ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT SCARA

link file code : https:www.mediafire.comfileyj22xiebjy1emjcSCARA_model.zipfileĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT SCARACHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA 1.1 Tổng quan về robot Scara 1.1.1 Khái niệm robot SCARA SCARA là từ viết tắt từ những chữ cái đầu của Selective Compliance Assembly Robot Arm hoặc Selective Compliance Articulated Robot Arm. Robot SCARA là robot có khớp nối ngang 4 bậc tự do. Nhờ bố trí khớp trục song song, những robot này thường được sử dụng để lắp ráp theo phương thẳng đứng và các hoạt động khác trong các mặt phẳng song song. 1.1.2 Các mục tiêu thiết kế Mục tiêu của đồ án này là thiết kế robot SCARA công nghiệp với sự cân bằng tối ưu về kinh tế và hiệu suất. Sử dụng động cơ bước hoặc động cơ servo và các mạch điều khiển có sẵn. Sử dụng phần mềm có sẵn để điều khiển robot trên máy tính cá nhân. Phần mềm này sử dụng Gcode để điều khiển robot. 1.1.3 Các yêu cầu về hiệu suất của robot công nghiệp Robot được thiết kế để trở thành máy móc chính xác và linh hoạt cao. Robot nói chung và robot SCARA nói riêng, được sử dụng làm vật thay thế cho người vận hành. Điều này có thể vì nhiều lý do, nhưng một tính năng quan trọng của việc sử dụng robot là chúng hầu như luôn làm công việc tốt hơn so với người vận hành. Để đạt được mục tiêu quan trọng này, robot cần tuân thủ các tiêu chuẩn hiệu suất tối thiểu nhất định. Để đưa ra ý tưởng, một số thông số kỹ thuật của robot Adept One XL SCARA được mô tả như sau.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội – 2020

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA 6

1.1 Tổng quan về robot Scara 6

1.1.1 Khái niệm robot SCARA 6

1.1.2 Các mục tiêu thiết kế 6

1.1.3 Các yêu cầu về hiệu suất của robot công nghiệp 6

1.1.4 Hệ thống cơ khí 7

1.1.5 Hệ thống điện tử 7

1.1.6 Phần mềm điều khiển 8

1.2 Phân tích nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật của robot Scara 8

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển 8

1.2.2 Xác định các thành phần của hệ thống điều khiển 8

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ROBOT SCARA 10

2.1 Động học robot SCARA 10

2.1.1 Động học thuận 10

2.1.2 Động học nghịch 14

2.2 Động lực học robot SCARA 16

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT SCARA 25 3.1 Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động của robot 25

3.2 Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác 25

3.2.1 Bài toán tổng quát 25

3.2.2 Bài toán cụ thể 27

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 32

4.1 Cơ sở lý thuyết 32

4.2 Mô phỏng trên phần mềm Matlab 33

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 39

5.1 Mô phỏng chuyển động robot Scara 39

5.1.1 Kết nối phầm mềm CAD và SimMechanics Link trong Matlab 39

5.1.2 Mô phỏng động học robot Scara 40

5.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển 45

KẾT LUẬN 50

PHỤ LỤC 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Mô hình robot Scara 6

Hình 1-2 Sơ đồ bố trí cảm biến trên robot Scara 8

Hình 1-3 Mạch điều khiển động cơ 9

Hình 1-4 Sơ đồ tổng thể mạch điều khiển robot Scara 9

Hình 2-1 Thông số các khâu 10

Hình 2-2 Mô hình động học robot Scara 12

Hình 2-3 Mô phỏng không gian làm việc của robot trên Matlab 14

Hình 2-4 Mô hình động lực học robot Scara 20

Hình 3-1 Quỹ đạo với quy luật vận tốc hình thang 26

Hình 3-2 Quỹ đạo chuyển động điểm của công tác theo tọa độ x 28

Hình 3-3 Quỹ đạo chuyển động của điểm công tác theo tọa độ y 29

Hình 3-4 Quỹ đạo chuyển động của điểm công tác theo tọa độ z 29

Hình 3-5 Quỹ đạo chuyển động của điểm công tác trong không gian 29

Hình 3-6 Vận tốc của điểm công tác theo x 30

Hình 3-7 Vận tốc của điểm công tác theo y 30

Hình 3-8 Vận tốc của điểm công tác theo z 30

Hình 3-9 Đồ thị vị trí biến khớp 1 theo thời gian 31

Hình 3-10 Đồ thị vị trí biến khớp 2 theo thời gian 31

Hình 3-11 Đồ thị vị trí biến khớp 3 theo thời gian 31

Hình 4-1 Sơ đồ hệ thống điều khiển robot Scara 34

Hình 4-2 Sơ đồ khối hệ thống trên Matlab Simulink 34

Hình 4-3 Khối QUY DAO DAT 34

Hình 4-4 Khối KHOI PD 35

Hình 4-5 Khối KHOI PHAN TU PHI TUYEN 35

Hình 4-6 Khối KHOI ROBOT 35

Hình 4-7 Khối KET QUA 36

Hình 4-8 Đáp ứng vị trí của khớp 1 theo thời gian 36

Hình 4-9 Đáp ứng vị trí của khớp 2 theo thời gian 37

Hình 4-10 Đáp ứng vị trí của khớp 3 theo thười gian 37

Hình 4-11 Sai lệch vị trí của khớp 1 theo thời gian 37

Hình 4-12 Sai lệch vị trí của khớp 2 theo thời gian 37

Hình 4-13 Sai lệch vị trí của khớp 3 theo thời gian 38

Hình 4-14 Sai lệch vận tốc của khớp 1 theo thời gian 38

Hình 4-15 Sai lệch vận tốc của khớp 2 theo thời gian 38

Hình 4-16 Sai lệch vận tốc của khớp 3 theo thời gian 38

Hình 5-1 Thiết kế và gắn hệ tọa độ cho các khâu của robot Scara 39

Hình 5-2 Sơ đồ khối của robot Scara trong Simulink 40

Hình 5-3 Mô hình robot Scara trong Simulink 40

Hình 5-4 Trình GUIDE mở cửa sổ soạn thảo GUI với layout rỗng 41

Hình 5-5 Object Browser và Property Inspector trong GUI 41

Hình 5-6 Giao diện soạn thảo (trái) và giao diện người dùng (phải) trên GUI 42

Hình 5-7 Sơ đồ khối robot Scara thực hiện mô phỏng 43

Hình 5-8 Robot Scara tại vị trí Home 43

Hình 5-9 Robot Scara tại vị trí biến khớp (-30; 90; 300) 44

Hình 5-10 Khảo sát động học ngược robot Scara 44

Hình 5-11 Mô phỏng chạy quỹ đạo robot Scara 45

Hình 5-12 Sơ đồ cấu trúc bên trong của Atmega16 46

Hình 5-13 Động cơ DC Servo 47

Hình 5-14 Nguyên lý hoạt động của Encoder 48

Hình 5-15 Sơ đồ điện mạch cầu H 48

Hình 5-16 Module L298 49

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA

1.1 Tổng quan về robot Scara

1.1.1 Khái niệm robot SCARA

SCARA là từ viết tắt từ những chữ cái đầu của Selective Compliance Assembly

Robot Arm hoặc Selective Compliance Articulated Robot Arm Robot SCARA là robot

có khớp nối ngang 4 bậc tự do Nhờ bố trí khớp trục song song, những robot này thường được sử dụng để lắp ráp theo phương thẳng đứng và các hoạt động khác trong các mặt phẳng song song

1.1.2 Các mục tiêu thiết kế

Mục tiêu của đồ án này là thiết kế robot SCARA công nghiệp với sự cân bằng tối ưu

về kinh tế và hiệu suất

Sử dụng động cơ bước hoặc động cơ servo và các mạch điều khiển có sẵn

Sử dụng phần mềm có sẵn để điều khiển robot trên máy tính cá nhân Phần mềm này

sử dụng G-code để điều khiển robot

1.1.3 Các yêu cầu về hiệu suất của robot công nghiệp

Robot được thiết kế để trở thành máy móc chính xác và linh hoạt cao Robot nói chung và robot SCARA nói riêng, được sử dụng làm vật thay thế cho người vận hành Điều này có thể vì nhiều lý do, nhưng một tính năng quan trọng của việc sử dụng robot

là chúng hầu như luôn làm công việc tốt hơn so với người vận hành Để đạt được mục tiêu quan trọng này, robot cần tuân thủ các tiêu chuẩn hiệu suất tối thiểu nhất định Để đưa ra ý tưởng, một số thông số kỹ thuật của robot Adept One XL SCARA được mô tả như sau

Hình 1-1 Mô hình robot Scara

SCARA là một cấu hình tiêu chuẩn giữa các robot Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, chúng

ta có những điểm sau đây:

