1. Trang chủ
  2. » Giáo Dục - Đào Tạo

Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr

76 0 0
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Tác giả Nguyễn Hữu Hậu
Người hướng dẫn ThS. Triệu Thị Minh Thu, TS. Nguyễn Huy Thế
Trường học Trường Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành Kỹ thuật cơ điện tử
Thể loại Đồ án
Năm xuất bản 2024-2025
Thành phố Hà Nội
Định dạng
Số trang 76
Dung lượng 4,12 MB

Các công cụ chuyển đổi và chỉnh sửa cho tài liệu này

Cấu trúc

  • CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC (6)
  • CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC (11)
    • 2.1 xây dựng các hệ tọa độ của cơ cấu đã chọn và bảng D-H-C (11)
    • 2.2 Bài toán động học thuận (3)
    • 2.3 Xây dựng bài toán động học ngược và đồ thị của robot (19)
  • CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ROBOT (24)
    • 3.1. Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D (3)
      • 3.1.1. Tổng quan về phần mềm (24)
      • 3.1.2. Những tính năng trên phần mềm Solidworks (24)
    • 3.2: Thiết kế các chi tiết của Robot (3)
      • 3.2.1: Khâu 1 (26)
      • 3.2.2. Khâu 2 (32)
      • 3.2.3. Khâu 3 (37)
    • 3.3. Lắp ráp các khâu và mô hình tổng thể ROBOT (3)
      • 3.3.1. Lắp ráp khâu 1 (38)
      • 3.3.3. Lắp ráp khâu 2 (38)
      • 3.3.4. Lắp ráp khâu 3 (39)
    • 3.4. Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của ROBOT (3)
    • 3.5. Thiết kế 2D (3)
  • CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT (47)
    • 4.1 Xác định các tham số động lực học (3)
    • 4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot (3)
  • CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG (55)
    • 5.1. Chọn động cơ dẫn động (55)
      • 5.1.1 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 3 (55)
      • 5.1.2 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 2 (55)
      • 5.1.3 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 1 (56)
    • 5.2 Tính toán bộ truyền cho các khâu (57)
      • 5.2.1 Sơ lược các bộ truyền phổ biến (57)
      • 5.2.2 Tính toán bộ truyền đai (59)
  • TÀI LIỆU THAM KHẢO (66)

Nội dung

Thiết kế robot 3.1Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D 3.2Thiết kế các chi tiết của robot 3.3Lắp ráp các khâu và mô hình tổng thể robot 3.4Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của robot 5.1Lựa chọ

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC

1.1 : Số bậc tự do cần thiết

Bậc tự do của robot được xác định bởi số lượng thông số độc lập cần thiết để xác định vị trí của tay máy, tương ứng với số khả năng chuyển động độc lập do số khâu dẫn quyết định.

Công thức tổng quát: f = f₀ - C f: số bậc tự do f₀: tổng số bậc tự do của n khâu động

C: tổng số bậc tự do bị hạn chế

Công thức bậc tự do trong không gian: f = f₀ - C = 6n - (∑ i−1

5 i p i - c tr −¿c ) - fthₜₕ n: số khâu động pi: số khớp loại i c tr : số lượng ràng buộc trùng c : số lượng ràng buộc thừaₜₕ fth: số bậc tự do thừa

Công thức bậc tự do của robot phẳng: f = f₀ - C = 3.n - (2.P₅ + P₄ - c tr −¿c ) - fthₜₕ

Ví dụ Robot Scara: Có 4 khâu động, 3 khớp quay loại 5 và 1 khớp trượt loại 5.

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

Robot tọa độ Đecac là một loại tay máy với ba chuyển động cơ bản, bao gồm chuyển động tịnh tiến theo các trục của hệ tọa độ gốc, được thiết kế theo cấu hình TTT Không gian làm việc của robot này có hình dạng khối chữ nhật, cho phép thực hiện các tác vụ chính xác trong môi trường công nghiệp.

Hình 1.1 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 1.2 Cơ cấu tọa độ trụ

1.2 : Phân tích cấu trúc và lựa chọn cấu trúc phù hợp

 Số bậc tự do là :

Hình 1.4 Phương án số 2 (phương án lựa chọn)

 Số bậc tự do là :

 Số bậc tự do là :

 Số bậc tự do là :

Lựa chọn cấu trúc thiết kế

Robot với cấu trúc 4, 5, 6 bậc tự do mang lại tính linh hoạt cao hơn, nhưng đồng thời cũng làm cho quá trình thiết kế và chế tạo trở nên phức tạp hơn Nhu cầu trong một số bài toán không yêu cầu góc nghiêng của đầu bút đối với đối tượng, do đó, các phương án này có thể dẫn đến sự phức tạp và tốn kém thêm.

Để tiết kiệm chi phí mà vẫn đáp ứng đầy đủ yêu cầu của bài toán, chúng ta lựa chọn thiết kế Robot 3 bậc tự do với 3 khớp quay, giúp di chuyển linh hoạt.

Vậy số bậc tự do của cánh tay robot là 3 bậc tự do.

BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

Bài toán động học thuận

2.3Bài toán động học ngược

3.1Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D

3.2Thiết kế các chi tiết của robot

3.3Lắp ráp các khâu và mô hình tổng thể robot

3.4Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của robot

4 Bài toán động lực học robot

4.1Xác định các tham số động lực học

4.2Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 4.3Giải bài toán động lực học thuận và ngược (*)

5 Thiết kế hệ thống dẫn động

5.1Lựa chọn động cơ dẫn động cho khâu 1

5.2Phân tích lựa chọn hệ thống dẫn động cho khâu 1

6 Thiết kế hệ thống điều khiển (*)

6.1Chọn luật điều khiển phù hợp

6.2Mô phỏng trên phần mềm Matlab

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC 6

1.1 : Số bậc tự do cần thiết 6

1.2 : Phân tích cấu trúc và lựa chọn cấu trúc phù hợp 7

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC 11

2.1 xây dựng các hệ tọa độ của cơ cấu đã chọn và bảng D-H-C 11

2.2 Bài toán động học thuận 13

2.3 Xây dựng bài toán động học ngược và đồ thị của robot 19

3.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D 24

3.1.1 Tổng quan về phần mềm: 24

3.1.2 Những tính năng trên phần mềm Solidworks 24

3.2: Thiết kế các chi tiết của Robot 26

3.3 Lắp ráp các khâu và mô hình tổng thể ROBOT 38

3.4 Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của ROBOT 40

CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 46

4.1 Xác định các tham số động lực học 46

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 48

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG 55

5.1 Chọn động cơ dẫn động 55

5.1.1 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 3 55

5.1.2 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 2 55

5.1.3 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 1 56

5.2 Tính toán bộ truyền cho các khâu 57

5.2.1 Sơ lược các bộ truyền phổ biến 57

5.2.2 Tính toán bộ truyền đai 59

PHỤ LỤC CODE MATHLAB 67 ĐỘNG HỌC THUẬN 67 ĐỘNG HỌC NGƯỢC 70

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC

1.1 : Số bậc tự do cần thiết

Bậc tự do của robot được xác định bởi số lượng thông số độc lập cần thiết để định vị tay máy, tương ứng với khả năng chuyển động độc lập và số khâu dẫn.

Công thức tổng quát: f = f₀ - C f: số bậc tự do f₀: tổng số bậc tự do của n khâu động

C: tổng số bậc tự do bị hạn chế

Công thức bậc tự do trong không gian: f = f₀ - C = 6n - (∑ i−1

5 i p i - c tr −¿c ) - fthₜₕ n: số khâu động pi: số khớp loại i c tr : số lượng ràng buộc trùng c : số lượng ràng buộc thừaₜₕ fth: số bậc tự do thừa

Công thức bậc tự do của robot phẳng: f = f₀ - C = 3.n - (2.P₅ + P₄ - c tr −¿c ) - fthₜₕ

Ví dụ Robot Scara: Có 4 khâu động, 3 khớp quay loại 5 và 1 khớp trượt loại 5.

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

Robot tọa độ Đecac là một loại tay máy với ba chuyển động cơ bản, bao gồm tịnh tiến theo các trục của hệ tọa độ gốc, tạo thành cấu hình TTT Không gian làm việc của tay robot này có hình dạng khối chữ nhật, cho phép thực hiện nhiều ứng dụng trong công nghiệp.

Hình 1.1 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 1.2 Cơ cấu tọa độ trụ

1.2 : Phân tích cấu trúc và lựa chọn cấu trúc phù hợp

 Số bậc tự do là :

Hình 1.4 Phương án số 2 (phương án lựa chọn)

 Số bậc tự do là :

 Số bậc tự do là :

 Số bậc tự do là :

Lựa chọn cấu trúc thiết kế

Robot với cấu trúc 4, 5, 6 bậc tự do sẽ mang lại tính linh hoạt cao hơn, nhưng đồng thời cũng làm cho việc thiết kế và chế tạo trở nên phức tạp hơn Nhu cầu trong một số bài toán không yêu cầu góc nghiêng của đầu bút đối với đối tượng, do đó, các phương án này có thể gây ra sự phức tạp và tốn kém thêm.

Để tiết kiệm chi phí mà vẫn đáp ứng đầy đủ yêu cầu của bài toán, chúng ta chọn phương án thiết kế Robot 3 bậc tự do với 3 khớp quay, giúp di chuyển linh hoạt.

Vậy số bậc tự do của cánh tay robot là 3 bậc tự do.

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

2.1 xây dựng các hệ tọa độ của cơ cấu đã chọn và bảng D-H-C

Hình 2.1 Cơ cấu Robot RRR và hệ tọa độ đề các

Bảng 2.1: Các tham số đề bài

Không gian làm việc Quy luật biến khớp Cấu trúc robot

450mmx400mmx300mm q 1 =0 , 5 cos ( 0 , 05 t ) q 2 =0 , 6 sin ( 0 ,1 t ) q 3 = 0 , 5 cos ( 0 ,05 t ) RRR

Các bước áp dụng phương pháp D-H-C

1.Đánh số thứ tự khâu từ khâu gốc (0) đến khâu cuối (n)

2.Đánh số thứ tự khớp từ khớp 1 đến khớp n

3.Xây dựng hệ tọa độ

4.Lập bảng tham số Craig

5.Tính toán ma trận địa phương k

6.Tính toán ma trận toàn cục Ci

Để tính toán vận tốc góc các khâu và vị trí cũng như vận tốc các điểm thuộc khâu, chúng ta áp dụng phương pháp D-H-C Các khâu được đánh số thứ tự từ 0 đến 3, trong khi các khớp được đánh số từ 1 đến 3 Hệ tọa độ khớp được thiết lập với R0 tại vị trí (0xyz)0.

Hệ tọa độ cố định: gốc tại

+ y1: chọn theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận

Hệ tọa độ cố định: gốc tại

+ z2: Hướng từ trong ra ngoài, dọc trục khớp 2

+ y2: chọn theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận

Hệ tọa độ cố định: gốc tại

+ z3: Hướng từ trong ra ngoài, dọc trục khớp 3

+ y3: chọn theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận

2.2 Bài toán động học thuận

Từ không gian làm việc của robot là 450x400x300 l1%0(mm)=0.25 (m) l2%0(mm)=0.25 (m) l300(mm)=0.3 (m)

Cho quy luật chuyển động của các khâu q 1 = 0 , 5 cos ( 0 , 05 t ) q 2 =0 , 6 sin ( 0 , 1 t ) q 3 =0 , 5 cos ( 0 , 05 t )

Trong đó: q 1 , q 2 , q 3 là các biến khớp

Các ma trận Craig địa phương

K 1 = [ cos sin 0 0 q q 1 1 − cos sin 0 0 q q 1 1 0 0 0 0 1 0 l 1 1 ] ; K 2 = [ cos sin 0 0 q q 2 2 −sin cos 0 0 q q 2 2 −1 0 0 0 0 0 0 1 ] ;

Các ma trận Craig toàn thể

C 2 = K 1 K 2 = [ cos sin sin q q 1 1 0 cos cos q 2 q q 2 2 −cos −sin cos q q 0 1 1 q sin sin 2 q q 2 2 −cos sin 0 0 q q 1 l 1 1 1 0 0 ]

C 3 = K 1 K 2 K 3 = [ cos sin q q sin 1 1 cos cos ( q 0 2 ( ( +q q q 2 2 3 + + ) q q 3 3 ) −sin ) −cos cos q q 1 1 sin sin ( q 0 2 +q ( ( q q 2 3 2 + ) + q q 3 3 ) −cos ) sin q 0 0 1 q 1 l l 2 2 l sin cos 2 sin 1 q q 2 q 1 + cos 1 l cos 1 q q 2 2 ]

Từ các ma trận Craig địa phương ta có các ma trận cosin chỉ hướng của các khâu so với

⌋ ; A 2 = ⌊ cosq 1 cosq 2 − cosq 1 sin q 2 sinq 1 sinq 1 cos q 2 −sinq 1 sinq 2 −cosq 1 sinq 2 cosq 2 0

A 3 = ⌊ cosq 1 cos ( q 2 + q 3 ) − cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) sin q 1 sinq 1 cos ( q 2 + q 3 ) −sinq 1 sin ( q 2 + q 3 ) − cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) cos ( q 2 + q 3 ) 0

Suy ra có đạo hàm của các ma trận Craig địa phương:

A ˙ 2 = ⌊ − ˙ q 1 sin q 1 cosq 2 − ˙ q 2 sin q 2 cosq 1 q ˙ 1 sin q 1 sinq 2 − ˙ q 2 cos q 2 cosq 1 q ˙ 1 cos q 1 ˙ q 1 cos q 1 cosq 2 − ˙ q 2 sin q 2 sinq 1 − ˙ q 1 sin q 2 cosq 1 − ˙ q 2 sin q 1 cosq 2 q ˙ 1 sin q 1 ˙ q 2 cos q 2 − ˙ q 2 sin q 2 0

Bên cạnh đó ta có các ma trận chuyển vị:

A 2 T = ⌊ cosq 1 cosq 2 sinq 1 cosq 2 sinq 2

−cosq 1 cos q 2 −sin q 1 sinq 2 cosq 2 sinq 1 −cosq 1 0

A 3 T = ⌊ cosq 1 cos ( q 2 + q 3 ) sinq 1 cos ( q 2 + q 3 ) sin ( q 2 + q 3 )

−cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) −sinq 1 sin ( q 2 + q 3 ) cos ( q 2 + q 3 ) sinq 1 − cosq 1 0

Vận tốc góc các khâu được tính theo công thức sau

Mà ω (0) = [ ω ω ω x y z ] và ~ ω (0 ) = [ − ω ω 0 (0 z (0 y ) ) −ω ω 0 (0) x (0) z −ω ω 0 (0) y (0 x ) ] ω 1 (0) = [ 0 0 ] ; ω 2 (0) = [ −cos sin( q ( q 1 ) ˙ q ) ˙ q 2 ] ; ω 3 (0) = [ −cosq sinq 1 ( ˙ q ( ˙ q 3 + ˙ + ˙ q q 2 ) ) ]

+) Từ các ma trận D-H-Craig, ta tính tọa độ điểm thao tác E trong hệ quy chiếu cố định u (3) E = [ l 3 0 0 1 ] T

Toạ độ vị trí điểm thao tác E:

[ r 1 E (0 ) ] = [ x y z 1 (0) E (0 E E (0) ) ] = C 3 [ l 0 0 1 3 ] = [ l 3 l 3 cos cos ( ( q q l 1 2 2 + + + l q q 3 3 3 sin ) ) sin cos ( q ( 2 ( q q + 1 1 1 ) q ) +l + 3 ) l + 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q ( 2 q 1 ) ) sin 2 cos ) ( ( q q 2 2 ) ) ]

=>{ x y e ( e (0 0 ) ) =l =l 3 3 cos cos z e (0 ) = ( ( q q l 1 2 2 + + + l q q 3 3 3 sin ) ) cos sin ( q ( 2 ( q q + 1 1 q ) ) + + 3 ) l l + 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q ( 1 q 2 ) ) cos 2 sin ) ( ( q q 2 1 ) )

Toạ độ điểm E theo biến t là:

Vận tốc của điểm thao tác cuối Đạo hàm theo thời gian t toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được vận tốc điểm thao tác E

− l 3 [ ( q ˙ 2 + ˙ q 3 ) sin ( q 2 + q 3 ) cos ( q 1 ) + ( q ˙ 1 ) cos ( q 2 + q 3 ) sin ( q 1 ) ] + l 2 [− ˙ q 1 sin ( q 1 ) cos ( q 2 ) − ˙ q 2 sin ( q 2 ) cos ( q 1 ) ]

−l 3 [ ( q ˙ 2 + ˙ q 3 ) sin ( q 2 + q 3 ) sin ( q 1 ) − ( q ˙ 1 ) cos ( q 2 + q 3 ) cos ( q 1 ) ] + l 2 [ ˙ q 1 cos ( q 1 ) cos ( q 2 ) − ˙ q 2 sin ( q 2 ) sin ( q 1 ) ]

Gia tốc của điểm thao tác cuối: Đạo hàm theo thời gian t vận tốc điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được gia tốc điểm thao tác E

- a Ez = l 3 ( q ¨ 2 + ¨ q 3 ) cos ( q 2 + q 3 ) − l 3( q ˙ 2 + ˙ q 3 ) 2 cos ( q 2 + q 3 ) − l 2 q ˙ 2 2 sin( q 2)+ l 2 q ¨ 2 cos ( q 2 ) Đồ thị của bài toán động học thuận robot

Hình 2.2: Đồ thị quỹ đạo điểm E

Hình 2.3: Đồ thị vận tốc điểm E

Hình 2.4: Đồ thị gia tốc điểm E

Xây dựng bài toán động học ngược và đồ thị của robot

Từ không gian làm việc của robot là 450x400x300 l1%0(mm)=0.25 (m) l2%0(mm)=0.25 (m) l300(mm)=0.3 (m)

Cho quy luật chuyển động của các khâu q 1 = 0 , 5 cos ( 0 , 05 t ) q 2 =0 , 6 sin ( 0 , 1 t ) q 3 =0 , 5 cos ( 0 , 05 t )

Tọa độ điểm thao tác E phụ thuộc vào các tọa độ suy rộng q= [ q 1 q 2 q 3 ] T trong hệ quy chiếu cố định. r E (0 ) = { x y e (0) e (0) = =l l 3 3 cos cos z e (0) =l ( ( q q 1 2 2 + + + l q q 3 3 3 sin ) ) cos sin ( q ( 2 ( q + q 1 1 q ) + ) + 3 ) l l + 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q ( 1 2 q ) ) cos 2 sin ) ( ( q q 2 1 ) )

Cho phương trình chuyển động của điểm E :{ ¿ y E = 2815000 ¿ 4397 x E ¿ 00 z E =0 t + 2 + 10 10 t t + 100

Phương trình xác định vị trí: Áp dụng công thức{ x y z ( ( ( q q q )= )= )= x z y E E E

Mối quan hệ điểm thao tác E trong không gian khớp và không gian thao tác:

{ y (0 e ) =l 3 x cos e (0 ) =l ( q 3 2 + cos q 3 z ( ) e (0) q sin 2 =l + ( q q 1 3 1 +l ) ) cos +l 3 sin 2 cos ( q ( 1 q ) ( 2 +l q + 2 2 q ) co s sin 3 ) +l ( ( q 2 q sin 1 1 ) ) = cos ( 2815000 q 2 4397 ( ) q =0 2 ) 00 t 2 + +10 10 t t + 100

Mối quan hệ điểm thao tác E trong không gian khớp và không gian thao tác: f ( q )= x ( t ) ; f = [ f f f 1 2 3 ] = [ l 3 l 3 cos cos ( q ( l q 1 2 +l + 2 + q 3 q 3 sin ) 3 ) cos sin ( q ( 2 ( q + q 1 1 q ) ) +l + 3 ) + l 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q 2 ( 1 q ) ) 2 sin ) cos( ( q q 1 2 ) ) ] q= [ q q q 1 2 3 ] ; x ( t )= [ x y z e e e ( ( ( t t t ) ) ) ] (1 )

Trong phương trình trên ta đã biết, x ( t ) , x ˙ ( t ), x ¨ ( t ),đã biết từ phương trình quỹ đạo tìm, q ( t ) , q ˙ ( t ) , q( ¨ t ) Đạo hàm (1) theo thời gian:

Ta có biểu thức xác định vecto vận tốc suy rộng:

J q q ˙ = ˙ x ( t ) ⇔ J −1 q J q q=J ˙ −1 q ˙ x ( t )= ˙ q=J −1 q ˙ x ( t ) Tiếp tục đạo hàm phương trình (2) theo thời gian ta được:

Ta có biểu thức xác định vectơ gia tốc suy rộng:

Hình 2.5: Đồ thị các tọa độ suy rộng

Hình 2.6: Đồ thị các vận tốc suy rộng

Hình 2.7: Đồ thị các gia tốc suy rộngHình 2.5: Đồ thị các tọa độ suy rộng

Hình 2.8: Đồ thị cấu hình của robot RRR

THIẾT KẾ ROBOT

Thiết kế 2D

4 Bài toán động lực học robot

4.1Xác định các tham số động lực học

4.2Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 4.3Giải bài toán động lực học thuận và ngược (*)

5 Thiết kế hệ thống dẫn động

5.1Lựa chọn động cơ dẫn động cho khâu 1

5.2Phân tích lựa chọn hệ thống dẫn động cho khâu 1

6 Thiết kế hệ thống điều khiển (*)

6.1Chọn luật điều khiển phù hợp

6.2Mô phỏng trên phần mềm Matlab

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC 6

1.1 : Số bậc tự do cần thiết 6

1.2 : Phân tích cấu trúc và lựa chọn cấu trúc phù hợp 7

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC 11

2.1 xây dựng các hệ tọa độ của cơ cấu đã chọn và bảng D-H-C 11

2.2 Bài toán động học thuận 13

2.3 Xây dựng bài toán động học ngược và đồ thị của robot 19

3.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D 24

3.1.1 Tổng quan về phần mềm: 24

3.1.2 Những tính năng trên phần mềm Solidworks 24

3.2: Thiết kế các chi tiết của Robot 26

3.3 Lắp ráp các khâu và mô hình tổng thể ROBOT 38

3.4 Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của ROBOT 40

CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 46

4.1 Xác định các tham số động lực học 46

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 48

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG 55

5.1 Chọn động cơ dẫn động 55

5.1.1 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 3 55

5.1.2 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 2 55

5.1.3 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 1 56

5.2 Tính toán bộ truyền cho các khâu 57

5.2.1 Sơ lược các bộ truyền phổ biến 57

5.2.2 Tính toán bộ truyền đai 59

PHỤ LỤC CODE MATHLAB 67 ĐỘNG HỌC THUẬN 67 ĐỘNG HỌC NGƯỢC 70

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC

1.1 : Số bậc tự do cần thiết

Bậc tự do của robot được xác định bởi số lượng thông số độc lập cần thiết để xác định vị trí của tay máy, tương ứng với khả năng chuyển động độc lập của các khâu dẫn.

Công thức tổng quát: f = f₀ - C f: số bậc tự do f₀: tổng số bậc tự do của n khâu động

C: tổng số bậc tự do bị hạn chế

Công thức bậc tự do trong không gian: f = f₀ - C = 6n - (∑ i−1

5 i p i - c tr −¿c ) - fthₜₕ n: số khâu động pi: số khớp loại i c tr : số lượng ràng buộc trùng c : số lượng ràng buộc thừaₜₕ fth: số bậc tự do thừa

Công thức bậc tự do của robot phẳng: f = f₀ - C = 3.n - (2.P₅ + P₄ - c tr −¿c ) - fthₜₕ

Ví dụ Robot Scara: Có 4 khâu động, 3 khớp quay loại 5 và 1 khớp trượt loại 5.

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

Robot tọa độ Đecac là một loại tay máy với ba chuyển động cơ bản, bao gồm chuyển động tịnh tiến theo các trục của hệ tọa độ gốc, tạo thành cấu hình TTT Không gian làm việc của robot này có hình dạng khối chữ nhật, cho phép thực hiện các tác vụ chính xác trong một khu vực xác định.

Hình 1.1 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 1.2 Cơ cấu tọa độ trụ

1.2 : Phân tích cấu trúc và lựa chọn cấu trúc phù hợp

 Số bậc tự do là :

Hình 1.4 Phương án số 2 (phương án lựa chọn)

 Số bậc tự do là :

 Số bậc tự do là :

 Số bậc tự do là :

Lựa chọn cấu trúc thiết kế

Robot với cấu trúc 4, 5, 6 bậc tự do mang lại tính linh hoạt cao hơn, nhưng đồng thời cũng làm cho quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo trở nên phức tạp hơn Nhu cầu trong một số ứng dụng không yêu cầu góc nghiêng của đầu bút đối với đối tượng, do đó, việc áp dụng các phương án này có thể dẫn đến sự phức tạp và tốn kém hơn.

Để tiết kiệm chi phí mà vẫn đáp ứng đầy đủ yêu cầu của bài toán, chúng ta lựa chọn thiết kế Robot 3 bậc tự do với 3 khớp quay, giúp di chuyển linh hoạt.

Vậy số bậc tự do của cánh tay robot là 3 bậc tự do.

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

2.1 xây dựng các hệ tọa độ của cơ cấu đã chọn và bảng D-H-C

Hình 2.1 Cơ cấu Robot RRR và hệ tọa độ đề các

Bảng 2.1: Các tham số đề bài

Không gian làm việc Quy luật biến khớp Cấu trúc robot

450mmx400mmx300mm q 1 =0 , 5 cos ( 0 , 05 t ) q 2 =0 , 6 sin ( 0 ,1 t ) q 3 = 0 , 5 cos ( 0 ,05 t ) RRR

Các bước áp dụng phương pháp D-H-C

1.Đánh số thứ tự khâu từ khâu gốc (0) đến khâu cuối (n)

2.Đánh số thứ tự khớp từ khớp 1 đến khớp n

3.Xây dựng hệ tọa độ

4.Lập bảng tham số Craig

5.Tính toán ma trận địa phương k

6.Tính toán ma trận toàn cục Ci

Để tính toán vận tốc góc và vị trí các khâu cùng vận tốc các điểm thuộc khâu, chúng ta áp dụng phương pháp D-H-C Đầu tiên, đánh số thứ tự các khâu từ 0 đến 3 và các khớp từ 1 đến 3 Sau đó, thiết lập hệ tọa độ khớp với R0 tại tọa độ (0xyz)0.

Hệ tọa độ cố định: gốc tại

+ y1: chọn theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận

Hệ tọa độ cố định: gốc tại

+ z2: Hướng từ trong ra ngoài, dọc trục khớp 2

+ y2: chọn theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận

Hệ tọa độ cố định: gốc tại

+ z3: Hướng từ trong ra ngoài, dọc trục khớp 3

+ y3: chọn theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận

2.2 Bài toán động học thuận

Từ không gian làm việc của robot là 450x400x300 l1%0(mm)=0.25 (m) l2%0(mm)=0.25 (m) l300(mm)=0.3 (m)

Cho quy luật chuyển động của các khâu q 1 = 0 , 5 cos ( 0 , 05 t ) q 2 =0 , 6 sin ( 0 , 1 t ) q 3 =0 , 5 cos ( 0 , 05 t )

Trong đó: q 1 , q 2 , q 3 là các biến khớp

Các ma trận Craig địa phương

K 1 = [ cos sin 0 0 q q 1 1 − cos sin 0 0 q q 1 1 0 0 0 0 1 0 l 1 1 ] ; K 2 = [ cos sin 0 0 q q 2 2 −sin cos 0 0 q q 2 2 −1 0 0 0 0 0 0 1 ] ;

Các ma trận Craig toàn thể

C 2 = K 1 K 2 = [ cos sin sin q q 1 1 0 cos cos q 2 q q 2 2 −cos −sin cos q q 0 1 1 q sin sin 2 q q 2 2 −cos sin 0 0 q q 1 l 1 1 1 0 0 ]

C 3 = K 1 K 2 K 3 = [ cos sin q q sin 1 1 cos cos ( q 0 2 ( ( +q q q 2 2 3 + + ) q q 3 3 ) −sin ) −cos cos q q 1 1 sin sin ( q 0 2 +q ( ( q q 2 3 2 + ) + q q 3 3 ) −cos ) sin q 0 0 1 q 1 l l 2 2 l sin cos 2 sin 1 q q 2 q 1 + cos 1 l cos 1 q q 2 2 ]

Từ các ma trận Craig địa phương ta có các ma trận cosin chỉ hướng của các khâu so với

⌋ ; A 2 = ⌊ cosq 1 cosq 2 − cosq 1 sin q 2 sinq 1 sinq 1 cos q 2 −sinq 1 sinq 2 −cosq 1 sinq 2 cosq 2 0

A 3 = ⌊ cosq 1 cos ( q 2 + q 3 ) − cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) sin q 1 sinq 1 cos ( q 2 + q 3 ) −sinq 1 sin ( q 2 + q 3 ) − cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) cos ( q 2 + q 3 ) 0

Suy ra có đạo hàm của các ma trận Craig địa phương:

A ˙ 2 = ⌊ − ˙ q 1 sin q 1 cosq 2 − ˙ q 2 sin q 2 cosq 1 q ˙ 1 sin q 1 sinq 2 − ˙ q 2 cos q 2 cosq 1 q ˙ 1 cos q 1 ˙ q 1 cos q 1 cosq 2 − ˙ q 2 sin q 2 sinq 1 − ˙ q 1 sin q 2 cosq 1 − ˙ q 2 sin q 1 cosq 2 q ˙ 1 sin q 1 ˙ q 2 cos q 2 − ˙ q 2 sin q 2 0

Bên cạnh đó ta có các ma trận chuyển vị:

A 2 T = ⌊ cosq 1 cosq 2 sinq 1 cosq 2 sinq 2

−cosq 1 cos q 2 −sin q 1 sinq 2 cosq 2 sinq 1 −cosq 1 0

A 3 T = ⌊ cosq 1 cos ( q 2 + q 3 ) sinq 1 cos ( q 2 + q 3 ) sin ( q 2 + q 3 )

−cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) −sinq 1 sin ( q 2 + q 3 ) cos ( q 2 + q 3 ) sinq 1 − cosq 1 0

Vận tốc góc các khâu được tính theo công thức sau

Mà ω (0) = [ ω ω ω x y z ] và ~ ω (0 ) = [ − ω ω 0 (0 z (0 y ) ) −ω ω 0 (0) x (0) z −ω ω 0 (0) y (0 x ) ] ω 1 (0) = [ 0 0 ] ; ω 2 (0) = [ −cos sin( q ( q 1 ) ˙ q ) ˙ q 2 ] ; ω 3 (0) = [ −cosq sinq 1 ( ˙ q ( ˙ q 3 + ˙ + ˙ q q 2 ) ) ]

+) Từ các ma trận D-H-Craig, ta tính tọa độ điểm thao tác E trong hệ quy chiếu cố định u (3) E = [ l 3 0 0 1 ] T

Toạ độ vị trí điểm thao tác E:

[ r 1 E (0 ) ] = [ x y z 1 (0) E (0 E E (0) ) ] = C 3 [ l 0 0 1 3 ] = [ l 3 l 3 cos cos ( ( q q l 1 2 2 + + + l q q 3 3 3 sin ) ) sin cos ( q ( 2 ( q q + 1 1 1 ) q ) +l + 3 ) l + 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q ( 2 q 1 ) ) sin 2 cos ) ( ( q q 2 2 ) ) ]

=>{ x y e ( e (0 0 ) ) =l =l 3 3 cos cos z e (0 ) = ( ( q q l 1 2 2 + + + l q q 3 3 3 sin ) ) cos sin ( q ( 2 ( q q + 1 1 q ) ) + + 3 ) l l + 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q ( 1 q 2 ) ) cos 2 sin ) ( ( q q 2 1 ) )

Toạ độ điểm E theo biến t là:

Vận tốc của điểm thao tác cuối Đạo hàm theo thời gian t toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được vận tốc điểm thao tác E

− l 3 [ ( q ˙ 2 + ˙ q 3 ) sin ( q 2 + q 3 ) cos ( q 1 ) + ( q ˙ 1 ) cos ( q 2 + q 3 ) sin ( q 1 ) ] + l 2 [− ˙ q 1 sin ( q 1 ) cos ( q 2 ) − ˙ q 2 sin ( q 2 ) cos ( q 1 ) ]

−l 3 [ ( q ˙ 2 + ˙ q 3 ) sin ( q 2 + q 3 ) sin ( q 1 ) − ( q ˙ 1 ) cos ( q 2 + q 3 ) cos ( q 1 ) ] + l 2 [ ˙ q 1 cos ( q 1 ) cos ( q 2 ) − ˙ q 2 sin ( q 2 ) sin ( q 1 ) ]

Gia tốc của điểm thao tác cuối: Đạo hàm theo thời gian t vận tốc điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được gia tốc điểm thao tác E

- a Ez = l 3 ( q ¨ 2 + ¨ q 3 ) cos ( q 2 + q 3 ) − l 3( q ˙ 2 + ˙ q 3 ) 2 cos ( q 2 + q 3 ) − l 2 q ˙ 2 2 sin( q 2)+ l 2 q ¨ 2 cos ( q 2 ) Đồ thị của bài toán động học thuận robot

Hình 2.2: Đồ thị quỹ đạo điểm E

Hình 2.3: Đồ thị vận tốc điểm E

Hình 2.4: Đồ thị gia tốc điểm E

2.3 Xây dựng bài toán động học ngược và đồ thị của robot

Từ không gian làm việc của robot là 450x400x300 l1%0(mm)=0.25 (m) l2%0(mm)=0.25 (m) l300(mm)=0.3 (m)

Cho quy luật chuyển động của các khâu q 1 = 0 , 5 cos ( 0 , 05 t ) q 2 =0 , 6 sin ( 0 , 1 t ) q 3 =0 , 5 cos ( 0 , 05 t )

Tọa độ điểm thao tác E phụ thuộc vào các tọa độ suy rộng q= [ q 1 q 2 q 3 ] T trong hệ quy chiếu cố định. r E (0 ) = { x y e (0) e (0) = =l l 3 3 cos cos z e (0) =l ( ( q q 1 2 2 + + + l q q 3 3 3 sin ) ) cos sin ( q ( 2 ( q + q 1 1 q ) + ) + 3 ) l l + 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q ( 1 2 q ) ) cos 2 sin ) ( ( q q 2 1 ) )

Cho phương trình chuyển động của điểm E :{ ¿ y E = 2815000 ¿ 4397 x E ¿ 00 z E =0 t + 2 + 10 10 t t + 100

Phương trình xác định vị trí: Áp dụng công thức{ x y z ( ( ( q q q )= )= )= x z y E E E

Mối quan hệ điểm thao tác E trong không gian khớp và không gian thao tác:

{ y (0 e ) =l 3 x cos e (0 ) =l ( q 3 2 + cos q 3 z ( ) e (0) q sin 2 =l + ( q q 1 3 1 +l ) ) cos +l 3 sin 2 cos ( q ( 1 q ) ( 2 +l q + 2 2 q ) co s sin 3 ) +l ( ( q 2 q sin 1 1 ) ) = cos ( 2815000 q 2 4397 ( ) q =0 2 ) 00 t 2 + +10 10 t t + 100

Mối quan hệ điểm thao tác E trong không gian khớp và không gian thao tác: f ( q )= x ( t ) ; f = [ f f f 1 2 3 ] = [ l 3 l 3 cos cos ( q ( l q 1 2 +l + 2 + q 3 q 3 sin ) 3 ) cos sin ( q ( 2 ( q + q 1 1 q ) ) +l + 3 ) + l 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q 2 ( 1 q ) ) 2 sin ) cos( ( q q 1 2 ) ) ] q= [ q q q 1 2 3 ] ; x ( t )= [ x y z e e e ( ( ( t t t ) ) ) ] (1 )

Trong phương trình trên ta đã biết, x ( t ) , x ˙ ( t ), x ¨ ( t ),đã biết từ phương trình quỹ đạo tìm, q ( t ) , q ˙ ( t ) , q( ¨ t ) Đạo hàm (1) theo thời gian:

Ta có biểu thức xác định vecto vận tốc suy rộng:

J q q ˙ = ˙ x ( t ) ⇔ J −1 q J q q=J ˙ −1 q ˙ x ( t )= ˙ q=J −1 q ˙ x ( t ) Tiếp tục đạo hàm phương trình (2) theo thời gian ta được:

Ta có biểu thức xác định vectơ gia tốc suy rộng:

Hình 2.5: Đồ thị các tọa độ suy rộng

Hình 2.6: Đồ thị các vận tốc suy rộng

Hình 2.7: Đồ thị các gia tốc suy rộngHình 2.5: Đồ thị các tọa độ suy rộng

Hình 2.8: Đồ thị cấu hình của robot RRR

3.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D

Hiện nay, thị trường phần mềm thiết kế 3D rất đa dạng với nhiều lựa chọn phù hợp cho từng ngành nghề Một số phần mềm nổi bật bao gồm AutoCAD, Revit, Inventor, Sketchup và Solidworks, đáp ứng nhu cầu thiết kế chuyên nghiệp của người dùng.

 Trong môn đồ án này em dùng phần mềm Solidworks để vẽ 3D.

3.1.1 Tổng quan về phần mềm:

Solidworks hiện nay đang trở thành phần mềm phổ biến trên toàn cầu, đặc biệt tại Việt Nam Phần mềm này không chỉ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí mà còn được mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác như điện, khoa học ứng dụng và cơ mô phỏng.

Phần mềm Solidworks nổi bật với khả năng thiết kế chi tiết khối 3D và lắp ráp chúng thành các bộ phận máy móc, đồng thời cho phép xuất bản vẽ 2D cho các chi tiết này Ngoài những tính năng cơ bản, Solidworks còn cung cấp các công cụ phân tích động học và động lực học, giúp người dùng tối ưu hóa thiết kế Đặc biệt, phần mềm tích hợp modul Solidcam để hỗ trợ gia công CNC, bao gồm phay và tiện, cũng như khả năng gia công nhiều trục Modul 3Dquickmold giúp thiết kế khuôn hiệu quả, mở rộng khả năng ứng dụng của Solidworks trong ngành công nghiệp chế tạo.

3.1.2 Những tính năng trên phần mềm Solidworks

 Khả năng thiết kế mô hình 3D hoàn hảo

Phần mềm SolidWorks nổi bật với tính năng thiết kế biên dạng 2D, cho phép người dùng dễ dàng tạo ra các khối 3D theo yêu cầu.

 Tính năng lắp ráp các chi tiết

Tính năng lắp ráp 3D là một phần quan trọng trong hầu hết các phần mềm CAD/CAM, cho phép người dùng kết hợp các chi tiết đã thiết kế thành một bộ phận máy hoặc một máy hoàn chỉnh Chức năng này hỗ trợ xây dựng các đường dẫn thể hiện quy trình lắp ghép một cách hiệu quả.

 Xuất bản vẽ trên phần mềm solidworks

Phần mềm Solidworks cho phép người dùng tạo ra các hình chiếu vuông góc cho các chi tiết và bản lắp, với tỉ lệ và vị trí tùy chỉnh mà không làm thay đổi kích thước thực tế của sản phẩm.

 Công cụ tạo kích thước tự động và kích thước theo quy định của người sử dụng.

Tạo chú thích cho các lỗ một cách nhanh chóng với tính năng ghi độ nhám bề mặt, dung sai kích thước và hình học dễ dàng sử dụng.

 Tính năng gia công trên Solidworks

 Để dùng được chức năng này, chúng ta phải sử dụng một modul nữa của solidworks là Solidcam Đây là modul Cam của Solid.

 Phân tích động lực học trên Solidworks

SolidWorks Simulation cung cấp công cụ mô phỏng mạnh mẽ giúp kiểm tra và cải thiện chất lượng thiết kế Trong quá trình thiết kế, các thuộc tính vật liệu, mối ghép và quan hệ hình học được cập nhật đầy đủ trong mô phỏng Sản phẩm được kiểm tra về độ bền và hệ số an toàn, đồng thời thực hiện phân tích động học toàn diện Tất cả các dạng hình học đều được hỗ trợ, cho phép mô phỏng tính toán như thật với các tính năng về kết cấu, thành mỏng và khối solid.

3.2: Thiết kế các chi tiết của Robot.

Bảng 3.1: Bảng các chi tiết của khâu 1:

T Tên chi tiết 3D Thông số Dạng chi tiết SL

1.1 h: 15mm a: 60mm l:205mm R1= ứ32mm R2= ứ60mm R3= ứ5mm

1.2 h: 15mm a: 60mm l:205mm R1= ứ32mm R2= ứ60mm R3= ứ5mm R4= ứ22mm R5= ứ2.5mm

4 Then 1 h: 6mm a: 10mm l:80mm R1= ứ10mm tiêu chuẩn 1

R1= ứ150mm R2= ứ40mm R3= ứ25mm R2= ứ40mm R5= ứ10mm R6= ứ5mm

7 ổ lăn 1 h: 13mm R1= ứ32mm R2= ứ15mm tiêu chuẩn 2

H1: 10mm H2: 5mm a: 50mm l:70mm R1= ứ5mm

R1= ứ32mm R2= ứ60mm R3= ứ28mm R4= ứ5mm R5= ứ20mm

1.3 h: 7mm R1= ứ32mm R2= ứ60mm R3= ứ28mm R4= ứ5mm

1.1 h: 15mm R1= ứ15mm R2= ứ3mm tiêu chuẩn

Bảng 3.2: Bảng các chi tiết của khâu 2:

2.1 h: 15mm a: 50mm l:205mm R1= ứ32mm R2= ứ50mm R3= ứ32mm

2.2 h: 15mm a: 50mm l:205mm R1= ứ32mm R2= ứ50mm R3= ứ22mm

14 h: 35mm a: 35mm D1: ∅ 5 mm tiêu chuẩn 1

2.1 h: 4mm R1= ứ32mm R2= ứ50mm R3= ứ25mm R4= ứ5mm

2.2 h: 4mm R1= ứ32mm R2= ứ50mm R3= ứ25mm R4= ứ5mm R5= ứ15mm

R1= ứ16mm R2= ứ5mm R3= ứ2mm tiêu chuẩn 1

2.2 h: 15mm R1= ứ15mm R2= ứ3mm tiêu chuẩn

10 ổ lăn h: 13mm R1= ứ32mm R2= ứ15mm tiêu chuẩn 2

11 bulong ∅ 5 mm l: 12mm tiêu chuẩn 12

12 Then 2 h: 5mm a: 8mm l:32mm R1= ứ8mm tiêu chuẩn 1

13 bulong ∅ 2 mm l: 16mm tiêu chuẩn 4 bulong ∅ 2 mm l: 8mm tiêu chuẩn 2

15 Chốt định vị khâu 2 a: 10mm l:70mm R1= ứ5mm

Bảng 3.3: Bảng các chi tiết của khâu 3:

1 Khâu 3 h: 10mm a: 50mm l:235mm R1= ứ25mm R2= ứ50mm R3= ứ5mm

2 Đầu thao tác a: 30mm l:105mm R1= ứ15mm R2= ứ10mm R3= ứ5mm

3 bulong ∅ 5 mm l: 20mm Phi tiêu chuẩn

4 Chốt định vị khâu 3 a: 10mm l:30mm R1= ứ5mm

3.3 Lắp ráp các khâu và mô hình tổng thể ROBOT

Hình 3.1: Hình 3D chi tiết khâu 1

Hình 3.2: Hình 3D chi tiết khâu 2

Hình 3.3: Hình 3D chi tiết khâu 3

3.3.5 Lắp ráp mô hình tổng thể

Hình 3.4 Mô hình Robot được thiết kế trên phần

3.4 Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của ROBOT

Các bước mô phỏng tháo lắp:

Bước 1: Trong môi trường Assembly chọn lệnh Exploded View Bước 2 : Kích chọn các chi tiết theo hướng XYZ tùy ý

Bước 3: Sau khi tách xong click V để kết thúc lệnh

Bước 4: Chuyển bản vẽ sang môi trường Drawing

Bước 5: Dùng lệnh Auto Ballon để tạo ghi chú cho chi tiết Bước 6: Tạo bảng tên chi tiết cho bản vẽ

Bản vẽ tổng thể robot bao gồm:

+ Khâu đế (bàn làm việc).

Hình 3.5 Bản vẽ lắp ráp chi tiết khâu 1

Hình 3.6 Bản vẽ lắp ráp chi tiết khâu 2

Bản vẽ phân rã khâu 2

Hình 3.8 Bản vẽ phân rã chi tiết khâu 2

Hình 3.9 Bản vẽ phân rã chi tiết khâu 3

ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot

5 Thiết kế hệ thống dẫn động

5.1Lựa chọn động cơ dẫn động cho khâu 1

5.2Phân tích lựa chọn hệ thống dẫn động cho khâu 1

6 Thiết kế hệ thống điều khiển (*)

6.1Chọn luật điều khiển phù hợp

6.2Mô phỏng trên phần mềm Matlab

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC 6

1.1 : Số bậc tự do cần thiết 6

1.2 : Phân tích cấu trúc và lựa chọn cấu trúc phù hợp 7

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC 11

2.1 xây dựng các hệ tọa độ của cơ cấu đã chọn và bảng D-H-C 11

2.2 Bài toán động học thuận 13

2.3 Xây dựng bài toán động học ngược và đồ thị của robot 19

3.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D 24

3.1.1 Tổng quan về phần mềm: 24

3.1.2 Những tính năng trên phần mềm Solidworks 24

3.2: Thiết kế các chi tiết của Robot 26

3.3 Lắp ráp các khâu và mô hình tổng thể ROBOT 38

3.4 Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của ROBOT 40

CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 46

4.1 Xác định các tham số động lực học 46

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 48

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG 55

5.1 Chọn động cơ dẫn động 55

5.1.1 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 3 55

5.1.2 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 2 55

5.1.3 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 1 56

5.2 Tính toán bộ truyền cho các khâu 57

5.2.1 Sơ lược các bộ truyền phổ biến 57

5.2.2 Tính toán bộ truyền đai 59

PHỤ LỤC CODE MATHLAB 67 ĐỘNG HỌC THUẬN 67 ĐỘNG HỌC NGƯỢC 70

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC

1.1 : Số bậc tự do cần thiết

Bậc tự do của robot được xác định bởi số lượng thông số độc lập cần thiết để định vị tay máy, đồng thời phản ánh khả năng chuyển động độc lập của các khâu dẫn.

Công thức tổng quát: f = f₀ - C f: số bậc tự do f₀: tổng số bậc tự do của n khâu động

C: tổng số bậc tự do bị hạn chế

Công thức bậc tự do trong không gian: f = f₀ - C = 6n - (∑ i−1

5 i p i - c tr −¿c ) - fthₜₕ n: số khâu động pi: số khớp loại i c tr : số lượng ràng buộc trùng c : số lượng ràng buộc thừaₜₕ fth: số bậc tự do thừa

Công thức bậc tự do của robot phẳng: f = f₀ - C = 3.n - (2.P₅ + P₄ - c tr −¿c ) - fthₜₕ

Ví dụ Robot Scara: Có 4 khâu động, 3 khớp quay loại 5 và 1 khớp trượt loại 5.

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

Robot tọa độ Đecac là một loại tay máy với ba chuyển động cơ bản, bao gồm tịnh tiến theo các trục của hệ tọa độ gốc, tạo thành cấu hình TTT Không gian làm việc của robot này có hình dạng khối chữ nhật, cho phép thực hiện các nhiệm vụ chính xác trong môi trường công nghiệp.

Hình 1.1 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 1.2 Cơ cấu tọa độ trụ

1.2 : Phân tích cấu trúc và lựa chọn cấu trúc phù hợp

 Số bậc tự do là :

Hình 1.4 Phương án số 2 (phương án lựa chọn)

 Số bậc tự do là :

 Số bậc tự do là :

 Số bậc tự do là :

Lựa chọn cấu trúc thiết kế

Robot với cấu trúc 4, 5, 6 bậc tự do mang lại tính linh hoạt cao hơn, nhưng đồng thời cũng làm tăng độ phức tạp trong thiết kế và chế tạo Hơn nữa, nhu cầu không yêu cầu góc nghiêng của đầu bút đối với đối tượng khiến cho các phương án này trở nên phức tạp và tốn kém hơn.

Để tiết kiệm chi phí mà vẫn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của bài toán, chúng ta lựa chọn phương án thiết kế Robot 3 bậc tự do với 3 khớp quay, cho phép di chuyển linh hoạt.

Vậy số bậc tự do của cánh tay robot là 3 bậc tự do.

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

2.1 xây dựng các hệ tọa độ của cơ cấu đã chọn và bảng D-H-C

Hình 2.1 Cơ cấu Robot RRR và hệ tọa độ đề các

Bảng 2.1: Các tham số đề bài

Không gian làm việc Quy luật biến khớp Cấu trúc robot

450mmx400mmx300mm q 1 =0 , 5 cos ( 0 , 05 t ) q 2 =0 , 6 sin ( 0 ,1 t ) q 3 = 0 , 5 cos ( 0 ,05 t ) RRR

Các bước áp dụng phương pháp D-H-C

1.Đánh số thứ tự khâu từ khâu gốc (0) đến khâu cuối (n)

2.Đánh số thứ tự khớp từ khớp 1 đến khớp n

3.Xây dựng hệ tọa độ

4.Lập bảng tham số Craig

5.Tính toán ma trận địa phương k

6.Tính toán ma trận toàn cục Ci

Để tính toán vận tốc góc của các khâu và xác định vị trí cũng như vận tốc các điểm thuộc khâu, chúng ta áp dụng phương pháp D-H-C Đầu tiên, đánh số thứ tự các khâu từ 0 đến 3 và đánh số thứ tự các khớp từ 1 đến 3 Cuối cùng, đặt vào các hệ tọa độ khớp với R0 tại tọa độ (0xyz)0.

Hệ tọa độ cố định: gốc tại

+ y1: chọn theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận

Hệ tọa độ cố định: gốc tại

+ z2: Hướng từ trong ra ngoài, dọc trục khớp 2

+ y2: chọn theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận

Hệ tọa độ cố định: gốc tại

+ z3: Hướng từ trong ra ngoài, dọc trục khớp 3

+ y3: chọn theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận

2.2 Bài toán động học thuận

Từ không gian làm việc của robot là 450x400x300 l1%0(mm)=0.25 (m) l2%0(mm)=0.25 (m) l300(mm)=0.3 (m)

Cho quy luật chuyển động của các khâu q 1 = 0 , 5 cos ( 0 , 05 t ) q 2 =0 , 6 sin ( 0 , 1 t ) q 3 =0 , 5 cos ( 0 , 05 t )

Trong đó: q 1 , q 2 , q 3 là các biến khớp

Các ma trận Craig địa phương

K 1 = [ cos sin 0 0 q q 1 1 − cos sin 0 0 q q 1 1 0 0 0 0 1 0 l 1 1 ] ; K 2 = [ cos sin 0 0 q q 2 2 −sin cos 0 0 q q 2 2 −1 0 0 0 0 0 0 1 ] ;

Các ma trận Craig toàn thể

C 2 = K 1 K 2 = [ cos sin sin q q 1 1 0 cos cos q 2 q q 2 2 −cos −sin cos q q 0 1 1 q sin sin 2 q q 2 2 −cos sin 0 0 q q 1 l 1 1 1 0 0 ]

C 3 = K 1 K 2 K 3 = [ cos sin q q sin 1 1 cos cos ( q 0 2 ( ( +q q q 2 2 3 + + ) q q 3 3 ) −sin ) −cos cos q q 1 1 sin sin ( q 0 2 +q ( ( q q 2 3 2 + ) + q q 3 3 ) −cos ) sin q 0 0 1 q 1 l l 2 2 l sin cos 2 sin 1 q q 2 q 1 + cos 1 l cos 1 q q 2 2 ]

Từ các ma trận Craig địa phương ta có các ma trận cosin chỉ hướng của các khâu so với

⌋ ; A 2 = ⌊ cosq 1 cosq 2 − cosq 1 sin q 2 sinq 1 sinq 1 cos q 2 −sinq 1 sinq 2 −cosq 1 sinq 2 cosq 2 0

A 3 = ⌊ cosq 1 cos ( q 2 + q 3 ) − cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) sin q 1 sinq 1 cos ( q 2 + q 3 ) −sinq 1 sin ( q 2 + q 3 ) − cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) cos ( q 2 + q 3 ) 0

Suy ra có đạo hàm của các ma trận Craig địa phương:

A ˙ 2 = ⌊ − ˙ q 1 sin q 1 cosq 2 − ˙ q 2 sin q 2 cosq 1 q ˙ 1 sin q 1 sinq 2 − ˙ q 2 cos q 2 cosq 1 q ˙ 1 cos q 1 ˙ q 1 cos q 1 cosq 2 − ˙ q 2 sin q 2 sinq 1 − ˙ q 1 sin q 2 cosq 1 − ˙ q 2 sin q 1 cosq 2 q ˙ 1 sin q 1 ˙ q 2 cos q 2 − ˙ q 2 sin q 2 0

Bên cạnh đó ta có các ma trận chuyển vị:

A 2 T = ⌊ cosq 1 cosq 2 sinq 1 cosq 2 sinq 2

−cosq 1 cos q 2 −sin q 1 sinq 2 cosq 2 sinq 1 −cosq 1 0

A 3 T = ⌊ cosq 1 cos ( q 2 + q 3 ) sinq 1 cos ( q 2 + q 3 ) sin ( q 2 + q 3 )

−cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) −sinq 1 sin ( q 2 + q 3 ) cos ( q 2 + q 3 ) sinq 1 − cosq 1 0

Vận tốc góc các khâu được tính theo công thức sau

Mà ω (0) = [ ω ω ω x y z ] và ~ ω (0 ) = [ − ω ω 0 (0 z (0 y ) ) −ω ω 0 (0) x (0) z −ω ω 0 (0) y (0 x ) ] ω 1 (0) = [ 0 0 ] ; ω 2 (0) = [ −cos sin( q ( q 1 ) ˙ q ) ˙ q 2 ] ; ω 3 (0) = [ −cosq sinq 1 ( ˙ q ( ˙ q 3 + ˙ + ˙ q q 2 ) ) ]

+) Từ các ma trận D-H-Craig, ta tính tọa độ điểm thao tác E trong hệ quy chiếu cố định u (3) E = [ l 3 0 0 1 ] T

Toạ độ vị trí điểm thao tác E:

[ r 1 E (0 ) ] = [ x y z 1 (0) E (0 E E (0) ) ] = C 3 [ l 0 0 1 3 ] = [ l 3 l 3 cos cos ( ( q q l 1 2 2 + + + l q q 3 3 3 sin ) ) sin cos ( q ( 2 ( q q + 1 1 1 ) q ) +l + 3 ) l + 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q ( 2 q 1 ) ) sin 2 cos ) ( ( q q 2 2 ) ) ]

=>{ x y e ( e (0 0 ) ) =l =l 3 3 cos cos z e (0 ) = ( ( q q l 1 2 2 + + + l q q 3 3 3 sin ) ) cos sin ( q ( 2 ( q q + 1 1 q ) ) + + 3 ) l l + 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q ( 1 q 2 ) ) cos 2 sin ) ( ( q q 2 1 ) )

Toạ độ điểm E theo biến t là:

Vận tốc của điểm thao tác cuối Đạo hàm theo thời gian t toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được vận tốc điểm thao tác E

− l 3 [ ( q ˙ 2 + ˙ q 3 ) sin ( q 2 + q 3 ) cos ( q 1 ) + ( q ˙ 1 ) cos ( q 2 + q 3 ) sin ( q 1 ) ] + l 2 [− ˙ q 1 sin ( q 1 ) cos ( q 2 ) − ˙ q 2 sin ( q 2 ) cos ( q 1 ) ]

−l 3 [ ( q ˙ 2 + ˙ q 3 ) sin ( q 2 + q 3 ) sin ( q 1 ) − ( q ˙ 1 ) cos ( q 2 + q 3 ) cos ( q 1 ) ] + l 2 [ ˙ q 1 cos ( q 1 ) cos ( q 2 ) − ˙ q 2 sin ( q 2 ) sin ( q 1 ) ]

Gia tốc của điểm thao tác cuối: Đạo hàm theo thời gian t vận tốc điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được gia tốc điểm thao tác E

- a Ez = l 3 ( q ¨ 2 + ¨ q 3 ) cos ( q 2 + q 3 ) − l 3( q ˙ 2 + ˙ q 3 ) 2 cos ( q 2 + q 3 ) − l 2 q ˙ 2 2 sin( q 2)+ l 2 q ¨ 2 cos ( q 2 ) Đồ thị của bài toán động học thuận robot

Hình 2.2: Đồ thị quỹ đạo điểm E

Hình 2.3: Đồ thị vận tốc điểm E

Hình 2.4: Đồ thị gia tốc điểm E

2.3 Xây dựng bài toán động học ngược và đồ thị của robot

Từ không gian làm việc của robot là 450x400x300 l1%0(mm)=0.25 (m) l2%0(mm)=0.25 (m) l300(mm)=0.3 (m)

Cho quy luật chuyển động của các khâu q 1 = 0 , 5 cos ( 0 , 05 t ) q 2 =0 , 6 sin ( 0 , 1 t ) q 3 =0 , 5 cos ( 0 , 05 t )

Tọa độ điểm thao tác E phụ thuộc vào các tọa độ suy rộng q= [ q 1 q 2 q 3 ] T trong hệ quy chiếu cố định. r E (0 ) = { x y e (0) e (0) = =l l 3 3 cos cos z e (0) =l ( ( q q 1 2 2 + + + l q q 3 3 3 sin ) ) cos sin ( q ( 2 ( q + q 1 1 q ) + ) + 3 ) l l + 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q ( 1 2 q ) ) cos 2 sin ) ( ( q q 2 1 ) )

Cho phương trình chuyển động của điểm E :{ ¿ y E = 2815000 ¿ 4397 x E ¿ 00 z E =0 t + 2 + 10 10 t t + 100

Phương trình xác định vị trí: Áp dụng công thức{ x y z ( ( ( q q q )= )= )= x z y E E E

Mối quan hệ điểm thao tác E trong không gian khớp và không gian thao tác:

{ y (0 e ) =l 3 x cos e (0 ) =l ( q 3 2 + cos q 3 z ( ) e (0) q sin 2 =l + ( q q 1 3 1 +l ) ) cos +l 3 sin 2 cos ( q ( 1 q ) ( 2 +l q + 2 2 q ) co s sin 3 ) +l ( ( q 2 q sin 1 1 ) ) = cos ( 2815000 q 2 4397 ( ) q =0 2 ) 00 t 2 + +10 10 t t + 100

Mối quan hệ điểm thao tác E trong không gian khớp và không gian thao tác: f ( q )= x ( t ) ; f = [ f f f 1 2 3 ] = [ l 3 l 3 cos cos ( q ( l q 1 2 +l + 2 + q 3 q 3 sin ) 3 ) cos sin ( q ( 2 ( q + q 1 1 q ) ) +l + 3 ) + l 2 2 cos l cos 2 sin ( ( q q 2 ( 1 q ) ) 2 sin ) cos( ( q q 1 2 ) ) ] q= [ q q q 1 2 3 ] ; x ( t )= [ x y z e e e ( ( ( t t t ) ) ) ] (1 )

Trong phương trình trên ta đã biết, x ( t ) , x ˙ ( t ), x ¨ ( t ),đã biết từ phương trình quỹ đạo tìm, q ( t ) , q ˙ ( t ) , q( ¨ t ) Đạo hàm (1) theo thời gian:

Ta có biểu thức xác định vecto vận tốc suy rộng:

J q q ˙ = ˙ x ( t ) ⇔ J −1 q J q q=J ˙ −1 q ˙ x ( t )= ˙ q=J −1 q ˙ x ( t ) Tiếp tục đạo hàm phương trình (2) theo thời gian ta được:

Ta có biểu thức xác định vectơ gia tốc suy rộng:

Hình 2.5: Đồ thị các tọa độ suy rộng

Hình 2.6: Đồ thị các vận tốc suy rộng

Hình 2.7: Đồ thị các gia tốc suy rộngHình 2.5: Đồ thị các tọa độ suy rộng

Hình 2.8: Đồ thị cấu hình của robot RRR

3.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D

Hiện nay, nhiều phần mềm thiết kế 3D chuyên nghiệp đang được sử dụng rộng rãi, phù hợp với từng ngành nghề khác nhau Một số phần mềm phổ biến bao gồm AutoCAD, Revit, Inventor, Sketchup và Solidworks.

 Trong môn đồ án này em dùng phần mềm Solidworks để vẽ 3D.

3.1.1 Tổng quan về phần mềm:

Solidworks hiện nay đã trở thành phần mềm phổ biến trên toàn cầu, đặc biệt tại Việt Nam Phần mềm này không chỉ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác như điện, khoa học ứng dụng và cơ mô phỏng.

Phần mềm Solidworks nổi bật với các tính năng thiết kế chi tiết 3D, lắp ráp và xuất bản vẽ 2D, giúp người dùng tạo ra các bộ phận máy móc một cách hiệu quả Ngoài ra, Solidworks còn cung cấp các tính năng phân tích động học và động lực học, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế Đặc biệt, phần mềm tích hợp modul Solidcam cho phép gia công CNC với các phương pháp phay và tiện, cùng với modul 3Dquickmold chuyên dụng cho thiết kế khuôn, mang lại sự linh hoạt và chính xác trong quá trình sản xuất.

3.1.2 Những tính năng trên phần mềm Solidworks

 Khả năng thiết kế mô hình 3D hoàn hảo

Phần mềm SolidWorks nổi bật với tính năng thiết kế các biên dạng 2D, giúp người dùng dễ dàng tạo ra các khối 3D theo yêu cầu.

 Tính năng lắp ráp các chi tiết

Tính năng lắp ráp 3D là một phần quan trọng trong hầu hết các phần mềm CAD/CAM Sau khi thiết kế xong, các chi tiết 3D có thể được kết hợp để tạo thành bộ phận máy hoặc toàn bộ máy hoàn chỉnh Ngoài ra, việc xây dựng các đường dẫn giúp thể hiện quy trình lắp ghép một cách rõ ràng và hiệu quả.

 Xuất bản vẽ trên phần mềm solidworks

Phần mềm Solidworks cho phép người dùng tạo hình chiếu vuông góc cho các chi tiết và bản lắp với tỷ lệ và vị trí tùy chỉnh, mà không làm thay đổi kích thước của chúng.

 Công cụ tạo kích thước tự động và kích thước theo quy định của người sử dụng.

Tạo chú thích cho các lỗ nhanh chóng và hiệu quả với chức năng ghi độ nhám bề mặt, dung sai kích thước và hình học dễ sử dụng.

 Tính năng gia công trên Solidworks

 Để dùng được chức năng này, chúng ta phải sử dụng một modul nữa của solidworks là Solidcam Đây là modul Cam của Solid.

 Phân tích động lực học trên Solidworks

SolidWorks Simulation cung cấp công cụ mô phỏng mạnh mẽ giúp kiểm tra và nâng cao chất lượng thiết kế Trong quá trình thiết kế, các thuộc tính vật liệu, mối ghép và quan hệ hình học được cập nhật đầy đủ trong mô phỏng Sản phẩm được đánh giá về độ bền, hệ số an toàn và phân tích động học một cách toàn diện Phần mềm hỗ trợ tất cả các dạng hình học, cho phép mô phỏng tính toán chính xác với các tính năng về kết cấu, thành mỏng và khối solid.

3.2: Thiết kế các chi tiết của Robot.

Bảng 3.1: Bảng các chi tiết của khâu 1:

T Tên chi tiết 3D Thông số Dạng chi tiết SL

1.1 h: 15mm a: 60mm l:205mm R1= ứ32mm R2= ứ60mm R3= ứ5mm

1.2 h: 15mm a: 60mm l:205mm R1= ứ32mm R2= ứ60mm R3= ứ5mm R4= ứ22mm R5= ứ2.5mm

4 Then 1 h: 6mm a: 10mm l:80mm R1= ứ10mm tiêu chuẩn 1

R1= ứ150mm R2= ứ40mm R3= ứ25mm R2= ứ40mm R5= ứ10mm R6= ứ5mm

7 ổ lăn 1 h: 13mm R1= ứ32mm R2= ứ15mm tiêu chuẩn 2

H1: 10mm H2: 5mm a: 50mm l:70mm R1= ứ5mm

R1= ứ32mm R2= ứ60mm R3= ứ28mm R4= ứ5mm R5= ứ20mm

1.3 h: 7mm R1= ứ32mm R2= ứ60mm R3= ứ28mm R4= ứ5mm

1.1 h: 15mm R1= ứ15mm R2= ứ3mm tiêu chuẩn

Bảng 3.2: Bảng các chi tiết của khâu 2:

2.1 h: 15mm a: 50mm l:205mm R1= ứ32mm R2= ứ50mm R3= ứ32mm

2.2 h: 15mm a: 50mm l:205mm R1= ứ32mm R2= ứ50mm R3= ứ22mm

14 h: 35mm a: 35mm D1: ∅ 5 mm tiêu chuẩn 1

2.1 h: 4mm R1= ứ32mm R2= ứ50mm R3= ứ25mm R4= ứ5mm

2.2 h: 4mm R1= ứ32mm R2= ứ50mm R3= ứ25mm R4= ứ5mm R5= ứ15mm

R1= ứ16mm R2= ứ5mm R3= ứ2mm tiêu chuẩn 1

2.2 h: 15mm R1= ứ15mm R2= ứ3mm tiêu chuẩn

10 ổ lăn h: 13mm R1= ứ32mm R2= ứ15mm tiêu chuẩn 2

11 bulong ∅ 5 mm l: 12mm tiêu chuẩn 12

12 Then 2 h: 5mm a: 8mm l:32mm R1= ứ8mm tiêu chuẩn 1

13 bulong ∅ 2 mm l: 16mm tiêu chuẩn 4 bulong ∅ 2 mm l: 8mm tiêu chuẩn 2

15 Chốt định vị khâu 2 a: 10mm l:70mm R1= ứ5mm

Bảng 3.3: Bảng các chi tiết của khâu 3:

1 Khâu 3 h: 10mm a: 50mm l:235mm R1= ứ25mm R2= ứ50mm R3= ứ5mm

2 Đầu thao tác a: 30mm l:105mm R1= ứ15mm R2= ứ10mm R3= ứ5mm

3 bulong ∅ 5 mm l: 20mm Phi tiêu chuẩn

4 Chốt định vị khâu 3 a: 10mm l:30mm R1= ứ5mm

3.3 Lắp ráp các khâu và mô hình tổng thể ROBOT

Hình 3.1: Hình 3D chi tiết khâu 1

Hình 3.2: Hình 3D chi tiết khâu 2

Hình 3.3: Hình 3D chi tiết khâu 3

3.3.5 Lắp ráp mô hình tổng thể

Hình 3.4 Mô hình Robot được thiết kế trên phần

3.4 Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của ROBOT

Các bước mô phỏng tháo lắp:

Bước 1: Trong môi trường Assembly chọn lệnh Exploded View Bước 2 : Kích chọn các chi tiết theo hướng XYZ tùy ý

Bước 3: Sau khi tách xong click V để kết thúc lệnh

Bước 4: Chuyển bản vẽ sang môi trường Drawing

Bước 5: Dùng lệnh Auto Ballon để tạo ghi chú cho chi tiết Bước 6: Tạo bảng tên chi tiết cho bản vẽ

Bản vẽ tổng thể robot bao gồm:

+ Khâu đế (bàn làm việc).

