tiểu luận tính toán thiết kế robot đề tài thiết kế mô hình robot ứng dụng gắp thả đối tượng

Robot gắp thả đối tượng là một trong những ứngdụng điển hình của robot công nghiệp, với mục đích nâng cao năng suất lao động, tiết kiệmnguồn lực… Nhận thấy vai trò quan trọng của robot g

Trang 1

112Equation Chapter 2 Section 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ

Bộ môn Cơ học ứng dụng

TIỂU LUẬN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT ỨNG DỤNG GẮP

Trang 2

3D, kiểm nghiệm sức bền, điều khiển như: SolidWorks, Matlab,…

Ở bài tiểu luận này, với đề tài là Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình

robot ứng dụng trong gắp thả đối tượng Robot gắp thả đối tượng là một trong những ứng

dụng điển hình của robot công nghiệp, với mục đích nâng cao năng suất lao động, tiết kiệmnguồn lực… Nhận thấy vai trò quan trọng của robot gắp thả đối tượng, chúng em đã tiến hànhtìm hiểu, phân tích và lựa chọn kết cấu, từ đó tiến hành tính toán, thiết kế 3D, và xây dựng hệthống điều khiển cho robot Tuy đã làm việc với năng suất cao, nhưng bài tiểu luận khôngtránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình từ phía cácthầy và các bạn để chúng em sửa chữa, khắc phục bài tiểu luận hoàn thiện hơn

Cuối cùng, chúng em xin trân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong Bộmôn Cơ học ứng dụng, và đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy Phan Bùi Khôi đã giúp chúng emrất nhiều trong việc thực hiện đề tài này

2

Trang 3

NỘI DUNG THỰC HIỆN

Những nội dung cần trình bày:

Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot gắp thả vật:

1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc

1.1 Phân tích mục đích ứng dụng của robot

1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác

a Đối tượng thao tác, dạng thao tác

b Phân tích yêu cầu về vị trí

c Yêu cầu về hướng của khâu thao tác

d Yêu cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác

e Yêu cầu về không gian thao tác

1.3 Xác định các đặc trưng kỹ thuật

a Số bậc tự do cần thiết

b Vùng làm việc có thể với tới của robot

c Yêu cầu về tải trọng

1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích lựa chọnphương án thực hiện

1.5 Thông số kỹ thuật: robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác

2 Thiết kế 3D mô hình robot

2.1 Thiết kế 3D

2.2 Lập bản vẽ 2D

2.3 Lập hồ sơ kỹ thuật

2.4 Xác định các thông số đặc trưng hình học-khối lượng

3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

3.1 Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược

3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot theo mục đích ứng dụng

Trang 4

6 Thiết kế hệ dẫn động robot

6.1 Thiết kế hệ dẫn động (cho một khớp)

6.2 Chọn động cơ phù hợp

6.3 Tính chọn hộp giảm tốc

6.4 Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền các khâu của robot

7 Thiết kế hệ thống điều khiển

7.1 Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển

7.2 Mô phỏng bằng Matlab

8 Hiệu chỉnh thiết kế

4

Trang 5

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

- Thiết kế sơ đồ hệ thống điều khiển

- Mô phỏng kết quả làm việc

2 Nguyễn Văn Đức - Phân tích và lựa chọn cấu trúc robot

- Thiết kế mô hình 3D, lập bản vẽ 2D cho

robot

- Thiết kế hệ dẫn động, chọn động cơ,

kiểm nghiệm bền

3 Phạm Huy Hoàng - Thiết kế quỹ đạo chuyển động, giải các

bài toán động học thuận-ngược

- Phân tích trạng thái tĩnh, tính lực/momen

các khâu khớp

Trang 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC 12

1.1 Phân tích mục đích ứng dụng của Robot 12

1.2 Phân tích yêu cầu kĩ thuật thao tác 12

1.3 Xác định các đặc trưng kĩ thuật 13

1.4 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 16

1.5 Thông số kĩ thuật 19

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT 21

2.1 Mô hình 3D của Robot 21

2.2 Không gian làm việc của Robot 21

2.3 Bản vẽ 2D của Robot 23

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 26

3.1 Khảo sát động học thuận 26

3.1.1 Hệ trục Denavit-Hartenberg của Robot 26

3.1.2 Xác định toạ độ của khâu tác động cuối 27

3.1.3 Xác định hướng của khâu thao tác 28

3.1.4 Vận tốc của điểm thao tác cuối, vận tốc góc các khâu 29

3.2 Khảo sát động học ngược 30

3.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động 32

3.3.1 Yêu cầu đề ra 32

3.3.2 Xây dựng quỹ đạo đường thẳng trong không gian thao tác 34

3.3.3 Kết quả 36

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TĨNH HỌC 40

6

Trang 7

4.1 Cơ sở lý thuyết [1] 40

4.2 Phân tích tĩnh học của Robot 40

4.3 Thay các thông số 44

CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH DỘNG LỰC HỌC 46

5.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của Robot 46

5.2 Khảo sát bài toán động lực học ngược 53

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG 56

6.1 Tính toán trục vít me và chọn động cơ cho khâu 3 56

6.2 Chọn động cơ cho khâu 4 57

6.3 Tính toán chọn bộ chuyền và động cơ cho khâu 1 57

6.4 Tính toán chọn bộ truyền và động cơ cho khâu 2 59

6.5 Kiểm nghiệm bền các khâu 60

CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 62

7.1 Chọn quy luật điều khiển phù hợp 62

7.2 Thiết kế bộ điều khiển trên Matlab/Simulink 64

7.2.1 Khối Quỹ đạo đặt 64

7.2.2 Khối Bộ điều khiển 65

7.2.3 Khối Robot Scara 4Dof 65

7.2.4 Khối Kiểm tra 66

7.3 Kết quả chạy mô phỏng trên Matlab/Simulink 66

7.3.1 So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo đặt của các khâu: 66

7.3.2 Đồ thị sai số các khâu: 68

7.3.3 So sánh vận tốc đặt và vận tốc thực tế 69

7.3.4 Sai lệch vận tốc 70

7.3.5 Nhận xét chung 71

KẾT LUẬN 72

PHỤ LỤC 73

DANH MỤC THAM KHẢO 77

Trang 8

Hình 6 1 Cách bố trí trục vít me đai ốc bi và 2 động cơ khâu 3, 4 55

Hình 6 2 Động cơ HG-KR053B 56

Hình 6 3 Minh hoạ hộp giảm tốc Hamonic 57

Hình 6 5 Minh hoạ hộp giảm tốc Hamonic 58

Hình 6 7 Kiểm nghiệm ứng suất của khâu 2 59

Hình 6 8 Kiểm nghiệm chuyển vị của khâu 2 59

Hình 6 9 Kiểm nghiệm ứng suất của khâu 1 60

Hình 6 10 Kiểm nghiệm chuyển vị khâu 1 60

Hình 7 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển 54

Hình 7 2 Sơ đồ hệ thống điều khiển trên Simulink 55

Hình 7 3 Sơ đồ khối Quỹ đạo đặt 55

Hình 7 4 Sơ đồ khối Bộ điều khiển 56

Hình 7 5 Sơ đồ khối Robot Scara 4Dof 56

Hình 7 6 Sơ đồ khối Kiểm tra 57

Hình 7 7 So sánh quỹ đạo đặt và thực tế khâu 1 57

Hình 7 11 Đồ thị sai lệch e1 59

Hình 7 15 So sánh vận tốc đặt và thực tế khâu 1 60

Hình 7 19 Sai lệch vận tốc khâu 1 61

10

Trang 9

Hình 7 20 Sai lệch vận tốc khâu 2 62 Hình 7 21 Sai lệch vận tốc khâu 3 62 Hình 7 22 Sai lệch vận tốc khâu 4 62

Trang 10

Bảng 4 2 Vị trí khởi tạo 42

Bảng 4 3 Kết quả thu được 42

Bảng 5 1 Các tham số của bài toán động lực học 44

Bảng 5 2 Bảng số liệu giả định 50

12

Trang 11

Thiết kế Robot gắp thả vật GVHD: PGS TS Phan Bùi Khôi

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC

1.1 Phân tích mục đích ứng dụng của Robot.

 Bài toán đặt ra cho robot: Thiết kế mô hình robot thực hiện gắp thả đối tượng xếp gói bánh từ băng tải sản xuất vào băng tải đóng gói với tốc dộ xếp 1 sản phẩm trên 1 giây Yêu cầu đặc biệt, robot hoạt động linh hoạt, gon gàng và tiết kiệm không gian làm việc tốt nhất Robot sẽ phải thao tác

ở giữa hai băng tải cách nhau 540mm và bề rộng mỗi băng tải là 200mm Gói bánh thì luôn được đặt ở trạng thái nằm ngang, được ngửa đúng mặt yêu cầu, được đặt với các hướng bất kì và cách mặt

1.2 Phân tích yêu cầu kĩ thuật thao tác.

a) Đối tượng thao tác, dạng thao tác

- Đối tượng thao tác: Gói bánh có kích thước 60x15x10mm; khối lượng

( Giả định: tất cả các gói bánh được đặt nằm ngang, mặt xếp được ngửa theo đúng yêu cầu kỹ thuật)

Hình 1 1 Ví dụ minh hoạ gói bánh

- Dạng thao tác: Di chuyển trong không gian, hút thả đối tượng bằng

cơ cấu hút thả( giác hút chân không) sử dụng khí nén

Hình 1 2 Giác hút chân không.

b) Yêu cầu vị trí đối tượng

Trang 12

Hình 1 3 Ví dụ minh hoạ hộp bánh

- Gói bánh được xếp đúng hướng, ngay ngắn trong hộp bánh ở độ cao 170mm so với mặt đế của Robot

c) Yêu cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác

- Hệ thống đạt được tốc độ xếp yêu cầu là 1 sản phẩm trong 1sd) Yêu cầu về không gian thao tác

- Robot bắt buộc phải thao tác ở giữa 2 bằng tải

 Kết luận: Robot sẽ cần tối thiểu là 4 bậc tự do để đạt được yêu cầu làm việc.

Phân tích thao tác Robot cần thực hiện: ( được chia làm 5 quá trình)

- Quá trình 1: Hệ thống camera xác định được gói bánh và đưa đầu hút đến đó

Hình 1 4 Minh hoạ quá trình thao tác 1.

Trang 13

- Quá trình 2: Hút vật lên thẳng theo chiều đứng

- Quá trình 3: Đưa gói bánh tới vị trí cần xếp đồng thời xoay gói bánh đúng hướng cần xếp

Quá trình 4: Xếp gói bánh vào đúng vị trí yêu cầu

Trang 14

- Quá trình 5: Đưa đầu hút về vị trí an toàn

1.4 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế.

a Robot cấu trúc không gian tọa độ Descartes

Trang 15

Hình 1 9 Một minh hoạ về cấu trúc toạ đồ Descartes

 Đặc điểm của cấu trúc này bao gồm 3 khớp tịnh tiến có nhiệm vụ di chuyển khâu thao tác tới vị trí yêu cầu trong không gian

- Ưu điểm:

 Thiết kế, điều khiển đơn giản

 Kết cấu vững chắc

- Nhược điểm

 Kết cấu cồng kềnh, tốn không gian làm việc

Hình 1 10 Minh hoạ thực tế của một robot kiểu cấu trúc Descarter.

b Cấu trúc không gian tọa độ trụ

 Có 2 dạng cấu trúc chính thường được xây dựng dựa theo thứ tự các khớp thao tác RRTR, RTRR

Trang 16

Hình 1 11 Cấu trúc robot dạng không gian toạ độ trụ RRTR.

Hình 1 12 Cấu trúc robot dạng không gian toạ độ trụ RTRR.

 Đặc điểm gồm có 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến có nhiệm vụ di chuyển khâu thao tác tới vị trí yêu cầu trong không gian

- Ưu điểm

 Tiết kiệm không gian làm việc

 Hoạt động linh hoạt trong mặt phẳng

 Kết cấu gọn nhẹ

- Nhược điểm:

 Cứng vững kém

Hình 1 13.Minh hoạ cấu trúc RRTR.

c Robot cấu trúc không gian tọa độ cầu

Trang 17

Hình 1 14 Cấu trúc dạng không gian toạ độ cầu

 Đặc điểm bao gồm 3 khớp quay có nhiệm vụ du chuyển khâu thao tác tới vị trí yêu cầu trong không gian

 Kết cấu gọn nhẹ, tiết kiệm không gian làm việc

Hình 1 15 Minh hoạ một robot không gian toạ độ cầu.

1.5 Thông số kĩ thuật.

a Thông số kỹ thuật của Robot được xác định dựa trên không gian làm việc của Robot, với các thông số kỹ thuật của Robot:

- Khoảng cách xa có thể với tới: 575 mm

- Khoảng cách gần nhất có thể với tới: 170mm

- Khoảng cách gói bánh so với đế robot: 170mm

- Chiều dài khâu đế: l1 400 mm

Trang 18

1 2

170 170

Hình 1 16 Tính toán xác định chiều dài mỗi khâu.

Từ đó, xác định tương đối được các thông số về kích thước các khâu thao tác:

Trang 19

Hình 3 5 Quỹ đạo trong không gian khớp theo thời gian.

Tốc độ của các khâu là:

Hình 3 6 Tốc độ góc khâu 1

Trang 20

Hình 5 2 Momen dẫn động khâu 2.

Hình 5 3 Lực dẫn động khâu 3.

Trang 21

Hình 5 4 Momen dẫn động khâu 4.

Trang 22

Hình 6 1 Cách bố trí trục vít me đai ốc bi và 2 động cơ khâu 3, 4.

Bộ truyền trục vít me được thiết kế đặc biệt có thể thực hiện được cả hai chuyển động quay và tịnh tiến, do vậy khi này động cơ của khâu 3 và khâu 4 sẽ đồng thời nằm trên khâu 2

Momen quay lớn nhất do lực trục gây ra:

ma max x

Từ đó tính được momen yêu cầu của khâu 3:

Momen khâu 3 được truyền thông qua bộ truyền đai tỉ số truyền u 3 2

Momen yêu cầu của động cơ: 3

0.230.115( )2

Trang 23

Từ mo men yêu cầu và công suất, chọn động cơ HG-KR053(B) của hãng Misubishi[ CITATION MRJ \l 1033 ]

Hình 6 2 Động cơ HG-KR053B

Các thông số HG-KR053(B) kỹ thuật liên quan:

- Công suất động cơ: 50W

- Tốc độ định mức: 3000rpm

- Độ phân giải encoder: 22 bit

- Momen lớn nhất: 0.56(N.m)

6.2 Chọn động cơ cho khâu 4

Do khâu 4 chịu tải nhỏ và để cho đồng bộ thì chọn đông cơ khâu 4 giống với động cơ khâu 3

6.3 Tính toán chọn bộ chuyền và động cơ cho khâu 1

- Mô men lớn nhất tác động tại khâu 1: Mmax  20 N m

- Chọn bộ truyền Harmonic với tỷ số truyền: U 1 50

- Chọn bộ truyền Harmonic mã CSG-25-100-2UK của hãng Harmonic Drive với các thông số kỹ thuật[ CITATION CSG \l 1033 ]:

 Tỷ số truyền u 1 50

 Momen chịu tải lớn nhất: Tmax  242N.m

 Tốc độ truyền vào tối đa: 5600rpm

Trang 24

Hình 6 3 Minh hoạ hộp giảm tốc Hamonic[ CITATION CSG \l 1033 ]

- Mo men yêu cầu của động cơ:

20 0.4( ) 50

dc

M   N m

- Công suất động cơ khâu 1

1 1 1 1 1

- Tốc độ định mức: 3000rpm

- Độ phân giải encoder:22 bit

- Momen lớn nhất: 1.1N.m

6.4 Tính toán chọn bộ truyền và động cơ cho khâu 2

- Mô men lớn nhất tác động tại khâu 2: Mmax  8.5 N m

Trang 25

- Chọn bộ truyền Harmonic với các thông số kỹ thuật: (chọn 2UK như khâu 1)[ CITATION CSG \l 1033 ]

CSG-25-100-Hình 6 5 Minh hoạ hộp giảm tốc Hamonic.[ CITATION CSG \l 1033 ]

- Mo men yêu cầu của động cơ:

20 0.17( ) 50

Trang 26

Hình 6 7 Kiểm nghiệm ứng suất của khâu 2.

b Chuyển vị khâu 2

Hình 6 8 Kiểm nghiệm chuyển vị của khâu 2.

c Kiểm nghiệm bền khâu 1

Trang 27

Hình 6 9 Kiểm nghiệm ứng suất của khâu 1.

d Chuyển vị tại khâu 1

Hình 6 10 Kiểm nghiệm chuyển vị khâu 1.

 Kết luận:

- Ứng suất không vượt quá ngưỡng cho phép ứng suất của vật liệu

- Chuyển vị lớn nhất khoảng 0.03mm nên có thể chấp nhận được

Trang 28

điều khiển phù hợp với yêu cầu cho Robot bám theo quỹ đạo đã khảo sát ở trên.

Mô hình nhóm chọn để điều khiển là Phương trình vi phân chuyển động của Robot đã nghiên cứu trong chương 5 Ta có thể nhận thấy, phương trình động lực học của Robot là một phương trình vi phân phi tuyến Có nhiều cách để có thể thiết kế ra

bộ điều khiển hệ phi tuyến, ví dụ như:

- Phương pháp tuyến tính hoá hệ phi tuyến

- Phương pháp điều khiển tối ưu

- Phương pháp Lyapunov

Trong đó thì phương pháp được áp dụng nhiều nhất là phương pháp tuyến tính hoá thông qua việc điều khiển Momen (Lực) đối với những bài toán điều khiển Robot

do tính ổn định cao mặc dù khá đơn giản

Mục tiêu của bài toán điều khiển nhóm đề ra là làm cho robot có thể bám theo quỹ đạo đã được thiết kế Các phần tử dẫn động sẽ nhận vào lệnh điều khiển là các giá trị Momen(Lực)

Trước hếtt, ta có mô hình toán học của hệ đã được xây dựng là:

M q q C q q q g q   

Trong phương trình này, vế tría của phương trình là mô hình với các tham số của Robot, vế phải là momen mà bộ điều khiển tác động lên Robot Momen này được sinh ra từ bộ điều khiển với giá trị phù hợp sao cho khi đưa vào Robot có thể chuyển động theo quỹ đạo đã cho

Ta sẽ chia bộ điều khiển thành hai phần: Phần dựa trên mô hình và phần dựa trên phản hồi:    '  [ CITATION Ngu \l 1033 ]

Trong đó   , là các hàm được chọn lựa sao cho hệ ban đầu trở thành hệ có khối lượng đơn vị Thay hàm điều khiển vào phương trình ta được:

Trang 29

,

p d

K K là các ma trận đường chéo vuông cấp 4.

Do vậy phương trình động học sai lệch có thể viết rõ ra cho từng khâu như sau:

3

2 2

3 3 4

để hệ có thể ổn định tiệm cận

Từ nội dung trên ta có thể xây dụng được sơ đồ khối của mô hình điều khiển hệ thống như sau:

Tiêu đề	Thiết kế mô hình robot ứng dụng gắp thả đối tượng
Tác giả	Vũ Tân Hưng, Nguyễn Văn Đức, Phạm Minh Hoàng
Người hướng dẫn	PGS. TS. Phan Bùi Khôi
Trường học	Đại học Bách khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Cơ điện tử
Thể loại	tiểu luận
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	45
Dung lượng	6,62 MB