ĐỒ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử PHẦN 1 THIẾT kế mô HÌNH 3d ROBOT RRR sử dụng phần mền solidwork để thiết kế mô hình 3d của robot RRR

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ PHẦN 1: THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3D ROBOT RRR Sử dụng phần mền solidwork để thiết kế mơ hình 3D robot RRR 1.thiết kế khâu: Khâ u đế: Khâ u 1: Khâ u 2: Khâ u 3: 2.Các chi tiết khác Bá nh ră ng trụ c bá nh ră n Nắ p truyền bá nh ră ng Xylanh khí nén 3.các truyền động: Khớ p 1: Bộ truyền bá nh ră ng Khớ p 2: Bộ truyền bá nh ră ng Khớ p 3: Bộ truyền bá nh ră ng Tay kẹp: Sử dụ ng xylanh khí nén PHẦN 2: TÍNH TỐN ĐỘNH HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC ROBOT Cấ u hình robot RRR 1.bảng tham số DH a.Xây dựng hệ tọa độ DH:  Hệ tọ a độ O0 x0 y z 0: Gố c tọ a độ đặ t tạ i tâ m củ a khớ p độ ng thứ nhấ t Trụ c O0 z dọ c theo hướ ng củ a trụ c khớ p độ ng thứ nhấ t,hướ ng từ dướ i lên Trụ c O0 x0 có phương v ng gó c vớ i O z hướ ng từ ngồ i vao hình vẽ Trụ c O0 y xác định theo quy tắ c tam diện thuậ n  Hệ tọ a độ O1 x y z 1: Gố c tọ a độ đặ t tạ i tâ m củ a khớ p độ ng thứ Trụ c O1 z phương dọ c theo trụ c khớ p độ ng thứ hướ ng từ ngoà i hình vẽ Trụ c O1 x có phương nằ m đườ ng v ng gó c chung củ a trụ c O0 z O1 z hướ ng từ O0 tớ i O1 Trụ c O1 y xá c định theo quy tắ c tam diện thuậ n  Hệ tọ a độ O2 x y z 2: Gố c tọ a độ đặ t tạ i tâ m củ a khớ p độ ng thứ Trụ c O2 z phương dọ c theo trụ c khớ p độ ng thứ hướ ng từ ngồ i hình vẽ Trụ c O2 x có phương nằ m đườ ng v ng gó c chung củ a trụ c O1 z O2 z hướ ng từ O1 tớ i O2 Trụ c O2 y2 xác định theo quy tắ c tam diện thuậ n  Hệ tọ a độ O3 x y z 3: Gố c tọ a độ đặ t tạ i tâ m củ a tay kẹp Trụ c O3 z phương dọ c theo trụ c khớ p độ ng thứ hướ ng từ ngoà i hình vẽ Trụ c O3 x có phương nằ m đườ ng v ng gó c chung củ a trụ c O2 z O3 z hướ ng từ O2 tớ i O3 Trụ c O3 y xá c định theo quy tắ c tam diện thuậ n b.cách xác định tham số động học DH vị trí củ a hệ tọ a độ khớ p (Oxyz)i đố i vớ i hệ tọ a độ khớ p (Oxyz)i−1 đượ c xác định bở i tham số θi , d i, α i, a i sau: θi : gó c quay quanh trụ c z i−1 để trụ c x i−1 trù ng vớ i trụ c x ' i( x i /¿ x ' i ) d i : dịch chuyển tịnh tiế dọ c trụ c z i−1 để gố c tọ a độ Oi−1 chuyể đến O ' i giao điểm củ a trụ c x i trụ c z i−1 a i : dịch chuyển dọ c trụ c x i để điểm O ' i chuyển đến điểm O i α i : gó c quay quanh trụ c x i cho trụ c z ' i−1( z ' i−1 /¿ z i−1) trù ng vớ i trụ c z i c.bảng tham số động học DH di l1 0 θi q1 q2 q2 l2 l3 αi 90ᶱ 0  Cá c ma trậ n truyền: Ma trậ n truyền khâ u i so vớ i khâ u i-1: Ma trậ n truyền khâ u so vớ i khâ u 0: 2.bài toán động học thuận Cá c thong số đầ u o :q1, q2, q3 Thô ng số cầ n xá c định: điểm tá c độ ng cuố i P=( Px, Py,Pz),hướ ng củ a khâ u cuố i  Tọ a độ điểm tá c độ ng cuố i:  Hướ ng củ a khâ u thao tá c có ma trậ n cosin hướ ng: 3.bài tốn động học ngược Thô ng số đầ u o tọ a độ điểm tá c độ ng cuố i: P=( Px; Py; Pz) hướ ng khâ u cuố i Thô ng số cầ n xá c định:cá c biến khớ p (q1; q2; q3) Ta có ma trậ n cấ u hình củ a khâ u thao tá c: Trong a 14, a 24, a 34 cá c tọ a độ củ a điểm thao tá c E: a 14 = ,a 24= , a 34= Cò n a ijlà cá c phầ n tử củ a ma trậ cosin hướ ng củ a khâ u thao tá c Từ bà i toá n độ ng họ c thuậ n ta có cá c ma trậ n: (2) cho cá c phầ n tử (1,4) (2,4) củ a hai ma trậ n (1) (3) bằ ng ta đươc: Từ phương trình ma trậ n (3) ta suy ra ;  : = (8) (9) Mặ t c ta có  : (10) So sá nh phầ n tử cá c ô (1,4) , (2,4 ) (3,4) củ a cá c ma trậ n (9) (10) ta đượ c : 3.ma trận khối lượng suy rộng robot: = Trong : 4.Ma trận ly tâm coriolis : = Sử dụ ng phầ n mềm Maple nhâ n ta đượ c : 5.Thế robot Từ suy ra : 6.phuơng trình vi phân chuyển động khâu Thế biểu thứ c o phương trình Lagrange loạ i hai : Ta nhậ n đượ c hệ phương trình vi phâ n chuyển độ ng củ a robot ba khâ u khô ng gian : Khâ u 1 : Khâ u 2 : Khâ u 3 : PHẦN 4: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT 1.thiết kế quỹ đạo không gian khớp : Là xác định đườ ng biểu diễn củ a vị trí gó c khớ p(gó c quay củ a khớ p vớ i khớ p quay độ di chuyển củ a khớ p đố i vớ i khớ p tịnh tiến) theo thờ i gian di chuyển từ vị trí ban đầ u q 0(A) tớ i vị trí cuố i q c(B) thờ i gian t cvớ i q biến khớ p tổ ng t Quỹ đạ o di chuyển củ a khớ p giữ a hai vị trí thỏ a mã n điều kiện : vị trí ban đầ u vị trí cuố i cù ng, tố c độ tạ i vị trí ban đầ u tố c độ tạ i vị trí cuố i cù ng Do đa thứ c bậ c phù hợ p vớ i quỹ đạ o củ a khớ p robot: q i(t)=a i+ a1 i t +a2 i t +a 3i t giả thiết vậ n tố c tạ i điểm đầ u điểm cuố i bằ ng 0: q˙ i 0=0 ; q˙ ic=0 Ta có hệ phương trình: Giả i hệ ta đượ c cá c hệ số củ a phương trình quỹ đạ o Bài tốn cụ thể: cho điểm A(90; 0; 55) điểm B(0; 43.30; 120) Thờ i gian chuyển độ ng t c =5( s) Từ bà i toá n ngượ c ta xác định đượ c thong số biến khớ p:  hệ số củ a phương trình quỹ đạ o củ a khớ p 1: a 01 =0 =0 a 11 =10.8 a 21 =-1.44 a 31 Phương trình độ ng họ c củ a khâ u 1: Đườ ng biểu diễn vị trí, vậ n tố c gia tố c củ a khớ p thao tá c theo thờ i gian  Hệ số củ a phương trình quỹ đạ o củ a khớ p 2: a 02 =¿0 a 12=0 a 22=3.6 a 32=−0.48 Phương trình độ ng họ c củ a khâ u 2: Đườ ng biểu diễn vị trí, vậ n tố c gia tố c củ a khớ p thao tá c theo thờ i gian  Hệ số củ a phương trình quỹ đạ o củ a khớ p cuố i: a 03 =¿0 a 13=¿0 a 23=¿7.2 a 33=−0.96 Phương trình độ ng họ c củ a khâ u : Đườ ng biểu diễn vị trí, vậ n tố c gia tố c củ a khớ p thao tá c theo thờ i gian 2.thiết kế quỹ đạo không gian làm việc Tay robot di chuyển từ vi trí A( x A ; y A ; z A) khô ng gian m việc tớ i vị trí B( x B ; y B ; z B ) theo mộ t đườ ng thẳ ng ta có phương trình đườ ng thẳ ng AB có ng sau: Cho robot chuyển độ ng thờ i gian 5(s) từ vị trí A(90; 0; 55) tớ vị trí B(0; 43.3; 120) Tạ i vị trí A khớ p q 1=0, q 2=0, q 3=0 Phương trình đườ ng thẳ ng AB: PHẦN 5: ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 1.Hệ thống điều khiển phản hồi không gian khớp Chứ c nă ng củ a hệ thố ng điều khiển tạ o mộ t momen cầ n thiết để truyền độ ng khớ p robot đả m bả o khớ p robot bá m theo vị trí đặ t Sử dụ ng cấ u trú c điều khiển có ng tỉ lệ -tích phâ n- đạ o hà m (PID): Trong : :là sai số vị trí củ a khớ p robot : sai số tố c độ củ a khớ p robot =diag( K P 1, K P 2,…, K Pn) :ma trậ n đườ ng chéo hệ số khuếch đạ i từ ng khớ p riêng biệt K D=diag( K D 1, K D 2,…., K Dn):ma trậ n đườ ng chéo cá c hệ số đạ o hà m từ ng khớ p riêng biệt K I =diag( K I , K I 2,… K ¿): ma trậ n đườ ng chéo cá c hệ số tích phâ n từ ng khớ p riêng biệt Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển ổn định tuyệt đối toàn cục : Hệ tay má y vớ i phương trình độ ng lưc họ c có ng: Luậ t điều khiển có ng: Vớ i giả thiết bỏ qua nh phầ n củ a momen trọ ng lự c ta nhậ n đượ c hệ điều khiển vị ng kín: Xét hà m lyapunov có ng sau: Ta có M ma trậ n dương Vậ y V luô n khô ng â m Dạ o hà m V vớ i ε =q d−q ta có  : = Thà nh phầ n vecto đượ c viết ng ma trậ n : Trong có quan hệ vớ i M(q) sau : Vớ i S ma trậ n đố i xứ ng lệch nên Nên : =0 vậ y : ≤0 Bấ t đẳ ng thứ c cho thấ y hệ thố ng ổ n định tuyệt đố i 2.Các thao tác thực mô Khố i lượ ng củ a cá c khâ u : Khâ u đế m0=10 kg, khâ u 1m1=8 kg, khâ u m2=3 kg, khâ u m3=1.5 kg Phương trình độ ng lự c họ c robot có ng : Luậ n điều khiển có ng sau : Vớ i quỹ đạ o củ a cá c khớ p thiết lậ p phầ n thiết lậ p quỹ đạ o đả m bả o điểm tá c độ ng cuố i từ điểm A(90; 0; 55) tớ i điểm B(0; 43.30; 120) thờ i gian 5(s) Cá c hệ số khuếch đạ i tỉ lệ, tích phâ n đạ o hà m đượ c lự a chọ n sau : , Ta có mơ hình simulink củ a robot : Mơ hình điều khiển PID :  , Trong  : q d , v d tín hiệu quỹ đạ o đặ t vậ n tố c đặ t o cá c khớ p củ a robot đươc thiết lậ p phầ n thiết lậ p quỹ đạ o q, v cá c tín quỹ đọ a vậ n tố c phả n hồ i lạ i từ robot(quỹ đạ o thự c) đâ y ta sử dụ ng cá c khố i: +khố i Gain dù ng để khếch đạ i cá c tín hiệu đầ u o +khố i mux chậ p cá c tín hiệu đơn nh cá c tín hiệu tổ ng hợ p tá ch nh nhiều tín hiệu +khố i input, ouput đầ u o củ a tín hiệu +khố i hà m biểu diễn mộ t hà m tố n họ c có tín hiệu o cá c biến tín hiệu đầ u giá trị củ a hà m q d =(10.8*u(1)^2-1.44*u(1)^3)*pi/180 ; q d 2=(3.6*u(1)^2- 0.48*u(1)^3)*pi/180 q d 3=(7.2*u(1)^2-0.96*u(1)^3)*pi/180 v d 1=(21.6*u(1)-4.32*u(1)^2)*pi/180; v d 2=(7.2*u(1)-1.44*u(1)^2)*pi/180 v d 3=(14.4*u(1)-2.88*u(1)^2)*pi/180 + khố i scope hiển thị tín hiệu đầ u u q trình mơ phỏ ng theo thờ i gian + khố i thờ i gian đặ t giá trị bằ ng 5(s) 3.kết mô Sau mô phỏ ng ta đượ c kết đồ thị củ a cá c đườ ng đặ c tính củ a cá c biến: Mơ men củ a cá c khớ p theo thờ i gian Vị trí cá c khớ p theo thờ i gian Vậ n tố c cá c khớ p theo thờ i gian Sai số vị trí khớ p theo thờ i gian ... q d = (10 .8*u (1) ^2 -1. 44*u (1) ^3)*pi /18 0 ; q d 2=(3.6*u (1) ^2- 0.48*u (1) ^3)*pi /18 0 q d 3=(7.2*u (1) ^2-0.96*u (1) ^3)*pi /18 0 v d 1= ( 21. 6*u (1) -4.32*u (1) ^2)*pi /18 0; v d 2=(7.2*u (1) -1. 44*u (1) ^2)*pi /18 0 v... trậ n (9) (10 ) ta đượ c : (11 ) (12 ) (13 ) Bình phương hai vế củ a phương trình (11 ) (12 ) rồ i cộ ng lạ i ta đượ c : (14 ) Từ suy ra : (15 ) Kết hợ p (13 ) (15 ) ta có  : So sá nh phầ n tử (3 ,1) (3,2)... hai : Ta nhậ n đượ c hệ phương trình vi phâ n chuyển độ ng củ a robot ba khâ u khô ng gian : Khâ u 1? ?: Khâ u 2 : Khâ u 3 : PHẦN 4: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT 1 .thiết kế quỹ đạo không