Thiết kế và tính toán động lực học robot công nghiệp ba bậc tự do

Thiết kế và tính toán động lực học robot công nghiệp ba bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI-CƠ SỞ II

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2016

LỜI CẢM ƠNTrong suốt quá trình nghiên cứu, đề tài " thiết kế và tính toán động lực học robot công nghiệp ba bậc tự do " đã phần nào được hoàn thành Ngoài sự cố gắn,

nỗ lực hết mình của bản thân em cũng đã nhận được rất nhiều những sự giúp đỡ, góp ý, quan tâm và khích lệ đến từ gia đình, nhà trường, các thầy cô và bạn bè trong quá trình nghiên cứu

Trước tiên con xin cám ơn bố mẹ đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để con học tập và hoàn thành đề tài này

Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô trường Đại Học Giao Thông Vận Tải - Cơ

Sở 2 đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt quá trình họctập Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Hoàng Vương, thầy đã tận tìnhhướng dẫn, chỉ bảo giúp đỡ em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các bạn bè của tôi đã luôn động viên, giúp đỡ tôi

về nhiều mặt để tôi có thể hoàn thành tốt đề tài này

Trong quá trình làm đề tài, do thời gian và trình độ hiểu biết của bản thân còn hạn chế nên chắc chắn sẽ không tránh khỏi sai sót nên em rất mong được sự góp ý của các quý thầy, cô để đề tài được thêm hoàn thiện

Sinh viên thực hiện

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2016

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước cùng với sự phát triểnkhông ngừng của khoa học - kỹ thuật, việc ứng dụng các thành tựu công nghệ cao như đưa tay máy robot tự động vào các nhà máy, vào các ngành công nghiệp ngày càng trở nên quan trọng và cần thiết

Robot công nghiệp đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước, ngày nay robot công nghiệp được dùng nhiều ở nhiều lĩnh vực như sản xuất, y tế, thám hiểm, quân sự Robot có những tính năng mà con người không thể có được, khả năng làm việc ổn định, làm việc trong môi trường độc hại, nặng nhọc, các môi trường khắc nghiệt Do đó việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo những loại robot phục

vụ cho các công việc của con người là rất cần thiết cho hiện tại và trong tương lai

Đề tài " thiết kế và tính toán động lực học robot công nghiệp ba bậc tự do " Việc giải quyết đề tài này sẽ giúp ta có cái nhìn tổng quan về robot công nghiệp, nắm được kỹ thuật giải bài toán động lực học giúp ta có thêm cơ sở trong việc thiết kế và lập trình điều khiển robot Nội dung đề tài gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

Chương 2: Nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình robot trên phần mềm catia

Chương 3: Xây dựng động học thuận cho robot

Chương 4: Động lực học robot

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 3

MỤC LỤC 4

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1

1.1 Vài nét lịch sử về robot và robot công nghiệp 1

1.2 Các khái niệm định nghĩa về robot công nghiệp 2

1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 3

1.4 Phân loại robot công nghiệp 4

1.4.1 Phân loại theo kết cấu 4

1.4.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển 5

1.4.3 Phân loại theo nguồn truyền động 6

1.4.4 Phân loại theo ứng dụng 6

1.5 Ứng dụng của robot 7

1.5.1 Các ưu điểm khi sử dụng robot 7

1.5.2 Một số lĩnh vực ứng dụng 7

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT TRÊN PHẦN MỀM CATIA 11

2.1 Tổng quan về phần mềm catia 11

2.1.1 Khái niệm và phạm vi ứng dụng phần mềm catia 11

2.1.2 Giới thiệu môi trường làm việc trong phần mềm catia 11

2.2 Xây dựng mô hình 13

2.2.1 Chân đế cố định 14

2.2.2 Khâu 1 15

2.2.3 Khâu 2 16

2.2.4 Khâu 3 17

2.2.5 Mô hình lắp ráp 18

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG ĐỘNG HỌC THUẬN CHO ROBOT 19

