Tiểu luận Mô hình hóa Robot và hệ Cơ điện tử -đề 28

Phương pháp mô hình hoá được ứng dụng rộng rãi trong mội lĩnh vực khoa học: từ khoa học tự nhiên đến khoa học xã hội, khoa học quản lí, từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các

LỜI NểI ĐẦU

ở Việt Nam, ngành công nghiệp cơ khí mới chỉ bắt đầu trong thời kỳ kháng chiến chống pháp Ban đầu chỉ là cơ khí vạn năng, chế tạo ra những chi tiết với chất l ợng thấp, giá thành cao Nhng ngày nay với sự phát triển nh vũ bão của khoa học và công nghệ, Cơ khí Việt nam cũng đợc thổi một luồng sinh khí mới Đảng ta chủ trơng xây dựng một nền kinh tế tri thức, trong đó Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đợc coi là nhiệm vụ then chốt để đa Việt nam cơ bản trở thành nớc công nghiệp vào năm 2020

Muốn làm đợc điều đó chúng ta phải cơ khí hóa nền sản xuất công nghiệp trong đó việc tự động hóa cũng đợc coi trọng Các ngành chế tạo, đóng tàu, dầu khí, lắp máy, cơ khí năng lợng, cơ khí mỏ đợc phát triển mạnh mẽ Ngoài các phơng pháp gia công và lắp ráp thuyền thống các phơng pháp gia công và lắp ráp tiên tiến có năng suất và chất lợng cao

đang đợc nhiều cơ sở sản xuất ứng dụng Nhu cầu của thị trờng cạnh tranh luôn luôn đòi hỏi các nhà sản xuất phải thay đổi mẫu mã, kích cỡ và thờng xuyên cải tiến và nâng cao chất l- ợng sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động.

Nh vậy sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một vấn đề thời sự là phải có hệ thống sản xuất thay đổi linh hoạt đợc để có thể đáp ứng đợc với sự biến đổi thờng xuyên của thị trờng hàng hoá cạnh tranh Robot công nghiệp là một bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những hệ thống tự động sản xuất linh hoạt đó

Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, robot công nghệp đã có một lịch sử phát triển mạnh mẽ Ngày nay Robot công nghiệp đã đợc dùng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản xuất nh: Tháo lắp các dụng cụ cho các trung tâm gia công CNC, hàn, lắp giáp các linh kiện điện tử, cấp phát phôi, nghiên cứu, dạy học, giúp việc trong gia đình Điều đó xuất phát từ những u

điểm cơ bản của các loại robot đã đợc chọn lựa và đúc kết qua nhiều năm ứng dụng ở nhiều nớc

ở nớc ta hiện nay đã có nhiều trờng đại học, cao đẳng đã bắt đầu giảng dạng về robot công nghệp Hiện tại em mới đi làm, công viêc đôi lúc cũng đợc tiếp xúc với các loại Robot Xong do thời gian đi học cũng cha tìm hiểu đợc nhiều nên cũng còn nhều bỡ ngỡ Em hi vọng rằng một thời gian không xa em hiểu kỹ hơn về Robot Qua đó không chỉ dừng lại ở việc mô hình hóa mà có thể làm chủ đợc các hệ thống điều khiển, hệ thống cơ khí của Robot.

Đây là lĩnh vực mới cần có nhiều thời gian tìm hiểu Xong do đặc thù công việc của mỗi ngành mỗi nghề, nên việc tìm hiểu không thể diễn ra trong ngày một ngày hai, mà nó còn

đòi hỏi phải có chuyên môn và phải có sự đam mê và tâm huyết thì mới có thể thành công trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo robot

Do thời gian học tập và tìm hiểu có hạn chắc chắn còn có nhiều thiếu xót Rất mong

đợc sự giúp đỡ và chỉ dẫn của Thầy để em có thể hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 02 năm 2012

Học viên

Nguyễn Xuân Trờng

Cho Robot như hỡnh vẽ ở đề bài.

làm cho thế giới trở nên nhỏ bé.

Các nhà sản xuất phải đối mặt với sự cạnh tranh ngày càng khốc liệt trong việc đáp ứng yêu cầu của thị trường tiêu dùng mà các chỉ tiêu chủ yếu là chất lượng cao, giá thành rẻ, dịch vụ tốt và tuỳ biến nhanh.

Con đường để giành chiến thắng trong cuộc cạnh tranh trước hết là làm chủ khoa học công nghệ mà một trong những lĩnh vực then chốt của nền sản xuất chế tạo

là cơ khí và cơ điện tử.

Phương pháp nghiên cứu khoa học giúp cho việc tiếp thu, làm chủ kiến thức và

chuyển giao công nghệ một cách nhanh chóng và hiệu quả là phương pháp mô hình hoá.

Phương pháp mô hình hoá được ứng dụng rộng rãi trong mội lĩnh vực khoa học:

từ khoa học tự nhiên đến khoa học xã hội, khoa học quản lí, từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các thiết bị, hệ thống, từ việc lựa chọn giải pháp công nghệ mới đến việc tối ưu hoá nâng cao chất lượng sản phẩm Mô hình hoá là một phương pháp nghiên cứu khoa học ngày càng phát triển, mở rộng Trong cơ khí và cơ điện tử, mô hình hoá là phương pháp nghiên cứu không thể thiếu, vừa tạo ra mô hình biểu diễn các thiết bị, hệ thống, các quá trình, vừa là công cụ ngôn ngữ trao đổi, truyền đạt, chuyển giao công nghệ.

Ngày nay, các sản phẩm, thiết bị, quá trình, hệ thống cơ khí và cơ điện tử là sự tích hợp từ nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ: cơ khí chế tạo máy, điện, điện tử, công nghệ thông tin, và có thể tích hợp cả những lĩnh vực khoa học công nghệ khác như công nghệ sinh học, … Việc nghiên cứu các đối tượng này đòi hỏi tư duy tổng thể và

hệ thống Phương pháp mô hình hoá với sự trợ giúp của máy tính tạo thuận lợi cho việc xây dựng mô hình và mô phỏng hoạt động của các đối tượng một cách nhanh chóng, trực quan và linh hoạt hiệu chỉnh, hoặc thay đổi.

B-Các thành phần trong quá trình mô hình hoá:

a- Đối tượng: Các thành phần, bộ phận với các chức năng khác nhau để tạo nên Robot Motoman UP20

b-Mục tiêu của mô hình hóa:

-Làm thực tế hóa các ý tưởng -Đưa ra cơ sở chung cho việc trao đổi thông tin về đối tượng nghiên cứu -Mô tả đối tượng dễ dàng, đơn giản

-Hỗ trợ và tạo điều kiện nắm bắt các vấn đề về đối tượng -So sánh các lời giải nhanh chóng, dễ dàng, thuận lợi.

-Cho phép dự đoán các đặc tính liên quan đến đối tượng nghiên cứu, khả năng ứng xử, tính năng đặc trưng, ưu điểm, nhược điểm, khả năng khắc phục

-Cho phép thực hiện nghiên cứu khi không thể thực hiện trên đối tượng thực.

c-Điều khiển quá trình:

-Phương pháp: Dựa trên các kết quả tính toán về động học, động lực học

ta xây dựng nên mô hình Robot cho phù hợp với yêu cầu.

-Công cụ: các công trình nghiên cứu, tính toán về động học cũng như động lực học của Robot công nghiệp, các phần mềm mô phỏng chuyên dụng

-Phản hồi: các kết quả đầu ra sẽ được so sánh với yêu cầu đặt ra ban đầu,

từ đó ta điều chỉnh lại thiết kế để có được kết quả như ý muốn.

d-Tích hợp:

Sau khi có các phương pháp, công cụ cũng như quá trình phản hồi thích hợp, ta tiến hành tích hợp chúng lại thành một quá trình thống nhất để dần dần từng bước xây dựng được mô hình của Robot công nghiệp Motoman UP20 Ví

dụ như trong trường hợp này, để xác định quy luật chuyển động các khâu của Robot Motoman UP20 thì ta cần mô hình cơ học tích hợp với mô hình toán học

để giải ra kết quả bài toán động học, động lực học, xác định quy luật chuyển động của các khâu của Robot theo quy luật chuyển động của điểm đầu robot e-Kết quả mô hình hóa:

Sau khi phân tích, tính toán và xác định được các thành phần trong quá trình mô hình hóa ta thu được kết quả Dựa trên kết quả thu được ta có thể đánh giá ưu nhược điểm và tính khả thi của đối tượng Từ đó đưa ra các quyết định trong việc đầu tư hay chế tạo.

2- Những khó khăn khi nghiên cứu trên hệ thực:

*Phát triển khả năng công nghệ của thiết bị:

Với một hệ thực đã có sẵn thì việc phát triển khả năng công nghệ của thiết bị sẽ rất khó khăn Vì với một hệ đã có sẵn thì thiết kế đã cố định Việc phát triển của thiết bị phụ thuộc vào thiết kế có cho phép mở rộng không và khả năng mở rộng như thế nào Và việc mở rộng khả năng công nghệ sẽ ảnh hưởng như thế nào tới thiết bị.

* Sự cần thiết phải sử dụng phương pháp mô hình hoá:

-Sử dụng phương pháp mô hình hoá giúp chúng ta linh hoạt hơn trong khi thiết kế Việc thiết kế, tính toán và mô phỏng giúp ta tránh được những lỗi có thể xảy ra Trong quá trính tính toán, mô phỏng ta có thể thay đổi các tham số, cũng như chương trình để tìm ra được thiết kế tối ưu.

-Cũng như vậy, việc chế tạo cũng ít tốn kém hơn Vì kích thước của mô hình phù hợp cho nghiên cứu và khảo sát.

-Có tính phát triển khả năng công nghệ

-Ưu điểm và thuận lợi của phương pháp mô hình hoá: tính linh hoạt trong thiết kế, tiết kiệm thời gian, chi phí để chế tạo mô hình cho việc nghiên cứu và khảo sát trước khi tiến hành xây dựng mô hình thực thông qua mô phỏng các hệ thống phức tạp, cồng kềnh …

-Với những thiết bị, hệ thống mới sáng chế, phát minh thì việc sử dụng

mô hình hoá là điều kiện tiên quyết không thể thiếu.

3 Các bước khi áp dụng phương pháp mô hình hóa để xây dựng cấu trúc động học của robot như hình đã cho:

Dựa trên sơ đồ trên, ta đưa ra sơ đồ động học cho việc nghiên cứu và khảo sát

Câu 2 Thực hiện quá trình mô hình hóa để xây dựng mô hình nghiên cứu:

- Xây dựng sơ đồ động học và cho các tham số động học bằng các giá trị số

- Thiết lập các hệ tọa độ động học.

- Xác định hệ toạ độ R0 : Ta chọn trục z0 và z1 trùng với các trục khớp động 1 và trục khớp động 2tương ứng, chiều như hình vẽ Chọn trục x0 nằm trên đường trục của khâu 1, hướng từ khớp động 1sang khớp động 2 như hình vẽ Gốc của hệ toạ độ R0 là giao của trục x0 và trục z0, nằm tại tâm củatrục khớp động 1 Theo qui tắc bàn tay phải, ta dễ dàng xác định được trục y0 để cho hệ toạ độ R0 làmột tam diện thuận

- Xác định hệ toạ độ R1: Ta chọn trục x1 nằm trên trục khâu 2 (trục z0 cắt và vuông góc z1), hướngnhư hình vẽ Gốc của hệ toạ độ R1 là giao của hai trục z1 và x1, nằm tại tâm khớp động 2 Xác địnhtrục y1 theo qui tắc bàn tay phải để hệ toạ độ R1 là một tam diện thuận

- Xác định hệ toạ độ R2 : ta có thể chọn trục x2 nằm trên trục khâu 3, có hướng như hình vẽ Ta chọntrục x2 như hình vẽ (trục z1 cắt và vuông góc z2) Gốc của hệ toạ độ R2 là giao của hai trục z2 và x2.Xác định trục y2 theo qui tắc bàn tay phải để hệ toạ độ R2 là một tam diện thuận

- Xác định hệ toạ độ R3 : Ta chọn hệ trục x3, z3, y3 như hình vẽ Gốc của hệ toạ độ R3 là giao của haitrục z3 và x3

- Tính các ma trận truyền Denavit-Hartenberg.

Chọn toạ độ suy rộng như sau

q q

q1 2 3

3 2



Khâu i di ai i Biến khớp Loại khớp

010

00

00

1

1 1

1 1

d

C S

S C

0 1 0 0

0

0

2 2 2

2

2 2 2

2

a S C

S

a C S

0 1 0 0

0

0

3 3 3

3

3 3 3

3

a S C

S

a C S

010

00

00

1

1 1

1 1

d

C S

S C

010

00

00

1

1 1

1 1

d

C S

S C

0 1 0 0

0

0

2 2 2

2

2 2 2

2

a S C

S

a C S

C

12

12

12

12

12

12

12

12

12

12

1

1 2 2 2

2

2 1 2 12 2 1

12 2

1 2

1 12

12 2 2 1 2 1

2 1 12 12

2

1

d a S C

S

S a S

a C

C C

S S

C a C

a S

S S

C C

00

12

12

12

12

12

12

12

12

12

12

1

1 2 2 2

2

2 1 2 12 2 1

12 2

1 2

1 12

12 2 2 1 2 1

2 1 12 12

2 1

d a S C

S

S a S

a C

C C

S S

C a C

a S

S S

C C

0

0

0 1

3

3 3 3

3

a S C

S

a C S

C

- Thiết lập phương trình động học của robot.

Hệ phương trình động học của robot

3

3

ossin0

x y

z

a a a

x y

z

P a c

P a P

- Hãy cho vị trí của khâu thao tác, tính động học ngược robot để xác định quy

luật chuyển động của các khâu và mô phỏng số

* Vị trí của khâu thao tác (bàn kẹp) trong hệ toạ độ R0 được xác định bởi vị trí của điểm định

vị P (điểm tác động cuối) và hướng của khâu thao tác

x(q) =  

 

P Φ

p z z z

p y y y

p x x x

z a s n

y a s n

x a s n

Đồng nhất với D3 ở phần trên ta sẽ xác định được các yếu tố sau:

Véc tơ pháp tuyến của bàn kẹp (normal vector):

12 2

1

2

1 2

1 2

1

S

S S

C C

n n n

z y x

Véc tơ trượt của bàn kẹp (sliding vector):

1

C S s

s s

z y x

Véc tơ tiếp cận của bàn kẹp (approach vector):

1

2 1 12

2

1 2

1 2 1

C

C C

S S

a a a

z y x

a) Vị trí điểm định vị P của bàn kẹp

b) Xác định hướng của bàn kẹp

Ta ký hiệu Φ =  T





 là véc tơ xác định hướng của bàn kẹp Gọi e(a) là véc tơ đơn

vị trên véc tơ tiếp cận của bàn kẹp Ở đây, ta lấy e(a)= a =

T

C C C

1 ( ) 2

Trong đó exp(q3/π ) được gọi là hệ số phục vụ Như vậy hệ số phục vụ chính là độ lớn của

véc tơ Φ Vậy hướng của bàn kẹp được xác định như sau:

Như vậy, vị trí (trạng thái) bàn kẹp có dạng:

Sau đây ta sẽ tiến hành mô phỏng số cho trường hợp các biến khớp thay đổi theo qui luật sau:

q10 = 5 ; q20 = 7; q30 = 2; ω = 5.π/6, (xét trong khoảng thời gian T = 6 s)

5 ,

10 1

4 ,

20 2





35 ,

30 3

zp = 0.3500000000 sin( 9 C 5.900000000 sin( 2 t ) )

C 0.5000000000 C 0.4000000000 sin( 7

C 4.900000000 sin( 2 t ) )

vz = 2.065000000 cos ( K 9 K 5.900000000 sin(2 t ) C 2 t )

C 2.065000000 cos (9 C 5.900000000 sin( 2 t ) C 2 t )

C 1.960000000 cos (K 7 K 4.900000000 sin( 2 t ) C 2 t )

C 1.960000000 cos (7 C 4.900000000 sin( 2 t ) C 2 t )

Đồ thị quỹ đạo bàn kẹp

* Tính động học ngược robot để xác định quy luật chuyển động của các khâu và mô phỏngbằng số

y3

x3

z3

θ3

- Mô hình toán học: được đưa ra sau quá trình phân tích, tính toán từ mô hình vật lý.

- Mô hình toán học: mô tả vị trí của điểm tác động cuối

p z z z

p y y y

p x x x

z a s n

y a s n

x a s n

pz = d1

- Mô phỏng số: việc mô phỏng ảo đối tượng sau khi được mô hình hoá vật lý và toán học Sửdụng các phần mềm mô phỏng như Matlap, Maple … để tính bài toán động học (bài toán vị trí), bàitoán động lực học (bài toán vận tốc, gia tốc, lực …)

- Mô phỏng hoạt động: được thực hiện khi khảo sát, thiết kế và chế tạo robot Khi đó ta phải

mô phỏng hoạt động (mô phỏng hình ảnh) của robot để tối ưu hóa cấu trúc