BÁO cáo bài tập lớn ROBOT MPK2F

Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho các khớp của Robot theo quỹ đạo dạng bậc 3 6.. Đây là một robot được ứng dụng trong khánhiều lĩnh vực: nhà tự động, các dây chuyền sản xuất công nghiệp t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ROBOT MPK2F

NHÓM 06 S

Giảng viên hướng

HÀ NỘI, 06/2021

Tìm hiểu về ROBOT MPK2F:

Yêu cầu đề tài

1 Giới thiệu về Robot nhóm nghiên cứu, các ứng dụng trong công nghiệp, kết cấu cơ khí, các thông số kỹ thuật cơ bản Yêu cầu có hình ảnh hoặc clip hoạt động

2 Tính toán động học thuận vị trí Robot Xây dựng chương trình phần mềm trên MatLab

để nhập dữ liệu, hiển thị kết quả

3 Tính toán ma trận Jacoby (thông qua J^H) và viêt chương trình trên MatLab

4 Tính toán động học đảo vị trí Robot

5 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho các khớp của Robot theo quỹ đạo dạng bậc 3

6 Thiết kế điều khiển chuyển động cho Robot theo thuật toán PID

7 Xây dựng mô hình động lực học cho đối tượng trên ToolBox Simscape/MatLab

LỜI NÓI ĐẦU

Với tốc độ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước như ngày nay thì vấn đề

tự động hoá sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng Vì vậy trong những năm gầnđây các lĩnh vực thuộc tự động hóa ngày càng được quan tâm nghiên cứu và pháttriển, trong đó không thểkhông nói đến những ứng dụng quan trọng của kỹ thuậtRobot trong công nghiệp Ứng dụng kỹ thuật Robot trong công nghiệp nhằmnâng cao năng suất dâychuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnhtranh của sản phầm, đồng thờicải thiện điều kiện lao đông Sự cạnh tranh hànghóa đặt ra một vấn đề thời sự làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải cótính linh hoạt nhằm đáp ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hànghóa Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong hệ thống sảnxuất tự động linh hoạt đó

Ở nước ta, từ những năm 1990 trở lại đây, Robot và kỹ thuật Robot đã đượcứng dụng vào sản xuất khá rộng rãi Trong những Robot được ứng dụng vào sảnxuất thì Motoman là một Robot công nghiệp đóng góp đáng kể trog lĩnh vực tựđộng hóa công nghiệp ở nước ta Đây là một robot được ứng dụng trong khánhiều lĩnh vực: nhà tự động, các dây chuyền sản xuất công nghiệp tự động, phunsơn… Nhận thấy tầm quan trọng của kỹ thuật Robot nói chung và ứng dụng củaRobot Motoman nói riêng, với kiến thức học hỏi được trong quá trình học môn

Kỹ thuật Robot do cô giáo TS Nguyễn Phạm Thục Anh nhóm sinh viên củachúng em đã làm BTL tìm hiểu về Robot MKP2F-5 với mục đích tìm hiểu, xâydựng, mô phỏng mô hình điều khiển robot nhằm ứng dụng lý thuyết vào thực tế

Dù được sự hướng dẫn tận tình của cô giáo nhưng do quá trình tích lũy kiến thức

va kinh nghiệm còn hạn chế nên bài làm của nhóm còn nhiều thiếu sót Chúng emong cô góp ý thêm để bài làm của chúng em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT MPK2F-5 1

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của RoBot 1

1.2 Robot MKP2F/ MKP2F-5 1

Giới thiệu chung 1

Ứng dụng của Robot MKP2F/ MKP2F-5 2

Một số thông số kỹ thuật Robot 2

Một số ưu điểm Robot 4

Bộ điều khiển FS100 của Robot 4

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VỊ TRÍ ROBOT 6

2.1 Bài toán động học thuận Robot MKP2F 6

2.2 Xây dựng chương trình trên Matlab để nhập dữ liệu và hiển thị kết quả 7

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MA TRẬN JACOBY 9

3.1 Tính toán ma trận Jacoby 9

3.2 Xây dựng chương trình tính toán trên Matlab 12

CHƯƠNG 4 BÀI TOÁN TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ĐẢO VỊ TRÍ ROBOT 13

4.1 Tính toán động học đảo vị trí robot 13

4.2 Code tính toán cho bài toán động học ngược 14

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO TRONG KHÔNG GIAN KHỚP 16

5.1 Tổng quan 16

5.2 Tính toán thiết kế quỹ đạo chuyển động 16

5.3 Code thiết kế quỹ đạo chuyển động và đồ thị quỹ đạo của Robot 17

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT THEO THUẬT TOÁN PID 19

6.1 Vẽ hình dạng robot trên SolidWorks 19

Phần đế 19

Link 1 19

Link 2 20

Link 3 20

Link 4 20

Link 5 21

Mô hình hoàn chỉnh 21

6.2 Điều khiển PID 21

CHƯƠNG 7 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB 23

7.1 Cài đặt và sử dụng 23

7.2 Thiết kế và cài đặt bộ điều khiển cho robot 23

7.3 Mô phỏng 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot MKP2F/MKP2F-5 1

Hình 1.2 Không gian làm việc của Robot MKP2F/MKP2F-5 2

Hình 1.3 Một số mặt cắt của Robot MKP2F/MKP2F-5 3

Hình 1.4 Thông số kỹ thuật của Robot MKP2F/MKP2F-5 3

Hình 1.5 Robot MKP2F/MKP2F-5 được treo trên trần nhà 4

Hình 1.6 Đặc điểm chính của bộ điều khiển FS100 5

Hình 2.1 Các hệ trục tọa độ của mỗi khớp 6

Hình 2.2 Code tính toán động học thuận 8

Hình 2.3 Xây dựng Guide, nhập thông số và hiển thị kết quả 8

Hình 3.1 Code tính toán ma trận Jacoby 12

Hình 3.2 Xây dựng Guide, nhập thông số và hiển thị kết quả 12

Hình 5.1 Đồ thị quỹ đạo chuyển động của Robot 18

Hình 6.1 Phần đế Robot 19

Hình 6.2 Link 1 của Robot 19

Hình 6.3 Link 2 của Robot 20

Hình 6.4 Link 3 của Robot 20

Hình 6.5 Link 4 của Robot 20

Hình 6.6 Link 5 của Robot 21

Hình 6.7 Mô hình hoàn chỉnh của Robot 21

Hình 6.8 Mô hình Robot khi có thêm PID cho từng khớp 21

Hình 6.9 Đồ thị khớp thứ nhất của Robot 22

Hình 6.10 Thông số bộ điều khiển PID 22

Hình 7.1 Mô hình mô phỏng trên Matlab&Simulink 23

Hình 7.2 Cài đặt cho khối Slider Gain 24

Hình 7.3 Khối điều khiển PID cho các khớp 24

Hình 7.4 Đồ thị giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đặt của khớp 1 25

Hình 7.5 Mô hình điều khiển chung cho 5 khớp 25

Cùng theo bản quyền của Mỹ các nước trên thế giới đă chạy đua sản xuất robotcông nghiệp,các công ty về Robot được thành lập để nghiên cứu và phát triển,ứng dụng Robot trong tự động hoá công nghiệp.

