3.2 Mô phỏng cánh tay robot 5 bậc tự do
3.2.3 Mô hình hóa và mô phỏng cánh tay robot 5 bậc tự do
3.2.3.1 Vẽ chi tiết
Các chi tiết rời sử dụng cho việc mô phỏng cánh tay Robot được vẽ bằng SolidWorks. Có tất cả 6 chi tiết đã được xây dựng với các thông số về kích thước. Cụ thể như sau:
Hình 71. Hình Scorbot hoàn chỉnh 3.2.3.2 Chọn thuộc tính cho đối tượng
Trong phần mềm SolidWorks, ngoài việc cho phép người sử dụng lựa chọn kích thước và hình dáng cho vật thể, phần mềm này còn cho phép lựa chọn loại vật liệu cho đối tượng. Sau khi lựa chọn được loại vật liệu, phần mềm sẽ tự xuất ra các thông số của đối tượng: mật độ khối, khối lượng, thể tích, diện tích bề mặt, tâm khối, moment quán tính .v.v.
Hình 72. Các thông số thuộc tính của đối tượng 1
Hình 74. Các thông số thuộc tính của đối tượng 3
Hình 76. Các thông số thuộc tính của đối tượng 5
Hình 77. Các thông số thuộc tính của đối tượng 6
Ở đây chúng ta có thể sử dụng các thông số về khối lượng, moment quán tính và thông số về kích thước của chi tiết để đặt vào bảng khai báo cho các body trong SimMechanics. Cụ thể việc đặt thông số vào bảng khai báo sẽ được trình bày ở phần tiếp theo.
3.2.3.3 Mô phỏng trên SimMechanics
a, Khối tổng thể
b, Khối Scorbot
3.2.3.4 Khai báo các thông số cho các khối trong SimMechanics
a, Khai báo khối Enviroment
- Đặt các thông số cho môi trường. Thông thường ta sử dụng ngay các số liệu sẵn có đã được khai báo của khối
- Lực trọng trường theo trục y, gia tốc trọng trường: 9.81m/s2
b, Khai báo khối RootGround
Đặt một đầu của liên kết với một điểm cố định trong hệ tọa độ Trái đất, vị trí tâm khối nền có tọa độ theo các trục [x, y, z] so với hệ tọa độ Trái đất.
c, Khai báo khối hàn
Gắn cứng đế robot với nền, vị trí gắn cứng là tùy chọn.
d, Khai báo khối body
Các khối body đều có dạng cửa sổ khai báo như sau:
Các thông số về khối lượng và moment quán tính nhận được từ SolidWorks như đã trình bày ở trên.
SolidWorks. CG là tọa độ bắt buộc cần khai báo, là tọa độ tâm khối của body. Hệ tọa độ tham chiếu ở đây ta đặt là hệ tọa độ Trái đất. Vị trí khối tâm cũng được chiếu theo Hệ tọa độ Trái đất. CS2 và CS3 là vị trí 2 điểm tiếp xúc với 2 vật nằm ở 2 phía của body. Ở đây Base-1 liên kết với body RootPart và body Body-1. CS1 là một điểm bất kỳ nằm trên vật.
Vector chỉ hướng của vật so với hệ tọa độ Trái đất có dạng [1 0 0;0 1 0;0 0 1], vector chỉ hướng này cho thấy hệ tọa độ của vật trùng với hệ tọa độ Trái đất (ví dụ đối với vật 1):
Khai báo Visualization là khai báo hình ảnh hiển thị, ở đây chọn lấy hình ảnh từ file bên ngoài theo đường link được chọn. Cần phải khai báo điểm kết nối của khối này với khối trước đó, ở đây điểm kết nối chính là CS1 mà ta đã khai báo vị trí và hướng của nó ở trên.
e, Khai báo khối Revolute
Hình trên ta thấy khai báo điểm nối giữa 2 đầu của khớp là 2 điểm nối với 2 vật gắn vào 2 phía của khớp là điểm CS3 của khối Base-1 và điểm CS2 của khối Body-1. Ở phần khai báo về số cổng sensor và bộ tác động ta chọn là 2 vì cần sử dụng 1 sensor theo dõi hoạt động của khớp và 1 actuator truyền động cho khớp. Khai báo tên khớp là R1. [0,1,0] thể hiện trục quay của khớp là trục y chiếu theo hệ tọa độ Trái đất.
f, Khai báo khối Joint Actuator
Khối này để tạo truyền động cho khớp, khớp mà ta cần truyền động ở đây là khớp R1 như đã khai báo ở trên. Ngoài ra ta chọn đơn vị cho góc quay là rad, vận tốc góc là rad/s và gia tốc góc là rad/s2.
g, Khai báo Joint Sensor
Tín hiệu đầu ra mà ta chọn ở đây là momen xoắn. Giá trị đưa ra sẽ được hiển thị dạng file Text sẽ được trình bày ở phần sau.
h, Khai báo khối Goto, From
Hai khối này dùng để nhận và gửi tín hiệu cho nhau bằng cách Tag theo Sourch. Trong thực hành này, Goto và From dùng để truyền một tín hiệu có sẵn trong Simulink vào bộ truyền động và lấy tín hiệu ra từ sensor của khớp nối.
i, Khai báo khối Dumux
Khối Dumux dùng để tách vector tín hiệu lớn thành nhiều vector tín hiệu nhỏ. Ở đây ta đã dồn 5 vector tín hiệu lại với nhau và sau đó tách chúng ra để gửi đến từng khớp. Và từ 5 vector riêng biệt nhận được từ sensor của 5 khớp, ta lại gộp chúng lại phục vụ cho phần hiển thị được trình bày ở phần sau.
j, Khai báo khối hiển thị
Các hiển thị ta cần quan tâm ở đây là vị trí, vận tốc dài, gia tốc dài, vận tốc góc và gia tốc góc của đầu công tác, do đó ta chỉ cần chọn các mục hiển thị có sẵn như trong hình vẽ dưới đây.
k, Khối tín hiệu đầu vào
Tín hiệu kích động ở đây ta chọn là tín hiệu điều hòa hình sin, không liên tục. Biên độ của tín hiệu chọn là 1, tần số 1(rad/sec), pha là 0(rad).
3.2.3.5 Kết quả mô phỏng
a, Mô hình sau khi mô phỏng
b, Biểu đồ kết quả đầu ra
Như đã trình bày ở trên, do vị trí của vật là một vector 3 hàng 1 cột và có dạng như sau: , khi vật chuyển động thì các số liệu này được Simulink xuất ra bằng khối scope. Khối scope sau khi nhận được số liệu từ chương trình chạy thì nó tự động vẽ 3 đường đồ thị gồm lần lượt giá trị các điểm xP, yP, zP theo thời gian.
Trên biểu đồ biểu diễn dưới đây của đầu công tác, đường màu vàng biểu diễn dịch chuyển (vận tốc/gia tốc) theo trục x của hệ tọa độ Trái đất, đường màu hồng biểu diễn dịch chuyển (vận tốc/gia tốc) theo trục y, đường màu xanh biểu diễn dịch chuyển (vận tốc/gia tốc) theo trục z của hệ tọa độ Trái đất.
Hình 82. Biểu đồ vận tốc dài của đầu công tác theo trục tọa độ Trái đất (m/s)
Hình 84. Biểu đồ vận tốc góc của đầu công tác theo trục tọa độ Trái đất (deg/s)
c, Xuất đầu ra moment xoắn
Moment xoắn tại đầu ra được xuất dưới dạng file text, hàng đầu tiên là chỉ số thời gian từ 0 đến giá trị ta đặt mô phỏng (20 giây), 5 hàng tiếp theo là giá trị moment xoắn tại từng thời điểm của 5 khớp, theo thứ tự từ khớp 1 đến khớp 5. Thời gian lấy mẫu là 0.05 giây. Ngoài moment xoắn, SimMechanics còn hỗ trợ việc xuất các giá trị như phản lực để giúp cho việc thiết kế.
…
KẾT LUẬN
- Những kết quả đã đạt được:
Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu về mục tiêu của luận văn tốt nghiệp: “Mô hình
hóa và mô phỏng hệ cơ học 3D trong môi trường Simulink” tôi đã thu được một số
kết quả như sau:
+ Hiểu được vai trò của việc mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống máy cơ khí, robot,…
+ Tìm hiểu các thư viện trong SimMechanics và một số thư viện khác trong Simulink.
+ Viết lại hướng dẫn sử dụng SimMechanics theo tài liệu SimMechanics User’s Guide.
+ Tìm hiểu các kiến thức liên quan và đã mô hình hóa được một tay máy, cụ thể là Cánh tay robot 5 bậc tự do bằng phần mềm SimMechanics.
+ Bước đầu hoàn thành việc giải bài toán động học ngược, tính toán góc quay cần thiết của các khớp nhằm mục đích di chuyển đầu công tác của robot từ vị trí ban đầu đến một vị trí khác cho trước trong không gian.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo:
Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, các hệ thống máy và robot được sử dụng sâu rộng. Việc sản xuất và cạnh tranh giá thành giữa các công ty chế tạo ngày càng gay gắt. Do đó việc ứng dụng mô hình hóa và mô phỏng là vấn đề nên được quan tâm đúng mức. Bên cạnh việc mô phỏng bằng SimMechanics, các công cụ trong Simulink là rất đa dạng và phong phú, giúp người sử dụng không những mô phỏng được về động học và động lực học hệ thống mà còn có thể điều khiển hệ thống theo mong muốn. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài là mở rộng việc sử dụng phần mềm SimMechanics có liên quan đến mô phỏng hệ thống và áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại cho các hệ thống trong môi trường Simulink. Bên cạnh đó, việc tính toán về động học ngược, động lực học ngược để đầu công tác của robot di chuyển theo quỹ đạo mong muốn và việc đặt bài toán vào mô hình mô phỏng cũng là vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]Nguyễn Văn Khang (2007), Động lực học hệ nhiều vật, NXB KHKT, Hà Nội. [2]Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab và Simulink, NXB KHKT, Hà Nội. Tiếng Anh
[3]A. A. Shabana (2001), Computational Dynamics, John Wiley&Sons, New York. [4]Bishop, R. H. (1993), Modern control systems analysis and design using MATLAB,
Addison-Wesley, United States. [5]SimMechanics Getting Started Guide. [6]SimMechanics User’s Guide.