Báo cáo đồ án ii đề tài điều khiển cánh tay robot để mở tay nắm cửa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN- ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN II ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT ĐỂ MỞ TAY NẮM CỬA Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh Chuyên ngành: Tự động hóa công nghiệp Sinh viên: Nguyễn Mạnh Hiếu MSSV: 20191835 Hà Nợi, 6/2/2023 MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU .2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT Tổng quan cánh tay Robot: 1.1 Giới thiệu: .3 1.2 Phân loại cánh tay Robot: Các toán điều khiển cánh tay Robot: CHƯƠNG 2: YÊU CẦU BÀI TOÁN VỀ CÁNH TAY ROBOT Yêu cầu thiết kế: Giới thiệu về cánh tay Robot bậc tự CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC TAY MÁY Phần 1: Động học thuận vị trí Phần 2: Bài toán Động học ngược 10 Phần 3: Tính tốn Ma trận Jacoby 12 Phần 4: Thiết kế quỹ đạo 17 Phần 5: Động lực học 17 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 26 Động học thuận: 26 Động học nghịch: .27 Thiết kế quỹ đạo: .27 Khối mơ hình tốn học Robot: 28 Bộ điều khiển .29 Mô phỏng 29 Nhận xét sau mô phỏng: 34 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 35 Kết luận 35 Hướng phát triển .35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển không ngừng khoa học kĩ thuật phát triển lĩnh vực điện tử phát triển coi ngành mũi nhọn trình đại hóa cơng nghiệp hóa đất nước Sản phẩm đặc trưng điện tử ROBOT CNC Trong khuôn khổ nội dung môn học Kĩ thuật robot em nghiên cứu hai sản phẩm đặc trưng điện tử robot, cụ thể báo cáo em thiết kế mô điều khiển robot bốn bậc tự RTRR Robot robot dung việc giải cứu thoát hiểm khẩn cấp điều kiện người khó hoạt động ví dụ mơi trường xảy hỏa hoạn Qua đồ án với giúp đỡ tài liệu mà cô Thục Anh cung cấp, em bước đầu làm quen với việc tính tốn robot: Về cấu trúc động học robot, sở lý thuyết tính tốn, thiết kế quỹ đạo, thiết kế điều khiển mô hoạt động robot Với kiến thức cịn nhiều hạn chế nên khó tránh khỏi báo cáo cịn nhiều thiết sót, mong thầy bảo thêm cho em Em chân thành cảm ơn! CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT Tổng quan cánh tay Robot: 1.1 Giới thiệu: Cánh tay Robot cỗ máy chuyên phục vụ vào trình sản xuất công nghiệp vận hành người Chúng có ưu điểm thiết kế linh hoạt dễ thao tác với tác dụng hoàn thiện phần chi tiết nhỏ cho sản phẩm Cánh tay robot hoạt động linh hoạt với chế khớp ngón bàn tay người Chính ưu điểm bật mà cỗ máy khí ngày ứng dụng lĩnh vực công nghiệp khác Cỗ máy thay bàn tay người việc lắp ráp, sửa chữa hay thay linh phụ kiện nhỏ nhà máy Cánh tay robot bước tiến tuyệt vời quy trình tự động hóa sản xuất Khơng phục vụ q trình lắp ráp sản phẩm mà cịn góp phần xử lý công việc phức tạp sản xuất 1.2 Phân loại cánh tay Robot: Hiện nay, thị trường có nhiều loại cánh tay Robot với nhiều đặc điểm khác nhau, phù hợp với nhiều công việc khác Dưới số loại cánh tay Robot:  Robot giàn: Loại máy có ba khớp lăng trụ ứng dụng việc lắp đặt linh kiện hay xử lý cơng cụ máy  Robot hình trụ: Được ứng dụng