BÁO CÁO CHUYÊN đề đề TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP

tranquang141994@gmail.com TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HỐ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỌC PHẦN: ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ CNC Giảng viên hướng dẫn: sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp: TRỊNH THỊ KHÁNH LY ĐÀO DUY TRƯỜNG 18810000030 CLC-D13CNKTDK HÀ NỘI, 10/2021 tranquang141994@gmail.com tranquang141994@gmail.com Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU ĐỀ BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 1.1 Sơ lược phát triển robot công nghiệp 1.2 Hệ tọa độ robot công nghiệp (Coordinate frames): 1.3 Hệ thống điều khiển máy CNC 1.3.1 Cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN VỊ TRÍ CHO ROBOT 10 10 15 2.1 Bài tốn 15 2.2 Thiết lập hệ phương trình động học 15 2.2.1 Đặt hệ quy chiếu 15 2.2.2 Thiết lập hệ phương trình động học 18 2.3 Giải tốn động học thuận robot 19 2.4 Giải toán động học ngược robot 19 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT 21 3.1 Các khái niệm quỹ đạo chuyển động robot 21 3.2 Thiết kế quỹ đạo đa thức bậc 21 3.3 Tính tốn thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot 23 Kết luận 24 tranquang141994@gmail.com DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các hệ toại độ suy rộng robot Hình 1.2:Các thành phần hệ thống robot 10 Hình 1.3:Máy cnc 11 Hình 1.4:cấu trúc họat động hệ thống cnc 13 Hình 1.5:Quá trình điều khiển PID 14 Hình 2.1: Robot scara bậc tự 15 Hình 2.2: Đặt hệ quy chiếu khâu Robot 16 Hình 2.3: Tọa độ điểm cuối khâu thao tác 19 tranquang141994@gmail.com DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bảng D-H robot 17 tranquang141994@gmail.com ĐỀ BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ I Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot công nghiệp II Số liệu cho trước: ● Khâu 1: 𝑎1 = 750 (𝑚𝑚) ● Khâu 2: 𝑎2 = 600 (𝑚𝑚) ● Các góc quay θ1, θ2, θ4 (độ) ● Khoảng trượt 𝑑3 = 750 (𝑚𝑚) ● Chiều dài cần cố định 𝑑4 = 600 (𝑚𝑚) Hình 1: Scara bậc tự III Nội dung Giải toán động học thuận, động học ngược Robot công nghiệp Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot - Yêu cầu: thiết kế quỹ đạo không gian khớp - Quỹ đạo đa thức bậc 3 Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC tranquang141994@gmail.com LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, nghành điều khiển học tự động hóa có bước tiến quan trọng Q trình góp phần khơng nhỏ vào việc tăng suất lao động, giảm giá thành, tăng chát lượng độ đồng chất lượng, đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc người, đặc biệt số công việc có độ an tồn lao động thấp có tính độc hại cao Ngày nay, khái niệm “Dây chuyền sản xuất tự động” hay “Robot” – “Người máy” - “Tay máy” trở nên quen thuộc người Thế cách không lâu, thập niên đầu kỷ 20 khái niệm ý tưởng sơ khai trí tưởng tượng phong phú người Năm 1920 thuật ngữ “Robot” xuất tác phẩm khoa học viễn tưởng nhà soạn kapek Hiện nhiều nước robot phát triển hệ thống không theo hướng phục vụ sản xuất cơng nghiệp mà cịn theo hướng phục vụ sinh hoạt giải trí gia đình Khi thiết kế loại robot này, nhà thiết kế thêm cảm biến cảm nhận, giải thuật điều khiển thích nghi fuzzy logic với mục đích để robot thực nhiều nhiệm vụ đa dạng khác Với mong muốn tìm hiểu thiết kế hệ thống robot công nghiệp Nên dựa đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CƠNG NGHIỆP” em giải tốn động học thuận, động học ngược cho robot công nghiệp, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot, tìm hiểu cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC Tuy nhiên thời gian có hạn kiến thức chun mơn cịn hạn chế nên q trình thực báo cáo khơng thể tránh thiếu sót định Vì vậy, em mong trợ giúp đỡ, ý kiến thầy, cô tất bạn để báo cáo hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, Ngày …tháng 10 năm 2021 Sinh viên thực Trường Đào trường tranquang141994@gmail.com CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 1.1 Sơ lược phát triển robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa cơng việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots Karel Capek, vào năm 1921 Trong kịch này, Rossum trai ông ta chế tạo máy gần giống với người để phục vụ người Có lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật cấu, máy móc bắt chước hoạt động bắp người Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo loại máy tự động vạn gọi “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho loại thiết bị có dáng dấp vài chức tay người điều khiển tự động để thực số thao tác sản xuất Về mặt kỹ thuật, robot cơng nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) máy công cụ điều khiển số (NC-Numerically Controlled machine tool) Các cấu điều khiển từ xa (hay thiết bị kiểu chủ-tớ) phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ Người thao tác tách biệt khỏi khu vực phóng xạ tường có vài cửa quan sát để nhìn thấy công việc bên Các cấu điều khiển từ xa thay cho cánh tay người thao tác; gồm có kẹp bên (tớ) hai tay cầm bên (chủ) Cả hai, tay cầm kẹp, nối với cấu sáu bậc tự để tạo vị trí hướng tùy ý tay cầm kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển kẹp theo chuyển động tay cầm Vào khoảng năm 1949, máy công cụ điều khiển số đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công chi tiết ngành chế tạo máy bay Những robot thực chất nối kết khâu khí cấu điều khiển từ xa với khả lập trình máy cơng cụ điều khiển số Dưới điểm qua số thời điểm lịch sử phát triển người máy công nghiệp Một robot công nghiệp chế tạo robot Versatran công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian Mỹ xuất loại robot Unimate- 1900 dùng kỹ nghệ oto tranquang141994@gmail.com Tiếp theo Mỹ, nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh-1967, Thụy Điển Nhật-1968 theo quyền Mỹ; CHLB Đức- 1971; Pháp-1972; Ý-1973… Tính làm việc robot ngày nâng cao, khả nhận biết xử lý, Năm 1967 trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) chế tạo mẫu robot hoạt động theo mơ hình “mắt-tay”, có khả nhận biết định hướng bàn kẹp theo vị trí kẹp nhờ cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinati đưa loại robot điều khiển máy vi tính, gọi robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ tương lại) Robot nâng vật có khối lượng đến 40KG Có thể nói, robot tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày phong phú hệ thống điều khiển theo phương trình số kỹ thuật chế tạo cảm biến, cơng nghệ lập trình phát triển trí khơn nhân tạo, hệ chun gia… Trong năm sau này, việc nâng cao tính hoạt động robot không ngừng phát triển Các robot trang bị thêm loại cảm biến khác để nhận biết môi trường chung quanh, với thành tựu to lớn lĩnh vực Tin họcĐiện tử tạo hệ robot với nhiều tính đặc biệt, số lượng robot ngày gia tăng, giá thành ngày giảm Nhờ vậy, robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất đại 1.2 Hệ tọa độ robot công nghiệp (Coordinate frames): Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với qua khớp (joints), tạo thành xích động học xuất phát từ khâu (base) đứng yên Hệ tọa độ gắn với khâu gọi hệ tọa độ (hay hệ tọa độ chuẩn) Các hệ tọa độ trung gian khác gắn với khâu động gọi hệ tọa độ suy rộng Trong thời điểm hoạt động, tọa độ suy rộng xác định cấu hình robot chuyển dịch dài chuyển dịch góc khớp tịnh tiến khớp quay (hình 1.1) Các tọa độ suy rộng gọi biến khớp tranquang141994@gmail.com Hình 1.1: Các hệ toại độ suy rộng robot - Cấu trúc robot công nghiệp: Các thành phần robot cơng nghiệp: Một robot cơng nghiệp thường bao gồm thành phần như: cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, cảm biến, điều khiển, thiết bị dạy học, máy tính… phần mềm lập trình nên coi thành phần hệ thống robot Mối quan hệ thành phần robot hình 1.2 Hình 1.2:Các thành phần hệ thống robot 1.3 Hệ thống điều khiển máy CNC 1.3.1 Cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC (a) Lịch sử phát triển Máy công cụ loại máy khí gia cơng khn linh kiện để cấu tạo nên máy móc khác, có người cịn gọi máy cơng cụ máy mẹ có máy cơng cụ máy tiện, máy phay, máy cắt răng, máy khoan lỗ, máy tiện doa lỗ, máy cắt, máy bào… máy công cụ cnc phát minh phịng thí nghiệm MIT servormechanism vào năm 1952, sau với phát triển khoa học công nghệ, máy công cụ phát triển lên nhiều mặt khí, điều khiển để phù hợp với yêu cầu công nghệ kinh tế xuất máy công cụ, mà đặc biệt máy cnc nhanh chóng làm thay đổi sản xuất cơng nghiệp với tốc độ chóng mặt, với khả tăng xuất chất lượng đáng kinh ngạc bước ngoặt lớn công nghiệp nặng giới, giúp tiết kiệm lượng lớn nhân lực q trình gia cơng, tự động hoá dây chuyền sản xuất tranquang141994@gmail.com Hình 1.3:Máy cnc Để có phát triển nhanh chóng máy công cụ vậy, với khả phát triển mặt khí, việc phát triển điều khiển cho máy công cụ đặc biệt quan trọng định trực tiếp đến khả gia công máy Bộ điều khiển sử dụng máy công cụ, cụ thể máy CNC điều khiển số (Numerical Control) Điều khiển số đời với mục đích điều khiển q trình công nghệ gia công cắt gọt máy công cụ Về thực chất, trình tự động điều khiển hoạt động máy (như máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu chi tiết gia công, kho quản lý phôi sản phẩm…) sở liệu cung cấp dạng mã số nhị nguyên bao gồm chữ số, số thập phân, chữ số ký tự đặc biệt tạo nên chương trình làm việc thiết bị hay hệ thống Ban đầu, máy công cụ điểu khiển trực tiếp tay Khi đó, điều khiển máy công cụ đơn giản, chưa có Ở thời kỳ máy cơng cụ gia cơng chép hình đời, q trình gia cơng cắt gọt điều khiển theo chương trình kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình hệ thống thủy lực, cam điều khiển mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụng thành tiến Khoa học – Công nghệ, lĩnh vực điều khiển số tin học, cho phép nhà chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ hệ thống điều khiển cho phép thực trình gia cơng cách linh hoạt hơn, thích ứng với sản xuất đại mang lại hiệu kinh tế cao Đặc biệt hệ thống CNC điều khiển cịn tích hợp thêm với máy tính cơng nghiệp giúp q trình mơ phỏng, vận hành, theo dõi hệ thống CNC trở nên dễ dàng, thân thiện với người dùng (b) Cấu trúc phần cứng Các điều khiển trung tâm (Numerical Control Kernel) đơn vị hệ thống CNC, NCK đơn vị điều khiển động NCK bao gồm chương trình dịch, nội suy, điều khiển tăng/giảm tốc điều khiển vị trí thành phần quan trọng khơng hệ thống CNC mà cịn tranquang141994@gmail.com điều khiển vị trí điển hình, cần thiết để điều khiển động Có hai loại NCK NCK điều khiển tăng/giảm tốc trước nội suy sau nội suy - Chương trình dịch: Chương trình dịch modul phần mềm, dịch chương trình vào lệnh nội để di chuyển công cụ thực chức phụ trợ hệ thống CNC Một phần chương trình lập trình viên phát triển dựa biên dạng phần, điều kiện cắt, công cụ nhập vào CNC thông qua hệ thống giao diện người dùng xử lý trung tâm, sau tạo lệnh điều khiển cho trình điều khiển từ phần chương trình thơng qua giai đoạn khác nhau; tính tốn qng đường di chuyển việc dịch chương trình, tạo liệu riêng vận tốc cho trục nhờ nội suy, làm mịn vận tốc điều khiển Acc/Dcc tạo lệnh điều khiển vị trí Trong giai đoạn này, chương trình dịch coi nhiệm vụ đơn giản cho chuyển đổi G/M code để cấu trúc liệu hệ thống CNC dễ hiểu Tuy nhiên, việc thiết kế thực thông dịch biên dịch chương trình dịch nhiệm vụ lớn tồn diện, quy tắc lập hay ngữ pháp lập trình diễn tả sổ tay lập trình khái niệm điều hành hiển thị cẩm nang hoạt động cần xem xét phát triển trình thơng dịch Vì vậy, chương trình dịch số đại diện cho thấy khái niệm thiết kế khái niệm thiết kế khía cạnh chức CNC phần CNC, thường dành 50% tổng số thời gian để phát triển chương trình dịch Chương trình dịch đóng vai trị chuyển đổi phần chương trình người dùng thay đổi nội dung sang định dạng liệu nội để thực Để hiểu cấu trúc xử lý bên chương trình dịch, cần thiết để hiểu cấu trúc chương trình lệnh sử dụng Trong hệ thống CNC, hệ tọa độ khác nhau, chẳng hạn hệ tọa độ máy, hệ tọa độ phôi hệ tọa độ sở, hỗ trợ để thuận tiện cho chỉnh sửa chương trình thiết lập máy Ngồi ra, di chuyển, đối xứng, lấy tỷ lệ hệ tọa độ cung cấp sử dụng chức dễ dàng chỉnh sửa chương trình Để kiểm sốt cơng cụ chuyển động dọc theo đường thẳng, vòng cung, đường xoắn ốc, đường cong spline, chức nội suy lệnh G01, G02, G03, lệnh F- để xác định tốc độ cắt, lệnh S- để xác định tốc độ trục sử dụng Để thực chương trình mà hình dạng công cụ lắp ghép không khả quan, chức bù bán kính bù chiều dài dao cung cấp Hơn chức vĩ mô, gọi tranquang141994@gmail.com Hình 1.4:cấu trúc họat động hệ thống cnc “chức chu kỳ” cung cấp để tiện chỉnh sửa chương trình đơn giản hóa chương trình Gần đây, để thực u cầu gia công tốc độ cao gia công có độ xác cao, chức tiên tiến khác chức look-ahead, chức điều khiển feedforward, chức nội suy NURBS áp dụng Cuối cùng, chương trình dịch thực chức nói trên, bao gồm phân tích cú pháp, thực hiện, phát triển, thực vĩ mô xử lý lỗi Các chương trình dịch chuyển đổi khỗi liệu đọc từ nhớ văn vào liệu cấu trúc bên Dựa liệu giải thích, vị trí block tính tốn cách thực phép tốn khác xoay phối hợp công cụ bù lưu trữ nhớ Hệ thống điều khiển (c) PID Các thơng tin khối chương trình cho di chuyển trục máy cơng cụ thơng qua chương trình dịch, nội suy điều khiển Acc/Dcc trước truyền tới điều khiển vị trí Bộ điều khiển vị trí có độ trễ thời gian từ nội suy thực kiểm sốt thơng tin đầu vào để giảm thiểu sai số vị trí Bộ điều khiển PID sử dụng để làm việc Mặc dù lý thuyết điều khiển đại phát triển khác nhau, điều khiển PID sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp kiến trúc đơn giản dễ tranquang141994@gmail.com thực phần cứng hay phần mềm Hơn điều khiển PID dễ dàng thực hiện, mơ hình tốn học xác hệ thống khơng rõ ràng, có khả loại bỏ nhiễu tốt Tuy nhiên, điều khiển PID sử dụng cho hệ thống tuyến tính thời gian bất biến cần thiết để chỉnh tăng cách xác dựa động lực trình Khi trạng thái trình thay đổi thay đổi trọng lượng hệ thống, trình điểu chỉnh phải làm lại Ngoài ra, điều khiển PID có hạn chế áp dụng cho hệ thống SISO (Single Input Single Output) Hệ thống CNC hệ thống kiểm soát nhiều hai trục, nhiên sử dụng riêng điều khiển PID cho trục trục máy CNC thực kiểm soát độc lập dựa liệu nội suy nhỏ theo khoảng thời gian Bộ điều khiển PID tạo đầu đầu vào trình, mà làm cho lỗi (sự sai khác trình phản hồi đầu đầu tính tốn) khơng Q trình thể hình Hình 1.5:Quá trình điều khiển PID Chất lượng máy CNC quy việc thực điều khiển động cơ, Các điều khiển vị trí khơng kiểm sốt xác vị trí trục mà cịn kiểm sốt cố khác Đầu tiên điểm – điểm kiểm soát nơi đến nhanh xác vị trí mong muốn, rât quan trọng phụ thuộc vào đường trung gian Thứ hai điều khiển theo vị trí, quan trọng để trục chuyển động theo quỹ đạo xác Thứ ba điều khiển contour để giám sát contour trường hợp hệ thống đa trục Ở vị trí điều khiển, thuật tốn khác sử dụng để đáp ứng điều kiện điều khiển PID số điều khiển điển hình tranquang141994@gmail.com BÀI TỐN VỊ TRÍ CHO ROBOT CHƯƠNG 2: 2.1 Bài toán Hình 2.1: Robot scara bậc tự Số liệu hệ thống: ● Khâu 1: a1 = 750 (mm) ● Khâu 2: a2 = 600 (mm) ● Các góc quay θ1, θ2 (độ) ● Khoảng trượt d3 = 750 (mm) ● Chiều dài cần cố định d4 = 600 (mm) 2.2 Thiết lập hệ phương trình động học 2.2.1 Đặt hệ quy chiếu Từ (hình 2.1) ta nhận thấy mơ hình gồm có khâu động khớp động, từ ta thực đặt hệ quy chiếu theo phương pháp D-H (Denavit-Hartenberg) ❖ Hệ trục tọa độ theo quy tắc D-H: Khâu 0: Tại đế ta chọn hệ tọa độ 𝑥0𝑦0𝑧0 có trục 𝑧0 dọc theo trục khâu 0, 𝑥0 chon hình vẽ, 𝑦0 chọn theo quy tắc bàn tay phải Khâu 1: Ta chọn hệ tọa độ 𝑥1𝑦1𝑧1 có trục z1 dọc theo trục khớp nối khâu với khâu 2, 𝑥1 chọn song song theo khâu có hướng phía khâu 2, 𝑦1 xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt hình vẽ tranquang141994@gmail.com Khâu 2: Ta chọn hệ tọa độ 𝑥2𝑦2𝑧2 có trục z2 trùng trục khâu có hướng xuống phía dưới, 𝑥2 chọn dọc theo trục khâu hướng phía xa khâu 1, 𝑦2 xác định theo quy tắc bàn tay phải Khâu 3: Ta chọn hệ tọa độ 𝑥3𝑦3𝑧3 có trục 𝑧3 phương chiều với trục 𝑧2, 𝑥3 chọn song song chiều với 𝑥2 , 𝑦3 xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt hình vẽ Khâu 4: Ta chọn hệ 𝑥4𝑦4𝑧4 có trục 𝑧4 phương, chiều với trục 𝑧2, 𝑥4 chọn vng góc với trục 𝑧3 𝑧4, 𝑦4 xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt hình vẽ Hình 2.2 hệ quy chiếu động đặt khâu thông số động học theo quy ước D-H bảng 2.1 Hình 2.2: Đặt hệ quy chiếu khâu Robot Áp dụng nguyên tắc biến đổi tọa độ, em lập bảng D-H sau: tranquang141994@gmail.com Bảng 2.1: Bảng D-H robot Khớp θ𝑖 𝑑𝑖 𝑎𝑖 α𝑖 θ1 𝑑1 𝑎1 θ2 𝑑2 𝑎2 180 𝑑3 0 θ4 𝑑4 0 Ma trận dạng tổng quát D-H phép chuyển hệ tọa độ 𝑅𝑖−1 sang 𝑅𝑖 có dạng: [ 𝐴𝑖 = 𝑐θ𝑖 − 𝑠θ𝑖𝑐α𝑖 𝑠θ𝑖𝑠α𝑖 α𝑖𝑐θ𝑖 𝑠θ𝑖 𝑐θ𝑖𝑐α𝑖 − 𝑐θ𝑖𝑠α𝑖 α𝑖𝑠θ𝑖 0 𝑠α𝑖 𝑐α𝑖 𝑑𝑖 ] Như ta có ma trận biến đổi tọa độ Denavit-Hartenberg từ hệ Ri-1 Ri sau: A1 = [𝐶1 − 𝑆1 𝑎1𝐶1 𝑆1 𝐶1 𝑎1𝑆1 0 0 𝑑1 [ = 𝐶2 𝑆2 𝑎2𝐶2 𝑆2 − 𝐶2 𝑎2𝑆2 0 0 − 𝑑2 ] A3 = [1 0 0 0 0 0 𝑑3 ] [ A2 ] = 𝐶4 − 𝑆4 0 𝑆4 𝐶4 0 0 0 𝑑4 1 A4 ] Phép biến đổi biểu diễn tay robot so với thân robot ta có dạng sau: T4 = 0A11A22A33A4 [ = cos 𝑐𝑜𝑠 (θ1 + θ2 − θ4) sin 𝑠𝑖𝑛 (θ1 + θ2 − θ4) 𝑎1 cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + 𝑎2 cos 𝑐𝑜𝑠 (θ1 + θ2) sin 𝑠 (2.1) 2.2.2 Thiết lập hệ phương trình động học Giả thiết K, φ vị trí hướng khâu thao tác so với khâu sở Từ khâu sở sang khâu thao tác thực quay quanh trục z góc φ đồng thời tịnh tiến 𝑥𝐾, 𝑦𝐾, 𝑧𝐾.Vì vậy,ta có ma trận biểu diễn hướng vị trí khâu thao tác sau: [ 𝑇𝐾 = cos 𝑐𝑜𝑠 φ − sin 𝑠𝑖𝑛 φ 𝑥𝐾 sin 𝑠𝑖𝑛 φ cos 𝑐𝑜𝑠 φ 𝑦𝐾 0 0 𝑧𝐾 ] Ta có: 𝑇𝐾 = 0T4 suy ra: [cos 𝑐𝑜𝑠 φ (2.2) − sin 𝑠𝑖𝑛 φ 𝑥𝐾 sin 𝑠𝑖𝑛 φ cos 𝑐𝑜𝑠 φ 𝑦𝐾 0 0 𝑧𝐾 ] = [cos 𝑐𝑜𝑠 (θ1 tranquang141994@gmail.com Bằng cách so sánh phần tử tương ứng ma trận ta đưa hệ phương trình động học sau: {cos 𝑐𝑜𝑠 φ = cos 𝑐𝑜𝑠 (θ1 + θ2 − θ4) 𝑥𝐾 = 𝑎1 cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + 𝑎2 cos 𝑐𝑜𝑠 (θ1 + θ2) 𝑦𝐾 = 𝑎1 s (2.3) Nếu cho trước giá trị biến khớp thay đổi theo thời gian, vị trí hướng khâu công tác (bàn kẹp) Robot Scara thời điểm hoàn toàn xác định từ hệ phương trình (2.3) Hình 2.3: Tọa độ điểm cuối khâu thao tác 2.3 Giải toán động học thuận robot Đối với toán thuận ta cần tìm 𝑥𝐾, 𝑦𝐾, 𝑧𝐾 góc φ Từ hệ phương trình động học ta có: {cos 𝑐𝑜𝑠 φ = cos 𝑐𝑜𝑠 (θ1 + θ2 − θ4) 𝑥𝐾 = 𝑎1 cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + 𝑎2 cos 𝑐𝑜𝑠 (θ1 + θ2) 𝑦𝐾 = 𝑎1 sin 𝑠𝑖 (2.4) Thay số cho vào phương trình (2.4) ta có: ( ) ( ) {φ = cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + θ2 − θ4 𝑥𝐾 = 750 cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + 600 cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + θ2 𝑦𝐾 = 750 sin 𝑠𝑖𝑛 tranquang141994@gmail.com 2.4 Giải toán động học ngược robot Đối với toán ngược ta cần xác định θ1, θ2, θ4, 𝑑3 với 𝑥𝐾, 𝑦𝐾, 𝑧𝐾 biết, nhờ phương trình động học nên ta có: {𝑥𝐾 = 750 cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + 600 cos 𝑐𝑜𝑠 (θ1 + θ2) 𝑦𝐾 = 750 sin 𝑠𝑖𝑛 θ1 + 600 sin 𝑠𝑖𝑛 (θ1 + θ2) => 2 2 [ ( ) ( ) 𝑥𝐾 + 𝑦𝐾 = 𝑎1 + 𝑎2 + 2𝑎1𝑎2 cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + θ2 cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + sin 𝑠𝑖𝑛 θ1 + θ2 = 922500 cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + θ2 cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 + sin 𝑠𝑖𝑛 θ1 + θ2 [ ( ) 2 ( ) + sin 𝑠𝑖𝑛 θ1 sin 𝑠𝑖𝑛 θ1 900000 ] (2.5) => 𝑥𝐾 + 𝑦𝐾 = 𝑎1 + 𝑎2 + 2𝑎1𝑎2 cos 𝑐𝑜𝑠 θ2 = 922500 + 900000cos 𝑐𝑜𝑠 θ2 Suy ra: cos 𝑐𝑜𝑠 θ2 = 𝑥𝐾 + 𝑦𝐾 − 922500 900000 sin 𝑠𝑖𝑛 θ2 = ± − 𝑐𝑜𝑠 θ2 −1 sin𝑠𝑖𝑛 θ2 cos𝑐𝑜𝑠 θ2 => θ2 = 𝑡𝑔 Khi đó, từ 2.4 ta có: ( ) ( ) {𝑥𝐾 = 600 𝑐1𝑐2 − 𝑠1𝑠2 + 750𝑐1 𝑦𝐾 = 600 𝑠1𝑐2 + 𝑠2𝑐1 + 750𝑐1 Với: {𝑠1 = sin 𝑠𝑖𝑛 θ1 , 𝑠2 = sin 𝑠𝑖𝑛 θ2 𝑐1 = cos 𝑐𝑜𝑠 θ1 , 𝑐2 = cos 𝑐𝑜𝑠 θ2 (2.6) Từ hệ phương trình 2.6 ta có: |600𝑐2 + 750 = △ − 600𝑠2 600𝑠2 600𝑐2 + 750 | (600𝑐2 + 750) + (600𝑠2) | | ( ) △1 = 𝑥𝐾 − 600𝑠2 𝑦𝐾 600𝑐2 + 750 = 𝑥𝐾 600𝑐2 + 750 + 600𝑦𝐾𝑠2 => 𝑐1 = | ( ) 𝑥𝐾 600𝑐2 + 750 + 600𝑦𝐾𝑠2 2 (600𝑐2 + 750) + (𝑎2𝑠2) | ( ) △2 = 600𝑐2 + 750 𝑥𝐾 600𝑠2 𝑦𝐾 = 𝑦𝐾 600𝑐2 + 750 − 600𝑥𝐾𝑠2 = ] tranquang141994@gmail.com ( ) 𝑦𝐾 600𝑐2 + 750 − 600𝑥𝐾𝑠2 => 𝑠1 = 2 (600𝑐2 + 750) + (600𝑠2) −1 𝑠 => θ1 = 𝑡𝑔 ( 𝑐1 ) Từ 2.4 ta có: {θ4 = θ1 + θ2 − φ 𝑑3 = 𝑑1 + 𝑑2 − 600 − 𝑧𝑘 Từ ta có nghiệm toán ngược là: −1 𝑠 −1 sin𝑠𝑖𝑛 θ2 cos𝑐𝑜𝑠 θ2 {θ1 = 𝑡𝑔 ( 𝑐1 ) θ2 = 𝑡𝑔 Với: {cos 𝑐𝑜𝑠 θ2 = 𝑥𝐾 + 𝑦𝐾 − 922500 900000 θ4 = θ1 + θ2 − φ 𝑑3 = 𝑑1 + 𝑑2 − 600 − 𝑧𝑘 sin 𝑠𝑖𝑛 θ2 = ± − 𝑐𝑜𝑠 θ2 tranquang141994@gmail.com CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT 3.1 Các khái niệm quỹ đạo chuyển động robot Vấn đề thiết kế quỹ đạo chuyển động liên quan mật thiết đến toán điều khiển robot di chuyển từ vị trí đến vị trí khác không gian làm việc Đường quỹ đạo thiết kế lượng đặt cho hệ thống điều khiển vị trí robot Do độ xác quỹ đạo ảnh hưởng đến chất lượng di chuyển robot Thông thường, quỹ đạo dạng đa thức bậc cao đáp ứng yêu cầu vị trí, tốc độ, gia tốc điểm đoạn di chuyển Có hai kỹ thuật thiết kế quỹ đạo là: ● Thiết kế quỹ đọa không gian khớp ● Thiết kế quỹ đạo không gian thao tác Yêu cầu thiết kế quỹ đạo là: Khâu chấp hành phải đảm bảo qua điểm không gian làm việc di chuyển theo quỹ đạo xác định Quỹ đạo robot phải đường cong đảm bảo tính liên tục vị trí khoảng định Khơng có bước nhảy vận tốc, gia tốc Quỹ đạo thường đường cong thông thường Trên thực tế có nhiều quỹ đạo dạng đường cong dạng: Đa thức bậc 2: x(t)= a + bt + ct2 Đa thức bậc 3: x(t)= a + bt+ ct2 + dt3 Đa thức bậc cao: x(t)= a + bt + …… + ktn Trong chuyên đề em sử dụng dạng quỹ đạo đa thức bậc có dạng: X(t) = a + bt + ct2 + dt3 3.2 Thiết kế quỹ đạo đa thức bậc Thông thường quỹ đạo dạng đa thức bậc cao đáp dứng yêu cầu vị trí, tốc độ gia tốc điểm hai đoạn di chuyển Ở mục trình bày phương pháp thiết kế quỹ đạo đa thức bậc khơng gian khớp tranquang141994@gmail.com Từ vị trí ban đầu hướng tay robot, sử dụng phương trình động học ngược xác định giá trị biến khớp tương lai Bài toán thiết kế quỹ đạo cho khớp xác định đường biểu diễn vị trí khớp (góc quay khớp quay độ di chuyển khớp tịnh tiến) theo thời gian di chuyển từ vị trí ban đầu q0 đến vị trí cuối qc thời gian tc, với q biến khớp tổng quát Quỹ đạo chuyển động khớp hai vị trí thõa mãn điều kiện: vị trí ban đầu vị trí cuối cùng; tốc độ vị trí ban đầu vị trí cuối Do đa thức bậc thích hợp cho quỹ đạo khớp robot: 𝑞(𝑡) = 𝑎0 + 𝑎1𝑡 + 𝑎2𝑡 + 𝑎3𝑡 (3.1) Các điều kiện đầu cuối là: ( ) 𝑞(𝑡𝑐) = 𝑞𝑐 𝑞˙(𝑡0) = 𝑞˙0 𝑞˙(𝑡𝑐) = 𝑞˙𝑐 𝑞 𝑡0 = 𝑞0 (3.2) Trong thực tế, thường gặp trường hợp tốc độ vị trí ban đầu vị trí cuối khớp không: 𝑞˙0 = 0; 𝑞˙𝑐 = (3.3) Đạo hàm phương trình (3.1) ta có phương trình sau: 𝑞˙(𝑡) = 𝑎1 + 2𝑎2𝑡 + 3𝑎3𝑡 (3.4) Sử dụng điều kiện đầu cuối (2), ta có phương trình sau: ( ) 𝑞(𝑡𝑐) = 𝑎0 + 𝑎1𝑡𝑐 + 𝑎2𝑡𝑐 + 𝑎3𝑡𝑐 = 𝑞𝑐 𝑞˙(𝑡0) = 𝑎1 = 𝑞˙(𝑡𝑐) = 𝑎1 + 2𝑎2𝑡𝑐 + 3𝑎3𝑡𝑐 = 𝑞 𝑡0 = 𝑎0 = 𝑞0 (3.5) Giải hệ phương phương trình (3.5) xác định hệ số 𝑎0, 𝑎1, 𝑎2, 𝑎3 Từ quỹ đạo dạng đa thức (1) xác định vị trí đặt khớp thời điểm tranquang141994@gmail.com Những giá trị tín hiệu đặt cho điều khiển vị trí để truyền động khớp di chuyển đến vị trí tương ứng Trình tự tính tốn áp dụng độc lập cho khớp robot Trong trình làm việc, tất khớp robot di chuyển đồng thời từ vị trí ban đầu tới vị trí cuối khớp Khi robot di chuyển qua nhiều điểm, vị trí tốc độ điểm cuối đoạn giá trị ban đầu cho đoạn 3.3 Tính tốn thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot Theo sơ đồ cấu hình Robot bên trên, ta thiết kế quỹ đạo chuyển động cho khớp robot trục từ góc ban đầu 300 đến góc cuối 600 5s Và từ xác định góc quay khớp thời điểm tương ứng 1s, 2s, 3s 4s Sử dụng phương trình (5) với thay θ = 𝑞 ta có phương trình sau: θ(0) = 𝑎0 = 30 θ(5) = 𝑎0 + 𝑎15 + 𝑎25 + 𝑎35 = 60 θ˙(0) = 𝑎1 = θ˙(5) = 𝑎1 + 2𝑎25 + 3𝑎35 = Giải hệ phương trình hệ số đa thức quỹ đạo: 0 𝑎0 = 30 ; 𝑎1 = /𝑠; 𝑎2 = 3, /𝑠 ; 𝑎3 = − 0, 48 /𝑠 Phương trình biểu diễn vị trí (p), tốc độ (v) gia tốc (a) khớp có dạng: θ(𝑡) = 30 + 3, 6𝑡 − 0, 48 () = 7, 1, 44 ă() = 7, − 2, 88𝑡 Từ xác định góc quay khớp thời điểm 1s, 2s, 3s, 4s: θ(1) = 33, 12 θ(2) = 40, 56 θ(3) = 49, 44 θ(4) = 56, 88 (p) (v) (a) tranquang141994@gmail.com Kết luận Trong phần báo cáo trình bày hiểu biết tim hiểu thêm kiến thức mơn robot cơng nghiệp Ta biết robot công nghiệp đời mức độ phát triển qua từ thời kì Ngồi ta thấy ứng dụng thực tiễn chúng đời sống thực tế Trong khuôn khổ báo cáo e tìm hiểu tính tốn thiết kế theo yêu cầu đề Mặc dù em cố gắng tìm hiểu trình bày, nhiên thời gian cịn hạn chế nên khơng thể tránh thiếu sót Em mong thầy bạn góp ý để giúp báo cáo trở nên hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn tranquang141994@gmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Điều khiển robot công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, PGS TS Tô Đăng Hải [2] Robot công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – 2006, GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc [3] Nguyễn Mạnh Tiến Điều khiển robot Đề tài KHCN 4-10-03 Đại học Bách khoa Hà Nội Năm 2000 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC Sơ lược phát triển robot công nghiệp Hệ tọa độ robot công nghiệp (Coordinate frames): Hệ thống điều khiển máy CNC Cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC Lịch sử phát triển Cấu trúc phần cứng Hệ thống điều khiển PID BÀI TỐN VỊ TRÍ CHO ROBOT Bài tốn Thiết lập hệ phương trình động học Đặt hệ quy chiếu Thiết lập hệ phương trình động học Giải toán động học thuận robot Giải toán động học ngược robot THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT Các khái niệm quỹ đạo chuyển động robot Thiết kế quỹ đạo đa thức bậc Tính tốn thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot ... ngược robot 19 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT 21 3.1 Các khái niệm quỹ đạo chuyển động robot 21 3.2 Thiết kế quỹ đạo đa thức bậc 21 3.3 Tính toán thiết kế quỹ đạo chuyển động cho. .. trí cuối khớp Khi robot di chuyển qua nhiều điểm, vị trí tốc độ điểm cuối đoạn giá trị ban đầu cho đoạn 3.3 Tính tốn thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot Theo sơ đồ cấu hình Robot bên trên, ta... robot THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT Các khái niệm quỹ đạo chuyển động robot Thiết kế quỹ đạo đa thức bậc Tính tốn thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot