Trang 1 TRƢỜNG ĐẠI H C BÁCH KHOA HÀ N IỌỘLUẬN VĂN THẠC SĨ Tính toán thiết kế chế tạo và phân tích động lực học ngƣợc Robot song song phẳng 3RRRTRẦN MINH TÚNGÀNH: Kỹ thuật Cơ điện tử Giản
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Tính tốn thiết kế chế tạo phân tích động lực học ngƣợc Robot song song phẳng 3RRR TRẦN MINH TÚ NGÀNH: Kỹ thuật Cơ điện tử Giảng viên hƣớng dẫn: GS.TSKH Nguyễn Văn Khang Viện: Cơ khí HÀ NỘI, 2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132031531000000 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Tính tốn thiết kế chế tạo phân tích động lực học ngƣợc Robot song song phẳng 3RRR TRẦN MINH TÚ NGÀNH: Kỹ thuật Cơ điện tử Giảng viên hƣớng dẫn: GS.TSKH Nguyễn Văn Khang Viện: Cơ khí HÀ NỘI, 2020 Chữ ký GVHD LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy hướng dẫn tơi hồn thành luận văn này: GS.TSKH Nguyễn Văn Khang Thầy tận tình bảo động viên tơi gặp khó khăn suốt q trình làm luận văn Xin cảm ơn cán bộ, giảng viên nhà trường, gia đình bạn bè, người ln bên cạnh động viên giúp đỡ tơi lúc khó khăn nguồn lực để tơi cố gắng hồn thiện luận văn Hà Nội, ngày tháng Học viên Trần Minh Tú năm 2020 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG PHẲNG 3RRR 1.1 Tổng quan Robot song song phẳng 1.1.1 Sơ lược trình phát triển robot 1.1.2 Khái niệm robot 1.1.3 Phân loại Robot 1.2 Các thiết bị, linh kiện điện, điện tử sử dụng cho robot 3RRR 12 1.2.1 Động Hybrid 12 1.2.2 Absolute Encoder 14 1.2.3 Bộ vi điều khiển 15 1.2.4 Mạch kết nối 17 1.3 Tính tốn thiết kế khí 19 1.3.1 Thiết kế khâu l i1 21 1.3.2 Thiết kế khâu l i2 24 1.3.3 Thiết kế bàn máy động 28 1.3.4 Thiết kế chi tiết khác 30 1.4 Kết thiết kế khâu: 32 CHƯƠNG : TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC NGƯỢC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC ROBOT SONG PHẲNG 3RRR 34 2.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot song phẳng 3RRR 34 2.1.1 Chọn tọa độ suy rộng 34 2.1.2 Thiết lập phương trình liên kết 35 2.1.3 Sử dụng phương pháp tách cấu trúc thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot 38 2.1.4 Kết luận 53 2.2 Bài toán động học ngược 56 2.2.1 Bài toán 56 2.2.2 Phương pháp giải 57 i 2.2.3 Mô số toán động học ngược sử dụng Matlab 62 2.3 Bài toán động lực học ngược 68 2.3.1 Phương pháp giải .68 2.3.2 Mơ số tốn động lực học ngược sử dụng Matlab 72 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bản vẽ đăng kí sáng chế cánh tay robot Willard V.Pollard Hình 1.2 Robot Elektro Sparko Hình 1.3 Cánh tay máy đôi của Goertz Hình 1.4 Robot chân hãng RS Mosher hãng General Electric Hình 1.5 Robot Shakey-Robot nhận dạng đối tượng camera Hình 1.6 Tay Robot tàu thám hiểm Viking Hình 1.7 Robot lập trình George Dovol thiết kế Hình 1.8 Kết cấu Robot Hình 1.9 Ví dụ robot dạng chuỗi (Cánh tay robot, SCARA giàn thao tác)10 Hình 1.10 Ví dụ robot song song (3RRR, robot Delta, robot Stewart-Gough)10 Hình 1.11 Các cấu hình robot song song phẳng 11 Hình 1.12 Robot NaVaRo 12 Hình 1.13 Cấu hình sơ robot song song phẳng 3-RRR 12 Hình 1.14 Hình ảnh động Hybrid Servo 57HSE3N driver HBS57 13 Hình 1.15 Đường đặc tính moment xoắn – tốc độ động 13 Hình 1.16 Đường đặc tính động chạy chế độ không phản hồi có phản hồi 14 Hình 1.17 Hình ảnh Absolute Encoder Autonic EP50S-8-1024-3-R-P-24 15 Hình 1.18 Biểu đồ xung tín hiệu 10-bit Graycode 15 Hình 1.19 Hình ảnh chức chân KIT STM32F4 16 Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý khối kết nối Encoder vi xử lý 18 Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý khối kết nối Encoder Driver 18 Hình 1.22 Thang điểm đo chuyển vị theo độ dày xương cá 20 Hình 1.23 Thiết kế khâu l i1 dạng 3D 21 Hình 1.24 Thiết kế chi tiết khâu l i,1 21 Hình 1.25 Mơ chuyển vị nhận chịu khối lượng cộng dồn khâu duổi thẳng tác động lên khâu l i,1 22 Hình 1.26 Mô chuyển vị chịu moment cực đại khâu vị trí nằm vng góc 90 o tác động lên khâu l i,1 22 Hình 1.27 Mơ phân phối ứng suất vị trí khâu duối thẳng tác động lên khâu l i,1 23 Hình 1.28 Mơ phân phối ứng suất chịu moment cực đại khâu vị trí nằm vng góc 90o tác động lên khâu l i 23 Hình 1.29 Mơ phân phối hệ số an tồn khâu l i,1 24 iii Hình 1.30 Thiết kế khâu l i2 dạng 3D 24 Hình 1.31 Thiết kế chi tiết khâu l i,2 25 Hình 1.32 Mơ chuyển vị nhận chịu khối lượng cộng dồn khâu duổi thẳng tác động lên khâu li,2 25 Hình 1.33 Mơ chuyển vị chịu moment cực đại khâu vị trí nằm vng góc 90 o tác động lên khâu l i,2 26 Hình 1.34 Mơ phân phối ứng suất vị trí khâu duối thẳng tác động lên khâu l i,2 26 Hình 1.35 Mô phân phối ứng suất chịu moment cực đại khâu vị trí nằm vng góc 90o tác động lên khâu l i2 27 Hình 1.36 Mơ hệ số an toàn khâu l i,2 27 Hình 1.37 Hình ảnh bàn máy động dạng 3D 28 Hình 1.38 Thiết kế chi tiết bàn máy động 28 Hình 1.39 Mô chuyển vị trường hợp gá khâu làm việc có trọng lượng 1kg 29 Hình 1.40 Mô ứng suất trường hợp gá khâu làm việc có trọng lượng 1kg .29 Hình 1.41 Mơ hệ số an tồn trường hợp gá khâu làm việc có trọng lượng 1kg 30 Hình 1.42 Thiết kế chi tiết vị trí gắn động absolute encoder 31 Hình 1.43 Thiết kế tổng thể mặt bích 31 Hình 1.44 Thiết kế chi tiết liên kết khâu 31 Hình 1.45 Hình ảnh kết thiết kế robot render phần mềm 33 Hình 1.46 Hình ảnh robot thực tế 33 Hình 2.1 Robot song phẳng 3RRR .34 Hình 2.2 vị trí góc + 30o 35 34T Hình 2.3 Vị trí góc 30o 36 34T Hình 2.4 Vị trí góc 90o 37 34T Hình 2.5 Cấu trúc hân thứ .38 Hình 2.6 Cấu trúc chân thứ 38 Hình 2.7 Cấu trúc chân thứ 39 Hình 2.8 Cấu trúc bàn máy động 39 Hình 2.9 Cấu trúc chân thứ 40 Hình 2.10 Cấu trúc chân thứ 44 Hình 2.11 Cấu trúc chân thứ 48 Hình 2.12 Cấu trúc bàn máy động 53 Hình 2.13 Vị trí ban đầu robot theo số liệu Hannover 59 iv Hình 2.14 Vị trí ban đầu robot theo số liệu chế tạo 59 Hình 2.15 Đồ thị θ1 , θ1 , θ1 62 Hình 2.16 Đồ thị ψ1 ,ψ1 ,ψ1 63 Hình 2.17 Đồ thị θ2 ,θ2 ,θ2 63 Hình 2.18 Đồ thị ψ , ψ , ψ2 64 Hình 2.19 Đồ thị θ3 ,θ3 ,θ3 64 Hình 2.20 Đồ thị ψ ,ψ ,ψ3 65 Hình 2.21 Đồ thị θ1 , θ1 , θ1 65 Hình 2.22 Đồ thị ψ1 ,ψ1 ,ψ1 66 Hình 2.23 Đồ thị θ2 , θ2 , θ2 66 Hình 2.24 Đồ thị ψ , ψ , ψ2 67 Hình 2.25 Đồ thị θ3 ,θ3 ,θ3 67 Hình 2.26 Đồ thị ψ ,ψ ,ψ3 68 Hình 2.27 Phản lực liên kết B 72 Hình 2.28 Phản lực liên kết B 72 Hình 2.29 Phản lực liên kết B 73 Hình 2.30 Đồ thị mơmen động 73 Hình 2.31 Đồ thị công suất động 74 Hình 2.32 Phản lực liên kết B 74 Hình 2.33 Phản lực liên kết B 75 Hình 2.34 Phản lực liên kết B 75 Hình 2.35 Đồ thị mơmen động 76 Hình 2.36 Đồ thị cơng suất động 76 v LỜI NĨI ĐẦU Robot song song robot có cấu trúc vịng kín khâu nối với khớp động Trong robot song song, khâu thao tác nối với giá cố định số mạch động học, tức nối song song với hoạt động song song với Robot song song có nhiều ưu điểm khả chịu tải trọng lớn, độ cứng vững cao kết cấu hình học chúng, thực thao tác phức tạp hoạt động với độ xác cao Vì ưu điểm đó, robot song song ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp đặc biệt lĩnh vực khí - tự động hóa [1, 2] Mục tiêu đề tài chế tạo robot song song phẳng 3RRR nhỏ gọn quay tồn vịng phục vụ cơng tác nghiên cứu giảng dạy chuyên sâu robot song song phẳng Việc thực mô số theo số liệu thiết kế cho thấy phù hợp phương pháp tính tốn động học động học ngược robot song song phẳng Đề tài gồm chương Chương I trình bày sơ lược robot nói chung robot song song nói riêng, ý tưởng thiết kế phương pháp số liệu thiết kế robot song song phẳng 3RRR Chương II trình bày việc thiết lập hệ phương trình vi phân - đại số robot song phẳng 3RRR, tính tốn mơ số giải toán động lực học ngược sử dụng phần mềm MATLAB theo số liệu robot chế tạo số liệu tham khảo Hannover Trong trình hồn thành đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến tham gia, góp ý để đề tài hoàn thiện