Báo Cáo Đồ Án Cánh Tay Robot Để Mở Tay Nắm Cửa.pdf

Canh tay robot Canh tay Robot có khớp nối loại là robot vô cùng phổ biến.. Giống như các nhà máy CNC, Robot khớp nối được phân loại theo số điểm quay hoặc số trục mà chúng có.. 4 Ngoài

TRƯƠNG ĐAI HOC BACH KHOA HA NÔI VIÊN ĐIÊN- ĐIÊN TƯ

BAO CAO ĐÔ AN II

ĐÊ TAI: CANH TAY ROBOT ĐÊ MƠ TAY NĂM CƯA

Giang viên hương dân: PGS.TS Ph m Th a i  Thuc Anh

Chuyên ng nh: T a ư đông hoa công nghiêp

Thanh viên : Nguyên Manh Hiêu 20191835 Nguyên Tiên Hưng 20192212

Nguyên H u T ng 20192158 ư u Nguyên Ph Vinh 20192174 u

Ha Nôi, 6/2/2023

MỤC L C Ụ

I YÊU CẦU BÀI TOÁN VÊ CANH TAY ROBOT

1 Yêu cầu thiêt kê …3

2 Giơi thiê u v cê anh tay robot 4 bâ c tư do………3

3 Ứng dụng trong công nghiệp …5

II ĐỘNG HỌC THUẬN VỊ TRÍ …5

1 Xác định các tham số động học D-H ……… 6

2 Tính toán các ma trận 𝐴𝑖……….6

III ĐỘNG HỌC NGƯỢC VỊ TRÍ ….7

1 Sơ lươc……… 7

2 Tinh toan ma trâ n………8

IV TINH TOAN MA TRÂN JACOBY………9

1 Cac bước tính toán ma tr n Jacoby theo ậ J H……… 9

2 Tinh toan ma trâ n Jacoby……… 11

V ĐÔNG L C HƯ OC……….13

1 Đô ng năng……… 13

2 Thê năng ……….14

3 T nh toi an đô ng lưc ho c ………15

VI MÔ PHONG TRÊN MATLAB/ SIMULINK……….……21

1 B ô  điêu khiên………21

2 Mô phong……… 21

3 Nhâ n xet………24

VII.TAI LIÊU THAM KHAO………24

I YÊU CÂU BAI TOAN VÊ CANH TAY ROBOT

1 Yêu câu thiêt kê

- Thiêt kê tay robot co thê mơ đươc tay năm cưa loa i tron va loa i tay năm cai vơi cach mơ khoa la xoay ngươ c hoă c thuâ n chiêu kim đông hô ô khoa

-Pha m vi hoa t đô ng : 1m-1,5m

- Ha n ch : Chê i mơ đươc cac ô khoa không bi  r ri et do lưc không đu khoe

2 Giơi thiê u vê canh tay Robot 4 bâ c tư do

Hi nh 1 Canh tay robot

Canh tay Robot có khớp nối loại là robot vô cùng phổ biến Và mỗi khi nhắcđến Robot chúng ta sẽ lập tức nghĩ ngay đến chúng Giống như các nhà máy CNC, Robot khớp nối được phân loại theo số điểm quay hoặc số trục mà chúng có Phổ biến nhất là robot khớp trục 4 Ngoài còn ra có các loại robot

6 tru c 7 và trục cũng rất phổ biến trên thị trường

Tính linh hoạt, khéo léo và khả năng tiếp cận khiến robot có khớp nối là sựlựa chọn phù hợp lýtưởng cho các nhiệm vụ thực hiện trên các mặt phẳngkhông song song, chẳng hạn như chỉnh sửa máy móc

Robot có khớp nối cũng có thể dễ dàng tiếp cận khoang máy công cụ và dưới các vật cản để tiếp cận phôi Hoặc thậm chí xung quanh vật cản, trong trường hợp này robot 7 là trục

Ưu điểm

Các khớp nối kín và ống bảo vệ cho phép Robot có khớp nối hoạt động tốt trong môi trường sạch cũng như môi trường bẩn Khả năng năng lắp cánh tay Robot 4 bậc tự do này trên bất kỳ bề mặt nào ( Ví dụ: trần nhà, đườngray trượt) Điều này cho phép doanh nghiệp có nhiều sự lựa chọn khi làm việc

Tuy nhiên, tinh sự tế và hiện đại của robot có khớp nối này sẽ đi kèm với giá thành cao Do đó, robot này cao hơn so với cac loa i robot có trọng tảitương tự trên thị trường

Khuyết điểm

Và khuy t ế điểm c a dòng Robot này là: Chúng s không phù h p v i các ng ủ ẽ ợ ớ ứ dụng t c rố độ ất cao Do chúng có hệ thống chuy n ng hể độ ọc phức t p v i ạ ớ nhiều chi t b ph n tiế ộ ậ

3 Ưng du ng công nghiê p

Canh tay robot bâ c 4 đươc sư du ng phô biên trong công nghiê p đê:

- Di chuyên link kiê n, chi ti t mê ay

- Thao l p link kiă ê n

- Han ma ch

Trong dư an nay, chung ta se dung robot bâ c 4 nay đê mơ tay năm cưa

II ĐÔNG HOC THUÂN VI  TRI

Hi nh 2 Mô hi nh đô ng ho c

Đây là bước quan tro ng cho vi c thiệ ết kế robot, từ đó có thể ải bài toán gi điều khi n robot theo ể các qu ỹ đạo T ừ đây ta mới có đủ các thông s ố để điều khiển robot theo một quỹ đạo cho trước hoặc với lực cho trướ ta thu được c một quỹ đạo chuyển động nhất định

1 Xác định các tham số động học D-H

Vị trí của h tệ ọa độ khớp (Oxyz)i đối với h tệ ọa độ kh p ớ (Oxyz)i-1 được xác định b i 4 tham s ở ố như sau: 𝜃i , di , ai , 𝛼i

a ilà độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp động i+1 vài

𝜶i là góc chéo giữa 2 trục khớp động i+1 và i

d ilà khoảng cách đo dọc trục khớp động i kể từ đường vuông góc chung giữa trục khớp động i+1 và trục khớp động i tới đường vuông góc chung giữa trục khớp động i và trục khớp động i -1

𝜽i là góc giữa 2 đường vuông góc nói trên Biến khớp:

Nếu khớp động i là kh p quay thì ớ 𝜽i là biến khớp

Nếu khớp động i là tịnh tiến thì d i là biến khớp

Ma trâ n biên đôi to a đô  tông quat la

Do vâ y ta s te inh đươc b n ma trô â n A1 , A2 , A , A4 3

]

Từ các ma trận biến đổi giữa các trục, ta sẽ xác định được hàm truyền RTH cua robot

Sử dụng công cụ matlab để nhập và nhân các ma trận Ta thu được ma trận

𝑇4 = 𝐴1𝐴2𝐴 𝐴43 = [

−𝑠𝑖𝑛𝜃13𝑐𝑜𝑠𝜃4 sin𝜃13𝑠𝑖𝑛𝜃4 𝑐𝑜𝑠𝜃13 𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃1𝑐𝑜𝑠𝜃13𝑐𝑜𝑠𝜃4 −𝑐𝑜𝑠𝜃13𝑠𝑖𝑛𝜃4 𝑠𝑖𝑛𝜃13 𝑑2𝑠𝑖𝑛𝜃1

vị trí mong muốn của tay trong không gian Tức là xác định ma trận các biến khớp Q q q1, , ,2 qnT từ vị trí của khâu tác động cuối đã biết, giả sử T có 0

Ta có các phương pháp giải vị trí các động học ngược vị trí:

Phép đảo vị trí: áp dụng cho các robot có hai bậc tự do

Phép đảo hướng: áp d ng cho phép quay c nh ụ ố đị

Phương pháp phân ly biến:

{𝑠𝑖𝑛𝜃3𝑐𝑜𝑠𝜃3= −𝑎𝑥𝑠𝑖𝑛𝜃1= 𝑎𝑥𝑐𝑜𝑠𝜃1+ 𝑎𝑦𝑠𝑖𝑛𝜃1+ 𝑎𝑦𝑐𝑜𝑠𝜃1=> 𝜃3= 𝑎𝑡𝑎𝑛2 𝑠𝑖𝑛𝜃( 3, 𝑐𝑜𝑠𝜃 ) 3

{𝑠𝑖𝑛𝜃4= 𝑛𝑧

𝑐𝑜𝑠𝜃4= 𝑜𝑧 => 𝜃4= 𝑎𝑡𝑎𝑛2 𝑠𝑖𝑛𝜃( 4, 𝑐𝑜𝑠𝜃4)

𝑑2= 𝑝𝑥𝑐𝑜𝑠𝜃1+ 𝑝𝑦𝑠𝑖𝑛𝜃1

IV TINH TOAN MA TRÂN JABOBY

Nhiệm v yêu cụ ầu Robot điều khiển được hướng và vị trí thì v n tậ ốc được điều khi n trên quể ỹ đạo hoạt động c a nó Ma tr n Jacoby là m t trong nhủ ậ ộ ững đặc tính quan tr ng c a tau máy và là công c toán h c c n thi t dành cho vi c phân ọ ủ ụ ọ ầ ế ệtích và điều khiển chức năng cũng như vận hành Robot

1 Các bước tính toán ma trận Jacoby theo H

i H

z

i H i x z i H

y i z i H i z z i

p n p n pp

o p o p

p a p a p

noa (3)

Khi i 1 là khớp trượt, biến khớp 𝑑𝑖+1

𝜕𝜃𝑖+1= 𝑖𝑜𝑧 𝜕 𝐻 𝑝𝑧

00

d S C 2 3

1

H z p

C

1 0 H z

H z p C

y

2 0 H z

p

2 3 4 3

H z p

Trọng tâm:

𝑃𝑐1= ⌊𝑙1𝑐𝑜𝑠𝜃𝑙1𝑠𝑖𝑛𝜃11

0 ⌋ → 𝑃󰇗𝑐1= ⌊

−𝑙1𝑠𝑖𝑛𝜃1𝜃󰇗1𝑙1𝑐𝑜𝑠𝜃1𝜃󰇗1

Suy ra:

𝐾1=12 𝑚1((−𝑙1𝑠𝑖𝑛𝜃1𝜃󰇗1) + (𝑙2 1𝑐𝑜𝑠𝜃 1𝜃󰇗1) ) +2 12 𝐼𝑧𝑧1𝜃󰇗1=12 (𝑚1𝑙1+ 𝐼𝑧𝑧1)𝜃󰇗1 Thanh nối thứ 2:

Suy ra:

𝐾3=12 𝑚3𝑑󰇗2+12 (𝑚3𝑙3+ 𝐼𝑧𝑧3)𝜃󰇗132 +12 𝑚3𝑑2𝜃󰇗1+ 𝑚3𝑙3(𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗1

− 𝑑󰇗2𝑠𝑖𝑛𝜃 )𝜃 3 󰇗13 Thanh nối th 4 ứ

Trọng tâm:

𝜕𝜃󰇗 1= (𝑚1𝑙1+ 𝐼𝑧𝑧1)𝜃󰇗1+14(𝑚2(2𝑙1+ 𝑑2)2+ 𝐼𝑧𝑧2)𝜃󰇗1+ (𝑚3𝑙3+ 𝐼𝑧𝑧3)𝜃󰇗13+𝑚3𝑑2𝜃󰇗1+ 2𝑚 𝑙3 3𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗1+ 𝑚 𝑙 (𝑑 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝜃3 3 2 3 󰇗3− 𝑑󰇗2𝑠𝑖𝑛𝜃 ) +3 (𝑚4(𝑙4+2𝑙3)2+ 𝐼𝑧𝑧4)𝜃󰇗13+ 𝑚4𝑑2𝜃󰇗1+ 2𝑚4(𝑙 + 2𝑙4 3)𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗1+ 𝑚4(𝑙 +42𝑙3)(𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃 𝜃 3 󰇗3− 𝑑󰇗2𝑠𝑖𝑛𝜃3)

Đặt: 𝑙 + 2𝑙 = 𝑙4 3 34, Suy ra:

𝜕𝐿

𝜕𝜃󰇗 1= (𝑚1𝑙1+ 𝑚3𝑙3+ 𝑚4𝑙342 + 𝐼𝑧𝑧1+41𝐼𝑧𝑧2+ 𝐼𝑧𝑧3+ 𝐼𝑧𝑧4) 𝜃󰇗1+ (𝑚3𝑙3+𝐼𝑧𝑧3+ 𝑚4𝑙342 )𝜃󰇗3+41𝑚2(2𝑙1+ 𝑑2)2𝜃󰇗1+ (𝑚 + 𝑚 )𝑑3 4 2𝜃󰇗1+ (𝑚3𝑙 +3𝑚4𝑙34)(2𝑑 𝑐𝑜𝑠𝜃2 3𝜃󰇗1+ 𝑑 𝑐𝑜𝑠𝜃2 3𝜃󰇗3− 𝑑󰇗2𝑠𝑖𝑛𝜃3)

𝑑

𝑑𝑡(𝜕𝜃󰇗𝜕𝐿1) = (𝑚1𝑙1+ 𝑚3𝑙3+ 𝑚4𝑙342 + 𝐼𝑧𝑧1+14𝐼𝑧𝑧2+ 𝐼𝑧𝑧3+ 𝐼𝑧𝑧4) 𝜃󰇘1+(𝑚3𝑙3+ 𝐼𝑧𝑧3+ 𝑚4𝑙342)𝜃󰇘3+14𝑚2(2𝑙1+ 𝑑2)2𝜃󰇘1+12𝑚2(2𝑙1+ 𝑑2)𝑑󰇗2𝜃󰇗1+

𝑚34𝑑2𝜃󰇘1+ 2𝑚34𝑑2𝑑󰇗2𝜃󰇗1+ (𝑚 𝑙 + 𝑚 𝑙 )(2𝑑 𝑐𝑜𝑠𝜃3 3 4 34 2 3𝜃󰇘1−

2𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃2 3𝜃󰇗1𝜃󰇗3+ 2𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗1𝑑󰇗2+ 𝑑 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝜃2 3 󰇘3− 𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃2 3𝜃󰇗3+ 𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗3𝑑󰇗2−𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗3𝑑󰇗2− 𝑠𝑖𝑛𝜃3𝑑󰇘2)

= (𝑚1𝑙1+ 𝑚3𝑙3+ 𝑚4𝑙342 + 𝐼𝑧𝑧1+14 𝐼𝑧𝑧2+ 𝐼𝑧𝑧3+ 𝐼𝑧𝑧4+14 𝑚2(2𝑙1+ 𝑑2)2

+ 𝑚34𝑑2+ 2(𝑚3 3𝑙 + 𝑚 𝑙4 34)𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃 )𝜃 3 󰇘1

+ (𝑚3𝑙3+ 𝐼𝑧𝑧3+ 𝑚4𝑙342 + (𝑚3𝑙3+ 𝑚4𝑙34)𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃3)𝜃󰇘3

− (𝑚3𝑙 + 𝑚 𝑙3 4 34)𝑠𝑖𝑛𝜃3𝑑󰇘2+ (12 𝑚2(2𝑙1+ 𝑑2) + 2𝑚34𝑑2) 𝑑󰇗2𝜃󰇗1+ (𝑚 𝑙 + 𝑚 𝑙 )(−2𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃3 3 4 34 2 3𝜃󰇗1𝜃󰇗3+ 2𝑐𝑜𝑠𝜃 𝜃3 󰇗1𝑑󰇗2− 𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃2 3𝜃󰇗3)

𝜕𝐿

𝜕𝜃 1= − (𝑚 𝑔𝑙1 1𝑐𝑜𝑠𝜃1+ 𝑚2𝑔(𝑙 +1 𝑑2

2)𝑐𝑜𝑠𝜃1+ 𝑚3𝑔(𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃1+

𝑙 𝑐𝑜𝑠𝜃3 13) + 𝑚4𝑔(𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃1+ 𝑙34𝑐𝑜𝑠𝜃13)

= − ((𝑚1𝑙1+ 𝑚2 (𝑙1+𝑑22 ) + 𝑚3𝑑2+ 𝑚4𝑑2) 𝑐𝑜𝑠𝜃1

+ (𝑚3𝑙 + 𝑚 𝑙3 4 34)𝑐𝑜𝑠𝜃13) 𝑔 Suy ra:

𝑭 = (𝒇𝟏 𝟏𝟏+𝟏𝟒 𝒎𝟐(𝟐𝒍𝟏+ 𝒅𝟐)𝟐+ 𝒎𝟑𝟒𝒅𝟐+ 𝟐𝒇𝒎𝒍𝟑𝟒𝒄𝒐𝒔𝜽𝟑) 𝜽󰇘𝟏

+ (𝒇𝟏𝟐+ 𝒇𝒎𝒍𝟑𝟒 𝟐𝒅 𝒄𝒐𝒔𝜽𝟑)𝜽󰇘𝟑− 𝒇𝒎𝒍𝟑𝟒𝒔𝒊𝒏𝜽 𝒅𝟑 󰇘𝟐

+ 𝒇𝒎𝒍𝟑𝟒(−𝟐𝒅 𝒔𝒊𝒏𝜽 𝜽𝟐 𝟑 󰇗𝟏𝜽󰇗𝟑+ 𝟐𝒄𝒐𝒔𝜽 𝜽𝟑 󰇗𝟏𝒅󰇗𝟐− 𝒅 𝒔𝒊𝒏𝜽 𝜽𝟐 𝟑 󰇗𝟑𝟐)+ ((𝒎 𝒍 + 𝒎𝟏 𝟏 𝟐 (𝒍𝟏+𝒅𝟐 ) + 𝒎𝟐 𝟑𝒅𝟐+ 𝒎𝟒𝒅𝟐) 𝒄𝒐𝒔𝜽𝟏+ 𝒇𝒎𝒍𝟑𝟒𝒄 𝜽 )𝒈𝒐𝒔 𝟏𝟑

𝜕𝑑󰇗 2=14𝑚2𝑑󰇗2+ 𝑚 𝑑3 󰇗2− 𝑚 𝑙 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝜃3 3 3 󰇗13+ 𝑚 𝑑4 󰇗2− 𝑚 𝑙 𝑠𝑖𝑛𝜃4 34 3𝜃󰇗13 = (14 𝑚2+ 𝑚34) 𝑑󰇗2− 𝑓𝑚𝑙34𝑠𝑖𝑛𝜃 3𝜃󰇗13

𝑑

𝑑𝑡(𝜕𝑑󰇗𝜕𝐿2) = (14𝑚2+ 𝑚34) 𝑑󰇘2− 𝑓𝑚𝑙34(𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗3𝜃󰇗13+ 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝜃3 󰇘13)

𝜕𝐿

𝜕𝑑 2=14(2𝑙1+ 𝑑2)𝜃󰇗1+ 𝑚3𝑑2𝜃󰇗1+ 𝑚3𝑙3𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗1𝜃󰇗13+ 𝑚4𝑑2𝜃󰇗1+𝑚4𝑙34𝑐𝑜𝑠𝜃 𝜃3 󰇗1𝜃󰇗13− (1

2𝑚2𝑠𝑖𝑛𝜃1+ 𝑚3𝑠𝑖𝑛𝜃1+ 𝑚4𝑠𝑖𝑛𝜃1) 𝑔 = (14 (2𝑙1+ 𝑑2) + 𝑚34𝑑2+ 𝑓𝑚𝑙34𝑐𝑜𝑠𝜃3) 𝜃󰇗1+ 𝑓𝑚𝑙34𝑐𝑜𝑠𝜃 3𝜃󰇗1𝜃󰇗3

= (𝑚3𝑙3+ 𝐼𝑧𝑧3+ 𝑚4(𝑙4+ 2𝑙3)2+ 𝐼𝑧𝑧4)𝜃󰇗13+ 𝑓𝑚𝑙34(𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗1− 𝑑󰇗2𝑠𝑖𝑛𝜃3) Với: 𝑓33= 𝑚3𝑙3+ 𝐼𝑧𝑧3+ 𝑚4(𝑙4+ 2𝑙3)2+ 𝐼𝑧𝑧4

𝑑𝑡(𝜕𝜃󰇗𝜕𝐿3) = 𝑓33𝜃󰇘13+ 𝑓𝑚𝑙34(𝑑2𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇘1− 𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃2 3𝜃󰇗1𝜃󰇗3+ 𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗1𝑑󰇗2−𝑠𝑖𝑛𝜃3𝑑󰇘2− 𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗3𝑑󰇗 2)

o 𝑣 = −2𝑓2 𝑚𝑙34𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗3𝜃󰇗1− 2𝑓𝑚𝑙34𝑐𝑜𝑠𝜃3𝜃󰇗3− (14(2𝑙1+ 𝑑2) +𝑚34𝑑2+ 𝑓𝑚𝑙34𝑐𝑜𝑠𝜃 3) 𝜃󰇗1

VI MÔ PHONG TRÊN MATLAB

1 Bô  điêu khiên

d

Hình 4 : Sơ đồ điều khi n robot ể

Phương trình vi phân động lực học robot có dạng:

𝐾𝑝= ⌊

0 20 0 00

0 00 20 00 3

⌋ ; 𝐾𝑣= ⌊

0 15 0 00

0 00 0 0.110 0

⌋ Kết qu mô ph ng: ả ỏ

- Giá trị đặt sau b thiộ ết kế quỹ đạo:

- Giá tr tính toán sau b mô hình toán h c robot: ị ộ ọ

- Giá tr tị ọa độ ị v trí của cánh tay sau khâu động học thuận:

+) Giá trị X:

+) Giá tr Y: ị

3 Nh n xét: ậ

- Giá trị góc quay và giá tr t nh ti n sau mô hình toán h c robot bám sát ị ị ế ọtheo giá trị đặt

- Thời gian đáp ứng bị trễ đi 1-3s

- kh p 2 giá tr t nh tiỞ ớ ị ị ến có độ quá điều chỉnh nh kho ng 4.4% ỏ ả

- Tọa độ theo trục X có độ quá điều ch nh khoỉ ảng 5,26%, độ quá điều ch nh ỉtheo tr c Y nhụ ỏ

VII TAI LIÊU THAM KHAO

https://www.youtube.com/watch?v=qMx1nbi5lUs&list=PLgT8HR25 21IVYrzYgRvjgt-jXg20_zRIu

https://www.youtube.com/watch?v=HrPCMKm29mg&list=PLPE6Sx iX3tFlPkwTtWHKisd8sqGHo-DEH

- Sách MATLAB & SIMULINK cho kĩ sư – Nguyễn Quang Hoàng