Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển thiết kế hệ thống điều khiển robot scara ba bậc tự do

Vì vậy, với những kiến thức em được thầy côhướng dẫn và truyền đạt là cơ sở để em nghiên cứu, phát triển đồ án “Thiết kế hệthống điều khiển cho Robot Scara”.Trong thời gian làm đồ án, em

TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA

Giới thiệu chung về Robot SCARA

SCARA là viết tắt của “Selective Compliance Assembly Robot Arm” hay “Selective

Cánh tay robot SCARA có thiết kế khớp trục song song, cho phép chuyển động linh hoạt trên mặt phẳng XY nhưng cứng nhắc theo trục Z (Selective Compliance) Tính năng này tối ưu cho các ứng dụng lắp ráp chính xác, ví dụ như lắp pin tròn vào lỗ tròn.

Robot SCARA sở hữu cấu trúc cánh tay hai liên kết linh hoạt, tương tự cánh tay người, cho phép tiếp cận và thao tác trong không gian hẹp Khả năng này rất hữu ích cho việc vận chuyển linh kiện giữa các vị trí hoặc tải/dỡ tại các trạm xử lý.

Robot SCARA nhanh hơn hệ thống robot Descartes cùng loại, tiết kiệm không gian nhờ thiết kế nhỏ gọn và dễ lắp đặt Tuy nhiên, SCARA có thể đắt hơn và phần mềm điều khiển phức tạp hơn, mặc dù thường được tích hợp sẵn và dễ sử dụng.

1.1.2 Ứng dụng của Robot SCARA

Robot Scara là loại robot công nghiệp ứng dụng cao, nổi bật với khả năng gắp đặt vật liệu chính xác, nhờ đó được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất và các công đoạn hàn xì tại xưởng cơ khí.

Robot SCARA ngày càng được nhiều doanh nghiệp ứng dụng nhờ hiệu quả vượt trội, thay thế hiệu quả sức người trong các công việc nặng nhọc Ứng dụng robot SCARA mang lại tối ưu hóa sản xuất và năng suất.

Cánh tay robot, đặc biệt là robot Scara, đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hiện đại, thực hiện các công việc phức tạp, liên tục 24/7 với hiệu suất cao và độ chính xác tuyệt đối Ứng dụng robot Scara tối ưu trong môi trường nguy hiểm như nhiễm xạ hay độc hại, bảo vệ sức khỏe người lao động.

Hình 1-2 Ứng dụng của Robot SCARA

1.1.3 Ưu điểm của Robot SCARA

Loại robot này có rất nhiều ưu điểm nổi bật:

 Tốc độ: Được thiết kế tự động hóa hoạt động và có lập trình sẵn, tốc độ của

Scara sở hữu tốc độ vượt trội hơn hẳn khả năng của con người, hoạt động ổn định và hiệu quả ngay cả trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao hoặc tiếp xúc hóa chất, luôn đảm bảo tốc độ vận hành như cài đặt.

Robot Scara vượt trội về độ chính xác tuyệt đối, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi kiểm soát lực chính xác cao như lắp ráp cơ khí và điện tử Khả năng kiểm soát lực định hướng của Scara đảm bảo thao tác chính xác, vừa hoàn thành nhiệm vụ vừa bảo vệ linh kiện.

Công việc lặp đi lặp lại gây mệt mỏi và ảnh hưởng thái độ làm việc Robot Scara khắc phục nhược điểm này, thể hiện ưu điểm chung của robot trong việc thay thế con người ở các công việc chân tay tuần hoàn.

1.1.4 Nhược điểm của Robot SCARA

Robot Scara có tải trọng nhỏ hơn so với các loại robot công nghiệp khác, thường chỉ từ 5-15kg, tối đa khoảng 30kg.

 Độ linh hoạt: Trục z của Robot scara dễ bị hạn chế về chiều dài hoạt động hơn so với các cấu trúc robot Descartes, hay robot toạ độ cầu.

Một số loại Robot SCARA

Hình 1-3 Robot SCARA Denso HM-G

Hình 1-4 Robot SCARA Fanuc SR 6iA và Robot SCARA Epson

Yêu cầu thiết kế

SCARA là một cấu hình tiêu chuẩn giữa các robot Giai đoạn thiết kế sơ bộ, chúng ta có những điểm sau đây:

 Robot SCARA 3 bậc tự do

 Hình trình trục vít me (z): 400mm

 Độ chính xác lặp (x, y) = ± 0.02 mm , (z) = ± 0.01 mm

 Sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc cho khâu tịnh tiến.

Hiệu suất robot phụ thuộc nhiều vào thiết bị điện tử điều khiển, đặc biệt là mạch điều khiển động cơ bước/servo Chọn động cơ bước hoặc servo, tùy thuộc độ chính xác yêu cầu, là yếu tố then chốt ảnh hưởng hiệu suất hệ thống Bài viết này tập trung vào mạch điều khiển động cơ bước/servo.

Một số lựa chọn ban đầu cần phải chú ý:

 Loại động cơ: Đơn cực hoặc lưỡng cực.

 Nguyên lý ổ đĩa: L/R hoặc PWM.

 Chế độ hoạt động: Nửa bước hoặc toàn bước.

 Đặc trưng mô-men xoắn – tốc độ.

1.3.3 Phần mềm và điều khiển

Phần mềm điều khiển cần thực hiện các nghĩa vụ sau:

 Đường dẫn liên tục trong không gian.

 Chuyển động xen kẽ (Join – interpolated motion).

 Phối hợp chuyển động tuyến tính: tất cả các trục khởi động và dừng các bước chuyển động cùng một thời gian.

Kết luận

Đồ án yêu cầu nghiên cứu robot SCARA Chương tiếp theo sẽ phân tích nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật quan trọng của robot này.

PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Nguyên lý hoạt động

2.1.1 Phân tích nguyên lý hoạt động

Robot hoạt động nhờ động cơ điện (bước, servo) tại các khớp Khớp 1 và 2 dùng dây đai/bánh răng truyền chuyển động quay, khớp 3 dùng trục vít me đai ốc bi chuyển đổi thành chuyển động tịnh tiến Cảm biến đảm bảo độ chính xác về vị trí và tốc độ.

 Động cơ và cảm biến được điều khiển bằng hệ thống máy tính – controller thông qua các chương trình phần mềm Matlab/Simulink, G-code,

2.1.2 Các thông số kỹ thuật quan trọng

 Tầm với (chiều dài cánh tay): 970 mm

- Hành trình trục vít me (z) khớp 3: 0 ÷ 400 mm

 Tải trọng tối đa: 10kg

Xác định các thành phần của hệ thống điều khiển

Robot SCARA sử dụng động cơ Servo hoặc Stepper Động cơ Stepper là động cơ điều khiển vòng hở, hoạt động dựa trên cấp điện tuần hoàn cho cuộn dây, tốc độ phụ thuộc vào tần số cấp điện Động cơ Stepper có hai chế độ điều khiển: nửa bước và một bước.

Hình 2-5 Động cơ bước b Cảm biến:

Cảm biến là thiết bị nhận “stimulus” và trả về tín hiệu điện “Stimulus” là tính chất, thuộc tính, được cảm nhận và chuyển thành tín hiệu điện.

Vi điều khiển không thể điều khiển trực tiếp servo công suất lớn do nguồn ra hạn chế (+5V), cần thêm bộ điều khiển (driver) với nguồn cấp lớn (tính bằng A) để đảm bảo dòng điện đủ mạnh Do đó, hệ thống cần hai nguồn cấp: một cho vi điều khiển (5-12V) và một cho driver.

Hình 2-6 Nguồn Adaptor tổ ong

2.2.3 Bộ điều khiển động cơ

Mỗi servo motor cần một driver riêng tương thích, bao gồm đầu nối motor, kết nối encoder phản hồi, cấp nguồn và giao tiếp (RX/TX) với máy tính hoặc vi điều khiển.

Hình 2-7 Driver điều khiển động cơ

Giao tiếp với bộ điều khiển:

 Giao tiếp với driver thông qua giao tiếp UART (2 chân RX, TX) Có hai cách kết nối là qua máy tính và qua vi điều khiển.

 Đối với kết nối qua máy tính: dùng cáp kết nối như RS232 và sử dụng phần mềm để giao tiếp.

Kết nối vi điều khiển với driver cần dây nối RX, TX và code điều khiển tương ứng để kích hoạt driver.

Hình 2-8 Dây cáp RS 232, Arduino Mega

Kết luận

Chương 2 giúp tôi nắm vững nguyên lý hoạt động, thông số kỹ thuật của Robot SCARA và tổng quan hệ thống điều khiển (động cơ, cảm biến, bộ nguồn), kiến thức này là nền tảng thiết kế hệ thống điều khiển ở chương 3.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Động học Robot SCARA

3.1.1 Động học thuận Robot SCARA

Hình 3-9 Sơ đồ động học Robot SCARA 3 bậc tự do

Ta có bảng D-H như sau:

Bảng 3-1 Bảng D-H Robot SCARA 3 bậc tự do

Với biến tại các khớp (Tọa độ suy rộng): q =[ q 1 q 2 q 3 ] T

Miền giá trị của biến khớp: { q q 2 1 q ϵ ϵ 3 [−165 [−147 ϵ [ 0 ; 400 °; °; 165 147 mm ] ° ° ] ]

Tham số động học: { d d a a 2 1 2 1 = = 0( P0 500 450 ( ( ( mm mm mm) mm ) ) )

 Ma trận biến đổi thuần nhất giữa hai khâu liên tiếp là:

T 1 0 = A 1 = [ cos sin 0 0 q q 1 1 −sin cos 0 0 q q 1 1 0 0 1 0 a a 1 1 cos sin d 1 1 q q 1 1 ] (3-1)

T 2 1 = A 2 = [ cos sin 0 0 q q 2 2 − cos sin 0 0 q q 2 2 0 0 1 0 a a 2 2 cos sin d 1 2 q q 2 2 ] (3-2)

= A 1 A 2 ¿ [ cos sin 0 0 q q 12 12 − cos sin 0 0 q q 12 12 0 0 1 0 a a 2 2 cos sin q q 12 12 d 1 + + 1 a a 1 1 cos sin q q 1 1 ] (3-3)

0 T 2 1 T 3 2 ¿ [ cos sin 0 0 q q 12 12 −sin cos 0 0 q q 12 12 0 0 1 0 a a 2 2 cos sin d 1 q q + 12 12 d 1 + + 2 + a a 1 1 q cos sin 3 q q 1 1 ] (3-5)

Tọa độ điểm thao tác:

Phương trình động học thuận của Robot: { x y = = 450 450 z= c θ sθ 600+q 12 12 + + 500 500 3 c θ s θ 1 1

Sử dụng phần mềm Matlab , ta tìm được không gian làm việc của Robot:

Hình 3-10 Không gian làm việc của Robot

Hình 3-11 Không gian làm việc của Robot 2D

Robot hoạt động trong không gian với biên độ khớp: q1 = (-165° ÷ 165°), q2 = (-147° ÷ 147°), q3 = (0 ÷ 400mm) và trục Z = (200 ÷ 600mm) Tầm với trong mặt phẳng Oxy đạt 970mm Xác định hướng thao tác của robot là yêu cầu cần giải quyết.

- Sử dụng ma trận định hướng của khâu thao tác là ma trận Cardan:

[ sinαsinβcos η+ cosβcos η cosαsinη −sinαsinβsin η − cosβsin η +cosαcosη −sinαcosβ sinβ

−cosαsinβcos η+ sinαsinη cosαsinβsin η+ sinαcosη cosαcosβ ]

- Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác là:

- Đồng nhất hệ số hai phương trình và giải ta được:

Kết quả trên chính là hướng của khâu thao tác cuối biểu diễn theo 3 góc Cardan. b Vận tốc của điểm thao tác cuối và vận tốc góc các khâu

 Vận tốc khâu cuối: v 3 0 = δ r 0 E ( q ) δq = [ − a a 2 2 cos sin q q 12 12 0 +a − a 1 cos 1 sin q q 1 1 − a a 2 cos 2 sin 0 q q 12 12 0 0 1 ] [ q q q ˙ ˙ ˙ 1 2 3 ] =J (3-9) TE q ˙

3.1.2 Động học ngược Robot SCARA

Bài toán động học ngược đóng vai trò cốt yếu trong lập trình và điều khiển robot, đặc biệt là việc điều khiển tay kẹp đến các vị trí không gian theo quy luật mong muốn.

Bài toán động học ngược xác định tọa độ khớp từ tọa độ và góc quay trong không gian thao tác Bài báo trình bày phương pháp giải tích để giải quyết bài toán này.

Bài toán động học ngược của robot Scara 3 bậc tự do xác định các thông số [xE yE zE θE]T, bao gồm tọa độ điểm tác động cuối trong không gian thao tác và góc quay quanh trục z của khâu cuối cùng.

Từ phương trình động học, ta có: x E = a 2 cos q 12 + a 1 cos q 1 ( 1 ) y E =a 2 sin q 12 + a 1 sin q 1 (2) z E = d 1 + d 2 + q 3 (3) Bình phương hai vế của (1) và (2) ta được: ¿ (3-13)

Cộng hai vế của phương trình trên ta được: x E 2 + y E 2 = a 1 2 + a 2 2 + 2 a 1 a 2 cosq 2

Biến đổi phương trình (1) và (2) về hệ phương trình có 2 ẩn là cosq 1 và sinq 1 :

{ x E y = E =a ( a 2 cosq 2 sinq 2 2 + cosq a 1 ) cosq 1 +(a 1 +(− 2 cosq a 2 2 +a sinq 1 ) 2 sinq ) sinq 1 1 Áp dụng Kramer’s rule: ¿

→ q 1 = arctan ( cosq sinq 1 1 ) =arctan ⁡ ( − ( a a 2 2 cosq sinq 2 2 + x a E 1 + ) x ( a E 2 cosq + a 2 sinq 2 + a 2 1 y ) y E E )

Kết luận: Kết quả của bài toán động học ngược:

{ q 1 = θ 1 = arctan q ( 2 cosq sinq =θ 2 1 =arccos 1 ) = arctan q 3 = ( z x E ⁡ ( −d E −a 2 ( + a 1 y 2 − 2 cosq E sinq 2 2 d −(a a 2 1 a 2 2 x + 2 1 2 a E +a 1 + ) x ( 2 a 2 E ) 2 + ) cosq a 2 sinq 2 + a 2 1 y ) y E E )

Động lực học Robot SCARA

Hình 3-12 Hệ tọa độ khối tâm của Robot

Hình trên là bản vẽ kỹ thuật của một robot SCARA 3 bậc tự do.

Cánh tay robot gồm ba trục (X, Y, Z) điều khiển chuyển động lên xuống, trái phải và xoay Đầu robot, gắn cuối cánh tay, thực hiện các thao tác như cầm nắm vật thể.

- ( x 0 , y o , z 0 ): hệ tọa độ cơ sở

- ( x ci , y ci , z ci ): hệ tọa độ khối tâm của từng khâu

- O ci : gốc tọa độ của khối tâm từng khâu

- l i là khoảng cách từ tâm Ci đến gốc tọa độ Oi

- d i , a i : là các tham số được xây dựng theo quy tắc D-H

3.2.1 Động lực học thuận Để tính toán động lực học Robot, ta sẽ đi thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot Phương trình vi phân chuyển động của robot được xây dựng theo phương trình Lagrange loại II có dạng tổng quát như sau: d dt ( ∂ ∂T q ˙ i ) − ∂ T ∂ q ˙ i = −∂ Π ∂ q i + Q i kt , i = 1 ,n (3-16)

 T – Động năng của hệ Robot

 Π - Thế năng của hệ Robot

 Q ¿ - Vector lực suy rộng không thế

 i = 1 ÷ n với n là số bậc tự do (n=3)

Thiết kế robot thường dùng ma trận phương trình Lagrange loại II để thuận tiện cho tính toán và mô phỏng Phương trình vi phân mô tả chuyển động robot được thể hiện dưới dạng ma trận.

 M(q) là ma trận khối lượng

 Q là vector ngoại lực suy rộng

[ τ 1 τ 2 τ 3 ] t là vector lực dẫn động tại các khớp Với khớp tịnh tiến τ i là lực F mi , với khớp quay thì τ i là ngẫu lực có momen M mi

Bảng 3-2 Vị trí trọng tâm của các khâu

Vị trí trọng tâm Khối lượng

Ma trận quán tính Θ xc yc zc I xx I yy I zz ❑ xy ❑ yz ❑ zx

- Giả thiết khâu 1 là một thanh phẳng đồng chất, tiết diện ngang không đáng kể và có trọng tâm đặt tại trung điểm của thanh

- Tọa độ khối tâm C1 trong hệ tọa độ R1: r C 1

Với: l 1 là khoảng cách từ tâm C1 đến gốc tọa độ O1

- Tọa độ khối tâm C1 trong hệ tọa độ R0: r C 0 1 =r O 0 1 +R 1 0 r C 1 1 =[ ( a ¿¿ 1−l 1 )cos q 1 ¿(a ¿¿ 1−l 1 )sin q 1 ¿ d 1 ]

- Ma trận Jacobi tịnh tiến:

+ Ma trận Momen quán tính khối:

- Giả thiết khâu 2 là một thanh phẳng đồng chất, có tiết diện ngang không đáng kể và có trọng tâm đặt tại trung điểm của thanh

- Tọa độ khối tâm C2 trong hệ tọa độ R2: r C 2

- Tọa độ khối tâm C2 trong hệ tọa độ R0: r C 0 2 =r O 0 2 +R 2 0 r C 2 2 =[ (a ¿¿ 2−l 2 ) cos q 12 +a 1 cos q 1 ¿(a ¿¿ 2−l 2 ) sin q 12 +a 1 sin q 1 ¿ d 1 +d 2 ]

J T 2 = δ r C 0 2 δq = [ −(a ( a ¿¿ ¿¿ 2 2−l − l 2 2 ) ) cos sin q q 12 12 −a + a 1 1 cos sin ¿ q q 1 1 ¿−(a ¿ ( a ¿¿ ¿¿ 2 − 2−l l 2 ) 2 cosq ) sin 12 q 12 ¿ 0 ¿ 0 0¿0¿ ]

- Giả thiết khâu 3 là một thanh phẳng đồng chất, tiết diện ngang không đáng kể và có trọng tâm đặt tại trung điểm của thanh

- Tọa độ khối tâm C3 trong hệ tọa độ R3: r C 3 3 =[ − l 3 0 0 ] T

- Tọa độ khối tâm C3 trong hệ tọa độ R0: r C 0 3 =r O 0 3 +R 3 0 r C 3 3 =[ (a ¿¿ 2−l 2 ) cos q 12 +a 1 cos q 1 ¿(a ¿¿ 2−l 2 ) sin q 12 +a 1 sin q 1 ¿ d 1 − l 3 + d 2 +q 3 ]

 Tính toán ma trận khối lượng:

J Tk T m k J Tk + J Rk T R k 0 I Ck k R k 0T J Rk (3-30) ¿ [ m m m 11 21 31 (q) ( (q) q ) m m m 12 22 32 (q ( (q q ) ) ) m m m 13 23 33 (q) ( (q) q ) ] (3-31)

J Tk T m k J Tk + J T Rk R k 0 I Ck k R k 0T J Rk = [ m m m 21 31 11 ( (q (q q ) ) ) m m m 12 22 32 ( ( ( q q) q) ) (3-38) m m m 13 23 33 ( (q) (q) q ) ]

 Tính toán thế năng, lực thế:

- Vecto G(p) là vecto thế năng với các thành phần G i =∂ π

∂ q i Đặt gốc thế năng tại chân khâu cố định, dễ thấy thế năng của Robot cũng chính là tổng thế năng của các khâu. Thế năng Robot: Π= Π 1 + Π 2 + Π 3

- Ma trận đặc trưng cho lực quán tính Coriolis và lực quán tính li tâm C ( q , q ˙) xác định bởi:

- Các phần tử của ma trận này được tính theo công thức Christoffel: c ij ( q , q ˙)= 1

- Sử dụng phần mềm Matlab, kết quả tính toán như sau: c 11 (q ,q˙)=−(m 2

 Lực suy rộng của các lực không thế Q

Đồ án robot giả định mô hình lý tưởng, bỏ qua ma sát và lực cản nhớt Lực tác động lên khâu thao tác cuối là lực duy nhất được xét.

Xét trường hợp tổng quát với lực và momen có giá trị:

Lực suy rộng được xác định theo công thức

- Lực tác động lên khâu cuối là F E 0 = [ − 0 0 F z ]

- U = [ τ τ τ 1 2 3 ] là lực dẫn động τ i của động cơ đặt tại các khớp.

Vậy Q = [ − 0 0 F z ] + [ τ τ τ 1 2 3 ] là vector lực suy rộng cần xác định.

Kết quả của bài toán động lực học:

Hay lực điều khiển tại các khớp: τ = [ τ τ τ 1 2 3 ] = ⌈ m 11 ( q ) m q ¨ 1 21 + ( m q ) 12 m q ¨ ( 1 33 q + ( ) m q q ¨ 2 ) 22 q + ¨ ( 3 c q +m 11 ) q ¨ ( q , 2 3 + g+ q c ˙ 21 ) F q ˙ ( 1 q , z + c q ˙ 12 ) q ˙ ( q , 1 q ˙ ) q ˙ 2 ⌉

Bài toán động lực học ngược xác định lực dẫn động τ từ chuyển động robot đã biết (q(t), q˙(t), q¨(t)) Thay các thành phần này vào phương trình, ta tính được lực và ngẫu lực tác động lên các khâu 1, 2, 3 của robot.

Nghiên cứu động học robot giúp tính toán lực khớp, mô-men tại các khớp trong quá trình vận hành, từ đó xác định công suất cần thiết cho các khâu 1,2,3 và lựa chọn động cơ phù hợp.

Thiết kế quỹ đạo chuyển động

Để khảo sát quỹ đạo làm việc của bài toán đặt ra , ta chọn quỹ đạo làm việc gắp thả vật để khảo sát :

Hình 3-13 Quỹ đạo chuyển động của Robot

Robot bắt đầu hành trình từ điểm S, di chuyển đến A’ rồi xuống điểm A để gắp vật Sau khi gắp xong, robot di chuyển đến B’, xuống B và thả vật.

S(0.97, 0, 0.6) là điểm khởi động của Robot.

Bảng 3-3 Thông số quỹ đạo chuyển động

Thiết kế quỹ đạo robot thường dùng phương pháp xấp xỉ đa thức bậc n Báo cáo này sử dụng đa thức bậc 3 vì sự đơn giản và đảm bảo tính liên tục của vận tốc, tránh giật cục, gây sốc cho robot.

Ta có phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm M (x 0 , y 0 , z 0 ) và N (x e , y e , z e ) x−x 0 x e − x 0 = y− y 0 y− y 0 = z− z 0 z− z 0

(3.50) Độ dời dịch chuyển của điểm thao tác E theo phương x, y, z là đa thức bậc 3 theo thời gian:

Với thời gian đặt cho quỹ đạo là t e (s) để đi từ M đến N theo một đường thẳng Với điều kiện đầu:

Ta xác định được các hệ số:

Sơ đồ Simulink thiết kế quỹ đạo

Hình 3-14 Mô hình Simulink thiết kế quỹ đạo chuyển động

Quỹ đạo robot ban đầu, bậc 3, xác định điểm cuối E Giải động học ngược tính toán biến khớp, tạo tín hiệu điều khiển.

Quỹ đạo các biến khớp:

Hình 3-15 Quỹ đạo các biến khớp khâu 1

Hình 3-16 Quỹ đạo biến khớp khâu 2

Hình 3-17 Quỹ đạo biến khớp khâu 3

Các biến khớp, tương ứng với quỹ đạo thiết kế, sẽ được dùng làm đầu vào cho thiết kế bộ điều khiển.

3.3.1 Mô hình hoá động cơ điện một chiều

Hình 3-18 Sơ đồ khối Robot bao gồm hộp số

 motor driver: bộ điều khiển động cơ

 encoder: cảm biến phản hồi tốc độ, vị trí của động cơ

 motor inertia: quán tính động cơ

 motor friction: ma sát động cơ

 load inertia: quán tính tải trọng

 J m là mô – men quán tính của động cơ

 J l là mô – men quán tính của khâu gắn trên khớp đó

 τ m là mô – men ở trục động cơ

 τ l là mô – men tải quán tính

 θ m là góc quay ở trục động cơ

 B m là hệ số giảm chấn của động cơ

 B l là hệ số giảm chấn của tải

Ta có hệ số giảm tốc: n= θ s θ m

Sử dụng nguyên lý D’Alambert, ta có: τ 1 −B 1 θ ˙ s =J 1 θ ¨ s (3.56)

Với: θ˙ s =∂θ s dt =ω s là tốc độ góc của tải (rad/ s) θ¨ s =∂θ s d t 2 =∂ ω s dt là gia tốc góc của tải (rad/ s 2 )

Phương trình trên tương đương với: τ 1 − B 1 w s = J 1 w ˙ s (3.57)

Sử dụng nguyên lý trên cho trục động cơ chính ta được: τ m −n τ 1 − B m θ ˙ m =J m θ ¨ m (3.58)

Kết hợp các phương trình trên ta thu được: τ m = ( J m + n 2 J l ) θ ¨ m +( B m +n 2 B l ) ˙ θ m (3.59)

J td = J m + n 2 J l là mô – men quán tính tác động ở trục động cơ

B td = B m + n 2 B l là hệ số giảm chấn tác dụng ở trên trục động cơ

Ta thu được: τ m = J td θ ¨ m + B td θ ˙ m (3.60) τ m =J td W ˙ m + B td W m (3.61)

Bài viết trình bày về động cơ điện một chiều (DC) kích từ độc lập, điều khiển bằng điện áp phần cứng, với dòng kích từ (ik) không đổi Sơ đồ nguyên lý được minh họa trong hình.

Hình 3-19 Sơ đồ nguyên lý động cơ

Với: + Tín hiệu vào là điện áp u đặt vào phần ứng [Volt; V].

+ Tín hiệu ra là vận tốc góc ω của động cơ [rad/s].

Sử dụng 3 phương trình cơ bản như sau:

 Phương trình mạch điện phần cứng

+ K e – hằng số sức điện động [Vs/rad].

+ K e ω – sức điện động phần ứng [V].

Biến đổi Laplace 2 vế phương trình, ta được:

Sơ đồ khối tương ứng:

Hình 3-20 Sơ đồ khối mạch điện phần ứng

 Phương trình mô – men điện từ của động cơ:

Với dòng kích từ i k không đổi thì từ thông khe khí Φ=k 2 i k là không đổi và mô – men điện từ M của động cơ tỷ lệ với dòng điện phần cứng:

K m = k 1 Φ = k 1 k 2 i k là hằng số mô – men của động cơ, [N.m/A]

Với: + k 1 – hằng số phụ thuộc vào kết cấu động cơ.

+ k 2 – hằng số đặc trưng đoạn tuyến tính của từ thông thay đổi theo i k

Biến đổi Laplace 2 vế ta được:

Sơ đồ khối tương đương:

Hình 3-21 Sơ đồ khối phần mô – men điện từ

 Phương trình cân bằng mô – men trên trục động cơ

+ J – Mô – men quán tính của động cơ và tải quy về trục động cơ, [ kg m 2 ]

+ B – hệ số ma sát nhớt của động cơ và tải quy về trục động cơ, [ kg m 2 ]

+ M t – Mô – men phụ tải (nhiễu), [ N m ]

Biến đổi Laplace 2 vế phương trình:

Sơ đồ khối tương ứng:

Hình 3-22 Sơ đồ khối phần mô – men cân bằng trên động cơ

Kết hợp 3 sơ đồ khối thành phần, ta thu được sơ đồ khối của động cơ:

Hình 3-23 Sơ đồ khối động cơ

Hàm truyền của động cơ DC với tín hiệu vào là điện áp và tín hiệu ra là vận tốc:

Đồ án điều khiển robot bằng cách điều chỉnh góc quay khớp Mô hình động cơ cần tín hiệu đầu ra là góc dịch chuyển.

Gọi θ m – góc quay của động cơ Đạo hàm của góc quay là vận tốc góc: θ m ( t )= ∫ w ( t ) dt (3.69)

Chuyển sang miền tần số, ta được: θ s ( t )= w (s ) s

Hàm truyền của động cơ trở thành:

L J td s 3 +( L B td + R J td ) s 2 + ( K m K e + R B td ) s (3.71) Đặt τ t = L

R là hằng số thời gian điện từ, τ c = J td

B td là hằng số thời gian cơ.

Hàm truyền của động cơ DC với tín hiệu vào là điện áp và tín hiệu ra là góc quay:

Sơ đồ khối của động cơ DC với tín hiệu vào là điện áp và tín hiệu ra là góc quay:

Hình 3-24 Sơ đồ khối động cơ

Sau khi tìm được hàm truyền của động cơ, tiến hành chọn động cơ servo để đáp ứng được các tham số trong hàm truyền của động cơ.

Bảng 3-4 Bảng thông số động cơ servo sử dụng trong Robot SCARA

Hằng số sức điện động K e (𝑉𝑠/𝑟𝑎𝑑) 56/60

Hệ số mô – men xoắn K m (𝑁𝑚/𝐴) 0,487

Mô – men quán tính của rotor J m ( kg m 2 ) 0,769 1 0 −4 Điện trở 𝑅(Ω) 1,83 Độ tự cảm 𝐿(𝐻) 4,72 1 0 −3

3.3.1 Mô hình hoá và xác định hàm truyền các khâu

Trục vít me – đai ốc bi khâu 3( Khâu 3 là khâu tịnh tiến)

Hình 3-25 Sơ đồ trục vít me – đai ốc bi

Xét bộ truyền vít me – đai ốc bi như hình.

Tín hiệu vào: vận tốc góc ω ( t ) của vít me, [rad/s]

Tín hiệu ra: lượng dịch chuyển y ( t ) của khâu 3, [m]

Gọi p là bước của vít me, [m] Ta có phương trình quan hệ: y ( t )= p

Biến đổi Laplace 2 vế với điều kiện đầu bằng 0:

Lập tỷ số tín hiệu ra trên tín hiệu vào, ta thu được hàm truyền tích phân:

Sơ đồ khối tương đương:

Hình 3-26 Sơ đồ khối trục vít me – đai ốc bi

Kết hợp sơ đồ khối các phần tử động cơ và trục vít me bi, ta thu được sơ đồ khối mô tả khâu 3 như sau:

Hình 3-27 Sơ đồ khối khâu 3

Khâu 2 sử dụng động cơ DC tích hợp hộp giảm tốc, loại bỏ cơ cấu truyền động trung gian Do đó, hàm truyền của khâu 2 tương đương với hàm truyền của động cơ.

B td là hằng số thời gian cơ, τ t =L

R là hằng số thời gian điện từ

Khâu 1 dùng động cơ DC và hộp giảm tốc, loại bỏ cơ cấu truyền động trung gian Hàm truyền khâu 2 do đó tương đương hàm truyền của động cơ.

B td là hằng số thời gian cơ, τ t =L

R là hằng số thời gian điện từ

Xác định hàm truyền các khâu

Sử dụng Matlab tính các hàm truyền:

3.3.2 Đánh giá tính ổn định, xác định sai lệch tĩnh

Kiểm tra tính ổn định của G khau 1 (s )

- Kiểm tra tính ổn định của hệ hở:

Ta thấy các hệ số của đa thức mẫu số của G k h au 1 (s ) đều lớn hơn và khác 0 Vậy thoả mãn điều kiện cần của tiêu chuẩn Routh.

Bảng 3-5 Bảng Routh hàm truyền 1

Hệ thống được mô tả bởi phương trình đã cho là ổn định vì tất cả các số hạng thuộc cột đầu tiên của bảng Routh đều dương.

- Kiểm tra tính ổn định của hệ kín

Hình 3-28 Đồ thị Nyquist của hàm truyền G khau1 (s )

Theo tiêu chuẩn Nyquist, số lần đường đồ thị Nyquist của hệ hở bao quanh điểm -1+0j (chiều ngược kim đồng hồ) bằng số điểm cực của hàm truyền Gh(s) nằm trên hoặc bên phải trục ảo Đồ thị Nyquist không bao quanh điểm -1+0j, do đó hệ kín ổn định.

Kiểm tra tính ổn định của G k h au 2(s)

Ta thấy các hệ số của đa thức mẫu số của G k h au 2(s) đều lớn hơn và khác 0 Vậy thoả mãn điều kiện cần của tiêu chuẩn Routh.

Hệ thống được mô tả bởi phương trình đã cho là ổn định vì tất cả các số hạng ở cột đầu tiên của bảng Routh đều dương.

Hình 3-29 Đồ thị Nyquist của hàm truyền G k h au 2 (s )

Theo tiêu chuẩn Nyquist, hệ kín ổn định nếu đường đồ thị Nyquist của hệ hở không bao quanh điểm -1+0j Đồ thị Nyquist trong trường hợp này không bao quanh điểm đó, chứng tỏ hệ kín ổn định.

Kiểm tra tính ổn định của G khau 3(s)

Ta thấy các hệ số của đa thức mẫu số của G k h au 3(s) đều lớn hơn và khác 0 Vậy thoả mãn điều kiện cần của tiêu chuẩn Routh.

Phương trình đã cho mô tả hệ thống ổn định vì tất cả các số hạng trong cột đầu tiên của bảng Routh đều dương, thỏa mãn điều kiện ổn định.

Hình 3-30 Đồ thị Nyquist của hàm truyền G khau3 ( s )

Theo tiêu chuẩn Nyquist, số lần đường đồ thị Nyquist của hệ hở bao quanh điểm -1+0j phản ánh số điểm cực của hàm truyền G(s) nằm trên hoặc bên phải trục ảo Do đồ thị không bao quanh điểm -1+0j, hệ kín ổn định.

Xác định sai lệch tĩnh

Cả 3 khâu đều có hàm truyền dạng:

Xét tín hiệu đầu vào có dạng 𝑢(𝑡) = 1(𝑡)

Hình 3-31 Sơ đồ khối tính sai lệch tĩnh với đầu vào u(t)=1(t)

Sai lệch tĩnh được tính theo công thức: e ∞ = lim s→ 0 sE ( s )= lim s → 0

Theo tiêu chuẩn đánh giá sai lệch tĩnh, hệ thống ổn định. Đánh giá tính ổn định

Hình 3-32 Đồ thị đáp ứng của khớp 1

- Thời gian tăng: 80s (là khoảng thời gian kể từ khi hệ thống đạt 10% cho đến khi đạt 90% giá trị xác lập)

- Trạng thái ổn định: Giá trị xác lập là 1, vậy sai lệch tĩnh bằng 0 và hệ ổn định

+ Thời gian tăng: 80s (là khoảng thời gian kể từ khi hệ thống đạt 10% cho đến khi đạt 90% giá trị xác lập)

+ Trạng thái ổn định: Giá trị xác lập là 1, vậy sai lệch tĩnh bằng 0 và hệ ổn định

+ Thời gian tăng: 250s (là khoảng thời gian kể từ khi hệ thống đạt 10% cho đến khi đạt 90% giá trị xác lập)

Hệ thống đạt trạng thái ổn định với sai lệch tĩnh bằng 0 (giá trị xác lập là 1) Tuy nhiên, thời gian xác lập quá lớn, tốc độ đáp ứng chậm, cần thiết kế bộ điều khiển để cải thiện.

Thiết kế bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là cơ chế phản hồi vòng kín phổ biến trong công nghiệp, tính toán sai số giữa tín hiệu thực tế và mong muốn để điều chỉnh tín hiệu đầu vào, nhằm giảm sai lệch và đạt trạng thái hoạt động tối ưu.

Hình 3-35 Mô hình bộ điều khiển PID

Đồ án này ứng dụng luật điều khiển PID để điều khiển robot đến vị trí mong muốn trong không gian thao tác, đạt được quỹ đạo yêu cầu Tín hiệu điều khiển PID là sai lệch vị trí khớp theo thời gian, tức sai số giữa vị trí hiện tại và vị trí mục tiêu, tính theo công thức: u(t) = Kp e(t) + Kd de(t)/dt + Ki ∫t e(τ)dτ.

+ e (t ) – sai lệch giữa giá trị đặt mong muốn (setpoint) và giá trị thực tế đo được

+ q d (t) – giá trị đặt mong muốn (setpoint) tại thời điểm đo

+ q (t) – giá trị thực tế của biến khớp tại thời điểm đo

Bài viết hướng dẫn sử dụng khối PID Controller sẵn có trong Matlab-Simulink, tối ưu hoá thông số bằng công cụ PID Tuner tích hợp.

Hình 3-36 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

• Trong MATLAB-Simulink đã có sẵn khối PID Controller, ta sẽ sử dụng trực tiếp khối này mà không cần xây dựng lại

Hình 3-37 Sơ đồ khối PID điều khiển động cơ Xác định được các thông số của PID Controller:

Bảng 3-8 Thông số của PID Controller

Ta sẽ đánh giá chất lượng của bộ điều khiển đã thiết kế với đầu vào mẫu u (t)=1(t)

Hình 3-38 Đồ thị đáp ứng khâu 1 với bộ điều khiển PID

- Thời gian tăng: 0,06s (là khoảng thời gian kể từ khi hệ thống đạt 10% cho đến khi đạt 90% giá trị xác lập)

Thiết kế bộ điều khiển PID cải thiện đáng kể tốc độ đáp ứng và giảm thời gian xác lập, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn.

Mô phỏng, phân tích và đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống

Sau khi thiết kế bộ điều khiển PID, ta đi mô phỏng đánh giá bộ điều khiển đã thiết kế

Mô hình CAD sau khi đưa vào MATLAB

Hình 3-41 Mô hình CAD của robot trong Matlab

Mô hình Simscape xuất từ SolidWorks

Mô hình điều khiển cho toàn bộ robot

Hình 3-43 Mô hình hệ thống điều khiển toàn bộ robot

Hệ thống sử dụng giá trị các biến khớp q1, q2, q3, phụ thuộc vị trí điểm thao tác, được xác định bởi quỹ đạo hình học cho trước và giải thông qua động học ngược.

 Tín hiệu sẽ đi qua khối điều khiển PID, khối động cơ DC và khối mô hình 3D của Robot

Hệ thống cho ra quỹ đạo khớp, vận tốc khớp và tín hiệu sai lệch; tín hiệu sai lệch này được dùng làm đầu vào cho bộ điều khiển PID.

Hình 3-44 Khối Position Reference (Thiết kế quỹ đạo)

Hình 3-45 Khối động cơ DC

Ta mô phỏng và thu được đồ thị về quỹ đạo của từng biến khớp, sai số và vận tốc

Hình 3-46 Giá trị biến khớp khâu 1

Chuyển động của khâu 1 đảm bảo quỹ đạo hình học, diễn ra trong không gian theo thời gian với quy luật vận tốc:

- Chuyển động đều, vận tốc không đổi.

- Quy luật vận tốc hình thang.

- Độ dịch chuyển là đa thức bậc 3 của thời gian.

Hình 3-47 Sai số biến khớp khâu 1

Giá trị biến khớp các khâu đặt vào và đầu ra là trùng khớp.

Sai số biến khớp khâu 1 là rất nhỏ : 3 10 −3 rad

- Giá trị biến khớp các khâu đặt vào và đầu ra là trùng khớp.

- Sai số biến khớp khâu 2 là rất nhỏ : 20 10 −3 rad

- Sai số biến khớp khâu 3 là rất nhỏ: 1 10 −4 mm

Như vậy bộ điều khiển ta đã thiết kế là phù hợp.

Lựa chọn các phần tử cho hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển Robot bao gồm 2 phần tử cơ bản và quan trọng: Hệ thống điều khiển động cơ servo và bộ điều khiển Robot.

Hệ thống điều khiển động cơ servo

Cụm thiết bị điều khiển servo gồm bộ điều khiển và động cơ servo Hiện nay, điều khiển servo công nghiệp chủ yếu dùng biến tần (phù hợp công suất lớn, ứng dụng mở rộng) hoặc Servo Driver (module hóa, chuyên dụng cho công suất nhỏ, mô-men xoắn lớn, độ chính xác cao, ứng dụng robot, máy CNC).

Bảng 3-9 So sánh biến tần và bộ điều khiển Servo

Biến tần phù hợp cho ứng dụng không cần tốc độ và độ chính xác cao, trong khi Servo điều khiển các ứng dụng yêu cầu tốc độ, độ chính xác cao, khả năng thay đổi trạng thái nhanh và liên tục.

Chế độ điều khiển Cơ bản là điều khiển tốc độ động cơ Điều khiển vị trí, tốc độ và

Khả năng điều khiển nhiều động cơ Một biến tần có thể điều khiển nhiều động cơ

Một bộ điều khiển servo cơ bản chỉ điều khiển một động cơ servo duy nhất Độ đáp ứng Chậm

Nhanh Khoảng 200 - 15000 rad/s Điều khiển vị trí và dừng chớnh xỏc cao Đến khoảng 100 àm Lờn đến khoảng 1àm

Chế độ khóa Không Có

Tần số khởi động/dừng 20 rpm hoặc thấp hơn 20 – 600 rpm

Mô – men xoắn cực đại Khoảng 150% Khoảng 300%

Kích thước Lớn, nặng Nhỏ gọn và nhẹ hơn

Chi phí đầu tư Tương đối thấp Cao

Đồ án sử dụng Servo Driver SGDV-5R5A và motor servo SGMAV-06A (khâu 3), SMGAV-08A (khâu 1, 2) của Yaskawa để điều khiển servo cho robot SCARA, dựa trên các đặc điểm kỹ thuật phù hợp.

Hình 3-55 Động cơ và bộ điều khiển hãng Yaskawa

Hình 3-56 Thông số kỹ thuật của dòng động cơ SGMAV

 Rate Output: Đầu ra định mức ( công suất )

 Rate Torque: Mô – men xoắn định mức

 Instantaneous Peak Torque : Mô – men xoắn cực đại tức thời

 Rated Current : Dòng điện đánh giá

 Instantaneous Max Current : Dòng điện tối đa tức thời

 Rate Speed: Tốc độ định mức

 Max Speed: Tốc độ tối đa

 Torque Constant : Hằng số mô – men xoắn

 Rotor Moment of Inertia : Mô – men quán tính của Rotor

 Rated Power Rate : Công suất định mức

 Rated Angular Acceleration : Gia tốc góc định mức

 Applicable SERVOPACK: Mã bộ điều khiển tương ứng với mã động cơ

Hình 3-57 Giao diện của bộ điều khiển SGDV – 5R5A

Driver chia làm 3 vùng chính:

 Phần Panel Operator: Bao gồm 1 màn hình LED hiển thị và nút bấm, sử dụng để cấu hình các chức năng, cài đặt chế độ cho driver hoạt động.

 Phần cấp nguồn (nằm ở sườn bên trái), gồm có:

- Cổng L1, L2, L3: Cấp nguồn điện cho động cơ.

- Cổng L1C, L2C: Cấp nguồn điện cho driver hoạt động.

- Cổng U, V, W: Cổng nối với động cơ

 Phần cổng input/output (nằm ở sườn bên phải), gồm có:

- Cổng CN5: Cổng kết nối ra màn hình analog.

- Cổng CN3: Cổng kết nối với các thiết bị điều khiển.

- Cổng CN7: Cổng kết nối USB dành cho máy tính.

- Cổng CN1: Cổng I/O vào ra, nhận các tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm, xuất các tín hiệu cảnh báo, …

- Cổng CN8: Cổng chức năng cho các thiết bị an toàn.

- Cổng CN2: Kết nối với encoder của động cơ.

Driver là module điều khiển phản hồi vòng kín, tương tự khối PID, nhận tín hiệu điều khiển từ các cổng CN3, CN7 hoặc CN1.

Người dùng có thể lựa chọn các bộ điều khiển trung tâm khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế ứng dụng để cấp tín hiệu điều khiển cho driver.

Cổng CN1 cho phép mở rộng khả năng kết nối, bổ sung cáp tùy chỉnh đáp ứng nhu cầu cụ thể Ứng dụng điển hình là kết nối với vi điều khiển và thiết bị cấp xung cần nhiều chân I/O.

Hình 3-58 Sơ đồ các chân I/O cổng CN1 của servo driver SGDV – 5R5A

 Cổng CN1: Cổng kết nối ở chế độ điều khiển vị trí

 Các chân đầu vào, đầu ra em sẽ giải thích ở phần 2.7 mạch ghép nối phần tử điều khiển

 Position reference : Vị trí đặt

 Backup battery : Pin dự phòng

 Servo ON (Servo ON when ON) : Servo bật khi bật

 P Control (P Control when ON) : Điều khiển vị trí khi bật

 Forward run prohibited (Prohibited when OFF): Không chạy thuận khi tắt

 Reverse run prohibited (Prohibited when OFF): Không chạy nghịch khi tắt

 Alarm reset (Reset when ON) : Đặt lại báo thức khi bật

 Forward external torque limit (Limit when ON) : Chuyển tiếp giới hạn mô – men xoắn bên ngoài (giới hạn khi bật)

 Reverse external torque limit (Limit when ON) : Đảo ngược giới hạn mô – men xoắn bên ngoài (giới hạn khi bật)

 Safety function device : Thiết bị an toàn

 Alarm code output (OFF for alarm) : Đầu ra mã báo động

 Encoder output pulse : Xung đầu ra bộ mã hoá

 Power supply for open – collector output reference : Nguồn cung cấp để mở

- tham chiếu đầu ra bộ thu

 Positioning completed (ON when positioning completes ) : Hoàn thành định vị (bật khi định vị hoàn tất)

 Rotation Detection output (ON when the motor speed exceeds the settings) : Đầu ra phát hiện quay (bật khi tốc độ động cơ vượt quá cài đặt)

 Servo ready output (ON when ready) : Đầu ra servo sẵn sàng

 Servo alarm output : Đầu ra cảnh báo servo

Vị trí của động cơ được kiểm soát chính bởi 2 chân đầu vào là PULS (chân số 7 và

8) và SIGN (chân số 11 và 12), trong đó PULS là chân cấp xung cho driver, mỗi xung cấp vào động cơ sẽ di chuyển tương ứng với xung của encoder được gắn trên động cơ, SIGN chân cấp xung điều khiển chiều quay (H level tương ứng với chiều quay thuận,

L level tương ứng với chiều quay nghịch) Các chế độ cài đặt chế độ cho Driver, ở đây chọn chế độ Factory Settings:

Hình 3-59 Phương pháp xuất xung điều khiển servo ở chế độ điều khiển vị trí

 Reference Pulse : Xung tham chiếu

 Input Pulse Multi – Plier : Đầu vào xung

 Forward Run Reference : Tham số chạy chuyển tiếp

 Reverse Run Reference : Tham số chạy ngược

 Sign + pulse train (Positive logic) : Tín hiệu và mạch xung (Logic dương)

Với encoder 20 bit, số xung/vòng quay động cơ là 1.048.576 Sau hộp giảm tốc, số xung cho mỗi vòng quay động cơ được tính bằng công thức: n = 1.048.576 * k (3.83), trong đó k là tỷ lệ hộp giảm tốc.

Với k là hệ số giảm tốc.

Khi đó muốn điều khiển động cơ quay được 𝑎vòng ta cần cấp 𝑛 × 𝑎 xung vào chân PULS Để đảo chiều thì thay đổi mức logic ở chân SIGN

Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển robot ưu tiên chính xác vị trí, sử dụng chế độ điều khiển vị trí Hệ thống cần tối thiểu 3 chân PULS, 3 chân SIGNS điều khiển 3 bộ driver và các cổng INPUT bổ sung cho servo hoạt động và cảnh báo lỗi.

Vi điều khiển STM32, đặc biệt là STM32F407VGT6 (ARM-Cortex M4), được đề xuất cho robot SCARA nhờ tốc độ và bộ nhớ vượt trội so với Arduino Mega 2560, cùng khả năng tiếp cận dễ dàng, tài nguyên mở phong phú, cộng đồng hỗ trợ lớn và tính linh hoạt cao.

Hình 3-60 Vi điều khiển STM32F407 DISCOVERY

Thông số kỹ thuật cơ bản của vi điều khiển STM32F407VGT6:

 Tần số xung nhịp: Tối đa 168MHz

 Timer: gồm 14 timers, trong đó 6 timer có 4 kênh xuất PWM điều khiển động cơ, 2 timer có 2 kênh PWM

 Có 3 bộ chuyển đổi Analog to Digital 12 bit, mỗi bộ 16 kênh Có 1 bộ chuyển đổi Digital to Analog

 Giao thức truyền thông: 3 x I2C, 6 x USART, 3 x SPI, 2 x CAN, USB_OTG

Các mạch điện và ghép nối phần tử

Hệ thống vận hành bằng 3 driver điều khiển 3 động cơ servo, sử dụng nguồn điện 3 pha AC 200V cho động cơ và nguồn 1 pha AC 200V (từ 2 dây nguồn 3 pha) cho driver Bộ điều khiển hoạt động với nguồn 5VDC.

Hệ thống cấp nguồn bao gồm các thiết bị chính như:

 1KM: Bộ khởi động từ cho nguồn điều khiển

 2KM: Bộ khởi động từ cho nguồn chính

 1PL: Đèn cảnh bảo lỗi động cơ

 1SA, 2SA, 3SA: Bộ chống sét và bảo vệ quá tải

 Các công tắc để đóng cắt các nguồn điện

Động cơ 3 pha được cấp nguồn từ L1, L2, L3, kết nối qua Relay Terminal để mở rộng Driver được cấp nguồn 1 pha từ L1C, L2C và kết nối với động cơ qua port U,V,W cùng dây encoder.

Điều khiển vị trí động cơ sử dụng chân PULS và SIGN để xác định vị trí và chiều quay.

Ngoài ra còn các chân INPUT có chức năng khác như:

 S-ON: Cho phép driver hoạt động.

 P-CON: Positon Control, chế độ hoạt động là điều khiển vị trí.

 P-OT: Giới hạn, hãm chiều quay của động cơ theo chiều thuận.

 N-OT: Giới hạn, hãm chiều quay của động cơ theo chiều nghịch.

 ALO1, ALO2, ALO3: Các bit báo lỗi của driver

 COIN: Chân báo động cơ đã tới đúng vị trí mong muốn.

 TGON: Chân báo động cơ vượt quá vận tốc đặt

 SRDY: Chân báo tín hiệu động cơ đã sẵn sàng hoạt động hay chưa

Điều khiển một động cơ cần tối thiểu 16 cổng I/O; do đó, ba động cơ yêu cầu 48 cổng Số lượng chân I/O trên mạch điều khiển hiện tại đáp ứng đủ nhu cầu hệ thống.

Kết luận

Chương 3 giúp tôi nắm vững động học và động lực học của robot SCARA và robot công nghiệp, từ đó thiết kế quỹ đạo, bộ điều khiển PID, và mô phỏng, phân tích, đánh giá robot SCARA 3 bậc tự do.

LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Thiết kế giao diện điều khiển

Hình 4-61 Giao diện điều khiển Robot Scara

Giao diện điều khiển bao gồm:

- Nút nhấn Open, Close, Exit: Bật, tắt mô hình Simcape Robot Scara và thoát khỏi giao diện điều khiển.

Forward kinematics allows users to input joint variables (θ₁, θ₂, d₃) to determine the end-effector position (E) displayed in the inverse kinematics section Joint variable values over time are shown in the feedback section during robot movement.

Inverse Kinematics cho phép nhập tọa độ (x, y, z) điểm cuối, tự động tính toán và hiển thị tọa độ khớp tương ứng trong phần Forward Kinematics, đồng thời phản hồi tọa độ khớp theo thời gian thực khi robot di chuyển.

Ứng dụng cho phép người dùng lựa chọn quỹ đạo (về gốc, tròn, xoắn ốc), chạy mô phỏng bằng nút "Run" và dừng bằng nút "Stop" Quỹ đạo được trực quan hoá trên đồ thị.

Mô hình Simulink điều khiển Robot

Mô hình Simulink được xây dựng để mô phỏng điều khiển robot trên giao diện đã thiết kế Khối cảm biến (sensor) trong mô hình này thu nhận tín hiệu phản hồi (feedback), tương đương với tín hiệu encoder thực tế.

Hình 4-62 Sơ đồ Simulink điều khiển Robot

Kết quả mô phỏng

- Động học nghịch: x = 500(mm), y = 800(mm), z = 200(mm)

Hình 4-64 Kết quả mô phỏng động học nghịch

 Đường tròn tâm O(0;0;0.2) (m) bán kính 800(mm)

Hình 4-63 Kết quả mô phỏng động học thuận

Hình 4-65 Điều khiển quỹ đạo tròn

 Đường xoắn ốc bán kính 800(mm), bước xoắn 150(mm)

Hình 4-66 Điều khiển quỹ đạo xoắn ốc

Hình 4-67 Robot về vị trí gốc

Tiêu đề	Thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA ba bậc tự do
Tác giả	Vũ Quang Huy
Người hướng dẫn	TS.GVC. Nguyễn Trọng Du
Trường học	Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ điện tử
Thể loại	đồ án
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	82
Dung lượng	2,36 MB