Bài giảng Robot công nghiệp - Nguyễn Đức Khoát

01/09/2009 1 ROBOT CÔNG NGHIỆP GV: TS. NGUYỄN ĐỨC KHOÁT MỤC ĐÍCH MÔN HỌC • Cung cấp những kiến thức tổng quan về kỹ thuật robot và robot công nghiệp • Hiểu và vận dụng các phương pháp nghiên cứu thích hợp để khảo sát về cấu tạo, động học và động lực học robot. • Tiếp cận và khai thác robot công nghiệp, khả năng nghiên cứu và thiết kế các dạng robot áp dụng trong tự ấ ểđộng hóa một quá trình sản xu t cụ th . 01/09/2009 2 NỘI DUNG MÔN HỌC • Tổng quan về robot và ứng dụng • Quá trình phát triển • Định nghĩa – Phân loại Cấu tạo hình học và các kiểu chuyển động của robot công• nghiệp • Các phương pháp điều khiển và phương tiện lập trình ĐỘNG HỌC ROBOT – TAY MÁY • Các phương pháp nghiên cứu động học robot – tay máy • Phương pháp tọa độ thuần nhất và các ma trận Denavitz – artenberg • Các bài toán động học và phương pháp giải ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT – TAY MÁY • Mục đích của bài toán ĐLH Thiết lập phương trình chuyển động của cơ hệ nhiều bậc tự• do - Phương trình Lagrange loại II ÁP DỤNG MATLAB TRONG VIỆC GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY 01/09/2009 3 ĐIỀU KHIỂN ROBOT – TAY MÁY Các nguồn dẫn động cơ bản• • Cơ chế điều khiển servo vị trí • Ý nghĩa của các bài toán động học trong việc điều khiển robot • Các kiểu điều khiển robot công nghiệp • Điều khiển robot tự hành (mobile robot) TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ROBOT Các giai đoạn thiết kế và tích hợp hệ thống• • Thiết kế động học robot • Thiết kế phần kết cấu truyền động robot • Thiết kế phần điều khiển robot • Thử nghiệm – hiệu chỉnh • Kiểm tra và đánh giá chất lượng hoạt động của robot 01/09/2009 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU • Thảo luận trên lớp • Tham khảo tài liệu được cung cấp làm cơ sở ban đầu để thuyết trình theo nhóm về những chủ đề được phân công PHƯƠNG THỨC ĐÁNH GIÁ • Kết quả thuyết trình trên lớp • Kết quả kiểm tra giữa kỳ • Kết quả thi cuối khóa TAØI LIEÄU THAM KHAÛO [1] Phillip John McKerrow, Introduction to Robotics, British Library, England, 1993 [2] Andrew C. Staugaard, Jr., Robotics and AI, An Introduction to Applied Machine Intelligence, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1987 [3] Leâ Hoaøi Quoác, Kyõ Thuaät Ngöôøi Maùy, Phaàn I: Robot Coâng Nghieäp, NXB ÑHQG TP. HCM, 2003, 2005 (tb) 01/09/2009 5 GiỚI THIỆU Các thao tác đơn Các thao tác đồng thời GiỚI THIỆU Các thao tác đơn Các thao tác đồng thời 01/09/2009 6 GiỚI THIỆU ROBOT CÔNG NGHIỆP 01/09/2009 7 ROBOT CÔNG NGHIỆP ROBOT CÔNG NGHIỆP- ĐỊNH NGHĨA 01/09/2009 8 ROBOT CÔNG NGHIỆP- ĐỊNH NGHĨA ROBOT CÔNG NGHIỆP- BẬC TỰ DO (DOF – DEGREES OF FREEDOM) •Số khả năng chuyền động của một cơ cấu (chuyển động quay, tịnh tiến) • Đề dịch chuyển một vật trong không gian, cơ cấu chấp hành của Robot cần đạt được một số bậc tự do: • • n: số khâu động, p: số khớp loại i 5 1 w 6 i n ip = = −∑ • Các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay, tịnh tiến thì số bậc tự do bằng số khâu động • •Cơ cấu hở: số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động 01/09/2009 9 ROBOT CÔNG NGHIỆP- HỆ TỌA ĐỘ (COORDINATE FRAMES) ƒ Robot gồm nhiều khâu liên kết (links) với nhau ƒ Khâu liên kết đầu (base): không chuyển động ếƒ Các liên k t được thực hiện qua các khớp động (Joints) ƒ Hệ tọa độ gắn với khâu liên kết đầu: hệ tọa độ chuẩn ƒ Hệ tọa độ gắn với các khâu liên kết động khác: hệ tọa độ suy rộng ROBOT CÔNG NGHIỆP- HỆ TỌA ĐỘ (COORDINATE FRAMES) ƒ Hệ tọa độ trên Robot tuân theo quy tắc bàn tay phải: ƒ Sử dụng On để chỉ hệ tọa độ gắn trên khâu thứ n ƒ Không gian làm việc (Workspace – Ranger of Motion ): ốƒ Toàn bộ vung không gian được quét bởi khâu động học cu i của Robot khi Robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể ƒ Sử dụng hình chiếu để mô tả trường công tác của một Robot 01/09/2009 10 ROBOT CÔNG NGHIỆP- CẤU TRÚC ROBOT CÔNG NGHIỆP- CẤU TRÚC 01/09/2009 11 ROBOT CÔNG NGHIỆP KẾT CẤU TAY MÁY ƒ Tay máy: thành phần quan trọng quyết định khả năng làm việc của Robot ƒ Được thiết kế đa dạng: cơ cấu tay con người, loài vật… ƒ Các thông số cần quan tâm đối với tay máy: ƒ Tầm với (trường công tác) ƒ Số bậc tự do ộ ứƒ Đ c ng, vững ƒ Tải trọng vật nâng, lực kẹp ROBOT CÔNG NGHIỆP KẾT CẤU TAY MÁY 01/09/2009 12 ROBOT CÔNG NGHIỆP KẾT CẤU TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP KẾT CẤU TAY MÁY 01/09/2009 13 ROBOT CÔNG NGHIỆP KẾT CẤU TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP PHÂN LOẠI ƒ Phân loại theo kết cấu: ƒ Theo tọa độ: Đề các trụ cầu góc , , , … ƒ Theo hệ thống truyền động: ƒ Truyền động điện: động cơ DC, step motor (dễ điều khiển, kết cấu gọn) ƒ Truyền động thủy lực: có công suất cao (kết cấu cồng kềnh, khó điều khiển) ƒ Truyền động khí nén: công suất trung ình và nhỏ, độ chính xác thấp. Thích hợp với các thao tác nhấc lên và đặt xuống. (Pick and Place or PTP: point to point) 01/09/2009 14 ROBOT CÔNG NGHIỆP PHÂN LOẠI ƒ Phân loại theo ứng dụng: ƒ Robot son hàn , … ƒ Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) 01/09/2009 15 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ thuần nhất: ƒ Để biểu diễn một điểm trong không gian ba chiều: sử dụng Vector điểm (Point vector): ƒ ký hiệu: u, v, x để miêu tả vị trí của các điểm U, V, X ƒ trong không gian 3 chiều, một điểm V có thể được biểu diễn bằng nhiều vector điểm khác nhau: 01/09/2009 16 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ thuần nhất: ƒ Để biểu diễn một điểm trong không gian ba chiều: sử dụng Vector điểm (Point vector): ƒ ký hiệu: u, v, x để miêu tả vị trí của các điểm U, V, X ƒ trong không gian 3 chiều, một điểm V có thể được biểu diễn bằng nhiều vector điểm khác nhau: ể• vE ,vF : hai vector khác nhau mô tả đi m V • Nếu i, j, k là các vector đơn vị của một hệ tọa độ E: •a, b, c: tọa độ vị trí điểm V trong E v a i b j c k= + + GG GG ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ thuần nhất: ƒ Để biểu diễn một điểm trong không gian ba chiều: sử dụng Vector điểm (Point vector): ƒ ký hiệu: u, v, x để miêu tả vị trí của các điểm U, V, X ƒ trong không gian 3 chiều, một điểm V có thể được biểu diễn bằng nhiều vector điểm khác nhau: Có thể biểu diễn v trong không gian 4 chiều (định vị và định hướng- w= constant hay hệ số tỷ lệ) 01/09/2009 17 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ thuần nhất: ƒ Để biểu diễn một điểm trong không gian ba chiều: sử dụng Vector điểm (Point vector): ƒ ký hiệu: u, v, x để miêu tả vị trí của các điểm U, V, X ƒ trong không gian 3 chiều, một điểm V có thể được biểu diễn bằng nhiều vector điểm khác nhau: Có thể biểu diễn v trong không gian 4 chiều (định vị và định hướng- w= constant hay hệ số tỷ lệ) • w= 1: Hệ tọa độ thuần nhất • w=0: Chỉ hướng của các trục tọa độ ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ thuần nhất: ể ể ễ ềCó th bi u di n v trong không gian 4 chi u ( định vị và định hướng- w= constant hay hệ số tỷ lệ ) • w= 1: Hệ tọa độ thuần nhất • w=0: Chỉ hướng của các trục tọa độ • Ex: 3 4 5v i j k= + + GG GG • w= 1: Hệ tọa độ thuần nhất [ ]3 4 5 1 Tv = • w= -10 [ ]3 0 40 5 0 1 0 Tv = − − − − 01/09/2009 18 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ thuần nhất: ƒ Quy ước: ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ thuần nhất: ƒ Các phép biến đổi: ƒ u vector biểu diễn điểm cần biến đổi ƒ h vector dẫn được biểu diễn qua ma trận chuyển đổi H ƒ v vector biểu diễn điểm sau biến đổi v=H.u ƒ Phép biến đổi tịnh tiến (Translation): ƒ Cần tịnh tiến một điểm (vật) theo h a i b j c k= + +G GG G 1 0 0 a⎡ ⎤⎢ ⎥ ƒMa trận H=Trans(a,b,c)= ƒ u vector biểu diễn điểm cần tịnh tiến 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 b c ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ 01/09/2009 19 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) 01/09/2009 20 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ thuần nhất: ƒ Các phép biến đổi: ƒ u vector biểu diễn điểm cần biến đổi ƒ h vector dẫn được biểu diễn qua ma trận chuyển đổi H ƒ v vector biểu diễn điểm sau biến đổi v=H.u ƒ Phép quay(Rotation): ƒ Cần quay một điểm (vật) xung quanh một trục tọa độ với góc quay θ 0 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ thuần nhất: ƒ Các phép biến đổi: ƒPhép quay(Rotation): ƒ Cần quay một điểm (vật) xung quanh một trục tọa độ với góc quay θ 0 01/09/2009 21 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) • Nếu đổi thứ tự quay: 01/09/2009 22 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ thuần nhất: ƒ Các phép biến đổi: ƒ Phép quay tổng quát: quay một vector k một góc θ bất kỳ ƒ k trùng với gốc của một hệ tọa độ xác định trước ƒ Khảo sát một hệ tọa độ C, gắn trên điểm kẹp của Robot: ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) 01/09/2009 23 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) 01/09/2009 24 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) 01/09/2009 25 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) • Tích vô hướng của bất kỳ hàng hay cột nào của C với bất kỳ hàng hay cột nào khác đều bằng 0 (các vector trực giao) • Tích vô hướng của bất kỳ hàng hay cột nào của C với chính nó đều bằng 1 (vector đơn vị) • Vector đơn vị z= tích vector của x và y hay a n O= × GG G 01/09/2009 26 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) • Tích vô hướng của bất kỳ hàng hay cột nào của C với bất kỳ hàng hay cột nào khác đều bằng 0 (các vector trực giao) • Tích vô hướng của bất kỳ hàng hay cột nào của C với chính nó đều bằng 1 (vector đơn vị) • Vector đơn vị z= tích vector của x và y hay a n O= × GG G Chọn: Ký hiệu: ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Bài toán ngược: Tìm góc và trục quay tương đương ƒ Xác định trục quay k và góc θ tương ứng ƒ Kết quả của phép biến đổi thuần nhất R=Rot(k, θ) ƒ Dựa vào ma trận thuần nhất: 01/09/2009 27 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Bài toán ngược: Tìm góc và trục quay tương đương ƒ Xác định trục quay k và góc θ tương ứng ƒ Kết quả của phép biến đổi thuần nhất R=Rot(k, θ) ƒ Dựa vào ma trận thuần nhất: Bình phương hai vế ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) Bình phương hai vế 01/09/2009 28 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) Bình phương hai vế ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) Sử dụng: 01/09/2009 29 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) Xác định k nào lớn nhất: Sử dụng: Từ đó xác định các giá trị k còn lại ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) Xác định k nào lớn nhất: Sử dụng: Từ đó xác định các giá trị k còn lại, giả sử kx lớn nhất 01/09/2009 30 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) Ví dụ: ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) Ví dụ: 01/09/2009 31 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Phép quay Euler: ƒ Quay một góc Φ xung quanh trục : z ƒ Quay tiếp một góc θ xung quanh trục y mới: y’ ƒ Quay một góc Ψ quanh trục z mới: z’’ ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Phép quay Euler: ƒ Quay một góc Φ xung quanh trục : z ƒ Q tiế ột ó θ h t ới ’uay p m g c xung quan rục y m : y ƒ Quay một góc Ψ quanh trục z mới: z’’ 01/09/2009 32 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ: các phép biến đổi và các mối quan hệ ƒ Tịnh tiến hệ tọa độ: ƒ O (0, 0, 0) ƒ 4 3 7h i j k= − +G GG G ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ: các phép biến đổi và các mối quan hệ ƒ Tịnh tiến hệ tọa độ: ƒ O (0, 0, 0) ƒ 4 3 7h i j k= − +G GG G 01/09/2009 33 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ: các phép biến đổi và các mối quan hệ ƒ Tịnh tiến hệ tọa độ: ƒ O (0, 0, 0) ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Hệ tọa độ: các phép biến đổi và các mối quan hệ ƒMối quan hệ: A BTƒ Ba hệ tọa độA, B, C: B quan hệA C quan hệ B ƒ Điểm P nằm trong hệ tọa độ C: P C ƒ Tìm P trong A hay: P A BT C 01/09/2009 34 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Mô tả vật: ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Mô tả vật: 01/09/2009 35 ROBOT CÔNG NGHIỆP CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỔI THUẦN NHẤT (Homogeneous Transformation) ƒ Mô tả vật: