Phân công thực hiện đề tài và tự đánh giá xếp loại của nhómNhóm: 07 Chương - Thiết kế quỹ đạo chuyển động - Thiết kế dẫn độngRobot chọn cấu trúc - Thiết kế hệ thống điều khiển Thắng - Th
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
***************
BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ ROBOT
Giảng viên hướng dẫn: PGS Phan Bùi Khôi
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Văn Chương 20170665 CK.CĐT.06 – K62 Đặng Bảo Kiên 20170795 CK.CĐT.06 – K62 Đào Trọng Thắng 20170901 CK.CĐT.06 – K62
Hà Nội, tháng 6 năm 2021
Trang 3Phân công thực hiện đề tài và tự đánh giá xếp loại của nhóm
Nhóm: 07
Chương - Thiết kế quỹ đạo chuyển động
- Thiết kế dẫn độngRobot
chọn cấu trúc
- Thiết kế hệ thống điều khiển
Thắng - Thiết kế 3D mô hình robot
- Phân tích trạng thái (tĩnh) yêu cầu lực momen lớn nhất
- Tính toán động lực học
Trang 4Mục Lục
Lời mở đầu 3
CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC 4
1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot 4
1.2 Một số yêu cầu kĩ thuật thao tác 6
1.3 Xác định các đặc trưng kĩ thuật 7
1.4Các phương án cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện
7 1.5 Thông số kĩ thuật 13
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH 14
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 17
3.1 Khảo sát động học thuận, ngược 18
a động học thuận 18
b Động học ngược (Inverse Kinematics) 24
3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot 24
CHƯƠNG 4 TĨNH HỌC 30
4.1 Bài toán 30
4.2 Phương trình khảo sát 30
4.3 Tính toán cụ thể 31
CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 34
5.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 34
5.2 Động lực học ngược 39
CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT 42
6.1 Thiết kế cơ cấu động học 42
6.2.Tính toán lựa chọn trục vít me bi 42
6.2.1 Vít me – đai ốc bi 42
6.2.2.Thông số đầu vào: 43
6.2.3 Tính toán lực dọc trục 44
6.2.4 Tính toán tốc độ vòng trung bình của động cơ 46
6.2.5 Chế độ làm việc của máy với các trục 47
6.2.6 Tính toán tải trọng động C a 47
6.2.7 Chọn bán kính trục vít 48
6.2.8 Chọn vít me bi 49
Trang 56.3.Tính toán lựa chọn ổ bi 52
6.3.1.Kiểm nghiệm độ bền với trục Z0 58
6.3.2 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z1 60
6.3.3 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z2 61
6.4 Tính chọn động cơ 62
6.4.1 Thông số kỹ thuật 62
6.4.2.Tính chọn động cơ 62
6.5 Tính chọn ray dẫn hướng 65
6.5.1.Ray dẫn hướng (linear guide) 65
CHƯƠNG 7 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 74
7.1 Chọn luật điều khiển 74
7.2 Mô phỏng bằng Matlab 75
Tài liệu tham khảo 87
Trang 6Lời mở đầu
Robot là một ngành kỹ thuật bao gồm thiết kế, chế tạo, vận hành, và ứng dụng robot, cũng như các hệ thống máy tính để điều khiển, phản hồi tín hiệu cảm biến, và xử lý thông tin của chúng Nhữn công nghệ này liên hệ với các máy móc tựđộng dùng để thay thế con người trong những môi trường độc hại hoặc trong các quá trình sản xuất
Robot công nghiệp là lĩnh vực được nghiên cứu và phát triển mạnh trên thếgiới nhưng ở nước ta, lĩnh vực này còn mới mẻ Ngày nay trong quá trình sản xuấthiện đại, hầu hết các quy trình được thực hiện bằng máy chuyên dùng Các phươngpháp này đã làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất các sản phẩm công nghiệp phù hợp với
đa số người tiêu dùng
Đặc biệt trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa, có thể nói rằng Robotmang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, một cách trải nghiệm cuộcsống và đôi khi còn là người bạn Những hãng Robot từ các nước nổi tiếng trên thếgiới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày một khẳng định sự hiện diện của Robot làphần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phía trước Nó xuấthiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày một đa dạng
Trong khuôn khổ môn học Thiết kế Robot với đề tài thiết kế mô hình Robot
ứng dụng trong lắp ráp trên dây chuyền tự động, nhóm tin tưởng rằng với những
kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệmquan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tínhtoán và thiết kế các loại Robot công nghiệp
Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới PGS Phan Bùi Khôi vì đã luôn tận tình giúp đỡ
và hướng dẫn chúng em trong quá trình trao đổi ở các buổi học Những góp ý, sửachữa của thầy sẽ phần nào giúp nhóm tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nềncông nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị của nhóm hoặc cũng cóthể kiến thức nhóm mang đến trong bài tiểu luận này con sai sót và chưa đúng.Nhóm rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa đó, chúng em chân thành cảm ơn vàchúc Thầy sức khoẻ!
Chúng em xin chân thành cảm ơn
Hà Nội, tháng 6 năm 2021
Trang 7Theo Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất:
Robot công nghiệp là tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thểlập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhautrong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, sản phẩm, dụng cụhoặc các thiết bị chuyên dùng khác
Theo định nghĩa của GHOST 25686-85 như sau:
Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, bao gồm cơ cấu chấphành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và hệ thống điều khiển theochương trình, có thể lập trình linh hoạt để thực hiện các thao tác trong quá trình sảnxuất
Vậy ta có thể định nghĩa tổng quát như sau:
Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, được tích hợp từnhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm:
- Cơ cấu chấp hành
- Hệ thống dẫn động
- Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt
- Hệ thống thông tin giám sát
Nhờ vậy robot công nghiệp có khả năng thao tác tự động linh hoạt, bắt chướcđược các chức năng lao động công nghiệp của con người
Trang 8Ứng dụng của Robot công nghiệp
Trên thế giới:
Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong cácquá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyềncông nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranhcủa sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần cónhững khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản vàlinh hoạt
Có thể kể đến một số ứng dụng điển hình của robot trên thế giới như:
Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB 660 FlexPalletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker Các robot này có thể gắp lầnlượt các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và đặt nó vào thùng gồm 20 hộp một cáchchính xác
Robot dùng trong công nghệ ép phun nhựa: IRB 6650 của hãng ABB có thểthao tác nhanh, dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở vị trí tách khuôn, giám sát,làm sạch, điều khiển chất lượng dựa trên camera
Tại Việt Nam:
Nước ta 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 Dướiđây là một số nghành trong hệ thống sản xuất mà áp dụng robot công nghiệp
Công nghiệp đúc: robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắtmép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát
Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồmnhiều công việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làm việc khá nặng nề, dễ gâymệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập
Trong những năm gần đây thì việc áp dụng các loại robot vào dây chuyền sảnxuất ngày càng phổ biến Ví dụ như các loại robot hàn, robot phun sơn, hay cácrobot lắp ráp Nhiều công việc đòi hỏi độ chính xác cao vì vậy robot được sử dụngmột cách phổ biến Trong các môi trường công việc độc hại, người ta sử dụng robot
để thay cho con người
Ứng dụng của đề tài là thiết kế mô hình robot lắp cánh quạt trong hệ thống lắpráp cánh quạt tự động nhằm mục đích robot dùng để lắp cánh quạt và đặt vào vị tríkhuôn đã được xác định sẵn để tiến hành lắp ráp thành quạt hoàn chỉnh đồng thờithay thế cho sức người Việc ứng dụng robot vào các công việc cần độ chi tiết cao,chính xác cũng như tốc độ làm việc nhanh, liên tục, kéo dài,hạn chế tối đa sự xuất
Trang 9hiện của những lỗi kĩ thuật,hiệu quả công việc cũng được tăng lên Từ đó, làm giảmchi phí, giảm thiểu sức lao động của con người.
Hình 1 Một số loại quạt tản nhiệt
1.2 Một số yêu cầu kĩ thuật thao tác
• Đối tượng thao tác, dạng thao tác
Cánh quạt tản nhiệt
• Yêu cầu vị trí
Cánh quạt được giữ cố định trên khuôn
• Yêu cầu về hướng khâu thao tác
Để lắp cánh quạt được chính xác và hiệu quả thì khâu thao tác có hướng đầu gắp luôn luôn vuông góc với bề mặt thao tác
• Yêu cầu về không gian thao tác
Robot lắp cánh quạt có mặt phẳng ngang với hướng gắp tùy ý trong không gian làm việc 1.5x1.5x1m
Trang 101.3 Xác định các đặc trưng kĩ thuật
Tính toán thiết kế Robot lắp cánh quạt trong không gian làm việc 1.5x1.5x1m
Do Robot làm việc trong không gian 3 chiều nên số bậc tự do tối thiểu là 3: 2 bậc tự do để xác định tọa độ điểm trong mặt phẳng,1 bậc tụ do để xác định chiều cao trong không gian
Với kết cấu 4,5,6 bậc tự do việc tính toán trở lên phức tạp, giá thành cao, tính khả thi nhỏ hơn so với kết cấu 3 bậc tự do => chọn kết cấu 3 bậc tự do
1.4Các phương án cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọnphương án thực hiện
Lựa chọn cơ cấu robot
Cơ cấu T-T-T
ưu điểm: kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, tận dụng được tối đa khônggian làm việc của robot, tính liên tục cao, đảm bảo tốt độ chính xác khithao tác, thích hợp thao tác với mặt phẳng nằm ngang
nhược điểm: robot chiếm diện tích lớn
Hình 2 Cánh quạt tản nhiệt (đối tượng thao tác)
Trang 11Hình 3 Robot 3 bậc tự do T-T-T
Cơ cấu T-T-R
ưu điểm: kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, tận dụng được tối đa khônggian làm việc của robot, thích hợp thao tác với đối tượng trên mặt cong.nhược điểm: robot chiếm diện tích lớn
Hình 4 Robot 3 bậc tự do T-T-R
Trang 12 Cơ cấu R-R-R
ưu điểm: robot chiếm diện tích nhỏ, tính linh hoạt cao
nhược điểm: sai số tích lũy lớn, không tận dụng tối đa không gian làm việc của robot, không đảm bảo tính liên tục khi làm việc, độ cứng vững cần phải đảm bảo, điều khiển từng khớp khó hơn
Trang 13Hình 6 Robot 3 bậc tự do T-R-R
Nhận thấy cơ cấu T-T-T có kết cấu đơn giản , linh hoạt trong không gian
3 chiều , đảm bảo an toàn về hướng và vị trí khâu thao tác qua đó đảm bảo yêu cầu kĩ thuật
Lựa chọn cơ cấu T-T-T và sử dụng đầu hút để có thể lắp ghép quạt tản nhiệt
Lựa chọn cơ cấu tay ghắp
Tay gắp chân không
Ưu điểm: có khả năng xử lý được nhiều vật phẩm khác nhau,chi phí lắp đặt khá rẻ so với những loại tay gắp khác
Nhược điểm: chi phí điện để vận hành máy bơm chân không cao
Trang 15Nhược điểm: phù hợp ứng dụng nặng, chi phí bảo dưỡng cao
Trang 16Sau khi xem xét các ưu ( nhược ) điểm của các loại tay gắp, nhóm đã thống nhấtchọn tay gắp chân không.
Trang 17CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH
Mô hình 3D của cánh quạt
Mô hình 3D của khuôn đựng cánh quạt
Trang 18Mô hình 3D của sản phầm sau khi hoàn tất quá trình lắp gép
Trang 19Mô hình 3D của băng chuyền
Trang 20CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
Trang 213.1 Khảo sát động học thuận, ngược
a động học thuận
Theo quy tắc Denavit-Hartenberg ta đã xây dựng được các hệ tọa độ và bảng tham
số DH Tiếp theo, tiến hành thiết lập các ma trận chuyển DH
Trang 22Như ta đã biết: 0 A n = Đối chiếu các thành phần của 0A3
Ta có: Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác
Trang 25Quỹ đạo x E
Trang 27b Động học ngược (Inverse Kinematics)
Nhiệm vụ của bài toán động học ngược là tìm các biến khớp với điều kiện tọa độ vàhướng khâu thao tác đã biết Cụ thể trong bài toán này, bài toán động học ngược
3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot
Trong trường hợp chuyển động liên tục trên đường dịch chuyển, kỹ thuật thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác hay được sử dụng
Đối với Robot này, ta chọn bài toán thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác sao cho quỹ đạo của điểm tác động cuối là chuỗi các đường thẳng với sự thay đổi theo từng trục với thứ ưu tiên khi tiến là X,Y,Z Khi robot có xu hướng lùi,robot thì thứ tự ưu tiên sẽ ngược lại Với thao tác có cả tiến và lùi trục thì ưu tiên các trục có
xu hướng lùi
x
y z
O
Trang 29Từ đó suy ra được phương trình:
Quỹ đạo của điểm tác động cuối theo đường thẳng từ O đến A trong te=2s
Trang 30Đồ thị biểu diễn tọa độ trục x,vận tốc ,gia tốc theo thời gian t
Trang 31plot(t1, s1, 'r-', 'LineWidth', 2); hold on;
plot(t1, v1, 'g-', 'LineWidth', 2);hold on;
plot(t1, a1, 'b-', 'LineWidth', 2);hold on;
plot(t2, s2, 'r-', 'LineWidth', 2); hold on;
plot(t2, v2, 'g-', 'LineWidth', 2); hold on;
plot(t2, a2, 'b-', 'LineWidth', 2);
Trang 32Đồ thị biểu diễn tọa độ ,vận tốc ,gia tốc trục y theo thời gian t
Đồ thị biểu diễn tọa độ ,vận tốc ,gia tốc trục y theo thời gian t
Trang 33CHƯƠNG 4 TĨNH HỌC
4.1 Bài toán
Bài toán tĩnh học Robot có nội dung như sau: Cho lực tác dụng vào
khâu thao tác tại điểm E gồm vector lực F, và momen M
Ta sẽ tách từng khâu, xem xét các lực và momen tác dụng lên khâu đó,
thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học
Hình 3.1 Lực và momen tác dụng lên khâu I
Từ điều kiện cân bằng tĩnh học của khâu i, Ta viết được hệ phương trình cân bằng lực khâu i trong hệ tọa độ cơ sở như sau:
Trang 35Coi các khâu là thanh đồng chất, tiết diện ngang không đánh kể , khối lượng các
khâu lần lượt là Do khối lượng của ống nghiệm rất nhỏ so với Robot nên
bỏ qua Độ dài các khâu lần lượt là a1, a2, a3
Trang 37r c 22
0 = R0 11r01 =[a1
2 0
m 1. m 2, m 3 là khối lượng các khâu
lCi là khoảng cách từ khối tâm đến gốc tọa độ của khâu i
I ix là moment quán tính của khâu thứ i đối với trục Ox của chính khâu đó
I iy là moment quán tính của khâu thứ i đối với trục Oy của chính khâu đó
I iz là moment quán tính của khâu thứ i đối với trục Oz của chính khâu đó.
Trang 385.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot
Phương trình vi phân chuyển động của robot có dạng:
M (q) ¨q +C (q, ˙q) ˙q+G (q) +Q=U
Trong đó:
M là ma trận khối lượng suy rộng
C là ma trận quá tính li tâm Coriolis
G là lực suy rộng lực có thế tác dụng vào robot
Q là lực suy rộng đặc trưng cho các ngoại lực không thế tác dụng vào robot
U là lực suy rộng các lực và moment điều khiển
Ma trận khối lượng suy rộng M được tính theo công thức:
M (q)=∑
i=0 n
(m i J Ti T J Ti +J T Ri I i J Ri)
Trong đó:
n là số khâu của robot
m i là khối lượng của khâu thứ i
J Ti và J Ti T lần lượt là ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu thứ i và chuyển vịcủa nó
J Ri và J T Ri lần lượt là ma trận Jacobi quay tương đối của khâu thứ i và chuyển vị của
Trang 400 00 00]J T 2=[0 0 0
0 −1 0 1
0 00 00]J T 3=[0 0 1
0 −1 0 1
0 00 00]
Ta có vân tôc góc các khâu:
ω1
1 =[0 0
0 00 00]J R 2=[0 0 0
0 0 0 0
0 00 00]J R 3=[0 0 0
0 0 0 0
0 00 00]
Các ma trận tenxo quán tính của các khâu:
Trang 42U1 là lực điều khiển khớp tịnh tiến q1
U2 là lực điều khiển khớp tịnh tiến q2
U3 là lực điều khiển khớp tịnh tiến q3
Trang 44Chọn 2 điểm A, B bất kì trong không gian làm việc, đồng nghĩa là biết được các thông số tọa độ (xE, yE, zE) tức là vị trí của khâu thao tác tại K và A biết, đồng thời cho biết hướng của khâu thao tác Nhiệm vụ là thiết kế quỹ đạo chuyển động bất kì
từ điểm K để đến điểm A
Theo bài toán động học ngược ta xác định được các biến khớp tại A và B Khi đó ta xây dựng được các tọa khớp là hàm thời gian t(5s) sao cho chúng chuyển động từ vịtrí A đến đúng vị trí B sau một khoảng thời gian mà ta quy định
Trong bài toán này ta khảo sát quỹ đạo Robot di chuyển từ điểm 2 đến điểm 3 theo quỹ đạo bậc 3 đáp ứng về mặt tốc độ trong không gian khớp
Trang 45CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT
6.1 Thiết kế cơ cấu động học
Hệ dẫn động cho robot bao gồm các bộ phận chính:
Bộ truyền vít me – đai ốc bi: truyển chuyển động cho các khâu
Trục dẫn hướng: dẫn hướng chuyển động cho các khâu
6.2.Tính toán lựa chọn trục vít me bi
6.2.1 Vít me – đai ốc bi
- Vít me – đai ốc bi: là một hệ thống chuyền động ,được gia công chính xác để biến
đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế bu lông – đai ốc Khu vực tiếp xúc giữa trục vít và đai ốc là một dải bi bằng thép để biến ma sát trượt thành ma sát lăn, qua đó giúp chuyền động một cách trơn tru và chính xác hơn, hoạt động liên tục bền bỉ trong thời gian dài
- Hoạt động: Khu vực tiếp xúc giữa vít me bi và đai óc có 1 đường rãnh (rãnh me )
được lấp đầy bởi những viên bi thép Khi trục vít xoay, những viên bi lăn tròn trong