Thiết kế chế tạo rabot, là một lĩnh vực khá mới mẻ........................................................................................................................................................................................................................
1 LỜI CẢM ƠN Hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này, em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn, chỉ bảo của thầy giáo TS. Phạm Hoàng Vƣơng và các thầy cô bộ môn kĩ thuật máy. Trong quá trình làm đề tài, mặc dù em đã rất cố gắng nhƣng do còn hạn chế về mặt kiến thức và thời gian nên chắc chắn để tài của em không tránh khởi những sai sót, kính mong nhận đƣợc sự chỉ bảo của thầy cô và sự góp ý của các bạn để đề tài của em đƣợc hoàn thiện hơn. 2 TÓM TẮT Đƣợc sự hƣớng dẫn của thầy TS. Phạm Hoàng Vƣơng em đã tiến hành nghiên cứu và trình bày nội dung nghiên cứu trong 4 chƣơng: Chương I: " Xây dựng mô hình robot” Trong chƣơng này em xây dựng mô hình robot 4 bậc tự do hệ tọa độ góc dựa trên phần mềm CATIA. Chương II: “Tính toán động học robot” Trong chƣơng này em giải bài toán động học thuận với mô hình robot xây dựng đƣợc ở chƣơng I. Chương III: “ Mô phỏng động học robot” Từ mô hình robot và kết quả của bài toán động học đã đƣợc giải, em tiến hành mô phỏng động học của robot trên máy tính nhờ công cụ Sumulink trong phần mềm Matlab. Chương IV: “Kết luận” Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hữu Khánh 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 TÓM TẮT 2 CHƢƠNG I: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT 4 1.1 Xây dựng mô hình 4 1.1.1 Khâu 0 5 1.1.2 Khâu 1 5 1.1.3 Khâu 2 6 1.1.4 Khâu 3 6 1.1.5 Khâu 4 7 1.1.6 Mô hình nắp ráp 7 CHƢƠNG II : THÀNH LẬP PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC 8 2.1.1 Bài toán động học thuận 8 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu các bài toán động học robot 9 2.2.1 Quy tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu 10 2.2.2 Các thông số động học Denavit Hartenberg 11 2.2.3 Ma trận biến đổi giữa các hệ tọa độ 12 2.4 Bài toán động học robot 14 2.4.1 Bài toán động học thuận 14 CHƢƠNG III: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TRÊN MÁY TÍNH 19 3.2 Giới thiệu về phần mềm matlab 20 3.3. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng động học robot 21 3.3.1. Phƣơng pháp mô phỏng trên Matlab Simulink 21 3.3.2 Mô phỏng động học thuận robot 23 4.1 Kết quả đạt đƣợc 29 4.2 Một số vấn đề còn tồn tại 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 4 CHƢƠNG I: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT 1.1 Xây dựng mô hình Xây dựng mô hình là một nhiệm vụ quan trọng trƣớc khi tính toán động học và mô phỏng robot. Việc xây dựng mô hình có ý nghĩa quan trọng, nó giúp cho nhà thiết kế có thể nghiên cứu biết đƣợc đặc điểm, kết cấu của từng khâu trên robot cũng nhƣ toàn thể robot. Tùy theo yêu cầu làm việc mà ta xây dựng mô hình với hình dáng, kích thƣớc mô hình robot khác nhau sao cho hợp lý, đảm bảo đƣợc các yêu cầu nhƣ: độ cứng vững, thao tác dễ dàng trong quá trình làm việc … Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là máy tính điện tử với sự trợ giúp của nhiều phần mềm vẽ, thiết kế mô hình 3D giúp cho việc xây dựng mô hình robot trở nên dễ dàng. Điển hình trong số đó phải kể đến các phần mềm nhƣ: AutoCAD, soliworks ,CATIA, Topsolid Trong đề tài nghiên cứu khoa học này em sử dụng phần mềm Catia (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) “xử lý tƣơng tác trong không gian 3 chiều có sự hỗ trợ của máy tính” để xây dựng mô hình robot nhờ những ƣu điểm nhƣ khả năng đồ họa mạnh, vẽ và đƣa ra mô hình cấu trúc nhanh, chính xác, thƣ viện phần tử lớn thuận lợi trong thiết kế, cho phép xuất ra kết quả dƣới nhiều dạng khác nhau, giải và mô phỏng đƣợc nhiều bài toán trong kỹ thuật. Phần mềm catia là hệ thống CAD/CAM/CAE 3D hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện nay do hãng Dassault System phát triển, hiện nay phần mềm này đƣợc ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật nhƣ cơ khí, tự động hóa công nghiệp ôtô, tàu thủy, hàng không. Với phần mềm Catia, ngƣời dùng có thể dễ dàng thực hiện các chức năng cơ bản trong cơ khí nhƣ vẽ phác biên dạng bề mặt, thiết kế vật thể 3D, thiết kế thép tấm, lắp ráp chi tiết, chú giải sai số, gia công và phân khuôn . Do đặc điểm của tay máy robot gồm các khâu liên kết với nhau thông qua các khớp động. Do đó ta sử dụng phần mềm Catia để xây dựng từng khâu của robot, sau đó sử dụng công cụ hỗ trợ lắp ghép để thành một tay robot hoàn chỉnh. 5 1.1.1 Khâu 0 Hình 1.1 : Khâu 0 1.1.2 Khâu 1 Hình 1.2 : Khâu 1 6 1.1.3 Khâu 2 Hình 1.3 : khâu2 1.1.4 Khâu 3 Hình 1.4 : Khâu 3 7 1.1.5 Khâu 4 Hình 1.5 : Khâu 4 1.1.6 Mô hình nắp ráp Hình 1.6 : Mô hình robot 4 bậc tự do (RRRR) 8 CHƢƠNG II : THÀNH LẬP PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC 2.1 Bài toán động học Nghiên cứu động học robot là bƣớc cơ sở cho việc thiết kế robot, từ đó có thể giải các bài toán điều khiển robot theo các quỹ đạo. Động học robot nghiên cứu chuyển động của robot nhƣng không xét đến các lực và momen gây ra chuyển động. Động học chỉ xét vị trí, vận tốc và gia tốc của một điểm nào đó trên robot thông thƣờng là điểm tác động cuối. Do đó động học robot đề cập đến các tính chất hình học và thời gian chuyển động. Các biến khớp của cơ cấu chấp hành liên quan đến vị trí và hƣớng của điểm tác động cuối theo các ràng buộc của các khớp đó. Các quan hệ động học này là cơ sở để nghiên cứu động học cơ cấu chấp hành. Động học robot nghiên cứu phƣơng pháp giải hai bài toán cơ bản là: bài toán động học thuận và bài toán động học ngƣợc. Hai bài toán này có quan hệ chặt chẽ với nhau. 2.1.1 Bài toán động học thuận Việc giải bài toán thuận nhằm mục đích tìm ra những thông số của tay máy dựa trên những thông số đã biế. Với bài toán động học thuận ngƣời ta biết trƣớc đƣợc cơ cấu tay máy(số khâu, số khớp, loại khớp, kích thƣớc các khâu) cho biết vị trí(quy luật chuyển động) của khâu thành viên trong tọa độ khớp(tọa độ suy rộng) . Ta cần xác định vị trí (quy luật chuyển động) và hƣớng của khâu tác động cuối trong hệ tọa độ cơ sở. Bài toán động học thuận thƣờng đƣợc dùng để kiểm chứng hoặc kiểm nghiệm robot có đúng theo yêu cầu đặt ra hay không, điều đó đƣợc thể hiện ở quỹ đạo di chuyển cũng nhƣ tầm hoạt động của khâu tác động cuối tay máy. Bài toán động học thuận có nội dung gần giống với bài toán phân tích động học cơ cấu nên ngƣời ta thƣờng gọi là “bài toán phân tích động học ”. Ta có thể mô tả khái niệm các bài toán động học tay máy thông qua sơ đồ: 9 Hình 2.1: Sơ đồ khối động học robot 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu các bài toán động học robot Robot công nghiệp thƣờng là cơ cấu hở gồm một chuỗi các khâu nối với nhau bằng các khớp động, khâu đầu tiên đƣợc nối với giá cố định (chân đế). Các khớp động này có thể là khớp quay hoặc khớp tịnh tiến. Để robot có thể thao tác linh hoạt theo mục tiêu đặt ra thì cấu trúc chuỗi động của nó phải đảm bảo sao cho điểm mút của khâu cuối đi theo một quỹ đạo cho trƣớc nào đó và bản thân các khâu các khớp có khả năng thay đổi hƣớng một cách dễ dàng phù hợp với công việc. Khâu cuối cùng thƣờng là bàn kẹp hoặc khâu gắn liền với dụng cụ làm việc (mỏ hàn, camera, súng phun sơn, dao cắt). Do đó khi nghiên cứu robot cần quan tâm không những vị trí của nó mà còn phải quan tâm hƣớng của khâu cuối cùng trong hệ tọa độ cơ sở. Khi nghiên cứu các bài toán động học robot công nghiệp, ngƣời ta có thể dùng nhiều phƣơng pháp khác nhau: phƣơng pháp vẽ hình (đồ giải), phƣơng pháp giải tích vector, phƣơng pháp dùng số phức một trong những phổ biến đơn giản và hiệu quả nhất hiện nay là dùng ma trận biến đổi thuần nhất Denavit Hartenberg(bảng DH). Bằng phƣơng pháp này ngƣời ta có thể xác định dễ dàng vị trí và định hƣớng của cơ cấu tác động cuối bằng các phép tính toán ma trận (4x4). Để xác định vị trí và hƣớng của cơ cấu tác động cuối robot so với hệ tọa độ cố định, ta gắn vào khâu tác động cuối một hệ tọa độ động n và gắn mỗi khâu 10 động một hệ tọa độ động khác (từ khâu n đến khâu n-1) theo một quy tắc gọi là quy tắc Denavit Hartenberg, sau đó xác định các thông số của khâu, khớp (thông số Denavit Hartenberg) của robot và biểu diễn mối quan hệ giữa các hệ tọa độ động gắn trên khâu nhờ đó mà ngƣời ta xác định đƣợc vị thế của điểm thao tác. 2.2.1 Quy tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu Khi nghiên cứu động học robot, ngƣời ta thƣờng dùng quy tắc Denavit Hartenberg (DH). Theo quy tắc này thông qua việc gắn các hệ tọa độ lên các khâu ta có thể xác định đƣợc các ma trận biểu biến đổi biểu thị mối quan hệ giữa các hệ tọa độ với nhau nhờ các phép biến đổi thuần nhất. Nhờ đó mà mà ta xác định đƣợc vị thế của điểm tác động cuối so với hệ tọa độ gốc. Xét hai khâu kế tiếp nhau của robot là khâu thứ i-1 và khâu thứ i đƣợc liên kết với nhau thông qua khớp i. Nguyên tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu là: Nếu chuỗi có n khâu thì lập đƣợc n hệ trục tọa độ. Gốc hệ tọa độ thứ i đƣợc đặt tại tâm của khớp thứ i( là khớp nối giữa khâu i-1 và khâu i) z i của hệ tọa độ O i x i y i z i trùng với trục của khớp thứ i Nếu khớp là khớp quay thì trục khớp là trục quay Nếu khớp là khớp trƣợt trục khớp trùng với phƣơng trƣợt Với khớp trụ trục khớp trùng với trục quay Với khớp cầu : thƣờng biến đổi tƣơng đƣơng rồi sau đó gắn trục tọa độ Trục xi của hệ tọa độ O i x i y i z i trùng với phƣơng của vector vuông góc chung giữa zi và z i+1 ( nghĩa là chọn trùng phƣơng với tích với tích có hƣớng [z i X z i+1 ] ) Nếu phƣơng của z i và z i+1 là chéo nhau hoặc cắt nhau thì phƣơng vuông góc chung xác định duy nhất Nếu z i // với z i+1 : có vô số đƣờng vuông góc chung, thƣờng chọn x i trùng với x i+1 [...]... t =4, 5(s) Vị trí điểm tác động cuối của robot trong toàn bộ quá trình mô phỏng đều thỏa mãn nằm trong vùng làm việc của robot 28 CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN 4. 1 Kết quả đạt đƣợc - Xây dựng mô hình robot cho robot hệ tọa độ góc 4 bậc tự do - Phƣơng pháp giải bài toán động học thuận cho robot hệ tọa độ góc 4 bậc tự do - Ứng dụng Matlab Simulink xây dựng sơ đồ khối, mô phỏng động học thuận robot 4 bậc tự do. .. thuật mô phỏng robot Mô phỏng là một kỹ thuật hiện đại, đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực nghiên cứu vào sản xuất Khi nghiên cứu về robot ngƣời ta thƣờng mô phỏng trên máy tính trƣớc khi đi vào thiết kế thực tế Mô phỏng là dùng các mô hình tính toán động học của robot kết hợp với các phƣơng pháp đồ họa trên máy tính để mô tả kết cấu và hoạt động của cánh tay robot Khi nghiên cứu về mô phỏng robot. .. a 2 c23 a 3 18 CHƢƠNG III: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TRÊN MÁY TÍNH Ở phần trƣớc em đã xây dựng mô hình robot, giải bài toán động học thuận Tuy nhiên khi nghiên cứu, thiết kế robot ngƣời ta cần hình dung ra quá trình hoạt động của robot trƣớc khi thiết kế thực Trong chƣơng này em tập trung nghiên cứu mô phỏng động học thuận robot trên máy tính từ các kết quả bài toán động học thuận mà em đã nghiên cứu... 23.a 3 Pz d1 c2 a 2 c23 a 3 Sử dụng các khối chức năng trong matlab sumulink em xây dựng đƣợc mô hình mô hỏng động học thuận robot 4 bậc tự do (RRRR) nhƣ sau: Hình 3.3 :Mô phỏng động học thuận robot 4 bậc tự do 24 Hình 3 .4 : Đồ thị chuyển vị biến khớp (rad ) Nhận xét: Các chuyển vị q1, q2, q3, q4 là các hàm sin(t), cos(t) nên biến thiên có tính chu kỳ Chuyển vị q1 đạt giá trị max là 0,2(rad)... tính chuyển động của khâu, và sử dụng các khối chức năng trong Simulink để xây dựng sơ đồ khối mô phỏng động học robot Bước 4: Mô phỏng robot 22 Sau khi thiết lập các thuộc tính chuyển động của khâu cũng nhƣ xây dựng các sơ đồ mô phỏng ta tiến hành mô phỏng robot Trong quá trình mô phỏng ta có thể phóng to, thu nhỏ, thay đổi các hƣớng nhìn khác nhau Hình 3.2 Dao diện chính chương trình mô phỏng Nhận... quá trình mô phỏng động học robot trên Matlab Simulink, sự chuyển động của robot là sự chuyển động tƣơng đối so với vị trí ban đầu Do đó để xác định chính xác vị trí và hƣớng của cơ cấu tác động cuối robot so với hệ tọa độ cố định, ngƣời ta cần quan tâm tới vị trí ban đầu (vị trí các khâu của robot xây dựng trong phần mềm catia) 3.3.2 Mô phỏng động học thuận robot Mục đích của bài toán động học thuận... định đƣợc quỹ đạo vị trí Trong phần này em mô 23 phỏng sự hoạt động của robot khi cho trƣớc quy luật biến thiên của các biến khớp Mô phỏng động học thuận robot 4 bậc tự do Cho trƣớc quy luật chuyển động của các biến khớp: q1 cos(0.2* t ) 0.8 q 0.2* cos(0.5* t ) 0.5 2 q3 0 .4* cos(0.8* t ) 1.5 q4 0.6* cos(1.2* t ) 1.8 Tọa độ của điểm tác động cuối Px d 2 d5 s1 c1.s2... Hiển thị cửa sổ mô phỏng - Edit: Vào môi trƣờng V-Realm builder, tại đây ta có thể chỉnh sửa mô hình robot cũng nhƣ thiết lập các liên kết khâu, khớp của robot - Descriptions: Tại đây ta đặt tên chƣơng trình mô phỏng - Sample time: Bƣớc nhảy thời gian trong quá trình mô phỏng Bước 2 :Thiết lập mối quan hệ, vị trí giữa các khâu, khớp của robot trong môi trƣờng V-Realm builder Bước 3: Thiết lập các thuộc... khởi động quá trình mô phỏng Trong quá trình mô phỏng ta có thể trích các tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ cấu trúc Đặc biệt với Simulink ngƣời thiết kế có thể xây dựng các mô hình vật thể 3D hay liên kết dễ dàng với các file mô hình 3D đã xây dựng ở các phần mềm chuyên dụng nhƣ Catia, SoliWork, Inventor 3.3 Xây dựng chƣơng trình mô phỏng động học robot 3.3.1 Phƣơng pháp mô phỏng trên Matlab Simulink... tự do (RRRR) 4. 2 Một số vấn đề còn tồn tại - Giải bài toán động học ngƣợc robot 4 bậc tự do - Ứng dụng matlab simulink xây dựng sơ đồ khối mô phỏng động học ngƣợc cho robot - Thiết kế bộ điều khiển + PID (bộ điều khiển tỷ lệ- tích phân – vi phân ) + PD ( bộ điều khiển tỷ lệ -vi phân) +PI ( bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân) - …… 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc (2006) Robot công nghiệp