Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho Robot 2 bậc tự do
5
chí rất độc hại đến sức khoẻ và tính mạng như môi trường hoá chất, điện từ,
phóng xạ …
I.2.2.Các lĩnh vực ứng dụng Robot công nghiệp :
Robot công nghiệp được ứng dụng rất rộng rãi trong sản xuất, xin
được nêu ra một số lĩnh vực chủ yếu :
- Kỹ nghệ đúc
- Gia công áp lực
- Các quá trình hàn và nhiệt luyện
- Công nghệ gia công lắp ráp
- Phun sơn, vận chuyển hàng hoá (Robocar)…
I.2.3. Các xu thế ứng dụng Robot trong tương lai :
- Robot ngày càng thay thế nhiều lao động
- Robot ngày càng trở lên chuyên dụng
- Robot ngày càng đảm nhận được nhiều loại công việc lắp ráp
- Robot di động ngày càng trở lên phổ biến
- Robot ngày càng trở lên tinh khôn
I.2.4. Tình hình tiếp cận và ứng dụng Robot công nghiệp ở Việt
Nam :
Trong giai đoạn trước năm 1990, hầu như trong nước hoàn toàn chưa
du nhập về kỹ thuật Robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin kỹ
thuật về lĩnh vực này. Tuy vậy, với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận lĩnh vực
mới mẻ này trong nước đã có triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp
nhà nước: Đề tài 58.01.03 và 52B.03.01.
Giai đoạn tiếp theo từ năm 1990 các ngành công nghi
ệp trong nước
bắt đầu đổi mới. Nhiều cơ sở đã nhập ngoại nhiều loại Robot công nghiệp
phục vụ các công việc như: tháo lắp dụng cụ, lắp ráp linh kiện điện tử, hàn
vỏ Ôtô xe máy, phun phủ các bề mặt …
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho Robot 2 bậc tự do
6
Một sự kiện đáng chú ý là tháng 4 năm 1998, nhà máy
Rorze/Robotech đã bước vào hoạt động ở khu công nghiệp Nomura Hải
Phòng. Đây là nhà máy đầu tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp Robot.
Những năm gần đây, Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật Tự động hóa,
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đã nghiên cứu thiết kế một kiểu Robot
mới là Robot RP. Robot RP thuộc loại Robot phỏng sinh (bắt chước cơ cấu
tay ngườ
i). Hiện nay đã chế tạo 2 mẫu: Robot RPS-406 dùng để phun men
và Robot RPS-4102 dùng trong công nghệ bề mặt.
Ngoài ra Trung tâm còn chế tạo các loại Robot khác như: Robot
SCA mini dùng để dạy học, Robocar công nghiệp phục vụ phân xưởng,
Robocar chữ thập đỏ cho người tàn tật … Bên cạnh đó còn xây dựng các
thuật toán mới để điều khiển Robot, xây dựng “thư viện” các mô hình của
Robot trên máy tính …
I.3.Cấu trúc của Robot công nghiệp:
I.3.1.Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp :
Trên hình 1.2 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot công nghiệp:
Tay máy gồm các bộ phận: Đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di
động 2, thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6.
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho Robot 2 bậc tự do
7
Hình 1.2
: Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp
Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thuỷ khí hoặc điện khí: là
bộ phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch các khớp động.
Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông
tin đặt trước hoặc nhận biết trong quá trình làm việc.
Hệ thống cảm bi
ến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi
thông tin về hoạt động của bản thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) và của
môi trường, đối tượng mà Robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu).
I.3.2.Bậc tự do và các toạ độ suy rộng :
I.3.2.1.Bậc tự do :
Robot công nghiệp là loại thiết bị tự động nhiều công dụng. Cơ cấu
tay máy của chúng phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật kẹp theo một
hướng nhất định nào đó và di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc. Muốn
vậy cơ cấu tay máy phải đạt được một số bậc tự do chuyển động.
Thông thường các khâu của cơ cấu tay máy được nối ghép vớ
i nhau
bằng các khớp quay hoặc khớp tịnh tiến. Gọi chung chúng là khớp động.
Các khớp quay hoặc khớp tịnh tiến đều thuộc khớp động học loại 5.
Công thức tính số bậc tự do :
5
i
1
W= 6n - i
p
∑
(1.1)
với n : số khâu động
P
i
: số khớp loại i
Ví dụ: Tay máy có 2 khớp quay như hình vẽ 1.3 :
Số khâu động n = 2
Khớp quay là khớp loại 5 .
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho Robot 2 bậc tự do
8
Do đó W = 6.2 – ( 5.1 + 5.1) = 2 bậc tự do
Hình 1.3
: Tay máy 2 khớp quay
I.3.2.2. Toạ độ suy rộng :
Các cấu hình khác nhau của cơ cấu tay máy trong từng thời điểm xác
định bằng các độ dịch chuyển góc hoặc độ dịch chuyển dài của các khớp
quay hoặc khớp tịnh tiến.
Các độ dịch chuyển tức thời đó, so với giá trị ban đầu nào đó lấy làm
mốc tính toán, được gọi là các toạ độ suy rộng (generalized joint
coordinates). Ở đây ta gọi chúng là các biến khớp (toạ độ
suy rộng) của cơ
cấu tay máy và biểu thị bằng :
(1 )
S
ii i i
i
q
δ θδ
=+−
(1.2)
với
δ
⎧
=
⎨
⎩
1,®èi víi khíp quay
0,®èi víi khíp tÞnh tiÕn
i
θ
i
- Độ dịch chuyển góc của các khớp quay
S
i
- Độ dịch chuyển tịnh tiến của các khớp tịnh tiến
I.3.3.Nhiệm vụ lập trình điều khiển Robot:
I.3.3.1. Định vị và định hướng tại “điểm tác động cuối” :
Khâu cuối cùng của tay máy thường là bàn kẹp (gripper) hoặc là
khâu gắn liền với dụng cụ thao tác (tool). Điểm mút của khâu cuối cùng là
điểm đáng quan tâm nhất vì đó là điểm tác động của Robot lên đối tác và
được gọi là “điểm tác động cuối” (end-effector). Trên hình 1.4 điểm E là
“điểm tác động cuối”.
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho Robot 2 bậc tự do
9
Hình 1.4
: Định vị và định hướng tại “ điểm tác động cuối”
Chính tại “điểm tác động cuối” E này cần quan tâm không những vị
trí nó chiếm trong không gian làm việc mà cả hướng tác động của khâu
cuối đó. Vị trí của điểm E được xác định bằng 3 toạ độ x
E
, y
E
, z
E
trong hệ
trục toạ độ cố định. Còn hướng tác động của khâu cuối có thể xác định
bằng 3 trục x
n
,y
n
, z
n
gắn liền với khâu cuối tại điểm E, hoặc bằng 3 thông
số góc
γβα
,,
nào đó.
I.3.3.2. Lập trình điều khiển Robot công nghiệp :
Trên hình 1.5 mô tả 1 sơ đồ lập trình điều khiển Robot công nghiệp.
Khi robot nhận nhiệm vụ thực hiện một quy trình công nghệ nào đó, ví dụ
“điểm tác động cuối” E phải bám theo một hành trình cho trước. Quỹ đạo
hành trình này thường cho biết trong hệ toạ độ Đề các x
0
, y
0
, z
0
cố định. Ở
mỗi vị trí mà điểm E đi qua xác định bằng 3 toạ độ cố định x
E
, y
E
, z
E
và 3
thông số góc định hướng
γβα
,,
. Từ các thông số trong hệ toạ độ Đề các đó
tính toán các giá trị biến khớp q
i
tương ứng với mỗi thời điểm t. Đó là nội
dung của bài toán Động học ngược sẽ trình bày trong chương II.
