ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
*****
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP
GIA CÔNG CƠ KHÍ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
HỌC VIÊN : ĐẶNG VŨ KHÁNH
Thái Nguyên, năm 2013
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS. PHAN BÙI KHÔI
Chủ tịch : PGS.TS. Nguyễn Đăng Bình
Phản biện 1 : PGS.TS. Ngô Như Khoa
Phản biện 2 :PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại:
Phòng cao học, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 9 giờ 30 phút ngày 27 tháng 07 năm 2013.
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái
Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1 Khái quát về robot công nghiệp
Việc sử dụng robot công nghiệp trong vài chục năm qua đã mang lại nhiều
hiệu quả về kinh tế và xã hội, ví như tăng năng suất, cải tiến chất lượng sản phẩm,
tiết kiệm nguyên vật liệu, sớm hoàn vốn đầu tư và ngăn ngừa tai nạn lao động.
Những hiệu quả kinh tế và xã hội xuất phát từ thực tế là robot công nghiệp rất đa
năng và linh hoạt, chuyển động thoải mái như tay người. Việc áp dụng robot công
nghiệp đã chuyển đổi cơ cấu sản xuất từ cơ cấu “con người và máy móc” sang cơ
cấu “con người-robot-máy móc”, giúp cho con người thoát khỏi những công việc
nguy hiểm, nặng nhọc.
1.1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp
Theo viện nghiên cứu robot Hoa Kỳ thì robot được định nghĩa như sau:
Robot là một tay máy có nhiều chức năng thay đổi được các chương trình hoạt động,
được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công
việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục
đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng.
Bậc tự do của robot
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của robot. Để dịch chuyển được một vật
thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do.
Bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :
Trong đó :
f – Số bậc tự do của robot.
λ – Bậc tự do của một khâu (trong phẳng λ=3 trong không gian λ=6).
n – Số khâu chuyển động của robot .
k – Số khớp.
f
i
– Số bậc tự do của khớp thứ i.
f
c
– Số liên kết thừa.
f
p
– Số bậc tự do thừa.
Hệ tọa độ
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các khớp, tạo
thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ toạ độ gắn với
khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản. Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 1
động gọi là hệ toạ độ khâu. Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác
định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc ứng với
các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.
Các hệ tọa độ gắn trên khâu của robot thường tuân theo quy tắc bàn tay phải.
Hình 1.1: Các tọa độ suy rộng của robot
Vùng làm việc của robot
Không gian làm việc của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp
hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trường công tác bị ràng
buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các
khớp. Ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc . Người ta
thường dùng hai hình chiếu để mô tả không gian làm việc của một robot.
Hình 1.2: Biểu diễn vùng làm việc của robot
1.1.2 Phân loại robot công nghiệp
Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể được phân loại theo các cách sau:
Phân loại theo cấu trúc động học
Phân loại theo số bậc tự do:
Phân loại theo hệ thống truyền động:
Phân loại theo không gian làm việc:
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 2
1.1.3 Ứng dụng và xu thế phát triển của robot công nghiệp
Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động như máy CNC và robot.
