đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử thiết kế robot scara vận chuyển sản phẩm

Khâu 1: Khâu dẫn động nằm ngang vuông góc với trục thẳng đứngtrong suốt quá trình làm việc của robot, có khả năng quay xung quanh trục Z qua khớp quay 1.Khâu 2: Khâu động có khả năng qua

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ - -

Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử

Thiết kế robot SCARA vận chuyển sản phẩm

Mã học phần: ME5512

Giảng viên hướng dẫn: Phan Bùi Khôi

Sinh viên: Mai Trọng Hiếu

MSSV: 20195015

Hà Nội, năm 2023

1 Phân tích, lựa chọn cấu trúc robot

1.1 Mục đích ứng dụng của robot

- Thiết kế mô hình robot thực hiện gắp thả đối tượng từ băng tải này sang băng tải khác Robot hoạt động linh hoạt, gọn gàng và tiết kiệm không gian làm việc tốt nhất Robot thao tác giữa 2 băng tải vuông góc với nhau và bề rộng mỗi băng tải là 30 cm.

1.2 Phân tích lựa chọn kết cấu

Robot có 3 bậc tự do, với 2 khớp xoay và 1 khớp tịnh tiến:

Khâu 0 (Khâu cố định): Giữ cố định Robot và nối với khâu động 1 qua khớp quay 1

Khâu 1: Khâu dẫn động nằm ngang vuông góc với trục thẳng đứng trong suốt quá trình làm việc của robot, có khả năng quay xung quanh trục Z qua khớp quay 1.

Khâu 2: Khâu động có khả năng quay quanh trục Z qua khớp nối 2 khâu 2 với khâu 1.

Khâu 3: khâu động có khả năng chuyển động tịnh tiến theo trục Z, nhờ bộ truyền chuyển động quay sang tịnh tiến.

1.3 Xác định các thành phần của hệ thống hoạt động

Động cơ:

Sử dụng động cơ servo của hãng SKS

Cảm biến:

• Encoder: đi cùng động cơ servo giúp điều khiển tốc độ thuận lợi hơn

• Công tắc hành trình: sử dụng để giới hạn chuyển động tịnh tiến củakhâu 3

Bộ nguồn:

Nguồn cho drive là nguồn AC hoặc DC.Nguồn cho servo là nguồn AC do drive cung cấp.Mạch dẫn động cơ khí:

Bộ điều khiển động cơ:

Phần mềm điều khiển động cơ:

Sử dụng phần mềm MatLab/Simulink để viết chương trình điều khiển

2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động, bài toán động học

2.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

2.1.1 Đặt bài toán

Robot thực hiện những thao tác để xử lý yêu cầu đặt ra

- Khi băng chuyền 1 đến vị trí đặt sẵn, tay gắp di chuyển từ vị trí ban đầu S đến vị trí A’ để chuẩn bị gắp vật

- Di chuyển đến vị trí điểm A để gắp vật

- Sau khi gắp vật tay gắp di chuyển về vị trí an toàn A’

- Di chuyển đến vị trí điểm B’ là điểm cần đặt vật ( tại băng chuyền 2)

- Di chuyển đến điểm B rồi thả vật

B B’

2.1.2 Xây dựng quỹ đạo đường thẳng trong không gian thao tác

Do yêu cầu chỉ là những bài toán di chuyển giữa điểm – điểm trong không gian thao tác, không có yêu cầu gì về vận tốc cũng như gia tốc nên ta có thể chọn quy luật chuyển động là hàm bậc 3 sẽ cho phép tạo ra được một quỹ đạo trơn tru về di chuyển

Xét một bài toán di chuyển giữa 2 điểm M và N biết:

- Vị trí điểm đầu M: r = M [x0 y0 z0]

- Vị trí điểm kết thúc N: r = N [x e y e z e]

- Hướng khâu cuối tại M: θ 0 (rad)

- Hướng khâu cuối tại N: θ e (rad)

- Vận tốc tại M: v = 0 (m/s), 0 ω 0 = 0 (rad/s)

- Vận tốc tại N: v = 0 (m/s), e ω e = 0 (rad/s)

- Thời điểm bắt đầu chuyển động: t (s)0

- Thời điểm kết thúc chuyển động: t (s)e

a3= −2 L(t e −t 0 ) 3

s(t) = 3 L(t−t0 ) 2

(t −t ) 2 −2 L(t t−0 ) 3

(t −t ) 3

- Với tọa độ P trên quỹ đạo tại thời điểm t là r P (t)= [x p (t ) y p ( ) z t p (t )]

Thì ta có: r P (t) = rM + rN −rM

L s(t)Quỹ đạo của hướng khâu thao tác:

a 3 = −2(t e −t 0 ) 3

Quỹ đạo của khâu thao tác là:

- Toạ độ điểm P của khâu thao tác tại thời điểm t:r P (t) = rM + rN −rM

- Vận tốc góc:

~

ω 3 = R˙3 R 3

0T = [−sq 12 ( ˙q 1 + ˙ q 2 ) −cq 12 ( ˙ q1+ ˙q2) 0

Với bài toán động học ngược thì vị trí của khâu thao tác xem như đã biết, yêu cầu tìm giá trị của các biến khớp

Giả sử tọa độ điểm cuối là:

r e = [xe

y e

ze]

Phương trình tọa độ điểm cuối:

Phương trình vi phân chuyển động:

M(q)¨q + C (q,˙q) ˙q + G(q) = Q Trong đó:

Ở nội dung báo cáo này, em thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho robot dạng ma trận.

