Nghiên cứu mô phỏng động lực học và điều khiển robot scara

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI MẠC THỊ NGUYÊN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ Hà Nội, 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI MẠC THỊ NGUYÊN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYN TRNG DOANH H Ni, 2010 Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng, số liệu kết thực nghiệm nghiên cứu luận văn Nghiên cứu mô động lực học điều khiển Robot Scara hoàn toàn thực tế khách quan Những kết tương tự chưa sử dụng để bảo vệ học vị Tác giả luận văn Mạc Thị Nguyên Mạc Thị Nguyên Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Trọng Doanh Những lời gợi ý giúp đỡ lựa chọn đề tài luận văn tèt nghiƯp, sù h­íng dÉn tËn t×nh , đng thường xuyên động viên thầy trình thực luận văn Bên cạnh thầy đưa đánh giá tổng kết sâu sắc gợi mở hướng phát triển đề tài nghiên cứu tương lai Tôi chân thành gửi lời cảm ơn tới tất thầy cô giáo đà tham gia giảng dạy môn học chương trình cao học, thầy cô đà cung cấp cho kiến thức cần thiết làm tảng để hoàn thành tốt nội dung luận văn tốt nghiệp Cuối cùng, muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt tới người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp với quan tâm, động viên ủng hộ nhiệt tình họ ®èi víi t«i st thêi gian thùc hiƯn ln văn Trong trình thực luận văn tránh khỏi sai sót, mong ý kiến đóng góp, phản biện thầy cô bạn đồng nghiệp Hi Dng 25 tháng 10 nm 2010 Mạc Thị Nguyên Mạc Thị Nguyên Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Mục lục Lời cam ®oan Môc lôc Mở đầu 10 I Lý chọn đề tài: 10 II Mục đích nghiên cứu đề tài, đối tượng nghiên cứu đề tài 10 III Phương pháp nghiªn cøu 10 Ch­¬ng I: Tỉng quan vỊ robot 11 1.1 Giíi thiƯu chung 11 1.1.1 CÊu t¹o: 11 1.1.2 C¸c chun ®éng cña Robot: 12 1.1.3 HƯ thèng trun ®éng: .13 1.1.4 HƯ thèng nhËn d¹ng 13 1.2 Phân loại robot 14 1.2.1 Phân loại theo số bậc tự trường công tác .14 1.2.2 Phân loại theo cấu trúc động học 14 1.2.3 Phân loại theo hƯ thèng trun ®éng .18 1.2.4 Phân loại theo điều khiển 19 1.2.5 Phân loại theo đặc điểm hoạt động 19 1.2.6 Phân loại theo øng dông 20 1.3 ứng dụng hướng phát triển robot công nghiệp tự động hoá sản xuÊt 21 1.4 øng dụng robot công nghiệp tự động hoá sản xuất ë ViÖt Nam 23 1.5 Mô hình toán học hệ thống truyền động: 25 1.6 Tổng quan phương pháp điều khiển: 26 1.6.1 Điều khiển quĩ đạo khớp: 27 1.6.2 Điều khiển quĩ đạo tay: 27 1.6.3 §iỊu khiĨn lùc: 28 1.6.4 Điều khiển vị trí: .28 1.7 øng dơng cđa Robot: 32 1.7.1 Ưu điểm Robot: 32 1.7.2 øng dơng cđa Robot: .33 M¹c Thị Nguyên Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Chương II: Tính toán động học động lực học cho robot scara 34 2.1 Kh¸i niƯm robot scara -serpent: 34 2.2 Khái niệm động học vị trí robot: 35 2.2.1 Các phép biến đổi nhÊt: 35 2.2.2 BiĨu diƠn tay Robot: 37 2.2.3 §éng häc vÞ trÝ: .39 2.3 xây dựng động học vị trí robot serpent 41 2.4 xây dựng phương trình động học ngược robot serpent: 46 2.5 §éng lùc häc robot serpent: 48 2.5.1 Hàm Lagrange vấn đề động lực học: 49 2.5.2 Phương trình ®éng lùc häc Robot Serpent: 50 Chương III : Hệ thống điều khiển robot scara 60 3.1 Thiết kế quỹ đạo điều khiĨn robot serpent 60 3.1.1 Giíi thiƯu 60 3.1.2 Xây dựng quỹ đạo chuyển động chuẩn cho khớp Robot Serpent: 61 3.1.3 Xây dựng quỹ đạo chuyển động Robot Serpent: 66 3.1.4 Kết mô quỹ đạo chuyển động khớp: 68 3.2 Thiết kế luật điều khiển quỹ đạo robot serpent 71 3.2.1 Tổng quan luật điều khiển: 71 3.2.2 ThiÕt kÕ lt ®iỊu khiĨn Robot Serpent: 74 Chương IV: Lập trình điều khiÓn 85 4.1 Giao diện chương trình 85 4.2 Các chức chương trình 85 Kết luận khuyến nghÞ 92 Mạc Thị Nguyên Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Danh mục bảng Bảng 1: Tham số động häc Robot Serpent 42 Bảng 2: Thông số động lực học Robot Serpent .50 B¶ng 1: Vị trí tay máy 67 B¶ng 2: VÞ trÝ khíp 67 Bảng 3.3: Thông số động truyền động khớp 77 Mạc Thị Nguyên Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Dang mục hình vẽ Hình 1.1 Tay máy kiểu hệ toạ độ đề 15 H×nh 1.2 Tay máy kiểu tọa độ trụ 15 Hình 1.3 Tay máy kiểu tọa độ cầu 15 Hình 1.4 Tay máy kiểu SCARA .15 H×nh 1.5 Tay m¸y kiĨu tay ng­êi .15 H×nh 1.6 Robot song song 15 H×nh 1.7 Robot di chun 17 H×nh 1.8 Robot Asimo cđa Honda-NhËt 18 Hình 1.9 Robot leo cầu thang (General Electric - USA) 20 H×nh 1.10 Robot song song dïng y tÕ 20 H×nh 1.11 Robot ch©n nhƯn (Mech Laboratory-Japan) 20 Hình 1.12 Robot làm việc nước (OCA) 20 H×nh 1.13 Robot hµn 20 Hình 1.14 Robot dây truyền lắp ráp ô tô 20 Hình 1.15 Một số loại robot ứng dơng thùc tÕ .21 H×nh 16 Mô hình truyền động .25 Hình 17 Mô hình toán học động 26 Hình 18 Phân loại phương pháp điều khiển Robot .27 Hình 19 Sơ đồ mạch vòng phản hồi lực 28 H×nh 20 Sơ đồ điều khiển phản hồi .29 Hình 21 Sơ đồ điều khiển PD đơn giản 30 Hình 22 Sơ đồ điều khiển mô men tính toán .31 H×nh 1: Robot Serpent 34 Hình 2: Đặt hệ toạ độ cho nối Robot 40 H×nh 3: CÊu h×nh Robot Serpent 42 H×nh 4: CÊu hình động lực học Robot Serpent 51 Hình 1: Quỹ đạo điều khiển d¹ng - - 62 Hình 2: Quỹ đạo khớp 68 Hình 3: Quỹ đạo khớp 69 Hình 4: Đồ thị chuyển động khớp 69 Hình 5: Quỹ đạo chuyển động khớp 70 H×nh 6: Quỹ đạo chuyển động tay máy .70 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tay máy Robot 74 Hình 3.8 Mô tay máy Robot 76 Hình 3.9 Mô hình toán học động điện chiều .77 Hình 3.10 Đồ thÞ sai sè gãc quay khíp 79 Hình 3.11 Đồ thị sai sè gãc quay khíp 80 Hình 3.12 Đồ thị sai sè gãc quay khíp 81 Hình 3.13 Đồ thị quỹ đạo thùc khíp 81 Hình 3.14 Đồ thị quỹ đạo thực khớp 82 Hình 3.15 Đồ thị quỹ đạo thực khớp 82 H×nh 3.16 §å thÞ vËn tèc thùc khíp .83 Mạc Thị Nguyên Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Hình 3.17 Đồ thÞ vËn tèc thùc khíp .83 Hình 3.18 Đồ thị vận tèc thùc khíp .84 Hình 4.1 Giao diện phần mềm điều khiĨn robot SCARA 85 H×nh 4.2 Các chức chọn pop- up menu 85 Hình 4.3 Kết toán động học thuận .86 Hình 4.4 Màn hình vẽ biên dạng 87 Hình 4.5 Quỹ đạo xoắn ốc 88 H×nh 4.6 VËt cần gia công 90 Hình 4.7 Đường chạy dao .90 H×nh 4.8 XuÊt file CL Data 90 H×nh 4.9 Quỹ đạo chạy dao chương trình điều khiển Robot 90 Mạc Thị Nguyên Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Mở đầu I Lý chọn đề tài: Ngày nay, Robot sử dụng hầu hết lĩnh vực đời sống xà hội, từ ứng dụng dây chuyền sản xuất công nghiệp, dịch vụ y tế, dịch vụ công cộng đến hoạt động khai thác tài nguyên Chính lẽ đó, việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo loại Robot để thay ng­êi mét sè lÜnh vùc lµ rÊt thiÕt thùc Việt Nam việc nghiên cứu Robot đà đạt thành tựu định Một số Robot đà chế tạo đưa vào sử dụng đời sống xà hội Với mục đích tìm hiểu sâu có nghiên cứu bước đầu Robot đà nhận đề tài Nghiên cứu mô ®éng lùc häc vµ ®iỊu khiĨn Robot Scara” cho ®Ị tài luận văn cao học II Mục đích nghiên cứu đề tài, đối tượng nghiên cứu đề tài Mục đích đề tài nghiên cứu lý thuyết giải toán động học, động lực học Robot, mô toán động lực học cho Robot Scara bËc tù T×m hiĨu lý thut vỊ điều khiển động bước viết chương trình lập trình điều khiển Robot III Phương pháp nghiên cứu Dựa sở nghiên cứu tính toán lý thuyết sau mô phần mềm Matlab, có kết hợp với khảo nghiệm mô hình thực Mạc Thị Nguyên 10 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy + Đồ thị sai số góc quay khớp 2: -3 x 10 Sai so goc quay khop 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 0.5 1.5 2.5 Thoi gian (s) 3.5 4.5 Hình 3.11 Đồ thị sai số góc quay khớp NhËn xÐt: thêi gian t = ®Õn t = (s) sai sè gi÷a gãc quay thùc góc quay đặt lớn (khoảng 0, 00025 rad ) trình gia tốc Sau tốc độ ổn định sai số bị triệt tiêu hoàn toàn Tíi t = 3, (s) sai sè l¹i lín ảnh hưởng trình giảm tốc Mặt khác sai số bị ảnh hưởng tải khớp cổ tay có chuyển động song phẳng so với khớp Mạc Thị Nguyên 80 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy + Đồ thị sai số góc quay khíp 4: 0.01 Sai so goc quay khop 0.008 0.006 0.004 0.002 -0.002 -0.004 -0.006 -0.008 -0.01 0.5 1.5 2.5 Thoi gian (s) 3.5 4.5 Hình 3.12 Đồ thị sai số góc quay khớp Nhận xét: trình mô phỏng, tay máy không mang tải, sai số quỹ đạo thực quỹ đạo đặt tay máy nhỏ, gần không Tải nhỏ sai số nhỏ ngược lại Đồ thị quỹ đạo thực khớp: + Đồ thị quỹ ®¹o thùc khíp 1: 1.8 Do thi quy dao thuc khop 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Thoi gian (s) Hình 3.13 Đồ thị quỹ đạo thực khớp Mạc Thị Nguyên 81 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy + Đồ thị quỹ đạo thùc khíp 2: Do thi quy dao thuc khop 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1.5 2.5 Thoi gian s 3.5 4.5 Hình 3.14 Đồ thị quỹ đạo thực khớp + Đồ thị quỹ đạo thực khíp 4: 1.5 Do thi quy dao thuc khop 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Thoi gian (s) Hình 3.15 Đồ thị quỹ đạo thực khớp Mạc Thị Nguyên 82 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Đồ thị vận tốc thực khớp: + Đồ thị vận tốc thùc khíp Do thi van toc thuc khop 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 0.5 1.5 2.5 Thoi gian (s) 3.5 4.5 Hình 3.16 Đồ thị vận tốc thực khớp + Đồ thị vận tốc thực khíp 2: Do thi van toc thuc khop 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Thoi gian (s) Hình 3.17 Đồ thị vận tốc thực khớp Mạc Thị Nguyên 83 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy + Đồ thị vận tốc thực khíp 4: Do thi van toc thuc khop 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Thoi gian (s) Hình 3.18 Đồ thị vận tốc thực khớp Mạc Thị Nguyên 84 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Chương IV: Lập trình điều khiển 4.1 Giao diện chương trình Phần mềm điều khiển viết ngôn ngữ lập trình Matlab Phần mềm đà thiết kế hoàn chỉnh giao diên dễ sử dụng Hình 4.1 Giao diện phần mềm điều khiển robot SCARA 4.2 Các chức chương trình Các chức chương trình lựa chọn thông qua công cụ Pop-up Menu giao diện Và chức chương trình sau: Hình 4.2 Các chức chọn pop- up menu - Giải toán thuận Mạc Thị Nguyên 85 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Khi nhập thông số biến khớp robot chương trình tính toán đưa kết toạ độ phần công tác hiển thị điểm chấm đỏ hình sau Hình 4.3 Kết toán động học thuận - Cắt biên dạng 2D Khi chức chọn giao diện chương trình có thêm hình để vẽ hình 4.4 Mạc Thị Nguyên 86 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Điều khiển tốc độ Màn hình Draw Điều khiển tay Hình 4.4 Màn hình vẽ biên dạng Trên hình đồ họa ta dùng chuột để chọn điểm cần vẽ tương ứng với loại đường - Chức cắt biên dạng theo phương trình x = f1 (t ) y = f (t ) Khi đưa phương trình có dạng: z = f (t ) t = [a; b] Sao cho c¸c bé nghiƯm (x, y, z) phải thoả mÃn phạm vi làm việc tay máy, đầu công tác chuyển động theo quỹ đạo phương trình B­íc thay ®ỉi cđa t lín hay nhá sÏ qut định độ phân giải quỹ đạo Mạc Thị Nguyên 87 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Ví dụ: Để đầu công tác chuyển động theo đường soắn ốc hình 4.5 Thì phương trình quỹ đạo sau: x(t ) = t * sin t  y (t ) = t * cos t   z = * t t = : 20 * Hình 4.5 Quỹ đạo xoắn ốc - Chức đọc File lệnh Với chức người sử dụng soạn thảo quỹ đạo chuyển động cho phần công tác robot cách dễ dàng Ta soạn thảo m«i tr­êng nh­ Word Office, Notepad, Wordpad råi l­u dạng file.txt Cấu trúc câu lệnh sau: G Types Xi Trong ®ã: Yi Zi R G Types - Loại đường Xi, Yi, Zi - Là toạ độ điểm thứ i R - Bán kính cung tròn (nếu có) Ví dụ để vẽ biên dạng sau: Mà lệnh là: G1 Mạc Thị Nguyên 200 0 88 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo m¸y G 100 200 0 G 100 250 0 G1 250 0 - Chøc điều khiển tay Trong chế độ người sử dụng điều khiển biến khớp thông qua phím giao diện hình điều khiển - Điều khiển động khớp quay phải - Điều khiển động khớp quay trái - Điều khiển động khớp quay phải - Điều khiển động khớp quay trái - Điều khiển động khớp tịnh tiến lên - Điều khiển động khớp tịnh tiến xuống - Chức gia công Thực chất chức giống chức đọc file lệnh, khác file.txt chứa toạ độ chạy dao lấy tự động phần mềm CAD Cụ thể em đà dùng phần mềm Pro/ENGINEER để vẽ mô hình Solid từ mô hình ta tiến hành chọn kiểu chạy dao xuất file toạ độ điểm chạy dạo (file CLData), sau lưu file dạng file.txt Ví dụ để gia công bề mặt Solid hình 4.6 Mạc Thị Nguyên 89 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Hình 4.6 Vật cần gia công Hình 4.7 Đường chạy dao H×nh 4.8 XuÊt file CL Data H×nh 4.9 Quỹ đạo chạy dao chương trình điều khiển Robot - Có thể thay đổi tốc độ chạy không chạy dao Thay đổi tốc độ chạy dao trượt Slider biên trái Thay đổi tốc độ chạy không trượt Slider biên phải - Có thể thay đổi gốc toạ độ phôi linh hoạt Hộp thoại Edit text thay đổi gốc toạ độ phôi Mạc Thị Nguyên 90 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy - Có thể thay đổi độ phân giải loại đường Hộp thoại Edit text thay đổi độ phân giải: Mạc Thị Nguyên 91 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Kết luận khuyến nghị Luận văn Nghiên cứu mô động lực học điều khiển Robot Scara mục đích đề tài nghiên cứu lý thuyết toán động học, động lực học Robot, lý thuyết điều khiển động bước lập trình điều khiển cho Robot Scara bậc tự Với mục đích đà trình bày luận văn đà thực vấn đề sau: - Hiểu sở học robot phương pháp nghiên cứu - Phương pháp khảo sát toán động học thuận toán động ngược robot - Phương pháp giải toán động lực học cho robot mô phần mềm Simulink - Phương pháp xây dựng quỹ đạo mô chuyển động cho khâu thao tác robot - Hiểu quy trình tính toán, thiết kế chế tạo robot đơn giản * Hướng phát triển đề tài: - Thiết kế chế tạo mô hình cấu khí - Thay động bước động Servo - Tăng khả thao tác công nghệ cho robot - Nâng cao tính ổn định, độ tin cậy giảm nhiều sai số - Phát triển thêm phần mềm điều khiển cho robot Tuy đề tài đà có thành công bước đầu thời gian trình độ có hạn nên hạn chế thiếu sót mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn để luận văn hoàn thiện Mạc Thị Nguyên 92 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy TI LIU THAM KHO GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc(2000), Robot công nghiệp, nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nôi GS TSKH Đỗ Xanh(2002), Cơ học tập 2, nhà xuất giáo dục, Hà Nôi PGS TS Đào Văn Hiêp(2006), Kỹ thuật robot, nhà xuất khoa học v k thut, H Ni PGS TS Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, nhà xuất KHKT TSUSHI FUJIMORI, PETER N NIKIFORUK(1997), Adaptive Navigation of Mobile Robot, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol-13, August Mạc Thị Nguyên 93 Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy Phụ lục Chương trình điều khiển viết phÇn mỊm Matlab: function varargout = tonghop(varargin) gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, … end %=============function Help_Callback(hObject, eventdata, handles) Chương trình viết cho Vi điều khiển: a Chương trình viết cho Vi điều khiển Master /* Chuong trinh dieu khien dong co thu nhat */ #include … EA=1; TMOD=0x01; TH0= th1; TL0= tl1; ET0= 1; TR0=1; } Mạc Thị Nguyên 94 Trường ĐH Bách khoa Hà Néi ... luận văn cao học II Mục đích nghiên cứu đề tài, đối tượng nghiên cứu đề tài Mục đích đề tài nghiên cứu lý thuyết giải toán động học, động lực học Robot, mô toán động lực học cho Robot Scara bậc... x ) 2.5 Động lực học robot serpent: Phương trình động lực học mô tả mối quan hệ lực, mô men với vị trí, vận tốc gia tốc Tín hiệu vào lực mô men, phương trình động lực học kết chuyển động hệ thống... thạc sỹ Bộ môn công nghệ chế tạo máy 1.2.4 Phân loại theo điều khiển Có kiểu điều khiển robot: điều khiển hở điều khiển kín Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động điện động thủy lực, khí nén,