Các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá, linh hoạt cao. Ngoài các phân xưởng, nhà máy,
kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y
học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử,
trong các lĩnh vực xã hội …Xu thế phát triển của robot công nghiệp hiện nay là tập trung
vào các robot có những đặc điểm ưu việt hơn như tốc độ nhanh hơn, kinh tế hơn, các hệ
thống gọn nhẹ hơn, nhiều module hơn, chất lượng thiết bị tay cuối được cải tiến, hệ thống
giao tiếp thông minh…Thay vì sử dụng các robot liên tục như trước kia trong công
nghiệp, xu hướng hiện nay là áp dụng các robot loại khác, như robot song song, robot
lai, các robot phối hợp hoạt động như robot tác hợp… do những ưu điểm phù hợp với yêu
cầu sản xuất hiện nay. Những loại robot này không những có khả năng chuyển động linh
hoạt mà còn thể hiện được độ cứng vững cao hơn hẳn so với những loại robot khác, do đó
chúng được sử dụng ngày càng nhiều để làm các giá đỡ di chuyển, các hệ thống gia công
chính xác, máy CNC…
1.2Robot tác hợp
1.2.1 Giới thiệu chung về robot tác hợp
Robot tác hợp là hệ cơ cấu gồm hai hay nhiều robot cùng phối hợp hoạt động với nhau
theo một chương trình cho trước để thực hiện một nhiệm vụ nhất định. Thông thường số
lượng robot đơn trong cơ cấu robot tác hợp là hai, ví dụ như robot hàn thì một robot làm
nhiệm vụ giữ, thay đổi vị trí chi tiết cần hàn và robot còn lại mang đầu mỏ hàn.
Hình 1.3: Robot tác hợp thực hiện quá trình gia công
1.2.2 Ưu điểm của robot tác hợp
So với các robot hàn truyền thống, robot hàn tác hợp theo mô hình trên thể hiện
các ưu điểm về độ linh hoạt và chính xác, tính đa năng.
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 3
KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP
1.3 Cơ sở phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg
1.3.1 Các tọa độ thuần nhất và phương pháp biến đổi thuần nhất
1.3.1.1 Định nghĩa ma trận Cosin chỉ hướng
Cho vật rắn B và hệ quy chiếu
.
Trong đó các véc tơ
là 3 véc tơ đơn vị trên
các trục Ox
0
, Oy
0
, Oz
0
. Ta gắn chặt vào
vật rắn B hệ quy chiếu
.
Với là 3 véc tơ đơn vị trên
các trục Ax,Ay,Az .
Ma trận vuông cấp ba
Được gọi là ma trận Cosin chỉ hướng của vật rắn B đối với hệ quy chiếu R
0
.
1.3.1.2 Ý nghĩa của ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn
Ma trận Cosin chỉ hướng A cho phép biến đổi tọa độ của điểm bất kì P thuộc
vật rắn trong hệ quy chiếu động Oxyz sang tọa độ điểm P trong hệ quy chiếu cố định
Ox
0
y
0
z
0
và ngược lại.
1.3.1.3 Các ma trận quay cơ bản
1.3.1.4 Định nghĩa các tọa độ thuần nhất
1.3.1.5 Phép biến đổi vector trong không gian thuần
nhất 4 chiều
1.3.1.6 Phép biến đổi ma trận thuần nhất
Xét vật rắn B gắn với hệ R
1
={Ox
1
y
1
z
1
} chuyển động
trong hệ quy chiếu cố định R
0
={Ox
0
y
0
z
0
}. Lấy một điểm
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 4
A thuộc vật rắn B và gắn chặt vào vật rắn hệ quy chiếu Axyz. Lấy P là 1 điểm bất kỳ
thuộc vật rắn B. Trong hệ tọa độ đề các R
0
ta có :
Trong hệ quy chiếu R
0
có dạng ma trận :
Gọi
Là ma trận cosin chỉ hướng của hệ quy chiếu R
1
đối với hệ quy chiếu R
0
1.3.1.7 Các ma trận quay cơ bản thuần nhất và ma trận tịnh tiến thuần nhất
Từ các khái niệm ma trận quay cơ bản trong không
gian 3 chiều ta định nghĩa các ma trận quay cơ bản
trong không gian thuần nhất như sau :
Các ma trận tịnh tiến cơ bản trong không gian thuần
nhất.
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 5
Nếu tịnh tiến đồng thời trên các trục x,y,z ta có ma trận biến đổi thuần nhất:
1.3.2 Phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg
1.3.2.1 Cách xác định các trục của hệ tọa độ khớp
1. Trục z
i-1
được chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ i.
2. Trục x
i-1
được chọn dọc theo đường vuông góc chung của hai trục z
i-2
và z
i-1
hướng đi từ trục z
i-2
sang trục z
i-1
. Nếu trục z
i-1
cắt trục z
i-2
thì hướng của trục x
i-
1
được chọn tùy ý.
3. Gốc tọa độ O
i-1
được chọn tại giao điểm của trục x
i-1
và trục z
i-1
.
4. Trục y
i-1
được chọn sao cho hệ (Oxyz)
i-1
là hệ tam diện thuận.
5. Đối với hệ tọa độ (Oxyz)
0
theo quy ước trên ta mới chỉ chọn được trục z
0
còn
trục x
0
chưa có trong quy ước trên. Ta có thể chọn trục x
0
một cách tùy ý miễn
là x
0
vuông góc với z
0
.
6. Đối với hệ tọa độ (Oxyz)
n
, do không có khớp n+1 nên theo quy ước trên ta
không xác định được trục z
n
. Trục z
n
không được xác định duy nhất , trong khi
trục x
n
lại được chọn theo pháp tuyến của trục z
n-1
. Trong trường hợp này nếu
khớp n là khớp quay thì có thể chọn trục z
n
song song với trục z
n-1
, có thể chọn
tùy ý sao cho hợp lý.
7. Khi hai trục z
i-2
và z
i-1
song song với nhau, giữa hai trục này có nhiều đường
pháp tuyến chung , ta có thể chọn trục x
i-1
hướng theo pháp tuyến chung nào
cũng được.
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 6
8. Khi khớp thứ I là khớp tịnh tiến, về nguyên tác ta có thể chọn trục z
i-1
một
cách tùy ý. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp người ta thường chọn trục z
i-1
dọc theo trục của khớp tịnh tiến này.
1.3.2.2 Các tham số động học Denavit-Hartenberg
Vị trí của hệ tọa độ khớp (Oxyz)
i
đối với hệ tọa độ khớp (Oxyz)
i-1
được xác định
bởi 4 tham số Denavit-Hartenberg θ
i
, d
i
, a
i
, α
i
như sau :
θ
i
: góc quay quanh trục z
i-1
để trục x
i-1
chuyển đến trục x
i’
(x
i’
// x
i
)
d
i
: dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục z
i-1
để gốc tọa độ O
i-1
trùng O
i
’ là giao điểm
của trục x
i
và trục z
i-1
.
a
i
:dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục x
i
để điểm O
i
’ đến điểm O
i
.
α
i
:góc quay quanh trục x
i
sao cho trục z’
i-1
(z’
i-1
// z
i-1
) chuyển đến trục z
i-1
.
1.3.2.3 Ma trận Denavit-Hartenberg
Ta có thể chuyển hệ tọa độ khớp (Oxyz)
i-1
sang hệ tọa độ khớp (Oxyz)
I
bằng 4
phép biến đổi cơ bản sau:
- Quay quanh trục z
i-1
một góc θ
i
- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục z
i-1
một đoạn d
i
- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục x
i
một đoạn a
i
- Quay quanh trục x
i
một góc α
i
1.4 Khảo sát động học robot tác hợp
1.4.1 Cơ sở lý thuyết bài toán động học
Xác định vị trí khâu thao tác và vị trí điểm tác động cuối của robot
Xét mô hình cơ học của robot n khâu động nối tiếp nhau, Theo trên , ma trận
Denavit-Hartengerg cho ta biết :
- Vị trí điểm O
i
trong hệ quy chiếu R
i-1
.
- Hướng của vật rắn B
i
đối với hệ quy chiếu R
i-1
.
Từ đó suy ra khi biết ma trận Denavit-Hartenberg ta sẽ biết được tương
quan của hệ quy chiếu R
i
=(Oxyz)
i
đối với hệ quy chiếu R
i-1
=(Oxyz)
i-1
.
Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi Denavit-Hartenberg đối với robot n khâu ta có :
Ma trận D
n
cho biết vị trí của điểm P và hướng của khâu thao tác của robot đối
với hệ quy chiếu cố định R
0
.
Ma trận D
n
có dạng
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 7
1.4.2 Bài toán động học robot tác hợp
Bài toán động học robot nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không
quan tâm đến các yếu tố động lực học - lực và mô men. Tuy nhiên, với robot tác hợp
mà mô hình cụ thể như dưới đây thì bài toán động học của nó có cách xử lý riêng
biệt.
Hình 2.4: Mô hình robot tác hợp hàn
Robot tác hợp là một hệ nhiều vật có cấu trúc động học mạch kín bao gồm 2
khâu:
- Khâu tay máy mang đầu hàn
- Khâu bàn máy mang chi tiết cần gia công
Hướng giải quyết bài toán động học robot tác hợp trên gồm 3 phần như sau:
- Giải bài toán tương tác động học giữa tay máy và bàn máy.
- Giải bài toán động học khâu tay máy.
- Giải bài toán động học khâu bàn máy.
1.4.2.1 Cách thiết lập hệ tọa độ và xây dựng hệ phương trình động học.
Ta xây dựng hệ tọa độ cơ sở cho robot như sau:
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 8
Khâu
11
Khâu
12
Khâu
21
Khâu
22
Khâu
23
Hình 2.5 : Hệ trục tọa độ xây dựng
- Hệ tọa độ cơ sở của robot là O
0
x
0
y
0
z
0
.
- Hệ tọa độ gắn với bàn là O
P
x
P
y
P
z
P
với quy ước ma trận biến đổi tọa độ từ hệ
tọa độ O
P
x
P
y
P
z
P
về hệ tọa độ cơ sở ký hiệu là .
- Hệ tọa độ gắn với điểm đầu hàn của tay máy là O
E
x
E
y
E
z
E
. Ma trận biến đổi
tọa độ từ hệ tọa độ O
E
x
E
y
E
z
E
về hệ tọa độ cơ sở ký hiệu là .
Ta có hệ phương trình động học cơ bản của robot tác hợp:
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 9
Từ đó ta có thể giải được các bài toán động học thuận và động học ngược của
robot tác hợp.
1.4.2.2 Áp dụng giải bài toán động học robot tác hợp
a. Mô hình động học robot tác hợp gia công hàn
Robot cấu tạo gồm 2 phần:
Hình 2.6: Sơ đồ động học tay máy
• Robot trên là tay máy 3 khâu, trong đó một khớp tịnh tiến cho phép đầu
mang mũi hàn di chuyển lên xuống. Robot này là một robot 3 bậc tự do cấu
trúc động học mạch hở.
Hình 2.7 : Sơ đồ động học bàn máy
• Robot dưới là bàn máy mang chi tiết gia công, 2 bậc tự do, cho phép thay
đổi hướng chi tiết gia công linh hoạt và cứng vững.
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 10
Từ mô hình robot ta thấy các thông số biến khớp cần xác định ở đây bao gồm:
q
1
, q
2
, q
3
của tay máy và rotx, rotz (trong đó rotx, rotz là các góc roll, yaw xác định
hướng của bàn máy so với hệ tọa độ cơ sở).
Giải bài toán quỹ đạo đường hàn bằng phương pháp tam diện trùng theo ta xác
định được q
1
, q
2
, q
3
, rotx, rotz. Sau đó ta giải bài toán động học của từng robot thành
phần.
