1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT SCARA ....................................................... 51.1. ROBOT công nghiệp ........................................................................................... 51.1.1. Khái niệm về robot công nghiệp .................................................................... 51.1.2. Phân loại robot công nghiệp .......................................................................... 51.2. Robot dạng tay máy ............................................................................................. 51.2.1. Cơ cấu chấp hành: ......................................................................................... 61.2.2. Hệ thống điều khiển: ..................................................................................... 61.2.3. Phần mềm thiết kế và mô phỏng .................................................................... 71.3. Robot SCARA (một robot dạng tay máy): ........................................................... 71.3.1. Giới thiệu: ..................................................................................................... 71.3.2. Đặc trưng của Scara:...................................................................................... 81.3.3. Cấu tạo cơ bản: .............................................................................................. 81.3.4. Ứng dụng: ..................................................................................................... 92. MÔ HÌNH HÓA ROBOT ........................................................................................ 93. PHÂN TÍCH KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT .................................................. 103.1. Thông số động học của Robot ........................................................................... 103.2. Tính các ma trận truyền ..................................................................................... 113.3. Bài toán động học thuận .................................................................................... 123.3.1. Vị trí, hướng khâu thao tác .......................................................................... 123.3.2. Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối ............................................................. 133.3.3. Vận tốc góc, gia tốc góc khâu thao tác ......................................................... 133.3.4. Khảo sát không gian làm việc của robot ...................................................... 143.4. Bài toán ngược Robot ........................................................................................ 153.4.1. Bài toán động học ngược vị trí ..................................................................... 163.4.2. Bài toán động học ngược vận tốc, gia tốc .................................................... 204. ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT ................................................................................... 204.1. Một số đặc trưng trong động lực học ................................................................. 204.2. Giải bài toán động lực học ................................................................................. 214.2.1. Ma trận khối lượng M(q) ............................................................................. 234.2.2. Ma trận quán tính li tâm và lực Coriolit ....................................................... 264.2.3. Thế năng Π .................................................................................................. 264.2.4. Lực không thế .............................................................................................. 264.2.5. Lực dẫn động U ........................................................................................... 275. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ........................................................................ 275.1. Bộ điều khiển PID ............................................................................................. 275.2. Mô phỏng bằng Simulink – điều khiển robot trong không gian thao tác ............ 295.2.1. Chọn luật điều khiển .................................................................................... 295.2.2. Xây dựng mô hình trên Matlab Simulink ..................................................... 295.3. Sử dụng công cụ simMechanics của Matlab để mô phỏng – điều khiển trongkhông gian khớp ........................................................................................................ 315.3.1. Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 34
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ************ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP” Sinh viên thư ̣c hiêṇ Mssv Lớp Người hướng dẫn : : : : Nguyễn Văn Huy 20131782 KT-CĐT01 K58 T.S Đặng Bảo Lâm HÀ NỘI – 12/2016 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ Đơn vị chun mơn: Nhóm Cơ điện tử SME.EDU - Mẫu6.a rev1 Học kỳ: Năm học: 2016-2017 ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Mã HP: ME4336 Thời gian thực hiện: 15 tuần; Mã đề: VCK05-SC01; Ngày giao nhiệm vụ: 19/9/2016; Họ tên sv: Nguyễn Văn Huy Ngày…/…/2016 ĐƠN VỊ CHUN MƠN (ký, ghi rõ họ tên) Ngày hồn thành: 19/12/2016: MSSV: 20131782 Ngày…/…/2016 NGƯỜI RA ĐỀ (ký, ghi rõ họ tên) Mã lớp: ………… Chữ ký sv:……… Ngày…/…/20016 CB Hướngdẫn (ký, ghi rõ họ tên) Đặng Bảo Lâm Đặng Bảo Lâm I Nhiệm vụ thiết kế: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP II Số liệu cho trước: Chiều dài khâu: Khâu 1: a1= 500 (mm) Khâu 2: a2= 450 (mm) Góc quay 1 = ±150 (độ) Góc quay 2 = ±90 (độ) Khoảng trượt d3 = 500 (mm) Chiều dài cần d4= 300 (mm) II Nội dung: Thiết kế mơ hình 3D phần mềm Solidworks Giải toán động học, động lực học robot CN, Xác định miền làm việc Thiết kế điều khiển vận tốc/ vị trí cho khâu tác động cuối Robot theo luật điều khiển: PID Mô kết điều khiển Matlab Simulink Nguyễn Văn Huy - 20131782 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử MỤC LỤC GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT & SCARA 1.1 ROBOT công nghiệp 1.1.1 Khái niệm robot công nghiệp 1.1.2 Phân loại robot công nghiệp 1.2 Robot dạng tay máy 1.2.1 Cơ cấu chấp hành: 1.2.2 Hệ thống điều khiển: 1.2.3 Phần mềm thiết kế mô 1.3 Robot SCARA (một robot dạng tay máy): 1.3.1 Giới thiệu: 1.3.2 Đặc trưng Scara: 1.3.3 Cấu tạo bản: 1.3.4 Ứng dụng: MÔ HÌNH HĨA ROBOT PHÂN TÍCH KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT 10 3.1 Thông số động học Robot 10 3.2 Tính ma trận truyền 11 3.3 Bài toán động học thuận 12 3.3.1 Vị trí, hướng khâu thao tác 12 3.3.2 Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối 13 3.3.3 Vận tốc góc, gia tốc góc khâu thao tác 13 3.3.4 Khảo sát không gian làm việc robot 14 3.4 Bài toán ngược Robot 15 3.4.1 Bài tốn động học ngược vị trí 16 3.4.2 Bài toán động học ngược vận tốc, gia tốc 20 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 20 4.1 Một số đặc trưng động lực học 20 4.2 Giải toán động lực học 21 4.2.1 Ma trận khối lượng M(q) 23 4.2.2 Ma trận quán tính li tâm lực Coriolit 26 4.2.3 Thế Π 26 4.2.4 Lực không 26 4.2.5 Lực dẫn động U 27 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 27 5.1 Bộ điều khiển PID 27 5.2 Mô Simulink – điều khiển robot không gian thao tác 29 5.2.1 Chọn luật điều khiển 29 5.2.2 Xây dựng mơ hình Matlab Simulink 29 5.3 Sử dụng công cụ simMechanics Matlab để mô – điều khiển không gian khớp 31 5.3.1 Kết mô 34 Nguyễn Văn Huy - 20131782 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử TỔNG KẾT 35 Nguyễn Văn Huy - 20131782 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT & SCARA 1.1 ROBOT công nghiệp 1.1.1 Khái niệm robot công nghiệp Theo tiêu chuẩn RIA Mỹ (Robot institute of America): Robot tay máy vạn lặp lại chương trình, thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, thiết bị chuyên dùng thông qua chương trình chuyển động thay đổi để hoàn thành nhiệm vụ khác Với đặc điểm lập trình lại được, robot cơng nghiệp thiết bị tự động hóa ngày trở thành phận thiếu hệ thống sản xuất linh hoạt Vì vậy, robot cơng nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao suất lao động giảm nhẹ cho người công việc nặng nhọc, độc hại giám sát người Robot công nghiệp ngày phát triển có vai trò lớn sản xuất tự động hóa 1.1.2 Phân loại robot cơng nghiệp Robot chuỗi (tay máy): chuỗi động học hở với khâu cố định gọi đế khâu động, khâu động bố trí nối tiếp với Mỗi khâu động liên kết hay nối động với khâu khác nhờ khớp liên kết Robot song song: chuỗi động học kín, khâu ln ln liên kết với hai khâu khác 1.2 Robot dạng tay máy Cấu trúc bản: -Kết cấu khí (cơ cấu chấp hành) -Hệ truyền động -Hệ thống điều khiển -Cảm biến, hệ thống giám sát Hình1.1: Tay máy Nguyễn Văn Huy - 20131782 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử 1.2.1 Cơ cấu chấp hành: *Đặc trưng then chốt robot công nghiệp kết cấu khí (cơ cấu chấp hành) Một tay máy khí tạo thành từ vật rắn (khâu) liên kết với khớp Một khâu cố định (đế) lại khâu động, khâu cuối khâu thao tác nhằm cầm nắm nâng chuyển thao tác với vật gia công Một số khớp tay máy dẫn động, lại thụ động thông thường số khớp dẫn động số bậc tự Một tay máy cần cánh tay để di chuyển dễ dàng; khớp cổ tay linh hoạt; khâu thao tác thực tác vụ yêu cầu 1.2.2 Hệ thống điều khiển: * Hệ thống điều khiển robot thường chia làm ba cấp độ: Cấp hệ thống: Điều khiển robot thực nhiệm vụ nằm dây chuyền sản xuất Cấp điều khiển thường hệ thống máy tính điều khiển trung tâm đưa lệnh điều khiển thông qua mạng truyền thơng Cấp điều khiển quỹ đạo: Tính tốn quỹ đạo di chuyển tay máy từ tính tốn quỹ đạo vị trí tốc độ khớp Cấp sử dụng máy tính cơng nghiệp mạch vi xử lý, vi điều khiển, điều khiển, khuếch đại công suất cung cấp hãng Siemens, Omron, Maxon Cấp điều khiển chấp hành: Là cấp điều khiển cấu chấp hành (động servo, xi lanh thủy lực …) thực chuyền động theo vị trí, tốc độ đặt Cấp hệ điều khiển truyền động với mạch vòng điều khiển vị trí tốc độ dòng điện… Và phức tạp hệ truyền động thay đổi momen tải động nhiều cánh tay robot vươn xa co lại gần Vì đòi hỏi phải sử dụng điều khiển phức tạp Tuy nhiên, tất robot thực điều khiển theo cấp điều khiển vậy, có robot hoạt động theo trình tự cơng tắc vị trí, hành trình với hệ thống truyền động hở Vì vậy, phần cứng hệ điều khiển truyền động robot chất hệ truyền động thông thường: biến tần động cơ, hệ điều khiển động điện chiều, xoay chiều, hệ điều khiển động bước, hệ điều khiển thủy lực, khí nén … Và tay robot cơng nghiệp người ta tích hợp tất thành phần tủ điện điều khiển cấu chấp hành robot * Thuật toán điều khiển Khi tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển tự động nói chung, cơng việc ta phải xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng (mơ hình hóa đối tượng thực tế) Công việc giúp ta hiểu biết thêm đối tượng, giúp ta thành công việc tổng hợp điều khiển Một việc quan trọng không giúp ta giải tốt toán lựa chọn luật điều khiển cho hệ thống Từ mơ hình yêu cầu kĩ thuật ta phải chọn luật điều khiển thích hợp cho hệ thống, để kết việc thiết kế hệ thống đáp ứng theo mong muốn người vận hành điều khiển Nguyễn Văn Huy - 20131782 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử Hiện thực tế có nhiều thuật tốn điều khiển khác nhau, ta liệt kê số kiểu điều khiển: Kiểu điều khiển PID, kiểu điều khiển thích nghi, kiểu điều khiển Back-steping (hay gọi kiểu chiếu) 1.2.3 Phần mềm thiết kế mô Matlab & Simulink: Là công cụ hỗ trợ cho việc học toán, giải giúp người học vấn đề khó khăn mơ biểu đồ, đồ thị… ứng dụng nhiều môn học như: Tốn, Lý, Cơng nghệ thơng tin, Địa lý, Địa chất dầu khí nhiều lĩnh vực khác Microsoft RDS: Là phần mềm thiết kế/mô robot tốt vừa phát triển hợp tác Microsoft Dassault Robot thiết kế SolidWorks sau xuất sang phần mềm Microsoft VSE, phần mềm mô hoạt động robot RobotMastercam: Là modul Robotic tích hợp đầy đủ, xuất phát từ CAD/CAM dựa tảng chương trình dành cho robot, cho phép người dùng thiết lập thông số xác định cho robot xuất mã chương trình trục Ngồi ra, số phần mềm khác như: Easy-rob, Labview, DSpace… Tuy nhiên, việc sử dụng phần mềm khác để mô giám sát hoạt động robot phụ thuộc vào mục đích, hồn cảnh điều kiện khách quan khác 1.3 Robot SCARA (một robot dạng tay máy): 1.3.1 Giới thiệu: Hình 1.2: Robot SCARA Robot SCARA tạo mẫu thử nghiệm mang tính cách mạng năm 1978, phòng thí nghiệm giáo sư Hiroshi Makino, Đại học Yamanashi Nhật Bản Các robot SCARA bậc tự ý tưởng khác hoàn toàn cánh tay robot vào thời điểm Cấu tạo đơn giản thành cơng rực rỡ với chuyển động di chuyển nhiều hơn, với tốc độ cao xác SCARA từ viết tắt cho Selective Compliance Assembly Robot Arm Các robot tự thay đổi kích thước hình dạng tất SCARA phù hợp chuyển động bậc tự độc đáo SCARA vượt trội "chọn đặt" khả Nguyễn Văn Huy - 20131782 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử độc đáo để chọn lên thành phần cơng nghiệp từ vị trí đặt chúng một, với độ xác, tốc độ chuyển động trơn tru Các cánh tay SCARA cư xử giống cánh tay người cho phép khớp cánh tay để di chuyển theo chiều dọc chiều ngang Tuy nhiên, cánh tay SCARA có chuyển động hạn chế cổ tay; xoay khơng thể nghiêng Mặc dù chuyển động hạn chế cổ tay lại thuận lợi cho nhiều loại hoạt động lắp ráp, chọn-và-đặt, lắp ráp, đóng gói ứng dụng khác SCARA robot giới thiệu với dây chuyền lắp ráp thương mại vào năm 1981 có giá rẻ, hiệu suất tốt lắp ráp tốc độ cao Hệ thống lắp ráp linh hoạt Nhật Bản, dựa robot SCARA, tạo bùng nổ toàn giới sản xuất thiết bị điện tử nhỏ, tạo sản phẩm mà lái kinh tế thay đổi giới mãi Tiến sĩ Matthew T Mason, giám đốc Viện Robotics Đại học Carnegie Mellon, ca ngợi SCARA robot công nghiệp mang tính đột phá, SCARA, tiêu biểu cho đơn giản, mang tính đột phá thiết kế ban đầu bạn, mà tạo tốc độ cao tự động lắp ráp khơng có trước dẫn đến việc sản xuất hàng loạt sản phẩm điện tử nhỏ làm thay đổi giới người 1.3.2 Đặc trưng Scara: Năm 1981, Sankyo Seiki, Pentel NEC trình bày khái niệm hoàn toàn robot lắp ráp Các robot phát triển theo hướng dẫn Hiroshi Makino, giáo sư Đại học Yamanashi Các robot gọi Selective Compliance Assembly Robot Arm, SCARA Nhờ trục khớp bố trí song song SCARA, cánh tay linh hoạt theo hướng XY cứng nhắc hướng 'Z', thuật ngữ: Selective Compliant Đây thuận lợi cho nhiều loại hoạt động lắp ráp, tức là, chèn chi tiết vào vị trí trống cách nhanh chóng Thuộc tính thứ hai SCARA hai liên kết bố trí ghép nối đầu cánh tay tương tự cánh tay người, thuật ngữ: Assembly Robot Arm Tính cho phép cánh tay mở rộng đến biên miền làm việc sau rút lại hay "gấp" lại tránh chướng ngại vật Đây thuận lợi cho việc chuyển phận từ modul sang modul khác SCARAs thường nhanh so với hệ thống Robot Descartes Hình thức gọn diện tích chân đế nhỏ nên không bị cản trở giới hạn không gian Tuy nhiên, SCARAs đắt so với hệ thống Descartes cần phần mềm kiểm soát động học ngược để di chuyển tuyến tính nội suy Phần mềm thường kèm với SCARA để tương tác với người dùng cuối Thiết kế bậc tự lý tưởng cho lắp ráp tốc độ cao, đóng gói, vận chuyển nguyên liệu ứng dụng xử lý khác 1.3.3 Cấu tạo bản: -Cơ cấu chấp hành: đế khâu động với khớp động (scara 4DOF) -Hệ truyền động: Động khớp, hộp giảm tốc bánh răng, thiết bị truyền động điện Nguyễn Văn Huy - 20131782 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử -Hệ thống điều khiển: tùy thuộc vai trò nhiệm vụ thiết kế hệ điều khiển phù hợp -Hệ thống encoder, cảm biến phản hồi trạng thái 1.3.4 Ứng dụng: Scara có ưu điểm cấu tạo đơn giản, thiết kế nhỏ gọn có tốc độ di chuyển cao, phạm vi thao tác mặt phẳng xOy rộng phù hợp với thao tác gắp đặt Nhược điểm: không linh hoạt không gian 3D -Làm việc độc lập gia công mặt phẳng, hàn, sơn , xếp hàng hóa kho, lắp ráp, tháo chi tiếp phù hợp cách nhanh chóng, lắp đặt xác linh kiện điện tử -Một modul dây truyền: modul cấp phôi, vận chuyển chi tiết cho modul khác, khâu gia công -Một modul cấu robot MƠ HÌNH HĨA ROBOT Cấu trúc Robot gồm khâu khớp, đó: - khâu tĩnh (khâu 0) khâu động (khâu 1,2,3,4) - khớp quay khớp tịnh tiến Robot có bậc tự Trong q trình hoạt động khâu 1,2 với khớp quay 1,2 hoạt động mặt phẳng xy, đảm bảo vị trí mặt phẳng xy Khâu với khớp tịnh tiến vng góc với mặt phẳng xy đảm bảo thêm vị trí theo phương z Như vậy, với cấu trúc khâu khớp không gian với khâu khớp trên, robot đảm bảo với đến ví trí khơng gian làm việc với tới theo phương vng góc với mặt phẳng làm việc xy Khớp quay đồng trục với khâu khâu làm cho robot có thêm khả quay quanh trục z vị trí mà khâu trước đem đến Như vậy, với cấu trúc không gian Robot trên, Robot có vùng làm việc khơng gian hướng thao tác khâu thao tác vng góc với mặt phẳng xy Nguyễn Văn Huy - 20131782 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử PHÂN TÍCH KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT 3.1 Thông số động học Robot Nguyễn Văn Huy - 20131782 10 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM d T dt qi Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử T Qi U i , i n qi qi Trong đó: T – Động hệ robot Π – hệ robot qi – tọa độ suy rộng thứ i Qi – lực suy rộng lực không ứng với tọa độ suy rộng q i Ui – Lực/momen điều khiển ứng với tọa độ suy rộng qi n – số bậc tự robot Dạng ma trận phương trình Lagrange loại 2: M q q C q, q q G q Q U Trong đó: n M q J TiT mi J Ti J RiT cir J Ri i 1 nn C (q, q )q c j q, q q c j q, q q k , l; j q q k k ,l 1 G (q ) g j q g j q n1 n l n1 q j Q Bq Dsignq Q a 4.2 Giải toán động lực học Động lực học Robot gồm toán: - Bài toán động lực học thuận: Dưới tác động lực/momen điều khiển biết, tìm: Nguyễn Văn Huy - 20131782 21 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử o Các đại lượng đặc trưng vị trí hướng khâu thao tác với đạo hàm chúng (biểu diễn vận tốc, gia tốc dài, vận tốc góc, gia tốc góc) o Các tọa độ khớp đạo hàm cấp M ( q ) q C ( q, q )q G ( q ) Q U - Bài toán động lực học ngược: Trạng thái chuyển động Robot, vị trí, vận tốc, gia tốc biết, cần xác định: o Lực/momen điều khiển U M ( q ) q C ( q, q ) q G ( q) Q - Bài toán hỗn hợp: biết số yếu tố lực chuyển động robot, tìm nhữn yếu tố liên quan đến trạng thái động lực robot mà ta cần quan tâm: phản lực động lực, lực ma sát… Nguyễn Văn Huy - 20131782 22 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử Lưu đồ thuật toán giải toán động lực học 4.2.1 Ma trận khối lượng M(q) Mơ hình robot hình dưới, với Ci tọa độ trọng tâm khâu (giải toán đơn giản với giả thiết khâu đồng chất, tiết diện ngang không đáng kể có trọng tâm nằm trung điểm khâu) Nguyễn Văn Huy - 20131782 23 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử Động năng: T T n q M q q q T J TiT mi J Ti J RiT cir J Ri q 2 i 1 Suy ma trận khối lượng: M ( q ) J TiT mi J Ti J RiT cir J Ri i 1 44 Tensor quán tính: Tensor quán tính khâu thứ i, khối tâm khâu i, biểu diến hệ tọa độ khối tâm (hệ tọa độ quán tính trung tâm) 0 c1 0 m1a12 12 0 ; c m1a12 0 12 Nguyễn Văn Huy - 20131782 m2 a22 12 m2 a22 12 24 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM m3l32 12 c m3l32 12 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử m4 d 42 0 12 0 ; c 0 m4 d 42 12 J4z Ma trận Jacobi tịnh tiến trọng tâm khâu Tọa độ trọng tâm Ci hệ tọa độ thứ i irci: T T T l d4 a a rc1 0 1 ;2 rc 0 1 ;3 rc 0 1 ;4 rc 0 1 Tọa độ trọng tâm Ci hệ tọa độ gốc rci 0 Ai i rci 0r Ma trận Jacobi tịnh tiến: J Ti ci , i qi 43 - a 1sin1 0 - a 2sin 1 a1 sin 1 1 J T a1 cos 1 0 ; J T a 2cos 1 a1 cos 1 2 2 0 0 -a 2sin 1 a1 sin 1 a1 sin 1 0 a cos 1 a1 cos 1 a1 cos 1 0 JT ; 0 0 JT -a 2sin 1 a1 sin 1 a cos 1 a1 cos 1 a1 sin 1 0 a1 cos 1 0 ; 0 a1 sin 1 0 a1 cos 1 0 0 Ma trận Jacobi quay Tính vận tốc góc khâu hệ tọa độ gắn liền với khâu iωi i , i qi 43 Ma trận Jacobi quay: J Ri 0 J R1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ; J R 0 0 ; J R 0 0 0 ; J R 0 0 ; 1 0 1 0 1 1 0 Ma trận khối lượng M: Nguyễn Văn Huy - 20131782 25 T GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử 4.2.2 Ma trận quán tính li tâm lực Coriolit Biểu thức tính ma trận cản C: C (q, q ) q c j q, q q c j q, q q n1 n k , l; j q q k k ,l 1 l Với hỗ trợ phần mềm Maple ta tính được: a1a2 sin m2 2m3 2m4 1 C a1a2 sin m2 2m3 2m4 12 4.2.3 Thế Π Thế năng: m gz i 1 i ci Ma trận G: G (q) g j q n1 ; g j q q j 0 0 ⟹ G m3 m4 g 0 4.2.4 Lực không Với trường hợp tổng quát ngoại lực tác dụng lên khâu thao tác robot Nguyễn Văn Huy - 20131782 26 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Fx Fnl Fy F z Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử M x M nl M y ta tính ma trận Q sau: M z Fx a1 sin 1 a2 sin 1 Fy a1 cos 1 a2 cos 1 M z Fx a2 sin 1 Fy a2 cos 1 M z Q Fz Mz 4.2.5 Lực dẫn động U Với toán động lực học thuận, biết trạng thái chuyển động khớp robot, ta tìm U qua hệ phương trình vi phân: M ( q ) q C ( q, q) q G ( q ) Q U U1 U U sau: U U Còn với tốn ngược, cho lực dẫn động khớp, giải phương trình Lagrange ta đại lượng mô tả chuyển động khâu thao tác THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 5.1 Bộ điều khiển PID Sơ đồ khối điều khiển PID: Nguyễn Văn Huy - 20131782 27 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử Trong điều khiển tự động, có khâu điều khiển khâu điều khiển tỉ lệ (P), khâu tích phân (I) khâu đạo hàm (D) Một điều khiển PID liên tục tính tốn giá trị sai lệch e(t) điểm đặt mong muốn giá trị phản hồi đo từ hệ thống Bộ điều khiển cố gắng giảm thiểu sai lệch theo thời gian đặt trước cách điều chỉnh biến điều khiển u(t) Phương trình tốn PID sau: t u t K p e(t ) K i e d K d de(t ) dt Tương ứng với phương trình hàm truyền: Gc ( s) K p Ki K d s K p (1 Td s ) s Ti s Kp, Ki, Kd hệ số tỉ lệ, tích phân, đạo hàm Đặc điểm điều khiển P, I D Bộ điều khiển P giúp giảm thời gian đáp ứng; giảm sai lệch tính khơng triệt tiêu sai lệch tĩnh Bộ điều khiển tích phân I có khả triệt tiêu sai lệch tĩnh; làm cho đáp ứng độ tồi tệ Bộ điều khiển vi phân D giúp giảm độ điều chỉnh, cải thiện đáp ứng độ hệ thống, nhiên làm cho hệ ổn định nhạy cảm với nhiễu Mục đích việc điều chỉnh điều khiển PID Đó tìm Ki, Kp, Kd để hệ nhận được: - Thời gian đáp ứng nhanh - Độ điều chỉnh nhỏ - Triệt tiêu sai lệch tĩnh Thủ thuật để điều chỉnh điều khiển PID Khi thiết kế điều khiển PID cho hệ thống, làm theo bước sau để nhận đáp ứng mong muốn: Từ đáp ứng hệ hở xác định cần cải thiện Thêm vào điều khiển tỉ lệ để cải thiện thời gian đáp ứng Thêm vào điều khiển vi phân để cải thiện độ điều chỉnh Thêm vào điều khiển tích phân để triệt tiêu sai lệch tĩnh Điều chỉnh hệ số Kp, Ki, Kd nhận đáp ứng mong muốn Có thể tham khảo bảng đây, nhiên việc chỉnh định tham số kinh nghiệm cho điều khiển PID buồn tẻ thời gian Có thể sử dụng công cụ để tự động chỉnh định tham số cho PID Bộ PID chỉnh định theo phương pháp Ziegler-Nichols, phương pháp tối ưu đối xứng, tối ưu module, … Tuy nhiên, hệ cần sử dụng thành phần P, I, D ví dụ thân đối tượng có thành phần tích phân khơng cần phải có khâu tích phân nữa, tức cần dùng PD đủ, tín hiệu hệ thống Nguyễn Văn Huy - 20131782 28 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử thay đổi tương đối chậm thân điều khiển không cần có phản ứng thật nhanh ta cần sử dụng điều khiển PI… 5.2 Mô Simulink – điều khiển robot không gian thao tác 5.2.1 Chọn luật điều khiển Ta có phương trình động lực học Robot sau: M ( q ) q C ( q, q )q G ( q ) Q U Sử dụng điều khiển PD+Lực có mơ hình điều khiển sau: 5.2.2 Xây dựng mơ hình Matlab Simulink Mơ hình tổng thể: Nguyễn Văn Huy - 20131782 29 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử Khối Control – PD: Trong Kp, Kv hệ số Chọn Kp, Kv tùy ý (ở mức sơ cấp, cao người ta có tính tốn cụ thể) cho kv kp ta chọn T T kp 3600 3600 3600 3600 ku 120 120 120 120 Khối Nonlinear: Khối Robot: Nguyễn Văn Huy - 20131782 30 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử Ta kết sau: Bảng so sánh tín hiệu đặt tín hiệu vị trí Về vận tốc: 5.3 Sử dụng công cụ simMechanics Matlab để mô – điều khiển không gian khớp Từ toán ngược Robot phần trên, với quỹ đạo đường tròn nằm mặt phẳng Oyz có phương trình: x 700mm y 180sin t z 180 cos t Trong khoảng thời gian t = 0÷2s Nguyễn Văn Huy - 20131782 31 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử Trong đó: Là liệu quy luật chuyển động biến khớp tốn Mơ hình xuất từ Solidwork công cụ simMechanics mô chuyển động Matlab Simulink Nguyễn Văn Huy - 20131782 32 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử Kết so sánh liệu đặt vào liệu với PID từ thư viện Simulink chọn hệ số tự động từ máy tính ta kết sau: Nguyễn Văn Huy - 20131782 33 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử Quá trình bám quỹ đạo với thời gian đặt 0.001876(s) đáp ứng hệ 0.6: 5.3.1 Kết mô Assem3_chuan.avi Nguyễn Văn Huy - 20131782 34 GVHD: T.S ĐẶNG BẢO LÂM Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử TỔNG KẾT Sau tuần làm việc, với hướng dẫn nhiệt tình giáo viên hướng dẫn – TS Đặng Bảo Lâm, em hoàn thành Đồ án Thiết kế hệ thống Cơ điện tử với đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển cho Robot công nghiệp, cụ thể robot Scara bậc tự với kết đạt sau: - Tìm hiểu nguồn gốc, lịch sử phát triển cơng nghiệp robot nói chung robot SCARA nói riêng Ứng dụng robot SCARA cơng nghiệp sống ngày - Thiết kế mơ hình 3D robot - Tính tốn động học robot gồm: o Động học thuận o Động học ngược - Tính tốn động lực học robot - Thiết kế điều khiển robot theo luật điều khiển PID Matlab Simulink theo phương pháp: o Điều khiển không gian thao tác (luật điều khiển: PD + lực) o Điều khiển không gian khớp (luật điều khiển PID) - Mô robot hoạt động theo quỹ đạo đặt trước Chưa làm được: Tuy cố gắng thời gian khơng cho phép nên đồ án số phần chưa làm sau: - Thiết kế dẫn động khớp - Bài toán ngược sử dụng thuật toán Newton – Graphson với sai số tích lũy tương đối lớn, hạn chế sai số bắng phương pháp Newton – Graphson cải tiến Trên tóm tắt phần chưa làm Đồ án này, cố gắng thời gian hạn chế nên tránh sai sót Mong thầy/cơ góp ý cho em để đồ án hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Bảo Lâm nhiệt tình giúp đỡ em để hồn thiện đồ án Nguyễn Văn Huy - 20131782 35