Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ  ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Phan Bùi Khôi Sinh viên thực hiện : Trần Văn Phương Số hiệu sinh viên : 20100530 Lớp : KT CĐT3- K55 1 Năm học 2013 - 2014 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR MỤC LỤC Lời nói đầu 3 Đề tài 4 Lí do chọn đề tài 5 Phần I : Thiết kế mô hình 3D cho Robot. 6 Phần II : Cơ sở lý thuyết về động học, động lực học Robot công nghiệp. 9 Phần III: Tính toán động học cho Robot. 22 1. Bài toán động học thuận. 22 2. Bài toán động học ngược. 28 Phần IV : Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot. 37 1. Quỹ đạo trong không gian khớp. 2 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR 2. Quỹ đạo trong không gian làm việc. Phần V : Khảo sát động lực học, thiết lập phương trình vi phân chuyển động của Robot. 40 1. Xây dựng quy luật chuyển động của Robot. 40 2. Tính toán thiết lập phương trình vi phân. 47 Phần VI : Điều khiển khâu thao tác sử dụng quy luật điều khiển PD. (Sử dụng Matlab Simulink). 48 1. Điều khiển từ điểm đến điểm. 49 2. Điều khiển theo quỹ đạo cho trước. Phần VII. Mô phỏng kết quả sử dụng thư viện SimMechanics trong simulink. Kết Luận 60 Tài liệu tham khảo 61 3 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR LỜI NÓI ĐẦU Các Robot công nghiệp ngày càng chiếm một vị trí quan trọng, đặc biệt là trong quá trình tự động hóa sản xuất cũng như trong dịch vụ, giải trí. Sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước không thể thiếu vai trò của điều khiển và tự động hóa. Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất là nhằm nâng cao năng suất của các dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng sản phẩm, cải 4 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR thiện điều kiện lao động, nhất là ở các khu vực con người không thể di chuyển được… Ở nước ta từ những năm 90 của thế kỉ XX đến nay, nhiều cơ sở sản xuất đã sử dụng nhiều loại robot công nghiệp phục vụ quá trình sản xuất. Việc nghiên cứu Robot công nghiệp nói riêng và Robot nói chung đang được nhiều trung tâm và các trường Đại học chú ý quan tâm. Trong quá trình thực hiện đề tài, dù đã nhận được sự dặn dò chỉ bảo nhiệt tình của thầy PGS.TS Phan Bùi Khôi nhưng do kiến thức của em còn yếu nên không tránh khỏi được những thiếu sót, rất mong được ý kiến của các thầy cô để em tự hoàn thiện thêm . Em xin chân thành cảm ơn ! 5 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR ĐỀ TÀI Cho mô hình robot như hình vẽ: 1. Thiết kế mô hình 3D. 2. Xây dựng quy luật chuyển động phù hợp. 3. Tính toán động học, động lực học cho cơ cấu (bằng Maple) . 4. Điều khiển Robot. (Matlab Simulink) . 5. Mô phỏng kết quả. 6 Hình 1 : Cơ cấu Robot phẳng 3 bậc tự do Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vấn đề thiết yếu đặt ra là phải tăng nhanh lượng tự động hóa vào các quá trình sản xuất công nghiệp. Đây cũng là một đòi hỏi cấp bách liên quan đến việc giải phóng con người khỏi sự nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc (do sự lặp đi lặp lại các thao tác của một công việc giản đơn nào đó), sự nguy hiểm của môi trường lao động như sự nóng bức tại các lò hơi, sự lây lan của các bệnh hiểm nghèo tại các cơ sở y tế, sự ô nhiễm do bụi bặm của các hầm mỏ, sự nguy hiểm ở duới đáy đại dương và trên không gian vũ trụ… Để tực hiện mục tiêu đó, bước đầu em chọn đề tài này để trang bị những kiến thức cơ bản về bài toán động học, động lực học và điều khiển đơn giản một Robot công nghiệp. Qua đó cũng tự trang bị cho mình một số kiến thức về các phần mềm chuyên dùng trong tính toán thiết kế như Maple, Matlab (Simulink)… 7 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR Phần I. Thiết kế mô hình 3D cho Robot RTR Theo yêu cầu của đồ án môn học nên em thiết kế mô hình 3D của robot RTR ở mức độ ý tưởng của sinh viên. Do vậy có sự khác biệt với Robot ngoài thực tiễn. Mô hình tổng thể của Robot : Sơ lược Robot RTR gồm đế giữ, 3 khâu dịch chuyển gắn với bàn kẹp. Hai khâu quay của Robot sử dụng động cơ DC servo dẫn động, khâu tịnh tiến dịch chuyển nhờ piston khí nén. Nguồn điện cấp cho Robot là nguồn DC để điều khiển động cơ DC. Trong thực tế Robot này nhỏ, thiết kế gọn, chạy êm, định vị chính xác Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở. Robot hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt trên các trục của tay máy. 8 Hình 1.1 Mô hình tổng thể Robot RTR Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR 9 Hình 1.2 Khâu đế Hình 1.3 Khớp quay nối giữa đế và khâu tịnh tiến Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR 10 Hình 1.4 Khâu tịnh tiến và khớp quay thứ hai [...]... Robot Trong tính toán động học robot, để xác định vị trí các khâu ta chỉ cần sử dụng hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ khớp Trong bài toán động lực học robot ta cần thêm một hệ toạ độ nữa là hệ toạ độ khâu Hệ toạ độ khâu là hệ quy chiếu gắn với vật rắn, thường có gốc trùng với khối tâm Ci của vật rắn, các trục hướng theo các trục quán tính chính của vật rắn Trong hình (2.2) hệ Oi xi yi zi là hệ toạ độ khớp,.. .Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR Phần II : Cơ sở lý thuyết về động học, động lực học Robot công nghiệp Phần này trình bày cách xây dựng các hệ tọa độ gắn với Robot, các biểu thức tính động năng, thế năng của hệ vật rắn để từ đó ta có thể thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ vật rắn 1 Các kí hiệu, khái niệm cơ bản, cách xác định trục của hệ tọa độ khớp và bài toán động học. .. chuyển động của các khâu bị ràng buộc bởi các liên kết khớp Do đó tham số động lực học nhỏ hơn 10n Việc tìm tập tối thiểu để tham số hóa các phương trình động lực của robot là 1 bài toán khá phức tạp 23 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR Phần III: Tính toán động học cho Robot Phần này sẽ trình bày một số bài toán cơ bản của động học và động lực học robot Vị trí mỗi khâu robot trong không gian... iηiξi là hệ toạ độ khâu Hình 2.2 Hệ toạ độ khâu 14 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR Giả sử robot là hệ hôlônôm có p vật rắn và r liên kết Khi đó số bậc tự do của hệ là n = 6 p − r Ký hiệu các biến khớp của hệ là q = [q1 qn ]T Vị trí khâu thứ i được xác định bởi : - Toạ độ khối tâm của khâu : rCi = rCi (q, t ) - Ma trận cosin chỉ hướng của khâu : R i = R i (q, t ) Xét robot có liên kết hôlônôm... động trong mặt phẳng thẳng đứng Để thuận tiện cho việc tính toán thiết kế, robot được mô hình hóa như Hình 1 Các hệ tọa độ Decard gắn vào mỗi khâu của tay máy được đặt theo quy ước hệ tọa độ của Denavit-Hartenberg Từ đó dễ dàng xác định được các tham số động học Denavit-Hartenberg : di ,θi , ai ,α i Kết quả được ghi lại ở bảng 1 24 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR a3 d 2 x3 3 z2 y0 x1... ra phương trình vi phân chuyển động của robot 1 Bài toán động học thuận Bài toán động học thuận nghiên cứu về chuyển động các khâu của robot về phương diện hình học, không đề cập đến các lực và momen gây ra chuyển động Đây cũng là bài toán quan trọng phục vụ tính toán thiết kế robot Nhiệm vụ chủ yếu của bài toán động học thuận là xác định vị trí và hướng của bàn kẹp dưới dạng hàm của các biến khớp Robot... (2.4) 15 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR ωCi = dφCi ∂φCi & & = q = J Ri (q)q dt ∂q (2.5) a Động năng robot Biểu thức động năng của vật rắn được xác định bởi biểu thức : 1 1 Ti = mi vCiT vω +I ω Ci 2 2 T i i (2.6) i Trong đó I i là ma trận tenxơ quán tính khối của vật rắn đối với hệ quy chiếu đi qua khối tâm C và song song với hệ quy chiếu cố định Mối liên hệ giữa ma trận tenxơ quán tính... 2 = 6t , θ3 = t 25 50 Sử dụng các hàm dựng đồ thị của Maple ta thu được kết quả đồ thị tọa độ điểm cuối khâu thao tác theo các phương của hệ trục tọa độ Decard như sau : 27 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR Hình 3.2 Tọa độ điểm thao tác cuối theo phương x 28 Hình 3.3 Tọa độ điểm thao tác cuối theo phương y Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR Hình 3.4 Tọa độ điểm thao tác cuối... cho Robot RTR 2 Bài toán động học ngược Khi giải bài toán động học thuận người ta xác định được quan hệ dước dạng ma trận như sau: x=f(q) Từ quan hệ đó ta suy ra một cách hình thức q=f-1(x) trong đó x = [x1,x2,…,xm]T ,q = [q1,q2,…,qn]T Để giải bài toán động học ngược, có thể sử dụng phương pháp số hoặc phương pháp giải tích Đối với các Robot có kết cấu đơn giản thì phương pháp giải tích đem lại hiệu... Hình 3.1 Mô hình robot phẳng 3 bậc tự do RTR Bảng 1 Tham số D-H của Robot Khâu 1 2 3 θi θ1 π θ3 di 0 d2 0 ai 0 0 a3 αi 90o 90o 0o 25 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR Với cách thiết lập hệ tọa độ ở mỗi khâu của tay máy, ta sẽ biến đổi hệ tọa độ thứ i-1 về hệ tọa độ thứ i bằng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-Hartenberg Biểu thức của ma trận biến đổi thuần nhất có dạng :  cosθi . Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ  ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn. thuyết về động học, động lực học Robot công nghiệp. 9 Phần III: Tính toán động học cho Robot. 22 1. Bài toán động học thuận. 22 2. Bài toán động học ngược. 28 Phần IV : Thiết kế quỹ đạo chuyển. Maple, Matlab (Simulink)… 7 Thiết kế và điều khiển mô hình 3D cho Robot RTR Phần I. Thiết kế mô hình 3D cho Robot RTR Theo yêu cầu của đồ án môn học nên em thiết kế mô hình 3D của robot RTR ở