Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng

Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng Thiết kế mô hình robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

──────── * ───────

BÀI TẬP MÔN HỌCTÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOTNGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ LỚP: NUT14

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Mạnh Tiến-20158374Trần Hoàng Minh-20158263

Mục Lục

1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot: (Robot hàn hồ quang) 4

1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác: 4

a Đối tượng thao tác, dạng thao tác 4

b Yêu cầu vị trí: Yêu cầu chính xác về vị trí 4

c Hướng của khâu thao tác: 4

d Yêu cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác: 4

e Yêu cầu về không gian thao tác: 4

1.3 Xác định các đặc trưng kỹ thuật: 4

a Số bậc tự do cần thiết: 4

b Vùng làm việc có thể với tới: 4

c Yêu cầu về tải trọng: 5

1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện: 5

1.5 Phân tích và thiết kế cấu trúc được chọn: 6

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT 8

2.1 Thiết kế 3D 8

2.2 Lập bản vẽ 2D 16

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 17 3.1 Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược 17

3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot theo mục đích ứng dụng 25 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI (TĨNH) YÊU CẦU LỰC/MOMEN ĐỘNG CƠ LỚN NHẤT 30 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 39 5.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot bằng các phương pháp đã học 39

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ DẪN ĐỘNG ROBOT 52

6.1 Thiết kế hệ dẫn động (cho 1 khớp) 52

6.2 Chọn động cơ phù hợp 55

6.3 Tính chọn hộp giảm tốc 57

CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 59

7.1 Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển……59

7.2 Mô phỏng bằng Matlab………60

7.3 Code trong các khối MATLAB Function………70

CHƯƠNG 8: KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC, ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ HIỆU CHỈNH THIẾT KẾ 80

8.1 Hệ số Kp, Kd của từng khâu……… 80

8.2 Đồ thị biểu hiện biến và sai số……….80

LỜI NÓI ĐẦU

Cơ điện tử là một trong 6 ngành công nghệ mũi nhọn của thế kỉ 21 Ở Việt Nam trong vòng 10 năm trở lại đây, và đặc biệt là trong những năm tới, xuất hiện nhu cầu lớn về đào tạo nhân lực cơ điện tử Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa có vai trò đặc biệt quan trọng

Nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khảnăng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao năng suất laođộng, v.v…vấn đề được đặt ra là hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao.Robot công nghiệp, đặc biệt là những tay máy robot là bộ phận quan trọng để tạo

ra những hệ thống đó

Tay máy Robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước, ngày nay taymáy Robot đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ những ưu điểm mà taymáy Robot đó và đúc kết lại trong quá trình sản xuất làm việc, tay máy có nhữngtính năng mà con người không thể có được, khả năng làm việc ổn định, có thể làmviệc trong môi trường độc hại, v.v…Do đó việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo ranhững tay máy Robot phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiếtcho hiện tại và tương lai

Việc tìm hiểu nghiên cứu Robot trong khuôn khổ môn học Robotic và tính

toán thiết kế Robot sẽ là cơ sở để chúng em tính toán, thiết kế cũng như điều khiển

các loại Robot trong công nghiệp phục vụ sản xuất Cụ thể, ở đây chúng em chọn

đề tài tính toán, thiết kế mô hình Robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC 1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot: (Robot bốc xếp kho hàng)

Robot bốc xếp kho hàng trong công nghiệp thay thế cho người lao động, tăng năngsuất lao động

1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác:

a Đối tượng thao tác, dạng thao tác:

Đối tượng thao tác: thùng hang 40x25x30 (cm ), nặng 20kg3

Dạng thao tác: kẹp chặt, di chuyển vị trí

b Yêu cầu vị trí:

Yêu cầu chính xác về vị trí, phương và chiều (vì để gắp được vật cần chính xác về

vị trí, phương chiều khâu cuối tiếp xúc với vật gắp)

c Hướng của khâu thao tác:

Khâu thao tác có hướng đảm bảo đầu kẹp di chuyển đến đúng vị trí cần gắp hàng

và thực hiện thao tác kẹp

d Yêu cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác:

Tốc độ, gia tốc: tại điểm gắp và thả vật, vận tốc và gia tốc bằng 0, vận tốc, gia tốc

có thể thay đổi khi chuyển giữa các điểm cần hàn

e Yêu cầu về không gian thao tác:

Robot di chuyển linh hoạt trong không gian thao tác để có thể đến được vị trí cần gắp vật với phương chiều hợp lý và đến được vị trí cần thả vật với phương chiều hợp lý

1.3 Xác định các đặc trưng kỹ thuật:

a Số bậc tự do cần thiết:

Robot có ít nhất 3 bậc tự do để có thể đến được vị trí gắp và thả vật, cần thêm một khớp xoay nữa để đảm bảo lực kẹp chặt sẽ kẹp phương vuông góc với mặt hộp

b Vùng làm việc có thể với tới:

Được xác định bởi thông số hình học các khâu của Robot Robot cần di chuyển trong không gian, nhằm đưa đầu hàn đến vị trí cần thiết và thực hiện thao tác gắp thả vật

c Yêu cầu về tải trọng:

Robot có tải trọng phù hợp đảm bảo độ cứng vững khi thao tác, để thao tác được chính xác

1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện:

1.5 Thông số kỹ thuật: robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác:

Sau khi phân tích, trong các cấu trúc đề xuất, ta thấy cấu trúc đầu mặc dù chỉ có 4 bậc tự do, nhưng kém linh hoạt, không tối gọn nhất trong việc bốc xếp kho hàng Tuy nhiên cấu trúc thứ 2 với 5 bậc tự do là linh hoạt, gọn hơn, tốt ít không gian làm việc hơn Chính vì thế nhóm lựa chọn cấu trúc thứ 2: Robot 5 bậc tự do, gồm 5khớp quay để đảm bảo linh hoạt, tốn ít không gian thao tác trong lúc bốc xếp kho hàng.

Khớp 1 là khớp quay nối giữa khâu 0 (bệ máy) và khâu 1

Khớp 2 là khớp quay nối giữa khâu 1 và khâu 2

Khớp 3 là khớp quay nối giữa khâu 2 và khâu 3

Khớp 4 là khớp quay nối giữa khâu 3 và khâu 4

Khớp 5 là khớp quay nối giữa khâu 4 và khâu 5 (khâu thao tác)

Phần tính chọn động cơ và bánh răng truyền chuyển động và các thông số chi tiết cho kết cấu sẽ được trình bày kĩ trong phần Chương 6

Sau khi lựa chọn kết cấu và chọn sơ bộ các khâu, khớp thì sẽ tiến hành giải các bài toán động học, động lực học, chọn động cơ, và mô phỏng

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT 2.1 Thiết kế 3D

Robot bốc xếp kho hàng 5 bậc tự do

Khâu 0 (bệ máy)

Khâu 1

Khâu 2

Khâu 3

Khâu 4

Khâu 5

Băng chuyền

Xe hàng

Tay gắp 1

Tay gắp 2

Không gian thao tác của robot

2.2 Thiết kế 3D

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 3.1 Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược

- Quay quanh trục z một góc i-1 i.

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục z một đoạn i-1 di

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục x một đoạn a i i

a trận được xác định bởi công thức (2.1) được gọi là ma trận Denavit – Hartenberg

Nó cho ta biết thông tin về vị trí của khâu thứ i của robot đối với hệ quy chiếu(Oxyz) i-1

Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi (2.1) đối với robot n khâu ta có:

Tính các ma trận DH

Dạng tổng quát của ma trận T

Hướng của khâu thao tác so với hệ tọa độ (Oxyz) được xác định qua ma trận0 Ngoài ra còn có thể xác định qua các góc α,β, η trong phép quay Cardan.

Chú thích: Phép quay Cardan là phép biến đổi hệ tọa độ cố định (Oxyz) sang hệitọa độ động (Oxyz) bằng cách quay liên tiếp quanh các trục của hệ tọa độ động,i+3

cụ thể là:

- Quay (Oxyz) góc i α quanh trục x Hệ (Oxyz)i i (Oxyz)i+1

- Quay (Oxyz) góc i+1 β quanh trục y Hệ (Oxyz)i+1 i+1(Oxyz)i+2

- Quay (Oxyz) góc i+2 η quanh trục z Hệ (Oxyz)i+2 i+2 (Oxyz)i+3

Hình 2.3 Các góc quay Cardan

Ma trận quay Cardan biểu diển hướng của hê tọa độ động (Oxyz) so với hệ i+3tọa độ cố định (Oxyz) là tích của ba ma trận quay thành phần cơ bản, được tínhItheo công thức sau:

1,

z

 

sin sin cos +cos sin -sin sin sin +cos cos -sin cos 2.7-cos sin cos +sin sin cos sin sin +sin cos cos cos

0

c0

, ,

  

Tính vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối và vận tốc góc, gia tốc góc các khâu.

Sau khi đã biết các biến khớp q , q , q và các vận tốc khớp, gia tốc khớp, ta sẽ đi 1 2 3

tính vận tốc góc, gia tốc góc các khâu cũng như vận tốc, gia tốc điểm tác độngcuối

- Vận tốc, gia tốc điểm thao tác cuối v :E

Suy ra:

Như vậy vận tốc góc và gia tốc góc của khâu cuối tính trong hệ tọa độ động gắnchặt với khâu là:

Tính vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối

Lần lượt đạo hàm r theo thời gian, ta thu được vận tốc và gia tốc điểm tác cuốiE

là:

EE

v r

E E

a = v

3.1.2 Khảo sát bài toán động học ngược

Nhiệm vụ của bài toán động học ngược là tìm các biến khớp với điều kiện tọa độ

và hướng khâu thao tác đã biết Cụ thể trong bài toán này, bài toán động học ngược

có nhiệm vụ tìm với điều kiện x ,y z E E, E đã biết

Sử dụng phương pháp hình học, ta có:

Như vậy đã giải quyết xong bài toán động học ngược.

3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot theo mục đích ứng dụng

Quỹỹ đ o robot qua 4 đi m ạ ể Khầu thao tác cuốếi sẽỹ đi t đi m 1 (sau khi th c hi n thao tác hàn) sẽỹ đi chuỹ n đếến đi m trung gian 2 ừ ể ự ệ ể ể

và 3 rốầi di chuỹ n tếếp đếến đi m sốế 4 ể ể

T a đ các đi m nh b ng sau: ọ ộ ể ư ả

i i i

i i i

i i i

a q b

c t

d t

Kết quả sau khi thay số liệu:

Khầu 3

Khầu 5

Đồ thị quỹ đạo vận tốc gia tốc các biến khớp đi từ 1-5

Tọa độ điểm cuối: bậc 3, vận tốc: bậc 2, gia tốc: bậc 1

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH, YÊU CẦU LỰC/MOMEN

ĐỘNG CƠ LỚN NHẤT

Cơ sở lý thuyết

Xem các khâu của Robot là các vật rắn tuyệt đối cứng Việc tính toán được thựchiện khi ta tách riêng từng khâu của Robot Theo nguyên lý giải phóng liên kết Lagrange, ta phá vỡ liên kết tại các khớp của Robot và đặt vào đó các phản lực liênkết bao gồm lực và mô men phản lực (tùy thuộc vào loại khớp bị phá vỡ) Giả sử các khâu là thanh đồng chất, tiết diện ngang không đáng kể, khối lượng các khâu lần lượt là m1,m ,m ,m ,m 2 3 4 5

Ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men của khâu i:

- Fi,i-1 là lực do khâu i-1 tác dụng lên khâu i

- Fi+1,i là lực do khâu i tác dụng lên khâu i+1

- P là trọng lực của khâu i.i

- Mi,i-1

là mô men do khâu i-1 tác dụng lên khâu i

- Mi+1,i là mô men do khâu i tác dụng lên khâu i+1

- ri-1i là vecto có điểm gốc tại O và điểm mút tại Oi i-1.

- rcii là vecto có điểm gốc tại O và điểm mút tại trọng tâm của khâu i là C i i Chiếu công thức (3.1) lên hệ tọa độ khâu i, ta có hệ phương trình cân bằng lực

và mô men trong hệ tọa độ khâu i:

Để chuyển đổi các véc tơ giữa các hệ tọa độ khâu với nhau và với hệ tọa độ cơ

sở, ta sử dụng các ma trận quay Các ma trận quay có thể dễ dàng lấy từ các ma

trận biến đổi tọa độ thuần nhất đã xác định được từ phần động học.

Theo như tính toán bên trên ta có:

Bài toán tĩnh học đối với khâu 5

Giả sử lực và mô men từ môi trường tác dụng lên khâu 5 (khâu tác động cuối)

có dạng:

Theo định luật III Newton, ta dễ dàng suy ra được lực và mô men khâu 3 (khâu

tác động cuối) tác dụng lên môi trường có dạng:

Sử dụng công thức (3.3), ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men khâu 3 trong hệ tọa độ cơ sở:

(3.6)Trong đó:



Và:

Bài toán tĩnh học đối với khâu 4

Sử dụng công thức (3.3), ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men khâu 4 trong hệ tọa độ cơ sở:

(3.7)Trong đó:

Bài toán tĩnh học đối với khâu 3

Sử dụng công thức (3.3), ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men khâu 3 trong hệ tọa độ cơ sở:

(3.8)Trong đó:

Bài toán tĩnh học đối với khâu 2

Sử dụng công thức (3.3), ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men khâu 2 trong hệ tọa độ cơ sở:

Bài toán tĩnh học đối với khâu 1

Sử dụng công thức (3.3), ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men khâu 1trong hệ tọa độ cơ sở:

1 1

0

Trong mục này, ta sẽ sử dụng phương trình Lagrange để biểu diễn các mối quan hệnói trên:

M(q)q C(q,q)q G(q) Q U       

(4.1)Trong đó:

- M(q) là ma trận khối lượng.

- C(q,q)q  

là ma trận chứa các lực Coriolis và lực li tâm

- G(q) là ma trận chứa lực có thế gây ra bởi lực trọng trường của các thanh.

- U là ma trận chứa các lực không thế tác dụng vào cơ cấu Ở đây ta chỉ xét tớicác lực dẫn động

là ma trận Jacobian tịnh tiến của khâu i

là ma trận Jacobian quay của khâu i

là tensor quán tính của khâu i

là khối lượng khâu i

+

:Ma trận DH của c so với Oi i

Từ (4.4) ta tính được các ma trận :

; ;

Thay vào (4.3) ta có:

;

Ma trận jacobian quay J Ri

Trong đó:

(4.7)

Thay (4.5) (4.6) (4.7) vào (4.2), dùng maple ta tính được :

Ma trận chứa các lực Coriolis và lực li tâm

Trong đó :

Ví dụ: , Ký hiệu :

1( , ; )

Ma trận chứa lực có thế gây ra bởi lực trọng trường của các thanh G(q)

Lực không thế tác dụng vào Robot là lực không thế của môi trường tác dụngvào khâu 5: do robot gắp vật nên momen tác dụng vào khâu cuối coi như bằng 0

và lực không thế chỉ tác dụng vào khâu 5, suy ra:

Ma trận Jacobian tịnh tiến của khâu 5:

Các thành phần của véc tơ lức suy rộng không thế được xác định bằng các công thức sau:

Vậy phương trình vi phân chuyển động của robot:

M(q)q C(q,q)q G(q) Q U       

Từ đó ta có ma trận 5 hàng 1 cột chứa 5 phần tử momen điều khiển cho 5

khớp với:

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT

Từ những tính toán thiết kế về động học, tĩnh học, động lực học, vận tốc gia tốc, các khâu, các khớp, ta tiến hành tính toán chọn các loại động cơ, hệ dẫn động cho phù hợp với các thông số đầu vào, bên cạnh đó cũng cần đảm bảo tính kinh tế, sao cho đạt hiệu năng cao nhất và thời gian sử dụng lâu nhất

6.1 Thiết kế hệ dẫn động (cho một khớp)

Có rất nhiều loại hộp giảm tốc được sử dụng trong thiết kế robot công nghiệp, phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, mục đích ứng dụng của robot ta có thể chọn được một hộp giảm tốc phù hơp.dưới đây là các hộp giảm tốc thông dụng trong thiết kế robot và đặc điểm ứng dụng cơ bản của chúng

a) Hộp giảm tốc bánh răng trụ

Bộ truyền bánh răng trụ

Hộp giảm tốc bánh răng trụ có hiệu suất truyền không cao, có tỉ số kích thước trên

tỉ số truyền lớn, độ chính xác không cao,tỉ số truyền thấp,nên trong các robot có yêu cầu kết cấu nhỏ , độ chính xác cao thường không sử dụng Tuy nhiên với ưu điểm kết cấu cơ khí đơn giản, giá thành rẻ và phổ biến trên thị trường có khả năng làm việc với phạm vi vận tốc và tải trọng rộng nên bộ truyền bánh răng trụ vẫn được dùng phổ biến cho các tay máy công nghiệp

Bộ truyền được sử dụng cho khâu cuối, trong cơ cấu kẹp thanh truyền

b) Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh

Bộ truyền hành tinh

Bộ truyền hành tinh bao gồm các bánh răng trung tâm,cần mang trục,các bánh vệ tinh Bộ truyền hành tinh có nhiều ưu điểm như kết cấu đơn giản,nhỏ gọn ,độ chínhxác cao,hiệu suất cao,quán tính nhỏ,tùy vào kết cấu mà có dải tỷ số truyền từ một tới hang trăm lần

c) Bộ truyền bánh răng song

Bộ truyền bánh răng song

Bộ truyền bánh răng sóng có nhiều ưu điểm như độ chính xác cơ khí lặp lại cao momen xoắn truyền lớn, hệ số giảm tốc cao từ 50 : 1 cho tới 320 : 1,kết cấu đồng trục Loại bộ truyền này có kết cấu phức tạp, khó chế tạo nên giá thành cao tuy nhiên vẫn được ứng dụng rộng rãi cho robot

Trong bài tập lớn này chúng em lưa chọn loại hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng cho tất cả các khớp

Hệ dẫn động em thiết kế gồm 1 động cơ AC nối với hộp giảm tốc cấp bánh răng

trụ răng thẳng qua 1 khớp nối hộp giảm tốc nối với trục của khớp qua khớp nối

Ở tất cả các hệ dẫn động của các khớp ta đều chọn tỉ số chuyền là 2 ta có

Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng 1 cấp là: η br =0,95

Hiệu suất ổ lăn : η ol =0,99

Hiệu suất khớp nối: η kn =1

 η= η br η ol

2

η kn =0,95 0,992 1=0,93

Tính chọn động cơ cho khớp 5

 Công suất làm việc

Từ phương trình mômen theo thời gian đã xác lập phần động lực học ta tìm được mômen lớn nhất