Tiểu luận Môn học Mô hình hóa và hệ cơ điện tử

Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Câu 1: 1.1.Phân tích xác định thuộc tính đối tượng 1.2.Nghiên cứu mơ hình thực phương pháp mơ hình hố 1.3.Các bước áp dụng phương pháp mơ hình hố để xây dựng cấu trúc động học Robot : Câu 2: 2.1.Vẽ sơ đồ kết cấu Robot theo sơ đồ động 2.2 Thiết lập hệ tọa độ khảo sát – tính ma trân truyền Denavit – Hartenberg 2.3 Xác định mơ hình động lực học cho robot .10 2.4 Thiết lập phương trình động học robot 10 Câu : 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 HV: Nguyễn Thị Sinh -1- MS: CB120272 Môn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khơi LỜI NĨI ĐẦU Trong cơng Cơng nghiệp hóa - đại hóa đất nước, ngành Cơ khí có tầm quan trọng lớn, có mặt lĩnh vực hoạt động sản xuất Mà Cơ khí khơng thể khơng nhắc đến tính linh hoạt đặc biệt robot Robot ứng dụng ngày nhiều lĩnh vực công nghiệp, khám phá vũ trụ… Nó góp phần tăng suất, giải phóng sức lao động, giảm thiểu nguy tai nạn cho người… (Như làm việc hầm mỏ, nhà máy điện hạt nhân nơi có nhiều chất phóng xạ, mơi trường nhiễm, độc hại, … mà ảnh hưởng tới sức khỏe người nằm ngài khả người) Bên cạnh đó, để bắt kịp với phát triển khơng ngừng khoa học kỹ thuật địi hỏi cán khoa học kỹ thuật phải ln ln tìm tịi, hồn thiện kiến thức kiến thức Robot Là học viên cao học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội em tự ý thức cố kiến thức hoàn thiện thân Được học mơn “Mơ hình hóa robot hệ điện tử” phần giúp ta hiểu vai trị robot, tính ứng dụng ngành công nghiệp đại phương pháp xây dựng phát triển robot hoàn chỉnh Với đề tài nhận với giúp đỡ kiến thức thầy PGS.TS Phan Bùi Khôi Em cô gắng xây dựng mơ hình robot theo bước, nhiên khơng thể tránh sai sót định Em mong nhận đóng góp thấy giáo để tiểu luận thêm hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Học viên HV: Nguyễn Thị Sinh -2- MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi Nguyễn Thị Sinh HV: Nguyễn Thị Sinh -3- MS: CB120272 Môn học: Mô hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khơi Câu 1: 1.1 Phân tích xác định thuộc tính đối tượng 1.1.1 Thuộc tính cốt lõi robot: - Số khâu: - Số khớp: (3 khớp quay) - Kích thước: Nhỏ gọn - Khối lượng: nhẹ - Mơmen qn tính: bé - Lực tác dụng: nhỏ - Ma sát khớp tương đối nhỏ nên tính tốn bỏ qua 1.1.2 Mục tiêu: * Dựa vào hình vẽ đề ta phân tích nhiệm vụ robot sau: - Dùng để nâng di chuyển vật có kích thước, khối lượng nhỏ với khoảng cách cần di chuyển hẹp Ví dụ: Robot ứng dụng lắp ráp linh kiện điện tử - Yêu cầu làm việc khơng nặng nhọc tính xác u cầu cao * Căn vào mục tiêu, thực tế ta đưa mục tiêu sau: - Đưa sở chung cho việc nghiên cứu Robot - Mơ hình hố để tính tốn thiết kế theo yêu cầu thực tế - So sánh đưa giả thiết, lời giải nhanh, xác thuận lợi - Mơ robot theo tính yêu cầu 1.1.3 Đặc trưng chính: - Kết cấu nhỏ gọn - Độ xác cao - Tính linh hoạt cao 1.1.4 Tính