Đồ án môn học môn học thiết kế robot công nghiệp đề tài tính toán thiết kế rô bốt scara có khâu thao tác tịnh tiến rrrt

vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, đạo cụ, gá lắp,… theo nhữnghành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khácnhau.Định nghĩa t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CƠ KHÍ

Bộ môn: CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔN HỌC :THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Sinh viên :Nguyễn Văn Phiệt MSSV : K195520114120

Lớp: K55CĐT.01 Trần Văn Minh MSSV : K195520114116

Lớp: K55CĐT.01

Chuyên Ngành : Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn : THS NGUYỄN NGỌC HÀ

-ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔN HỌC: THIẾT KẾ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP

BỘ MÔN: CƠ ĐIỆN TỬ

Sinh viên: Nguyễn Văn Phiệt MSSV : K195520114120

Lớp: 55CĐT.01 Trần Văn Minh MSSV : K195520114116

Lớp 55CĐT.01 Chuyên ngành: Cơ điện tử

Ngày giao đề : 5/4/2022 Ngày hoàn thành : 19/6/2022

1.Tên đề tài: Tính toán thiết kế rô bốt Scara có khâu thao tác tịnh tiến RRRT.

(Mã số: HS-1540-054S)

2 Nội dung thuyết minh tính toán:

Nhiệm vụ đồ án bao gồm:

 Tổng quan về đối tượng thiết kế

 Giải quyết bài toán động học thuận, động học ngược

 Giải quyết bài toán lập trình quỹ đạo làm việc

 Mô phỏng động học quá trình làm việc

Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 20

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 20

MỤC LỤC

Contents

M C L CỤ Ụ

L I NÓI ĐẦẦUỜ

CH ƯƠNG 1:GI I THI U VỀẦ ROBOT CÔNG NGHI PỚ Ệ Ệ

1.1 T ng quan vềề Robot công nghi pổ ệ

1.2 Các khái ni m vềề robotệ

1.3 Phân lo i robot công nghi pạ ệ

1.4 ng d ng c a RobotỨ ụ ủ

1.5 T ng quan robot scara :ổ

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN Đ NG H C ROBOTỘ Ọ

2.1 Bài toán đ ng h c thu nộ ọ ậ

2.2 Bài toán đ ng h c ngh ch robot……….ộ ọ ị 2.2 Kếết lu n ậ

CHƯƠNG 3 : THIỀẾT KỀẾ QUỸỸ Đ O TRONG KHÔNG GIAN KH PẠ Ớ

3.1 C s n i suy quyỹ đ o trong không gian kh p ơ ở ộ ạ ớ

3.2 M t sôế câu l nh trong matlab ộ ệ

3.2.1Tính cho biềến kh p q1ớ

3.2.2 Đôề th s thay đ i c a các biềến kh p t i cái v trí theo th i gianị ự ổ ủ ớ ạ ị ờ

3.3 Kếết lu n ậ

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HOAT ĐỘNG CỦA ROBOT SCARA 4 BẬC TỰ DO… 4.1 Mô phỏng kết cấu robot Scara 4 bậc tự do………

4.1.1 Khâu th nhâết……… ứ 4.1.2 Khâu th hai……… ứ 4.1.3 Khâu th ba……… ứ 4.1.4 Khâu th t ……… ứ ư 4.1.2 Hoàn thi n robot …… ……… ệ 4.2 Mô ph ng chuy n đ ng c a robot ỏ ể ộ ủ ………

4.3 Kếết lu n ch ậ ươ ng………………

CHƯƠNG 5 : KỀẾT LU NẬ ………

TÀI LI U THAM KH O……… Ệ Ả

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay robot được dùng rộng rãi trong các nhà máy, được ứng dụng trong nhiềungành khoa học công nghệ ví dụ như trong kỹ thuật hàn, trong kỹ thuật gia công cơkhí, trong khoa học vũ trụ, đại dương và trong nhiều ngành khoa học khác Robot cóthể thay con người làm việc trong mọi điều kiện khắc nhiệt và những công việc đòi hỏi

độ chính xác cao Trong tương lai robot sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn trong đời sốnghàng ngày

Ở nước ta lĩnh vực robot đã được nghiên cứu ở các trường đại học và trong các việnnghiên cứu và đã đặt nên móng cho sự phát triển của ngành khoa học non trẻ này ởViệt Nam.Trong công nghiệp việt nam, robot cũng được ứng dụng trong các dâychuyền sản xuất của nhà máy nhằm nâng cao năng suất, hiệu quả lao động và chế tạocác sản phẩm có độ chính xác cao

Cùng với sự phát triển của khoa học, tin học và các ứng dụng của robot ngày càng trởnên quan trọng Máy tính được sử dụng như là một công cụ thay thế con người trongviệc tính toán các bài toán phức tạp Nó giúp chúng ta đưa ra kết quả nhanh và chínhxác Chương trình Maple là một trong những phần mềm tính toán mạnh và phổ biếngiúp chúng ta giải nhiều loại bài toán như: Bài toán phân tích, thống kê, bài toán cơhọc, bài toán nhiệt, bài toán điện kỹ thuật…Ngoài ra nó còn là một ngôn ngữ lập trìnhthông dịch khá mạnh giúp cho người kỹ sư tính toán các bài toán cơ học quen thuộcnhanh chóng và dễ dàng Được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy NGUYỄNNGỌC HÀ em đã chọn đề tài: “TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ RÔ BÔT SCARA CÓKHÂU THAO TÁC TỊNH TIẾN “

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

I Tổng quan về Robot công nghiệp

1.1 Lịch sử phát triển

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

I Tổng quan về Robot công nghiệp

Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau:

Từ những năm 1950 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên

Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran của công

1.2 Các khái niệm về Robot.

Định nghĩa về robot công nghiệp:

Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa nhưsau:

Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR ( Pháp ):

Robot công nghiệp là 1 cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại cácchuoưng trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả năng định

vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, đạo cụ, gá lắp,… theo nhữnghành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khácnhau.

Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) :

Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để dichuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chươngtrình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

Định nghĩa theo FOCT 25686-85( Nga):

Robot công nghiệp là một tay máy tự động, được đặt cố định hoặc di động ngược, liênkết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại

để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Có thể nói Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặctoàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoặt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năngthích nghi khác nhau

Robot công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt nhiều trục chuyển động,biểu thị cho số bậc tự do của chúng Robot công nghiệp được trang bị những bàn taymáy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quátrình công nghệ hoặc trực tiếp tham gia các nguyên công ( sơn, hàn , phun phủ, rót,kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy,…) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ ( tháolắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá,…) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển vàtrao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ trong một hệ thống máy tự động linhhoạt, được gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh vàthao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi

1.3 Cấu trúc chung của Robot công nghiệp

Một RBCN được cấu thành bởi các hệ thống sau:

 Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thànhcánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vábàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

 Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lựccủa các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kếthợp giữa chúng

 Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiếtkhác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thâncác cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

 Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát váđiều khiển hoạt động của robot.

Hình 1.1

1.4 Phân loại robot

Trong coong nghiệp robot rất phong phú và đa dạng, có thể phân loại theo các cáchsau:

- Phân loại theo kết cấu :

Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề cá, kiểu toạ

độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA như đã trình bày ởtrên

- Phân loại theo hệ thống truyền động :

có các dạng truyền động phổ biến là :

Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : DirectCurrent) hoặc các động cơ bước( step motor) Loại truyền động này dễ điềukhiển, kết cấu thu gọn

Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điềukiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh,tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lí khi điều khiển

Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngượcnhưung lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ này làm việc với côngsuất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt

động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản “nhấc lên-đặt xuống”( Pick and Place or PTP: Point To Point)

- Phân loại theo ứng dụng:

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot lắpráp, robot chuyển phôi,…

- Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển

Có robot điều khiển hở ( mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi),Robot điều khiển kín( hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi

để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển

Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đíchnghiên cứu

1.5 Ứng dụng của Robot

Ngày nay, chúng ta có thể thấy ứng dụng của robot có mặt hầu như ở mọi lĩnh vực,trong đó lĩnh vực công nghiệp chiếm đại đa số Ngoài ra còn nhiều lĩnh vực khác như

là quốc phòng, dân sinh, y tế cũng rất được quan tâm

Ứng dụng của robot trong công nghiệp đã có từ rất lâu với sự đa dạng về chủng loạicũng như công việc không chỉ là nâng, kéo, thả, mang vật nặng và phân loại, sắp xếpsản phẩm mà còn đảm nhận những công việc phức tạp như:

- Phục vụ máy CNC và các hệ thống tự động linh hoạt

- Một số hình ảnh Robot công Nghiệp:

Hình 1.2: Robot chuỗi

Hình 1.3: Robot song song

1.6 Tổng quan robot SCARA:

* Robot SCARA đời vào năm 1979, đây là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt sử

dụng nhiều trong việc lắp ráp các tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Robot Scarabao gồm hai khớp nối và hai cánh tay, trên hai khớp nối sẽ có hai động cơ để cung cấpmomen

- Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạocác chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoànthành thao tác trên đối tượng

- Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là nguồnđộng lực của các cơ cấu chấp hành

- Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cầnthiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái củabản thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng tháicủa môi trường

- Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiểnhoạt động của robot Kết cấu tay máy gắp sản phẩm

- Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của RBCN đó là thiết bịđảm bảo cho robot khả năng làm việc nâng hạ vật

- Ban đầu người ta chế tạo tay máy phỏng tay người, còn hiện nay tay máy rất đadạng và nhiều loại khác xa tay ng ời tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai,ƣcánh tay, cổ tay, bàn tay và khớp để chỉ các bộ phận của tay máy

∗ Trong thiết kế tay máy người ta quan tấn đến các thông số ảnh hưởng khả năng làmviệc:

- Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay

- Tầm với của vùng làm việc

- Khả năng định vị, định hướng phần công tác

∗ Một số hình ảnh robot Scara trong công nghiệp

Hình 1.4

Hình 1.5

Hình 1.6

ỨNG DỤNG:

- Scara robot là một trong những loại robot công nghiệp mang tính ứng dụng caonhất hiện nay Chuyển động tay máy của Scara giúp nó có khả năng gắp đặt vậtliệu hoàn hảo Vì vậy, nó được ứng dụng nhiều nhất trong những dây chuyền sảnxuất có công đoạn công việc này Hơn nữa, nó cũng được sử dụng cho các côngviệc liên quan đến hàn xì, lái vít, lắp ráp, phân phối keo, hàn tải và đỡ, xếp chồng

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT

Trong chương này nghiên cứu giải quyết Động học tay máy ta phải giải quyết hai bài toán Động học thuận và Động học ngược tay máy

2.1 Bài toán động học thuận

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

2.1.1 Phương pháp Denavit- Hartenberg

Trục tọa độ zi trùng với trục quay của khớp (i + 1), gốc trùng với chân củađường vuông góc chung giữa trục quay khớp (i) và trục quay khớp (i+1), trục xcủa nó trùng với đường vuông góc chung và hướng từ trục (i-1) tới trục (i), trục

y tự xác định theo quy tắc bàn tay phải

- Trục tọa độ zi-1 trùng với trục quay của khớp (i), trục x trùng phương đườngvuông góc chung giữa trục (i-1) và khớp (i), chiều dương hướng từ trục (i-1) tớikhớp (i) Trục y tự xác định theo quy tắc bàn tay phải

- Quy ước các góc và khoảng cách trên lược đồ như sau: i a là khoảng cách giữahai khớp theo phương đường vuông góc chung di là khoảng cách giữa giaođiểm của hai đường vuông góc chung với trục quay, tính theo phương của đườngvuông góc chung i là góc quay quanh trục xi để zi-1 đến trùng với zi i là góc quay quanh trục zi-1 để xi-1 đến trùng với xi

Hình 2.0

- Quy ước các góc và khoảng cách trên lược đồ như sau:

ai là khoảng cách giữa hai khớp theo phương đường vuông góc chung

d là khoảng cách giữa giao điểm của hai đường vuông góc chung với trục quay,itính theo phương của đường vuông góc chung

là góc quay quanh trục x để z đến trùng với z i i i-1 i

i là góc quay quanh trục z để x đến trùng với x i-1 i-1 i

2.1.1.2: Thiết kế bài toán

Cho biết giá trị của các biến khớp q xác đinj vị trí của và hướng tay kẹp của robot.i, Xác định ma trận:

2.1.1.3: Đặt các hệ trục tọa độ.

- Chọn O0x y 0 0z0 làm hệ cơ sở gốc

+ Tâm O trùng với tâm khớp 1.0

+ z trùng với trục khớp 1, chiều tùy ý.0

+ x tùy chọn, miễn là x vuông góc với z 0 0 0

+ y được chọn sao cho hệ tạo thành một tam diện thuận.0

- Hệ trục tọa độ Oix y i izi :

+ z đặt tại khớp tiếp theo tương tự zi 0.

+ x là đường vuông góc chung nhỏ nhất nối từ z đến z (chiều từ z đến zi i-1 i i-1 i ).+ O là giao điểm của x và zi i i.

+ y xác định theo quy tắc bàn tay phải.i

- Hệ trục tọa độ đặt tại khâu tác động cuối Onx y zn n n

+ O trùng với điểm P.n

+ y nằm trong mặt phẳng kẹp, vuông góc với phương kẹp,chiều tùy ý.n

+ z (hoặc x ) hướng tới đối tượng.n i

+ trục còn lại là x (hoặc z ): vuông góc với mặt phẳng kẹp, chiều đảm bảo hệ tạo thànhn nmột 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 O về trùng với hệ tọa độ O i i+1+ R(z,α) là phép quay quanh trục z một góc αđể đưa trục tọa độ x về trùng với x i i i+1+ T là phép tịnh tiến theo phương z một lượng d để 2 hệ tọa độ O và O có cùng(z,d) i i+1cao độ

+ T(x,a) là phép tịnh tiến theo phương x một lượng a để hệ tọa độ O về trùng với Oi+1 i i+1

+ R(x,α) là phép quay quanh trục x một góc βđể đưa trục tọa độ z về trùng với z i+1 i i+1

Hình 2.1

Hình 2.2 Mô hình hoá robot Scara 4 bậc tự do từ hình 2.1

Lập bảng D-H

Bảng 2.0: Bảng thông số D-H của robot

2.1.1.4 Động học thuận về vị trí của robot

Như vậy hệ trục thứ i sẽ mô tả ma trận vị trí và hướng so với hệ trục thứ i-1 thông quaphép biến đổi tọa độ thuần nhất DH như sau:

i 1

i

cos( ) sin( ).cos( ) sin( ).sin( ) cos( )

sin( ) cos( ).cos( ) cos( ).sin( ) sin( )

A

a a d

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

-Ma trận chuyển đổi hệ toạ độ từ khâu 2 sang khâu 1:

- Ma trận chuyển đổi hệ toạ độ từ khâu 3 sang khâu 2:

- Ma trận chuyển đổi hệ toạ độ từ khâu 4 sang khâu 3:

-Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 0 A n biểu diễn trạng thái khâu thao tác có thể xácđịnh từ cấu trúc động học robot 0 A n có thể nhận được bằng cách nhân liên tiếp các matrận biến đổi tọa độ thuần nhất tương ứng với các phép dịch chuyển hệ tọa độ từ hệtrục cố định tới hệ trục tọa độ gắn với khâu thao tác:

Từ đó ta xác định được vị trí và hướng của khâu gốc với khâu cuối hệ tọa độ: =0 A A A A 1 2 3

A4= [ cos(q4) -sin(q4) 0 0; sin(q4) cos(q4) 0 0;0 0 1 d4; 0 0 0 1];

T=A1*A2*A3*A4;

T= simplify(T)

 Kết quả ma trận T sau khi nhân matlab:

T =[cos(q1 + q2 - q3 - q4), sin(q1 + q2 - q3 - q4), 0, a2*cos(q1 + q2) + a1*cos(q1)][sin(q1 + q2 - q3 - q4), -cos(q1 + q2 - q3 - q4), 0, a2*sin(q1 + q2) + a1*sin(q1)]

2.2.1 Chức năng bài toán động học ngược

Bài toán thuận động học nhằm xác định định vị và định hướng của phần công táckhi cho trước các biến khớp Bài toán ngược cho trước vị trí và định hướng của khâutác động sau cùng đòi hỏi phải xác định bộ thông số tọa độ suy rộng để đảm bảochuyển động cho trước của phần công tác

Đối với tay máy có kết cấu dạng chuỗi động hở, nếu cho trước bộ thông số biếnkhớp thì vị trí và định hướng của phần công tác xác định duy nhất, điều này khôngđúng với các tay máy có cấu trúc dạng chuỗi động kín

Đối với các tay máy dạng chuỗi động hở, ứng với một bộ thông số mô tả định vị vàđịnh 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, siêu việt, thường khôngcho lời giải đúng;

- Có thể gặp nghiệm vô định vì có các liên kết thừa giống kiểu kết cấu siêu tĩnh;

- Có thể có lời giải toán học, song lời giải này không chấp nhận được về mặt vật lí docác yếu tố về 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 nghiệmtoán học lại càng nhiều, khi đó để chọn được nghiệm điều khiển đòi hỏi phải loại bỏcác 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, cho đếnnay không có phương pháp tổng quát nào có thể áp dụng cho tất cả các robot.

2.2.2 Đặt bài toán:

Cho vị trí và hướng của bàn kẹp tức là biết ma trận TE Cần phải xác định các biếnkhớp αi (i=1 4) theo vị trí và hướng bàn kẹp

2.2.3 Phương pháp giải bài toán

- Input: Ma trận T là tích các ma trận thành phần đã giải được ở phần trên Bài toánđộng học thuận

T=

Trong ma trận T ta có:

Robot SCARA có 4 bậc tự do nên sẽ chọn 3 phương trình về vị trí px, py, pz và 1 phương trình về hướng ta chọn Nx Vì chọn Nx =Cos(x0,x4) nên có thể định hướng tay kẹp trong không gian

Ma trận A là tọa độ thực đã biết

- Output: Kết quả của biến khớp qi ( i = 1,2,3)

Nội dung của bài toán động học thuận là cho biết chuyển động của các tọa độ cáckhớp, ta cần xác định chuyển động của các tọa độ khâu thao tác

Để giải quyết được bài toán động học ngược robot gắp vật 4 bậc tự do, ta sẽ dùng

phần mềm EXCEL, cụ thể hơn là gói công cụ Solver trong phần mềm đó.

Ngược lại trong bài toán động học ngược, cho biết chuyển động của các tọa độthao tác, ta cần xác định chuyển động của các tọa độ khớp Các phương pháp giải bàitoán

dộng học ngược được phân thành hai nhóm: các phương pháp giải tích và các phươngpháp số Để giải quyết được bài toán động học ngược robot phương pháp số ưu việthơn về tính gần đúng và thời gian tính nhanh

Thông số đầu vào

 Sử dụng pháp số GRG Nonlinear để giải bài toán:

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

Bài toán cần giải động học ngược của cơ cấu là: cho biết vị trí tay kẹp so vớicác khớp q q … để xử lý bài toàn ta cần xử dụng tới excel Với các giá trị ta có như1 2 sau Từ ma trận và ta được hệ phương trình động học nghịch :

Biểu thức của 4 phương trình Px,Py,Pz,Nx là kết quả của bài toán động học thuận(phần 2.1)

T=

Từ ma trận T và T ta được hệ phương trình động học nghịch :e

Chúng ta đi tìm Min (L) 0 với L =

Với a , a , a , a là các tọa độ thực đã biết xác định tọa độ 6 điểm trên quỹ đạo11 14 24 34chuyển động của Robot được mô phỏng trên AutoCad :

Hình 2.2 : quỹ đạo chuyển động tay máy trong autocad P1->P6

Bảng 2.1 : Toạ độ vị trí 12 điểm gắp của tay kẹp

2.2.4 Giải phương trình bằng exel

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

 Dữ liệu về độ dài các khâu: (Tại từng toạ độ sẽ thay đổi)

 Dữ liệu về Vì robot có 4 bậc tự do nên ta chỉ cần lấy 4 phương trình, Biểuthức của 4 phương trình Px,Py,Pz,Nx là kết quả của bài toán động học thuận(phần 2.1)

 Tạo hàm Px, Py, Pz, Nx “=” biểu thức Px,Py,Pz,Nx kết quả của bài toán độnghọc thuận

 Tạo hàm L1, L2, L3, L4, Lmin

Bước 2 :Dùng công cụ Solver tính Min (L) 0 với L =

Bước 3: Dùng công cụ Solver tìm biến khớp

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

 Thiết lập solver Parameters

-Click chuột vào Options để thiết lập tiếp

 Thiết lập Tab All Methods

 Thiết lập Tab GRG Nonlinear

 Thiết lập Tab Evolutionary

Kết thúc ta nhấn OK

Và nhấn Solver, kết quả của các biến khớp sẽ hiện ra như sau:

 Nhập lần lượt tọa độ a14,a24,a34,a11 của 6 điểm bằng công cụ Solver tính đượccác giá trị q1,q2,q3 tương ứng:

P1 1.50631E-0.6 1.089372167 2.4391228 -1.18501374 0 1400P2 8.34371E-0.5 1.06516804 2.327220861 -1.18501697 0 1170.3899P3 9.53E-07 1.048635393 2.022346691 -1.60767231 0 975.7359P4 4.58E-07 1.111851648 1.547598182 -2.07719269 0 845.6723P5 4.01E-06 1.310927181 0.799599761 -2.61839381 0 800P6 4.01E-06 1.310927181 0.799599761 -2.61839381 0 1130



2.2 Kết luận

Sau khi hoàn thành bài toán động học cho robot Scara, 4 bậc tự do, ta đã biết nộidung nghiên cứu động học của robot là việc tìm ra quan hệ chuyển động của các khâugồm 2 bài toán là: Bài toán động học thuận và bài toán động học ngược Nhờ các phầnmềm hỗ trợ thông dụng và hữu ích như : MatLab và phương pháp GRG thực hiện trênExcel mà ta có thể giải được bài toán yêu cầu về vị trí của điểm tác động cuối vàhướng của khâu cuối, vân tốc và gia tốc của khâu bất kì trong không gian, vị trí taykẹp , phạm vi hoạt động của robot Scara gặp hàng trong xưởng

CHƯƠNG 3: QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT

Quỹ đạo là vấn đề chung trong điều khiển robot, vì để hoàn thành nhiệm vụ cụ thể củamình thì trước hết phần công tác phải di chuyển theo đúng quỹ đạo xác định Nói cáchkhác, quỹ đạo là yếu tố cơ bản để mô tả hoạt động của robot Việc thiết kế quỹ đạocung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển nên cũng là cơ sở trực tiếp cho việcđiều khiển [1]

Thuật ngữ quỹ đạo chuyển động hay gọi tắt là quỹ đạo bao gồm cả yếu tố hình học củađường dịch chuyển lẫn yếu tố thời gian thực hiện chuyển động đó như vận tốc, gia tốc

Vì vậy bài toán thiết kế quỹ đạo liên quan đến các vấn đề động học và động lực học.Các yếu tố đầu vào của bài toán bao gồm đường dịch chuyển và các điều kiện ràngbuộc về động học và động lực học Các yếu tố đầu ra là quỹ đạo của phần công tác [1].Nói chung, mô tả chính xác đường dịch chuyển là rất khó khăn Người ta giảm bớt cáctham số bằng cách quy định các điểm biên của vùng hoạt động, thêm các điểm trunggian mà đường phải đi qua, sau đó xấp xỉ (nội suy) bằng các đường đơn giản Tương

tự như vậy, yếu tố thời gian của quỹ đạo không thể xác định cho từng điểm mà thườngquy định cho cả đoạn đường Chúng cũng thường được quy định bằng các giá trị giới

hạn như vận tốc cho phép, hay gia tốc cho phép hoặc gán bằng các giá trị mặc định.Bài toán thiết kế quỹ đạo được đặt ra trong cả không gian khớp lẫn vùng hoạt động.Các ràng buộc về đường dịch chuyển thuần túy các yếu tố hình học thường đựơc mô tảtrong vùng hoạt động Ngược lại lực chuyển động của hệ thống thường xuất phát từcác khớp, nên việc điều khiển các động cơ dẫn động đòi hỏi xác định quy luật biếnthiên theo thời gian của các biến khớp, việc này thực hiện trong không gian khớp [1].Trong thiết kế quỹ đạo của robot thường phải đảm bảo yêu cầu sau đây:

- Khâu chấp hành cuối của robot phải đảm bảo lần lượt đi qua các điểm trongkhông gian hoặc di chuyển theo một quỹ đạo theo một trình tự nhất định , doyêu cầu công nghệ đặt ra

- Quỹ đạo của robot phải là những đường cong đảm bảo tính liên tục về vị trítrong một khoảng thời gian nhất định

- Không gian có các bước nhảy hay đột biến về vận tốc và gia tốc và phải thỏamãn các yếu tố động học như giá trị vận tốc và gia tốc

Quỹ đạo robot thường chọn là những đường cong thông thường, đơn giản Ở bài toánnày sử dụng

- đường cong biểu diễn dưới dạng hàm bậc 3:

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

 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: