Thuyết minh đồ án thiết kế rô bốt công nghiệp đề tài thiết kế robot fanuc irmate 200ib 6 bậc tự do 2

 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 qit của các biến khớp, ta

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN THIẾT KẾ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP

Đề tài: Thiết kế robot Fanuc Irmate

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Sinh viên: Mã số sinh viên

Lớp:

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

Ngày giao đề:……… Ngày hoàn thành ………

Đồ họa kết cấu: AutoCad; Đồ thị biến khớp: Matlab; Phương pháp số:

Solver trên Excel; Mô phỏng kết cấu: SolidWorks, Inventor…

ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tiến trình thông qua đồ án:

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Thái Nguyên, ngày tháng năm 20

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên)

ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

Thái Nguyên, ngày tháng năm 20

GIÁO VIÊN CHẤM 1 (Ký ghi rõ họ tên) GIÁO VIÊN CHẤM 2(Ký ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC Chương 01 : TỔNG QUAN………

L i nói u ờ đầ

Trong s nghi p công nghi p hoá, hi n i hoá t n c v n t ng hoá s n xu t cóự ệ ệ ệ đạ đấ ướ ấ đề ự độ ả ấvai trò c bi t quan tr ng Nhu c u nâng cao n ng su t và ch t l ng s n ph m ngày đặ ệ ọ ầ ă ấ ấ ượ ả ẩcàng

òi h i ng d ng r ng rãi các ph ng ti n t ng hoá s n xu t Xu h ng t o ra nh ng

dây chuy n v thi t b t ng có tính linh ho t cao ang hình thành Vì th ngày càng ề ề ế ị ự độ ạ đ ế

t ngă

nhanh nhu c u ng d ng Robot t o ra các h th ng s n xu t t ng linh ho t.ầ ứ ụ để ạ ệ ố ả ấ ự độ ạ

Robot th c hi n g p v t t ng ự ệ ắ ậ ự độ được nghiên c u và ng d ng nhi u trong các h ứ ứ ụ ề ệ

 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

ây là m t tài r ng v i v n ki n th c l n, th i gian có h n, cho nên nh ng k t Đ ộ đề ộ ớ ố ế ứ ớ ờ ạ ữ ế

qu ,ả nh ng nh n nh mà chúng em ã tìm hi u và a ra ch c ch n s có nhi u thi u ữ ậ đị đ ể đư ắ ắ ẽ ề ếsót Chúng em thành th t mong ậ được các th y cô giáo trong b môn ch b o thêm ầ ộ ỉ ả để tài hoàn thi n

đề ệ h n, ý ngh a h n.ơ ĩ ơ Em bày t l i c m n chân thành n th y giáo ỏ ờ ả ơ đế ầ

“Dương Quốc Khánh” và các th y cô giáoầ trong b môn ã ch b o t n tình và t o i uộ đ ỉ ả ậ ạ đ ề

ki n cho chúng em hoàn thành án.ệ đồ

CH ƯƠ NG 01 T NG QUAN Ổ

1.1 Tổng quan về robot Fanuc LR mate 200ib

1.1.1 Thông tin về Fanuc LR mate 200ib

Sê-ri LR Mate là dòng robot mini điều khiển bằng điện, thế hệ mới nhất của FANUC Robotics được thiết kế để tải / dỡ máy chính xác, xử lý vật liệu, loại bỏ vật liệu, lắp ráp và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm Kích thước nhỏ, khéo léo và tốc độ cao của robot làm cho nó trở thành giải pháp hoàn hảo cho nhiều ứng dụng công nghiệp và thương mại

Hệ thống điều khiển R-30iB

Công nghệ tiên tiến mới nhất của FANUC hiệu quả, nhỏ gọn và có thể xếp chồng lên nhau, năng suất được cải thiện, với phần cứng tích hợp hiện đại và hơn 250 chức năng phần mềm Được thiết kế để trực quan hơn, nó tối ưu hóa năng lượng để giảm mức tiêu thụnăng lượng, hiệu suất cao trong thời gian chu kỳ với tốc độ và độ chính xác cao hơn

Nó có một hệ thống điều khiển PMC lập trình tích hợp hiệu suất cao, có thể truy cập hệ thống I / O robot hoàn chỉnh, cho phép dễ dàng tách hoặc điều khiển không đồng bộ các thiết bị ngoại vi mà không ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của robot Các vị trí lắp khác nhau cho phép bạn tiết kiệm không gian, dễ dàng tích hợp vào các ô sản xuất, lắp đặt các robot khác nhau Các hệ thống điều khiển R-30iB sử dụng phần mềm bảo mật được cấp bằng sáng chế của FANUC, điều đó có nghĩa là bạn không cần phải lo lắng về vi-rút, tin tặc hoặc các vấn đề ổn định Với iPguard Touch trực quan, thông minh hơn và dễ sử dụng

1.1.2.Thông số kỹ thuật

Thông tin về robot:

 Tải trọng tối đa của Robot: 5Kg

 Tầm với tối đa: 700 mm

 Độ lặp lại: 0,04 mm

 Bộ điều khiển: R-30iB

Tốc độ chuyển động của robot:

 Kiểm tra và lấy mẫu

1.2.1.Mô t : ả Thiết kế robot Fanuc Irmate 200ib 6 bậc tự do với các thông số như sau.

1.2.2 Robot Fanuc LR mate 200iB

Hình 2: Robot Fanuc LR mate 200iB

CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC ROBOT

2.1 Tổng hợp cấu truc đổng hổc

 Động học robot nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quantâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực và mô men Khoa học động họcnghiên cứu về vị trí, vận tốc, gia tốc Do đó, động học chỉ liên quan đếnhình học và thời gian thay đổi của chuyển dộng Sự thay đổi của các khâucủa 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 củaviệc 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 độnghọc 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 chochuyển động của các khâu Việc giải bài toán thuận của động học robotchủ 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

2.2 Phấn tích đổng hổc

2.2.1 Đổng hổc Rổbổt Fấnuc LR mấte 200ib

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

Hình 3: Lược đồ hóa robot fanuc lr mate 200ib

2.2.2 Xây dựng phương trình động học cho robot FANUC LR MATE 200IB

2.2.2.2 Viết hệ phương trình động hoc (giải bằng

sin(t6)*(cos(t5)*(sin(t1)*sin(t4) + cos(t4)*(cos(t1)*sin(t2)*sin(t3)

- cos(t1)*cos(t2)*cos(t3))) + sin(t5)*(cos(t1)*cos(t2)*sin(t3) + cos(t1)*cos(t3)*sin(t2))) - cos(t6)*(cos(t4)*sin(t1) -

sin(t4)*(cos(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t1)*cos(t2)*cos(t3))), sin(t5)*(sin(t1)*sin(t4) + cos(t4)*(cos(t1)*sin(t2)*sin(t3) -

cos(t1)*cos(t2)*cos(t3))) - cos(t5)*(cos(t1)*cos(t2)*sin(t3) + cos(t1)*cos(t3)*sin(t2)), 150*cos(t1) + 250*cos(t1)*cos(t2) +

80*sin(t5)*(sin(t1)*sin(t4) + cos(t4)*(cos(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t1)*cos(t2)*cos(t3))) - 80*cos(t5)*(cos(t1)*cos(t2)*sin(t3) + cos(t1)*cos(t3)*sin(t2)) - 450*cos(t1)*cos(t2)*sin(t3) -

450*cos(t1)*cos(t3)*sin(t2)]

[ sin(t6)*(cos(t1)*cos(t4) + sin(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) + cos(t6)*(cos(t5)*(cos(t1)*sin(t4) - cos(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) - sin(t5)*(cos(t2)*sin(t1)*sin(t3) + cos(t3)*sin(t1)*sin(t2))),

cos(t6)*(cos(t1)*cos(t4) + sin(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) -

cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) - sin(t6)*(cos(t5)*(cos(t1)*sin(t4) - cos(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) - sin(t5)*(cos(t2)*sin(t1)*sin(t3) + cos(t3)*sin(t1)*sin(t2))), - sin(t5)*(cos(t1)*sin(t4) - cos(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) -

cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) - cos(t5)*(cos(t2)*sin(t1)*sin(t3) + cos(t3)*sin(t1)*sin(t2)), 150*sin(t1) + 250*cos(t2)*sin(t1) -

80*sin(t5)*(cos(t1)*sin(t4) - cos(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) - 80*cos(t5)*(cos(t2)*sin(t1)*sin(t3) + cos(t3)*sin(t1)*sin(t2)) - 450*cos(t2)*sin(t1)*sin(t3) -

450*cos(t3)*sin(t1)*sin(t2)]

[ cos(t6)*(sin(t5)*(cos(t2)*cos(t3) - sin(t2)*sin(t3)) +

cos(t4)*sin(t5)*(cos(t2)*sin(t3) + cos(t3)*sin(t2)),

250*sin(t2) + 450*cos(t2)*cos(t3) - 450*sin(t2)*sin(t3) + 80*cos(t5)*(cos(t2)*cos(t3) - sin(t2)*sin(t3)) - 80*cos(t4)*sin(t5)*(cos(t2)*sin(t3) + cos(t3)*sin(t2)) + 350] [

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 =

sin(t6)*(cos(t4)*sin(t1) sin(t4)*(cos(t1)*sin(t2)*sin(t3) -cos(t1)*cos(t2)*cos(t3))) - cos(t6)*(cos(t5)*(sin(t1)*sin(t4) + cos(t4)*(cos(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t1)*cos(t2)*cos(t3))) + sin(t5)*(cos(t1)*cos(t2)*sin(t3) + cos(t1)*cos(t3)*sin(t2)))

 ny =

sin(t6)*(cos(t1)*cos(t4) + sin(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) + cos(t6)*(cos(t5)*(cos(t1)*sin(t4) -cos(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) - sin(t5)*(cos(t2)*sin(t1)*sin(t3) + cos(t3)*sin(t1)*sin(t2)))

 nz =

cos(t6)*(cos(t2 + t3)*sin(t5) + sin(t2 + t3)*cos(t4)*cos(t5)) -sin(t2 + t3)*sin(t4)*sin(t6)

 sx =

sin(t6)*(cos(t5)*(sin(t1)*sin(t4) +

cos(t4)*(cos(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t1)*cos(t2)*cos(t3))) + sin(t5)*(cos(t1)*cos(t2)*sin(t3) + cos(t1)*cos(t3)*sin(t2))) - cos(t6)*(cos(t4)*sin(t1) - sin(t4)*(cos(t1)*sin(t2)*sin(t3) -

 sy =

cos(t6)*(cos(t1)*cos(t4) + sin(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) - sin(t6)*(cos(t5)*(cos(t1)*sin(t4) -cos(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) - cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) - sin(t5)*(cos(t2)*sin(t1)*sin(t3) + cos(t3)*sin(t1)*sin(t2)))

 ay =

sin(t5)*(cos(t1)*sin(t4) cos(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) cos(t2)*cos(t3)*sin(t1))) - cos(t5)*(cos(t2)*sin(t1)*sin(t3) + cos(t3)*sin(t1)*sin(t2))

-2.2.3 Bài toán động học ngược

 Bài toán thuận động học nhằm xác định định vị và định hướng của phầncông tác khi cho trước các biến khớp Bài toán ngược cho trước vị trí vàđịnh hướng của khâu tác động sau cùng đòi hỏi phải xác định bộ thông sốtọa độ suy rộng để đảm bảo chuyển động cho trước của phần công tác Đốivới 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 cáctrường 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, sốnghiệm toán học lại càng nhiều, để chọn được nghiệm điều khiển đòi hỏiphải loại bỏ các nghiệm không phù hợp dựa trên cơ sở các ràng buộc vềgiới hạn hoạt động của các khớp Việc lựa chọn phương pháp để giải bàitoán ngược cũng là một vấn đề vì không có phương pháp tổng quát nào cóthể áp dụng cho tất cả các robot

 Giả sử quỹ đạo chuyển động của robot khi làm việc:

Hình 2.4: Quỹ đạo làm việc của robot

2.2.3.1 Thiết lập bài toán, thông số đầu vào

a.1 Thiết lập bài toán:

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

trận

A là tọa độ thực đã biết

 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

 Bài toán cần giải động học ngược của cơ cấu là: cho biết vị trí tay kẹp so

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

 Bước 2: Tính các giá trị L và tổng của chúng

 Bước 3: Dùng công cụ Solver tìm biến khớp q1,q2,q3,q4,q5,q6

 Chọn gói công cụ Solver bằng đường dẫn



Hình 2.6: Chọn gói công cụ Solver

+ Khai báo nhãn cho các thông số đầu vào và gán giá trị ban đầu bằng 0, Tính cácphần tử L và tính tổng bằng hàm SUM:

+ Thiết lập trong Solver ( các biến q i , hàm F, add, option)

+ vào thanh công cụ Data chọn solver để bắt đầu thực hiện tìm ngiệm

Bảng giới hạn giá trị biến khớp trong slover

+ Nhập giá trị tọa độ tay kẹp tại vị trí P1 và dùng công cụ Slover của excel ta

giải được các biến khớp:

Bảng 2.13: Thông số đầu vào

Bảng 2.14: Thông số các biến khớp

Giá

trị

Q Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Lần 6 Lần 7 Lần 8 Lần 9 Q1

-0.512

39 2.380537 0.318774

0.618

-74 1.42514 0.524209 0.398941 0.398941 0.672452 Q2

-1.921

68 0.51073

1.775 96

1.887 89

1.939

-27 0.28172 0.240967 1.328692 1.067527 Q3

-0.200

29

0.845 17

0.682 62

0.531 37

2.156 35

0.407 71

0.065

-56 0.014852 0.369228 Q4 0.829634 2.356879 -3 3 3 7.79E-10 1.3E-10 -2.5E-11 -9.6E-12 Q5 0.726

922 1.791- 0.678662 0.718157 0.947- 0.125986 0.175- 1.343- 1.436

-09 5 41 54 75 Q6

-2.462

03

2.907

-46 0.427383

0.723 08

1.800 38

0.524 21

0.398 94

0.398 94

0.672 45

-2.2.4 Kết luận:

Sau khi hoàn thành bài toán động học cho robot 6 bậc tự do, ta đã biết nội dungnghiên cứu động học của robot là việc tìm ra quan hệ chuyển động của các khâugồm 2 bài tooán là: Bài toán động học thuận và bài toán động học ngược Nhờ cácphần mềm hỗ trợ thông dụng và hữu ích như : Matlab và phương pháp GRG thựchiện giải bài toán trên Excel mà ta có thể giải được bài toán yêu cầu về vị trí cảucác điểm tác động cuối và hướng cảu khâu cuối, vận tốc và gia tốc của khâu bất kìtrong không gian, vị trí tay kẹp, phạm vi hoạt động của robot Fanuc

CHƯƠNG 3: QUỸ- ĐẠO CHUỸỂ1N ĐO2NG ROBOT

3.1 Thiet ke quỹ7 đấổ chuỹen đổng trổng khổng giấn khợp

Hình 3.1 : Không gian quỹ đạo làm việc 3.2 Cách xây dựng đường cong nội suy

3.2.1 Cơ sở lý thuyết

Quỹ đạo không gian khớp có dạng hàm bậc 3:

u(t)=a i t3+b i t2+c i t +d i(*) Phương trình tiếp tuyến với quỹ đạo U(t) hay phương trình vận tốc tại thời điểm t là :

- Chúng ta xét dấu của k i với k i+1 :

+ Nếu sig(k i) ≠ sig(k i+1) →v i=0

+ Nếu sig(k i)=sig(k i+1)→v i =Kc= k i +k i+1

2

Ta có hệ phương trình:{u i (t i −1 )=a i t i−13+b i t i−12+c i t i−1 +d i =q i−1

u i(t i) =a i t i3+b i t i2+c i t i +d i =q i

˙u i(t i−1)=3.a i t i−12+2 b i t i−1 +c i =v i−1

˙u i(t i) =3.a i t i2+2.b i t i +c i¿v i

Trong đó :

- Hai phương trình điều kiện đi qua : và

- Hai phương trình điều kiện vận tốc : và

* Thông thường chúng ta cho trước vận tốc tại điểm làm việc ban đầu bằng 0 :

Giải hệ phương trình trên ta được các giá trị ai, bi, ci, di để thay vào phương trình u i (t )

Bảng 3.1 : Hệ số góc k và hệ số góc chuyển tiếp kc của biến khớp Q1

O1 1.448359 0 -0.09271 -0.0908O2 1.355653 1 -0.0889 -0.08361

O4 1.188437 3 0.037794 0.039303O5 1.226231 4 0.040811 0.042005O6 1.267043 5 0.043199 0.044101

Bảng 3.2 : Hệ số góc k và hệ số góc chuyển tiếp kc của biến khớp Q2

O1 -1.33229 0 0.003759 0.008444O2 -1.32853 1 0.013129 0.020457O3 -1.3154 2 0.027784 0.050119O4 -1.28762 3 0.072455 0.071616O5 -1.21516 4 0.070777 0.079593