Ma trận khối lượng

Vị trí và hướng của hệ tọa độ Cix yci cizci gắn vào khâu thứ i tại khối tâm Ci , so với

hệ tọa độ cơ sở được xác định bởi:

Ma trận jacobi quay JR 3 = [0 0 0

1 1 0] => J R 3

T = [0 0 1

Chọn gốc thế năng trùng với hệ tọa độ cơ sở, khi đó thế năng của robot được xác định:

Lực suy rộng của các lực không thế

Trong nội dung đồ án, Robot được coi là mô hình lí tưởng, do đó bỏ qua lực ma sát, lực cản nhớt Lực không thế ở đây chỉ bao gồm lực do vật tác động lên khâu thao tác cuối Xét trường hợp tổng quát với lực và momen có giá trị:

là lực dẫn động τi của động cơ đặt tại các khớp

Ta có bảng tham số động lực học của robot như sau:

mi

Momen quán tính khối và momen tích quán tính của khâu i đối với các trục x , y , zci ci ci

M(q)¨q + C (q,˙q) ˙q + G(q) = Q Kết quả bài toán động lực học ngược:

4 Thiết kế hệ thống điều khiển

4.1 Chọn quy luật điều khiển phù hợp

Ở những chương trên, nhóm đã khảo sát, xác định quy luật biến thiên của quỹ đạo trong không gian thao tác cũng như là quy luật biến thiên của các biến khớp trong không gian khớp theo thời gian Trong phần 7, nhóm sẽ đi khảo sát, thiết kế bộ điều khiển phù hợp với yêu cầu cho Robot bám theo quỹ đạo đã khảo sát ở trên

Mô hình nhóm chọn để điều khiển là Phương trình vi phân chuyển động của Robot

đã nghiên cứu trong chương 5 Ta có thể nhận thấy, phương trình động lực học củaRobot là một phương trình vi phân phi tuyến Có nhiều cách để có thể thiết kế ra

bộ điều khiển hệ phi tuyến, ví dụ như:

- Phương pháp tuyến tính hoá hệ phi tuyến

- Phương pháp điều khiển tối ưu

- Phương pháp Lyapunov

Trong đó thì phương pháp được áp dụng nhiều nhất là phương pháp tuyến tính hoáthông qua việc điều khiển Momen (Lực) đối với những bài toán điều khiển Robot

do tính ổn định cao mặc dù khá đơn giản

Mục tiêu của bài toán điều khiển nhóm đề ra là làm cho robot có thể bám theo quỹ đạo đã được thiết kế Các phần tử dẫn động sẽ nhận vào lệnh điều khiển là các giá trị Momen(Lực)

Trước hếtt, ta có mô hình toán học của hệ đã được xây dựng là:

M(q)¨q + C (q,˙q) ˙q + G(q) = Q Trong phương trình này, vế trái của phương trình là mô hình với các tham số của Robot, vế phải là momen mà bộ điều khiển tác động lên Robot Momen này được sinh ra từ bộ điều khiển với giá trị phù hợp sao cho khi đưa vào Robot có thể chuyển động theo quỹ đạo đã cho

Thiết kế hàm điều khiển theo dạng sau:

Kp, Kd là ma trận các giá trị của 3 khâu

Sơ đồ khối của bộ điều khiển và robot:

4.2 Lựa chọn các thiết bị cho hệ thống điều khiển

Truyền thông USB CN8 kết nối với PC -> configured Driver

RS422/RS485 CN3 (chuẩn RJ45) -> điều khiển động cơ

Ứng dụng Điều khiển vị trí, tốc độ, mô menKhâu 2,3: Sử dụng driver có mã hiệu MR-J4-10A-RJ.

Chọn PLC mã số hiệu FX-3G 14MR/DS: Nhiệm vụ của PLC là thu thập dữ liệu từcảm biến để đưa lên máy tính xử lý

Thông số kĩ thuật:

Chức năng: Dùng để kiểm soát

Bảo vệ quá tải và ngắn mạch Ứng dụng: Dùng trong mạng lưới điện

dân dụng và công nghiệp Tiêu chuẩn: IEC/EN 60947-2

Điện áp thử nghiệm

xung (Uimp): 8kV

Xuất xứ: Mitsubishi Nhật Bản Bảo hành: 12 tháng

Số lượng tiếp điểm 2 cặp NO

Chức năng: Dùng để kiểm soát

Bảo vệ quá tải và ngắn mạch

Chất liệu vỏ Nhựa PC chống cháy nổ

Nút nhấn

Harmony ZB4BZ101+1NO

Harmony ZB4BZ101+1NC

Thông số kĩ thuật:

4.3 Lập trình điều khiển