tiểu luận mô hình hóa robot và hệ cơ điện tử

Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử Lời nói đầu Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa hoc kỹ thuật là sự ra đời của các robot và ứng dụng của chúng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống, trong công nghiệp. ở một phạm vi nào đó nó góp phần tăng năng suất, giải phóng sức lao động của con ngời, giảm thiểu nguy cơ tai nạn cho con ngời (nh làm việc đợc tại các môi trờng ô nhiễm, độc hại ngoài khả năng của con ng- ời) Mặt khác cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đòi hỏi các cán bộ khoa học kỹ thuật phải luôn bổ sung hoàn thiện kiến thức. Một trong những yêu cầu đặt ra đối với các cán bộ khoa học trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy là phải đợc trang bị các kiến thức về robot Môn học Mô hình hóa Robot & Hệ cơ điện tử trong chơng trình đào tạo của các học viên cao học tại trờng đại học Bách Khoa Hà Nội đã phần nào đáp ứng đợc các yêu cầu trên. Tuy nhiên do thời gian học tập rất ngắn, phạm vi môn học rất rộng và trừu tợng nên mặc dù rất cố gắng nhng kiến thức của em về môn học này còn rất hạn chế và bài tiểu luận về môn học chắc chắn là còn rất nhiều thiếu sót. Cho em gửi lời cám ơn sâu sắc đến PGS. TS Phan Bùi Khôi đã tận tình giảng dạy trong quá trình học tập. Em xin cám ơn! Hà Nội, ngày 16 tháng 2 năm 2012 Học viên Đỗ Đức Dũng Cho mô hình robot nh hình vẽ: - 1 - Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử Câu 1: 1) Hãy phân tích và xác định các thành phần trong quá trình mô hình hóa để nghiên cứu động học, động lực học robot: Đối tợng, mục tiêu, điều khiển quá trình, tích hợp, kết quả mô hình hóa. 2) Hãy phân tích những khó khăn khi nghiên cứu trên hệ thực (để thiết kế, chế tạo robot); chỉ ra sự cần thiết phải sử dụng phơng pháp mô hình hóa và những u điểm, thuận lợi. 3) Hãy trình bày các bớc khi áp dụng phơng pháp mô hình hóa để xây dựng cấu trúc động học của robot nh hình vẽ. Câu 2: Mô hình robot đã cho đợc xem nh là một đối tợng để nghiên cứu thiết kế chế tạo robot này. Thực hiện quá trình mô hình hóa để xây dựng mô hình nghiên cứu: - Xây dựng sơ đồ động học và cho các tham số động học bằng các giá trị số. - Thiết lập các hệ tọa độ khảo sát. - Tính các mâ trận truyền Denavit - Hartenberg. - Thiết lập phơng trình động của robot. - Hãy cho vị trí của khâu thao tác, tính động học ngợc robot để xác định quy luật chuyển động của các khâu và mô phỏng bằng số. Câu 3: Hãy lấy ví dụ để phân biệt: - Mô hình vật lý - Mô hình toán học - Mô phỏng số - Mô phỏng hoạt động Khi nghiên cứu ở câu 2 Bài làm Câu 1 1) Phân tích và xác định các thành phần trong quá trình mô hình hoá: * Phân tích: Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã tạo nên những sản phẩm cao phục vụ con ngời trong mọi lĩnh vực của sản xuất và đời sống ở khắp nơi trên toàn thế giới. Sự phát triển của công nghệ thông tin, toàn cầu hoá và thơng mại điện tử đã làm cho thế giới trở nên nhỏ bé. Các nhà sản xuất phải đối mặt với sự cạnh tranh ngày càng khốc liệt trong việc đáp ứng yêu cầu của thị trờng tiêu dùng mà các chỉ tiêu chủ yếu là chất lợng cao, giá thành rẻ, dịch vụ tốt và tuỳ biến nhanh. - 2 - Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử Con đờng để giành chiến thắng trong cuộc cạnh tranh trớc hết là làm chủ khoa học công nghệ mà một trong những lĩnh vực then chốt của nền sản xuất chế tạo là cơ khí và cơ điện tử. Phơng pháp nghiên cứu khoa học giúp cho việc tiếp thu, làm chủ kiến thức và chuyển giao công nghệ một cách nhanh chóng và hiệu quả là phơng pháp mô hình hoá. Phơng pháp mô hình hoá đợc ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực khoa học: từ khoa học tự nhiên đến khoa học xã hội, khoa học quản lí, từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các thiết bị, hệ thống, từ việc lựa chọn giải pháp công nghệ mới đến việc tối u hoá nâng cao chất lợng sản phẩm. Mô hình hoá là một phơng pháp nghiên cứu khoa học ngày càng phát triển, mở rộng. Trong cơ khí và cơ điện tử, mô hình hoá là phơng pháp nghiên cứu không thể thiếu, vừa tạo ra mô hình biểu diễn các thiết bị, hệ thống, các quá trình, vừa là công cụ. ngôn ngữ trao đổi, truyền đạt, chuyển giao công nghệ. Ngày nay, các sản phẩm, thiết bị, quá trình, hệ thống cơ khí và cơ điện tử là sự tích hợp từ nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ: cơ khí chế tạo máy, điện, điện tử, công nghệ thông tin, và có thể tích hợp cả những lĩnh vực khoa học công nghệ khác nh công nghệ sinh học. Việc nghiên cứu các đối tợng này đòi hỏi t duy tổng thể và hệ thống. Phơng pháp mô hình hoá với sự trợ giúp của máy tính tạo thuận lợi cho việc xây dựng mô hình và mô phỏng hoạt động của các đối t- ợng một cách nhanh chóng, trực quan và linh hoạt hiệu chỉnh, hoặc thay đổi. * Các thành phần trong quá trình mô hình hoá: - Đối tợng: Các thành phần, bộ phận với các chức năng khác nhau để tạo nên Robot nh hình vẽ. - Mục tiêu của mô hình hóa: + Làm thực tế hóa các ý tởng + Đa ra cơ sở chung cho việc trao đổi thông tin về đối tợng nghiên cứu + Mô tả đối tợng dễ dàng, đơn giản + Hỗ trợ và tạo điều kiện nắm bắt các vấn đề về đối tợng + So sánh các lời giải nhanh chóng, dễ dàng, thuận lợi. + Cho phép dự đoán các đặc tính liên quan đến đối tợng nghiên cứu, khả năng ứng xử, tính năng đặc trng, u điểm, nhợc điểm, khả năng khắc phục + Cho phép thực hiện nghiên cứu khi không thể thực hiện trên đối tợng thực. - Điều khiển quá trình: + Phơng pháp: Dựa trên các kết quả tính toán về động học, động lực học ta xây dựng nên mô hình Robot cho phù hợp với yêu cầu. + Công cụ: các công trình nghiên cứu, tính toán về động học cũng nh động lực học của Robot công nghiệp, các phần mềm mô phỏng chuyên dụng + Phản hồi: các kết quả đầu ra sẽ đợc so sánh với yêu cầu đặt ra ban đầu, từ đó ta điều chỉnh lại thiết kế để có đợc kết quả nh ý muốn. - Tích hợp: - 3 - Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử Sau khi có các phơng pháp, công cụ cũng nh quá trình phản hồi thích hợp, ta tiến hành tích hợp chúng lại thành một quá trình thống nhất để dần dần từng bớc xây dựng đợc mô hình của Robot nh hình vẽ trên. Ví dụ nh trong trờng hợp này, để xác định quy luật chuyển động các khâu của Robot thì ta cần mô hình cơ học tích hợp với mô hình toán học để giải ra kết quả bài toán động học, động lực học, xác định quy luật chuyển động của các khâu của Robot theo quy luật chuyển động của điểm đầu robot. - Kết quả mô hình hóa: Sau khi phân tích, tính toán và xác định đợc các thành phần trong quá trình mô hình hóa ta thu đợc kết quả. Dựa trên kết quả thu đợc ta có thể đánh giá u nh- ợc điểm và tính khả thi của đối tợng. Từ đó đa ra các quyết định trong việc đầu t hay chế tạo 2) Những khó khăn khi nghiên cứu trên hệ thực: * Thiết kế: -Việc thiết kế trên hệ thực: có u điểm là trực quan tuy nhiên vì hệ thực bao gồm rất nhiều các yếu tố. Trong quá trình nghiên cứu, nếu đa tất cả các yếu tố vào thì việc nghiên cứu trở nên khó khăn trong việc xác định đợc đối tợng, mục tiêu cần nghiên cứu. -Tốn nhiều tiền để mua hoặc thuê thiết bị để nghiên cứu. * Chế tạo: - Cũng nh thiết kế trên hệ thực, việc chế tạo cũng có nhiều khó khăn. Vì việc chế tạo phụ thuộc vào thiết kế. Nếu thiết kế không tốt sẽ dẫn tới chế tạo sai (không phù hợp với hệ). Điều này gây ra sự lãng phí về thời gian, công sức và chi phí. *Phát triển khả năng công nghệ của thiết bị: - Với một hệ thực đã có sẵn thì việc phát triển khả năng công nghệ của thiết bị sẽ rất khó khăn. Vì với một hệ đã có sẵn thì thiết kế đã cố định. Việc phát triển của thiết bị phụ thuộc vào thiết kế có cho phép mở rộng không và khả năng mở rộng nh thế nào. Và việc mở rộng khả năng công nghệ sẽ ảnh hởng nh thế nào tới thiết bị. * Sự cần thiết phải sử dụng phơng pháp mô hình hoá: - Sử dụng phơng pháp mô hình hoá giúp chúng ta linh hoạt hơn trong khi thiết kế. Việc thiết kế, tính toán và mô phỏng giúp ta tránh đợc những lỗi có thể xảy ra. Trong quá trính tính toán, mô phỏng ta có thể thay đổi các tham số, cũng nh chơng trình để tìm ra đợc thiết kế tối u. - Cũng nh vậy, việc chế tạo cũng ít tốn kém hơn. Vì kích thớc của mô hình phù hợp cho nghiên cứu và khảo sát. - Có tính phát triển khả năng công nghệ. - 4 - Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử - Ưu điểm và thuận lợi của phơng pháp mô hình hoá: tính linh hoạt trong thiết kế, tiết kiệm thời gian, chi phí để chế tạo mô hình cho việc nghiên cứu và khảo sát trớc khi tiến hành xây dựng mô hình thực thông qua mô phỏng các hệ thống phức tạp, cồng kềnh - Với những thiết bị, hệ thống mới sáng chế, phát minh thì việc sử dụng mô hình hoá là điều kiện tiên quyết không thể thiếu. 3.Các bớc áp dụng phơng pháp mô hình hóa để xây dựng mô hình cho hệ thống: Bớc 1: Gán hệ tọa độ Muốn xác định hệ tọa độ của robot phải thực hiện các công việc sau: - Vẽ sơ đồ động robot ở vị trí dừng, gắn hệ tọa độ của các khâu lên hình vẽ - Xác định các thông số D- H - 5 - Khởi động chơng trình Thiết kế hệ tọa độ Thiết kế hình dáng robot Xây dung chơng trình điều khiển robot Chạy mô phỏng Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử Bớc 2: Thiết kế hình dáng robot Sau khi gắn hệ tọa độ cho robot. Tiếp theo là vẽ hình dáng của robot. Có thể dùng các phần mềm nh: Solid Work, Solid Dynamics, Easy Rob để vẽ hình dáng 3D của robot Bớc 3: Lập trình điều khiển Robot Sau khi thiết kế hình dáng robot, dụngcụ gắn trên khâu chấp hành cuối và các đối tợng làm việc khácta sẽ lập trình điều khiển robot đã mô phỏng. Việc lập trình ở đây đợc tiến hành theo phơng pháp lập trình kiểu dạy học (Teach- Pendant) Ví dụ một số lệnh lập trình thờng dùng trong phần mềm Easy Rob PROGRAMFILE : Bắt đầu chơng trình ENDPROGRAMFILE or END : Kết thúc chơng trình. CALL fct_name : Gọi một hàm có tên fct_name(), đã đợc định nghĩa trong ch- ơng trình. CALL FILE filename : Gọi một File chơng trình có tên filename, File phải có cung cấu trúc nh chơng trình chính. FCT fct_name() : Bắt đầu Định nghĩa một hàm có tên fct_name(). ENDFCT : Kết thúc định nghĩa một function. ! Các ghi chú trong chơng trình. TOOL X Y Z A B C [m,deg] : Định tọa độ điểm cuối của dụng so so với khâu chấp hành cuối. PTP X Y Z A B C [m,deg] : Di chuyển robot đến điểm mới (tọa độ tuyệt đối). Điều khiển điểm. PTP_REL dX dY dZ dA dB dC [m,deg] : Di chuyển robot đến điểm mới (tọa độ tơng đối). Điều khiển điểm. LIN X Y Z A B C [m,deg] : Di chuyển robot đến điểm mới (tọa độ tuyệt đối). Điều khiển đờng. - 6 - Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử LIN_REL dX dY dZ dA dB dC [m,deg] : Di chuyển robot đến điểm mới (tọa độ tơng đối). Điều khiển đờng Câu 2: a.Sơ đồ động học: -Mô hình robot 3 bậc tự do: ba bậc quay (RRR) đợc mô hình nh hình vẽ với 3 biến khớp là q 1 ;q 2 ;q 3 . b.Các hệ tọa độ: -Hệ tọa độ cơ sở X 0 Y 0 Z 0 đợc chọn nh hình vẽ. -Hệ tọa độ của khâu 1 đợc xác định nh sau: +Tâm O 1 tại khớp quay 1. +Trục Z 1 dọc trục quay của khớp quay 1, chọn hớng hớng ra nh hình vẽ (mục đích để thuận tiện cho chiều của X) +Trục X 1 đợc xác định theo tích có hớng giữa Z 0 và Z 1 có chiều nh hình vẽ. +Trục Y 1 đợc xác định theo quy tắc bàn tay phải. -Hệ tọa độ của khâu 2: +Tâm O 2 tại khớp quay 2. +Trục Z 2 dọc trục quay khớp 2, có chiều cùng chiều với 1. +Trục X 2 trùng với X 1 . -Hệ tọa độ khâu 3 xác định nh khâu vẽ. - 7 - d X o Y o Z o Y 2 Y 1 Z 1 Z 2 Y 3 Z 3 O 1 O 2 O 3 Y 4 Z 4 O 3 X 1 X 2 X 3 X 4 a 2 1 a 3 a 4 Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử Trên hình vẽ trình bày mô hình robot với việc gắn các tham số và hệ tọa độ. c.Tính ma trận truyền Denavit-Hartenberg: Bảng thông số DH (Denavit-Hartenberg) của robot nh sau: Khâu d i q i a i á i 1 d 1 0 0 0 2 0 q 2 a 2 0 3 0 q 3 a 3 90 0 4 0 0 a 4 q 4 Trong đó d 1 , q 2 , q 3 , q 4 là các biến khớp. a 2 ,a 3 , a 4 là hằng số. Lập ma trận truyền DH: 0 0 1 2 3 1 2 3 . .A A A A= 3 A 4 Trong đó: 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 A 0 0 1 0 0 0 1 d ữ ữ = ữ ữ 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 0 0 A 0 0 1 0 0 0 0 1 Cq Sq a Cq Sq Cq a Sq ữ ữ = ữ ữ 3 3 3 3 3 3 3 3 2 3 0 0 A 0 1 0 0 0 0 0 1 Cq Sq a Cq Sq Cq a Sq ữ ữ = ữ ữ 4 4 4 4 4 4 3 4 4 4 1 0 0 0 A 0 0 0 0 0 1 a Cq Cq Sq a Sq Sq Cq ữ ữ = ữ ữ Do đó: - 8 - TiÓu luËn m«n häc: M« h×nh hãa r« bèt & hÖ c¬ ®iÖn tö 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 A = A . A = . 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Cq Sq a Cq Sq Cq a Sq d Cq Sq a Cq Sq Cq a Sq −      ÷  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷     −    ÷  ÷ =  ÷  ÷   2 2 2 2 3 3 3 3 2 2 2 2 3 3 3 3 0 0 2 3 3 3 2 3 2 3 3 2 3 2 2 2 3 2 3 3 2 3 2 2 0 0 0 0 A = A . A = . 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 ( ) 0 ( ) . ( ) ( ) 0 ( ) . ( ) 0 1 0 0 0 0 0 1 Cq Sq a Cq Cq Sq a Cq Sq Cq a Sq Sq Cq a Sq C q q S q q a C q q a Cq S q q C q q a S q q a Sq −      ÷  ÷ −  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷     + + + +    ÷ + − + + +  ÷ =  ÷  ÷   2 3 2 3 3 2 3 2 2 4 4 2 3 2 3 3 2 3 2 2 4 4 4 4 0 0 3 4 3 4 4 4 2 3 2 3 4 2 3 4 4 2 3 4 ( ) 0 ( ) . ( ) 1 0 0 ( ) 0 ( ) . ( ) 0 A = A . A . 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 ( ) ( ). ( ). . ( ) C q q S q q a C q q a Cq a Cq S q q C q q a S q q a S q Cq Sq a Sq Sq Cq C q q S q q Sq S q q Cq a C q q Cq a + + + +      ÷  ÷ + − + + + −  ÷  ÷ =  ÷  ÷  ÷  ÷     + + + + + = 3 2 3 2 2 2 3 2 3 4 2 3 4 4 2 3 4 3 2 3 2 2 4 4 4 4 . ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) . ( ) 0 0 0 0 1 C q q a Cq S q q C q q Sq C q q Cq a S q q Cq a S q q a Sq Cq Sq a Sq + +    ÷ + − + − + + + + +  ÷  ÷ −  ÷   d.Ph¬ng tr×nh ®éng häc cña Robot: HÖ ph¬ng tr×nh ®éng häc cña robot n x = 2 3 ( )C q q+ n y = 2 3 ( )S q q+ n z = 0 O x = 2 3 4 ( ).S q q Sq+ O y = 2 3 4 ( )C q q Sq− + O z = Cq 4 - 9 - Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử a x = 2 3 4 ( ).S q q Cq+ a y = 2 3 4 ( )C q q Cq + a z = 4 Sq p x = 4 2 3 4 3 2 3 2 2 . ( ) . ( )a C q q Cq a C q q a Cq+ + + + p y = 4 2 3 4 3 2 3 2 2 ( ) . ( )a S q q Cq a S q q a Sq+ + + + (I) p z = a 4 Sq 4 Trong đó p x , p y , p z là tọa độ của tâm bàn kẹp. e.Giải bài toán nghịch: Bình phơng 2 vế của hệ phơng trình (I) sau đó cộng từng vế 2 phong trình Ta có : ( x P 0 + Ca 11 ) 2 + ( y P 0 + Ca 11 ) 2 + ( z P 0 - d 1 ) 2 = 2 2 2 3 2 3 3 2a a a a C + + ; q 3 = ( ) ( ) ( ) aa aa d z Sa y Cax a O P O P O P a 32 2 3 2 2 2 2 2 2 cos 1 1111 ++++ Từ (1.1) &(1.2) suy ra : ( ) ( ) += += - - 231321231311 O P 231321231311 O P y x SSSaCSaCSaSa SSCaCCaCCaCa Giải hệ phong trình trên với biến C1 v à S1 ta có : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) +++ = += =+++= SaCSaCaCaCCaSa SCaSaSSaCa SCaSaCSaSSaCaCCa s c 1231311 O P 1231311 O P 31311 O P 31311 O P 3131231331312313 x y y x 0 Để phơng trình có nghiệm thì c & s phải bằng 0 { = =+ =+ ) x , y tan( 0 x y 0 y x o P o P o P o P o P o P 1 11 11 a q SC CS Từ (1.2) &(1.3) suy ra : - 10 - [...]... -0.637044077 -0.67089 - 12 - Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử Câu 3: - Mô hình vật lý: mô hình để ta nghiên cứu động học (bài toán vị trí, điểm), động lực học (bài toán vận tốc, gia tốc, lực ) Hình dới là mô hình vật lý để ta nghiên cứu đối tợng ở câu 2 - Mô hình toán học: đợc đa ra sau quá trình phân tích, tính toán từ mô hình vật lý - Mô hình toán học: mô tả vị trí của điểm tác... - Mô phỏng số: việc mô phỏng ảo đối tợng sau khi đợc mô hình hoá vật lý và toán học Sử dụng các phần mềm mô phỏng nh Matlap, Maple để tính bài toán động học (bài toán vị trí), bài toán động lực học (bài toán vận tốc, gia tốc, lực ) - Mô phỏng hoạt động: đợc thực hiện khi khảo sát, thiết kế và chế tạo robot Khi đó ta phải mô phỏng hoạt động (mô phỏng hình ảnh) của robot để tối u hóa cấu trúc - 13 - Tiểu. .. a3 S 3 y a1 S 1 P -Mô phỏng bằng số: Sau khi xác định đợc phơng trình mô tả tọa độ của các biến khớp ta tiến hành mô phỏng số: ( ( ( ) ) ( )( - 11 - ) ( )( ) Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử Ta có thể sử dụng công cụ trong Exel, mapple, matlab để vẽ ở đây em dùng phần mềm Graphing caculator 3D để vẽ các tọa độ qi Vì phơng trình của x(t);y(t); và z(t) cha có nên ta có thể.. .Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử y y O a1 S 1 = P (a S C + a S ) C - a S S S 3 z o d 1= a S P 3 O P a1 S 1 = 1 3 2 1 2 3 1 3 + a2 S 2 23 (a S C + a S ) C - a S S S 3 1 z o d 1= a S P 3 3 3 2 2 1 2 ( a 3C + a ) S + 2 3 3 1 3 2 2 Giải hệ phơng trình ta đợc : = c = s = ( a S S ) a S + ( a S C +... lực ) - Mô phỏng hoạt động: đợc thực hiện khi khảo sát, thiết kế và chế tạo robot Khi đó ta phải mô phỏng hoạt động (mô phỏng hình ảnh) của robot để tối u hóa cấu trúc - 13 - Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử - 14 - . Đức Dũng Cho mô hình robot nh hình vẽ: - 1 - Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử Câu 1: 1) Hãy phân tích và xác định các thành phần trong quá trình mô hình hóa để nghiên. hệ tọa độ Thiết kế hình dáng robot Xây dung chơng trình điều khiển robot Chạy mô phỏng Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử Bớc 2: Thiết kế hình dáng robot Sau khi gắn hệ. mô hình phù hợp cho nghiên cứu và khảo sát. - Có tính phát triển khả năng công nghệ. - 4 - Tiểu luận môn học: Mô hình hóa rô bốt & hệ cơ điện tử - Ưu điểm và thuận lợi của phơng pháp mô