Hình 3.5 Bản vẽ lắp ráp chi tiết khâu 1

Hình 3.6 Bản vẽ lắp ráp chi tiết khâu 2

Bản vẽ phân rã khâu 2

Hình 3.8 Bản vẽ phân rã chi tiết khâu 2

Hình 3.9 Bản vẽ phân rã chi tiết khâu 3

CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

4.1 Xác định các tham số động lực học Để xác định các tham số động lực học, đầu tiên ta cần chọn vật liệu cho các khâu (Thép cacbon) và sử dụng chức năng Mass properties trên phần mềm Solidworks

Mass properties trên Solidworks là công cụ cho phép người dùng sử dụng để tính toán các mục như:

- Diện tính bề mặt (Surface area)

- Trọng tâm chi tiết (Center of mass)

- Momen quán tính khối (Moments of inertia)

Hình 4.1 Khối lượng và momen quán tính khâu 1

Hình 4.2 Khối lượng và momen quán tính khâu 2

Hình 4.3 Khối lượng và momen quán tính khâu 3

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot

Các ma trận Craig địa phương lc1 lc2 lc3 xE

Ma trận momen quán tính I

K 1 = [ cos sin 0 0 q q 1 1 −sin cos 0 0 q q 1 1 0 0 0 0 1 0 l 1 1 ] ; K 2 = [ cos sin 0 0 q q 2 2 −sin cos 0 0 q q 2 2 −1 0 0 0 0 0 0 1 ] ;

Các ma trận Craig toàn thể:

C 2 = K 1 K 2 = [ cos sin sin q q 1 1 0 cos cos q 2 q q 2 2 − −sin cos cos q q 0 1 1 q sin sin 2 q q 2 2 −cos sin 0 0 q q 1 l 1 1 1 0 0 ]

C 3 = K 1 K 2 K 3 = [ cos sin q q sin 1 1 cos cos ( q 0 2 ( ( +q q q 2 2 3 + + ) q q 3 3 ) − ) −cos sin cos q q 1 1 sin sin ( q 0 2 +q ( ( q q 2 3 2 + ) + q q 3 3 ) − ) sin cos q 0 0 1 q 1 l l 2 2 l sin cos 2 sin 1 q q 2 q 1 + cos 1 l cos 1 q q 2 2 ]

Tọa độ khối tâm các khâu trong hệ quy chiếu gắn liền với khâu có dạng u C (1 1 ) = [ l 0 0 C 1 1 ] ; u (2) C 2 = [ l C 0 0 1 2 ] ; u C (3 3 ) = [ l C 0 0 1 3 ]

Từ đó ta có tọa độ khối tâm các khâu so với hệ quy chiếu cố định R0,

Các ma trận Jacobi tịnh tiến của các khâu

Từ các ma trận Craig ta có các ma trận cô sin chỉ hướng của các khâu so với hệ quy chiếu cố định

⌋ ; A 2 = ⌊ cosq 1 cosq 2 −cosq 1 sin q 2 sinq 1 sinq 1 cos q 2 − sinq 1 sinq 2 − cosq 2 sinq 2 cosq 2 1

A 3 =⌊ cosq 1 cos ( q 2 + q 3 ) −cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) sin q 1 sinq 1 cos ( q 2 + q 3 ) −sinq 1 sin ( q 2 + q 3 ) −cosq 1 sin ( q 2 + q 3 ) co s ( q 2 + q 3 ) 0

 Vận tốc góc các khâu được tính theo công thức sau

Mà ω (0) = [ ω ω ω x y z ] và ~ ω (0 ) = [ − ω ω 0 (0 z (0 y ) ) − ω ω 0 (0) x (0) z − ω ω 0 (0) y (0 x ) ] ω 1 (0) = [ q ˙ 0 0 1 ] ; ω 2 (0) = [ −cos sin ( q q ( ˙ 1 q 1 ) ˙ 1 q ) ˙ q 2 2 ] ; ω 3 (0) = [ −cosq sinq 1 1 ( ˙ q ˙ q ( ˙ 1 q 3 + ˙ 3 + ˙ q q 2 ) 2 ) ]

Từ vận tốc góc các khâu ta tính được các ma trận Jacobi quay:

Thay các ma trận Jacobi tịnh tiến và Jacobi quay vào biểu thức:

Ta nhận được ma trận khối lượng suy rộng của robot:

 Vector lực suy rộng tương ứng với trọng lực: g ( q )=− m 1 J T T 1 g 0 − m 2 J T T 2 g 0 − m 3 J T T 3 g 0 m 1 [ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] [ −g 0 0 ] − m 2 [ −l l C C 2 C 2 0 C 1 C 1 S 2 2 −l −l l C C C 2 2 2 C S C 1 1 2 S S 2 2 0 0 0 ] [ − 0 0 g ] − m 3 [ −l l 2 C 2 C 1 C 1 S 2 2 +l −l 0 C C 3 C 3 S 1 1 C C 23 23 −l −l 2 2 l C S 2 C 1 1 S S 2 2 2 + −l −l l C C C 3 C 3 3 C S 23 1 1 S S 23 23 −l −l l C C C 3 3 3 C S C 1 1 23 S S 23 23 ] [ − 0 0 g ]

Ma trận ly tâm và Coriolis được xác định theo công thức:

Thay vào công thức ta tính được có dạng

Ta thiết lập được phương trình vi phân chuyển động của robot.

Hệ phương trình vi phân chuyển động của robot như sau:

Bài viết này trình bày các công thức tính toán mô men xoắn (τ) cho một hệ thống cơ học phức tạp, bao gồm các tham số như khối lượng (m), khoảng cách (l), và các góc (q) Công thức đầu tiên cho τ1 liên quan đến các yếu tố như mô men quán tính (I) và các thành phần lực tác động từ trọng lực Tiếp theo, τ2 được tính toán dựa trên sự kết hợp của các mô men quán tính và lực tác động từ trọng lực, cùng với các yếu tố liên quan đến các góc và khoảng cách Cuối cùng, τ3 được xác định bằng cách xem xét các yếu tố tương tự như τ1 và τ2, nhấn mạnh vai trò của các thành phần lực và khoảng cách trong việc xác định mô men xoắn tổng thể của hệ thống Những công thức này có ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực cơ học và kỹ thuật, giúp tối ưu hóa thiết kế và phân tích các hệ thống cơ khí phức tạp.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG

Chọn động cơ dẫn động

5.1.1 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 3

+ Khoảng cách từ khối tâm khâu 3 đến động cơ: d = 0.07m

 Momen tối thiểu của động cơ khâu 3 là:

Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng M 3

 Từ các yêu cầu trên em chọn động cơ bước dòng 57

C-57STM04 ( nema 23) có các thông số sau: Điện áp sử dụng: 24-80V DC

Hình 5.1 : Động cơ bước C-57STM04 5.1.2 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 2

+ Khoảng cách từ khối tâm khâu 2 đến động cơ: d = 0.14m m = 3.57 + 2.08+ 0.5 = 6.15 (Kg)

 Momen tối thiểu của động cơ khâu 2 là:

M 2 = m ∗ g ∗ d = 6 15 ∗ 9.81 ∗ 0.14 = 8 4 ( Nm ) Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng M 2

 Từ các yêu cầu trên em chọn động cơ bước dòng 86 Series C-86STM03 có các thông số sau: Điện áp sử dụng: 24 – 110 (VDC)

Hình 5.2 : Động cơ bước C-86STM03 5.1.3 Tính chọn động cơ dẫn động khớp 1

+ Khoảng cách từ khối tâm khâu 1 đến động cơ: d = 0.12m

Tổng khối lượng của khâu 3, khâu 2, khâu 1, động cơ khâu 2 và động cơ khâu 3 là: m = 6 73+3.2 +6 15.08 (Kg)

 Momen tối thiểu của động cơ khâu 1 là:

Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng M 1 Ngoài ra loại động cơ này cần có khối lượng nhỏ để giảm trọng lượng cánh tay Robot.

 Từ các yêu cầu trên em chọn động cơ bước dòng 86 Series C-86STM04 có các thông số sau: Điện áp sử dụng: 24 – 110 (VDC)

Hình 5.3 : Động cơ bước C-86STM04

Tính toán bộ truyền cho các khâu

5.2.1 Sơ lược các bộ truyền phổ biến

Trong thiết kế robot, có nhiều loại hệ thống dẫn động khác nhau, và việc lựa chọn hệ thống phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật cũng như mục đích ứng dụng của robot.

Dưới đây là một số bộ truyền phổ biến:

Hình 5.4 : Các bộ truyền bánh răng

Bộ truyền bánh răng thường không có hiệu suất truyền cao và độ chính xác thấp, đặc biệt là trong các robot yêu cầu kết cấu nhỏ và độ chính xác cao Mặc dù vậy, nhờ vào ưu điểm về kết cấu cơ, khả năng vận tốc và tải trọng đa dạng, bộ truyền bánh răng vẫn được sử dụng phổ biến trong các tay máy.

Bộ truyền xích không gặp hiện tượng trượt như bộ truyền đai, cho phép làm việc hiệu quả trong trường hợp quá tải đột ngột và có khả năng truyền động cho nhiều bánh xích cùng lúc Tuy nhiên, bản lề xích dễ bị mòn, dẫn đến tải trọng động và tiếng ồn Để duy trì hiệu suất, cần bôi trơn thường xuyên và có cơ cấu điều chỉnh xích, đồng thời bộ truyền này cũng nhanh chóng bị mòn trong môi trường nhiều bụi hoặc khi bôi trơn không đạt yêu cầu.

Hình 5.6 Bộ truyền đai răng

Bộ truyền lực có tính đàn hồi, có kềt cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp.

Bộ truyền đai răng hoạt động êm ái, không gây tiếng ồn và chịu được sốc, đồng thời không cần bôi trơn, giúp giảm thiểu chi phí bảo trì Thiết kế của bộ truyền này đảm bảo an toàn cho động cơ trong trường hợp quá tải Với cấu trúc là đĩa dẹt được chế tạo thành vòng kín và có răng ở mặt trong, bộ truyền đai răng sẽ ăn khớp hoàn hảo khi tiếp xúc với bánh đai.

5.2.2 Tính toán bộ truyền đai

 Khâu 1 ,khâu 2 và khâu 3 chuyển động quay nên em chọn sử dụng bộ truyền đai

 Kết cấu rất đơn giản, dễ chế tạo, ít tốnn kém nên giá thành thấp.

 Cơ cấu truyền Pulley đai làm việc êm, ít tiếng ồn, nhờ sự dẻo dai nên có khả năng chịu sốc, hấp thụ sốc tốt.

 Cơ cấu không cần bôi trơn, chi phí hao tổn do bảo dưỡng ít hơn.

 Tuổi thọ, độ bền của pulley đai tương đối thấp nhất là khi làm việc với vận tốc cao trong trong thời gian dài.

 Không thể làm việc trong điểu kiện ẩm ướt, khác nghiệt vì nhạy cảm với nhiệt độ và độ ẩm có thể làm giảm ma sát trượt.

 Không thể sửa chữa các đai vòng lặp vô tận khi bị hư hỏng và bắt buộc phải thay thế.

5.2.3 Tính toán bộ truyền đai răng khâu 1

 Chọn tỷ số truyền của bộ truyền đai răng u = 4 (bảng 2.4 [1])

 Chọn modun của đai răng m = 2mm (bảng 4.27 [1])

 Chọn chiều rộng đai b = 16mm (bảng 4.28 [1]

 Chọn số răng của bánh đai nhỏ z 1 = 18 ( răng)

 Số răng của bánh đai lớn z 2 = u ∗ z 1 = 4 ∗ 18 = 72 ( răng)

 Khoảng cách trục được chọn theo điều kiện a min ≤ a ≤ a max

 Chọn sơ bộ khoảng cách trục a = 200mm

Trong đó p là bước đai trong trường hợp m = 2 thì p = 6.28

 Chọn số răng của đai z đ = 112 (răng)

 Chiều dài đai răng l đ =¿703.4 mm

 Khoảng cách trục thực tế: a = (+ √ ❑ 2 −8 ❑ 2 )/ 4

 Đường kính vòng chia của các bánh đai:

+ d 2 =m z 2 =2∗724 mm Đường kính ngoài của bánh đai:

Trong đó là khoảng cách của đáy răng đến đường trung bình của lớp chịu tải ¿ 0.6 (bảng 4.27 [1])

 Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ: z 0 = z 1 α 1

Thông số bộ truyền đai răng

Tên thông số Ký hiệu Kích thước Đơn vị

Số răng bánh đai nhỏ z 1 18 răng

Số răng bánh đai lớn z 2 72 răng

Bước đai là 6.28 mm, với đường kính vòng chia của bánh đai nhỏ là 36 mm và bánh đai lớn là 144 mm Đường kính ngoài của bánh đai nhỏ là 34.8 mm, trong khi đường kính ngoài của bánh đai lớn là 172.8 mm.

Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ z 0 7.5 răng

Bảng 5.1 Thông số bộ truyền đai răng khâu 1

5.2.4 Tính toán bộ truyền đai răng khâu 2

 Chọn tỷ số truyền của bộ truyền đai răng u = 4 (bảng 2.4 [1])

 Chọn modun của đai răng m = 1.5mm (bảng 4.27 [1])

 Chọn chiều rộng đai b = 10mm (bảng 4.28 [1])

 Chọn số răng của bánh đai nhỏ z 1 = 18 ( răng)

 Số răng của bánh đai lớn z 2 =u∗z 1 =4∗18r ( răng)

 Khoảng cách trục được chọn theo điều kiện a min ≤ a ≤ a max

 Chọn sơ bộ khoảng cách trục a = 100mm

Trong đó p là bước đai trong trường hợp m = 2 thì p = 4.71

 Chọn số răng của đai z đ = 90 (răng)

 Chiều dài đai răng l đ =¿565.2 mm

 Khoảng cách trục thực tế: a = (+ √ ❑ 2 −8 ❑ 2 )/ 4

 Đường kính vòng chia của các bánh đai:

 Đường kính ngoài của bánh đai:

Trong đó là khoảng cách của đáy răng đến đường trung bình của lớp chịu tải ¿ 0.6 (bảng 4.27 [1])

 Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ: z 0 = z 1 α 1

Thông số bộ truyền đai răng

Tên thông số Ký hiệu Kích thước Đơn vị

Số răng bánh đai nhỏ z 1 18 răng

Số răng bánh đai lớn z 2 72 răng

Bước đai là 4.71 mm, trong khi đường kính vòng chia của bánh đai nhỏ là 27 mm và bánh đai lớn có đường kính ngoài là 106.8 mm Đường kính ngoài của bánh đai nhỏ là 25.8 mm, tạo nên sự khác biệt về kích thước giữa hai loại bánh đai.

Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ z 0 5.2 răng

Bảng 5.2: Bảng thông số bộ truyền đai răng khâu 2

5.2.5 Tính toán bộ truyền đai răng khâu 3

 Chọn tỷ số truyền của bộ truyền đai răng u = 5 (bảng 2.4 [1])

 Chọn modun của đai răng m = 1.5mm (bảng 4.27 [1])

 Chọn chiều rộng đai b = 10mm (bảng 4.28 [1]

 Chọn số răng của bánh đai nhỏ z 1 ( răng)

 Số răng của bánh đai lớn z 2 =u∗z 1 =4∗18 ( răng)

 Khoảng cách trục được chọn theo điều kiện a min ≤ a ≤ a max

 Chọn sơ bộ khoảng cách trục a = 100mm

Trong đó p là bước đai trong trường hợp m = 2 thì p = 4.71

 Chọn số răng của đai z đ (răng)

 Chiều dài đai răng l đ =¿565.2 mm

 Khoảng cách trục thực tế: a = (+ √ ❑ 2 −8 ❑ 2 )/ 4

 Đường kính vòng chia của các bánh đai:

 Đường kính ngoài của bánh đai:

Trong đó là khoảng cách của đáy răng đến đường trung bình của lớp chịu tải ¿ 0.6 (bảng 4.27 [1])

 Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ: z 0 = z 1 α 1

Thông số bộ truyền đai răng

Tên thông số Ký hiệu Kích thước Đơn vị

Số răng bánh đai nhỏ z 1 18 răng

Số răng bánh đai lớn z 2 90 răng

Bước đai là 4.71 mm, với đường kính vòng chia của bánh đai nhỏ là 27 mm và bánh đai lớn là 135 mm Đường kính ngoài của bánh đai nhỏ là 25.8 mm, trong khi đường kính ngoài của bánh đai lớn là 133.8 mm.

Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ z 0 5.2 răng

Bảng 5.3: Bảng thông số bộ truyền đai răng khâu 3

Ngày đăng: 26/02/2025, 11:18

Nguồn tham khảo

Tài liệu tham khảo Loại Chi tiết
[1] PGS.TS. Phan Bùi Khôi, “Bài giảng Tính toán thiết kế robot”, ĐH Bách khoa Hà nội Sách, tạp chí
Tiêu đề: Bài giảng Tính toán thiết kế robot
Tác giả: PGS.TS. Phan Bùi Khôi
Nhà XB: ĐH Bách khoa Hà nội
[2] PGS.TS. Phan Bùi Khôi, “Bài giảng Robotics (2009)”, ĐH Bách khoa Hà nội [3] GS. TSKH. Nguyễn Văn Khang, “Cơ sở Robot công nghiệp” Sách, tạp chí
Tiêu đề: Bài giảng Robotics
Tác giả: PGS.TS. Phan Bùi Khôi
Nhà XB: ĐH Bách khoa Hà nội
Năm: 2009
[4] GS. TSKH. Nguyễn Thiện Phúc, “Robot công nghiệp” Sách, tạp chí
Tiêu đề: Robot công nghiệp
Tác giả: GS. TSKH. Nguyễn Thiện Phúc
[5] GS. TSKH. Nguyễn Văn Khang, “Động lực học hệ nhiều vật” Sách, tạp chí
Tiêu đề: Động lực học hệ nhiều vật
Tác giả: GS. TSKH. Nguyễn Văn Khang
[6] TS. Nguyễn Quang Hoàng, “Cơ sở matlab và Simulink” Sách, tạp chí
Tiêu đề: Cơ sở matlab và Simulink
Tác giả: TS. Nguyễn Quang Hoàng

HÌNH ẢNH LIÊN QUAN

Hình 2.3: Đồ thị vận tốc điểm E - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 2.3 Đồ thị vận tốc điểm E (Trang 18)
Hình 2.4: Đồ thị gia tốc điểm E - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 2.4 Đồ thị gia tốc điểm E (Trang 18)
Hình 2.5: Đồ thị các tọa độ suy rộng - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 2.5 Đồ thị các tọa độ suy rộng (Trang 21)
Hình 2.6: Đồ thị các vận tốc suy rộng - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 2.6 Đồ thị các vận tốc suy rộng (Trang 22)
Hình 2.7: Đồ thị các gia tốc suy rộng Hình 2.5: Đồ thị các tọa độ suy rộng - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 2.7 Đồ thị các gia tốc suy rộng Hình 2.5: Đồ thị các tọa độ suy rộng (Trang 22)
Hình 2.8: Đồ thị cấu hình của robot RRR - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 2.8 Đồ thị cấu hình của robot RRR (Trang 23)
Bảng 3.2: Bảng các chi tiết của khâu 2: - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Bảng 3.2 Bảng các chi tiết của khâu 2: (Trang 32)
Hình 3.1: Hình 3D chi tiết khâu 1 - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 3.1 Hình 3D chi tiết khâu 1 (Trang 38)
Hình 3.2: Hình 3D chi tiết khâu 2 - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 3.2 Hình 3D chi tiết khâu 2 (Trang 38)
Hình 3.3: Hình 3D chi tiết khâu 3 - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 3.3 Hình 3D chi tiết khâu 3 (Trang 39)
Hình 3.5. Bản vẽ lắp ráp chi tiết khâu 1 - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 3.5. Bản vẽ lắp ráp chi tiết khâu 1 (Trang 41)
Hình 3.6. Bản vẽ lắp ráp chi tiết khâu 2 - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 3.6. Bản vẽ lắp ráp chi tiết khâu 2 (Trang 42)
Hình 4.1. Khối lượng và momen quán tính khâu 1 - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 4.1. Khối lượng và momen quán tính khâu 1 (Trang 47)
Hình 4.2. Khối lượng và momen quán tính khâu 2 - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 4.2. Khối lượng và momen quán tính khâu 2 (Trang 48)
Hình 4.3. Khối lượng và momen quán tính khâu 3 - Thuyết minh Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot vẽ chữ kiểu rrr
Hình 4.3. Khối lượng và momen quán tính khâu 3 (Trang 48)

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

🧩 Sản phẩm bạn có thể quan tâm

w