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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ THU HIỀN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CỦA CÁNH TAY MÁY BẰNG CÁCH THIẾT KẾ BỔ SUNG CƠ CẤU CÂN BẰNG ĐỐI TRỌNG S K C 0 9 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 6 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ THU HIỀN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CỦA CÁNH TAY MÁY BẰNG CÁCH THIẾT KẾ BỔ SUNG CƠ CẤU CÂN BẰNG ĐỐI TRỌNG NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2014 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Thị Thu Hiền Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 29/8/1986 Nơi sinh: Bình Dương Quê quán: Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 76 Phạm Ngọc Thạch, P9, TP Vũng Tàu Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: Email: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ … / … đến … / … Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 5/2010 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Công Nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Biên soạn tài liệu hướng dẫn giảng dạy môn “Thí Nghiệm Đo Lường Cơ Khí” III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Thị Thu Hiền ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu trường, học viên hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học Để có thành này, học viên nhận nhiều hỗ trợ giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, bạn bè Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, chân thành đến Thầy TS.Trần Ngọc Đảm, người tận tình trực tiếp hướng dẫn học viên thực hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, tận tình giúp đỡ, hỗ trợ suốt trình thực luận văn Xin cảm ơn quý Thầy cô tham gia giảng dạy lớp cao học khóa 2011 – 2013, mang đến cho học viên kiến thức quý báu làm tảng hoàn thành luận văn, hành trang vô quý giá cho đường nghiên cứu khoa học Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè giúp đỡ cho nhiều vật chất tinh thần, động lực giúp hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn ! iii TÓM TẮT Ngày nay, robot sử dụng rộng rãi công nghiệp đời sống người Nó đóng vai trò quan trọng khó thay thế, giúp người làm việc điều kiện khó khăn Trong tương lai, việc giảm tiêu thụ lượng quan trọng Dù hầu hết robot làm việc công nghiệp không tối ưu hoá lượng tiêu thụ Trong nghiên cứu này, lượng tiêu thụ robot tối ưu để giải nhược điểm cách tính toán thiết kế hệ thống cân đối trọng lò xo nối trục xoay tay máy robot Chuyển động tay máy robot chuyển động xoay vật rắn quanh điểm cố định mô tả theo góc quay trục đứng tay máy Khi tay máy di chuyển lên xuống, lò xo bù phần khối lượng tay máy robot giảm tải trọng đặt lên động truyền tải Mô hình toán hàm tiêu thụ lượng tay máy robot với cấu cân đối trọng xây dựng Các tham số lò xo hai điểm kết nốt lò xo - tay máy lò xo – bệ tay máy tính toán tối ưu sử dụng phương pháp tối ưu hoá số học Mô hình thực tế tay máy robot với cấu cân đối trọng xây dựng nhằm kiểm tra tính toán Kết cho thấy tổng lượng tiêu thụ robot phụ thuộc mạnh mẽ vào chiều dài lò xo l, độ cứng lò xo k hai điểm kết nối lò xo - tay máy lò xo – bệ tay máy Năng lượng tiêu thụ tối ưu cách sử dụng hệ thống cân đối trọng dễ dàng có hiệu quả, áp dụng cho tất loại robot Với giá trị tính toán tối ưu, lượng tiêu thụ robot giảm từ 10% đến 20% phụ thuộc vào tổng khối lượng robot iv ABSTRACT Nowadays, Robot is widely used in industry and human life It has taken an important part and hardly to be replaced, it helps human to increase the yield and to work in dangerous or difficult conditions For reaching a sustainable future, the reduction of consumed energy is very important However, almost robotics working in industrial has not optimized energy In this study, the consumed energy of robots was optimized to solve about disadvantages by adding a counterbalancing system that is a spring suspended between the rotating column and the link arm of the robot The motion of the robot arm is a rotation of a rigid body about the fixed point described by the angle measured between the horizontal axis and the link arm When the link arm is moved up and down this spring compensates a part of the weight of the robot arm and thus reduces the load on the motor actuating the second axis The mathematical model and the consumed energy function of the robot arm with the counterbalancing system was used The parameters of spring and the two connection points between spring and link arm and between spring and based arm are to be optimized using numerical optimization methods The real model of the robot arm with the counterbalancing system was setup of testing The results show that total consumed energy of robot strongly depends on the undeflected length l, the spring stiffness k and two connected point between spring and link arm and between spring and based arm The optimal consumed energy by adding counterbalancing system is easily and efficiently and can be solved for all kind of robot At the optimal solution, the consumed energy of robot can be reduced about 10% to 20% dependence on total mass of robot v MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt luận văn iv Mục lục vi Danh sách hình ix Danh sách bảng xi Chương Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nước công bố 1.2.1 Vài nét lịch sử phát triển robot robot công nghiệp 1.2.2 Một số kết nghiên cứu nước 1.3 Mục đích đề tài 10 1.4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu .10 1.5 Kết dự kiến đạt .11 vi Chương Cơ sở lý thuyết 12 2.1 Bậc tự 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 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 hệ lực song song 19 2.9 Trọng tâm vật rắn .20 2.10 Các định luật Newton .21 2.10.1 Các khái niệm 21 2.10.2 Các định luật Newton 22 2.11 Phân tích vị trí chuyển động 24 2.12 Phân tích vận tốc gia tốc 25 2.12.1 Giới thiệu .25 2.12.2 Vận tốc vật cứng 27 2.12.3 Gia tốc vật cứng .28 2.13 Mô men lực 30 2.14 Mối quan hệ moment, lượng công suất……………………… 31 Chương Mô hình toán tay máy 32 3.1 Đặt vấn đề .32 vii 3.2 Phân tích giải vấn đề: 33 3.3 Mô hình tay máy .36 Chương Giải thuật tính toán điều khiển .40 4.1 Giải thuật mô điều khiển tay máy 40 4.2 Bộ điều khiển động cơ: .41 4.3 Giải thuật tính toán: 43 Chương Kết .44 Chương Kết luận hướng phát triển đề tài 53 6.1 Những kết đạt 53 6.2 Hạn chế đề tài 53 6.3 Hướng phát triển đề tài .53 Tài liệu tham khảo 54 Phụ lục A 56 Phụ lục B 62 viii Phương pháp nghiên cứu Tiến hành xây dựng mô hình toán học tay máy với cấu cân đối trọng Xây dựng giải thuật tính toán lượng tiêu thụ ngõ với tham số ngõ vào vị trí góc điểm kết nối tay máy cấu cân đối trọng Xây dựng chương trình mô đánh giá thuật toán ngôn ngữ MATLAB Điều chỉnh thông số đưa nhận xét đánh giá Thực nghiệm mô hình Tóm tắt tính toán, thiết kế, khảo sát, thống kê, phân tích, so sánh… đưa kết nghiên cứu, nghĩa khoa học giá trị thực tiễn đề tài 6.1 Mô hình tay máy: Hình 3.4 Trọng tâm C robot Tìm trọng tâm C robot xC  d cos(   ) (3-1) yC  d sin(   ) (3-2)  số: góc lệch trọng tâm C góc quay  Viết phương trình cân động học cánh tay robot Tọa độ điểm A B: xB  r.cos(   ) (3-3) y B  r.sin(   ) (3-4) rA   xA ; y A  : vị trí điểm A rB   xB ; yB  : vị trí điểm B Hình 3.5 Cơ cấu cân đối trọng sin   yB  y A LAB cos   xB  xA LAB Khoảng cách từ điểm A tới điểm B LAB   x A  xB    y A  yB  (3-5) Lực gây hệ thống cân đối trọng: xB  x A LAB y  yA Fby  k l0 sin    k l0 B LAB Fbx  k l0 cos    k l0 (3-6) (3-7) Viết lại dạng vector: Fb    rB  rA  k l0 / LAB (3-8) k: độ cứng lò xo; l0 : độ dài lò xo l0  LAB  l0 : độ biến dạng lò xo (3-9) Moment gây hệ thống cân đối trọng M b  Fbx yB  Fby xB (3-10) Moment gây khối lượng m ( hay trọng tâm C) : M m  m.g.d cos(   ) (3-11) Moment gây moment quán tính tay robot M     md (3-12) Với gearR hệ số khớp  : moment quán tính Moment cân robot M  M  M b  M m (3-13) Công thức tính moment động điện sau [12]: P  9554  M  (3-14) Với M : moment động (Nm) P:công suất động (W)  : vận tốc động (v/ph) Mối quan hệ lượng so với công suất [6]: P E t Với E : độ biến đổi lượng (J) t : thời gian (s) Với động ta có: M  C ia M: moment ngõ robot ia dòng điện phần ứng động K số động Le điện cảm cuộn dây kích thích ie dòng kích thích ie  Ue Re C  K Le ie (3-15) 6.2 Giải thuật mô điều khiển tay máy: Với quỹ đạo hoạt động mong muốn động cơ, ta xây dựng giải thuật điều khiển thông qua mô hình hoá động sau:  d   d M d co u iad ia m g d   Mm   r ( B)  (B) Mb rA k l0 gearR  M  gearR   dm Md Hình 4.1 Giải thuật mô điều khiển tay máy 6.3 Bộ điều khiển động Động điều khiển điều khiển hình 4.1 với hai điều khiển nối tiếp Bộ điều khiển bên để điều khiển điện áp phần ứng động u điều khiển bên tính toán tốc độ động yêu cầu từ sai số bám vị trí Hình 4.2 Điều khiển hồi tiếp 6.4 Giải thuật tính toán: Từ thông số toạ độ điểm A, điểm B, điểm C thông số lò xo, ta tính toán momen động robot, tính lượng tiêu thụ robot Tiến hành thay đổi giá trị điểm B ta chọn giá trị lượng khác Bằng cách tìm lượng nhỏ theo biến toạ độ điểm B độ dài lò xo, ta biết vị trí đặt lò xo để có lượng tiêu thụ tối ưu cho tay máy E M Khoảng cách, lực A B C Lò xo xA , y A xB , y B xC , yC l, k r,  Hình 4.3 Giải thuật tính toán lượng 10 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trong phần này, số kết trình bày để minh họa cho hiệu phương pháp Bảng 5.1 thể thông số hệ thống Bảng 5.1 Các thông số tay máy Thông số Giá trị Đơn vị m kg g 9.81 m / s2 d 0.2 m  0.27 kgm gearR 1/9 k 103 N/m rA [  0.085, 0.145, 0]T m     20 rB 0.12  rB  0.15 m l0 0.09  l0  0.12 m Mô tính toán tối ưu hóa vị trí điểm B chiều dài lò xo theo chuyển động cho trước với giá trị khởi tạo ban đầu, ta thu giá trị sau: 11 Bảng 5.2 Giá trị tính toán Giá trị ban đầu Giá trị tính toán Năng lượng [rad, m, m] [rad, m, m] tiêu thụ [J] [0.122;0.12;0.11] [0.349; 0.12; 0.10] 105 [0.30;0.15;0.10] [0.349; 0.12; 0.10] 105 [0.25;0.13;0.15] [0.349; 0.12; 0.10] 105 Kết thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng kết mô phỏng, ta thu bảng giá trị sau: Giá trị Công suất tiêu [rad, m, m] thụ [W] [0.125, 0.12, 0.08] 33 [0.225 0.13, 0.09] 29 [0.349; 0.12; 0.10] 25.4 [0.300, 0.15, 0.12] 28 [0.320, 0.14, 0.11] 32 ta thấy với   0.349 ; r  0.12 ; l0  0.10 Thì tay máy tiêu thụ lượng 12 Các kết trình bày từ hình 5.1 đến 5.6 Hình 5.1 giá trị biến toạ độ điểm B chiều dài lò xo theo tính toán Ta thấy, với điểm B có toạ độ [0.349, 0.12]m lò xo chiều dài 0.1m lượng tiêu thụ tay máy nhỏ Để đánh giá chất lượng điểm B chiều dài lò xo chọn, tay robot di chuyển lên xuống theo góc mong muốn hình 5.2 Trong suốt trình chuyển động, lượng tiêu thụ tính toán Hình 5.3 cho thấy chuyển động thực tay robot chậm sớm chuyển động yêu cầu phụ thuộc vào chiều chuyển động robot (robot di chuyển lên xuống) Hình 5.4 lượng tiêu thụ tay máy cấu cân đối trọng Hình 5.5a lượng tiêu thụ tay máy có cấu cân chưa tối ưu giá trị Hình 5.5b lượng tiêu thụ tay máy có cấu cân với giá trị tính toán tối ưu điểm B có toạ độ [0.349, 0.12]m lò xo chiều dài 0.1m Ta thấy, lượng tiêu thụ giảm 20% so với cấu cân đối trọng Hình 5.6 cho thấy công suất tính toán so với công suất thực tế Kết mô cho thấy xây dựng mô hình toán tay máy với cấu cân đối trọng dùng lò xo; đồng thời thấy lượng tiêu thụ robot phụ thuộc mạnh mẽ vào chiều dài lò xo điểm nối cấu thân robot Với giải pháp tối ưu hóa này, lượng tiêu thụ robot giảm xuống đáng kể từ 10% đến 20% tùy thuộc vào tải trọng 13 Hình 5.1 kết tính toán Hình 5.2 Góc quay yêu cầu 14 Hình 5.3 chuyển động thực tay robot so với yêu cầu Hình 5.4 lượng tiêu thụ tay máy cấu cân đối trọng 15 Hình 5.5(a) Năng lượng tiêu thụ tay máy với cấu cân đối trọng Hình 5.5(b) Năng lượng tiêu thụ tối ưu tay máy với cấu cân đối trọng 16 Hình 5.6 công suất tính toán công suất thực tế 17 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Những kết đạt Luận văn đạt số kết định sau:  Xây dựng mô hình toán tay máy với cấu cân lò xo  Mô mô hình toán Matlab  Tính toán tối ưu  Mô lượng tiêu thụ  Thực nghiệm mô hình kiểm chứng kết tính toán Luận văn giúp làm sở khoa học cho việc thiết kế để chế tạo hệ tay máy với mức tiêu thụ lượng nhỏ nhất, giúp tiết kiệm sức lao động, giảm chi phí sản xuất, tăng hiệu kinh doanh Hạn chế đề tài Đề tài dừng lại việc xem xét khớp tiêu hao nhiều lượng nhất, chưa thực toàn khớp tay máy Đồng thời đề tài dừng lại việc xem xét ba biến tổng số sáu biến tính toán Hướng phát triển đề tài Thực mở rộng đề tài cho loại robot có nhiều khớp, quỹ đạo di chuyển phức tạp Xem xét tất biến lại để tìm lượng tiêu thụ tối ưu hệ thống 18