4x4 như (1.17) gọi là ma trận
thuần nhất. (1.17) được viết lại :
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét