Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều khiển bằng máy tính phục vụ đào tạo

Lun Thc s k thut LI CAM OAN Tụi tờn l: Trn Trng Dng hc viờn cao hc lp 13BCT.KT khúa 2013B Chuyờn ngnh: C in T ti: Nghiờn cu, thit k v ch to mụ hỡnh Robot ba bc t ta cu iu khin bng mỏy tớnh phc v o to Giỏo viờn hng dn: TS Trn Th Thanh Hi Tụi xin cam oan cỏc nghiờn cu, thit k v ch to lun ny l chớnh tỏc gi thc hin H Ni, thỏng nm 2015 Tỏc gi lun Trn Trng Dng Lun Thc s k thut MC LC Trang ph bỡa Li cam oan Danh mc bng biu Danh mc hỡnh Phn m u CHNG 1: TNG QUAN V ROBOT CễNG NGHIP 1.1 Lch s phỏt trin ca Robot cụng nghip 1.1.1 Quỏ trỡnh hỡnh thnh ca Robot cụng nghip 1.1.2 Quỏ trỡnh phỏt trin ca robot cụng nghip 1.2 nh ngha v phõn loi Robot cụng nghip 1.2.1 nh ngha v Robot cụng nghip 1.2.2 Phõn loi Robot cụng nghip 1.3 Tỡnh hỡnh ng dng v phỏt trin robot cụng nghip trờn th gii v nc 14 1.4 Kt lun 17 CHNG 2: NG HC V NG LC HC ROBOT BC T DO 18 2.1 Mụ hỡnh Robot bc t 18 2.2 ng hc Robot 20 2.2.1 Bi toỏn ng hc thun 20 2.2.2 Bi toỏn ng hc ngc 23 2.3 ng lc hc Robot 25 2.4 Mụ phng s 33 2.5 Mụ phng hot ng Robot 34 2.6 Kt lun 34 CHNG 3: THIT K V CH TO ROBOT BC T DO 35 3.1 Thit k iu khin Robot bc t trờn phn mm Matlab 35 3.1.1 Trỡnh t thit k giao din Guide 35 3.1.2 Gii bi toỏn ng hc thun 39 Lun Thc s k thut 3.1.3 Gii bi toỏn ng hc ngc 39 3.1.4 Thit k qu o 40 3.1.5 Tớnh momen ng c 40 3.1.6 Thit k iu khin 41 3.2 Thit k h thng c khớ 42 3.2.1 Tớnh chn ng c 42 3.2.2 Tớnh trc 43 3.2.3 Thit k khung cho robot cu RRR 47 3.2.4 Tớnh cỏnh tay robot 47 3.2.5 Tớnh chn bi 49 3.2.6 Tớnh chn b truyn ng rng robot RRR 49 3.2.7 Ch to h thng c khớ 52 3.3 Thit k, thi cụng mch iu khin 56 3.3.1 Nguyờn lý iu khin ng c 56 3.3.2 Thit k mch iu khin 61 3.4 Kt qu ch to mụ hỡnh Robot ba bc t 64 3.5 Kt lun 66 CHNG 4: XY DNG BI THC HNH CHO SINH VIấN CAO NG NGH 67 4.1 Bi thc hnh 1: Dy hc cho Robot bc t 67 4.2 Bi thc hnh 2: iu khin Robot bc t theo phng trỡnh ng hc thun 75 4.3 Bi thc hnh 3: iu khin Robot bc t theo phng trỡnh ng hc ngc 76 4.4 Kt lun 77 KT LUN 78 TI LIU THAM KHO 79 PH LC 80 Lun Thc s k thut DANH MC BNG BIU Bng 2.1 Bng thụng s Denavit Hartenberg .20 Bng 2.2 Bng thụng s D-H cho Robot bc t 22 Bng 2.3 Bng thụng s ng hc DH 33 Bng 3.1 Cỏc ký hiu L, H, XL v bc tng ng .49 Bng 3.2 Cỏc chi tit in hỡnh trờn robot .56 Bng 3.3 Bng chõn tr ca mch logic cho driver L298D 61 Lun Thc s k thut DANH MC HèNH Hỡnh 1.1 Hỡnh 1.2 Hỡnh 1.3 Hỡnh 1.4 Hỡnh 1.5 Hỡnh 1.6 Hỡnh 1.7 Hỡnh 1.8 Hỡnh 1.9 Hỡnh 1.10 Hỡnh 1.11 Hỡnh 1.12 Hỡnh 1.13 Hỡnh 1.14 Hỡnh 1.15 Hỡnh 1.16 Hỡnh 2.1 Hỡnh 2.2 Hỡnh 2.3 Hỡnh 2.4 Hỡnh 2.5 Hỡnh 2.6 Hỡnh 2.7 Hỡnh 2.8 Hỡnh 2.9 Hỡnh 2.10 Hỡnh 2.11 Hỡnh 3.1 Hỡnh 3.2 Hỡnh 3.3 Hỡnh 3.4 Hỡnh 3.5 Hỡnh 3.6 Hỡnh 3.7 Robot dch ni lon v kch ca Karel Capek - 1920 Tay mỏy robot ta Cỏc Tay mỏy robot ta tr Tay mỏy robot ta cu Tay mỏy robot dng phng sinh Tay mỏy robot dng SCARA S iu khin robot theo mch h 10 S iu khin robot theo vũng kớn 10 Robot ngnh luyn kim .11 Robot hn 13 Robot sn 13 Robot lp rỏp 14 Sn lng robot cụng nghip trờn th gii 15 Biu th trng robot cụng nghip Chõu /c, Chu u v Chõu M 15 Biu s dng robot ti cỏc nc .16 Biu robot phc v cỏc ngnh cụng nghip 17 S ng Robot 18 Cu to Robot c thit k trờn Solidworks .18 Thõn di 19 Khõu th .19 Khõu th .19 Mụ phng robot RRR 23 Biu din gúc quay q1 24 S hỡnh hc ca tay mỏy 24 Loi tr chuyn ng ca tay mỏy 25 Giao din ng hc thun 34 Giao din ng hc ngc 34 Ca s bt u matlab 35 Giao din thit k 36 Ly cỏc i tng 37 Thuc tớnh ca i tng 38 Giao din bi toỏn ng hc thun 39 Giao din bi toỏn ng hc ngc .39 Giao din qu o chuyn ng 40 Lun Thc s k thut Hỡnh 3.8 Hỡnh 3.9 Hỡnh 3.10 Hỡnh 3.11 Hỡnh 3.12 Hỡnh 3.13 Hỡnh 3.14 Hỡnh 3.16 Hỡnh 3.17 Hỡnh 3.18 Hỡnh 3.19 Hỡnh 3.20 Hỡnh 3.21 Hỡnh 3.22 Hỡnh 3.23 Hỡnh 3.24 Hỡnh 3.25 Hỡnh 3.26 Hỡnh 3.27 Hỡnh 3.28 Hỡnh 3.29 Hỡnh 3.30 Hỡnh 3.31 Hỡnh 3.32 Hỡnh 3.33 Hỡnh 3.34 Hỡnh 3.35 Hỡnh 3.36 Hỡnh 3.37 Hỡnh 3.38 Hỡnh 3.39 Hỡnh 3.40 Hỡnh 3.41 Hỡnh 3.42 Giao din tớnh momen ng c .40 Giao din iu khin chớnh 41 Bng iu khin .41 Bng Teaching Mode 42 Thụng bỏo chng trỡnh chy ca robot .42 Trc ti khp 43 Biu momen trc 44 Biu momen trc 45 Trc ti khp 46 Biu momen trc 46 Khung robot 47 Cỏnh tay 48 Cỏnh tay 48 Tay kp 49 Hỡnh la chn b truyn 50 Thụng s pulley nh 50 Mụ hỡnh pulley nh SolidWork 51 Thụng s pulley ln .51 Mụ hỡnh pulley to SolidWork 51 Chn loi 52 ng c 57 Nguyờn lý iu khin 57 Mch nguyờn lý .58 Mch cụng sut 58 Chip L298 59 Mch logic .61 Khi vi iu khin AVR 62 Khi kt ni mỏy tớnh 62 Khi ngun 62 Khi cỏch ly quang 63 Khi logic 63 Mch nguyờn lý .63 Mch in 64 Sn Phm Robot hon thin 64 Lun Thc s k thut PHN M U Lý chn ti Chỳng ta luụn mong mun chng trỡnh o to i hc v cao ng gn lin vi thc t cụng nghip c bit vi sinh viờn h cao ng ngh, ny cng quan trng Trong ú, Robot cụng nghip l thit b c s dng ph bin ti cỏc nc cụng nghip phỏt trin v bt u c s dng Vit Nam Sinh viờn h cao ng ngh trng cn c kin thc v k nng lm vic tt nờn cỏc mụn hc v Robot v Robot cụng nghip cng nh cỏc bi thc hnh cỏc trng cao ng cn phi ỏp ng c yờu cu thc t cụng nghip Do ú vic xõy dng cỏc thit b thc nghim cỏc trng i hc, cao ng núi chung v cỏc trng cao ng ngh núi riờng l rt cn thit phc v o to Trng cao ng ngh Bỏch Khoa H Ni l mt cỏc trng o to ngh v cha cú Robot phc v cụng tỏc o to Vic ch to Robot v xõy dng cỏc bi thc hnh l rt quan trng Hn na, bn thõn tỏc gi l ging viờn trng cao ng ngh Bỏch Khoa H Ni Tỏc gi cng nh cỏc ng nghip luụn tõm huyt vi cht lng o taoVỡ vy, tỏc gi ó chn ti Nghiờn cu, thit k v ch to mụ hỡnh Robot ba bc t ta cu iu khin bng mỏy tớnh phc v o to lm lun cao hc Mc ớch, i tng v phm vi nghiờn cu ca lun - Mc ớch: Thit k, ch to c mụ hỡnh Robot ba bc t ta cu iu khin bng mỏy tớnh phc v mc ớch o to - i tng v phm vi nghiờn cu: + i tng nghiờn cu l Robot bc t do: Kt cu c khớ, ng c servo, van khớ nộn, vi iu khin v Matlab + Phm vi nghiờn cu: Nghiờn cu tng quan v robot cụng nghp, Bi toỏn ng hc v ng lc hc cho robot Thit k v ch to robot bc t ta cu Thit k h thng iu khin robot bng vi iu khin cú kt ni mỏy tớnh Túm tt im c bn v úng gúp mi ca tỏc gi Lun c trỡnh by gm chng: Chng 1, nghiờn cu tng quan v Robot cụng nghip Tỡm hiu lch s phỏt trin, phõn loi robot cụng nghip theo Lun Thc s k thut cỏc cỏch khỏc Phn cui ca chng phõn tớch tỡnh hỡnh phỏt trin robot cụng nghip trờn th gii v tỡnh hỡnh s dng robot cụng nghip cng nh xu hng phỏt trin robot cụng nghip Vit nam Chng 2, nghiờn cu, tớnh toỏn ng hc v ng lc hc cho Robot bc t lm c s cho vic thit k robot ba bc t chuyn ng quay Bi toỏn ng hc thun v ng hc ngc robot c gii theo phng phỏp Denavit-Hartenberg Bi toỏn ng lc hc robot c gii theo phng phỏp s dng nh lý ng nng, phng trỡnh Lagrange II, NewtonEuler Chng 3, thit k v ch to Robot bc t Robot bc t c thit k bng phn mm Matlab qua vic gii cỏc bi toỏn ng hc, ng lc hc, thit k iu khin Tớnh v tớnh chn cỏc chi tit cho h thng c khớ Phn iu khin c thit k v ch to gm iu khin ng c Servo bng vi iu khin AVR 16 cú kt ni mỏy tớnh Cui chng trỡnh by kt qu thc nghim vic ch to Robot bc t do, cỏc khõu 1, 2, cú chiu di l1 = 240mm, l2 = 230mm v l3= 245mm, gii hn cỏc gúc quay cho cỏc khõu, = -1000 ữ 1000, = 00 ữ 900, =- 1000ữ 00 Chng 4, xõy dng cỏc bi thc hnh phc v o to úng gúp mi ca tỏc gi: Lun ó ch to c mụ hỡnh Robot bc t phc v o to v xõy dng cỏc bi thc hnh (Bi 1: Dy hc cho Robot; Bi 2: iu khin Robot theo phng trỡnh ng hc thun; Bi 3: iu khin Robot theo phung trỡnh ng hc ngc) cho mụn hc Robot cụng nghip Phng phỏp nghiờn cu - Nghiờn cu lý thuyt chung v tớnh toỏn, thit k, ch to Robot bc t v xõy dng cỏc bi thc hnh - Nghiờn cu tng quan v Robot v Robot cụng nghip, cỏc bi toỏn ng hc, ng lc hc Robot v iu khin robot T ú cú c s tớnh toỏn, thit k v ch to Robot bc t do, xõy dng cỏc bi thc vi Robot thc nghim phc v o to - Tớnh toỏn, thit k phn mm iu khin Robot bc t trờn Matlab - Tớnh v tớnh chn cỏc chi tit in hỡnh cho Robot bc t - Xõy dng cỏc bi thc hnh phc v o to Lun Thc s k thut CHNG TNG QUAN V ROBOT CễNG NGHIP 1.1 Lch s phỏt trin ca Robot cụng nghip 1.1.1 Quỏ trỡnh hỡnh thnh ca Robot cụng nghip Thut ng Robot ln u tiờn xut hin vo nm 1921 tỏc phmRossums Universal Robots ca nh Tip Khc cú tờn l Karel Capek nh hỡnh 1.1 Trong tỏc phm ny Rossum v trai ca ụng ó ch to nhng chic mỏy gn ging vi ngi phc v ngi Nm 1922, trờn sõn khu mỳa ri Chõu u ó xut hin ri Robota vi tờn gi l lc s cỏc ngh s Tip Khc trỡnh din T ú xut hin ý tng sỏng ch k thut nhng c cu mỏy cú kh nng bt chc cỏc hot ng ca ngi vi mc ớch robot cụng nghip thay cho c bp ngi [1] [2] [3] Hỡnh 1.1 Robot dch ni lon v kch ca Karel Capek - 1920 1.1.2 Quỏ trỡnh phỏt trin ca robot cụng nghip Robot cụng nghip hỡnh thnh v phỏt trin mnh m trờn th gii Quỏ trỡnh phỏt trin ca robot cụng nghip c chia lm thi k sau [2] [3]: - Thi k s khai (Trc nm 1946): õy l giai on phỏt trin sn xut tin dn n t ng húa c khớ (t ng húa sn xut cng) Lun Thc s k thut - Thi k tin robot (1946 1960): Trong thi k ny, cỏc robot u tiờn phc v cho cụng nghip nguyờn t, õy l giai on phỏt trin mnh ca K thut Cụng nghip Sn xut C th nh sau: Nm 1946: Xut hin mỏy tớnh in t u tiờn cú tờn l ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Caculartor) Nm 1948: nh nghiờn cu Goertz ó nghiờn cu ch to loi tay mỏy ụi iu khin t xa u tiờn v cựng nm ú hóng General Mills ch to tay mỏy gn tng t s dng c cu tỏc ng l nhng ng c in kt hp vi cỏc c hnh trỡnh Nm 1950: Ch to thnh cụng Mỏy phay iu khin s NC ti vin cụng ngh Massachuset MIT, õy l thi k phỏt trin Cụng ngh khoa hc K thut thụng tin iu khin vi u quỏ trỡnh NC trớ tu nhõn to T ú ý tng Kt hp h iu khin NC vi cỏc c cu iu khin t xa vi thụng minh nhy bộn ca h iu khin NC ó a mt th h mỏy t ng cao cp ú l ngi mỏy Nm 1954: Goertz tip tc ch to mt dng tay mỏy ụi s dng ng c servo v cú th nhn bit lc tỏc ng lờn khõu cui Nm 1956: Hóng General Mills cho i tay mỏy hot ng cụng vic kho sỏt ỏy bin - Thi k k nguyờn ca robotic(T nm 1960): õy l thi k phỏt trin mnh m ca robot cụng nghip: Nm 1961: Robot Unimate USA ca hóng General Motors c s dng phõn xng ỳc, õy l thi k ca robot th h th nht Lp trỡnh iu khin robot lp li cỏc thao tỏc ó c nh trc Nh vy m robot cú cỏc kh nng: + Mt l: Lm vic liờn tc 24 gi v nm vng cỏc cụng vic vũng vi phỳt + Hai l: Lm vic mi iu kin: núng bc, khú chu, nguy him v c hi Trờn c s bn quyn phỏt minh sỏng ch ca M, cỏc nc trờn th gii cng Lun Thc s k thut set(handles.text27,'string',h(3,3,2));set(handles.text28,'string',h(3,4,2)); set(handles.text29,'string',h(4,1,2));set(handles.text30,'string',h(4,2,2)); set(handles.text31,'string',h(4,3,2));set(handles.text32,'string',h(4,4,2)); set(handles.text33,'string',h(1,1,3));set(handles.text34,'string',h(1,2,3)); set(handles.text35,'string',h(1,3,3));set(handles.text36,'string',h(1,4,3)); set(handles.text37,'string',h(2,1,3));set(handles.text38,'string',h(2,2,3)); set(handles.text39,'string',h(2,3,3));set(handles.text40,'string',h(2,4,3)); set(handles.text41,'string',h(3,1,3));set(handles.text42,'string',h(3,2,3)); set(handles.text43,'string',h(3,3,3));set(handles.text44,'string',h(3,4,3)); set(handles.text45,'string',h(4,1,3));set(handles.text46,'string',h(4,2,3)); set(handles.text47,'string',h(4,3,3));set(handles.text48,'string',h(4,4,3)); set(handles.text49,'string',h(1,1,4));set(handles.text50,'string',h(1,2,4)); set(handles.text51,'string',h(1,3,4));set(handles.text52,'string',h(1,4,4)); set(handles.text53,'string',h(2,1,4));set(handles.text54,'string',h(2,2,4)); set(handles.text55,'string',h(2,3,4));set(handles.text56,'string',h(2,4,4)); set(handles.text57,'string',h(3,1,4));set(handles.text58,'string',h(3,2,4)); set(handles.text59,'string',h(3,3,4));set(handles.text60,'string',h(3,4,4)); set(handles.text61,'string',h(4,1,4));set(handles.text62,'string',h(4,2,4)); set(handles.text63,'string',h(4,3,4));set(handles.text64,'string',h(4,4,4)); set(handles.text65,'string',h(1,1,5));set(handles.text66,'string',h(1,2,5)); set(handles.text67,'string',h(1,3,5));set(handles.text68,'string',h(1,4,5)); set(handles.text69,'string',h(2,1,5));set(handles.text70,'string',h(2,2,5)); set(handles.text71,'string',h(2,3,5));set(handles.text72,'string',h(2,4,5)); set(handles.text73,'string',h(3,1,5));set(handles.text74,'string',h(3,2,5)); set(handles.text75,'string',h(3,3,5));set(handles.text76,'string',h(3,4,5)); set(handles.text77,'string',h(4,1,5));set(handles.text78,'string',h(4,2,5)); set(handles.text79,'string',h(4,3,5));set(handles.text80,'string',h(4,4,5)); set(handles.text81,'string',h(1,1,6));set(handles.text82,'string',h(1,2,6)); set(handles.text83,'string',h(1,3,6));set(handles.text84,'string',h(1,4,6)); set(handles.text85,'string',h(2,1,6));set(handles.text86,'string',h(2,2,6)); set(handles.text87,'string',h(2,3,6));set(handles.text88,'string',h(2,4,6)); set(handles.text89,'string',h(3,1,6));set(handles.text90,'string',h(3,2,6)); set(handles.text91,'string',h(3,3,6));set(handles.text92,'string',h(3,4,6)); set(handles.text93,'string',h(4,1,6));set(handles.text94,'string',h(4,2,6)); set(handles.text95,'string',h(4,3,6));set(handles.text96,'string',h(4,4,6)); set(handles.text97,'string',h(1,1,7));set(handles.text98,'string',h(1,2,7)); set(handles.text99,'string',h(1,3,7));set(handles.text100,'string',h(1,4,7)); set(handles.text101,'string',h(2,1,7));set(handles.text102,'string',h(2,2,7)); set(handles.text103,'string',h(2,3,7));set(handles.text104,'string',h(2,4,7)); set(handles.text105,'string',h(3,1,7));set(handles.text106,'string',h(3,2,7)); set(handles.text107,'string',h(3,3,7));set(handles.text108,'string',h(3,4,7)); set(handles.text109,'string',h(4,1,7));set(handles.text110,'string',h(4,2,7)); set(handles.text111,'string',h(4,3,7));set(handles.text112,'string',h(4,4,7)); I.2.Code phn mm gii bi toỏn ng hc ngc function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) x=str2double(get(handles.x,'string'));y=str2double(get(handles.y,'string')); z=str2double(get(handles.z,'string'));l1=str2double(get(handles.l1,'string')); 81 Lun Thc s k thut l2=str2double(get(handles.l2,'string'));l3=str2double(get(handles.l3,'string')); if (x>=0)&(y>=0);goc1=atand(y/x);elseif (x=0); goc1=atand(abs(x)/abs(y))+90;elseif (x=0);gocd1=atand(yd/xd);elseif (xd=0); gocd1=atand(abs(xd)/abs(yd))+90;elseif (xd=0);gocc1=atand(yc/xc); elseif (xc=0);gocc1=atand(abs(xc)/abs(yc))+90; elseif (xc=0); 86 Lun Thc s k thut g1=atand(yc/xc); elseif (xc=0); g1=atand(abs(xc)/abs(yc))+90;elseif (xc