Tài liệu Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án, tác giả luôn nhận được sự dạy bảo của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân, đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi, GS.TS Trần Văn Địch đã tận tình dạy bảo, hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt khoá học. Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích của các thầy đã giúp tôi có định hướng và tiếp cận tốt hơn với nội dung của đề tài để có thể hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp tôi có thể tra cứu, sưu tầm tài liệu và đóng góp ý kiến để tôi hoàn thành tốt luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt khoá học. NGHIÊN CỨU SINH Đỗ Anh Tuấn 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp” đều do tôi tự thực hiện hoặc đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi và GS.TS Trần Văn Địch. Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu khác. Không hề có sự sao chép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. TM TẬP THỂ HD NGHIÊN CỨU SINH PGS. TS Phan Bùi Khôi Đỗ Anh Tuấn 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ 1 LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. 2 MỤC LỤC ............................................................................................................................. 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ 6 DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 8 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ 9 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 11 1. 2. TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT........................... 16 1.1 Giới thiệu cấu trúc robot công nghiệp .................................................................. 16 1.2 Thao tác của robot công nghiệp ............................................................................ 18 1.3 Độ chính xác của robot công nghiệp..................................................................... 21 1.3.1 Tổng quan về sai số và độ chính xác của robot ........................................... 21 1.3.2 Ảnh hưởng của sai số trong robot................................................................ 25 1.4 Một số nghiên cứu về sai số và độ chính xác của robot ....................................... 26 1.5 Hướng nghiên cứu của đề tài ................................................................................ 28 1.6 Kết luận chương 1 ................................................................................................. 31 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP ............................................... 32 2.1 Cơ sở khảo sát động học robot.............................................................................. 32 2.1.1 Tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất ............................ 32 2.1.2 Ma trận truyền ............................................................................................. 35 2.1.3 Phương pháp tam diện trùng theo ................................................................ 37 2.2 Thiết lập phương trình động học robot ................................................................. 38 2.2.1 Ma trận trạng thái khâu thao tác của robot .................................................. 38 2.2.2 Phương trình động học robot cấu trúc chuỗi hở .......................................... 40 2.2.3 Phương trình động học robot cấu trúc mạch vòng ...................................... 41 2.2.4 Phương trình động học robot cấu trúc song song ........................................ 45 2.3 Giải thuật và chương trình giải bài toán động học ................................................ 49 2.4 Khảo sát động học robot ....................................................................................... 49 2.4.1 Bài toán động học robot hàn điểm ............................................................... 49 2.4.2 Khảo sát động học robot hàn hồ quang ....................................................... 58 4 2.5 3. SAI SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA SAI SỐ .......................................... 64 3.1 Các nguồn gây ra sai số ........................................................................................ 65 3.1.1 Sai số hình học, động học ............................................................................ 65 3.1.2 Sai số phi hình học ...................................................................................... 68 3.2 Phương pháp mô hình hoá sai số .......................................................................... 70 3.2.1 Phương pháp vi phân ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất ........................... 70 3.2.2 Phương pháp vi phân phương trình động học ............................................. 76 3.3 4. Kết luận chương 2 ................................................................................................. 63 Kết luận chương 3: ................................................................................................ 83 KHẢO SÁT SAI SỐ ROBOT CÔNG NGHIỆP........................................................ 84 4.1 Giải thuật và chương trình tính toán sai lệch vị trí và hướng ............................... 84 4.2 Khảo sát sai số trong robot hàn điểm .................................................................... 86 4.2.1 Thiết lập mô hình khảo sát .......................................................................... 86 4.2.2 Kết quả khảo sát .......................................................................................... 86 4.3 Khảo sát sai số trong robot hàn hồ quang ............................................................. 88 4.4 Kết luận chương 4 ................................................................................................. 89 5. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SAI SỐ HÌNH HỌC, ĐỘNG HỌC CỦA KHÂU, KHỚP ROBOT ............................................................................................. 91 5.1 Cơ sở phương pháp xác định sai số của khâu, khớp ............................................. 91 5.1.1 Phương pháp ma trận giả nghịch đảo Moore-Penrose................................. 93 5.1.2 Phương pháp bình phương tối thiểu tuyến tính kết hợp giải thuật di truyền93 5.2 Giải thuật di truyền ............................................................................................... 95 5.2.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 95 5.2.2 Các khái niệm cơ bản .................................................................................. 96 5.2.3 Mô hình giải thuật di truyền ........................................................................ 97 5.2.4 Các tham số của GA .................................................................................... 98 5.2.5 Mã hoá NST ................................................................................................ 98 5.2.6 Khởi tạo quần thể ban đầu ......................................................................... 100 5.2.7 Các toán tử di truyền ................................................................................. 101 5.2.8 Chiến lược nạp lại quần thể ....................................................................... 104 5.3 Ứng dụng giải thuật di truyền xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp robot ............................................................................................................................ 104 5.3.1 Xác định sai số hình học, động học cho robot 2 bậc tự do: ....................... 105 5.3.2 Xác định sai số hình học, động học cho robot 6 tự do: ............................. 107 5.4 Kết luận chương 5 ............................................................................................... 113 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................................................. 114 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 118 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 121 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 123 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải nội dung Đơn vị ai Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox mm i Góc quay quanh trục ox rad CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing cij Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận Cqi cos(qi) Cqij cos(qi+qj) CNC Computer Numerical Control D-H Denavit-Hartenberg di Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz deM Véc tơ sai lệch vị trí và hướng khâu thao tác de Véc tơ sai số trong các khâu, khớp trung gian dq Véc tơ sai số động học ds Véc tơ sai số hình học dTi Vi phân của ma trận dTN Vi phân của ma trận TN e i 1 Ti Véc tơ gia số sai lệch vị trí và hướng của robot GA Genetic Algorithm – Giải thuật di truyền IR Industrial Robot n Số bậc tự do của robot NC mm Numerical Control p Véc tơ vị trí và hướng của khâu thao tác q Véc tơ tham số động học qi Biến khớp thứ i qi Vận tốc biến khớp thứ i rad/s qi Gia tốc biến khớp thứ i rad/s2 s Véc tơ tham số hình học Sqi sin(qi) rad 7 Sqij sin(qi+qj) t Thời gian i 1 Ti Ma trận truyền giữa khâu i-1 và khâu i TT Ma trận nghịch đảo của ma trận T TN Ma trận chuyền từ khâu n về khâu 0 s 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: Cấu trúc bảng dữ liệu các điểm hàn đối với hệ tọa độ đồ gá ........................................... 51 Bảng 2-2: Bảng tham số các điểm hàn đối với hệ tọa độ đồ gá ....................................................... 55 Bảng 2-3: Mô hình hóa đường cong mối hàn................................................................................... 60 Bảng 4-1: Giá trị sai số hình học, động học của robot ..................................................................... 88 Bảng 5-1: Bảng dữ liệu đo sai lệch ở những điểm khảo sát ............................................................. 92 Bảng 5-2: Dữ liệu đo sai lệch theo trục x và y: .............................................................................. 106 Bảng 5-3: Giá trị sai số hình học, động học của robot 2 bậc tự do ................................................ 107 Bảng 5-4: Bảng dữ liệu đo sai lệch tại 10 điểm đo ........................................................................ 108 Bảng 5-5: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 1 ................................ 109 Bảng 5-6: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 2 ................................ 110 Bảng 5-7: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 3 ................................ 110 Bảng 5-8: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 4 ................................ 111 Bảng 5-9: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 5 ................................ 111 9 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 0-1: Robot trên dây chuyền hàn thân xe ô tô ........................................................................... 11 Hình 0-2: Robot ứng dụng trong y tế ............................................................................................... 11 Hình 0-3: Robot ứng dụng rà phá bom mìn ..................................................................................... 12 Hình 1-1: Hình ảnh một số loại robot công nghiệp phổ biến ........................................................... 16 Hình 1-2: Các thành phần chính của robot công nghiệp. ................................................................. 17 Hình 1-3: Mô hình robot 3 bậc tự do................................................................................................ 19 Hình 1-4: Vị trí, hướng và quỹ đạo của khâu thao tác ..................................................................... 20 Hình 1-5: Quỹ đạo công nghệ của các mối hàn điểm ...................................................................... 20 Hình 1-6: Biểu diễn sai số do dung sai, biến dạng trong khâu ......................................................... 21 Hình 1-7: Sai số trong mô hình robot 1 khâu ................................................................................... 23 Hình 1-8: Sai lệch quỹ đạo của robot ............................................................................................... 25 Hình 1-9: Sai số trong robot gây ảnh hưởng đến vị trí mối hàn. ...................................................... 25 Hình 1-10: Sai số trong robot gây sai lệch vị trí và hướng của dụng cụ cắt gọt trong robot gia công. .......................................................................................................................................................... 26 Hình 2-1: Mô hình điểm P thuộc vật rắn .......................................................................................... 33 Hình 2-2: Các tham số động học D-H: q, d, a và  ........................................................................ 35 Hình 2-3: Các tham số động học theo phương pháp tọa độ suy rộng: a, b, c, α, β và  ................... 36 Hình 2-4: Mô hình hóa quỹ đạo hàn ................................................................................................ 38 Hình 2-5: Tam diện vuông gắn điểm hàn và súng hàn ..................................................................... 38 Hình 2-6: Robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở ...................................................................................... 40 Hình 2-7: Robot cấu trúc mạch vòng ............................................................................................... 42 Hình 2-8: Robot cấu trúc song song ................................................................................................. 45 Hình 2-9: Mạch động học chân 1 của robot song song ................................................................... 46 Hình 2-10: Dây chuyền robot hàn thân xe ô tô ................................................................................ 49 Hình 2-11: Mô hình cơ hệ robot hàn và thân xe ô tô trên dây chuyền hàn tự động ......................... 50 Hình 2-12: Robot hàn điểm 6 bậc tự do, các hệ tọa độ khâu ........................................................... 50 Hình 2-13: Các điểm hàn 1, 2, 3... ................................................................................................... 51 Hình 2-14: Tọa độ súng hàn theo phương x, y, z ............................................................................. 56 Hình 2-15: Hình ảnh mô phỏng động robot hàn thân xe ô tô khi đồ gá cố định .............................. 56 Hình 2-16: Hình ảnh mô phỏng động robot hàn thân xe ô tô khi đồ gá di động .............................. 58 Hình 2-17: Mô hình robot hàn hồ quang thực hiện mối hàn nối 2 ống dẫn khí ............................... 58 Hình 2-18: Quỹ đạo mũi hàn ............................................................................................................ 61 10 Hình 2-19: Tọa độ mũi hàn theo phương x, y, z .............................................................................. 62 Hình 2-20: Quy luật chuyển động của các khâu của robot. ............................................................. 62 Hình 2-21: Hình ảnh mô phỏng động robot hàn hồ quang ............................................................... 63 Hình 3-1: Các sai số trong khớp trượt .............................................................................................. 66 Hình 3-2: Các sai số trong khớp quay .............................................................................................. 67 Hình 3-3: Ước lượng sai lệch vị trí và hướng của một khớp quay ................................................... 67 Hình 3-4: Biểu diễn sai số theo phương pháp D-H .......................................................................... 71 Hình 3-5: Biểu diễn sai số theo phương pháp tọa độ suy rộng ........................................................ 71 Hình 3-6: Robot nối tiếp chuỗi hở có n khâu động .......................................................................... 73 Hình 4-1: Lưu đồ giải thuật tính sai lệch vị trí và hướng của robot ................................................. 85 Hình 4-2: Mô hình robot hàn thân xe và quỹ đạo các điểm hàn ...................................................... 86 Hình 4-3: Mô phỏng kiểm tra sai lệch của khâu thao tác do sai số a – khi không có sai số, b - khi có sai ..................................................................................................................................................... 87 Hình 4-4: Sai lệch về quỹ đạo điểm tác động cuối của robot ........................................................... 89 Hình 4-5: Sai lệch về quỹ đạo điểm tác động cuối của robot ........................................................... 89 Hình 5-1: Hình minh họa bình phương tối thiểu tuyến tính [35]. .................................................... 94 Hình 5-2: Sơ đồ mô tả giải thuật di truyền ....................................................................................... 97 Hình 5-3: Giao diện công cụ Genetic Algorithm trong Matlab [38] .............................................. 105 Hình 5-4: Robot 2 bậc tự do ........................................................................................................... 106 Hình 5-5: Kết quả xác định sai số cho robot 2 bậc tự do ............................................................... 107 Hình 5-6: Kết quả xác định sai số lần 1 ......................................................................................... 109 Hình 5-7: Kết quả xác định sai số lần 2 ......................................................................................... 110 Hình 5-8: Kết quả xác định sai số lần 3 ......................................................................................... 110 Hình 5-9: Kết quả xác định sai số lần 4 ......................................................................................... 111 Hình 5-10: Kết quả xác định sai số lần 5 ....................................................................................... 111 Hình 5-11: Lưu đồ thuật toán hiệu chuẩn robot ............................................................................. 112 11 MỞ ĐẦU Có một số định nghĩa khác nhau về robot, theo tài liệu [1], “Robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo gắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác. Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng”. Theo tài liệu [4], “Robot là máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ con người: có hình dạng giống người hoặc cánh tay người, có khả năng thao tác tự động, có khả năng bắt chước thao tác giống người”. Robot đã được nghiên cứu từ lâu, cho đến nay robot đã phát triển rất phong phú, đa dạng và ứng dụng hầu hết cho các ngành công nghiệp, nghiên cứu, phục vụ cuộc sống dân sinh cho đến an ninh quốc phòng. Phần lớn các robot được ứng dụng trong công nghiệp, do đó cũng có định nghĩa về robot công nghiệp (Industrial Robot – IR) như sau: “Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, được tích hợp từ nhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm: cơ cấu chấp hành, hệ thống dẫn động, hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt và hệ thống thông tin giám sát nhờ vậy robot công nghiệp có khả năng thao tác tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người” [4]. Do tính ứng dụng, hiệu quả cao, phạm vi ứng dụng đa dạng mà ngày nay, robot nói chung và robot công nghiệp nói riêng ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng nhưng trong hoạt động sản xuất: trong công nghiệp, y học, thám hiểm vũ trụ, đại dương, quân sự… Dưới đây là một số hình ảnh về một vài ứng dụng phổ biến của robot trong công nghiệp cũng như trong đời sống, quốc phòng: Hình 0-1: Robot trên dây chuyền hàn thân xe ô tô Hình 0-2: Robot ứng dụng trong y tế 12 Hình 0-3: Robot ứng dụng rà phá bom mìn Trong các lĩnh vực ứng dụng robot thì lĩnh vực công nghiệp trong các dây chuyền sản xuất là phổ biến nhất. Các robot công nghiệp được dùng để cấp và dỡ phôi cho các máy gia công CNC, tháo dỡ sản phẩm đúc, ép nhựa, di chuyển phôi, hàn, sơn, lắp ráp và cả những công việc gia công cắt gọt như khoan, phay… Việc ứng dụng robot trong công nghiệp là nhằm mục tiêu nâng cao năng suất, chất lượng, tính cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc và thay thế sức lao động của con người, đặc biệt là với những công việc nặng nhọc, độc hại, nguy hiểm với con người... Sự cạnh tranh hàng hóa, nhu cầu tiêu dùng của con người đã đòi hỏi quá trình sản xuất ra sản phẩm phải nâng cao năng suất, linh hoạt khi thay đổi đối tượng công nghệ, do vậy cần phát triển các hệ thống sản xuất linh hoạt mà trong đó, ngoài các máy công cụ điều khiển số ra thì robot công nghiệp là bộ phận rất quan trọng trong những hệ thống tự động sản xuất linh hoạt đó. Như vậy có thể thấy rằng robot công nghiệp là đa dạng, ứng dụng của nó ngày càng mở rộng và tầm quan trọng của nó ngày càng cao trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống. Lý do chọn đề tài Như đã trình bày ở trên, robot là một thiết bị có cấu tạo phức tạp, được tạo nên từ nhiều phần tử thuộc một số lĩnh vực khác khau nên các nghiên cứu về robot cũng rất đa dạng: các nghiên cứu liên quan tới cơ cấu chấp hành như nghiên cứu về động học, động lực học cơ cấu chấp hành, nghiên cứu về vật liệu chế tạo, bộ truyền và các nghiên cứu về điều khiển robot... Các nghiên cứu về động học robot nhằm đưa ra được mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng cho chuyển động của khâu thao tác với chuyển động của các khâu trước nó, đồng thời cũng nghiên cứu về các phương pháp giải bài toán động học (bài toán động học thuận và bài toán động học ngược) robot để tìm ra quy luật chuyển động, vận tốc và gia tốc của khâu thao tác hoặc quy luật chuyển động, vận tốc và gia tốc của các khâu trước nó. Các nghiên cứu về động lực học giúp ta xác định mối quan hệ giữa khối lượng, lực hoặc mô men tác động... với các thông số động học như vận tốc, gia tốc của các khâu, từ đó giúp ta phân tích và thiết kế hệ thống dẫn động, điều khiển robot. Các nghiên cứu về hệ thống dẫn động cho các khâu, khớp; hệ thống điều khiển gồm cả phần cứng và phần mềm, cũng được thực hiện để đảm đảo điều khiển robot được chính xác, nhanh và ổn định. Tuy nhiên, còn vấn đề quan trọng khác đó là vấn đề về sai số và sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot cũng cần phải được quan tâm nghiên cứu vì mức độ sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác của robot và do đó nó quyết định đến khả năng, tính ứng dụng của robot đó. 13 Như chúng ta biết, robot được cấu tạo từ nhiều khâu được liên kết với nhau bởi các khớp, trong đó có một khâu đầu tiên được cố định với nền gọi là giá robot – khâu 0, khâu thao tác được nối với khâu đầu tiên bởi các khâu trung gian, do vậy chuyển động của khâu thao tác là tổng hợp chuyển động của tất cả các khâu trung gian nối khâu thao tác với khâu đầu tiên (giá robot). Nếu chuyển động của tất cả các khâu là chính xác theo mong muốn thì chuyển động của khâu thao tác sẽ chính xác. Ngược lại, nếu chuyển động của các khâu trung gian mà không chính xác thì sẽ làm tích lũy sai lệch chuyển động tới khâu thao tác và gây ra sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác. Sai lệch chuyển động của các khâu trung gian phụ thuộc vào giá trị biến khớp đặt vào để điều khiển khâu đó, trong khi đó, biến khớp đặt vào điều khiển phụ thuộc vào lời giải bài toán động học, lời giải bài toán động học ngoài phụ thuộc vào phương pháp giải ra thì phụ thuộc vào chính các tham số hình học, động học các khâu khớp đó. Phương pháp giải bài toán động học là đúng nhưng giá trị các tham số hình học, động học khi thiết lập phương trình động học mà có sự sai khác (sai số) so với giá trị tham số hình học, động học thực tế của khâu, khớp mà nguyên nhân của sự sai khác giá trị tham số hình học, động học là do ta không thể xác định được chính xác tuyệt đối bởi vì: do dung sai chế tạo; biến dạng của khâu, khớp; giãn nở nhiệt, khe hở do chế tạo hoặc mòn trong quá trình làm việc... làm cho lời giải bài toán động học để xác định biến khớp điều khiển sẽ bị sai, do đó khi đưa giá trị biến khớp này vào điều khiển robot sẽ làm cho khâu thao tác bị sai lệch chuyển động và gây ra sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác: Với bài toán động học thuận, vị trí và hướng của khâu thao tác được xác định sẽ sai lệch so với thực tế. Với bài toán ngược, ứng với vị trí cần đạt được của khâu thao tác, giá trị các biến khớp được tính toán có thể sẽ sai lệch so với thực tế dẫn đến việc điều khiển robot không chính xác. Như vậy, sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian với sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác có mối quan hệ với nhau. Do vậy, việc nghiên cứu về sai số trong robot để tìm ra mối quan hệ giữa sai số hình học, động học trong các khâu, khớp robot với sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ứng dụng đối với lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và sử dụng robot. Vì lý do trên, đề tài “Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp” được tác giả lựa chọn trong khóa học nghiên cứu sinh. Mục đích nghiên cứu Xây dựng cơ sở khoa học để khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của sai số của các khâu, khớp trung gian đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot, hoặc ngược lại, xác định giá trị các sai số của các khâu, khớp trung gian khi đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác, là cơ sở để đảm bảo độ chính xác của robot. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là robot công nghiệp có cấu trúc nối tiếp chuỗi hở, cấu trúc mạch vòng và cấu trúc song song. Phạm vi nghiên cứu: qua nghiên cứu tài liệu đã được công bố tác giả nhận thấy rằng hầu hết các nghiên cứu về sai số và độ chính xác của robot tập trung vào các sai số hình học, động học [10, 13-17, 19, 20, 23, 25, 27, 30]; một số nghiên cứu chỉ ra rằng ảnh hưởng của sai số hình học, động học (các kích thước dài, kích thước góc và biến khớp của khâu, khớp) là lớn hơn nhiều so với sai số phi hình học (biến dạng đàn hồi, giãn nở nhiệt, độ mềm...) - khoảng hơn 95% [19, 30], 75% sai số ban đầu của một máy mới là do chế tạo và lắp ráp [31], sai số hình học tính bao gồm cả biến đổi nhiệt độ và tải trọng tĩnh có thể chiếm tới 70% tổng sai số [13]). Trong [20], khoảng 95% là do ảnh hưởng của các yếu tố sai số hình học, động học trên tổng sai số, ảnh hưởng của các yếu tố phi hình học là rất ít. 14 Do vây, trong luận án này, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu về các sai số hình học, động học ảnh hưởng đến sai lệch vị trí và hướng của robot. Cấu trúc của luận án Để đạt được mục đích nghiên cứu ở trên, cấu trúc của luận án bao gồm các chương như sau: Chương 1: Tổng quan về robot và độ chính xác của robot. Trong chương này luận án trình bày khái quát về robot công nghiệp, về sai số và độ chính xác, phân tích ảnh hưởng của sai lệch khâu thao tác của robot tới chất lượng sản phẩm mà robot đó thực hiện trong một số ứng dụng của robot và trình bày một số nghiên cứu trong và ngoài nước về sai số trong robot. Chương 2: Khảo sát động học robot công nghiệp. Nội dung chủ yếu của chương này là trình bày cơ sở khảo sát động học robot công nghiệp, thiết lập phương trình động học robot, xây dựng giải thuật và chương trình tính toán động học thuận và động học ngược của robot. Khảo sát động học của một số robot. Chương 3: Sai số và phương pháp mô hình hoá sai số. Trong chương này của luận án trình bày các nguồn gây ra sai số hình học, động học trong khâu, khớp robot. Đưa ra các mô hình sai số của khâu, khớp robot, xây dựng mô hình toán học các sai số hình học, động học của khâu, khớp và sai lệch vị trí, hướng khâu thao tác của robot. Chương 4: Khảo sát sai số robot công nghiệp. Nội dung của chương này là đưa ra thuật toán và chương trình phần mềm để khảo sát sự ảnh hưởng của sai số hình học, động học của khâu, khớp tới sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của sai số này sẽ giúp cho người thiết kế đưa ra các yêu cầu về dung sai chế tạo một cách hợp lý, hài hòa từ ngay trong quá trình thiết kế một robot mới, nhờ vậy mà có thể hạ giá thành chế tạo nhưng robot vẫn đảm bảo tính năng làm việc tốt. Chương 5: Nghiên cứu phương pháp xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp robot. Nội dung của chương này thiết lập mối quan hệ về mặt toán học và vận dụng công cụ hiện đại để tìm giá trị của các sai số hình học, động học trong các khâu, khớp khi đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác. Kết quả và bàn luận. Kết luận và kiến nghị. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Xây dựng được giải thuật và chương trình tính toán động học của một số mô hình robot công nghiệp phổ biến, tiêu biểu. Xây dựng được mô hình sai số hình học, động học của một số cấu trúc robot công nghiệp phổ biến, phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu về vấn đề sai số trong robot công nghiệp. Mô hình sai số của robot mà luận án xây dựng được cho phép xác định, đánh giá hoặc dự đoán sai lệch, qua đó dự đoán được độ chính xác của robot trên cơ sở phạm vi sai số của các khâu, khớp robot đã được xác định. Đồng thời mô hình sai số của robot tạo điều kiện cho người thiết kế đề ra yêu cầu về dung sai của các khâu của robot một cách hợp lý trong quá trình thiết kế chế tạo nhằm đạt được điều kiện giới hạn về sai lệch của khâu thao tác. 15 Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả của luận án: Giải thuật và chương trình tính toán khảo sát động học; mô hình sai số hình học, động học; giải thuật và chương trình xác định sai số cho phép ứng dụng khi tính toán thiết kế, chế tạo robot công nghiệp nhằm đảm bảo cho robot đạt độ chính xác tốt hơn. 16 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT 1.1 Giới thiệu cấu trúc robot công nghiệp Robot công nghiệp (Industrial Robot - IR) là máy, thiết bị thao tác tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người [4]. Về mặt cơ học, robot là hệ nhiều vật, gọi là các khâu, nối với nhau bởi các khớp. Theo khả năng di động của robot người ta phân robot công nghiệp thành hai nhóm: Nhóm thứ nhất là tay máy robot, là robot có một khâu cố định được gọi là khâu “0”, các khâu nối với giá cố định thành chuỗi động học, khâu thao tác được gắn với bộ phận (dụng cụ) thao tác để thực hiện thao tác công nghệ hoặc phục vụ, do vậy khâu thao tác thường được gọi là khâu thao tác. Nhóm robot thứ hai gồm các robot có thể di chuyển trong không gian, trên mặt phẳng, thậm chí cả trong môi trường nước..., được gọi là robot di động. Luận án này tập trung nghiên cứu robot công nghiệp dạng tay máy, sau đây được gọi chung là robot công nghiệp. Theo cấu trúc động học của robot, robot công nghiệp có một số cấu trúc phổ biến như: robot có cấu trúc động học nối tiếp chuỗi hở, robot có cấu trúc động học mạch vòng và robot có cấu trúc động học song song. Dưới đây là hình ảnh một số loại robot công nghiệp phổ biến: 6 7 5 4 3 2 1 8 a) c) b) d) Hình 1-1: Hình ảnh một số loại robot công nghiệp phổ biến 17 Trên Hình 1-1 a là hình ảnh ví dụ một robot công nghiệp cấu trúc nối tiếp chuỗi hở của hãng Kuka được sử dụng để thực hiện các mối hàn điểm, robot gồm có 6 bậc tự do tương ứng có 6 khớp dẫn động; 1 – là khâu đầu tiên, khâu “0” được gắn cố định với sàn nhà; 2, 3,…6 là các khâu trung gian, 7 – là khâu thao tác, và 8 - là dụng cụ thao tác (súng hàn điểm) được gắn với khâu thao tác. Hình 1-1 b là một mô đun hàn thân xe ô tô gồm có 6 robot hàn điểm có giá đặt cố định để hàn các chi tiết rời của thân xe ô tô. Hình 1-1 c, d là robot cố định cấu trúc động học song song gồm có giá cố định, 3 chuỗi (chân) động học kín nối khâu thao tác với giá cố định. Robot có cấu trúc nối tiếp chuỗi hở có không gian làm việc lớn hơn, độ linh hoạt và tính tiện dụng cao hơn so với robot song song. Tuy nhiên, do chúng có cấu trúc nối tiếp chuỗi hở nên độ cứng vững và độ chính xác kém hơn so với robot song song. Các robot nối tiếp thường ứng dụng trong các trường hợp tải trọng nhỏ. Còn robot mạch vòng và robot song song thường ứng dụng trong các trường hợp yêu cầu mang tải trọng lớn, độ chính xác cao như: bàn máy trong các máy CNC, lắp ráp bản mạch điện tử, vi mạch… Tuy robot công nghiệp có một số cấu trúc động học khác nhau, nhưng cấu tạo chung của một robot công nghiệp thì tương tự nhau, bao gồm các thành phần chính như: kết cấu cơ khí (Cơ cấu chấp hành), hệ truyền động (các bộ phận dẫn động và công suất), hệ thống điều khiển có thể lập trình linh hoạt, các chương trình và các thiết bị nhận diện hay hệ thống cảm biến [4]. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như hình vẽ dưới đây: Cảm biến Giao diện và các phần mềm giao ế Hệ thống điều khiển và máy tính Hệ truyền động và công suất Các chương trình Cơ cấu chấp hành Dụng cụ thao tác Hình 1-2: Các thành phần chính của robot công nghiệp. - Cơ cấu chấp hành: Là bộ phận cơ khí bao gồm các khâu liên kết với nhau bởi các khớp (khâu đầu tiên được nối với giá, gọi là khâu "0", các khâu tiếp theo là khâu "1", "2", "3",… là các khâu trung gian, khâu thao tác được gắn với dụng cụ thao tác) và các bộ truyền động như bộ truyền bánh răng, bộ truyền đai, vít me,... Chuyển động của khâu thao tác là tổng hợp chuyển động của các khâu trung gian. Cơ cấu chấp hành có cấu tạo rất đa dạng (chuỗi hở, mạch vòng, song song), cấu trúc của robot được thể hiện qua cơ cấu chấp hành, nó quyết định khả năng làm việc của robot, tùy thuộc vào mục đích sử dụng trong dây chuyền công nghệ mà ta lựa chọn cấu trúc robot cho phù hợp. - Hệ truyền động và công suất: Các thiết bị tạo chuyển động cho robot, có thể là các thiết bị khí nén, thuỷ lực, động cơ điện. Đối với các chuyển động cần độ chính xác cao, yêu cầu gọn nhẹ người ta có thể dùng các loại nguồn truyền động là các motor bước, các motor servo. 18 - Bộ điều khiển (Controller): Là thành phần quan trọng quyết định khả năng hoạt động và độ chính xác của robot. Bộ phận này thông thường được tích hợp dưới dạng các board mạch điều khiển. - Cảm biến (Sensor): Là thiết bị chuyển các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện cung cấp cho hệ thống nhằm nâng cao khả năng linh hoạt và độ chính xác trong điều khiển. Như vậy Robot chính là một hệ thống điều khiển kín với vòng hồi tiếp (Feedback) được thực hiện từ tín hiêu thu về từ cảm biến. Các loại cảm biến thường gặp như: + Cảm biến quang. + Cảm biến vị trí và dịch chuyển. + Cảm biến đo góc. + Cảm biến vận tốc. + Cảm biến gia tốc và rung. + Cảm biến lực và biến dạng. - Các chương trình: Các chương trình luôn tương thích với các bộ điều khiển. Chính vì vậy các loại ngôn ngữ để viết chương trình điều khiển cho robot cũng khá đa dạng, có thể là ngôn ngữ viết cho vi xử lý (ngôn ngữ máy), ngôn ngữ viết cho PLC (của các hãng khác nhau), hay các ngôn ngữ trên máy tính như: Pascal, C, C++, Visual Basic, Maple, Matlab v.v… - Dụng cụ thao tác: là dụng cụ được gắn trên khâu thao tác của robot để thực hiện những nhiệm vụ mong muốn, dụng cụ thao tác của robot có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn... - Giao diện và các phần mềm giao tiếp: Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học). 1.2 Thao tác của robot công nghiệp Thao tác hay là sự hoạt động của robot công nghiệp là quá trình khâu thao tác thực hiện chuyển động và thực hiện thao tác công nghệ như: cắt, hàn, phay, sơn, di chuyển phôi... mà chuyển động của khâu thao tác nhật được là tổng hợp chuyển động của từ khâu đầu đến khâu cuối. Trên Hình 1-3 là một mô hình robot phục vụ cho một máy tiện CNC, có thể được dùng để cấp phôi và dỡ sản phẩm hoặc một số ứng dụng khác, gồm có 4 khâu, khâu "0" là khâu là giá cố định, các khâu "1", "2" là khâu trung gian, "3" là khâu thao tác được gắn lên nó dụng cụ thao tác là bàn tay kẹp 4. Như trên Hình 1-3 ta thấy rằng, khi chỉ có khâu "1" chuyển động đối với khâu "0" thì các khâu sau nó: khâu "2" và khâu thao tác "3" cũng sẽ chuyển động với cùng quy luật chuyển động của khâu "1"; khi chỉ có khâu "2" chuyển động thì khâu thao tác "3" có cùng quy luật chuyển động với khâu "2" và khi mà chỉ có khâu "3" chuyển động thì khâu "3" và dụng cụ thao tác 4 gắn trên nó có cùng quy luật chuyển động. Do vậy, khi tất cả các khâu 19 trung gian "1", "2" chuyển động thì chuyển động tuyệt đối của khâu thao tác "3" cũng chính là chuyển động của dụng cụ thao tác sẽ là tổng hợp chuyển động của các khâu trước nó. 2 3 1 4 0 Hình 1-3: Mô hình robot 3 bậc tự do. Đại lượng đặc trưng cho chuyển động của khâu thao tác được xác định bởi quy luật thay đổi vị trí, hướng, vận tốc và gia tốc trong không gian theo thời gian. Tuy nhiên, yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của thao tác trước hết là đại lượng vị trí và hướng của khâu thao tác. Trong các nghiên cứu về robot hầu hết đều hướng tới việc đảm bảo cho thao tác của robot đúng với sự điều khiển mong muốn, đây là điều rất quan trọng. Như chúng ta biết rằng, trạng thái một vật rắn trong không gian được xác định bởi vị trí và hướng của nó đối với một hệ tọa độ quy chiếu xác định. Trong robot, ta cần phải xác định vị trí và hướng của khâu thao tác đối với một hệ tọa độ quy chiếu cố định nào đó để kiểm soát và điều khiển chuyển động cho nó. Từ cấu trúc robot như đã giới thiệu ở phần trên, theo toán học, để xác định vị trí và hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ quy chiếu – gọi là cơ sở, được gắn tại giá robot – khâu 0, ta gắn vào mỗi khâu một hệ tọa độ và tại khâu thao tác ta cũng gắn vào một hệ tọa độ như ví dụ ở Hình 1-4. Sự chuyển động của các khâu trung gian để tạo nên chuyển động của khâu thao tác - tạo nên thao tác của robot được thể hiện qua mối quan hệ vị trí và hướng của hệ tọa độ trên khâu này so với hệ tọa độ trên khâu khác. Vị trí và hướng của mỗi khâu chính là vị trí và hướng của hệ tọa độ gắn lên nó, bằng toán học ta sẽ xác định được vị trí và hướng của hệ tọa độ sau so với hệ tọa độ liền kề trước nó. Cứ như vậy ta sẽ xác định được vị trí và hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cơ sở gắn tại giá robot. Sau khi xác định được vị trí và hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cơ sở phụ thuộc vào vị trí và hướng của các khâu trung gian. Nếu ta cho trước vị trí và hướng của các khâu trung gian tại từng thời điểm khác nhau, tương ứng ta sẽ tìm được vị trí và hướng của khâu thao tác tại từng thời điểm đó, đây là bài toán động học thuận. Trong trường hợp ngược lại, để thao tác của robot đạt được theo mong muốn thì cần phải điều khiển khâu thao tác theo quỹ đạo xác định, tức là đã xác định được vị trí và hướng tại từng thời điểm khác nhau của khâu thao tác (quy luật chuyển động của khâu thao tác), ta cần xác định vị trí và hướng của các khâu trung gian (quy luật chuyển động của các khâu trung gian) tại từng thời điểm đó, đây là bài toán động học ngược. 20 yi Quỹ đạo khâu thao tác xi zi Oi OE yE xE zE z0 y0 O0 x0 Hình 1-4: Vị trí, hướng và quỹ đạo của khâu thao tác Ta gọi quỹ đạo trong nghiên cứu về robot gồm quỹ đạo công nghệ và quỹ đạo của khâu thao tác. Quỹ đạo công nghệ là một đường trong không gian đi qua các điểm công nghệ và các điểm dẫn (điểm trung gian dẫn hướng cho dụng cụ gắn trên robot), tương tự như khái niệm đường dẫn dao trong lập trình gia công trên các máy CNC. Quỹ đạo công nghệ được tạo ra xuất phát từ yêu cầu nhiệm vụ công nghệ cụ thể để tạo ra các mối hàn, sơn, gia công cắt gọt hoặc láp ráp sản phẩm... Quỹ đạo khâu thao tác là một đường trong không gian thao tác của robot (vùng làm việc) mà điểm tác động cuối tại đầu mút của dụng cụ thao tác vạch ra khi robot được điều khiển bởi các thông số điều khiển đưa vào các khớp. 2 1 7 3 yE oE zE xE 4 Hình 1-5: Quỹ đạo công nghệ của các mối hàn5điểm 6 Trên Hình 1-5 là ví dụ minh họa khái niệm quỹ đạo công nghệ để thực hiện một số điểm hàn khi hàn thân xe ô tô. 1 – là các điểm hàn trên thân xe ô tô, 2 – chi tiết thân xe ô tô, 3 – quỹ đạo công nghệ, 4 – các điểm tựa, 5 – điểm tác động cuối (đầu súng hàn), 6 – là cánh tay robot và 7 – là súng hàn. Để thực hiện hàn các mối hàn tại các điểm hàn 1, cánh tay robot cần dẫn súng hàn đi qua các điểm tựa 3 và điểm hàn 1. Đường nối giữa các điểm hàn 1 và điểm tựa 3 gọi là quỹ đạo công nghệ. Còn đường đi thực tế của điểm tác động cuối 5 mà do cánh tay robot 6 dẫn súng hàn 7 gọi là quỹ đạo của khâu thao tác. Mong muốn của chúng ta là hai quỹ đạo này hoàn toàn trùng khít với nhau, khi đó các mối hàn được thực hiện tại đúng vị trí thiết kế để bảo chất lượng thân xe ô tô. Như vậy, việc đảm bảo thao tác của robot công nghiệp được chính xác theo quỹ đạo công nghệ đặt ra để thực hiện nhiệm vụ công nghệ là rất quan trọng. Tuy nhiên, trong kỹ