Tay máy robot 3 bậc tự do

TÓM TẮT Tên đề tài: Tay máy robot song song ba bậc tự Với phát triển khoa học ngày robot đóng vai trò ngày quan trọng đời sống công nghiệp Ở Việt Nam, robot song song chưa có nhiều công trình nghiên cứu kỹ lưỡng Quá trình nghiên cứu thực qua nhiều bước Động học bao gồm hai phần động học ngược động học thuận nhằm giải vấn đề động học Động học ngược toán xác định góc chủ động góc bị động dựa vị trí biết mô hình Bài toán động ngược tìm kiếm vị trí mô hình góc bị động từ các giá trị biết khớp chủ động Vùng làm việc phạm vị hoạt động tốt robot, mà không chứa điểm kì dị gây hư hỏng cho robot Việc tìm kiếm vùng làm việc xác định không gian làm việc lớn mà chứa điểm kì dị Xác định không gian làm việc giúp tìm kích thước robot tối ưu động học Bài toán động lực học thực để xây dựng phương trình tính toán momen điều khiển áp đặt thuật toán điều khiển lên phương trình momen để có giá trị momen đưa vào động nhằm yêu cầu hệ robot hoạt động theo yêu cầu Dựa vấn đề lý thuyết giải quyết, xây dựng mô hình robot phần mềm SolidWorks chuyển mô hình sang phần mềm Matlab Đồng thời, thuật toán điều khiển xây dựng phần mềm Matlab để điều khiển mô hình robot nhằm kiểm tra kết lý thuyết Sau hoàn tất trình mô phỏng, nhóm đồ án tiến hành xây dựng mô hình thực tế dựa mô hình mô để kiểm tra kết có đáp ứng với thực tế hay không NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tên đề tài đồ án: Tay máy robot bậc song song tự Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Khớp chủ động đặt đỉnh giác có cạnh 0.5 m Cánh tay : Dài: 0.2 m , khối lượng :0.5 kg Cánh tay : Dài: 0.2 m , khối lượng :0.5 kg Cơ cấu chấp hành : Bán kính: 0.1m , khối lượng : 1.2 kg Nội dung phần thuyết minh tính toán: Chương 1: Tổng quan tay máy robot song song phẳng bậc tự Chương 2: Mô hình động học, không gian làm việc cấu hình kì dị tay máy robot song song phẳng bậc tự Chương 3: Động lực học robot phương pháp điều khiển Chương : Mô hệ thống Chương 5: Xây dựng mô hình thực Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, robot lĩnh vực phát triển nhanh chóng nhu cầu ngày tăng cao việc thay người hoạt động sản xuất công nghiệp đời sống Các công trình nghiên cứu robot thời gian qua đạt nhiều thành công lớn đặc biệt robot nối tiếp Bên cạnh đó, loại robot song song nghiên cứu khả mà mang lại lớn ngành y học , hàng không vũ trụ, thiết kế xác Tuy nhiên, Việt Nam nay, đề tài nghiên cứu robot song song hạn chế Từ kiến thức robot 3RRR nhóm định thực đề tài “ Tay máy robot bậc song song tự do”.Trong đề tài này, nhóm tìm hiểu phương pháp giải toán động học, tìm kiếm vùng làm việc điểm kì di Từ sở trên, nhóm tiếp tục xây dựng phương pháp điều khiển động lực học cho robot Sau giải lý thuyết robot , nhóm tiến hành mô phần mềm Matlab 2016a xây dựng mô hình thực tế để kiểm chứng lại lý thuyết LỜI CẢM ƠN Đề tài thực giám sát thầy Lê Tiến Dũng Thầy người trách nhiệm với sinh viên, thầy tận tình dạy, hướng dẫn nhóm thực đề tài từ nội dung đến lý thuyết phức tạp Thầy thường xuyên động viên, nhắc nhở thành viên nhóm để hoàn thành đề tài thời hạn.Nhờ đó, nhóm có thêm tự tin, lòng đam mê với đề tài nghiên cứu.Với lòng biết ơn to lớn nhóm chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy Các thành viên nhóm xin cảm ơn gia đình bạn bè ủng hộ sát cánh trình nghiên cứu đề tài CAM ĐOAN Chúng cam đoan, đề tài thực trình nghiên cứu giám sát thầy Lê Tiến Dũng Chúng không chép lại công trình nghiên cứu người khác, không thuê người làm hộ Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, đồ án sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung đồ án Trường đại Bách Khoa Đà Nẵng không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền gây trình thực (nếu có) MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU: 3RRR : Three Revolute-Revolute-Revolute : Ba khớp quay DOF : Degree of Freedom : Góc quay tự MCU : Micro Controler Unit : Vi điều khiển DAC : Digital to Analog Converter: Mạch biến đổi tín hiệu số sang tương tự Nghiên cứu thiết kế robot song song phẳng ba bậc tự MỞ ĐẦU Ngày nay, robot trở thành phần quan trong đời sống công nghiệp Hiện có hai loại cấu robot robot song song robot nối tiếp, robot nối tiếp nghiên cứu hoàn thiện Tuy nhiên, Việt Nam robot song song chưa nghiên cứu sâu rộng chưa có nhiều báo hay sách nói robot song song Do đó, lựa chọn robot song song để thực nghiên cứu Mục tiêu đề tài hoàn thiện sở lý thuyết động học động lực học loại robot đinh.Áp dụng đươc điều khiển PID vào trình ều ển robot.Xây dựng mô hình mô mô hình thực tế để kiểm chứng lý thuyết Trong đề tài này, robot song song ba bậc tự (3DOF-RRR) đ ược l ựa ch ọn đ ể làm đối tượng nghiên cứu.Và phạm vi nghiên cứu toán lý thuyết đ ộng h ọc, đ ộng lực học robot 3RRR phương pháp điều khiển cho robot Hai phương pháp sử dụng đề tài : Phương pháp khảo li ệu: tham khảo, tra cứu tài liệu liên quan để thấu hi ểu kiến thức liên quan đ ến đ ề tài thực hiện.Phương pháp thực nghiệm : xây dựng mô hình thực, từ kinh nghiệm, quy trình thực tế rút kết xác để đưa vào đồ án Đồ án tốt nghiệp có chương bao gồm: - Chương 1: Tổng quan robot song song phẳng Chương 2: Lý thuyết động học không gian làm việc Chương 3: Động lực học robot phương pháp điều khiển Chương 4: Mô hệ thống Chương 5: Xây dựng mô hình thực Nghiên cứu thiết kế robot song song phẳng ba bậc tự CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG PHẲNG 1.1 Khái niệm robot Các nhà khoa học đưa nhiều cách định nghĩa khác Robot như: “Robot tay máy nhiều chức năng, thay đổi chương trình hoạt động, dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ dùng cho công việc đặc biệt thông qua chuyển động khác lập trình nhằm mục đích hoàn thành nhiệm vụ đa dạng” (Schlussel, 1985) hay “Robot công nghiệp máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có đặc điểm định tương tự người”; rộng M.P.Groover đưa định nghĩa robot không dừng lại tay máy mà mở rộng cho nhiều đối tượng khác có đặc tính tương tự người suy nghĩ, có khả đưa quy định nhìn thấy cảm nhận đặc điểm vật hay đối tượng mà phải thao tác xử lý, “Robot công nghiệp máy hoạt động tự động điều khiển theo chương trình để thực việc thay đổi vị trí đối tượng thao tác khác với mục đích tự động hóa trình sản xuất” Sự thống tất định nghĩa nêu đặc điểm “điều khiển theo chương trình” Đặc điểm robot thực nhờ đời vi xử lý (microprocessors) vi mạch tích hợp chuyên dùng “chip” năm 70 Không lâu sau xuất robot điều khiển theo chương trình, người ta thực robot tự hành Hơn nữa, với bước phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử tin học, người ta sáng tạo nhiều robot có cảm xúc khả xử lý thông tin Do định nghĩa robot có thay đổi bổ sung Các robot đóng góp vào phát triển công nghiệp nhiều dạng khác nhau: tiết kiệm sức người, tăng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm an toàn lao động giải phóng người khỏi công việc cực nhọc tẻ nhạt Tất nhiên, tương lai nhiều vấn đề nảy sinh robot ngày thay hoạt động người, việc đem lại lợi ích cho người, khám phá vũ trụ, khai thác nguồn lợi đại dương, robot thực làm cho sống tốt đẹp 1.2 Phân loại robot Trong công nghiệp người ta sử dụng đặc điểm khác robot để giúp cho việc nhận xét dễ dàng 1.2.1 Phân loại theo không gian làm việc Theo không gian làm việc, người ta phân robot thành loại: đề các, trụ, cầu, lề Nghiên cứu thiết kế robot song song phẳng ba bậc tự DAC Giao tiếp Điện áp hoạt động VDD Điện áp tham chiếu Số chân 12 bit SPI 2.7 V- 5.5V –VDD sử dụng điện áp bên chân Bảng 5.5 Chức chân MCP4921 STT Tên VDD CS SCK SDI LDAC VREF VSS VOUT Chức Cấp nguồn cho IC Chân chọn chip Chân nhận xung clock Chân nhận liệu Cho phép chuyển đổi LDAC nối đất Chân điện áp tham chiếu Chân đất Chân xuất điện áp chuyển đổi MCP4921 sử dụng chuẩn truyền thông SPI để nhận liệu Muốn MCP4921 hoạt động, người dùng cần ghi 16 bit liệu lên MCP4921 theo cấu trúc sau: Hình 5.37 Cấu trúc liệu cần truyền Bảng giải thích chức bit: Bảng 5.6 Chức bit liệu Bit A/B BUF GA Chức Chọn DAC Giá trị : Bộ DACA : Bộ DACB Điều khiển đệm điện áp tham 1: sử dụng chiếu VREF 0: không sử dụng Hệ số nhân đôi 1: Sử dụng hệ số nhân đôi 0: không sử dụng hệ số nhân Nghiên cứu thiết kế robot song song phẳng ba bậc tự SHDN Điều khiển điện áp ngõ 1: Không cho phép 0: Cho phép xuất điện áp D11-D0 Các giá trị điện áp cần chuyển đổi Sau liệu nhận MCP 4921 thực chuyển đổi D/A theo công thức sau: Vout = VREF × Dn G 2n (5.2) b IC khuếch đại thuật toán LM358 LM358 hãng Motorola sản xuất Đây loại IC khuếch đại thuật toán phổ biến Việt Nam, sử dụng nhiều ứng dụng dân dung Nó loại IC chân gồm khuếch đại thuật toán Điện áp nguồn cấp từ V đến 32V nguồn đơn ±1.5V đến ±16V nguồn đôi Bảng 5.7 Chức chân IC STT Tên OUTA -INA +INA V-/GND +INB -INB OUTB Chức Xuất giá trị điện áp kênh A Đầu vào đảo kênh A Đầu vào không đảo kênh A Chân đất nguồn âm Đầu vào không đảo kênh B Đầu vào đảo kênh B Đầu điện áp kênh B Trong đồ án LM358 sử dụng để làm mạch trừ vi sai theo công thức tính toán sau: R  R   Rg  Vo = 1 + f ÷ V2 − f V1 ÷ R1   Rg + R2 ÷ R1   Lựa chọn thông số điện trở cho (5.3) trở thành Vo = V2 − V1 (5.3) R f = Rg = R1 = R2 (5.4) phương trình Nghiên cứu thiết kế robot song song phẳng ba bậc tự Hình 5.38 Sơ đồ nguyên lý mạch trừ vi sai 5.1.6 Động driver a Động cơ: Là thiết bị truyền động cho cánh tay máy qua khớp chủ động Động lựa chọn phù hợp với tải driver Hình 5.39 Động servo Omron dirver SDGA Bảng 5.8 Thông số động STT Thông số Tên động Công suất định mức Momen định mức Tốc độ định mức Dòng điện định mức Tốc độ cực đại Momen cực đại Giá trị Omron R88M-UE1100VS1 100 0.318 3000 0.87 4500 0.96 Đơn vị W N.m v/p A v/p N.m Nghiên cứu thiết kế robot song song phẳng ba bậc tự b Driver Mỗi loại động thường kèm với driver ghép thành với gọi servopack Driver nhận tín hiệu điều khiển từ DAC qua chân CN1 tín hiệu phản hồi từ động để thực tính toán điều khiển động theo mong muốn Việc lựa chọn driver dựa thuật toán điều khiển mô hình Yêu cầu driver phải có chức điều khiển momen phải giao tiếp với máy tính MCU Nghiên cứu thiết kế robot song song phẳng ba bậc tự Hình 5.40 Sơ đồ nối dây driver Dưới bảng thông số driver: Bảng 5.9 Thông số driver STT Tên thông số Tên drvier Công suất định mức Điện áp ngõ vào Điện áp ngõ Dòng điện định mức ngõ vào Dòng điện định mức ngõ Tần số Các kênh chức driver: Giá trị SGDA-02AS 100 220 0-220 2.5 1.25 50-60 Đơn vị W V V A A Hz Kênh CN1 thực chức chủ yếu điều khiển Kết nối DAC để nhận giá trị đặt momen, tốc độ nguồn 24V ON-OFF quy định chiều âm dương cho chiều quay động Kênh CN2 kênh tiếp nhận tín hiệu encorder từ động đưa driver Từ chân driver giám sát điều khiển động cách liên tục Kênh Operator kênh cho phép kết nối servopack với máy tính phần mềm SIGMAWIN Từ phần mềm này, ta cài đặt thông số, giám sát hoạt động servopack cách trực tiếp dễ dàng c Sơ đồ nối dây động driver Để làm việc với động driver phải nối theo định, phải đảm bảo yêu cầu điện áp, dòng điện thứ tự pha U,V,W nguồn cấp cho động Hình 5.41 Sơ đồ đấu nối động driver Nghiên cứu thiết kế robot song song phẳng ba bậc tự Bảng 5.10 Tên chức chân Tên chân R,T Chức Chân nguồn cung cấp điện xoay chiều cho driver (170 đến 230V) tần số 50 đến 60Hz DC ngõ để kết nối với thiết bị khác( không dùng) Ngõ kết nối với động Chân nối đất, yêu cầu nối đất cấp R