đồ án hệ thống cơ điện tử

Bài toán động lực học4.1Xác định các tham số động lực học4.2Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot4.3Giải bài toán động lực học thuận và ngược *5.. Robot công nghiệp đã trở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢIKHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: Th.S Triệu Minh Thu

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Khắc Chiến

Lớp: 62CĐT2

Năm học 2023-2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Cơ khí

Bộ môn: Kỹ thuật cơ điện tử

Học kỳ: 1Giai đoạn: 1+2Năm học: 2023-2024

ĐỀ BÀI TIỂU LUẬN: ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Chữ ký sinh viên:

2

Tên đề tài TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT KHẮC CHỮ TRR:

Yêu cầu

 Dạng robot: TRR

 Quỹ đạo làm việc: Di chuyển trên đường trQn I+) Tọa độ I: (250,250, 0)

Nội dung thực hiện:

1 Phân tích lựa chọn cấu trúc1.1Số bậc tự do cần thiết

1.2Phân tích một số cấu trúc thỏa mãn và lựa chọn phương án thiết kế2 Bài toán động học

2.1Thiết lập phương trình quỹ đạo theo yêu cầu

2.2Tính toán vận tốc, vẽ quỹ đạo chuyển động điểm thao tác2.3Xác định quy luật chuyển động của các khâu

3 Thiết kế 3D

3.1Tạo bản vẽ lắp tổng thể của robot3.2Tạo bản vẽ chi tiết một số khâu của robot3.3Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của robot4 Bài toán động lực học

4.1Xác định các tham số động lực học

4.2Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot4.3Giải bài toán động lực học thuận và ngược (*)5 Thiết kế hệ thống dẫn động

LỜI CẢM ƠN

Lời cảm ơn này xin được gửi đến GV Triệu Minh Thu và thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử Em muốn bày tỏ lQng biết ơn sâu sắc với những đóng góp của thầy cô thông qua các bài giảng và hướng dẫn trong quá trình trao đổi trong lớp học

Em cảm kích những góp ý và sửa chữa từ phía thầy cô Điều này đã giúp em tự tin hơn trong cách tiếp cận với ngành công nghiệp hiện đại Dù em đã chuẩn bị vàtìm hiểu kiến thức cho bài tiểu luận này, việc sai sót và chưa chính xác là không tránh khỏi Mong rằng em sẽ nhận được sự bổ sung và sửa chữa từ thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn và chúc thầy cô sức khoẻ Bên cạnh đó, em hy vọng rằng thầy cô có thể viết những lời khuyên hay hơn để giúp Em nâng cao kỹ năng viết.

4

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, ngành khoa học kỹ thuật đang phát triển mạnh mẽ, tạo ra những thay đổi đáng kể trong quá trình sản xuất Đặc biệt là việc thay thế sức lao động bằng máy móc, nhằm tăng năng suất lao động, sản lượng và chất lượng sản phẩm Robot công nghiệp đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong việc thay thế sức lao động trong nhiều lĩnh vực sản xuất.

Robots có nhiều ưu điểm: chất lượng và độ chính xác cao, hiệu quả kinh tế, khả năng làm việc trong môi trường nguy hiểm, thực hiện các công việc cần sự cẩn thận và kỹ năng cao, cùng khả năng làm việc liên tục suốt cả ngày Chính vì vậy, robot mang đến cho con người cuộc sống mới, đồng thời là một người bạn đáng tin cậy

Các hãng robot từ các quốc gia nổi tiếng như Đức, Nhật Bản, Nga, Mỹ đã khẳng định sự hiện diện của robot là không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại và tương lai Robot đã tồn tại và phát triển trong nhiều lĩnh vực khoa học, từ những ứngdụng vĩ mô cho đến vi mô và ngày càng đa dạng

Trong đồ án hệ thống cơ điện tử, việc thiết kế một robot khắc chữ với kích thước quy định sẽ là một bước quan trọng trong việc phát triển ý tưởng và ứng dụng tính toán và thiết kế robot công nghiệp trong tương lai

Tổng kết lại, khoa học kỹ thuật đang phát triển mạnh mẽ và robot công nghiệpđóng vai trQ quan trọng trong sự thay đổi lực lượng sản xuất Mong rằng đồ án này sẽ đóng vai trQ quan trọng trong việc phát triển các ý tưởng và giải pháp tiên tiến hơn trong lĩnh vực robot công nghiệp.

MỤC LỤC

6

Chương 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc robot

1.1 Số bậc tự do cần thiết

- Đề bài yêu cầu tính toán thiết kế Robot khắc chữ đảm bảo thực hiện:khắc chữ trên đường trQn tâm I(250,250,0) với phương trình đề bài cho vàrobot thuộc dạng TRR

- Như vậy để tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận (việc vào/ ramặt phẳng làm việc) thì em yêu cầu thêm 1 bậc tự do nữa Nên Robot khắcchữ của em phải có ít nhất 3 bậc tự do cho mô hình thiết kế.

1.2 Một số mô hình robot TRR

- Mô hình robot TRR gắn bàn: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản

tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TRR) Khônggian làm việc của bàn tay trên mặt bàn làm việc.

Hình 1.1.1: Mô hình robot TRR gắn với bàn

- Mô hình robot TRR treo trần: Không gian làm việc của bàn tay ở mặt

bên phải và mặt dưới của trần

Hình 1.1.2: Mô hình robot TRR treo trần

- Mô hình robot TRR gắn tường: Không gian làm việc của bàn tay ở

mặt bên của tường.

Hình 1.1.3: Mô hình robot TRR gắn tường

8

1.3 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

- Một số phương án thiết kế:

+) Phương án 1: Robot TRR ngang 1 +) Phương án 2: Robot TTR gắn bàn

`

+) Phương án 3: Robot TRR ngang 2 +) Phương án 4: Robot TRR treo trần

+) Phương án 5: Robot TRR gắn tường

 Với kết cấu 4, 5, 6 bậc tự do, Robot sẽ trở nên linh hoạt hơn tuy nhiên việc tínhtoán thiết kế và chế tạo cũng phức tạp hơn Một phần nhu cầu bài toán đặt ra khôngcần góc nghiêng của dao khắc tới đối tượng do đó các phương án trên sẽ làm phứctạp thêm nhiều tốn kém

 Để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu của bài toánđặt ra, ta lựa chon phương án thiết kế Robot 3 bậc tự do TRR, Robot có 1 khâu tịnhtiến và 1 khâu quay xác định vị trí một điểm trên mặt phẳng và 1 khâu quay cuối đểxác định tọa độ theo chiều cao và hướng viết trong hệ tọa độ Đề-các

 Do đó việc lựa án này hoàn chọn phương toàn thỏa mãn yêu cầu bài toán khicần thao tác trên mặt phẳng có đường trQn tâm I (250, 250, 0)

 Lựa chọn phương án thiết kế 2:

*) Với phương án thiết kế này:

- Ta đảm bảo được số bược tự do là 3- Diện tích cho khâu đế thực sự tiết kiệm.

- Xây dựng hệ thống điều khiển các khớp dễ dàng thuận tiện và gần nhưcó thể độc lập.

- Kết cấu đơn giản đảm bảo tính linh hoạt và phù hợp với không gian làmviệc (500, 500, 500)

10

Chương 2: Bài toán động học robot

2.1 Thiết lập hệ tọa độ cho bài toán

2.2 Bài toán động học thuận robot

*) Với không gian làm việc là 500x500x500 (mm)  Ta chọn:

Bảng 2.1.1: Bảng tham số động học Denavit–Hartenberg Craig của robot

Trong đó: q2, q3là các biến khớp; l1,l2 là chiều dài khâu 1, 212

*) Các ma trận Craig địa phương :

*) Vận tốc góc điểm thao tác cuối E:

 Tính vận tốc góc khâu thứ I của robot dựa trên công thức tính vận tốc góc của vậtrắn thông qua ma trận cosin chỉ hướng của nó: ωi= Ai

T ˙A

001] ; ˙A1=[00 000 000 0]

1= Α1

T˙A1=[00 000 000 0]⇒ω1

(0 )=[000]

- Khâu 2:

Α2=[−sin(q2) −cos(q2) 0cos(q2) −sin(q2) 0

001]; Α2T

=[−sin(q2) cos(q2) 0−cos(q2) sin(q2) 0

2= ΑT2˙A2=[0 − ˙q20

˙q2]=[ 000,5 cos(0,05t )]

- Khâu 3:

0¿1¿];

=[−sin (¿q2+q3)¿cos(¿q2+ q3)¿0−cos(¿q2+q3)¿−sin(¿q2+q3)¿0

3= Α3

T˙A3=[ 0 −( ˙q2+ ˙q3) 0

˙q2+ ˙q3 00

000]⇒ω(0)3=[ 00

˙q2+ ˙q3]=[ 00cos(0,05 t)]

*) Đồ thị:

16

Hình 2.2.1: Đồ thị quỹ đạo điểm E

Hình 2.2.2: Đồ thị vận tốc điểm E

Hình 2.2.3: Đồ thị gia tốc điểm E

Hình 2.2.4: Đồ thị vận tốc góc khâu 1

18

Hình 2.2.5: Đồ thị vận tốc góc khâu 2

Hình 2.2.6: Đồ thị vận tốc góc khâu 3

2.3 Bài toán động học ngược robot

 Tọa độ điểm thao tác E phụ thuộc vào các tọa độ suy rộng q=[q1 q2 q3]T

trong hệquy chiếu cố định có dạng:

{¿x(0)E=−sin(q2+q3).l3−sin(q2) l2

( 0)=q1

¿zE(0)=cos(q2+ q3)l3+cos(q2)l2+l1

 Ta có tọa độ điểm thao tác E trên đường trQn tâm I:

{¿xE=xI+rcos φ=xI+r cos ω t =xI+ rcosv

¿yE= yI+rsin φ= yI+rsin ω t= yI+rsinv

rt

 Quy luật chuyển động của điểm E:

zE]=[250+80.cos 3t1600250+80.sin 3t

Từ quy luật chuyển động của Robot: chuyển động đều trên đường trQn tâmI(250,250,0) với vận tốc v0=0.00015 [m/s] Trong đó cung trQn AB có điểmA(330,250,0) và điểm B(250,330,0)

*) Phương trình xác định vị trí: {¿x(q)=xE

f=[f 1f 2

f 3]=[l3cos(¿q2+q3)+l2cosq2+l1¿q1

l3sin(q2+q3)+l2sinq2 ]; q=[q1q2

∂ f1∂ q2

∂ f1∂ q3∂ f2

∂ q1∂ f2

∂ q2∂ f2

∂ q3∂ f3

∂ q1∂ f3∂ q2

∂ f3∂ q3] (2)

∂ f1∂ q1

∂ f1∂ q3

=−l3cos(¿q2+q3) ∂ f3∂ q2

=−l3sin(¿q2+q3)−l2sin(¿q2)¿ ¿ ¿

∂ f2∂ q1

Hình 2.3.1: Đồ thị tọa độ suy rộng

Hình 2.3.2: Đồ thị vận tốc suy rộng

Hình 2.3.3: Đồ thị gia tốc suy rộng

Hình 2.3.4: Đồ thị tọa độ suy rộng q 1

Hình 2.3.5: Đồ thị tọa độ suy rộng q 2

26

Hình 2.3.6: Đồ thị tọa độ suy rộng q 3

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ 3D ROBOT

3.1 Xây dựng bản vẽ sơ bộ cánh tay robot trên phần mềm SolidWorks*) Lựa chọn phần mềm thiết kế:

- Phần mềm Solidworks là lựa chọn của em để mô phỏng robot 3 bậc tự do - Nó cung cấp nhiều tiện ích như thiết kế chi tiết 3D, lắp ráp các bộ phận của máy,xuất bản vẽ 2D.

- Solidworks cũng cung cấp các tính năng phân tích động học, động lực học, giacông trên CNC và thiết kế khuôn

- Với Solidworks, em có thể dễ dàng thiết kế và lắp ráp các chi tiết thành bộ phậnmáy hoặc máy hoàn chỉnh Ngoài ra, em cũng có thể tạo các hình chiếu vuông góc,đặt kích thước và chú thích cho các bản vẽ một cách dễ dàng

- Các tính năng khác của Solidworks bao gồm online licensing, Solidworks login vàadmin portal để quản lý sản phẩm và dịch vụ.

khâu:

Hình 3.1.1: Khâu giá

Hình 3.1.2: Khâu 1

28

17 angular contact ball bearing_68_iso.SLD

4.de_noi.SLDPRT

28 Then1.2.SLDPRT

PHỤ LỤC

% Code bài toán động lực học thuận

xE = 0.2.*sin(cos(0.05).*t) + 0.2.*sin(0.5.*cos(0.05).*t);

yE =0.1.*cos(cos(0.05).*t) + 0.23.*cos(0.5.*cos(0.05).*t) + 0.13;zE = 100.*cos(0.05.*t);

XE=sqrt(xE.^2 + yE.^2 +zE.^2);

%Van toc diem thao tac E

vxE= 0.005.*sin(0.05.*t).*cos(cos(0.05.*t))+ 0.00575.* sin(0.05.*t).*cos(0.5.* cos(0.05.*t)) ;

vyE= 0.005.*sin(0.05.*t) *cos(cos(0.05.*t))+0.00575.*sin(0.05.*t).*cos(0.5.*cos(0.05).* t);vzE=-5.*sin(0.05.*t);

VE= sqrt(vxE.^2 + vyE.^2 + vzE.^2);

%Gia toc diem thao tac E

axE= 0.00025.*(sin(0.05.*t)).^2 *sin(cos(0.05.*t))+0.00025.*cos(cos(0.05.*t)).*cos(0.05.*t)

+0.00014375.*sin(0.5.*cos(0.05.*t)).*(sin(0.05.*t)).^2+0.0002875.*cos(0.5.*cos(0.05.*t)).*cos(0.05.*t) ;

ayE= -0.00025.*(sin(0.05.*t)).^2 *cos(cos(0.05.*t))+0.00025.*sin(cos(0.05.*t)).*cos(0.05.*t)-

azE= -0.25.*cos(0.05*t);

AE= sqrt(axE.^2 + ayE.^2 + azE.^2);

%van toc goc khau 1

Xomega1 =0;Yomega1 =0;Zomega1 =0;

36

%van toc goc khau 2

Xomega2= 0;Yomega2= 0;

Zomega2= 0.5.*cos(0.05.*t);

%van toc goc khau 3

Xomega3= 0;Yomega3= 0;

Zomega3= cos(0.05.*t);figure(1);

38

% Code bài toán động lực học ngược% Phương trình đường trQn

function K=X(t)

xE= 0.25 + 0.08*cos(t/1.6);yE= 0.25 + 0.08*sin(t/1.6);zE= 0;

% Đạo hàm bậc 2 phương trình đường trQn

function K=dX(t)xEx= -0.15*sin(1.875*t);xEy= 0.15*cos(1.875*t);xEz= 0;

end

% Jacobi

function K =Jq(q)

global l1 l2 l3

q1 = q(1); q2 = q(2); q3 = q(3);K = zeros(3,3);

K(1,1) = 0;

K(1,2) = -cos(q2+q3)*l3-cos(q2)*l2;K(1,3) = -cos(q2+q3)*l3;

K(2,1) = 0;

K(2,2) = -sin(q2+q3)*l3-sin(q2)*l2;K(2,3) = -sin(q2+q3)*l3;

K(3,1) = 1;K(3,2) =0;K(3,3) =0;

K(1,1) = 0;

K(1,2) = sin(q2+q3)*(dq2+dq3)*l3+sin(q2)*dq2*l2;K(1,3) = sin(q2+q3)*(dq2+dq3)*l3;

K(2,1) = 0;

K(2,2) = -cos(q2+q3)*(dq2+dq3)*l3-cos(q2)*dq2*l2;K(2,3) = -cos(q2+q3)*(dq2+dq3)*l3;

K(3,1) = 0;K(3,2) = 0;K(3,3) = 0;

40

% phương trình liên kết

function K=ptlk(q,t)

global l1 l2 l3

q1=q(1); q2=q(2); q3=q(3);x=X(t);

O3y=l2*cos(q2)+l1;O3z= q1;

K=[O3x;O3y;O3z];

% Các thông số robot

l1 = 0.25; l2 = 0.2; l3 = 0.25;% Vẽ đồ thị cho động học ngược

global l1 l2 l3parameters;

while(norm(lk,2)>1e-12&&k<30) jc=Jq(q);

delta=-inv(jc)*lk; q=q+delta; lk=ptlk(q,t(i)); k=k+1;

%ve do thi cac toa do suy rong

%ve do thi cac van toc suy rong

%ve do thi cac gia toc suy rong

%ve do thi toa do suy rong q1

%ve do thi toa do suy rong q2

figure(5)

%ve do thi toa do suy rong q3

qq1=[q1(i);q2(i);q3(i)]; RO3=rO3(qq1); RE=rE(qq1);

AEx=[0,RO3(1),RE(1)]; AEy=[0,RO3(2),RE(2)]; AEz=[l1,RO3(3),RE(3)];

44

46