BÀI tập lớn môn học tính toán thiết kế robot đề tài đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong hàn di động

Trong khuôn khổ môn học Tính toán thiết kế Robot với đề tài tài tính toán thiết kế robot trong ứng dụng hàn di động, nhóm tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tín

Trang 1

TRƯỜNG CƠ KHÍ ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN Môn học: Tính toán thiết kế Robot

Đề tài: Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình Robot ứng dụng trong hàn di động.

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi

Sinh viên thực hiện Nhóm 10: Nguyễn Ngọc Toàn - 20187499

Hứa Văn Linh - 20187466 Trần Quang Anh - 20187412

HÀ NỘI …/2022 MỤC LỤC

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Trang 3

LỜI NÓI ĐẦU

Có thể nói rằng Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới,một cách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn Những hãng Robot(RB) từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày mộtkhẳng định sự hiện diện của RB là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay

và tương lai của phía trước Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ môcho tới vi mô và ngày một đa dạng

Trong khuôn khổ môn học Tính toán thiết kế Robot với đề tài tài tính toán thiết kế robot trong ứng dụng hàn di động, nhóm tin tưởng rằng với những kết

quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệmquan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai vềtính toán và thiết kế các loại Robot công nghiệp

Với bố cục gồm hai phần chính:

1, Tổng quan về Robot

Phần này sẽ là cái nhìn sơ qua về Robot bao gồm lịch sử phát triển, phân loại

và ứng dụng hiện nay giúp chúng ta hình dung tính quan trọng cũng như sự hữudụng của nó tới cuộc sống

2, Tính toán thiết kế Robot trong ứng dụng hàn di động

Bao gồm các bước thiết kế cho đến việc mô phỏng để kiểm chứng tính đúngđắn của quá trình thiết kế sẽ cung cấp các quá trình cơ bản để có thể xác địnhcách có thể một sản phẩm Robot được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống

Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới PGS TS Phan Bùi Khôi, cảm ơn Thầy vìnhững đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình traođổi ở các buổi học Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp nhóm tựtin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã cónhững sự chuẩn bị của nhóm hoặc cũng có thể kiến thức nhóm mang đến trongbài tiểu luận này con sai sót và chưa đúng Nhóm rất mong có được sự bổ sung,sửa chữa đó, chúng em chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khoẻ!

Trang 4

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT HÀN DI ĐỘNG

1 Phân tích lựa chọn cấu trúc

1.1 Phân tích mục đích, ứng dụng của Robot

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệpnhằm góp phần nâng cao năng suấtdây truyền công nghệ, giảm giáthành, nâng cao chất lượng và khảnăng cạnh tranh của sản phẩm, đồngthời cải thiện điều kiện lao động Đạtđược các mục tiêu trên là nhờ vàokhả năng của robot như: làm việckhông biết mệt mỏi, làm việc được ởcác môi trường mà con người khôngthể làm được…

xa, tăng phạm vi chuyển động của robot

1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác

a, Đối tượng thao tácRobot thực hiện thao tác hàn trên những bề mặt kim loại phẳng, có thể thực hiện thao tác hàn đường hoặc hàn điểm

b, Phân tích yêu cầu về vị tríRobot thao tác trong không gian đúng với quỹ đạo thao tác đặt ra, tớiđúng điểm cần hàn

Trang 5

c, Phân tích yêu cầu về hướng của khâu thao tácBài toán đặt ra với yêu cầu hàn quỹ đạo là đường thẳng nằm tên mặt phẳng ngang, yêu cầu hướng của mũi hàn luôn nằm trên mặt phẳng vuônggóc với mặt phẳng tại vị trí hàn.

Hình 1 Hướng của khâu thao tác

1.3 Đặc trưng kĩ thuật

a, Số bậc tự do cần thiếtYêu cầu bài toán đặt ra là hàn đường trên mặt phẳng ngang, mũi hànluôn vuông góc với đường hàn

Để khâu thao tác có thể di chuyển trên mặt phẳng ngang kia yêu cầu tốithiểu 2 bậc tự do cho di chuyển Tuy nhiên chỉ với 2 bậc tự do kia thì đốitượng sẽ phải di chuyển robot tới vị trí thích hợp mới thực hiện được mốihàn, như vậy yêu cầu tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận thì cầnthêm một bậc tự do nữa Do đó cần ít nhất 3 bậc tự do cho mô hình thiếtkế

Dưới đây là một số cơ cấu có thể dùng để xác định các vị trí trong mặtphẳng làm việc:

Cơ cấu robot tọa độ Đecac: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh

tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TTT) Không gian làm

Trang 6

việc của bàn tay có dạng khối chữ nhật

Hình 2 Cơ cấu tọa độ Đecac

Cơ cấu robot tọa độ trụ: Không gian làm việc của robot có dạng hình trụ

rỗng Thường khớp thứ nhất là chuyển động quay

Hình 3 Cơ cấu tọa độ trụ

Cơ cấu robot tọa độ cầu: Không gian làm việc của robot có dạng hình cầu.

Hình 4 Cơ cấu tọa độ cầu

b, Vùng làm việc của robot

Mô phỏng không gian thao tác của robot trên phần mềm Matlab:

Trang 7

Hình 5 Không gian thao tác của robot

c, Yêu cầu về tải trọng

Robot hàn nên tải trọng robot không đáng kể

1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu

khớp, phân tích, lựa chọn phương án thực hiện

Pa3 Robot 3 DOF TRR

Với yêu cầu 4,5,6… bậc tự do, robot sẽ trở lên linh hoạt hơn, tuynhiên việc tính toán và thiết kế chế tạo cũng phức tạp, tốn kémhơn Để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu củabài toán đặt ra, ta lựa chọn phương án thiết kế robot 3 bậc tự do(phương án 3) thỏa mãn yêu cầu bài toán khi cần thao tác trênmặt phẳng với quỹ đạo và hướng thao tác như đặt ra

Trang 8

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

Hình 6 Mô hình 3D robotKhớp 1 là khớp tịnh tiến sẽ đi dọc chiều dài miền làm việc theo yêu cầu, khớp

2 là khớp tịnh tiến và sẽ đi ngang miền làm việc, như vậy với 2 khớp trên ta đủ

để xác định vị trí của một điểm trên mặt phẳng thao tác

Khớp 3 là khớp quay để điều chỉnh độ cao của bút vẽ so với mặt bàn ngang.Khâu 1 và khâu 2 sẽ dùng vít me ổ bi vì cùng là tịnh tiến

Khâu 3 dùng ổ bi

Phần tính chọn vít me, ổ bi và các thông số chi tiết cho kết cấu sẽ được

trình bày kĩ trong phần thiết kế cơ khí và tính chọn vít me ổ bi bên dưới

Với kết cấu như trên theo nhóm 4 là phù hợp với yêu cầu của đề bài

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

Trang 9

CHƯƠNG 2 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

2.1 Bài toán động học thuận

Với mô hình tính toán bên trên ta đặt các hệ trục tọa độ theo quy tắc

Denevit-Hatenberg và có sơ đồ như hình vẽ:

q3

Hình 2.1 Sơ đồ hệ trục robotSau khi có sơ đồ ta thiết lập bảng DH:

Bảng 2.1 Bảng tham số động học của robot

Trong đó q1, q2, q3 là các biến khớp, còn a1, a2 là các hằng số

Các vector x = [ x 1 , x 2 x 3]T biểu diễn vị trí của bàn kẹp trong hệ cố định

q = [ q1, q2, q3] là các góc quay và tịnh tiến của các biến khớp

Trang 10

Trang 11

2.2 Thiết lập phương trình động học robot

Từ các ma trận (2.1) và (2.2) ta xác định được 00 ma 00 trận biến đổi tọa độ thuần nhất

(2-4)

(2-5)

Trang 12

- Ta ký hiệu ma trận (2-5) thành

Sử dụng các góc Cardan xác địn hướng của vật rắn Ta gọi

là giá trị mô tả giá trị trực tiếp hướng của so

Do đó tọa độ thao tác đều là hàn của thời gian Nên ta có thể biểu diễn:

(2-6)

là vectơ mô tả vị trí của điểm tác động cuối trong hệ tọa độ

(2-7)

(2-8)

n=3 vì cơ cấu Robot có 3 khâu

(2-9)

phương trình độc lập như sau:

(2-10)

2.3 Bài toán động học thuận

Bài toán động học thuận, các thông số đầu vào:

Trang 13

Thông số cần xác định: điểm tác động cuối và hướng của khâu thao tác so với hệ tọa độ cơ sở.

Ta có tọa độ của điểm tác động cuối:

(2-11)

Ta chọn quy luật chuyển động theo thời gian của robot như sau:

Và các thông số hình học: a1=65 cm; a3=60 cm

Thay các giá trị q1(t), q2(t), q3(t) và các thông số hình học a1, a3 vào biểu thức xE, yE, zE ta có tọa độ điểm thao tác như sau:

Đồ thị của điểm thao tác cuối qua các tọa độ: với t=[0:0.1:10] Mô phỏng trênMatlab ta được:

Trang 14

Hình 2.1 Đồ thị xE theo t

Trang 15

Hình 2.2 Đồ thị yE theo t

Trang 16

Hình 2.3 Đồ thị zE theo t

a) Vận tốc điểm tác động cuối E và vận tốc góc khâu thao tác Vận tốc

điểm tác động cuối của Robot

Từ phần trên ta đã xây dựng được quy luật chuyển cũng như tìm được tọa

độ của khâu thao tác cuối, các biến khớp và đạo hàm các cấp theo t đãbiết:

Trang 17

Từ các phương trình về vị trí của điểm tác động cuối của Robot ta sẽ tínhđược vận tốc của điểm cuối:

Trang 18

2.4 Đồ thị vận tốc điểm EĐạo hàm các hàm vận tốc ta được đồ thị gia tốc của điểm E theo các phương:

Trang 19

ĐỒ THỊ GIA TỐC ĐIỂM E

ax ay 150

az

100 50 0 -50 -100

-150

0

2.5 Đồ thị gia tỗ điểm ECác ma trận cosin chỉ hướng của các khâu:

Trang 20

Trang 21

Đạo hàm các ma trận quay ta được:

Trang 22

2.4 Không gian làm việc của robot

2.5 Bài toán động học ngược

Từ bài toán động học thuận ta có hệ phương trình:

(2-30)

Trang 23

Giả sử chọn quỹ đạo của điểm tác động cuối theo phương trình sau:

(cm) (2-31)

(2-32)Thay các giá trị (2-31) vào (2-32):

Tọa độ suy rộng phải thỏa mãn hệ phương trình (2-31) và ta có đồ thị các tọa độsuy rộng như sau:

Trang 24

Đồ thị các biến khớp q1,q2,q3

q1 60

q2 q3 50

Trang 25

Trang 29

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 5.1 Cơ sở lý thuyết

Động lực học robot nghiên cứu chuyển động của robot dưới tác dụng củalực và (hoặc) momen điều khiển (gọi chung là lực điều khiển) để thực hiệnthao tác theo mục đích công nghệ hoặc phục vụ

Động lực học thuận (dyrect dynamics): khảo sát tính toán các đại lượng đặctrưng cho chuyển động dưới tác dụng của lực đã xác định

Động lực học ngược (inverse dynamics): khảo sát tính toán các lực dẫnđộng để robot thực hiện được chuyển động thao tác theo quy luật đã xác định.Thiết lập phương trình Lagrange loại 2 cho hệ nhiều vật:

Vị trí mỗi vật rắn Bi ở trong hệ quy chiếu cố định R0 = Ox0y0z0 được xácđịnh bởi vector xác định vị trí khối tâm và ma trận cosin chỉ hướng của vậtrắn:

Trang 30

rCi = rCi(q), Ri = Ri(q) (4.1)Trạng thái vận tốc của vật rắn Bi được xác định bởi vận tốc khối tâm và vận

tốc góc của nó:

(4.2)Tính được các ma trận Jacobi:

(4.3)Vận tốc khối tâm vật rắn và vận tốc góc vật rắn được tính theo công thức:

(4.4)Động năng của hệ gồm n vật rắn:

(4.5)Trong đó I là ma trận tenxo quán tính của vật rắn thứ i đối với khối tâm C i

của nó ở trong hệ quy chiếu cố định

Thế các biểu thức (4.4) vào các biểu thức (4.5) ta được:

(4.6)

(4.7)Trong đó:

Biểu thức động năng (4.7) có thể viết lại như sau:

(4.8)

Trang 31

Trang 32

Đạo hàm biểu thức động năng (4.8) theo các vận tốc suy rộng và các tọa

độ suy rộng qj ta được:

Từ đó suy ra:

(4.9)Thế năng của hệ gồm n vật rắn:

(4.10)Thế các biểu thức trên vào phương trình Lagrange 2:

(4.11)

Ta được:

(4.12

) Ký hiệu :

Trang 33

Trang 35

Ma trận ten xơ quán tính của khâu đối với khối tâm C1 trong hệ tọa độ :

Biểu thức động năng, ma trân khối lượng M(q):

Định dạng
Số trang	35
Dung lượng	1,6 MB