BÀI tập lớn kỹ THUẬT ROBOT TÍNH TOÁN THIẾT kế ROBOT MH3BM

Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho các khớp của Robot theo quỹ đạo dạng bậc 3.. Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961 ở một nhà máy ô tô của General Motors tại T

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN

KỸ THUẬT ROBOT

Họ và tên Mã số sinh viên

HÀ NỘI, 1/2022

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ROBOT MH3BM 1

1.1 Lịch sử hình thành Robot 1

1.2 Robot MH3BM 1

1.3 Ứng dụng trong công nghiệp 2

1.4 Thông số kĩ thuật 2

1.5 Hình ảnh và video làm việc thực tế 6

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC THUẬN VỊ TRÍ 8

2.1 Xác định các khớp, thanh nối và khai báo các hệ trục 8

2.2 Xác định bảng D-H 10

2.3 Xác định các ma trận 11

2.4 Xây dựng giao diện tính toán 12

CHƯƠNG 3 MA TRẬN JACOBY 14

3.1 Ma trận Jacoby 14

3.2 Xây dựng giao diện tính toán 17

CHƯƠNG 4 ĐỘNG HỌC ĐẢO VỊ TRÍ 19

4.1 Động học đảo của robot MH3BM 19

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 22

5.1 Lý thuyết 22

5.2 Thiết kế quỹ đạo 22

CHƯƠNG 6 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG TRÊN TOOLBOX SIMSCAPE/MATLAB 30

6.1 Thiết kế trên Solid Work 30

6.2 Kết nối Solid Work và Matlab 33

6.3 Thiết kế bộ điều khiển PID 34

CHƯƠNG 7 PHỤ LỤC 41

7.1 Giao diện động học thuận 41

7.2 Giao diện tính ma trận Jacoby 46

7.3 Thiết kế quỹ đạo 53

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot MH3BM ngoài thực tế 2

Hình 1.2 Góc nhìn từ phía trước 3

Hình 1.3 Góc nhìn từ phía trên 3

Hình 1.4 Góc nhìn từ cạnh ngang 4

Hình 1.5 Thông số kỹ thuật của Robot MH3BM 5

Hình 1.6 Bộ điều khiển FS100 cho robot MH3BM 5

Hình 1.7 Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển FS100 6

Hình 2.1 Trường hợp chéo nhau 8

Hình 2.2 Trường hợp song song 8

Hình 2.3 Trường hợp cắt nhau 8

Hình 2.4 Cách đặt vị trí tâm O0 9

Hình 2.5 Trường hợp khớp i là khớp tịnh tiến 9

Hình 2.6 Gán các hệ trục tọa độ cho robot MH3BM 10

Hình 2.7 Giao diện ban đầu 13

Hình 2.8 Giao diện sau khi tính toán 13

Hình 3.1 Giao diện ban đầu 17

Hình 3.2 Giao diện sau khi tính toán ma trận Jacoby 18

Hình 5.1 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 1 24

Hình 5.2 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 2 25

Hình 5.3 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 3 26

Hình 5.4 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 4 27

Hình 5.5 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 5 28

Hình 5.6 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 6 29

Hình 6.1 Phần đế robot 30

Hình 6.2 Thanh nối 1 30

Hình 6.3 Thanh nối 2 31

Hình 6.4 Thanh nối 3 31

Hình 6.5 Thanh nối 4 32

Hình 6.6 Thanh nối 5 32

Hình 6.7 Khâu tác động cuối 33

Hình 6.8 Robot MH3BM hoàn chỉnh 33

Hình 6.9 Thêm Toolbox vào solid work 34

Hình 6.10 Mô hình trong simulink 34

Hình 6.11 Mô hình điều khiển không gian khớp của thuật toán PID 35

Hình 6.12 Bộ PID cho khớp 1 35

Hình 6.13 Bộ PID cho khớp 2 36

Hình 6.14 Bộ PID cho khớp 3 36

Hình 6.15 Bộ PID cho khớp 4 37

Hình 6.16 Bộ PID cho khớp 5 37

Hình 6.17 Bộ PID cho khớp 6 37

Hình 6.18 Kết nối bộ điều khiển vào mô hình động lực học 38

Hình 6.19 Đáp ứng vị trí khớp 1 38

Hình 6.19 Đáp ứng vị trí khớp 2 39

Hình 6.19 Đáp ứng vị trí khớp 3 39

Hình 6.19 Đáp ứng vị trí khớp 4 39

Hình 6.19 Đáp ứng vị trí khớp 5 40

Hình 6.19 Đáp ứng vị trí khớp 6 40

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Bảng D-H của Robot MH3BM 10Bảng 2-2 Các thông số từ Datasheet 11Bảng 6-1 Thông số PID 35

ĐỀ TÀI

Tìm hiểu tính toán Robot MH3BM với các yêu cầu:

1 Giới thiệu về Robot nhóm nghiên cứu, các ứng dụng trong công nghiệp, kết cấu cơ khí, các thông số kỹ thuật cơ bản Yêu cầu có hình ảnh hoặc clip hoạt động

2 Tính toán động học thuận vị trí Robot Xây dựng chương trình phần mềm trên MatLab để nhập dữ liệu, hiển thị kết quả

3 Tính toán ma trận Jacoby (thông qua JH) và viêt chương trình trên MatLab

4 Tính toán động học đảo vị trí Robot

5 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho các khớp của Robot theo quỹ đạo dạng bậc 3

6 Xây dựng mô hình động lực học cho đối tượng trên ToolBox Simscape/MatLab

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ROBOT MH3BM 1.1 Lịch sử hình thành Robot

Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm

“Rossum’s Universal Robots” của Karel Capek Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ

Vào giữa những năm 1950 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minotaur I, hoặc tay máy Handyman của General Electric Năm 1954 George C.Devol đã thiết

kế một thiết bị có tên là “cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng hóa theo chương trình” Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kĩ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này

Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961 ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kỳ (American Machine and Foundry Company) Đến năm 1990 có hơn

40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi và Mitsibishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 1980, nhất là vào những năm 1990, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành đã giảm rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây truyền tự động sản xuất hiện đại

1.2 Robot MH3BM

Robot trong báo cáo này là robot MH3BM của hãng Yaskawa là tập đoàn hàng đầu thế giới trong sản xuất và cung cấp các sản phẩm trong lĩnh vực robot công nghiệp, biến tần, truyền động điện…Trong lĩnh vực robot công nghiệp, hãng

đã sản xuất tất cảcác loại robot như: robot gắp (Handling), robot nâng bốc, đóng gói (Picking/packing, palletizing) Robot hàn, hàn điểm (Arc handling, spot welding), Robot sơn (Painting), Robot lắp ráp (Assembly/distributing)…

Robot MH3BM là mô hình robot tốc độ cao được ứng dụng xử lý trong ngành dược phẩm, hóa chất và y tế và cho các ứng dụng khác trong điều kiện môi trường khắc nghiệt

Cánh tay robot công nghiệp MH3BM có khả năng tải trọng (3 kg), tốc độ chuyển động và phạm vi làm việc tốt nhất (cho phép một lượt đầy đủ của trục S chính) là duy nhất và tốt nhất trong lớp Cáp nguồn được dẫn hướng qua tấm đế

thông qua ổ cắm Robot, cáp ứng dụng có thể được dẫn qua cánh tay robot, vừa giúp cài đặt dễ dàng vừa dễ lau chùi Lớp phủ và bề mặt đặc biệt cho phép làm sạch bằng hydro peroxide Cấu trúc kèm theo được niêm phong để cung cấp bảo

vệ xâm nhập phù hợp với IP67 cho cổ tay và chuẩn cho các trục chính Nó tuân thủ tiêu chuẩn phòng sạch ISO loại 5, không cho phép tạo bụi hoặc bám dính

Hình 1.1 Robot MH3BM ngoài thực tế

1.3 Ứng dụng trong công nghiệp

Robot MH3BM được ứng dụng cho các dây chuyền sản xuất tự động, hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt như:

• Các quá trình trong sản xuất dược phẩm (pha chế), sản xuất thuốc, thử nghiệm lâm sàng

• Môi trường hóa chất

Hình 1.2 Góc nhìn từ phía trước

Hình 1.3 Góc nhìn từ phía trên

Hình 1.4 Góc nhìn từ cạnh ngang

Hình 1.5 Thông số kỹ thuật của Robot MH3BM

Hình 1.6 Bộ điều khiển FS100 cho robot MH3BM

Hình 1.7 Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển FS100

1.5 Hình ảnh và video làm việc thực tế

• Hình ảnh thực tế:

• Video hoạt động thực tế:

https://www.youtube.com/watch?v=pJKJay1kjUM

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC THUẬN VỊ TRÍ

Khi robot có số bậc tự do > 2 sẽ gây khó khăn cho việc tính toán trực tiếp, do

đó ta sử dụng phương pháp Denavit – Hartenberg với 6 bước:

• Xác định số khớp và thanh nối của Robot

• Khai báo các hệ trục tọa độ trên mỗi thanh nối OiXiYiZi (i=0n)

2.1 Xác định các khớp, thanh nối và khai báo các hệ trục

Theo tài liệu của hãng, robot MH3BM là robot có 6 trục tự do Trước khi xác định bảng Denavit – Hartenberg, ta cần xác định các hệ trục tọa độ cho các khớp

− Xác định trục Zi

• Khớp (i+1) tịnh tiến: Zi là trục mà theo nó khớp (i+1) trượt

• Khớp (i+1) quay: Zi là trục mà xung quanh nó khớp (i+1) quay

− Xác định trục Xi

• Trường hợp 1: Zi-1 và Zi chéo nhau

Hình 2.1 Trường hợp chéo nhau

• Trường hợp 2: Zi-1 // Zi

Hình 2.2 Trường hợp song song

• Trường hợp 3: Zi-1 X Zi

Hình 2.3 Trường hợp cắt nhau

➢ Chú ý:

• Tâm O0 có thể đặt ở vị trí cố định bất kỳ trên đế, hoăc điểm cố định trên Robot

Hình 2.4 Cách đặt vị trí tâm O 0

• Tâm On đặt tại vị trí chọn trên khâu tác động cuối

• Nếu khớp i là khớp tịnh tiến, tâm Oi đặt ở điểm cuối thanh nối i

Hình 2.5 Trường hợp khớp i là khớp tịnh tiến

➢ Cuối cùng ta gắn hệ trục tọa độ cho Robot MH3BM như hình Hình 2.6

Các thông số của bảng D-H được xác định theo các quy tắc như sau:

- d i: khoảng cách giữa 2 trục X i−1 và X i theo trụcZ i−1

- i: góc quay từ thanh nối X i−1đến trục X i quanh trục Z i−1 theo chiều dương -

i

a : khoảng cách giữa 2 trục Z i−1và Z i theo trục X i

-i: góc quay từ thanh nối Z i−1đến Z i quanh trục X itheo chiều dương

➢ Ta được bảng D-H như sau:

cos cos sin sin sin cossin cos cos sin cos sin

2.4 Xây dựng giao diện tính toán

Thiết kế giao diện tính toán các giá trị trên từ dữ liệu nhập vào là các góc

1, 2, 3, 4, 5, 6

     

Ta có màn hình giao diện như sau:

Hình 2.7 Giao diện ban đầu

Hình 2.8 Giao diện sau khi tính toán

• Các Text Box giúp ta nhập giá trị góc theta, ngoài ra khi nhập góc có giá trị vướt quá khoảng giới hạn sẽ được chỉnh lại bằng giá trị max hoặc min tương ứng

• Nút “Clear” xóa các giá trị cũ và nhập giá trị mới để tính với các giá trị mới khác nhau

• Nút “Tính” sau khi nhập đủ các thông số góc theta1 đến theta6 ấn nút thì hiện kết quả ở bảng “Ma trận T06”

CHƯƠNG 3 MA TRẬN JACOBY 3.1 Ma trận Jacoby

Ta có công thức tìm ma trận Jacoby thông qua ma trận HJ :

0

0 6

Các phần tử của ma trận HJ được xác định như sau:

❖ Đầu tiên ta xác định các ma trận iT6theo các hệ tọa độ lần lượt từ khâu cuối trở về gốc ta có:

3.2 Xây dựng giao diện tính toán

Thiết kế giao diện tính toán các giá trị trên từ dữ liệu nhập vào là các góc

1, 2, 3, 4, 5, 6

      tương tự như ở phần động học thuận vị trí

Ta có màn hình giao diện như sau:

Hình 3.1 Giao diện ban đầu

Hình 3.2 Giao diện sau khi tính toán ma trận Jacoby

• Các Text Box giúp ta nhập giá trị góc theta, ngoài ra khi nhập góc có giá trị vướt quá khoảng giới hạn sẽ được chỉnh lại bằng giá trị max hoặc min tương ứng

• Nút “Clear” xóa các giá trị cũ và nhập giá trị mới để tính với các giá trị mới khác nhau

• Nút “Tính” sau khi nhập đủ các thông số góc theta1 đến theta6 ấn nút thì hiện kết quả ở bảng “Ma trận Jacoby”

CHƯƠNG 4 ĐỘNG HỌC ĐẢO VỊ TRÍ

Động học đảo vị trí Robot là để tìm các biến khớp khi biết tọa độ vị trí tay Robot

4.1 Động học đảo của robot MH3BM

Vì robot MH3BM có 6 bậc tự do nên ta phải dùng phương pháp phân ly biến để giải bài toán động học đảo:

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG

5.1 Lý thuyết

Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot có liên quan trực tiếp đến bài toán điều khiển robot Các quỹ đạo được thiết kế phải đảm bảo về mặt logic, tức là có thể thực hiện được Lấy ví dụ, nếu quỹ đạo có 2 điểm liền kề cách quá xa nhau, hoặc có điểm nằm ngoài phạm vi hoạt động của robot, thì quỹ đạo đó được cho là không thực hiện được Ngoài ra, quỹ đạo cũng phải liên tục về vị trí và không có các điểm nhảy về vận tốc, gia tốc có thể gây hỏng hóc robot trong quá trình điều khiển

Yêu cầu thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot là:

• Quỹ đạo thiết kế cần liên tục về vị trí

• Không có vị trí mà có sự sai khác quá lớn về vận tốc và gia tốc Quỹ đạo là các đường cong có dạng đa thức Trên lí thuyết, đa thức bậc càng cao thì quỹ đạo di chuyển càng chính xác, tuy nhiên đối với bài toán điều khiển robot, các quỹ đạo có dạng đa thức bậc 3, bậc 5 được dùng nhiều hơn cả:

Đề bài yêu cầu thiết kế quỹ đạo dạng đa thức bậc 3 cho robot

5.2 Thiết kế quỹ đạo

Cho hai điểm A, B bất kỳ trong không gian làm việc, biết tọa độ tương ứng của 2 điểm và hướng của các khâu thao tác Thiết kế quỹ đạo chuyển động từ A đến B dạng đa thức bậc 3

Chọn quỹ đạo thiết kế là hàm đa thức bậc 3 theo thời gian như sau:

q (t)=a +a t+a t +a tRobot MH3BM có 6 khớp quay, do đó ta có được hệ phương trình về quỹ đạo của 6 khớp tương ứng (i=1, 2, …, 6):

2[ (B) (A)]

a(t) (B) 0 a 2a t 3a t

Thay vào (*) ta tính được hệ số của đa thức cho mỗi khớp như sau:

1

2 1

1

(t) 100 22.5t 7.5t(t) 45t 22.5t

Hình 5.1 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 1

2

(t) 20 30t 10t(t) 60t 30t(t) 60 60t

Hình 5.2 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 2

Một cách tương tự, ta tính được phương trình quỹ đạo, vận tốc và gia tốc của các khớp 3, 4, 5, 6 như sau:

3) Khớp 3

3

2 3

Hình 5.3 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 3

4) Khớp 4

4

2 4

Hình 5.4 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 4

5) Khớp 5

5

2 5

Hình 5.5 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 5

6) Khớp 6

6

2 6

Hình 5.6 Đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc khớp 6

CHƯƠNG 6 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO ĐỐI

TƯỢNG TRÊN TOOLBOX SIMSCAPE/MATLAB

Để xây dựng mô hình động lực học cho robot trên Matlab nhóm thực hiện bằng việc thiết kế trên Solid work sau đó chuyển về phần mềm Matlab

6.1 Thiết kế trên Solid Work

Sử dụng phần mềm Solid Work 2020 ta thiết kế robot MH3BM ta thiết kế các phần của Robot MH3BM

Hình 6.1 Phần đế robot

Hình 6.2 Thanh nối 1

Hình 6.3 Thanh nối 2

Hình 6.4 Thanh nối 3

Hình 6.5 Thanh nối 4

Hình 6.6 Thanh nối 5

▪ Simscape Multibody Link: sử dụng cho tùy phiên bản Matlab khác nhau

▪ Thư viện Simscape trong Matlab

Sau khi cài đặt xong ta liên kết Matlab và Solid work

Hình 6.9 Thêm Toolbox vào solid work

Sau đó vào mục Tools – Simscape Multibody Link – Export chọn

“Simscape Multibody” để tạo file xml (Trong báo cáo này đặt tên là MH3BM.xml)

Tiếp theo ta chuyển mô hình đã vẽ vào Simulink bằng cách viết lệnh

“smimport(‘MH3BM’)” Sau khi chuyển đổi hoàn tất ta được mô hình trong Simulink

Hình 6.10 Mô hình trong simulink

6.3 Thiết kế bộ điều khiển PID

Ta có mô hình điều khiển Robot trong không gian khớp theo thuật toán PID

Hình 6.11 Mô hình điều khiển không gian khớp của thuật toán PID

Bảng thông số của bộ PID cho từng khớp như sau:

Hình 6.13 Bộ PID cho khớp 2

Hình 6.14 Bộ PID cho khớp 3

Hình 6.15 Bộ PID cho khớp 4

Hình 6.16 Bộ PID cho khớp 5

Hình 6.17 Bộ PID cho khớp 6

Hình 6.18 Kết nối bộ điều khiển vào mô hình động lực học

Sau khi kết nối xong, ta mô phỏng và thu được kết quả sau:

Hình 6.19 Đáp ứng vị trí khớp 1

Hình 6.20 Đáp ứng vị trí khớp 2

Hình 6.21 Đáp ứng vị trí khớp 3

Hình 6.22 Đáp ứng vị trí khớp 4

Hình 6.23 Đáp ứng vị trí khớp 5

Hình 6.24 Đáp ứng vị trí khớp 6

Kết luận : Xây dựng mô hình động lực học cho đối tượng Robot MH3BM

trên Toolbox simscape multibody/Matlab đã thành công, phù hợp với yêu cầu mô phỏng