điều khiển : Mơ hình thực có khả điều chỉnh nhanh chóng, tiện lợi, mục đích HV: Nguyễn Thị Sinh -4- MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khơi - Có thể tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp với chương trình cài đặt sẵn - Nếu yêu cầu sản xuất thay đổi ta lập trình lại 1.1.5 Chức năng: - Dùng để khoan lắp ráp linh kiện điện tử dây chuyền sản xuất 1.1.6 Hiệu mong đợi: - Hiệu cao 1.1.7 Tính tổ chức mơ hình: - Kết cấu đơn giản, dễ biểu diễn tính tốn 1.2 Nghiên cứu mơ hình thực phương pháp mơ hình hố 1.2.1 Những khó khăn nghiên cứu hệ thực * Thiết kế: - Do kích thước robot tương đối nhỏ thiết kế thơng số đầu vào robot phải thật xác - Khi tính tốn khó đưa kết tối ưu - Khó đưa kết xác nhanh - Tính tuỳ biến khơng cao (khó thay đổi nhiều thơng số đầu vào) * Chế tạo: - Các kích thước phận robot tương đối nhỏ chế tạo yêu cầu kỹ thuật cao, chế tạo phương pháp đặc biệt làm tăng giá thành robot - Phải sử dụng loại vật liệu tốt chế tạo yêu cầu cao kỹ thuật - Khó khăn khâu lắp ráp HV: Nguyễn Thị Sinh -5- MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi 1.2.2 Sự cần thiết phải sử dụng phương pháp mơ hình hố Với khó khăn nghiên cứu hệ thực trình bày việc sử dụng phương pháp mơ hình hố quan trọng có nhiều ưu điểm thuận lợi - Việc sử dụng phương pháp mơ hình hố giúp linh hoạt thiết kế Việc thiết kế, tính tốn mơ giúp ta tránh lỗi xảy Trong q trính tính tốn, mơ ta thay đổi tham số, chương trình để tìm thiết kế tối ưu Cũng vậy, việc chế tạo tốn Vì kích thước mơ hình phù hợp cho nghiên cứu khảo sát - Có tính phát triển khả công nghệ Ưu điểm thuận lợi phương pháp mơ hình hố: tính linh hoạt thiết kế, tiết kiệm thời gian, chi phí để chế tạo mơ hình cho việc nghiên cứu khảo sát trước tiến hành xây dựng mơ hình thực thơng qua mơ hệ thống phức tạp, cồng kềnh … 1.3 Các bước áp dụng phương pháp mơ hình hố để xây dựng cấu trúc động học Robot : * Vẽ sơ đồ kết cấu Robot theo sơ mô hình cho * Thiết lập hệ tọa độ khảo sát * Tính ma trân truyền Denavit – Hartenberg 1.3 - Xác định vị trí xây dựng hệ toạ độ - Lập bảng thông số DH * Xác định mơ hình động lực học cho robot * Thiết lập phương trình động học robot HV: Nguyễn Thị Sinh -6- MS: CB120272 Môn học: Mô hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi Câu 2: Dựa sơ đồ trên, ta đưa sơ đồ động học cho việc nghiên cứu khảo sát : 2.1 Vẽ sơ đồ kết cấu Robot theo sơ đồ động a3 a2 Khâu a1 Khâu d1 Khâu Khâu 2.2 Thiết lập hệ tọa độ khảo sát – tính ma trân truyền Denavit – Hartenberg Để thiết lập hệ phương trình động học robot ta cần tiến hành thực bước sau: Xác định hệ tọa độ Lập bảng thông số D - H Xác định ma trận vị trí Ai theo thơng số D - H Tính ma trận biến đổi Ti Lập phương trình động học HV: Nguyễn Thị Sinh -7- MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khơi Trong việc gắn hệ tọa độ với khâu có vai trị quan trọng Một toán động học robot hay sai thể việc gắn hệ tọa độ Khi gắn hệ tọa độ lên khâu robot cần thực nguyên tắc : Gốc tọa độ gắn liền với khâu thứ i đặt giao điểm đường vng góc chung trục khớp động (a i) trục khớp động i+1 Trường hợp trục giao gốc tọa độ lấy trùng với giao điểm Trục zi phải chọn phương với trục khớp động i+1 Trục xi hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung hướng từ khớp động i đến khớp động i+1 Trường hợp trục giao nhau, hướng trục x i trùng với hướng vector tích zi x zi-1, tức vng góc với mặt phẳng chứa zi,zi-1 Các hệ tọa độ phải theo quy tắc bàn tay phải : chọn ngón tay phương, chiều trục z, ngón tay trỏ phương, chiều trục x ngón tay biểu thị phương, chiều trục y Tuân theo phép biến đổi ma trận Ai : - Quay quanh trục zi góc θi : R(z, θi) - Tịnh tiến dọc trục zi-1 đoạn di : Tp(0,0,di) - Tịnh tiến dọc trục xi-1 đoạn : Tp(ai,0,0) - Quay quanh trục xi góc αi : R(x, αi)z Để thực nguyên tắc thiết lập hệ tọa độ cho khâu ta cần phải xác định vị trí ban đầu robot a Xác định vị trí xây dựng hệ toạ độ HV: Nguyễn Thị Sinh -8- MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi X2 Z0 θ2 a1 θ3 Z1 d1 X1 X3 a2 Z2 a3 Z3 X0 θX'1 Đặt trục toạ độ zi (i=0, 1, 2, 3) phương với trục khớp động - Trục z1 xem quay chiều so với trục z o Muốn trục xo phải vng góc với zo z1 Chọn chiều xo từ trái sang phải để góc quay α1 = 90o - Gốc O1 chọn xem tịnh tiến dọc trục x o đoạn a1 so với gốc Oo tương ứng với phép biến đổi Tp(0, x, 0) Các trục yo y1 xác định theo quy tắc bàn tay phải - Trục z2 sơ đồ có phương thẳng đứng, vị trí xem trục z quay quanh trục x1 góc α = 0o để thành z2 Gốc O2 chọn xem tịnh tiến dọc trục x1 đoạn L2 so với gốc O1 tương ứng với phép tịnh tiến Tp(0, x, 0) - Trục z3 sơ đồ có phương thẳng đứng, vị trí xem trục z quay quanh trục x1 góc α = 0o để thành z2, tương ứng với phép tịnh tiến Tp(0, 0, d3) b Lập bảng thông số D - H sau: HV: Nguyễn Thị Sinh -9- MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử Khâu θi θ1 θ2 θ3 GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi di d1 0 a1 a2 a3 αi 900 0 2.3 Xác định mơ hình động lực học cho robot cθ1  s A1 =  θ1 0  0  a1cθ1  cθ2   a1sθ1   sθ , A2 =  d1     0   sθ1 −cθ1 cθ3  s A =  θ3 0  0  0 − sθ3 cθ3 0 − sθ2 cθ2 0 a2cθ2   a2 sθ2      a3cθ3   a3sθ3      Nhân ma trận 0A1 , 1A2 , 2A3 , theo ta ma trận biểu diễn hướng vị trí khâu cuối robot  cθ1 cθ2 cθ3  sθ cθ cθ A3 =   s c  θ2 θ3   − cθ1 sθ2 sθ3 −cθ1 cθ sθ3 − cθ1 sθ cθ3 sθ1 − sθ1 sθ sθ3 − sθ1 cθ sθ3 − sθ1 sθ cθ3 −cθ1 − sθ2 sθ3 + cθ2 cθ3 0 + cθ2 sθ3 a3cθ1 cθ cθ3 − a3cθ1 sθ sθ3 + a2cθ1cθ + a1cθ1   a3sθ1 cθ2 cθ3 − a3sθ1 sθ sθ3 + a2sθ1 cθ + a1sθ1   −a3sθ2 cθ3 + a3cθ sθ3 + a2 sθ + d1    2.4 Thiết lập phương trình động học robot Việc xây dựng chương trình thực phần mềm Maple: HV: Nguyễn Thị Sinh - 10 - MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi Với thông số: a1:=0.4: a2:=0.3: a3:=0.5: d1:=0.6: θ1=0.5*(1+cos(3*t+0.5)) θ2=1.2*(1+sin(3*t+0.3)) θ3=0.8*(1+cos(3*t+0.2)) HV: Nguyễn Thị Sinh - 11 - MS: CB120272 Môn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khơi Thì ta thu kết quả: Với thông số: a1:=0.4: a2:=0.3: a3:=0.5: d1:=0.6: θ1=0.5*(1+cos(3*t+0.5)) θ2=1.2*(1+cos(3*t+0.3)) θ3=0.8*(1+cos(3*t+0.2)) Thì ta thu kết quả: HV: Nguyễn Thị Sinh - 12 - MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử HV: Nguyễn Thị Sinh GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi - 13 - MS: CB120272 Môn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khơi Câu : - Mơ hình vật lý: mơ hình để ta nghiên cứu động học (bài tốn vị trí, điểm), động lực học (bài tốn vận tốc, gia tốc, lực …) Hình mơ hình vật lý để ta nghiên cứu đối tượng câu Mơ hình giúp ta nghiên cứu động học vị trí khâu cuối (tay robot) X2 a3 Z3 X3 Z0 a1 Z1 d1 X1 a2 Z2 X0 X'1 - Mơ hình tốn học: đưa sau q trình phân tích, tính tốn từ mơ hình vật lý Mơ tả vị trí điểm tác động cuối thơng qua phương trình tốn học (Cụ thể câu phương trình động học robot) Các phương trình mơ tả vị trí hường điểm tác động cuối robot HV: Nguyễn Thị Sinh - 14 - MS: CB120272 Môn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi - Mô số: việc mô ảo đối tượng sau mơ hình hố vật lý tốn học Sử dụng phần mềm mơ Matlap, Maple … để tính tốn động học (bài tốn vị trí), tốn động lực học (bài tốn vận tốc, gia tốc, lực …) Thơng qua chương trình cho ta thấy quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối tương ứng với thông số đầu vào HV: Nguyễn Thị Sinh - 15 - MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi - Mơ hoạt động: Với thơng số tính toán thiết kế ta dùng phần mềm đồ hoạ CAD/CAE AUTOCAD, SOLIDWORKS, PRO-E, CATIA, UNIGRAPHICS mô hoạt động robot Bằng hình ảnh trực vị trí làm việc robot ta thu robot để tối ưu hóa cấu trúc HV: Nguyễn Thị Sinh - 16 - MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khơi Dưới số hình ảnh 3D mơ hoạt động robot phần mền SOLIDWORKS: HV: Nguyễn Thị Sinh - 17 - MS: CB120272 Môn học: Mô hình hóa hệ điện tử HV: Nguyễn Thị Sinh GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi - 18 - MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi TÀI LIỆU THAM KHẢO [I] Giáo trình Robotics – PGS.TS Phan Bùi Khơi [II] Giáo trình Robotics – TS Phạm Đăng Phước HV: Nguyễn Thị Sinh - 19 - MS: CB120272 ... CB120272 Môn học: Mô hình hóa hệ điện tử HV: Nguyễn Thị Sinh GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi - 13 - MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi Câu : - Mơ hình vật lý: mơ hình. .. Thị Sinh -2- MS: CB120272 Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khôi Nguyễn Thị Sinh HV: Nguyễn Thị Sinh -3- MS: CB120272 Môn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khơi...Mơn học: Mơ hình hóa hệ điện tử GVHD: PGS.TS Phan Bùi Khơi LỜI NĨI ĐẦU Trong cơng Cơng nghiệp hóa - đại hóa đất nước, ngành Cơ khí có tầm quan trọng lớn, có mặt lĩnh vực hoạt động sản xuất Mà Cơ