(TIỂU LUẬN) bài tập lớn kỹ THUẬT ROBOT TÍNH TOÁN THIẾT kế ROBOT MH3BM

ĐỀ TÀITìm hiểu tính toán Robot MH3BM với các yêu cầu: nghiệp, kết cấu cơ khí, các thông số kỹ thuật cơ bản.. Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho các khớp của Robot theo quỹ đạo dạng bậc 3..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN

KỸ THUẬT ROBOT

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT MH3BM

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 6.14 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

ĐỀ TÀI

Tìm hiểu tính toán Robot MH3BM với các yêu cầu:

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

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

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 ngườilàm tạp dịch Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai ông đã tạo ranhững 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 hiệnthực Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máychép 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, đãxuất 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 đãthiết kế một thiết bị có tên là “cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng hóa theochương trình” Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kĩ sư trẻcủa 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 lợinhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này

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

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot đầu tiên từ công ty AMFcủa 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 cáctiến 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 độngsản xuất hiện đại

1.2 Robot MH3BM

Robot trong báo cáo này là robot MH3BM của hãng Yaskawa là tập đoànhàng đầu thế giới trong sản xuất và cung cấp các sản phẩm trong lĩnh vực robotcông 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,

thông qua ổ cắm Robot, cáp ứng dụng có thể được dẫn qua cánh tay robot, vừagiúp cài đặt dễ dàng vừa dễ lau chùi Lớp phủ và bề mặt đặc biệt cho phép làmsạch 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 tuânthủ 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, hoạtđộng trong các môi trường khắc nghiệt như:

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

Hình 1.2 Góc nhìn từ phía trước

Hình 1.3 Góc nhìn từ phía trên

Hình 1.4 Góc nhìn từ cạnh ngang

4

Hình 1.5 Thông số kỹ thuật của 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:

6

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)

• Xác định các biến khớp

• Xác định các thông số động học của thanh nối

• Xác định ma trận Ai

• Tính toán ma trận Tn o

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 khixác định bảng Denavit – Hartenberg, ta cần xác định các hệ trục tọa độ cho cáckhớp

− 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

• Trường hợp 1: Zi-1 và Zi chéo nhau

Hình 2.1 Trường hợp chéo 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 trục Z i−1

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

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

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

tổng quát như sau:

cos i − cos i sin i sin i sin i a i cos i

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:

12

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 trịvướt 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 H J :

Jacoby = J =

R00

Các phần tử của ma trậnH J được xác định như sau:

❖ Đầu tiên ta xác định các ma trận iT6 theo các hệ tọa độ lần lượt từ khâu cuốitrở về gốc ta có:

J21 = 0oy.0px – 0ox.0py H

J31 = 0ay.0px – 0ax.0py H

J41= 0nz H

J51= 0oz H

J61= 0az

▪ Xác định các hệ số ở cột 2 của H J theo ma trận T61

H

J12 = 1ny.1px – 1nx.1py

HJ22 = 1oy.1px – 1ox.1py H

J32 = 1ay.1px – 1ax.1py H

J42= 1nz H

J52= 1oz H

J62= 1az

▪ Xác định các hệ số ở cột 3 của H J theo ma trận T6

HJ13 = 2ny.2px – 2nx.2py H

J23 = 2oy.2px – 2ox.2py H

J33 = 2ay.2px – 2ax.2py H

J43= 2nz H

J53= 2oz H

J63= 2az

▪ Xác định các hệ số ở cột 4 của H J theo ma trận T63

H

J14 = 3ny.3px – 3nx.3py H

J24 = 3oy.3px – 3ox.3py H

J34 = 3ay.3px – 3ax.3py H

J44= 3nz H

J54= 3oz H

J64= 3az

▪ Xác định các hệ số ở cột 5 của H J theo ma trận T6

H

J15 = 4ny.4px – 4nx.4py H

J26 = 5oy.5px – 5ox.5py

HJ36 = 5ay.5px – 5ax.5py

HJ46= 5nz

15

J56= 5oz H

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

17

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 trịvướt 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:

z0

Với c23 = c2 c3 − s2 s3 ; s23 = s2 c3 + c2 s3

Tiếp theo, cân bằng thành phần cột 4 của 2 vế, ta được hệ phương trình:

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:

+ Đa thức bậc 3: x(t) = a 0 + a 1 t + a 2 t2 + a3t3

+ Đa thức bậc 5: x(t) = a 0 + a 1 t + a 2 t2 + a3 t3 + a 4 t 4 + a 5t5

+ Đa thức bậc cao: x(t) = a 0 + a 1 t + a 2 t 2 + a 3 t3 + + an tn

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:

qi (t) = a i0 + a i1 t + ai 2 t 2 + a i3t3Robot 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):

Giả thuyết robot đi từ điểm A đến điểm B trong t(s) và vận tốc đầu tại A

cũng như vận tốc cuối tại B đều bằng 0, ta có:

22

Ta ví dụ trường hợp Robot MH3BM có [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ] T di chuyển từ

A[100,20,-40,0,35,300]→B[130,-20,70,-40,100,-200] với vận tốc đầu và cuối đều bằng 0, thời gian chuyển động mỗi khớp là 2s.

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

23

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

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:

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

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

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

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

30

Hình 6.3 Thanh nối 2

Hình 6.4 Thanh nối 3

Hình 6.5 Thanh nối 4

Hình 6.6 Thanh nối 5

32

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 làMH3BM.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 trongSimulink

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

34

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

36

Hình 6.15 Bộ PID cho khớp 4

Hình 6.16 Bộ PID cho khớp 5

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

38

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

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

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

40

CHƯƠNG 7 PHỤ LỤC

7.1 Giao diện động học thuận

function varargout = donghocthuan(varargin)

% End initialization code - DO NOT EDIT

% - Executes just before donghocthuan is made visible function

donghocthuan_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)

% This function has no output args, see OutputFcn.

% hObject handle to figure

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% varargin command line arguments to donghocthuan (see VARARGIN)

% Choose default command line output for donghocthuan handles.output = hObject;

% Update handles structure

guidata(hObject, handles);

% UIWAIT makes donghocthuan wait for user response (see UIRESUME)

% uiwait(handles.figure1);

% - Outputs from this function are returned to the command line

function varargout = donghocthuan_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)

% varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);

% hObject handle to figure

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB