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

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Trần Trọng Dương học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B Chuyên ngành: Cơ Điện Tử Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình Robot ba bậc tự tọa độ cầu điều khiển máy tính phục vụ đào tạo Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Thị Thanh Hải Tôi xin cam đoan nghiên cứu, thiết kế chế tạo luận văn tác giả thực Hà Nội, tháng năm 2015 Tác giả luận văn Trần Trọng Dƣơng Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục bảng biểu Danh mục hình Phần mở đầu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Lịch sử phát triển Robot công nghiệp 1.1.1 Quá trình hình thành Robot công nghiệp 1.1.2 Q trình phát triển robot cơng nghiệp 1.2 Định nghĩa phân loại Robot công nghiệp 1.2.1 Định nghĩa Robot công nghiệp 1.2.2 Phân loại Robot công nghiệp 1.3 Tình hình ứng dụng phát triển robot công nghiệp giới nƣớc 14 1.4 Kết luận 17 CHƢƠNG 2: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT BẬC TỰ DO 18 2.1 Mô hình Robot bậc tự 18 2.2 Động học Robot 20 2.2.1 Bài toán động học thuận 20 2.2.2 Bài toán động học ngược 23 2.3 Động lực học Robot 25 2.4 Mô số 33 2.5 Mô hoạt động Robot 34 2.6 Kết luận 34 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT BẬC TỰ DO 35 3.1 Thiết kế điều khiển Robot bậc tự phần mềm Matlab 35 3.1.1 Trình tự thiết kế giao diện Guide 35 3.1.2 Giải toán động học thuận 39 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 3.1.3 Giải toán động học ngược 39 3.1.4 Thiết kế quỹ đạo 40 3.1.5 Tính momen động 40 3.1.6 Thiết kế điều khiển 41 3.2 Thiết kế hệ thống khí 42 3.2.1 Tính chọn động 42 3.2.2 Tính trục 43 3.2.3 Thiết kế khung cho robot cầu RRR 47 3.2.4 Tính cánh tay robot 47 3.2.5 Tính chọn ổ bi 49 3.2.6 Tính chọn truyền động đai robot RRR 49 3.2.7 Chế tạo hệ thống khí 52 3.3 Thiết kế, thi công mạch điều khiển 56 3.3.1 Nguyên lý điều khiển động 56 3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển 61 3.4 Kết chế tạo mơ hình Robot ba bậc tự 64 3.5 Kết luận 66 CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG BÀI THỰC HÀNH CHO SINH VIÊN CAO ĐẲNG NGHỀ 67 4.1 Bài thực hành 1: Dạy học cho Robot bậc tự 67 4.2 Bài thực hành 2: Điều khiển Robot bậc tự theo phƣơng trình động học thuận 75 4.3 Bài thực hành 3: Điều khiển Robot bậc tự theo phƣơng trình động học ngƣợc 76 4.4 Kết luận 77 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC 80 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg .20 Bảng 2.2 Bảng thông số D-H cho Robot bậc tự 22 Bảng 2.3 Bảng thông số động học DH 33 Bảng 3.1 Các ký hiệu L, H, XL bước đai tương ứng .49 Bảng 3.2 Các chi tiết điển hình robot .56 Bảng 3.3 Bảng chân trị mạch logic cho driver L298D 61 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Robot tạp dịch loạn kịch Karel Capek - 1920 Tay máy robot tọa độ Đề Các Tay máy robot tọa độ trụ Tay máy robot tọa độ cầu Tay máy robot dạng sinh Tay máy robot dạng SCARA Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở 10 Sơ đồ điều khiển robot theo vịng kín 10 Robot ngành luyện kim .11 Robot hàn 13 Robot sơn 13 Robot lắp ráp 14 Sản lượng robot công nghiệp giới 15 Biểu đồ thị trường robot công nghiệp Châu Á/Úc, Chấu Âu Châu Mỹ 15 Biểu đồ sử dụng robot nước .16 Biểu đồ robot phục vụ ngành công nghiệp 17 Sơ đồ động Robot 18 Cấu tạo Robot thiết kế Solidworks .18 Thân 19 Khâu thứ .19 Khâu thứ .19 Mô robot RRR 23 Biểu diễn góc quay q1 24 Sơ đồ hình học tay máy 24 Loại trừ chuyển động tay máy 25 Giao diện động học thuận 34 Giao diện động học ngược 34 Cửa sổ bắt đầu matlab 35 Giao diện thiết kế 36 Lấy đối tượng 37 Thuộc tính đối tượng 38 Giao diện toán động học thuận 39 Giao diện toán động học ngược .39 Giao diện quỹ đạo chuyển động 40 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.26 Hình 3.27 Hình 3.28 Hình 3.29 Hình 3.30 Hình 3.31 Hình 3.32 Hình 3.33 Hình 3.34 Hình 3.35 Hình 3.36 Hình 3.37 Hình 3.38 Hình 3.39 Hình 3.40 Hình 3.41 Hình 3.42 Giao diện tính momen động .40 Giao diện điều khiển 41 Bảng điều khiển .41 Bảng Teaching Mode 42 Thông báo chương trình chạy robot .42 Trục khớp 43 Biểu đồ momen trục 44 Biểu đồ momen trục 45 Trục khớp 46 Biểu đồ momen trục 46 Khung robot 47 Cánh tay 48 Cánh tay 48 Tay kẹp 49 Hình lựa chọn truyền đai 50 Thông số pulley nhỏ 50 Mơ hình pulley nhỏ SolidWork 51 Thông số pulley lớn .51 Mơ hình pulley to SolidWork 51 Chọn loại đai 52 Động 57 Nguyên lý điều khiển 57 Mạch nguyên lý .58 Mạch công suất 58 Chip L298 59 Mạch logic .61 Khối vi điều khiển AVR 62 Khối kết nối máy tính 62 Khối nguồn 62 Khối cách ly quang 63 Khối logic 63 Mạch nguyên lý .63 Mạch in 64 Sản Phẩm Robot hoàn thiện 64 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Chúng ta mong muốn chương trình đào tạo đại học cao đẳng gắn liền với thực tế công nghiệp Đặc biệt với sinh viên hệ cao đẳng nghề, vấn đề quan trọng Trong đó, Robot cơng nghiệp thiết bị sử dụng phổ biến nước công nghiệp phát triển bắt đầu sử dụng Việt Nam Sinh viên hệ cao đẳng nghề trường cần kiến thức kỹ làm việc tốt nên môn học Robot Robot công nghiệp thực hành trường cao đẳng cần phải đáp ứng yêu cầu thực tế công nghiệp Do việc xây dựng thiết bị thực nghiệm trường đại học, cao đẳng nói chung trường cao đẳng nghề nói riêng cần thiết để phục vụ đào tạo Trường cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội trường đào tạo nghề chưa có Robot phục vụ cơng tác đào tạo Việc chế tạo Robot xây dựng thực hành quan trọng Hơn nữa, thân tác giả giảng viên trường cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội Tác đồng nghiệp ln tâm huyết với chất lượng đào tao…Vì vậy, tác giả chọn đề tài „Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình Robot ba bậc tự tọa độ cầu điều khiển máy tính phục vụ đào tạo” làm luận văn cao học Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận văn - Mục đích: Thiết kế, chế tạo mơ hình Robot ba bậc tự tọa độ cầu điều khiển máy tính để phục vụ mục đích đào tạo - Đối tượng phạm vi nghiên cứu: + Đối tượng nghiên cứu Robot bậc tự do: Kết cấu khí, động servo, van khí nén, vi điều khiển Matlab + Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan robot cơng nghệp, Bài tốn động học động lực học cho robot Thiết kế chế tạo robot bậc tự tọa độ cầu Thiết kế hệ thống điều khiển robot vi điều khiển có kết nối máy tính Tóm tắt điểm đóng góp tác giả Luận văn trình bày gồm chương: Chương 1, nghiên cứu tổng quan Robot cơng nghiệp Tìm hiểu lịch sử phát triển, phân loại robot công nghiệp theo Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật cách khác Phần cuối chương phân tích tình hình phát triển robot cơng nghiệp giới tình hình sử dụng robot công nghiệp xu hướng phát triển robot công nghiệp Việt nam Chương 2, nghiên cứu, tính tốn động học động lực học cho Robot bậc tự để làm sở cho việc thiết kế robot ba bậc tự chuyển động quay Bài toán động học thuận động học ngược robot giải theo phương pháp Denavit-Hartenberg Bài toán động lực học robot giải theo phương pháp sử dụng định lý động năng, phương trình Lagrange II, NewtonEuler Chương 3, thiết kế chế tạo Robot bậc tự Robot bậc tự thiết kế phần mềm Matlab qua việc giải toán động học, động lực học, thiết kế điều khiển Tính tính chọn chi tiết cho hệ thống khí Phần điều khiển thiết kế chế tạo gồm điều khiển động Servo vi điều khiển AVR 16 có kết nối máy tính Cuối chương trình bày kết thực nghiệm việc chế tạo Robot bậc tự do, khâu 1, 2, có chiều dài l1 = 240mm, l2 = 230mm l3= 245mm, giới hạn góc quay cho khâu, = -1000 ÷ 1000, = 00 ÷ 900, =- 1000÷ 00 Chương 4, xây dựng thực hành phục vụ đào tạo Đóng góp tác giả: Luận văn chế tạo mơ hình Robot bậc tự phục vụ đào tạo xây dựng thực hành (Bài 1: Dạy học cho Robot; Bài 2: Điều khiển Robot theo phương trình động học thuận; Bài 3: Điều khiển Robot theo phuơng trình động học ngược) cho môn học Robot công nghiệp Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết chung tính tốn, thiết kế, chế tạo Robot bậc tự xây dựng thực hành - Nghiên cứu tổng quan Robot Robot cơng nghiệp, tốn động học, động lực học Robot điều khiển robot Từ có sở tính tốn, thiết kế chế tạo Robot bậc tự do, xây dựng thực với Robot thực nghiệm phục vụ đào tạo - Tính tốn, thiết kế phần mềm điều khiển Robot bậc tự Matlab - Tính tính chọn chi tiết điển hình cho Robot bậc tự - Xây dựng thực hành phục vụ đào tạo Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Lịch sử phát triển Robot cơng nghiệp 1.1.1 Q trình hình thành Robot cơng nghiệp Thuật ngữ “Robot” lần xuất vào năm 1921 tác phẩm“Rossum‟s Universal Robots” nhà văn Tiệp Khắc có tên Karel Capek hình 1.1 Trong tác phẩm Rossum trai ông chế tạo máy gần giống với người để phục vụ người Năm 1922, sân khấu múa rối Châu Âu xuất rối Robota với tên gọi lực sỹ nghệ sỹ Tiệp Khắc trình diễn Từ xuất ý tưởng sáng chế kỹ thuật cấu máy có khả bắt chước hoạt động người với mục đích robot công nghiệp thay cho bắp người [1] [2] [3] Hình 1.1 Robot tạp dịch loạn kịch Karel Capek - 1920 1.1.2 Quá trình phát triển robot cơng nghiệp Robot cơng nghiệp hình thành phát triển mạnh mẽ giới Quá trình phát triển robot công nghiệp chia làm thời kỳ sau [2] [3]: - Thời kỳ sơ khai (Trước năm 1946): Đây giai đoạn phát triển sản xuất tiến dần đến tự động hóa khí (tự động hóa sản xuất cứng) Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - Thời kỳ tiền robot (1946 – 1960): Trong thời kỳ này, robot phục vụ cho công nghiệp nguyên tử, giai đoạn phát triển mạnh Kỹ thuật – Công nghiệp – Sản xuất Cụ thể sau: Năm 1946: Xuất máy tính điện tử có tên ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Caculartor) Năm 1948: nhà nghiên cứu Goertz nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa năm hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cấu tác động động điện kết hợp với cữ hành trình Năm 1950: Chế tạo thành công “Máy phay điều khiển số NC” viện công nghệ Massachuset MIT, thời kỳ phát triển Công nghệ khoa học – Kỹ thuật thông tin – Điều khiển với khởi đầu q trình NC trí tuệ nhân tạo Từ ý tưởng “Kết hợp hệ điều khiển NC với cấu điều khiển từ xa với độ thông minh nhạy bén hệ điều khiển NC đưa hệ máy tự động cao cấp Đó người máy Năm 1954: Goertz tiếp tục chế tạo dạng tay máy đôi sử dụng động servo nhận biết lực tác động lên khâu cuối Năm 1956: Hãng General Mills cho đời tay máy hoạt động công việc khảo sát đáy biển - Thời kỳ kỷ nguyên robotic(Từ năm 1960): Đây thời kỳ phát triển mạnh mẽ robot công nghiệp: Năm 1961: Robot Unimate – USA hãng General Motors sử dụng phân xưởng đúc, thời kỳ robot hệ thứ Lập trình điều khiển để robot lặp lại thao tác định trước Nhờ mà robot có khả năng: + Một là: Làm việc liên tục 24 nắm vững công việc vòng vài phút + Hai là: Làm việc điều kiện: nóng bức, khó chịu, nguy hiểm độc hại Trên sở quyền phát minh sáng chế Mỹ, nước giới Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 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 phần mềm giải toán động học ngƣợc 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 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 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 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật g1=atand(yc/xc); elseif (xc=0); g1=atand(abs(xc)/abs(yc))+90;elseif (xc