BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN Ω BÁO CÁO THỰC TẬP XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT SCARA[.]
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT TRÊN PHẦN MỀM SOLIDWORKS
Mô hình robot trong Solidworks
2.1.1 Tổng quan mô hình 3D của robot và thông số mô hình:
Hình 1: Mô hình tống quan của robot 3 bậc tự do
Bảng 1: Bảng thông số Robot
Kí hiệu Mô tả Thông số Đơn vị m 1 Khối lượng khâu thứ nhất 0.030 kg m 2 Khối lượng khâu thứ hai 0.026 kg m 3 Khối lượng khâu thứ ba 0.027 kg m 4 Khối lượng khâu thứ tư 0.012 kg
L 0 Chiều dài khâu đế robot 0.10 m
L 1 Chiều dài khớp thứ nhất 0.12 m
L 2 Chiều dài khớp thứ hai 0.10 m
L 3 Chiều dài khớp thứ ba 0.09 m
L 4 Chiều dài khớp thứ tư 0.08 m g Gia tốc trọng trường 9.81 m/s 2
1 Góc quay khớp thứ nhất rad
2 Góc quay khớp thứ hai rad
3 Góc quay khớp thứ ba rad
Izz2 Momen quán tính khâu thứ hai
Izz3 Momen quán tính khâu thứ ba
Izz4 Momen quán tính khâu thứ tư 15442.85E-9 Kg.m 2
2.1.2 Bản vẽ kĩ thuật 2D của robot:
Hình 3:Cấu trúc của khâu đế robot
Hình 4: Đĩa làm trụ nhỏ cho robot
Hình 5: Đĩa làm trụ lớn của robot
Hình 6: Câu trúc khâu thứ nhất của robot
Hình 7: Cấu trúc khâu thứ hai của robot
Hình 8:Cấu trúc khâu thứ ba của robot
Hình 9: Bản vẽ kĩ thuật cơ cấu chấp hành cuối
Phương pháp và đặt trục robot trong Solidworks
2.2.1 Hướng dẫn đặt trục của robot trong Solidworks: Để thực hiện đặt trục cho robot trong Solidworks ta có những bước sau.
Bước 1: Lần lượt mở từng phần cấu thành robot (bộ phận muốn thực hiện đặt trục) Có thể mở tại từng Part hoặc từ file lắp ráp bằng cách nhấp chuột phải vào bộ phận cần mở, chọn Open part như Hình 10.
Hình 11: Lưu lý về đặt hướng của mô hình, tránh xảy ra lỗi không như ý muốn
Bước 1: Thực hiện việc xoay lại các bộ phận như Hình 11 để tránh xảy ra sai xót không như ý muốn khi đặt trục, trên thanh công cụ chọn “Insert”, chọn tiếp vào Surface và chọn công cụ move/copy như Hình 12.
Hình 12: Công cụ Move và Copy
Bước 2: Trên thanh công cụ, chọn vào “Insert”, “Reference geometry” và chọn
“Coordinate system”, về chức năng sử dụng Hình 13 đã điễn tả cụ thể về cách sử dụng công cụ.
Hình 13: Thực hiện chọn công cụ đặt trục
CHỌN ĐIỂM CẦN ĐẶT TRỤC
Hình 14: Thực hiện công cụ đặt trục
Lưu ý: trước khi thực hiện đặt trục cho robot để tránh xảy ra các lỗi về lệch trục hoặc sai hướng của các gốc toạ độ riêng của khâu ta thực hiện tịnh tiến các toạ độ cần đặt về gốc toạ độ riêng của từng bộ phận.trên các tệp Solidworks. Để thực hiện việc tịnh tiến ta sử dụng công cụ Move/ Copy vật thể, các bước thực hiện sau đây:
Bước 1: Thực hiện chọn khối cần tịnh tiến (trong file thiết kế riêng, không phải file Assembly), lần lượt chọn vào Insert Surface Move/Copy để chọn lệnh.
Bước 3: Cửa sổ lệnh sẽ có sạng sau đây:
Hình 15: Cửa sổ lệnh dịch chuyển khối bản vẽ
Ta cần chú ý kích thước và toạ độ điểm trọng tâm hiện tại để từ đó có thế tịnh tiến vật theo các khoảng delta theo từng trục Sau dó ta tiến hành chọn và đặt trục như hướng dẫn trên
2.2.2 Các bước thực hiện xuất bản vẽ 2D cho mô hình:
Bước 1: Thực hiện mở phần mềm Solidwork, và truy cập đến bộ phận muốn xuất bản vẽ
Bước 4: Thực hiện truy cập mục “File” phía trên thanh công cụ, chọn “Make Drawing from part” như Hình 16.
Hình 16: Hướng dẫn tạo file 2D
Bước 5: Bước tiếp theo ta chọn kích thước giấy cần vẽ như hình và nhấn “OK”
Hình 17: Chọn khổ giấy cần vẽ
Trong khi thực hành sẽ có những vật được vẽ khác hướng qua ước so với hệ trục của Solidworks thế nên ta phải chỉnh hướng khi xuất ra khung hình 2D.
Bước 6: Chọn vật muốn thay đổi hướng/ góc nhìn, nhấn chuột phải vào bộ phận muốn xoay trong bản vẽ.
Hình 18: Cấu hình lại góc nhìn và hướng nhìn vật thể
Bước 7: Tiếp đó ta chọn Rotate view như hình trên, một hộp thoại sẽ hiện ra, ta giữ chuột trái lên vật cần xoay.
Hình 19: Cấu hình xoay vật thể 2.2.3 Các bước thực hiện xuất Simscape mô phỏng Robot cho Matlab Simulink:
Phiên bản được sử dụng trong đề tài này là phiên bản 2023b
Bước 1: Cài đặt Simscape Multibody Link cho Matlab
Truy cập vào link bên dưới và tải Simscape Multibody Link phù hợp với phiên bản Matlab đang sử dụng: https://www.mathworks.com/campaigns/offerings/ download_smlink_confirmation.html?elqsid79899820401&potential_use=Student Chạy Matlab bằng quyền quản trị viên.
Cài đặt bằng lệnh install_addon('smlink.r2023b.win64.zip')
Bước 8: Add Simscape Multibody Link cho SolidWorks
Hình 20: Cách thêm thư viện Simulink Multibody Simscape vào Solidworks
Hình 21: Cửa sổ Add-in hiện ra
Bước 9: Xuất file * xlm cho mô hình 4-DOF Arm Robot
Hình 22: Xuất file *xml cho Matlab
Bước 10: Chuyển đổi file xlm sang Matlab Simulink
Bước 11: Dùng lệnh smimport('*tenfile*.xml') để chuyển sang Matlab Simulink tại command windows.
Hiệu chỉnh thông số các khối để giao tiếp với UI:
Hình 23: Thực hiện cài đặt thời gian chạy chậm cho File Simscape
Các lỗi thường xuất hiện khi thực hiện xuất file sang Matlab Simulink:
Hình 24: Khối thực hiện kiểm tra mô hình Simscape
Hình 25: Cấu hình bên trong khối RobotSimscape
Thực hiện mô phỏng mô hình với bất kì góc nào, ta có được hình sau
Hình 26: Thực hiện truy tìm và đối chiếu hướng đặt trục trong mô hình Simscape so với mô hình trong Solidworks
Tìm các mối liên hệ và cá hệ trục giữa các trục và khớp thuộc bộ phận bị lỗi
Về công cụ chuyển đổi Simscape có thể xảy ra lỗi trong quá trình hoạt động giữa một số phiên bản nhất định các lỗi phổ biến như lệch/ngược hướng chuyển động theo chiều quy ước, mô hình được đặt trục và chiều quay đúng nhưng cơ cấu lại không giống thiết kế Để giải quyết vấn đề trên ta có hai cách thực hiện như sau:
Sử dụng khối Transform để cấu hình xoay và tịnh tiến hệ trục bị sai rồi ghép lại vào trước nơi mà hệ trục đó cần thay đổi.
Hình 27: Hình ảnh khối Transform
Thực hiện can thiệp vào bên trong khối chuyển đổi nối tiếp giữa hai hệ trục trước và sau.
Hình 28: Khối chuyển đổi giữa hai hệ trục
Click đúp chuột vào ta sẽ thấy hệ thống gồm hai khối chuyển đổi gồm khối chuyển đổi F1 cho hệ toạ độ trước đó và hệ toạ độ cần chỉnh, và F cho chỉnh mô hình.
Hình 29: Hệ trục chuyển đổi trung gian
Tại phần này, ta chọn hệ trục toạ độ muốn thay đổi, và chỉnh sửa theo hình sau
Vị trí thực hiện điều chỉnh ma trận xoay
Vị trí thực hiện điều chỉnh ma trận tịnh tiến
Hình 30: Thực hiện chỉnh sửa ma trận xoay của mô hình và ma trận tịnh tiến giữa các khớp
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CHO ROBOT
Hình 31: Hình ảnh mô tả thiết kế trong hệ toạ độ gốc có độ chênh lệch về chiều cao của robot.
Phương pháp đặt trục cho robot
Các bước đặt trục được biểu diễn theo phương pháp John Craig [1]
Bước 1: Xác định các khớp cần đặt trục cho robot, vẽ đường kẻ dọc theo chiều của khớp cần đặt.
Bước 2: Tiến hành đặt các trục Z hướng lên nằm trên các trục quay của các khớp
(chiều các trục Z nên đồng nhất trên các trục nằm chung một mặt phẳng), đối với các trường hợp đặc biệt là khớp tịnh tiến ta chọn sao cho hệ trục tịnh tiến giống với hệ toạ độ tại khớp quay gần nhất để dể tính toán
Trục Zi được đặt dọc theo khớp thứ i của robot.
Trục Xi được đặt trên đường vuông góc giữa hai trục thứ (i) và (i+1)., có chiều sau cho hướng từ hệ toạ độ (i) đến toạ độ (i+1).
Trục Yi được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Các góc, hướng quay theo chiều dương được lấy theo quy tắc nắm bàn tay phải với chiều khum của bàn tay là chiều dương quy ước.
- a i là khoảng cách giữa hai trục Z liền kề nhau, được lấy từ trục Zi đến trục Zi+1, theo hướng của trục Xi.
- i là góc lệch giữa trục Zi+1 và Zi, được xác định khi xoay trục Xi theo quy tắc bàn tay phải.
- d i là khoảng cách giữa hai trục Xi-1 và Xi được đo dọc theo trục Zi.
- i là góc lệch giữa trục Xi-1 và trục Xi , theo chiều quay của trục Zi theo quy tắc bàn tay phải.
Tính toán động học cho robot
Dựa trên thông số như và về đặt trục robot ta có thể rút được bản thông số DH sau đây.
Bảng 2: Bảng thông số DH i i 1 a i 1 d i i
3.2.1 Bài toán động học thuận:
Các quy ước viết tắt:
1 1 1 1 cos , sin , cos , sin , cos , sin , sin( ), cos( ). i i i i i i i i ij i j ij i j ijk i j k ijk i j k c s c s c s s c
Ma trận chuyển đổi tổng quát từ hệ trục toạ độ (i) về hệ trục (i-1)
Từ ma trận tổng quát các quy ước viết tắt 24, và ma trận chuyển đổi 25 ta có được các ma trận chuyển đổi sau:
Ma trận chuyển đổi từ hệ trục (1) về hệ trục toạ độ (0).
Ma trận chuyển đổi từ hệ trục (2) về hệ trục toạ độ (1).
Ma trận chuyển đổi từ hệ trục (3) về hệ trục toạ độ (2).
Ma trận chuyển đổi từ hệ trục (4) về hệ trục toạ độ (3).
Từ đó ta có ma trận chuyển đổi của robot từ hệ trục toạ độ (4) về (3) được thực hiện như sau:
Từ ma trận chuyển đổi tổng quát của robot ta có vị trí cuối của End-Effector:
Vậy dựa trên bảng thông số Robot và biểu thức toạ độ điểm cuối của robot 212 ta có
3.2.2 Bài toán động học nghịch:
Phương pháp tính động học nghịch được sử dụng là phương pháp đại số dựa trên toạ độ điểm cuối của cơ cấu chấp hành được tính toán như biểu thức 212.
Từ biểu thức 214 ta biến đổi lại như sau:
Ta quy ước hướng cho cơ cấu chấp hành cuối của robot theo góc sau:
16216\* MERGEFORMAT (.) Giả sử với giá trị hướng của cơ cấu chấp hành cuối nằm vuông góc với trục y ta có góc hợp bởi hướng robot với trục x của là 0 ta có được:
17217\* MERGEFORMAT (.) Thay biểu thức 217 và biểu thức 215 ta được phương trình có dạng như sau:
Tổng bình phương hai vế hai phương trình 218 và 219 ta được:
Từ biểu thức 221 ta có được kết quả sau:
Vậy ta có giá trị của góc 2 là:
Từ biểu thức 219 thực hiện tính 1 , từ phương trình ta có:
P y L c L s L s c 25225\* MERGEFORMAT (.) Để tính góc 1 của hệ thống ta áp dụng phương trình bậc nhất đối với sin và cos sẽ có dạng như sau:
Thực hiện đồng nhân thức của phương trình 226 và phường trình 225 ta có được các hệ số a và b, trong đó: s 3 2 a L s
3 2 2 c b L c L Để biểu thức a và b chắc chắn thoả điều kiện:
Ta thực hiện chia cả hai vế với biểu thức a 2 b 2 từ đó phương trình 226 được viết lại như sau:
Với góc sẽ được tính bằng biểu thức sau đây:
Dựa trên biểu thức 229 và phương trình lượng giác 226, biểu thức d có thể viết lại dưới dạng như sau:
Từ hai biểu thức trên đơn giản ta tính được nghiệm 1 như sau:
Vậy trong lời giải robot có hai bộ nghiệm cụ thể là:
KIỂM CHỨNG ĐỘNG HỌC VÀ MÔ PHỎNG MATLAB TRÊN MÔ HÌNH SIMSCAPE
Kiểm chứng động học trên lý thuyết bằng Matlab
Hình 32: Chương trình Simulink kiểm tra động học robot trên lý thuyết
Hình 33: Kiểm tra động học thuận và nghịch với góc đặt cho 1 và 2 bằng 0
Hình 34: Kiểm tra động học thuận và nghịch với góc đặt cho 1 bằng 90 độ và 2 bằng 0 Tuy nhiên việc kiểm chứng trên chỉ sử dụng một bộ nghiệm, nên không trái khỏi vị trí góc của robot sẽ sai khi không đúng vị trí trong vùng làm việc của một bộ nghiệm Giải pháp cho chương trình sẽ được thay bằng kiểm chứng đồng thời hai bộ nghiệm của robot.
Hình 35: Kiểm tra đồng thời hai bộ nghiệm của robot
Tại Hình 35, ta thấy kết quả của bộ nghiệm thứ nhất bị sai so với giá trị đặt vào tuy nhiên lúc này bộ nghiệm thứ hai lại cho ra kết quả đúng, cho thấy với góc cấp cho khối động học thuận đã nằm ngoài khả năng giải của bộ nghiệm thứ nhất.
Kiểm tra động học trên mô hình Simscape Simulink
Hình 36: Mô hình kiểm chứng động học cho khối Simscape
Hình 37: Giá trị góc của các khớp lấy từ việc xuất giá trị sensing position của các khớp
Hình 38: Kết quả tương ứng với vị trí các khớp là 0 độ, và kèm vị trí và hướng của trục sau khi chỉnh sửa đặt trục
Hình 39: Giá trị góc của các khớp với góc 1 90, 2 3 0
Hình 40: Kết quả tương ứng với vị trí các khớp với 1 90, 2 3 0
Hình 41: Giá trị góc của các khớp với góc 1 90, 2 90, 3 0
Hình 42: Kết quả tương ứng với vị trí các khớp với 1 90, 2 90, 3 0
Hình 43: Giá trị góc của các khớp với góc 1 90, 2 90, 3 90
Hình 44: Kết quả tương ứng với vị trí các khớp với 1 90, 2 90, 3 90
Hình 45: Kiểm chứng động học nghịch với chiều dài tối đa cho robot theo trục x
Hình 46: Chiều dài tối đa tương ứng với các góc khớp là 0 độ
QUY HOẠCH QUỸ ĐẠO CHO ROBOT
Giới thiệu về quy hoạch quỹ đạo của robot
Quy hoạch quỹ đạo bao gồm quy hoạch hướng hoặc quy hoạch chuyển động hệ thống phân cấp của quy hoạch chuyển động là như sau
- Lập kế hoạch nhiệm vụ (Task Planning): thiết kế tập hợp các nhiệm vụ cần tương tác với môi trường như xúc đất, gắp và thả vật, hàn, vác các mặt kim loại,
- Lập kế hoạch đường đi (Path planning): thực hiện tạo kế hoạch đường đi từ điểm tắ đầu đến điểm kết thúc có lộ trình tối ưu nhất thường tập hợp các điểm tham chiếu cho trước kết nối tạo thành đường đi.
- Quy hoạch quỹ đạo (Trajectory planning): Thêm các yếu tố với thời gian cho một cung đường từ đo rang buộc về các giá trị vị trí, vận tốc, gia tốc.
- Theo dõi quỹ đạo (Trajectory following): Là một vòng lặp nhằm kiểm tra độ chính xác của các quỹ đạo được lên kế hoạch vòng lặp bắt đầu từ bộ điều khiển đến các cảm biến phản hồi.
Task planning Path planning Trajectory planning
Controller Robot Sensor Trajectory following
Hình 47: Sơ đồ khối tổng quan về quy hoạch quỹ đạo
Xác định và quy hoạch quỹ đạo cho robot:
Bước 1: Xác định dạng, phương pháp quy hoạch quỹ đạo muốn thực hiện.
Bước 2: Xác định công việc robot sẽ thực hiện.
Bước 12: Xác định không gian làm việc của robot dựa vào các điều kiện ràng buộc cho trước.
Bước 13: Xác định các điểm đi qua trong không gian làm việc.
Bước 14: Áp dụng phương pháp quy hoạch quỹ đạo phù hợp.
5.1.1 Các phương pháp quy hoạch quỹ đạo:
Về cơ bản ta có hai không gian làm việc chính của robot có thể quy hoạch:
- Không gian làm việc: dựa trên hệ trục toạ độ Descartes của hệ làm việc để xác định các vị trí cụ thể mà các khâu cần đi qua, thường là khâu chấp hành cuối.
- Không gian khớp: dựa trên các điểm tham chiếu và nội suy từ vị trí khớp.
Path Planning Task Space Trajectory Inverse Kinenmatic Manipulators
Hình 48: Quy hoạch quỹ đạo theo không gian làm việc
Path Planning Inverse Kinenmatic Joint Space
Hình 49: Quy hoạch quỹ đạo theo không gian khớp Bảng 3: Bảng so sánh hai không gian quy hoạch quỹ đạo của robot
Không gian làm việc Không gian khớp Ưu điểm:
- Có thể dự đoán được vị trí, toạ độ đi qua.
- Né tránh được các vật cản tốt. Ưu điểm:
- Thời gian xử lý tính toán nhanh, trơn tru.
- Đòi hỏi kinh nghiệm để điều chỉnh mượt mà.
- Tính toán động học ngược tại mỗi chu kì nên chậm hơn.
- Không đảm bảo được quỹ đạo chuyển động trong không gian.
- Dể va chạm vật cản, do khó doán trước được hành vi.
Dựa trên những ưu nhược điểm được đề cập chúng em sẽ sủ dụng phương pháp quy hoạch quỹ đạo dựa theo không gian làm việc để khảo sát về yếu tố vị trí chính xác của mô hình trong thực nghiệm.
5.1.2 Các biểu thức quy hoạch quỹ đạo:
Quỹ đạo vận tốc hình thang:
Hình 50: Cấu hình các giá trị vị trí, vận tốc và gia tốc theo phương pháp vận tốc quỹ đạo hình thang
Quỹ đạo theo hàm đa thức:
- Đa thức bậc 5: yêu cầu 6 điều kiện ràng buộc khi di chuyển giữa hai điểm bao gồm vị trí, vận tốc và gia tốc của mỗi hai điểm cần quy hoạch.
- Đa thức bậc 3: yêu cầu 4 điều kiện ràng buộc khi di chuyển giữa hai điểm bao gồm vị trí, vận tốc của mỗi hai điểm cần quy hoạch.
Hình 51: Cấu hình các giá trị vị trí, vận tốc và gia tốc theo phương pháp sử dụng hàm đa thức
Trong đề tài này chúng em sẽ sử dụng hàm đa thức bậc 3 cho phương pháp quy hoạch quỹ đạo từ điểm tới điểm.
Công việc robot cần thực hiện
Trong nội dung môn học robot sẽ chuyển động theo quỹ đạo cho trước, không yêu cầu gắp thả vật cũng như các ứng dụng có liên quan đến cơ cấu chấp hành cuối cũng sẽ không được đề cập.
Hướng của cơ cấu chấp hành cuối không thay đổi trong suốt quá trình hoạt động, với
Quy hoạch quỹ đạo chuyển động theo đa thức bậc 3
Phương pháp quy hoạch được sử dụng là quy hoạch quỹ đạo theo không gian làm việc, để quy hoạch quỹ đạo ta cần có điều kiện ràng buộc khi thực hiện chuyển động từ điểm tới điểm, gồm các giá trị vị trí, vận tốc và gia tốc.
Về vị trí biểu thức của đa thức bậc 3 như sau:
38538\* MERGEFORMAT (.) Đạo hàm theo thời gian ta có được vận tốc:
39539\* MERGEFORMAT (.) Thay các điều kiện ràng buộc vào biểu thức 538 và ta có:
43543\* MERGEFORMAT (.) Biểu diễn các biểu thức dưới dạng ma trận ta thu được biểu thức sau:
Từ biểu thức ta đặt:
Biểu thức tổng quát của hệ là Y AXtừ đó ta thực hiện nhân hai về của phương trình với ma trận nghịch đảo A 1 ta thu được các hệ số sau:
Từ đó ta có được các hệ số để lập trình quy hoạch các điểm toạ độ như mong muốn.
Xác định không gian làm việc và các điểm cần quy hoạch của robot
Dựa trên biểu thức động học thuận đã có tại mục ta sẽ có được không gian làm việc của robot dựa trên các biểu thức động học thuận như hình sau:
500 Không gian làm việc tổng quát của robot
Hình 52: Không gian lảm việc của Robot
Vì trong phương trình động học thuận của robot không thể hiện được khái niệm
“điểm kì dị” trong chuyển động của robot, nên không gian làm việc trên là tổng hợp từ các bộ nhiệm khác nhau của robot, từ kiểm tra bằng phương pháp động học nghịch ta thực hiện giới hạn lại không gian làm việc của robot với giới hạn của các góc,
Từ phương pháp tính động học nghịch của robot ta thực hiện chia không gian làm việc của robot thành hai bộ nghiệm riêng lẽ với hai giá trị của góc 2 tương ứng với không gian làm việc của hai bộ nghiệm.
500 Không gian làm việc với góc theta 2 dương
Hình 53: Không gian làm việc với góc 2 dương
500 Không gian làm việc với góc theta âm
Hình 54: Không gian làm việc với góc 2 âm
Từ đó ta thấy vùng có mật độ dày đặc các điểm được vẽ là vùng robot hoạt động ổn định nhất do độ phân giải của robot là lớn nhất.
Chương trình quy hoạch quỹ đạo của robot
Các biến giá trị trong chương trình quy hoạch quỹ đạo được khai báo như sau:
- P: ma trận các toạ độ của các điểm cần quy hoạch.
- v: vận tốc tại các toạ độ.
- t : thời gian hiện tại của chương trình mô phỏng.
- tf: thời gian di chuyển giữa hai điểm bất kì trong tập hợp điểm được khai báo.
- n: số lần di chuyển giữa hai điểm.
Hình 55: Chương trình quy hoạch quỹ đạo giữa hai điểm bất kì
Hình 56:Lưu đồ giải thuật quy hoạch quỹ đạo từ điểm tới điểm qua 3 đường thẳng
Kiểm chứng quy hoạch quỹ đạo trên lý thuyết
Thông số robot được lựa chọn như dự kiện các toạ độ được chọn nằm trong vùng làm việc của robot và có độ phân giải là 1 độ Các dạng quy hoạch quỹ đạo gồm:
Dựa vào biểu thức đã trình bày các hệ số của phương trình bậc ba có kết quả như sau:
- Điểm di chuyển theo trục X:
- Điểm di chuyển theo trục Y:
Ma trận chuyển động theo trục Y
Biểu thức được viết lại như sau:
Bài toán chuyển động giữa hai điểm A và B với toạ độ cho trước, thời gian tại vị trí
A và B lần lượt là t A 0 s và t B 2 s
Hình 57: Toạ độ của chất điểm toạ độ cuối trên hệ trục X khi mô phỏng trên lý thuyết (TH1)
Hình 58: Toạ độ của chất điểm toạ độ cuối trên hệ trục Y khi mô phỏng trên lý thuyết (TH1)
80 Quỹ đạo chuyển động của mô hình
Quỹ đạo chuyển động là đường thẳng qua hai vị trí trong không gian là:
Phương trình chuyển động giữa hai điểm A và B theo hai hệ trục X và Y là:
- Điểm di chuyển theo trục X:
Các hệ số của phương trình bậc 3 theo trục X có dạng như sau:
Ma trận tổng quát của các thông số vị trí và vận tốc theo phương x
- Điểm di chuyển theo trục Y:
Các hệ số của phương trình bậc 3 theo trục Y có dạng như sau:
Ma trận tổng quát của các thông số vị trí và vận tốc theo phương y
Hình 60: Toạ độ của chất điểm trên hệ trục X khi mô phỏng (TH2)
Hình 61: Toạ độ của chất điểm trên hệ trục Y khi mô phỏng (TH2)
80 Quỹ đạo chuyển động của mô hình
Hình 62: Đường đi của cơ cấu chấp hành cuối (TH2)
- Các kết quả như Hình 60, Hình 61, Hình 62 đều có kết quả như mong muốn từ việc quy hoạch quỹ đạo, tuy nhiên các thời gian di chuyển đều giống nhau giữa các điểm, chương trình chưa thực sự tối ưu về thời gian di chuyển.
- Về vận tốc chuyển động, bắt đầu và kết thúc đều với vận tốc là 0 m/s nên sẽ gây ra hao tổn động cơ, chuyển động bị giật trong quá trình làm việc để có thể né tránh trường hợp này ta cần tính toán các vận tốc của các điểm trung gian khác đi giá trị
0, để thực hiện tính liên tục trong chuyển động đồng thời bo góc tại các toạ độ.
5.6 Quy hoạch quỹ đạo trên mô hình Simscape:
Hình 63: Chương trình mô phỏng quy hoạch quỹ đạo trên robot
Trường hợp 1: Quy hoạch chuyển động giữa hai điểm
Với thời gian di chuyển là 3 giây.
Hình 64: Chuyển động cửa cơ cấu chấp hành cuối theo trục x trên mô hình Simscape
Hình 65: Chuyển động của cơ cấu chấp hành cuối theo trục y trên mô hình Simscape
Trường hợp 2: Quy hoạch chuyển động giữa ba điểm của robot trong không gian
Với thời gian di chuyển là 3 giây trong mỗi chặn AB, BC và CA.
Hình 66: Chuyển động cửa cơ cấu chấp hành cuối theo trục x trên mô hình Simscape
Hình 67: Chuyển động cửa cơ cấu chấp hành cuối theo trục y trên mô hình Simscape
T KẾ GIAO DIỆN TƯƠNG TÁC
6.1 Các công cụ sử dụng và hướng dẫn sử dụng
- Phần mềm tích hợp App Designer của Matlab.
Với công cụ App designer để thiết kế giao diện ta cần thực hiện các bước sau:
Bước 1: Từ giao diện chính của Matlab ta chọn “New”, rồi chọn mục “App” trên thanh công cụ như hình sau
Hình 68: Mở công cụ thiết kế giao diện App designer
Khung cấu hình các thông số được chọn
Khung chuyển chế độ thiết kế và lập trình Thanh công cụ
Panel thiết kế giao diện
Hình 69:Giao diện chính và phân vùng làm việc của ứng dụng
Bước 2: Thiết đặt các kích thước cho khung giao diện và thực hiện lập trình Để thiết đặt kích thước của khung hình hay giao diện sử dụng, ta chọn vào “Panel thiết kế giao diện”, bên tay phải sẽ có các thông số cần cấu hình về kích thước khung hình, màu sắc, ….
Hình 70: Chỉnh sửa màu nền cho cửa sổ giao diện
Hình 71: Chỉnh sửa kích thước và độ phân giải cho khung hình
Hình 72: Cửa sổ common browser hiển thị các tính năng đang sử dụng
Khi thực hiện lấy một khối trong cửa sổ “Component library” trong cửa sổ sẽ hiện ra trong cửa sổ “Component Browser, thư mục này quản lý tất cả các nút hoặc phím chức năng mà ta lấy ra, giúp để quan sát trong quá trình lập trình.
Hình 73: Tạo lập chương trình lập trình tương tác với phím chức năng
Tại phím cần lập trình tương tác ta nhấp chuột phải vào và chọn “add buttonfcn callback” để tạo khối lập trình chức năng của khối.
Thiết kế giao diện người dùng
Hình 74: Giao diện điều khiển chính robot SCARA 3 bậc tự do
Với giao diện, được tách riêng thành từng chức năng cụ thể để tránh rối mắt khi quan sát và quan sát kết quả, giao diện gồm hai chức năng chính là kiểm tra động học và quy hoạch quỹ đạo theo các dạng hình cụ thể.
Với chức năng kiểm chứng động học bao gồm động học thuận như Error: Reference source not found có thể kéo các thanh giá trị “Slider” hoặc nhập trực tiếp vào khối hiển thị cạnh nó, và tiếp theo là nhấn phím “convert” để chấp nhận Kết quả sẽ được hiển thị tại khối End-Effector Tương tự với chức năng tính động học nghịch nhưng sẽ bấm nút “Inverse” để hiển thị các góc tương ứng tại khối “Angle of each joint”.
Về chức năng quy hoạch quỹ đạo như Hình 76, ta chọn hình dạng cần vẽ bằng cách kéo nút trượt tương ứng và nhấn “Start” để mô phỏng và lấy dữ liệu, sau đó nhấn “Plot” để hiển thị các kết quả lên khung hình Tương tự với các hình dạng còn lại, tuy nhiên hệ thống vẫn còn gặp trục trặc khi tương tác với mô hình vì khi vẽ biểu đồ đầu tiên, vẫn có thể chuyển chế độ nhưng khi hiển thị bằng phím “Plot” hình vẽ vẫn không thay đổi.
Hình 75: Giao diện tính toán động học robot
Hình 76: Giao diện quy hoạch quỹ đạo cho robot
THI CÔNG MÔ HÌNH
Kết quả chạy trên mô hình thực tế
Hình 83: Mô hình thực tế của robot
Hình 84: Kết quả quy hoạch quỹ đạo theo đường thẳng
Hình 85: Kết quả quy hoạch quỹ đạo hình tam giác
7.3 Danh sách các thiết bị được sử dụng và dự trù:
Bảng 5: Thông số chi tiết các linh kiện sử dụng
STT TÊN THIẾT BỊ HÌNH ẢNH MINH HOẠ THÔNG SỐ KĨ THUẬT
Vi điều khiển: ATmega2560 Điện áp hoạt động: 5V. Điện áp đầu: 7-12V.
Số lượng chân Input Analog: 16
Momen làm việc: 11kg/cm (tại 6V), 9.4kg/cm (tại 4.8V). Điện áp làm việc: 4.8 - 7.2V Nhiệt độ hoạt động: -3℃ ~ ~
Chiều dài dây: 30cm Trọng lượng: 65g
Khối lượng: 9g Momen xoắn: 1.8kg/cm Điện áp hoạt động: 4.8V Nhiệt độ hoạt động:0ºC–55 ºC
10A Điện áp vào: 110V - 240V (50/60hz) Điện áp ra: 12V.
DC-DC LM2596 3A. Điện áp đầu vào:3Vdc - 30Vdc. Điện áp đầu ra: 1.5V - 30V. Dòng đáp ứng tối đa là 3A.
Bảng 6: Bảng danh sách chi tiết thiết bị, vật tư xây dựng mô hình
STT Tên thiết bị Số lượng Đơn vị
1 Tấm nhựa Mica 1 bộ 110 000 Imaker.vn
3 Động cơ Servo 995 1 con 75 000 https://dientutuyetnga.com/products/dong- co-rc-servo-mg995r-360-do
4 Bánh răng cho động cơ
Servo 1 bộ 10 000 https://imaker.vn/bo-banh-rang-cho-dong- co-servo-mg996r-mg946r-mg995
5 Servo SG90 1 con 30 000 https://imaker.vn/dong-co-rc-servo-9g
6 Nguồn tổ ong 12V-10A 1 bộ 145 000 https://imaker.vn/nguon-xung-12v-10a- nguon-to-ong
7 Mạch hạ áp DC LM2596 1 mạch 13 000 https://imaker.vn/mach-giam-ap-dc- lm2596-co-hien-thi-v2
8 Dây điện đực cái 20cm 40 sợi 28 000 https://hshop.vn/products/day-camtest- board-duc-coi20cm40soi
9 Dây điện Cái - Cái 2 tép 28 000 https://hshop.vn/products/day-camtest- board-coicoi20cm40soi
10 Vi điều khiển Mega 2560 1 mạch 280 000 https://hshop.vn/products/arduino-mega-
60mm 4 cái 24 800 https://www.thegioiic.com/tru-dong-hex- m3-cai-cai-dai-60mm
12 Đai ốc lục giác M3 6 con 18 000 https://imaker.vn/tan-inox-20-con
13 Đai ốc lục giác M5 8 con 48 000 https://imaker.vn/tan-inox-20-con
14 Vít Cỡ M3 dài 10 mm 10 con 3 000 https://www.thegioiic.com/vit-may-km- m3-x-10mm-304
14 Vít Cỡ M3 dài 35 mm 2 con 1 000 https://www.thegioiic.com/vit-may-km- m3-x-35mm-304
15 Vít M2 10 mm 10 con 3 600 https://www.thegioiic.com/vit-gb819-m2- x-10mm-thep-carbon
16 Vít Máy M5 10mm 8 con 3 200 https://www.thegioiic.com/vit-may-km- m5-x-10mm-304
17 Bảng điện 1 tấm 5 000 https://imaker.vn
