LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hoàn thành luận án, tác giả nhận dạy bảo thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ, động viên gia đình, người thân, đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi, GS.TS Trần Văn Địch tận tình dạy bảo, hướng dẫn giúp đỡ suốt khoá học Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích thầy giúp có định hướng tiếp cận tốt với nội dung đề tài để hoàn thành luận án Tôi xin cảm ơn thầy cô giáo Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện giúp tra cứu, sưu tầm tài liệu đóng góp ý kiến để hoàn thành tốt luận án Cuối cùng, xin cảm ơn người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện giúp đỡ suốt khoá học NGHIÊN CỨU SINH Đỗ Anh Tuấn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận án “Mô hình hóa khảo sát sai số robot công nghiệp” tự thực đồng thực hướng dẫn tập thể cán hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi GS.TS Trần Văn Địch Để hoàn thành luận án này, sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo mà không dùng tài liệu khác Không có chép, gian lận kết công trình nghiên cứu khác NGHIÊN CỨU SINH Đỗ Anh Tuấn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT 15 1.1 Giới thiệu cấu trúc robot công nghiệp 15 1.2 Thao tác robot công nghiệp 17 1.3 Độ xác robot công nghiệp 20 1.3.1 Tổng quan sai số độ xác robot 20 1.3.2 Ảnh hưởng sai số robot 24 1.4 Một số nghiên cứu sai số độ xác robot 25 1.5 Hướng nghiên cứu đề tài 27 1.6 Kết luận chương 30 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP 31 2.1 Cơ sở khảo sát động học robot 31 2.1.1 Tọa độ ma trận biến đổi tọa độ 31 2.1.2 Ma trận truyền 34 2.1.3 Phương pháp tam diện trùng theo 36 2.2 Thiết lập phương trình động học robot 37 2.2.1 Ma trận trạng thái khâu thao tác robot 37 2.2.2 Phương trình động học robot cấu trúc chuỗi hở 39 2.2.3 Phương trình động học robot cấu trúc mạch vòng 40 2.2.4 Phương trình động học robot cấu trúc song song 44 2.3 Giải thuật chương trình giải toán động học 48 2.4 Khảo sát động học robot 48 2.4.1 Bài toán động học robot hàn điểm 48 2.4.2 Khảo sát động học robot hàn hồ quang 57 2.5 SAI SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA SAI SỐ 63 3.1 Các nguồn gây sai số 64 3.1.1 Sai số hình học, động học 64 3.1.2 Sai số phi hình học 67 3.2 Phương pháp mô hình hoá sai số 69 3.2.1 Phương pháp vi phân ma trận biến đổi tọa độ 69 3.2.2 Phương pháp vi phân phương trình động học 75 3.3 Kết luận chương 62 Kết luận chương 3: 82 KHẢO SÁT SAI SỐ ROBOT CÔNG NGHIỆP 84 4.1 Giải thuật chương trình tính toán sai lệch vị trí hướng 84 4.2 Khảo sát sai số robot hàn điểm 86 4.2.1 Thiết lập mô hình khảo sát 86 4.2.2 Kết khảo sát 86 4.3 Khảo sát sai số robot hàn hồ quang 88 4.4 Kết luận chương 89 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 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 96 5.2.3 Mô hình giải thuật di truyền 97 5.2.4 Các tham số 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 khâu, khớp robot 104 5.3.1 Xác định sai số hình học, động học cho robot bậc tự do: 105 5.3.2 Xác định sai số hình học, động học cho robot tự do: 107 5.4 Kết luận chương 113 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122 PHỤ LỤC 123 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải nội dung Ci cosi Cij cos(i+j) D-H Denavit-Hartenberg deM Véc tơ sai lệch vị trí hướng khâu thao tác de Véc tơ sai số khâu, khớp trung gian e Véc tơ gia số sai lệch vị trí hướng robot GA Đơn vị Genetic Algorithm – Giải thuật di truyền n Số bậc tự robot p Véc tơ vị trí hướng khâu thao tác q Véc tơ tham số động học (véc tơ tọa độ suy rộng biến khớp) qi Biến khớp thứ i qi Vận tốc biến khớp thứ i rad/s, mm/s qi Gia tốc biến khớp thứ i rad/s2, mm/s2 s Véc tơ tham số hình học Si sini Sij sin(i+j) t Thời gian i 1 Ti TN Ma trận truyền khâu i-1 khâu i Ma trận truyền từ khâu n khâu rad, mm s DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: Cấu trúc bảng liệu điểm hàn hệ tọa độ đồ gá 50 Bảng 2-2: Bảng tham số điểm hàn hệ tọa độ đồ gá 54 Bảng 2-3: Mô hình hóa đường cong mối hàn 59 Bảng 4-1: Giá trị sai số hình học, động học robot 88 Bảng 5-1: Bảng liệu đo sai lệch điểm khảo sát 92 Bảng 5-2: Trích lược giả thiết liệu đo sai lệch theo trục x y (mm) robot bậc tự do: 106 Bảng 5-3: Giá trị sai số hình học, động học robot bậc tự 107 Bảng 5-4: Bảng trích lược liệu sai lệch vị trí hướng 31 điểm khảo sát 108 Bảng 5-5: Kết xác định sai số 24 tham số hình học, động học lần 109 Bảng 5-6: Kết xác định sai số 24 tham số hình học, động học lần 110 Bảng 5-7: Kết xác định sai số 24 tham số hình học, động học lần 110 Bảng 5-8: Kết xác định sai số 24 tham số hình học, động học lần 111 Bảng 5-9: Kết xác định sai số 24 tham số hình học, động học lần 112 Bảng 5-10: Giá trị trung bình 24 sai số tham số hình học, động học sau lần chạy GA 112 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 0-1: Robot dây chuyền hàn thân xe ô tô 10 Hình 0-2: Robot ứng dụng y tế 10 Hình 0-3: Robot ứng dụng rà phá bom mìn 11 Hình 1-1: Hình ảnh số loại robot công nghiệp phổ biến 15 Hình 1-2: Các thành phần robot công nghiệp 16 Hình 1-3: Mô hình robot bậc tự 18 Hình 1-4: Vị trí, hướng quỹ đạo khâu thao tác 19 Hình 1-5: Quỹ đạo công nghệ mối hàn điểm 19 Hình 1-6: Biểu diễn sai số dung sai, biến dạng khâu 20 Hình 1-7: Sai số mô hình robot khâu 22 Hình 1-8: Sai lệch quỹ đạo robot 24 Hình 1-9: Sai số robot gây ảnh hưởng đến vị trí mối hàn 24 Hình 1-10: Sai số robot gây sai lệch vị trí hướng dụng cụ cắt gọt robot gia công 25 Hình 2-1: Mô hình điểm P thuộc vật rắn 32 Hình 2-2: Các tham số động học D-H: , d, a  34 Hình 2-3: Các tham số động học theo phương pháp tọa độ suy rộng: a, b, c, α, β  35 Hình 2-4: Mô hình hóa quỹ đạo hàn 37 Hình 2-5: Tam diện vuông gắn điểm hàn súng hàn 37 Hình 2-6: Robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở 39 Hình 2-7: Robot cấu trúc mạch vòng 41 Hình 2-8: Robot cấu trúc song song 44 Hình 2-9: Mạch động học chân robot song song 45 Hình 2-10: Dây chuyền robot hàn thân xe ô tô 48 Hình 2-11: Mô hình hệ robot hàn thân xe ô tô dây chuyền hàn tự động 49 Hình 2-12: Robot hàn điểm bậc tự do, hệ tọa độ khâu 49 Hình 2-13: Các điểm hàn 1, 2, 50 Hình 2-14: Tọa độ súng hàn theo phương x, y, z 55 Hình 2-15: Hình ảnh mô động robot hàn thân xe ô tô đồ gá cố định 55 Hình 2-16: Hình ảnh mô động robot hàn thân xe ô tô đồ gá di động 57 Hình 2-17: Mô hình robot hàn hồ quang thực mối hàn nối ống dẫn khí 57 Hình 2-18: Quỹ đạo mũi hàn 60 Hình 2-19: Tọa độ mũi hàn theo phương x, y, z 61 Hình 2-20: Quy luật chuyển động khâu robot 61 Hình 2-21: Hình ảnh mô động robot hàn hồ quang 62 Hình 3-1: Các sai số khớp trượt 65 Hình 3-2: Các sai số khớp quay 66 Hình 3-3: Ước lượng sai lệch vị trí hướng khớp quay 66 Hình 3-4: Biểu diễn sai số theo phương pháp D-H 70 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 hướng robot 85 Hình 4-2: Mô hình robot hàn thân xe quỹ đạo điểm hàn 86 Hình 4-3: Mô kiểm tra sai lệch khâu thao tác sai số a – sai số, b - có sai 87 Hình 4-4: Sai lệch quỹ đạo điểm tác động cuối robot 89 Hình 4-5: Sai lệch quỹ đạo điểm tác động cuối 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 Matlab [38] 105 Hình 5-4: Robot bậc tự 106 Hình 5-5: Kết xác định sai số cho robot bậc tự 107 Hình 5-6: Kết xác định sai số lần 109 Hình 5-7: Kết xác định sai số lần 110 Hình 5-8: Kết xác định sai số lần 110 Hình 5-9: Kết xác định sai số lần 111 Hình 5-10: Kết xác định sai số lần 111 Hình 5-11: Lưu đồ thuật toán hiệu chuẩn robot 113 10 MỞ ĐẦU Có số định nghĩa khác robot, theo tài liệu [1], “Robot công nghiệp tay máy đa mục tiêu, có số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo gắp phôi, dụng cụ vật dụng khác Do chương trình thao tác thay đổi nên thực nhiều nhiệm vụ đa dạng” Theo tài liệu [4], “Robot máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ người: có hình dạng giống người cánh tay người, có khả thao tác tự động, có khả bắt chước thao tác giống người” Robot nghiên cứu từ lâu, robot phát triển phong phú, đa dạng ứng dụng hầu hết cho ngành công nghiệp, nghiên cứu, phục vụ sống dân sinh an ninh quốc phòng Phần lớn robot ứng dụng công nghiệp, có định nghĩa robot công nghiệp (Industrial Robot – IR) sau: “Robot công nghiệp máy, thiết bị cố định di động, tích hợp từ nhiều phận phận bao gồm: cấu chấp hành, hệ thống dẫn động, hệ thống điều khiển theo chương trình có khả lập trình linh hoạt hệ thống thông tin giám sát nhờ robot công nghiệp có khả thao tác tự động linh hoạt, bắt chước chức lao động công nghiệp người” [4] Do tính ứng dụng, hiệu cao, phạm vi ứng dụng đa dạng mà ngày nay, robot nói chung robot công nghiệp nói riêng ngày quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi đời sống hoạt động sản xuất: công nghiệp, y học, thám hiểm vũ trụ, đại dương, quân sự… Dưới số hình ảnh vài ứng dụng phổ biến robot công nghiệp đời sống, quốc phòng: Hình 0-1: Robot dây chuyền hàn thân xe ô tô Hình 0-2: Robot ứng dụng y tế 130 Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0z (m) > Giá trị sai lệch vị trí tổng cộng theo ba trục (m): > Trường hợp 4: Đồ thị sai lệch vị trí khâu thao tác sai số khâu gây (1 – xanh: xác, - đỏ: có sai số): 131 m s s m Theo phương y Theo phương x m s Theo phương z Đồ thị sai lệch góc định hướng khâu thao tác (góc Các-đăng) sai số khâu (rad): rad rad s s Quanh trục x Quanh trục y 132 rad Quanh trục z Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0x (m) > Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0y (m) > Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0z (m) > Giá trị sai lệch vị trí tổng cộng theo ba trục (m): > s 133 Trường hợp 5: Đồ thị sai lệch vị trí khâu thao tác sai số khâu gây (1 – xanh: xác, - đỏ: có sai số): m s s m Theo phương x m Theo phương y 134 s Theo phương z Đồ thị sai lệch góc định hướng khâu thao tác (góc Các-đăng) sai số khâu (rad): rad rad s s Quanh trục x Quanh trục y rad Quanh trục z Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0x (m) s 135 > Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0y (m) > Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0z (m) > Giá trị sai lệch vị trí tổng cộng theo ba trục (m): > Trường hợp 6: 136 Đồ thị sai lệch vị trí khâu thao tác sai số khâu gây (1 – xanh: xác, - đỏ: có sai số): m s s m Theo phương x Theo phương y m s Theo phương z Đồ thị sai lệch góc định hướng khâu thao tác (góc Các-đăng) sai số khâu (rad): rad rad 137 s Quanh trục x rad Quanh trục y Quanh trục z Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0x (m) > Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0y (m) > s s 138 Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0z (m) > Giá trị sai lệch vị trí tổng cộng theo ba trục (m): > Trường hợp 7: Đồ thị sai lệch vị trí khâu thao tác sai số khâu gây (1 – xanh: xác, - đỏ: có sai số): m s s 139 m Theo phương y Theo phương mx s Theo phương z Đồ thị sai lệch góc định hướng khâu thao tác (góc Các-đăng) sai số khâu (rad): rad rad s s Quanh trục x Quanh trục y rad 140 Quanh trục z Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0x (m) > Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0y (m) > Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0z (m) > Giá trị sai lệch vị trí tổng cộng theo ba trục (m): > s 141 Trường hợp 8: Đồ thị sai lệch vị trí khâu thao tác sai số khâu, khớp gây (1 – xanh: xác, - đỏ: có sai số): m s s m Theo phương x m Theo phương y 142 s Theo phương z Đồ thị sai lệch góc định hướng khâu thao tác (góc Các-đăng) sai số khâu, khớp gây (rad): rad rad s s Quanh trục x Quanh trục y rad Quanh trục z s 143 Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0x (m) (m): > Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0y (m): > Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0z (m): > Giá trị sai lệch vị trí tổng cộng theo ba trục (m): > 144 Giá trị sai lệch hướng (góc) quanh trục 0x (rad): > Giá trị sai lệch hướng (góc) quanh trục 0y (rad): > Giá trị sai lệch hướng (góc) quanh trục 0z (rad): > ... ngược robot Khảo sát động học số robot Chương 3: Sai số phương pháp mô hình hoá sai số Trong chương luận án trình bày nguồn gây sai số hình học, động học khâu, khớp robot Đưa mô hình sai số khâu,... học số mô hình robot công nghiệp phổ biến, tiêu biểu 14 Xây dựng mô hình sai số hình học, động học số cấu trúc robot công nghiệp phổ biến, phục vụ cho việc giảng dạy nghiên cứu vấn đề sai số robot. .. theo sai số tồn đối tượng, dạng sai số mà người ta phân loại sai số robot: sai số hình học, động học sai số phi hình học [10, 13, 17, 19, 20, 23, 25, 27, 30] Sai số hình học, động học sai số dung