Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế điều khiển đồng bộ robot 4 bậc tự do

Chia sẻ: Codon_05 Codon_05 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

143
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế điều khiển đồng bộ robot 4 bậc tự do với mục tiêu tập trung nghiên cứu kĩ thuật điều khiển các trục khớp đồng thời (điều khiển đồng bộ các khớp) và áp dụng vào cho robot 4 bậc tự do.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế điều khiển đồng bộ robot 4 bậc tự do

1 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM TRƯỜNG TÙNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Đăng Phước THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ Phản biện 1: Phản biện 2: ROBOT 4 BẬC TỰ DO Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc CHUYÊN NGÀNH: SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG sĩ kĩ thuật họp tại Đà Nẵng vào ngày…..tháng…..năm 2011 MÃ SỐ: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin Học liệu – ĐH Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu – ĐH Đà Nẵng. ĐÀ NẴNG – NĂM 2011
3 4 MỞ ĐẦU sở ñó tính toán ñể thiết kế bộ ñiều khiển ñồng bộ các trục cho 1. Lý do chọn ñề tài: robot. • Hiện nay, với nền sản xuất công nghiệp hiện ñại, robot công • Chế tạo mô hình ñể kiểm chứng các kết quả. nghiệp là một trong những thành phần quan trọng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: • Nhiều cơ sở ñào tạo hiện chưa có robot ñể phục vụ cho sinh • Áp dụng cho các sản phẩm là robot hoặc thiết bị tự ñộng nhiều viên học tập và nghiên cứu. trục yêu cầu chuyển ñộng ñồng bộ trong quá trình hoạt ñộng. • Cần thiết phải nghiên cứu về robot công nghiệp nhằm nắm • Góp phần thúc ñẩy việc xây dựng các mô hình phục vụ cho bắt và phát triển kĩ thuật robot ñể phục vụ cho nhu cầu sản công tác ñào tạo sinh viên. xuất, phục vụ học tập, nghiên cứu. • Tạo ra phương pháp học tập nghiên cứu trực quan bằng mô 2. Mục ñích của ñề tài: hình cụ thể. Bước ñầu tiếp cận kĩ thuật ñiều khiển robot. • Đề tài tập trung nghiên cứu kĩ thuật ñiều khiển các trục khớp 6. Cấu trúc của luận văn: ñồng thời ( ñiều khiển ñồng bộ các khớp) và áp dụng vào cho Cấu trúc của luận văn gồm có bốn chương. robot 4 bậc tự do. - Chương 1: Trình bày tổng các vấn ñề quan về robot; về lịch sử 3. Phạm vi và nội dung nghiên cứu: phát triền robot công nghiệp; các khái niệm cơ bản của robot 3.1. Phạm vi: công nghiệp. • Nghiên cứu ñể áp dụng cho robot 4 bậc tự do, sử dụng ñộng - Chương 2: Trình bày cơ sở ñể chọn lựa cấu hình robot dựa trên cơ ñiện một chiều. các ñặc tính kĩ thuật yêu cầu. Sau khi xác ñịnh ñược mô hình 3.2. Nội dung nghiên cứu: robot, ta tiến hành tính toán ñộng học và ñộng lực học của mô • Nghiên cứu lý thuyết về robot công nghiệp. Trên cơ sở ñó, ta hình robot ñó. vận dụng lựa chọn mô hình robot phù hợp. Chương 3: Trình bày về các khái niệm về ñiều khiển ñồng bộ; • Xây dựng mô hình toán học ñể ñiều khiển ñồng bộ các trục thiết kế quy luật chuyển ñộng của các trục khớp. Trên cơ sở quy của robot ñã lựa chọn. Mô hình hóa luật ñiều khiển ñó bằng luật chuyển ñộng ñó, ñề ra mô hình ñiều khiển ñồng bộ các trục máy tính và sau ñó thiết kế bộ ñiều khiển ñồng bộ chuyển khớp thông qua việc xây dựng phương pháp ñiều khiển theo ñộng các trục của robot. phương pháp trượt. Sau khi xây dựng mô hình toán học, tiến • Chế tạo mô hình robot.. hành mô phỏng trên Matlab ñể kiểm nghiệm. 4. Phương pháp nghiên cứu: - Chương 4. Chương này trình bày cơ sở thiết kế mạch ñiều khiển • Nghiên cứu các tài liệu liên quan nhằm tổng hợp lựa chọn và chương trình ñiều khiển robot trên máy tính ñược lập trình các phương án từ ñó ñưa ra mô hình robot phù hợp, trên cơ bằng ngôn ngữ Visual Basic.
5 6 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 2.1.2. Lựa chọn mô hình ñộng học của robot 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP Trong các loại kết cấu của robot mà ta nghiên cứu ở trên, robot 1.2. CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT CÔNG của ta chỉ có thể có một trong các kết cấu kiểu tọa ñộ trụ, tọa ñộ cầu, NGHIỆP SCARA, và kiểu tay người. 1.3. KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA MỘT ROBOT CÔNG NGHIỆP Sau khi phân tích các mô hình ñã nêu trên, ta chọn mô hình kết 1.3.1. Kết cấu chung cấu robot kiểu tay người ñể thực hiện. 1.4. PHÂN LOẠI ROBOT CÔNG NGHIỆP θ3 1.4.1. Phân loại theo kết cấu θ2 θ4 1.4.2. Phân loại theo hệ thống truyền ñộng 1.4.3. Phân loại theo ứng dụng θ1 1.4.4. Phân loại theo cách thức và ñặc trưng của phương pháp ñiều khiển Hình 2.1. Mô hình ñộng học của robot PDU01 2.2. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CHO MÔ HÌNH ROBOT PDU01 CHƯƠNG 2 - LỰA CHỌN MÔ HÌNH ROBOT – TÍNH TOÁN 2.2.1. Thiết lập phương trình ñộng học thuận về vị trí cho robot ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC PDU01 2.2.1.1.Chọn hệ tọa ñộ cơ sở, gắn các hệ toạ ñộ trung gian lên các khâu a2 a3 a4 2.1. LỰA CHỌN MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT Y1 Y2 Y3 Y4 O1 O2 O3 X3 2.1.1. Yêu cầu kĩ thuật của robot X1 X2 Z4 O4 X4 θ4 Z1 Z2 Z3 θ2 θ3 2.1.1.1.Sức nâng của tay máy d1 Z0 θ1 Sức nâng của robot từ 0.1kg ñến khoảng 2kg. O0 X0 Y0 2.1.1.2.Số bậc tự do của phần công tác Ta chỉ quan tâm nghiên cứu ñối với mô hình ñộng học robot có 4 Hình 2.3 . Hệ tọa ñộ trung gian trên các khâu bậc tự do. 2.2.1.2.Lập bảng thông số DH 2.1.1.3.Trường công tác của robot Bảng 2.1. Bảng thông số DH của robot PDU01 Hình chiếu bằng của trường công tác phải là một hình tròn ñể Khâu θi αi ai di ñảm bảo việc robot có thể nhặt ñược tất cả các vật ở vị trí xung quanh 1 θ1 * 90 0 d1 2 θ2 * 0 a 2 0 gốc cố ñịnh của nó. 3 θ3 * 0 a3 0 4 θ4 * 0 a 4 0
7 8 2.2.1.3.Dựa vào các thông số của bảng DH, ta thiết lập các ma trận Bảng 2.2. Hệ phương trình ñộng học thuận của robot PDU01 Ai nx = C1C234 ox = - C1S234 ax = S1 px = a 4C1C234 + a3C1C23 + a2C1C2 Như vậy ta có các ma trận Ai ny = S1C234 oy = -S1S234 ay = -C1 py = a 4 S1C234 + a3 S1C23 + a2 S1C2 C1 0 S1 0  C2 -S 2 0 a 2C2  nz = S234 oz = C234 az = 0 pz = a 4 S 234 + a3 S 23 + a2 S 2 + d1  S1 0 -C1 0  ;  S C2 0 a 2 S2  A1 =   A2 =  2 2.2.2. Phương trình ñộng học ngược về vị trí cho robot PDU01  0 1 0 d1  0 0 1 0    0 0 0 1 0 0 0 1  2.2.2.1.Điều kiện ñể hệ phương trình có nghiệm  oy ax p y C3 -S3 0 a 3C3   C4 - S 4 0 a 4 C4  o = − a = p  S C3 0 a 3 S3  ;  S C4 0 a 4 S4   x y x A3 =  3 A4 =  4  nz 1 0  oy 1 0  ox  0 0   0 0   =− =− 0 0 0 1  0 0 0 1   oz nx ny az = 0  2.2.1.4.Tính các ma trận biến ñổi thuần nhất T   C4 - S 4 0 a 4 C4  C34 -S34 0 a 4C34 + a3C3  2.2.2.2.Tìm nghiệm của hệ phương trình ñộng học   S   34 C34 0 a 4 S34 + a3 S3  S C4 0 a 4 S 4 ; 2 3 T4 =  4  T = Thực hiện việc giải phương trình ñộng học ngược bằng cách nhân 0 0 1 0 4  0    0 1 0 lần lượt các ma trận nghịch ñảo của ma trận Ai với ma trận T4 ta giải 0 0 0 1     0 0 0 1  ñược kết quả sau: C234 -S 234 0 a 4C234 + a3C23 + a2C2  θ1 = − arctan 2( a x , a y ) S C234 0 a 4 S234 + a3 S23 + a2 S2  1 T4 =  234  θ234 = - arctan2(C1ox+S1oy,oz)  0 0 1 0  Px 2 + Py 2 − a3 2 − a2 2  0 0 0 1  θ 3 =arctan2( ± 1 − C32 , ) a3 2 + a2 2 C1C234 −C1S 234 S1 a 4C1C234 + a3C1C23 + a2C1C2  ( a3C3 + a2 ) (a3S23 + a2S2 ) − a3S3 (a3C23 + a2C2 ) , ( a3C3 + a2 ) (a3C23 + a2C2 ) + a3S3 (a3S23 + a2S2 ) ) S C θ2 =arctan2( − S1S 234 −C1 a 4 S1C234 + a3 S1C23 + a2 S1C2  ( a3C3 + a2 ) + ( a3S3 ) 2 2 ( a3C3 + a2 ) + ( a3S3 ) 2 2 T4 =  1 234  S234 C234 0 a 4 S 234 + a3 S23 + a2 S 2 + d1  θ 4 =θ 234 − θ 2 − θ3  0 0 0 1  2.3. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG CHO ROBOT Vậy ta có hệ phương trình ñộng học thuận về vị trí của robot 2.3.1.Phương án truyền ñộng cho khớp thứ nhất PDU01 như sau:
9 10 2.4. ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT PDU01 2. 4.1. Mô hình ñộng lực học của robot PDU01 Z a4 l3 M a3 c4 D md Hình 2.4. Phương án truyền ñộng cho khớp thứ nhất a2 θ 2.3.2.Phương án truyền ñộng cho khớp thứ hai 2 C mdt Y mdc3 B d1 mdc2 A l1 θ1 O X Hình 2.8. Mô hình tính toán ñộng lực học của robot PDU01 Hình 2.5. Phương án truyền ñộng cho khớp thứ hai 2.4.2. Tính ñộng năng và thế năng cho từng chất ñiểm 2.3.3.Phương án truyền ñộng cho khớp thứ ba 2.4.2.1. Tính ñộng năng và thế năng của chất ñiểm A và B 1 • 2 K AB = ( mdc 2 + mdc 3 )l12 θ 1 2 PAB = (mdc 2 h1 + mdc 3h2 ) g 2.4.2.2. Động năng và thế năng của chất ñiểm D 1 1  • 2 • • • • • • 2 KD = mDvD 2 = mdc 4 a2 2 θ2 + (a3 − l3 )2 (θ2 + θ3 )2 + +2a2 (a3 − l3 )cos θ3 θ2 (θ2 + θ3 ) + a22 cos2 θ2 θ1 Hình 2.6. Phương án truyền ñộng cho khớp thứ ba 2 2  • 2 • 2 2.3.4.Phương án truyền ñộng cho khớp thứ tư +(a3 − l3 )2 cos2 (θ2 + θ3 )θ1 + 2a2 (a3 − l3 ) cosθ2 cos(θ2 + θ3 )θ1   PD = mD z D g = mdc 4 [ d1 + a2 sin θ 2 + ( a3 − l3 ) sin(θ 2 + θ 3 ) ] g 2.4.2.3.Tính ñộng năng và thế năng cho chất ñiểm M 1  • 2 • • • • • • • • KM = M a22 θ2 + a32 (θ2 + θ3 )2 + a42 (θ2 + θ3 + θ4 )2 + 2a2 a3 cosθ3 θ2 (θ2 + θ3 ) 2  • • • • • • • • • + 2a2 a4 cos(θ3 + θ4 )θ2 (θ2 + θ3 + θ4 ) + 2a3a4 cosθ4 (θ2 + θ3 )(θ2 + θ3 + θ4 ) Hình 2.7. Phương án truyền ñộng cho khớp thứ tư •2 •2 •2 •2 + a22 cos2 θ2 θ1 + a32 cos2 (θ2 + θ3 )θ1 + a42 cos2 (θ2 + θ3 + θ4 )θ1 + 2a2 a3 cosθ2 cos(θ2 + θ3 )θ1 •2 • 2 + 2a2 a4 cosθ2 cos(θ2 + θ3 + θ4 )θ1 + 2a3a4 cos(θ2 + θ3 )cos(θ2 + θ3 + θ4 )θ1   PM = MzM g = M [ d1 + a2 sin θ 2 + a3 sin(θ 2 + θ 3 ) + a4 sin(θ 2 + θ3 + θ 4 ) ] g
11 12 2.4.3. Tính lực tổng quát tác dụng vào từng khớp J22 (θ ) = {M2 + M3 + 2 ( M9 − M5 ) cosθ3 + M6 + M7 + M8 + 2M10 cos(θ3 + θ4 ) + 2M11 cosθ4 } 2.4.3.1. Hàm Lagrange và lực tổng quát J23 (θ ) = {M3 − M5 cosθ3 + M7 + M8 + M9 cosθ3 + M10 cos(θ3 + θ4 ) + 2M11 cosθ4} ∂ ∂L j ∂L J24 (θ ) = {M8 + M10 cos(θ3 + θ4 ) + M11 cosθ4} Fi = ∑ ( • )−∑ j ∂t ∂ θ j ∂θ i 1 1 1 j i C21 =  M 2 sin 2θ 2 + M 3 sin(2θ 2 + 2θ3 ) − M 5 sin(2θ 2 + θ3 ) + M 6 sin 2θ 2 2 2 2 2.4.3.2. Tính các thành phần Lj 1 + M 7 sin(2θ 2 + 2θ3 ) + M 8 sin(2θ 2 + 2θ3 + 2θ 4 ) + M 9 sin(2θ 2 + θ3 ) 2.4.3.4. Tính các lực tổng quát 2 • Đặt: + M 10 sin(2θ 2 + θ3 + θ 4 ) + M 11 sin(2θ 2 + 2θ3 + θ 4 )}θ1 M 1 = (mdc 2 + mdc 3 )l1 ; M 2 = mdc 4 a2 ; M 3 = mdc 4 (a3 − l3 ) ; 2 2 2 { • • • • • C22 = 2M 5 sin θ3 θ 3 − 2M 9 sin θ3 θ3 − 2M10 sin(θ3 + θ 4 )θ3 − 2M10 sin(θ3 + θ 4 ) θ 4 − 2M11 sin θ4 θ4 } M 5 = mdc 4 a2 ( a3 − l3 ); M 6 = Ma2 2 ; M 7 = Ma32 ; M 8 = Ma4 2 ; M 9 = Ma2 a3 ; M 10 = Ma2 a4 ; M 11 = Ma3a4 ; M 12 = −mdc 4 (a3 − l3 ) { • • • C23 = M 5 sin θ3 θ 3 − M 9 sin θ3 θ3 − M 10 sin(θ3 + θ 4 ) θ3 − M 10 sin(θ3 + θ 4 ) θ 4 • Tính lực tổng quát tác dụng lên khớp thứ nhất: • − M 10 sin(θ3 + θ 4 ) θ 4 − 2M 11 sin θ 4 θ 4 • } • Đặt: C24 = {− M 10 sin(θ3 + θ 4 ) − M 11 sin θ 4 }θ 4 J11 = M 1 + ( M 2 + M 6 ) cos 2 θ 2 + ( M 3 + 2M 7 ) cos 2 (θ2 + θ3 ) + M 8 cos2 (θ 2 + θ3 + θ4 ) − 2 ( M 5 − M 9 ) cos θ 2 cos(θ 2 + θ3 ) + ( 2M 10 + 2M 11 ) cos(θ2 + θ3 ) cos(θ2 + θ3 + θ 4 )  M   M M  M G2 =  M 2 + 6  cosθ2 g + − 5 + 7  cos(θ2 + θ3 ) g + 8 cos(θ2 + θ3 + θ4 ) g { • • •  a2   a2 a3  a4 C11 = 2M5 sin(2θ2 +θ3 ) − M6 sin2θ2 θ 2 − 2M7 sin(2θ2 + 2θ3 )(θ 2 +θ 3 ) Khi ñó ta ñược: • • • • • •• •• •• • • • • − M8 sin(2θ2 + 2θ3 + 2θ4 )(θ 2 +θ 3 +θ 4 ) − 2M9 sin(2θ2 +θ3 )θ 2 − 2M9 cosθ2 sin(θ2 +θ3 )θ 3 F2 = J 22 θ 2 + J 23 θ 3 + J 24 θ 4 + C21 θ 1 + C22 θ 2 + C23 θ 3 + C24 θ 4 + G2 • • • − 2M10 sin(2θ2 +θ3 +θ4 )θ 2 − 2M10 cosθ2 sin(θ2 +θ3 +θ4 )(θ 3 +θ 4 ) } • • • Tính lực tổng quát tác dụng lên khớp thứ ba: −2M11 sin(2θ2 + 2θ3 +θ4 )(θ 2 +θ 3 ) − 2M11 cos(θ2 +θ3 )sin(θ2 +θ3 +θ4 )θ 4 Đặt: C12 = − [ M 2 sin 2θ 2 + M 3 sin(2θ 2 + 2θ3 ) ] J32 = {M3 − M5 cosθ3 + M7 + M8 + M9 cosθ3 + M10 cos(θ3 +θ4 ) + 2M11 cosθ4} C13 = − M 3 sin(2θ 2 + 2θ3 ) J 33 = {M 3 + M 7 + M 8 + 2M 11 cos θ 4 } Khi ñó ta có: •• J 34 = {M 8 + M 11 cos θ 4 }θ 4 •• • • • F1 = J11 θ 1 + C11 θ 1 + C12 θ 2 + C13 θ 3 1 C31 =  M3 sin(2θ2 + 2θ3 ) − M5 cosθ2 sin(θ2 + θ3 ) + M7 sin(2θ2 + 2θ3 ) 2 Tính lực tổng quát tác dụng lên khớp thứ hai: 1 Đặt: + M8 sin(2θ2 + 2θ3 + 2θ4 ) + M9 cosθ2 sin(θ2 + θ3 ) + M10 cosθ2 sin(θ2 + θ3 + θ4 ) 2
13 14 2.5. TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ CHO ROBOT • +M11 sin(2θ2 + 2θ3 + θ4 )}θ1 2.5.1.Các thông số kĩ thuật • Vận tốc ntrục = 6 vòng/phút. C32 = {− M 5 sin θ 3 + M 9 sin θ 3 + M 10 sin(θ 3 + θ 4 )}θ 2 Tỉ số truyền nñộngcơ/ntrục = 3. Tốc ñộ ñộng cơ cần thiết là nñc = C33 = −2 M 11 sin θ 4 θ 4 • 18vòng/phút ( sử dụng ñộng cơ có hộp giảm tốc gắn liền). Môment xoắn cực ñại trên trục khớp robot là T = 5N.m = { • C34 = − M 11 sin θ 4 θ 4 − 2M 11 sin θ 4 θ 2 • } 5000N.mm. Hiệu suất truyền trên bộ truyền ñai răng là η1 = 0.95. M  M Hiệu suất truyền trên ổ lăn là η2 = 0.99. G3 =  7 − M 12  cos(θ 2 + θ3 ) g + 8 cos(θ 2 + θ3 + θ 4 ) g  a3  a4 2.5.2.Tính toán bộ truyền ñai cho khớp thứ nhất Khi ñó ta ñược: Tính công suất ñộng cơ: •• •• •• • • • • Tn 5000 x18 F3 = J 32 θ 2 + J 33 θ 3 + J 34 θ 4 + C31 θ 1 + C32 θ 2 + C33 θ 3 + C34 θ 4 + G3 P= 10−6 = 10−6 = 0.01KW = 10W 9.55η1η2 9.55 x0.95 x0.99 Tính lực tổng quát tác dụng lên khớp thứ tư: Trên cơ sở ñó, ta chọn ñộng cơ model EYQF-33300-641của hãng Đặt: Colman với các thông số như sau: J 42 = {M 8 + M10 cos(θ3 + θ 4 ) + M 11 cos θ 4 } - Tốc ñộ n = 71.67 RPM; công suất P = 10.7W. J 43 = {M 8 + M 11 cos θ 4 } - Puli nhỏ của hệ truyền ñai ñược gắn trực tiếp lên trục ra của J 44 = M 8 ñộng cơ, do ñó vận tốc cực ñại của puli nhỏ n = 18 RPM Dựa vào công suất và tốc ñộ của bộ truyền ta chọn dây ñai loại L. 1 • C41 =  M8 sin(2θ2 + 2θ3 + 2θ4 ) + M10 cosθ2 sin(θ2 + θ3 + θ4 ) + M11 cos(θ2 + θ3 )sin(θ2 + θ3 + θ4 )θ1 Với tỉ số truyền n = 3. Với loại puli nhỏ gắn liền trục ñộng cơ ñã  2  { • • C42 = M 10 sin(θ3 + θ 4 ) θ 2 + M 11 sin θ 4 θ 2 + 2 M 11 sin θ 4 θ 3 • } chọn có z1 = 12. Do ñó ta chọn bánh ñai lớn có z2 = 36. Khoảng cách giữa trục ñộng cơ và trục gắn bánh ñai lớn là • 150mm. C43 = + M 11 sin θ 4 θ 3 Ta sử dụng chương trình tính toán bộ truyền ñai trên ta ñược: M G4 = 8 cos(θ 2 + θ 3 + θ 4 ) g Bánh ñai nhỏ: a4 • z1 = 12. Khi ñó ta ñược: • Đường kính vòng chia d1 = 19.09mm •• •• •• • • • F4 = J 42 θ 2 + J 43 θ 3 + J 44 θ 4 + C41 θ 1 + C42 θ 2 + C43 θ 3 + G4 Bánh ñai lớn:
15 16 • Z2 = 36 Khớp thứ nhất di chuyển một góc δθ1 = θ1t - θ1s • Đường kính vòng chia d2 = 57.29mm Khớp thứ nhất di chuyển một góc δθ2 = θ2t - θ2s Dây ñai chọn loại dây L, chiều dài dây ñai là 420mm. Khoảng Khớp thứ nhất di chuyển một góc δθ3 = θ3t - θ3s cách thực giữa hai trục là148.77mm. Khớp thứ nhất di chuyển một góc δθ4 = θ4t - θ4 2.5.3.Tính toán bộ truyền ñai cho khớp thứ hai Yêu cầu kĩ thuật là vận tốc của các biến khớp trong quá trình Kết quả tương tự như ở trục khớp thứ nhất. chuyển ñộng phải không ñược lớn hơn vận tốc giới hạn ( v ≤ vgh) 2.5.4.Tính toán bộ truyền ñai cho khớp thứ ba 3.3.2. Thiết kế quỹ ñạo cho các biến khớp Tính bộ truyền ñai từ ñộng cơ ñến bánh ñai trung gian: 3.3.2.1.Thiết kế quỹ ñạo cho các biến khớp Kết quả tương tự bộ truyền ñai ở trục khớp thứ nhất và thứ hai Quỹ ñạo ña thức bậc 3 của biến khớp thư i có dạng: Tính bộ truyền ñai từ bánh ñai trung gian ñến bánh ñai gắn trên qi (t ) = ai + bi (t − ti 0 ) + ci (t − ti 0 ) 2 + di (t − ti 0 )3 trục khớp thứ 3 Với các ràng buộc ban ñầu: • • • • Bánh ñai thứ nhất có: qi (ti 0 ) = qi 0 ; q i (ti 0 ) = q i 0 ; qi (t f ) = qif ; q i (t f ) = q if • • • • 3( qif − qi 0 ) − (2 qi 0 + qif )δ ti (qif + qi 0 )δ ti − 2 ( qif − qi 0 ) - z1 = 36. • - Đường kính vòng chia 57.26mm ⇒ ai = qi 0 ; bi = qi 0 ; ci = ; di = δ ti 2 δ ti 3 Bánh ñai thứ hai có các thông số giống như bánh ñai thứ nhất. Với δti = tif – ti0 Sử dụng dây ñai loại L có chiều dài dây ñai là 725mm. Khoảng Từ ñó tính toán ta ñược: cách thực giữa hai trục là 272mm. 2 • • 2.5.5.Tính toán bộ truyền ñai cho khớp thứ tư • ci2 •   3 ( qif − qi 0 ) − (2 q i 0 + q  if )δ ti   Ta ñược các kết quả giống như ở bộ truyền ñai cho khớp thứ nhất và q1cuctri = − ⇒ q1cuctri = • • δ ti 6 ( qif − qi 0 ) − 3( q if + q i 0 )δ ti  3d i  khớp thứ 2.   CHƯƠNG 3 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐIỀU Trong cả hai trường hợp trục khớp chuyển ñộng theo chiều KHIỂN ĐỒNG BỘ CÁC TRỤC dương và âm thì ta ñều có : 3.1. KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CÁC TRỤC 2 • • 3.2. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC KHỚP   3 ( qif − qi 0 ) − (2 q i 0 + q  if )δ ti   vmax = 3.3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CÁC • • δ ti 6 ( qif − qi 0 ) − 3(q if + q i 0 )δ ti TRỤC CỦA ROBOT 3.3.1. Phân tích bài toán Theo ñiều kiện kĩ thuật thì vận tốc này phải không ñược lớn hơn Các yêu cầu mà bài toán ñặt ra ñối với robot của ta là: vận tốc giới hạn ñặt ra. Như vậy :
17 18 2 • • 3.4. XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN CÁC KHỚP   3 ( qif − qi 0 ) − (2 q i 0 + q  if )δ ti   ≤v vimax = 3.4.1. Hệ phương trình trạng thái chuyển ñộng của mỗi khớp • • δ ti 6 ( qif − qi 0 ) − 3(q if + q i 0 )δ ti gh ñộng Xét sơ ñồ ñộng của ñộng cơ ñiện một chiều với tín hiệu vào là Trong trường hợp thực tế người ta dùng ñể ñiều khiển robot, vận ñiện áp Ua(t) ñặt vào phần ứng, tín hiệu ra là góc quay θm của trục tốc khởi ñầu và kết thúc ñều bằng không, do ñó ta có: ñộng cơ; ñộng cơ kiểu kích từ ñộc lập. 3 ( qif − qi 0 ) 2 3 qif − qi 0 La(t) Ra(t) Uf (t) vimax = ≤ vgh ⇔ δ ti ≥ δ ti 2 ( qif − qi 0 ) Rf (t) 2vgh Lf (t) Ua(t) eb(t) θm(t) Như vậy, với 4 biến khớp, ta có: Mm(t) 3 qif − qi 0 Jm δ ti ≥ 2vgh Hình 3.9.Sơ ñồ ñộng của ñộng cơ ñiện một chiều Để các biến khớp ñạt ñến giá trị cho trước cùng một thời ñiểm ta Trong thực tế, các trục khớp của ta ñược truyền ñộng từ ñộng cơ phải chọn sao cho: thông qua hệ thống bánh ñai và dây ñai răng. δ t1 = δ t2 = δ t3 = δ t4 = δ t JL(t) Để các trục khớp ñạt ñược giá trị cho trước trong thời gian nhanh nhất, ta chọn: θL(t) ML(t) 3 q jf − q j 0 j =1,4 δ t = max(δ t1 , δ t2 , δ t3 , δ t4 ) = max( ) 2vgh ⇔ δt = ( 3max q jf − q j 0 j =1,4 ) Mm(t) Jm θm(t) 2vgh Hình 3.10. Sơ ñồ truyền ñộng 3( qif − qi 0 ) 2 ( qif − qi 0 ) qi (t ) = qi 0 + (t − ti 0 )2 − (t − ti 0 )3 Tỉ số truyền là n. Bỏ qua ma sát. θL là góc quay của trục khớp. ( )  ( )  2 3  3max q − q  3max q − q Tính toán ta ñược  jf j0 j =1,4  jf j0 j =1,4  2vgh   2vgh  L J (t ) •••  Ra J (t ) La dJ (t )  •• •     θ m+     ua (t ) = a +  θ m + + Kb θ m Ka  Ka K a dt  Phương trình trên chính là quy luật chuyển ñộng của các biến khớp mà ta dùng ñể ñiều khiển ñồng bộ các trục của robot mà ta cần.
19 20 Đặt: 3.4.1.3. Hệ phương trình trạng thái chuyển ñộng cho khớp thứ ba  •  dx31  y = x1 = θ m  dt = x32    dx1 ••  •  = x2 = θ m    dt  dx32 = K a u3 a (t ) −  Ra J 33 + La J 33  x32 − K a K b x31  dx2 •••  dt La J 33  La J 33  La J 33  dt = x3 = θ m    • Ta có phương trình trạng thái của hệ thống và y3 = x31 = θ 3m  dx1  dt = x2 3.4.1.4. Hệ phương trình trạng thái chuyển ñộng cho khớp thứ tư    dx41  dx2 = K a ua (t ) − K a  Ra J (t ) + La dJ (t )  x2 − K a K b x1  = x42   dt La J (t ) La J (t )  K a K a dt  La J (t )  dt  dx •  42 = K a u4 a (t ) − Ra x42 − K a K b x41 và y = x1 = θ m  dt La J 44 La La J 44 • 3.4.1.1. Hệ phương trình trạng thái chuyển ñộng cho khớp thứ và y4 = x41 = θ 4 m nhất  dx11 3.4.2. Thiết kế bộ ñiều khiển dùng ñiều khiển vận tốc của các trục  dt = x12 khớp  •    Ta có mô hình ñối tượng cần ñiều khiển như sau:  dx12 = K a u1a (t ) −  Ra J11 + La J 11  x12 − K a Kb x11  dt    dx1  dt = x2 La J11 La J11 La J11      •  dx2 = K a ua (t ) − K a  Ra J (t ) + La dJ (t )  x2 − K a K b x1 và y1 = x11 = θ 1m  dt La J (t ) La J (t )  K a K a dt  La J (t ) 3.4.1.2. Hệ phương trình trạng thái chuyển ñộng cho khớp thứ hai • và y = x1 = θ m  dx21  dt = x22  e(t) = yd(t) – y(t) là sai lệch giữa tín hiệu ñặt và tín hiệu ñiều khiển. •     dx22 = K a u2 a (t ) −  Ra J 22 + La J 22  x22 − K a K b x21 Do mô hình của ta là bậc 2 nên ta sử dụng hàm trượt có dạng:  dt La J 22  La J 22  La J 22 de    s = k1e + dt • Với k1 > 0 và y2 = x21 = θ 2 m Từ hàm trượt s ta có:
21 22 de d ( yd − y )  dy   dy  s = k1e + = k1 ( yd − y ) + ⇒ s =  k1 yd + d  −  k1 y +  dt dt  dt   dt   dy  ⇒ s =  k1 yd + d  − ( k1 x1 + x2 )  dt  Sử dụng phương pháp thiết kế bộ ñiều khiển trượt ta ñược: 1  • •• Ka  Ra J (t ) La dJ (t )  Ka Kb  ua (t ) =  K sgn( s) + k1 e+ y d +  +  x2 + x1  Ka  La J (t )  Ka Ka dt  La J (t )  Hình 3.11. Quỹ ñạo chuyển ñộng Hình 3.12. Vận tốc chuyển La J (t ) của các khớp ñộng của các khớp Mô hình trên là bộ ñiều khiển sử dụng phương pháp trượt ñể ñiều khiển vận tốc của ñộng cơ robot. 3.4.3. Sử dụng Matlab mô phỏng việc ñiều khiển các khớp robot Cho các giá trị cố ñịnh của hệ thống như sau: - Các giá trị thuộc tính của ñộng cơ. Ka = Kb = 0.01; Ra = 1 Ω, La = 0.5 H, Jm = 0.01kg.m - Các giá trị thuộc tính của robot. Hình 3.13. Moment quán Hình 3.14.Đường vận tốc d1 = 0.1m; l1 = 0.2m; l3 = 0.1m; a2 = a3 = 0.3m, a4 = 0.1m; tính của các khâu robot thực của các khớp robot mdc2 = mdc3= 0.5kg; mdc4 = 0.2kg; M = 0.5kg; hệ số truyền n = 1/3 Cho vị trí ban ñầu của các biến khớp lần lượt là: q10 = 00 ; q20 = 300 ; q30 = −300 ; q40 = 00 ; Và giá trị cần ñạt ñến là: q1 f = 300 ; q2 f = 900 ; q3 f = 600 ; q4 f = 450 ; Vận tốc giới hạn chuyển ñộng của các khớp là vgh = 300/s. Chọn các hệ số của mô hình trượt là k1 = 1; k2 = 1. Hình 3.15.Đường quỹ ñạo Hình 3.16. Sai số về vận tốc Kết quả mô phỏng như sau: thực của các khớp robot
23 24 Hình 4.11. Giao diện ñiều khiển Hình 4.12. Giao diện ñiều Hình 3.17. Sai số góc quay Hình 3.18. Quỹ ñạo chuyển robot thông qua ma trận vectơ khiển robot theo từng khớp ñộng của cơ cấu chấp hành cuối cuối Sai số về vị trí của khâu chấp hành cuối trong thực tế so với vị trí mong muốn là: - Sai số theo phương x: δx = 0.0010m. - Sai số theo phương y: δx = 0.0010m. - Sai số theo phương z: δx = 0.0023m. 3.4.4. Kết luận về kết quả của quá trình ñiều khiển. Với các kết quả mô phỏng ở trên, ta thấy rằng vị trí khâu chấp hành cuối của robot tiếp cận ñược ñến vị trí mong muốn, các sai số là nhỏ và có thể chấp nhận ñược. CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT. 4.1. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT PDU01 4.2. PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN Hình 4.9. Giao diện khởi ñộng chương trình Hình 4.10. Giao diện lựa chọn chương trình
25 26 KẾT LUẬN Việc thiết kế ñiều khiển chỉ mới tính toán thiết kế với nguyên lý 1. Kết quả nghiên cứu của ñề tài ñiều khiển trượt, chưa so sánh kết quả với các phương pháp ñiều Đề tài ñã thực hiện việc lựa chọn mô hình ñộng học và ñộng lực khiển hiện ñại khác như Fuzzy, Adaptive, Back Stepping… học của robot, trên cơ sở ñó, thiết lập thành công phương trình ñộng Áp dụng thực tiễn chỉ mới dừng lại ở việc tính toán trên mô hình học, ñộng lực học cho robot. với một tay máy 4 bậc có kích thước nhỏ, chưa có ñiều kiện tính toán Đề tài cũng ñã thực hiện thành công việc ñưa ra mô hình toán thiết kế, áp dụng trên tay máy lớn, có khả năng sử dụng trong sản học cho việc ñiều khiển chuyển ñộng ñồng bộ các trục khớp của xuất. robot này bằng cách sử dụng mô hình ñiều khiển trượt cho ñối tượng ñiều khiển là ñộng cơ ñiện một chiều. Với kết quả ñạt ñược, có thể ứng dụng ñề tài vào việc ñiều khiển robot hoặc các máy có số bậc tự do bằng 4. Các kết quả ñạt ñược của ñề tài, có thể ứng dụng vào việc giảng dạy về robot và các môn học về tự ñộng hóa, ñiều khiển… Bên cạnh ñó, có thể áp dụng phương pháp ñiều khiển này ñể áp dụng ñiều khiển cho robot chuyển ñộng theo quỹ ñạo mong muốn, từ ñó có thể ứng dụng vào trong thực tế cho các robot thực hiện các nguyên công hàn, sơn… 2. Hướng phát triển của ñề tài Đề tài ñã giải quyết ñược vấn ñề về ñiều khiển ñồng bộ chuyển ñộng của các khớp robot và áp dụng cho robot có 4 bậc tự do. Tuy nhiên, do thời gian hạn chế, vẫn chưa áp dụng cho các robot hoặc các máy có số bậc tự do lớn hơn. Tuy nhiên, với tiền ñề nghiên cứu này, chỉ cần tính toán ñiều chỉnh là có thể áp dụng ñược. Trong quá trình thiết kế, do ñặc tính kĩ thuật là các khớp của robot chuyển ñộng với vận tốc thấp nên ta ñã bỏ qua các thành phần không nằm trên ñường chéo ma trận moment quán tính J và thành phần ảnh hưởng của trọng lực G, ảnh hưởng của gia tốc Coriolic trong quá trình thiết kế. Với các máy chuyển ñộng với vận tốc cao, các thành phần này cần phải ñược tính ñến trong thiết kế.