Yaskawa Motoman là một công ty chuyên cung cấp các giải pháp tự động hóasáng tạo cho hầu như tất cả các ngành công nghiệp và ứng dụng robot như: hàn,lắp ráp, sơn, pha chế, cắt gọt vật liệu, với hơn 175 mô hình robot khác biệt vàhơn 40 giải pháp công nghệ để giải quyết các công việc một cách hoàn chỉnh nhưcác hệ thống vận hành , thiết bị an toàn

1.2 Robot MKP2F/ MKP2F-5

Giới thiệu chung

Robot MKP2F/MKP2F-5là Robot tác động nhanh, linh hoạt, nhỏ gọn và đáng tincậy Đây là một loại Robot hoạt động với nhiều cài đặt Nó cũng cung cấp rấtnhiều ứng dụng, với hiệu suất sử dụng cao, đảm bảo những yêu cầu về chấtlượng, thời gian hoàn vốn ngắn MPK2F-5 là một robot tác động tốc độ cao với 5trục, mang lại hiệu suất cao và độ tin cậy cho việc xử lý thực phẩm, chọn, đónggói và các ứng dụng xử lý vật liệu tốc độ cao khác MKP2F-5 được thiết kế cứng

và thẳng, điều này dẫn đến độ ồn làm việc thấp, thời gian bảo trì lâu Ngoài ra nócòn được thiết kế nhỏ gọn, cổ tay mỏng, hiệu suất hoạt động cao ngay cả trongnhững vị trí khó

khiển robot nhỏ FS100 MPK2F-5 được thiết kế (cổ tay và thân máy) cho các ứng dụng mà sự sạch sẽ là quan trọng.

Ứng dụng của Robot MKP2F/ MKP2F-5

Robot MKP2F-5 được ứng dụng cho các dây chuyền sản xuất tự động, hiện nay các lĩnh vực phổ biến nhất là:

- Các quá trình hàn và nhiệt luyện

- Công nghệ gia công lắp ráp

- Phun sơn, vận chuyển hàng hóa

Một số thông số kỹ thuật Robot

- Số bậc tự do: 5

- Kiểu khớp: khớp quay

- Vùng không gian làm việc:

Hình 1.2 Không gian làm việc của Robot MKP2F/MKP2F-5

MPK2F-5 là những robot 5 trục hiệu suất cao được thiết kế cho các ứng dụngchọn nhanh và đóng gói bao bì FS100 là một bộ điều khiển mạnh mẽ với cấutrúc phần mềm mở chưa từng có Lý tưởng cho việc chọn nhanh, lắp đặt và đónggói hàng hóa thực phẩm và hàng tiêu dùng

Một số mặt cắt của Robot:

Hình 1.3 Một số mặt cắt của Robot MKP2F/MKP2F-5

Hình 1.4 Thông số kỹ thuật của Robot MKP2F/MKP2F-5

Một số ưu điểm Robot

 Robot tốc độ cao với tốc độ trục tốt nhất

 Thiết kế tiết kiệm năng lượng không

 Robot dùng cho việc làm sạch thực phẩm và các ứng dụng khác

trong đó vấn đề sạch sẽ là điều quan trọng

 Cổ tay rỗng thông qua cánh tay cáp làm giảm nhiễu và cải thiện

độ tin cậy của hệ thống

 Nhanh chóng, linh hoạt và nhỏ gọn

 Lý tưởng cho thu gom, sắp xếp và đóng thùng hàng hóa thực

phẩm tốc độ cao và hàng hóa tiêu thụ

 Khối lượng tải cho MPK2F là 2 kg, MPK2F-5 là 5 kg Cả hai

mô hình có độ chính xác ± 0,5 mm

 Nhỏ gọn, thiết kế cánh tay mỏng cho phép tiếp cận vào không

gian hạn chế, nâng cao năng suất của hệ thống

 Thiết kế cánh tay rỗng cho phép cáp và ống mềm được chạy bên

trong toàn bộ robot từ đế đến cổ tay nhằm cải thiện độ tin cậy

 Có thể dùng cho ứng dụng thực phẩm được Tổ chức Vệ sinh

Quốc gia (NSF-H1) chứng nhận an toàn dùng trong thực phẩm

 MPK2F: có thể để dưới sàn, hoặc treo tường hoặc trần nhà;

 MPK2F-5: có thể đặt dưới sàn hoặc treo lên trần nhà

Hình 1.5 Robot MKP2F/MKP2F-5 được treo trên trần nhà

Bộ điều khiển FS100 của Robot

Bộ điều khiển FS100 nhỏ, mạnh mẽ và mở Được thiết kế để đóng gói, xử

lý các bộ phận nhỏ và các ứng dụng lắp ráp, nó có hiệu suất cần thiết cho tốc độcao, hoạt động riêng biệt Nó cũng có kiến trúc phần mềm mở để cho phép nhàchế tạo máy và nhà tích hợp hệ thống phát triển các giải pháp phần mềm tùychỉnh của riêng họ Được thiết kế cho robot Motoman có tải trọng từ 20 kg trởxuống

Các đặc điểm chính:

Hình 1.6 Đặc điểm chính của bộ điều khiển FS100

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VỊ TRÍ ROBOT 2.1 Bài toán động học thuận Robot MKP2F

Áp dụng phương pháp Denavit- Hartenberg cho mô hình toán học của Robot, ta đặt các hệ trục tọa độ

Hình 2.1 Các hệ trục tọa độ của mỗi khớp

Từ mô hình Robot ta xác định được bảng D-H

Với a2= 350mm; a3=550mm; d1= 420mm

Các ma trận A được xác định bằng ma trận biến đổi thuần nhất tổng quát

cossini cosi.sini

Hình 2.2 Code tính toán động học thuận

Hình 2.3 Xây dựng Guide, nhập thông số và hiển thị kết quả

cột, tương ứng với từng khớp của robot

JH

4 ta được cột 5 của ma trận

được ma trận Jacoby ta áp dụng công thức sau:

a x

o z

a z

y

o y

a y

𝑆 1

−𝐶 1 0

0 0 0

Sử dụng Matlab để nhập và nhân ma trận Sau khi dùng hàm simplify ta sẽ được

3.2 Xây dựng chương trình tính toán trên Matlab

Hình 3.1 Code tính toán ma trận Jacoby

Hình 3.2 Xây dựng Guide, nhập thông số và hiển thị kết quả

𝐵1  

; 0,0,0,1]

T50=simplify(A1*A2*A3*A4*A5)T51=simplify(A2*A3*A4*A5) B1=simplify((A1^-1*T)

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO TRONG KHÔNG GIAN KHỚP 5.1 Tổng quan

Thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot có liên quan đến bài toán điềukhiển robot di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong không gian làm việc.Đường đi và quỹ đạo được thiết kế là đại lượng đặc trưng cho hệ thống điềukhiển vị trí của Robot Do đó độ chính xác của quỹ đạo sẽ ảnh hưởng đến chấtlượng di chuyển của Robot

Yêu cầu thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot:

làm việc hoặc di chuyển theo một quỹ đạo xác định

 Quỹ đạo của robot phải là đường liên tục về vị trí trong một khoảng thờigian nhất định

Quỹ đạo là các đường cong có dạng:

5.2 Tính toán thiết kế quỹ đạo chuyển động

Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp tiến hành như sau

- Chọn 2 điểm A, B bất kỳ trong không gian làm việc, xây dựng quỹ đạocho điểm tác động cuối của Robot đi từ A đến B

A và B là Ɵ1(A), Ɵ2(A), Ɵ3( ), Ɵ4(A), Ɵ5(A), Ɵ1(B), Ɵ2(B), Ɵ3(B), Ɵ4(B),

Ɵ5(B)

- Chọn quỹ đạo thiết kế là hàm đa thức bậc 3 theo thời gian như sau

- Ɵi = ai + bit + cit2 + dit3Với i = 1,2,3,4,5

- Nếu thời gian robot đi từ A đến B là trong t(s) và vận tốc tại 2 điểm A và

Ɵ 5= a5 + b5t + c5 t2+d5 t3

Từ đó thu được quỹ đạo chuyển động của mỗi khớp

Giả sử thời gian bắt đầu chuyển động đến hết chuyển động của các khớp là

tốc, gia tốc cho 3 khớp đầu của robot như sau:

Trên đây là ví dụ cho robot với 3 khớp đầu tiên theo động học ngược vị

Ta có thể sử dụng động học thuận để nhập giá trị các góc rồi từ đó thiết kếquỹ đạo nhưng như thế nó không đúng so với thực tế Ví dụ như ở đây là bài toán

đi qua 2 điểm đơn có thể dùng được nhưng khi bài toán đòi hỏi đi qua các điểmtrung gian thì phương pháp này không dùng được!

5.3 Code thiết kế quỹ đạo chuyển động và đồ thị quỹ đạo của Robot

% Quy dao toc do khop quay S:

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

CHO ROBOT THEO THUẬT TOÁN PID

Để xây dựng thuật toán điều khiển PID cho robot, ta sẽ dung matlab/Simulink để

mô phỏng Để có thể mô phỏng trên Matlab thì ta sẽ vẽ hình dạng của Robot trênSolidWorks sau đó chuyển qua Matlab để mô phỏng

6.1 Vẽ hình dạng robot trên SolidWorks

Link 5

Hình 6.6 Link 5 của Robot

Mô hình hoàn chỉnh

Hình 6.7 Mô hình hoàn chỉnh của Robot

6.2 Điều khiển PID

Sau khi đã vẽ xong trên SolidWorks Ta dùng Simspace Multibody để chuyển

mô hình qua Matlab Sau đó ta sẽ thiết kế bộ điều khiển PID cho từng khớp quaycủa Robot

Hình 6.8 Mô hình Robot khi có thêm PID cho từng khớp

Trên đây là mô hình sau khi đã thêm PID cho từng khớp

Sau đó ta sẽ lựa chọn các thông số PID để điều khiển cho từng khớp

Ví dụ, ta xét đến khớp thứ nhất:

Hình 6.9 Đồ thị khớp thứ nhất của Robot

Hình 6.10 Thông số bộ điều khiển PID

CHƯƠNG 7 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO ĐỐI

TƯỢNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB 7.1 Cài đặt và sử dụng

- Để tiến hành mô phỏng Robot sau khi đã vẽ bằng SolidWorks dựa trên Toolbox Simscape của Matlab, chúng ta cần cài đặt “Simscape MultibodyLink”

- Sau khi đã xuất file Soildworks dưới dạng file xml → Gõ lệnh

“mech_import” để chuyển đổi file xml sang file simulink

Sau khi tiến hành chuyển đổi xong chúng ta có mô hình robot trên phần mềmMatlab&simulnk ở hình dưới

Hình 7.1 Mô hình mô phỏng trên Matlab&Simulink

7.2 Thiết kế và cài đặt bộ điều khiển cho robot

- Cài đặt góc quay cho các khớp ở khối Slider Gain

Hình 7.2 Cài đặt cho khối Slider Gain

- Về cơ bản khối điều khiển của các khớp sẽ được cài đặt như sau

Hình 7.3 Khối điều khiển PID cho các khớp

- Trong đó bộ PID lấy sẵn từ thư viện Simulink, tín hiệu đưa vào điều khiểncho khớp và tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển PID, Scope giúp hiển thị

sự so sánh giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đầu ra của các khớp

- Sau khi cài đặt tín hiệu đặt tại khối slider thì chúng ta có đồi thị hiển thịnơi Scope như sau

Hình 7.4 Đồ thị giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đặt của khớp 1

7.3 Mô phỏng

Nhận xét:

Hình 7.5 Mô hình điều khiển chung cho 5 khớp

+ Các biến khớp đạt giá trị mong muốn trong khoảng thời gian ngắn + Độ quá điều chỉnh nhỏ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] N P T Anh, Bài giảng Kỹ thuật Robot, 2021

Available: us/products/robots/industrial/packaging- palletizing/mpk-series/mpk2f [Accessed 6 2021]