Bài tập dài robot số 2 Mô hình Robot trên máy tính

Bài tập dài robot số 2 Mô hình Robot trên máy tính

BÁO CÁO BÀI TẬP DÀI ROBOT CÔNG NGHIỆP

Bài tập dài robot số 2: Mô hình Robot trên máy tính

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

1. Khái niệm

Thuật ngữ robot xuất hiện lần đầu tiên năm 1920 trong một vở kịch của nhà viết kịch người Tiệp Karel Capek

Robot có nhiều cách định nghĩa khác nhau:

- Viện Robot (Mỹ): Robot là cơ cấu đa chức năng được lập trình trước với các cảm biến ở bên ngoài để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau như: lắp ráp, vận chuyển…

- Trong Bách khoa toàn thư mới: Robot có thể định nghĩa là một thiết bị tự điều khiển hoàn toàn bao gồm các bộ phận điện, điện tử và cơ khí,…

- Trong kĩ thuật: Robot là 1 cánh tay vài bậc tự do được điều khiển bằng máy tính có thể thực hiện các chuyển động như tay người, còn được gọi là tay máy

Cấu tạo robot gồm 3 bộ phận chính:

- Cơ cấu cơ khí

- Cơ cấu điều khiển

- Cơ cấu cảm biến

2. Lựa chọn phương án

Từ những yêu cầu của đề bài nhóm chúng em lựa chọn phương án thiết kế như sau:

- Cơ cấu robot: Robot 3 trục quay

- Phần mềm mô phỏng:

o Vẽ hình trên Solid Work

o Thiết kế bộ điều khiển trên Matlab/ Simulink

Báo cáo bài tập lớn robot

1. Bài toán động học thuận

Cơ cấu robot 3 trục quay:

Bảng D-H

Ma trận biểu diễn quan hệ giữa hai khung tọa độ i-1 và i

























−

−

=

1 0

0 0

cos sin

0

sin sin

cos cos

cos sin

cos cos

sin cos

sin cos

i i

i

i i i i i

i i

i i i i i

i i

a

a A

α α

θ α

θ α

θ θ

θ α

θ α

θ θ

Ta có:

1

c1 0 s1 0

s1 0 c1 0

A

=

;

2 2 2

c 2 s 2 0 c 2

s 2 c 2 0 s 2

a a A

−

=

;

3 3 3

A

−

=

1 2 3

R

H

1 23 1 23 1 1 23 1 2

1 23 1 23 1 1 23 1 2

R

H

T

=

Với

1 os ; 2 os ; 3 os

1 sin ; 2 sin ; 3 sin

23 sin( ); 23 os( )







2. Bài toán động học ngược

Từ hệ phương trình:

1 23 1 2 (1)

1 23 1 2 (2)

23 2 (3)

x y z

a c c a c c P

a s c a s c P





Chia (2) cho (1) ta có:

1

1

a tan 2( , ) 1

y

y x x

P s

P P

Báo cáo bài tập lớn robot

Cộng bình phương từng vế của (1) (2) (3) ta có:

2

3

3 1 ( 3)

c

θ

=



⇒ =



 = −



Từ phương trình (3) ta có:

Đặt:

3 3

3

z

b a s

c P



 =



 =



2

2

os

a tan 2(sin , os ) sin

a c

b

α

α



=



+





Giải phương trình lượng giác ta có:

2

2

sin 2

2 a tan 2(sin 2, os 2)

os 2 1 (sin 2)

c

c

c

α



=



+



 Nên:

θ =α −α

3. Các thông số của robot

Chiều dài các thanh nối:

1 0.15 ; 2 0.1 ; 3 0.5 ;

Khối lượng các thanh nối:

Mô men quán tính từng thanh:

J= 0 0.00085 0

Bộ điều khiển được chọn là: Bộ điều khiển PD trong không gian khớp

.

q

p q d

Với các thông số:

10 0

0 10

p

;

1 0

0 1

d

=  ÷

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG

1. Giới thiệu các phần mềm mô phỏng

a. Thiết kế cơ cấu robot trên SolidWorks

SolidWorks là một phần mềm CAD 3 chiều chạy trên hệ điều hành Windows và đang được phát triển bởi bởi Dassault Systèmes SolidWorks Corp, một công ty con của Dassault Systèmes, SA ( Vélizy, Pháp) SolidWorks hiện đang được sử dụng hơn 1,3 triệu kỹ sư và nhà thiết kế ở hơn 130.000 công ty trên toàn thế giới

Robot được vẽ từng thanh và được ghép lại nhau trên phần mềm SolidWorks 2007

Báo cáo bài tập lớn robot

Hình1.1: Cơ cấu robot

b. Thiết kế mô hình robot trên MATLAB/ Simulink

MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi công ty

MathWorks MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với các chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác

Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật

Simulink là phần chương trình mở rộng của MATLAB nhằm mục đích mô hình hóa mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học Giao diện đồ họa trên màn hình của Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quên thuộc

Để thực hiện bài toán thiết kế bộ điều khiển cho robot, ta sử dụng thư viện Simmechanics

và phần mềm "SolidWorks-to-SimMechanics Translator” để chuyển đổi cơ cấu robot từ

SolidWorks sang dưới dạng khối Simulink

Hình 1.2: Thư viện Simmechanics của Simulink

Cơ cấu robot được đưa vào Simulink qua phần mềm "SolidWorks-to-SimMechanics Translator”

Báo cáo bài tập lớn robot

Hình 1.3: Mô hình robot trên Simulink

Từ mô hình trên ta có thể thực hiện các bài toán điều khiển chuyển động của robot

2 Các bài toán điều khiển chuyển động robot

Bài toán 1: Điều khiển góc quay khớp với bộ điều khiển phản hồi PD

Vị trí góc mong muốn:

1 2 3

45 45 45

o o o

θ θ θ

 =



=



 =



;

10 1





Hình 2.1.1: Mô hình điều khiển robot

Hình 2.1.2: Bộ điều khiển PD

Báo cáo bài tập lớn robot

Hình 2.1.3: Mô hình robot

Hình 2.1.4: Đồ thị góc quay khớp

Hình 2.1.5: Đồ thị vận tốc khớp Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy góc quay đạt đến giá trị mong muốn trong khoảng thời gian 0.5s và vận tốc góc cũng về giá trị 0 trong thời gian tương ứng

Báo cáo bài tập lớn robot

Bài toán 2: Điều khiển robot theo quỹ đạo thẳng

Hình 2.2.1: Mô hình điều khiển robot

Hình 2.2.2: Quỹ đạo đặt

Hàm tính động học ngược được viết bằng khối Embedded MATLAB Function:

function [theta1,theta2,theta3] = toado(Px,Py,Pz,a2,a3)

t1=atan2(Py,Px);

c3=(Px^2+Py^2+Pz^2-a2^2-a3^2)/(2*a2*a3);

s3=sqrt(1-c3^2);

t3=atan2(s3,c3);

a=a3*c3+a2;

b=a3*s3;

c=Pz;

ci=sqrt(a^2/(a^2+b^2));

si=sqrt(1-ci^2);

i=atan2(si,ci);

sii=sqrt(c^2/(a^2+b^2));

cii=sqrt(1-sii^2);

ii=atan2(sii,cii);

t2=ii-i;

theta1=t1*180/pi;

theta3=t3*180/pi;

theta2=t2*180/pi;

Báo cáo bài tập lớn robot

Nhận xét: Quỹ đạo tay robot bám theo quỹ đạo đặt với độ chính xác cao

Bài toán 3: Điều khiển robot theo quỹ đạo tròn

Hình 2.3.1: Mô hình điều khiển robot

Hình 2.3.2: Quỹ đạo đặt

Hình 2.3.3: Quỹ đạo đặt- quỹ đạo ra- robot ở điểm cuối hành trình

Nhận xét: Quỹ đạo tay robot bám theo quỹ đạo đặt với độ chính xác cao

Báo cáo bài tập lớn robot

Bài toán 4: Kết hợp điều khiển robot theo quỹ đạo tròn và bộ điều khiển phản hồi PD

Hình 2.4.1: Mô hình điều khiển robot

Hình 2.4.2: Khối tính sai lệch

Hình 2.4.3: Khối phản hồi

Báo cáo bài tập lớn robot

Nhận xét: Robot chuyển động theo quỹ đạo với độ chính xác cao tuy nhiên có thời điểm robot bị quay ngược do góc đặt khớp biến đổi tức thời trong thời gian ngắn - thời điểm kết thúc chu kì trong đồ thị dưới

Hình 2.4.5: Tín hiệu góc quay của ba khớp

KẾT LUẬN

Sau một quá trình học tập và nghiên cứu môn học Điều khiển robot công nghiệp, cùng với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Mạnh Tiến và sự cố gắng nỗ lực của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành bài tập lớn robot công nghiệp số 2: Mô phỏng trên máy tính với robot 3 trục quay

Bài tập đã thực hiện các nhiệm vụ:

- Thiết kế robot 3 trục quay trên SolidWorks và xây dựng sơ đồ khối trên

MATLAB/Simulink

- Tính toán bài toán động học thuận,động học ngược và lựa chọn các tham số bộ điều khiển

PD cho robot 3 trục quay

- Thực hiện mô phỏng với kết quả tương đối chính xác

Trong quá trình thực hiện, chắc chắn nhóm em không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy và các bạn để bài tập lớn này hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Báo cáo bài tập lớn robot

TÀI LIỆU THAM KHẢO.

1. Điều khiển robot công nghiệp TS Nguyễn Mạnh Tiến NXB Khoa học và kỹ thuật

2. MATLAB và Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động Nguyễn Phùng Quang NXB Khoa học và kỹ thuật

3. Mô hình hóa hệ thống và mô phỏng GS.TS Nguyễn Công Hiền-TS Nguyễn Phạm Thục Anh NXB Khoa học và kỹ thuật