thiết kế hệ thống điều khiển robot thiết kế robot scara 3 bậc tự do

Thiết kế hệ thống điều khiển- Mô hình hóa và xác định hàm truyền- Đánh giá tính ổn định của hệ thống- Mô phỏng và phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống... Ở bài toán điề

Trang 1

NG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA H

VIỆN CƠ KHÍBỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN – ROBOTĐề tài: Thiết kế Robot Scara 3 bậc tự do

Sinh viên thực hiệnMã số sinh viên Lớp

: Nguyễn Tiến Phát: 20170852: CK CĐT 07

Hà Nội, 2021

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀNỘI

VIỆN CƠ KHÍ

Bộ môn Cơ điện tử

SME.EDU - Mẫu 6.aHọc kỳ:

Năm học: 20 - 20

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬMã HP: ME5512

Họ và tên sv:……….………MSSV: ………… Mã lớp: Chữ ký sv: ……

I.Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế robot SCARA 3 bậc tự doII.Số liệu cho trước:

1 Tải trọng … kg.2 Tầm với … m.

3 Độ chính xác lặp: (x, y) = … mm, (z) = … mm.4 Vận tốc cực đại khâu tác động cuối ….5 Gia tốc cực đại khâu tác động cuối … III Nội dung thực hiện:

1 Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật hệ thống điều khiển

- Tổng quan về hệ thống điều khiển- Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển- Xác định các thành phần của hệ thống điều khiển

2 Thiết kế hệ thống điều khiển

- Mô hình hóa và xác định hàm truyền- Đánh giá tính ổn định của hệ thống

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

Trang 3

- Lựa chọn các thiết bị cho hệ thống điều khiển: cảm biến, thiết bị điều khiển, cơ cấu chấp hành

Trang 4

- Thiết kế sơ đồ mạch điện và mạch điều khiển (1 bản A0)

3 Lập trình điều khiển

- Lập trình điều khiển robot (1 chương trình điều khiển)

- Lập trình mô phỏng chuyển động (1 chương trình mô phỏng trên Simmechanics, …)

