Đồ án hệ thống cơ điện tử robot RRT - Đại học Thủy Lợi

File đính kèm bao gồm thuyết minh , 3D solidwork , code , hình ảnh , đầy đủ ib zalo : 0392730458 nếu k tải dc đầy đủ file Nội dung: Phân tích lựa chọn cấu trúc Số bậc tự do cần thiết Phân tích một số cấu trúc thỏa mãn và lựa chọn phương án thiết kế Bài toán động học Chọn một quỹ đạo mối hàn tùy ý Tính toán vận tốc, vẽ quỹ đạo chuyển động điểm thao tác Xác định quy luật chuyển động của các khâu Thiết kế 3D Tạo bản vẽ lắp tổng thể của robot Tạo bản vẽ chi tiết một số khâu của robot Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của robot Bài toán động lực học Xác định các tham số động lực học Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot Giải bài toán động lực học Thiết kế hệ thống dẫn động Lựa chọn động cơ Phân tích lựa chọn hệ thống dẫn động cho khâu dẫn Thiết kế hệ thống điều khiển Chọn luật điều khiển phù hợp Mô phỏng trên Matlab

ROBOT : Thiết bị được điều khiển bằng tay hoặc lập trình điều khiển tự động để thực hiện các chức năng nhiệm vụ cụ thể , có khả năng lập trình lại

Robot là một máy tự động có khả năng thực hiện các nhiệm vụ mà con người thường thực hiện Chúng được lập trình để thực hiện các tác vụ cụ thể mà không cần sự can thiệp của con người Các robot có thể có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, từ các máy robot công nghiệp lớn đến các robot nhỏ và di động như robot hút bụi.

Robot có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, y tế, nông nghiệp, giao thông và giải trí Chúng có thể thực hiện các tác vụ như hàn, hút bụi, vận chuyển hàng hóa, phẫu thuật, kiểm tra và bảo dưỡng máy móc, hoặc thậm chí tham gia vào các cuộc thi thể thao như bóng đá robot.

Các robot hiện đại thường được trang bị các cảm biến và hệ thống điều khiển thông minh để có thể thích ứng và tương tác với môi trường xung quanh Chúng có thể sử dụng công nghệ như trí tuệ nhân tạo, máy học và thị giác máy để nhận biết và hiểu thông tin từ môi trường và người dùng.

Một số ứng dụng phổ biến của robot bao gồm robot công nghiệp trong quá trình sản xuất, robot y tế trong phẫu thuật và chăm sóc bệnh nhân, robot nông nghiệp trong việc thu hoạch và chăm sóc cây trồng, và robot dịch vụ trong ngành dịch vụ khách hàng và giao nhận hàng hóa.

Robot công nghiệp : có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn

Robot công nghiệp có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, từ các tác vụ đơn giản như hàn, hàn điểm, vặn ốc, đóng gói, đến các tác vụ phức tạp hơn như lắp ráp, kiểm tra chất lượng và vận chuyển hàng hóa Chúng có thể được lập trình để làm việc độc lập hoặc làm việc cùng với con người trong môi trường sản xuất.

Robot công nghiệp thường được trang bị các cảm biến và hệ thống điều khiển thông minh để có thể nhận biết và tương tác với môi trường làm việc Chúng có thể sử dụng công nghệ như trí tuệ nhân tạo, máy học và thị giác máy để nhận dạng và xử lý thông tin từ môi trường và người dùng.

1.1.2 Lịch sử phát triển robot công nghiệp

Hình⁡1.1:⁡Robot⁡Unimate,⁡robot⁡công⁡nghiệp⁡đầu⁡tiên⁡được⁡Devol⁡phát⁡triển

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) là “Robota” (có nghĩa là công việc tạp dịch) trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek vào năm 1920.

Trong vở kịch này, nhân vật Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy có thể ứng xử như con người, có khả năng làm việc khỏe gấp đôi con người, nhưng không có cảm tính, cảm giác như con người

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC-Numerically Controlled machine tool) Năm 1952, mẫu máy điều khiển số đầu tiên được trưng bày ở Viện Công Nghệ Massachuasetts sau một vài năm nghiên cứu chế tạo

Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong Chiến tranh thế giới lần thứ II nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số

Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF của Mỹ vào năm 1960 Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh-1967, Thụy Điển và Nhật-1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức-1971; Pháp-1972; Ý-1973…

Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1968, trường đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến

Năm 1974, Công ty Cincinnati của Mỹ đã đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai) Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40kg

Năm 1976, cánh tay robot đầu tiên trong không gian trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan không gian Nasa Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hỏa

Với kết cấu 4, 5 ,6 bậc tự do, robot sẽ trở lên linh hoạt hơn nhưng đồng thời việc tính toán và thiết kế sẽ phức tạp hơn do đó chi phí cũng rất lớn Để tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo các yêu cầu thì em sẽ chọn phương án 3 bậc tự do Để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu của bài toán đặt ra, ta lựa chon phương án Robot 3 bậc tự do RRT, Robot có 2 khâu quay và 1 khâu tịnh tiến xác định vị trí một điểm trên mặt phẳng và khâu cuối chuyển động tịnh tiến để xác định tọa độ theo chiều cao và hướng hàn trong hệ tọa độ Đề Các.

Một số dạng cấu trúc Robot hàn.

Với RRT thì chúng ta có hai loại robot phổ phổ biến đó là : robot dạng tay máy cầu và robot SCARA

Hình⁡1.1:⁡Phương⁡án⁡1 Hình⁡1.2:⁡Phương⁡án⁡2

Hình⁡1.1:⁡Robot⁡tọa⁡độ⁡cầu⁡và⁡Robot⁡SCARA

Từ không gian làm việc và yêu cầu chế tạo , em chọn robot dạng tay máy cầu

Hình⁡1.2:⁡Cơ⁡cấu⁡robot⁡RRT

Số bậc tự do cần thiết

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức: w =6 n− ∑ i−1

-Trong đó: n : Số khâu động; pi : Số khớp loại i

-Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến, gồm 3 khâu :

+ Khâu 1,2 quay + Khâu 3 tịnh tiến -Số bấc tự do cần thiết : W = 3.n – (2.P5 + P4 – Rth) – Wđp Trong đó : W : số bậc tự do

N : số khâu độngP5: số khớp loại 5P4: số khớp loại 4Rth : số ràng buộc thừaWth : số bậc tự do thừaW = 3.3 – 2.3 = 3 bậc tự do-Với mô hình này: sẽ có 3 bậc tự do+ Khâu 1 và khâu 2 chuyển động quay quanh trục Z+ Khâu 3 chuyển tịnh tiến trên trục Z sẽ đảm khâu thao tác sẽ quét được hết các điểm trong mặt phẳng thao tác

Phương pháp ma trận Craig là một phương pháp tính toán hệ nhiều vật được lấy tên theo tên một nhà khoa học người Mỹ, người đã đề xuất cách chọn hệ tọa độ mới.

Phương pháp này gần tương tự như phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg, nhưng có một số đặc điểm khác về cách chọn gốc tọa độ và các trục của hệ tọa độ khớp.

Hình⁡2.1:⁡Xác⁡định⁡các⁡tham⁡số⁡hệ⁡tọa⁡độ⁡khớp

Việc xác định hệ tọa độ khớp (Oxyz), tuân theo các quy định như sau : 1 Trục zi được chọn dọc theo trục khớp động thứ i.

2 Trục xi được chọn theo đường vuông góc chung của hai trục zi và zi+1 hướng từ zi tới zi+1 Nếu trục zi cắt trục zi+1 thì hướng trục xi được chọn tùy ý Nếu zi // zi+1 có vô số đường vuông góc chung, trục xi được chọn hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được.

3 Gốc tọa độ O, là giao điểm của xi và zi

4 Trục yi, được chọn sao cho {Oxyz}, là hệ quy chiếu thuận.

Hệ tọa độ {Oxyz}i được gọi là hệ tọa độ khớp Hệ tọa độ này gắn liền vào khâu i , đặt tại khớp có chỉ số bé ( tức khớp i)

-Các tham số động học :

Vị trí của hệ tọa độ khớp {Oxyz}, đối với hệ tọa độ khớp {Oxyz}i-1 được xác định bằng 4 tham số động học Craig được xác định như sau :

- : góc quay quanh trục xi-1, để trục zi-1 tiến tới z'i song song với trục zi (z'i // zi).

-ai-1: đoạn dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi, để gốc Oi-1 tiến O'i (O'i là giao điểm trục zi và xi-1).

- : góc quay quanh trục zi để trục xi-1 tiến tới x'i (x'i // xi). di : đoạn dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi để trục x'i tiến tới trục xi (hay điểm O'i tiến tới điểm Oi). Định nghĩa: Bốn tham số , ai-1, , di được gọi là các tham số động học Craig của khâu i Trong đó hai tham số , ai-1 là hằng số, còn , di một là hằng số, một là đối số tùy thuộc khớp i là khớp tịnh tiến hay khớp quay.

- là biến nếu khớp là khớp quay - di là biển nếu khớp là khớp tịnh tiếnMa trận của phép điến đổi 𝑲𝑖 là tích của bốn ma trận biến đổi cơ bản

Ma trận 𝑲𝑖 xác định như trên được gọi là ma trận Denavit - Hartenberg - Craig địa phương: Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi trên ta được

202\* MERGEFORMAT (-) Ma trận C i được gọi là ma trận Denavit – Hartenberg – Craig toàn cục có dạng như sau

Ai : là ma trận cosin chỉ hướng của khâu thứ i rOi : là gốc tọa độ khâu thứ i

Động học thuận là quá trình tính toán vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối hay tay gắp khi biết tất cả các giá trị biến khớp Để tính toán vị trí và hướng từ tập hợp các giá trị biến khớp thì các tham số của bảng (DHC) phải được biết Những tham số này được xác định theo quy tắc đã trình bày trong phần trên Mỗi hệ trục của mỗi khâu được mô tả đầy đủ bởi ma trận biểu diễn vị trí và hướng so với hệ trục của khâu trước theo chuỗi của robot cũng là thứ tự của các ma trận và là sự kết hợp của các chuyển vị thuần nhất Như vậy, bài toán động học thuận để tính ma trận vị trí và hướng của tay gắp hay cơ cấu chấp hành cuối so với hệ trục tham chiếu của robot Trong phần động học sẽ đi sâu phân tích vị trí, vận tốc, gia tốc và đạo hàm bậc cao của vị trí.

Bảng⁡2.1:⁡Các⁡tham⁡số⁡đề⁡bài

Không gian làm việc Quy luật biến khớp Cấu trúc robot

500mm×600mm×400mm q i 0 cos( 0.05t ) q i =0.5 cos ⁡ (0.05 t) q i =0.6 sin ⁡ (0.1 t)

Hình⁡2.2:⁡Hệ⁡tọa⁡độ⁡Đề⁡các⁡của⁡Robot

Từ Hình 2.2 Ta thiết được bảng tham số động học DH-Craig :

Bảng⁡2.1:⁡Bảng⁡tham⁡số⁡động⁡học⁡DH-Craig⁡

( q1,q2,q3 : biến khớp ; d1,d2: chiều dài khâu 1,2 ) (Chọn d10mm,d2!0mm)

Từ bảng tham số động học ta suy ra các ma trận Craig địa phương :

K1=[ cosq sinq 0 0 1 1 − cosq sinq 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 d 1 ] ; K 2 = [ cosq sinq 0 0 2 2 − cosq sinq 0 0 2 2 −1 0 0 0 0 0 0 1 ]

Các ma trận Craig toàn cục :

C 2 =K 1 ∙ K 2 = [ cosq sinq sinq 1 1 0 cosq cosq 2 2 2 −cosq − sinq cosq 0 1 1 sinq sinq 2 2 2 − sinq cosq 0 0 1 1 d 0 0 1 1 ]

C 3 =C 2 ∙ K 3 = [ cosq sinq sinq 1 1 0 cosq cosq 2 2 2 −cosq sinq 0 0 1 1 cosq sinq −cosq 1 1 0 sinq sinq 2 2 2 d d 2 2 cosq sinq d 2 sinq 1 1 cosq cosq 2 − 2 2 q 1 + + 3 q q cosq 3 3 cosq sinq 2 + 1 1 d sinq sinq 1 2 2 ]

Các ma trận cosin chỉ hướng :

A 1 = [ cosq sinq 0 1 1 −sinq cosq 0 1 1 0 0 1 ] ; A 2 = [ cosq sinq sinq 1 1 cosq cosq 2 2 2 − −sinq cosq cosq 1 1 sinq sinq 2 2 2 −cosq sinq 0 1 1 ]

A 3 = [ cosq sinq sinq 1 1 cosq cosq 2 2 2 − sinq cosq 0 1 1 cosq sinq −cosq 1 1 sinq sinq 2 2 2 ]

-Tọa độ thuần nhất của điểm thao tác E trong hệ tọa độ R3 :

-Tọa độ thuần nhất của điểm thao tác E trong hệ tọa độ R0 :

^ u (0) E =C 3 ∙ u ^ ( E 3 ) = [ r 1 E ( 0 ) ] = [ d d 2 2 cosq sinq d 2 sinq 1 1 cosq cosq 2 − 2 2 q 1 + + 3 q q cosq 3 3 cosq sinq 2 + 1 1 d sinq sinq 1 2 2 ]

 Vị trí của điểm thao tác E : r ( E 0 ) = [ d d 2 2 cosq sinq d 2 sinq 1 1 cosq cosq 2 −q 2 2 + + 3 q q cosq 3 3 cosq sinq 2 +d 1 1 sinq sinq 1 2 2 ]

 Vận tốc của điểm thao tác E : v E ( 0 ) = d dt ( r E ( 0 ) ) ¿ [ − d d 2 2 q ˙ q ˙ 1 1 cosq sinq 1 1 cosq cosq 2 2 −sinq − cosq d 2 1 1 q sinq ˙ sinq 2 cosq 2 2 ( d ( d 2 2 − ˙ 2 q ˙ q ˙ 2 q 2 − ˙ 3 − ˙ cosq q q 3 3 ) + ) −q 2 q +q 3 3 q ˙ q 3 1 ˙ q 1 cosq ˙ sinq 2 sinq 1 1 sinq sinq 2 2 2 + + q q 3 3 q ˙ q ˙ 2 2 sinq cosq 1 cosq 1 cosq 2 2 ]

 Vận tốc của điểm thao tác E : a E ( 0 ) = dt d ( v ( E 0 ) ) = [ a a a Ex Ey Ez ] a Ex = sinq 1 cosq 2 ( −d 2 q ¨ 1 −2 q 3 q ˙ 1 q ˙ 2 ) +cosq 1 sinq 2 ( −d 2 q ¨ 2 + ¨ q 3 −q 3 q ˙ 1 2 − q 3 q ˙ 2 2 ) + cosq 1 cosq 2 ( −d 2 q ˙ 1 2 −d 2 q ˙ 2 2 +2 q ˙ 3 q ˙ 2 + q 3 q ¨ 2 ) + sinq 1 sinq 2 (2 d 2 q ˙ 1 q ˙ 2 −2 q ˙ 1 q ˙ 3 −q 3 q ¨ 1 ) a Ey =cosq 1 cosq 2 ( d 2 q ¨ 1 +2 q 3 q ˙ 1 q ˙ 2 ) + sinq 1 sinq 2 ( − d 2 q ¨ 2 + ¨ q 3 −q 3 q ˙ 1 2 −q 3 q ˙ 2 2 ) +sinq 1 cosq 2 ( −d 2 q ˙ 1 2 − d 2 q ˙ 2 2 +2 q ˙ 3 q ˙ 2 + q 3 q ¨ 2 ) +cosq 1 sinq 2 (−2 d 2 q ˙ 1 q ˙ 2 + 2 q ˙ 1 q ˙ 3 +q 3 q ¨ 1 ) a Ez = cosq 2 ( d 2 q ¨ 2 − ¨ q 3 +q 3 q ˙ 2 2 ) +sinq 2 ( − d 2 q ˙ 2 2 +2 q ˙ 3 q ˙ 2 + q 3 q ¨ 2 )

*) Vận tốc suy rộng , gia tốc suy rộng các khâu :

-Khâu 2 : ~ ω 2 ( 0 ) = ˙ A 2 ∙ A 2 T = [ q ˙ 2 cosq q ˙ 0 1 1 − ˙ q − ˙ 2 0 sinq q 1 1 − ˙ − ˙ q q 2 2 0 cosq sinq 1 1 ]

→ω 2 ( 0 ) = [ − ˙ q ˙ q 2 2 sinq q ˙ cosq 1 1 1 ] → d dt ( ω 2 ( 0 ) ) = [ q q ¨ ¨ 2 2 sinq cosq 1 1 + ˙ + ˙ q ¨ q q 1 2 2 q ˙ q ˙ 1 1 cosq sinq 1 1 ]

