đồ án tính toán điều khiển và thiết kế robot kuka kr 30 . mô phỏng easy rob robot kuka . tính toán động học,động lực học robot kuka kr 30

tính toán động học động lực học robot, mô phỏng trên phần mềm easy rob. giới thiệu về robot kuka kr 30 , phương pháp slover trên excel hiển thị kết quả trong không gian khớp, tính toán động lực học robot kuuka kr 30 . hình ảnh minh họa cơ cấu của robot kuka kr 30 trong không giân công tác cũng như không gian khớp ,

KHOA ĐIỆN TỬ Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Bộ môn Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

cơ điện tử -o0o -

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Đề tài : Tính toán ,điều khiển và thiết kế robot KUKA KR30 L15/2

Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Thành Long

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Bản

Đã gần một thế kỷ, kể từ khi xuất hiện trên thế giới mẫu hình robot cho tới nay

đã có hàng vạn robot ra đời và đang làm việc trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống – xã hội ở hầu khắp các quốc gia trên thế giới ngày nay robot đã trở thành một tên gọi khá phổ biến trong nhân dân Robot đã và đang trở thành một nguồn lực lao động với năng suất và chất lượng cao trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, y học, an ninh quốc phòng v.v Trong số đó robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng

Robot nói chung và robot công nghiệp nói riêng là sự tích hợp rất tinh vi giữa các lĩnh vực cơ học – điện – điện tử và kỹ thuật điều khiển Có thể nói robot là một trong số các loại hình sản xuất trí tuệ cao cấp trong thời đại ngày nay, do con người tạo ra để phục vụ con người

Ở nước ta, robot công nghiệp xuất hiện sau những năm 1990 trong các lĩnh vực

cơ khí, tự động hóa Để đáp ứng được nhu cầu xã hội và tiếp cận nền khoa học

kỹ thuật tương lai, thì nền tảng của ngành cơ điện tử mà chúng em đang được các thầy cô truyền đạt và nghiên cứu là cơ sở ban đầu để chúng em tiếp thu và trang bị những kiến thức cao hơn nữa

Đồ án mà chúng em được giao là “Tính toán ,điều khiển và thiết kế robot

KUKA KR30 L15/2 ”

Trong quá trình thiết kế đồ án với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm

Thành Long và và các thầy cô khác trong bộ môn cùng với nỗ lực bản thân,

đến nay nhiệm vụ của em đã hoàn thành, mặc dù rất nhiều cố gắng trong quá trình tìm hiểu, tính toán và thiết kế nhưng chắc chắc không tránh khỏi được những sai sót Chúng em rất mong được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo trong

bộ môn để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái nguyên ngày 23 tháng 12 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Bản

CHƯƠNG 1 :

TỔNG QUAN VỀ CÁC BÀI TOÁN THIẾT KẾ , SỬ DỤNG ROBOT 5

1.1 Quá trình phát triển của robot công nghiệp 5

1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất 5

1.3 Bậc tự do tối thiểu để hoàn thành nhiệm vụ 7

1.4 Vùng làm việc của tay máy 8

1.5 Bài toán động học tay máy 8

1.5.1 Bài toán động học thuận tay máy 8

1.5.2 Bài toán động học ngược 12

1.6 Bài toán động lực học 13

1.6.1 Mục đích nghiên cứu động lực học tay máy 14

1.6.2 Các phương pháp sử dụng để nghiên cứu những đặc trưng động lực học của tay máy 14

1.7 Bài toán điều khiển 14

1.7.1 Khối điều khiển 14

1.7.2 Khối chấp hành 14

1.7.3 Khối kiểm tra 15

2 Chương 2 Error! Bookmark not defined TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT KUKA KR30 L15/2 16

2.1 Tính toán động học thuận robot 16

2.1.1 Đặt bài toán 16

2.1.2 Sơ đồ động học 16

2.1.3 Xác định vị trí và hướng của bàn kẹp 17

2.2 Tính toán động học ngược robot 22

2.2.1 Đặt bài toán 22

2.2.2 Giải bài toán ngược động học 22

3 CHƯƠNG 3 : ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 24

3.1.1 Tính toán biến khớp 24

3.1.2 Tính toán minh họa với biến khớp q3 36

3.2 Mô phỏng robot KUKA KR30 L15/2 trên phần mềm easy_rob 2.0 39

3.2.1 Xây dựng hệ toạ độ 39

3.2.2 Thiết kế hình dáng robot 41

3.2.3 Lập trình điều khiển robot 46

4 CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 48

4.1 Ưu nhược điểm 48

4.2 Hướng phát triển của đề tài: 48

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC BÀI TOÁN THIẾT KẾ , SỬ DỤNG ROBOT 1.1 Quá trình phát triển của robot công nghiệp

Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn

học của nhà văn Tiệp Khắc có tên Karel Capek

Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR)- xuất hiện lần đầu tiên tại Mỹ do công ty

AMF (American Manchine Foundry company) quảng cáo mô tả một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng của một cánh tay được điều khiển tự

động để thực hiện sản xuất một số thiết bị gọi là versatran

Qúa trình phát triển của IR có thể được tóm tắt như sau :

- Từ những năm 50 của thế kỷ trước tại Mỹ đã có viện nghiên cứu đầu tiên về robot;

-Đầu những năm 60 đã xuất hiện sản phẩm đầu tiên mang tên versatran của công

ty AMF;

-Ở anh đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo các IR theo bản quyền của công ty AMF của Mỹ từ năm 1967;

-Các nước tây âu khác bắt đầu nghiên cứu từ những năm 70;

-Châu á có Nhật nghiên cứu từ năm 1968

Đến nay có trên 200 công ty sản xuất IR, trong đó có 80 công ty của Nhật,90 công ty của các nước tây âu,30 công ty của Mỹ và một số nước khác

1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất

Từ khi mới ra đời, robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người Nhờ vậy, các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt

Robot công nghiệp được ứng dụng rất rộng rãi trong sản xuất, các lĩnh vực chủ yếu là:

- Công nghệ đúc

- Gia công áp lực

- Các quá trình hàn và nhiệt luyện

- Công nghệ gia công lắp ráp

- Phun sơn, vận chuyển hàng hóa (Robocar)

Ứng dụng robot trong công nghiệp

Các xu thế ứng dụng robot trong tương lai :

- Robot ngày càng thay thế nhiều lao động

- Robot ngày càng trở nên chuyên dụng

- Robot ngày càng đảm nhận được nhiều loại công việc lắp ráp

- Robot di động ngày càng trở nên phổ biến

- Robot ngày càng tinh khôn hơn………

Ứng dụng trong y tế

Ứng dụng trong quân sự

1.3 Bậc tự do tối thiểu để hoàn thành nhiệm vụ

Bậc tự do của cơ cấu là số khả năng chuyển động của tay máy( chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến ) Tay máy gồm các khâu được lien kết với nhau bởi các khớp động, mỗi một khâu trong không gian có 6 DOF (degree of freedom ) gồm 3 chuyển động quay và 3 chuyển động tịnh tiến

Do hai khâu được nối với nhau bằng một khớp động Do điều kiện liên kết bắt buộc giữa các thành phần khớp động nên đã làm hạn chế chuyển động tương đối giữa chúng Đối với các khớp quay , khớp trượt là những khớp động hạn chế 5 chuyển động tương đối khi hai khâu được nối động với nhau Vì vậy khi hai khâu được nối động với nhau bởi một khớp quay thì số bậc tự do là : (6-5)=1

Số bậc tự do của tay máy có thể được tính theo công thức : DF= 6( -1)-5 Trong đó : + DF : số bặc tự do của chuỗi động trong không gian

+ : số khâu có trong cơ cấu

+ : số khớp động có trong cơ cấu

Đối với các cơ cấu có các khâu được nối động với nhau bằng khớp quay thì số bậc tự do của cơ cấu chính bằng số khớp động có trong cơ cấu

Cách xác định bậc tự do tối thiểu : Nếu trong tay máy chỉ chứa những khớp động với số bậc tự do tối thiểu = 1 (có nghĩa là gồm những khớp tịnh tiến hoặc khớp quay) thì số bậc tự do chính bằng số khớp động trong tay máy

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối của một cánh tay tùy ý trong không gian 3 chiều , robot cần có 6 bậc tự do trong đó ba bậc tự do để định vị và

ba bậc tự do để định hướng

 Ví dụ : Bậc tự do của tay máy bằng 5 có nghĩa là tay máy co 5 chuyển động độc lập hay nói cách khác là cần 5 động cơ để dẫn động cho tay máy làm việc

1.4 Vùng làm việc của tay máy

- Vùng làm việc của robot là trường vận động của khâu tác động cuối, nó là một không gian lien tục có hình dáng và thể tích xác định

- Phương phát số: gọi là các biến khớp, thì vị trí của khâu chất hành được biểu diễn dưới dạng vectơ →

- → →( hay P=

[ ]Trong đó : + : toạ độ vị trí và hướng của đối tượng cần thao tác + góc quay của của các góc toạ độ trung gian xunng quanh các trục x,y,z

Vị trí của khâu chấp hành cuối phụ thuộc vào biểu :P=f(

1.5 Bài toán động học tay máy

1.5.1 Bài toán động học thuận tay máy

a Nội dung bài toán

- Đầu vào : là các thông số liên quan đến khớp cho cơ cấu và quy luật của các yếu tố chuyển động thể hiện bằng các tọa độ suy rộng p

- Đầu ra : xác định hướng và vị trí của tay kẹp(dụng cụ phun sơn, mỏ hàn

…….) Nói cách khác ta phải xác định quy luật của điểm trên khâu tác

động cuối nói riêng cũng như một khâu nào đó trên tay máy nói chung trong hệ tọa độ đề các

b Mục đích của bài toán

Xây dựng được hàm f để xác định hướng và vị trí trong không gian của tay kẹp

c Quy ước đặt các trục của hệ tọa độ khớp

Trên tay máy đặt (n+1) hệ trục tọa độ, trong đó:

x0 : chọn tùy ý, miễn là x0 vuông góc z0

y0 : được chọn sao cho hệ tạo thành một tam diện thuận

 Hệ trục tọa độ đặt tại khâu tác động cuối Onxnynzn :

On: trùng tâm P

yn : nằm trong mặt phẳng kẹp, vuông góc phương kẹp, chiều tùy ý

zn ( hoặc xn ): hướng đến đối tượng

Trục còn lại xn (hoặc zn ): vuông góc mặt phẳng kẹp, chiều đảm bảo hệ tạo thành một tam diện thuận

d Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H)

Xét tại một khớp thứ i:

Sau khi được thiết lập, vị trí của hệ Oixiyizi so với hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1

hoàn toàn được xác định nhờ 4 thông số:

- ai : khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương xi

- di : khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương zi-1

- i : góc quay quanh trục xi giữa zi-1 và zi

- i : góc quay quanh trục zi-1 giữa xi-1 và xi

i , ai , i : tham số phụ thuộc kết cấu

e Ma trận chuyển đổi giữa hệ trục i và i -1

Để chuyển từ hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 sang hệ Oixiyizi là thực hiện liên tiếp 4 phép biến đổi toạ độ :

1/ Quay quanh zi-1một góc i : Rz,  i

2/ Tịnh tiến dọc zi-1 một đoạn di : Tz, di3/ Tịnh tiến dọc xi một đoạn ai: Tx, ai

=

[

] [

] [

] [

] =[   

     





] - Ma trận DH tổng quát cho tay máy 3 DOF R(z,θ) T(z,d) T(x,a) R(x,α) 1 ( 2 ( 3 ( 1.5.2 Bài toán động học ngược a Nội dung bài toán - Đầu vào : các thông số của tâm tay kẹp ( hướng và vị trí của tay kẹp tại một vị trí cụ thể) ma trận tọa độ thực - Đầu ra : tìm xem q1 , q2 ,q3,…… có giá trị bao nhiêu để thỏa mãn vị trí của tâm tay kẹp đã cho trước nói cách khác là tìm đầu ra là một bộ biến khớp b Mục đích của bài toán Xác định giá trị của biến khớp để thỏa mãn vị trí của tay kẹp c Cách giải bài toán Cho ma trận tọa độ thực T = [

] Ta có : = ( q1 , q2 , q3 …… )

Có hai phương pháp giải bài toán động học ngược :

1, closed from slution ( lời giải vòng kín )

Động lực học tay máy nghiên cứu mối quan hệ giữa lực và momen, năng lượng

……… với các thông số chuyển động của nó

1.6.1 Mục đích nghiên cứu động lực học tay máy

- Mô phỏng hoạt động của tay máy , để khảo sát , thử nghiệm quá trình làm việc của nó mà không phải dung tay máy thật

- Phân tích tính toán kết cấu của tay máy

- Phân tích thiết kế hệ thống điều khiển của tay máy

1.6.2 Các phương pháp sử dụng để nghiên cứu những đặc trưng động lực

học của tay máy

- Phương pháp Lagrange

- Phương Pháp thiết lập quy luật chuyển động của tay máy trên cơ sở

phương trình Newton và phương trình Euler gọi là phương trình Euler

Newton Phương pháp D’AlembertNewton Euler

1.7 Bài toán điều khiển

Điều khiển robot cũng dựa trên nguyên lý chung của hệ điều khiển tự động , nhưng đối với điều khiển của robot là điều khiển quá trình hoạt động của tay máy ( cơ cấu chấp hành )

Cấu trúc của hệ điều khiển gồm 3 phần : + khối điều khiển

+ khối chấp hành

+ khối kiểm tra

1.7.1 Khối điều khiển

Khối điều khiển nhận tín hiệu từ bộ phận xử lý và phát tín hiệu điều khiển tới khối chấp hành

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống điều khiển : tín hiệu điều khiển được phát ra từ hệ thống điều khiển tác động tớ khâu chấp hành Khối chấp hành nhận tín hiệu để điều phối , hiệu chỉnh các hoạt động của cơ cấu chấp hành Đối với các hệ điều khiển kín có mạch phản hồi phụ, Mạch phản hồi phụ cơ chứ năng phát hiẹn các sai lệch của cơ cấu chấp hành truyền tín hiệu về trung tâm xử lý

1.7.2 Khối chấp hành

- Khối chấp hành có nhiệm vụ thực hiện theo các lệnh của hệ thống điều khiển thông qua các tín hiệu điều khiển trong robot công nghiệp khối chấp hành chính là tay máy

1.7.3 Khối kiểm tra

Khối này gồm có các cảm biến dung để phát hiện và kiểm tra các thong số đầu

ra của cơ cấu chấp hành , sau đó chuyển thành các tún hiệu để đưa vào khối điều khiển, để từ đó khối điều khiển điều chỉnh thông số đầu vào cho phù hợp

Động cơ một chiều và xoay chiều được dùng trong hệ thống dẫn động robot gồm động cơ servo một chiều có chổi than và không có chổi than , động cơ xoay chiều động cơ bước có vận tốc không thay đổi hoặc thay đổi hoặc các động cơ

vô cấp

Ngoài ra còn có : + dẫn động bằng động cơ bước

+ dẫn động bằng động cơ tịnh tiến

+ dẫn động bằng thủy khí………

2 CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT KUKA KR30 L15/2

2.1 Tính toán động học thuận robot

p a p

p n

A A A A A A T

z z

y y

x x

5 6 4 5 3 4 2 3 1 2 0 1 6 0

y x

z x

z y

a a

s s s

n n

2.1.2 Sơ đồ động học

Sơ đồ động học của Robot kuka kr30 l15/2

Bảng D-H của robot KUKA KR30 L15/2

2.1.3 Xác định vị trí và hướng của bàn kẹp

Từ các ma trận trên ta có các ma trận DH đối với khớp quay:

[

] Ma trận DH chuyển từ hệ toạ độ 0 sang hệ toạ độ 1 : [

] Ma trận DH chuyển từ hệ toạ độ 1 sang hệ toạ độ 2 : [

] Ma trận DH chuyển từ hệ toạ độ 2 sang hệ toạ độ 3 : [

]

Ma trận DH chuyển từ hệ toạ độ 3 sang hệ toạ độ 4 :

[

cos(q1)*sin(q2)*sin(q3))*cos(q4)+sin(q1)*sin(q4))*sin(q5)-(-cos(q1)*cos(q2)*sin(q3)-cos(q1)*sin(q2)*cos(q3))*cos(q5),

300*((cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)-

sin(q1)*sin(q3)+cos(q2)*cos(q3))*cos(q5),

865+300*(sin(q1)*cos(q3)+cos(q2)*sin(q3))*cos(q4)*sin(q5)-300*(-

)]

[

0,

0,

0, 1]

Cho TE = T 06 ta được phương trình động học thuận robot Kuka kr30 l15/2:

=

(((cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)-

cos(q1)*sin(q2)*sin(q3))*cos(q4)+sin(q1)*sin(q4))*cos(q5)+(-

cos(q1)*cos(q2)*sin(q3)-cos(q1)*sin(q2)*cos(q3))*sin(q5))*cos(q6)+(-

(cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)-cos(q1)*sin(q2)*sin(q3))*sin(q4)+sin(q1)*cos(q4))*sin(q6)

=

-(((cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)-

cos(q1)*sin(q2)*sin(q3))*cos(q4)+sin(q1)*sin(q4))*cos(q5)+(-

cos(q1)*cos(q2)*sin(q3)-cos(q1)*sin(q2)*cos(q3))*sin(q5))*sin(q6)+(-

(cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)-cos(q1)*sin(q2)*sin(q3))*sin(q4)+sin(q1)*cos(q4))*cos(q6)

=

((cos(q1)*cos(q2)*cos(q3)-

cos(q1)*sin(q2)*sin(q3))*cos(q4)+sin(q1)*sin(q4))*sin(q5)-(-cos(q1)*cos(q2)*sin(q3)-cos(q1)*sin(q2)*cos(q3))*cos(q5)

=

(((sin(q1)*cos(q2)*cos(q3)-sin(q1)*sin(q2)*sin(q3))*cos(q4)-

cos(q1)*sin(q4))*cos(q5)+(-sin(q1)*cos(q2)*sin(q3)-

sin(q1)*sin(q2)*cos(q3))*sin(q5))*cos(q6)+(-(sin(q1)*cos(q2)*cos(q3)-sin(q1)*sin(q2)*sin(q3))*sin(q4)-cos(q1)*cos(q4))*sin(q6)

=

-(((sin(q1)*cos(q2)*cos(q3)-sin(q1)*sin(q2)*sin(q3))*cos(q4)-

Từ hệ phương trình trên xác định vị trí của tay kẹp the biến khớp

2.2 Tính toán động học ngược robot

865+300*(sin(q2)*cos(q3)+cos(q2)*sin(q3))*cos(q4)*sin(q5)-300*(-1670*cos(q2)*cos(q3)+145*sin(q2)*cos(q3)+145*cos(q2)*sin(q3)+1000*sin(q2)

Giải phương trình exel ra các góc qi(1…6) tương ứng :

bảng solve bài toán hội tụ của robot Kuka kr30 l15/2

Hình 3.1 :Sơ đồ chuyển động của robot giữa hai trạm cấp phôi

Nếu lấy điểm gốc của hệ quy chiếu cơ sở làm chuẩn mô tả, đối tượng mô tả

là điểm P mút dụng cụ Vì mút dụng cụ trong quá trình làm việc cần trùng với quỹ đạo gia công trên phôi nên có thể viết được quan hệ này dưới dạng phương trình vòng véc tơ như sau:

Theo phép chuyển đổi thuần nhất thế của khâu chấp hành là hàm của các biến khớp, mô tả bằng ma trận tổng hợp của phép chuyển đổi :

= X.E.R

∏