Nghiên cứu, phân tích, và Đánh giá kết quả hệ thống robot rrt (hình vẽ) với mô hình hóa mô phỏng sử dụng matlab

LỜI NÓI ĐẦUCùng với sự phát triển của các cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới là những tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển và tự động hoá sản xuất.. Để có thể phát triển và ứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

VIỆN KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ

TIỂU LUẬN CUỐI KỲ

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH, VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỆ THỐNG ROBOT RRT (HÌNH VẼ) VỚI MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG SỬ DỤNG MATLAB

Học phần: Kỹ Thuật Robot

Mã học phần: LING107Lớp/Nhóm môn học:

Giảng viên HD: TS Nguyễn Văn TấnSVTH:

Nguyễn Quốc Duy 2125102050629Trần Hoàng Phúc 2125102050401Trần Trung Đông 2125102050364

Bình Dương, ngày10 tháng10 năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài tiểu luận và kết thúc khóa học, nhóm xin bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc đến trường Đại học Thủ Dầu Một đã tạo điều kiện cho nhóm có môitrường học tập tốt trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đặc biệt,nhóm xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Văn Tấn đã tận tình hướng dẫn vàgiúp đỡ nhóm trong quá trình hoàn thành tiểu luận Đồng thời, nhóm cũng gửi lờicảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Viện Kỹ thuật – Công nghệ, gia đình vàbạn bè đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho nhóm trong quá trình học tập cũngnhư trong quá trình hoàn thành tiểu luận

Nhóm xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC BẢNG iv

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan đề tài 2

1.1.1 Đặt vấn đề 2

1.1.2 Mục tiêu đề tài 3

1.2 Giới thiệu sơ lượt về Robot công nghiệp 3

1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển 3

1.2.2 Ứng dụng 4

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

2.1 Đối tượng nghiên cứu 7

2.2 Phương pháp nghiên cứu 7

2.2.1 Phần mềm Matlab 7

2.2.2 Matlab GUI 10

2.2.3 Phần mềm SoildWorks 14

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ ĐỘNG HỌC NGHỊCH ROBOT 17

3.1 Động học thuận 17

3.2 Động học nghịch 18

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KẾT QUẢ TRÊN MATLAB VÀ SOILDWORKS 19

4.1 Mô phỏng điều khiển Robot 3 bậc tự do 19

4.2 Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink 19

4.3 Kết quả thực tế động học của Robot Scara 20

4.4 Thiết kế hình dạng Robot dưới phần mềm SoildWorks 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

DANH MỤC HÌNH Ả

Hình 1 1 Dây chuyền sản xuất công nghiệp tự động với cánh tay Robot 2

Hình 1 2 Cánh tay Robot 4 bậc tự do 3

Hình 1 3 Robot xếp các thùng hàng 5

Hình 1 4 Robot phun sơn tự động trong sản xuất ô tô 5

Hình 1 5 Robot hàn công nghiệp 6

Hình 1 6 Robot thám hiểm sao Hỏa của NASA 6

Y Hình 2 1 Phần mềm Matlab 8

Hình 2 2 Giao diện làm việc của Matlab 9

Hình 2 3 Cửa sổ GUIDE Quick Start 11

Hình 2 4 Giao diện Blank GUI mặc định 11

Hình 2 5 Hộp thoại Inspector 1 Hình 4 1 Giao diện người dùng điều khiển Robot 19

Hình 4 2 Mô hình hóa Robot trên Matlab Simulink 20

Hình 4 3 Mô hình 3D khi mô phỏng trên Matlab Simulink 20

Hình 4 4 Kết quả chạy thực tế động học thuận của Robot 21

Hình 4 5 Kết quả chạy thực tế động học nghịch của Robot 21

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3 1 Bảng thông số D - H 17

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới

là những tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển và tự động hoá sản xuất Một trongnhững thành tựu nổi bật của quá trình tự động hoá là những cánh tay máy Robot.Những Robot từ đơn giản đến phức tạp, đã đóng góp rất nhiều trong việc thay thếcon người ở môi trường làm việc cường độ cao, độc hại và đòi hỏi chính xác cao

Để có thể phát triển và ứng dụng Robot rộng rãi trong sản xuất, bên cạnh nhữngkiến thức về điện, điện tử…thì việc nghiên cứu tính toán động học và điều khiểnRobot cũng là một yếu tố rất quan trọng để tạo nên cơ sở và nền tảng cho việc chếtạo Robot

Với đề tài “Thiết kế mô hình Robot” nhóm tin rằng với những kết quả đạtđược trong quá trình thực hiện đề tài sẽ là một bước đệm quan trọng cho việc pháttriển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán và thiết kế các loạiRobot công nghiệp

mà con người và máy móc khó có thể đạt được Đồng thời, Robot có thể thay thếcon người làm việc trong những môi trường nặng nhọc, độc hại, nhiệt độ cao,

Hình 1 1 Dây chuyền sản xuất công nghiệp tự động với cánh tay Robot

Nhận thấy được tầm quan trọng của Robot đối với đời sống con người, cácnước phát triển luôn cạnh tranh với nhau về nghiên cứu và chế tạo nhiều thế hệRobot tốt nhất Vì vậy nhiều công ty trên thế giới đã và đang sản xuất, phát triển,nghiên cứu để đưa Robot lên một tầm cao có thể tư duy như con người Do đó, lĩnhvực Robot đang ngày càng chiếm được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và xãhội Dự đoán trong tương lai thì Robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớnsau Internet Với xu hướng này thì thị trường Robot sẽ vô cùng to lớn

Từ những nhu cầu thực tế và niềm đam mê với Robot, cùng với sự góp ý vàhướng dẫn của thầy TS Thân Đức Trường Nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế mô hìnhcánh tay Robot bốn bậc” cho tiểu luận của nhóm.

1.1.1 Mục tiêu đề tài

Thiết kế mô hình cánh tay Robot bốn bậc tự do Từ đó, thiết kế bộ điều khiển

và giao diện điều khiển cho Robot

Vận dụng và củng cố lại những kiến thức đã học được để tìm hiểu và xây dựng

mô hình cánh tay Robot có thể đạt được mục tiêu đặt ra

1.1 Giới thiệu sơ lượt về Robot công nghiệp

Robot là một loại máy có thể thực hiện công việc một cách tự động bằng sựđiều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình Robot công nghiệpđược lập trình sẵn theo một trình tự nhất định và sử dụng nhằm mục đích phục vụcông việc lắp ráp, sản xuất hoặc chế biến sản phẩm Robot hỗ trợ rất nhiều cho conngười

Đặc biệt là trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại và nguy hiểm Robotcông nghiệp có tính chính xác cao và hiệu quả vượt trội so với sản xuất thủ công

Hình 1 2 Cánh tay Robot 4 bậc tự do1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhàvăn tiệp khắc có tên là Karel Capek.

Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công tyAMF(Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một thiết bịmang dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động thựchiện một số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran

Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau:

 Từ những năm 1950 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên

 Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi làVersatran

 của công ty AMF

 Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ từ

 những năm 1967

 Ở các nước Tây Âu khác như: Đức, Ý, Pháp, Thuỵ Điển thì bắt đầu chế tạo

IR

 từ những năm 1970

 Châu á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968

 Nhất là vào những năm 1990 số lượng Robot công nghiệp đã gia tăng vớinhiều

 tính năng vượt bậc

Ngày nay, trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR, trong đó ở Nhật có

80, ở các nước Tây Âu có 90, ở Mỹ có 30 Nhờ áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoahọc kỹ thuật về vi xử lý, tin học cũng như vật liệu mới nên số lượng Robot côngnghiệp đã tăng lên nhanh chóng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều cảitiến Robot công nghiệp phát huy thế mạnh ở các lĩnh vực như hàn hồ quang, đúc,lắp ráp, sơn phủ và trong các hệ thống điều khiển liên hợp

1.1.1 Ứng dụng

Trong lĩnh vực cơ khí, Robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hoạtđộng chính xác và tính linh hoạt cao Ta có một số loại Robot như:

 Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB 660 FlexPalletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker Các Robot này có thể gắp lầnlượt các hộp vắc-xin bại liệt từ băng tải và đặt nó vào thùng gồm 20 hộp một cáchchính xác

 Robot gắp hàng, Robot bốc xếp hàng hóa hay Robot bốc dỡ hàng hóa: Đây làthiết bị Robot đa dạng nhất với điều khiển tự động

Hình 1 3 Robot xếp các thùng hàng

 Robot dùng trong công nghệ ép phun nhựa: IRB 6650 của hãng ABB có thểthao tác nhanh, dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở vị trí tách khuôn, giám sát,làm sạch, điều khiển chất lượng dựa trên camera

 Robot sơn và phun sơn: Được ứng dụng khá nhiều trong sơn gỗ, sơn thép

Hình 1 4 Robot phun sơn tự động trong sản xuất ô tô

 Robot hàn công nghiệp hay Robot hàn tự động: phục vụ cho ngành sản xuất

ô tô xe máy, với tỷ lệ hơn 70% số Robot đang hoạt động, phải kể đến là Robot hàn

tự động Panasonic

Hình 1 5 Robot hàn công nghiệp

Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật Robot cũng được sử dụng trong việckhai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trongchinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội, …

Hình 1 6 Robot thám hiểm sao Hỏa của NASA

CHƯƠNG 1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài “Thiết kế mô hình cánh tay Robot” bao gồm các thành phần chính:

 Thiết kế mô hình cánh tay Robot

 Thiết lập bảng thông số DH

 Tính toán ma trận chuyển đổi, tính toán động học thuận

 Tính toán động học nghịch

 Mô phỏng robot

1.1 Phương pháp nghiên cứu

1 Nghiên cứu Lý thuyết

 Đọc tài liệu: Tìm hiểu các tài liệu chuyên sâu về robot công nghiệp, đặc biệt

là các khái niệm về động học, động lực học, điều khiển robot

 Xây dựng cơ sở lý thuyết:

o Động học thuận và nghịch: Tính toán vị trí cuối cùng của robot dựa trên các góc khớp (động học thuận) và ngược lại (động học nghịch)

o Động lực học: Phân tích lực và mô-men tác động lên các khớp, xây dựng mô hình động lực học

o Điều khiển: Nghiên cứu các phương pháp điều khiển robot, như điều khiển PID, điều khiển không mẫu hình, điều khiển dựa trên mô hình

 Phân tích các bài toán liên quan: Nghiên cứu các bài toán điển hình như lập trình quỹ đạo, tránh vật cản, điều khiển lực

2 Thiết kế và Mô phỏng

 Thiết kế 3D: Sử dụng các phần mềm CAD (Computer-Aided Design) như SolidWorks, AutoCAD để thiết kế chi tiết các liên kết, khớp nối và cơ cấu truyền động

 Mô phỏng động học: Sử dụng các phần mềm mô phỏng như MATLAB, ROS(Robot Operating System), V-REP để mô phỏng chuyển động của robot, kiểm tra phạm vi làm việc và các thông số động học

 Phân tích ứng suất: Kiểm tra độ bền của các bộ phận bằng cách phân tích ứng suất

 Đo đạc và so sánh: So sánh kết quả thực tế với kết quả mô phỏng.

 Điều chỉnh tham số: Điều chỉnh các tham số trong chương trình điều khiển

để cải thiện hiệu suất của robot

CHƯƠNG 1.XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN

VÀ ĐỘNG HỌC NGHỊCH ROBOT

1.1 Động học thuận

Bài toán động học thuận yêu cầu xác định vị trí và hướng của khâu tác độngcuối (end-effeector) khi biết trước các giá trị của biến liên kết Trong chuyển đổiDenavit-Hartenberg, ta đặt gốc tọa độ trùng với đế của Robot thì ta có được bảngthông số DH như sau:

 Ma trận T01 có dạng:

Cos θ1, -Sin θ1, 0, 0

Sin θ1, Cosθ1, 0, 0

0, 0, 1, 0

0, 0, 0, 1

 Ma trận T12 có dạng: Cos θ2, -Sin θ2, 0 , L2* Cos θ2 Sin θ2, Cosθ2, 0, L2* Sin θ2 0, 0, 1, 0

0, 0, 0, 1

 Ma trận T23 có dạng: 1, 0, 0 , 0

0, 0, 1, 0

0, -1, 0, d3 0, 0, 0, 1

Cos θ4, 0, Sin θ4, 0

Sin θ4, 0, -Cosθ4, 0

0, 0, 1, 0

0, 0, 0, 1

 Ma trận T02 có dạng:  Ma trận T24 có dạng: Cos θ4, 0, Sin θ4, 0

0, 1, 0, d4 -Sin θ4, 0, Cosθ4, d3 0, 0, 0, 1

Cos θ2*Cos θ1-Sin θ1*Sin θ2, -Cos θ1*Sin θ2-Cos θ2*Sin θ1, 0, L2*Cos θ1*Cos θ2-L2

1.1 Kiểm tra tính đúng ma trận thuận

Kiểm tra động học thuận bằng cách cho trước các thông số đầu vào cần củabài toán, sau đó kiểm tra tọa độ P(x,y,z) có đúng tọa độ điểm cuối của cánh tayrobot:

syms a d theta1 theta2 theta3 theta4 theta5 theta6 theta

t t1 t2 t3

l1 nx ny nz ox oy oz ax ay az px py pz alpha a1 a2 a3 a4 a5 a6 d1 d4 d2 d3 d4 d6 d5 C1 S1 C2 S2 C3 S3 C4 S4 C5 S5 C6 S6

An = [ cos(t) -sin(t)*cos(alpha) sin(t)*sin(alpha) a*cos(t);

1.1 Động học nghịch

Bài toán động học ngược dùng để xác định giá trị các biến liên kết khi vị trí vàhướng của khâu tác động cuối được xác định trước Để thuận tiện cho việc tínhtoán, nhóm lựa chọn phương pháp hình học để giải bài toán được trình bày cụ thểnhư sau:

- Xét tam giác O1AP’ có A là góc vuông:

Ta có: theta1 = arctan (BP’/O1B) = arctan (x/y)

Khi đó, cạnh huyền O1P’ là cạnh huyền của tam giác, cũng chính là chiều dàicủa biến d2 + a2 ( 0<= d2 + a2 <= 250) tương đương (0 <= d2 <= 100) (vì a2 =150)

Cho trước tọa độ mặc định: px = 0; py = 250; pz = 200 thì kết quả kiểm tra cho

ra góc xoay theta 1 = 0 độ, d2 = 100; d3 = 30;

Cho trước tọa độ: pz = 0; py = 150; pz = 150 thì kết quả góc xoay theta 1 cần xoay là -90 độ (cùng chiều kim đồng hồ), d2 = 100; d3 =30;

CHƯƠNG 1 MÔ PHỎNG MATLAB

1.1 Mô hình mô phỏng

Hình 4.1 Giao diện người dùng điều khiển Robot

1.1 Kiểm tra mô hình robot chạy trong matlab Simulink

Hình 4.3 Mô hình 3D khi mô phỏng trên Matlab Simulink

1.2 Kết quả mô phỏng động học thuận

Hình 4.4 Mô hình robot khi ở chế độ mặc định

Hình 4.5 Điều khiển động học thuận Robot

1.3 Kết quả mô phỏng động học nghịch

Hình 4.6 Điều khiển động học nghịch Robot

Sau khi cho px = 130;

Kiểm tra lại động học nghịch bằng cách điều khiển các theta1, d2, d3 bằng động học thuận xem có đúng với kết quả động học nghịch đưa ra hay không.

Hình 4.7 Kiểm tra tính đúng của điều khiển động nghịch

Kết quả từ động học thuận đưa ra khớp với kết quả động học nghịch đã tính toán, vậy động học nghịch đã đúng.