Thiết kế robot PlateCrane EX trên phần mềm Solid Work
Để có cái nhìn trực quan và thuận tiện trong việc thiết kế, nhóm chúng em sử dụng phần mềm Solid Work 2020 thiết kế và mô phỏng Robot PlateCrane EX trước, sau đó sẽ chuyển sang phần mềm Matlab.
Đầu tiên, ta thiết kế từng khớp của Robot và được các kết quả:
Hình 6.1 Phần đế Robot
Hình 6.3 Thanh nối 2
Hình 6.5 Khâu tác động cuối
Sau khi đã thiết kế đủ các khớp của Robot ta tiến hành ghép nối và đặt hệ trục tọa độ cho Robot:
Hình 6.6 Robot PlateCrane EX sau khi ráp hoàn chỉnh
Ta có video mô phỏng robot trên phần mềm Solid Work: https://jii.li/vZRLe
Kết nối Solid Work và Matlab/Tool box simscape
Sau khi thiết kế hoàn chỉnh trên phần mềm Solid Work, ta chuyển sang phần mềm Matlab bằng các bước như sau:
➢ Bước 1 Cài đặt các Tool box sau:
• Toolbox Simscape của Matlab (thông thường khi cài Matlab đã cài đặt sẵn
luôn Tool box này).
• Toolbox “Simscape Multibody Link” tùy theo phiên bản Matlab sử dụng mà
chúng ta cài phiên bản của Tool box khác nhau (ở đây nhóm sử dụng Matlab 2020b
do đó sử dụng bản Simscape Multibody Link 7.2). Linkdownload https://jii.li/itETf
• Để cài đặt ta mở Matlab với quyền quản tri, trong Matlab ta mở folder chứa file vừa
tải về. Tại command window gõ lệnh “install_addon (‘tên toolbox đã download’)” để bắt đầu quá trình tự cài đặt. Sau khi nhận thông báo cài đặt hoàn thành ta nhập lệnh “smlink_linksw” để liên kết Simulink với Solidwork.
➢ Bước 2 Chuyển mô hình động lực học từ Solid Work sang Matlab
• Vào mục Add-ins, chọn “Simscape Multibody Link”.
• Tiếp theo, chọn Tools – Simscape Multibody Link – Export chọn “Simscape
Multibody” để tạo file .xml
• Tiếp theo ta chuyển mô hình đã vào Simulink bằng cách viết lệnh
“smimport(‘Robot_EX’)”. ta được mô hình động lực học của Robot trong simulink nhưng
Hình 6.7 Mô hình động lực học của Robot trong Simulink
Giải thích các khối trong simulink:
• Khối Transform: Xác định phép biến đổi cứng 3-D cố định giữa hai khung. Hai thành phần chỉ định độc lập phần tịnh tiến và phần quay của phép biến hình. Các bản dịch và phép quay khác nhau có thể được kết hợp tự do.
• Khối World: biểu diễn một điểm cố định trên nền giá đỡ, nơi đặt gốc của hệ tọa độ, và phải được xác định trước trong bất kì mô hình nào.
• Khối Revolute: biểu diễn một khớp quay với 1 bậc tự do.
• Khối Mechanism configuration: tạo môi trường tính toán cho mô phỏng.
• Khối Solver configuration: tạo môi trường cho việc mô phỏng robot.
• Khối Rigid transform Subsystem: là thanh nối nối giữa 2 khớp của robot.
➢ Bước 3 Ta chạy file simulink vừa tạo để kiểm tra xem robot đã đúng với thiết kế hay chưa (ở đây robot chưa có bộ điêu khiển).
Hình 6.8 Mô hình robot trên Matlab
Ta thấy đã đúng với thiết kế trên phần mềm Solid Work chứng tỏ việc kết nối và chuyển đổi giữa 2 phần mềm đã thành công.
Thiết kế bộ điều khiển
• Ở đây chúng ta bỏ qua bài toán động lực học của các cơ cấu chấp hành dựa trên giả
thiết là các động cơ này lí tưởng. Bộ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để tạo Moment lên các khớp quay và lực lên khớp tịnh tiến để các khớp quay đến vị trí mong muốn. Bộ điều khiển PID với các đầu vào là các giá trị đặt và giá trị các góc khớp. Đầu ra là moment và lực tác dụng lên các khớp.
• Trong bài mô phỏng, ta sử dụng thuật toán PID để tiến hành điều khiển Robot có hệ
phương trình như sau: M K Ep K Q K Edtd i
•
= − +
Kp Ki 1/s Kd Động lực học Robot Q Q* Qd - + + + - PID Control
Hình 6.9 Mô hình điều khiển PID theo không gian khớp
➢ Lựa chọn các tham số điều khiển PID
Bảng 6-1 Thông số của bộ PID
Khớp 1 2 3 4
Kp 50 100 400 100
Ki 30 20 40 5
Kd 5 20 120 5
➢ Xây dựng trên Matlab
Hình 6.12 Bộ PID cho khớp 3
Hình 6.13 Bộ PID cho khớp 4
➢ Thông số mô phỏng trong Matlab:
Kết nối bộ điều khiển và mô hình động lực học
T1 = -90; %goc quay khop 1 (degree) T2 = 0.2; %do di tinh tien khop 2 (m) T3 = 0.05; %do di tinh tien khop 3 (m) T4 = 150; %goc quay khop 4 (degree)
%PID 1 kp1 = 50; ki1 = 30; kd1 = 5; %PID 2 kp2 = 100; ki2 = 20; kd2 = 20; %PID 3 kp3 = 400; ki3 = 40; kd3 = 120; %PID 4 kp4 = 100; ki4 = 5; kd4 = 5;
Tiếp theo, ta thêm bộ điều khiển vào mô hình như Hình 6.14:
Hình 6.14 Sơ đồ sau khi kết nối hoàn chỉnh
• Ta sử dụng khối Simulink-PS converter & PS-Simulink converter để chuyển đổi
giữa giá trị giữa bộ điều khiển thành giá trị góc quay/tịnh tiến cho khớp và nhận tín hiệu phản hồi của khớp về bộ điều khiển.
• Vùng SCOPE cho phép ta so sánh giữa giá trị lượng đặt và đáp ứng của từng khớp
Hình 6.15 Đáp ứng vị trí của khớp 1
Hình 6.17 Đáp ứng vị trí của khớp 3
Hình 6.18 Đáp ứng vị trí của khớp 4
✓ Nhận xét:
• Sai lệch tĩnh của các bộ điều khiển cho từng khớp ≈ 0.
• Tuy nhiên độ quá điều chỉnh còn lớn cần phải điều chỉnh các tham số Kp, Ki,Kd