Robot thiết kế cơ khí và phần cứng

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương Robot: thiết kế khí phần cứng GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Sự phát triển khoa học kỹ thuật ngày nhanh góp phần nâng cao suất lao động Đặc biệt đời phát triển công nghệ chế tạo Robot nhằm tạo tự động hóa trình sản xuất giảm sức lao động chân tay người lao động Đối với nước Robot nghiên cứu chế tạo để ứng dụng vào sản suất Riêng nước ta lónh vực mẽ Tuy có đầu tư để nghiên cứu hạn chế, dùng mô hình cánh tay máy để phục vụ trực tiếp cho công việc giảng dạy trường nhằm giúp cho sinh viên hiểu rõ lý thuyết, tạo điều kiện cho việc dạy học sinh động Bức xúc trước nhu cầu tìm hiểu tay máy công nghiệp từ thân người yêu thích lónh vực này, em bắt tay vào việc thực nghiên cứu đề tài: “Robot: thiết kế khí phần cứng” I MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu Robot có nhiệm vụ kẹp vật băng chuyền A đặt lên băng chuyền B Vật chuyển động băng chuyền A chạm đến công tắc hành trình băng chuyền A dừng chuyển động Robot di chuyển đến vò trí đònh trước kẹp vật Sau Robot tiếp tục di chuyển đến vò trí khác để đặt vật lên băng chuyển B Băng chuyền B tải vật nơi khác Hình 1: Sơ đồ hoạt động cánh tay Robot Vật Vật GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN Công tắc I- SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng II PHƯƠNG HƯỚNG GIẢI QUYẾT Sơ đồ thành phần cánh tay Robot: Hồi tiếp vò trí Giao tiếp từ máy tính Mạch vi điều khiển Mạch điều khiển motor đònh vò Cánh tay Robot Phần giao tiếp ngõ từ máy tính gồm có: phần mềm giao diện máy tính viết phần ngôn ngữ Visual Basic dùng để nhận tín hiệu điều khiển bàn phím máy tính phần xuất liệu qua mạch vi điều khiển thông qua cổng song song Phần mạch vi điều khiển gồm có: hai vi điều khiển Pic 16F84 nhận vò trí Trung tâm Học liệu ĐH Thơ đònh vò từ má y tính Cần nhận tín hiệu@ hồiTài tiếp liệu vò học trí đểtập điều khiểnghiên n cánh taycứu Robot Phần mạch điều khiển motor đònh vò: mạch thúc motor, cảm biến xung để đònh vò công tắc hành trình Phần cánh tay Robot: khí cho cánh tay bậc tự tay gắp Ngoài có nguồn dùng để cung cấp điện cho mạch khiển Trong đề tài thiết kế hai phần: mạch điều khiển motor đònh vò cánh tay Robot GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Chương SƠ LƯC VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP Về mặt truyền động điều khiển, Robot cấu tạo từ khối cấu trúc khí hoạt động nhờ cấu tác động Những cấu tác động hoạt động phối hợp với để thực công việc phức tạp điều khiển phận có cấu tạo máy tính Thuật ngữ “tay máy” “Robot” quan niệm nhiều nhà chuyên môn lónh vực khác biệt Để thuận tiện trình bày, ta hiểu tay máy dạng Robot có cấu tạo mô theo đặc điểm cấu tạo cánh tay người Cũng hiểu tay máy tập hợp phận cấu khí thiết kế để hình thành khối có chuyển động tương nhau, gọi khâu động Trong đó, phần liên kết khâu động gọi khớp động hay gọi trục Tay máy bao gồm cấu tác động phần tử thực thực chuyển động để vận hành tay máy Tay gắp phận tác động cuối tay máy, nơi cầm nắm thiết bò công nghệ hay vật cần di chuyển Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu I Giới thiệu Một số Robot Robot xuất vào năm 1922 “Rosum’s Universal Robot” nhà soạn kòch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, từ robot cách gọi tắt từ robota – theo tiếng Tiệp có nghóa “công việc lao dòch” Năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, năm hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cấu tác động động điện kết hợp với cử động hành trình Năm 1954, Goertz chế tạo dạng tay máy đôi sử dụng động servo nhận biết lực tác động lên khâu cuối Năm 1968, R.S Moshssher chế tạo thiết bò biết chân, có chiều dài m, nặng 1.400 kg, sử dụng động đốt có công suất gần 100 mã lực Mặc dù thiết bò hoạt động tốt, song điều khiển phức tạp làm cho người điều khiển chóng mệt mỏi GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Năm 1970 xe tự hành thám hiểm bề mặt mặt trăng Lunokohod điều khiển từ trái đất Năm 1976 cánh tay Robot không gian sử dụng tàu thám hiểm Viking quan Không gian NASA Hoa Kỳ để lấy mẫu Hoả Hình II.1 : Robot R2D2 HÌNH II.2: ROBOT KỸ THUẬT “I_WALK” Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu Hình II.3: Cánh tay robot công nghiệp II PHÂN LOẠI ROBOT CÔNG NGHIỆP Thường Robot công nghiệp phân loại dựa vào yếu tố: dạng hình học không gian hoạt động, hệ Robot, điều khiển, nguồn dẫn động Phân loại theo dạng hình học không gian hoạt động Để dòch chuyển khâu tác động cuối robot đến vò trí đối tượng thao tác cho trước không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển động dời hay chuyển động đònh vò (thường dùng khớp tònh tiến khớp quay) Những loại robot công nghiệp thực tế thường không sử dụng bốn bậc chuyển động chuyển dời (không kể chuyển động kẹp tay gắp) thông GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng thường với ba bậc chuyển động đònh vò đủ, sử dụng đến bốn bậc chuyển động đònh vò Robot phân loại theo phối hợp ba trục chuyển động sau bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt Vùng giới hạn tầm hoạt động robot gọi không gian làm việc Tùy theo không gian hoạt động ta có loại Robot sau: - Robot tọa độ vuông góc: robot loại có ba bậc chuyển động tònh tiến dọc theo ba trục vuông góc Hình II.4: Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc sơ đồ hoạt động robot tọa vuông góc - Robot a độ Cần trụ: haiThơ bậc chuyể độngliệu tònh tiế n vàtập trục nghiên quay Trung tâm Học liệutọĐH @ nTài học cứu Hình II.5: Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc sơ đồ hoạt động robot toạ độ trụ - Robot tọa độ cầu: bậc tònh tiến hai trục quay Hình II.6: Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc sơ đồ hoạt động robot toạ độ cầu GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng -Robot khớp lề:ba bậc chuyển động quay, bao gồm robot SCARO Hình II.7: Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc sơ đồ hoạt động robot khớp lề Trung tâm Học ĐH Cần Thơ Tài liệulàhọc vàđồnghiên Hìnhliệu II.8: Nguyê n lý hoạ t độn@ g, khô ng gian m việtập c sơ hoạt độngcứu robot dạng SCARA 2.Phân lại theo hệ Robot Theo trình phát triển robot, ta chia theo mức độ sau đây: -Robot hệ thứ : Bao gồm dạng robot hoạt động lặp lại theo chu trình không thay đổi, theo chương trình đònh trước Chương trình có hai dạng: chương trình “cứng”; không thay đổi điều khiển hệ thống cam điều khiển với chương trình thay đổi theo yêu cầu công nghệ môi trường sử dụng nhờ panel điều khiển máy tính Đặc điểm: + Sử dụng tổ hợp cấu cam với công tắc giới hạn hành trình + Điều khiển vòng hở + Có thể sử dụng băng từ băng đục lỗ để đưa chương trình vào điều khiển, nhiên loại thay đổi chương trình GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng - Robot hệ thứ hai: Trong trường hợp robot trang bò cảm biến cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi trở lại hệ thống điều khiển trạng thái, vò trí không gian robot thông tin môi trường bên trạng thái, vò trí đối tượng thao tác, máy công nghệ mà Robot phối hợp, nhiệt độ môi trường v.v , giúp cho điều khiển lựa chọn thuật toán thích hợp để Robot thực thao tác xử lý phù hợp Nói cách khác, Robot với điều khiển theo chương trình tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với thay đổi môi trường thao tác Dạng robot với trình độ điều khiển gọi robot điều khiển thích nghi cấp thấp Robot hệ bao gồm robot sử dụng cảm biến điều khiển cho phép tạo vòng điều khiển kín kiểu servo Đặc điểm: + Điều khiển vòng kín chuyển động tay máy + Có thể tự đònh lựa chọn chương trình đáp ứng dựa tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ chương trình cài đặt từ trước Trung tâm Học liệu tập + Hoạ t độnĐH g củaCần robotThơ có thể@ lậpTài trìnhliệu đượchọc nhờ cá c cô ng nghiên cụ bàncứu phím, panel điều khiển -Robot hệ thứ ba: Đây dạng phát triển cao robot tự cảm nhận Các robot trang bò thuật toán xử lý phản xạ logic thích nghi theo thông tin tác động môi trường lên chúng; nhờ Robot tự biết phải làm để hoàn thành công việc đặt cho chúng Hiện có nhiều công bố thành tựu lónh vực điều khiển phòng thí nghiệm đưa thò trường dạng robot giải trí có hình dạng động vật máy Robot hệ bao gồm robot trang bò hệ thống thu nhận hình ảnh điều khiển, cho phép nhìn thấy nhận dạng đối tượng thao tác Đặc điểm: + Có đặc điểm loại điều khiển hoạt động sở xử lý thông tin thu nhận từ hệ thống thu nhận hình ảnh + Có khả nhận dạng mức độ thấp phân biệt đối tượng có hình dạng kích thước khác biệt GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng -Robot hệ thứ tư: Bao gồm robot sử dụng thuật toán chế điều khiển thích nghi trang bò bước đầu khả lựa chọn đáp ứng tuân theo mô hình tính toán xác đònh trước nhằm tạo ứng xử phù hợp với điều kiện môi trường thao tác Đặc điểm : + Có đặc điểm tương tự hệ thứ hai thứ ba, có khả tự động lựa chọn chương trình hoạt động lập trình lại cho hoạt động dựa tín hiệu thu nhận từ cảm biến + Bộ điều khiển phải có nhớ tương đối lớn để giải toán tối ưu với điều kiện biên không xác đònh trước Kết toán tập hợp tín hiệu điều khiển đáp ứng robot - Robot hệ thứ năm : tập hợp robot trang bò trí tuệ nhân tạo Đặc điểm: + Robot trang bò kỹ thuật trí tuệ nhân tạo nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác đònh khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc,v.v Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu để đònh giải vấn đề nhiệm vụ đặt cho + Robot trang bò mạng Neuron có khả tự học + Robot trang bò thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự suy nghó đònh cho ứng xử tương thích với tín hiệu nhận từ môi trường theo thuật toán tối ưu hay nhiều mục tiêu đồng thời Phân loại Robot theo điều khiển - Robot gắp đặt Robot thường nhỏ sử dụng nguồn dẫn động khí nén Bộ điều khiển phổ biến điều khiển lập trình (PLC) để thực điều khiển vòng hở, Robot hoạt động vào tín hiệu phản hồi từ tiếp điểm giới hạn hành trình khí đặt trục tay máy - Robot đường dẫn liên tục Robot loại sử dụng điều khiển servo thực điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển liên tục hệ thống robot lập trình theo GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng đường xác Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn biểu diễn loạt điểm rời rạc gần lưu vào nhớ robot, sau robot thực lại xác đường dẫn Phân loại Robot theo nguồn dẫn động - Robot dùng nguồn cấp điện Nguồn cấp điện cho robot thường DC để điều khiển động DC Hệ thống dùng nguồn AC chuyển đổi sang DC Các động sử dụng thường động bước, động DC servo, động AC servo Robot loại có thiết kế gọn, chạy êm, đònh vò xác Các ứng dụng phổ biến robot sơn, hàn Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ Tài học nghiên cứu Hình II.9: @ Robot dùnliệu g nguồ n điệtập n - Robot dùng nguồn khí nén Hệ thống cần trang bò máy nén, bình chứa khí động kéo máy nén, Robot loại thường sử dụng ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy xy-lanh khí nén thực chuyển động thẳng chuyển động quay Do khí nén lưu chất nén nên robot loại thường sử dụng thao tác gắp đặt không cần độ xác cao - Robot dùng nguồn thủy lực Nguồn thủy lực sử dụng lưu chất không nén dầu ép Hệ thống cần trang bò bơm để tạo áp lực dầu Tay máy xy-lanh thủy lực chuyển động thẳng quay động dầu Robot loại sử dụng ứng dụng có trọng tải lớn GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Chương ĐỘNG HỌC ROBOT I CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI DÙNG MA TRẬN THUẦN NHẤT Biến đổi tọa độ dùng ma trận 1.1 Vector điểm tọa độ Vector điểm (point vector) dùng để mô tả vò trí điểm không gian chiều Trong không gian chiều, điểm M biểu diễn nhiều vector hệ tọa độ (coordimate frame) khác nhau: Trong hệ tọa độ o i xi yi zi điểm M xác đònh vector r i: ri = ( rxi, ryi, rzi )T (3.1) điểm M hệ tọa độ o i xi yi zi mô tả vector r i: ri = ( rxi, ryi, rzi )T Trung (3.2) Ký hiệu ( )r biểu thò phép chuyển vò (Transportation) vector hàng thành tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu vector cột Zi Yi Oi Xi Rj ri Xj Zj Oi Yj Hình III.1: Biểu diễn điểm không gian Ở sau dùng hệ tọa độ thuận, tức hệ tọa độ chọn theo qui tắc bàn tay phải chọn ngón tay phương, chiều trục z, ngón tay trỏ phương, chiều trục x ngón tay biểu thò phương, chiều trục y Vector r = ( rx, ry, rz )T không gian chiều, bổ sung thêm thành phần thứ thể vector mở rộng: ~ r = ( ωrx, ωry, ωrzω )T (3.3) Thì cách biểu diễn vector điểm không gian tọa độ (homogeneous coordinate) Dưới để đơn giản hóa, chỗ không gây nhầm lẫn, bỏ qua ký hiệu (~) vector mở rộng (3.3) GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 10 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Đây hàm truyền cần xác đònh, tỷ số tín hiệu (góc quay ) tín hiệu vào hệ thống ( điện áp U) Biến đổi (5.14) dạng sau: Ka θ L (s) = U a (s) s[(sL a + R a )(sJ + f ) + K a K b ] (5.15) (8.61) Bởi hệ thống gồm có động phụ tải nên tín hiệu góc quay trục phụ tải công thức (5.1) Cuối hàm truyền chuyển động bậc tự tay máy là: nK a θ L (s) = U a (s) s[(sL a + R a )(sJ + f ) + K a K b ] (8.62) (5.16) sơ đồ khối tương ứng hình 8.21: V Hình V.5: Hàm truyền chuyển động bậc tự Trung tâm Học liệu Tài nghiên Để đơn giảnĐH hoá Cần Thơ không @ xét đế n ảliệu nh hưởhọc ng củtập a điệnvà cảm phần ứngcứu La thường nhỏ so với nhân tố ảnh hưởng khí khác Phương trình (5.16) lại sau: nK a θ L (s) = U a (s) s[sR a J + R a f + K a K b ] (5.17) (8.63) Điều khiển chuyển động khớp động Nhiệm vụ điều khiển lúc cho động chuyển dòch khớp động góc góc quay tính toán để đảm bảo theo quỹ đạo chọn Việc điều khiển thực sau: theo tín hiệu sai lệch giá trò thực tế giá trò tính toán vò trí góc mà điều chỉnh điện áp U a(t) vào động Hay nói khác đi, để điều khiển theo quỹ đạo phải đặt điện áp vào động tỷ lệ thuận với độ sai lệch góc quay khớp động U a (t ) = Với K p e(t ) n = [ ~ K p θL (t ) − θL (t ) n ] (8.64) (5.18) Kp-hệ số truyền tín hiệu phản hồi vò trí ~ e(t)-độ sai lệch góc quay: e(t ) = θL (t ) − θL (t ) GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 55 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Giá trò góc quay tức thời (t) đo báo cảm biến quang học áp Biến đổi Laplace phương trình (5.18): ~ K p θ L (s) − θ L (s) K p E(s) U a (s) = = n n [ ] (8.65) (5.19) thay (5.19) vào (5.17) K aK p θ L (s) = = G(s) E(s) s[sR a J + R a f + K a K b ] (5.20) (8.66) Sau biến đổi đại số đơn giản ta có hàm truyền: K aK p θL (s) = = (s) s R a J + s(R a f + K a K b ) + K a K p = K a K p / RJ KK [R f + K a K b ] s+ a p s2 + a RaJ RaJ (5.21) (8.67) Từ phương trình (5.21) hệ điều chỉnh tỷ lệ dòch chuyển khớp động Trung tâm Thơ học tậphệvà hệ bậHọc c Nếliệu u cácĐH hệ sốCần phương trình@ bậcTài nàliệu y dương ổnghiên n đònh Đểcứu nâng cao đặc tính động lực học hệ để giảm sai số tónh tăng hệ số K xét tới đạo hàm độ sai lệch dòch chuyển qua hệ số K Muốn điện áp điều khiển động tỷ lệ thuận với độ sai lệch dòch chuyển đạo hàm Ua = ~ ~& K p [θL (t ) − θ L (t )] + k[θ L (t ) − θ& L (t )] n = K p e(t ) + K v e& (t ) n = (5.22) (8.68) Như vậy, có liên hệ phản hồi hệ thống trở thành khép kín Sau biến đổi Laplace biểu thức (5.22) thay U vào (5.20) ta có hàm truyền: K a (K p + sK v ) K aK vs + K aK p θ L (s) = = = G v (s) E(s) s[sR a J + R a f + K a K b ] s(sR a J + R a f + K a K b ) (5.23) (8.69) Từ có: GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 56 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng K aK vs + K aK p G v (s) θ L (s) = = ~ θ L (s) + G v (s) s R a J + s(R a f + K a K b + K a K v ) + K a K p VI (8.70) (5.24) Hình V.6: Sơ đồ điều khiển chuyển dòch khớp động có liên hệ phản hồi Đánh giá đặc tính động lực hệ điều khiển Trước hết cần nghiên cứu phạm vi thay đổi hệ số truyền phản hồi vò trí vận tốc (hệ số Kp hệ số Kv) Như biết, phương trình đặc trưng hệ bậc có dạng chuẩn sau: s + 2ξωn s + ω2n = Với ξvà ωn (5.25) (8.71) – hệ số giảm chân tần số riêng hệ dao động Đối chiếu phương trình (8.70) (8.71) ta có: K K Trung tâm Học liệu ωĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu = (8.72) a n p JR ξω n = a R a f + K K JR a b + K a K v (5.26) a Để đảm bảo chế độ làm việc có giảm chấn cần thiết Do vậy: ξ= R a f + K aK b + K aK v ≥1 K a K p JR a (8.74) (5.27) Từ điều kiện (5.27): Kv ≥ K a K p JR a − R a f − K a K b Ka (5.28) (8.75) Để tránh dao động cộng hưởng, thường chọn: ωn ≤ 0,5ωr (8.76) (5.29) với – tần số cộng hưởng hệ kết cấu GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 57 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Tần số cộng hưởng hệ kết cấu chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu chế tạo tay máy Nếu gọi độ cứng vững hệ khớp động K mômen gây nên Kcvθm(t) cân với mômen quán tính động cơ: J&θ& m (t ) + K cv θ m (t ) = (8.77) (5.30) Phương trình đặc trưng biểu thức (5.30) sau biến đổi Laplace là: Js + K cv = (8.78) (5.31) Giải phương trình tìm tần số cộng hưởng: K  ωr =  cv   J  1/ (5.32) (8.79) Nếu tần số cộng hưởng đo ứng với mômen quán tính J biết, mômen quán tính J, tần số cộng hưởng tương ứng là: 1/ J  ωr = ω0    J (8.80) (5.33) Theo điều kiện (5.30ø từ(5.26): ω JR Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ học tập nghiên cứu < K@ < Tài liệu (8.81) (5.34) r p 4K a a Tính thêm biểu thức (5.33) : < Kp < ω2r J R a 4K a (5.35) (8.82) Biết K, thay vào (5.29) nhận được: K≥ GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN R a ω0 J J − R a f − K a K b Ka I- 58 (5.36) (8.83) SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Điều khiển chuyển động robot nhiều bậc tự Nhiệm vụ quan trọng việc điều khiển robot đảm bảo cho điểm tác động cuối E cấu tay máy phải dòch chuyển bám theo quỹ đạo đặt trước Không thế, hệ toạ độ x,y,z gắn liền điểm E phải trì theo đònh hướng Tuy nhiên giải toán chưa xét tới điều kiện thực tế thực hiện, có tác động mômen lực, môi trường làm việc v.v Các yếu tố lần lược tính tới phương pháp điều khiển trở nên đa dạng phong phú hơn, tuỳ theo yêu cầu nâng cao chất lượng điều khiển Như biết, khớp động robot điều có nguồn động lực riêng, nên điều khiển robot điều khiển nguồn động lực độc lập Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển robot mô tả hình Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu VII Hình V.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển Hình trên: qd vectơ vò trí đặt biến khớp; q vectơ vò trí tức thời biến khớp; q& vectơ tốc độ thay đổi biến khớp tương ứng; FM vectơ lực động tạo nên khớp động Đó lực mômen tạo nên nguồn động lực khớp động Phương trình động lực học robot viết dạng ma trận FM = D(q)&q& + h(q, q& ) + c(q) (5.37) (8.84) Cấu trúc điều khiển lựa chọn luật điều khiển tỷ lệ – đạo hàm (5.38) FM = K p ε + K D ε& (8.85) GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 59 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Trong đó: ε - sai số vò trí khớp động: ε = q − q d ε& -sai số tốc độ: ε& = q& − q& L Kp-ma trận đường chéo hệ số khuếch đại n khớp động: K= diag(KP1,KP2, …,KPn) KD-ma trận đường chéo hệ số đạo hàm n khớp động:K D= diag(KD1,KD2, …KDn) Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi với cấu trúc điều khiển PD có dạng đơn giản hình Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu VIII Hình V.8: Sơ đồ cấu trúc hệ thống với điều khiển PD có độ tắt dần Hình trên, tín hiệu đặt vò trí q d so sánh với vò trí tức thời q độ sai lệch tác động vào khâu khuếch đại với hệ số K p Tín hiệu khâu tỷ lệ cộng đại số với tín hiệu tắt dần tỷ lệ với tốc độ khớp động FM = K p (q d − q) + K D q& (8.86) (5.39) Hệ thống với cấu trúc luật điều khiển PD có độ tắt dần không thích hợp với số kiểu robot Một dạng hệ thống điều khiển khác giới thiệu hình có bổ sung thêm tín hiệu đặt tốc độ q& d độ sai lệch tốc độ ε& tác động vào khâu khuếch đại K D Độ xác tónh hệ thống điều khiển nâng cao cách tăng hệ số khuyếch đại Kp Tuy nhiên hệ số Kp lớn làm giảm độ ổn đònh hệ thống làm tăng độ nhiễu Bộ điều khiển có cấu trúc PID(tỷ lệ – tích GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 60 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng phân – đạo hàm) khắc phục điều khiển PD Khi phương trình lực động F tác động lên khớp động có dạng: t FM = K P ε + K D ε& + K i ∫ (τ)dτ (8.87) (5.40) Trong đó: Ki-ma trận đường chéo hệ số tích phân n khớp động: Ki = diag(Ki1,Ki2, …,Kin) Như vậy, tuỳ theo cấu trúc ta lựa chọn cho điều khiển II Motor DC Cấu tạo vận hành động DC Động DC kiểu nam châm vónh cửu gồm phần chính: - Nam châm kích từ - Cuộn dây phần ứng - Bộ chuyển mạch - Chổliệu i chuyể n mạCần ch Trung tâm Học ĐH Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu Mỗi chổi chuyển mạch nối với đoạn chuyển mạch, cuộn dây phần ứng kết nối đoạn chuyển mạch cho phép dòng điện chạy mạch Dòng điện phần ứng tạo nên từ trường xung quanh cuộn dây phần ứng, từ trường tương tác với từ trường tạo nam châm kích từ sản sinh Moment quay(T) Moment quay phần ứng tương ứng với từ trường phần ứng dòng điện phần ứng Tỷ lệ Moment quay với biên độ dòng điện phần ứng số Moment quay động Đối với động loại nhỏ, có số Moment quay Kt Khi Moment quay đủ lớn để thắng tải khí động phần ứng quay Chổi chuyển mạch điều khiển hướng dòng điện nhằm trì từ trường cho việc quay phần ứng Sức phản điện động chống lại điện áp cung cấp GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 61 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Phương pháp điều khiển động Dùng điện áp DC 5à 9V Cấp nguồn chiều theo yêu cầu Thay đổi chiều quay cách hoán vò cực - + M - +M + - + - IX X Hình V.9 : Phương pháp đảo chiều quay motor Để làm công việc , mạch điều khiển ta trang bò cầu dao đảo rơle điện từ Trong đề tài cầu đảo pha IC BA 6209 dùng để thúc đảo chiều quay cho motor Dựa theo nguyên lý ứng dụng lắp ráp ROBOT chuyển động đảo chiều đảo chiều hành trình chuyển động khớp Trung tâm Học liệu nĐH Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu 3.Nguyê lý hãCần m ngượ c Đối với động chiều công việc hãm ngược đơn giản hơn, giảû sử: động chạy theo chiều đó, chiều ngược chiều kim đồng hồ Khi ngưng cấp nguồn đồng thời đưa nguồn điện khác ngược chiều với nguồn hoạt động động bò hãm cưỡng bức, lúc lực từ có chiều ngược lại ta điều chỉnh thời gian cho động dừng hẳn cấp nguồn Về thời gian hãm ngược phụ thuộc vào người thiết kế chương trình điều khiển Tốc độ động điều chỉnh phụ thuộc vào điện áp nguồn đưa vào GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 62 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Biểu đồ biểu thò mối quan hệ điện áp tốc độ động cơ: n O u Hình V.10: Giản đồ biểu thò mối quan hệ điện áp tốc độ động Qua giản đồ ta thấy tốc độ động tỉ lệ thuận với điện áp nguồn cung cấp Để đảm bảo động chạy ổn đònh thiết kế nên chọn nguồn có điện áp tải đến 3A III Motor servo mạch khiển Cấ u tạĐH o motor servo Trung tâm Học liệu Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu Motor servo đồ án loại motor DC có hồi tiếp đếm xung Bộ đếm xung cảm biến tia hồng ngoại Đóa đếm xung Motor Phototrasistor Led Xung từ phototransistor Hình V.11: Cấu tạo motor servo GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 63 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Khi motor quay mang theo đóa đếm xung quay theo Đóa đếm xung cắt tia hồng ngoại làm cho tia hồng ngoại chiếu vào phototrasistor gián đoạn Xung phát từ phototrasistor có dạng xung vuông có dạng hình Xung đưa đếm vi điều khiển để đònh vò trí cho cánh tay Robot XI XII Hình V.12: Một số motor servo 2.Ghép quang kiểu thấu xá: LED phát thu hồng ngoại kiểu thấu xạ có hình dạng sau: Vật chắn sáng Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học Led tậpphá vàt nghiên cứu sáng võ Led thu quang Chân dẫn XIII Hình V.13: Sơ đồ ghép quang kiểu thấu xạ Đây linh kiện có hình chữ U gồm cặp led phát thu hồng ngoại đặt hai cánh chữ U diện đối diện Giống ghép quang kiểu phản xạ làm việc với ghép quang kiểu thấu xạ led phát hồng ngoại thông qua dòng điện chiều cố đònh làm cho phát sáng Như vậy, led phát thu vật thể không suốt trở ngại led thu hồng ngoại nhận ánh sáng phát led phát Khi có vật thể không suốt chắn led phát thu led thu quang không nhận ánh sáng chiếu ghép quang từ led phát, lúc led thu quang đưa tín hiệu Tín hiệu dùng tạo xung hồi tiếp cho đếm, đònh vò trí khớp GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 64 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Mạch điều khiển motor: Do cường động dòng điện lối vi điều khiển thấp khoảng 10 mA đủ làm cho led phát sáng cần có mạch thúc để điều khiển motor IC dùng đề tài BA 6209 có khả thúc motor đảo chiều quay motor BA 6209 loại IC dùng để thúc motor Nó có hai ngõ vào để điều khiển motor ba chế độ: quay thuận kim đồng hồ, ngược kim đồng hồ hãm ngược Một số đặc tính: Chòu dòng điện tối đa là: 1,2 A Chòu điện tối đa là: 18 V Nguồn nuôi IC nhỏ(Vcc = 12V; I = 5,5 mA) Ngõ điều khiển motor loại CMOS Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu Hình V.14: Sơ đồ khối IC BA 6209 GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 65 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Mạch điện ứng dụng IC BA 6209: Hình V.15: Thiết kế cho loại motor 6V J2 R1 11 13 6 10 12 14 SW1 SW2 SW_PB_SPST VCC RESISTOR U1 R2 FIN RESISTOR RIN VCC VOUT1 VOUT2 VCC R2 RESISTOR J1 R1 RESISTOR 10 11 D1 VR VZ1 VZ2 Q1 PHOTO NPN LED CON2 Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu SW_PB_SPST CON14A C2 C1 CAP VCC1 VCC2 BA6209/SIP CAP VCC VCC R2 RESISTOR R1 RESISTOR R1 SW1 R1 SW1 SW2 SW_PB_SPST SW_PB_SPST RESISTOR U1 R2 FIN RESISTOR RIN VCC J1 SW_PB_SPST VR VZ1 VZ2 SW2 SW_PB_SPST 10 VOUT1 VOUT2 C1 CAP VCC CON2 VCC1 VCC2 C2 C1 12 J1 VOUT1 VOUT2 VR VZ1 VZ2 CAP C2 RESISTOR U1 R2 FIN RESISTOR RIN D1 10 Q1 PHOTO NPN LED CON2 VCC1 VCC2 VCC VCC R2 RESISTOR BA6209/SIP R1 RESISTOR CAP 13 D1 BA6209/SIP CAP Q1 PHOTO NPN LED R1 SW1 SW2 SW_PB_SPST SW_PB_SPST RESISTOR U1 R2 FIN RESISTOR RIN VCC C2 CAP C1 J1 VOUT1 VOUT2 VR VZ1 VZ2 R1 10 SW1 10 SW2 SW_PB_SPST CON2 SW_PB_SPST VCC1 VCC2 RESISTOR U1 R2 FIN RESISTOR RIN VCC J1 VOUT1 VOUT2 VR VZ1 VZ2 VCC1 VCC2 10 VCC VCC R2 RESISTOR R1 RESISTOR CON2 14 D1 LED Q1 PHOTO NPN BA6209/SIP C2 CAP CAP C1 BA6209/SIP CAP Sơ đồ công suất mạch vào/ra IV Nguồn cấp điện GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 66 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Nguồn cấp điện gồm có máy biến áp, chỉnh lưu ổn áp +5V 1.Máy biến áp Máy biến áp làm nhiệm vụ biến đổi điệp áp Nguyên lý làm việc máy biến áp dựa sở tượng cảm ứng điện từ Khảo sát máy biến áp đơn giản gồm hai cuộn dây quấn lõi sắt mạch từ cột Cuọân dây N1 mắc nối tiếp với nguồn điện vào gọi cuộn sơ cấp, cuộn N 2, lấy điện áp gọi cuộn thứ cấp Φ m I2 I1 E1 E2 U2 U1 Hình V.16 Nguyên tắc làm việc máy biến áp Khi cuộ n dâĐH y thứCần cấp NThơ , dòTài ng điệliệu n sơ cấ p N1tập , tạo c điện độngcứu để hở@ Trung tâm Học liệu học vàsứnghiên F0 gây từ thông lưu thông mạch từ qua hai cuộn dây N N2, làm phát sinh sức điện động E1và E2 cuộn sơ cấp thứ cấp Khi nối cuộn thứ cấp N với phụ tải dòng điện thứ cấp I2 xuất Phụ tải tăng, dòng I2 tăng làm dòng I1 tăng theo tương ứng để giữ ổn đònh từ thông không đổi Đó nguyên lý làm việc máy biến áp Nếu U2>U1: máy biến áp tăng áp U20: U1 = E1+R1I1 +X1I1 với U1>E2 U2 = E2-R2I2 -X2I2 với U2[...]... LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng Chương 4 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ CHO ROBOT VÀ BĂNG TẢI Robot trong đề tài này là loại cánh tay Robot khớp bản lề Đây là loại Robot dễ thiết kế và gần giống như cánh tay người Trong sản xuất thường dùng Robot loại này và gắn thêm một số bộ phận khác ở bàn tay như: bộ phận hàn, sơn, I Cánh tay Robot 1 Một số ưu điểm của cánh tay Robot khớp bản lề:... được các góc Roll, Pitch và Yaw theo các phần tử của ma trận TE bằng các công thức sau: GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 30 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng φ = arctg2(u x,uy) (3.85) θ = arctg2(-uz, C φux + Sφuy) (3.86) Ψ = arctg2(Sφwx - Cφwy, - Sφvx + Cφvy) (3.87) II Bài toán thuận của động học robot Cơ cấu chấp hành của robot thường là một cơ cấu hở, gồm một các... quay của phần thân Robot, chuyển động lên xuống của cánh tay, chuyển động lên xuống của khuỷu tay GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 35 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng Hình IV.1: Không gian hoạt động của Robot khớp bản lề 3 Bậc tự do của Robot Thông thường các tay máy có trên một bậc tự do Số bậc tự do hay bậc Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên... sin ϕ = và nghiên cứu Theo (3.60): rx = ry = rz = + 0 + 12 1 = 1 1+ 2 3 Vậy:  1 1 1  r= ⋅ ⋅   3 3 3 GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 26 T SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng 3.2 Xác đònh 3 góc Euler Trong phần 3.3.5 đã biểu thò sự quay của một vật thể thông qua các góc φ, θ và Ψ Ở đây là bài toán ngược lại, khi đã biết trạng thái cuối của vật thể là kết quả... LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP rx ry rz = Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng ixiu jyiu kziu ixjv jyjv kzjv ixkw jykw k zk w ru rv rw (3.10) Gọi R là ma trận quay (rotation) 3 × 3 với các phần tử là tích vô hướng 2 vector chỉ phương các trục tương ứng của 2 hệ tọa độ OX YZ và OUVW Vậy (3.10) được viết lại là: rxyz = R.ruvw ruvw = R-1.rxyz (3.11) Có thể biểu diễn các phần tử ma trận R và R -1 như sau: R = [[aij]]... góc RPY Phép biến đổi Roll - Pitch - Yaw (RPY) đã được mô tả ở phần 3.3.6 Kết quả của phép biến đổi đó là vật thể đạt tới trạng thái cuối, mô tả bằng ma trận T E (3.53) và như vậy ta có: RPY(φ, θ, Ψ) = R(z,φ).R(y,θ).R(x,Ψ) = TE GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 29 (3.82) SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng Cách giải bài toán ngược này, để tìm các nghiệm φ, θ, Ψ từ... ruvw = (0.1.0.1 ) T và ruvw = ( 0.0.1.1 )T cũng đi đến nhận xét cột thứ 2 (hoặc vector s) ứng với các tọa độ của vector chỉ phương trục OV và cột thứ 3 (hoặc vector a) ứng với các tọa độ vector chỉ phương trục OW GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 15 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng Như vậy, ma trận thuần nhất T[4 × 4] hoàn toàn xác đònh vò trí và đònh hướng của hệ... việt và hệ phương trình siêu việt này không phải lúc nào cũng có độ hội tụ của lời giải -Nếu n>6 tức là số ẩn số lớn hơn số phương trình thì có khả năng có nhiều lời giải, tức là cùng đạt tới một vò trí và đònh hướng của tay gắp có thể có nhiều bộ thông số biến khớp q i GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 33 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng Xuất phát từ ý muốn để độ cơ. .. VĂN TẤN I- 25 (3.61) SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng Thuận tiện hơn nếu chọn từ (3.60) thành phần có trò lớn nhất, ví dụ r, rồi tính các thành phần còn lại theo (3.61): ry = uy + vx 2 rx (1 − cos ϕ ) rz = wx + uz 2 rx (1 − cos ϕ ) Ví dụ: Cho R(r.ϕ) = R(y,90o).R(x,90o) Hãy xác đònh trục quay r và góc quay ϕ để: 0 1 R (r , ϕ ) =  0  0 0 1 0 0 0 0 ... (3.16) và trong hệ tọa độ x jyjzj điểm M được xác đònh bằng vector r i: ri = (xiyizi.1)T (3.17) Ta có thể dễ dàng thiết lập mối quan hệ giữa các tọa độ: GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- 12 SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng xi = xj + atj yi = yicosϕ - zjsinϕ - btj zi = yisinϕ + zjcosϕ - ctj ti = tj = 1 (3.18) Sắp xếp các hệ số tương ứng với x j , yj , zj và tj thành ... KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Chương THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ CHO ROBOT VÀ BĂNG TẢI Robot đề tài loại cánh tay Robot khớp lề Đây loại Robot dễ thiết kế gần giống cánh tay người... đề tài thiết kế hai phần: mạch điều khiển motor đònh vò cánh tay Robot GVHD: Ths PHẠM VĂN TẤN I- SVTH: NGUYỄN VĂN KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng Chương SƠ LƯC VỀ ROBOT. .. TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế khí phần cứng đường xác Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn biểu diễn loạt điểm rời rạc gần lưu vào nhớ robot, sau robot thực lại xác đường dẫn Phân loại Robot theo