đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
1

Lời nói đầu.

Loài ng-ời chúng ta đã bắt đầu b-ớc những b-ớc đầu tiên sang thế kỷ
XXI, thế kỷ mà theo các nhà khoa học dự đoán là thế kỷ của công nghệ
thông tin, công nghệ tự đông hoá và công nghệ sinh học. Ng-ời ta có thể
nhờ những công nghệ đó để tạo ra những thay đổi kỳ diệu mà chúng ta ch-a
thể t-ởng t-ợng nổi trong xã hội ngày nay. Con ng-ời đ-ợc giải phóng sức
lao động nhờ những công nghệ mới đó. Đó có thể là những ph-ơng tiện liên
lạc hiện đại , đó có thể là những Robot sinh học có khả năng t- duy nh- con
ng-ời, có khả năng hoạt động một cách linh hoạt nhờ những cơ cấu đặc biệt
đ-ợc kết hợp từ những công nghệ thông tin, tự động hoá và công nghệ sinh
học.
Đó là t-ơng lai trên thế giới, còn chúng ta là ng-ời Việt Nam đang sống,
học tập và làm việc tr-ớc thềm thế kỷ mới. Đất n-ớc ta có một trình độ khoa
học công nghệ t-ơng đối thấp, hạ tầng cơ sở vật chất nghèo nàn lạc hậu,
trình độ tự động hoá không cao.Các máy móc thiết bị chủ yếu nhập của n-ớc
ngoài nh-ng đã cũ kỹ và lạc hậu.Vì vậy để có thể hiện đại hoá và công
nghiệp hoá đất n-ớc chúng ta không còn cách nào khác là phải đẩy mạnh và
phát triển công nghệ tự động hoá lên một tầm cao mới với việc áp dụng các
công nghệ tự động hoá tiên tiến nhất trên thế giới.Đó là từng b-ớc đ-a
Robot vào các nhà máy để thay thế con ng-ời, thực hiện những công việc
mang tính nặng nhọc,cần độ chính xác cao, làm việc liên tục không mệt mỏi,
nâng cao sản l-ợng và chất l-ợng sản phẩm.
Trong đồ án tốt nghiệp này chúng em thực hiện việc tính toán và thiết kế
Robot sáu bậc tự do quay vạn năng, nó có khả năng làm một số công việc
nh- sơn, hàn, đo kiểm tra kích th-ớc,vận chuyển và lắp giáp các chi tiết.

đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
3

Ma trận chuyển đổi toạ độ thuận .
Cos
i
-sin
i
0 d
i

M
i-1,i
= Cos
i
.sin
i
cos
i
.cos
i
-sin
i
-r
i
.sin



. .cos
i

M
i-1,i
= -sin
i
cos
i
.cos
i
sin
i
.cos
i
d
i
.sin
i

i
0 - sin
i
cos
i
-r
0 0 0 1

* Hệ toạ độ và thông số theo Denavit_Hartenberg.


-sin
i
.cos
i
a
i
.sin
i

0 sin
i
cos
i
d
i

0 0 0 1 Ma trận chuyển đổi toạ độ nghịch. Cos
i
sin
i
0 -a
i

M


-d
i
.cos
i

0 0 0 1

Ch-ơng II . Khảo sát bài toán hình động học thuận.

Ngày nay với sự trợ giúp vô cùng đắc lực của máy móc hiện đại đặc
biệt là robot, trong đó phải kể đến việc đo l-ờng và kiểm tra đã đ-ợc thực
hiện một cách chính xác và hiệu quả. ở đây ta muốn nói đến ứng dụng của
robot 6 bậc tự do vào việc đo l-ờng với việc tính toán bài toán thuận đ-a ra
liên hệ giữa toạ độ của đầu đo và gốc toạ độ chuẩn gắn với thân máy đo
bằng các ph-ơng trình liên hệ. Nhờ vào các cảm biến đo góc mà chủ yếu là
cảm biến quang, cảm biến đIện đ-ợc gắn trực tiếp vào các khớp của robot.
Sau khi đầu đo tiếp xúc với đIểm cần đo các cảm biến sẽ đo đ-ợc các góc
quay của các khớp. Sau đó các thông số này sẽ đ-ợc chuyển vào ph-ơng
đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
5
trình chuyển đổi toạ độ của bài toán thuận. Giải hệ ph-ơng trình này ta sẽ
đ-ợc toạ độ của điểm đo.
Trong bài toán vị trí của ronot 6 bậc tự do ta có hai ph-ơng pháp tính
toán .
I - Thiết lập ma trận chuyển hệ tọa độ từ vị trí đầu O
1
của







Q z,






x , a

Q z, -/2 Q z,






x , a

Q z,






0

1

d
1
2
T
-2
0
0
s
2
3
Q
0
0

3

0
4
Q
-2
a
3

4

0

Sin  Cos 0 0
M01 = 0 0 1 d
1

0 0 0 1
 0 0
0 0 -1 s2
M12 = 0 -1 0 0
0 0 0 1
CosSin 0 0
Sin  Cos 0 0
M23 = 0 0 1 0
0 0 0 1 Cos

-sin

0 a3
0 0 - 1 0
M34 = -sin
4
-cos

Cã :
M01 . M12 . M23 . M34 . M45 . M56 . M67 =M07

r
07
= M
07
.r
7
. đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
9

2 - Thiết lập ma trận chuyển hệ toạ độ từ vị trí củaO của Robot cho đến
bàn tay M theo kiểu Denavit_Hartenberg.

* Hệ toạ độ gắn theo kiểu Denavit_Hartenberg.

Thiết lập ma trận chuyển hệ toạ độ từ vị trí của O của Robot cho đến bàn
tay M, lấy thông số và gắn hệ trục theo kiểu Denavit- Hartenberg


đồ án tốt nghiệp

3
) T(X, a
3
) Q(X, -/2).
H
3
H
4
: Q(Z,
4
) T(X, a
4
).
H
4
H
5
: Q(Z,
5
) T(X, a
5
).
H
5
H
6
: Q(Z,
6
) T(X, a
6


6 Q

T

Q

Q

Q

Q

0

-/2

-/2

0

0

0

d
1

4
5
a
5
6
a
6

* Các ma trận chuyển :

CosSin 0 0
®å ¸n tèt nghiÖp

Chuyªn nghµnh c¬ tin kü thuËt
11
Sin  Cos 0 0
M01 = 0 0 1 d
1

0 0 0 1
 0 0

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
12
Sin Cos 0 0
M45 = 0 0 1 0
0 0 0 1
CosSin 0 a
6

Sin Cos 0 0
M56 = 0 0 1 0
0 0 0 1

Có :
M01 . M12 . M23 . M34 . M45 . M56 . =M06

r
06
= M
06
.r
6
.
điểm làm việc M. Với vị trí này khi khớp 4 quay tròn xung quanh giới hạn
phạm vi làm việc của M, tổng quát hơn khi các khớp 2,1 quay quanh trục
trong mặt phẳng () và () ta sẽ đ-ợc vì ở vị trí này, vị trí t-ơng quan giữa
khâu 6 và M bị hạn chế tối đa nếu việc áp dụng robot ở vị trí này vào
công việc nh- sơn, hàn, đo biên dạng v.vcũng bị hạn chế, bởi vì M chỉ có
thể chuyển động theo những quĩ đạo nhất định.
đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
14 2 . Miền làm việc thứ 2 của cơ cấu khi các độ dài l
4
, l
5
, l
6
, l
7
thoả mãn
điều kiện:






6745
7654

llll
llll

Rõ ràng đây là miền mà điểm làm việc M hoạt động rộng nhất (không bị hạn
chế).Vì vậy trong miền này cơ cấu có thể đo hay hàn đ-ợc những biên dạng
hay những quĩ đạo phức tạp mà không bị cản trở, hạn chế .
T-ơng tự nh- tr-ờng hợp miền làm việc thứ nhất với việc hoạt động (quay)
của khớp (1) và (2), ta luôn có những vị trí quét trong không gian ví dụ để
đạt tới vị trí M nh- trên ta luôn có vị trí t-ơng xứng, tuỳ thuộc vào điều kiện
làm việc và điều kiện về độ chính xác hay sai số mà ta chọn vị trí thích hợp.
3. Miền làm việc thứ ba:
Khi l
7
< l
5
+ l
6
- l
4
(II)
góc nón
1
ứng với 2vị trí giới hạn của cánh tay lắc l
4

đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
16
góc nón

4
2
+ l
7
2
)
cos
1
=
-2.l
4
.l
7

l
4
2
+ l
7
2
( l
5
+ l
6
)
21
= arcos

4. Miền làm việc thứ thứ t- :
đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
17 Khi l
7
> l
4
+ l
5
- l
6
(III)
Góc nón
11
,
12
đ-ợc tính t-ơng tự nh- trên ,theo công thức sau:
L
7
2
+ l
6
2
( l
5
+ l

+l
6
).l
7
đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
18
5. Miền làm việc thứ 5 :





6547
4657
llll
llll Lúc này góc quay của khớp 6 quanh M bị hạn chế bởi các góc
1
,
2

Trong ph-ơng pháp này trình bày một ph-ơng án tính toán thuần tuý bằng
hình học để giảI bàI toán ng-ợc . Trong bàI toán này căn cứ vào những đặc
đIểm riêng về cấu trúc hình học và đặc đIểm cấu tạo của Robot để đ-a ra
một ph-ơng án giảI quyết đơn giản và ngắn gọn hơn .
Giả thiết của bàI toán : Cho tr-ớc vị trí của M,M1 có toạ độ lần l-ợt là
(Xm,Ym,Zm), (Xm1,Ym1,Zm1) hoặc cho tr-ớc đIểm M (Xm,Ym,Zm)
và véc tơ e (i,j,k) là véc tơ chỉ ph-ơng của khâu cuối gắn với đIểm M .Tức
là biết đ-ợc vị trí của khâu 6 , hai giả thiết trên là hoàn toàn t-ơng đ-ơng
từ giả thiết này hoàn toàn có thể suy ra giả thiết kia .Nên tuỳ tr-ờng hợp mà
chọn giả thiết nào thuận tiện cho quá trình tính toán .
Yêu cầu : Tính các thông số ().

đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
20
a - Xác định góc Anpha .

+ Giả thiết cho M và véc tơ đơn vị chỉ ph-ơng e (a,b,c) có:

x=Xm +at
y=Ym +bt
z=Zm +ct
Ph-ơng trình mặt phẳng qua A và song song với mặt phẳng Oxy :
Z=l
1


o1
= a
1
.sin
Y
o1
= a
1
.cos
Z
o1
=l
1

Tìm đ-ợc X
o1 ,
Y
o1c - Xác định góc Beta


đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
22 Góc là góc tạo bởi mặt phẳng chứa khâu 3,4,5,6 và trục Z


A (Xa ,Ya ,Za) ; M (Xm ,Ym ,Zm) ; M1(X1 ,Y1 ,Z1) ;

Ya-Ym Za-Zm Za-Zm Xa-Xm Xa-Xm Ya-Ym
n=
Ym-Y1 Zm-Z1 Zm-Z1 Xm-X1 Xm-X1 Ym-Y1

={ (Ya-Ym)( Zm-Z1) - (Ym-Y1)( Za-Zm) ;
(Za-Zm)( Xm-X1) - (Zm-Z1 )( Xa-Xm) ;
(Xa-Xm)( Ym-Y1) - (Ya-Ym)( Xm-X1) }
Gọi n = ( n1 , n2, n3 )
2 2 2
= / 2 - (n,k) = /2 - arcos [n3/(n1 + n2 + n3)]

d - Xác định các góc còn lại :
đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
24
Ym = O
1
M .m
i

Xm = O
1
M . l
i

at


= l
x
.cos + e
z
. sin
= acos + b sin
h = MI . sin
4

+ MI xác định đ-ợc (do đã biết M&I )
Xác định đ-ợc 4. Có
(1)
l 4 cos +l 5 cos + a2 = Xm - l6.cos
(I)
l 4 sin + l 5.sin +a1 = l6.sin + h
đồ án tốt nghiệp

Chuyên nghành cơ tin kỹ thuật
25
(1)
( Xm : Toạ độ của đIểm M trong hệ toạ độ O1x1y1 )
Xác định toạ độ của đIểm M trong hệ toạ độ O1x1y1 :