TIỂU LUẬN môn học TÍNH TOÁN THIẾT kế ROBOT

- Ưu điểm: Chuyển động linh hoạt tối ưu do có 2 khớp quay- Nhược điểm: Khâu tịnh tiến cồng kềnh, tốn kém chi phí và không gian thaotác Phương án 2: 4 bậc tự do RRRR -Hình 6: Robot 4 bậc

VIỆN CƠ KHÍ

-*** -TIỂU LUẬN MÔN HỌC

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

: ThS Nguyễn Văn Quyền Sinh viên thực hiện : Phan Thanh Châu - 20175844

Nguyễn Bảo Vỹ - 20175927 Nguyễn Thành Công - 20150441

Hà Nội 2021

LỜI MỞ ĐẦU

Do đó việc sử dụng các tay máy hay còn gọi là Robot công nghiệp vào trongsản xuất đang rất được ưa chuộng bởi vì chúng đáp ứng được các yêu cầu trên Nhưchúng ta đã biết Robot có rất nhiều ưu điểm đặc biệt là chất lượng và độ chính xác,ngoài ra còn phải kể đến hiệu quả kinh tế cao Có thể làm việc trong môi trườngđộc hại mà con người không thể làm được, các công việc yêu cầu cẩn thận khôngđược nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng tinh tế đòi hỏi trình độ của thợ bậc cao, và quantrọng là Robot không bị căng thẳng như con người nên có thể làm việc cả ngày

Xuất phát từ yêu cầu đó, các tay máy Robot ra đời để đảm bảo sự tự độnghóa trong quá trình chế tạo, làm việc Hơn thế, Robot ra đời còn giúp con ngườilàm việc trong các môi trường độc hại mà con người không thể tiếp xúc trực tiếpđược

Cụ thể nhóm quyết định lựa chọn đề tài “Tính toán thiết kế Robot ứng dụngtrong sơn tường” nhóm tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu

và tính toán cũng như thiết kế Robot trong bài tập lớn này sẽ là bước đệm quantrọng cho việc làm quen ,tính toán thiết kế một loại robot trong tương lai cho sinhviên Giúp Sinh viên có những kiến thức tổng quan nhất về robot , biết cách thiết

kế, tính toán và lập trình theo modun một Robot hoàn chỉnh có chức năng nhấtđịnh

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy PGS.TS Phan Bùi Khôi Cảm ơnthầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trìnhhoàn thành bài tập lớn Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ giúp chúng em tự tinhơn trong cách thức tiếp cận nền công nghiệp hiện nay Mặc dù đã có sự chuẩn bịnhưng những kiến thức chúng em đề cập đến trong bài thuyết minh này còn thiếu

sót Em rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa để bài thuyết minh hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khỏe!

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC 6

1 Phân tích mục đích ứng dụng của robot 6

2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác 7

a Phân tích yêu cầu về vị trí 7

b Phân tích yêu cầu về vị trí 8

c Yêu cầu về hướng của khâu thao tác 8

3 Xác định các đặc trưng kỹ thuật 8

a Số bậc tự do cần thiết 8

b Vùng làm việc có thể với tới của Robot 8

c Yêu cầu về tải trọng 9

4 Các phương án thiết kế cấu trúc Robot, khớp và đưa ra phương án 9

5 Thông số kỹ thuật: robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT……….11

1 Thiết kế 3D 11

2 Lập bản vẽ 2D 12

3 Lập hồ sơ kỹ thuật 12

4 Xác định các thông số đặc trưng hình học – khối lượng……… 13

CHƯƠNG 3 : BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT……….14

1 Đặt hệ trục tọa độ và thiết lập bảng thông số tuân theo Denavit – Hartenberg.14 2 Bài toán động học thuận Robot 16

a Tính các ma trận D - H 16

b Xác định hướng của khâu thao tác 17

c Xác định tọa độ điểm thao tác và vận tốc dài của điểm thao tác 18

d Vận tốc góc và gia tốc góc các khâu 18

3 Bai toán động học ngược 19

a Động học ngược vị trí 19

b Động học ngược vận tốc và gia tốc 19

4 Thiết kế quỹ đạo chuyển động 20

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH YÊU CẦU LỰC/MOMEN ĐỘNG CƠ LỚN NHẤT 23

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 24

1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot………25

a Tính ma trận khối lượng 26

b Tính lực quán tính Coriolis 31

c Lực quán tính li tâm 32

d Lực suy rộng của các lực không thế 32

2 Động lực học ngược 33

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ DẪN ĐỘNG ROBOT 33

1 Thiết kế hệ dẫn động cho khâu 1 33

2 Chọn động cơ 41

3 Tính chọn hộp giảm tốc 43

4 Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền các khâu của robot 45

CHƯƠNG 7 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN………

1 Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển 46

2 Mô phỏng bằng Matlab 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 KẾT LUẬN54

Robot sơn tường có nhiều ứng dụng trong đời sống, mục đích của robot làsơn tường theo những hình dạng phức tạp, hình dạng đòi hỏi phức tạp có độ chínhxác cao

Hình 1 Minh họa sản phẩm của robot

2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác

a Đối tượng thao tác, dạng thao tác

- Nhiệm vụ của robot là sơn tường và vẽ hình trên tường (tường có kíchthước tối đa 1000 x 1000 mm) do đó:

- Đối tượng thao tác là bề mặt tường phẳng

Hình 2: Đối tượng thao tác

- Dạng thao tác chuyển động được theo các cung cong và thằng

- Ta coi nền nhà đặt Robot và tường để sơn là vuông góc tuyệt đối

Hình 3: Khâu thao tác

b Phân tích yêu cầu về vị trí

- Phải di chuyển được mọi vị trí trên bề mặt tường được phun sơn theo kíchthước của tường đã đề ra ở mục a

c Yêu cầu về hướng

- Đối tượng là mặt phẳng nên hướng thao tác là hướng vuông góc với bề mặtcủa tường do đó hướng cố định và không thay đổi trong quá trình làm việc

- Về vận tốc thì Robot phải đáp ứng phun sơn với vận tốc ổn định để quátrình làm việc không bị gián đoạn Không có yêu cầu về gia tốc

3 Xác định các đặc trưng kỹ thuật

a Số bậc tự do cần thiết

Để đảm bảo đủ yêu cầu về di chuyển theo đường thẳng và đường cong trên 1mặt phẳng cần tối thiểu 2 bậc tự do Nếu robot có từ 3 bậc tự do lên thì chuyểnđộng của robot sẽ càng linh hoạt tuy nhiên việc tính toán thiết kế sẽ gặp nhiều khókhăn và đối với yêu cầu của bài toán thực sự không cần thiết Do đó, nhóm quyếtđịnh lựa chọn robot 2 bậc tự do cho đề tài

b Vùng làm việc có thể với tới của robot

Hình 4: Vùng làm việc có thể với tới của robot

c Yêu cầu về tải trọng

- Tải trọng ở đầu phun sơn không quá nặng để đảm bảo về khâu 3 không bịuốn quá mức cho phép ảnh hưởng đến vị trí tương quan của đầu phun sơn và mặttường

1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot

Phương án 1: 3 bậc tự do (TRR)

Hình 5: Robot 3 bậc tự do

- Ưu điểm: Chuyển động linh hoạt tối ưu do có 2 khớp quay

- Nhược điểm: Khâu tịnh tiến cồng kềnh, tốn kém chi phí và không gian thaotác

Phương án 2: 4 bậc tự do (RRRR)

-Hình 6: Robot 4 bậc tự do

- Ưu điểm: Vùng hoạt động rộng, thiết kế gọn

- Nhược điểm: Tính toán phức tạp, chi phí cao không cần thiết

Phương án 3: 2 bậc tự do (TT)

Hình 7: Robot 2 bậc tự do

- Ưu điểm: Chuyển động bao quát trong mặt phẳng, tính toán dễ dàng

- Nhược điểm: Độ dài và khối lượng các khâu lớn

Sau khi phân tích ,trong các cấu trúc đề xuất nhóm lựa chọn phương án thiết

kế Robot 3 với cấu trúc 2 bậc tự do (TT) gồm 2 khớp tịnh tiến để chuyển động cho

đầu phun sơn trên mọi điểm của mặt phẳng tường Đơn giản trong quá trình tínhtoán vừa dễ dạng trong quá trình thiết kế và chế tạo.

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

 Hệ thống thao tác

- Sử dụng hệ thống truyền chuyển động là thanh răng bánh răng để đảm bảoyêu cầu về độ chính xác, tránh đi quá hành trình chuyển động, qua lại được nhiềuhành trình

- Điều khiển bằng bộ điều khiển ở ngoài tác động lên robot

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D

1 Thiết kế 3D

Hình 9: Mô hình 3D của robot khi phun sơn

2 Lập bản vẽ 2D

Hình 10: Các hình chiếu của robot

- Vận chuyển robot bằng cách điều khiển 4 động cơ có gắn bánh xe ở dướigốc robot Có thể chuyển động ngang dọc tùy ý người điều khiển

4 Xác định các thông số đặc trưng hình học – khối lượng

- Để đảm bảo robot có thể chuyện động tối đa 1000x1000mm nên ta sẽ tăngthêm chiều dài của khâu thêm 200m để có độ dư về kích thước khâu Khâu 2 làkhâu trung gian nên cần chỉ cần ngắn vừa đủ

- Khối lượng khâu sẽ giảm dần từ gốc lên Khâu 2 sẽ chọn test trước sau đó

sẽ tính bên trên phần mềm sau để phù hợp với yêu cầu bài toán

- Tốc độ chọn phù hợp để quá trình phun sơn đạt hiệu quả cao nhất

- Bảng thông số chiều dài, khối lượng khâu

Khâu Chiều dài khâu (mm) Khối lượng(kg)

1 Đặt hệ trục tọa độ và thiết lập bảng thông số tuân theo Denavit – Hartenberg

Đối với các Robot công nghiệp, Denavit – Hartenberg (1995) đã đưa ra cách chọncác hệ trục tọa độ có gốc tại khớp thứ i như sau:

- Trục zi-1 được chọn dọc theo trục của khớp động thứ i

- Trục xi-1 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của hai trục zi-2 và zi-1,hướng đi từ trục zi-2 sang zi-1 Nếu trục zi-1 cắt trục zi-2 thì hướng của trục xi-1

được chọn tùy ý, miễn là vuông góc với zi-1 Khi hai trục zi-1 và zi-2 song song vớinhau, trục xi-1 chọn hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được

- Gốc tọa độ Oi-1 được chọn tại khớp thứ i

- Trục yi-1 được chọn sao cho hệ (Oxyz)i-1 theo quy tắc bàn tay phải

Từ quy tắc trên ta xây dựng được các hệ tọa độ như hình 4.1:

• Các thông số đầu vào q1,q2

• Thông số cần xác định: tọa độ điểm tác động cuối E

• Ta có bảng động học Denavit-Hartenberg (DH):

Hình 11: Gắn tọa độ D-H và Robot

Vị trí của hệ tọa độ khớp (Oxyz)i đối với hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 được

xác định bởi bốn tham số Denavit- Hartenberg θ i, di , ai , α i như sau:

a i: khoảng cách từ trục z i tới trục z i+1 dọc theo trục x i

α i: góc giữa 2 trục z i và z i+1 tính theo trục x i

d i: khoảng cách từ trục x i tới trục x i+1 dọc theo trục z i

θ i: góc giữa 2 trục x i và x i+1 tính theo trục z i

Trong đó θ1,θ2,d3 là các biến khớp, còn a1,a2,d1,d2 là hằng số

2 Bài toán động học thuận Robot

Đối với bài toán động học thuận, vị trí, vận tốc, gia tốc các biến khớp xem như

đã biết, cần tìm vị trí, vận tốc, gia tốc của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định

Vị trí của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định O0x0y0z0 được xác định bởicác tọa độ thao tác gồm các tọa độ định vị điểm tác động cuối và hướng của khâuthao tác

a, Tính các ma trận D-H

Ma trận của phép biến đổi hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 sang hệ tọa độ (Oxyz)i kíhiệu là i-1Ai có dạng như sau :

i-1Ai = [cosθ i −cosα i sin θ i sin α i sin θ i a i cosθ i

sin θ i cosα i cosθ i −sin α i cosθ i a i sin θ i

Thay các giá trị trong bảng tham số Denavit – Hartenberg vào công thức 4.1 tađược các ma trận biến đổi Denavit – Hartenberg giữa các hệ trục tọa độ như sau :+ Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H khâu 1 đối với khâu 0

0A1 = [1 0 0 a 1

0 −1 0 q1

0 0 0 1 ]+ Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H khâu 2 đối với khâu 1

b, Xác định hướng của khâu thao tác

- Ma trận 0 A2 cho ta biết hướng và vị trí của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố địnhhay nói cách khác là vị trí của điểm tác động cuối và hướng của hệ tọa độ động gắnvào khâu tại điểm tác động cuối trong hệ tọa độ cố định Vì thế nó còn được biểudiễn qua thông số các biến khớp ta tạm gọi là qi Trong bài toán cụ thể thì nó là cáckhớp tịnh tiếni, với i=1÷2 Khi đó, ma trận (*) được kí hiệu thành 0 A 2 (q )

- Do ma trận 0A2(q) biểu diễn vị trí và hướng của khâu thao tác trong hệ tọa độ cốđịnh thông qua biến khớp qi (Ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc độnghọc) Còn ma trận 0An(t) cũng mô tả vị trí và hướng của khâu thao tác thông qua hệtọa độ khâu thao tác Ở đây ta chọn cách biểu diễn thông qua các góc Cardan.Phương trình động học robot nhận được trong dạng ma trận như sau:

 Hướng của khâu thao tác:

So sánh hai vế của phương trình động học, ta có:

[ cos β cos ɳ −cos β sin ɳ

sin α sin β cosɳ+cosα sin ɳ ¿ −sin α cos β sin β

c, Xác định tọa độ điểm thao tác và vận tốc dài của điểm thao tác

- Từ đó ta có phương trình động học ROBOT có dạng 0A2(q)=0An(t) Với n=2 vì cơcấu Robot có 2 khâu động

0A2(q)=0An(t)

- Tọa độ khâu thao tác:

{¿x E =a1cosθ1+a2 cos( ¿θ1+θ2 ) ¿∧ y E =a1sin θ1+a2 sin ( ¿θ1+θ2 ) ¿∧z E =d1+d2 => {¿x E =a1

ω1 = ω2 = 0

Đồng thời, gia tốc góc tại khâu 1, khâu 2 cũng có giá trị bằng 0:

ε1 = ε2 = 0

3 Bai toán động học ngược

- Nhiệm vụ của bài toán động học ngược là tìm các biến khớp với điều kiệntọa độ và hướng khâu thao tác đã biết Cụ thể trong bài toán này, bài toán động họcngược có nhiệm vụ tìm q1, q2 với điều kiện đã biết

a, Động học ngược vị trí :

+ Thông số đầu vào : Tọa độ khâu thao tác E

+ Thông số đầu ra : Lượng tịnh tiến q1, q2

Từ bài toán thuận, ta có :

4 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

- Khi sử dụng robot thực hiên thao tác công nghệ hoặc phục vụ cần phải thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot :

+ Quỹ đạo chuyển động của Robot là tập hợp các quy luật chuyển động củarobot khi thực hiện thao tác Hoặc nói gọn hơn là tập hợp các quy luật chuyểnđộng thao tác của robot

+ Thiết kế chuyển động của robot là xây dựng các quy luật chuyển độngthao tác của robot dưới dạng giải tích, hoặc dạng số và các chương trình

Có hai cách thiết kế quỹ đạo chuyển động :

Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian thao tác

Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp

- Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác:

+ Là thiết kế quy luật chuyển động của các khâu theo chuyển động của khâuthao tác

+ Chuyển động của khâu thao tác có thể được biểu diễn bởi các tọa độ thaotác hoặc được biểu diễn bởi các hệ thức ràng buộc giữa các tọa độ thao tác

+ Quỹ đạo trong không gian thao tác cho robot di chuyển từ điểm A đến

điểm B mà có xét đến các vị trí trung gian trong quãng đường AB mà robot đi

- Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp:

+ Là thiết kế quy luật chuyển động cho các khâu của robot đảm bảo yêu cầu

đã biết

+ Yêu cầu về chuyển động của mỗi khâu có thể được cho

+ Quỹ đạo trong không gian khớp cho robot di chuyển từ điểm A đến điểm

B mà không quan tâm đến các vị trí trung gian trong quãng đường AB mà robot điqua

+ Yêu cầu về chuyển động của mỗi khâu có thể được tính toán từ bài toánđộng học.

+ Thiết kế quy luật chuyển động, xác định vị trí, vận tốc, gia tốc của cáckhâu của robot theo các đặc trưng về vị trí, vận tốc, gia tốc của khâu thao tác tạicác điểm nút trên đường dịch chuyển

+ Việc tính toán đơn giản hơn nhưng khó kiểm soát trực tiếp độ chính xácđịnh vị của robot so với thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác

Đối với Robot này, ta chọn bài toán thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác sao cho quỹ đạo của điểm tác động cuối là đường thẳng từ điểm A đến điểm B (bất kì trong vùng làm việc) do khi sơn ta cần vận tốc phải giữ ổn định trong suốt quá trình nên ta áp dụng quy luật vận tốc hình thang

Quy luật vận tốc hình thang gồm có 3 giai đoạn:

- Giai đoạn I: Vận tốc tăng từ 0 đến giá trị ổn định làm việc, gia tốc a 1

- Giai đoạn II: Vận tốc không đổi trong quá trình thao tác, a 2 =0.

- Giai đoạn III: Vận tốc giảm dần về 0, gia tốc a 3

Hình 12: Giản đồ vận tốc theo thời gian

để đảm bảo robot cân bằng tĩnh.

Hình 13 : Phân tích vector lực và momen cho khâu

- Để một khâu của robot ở trạng thái cân bằng thì tổng các lực và tổng các

hay

(2)hoặc viết dưới dạng ma trận như sau:

Trong đó là vector có gốc đặt tại , mút tại , biểu diễn trong hệ tọa

độ k, vector có gốc tại , mút tại , biểu diễn trong hệ tọa độ k (bất kì) Trongcông thức (3.1.3), (3.1.4) các , các ma trận đối xứng lệch

Chú ý:

+ các lực, mô men, các kri

i-1 , kri ci

+ sử dụng ma trận D-H để chuyển đổi, tính toán giữa các hệ tọa độ :

Do robot chỉ bao gồm các khâu tịnh tiến nên ta có thể lược bỏ qua thành phần momen

Ta đưa vào ký hiệu:

Do M(q) là ma trận đối xứng nên m ik,k = m jk,i = m kl,i Từ đó suy ra:

I C1xy =I C1yx=0 , I C1xz =I C1zx=0 , I C1yz =I C1zy=0

O2Θ C2=[I C2xx I C2xy I C2xz

I C2yx I C2yx I C2yz

I C2zx I C2zy I C2zz] I C2xx =I C2 yy=0 , I C2zz=m2q2

2 12

I C2xy =I C2yx=0 , I C2xz =I C2zx=0 , I C2 yz =I C2zy=0