TIỂU LUẬN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT ppt

- Do mặt phẳng làm việc là mặt phẳng nghiêng 1 góc 45o lên điểm cuối của khâu thao tác di chuyển trong không gian 3 chiều.Ví dụ: Số bậc tự do của mô hình robot trong môn học  fi = 1 Vì

Mục lục

1 Tính toán số bậc tự do cần thiết

a Số bậc tự do cần thiết 4

b Các phương án thiết kế cấu trúc các khâu khớp 5

2 Xây dựng cấu trúc, thiết lập hệ phương trình động học của robot

a.Thiết lập hệ tọa độ theo quy tắc Denavit Hartenberg 13

b Giải bài toán động học 17

c Xây dựng quy luật chuyển động từng khâu 18

d Giải bài toán động học ngược 20

e Xây dựng quy luật chuyển động khâu thao tác E và giải bài toán động học ngược bằng phần mềm Maple 23

3 Tính toán lực 33

a Phân tích trạng thái tĩnh của robot – tính toán lực và momen tại các khớp 33

b.Tính lực và mô men dẫn động lớn nhất .38

3.Tính toán động lực học cho Robot Scara 38

a Các tham số động lực học b Tính động năng cho Robot 39

5 Thiết kế hệ dẫn động rô bốt 48

a Các thông số đầu vào của hệ dẫn động khâu cuối 48

6 THIẾT KẾ BỘ DDIEUF KHIỂN PD 50

7 MÔ PHỎNG ROBOT 56

LỜI NÓI ĐẦU

Ở một tầm nhìn rộng, trên thế giới khái niệm robot đã không còn mới mẻ nữa,thậm chí nó còn trở nên phổ biến ở những quốc gia phát triển Robot được nghiên cứu, chế tạo, phát triển để phục vụ những nhu cầu của con người, nên những chủng loại và kiểu dáng tương đối phong phú và đa dạng Công nghệ robot trên thế giới đã rất phát triển nhưng con người không muốn dừng lại ở đó và vẫn muốnđẩy mạnh phát triển hơn nữa cho robot, tiến đến giải phóng hoàn toàn sức lao động của con người

Ở tầm nhìn hẹp hơn, Với nước ta, một nước đang phát triển và đang trên con đường trở này một nước công nghiệp tiên tiến Robot lại là một trong những mảngkhông thể thiếu trong công nghiệp hiện đại Thế nên việc đào sâu nghiên cứu về robot đã được tiến hành từ rất sớm Tuy ra đời muộn hơn nhưng robot Việt Nam

đã và đang dần bắt kịp với các nước trên thế giới

Trong phạm vi đồ án sau đây, nhóm em xin đề cập đến những vấn đề cơ bản khi nghiên cứu một mô hình robot SCARA

Tuy còn thiếu xót, nhưng những phần cơ bản về điều khiển robot và robotics đều được trình bày trong đồ án này Mong thầy và các bạn có thể đóng góp ý kiến

để nhóm em hoàn thiện hơn nữa bài tập này

Trang 2

1 Tính toán số bậc tự do cần thiết

a Số bậc tự do cần thiết

Cơ cấu tay của robot phải được cấu tạo sao cho khâu cuối phải có vị trí nhất định nào đó và dễ dàng di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc Muốn vậy cơ cấu tay của robot phải đạt được một số bậc tự do chuyển động

Để tính số bậc tự do của robot thì ta có nhiều cách tính dưới đây ta đưa ra cách

tính dựa vào định lý Gruebler Theo Gruebler thì bậc tự do f được tính theo công

g

i i



(1.1) Trong đó :

kết trong không gian làm việc của robot ( = 4 ứng với không gian làm việc trongmặt phẳng,  = 6 ứng với không gian làm việc trong không gian)

- Do mặt phẳng làm việc là mặt phẳng nghiêng 1 góc 45o lên điểm cuối của khâu thao tác di chuyển trong không gian 3 chiều.

Ví dụ: Số bậc tự do của mô hình robot trong môn học

 fi = 1( Vì tất cả các khớp quay trong robot đều có 1 bậc tự do).

Bậc tự do của robot là :

Trang 4

0 1

g

i i

Từ các đề xuất trên nhóm em đã chọn có cấu RTRR để robot có thể làm việc linh hoạt trong không gian làm việc.

c.Thiết kế cấu trúc robot

Trang 6

Khâu đế

Khâu 1

Trang 8

Khâu 2

Khâu 3

Trang 10

Khâu cuối

2 Xây dựng cấu trúc, thiết lập hệ phương trình động học của robot

Ta thiết lập phương trình động học theo phương pháp ma trận Denavit Hartenberg

a Thiết lập hệ tọa độ theo quy tắc Denavit Hartenberg

- Theo quy tắc Denavit – Hartenberg ta xây dựng được hệ tọa độ khảo sátnhư trên hình vẽ:

- Khâu 0: đế ta chọn hệ tọa độ XoYoZo có trục Zo chọn trùng với khớpquay 1, trục Xo chọn tùy ý sao cho phù hợp nhất như hình vẽ , trục Yo chọntheo quay tắc tam diện thuận

- Khâu 1: ta chọn hệ tọa độ X1Y1Z1 có trục Z1 trùng với khớp quay 2, trục X1

ta chọn theo hướng Zo x Z1, trục Y1 chọn theo quay tắc tam diện thuận

- Khâu 2: ta chọn hệ tọa độ X2Y2Z2 có trục Z2 trùng với khớp tịnh tiến 3,trục X2 chọn theo đường vuông góc chung Z1 và Z2, Y2 chọn theo quy tắc tamdiện thuận

Trang 12

- Khâu 3: ta chọn hệ tọa độ X3Y3Z3 có trục Z3 trùng với khớp quay 4, trục

X3 ta chọn theo hướng Z2 x Z3, trục Y3 chọn theo quay tắc tam diện thuận

- Khâu 4: Ta chọn hẹ X4Y4Z4 có trục Z4 song song Z3 , trục X4 chọn theođường vuông góc chung Z3 và Z4, Y4 chọn theo quy tắc tam diện thuận

Thiết lập hệ phương trình động học của robot

Từ việc chọn hệ tọa độ ta có bảng DH sau:



có dạng như sau:

- Thay thông số của từng khâu trên bảng D-H ta tìm được các ma trận chuyển

tọa độ như sau:

Khâu 0 sang khâu 1:

0 1

Khâu 1 sang khâu 2:

1 2

q d q

os( )sin( ) os( ) sin( )sin( ) os( )sin( )sin( ) sin( ) os( ) os( ) os( )

0

E E

( )[3, 2] os( )sin( )sin( ) sin( ) os( ) 0 0

b Giải bài toán động học

 Giải bài toán động học thuận

Để tính toán với kết cấu robot của mình là a1=0.35(m),a2 =0.25,d4=0.25 (m)

- xác định vận tốc điểm tác động cuối và vận tốc góc khâu thao tác

Từ phương trình động ở trên ta rút ra ( với q=[q1, q2, q3,q4]T )

12 2 1 1 1 2 12 2 0

0 0 0

12 4 12 4 0

0 0

Đồ thị điểm tác động cuối (trong 12s)

Ta tính được vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối như sau:

2

 Vận tốc góc khâu cuối là:

      

d Giải bài toán động học ngược

Giải bằng phương pháp giải tích:

Có 2 giá trị cho hàm q ta chọn 1 giá trị khi tính toán, mô phỏng.2

Xét hệ phương trình trên, sử dụng các khai triển

E E

A (q)[1,1]= [1,1]

A (q)[1, 2] [1, 2]

Y Y

- Từ (2.1), (2.2), (2.3), (2.4) ta xác định được dưới dạng giải thức của các biến

khớp liên hệ với điểm tác động cuối, khi xác định được các biến khớp ngược lại ta tìm được các góc cardan

e Xây dựng quy luật chuyển động khâu thao tác E và giải bài toán động học ngược bằng phần mềm Maple

E E E

>

>

>

>

Trang 26

>

Trang 30

3 Tính toán lực

a Phân tích trạng thái tĩnh của robot – tính toán lực và momen tại các khớp

Ta có sơ đồ động học của robot:

00

r d

00289

280cos θsinθ01 θsinθ02

0 280sin θsinθ0 θsinθ0

77cos θsinθ01 θsinθ02

0 77sin θsinθ0 θsinθ0

0

r C

77 sin θsinθ0 θsinθ0 77 cos θsinθ0 θsinθ0 0

3,

0

20

Trang 36

b.Tính lực và mô men dẫn động lớn nhất

Lực dẫn động lớn nhất khi ngoại lực tác dụng là lớn nhất, theo yêu cầu bài toán ta

có vật nặng nhất là 35kg = 350N

 Lực dẫn động lớn nhất 0F2,3Z = 350 + 30 = 380 N

3.Tính toán động lực học cho Robot Scara.

Trong quá trình di chuyển, robot tiếp xúc với môi trường sẽ sinh ra một lực cần

thiết để di chuyển và thực hiện công việc Mối quan hệ giữa lực, gia tốc, vật tốc của robot khi thực hiện chuyển động làm việc còn gọi là phương trình động lực học

Trong phương trình động lực học, lực , momen lực, là các tín hiệu đầu vào, dựa vào các phương trình động lực học sẽ xác định lực và momen các khớp để robot đạt vận tốc, gia tốc các khâu mong muốn Phương trình động lực học cũng dùng để đánh giá ảnh hưởng của tải lên di chuyển của robot, giải bài toán động lực học sẽ nhân được các chuyển động của robot, với các đầu vào là lực và momen, giúp hỗ trợ bài toán

điều khiển sau này

Phương trình Lagrange:

Phương trình vi phân chuyển động của robot được xây dựng theo phương trình

Lagrange loại II có dạng tổng quát như sau:

a Các tham s đ ng l c h c ố động lực học ộng lực học ực học ọc

q1= 1 , q2= 2 ; q3 = d3 ; q4 = 4  

b Tính động năng cho Robot.

Động năng của vật rắn được tính theo công thức:

v  r x y z 

.Xét với mô hình robot thực tế động năng của cánh tay robot có thể tính dưới dạng

ma trận:

' 1

1 2

1 1

1

( , , ) 2

Ti i Ti Ri ci Ri i

trong hệ tọa độ động Giả thiết các thành phần quán tính ly tâm Jxy,

Với qq1 q2 q3 q4T θsinθ0 1 θsinθ0 2 d3 θsinθ0 4Tlà ma trận các biến khớp.

Vậy ta tìm ra được các ma trận quay jacobian

c c c

x y z

c c c

x y z

3 1

c c c

x y z

c

T c

c

c

T c

1 1

1

.2

1 2

Trong phương trình trên Q  i* τi Trong đó τithường là lực tác động để điều khiển

các khâu thương thì τiđăc trưng cho momen động cơ tại các khớp nối Vậy phương trình lagrange trên viết dưới dạng ma trân sẽ thành:

Trang 42

z

J J

z z T

z

J J J

z z T

z

J J J

Các thành phần còn lại của ma trận M(q) đều bằng 0.

Nhận thấy cách thành phần của ma trận M(q) chỉ liên quan đến biến khớp q2(θsinθ0 )2 , ta

tập trung quan tâm đến đạo hàm biến khớp q2(θsinθ0 )2 , xây dựng ma trận quán tính

rlà vecto trọng tâm khâu I trong hệ tọa độ cố định

Ta có thế năng của toàn hệ

tỉ số truyền cần quy đổi là u= 25

=> Công suất động cơ cần chọn là :P = 30.3,14 = 94.2 w

Tra bảng P1.3: trong sách Tính toán hệ dẫn động cơ khí Ta chọn độc cơ

4A71B8Y3 có công suât P = 250W

Bánh răng được thiế kế trong inventer

Trang 48

6 THIẾT KẾ BỘ DDIEUF KHIỂN PD Robot thường tự động thực hiện các nhiệm vụ dịch chuyểnhoặc các thao tác Cáchoạt động của robot thường được lập trình,việc thực hiện các nhiệm vụ thường làmthay đổi một phần hoặctoàn bộ vị trí của robot trong không gian Cóthể coi robot hiện đại như những người máy, có thể thực hiện các thao tácphức tạp, có độ chính xác cao.

Chức năng của hệ thống điều khiển là đảm bảo tay robot chuyển động bám theoquỹ đạo đặt trước trong môi trường làm việc Chuyển động của tay robot được thựchiện nhờ các hệ thống truyền động khớp robot Trên cơ sở đó, có hai dạng hệ thốngđiều khiển chuyển động: hệ thống điều khiển ở không gian khớp và hệ thống điềukhiển ở không gian làm việc

a Các dạng điều khiển robot:

Điều khiển không gian khớp

Trong bài toán này đối tượng điều khiển của chính là các vị trí của biến khớp (góc quay, hoặc tịnh tiến) Bộ điều khiển được thiết kế đảm bảo vị trí khớp luôn bámtheo vị trí đặt, tức là sai lệch vi trí khớp luôn hội tụ về không vời thời gian nhỏ nhất

Vị trí đặt của từng biến khớp được xác định nhờ giải bài toán động học ngược xácđịnh giá trị của từng biến khớp Nhìn chung hệ thống điều khiển này tác động trựctiếp giá trị của các biến khớp nên khá đơn giản, tuy nhiên tồn tại sai số vị trí của taymáy tương đối lớn do sai số phụ (khe hở hộp giảm tốc, tỷ số truyền hộp, )

Sơ đồ hệ thống điều khiển theo không gian khớp.

Điều khiển trong không gian làm việc:

Hệ thống điều khiển trong không gian làm việc có chức năng duy trì trực tiếp sailệch vị trí của tay robot trong không gian làm việc bằng 0 Lượng đặt của hệ thốngđiều khiển là vị trí đặt tay trong không gian làm việc và lượng phản hồi vị trí thựccủa tay máy Khâu tính toán động học ngược sẽ thuộc mạch vòng điều khiển phảnhồi Ưu điểm của phương pháp điều khiển này là tác động trực tiếp vào các biếnkhông gian làm việc Nhược điểm là khối lượng tính toán lớn do tồn tại khâu tínhtoán động học ngược trong mạch vòng điều khiển.

b Xét trên mô hình SCARA

Trong mô hình robot scara này chúng ta chọn hệ thống điều khiển theo khônggian khớp do khối lượng của bài toán điều khiển không gian làm việc rất lớn

Sau đây ta tiến hành xây dựng và thiết kế bộ điều khiển phản hồi PD cổ điển Với vịtrí biến khớp đặt là kết quả tính toán của phần thiết kế quỹ đạo chuyển động

Hệ thống điều khiển phản hồi

Khi thiết kế hệ thống điều khiển, có thể bỏ qua động học của cơ cấu chấphành: quán tính của động cơ và bộ biến đổi Như vậy chức năng của bộ điều khiển làtạo ra một momen cần thiết để truyền động khớp robot đảm bảo khớp robot luônbám theo vị trí đặt,

Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển phản hồi robot được trình bày nhưsau :

Trang 50

Với luật điều khiển này lực/mô men của các bộ phận dẫn động được tính như sau:

Tín hiệu đặt vị trí qd được so sánh với vị trí thực của khớp q, sai lệch được đặt vàokhâu khuếch đại với hệ số Kp Tín hiệu ra của khâu tỉ lệ được cộng đại số với tínhiệu tỉ lệ với tốc độ của khớp và đặt cơ cấu chấp hành của robot:

Bất đẳng thức trên cho thấy rằng hệ thông ổn định tuyệt đối.mức độ dương của V L

phụ thuộc vào K p và mức độ âm của V L phụ thuộc vào K d Do đó tăng tốc độ hội tụbằng cách tăng giá trị ma trậnK d

7 MÔ PHỎNG ROBOT.

a.Mô phỏng robot trên phần mềm MATLAB – simulink

MATLAB là một bộ chương trình phần mền lớn được viết cho máy tính PCnhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học kĩ thuật với các phần tử cơ bản là các matrận Thuật ngữ Matlab là chữ viết tắt từ hai từ MATrix và LABoratory, thể hiệnđịnh hướng chính của chương trình là các phép tính vector và ma trận Phần cốt lõicủa chương trình bao gồm các hàm toán học, các chức năng xuất nhập cũng như cáckhả năng điều khiển chương trình

MATLAB cung cấp các toolbox vớiphạm vi chức năng chuyên dụng khácnhau Ví dụ như: một số toolbox liên quan tới điều khiển( control system

toolbox, Optimzation toolbox ) ; các toolbox liên quan tới lĩnh vực điện, cơ

khí

phỏng và khảo sát các hệ thống động học Giao diện đồ hoạ trên màn hình củaSIMULINK cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chứcnăng quen thuộc SIMULINK cung cấp cho người sử dụng một thư viện rấtphongphú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến vàgián đoạn

SIMMECHANICS là một công cụ của Matlab cho phép ng-ời dùng mô hình hoá được các chi tiết cơ khí, từ đó xây dựng được mô hình các bộ phận máy, các máy cơ khí

Tiến hành với robot SCARA :

Thiết kế mô hình robot :

Với định hướng xây dựng một mô hình robot đơn giản, mang tính tổng quát trongthực tế, khi thiết kế mô hình ta bỏ qua các chi tiết phức tạp, chú trọng đến khâu tácđộng cuối

Sử dụng phần mềm solidworks thiết kế mô hình robot đơn giản :

Tổng bố cục hệ thống điều khiển

Trang 56

Với mô hình đã xây dựng như trên Sử dụng import xuất file *.xml để liên kết sangsimulink ta sẽ được mô hình robot và hệ thống thêm các động cơ và sensor mô hìnhhóa

Tiếp tục xây dựng tín hiệu đặt theo thời gian như sau :

Trong các khối f(u) chứa tín hiệu đặt của vận tốc, vị trí Ta sử dụng kết quả của bàitoán thiết kế quỹ đạo.

Xây dựng mô hình bộ điều khiển PD

Trang 58

Như vậy chúng ta đã mô hình hóa robot Scara trên phần mềm tính toán toán họcMatlab Bây giờ chúng ta tiến hành mô phỏng và xem kết quả.

Kết quả mô phỏng robot

Kết quả quỹ đạo là đường bậc 3 như đã xác định

Trang 60

kết quả sai số lần lượt q q q q :1, , ,2 3 4

Sai số tương đối nhỏ (~ 10  3

) đạt yêu cầu đặt ra cho bộ điều khiển PD cổ điển

Vận tốc

Là vậntốc trong phần thiết kế quỹ đạo dạng đa thức bậc 3 Có dạng vt(0) = Vt(1)= 0Tuy có sự sai số nhưng rất nhỏ và không đáng kể so với vận tốc đặt

Trang 62

KẾT LUẬN

Như vậy chúng ta đã hoàn thành tính toán, thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng cho mô hình robot SCARA.Các tính toán được thực hiện chủ yếu trên phần mềm tính toán Maple, Matlab

Trong khuôn khổ môn học này, nhìn chung các mảng của robot đều được đề cập một cách sâu nhất có thể Đem đến những cái nhìn cơ bản về robot và bộ điều khiển.Trong quá trình làm việc nhóm để hoàn thành bài tập lớn này chúng em đã học hỏi

và tích lũy được nhiều kiến thức.Dù đã cố gắng nghiên cứu tìm hiểu nhưng chúng

em vẫn còn nhiều chỗ chưa được hoàn chỉnh.Chúng em mong rằng sẽ được bổ sung

và được sự nhận xét đánh giá của thầy ở buổi bảo vệ

Trong quá trình thực hiện đồ án nhóm chúng em nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của thầy Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy!