Thiết kế, mô phỏng robot song song 2 bậc tự do

MỤC LỤC I II DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Đặc điểm Robot song song .3 Bảng 2.2 Thông số khối lượng phận robot 10 III DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mô hình buồng tập lái máy bay Stewart năm 1965 Hình 1.2 Sơ đồ Robot Delta ( theo sáng chế Hoa Kỳ 4,976,582) Hình 1.3 Mô hình robot song song công nghiệp năm 1942 Hình 1.4 Chuyến bay mô dựa hexapod bát diện vào thập niên 1960 Hình 1.5 Nguyên mẫu robot phẫu thuật đầu gối Orthroscopic Hình 1.6 Robot PR6-01 phòng Cơ điện tử, viện Cơ học nghiên cứu Hình 1.7 Robot song song TOSY Hình 1.8 Robot song song hai bậc tự dạng RRRRR Hình 1.9 Robot song song hai bậc tự dạng PRRRP .8 Hình 1.10 Robot song song hai bậc tự dạng RPRPR Hình 2.1 Hệ tọa độ robot song song hai bậc tự .14 Hình 3.1 Kết phân tích ứng suất chi tiết phần mềm Solidworks 20 Hình 3.2 Quá trình gia công chi tiết với modul Solidcam 21 Hình 3.3 Giao diện làm việc phần mềm Matlab 22 Hình 3.4 Thư viện khối mô hình SimMechanics Simulink 24 Hình 3.5 Thư viện Bodies 25 Hình 3.6 Bảng thông số khối Body 26 Hình 3.7 Thư viện khớp chuyển động 27 Hình 3.8 Mô hình khớp Weld .28 Hình 3.9 Mô hình khớp Revolute .29 Hình 3.10 Mô tả khớp Cylindrical IV 29 Hình 3.11 Thư viện Sensor and Actuators 30 Hình 3.12 Thư viện Sources .31 Hình 3.13 Thư viện Sinks 32 Hình 3.14 Thư viện Signal Routing 33 Hình 3.15 Thư viện Ports & Subsystems 33 Hình 3.16 Thư viện Continuous 34 Hình 3.17 Thư viện Commonly Used Blocks 35 Hình 3.18 Mô hình 3D robot môi trường mô Simmechanics 36 Hình 3.19 Quỹ đạo đơn giản robot thiết đặt góc quay cho hai cánh tay .36 Hình 3.20 Giải thích thống số 37 Hình 3.21 Đồ thị mô vị trí robot song song 37 V MỞ ĐẦU Ở nước ta, Robot song song nghiên cứu vào năm 2007 nhìn chung dừng lại việc đưa mô hình tìm thuật toán giải toán động học mà chưa thiết kế chế tạo Robot cụ thể Phòng điện tử Viện học đơn vị Việt Nam cho đời sản phẩm Sau năm nghiên cứu Phòng Cơ điện tử - Viện học Việt nam thiết kế chế tạo hoàn chỉnh Robot song song chân (Hexapod) dùng cho ngành kỹ thuật đại trước mắt gia công khí xác Phiên có tên gọi PR6-01, dùng làm giá đỡ phôi cho máy gia công khí bán tự động kiểu cũ Thực tế đến nay, nhiều sở nghiên cứu ĐH Bách khoa Hà Nội , ĐH Bách khoa TPHCM,Viện học, Viện công nghệ thông tin chế tạo số Robot mẫu Dựa vào việc kế thừa ứng dụng nghiên cứu Robot song song nhà khoa học, bạn sinh viên trường nước Chúng em sinh viên môn điện tử trường Đại học công nghiệp Hà Nội lựa chọn việc “NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG HAI BẬC TỰ DO” với mong muốn áp dụng nghiên cứu vào việc xếp, phân loại, đóng gói sản phẩm dây truyền công nghiệp Trong đề tài chúng em thực việc tính toán, thiết kế hệ thống khí, mô hình hóa, mô trình làm việc robot song song hai bậc tự Từ sở để nghiên cứu sâu việc chế tạo thực tế loại robot Mong đề tài chúng em giúp cho người chế tạo Robot song song hai bậc tự giải hiểu nguyên tắc hoạt động, ứng dụng, tính toán thiết kế chế tạo robot song song hai bậc tự hoàn chỉnh Rút ngắn thời gian đem vào ứng dụng thực tế công việc sống Chúng em muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Bộ Môn Cơ Điện Tử Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đặc biệt thầy Nguyễn Anh Tú bảo giúp đỡ chúng em để chúng em hoàn thành tốt đồ án CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển robot song song Xuất phát từ nhu cầu khả linh hoạt hóa sản xuất, cấu Robot ngày phát triển đa dạng phong phú Trong thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song Gough Whitehall nghiên cứu năm 1962 ý ứng dụng Robot cấu trúc song song khởi động Stewart vào năm 1965 Ông người cho đời phòng tập lái máy bay dựa cấu song song bậc tự hình 1.1 Hình 1.1 Mô hình buồng tập lái máy bay Stewart năm 1965 Và cấu song song với nhiều dạng khác trình nghiên cứu phát triển để phục vụ nhiều lĩnh vực khác Robot song song cấu trúc gồm nhiều chuỗi động kín với nhóm trục cấu tác động cuối mắc song song Do hình thành từ chuỗi động kín (closed–loop-mechanism) gồm nhiều chuỗi động nối tiếp (serial kinematics chains) nối với bệ chấp hành (platform) (base) làm tăng độ cứng vững bệ chấp hành cuối robot Hơn nữa, đặt tất cấu chấp hành lên giá cần nhằm làm cho phần di chuyển kết cấu trở nên gọn nhẹ, nhờ tận dụng phần lớn lượng trực tiếp từ trục động cơ,đồng thời giảm sai số vị trí cấu tác động cuối.Nhờ đặc điểm mà robot song song chiếm ưu tốc độ tác động cao với độ xác cao, tải trọng lớn có độ cứng vững cao hẳn loại tay máy nối tiếp, đề cập bảng 1.1 Bảng 1.1 Đặc điểm Robot song song [1] Ưu điểm Nhược điểm Chịu tải trọng lớn Không gian làm việc bị giới hạn Độ cứng vững cao Điều khiển song song/đồng thời Tốc độ tác động nhanh Bài toán động học thuận phức tạp Định vị xác, lực quán tính nhỏ Tồn điểm kỳ dị Bài toán động học ngược đơn giản Do tính ưu việt Robot song song nên ngày thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu, đồng thời ứng dụng ngày rộng rãi vào nhiều lĩnh vực: - Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo xác Ngành Cơ khí: Máy gia công khí xác, máy công cụ Ngành Bưu viễn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô Ngành quân sự: Robot song song dùng làm bệ đỡ ổn định đặt tàu thủy, công trình thủy, xe, máy bay, chiến xa tàu ngầm Để giữ cân cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho thiết bị đo laser, bệ ổn định cho pháo tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Ngoài nước Được nhà khoa học nghiên cứu chế tạo phát triển kỷ XX Đặc biệt lưu ý tới số nhà khoa học có bước việc nghiên cứu cấu robot có cấu hình song song là: Willard L Polard, Eric Gough, Stewart, Klaus Cappel, Reymond Clavel Hình 1.2 Sơ đồ Robot Delta ( theo sáng chế Hoa Kỳ 4,976,582) Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sư Đại học EPFL) nảy ý tưởng độc đáo sử dụng cấu hình bình hành để tạo robot song song có ba bậc tự tịnh tiến bậc tự quay hình 1.2 sáng chế Hoa Kỳ số 4,976,582 Ý tưởng hoàn toàn Reymond Clavel bắt chước từ cấu song song đăng ký quyền vào năm 1942 (hình 1.3),và vào thờ điểm Willard L Polard đến giáo sư Clavel Robot songs ong Delta đánh giá thiết kế robot song song thành công với hàng trăm robot hoạt động toàn giới Năm 1999, tiến sĩ Clavel nhận giải thưởng Golden Robot Award tài trợ ABB Flexible Automation, để tôn vinh hoạt động sáng tạo ông robot song song Delta.Ý tưởng thiết kế robot Deltal sử dụng hình bình hành.Cá chình bình hành cho phép khâu trì hướng cố định tương ứng với khâu vào Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng bệ di động trì với ba bậc tự tịnh tiến Các khâu vào hình bình hành gắn với cánh tay quay khớp quay Cuối cùng,cánh tay thứ tư dùng để truyền chuyển động quay từ đế đến khâu tác động cuối gắn dịch chuyển Hình 1.3 Mô hình robot song song công nghiệp năm 1942 Một số thành tựu robot song song giới: 10 tọa độ CG tọa độ làm việc toàn khối tọa độ CS1, CS2… tọa độ điểm khối vật thể mà kết nối với khối body, khớp chuyển động khác,… Để dễ dàng cho việc thiết đặt thông số khối body Người ta thường vẽ mô hình vật thể phần mềm chuyên dụng Solidworks, CAD, Creo sau thiết đặt thông số vật liệu cho vật thể Và xuất thống số hình dạng, kích thước, thuộc tính vật liệu sang môi trường làm việc matlab Từ hạn chết đáng kể công sức thiết lập ban đầu cho khối body Thư viện khớp (Joint): Thư viện cung cấp khối biểu diễn ràng buộc chuyển động độc lập (số bậc tự do) khâu khí Các ràng buộc không phụ thuộc thời gian Hình 3.7 Thư viện khớp chuyển động Thư viện cung cấp khối khớp nối tạo chuyển động tương đối kết 34 cấu khí Khớp thay cho bậc tự thân thân kia, không giống với khớp vật lý, đa số chúng khối lượng SimMechanics cung cấp lượng phong phú thư viện khớp gói loại chính: - Joints: Các khớp thông thường, cấu thành từ hai loại khớp khớp tịnh tiến (Prismatic) khớp quay (Revolute / Spherical) - Disassembled Joints (khớp rời) - Massless Connector (khớp không trọng lượng) Mỗi khớp SimMechanics định dạng trục hoạt động (axis of action) chuyển động (Primitive) hệ tọa độ toàn thể (World) hay thân nguồn (Base) hay thân chuyển động theo (Follow) - Weld: khớp bậc tự Hai khối kết nối với hai bên khối weld bị khóa cứng với nhau, chuyển động tương đối xảy Hình 3.8 Mô hình khớp Weld - Revolute: Là khớp quay biểu diễn cho chiều quay tự quanh trục cố định hai khối liên kết khối Revolute Cảm biến quay xác định quy tắc bàn tay phải Ta thêm thành phần điều khiển cho 35 khớp việc thay số lượng Number of sensor/ actuator port bảng Block parameter: Revolute Hình 3.9 Mô hình khớp Revolute - Cylindrical: Là khớp trụ Khối cylindrical biểu diễn khớp tổng hợp hai chuyển động tịnh tiến quay Độ dịch chuyển trục xoay phải song song với 36 Hình 3.10 Mô tả khớp cylindrical Thư viện cấu chấp hành thiết bị đo (Sensor & Actuators) Thư viện cung cấp cấu chấp hành,cảm biến dùng để khởi tạo đo chuyển động khớp nối cấu khí Thư viện Actuator sensor SimMechanics cho phép đo: - Chuyển động thân Chuyển động khớp lực,moment khớp Phản lực momen Chúng ta sử dụng khối Actuator để thực tác vụ sau: - Cung cấp lực/momen biến đổi theo thời gian tác động vào thân khớp Chỉ vị trí, vận tốc hay gia tốc joint/driver hàm thời gian Chỉ vị trí ban đầu, vận tốc khớp trục Chỉ khối lượng hay mmomen quán tính hàm thời gian 37 Hình 3.11 Thư viện sensor and actuators - Joint Actuator: cấu chấp hành chuyên điều khiển khớp hoạt động theo - kiểu tác động lực theo kiểu tác động chuyển động quay Joint Sensor: cảm biến ghi nhận hoạt động khớp làm việc đưa lại - hệ thống Body Sensor: cảm biến ghi nhận vị trí khối body đưa hệ thống đưa khối hiển thị XY Graph Một số thư viện khối hay dùng thư viện Simulink: Thư viện Sources: thư viện chứa nguồn tín hiệu khác dùng để cung cấp cho hệ thống Hình 3.12 Thư viện sources - Khối Simin From Workspace: khối nguồn lấy từ liệu tính - toán lưu workspace để đưa vào hệ thống Khối In1: khối kết nối để đưa nguồn tín hiệu vào hệ thống thống từ nguồn khác hệ thống 38 Thư viện Sinks: dùng để xuất biểu diễn tín hiệu đưa từ hệ thống Hình 3.13 Thư viện Sinks - Khối XY Graph: có chức hiển thị tọa độ, đồ thị tín hiệu hai - trục x y Khối Scope: có chức hiển thị biểu đồ theo thời gian thực tín hiệu Khối Out1: có kết nối đầu hệ thống với hệ thống khác Thư viện Signal Routing: dùng để tạo lập, thiết đặt dạng đường truyền cho tín hiệu hệ thống - Khối Mux: gộp tín hiệu lại thành đường tín hiệu chung để truyền tới - khối khác có nhiệm vụ xử lý chấp hành Khối Demux: tách tín hiệu nhiều đường để truyền tới nhiều khối khác có nhiệm vụ xử lý Tín hiệu truyền cách đồng thời giống 39 Hình 3.14 Thư viện Signal Routing Thư viện Ports & Subsystems: cung cấp cổng khối để taọ lập hệ thống phụ Hình 3.15 Thư viện Ports & Subsystems - Khối Atomic Subsystem: coi khối vỏ hệ thống phụ Ta co thể tạo hệ thống phụ để đặt vào khối 40 Thư viện Continuous: thư viện chứa khối hàm truyền cho hệ thống điều khiển liên tục Hình 3.16 Thư viện Continuous - Khối Integrator: khối tích phân Mặc định khối có hàm truyền s - Khối PID Controller: khối biểu diễn cho điều khiển PID ta phân tích hệ thống, thay đổi thông số hệ PID bảng thuộc tính khối Thư viện Commonly Used Blocks: thư viện chứa khối thường sử dụng matlab simulink Ở có tập hợp khối tất thư viện mà nhà phát triển phần mềm thấy chúng hay sử dụng khối Mux, Demux, Gain,… 41 Hình 3.17 Thư viện Commonly Used Blocks - Khối Gain: dùng để khếch đại tín hiệu đầu vào thông qua hàm - người dùng thiết lập khối Khối Sum: tổng Để cộng hai đại, nhiều đại lượng vào đưa tín hiệu tổng tới khối khác hệ thống lắp đặt với 3.2.3 Mô hoạt động robot song song hai bậc tự Matlab Sơ đồ lắp ghép mô hệ thống khí hệ thống điều khiển robot song song hai bậc tự (phụ lục 2) Mô hình Simmechanics robot song song hai bậc tự xuất từ file thiết kế 3D vẽ thiết kế phần mềm Solidworks 2014 Từ tạo thuận tiện cách tối đa cài đặt gốc tọa độ cho khối Body không cần phải tạo ràng buộc mặt dịch chuyển khớp trụ, khớp quay, khớp tịnh tiến khối Body với 42 Hình 3.18 Mô hình 3D robot môi trường mô Simmechanics Hình 3.19 Quỹ đạo đơn giản robot thiết đặt góc quay cho hai cánh tay 43 Minh họa cho khả điều khiển vị trí theo góc hai tay máy, ta mô điều khiển cho đầu robot song song tiến lên phía trước đoạn dài 150 mm Matlab sau: Đầu tiên ta nhập workspace thông số sau: vitri=[0 0; 0.58 45 45] Trong đó: - vitri : tên biến khối nguồn “ from workspace” Hình 3.20 Giải thích thống số Sau thiết lập thời gian mô chạy Ta kết quả: Hình 3.21 Đồ thị mô vị trí robot song song không gian mô 44 Các số liệu mô lấy từ kết việc thực nghiệm mô hoạt động cánh tay robot môi trường mô cảu Matlab Thảo luận kết quả: Ta thấy vấn đề điểu khiển xác vị trí cho robot nhiều hạn chế Mới đạt đưuọc kết thiết lập mô hình mô điều khiển vị trí quỹ đạo đơn giản Vẫn nhiều hạn chế chưa điều khiển gia tốc, thời gian quay motor điều khiển hai cánh tay Nhưng thời gian kiến thức có hạn nên nhóm nghiên cứu chưa hoàn thành hết yêu cầu đề tài Trong thời gian tới nhóm tiếp tục tìm hiểu hoàn thành nốt yêu cầu mà đề tài đặt 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Đức Cường, Dương Văn Linh, Lê Quốc Việt, Đồ án thiết kế chế tạo robot song song dạng delta, TP Hồ Chí Minh [2] Fatih Cemal CAN (2008), Analysis And Synthesis of Parallel Manipulators [3] Sébastien Briot and Ilian A Bonev (2007), ARE PARALLEL ROBOTS MORE ACCURATE THAN SERIAL ROBOTS?, Canada [4] Sergiu-Dan Stan, Vistrian Mătieş and Radu Bălan (2008), Optimization of a DOF Micro Parallel Robot Using Genetic Algorithms, Romania [5] Trần Duy Khánh, Nguyễn Xuân Lự, Nguyễn Văn Chữ, Nguyễn Văn Tuyên (2010), đồ án nghiên cứu, thiết kế robot song song hai bậc tự ứng dụng khắc chữ, Hưng Yên [6] Trịnh Chất-Lê Văn Uyển , Tính toán hệ thống dẫn động khí tập I II, Nhà xuất giáo dục [7] PGS.TS Đào Văn Hiệp Kỹ thuật ROBOT Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2006 [8] http://kck.tic.edu.vn/index.php/viec-lam/gii-thiu-phn-mm-cadcam/solidworks/248gii-thiu-phn-mm-solidworks [9] http://vimach.net/threads/matlab-co-ban-gioi-thieu-ve-matlab.154/ [10] https://www.youtube.com/watch?v=WA1_OYPomyw [11] https://www.youtube.com/watch?v=sfN7jmNhovM [12] https://www.youtube.com/watch?v=L4ADsyQs6uA 46 PHỤ LỤC - BẢN VẼ CHI TIẾT CÁC BỘ PHẬN CỦA ROBOT 47 PHỤ LỤC - SƠ ĐỒ LẮP GHÉP MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ KHÍ VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG SIMMECHANICS 57