Thiết kế robot Scara 4 bậc tự do

` TRƯỜNG ĐẠI HỌC KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN KHOA CƠ KHÍ Bộ môn CƠ ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN MÔN HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP Sinh viên thực hiện PHẠM CÔNG ĐIỀU Lớp 54CĐT 01 Mã số sinh viên K185520114009 Giáo v.

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Lịch sử phát triển

 Thuật ngữ robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn Tiệp Khắc tên là Karel Capek

 Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động thực hiện một số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran

 Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau:

 Từ những năm 1950 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên

 Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran của công ty AMF

 Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ từ những năm

 Ở những nước Tây Âu khác như: Đức, Pháp, Ý, Thụy Điển thì bắt đầu chế tạo IR từ nhưng năm 1970

 Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng của IR từ những năm 1968

 Đến nay, trên thế giới có trên 600 công ty sản xuất IR trong số đó có 400 công ty của Nhật Bản, 130 công ty của Tây Âu,70 công ty của Mỹ và một số công ty của Nga, Tiệp Khắc … Trong đó 6/10 công ty sản xuất Robot lớn nhất thế giới của Nhật Bản

Cấu trúc chung của một Robot công nghiệp

Một RBCN được cấu thành bởi các hệ thống sau:

 Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

 Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

 Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

 Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát vá điều khiển hoạt động của robot [1,3].

Phân loại Robot công nghiệp

a) Phân loại theo kết cấu

 Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn:

 Chuyển động thẳng theo các hướng X, Y, Z trong không gian ba chiều thông thường tạo nên những khối hình có góc cạnh, gọi là Prismatic (P)

 Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu (R)

Với ba bậc tự do, robot sẽ hoạt động trong trường công tác tùy thuộc tổ hợp P và R ví dụ:

 PPP trường công tác là hộp chữ nhật hoặc lập phương

 RPP trường công tác là khối trụ

 RRP trường công tác là khối cầu

 RRR trường công tác là khối cầu b) Phân loại theo hệ thống truyền động

 Các dạng phổ biến là:

 Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC: Direct Current) hoặc các động cơ bước (step motor) Loại truyền động nay dễ điều khiển, kết cấu gọn

 Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển

 Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ nay làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định san với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP: Point To Point) [4] c) Phân loại theo ứng dụng

 Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự…

Hình 1.1: Robot phẫu thuật dùng trong y học

Hình 1.2: Robot dùng trong quân sự d) Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển

 Có 2 kiểu điều khiển Robot: điều khiển hở và điều khiển kín [2]:

 Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén, ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

 Điều khiển kín (điều khiển kiểu servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường(contour).

Ứng dụng của Robot

Robot được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống của con người, trong đó robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng và nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như:

 Phục vụ máy CNC và các hệ thống tự động linh hoạt

 Đảm nhận thực hiện cấp phôi phục vụ các nguyên công trong các dây chuyền sản xuất tự động

Hình 1.3 Ứng dụng của cánh tay Robot trong Lắp ráp

Hình 1.4 Ứng dụng của cánh tay Robot trong đóng gói sản phẩm

Tổng quan Robot gắp vật trên băng truyền trong sản xuất

 Robot gắp trong công nghiệp là tay máy tự động được đặt cố định hoặc di động bao gồm thiết bị dạng tay máy có số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng hoạt động và điều khiển trong quá trình sản xuất Robot gắp trong công nghiệp được cấu hình bởi các yếu tố sau:

1 Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tượng

2 Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành

3 Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

4 Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot Kết cấu tay máy gắp sản phẩm

5 Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của RBCN đó là thiết bị đảm bảo cho robot khả năng làm việc nâng hạ vật

6 Ban đầu người ta chế tạo tay máy phỏng tay người, còn hiện nay tay máy rất đa dạng và nhiều loại khác xa tay người tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay và khớp để chỉ các bộ phận của tay máy [3,5]

 Trong thiết kế tay máy người ta quan tấn đến các thông số ảnh hưởng khả năng làm việc:

1) Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay

2) Tầm với của vùng làm việc

3) Khả năng định vị, định hướng phần công tác

∗ Một số hình ảnh robot gắp sản phẩm trong công nghiệp

∗ Một số hình ảnh robot SCARA gắp sản phẩm trong công nghiệp

Hình 1.5 Một số robot chuỗi ứng dụng trong việc vận chuyển

Tổng quan về robot thiết kế

1.6.1 Mô tả nhiệm vụ của robot cần thiết kế

 Robot nằm giữa 2 băng tải, gắp vật(hàng) từ một vị trí cố định từ trước cho lên băng tải

 Vật được xếp theo chồng hình hộp chữ nhật có kích thước 250x180x150(mm), yêu cầu robot gắp thả vào băng tải để di chuyển hàng trong kho ra vị trí mới

 Băng tải có thể dịch chuyển đưa hàng được khoảng cách 10000mm

1.6.2 Thông sô được kỹ thuật cần đạt:

 Robot cần gắp hàng và đặt chính xác hàng vào băng tải

 Hạn chế tối đa sai sót khi vận hành, ổn định trong quá trình làm việc

 Chiều cao băng tải là 1200(mm)

 Vị trí để hàng cao hơn băng tải 150(mm)

 Khoảng cách giữa 2 vị trí có thể dịch chuyển là 800-1200(mm)

 Thiết kế robot dạng SCARA 4 bậc tự do phù hợp với nhiệm vụ này

 Có các trục vuông góc và song song để dễ dàng thực hiện gắp vật

 Thiết kế sao cho phù hợp với tính năng của robot

Hình 1.2 Sơ đồ thiết kế robot scara 2D

Kết luận

 Robot Scara có khả năng làm việc cao được ứng dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp, robot có cơ cấu đơn giản, dễ dàng trong việc tính toán và thiết kế, chế tạo và điều khiển hơn các loại robot khác Chi phí sản suất, vận hành bảo dưỡng thấp Cơ cấu đơn giản do vậy dễ chế tạo và được áp dụng nhiều trong phục sản suất.

ĐỘNG HỌC ROBOT

Xây dựng phương trình động học thuận

Cơ sở của phương pháp dựa trên quy tắc Denavit-Hartenberg (D-H) [2,3]: Gắn hệ tọa độ lên các khâu khớp Robot để hệ tọa độ đấy lập ra là duy nhất Đặt hệ trục tọa độ:

 Chọn Zi: Trùng với trục của khớp thứ i

 Chọn Xi: Phương nằm trên đường vuông góc chung của Zi và Zi-1, chiều từ khớp bé đến khớp lớn

 Trục Yi tuân theo quy tắc bàn tay phải

 Xác định các gốc tọa độ là giao của trục Xi và Zi.

Tổng hợp cấu trúc động học

2.2.1 Phác họa không gian làm việc

Bài toán động học thuận

Hình 2.2 Mô hình robot 2D gắn các hệ trục tọa độ

Trong đó θi: Là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục xi theo qui tắc bàn tay phải di: khoảng cách xi-1 và xi theo trục zi-1. ai: khoảng cách zi-1 và zi dọc trục xi αi: góc xoay đưa trục zi-1về zi quanh xi theo quy tắc bàn tay phải

Như vậy hệ trục thứ i sẽ mô tả ma trận vị trí và hướng so với hệ trục thứ i-1 thông qua phép biến đổi tọa độ thuần nhất DH như sau: i-1Ai = Rot(z,θ i ).Trans(z,di).Trans(x,ai).Rot(x,α i ) Hay

[ cos( 𝑖 ) − sin⁡( 𝑖 ) cos⁡( 𝑖 ) sin( 𝑖 ) cos( 𝑖 ) 𝑐𝑜𝑠( 𝑖 ) sin⁡( 𝑖 ) sin( 𝑖 ) 𝑎 𝑖 cos( 𝑖 )

- Giải ma trận A bằng matlab:

+ Khai báo các biến khớp qi :(q1, q2, q3)

+ Khai báo các biến di, ai:( d1, d3 , d4 , a1, a2)

Động học ngược robot

Cho vị trí và hướng của bàn kẹp tức là biết ma trận AP Cần phải xác định các biến khớp qi (i=1 4) theo vị trí và hướng bàn kẹp

- Input: Ma trận T là tích các ma trận thành phần 1

Ma trận A là tọa độ thực đã biết

1 Phạm Thành Long: Robot Công nghiệp, 2010 NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội – 2010 Trang 56

- Output: Kết quả của biến khớp qi (i = 1,2,3,4)

 Thông số đầu vào a10(mm) a2@0(mm) d1 00(mm) d3 0(mm) d4= ?(mm)

Hình 2.3 Ảnh bài toán động học thuận giải trên matlab

 Nếu ta xác định được giá trị của biến khớp thì vị trí và hướng của tay kẹp robot sẽ tìm được bằng cách xác định các giá trị các phần tử của 𝑇 4 0 theo các phương trình của hệ trên

Ma trận 𝑇 4 0 mô tả hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối đối với hệ tọa độ gốc Trong đó 𝑁⃗⃗ , 𝑆 , 𝐴 là các véc tơ chỉ phương của hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối,⁡𝑃⃗ là véc tơ điểm định vị vị trí của gốc tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối

- Ta sử dụng phần mềm Matlab để khai báo và nhân các ma trận:

Dưới đây là code matlab để khai báo và nhân các ma trận:

>> Aii1= [cos(th) -sin(th)*cos(ap) sin(th)*sin(ap) a*cos(th); sin(th) cos(th)*cos(ap) -cos(th)*sin(ap) a*sin(th); 0 sin(ap) cos(ap) d; 0 0 0 1]

Aii1 [ cos(th), -cos(ap)*sin(th), sin(ap)*sin(th), a*cos(th)]

[ sin(th), cos(ap)*cos(th), -sin(ap)*cos(th), a*sin(th)]

>> A01= [cos(th) -sin(th)*cos(ap) sin(th)*sin(ap) a*cos(th); sin(th) cos(th)*cos(ap) -cos(th)*sin(ap) a*sin(th); 0 sin(ap) cos(ap) d; 0 0 0 1]

T04 [ cos(q3)*(cos(q1)*sin(q2) + cos(q2)*sin(q1)) - sin(q3)*(cos(q1)*cos(q2) - sin(q1)*sin(q2)), - cos(q3)*(cos(q1)*cos(q2) - sin(q1)*sin(q2)) - sin(q3)*(cos(q1)*sin(q2) + cos(q2)*sin(q1)), 0, a1*cos(q1) + a2*cos(q1)*cos(q2) - a2*sin(q1)*sin(q2)]

[ - cos(q3)*(cos(q1)*cos(q2) - sin(q1)*sin(q2)) - sin(q3)*(cos(q1)*sin(q2) + cos(q2)*sin(q1)), sin(q3)*(cos(q1)*cos(q2) - sin(q1)*sin(q2)) - cos(q3)*(cos(q1)*sin(q2) + cos(q2)*sin(q1)), 0, a1*sin(q1) + a2*cos(q1)*sin(q2) + a2*cos(q2)*sin(q1)]

Các ma trận biến đổi thành phần như sau:

- Ma trận 4x4 mô tả vị trí và hướng chuyển đổi từ hệ tọa độ gốc O0 sang hệ tọa độ O1

- Ma trận 4x4 mô tả vị trí và hướng chuyển đổi từ hệ tọa độ O1 sang hệ tọa độ O2

Từ đó xác định được vị trí và hướng của khâu gốc đối với khâu cuối hệ trục tọa độ:

- Ma trận 4x4 mô tả vị trí và hướng chuyển đổi từ hệ tọa độ gốc O0 sang hệ tọa độ O5

] Đồng nhất hệ số với ma trận trên ta được hệ phương trình động học thuận của Robot sau:

2.4.2 Phương pháp giải bài toán giải bài toán động học ngược robot

 Sử dụng pháp số GRG Nonlinear để giải bài toán: Phương pháp này là tìm giá trị gần đúng nhất của biến khớp mà sai số của nó nằm trong phạm vi cho phép [3]

Cân bằng các phần tử của hai ma trận tọa độ lý thuyết và tọa độ thực ta có hệ phương trình

Bài toán cần giải động học ngược của cơ cấu là: cho biết vị trí tay kẹp so với các khớp q1 q2 … để xử lý bài toàn ta cần xử dụng tới excel Với các giá trị ta có như sau:

Từ ma trận 𝑇 4 0 ⁡ta được hệ phương trình động học nghịch:

Chúng ta đi tìm Min (L) 0 với L = i(Li)

Với a11, a14, a24, a34 là các tọa độ thực đã biết

2.4.3 Giải bài toán động học ngược trên excel

Bước 1: Nhập các dữ liệu cần thiết cho việc tính toán

 Dữ liệu về độ dài các khâu: a10mm, a2@0mm, d1 00 mm, d3 0mm

 Dữ liệu về Px,Py,Pz,Nx.Vì robot có 4 bậc tự do nên ta chỉ cần lấy 4 phương trình Khởi tạo các biến khớp q1, q2, q3, d4

 Khởi tạo các giá trị trong ma trận A: a11, a14, a24, a34

 Các giá trị đã biết của biến khớp:

Bước 2: Tính các giá trị L và tổng của chúng

Bước 3: Dùng công cụ Solver tìm biến khớp q1,q2,q3,d4

• Chọn gói công cụ Solver bằng đường dẫn

Hình 2.5 Chọn gói công cụ Solver

 Bật công cụ Solver trong Tab DATA lên và nhập dữ liệu

Hình 2.6 Giao diện excel khi sử dụng hàm Solver

Click chuột vào Options để thiết lập tiếp

 Thiết lập Tab All Methods

Hình 2.7 Thiết lập All Methods

 Thiết lập Tab GRG Nonlinear

Hình 2.8 Thiết lập GRG Nonlinear

Hình 2.9 Thiết lập Tab Evolutionary

+ Kết thúc ta nhấn OK

Và nhấn Solver, kết quả của các biến khớp sẽ hiện ra như sau:

Hình 2.10 Nhập các thông số cần giải bài toán ngược trên excel

Hình 2.11 Mô phỏng tọa độ 12 điểm trên cad 3D

2.3 Phân tích các điểm làm việc

- Điểm 1: Từ vị trí gốc robot dịch chuyển theo trục x = 1200mm trục y = 0mm tiếp đến cánh tay robot hạ xuống theo trục z 00mm để gắp vật, 𝑋 0 , 𝑋 1 = 0 Tay kẹp quay sang trái 1 góc Cos(180°) = -1 => a11 = -1

- Điểm 2: Nhấc vật lên theo trục z 00mm trục x, y vẫn giữ nguyên kích thước như điểm 1,⁡𝑋 1 , 𝑋 2 = 0 Tay kẹp quay sang trái 1 góc Cos(180°) = -1 => a11 = -1

- Điểm 3: Vật nhấc lên theo trục z = 1700mm, kích thước trục x, y thay đổi như bảng 2.2 bên dưới,⁡𝑋 2 , 𝑋 3 = 0 Tay kẹp quay sang trái 1 góc Cos(180°) = -1 => a11 = -1

- Điểm 7: Vật nhấc lên theo trục z = 1700mm, kích thước trục x, y thay đổi như bảng 2.2 bên dưới,⁡𝑋 6 , 𝑋 7 = 0 Tay kẹp quay sang trái 1 góc -Cos(180°) = 1 => a11 = 1

Bảng 2.2 Tọa độ 12 điểm vị trí gắp vật của tay kẹp Điểm a14 a24 a34 a11

Bảng 2.3 Bảng giá trị biến khớp tại các điểm tương ứng Điểm q1 q2 q3 d4 L

Nhận xét kết quả: Ta nhận thấy giá trị của L sấp xỉ bằng 0, vậy nên các điểm ta chọn là những điểm nằm trong vùng làm việc của robot, đó là những điểm mà robot có thể đáp ứng tốt.

Kết luận

Sau khi hoàn thành bài toán động học cho robot Scara, 4 bậc tự do, ta đã biết nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm ra quan hệ chuyển động của các khâu gồm 2 bài toán là: Bài toán động học thuận khi cho trước các tọa độ suy rộng thể hiện chuyển động của các khâu thành phần trên máy bao giờ cũng tìm được một vị trí duy nhất của khâu đầu cuối

Ngược lại ở bài toán ngược, khi cho trước vị trí của khâu đầu cuối bên trong vùng hoạt động của tay máy, sẽ có vô số lời giải do đặc điểm bậc tự do thừa của tay máy Nhờ các phần mềm hỗ trợ thông dụng và hữu ích như: MatLab và phương pháp GRG thực hiện trên Excel mà ta có thể giải được bài toán yêu cầu về vị trí của điểm tác động cuối và hướng của khâu cuối, vận tốc và gia tốc của khâu bất kì trong không gian, vị trí tay kẹp, phạm vi hoạt động của robot Scara gặp hàng trong xưởng.

THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHO ROBOT

Cơ sở nội suy quỹ đạo trong không gian khớp

Quỹ đạo không gian khớp có dạng hàm bậc 3:

Phương trình tiếp tuyến với quỹ đạo U(t) hay phương trình vận tốc tại thời điểm t là:

 Điều kiện về vận tốc công nghệ tại điểm đầu và cuối quỹ đạo

 Điều kiện chuyển tiếp trơn tại điểm chuyển tiếp

2Bộ môn Cơ điện tử; Bài giảng Rô bốt Công nghiệp; Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái

 Ta có hệ phương trình:

𝑢 𝑖 ̇ (𝑡 𝑖 ) = 𝑣 𝑖 Giải hệ phương trình trên ta được phương trình ui(t)

3.1.1 Một số câu lệnh trong matlab:

 Hold on: giữ đồ thị trước đó vẽ tiếp vào

 Grid on: chia lưới đồ thị

 Plot (t, u,’lineWidth’,3): tăng độ nét dày hơn cho đường đồ thị =3.

Nội suy quỹ đạo cho robot thiết kế

Bước 1: Tính các hệ số góc (vận tốc trung bình trên các đoạn)

Bảng 3.1 Giá trị các biến khớp q1 ứng với thời gian t Điểm q1 t(s)

3−2 = 0.247 Tính lần lượt từ k1 đến k11

Bước 2: tìm hệ số góc chuyển tiếp tại các điểm chốt:

Bảng 3.2 Các giá trị k và kc tính toán được của biến khớp q1

Giá trị k và kc của biến khớp q1

3.2.2 Tính cho các biến khớp còn lại

Các bước thực hiện tính toán cho các biến khớp còn lại tương tự như biến khớp q1

Bảng 3.5 Các giá trị k và kc tính toán được của biến khớp d4

Giá trị k và kc của biến khớp d4

Bước 3: Xác định hệ số cho đa thức nội suy dựa theo điều kiện đi qua và điều kiện vận tốc:

Thay t=1s và t=2s vào phương trình (*) ta có: a1+b1+c1+d1=0

Sau khi giải xong bài toán động học ngược robot ta có bảng thông số quỹ đạo chuyển động của robot

Từ đó chúng ta biểu diễn sự chuyển động của các biến khớp q(q1,q2,q3,d4) và chuyển động của tay kẹp robot

Sử dụng phần mềm mô phỏng matlab để vẽ quỹ đạo chuyển động của các biến khớp và tay kẹp

Các thiết lập trong matlab được thực hiện như sau :

2 Khai báo ma trận A (chứa các biến t)

3 Khái báo ma trận b (Các giá trị q và hệ số góc chuyển tiếp)

4 Tính nghiệm là các hệ số của đa thức nội suy

6 Dùng lệnh plot để vẽ đồ thị

7 Thực hiện lệnh Run vẽ đồ thị

 Khai báo các thông số cho biến khớp

Hình 3.1 Khai báo ma trận A và thời gian t

Hình 3.2 Khai báo các ma trận b cho các biến khớp qi

Hình 3.3 Tính các nghiệm cho các hàm nội suy

Hình 3.4 Các hàm nội suy

Hình 3.5 Thực hiện lệnh plot

Dưới đây là code matlap để vẽ đồ thị quỹ đạo chuyển động robot: t1=0; t2=1; t3=2; t4=3; t5=4; t6=5; t7=6; t8=7; t9=8; t10=9; t11; t12; t13;

T11:0.01:11; u1=X1(1).*T1.^3 +X1(2).*T1.^2+ X1(3).*T1 +X1(4); u2=X2(1).*T2.^3 +X2(2).*T2.^2+ X2(3).*T2 +X2(4); u3=X3(1).*T3.^3 +X3(2).*T3.^2+ X3(3).*T3 +X3(4); u4=X4(1).*T4.^3 +X4(2).*T4.^2 +X4(3).*T4 +X4(4); u5=X5(1).*T5.^3 +X5(2).*T5.^2 +X5(3).*T5 +X5(4); u6=X6(1).*T6.^3 +X6(2).*T6.^2 +X6(3).*T6 +X6(4); u7=X7(1).*T7.^ 3+X7(2).*T7.^2 +X7(3).*T7 +X7(4); u8=X8(1).*T8.^3+X8(2).*T8.^2+X8(3).*T8+X8(4); u9=X9(1).*T9.^3+X9(2).*T9.^2+X9(3).*T9+X9(4); u10=X10(1).*T10.^3+X10(2).*T10.^2+X10(3).*T10+X10(4); u11=X11(1).*T11.^3+X11(2).*T11.^2+X11(3).*T11+X11(4); plot (T1,u1,'linewidth',3) hold on grid on plot (T2,u2,'linewidth',3) hold on grid on plot (T3,u3,'linewidth',3) hold on grid on plot (T4,u4,'linewidth',3) hold on grid on plot (T5,u5,'linewidth',3) hold on grid on plot (T6,u6,'linewidth',3) hold on grid on plot (T7,u7,'linewidth',3) hold on grid on plot(T8,u8,'linewidth',3) hold on grid on plot(T9,u9,'linewidth',3) hold on grid on plot(T10,u10,'linewidth',3) hold on grid on plot(T11,u11,'linewidth',3) hold on grid on

 Sau đó thực hiện lệnh Run trên thanh công cụ để vẽ đồ thị

3.2.3 Đồ thị sự thay đổi của các biến khớp tại cái vị trí theo thời gian

Hình 3.7 Sự thay đổi của biến khớp q1 theo thời gian

Hình 3.8 Sự thay đổi biến khớp q2 theo thời gian

Hình 3.9 Sự thay đổi biến khớp q3 theo thời gian

Hình 3.10 Sự thay đổi biến khớp d4 theo thời gian

Kết luận

Sau khi thực hiện mô phỏng quỹ đạo của các biến khớp ta hiểu hơn về chuyển động của tay máy, thường được mô tả trong vùng làm việc bằng các điểm mà khâu cần điều khiển cần phải đi qua trong quá trình làm việc (gồm điểm đầu, điểm cuối, và có thể có một số điểm trung gian) và thời gian chuyển động Vì vậy, mô phỏng quỹ đạo trong không gian khớp phải giải bài toán ngược động học để xác định giá trị các biến khớp tại các điểm nút Sau đó thiết lập các hàm nội suy u(t) để mô tả quỹ đạo vừa nhận được Sau khi nhận được số liệu đầu vào tương ứng với quỹ đạo của phần công tác hay của khớp, hệ thống điều khiển có chức năng điều khiển robot chuyển động theo đúng quỹ đạo đặt ra Chuyển động của robot gắp vật ở đây ta chỉ hiểu như là chuyển động điểm - điểm (point to point) nên chỉ quan tâm đến điểm đầu và điểm cuối của đường dịch chuyển và thời gian chuyển động giữa các điểm đó.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ROBOT SCARA

Giới thiệu phần mềm CATIA

Phần mềm Catia là phần mềm hỗ trợ cho công việc thiết kế các chi tiết của người kĩ sư thiết kế Ngoài ra Catia còn cung cấp các chức năng lắp ghép các chi tiết máy rời rạc thành các cụm chi tiết, một cơ cấu máy hay một máy cơ khí hoàn chỉnh Người sử dụng phần mềm Catia có thể mô phỏng chuyển động của cụm chi tiết, cơ cấu hay máy cơ khí đã lắp ráp một ở trên một cách sinh động

Sự chuyển đổi giữa các môi trường làm việc trong Catia hết sức linh hoạt bằng cách sử dụng thanh Start giúp cho người thiết kế cảm thấy thoải mái và tiết kiệm được nhiều thời gian

Với những phần mềm thiết kế cơ khí khác như Pro/E, Solid Edge, SolidWork, Để bắt đầu lắp ráp các chi tiết máy đã thiết kế bạn cần thực hiện các thao tác như thoát file của chi tiết bạn đang thiết kế và tạo một file lắp ráp mới rất mất thời gian Đối với Catia, ngay khi bạn đang làm việc trong môi trường thiết kế chi tiết mà bạn muốn chuyển đổi sang môi trường lắp ráp thì bạn chỉ việc chọn thanh công cụ Start và sau đó chọn môi trường lắp ráp chi tiết là bạn đã thực hiện bước tạo file lắp ráp rất nhanh chóng và linh hoạt Hoặc khi muốn mô phỏng chuyển động của cơ cấu đã lắp ráp bạn cũng chỉ việc thực hiện thao tác tương tự như ở trên để vào môi trường mô phỏng chuyện động Ngoài ra bạn có thể thấy được những chức năng, tính năng thiết kế và mô phỏng của Catia khi bạn sử dụng nó

Catia có nhiều module lớn chia thành nhiều module nhỏ khác nhau:

1 Mechanical design có các mô đun nhỏ hơn là Part design, Assembly, Weld Design, Mold Tooling Design…:

 Part Design: Thiết kế chi tiết 3D

 Assembly Design: Lắp ghép các cụm chi tiết

 Weld Design: Tạo mối nối bằng công nghệ hàn

 Mold Tooling Design: Thiết kế khuôn

 Drafting: Bản vẽ kỹ thuật

 Core Design: Thiết kế lòng lõi khuôn

 Wireframe and Surface Design: Thiết kế dạng bề mặt và khung dây

 Generative Sheetmetal Design: Thiết kế kim loại tấm

2 Module Shape có các module nhỏ như: FreeStyle, Sketch Tracer, Generative Shape Design (Thiết kế khung dây và bề mặt)…

3 Machining có các module nhỏ: 3 Axis Surface Machining, Lathe Machining, NC

Manufacturing Infrastructure, Prismatic Machining (gia công CNC)

4 Module Analysis & Simulation có 2 module nhỏ: Advanced Meshing tools, Generative Structural Analysis: phân tích độ bền giới hạn (Phương pháp phần tử hữu hạn)

Hình 4.1: Giao diện làm việc của Catia

Mô hình mô phỏng ROBOT

Việc mô phỏng cho ta cái nhìn tổng quan về cấu trúc động học, nguyên lý làm việc của robot Tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh được những trường hợp rủi ro, nguy hiểm trong điều kiện thực, thậm chí có thể làm được cái không thể làm trong điều kiện thực, từ đó có thể dễ dàng hơn trong việc tính toán, thiết kế

Robot thực hiện gắp vật ở đây của chung ta kết cấu 4 bậc tự do với đầu tay kẹp được mô phỏng bằng phần mềm Catia được tiến hành như sau:

 Bước1: Vào Star chọn Mechanical design => Part Design (Thiết kế chi tiết 3D)

+ Chọn bề mặt xy plane tiếp đó ta cick vào biểu tượng Sketch để tiến hành vẽ 2D

+ Chọn công cụ Line để vẽ đường thẳng, Circle để vẽ hình tròn, chọn

Constraint để đặt kích thước mình mong muốn

+Chọn công cụ Exit workbench để tạo khối 3D (Exit workbench từng khối một), đặt chọn kích thước mình mong muốn

+ Tạo Part: click vào biểu tượng pad , chọn biên dạng để dựng khối và điền những thông số cần thiết trong hộp thoại

Hình 4.2 Khâu thứ nhất của robot Scara

+Tạo một Hole click biểu tượng này chọn bề mặt cần được tạo lỗ, nhập những thông số cần thiết trong hộp thoại để đạt được chều sâu lỗ mà mình mong muốn

Hình 4.3 Khâu thứ hai của Robot Scara

Hình 4.4 Khâu thứ ba của Robot Scara

Hình 4.5 Khâu thứ tư của Robot Scara

+ Chọn bề mặt xy plane tiếp đó ta cick vào biểu tượng Sketch để tiến hành vẽ 2D + Chọn công cụ Line để vẽ đường thẳng, Circle để vẽ hình tròn, chọn

Hình 4.4 Tay kẹp của Robot Scara

Bước 1: Nhấn chọn Start vào chương trình Mechanical design chọn Assembly Design (lắp ghép các cụm chi tiết) => Môi trường làm việc Product đã được mở ra

+ Vào Insert, chọn Existing component để lấy các chi tiết đã được vẽ ra từ trước trong file

+ Click vào biểu tượng Coincidence Constraint (Ràng buộc trùng hợp) để ràng buộc các chi tiết mình mong muốn

+ Chọn biểu tượng Manipulation (Sự di chuyển), bảng công cụ được hiện ra, nhấn vào chi tiết rồi chọn các hướng di chuyển và xoay theo trục tương ứng

Hình 4.5 Mô hình mô phỏng lắp ghép các khâu hoàn thiện Robot Scara

4.2.7 Mô phỏng Robot Scara gắp vật lên băng tải

 Một số vật xung quanh Robot Scara

Hình 4.6 Hệ thống định vị (Giá đỡ phôi) Hình 4.7 Thanh đỡ băng tải hình chữ U

Hình 4.8 Giá đỡ và băng tải Hình 4.9 Phôi

Hình 4.10 Mô phỏng Robot Scara gắp vật lên băng tải

Kết luận chương

Sau khi hoàn thành bài toán điều khiển cho robot SCARA 4 bậc tự do, ta đã biết mô phỏng và điều khiển robot nhờ các phần mềm hỗ trợ như catia và từ đó ta hiểu được phần nào bài toán điều khiển thực tế thật hơn để điều khiển Robot robot quay, trượt theo ý muốn

Nhiệm vụ của đề tài

Với đề tài được giao “Thiết kế Robot chuỗi cấu hình dạng SCARA 4 bậc tự do” Robot gắp được vật từ vị trí A lên băng tải B Đồ án đưa ra được thông tin tổng quan về robot công nghiệp, cách xác định robot dựa trên nhiệm vụ đã đề ra Đưa ra cấu trúc động học của robot, phân tích động học tính toán và giải bài toán động học thuận và nghịch trên cơ sở nhiệm vụ đặt ra Xây dựng quỹ đạo chuyển động, đưa ra cơ sở và thực hiện nội suy quỹ đạo trong không gian khớp và thể hiện bằng đồ thị.

Nội dung đã thực hiện

Với đề tài “ Thiết kế Robot chuỗi cấu hình dạng SCARA 4 bậc tự do ”, đồ án đã giải quyết được những công việc sau :

- Tìm hiểu tổng quát quá trình phát triển và ứng dụng của robot trong công nghiệp

- Thiết kế động học Robot

- Xây dựng quỹ đạo chuyển động Robot

- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động robot công nghệp

- Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Catia Đồ án của em về cơ bản đã hoàn thành được nội dung lý thuyết các yêu cầu thiết kế và đã đạt được yêu cầu về kỹ thuật và ứng dụng Robot có thể di chuyển được cánh tay, mang theo tay kẹp để kẹp gắp vật từ vị trí A lên băng tải B Đây là đồ án đầu tiên mà em được làm, nhờ làm đồ án này, em rèn luyện tính tự giác, độc lâp và đặc biệt rèn luyện được tính kiên trì chủ động

Em đã tìm hiểu được thêm những thông tin tổng quan về Robot công nghiệp và thấy được tầm quan trọng của Robot trong cuộc sống hiện đại Qua đây, em đã học được quy trình về thiết kế một sản phẩm robot và biết được cách kết hợp được những kiến thức lý thuyết được học trên lớp cộng với việc tra cứu tài liệu để giải được bài toán yêu cầu

Cũng qua lần làm đồ án này, em đã học được rất nhiều kỹ năng quan trọng như: Kỹ năng sử dụng các phần mềm soạn thảo văn bản (Word), phần mềm tính toán (Matlab, Excel), các phần mềm vẽ và mô phỏng như Autocad, Catia… đây đều là những kỹ năng rất cần thiết cho công việc sau này.

Những vấn đề còn tồn tại

Bên cạnh những nội dung đã được thực hiện về cơ bản em đã hoàn thành được nội dung lý thuyết các yêu cầu thiết kế và đã đạt được yêu cầu về kỹ thuật và ứng dụng Robot có thể di chuyển được cánh tay, mang theo tay kẹp để kẹp gắp vật từ vị trí này đến vị trí kia

Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian làm đồ án như kiến thức chuyên môn chưa thật tốt và cũng là lần đầu tiên làm đồ án nên chưa có kinh nghiệm, đồ án em chắc chắn vẫn còn nhiều hạn chế như tốc độ xử lý, điều khiển chưa thể hoàn hảo vẫn còn thiếu sót…

Em rất mong được sự góp ý của các thầy cô, đặc biệt là của các thầy cô giáo để đề tài đồ án của em có thể hoàn thiện hơn.

Định hướng phát triển của đề tài 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Robot vẫn còn nhiều điểm cần khắc phục

Từ ứng dụng điều khiển robot gắp vật, ta có thể ứng dụng trong nhiều công việc khác như hàn, lắp ráp, phun sơn…Cụ thể chúng ta có thể lập trình cho robot thông minh hơn, cách chi tiết cơ khí và động cơ tính toán cụ thể và chính xác hơn và có khả năng làm nhiều công việc khác khi đã di chuyển linh hoạt Đồ án cũng là cơ hội để em trau dồi kiến thức môn học, mở mang kiến thức, học hỏi thêm được nhiều phần mềm kỹ thuật Áp dụng cho sau này không chỉ cho môn học mà cho cả thực tế cuộc sống.

Định dạng
Số trang	61
Dung lượng	3,39 MB
File đính kèm	K54CDT01-Phạm Công Điều-K185520114009.rar (3 MB)