b. Giải bài toán động học :
Giả sử ta xét robot tác hợp thực hiện việc gia công hàn biên dạng là chỗ nối
giữa hai ống của phôi có dạng như hình vẽ :
Hình 2.8: Bài toán hàn ống
Động học tay máy:
Hình 2.9: Hệ trục tọa độ suy rộng tay máy
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 11
Ta đặt hệ trục tọa độ như hình vẽ, tuân theo nguyên tắc đặt hệ trục tọa độ
Denavit-Hartenberg , trong đó :
Khâu OO
1
=l
1
Khâu O
1
O
2
=l
2
Số bậc tự do của robot được tính theo công thức :
Số bậc tự do của robot sẽ là :
f = 6(3-3) +1 + 1 +2 -1=3
Để tính toán động học cho tay máy ta xét các phép dịch chuyển hệ tọa độ như sau :
Bảng thông số động học Denavit-Hartenberg :
Trục
θ
i
d
i
a
i
α
i
1 q
1
0 l
1
0
2 q
2
0 l
2
0
3 0 q
3
0 π
Bảng 0-1 : Bảng thông số Denavit-Hartenberg tay máy
Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ như sau:
Ta có :
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 12
Ox
0
y
0
z
0
O
21
x
21
y
21
z
1
O
22
x
22
y
22
z
22
O
23
x
23
y
23
z
23
Bài toán động học thuận : khi biết q
1
, q
2
, q
3
ta có thể xác định được tọa độ điểm cuối
:
(2.0)
Bài toán động học ngược:
Khi cho biết vị trí điểm cuối ta đi xác định các thông số động học biến khớp .
Hệ trên gồm 3 phương trình tọa độ điểm cuối đủ để giải ra 3 ẩn q
i
(i=1,2,3) bằng
giải tích.
Động học bàn máy :
Bàn máy là cơ cấu 2 bậc tự do có mô hình như sau:
Hình 2.10: Hệ trục tọa độ suy rộng bàn máy
Gắn vào khâu 11 hệ tọa độ O’x
11
y
11
z
11
trong đó z
11
có hướng pháp tuyến với mặt
phẳng bàn máy, O’x
11
là trục quay của khâu 11.
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 13
Gọi P là tâm quay khâu 2, P nằm trên bề mặt khâu này. Đặt hệ trục tọa độ
Px
12
y
12
z
12
tại P với trục Px
12
, Py
12
nằm trong mặt phẳng bề mặt khâu 2, trục z
12
hướng
lên.
Khoảng cách từ tâm O’ đến P là d .
Ta dễ dàng tính được ma trận chuyển hệ trục tọa độ từ hệ tọa độ O’x
11
y
11
z
11
sang hệ Px
12
y
12
z
12
như sau:
Từ ma trận biến đổi thuần nhất ta dễ dàng tính toán được các thông số
động học bàn máy.
Động học tương tác giữa tay máy và bàn máy
Ở đây ta xét bài toán tác hợp của robot để thực hiện quá trình hàn 2 ống, từ đó ta
có cấu trúc động học robot tác hợp hàn ống như sau:
O
0
x
0
y
0
z
0
O’x
11
y
11
z
11
Px
12
y
12
z
12
O
0
x
0
y
0
z
0
O
E
x
E
y
E
z
E
Tính :
Với tay máy theo tính chất Denavit-Hartenbeg thì điểm thao tác cuối sẽ trùng
với gốc tọa độ khâu cuối, nghĩa là O
E
x
E
y
E
z
E
≡ . Nên ta có ma trận biến đổi
thuần nhất được tính như sau :
Tính :
Gọi lx, ly, lz là các khoảng dịch chuyển hệ trục tọa độ theo ba trục x, y, z từ hệ Ox
0
y
0
z
0
sang hệ O’x
11
y
11
z
11
. Khi đó ta có
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 14
0
A
0’
0’
A
P
P
A
fi
0
B
E
E
B
k
Vị trí và hướng của (điểm hàn ) trong hệ tọa độ chi tiết được mô tả
bởi ma trận .
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 15
TT
θ
d a α
1 η 0 r 0
2 0 a 0 0
3 π/2 0 0 0
4 0 0 0 α
Bảng 0-2 : Bảng D-H phép biến đổi hệ tọa độ bàn máy sang điểm hàn
Từ đó ta có ma trận :
Khi đó ma trận biến đổi hệ trục tọa độ từ gốc bàn máy đến điểm hàn như sau:
Từ đó ta có :
Ta tính được tọa độ điểm hàn :
Từ các giá trị x
E
, y
E
, z
E
tính được, kết hợp với tính toán giải động học ngược tay máy
ở trên ta giải được các thông số biến khớp tay máy.
Theo lý thuyết ma trận biến đổi thuần nhất thì trong hệ tọa độ ta lấy
một véc tơ chính là véc tơ đơn vị theo trục trong hệ tọa độ này. Theo
lý thuyết tam diện trùng theo thì k phải có phương song song với trục z của hệ tọa độ
Ox
0
y
0
z
0
.
Để k có phương song song với trục z của hệ tọa độ R0 thì :
Ta giải được bộ nghiệm :
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 16
Từ đó giải quyết được hoàn toàn bài toán robot hàn tác hợp trên.
Lựa chọn quy trình gia công :
• Tay máy thực hiện bám theo vị trí hàn trên ống.
• Bàn máy thực hiện các chuyển động quay để thay đổi hướng của chi tiết sao
cho đảm bảo các yêu cầu công nghệ.
Với thiết lập :
lx=0
ly=492
lz=-190
Tốc độ tăng góc η là ω : η = ω.t (với t là thời gian đơn vị là s, ω đơn vị rad/s mặc
định ω=1 rad/s)
Đường kính ống bé là d
1
và ống lớn là d
2
(mặc định d
1
=50 mm ; d
2
=80 mm)
Khi đó
1.4.3 Lập trình giải bài toán động học robot tác hợp trên Maple
Chương trình tính Maple
Các hàm tính toán được viết trong tệp “kinematic.txt” bao gồm các hàm tính ma
trận quay cơ bản và hàm tính ma trận Denavit-Hartenberg.
• Hàm Rotx:=proc(alpha): Hàm tính toán ma trận quay quanh trục x góc alpha.
• Hàm Roty:=proc(psi) : Hàm tính toán ma trận quay quanh trục y góc psi.
• Hàm Rotz:=proc(theta) : Hàm tính toán ma trận quay quanh trục z góc theta.
• Hàm Tranx:=proc(a) : Hàm tính toán ma trận tịnh tiến theo trục x đoạn a.
• Hàm Trany:=proc(b) : Hàm tính toán ma trận tịnh tiến theo trục y đoạn b.
• Hàm Tranz:=proc(c) : Hàm tính toán ma trận tịnh tiến theo trục z đoạn c.
• Hàm Dmatrix:=proc(theta,d,a,alpha) : Tính ma trận Denavit-Hartenberg
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 17
MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP
1.5 Xây dựng chương trình mô phỏng
Từ những yêu cầu đặt ra, ta đưa ra các bước xây dựng chương trình mô phỏng như
sau:
• Xây dựng mô hình cơ học và thiết lập phương trình chuyển động.
• Xây dựng mô hình thể hiện đối tượng bằng phần mềm thiết kế 3D và xuất
từng đối tượng ra tệp *.stl .
• Lập trình đồ họa mô phỏng hoạt động của đối tượng dựa trên thư viện OpenGL
và thư viện hỗ trợ giao diện MFC.
1.5.1 Mô phỏng chuyển động robot với OpenGL
Trong công nghệ đồ họa động đang ngày càng được ứng dụng trong cuộc sống và
ngày nay nó đã được phát triển tương đối mạnh mẽ ở Việt Nam.Trong kỹ thuật thì
việc sử dụng các ứng dụng của OpenGL cũng như DirectX vào việc mô phỏng các
cơ cấu máy móc, các họat động của robot công nghiệp trước khi đem thử nghiệm
bằng mô hình thực là giải pháp mà rất nhiều kĩ sư cơ khí cũng như cũng như các viện
nghiên cứu lựa chọn do tính ưu việt của nó trong việc thể hiện các mô hình đồ họa
động trong không gian 3 chiều. Ngoài các thư viện chuẩn của OpenGL như glu32.lib,
OpenGL.lib còn có thể sử dụng các thư viện khác như glut hoặc aux. Các thư viện
này được xây dựng độc lập với hệ điều hành do đó có tính tương thích cao cũng như
khả năng linh hoạt của nó.
1.5.2 Xây dựng các đối tượng 3 chiều
Việc xây dựng đối tượng 3 chiều phức tạp bằng OpenGL được thực hiện như sau :
• Thiết kế các mô hình 3 chiều bằng một phần mềm hỗ trợ thiết kế chuyên dùng
như Catia hay SolidWork, 3D Max
• Xuất đối tượng 3 chiều ra các dạng tập tin nhị phân hay ASCII (American
Standard Code for Information Interchange) có chứa các thông tin của đối
tượng dưới dạng các đỉnh và quy tắc nối các đỉnh đó thành đa giác. Ví dụ các
tập tin *.SLT,*.NVT …
• Đọc thông tin các đối tượng từ các tập tin đó và sử dụng các hàm vẽ đối tượng
cơ bản của OpenGL xây dựng lại đối tượng 3 chiều cơ bản ban đầu.
1.5.3 Tạo chuyển động cho các đối tượng.
Theo lý thuyết hệ nhiều vật, vị trí của một vật rắn trong không gian có thể xác
định bằng các ma trận biến đổi thuần nhất so với hệ toạ độ cố định. Trong OpenGL vị
trí của đối tượng cũng được thay đổi bằng phép nhân các toạ độ của đối tượng với ma
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 18
trận hiện hành. Giá trị của các ma trận hiện hành được biến đổi bằng các phép biến
hình cơ bản là tịnh tiến và quay.
1.5.4 Lập trình giao diện tương tác người dùng
Visual C
++
là một trong các ngôn ngữ lập trình thuộc dòng Visual Studio của hãng
Microsoft, phát triển dựa trên nền tảng là ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng C
++
.
Visual C
++
ra đời khoảng những năm 1990 và càng ngày càng được sử dụng rộng rãi,
nhất là các ứng dụng trong kỹ thuật như là lập trình nhúng,lập trình điều khiển và lập
trình mô phỏng. Việc tạo ra các giao diện phức tạp và trình bày đẹp đối với Visual C
++
khá là đơn giản, và đây chính là thế mạnh của Visual C
++
trong việc trợ giúp đắc lực cho
người lập trình khi xây dựng những dự án lớn hoặc trong kỹ thuật lập trình hệ thống.
MFC là lớp nền tảng của Microsoft (Microsoft Foundation Classes), là một công
cụ mạnh trong lập trình ứng dụng cho hầu hết các lĩnh vực vì nó có giao diện đáp ứng
mọi nhu cầu của người sử dụng trong việc thiết kế các giao diện.
Hình 3.11: Phần mềm Visual Studio 2010
1.6 Thiết kế mô hình robot tác hợp
Trong chương này tác giả sẽ thiết kế mô hình robot tác hợp dựa trên những kết
quả tính toán ở trên và sử dụng phần mềm thiết kế 3D SolidWork 2010.Dưới đây là
bản vẽ chi tiếp các khâu khớp và thành phần trong hệ thống.
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 19
Hình 3.12: Mô hình tổng thể robot
Robot này gồm 2 robot thành phần hoạt động tác hợp với nhau:
• Cụm tay máy phía trên có chiều dài khâu 1 là 300mm, khâu 2 là 400 mm.
• Cụm bàn máy phía dưới bao gồm một bàn máy có thể quay quanh trục x, và
một bàn máy quay quanh truc z.
1.6.1 Khâu 1 tay máy
1.6.2 Khâu 2 tay máy
1.6.3 Đầu hàn tay máy
1.6.4 Bàn máy x
1.6.5 Bàn máy z
1.6.6 Thân máy
1.7 Cấu trúc chương trình mô phỏng
Lớp Cdata
Lớp Cdata là lớp thuần C++, với chức năng lưu trữ giá trị các tham số cấu hình
cho mô hình động học bao gồm các thông số kích thước khâu khớp, các tọa độ suy
rộng của mô hình.
Lớp CControlPanel : public CFormView
Lớp CControlPanel được kế thừa từ lớp CFormView của hệ thống. Lớp này
đảm nhiệm việc tương tác với người dùng, cho phép người dùng điều khiển hoạt
động của robot thông qua các thuộc tính được thiết lập.
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 20
Lớp CMRMView : public CViewGL
Lớp CMRMView kế thừa từ lớp CViewGL , với chức năng chính là cung cấp
khung hiển thị chương trình. Ngoài ra lớp này cũng chứa một số phương thức cho
phép tính toán động học. Một số thuộc tính quan trọng của lớp :
• bool TayMayDHN(double xE, double yE, double zE)
Hàm này cho phép giải động học ngược cụm tay máy với tham số đầu
vào là tọa độ điểm cuối khâu đầu hàn. Giá trị trả về sẽ là true nếu có
nghiệm.
• bool UpdatePara(void)
Hàm này cho phép cập nhật các giá trị tọa độ suy rộng theo thời gian.
• void DisplayFunction(void)
Hàm này thực hiện quá trình hiển thị các khâu khớp của robot trong
không gian 3 chiều.
Lớp CViewGL : public CView và class CWndGL : public CWnd
Hai lớp trên được kế thừa từ các lớp cơ sở của MFC với chức năng cấu hình
môi trường OpenGL cho hệ thống. Việc sử dụng các lớp này cho phép người lập trình
có thể thao tác dễ dàng hơn và tái sử dụng mã nguồn linh hoạt hơn.
Ngoài ra chương trình còn sử dụng thư viện hỗ trợ hiển thị file *.stl trong môi
trường OpenGL.
1.8 Giao diện và cách sử dụng chương trình mô phỏng
Hình 3.13: Giao diện chương trình
Giao diện chính của chương trình gồm 2 phần:
Phần 1: Bảng điều khiển chức năng mô phỏng robot.
Phần 2: Vùng hiển thị quá trình mô phỏng.
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 21
1.8.1 Bảng điều khiển chức năng:
Hình 3.14: Bảng điều khiển chức năng
1.8.2 Vùng hiển thị quá trình mô phỏng.
Hình 3.15 : Vùng hiển thị quá trình mô phỏng
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 22
KẾT LUẬN
Qua quá trình thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS Phan
Bùi Khôi, em đã hoàn thành luận văn “Mô phỏng động học robot tác hợp gia công cơ
khí” với các kết quả đạt được như sau:
- Trình bày các kiến thức cơ sở liên quan đến động học robot, từ đó giải quyết
bài toán động học thuận, động học ngược cho robot tác hợp.
- Thiết kế mô hình 3D sơ bộ cho robot hàn ống.
- Dựa trên những tính toán thu được, xây dựng chương trình mô phỏng hoạt
động trực quan của robot.
Những hạn chế của luận văn:
- Việc thiết kế mô hình 3D đơn giản, chưa tính toán kiểm bền và tối ưu các kết
cấu robot.
- Chưa tính toán các bộ truyền động cho các cơ cấu.
- Chương trình mô phỏng còn đơn giản.
Những vấn đề tiếp tục nghiên cứu trong tương lai:
- Xây dựng mô hình robot linh hoạt hơn, cho phép khả năng hoạt động cao hơn.
- Tính toán động lực học và điều khiển robot.
- Thiết kế tối ưu các kết cấu khâu khớp robot, cũng như tính toán các bộ truyền
động.
- Nghiên cứu và tìm hiểu từng bước xây dựng mô hình robot hàn thực tế.
Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 23