3.1 Các loại liên kết trong không gian 19

3.2 Bậc tự do 20

3.3 Vùng làm việc của robot 21

3.4 Động học robot 22

3.5 Phương pháp nghiên cứu bài toán động học robot 24

3.5.1 Quy tắc gắn hệ toạ độ lên các khâu 25

3.5.2 Các thông số động học Denavit Hartenberg 27

3.5.3 Ma trận biến đổi thuần nhất trong nghiên cứu robot 27

3.6 Bài toán động học thuận robot ba bậc tự do 29

CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 34

4.1 Nhiệm vụ và phương pháp 34

4.2 Phương trình động lực học robot 35

4.2.1 Vận tốc của một điểm trên robot 35

4.2.2 Động năng của vi khối lượng dm 36

4.2.3 Thế năng của robot 38

4.2.4 Hàm Lagrange 38

4.2.5 Phương trình động lực học robot 38

4.3 Bài toán động lực học robot ba bậc tự do 41

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các thành phần chính của hệ thống robot 3

Hình 1.2 Robot chuỗi 5

Hình 1.3 Robot song song 5

Hình 1.4 Robot sơn 6

Hình 1.5 Robot hàn 6

Hình 1.6 Robot trong ngành dịch vụ 6

Hình 1.7 Robot trong ngành nội thất 8

Hình 1.8 Robot dùng làm sạch sản phẩm 8

Hình 1.9 Robot lắp ráp sản phẩm 9

Hình 1.10 Robot phục vụ máy CNC 9

Hình 1.11 Robot trong ngành dược phẩm, quân sự 10

Hình 1.12 Robot trong ngành thám hiểm 10

Hình 2.1 Môi trường làm việc Part Design 12

Hình 2.2 Chân đế cố định 14

Hình 2.3 Khâu 1 15

Hình 2.4 Khâu 2 16

Hình 2.5 Khâu 3 17

Hình 2.6 Mô hình lắp ráp 18

Hình 3.1 Khớp quay, khớp trượt 19

Hình 3.2 Vùng làm việc của robot 21

Hình 3.3 Sơ đồ khối động học robot 23

Hình 3.4 Các thông số đặc trưng của một khâu 25

Hình 3.5 Vị trí tương đối giữa hai khâu kề nhau 26

Hình 3.6 Sơ đồ gắn hệ toạ độ lên các khâu 31

Hình 3.7 Các vector vị trí và hướng của bàn tay máy 33

Hình 4.1 Khảo sát vận tốc vi khối lượng dm 35

Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng động học thuận robot 48

Hình 4.3 Đồ thị chuyển vị biến khớp 49

Hình 4.4 Đồ thị vận tốc biến khớp 50

Hình 4.5 Đồ thị gia tốc biến khớp 51

Hình 4.6 Đồ thị vị trí điểm tác động cuối robot 52

Hình 4.7.Sơ đồ mô phỏng động lực học khâu 1 53

Hình 4.8 Sơ đồ mô phỏng động lực học khâu 2 53

Hình 4.9 Sơ đồ mô phỏng động lực học khâu 3 54

Hình 4.10 Đồ thị lực tổng quát đặt lên các khâu 55

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT Kí hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

1 ai Lượng tịnh tiến dọc theo trục Ox

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Vài nét lịch sử về robot công nghiệp

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch '' Rossum’s Universal Robots '' của Karel Capek, vào năm 1920 Vở kịch này Rossum và con trai ông đã chế tạo ra những chiếc máy gầngiống với con người mục đích để phục vụ con người Có lẽ đó là gợi ý ban đầu chocác nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động của con người

Năm 1950, ở Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên

Đầu năm 1960, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry

Company ) quảng cáo một máy tự động vạn năng và gọi là '' Người máy công nghiệp'' (Industrial Robot) Đó chính là Versatran, cũng vào khoảng thời gian này

ở Mỹ xuất hiện loại Robot Unimate-1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật - 1968 theo bản quyền của Mỹ, CHLB Đức - 1971, Pháp -

1972, Ý - 1973 Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý

Ngày nay việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng được pháttriển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện

tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

1.2 Các khái niệm định nghĩa về robot công nghiệp

Các nhà khoa học đã đưa ra rất nhiều các định nghĩa khác nhau về Robot, ta cóthể điểm qua một số định nghĩa như sau :

Viện nghiên cứu Mỹ : “ Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau

đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng”

Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) :

“ Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các hệ tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau”

Theo tiêu chuẩn GHOST 1980 :

“Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người”

Theo RIA : ”Robot là một tay máy vạn năng có khả năng lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau”

1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

Một robot công nghiệp bao gồm các thành phần chính như : hệ tay máy, nguồnđộng lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển, thiết

bị dạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng được gọi là một thành phần của hệ thống Robot

Hình 1.1 Các thành phần chính của hệ thống robot

+ Hệ tay máy: là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bởi các khớp động

để có thể tạo nên những chuyển động của robot Bao gồm:

- Giá đỡ: có thể cố định hoặc di động

- Thân tay máy: có thể quay trái, phải quanh giá đỡ

- Cánh tay và cẳng tay có nhiệm vụ tạo ra các chuyển động cơ bản nhằm đảm bảo cho bàn tay nắm bắt có thể tới bất kỳ điểm nào của không gian làm việc nhằm hoàn thành các thao tác trên đối tượng

+ Nguồn động lực là các động cơ điện một chiều hoặc động cơ bước, các hệ thống

xi lanh thuỷ lực, khí nén để tạo động lực cho tay máy hoạt động

+ Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ thao tác có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việcnhư mỏ hàn , đá mài, đầu phun sơn

+ Thiết bị dạy học dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc

+ Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt trên máy tính, dùng để điều khiển robot thông qua bộ điều khiển Bộ điều khiển hay còn gọi là module điều khiển, nó thường được kết nối với máy tính

Một module điều khiển có thể còn có các cổng Vào-Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc, điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot

1.4 Phân loại robot công nghiệp

1.4.1 Phân loại theo kết cấu

Phân loại theo kết cấu gồm có robot chuỗi và robot song song

Robot chuỗi: là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và các khâu động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau Mỗi khâu động được liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết

Robot song song: là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được liên kết với ít nhất hai khâu khác

Hình 1.2 Robot chuỗi Hình 1.3 Robot song song

1.4.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển robot: Điều khiển hở và Điều khiển kín

- Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển Kiểu này đơn giản nhưng cho độ chính xác thấp

- Điều khiển kín: (điều khiển kiểu servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng

độ chính xác điều khiển Có hai kiểu điều khiển servo: Điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour)

+ Kiểu điều khiển điểm-điểm: phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ không cao Kiểu điều khiển này thường được dùng trên các Robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh và bắn đinh

+ Điều khiển contour: đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kì, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các Robot hàn hồ quang và phun sơn

1.4.3 Phân loại theo nguồn truyền động

- Hệ truyền động điện

- Hệ truyền động thuỷ lực

- Hệ truyền động khí nén

1.4.4 Phân loại theo ứng dụng

Dựa vào những ứng dụng của robot trong sản xuất ta có những loại robot sau: robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot dùng trong ngành dịch vụ, robot chuyển phôi

Hình 1.4 robot sơn Hình 1.5 robot hàn

Hình 1.6 robot trong ngành dịch vụ

1.5 Ứng dụng của robot

1.5.1 Các ưu điểm khi sử dụng robot

Các loại robot tham gia vào quy trình sản xuất cũng như đời sống sinh hoạtcủa con người, nhằm nâng cao năng suất lao động của dây chuyền công nghệ,giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng cũng như khả năng cạnh tranh củasản phẩm tạo ra

Robot công nghiệp có thể thay thế con người làm việc ổn định bằng các thaotác đơn giản và hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với

sự thay đổi của quy trình công nghệ

Chúng có thể làm những công việc đơn giản nhưng dễ nhầm lẫn, nhàm chán.Bên cạnh đó, một ưu điểm nổi bật của robot là môi trường làm việc Chúng có thểthay con người làm việc ở môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bặm hay nguy hiểm, thìviệc ứng dụng robot để cải thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng

1.5.2 Một số lĩnh vực ứng dụng

Ứng dụng của robot công nghiệp rất đa đạng, tùy vào những nghành, công việc khác nhau mà ta có thể áp dụng những robot công nghiệp riêng biệt Dưới đây

là một số nghành trong hệ thống sản xuất mà áp dụng robot công nghiệp

a Ứng dụng trong sản xuất cơ khí

Trong lĩnh vực cơ khí, robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hoạt động chính xác và tính linh hoạt cao

Hình 1.7 Robot dùng trong ngành nội thất

Ngoài ra người ta còn sử dụng robot cho các công nghệ đúc Công nghiệp đúc: robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát

Hình 1.8 Robot dùng để làm sạch sản phẩm

Đặc biệt trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) , robot đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất với nhau

b Ứng dụng trong gia công lắp ráp

Ngành gia công và lắp ráp: robot thường được sử dụng vào những việc như tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy ra công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động

Hình 1.9 robot lắp ráp sản phẩm Hình 1.10: Robot phục vụ máy phay CNC

Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiềucông việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làm việc khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập

c Ứng dụng trong y học, quân sự, địa chất,dịch vụ

Robot còn có nhiều lĩnh vực được nghiên cứu như: robot dịch vụ, robot dùng trong lĩnh vực quân sự, robot di động đồng thời kết hợp với nhận dạng và điều khiển trên cơ sở xử lý những thông tin hình ảnh, đặc biệt là kết hợp với xử lý ngônngữ

Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB 660 Flex Palletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker Các robot này có thể gắp lần lượt các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và đặt nó vào thùng gồm 20 hộp một cách chính xác

Hình 1.11Robot dùng trong nghành dược phẩm, quân sự

Hình 1.12 robot dùng trong ngành thám hiểm

Robot có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hộicủa con người Tuy nhiên, để chế tạo và đưa vào sử dụng một Robot hoàn chỉnh phải qua rất nhều quan trọng, từ thiết kế tính toán các thông số tới chế tạo.Một trong nhưng công viêc đó là nghiên cứu, tính toán giải bài toán động lực học của Robot

CHƯƠNG II:NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG

MÔ HÌNH ROBOT TRÊN PHẦN MỀM CATIA

2 1 Tổng quan về phần mềm catia

2.1.1 Khái niệm và phạm vi ứng dụng của phần mềm catia

Phần mềm Catia là hệ thống CAD/CAM/CAE 3D hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện nay do hãng Dassault System phát triển Hiện nay phần mềm này được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật như cơ khí, tự động hóa công nghiệp ôtô, tàu thủy, hàng không Ưu điểm của phần mềm là khả năng đồ họa mạnh, thư viện phần tử lớn thuận lợi trong thiết kế, thực hiện quá trình vẽ và đưa ra mô hình cấu trúc nhanh, chính xác… Ngoài ra với phần mềm Catia, ta có thể xuất ra kết quả dưới nhiều định dạng thuận lợi cho việc liên kết với những phần mềm khác, phần mềm còn có khả năng giải và mô phỏng được nhiều bài toán trong kỹ thuật

2.1.2 Giới thiệu về môi trường làm việc trong phần mềm catia

Cách mở 1 file part

 Chọn File - > chọn new (hoặc là biểu tượng trên màn hình trên màn hình) Hộp thoại xuất hiện cho phép chọn lĩnh vực mà chúng ta cần thiết

kế

 Chọn Part trong danh sách những lĩnh vực khác nhau và click OK Lúc

đó môi trường làm việc part được mở

Hình 2 1 Môi trường làm việc Part Design

Môi trường làm việc của Part được phân chia như sau:

 Cây để thể hiện các thao tác mà ta đã thực hiện

 Khu vực giành cho việc thiết kế

 Những nút lệnh có sẵn trên màn hình dùng cho việc thiết kế

 Có thể chọn lệnh cho quá trình thiết kế từ các menu

CATIA sẽ cung cấp cho ta 3 mặt phẳng để thiết kế Thật sự để thiết kế một khối part hoàn chỉnh thì ta phải bắt đầu từ biên dạng sketch Tạo biên dạng sketch được

thực hiện ở môi trường sketch Để mở nó, ta chỉ cần chọn vào biểu tượng và chọn mặt phẳng cần vẽ biên dạng sketch

