CHƯƠNG 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ROBOT 5 BẬC TỰ DO 1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ robot ngay càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của đời sống xã hội.Thuật ngữ Robot xuất phát từ tiếng Séc (Czech) "Robota" có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Romssum's Universal Robots của Karel Capek vào năm 1921. Trong vở kịch Rossum và con trai của ông đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundy Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là "Người máy công nghiệp" (Industrial Robot).
Ngày nay người ta đã đặt tên người máy công nghiệp cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất. Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số. Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ.
Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô. Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967, Thụy Điển và Nhật - 1968 theo bản quyền của Mỹ, CHLB Đức - 1971, Pháp -1972, … Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 trường Đại học Tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình mắt-tay, có khả năng định hướng và nhận biết bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính gọi là robot T3 (The Tomorrow).
Robot này có khả năng nâng được vật có khối lượng lên đến 40kg. Có thể nói Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ tri thức ngày càng phong phú của hệ thống điều LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí không nhân tạo, hệ chuyên gia… Trong những năm sau này việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng được phát triển cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học- Điện tử.2 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần như hình 1.1 Môi trường Phần công -Đối tượng tác -Lực, mômen Cảm biến Truyền động cơ giám sát khí trạng thái hệ thống Cảm biến giám sát Cơ cấu chấp thông số hành môi trường Hệ thống điều khiển Giao diện Người - Máy Hinh 1.1 Các thành phần chính của hệ thống robot Tay Máy: (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay (arm) để tạo các chuyển động cơ bản. Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.2 Sơ đồ kết cấu tay máy LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Cơ cấu chấp hành: Tạo chuyển động cho các khâu của tay máy.
Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. Hệ thống cảm biến: Gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường. Hệ thống điều khiển (controller): Hiện nay thường là hệ thống điều khiển số có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.3 Cơ cấu robot 5 bậc tự do toàn khớp quay Để robot có thể hoạt động trong môi trường và thực hiện tốt các chức năng của nó thì robot phải có một chương trình điều khiển.
Chương trình này sẽ hướng dẫn robot di chuyển từ vị trí ban đầu tới đích sao cho tránh được những va chạm trên đường đi và có thể nâng được đối tượng tới vị trí khác mong muốn. Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản: - Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarde, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển dộng này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic) - Chuyển động quay quanh trục x, y, z ký hiệu là R (Rotation) - Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp chuyển động (R và T) mà tay máy có kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Trong luận văn này tác giả xét một cơ cấu robot 5 bậc tự do toàn khớp quay (RRRRR) như hình 1.3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Sơ đồ tay máy robot 5 DOF 1.2 ĐỘNG HỌC ROBOT Trong mô phỏng robot, phân tích hệ thống là cần thiết như là phân tích động học, mục đích là mang lại những hiểu biết của những chuyển động của từng phần cơ khí robot và mối quan hệ giữa chúng. Phân tích động học được chia thành động học thuận và động học ngược.
Động học thuận bao gồm tìm ra vị trí cuối trong không gian chuyển động của các khớp là F 1 ,2 , ,n x, y, z, R và động học ngược bao gồm xác định thông số các biến khớp để có được vị trí cuối và hướng mong muốn F 1 ,2 , ,n x, y, z, R .4 biểu diễn sơ đồ khối đơn giản của động học robot. Động học thuận Chuyển động các khớp Thông số hình Vị trí và hướng của học điểm cuối Động học ngược Hình 1.4 Sơ đồ khối động học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Một phương pháp phổ biến sử dụng thuận tiện cho việc chọn lựa khung tham chiếu trong ứng dụng robot là phương pháp Denavit-Hartenberg hoặc phương pháp D-H biểu diễn như hình 1.5 ai i zi yi Oi xi di i xi 1 zi 1 Oi 1 yi 1 Hình 1.5 Minh họa phương pháp DH - ai: khoảng cách theo phương xi từ Oi đến giao điểm của các trục xi và zi-1. - di: khoảng cách theo phương zi-1 từ Oi-1 đến giao điểm của các trục xi và zi-1 ,di thay đổi khi khớp i là khớp trượt. - i : là góc quay quanh trục xi từ zi-1 đến zi.
- i : là góc quay quanh trục zi-1 từ xi-1 đến xi. Bảng thông số DH Bước 1: Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu: - Giả định vị trí ban đầu của robot. - Xác định các trục khớp và đặt tên tương ứng z 0 … z n 1. - Xác định hệ tọa độ nền.
Đặt gốc của hệ tọa độ này tại bất kỳ điểm nào trên trục z 0. Các trục x0 và y0 được chọn thỏa qui tắc tam diện thuận. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 - Chọn gốc tọa độ O i là giao điểm của đường vuông góc chung giữa z i và z i 1 với z i. Nếu z i giao với z i 1 , đặt O i tại điểm này.
Nếu z i song song với z i 1 , đặt O i tại bất kỳ vị trí nào trên z i sao cho thuận tiện. - Xác định x i đi qua O i và dọc theo đường vuông góc chung giữa z i 1 và z i. Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục x i chọn theo hướng vuông góc với mặt phẳng tạo bởi z i 1 và z i. - Xác định y i thỏa quy tắc tam diện thuận.
Bước 2: Lập bảng thông số Denavit – Hartenberg (D-H) cho các khâu trên robot. Bước 3: Dựa vào bảng thông số D-H xác định các ma trận A i bằng cách thay các thông số ở bước 2. Trường hợp đang xét ở đây là khớp quay thì i là biến, còn di const. Bảng thông số DH như sau: Bảng 1.1 Khâu Khớp nối i i di ai 1 0-1 1 1 d1 a1 2 1-2 2 2 d2 a2 ….
n (n-1)-n n n dn an LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Dựa vào bảng thông số DH, mỗi ma trận chuyển đổi thuần nhất Ai được trình bày như là tích của 4 chuyển đổi cơ bản sử dụng thông số của khâu i và khớp nối (i-1 và i). Ai Rot z,i Trans z, di Trans x, ai Rot x,i (1.1) Ký hiệu Rot x, ai viết tắt quay quanh trục xi một góc i. Trans x, ai là dịch chuyển theo trục xi một khoảng ai. Giải thích tương tự Rot z,i và Trans z, di c i s i 0 0 1 0 0 0 1 0 0 ai 1 0 0 0 s c i 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 c i s i 0 Ai i 0 0 1 0 0 0 1 di 0 0 1 0 0 s i c i 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 (1.2) c i s i c i s i s i ai c i s c i c i c i s i ai s i Ai i 0 s i c i di 0 0 0 1 Đối với một khâu đi theo một khớp quay thì i , di , ai là hằng số.
Như vậy ma trận Ai của khớp quay là một hàm số của biến khớp i 1.2 Tính toán ma trận mô tả quan hệ khâu i đối với hệ tọa độ gốc 0Ti Như ta đã trình bày trong mục 1.1 ma trận Ai mô tả vi trí và hướng của khâu thứ i so với khâu thứ i-1. Như vậy tích của các ma trận Ai là ma trận 0Ti mô tả vị trí và hướng của khâu thứ i so với phần đế cố định.