ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BỐN BẬC TỰ DO

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, các thiết bị đa năng đã trở nên phổ biến trong cuộc sống và sản xuất. Với sự kết hợp mạnh mẽ của Cơ khí Điện tử Tin học trong thời gian gần đây, các thiết bị ngày càng thông minh, linh hoạt và hữu ích trong cuộc sống của chúng ta. Với xu thế đó, Cơ Điện Tử là một chuyên ngành phát triển rất mạnh trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Với tư cách là sinh viên ngành Cơ Điện Tử, trải qua những năm học ở trường, chúng em đã có những kiến thức tổng quát về Cơ khí Điện tử Tin học, có thể kết hợp những lĩnh vực được học để thiết kế các thiết bị với tính năng hiện đại, hoạt động bền vững với độ tin cậy cao Với đề tài được giao là “Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot 4 bậc tự do”, chúng em đã nghiên cứu ứng dụng Arduino giao tiếp với máy tính cùng phương pháp điều khiển PID vào mô hình tay máy thiết kế.

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

Số: 01

Họ và tên sinh viên:

1 Phạm Thị Bích

2 Trương Phi Thường

3 Nguyễn Quang Trung

3 Phần thuyết minh

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

Ngày giao đề: Ngày hoàn thành:

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, các thiết bị đa năng đã trở nên phổ biến trong cuộc sống và sảnxuất Với sự kết hợp mạnh mẽ của Cơ khí - Điện tử - Tin học trong thời gian gầnđây, các thiết bị ngày càng thông minh, linh hoạt và hữu ích trong cuộc sống củachúng ta Với xu thế đó, Cơ Điện Tử là một chuyên ngành phát triển rất mạnh trênthế giới cũng như ở Việt Nam Với tư cách là sinh viên ngành Cơ Điện Tử, trải quanhững năm học ở trường, chúng em đã có những kiến thức tổng quát về Cơ khí -Điện tử - Tin học, có thể kết hợp những lĩnh vực được học để thiết kế các thiết bịvới tính năng hiện đại, hoạt động bền vững với độ tin cậy cao

Với đề tài được giao là “Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot 4 bậc tự do”, chúng em đã nghiên cứu ứng dụng Arduino giao tiếp với máy tính cùng

phương pháp điều khiển PID vào mô hình tay máy thiết kế Nội dung tìm hiểu đượcchúng em viết trong ba chương:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Cơ sở robot công nghiệp

Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng điều khiển

Chương 4: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 5: Kết quả và đánh giá

Trong quá trình hoàn thành đồ án môn Cơ điện tử, mặ dù rất cố gắng tìm hiểu,thiết kế, tính toán nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, chúng em rất mongđược sự góp ý của các thầy để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình hướng dẫn của thầy Phan Đình Hiếu và các thầy trong khoa Cơ khí trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

MỤC LỤ

LỜI NÓI ĐẦU i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG vii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Lịch sử hình thành 1

1.2 Xu hướng phát triển 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 3

1.4.1 Lý thuyết 3

1.4.2 Thực nghiệm 3

1.5 Phạm vi nghiên cứu đề tài 4

1.6 Lý thuyết 4

1.6.1 Thiết kế mô hình 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ ROBOT CÔNG NGHIỆP 5

2.1 Một số định nghĩa về robot 5

2.1.1 Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom) 5

2.1.2 Hệ toạ độ (Coordinate frames) 5

2.1.3 Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion) 6

2.2 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp 6

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 6

2.2.2 Phân loại robot 8

2.3 Động học và động lực hoc robot 11

2.3.1 Động học robot 11

2.3.2 Động lực học robot 14

2.4 Thiết kế quỹ đạo robot 15

2.5 Cơ sở điều khiển robot 17

2.5.1 Yêu cầu điều khiển robot 17

2.5.2 Nguyên tắc điều khiển 18

2.5.3 Các phương pháp điều khiển Robot 18

2.5.4 Điều khiển lực 24

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN 25

3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí 25

3.1.1 Yêu cầu bài toán thiết kế 25

3.1.2 Mô hình cánh tay robot 25

3.1.3 Trường công tác 29

3.2 Giải các bài toán robot 4 bậc tự do 29

3.2.1 Bài toán động học thuận 29

3.2.2 Bài toán động học ngược 31

3.2.3 Bài toán động lực học 33

3.2.4 Bài toán thiết kế quỹ dạo 39

3.3 Mô hình hóa hệ thống điều khiển 42

3.3.1 Điều khiển phản hồi 42

3.3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển 43

3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển 44

3.4 Sơ đồ khối hệ thống và tính toán chọn động cơ 52

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 54

4.1 Thiết kế hệ thống và thi công hệ thống cơ khí 54

4.1.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 54

4.1.2 Thi công cơ khí 58

4.2 Thiết kế mạch điều khiển 65

4.2.1 Chọn vi điều khiển 65

4.2.2 Mạch công suất module L298: 67

4.2.3 LCD và giao tiếp I2C 68

4.2.4 Tính toán chọn động cơ 69

4.3 Thiết kế giao diện điều khiển 71

4.3.1 Ý tưởng thiết kế giao diện 71

4.3.2 Các chế độ điều khiển 73

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 78

5.1 Kết quả, phân tích và đánh giá 78

5.1.1 Kết quả nghiên cứu cơ học 78

5.1.2 Kết quả xây dựng mô hình 79

5.2 Hướng phát triển 79

5.2.1.Đánh giá kết quả đạt được 79

5.2.2 Hướng phát triển 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 82

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Hệ tọa độ khớp robot 5

Hình 2.2 Trường công tác của robot 6

Hình 2.3 Cấu trúc chung của hệ robot 7

Hình 2.4 Robot tọa độ kiểu Descarte 8

Hình 2.5 Robot tọa độ trụ 8

Hình 2.6 Robot tọa độ cầu 9

Hình 2.7 Robot kiểu SCARA 9

Hình 2.8 Cấu trúc hệ điều khiển hở 10

Hình 2.9 Cấu trúc hệ điều khiển phản hồi 11

Hình 2.10 Quy tắc đặt trục tọa độ Denavit - Hartenberg 12

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi 19

Hình 2.12 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển phản hồi 20

Hình 2.13 Cấu trúc bộ điều khiển PID 21

Hình 2.14 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 23

Hình 2.15 Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh 23

Hình 3.1 Mô hình yêu cầu làm việc 25

Hình 3.2 Mô hình cánh tay robot 26

Hình 3.3 Không gian làm việc của robot 29

Hình 3.4 Hệ trục tọa độ theo quy tắc Denavit – Hatenberg 29

Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển 44

Hình 3.6 Cấu trúc bộ điều khiển PD 44

Hình 3.7 Sơ đồ hệ điều khiển PID 45

Hình 3.8 Đồ thị đáp ứng góc quay các khớp 50

Hình 3.9 Đồ thị đáp ứng vận tốc góc các khớp 51

Hình 3.10 Đồ thị momen điều khiển các khớp 51

Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ điều khiển 52

Hình 4.1 Bộ truyền bánh răng 56

Hình 4.2 Khung đế robot 58

Hình 4.3 Khâu 1 60

Hình 4.4 Khâu 2 62

Hình 4.5 Khâu 3 63

Hình 4.6 Tay kẹp V2 65

Hình 4.7 Vi điều khiển Arduino Mega 2560 65

Hình 4.8 Giao tiếp USB 2.0 67

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý L298 68

Hình 4.10 Nguyên lý của Encoder 70

Hình 4.11 Các bước thực hiện nhiệm vụ điều khiển 72

Hình 4.12 Giao diện chương trình điều khiển cánh tay robot 73

Hình 4.13 Cửa số chọn cổng kết nối 73

Hình 4.14 Màn hình điều khiển Manual (Teach) 74

Hình 4.15 Màn hình điều khiển Auto 76

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Mô hình các khâu của cánh tay robot 28

Bảng 1.2 Thông số kĩ thuật của robot 29

Bảng 1.3 Bảng thông số động học D-H: 31

Bảng 4.1 Các chi tiết của bộ truyền đai 61

Bảng 4.2 Chi tiết cơ bản và phương pháp gia công khung đế 63

Bảng 4.3 Chi tiết cơ bản và phương pháp gia công khâu 1 65

Bảng 4.4 Chi tiết cơ bản và phương pháp gia công khâu 2 67

Bảng 4.5 Chi tiết cơ bản và phương pháp gia công khâu 3 69

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử hình thành

Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’sUniversal Robot” của Karel Capek Theo tiếng Czech thì Robot là người làm tạpdịch Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những chiếcmáy gần giống như con người để hầu hạ con người

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực.Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hìnhđiều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ

Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại công

ty Unimation

Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất Robot Công Nghiệp: Anh– (1967), Thụy Điển – (1968), CHLB Đức – (1971), Pháp – (1972), Ý – (1973),…Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF(American Machine and Foundry Company) của Mỹ

Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ýnhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làmviệc

Năm 1967, tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robotlắp ráp tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biếnlực và thị giác

Năm 1976, hãng General Motor đã chế tạo thành công cánh tay robot được sửdụng trên tàu Viking của cơ quan hàng không vũ trụ NASA nhằm lấy mẫu đất trênsao hỏa

Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trởthành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu độnghọc, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển độngv.v…

1.2 Xu hướng phát triển

Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua Robot đầu tiênđược ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm cáccông việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại.

Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Taymáy robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinhhọc (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots) Robot di động đượcnghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous GuidedVehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles),Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles)

Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì cácứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xâydựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng là động lực cho cácrobot địa hình và robot dịch vụ phát triển

Tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam :

Các công trình nghiên cứu khoa học về robot được công bố của các nhà khoahọc Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới, liênquan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thôngtin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho robot.Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú từ các phương pháp điều khiểntruyền thống như PID, phương pháp tính momen, phương pháp điều khiển trượt đếncác phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic

mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp dạyhọc cho robot …

Các nghiên cứu về thị giác robot được quan tâm cả ở robot công nghiệp vàrobot di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển robot trên cơ sở thông tinhình ảnh Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nóitiếng Việt bắt đầu được chú ý cho các loại robot dịch vụ

Mặc dù có nhiều loại robot đã được Nhà nước hỗ trợ cho nghiên cứu chế tạoqua các đề tài nghiên cứu các cấp suốt 25 năm qua nhưng hầu như các robot đó ítđược ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Nhiều nhóm nghiên cứu phát triển robotđược hình thành ở các trường đại học, viện nghiên cứu ở 3 miền đất nước nhưngchủ yếu phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo Ứng dụng mạnh mẽ của robot trong sản

xuất chỉ có hiệu quả khi dây chuyền sản xuất có nhu cầu tự động hóa hóa cao trongkhi đó nền sản xuất của Việt Nam đang ở giai đoạn công nghiệp hóa sử dụng laođộng thủ công với giá nhân công rẻ Mặc dù vậy các nghiên cứu phát triển robot ởViệt Nam vẫn phát triển mạnh đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực công nghệcao đang rất thiếu cho quá trình phát triển của đất nước.

1.3 Nội dung nghiên cứu

Với đề tài được giao nhóm xác định các vấn đề phải giải quyết sau:

- Thiết kế giao diện điều khiển đơn giản, trực quan

c.Phương pháp điều khiển:

- Xây dựng mô hình toán học cho robot Từ đó lựa chọn, thiết kế giải thuậtđiều khiển đảm bảo cánh tay robot bám quỹ đạo mong muốn và hoạt động ổn địnhdưới tác động của các yếu tố nhiễu

- Mô phỏng để đánh giá giải thuật

1.4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

1.4.1 Lý thuyết

Về phần lý thuyết chúng em nghiên cứu các mảng sau:

- Nghiên cứu các bài toán động học thuận (ngược), bài toán động lực học

- Thiết kế quỹ đạo cho robot và bài toán nội suy

- Một số phương pháp điều khiển robot

1.4.2 Thực nghiệm

Ứng dụng những thứ đã học được trong chuyên ngành “cơ điện tử” vào nghiêncứu:

- Thiết kế hệ thống đồng thời song song cả phần cơ khí, điện, điện tử, lậptrình.

- Mô hình hóa phần cơ khí, phần điện

- Tối ưu hóa tất cả từ phần lên ý tưởng đến phần gia công hoàn chỉnh sảnphẩm

1.5 Phạm vi nghiên cứu đề tài

Đây là đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tế, vì vậy sẽ có rất nhiều phươngpháp, cũng như là hướng giải quyết, phát triển khác nhau Nhóm quyết định xâydựng mô hình cánh tay robot gắp vật và di chuyển theo quỹ đạo định trước

1.6 Lý thuyết

- Giải quyết các bài toán động học ngược, động học thuận của robot

- Giải quyết các bài toán động lực học tay máy

- Giải quyết bài toán nội suy theo đường thẳng và theo đường cong

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot

1.6.1 Thiết kế mô hình

- Tính toán, thiết kế mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do di chuyển gắp thả vật

ở các vị trí, đồng thời di chuyển theo quỹ đạo đường thẳng, đường tròn

- Mạch điều khiển cánh tay robot sử dụng modul Arduino Mega 2560 làm nềntảng, cùng với module L298 điều khiển động cơ

- Giao diện điều khiển trên máy tính thông qua cổng nối tiếp

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Một số định nghĩa về robot

2.1.1 Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom)

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quayhoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấphành của robot phải đạt được một số bậc tự do Nhìn chung cơ hệ của robot thường

là một cơ cấu hở Do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :

2.1.2 Hệ toạ độ (Coordinate frames)

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp(joints), tạo thành một chuỗi động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứngyên Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn).Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng Các

hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải

Hình 2.1 Hệ tọa độ khớp robot

2.1.3 Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion)

Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn

bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyểnđộng có thể Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũngnhư các ràng buộc cơ học của các khớp, ví dụ một khớp có thể quay 1 góc nhỏ hơn360 Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot(Hình 2.2)

Hình 2.2 Trường công tác của robot 2.2 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

2.2.1.1 Cấu tạo chung

Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các thành phần sau:

+ Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình

thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt

và bàn tay (End Effecr) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Thường sử

dụng các loại động cơ: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

+ Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết

khác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các

cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

+ Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và

điều khiển hoạt động của robot

Hình 2.3 Cấu trúc chung của hệ robot

2.2.1.2 Kết cấu tay máy

Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot.Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình -động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như: tầmvới (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot),

độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp,

Các khâu của Robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:

+ Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarte, thôngthường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T hoặc P.+ Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy cócác kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp củaRobot là robot kiểu toạ độ Descarte, toạ độ trụ, toạ độ cầu, Robot kiểu SCARA,kiểu tay người

2.2.2 Phân loại robot

2.2.2.1 Phân loại theo dạng không gian hoạt động

a Tọa độ Descarte

Tay máy kiểu tọa độ Descarte là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiếntheo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạngkhối chữ nhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độchính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắpráp, hàn trong mặt phẳng

Hình 2.4 Robot tọa độ kiểu Descarte

b Robot tọa độ trụ

Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với kiểu tay máy Descartes ở khớp đầu tiên,dùng khớp quay thay cho khớp trượt Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng

Độ cứng vững của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định

vị trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng

Hình 2.5 Robot tọa độ trụ

c Robot tọa độ cầu

Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) đượcthay bằng khớp quay Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầuthì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của

nó là một khối cầu rỗng Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độchính xác phụ thuộc vào tầm với Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dướisàn

Hình 2.6 Robot tọa độ cầu

d Robot kiểu Scara

Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản)dùng cho công việc lắp ráp Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và mộtkhớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau Kết cấu này làm chotay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theophương được chọn, là phương ngang Loại này chuyên dùng trong công việc lắp rápvới tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Từ SCARA là viết tắt của chữ “SelectiveCompliance Articulated Robot Actuator” để mô tả các đặc điểm trên

Hình 2.7 Robot kiểu SCARA

e Robot kiểu tay người

Tất cả các khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với haitrục kia Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulderjoint), khớp thứ ba là khớp khủy (Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay Tay máylàm việc rất khéo léo nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của vùng làmviệc

2.2.2.2 Phân loại theo điều khiển

Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín

a Điều khiển hở

Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môitrường làm việc của tay máy robot công nghiệp Do đó độ chính xác không cao.Phương pháp điều khiển này tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong nhữngtrường hợp không đòi hỏi cao về độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hànghóa… Động cơ được sử dụng trên tay máy robot dạng điều khiển này thường làđộng cơ bước, động cơ điện thông thường không phản hồi

Hình 2.8 Cấu trúc hệ điều khiển hở

b Điều khiển kín (hay điều khiển servo)

Khác với phương pháp điều khiển theo mạch hở, ở phương pháp điều khiểntheo vòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường

mà tay máy tương tác Do đó điều khiển tay máy hay robot công nghiệp sẽ chínhxác hơn So với phương pháp điều khiển mạch hở, phương pháp này điều khiểnphức tạp hơn do phải trang bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái của taymáy như: vị trí, vận tốc, momen và các thông số môi trường làm việc

Với ưu điểm là có độ chính xác cao, tin cậy trong quá trình làm việc nênphương pháp điều khiển theo vòng kín ngày càng được sử dụng nhiều trên các taymáy robot công nghiệp

Tay máy robotcông nghiệp

Môi trường làmviệc

Hệ thống điều

khiển

Hình 2.9 Cấu trúc hệ điều khiển phản hồi

2.2.2.3 Phân loại theo ứng dụng

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắpráp, robot chuyển phôi v.v

Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D-H:

Một cách tổng quát tay máy coi là có n khâu, trong đó khâu thứ i liên kết khớp(i) với khớp (i+1) như hình vẽ Theo quy tắc D-H các hệ tọa độ được xác định theoquy ước sau:

- Trục tọa độ zi cùng hướng với hướng của trục khớp i+1

- xi cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục zi-1 và trục zi

- Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của truc z và trục x đãxác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theoquy tắc bàn tay phải

- Hệ tọa độ gốc: x0 được chọn tùy ý vuông góc với z0

Quy tắc rời trục tọa độ theo Denavit-Hartenberg:

- Tịnh tiến một đoạn di theo trục zi-1 để xi-1 nằm trên mặt phẳng pháp tuyến củazi-1 chứa xi

- Quay một góc i quanh trục zi-1 để xi-1 cùng phương với xi

- Tịnh tiến một đoạn ai theo trục xi-1 để xi-1 trùng với xi

- Quay một góc αi quanh trục xi-1 (trùng với xi) để zi-1 trùng với zi

Hình 2.10 Quy tắc đặt trục tọa độ Denavit - Hartenberg

Ma trận biến đổi thuần nhất các hệ trục tọa độ theo D-H

Tương ứng với các phép tịnh tiến và phép quay trên ta có các ma trận biến đổi

thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ liên tiếp theo quy tắc D-H là các ma trận H i i-1

Các bước lập phương trình động học robot công nghiệp theo quy tắc Hartenberg:

Denavit Bước 1: Đặt các hệ trục tọa độ lên các khâu khớp theo quy tắc

b Mục đích của bài toán động học ngược tay máy

Để điều khiển tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có mộthướng xác định thì chúng ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnhtiến một lượng là bao nhiêu Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiểnrobot

c Các phương pháp giải bài toán động học ngược

+ Hướng giải bài toán động học ngược:

Gọi ma trận mô tả robot ( định hướng và vị trí) đã biết là:

n T  n K

(2.5)Trong đó: 0n T là ma trận 4x4 từ phương trình động học thuận được xác định

theo quy tắc Dentavit – Hartenberg:

Phương trình (2) đưa đến việc giải 12 phương trình phi tuyến với n ẩn sau:

T ij ( , , )i n k ij,i 1, 2,3;j 1, , 4 (2.7)Trong đó T kij , ijtương ứng là 12 phần tử có giá trị của 0n T và K (trừ hàng cuối

của ma trận) Giải hệ phương trình (2.5) ta sẽ được nghiệm là các biến khớp

+ Phương pháp số: có các phương pháp điển hình sau:

 Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester

 Phương pháp dựa trên khai triển chuỗi Taylor

 Phương pháp RAGHAVAN và ROTH

b Mục đích nghiên cứu bài toán động lực học tay máy

- Tính toán thiết kết cấu tay máy

- Mô phỏng chuyển động của tay máy

- Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp

c Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy

- Phương pháp sử dụng phương trình Lagrange II

- Phương pháp Newton – Euler

*Phương pháp Lagrange

Hàm Lagrange của một hệ thống năng lượng được định nghĩa:

L K P (2.8)Trong đó : K là tổng động năng của các khâu, P là tổng thế năng

K và P là những đại lượng vô hướng nên có thể chọn bất cứ hệ tọa độ nào đểgiải bài toán được đơn giản Đối với 1 cánh tay robot n khâu, ta có :

Ta định nghĩa: Lực tác dụng lên khâu thứ i( i = 1, 2, 3, , n ) là lực tổng quát(Generalized forces), nó có thể là một lực hay momen (phụ thuộc vào biến khớp qi

là quay hay tịnh tiến) và được xác định bởi:

*Phương pháp Newton – Euler:

Để thiết lập phương trình vi phân chuyển động theo phương pháp Euler ta đi theo trình tự các bước sau:

Newton Bước 1: Xây dựng sơ đồ động học, chọn hệ tọa độ suy rộng, thiết lập bảngtham số động học, động lực học robot

- Bước 2: Xác định các ma trận truyền D-H, từ đó xác định ma trận quaytương ứng

- Bước 3: Tách robot (hệ có nhiều vật) thành từng vật, khảo sát hệ lực trêntừng vật (Theo thứ tự từ vật thứ n đến vật thứ nhất)

- Bước 4: Tìm các thuộc tính cho từng vật rắn: vị trí, vận tốc, gia tốc, Tenxoquán tính khối…

- Bước 5: Thiết lập hệ phương trình vi phân cho từng vật rắn, bắt đầu từ vậtrắn thứ n

2.4 Thiết kế quỹ đạo robot

Quỹ đạo chuyển động là vấn đề chung trong điều khiển robot, vì để hoànthành nhiệm vụ cụ thể của mình thì trước hết phần công tác phải di chuyển theođúng quỹ đạo xác định Nói cách khác, quỹ đạo là yếu tố cơ bản để mô tả hoạt độngcủa robot Việc thiết kế quỹ đạo cung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiểnnên cũng là cơ sở trực tiếp cho việc điều khiển

Thiết kế quỹ đạo ở đây được hiểu là xác định quy luật chuyển động của cácbiến khớp để điều khiển chuyển động của từng khớp và tổng hợp thành chuyểnđộng chung của robot theo một quỹ đạo đã được xác định

Bài toán thiết kế quỹ đạo liên kết các vấn đề động học và động lực học Cácyếu tố đầu vào của bài toán thiết kế quỹ đạo bao gồm đường dịch chuyển, thời giandịch chuyển và các điều kiện ràng buộc về động học và động lực học Đầu ra củabài toán là quỹ đạo của phần công tác

Bài toán thiết kế quỹ đạo được đặt ra cả trong không gian khớp lẫn không giancông tác Các điều kiện ràng buộc của quỹ đạo, nhất là đường dịch chuyển, thườngđược mô tả trong không gian công tác Ngược lại, lực truyền động của hệ thốngxuất phát từ các khớp nên việc xác định quy luật theo thời gian của các biến khớpđược thực hiện trong không gian khớp

a Quỹ đạo trong không gian khớp

- Chuyển động điểm-điểm: chuyển động này ta chỉ quan tâm đến các tọa độ

điểm đầu, điểm cuối của đường dịch chuyển chứ không quan tâm đến dạng hình họccủa đường dịch chuyển

 Quỹ đạo là đa thức bậc 3:

Quỹ đạo di chuyển của khớp giữa 2 vị trí sẽ thỏa mãn 4 điều kiện: Vị trí banđầu và vị trí cuối cùng, tốc độ tại vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng Do đó quỹ đạobậc 3 sẽ thích hợp cho quỹ đạo của khớp robot:

+ Phương trình vị trí: q(t)=a 3 t 3 + a 2 t 2 + a 0 (2.13)+ Phương trình vận tốc: q (t)´ =3a 3 t 3 + 2a 2 t + a 1 (2.14)+ Gia tốc thay đổi theo quy luật bậc nhất: q´(t)=6a 3 t + 2a 2 (2.15)Trong đó a3, a2, a1, a0 là các thông số giả định cần xác định

Để xác định 4 hệ số giả định này cần 4 điều kiện: vị trí đầu q i , vị trí cuối q f,vận tốc đầuqi´ , vận tốc cuối qf ´ (thường chọn qi ´ = qf´ = 0)

 Quỹ đạo là đa thức bậc 5:

- Chuyển động theo đường:

Trong nhiều hoạt động, ví dụ hàn hồ quang, sơn, xếp dỡ vật liệu trong khônggian có nhiều chướng ngại vật, robot cần được điều khiển theo đường Khi đó sốlượng của mỗi đường lớn hơn hai Đó có thể không chỉ là điểm phải đi qua đơnthuần mà tại đó có thể phải khống chế cả vận tốc và gia tốc để đáp ứng yêu cầucông nghệ Các điểm như vậy gọi là các điểm chốt, số lượng điểm chốt nhiều hay ítphụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác của quỹ đạo

b Quỹ đạo trong không gian công tác

Quỹ đạo trong không gian khớp mô tả diễn tiến theo thời gian của các biếnkhớp q(t) sao cho phần công tác di chuyển thẳng từ điểm đầu đến điểm cuối của quỹđạo hoặc đi qua các điểm trung gian

Muốn cho phần công tác di chuyển theo đúng lộ trình đã định trong khônggian công tác cần thiết kế quỹ đạo trực tiếp chính trong không gian này Quỹ đạo cóthể xác lập bằng cách nội suy đường dịch chuyển qua các điểm chốt hoặc xác lậpbằng giải tích hàm chuyển động

Nhiệm vụ của việc xây dựng quỹ đạo trong không gian công tác là quy luậtbiến thiên của biến khớp trong không gian khớp để điều khiển động cơ làm việc.Quỹ đạo của robot trong không gian công tác xây dựng qua việc giải bài toán độnghọc ngược, đây cũng là chuẩn đầu vào của hệ điều khiển

2.5 Cơ sở điều khiển robot

2.5.1 Yêu cầu điều khiển robot

Định vị và định hướng tại điểm tác động cuối: khâu cuối cùng thường là bànkẹp (gripper) hay là khâu gắn liền với dụng cụ thao tác (tool) Đây là điểm đángquan tâm nhất vì đó là điểm tác động của robot lên đối tượng Và chúng ta cần xácđịnh không chỉ vị trí của điểm này trong không gian mà còn cả hướng của khâu cuối

đó Vị trí điểm tác động cuối E được xác định bằng 3 tọa đô x y z E, E, E trong hệ tọatrục tọa độ cố định Còn hướng tác động của khâu cuối đó có thể được xác địnhbằng 3 thông số góc RPY, Euller hay Cardan

Điều khiển chuyển động của tay máy trong không gian là xác định n thànhphần momen lực tổng quát tác động lên các khớp, momen lực tổng quát được cungcấp bởi cơ cấu chấp hành Quá trình điều khiển phải đảm bảo bộ điều khiển sẽ thựchiện sẽ khiển chuyển động của các khớp theo quỹ đạo q(t) sao cho q(t) luôn bámqd(t), với qd(t) là quỹ đạo chuyển động mong muốn Trên cơ sở đó, ta cần đưa ra cácphương thức điều khiển làm cho tay máy thực hiện công việc này Quỹ đạo dự kiếnđòi hỏi người lập trình điều khiển phải tìm kiếm đường đi có tính đến những vấn đềliên quan đến môi trường ứng dụng như tránh sự va chạm, các yêu cầu về tốc độđáp ứng

2.5.2 Nguyên tắc điều khiển

Hệ thống điều khiển robot cũng giống như các hệ điều khiển các quá trình tựđộng hóa khác Nguyên tắc điều khiển là cần điều chỉnh hệ thống theo hướng làmcực tiểu hàm sai số

Hàm sai số được xác định bằng công thức:  d  

(2.16)Trong đó: dlà vị trí mong muốn đạt được

 là vị trí thực tế của khớpKhi ε → 0 thì khớp robot được coi là đã đạt đến vị trí mong muốn Có rấtnhiều phương pháp điều kiển để đạt được điều kiện ε → 0, trong đó có việc môphỏng trên Matlab thông qua hàm điều khiển thì việc quan sát đường đặc tính đầu

ra cho ta cái nhìn trực quan hơn Tuy nhiên, trong thực tế còn nhiều yếu tố kháchquan khác tác động đến cơ cấu chuyển động của robot ví dụ như ma sát, điều kiệnmôi trường, chướng ngại vật… có thể làm cho thông số điều khiển thay đổi Vì vậy,tùy từng trường hợp cụ thể mà đưa ra hàm điều khiển cho sát với thực tế hơn

2.5.3 Các phương pháp điều khiển Robot

Sau khi xây dựng mô hình toán học của cơ cấu chuyển động và cơ cấu truyềnđộng của robot Mô hình toán học dạng tổng quát có tính đến sự ràng buộc và phituyến của cơ cấu chuyển động và mô hình toán học độc lập khi tỉ số truyền của bộtruyền lực lớn hoặc trong đó thành phần momen gây ra bởi sự ràng buộc giữa cáckhớp được coi là các nhiễu đối với hệ thống điều khiển và có thể bỏ qua Trên cơ sở

đó, hai hệ thống điều khiển chuyển động được xây dựng là điều khiển tập trung vàđiều khiển phân tán Hệ thống điều khiển phân tán được xây dựng cho robot khi coirobot gồm các khớp độc lập, tức là bỏ qua sự ràng buộc giữa các khớp Đối với cácrobot có tỉ số truyền của bộ truyền nhỏ, robot là một hệ thống có tính ràng buộc vàphi tuyến cao, hệ thống điều khiển tập trung sẽ được xây dựng

2.5.3.1 Điều khiển độc lập các khớp

Đối với các robot có tỉ số truyền của bộ truyền lớn, có thể coi hệ thống robot nbậc tự do sẽ gồm n hệ thống độc lập và là hệ thống 1 đầu vào/ 1 đầu ra (SISO) và sựràng buộc giữa các khớp được coi là thành phần nhiễu

Hệ thống điều khiển phản hồi: gồm 3 mạch vòng điều chỉnh gia tốc, tốc độ

và vị trí khớp với 3 bộ điều khiển tương ứng là R p R p a( ), ( ) và R p p( ) Cấu trúc bộđiều khiển mạch vòng trong cùng R p a( ) có dạng tỷ lệ - tích phân (PI) để nhận đượcsai lệch tĩnh bằng không Các bộ điều khiển vòng ngoài có cấu trúc tỷ lệ (P) Các hệ

số K K a, p và K p tương ứng là hệ số phản hồi gia tốc, tốc độ, vị trí khớp

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi

Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển xây dựng với mô hình hệ thống lýtưởng, tức là bỏ qua thời gian điện từ động cơ, hằng số thời gian bộ biến đổi, tínhđàn hồi của bộ truyền lực Điều đó có nghĩa là để đáp ứng các yêu cầu chất lượngđặt ra, hệ thống cần có hệ số phản hồi lớn Tuy nhiên sẽ không thích hợp trong thực

tế vì chất lượng hệ bị suy giảm gây ra bởi đặc tính động học của hệ thống cơ điện,

ví dụ tồn tại khâu đàn hồi trong bộ truyền cơ

2.5.3.2 Hệ thống điều khiển tập trung

a Hệ thống điều khiển phản hồi

Khi thiết kế hệ thống điều khiển, có thể bỏ qua động học của cơ cấu chấphành: quán tính động cơ và bộ biến đổi Như vậy chức năng của bộ điều khiển là tạo

ra một momen cần thiết để truyền động các khớp robot đảm bảo khớp robot luônbám quỹ đạo đặt

Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi robot, được trình bày trên hình2.12 q d là vecto tín hiệu đặt vị trí của các khớp (q d d đối với khớp quay và

q r đối với khớp tịnh tiến) q là vị trí thực của các khớp robot tương ứng M làvecto momen của các khớp quay và lực đối với khớp tịnh tiến Phương trình độnglực học tổng quát của robot có dạng:

Luật điều khiển PD có dạng :

Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển là momen truyền động cho robot mô tả bởi

mô hình động lực học trực tiếp R, đầu ra của mô hình robot R là vị trí thực của cáckhớp

 Điều khiển PID

Dưới đây trình bày cấu trúc hệ thống điều khiển Robot sử dụng PID:

Hình 2.13 Cấu trúc bộ điều khiển PID

( )

d

q t : là vectơ góc quay đặt của biến khớp

( )

q t : là vectơ góc đáp ứng của biến khớp

- Cấu trúc bộ điều khiển PID gồm các luật điều khiển tỷ lệ - đạo hàm - tíchphân như sau:

0

b Hệ thống điều khiển momen tính toán

- Phương pháp momen tính toán hay phương pháp điều khiển động lực học,phương pháp điều khiển theo mô hình Nguyên lý cơ bản của phương pháp điềukhiển là lựa chọn luật điều khiển sao cho khử được các thành phần phi tuyến củaphương trình động lực học robot và phân ly đặc tính động lực học của thanh nối.Kết quả là sẽ nhận được một hệ thống tuyến tính, dễ dàng thiết kế theo các phươngpháp kinh điển của hệ thống tuyến tính đảm bảo độ chính xác chuyển động yêu cầu

- Dựa trên phương trình động lực học của robot, giả thiết tất cả các tham sốrobot đã biết hoặc được xác định chính xác, phương trình mô tả bộ điều khiểnmomen tính toán được chọn như sau:

M H q U V q q( ).  ( , ) G q( )(2.25)

- Cân bằng momen với phương trình động lực học tổng quát ta có: q U  Đây

là phương trình vi phân tuyến tính cấp 2 độc lập với các khớp Do đó có thể thiết kế

bộ điều khiển độc lập có cấu trúc PD hoặc PID cho từng khớp Luật điều khiển phụ

U có cấu trúc PID như sau:

Nhược điểm của phương pháp điều khiển momen tính toán là phải biết đầy đủ

và chính xác thông số cũng như đặc tính động lực học của robot Tuy nhiên cácthông số động học của robot thay đổi trong quá trình làm việc, nên để khử hoàntoàn các thành phần phi tuyến và phân ky hoàn toàn động lực học của các khớp, cầnphải ước lượng chính xác các thông số của robot trong quá trình làm việc Hơn nữathuật toán luật điều khiển momen tính toán sẽ liên quan đến các phép toán trunggian, nên phải thực hiện phép nhân các vecto va ma trận phụ, khối lượng tính toán

sẽ lớn Thời gian tính toán lớn sẽ hạn chế khả năng áp dụng phương pháp này trongrobot công nghiệp

c Hệ thống điều khiển thích nghi

Các phương pháp điều khiển trình bày ở trên yêu cầu một mô hình động lựchọc robot chính xác và các tham số của robot phải được biết chính xác Tuy nhiên,một số tham số khó có thể đo hoặc xác định chính xác hoặc một số tham số biến đổitrong quá trình làm việc như khối lượng tải robot gắp ở tay, momen quán tính tải,các thành phần ma sát trong các khớp robot Với các bộ điều khiển kinh điển khóđạt được độ chính xác chuyển động, đặc biệt robot hoạt động tốc độ cao Các hệthống điều khiển thích nghi được xây dựng sẽ đáp ứng được chính xác chuyển độngkhi tham số robot không được xác định chính xác hoặc biến đổi

Hai phương pháp điều khiển thích nghi được ứng dụng trong robot côngnghiệp: Điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn và điều khiển thích nghi tựchỉnh Nội dung của phương pháp điều khiển là chuyển động của robot được điều

khiển bám theo chuyển động của một mô hình chuẩn ( mô hình thiết kế trước ) vớicác chỉ tiêu chất lượng mong muốn Sơ đồ hệ điều khiển được chỉ ra bên dưới:

Hình 2.14 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

Hình 2.15 Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh

2.5.4 Điều khiển lực

a Các hệ thống điều khiển tuyến tính

Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệthống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến chophép mô tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính Sử dụng nguyên

lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta còn có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặctrưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt chẽ,chính xác mà lại rất đơn giản, hiệu quả Sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả hệthống có nhiều ưu điểm như:

- Mô hình đơn giản, các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng xác định đượcbằng các phương pháp thực nghiệm mà không cần phải đi từ những phương trìnhhoá lý phức tạp mô tả hệ thống.

- Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và khôngtốn nhiều thời gian để thực hiện

- Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiểnmột cách dễ dàng và có thể chỉnh định lại mô hình cho phù hợp với yêu cầu thựctế

Chính vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiểntuyến tính và mô hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn

b Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến

Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động họcphi tuyến, tức là không thoả mãn nguyên lý xếp chồng; và không phải đối tượngnào, hệ thống nào cũng có thể mô tả được bằng một mô hình tuyến tính, cũng nhưkhông phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyếntính cũng được thoả mãn Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợpđược nếu ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến Các hạn chế này bắt buộc người taphải trực tiếp nghiên cứu tính toán động học và động lực học của đối tượng, tổnghợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí

3.1.1 Yêu cầu bài toán thiết kế

Yêu cầu đặt ra

Hình 3.1 Mô hình yêu cầu làm việc

Cánh tay robot công nghiệp có 4 bậc tự do, làm nhiệm vụ vận chuyển phôi từ

vị trí 1 tới vị trí 2 Phôi có dạng hình hộp chữ nhật có núm gắp

3.1.2 Mô hình cánh tay robot

Cánh tay robot gồm 4 khâu, 4 khớp quay:

- Khâu 1: Có thể xoay tròn góc 3600 xung quanh trục thẳng đứng, trục động cơtruyền momen xoắn qua bánh răng nhỏ tới bánh răng lớn được giữ chặt bởi đế

- Khâu 2: Có thể xoay 1 góc 1800 quanh trục động cơ thứ hai Trục động cơtruyền chuyển động qua bộ truyền đai Pully chủ động nối với trục động cơ Pully bịđộng được gắn vào trục khớp 2 Pully bị động được bắt ốc chặt với tấm đỡ của khâu2

- Khâu 3: Quay tròn quanh trục khớp 3 góc 2700 Khâu 3 chuyển động songphẳng Động cơ được đặt ở khâu 1, bộ truyền đai truyền chuyển động từ khâu 1 quakhâu 2 và truyền tới trục của khâu 3 Pully vẫn được gắn với tấm đỡ của khâu đểkhâu chuyển động quay quanh trục 3 Tại các trục có vòng bi để giúp tấm đỡ quay

dễ dàng

- Khâu 4 có thể xoay quanh trục động cơ 2700, và là cơ cấu tay kẹp được bắt

ốc vít vào thanh nhôm Tay kẹp được truyền lực bởi động cơ RC servo MG996thông qua hệ thống bánh răng và các thanh nối

Ta có mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do (Hình 3.2) và bảng thông số chiềudài, khối lượng của các khâu ( Bảng 3.2)

Hình 3.2 Mô hình cánh tay robot

Dưới đây là mô hình chi tiết từng khâu của cánh tay robot Mỗi khâu đượctruyền chuyển động bời 1 động cơ Cả cụm cơ cấu có 5 động cơ Động cơ 1 gắn ốcvít với đế truyền chuyển động cho khâu 1 Động cơ trên khâu 1 truyền chuyển độngcho khâu 2 Khâu 2 sẽ được nối với trục động cơ khâu 3 thông qua khớp nối vàvòng bi để truyền chuyển động cho khâu 3 Động cơ khâu 4 được giữ chặt với khâu

3 và chuyền chuyển động cho khâu 4 Động cơ thứ 5 gắn trên hệ thống tay kẹptruyền động qua bánh răng để kẹp vật

Bảng 1.2 Thông số kĩ thuật của robot

Khâu 2

Khâu 3

Khâu 4

3.1.3 Trường công tác