tính toán động học và mô phỏng robot motoman

tính toán động học và mô phỏng robot motoman

1

MỤC LỤC

Yêu cầu của đồ án

Lời nói đầu

Chương I: Tổng quan về Robot Motoman

4 

4 

4 

6   

7 

7 

10 

14   

44   

YÊU CẦU ĐỐI VỚI ĐỒ ÁN

- Tìm hiểu các thông tin về Robot Motoman. 

- Tính toán mô hình động học Robot gồm động học thuận cho các khớp và động  học ngược cho ba khớp đầu 

- Giải bài toán động lực học cho ba khớp đầu Robot 

- Giải bài toán động học vận tốc (tính toán ma trận Jacoby) 

- Xây dựng luật điều khiển và thiết kế quỹ đạo cho Robot 

- Mô phỏng kết quả tính toán được cho ba khớp đầu bằng phần mềm Matlab 

Mục  tiêu  ứng  dụng  kỹ  thuật  Robot  trong  công  nghiệp  nhằm  nâng  cao  năng  suất  dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phầm, đồng thời cải thiện điều kiện lao đông. Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra một vấn đề thời sự là làm sao 

để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt nhắm đáp ứng với sự biến động thường  xuyên  của  thị  trường  hàng  hóa.  Robot  công  nghiệp  là  bộ  phận  cấu  thành  không thể thiếu trong hệ thống sản xuất tự động linh hoạt đó. 

Ở nước ta, từ những năm 1990 trở lại đây, Robot và kỹ thuật Robot đã được ứng dụng vào  sản  xuất  khá  rộng  rãi.  Trong  những  Robot  được  ứng  dụng  vào  sản  xuất  thì  Robot Motoman là một Robot đóng góp phần đáng kể trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp ở nước  ta.  Đây  là  một  Robot  được  ứng  dụng  khá  đa  dạng  trong  nhiều  lĩnh  vực  :  hàn  tự động, các dây chuyền sản xuất công nghiệp tự động, phun sơn  

Nhận  thấy  tầm  quan  trọng  của  kỹ  thuật  Robot  nói  chung  và  ứng  dụng  của  Robot Motoman  nói  riêng,  với  kiến  thức  học  hỏi  dược  trong  quá  trình  học  tập  tại  bộ  môn  tự 

động  hóa  và  sự  hướng  dẫn  nhiệt  tình  của  cô  giáo  T.S Nguyễn Phạm Thục Anh  nhóm  sinh viên chúng em đã chọn đề tài đồ án chuyên nghành là “ROBOT MOTOMAN” với 

mục  đích  tìm  hiểu,  xây  dựng,  mô  phỏng  mô  hình  điều  khiển  robot  nhằm  ứng  dụng  lý thuyết vào thực tế. Dù được sự hướng dẫn tận tình của cô giáo nhưng do quá trình tích lũy  kiến  thức  và  kinh  nghiệm  còn  hạn  chế  nên  đồ  án  không  thể  tránh  khỏi  những  thiếu sót. Chúng em mong các thầy cô góp ý để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! 

Sinh viên thực hiện 

  Lương Đình Ngọc   Trần  Thành  Kiên 

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT MOTOMAN

1 Lịch sử phát triển sơ lược

Kể  từ  khi  Robot  đầu  tiên  được  chế  tạo  với  sản  phẩm  đầu  tiên  có  tên  gọi  người  máy công  nghiệp  là  verstran  của  công  ty  Mỹ  vào  năm  1960  các  sản  phẩm  liên  quan  đến  tay máy  công  nghiệp  bắt  đầu  được  quan  tâm  nghiên  và  nhờ  đó  kỹ  thuật  Robot  bắt  đầu  có những bước phát triển đầu tiên. 

Cùng theo bản quyền của Mỹ các nước trên thế giới đă chạy đua sản xuất robot công nghiệp,các công ty về Robot được thành lập để nghiên cứu và phát triển ,ứng dụng Robot trong tự động hoá công nghiệp. 

Yaskawa Motoman là một công ty chuyên cung cấp các giải pháp tự động hóa sáng tạo cho hầu như tất cả các ngành công nghiệp và ứng dụng robot như: hàn, lắp ráp, sơn, pha chế,  cắt  gọt  vật  liệu…  với  hơn  175  mô  hình  robot  khác  biệt  và  hơn  40  giải  pháp  công nghệ để giải quyết các công việc một cách hoàn chỉnh như các hệ thống vận hành, thiết bị 

an toàn. 

Yaskawa Motoman là công ty đi đầu trong lĩnh vực phát triển các Robot phục vụ cho các công nghệ gia công và tự động, Robot Motoman chính là sản phẩm nghiên cứu sản xuất thành công của hãng. 

 

2 Robot Motoman

a Giới thiệu chung

Robot Motoman là Robot tác động nhanh, linh hoạt, nhỏ gọn và đáng tin cậy. Đây là một loại Robot hoạt động tốt với nhiều cài đặt. Nó cũng cung cấp rất nhiều ứng dụng, với hiệu suất sử dụng cao, đảm bảo những yêu cầu về chất lượng, thời gian hoàn vốn ngắn. Motoman được thiết kế cứng và thẳng, điều này dẫn đến độ ồn làm việc thấp, thời gian bảo trì lâu. Ngoài ra nó còn được thiết kế nhỏ gọn, cổ tay mỏng, hiệu suất hoạt động cao ngay cả trong những vị trí khó. 

5

c Phân loại sản phẩm

Với dòng sản phẩm ban đầu,qua nhiều năm phát triển đã có nhiều mẫu Motoman được sản xuất dựa trên cùng một mô hình động học hệ thống nhưng có cải tiến và khác nhau về 

7

CHƯƠNG II: CÁC BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT

A BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT MOTOMAN

Áp dụng phương pháp Denavit – Hartenberg cho mô hình toán học của Robot Motoman, 

ta đặt các hệ trục  như sau:  

 

  

1

B BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ROBOT MOTOMAN

 Bài toán với dữ kiện ban đầu là vị trí của khâu tác động cuối, nhiệm vụ đưa ra là tìm giá trị của các biến khớp để đảm bảo là khi chuyển động ứng với các biến khớp đó thì khâu tác động cuối của Robot sẽ chuyển động chính xác đến vị trí này. 

Trong  bài  toán  động  học  thuận,  vị  trí  và  hướng  tay  máy  được  xác  định  từ  các  biến khớp (góc quay ở khớp quay đã biết ) 

Để điều khiển Robot  di chuyển theo các vị trí mong muốn của tay máy trong không gian,  cần  xác  định  các  giá  trị  biến  khớp  tương  ứng  với  vị  trí  và  hướng  của  tay  Robot mong muốn. Đây là nội dung của bài toán động học ngược 

Do với robot  motoman có 6 khớp quay tự do nhưng việc xác định vị trí trong không gian là bài toán của ba khớp đầu,còn 3 khớp cuối là khâu tác động tuỳ từng nhiệm vụ kỹ thuật nên trong đồ án này chúng em sẽ chỉ tính toán động học ngược và động lực học của 

11

        =

( )( )0

C MA TRẬN JACOBIEN ROBOT MOTOMAN

 = -( s3*s5*s6 - c3*(c6*s4 + c4*c5*s6))*( s3*a3 - s3*(s4*d5 - c4*s5*d6) - c3*c5*d6) +(- s3*(c6*s4 + c4*c5*s6) - c3*s5*s6)*( c3*a3 - c3*(s4*d5 - c4*s5*d6) + c5*s3*d6) 

n n n

 

 

  

1 z 31 1 x

2 y

J = =a cosq sinq -a cosq cos(q +q ) q

2 x

3 y

3 z

p =cos(q ) a -a cosq -a sin(q +q ) +s d

p =sin(q ) a -a sinq -a sin(q +q ) -cosq d

p =d +a cosq +a cos(q +q )

L q

L dt

+

2

1

J ii 2

Với Ji là Momen quán tính của khớp thứ i 

c1 g1

a c

a s

p =1

1 g1 1 c1

-a s θ

a c θ

p = 0

Động năng thanh nối thứ nhất:

2

- 01

g g c

c3 g3

a c

a s

p =d1

a s-s s2 -c s c a s -a s s

+ θ (a +a s +a s +d -2a a s -2a a s +2a a s )+ θ (a +a +2a2ag3c3)

+ θ a )+J θ )



 

(d a c -d a c )θ -2m d a c θ+(2m a s c -2a m a c +2a s c +2a s c -2a a c +2a a c )θ





  2 2

2 g3 23 23 1 g3 3+ 2 g3 23 3 3 g3 g3 23 3 g3 2 2

=0

θ





3 3 g3 g3 23

.s -2m d a s )+θ 2m d a s

2

- 2θ a a s -θ θ (2m d a s +2d a s )+a m gc





 

c Phương trình động lực học viết dưới dạng ma trận trạng thái:

V =(2m a s c -2a m a c +2a s c +2a s c -2a a c +2a a c ) θ

+(2a s c -2a a c +2a a c ) θ +(2m d a c -2m d a s ) θ

CHƯƠNG IV XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG

1 Thiết kế bộ điều khiển dùng phương pháp PD bù trọng trường

Bài toán đặt ra là xác định cấu trúc bộ điều khiển đảm bảo hệ thống ổn định tuyệt đố xung quanh điểm cân bằng, không phụ thuộc vào khối lượng thanh nối và tải.  

 

2 Thiết kế quỹ đạo bậc ba cho Robot

Bài toán thiết kế quỹ đạo cho khớp là xác định đường biểu diễn của vị trí khớp ( góc quay của khớp quay hoặc độ di chuyển của khớp tịnh tiến ) theo thời gian khi di chuyển 

từ vị trí ban đầu   đến vị trí cuối cùng  trong thời gian   ,với q là biến khớp tổng quát.Quỹ đạo di chuyển của khớp giữa hai vị trí sẽ thoả mãn 4 điều kiện : 

- Vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng. 

- Tốc độ tại vị trí ban đầu và tại vị trí cuối cùng. 

Do đó đa thức bậc 3 sẽ thích hợp cho quỹ đạo của khớp robot : 

q(t)=  + t+  +    Các điều kiện đầu và cuối: 

35

3 Mô phỏng 3 khớp đầu robot

a Mô hình điều khiển PD bù trọng trường trên Simulink

Kết quả chạy mô phỏng:

Đáp ứng đầu ra với bộ điều khiển PD 

37

Nhận xét :

Nhờ việc chọn đúng thông số của hai bộ điều khiển Kp và Kd do vậy các đường đăc tính có chất lượng tốt : thời gian xác lập nhanh <0.6s, độ quá điều chỉnh của cả ba trường hợp gần như băng không . 

b Mô phỏng phương pháp điều khiển PD bù trọng trường có thiết kế quỹ đạo bậc 3

Sơ đồ cấu trúc trên Simulink: 

  

Kết quả mô phỏng

 

 Kết quả mô phỏng PD có quỹ đạo bậc 3 

Mô  tả:  Một  khối  Ground  biểu  diễn  một  điểm  cố  định  trong  hệ  tọa  độ  tuyệt  đối.Gắn khối này với một bên của khớp để ngăn chặn sự chuyển động cảu bên đó của khớp. Như vậy thì khối này tương ứng với ngàm. 

Ground nằm trong thư viện bodies và nó chính là một body đặc biệt.Nhung chúng ta chỉ có thể nối một đầu cảu nó với một khớp.Các khối ground tự động lấy hệ tọa độ có các trục song song với hệ tọa độ động(gắn tại một trong các ground khác trước đó) và gốc tại ground point. 

d Khối revolute

Mục đích: Biểu diến một khớp quay kết hợp với bậc tự do tịnh tiến. 

 

Mô tả: Khối revolute miêu tả một bậc tự do quay đơn xung quanh một trục xác định giữa hai body. Khớp quay được xác định theo quy tắc bàn tay phải. 

e Khối joint actuator

Mục đích: Tác động lực/mô men hoặc tạo chuyển động cho một khớp nguyên thủy. 

 

Mô tả : khớp giưã hai body thể hiện bậc tự do tương đối giữa những body. Khối Joint actuator kích hoạt một khối joint nối giữa hai body với một trong những tín hiệu sau: + Một lực suy rộng: Lực do chuyển động tịnh tiến dọc theo khớp nguyên thủy lăng trụ hoặc mô men cho chuyển động quay quanh một khớp nguyên thủy quay. 

+ Một chuyển động: Chuyển động tịnh tiến cho khớp nguyên thủy lăng trụ, dưới dạng 

vị trí, vận tốc và gia tốc theo chiều dài. Tín hiệu vận tốc phải là đạo hàm của tín hiệu vị trí và gia tốc là đạo hàm cảu vận tốc. 

f Khối Joint sensor

Mục đích: Đo chuyển động và lực /mô men của khớp nguyên thủy. 

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Bài giảng Robot công nghiệp ( TS Nguyễn Phạm Thục Anh )