Môi trường sketch cung cấp hầu hết các công cụ cho phép chúng ta có thể thiết kế những biên dạng 2D mà chúng ta cần

2.2 Xây dựng mô hình

Xây dựng mô hình là một nhiệm vụ quan trọng trước khi đi vào tính toán độnghọc và mô phỏng Robot Thông qua việc xây dựng mô hình giúp cho nhà thiết kế

có cái nhìn toàn diện, trực quan hơn về Robot Tùy theo từng trường hợp nhất định

mà ta xây dựng mô hình Robot với những hình dáng, kích thước khác nhau sao cho hợp lý nhất, đảm bảo được các yêu cầu làm việc như: độ cứng vững, linh hoạt,thao tác dễ dàng trong quá trình làm việc

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là máy tính điện tử Hiện nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho phép người sử dụng xây dựng mô hình3D cho Robot một cách dễ dàng, điển hình trong số đó phải kể đến các phần mềm mạnh như Soliworks, Catia, Topsolid… Với mỗi phần mềm có những ưu điểm nhất định phù hợp với những yêu cầu thiết kế khác nhau và không ngừng cải tiến,

bổ sung những tính năng mới nhằm phục vụ cho công việc thiết kế được nhanh, chính xác và trực quan nhất

Trong luận văn này em sử dụng phần mềm Catia để xây dựng mô hình Robot

3 bậc tự do Do đặc điểm của tay máy Robot bao gồm các khâu liên kết với nhau thông qua các khớp động Do đó ta sử dụng phần mềm Catia để xây dựng mô hình từng khâu của Robot, sau đó sử dụng các công cụ hỗ trợ để lắp ghép chúng thành một Robot hoàn chỉnh

Với những kiến thức cơ bản về phần mềm Catia em trình bày ở mục trên, em

đã xây dựng được các khâu của Robot 3 bậc tự do

2.2.1 Chân đế cố định

Hình 2.2 Chân đế cố định

2.2.2 Khâu 1

Hình 2.3 Khâu 1

2.2.3 Khâu 2

Hình 2.4 khâu 2

2.2.4 Khâu 3

Hình 2.5 Khâu 3

2.2.5 Mô hình lắp ráp

Hình 2.6 Mô hình lắp ráp

CHƯƠNG III : XÂY DỰNG ĐỘNG HỌC THUẬN CHO

ROBOT

3.1 Các loại liên kết trong không gian

Tùy theo yêu cầu về kết cấu của Robot mà ta lựa chọn loại khớp liên kết giữa các khâu liên khác nhau Trong Robot công nghiệp hiện nay, người ta thường dùngchủ yếu hai loại khớp là khớp quay và khớp trượt

Khớp quay: (thường được kí hiệu là R) loại khớp này cho phép chuyển động quay của khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay Loại khớp này hạn chếnăm khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp do đó khớp có một bậc tự do

Khớp trượt: (thường được kí hiệu là T) loại khớp này cho phép hai khâu trượt tương đối với nhau theo phương của một trục nào đó Khớp hạn chế năm khả năngchuyển động, do đó có một bậc tự do

Hình 3.1 khớp quay, khớp trượt

Ngoài ra trong một số trường hợp người ta còn dùng khớp cầu để tăng tính linh hoạt cho Robot Với loại khớp này cho phép các khâu thực hiện các chuyển động quay theo tất cả các hướng quanh tâm khớp, và hạn chế các chuyển động tịnhtiến giữa các khâu Do đó số bậc tự do của khớp cầu là ba Trong quá trình thiết kếtay máy Robot, người ta quan tâm đến thông số ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của Robot như:

+ Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay máy

+ Tầm với hay vùng làm việc: phụ thuộc vào kích thước của các khâu và cấu trúc của robot

+ Sự khéo léo của robot, thông số này liên quan đến bậc tự do của robot

3.2 Bậc tự do của robot

Bậc tự do của Robot là số khả năng chuyển động độc lập (chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến) trong không gian hoạt động Để có thể di chuyển thực hiện các thao tác dễ dàng trong vùng làm việc, Robot phải đạt được một số bậc tự

do nhất định Thông thường tay máy Robot thường là một cơ cấu hở, do đó số bậc

tự do của Robot có thể được tính theo công thức:

5 1

Số bậc tự do của Robot quyết định đến tính linh hoạt của Robot trong quá

trình làm việc Số bậc tự do càng lớn Robot càng linh hoạt, càng nhiều phương án

để đến điểm thao tác thực hiện được yêu cầu công việc, điều này rất ý nghĩa trong

trường hợp Robot làm việc trong môi trường có nhiều chướng ngại vật Tuy nhiên

số bậc tự do chuyển động này không nên lớn hơn sáu, bởi với sáu bậc tự do nếu bố

trí một cách hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác

động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng theo mọi hướng Mặt khác cũng phải

thừa nhận rằng số bậc tự do lớn kéo theo hệ quả là: tăng thêm sai số dịch chuyển,

tăng chi phí, thời gian sản xuất và bảo dưỡng Robot Do đó tùy theo yêu cầu, chức

năng mà người ta lựa chọn số bậc tự do cho tay máy Robot thích hợp

3.3 Vùng làm việc của robot

Vùng làm việc của Robot là toàn bộ vùng thể tích mà điểm tác động cuối có

thể thao tác được khi Robot có thực hiện tất cả các chuyển động có thể Thể tích

và hình dáng của vùng làm việc phụ thuộc vào kết cấu của tay máy và miền giá trị

của các biến khớp Nghiên cứu vùng làm việc của Robot giúp cho nhà thiết kế biết

được các giới hạn, đường biên của vùng không gian làm việc để bố trí một cách

hợp lý vị trí của tay máy hoặc Robot với các thiết bị phối hợp thao tác khác trong

toán động học thuận và bài toán động học ngược Hai bài toàn này có quan hệ chặtchẽ với nhau

Bài toán động học thuận: Việc giải bài toán động học nhằm tìm ra phương trình động học của tay máy dựa trên những thông số đã biết Với bài toán động học thuận người ta biết trước được cơ cấu tay máy (biết trước số khâu, số khớp, loại khớp, kích thước các khâu) cho trước vị trí (quy luật chuyển động) của khâu thành viên trong tọa độ khớp (tọa độ suy rộng) Ta cần xác định vị trí (quy luật chuyển động) và hướng của khâu tác động cuối trong hệ tọa độ cơ sở Bài toán động học thuận thường được dùng để kiểm chứng hoặc kiểm nghiệm lại việc thiết

kế Robot có đúng theo yêu cầu đặt ra không, điều đó được thể hiện ở quỹ đạo di chuyển cũng như tầm hoạt động của khâu tác động cuối tay máy Bài toán động học thuận có nội dung gần giống như bài toán phân tích động học cơ cấu nên người ta thường gọi “Bài toán phân tích động học”

Bài toán động học ngược: Ngược lại với nội dung của bài toán thuận, bài toán động học ngược cho trước vị trí và định hướng của điểm tác động cuối mong muốn dưới dạng một quy luật chuyển động nào đó trong không gian Vấn đề là tìmtập hợp các chuyển vị, vận tốc, gia tốc của các biến khớp tương ứng đó để điểm tác động đạt vị thế mong muốn với các đặc tính chuyển động theo yêu cầu Trong thực tế, bài toán động học ngược gần giống như bài toán tổng hợp động học cơ cấunghĩa là bài toán chỉ cho trước yêu cầu hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối

ta phải xác định cơ cấu tay máy và quy luật chuyển động của các khâu thành viên nên người ta thường gọi với tên gọi khác là “Bài toán tổng hợp” Giải bài toán động học ngược nhằm mục đích phục vụ bài toán điều khiển quỹ đạo, điều khiển tối ưu…

Với bài toán động học thuận, trong mọi trường hợp ta xác định được một nghiệm duy nhất, nghĩa là với mỗi tập giá trị biến khớp qi cho trước ta chỉ xác định được duy nhất một tập nghiệm mô tả vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối