zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Tự động hoá

Thiết kế mô hình và điều khiển hoạt động của rô bốt sử dụng các phần mềm Solidword, Maple, Robot Simulator

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Báo xấu

12
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Thiết kế mô hình và điều khiển hoạt động của rô bốt sử dụng các phần mềm Solidword, Maple, Robot Simulator trình bày việc nghiên cứu, thiết kế và điều khiển hoạt động của rô bốt với sự hỗ trợ của các phần mềm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế mô hình và điều khiển hoạt động của rô bốt sử dụng các phần mềm Solidword, Maple, Robot Simulator

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Thiết kế mô hình và điều khiển hoạt động của rô bốt sử dụng các phần mềm Solidword, Maple, Robot Simulator Vi Thị Nhung Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh E-mail: vithinhung@qui.edu.vn Tóm tắt: Rô bốt là một đối tượng máy móc có thể lập trình điều khiển, có chức năng nhiệm vụ, có thể tái lập trình, có thể được điều khiển tự động hoặc điều khiển bằng tay. Cùng với nhu cầu sử dụng rô bốt ngày càng nhiều, ngành khoa học Robotics ra đời và phát triển mạnh mẽ, có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các rô bốt và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh. Rô bốt học là một khoa học liên ngành bao gồm: Thiết kế, chế tạo, điều khiển và lập trình rô bốt; Sử dụng rô bốt; Nghiên cứu về công nghệ điều khiển, cảm biến, các thuật toán điều khiển-Ứng dụng các công nghệ điều khiển và các thuật toán để thiết kế rô bốt. Bài báo trình bày việc nghiên cứu, thiết kế và điều khiển hoạt động của rô bốt với sự hỗ trợ của các phần mềm. Trong đó, thiết kế mô hình 3D của rô bốt sử dụng Solidword, thiết lập phương trình động học, sử dụng Maple biểu diễn các phương trình và mô phỏng quy luật chuyển động của rô bốt, mô phỏng hoạt động của rô bốt bằng phần mềm Robot Simulator. Việc mô hình hóa và điều khiển hoạt động của rô bốt sẽ hỗ trợ cho khảo sát, đánh giá, hiệu chỉnh nâng cao chất lượng bộ tham số điều khiển rô bốt và cho việc chế tạo rô bốt trong thực tế. Từ khoá: Rô bốt, solidword, maple, robot Simulator. 1. GIỚI THIỆU Kết cấu cơ bản của rô bốt gồm: Đế 1 được đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động 2, thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6 [1]. Cánh tay rô bốt là kết cấu cơ khí gồm nhiều khâu liên kết với nhau bằng các khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của rô bốt. Nó quyết định khả năng làm việc của rô bốt. Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động mà tay máy có các kết cấu và vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của rô bốt là rô bốt kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, kiểu Scara, hệ tọa độ góc. Rô bốt kiểu hệ tọa độ trụ, sử dụng khớp quay thay cho khớp trượt thứ nhất. Vùng làm việc có dạng hình trụ rỗng. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng. Rô bốt kiểu tọa độ cầu, khớp thứ hai được thay bằng khớp quay, vùng làm việc là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trước, còn độ chính xác phụ thuộc vào tầm với. Rô bốt kiểu tay người, sử dụng 3 khớp quay, vùng làm việc gần giống một phần khối cầu. Độ chính xác định vị phụ thuộc vào vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. Rô bốt kiểu Scara là rô bốt kiểu mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trính sản xuất. ―Scara‖ là viết tắt của cụm từ ―Selective Compliant Articulated Arm‖, tức là cánh tay mềm dẻo tùy ý. Ba khớp đầu tiên của rô bốt này có cấu hình R-R-T các trục khớp theo phương thẳng đứng. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 185
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 1: Kết cấu cơ bản của rô bốt [1] Dựa trên những kết cấu cơ bản rô bốt, chúng được thiết kế, sản xuất, ứng dụng với những loại rô bốt linh hoạt hơn, có thể giúp con người trong các lĩnh vực của đời sống và trong công nghiệp. Chúng được sử dụng bất cứ khi nào để giảm nguy cơ gây nguy hiểm cho con người, cung cấp thêm sức mạnh hoặc độ chính xác cao hơn con người. Nó có thể thay thế con người trong các nhiệm vụ như: Tìm kiếm vật liệu nổ, vận chuyển hàng hóa trong môi trường độc hại, giám sát an ninh,… Tuy nhiên, việc chế tạo rô bốt rất phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn: thiết kế, chế tạo, lắp ráp, điều khiển,… sao cho phù hợp với từng yêu cầu cụ thể, đồng thời đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc tin cậy. Vì thế, việc mô hình hóa, điều khiển hoạt động của rô bốt sẽ thuận tiện cho khảo sát, đánh giá, hiệu chỉnh nâng cao chất lượng bộ tham số điều khiển rô bốt góp phần tăng hiệu quả cho việc chế tạo rô bốt, giảm thời gian thử nghiệm, điều chỉnh, giảm chi phí sản suất. Bài báo trình bày một phương án thiết kế, xây dựng và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của rô bốt công nghiệp 3 bậc tự do kiểu Scara. Các loại rô bốt khác hay rô bốt có bậc cao hơn cũng có thể xây dựng và điều khiển mô phỏng tương tự phương pháp này. Quá trình thực hiện như sau: - Thiết kế các khâu của mô hình rô bốt thông qua sử dụng phần mềm Solidwork. - Tính toán động học: thiết lập phương trình động lực học, thiết lập quỹ đạo chuyển động trong không gian làm việc. - Lập trình mô phỏng rô bốt bằng phần mềm Maple. - Mô phỏng hoạt động của rô bốt bằng phần mềm Robot Simulator cho các kết quả quỹ đạo. 2. DỮ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Thiết kế mô hình rô bốt 3D Rô bốt được thiết kế là loại Scara, 3 bậc tự do, 1 bậc tịnh tiến, 2 bậc quay . Dựa vào sơ đồ động học tiến hành thiết kế mô hình 3D của rô bốt. Khâu 0(đế): Chọn hệ tọa độ X 0Y0 Z 0 có trục Z 0 trùng với khớp 1, trục X 0 chọn tùy ý sao cho phù hợp nhất với hình vẽ, trục Y0 chọn theo quy tắc tam diện thuận. Khâu 1: Chọn hệ tọa độ X 1Y1Z1 có trục Z1 trùng với khớp 2, trục X 1 chọn theo hướng Z 0 x Z1 , trục Y1 chọn theo quy tắc tam diện thuận. Khâu 2: Chọn hệ tọa độ X 2Y2 Z 2 có trục Z 2 trùng với khớp 3, trục X 2 chọn theo hướng Z1 x Z 2 , trục Y2 chọn theo quy tắc tam diện thuận. Khâu 3: Chọn hệ tọa độ X 3Y3 Z 3 có trục Z 3 trùng với khớp 4, trục X 3 chọn theo đường vuông góc chung Z 2 và Z 3 , trục Y3 chọn theo quy tắc tam diện thuận. 186 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 2. Sơ đồ động học robot TRR(kiểu Scara) Hình 3. Mô hình 3D Robot TRR (kiểu Scara) 2.2. Xây dựng mô hình toán học Từ việc chọn hệ tọa độ và lựa chọn chiều dài các khâu, ta có bảng động học sau: Bảng 1. Bảng động học của rô bốt Khâu θi di ai αi 1 0 d1 a1 0 2 θ2 0 a2 270 3 θ3 0 a3 0 Với d1=0.55m; a1 = 0.3 m ; a2 = 0.3 m; a3 = 0.28m. Sử dụng Maple Thiết lập mô hình biểu diễn các phương trình chuyển động Từ bảng DH, ta có: i-1 Ai = (1) 0 A1 = (2) 1 A2 = (3) 2 A3= (4) 0 A2=0A1.1A2 = (5) Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 187
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH 0 A3=0A2= (6) 0 Ma trận A3 cho biết vị trí và hướng của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định, hay nói cách khác, là vị trí của điểm tác động cuối và hướng của hệ tọa độ động gắn vào khâu tại điểm tác động cuối trong hệ tọa độ cố định, nên ta có thể biểu diễn qua các biến khớp θi. Hệ phương trình động học của robot,các phương trình đại số phi tuyến: (7) Sử dụng Maple mô phỏng quy luật chuyển động của rô bốt: Hình 4. Đồ thị vị trí điểm E theo trục X theo Hình 5. Đồ thị vị trí điểm E theo trục Y thời gian theo thời gian Các phương trình biểu diễn vị trí của khâu chấp hành: Theo phương trục X (8) Theo Phương trục Y (9) Theo phương trục Z (10) Đồ thị vị trí điểm E (điểm chấp hành trên khâu chấp hành) 188 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Qũy đạo chuyển động của điểm E Hình 6. Đồ thị vị trí điểm E theo trục Z Hình 7. Qũy đạo chuyển động của điểm E theo thời gian 2.3. Điều khiển và mô phỏng hoạt động của rô bốt Các hệ thống điều khiển nêu dưới đây đều theo luật điều khiển PD (Proportional and Derivative Controller được gọi là bộ điều khiển đạo hàm). Khi thiết kế hệ thống điều khiển, ta bỏ qua động học của cơ cấu chấp hành, quán tính động cơ. Như vậy, chức năng của bộ điều khiển là tạo ra mô men cần thiết để truyền động khớp rô bốt đảm bảo khớp rô bốt luôn bám theo vị trí đặt. Hình 8. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển rô bốt với bộ điều khiển PD Phương pháp điều khiển Xuất phát từ phương trình động lực học: .. ..   M (q). q V (q, q)  G(q) (11) Trong đó M(q) là ma trận khối lượng suy rộng vuông cấp n; V (q, q) là véc tơ n chiều . của các thành phần Coriolis và ly tâm; G(q) là véc tơ n chiều của các thành phần lực suy rộng của các lực có thế. Mỗi phần từ M và G là một hàm của q - vị trí của tất cả các khớp của rô bốt. Mỗi thành phần của V là hàm của q. . Giả sử ma sát tại các khớp là hàm của vị trí và vận tốc: F (q, q) Chúng ta thu được: Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 189
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH .. .. .   M (q). q V (q, q)  G(q)  F (q, q) (12) Với cách điều khiển chia tách thì ta có:    . `   (13) Với  là véc tơ n các thành phần mô men dẫn động các khớp. Chúng ta chọn: . .   M (q) ,   V (q, q)  G(q)  F(q, q) (14) Với luật điều khiển servo: .. ..  '  q d  Kv . E  K p .E (15) Trong đó: E  qd  q Hinh 9. Hệ điều khiển tay máy phi tuyến Kết quả bảng điều khiển thu được (hình 8). Từ công thức trên ta có hệ điều khiển kín tay máy: .. . E  Kv . E  K p .E  0 (16) Vì hệ phương trình là độc lập: các ma trận Kp và Kv là các ma trận đường chéo, do vậy phương trình trên có thể viết riêng cho từng khớp: .. . ei  kvi . ei  k pi .ei  0 (17) 2.4. Mô phỏng Sử dụng phần mềm Robot Simulator - phần mềm giả lập rô bốt, cung cấp các ứng dụng vật lý để con người có thể nghiên cứu chương trình lập trình mà không phụ thuộc vào máy móc thực tế nhằm tiết kiệm thời gian và chi phí. Phần mềm cho phép tải các hình vẽ 3D, lắp ráp các khâu kết hợp với chương trình đã được thiết lập bằng Maple, mô phỏng chuyển động rô bốt theo đúng quỹ đạo lập trình (Khởi tạo RobotSimulator.exe, chọn build rô bốt, chọn các khâu đã vẽ được xuất ra từ solidword, điền thông số động học từng khâu và tải file điều khiển mô phỏng từ Maple. Phần mềm tự động tiếp nhận và mô phỏng hoạt động của rô bốt theo đúng quỹ đạo tính toán). 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả Tác giả thiết kế được mô hình 3D rô bốt kiểu Scara, lắp ráp các khâu hoàn chỉnh bằng phần mềm Solidword. 190 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Xây dựng mô hình toán học với ma trận vị trí, vẽ đồ thị quỹ đạo chuyển động của điểm chấp hành trên cơ cấu chấp hành theo các trục và trong không gian bằng phần mềm Maple. Sử dụng phần mềm Robot Simulator mô phỏng hoạt động của rô bốt theo đúng quỹ đạo thiết kế. Bài báo đã xây dựng thành công một phương án thiết kế và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của rô bốt 3 bậc tự do với sự hỗ trợ của các công cụ mềm: Solidword, Maple, Robot Simulator. Hình 10. Mô phỏng hoạt động của rô bốt bằng phần mềm Robot Simulator 3.2. Thảo luận Kết quả bài báo mới thể hiện một phương án trong thiết kế, mô phỏng hoạt động của rô bốt 3 bậc tự do theo quỹ đạo lập trình, tuy nhiên, các thông số trong kết quả hiệu chỉnh chưa được tối ưu để có quỹ đạo chuyển động tốt nhất. Tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu lập trình, mô phỏng các rô bốt có bậc tự do lớn hơn và hiệu chỉnh các thông số để có quỹ đạo chuyển động tối ưu, phù hợp với các yêu cầu cụ thể trong điều kiện làm việc khác nhau. 4. KẾT LUẬN Sự ra đời của rô bốt chính là chìa khóa để mở ra một thời đại khoa học công nghệ tiên tiến, phục vụ nhu cầu tự động hóa, chúng giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và giảm tải tối đa khối lượng công việc nặng nhọc cho con người, với tốc độ làm việc nhanh chóng, an toàn, chính xác, chất lượng và bền bỉ. Những lợi ích của rô bốt trong đời sống hiện nay đã hoàn toàn chứng minh rằng, đây chính là một trong những phát kiến vĩ đại nhất của thời đại 4.0. Việc mô hình hóa, mô phỏng chuyển động của rô bốt là cần thiết, để khảo sát, lựa chọn quỹ đạo chuyển động cũng như tối ưu hóa sản xuất rô bốt. Bài báo đã xây dựng thành công một phương án thiết kế và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của rô bốt 3 bậc tự do, với sự hỗ trợ của các công cụ mềm: Solidword, Maple, Robot Simulator. Phương án thiết kế, xây dựng mô hình toán học và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của rô bốt trong bài báo có thể dùng để khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh nâng cao chất lượng bộ tham số điều khiển rô bốt, nhằm tối ưu hóa bộ tham số điều khiển thuận lợi cho việc chế tạo rô bốt trong thực tế. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 191
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Mạnh Tiến (2007), Điều khiển Robot công nghiệp,NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2] Nguyễn Văn Khang (2003), Cơ sở cơ học kỹ thuật, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. [3] Nguyễn Thiện Phúc (2006), Robot công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [4] Phạm Huy Điển (2002), Tính toán lập trình và giảng dạy toán học trên MAPLE, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [5] Phạm Công Ngô (2002), Tự học lập trình VISUAL C++6.0, NXB Thống Kê. The reseach modeling and controlling robotic operation Use solidword, matple, robot simulator software Thi Nhung Vi Quang Ninh University of Industry Abstract: Robot is a programmable, task-oriented, re-programmable machine object that can be controlled automatically or manually. Along with the increasing demand for robots, the science of Robotics was born and developed strongly, with the task of researching the design and manufacturing of robots and their application in other fields of activity. of human society, such as scientific and technical research, economy, national defense and people's livelihood. Robotics is an interdisciplinary science that includes: Design, build, control and program robots; Using robots; Research on control technology, sensors, control algorithms - Applying control technologies and algorithms to design robots. This paper presents the research, design and control of the robot's operation with the support of software. In which, designing 3D models of the robot using Solidword, setting up kinematics equations, using Maple to represent equations and simulate the robot's motion laws, and simulate the robot's operation by software. Robot Simulator software. Modeling and controlling the robot's operation will support the survey, evaluation, and adjustment to improve the quality of the robot control parameters and for the actual manufacturing of robots. Keywords: Robot, solidword, maple, robot Simulator. 192 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2412 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.