-Khâu 3 : ~ ω 3 ( 0 ) = ˙ A 3 ∙ A 3 T = [ q ˙ 2 cosq q 0 ˙ 1 1 − ˙ q − ˙ 2 0 sinq q 1 1 − ˙ − ˙ q q 2 2 0 cosq sinq 1 1 ]

→ω 3 ( 0 ) = [ − ˙ q ˙ q 2 2 sinq q ˙ cosq 1 1 1 ] → d dt ( ω 3 ( 0 ) ) = [ q q ¨ ¨ 2 2 sinq cosq 1 1 + ˙ + ˙ q ¨ q q 1 2 2 q ˙ q ˙ 1 1 cosq sinq 1 1 ]

- Sau khi tính toán được vị trí điểm thao tác, tọa độ suy rộng, dựa trên cơ sở các quy luật biến khớp cho trước của robot ta sử dụng phần mềm matlab để vẽ đồ thị quỹ đạo, vận tốc, gia tốc điểm thao tác, vẽ đồ thị tọa độ, vận tốc, gia tốc suy rộng của các khâu.

Các đồ thị của bài toán được biểu diễn như sau:

Hình⁡2.3:⁡Đồ⁡thị⁡quỹ⁡đạo⁡điểm⁡E⁡

Hình⁡2.4:⁡Đồ⁡thị⁡vận⁡tốc⁡điểm⁡E⁡

Hình⁡2.5:⁡Đồ⁡thị⁡gia⁡tốc⁡điểm⁡E⁡

Hình⁡2.6:⁡Đồ⁡thị⁡vận⁡tốc⁡suy⁡rộng⁡khâu⁡1⁡

Hình⁡2.7:⁡Đồ⁡thị⁡vận⁡tốc⁡suy⁡rộng⁡khâu⁡2

Hình⁡2.8:⁡Đồ⁡thị⁡vận⁡tốc⁡suy⁡rộng⁡khâu⁡3

Hình⁡2.9:⁡Đồ⁡thị⁡gia⁡tốc⁡suy⁡rộng⁡khâu⁡1

- Bài toán động học thuận gồm việc giải quyết vị trí và hướng của tay gắp hay cơ cấu chấp hành cuối khi biết tất cả các biến khớp Bài toán động học nghịch yêu cầu tìm tập hay nhiều tập nghiệm của các khớp khi biết vị trí và hướng tay gắp Tập của tất cả các giá trị khớp được gọi là cấu hình robot trong không gian khớp Với tay máy n khớp, tập các giá trị khớp là ma trận n x 1 Động học nghịch vị trí là trọng tâm của vấn đề điều khiển tay máy Với vị trí tay gắp (cơ cấu chấp hành cuối) trong hệ trục Descartes sẽ có một tập giá trị khớp đáp ứng nhưng mỗi khớp robot được điều khiển độc lập.

-Quỹ đạo điểm thao tác E :

-Từ bài toán động học thuận ta có ma trận DHC toàn cục :

C 3( q)= [ cosq sinq sinq 1 1 0 cosq cosq 2 2 2 −cosq sinq 0 0 1 1 cosq sinq − cosq 1 1 0 sinq sinq 2 2 2 d d 2 2 cosq sinq d 2 sinq 1 1 cosq cosq 2 −q 2 2 1 +q +q 3 cosq 3 3 cosq sinq 2 + 1 1 d sinq sinq 1 2 2 ]

-Ma trận xác định vị trí tay máy trong không gian thao tác :

-Trong đó a 14( x ) ,a 24 ( x ) ,a 34 ( x ) là các tọa độ của điểm thao tác E : a 14( x )=x E ( t ) , a 24 ( x )= y E ( t ) ,a 34 ( x)=z E ( t )

-Cân bằng hai ma trận C3(q) = T3(x)  cân bằng 3 vị trí [1,4], [2,4], [2,4] của 2 ma trận ta được :

{ d d 2 2 cosq sinq d 2 sinq 1 1 cosq cosq 2 − 2 2 q + +q 3 q cosq 3 3 sinq cosq 2 + 1 1 d sinq sinq 1 = 2 z 2 = E = (t y x )(3) E E (t (t )(2) )(1)

-Bình phương 2 vế của (1) và (2) và cộng từng vế với nhau : d 2 2 cosq 1 2 cosq 2 2 + q 3 2 cosq 1 2 sinq 2 2 +2 d 2 q 3 cosq 1 2 cosq 2 sinq 2 + d 2 2 sinq 1 2 cosq 2 2 +q 3 2 sinq 1 2 sinq 2 2 + 2 d 2 q 3 sinq 1 2 cosq 2 sinq 2 = x E ( t ) 2 + y E ( t ) 2

-Bình phương 2 vế (3) rồi cộng từng vế với (4) : d 2 2 cosq 2 2 + q 3 2 sinq 2 2 +2 d 2 q 3 cosq 2 sinq 2 + d 2 2 sinq 2 2 + q 3 2 cosq 2 2 − 2d 2 q 3 cosq 2 sinq 2 =x E ( t ) 2 + y E ( t ) 2 +( z E ( t )−d 1) 2

{ d 2 d cosq 2 cosq 2 +q 2 + 3 q sinq 3 sinq 2 = 2 = cosq x E sinq y ( E t ) 1 ( t (5 1 ) ) ≤ ¿ cosq x E ( t ) 1 = sinq y E ( t 1 ) ≤ ¿ q 1=arctan ⁡ ( x y E E ( ( t t ) ) )

{ d 2 cosq sinq 2 +q 2 3 = z E z ( E t ( ) −d t ) − 1 d d + 2 1 d q + 2 3 q cosq 3 cosq 2 = 2 cosq x E ( t ) 1 ¿> d 2 2 cosq 2 + q 3 z E ( t )−q 3 d 1 +q 3 2 cosq 2 = x E ( t ) d 2 cosq 1 ¿> cosq 2 ¿ ¿> q 2 = arccos ⁡ ¿

Từ các phương trình trên ta sử dụng kết hợp với matlab vẽ được đồ thị các tọa độ suy rộng, vận tốc suy rộng, gia tốc suy rộng và cấu hình của robot.

Hình⁡2.1:⁡Đồ⁡thị⁡tọa⁡độ⁡suy⁡rộng⁡q1⁡q2

Hình⁡2.2:⁡Đồ⁡thị⁡tọa⁡độ⁡suy⁡rộng⁡q3

Hình⁡2.3:⁡Đồ⁡thị⁡vận⁡tốc⁡suy⁡rộng

Hình⁡2.4:⁡Đồ⁡thị⁡gia⁡tốc⁡suy⁡rộng

Hình⁡2.5:⁡Đồ⁡thị⁡cấu⁡hình⁡robot⁡RRT

Như vậy sau khi sử dụng phương pháp số để giải bài toán động học ngược, ta đã vẽ được quỹ đạo chuyển động của các tọa độ suy rộng, vận tốc và gia tốc suy rộng của robot bằng phần mềm matlab.

Thiết kế đóng vai trò quan trọng trong quá trình chế tạo gia công và sản xuất cơ khí.

Sự ra đời của các phần mềm vẽ cơ khí giúp cho các kỹ sư cơ khí dễ dàng thể hiện ý tưởng lên bảng vẽ một cách chân thực Hiện nay với sự phát triển của công nghệ, có rất nhiều những phần mềm hỗ trợ thiết kế, một số phần mềm thông dụng hiện nay như:

Inventor, NX, AutoCad, Solidworks, CATIA.

Em chọn sử dụng phần mềm Solidworks Phần mềm Solidworks là một phần mềm thiết kế 3D mạnh mẽ và tích hợp nhiều công cụ hỗ trợ đa dạng nên rất được các kỹ sư tín nhiệm Đồng thời, phần mềm được ứng dụng rộng rãi vào các lĩnh vực từ: xây dựng, cơ khí, kiến trúc, nội thất,

Trải qua nhiều phiên bản, Solidworks đã có nhiều bước tiến vượt trội về tính năng, hiệu suất cũng như đáp ứng trên cả mong đợi nhu cầu thiết kế bản vẽ 3D chuyên nghiệp cho các ngành kỹ thuật, công nghiệp.

Hình⁡3.1:⁡Lắp⁡ráp⁡chi⁡tiết⁡trên⁡Solidwork Ưu điểm của phần mềm SolidWork

Solidworks có các ưu điểm vượt trội với các giải pháp thiết kế 3D CAD trực quan, phương pháp xây dựng mô hình 3D tham số một cách nhanh chóng và tối ưu hóa các bước cho người sử dụng Đồng thời, Solidworks cho phép người dùng tái sử dụng dữ liệu bản vẽ 2D và chuyển đổi sang mô hình 3D Đây là một điểm cộng rất lớn giúp người dùng tiết kiệm được thời gian cũng như đẩy nhanh tiến độ hoàn thành công việc.

Xuất bản vẽ dễ dàng: phần mềm Solidworks cho phép ta tạo các hình chiếu vuông góc các chi tiết hoặc các bản lắp với tỉ lệ và vị trí do người sử dụng quy định Công cụ tạo kích thước tự động và kích thước theo quy định của người sử dụng Sau đó nhanh chóng tạo ra các chú thích cho các lỗ một cách nhanh chóng Chức năng ghi độ nhám bề mặt, dung sai kích thước và hình học được sử dụng dễ dàng.

Phân tích động lực học: Solidworks Simulation cung cấp các công cụ mô phỏng để kiểm tra và cải thiện chất lượng bản thiết kế của bạn Các thuộc tính vật liệu, mối ghép, quan hệ hình học được định nghĩa trong suốt quá trình thiết kế được cập nhật đầy đủ trong mô phỏng.

Chính những ưu điểm vượt trội trên, ta sử dụng SolidWork để thiết kế Robot hàn RRT3 bậc tự do.

Bản vẽ tổng thể robot :

Hình⁡3.2:⁡Bản⁡vẽ⁡tổng⁡thể⁡robot

Hình⁡3.3:⁡Bản⁡vẽ⁡lắp⁡ráp⁡khâu⁡đế

Hình⁡3.4:⁡Bản⁡vẽ⁡lắp⁡ráp⁡khâu⁡1

Khâu 3 và khâu thao tác :

Trong các chương trước, chúng ta đã nghiên cứu vị trí động học và li chuyển vi phân của robot Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét động ực học robot khi nó có liên hệ với gia tốc, tải trọng, khối lượng và lực quán tính Chúng ta cũng sẽ xem xét phần tĩnh học của robot.

Như đã biết ở phần động lực học, nếu đặt lên một khối lượng một gia ốc, chúng ta đã tạo cho nó một lực Tương tự như vậy, nếu chúng ta gây ra một gia tốc quay trên thân robot thì sẽ tạo ra một moment

∑ ⃗ F= m ⃗ a và ∑ T =I ⃗ α Để có thể gia tốc một khâu của robot, chúng ta cần phải có một cơ cấu chấp hành có khả năng tạo ra một lực hoặc moment đủ lớn trên khâu của robot để di chuyển chúng với gia tốc và vận tốc theo yêu cầu Ngược ại, nếu khâu di chuyển không đủ nhanh thì robot sẽ mất đi sự chính xác vị trí Để có thể tính toán công suất cần thiết của cơ cấu chấp hành, chúng a cần phải xác định mối quan hệ động lực học tác động lên các cơ cấu của Robot Phương trình trên là sự liên hệ của lực, khối lượng, gia tốc và moment, quán tính, gia tốc góc Dựa trên các phương trình trên và tải trọng đặt lên trên Robot, người thiết kế phải tính toán tài trọng lớn nhất mà cơ cấu chấp hành có thể thực hiện được yêu cầu để có thể phân phối được lực và moment cần thiết.

Tổng thể, phương trình động lực học có thể sử dụng để tìm ra phương trình di chuyển của cơ cấu Điều này có nghĩa rằng khi biết lực và moment chúng ta có thể hình dung ra cơ cấu sẽ di chuyển như thế nào Tuy nhiên, chúng ta phải tìm ra được phương trình di chuyển, bên cạnh đó thực tế chúng ta không thể giải tất cả các phương trình động lực học của Robot nhưng có thể giải được các phương trình đơn giản nhất Chúng ta sẽ sử dụng các phương trình này để tìm ra lực và moment cần thiết để tạo ra gia tốc trên các khâu và khớp của Robot Các phương trình này cũng để sử dụng xem xét lực quán tỉnh khác nhau đặt lên Robot và sự phụ thuộc vào gia tốc yêu cầu.

Chúng ta cũng có thể sử dụng các phương trình trong cơ học Newton để tìm ra các phương trình động lực học của Robot Tuy nhiên Robot là cơ cấu trong không gian ba chiều, có nhiều bậc tự do và sự phân bố khối lượng không đồng đều vì vậy chúng ta khó sử dụng được phương trình cơ học Newton Thay vào đó có thể sử dụng các nguyên lý Lagrange Nguyên lý Lagrange dựa vào năng lượng nên chúng ta dễ dàng sử dụng hơn Mặc dù vậy, các định luật của Newton có thể sử dụng ở các trường hợp khác và là cơ sở tham khảo của phương pháp tỉnh Lagrange Để xác định các tham số động lực học, ta cần chọn vật liệu (Alloy Steel SS ) và sử dụng chức năng Mass properties trên phần mềm Solidworks

Mass properties trên Solidworks là công cụ cho phép người dùng sử dụng để tính toán các mục như:

- Khối lượng (Mass)- Thể tích (Volume)- Diện tính bề mặt (Surface area)- Trọng lượng riêng (Density)- Trọng tâm chi tiết (Center of mass)- Momen quán tính khối (Moments of inertia)Từ tính toán chi tiết solidwork ta có các bảng sau :

Hình⁡4.1:⁡tham⁡số⁡động⁡lực⁡học⁡khâu⁡1

Như vậy ta thiết lập được bảng tham số động lực học như sau:

Bảng⁡4.1:⁡Bảng⁡tham⁡số⁡động⁡lực⁡học

Ma trận momen quán tính I Ixx Iyy Izz Ixy Iyz Izx

Các ma trận Craig địa phương:

K1=[ cosq sinq 0 0 1 1 − cosq sinq 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 d 1 ] ; K 2 = [ cosq sinq 0 0 2 2 − cosq sinq 0 0 2 2 −1 0 0 0 0 0 0 1 ]

Các ma trận Craig toàn cục :

C 2 =K 1 ∙ K 2 = [ cosq sinq sinq 1 1 0 cosq cosq 2 2 2 −cosq − sinq cosq 0 1 1 sinq sinq 2 2 2 − sinq cosq 0 0 1 1 d 0 0 1 1 ]

C 3 =C 2 ∙ K 3 = [ cosq sinq sinq 1 1 0 cosq cosq 2 2 2 −cosq sinq 0 0 1 1 cosq sinq −cosq 1 1 0 sinq sinq 2 2 2 d d 2 2 cosq sinq d 2 sinq 1 1 cosq cosq 2 − 2 2 q 1 + + 3 q q cosq 3 3 cosq sinq 2 + 1 1 d sinq sinq 1 2 2 ]

- Vị trí khối tâm và momen quán tính khối của các khâu trong hệ tọa độ khâu : u c1 = [ l 0 0 c1 ] u c 2 = [ l 0 0 c2 ] u c 3 = [ l 0 0 c3 ]

I C 1 = [ I 0 0 1xx I 0 1 0 yy I 0 0 1 zz ] I C2 = [ 0 0 0 I 2 0 0 yy I 0 0 2 zz ] I C 1 = [ I 0 0 3 xx I 0 3 0 yy 0 0 0 ]

- Vị trí khối tâm trong hệ tọa độ cố định : r ^ C 1 (0) =C 1 ∙ u ^ C 1 ( 1 ) = [ cosq sinq 0 0 1 1 −sinq cosq 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 d 1 ] ∙ [ l 0 0 1 c1 ] = [ l c 1 + 0 0 1 d 1 ]

 r c 1 (0) = [ l c 1 + 0 0 d 1 ] r ^ C 2 ( 0 ) =C 2 ∙ u ^ C 2 ( 2 ) = [ cosq sinq sinq 1 1 0 cosq cosq 2 2 2 − −sinq cosq cosq 0 1 1 sinq sinq 2 2 2 −cosq sinq 0 0 1 1 d 0 0 1 1 ] ∙ [ l 0 0 1 c2 ] =¿

 r c 2 (0) =¿ r ^ C 3 (0) =C 3 ∙ u ^ C 3 ( 1 ) = [ cosq sinq sinq 1 1 0 cosq cosq 2 2 2 − sinq cosq 0 0 1 1 cosq sinq −cosq 1 1 0 sinq sinq 2 2 2 d d 2 2 cosq sinq d 2 sinq 1 1 cosq cosq 2 −q 2 2 + + 1 3 q q cosq 3 3 cosq sinq 2 +d 1 1 sinq sinq 1 2 2 ] ∙ [ l 0 0 1 c 3 ] =¿

Các ma trận cosin chỉ hướng :

A 1 = [ cosq sinq 0 1 1 −sinq cosq 0 1 1 0 0 1 ] ; A 2 = [ cosq sinq sinq 1 1 cosq cosq 2 2 2 − −sinq cosq cosq 1 1 sinq sinq 2 2 2 −cosq sinq 0 1 1 ]

A 3 = [ cosq sinq sinq 1 1 cosq cosq 2 2 2 − sinq cosq 0 1 1 cosq sinq −cosq 1 1 sinq sinq 2 2 2 ]

Vận tốc suy rộng các khâu : ω 1 ( 0 ) = [ q ˙ 0 0 1 ] ω 2 ( 0 ) = [ − ˙ q ˙ q 2 2 sinq q ˙ cosq 1 1 1 ] ω 3 ( 0 ) = [ − ˙ q ˙ q 2 2 sinq q ˙ cosq 1 1 1 ]

Ma trận Jacobi tịnh tiến :

Ma trận khối lượng suy rộng :

Ta thay và nhận được ma trận khối lượng suy rộng của robot:

Ma trận quán tính ly tâm và Corilolis được xác định bởi công thức:

Thế năng của robot tính bởi công thức: π=− ∑ i=1 n m i g 0 T r Ci

Vecto lực suy rộng ứng với trọng lực g(q): g ( q )= ( ∂ π ∂ q ) T =− ∑ i=1 n m i J Ti T g 0

Thay các ma trận trên vào phương trình Lagrange loại 2

Với các thành phần của ma trận , và đã được tính toán ở trên

Từ bài toán động lực học, ta sử dụng phần mềm matlab tính momen tại các khớp của robot trong không gian thao tác

Hình⁡5.1⁡:⁡Đồ⁡thị⁡momen⁡dẫn⁡động⁡các⁡khâu

Momen lớn nhất tại khớp 3 là : Momen lớn nhất tại khớp 2 là :

Momen lớn nhất tại khớp 1 là :

Khâu 3: Sử dụng Động cơ bước lưỡng cực 2 pha PKP213D05A- 20mm (1,8 độ), cùng với bộ truyền trục vít (với block trượt 2 thanh ray bên) để truyền động cho khâu 3 chuyển động tịnh tiến.

Hệ trục vít mang tải : 0.64 kg

Vận tốc : 10 mm/s Gia tốc : 0.1mm/s 2 Đường kính trục vít 15 mm Con lăn ma sát mô men trên trục

Vận tốc di chuyển là 0.1 m/s

Vận tốc góc 1 vòng đi được 2 = 360 độ => vật di chuyển được 2mm.

⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡Hình⁡5.2:⁡Động⁡cơ⁡bước⁡PKP213D05A

5.1.2 Tính toán động cơ khớp quay thứ 2

Khối lượng khâu 3 là m3 = 0.64 Kg ( theo tính toán của phần mềm solidworks, bao gồm cả mũi dao).

Khối lượng khâu 2 là m2 = 0.63 Kg ( theo tính toán của phần mềm solidworks).

Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 2, 3 đến trục momen

Momen xoắn khi dùng 2 động cơ

Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng Mdc Ngoài ra loại động cơ này cần có khối lượng nhỏ để giảm trọng lượng cánh tay robot.

Hình⁡5.3⁡⁡Động⁡cơ⁡HK-KT13UW

Vì vậy lựa chọn 2 động cơ servo HK-KT13UW để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, với một số ưu điểm và thông số như sau: Động cơ Mitsubishi HK-KT13UW kết hợp với bộ truyền bánh đai giúp tăng momen xoắn lên rất lớn phù hợp cho các loại robot công nghiệp, cơ cấu máy, các bộ phận nhỏ những cần lực lớn Đối với motor bước thường xuyên phải đảo chiều quay, tăng giảm tốc độ hoặc dừng đột ngột nên bộ truyền hoặc hộp số phải là loại chính xác và chiệu được momen lớn

- Dòng hoạt động 1.2~4.6A - Momen xoắn: 1.7Nm > 1.35Nm - Chiều dài: 80.5 mm.

5.1.3 Tính toán động cơ khớp quay thứ 1

Khối lượng khâu 3 là m3 = 0.64 ( theo tính toán của phần mềm solidworks, bao gồm cả mũi dao)

Khối lượng khâu 2 là m2 = 0.63 Kg ( theo tính toán của phần mềm solidworks) Khối lượng khâu 1 là m2 = 5Kg ( theo tính toán của phần mềm solidworks )

Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 2, 3 đến trục momen Momen nhỏ nhất của động cơ khâu 1:

Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng M3

Hình⁡5.4⁡Động⁡cơ⁡HK-KT153W

Vì vậy lựa chọn 1 động cơ bước 2 pha HK-KT153W để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, với một số ưu điểm và thông số như sau: Động cơ bước HK-KT153W kết hợp với bộ truyền xích răng giúp tăng momen xoắn lên rất lớn phù hợp cho các loại robot công nghiệp, cơ cấu máy, các bộ phận nhỏ những cần lực lớn Đối với motor bước thường xuyên phải đảo chiều quay, tăng giảm tốc độ hoặc dừng đột ngột nên bộ truyền hoặc hộp số phải là loại chính xác và chịu được momen lớn Trong một số trường hợp đặc biệt khi cần dừng đột ngột thì phải sử dụng thêm phanh từ

- Dòng hoạt động 4.8A - Momen xoắn 15Nm > 14.67Nm - Chiều dài 90 mm

- 0.05 độ/1 step - Khối lượng 2.8 kg.

Có rất nhiều loại hệ thống dẫn động được sử dụng trong thiết kế robot, phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, mục đích ứng dụng của robot ta có thể chọn được hệ thống phù hợp.

Dưới đây là 1 số bộ truyền:

Hình⁡5.5:⁡Ví⁡dụ⁡bộ⁡truyền⁡bánh⁡răng

Bộ truyền bánh răng có hiệu suất truyền không cao, có tỉ số kích thước trên tỉ số truyền lớn, độ chính xác không cao, tỉ số truyền thấp, trong các robot có yêu cầu kết cấu nhỏ, độ chính xác cao thường không sử dụng Tuy nhiên với ưu điểm kết cấu cơ khí đơn giản, giá thành rẻ và phổ biến trên thị trường có khả năng làm việc với phạm vi vận tốc và tải trọng rộng nên bộ truyền bánh răng vẫn được dùng phổ biến cho các tay máy

* Bộ truyền trục vít - bánh vít

Hình⁡5.6:⁡Ví⁡dụ⁡bộ⁡truyền⁡trục⁡vít⁡bánh⁡vít

Tỉ số truyền lớn – Làm việc êm – Có khả năng tự hãm – Hiệu suất thấp, sinh nhiệt nhiều – Vật liệu làm bánh vít đắt tiền – Yêu cầu cao độ chính xác lắp ghép.

Hình⁡5.7:⁡Ví⁡dụ⁡bộ⁡truyền⁡xích

Không có hiện tượng trượt như bộ truyền đai, có thể làm việc khi có quá tải đột ngột, hiệu suất cao, có thể truyền cho nhiều bánh xích bị dẫn cùng lúc Nhưng bản lề xích bị mòn nên gây tải trọng động, ồn Phải bôi trơn thường xuyên và phải có cơ cấu điều chỉnh xích Mau bị mòn trong môi trường có nhiều bụi hoặc bôi trơn không tốt.

- Kết luận : ta sử dụng bộ truyền xích cho khâu 1

Hình⁡5.8:⁡Ví⁡dụ⁡bộ⁡truyền⁡đai⁡răng

Bộ truyền lực có tính đàn hồi, có kềt cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp Bộ truyền làm việc êm, không gây tiếng ồn, chịu sốc, không cần bôi trơn, phí tổn bảo dưỡng ít Đảm bảo an toàn cho động cơ khi có quá tải Bộ truyền đai răng là loại đĩa dẹt được chế tạo thành vòng kín, có răng ở mặt trong, khi vào tiếp xúc với bánh đai, các răng sẽ ăn khớp

Uu điểm: không trượt, tỉ số truyền lớn

Hiệu suất cao, không cần lực căng ban đầu lớn, lực tác dụng lên trục và lên ổ nhỏ Đai được chế tạo từ cao su trộn với nhựa nairit hoặc được đúc từ cao su poliuretan (CKY- 7) Lớp chịu tải chủ yếu là dây thép, sợi thủy tinh hoặc poliamit Nhờ lớp cốt cứng và bền mà bước của đai không bị thay đổi

Kết luận: ta sử dụng bộ truyền đai răng cho khâu 1

Ta sử dụng bộ truyền xích – bánh xích cho việc truyền động cho khâu dẫn.

So với bộ truyền đai, bộ truyền xích có các ưu điểm sau:

- Không có hiện tượng trượt, hiệu suất cao hơn, có thể làm việc khi có quá tải đột ngột.

- Không đòi hỏi phải căng xích, lực tác dụng lên trục và ồ nhỏ hơn.

- Kích thước bộ truyền nhỏ hơn bộ truyền đai nếu truyền cùng công suất và số vòng quay.

- Bộ truyền xích truyền công suất nhờ vào sự ăn khớp giữa xích và bánh xích, do đó góc ôm không có vị trí quan trọng như trong bộ truyền đai và do đó có thể truyền công suất và chuyển động cho nhiều đĩa xích bị dẫn.

Chọn loại xích ống con lăn Vì tải trọng không quá cao và vận tốc thấp Số răng đĩa xích dẫn: Z1 = 15 (răng);

Số răng đĩa xích bị dẫn:

(răng) Tỷ số truyền thực tế: hệ số tải trọng động: do tải trọng tĩnh nên chọn = 1;

: hệ số xét đến ảnh hưởng khoảng cách trục = 1;

K0: hệ số ảnh hưởng tỷ số truyền; đường nối tâm hợp với phương ngang 1 góc nhỏ hơn 60 độ nên k = 1;

Kdc : hệ số ảnh hưởng khả năng điều chỉnh lực căng xích = 1;

Klv: hệ số xác định chế độ làm việc; làm việc 2 ca K =1.12;

→ K: hệ số điều kiện sử dụng xích ¿ 1.12 ; Vận tốc góc mong muốn của khâu 1:⁡ v 1=9(mm/s).

Bảng⁡5.1:⁡Lựa⁡chọn⁡bước⁡xích⁡

Ta chọn bước xích Pc = 9.525(mm)

Số vòng quay giới hạn tương ứng với bước xích 9.525 mm là [n]50 (vòng/phút) nên điều kiện số vòng quay nhỏ hơn số vòng quay giới hạn thỏa mãn;

Vận tốc trung bình bộ truyền xích:

Khoảng cách trục sơ bộ: a = (30:50)Pc = 285.75(mm)

Ta có bảng thông số bộ truyền xích như sau:

Số răng Z1 = 15; Z2 0 Răng Đường kính đỉnh răng da1 = 48.9; da2 9 mm Đường kính đáy răng df1 = 43.23; df2.44 mm Đường kính vòng chia d1 = 45.47; d2 95 mm

Chiều dài xích lđ (5.63 mm

Tiêu đề	Tính toán thiết kế robot hàn RRT
Tác giả	Lê Tuấn Anh
Người hướng dẫn	Ths. Nguyễn Tiến Thịnh
Trường học	Đại học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ điện tử
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	4,14 MB