Tối ưu năng lượng tiêu thụ của cánh tay máy bằng cách thiết kế bổ sung cơ cấu cân bằng đối trọng

vi MỤC LC Trang tựa Trang Quyt định giao đ tài Lý lịch khoa học i Li cam đoan ii Li cm n iii Tóm tắt lun văn iv Mc lc vi Danh sách các hình ix Danh sách các bng xi Chng 1. Tng quan 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cu, các kết quả nghiên cu trong và ngoài nước đã công bố. 2 1.2.1 Vài nét lịch sử phát triển ca robot và robot công nghiệp 2 1.2.2 Một số kết quả nghiên cu trong và ngoài nước 8 1.3 Mục đích ca đề tài 10 1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cu 10 1.5 Kết quả dự kiến đạt được 11 vii Chng 2. C s lý thuyt 12 2.1 Bậc tự do ca tay máy 12 2.2 Tối ưu 12 2.3 Tối ưu hóa 12 2.4 Bài toán tối ưu 14 2.5 Phân loại bài toán tối ưu 15 2.6 Cấu trúc hệ thống điều khiển 17 2.7 Mô hình phương trình trạng thái 17 2.8 Tâm ca hệ lực song song 19 2.9 Trọng tâm ca vật rắn 20 2.10 Các định luật ca Newton 21 2.10.1 Các khái niệm cơ bản 21 2.10.2. Các định luật ca Newton 22 2.11 Phân tích vị trí trong chuyển động 24 2.12 Phân tích vận tốc và gia tốc 25 2.12.1 Giới thiệu 25 2.12.2 Vận tốc ca vật cng 27 2.12.3 Gia tốc ca vật cng 28 2.13 Mô men lực 30 2.14 Mối quan hệ giữa moment, năng lượng và công suất……………………… 31 Chng 3. Mô hình toán tay máy 32 3.1 Đặt vấn đề 32 viii 3.2 Phân tích và giải quyết vấn đề: 33 3.3 Mô hình tay máy 36 Chng 4. Gii thut tính toán vƠ điu khin 40 4.1 Giải thuật mô phỏng điều khiển tay máy 40 4.2 Bộ điều khiển động cơ: 41 4.3 Giải thuật tính toán: 43 Chng 5. Kt qu 44 Chng 6. Kt lun vƠ hng phát trin ca đ tài 53 6.1 Những kết quả đạt được 53 6.2 Hạn chế ca đề tài 53 6.3 Hướng phát triển ca đề tài 53 Tài liu tham kho 54 Ph lc A 56 Ph lc B 62 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack 3 Hình 1.2 Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 3 Hình 1.3 Năng lượng tiêu thụ khi sử dụng giải thuật GA và không sử dụng GA 8 Hình 2.1 Hệ lực song song 19 Hình 2.2 Khâu cng phẳng với 2 nút 23 Hình 2.3 Tọa độ tham chiếu trực giao 26 Hình 3.1 Robot với hệ thống cân bằng đối trọng 32 Hình 3.2a Mô hình 34 Hình 3.2b Thực nghiệm 34 Hình 3.3 Mô hình giản lược 35 Hình 3.4 Trọng tâm C ca robot 36 Hình 3.5 Cơ cấu cân bằng đối trọng 37 Hình 4.1. Giải thuật mô phỏng điều khiển tay máy 41 Hình 4.2. Điều khiển hồi tiếp 42 Hình 4.3. Giải thuật tính toán năng lượng 43 Hình 5.1. Kết quả tính toán tối ưu 47 Hình 5.2. Góc quay yêu cầu 47 Hình 5.3. Mô phỏng chuyển động thực ca tay robot so với yêu cầu 48 Hình 5.4. Mô phỏng năng lượng tiêu thụ ca tay máy khi không có cơ cấu cân bằng đối trọng 49 Hình 5.5a. Mô phỏng năng lượng tiêu thụ ca tay máy với cơ cấu cân x bằng đối trọng 50 Hình 5.5b. Mô phỏng năng lượng tiêu thụ tối ưu ca tay máy với cơ cấu cân bằng đối trọng 51 Hình 5.6. Công suất tính toán và công suất tiêu thụ thực tế 52 Hình B.1. Hình chiếu 2D 62 Hình B.2. Đầu trục 63 Hình B.3. Đế đỡ 64 Hình B.4. Gắn bộ giảm tốc 65 Hình B.5. Gắn lò xo 66 Hình B.6. Mặt đế 67 Hình B.7. Ren 68 Hình B.8. Tấm đỡ lò xo 69 Hình B.9. Thân 70 Hình B.10. Trục xoay 71 xi DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển ca Robot 4 Bảng 5.1. Các thông số ca tay máy 44 Bảng 5.2. Giá trị tính toán 45 Bảng 5.3 Giá trị thực nghiệm 46 1 Chng 1 TNG QUAN 1.1. Đặt vấn đ Ngày nay, năng lượng luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu ca mỗi quốc gia. Chính sách năng lượng luôn lấy an ninh năng lượng làm mục tiêu phấn đấu. Những năm trước đây, khi các nguồn năng lượng còn giới hạn thì việc đảm bảo cung cấp năng lượng cho nhu cầu sử dụng ca con ngưi là hướng ưu tiên nên những ảnh hưng tiêu cực tới môi trưng và con ngưi ca các công trình năng lượng chưa được quan tâm đầy đ. Bây gi khi đã tận thu gần như cạn kiệt nguồn tài nguyên không thể phục hồi, con ngưi bắt đầu nghiên cu những phương án sử dụng nguồn năng lượng mới và các phương pháp tiết kiệm đến mc tối đa năng lượng tiêu thụ vì sự phát triển bền vững ca đất nước cũng như để bảo vệ môi trưng sống ca bản thân mình. Việc ng dụng robot vào công nghiệp diễn ra ngày càng nhanh và trên quy mô rộng lớn. Tuy nhiên các robot này ch yếu nhằm tối đa năng suất lao động, chưa xem xét đến yếu tố cần thiết như tối thiểu hoá năng lượng tiêu thụ. Hiện tại các nhà sản xuất cũng đã có nhiều cố gắng để giảm năng lượng tiêu thụ cho robot xuống bằng nhiều phương pháp như: giải thuật điều khiển thông minh, dùng động cơ phụ. Nhưng chi phí cao, phc tạp và mới chỉ là thiết kế chung cho toàn bộ hệ thống. Đối với trưng hợp cụ thể, môi trưng làm việc cụ thể, các yếu tố như không gian làm việc, vị trí làm việc ảnh hưng tới năng lượng tiêu thụ so với tính toán ca nhà sản xuất thì chưa được xem xét đầy đ Do đó việc xem xét thiết kế tiết kiệm năng lượng cho một bộ phận nhỏ, đơn lẻ , trong từng trưng hợp làm việc cụ thể là cần thiết.  đây chúng ta đang cố gắng xây dựng một hệ thống cân bằng đối trọng và giải thuật tính toán tối ưu cho robot công 2 nghiệp với mục đích giảm từ 10% đến 20% năng lượng tiêu thụ. Từ đó, áp dụng cho toàn bộ dây chuyền sản xuất lớn thì mc tiết kiệm năng lượng này khá là đáng kể. 1.2 Tng quan chung v lĩnh vực nghiên cu, các kt qu nghiên cu trong vƠ ngoƠi nc đã công bố. 1.2.1. Vài nét lịch sử phát trin ca robot và robot công nghip Nhìn ngược dòng thi gian chúng ta có thể nhận thấy rằng từ “Robot” đã xuất hiện từ khá lâu. Năm 1921 nhà viết kịch Karelcapek ngưi Séc đã viết một v kịch với tựa đề R.U.R (Rossums Universal Robot) mô tả về một cuộc nổi loạn ca những cỗ máy phục dịch. Từ “Robot”  đây có nghĩa là những máy móc biết làm việc như con ngưi. Có lẽ đó cũng là một gợi ý cho những nhà sáng chế kỹ thuật thực hiện các mơ ước về những cỗ máy bắt chước được các thao tác lao động cơ bắp ca con ngưi. Gần một thế kỷ tiếp theo, khái niệm robot đã liên tục được phát triển, đóng góp thêm bi nhiều nhà nghiên cu, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực robot. Trước những năm 1970, ngưi ta chỉ tập trung vào việc phát triển những robot tay máy hoạt động trong các nhà máy công nghiệp. Ngày nay, ngành công nghiệp Robot đã đạt được những thành tựu hết sc to lớn. Những tay máy được đặt trên một đế cố định, có thể di chuyển với tốc độ nhanh và chính xác để thực hiện các công việc có tính chất lặp đi lặp lại như hàn hoặc sơn . Một đặc điểm quan trọng ca robot công nghiệp là chúng cho phép dễ dàng kết hợp những việc phụ và chính ca một quá trình sản xuất thành một dây chuyền tự động. So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền tự động dùng robot có nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có thể tự động hoá toàn phần. 3 Hình 1.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack [21] Hình 1.2 Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 [22] 4 Tóm tắt lịch sử phát trin ca Robot Bảng 1.1 trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển ca công nghệ chế tạo Robot, và những tác động ca khoa hoc cũng như xã hội đối với từng thi kỳ. Bng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển ca Robot [5] Mốc thi gian Nghiên cu và phát trin ng dng trong công nghip Kỹ thut hỗ tr Các yu tố nh hng 1920 Khái niệm Robot xuất hiện trong tiểu thuyết 1940 Phát minh ra cánh tay máy 1950 Phát sinh khái niệm Robot thông minh Giới thiệu về bộ nhớ vòng 1960 Giới thiệu Robot điều khiển bằng máy tính. Hoạt động nghiên cu được tăng cưng. Phát triển Robot trong công nghiệp. ng dụng Robot  NASA và NAVY. Máy tính dùng transitor. Giới thiệu vi xử lý. 1970 Robot có trí thông minh nhân tạo. Sự bùng nổ lần đầu tiên ca Robot Phát triển vi xử lý Sự hạn chế ca nền kinh tế. 1980 Chế tạo ra Robot Robot công nghiệp Kỹ thuật số và kỹ Nhu cầu tăng [...]... ứ Kết luận 1.5 K t qu dự ki n đ t đ c ứ Mơ hình tốn tay máy với cơ cấu cân bằng đối trọng ứ Mơ phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab ứ So sánh góc quay u cầu và góc quay thực ch ng minh phương trình tốn đúng ứ Tính và so sánh năng lượng tiêu thụ có và khơng có cơ cấu cân bằng đối trọng ứ Lập trình Matlab, tính tối ưu ứ Thiết kế chế tạo mơ hình thực nghiệm ứ Thực nghiệm và so sánh với tính tốn ứ Tối ưu. .. trong khi tạo đư ng di chuyển tối ưu Nó có thể kết hợp nhiều robot nano làm việc đồng th i và hiệu quả 9 1.3 M c đích c a đ tài: Mục tiêu c a luận văn là xây dựng cơ cấu cân bằng đối trọng sử dụng lò xo cho tay máy nhằm tối ưu m c năng lượng tiêu thụ Những mục tiêu c a đề tài được đề ra như sau: ứ Xây dựng mơ hình tốn ứ Tính tốn tối ưu hóa năng lượng ứ Mơ hình hóa động cơ khâu khảo sát ứ Mơ phỏng hệ... pháp tối ưu như: động cơ phụ, điều khiển thơng minh, lò xo ứ Tiến hành xây dựng mơ hình tốn học ứ Từ mơ hình tốn học trên, xây dựng giải thuật tối ưu cho năng lượng tiêu thụ thơng qua các mối quan hệ được thể hiện hình 4.3 ứ Viết chương trình mơ phỏng tính tốn trên Matlab, tính tốn được kết quả ứ Thiết kế chế tạo mơ hình tay máy thực nghiệm dựa vào kết quả tính tốn trên 10 ứ So sánh giữa mơ phỏng và kết... dựng mơ hình tay máy thực nghiệm ứ Tiến hành thí nghiệm trên mơ hình tay máy để kiểm ch ng kết quả 1.4 Cách ti p c n và ph ng pháp nghiên c u ứ Đầu tiên tiến hành khảo sát loại cánh tay robot thơng dụng nhất trong cơng nghiệp hiện nay là tay máy Kuka ứ Sau khi khảo sát ta thấy bậc tư do tốn nhiều năng lượng nhất chính là khớp trong cùng c a robot do nó mang tổng khối lượng lớn nhất và cánh tay đòn dài... f(x), mọi x D (đối với bài toán Max) f(x*)  f(x), mọi x D (đối với bài toán Min) được gọi là phương án tối ưu (lời giải tối ưu) , khi đó f(x*) gọi là giá trò tối ưu của bài toán 2.5 Phân loại bài toán tối ưu [7] Với đònh nghóa bài toán tối ưu như trên ta có thể suy ra phương pháp tổng quát để giải bài toán là phương pháp duyệt toàn bộ Bản chất phương pháp này là: tìm giá trò của hàm mục tiêu f(x) trên... năng lượng tiêu thụ b i bộ thực thi trong tay máy và th i gian thực hiện, trong khi khơng vượt qua m c moment tối đa đã định trước Giải thuật tìm ra được đư ng đi ngắn nhất cho cơ cấu chấp hành với việc di chuyển các khớp ít nhất Hình 1.3 Năng lượng tiêu thụ khi sử dụng giải thuật GA và khơng sử dụng GA[16] 8  Nearchou và Aspragathos [17] (1996) giải quyết vấn đề di chuyển điểm – điểm c a tay máy robot... nghiệm và so sánh với tính tốn ứ Tối ưu năng lượng tiêu thụ được từ 10% đến 20% tổng năng lượng 11 Ch C S ng 2 Lụ THUY T 2.1 B c tự do c a tay máy[ 5] Thơng thư ng các tay máy có trên một bậc tự do Số bậc tự do hay bậc chuyển động c a tay máy là số khả năng chuyển động độc lập c a nó trong khơng gian hoạt động Trong lĩnh vực robot học (robotic) ngư i ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động (có thể là chuyển... kết quả nghiên c u  Yongfei Xiao [14] xây dựng một cơ cấu cân bằng đối trọng để tăng khả năng tải c a robot cơng nghiệp Đặc tính chuyển động c a robot tải nặng được đánh giá từ đặc tính động học Từ mơ hình động học, sử dụng lý thuyết Lagrange để phân tính lực và moment  Gouri Shankar Sharma [16] đề xuất giải thuật GA để tối ưu hố quỹ đạo di chuyển cho tay máy robot 3 khâu Mục đích là giảm thiểu năng. .. động thẳng Mơ men lực, τ, là một véc tơ mơ men, bằng kết quả phép nhân véc tơ c a lực tác dụng, F, với véc tơ cánh tay đòn (véc tơ khoảng cách từ điểm tác dụng tới tâm quay), r τ=r×F (2-34) Khái niệm cánh đòn tay, một đặc điểm về khoảng cách, là chìa khóa hoạt động c a đòn bẩy, ròng rọc, bánh răng và đa số các bộ máy cơ bản có khả năng tạo ra các mơ hình cơ học nâng cao Mơ men lực được đưa ra từ khi... chi phối để nhận được kết quả mong muốn một cách tốt nhất Từ khái niệm này để làm cho tốt nhất ta cần xác đònh: − Mục tiêu mong đợi của sự vật, sự kiện, hiện tượng mà ta quan tâm − Các yếu tố chi phối đến mục tiêu ta mong đợi và qui luật chi phối − Phạm vi diễn biến của sự vật, sự kiện, hiện tượng ta khảo sát 13 2.4 Bài toán tối ưu [7] Khi tiến hành lập kế hoạch sản xuất; khi thiết kế sản phẩm, công trình . ca tay robot so với yêu cầu 48 Hình 5.4. Mô phỏng năng lượng tiêu thụ ca tay máy khi không có cơ cấu cân bằng đối trọng 49 Hình 5.5a. Mô phỏng năng lượng tiêu thụ ca tay máy với cơ cấu cân. cân x bằng đối trọng 50 Hình 5.5b. Mô phỏng năng lượng tiêu thụ tối ưu ca tay máy với cơ cấu cân bằng đối trọng 51 Hình 5.6. Công suất tính toán và công suất tiêu thụ thực tế 52. lượng tiêu thụ có và không có cơ cấu cân bằng đối trọng ứ Lập trình Matlab, tính tối ưu ứ Thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm ứ Thực nghiệm và so sánh với tính toán ứ Tối ưu năng lượng tiêu thụ