mô hình hóa các hệ cơ điện tử xây dựng mô hình robot gắp sản phẩm từ băng chuyền vào kho chứa

Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công, chế biến sản

Trang 1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ

MÔ HÌNH HÓA CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ

Xây dựng mô hình robot gắp sản phẩm từ

băng chuyền vào kho chứa

NGỤY QUYỀN ANH

anh.nq194896@sis.hust.edu.vn

LƯU VĂN ĐỨC

duc.lv194960@sis.hust.edu.vn

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phan Bùi Khôi

Nhóm chuyên môn: Cơ học ứng dụng

Khoa: Cơ điện tử

HÀ NỘI, 01/2024

Chữ ký của GVHD

Trang 2

MỤC LỤC

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

CHƯƠNG 1 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D, THIẾT LẬP SƠ ĐỒ ĐỘNG CẤU TRÚC ROBOT 6

1.1 Tổng quan về đề tài 6

1.2 Yêu cầu bài toán 6

Kích thước 6

Vị trí 8

Năng suất 9

1.3 Thiết kế kết cấu sơ bộ của Robot 10

Lựa chọn mô hình 10

Thiết lập hệ tọa độ của Robot 11

Xác định bộ thông số DH 12

Thiết kế mô hình 3D 13

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC ROBOT 17

2.1 Động học thuận 17

Xác định các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất theo các thông số DH 17 Tính toán các thông số động học khâu thao tác 18

2.2 Động học ngược 19

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH SỬ DỤNG OPENGL 22

3.1 Phương pháp biểu diễn hoạt động 22

3.2 Mô phỏng hoạt động của mô hình trên OpenGL 26

CHƯƠNG 4 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 37

4.1 Khảo sát bài toán động lực học 37

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 38

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MATLAB/SIMULINK40

Trang 3

5.1 Xây dựng mô hình 40

5.2 Tính toán dữ liệu cho mô phỏng 45

5.3 Kết quả mô phỏng 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

Trang 4

1

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

STT Họ và tên MSSV Nhiệm vụ Đánh giá

1 Ngụy Quyền Anh 20194896 Tính toán động học, động

lực học robot, thiết kế quỹ đạo, tìm hiểu phương pháp biểu diễn hoạt động của đối tượng trên OpenGL

10/10

2 Lưu Văn Đức 20194960 Tính toán động học, động

lực học robot, thiết kế quỹ đạo, mô phỏng bộ điều khiển Matlab Simulink, mô phỏng OpenGL

10/10

Đánh giá của giảng viên hướng dẫn

………

Kết quả đánh giá STT Họ và tên MSSV Điểm

Trang 5

LỜI NÓI ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu vật chất và tinh thần của con người ngày càng cao, vì thế bài toán về cung – cầu đang được các nhà sản xuất tìm cách giải quyết Tự động hóa trong dây chuyền sản xuất là một phương án tối ưu, nó đòi hỏi sự nhanh chóng, chính xác và giảm thiểu được nhân công lao động Quá trình sản xuất càng được tự động hóa cao càng nâng cao năng suất sản xuất, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp

Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm… Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt, cho phép tự động động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loạt nhỏ và vừa trên cơ sở sử dụng các máy CNC, robot công nghiệp Tay máy robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước đây Ngày nay, tay máy robot đã được dùng trong nhiều lĩnh vực sản xuất Xuất phát từ những

ưu điểm của tay máy robot trong quá trình làm việc, có những tính năng mà con người không thể có được như khả năng làm việc ổn định trong thời gian dài, có thể làm việc được trong môi trường độc hại Do đó, việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo ra những loại tay máy robot phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiện tại và tương lai

Với đề tài “Xây dựng mô hình robot gắp sản phẩm từ băng chuyền vào kho chứa” được nghiên cứu nhằm củng cố những kiến thức đã học ở trường và ứng dụng bên ngoài thực tế Đề tài có nhiều ứng dụng quan trọng và mô hình cũng được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực giúp giảm thiểu được lượng nhân công cũng như tối ưu chi phí sản xuất

Với một khối lượng kiến thức tổng hợp lớn và nhiều nội dung chúng em chưa nắm vững dù đã tham khảo nhiều tài liệu, trong khi tính toán không thể tránh được những thiếu sót, hạn chế Kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô

Chúng em xin cảm ơn thầy PGS.TS Phan Bùi Khôi đã hướng dẫn tận tình, tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho chúng em tìm hiểu, nghiên cứu cũng như phát triển và hoàn thiện đề tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trang 6

3

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình dây chuyền sản xuất đóng gói thùng carton 6

Hình 1.2 Kích thước quy định cho sản phẩm 7

Hình 1.3 Pallet nhựa PL1210LK-KT: 1200 x 1000 x 150 mm 7

Hình 1.4 Băng tải con lăn 8

Hình 1.5 Vị trí tương đối giữa các đối tượng 9

Hình 1.6 Mô hình 3D sơ đồ bố trí các đối tượng trong dây chuyền sản xuất 9

Hình 1.7 Hệ trục tọa độ và bộ tham số DH 11

Hình 1.8 Sơ đồ động học của Robot 12

Hình 1.9 Khâu 1 13

Hình 1.14 Mô hình 3D của Robot 15

Hình 2.1 Không giam làm việc của robot 19

Hình 2.2 Quỹ đạo thiết kế 21

Hình 3.1 Biểu diễn các đối tượng trong không gian 22

Hình 3.2 Quy trình biểu diễn robot trong không gian 23

Hình 3.3 Các đối tượng có trong mô hình 23

Hình 3.4 Mô tả quỹ đạo và các tọa độ dịch chuyển 24

Hình 3.5 Mô hình của một khâu robot trên Solidwork đã được gắn hệ tọa độ 26

Hình 3.6 Các đối tượng được chuyển thành định dạng STL 26

Hình 3.7 Option Data trên thanh menu để nhập dữ liệu hoạt động cho các đối tượng 35

Hình 3.8 Giao diện mô phỏng 35

Hình 4.1 Các bước tính toán ma trận Jacobi tịnh tiến 38

Hình 4.2 Các bước tính toán ma trận Jacobi quay 39

Hình 5.1 Sơ đồ các khối của bộ điều khiển 40

Hình 5.2 Bên trong khối quỹ đạo đặt 40

Hình 5.3 Bên trong khối PD 41

Hình 5.4 Bên trong khối phần tử phi tuyến 41

Hình 5.5 Bên trong khối Robot 42

Hình 5.6 Quan sát đáp ứng và sai số của các góc khớp 44

Hình 5.7 Quan sát đáp ứng vận tốc góc khớp và sai số 45

Hình 5.8 Sơ đồ quy trình tính toán dữ liệu mô phỏng trên Simulink 46

Hình 5.9 Đáp ứng giữa đáp ứng góc khớp 𝑞1 và giá trị đặt 47

Trang 7

Hình 5.10 Sai số của đáp ứng góc khớp so với giá trị đặt 47𝑞1 Hình 5.11 Đáp ứng giữa đáp ứng góc khớp 𝑞2 và giá trị đặt 47 Hình 5.12 Sai số của đáp ứng góc khớp so với giá trị đặt 48𝑞2 Hình 5.13 Đáp ứng giữa đáp ứng góc khớp 𝑞3 và giá trị đặt 48 Hình 5.14 Sai số của đáp ứng góc khớp so với giá trị đặt 48𝑞3 Hình 5.15 Đáp ứng giữa đáp ứng góc khớp 𝑞4 và giá trị đặt 49 Hình 5.16 Sai số của đáp ứng góc khớp so với giá trị đặt 49𝑞4 Hình 5.17 Đáp ứng giữa đáp ứng góc khớp 𝑞5 và giá trị đặt 49 Hình 5.18 Sai số của đáp ứng góc khớp so với giá trị đặt 50𝑞5 Hình 5.19 Đáp ứng giữa đáp ứng vận tốc góc khớp 𝑞1 và giá trị đặt 50 Hình 5.20 Sai số của đáp ứng vận tốc góc khớp so với giá trị đặt 50𝑞1 Hình 5.21 Đáp ứng giữa đáp ứng vận tốc góc khớp 𝑞2 và giá trị đặt 51 Hình 5.22 Sai số của đáp ứng vận tốc góc khớp so với giá trị đặt 51𝑞2 Hình 5.23 Đáp ứng giữa đáp ứng vận tốc góc khớp 𝑞3 và giá trị đặt 51 Hình 5.24 Sai số của đáp ứng vận tốc góc khớp so với giá trị đặt 51𝑞3 Hình 5.25 Đáp ứng giữa đáp ứng vận tốc góc khớp 𝑞4 và giá trị đặt 52 Hình 5.26 Sai số của đáp ứng vận tốc góc khớp so với giá trị đặt 52𝑞4 Hình 5.27 Đáp ứng giữa đáp ứng vận tốc góc khớp 𝑞5 và giá trị đặt 52 Hình 5.28 Sai số của đáp ứng vận tốc góc khớp so với giá trị đặt 52𝑞5

Trang 8

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Mô tả vị trí khâu tác động cuối của Robot theo thời gian 24

Bảng 3.2 Mô tả vị trí thùng 1 theo thời gian 25

Bảng 4.1 Bảng mô tả vị trí khối tâm khâu theo hệ tọa độ gắn liền khâu 37

Bảng 4.2 Bảng mô tả khối lượng các khâu 37

Bảng 4.3 Bảng mô tả ma trận momen quán tính các khâu (𝑔/𝑚𝑚2) 38

Trang 9

CHƯƠNG 1 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D, THIẾT LẬP SƠ ĐỒ ĐỘNG CẤU

TRÚC ROBOT 1.1 Tổng quan về đề tài

Robot gắp sản phẩm từ băng chuyền và đặt chúng vào kho chứa là một ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và logistics Đây là một quy trình giúp tăng cường hiệu quả sản xuất, giảm chi phí lao động và tăng tính chính xác của quá trình đóng gói và lưu trữ hàng hóa

Robot gắp sản phẩm thường được ứng dụng trong nhiều loại mô hình dây chuyền sản xuất khác nhau, trong đề tài này chúng em lựa chọn thiết kế robot gắp sản phẩm ứng dụng cho mô hình dây chuyền sản xuất đóng gói và đóng thùng Trong các nhà máy sản xuất thực phẩm, dược phẩm và hàng tiêu dùng, robot thường được tích hợp vào các dây chuyền để đóng gói sản phẩm vào hộp, túi, hoặc thùng carton Robot sẽ làm nhiệm vụ gắp và đặt sản phẩm vào vị trí quy định một cách nhanh chóng và chính xác

Hình 1.1 Mô hình dây chuyền sản xuất đóng gói thùng carton

1.2 Yêu cầu bài toán

Kích thước

Sản phẩm:

Thùng carton dạng hình hộp chữ nhật có kích thước: 450 x 400 x 300 mm, khối lượng 2,5 kg

Trang 10

7

Hình 1.2 Kích thước quy định cho sản phẩm

Pallet:

Pallet được lựa chọn sử dụng là loại pallet nhựa PL1210LK-KT: 1200 x

1000 x 150 mm nhờ một số ưu điểm như:

Khả năng tải trọng của pallet đảm bảo có thể chứa được trọng lượng của sản phẩm sau khi được sắp xếp giúp tối ưu chi phí bảo trì và tránh các vấn

đề liên quan đến an toàn

Kích thước và chiều cao của pallet tương thích với kích thước của sản phẩm và dây chuyền sản xuất

Vật liệu làm pallet phù hợp với điều kiện môi trường làm việc trong những nhà máy sản xuất

Hình 1.3 Pallet nhựa PL1210LK-KT: 1200 x 1000 x 150 mm

Trang 11

Băng tải:

Băng tải con lăn là loại băng tải thường được dùng để vận chuyển các thùng hàng có đáy cứng, dạng phẳng hoặc các sản phẩm có dạng hình hộp, … Băng tải con lăn cho phép kiểm soát tốc độ và hướng di chuyển của sản phẩm dễ dàng, có thể được tùy chỉnh để phù hợp với kích thước và hình dạng của sản phẩm cần đóng gói

Để phù hợp với kích thước của sản phẩm cũng như dây chuyền sản xuất, băng tải được thiết kế có bề rộng B = 450 mm và chiều cao H = 400 mm

Hình 1.4 Băng tải con lăn

Vị trí

Trang 12

41

Hình 5.3 Bên trong khối PD

Khối phần tử phi tuyến

Hình 5.4 Bên trong khối phần tử phi tuyến

Khối phần tử phi tuyến được sử dụng để tính toán lực, momen dẫn động tác các khớp cho Robot Đầu vào của khối phần tử phi tuyến gồm: Đầu ra u của khối PD, các giá trị biến khớp và vận tốc biến khớp là đầu ra của khối Robot Bên trong MATLAB Function là chương trình tính toán lực, momen dẫn động U

Trang 13

Khối Robot

Hình 5.5 Bên trong khối Robot

Khối Robot thực hiện tính toán mô phỏng đáp ứng của Robot với giá trị lực, momen dẫn động tại các khớp được tính toán ở khối phần tử phi tuyến Bên trong MATLAB Function là chương trình tính toán gia tốc của các góc khớp Sau khi

Trang 14

43

có kết quả này, thực hiện tích phân để thu được giá trị đáp ứng vận tốc khớp; tiếp tục tích phân một lần nữa ta có được giá trị đáp ứng các góc khớp

Khối kết quả

Trong khối kết quả, ta có thể quan sát được đáp ứng so với giá trị đặt đồng thời

có thể quan sát được giá trị các sai số ở dạng biểu đồ

Trang 15

Hình 5.6 Quan sát đáp ứng và sai số của các góc khớp

Trang 16

45

Hình 5.7 Quan sát đáp ứng vận tốc góc khớp và sai số

5.2 Tính toán dữ liệu cho mô phỏng

Dữ liệu cần sử dụng cho mô phỏng là các giá trị đặt các góc khớp, giá trị đặt vận tốc khớp và giá trị đặt gia tốc khớp Kết quả bài toán động học thuận cho

ta mối quan hệ sau:

⎥

⎤

Xét

Trang 17

Hình 5.8 Sơ đồ quy trình tính toán dữ liệu mô phỏng trên Simulink

5.3 Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng đáp ứng các góc khớp

Trang 18

47

Hình 5.9 Đáp ứng giữa đáp ứng góc khớp 𝑞 và giá trị đặt

Hình 5.10 Sai số của đáp ứng góc khớp 𝑞 so với giá trị đặt

Trang 19

Trang 20

49

Trang 21

Kết quả mô phỏng đáp ứng vận tốc góc khớp

Hình 5.19 Đáp ứng giữa đáp ứng vận tốc góc khớp 𝑞 và giá trị đặt

Hình 5.20 Sai số của đáp ứng vận tốc góc khớp 𝑞 so với giá trị đặt

Trang 23

Hình 5.26 Sai số của đáp ứng vận tốc góc khớp 𝑞 so với giá trị đặt

Trang 24

53

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PGS TS Phan Bùi Khôi, Slide bài giảng "Robotics", Đại học Bách Khoa Hà Nội

[2] PGS TS Phan Bùi khôi, Slide bài giảng "Mô hình hóa hệ Cơ điện tử", Đại học Bách Khoa Hà Nội

[3] PGS TS Nguyễn Quang Hoàng, Cơ sở Matlab và Simulink, Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tiêu đề	Mô hình hóa các hệ cơ điện tử
Tác giả	Ngụy Quyền Anh, Lưu Văn Đức
Người hướng dẫn	PGS. TS. Phan Bùi Khôi
Trường học	ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Chuyên ngành	Cơ điện tử
Thể loại	Graduation project
Năm xuất bản	2024
Thành phố	HÀ NỘI

Định dạng
Số trang	24
Dung lượng	4,38 MB