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

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

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 tạođiều 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

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 dotrên Matlab Simulink” Nội dung của chương này là tập trung phân tích mô hình vàtính 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 emtập trung nghiên cứu vào vấn đề mô phỏng động học Robot dựa trên thư viện Simulinktrong phần mềm Matlab Thông qua quá trình mô phỏng này em đưa ra các đồ thị về vịtrí, vận tốc, gia tốc của các biến khớp robot

Chương V “Kết luận chung” Nội dung chính của chương cuối này là em trình bàytóm tắt lại một số kết quả chính mà luận văn đạt được cùng với đó là một số vấn đề cóthể tiếp tục mở rộng nghiên cứu trong luận văn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

1 Lý do lựa chọn đề tài 1

2 Đối tượng và nội dung nghiên cứu 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 2

1.1 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản 2

1.2 Tay Máy Robot 3

1.2.1 Kết cấu tay máy Robot 3

1.2.2 Bậc tự do của Robot 4

1.2.3 Vùng làm việc của Robot 5

1.3 Đặc điểm và ứng dụng của Robot trong sản xuất 6

1.3.1 Đặc điểm 6

1.3.2 Ứng dụng của Robot trong sản xuất 6

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT TRÊN PHẦN MỀM CATIA 9

2 1 Tổng quan về phần mềm catia 9

2.1.1 Khái niệm và phạm vi ứng dụng của phần mềm catia 9

2.2 Xây dựng mô hình 11

2.2.1 Chân đế cố định 13

2.2.2 Khâu 1 14

2.2.3 Khâu 2 14

2.2.6 Mô hình nắp ráp 16

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ ĐỘNG HỌC NGƯỢC CHO ROBOT 4 BẬC TỰ DO 17

3.1 Động học Robot 17

3.2 Phương pháp nghiên cứu các bài toán động học Robot 19

3.2.1 Quy tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu 20

3.2.2 Các thông số động học Denavit Hartenberg 21

3.2.3 Ma trận biến đổi giữa các hệ tọa độ 22

3.3 Bài toán động học robot 25

3.3.1 Bài toán động học thuận 25

3.3.2 Bài toán động học ngược 28

3.3.3 Động học ngược Robot 4 bậc tự do 29

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ ĐỘNG HỌC NGƯỢC TRÊN MATLAB SIMULINK 32

4.1 Kỹ thuật mô phỏng robot 32

4.2 Giới thiệu về phần mềm matlab 33

4.3 Xây dựng chương trình mô phỏng động học robot 34

4.3.1 Phương pháp mô phỏng trên Matlab Simulink 34

4.3.2 Mô phỏng động học thuận robot 36

4.3.3 Mô phỏng động học ngược Robot 41

Chương V: Kết luận chung 48

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT Kí hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

1 ai Lượng tịnh tiến dọc theo trục Ox

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 : Các loại khớp thường dùng trong tay máy Robot 4

Hình 1 2: Vùng làm việc của Robot 6

Hình 1.3: Robot hàn trong công nghiệp 7

Hình 1 4: Robot phục vụ máy phay CNC 7

Hình 2 1 Môi trường làm việc Part Design 10

Hình 2 2: Chân đế cố định 13

Hình 2 3: Khâu 1 14

Hình 2 4: Khâu 2 14

Hình 2 5: Khâu 3 15

Hình 2 6: Khâu 4 15

Hình 2 7: Mô hình lắp ráp 16

Hình 3 1: Sơ đồ khối động học Robot 19

Hình 3 2: Sơ đồ thiết lập hệ tọa độ lên các khâu 21

Hình 3 3: Sơ đồ chuyển đổi hệ tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1 về hệ tọa độ Oixiyizi 22

Hình 3 4: Sơ đồ gắn hệ tọa độ lên các khâu 26

Hình 4.1 Liên kết file (.wrl) vào môi trường Matlab Simulink 35

Hình 4 2: Giao diện chính chương trình mô phỏng 36

Hình 4 3: Sơ đồ mô phỏng động học thuận Robot 4 bậc tự do 37

Hình 4 4: ĐỒ thị chuyển vị biến khớp (rad, m) 38

Hình 4 5: Đồ thị vận tốc biến khớp (rad, m) 39

Hình 4 6: Đồ thị gia tốc biến khớp (rad/ s2, mm/s2) 40

Hình 4 7: Đồ thị vị trí điểm tác động cuối của Robot 4 bậc tự do (m) 41

Hình 4 8: Sơ đồ mô phỏng động học ngược của Robot 4 bậc tự do theo quỹ đạo

hình tròn (m) 44

Hình 4 9: ĐỒ thị chuyển vị biến khớp (rad, m) 44

Hình 4 10: Đồ thị vận tốc của biến khớp (rad/s, mm/s) 45

Hình 4 11: Đồ thị gia tốc của biến khớp (rad/s2, mm/s2) 45

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 làmnhững công việc nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc (do sự lặp lại các thao táccủa một công việc nào đó nhiều lần), nguy hiểm của môi trường lao động như môitrường nóng bức trong các lò hơi, sự ô nhiễm bụi bặm của các hầm mỏ, hay sự nguyhiểm ở dưới đáy đại dương, trên không gian vũ trụ… cũng như tăng tính tự động hóatrong các dây truyền sản xuất

Ở nhiều nước trên thế giới, Robot được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong nhiềungành công nghiệp khác nhau như vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thămdò Tuy nhiên, để chế tạo và đưa vào sử dụng một Robot hoàn chỉnh phải qua rấtnhiều công đoạn quan trọng, từ thiết kế tính toán các thông số tới chế tạo: tìm hiểu cácloại 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 quantrọng bởi vì sau quá trình thiết kế chúng ta rất cần một cách nào đó xem hệ thống cóhoạt động đúng như mong đợi không, tránh việc đi vào sản xuất luôn mà chẳng maygặp 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 hoànchỉnh 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 khớptịnh tiến) 4 bậc tự do Đây là loại Robot được ứng dụng nhiều trong sản xuất Nộidung nghiên cứu là khảo sát bài toán động học thuận và động học ngược và ứng dụngthư viện Simulink trong phần mềm Matlab để mô phỏng động học Robot

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT.

Trong chương này em trình bày tóm tắt cơ sở, lịch sử phát triển của robot, các kháiniệm, định nghĩa vai trò của Robot và ứng dụng của Robot trong sản xuất công nghiệpnay

1.1 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản.

Robot: Thuật ngữ “Robot” xuất hiện lần đâu tiền vào khoảng năm 1920 trong vởkịch khoa học viễn tưởng nhan đề Rossum’s Universat Robots của nhà văn ngườiTiệp: Carel Capek Vở kịch đưa lên sân khấu những nhân vật nhân đạo nhỏ bé luônngoan 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 môphỏng theo cấu tạo và hoạt động của chính mình nhằm mục đích thay cho mình làmmột 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

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 thựchiện 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 thường 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

Khớp trượt: (thường được kí hiệu là T) loại khớp này cho phép hai khâu trượttương đối với nhau theo phương của một trục nào đó Khớp hạn chế năm khả năngchuyển 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 linhhoạt cho Robot Với loại khớp này cho phép các khâu thực hiện các chuyển động quaytheo tất cả các hướng quanh tâm khớp, và hạn chế các chuyển động tịnh tiến giữa cáckhâu 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 Robotnhư:

 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 trúccủa 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 hoặcchuyển động tịnh tiến) trong không gian hoạt động Để có thể di chuyển thực hiện các

5 1

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 trìnhlàm việc Số bậc tự do càng lớn Robot càng linh hoạt, càng nhiều phương án để điểmthao tác thực hiện được yêu cầu công việc, điều này rất ý nghĩa trong trường hợpRobot làm việc trong môi trường có nhiều chướng ngại vật Tuy nhiên số bậc tự dochuyển 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 thểtiếp cận đối tượng theo mọi hướng Mặt khác cũng phải thừa nhận rằng số bậc tự dolớn 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 hìnhdáng của vùng làm việc phụ thuộc vào kết cấu của tay máy và miền giá trị của các biếnkhớp Nghiên cứu vùng làm việc của Robot giúp cho nhà thiết kế biết được các giớihạn, đường biên của vùng không gian làm việc để bố trí một cách hợp lý vị trí của taymáy hoặc Robot với các thiết bị phối hợp thao tác khác trong hệ thống

Hình 1 2: Vùng làm việc của Robot

1.3 Đặc điểm và ứng dụng của Robot trong sản xuất.

