MÔ PHỎNG ROBOT SCARA MYS850L của YASKAWA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Link full source: />.............(phần đuôi ở cuối tài liệu)

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC
ROBOTICS
ĐỀ TÀI

MÔ PHỎNG ROBOT SCARA MYS850L của YASKAWA.

LỚP: L01 HK212

GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG GIÁP

SINH VIÊN THỰC HIỆN

STT MSSV Họ Tên Đóng góp BTL

1 1910231 Trương Tấn Hưng 100%

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

Lời nói đầu
Trong thời đại cơng nghiệp hố, hiện đại hố của Việt Nam và sự

phát triển, thay đổi nhanh chóng trên tồn thế giới, việc áp dụng các
công nghệ mới và máy móc vào các dây chuyền sản xuất là một phần rất
quan trọng để có thể cắt giảm chi phí về lâu dài, nâng cao năng suất lao
động và cải thiện chất lượng sản phẩm. Các robot công nghiệp đã được

sử dụng nhiều trong nhà máy với các ứng dụng khác nhau như gắp hàng,
lắp ráp linh kiện điện tử, hàn và cắt kim loại, lắp ráp ô tô,…

Để có thể sử dụng, lập trình một robot cơng nghiệp cần phải hiểu
được những bài tốn cơ bản trong robot như động học thuận, động học
nghịch, hoạch định quỹ đạo, động lực học,… Vì lý do đó, mục đích của
bài tập lớn là tìm hiểu kiến thức về robot, sử dụng các phần mềm hỗ trợ
và thực hành mô phỏng để kiểm chứng.

Bài tập lớn cuối môn giúp em hiểu hơn về Robot nói chung và
Robot Scara MYS850L nói riêng. Cũng như cách giải quyết các bài toán
động học qua các công cụ Matlab và Matlab Guide. Bài tập lớn chia
thánh các chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về các công cụ sử dụng.

Chương 2: Thông số Robot SCARA MYS850L.

Chương 3: Giải quyết các bài toán động học của Robot SCARA
MYS850L.

Chương 4: Mô phỏng Robot sử dụng Matlab và Matlab Guide.

Chương 5: Tổng kết.

MỤC LỤC
Chương 1: Giới thiệu chung về các công cụ sử dụng. ...................................... 4
1. 1. Lập trình tốn sử dụng MATLAB. ........................................................... 4
1.2. Lập trình giao diện sử dụng MATLAB GUIDE ........................................ 4
Chương 2: Thông số Robot SCARA MYS850L. ............................................. 5

2.1. Giới thiệu về Robot SCARA MYS850L ................................................... 5
2.2. Các thông số quan trọng của Robot SCARA MYS850L........................... 6
Chương 3: Giải quyết các bài toán động học của Robot SCARA MYS850L. . 7
3.1. Forward Kinematic..................................................................................... 7
3.2. Inverse Kinematic .................................................................................... 10
3.3.Trajectory Planning ................................................................................... 11
3.4. Path Planning ........................................................................................... 13
3.4. Differential Kinematic ............................................................................. 15
Chương 4: Mô phỏng Robot SCARA MYS850L sử dụng Matlab và Matlab
GUIDE. ........................................................................................................... 17
4.1. Workspace ................................................................................................ 17
4.2. Forward Kinematic................................................................................... 18
4.3. Inverse Kinematic .................................................................................... 19
4.4. Trajectory Planning .................................................................................. 20
Chương 5. TỔNG KẾT ................................................................................... 21
5.1. Đánh giá kết quả....................................................................................... 21
5.2. Hướng phát triển. ..................................................................................... 21

Chương 1: Giới thiệu chung về các cơng cụ sử dụng.

1. 1. Lập trình tốn sử dụng MATLAB.
MATLAB (viết tắt của "matrix laboratory") là một ngơn ngữ lập

trình riêng biệt và là một mơi trường tính tốn số được phát triển bởi
MathWorks. MATLAB cho phép các thao tác ma trận, các chức năng và
dữ liệu, thực hiện các thuật toán, tạo giao diện người dùng và giao tiếp
với các chương trình được viết bằng ngơn ngữ khác.
( />
Mặc dù MATLAB được thiết kế chủ yếu cho tính tốn số, một
cơng cụ (tool-box) tùy chọn sử dụng công cụ biểu tượng MuPAD cho

phép truy cập vào các khả năng tính tốn tượng trưng. Đặc biệt,
Simulink, một trình mơ phỏng đa miền đồ họa và thiết kế dựa trên mơ
hình cho các hệ thống động và nhúng.
1.2. Lập trình giao diện sử dụng MATLAB GUIDE

GUIDE là một môi trường phát triển cung cấp một bộ công cụ để
tạo giao diện người dung (UI). Cơng cụ này đơn giản hóa q trình thiết
lập và lập trình giao diện người dùng.

GUIDE Layout Editor giúp ta có thể tạo giao diện người dùng bằng
cách nhấp và kéo các thành phần giao diện người dùng chẳng hạn như
hệ trục (axes), bảng điều khiển (panel), nút (button), văn bản (text),
thanh trượt (slider),… Khơng những thế, ta có thể định kích thước giao
diện người dùng, sửa đổi giao diện thành phần, căn chỉnh các thành
phần, đặt thứ tự tab, xem danh sách phân cấp của các đối tượng thành
phần và đặt các tùy chọn giao diện người dùng.

GUIDE tự động tạo một file chương trình chứa các hàm MATLAB
điều khiển hoạt động của giao diện người dùng. Các hàm callback là các
hàm thực thi khi người dùng tương tác với một thành phần giao diện
người dùng.

Chương 2: Thông số Robot SCARA MYS850L.

2.1. Giới thiệu về Robot SCARA MYS850L

Hình 1.1. Model Robot SCARA MYS850L của YASKAWA.
Robot Yaskawa Motoman MYS850L SCARA 4 trục có thể mang
lại hiệu suất cao và tăng độ chính xác cho nhiều ứng dụng như lắp ráp,
pha chế, lắp bộ phận, xử lý bộ phận nhỏ, đóng gói, tự động hóa phịng

thí nghiệm, đóng gói, xử lý năng lượng mặt trời và bán dẫn.
MYS850L là giải pháp hồn hảo vì nó có đường bao công việc
lớn (tầm với 850 mm) và hành trình trục chữ U dài (420mm), đồng thời
chiếm khơng gian làm việc tối thiểu. Hơn nữa, nếu nhu cầu sản xuất sàn
nhà thay đổi, robot này có khả năng thích ứng cao. Nếu cần, người dùng
có thể chọn dễ dàng tích hợp tầm nhìn với MotoSight 2D giá cả phải
chăng và đặc biệt.

2.2. Các thông số quan trọng của Robot SCARA MYS850L
Hình 2.2.1. Thơng số kỹ thuật của Model Robot SCARA MYS850L.
Hình 2.2.2. Vùng làm việc của Model Robot SCARA MYS850L.

Chương 3: Giải quyết các bài toán động học của Robot
SCARA MYS850L.

3.1. Forward Kinematic
Động học thuận là bài tốn đi tìm vị trí và hướng xoay của các hệ

tọa độ được đặt trên các khớp của robot, và quan trọng nhất là trên đầu
công tắc, khi biết trước giá trị của các biến khớp.

Phương pháp Denavit – Hartenberg (DH): Bất kì một robot nào
cũng có thể xem là tập hợp các khâu gắn liền với các khớp. Nếu đặt cho
mỗi khâu một hệ trục tọa độ và sử dụng các phép biến đổi thì có thể mơ
tả vị trí và hướng tương đối giữa các hệ tọa độ.
- D-H matrix

- D-H Convention of SCARA robot:

Bước 1: Xác định các joints

Hình 2.2. Xác định các joints của robot
Bước 2: Xác định các links

Hình 2.3. Xác định các links của robot
Bước 3: Xác định các frames

Hình 2.4. Xác định các frames của robot

Bước 4: Lập bảng D-H

- D-H Table of Scara robot:

Link a α d θ

1 450 0 0 θ1

2 400 0 0 θ2

3 0 0 d3 0

4 0 π 0 θ4

Bước 5: Ma trận biến đổi

Bước 6: Tính tốn ma trận End-effector so với Base

3.2. Inverse Kinematic

Trong việc hoạch định robot, ta hoạch định trước vị trí và hướng

của những điểm robot mà sẽ đi tới, nên yêu cầu đặt ra là tìm các giá trị

biến khớp tương ứng với vị trí và hướng đó. Động học ngược là bài tốn

đi tìm giá trị của các biến khớp khi biết trước vị trí và hướng xoay của

đầu cơng tắc. Vì góc ϑ và ψ ln cố định, nên ta chỉ quan tâm vào góc ϕ

của robot. Giả sử ta biết trước vị trí x, y, z và góc ϕ của robot.

Theo hệ phương trình động học thuận vừa tìm được ở trên , ta dễ

dàng tính được:

𝑑∗ = −𝑧 + 𝑑4

3

Khi nhìn robot theo hướng từ trên xuống (top view), ta thấy được

SCARA Robot có cấu trúc như một two-link planar arm:

Hình 3.2. Cấu trúc của two-link planar arm
- Công thức động học nghịch của SCARA Robot:

3.3.Trajectory Planning
3.3.1. LSPB
Hoạch định vận tốc hình thang

Quỹ đạo vận tốc hình thang gồm 2 đoạn parabol ở 2 đầu và đoạn
tuyến tính ở giữa, việc tính tốn đơn giản hơn quỹ đạo đa thức. Vận tốc
gồm 2 đoạn dốc ở đầu và cuối, vận tốc đầu cuối là 0 và ở giữa là hằng số.

3.3.2. S-Curve

Vận tốc hình thang vẫn chưa đạt được độ mượt mong muốn trong
chuyển động, vì vậy S curve đưa vào thơng số Jerk để tăng tính liên tục
khi điều khiển vận tốc.

3.4. Path Planning

3.4.1. Linear

Xét robot di chuyển thẳng từ điểm pi đến điểm pj. Ta có hàm tham
số thể hiện đoạn vị trí, vận tốc và gia tốc của đầu công tác theo timing
law s(t) là:

3.4.2. Circular
Để robot di chuyển theo đường trịn, ta cần có tâm và bán kính định

sẵn, hoặc đi qua 2 điểm chỉ định. Thực tế cho thấy việc đi qua 2 điểm chỉ
định có tính ứng dụng cao hơn. Vì thế, bài tập lớn sẽ giải quyết trường
hợp hoạch định đường đi tròn qua 2 điểm chỉ định trên cùng 1 mặt phẳng
với vị trí hiện tại (2D).

Trước tiên ta cần tính tốn được tâm và bán kính của đường trịn.

Hình 3.4.2.1. Đường trịn đi qua 3 điểm trong mặt phẳng

Hình 3.4.2.2. Mơ tả hoạch định đường tròn trong hệ trục tọa độ

Xét một đường trịn Γ trong khơng gian. Trong đó:
• Vectơ đơn vị của trục đường trịn r,
• Vectơ vị trí d của một điểm dọc theo trục đường trịn,
• Vectơ vị trí pi của một điểm trên đường tròn.

Xét hệ toạ độ O’–x’y’z’, trong đó O’ trùng với tâm đường tròn,
trục x’ hướng dọc theo phương của vectơ pi - c, trục z’ được định hướng
dọc theo r và trục y’ được chọn sao theo quy tắc bàn tay phải. Khi được
biểu thị trong hệ quy chiếu này, ta được:

Với𝜌 = ‖𝑝𝑖 − 𝑐‖ là bán kính đường trịn tìm được. Chuyển về hệ
trục toạ độ tham chiếu, ta được

𝑝(𝑠) = 𝑐 + 𝑅𝑝′(𝑠)
Với R là ma trận xoay của frame O’-x’y’z’ so với frame O-xyz.
Ta có hàm tham số thể hiện vận tốc và gia tốc của đầu công tác:

3.4. Differential Kinematic
Động học vi sai mô tả mối quan hệ giữa vận tốc của các joint và

vận tốc của đầu công tác. Mối quan hệ này được miêu tả bằng ma trận

Jacobian. Ma trận Jacobian là một công cụ quan trọng trong việc tính
những bài tốn của robot như tìm điểm kỳ dị, phân tích redundancy, xác
định động học ngược thơng qua các thuật tốn và mơ tả mối quan hệ giữa
lực tác dụng của đầu công tác với momen của từng joint.

Bài tập lớn này chỉ tính tốn ma trận Jacobian. Các bài tốn khác

có thể phát triển dễ dàng dựa trên ma trận Jacobian đã tìm được.

Chương 4: Mô phỏng Robot SCARA MYS850L sử dụng
Matlab và Matlab GUIDE.

4.1. Workspace
Hình 4.1.1. Tính tốn để mơ hình hóa vùng làm việc Robot qua Matlab.

Hình 4.1.2. Kết quả.

4.2. Forward Kinematic
Ta có thể điều khiển mơ hình bằng thanh trượt hoặc nhập các tool

space để làm bài toán động học thuận.

Bảng cấp nhật vị trí các khớp và các hằng số của DH Table:

Bảng điều khiển hiển thị robot và các trục tọa độ:

4.3. Inverse Kinematic
Bảng nhập thơng số mơ phỏng bài tốn động học nghịch

4.4. Trajectory Planning
Bảng nhập thơng số mơ phỏng bài tốn quy hoạch quỹ đạo, quy hoạch
vận tốc.

q_max được tính theo công thức sau:
4.4.1. Linear