TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT ROBOT ĐỀ TÀI ROBOT SCARA IRB 910SC Giáo viên hướng dẫn PGS TS Nguyễn Phạm Thục Anh Nhóm thực hiện Nhóm 5 Hà Nội, 1 2022 MỤC LỤC Chương I Tổng quan về robot SCARA IRB 910SC 1 I Giới thiệu chung 1 1 Tổng quan 1 2 Các đặc trưng của IRB 910SC 1 II Các thông số kĩ thuật 2 1 Cấu hình 2 2 Các thông số kĩ thuật 3 3 Vùng làm việc 6 CHƯƠNG II XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT SCARA IRB 910SC 7 I Xác định số khớp và các hệ.
Tổng quan về robot SCARA IRB 910SC
Giới thiệu chung
Hình 1.1 Robot Scara IRB 910SC
Robot SCARA IRB 910SC của ABB là một cánh tay robot có chân đế cố định, lý tưởng cho các ứng dụng như lắp ráp bộ phận nhỏ, xử lý nguyên liệu và kiểm tra sản phẩm.
2 Các đặc trưng của IRB 910SC a Các biến thể
IRB 910SC có ba biến thể: IRB 910SC – 3/0.45, IRB 910SC – 3/0.55m và IRB 910SC – 3/0.65, với cấu trúc cơ bản giống nhau, chỉ khác nhau ở độ dài thanh nối và tầm với lần lượt là 450 mm, 550 mm và 650 mm Các thị trường chính mà sản phẩm này hướng đến rất đa dạng.
+ Lắp ráp và kiểm tra chip tùy chỉnh, kiểm tra bảng tự động, lắp ráp linh kiện điện tử hàng không vũ trụ
+ Kiểm tra bảng mạch PC, tự động làm sạch các thành phần bảng mạch
+ Đóng gói thịt, đóng gói bim bim, cắt và dán hộp, đóng gói các thành phần nhựa c Các ứng dụng chính
- Lắp ráp các thành phần nhỏ:
+ Lấy và đặt sang vị trí khác
+ Xử lý các phần nhỏ + Sắp xếp
+ Kiểm tra sản phẩm + Chạy thử
XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN
Xác định số khớp và các hệ trục tọa độ
Hình 2.1 Các khớp của robot irb 910sc
Robot IRB 910SC được thiết kế với 4 khớp tự do, bao gồm 3 khớp quay (A, B, C) và 1 khớp tịnh tiến (D) Hai khớp A và B đảm nhận chức năng quay để nhanh chóng định vị vị trí trong mặt phẳng ngang, trong khi khớp D và C cho phép sự co giãn trong không gian theo hướng Z.
Theo phương pháp D-H việc lựa chọn tâm của các hệ tọa độ cần lưu ý:
- Tâm O0 có thể đặt ở bất kỳ vị trí cố định nào trên robot hoặc điểm cố định trên đế
- Tâm On đặt tại vị trí lựa chọn trên khâu tác động cuối
- Nếu khớp i là khớp tịnh tiến thì tâm Oi đặt ở điểm cuối thanh nối i
Hình 2.2 Xác định hệ tọa độ cho các thanh nối
Xác định thông số động học của robot scara irb 910sc thông qua bảng D-H
Ta xác định các thông số bảng D-H như sau:
- di : Khoảng cách từ tâm Oi-1 đến trục xi
- θi : Góc quay của khốp thứ i
- ai : Độ dài đường vuông góc chung giữa zi-1 và zi
- αi : Góc vặn của thanh nối thứ i
Từ đó, dựa trên hệ tọa độ đã xác định ở hình 2.3 cùng thông số kĩ thuật trên hình 2.2 ta xác định bảng D-H như sau:
(thông số của robot irb 910sc-3/0.65)
Các ma trận A i của robot SCARA IRB 910SC
Ai = Rot(z,θi).Trans(z,di).Trans(x,ai).Rot(x,αi) [
Tính toán ma trận xác định vị trí và hướng của khâu tác động cuối
Từ ma trận biến đổi giữa các trục, ta sẽ xác định được hàm truyền 𝑇 4 0 của robot
Trong đó: nx = c(𝜃 1 + 𝜃 2 − 𝜃 4 ) ny = s(𝜃 1 + 𝜃 2 − 𝜃 4 ) nz= 0 ox= s(𝜃 1 + 𝜃 2 − 𝜃 4 ) oy= -c(𝜃 1 + 𝜃 2 − 𝜃 4 )
Oz= 0 ax= 0 ay= 0 az= -1 px= l2c(𝜃 1 + 𝜃 2 )+l1c(𝜃 1 ) py= l2s(𝜃 1 + 𝜃 2 )+l1s(𝜃 1 ) pz= -d3
TÍNH TOÁN MA TRẬN JACOBI THÔNG QUA J H VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TRÊN MATLAB
Xác định các ma trận 𝑻𝟒𝒊
- Xác định các ma trận 𝑇 4 𝑖 với i = 0 → 3
Từ các ma trận 𝐴 𝑖 tính được từ Chương II ta tính được :
Xác định ma trận 𝑱𝑯
- Xét khớp 1, 2, 4 : Khớp quay với các biến 𝜃 1 , 𝜃 2 , 𝜃 4 ; i=0, 1, 3
- Xét khớp 3 tịnh tiến với biến khớp d3, i=2
XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC VỊ TRÍ
Cơ sở lý thuyết và giải quyết bài toán
Bài toán động học ngược vị trí là xác định các giá trị biến khớp 𝜃 1 , 𝜃 2 , 𝑑 3 , 𝜃 4 Để khâu tác động cuối có vị trí và hướng mong muốn
Vậy ta có các nghiệm:
THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO CÁC KHỚP NỐI
Thiết kế quỹ đạo theo không gian khớp theo dạng đa thức bậc 3
Thiết kế quỹ đạo theo không gian khớp là quá trình xác định vị trí và góc quay của các khớp theo thời gian khi di chuyển từ vị trí ban đầu q0 đến vị trí đích qf trong khoảng thời gian tf Bằng cách sử dụng phương trình động học ngược, chúng ta có thể xác định các biến khớp tương ứng với từng vị trí trong không gian khớp.
Quỹ đạo khớp theo dạng đa thức bậc 3 có dạng: q(t) = a0 + a1t + a2t 2 + a3t 3 ⇒ 𝑞̇(t) = a1 + 2a2t + 3a3t 2
Với các điều kiện điểm đầu cuối: q(0) = q0 q(tf) = qf
Giả sử thời gian di chuyển của cánh tay robot từ điểm A đến điểm B là t giây, với vận tốc đầu và cuối bằng 0, ta có hệ phương trình cho mỗi khớp của robot như sau: q(0) = q0 = a0 và q(tf) = qf = a0 + a1tf + a2tf^2 + a3tf^3.
Giải hệ phương trình trên ta được các hệ số tương ứng với các biến khớp: a0 = q0 a1 = 0 a2 = 3(𝑞 𝑓 −𝑞 0 )
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT THEO THUẬT TOÁN PID
ROBOT THEO THUẬT TOÁN PID
Bùi Xuân Hậu - 20181460 Trương Quang Bách - 20181335
Xây dựng mô hình động lực học cho đối tượng trên Matlab
lực học cho đối tượng trên Matlab
Chương I: Tổng quan về robot SCARA IRB 910SC
Hình 1.1 Robot Scara IRB 910SC
Robot SCARA IRB 910SC của ABB là một cánh tay robot có chân đế cố định, lý tưởng cho các ứng dụng như lắp ráp linh kiện nhỏ, xử lý nguyên liệu và kiểm tra sản phẩm.
2 Các đặc trưng của IRB 910SC a Các biến thể
IRB 910SC có ba biến thể: IRB 910SC –3/0.45, IRB 910SC – 3/0.55m và IRB 910SC – 3/0.65, với cấu trúc cơ bản giống nhau Sự khác biệt nằm ở độ dài thanh nối và tầm với, lần lượt là 450 mm, 550 mm và 650 mm Các thị trường chính mà sản phẩm này hướng đến cũng rất đa dạng.
+ Lắp ráp và kiểm tra chip tùy chỉnh, kiểm tra bảng tự động, lắp ráp linh kiện điện tử hàng không vũ trụ
+ Kiểm tra bảng mạch PC, tự động làm sạch các thành phần bảng mạch
+ Đóng gói thịt, đóng gói bim bim, cắt và dán hộp, đóng gói các thành phần nhựa c Các ứng dụng chính
- Lắp ráp các thành phần nhỏ:
+ Lấy và đặt sang vị trí khác
+ Xử lý các phần nhỏ + Sắp xếp
+ Kiểm tra sản phẩm + Chạy thử
II Các thông số kĩ thuật
2 Các thông số kĩ thuật:
- IRB 910SC có 3 phiên bản và chỉ có thể gắn ở mặt trên của các mặt phẳng
Loại robot Khả năng mảng tải định mức
Khả năng mang tải tối đa
L Độ dài cánh tay phía dưới 200 mm 300 mm 400 mm
A Chiều dài tối đa 620 mm 620 mm 620 mm
Khoảng di chuyển theo phương Z 180 mm 180 mm 180 mm
- Hiệu suất và độ chính xác
Vùng làm việc Tốc độ tối đa
Hiệu suất IRB 910SC-3/0.45 IRB 910SC-3/0.55 IRB 910SC-3/0.65 Chu kỳ nhặt 1 kg
Khả năng lặp lại vị trí Trục 1 và Trục 2
+ Kích thước chân đế: 160mm ×160mm
+ Vị trí lắp đặt: trên mặt bàn
+ Bộ điều khiển: IRC 5 Compact
CHƯƠNG II: XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT SCARA IRB 910SC
I Xác định số khớp và các hệ trục tọa độ
Hình 2.1 Các khớp của robot irb 910sc
Robot IRB 910SC được thiết kế với 4 khớp tự do, bao gồm 3 khớp quay (A, B, C) và 1 khớp tịnh tiến (D) Hai khớp A và B giúp định vị nhanh chóng trong mặt phẳng ngang, trong khi khớp D và C cho phép sự co giãn trong không gian theo hướng Z.
Theo phương pháp D-H việc lựa chọn tâm của các hệ tọa độ cần lưu ý:
- Tâm O0 có thể đặt ở bất kỳ vị trí cố định nào trên robot hoặc điểm cố định trên đế
- Tâm On đặt tại vị trí lựa chọn trên khâu tác động cuối
- Nếu khớp i là khớp tịnh tiến thì tâm Oi đặt ở điểm cuối thanh nối i
Hình 2.2 Xác định hệ tọa độ cho các thanh nối
II Xác định thông số động học của robot scara irb 910sc thông qua bảng D-H
Ta xác định các thông số bảng D-H như sau:
- di : Khoảng cách từ tâm Oi-1 đến trục xi
- θi : Góc quay của khốp thứ i
- ai : Độ dài đường vuông góc chung giữa zi-1 và zi
- αi : Góc vặn của thanh nối thứ i
Từ đó, dựa trên hệ tọa độ đã xác định ở hình 2.3 cùng thông số kĩ thuật trên hình 2.2 ta xác định bảng D-H như sau:
(thông số của robot irb 910sc-3/0.65)
III Các ma trận A i của robot SCARA IRB 910SC
Ai = Rot(z,θi).Trans(z,di).Trans(x,ai).Rot(x,αi) [
IV Tính toán ma trận xác định vị trí và hướng của khâu tác động cuối
Từ ma trận biến đổi giữa các trục, ta sẽ xác định được hàm truyền 𝑇 4 0 của robot
Trong đó: nx = c(𝜃 1 + 𝜃 2 − 𝜃 4 ) ny = s(𝜃 1 + 𝜃 2 − 𝜃 4 ) nz= 0 ox= s(𝜃 1 + 𝜃 2 − 𝜃 4 ) oy= -c(𝜃 1 + 𝜃 2 − 𝜃 4 )
Oz= 0 ax= 0 ay= 0 az= -1 px= l2c(𝜃 1 + 𝜃 2 )+l1c(𝜃 1 ) py= l2s(𝜃 1 + 𝜃 2 )+l1s(𝜃 1 ) pz= -d3
V Xây dựng phần mềm tính toán
❖ Giới thiệu giao diện màn hình chính :
Trước khi bắt đầu các màn hình giao diện tính toán như Tính toán động học thuận, động học nghịch, Jacobi, và Thiết kế quỹ đạo, người dùng sẽ thấy giao diện màn hình chính với thanh Menu bao gồm các tùy chọn như Tính toán động học thuận và động học nghịch.
11 dưới đây Ta chỉ cần kích chuột vào mỗi đối tượng thì lập tức được chuyển sang giao diện tính toán tương ứng
Từ ma trận xác định vị trí và hướng của khâu tác động cuối, có thể nhận thấy rằng giá trị các thành phần phụ thuộc vào các tham số đầu vào.
- Các góc quay 𝜃 1 , 𝜃 2 , 𝜃 4 của các khớp 1, 2, 4
(l1,l2 là các hằng số, tuy nhiên có sự khác nhau giữa các phiên bản khác nhau của robot scara irb 910sc)
Sau khi thiết kế, giao diện phần mềm được thể hiện ở hình 2.4
Hình 2.4 Giao diện phần mềm tính toán động học thuận robot
Hình 2.5 Ví dụ tính toán cho các thông số bất kỳ
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MA TRẬN JACOBI THÔNG QUA J H VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TRÊN MATLAB
1 Xác định các ma trận 𝑻 𝟒 𝒊
- Xác định các ma trận 𝑇 4 𝑖 với i = 0 → 3
Từ các ma trận 𝐴 𝑖 tính được từ Chương II ta tính được :
- Xét khớp 1, 2, 4 : Khớp quay với các biến 𝜃 1 , 𝜃 2 , 𝜃 4 ; i=0, 1, 3
- Xét khớp 3 tịnh tiến với biến khớp d3, i=2
4.Viết chương trình trên matlab
Hình 3.1.Giao diện chương trình tính toán ma trận Jacoby theo ma trận J-H
Hình 3.2 Nhập tham số và chạy thử
CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC
1 Cơ sở lý thuyết và giải quyết bài toán
Bài toán động học ngược vị trí là xác định các giá trị biến khớp 𝜃 1 , 𝜃 2 , 𝑑 3 , 𝜃 4 Để khâu tác động cuối có vị trí và hướng mong muốn
Vậy ta có các nghiệm:
2 Xây dựng phần mềm tính toán
Hình 4.1 Giao diện phần mềm tính toán động học nghịch robot
Thay số tính toán ta được:
Hình 4.2 Tính toán thông số bất kì
CHƯƠNG V: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO CÁC KHỚP NỐI ROBOT THEO DẠNG BẬC 3
1 Thiết kế quỹ đạo theo không gian khớp theo dạng đa thức bậc 3
Thiết kế quỹ đạo theo không gian khớp là quá trình xác định vị trí và góc quay của các khớp trong suốt thời gian di chuyển từ vị trí ban đầu q0 đến vị trí đích qf trong khoảng thời gian tf Bằng cách áp dụng phương trình động học ngược, chúng ta có thể xác định các biến khớp tương ứng với từng vị trí trong không gian khớp.
Quỹ đạo khớp theo dạng đa thức bậc 3 có dạng: q(t) = a0 + a1t + a2t 2 + a3t 3 ⇒ 𝑞̇(t) = a1 + 2a2t + 3a3t 2
Với các điều kiện điểm đầu cuối: q(0) = q0 q(tf) = qf
Giả sử thời gian cánh tay robot di chuyển từ điểm A đến điểm B là t giây, với vận tốc tại đầu và cuối đều bằng 0 Ta có hệ phương trình cho mỗi khớp của robot như sau: q(0) = q0 = a0 và q(tf) = qf = a0 + a1tf + a2tf^2 + a3tf^3.
Giải hệ phương trình trên ta được các hệ số tương ứng với các biến khớp: a0 = q0 a1 = 0 a2 = 3(𝑞 𝑓 −𝑞 0 )
2 Thực hiện chương trình quỹ đạo trên Matlab
Hình 5.1 Giao diện thiết kế quỹ đạo chuyển động cho các khớp nối Robot
Nhập dữ liệu cho các biến khớp trong không gian khớp, chẳng hạn như thông số dưới đây, sẽ cho phép chúng ta tạo ra đồ thị biểu diễn vị trí, vận tốc và gia tốc của từng khớp.
CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
CHO ROBOT THEO THUẬT TOÁN PID
1.Tính toán và thiết kế
Để thiết kế và điều khiển robot, việc tính toán đầy đủ các thông số như lực, momen, vị trí, vận tốc và gia tốc là rất quan trọng Từ những thông số này, chúng ta có thể xây dựng các phương trình động học Phương pháp Lagrange được sử dụng để nghiên cứu động học của robot Để thuận tiện cho việc tính toán, chúng ta cần lựa chọn hệ trục tọa độ phù hợp.
Hình 6.1 Hệ trục tọa độ và các tham số trên khớp và thanh nối của robot Scara
- Động năng và thế năng của thanh nối:
• Momen tác động lên thanh nối 1:
• Momen tác động lên thanh nối 2:
• Lực tác động lên thanh nối 3:
• Momen tác động lên thanh nối 4:
Coi các động cơ là lí tưởng
Bộ điều khiển PI trong khối System Control phát ra tín hiệu điều khiển nhằm tạo moment cho các khớp quay và lực cho các khớp tịnh tiến, giúp chúng đạt đến vị trí mong muốn Đầu vào của bộ điều khiển bao gồm giá trị đặt và giá trị thực tế của các khớp, trong khi đầu ra là moment và lực tác động lên các khớp.
Bộ điều khiển vị trí được sử dụng là PID:
Vị trí ban đầu của các khớp giả thiết là :
Vị trí biến khớp mong muốn đạt được là :
Hình: 6.3 Đồ thị vị trí khớp 1
Hình: 6.4 Đồ thị vị trí khớp 2
Hình: 6.5 Đồ thị vị trí khớp 3
Hình: 6.6 Đồ thị vị trí khớp 4
