Tiểu luận Môn học MÔ HÌNH HÓA ROBOT VÀ HỆ CƠ ĐIỆN TỬ

Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử LỜI NÓI ĐẦU Khi nói tới khái niệm “tính linh hoạt” trong sản xuất, chúng ta không thể không nhắc đến robot. Nhờ các hệ thống thị giác máy, các bộ điều khiển khả trình và thiết bị tay cuối mà robot có thể thực hiện được rất nhiều các tác vụ lặp đi lặp lại trong các nhà máy, các khu công nghiệp. Các robot hiện đại ngày nay có tính năng điều khiển lực khá đa dạng và chính xác, nó cho phép tạo ra một độ linh hoạt cao có thể dùng trong các ứng dụng phức tạp như lắp ráp hay điều khiển một hệ thống truyền lực. Bên cạnh đó, robot còn được hỗ trợ các kiến trúc mở với khả năng tích hợp trên nề các bộ PLC và khả năng mô phỏng offline từ các PC. Với những tính năng đó, robot hoàn toàn có thể bảo đảm được tính linh hoạt trong nhà máy sản xuất. Trong tương lai, tính năng của các robot sẽ còn được đẩy mạnh phát triển hơn nữa và robot sẽ giữ vai trò chủ đạo, quan trọng nhất đối với sản xuất linh hoạt. Môn học MÔ HÌNH HÓA ROBOT VÀ HỆ CƠ ĐIỆN TỬ đã phần nào giúp ta hiểu được vai trò của robot, tính ứng dụng của nó trong các ngành công nghiệp hiện đại cũng như phương pháp xây dựng và phát triển một robot hoàn chỉnh. Với đề tài nhận được cùng với sự giúp đỡ về kiến thức của thầy giáo em đã cô gắng xây dựng mô hình robot theo các bước, tuy nhiên không thể tránh được những sai sót nhất định. Em mong nhận được sự đóng góp của thấy giáo để bài tiểu luận thêm hoàn thiện. Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Thị Kiều Hương Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 1 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử Cho mô hình robot như hình vẽ: 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 tượng, 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 phương pháp mô hình hóa và những ưu điểm, thuận lợi. 3. Hãy trình bày các bước khi áp dụng phương pháp mô hình hóa để xây dựng cấu trúc động học của robot như hình vẽ. Câu 2: Mô hình robot đã cho được xem như là một đối tượng 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 phương trình động của robot. - Hãy cho vị trí của khâu thao tác, tính động học ngược robot để xác định quy Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 2 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử luật chuyển động của ccs khâu 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 Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 3 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử BÀI LÀM Câu 1: 1.1. Mục tiêu: - Qua các thông tin đầu vào thì ta sẽ xác định được sơ bộ được những yếu tố cần thiết, quan trọng cho việc làm thực tế hoá ý tưởng. - Đưa ra cơ sở chung cho việc trao đổi thông tin về robot nghiên cứu. - Mô tả robot dễ dàng, đơn giản : số bậc tự do, số khâu, số khớp … - Hỗ trợ và tại điều kiện nắm bắt các vấn đề về robot. - So sánh các lời giải nhanh chóng, dễ dàng, thuận lợi. - Dự đoán các đặc tính liên quan đến robot : tính năng đặc trưng (hàn, gá lắp dụng cụ …), các ưu nhược điểm, và khả năng khắc phục chúng. - Cho phép thực hiện nghiên cứu khi không thể thực hiện trên robot thực. 1.2. Điều khiển quá trình Điều khiển quá trình giúp ta xac định được các yếu tố để điều khiển đối tượng, bao gồm : - Phương pháp mô hình hoá - Các công cụ được sử dụng để thực hiện các giai đoạn mô hình hoá. - Khả năng phản hồi điều khiển quá trình hoàn thiện mô hình. 1.3. Tích hợp - Với mục tiêu và điều khiển quá trình đối tượng nghiên cứu trước thì ta cần xác định hệ thống cần tích hợp các thành phần khác như các động cơ dẫn động các khâu, các cảm biển, hệ thống điều khiển …. 1.4. Kết quả mô hình hoá - Đưa ra được mô hình của đối tượng (đầu vào). Sau khi đã phân tích và xác định những chi tiết chính cần thiết cho nghiên cứu, khảo sát trên đó. 2. Nghiên cứu mô hình thực và phương pháp mô hình hoá 2.1 Những khó khăn khi nghiên cứu trên hệ thực - Thiết kế: Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 4 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử Việc thiết kế trên hệ thực: có ưu điểm là trực quan tuy nhiên vì hệ thực bao gồm rất nhiều các yếu tố. Trong quá trình nghiên cứu, nếu đưa tất cả các yếu tố vào thì việc nghiên cứu trở nên khó khăn trong việc xác định được đối tượng, mục tiêu cần nghiên cứu. - Chế tạo: Cũng như 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 sực 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 như thế nào. Và việc mở rộng khả năng công nghệ sẽ ảnh hưởng như thế nào tới thiết bị. 2.2 Sự cần thiết phải sử dụng phương pháp mô hình hoá Với những khó khăn khi nghiên cứu trên hệ thực đã trình bày ở trên thì việc sử dụng phương pháp mô hình hoá là rất quan trọng và có nhiều những ưu điểm và thuận lợi. - Sử dụng phương 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 được những lỗi có thể xảy ra. Trong quá trính tính toán, mô phỏng ta có thể thay đổi các tham số, cũng như chương trình để tìm ra được thiết kế tối ưu. - Cũng như vậy, việc chế tạo cũng ít tốn kém hơn. Vì kích thước của mô hình phù hợp cho nghiên cứu và khảo sát. - Có tính phát triển khả năng công nghệ. Ưu điểm và thuận lợi của phương 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 trước khi tiến hành xây dựng mô hình thực thông qua mô phỏng các hệ thống phức tạp, cồng kềnh … 3. Mô hình hoá xây dựng mô hình cho hệ thống robot Dựa trên sơ đồ trên, ta đưa ra sơ đồ động học cho việc nghiên cứu và khảo sát Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 5 d 1 z 1 a 2 y 1 x 1 θ 2 θ 1 z 0 x 0 x 0 ’ O 0 O 1 a 3 O 3 O 2 z 2 x 2 y 2 y 3 x 3 z 3 θ 3 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử Câu 2. 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 động học. - Xác định hệ toạ độ R 0 : Ta chọn trục z 0 và z 1 trùng với các trục khớp động 1 và trục khớp động 2 tương ứng, chiều như hình vẽ. Chọn trục x 0 nằm trên đường trục của khâu 1, hướng từ khớp động 1 sang khớp động 2 như hình vẽ. Gốc của hệ toạ độ R 0 là giao của trục x 0 và trục z 0 , nằm tại tâm của trục khớp động 1. Theo qui tắc bàn tay phải, ta dễ dàng xác định được trục y 0 để cho hệ toạ độ R 0 là một tam diện thuận. - Xác định hệ toạ độ R 1 : Ta chọn trục x 1 nằm trên trục khâu 2 (trục z 0 cắt và vuông góc z 1 ), hướng như hình vẽ. Gốc của hệ toạ độ R 1 là giao của hai trục z 1 và x 1 , nằm tại tâm khớp động 2. Xác định trục y 1 theo qui tắc bàn tay phải để hệ toạ độ R 1 là một tam diện thuận. Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 6 d 1 z 1 a 2 y 1 x 1 θ 2 θ 1 z 0 x 0 x 0 ’ O 0 O 1 a 3 O 3 O 2 z 2 x 2 y 2 y 3 x 3 z 3 θ 3 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử - Xác định hệ toạ độ R 2 : ta có thể chọn trục x 2 nằm trên trục khâu 3, có hướng như hình vẽ. Ta chọn trục x 2 như hình vẽ (trục z 1 cắt và vuông góc z 2 ). Gốc của hệ toạ độ R 2 là giao của hai trục z 2 và x 2 . Xác định trục y 2 theo qui tắc bàn tay phải để hệ toạ độ R 2 là một tam diện thuận. - Xác định hệ toạ độ R 3 : Ta chọn hệ trục x 3 , z 3 , y 3 như hình vẽ. Gốc của hệ toạ độ R 3 là giao của hai trục z 3 và x 3 . - Tính các ma trận truyền Denavit-Hartenberg. Chọn toạ độ suy rộng như sau q = [ ] [ ] TT qqq 321321 ,,,, = θθθ Khâu i θ d i a i i α Biến khớp Loại khớp 1 1 θ * d 1 0 π/2 q 1 Quay 2 2 θ * 0 a 1 0 q 2 Quay 3 3 θ * 0 a 2 0 q 3 Quay Qui ước: Trong nội dung của phần này, để đơn giản cách viết ta dùng các ký hiệu sau: C i = cos(q i ) ; S i = sin(q i ); C 12 = cos(q 1 + q 2 ) ; S 12 = sin(q 1 + q 2 ); C 1-2 = cos(q 1 - q 2 ) ; S 1-2 = sin(q 1 - q 2 ); Áp dụng công thức (3.17), trang 135, trong tài liệu [1] ứng với các khâu của robot cho trong bảng DH ở trên ta có: H 1 =             − 1000 010 00 00 1 11 11 d CS SC Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 7 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử H 2 =             − 1000 0100 0 0 2222 2222 aSCS aCSC H 3 =             − 1000 0100 0 0 3333 3333 aSCS aCSC Áp dụng công thức (3.18) trong [1] ứng với các khâu của robot ta có: D 1 = H 1 =             − 1000 010 00 00 1 11 11 d CS SC D 2 = H 1 H 2 = D 1 H 2 =             − 1000 010 00 00 1 11 11 d CS SC             − 1000 0100 0 0 2222 2222 aSCS aCSC D 2 =                 + +−+−+ ++−+ −−− −−− 1000 0 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 12222 212122112212112 122212121121221 daSCS SaSaCCCSS CaCaSSSCC Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 8 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử D 3 = H 1 H 2 H 3 = D 2 H 3 =                 + +−+−+ ++−+ −−− −−− 1000 0 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 12222 212122112212112 122212121121221 daSCS SaSaCCCSS CaCaSSSCC             − 1000 0100 0 0 3333 3333 aSCS aCSC Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 9 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử - Thiết lập phương trình động học của robot. Hệ phương trình động học của robot 3 3 os sin 0 x y z n c n n θ θ =    =   =   3 3 sin os 0 x y z o o c o θ θ = −    =   =   0 0 1 x y z a a a  =  =   =  3 3 3 3 . os .sin 0 x y z P a c P a P θ θ  =  =   =  Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 10 [...]... hành mô phỏng số cho bài toán trên ta sẽ thu được các kết quả sau Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 21 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 22 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 23 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 24 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ. .. (a ) Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 12 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử  e (n ) P  e (a )  e (s ) Trong đó exp(q3/π ) được gọi là hệ số phục vụ Như vậy hệ số phục vụ chính là độ lớn của véc tơ Φ Vậy hướng của bàn kẹp được xác định như sau: Như vậy, vị trí (trạng thái) bàn kẹp có dạng: Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 13 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử Sau... Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 18 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử vz = 2.065000000 cos ( K 9 K 5.900000000 sin( 2 t ) C 2 t ) C 2.065000000 cos ( 9 C 5.900000000 sin( 2 t ) C 2 t ) C 1.960000000 cos ( K 7 K 4.900000000 sin( 2 t ) C 2 t ) C 1.960000000 cos ( 7 C 4.900000000 sin( 2 t ) C 2 t ) Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 19 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử. .. 2 t ) ) K 0.2000000000 sin( 2 C 3.650000000 sin( 2 t ) ) Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 15 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử zp = 0.3500000000 sin( 9 C 5.900000000 sin( 2 t ) ) C 0.5000000000 C 0.4000000000 sin( 7 C 4.900000000 sin( 2 t ) ) Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 16 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử vx = K 0.8137500000 sin(4 C 4.650000000 sin(2 t ) C 2...  0 sx sy sz 0 Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương ax ay az 0 xp  yp   p z = d1 zp   1 25 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử - Mô phỏng số: việc mô phỏng ảo đối tượng sau khi được mô hình hoá vật lý và toán học Sử dụng các phần mềm mô phỏng như 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:... hình hóa và 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 dưới là mô hình vật lý để ta nghiên cứu đối tượng ở câu 2 O3 x2 y1 x1 O2 x3 z3 z2 θ2 O1 d1 y3 y2 θ3 a2 z1 a3 z0 x0’ θ1 x0 O0 - Mô hình toán học: được đưa ra sau quá trình phân tích, tính toán từ mô hình vật lý - Mô hình toán học: mô tả vị trí.. .Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử - Hãy cho vị trí của khâu thao tác, tính động học ngược robot để xác định quy luật chuyển động của các khâu và mô phỏng số * Vị trí của khâu thao tác (bàn kẹp) trong hệ toạ độ R 0 được xác định bởi vị trí của điểm định vị P (điểm tác động cuối) và hướng của khâu thao tác P x(q) =   Φ  Ta biết: nx... C 2 t ) Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 19 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử Đồ thị quỹ đạo bàn kẹp Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 20 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử * Tính động học ngược robot để xác định quy luật chuyển động của các khâu và mô phỏng bằng số xp := 0.2 C t yp := 0.4 C sin( t ) zp := 0.5 d1 := 0.5 a2 := 0.4 a3 := 0.35 q10 := 0.02 q20 := 0.03 q30... Hương 13 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử Sau đây ta sẽ tiến hành mô phỏng số cho trường hợp các biến khớp thay đổi theo qui luật sau: q10 = 5 ; q20 = 7; q30 = 2; ω = 5.π/6, (xét trong khoảng thời gian T = 6 s) Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 14 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử  5⋅π  q1 = q10 + 0,5 ⋅ q10 ⋅ sin ( ω ⋅ t ) = 5 + 0,5 ⋅ 5 ⋅ sin  ⋅t  6   5 ⋅π... 0.7300000000 sin( K 2 K 3.650000000 sin( 2 t ) C 2 t ) K 1.230000000 sin( 12 C 6.150000000 sin( 2 t ) C 2 t ) C 1.230000000 sin( K 12 K 6.150000000 sin( 2 t ) C 2 t ) Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương 17 MSHV: CB110079 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử vy = 1.251250000 cos (K 14 K 7.150000000 sin(2 t ) C 2 t ) C 1.251250000 cos (14 C 7.150000000 sin(2 t ) C 2 t ) K 0.8137500000 cos (K 4 K 4.650000000 sin(2 . bài tiểu luận thêm hoàn thiện. Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Thị Kiều Hương Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 1 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử Cho mô hình robot.                 + +−+−+ ++−+ −−− −−− 1000 0 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 12222 212122112212112 122212121121221 daSCS SaSaCCCSS CaCaSSSCC             − 1000 0100 0 0 3333 3333 aSCS aCSC Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 9 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử - Thiết lập phương trình động học của robot. Hệ phương trình động học của robot 3 3 os sin 0 x y z n. trình động của robot. - Hãy cho vị trí của khâu thao tác, tính động học ngược robot để xác định quy Học viên: Nguyễn Thị Kiều Hương MSHV: CB110079 2 Môn học: Mô hình hóa và hệ cơ điện tử luật chuyển