Giao diện RRT* sẽ giúp người dùng tự tạo ra không gian làm việc, điểm đầu, điểm đích, các chướng ngại vật trong không gian để từ đó tìm ra được quỹ đạo đường đi.
Ở giao diện chính mà ta nhấn vào nút thuật toán dò đường RRT* thì màn hình sẽ hiện ra như dưới đây.
Hướng dẫn sử dụng giao diện:
Bảng 3.7. Các bước thực hiện với giao diện RRT*
Bước Phím Ý nghĩa
1 Panel không gian làm
Tạo ra không gian làm việc tối đa mà vật có thể di chuyển. Trong đó chứ toàn bộ các vật trong không gian.
2
Panel điểm đầu và điểm cuối
Có chức nặng tạo ra tọa độ vị trí điểm đầu và tọa độ điểm đích.
3
Panel
chướng ngại vật
Tạo vật cản trong không gian làm việc bằng các cho vị trí điểm đầu tiền sau đó độ dài được tính từ điểm đó theo chiều dương của hệ tọa độ.
4
Panel thông số điều chỉnh
ở đây là các tham số điều chỉnh để giúp quá trình dò đường được tối ưu nhất.
5 Nút chạy Sau khi có đầy đủ các thông tin thì máy tính sẽ tự động sử dụng thuật toán để tìm đương.
6 Axes1 Hiện thị ra hình dạng , vị trí quãng đường đã thực hiện được lên màn hình.
7 Panel kết quả
Hiện thị tra kết quả mà thuật toán đã tìm ra đượng có chiều dài quãng đường đã thực hiện và thời gian mà thuật toán đã thực hiện trong bao lâu.
8 Nút trở lại Có chức năng quay lại về màn hình giao diện chính. 3.3. Tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động robot
Sử dụng thuật toán RRT (Rapidly Exploring Random Tree) để tìm kiếm một điểm trong không gian bằng cách tạo ra tạo ngẫu nhiên các điểm trong bản đồ, tìm điểm đích sau đó nội suy ngược lại ra được vị trí ban đầu. Từ đó tạo ra một quỹ đạo chuyển động từ điểm đầu đến điểm cuối.
3.3.1. Đặt vấn đề
Cho bài toán tối ưu như sau: Ta có không gian làm việc xmax = 150: ymax =150: zmax =100.Giả sử không gian làm việc này robot có thể hoạt động ở mọi vị trí trong không gian.Vị trí ban đầu có tọa độ 0x0x0, vị trí đích có tọa độ
110x110x50. Vật cản có vị trí 50x90x10 có độ dài dx=50,dy=50,dz=60. Động cơ sử dụng trong robot là HF-KN23B.
3.3.2. Nguyên lý hoạt động
Chọn ngẫu nhiên một điểm trên bản đồ với điều kiện không được nằm trong vùng vật cản.
Kẻ một đường thẳng từ điểm đã tạo từ bước một đến nút cha với điều kiện đường thẳng không được đi qua vật cản.
Tạo ra nút con bằng các lấy 1 điểm thuộc đường thẳng ở bước 2 cách nút cha một khoảng cho trước.
Lắp đi lặp lại 3 bước đầu cho đến khi xác định điểm đích.
Sau khi tìm ra được điểm đích thì thuật toán sẽ nội suy ngược lại từ điểm đích ngược lại điểm đầu theo đường dẫn đã được tìm thấy.
Đối với thuật toán RRT* thì ở bước này sau khi nội suy ngược lại thì từ điểm con cuối cùng ta sẽ vẽ ra một đường tròn với bán kính R đã được xác định. trong đó sẽ có các nút cha trước sẽ lựa chọn nút cha gần đường tròn nhất để tạo đường dẫn, còn các nút cha khác bên trong đường tròn sẽ được loại bỏ để tạo ra quỹ đạo chuyển động di chuyển ngắn nhất.
3.3.3. Điều kiện tiên quyết
Không gian làm việc: Bản đồ của môi trường được phân chia thành vùng có chướng ngại vật và vùng không có chướng ngại vật.
Vị trí bắt đầu: Vị trí bắt đầu của robot trong môi trường của nó.
Vị trí đích mục tiêu: Vùng mục tiêu của robot trong môi trường của nó. Số nút: Số nút được tạo ngẫu nhiên thực hiện bởi RRT.
Khoảng cách giữa hai nút: Khoảng cách tối đa đối với hai nút cha và con có thể nhận.
3.3.4. Chỉ tiêu tối ưu
Ở đây thì ta có 2 chỉ tiêu có thể để tối ưu đó là quãng đường di chuyển và thời gian xử lý thuật toán.
+Về quãng đường di chuyển: Đây là chỉ tiêu mang ý nghĩa về kinh tế cũng như hạ giá thành sau mỗi lần hoạt động.
+Về thời gian xử lý thuật toán: Đây là chỉ tiêu mang ý nghĩa thời gian xử lý của robot cũng như tăng năng suất làm việc.
Ở trong bài báo cáo này thì nhóm sẽ thực hiện tối ưu theo chỉ tiêu thời gian xử lý thuật toán.
3.3.5. Các hàm giới hạn
3.3.5.1. Giới hạn về động cơ
Từ quỹ hoạch quỹ đạo đường thẳng ta biết được robot chạy quãng đường s=150mm trong vòng t= 2s.
Động cơ HF-KN23B ta có:
Độ phân giải R là 131072 xung/vòng
Tốc độ quay trục n là 3000 vòng/phút
Tốc độ quay tối đa nmax là 5000 vòng/phút Trường hợp động cơ chạy tốc độ bình thường: Tần số:
f = = = 6553600 xung/giây (3-1)
Một xung chạy được:
s1 = / = 0,0000114 𝑚𝑚 (3-2) Kích thước độ phân giải:
Rs= R * s1= 1,5mm (3-3)
Trong vi điều khiển , hay PLC tần số lấy mẫu thường là 100ms. Kích thước độ phân giải theo 100ms:
S100= ∗ = 7,5 𝑚𝑚 (3-4) Số nút cần tạo:
Toàn không gian làm việc: Nmap = ( ) ( ) ( ) = 6321 𝑛ú𝑡 (3-5) Vật cản Nobject =( ) ( ) ( )=529 nút (3-6) Giới hạn số nút cần tạo: Số nút tối thiểu: NMin= = 100 𝑛ú𝑡 (3-7) Số nút tối đa:
NMax = Nmap - Nobject = 5792 nút (3-8) Trường hợp động cơ chạy tốc độ tối đa:
Tần số. Sử dụng (3-1) ta được: f = 10922667 xung/giây
Một xung chạy được.Sử dụng (3-2) ta được: s1 = 0,0000069 𝑚𝑚
Kích thước độ phân giải.Sử dụng (3-3) ta được: Rs=0,9 mm
Trong vi điều khiển , hay PLC tần số lấy mẫu thường là 100ms. Kích thước độ phân giải theo 100ms.Sử dụng (3-4) ta được: S100= 7,5 𝑚𝑚
Số nút cần tạo:
Nmap = 6321 𝑛ú𝑡
Vật cản.Sử dụng (3-6) ta được:Nobject =529 nút
Số nút tối thiểu .Sử dụng (3-7) ta được:NMin= 166 𝑛ú𝑡 Số nút tối đa. Sử dụng (3-8) ta được: NMax = 5792 nút
3.3.5.2. Giới hạn về khoảng cách các nút Lmin = 0,9 mm. Lmax = 7,5 mm. 3.3.5.3. Giới hạn số nút cần tạo NMin= 166 𝑛ú𝑡. NMax = 5792 nút. 3.3.5.4. Giới hạn về bán kính đường tròn RRT* Rmin =0 mm. Rmin =150 mm. 3.3.6. Tạo thí nghiệm
Để tạo thí nghiệm ta vào start/DOE/factorial/ create factorial design Type of design: general full factorial design.
Number of factors: 3.
Khoảng cách: 0,9 - 4,2 - 7,5. Số nút: 166 – 2979 – 5792. Bán kính: 0 – 75 – 150.
Bảng 3.8. Tạo thí nghiệm với DOE
StdOrder RunOrder PtType Blocks khoang cach nut so nut ban kinh
15 1 1 1 4.2 2979 150
5 2 1 1 0.9 2979 75
16 3 1 1 4.2 5792 0
11 5 1 1 4.2 166 75 4 6 1 1 0.9 2979 0 9 7 1 1 0.9 5792 150 3 8 1 1 0.9 166 150 7 9 1 1 0.9 5792 0 14 10 1 1 4.2 2979 75 12 11 1 1 4.2 166 150 1 12 1 1 0.9 166 0 13 13 1 1 4.2 2979 0 25 14 1 1 7.5 5792 0 18 15 1 1 4.2 5792 150 27 16 1 1 7.5 5792 150 22 17 1 1 7.5 2979 0 21 18 1 1 7.5 166 150 10 19 1 1 4.2 166 0 26 20 1 1 7.5 5792 75 6 21 1 1 0.9 2979 150 24 22 1 1 7.5 2979 150 2 23 1 1 0.9 166 75 8 24 1 1 0.9 5792 75 23 25 1 1 7.5 2979 75 20 26 1 1 7.5 166 75 17 27 1 1 4.2 5792 75 3.3.7. Thực hiện thí nghiệm
Sau khi tạo được thí nghiệm thì ta bắt đầu thí nghiệm từng trường hợp theo thứ tự mà minitab sắp xếp ngẫu nhiên để có thể hạn chế được các yếu tố khác mà ta không đề cập vào xét.
Bảng 3.9. Kết quả thực hiện thí nghiệm
Khoảng cách nút Số nút Bán kính Quãng đường Thời gian
4.2 2979 150 174.749 1194.39 0.9 2979 75 164.651 812.319 4.2 5792 0 241.961 2705.66 7.5 166 0 172.483 4.713 4.2 166 75 201.13 5.349 0.9 2979 0 318.789 703.285 0.9 5792 150 164.95 3490.9 0.9 166 150 183.401 6.495 0.9 5792 0 173.381 3086.42 4.2 2979 75 178.736 881.967 4.2 166 150 170.601 5.8 0.9 166 0 246.462 4.841 4.2 2979 0 223.926 701.795 7.5 5792 0 222.562 3366.18 4.2 5792 150 167.589 4013.41 7.5 5792 150 174.345 5563.34 7.5 2979 0 293.845 852.831 7.5 166 150 183.841 5.742 4.2 166 0 225.379 4.76 7.5 5792 75 168.474 2677.24 0.9 2979 150 162.98 1168.7 7.5 2979 150 171.057 1060.96
0.9 166 75 179.266 5.531 0.9 5792 75 168.074 3408.19 7.5 2979 75 175.641 716.647 7.5 166 75 165.069 5.053 4.2 5792 75 168.392 2699.19 3.3.8. Đánh giá nhận xét
Sau khi để minitab phân tích thì ta nhận thấy được một số các yếu tố ảnh hưởng là không đáng như AA,A,AC,AB,CC từ đó ta có thể loại bỏ để có thể làm bài toán trở lên đơn giản hơn.
Đánh giá độ ảnh hưởng của các yếu tố.
Hình 3.9. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố
Sau khi loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng không đáng kể thì ta được hàm hồi quy như sau:
Thời gian = 67 – 0,126.B- 0,83.C+ 0,000104.B2+ 0,001543.B.C (3-9) Ta cũng thấy được sự ảnh hưởng của 3 yếu tố khoảng cách nút, số nút, bán kính theo đường bậc 2.
Hình 3.10. Đồ thị ảnh hưởng của các yếu tố Tối ưu hóa các yếu tố:
Sau khi sử dụng DOE/response surface/ response optimization thì minitab đã khuyến cáo giá trị để ta có thể lựa chọn ra giá trị của yếu tố sao cho thời gian xử lý thuật toán là nhanh nhất.
Khoảng cách: 4,7. Số nút: 166.
Bán kính: 77.
Kết luận chương 3
Sau khi thiết kế được cánh tay robot 6 bậc tự do thì cần xây dựng điều khiển. Các giao diện điều khiển tạo ra nhằm giúp người dùng có thể vận hành robot một cách đơn giản và dễ dàng. Ở chương này ngoài việc đưa ra các giao diện nhóm nghiên cứu đã xây dựng và đưa ra hàm tối ưu hóa về thời gian chuyển động của cánh tay robot.
Chương 4. Quy trình công nghệ chế tạo robot 4 bậc tự do
Phần chế tạo mô hình được chia thành hai phần, thiết kế phần cơ khí và phần cơ khí lắp đặt. Trong thiết kế của phần cơ khí, bản vẽ của các bộ phận được sử dụng trong chế tạo cánh tay robot đã được thực hiện thông qua phần tính toán thiết kế cánh tay robot bên trên. Trong việc lắp đặt bộ phận, việc sử dụng động cơ cho các khâu của cánh tay cần được xác định và lựa chọn. Lựa chọn động cơ servo với những ưu điểm về điều khiển, hoạt động của cánh tay robot trong quá trình robot làm việc. Việc này bao gồm một số bước như sau:
Xác định các vật liệu cần thiết để chế tạo.
Xác định bộ vi điều khiển và phần mềm sẽ được sử dụng.
Chọn động cơ servo sẽ dùng cho cánh tay robot một cách thích hợp.
Lựa chọn phù hợp các bộ phận cơ khí.
Thực hiện lắp ráp cánh tay robot.
Kiểm tra hệ thống để xem nó có hoạt động đúng với bộ vi điều khiển đã chọn hay không.
Các lỗi có thể xảy ra trong quá trình lắp đặt và vận hành.
Khi các bước này đã được hoàn thành thì việc chế tạo robot đã hoàn thành 4.1. Sơ đồ thiết kế
Sơ đồ thiết kế là một phần quan trọng mỗi khi bắt đầu thiết kế. Dựa vào đó người thiết kế có thể đưa ra các phương án phù hợp với yêu cầu. Không chỉ vậy, dựa vào sơ đồ việc sửa chữa khi gặp lỗi cũng rất dễ dàng.
Sơ đồ được thiết kế ở dạng 4 khâu. Thông qua các bộ truyền đai – hộp giảm tốc.
4.2. Lựa chọn động cơ
Chọn động cơ AC servo Model: HF-KN23B cho cả 4 khâu của mô hình. Hình 4.1. Sơ đồ thiết kế thực
Bảng 4.1. Thông tin động cơ dùng Mã Công suất (kW) Momem quán tính (x10-4 kg.m2) Cân nặng (kg) Momen xoắn (N.mm) HF-KN23B 0.2 0.31 1.4 1900 4.3. Xác định sơ bộ các khâu 4.3.1. Khâu 3-4 Vật liệu chế tạo: thép C45 Gồm một động cơ và thanh 4.
Cân nặng tổng của cả khâu là: 1,4 + 1,78 = 3,18 kg Bảng 4.2. Thông tin khâu 34
Tên Giá trị Đơn vị
Khối lượng tải 3,18 Kg
Hệ số an toàn 1.5
Hình 4.2. Phân tích lực khâu 34 Momen tải là 0.4995 N.m
Do động cơ 3 đi qua bộ truyền đai,khớp nối và ổ nên ta có hiệu suất:
Hiệu suất của các bộ truyền và các cặp ổ lăn tra bảng(2.3)-[1] Hiệu xuất bộ truyền đai = 0,96.
Hiệu xuất một cặp ổ lăn = 0,99. Hiệu xuất khớp nối = 1.
𝑛 = 0,99 . 0,96.1 = 0,94
Momen tải thực tế là ,
, =0,53 N.m=530 N.mm < 1900 N.mm Động cơ đạt yêu cầu mà không cần sử dụng hộp giảm tốc. Sử dụng bộ truyền đai tỷ số 1:1.
4.3.2. Khâu 2-3
Vật liệu chế tạo: thép C45
Gồm 2 động cơ ,thanh đỡ 3, khối lượng tất cả thanh 4 và một số các chi tiết khác.
Cân nặng tổng của cả khâu là: 2,5+2.1,4= 5,3 kg Bảng 4.3. Thông tin khâu 23
Tên Giá trị Đơn vị
Khối lượng tải 5,3 Kg
Hệ số an toàn 1.5
Hình 4.3. Phân tích lực khâu 23 Momen tải là 12780 N.mm
Để đảm bảo an toàn thì momen cần đạt là 19170 N.mm
Do động cơ 2 đi qua bánh răng,khớp nối và ổ nên ta có hiệu suất:
= ( 4-2)
Hiệu suất của các bộ truyền và các cặp ổ lăn tra bảng(2.3) [1] Hiệu xuất một cặp bánh răng = 0,96.
Hiệu xuất một cặp ổ lăn = 0,99.
𝑛 = 0,99.0,96 = 0,95
Momen tải thực tế là
, = 20393 N.mm > 1900 N.mm Động cơ đạt yêu cầu nếu tỉ số truyền của hệ đạt 1/10.
Lựa chọ hộp giảm tốc với tỉ số truyền là 1/10. 4.3.3. Khớp 1-2
Vật liệu chế tạo: thép C45
Gồm 3 động cơ ,hộp giảm tốc, khối lượng tất cả thanh 3, 4 và một số các chi tiết khác.
Cân nặng tổng của cả khâu là: 3,7+3.1,4+1,3= 9,2 kg Bảng 4.4. Thông tin khâu 12
Tên Giá trị Đơn vị
Khối lượng tải 9,2 Kg
Hệ số an toàn 1.5
Momen tải là 3644 N.mm
Để đảm bảo an toàn thì momen cần đạt là 5466 N.mm
Do động cơ 1 đi qua hộp giảm tốc ,khớp nối nên ta có hiệu suất:
= . .đ. ( 4-3)
Hiệu xuất một cặp bánh răng = 0,96. Hiệu xuất một cặp ổ lăn = 0,99.
Hiệu xuất khớp nối = 1. Hiệu xuất đai = 0,95.
𝑛 = 0,99 . 0,96.0,95.1 = 0,89
Momen tải thực tế là
, = 6142N.mm > 1900 N.mm Động cơ đạt yêu cầu nếu tỉ số truyền của hệ đạt 1/4.
Lựa chọn hộp giảm tốc với tỉ số truyền là 1/4. 4.4. Xác định các bộ truyền 4.4.1. Bộ truyền đai Mô đun: m =35. = 35. . = 1,4 (4-4) Theo bảng 4.28 - [1]. Chọn m = 1.5. Bề rộng đai: B = ѱđ.m = 6.1,5 = 9 mm (4-5) Theo bảng 4.28 - [1]. Chọn b = 10 mm. Số răng:
tra bảng 4.29 – [1]. Lấy Z = 40 răng. Do thiết kế tỷ số truyền của bộ truyền đai là 1 nên Z1 = Z2 = 40 răng.
Khoản cách trục sơ bộ: 𝑎 = 0,5.m.(Z1 + Z2) + 2.m = 0,5.1,5.(40 + 40) + 2.1,5 = 63 mm (4-6) 𝑎 = 2.m.(Z1 + Z2) = 2.1,5.(40 + 40) = 240 mm (4-7) Chọn a = 150 mm.
Đường kính vòng chia:
d = m.z = 1,5.40 = 60 mm (4-8)
Kiểm nghiệm đai về lực vòng nghiêng: Lực căng ban đầu:
Ft = . = . ,
, = 21,27 (N) (4-9)
Lực tác dụng lên trục:
Fr = 1,2.Ft = 1,2.24,27 = 25,524 (N) (4-10) Kiểm nghiệm:
Lực vòng nghiêng trên đai thỏa mãn điều kiện:
q = Ft.Kđ/b + qm.V2= ≤ [q] (4-11) Trong đó: [q] = [q0].Cz.Cu (4-12) Tra bảng 4.31- [1]ta có: Bảng 4.5. Các hệ số tính q [q0] Cz Cu qm Kđ 5 1 1 0,0032 1
Thay vào (4-11) ta được:
q = 21,27.1/10 + 0,0032.9,42 = 2,4 [q] = 5.1.1 = 5
Khi đó q < [q]. Thỏa mãn điều kiện 4.4.2. Gối đỡ
Trục:
Các lực tác dụng lên trục:
Lực F của khớp 4 bao gồm khối lượng của khớp và khối lượng của động cơ.
Lực tác dụng lên trục của bộ truyền đai. Đường kính sơ bộ của trục:
d ≥
, .[ ] =
, .[ ] = 8,5 (mm) (4-13)
Khoảng cách sơ bộ thiết kế:
F = 27,69 (N) Fr = 25,524 (N) Ta có: 𝐹 − 𝐹 = 𝐹 + 𝐹 50. 𝐹 − 20. 𝐹 − 40. 𝐹 = 0 (4-14) Giải hệ phương trình trên ta được:
FB = 8,43 (N) FA = 61,644 (N)
Mx tại A: MxA = Fr.l = 25,524.50 = 1276,2 (N.mm)