MÔ PHỎNG ROBOT SCARA MYS850L của YASKAWA

Báo cáo bài tập lớn môn học Kỹ thuật Robot (Robotics) trường đại học Bách Khoa ĐHQG TPHCM, đề tài: MÔ PHỎNG ROBOT SCARA MYS850L của YASKAWA Lời Nói Đầu Trong thời đại công nghiệp hóa và hiện đại hóa của Việt Nam, cũng như sự phát triển và biến đổi nhanh chóng trên toàn cầu, việc áp dụng các công nghệ mới và máy móc vào các dây chuyền sản xuất đóng vai trò quan trọng trong việc cắt giảm chi phí lâu dài, tăng cường năng suất lao động và cải thiện chất lượng sản phẩm. Các robot công nghiệp ngày nay đã được tích hợp vào nhiều quy trình sản xuất khác nhau, bao gồm việc gắp hàng, lắp ráp linh kiện điện tử, hàn và cắt kim loại, cũng như lắp ráp ô tô. Để sử dụng và lập trình robot công nghiệp, việc hiểu biết về các khái niệm cơ bản trong lĩnh vực robot như động học thuận, động học nghịch, hoạch định quỹ đạo và động lực học là rất quan trọng. Do đó, mục tiêu của bài tập lớn này là giúp sinh viên hiểu rõ hơn về robot, sử dụng các phần mềm hỗ trợ và thực hành mô phỏng để kiểm chứng kiến thức. Bài tập lớn cuối môn này sẽ giúp sinh viên có cái nhìn tổng quan về robot nói chung và Robot Scara MYS850L nói riêng. Ngoài ra, sinh viên cũng sẽ học cách giải quyết các bài toán động học thông qua việc sử dụng các công cụ như Matlab và Matlab Guide. Bài tập lớn được chia thành các chương như sau: Chương 1: Giới thiệu về các công cụ sử dụng. Chương 2: Thông số kỹ thuật của Robot SCARA MYS850L. Chương 3: Giải quyết các bài toán động học của Robot SCARA MYS850L. Chương 4: Mô phỏng Robot bằng Matlab và Matlab Guide. Chương 5: Tổng kết. Trong quá trình thực hiện bài tập lớn này, chúng ta mong rằng sinh viên sẽ có được kiến thức bổ ích và kỹ năng thực hành chuyên sâu trong lĩnh vực robot và động học.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Link full source: https://drive.google.com/file/d/1_G9d6DRSK74LiZQ9LXxk5 (phần đuôi ở cuối tài liệu) BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC ROBOTICS ĐỀ TÀI MÔ PHỎNG ROBOT SCARA MYS850L của YASKAWA LỚP: L01 HK212 GVHD: TS NGUYỄN HOÀNG GIÁP SINH VIÊN THỰC HIỆN STT MSSV Họ Tên Đóng góp BTL 1 1910231 Trương Tấn Hưng 100% TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 Lời nói đầu Trong thời đại công nghiệp hoá, hiện đại hoá của Việt Nam và sự phát triển, thay đổi nhanh chóng trên toàn thế giới, việc áp dụng các công nghệ mới và máy móc vào các dây chuyền sản xuất là một phần rất quan trọng để có thể cắt giảm chi phí về lâu dài, nâng cao năng suất lao động và cải thiện chất lượng sản phẩm Các robot công nghiệp đã được sử dụng nhiều trong nhà máy với các ứng dụng khác nhau như gắp hàng, lắp ráp linh kiện điện tử, hàn và cắt kim loại, lắp ráp ô tô,… Để có thể sử dụng, lập trình một robot công nghiệp cần phải hiểu được những bài toán cơ bản trong robot như động học thuận, động học nghịch, hoạch định quỹ đạo, động lực học,… Vì lý do đó, mục đích của bài tập lớn là tìm hiểu kiến thức về robot, sử dụng các phần mềm hỗ trợ và thực hành mô phỏng để kiểm chứng Bài tập lớn cuối môn giúp em hiểu hơn về Robot nói chung và Robot Scara MYS850L nói riêng Cũng như cách giải quyết các bài toán động học qua các công cụ Matlab và Matlab Guide Bài tập lớn chia thánh các chương như sau: Chương 1: Giới thiệu chung về các công cụ sử dụng Chương 2: Thông số Robot SCARA MYS850L Chương 3: Giải quyết các bài toán động học của Robot SCARA MYS850L Chương 4: Mô phỏng Robot sử dụng Matlab và Matlab Guide Chương 5: Tổng kết MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu chung về các công cụ sử dụng 4 1 1 Lập trình toán sử dụng MATLAB 4 1.2 Lập trình giao diện sử dụng MATLAB GUIDE 4 Chương 2: Thông số Robot SCARA MYS850L 5 2.1 Giới thiệu về Robot SCARA MYS850L 5 2.2 Các thông số quan trọng của Robot SCARA MYS850L 6 Chương 3: Giải quyết các bài toán động học của Robot SCARA MYS850L 7 3.1 Forward Kinematic 7 3.2 Inverse Kinematic 10 3.3.Trajectory Planning 11 3.4 Path Planning 13 3.4 Differential Kinematic 15 Chương 4: Mô phỏng Robot SCARA MYS850L sử dụng Matlab và Matlab GUIDE 17 4.1 Workspace 17 4.2 Forward Kinematic 18 4.3 Inverse Kinematic 19 4.4 Trajectory Planning 20 Chương 5 TỔNG KẾT 21 5.1 Đánh giá kết quả 21 5.2 Hướng phát triển 21 Chương 1: Giới thiệu chung về các công cụ sử dụng 1 1 Lập trình toán sử dụng MATLAB MATLAB (viết tắt của "matrix laboratory") là một ngôn ngữ lập trình riêng biệt và là một môi trường tính toán số được phát triển bởi MathWorks MATLAB cho phép các thao tác ma trận, các chức năng và dữ liệu, thực hiện các thuật toán, tạo giao diện người dùng và giao tiếp với các chương trình được viết bằng ngôn ngữ khác (https://en.wikipedia.org/wiki/MATLAB) Mặc dù MATLAB được thiết kế chủ yếu cho tính toán số, một công cụ (tool-box) tùy chọn sử dụng công cụ biểu tượng MuPAD cho phép truy cập vào các khả năng tính toán tượng trưng Đặc biệt, Simulink, một trình mô phỏng đa miền đồ họa và thiết kế dựa trên mô hình cho các hệ thống động và nhúng 1.2 Lập trình giao diện sử dụng MATLAB GUIDE GUIDE là một môi trường phát triển cung cấp một bộ công cụ để tạo giao diện người dung (UI) Công cụ này đơn giản hóa quá trình thiết lập và lập trình giao diện người dùng GUIDE Layout Editor giúp ta có thể tạo giao diện người dùng bằng cách nhấp và kéo các thành phần giao diện người dùng chẳng hạn như hệ trục (axes), bảng điều khiển (panel), nút (button), văn bản (text), thanh trượt (slider),… Không những thế, ta có thể định kích thước giao diện người dùng, sửa đổi giao diện thành phần, căn chỉnh các thành phần, đặt thứ tự tab, xem danh sách phân cấp của các đối tượng thành phần và đặt các tùy chọn giao diện người dùng GUIDE tự động tạo một file chương trình chứa các hàm MATLAB điều khiển hoạt động của giao diện người dùng Các hàm callback là các hàm thực thi khi người dùng tương tác với một thành phần giao diện người dùng Chương 2: Thông số Robot SCARA MYS850L 2.1 Giới thiệu về Robot SCARA MYS850L Hình 1.1 Model Robot SCARA MYS850L của YASKAWA Robot Yaskawa Motoman MYS850L SCARA 4 trục có thể mang lại hiệu suất cao và tăng độ chính xác cho nhiều ứng dụng như lắp ráp, pha chế, lắp bộ phận, xử lý bộ phận nhỏ, đóng gói, tự động hóa phòng thí nghiệm, đóng gói, xử lý năng lượng mặt trời và bán dẫn MYS850L là giải pháp hoàn hảo vì nó có đường bao công việc lớn (tầm với 850 mm) và hành trình trục chữ U dài (420mm), đồng thời chiếm không gian làm việc tối thiểu Hơn nữa, nếu nhu cầu sản xuất sàn nhà thay đổi, robot này có khả năng thích ứng cao Nếu cần, người dùng có thể chọn dễ dàng tích hợp tầm nhìn với MotoSight 2D giá cả phải chăng và đặc biệt 2.2 Các thông số quan trọng của Robot SCARA MYS850L Hình 2.2.1 Thông số kỹ thuật của Model Robot SCARA MYS850L Hình 2.2.2 Vùng làm việc của Model Robot SCARA MYS850L Chương 3: Giải quyết các bài toán động học của Robot SCARA MYS850L 3.1 Forward Kinematic Động học thuận là bài toán đi tìm vị trí và hướng xoay của các hệ tọa độ được đặt trên các khớp của robot, và quan trọng nhất là trên đầu công tắc, khi biết trước giá trị của các biến khớp Phương pháp Denavit – Hartenberg (DH): Bất kì một robot nào cũng có thể xem là tập hợp các khâu gắn liền với các khớp Nếu đặt cho mỗi khâu một hệ trục tọa độ và sử dụng các phép biến đổi thì có thể mô tả vị trí và hướng tương đối giữa các hệ tọa độ - D-H matrix - D-H Convention of SCARA robot: Bước 1: Xác định các joints Hình 2.2 Xác định các joints của robot Bước 2: Xác định các links Hình 2.3 Xác định các links của robot Bước 3: Xác định các frames Hình 2.4 Xác định các frames của robot Bước 4: Lập bảng D-H - D-H Table of Scara robot: Link a α d θ 1 450 0 0 θ1 2 400 0 0 θ2 3 0 0 d3 0 4 0 π 0 θ4 Bước 5: Ma trận biến đổi Bước 6: Tính toán ma trận End-effector so với Base 3.2 Inverse Kinematic Trong việc hoạch định robot, ta hoạch định trước vị trí và hướng của những điểm robot mà sẽ đi tới, nên yêu cầu đặt ra là tìm các giá trị biến khớp tương ứng với vị trí và hướng đó Động học ngược là bài toán đi tìm giá trị của các biến khớp khi biết trước vị trí và hướng xoay của đầu công tắc Vì góc ϑ và ψ luôn cố định, nên ta chỉ quan tâm vào góc ϕ của robot Giả sử ta biết trước vị trí x, y, z và góc ϕ của robot Theo hệ phương trình động học thuận vừa tìm được ở trên , ta dễ dàng tính được: 𝑑∗ = −𝑧 + 𝑑4 3 Khi nhìn robot theo hướng từ trên xuống (top view), ta thấy được SCARA Robot có cấu trúc như một two-link planar arm: Hình 3.2 Cấu trúc của two-link planar arm - Công thức động học nghịch của SCARA Robot: 3.3.Trajectory Planning 3.3.1 LSPB Hoạch định vận tốc hình thang Quỹ đạo vận tốc hình thang gồm 2 đoạn parabol ở 2 đầu và đoạn tuyến tính ở giữa, việc tính toán đơn giản hơn quỹ đạo đa thức Vận tốc gồm 2 đoạn dốc ở đầu và cuối, vận tốc đầu cuối là 0 và ở giữa là hằng số 3.3.2 S-Curve Vận tốc hình thang vẫn chưa đạt được độ mượt mong muốn trong chuyển động, vì vậy S curve đưa vào thông số Jerk để tăng tính liên tục khi điều khiển vận tốc 3.4 Path Planning 3.4.1 Linear Xét robot di chuyển thẳng từ điểm pi đến điểm pj Ta có hàm tham số thể hiện đoạn vị trí, vận tốc và gia tốc của đầu công tác theo timing law s(t) là: 3.4.2 Circular Để robot di chuyển theo đường tròn, ta cần có tâm và bán kính định sẵn, hoặc đi qua 2 điểm chỉ định Thực tế cho thấy việc đi qua 2 điểm chỉ định có tính ứng dụng cao hơn Vì thế, bài tập lớn sẽ giải quyết trường hợp hoạch định đường đi tròn qua 2 điểm chỉ định trên cùng 1 mặt phẳng với vị trí hiện tại (2D) Trước tiên ta cần tính toán được tâm và bán kính của đường tròn Hình 3.4.2.1 Đường tròn đi qua 3 điểm trong mặt phẳng Hình 3.4.2.2 Mô tả hoạch định đường tròn trong hệ trục tọa độ Xét một đường tròn Γ trong không gian Trong đó: • Vectơ đơn vị của trục đường tròn r, • Vectơ vị trí d của một điểm dọc theo trục đường tròn, • Vectơ vị trí pi của một điểm trên đường tròn Xét hệ toạ độ O’–x’y’z’, trong đó O’ trùng với tâm đường tròn, trục x’ hướng dọc theo phương của vectơ pi - c, trục z’ được định hướng dọc theo r và trục y’ được chọn sao theo quy tắc bàn tay phải Khi được biểu thị trong hệ quy chiếu này, ta được: Với𝜌 = ‖𝑝𝑖 − 𝑐‖ là bán kính đường tròn tìm được Chuyển về hệ trục toạ độ tham chiếu, ta được 𝑝(𝑠) = 𝑐 + 𝑅𝑝′(𝑠) Với R là ma trận xoay của frame O’-x’y’z’ so với frame O-xyz Ta có hàm tham số thể hiện vận tốc và gia tốc của đầu công tác: 3.4 Differential Kinematic Động học vi sai mô tả mối quan hệ giữa vận tốc của các joint và vận tốc của đầu công tác Mối quan hệ này được miêu tả bằng ma trận Jacobian Ma trận Jacobian là một công cụ quan trọng trong việc tính những bài toán của robot như tìm điểm kỳ dị, phân tích redundancy, xác định động học ngược thông qua các thuật toán và mô tả mối quan hệ giữa lực tác dụng của đầu công tác với momen của từng joint Bài tập lớn này chỉ tính toán ma trận Jacobian Các bài toán khác có thể phát triển dễ dàng dựa trên ma trận Jacobian đã tìm được Chương 4: Mô phỏng Robot SCARA MYS850L sử dụng Matlab và Matlab GUIDE 4.1 Workspace Hình 4.1.1 Tính toán để mô hình hóa vùng làm việc Robot qua Matlab Hình 4.1.2 Kết quả 4.2 Forward Kinematic Ta có thể điều khiển mô hình bằng thanh trượt hoặc nhập các tool space để làm bài toán động học thuận Bảng cấp nhật vị trí các khớp và các hằng số của DH Table: Bảng điều khiển hiển thị robot và các trục tọa độ: 4.3 Inverse Kinematic Bảng nhập thông số mô phỏng bài toán động học nghịch 4.4 Trajectory Planning Bảng nhập thông số mô phỏng bài toán quy hoạch quỹ đạo, quy hoạch vận tốc q_max được tính theo công thức sau: 4.4.1 Linear