Đồ án môn học robot công nghiệp thiết kế và tính toán động học cho robot thực hiện nhiệm vụ theo yêu cầu công nghệ

Robot thực hiện gắp vật tự động được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong các hệ thống sản xuất tự động nhằm tăng chính xác về vị trí, liên tục theo chu trình hoạt động, đảm bảo quá trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐHKTCN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔN HỌC: THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Sinh viên: Trần Tấn Sang Lớp: K56CĐT.03

Ngành: Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Ngày giao đề: 26/03/2023 Ngày hoàn thành:

1 Tên đề tài:

THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CHO ROBOT THỰC HIỆN

NHIỆM VỤ THEO YÊU CẦU CÔNG NGHỆ

2 Nội dung thuyết minh tính toán:

- Lựa chọn dòng robot thảo mãn yêu cầu công nghệ

- Tính toán động học robot

- Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác đáp ứng được yêu cầu

- Nội suy quỹ đạo trong không gian khớp

3 Các bản vẽ, chương trình và đồ thị

Đồ họa kết cấu: AutoCad; Đồ thị biến khớp: Matlab; Phương pháp GRG: Solver trênExcel;

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

Thái Nguyên, ngày… tháng… năm… GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM ………

………

………

………

………

………

………

………

Thái Nguyên, ngày… tháng… Năm 20

GIÁO VIÊN CHẤM

(Ký ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án Robot công nghiệp “thiết kế và tính toán động học cho robot thực hiện nhiệm vụ theo yêu cầu công nghệ” là công trình nghiên cứu của bản

thân Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong đồ án đã được nêu rõ trong phần tàiliệu tham khảo Các số liệu, kết quả trình bày trong đồ án là hoàn toàn trung thực, nếu saichúng em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và nhà trường

đề ra

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá

sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng

sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản

xuất Xu hướng tạo ra những dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao

đang hình thành Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng Robot để tạo ra

các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Robot thực hiện gắp vật tự động được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong các

hệ thống sản xuất tự động nhằm tăng chính xác về vị trí, liên tục theo chu trình

hoạt động, đảm bảo quá trình sản xuất ổn định, nâng cao năng xuất và chất lượng

• Xây dựng quỹ đạo chuyển động Robot

• Nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động robot công nghệp

• Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm

Đây là một đề tài rộng với vốn kiến thức lớn, thời gian có hạn, cho nên những

kết quả, những nhận định mà chúng em đã tìm hiểu và đưa ra chắc chắn sẽ có

nhiều thiếu sót Chúng em thành thật mong được các thầy cô giáo trong bộ môn

chỉ bảo thêm để đề tài hoàn thiện hơn, ý nghĩa hơn

Em bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Vũ Đức Vương và các thầy cô

giáo trong bộ môn đã chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành

đồ án này

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 XÁC ĐỊNH ROBOT SỬ DỤNG:………9

1.1.1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ đặt ra:………9

CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC ROBOT 13

2.1 Tổng hợp cấu trúc động học 13

2.1.1 Bài toán động học thuận.:………14

2.1.2 Giải phương bài toán động học trên Matlab:………18

2.2.Động học ngược robot 21

2.2.1 Thiết lập bài toán, thông số đầu vào:……… 21

2.2.2 Phương pháp giải bài toán giải bài toán động học ngược robot:…….22

2.2.3 Giả bài toán động học ngược trên Excel:………23

2.2.4 Kết luận:………31

CHƯƠNG 3: QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 32

3.1 Cách xây dựng đường cong nội suy 32

3.1.1 Cơ sở lý thuyết:……… 32

3.1.2 Lập trình trên matlap:……….….33

3.2 Đồ thị sự thay đổi của các biến khớp tại cái vị trí theo thời gian 39

3.3 Kết Luận: 42

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN

1.1 Xác định robot sử dụng

1.1.1 Mô tả nhiệm vụ cộng nghệ đặt ra

Mô tả:

Cho một nhu cầu trong sản xuất, cần di chuyển sản phẩm từ vị trí (trên băng tải) đến

vị trí B (có dạng ngăn vừa sản phẩm) theo như mô tả trên hình

-Kiện hàng được đặt vào ngăn theo phương chiều sâu của ngăn

-Khi đặt vào ngăn tại vị trí B kiện hàng có vị trí tương quan của chữ TNUTnhư hình vẽ mô tả

-khoảng cách vị trí hai điểm đặt trên hình chiếu bằng là 800mm

-Giả thiết kiện hàng được đưa vào ngăn ở trạng thái lý tưởng (kích thước ô

chứa bằng với kích thước kiện hàng)

-Hãng robot sử dụng: FANUC

1.1.2 Xác định các thông số để lựa chọn robot phù hợp

 Từ yêu cầu công nghệ:

• Độ cao chênh lệch giữa 2 vị trí đặt box ban đầu và vị trí box cuối là

 Vị trí cụ thể sẽ phụ thuộc vào loại robot đã chọn

1.1.4 Lựa chọn robot đáp ứng được yêu cầu

 Lựa chọn robot CR-7iA của hãng Fanuc

Hình 1.9: Robot CR-7iA

1.1.5 Phác họa không gian làm việc:

Hình 1.11: Tầm với của CR-7iA

1.1.6 Đánh giá khả năng đáp ứng được yêu của robot đã chọn

 Tầm với: robot CR-7iA có tầm với 717 mm (> 358.5 mm)

 Khả năng thao tác: robot CR-7iA có thể thao tác trong không gian ba

chiều, khả năng cơ động cao, chính xác và ổn định

1.2 Kết luận

Vậy với yêu cầu công nghệ: mang khối hàng từ vị trí A đến vị trí B và yêu

câu giữ nguyên sự tương quan của chữ “TNUT” cùng một phía, Robot

CR-7iA có đủ khả năng thực hiện nhiệm vụ trên

CHƯƠNG 02 ĐỘNG HỌC ROBOT

2.1 Tổng hợp cấu trúc động học

 Động học robot nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan

tâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực và mô men Khoa học động học

nghiên cứu về vị trí, vận tốc, gia tốc Do đó, động học chỉ liên quan đến hình

học và thời gian thay đổi của chuyển dộng Sự thay đổi của các khâu của robot

liên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc

của các khớp Những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu

động học robot Việc nghiên cứu động học có hai vấn đề: Phân tích động học

và tổng hợp động học Tuy nhiên vấn đề phân tích động học và tổng hợp động

học luôn liên quan đến nhau

 Động học robot nghiên cứu cách giải của 2 lớp bài toán :

 Bài toán động học thuận : Đây là bài toán cho trước chương trình chuyển

động dưới dạng quan hệ hàm qi(t) của các biến khớp, ta cần phải xác

định quy luật biến đổi của các tham số động học đặc trưng cho chuyển

động của các khâu Việc giải bài toán thuận của động học robot chủ yếu

nhằm thiết lập phương trình động học robot và xác định vị trí của tay

kẹp

 Bài toán động học ngược : Đây là bài toán ta cần xác định biến khớp qi(t)

đảm bảo cho bộ phận công tác của robot thực hiện các chuyển động cho

trước Việc giải bài toán ngược là cơ sở để xây dựng phương trình điều

khiển chuyển động của robot

2.1.1 Bài toán động học thuận.

Bài toán động học thuận: Đây là bài toán cho trước chương trình chuyểnđộng dưới dạng quan hệ hàm qi(t) của các biến khớp, ta cần phải xác địnhquy luật biến đổi của các tham số động học đặc trưng cho chuyển động củacác khâu Việc giải bài toán thuận của động học robot chủ yếu nhằm thiếtlập phương trình động học robot và xác định vị trí của tay kẹp

a, Phương pháp Denavit- Hartenberg.

Cơ sở của phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H)

Theo DH, tại mỗi khớp ta gắn một hệ trục toạ độ, quy ước về cách đặt hệ toạ độ này như sau:

- Trục z được liên kết với trục của khớp thứ i+1 Chiều của i z được chọn tuỳ ý i

- Trục x được xác định là đường vuông góc chung giữa trục khớp i và khớp i+1, i

hướng từ điểm trục của khớp i tới khớp i+1 Nếu hai trục song song thì x có thể i

chọn bất kỳ là đường vuông góc chung hai trục khớp Trong trường hợp hai trụcnày cắt nhau, x được xác định theo chiều của i z z ii1 ( hoặc quy tắc bàn tayphải)

- Trục y được xác định theo i x và i z theo quy tắc bàn tay phải i

Các thông số động học Denavit – Hartenberg được xác định như sau:

- d : khoảng cách O i i-1 và Oi theo trục zi-1.

- i: góc giữa 2 đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1

chuyển đến trục xi theo qui tắc bàn tay phải

- i: góc xoay đưa trục zi-1về zi quanh zi theo quy tắc bàn tay phải

- a : khoảng dịch chuyển giữa 2 trục khớp động kề nhau i

+ z0 trùng với trục khớp 1, chiều tùy ý.

+ x0 tùy chọn,miễn là x0 vuông góc với z0

+ y0 được chọn sao cho hệ tạo thành một tam diện thuận

- Hệ trục tọa độ Oixiyizi :

+ zi đặt tại khớp tiếp theo tương tự z0.

+ xi là đường vuông góc chung nhỏ nhất nối từ zi-1 đến zi ( chiều từ zi-1 đến zi ).+ Oi là giao điểm của xi và zi.

+ yi xác định theo quy tắc bàn tay phải

- Hệ trục tọa độ đặt tại khâu tác động cuối Onxnynzn

+ On trùng với điểm P

+ yn nằm trong mặt phẳng kẹp, vuông góc với phương kẹp,chiều tùy ý

+ zn (hoặc xi ) hướng tới đối tượng

+ trục còn lại là xn (hoặc zn): vuông góc với mặt phẳng kẹp, chiều đảm bảo hệ tạo thành một tam diện thuận

- Quy tắc D-H quy ước cách đặt các hệ tọa độ lên Robot

- Quy tắc D-H sử dụng 4 phép biến đổi để đưa hệ tọa độ Oi về trùng với hệ tọa độ

2.2 Phân tích động học

2.2.1 Mô hình động học robot CR-7iA

Hình 2.1: Thông số CR-7iA

 Từ thông số như trên, sẽ tiến hành lược đồ hóa robot

Hình 2.2: Lược đồ hóa robot CR-7iA

2.2.2 Xây dựng phương trình động học cho robot CR-7iA

80*cos(q4)*sin(q5)*(cos(q2)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q2)) + 457] [ 0, 0, 0, 1]

 Ma trận 4x4 mô tả vị trí và hướng chuyển đổi từ hệ tọa độ gốc O 0 sang hệ tọa

độ O 6.

 Đồng nhất hệ số với ma trận trên ta được hệ phương trình động học thuận của

Robot sau:

 Nx = cos(q6)*(cos(q5)*(sin(q1)*sin(q4) + cos(q4)*(cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)

- cos(q1)*sin(q2)*sin(q3)))-sin(q5)*(cos(q1)*cos(q2)*sin(q3)+ cos(q1)*cos(q3)*sin(q2)))-sin(q6)*(cos(q4)*sin(q1)-

cos(q3)*sin(q1)*sin(q2))) + a2*cos(q2)*sin(q1) + a3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q1) - a3*sin(q1)*sin(q2)*sin(q3)

-2.2.3 Bài toán động học ngược

 Bài toán thuận động học nhằm xác định định vị và định hướng của phần công

tác khi cho trước các biến khớp Bài toán ngược cho trước vị trí và định hướng

của khâu tác động sau cùng đòi hỏi phải xác định bộ thông số tọa độ suy rộng

để đảm bảo chuyển động cho trước của phần công tác Đối với các tay máy

dạng chuỗi động hở, ứng với một bộ thông số mô tả định vị và định hướng của

phần công tác khi giải bài toán ngược có thể xảy ra các trường hợp:

 Có thể có nhiều lời giải khác nhau

 Các phương trình đồng nhất thức thường có dạng phi tuyến

 Có thể gặp nghiệm vô định vì có các liên kết thừa

 Có thể có lời giải toán học, song lời giải này không chấp nhận được về

mặt vật lí do kết cấu của cấu trúc không đáp ứng được

 Nhìn chung khi số bậc tự do càng lớn thì bài toán ngược càng khó giải, số

nghiệm toán học lại càng nhiều, để chọn được nghiệm điều khiển đòi hỏi phải

loại bỏ các nghiệm không phù hợp dựa trên cơ sở các ràng buộc về giới hạn

hoạt động của các khớp Việc lựa chọn phương pháp để giải bài toán ngược

cũng là một vấn đề vì không có phương pháp tổng quát nào có thể áp dụng cho

tất cả các robot

Hình 2.4: Quỹ đạo làm việc của robot yêu cầu

a.1 Thiết lập bài toán:

2.2.3.1 Thiết lập bài toán, thông số đầu vào

Hình 2.5: Thông số các điểm

 Cho vị trí và hướng của bàn kẹp tức là biết ma trận AP Cần phải xác định các

biến khớp qi (i=1 6) theo vị trí và hướng bàn kẹp

 Input: Ma trận T là tích các ma trận thành phần đã tính ở bài toán thuận

Ma tran a da biet

 Output: Kết quả của biến khớp qi ( i = 1,2,3,4,5,6 )

a.2 Thông số đầu vào:

2.2.3.2 Phương pháp giải bài toán giải bài toán động học ngược robot

 Sử dụng pháp số GRG Nonlinear để giải bài toán: Phương pháp này là tìm

giá trị gần đúng nhất của biến khớp mà sai số của nó nằm trong phạm vi cho

phép Cân bằng các phần tử của hai ma trận tọa độ lý thuyết và tọa độ thực ta

có hệ phương trình

với các khớp q1 q2 … để xử lý bài toàn ta cần xử dụng tới excel Với các giá

trị ta có như sau:

 Từ ma trận ta được hệ phương trình động học nghịch:

 Chúng ta đi tìm Min(L) =0 với L =L1+L2+L3+L4+L5+L6

Với a14, a24, a34, a22, a23, a33 là các tọa độ thực đã biết

2.2.3.3 Giải bài toán động học ngược trên excel

 Bước 1: Nhập các dữ liệu cần thiết cho việc tính toán

 Dữ liệu về độ dài các khâu: d1=399(mm), a2=448(mm), a3=42(mm),

d4=451(mm), d6=82(mm)

 Dữ liệu về Px,Py,Pz,Sy,Ay,Az Vì robot có 6 bậc tự do nên ta chỉ cần

lấy 6 phương trình

 Khởi tạo các biến khớp q1, q2, q3,q4,q5,q6

 Khởi tạo các giá trị trong ma trận A: a11, a24, a34, a22, a23, a33

 Các giá trị đã biết của biến khớp

 Chọn gói công cụ Solver bằng đường dẫn



Hình 2.6: Chọn gói công cụ

Solver

 Bật công cụ Solver trong Tab DATA lên và nhập dữ liệu

 Thiết lập solver Parameters

 Nhập giá trị tọa độ tay kẹp tại vị trí P1 và dùng công cụ Slover của excel ta giảiđược các biến khớp:

9 427 340 816 0 1 0

Bảng 2.14: Thông số các biến khớp.

4.16E-2 -2.00742 -1.42947 -2.58664

1.87E-10 0.874523 1.134169 L2

02 Lần

1.25E-3 0.512805 -1.5205 -0.96582 -3 0.650246 0.623594 L3

03 Lần

7.93E-4 -0.6993 -1.59471 -0.893 3 0.649107 -0.81011 L4

03 Lần

8.71E-5 1.961403 -1.33462 -2.70622

5.03E-11 0.899239 -1.18019 L5

02 Lần

1.33E-6 0.690744 0.154219 0.228514

1.27E-14 -0.38273 -0.69074 L6

19 Lần

3.31E-7 0.464827 -0.30381 1.466696

-3.6E-08 -2.28794 -0.86069 L7

21 Lần

1.84E-8 0.028364 0.679428 -0.1698

-3.5E-10 -0.50963 -0.02836 L8

20 Lần

2.34E-9 0.056513 0.614247 -0.14353

2.4E-14 -0.47072 -0.05651 L9

21

2.58E-2.3 Kết luận

Sau khi hoàn thành bài toán động học cho robot CR-7iavới 6 bậc tự do, ta

đã biết nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm ra quan hệ chuyển

động của các khâu gồm 2 bài toán là: Bài toán động học thuận và bài toán động

học ngược Nhờ các phần mềm hỗ trợ thông dụng và hữu ích như : MatLab và

phương pháp GRG thực hiện trên Excel, các phần mềm autocad, inventor mà ta

có thể giải được bài toán yêu cầu về vị trí của điểm tác động cuối và hướng của

khâu cuối, vân tốc và gia tốc của khâu bất kì trong không gian, vị trí tay kẹp (giáp

hút), phạm vi hoạt động của robot CR-7iA

CHƯƠNG 03 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHO ROBOT

3.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp

Hình 3.1: Không gian quỹ đạo làm việc

 Từ vị trí O1 , ta sẽ gắp hút vật trực tiếp ở tâm vật và kéo vật theo trục z một khoảng 292mm đến o2

 Từ vị trí o2 ta di chuyển theo vuông góc với trục z,x và ngược chiều y một khoảng -86,67 đến o3

Hình 3.2: Vị trí ban đầu hút vật.

Hình 3.3: Vị trí tại vị trí o3.

 Từ vị trí o3 , ta tiếp tục di chuyển theo trục y một khoảng 180mm đến o4

 Từ vị trí o4 di chuyển ngược chiều z bằng 292mm đến o5

 Từ o5 ta xoay trục z5 quanh x5 theo chiều kim đồng hồ 1 góc 90 độ và xoay trục y5 quay quanh trục z5 1 góc z5

Hình 3.4: Vị trí tại vị trí o5.

3.2 Cơ sở nội suy quỹ đạo trong không gian khớp

 Quỹ đạo không gian khớp có dạng hàm bậc 3:

(*)

 Phương trình tiếp tuyến với quỹ đạo U(t) hay phương trình vận tốc tại thời

điểm t là:

 Xét ui(t):

• Điều kiện về vận tốc công nghệ tại điểm đầu và cuối quỹ đạo

• Điều kiện đi qua:

• Điều kiện chuyển tiếp trơn tại điểm chuyển tiếp

 Nếu

 Nếu

• Ta có hệ phương trình:

 Giải hệ phương trình trên ta được phương trình

ui(t)  Một số câu lệnh trong matlab :

• Plot (t, u): đồ thị

• Hold on: giữ đồ thị trước đó vẽ tiếp vào

• Grid on: chia lưới đồ thị

• Plot (t, u,’lineWidth’,1.5): tăng độ nét dày hơn cho đường đồ thị

3.3 Nội suy quỹ đạo trong không gian khớp

1 -2.5083

2.26877

-0.31877 4

0.61874

-1.4251 4

0.52420 9

0.39894 1

0.39894 1

0.67245 2

1.77596

1.88789

1.9392

-7 0.28172

0.24096 7

1.32869 2

1.06752 7

0.68262

0.53137

2.1563 5

0.40771

0.06556

-0.01485 2

0.36922 8 Q

7.79E-10 1.3E-10

11

-2.5E- 12 Q

-9.6E-5

-2.67238

0.91153

-0.67866 2

0.71815 7

0.9475

-0.12598 6

0.17541

1.34354

1.43675 Q

-6

0.50627

9

0.95643 6

0.42738 3

0.72308

1.8003 8

0.52421

0.39894

0.39894

0.67245 Bảng 2.8 biến khớp q1,q2,q3,q4,q5,q6