Header TÍNH Page TOÁN of 126 THIẾT KẾ ROBOT Mục lục Phần 1: Phân tích lựa chọn cấu trúc 1.Giới thiệu chung Robot nhu cầu thực tế 2.Phân tích đề lựa chọn phương án thiết kế 2.1.Phân tích đề 2.2 Phân tích phương án thiết kế 2.3.Mô hình nhóm thiết kế Phần : Giải toán động học 1.Hệ tọa độ trục bảng DH 1.1.Thiết lập hệ tọa độ trục 1.2 Bảng Denavit – Hartenberg 2.Tính toán ma tr ận 10 3.Giải toán động học thuận 12 3.1 Xác định vận tốc điểm tác động cuối vận tốc khâu thao tác 12 3.2 Xây dựng quy luật chuyển động khâu từ vẽ quỹ đạo điểm E, vận tốc điểm E vận tốc góc 13 4.Giải toán động học ngược 20 Phần 3: Tính toán lực 25 1.Tính toán tĩnh 25 Tính toán lực momen lớn trạng thái tĩnh 29 Phần 4: Tính toán dẫn động cho robot 34 1.Thiết kế hệ dẫn động cho khớp 35 Thiết kế hệ dẫn động cho khâu thứ 36 2.Chọn động 36 3.Tính toán tỉ số truyền hộp giảm tốc 38 Phần : Tính toán động lực học 38 1.Xây dựng cấu trúc động lực học thành phần cần thiết để viết phương trình động lực học 38 Tính động năng, robot 40 2.1 Động năng, ma trân khối lượng M(q) 40 Page Footer Page of 126 Header TÍNH Page TOÁN of 126 THIẾT KẾ ROBOT 2.2 Biểu thức hệ 40 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot 41 Phần :Luật điều khiển 47 Hệ thống điều khiển không gian khớp 47 Hệ thống điều khiển phản hồi không bù G(q) 47 Page Footer Page of 126 Header TÍNH Page TOÁN of 126 THIẾT KẾ ROBOT Phần 1: Phân tích lựa chọn cấu trúc 1.Giới thiệu chung Robot nhu cầu thực tế Robot máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ người : - Có hình dạng giống người cánh tay người - Có khả thao tác tự động - Có khả bắt chước thao tác giống người Cuộc sống ngày văn minh đại, mức sống người dân ngày nâng cao, đòi hỏi phải nâng cao suất chất lượng sản phẩm Vì phải ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hoá vào sản xuất nên tăng nhanh nhu cầu ứng dụng Robot để tạo hệ thống sản xuất tự động linh hoạt Robot máy, thiết bị cố định di động, tích hợp từ nhiều phận phận bao gồm: - Cơ cấu chấp hành - Hệ thống dẫn động - Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả lập trình linh hoạt - Hệ thống thông tin giám sát Trong năm gần việc áp dụng loại Robot vào dây chuyền sản xuất ngày sử dụng rộng rãi doanh nghiệp Ví dụ loại Robot: Robot hàn, Robot phun sơn công ty sản xuất lắp ráp ô tô Đặc biệt công ty sản xuất lắp ráp linh kiện điện tử Đây công việc đòi hỏi xác cao, thường lặp lại nên dễ gây mệt mỏi cho người làm sử dụng Robot công ty phổ biến Ngoài phân xưởng sản xuất sử dụng nhiều loại xe Robocar công việc môi trường độc hại, thường xuyên tiếp xúc với hoá chất độc hại sử dụng Robot làm thay người Page Footer Page of 126 Header TÍNH Page TOÁN of 126 THIẾT KẾ ROBOT Hình 1.1 Một số hình ảnh robot công nghiệp Page Footer Page of 126 Header TÍNH Page TOÁN of 126 THIẾT KẾ ROBOT 2.Phân tích đề lựa chọn phương án thiết kế 2.1.Phân tích đề Yêu cầu đặt để thiết kế tính toán robot hàn hồ quang với quỹ đạo đường cong có kích thước mối hàn 40cm x 40 cm x 40cm - Để đảm bảo robot có khả đưa đầu hàn tới vị trí không gian làm việc robot cần từ bậc tự trở lên - Để tiếp cận bề mặt chi tiết theo hướng cụ thể cần thêm bậc tự do, chi tiết hàn chuyển động theo phương, chuyển động quay robot cần bậc tự Từ phân tích dựa vào thực tế , khả có hạn nên nhóm chúng em định chọn thiết kế robot bậc tự Với yêu cầu thêm chi tiết cần hàn bị khống chế bậc tự do, thực chuyển động quay tịnh tiến 2.2 Phân tích phương án thiết kế Phương án Phương án Page Footer Page of 126 Header TÍNH Page TOÁN of 126 THIẾT KẾ ROBOT Phương án Ba phương án dạng thực tế ứng dụng nhiều Đặc biệt phương án thực tế dùng phổ biến kết cấu đơn giản toàn khớp quay.Nên việc tính toán lập trình điều khiển dễ dàng so với phương án Ở phương án có khớp tính tiến nên robot thực linh hoạt có thêm bậc tự cổ bàn tay nắm bắt công cụ, thường bậc tự Theo yêu cầu đề tài thiết kế mô khả nhóm hạn chế nên phương án áp dụng vào đề tài khó đáp ứng yêu cầu đề tài hàn đường cong nhóm khó có khả thiết kế tính toán Vì nhóm đến thống chọn thiết kế theo phương án Page Footer Page of 126 Header TÍNH Page TOÁN of 126 THIẾT KẾ ROBOT 2.3.Mô hình nhóm thiết kế Hình 1.2 Mô hình robot hàn Page Footer Page of 126 Header TÍNH Page TOÁN of 126 THIẾT KẾ ROBOT Hình 1.3 Khâu đế Hình 1.4 Khâu Page Footer Page of 126 Header TÍNH Page TOÁN of 126 THIẾT KẾ ROBOT Hình 1.5 Khâu Hình 1.6 Khâu Page Footer Page of 126 Header TÍNH Page TOÁN 10 of 126 THIẾT KẾ ROBOT Phần : Giải toán động học 1.Hệ tọa độ trục bảng DH 1.1.Thiết lập hệ tọa độ trục Khâu đế: ta chọn hệ tọa độ XoYoZo có trục Zo chọn trùng với khớp 1, trục Xo chọn tùy ý cho phù hợp hình vẽ, trục Yo chọn theo quy tắc tam diện thuận Khâu 1: ta chọn hệ tọa độ X1Y1Z1 có trục Z1 trùng với khớp 2, trục X1 ta chọn theo hướng Z0 x Z1 , trục Y1 chọn theo quy tắc tam diện thuận Khâu 2: ta chọn hệ tọa độ X2Y2Z2 có trục Z2 trùng với khớp 3, trục X2 ta chọn theo đường vuông góc chung Z1 Z2 , trục Y2 chọn theo quy tắc tam diện thuận Khâu 3: ta chọn hệ tọa độ X3Y3Z3 có trục Z3 song song Z2, X2 chọn theo đường vuông góc chung Z2 Z3, Y3 chọn theo quy tắc tam diện thuận Các biến khớp: q1 = θ1 q2 = θ2 q3 = θ3 Page Footer Page 10 of 126 Header TÍNH Page TOÁN 45 of 126 THIẾT KẾ ROBOT > > > > Page 43 Footer Page 45 of 126 Header TÍNH Page TOÁN 46 of 126 THIẾT KẾ ROBOT > > > > > > > > > > > > > Page 44 Footer Page 46 of 126 Header TÍNH Page TOÁN 47 of 126 THIẾT KẾ ROBOT > > > > > > > > > > > > > > > > > Page 45 Footer Page 47 of 126 Header TÍNH Page TOÁN 48 of 126 THIẾT KẾ ROBOT > > > > > > > > > > > > > > > > > > Page 46 Footer Page 48 of 126 Header TÍNH Page TOÁN 49 of 126 THIẾT KẾ ROBOT > Phần :Luật điều khiển Tất hệ thống điều khiển dều tuân theo luật điều khiển PD thiết kế hệ thống điều khiển ta bỏ qua động học cấu chấp hành, quán tính động Như chức điều khiển tạo momen cần thiết để truyền động khớp Robot đảm bảo khớp Robot bám theo vị trí đặt Hệ thống điều khiển không gian khớp Tín hiệu đặt quỹ đạo bậc biến khớp Hệ thống điều khiển phản hồi không bù G(q) Luật điều khiển: Hình 6.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Robot với điều khiển PD Page 47 Footer Page 49 of 126 Header TÍNH Page TOÁN 50 of 126 THIẾT KẾ ROBOT Ta có phương trình động lực học : diag ( K p1 , K p K pn ) Gọi H(q) =M(q) tránh nhầm với M la vector momen V (q, q) = C (q, q)q , M=U tiến đến ta coi Robot không chịu tác dụng ngoại lực luật điều khiển bám quỹ đạo F=0 phương trình động lực học rút gọn sau : M= H(q) q + V (q, q) + G(q) (1) Luật điều khiển : M dk  K p (qd  q)  Kd (qd  q)  K p  Kd  Trong : K p = diag ( K p1 , K p K pn ) ma trận đường chéo hệ số khuyếch đại khớp riêng biệt Với luật điều khiển giả thiết thành phần mômen trọng lực G(p) bù hoàn toàn Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển trên, ổn định tuyệt đối toàn cục Thực chọn hàm Liapunov có dạng sau : VL  T ( Kp  qT Hq) (2) Hàm VL biểu thị tổng lượng hệ thống robot Thành phần chứa Kp tỷ lệ với lượng đầu vào , thành phần sau động robot mà Kp H ma trận có hệ số dương Nên hàm VL >0 với q khác qd Tính đạo hàm cấp VL ta nhận : VL  T ( Kp   T Kp  qT Hq  qT Hq  qT Hq ) T Do tính chất đối xứng thành phần  Kp q Hq ta tính T VL   T Kp  T q Hq  qT Hq Page 48 Footer Page 50 of 126 Header TÍNH Page TOÁN 51 of 126 THIẾT KẾ ROBOT Từ phương trình động lực học với giả thiêt thành phần momen trọng lực G(q) , ta nhận phương trình sau : VL   T Kp  T q Hq  qT  M  V (q, q )  Sử dụng thuộc tính phương trình động lực học áp dụng luật điều khiển (1) ta có : VL  qT Kd   qT c(q, q)q  T q H (q)q  qT Kd +qT ( H  c)q 2 Trong : V (q, q) = C (q, q)q Do ma trận 1 H  c ma trận đối xứng ngược nên - qT ( H  c)q =0 2 T Suy VL  q Kd (3) Từ 5.2 5.3 cho thấy , mức độ dương VL phụ thuộc vào Kp , mức độ âm VL phụ thuộc vào Kd Do tăng tốc độ hội tụ tăng giá trị Kp Nâng cao độ xác tinh hệ thống đạt tăng hệ số Kp khâu khuếch đại Tuy nhiên , Kp Kd lớn làm giảm độ ổn định chất lượng trình độ độ điều chỉnh , thời gian độ tăng Ta thiết lập hệ phương trình vi phân động lực học mô hình toán học Robot hàn điểm mà ta thiết lập, mô điều khiển ta sử dụng phương trình vi phân động lực học đối tương điều khiển Quỹ đạo đặt quỹ đạo bậc biến khớp với điều khiển ĐIỂM-ĐIỂM ta chọn điểm A(x0,y0,z0) ,B(xc,yc, xc) không gian làm việc Từ phương trình động học ngược ta tính phần ta xác định góc khớp hai điểm  Code chương trình mô phòng Open GL Page 49 Footer Page 51 of 126 Header TÍNH Page TOÁN 52 of 126 THIẾT KẾ ROBOT //DrawModel.h - includes functions to render objects and supporting functions //Author: NGUYEN DINH DINH #ifndef _DRAW_MODEL_H_ #define _DRAW_MODEL_H_ #include "GL/Glut.H" #include "STLModel.h" #include "Materials.h" #include "Lights.h" #include "Trajectory.h" #include "DrawText.h" #ifndef PI #define PI 3.1415926535897932384626433832795 #endif /*PI*/ void CreateObjects(); void RenderObjects(double X, double Y, double Z, double angX, double angY, double angZ, double Scale = 1); //implement code here //parameters manage graphical objects int de, khau1, khau2, khau3; Page 50 Footer Page 52 of 126 Header TÍNH Page TOÁN 53 of 126 THIẾT KẾ ROBOT //Parameters for model double H0, L1, L2, q1, q2, q3, d1 ,a1, a2, a3; //Trajector double xt, yt, zt, t, stept; int traj_size = 100; CTrajectory traj; void SolveInverseKinematic() { xt = 50+20*sin(t); yt = 50+15*cos(t); zt = 50 + 25*sin(3*t); if (2*6.28 > > Page 18 Footer Page 20 of 126 Header TÍNH Page TOÁN 21 of 126 THIẾT KẾ ROBOT