- Robot SCARA 3 bậc tự do

- Tải trọng 5 kg

- Tầm với 950 cm

- Độ chính xác lặp: (x, y) = ±0,025 mm, (z) = ±0,038 mm mm

- Vận tốc cực đại khâu tác động cuối

- Gia tốc cực đại khâu tác động cuối

- Sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc cho khâu tịnh tiến

1.1.5 Hệ thống điện tử

Các thiết bị điện tử liên quan phụ thuộc hoàn toàn vào loại động cơ được sử dụng

Để đạt độ chính xác cao, chúng ta có thể sử dụng động cơ bước hoặc động cơ servo trong bộ truyền động chung Do đó, phần chính của hệ thống điện tử liên quan đến việc thiết kế các mạch điều khiển động cơ bước (servo) thích hợp Ngoài phần mềm điều khiển được sử dụng, đây là yếu tố quan trọng nhất, có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của robot Ở đây, chúng ta chỉ tập trung vào các trình điều khiển động cơ bước (servo) Một số lựa chọn ban đầu cần phải chú ý là:

- Loại động cơ: Đơn cực hoặc lưỡng cực

- Nguyên lý ổ đĩa: L/R hoặc PWM

- Chế độ hoạt động: Nửa bước hoặc toàn bước

- Đặc trưng mô-men xoắn - tốc độ

1.1.6 Phần mềm điều khiển

Phần mềm điều khiển cần thực hiện được các nhiệm vụ sau:

- Đường dẫn liên tục trong không gian

- Chuyển động xen kẽ (Joint-interpolated motion)

- Nội suy cung tròn

- Nội suy tuyến tính

- Phối hợp chuyển động tuyến tính: tất cả các trục khởi động và dừng các bước chuyển động cùng một thời gian

1.2 Phân tích nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật của robot Scara

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển

Đầu tiên, các bộ phận cảm biến sẽ tiếp nhận các thông tin, đặc điểm của đối tượng cần tác động dựa trên các lập trình ban đầu Chẳng hạn thông tin về màu sắc, trọng lượng, khoảng cách với đối tượng cần tác động

Dựa vào các thông tin này, phần mềm của robot sẽ tiến hành tính toán các thông số, viết lệnh và gửi đến hệ thống điều khiển để tiến hành các thao tác bằng tay máy một cách chuẩn xác nhất

1.2.2 Xác định các thành phần của hệ thống điều khiển

- Động cơ: phân tích về động cơ được lựa chọn từ đồ án thiết kế hệ thống cơ khí (có thể chọn lại động cơ để đảm bảo tính năng điều khiển được tốt hơn)

- Cảm biến: cảm biến góc quay (ví dụ: SR-1, SR-2), cảm biến dịch chuyển dài (ví dụ: SP-3), cảm biến lực (ví dụ: SF-4), …

Hình 1-2 Sơ đồ bố trí cảm biến trên robot Scara

- Mạch dẫn động động cơ (ví dụ L298)

- Bộ điều khiển động cơ (ví dụ L297)

Hình 1-3 Mạch điều khiển động cơ

Hình 1-4 Sơ đồ tổng thể mạch điều khiển robot Scara

- Phần mềm điều khiển robot: có thể sử dụng phần mềm có sẵn như LinuxCNC hoặc viết chương trình trên phần mềm MatLab/Simulink

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ROBOT SCARA

Denavit-Hình 2-1 Thông số các khâu

Giả sử trong chuỗi động học tay máy có n khâu, khâu thứ i nối khớp thứ i với khớp thứ i+1 Theo quy tắc Denavit-Hartenberg thì hệ tọa độ được gắn lên các khâu, khớp

như sau:

- Đặt trục tọa độ z 1 dọc theo trục của khớp sau (thứ i+1)

- Đặt gốc tọa độ O i tại giao điểm giữa z i và pháp tuyến chung nhỏ nhất của trục z i

và z i-1 Giao điểm của pháp tuyến chung với trục z i-1 là gốc O’ i của hệ O’ i -x’ i y’ i z’ i

- Đặt trục tọa độ x i theo phương pháp tuyến chung giữa z i-1 và z i, hướng từ khớp

- ai = OiO’i: khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương xi

- di = Oi-1O’i: khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương zi-1

- αi: góc quay quanh trục xi giữa zi-1 và zi

- θi: góc quay quanh trục zi-1 giữa xi-1 và xi.

Trong 4 thông số trên thì ai và αi chỉ phục thuộc vào kết cấu của khâu thứ i Nếu là khớp quay thì θi là biến, còn di = const Với khớp trượt thì di là biến, còn θi = const Bằng biến đổi, có thể mô tả phép chuyển tọa độ giữa hệ i và hệ i-1 qua ma trận tổng hợp nhận được bằng cách nhân hai ma trận chuyển đổi thuần nhất tương ứng như sau:

-

Một cách tổng quát, quy tắc Denavit-Hartenberg cho phép tổ hợp các ma trận chuyển

vị riêng rẽ thành một ma trận chuyển vị thuần nhất, biểu diễn vị trí và hướng của khâu

n so với khâu cơ sở

Hình 2-2 Mô hình động học robot Scara

d) Động học thuận về vị trí của robot

Thay lần lượt các tham số từ bảng thông số vào ma trận tổng hợp ứng với từng cặp khâu – khớp ta được các mô trận mô tả hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn trên khâu thứ

i so với khâu thứ i-1:

Ma trận chuyển đổi tọa độ từ khâu 0 sang khâu 1:

0 0 1

0 0 0 1

c s a c

s c a s A

Ma trận chuyển đổi tọa độ từ khâu 1 sang khâu 2:

0 0 1 0

0 0 0 1

c s a c

s c a s A

Sử dụng phần mềm Matlab, ta tìm được không gian làm việc của robot:

Hình 2-3 Mô phỏng không gian làm việc của robot trên Matlab

Phương pháp giải tích

Từ bài toán động học thuận ta thu được phương trình xác định tọa độ của khâu thao tác:

x y

a y q x q y a q

2 2 2 2

2

1 2 2

tan 2(sin( ), cos( )) [ cos( ) sin( )]

a a

q a q q

a x q y q x a q

x y

a y q x q y a q

i =1, 2,…,n

Với: T - động năng của Robot

∏ - thế năng của Robot

Q*- véctơ lực suy rộng không thế

n - số bậc tự do

a) Động năng của robot

Động năng của robot được tính theo công thức sau:

Trong đó: m i - Khối lượng khâu i

v Ci - Vận tốc dài khâu i trong hệ quy chiếu cố định

i i

w - Vận tốc góc khâu i trong hệ quy chiếu động

I i – ma trận ten-xơ quán tính của khâu i đối với khối tâm của nó trong hệ tọa độ động

Đặt r Ci là véc-tơ xác định vị trí khối tâm của khâu i trong hệ tọa độ cố định, được

r là véc-tơ khối tâm của khâu i trong hệ tọa độ động Oi

Khi đó vận tốc dài của khối tâm khâu i và vận tốc góc khâu i có thể tính như sau:

Với JTi, JRi lần lượt là ma trận Jacobian tịnh tiến và Jacobian quay của khâu i

Từ đó ta có thể viết lại công thức tính động năng:

M(q) được gọi là ma trận khối lượng suy rộng

b) Thế năng của robot

Thế năng của robot được tính theo công thức sau:

0 1

n T

T q M q q m q q q

T

m q q q

( )

n

Cj T

d) Thiết lập phương trình động lực học cho robot

Hình 2-4 Mô hình động lực học robot Scara

Từ đó suy ra tọa độ khối tâm các khâu so với hệ quy chiếu cố định:

( ) ( )

0 0 0 ( ) ( ) 0 ( ) ( ) 0

0 0

J a l c

q

a l s a s a l s r

J a l c a c a l c

q

a s a s a s r

Tính toán tương tự ta tìm được ma trận Jacobian quay của các khâu còn lại như sau: Khâu thứ 2:

3 3 3

2

3

1 0 0 12

m L I

[ 2 cos( ) cos( )] [ cos( )]

[[ sin( ) sin( )] sin( ) ]

[[ sin( ) sin( )] sin( ) ][ ]

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA

ROBOT SCARA

3.1 Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động của robot

Vấn đề thiết kế quỹ đạo chuyển động liên quan mật thiết đến bài toán điều khiển robot di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong không gian làm việc Đường đi và quỹ đạo được thiết kế là các đại lượng đặt cho hệ thống điều khiển vị trí của robot Do đó

độ chính xác của quỹ đạo sẽ ảnh hưởng đến chất lượng di chuyển của robot

Thông thường, quỹ đạo ở dạng đa thức bậc cao sẽ đáp ứng được các yêu cầu về vị trí, tốc độ, gia tốc ở mỗi điểm giữa 2 đoạn di chuyển

Yêu cầu của thiết kế quỹ đạo là:

- Khâu chấp hành phải đảm bảo đi qua lần lượt các điểm trong không gian làm việc hoặc di chuyển theo một quỹ đạo xác định Quỹ đạo của robot phải là đường cong đảm bảo tính liên tục về vị trí trong một khoảng nhất định

- Không có bước nhảy về vận tốc và gia tốc

- Quỹ đạo thường là đường cong thông thường

Trên thực tế hiện nay có nhiều quỹ đạo là dạng đường cong dạng:

- Đa thức bậc 2: x(t) = a+ bt+ ct2

- Đa thưc bậc 3: x(t) = a+ bt+ ct2+ dt3

- Đa thức bậc cao: x(t) = a+ bt+ ct2+ dt3+ …+ ktn

Có hai kỹ thuật thiết kế quỹ đạo chính là:

- Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp: là bài toán thiết kế quỹ đạo cho robot

di chuyển từ điểm A đến điểm B mà không quan tâm đến các vị trí trung gian trong quãng đường AB mà robot đi qua

- Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác: là bài toán thiết kế quỹ đạo cho robot

di chuyển từ điểm A đến điểm B mà có xét đến các vị trí trung gian trong quãng đường AB mà robot đi qua

3.2 Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác

3.2.1 Bài toán tổng quát

Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot di chuyển từ điểm A(xa,ya,za) đến điểm B(xb,yb,zb) trong thời gian tc(s) sao cho quỹ đạo AB là một đường thẳng

Phương trình đường thẳng AB trong không gian có dạng:

Hình 3-1 Quỹ đạo với quy luật vận tốc hình thang

Khi robot là một thành phần của hệ thống, để tích hợp hoạt động của hệ thống, thời gian là yếu tố cần xác định trước, thời gian chuyển động tf và thời gian tăng tốc tc cần được xác định trước.Với các giá trị cho trước: tọa độ đầu qi , tọa độ cuối qf , tf, tc, từ đó

ta có thể tính được gia tốc 𝑞𝑐̈ dựa trên công thức tính độ dời dịch chuyển như sau:

2

1

; 0 2

2 1

( ) ; 2

Quỹ đạo được chia làm 3 phần:

- Phần 1: Khởi động với gia tốc không đổi đến điểm có vận tốc vmax

- Phần 2: Chuyển động tiếp với vận tốc không đổi vmax

- Phần 3: Về đích với gia tốc không đổi

Gia tốc tính dựa trên độ dời dịch chuyển theo trục x:

1 ( ) 380 20( ) 390 20 ;1 4

90 ; 0 1 90;1 4 90(5 ); 4 5

30 ; 0 1 30;1 4 30(5 ); 4 5

Mô phỏng bằng Matlab, ta được các đồ thị:

Hình 3-2 Quỹ đạo chuyển động điểm của công tác theo tọa độ x

Hình 3-3 Quỹ đạo chuyển động của điểm công tác theo tọa độ y

Hình 3-4 Quỹ đạo chuyển động của điểm công tác theo tọa độ z

Hình 3-5 Quỹ đạo chuyển động của điểm công tác trong không gian

Hình 3-6 Vận tốc của điểm công tác theo x

Hình 3-7 Vận tốc của điểm công tác theo y

Hình 3-8 Vận tốc của điểm công tác theo z

Áp dụng giải bài toán động học ngược, tìm được vị trí các biến khớp theo thời gian như sau:

Hình 3-9 Đồ thị vị trí biến khớp 1 theo thời gian

Hình 3-10 Đồ thị vị trí biến khớp 2 theo thời gian

Hình 3-11 Đồ thị vị trí biến khớp 3 theo thời gian

Giải bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển động là cơ sở cho quá trình mô phỏng động học robot ở các chương tiếp theo

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

4.1 Cơ sở lý thuyết

Áp dụng phương pháp điều khiển hỗn hợp trên cơ sở cấu trúc động lực học robot

Từ phương trình vi phân chuyển động của robot:

để nhận được hệ thống độc lập và tuyến tính; Bộ điều khiển thứ hai được thiết kế để cơ cấu tay robot bám theo quỹ đạo mong muốn và sinh lực cần thiết

Để có thể đáp ứng mục tiêu thiết kế, bộ điều khiền cần bao gồm một thành phần dựa trên mô hình và một thành phần dự trên phản hồi:

Đây là phương trình vi phân tuyến tính xác định lỗi giữa các quy đạo thực tế và mong muốn

Luật điều khiển mô-men bao gồm 2 thành phần được vưới lại dưới dạng:

Để hệ thống ổn định chọn Kv và Kp là các ma trận chéo Do vậy phương trình của luật điều khiển có thể viết riêng cho từng khớp:

0

e +kv e +kp e =

4.2 Mô phỏng trên phần mềm Matlab

Phương trình động lực học đã được xây dựng: