Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
****************************
NGUYỄN BÁ ÂN
NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƢƠNG TRÌNH
MÔ PHỎNG KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG
MỘT SỐ RÔ BỐT PHỎNG SINH SÁU BẬC TỰ DO
ỨNG DỤNG VÀO CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CƠ KHÍ
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
GVC. TS. NGUYỄN NGỌC THÀNH
MỤC LỤC
HÀ NỘI 09/2012
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Trang
Page 1
2.1- Khái niệm, định nghĩa về bàn tay kẹp robot ……………………………………27
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 2
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
2.1.1- Khái niệm, định nghĩa …………………………………………………….27
2.1.2- Vị trí và định hƣớng bàn tay kẹp ................................................................29
2.1.3- Độ cơ động và hệ số phục vụ ......................................................................30
2.2- Vùng hoạt động của robot ……………………………………………………...32
2.2.1- Một số định nghĩa …………………………………………………………32
2.2.2- Vùng hoạt động của một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do ……………..36
2.3- Ý nghĩa và ứng dụng thực tế ……………………………………………………38
2.4- Kết luận Chƣơng 2 ……………………………………………………………...39
CHƢƠNG 3- NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG KGHĐ MỘT SỐ ROBOT PHỎNG SINH
SÁU BẬC TỰ DO ………………………………………………….39
3.1- Thuật toán, chƣơng trình xác định vùng hoạt động cực đại của robot …………39
3.1.1- Cơ sở dữ liệu ……………………………………………………………...39
3.1.2- Mô tả và phân tích dạng hình học vùng hoạt động cực đại ………………47
3.1.3- Xây dựng thuật toán xác định và mô phỏng vùng hoạt động ……….........50
3.1.4- Chƣơng trình mô phỏng (Phụ lục) ………………………………………..88
3.2- Xác định vùng hoạt động của robot theo hệ số phục vụ ……………………….88
3.2.1- Cơ sở lý thuyết ……………………………………………………………88
3.2.2- Xác định hệ số phục vụ vùng hoạt động của một số robot ……………….91
3.3- Kết quả mô phỏng không gian hoạt động của một số robot phỏng sinh .............99
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 4
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới:
Thầy hƣớng dẫn - GVC. TS. Nguyễn Ngọc Thành đã tận tình giúp đỡ chỉ dẫn tác giả
hoàn thành luận văn.
Bộ môn Hàn - CNKL, Viện Cơ Khí, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào
tạo Sau Đại học đã tạo mọi điều kiện cho việc học tập nghiên cứu, tiến hành luận văn của
tác giả đƣợc hoàn thành đúng thời hạn.
Gia đình cùng toàn thể anh em bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm động viên, giúp đỡ
tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Hà Nội, ngày
tháng 09 năm 2012
Tác giả
Nguyễn Bá Ân
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 5
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 7
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1- Tọa độ Đề các …………………………………………………………..17
Hình 1.2- Tọa độ trụ ……………………………………………………………….17
Hình 1.3- Robot Scara ……………………………………………………………..17
Hình 1.4- Tọa độ cầu ………………………………………………………………18
Hình 1.5- Tọa độ cầu ………………………………………………………………18
Hình 1.6- Robot ứng dụng trong gia công cắt gọt …………………………………21
Hình 1.7- Robot ứng dụng lắp ráp động cơ ………………………………………...22
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 sấy, lắp ráp khuôn và .v.v……….24
Hình 1.11- Robot ứng dụng các công việc đúc áp lực ……………………………...25
Hình 1.12- Robot ứng dụng cấp phôi trong gia công áp lực………………………...25
Hình 2.1- Tâm bàn tay kẹp…………………………………………………………...27
Hình 2.2a- Tâm bàn tay kẹp khi hàn điểm…………………………………………..28
Hình 2.2b- Tâm bàn tay kẹp khi hàn hồ quang……………………………………...28
Hình 2.3- Vị trí và định hƣớng của mỏ hàn……………………………………….…29
Hình 2.4- Một số dạng vùng hoạt động rô bốt………………………………………33
Hình 2.4- Một số dạng vùng hoạt động rô bốt (tiếp)………………………………...33
Hình 2.5- Các khả năng định hƣớng của rô bốt………………………………….…..34
Hình 3.12b- Không gian hoạt động của Robot Kuka……………………………….....99
Hình 3.13a- Không gian hoạt động của Robot Motoman…………………………..100
Hình 3.13b- Không gian hoạt động của Robot Motoman…………………………..100
Hình 3.14a- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6………………….101
Hình 3.14b- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6. ………………...102
Hình 3.15a- Không gian hoạt động của Robot Kuka KR6-ARC (hình chiếu bằng).102
Hình 3.15b- Không gian hoạt động của Robot Kuka KR6-ARC (hình chiếu đứng).103
Hình 3.16a- Không gian hoạt động của Robot Motoman (hình chiếu 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 …………………104
Hình 3.17b- Không gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6………………….105
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 9
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
MỞ ĐẦU
Với xu thế phát triển mạnh mẽ của công nghệ, các thành tựu trong lĩnh vực khoa học,
kỹ thuật ngày càng đƣợc ứng dụng một cách rộng rãi; trong đó không thể kể đến kỹ thuật,
công nghệ robot, đặc biệt là các loại robot phỏng sinh sáu bậc tự do, chúng giữ vai trò khá
quan trọng trong sản xuất tự động hóa. Do đó, kỹ thuật, công nghệ robot không chỉ đƣợc
ứng dụng trong những ngành công nghiệp tiên tiến, mà còn đƣợc ứng dụng phục vụ đời
sông con ngƣời bởi những khả năng và ƣu điểm vƣợt trội so với các loại máy móc thông
thƣờng, mà còn bởi những hoạt động, “suy nghĩ “ có thể bắt chƣớc giống hệt con ngƣời.
Đề tài này tập trung nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chƣơng trình mô phỏng không
gian hoạt động, nâng cao khả năng công nghệ của một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do,
đƣợc ứng dụng trong các quá trình sản xuất cơ khí, nhƣ: đóng tàu, các dây chuyên sản
xuất xe hơi, xe máy, .v.v., giúp nâng cao năng suất, chất lƣợng lao động, giảm sức ngƣời
trong môi trƣờng làm việc độc hại.
Đề tài gồm 3 chƣơng với nội dung chính nhƣ sau:
Chƣơng 1- Tổng quan
Chƣơng 2- Các định nghĩa, khái niệm cơ bản về thuật toán, chương trình và
không gian hoạt động của một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do
Chƣơng 3- Nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng
không gian hoạt động một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do ứng
dụng vào các quá trình sản suất cơ khí
Để có thể hoàn thiện đƣợc đề tài này, ngoài sự cố gắng của bản thân, tác giả xin chân
thành cảm ơn các thầy, cô giáo cùng các cán bộ trong Bộ môn Hàn - CNKL, Bộ môn Cơ
Điện Tử, Viện Cơ Khí, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và trang bị
những kiến thức cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trƣờng .
Tác giả đặc biệt cảm ơn thầy giáo GVC. TS. Nguyễn Ngọc Thành là ngƣời đã trực
tiếp hƣớng dẫn chỉ bảo tận tình để tác giả hoàn thiện đề tài luận văn này.
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã vận dụng những kiến thức lĩnh hội
đƣợc và tìm hiểu qua các tài liệu chuyên ngành liên quan. Nhƣng do kinh nghiệm và kiến
thức còn hạn chế, nên quá trình thực thiện đề tài không tránh khỏi những sai sót. Tác giả
mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy, cô và mọi ngƣời, để đề tài đƣợc
hoàn chỉnh hơn.
Hà Nội, ngày ….. tháng 09 năm 2012
Học viên
Nguyễn Bá Ân
Học viên: Nguyễn Bá Ân
không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation. Chỉ đến
năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này.
Chiếc Robot công nghiệp đƣợc đƣa và ứng dụng đầu tiên năm 1961 , ở một nhà máy
ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì.
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 12
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của
Hoa Kì (American Machine and Foundry Company).
Đến năm 1990, hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ nhƣ
công ty Hitachi, Mitsubishi đã đƣa ra thị trƣờng quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng kỹ thuật của robot đã chú ý
nhiều đến việc trang bị thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trƣờng làm
việc. Tại trƣờng đại học tổng hợp Stanford ngƣời ta đã tạo loại robot lắp giáp tự động điều
khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào thời
gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều
khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy.
Vào thời điểm này ở nhiều nƣớc khác, cũng tiến hành công trình nghiên cứu tƣơng tự,
tạo ra các robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và các thiết
bị giao tiếp ngƣời với máy.
Một lĩnh vực đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm là robot tự hành. Các công trình
nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hƣớng bắt chƣớc chân ngƣời hoặc súc vật. Các robot
này còn chƣa ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại
Hiện nay, robot đang bƣớc sang thế hệ mới. Từ các robot điều khiển theo kiểu thao tác
(Manual input) rồi đến điều khiển dẫn đƣờng - dạy học, các kiểu điều khiển này gọi chung
là điều khiển có chƣơng trình dẫn đƣờng (dạy học).
Tiếp theo, đến các robot có trình điều khiển thích nghi - thông minh, robot có trí khôn
(Robot Spiens) và robot thân thiện với con ngƣời. Xu hƣớng này đã đạt đƣợc nhiều thành
tựu cao nhƣng còn nhiều hạn chế, đòi hỏi sự phát triển cao hơn nữa trong nghiên cứu và
sáng tạo của con ngƣời.
1.1.2- Ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp
Robot công nghiệp chủ yếu đƣợc dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần nhƣ chuyển
tải và xếp dỡ vật tƣ, lắp ráp các chi tiết máy thành cụm. Nó còn đƣợc dùng trong các môi
trƣờng nguy hiểm bao gồm chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy
biển, khai thác mỏ, quân sự, hàn, sơn, phun phủ, .v.v. Ngoài ra, robot còn đƣợc dùng trong
xây dựng, y tế và giúp việc trong gia đình.
Cho đến nay, trên thế giới có rất nhiều phòng thí nghiệm, các hãng, công ty nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo robot. Những hiệp hội nghiên cứu robot đã đƣợc ra đời nhƣ: RIA
(Hoa Kỳ), AFRI (Pháp), BRA (Anh), JIRA (Nhật Bản), .v.v. Robot ngày càng hiện đại, đa
dạng về chủng loại và lĩnh vực ứng dụng ngày càng phong phú. Điều đó đã khẳng định vai
trò của robot trong sản xuất công nghiệp cũng nhƣ nền kinh tế thế giới.
Nhằm góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ trong sản xuất cơ khí, giảm
giá thành, nâng cao và ổn định chất lƣợng, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng
thời cải thiện điều kiện, môi trƣờng làm việc, đƣợc xuất phát từ những ƣu điểm cơ bản của
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 14
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
14,7%
3. Hàn hồ quang:
12,3%
4. Cấp phôi:
9,6%
5. Lắp ráp:
9,5%
Học viên: Nguyễn Bá Ân
9. Các việc khác:
30,3%
Page 15
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
6. Nghiên cứu, đào tạo: 5,7%
7. Phun phủ bề mặt:
theo hình thức điều khiển; .v.v. Tùy theo nhu cầu nghiên cứu, khảo sát mà lựa chọn tiêu
chí phân loại cho phù hợp.
Dƣới đây giới thiệu một số robot đƣợc phân loại theo một vài tiêu chí hay đƣợc quan
tâm trong kỹ thuật robot.
1.2.2- Phân loại rô bốt
Theo số bậc tự do - trong không gian 3 chiều, đối với robot chuỗi động hở, số bậc tự
do đƣợc thiết kế tùy thiết kế tùy thuộc vào nhu cầu công việc thực tế mà robot đảm nhiệm;
có thể là 1 hoặc 2, .v.v., hoặc 6 bậc tự do. Đôi khi còn lớn hơn 6.
Đối với những loại công việc có thao tác đơn giản, lặp đi lặp lại nhiều lần và cần đƣợc
chuyên môn hóa, TĐH cao, ngƣời ta sẽ thiết kế robot có 1 đến 2 bậc tự do. Loại công việc
cần nhiều thao tác hơn sẽ thiết kế robot có 3 đến 4 bậc tự do. Khi mà các thao tác công
nghệ đòi hỏi mức độ khéo léo, phức tạp hơn nữa, thì các robot với 5 đến 6 bậc tự do sẽ
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 16
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
đƣợc thiết kế và áp dụng một cách có hiệu quả. Hình 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 và 1.5 giới thiệu
một số robot với: 3, 3, 4, 3 và 3 bậc tự do.
Theo dạng không gian làm việc (khả năng với tới và định hướng của robot) - theo [1],
gồm có:
Không gian làm việc cực đại (hình 1.1 đến 1.5).
Không gian làm việc toàn phần (hình 1.4 đến 1.5 trong đó có có một số vùng chứa
không gian hoạt động toàn phần).
Không gian làm việc một phần (hình 1.4 đến 1.5 trong đó có có một số vùng chứa
1.4, 1.5).
Hình 1.5- Tọa độ cầu.
Theo loại khớp động - gồm có robot:
Toàn khớp tịnh tiến: TTT (hình 1.1).
Khớp quay - tịnh tiến - tịnh tiến: QTT (hình 1.2).
Quay - quay - quay - tịnh tiến: QQQT (hình 1.3).
Quay - quay - tịnh tiến: QQT (hình 1.4).
Quay - quay - quay: QQQ (hình 1.5), .v.v.
Theo nguyên lý điều khiển - có hai loại: robot điều khiển theo nguyên lý hở và robot
điều khiển theo nguyên lý kín.
Điều khiển hở thƣờng dùng truyền động bƣớc (bằng động cơ điện hoặc động cơ thuỷ
lực, khí nén, .v.v.) mà quãng đƣờng và góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển.
Nguyên lý điều khiển này đơn giản, đạt độ chính xác thấp khi xích truyền động dài.
Điều khiển kín (điều khiển servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác
điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm, điều khiển theo đƣờng
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 18
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
(contour). Nguyên lý điều khiển này có cấu trúc phức tạp hơn, đạt độ chính xác cao hơn,
nhƣng giá thành đắt hơn.
Ngoài ra, có thể phân loại robot theo những tiêu chí khác, chẳng hạn: theo thế hệ (mức
độ thông minh, hiện đại); theo dạng điều khiển, có các dạng điều khiển: bằng tay, theo chu
Trường ĐHBK Hà Nội
Cơ sở lý thuyết để giải quyết các nội dung trên cần căn cứ vào việc giải các bài toán
động học (thuận, ngƣợc) robot sẽ đƣợc trình bày ở các chƣơng tiếp theo.
1.3.2- Một số chƣơng trình mô phỏng
Hiện nay, có nhiều chƣơng trình mô phỏng dạng “đề mô” đang sử dụng nhiều và bằng
các ngôn ngữ khác nhau, chẳng hạn: Catia, Proengineer, Inventor, .v.v. của các hãng OTC
Daihen, Kuca, Fanuc, Panasonic, .v.v.
Trong luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm Matlab và Autodesk Inventor để lập
trình mô phỏng xác định (vẽ) không gian hoạt động các robot Kuka-KR6, Motoman MA1400, Almega AX-MV6 và đƣợc trình bày trong Phụ lục của luận văn.
1.4- Các quá trình sản xuất cơ khí và khả năng ứng dụng của rô bốt
Cho đến nay, ở các mức độ khác nhau, tất cả các quá trình sản xuất cơ khí đều có ứng
dụng robot công nghiệp dạng phỏng sinh. Dƣới đây giới thiệu một số quá trình gia công
cơ khí cơ bản đƣợc ứng dụng robot.
1.4.1- Quá trình gia công cắt gọt
Hình 1.6 mô tả robot làm nhiệm vụ cấp phôi cho các máy gia công cắt gọt (tiện CNC).
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 20
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
Hình 1.6- Robot ứng dụng trong gia công cắt gọt.
Hình bên trái, robot cấp phôi (tháo/lắp) cho một máy tiện CNC. Hình bên phải, một ro
bot cấp phôi cho hai máy đánh bóng và một máy tiện.
Page 22
Luận văn Cao học
Trường ĐHBK Hà Nội
Khi dùng robot lắp ráp, yếu tố thời gian và độ chính xác định vị là vấn đề cơ bản và
quan trọng, nếu bằng thao tác thủ công, nhất là trong sản xuất hàng loạt, thì các yếu tố này
không thể bảo đảm. Hơn nữa, tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại công việc, nhiều loại
sản phẩm thì robot hoàn toàn đáp ứng đƣợc các yêu cầu này..
1.4.3- Quá trình hàn
Các quá trình hàn và nhiệt luyện thƣờng bao gồm nhiều nguyên công, bƣớc mà tại đó,
tính chất công việc rất nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy, robot công nghiệp đã
nhanh chóng đƣợc ứng dụng. Khi sử dụng robot vào quá trình hàn, đặc biệt là hàn hồ
quang, với mối hàn chạy theo đƣờng cong không gian, cần phải đảm bảo sao cho điều
chỉnh đƣợc phƣơng trục mỏ hàn đúng theo góc công nghệ và thích ứng theo đƣờng cong
đó; đồng thời khoảng cách từ đầu điện cực tới mối hàn luôn không đổi. Nhiệm vụ đó cần
đƣợc xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng hệ thống điều khiển có
liên hệ phản hồi để điều khiển các thông số chuyển động của đầu điện và chế độ hàn bằng
một chƣơng trình trong hệ điều khiển (trung tâm) thống nhất. Hình 1.9 giới thiệu một dây
chuyền hàn khung, vỏ ô tô bằng các robot hàn.
Hình 1.9- Robot ứng dụng hàn khung vỏ ô tô.
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 23
Trường ĐHBK Hà Nội
Hình 1.11- Robot ứng dụng các công việc đúc áp lực.
Hình 1.11 là ứng dụng hai robot trong dây chuyền đúc áp lực. Robot ở dƣới đảm
nhiệm năm loại công việc: múc và rót kim loại lỏng vào khuôn; tháo vật đúc ra khỏi
khuôn (sau khi thiết bị đúc tự động mở nửa khuôn và đẩy ra ngoài); mài sạch ba via; đƣa
vật đúc tới vị trí đặt thiết bị hút để hút sạch mạt kim loại; đặt sản phẩm lên băng tải
(chuyển ra nơi quy định). Robot ở trên đảm nhiệm hai loại công việc: làm sạch khuôn
bằng khí nén (sau khi robot thứ nhất tháo vật đúc ra); phun dầu bôi trơn khuôn.
Hình 1.12- Robot ứng dụng cấp phôi trong gia công áp lực.
Học viên: Nguyễn Bá Ân
Page 25
Copyright: Tài liệu đại học ©