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho Robot 2 bậc tự do
10
Hình 1.5
: Sơ đồ lập trình điều khiển
I.4. Các phép biến đổi toán học cho Robot :
I.4.1.Biến đổi toạ độ dùng Ma trận:
I.4.1.1. Vector điểm và toạ độ thuần nhất :
Vector điểm (point vector) dùng để mô tả vị trí của điểm trong không
gian 3 chiều.
Trong không gian 3 chiều, một điểm M có thể được biểu diễn bằng
nhiều vector trong các hệ toạ độ (coordinate frame) khác nhau:
Trong hệ toạ độ o
i
x
i
y
i
z
i
điểm M xác định bằng vector r
i
:
i
(,,
)
r
T
xi yi zi
rrr
=
(1.3)
và cùng điểm M đó trong hệ toạ độ o
j
x
j
y
j
z
j
được mô tả bởi vector r
j
:
j
(,,
)
r
T
xj yj zj
rrr
=
(1.4)
Quỹ đạo trong hệ toạ
độ Đề các
(x
E
,y
E
,z
E
,α,β,γ)
Quỹ đạo trong hệ toạ
độ Đề các
(x
E
,y
E
,z
E
,α,β,γ)
Chương trình điều khiển
Hệ trợ động chấp hành
Hệ trợ động chấp hành ROBOT
Máy tính
q
1
q
2
Các giản đồ Biến đổi
q
i
(t)
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho Robot 2 bậc tự do
11
Ký hiệu ( )
T
là biểu thị phép chuyển vị (Transportation) vector hàng
thành vector cột.
Hình 1.6
: Biểu diễn 1 điểm trong không gian
Vector
(,,
)
r
T
xyz
rrr
=
trong không gian 3 chiều, nếu được bổ sung
thêm một thành phần thứ 4 và thể hiện bằng 1 vector mở rộng :
(, ,)
xyz
r
rrr
ω ωω ω
=
%
(1.5)
thì đó là cách biểu diễn vector điểm trong không gian toạ độ thuần
nhất (homogeneous coordinate).
Để đơn giản có thể bỏ qua ký hiệu (
˜ ) đối với vector mở rộng (1.5)
Các toạ độ thực của vector mở rộng này vẫn là:
x
x
r
r
ω
ω
=
y
y
r
r
ω
ω
=
z
z
r
r
ω
ω
= (1.6)
Không phải duy nhất có một cách biểu diễn vector trong không gian
tọa độ thuần nhất, mà nó phụ thuộc vào giá trị của
ω
. Nếu lấy
ω
= 1 thì
các tọa độ biểu diễn bằng toạ độ có thực. Trong trường hợp này vector mở
rộng được viết là:
(,,
)
T
xyz
r
rrr
=
(1.7)
Nếu lấy
ω
≠ 1 thì các toạ độ biểu diễn gấp
ω
lần toạ độ thực, nên
có thể gọi
ω
là hệ số tỷ lệ. Khi cần biểu diễn sự thay đổi toạ độ kèm theo
thì có sự biến dạng tỷ lệ thì dùng
ω
≠ 1.
y
j
x
i
x
j
z
j
r
j
r
i
y
i
O
i
M
z
i
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho Robot 2 bậc tự do
12
I.4.1.2.Quay hệ toạ độ dùng Ma trận 3x3:
Trước hết thiết lập quan hệ giữa 2 hệ toạ độ XYZ và UVW chuyển
động quay tương đối với nhau khi gốc O của 2 hệ vẫn trùng nhau (hình 1.7)
Hình 1.7
:
Các hệ toạ độ
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 toạ độ OXYZ bằng
vector:
r
xyz
=( r
x
,r
y
,r
z
)
T
(1.8)
còn trong hệ toạ độ OUVW bằng vector:
r
uvw
= ( r
u
,r
v
,r
w
)
T
(1.9)
Như vậy :
r = r
uvw
= r
u
i
u
+ r
v
j
v
+ r
w
k
w
r = r
xyz
= r
x
i
x
+ r
y
j
y
+ r
z
k
z
(1.10)
Từ đó ta có
.
.
.
xuvw
xxu x xw
v
yuvw
uw
yy yv y
zuvw
zzu z zw
v
r
r
r
j
iii i ik
rrrr
jj jj j
ik
rrrr
j
kki k kk
rrrr
⎫
== + +
⎪
⎪
== + +
⎬
⎪
== + +
⎪
⎭
(1.11)
Hay viết dưới dạng ma trận:
U
Y
V
M W
Z
X
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho Robot 2 bậc tự do
13
.
xu x x w
v
x u
yv
uw
yyvy
z w
zu z z w
v
j
ii i ik
rr
jjjj
ik
rr
rr
j
ki k kk
⎛⎞
⎛⎞
⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
=
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
⎝⎠
(1.12)
Gọi R là Ma trận quay (rotation) 3x3 với các phần tử là tích vô
hướng 2 vector chỉ phương các trục tương ứng của 2 hệ toạ độ OXYZ và
OUVW.
Vậy (1.12) được viết lại là:
1
.
.
xyz uvw
uvw xyz
R
R
rr
rr
−
=
⎫
⎪
⎬
=
⎪
⎭
(1.13)
I.4.1.3.Biến đổi Ma trận dùng toạ độ thuần nhất:
Bây giờ thiết lập quan hệ giữa 2 hệ toạ độ: hệ toạ độ o
j
x
j
y
j
z
j
sang hệ
toạ độ mới o
i
x
i
y
i
z
i
. Chúng không những quay tương đối với nhau mà tịnh
tiến cả gốc toạ độ: gốc o
j
xác định trong hệ x
i
y
i
z
i
bằng vector p:
p=(a,-b,-c,1)
T
(1.14)
Giả sử vị trí của điểm M trong hệ toạ độ x
j
y
j
z
j
được xác định bằng
vector r
j
:
r
j
= (x
j
y
j
z
j
,1)
T
(1.15)
và trong hệ toạ độ x
i
y
i
z
i
điểm M được xác định bằng vector r
i
:
r
i
= (x
i
y
i
z
i
,1)
T
(1.16)
Từ hình (1.8) có thể dễ dàng thiết lập mối quan hệ giữa các toạ độ:
cos sin
sin cos
1
ij j
j
j
ij
ij
j
j
ij
a
b
c
xx t
yy
t
z
y
t
zz
tt
ϕϕ
ϕϕ
=+
⎫
⎪
=−−
⎪
⎬
=+−
⎪
⎪
==
⎭
(1.17)
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho Robot 2 bậc tự do
14
Hình 1.8:
Các hệ toạ độ
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
T
ϕϕ
ϕϕ
⎡⎤
⎢⎥
− −
⎢⎥
=
⎢⎥
−
⎢⎥
⎣⎦
(1.18)
và viết phương trình biến đổi toạ độ như sau:
r
i
= T
ij
r
j
(1.19)
Ma trận T
ij
biểu thị bằng ma trận 4x4 như phương trình (1.18) và gọi
là ma trận thuần nhất. Nó dùng để biến đổi vector mở rộng từ hệ toạ độ
thuần nhất này sang hệ toạ độ thuần nhất kia.
I.4.1.4. Ý nghĩa hình học của Ma trận thuần nhất:
Từ (3.19) nhận thấy ma trận thuần nhất 4x4 là một ma trận gồm 4
khối :
ϕϕ
ϕϕ
⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
=
⎜⎟
−
⎜⎟
⎝⎠
ij
10 0
0os -sin -b
0sin os
00 0 1
a
c
T
cc
(1.20)
y
j
z
i
x
i
y
i
c
ϕ
o
i
b
a
z
j
o
j
x
j
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét