MỤC LỤC

MỤC LỤC..........

LỜI MỞ ĐẦU...........

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ROBOT SCARA..............

1.1. Sơ lược về Robot.............

1.1.1. Robot và Robot công nghiệp (RBCN).............

1.1.1.1. Robot...........

1.1.1.2. Robot công nghiệp...........

1.1.2. Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp.........

1.1.2.1 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp............

1.1.2.2 Kết cấu của tay máy robot.............

1.2. Robot SCARA và yêu cầu thiết kế..............

1.2.1. Robot SCARA............

1.2.2. Yêu cầu thiết kế..............

1.2.2.1. Hệ thống cơ khí............

1.2.2.2. Hệ thống điện tử.............

1.2.2.3. Phần mềm và điều khiển............

1.3. Nguyên lý hoạt động.............

1.3.1. Phân tích nguyên lý hoạt động.............

1.3.2. Các thông số kỹ thuật quan trọng của robot.............

1.4. Xác định các thành phần của hệ thống dẫn động..............

1.4.1. Các khâu 1, 2, 3 và khâu cố định.............

1.4.2. Các bộ truyền được sử dụng..............

1.4.3. Động cơ...............

1.4.4. Cảm biến...............

1.4.5. Trục, khớp nối, ổ lăn...............

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG.............

2.1. Tình toán các ma trận truyền............

2.2. Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo các tọa độ thao tác................

2.3. Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học................

2.4. Giải bài toán động học thuận..............

2.4.1. Xác định các tọa độ định vị điểm tác động cuối..............

2.4.2. Vận tốc điểm cuối, vận tốc góc khâu thao tác.............

2.4.3. Gia tốc điểm cuối..............

2.4.4. Đồ thị vị trí, vận tốc, gia tốc...............

2.4.5. Miền làm việc của robot..............

2.5. Giải bài toán động học ngược.............

2.5.1. Động học ngược vị trí..............

2.5.2. Động học ngược vận tốc, gia tốc.............

2.6. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot.............

2.6.1. Cơ sở thiết kế quỹ đạo..............

2.6.2. Thiết lập quỹ đạo chuyển động................

2.6.3. Khảo sát động học ngược, tìm quy luật chuyển động của các khâu............

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC............

3.1. Các tham số động lực học.............

3.2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động................

3.3. Ma trận khối lượng............

3.3.1. Khâu 1...............

3.3.2. Khâu 2.............

3.3.3. Khâu 3.............

3.4. Ma trận Colilois ..........

3.5. Thế năng..............

3.6. Lực suy rộng của các lực không thế...............

3.7. Giải bài toán động lực học.............

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.............

4.1. Cơ sở lý thuyết...............

4.2. Mô phỏng Matlab Simulink............

KẾT LUẬN..............

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........

LỜI MỞ ĐẦU

Nền khoa học kĩ thuật này nay đang phát triển rất mạnh mẽ, dẫn tới những thay đổi lớn lao trong sản xuất. Đó là sự thay đổi lực lượng sản xuất trong mọi ngành nghề bằng việc thay sức lao động của con người  bằng máy móc, nhằm đảm bảo tăng năng suất lao động, sản lượng cũng như chất lượng sản phẩm. Do đó việc sử dụng các tay máy hay còn gọi là Robot công nghiệp vào trong sản xuất đang rất được ưa chuộng bởi vì chúng đáp ứng được các yêu cầu trên. Như chúng ta đã biết Robot có rất nhiều ưu điểm đặc biệt là chất lượng và độ chính xác, ngoài ra còn phải kể đến hiệu quả kinh tế cao. Có thể làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được, các công việc yêu cầu cẩn thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng tinh tế đòi hỏi trình độ của thợ bậc cao, và quan trọng là Robot không bị căng thẳng như con người nên có thể làm việc cả ngày.

Việc tìm hiểu nghiên cứu Robot trong khuôn khổ môn học Tính toán thiết kế hệ thống cơ điện tử là cơ sở để em tính toán, thiết kế cũng như điều khiển các loại Robot công nghiệp phục vụ sản xuất. Cụ thể, ở đây em được đề xuất đề tài: “Tính toán thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do“.

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy: PGS.TS………….. Cảm ơn thầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình hoàn thành bài tập lớn. Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ giúp em tự tin hơn trong cách thức tiếp cận nền công nghiệp hiện nay. Mặc dù đã có sự chuẩn bị nhưng những kiến thức chúng em đề cập đến trong bài thuyết minh này còn thiếu sót. Em rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa để bài thuyết minh hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khỏe!

                                                                                                           Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 20...

                                                                                                         Sinh viên thực hiện

                                                                                                        ………………

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ROBOT SCARA

1.1. Sơ lược về Robot

1.1.1. Robot và Robot công nghiệp (RBCN)

1.1.1.1. Robot

Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8373 định nghĩa robot như sau: "Đó là một loại máy móc được điều khiển tự động, được lập trình sẵn, sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, có khả năng vận động theo nhiều hơn 3 trục, có thể cố định hoặc di động tùy theo những ứng dụng của nó trong công nghiệp tự động." Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp. … từ “Robot” xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rossum’s Universaỉ Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek.

1.1.1.2. Robot công nghiệp

Theo Viện nghiên cứu robot của Mĩ đề xuất:

RBCN là tay máy vạn năng,  hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác.

1.1.2. Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp

1.1.2.1 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp

Một RBCN được chế tạo bởi các hệ thống cơ bản sau :

- Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (EndEffector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.

- Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng.

- Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.

1.1.2.2 Kết cấu của tay máy robot

Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là phần cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc như­ nâng, hạ vật, lắp ráp…Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại khác xa với tay người. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc để chỉ các bộ phận của tay máy như vai(shoulder), Cánh tay(Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations),…

- Tay máy kiểu tọa độ đề các, còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng ba khớp trượt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song với ba trục tọa độ. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu tay máy kiểu này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo léo. Vì vậy, tay máy kiểu đề các được dùng để vận chuyển và lắp ráp.

- Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với tay máy kiểu đề các ở khớp đầu tiên: Dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm  ngang cho phép tay máy “thò” được vào khoang rỗng nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.

- Phần công tác là bộ phận trực tiếp tác động lên đối tượng tùy theo yêu cầu làm việc của robot phần công tác có thể là tay gắp, công cụ (súng phun sơn, mỏ hàn, dao cắt, chìa vặn ốc)

1.2. Robot SCARA và yêu cầu thiết kế

1.2.1. Robot SCARA

SCARA là viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm hay Selective Compliance Articulated Robot Arm

Năm 1981, Sankyo Seiki , Pentel và NEC đã trình bày một khái niệm hoàn toàn mới cho robot lắp ráp. Robot được phát triển dưới sự hướng dẫn của Hiroshi Makino – giáo sư tại Đại học Yamanashi .

Cánh tay của nó cứng theo trục Z và dễ uốn trong các trục XY,  Nhờ bố trí khớp trục song song của SCARA, cánh tay có thể di chuyển trong mặt phẳng XY  nhưng cứng nhắc theo hướng 'Z', (Selective Compliance)  . Điều này là thuận lợi cho nhiều loại hoạt động lắp ráp, tức là, chèn một pin tròn vào một lỗ tròn mà không ràng buộc.

1.2.2. Yêu cầu thiết kế

- Cân bằng tối ưu về kinh tế và hiệu suất

- Sử dụng động cơ bước hoặc động cơ servo và các mạch điều khiển có        sẵn.

- Sử dụng phần mềm có sẵn để điều khiển robot trên máy tính cá nhân.        Phần mềm sử dụng G-code để điều khiển robot

1.2.2.1. Hệ thống cơ khí

SCARA là một cấu hình tiêu chuẩn giữa các robot. Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, chúng ta có những điểm sau đây:

- Robot SCARA 3 bậc tự do.

- Tải trọng 20 kg.

- Tầm với 600 mm.

- Độ chính xác lặp: (x, y) = ± 0.02 mm, (z) = ± 0.01 mm.

- Vận tốc cực đại khâu tác động cuối 2780 mm/s

- Gia tốc cực đại khâu tác động cuối . Tính theo chu kỳ thời gian 0.29s / 2kg

- Sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc cho khâu tịnh tiến.

1.2.2.2. Hệ thống điện tử

Các thiết bị điện tử liên quan phụ thuộc hoàn toàn vào loại động cơ được sử dụng. Để đạt độchính xác cao, chúng ta có thể sử dụng động cơ bước hoặc động cơ servo trong bộ truyền động chung. Do đó, phần chính của hệ thống điện tử liên quan đến việc thiết kế các mạch điều khiển động cơ bước (servo) thích hợp. Ngoài phần mềm điều khiển được sử dụng, đây là yếu tố quan trọng nhất, có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của robot. Ở đây, chúng ta chỉ tập trung vào các trình điều khiển động cơ bước (servo).

Một số lựa chọn ban đầu cần phải chú ý là:

- Loại động cơ: Đơn cực hoặc lưỡng cực.

- Nguyên lý ổ đĩa: L/R hoặc PWM

- Chế độ hoạt động: Nửa bước hoặc toàn bước.

- Đặc trưng mô-men xoắn - tốc độ.

1.2.2.3. Phần mềm và điều khiển

Phần mềm điều khiển cần thực hiện được các nhiệm vụ sau:

- Đường dẫn liên tục trong không gian.

- Chuyển động xen kẽ (Joint-interpolated motion).

- Nội suy cung tròn.

- Nội suy tuyến tính.

- Phối hợp chuyển động tuyến tính: tất cả các trục khởi động và dừng các bước chuyển động cùng một thời gian.

1.3. Nguyên lý hoạt động

1.3.1. Phân tích nguyên lý hoạt động

Robot hoạt động dựa trên sự chuyển động quay của các động cơ điện ( động cơ bước, động cơ servo ). Các động cơ này được đặt tại các khớp. Với khớp một và khớp hai, động cơ liên kết với khớp xoay qua dây đai hoặc bánh răng để chuyền chuyển động. Khớp 3 là khớp tịch tiến sử dụng bộ trục vit-me đai ốc bi để biến đổi chuyển động quay từ động cơ sang chuyển động tịch tiến. Kết hợp với các cảm biến để giới hạn chuyển động cũng như đạt được vị trí, tốc độ chính xác.

1.3.2. Các thông số kỹ thuật quan trọng của robot

- Số khâu điều khiển : 3

- Tầm với ( chiều dài cánh tay ) : 600 mm ( 335 mm + 265 mm)

- Vùng làm việc

+ Trục quay khớp 1 : ± 120°

+ Trục quay khớp 2 : ± 145°

+ Hành trình trục z khớp 3 : 400 mm

- Tốc độ tối đa

+ Khâu 1 : 450 °/s

+ Khâu 2 : 667 °/s

+ Khâu 3 : 2780 mm/s

- Tốc độ tổng hợp ( điểm làm việc ) : 8780 mm/s

- Chu kỳ thời gian ( với tải 2kg ) : 0.29s

- Tải trọng tối đa : 20kg

- Độ chính xác lặp :

+ X-Y : ± 0.02 mm

+ Trục z khâu 3 : ± 0.01 mm

1.4. Xác định các thành phần của hệ thống dẫn động

1.4.1. Các khâu 1, 2, 3 và khâu cố định

* Khâu 1:

Khâu 1 là cánh tay dài 335 mm (độ dài từ trục quay khớp 1 đến trục quay khớp 2) được nối với khớp xoay 1. Chỉ di chuyển trên mặt phẳng song song với mặt phẳng xy, không di chuyển theo trục z. Khâu này phải đủ độ cứng vững để chịu trọng lượng của hai khâu 2 và 3 cùng với tải trọng khi trong trạng thái tĩnh và khi hoạt động .

* Khâu 2: Khâu 2 là cánh tay dài 265 mm ( độ dài từ trục quay khớp 2 đến trục tịch tiến khớp 3) được nối với khớp xoay 2 (khâu khớp 2 ). Chỉ di chuyển trên mặt phẳng song song với mặt phẳng xy, không di chuyển theo trục z. Khâu này phải đủ độ cứng vững để chịu trọng lượng của khâu 3 và tải khi trong trạng thái tĩnh và khi hoạt động.

* Khâu cố định: Khâu 0 không chuyển động, khâu này là điểm neo giữ của robot, là nền móng của robot. Khâu này phải đủ độ cứng để làm bệ đỡ cho các khâu khớp 1, 2, 3 hoạt động.

1.4.2. Các bộ truyền được sử dụng

* Bộ truyền vitme - đai ốc bi : Được sử dụng để biến chuyển động quay từ động cơ thành chuyển động tịch tiến. Bộ truyền này thường được dùng cùng với động cơ servo hay động cơ bước. Khi thanh ren quay, bi trượt trong rãnh khiến đai ốc di chuyển tịch tiến trên thanh ren. Dùng những vòng bi sẽ giảm được ma sát gây thiếu chính xác cho bộ truyền, so với vitme-đai ốc thông thường. Bộ truyền này được đặt trong khâu 3 để thao tác theo trục z.

* Bộ truyền đai răng :  Được sử dụng để thay đổi vị trí trục quay (vẫn phải song song với trục quay của động cơ) và thay đổi tốc độ quay của động cơ (dựa vào tỷ số bán kính). Đai của bộ truyền này có biên dạng răng, biên dạng này phải khớp với rãnh của ròng rọc để đảm bảo không có sự trượt. Bộ truyền này được đặt cùng với các động cơ servo ( động cơ bước ) tại các khớp của khâu 1, 2 và 3.

1.4.4. Cảm biến

Cảm biến là thiết bị nhận “stimulus” và trả về tín hiệu điện. “stimulus” là tính chất, thuộc tính,… được cảm nhận và chuyển thành tín hiệu điện.

- Encoder: encoder được yêu cầu như là cảm biến phản hồi cơ bản cho điều khiển động cơ. encoder hiện nay được sử dụng rộng rãi là loại “magnetic encoder” (encoder từ) và “optical encoder” (encoder quang). Sử dụng encoder quang sẽ trả về tốc độ quay của động cơ qua xung khi mà ánh sáng đi qua phần hình quạt màu trắng rồi phản xạ trở lại (hình 2.4). encoder đi cùng với động cơ servo sẽ cho việc điều khiển tốc độ thuận lợi hơn.

- Công tắc hành trình: Công tắc hành trình hay còn gọi công tắc giới hạn hành trình là dạng công tắc dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động. Nó có cấu tạo như công tắc điện bình thường nhưng có thêm cần tác động để cho các bộ phận chuyển động tác động vào làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong nó.

1.4.5. Trục, khớp nối, ổ lăn

- Trục: là thành phần nối các khâu với nhau, trên trục sẽ có các rãnh then hoặc then phù hợp với then hoặc rãnh then của khớp để truyền momen.

- Khớp nối: Khớp nối là thành phần gắn trục và nhận chuyển động từ động cơ, có thể tích hợp thêm encoder, cụm bánh răng.

- Ổ lăn: Ổ lăn là một dạng của ổ đỡ trục, đây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát bằng cách chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động thành ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một khung hình khuyên. Ổ lăn được dùng đối với trục vitme-đai ốc bi, hai trục nối khâu.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG

2.1. Tình toán các ma trận truyền

Với mô hình tính toán trên ta đặt các hệ trục tọa độ theo quy tắc Denevit – Hantenberg và có sơ đồ hệ trục tọa độ như hình vẽ.

Ma trận Denavit – Hartenberg của khâu 2:

Ma trận Denavit – Hartenberg của khâu 3:

2.2. Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo các tọa độ thao tác

Ma trận biểu diễn vị trí điểm tác động cuối thuộc khâu thao tác.

Khi đó, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu cuối biểu diễn bởi tọa độ khâu thao tác như phương trình dưới.

2.4. Giải bài toán động học thuận

Đối với các bài toán động học thuận, vị trí, vận tốc, gia tốc các biến khớp coi như đã biết, cần tìm các vị trí, vận tốc, gia tốc của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định.

Vị trí của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định được xác định bởi các tọa độ thao tác gồm các tọa độ định vị điểm tác động đầu cuối và hướng của khâu thao tác.

2.4.1. Xác định các tọa độ định vị điểm tác động cuối

Các tọa độ định vị điểm tác động cuối được xác định bằng cách so sánh các phần tử ở 2 vế của hệ phương trình đông học dạng ma trận.

2.4.4. Đồ thị vị trí, vận tốc, gia tốc

Giả sử các khâu của tay máy chuyển đồn với quy luật như phương trình dưới.

2.4.5. Miền làm việc của robot

Bằng phần mềm matlab ta xác định được miển làm việc của robot như dưới.

2.5. Giải bài toán động học ngược

Bài toán động học ngược có vai trò rất quan trọng trong việc lập trình và điều khiển robot. Vì trong thực tế cần điều khiển robot sao cho khâu thao tác di chuyển tới vị trí nhất định trong không gian thao tác theo một quy luật nào đó. Đối với bài toán động học ngược, quy luật chuyển động của khâu thao tác , các tọa độ định vị đã biết. Cần xác định tọa độ khớp (biến khớp).

2.5.1. Động học ngược vị trí

Bài toán động học ngược có thể gải bằng nhiều phương pháp khác nhau. Ở đây, nhóm xin trình bày phương pháp giải tích. Đối với động học ngược vị trí cho robot 3 bậc tự do đã chọn, đầu vào cần xác định đó là x , y , z.

2.5.2. Động học ngược vận tốc, gia tốc

Đầu ra cần xác định là (với vị trí đã tìm được ở bài toán động hoc ngược vị trí).

2.6. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot

2.6.1. Cơ sở thiết kế quỹ đạo

Ta chọn phương án chi chuyển điểm thao tác theo các phương x, y, z với Quy luật vận tốc hình thang:

- Giai đoạn 1: Vận tốc tăng từ 0 đến giá trị ổn định làm việc, gia tốc a₁ = a₀

- Giai đoạn 2: Vận tốc không đổi trong quá trình thao tác, gia tốc a₂ = 0

- Giai đoạn 3: Vận tốc giảm dần về không, gia tốc a₃ = a₃

* Giai đoạn 1: Tăng tốc

Thời gian bắt đầu từ t₀ đến t₁ 

* Giai đoạn 2: Chạy đều

Thời gian chạy đều từ t₁ đến t₂

* Giai đoạn 3: Giảm tốc

Thời gian giảm tốc từ t₂ đến t₃  

Kết luận: Với điều kiện biên tại hai điểm, các điểm chuyển tiếp và quỹ đạo chuyển động theo thời gian được xác định như phương trình dưới.

2.6.2. Thiết lập quỹ đạo chuyển động

Quỹ đạo chuyển động của robot phải đạt độ chính xác tại các điểm nút. Đối với robot Scara thì thời gia tăng tốc và giảm tốc phải rất nhanh. Đa phần thời gian gia công là chạy đều để chất lượng sau gia công đạt độ đồng đều cao.

Trong đó: S: là điểm xuất phát, A₁ đến A₈ là 8 đỉnh hình chữ nhật.

Các quỹ đạo A₁A₂, A₂A₃, A₃A₄, A₄A₁ là các đường thẳng và nhóm chọn thời gian thực hiện các quỹ đạo như bảng.

Tổng quát bài toán, ta có phường trình đường thẳng đi qua 2 điểm M (x₀, y_0, z₀) và N(x_e,y_e, z_e).

Nhóm sử dụng phần mềm Matlab Simulink để tối giản hóa quá trình tính toán: Chỉ cần cung cấp các thông số dầu vào là các tọa độ điểm cuối thao tác, thời gian thực hiện, phần mềm sẽ tự động trả về các quy luật chuyển động theo yêu cầu.

Chương trình cung cấp dữ liệu cho khối Interpreted MATLAB Fcn được lưu trong file ThietKeQuiDao.m

2.6.3. Khảo sát động học ngược, tìm quy luật chuyển động của các khâu

Áp dụng bào toán động học ngược vị trí và động học ngược vận tốc, gia tốc ta sẽ xác định được quy luật chuyển động cua các khâu tương ứng.

Sử dụng chương trình Matlab, xây dựng bài toán trong Matlab Simulink.

Chương trình cung cấp dữ liệu cho các khối Interpreted MATLAB Fcn được lưu trong file ThietKeQuiDao.m

DongHocNguocViTri.m

DongHocNguocVanTocGiaToc.m

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

3.1. Các tham số động lực học

Bảng tham số động lực học của Robot:

+ Bằng cách sử dụng phần mền Solidwork xác định được các thông số động lực học tương ứng như bảng.

3.2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động

Phương trình Lagrange loại 2 áp dụng cho các cơ hệ dưới.

3.3. Ma trận khối lượng

Vị trí và hướng của hệ tọa độ C_ix_ciy_ciz_ci gắn vào khâu thứ i tại khối tâm C_i

3.3.1. Khâu 1

Ma trận tensor quán tính của khâu đối với khối tâm C₁ trong hệ tọa độ động.

3.3.2. Khâu 2

Ma trận tensor quán tính của khâu đối với khối tâm C₂ trong hệ tọa độ động.

3.3.3. Khâu 3

Ma trận tensor quán tính của khâu đối với khối tâm C₃ trong hệ tọa độ động.

3.6. Lực suy rộng của các lực không thế

Trong nội dung báo cáo, xét mô hình robot là lý tưởng (bỏ qua lực ma sát, lực cản nhớt). Lực không thế ở đây chỉ bao gồm lực do môi trường tác động lên khâu thao tác cuối. 

3.7. Giải bài toán động lực học

Động lực học thuận: là khảo sát tính toán các đại lượng đặc trưng cho chuyển động dưới tác dụng của lực đã xác định. Cụ thể ở đây là tính toán các đại lượng đặc trưng về vị trí và hướng của khâu thao tác cùng với đạo hàm của chúng (vận tốc dài, gia tốc dài, vận tốc góc, gia tốc dài).

Động lực học ngược: Khảo sát tính toán các lực dẫn động để robot thực hiện được chuyển động thao tác theo quy luật đã xác định. Dựa trên quy luật chuyển động đã đề cập, nhóm sử dụng chương trình Matlab-Simulink để giải bài toán động lực học ngược.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

4.1. Cơ sở lý thuyết

Hiện nay bộ điều khiển PID được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển robot nói riêng và nhiều hệ thống đa dạng khác. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua khâu khuếch đại (P) , tín hiệu u(t) càng lớn.

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân (I), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh.

- Nếu thay đổi sai lệch của e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân (D), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.

Sử dụng kỹ thuật tuyến tính hóa nhờ bù truyền thẳng (Sách Cơ điện tử) hay còn gọi là điều khiển trước mô men, bởi vì để tạo được quỹ đạo mong muốn thì các lực và mô men cần thiết phải tính toán trước và được nối vào hệ kỹ thuật cần điều khiển. Khi đó bài toán phi tuyến phức tạp trở thành bài toán tuyến tính.

Kết hợp hai mô hình dẫn đến một luật điều khiển tuyến tính : Tính hiệu điều khiển U’ được xác định.

Với đề tài em chưa xét đến kích thước thực và chọn vật liệu nên chưa thể mô phỏng xác định độ cứng cho các khâu để chon các giá trị Kp,Kd,Ki theo lí thuyết được. Đồng thời, trong thực tế các giá trị Kp,Kd thường được chọn theo kinh nghiệm. các giá trị này đồng thời phải nằm trong  giới hạn vật lí của robot.

4.2. Mô phỏng Matlab Simulink

Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics

+ Khối quỹ đạo

+ Khối động học ngược

+ Khối PID

+ Khối chấp hành

Ở đây em sử dụng công cụ Simmechanics để mô tả hệ robot. Đầu vào là các lực đặt lên các khớp để dẫn động các khớp. Đầu ra là vị trí, vân tốc, gia tốc biến khớp được lấy từ sensor. Xây dựng mô hình dạng này còn cho ta kết quả mô phỏng 3D quan sát trực tiếp được chuyển động của Robot theo thời gian thực mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu về động học và động lực học.

Biểu diễn các khâu của robot. Trong đó các thuộc tính cần xác định là:

- Khối lượng của khâu và tensor quán tính

- Tọa độ trọng tâm của vật thể (CG)

- Tọa độ động học (CS1,CS2)

Ngoài ra có thể thiết lập thêm các hệ tọa độ bất kì trên các khâu và còn một số thuộc tính về màu sắc, dạng thể hiện…

+ Các khối Joint

- Khối Revolve biểu diễn khớp quay

+ Khối Weld

Biểu diễn liên kết cứng giữa hai khối Body hoặc giữa Body với gốc . Hay biểu diễn một khớp không bậc tự do. Hai body được nối bởi khối Weld, thì giữa chúng không có chuyển động tương đối.   

- Chuyển động:

Chuyển động tịnh tiến theo trục khớp cơ sở,  dưới dạng vị trí, vận tốc và gia tốc.

Chyển động quay quay quanh trục khớp cơ sở , dưới dạng góc quay, vận tốc góc và gia tốc góc.

KẾT LUẬN

Trên đây là toàn bộ phần báo cáo của em về đề tài: “Tính toán thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do “.

Trên cơ sở đối tượng và mô hình robot đã lựa chọn, em đã thực hiện đầy đủ các yêu cầu được đề ra. Bên cạnh đó có ứng dụng phần mềm Matlab, Solidwork, Catia…. trong việc hỗ trợ giải các bài toán trên. Từ đó đã tính toán thiết kế hoàn thiện mẫu Robot ứng dụng.

Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện dù đã được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy : PGS.TS.…………… nhưng do hạn chế về kiến thức em không tránh khỏi những sai sót, rất mong sự đóng góp của các thầy để em hoàn thiện hơn đề tài được giao.

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy : PGS.TS.………… đã hướng dẫn em thực hiện đề tài này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. PGS.TS Phan Bùi Khôi, Bài giảng Robotics, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 2016.

2. GS.TSKH Nguyễn Văn Khang, Động lực học hệ nhiều vật, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2017.

3. GS.TSKH Nguyễn Văn Khang, Cơ sở Robot công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2011.

4. TS. Nguyễn Mạnh Tiến, Điều khiển Robot công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2007.

5. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế dẫn động hệ thống cơ khí tập I, II, NXB Giáo dục, 2006.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"