Tiểu luận Môn học MÔ HÌNH HÓA ROBOT VÀ HỆ CƠ ĐIỆN TỬ

Môn học MÔ HÌNH HÓA ROBOT VÀ HỆ CƠ ĐIỆN TỬ đã phần nào giúp tahiểu được vai trò của robot, tính ứng dụng của nó trong các ngành công nghiệp hiệnđại cũng như phương pháp xây dựng và phát

LỜI NÓI ĐẦU

Khi nói tới khái niệm “tính linh hoạt” trong sản xuất, chúng ta không thể khôngnhắc đến robot Nhờ các hệ thống thị giác máy, các bộ điều khiển khả trình và thiết bịtay cuối mà robot có thể thực hiện được rất nhiều các tác vụ lặp đi lặp lại trong cácnhà máy, các khu công nghiệp Các robot hiện đại ngày nay có tính năng điều khiểnlực khá đa dạng và chính xác, nó cho phép tạo ra một độ linh hoạt cao có thể dùngtrong các ứng dụng phức tạp như lắp ráp hay điều khiển một hệ thống truyền lực Bêncạnh đó, robot còn được hỗ trợ các kiến trúc mở với khả năng tích hợp trên nề các bộPLC và khả năng mô phỏng offline từ các PC Với những tính năng đó, robot hoàntoàn có thể bảo đảm được tính linh hoạt trong nhà máy sản xuất Trong tương lai, tínhnăng của các robot sẽ còn được đẩy mạnh phát triển hơn nữa và robot sẽ giữ vai tròchủ đạo, quan trọng nhất đối với sản xuất linh hoạt

Môn học MÔ HÌNH HÓA ROBOT VÀ HỆ CƠ ĐIỆN TỬ đã phần nào giúp tahiểu được vai trò của robot, tính ứng dụng của nó trong các ngành công nghiệp hiệnđại cũng như phương pháp xây dựng và phát triển một robot hoàn chỉnh

Với đề tài nhận được cùng với sự giúp đỡ về kiến thức của thầy giáo em đã côgắng xây dựng mô hình robot theo các bước, tuy nhiên không thể tránh được nhữngsai sót nhất định Em mong nhận được sự đóng góp của thấy giáo để bài tiểu luậnthêm hoàn thiện

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viênNguyễn Thị Kiều Hương

Cho mô hình robot như hình vẽ:

Câu 1:

1 Hãy phân tích và xác định các thành phần trong quá trình mô hình hóa để nghiên cứu động học, động lực học robot: Đối tượng, mục tiêu, điều khiển quá trình,tích hợp, kết quả mô hình hóa

2 Hãy phân tích những khó khăn khi nghiên cứu trên hệ thực (để thiết

kế, chế tạo robot); chỉ ra sự cần thiết phải sử dụng phương pháp mô hình hóa vànhững ưu điểm, thuận lợi

3 Hãy trình bày các bước khi áp dụng phương pháp mô hình hóa để xây

dựng cấu trúc động học của robot như hình vẽ

Câu 2:

Mô hình robot đã cho được xem như là một đối tượng để nghiên cứu thiết kếchế tạo robot này

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 khảo sát

- Tính các mâ trận truyền Denavit – Hartenberg

- Thiết lập phương trình động của robot

luật chuyển động của ccs khâu mô phỏng bằng số.

BÀI LÀM Câu 1:

1.1 Mục tiêu:

- Qua các thông tin đầu vào thì ta sẽ xác định được sơ bộ được những yếu tố cần thiết, quan trọng cho việc làm thực tế hoá ý tưởng

- Đưa ra cơ sở chung cho việc trao đổi thông tin về robot nghiên cứu

- Mô tả robot dễ dàng, đơn giản : số bậc tự do, số khâu, số khớp …

- Hỗ trợ và tại điều kiện nắm bắt các vấn đề về robot

- So sánh các lời giải nhanh chóng, dễ dàng, thuận lợi

- Dự đoán các đặc tính liên quan đến robot : tính năng đặc trưng (hàn, gá lắp dụng

cụ …), các ưu nhược điểm, và khả năng khắc phục chúng

- Cho phép thực hiện nghiên cứu khi không thể thực hiện trên robot thực

1.2 Điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình giúp ta xac định được các yếu tố để điều khiển đối tượng, baogồm :

- Phương pháp mô hình hoá

- Các công cụ được sử dụng để thực hiện các giai đoạn mô hình hoá

- Khả năng phản hồi điều khiển quá trình hoàn thiện mô hình

1.3 Tích hợp

- Với mục tiêu và điều khiển quá trình đối tượng nghiên cứu trước thì ta cần xác định hệ thống cần tích hợp các thành phần khác như các động cơ dẫn động các khâu,các cảm biển, hệ thống điều khiển …

1.4 Kết quả mô hình hoá

- Đưa ra được mô hình của đối tượng (đầu vào) Sau khi đã phân tích và xácđịnh những chi tiết chính cần thiết cho nghiên cứu, khảo sát trên đó

2.1 Những khó khăn khi nghiên cứu trên hệ thực

- Thiết kế:

Việc thiết kế trên hệ thực: có ưu điểm là trực quan tuy nhiên vì hệ thực bao gồm rất nhiều các yếu tố Trong quá trình nghiên cứu, nếu đưa tất cả các yếu tố vàothì việc nghiên cứu trở nên khó khăn trong việc xác định được đối tượng, mục tiêucần nghiên cứu

- Chế tạo:

Cũng như thiết kế trên hệ thực, việc chế tạo cũng có nhiều khó khăn Vì việc chế tạo phụ thuộc vào thiết kế Nếu thiết kế không tốt sẽ dẫn tới chế tạo sai (khôngphù hợp với hệ) Điều này gây ra sự lãng phí về thời gian, công sực và chi phí

- 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 sẽrất 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 thếnào Và việc mở rộng khả năng công nghệ sẽ ảnh hưởng như thế nào tới thiết bị

2.2 Sự cần thiết phải sử dụng phương pháp mô hình hoá

Với những khó khăn khi nghiên cứu trên hệ thực đã trình bày ở trên thì việc sửdụng phương pháp mô hình hoá là rất quan trọng và có nhiều những ưu điểm và thuậnlợi

- 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 chươngtrình 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 môhình cho việc nghiên cứu và khảo sát trước khi tiến hành xây dựng mô hình thựcthông qua mô phỏng các hệ thống phức tạp, cồng kềnh …

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 trụckhớp động 2 tương ứng, chiều như hình vẽ Chọn trục x0 nằm trên đường trục củakhâu 1, hướng từ khớp động 1 sang khớp động 2 như hình vẽ Gốc của hệ toạ độ R0 làgiao của trục x0 và trục z0, nằm tại tâm của trục khớp động 1 Theo qui tắc bàn tayphải, ta dễ dàng xác định được trục y0 để cho hệ toạ độ R0 là một tam diện thuận

- Xác định hệ toạ độ R1: Ta chọn trục x1 nằm trên trục khâu 2 (trục z0 cắt và vuônggóc z1), hướng như hình vẽ Gốc của hệ toạ độ R1 là giao của hai trục z1 và x1, nằm tạitâm khớp động 2 Xác định trục y1 theo qui tắc bàn tay phải để hệ toạ độ R1 là một tamdiện thuận

- Xác định hệ toạ độ R2 : ta có thể chọn trục x2 nằm trên trục khâu 3, có hướng nhưhình vẽ Ta chọn trục 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 hai trục z3 và x3

0 1 0

0 0

0 0

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

0 1 0 0

0

0

3 3 3

3

3 3 3

3

a S C

S

a C S

0 1 0

0 0

0 0

1

1 1

1 1

d

C S

S C

0 1 0

0 0

0 0

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 0

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

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

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

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

os sin

sin os

x

y

a a

- Hãy cho vị trí của khâu thao tác, tính động học ngược robot để xác định quyluật 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 trícủa 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):

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

1 ( ) 2

Trong đó exp(q3/π).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 đổitheo qui luật sau: q = 5 ; q = 7; q = 2; ω = 5.π/π).6, (xét trong khoảng thời gian T = 6

5 ,

0 1010

4 ,

0 2020

35 ,

0 3030

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

Câu 3 :

- Mô hình vật lý: mô hình để ta nghiên cứu động học (bài toán vị trí, điểm), độnglực học (bài toán vận tốc, gia tốc, lực …) Hình dưới là mô hình vật lý để tanghiên cứu đối tượng ở câu 2

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

- Mô phỏng số: việc mô phỏng ảo đối tượng sau khi được mô hình hoá vật lý vàtoán học Sử dụng các phần mềm mô phỏng như Matlap, Maple … để tính bài toánđộng học (bài toán vị trí), bài toán 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 cấutrúc