Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế robot dạng scara 4 bậc tự do.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 03 PHẦN I : PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC 04 1. Nội dung yêu cầu 2. Phân tích và lựa chọn cấu trúc 3. Xây dựng cấu trúc robot 05 3.1. Mô hình cơ học Robot 3.2. Bậc tự do của Robot 3.3. Tọa độ khớp, không gian khớp 06 3.4. Thiết lập hệ phương trình động học 3.4.1. Thiết lập ma trận trang thái khâu thao tác 3.4.2. Thiết lập ma trận trận trạng thái theo cấu trúc động học 07 3.4.3. Phương trình động học robot 08 3.4.4. Hệ phương trình động học PHẦN II : GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC 10 1. Đặt các hệ trục tọa độ và lập bảng thông số D-H 2. Tính vận tốc điểm tác động cuối ,vận tốc góc khâu thao tác 12 3. Xây dựng quy luật chuyển động của các khâu 13 4. Qũy đạo điểm tác động cuối 15 5. Bài toán động học ngược 17 PHẦN III : TÍNH TOÁN LỰC 20 PHẦN IV : ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 24 PHẦN V : THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT 30 Trang 1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 5.1. Thiết kế một hệ dẫn động cho Robot 5.2. Tính chọn động cơ 36 5.3. Tính chọn hộp giảm tốc 39 PHẦN VI : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 40 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 Trang 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng trong các lĩnh vực cơ khí, điện tử, tin học thì sự tích hợp của ba lĩnh vực đó là cơ điện tử cũng phát triển và được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong quá trình hiện đại hóa và công nghiệp hóa đất nước. Sản phẩm đặc trưng của cơ điện tử là ROBOT và CNC. Trong khuôn khổ nội dung môn học tính toán thiết kế robot em được nghiên cứu một trong hai sản phẩm đặc trưng của cơ điện tử đó là robot, cụ thể ở đây là robot bốn bậc tự do RRTR.Khả năng làm việc của robot thì có rất nhiều ưu điểm: Chất lượng và độ chính xác cao, hiệu quả và kinh tế cao, làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được, trong các công việc mà đòi hỏi phải cẩn thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần có thợ tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng suốt ngày thì robot có khả năng thay thế hoàn toàn … Qua môn học giúp em bước đầu làm quen với việc tính toán robot: Về cấu trúc động học của robot, cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế, lập trình mô phỏng hoạt động của robot. Trong quá trình học môn tính toán thiết kế robot chúng em còn nhiều thiết sót, mong các thầy cô chỉ bảo thêm cho em . Em chân thành cảm ơn! Trang 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 PHẦN I : PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC 1. Nội dung yêu cầu Thiết kế robot vận chuyển: Vật nặng 5 kg Không gian làm việc 30cm x 30cm x 30cm Hướng kẹp vật tùy ý 2. Phân tích và lựa chọn cấu trúc Số bậc tự do cần thiết là 3 Chọn thiết kế robot scara 4 bậc tự do: 3 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến Mô hình tổng thể của robot scara Hình 1: Tổng thể robot Trang 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 3. Xây dựng cấu trúc robot 3.1. Mô hình cơ học Robot Hình 2: Mô hình cơ học 3.2. Bậc tự do của Robot Robot RTR là một dạng tay máy có cấu trúc cơ học là một hệ nhiều vật được gọi là các khâu kết nối với nhau bởi các khớp. Tính bậc tự do của Robot: f = λ(n – k) + k i i=1 f ∑ +f c – f p Trang 5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 f – bậc tự do của cơ cấu tay máy. λ – số bậc tự do của không gian trong đó tay máy thực hiện chuyển động n – số khâu chuyển động của tay máy. k – số khớp của tay máy. f i – số bậc tự do chuyển động cho phép của khớp i. f c – số ràng buộc trùng . f p – số bậc tự do thừa. Ta có : λ = 6, n = 4, k = 4, k i i=1 f ∑ = 4, f c = f p = 0 ⇒ f = 6(4 – 4) + 4 +0 – 0 = 4 3.3. Tọa độ khớp, không gian khớp Các tọa độ suy rộng biểu diễn chuyển động tương đối giữa các khâu của robot gọi là các tạo độ khớp: q 1 = θ 1 , q 2 = θ 2 , q 3 = d 3 , q 4 =θ 4 Không gian xác định các tọa độ khớp được gọi là không gian khớp. 3.4. Thiết lập hệ phương trình động học 3.4.1. Thiết lập ma trận trang thái khâu thao tác Sử dụng các góc Cardan xác định hướng vật rắn,ta đưa ra vector tọa độ định vị khâu cuối. p E = [ x E y E z E αβη ] T 3 thành phần đầu mô tả vị trí điểm tác động cuối, 3 thành cuối mô tả hướng của khâu thao tác đối với hệ cố định. Khi đó trạng thái khâu thao tác được biểu diễn bởi ma trận D-H : Trang 6 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 0 A n = 0 A E = 0 0 n n T R r 0 1 Trong đó, các ma trận : 0 r E = E E E y x z T 0 R E = 11 12 12 21 22 23 31 32 33 (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) c c c c c c c c c Các tọa độ thao tác đều là hàm của thời gian : x E (t), y E (t), z E (t), α(t), β(t), η(t) Có thể biểu diễn : 0 r E = E E E (t) (t) (t) y x z T 0 R E = 11 12 13 21 22 23 31 32 33 (t) (t) (t) (t) (t) (t) (t) (t) (t) c c c c c c c c c Do đó ta có : 0 A n (t) = E 11 12 13 21 22 23 E E 31 23 33 (t) (t) (t) (t) (t) (t) (t) (t) (t) (t) (t) (t) 0 0 0 1 c c c x c c c c c c y z 3.4.2. Thiết lập ma trận trận trạng thái theo cấu trúc động học Ma trận biến đổi tạo độ thuần nhất Denavit – Hartenberg Trang 7 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 i-1 A i = i i i i i i i i i i i i i i i i i θ α θ Sα θ a θ Sθ α θ -Sα θ a S C -C S S C C C C 0 S d 0 0 θ α Cα 0 1 Ma trận biến đỏi tọa độ thuần nhất 0 A n biểu diễn trạng thái khâu thao tác 0 A n = 0 A 1. 1 A 2. 2 A 3 …. n-1 A n 0 A n (q) = 0 A 1 (q 1 ). 0 A 2 (q 2 ). 0 A 3 (q 3 ) …. n-1 A n (q n ) 0 A n (q) = 0 0 n n T (q) (q r )R 0 1 0 R E = 11 12 13 21 22 23 31 32 33 (q) (q) (q) (q) (q) (q) (q) (q) (q) c c c c c c c c c 0 r E = E E E (q) (q) (q) y x z T q = 1 2 n . q q q T trong đó : q i = i i θ d là các khớp quay và khớp trượt 0 A n (q) = E 11 12 13 21 22 23 E E 31 23 33 (q) (q) (q) (t) (q) (q) (q) (t) (q) (q) (q) (t) 0 0 0 1 c c c x c c c c c c y z 3.4.3. Phương trình động học robot Phương trình động học robot dạng ma trận : Trang 8 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 0 A n (q) = 0 A n (t) Các phần tử của ma trận là hàm của các tọa độ khớp và tọa độ thao tác : E 11 12 13 21 22 23 E E 31 23 33 (q) (q) (q) (q) (q) (t) (t) (q) (q) (q) (q) (q) 0 0 0 1 c c c x c c c c c c y z = E 11 12 13 21 22 23 E E 31 32 33 (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) 0 0 0 1 c c c x y c c c c c c z 3.4.4. Hệ phương trình động học Từ (1.13) nhận được điểm tác động cuối : x E = x(q) y E = y(q) z E = z(q) Hướng của khâu thao tác được xác định bằng cách so sánh 2 ma trận quay: 11 12 13 21 22 23 31 32 33 (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) (α,β,η) c c c c c c c c c = 11 12 13 21 22 23 31 32 33 (q) (q) (q) (q) (t) (q) (q) (q) (q) c c c c c c c c c Sử dụng vector các tọa độ suy rộng : X = 1 2 . E E n E q q q y x z α β η T Từ (1.14) và (1.15) thành lập hệ phương trình đại số phi tuyến gồm các phương trình độc lập tuyến tính : Trang 9 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 ( ) ( ) ( ) 1 E 2 E 3 E 4 11 11 5 22 22 6 f = x – x q = 0 f = y – y q = 0 f = z – z q = 0 f = cα,β,η – c = ( ) (q) ( ) (q) 0 f = cα,β,η – c = 0 f = 33 33 ( ) (q) cα,β,η – c = 0 Ta có thể viết gọn lại : f(x) = 0 PHẦN II : GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC 1. Đặt các hệ trục tọa độ và lập bảng thông số D-H Trang 10 . LỰC HỌC CỦA ROBOT 24 PHẦN V : THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT 30 Trang 1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Mã đề : 4281_6 5.1. Thiết kế một hệ dẫn động cho Robot 5.2 thể ở đây là robot bốn bậc tự do RRTR.Khả năng làm việc của robot thì có rất nhiều ưu điểm: Chất lượng và độ chính xác cao, hiệu quả và kinh tế cao, làm việc
