Luận văn: Xây dựng thuật toán mô phỏng robot 6 bậc tự do (Nguyễn Bá Ân)

Luận văn nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng không gian hoạt động của robot 6 bậc tự do ứng dụng trong sản xuất cơ khí.

• Tác giả: Nguyễn Bá Ân
• Người hướng dẫn: GVC. Nguyễn Ngọc Thành
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thuật Toán Mô Phỏng Không Gian Hoạt Động Robot 6 Bậc Tự Do Ứng Dụng Vào Các Quá Trình Sản Xuất Cơ Khí
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và định nghĩa về không gian hoạt động robot 6 bậc tự do

Không gian hoạt động (KGHD) là vùng không gian mà phần cuối (bản tay kẹp) của robot 6 bậc tự do có thể tiếp cận được khi các khớp robot hoạt động trong phạm vi cho phép. Thuật toán mô phỏng không gian hoạt động giúp xác định chính xác vùng làm việc này, từ đó tối ưu hóa ứng dụng trong các quá trình sản xuất cơ khí. Vùng hoạt động được xác định bởi các giới hạn chuyển động của từng khớp và mối quan hệ động học giữa các bộ phận. Hiểu rõ KGHD là nền tảng để thiết kế và lập trình robot phỏng sinh hiệu quả, đặc biệt trong các ứng dụng gia công cắt gọt, lắp ráp và hàn.

1.1. Định nghĩa bản tay kẹp và vị trí định hướng

Bản tay kẹp là bộ phận cuối cùng của robot 6 bậc tự do, chịu trách nhiệm thực hiện các tác vụ. Vị trí và định hướng bản tay kẹp được xác định bởi 6 tham số: 3 tọa độ không gian (x, y, z) và 3 góc định hướng (Roll, Pitch, Yaw). Thuật toán mô phỏng cần tính toán chính xác những thông số này để đảm bảo robot có thể thực hiện các tác vụ phức tạp.

1.2. Độ cơ động và hệ số phục vụ

Độ cơ động phản ánh khả năng thay đổi định hướng của bản tay kẹp tại một vị trí cụ thể. Hệ số phục vụ đo lường phần trăm vùng KGHD mà robot có thể phục vụ với các điều kiện nhất định. Các thông số này rất quan trọng trong việc đánh giá khả năng của robot phỏng sinh 6 bậc tự do cho các ứng dụng công nghiệp.

II. Vùng hoạt động cực đại và phân loại robot

Vùng hoạt động cực đại là toàn bộ không gian mà bản tay kẹp có thể tiếp cận khi các khớp quay tại giới hạn cực đại của chúng. Việc xác định vùng này thông qua thuật toán mô phỏng rất quan trọng để so sánh hiệu suất giữa các robot 6 bậc tự do khác nhau. Các robot phỏng sinh được phân loại dựa trên cấu hình động học, số lượng khớp và ứng dụng cụ thể. Cơ sở dữ liệu chứa thông tin chi tiết về từng mô hình robot giúp xây dựng thuật toán chính xác. Mô phỏng KGHD bằng các công cụ như Matlab và Autodesk Inventor cho phép visualize và phân tích chi tiết vùng hoạt động.

2.1. Phương pháp phân loại robot

Robot được phân loại theo tiêu chí khác nhau: theo chứng năng (vạn năng, chuyên dùng), theo mức độ tự động (tự động, bán tự động), và theo cấu hình cơ học. Robot phỏng sinh 6 bậc tự do thường được dùng cho các tác vụ phức tạp yêu cầu độ chính xác cao, như gia công, lắp ráp và hàn. Hiểu rõ cách phân loại giúp chọn lựa robot phù hợp cho từng ứng dụng sản xuất.

2.2. Vùng hoạt động của các robot phỏng sinh

Mỗi robot 6 bậc tự do có vùng KGHD riêng biệt, phụ thuộc vào độ dài các khớp và phạm vi chuyển động. Mô phỏng không gian hoạt động cho phép so sánh các mô hình khác nhau như Motoman MA1400, Almega AX-MV6. Việc này giúp nhà thiết kế lựa chọn robot phù hợp nhất cho các quy trình sản xuất cơ khí cụ thể, tối ưu hóa hiệu suất và chi phí.

III. Thuật toán xác định và mô phỏng không gian hoạt động

Thuật toán mô phỏng không gian hoạt động robot 6 bậc tự do bao gồm các bước xác định vùng hoạt động cực đại và tính toán hệ số phục vụ. Cơ sở dữ liệu chứa các tham số động học của robot phỏng sinh được nhập vào thuật toán để tính toán vị trí bản tay kẹp. Phân tích hình học vùng hoạt động giúp hiểu rõ ranh giới công tác của robot. Chương trình mô phỏng sử dụng Matlab để thực hiện các tính toán phức tạp, trong khi Autodesk Inventor cho phép tạo mô hình 3D trực quan. Kết quả mô phỏng giúp các kỹ sư đánh giá khả năng robot cho các ứng dụng sản xuất cơ khí.

3.1. Xây dựng và triển khai thuật toán

Thuật toán xác định KGHD được xây dựng dựa trên các phương trình động học thuận và ngược của robot 6 bậc tự do. Quá trình này liên quan đến lập mô hình toán học chính xác các khớp, giới hạn chuyển động và vị trí bản tay kẹp. Thuật toán được kiểm chứng với nhiều vị trí khác nhau để đảm bảo độ chính xác cao, phục vụ tốt cho các qua trình sản xuất cơ khí như gia công, hàn, và lắp ráp.

3.2. Chương trình mô phỏng Matlab và Autodesk Inventor

Chương trình mô phỏng Matlab cung cấp công cụ mạnh mẽ để tính toán và vẽ biểu đồ vùng KGHD. Autodesk Inventor cho phép tạo mô hình 3D chi tiết của robot 6 bậc tự do, giúp kỹ sư trực quan hóa vùng hoạt động. Kết hợp cả hai công cụ này tạo ra bức tranh hoàn chỉnh về khả năng của robot phỏng sinh, hỗ trợ quyết định lựa chọn robot cho các ứng dụng sản xuất.

IV. Ứng dụng thực tế trong các quá trình sản xuất cơ khí

Robot 6 bậc tự do được ứng dụng rộng rãi trong các quy trình sản xuất cơ khí nhờ vào khả năng chuyển động linh hoạt và độ chính xác cao. Gia công cắt gọt là một trong những ứng dụng phổ biến nhất, nơi robot thực hiện các chuyển động phức tạp để cắt, mài và gia công chi tiết. Quá trình lắp ráp yêu cầu robot xử lý các bộ phận nhỏ với độ chính xác cao, nơi hiểu biết về KGHD rất quan trọng. Quá trình hàn sử dụng robot để thực hiện các đường hàn liên tục, trong khi quá trình đúc và gia công áp lực cũng tận dụng khả năng của robot phỏng sinh. Việc mô phỏng không gian hoạt động giúp tối ưu hóa các quy trình này, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

4.1. Ứng dụng trong gia công cắt gọt và lắp ráp

Trong gia công cắt gọt, robot 6 bậc tự do cần tiếp cận các bề mặt phức tạp từ nhiều góc độ khác nhau. Vùng hoạt động của robot phải đủ rộng để bao phủ toàn bộ chi tiết cần gia công. Quá trình lắp ráp đòi hỏi robot thao tác chính xác các bộ phận nhỏ, nơi thuật toán mô phỏng giúp xác định vị trí tối ưu cho cánh tay robot. Hiểu rõ KGHD cho phép thiết kế quy trình lắp ráp hiệu quả.

4.2. Ứng dụng trong hàn đúc và gia công áp lực

Quá trình hàn yêu cầu robot thực hiện các đường hàn liên tục với độ chính xác cao và tốc độ ổn định. Robot phỏng sinh 6 bậc tự do cho phép thực hiện các chuyến động 3D phức tạp cần thiết cho hàn các cấu trúc không gian. Quá trình đúc và gia công áp lực cũng hưởng lợi từ khả năng xoay và uốn của robot. Mô phỏng KGHD giúp xác định nếu robot có thể tiếp cận tất cả vị trí cần thiết trong các quy trình này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I1- TỎNG QUAN.1- Lịch sử phát triển và ứng dụng của robot.1- Lịch sử phát triển.à Q2 cece ce ce ce ce ce testetes stesteeteeteeneend 4 1.2- Phân loại ‘ &tbfs3.1- Phương pháp (tiêu chi) phan loại sures 360aãgssuason auueff6 1.2-Phân loại robot. cà cà 2S SH Hs srsrreesesese TỔ 1.3- Tổng quanvẻ mô phỏng không gian hoạt động roboot.19 X/3i:1- VÂN đề đỒEĂM sacoedenhgnhg GàgH Hà HE g1a go hân H 1 nHhgHiOnH00g8.2- Một số chương trinh mô phỏng.4- Các quả trình sản xuất cơ khí và khả năng ứng dụng của robot.1- Quá trình gia công cắt gọt.2- Quả trình lắp ráp. NHÄiog2856066180000đ6 2hi2B1gã08iasagaagtaoas 21L 1.3- Quả trình hàn x : TH va 1.4- Qua trình đúc.5- Quả trình gia công áp lực.5- Vấn đề đặt ra vả kết luận. Siötdigiglai0g404 1005502 DS CHƯƠNG 2- MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA, KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VÙNG HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT.1- Khải niệm, định nghĩa về bản tay kẹp robot ni so ——.

Học viên: Nguyễn Bá Ân Page 2 Luan van Cao hoc Trường ĐHBK Hà Nội ——ễễễ— 2.1- Khải niêm, định nghĩa _— : sven DT 2.2- Vị trí và định hưởng bản tay kẹp si i sit .3- Độ cơ động vả hệ số phục vụ.2- Vùng hoạt động của robot .1- Một số định nghĩa.2- Vùng hoạt động của một sỏ robot phỏng sinh sáu bậc tự do 36 2.3- Ý nghĩa và ứng dụng thực tế ¬ .4- Kết luận Chương 2 6006/4058 x93 wana YEI9 K6 2840608/288/126/183/0 39 CHƯƠNG 3- NGHIÊN CỬU MÔ PHONG KGHD MOT SO ROBOT PHONG SINH SÁU BẬC TỰ DO.1- Thuật toán, chương trình xác định vùng hoạt động cực đại của robot oss.1- Cơ sở dữ liệu.2- Mô tả và phân tích dạng hình học vùng hoạt động cực đại.3- Xây dựng thuật toan xác định và mô phỏng vùng hoạt động.4- Chuong trinh m6 phéng (Phu le) o .000 2c c ee cee ce renee eee 8B 3.2- Xác định vùng hoạt động của robot theo hệ số phục vụ asiäz/BB 3. ce cee ee ce cee cre eee tpn ene "——- 3.2- Xác định hệ số phục vụ vùng hoạt động của một số robot.3- Kết quả mô phỏng không gian hoạt động của một số robot phỏng sinh.1- Kết quả mô phỏng bằng ngôn ngữ Matlab.2- Két qua mé phéng bang ngén ngit Autodesk Inventor 103 3.106 KÉTTUẬN VÀ KIÊN NGHỊ. 42kl8à3g0t08E16:-02120gg80331334:g82100g02/3E00 i NOP DANH MUC TAI LIEU THAM KHAO i § 109 Học viên: Nguyễn Bá Ân Page 3 Luan van Cao hoc Trường ĐHBK Hà Nội LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung mả tôi trình bày trong luận văn này là do sự tim hiểu và nghiên cửu của bản thần. Mọi kết quả nghiên cửu cũng như ý tưởng của các tác giả khác nêu có, đều được trích dẫn day đủ.

Luận văn nảy, cho đến nay van chưa được ai bảo vệ tại bắt kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ trên toản quốc cũng như nước ngoài và cho đến nay cũng chưa được bắt cử ai công bổ trên các phương tiện thông tin đại ching nao, Tôi xin hoản toàn chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày - tháng 09 nằm 2012 Tác giả Nguyễn Bá Ân Học viên: Nguyễn Bá Ân Page 4 Luan van Cao hoc Trường ĐHBK Hà Nội DANH MỤC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT KGHD ~ Không gian hoạt động. VN - Vạn năng, CD ~ Chuyên dùng. TĐ - Tự động TĐH- Tự động hóa BTĐ- Bán tự động.

Học viên: Nguyễn Bá Ân Page 6 Luan van Cao hoc Trường ĐHBK Hà Nội LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới: Thây hướng dân - GVC. Nguyễn Ngọc Thanh đã tận tỉnh giúp đỡ chỉ dần tác giả hoàn thành luận văn. Bộ môn Han - CNKL, Vién Co Khi, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viên Dao tạo Sau Đại học đã tạo mọi điều kiện cho việc học tập nghiên cứu, tiền hành luận văn của tác giả được hoàn thành đúng thời hạn. Gia đình củng toàn thé anh em bạn bẻ, đồng nghiệp đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quả trình thực hiện luận văn.

Hà Nội, ngày — tháng 09 năm 2012 Tác giả Nguyễn Bá Ân Học viên: Nguyễn Bá Ân Page 5 Luan van Cao hoc Trường ĐHBK Hà Nội LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới: Thây hướng dân - GVC. Nguyễn Ngọc Thanh đã tận tỉnh giúp đỡ chỉ dần tác giả hoàn thành luận văn. Bộ môn Han - CNKL, Vién Co Khi, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viên Dao tạo Sau Đại học đã tạo mọi điều kiện cho việc học tập nghiên cứu, tiền hành luận văn của tác giả được hoàn thành đúng thời hạn. Gia đình củng toàn thé anh em bạn bẻ, đồng nghiệp đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quả trình thực hiện luận văn.

Hà Nội, ngày — tháng 09 năm 2012 Tác giả Nguyễn Bá Ân Học viên: Nguyễn Bá Ân Page 5 Luan van Cao hoc Trường ĐHBK Hà Nội Hình 3.4- Sơ đồ động học của Motoman -MA1400.5- Vũng hoạt động cực đại robot Almega AX-MV6.6- Sơ đồ đông học Robot Almega AX-MV6.7- Dạng vùng hoạt động cực đại Robot Kuka KR6-ARC 47 Hinh 3.8- Ving hoat déng cuc dai Robot Motoman MA-1400.9- Dạng vùng hoạt động cực đại của Almega AX-MV6 49 Hình 3.10a- Vị trí khi cảnh tay trên (1), cảnh tay dưới (/,) duôi thẳng .10b- Vị trí khi cánh tay trên (/,), cánh tay dưới (J,) co lại (“thẳng”). "¬ TH nà se 89 Hình 3.12a- Không gian hoạt động của Robot Kuka - coe 98 Hình 3.12b- Không gian hoạt động của Robot Kuka.13a- Không gian hoạt động của Robot Motoman.13b- Không gian hoạt động của Robot Motoman 100 Hình 3.14a- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6.14b- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6 ¬.15a- Không gian hoạt đông của Robot Kuka KR6-ARC (hình chiêu bằng).15b- Không gian hoạt động của Robot Kuka KR6-ARC (hình chiều đứng).16a- Không gian hoạt động của Robot Motoman (hình chiều đứng) 103 Hình 3.16b- Không gian hoạt động của Robot Motoman (hình chiếu bằng), 104 Hình 3.17a- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6.17b- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6.105 Học viên: Nguyễn Bá Ân Page 9 Luan van Cao hoc Trường ĐHBK Hà Nội DANH MỤC CÁC BANG BIEU Trang Bảng 3.1- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Kuka.2- Gidi han chuyén động các khớp quay Robot Motoman .3- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Almega AX-MV6 .4- Vị trí điểm P vả hệ số phục vụ ¿,, Robot Kuka.5- Vị trí điểmP và hệ số phục vụ £,, của Robot Motoman MA-1400.6- Vị trí điểmP và hệ số phục vụ ế,, của Robot Almega AX-MV6 97 Hoc vién: Nguyén Ba An Page 7 Luan van Cao hoc Trường ĐHBK Hà Nội DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1. SH H H HH0 re "` wT Hình 1.3- Robot Scara , 17 Hình 1.4 Tọa độ cầu 18 Hình 1. PRETEEN me —- Hình 1.6- Robot ứng dụng trong gia công cắt gọt.7- Robot ứng dụng lắp ráp động co suy a win Hình 1.8- Robot ứng dụng lắp ráp ô tô 22 Hình 1.9- Robot ứng dụng hàn khung vỏ ô tô - 23 Hình 1.10- Ứng dụng ba robot vào nguyên công sảy, lắp ráp khuôn và .11- Robot ửng dụng các công việc đúc áp lực.

ze saci Hinh 1.12- Robot ứng dụng cáp phôi trong gia công áp lực 25 Hình 2.1- Tâm bản tay kẹp. a Tin TieREG SOT Hinh 2.2a- Tam bản tay kẹp khi hàn điểm.2b- Tâm bàn tay kẹp khi hản hỗ quang.3- Vị trí và định hướng của mỏ hản.4- Một số đạng vùng hoạt động rô bốt.4- Một số dạng vùng hoạt động rô bết (tiếp).8- Các khả năng định hướng của rô bốt.6- Vùng hoạt động có hướng không đồi.7- Vùng hoạt động thực tẻ của rô bốt. óc ce te te ee ee en BO Hình 2.8- Vùng hoạt đông của robot Almega AX-MV6.9- Robot Kuka KR6-ARC 8 37 Hình 2.10- Robot Motoman MA-1400.1 -Vùng hoạt động cực đại của Robot Kuka KR6-ARC.2 - Sơ đỏ động học Robot Kuka KR6-ARC. nha Al Hình 3.3- Vùng hoạt động cực đại của Motoman MA1400.

§ 42 Học viên: Nguyễn Bá Ân Page 8 Luan van Cao hoc Trường ĐHBK Hà Nội MO DAU Với xu thể phát triển mạnh mẽ của công nghệ, các thành tựu trong lĩnh vực khoa học, kỹ thuật ngày cảng được ứng dụng một cách rộng rãi: trong đó không thẻ kẻ đến kỹ thuật, công nghệ robot, đặc biệt là các loại robot phỏng sinh sáu bậc tự do, chúng giữ vai trò khả quan trọng trong sản xuất tự động hóa. Do đó, kỹ thuật, công nghệ robot không chỉ được img dụng trong những ngành công nghiệp tiên tiễn, mả cỏn được ứng dụng phục vụ đời sông con người bởi những khả năng và ưu điểm vượt trội so với các loại máy móc thông thường, mà còn bởi những hoạt động, “suy nghĩ “ có thể bắt chước giồng hệt con người Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đắt nước, vẫn đề tự đông hoá sản xuất có vai trỏ đặc biệt quan trọng, Hiện nay, ngảy cảng nhiều dây chuyên sản xuất mới, hiện đại được nhập về Việt Nam, đã thay đổi đáng kẻ bộ mặt của nẻn công nghiệp nude nha. Trong các dây chuyên đó, robot công nghiệp xuất hiện ngày cảng nhiều, thay thé dan vai trỏ của con người. Nó đã góp phan nâng cao nang suất dây chuyên công nghệ, nâng cao chất lượng va khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiên đáng kể điều kiện lao động.

Ngoài ra, robot còn được ứng dụng lam thay con người trong những môi trường. đặc biệt như trong môi trường cỏ bụi bản, âm ướt, nóng nực, ôn ào và độc hại quá mức cho phép Tuy nhiên, vẫn đề khai thác hiệu quả sử dụng robot công nghiệp cần được đặt ra với nhiều cơ sở sản xuất, nghiên cứu và đảo tao. Sử dụng robot không chỉ dừng lại ở việc vận hành, sửa chữa, mả còn phải quan tâm đến hiệu quả khai thác không gian hoạt động của robot đề có thẻ thực hiện được nhiều công việc nhất trong không gian đó, tiết kiêm thời gian, tạo ra năng suất lao động cao, hạ giá thành sản phẩm, góp phân khai thác triệt để các tính năng của các robot công nghiệp, đồng thời đưa vẫn đề này vào giảng day va nghiên cửu một cách có hiệu quả nhất. Với những ứng dụng cũng như các ưu điểm trong việc khai thác không gian hoạt động, của các loại robot phỏng sinh sảu bậc tự do, nên tác giả đã quyết định chọn đề tài : *Nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chương trình mô phông không gian hoạt động một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do ứng dụng vào các quá trình sản suất cơ khí ” Học viên: Nguyễn Bá Ân Page 10 Luan van Cao hoc Trường ĐHBK Hà Nội DANH MỤC CÁC BANG BIEU Trang Bảng 3.1- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Kuka.2- Gidi han chuyén động các khớp quay Robot Motoman .3- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Almega AX-MV6 .