Trang 5

Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

1.3 Các thành phần của hệ thống điều khiển 13

1.4 Thông số kỹ thuật cần thiết kế của robot: 14

1.5 Bài toán điều khiển Robot 17

Chương 2 Thiết kế hệ thống cơ khí 19

Mô hình nghiên cứu 19

Chương 3 Không gian làm việc và thiết kế quỹ đạo Robot 45

3.1 Không gian làm việc 45

3.2 Thiết lập quy luật chuyển động của 3 khâu: 46

Trang 6

Chương 4 Mô hình hóa các khâu của Robot 51

Tổng quan 51

4.1 Động cơ điện một chiều 52

4.2 Trục vít me đai ốc bi 54

4.3 Mô hình hóa khâu vít me đai ốc bi (Khâu 3) 55

4.4 Mô hình hóa khâu 1 và 2 57

4.5 Xác định các thông số của động cơ: 58

4.6 Tính toán và kiểm tra tính ổn định của các hàm truyền G(s): 59

4.7 Mô phỏng và đánh giá tính ổn định của các chỉ tiêu chất lượng 73

4.7.1 Xây dựng mô hình Simulink mô tả cho một khớp của Robot: 73

4.7.2 Sử dụng Matlab – Simulink để mô phỏng cho một trục chuyển động và cho toàn bộRobot: 74

4.7.3 Xác định sai lệch tĩnh và đánh giá chất lượng đáp ứng: 77

Chương 5 Thiết kế hệ thống điều khiển 81

5.1 Phương pháp điều khiển PD theo momen: 81

5.2 Phương pháp điều khiển PID: 92

Chương 6 Mô phỏng nguyên lý hoạt động (SIMMECHANICS) 99

Chương 7 Lựa chọn thiết bị và thiết kế mạch điều khiển 100

7.1.Chọn các phần tử của hệ thống điều khiển 100

7.2 Xác định hàm điều khiển 103

7.2.1 Điều khiển vị trí (Position) 103

7.2.2 Điều khiển tốc độ (Speed): 109

7.2.3 Điều khiển lực, momen (Torque) 113

7.3.Xây dựng bản vẽ 117

Tài liệu tham khảo: 126

Trang 7

LỜI NÓI ĐẦU

Thế kỷ 21 là thế kỷ của khoa học kỹ thuật tiên tiến và hiện đại Những sản phẩmcủa nó xuất hiện thường xuyên trong cuộc sống của con người trên toàn thế giới.Từ những công việc nhẹ nhàng cho đến những công việc khó khăn và nguy hiểmđều đã có máy móc làm thay con người Và các ngành khoa học kỹ thuật vì thếmà càng ngày càng phát triển, trong đó có ngành Cơ Điện Tử.

Với sự phát triển mạnh mẽ như vậy của nền khoa học kỹ thuật đòi hỏi con ngườiphải hiểu biết nhiều hơn để làm chủ những công cụ hiện đại Vì vậy, với nhữngkiến thức em được thầy cô truyền đạt là cơ sở ban đầu để em nghiên cứu vàchiếm lĩnh những kiến thức cao hơn nữa.

Đồ án mà em được giao là “Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot”.

Trong quá trình thực hiện đồ án với sự hướng dẫn tận tình của thầy cô và sự cốgắng của bản thân và đến bây giờ thì em đã hoàn thành đồ án Dù đã rất cẩn thậnvà cố gắng nhưng đây là lần đầu tiên em làm đồ án nên không thể tránh khỏinhững sai sót, em mong được các thầy cô góp ý để đồ án của em được hoàn thiệnhơn nữa.

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của cô Mạc Thị Thoa cùng cácthầy cô trong viện cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Hà nội, ngày 13 tháng 9 năm 2021Sv: Nguyễn Tiến Phát

Trang 8

BẢNG PHỤ LỤCDANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang 9

Trang 10

điều khiển momen)

Trang 11

các hệ số PID

95

Trang 12

Trang 13

DANH SÁCH BẢNG

khiển vị trí)

tốc độ nội suy

110

Trang 14

m.Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 1.4 Các thông số kĩ thuật chính của Robot➔ Khả năng duỗi xa nhất tính từ khớp số 1: 600 mm.Tốc độ tối đa:

Trang 15

Bảng 1.1: Thông số kĩ thuât của HM-4A604G

Trang 16

1.5 Bài toán điều khiển Robot:

Liên quan đến đặc điểm làm việc của robot có thể chia bài toán điều khiển robotthành hai loại: điều khiển thô và điều khiển tinh Ở bài toán điều khiển thô, sẽxác định luật điều khiển thích hợp để điều khiển tốc độ, vị trí do đó chuyển độngcủa các khớp bám sát quỹ đạo thiết kế trong thời gian quá trình quá độ nhỏ nhất.Bài toán thứu hai liên quan đến quá trình khi robot di chuyển tiếp xúc với môitrường làm việc như trường hợp của robot tiếp xúc với một thiết bị máy Nhưvậy quá trình làm việc này sẽ yêu cầu điều khiển cả lực và vị trí.

Hình 1.6 Phân loại các phương pháp điều khiển robot

Điều khiển thô hay điều khiển quỹ đạo có thể thực hiện ở tọa độ khớp hay tọa độĐề-các tùy thuộc vào quỹ đạo thiết kế cho tọa độ khớp hay tọa độ Đề-các Điềukhiển chuyển động tinh là điều khiển lực thực chất là điều khiển lực và quỹ đạo.Điều khiển lực bao gồm điều khiển trở kháng và điều khiển hỗn hợp.

Trang 17

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chuyển động (quỹ đạo) robot

Dựa vào kiểu phản hồi của tín hiệu có thể chia nhỏ thành 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 số xung điều khiển.Điều khiển kiểu này đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp.

- Điều khiển kín: (điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng

độ chính xác điều khiển, có 2 kiểu: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theođường (contour).

▪ Với điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểmkia theo đường thẳng với tốc độ cao (trạng thái không làm việc) Nó chỉ làm việctại các điểm dừng Kiểu điều khiển này dùng trên các Robot hàn điểm, vậnchuyển, tán đinh, bắn đinh…

▪ Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bấtkì với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên cácRobot hàn hồ quang, phun sơn…

Trang 18

Chương 2 Thiết kế hệ thống cơ khíMô hình nghiên cứu

Bậc tự do của robot là khả năng làm việc tự do, độc lập của robot.Để tính bậc tự do chuyển động ta sử dụng công thức:

f = λ(n − k) + ∑kTrong đó:

- fi: số bậc tự do của khớp thứ i.- fC: số ràng buộc trùng.- fp: số bậc tự do thừa.

Với robot trong bài tiểu luận này em nghiên cứu có số bậc tự do là:f = 6.(3-3)+3+0-0 = 3.

Robot có: - 3 khâu động.

- 3 khớp động: 2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến.

2.1 Động học robot SCARA2.1.1 Động học thuận robot

Mục đích của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu tác động cuối của tay máy khi biết các biến khớp của tay máy.

Thiết lập các hệ tọa độ trên robot SCARA:

Trang 19

Hình 2.2 Sơ đồ động học Robot SCARA 3 bậc tự do.Thiết lập bảng Denavit – Hartenberg (D-H):

Theo D-H, tại mỗi khớp ta gắn một hệ tọa độ, quy ước về cách đặt hệ tọa độ nhưsau:

- Trục được gắn với trục của khớp thứ i+1 Chiều của được chọn tùy ý.zi zi

- Trục được xác định là đường vuông góc chung giữa khớp thứ i và i+1,xi hướng từ điểm trục của khớp thứ i tới khớp thứ i+1 Nếu hai trục songsong thì có thể chọn theo chiều bất kỳ là đường vuông góc chung haixi

trục khớp Trong trường hợp hai trục này cắt nhau, được xác định theoxi

chiều của zixzi+1 (hoặc quy tắc bàn tay phải).

- Trục được xác định theo và theo quy tắc bàn tay phải.yi xi zi

Các thông số động học Denavit-Hartenberg (D-H) được xác định như sau:- di: Khoảng cách Oi–1 và Oi theo trục zi–1.

- θi: Góc giữa hai đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi–1 đểtrục xi–1 chuyển động đến trục theo quy tắc bàn tay phải.xi

- αi: Khoảng dịch chuyển giữa 2 trục khớp động kề nhau.

Trang 20

Tầm với của robot là 0,6m nên có thể chọn = 0,25m và = 0,35m a1 a2

Ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-Hartenberg (D-H):

Trang 21

Vậy theo Denavit – Hartenberg, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất từ hệ tọa độgắn với khâu thao tác được tính như sau:

- Ma trận cosin chỉ huớng của khâu thao tác:

(2.9)Vận tốc và gia tốc của điểm thao tác:

a2cθ12 + a1cθ1 −a2sθ12 − a1sθ1 −a2sθ12 0 θ#1v (0) r # = (0 )= d [a sθ + a sθ ] [ = a cθ + a cθ a cθ 0 θ ].[ ]

3(2.10)−a sθ212 − a1sθ1 −a sθ212 0 θ#

1a (0) = v # (0) = d ( [ a

Trang 22

Trong đó:

xE = a2cθ12 + a1cθ1{yE = a2sθ12 +

a1sθ1 zE = d1 + d2 + d3

Trang 23

E122E 22

= xE(a1+a2Cθ2) + y Ea sθ22 a +a +2a a Cosθ121 22

= − yE(a1+a2Cθ2) – x Ea sθ22 a1+a2+2a1a2Cosθ2

xE2 + yE2 − a − a12 2

xE2 + yE2 − a12 − a2(q2 = arctan ( ± 1 − (√

2a a1 2{ q3 = z − (d + d )E12

F6q1I 6f2

6f16q2 6f2

6f1 6q3 1

6f2 I −a sθ212 — a1sθ1 −a2sθ12 0

Jq = - I6q 6q2 6q3I = - [ a2cθ12 + a1cθ1 a cθ2 12 0 ] (2.21)

Trang 24

Đồ án thiết kế hệ thống điều khiểnI 6f3

6f3 I6q3

Trang 25

6p I

Như vậy, có thể tính vận tốc điểm tác động cuối cùng: Jqq# = 0v3 Nếu cho trước vận tốc điểm khâu thao tác thì vận tốc các tọa độ suy rộng q# được tính như sau:

F6p1 6f16p2

6f1

Jp = I6f2

6f3 I6p3

q# 3

−( Cθ 12

a sθ12 + Cθ a2sθ1 2)x sθ — (

a sθ12 + a sθ2sθ1 2)y (2.24)L

Vậy, ta có:

- Khâu 3 ứng với khớp tịnh tiến nên có vận tốc dài q# 3 = :E.

q = Cθ128E+sθ129E

a1sθ2 ; q2= Cθ12a sθ12 + Cθa 2sθ1 2)x

sθ — (

a sθ12

+ sθ1 )y a2sθ2

Gia tốc dài của các khâu tương ứng với các khớp tịnh tiến và gia tốc góc tương ứng với các khớp quay.

Ta có phương trình động học sau:Jqq# = J 7 p => J#qq# + J q' = J 7 + Jq #p pp'

Trang 26

0 0 0

Trang 27

IĐồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Trong đó, ta tính được J#q, qJ–1 theo (2.21)

sθ 12

a sθ12+ a sθ 2sθ12 0 I

2.1.3 Ý nghĩa của bài toán động học robot:

Sử dụng kết quả của bài toán động học thuận và động học ngược, mô phỏng chuyển động của Robot Scara 3 bậc tự do phục vụ cho bài toán điều khiển.

Hình 2.3 Mô phỏng matlab Robot Scara1

Trang 28

2.2 Động lực học robot SCARA:

Mục đích của phương pháp nghiên cứu động lực học:

- Cho mục đích thiết kế, điều khiển robot, cần thiết phải có một mô hìnhtoán học thể hiện mối quan hệ động lực học tác dụng lên robot Cần xâydựng các phương trình vi phân cho chuyển động của robot dựa trên cơ sởcác định luật bảo toàn năng lượng cho robot.

Nghiên cứu động lực học nhằm giải quyết bài toán sau cho robot:

- Tính toán các lực khớp và các momen tại các góc khớp phát sinh trong quá trình chuyển động của robot.

- Xác định các sai số so với chuyển động đã hoạch định làm cơ sơ cho quátrình điều khiển robot (trong bài toán điều khiển).

Trang 29

Phương trình vi phân chuyển động của Robot được xây dựng theo phương trình Lagrange loại II có dạng tổng quát như sau:

d ( )6T T-( )6T T= -( )6ПT+ Q * (2.29)

dt6q# i6q#

Phương trình vi phân chuyển động của Robot có dạng:

Với M là ma trận khối lượng, C là ma trận Coriolis, G là trọng lực, Q là lực suy rộng của các lực không thế và = τ [τ1, τ , τ2 3]Tlà lực điều khiển tại các khớp.

Ma trận Jacobi của các khâu:

• Khâu 1: Giả thiết khâu 1 là một thanh thẳng đồng chất có chiều dài250mm, tiết diện ngang không đáng kể và có trọng tâm đặt tại trung điểm củathanh Ma trận biến đổi hệ tọa độ thuần nhất của trọng tâm khâu 1 0Ac1 đượctính:

Trang 30

dĐồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Trang 31

Trang 32

Trang 33

Ma trận Jacobi quay của hệ tọa độ trọng tâm khâu 2:0 0 0r

1 1 0

• Khâu 3: Giả thiết khâu 3 là một thanh thẳng đồng chất có chiều dài , tiếtL3

diện ngang không đáng kể và có trọng tâm đặt tại trung điểm của thanh Ma trậnbiến đổi hệ tọa độ thuần nhất của trọng tâm khâu 3 0Ac3 được tính:

0rc3 = [

a cθ212 + a1cθ1 a2sθ12 + a1sθ1 ]d1 + d2 + d3 —L3

=> Ma trận Jacobi tịnh tiến của hệ tọa độ trọng tâm khâu 3:

−a sθ212 − a1sθ1 −a sθ212 00JT3 = d

Trang 34

2 I12

FΘC3= I

Trang 35

0Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

TR1 C1

F 12 m a2 22 12

0 1JT ΘC2

0 0 0JT ΘC3

Trang 36

Trang 37

) + (mĐồ án thiết kế hệ thống điều khiển

JT ΘC4 JR4

0 0 0

0 0 0=> M(q) =

3

Trang 38

Π = m gd + m d + d g( ) + (m + m ) d + d + dg( — L3

Trang 39

IĐồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Lực thế:

G1G(q) = [G2

Tính toán ma trận Coriolis:

6ПF 16q1 ] = I 6П I

I 6П IL6q3

00−(m3 + mt)g

C(q,q# q# ) = [C ] với C = ∑n (k, l; j) q q = ∑n 1 (6mkj

C1 −[m2 + 2(m3 + mt)]a1a2sθ2(q# 1q# 2 + q# 2 2q# 2)C(q,q# q# ) = [C2 ]

τ = [τ1, τ , τ23]T là lực điều khiển tại các khớp.

2.2.2 Động lực học ngược:

Nhiệm vụ của bài toán động lực học ngược là tìm ra lực dẫn động khi đã biếtτ chuyển động của Robot bao gồm các vecto q(t), q#(t), q' (t) Chỉ cần thay vàophương trình với các thành phần đã được thiết lập ở trên để tìm các lực và ngẫulực dẫn động tại các khâu 1,2 và 3 của Robot.

Sau khi nghiên cứu động lực học, ta đã tính toán các lực khớp và các momen tạicác góc khớp phát sinh trong quá trình chuyển động của robot Từ đó hỗ trợ

2

Trang 40

trong việc tính công suất của các khâu 1,2,3 và tiến hành chọn động cơ phù hợpcho cơ cấu.

Trang 41

2.3 Vật liệu, khối lượng, momen quán tính các khâu:2.3.1 Khâu 0 (Khâu cố định):

a Vật liệu:

Thép C45

Thành phần hóa học của thép C45:

Đặc tính cơ học của thép C45:

Trang 42

b.Khối lượng, momen quán tính khâu 0:

Hình 2.4 Khâu 0

Hình 2.5 Khối lượng, momen quán tính của khâu 0

Trang 43

Từ các thông số xuất ra từ Solidworks ta thu được: Khối lượng:

m1 = 37,97(kg)Vị trị khối tâm:

Lc1 = 0,18(m)

Momen quán tính khối (với các trục tọa độ là trục quán tính chính trung tâm):I1zz = 0,40(kg m2)

I1yy = 0,67(kg m2)I1xx = 0,68(kg m2)

2.3.2 Khâu 1 và khâu 2:a Vật liệu:

Thép C45

Thành phần hóa học của thép C45:

Đặc tính cơ học của thép C45:

Trang 44

b Khối lượng, momen quán tính khâu 1:

Hình 2.6 Khâu 1

Hình 2.7 Khối lượng, momen quán tính của khâu 1

Trang 45

Từ các thông số xuất ra từ Solidworks ta thu được: Khối lượng:

m1 = 23,72(kg)Vị trị khối tâm:

Lc1 = 0,13(m)

Momen quán tính khối (với các trục tọa độ là trục quán tính chính trung tâm):I1zz = 0,41(kg m2)

I1yy = 0,37(kg m2)I1xx = 0,08(kg m2)

c Khối lượng, momen quán tính khâu 2:

Hình 2.8 Khâu 2