Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử Ứng dụng matlab simulink mô phỏng động học Robot 4 bậc tự do

LỜI CẢM ƠN. Đầu tiên, em xin cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Giao Thông Vận Tải nói chung và các thầy cô giáo trong ngành Cơ điện tử nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em nhưng kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua. Đặc biệt, em xin gửi lời chân thành cảm ơn tới thầy giáo TS.Phạm Hoàng Vương đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và trực tiếp hướng dẫn em trong thời gian qua để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn này của em không tránh khỏi những sai sót. Kính mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô và sự góp ý của các bạn. Hà nội, 5 tháng 5 năm 2014. Sinh viên thực hiện. Nguyễn Đình Thiện. 1 TÓM TẮT Được sự hướng dẫn của TS. Phạm Hoàng Vương em đã tiến hành nghiên cứu và trình bày luận văn trong năm chương: Chương I. “Nghiên cứu tổng quan về Robot”. Trong chương này em trình bày tóm tắt cơ sở, lịch sử phát triển của robot, các khái niệm, định nghĩa vai trò của robot và các ứng dụng của Robot trong sản xuất công nghiệp nay. Đây là các kiến thức cơ sở cần thiết trước khi nghiên cứu về động học robot. Chương II. “Nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình Robot trên Catia”. Nội dung chủ yếu của chương này là xây dựng mô hình Robot 4 bậc tự do RRRT dựa trên phần mềm Catia. Chương III. “Xây dựng động học thuận và động học ngược cho robot 4 bậc tự do trên Matlab Simulink”. Nội dung của chương này là tập trung phân tích mô hình và tính toán động học thuận và động học ngược Robot 4 bậc tự do. Chương IV. “Mô phỏng động học thuận và động học ngược trên Matlab Simulink” Để có cái nhìn khái quát nhất về quá trình hoạt động của robot, trong chương này em tập trung nghiên cứu vào vấn đề mô phỏng động học Robot dựa trên thư viện Simulink trong phần mềm Matlab. Thông qua quá trình mô phỏng này em đưa ra các đồ thị về vị trí, vận tốc, gia tốc của các biến khớp robot. Chương V. “Kết luận chung”. Nội dung chính của chương cuối này là em trình bày tóm tắt lại một số kết quả chính mà luận văn đạt được cùng với đó là một số vấn đề có thể tiếp tục mở rộng nghiên cứu trong luận văn. MỤC LỤC 2 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Kí hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 i a Lượng tịnh tiến dọc theo trục Ox 2 i α Góc quay quanh trục Ox 3 i d Lượng tịnh tiến dọc theo trục Oz 4 i θ Góc quay quanh trục Oz 5 n Số bậc tự do của Robot 6 DH Denavit Hartenberg 7 i q Biến khớp thứ i 8 i q & Vận tốc biến khớp i 9 q && Gia tốc biến khớp thứ i 10 i 1 i T − Ma trận chuyển giữa khâu (i-1) và khâu i 11 i R Ma trận quay 12 i p Vector tịnh tiến 13 i l Chiều dài khâu thứ i 14 1 sq 1 sin(q ) 15 1 cq 1 cos(q ) 16 2 3 s(q q ) + 2 3 sin(q q )+ 17 2 3 c(q q )+ 2 3 cos(q q )+ 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Robot là một phát minh vĩ đại của con người vì mục đích thay thế con người làm những công việc nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc (do sự lặp lại các thao tác của một công việc nào đó nhiều lần), nguy hiểm của môi trường lao động như môi trường nóng bức trong các lò hơi, sự ô nhiễm bụi bặm của các hầm mỏ, hay sự nguy hiểm ở dưới đáy đại dương, trên không gian vũ trụ… cũng như tăng tính tự động hóa trong các dây truyền sản xuất. Ở nhiều nước trên thế giới, Robot được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm dò Tuy nhiên, để chế tạo và đưa vào sử dụng một Robot hoàn chỉnh phải qua rất nhiều công đoạn quan trọng, từ thiết kế tính toán các thông số tới chế tạo: tìm hiểu các loại Robot, lựa chọn loại, kết cấu Robot tối ưu nhất, tính toán động học, động lực học, mô phỏng trên máy tính Trong đó công việc mô phỏng Robot đóng vai trò quan trọng bởi vì sau quá trình thiết kế chúng ta rất cần một cách nào đó xem hệ thống có hoạt động đúng như mong đợi không, tránh việc đi vào sản xuất luôn mà chẳng may gặp lỗi thiết kế, tính toán nào đó gây lãng phí cả về vật chất lẫn thời gian. Nhằm đáp ứng phần nào những công việc để có thể thiết kế ra một Robot thực hoàn chỉnh có thể ứng dụng vào thực tế em đã tập trung nghiên cứu vào đề tài: “Ứng dụng matlab simulink mô phỏng động học Robot 4 bậc tự do” 2. Đối tượng và nội dung nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn là Robot RRRT (gồm 3 khớp quay và một khớp tịnh tiến) 4 bậc tự do. Đây là loại Robot được ứng dụng nhiều trong sản xuất. Nội dung nghiên cứu là khảo sát bài toán động học thuận và động học ngược và ứng dụng thư viện Simulink trong phần mềm Matlab để mô phỏng động học Robot. 5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT. Trong chương này em trình bày tóm tắt cơ sở, lịch sử phát triển của robot, các khái niệm, định nghĩa vai trò của Robot và ứng dụng của Robot trong sản xuất công nghiệp nay. 1.1 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản. Robot: Thuật ngữ “Robot” xuất hiện lần đâu tiền vào khoảng năm 1920 trong vở kịch khoa học viễn tưởng nhan đề Rossum’s Universat Robots của nhà văn người Tiệp: Carel Capek. Vở kịch đưa lên sân khấu những nhân vật nhân đạo nhỏ bé luôn ngoan ngoãn chấp hành các lệnh của chủ mình. Các nhân vật đó mang tên là Robot. Ngày nay, Robot được xem như là những chiếc máy đặc biệt do con người mô phỏng theo cấu tạo và hoạt động của chính mình nhằm mục đích thay cho mình làm một số công việc xác định. Các nhà khoa học đã đưa ra rất nhiều các định nghĩa khác nhau về Robot. Viện nghiên cứu Mỹ “ Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng” Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) “ Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các hệ tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau”. Theo RIA ”Robot là một tay máy vạn năng có khả năng lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau”. 6 Theo tiêu chuẩn GHOST 1980 “Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người” Robot công nghiệp là một máy tự động được đặt cố định hoặc di động được liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Với những định nghĩa trên Robot công nghiệp có hai đặc trưng cơ bản là : Robot công nghiệp: Là những tay máy tự động, linh hoạt có thể mô phỏng các chức năng hoạt động của con người. Robot học (Robotics): Là ngành khoa học chuyên nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và ứng dụng Robot trong các lĩnh vực khác nhau của con người. 1.2. Tay Máy Robot 1.2.1. Kết cấu tay máy Robot Tay máy là phần cơ sở nó quyết định đến khả năng làm việc của Robot. Nó là thành phần cơ khí đảm bảo cho Robot khả năng chuyển động trong không gian để thực hiện các nhiệm của Robot như nâng, vận chuyển, lắp ráp… Tay máy Robot thông thường là cơ cấu hở gồm một chuỗi các khâu liên kết với nhau bằng các khớp, khâu đầu tiên được nối với giá cố định. Khớp tạo sự linh hoạt giữa các khâu với nhau nói riêng và toàn bộ tay máy Robot công nghiệp nói chung. Thông qua khớp nối, các khâu trong cơ cấu tay máy được chuyển động tương đối với nhau. Tùy theo yêu cầu về kết cấu của Robot mà ta lựa chọn loại khớp liên kết giữa các khâu liên khác nhau. Trong Robot công nghiệp hiện nay, người ta thƣờng dùng chủ yếu hai loại khớp là khớp quay và khớp trượt. Khớp quay: (thường được kí hiệu là R) loại khớp này cho phép chuyển động quay của khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay. Loại khớp này hạn chế năm khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp do đó khớp có một bậc tự do. 7 Khớp trượt: (thường được kí hiệu là T) loại khớp này cho phép hai khâu trượt tương đối với nhau theo phương của một trục nào đó. Khớp hạn chế năm khả năng chuyển động, do