TỔNG QUAN VỀ ROBOT
Khái niệm Robot công nghiệp
Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp Khái niệm về robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau
Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ, Robot institute of America Khái niệm về robot công nghiệp là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau
Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
Do đó, robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt.Thực hiện các chức năng theo chương trình đã được lập trình sẵn Với đặc điểm có thể lập trình lại được, robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất linh hoạt.
Phân loại Robot công nghiệp
Ở thời điểm hiện nay, nền công nghiệp phát triển với tốc độ chóng mặt, vì vậy chúng ta có thể dễ dàng nhận ra sự hiện diện của Robot đặc biệt là ở những nước phát triển Trong công nghiệp hiện nay chúng ta có thể phân loại Robot công nghiệp như sau:
1.2.1 Phân loại theo kết cấu.
Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân Robot thành các loại: đề các, trụ, cầu, Sacara, kiểu tay người, robot nối tiếp hoặc song song và các dạng khác nữa.
1.2.2 Phân loại theo điều khiển
Có 2 kiểu điều khiển robot: Điều khiển hở và Điều khiển kín.
- Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển Kiểu này đơn giản nhưng cho độ chính xác thấp.
- Điều khiển kín: (điều khiển kiểu servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển Có hai kiểu điều khiển servo: Điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour).
- Kiểu điều khiển điểm-điểm: phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ không cao Kiểu điều khiển này thường được dùng trên các Robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh và bắn đinh.
- Điều khiển contour: đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kì, với tốc điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các Robot hàn hồ quang và phun sơn.
1.2.3 Phân loại theo ứng dụng
Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của Robot Robot hàn, robot cắt, robot gắp sản phẩm, robot sơn, robot lắp ráp, robot pallet, robot cộng tác
Ứng Dụng của Robot công nghiệp
Robot hàn là robot công nghiệp sử dụng chủ yếu cho nguyên công hàn trong các dây chuyền sản xuất cơ khí
Những lợi ích khi sử dụng robot hàn
– Có độ chính xác và năng suất cao, nâng cao độ tin cậy của mối hàn Một khi được lập trình hợp lý, các robot sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy cách.
– Chuyển động của mỏ hàn được tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại Robot không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu quả hơn nhiều so với một thiết bị hàn tay.
– Quá trình hàn được tự động hóa giải phóng người công nhân khỏi những tác hại khi hàn do tiếp xúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc.
– Tốc độ: một robot có thể hàn nhanh hơn so với một con người, vì đèn hàn luôn nằm theo hướng tối ưu và di chuyển càng nhanh càng tốt Ngoài ra, chu kỳ hàn của robot luôn giữ nguyên Điều này giúp quá trình hàn dễ dàng hơn và hiệu suất hàn dễ tính toán hơn, nhờ vậy khách hàng có thể tưởng vào việc nhận được sản phẩm đúng theo thời gian đã hứa.
– Thời gian xử lý được tiết kiệm theo một cách khác Do mối hàn robot nói chung là sạch hơn so với mối hàn của người, nên ít phải thay thế và dọn dẹp hơn Điều này tiết kiệm thêm thời gian trong các thao tác đầu ra.
– Chất lượng: Chuyển động nhất quán cũng có nghĩa là chất lượng nhất quán Với đèn hàn và các mảnh ghép ở cùng vị trí và di chuyển với cùng tốc độ, chúng sẽ được hàn giống nhau Nguy cơ biến dạng không xuất hiện, và do robot không biết mệt mỏi là gì,nên sản phẩm hàn sẽ giống nhau từ đầu tới cuối Đặc biệt, với các bộ phận đặc biệt quan trọng, tự động hóa mang lại cho khách hàng sự tin tưởng vào sự toàn vẹn của mỗi mối hàn.
Với sự đa dạng trong các dòng sản phẩm Robot gắp nhả bốc dỡ hàng hóa của Yaskawa có thể cung cấp cho khách hàng các loại robot cũng như hệ thống đi kèm để phục vụ trong việc tự động hóa các thiết bị máy móc, dây chuyền sản xuất nhằm tối ưu quy trình sản xuất, nâng cao năng lực cạnh tranh. Ứng dụng:
Chúng ta sử dụng robot loại handling hoặc palletizing tùy theo ứng dụng:
Bốc xếp bao từ dây chuyển sản xuất lên pallet.
Bốc xếp các loại thùng hàng.
Di chuyển sản phẩm từ vị trí này sang vị trí khác.
Giải pháp: Thiết kế giải pháp tổng thể: thiết kế băng tải ra hàng, robot, cấp pallet tự động, di chuyển pallet sang vị trí khác sau khi xếp hàng Thiết kế tay gắp hàng( bằng khí nén hay sử dụng servo tùy theo loại sản phẩm cần gắp) Mô phỏng, thiết kế hệ thống. Cung cấp giải pháp tối ưu cho hoạt động của robot và đảm bảo an toàn khi vận hành.
Mục đích: Việc sử dụng nhân công để bốc xếp hàng hóa gây tốn kém chi phí cũng như ảnh hưởng đến năng suất lao động về lâu dài Ngoài ra, sử dụng nhân công cũng tiềm ẩn nhiều nguy hiểm cho an toàn lao động do phụ thuộc tình trạng sức khỏe, tinh thần nhân công khi làm việc Đồng thời đối với các môi trường làm việc nhiều khói bụi, độc
11 hại như các nhà máy sản xuất xi măng thì việc sử dụng robot sẽ đảm bảo được an toàn lao động cũng như sức khỏe của người vận hành.
Robot sơn có thể mang lại hiệu quả ứng dụng cao như bất kỳ hệ thống sơn tự động nào, nếu nó được sử dụng theo đúng phương pháp kỹ thuật Ngược lại, trong trường hợp nó được trang bị những thiết bị tốt nhất nhưng kỹ thuật viên không có kỹ năng vận hành và tích hợp hệ thống, họ vẫn không thể có được hiệu quả ứng dụng và hiệu suất vận hành cao từ phía robot.
Tận dụng tối đa hiệu suất robot Tính năng hữu ích của robot sơn là độ chính xác và khả năng lặp lại Robot có thể di chuyển từ điểm A đến điểm B với cùng một tốc độ liên tục Vì thế, nếu kỹ thuật viên tận dụng được hiệu suất này, hệ thống vận hành của robot sẽ đạt được năng suất và hiệu quả kinh tế cao ngay cả khi đang làm việc ở môi trường kém tác động.
Robot yaskawa cho nghành chế biến gỗ
Là robot được thiết kế đặc biệt, dành riêng cho các khâu đóng gói, xếp loại nhiều pallet, sản phẩm thành phẩm như thùng carton, túi/ bao, hộp, thùng, chai/lọ trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp khác nhau.
Cấu trúc của robot palettizer đơn giản, rất dễ và thuận tiện trong bảo trì và sửa chữa Các bộ phận & phụ kiện của máy được tối giản để hạn chế phát sinh các chi tiết phải bảo trì.
Hoạt động của robot palettizer rất linh hoạt thậm chí ở trong những không gian nhỏ hẹn những vẫn đảm bảo hiệu suất cao trong làm việc.
Tất cả các điều khiển vận hành và hoạt động đều được hiển thị trên màn hình hiển thị của tủ điều khiển, robot có thể vận hành 24h/ ngày liên tục và hiệu năng của robot bằng nhiều lao động nên tiết kiệm rất nhiều nhiều chi phí nhân công sản xuất trong một thời gian dài…
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN KẾT CẤU ROBOT
Phân tích mục đích ứng dụng của Robot
- Mục đích: Robot ứng dụng trong việc bốc xếp kho hàng, Robot di chuyển đối tượng thao tác giữa hai dây chuyền công nghệ.
Robot cần hút được đối tượng tại vị trí nhất định.
Mang đối tượng di chuyển không bị cản đến vị trí đặt.
Đặt đối tượng đúng vị trí.
Trở về vị trí hút đối tượng tiếp theo.
Đảm bảo thời gian thực hiện các thao tác (chu trình thao tác).
Trong thực tế việc bốc xếp, dịch chuyển hàng trong kho giữa 2 dây chuyền hay từ dây chuyền xuống xe đẩy là một công việc đơn điệu, nặng nhọc Nếu sử dụng con người thì không đáp ứng được về năng suất Yêu cầu về vị trí gắp thả phải chính xác vì vậy cần phải có Robot thay con người làm những công việc này.
Phân tích yêu cầu kĩ thuật
2.2.1 Phân tích về yêu cầu vị trí, hướng của khâu thao tác a) Thông số kĩ thuật của đối tượng Đối tượng thao tác: hàng dạng hộp
Hình dạng của đối tượng
Các thông số về hình dáng, kích thước của phôi được thể hiện như hình vẽ b) Dạng thao tác:
- Để hút đối tượng từ 2 băng tải có vị trí vuông góc với nhau để thực hiện 1 quy trình sản xuất tự động
=> Vật có dạng hình hộp chữ nhật, khối lượng không lớn, sử dụng bơm hút chân không để di chuyển vật.
2.2.2 Số bậc tự do cần thiết
Lô quấn được đặt thẳng đứng theo phương z vì vậy hướng thao tác phải là hướng thẳng đứng theo phương z và hướng này không thay đổi trong thời gian hoạt động.
=> Thiết kế robot có đủ bậc tự do và đáp ứng sẵn được hướng yêu cầu
=> Robot tọa độ trụ có tối thiểu 3 bậc tự do.
Kích thước của dây truyền:
Vị trí của Robot so với dây chuyền:
Nằm giữa thùng đựng hàng và dây chuyền được mô tả như hình vẽ.
Ta chọn điểm đặt robot như sau:
Các phương án thiết kế cấu trúc Robot
a) Một số phương án thiết kế robot 3 bậc tự do
Robot gồm 3 bậc tịnh tiến theo 3 phương X, Y và Z Do kết cấu nên robot có độ cứng cơ học theo phương tiếp tuyến lớn, phù hợp với các quá trình vận chuyển trên một khoảng cách dài Bên cạnh đó với việc điều khiển các khâu tịnh tiến xử lý dễ hơn trục quay nên khâu thao tác có thể định vị rất chính xác Robot thường được ứng dụng vào trong các quá trình láp ráp, vận chuyển
+ Do kết cấu đơn giản, robot có độ cứng vững cao.
+ Độ chính xác được đảm bảo trên toàn bộ không gian làm việc
+ Diện tích chiếm dụng robot lớn + Hạn chế về khả năng linh hoạt
Cánh tay robot 3 bậc quay (R.R.R)
Cánh tay gồm 1 khâu quay theo phương Z và 2 khâu quay theo phương X.
3 khâu quay này phối hợp với nhau để tạo chuyển động khâu thao tác trong không gian.
+ Robot có độ linh hoạt cao + Vùng làm việc rộng so với khối lượng của Robot
Nhược điểm + Kết cấu phức tạp + Khó điều khiển đối với những chuyển động thẳng + Độ cững vững của Robot giảm dần khi thao tác ở xa robot
Khâu 1, 2 quay và khâu 3 tịnh tiến theo trục z Khâu 3 đảm bảo dao luôn vuông góc với bàn máy Khâu 1 và 2 đảm bảo bao quát các điểm trên mặt phẳng. Khâu 3 tịnh tiến theo trục z giúp tay hút chuyển động lên, xuống.
+ Dễ dàng thực hiện thao tác đối với các đối tượng trên mặt phẳng
+ Kết cấu đơn giản và linh hoạt + Ổn định về mặt cơ học theo phương thẳng đứng
+ Robot thường chỉ mang tải trọng nhẹ
Qua ưu điểm và nhược điểm của các loại robot trên thì nhóm chúng em quyết định lựa chọn mô hình cánh tay robot 3 bậc R.R.T (Phương án 3) để thực hiện đề tài Đề xuất mô hình robot đáp ứng được các yêu cầu trên: Robot SCARA được đặt cố định trên nền với những ưu điểm: Kết cấu động học đơn giản nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
Quá trình thao tác của robot:
- Từ vị trí ban đầu, khâu 3 (đầu hút chân không) di chuyển theo phương trục Z tới vị trí vật và giữ vật.
- Sau đó, robot di chuyển tới 1 trong 2 băng tải để đưa vật về kho tùy theo kích thước được phân loại bởi cảm biến.
- Khi đến băng tải đưa hàng vào kho, robot di chuyển theo trục Z hạ vật xuống, nhả kẹp và về vị trí ban đầu
Mô hình lắp đặt robot và các băng tải
Các đặc trưng kĩ thuật
Hình 2.4 Không Gian làm Việc
Các kích thước phải thỏa mãn điều kiện: a1 + a2 > smax
Ta chọn được kích thước như sau: a1 = 500mm, -120≤ q1 ≤ 120 (deg) a2 = 500mm, -120 ≤ q2 ≤ 120 (deg) l3 = 550mm, 50 ≤ d3 ≤ 550 (mm)
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC
Xây dựng bài toán động học của Robot
3.1.1 Cấu trúc động học của robot
Robot nói chung và đặc biệt robot dạng tay máy có cấu trúc cơ học là một hệ nhiều vật, gọi là khâu, liên kết với nhau bởi các khớp.
Khả năng chuyển động của robot được đặc trưng bởi số khả năng chuyển động độc lập của các khâu, gọi là số bậc tự do của robot Bậc tự do của robot phụ thuộc vào số khâu, cấu trúc và phân bố các khớp Để tính số bậc tự do ta sử dụng công thức: f=λ(n−k)+∑ i=1 k f i +¿f c −f ¿ p ¿ ¿ (3.1)
f: Số bậc tự do của cơ cấu.
λ: Bậc tự do của không gian trong đó tay máy thực hiện chuyển động
n: Số khâu động của robot
f i : Số bậc tự do của khớp thứ i
f p : Số ràng buộc thừa Với robot trong đồ án này là robot SCARA với số bậc tự do là: 6(3 - 3) + 3 + 0 + 0 = 3
Khâu đế hệ cố định 0: Hệ tọa độ cố định O 0 x 0 y 0 z 0
Khâu động: khâu 1,2,3(EE): Hệ tọa độ động O 1 x 1 y 1 z 1 ;O 2 x 2 y 2 z 2 ;O 3 x 3 y 3 z 3
Phép biến đổi thuần nhất
Hình 3.1: Phép biến đổi tọa độ thuần nhất
(q): Ma trận 3x3 phép quay biến i-1 thành i r i i−1 (x O i , y O i , z O i ): Tọa độ gốc Oi trong hệ tọa độ i-1
Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit - Hartenberg
A i i−1 =[ cos sin 0 0 θ θ i i −cos cos sin α α 0 i cos i α sin i θ θ i i −sin sin cos α α 0 i sin i α cos i θ θ i i a a i i cos sin d 1 i θ θ i i ] (3.2)
Ma trận biến đổi tọa độ độ thuần nhất A n 0 biểu diễn trạng thái khâu thao tác có thể xác định từ từ cấu trúc động học robot.A n 0 có thể nhận được bằng cách nhân phải liên tiếp các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất ứng với các phép dịch chuyển hệ tọa độ từ hệ trục cố điịnh tới hệ trục tọa độ gắn với EE.
3.1.3 Xây dựng cấu trúc động học
Hình 3.2: Sơ đồ động học
Bài toán động học thuận về vị trí
Sử dụng công thức (3.2) ta thu được các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất: Đầu tiên ta thiết lập phương trình động học dạng ma trận.
A 1 0 =[ cos sin 0 0 ( ( θ θ 1 1 ) ) −sin cos 0 0 ( θ ( θ 1 1 ) ) 0 500cos 0 500 sin 1 0 0 1 ( ( θ θ 1 1 ) ) ]
A 2 1 =[ cos sin 0 0 ( ( θ θ 2 2 ) ) −cos sin 0 0 ( θ ( θ 2 ) 2 ) −1 0 0 0 500cos 500 sin 0 1 ( ( θ θ 2 2 ) ) ]
Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất giữa khâu thao tác và khâu cố định:
T E 0 =A 1 0 A 2 1 A 3 2 T E 0 =[ cos sin ( ( θ θ 0 0 1 1 +θ + θ 2 2 ) ) − sin cos ( θ ( 0 0 θ 1 + 1 +θ θ 2 ) 2 ) −1 0 0 0 500 cos 500 sin ( ( θ θ 1 1 +θ +θ −d 1 2 2 ) ) + + 3 500cos 500sin ( ( θ θ 1 1 ) ) ]
Thiết lập phương trình động học dạng ma trận:
[ cos sin 0 0 φ φ −cos sin 0 0 φ φ −1 0 0 0 x y z 1 E E E ] = [ cos sin ( ( θ θ 0 0 1 1 + +θ θ 2 2 ) ) −cos sin ( θ ( 0 0 θ 1 +θ 1 +θ 2 ) 2 ) −1 0 0 0 500 cos 500 sin ( ( θ θ 1 1 + + −d θ θ 1 2 2 ) ) +500 cos +500 sin 3 ( ( θ θ 1 1 ) ) ]
→ Cân bằng các phần tử trong ma trận 2 vế ta có:
Bài toán động học ngược về vị trí
Lấy phương trình (1) bình phương cộng phương trình (2) bình phương ta thu được: x E 2 +y E 2 −a 1 2 −a 2 2 =2a 1 a 2 cos(¿θ 2 )¿
Khi đã biết θ2 thay lại vào 2 phương trình (1), (2) để tìm θ1
Ta thu được (1) và (2) là hệ phương trình đại số tuyến tính với 2 biến sin(θ1) và cos(θ1)
[ x y E E ] = [ a 2 a cos 2 sin ( θ ( 2 θ ) + 2 ) a 1 a −a 2 cos 2 sin ( θ 2 ( ) θ + 2 a ) 1 ] [ cos sin ( ( θ θ 1 1 ) ) ]
Trong vùng làm việc linh hoạt mỗi tọa độ khâu thao tác sẽ có 2 cách đáp ứng tương ứng với 1 bộ θ 1 , θ 2
Bài toán động học vi phân
3.4.1 Bài toán động học vi phân thuận
Bài toán động học vi phân thuận là bài toán biết q , q , ´ ´ q cần tìm ´ p , ´ p
Ta có ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất:
T E 0 =[ cos sin ( ( θ θ 0 0 1 1 +θ + θ 2 2 ) ) − sin cos ( θ ( 0 0 θ 1 + 1 +θ θ 2 ) 2 ) −1 0 0 0 500 cos 500 sin ( ( θ θ 1 1 +θ +θ −d 1 2 2 ) ) + + 3 500cos 500sin ( ( θ θ 1 1 ) ) ]
Ta suy ra được ma trận cosin chỉ hướng R 0 E bằng việc lấy các phần tử thuộc 3 hàng và 3 cột đầu tiên của ma trận T E 0
Từ đây ta suy ra được ma trận sóng của vector ~ ω E : ¿R´ 0 E R E 0 T =( ∂ R ∂ q 0 E dq dt ) R 0 E T ¿ [ θ ´ 1 + ´ 0 0 θ 2 −´ θ 1 0 0 −´ θ 2 0 0 0 ] = [ − ω 0 ω z y − ω 0 ω x z − ω 0 ω y x ]
Từ ma trận T E 0 ta thu được ma trận tọa độ điểm tác động cuối r 0 E v E =∂ r 0 E
Tính gia tốc góc ε E 0 Để tính ε E 0 ta đạo hàm ω E 0 theo thời gian. ε E 0 =d ω E 0 dt =[ θ ´ 1 0 0 + ´ θ 2 ]
Tính gia tốc dài a E Để tính gia tốc dài a E ta đạo hàm v E theo thời gian. a E =d v E dt =J TE q´+ ´J TE q´
3.4.2 Bài toán động học vi phân ngược
Bài toán động học vi phân ngược là bài toán biết ´ p , ´ p cần tìm q , ´ q ´.
Tính q ´ Đầu tiên ta sẽ thiết lập các phương trình liên kết f(p , q) :
Sau đó ta đạo hàm phương trình liên kết theo thời gian ta được: df(p , q) dt =∂ f
∂ q=J q =[ − a a 2 cos 2 sin ( θ ( θ 1 1 + +θ θ 0 2 2 ) +a ) −a 1 cos 1 sin ( θ ( θ 1 1 ) ) −a a 2 2 cos sin ( 0 θ ( θ 1 1 +θ + θ 2 2 ) ) −1 0 0 ]
Từ đây ta tính được q ´ theo công thức (3.3). q=´ [ −cos ( θ 1 + θ 2 ) a 2 x ´ cos −sin ( θ 1 ( θ + 1 a θ ) a 1 a 2 sin 1 ) 1 x sin ´ −´ ´ y−cos +sin ( z θ ( θ 2 ) 2 a ) ( θ 2 ( 1 θ +θ 1 ) a 2 1 ) ´ x−sin ´ y ( θ 1 + θ 2 ) a 2 ´ y ]
Tính q ´: Để tính q ´ ta đạo hàm phương trình J q q´−J p p=0´ theo thời gian được:
Từ đây ta tính được q ´ theo công thức (3.4).
THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG THEO YÊU CẦU KỸ THUẬT
Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác
- Xét quy trình thao tác của ROBOT như sau:
Di chuyển từ vị trí A’ (0.8;0.2; -0.01) đến vị trí A (0.8;0.2; -0.46) – vị trí thùng hàng trong khoảng 2 giây.
Dừng tại vị trí A (0.8;0.2; -0.46) khoảng 1 giây để hút thùng hàng.
Di chuyển từ vị trí A (0.8;0.2; -0.46) đến vị trí A’ (0.8;0.2; -0.01) trong khoảng 2 giây.
Di chuyển từ vị trí A’ (0.8;0.2; -0.01) đến vị trí B’ (-0.4; -0.8; -0.01) trong khoảng 3 giây.
Di chuyển từ vị trí B’ (-0.4; -0.8; -0.01) đến vị trí B (-0.4; -0.8; -0.26) – vị trí thả thùng hàng lên băng tải khác trong khoảng 2 giây.
Dừng tại vị trí B (-0.4; -0.8; -0.26) khoảng 1 giây để thả thùng hàng.
Di chuyển từ vị trí B (-0.4; -0.8; -0.26) đến vị trí B’ (-0.4; -0.8; -0.01) trong khoảng 2 giây.
Di chuyển từ vị trí B’ (-0.4; -0.8; -0.01) đến vị trí A’ (0.8;0.2; -0.01) trong khoảng 3 giây.
Kết thúc một chu trình thao tác.
Hình: Chu trình thao tác của ROBOT
Trong quá trình thao tác để có thể thực hiện được thao tác gắp thì chuyển động của Robot phải đảm bảo không có va chạm với thành bên của mạch Vì vậy, để có thể vào vị trí gắp mạch và đưa thùng hàng trên băng truyền thì hướng tiếp cận của tay hút robot theo quỹ đạo chuyển động tương ứng phải có phương vuông góc với mặt phẳng băng chuyền Do đó quỹ đạo AA ’ và BB ’ là đường thẳng, quỹ đạo A’B ’ , ở đây nhóm chọn là đường thẳng Để khảo sát quỹ đạo làm việc của bài toán đặt ra, nhóm đã chọn 1 tọa độ cho A để khảo sát :
A’ (0.8;0.2; -0.01) là điểm bắt đầu và kết thúc chu trình thao tác
2 1 2 3 1.5 1 1.5 2.5 Để thiết kế được quỹ đạo cho Robot, người ta thường dùng phương pháp xấp xỉ đa thức bậc n hoặc dạng phối hợp Trong nội dung báo cáo này nhóm sử dụng quỹ đạo theo đa thức bậc 3 Vì dạng này vừa đơn giản trong thiết kế đồng thời thỏa mãn được các yêu cầu như : Đảm bảo tính liên tục của vận tốc -> quỹ đạo không giật cục, gấp khúc, gây sốc trong quá trình hoạt động của robot.
+ Thiêt kế quỹ đạo trong không gian thao tác, quỹ đạo đường thẳng
Tổng quát : ta có phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm M(x , y , z ) o o o và (x , y , z ) e e e
31 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 như sau: ¿
Xây dựng chương trình mô phỏng trên Matlab
Nhóm em thiết lập sơ đồ khối simulink như sau:
Kết quả thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác khi thực hiện chu trình công việc
Đồ thị giá trị xE (m) Đồ thị giá trị yE (m)
33 Đồ thị giá trị zE (m) Đồ thị vận tốc thao tác cuối (E) theo các trục toạ độ
34 Đồ thị gia tốc thao tác cuối (E) theo các trục toạ độ Đồ thị biến khớp q1 (rad) theo thời gian t
35 Đồ thị biến khớp q2 (rad) theo thời gian t Đồ thị biến khớp d3 (m) theo thời gian t
36 Đồ thị vận tốc khâu 1 (m/s) theo thời gian t (s) Đồ thị vận tốc khâu 2 (m/s) theo thời gian t (s)
37 Đồ thị vận tốc khâu 3 (m/s) theo thời gian t (s) Đồ thị gia tốc khâu 1(m/s^2) theo thời gian t (s)
38 Đồ thị gia tốc khâu 2 (m/s^2) theo thời gian t (s) Đồ thị gia tốc khâu 3 (m/s^2) theo thời gian t (s)
39 Đồ thị Lực dẫn động khâu 1 (N.m) theo thời gian t (s) Đồ thị lực dẫn động khâu 2 (N.m) theo thời gian t (s)
40 Đồ thị lực dẫn động khâu 3 (N) theo thời gian t (s)
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot
Phương trình Lagrange loại 2: d dt ( ∂ T ∂q´ ) − ∂ T ∂ q i +∂ Π
∂ q i =U Viết dưới dạng khai triển:
C: Ma trận quán tính Coriolit
U: Ma trận lực điều khiển
Động năng và ma trận khối lượng M
5.2.1 Tính các tenxơ quán tính
Các tenxơ quán tính của 3 khâu so với tục gắn với khối tâm song song với hệ trục của khâu cũng tương ứng là hệ quán tính chính. Θ 1 =[ 0 0 0 12 1 m 0 0 1 a 1 2 12 1 m 0 0 1 a 1 2 ] Θ 2 =[ 0 0 0 12 1 0 0 m 2 a 2 2 12 1 m 0 0 2 a 2 2 ] Θ 3 =[ 0 0 0 12 1 0 0 m 3 a 3 2 12 1 m 0 0 3 a 3 2 ]
5.2.2 Tính các ma trận Jacobi
5.2.2.1 Ma trận Jacobi tịnh tiến
Ma trận Jacobi tịnh tiến khâu 1:
Ma trận Jacobi tịnh tiến khâu 2:
∂ q =[ −a a 2 2 2 2 cos sin ( θ ( θ 1 1 +θ +θ 0 2 2 ) + ) − a a 1 cos 1 sin ( ( θ θ 1 1 ) ) −a a 2 2 2 2 cos sin 0 ( ( θ θ 1 1 +θ + θ 2 2 ) ) 0 0 0 ]
Ma trận Jacobi tịnh tiến khâu 3:
∂ q =[ −a a 2 2 cos sin ( θ ( θ 1 1 +θ +θ 0 2 2 ) + ) −a a 1 cos 1 sin ( ( θ θ 1 1 ) ) − a a 2 cos 2 sin ( 0 θ ( θ 1 1 + +θ θ 2 2 ) ) −1 0 0 ]
Ma trận Jacobi quay khâu 1:
Ma trận Jacobi quay khâu 2:
Ma trận Jacobi quay khâu 3:
5.2.3 Động năng và ma trận khối lượng M
Ma trận quán tính li tâm và gia tốc Coriolit
Thế năng và ma trận G
Từ đây ta thiết lập được phương trình Lagrange
Động lực học ngược
Động lực học ngược: Khảo sát tính toán các lực dẫn động để robot thực hiện được chuyển động thao tác theo quy luật đã xác định.
44 Ở phần mô phỏng động lực học ngược này, ta ước chừng khối lượng các khâu của Robot như sau: m 1 kg ; m 2 =7kg ;m 3 =5kg
Vẫn xét điểm E di chuyển theo chu trình thao tác để khảo sát sự thay đổi của mômen điều khiển các khâu 1,2 và lực dẫn động khâu 3. τ 1 =m 11 ¿ τ 2 =m 21 ¿ τ 3 =m 33 ¿
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG
Cơ sở lý thuyết
Ở các phần trước nhóm đã tính toán, xác định uy luật biến thiên của các biến khớp theo thời gian, tương ứng với quỹ đạo công tác của robot theo yêu cầu Phần này sẽ trình bày việc điều khiển robot sao cho chúng có thể thực hiện được đúng các chuyển động mong muốn.
Phương pháp điều khiển tuyến tính chỉ thích hợp với các hệ điều khiển được mô hình hóa bởi các phương trình vi phân tuyến tính Tuy nhiên trong phần Động lực học robot chúng ta đã nhận thấy, hệ phương trình động lực của chúng ta là các phương trình vi phân phi tuyến, do vậy các biện pháp xấp xỉ sẽ được sử dụng để phù hợp với yêu cầu của bài toán điều khiển tuyến tính.
Xuất phát trực tiếp từ hệ phương trình vi phân chuyển động đã được nghiên cứu trong phần Động lực học hệ robot Phương pháp điều khiển áp dụng là phương pháp điều khiển lực (mô men) thường được sử dụng để điều khiển cho mô hình của nhóm.
Mục tiêu của bài toán điều khiển là làm sao cho robot bám theo quỹ đạo đã được thiết kế. Các phần tử dẫn động làm việc theo cách nhận lệnh điều khiển và sinh ra lực (mô men).
Mô men đầu ra sẽ được sử dụng để tính toán mô men mong muốn tiếp theo.
Vấn đề cốt lõi của việc thiết kế bộ điều khiển robot là làm thế nào để bảo đảm rằng bộ điều khiển được thiết kế sẽ đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc cho trước Tiêu chí cơ bản quan trọng nhất là hệ phải đảm bảo ổn định Nghĩa là đảm bảo thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh và sai số quỹ đạo đủ nhỏ theo yêu cầu đặt ra cho dù hệ có phải chịu tác động của một số nhiễu trong suốt quá trình làm việc.
Trước hết ta có mô hình toán học của hệ thống đã được xây dựng từ các phần trước là hệ phương trình vi phân động học:
M(q) ´q+C(q ,q) ´´ q+G(q)=τ Trong đó vế trái của phương trình là mô hình với các tham số của robot, vế phải là momen mà bộ đều khiển tác động lên robot Momen này được sinh ra từ bộ điều khiển với giá trị thỏa mãn yêu cầu đã nêu ở trên.
Chúng ta phải xét xem cấu trúc của bộ điều khiển như thế nào thì có thể đáp ứng mục tiêu thiết kế trược hết chúng ta chia bộ điều khiển thành hai phần: một phần dựa trên mô hình và một phần dựa trên phản hồi. τ=α τ ' +β
Trong đó α, β là các hàm được chọn lựa sao cho nếu τ với tư cách là đầu vào mới của hệ, thì hệ trở thành hệ khối lượng đơn vị.
Với cấu trúc này của luật điều khiển, phương trình của hệ trở thành:
Với mục tiêu biến hệ thành hệ khối lượng đơn vị với τ là thành phần đầu vào thì α, β có thể được chọn:
Sau khi chọn được α, β thì phương trình còn lại là: q=´ τ '
Chúng ta còn lại tham số cuối cùng cần chọn để thu được hệ khối lượng đơn vị. τ ' =´q d +Kv( ´q d −´q)+Kp(q d −q)
Trong đó các giá trị đầu vào là quy luật vị trí, quy luật vận tốc, quy luật gia tốc mong muốn đã được tính toán trong phần thiết kế quỹ đạo:
Và các hệ số Kv, Kp là các ma trận đường chéo vuông cấp n (n là số tham số động học của mô hình robot), phần sau chúng ta sẽ xem xét chi tiết việc chọn các hệ số Kv, Kp này theo các điều kiện ràng buộc và mục tiêu bài toán.
Ta tìm được biểu thức đặc trưng cho hệ điều khiển vòng kín robot:
Hệ phương trình trên bao gồm các phương trình độc lập, các ma trận Kv, Kp là các ma trận đường chéo, do vậy phương trình này có thể viết riêng cho từng khớp: e´ i + k vi e´ i +k p i e i =0 Theo lí thuyết về dao động kĩ thuật, khi nhìn vào phương trình trên ta có thể nhận xét đây là phương trình dao động tự do có cản, ứng xử của hệ thống phụ thuộc vào hệ số kvi và kpi Trong đó mục tiêu của chúng ta là đưa đáp ứng của hệ càng sát với giá trị mong muốn càng tốt, khoảng thời gian đạt được đáp ứng càng nhanh càng tốt Do đó, giá trị nghiệm hướng tới là trường hợp nghiệm kép, giá trị thực, và trường hợp này gọi là trường hợp tới hạn khi k d =2√ k P
Từ nội dung trên ta có thể xây dựng được sơ đồ khối của mô hình hệ thống như sau:
Mô phỏng bằng Simmechanic Toolbox
- Từ mô hình 3D mà nhóm đã thiết kế trên phần mềm Solidworks 2017, ta đặt các hệ tọa độ của từng khâu theo quy tắc DH
- Sau đó ta xuất bản vẽ qua Simulink bằng Simmechanic Toolbox
- Tiến hành cài SimMechanics trên Matlab và Import file 3D vào Matlabđã xuất ra từ Solidworks
- Sau đó, tiến hành mô phỏng động học với quỹ đạo đã thiết kế:
Đồ thị kết quả mô phỏng
Sai lệch góc khớp Theta1
Sai lệch góc khớp theta2