Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào khả năng của robot như : làm việc không biết mệt mỏi, làm việc được ở các môi trường mà con người không thể làm được… Trong các ngành công nghiệp robot hàn được sử dụng rộng rãi để thay thế cho con người, do tính chất công việc độc hại, nguy hiểm, ảnh hưởng xấu tới sức khỏe người công nhân. Đặc biệt robot làm việc với độ chính xác cao. Cũng như các robot khác, robot Harmo có nhiều ứng dụng trong thực tế. Ở bài tập lớn này chúng em sẽ thực hiện thao tác mô phỏng dựa trên ứng dụng phổ biến nhất của chúng là gắp phôi từ máy ép nhựa chuyên dụng. Robot sẽ thực hiện gắp sản phẩm ra từ khuôn đúc đến các vị trí băng chuyền nhất định đảm bảo được độ chính xác vị trí và quy trình ép. 1.2. Phân tích yêu cầu kĩ thuật Số bậc tự do cần thiết: Để đảm bảo robot có khả năng gắp chi tiết tại mọi vị trí trong không gian làm việc thì robot cần từ 3 bậc tự do trở lên. Yêu cầu vị trí: Robot thao tác trong không gian đúng với quỹ đạo thao tác đặt ra. Yêu cầu về hướng: Hướng của bàn kẹp tạo với mặt của chi tiết những góc theo yêu cầu. Với cấu trúc robot có 4 bậc tự do trở nên thao tác linh hoạt, tuy nhiên việc tính toán sẽ trở lên khó khăn, phức tạp hơn. Nhưng do yêu cầu của công việc đòi hỏi độ chính xác và hướng tiếp cận của chi tiết đặc biệt nên robot 4 bậc tự do là cần thiết.
LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng MỤC LỤC CHƯƠNG I: ĐỘNG HỌC ROBOT HARMO Phân tích lựa chọn cấu trúc .3 1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot sản xuất, chế tạo .3 1.2 Phân tích yêu cầu kĩ thuật Giải toán động học 2.1 Thiết lập hệ tọa độ robot 2.2 Xác định thông số DH 2.3 Thiết lập mơ hình biến đổi ma trận biến đổi 2.5 Không gian làm việc .10 2.6 Tính tốn vận tốc góc khâu 11 2.7 Thiết kế quỹ đạo với quy luật vận tốc cho trước điểm cuối tay kẹp, tìm quy luật vận tốc góc khớp 12 2.8 Thiết kế quỹ đạo để giải tốn động học ngược, có vẽ đồ thị điểm cuối đồ thị góc khớp robot .14 CHƯƠNG II SỬ DỤNG OPENGL MƠ PHỎNG BÀU TỐN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ROBOT HARMO 19 OpenGL 19 1.1 Giao diện 19 1.2 Vấn đề code OpenGL 19 1.3 Các ý sử dụng OpenGl .21 CHƯƠNG III THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3D VÀ LẮP RÁP TRÊN SOLIDWORK .23 Môi trường 3D Solidwork 23 1.1 Các lệnh 23 1.2 Thiết kế mơ hình 3D robot Harmo 24 ASSEMBLY .27 2.1 Gán hệ trục tọa độ cho khâu .27 2.2 Lắp ráp 31 CHƯƠNG IV ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HARMO 33 Phương trình vi phân chuyển động .33 1.1 Tensor quán tính .33 NHĨM LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng 1.2 Ma trận khối lượng 33 1.3 Ma trận Corilois 34 1.4 Ma trận G – Lực 34 1.5 Ma trận lực không .34 1.6 Phương trình vi phân chuyển động 34 CHƯƠNG V THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT HARMO 35 Môi trương làm việc 35 1.1 Cài đặt Toolbox SimMechanics vào Matlab liên kết vào Solidwork\ .35 1.2 Quỹ đạo chuyển động .36 1.3 Xuất sang Matlab 37 Thiết kế điều khiển 38 2.1 Mơ hình tổng thể hệ thống điều khiển 38 2.2 Các khối mơ .38 Mô kết .45 3.1 Các bước mô 45 3.2 Kết 45 PHỤ LỤC 49 I OpenGL 49 II Matlab 62 NHÓM 2 LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng CHƯƠNG I: ĐỘNG HỌC ROBOT HARMO Phân tích lựa chọn cấu trúc 1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot sản xuất, chế tạo Mục tiêu ứng dụng robot cơng nghiệp nhằm góp phần nâng cao suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt mục tiêu nhờ vào khả robot : làm việc mệt mỏi, làm việc môi trường mà người làm được… Trong ngành công nghiệp robot hàn sử dụng rộng rãi để thay cho người, tính chất cơng việc đợc hại, nguy hiểm, ảnh hưởng xấu tới sức khỏe người công nhân Đặc biệt robot làm việc với độ xác cao Cũng robot khác, robot Harmo có nhiều ứng dụng thực tế Ở tập lớn chúng em thực thao tác mô dựa ứng dụng phổ biến chúng gắp phôi từ máy ép nhựa chuyên dụng Robot thực gắp sản phẩm từ khuôn đúc đến vị trí băng chuyền định đảm bảo độ xác vị trí quy trình ép 1.2 Phân tích yêu cầu kĩ thuật Số bậc tự cần thiết: - Để đảm bảo robot có khả gắp chi tiết vị trí khơng gian việc robot cần từ bậc tự trở lên làm u cầu vị trí: Robot thao tác khơng gian với quỹ đạo thao tác đặt Yêu cầu hướng: Hướng bàn kẹp tạo với mặt chi tiết những góc theo yêu cầu Với cấu trúc robot có bậc tự trở nên thao tác linh hoạt, nhiên việc tính tốn trở lên khó khăn, phức tạp Nhưng yêu cầu cơng việc địi hỏi độ xác hướng tiếp cận chi tiết đặc biệt nên robot bậc tự cần thiết Để đủ đảm bảo yêu cầu toán đặt ta chọn cấu robot có bậc tự để tiến hành trình tính tốn thiết kế NHĨM LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng Ưu điểm cấu robot này: - Tiết kiệm diện tích cho khâu đế - Dễ dàng thực với đối tượng nằm mặt phẳng nằm ngang - Kết câu đơn giản đảm bảo tính linh hoạt Giải toán động học 2.1 Thiết lập hệ tọa độ robot Để thiết lập phương trình động học Robot nói riêng vật khác nói chung trước hết ta phải thiết lập hệ tọa độ cho vật dó phương trình động học tương ứng với hệ tọa độ định Theo quy tắc đặt hệ tọa độ gốc hệ tọa độ thứ i gắn liền với khâu thứ i đặt giao điểm đường vng góc chung hai trục khớp động thứ i + khớp động thứ i với trục khớp động thứ i + Trong trường hợp hai trục khớp động giao gốc tọa độ lấy trùng với giao điểm Cịn hai trục song song với gốc tọa độ chọn điểm trục khớp động i+1 Trục Zi hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động thứ i+1 Trục Xi hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vng góc chung hướng từ khớp động i đến khớp động i+1 Trường hợp hai trục giao nhau, hướng trục Xi trùng với hướng vecto ZixZi-1, tức vng góc cới mặt phẳng chứa Zi, Zi-1 NHĨM LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng Áp dụng nguyên tắc đặt hệ trục tọa độ vào robot Harmo ta có hệ tọa độ robot Harmo hình vẽ Hình 2.1 Sơ đồ động học Robot Harmo 2.2 Xác định thông số DH Bộ thông số DH bao gồm thông số hai khâu liên tiếp Cụ thể là: + ai: Độ dài đường vng góc hai trục khớp động liền kề + αi: Góc lệch hai trục hai khớp động liền kề, góc quay quanh trục Xi cho Zi-1 chuyển đến Zi theo quy tắc bàn tay phải + di: Khoảng dịch chuyển tịnh tiến hai đường vng góc chung hai trục NHĨM LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng + θi: Góc hai đường vng góc chung Là góc quay quanh trục Zi-1 để trục Xi-1 chuyển đến trục Xi Trong thơng số có thơng số đặc trưng thông so thể chuyển động tương đối hai khâu (thể chuyển động khớp) Thơng số biến khớp Biến khớp θi với khớp động khớp quay, di khớp động khớp tịnh tiến Để phân biệt biến khớp thông số khác, ta dùng thêm dấu * bên cạnh thơng số để ký hiệu biến khớp Trong robot Harmo thơng số xác định sau: + a1: khoảng cách trục khớp động khớp động + a2: khoảng cách trục khớp động khớp động + a3: khoảng cách trục khớp động khớp động + a4: khoảng cách tâm quay tay kẹp + h: khoảng cách gốc tọa độ O trục khớp động Ban đầu dịch chuyển dọc theo trục Z khoảng h, quay theo trục X góc -900, sau trục khớp động 1, 2, 3, vng góc với nên ta có: α1 = 900 Và α2 = α3 = α4 = -900 Các thông số khác robot: θ1 = 900 θ2 = -900 θ3 = 900 θ4 = θ4 Các khớp động 1, 2, khớp tịnh tiến nên d1, d2, d3, khác Cịn d4 = Trong d1, d2, d3, θ4 khớp biến Từ phần tích ta lập bảng thông số DH robot Harmo sau NHĨM LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng Khâu θi αi di Biến khớp 900 900 a1 d 1* d1* -900 -900 a2 d 2* d2* 00 900 a3 d 3* d3* θ4* -900 a4 θ 4* 2.3 Thiết lập mơ hình biến đổi ma trận biến đổi Trên sở xây dựng hệ tọa độ với hai khâu động liên tiếp thông số DH, thiết lập mối quan hệ hai hệ tọa độ liên bước sau: Quay quanh trục Zi-1 góc θi Tịnh tiến dọc trục Zi-1 khoảng di Tịnh tiến dọc trục Xi-1 (đã trùng với Xi) khoảng Quay quanh trục Xi-1 góc αi Bốn bước thể tích ma trận sau: Ai = R(z, θi).Tp(0,0,di).Tp(ai,0,0).R(x, αi) Các ma trận vế phải tính theo công thức phép biến đổi ma trân: Quay quanh trục OX góc α: R (x, α) = Quay quanh trục OZ góc θ: NHĨM LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng R (z, θ) = Tịnh tiến theo phương P(Px, Py, Pz)T: T= Áp dụng công thức ta có ma trận biến đổi sau: Ai = x x x = Thay thông số tương ứng khâu vào ta có: 2.4 Phương trình động học robot NHĨM LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng Phương trình động học robot thành lập dựa sở ma trận Ai tính bước Ma trận Ti tích ma trận Ai ma trận mô tả vị trí hướng tọa độ gắn liền với khâu thứ i so với hệ tọa độ cố định Trong trường hợp i = n, với n số hiệu hệ tọa độ gắn liền với “điểm tác động cuối” viết dạng tường minh sau: Trong TE ma trận mơ tả trạng thái “điểm tác động cuối” viết dạng tường minh sau: Các phần tử ma trận 3x1 tọa độ xE,yE,zE điểm tác động cuối E Mỗi ma trận quay 3x3 véc tơ đơn vị phương trục tọa độ động UVW (gắn liên với khâu cuối Robot có gốc điểm tác động cuối) biểu diễn tọa độ cố định XYZ Suy ra: Đây phương trình động học robot, mơ tả trang thái (tọa độ, phương chiều) điểm tác động cuối Ứng dụng vào thực tế robot Harmo ta có phương trình động học robot harmo là: NHĨM LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng = Vậy phương trình động học robot là: Ux = Vx = -1 Uy = -cos θ4 xE= d2 Vz = Vy = Wx = Uz = -sin θ4 Wy = sin θ4 Wz = -cos θ4 yE = zE= 2.5 Khơng gian làm việc i Hình Trong khơng gian NHĨM 10 LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ ... ta có: 2.4 Phương trình động học robot NHĨM LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng Phương trình động học robot thành lập dựa sở ma trận... Harmo ta có phương trình động học robot harmo là: NHÓM LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng = Vậy phương trình động học robot là: Ux =... 14 LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT HARMO Khoa GVHD: TS Đỗ Đăng Từ giải Đồ thị điểm tác động cuối E NHĨM 15 LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ROBOT VÀ CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ LẬP