Bài tập lớn Kĩ thuật Robot: Xây dựng mô hình Robot Scara

Đại học Bách Khoa Hà Nội Trường Điện Điện tử Kĩ thuật Robot Xây dựng mô hình Robot Sacra Nhóm sinh viên thực hiện MSSV Nguyễn Đăng Lai 20181564 Nguyễn Đức Long 20181608 Trần Thanh Tùng 20181529 Nguyễn Văn Hùng 20181509 Đào Đức Thắng 20181752 Vũ Thị Thu 20181774 Lê Duy Long 20181597 Vũ Gia Lộc 20181586 Nguyễn Hữu Thắng 20181755 Lê Quang Hiếu 20141508 Giảng viên hướng dẫn PGS TS Nguyễn Phạm Thục Anh Hà Nội, 1 2022 1 Mục lục Phần 1 Giới thiệu về Robot Scara 2 I Giới thiệu về robot 2 1 Giới thiệu ch.

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trường Điện- Điện tử

Kĩ thuật Robot

Xây dựng mô hình Robot Sacra

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh

Hà Nội, 1-2022

Mục lục

Phần 1 Giới thiệu về Robot Scara 2

I Giới thiệu về robot 2

1 Giới thiệu chung 2

2 Robot Scara YASKAWA Model MYS450F 5

II Các ứng dụng trong công nghiệp 6

III Kết cấu cơ khí 7

1 Cấu tạo cơ khí 7

2 Thông số kỹ thuật cơ bản 8

Phần 2 Động học Robot Scara 9

I Động học thuận 9

1 Gắn các hệ tọa độ 9

2 Lập bảng D- H và tính toán 10

3 Tính toán trên matlab 12

II Động học đảo 12

1.Tính toán động học đảo 12

1.1 Phép đảo vị trí 12

1.2 Phép phân ly 14

2 Tính toán trên Matlab 15

Phần 3 Ma Trận Jacobi 16

I Tính toán ma trận Jacobi 16

II Chương trình code matlab 17

Phần 4 Thiết kế quỹ đạo chuyển động 18

I Thiết kế quỹ đạo 18

II Xét bài toán cụ thể 18

Phần 5 Xây dựng mô hình động lực học cho robot Scara 22

I Xây dựng mô hình động lực học 22

Phần 6 Điều khiển Robot Scara 27

Phần 1 Giới thiệu về robot Scara

I Giới thiệu về robot

1 Giới thiệu chung

• Scara Robot được phát minh lần đầu tiên bởi Giáo sư Hiroshi Makino tại Đại học Yamanashi, Nhật Bản vào năm 1978 Nó được thiết kế ra để đưa vào các ứng dụng lắp ráp và từ năm 1981 thì nó được ứng dụng trong các dây chuyền lắp ráp công nghiệp Đó là tay máy scara đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau Kết cấu này làm cho tay máy cứng, vững hơn theo phương thẳng đứng Z nhưng kém cứng vững hơn theo phương ngang XY Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng

Hình 1 Robot Scara thực tế

• Scara có thể hiểu theo hai định nghĩa như sau:

o Thứ nhất, Scara - Selective Compliance Assembly Robot Arm có nghĩa

là cánh tay Robot lắp ráp tuân thủ có chọn lọc Đây là định nghĩa về nó được đưa ra ngay từ đây và ý nghĩa này vẫn dùng phổ biến nhất hiện nay

o Thứ hai, Scara - Selective Compliance Articulated Robot Arm có nghĩa

là cánh tay Robot khớp nối tuân thủ có chọn lọc Đây là định nghĩa sau này của nó Định nghĩa này được đưa ra khi nó được đưa vào áp ứng cho các nhiệm vụ khác nằm ngoài nhiệm vụ lắp ráp trước đó mà nó được ứng dụng

• Scara Robot luôn là chủ đề được quan tâm nhiều trong lĩnh vực tự động hóa bởi tính ứng dụng thực tiễn của nó trong xã hội hiện nay nói chung và trong ngành công nghiệp nói riêng Mỗi tay máy đều có một cơ cấu khác nhau, do đó

có các phương trình động học, động lực học cũng khác nhau cho nên việc tính toán và điều khiển mỗi loại tay máy là rất phức tạp Có thể thấy tay máy là một

đề tài không mới nhưng nó mang tính chất khó, tính nghiên cứu và ứng dụng cao

• Nhờ bố trí khớp trục song song của SCARA, cánh tay hơi tuân theo trục XY

và được cố định theo hướng Z Điều này là thuận lợi cho nhiều loại hoạt động lắp ráp

• Thuộc tính thứ hai của SCARA là bố trí cánh tay hai liên kết tương tự như cánh tay của con người chúng ta, do đó thuật ngữ thường được sử dụng, khớp nối Tính năng này cho phép cánh tay mở rộng vào các khu vực hạn chế và sau đó rút lại hoặc "gập lại" ra khỏi đường đi Điều này thuận lợi cho việc chuyển các

bộ phận từ ô này sang ô khác hoặc để tải / dỡ tải các trạm xử lý

• SCARA thường nhanh hơn các hệ thống robot Cartesian tương đương SCARA

có thể đắt hơn các hệ thống Cartesian tương đương và phần mềm điều khiển yêu cầu động học ngược cho các di chuyển nội suy tuyến tính

• Robot Scara của một số hãng sản xuất:

Hình 2 Một số hãng sản xuất robot Scara

2 Robot Scara YASKAWA Model MYS450F

Robot SCARA có các đặc điểm nổi bật như:

• Robot SCARA có 4 trục lý tưởng cho các hệ thống xử lý và lắp ráp tốc độ cao

• Cung cấp hiệu suất vượt trội trong các ứng dụng như lắp ráp, pha chế, xử lý phần nhỏ, đóng gói vỏ, tự động hóa phòng thí nghiệm, đóng gói, xử lý năng lượng mặt trời và bán dẫn

• Lý tưởng cho các hệ thống đa quy trình đòi hỏi khả năng chọn-và-đặt

• Dễ dàng tích hợp với các ứng dụng robot hiện có để mở rộng các quy trình

tự động hiện tại

• Là dòng sản phẩm Yaskawa, robot 4-15 trục với trọng tải 1-800 kg

• Sử dụng bộ điều khiển giống như các robot Yaskawa khác Vùng làm việc

có thể thay đổi tùy thuộc vào kích thước và tải trọng của robot

• Có tốc độ cao, hình thức nhỏ gọn,tối thiểu không gian lắp đặt

• Có tầm với xuyên tâm 450 mm, hành trình trục U có tải trọng tối đa 180 mm

và 6 kg

• Các trục bên ngoài có sẵn, các khớp linh hoạt

• Độ lặp lại cao, có sự tuân thủ trong tất cả các trục, làm cho các robot này lý tưởng cho các nhiệm vụ lắp ráp

• Có sẵn nhiều loại kết nối bus trường

• Tải trọng tối đa 6 kg

• Tích hợp tầm nhìn dễ dàng với MotoSight 2D, hệ thống quan sát dựa trên tầm nhìn Cognex

• Mang lại hiệu quả cao, trong khi yêu cầu đầu tư vốn tối thiểu

• Khớp nối linh hoạt, dễ dàng triển khải, lắp đặt lại khi nhu cầu sản xuất thay đổi

II Các ứng dụng trong công nghiệp

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động, Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot, đó là:

• Robot công nghiệp có thể thực hiện được một qui trình thao tác hợp lí bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc

Vì thế robot công nghiệp có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh

• Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot làm giảm được đáng kể chi phí cho người lao động

• Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi

• Robot có thể cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng

ta cần lưu tâm Vì trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc trong môi trường có hại cho sức khoẻ hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động

• Robot công nghiệp được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực: đúc, gia công áp lực, hàn và nhiệt luyện, gia công và lắp ráp…

III Kết cấu cơ khí

1 Cấu tạo cơ khí

Hình 3 Robot Scara YASKAWA Model MYS450F

Tất cả kích thước đều có đơn vị là milimet và chỉ để tham khảo

Yêu cầu bản vẽ chi tiết cho tất cả các yêu cầu thiết kế / kỹ thuật

Thông số kỹ thuật

Hệ (trục)

tọa độ

Phạm vi chuyển động

cực đại [mm]

Tốc độ cực đại [mm/s]

Mômen quán tinh cho phép [𝑘𝑔 ⋅ 𝑚2]

Sai số [mm]

Số trục điều khiển Khối hàng [kg]

Phạm vi tiếp cận xuyên tâm [mm]

Trục chữ U [mm]

Khối lượng [kg]

Công suất [kVA]

4 3/6

450

180

27 1.25

Tốc độ tối đa và mômen quán tính có thể thay đổi tùy thuộc vào tải

Robot được kết cấu theo dạng Scara là phương án thích hợp để vận chuyển các vật có khối lượng lớn Các khớp quay được truyền động bằng động cơ điện Tốc độ quay của các động cơ điện điều khiển được nhờ bộ biến tần công suất 1,5 kw

Robot được điều khiển nhờ bộ lập trình PLC Các động cơ điện có phản hồi vị trí và điều khiển tốc độ quay nhờ bộ biến tần Hệ thống điều khiển yêu cầu phản hồi đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho robot

2 Thông số kỹ thuật cơ bản

Tải trọng lớn nhất ở khâu cuối 100 kg

Các giới hạn chuyển động của các khâu

giữa các vị trí trong dây chuyền sản xuất

Phần 2 Động học Robot Scara

I Động học thuận

1 Gắn các hệ tọa độ

+ Hệ tọa độ {𝑂0} cố định gắn với thân Robot

+ Quan hệ giữa hệ tọa độ {𝑂1} với {𝑂0}: quay góc 𝜃1 quanh trục 𝑧0 tịnh tiến đoạn 𝑎1 trên trục 𝑥0

+ Quan hệ giữa hệ tọa độ {𝑂2} với {𝑂1}: quay góc 𝜃2 quanh trục 𝑧1, tịnh tiến đoạn 𝑎2 trên trục 𝑥1 và quay góc 180 độ trên quanh trục 𝑥2

+ Quan hệ giữa hệ tọa độ {𝑂3} với {𝑂2}: tịnh tiến đoạn 𝑟3 trên trục 𝑧2

+ Quan hệ giữa hệ tọa độ {𝑂4} với {𝑂3}: quay góc 𝜃4 quanh trục 𝑧2 Đây là hệ tọa độ gắn tay kẹp, khâu tác động cuối

Hình 4 Chọn các hệ tọa độ gắn với robot Scara

Trong đó: c~cos; s~sin; 𝑐1+2−4 = 𝑐𝑜𝑠(𝜃1+ 𝜃2− 𝜃4)

Theo ký hiệu hiệu tổng quát:

3 Tính toán trên matlab

𝑠12−4

−𝑐12−400

00

−10

𝑎1𝑐1+ 𝑎2𝑐12

𝑎1𝑠1+ 𝑎2𝑠12

−𝑟31

]

+ Tính toán 𝜃1

Ta có:

𝑝𝑥 = 𝑎1𝑐1+ 𝑎2𝑐12 (1)

𝑝𝑦 = 𝑎1𝑠1+ 𝑎2𝑠12 (2) Chuyển vế rồi bình phương (1) và (2):

(𝑝𝑥− 𝑎1𝑐1)2 = (𝑎2𝑐12)2 (3) (𝑝𝑦 − 𝑎1𝑠1)2 = (𝑎2𝑠12)2 (4) Cộng cả 2 vế của 2 phương trình với nhau:

2 +𝑝𝑦2+𝑎12−𝑎22

2𝑎1 = 𝐴 Khi đó 𝑝𝑥𝑐1+ 𝑝𝑦𝑠1 = 𝐴 ⇒ 𝜃1 = 𝐴𝑇𝐴𝑁2(𝑝𝑦, 𝑝𝑥) +

𝑎2 ,𝑝𝑦−𝑎1𝑠1

𝑎2 ) − 𝐴𝑇𝐴𝑁2(𝑝𝑦, 𝑝𝑥) +𝐴𝑇𝐴𝑁2(±√𝑝𝑥2+ 𝑝𝑦2 − 𝐴2, 𝐴)

−𝑠1𝑎1/𝑐1

𝑠1/𝑐1100

0010

0011]

00

−10

𝑎1𝑐1 + 𝑎2𝑐12

𝑎1𝑠1 + 𝑎2𝑠12

−𝑟31

Tìm 𝜃2

Tương tự tìm 𝜃4

2 Tính toán trên Matlab

Phần 4 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

I Thiết kế quỹ đạo

- Thiết kế quỹ đạo chuyển động là xác định đường biểu diễn của vị trí góc khớp (góc quay của khớp với khớp quay & độ di chuyển của khớp đối với khớp tịnh tiến) theo thời gian khi di chuyển từ vị trí ban đầu 𝑞0 đến vị trí cuối 𝑞𝑐 trong khoảng thời gian 𝑡𝑐 với 𝑞 là biến khớp tổng quát

- Quỹ đạo chuyển động của khớp giữa hai vị trí phải thỏa mãn 4 điều kiện: vị trí đầu, vị trí cuối, tốc độ tại vị trí đầu & tốc độ tại vị trí cuối Do đó, đa thức bậc 3 sẽ phù hợp với quỹ đạo của khớp robot:

II Xét bài toán cụ thể

Thiết kế quỹ đạo chuyển động với thông số:

𝑞10 𝑞1𝑐 𝑞20 𝑞2𝑐 𝑞40 𝑞4𝑐 𝑡 𝜋/6 𝜋/3 0 𝜋/3 −𝜋/12 3𝜋/4 5

- Lập phương trình cho khớp 1:

25𝑡 − 𝜋

125𝑡2 𝑞̈1(𝑡) = 𝜋

125𝑡2 𝑞̈2(𝑡) = − 2𝜋

Phương trình động học của khâu 4:

5𝑡 − 𝜋

25𝑡2 𝑞̈4(𝑡) = 𝜋

>> ylabel('y4') >> grid

Ta có kết quả mô phỏng như sau:

Hình 5 Hình dạng quay đạo của các khớp 1, 2 và 4

Phần 5 Xây dựng mô hình động lực học cho robot Scara

2𝐽𝑖𝜔𝑖2 động năng thanh nối i

• 𝑃𝑖 = 𝑚𝑖𝑔ℎ𝑖 thế năng thanh nối i

Hình 6 Mô hình robot Scara được gắn các hệ trục tọa độ

T c

a

a r

• Momen tác động lên thanh nối 1:

Phần 6 Điều khiển Robot Scara

I Phương pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình

Phương trình động lực học:

𝑇 = 𝑀(𝑞)𝑞̈ + 𝑉(𝑞, 𝑞̇) + 𝐺(𝑞) Luật điều khiển:

𝑇 = 𝛼𝜏 + 𝛽

Trong đó: { 𝛼 = 𝑀(𝑞)

𝛽 = 𝑉(𝑞, 𝑞̇) + 𝐺(𝑞) Và: 𝜏 = 𝑞̈𝑑+ 𝐾𝑝(𝑞𝑑− 𝑞) + 𝐾𝑑(𝑞̇𝑑 − 𝑞̇)

Hình 7 sơ đồ điều khiển với phương pháp tuyến tính hóa chính xác

Với 𝐾𝑝 và 𝐾𝑑 là các ma trận đường chéo xác định dương, và đặt 𝑒 = 𝑞𝑑− 𝑞 ta thu được phương trình động lực học kín của hệ thống:

Nhận xét:

- Khi chọn được các ma trận đường chéo xác định dương 𝐾𝑝 , 𝐾𝑑 phù hợp sẽ cho ta kết quả sai số bám quỹ đạo về 0

- Nhưng nhược điểm là ta cần phải biết chính xác các thông số động học, động lực học, khi ước lượng không chính xác sẽ dẫn tới tồn tại sai lệch; khối lượng tính toán lớn, thời gian đáp ứng chậm

Áp dụng vào robot Scara

Điều khiển trong không gian khớp:

Các thông số của robot Scara là:

Bảng: các thông số của robot Scara

𝑚1 4 kg Khối lượng thanh nối 1

𝑚2 1.5 kg Khối lượng thanh nối 2

𝑚3 2 kg Khối lượng thanh nối 3

𝑚4 0.6 kg Khối lượng thanh nối 4

𝑙1(𝑙1 = 2𝑎1) 0.25 kg Chiều dài thanh nối 1

𝑙2(𝑙2 = 2𝑎2) 0.15 kg Chiều dài thanh nối 2

• Giả sử ta điều khiển cho robot chạy từ vị trí đầu 𝑞𝑡 = [0 0 0 0] chuyển động theo quỹ đạo bậc 3 tới vị trí 𝑞𝑡 = [40 30 0.5 40]

• Với phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên mỗ hình, sau khi chỉnh các thống số 𝐾𝑝 và 𝐾𝑑 ta được kết quả sau:

Hình 8 Đáp ứng khớp quay 1

Hình 9 Đáp ứng khớp quay 2

Hình 10 Đáp ứng khớp tịnh tiến 3

Hình 11 Đáp ứng khớp quay 4