Nghiên cứu động học, động lực học và thiết kế bộ điều khiển RISE cho robot 3 bậc tự do RRP

nghiên cứu bài toán động học, động lực học và thiết kế bộ điều khiển RISE cho robot 3 bậc tự do RRP. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi để so sánh, đánh giá chất lượng của bộ điều khiển RISE. Ứng dụng matlab simulink để giải ài toán robot và thiết kế bộ điều khiển.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 2

1.1 Định nghĩa Robot 2

1.2 Vai trò của Robot 2

1.3 Bậc tự do của Robot 4

1.4 Hệ tọa độ

5 1.5.Cấu trúc cơ bản của robot 6

1.5.1.Các thành phần chính của robot 6

1.5.2.Kết cấu của tay máy 7

1.6.Ứng dụng Robot công nghiệp trong sản xuất 10

1.6.1.Các ưu điểm của Robot 10

1.6.2 Tình hình phát triển Robot và ứng dụng Robot hiện nay 10

1.7.Thiết kế mô hình Robot 3 bậc tự do trên phần mềm Topsolid 13

CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC ROBOT RRP 14

2.1.Động học thuận 14

2.1.1.Tổng quan 14

2.1.2.Bộ thông số DH 15

2.1.3 Đặc trưng ma trận biến đổi thuần nhất (MTBĐTN) trong Robot 16

2.1.4.Ma trận biến đổi thuần nhất mô tả bàn tay máy 17

2.1.5.Trình tự thiết lập hệ phương trình động học. 18

2.1.6.Bài toán động học thuận Robot RRP 19

2.2 Động học ngược 22

2.2.1 Tổng quan 23

2.2.2 Điều kiện bài toán động học ngược 23

2.2.3 Bài toán động học ngược robot RRP 23

CHƯƠNG 3 :ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT RRP 26

3.1.Nhiệm vụ và phương pháp 26

3.2.Cơ học Lagrange với các vấn đề động lực học của Robot 26

3.3.Phương trình động lực học Robot 27

3.3.1.Vận tốc của một điểm trên Robot 27

3.3.2.Động năng của Robot 28

3.3.3.Thế năng của Robot 30

3.3.4.Hàm Lagrange 30

3.3.5.Phương trình động lực học Robot 31

3.4.Tính toán động lực học robot RRP 32

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN RISE VÀ SO SÁNH CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 37

4.1 Tổng quan lý thuyết ổn định Lyapunov 37

4.1.1.Các định nghĩa 37

4.1.2.Các khái niệm ổn định Lyapunov 38

4.1.3.Định lý ổn định Lyapunov 40

4.2.Thiết kế bộ điều khiển RISE cho robot RRP 41

4.2.1.Giới thiệu về thuật toán điều khiển 41

4.2.2.Mục tiêu điều khiển 42

4.2.3.Xây dựng thuật toán điều khiển RISE 42

4.2.4.Chứng minh tính ổn định của thuật toán RISE 43

4.3.Xây dựng bộ điều khiển RISE dựa trên phần mềm Matlab Simulink 47

4.3.1.Khái niệm về Matlab và Matlab Simulink 47

4.3.2.Mô hình hệ thống bộ điều khiển RISE cho robot 3 BTD 50

4.3.3.Kết quả nhận được sau khi điều khiển thông qua Matlab Simulink 53

4.4.Xây dựng bộ điều khiển thích nghi cho robot và so sánh kết quả với bộ điều

khiển RISE .59

4.4.1.Xây dựng bộ điều khiển thích nghi cho robot 59

4.4.2.Mô hình hệ thống bộ điều khiển thích nghi cho robot 3 BTD 66

4.4.3.So sánh kết quả giữa hai bộ điều khiển 68

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 73

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ST

Vector gia tốc trọng trường

cầm nắm đối tượng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các tọa độ suy rộng của robot 5

Hình 1.2 Quy tắc bàn tay phải 5

Hình 1.3 Các thành phần chính của hệ thống robot 6

Hình 1.4 Robot kiểu tọa độ Đề các 7

Hình 1.5 Robot kiểu tọa độ trụ 8

Hình 1.6 Robot kiểu R.R.R 8

Hình 1.7 Robot kiểu R.R.T 8

Hình 1.8 Robot hoạt động theo kiểu hệ tọa độ góc, cấu hình RRR.RRR 9

Hình 1.9 Robot kiểu SCARA 9

Hình 2.1 Các véc tơ vị trí và hướng của bàn tay máy 12

Hình 2.2 Các thông số đặc trưng của một khâu 13

Hình 2.3 Vị trí tương đối của hai khâu kề nhau 13

Hình 2.4 Quan hệ giữa hai hệ quy chiếu liên tiếp nhau 14

Hình 2.5 Tay máy Robot đang tiếp cận bulông 15

Hình 2.6a: Không gian làm việc của Robot RRP 20

Hình 2.6b Không gian làm việc của Robot RRP 20

Hình 3.1 Khảo sát vận tốc vi khối lượng dm 25

Hình 3.2 Momen quán tính độc cực 26

Hình 3.3 : Mô hình robot RRP trên TopSolid 30

Hình 4.1 Biểu diễn trạng thái cân bằng và quỹ đạo 36

Hình 4.2: Mô hình hộ thống bộ điều khiển RISE cho robot 3 BTD 45

Hình 4.3: Bộ điều khiển RISE 46

Hình 4.4: Kết quả sai số của khâu 1 (t=30s) 46

Hình 4.5: Kết quả sai số của khâu 2 (t=30s) 47

Hình 4.6: Kết quả sai số của khâu 3 (t=30s) 47

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ và các hệ thốngmáy móc hiện đại, các Robot đang không ngừng phát triển về số lượng cũng như khảnăng của chúng Robot ngày càng thông minh, đảm nhận thay thế những công việc màcon người không thể thực hiện như: làm việc trong môi trường có tia phóng xạ, giảicứu con người trong hỏa hoạn, thu thập các thông số của môi trường ở những nơi khắcnghiệt Các loại Robot ngày càng linh hoạt hơn do chúng được điều khiển bởi bộ xử

lý trung tâm được tích hợp thêm các hệ thống điều khiển thông minh Robot là mộtphát minh vĩ đại của con người vì mục đích giải phóng con người khỏi những côngviệc nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc (do sự lặp lại các thao tác của một côngviệc nào đó nhiều lần nguy hiểm của môi trường lao động như môi trường nóng bứctrong các lò hơi, sự ô nhiễm bụi bặm của các hầm mỏ, hay sự nguy hiểm ở duới đáyđại dương, trên không gian vũ trụ… cũng như tăng tính tự động hóa trong các dâytruyền sản xuất Nhưng ở nước ta thì việc nghiên cứu chưa được mở rộng và phát triểnchỉ sử dụng trong các cơ sở sản xuất lớn Các Robot đa số thường được nhập khẩu từnước ngoài về với giá thành rất là đắt, vận dụng Robot vào sản xuất còn gặp nhiều khókhăn cần sự hướng dẫn của bạn bè quốc tế, lực lượng cán bộ kỹ sư có trình độ cao …

Từ hiện thực trên, cùng với sự đam mê, ham học hỏi, nghiên cứu khoa học côngnghệ tiên tiến trên thế giới nên em đã quyết định chọn đề tài liên quan tới lĩnh vực

nghiên cứu Robot Cụ thể là đề tài: “Nghiên cứu động học, động lực học và thiết kế

bộ điều khiển RISE cho robot 3 bậc tự do RRP” do TS Đinh Thị Thanh Huyền

hướng dẫn

Hoàn thành đồ án tốt nghiệp, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo

của cô giáo TS Đinh Thị Thanh Huyền đã giúp đỡ em hoàn thành môn học này.

Măc dù em đã cố gắng nhưng do còn hạn chế về mặt kiến thức nên chắc chắn

đề tài của em không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận được sự chỉ bảo củathầy cô và sự góp ý của các bạn để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Lê Bá Thành

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT.

1.1 Định nghĩa Robot.

- Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot là một cơ cấu chuyển

động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt

ra trên các trục tọa độ; có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng củavật chất: chi tiết, dụng cụ, gá lắp,… theo những hành trình thay đổi đã chương trìnhhóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

- Định nghĩa theo RIA (Robot Institute of America): Robot là một tay máy vạn

năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng

cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thayđổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

- Định nghĩa theo ГOCT (NgaOCT (Nga): Robot là máy tự động, được đặt cố định hoặc di

động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình,

có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trìnhsản xuất

Robot có khả năng chương trình hóa linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, sựlinh hoạt này biểu thị cho số bậc tự do của chúng

1.2 Vai trò của Robot.

Robot được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người Mụcđích sử dụng trong các dây chuyền sản suất nhằm nâng cao năng suất, chất lượng vàhiệu quả sản xuất từ đó giảm giá thành sản phẩm nâng cao khả năng cạnh tranh

Hình 1.1: Robot trong công nghiệp.

Đặc điểm Robot:

- Làm việc không biết mệt mỏi, không có hiện tượng nhầm lẫn trong khi làm việc

- Làm việc được trong các môi trường nguy hiểm như phóng xạ, độc hại

- Thay đổi các thao tác làm việc dễ dàng bằng cách thay đổi chương trình lập

trình

- Trong ngành cơ khí, Robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, hàn, cắt

kim loại, sơn, phun phủ kim loại, vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm,…

- Trong các dây chuyền sản xuất tự động, nhờ sự có mặt của Robot mà các dây

chuyền đạt mức độ tự động hóa cao, mức độ linh hoạt cao Các Robot này được điềukhiển bằng một hệ thống các chương trình được lập trình sẵn Robot còn được sử dụngtrong lĩnh vực y học, trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệpnguyên tử,…

Hình 1.2: Robot công nghiệp trong một dây truyền sản xuất ô tô ở Nhật Bản.

Rõ ràng Robot có vai trò và ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực của cuộcsống, tuy nhiên Robot chưa thể linh hoạt như con người, trong quá trình làm việc vẫn

có thể bị hỏng sẽ làm ảnh hưởng tới sự hoạt động của cả dây chuyền Vì vậy, Robotvẫn phải hoạt động dưới sự giám sát của con người

1.3 Bậc tự do của Robot.

Bậc tự do của Robot là số khả năng chuyển động độc lập của một cơ cấuRobot Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành củaRobot phải đạt được một số bậc tự do Hầu hết cơ hệ của Robot là một cơ cấu hở, do

đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không gian

3 chiều Robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do đểđịnh hướng Đối với một số công việc đơn giản như nâng hạ, sắp xếp,… có thể yêucầu số bậc tự do ít hơn Các Robot hàn, sơn,… thường yêu cầu 6 bậc tự do Trong một

số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần tối ưu hóa quỹ đạo,… người tadùng Robot với số bậc tự do lớn hơn 6

1.4 Hệ tọa độ.

Mỗi Robot bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau bởi các khớp (joints),tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên Hệ quychiếu gắn với khâu cơ bản đó gọi là hệ quy chiếu chuẩn Các hệ quy chiếu trung giankhác gắn với khâu động gọi là hệ quy chiếu suy rộng Trong từng thời điểm hoạt động,các tham số của hệ quy chiếu suy rộng xác định cấu hình của Robot bằng các chuyểnđộng dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay như trênHình 1.1 Các tham số của hệ quy chiếu suy rộng còn gọi là các biến khớp Các hệ quychiếu gắn trên các khâu của Robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải: Dùng tay phải,nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón: cái, trỏ và giữa theo 3phương vuông góc với nhau Nếu chọn ngón cái làm phương của trục Z thì ngón trỏchỉ phương, chiều của trục X và ngón giữa sẽ biều thị phương, chiều của trục Y nhưtrên Hình 1.2

Hình 1.3 Các tọa độ suy rộng của robot

Hình 1.4 Quy tắc bàn tay phải.

1.5 Cấu trúc cơ bản của robot.

1.5.1 Các thành phần chính của robot.

Một Robot thường bao gồm các thành phần chính như: Cánh tay Robot, nguồnđộng lực, dụng cụ lắp trên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển, thiết bịdạy học, máy tính… các phần mềm lập trình cũng được gọi là một thành phần của hệthống Robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong Robot như Hình 1.3

Hình 1.5 Các thành phần chính của hệ thống robot.

- Cánh tay Robot là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bởi các khớp

động để có thể tạo nên những chuyển động của Robot

- Nguồn động lực là các động cơ điện một chiều hoặc động cơ bước, các hệ

thống xy lanh thủy lực, khí nén để tạo động lực cho tay máy hoạt động

- Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của Robot, dụng cụ có thể nhiều kiểu

khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏhàn, đá mài, đầu phun sơn…

- Thiết bị dạy học dùng để dạy cho Robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của

quá trình làm việc, sau đó Robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc

- Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển Robot được cài đặt

trên máy tính, dùng để điều khiển Robot thông qua bộ điều khiển Bộ điều khiển haycòn gọi là Module điều khiển, nó thường được kết nối với máy tính Một Mudule điềukhiển có thể còn có các cổng Vào-Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khácnhau như các cảm biến giúp Robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trícủa đối tượng làm việc; điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phốihợp với Robot…

1.5.2 Kết cấu của tay máy.

Như đã nói ở trên, tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả nănglàm việc của robot Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chứcnăng của tay người; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánhtay Robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người Trong thiết kế và sử dụng tay máy,chúng ta cần quan tâm tới các thông số hình học-động học, là những thông số liênquan đến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay hướng công tác), số bậc tự do(thể hiện sự khéo léo linh hoạt của Robot), độ cứng vững, tải trọng vật nặng, lực kẹp,

… Các khâu của robot thường thực hiện được hai chuyển động cơ bản:

- Chuyển động tịnh tiến theo phương x, y, z trong không gian Đề các, thông

thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation)hoặc P (Prismatic)

- Chuyển động quay quanh trục x, y, z ký hiệu là R (Rotation) Tùy thuộc vào số

khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R&T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau vớivùng làm việc khác nhau

- Các kết cấu thường gặp của Robot là robot kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ

cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ góc (phóng sinh)…

Robot kiểu tọa độ Đề các: là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo

phương của các trục hệ tọa độ gốc (hình 1.4) Không gian làm việc có dạng khối chữnhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí

dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặtphẳng…

Hình 1.6 Robot kiểu tọa độ Đề các.

Robot kiểu tọa độ trụ: Vùng làm việc của Robot có dạng trụ rỗng Thường

khớp thứ nhất chuyển động quay Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T

Hình 1.7 Robot kiểu tọa độ trụ.

Robot kiểu tọa độ cầu: Vùng làm việc có dạng hình cầu, thường độ cứng

vững của loại Robot này thấp hơn so với hai loại trên Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấuhình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu

Hình 1.8 Robot kiểu R.R.R Hình 1.9 Robot kiểu R.R.T

Robot kiểu hệ tọa độ góc (Hệ phóng sinh): Đây là kiểu robot dùng nhiều hơn

cả Ba chuyển động đầu tiên là chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc vớihai trục kia Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay Vùnglàm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu Tất cả các khâu đều nằm trongmặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng

Ưu điểm nổi bật đó là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tương đối lớn so với kích

cỡ của bản thân robot, độ linh hoạt cao

Ví dụ :

Hình 1.10 Robot hoạt động theo kiểu hệ tọa độ góc, cấu hình RRR.RRR

Robot kiểu SCARA: Robot này thường dùng trong công việc lắp ráp Ba khớp

đầu tiên của kiểu Robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳngđứng

Hình 1.11 Robot kiểu SCARA.

1.6 Ứng dụng Robot công nghiệp trong sản xuất.

1.6.1 Các ưu điểm của Robot.

Các loại Robot tham gia vào quy trình sản xuất cũng như trong đời sống sinhhoạt của con người nhằm nâng cao năng suất lao động của dây truyền công nghệ, giảmgiá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng cũng như khả năng cạnh tranh của sản phẩmtạo ra

Robot có thể thay thế con người làm việc ổn định bằng các thao tác đơn giảnhợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi của quytrình công nghệ, góp phần vào giảm giá thành sản phẩm, chi tiết nhân công nhất là ởnhững nước mà nguồn nhân công rất ít hoặc chi phí cao Ngoài ra các robot còn có khảnăng nghe được siêu âm, cảm nhận được từ trường

Bên cạnh đó, một ưu điểm nổi bật của Robot là môi trường làm việc Chúng cóthể thay thế con người làm việc ở những môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bặm haynguy hiểm như ở các nhà máy hóa chất, các nhà máy phóng xạ, trong đại dương, dướilòng đất hay các hành tinh khác…

1.6.2 Tình hình phát triển Robot và ứng dụng Robot hiện nay.

Với những ưu điểm trên, ngày nay Robot được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất

ở các nước trên thế giới nhất là các nước có nền công nghiệp phát triển Theo ước tínhcủa tổ chức UNECE thuộc liên đoàn Robot quốc tế IRF (Năm 2003) thì hiện nay trêntoàn thế giới có khoảng 770.000 robot đang được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuấtcông nghiệp Trong số đó, Nhật Bản là nước có số lượng Robot dùng trong sản xuấtcông nghiệp nhiều nhất trên thế giới với khoảng 350.000 (chiếm 45,5%), 233.000(chiếm 30,3%) ở các nước EU và khoảng 104.000 (chiểm 13,5%) ở Bắc Mỹ Ở châu

Âu, Đức dẫn đầu với 105.000 Robot, tiếp theo là Italia với 47.000, Pháp 24.000, TâyBan Nha 18.000 Robot và 14.000 Robot

Những lĩnh vực công nghiệp sử dụng Robot nhiều nhất là công nghiệp ô tô,công nghiệp điện và điện tử, công nghiệp chế tạo máy và công nghiệp chế biến thựcphẩm Những công việc thường được áp dụng Robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sảnphẩm, cấp phôi trong các dây truyền tự động Tính linh hoạt trong vận hành khai thác,khả năng hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, khả năng thay thế con người trongmôi trường làm việc độc hại và không an toàn là những yếu tố quyết định của việc ápdụng Robot trong các lĩnh vực công nghiệp nói trên

Một số robot được chế tạo và ứng dụng vào cuộc sống:

Hình 1.12: Robot phun bê tông sản xuất tại vinacrete Việt Nam.

Hình 1.13: Robot hàn hồ quang 3 BTD RRP.

Hình 1.14: Robot người máy ASIMO (Nhật Bản).

1.7 Thiết kế mô hình Robot 3 bậc tự do trên phần mềm Topsolid.

Thiết kế mô hình là một nhiệm vụ rất quan trọng trước khi tính toán động học và

mô phỏng Robot Việc thiết kế mô hình có ý nghĩa quan trọng, nó giúp cho nhà thiết

kế có thể nghiên cứu biết được đặc điểm, kết cấu của từng khâu trên Robot cũng nhưtoàn thể Robot Tùy theo yêu cầu làm việc mà ta xây dựng mô hình với hình dáng,kích thước mô hình Robot khác sao cho hợp lý, đảm bảo được các yêu cầu như: độcững vững, thao tác dễ dàng trong quá trình làm việc…Hiện nay, khoa học kỹ thuậtngày càng phát triển, tiêu biểu là máy tính, laptop với sự trợ giúp của nhiều phần mềm

vẽ, thiết kế mô hình 3D giúp cho việc thiết kế mô hình Robot trở nên dễ dàng Điểnhình trong số đó phải kể đến các phần mềm như: AutoCAD, Solidworks, Catia,Topsolid,…

Trong đồ án tốt nghiệp này em sử dụng phần mềm Topsolid để xây dựng môhình robot nhờ những ưu điểm như khả năng đồ họa mạnh, kết hợp với sự hiểu biếttrước đó từ môn học “Thực tập chuyên ngành”, thư viện phần tử lớn thuận lợi trongthiết kế, cho phép xuất ra kết quả dưới nhiều dạng khác nhau Phần mềm Topsolid là

hệ thống CAD/CAM/CAE 3D hoàn chỉnh và có thể gia công chi tiết khi muốn chế tạoRobot Vì vậy em chọn phần mềm này để thiết kế Robot

Hình 1.15 : Mô hình robot RRP trên TopSolid.

P  p p p  

đặt ở giữa điểm các ngón tay

Hình 2.1 Các véc tơ vị trí và hướng của bàn tay máy

+ Ba vector đơn vị mô tả hướng của bàn tay máy:

 Vector cầm nắm đối tượng: o⃗

or 0

Hình 2.2 Các thông số đặc trưng của một khâu.

- Vị trí tương dối của hai khâu được xác định bởi:

+ d là khoảng cách giữa các pháp tuyến chung đo dọc theo trục khớp i i

Hình 2.3 Vị trí tương đối của hai khâu kề nhau.

- Nguyên tắc gắn hệ quy chiếu vào mỗi khâu:

với trục khớp thứ i, chú ý: Gốc tọa độ đặt tại điểm cắt khi hai trục cắt nhau Gốc

tọa độ chọn thích hợp khi các trục khớp song song với nhau

2.1.3 Đặc trưng ma trận biến đổi thuần nhất (MTBĐTN) trong Robot.

hệ giữa các hệ quy chiếu liên tiếp nhau bởi MTBĐTN như sau:

Hình 2.4 Quan hệ giữa hai hệ quy chiếu liên tiếp nhau.

Ta có thể viết bằng biểu thức toán như sau:

1 0 0

0 1 0 0,0,0

0 0 1 0

0 0 0 1

i i

a Trans a

i i

a d T

2.1.4 Ma trận biến đổi thuần nhất mô tả bàn tay máy.

Khi ta đã biết hết các MTBĐTN của các hệ quy chiếu gắn trên các khâu của

T T  T T n T T T

Trong đó:

n là số khâu của Robot

T là hệ quy chiếu gắn lên bàn tay máy

0 là hệ quy chiếu gốc của Robot.

Trong trường hợp tổng quát, khi xét quan hệ của Robot so với các thiết bị khác

Giả sử đã biết R B T, G T T và G R T thì B T T xác định như sau:

 Chọn hệ quy chiếu cơ sở, gắn các hệ quy chiếu suy rộng lên các khâu:

- Giả định một vị trí ban đầu của Robot.

- Chọn các gốc của hệ quy chiếu Oi.

- Chọn các trục Z cùng phương với trục của khớp thứ i i

- Chọn các trục X của i Z thành i Z i1 và góc của Z với i Z i1 chính là i Nếu Z i

i

X theo X i1.

- Các hệ quy chiếu phải tuân theo quy tắc bàn tay phải.

 Khi gắn hệ quy chiếu lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi củaMTBĐT

(Nếu xuất hiện phép quay quanh trục Y i1thì vị trí ban đầu của Robot giả định là khôngđúng cần phải chọn lại vị trí ban đầu cho Robot).

chiếu gốc

2.1.6 Bài toán động học thuận Robot RRP.

Từ mô hình thiết kế trên phần mềm TopSolid, ta đơn giản hóa mô hình sau đóđặt các hệ trục tọa độ cho từng khâu như sau:

Dựa vào mô hình ta xây dựng được bảng thông số DH như sau:

Bảng 2.1 Bảng thông số DH của Robot 3 bậc tự do RRP.

2 3 2

Code Matlab thiết lập phương trình động học.

function [px, py, pz] = giaidonghocthuan(q1, q2, q3)

% Hang so

%Ma tran bien doi thuan nhat

T01= [cos(q1) -sin(q1) 0 0;sin(q1) cos(q1) 0 0;0 0 1 l1;0 0 0 1] ;

T12= [cos(q2+pi/2) -sin(q2+pi/2) 0 0;0 0 -1 0;sin(q2+pi/2) cos(q2+pi/2) 0 0;0 0 0 1];T23= [1 0 0 0;0 0 -1 l2+q3;0 1 0 0;0 0 0 1] ;

T34= [0 1 0 0;1 0 0 0 ;0 0 1 l3;0 0 0 1];

T01;

Hình 2.6: Không gian làm việc của Robot RRP

Điểm tác động cuối của cánh tay Robot sẽ làm việc trong phạm vi toàn bộkhông gian bán cầu này

2.2 Động học ngược.

2.2.1 Tổng quan.

- Giải bài toán động học ngược là giải hệ phương trình động học nhằm xác định

các biến trong bộ thông số DH khi biết được vị trí và hướng của khâu chấp hành cuốicủa Robot

khi đã biết vị trí vàhướng khâu chấp hành cuối của Robot

2.2.2 Điều kiện bài toán động học ngược.

- Biết vị trí của bàn tay kẹp để tìm các thông số ban đầu

2.2.3 Bài toán động học ngược robot RRP.

1 1

p s

CHƯƠNG 3 :ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT RRP.

3.1 Nhiệm vụ và phương pháp.

Nghiên cứu động lực học Robot là công việc cần thiết khi phân tích cũng nhưtổng hợp quá trình điều khiển chuyển động Việc nghiên cứu động lực học Robot giảiquyết hai nhiệm vụ sau đây:

quy luật biến đổi của các biến khớp coi như đã biết Việc tính toán lực trong cơ cấu taymáy là rất cần thiết để chọn công suất động cơ, kiểm tra bền, độ cứng vững, đảm bảo

độ tin cậy của Robot

trình Lúc này cần khảo sát phương trình chuyển động của Robot có tính đến đặc tínhđộng lực của động cơ và các khâu

Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học Robot, nhưng trong đồ án này

sử dụng phương pháp cơ học Lagrange, cụ thể là phương trình Lagrange Euler Đốivới các khâu khớp của Robot, với các nguồn động lực và kênh điều khiển riêng biệt,không thể bỏ qua các hiệu ứng trọng trường, quán tính, tương hỗ, ly tâm,… mà nhữngkhía cạnh này chưa được xét đến đầy đủ trong cơ học cổ điển Cơ học Lagrangenghiên cứu các vấn đề nêu trên như một hệ thống khép kín nên đây là nguyên lý cơhọc thích hợp đối với các bài toán động lực học Robot

3.2 Cơ học Lagrange với các vấn đề động lực học của Robot.

Hàm Lagrange của một hệ thống năng lượng được định nghĩa:



(3.2)

Với q là tọa độ suy rộng của khớp thứ i Nếu khớp thứ i là khớp quay thì i q là i

Ta định nghĩa: Lực tác dụng lên khâu thứ i ( i= 1,2,…,n ) với quan niệm là lực

tổng quát, nó có thể là một lực hoặc một moment (phụ thuộc vào biến khớp là tịnh tiếnhay quay), được xác định bởi:

.

i

i i

đóng vai trò quan trọng khi xâydựng sơ đồ khối để thiết lập hàm điều khiển cho Robot có n bậc tự do

3.3.1 Vận tốc của một điểm trên Robot.

Một điểm trên khâu thứ i được mô tả trong hệ quy chiếu gốc:

0 i i

 

2 2 2

ii i

Hình 3.1 Khảo sát vận tốc vi khối lượng dm.

3.3.2 Động năng của Robot.

Gọi K là động năng của khâu thứ i , i dK là động năng của vi khối lượng i d m

n i i



 

(3.17)Chú ý :

- Khi tính ma trận giả quán tính mà hệ quy chiếu trùng với hệ quy chiếu quán tính trung

- Khi tính ma trận giả quán tính mà hệ quy chiếu không trùng với hệ quy chiếu quán

tính trung tâm mà được tịnh tiến so với hệ quy chiếu quán tính trung tâm với các lượngtương ứng dx, dy, dz thì:

3.3.3 Thế năng của Robot.

- Thế năng của khâu i có khối lượng m , trọng tâm được xác định bởi vector i rG i

(vector biểu diễn trọng tâm của khâu i trong hệ quy chiếu gốc):

là vector gia tốc trọng trường

- Thế năng của toàn cơ cấu Robot n khâu sẽ là:

d L L F

tiên Do vậy, nếu i < p thì

0

i p

T q

.

M: Thể hiện lực tác dụng của quán tính, là ma trận đối xứng (nxn);

C: Thể hiện tác dụng của lực ly tâm và Cariolis, là ma trận (nxn);

G: Thể hiện tác dụng của trọng trường, là vector (nx1)

Phương trình (3.31) là phương trình động lực học của Robot Nếu thêm vào

F M q C q  G q F  F

(3.32)

3.4 Tính toán động lực học robot RRP.

Hình 3.3 : Mô hình robot RRP sau khi đã gắn hệ trục cho từng khâu

2 3

s q

1 1 2

1 2 1 2 1 2

1 2 1 2 2

1 2 3

1 3

0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

s c

c c T

1 2 3

3 3

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0