- 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 hiểuquả 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 linhhoạt và tự động cao nhất cho dây chuyền, các Robot này được điểu khiển bằng

Hình 1.3: Robot hàn trong công nghiệp

Hình 1 4: Robot phục vụ máy phay CNC Robot có vai trò và ỹ nghĩa rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hội của con người Tuy nhiên, để chế tạo và đưa vào sử dụng một Robot hoàn chỉnh phải qua

rất nhều quan trọng, từ thiết kế tính toán các thông số tới chế tạo.Một trong nhưng công viêc đó là nghiên cứu, tính toán giải bài toán động học của Robot.

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG

MÔ HÌNH ROBOT TRÊN PHẦN MỀM CATIA

Trong chương này em trình bày nội dung chủ yếu là xây dựng mô hình Robot 4 bậc

tự do RRRT dựa trên phần mềm Catia

2 1 Tổng quan về phần mềm catia

2.1.1 Khái niệm và phạm vi ứng dụng của phần mềm catia

Phần mềm Catia là hệ thống CAD/CAM/CAE 3D hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiệnnay do hãng Dassault System phát triển Hiện nay phần mềm này được ứng dụng tronghầu hết các lĩnh vực kỹ thuật như cơ khí, tự động hóa công nghiệp ôtô, tàu thủy, hàngkhông Ưu điểm của phần mềm là khả năng đồ họa mạnh, thư viện phần tử lớn thuậnlợi trong thiết kế, thực hiện quá trình vẽ và đưa ra mô hình cấu trúc nhanh, chínhxác… Ngoài ra với phần mềm Catia, ta có thể xuất ra kết quả dưới nhiều định dạngdạng thuận lợi cho việc liên kết với những phần mềm khác, phần mềm còn có khảnăng giải và mô phỏng được nhiều bài toán trong kỹ thuật

2.1.2 Giới thiệu về môi trường làm việc Part Design trong phần mềm catia

Cách mở 1 file part

 Chọn File - > chọn new (hoặc là biểu tượng trên màn hình trên màn hình) Hộp thoại xuất hiện cho phép chọn lĩnh vực mà chúng ta cần thiết kế

 Chọn Part trong danh sách những lĩnh vực khác nhau và click OK Lúc đó

môi trường làm việc part được mở

Hình 2 1 Môi trường làm việc Part Design Môi trường làm việc của Part được phân chia như sau:

 Cây để thể hiện các thao tác mà ta đã thực hiện

 Khu vực giành cho việc thiết kế

 Những nút lệnh có sẵn trên màn hình dùng cho việc thiết kế

 Có thể chọn lệnh cho quá trình thiết kế từ các menu

CATIA sẽ cung cấp cho ta 3 mặt phẳng để thiết kế Thật sự để thiết kế một khốipart hoàn chỉnh thì ta phải bắt đầu từ biên dạng sketch Tạo biên dạng sketch được

thực hiện ở môi trường sketch Để mở nó, ta chỉ cần chọn vào biểu tượng và chọnmặt phẳng cần vẽ biên dạng sketch

Môi trường sketch cung cấp hầu hết các công cụ cho phép chúng ta có thể thiết kếnhững biên dạng 2D mà chúng ta cần

2.1.3 Các khối lệnh cơ bản trong dựng hình

Một khối Part được thiết kế bằng cách là thêm vật liệu, loại bỏ bớt vật liệu, trongphần này em sẽ trình bày cách để thiết kế một khối Part:

 Tạo một pad Definition: click vào biểu tượng chọn mặt phẳng cần đùntheo biên dạng 2D tạo trước và điền những thông số cần thiết trong hộpthoại.

 Tạo một Multi-Pad: Click vào biểu tượng , chọn biên dạng cần đượcđùn và định nghĩa chiều dài

 Tạo một pocket (lấy bớt đi phần vật liệu): Click biểu tượng chọn biêndạng và nhập những thông số cần thiết trong hộp thoại

 Tạo một Hole: Click biểu tượng chọn bề mặt cần được tạo lỗ và nhậpvào những thông số cần thiết trong hộp thoại

 Tạo một Groove (Lấy bớt một phần vật liệu) Click vào biểu tượng chọnbiên dạng cần được quay tròn quanh một trục và nhập vào giá trị của mộtgóc

 Tạo một Rib: Click vào biểu tượng chọn biên dạng mà cần chạy theomột biên dạng dẫn hướng cho trước, chọn biên dạng cho trước và chọn các vịtrí trong hộp thoại

 Tạo một Slot: Click vào biểu tượng chọn biên dạng cần chạy theo mộtbiên dạng dẫn hướng, chọn đường dẫn hướng và chọn những vị trí khác nhautrong hộp thoại

 Tạo một Stiffener: Click vào biểu tượng chọn biên dạng cần được đùn

và định nghĩa biên dạng cần đùn theo 2 hoặc 3 hướng

 Lấy bớt vật liệu bằng lệnh Loft: Click vào biểu tượng , chọn những biêndạng, chọn biên dạng dẫn hướng

2.2 Xây dựng mô hình

Xây dựng mô hình là một nhiệm vụ quan trọng trước khi đi vào tính toán động học

và mô phỏng Robot Thông qua việc xây dựng mô hình giúp cho nhà thiết kế có cáinhìn toàn diện, trực quan hơn về Robot Tùy theo từng trường hợp nhất định mà ta xây

dựng mô hình Robot với những hình dáng, kích thước khác nhau sao cho hợp lý nhất,đảm bảo được các yêu cầu làm việc như: độ cứng vững, linh hoạt, thao tác dễ dàngtrong quá trình làm việc

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là máy tính điện tử Hiện nay

có rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho phép người sử dụng xây dựng mô hình 3D choRobot một cách dễ dàng, điển hình trong số đó phải kể đến các phần mềm mạnh nhưSoliworks, Catia, Topsolid… Với mỗi phần mềm có những ưu điểm nhất định phù hợpvới những yêu cầu thiết kế khác nhau và không ngừng cải tiến, bổ sung những tínhnăng mới nhằm phục vụ cho công việc thiết kế được nhanh, chính xác và trực quannhất

Trong luận văn này e sử 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 cáckhớp động Do đó ta sử dụng phần mềm Catia để xây dựng mô hình từng khâu củaRobot, sau đó sử dụng các công cụ hỗ trợ để lắp ghép chúng thành một Robot hoànchỉnh

Với những kiến thức cơ bản về phần mềm Catia e trình bày ở mục trên, e đã xâydựng được các khâu của Robot 4 bậc tự do

2.2.1 Chân đế cố định

Hình 2.2: Chân đế cố định

2.2.2 Khâu 1

Hình 2.3: Khâu 12.2.3 Khâu 2

2.2.4 Khâu 3

Hình 2.5: Khâu 32.2.5 Khâu 4

Hình 2.6: Khâu 4

2.2.6 Mô hình nắp ráp

Hình 2.7: Mô hình lắp ráp

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 Catia.Trong chương này e tập trung phân tích mô hình và tính toán động học thuận và độnghọc 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 bàitoán điều khiển Robot theo các quỹ đạo định trước Động học Robot nghiên cứuchuyển 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 thôngthường 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 vàhướng của điểm tác động cuối theo các ràng buộc của các khớp đó Các quan hệ độnghọc này là cơ sở để nghiên cứu động học cơ cấu chấp hành Động học Robot nghiêncứu phương pháp giải hai bài toán cơ bản là: bài toán động học thuận và bài toán độnghọc ngược Hai bài toàn này có quan hệ chặt chẽ với nhau

Bài toán động học thuận: Việc giải bài toán động học nhằm tìm ra phương trìnhđộng học của tay máy dựa trên những thông số đã biết Với bài toán động học thuậnngười ta biết trước được cơ cấu tay máy (biết trước số khâu, số khớp, loại khớp, kíchthước các khâu) cho trước 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 hướngcủa khâu tác động cuối trong hệ tọa độ cơ sở Bài toán động học thuận thường đượcdùng để kiểm chứng hoặc kiểm nghiệm lại việc thiết kế Robot có đúng theo yêu cầuđặt ra không, điều đó được thể hiện ở quỹ đạo di chuyển cũng như tầm hoạt động của

khâu tác động cuối tay máy Bài toán động học thuận có nội dung gần giống như bàitoán phân tích động học cơ cấu nên người ta thường gọi “Bài toán phân tích động học”Bài toán động học ngược: Ngược lại với nội dung của bài toán thuận, bài toán độnghọc ngược cho trước vị trí và định hướng của điểm tác động cuối mong muốn dướidạng một quy luật chuyển động nào đó trong không gian Vấn đề là tìm tập hợp cácchuyển vị, vận tốc, gia tốc của các biến khớp tương ứng đó để điểm tác động đạt vị thếmong muốn với các đặc tính chuyển động theo yêu cầu Trong thực tế, bài toán độnghọc ngược gần giống như bài toán tổng hợp động học cơ cấu nghĩa là bài toán chỉ chotrước yêu cầu hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối ta phải xác định cơ cấu taymáy và quy luật chuyển động của các khâu thành viên nên người ta thường gọi với têngọi 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 thuận, trong mọi trường hợp ta xác định được một nghiệmduy nhất, nghĩa là với mỗi tập giá trị biến khớp qi cho trước ta chỉ xác định được duynhất một tập nghiệm mô tả vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối

Trong khi đó với bài toán động học ngược ta có thể xác định được một nghiệm,nhiều nghiệm hay cũng có thể là không có nghiệm thỏa mãn tùy thuộc vào vị trí của cơcấu tác động cuối Trong trường hợp quy luật chuyển động của cơ cấu tác động cuốinằm trong vùng không gian hoạt động của tay máy ta có thể xác định được nhiều tậpnghiệm Tại vị trí biên vùng không gian hoạt động của Robot ta xác định được duynhất một nghiệm, bài toán vô nghiệm khi luật chuyển động của cơ cấu tác động cuốikhông 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:

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 các khâu nối với nhau bằngcác khớp động, khâu đầu tiên được 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 mụctiêu đặt ra thì cấu trúc chuỗi động của nó phải đảm bảo sao cho điểm mút của khâucuối đi theo một quỹ đạo cho trước nào đó và bản thân các khâu các khớp có khả năngthay đổi hướng một cách dễ dàng phù hợp với công việc Khâu cuối cùng thường làbàn kẹp hoặc khâu gắn liền với dụng cụ làm việc (mỏ hàn, camera, súng phun sơn, daocắt) Do đó khi nghiên cứu Robot ta cần quan tâm không những vị trí của nó mà cònphải quan tâm hướng của khâu cuối cùng trong hệ tọa độ cơ sở

Khi nghiên cứu các bài toán động học Robot công nghiệp, người ta có thể dùngnhiều phương pháp khác nhau: phương pháp vẽ hình, phương pháp giải tích vector, …Tuy nhiên, một trong những phương pháp phổ biến, đơn giản và hiệu quả nhất hiệnnay là dùng ma trận biến đổi thuần nhất Denavit Hartenberg Theo phương pháp này

để xác định vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối Robot so với hệ tọa độ cố định, tagắn vào khâu tác động cuối một hệ tọa độ động n và gắn mỗi khâu động một hệ tọa độđộng khác (từ khâu n đến khâu n-1) theo một quy tắc gọi là quy tắc DenavitHartenberg, sau đó ta xác định các thông số của khâu, khớp (thông số DenavitHartenberg) của Robot và biểu diễn mối quan hệ giữa các hệ tọa độ động gắn trên

khâu thông qua các thông số này dưới dạng ma trận (4x4), nhờ đó mà người ta xácđịnh được vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối Như vậy thông qua các phép tínhtoán các ma trận dạng (4x4) ta dễ dàng xác định được vị trí và hướng của cơ cấu tácđộng cuối hay một khâu bất kỳ nào đó trên robot

3.2.1 Quy tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu

Khi nghiên cứu động học Robot, người ta thường dùng quy tắc Denavit Hartenberg(DH) Theo quy tắc này thông qua việc gắn các hệ tọa độ lên các khâu ta có thể xácđịnh được các ma trận biểu biến đổi biểu thị mối quan hệ giữa các hệ tọa độ với nhaunhờ các phép biến đổi thuần nhất Nhờ đó mà mà ta xác định được vị thế của điểm tácđộng cuối so với hệ tọa độ gốc

Xét hai khâu kế tiếp nhau của robot là khâu thứ i-1 và khâu thứ i được liên kết vớinhau thông qua khớp i

Nguyên tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu là:

 Nếu chuỗi có n khâu thì lập được n hệ trục tọa độ

Gốc hệ tọa độ thứ i được đặt tại tâm của khớp thứ i( là khớp nối giữa khâu i-1 vàkhâu i)

zi của hệ tọa độ Oixiyizi trùng với trục của khớp thứ i

 Nếu khớp là khớp quay thì trục khớp là trục quay

 Nếu khớp là khớp trượt thì trục khớp trùng với phương trượt

Với khớp trụ trục khớp trùng với trục quay

Với khớp cầu : thường biến đổi tương đương rồi sau đó gắn trục tọa độ

Trục xi của hệ tọa độ Oixiyizi trùng với phương của vector vuông góc chung giữa

zi và zi+1 ( nghĩa là chọn trùng phương với tích với tích có hướng [ziX zi+1] )

 Nếu phương của zi và zi+1 là chéo nhau hoặc cắt nhau thì phương vuông gócchung xác định duy nhất

Sau khi đã xác định được gốc tọa độ Oi ,dựa vào phương chiều các trục zi và trục xi

ta có thể xác định trục yi bằng quy tắc bàn tay phải

Tương tự như cách xây dựng trên ta xác định được hệ tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1 được gắnliền với khâu i-1

Hình 3 2: Sơ đồ thiết lập hệ tọa độ lên các khâu

3.2.2 Các thông số động học Denavit Hartenberg

Bằng việc gắn các hệ tọa độ Oixiyizi và Oi-1xi-1yi-1zi-1 ta xác định các thông sốDenavit Hartenberg(DH) Thông qua các tham số động học Denavit Hartenberg này ta

có thể biểu thị mối quan hệ giữa hệ tọa độ Oixiyizi và Oi-1xi-1yi-1zi-1 bằng các phép biếnđổi thuần nhất Các thông số động học Denavit Hartenberg đó là:

 α : Góc giữa trục Z i và trục Z i 1xác định theo trục X i

 a : Khoảng cách từ trục i Z iđến trục Z i1đo theo trục X i

 di : là Khoảng cách từ trục X i1đến trục X i đo theo trục Z i

 i : Góc giữa trục X i1 và trục X i xác định theo trục Z i

3.2.3 Ma trận biến đổi giữa các hệ tọa độ

Trong bốn thông số động học Denavit Hartenberg (DH) thì thông số ai và αi làhai thông số của khâu Hai thông số này luôn là hằng số độ lớn của chúng phụ thuộcvào hình dáng, vị trí tương đối giữa khâu thứ i và khâu thứ i Hai thông số di và θi đượcgọi là thông số của khớp, chúng phụ thuộc vào loại của khớp Trong mỗi trường hợpthì một trong hai thông số này là hằng số thông số còn lại là ẩn số Nếu khớp là khớpquay thì thông số θi là ẩn số và ngược lại nếu khớp là khớp trượt thì thông số di là ẩnsố

Để có thể chuyển hệ tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1 về hệ tọa độ Oixiyizi ta lần lượt thực hiệnbốn chuyển động cơ bản:

 Đầu tiên ta quay hệ tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1 quanh trục zi-1 một góc i

 Tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di

 Cuối cùng ta quay quanh trục x một góc i i

Ma trận biến đổi hệ tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1 về hệ tọa độ Oixiyizi được xác định bằng tích

ma trận biến đổi của bốn chuyển động cơ bản trên là:

1 0 0 0

0 1 0 0(0,0, )

1 0 0

0 1 0 0( ,0,0)

(3.3)

Quay quanh trục xi một góc αi thì ma trận biến đổi của hệ tọa độ là: