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

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

(RB) từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày một khẳng 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 mô cho 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 đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính 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 hữu dụng 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 đúng đắn của quá trình thiết kế sẽ cung cấp các quá trình cơ bản để có thể xác định cách 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 vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi học Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp nhóm tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị của nhóm hoặc cũng có thể kiến thức nhóm mang đến trong bài 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!

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

1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác

a, Đối tượng thao tác Robot 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 trí Robot thao tác trong không gian đúng với quỹ đạo thao tác đặt ra, tới đúng điểm cần hàn.

 Mục đích:

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào khả năng của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, làm việc được ở các môi trường mà con người không thể làm được…

 Ứng dụng:

+ Robot hàn di động dùng để thực hiện các mối hàn có chiều dài lớn trong mặt phẳng.

+Hệ thống Shifter dùng cho robot hàn làm cho robot dễ dàng di chuyển đến vị trí

xa, tăng phạm vi chuyển động của robot hàn.

c, Phân tích yêu cầu về hướng của khâu thao tác Bài 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 vuông góc 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 thiết Yêu cầu bài toán đặt ra là hàn đường trên mặt phẳng ngang, mũi hàn luôn vuông góc với đường hàn.

Để khâu thao tác có thể di chuyển trên mặt phẳng ngang kia yêu cầu tối thiểu 2 bậc tự do cho di chuyển Tuy nhiên chỉ với 2 bậc tự do kia thì đối tượng sẽ phải di chuyển robot tới vị trí thích hợp mới thực hiện được mối hàn, như vậy yêu cầu tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận thì cần thêm một bậc tự do nữa Do đó cần ít nhất 3 bậc tự do cho mô hình thiết kế.

Dưới đây là một số cơ cấu có thể dùng để xác định các vị trí trong mặt phẳng 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

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:

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

 Phương án thiết kế:

Pa1 Robot 4 DOF TTRR Pa2 Robot 3 DOF TTR

Pa3 Robot 3 DOF TRR

 Phân tích lựa chọn phương pháp thiết kế:

Với yêu cầu 4,5,6… bậc tự do, robot sẽ trở lên linh hoạt hơn, tuy nhiên việc tính toán và thiết kế chế tạo cũng phức tạp, tốn kém hơn Để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu của bài 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 trên mặt phẳng với quỹ đạo và hướng thao tác như đặt ra.

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

 Kết cấu 3D của robot được thể hiện như sau:

Hình 6 Mô hình 3D robot Khớp 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 các bài toán động học, động lực học, chọn động cơ, và mô phỏng.

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 Hatenberg và có sơ đồ như hình vẽ:

Denevit-Hình 2.1 Sơ đồ hệ trục robot Sau khi có sơ đồ ta thiết lập bảng DH:

Bảng 2.1 Bảng tham số động học của robot

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

- Dạng tổng quát của ma trận Denavit-Hartenberg cho các khâu:

q3

2.2 Thiết lập phương trình động học robot

Từ các ma trận (2.1) và (2.2) ta xác định được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu 2 so với trục hệ tọa độ cố định 𝑂 0 𝑥 0 𝑦 0 𝑧 0 là:

(2-4)

(2-5)

- 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 với hệ tọa độ Trong đó là các tọa độ điểm E và

là các góc quay Cardan của so với hệ tọa độ

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

(2-6)

Với: là ma trận Cardan mô tả hướng so với hệ tọa độ

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

(2-7)

(2-8)

Từ đó phương trình động học Robot có dạng: = Với n=3

vì cơ cấu Robot có 3 khâu

(2-9)

- Từ các hệ thức (2.5), (2.6), (2.7), (2.8), (2.9) Ta xây dựng được hệ 6 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:

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 trên Matlab ta được:

Hình 2.1 Đồ thị xE theo t

Hình 2.2 Đồ thị yE theo t

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 đã biết:

(2-13)

Suy ra: (2-14)

Vận tốc khâu thao tác chính là đạo hàm vị trí theo thời gian:

(2-15)

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

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

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -150

-100 -50 0 50 100 150

ax ay az

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

Đạo hàm các ma trận quay ta được:

(2-25)

(2-26)

(2-27)

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) Bài toán yêu cầu: cho biết các tọa độ và nhiệm vụ là tìm ra các biến khớp Đã biết xE, yE, zE, a1, a3.

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 độ suy rộng như sau:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

t

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

M i, i−1 =⃗ M i+1 ,i +⃗r i × ⃗F i ,i−1 −⃗r ci × ⃗P i

- Ma trận khảo sát trong hệ tọa độ khâu i

i ⃗F i ,i−1 = ¿ i ⃗F i+1,i – i ⃗P i i

⃗ M i ,i−1 = i ⃗ M i+1 ,i + i ⃗r i × i ⃗F i ,i−1 - i ⃗r ci × i ⃗P i

- Trong đó các ma trận sóng i ~r i , i ~r ci được xác định từ các vector ⃗r i ,⃗r ci

0 F i ,i−1 = ¿ 0 F i+1,i – 0 P i

i M i ,i−1 = i M i+1,i + i r i × i F i ,i−1 - i r ci × i P i

- Trong đó các ma trận sóng 0 ~r i , 0 ~r ci được xác định từ các vector i ⃗r i , i ⃗r ci

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 của lực và (hoặc) momen điều khiển (gọi chung là lực điều khiển) để thực hiện thao tác theo mục đích công nghệ hoặc phục vụ.

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

Động lực học ngược (inverse dynamics): khảo sát tính toán các lực dẫn động 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 B i ở trong hệ quy chiếu cố định R 0 = Ox 0 y 0 z 0 được xác định bởi vector xác định vị trí khối tâm và ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn:

r Ci = r Ci (q), R i = R i (q) (4.1) Trạng thái vận tốc của vật rắn B i 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)

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

độ suy rộng q j 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: