Tiểu luận Môn học Mô hình hóa và hệ cơ điện tử

Được học môn “Mô hình hóa robot và hệ cơ điện tử” đã phần nào giúp ta hiểu được vai trò của robot, tính ứng dụng của nó trong các ngành công nghiệp hiện đại cũng như phương pháp xây dựng

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

Câu 1: 3

1.1.Phân tích và xác định các thuộc tính của đối tượng 3

1.2.Nghiên cứu mô hình thực và phương pháp mô hình hoá 4

1.3.Các bước khi áp dụng phương pháp mô hình hoá để xây dựng cấu trúc động học của Robot : 5

Câu 2: 6

2.1.Vẽ sơ đồ kết cấu Robot theo sơ đồ động 6

2.2 Thiết lập các hệ tọa độ khảo sát – tính các ma trân truyền D – H 6

2.3 Xác định mô hình động lực học cho robot 9

2.4 Thiết lập phương trình động học của robot 9

Câu 3 : 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc Công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, ngành Cơ khí có tầm quan trọng rất lớn, có mặt ở mọi lĩnh vực hoạt động sản xuất Mà Cơ khí thì không thể không nhắc đến tính linh hoạt và đặc biệt là các robot Robot được ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp, khám phá vũ trụ… Nó góp phần tăng năng suất, giải phóng sức lao động, giảm thiểu nguy cơ tai nạn cho con người… (Như làm việc trong các hầm mỏ, trong các nhà máy điện hạt nhân nơi có nhiều chất phóng xạ, trong các môi trường ô nhiễm, độc hại, … mà ảnh hưởng tới sức khỏe của con người hoặc nằm ngài khả năng của con người)

Bên cạnh đó, để bắt kịp được với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thì đòi hỏi các cán bộ khoa học kỹ thuật phải luôn luôn tìm tòi, hoàn thiện kiến thức và nhất là kiến thức về Robot Là một học viên cao học tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội em luôn tự ý thức cũng cố kiến thức và hoàn thiện bản thân

Được học môn “Mô hình hóa robot và hệ cơ điện tử” đã phần nào giúp ta hiểu được vai trò của robot, tính ứng dụng của nó trong các ngành công nghiệp hiện đại 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 PGS.TS Phan

Bùi Khôi Em đã cô gắng xây dựng mô hình robot theo các bước, tuy nhiên không thể

tránh được những sai sót nhất định Em mong nhận được sự đóng góp của thấy giáo

để bài tiểu luận thêm hoàn thiện

Em xin chân th nh c m n!ành cảm ơn! ảm ơn! ơn!

Học viên

Nguyễn Thị Sinh

Câu 1:

1.1 Phân tích và xác định các thuộc tính của đối tượng

1.1.1 Thuộc tính cốt lõi của

robot:

- Số khâu: 4

- Số khớp: 3 (3 khớp quay)

- Kích thước: Nhỏ gọn

- Khối lượng: nhẹ

- Mômen quán tính: bé

- Lực tác dụng: nhỏ

- Ma sát các khớp tương đối nhỏ

nên khi tính toán có thể bỏ qua

1.1.2 Mục tiêu:

* Dựa vào hình vẽ của đề bài ta có thể phân tích nhiệm vụ của robot như sau:

- Dùng để nâng và di chuyển các vật có kích thước, khối lượng nhỏ với khoảng cách cần di chuyển hẹp Ví dụ: Robot có thể ứng dụng trong lắp ráp linh kiện điện tử

- Yêu cầu làm việc không nặng nhọc nhưng tính chính xác yêu cầu cao

* Căn cứ vào mục tiêu, thực tế ta có thể đưa ra các mục tiêu sau:

- Đưa ra cơ sở chung cho việc nghiên cứu về Robot

- Mô hình hoá để tính toán và thiết kế theo yêu cầu của thực tế

- So sánh và đưa ra các giả thiết, lời giải nhanh, chính xác và thuận lợi

- Mô phỏng robot theo tính năng yêu cầu

1.1.3 Đặc trưng chính:

1.1.4 Tính điều khiển :

Mô hình được thực hiện có khả năng điều chỉnh nhanh chóng, tiện lợi, đúng mục đích

- Có thể tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp với chương trình đã

được cài đặt sẵn

- Nếu yêu cầu trong sản xuất thay đổi ta có thể lập trình lại.

1.1.5 Chức năng:

- Dùng để khoan và lắp ráp các linh kiện điện tử trong dây chuyền sản xuất

1.1.6 Hiệu quả mong đợi:

- Hiệu quả cao

1.1.7 Tính tổ chức mô hình:

- Kết cấu đơn giản, dễ biểu diễn và tính toán

1.2 Nghiên cứu mô hình thực và phương pháp mô hình hoá

1.2.1 Những khó khăn khi nghiên cứu trên hệ thực

* Thiết kế:

- Do kích thước của robot tương đối nhỏ vì vậy trong khi thiết kế các thông số đầu vào của robot phải thật chính xác

- Khi tính toán khó đưa ra được kết quả tối ưu

- Khó có thể đưa ra được kết quả chính xác nhanh

- Tính tuỳ biến không cao (khó có thể thay đổi nhiều được các thông số đầu vào)

* Chế tạo:

- Các kích thước của bộ phận robot tương đối nhỏ do vậy khi chế tạo yêu cầu

kỹ thuật cao, chế tạo bằng các phương pháp đặc biệt làm tăng giá thành robot

- Phải sử dụng các loại vật liệu tốt khi chế tạo do yêu cầu cao về kỹ thuật

- Khó khăn trong khâu lắp ráp

1.2.2 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

sử dụng phương pháp mô hình hoá là rất quan trọng và có nhiều những ưu điểm

và thuận lợi

- Việc 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 …

1.3 Các bước khi áp dụng phương pháp mô hình hoá để xây dựng cấu trúc

động học của Robot :

* Vẽ sơ đồ kết cấu Robot theo sơ mô hình đã cho

* Thiết lập các hệ tọa độ khảo sát

* Tính các ma trân truyền Denavit – Hartenberg

1.3 - Xác định vị trí 0 và xây dựng các hệ toạ độ

- Lập bảng thông số DH

* Xác định mô hình động lực học cho robot

* Thiết lập phương trình động học của robot

Câu 2:

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

2.1 Vẽ sơ đồ kết cấu Robot theo sơ đồ động

2.2 Thiết lập các hệ tọa độ khảo sát – tính các ma trân truyền Denavit – Hartenberg

Để có thể thiết lập hệ phương trình động học của robot ta cần tiến hành thực hiện các bước sau:

1 Xác định các hệ tọa độ

2 Lập bảng thông số D - H

3 Xác định các ma trận vị trí Ai theo các thông số D - H

4 Tính các ma trận biến đổi Ti

5 Lập phương trình động học cơ bản

Khâu 0 Khâu 1

a3

Trong đó việc gắn hệ tọa độ với các khâu có vai trò rất quan trọng Một bài toán động học robot đúng hay sai thể hiện ngay ở việc gắn hệ tọa độ

Khi gắn hệ tọa độ lên các khâu của robot cần thực hiện đúng các nguyên tắc :

1 Gốc tọa độ gắn liền với khâu thứ i đặt tại giao điểm giữa đường vuông góc chung của 2 trục khớp động (ai) và trục khớp động i+1 Trường hợp 2 trục giao nhau thì gốc tọa độ lấy trùng với giao điểm đó

2 Trục zi phải chọn cùng phương với trục khớp động i+1

3 Trục xi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung hướng từ khớp động i đến khớp động i+1 Trường hợp 2 trục giao nhau, hướng của trục xi trùng với hướng vector tích zi x zi-1, tức là vuông góc với mặt phẳng chứa zi,zi-1

4 Các hệ tọa độ phải theo quy tắc bàn tay phải : nếu chọn ngón tay cái chỉ phương, chiều của trục z, thì ngón tay trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón tay giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y

5 Tuân theo 4 phép biến đổi của ma trận Ai :

- Quay quanh trục zi một góc θi : R(z, θi)

- Tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di : Tp(0,0,di)

- Tịnh tiến dọc trục xi-1 một đoạn ai : Tp(ai,0,0)

- Quay quanh trục xi một góc αi : R(x, αi)z

Để thực hiện được đúng các nguyên tắc trên khi thiết lập hệ tọa độ cho các khâu ta cần phải xác định đúng vị trí ban đầu của robot

a Xác định vị trí 0 và xây dựng các hệ toạ độ

Đặt các trục toạ độ zi (i=0, 1, 2, 3) cùng phương với các trục khớp động

- Trục z1 xem như quay cùng chiều so với trục zo Muốn vậy trục xo phải vuông góc với zo và z1 Chọn chiều của xo từ trái sang phải để góc quay 1 90o

- Gốc O1 đã chọn xem như là đã tịnh tiến dọc trục xo một đoạn là a1 so với gốc Oo và tương ứng với phép biến đổi Tp(0, x, 0)

Các trục yo và y1 xác định theo quy tắc bàn tay phải

- Trục z2 trong sơ đồ có phương thẳng đứng, ở vị trí này xem như trục z1 đã quay quanh trục x1 một góc 2 0o

  để thành z2 Gốc O2 đã được chọn xem như là đã tịnh tiến dọc trục x1 một đoạn L2 so với gốc O1 và tương ứng với phép tịnh tiến Tp(0, x, 0)

- Trục z3 trong sơ đồ có phương thẳng đứng, ở vị trí này xem như trục z đã quay quanh trục x1 một góc 3 0o

  để thành z2, tương ứng với phép tịnh tiến Tp(0, 0, d3)

b Lập bảng thông số D - H như sau:

2

1

3

a3

Khâu θi di ai αi

2.3 Xác định mô hình động lực học cho robot

1 1 0

1

1

0 0

d





2 2 1

2

0 0





A

3 3 2

3

0 0





A

Nhân các ma trận 0A1 , 1A2 , 2A3 , theo lần lượt ta được ma trận biểu diễn hướng

và vị trí của khâu cuối cùng của robot

0

3

3

0



A

3 3 2 3 2 2 1

2.4 Thiết lập phương trình động học của robot.

Việc xây dựng chương trình được thực hiện trên phần mềm Maple:

Với các thông số:

a1:=0.4:

a2:=0.3:

a3:=0.5:

d1:=0.6:

θ1=0.5*(1+cos(3*t+0.5))

θ2=1.2*(1+sin(3*t+0.3))

θ3=0.8*(1+cos(3*t+0.2))

Thì ta thu được kết quả:

Với các thông số:

a1:=0.4:

a2:=0.3:

a3:=0.5:

d1:=0.6:

θ1=0.5*(1+cos(3*t+0.5))

θ2=1.2*(1+cos(3*t+0.3))

θ3=0.8*(1+cos(3*t+0.2))

Thì ta thu được kết quả:

Câu 3 :

- Mô hình vật lý: mô hình để ta nghiên cứu động học (bài toán vị trí, điểm), động lực học (bài toán vận tốc, gia tốc, lực …) Hình dưới là 1 mô hình vật lý để ta nghiên cứu đối tượng ở câu 2 Mô hình này giúp ta nghiên cứu được động học

về vị trí của khâu cuối (tay robot)

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

lý Mô tả vị trí của điểm tác động cuối thông qua các phương trình toán học (Cụ thể trên câu 2 đó là phương trình động học robot) Các phương trình này mô tả

vị trí và hường của điểm tác động cuối của robot

a3

- Mô phỏng số: việc mô phỏng ảo đối tượng sau khi được mô hình hoá vật lý và toán học Sử dụng các phần mềm mô phỏng như Matlap, Maple … để tính bài toán động học (bài toán vị trí), bài toán động lực học (bài toán vận tốc, gia tốc, lực …) Thông qua các chương trình này cho ta thấy được quỹ đạo chuyển động của điểm tác động cuối tương ứng với các thông số đầu vào

- Mô phỏng hoạt động: Với các thông số khi tính toán thiết kế ta dùng các phần mềm đồ hoạ như CAD/CAE như AUTOCAD, SOLIDWORKS, PRO-E, CATIA, UNIGRAPHICS mô phỏng hoạt động của robot Bằng hình ảnh trực các vị trí làm việc của robot ta thu được của robot để tối ưu hóa cấu trúc

Dưới đây là một số hình ảnh 3D mô phỏng hoạt động robot bằng phần mền SOLIDWORKS:

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[I] Giáo trình Robotics – PGS.TS Phan Bùi Khôi

[II] Giáo trình Robotics – TS Phạm Đăng Phước