Mô phỏng chuyển động robot harmo bằng simmechanics

Xét một hình hộp chữ nhật nằm ở vị trí bất kỳ trong hệ tọa độ của Solidwork. Và muốn tạo một hệ tọa độ mới cho nó, việc tạo một hệ tọa độ quy chiếu mới giúp xác định một số thông số hình học của mô hình, ví dụ như khoảng cách, tọa độ các mômen v.v… đặc biệt là nếu muốn xuất nó ra một định dạng khác để dùng trong ứng dụng khác.

Báo cáo bài tập lớn Môn: Kỹ thuật lập trình Robot và các hệ cơ điện tử

Đề tài: Mô phỏng chuyển động robot Harmo bằng SimMechanics

Giáo viên hướng dẫn:.

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 2.

Bước 3 LẮP RÁP CÁC CHI TIẾT 3D

Bước 4 LẮP RÁP CÁC CHI TIẾT 3D

PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT

HARMO

Phân tích cấu trúc robot

Xây dựng hệ tọa độ và thiết lập bảng DH

Bảng D-H ( Phương pháp ma trận Denavit Hartenberg )

Joint

12

Bài toán đ ng học ộ

 Số b c tự do: ậ

12

1 0

cos 0 sin cos 1 0 0 0 sin 0 cos sin 0 1 0 0

.

a a A

Bài toán đ ng học thuận ộ

• Ma trận mô tả trạng thái của điểm tác động cuối

cos 0 sin sin 4.cos

sin 0 cos cos a 4.sin

0            

1     0        0

0                   

.

Bài toán động học ngược

Biết trước vị trí điểm tác động cuối E(xE, yE, zE)

Xác định các biến khớp:

 

1 2

i

n

q q q

E E

+ Theo sơ đồ robot và bảng DH, ta có bàn kẹp chỉ hoạt động ở 2 vị trí là tạo với Oz

THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D ROBOT HARMO

Chương 2

2.2.1 Khâu đế

Mô hình 3D của các khâu khớp

2.2.2 Khâu 1

Mô hình 3D của các khâu khớp

2.2.3 Khâu

3

Mô hình 3D của các khâu khớp

2.2.5 Khâu thao

tác

Chương 3 LẮP RÁP CÁC CHI TIẾT 3D

.

Xét một hình hộp chữ nhật nằm ở vị trí bất kỳ trong hệ tọa độ của Solidwork

Và muốn tạo một hệ tọa độ mới cho nó, việc tạo một hệ tọa độ quy chiếu mới giúp xác định một số thông số hình học của mô hình, ví dụ như khoảng cách, tọa độ các mô-men v.v… đặc biệt là nếu muốn xuất nó ra một định dạng khác để dùng trong ứng dụng khác.

3.1 Gán hệ trục tọa độ cho các khâu

3.1.1 Cách gắn gốc tọa độ khâu trong Solidwork

chọn thẻ Insert, Reference Geometry,

Kết quả

3.1 Gán hệ trục tọa độ cho các khâu

3.1.1 Cách gắn gốc tọa độ khâu trong Solidwork

3.1 Gán hệ trục tọa độ cho các khâu

3.1.2 Cách gắn gốc tọa độ khâu trong Solidwork

Vào thẻ đơn Insert, Feature,

Move/Copy… như minh họa

dưới

Bảng thuộc tính của lệnh này

xuất hiện

3.1 Gán hệ trục tọa độ cho các khâu

3.1.2 Cách gắn gốc tọa độ khâu trong Solidwork

Kết quả

3.2 Lắp ráp

Sau khi các chi tiết được tham chiếu hoặc đưa vào mô hình lắp ráp thì ta tiến hành lắp ráp bằng việc định các ràng buộc

Thường ta cần hạn chế 2 bậc tự do để ràng buộc một chi tiết.

Một chi tiết được ràng buộc đầy đủ không thể di chuyển hoặc xoay theo một trục đã ràng buộc

3.2 Lắp ráp

Thiết lập môi trường Assembly:

File/New/Assembly.

Môi trường Assembly

Các ràng buộc lắp ráp thường dùng

Lệnh Mate dùng để tạo các ràng buộc lắp ráp giữa các chi tiết, ta có

các lựa chọn:

Mate Selections: hiển thị số mặt được chọn.

Entities to Mate: chọn mặt, cạnh của chi tiết hoặc mặt phẳng

mà ta muốn lắp ráp chúng với nhau.

Mate Alignment: dùng để xác định chiều của mối ghép.

Aligned: cùng chiều.

3.2 Lắp ráp

Anti-Aligned: ngược chiều.

Preview: xem trước mối ghép.

Undo: hủy bỏ thao tác vừa thực hiện.

Standars Mates: các phương pháp lắp cơ

bản.

Concident: đưa các mặt hoặc các cạnh về

trùng nhau

Parallel: đưa các mặt hoặc các cạnh về

song song nhau

Perpendicular: đưa các mặt hoặc các cạnh vuông góc nhau Tangent: tạo ràng buộc tiếp xúc.

Concentric: đưa các lỗ hoặc trục về đồng tâm với nhau

Lock: Khóa vị trí và định hướng giữa hai đối tượng.

Distance: xác định khoảng cách giữa hai mặt hoặc cạnh.

Angle: xác định góc hợp bởi hai cạnh hoặc hai mặt

3.2 Lắp ráp

Kết quả lắp ráp

XUẤT MÔ HÌNH TỪ SOLIDWORK VÀO MATLAB VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

PID CHƯƠNG 4

Simmechanic là một công cụ giúp mô phỏng một hệ thống cơ điện tử, nó liên kết phần

cơ khí, điều khiển lại với nhau

4.1 Cài đặt Toolbox SimMechanics vào Matlab và liên kết

vào Solidwork

+ Cài đặt Toolbox SimMechanics với Matlab:

https://www.mathworks.com/products/simmechanics/download_smlink_confirmation html?elqsid=1480767347847&potential_use=Education

Chọn hệ điều hành mà bạn đang sử dụng và download Simmechanic với bản tương ứng

Ví dụ: Win 64 bit thì download : 2 file: smlink.r2014a.win64 và install_addon.m

Copy 2 file trên vào thư mục cài đặt chương trinh

Ví dụ “ D:\Program Files\MATLAB\R2014a\bin ” Gõ lệnh

Cài đặt Toolbox SimMechanics vào Matlab

Tiếp trục gõ lệnh “ smlink_linksw ” vào cửa sổ Command

Windows để liên kết với các phần mềm thiết kế 3D

Mở phần mềm thiết kế 3D, ví dụ ở đây là Solidwork Click vào biểu tượng trên thanh công cụ chọn

Add-Ins

Cài đặt Toolbox SimMechanics vào Matlab

Ở hộp thoại tiếp theo tích chọn vào SimMechanics Link để kích hoạt toolbox

4.2 Quỹ đạo chuyển động

Quỹ đạo chuyển động của khâu thao tác là tập hợp của nhiều đường thẳng và

đường cong khác nhau, nhằm thực hiện yêu cầu chế tạo

Ban đầu tọa độ điểm thao tác ở vị trí A, sau đó lần lượt di chuyển tới các điểm lần lượt là A – B – A - C – D – E – F

4.3 Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics robot Harmo

Trình tự thực hiện mô hình hóa Robot bằng SimMechanics

Bước 1: Sử dụng Add-in SimMechanics Link trong Solidwork để xuất ra file xml

4.3 Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics robot Harmo

Bước 2: Mở Matlab nhập lệnh smimport(‘Assem3.xml’) vào ô Command Window

4.3 Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics robot Harmo

Nhận được chuỗi các khối như hình dưới

4.3 Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics robot Harmo

Đặt thông số cho các khớp như

sau

4.3 Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics robot Harmo

Bước 3: Thiết kế bộ điều khiển PID

4.3 Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics robot Harmo

+Khối Joint Prismatic biểu diễn khớp tịnh tiến

+Khối Body

Hình dáng 3D và màu sắc ban đầu của khối

Body được giữ nguyên so với mô hình xuất

sang từ Solidworks

4.3 Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics robot Harmo

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 (F1,F) 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…

4.3 Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics robot Harmo

+ Các khối chuyển đổi tín hiệu qua lại từ tọa độ sang tín hiệu điều khiển

+ Các khối chuyển đổi tín hiệu qua lại từ tọa độ sang tín hiệu điều khiển

4.3 Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics robot Harmo

+ Khối đầu vào đưa ra các giá trị biến khớp vào các khớp trong mô hình

Khối kiểm tra sai số đầu vào và đáp ứng đầu ra

4.3 Mô hình điều khiển Simulink+Simechanics robot Harmo

Xây dựng mô phỏng robot Harmo trên matlab + simechanic

Động lực học

Mô hình tổng thể

Các khối chính trong mô phỏng

• Khối quỹ đạo có chức nắng giả bài toán quỹ đạo

chuyển động đưa ra tọa độ, vận tốc, gia tốc theo thời

• Khối Harmo: Thể hiện quá trính robot hoạt động

bằng simechanic thay thế cho phương trình vi phân

của robot

Khối quỹ đạo

 Tạo khối quỹ đạo:

1 Tool-> Library Browser :Tìm kiếm và chọn khối

subsystem

2 Kích vào khối vừa tạo thêm Clock, In ,Out, Matlab

Funtion cho khối,nối các khối lại vào nhau

3 Xây dựng hàm giả bài toán quỹ đạo trong các khối

Khối động học ngược

 Các bước tạo khối đọng học ngược giống khối quỹ đạo

-đầu vào rE, vE, aE,các góc các đăng

-Matlab Funtion: Động học ngược vị trí, động học ngược

vận tốc, gia tốc

Khối PID

 Các bước tạo khối đọng học ngược giống khối quỹ đạo

- Đầu vào

+ qv, qvd ,qvdd là góc khớp,omega,gia tốc khớp ban đầu

bài toán yêu cầu

+q, qd đo được từ chuyển động của robot

- Đầu ra U’ tín hiệu điều chỉnh sai lệch

- Các khối Ki, Kp, Kd là các khối Gain trong Matblab

Khối Controller_Nonlinear

 Các bước tạo khối đọng học ngược giống khối quỹ đạo

- Đầu vào

+ q, qd đo được từ chuyển động của robot

+ U’ tín hiệu điều chỉnh sai lệch

- Đầu ra: Lực điều khiển U

- Khối Matlab Funtion: Control_ Nonliner hàm gải bài

toán động học ngược U=M*u+C*qdot+G+Q

Khối Harmo

+ Khối RootGround: Xác định tọa độ cơ sở

+ Machine Environment:Dùng để thiết đặt môi trường cho Robot: Gia tốc trọng trường, chiều, chế độ phân tích, kiểu ràng buộc, dung sai…

+Khối body: Hình dáng 3D và màu sắc ban đầu của khối Body được giữ nguyên so với mô hình xuất sang từ Solidworks

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,CS3)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 Prismatic biểu diễn khớp tịnh tiến

- 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

Lực chuyển dộng tịnh tiến dọc theo trục khớp cơ cở.

Moment cho chuyển dộng quay quanh trục khớp cơ sở

Các bước mô phỏng

1 Chạy hàm Main_Harmo để nạp các thông số hình học, PID của robot

2 Kích Run trong Matlab Simulink để mô phỏng

Kết quả

Quỹ đạo đặt và quỹ đạo bám q1: Đen: quỹ đạo đặt; Đỏ: Quỹ đạo bám

Kết quả

Quỹ đạo đặt và quỹ đạo bám q3: Đen: quỹ đạo đặt; Đỏ: Quỹ đạo bám

Kết quả

Quỹ đạo đặt và quỹ đạo bám q2: Đen: quỹ đạo đặt; Đỏ: Quỹ đạo bám

Kết quả

Quỹ đạo đặt và quỹ đạo bám q4: Đen: quỹ đạo đặt; Đỏ: Quỹ đạo bám

Kết quả

U1

Kết quả

U2

Kết quả

U3

Kết quả

U4