đó có một bậc tự do. Khớp quay khớp trượt Hình 1.1 : Các loại khớp thường dùng trong tay máy Robot Ngoài ra trong một số trường hợp người ta còn dùng khớp cầu để tăng tính linh hoạt cho Robot. Với loại khớp này cho phép các khâu thực hiện các chuyển động quay theo tất cả các hướng quanh tâm khớp, và hạn chế các chuyển động tịnh tiến giữa các khâu. Do đó số bậc tự do của khớp cầu là ba. Trong quá trình thiết kế tay máy Robot, người ta quan tâm đến thông số ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của Robot như:  Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay máy  Tầm với hay vùng làm việc: phụ thuộc vào kích thước các khâu và cấu trúc của Robot  Sự khéo léo của Robot. Thông số này liên quan đến bậc tự do của Robot. 1.2.2. Bậc tự do của Robot Bậc tự do của Robot là số khả năng chuyển động độc lập (chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến) trong không gian hoạt động. Để có thể di chuyển thực hiện các thao tác dễ dàng trong vùng làm việc, Robot phải đạt được một số bậc tự do nhất định. Thông thường tay máy Robot thường là một cơ cấu hở, do đó số bậc tự do của Robot có thể được tính theo công thức: 8 5 1 W 6 i i n ip = = − ∑ Với n: số khâu động : số khớp loại i Do khớp trong Robot thường là khớp quay hoặc khớp tịnh tiến (khớp loại 5) nên số bậc tự do của Robot thường bằng số khâu động. Số bậc tự do của Robot quyết định đến tính linh hoạt của Robot trong quá trình làm việc. Số bậc tự do càng lớn Robot càng linh hoạt, càng nhiều phương án để điểm thao tác thực hiện được yêu cầu công việc, điều này rất ý nghĩa trong trường hợp Robot làm việc trong môi trường có nhiều chướng ngại vật. Tuy nhiên số bậc tự do chuyển động này không nên lớn hơn sáu, bởi với sáu bậc tự do nếu bố trí một cách hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng theo mọi hướng. Mặt khác cũng phải thừa nhận rằng số bậc tự do lớn kéo theo hệ quả là: tăng thêm sai số dịch chuyển, tăng chi phí, thời gian sản xuất và bảo dưỡng Robot. Do đó tùy theo yêu cầu, chức năng mà người ta lựa chọn số bậc tự do cho tay máy Robot thích hợp. 1.2.3. Vùng làm việc của Robot Vùng làm việc của Robot là toàn bộ vùng thể tích mà điểm tác động cuối có thể thao tác được khi Robot có thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Thể tích và hình dáng của vùng làm việc phụ thuộc vào kết cấu của tay máy và miền giá trị của các biến khớp. Nghiên cứu vùng làm việc của Robot giúp cho nhà thiết kế biết được các giới hạn, đường biên của vùng không gian làm việc để bố trí một cách hợp lý vị trí của tay máy hoặc Robot với các thiết bị phối hợp thao tác khác trong hệ thống. 9 Hình 1. 2: Vùng làm việc của Robot 1.3. Đặc điểm và ứng dụng của Robot trong sản xuất. 1.3.1 Đặc điểm. - Làm việc không biết mệt mỏi, không có hiện tượng nhầm lẫn trong khi làm việc. - Làm việc trong các môi trường nguy hiểm như phóng xạ, môi trường có khí độc, …. - Thay đổi các thao tác dễ dàng bằng cách thay đổi chương trình đã lập. 1.3.2 Ứng dụng của Robot trong sản xuất. Robot được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, dưới góc độ thay thế sức người.Mục đích sử dụng trong các dây chuyển sản xuất nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và hiểu quả sản xuất từ đó giảm giá thành sản phẩm, nâng cao khả năng cạnh tranh. - Trong ngành cơ khí, Robot được sử dụng trong nhiều trong công nghệ đúc, hàn, cắt kim loại, vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm,… - Robot được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất từ động nhằm tạo ra linh hoạt và tự động cao nhất cho dây chuyền, các Robot này được điểu khiển bằng một hệ thông các phương trình được lâp trình sẵn. - Robot còn được sử dụng trong lĩnh vực y học, quốc phòng, vũ trụ, …. 10 [...]... tích mô hình và tính toán động học thuận và động học ngược Robot 4 bậc tự do 3.1 Động học Robot Nghiên cứu động học Robot là cơ sở cho việc thiết kế Robot, cũng như giải các bài toán điều khiển Robot theo các quỹ đạo định trước Động học Robot nghiên cứu chuyển động của Robot nhưng 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. .. 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 hướng 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 phương pháp giải hai bài toán cơ bản là: bài toán động học thuận và bài toán động học. .. khâu của Robot 4 bậc tự do 16 2.2.1 Chân đế cố định Hình 2.2: Chân đế cố định 17 2.2.2 Khâu 1 Hình 2.3: Khâu 1 2.2.3 Khâu 2 Hình 2 .4: Khâu 2 18 2.2 .4 Khâu 3 Hình 2.5: Khâu 3 2.2.5 Khâu 4 Hình 2.6: Khâu 4 19 2.2.6 Mô hình nắp ráp Hình 2.7: Mô hình lắp ráp 20 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ ĐỘNG HỌC NGƯỢC CHO ROBOT 4 BẬC TỰ DO Ở chương II em đã xây dựng được mô hình Robot 4 bậc tự do trên phần mềm... Khi số bậc tự do của Robot càng lớn thì số lời giải chấp nhận được càng nhiều Do đó việc tìm kiếm một nghiệm phù hợp đòi hỏi có một trực giác về toán học và về kết cấu để dự đoán được những điểm hoặc khu vực khả dĩ mà lựa chọn nghiệm cho thích hợp 3.3.3 Động học ngược Robot 4 bậc tự do Ta đã biết phương trình động học của Robot 4 bậc tự do 34  − cq1.s (q2 + q3 ) sq1 cq1.c(q2 + q3 ) (a3 + a4 + q4 ).cq1.c... biên vùng không gian hoạt động của Robot ta xác định được duy nhất một nghiệm, bài toán vô nghiệm khi luật chuyển động của cơ cấu tác động cuối không nằm trong vùng hoạt động của Robot Ta có thể mô tả nội dung các bài toán động học tay máy thông qua sơ đồ: 22 Hình 3 1: Sơ đồ khối động học Robot 3.2 Phương pháp nghiên cứu các bài toán động học Robot Robot công nghiệp thường là cơ cấu hở, gồm một chuỗi... tác động cuối trong hệ tọa độ cơ sở Bài toán động học thuận thường được dùng để kiểm chứng hoặc kiểm nghiệm lại việc thiết kế Robot có đúng theo yêu cầu đặt ra không, điều đó được thể hiện ở quỹ đạo di chuyển cũng như tầm hoạt động của 21 khâu tác động cuối tay máy Bài toán động học thuận có nội dung gần giống như bài toán phân tích động học cơ cấu nên người ta thường gọi “Bài toán phân tích động học ... dụng phần mềm Catia để xây dựng mô hình Robot 4 bậc tự do Do đặc điểm của tay máy Robot bao gồm các khâu liên kết với nhau thông qua các khớp động Do đó ta sử dụng phần mềm Catia để xây dựng mô hình từng khâu của Robot, sau đó sử dụng các công cụ hỗ trợ để lắp ghép chúng thành một Robot hoàn chỉnh Với những kiến thức cơ bản về phần mềm Catia e trình bày ở mục trên, e đã xây dựng được các khâu của Robot. .. vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối so với hệ tọa độ gốc được mô tả bằng ma trận tổng hợ p : 0 n T= Như vậy khi biết đặc tính hình học của các khâu và các quy luật chuyển động của các khớp ta hoàn xác định hướng và vị trí của khâu thao tác 3.3 Bài toán động học robot 3.3.1 Bài toán động học thuận Mục đích của bài toán động học thuận là tìm ra vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối khi đã biết... động học ngược gần giống như bài toán tổng hợp động học cơ cấu nghĩa là bài toán chỉ cho trước yêu cầu hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối ta phải xác định cơ cấu tay máy và quy luật chuyển động của các khâu thành viên nên người ta thường gọi với tên gọi khác là “Bài toán tổng hợp” Giải bài toán động học ngược nhằm mục đích phục vụ bài toán điều khiển quỹ đạo, điều khiển tối ưu… Với bài toán động học. .. mọi Robot Trong quá trình giải bài toán động học ngược ta có thể gặp các trường hợp:  Các phương trình có dạng phi tuyến và siêu việt thường không cho lời giải đúng  Có thể có nhiều lời giải  Có thể có nhiều nghiệm tìm được bằng toán học lại không chấp nhận được về mặt vật lý, do các ràng buộc về kết cấu Tính đa nghiệm của bài toán động học vào số bậc tự do của Robot, và vị trí mà cơ cấu tác động