hoạt động lắp ráp hay xử lý máy móc cơng cụ, hàn điểm hay xử lý máy Diecasting Trong cấu tạo, chúng có trục để tạo nên hệ tọa độ hình trụ  SCARA robot: Thiết kế hai khớp quay song song hoạt động mặt phẳng Chúng ứng dụng hoạt động lắp ráp hay xử lý chi tiết máy  Robot nhân tạo: Được mô theo chuyển động người, thiết kế bàn tay ngón chuyển động độc lập với Chính linh hoạt mà cho phép chúng tham gia vào việc lắp ráp xử lý loại linh kiện điện tử hay công nghệ xe siêu vi  Robot khớp nối: Thường thiết kế với ba khớp quay Đối với loại máy phổ biến cánh tay robot bậc, bậc… Theo đó, cấu trúc bao gồm hai nhánh đơn giản đến hệ thống có 10 nhiều khớp tương tác Loại cánh tay robot khớp nối thường trang bị cho phương tiện gồm động điện để ứng dụng hoạt động lắp rán, hàn hồ quang, hàn khí hay phun sơn Với tính ứng dụng cao thế, robot khớp nối nhiều xí nghiệp sản xuất lớn sử dụng tính đại, suất cao với tính linh hoạt Các toán điều khiển cánh tay Robot: Động học tay máy toán nghiên cứu chuyển động tay máy mà khơng quan tâm đến tính chất lực tương tác khối lượng mà xét đến cấu trúc hình học tay máy Động học tay máy gồm hai toán bản: động học thuận vị trí động học đảo vị trí - Động học thuận xác định vị trí khâu tác động cuối Robot biết biến khớp Robot - Động học ngược xác định góc quay khớp biết vị trí khâu tác động cuối robot CHƯƠNG 2: YÊU CẦU BÀI TOÁN VỀ CÁNH TAY ROBOT Yêu cầu thiết kế: - Thiết kế tay robot có thể mở được tay nắm cửa loại tròn và loại tay nắm cài với cách mở khóa là xoay ngược hoặc thuận chiều kim đồng hồ ổ khóa - Phạm vi hoạt động : 1m-1,5m - Cân nặng : 3kg-5kg - Số bậc tự cần thiết Chọn thiết kế Robot bậc tự với khớp quay khớp tịnh tiến:   khớp quay loại R   khớp quay loại T   khớp tịnh tiến  - Hạn chế: Chỉ mở được các ổ khóa không bị rỉ rét lực không đủ khỏe Giới thiệu về cánh tay Robot bậc tự Hình Cánh tay robot Cánh tay Robot có khớp nối loại robot vơ phổ biến Và nhắc đến Robot nghĩ đến chúng Giống nhà máy CNC, Robot khớp nối phân loại theo số điểm quay số trục mà chúng có Phổ biến robot khớp trục Ngồi cịn có loại robot trục và trục phổ biến thị trường.  Tính linh hoạt, khéo léo khả tiếp cận khiến robot có khớp nối lựa chọn phù hợp lý tưởng cho nhiệm vụ thực mặt phẳng không song song, chẳng hạn chỉnh sửa máy móc.  Robot có khớp nối dễ dàng tiếp cận khoang máy công cụ vật cản để tiếp cận phơi Hoặc chí xung quanh vật cản, trường hợp robot trục Ưu điểm Các khớp nối kín ống bảo vệ cho phép Robot có khớp nối hoạt động tốt môi trường môi trường bẩn Khả năng lắp cánh tay Robot bậc tự bề mặt ( Ví dụ: trần nhà, đường ray trượt) Điều cho phép doanh nghiệp có nhiều lựa chọn làm việc Tuy nhiên, tinh tế đại robot có khớp nối kèm với giá thành cao Do đó, robot cao so với các loại robot có trọng tải tương tự thị trường Khuyết điểm Và khuyết điểm dòng Robot là: Chúng không phù hợp với ứng dụng tốc độ cao Do chúng có hệ thống chuyển động học phức tạp với nhiều chi tiết phận CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC TAY MÁY Phần 1: Động học thuận vị trí Hình Mơ hình đợng học Đây bước quan trọng cho việc thiết kế robot, từ giải tốn điều khiển robot theo quỹ đạo Từ ta có đủ thông số để điều khiển robot theo quỹ đạo cho trước với lực cho trước ta thu quỹ đạo chuyển động định Xác định tham số động học D-H.  Vị trí hệ tọa độ khớp (Oxyz)i hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 xác định tham số sau: θi , di , , α i  độ dài đường vng góc chung trục khớp động i+1 i   α i góc chéo trục khớp động i+1 i  di khoảng cách đo dọc trục khớp động i kể từ đường vng góc chung trục khớp động i+1 trục khớp động i tới đường vng góc chung trục khớp động i trục khớp động i -1    θ i góc đường vng góc nói Biến khớp:  Thanh(i) 0 0 αi θi 0 90 −90 90 90 +θ θ3 θ4 di d2 0 Hình Bảng thơng sớ D-H Tính tốn ma trận Ai Ma trận biến đổi tọa độ tổng quát là Do vậy ta sẽ tính được bốn ma trận A1 , A2 , A3 , A4 [ −sin θ1 cos θ1 A1= 0 [ cos θ sin θ1 0 0 0 A 2= −1 d 0 0 ] ] [ sin θ3 −cos θ3 0 [ 0 cos θ3 sin θ3 A3 = 0 cos θ4 −sin θ4 sinθ cos θ4 A 4= 0 0 0 ] 0 ] Từ ma trận biến đổi trục tọa độ khớp, ta xác định ma trận vecto cuối, mơ tả hướng vị trí khâu chấp hành cuối so với hệ tọa độ gốc Sử dụng công cụ matlab để nhập nhân ma trận Ta thu ma trận [ −sin θ13 cos θ4 sin θ13 sin θ4 cos θ 13 d cos θ cos θ13 cos θ −cos θ 13 sin θ4 sin θ13 d sin θ T 04= A A2 A A = sinθ cos θ4 0 0 ] 3.3.Khớp khớp tịnh tiến: M 2= ∂L = m d˙ + m d˙ −m3 l sin θ3 θ˙ 13 +m4 d˙ 2−m4 l 34 sinθ θ˙ 13 ∂ d˙ 2  ¿ ( 14 m +m )d˙ −f ( ) d ∂L ∂L − dt ∂ d˙ ∂ d 34 ml 34 sin θ3 θ˙ 13 ( )( ) d ∂L = m2+ m34 dă 2f ml34 ( cos 13 + sin ă 13) dt d   ( ∂L 1 = ( 2l +d ) θ˙ 2+ m d θ˙ +m l cos θ3 θ˙ θ˙ 13+ m4 d2 θ˙ 21 +m l 34 cos θ3 θ˙ θ˙ 13 − m2 sin θ1 +m3 sin θ1+ m4 si ∂ d2 3 ¿ ( 14 ( 2l +d )+m 34 ) ( ) d 2+ f ml 34 cos θ3 θ˙ 21+ f ml 34 cos θ3 θ˙ θ˙ 3− m2 +m34 sin θ1 g Suy ra: M 2=f ml 34 sin ă + ( 14 m + m ) dă f 34 ml34 ( 14 ( 2l +d )+m sin ă 32 f ml 34 cos θ˙ θ˙ 1−2 f ml 34 cos θ3 θ˙ 23− 3.4 21 34 d 2+ f m 3.5.Khớp khớp quay: M 3= ( ) d ∂L ∂L − dt ∂ θ˙ ∂θ3  ∂L 2 =(m3 l 3+ I zz3 +m4 ( l + 2l ) + I zz ) θ˙ 13+ m3 l ( d cos θ θ˙ −d˙ sin θ 3) + m l34 ( d2 cos θ3 θ˙ 1− d˙ sin θ3 ) ∂ θ˙ 2 ¿ ( m3 l 3+ I zz 3+ m4 ( l +2l ) + I zz ) θ˙ 13 +f ml34 ( d cos θ3 θ˙ 1− d˙ sin θ3 ) 2 Với: f 33=m l + I zz +m ( l +2 l3 ) + I zz  ( ) d L =f 33 ă 13 + f ml 34 ( d2 cos ă 1d sin θ˙ θ˙ 3+ cos θ3 θ˙ d˙ 2−sin dă 2cos d 2) dt θ˙  ∂L =−m3 l gcos θ13−m l 34 gcos θ 13 =−f ml 34 cos θ 13 g Suy ra: M 3=f 33 ă 13 + f ml 34 ( d cos θ ă 1d sin +cos d 2sin dă 2−cos θ θ˙ d˙ ) + f ml 34 cos θ13 g ¿ ( f 33+ f ml 34 d cos ) ă 1f ml 34 sin dă +f 33 ă 3f ml 34 d sin θ3 θ˙ θ˙ +f ml34 cos θ θ˙ d˙ 2−f ml 34 cos θ3 θ˙ d˙ + f ml 34 cos θ13 22 3.6 Khớp khớp quay: M 4=  ∂L =I xx θ˙ ∂ d L =I xx ă dt ∂ θ˙  ∂L =0 ∂θ ( ) d ∂L ∂L − dt ∂ θ˙ ∂θ ( ) Suy ra: M =I xx ă ă ( Q , Q )+ G ( Q ) g Có hệ phương trình động lực học: M =H ( Q ) Q+V Với: T  M =[ M , M , M , M ]  Q= [θ , d ,θ , θ ]  H ( Q )=[ H ij ] (i, j=1→ ) o 2 H 11=f 11+ m ( 2l +d ) +m34 d2 +2 f ml34 cos θ H 12 =−f ml 34 sin θ o o o o o T H 13 =f 12+ f ml 34 d cos θ H 14=0 H 21 =−f ml 34 sin θ H 22= m 2+ m34 H 23=−f ml 34 sinθ o o H 24=0 o H 31=f 33+ f ml 34 d cos θ o H 32=−f ml 34 sin θ o H 33=f 33 o H 34=0 o H 41=H 42= H 43=0 o H 44 =I xx  V = [ v , v , v3 , v ] T 23 o ( 12 m ( 2l +d )+2 m d ) d˙ θ˙ + f v1 = 2 34 2 ml 34 (−2 d2 sin θ3 θ˙ θ˙ 3+ 2cos θ θ˙ d˙ 2−d2 sin θ3 θ˙ 23 ) ( ) o v 2=−2 f ml 34 cos θ3 θ˙ θ˙ 1−2 f ml 34 cos θ3 θ˙ 23− ( l1+ d )+ m34 d + f ml 34 cos θ θ˙ 21 o o  Trong đó:       v3 =−f ml 34 d sin θ3 θ˙ θ˙ + f ml 34 cos θ3 θ˙ d˙ −f ml 34 cos θ3 θ˙ d˙ v 4=0 G(Q)= [ ( ) ( ) m1 l +m2 l 1+ d2 + m3 d +m4 d cos θ1 + f ml 34 cos θ13 ( 12 m + m ) sinθ 34 f ml 34 cos θ13 ] l 34 =l + 2l m34=m3 +m4 f 11=m l 21+ m3 l 23 +m4 l 234+ I zz 1+ I zz + I zz + I zz 4 2 f 12 =m3 l + I zz +m l 34 f 33=m3 l 23 + I zz +m4 l 234+ I zz f ml 34=m3 l +m l 34 24 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK Động học thuận: - Code: 25 Động học nghịch: Thiết kế quỹ đạo: 26 Khối mơ hình tốn học Robot: 27 Bợ điều khiển q(t) q(t) d M Q d (t) Bộ điều khiển  robot Hình : Sơ đồ điều khiển robot Phương trình vi phõn ng lc hc robot cú dng: ă M =H ( Q ) Q+V ( Q , Q˙ )+ G ( Q ) g Luật điều khiển có dạng: ˙ M =Kp (Qd−Q˙) −Kd Q+G (Q) Mô phỏng a) Khảo sát quỹ đạo, giá trị đầu sau mơ hình tốn học robot giá trị sau khâu đông học thuận đặt giá trị đặt trực tiếp không thông qua biến đổi nghịch Áp dụng thuật toán điều khiển PD bù trọng trường Thông số: Khối lượng nối: m 1=5 kg ; m2=4 kg ; m3=3 kg ; m4=1 kg Chiều dài nối: l 1=0.6 m ; l max ¿ 0.5 m ;l =0.4 m; l 1=0.1m Giá trị đặt: 28 θ1=0.55 rad ;d 2=0.45 m; θ3=0.3 rad ; θ 4=0.4 rad Ma trận điều khiển: 50 0 40 0 20 0 15 K p =⌊ ⌋ ;K v =⌊ 0 20 0 10 0 0 0 ⌋ 0.1 Kết mô phỏng: - Giá trị đặt sau thiết kế quỹ đạo: 29 - Giá trị tính tốn sau mơ hình tốn học robot: - Giá trị tọa độ vị trí cánh tay sau khâu động học thuận: +) Giá trị X: 30 +) Giá trị Y: b) Khảo sát giá trị tọa độ đặt trước động học nghịch độ bám tọa độ sau động học thuận 31 - Giá trị X sau động học thuận: - Giá trị Y sau động học thuận: 32 Nhận xét sau mô phỏng: - Giá trị góc quay giá trị tịnh tiến sau mơ hình tốn học robot bám sát theo giá trị đặt - Thời gian đáp ứng bị trễ 1-3s - Ở khớp giá trị tịnh tiến có độ điều chỉnh nhỏ khoảng 4.4% - Tọa độ theo trục X có độ điều chỉnh khoảng 5,26%, độ điều chỉnh theo trục Y nhỏ 33 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Đồ án chúng em đạt yêu cầu tốn đề ra: - Tính tốn mơ lại hoạt động cánh tay Robot Matlab - Kết mơ ổn định Bên cạnh đó, thời gian nghiên cứu đầu tư có hạn nên chúng em số vấn đề như: - Chưa thể tìm hiểu, so sánh kết mơ Matlab với kết mô Multibody Simscape - Mơ hình dùng để mơ chưa chuẩn xác so với mơ hình mẫu - Khi xảy sai lệch, cánh tay khó trở lại vị trí ban đầu Hướng phát triển Sau tính tốn lý thuyết có kết mơ Matlab, chúng em tiến hành tìm hiểu thêm Mutibody Simscape để so sánh kết mô Từ kết mơ đó, chúng em xây dựng lên mơ hình tay máy nhỏ thiết kế điều khiển thực tế 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Sách ROBOT công nghiệp – Trịnh Quang Vinh, Nguyễn Đăng Bình, Phạm Thành Long - Sách MATLAB & SIMULINK cho kĩ sư – Nguyễn Quang Hoàng 35