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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 , tr ...