Đồ án thiết kế cơ điện tử Robot Scara 4dof

Danh mục hình ảnh. Danh mục các cụm từ viết tắt. LỜI NÓI ĐẦU PHẦN I: ĐIỀU KHIỂN ROBOT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1)Sơ lược về quá trình phát triển của robot công nghiệp 1.2)Phân loại robot. 1.3) Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT 2.1)Thiết kế mô hình robot. 2.2) Đặt hệ trục tọa độ DH. 2.3)Bậc tự do của robot. 2.4) Phương trình động học của robot CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 3.1) Cơ sở lý thuyết 3.2) Bài Toán động học thuận. 3.3) Bài toán động học ngược 3.4) Xác định miền làm việc của robot CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 4.1) Cơ sở lý thuyết 4.2) Thiết lập phương trình động lực học. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 5.1) Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động của robot. 5.2) Thiết kế quỹ đạo đa thức bậc ba 5.3) Ví dụ thiết kế quỹ đạo đa thức bậc 3 cho robot scara CHƯƠNG 6: THUẬT TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 6.1)Thiết kế bộ điều khiển 6.2) Mô phỏng trên matlab. PHẦN II: KẾT CẤU ROBOT CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHÂU 3 VÀ KHÂU 7.1) Tính toán thiết kế cơ cấu cặp vòi hút chân không. 7.2) Chọn trục dẫn hướng và động cơ xoay vật. 7.3) Tính toán thiết kế bộ truyền động vít me đai ốc. CHƯƠNG 8. TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHỚP SỐ 2. 8.1) Tính toán lựa chọn kết cấu trục số 2: 8.2) Tính chọn then cho trục số 2. 8.3)Tính chọn ổ bi đỡ chặn cho trục số 2. 8.4) Chọn đông cơ truyền động cho trục 2. 8.5)Tính chọn bộ truyền động đai răng. CHƯƠNG 9. TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHỚP 1 9.1) Tính toán lựa chọn kết cấu trục số 1 9.2) Tính chọn then cho trục số 1. 9.3) Tính chọn ổ bi đỡ chặn cho trục số 1 9.4) Chọn động cơ điện truyền động cho trục số 1. 9.5) Chọn bộ truyền bánh răng cho trục số 1. KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO

M c L c ụ ụ

Danh m c hình nh.ụ ả 3

Danh m c các c m t vi t t t.ụ ụ ừ ế ắ 4

L I NÓI Đ UỜ Ầ 5

PH N I: ĐI U KHI N ROBOTẦ Ề Ể 6

CH ƯƠ NG 1: T NG QUAN Ổ 6

1.1)S l ơ ượ ề c v quá trình phát tri n c a robot công nghi p ể ủ ệ 6

1.2)Phân lo i robot ạ 7

1.3) C u trúc c b n c a robot công nghi p ấ ơ ả ủ ệ 11

CH ƯƠ NG 2: C U TRÚC PH Ấ ƯƠ NG TRÌNH Đ NG H C C A ROBOT Ộ Ọ Ủ 13

2.1)Thi t k mô hình robot ế ế 13

2.2) Đ t h tr c t a đ DH ặ ệ ụ ọ ộ 16

2.3)B c t do c a robot ậ ự ủ 17

2.4) Ph ươ ng trình đ ng h c c a robot ộ ọ ủ 18

CH ƯƠ NG 3 : TÍNH TOÁN Đ NG H C ROBOT Ộ Ọ 20

3.1) C s lý thuy t ơ ở ế 20

3.2) Bài Toán đ ng h c thu n ộ ọ ậ 22

3.3) Bài toán đ ng h c ng ộ ọ ượ 29 c 3.4) Xác đ nh mi n làm vi c c a robot ị ề ệ ủ 31

CH ƯƠ NG 4: TÍNH TOÁN Đ NG L C H C ROBOT Ộ Ự Ọ 33

4.1) C s lý thuy t ơ ở ế 33

4.2) Thi t l p ph ế ậ ươ ng trình đ ng l c h c ộ ự ọ 35

CH ƯƠ NG 5: THI T K QUỸ Đ O CHUY N Đ NG Ế Ế Ạ Ể Ộ 43

5.1) Các khái ni m v quỹ đ o chuy n đ ng c a robot ệ ề ạ ể ộ ủ 43

5.2) Thi t k quỹ đ o đa th c b c ba ế ế ạ ứ ậ 43

5.3) Ví d thi t k quỹ đ o đa th c b c 3 cho robot scara ụ ế ế ạ ứ ậ 44

CH ƯƠ NG 6: THU T TOÁN THI T K B ĐI U KHI N Ậ Ế Ế Ộ Ề Ể 46

6.1)Thi t k b đi u khi n ế ế ộ ề ể 46

6.2) Mô ph ng trên matlab ỏ 48

PH N II: K T C U ROBOTẦ Ế Ấ 57

CH ƯƠ NG 7: TÍNH TOÁN THI T K KHÂU 3 VÀ KHÂU 4 Ế Ế 57

7.1) Tính toán thi t k c c u c p vòi hút chân không ế ế ơ ấ ặ 57

8.1) Tính toán l a ch n k t c u tr c s 2: ự ọ ế ấ ụ ố 72

8.2) Tính ch n then cho tr c s 2 ọ ụ ố 74

8.3)Tính ch n bi đ ch n cho tr c s 2 ọ ổ ỡ ặ ụ ố 75

8.4) Ch n đông c truy n đ ng cho tr c 2 ọ ơ ề ộ ụ 76

8.5)Tính ch n b truy n đ ng đai răng ọ ộ ề ộ 78

CH ƯƠ NG 9 TÍNH TOÁN K T C U KH P 1 Ế Ấ Ớ 80

9.1) Tính toán l a ch n k t c u tr c s 1 ự ọ ế ấ ụ ố 80

9.2) Tính ch n then cho tr c s 1 ọ ụ ố 82

9.3) Tính ch n bi đ ch n cho tr c s 1 ọ ổ ỡ ặ ụ ố 83

9.4) Ch n đ ng c đi n truy n đ ng cho tr c s 1 ọ ộ ơ ệ ề ộ ụ ố 85

9.5) Ch n b truy n bánh răng cho tr c s 1 ọ ộ ề ụ ố 86

K T LU NẾ Ậ 90

TÀI LI U THAM KH OỆ Ả 91

Danh m c hình nh ụ ả

Hình 1.1 Robot kiểu tọa độ Đề các 7

Hình 1.2 Robot kiểu tọa độ trụ 8

Hình 1.3 Robot kiểu tọa độ cầu 8

Hình 1.4 Robot SCARA 9

Hình 1.5 Tay máy kiểu tay người 9

Hình 1.6 Một dạng Robot điều khiển servo 10

Hình 1.7 Robot hàn 11

Hình 1.8Robot dùng trong quân sự của Mỹ 11

Hình 2.1: Mô hình robot scara 13

Hình 2.2: Khâu đế 14

Hình 2.3: Khâu 1 14

Hình 2.4: Khâu 2 15

Hình 2.5: Khâu 3 15

Hình 2.6: Khâu 4 16

Hình 2.7: các hệ trục tọa độ 16

Hình 2.8: Đặt hệ trục tọa độ 20

Hình 2.9: Đồ thị tọa độ điểm thao tác cuối 25

Hình 2.10: Đồ thị vận tốc điểm thao tác cuối 25

Hình 2.11: Đồ thị gia tốc điểm thao tác cuối 26

Hình 2.12: mô phỏng quỹ đạo chuyển động trên matlab 27

Hình 2.13 : Hình chiếu đơn giản của robot trên mặt phẳng x0y 30

Hình 2.14: miền làm việc của robot 32

Hình 4.1 : Các khối tâm robot scara 35

Hình 6.1: Sơ đồ điều khiển 46

Hình 6.2: sơ đồ điều khiển vị trí 48

Hình 6.3: Sơ đồ robot sau khi chuyển sang từ solidwork bằng simechanics sau khi đã thêm các khối Joint Actu và Joint sensor và bộ điều khiển 48

Hình 6.4: đầu vào bộ điều khiển 49

Hình 6.5: kết quả mô phỏng với luật điều khiển PID 49

Hình 6.6: kết quả mô phỏng với luật điều khiển PD 50

Hình 6.7: kết quả mô phỏng với luật điều khiển PI 50

Hình 6.8: sơ đồ khối simulink 52

Hình 6.9: sơ đồ quỹ đạo đầu vào 53

Hình 6.10: sơ đồ điều khiển PD 53

Hình 6.11: đồ thị vị trí 55

Hình 6.12: đồ thị vận tốc 56

Hình 7.1 Vòi hút chân khôngđiều khiển được 57

Hình 7.2 Sơ đồ tính toán lực cặp khi tải trọng Qz đặt lệch tâm 57

Hình 7.3 Thông số kỹ thuật của bơm hút chân không 58

Hình 7.4 Thông số hình học của vòi hút chân không 59

Hình 7.5 Cặp vòi hút chân không 60

Hình 7.6 Kết đầu trục dẫn hướng 62

Hình 7.7 Bạc dẫn hướng LMF 16 63

Hình 7.8 Động cơ bước 14HR08 65

Hình 7.9 Sơ đồ truyền động của trục vít me 65

Hình 7.10 Thông số hình học trục vít me SND 16x10R 67

Hình 8.1 Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 2 73

Hình 8.2 Kích thước then bằng 74

Hình 8.3 Ổ bi đỡ chặn 1 dãy 46304 76

Hình 8.4 Các thông số của động cơ AK-GB 42 77

Hình 9.1 Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 1 81

Hình 9.2 Kích thước then bằng 82

Hình 9.3 Ổ bi đỡ chặn 1 dãy 46305 84

Hình 9.4 Các thông sốcủa động cơ AK-GB 60 85

Hình 9.5 Thông số của bánh răng SH 87

Danh m c các c m t vi t t t ụ ụ ừ ế ắ

TTTKHDĐCK: Tính toán thi t k h d n đ ng c khí.ế ế ệ ẫ ộ ơ

HTCĐT: H th ng c đi n t ệ ố ơ ệ ử

Tay máy Robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước, ngày nay tay máy Robot

đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ những ưu điểm mà tay máy Robot đó

và đúc kết lại trong quá trình sản xuất làm việc, tay máy có những tính năng mà conngười không thể có được, khả năng làm việc ổn định, có thể làm việc trong môitrường độc hại… Do đó việc đầu tư nghiêc cứu, chế tạo ra những loại tay máy Robotphục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiện tại và tương lai

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ giúp chúng em làm quen và tìm hiểu

kĩ hơn với những vấn đề cốt lõi và cơ bản nhất về robot và rất có ích cho chúng emsau này Qua đó chúng em có thể tìm hiểu sâu hơn và tìm hiểu được cách tiếp cận vàgiải quyết các vấn đề của môn học Đồng thời qua làm đồ án cũng hình thành thêmcác kĩ năng làm việc,lập kế hoạch,viết báo cáo……rất có ích cho sau này Trong quátrình làm đồ án có rất nhiều vấn đề đặt ra mà trong phạm vi khả năng của chúng emcòn hạn chế chưa thể giải quyết triệt để được các vấn đề đặt ra.Vì vậy, chúng em rấtmong sự đóng góp sửa chữa và góp ý của quý thầy cô để em rút kinh nghiệm và bổsung kiến thức cho chính mình Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn sựhướng dẫn tâm huyết của thầy Phạm Minh Hải– Bộ môn Cơ Sở Thiết Kế Máy VàRobot - Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp chúng em hoànthành đồ án này

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1) Sơ lược về quá trình phát triển của robot công nghiệp

Thu t ng “Robot” đã đậ ữ ượ ử ục s d ng l n đ u tiên b i Karel Capek trong v k chầ ầ ở ở ị

c a ông Rosum’s Universal Robots đủ ược xu t b n vào năm 1921 Co lẽ đó là m tấ ả ộ

g i ý ban đ u cho các nhà sáng ch kỹ thu t v vi c sáng ch nh ng c c u, máyợ ầ ế ậ ề ệ ế ư ơ ấmóc b t chắ ước các ho t đ ng c a con ngạ ộ ủ ười

V m t kỹ thu t, nh ng robot công nghi p ngày nay có ngu n g c t hai lĩnhề ặ ậ ữ ệ ồ ố ừ

v c kỹ thu t ra đ i s m h n đó là các c c u đi u khi n t xa (Teleoperator) vàự ậ ờ ớ ơ ơ ấ ề ể ừcác máy công c đi u khi n s (NC-Numerially Controoled Machine Toll).ụ ề ể ố

Các c c u đi u khi n t xa (hay các thi t b ki u ch -t ) đã phát tri n m nhơ ấ ề ể ừ ế ị ể ủ ớ ể ạtrong chi n tranh th gi i l n th hai nh m nghiên c u các v t li u phóng xế ế ớ ầ ứ ằ ứ ậ ệ ạtrong các vi n nghiên c u nguyên t l c Đó là nh ng c c u ph ng sinh h c baoệ ứ ử ự ữ ơ ấ ỏ ọ

g m nh ng khau kh p và các dây ch ng g n li n v i h đi u hành chính là cánhồ ữ ớ ằ ắ ề ớ ệ ềtay c a ngủ ười, thao tác thông qua các c c u khu ch đ i c khí C th , nó g mơ ấ ế ạ ơ ụ ể ồ

có m t b k p bên trong và hai tay c m bên ngoài C hai, tay c m và b k p,ọ ộ ẹ ở ầ ở ả ầ ộ ẹ

được n i v i nhau b ng m t c câu sáu b c t do đ t o ra các v trí và hố ớ ằ ộ ơ ậ ự ể ạ ị ướngtùy ý cho tay c m và b k p C c u này dùng đ đi u khi n b k p theoầ ộ ẹ ơ ấ ể ề ể ộ ẹchuy n đ ng c a tay c m Chính vì v y, m c dù ngể ọ ủ ầ ậ ặ ười thao tác được tách bi tệ

kh i khu v c phóng x b i m t b c tỏ ự ạ ở ố ứ ường có m t ho c vài c a quan sát, vân cóộ ặ ủ

th nhìn th y và th c hi n các thao tác bên trong m t cách bình thể ấ ự ệ ở ộ ường

Vào kho ng năm 1949 các máy công c đi u khi n s ra đ i nh m đ p ng nhuả ụ ề ể ố ờ ằ ạ ứ

c u gia công các chi ti t ngành ch t o máy bay Nh ng robot đ u tiên th c ch tầ ế ế ạ ữ ầ ự ấ

là s k t n i gi a các khâu c khí c a c c u đi u khi n t xa v i kh năng l pự ế ố ữ ơ ủ ơ ấ ề ể ừ ớ ả ậtrình c a máy công c đi u khi n s ủ ụ ề ể ố

Đ u th p kỹ 1960, công ty Mỹ AMF (America Machine and Foundry Company)ầ ậcho ra đ i robot công nghi p đờ ệ ược đ t tên là Versatran, do Hary Johnson vàặVeljko Milenkovic thi t k ế ế

Năm 1967 trở ường Đ i h c t ng h p Standford (Mỹ) đã ch t o ra m u robotạ ọ ổ ợ ế ạ ẫ

ho t đ ng theo mô hình “m t-tay”, có kh năng nh n bi t và đ nh hạ ộ ắ ả ậ ế ị ướng bàn

k p theo v trí v t k p nh các c m bi n Năm 1974 công ty Mỹ Cincinnati đ aệ ị ậ ệ ờ ả ế ư

r ng trong khoa h c, bao g m các v n đ c u trúc c c u đ ng h c, đ ng l cộ ọ ồ ấ ề ấ ơ ấ ộ ọ ộ ự

h c, l p trình quỹ đ o, c m bi n tín hi u, đi u khi n chuy n đ ng…ọ ậ ạ ả ế ệ ề ể ể ộ

Đ nh nghĩa v robot công nghi p do Vi n nghiên c u robot c a Mỹ đ xu t đị ề ệ ệ ứ ủ ề ấ ược

s d ng r ng rãi: “RBCN là tay máy v n năng, ho t đ ng theo chử ụ ộ ạ ạ ọ ương trình và có

th l p trình l i đ hoàn thành và nâng cao hi u qu hoàn thành các nhi m vể ậ ạ ể ệ ả ệ ụkhác nhau trong công nghi p, nh v n chuy n nguyên v t li u, chi ti t, d ng cệ ư ậ ể ậ ệ ế ụ ụ

ho c các thi t b chuyên dùng khác.”ặ ế ị

Ngoái các ý trên, đ nh nghĩa trong ị 0CT 25686-85 còn b sung cho RBCN ch cổ ứ

năng đi u khi n trong quá trính s n xu t: “RBCN là tay máy t đ ng đề ể ả ấ ự ộ ược đ tặ

c đ nh hay di đ ng bao g m thi t b dang th a hành tay máy có m t sô b c tố ị ộ ồ ế ị ừ ộ ậ ự

do ho t đ ng và thi t b đi u khi n theo chạ ộ ế ị ề ể ương trình, có th tái l p trình để ậ ểhoàn thành các ch c năng v n đ ng và đi u khi n trong quá trình s n xu t.”ứ ậ ộ ề ể ả ấ

Ch c năng v n đ ng bao g m các ho t đ ng “c b p” nh v n chuy n, đ nhứ ậ ộ ồ ạ ộ ơ ắ ư ậ ể ị

hướng, x p đ t, gá k p, l p ráp… đ i tế ặ ẹ ắ ố ượng Ch c năng đi u khi n ám ch vai tròứ ề ể ỉ

c a robot nh m t phủ ư ộ ương ti n đi u hành s n xu t, nh cung c p d ch v vàệ ề ả ấ ư ấ ị ụ

v t li u, phân lo i và phân ph i s n ph m, duy trì s n xu t và th m chí đi uậ ệ ạ ố ả ầ ả ấ ậ ềkhi n các thi t b liên quan.ể ế ị

V i các đ c đi m có th l p trình l i, RBCN là thi t b t đ ng hóa kh trình vàớ ặ ể ể ậ ạ ế ị ự ộ ảngày càng tr thành b ph n không th thi u đở ộ ậ ể ế ược c a các t bào ho c hủ ế ặ ệ

d ng kh i ch nh t Do k t c u đ n gi n, lo i tay máy này có đ c ng v ng cao,ạ ố ữ ậ ế ấ ơ ả ạ ộ ứ ữ

đ chính xác c khí d đ m b o vì v y nó thộ ơ ễ ả ả ậ ường dùng đ v n chuy n phôi li u,ể ậ ể ệ

l p ráp, hàn rong m t ph ng….ắ ặ ẳ

Hình 1.2 Robot ki u t a đ tr ể ọ ộ ụ

* Tay máy ki u t a đ c u: khác v i ki u tr do kh p th hai (kh p trể ọ ộ ầ ớ ể ụ ớ ứ ớ ượt)

được thay b ng kh p quay N u quỹ đ o c a ph n công tác đằ ớ ế ạ ủ ầ ược mô t trongả

t a đ c u thì m i b c t do tọ ộ ầ ỗ ậ ự ương ng v i m t kh năng chuy n đ ng và vùngứ ớ ộ ả ể ộ

Hình 1.3 Robot ki u t a đ c u ể ọ ộ ầ

* Tay máy SCARA: Robot SCARA ra đ i vào năm 1979 t i trờ ạ ường đ i h cạ ọYamanaski ( Nh t B n) dùng cho công vi c l p ráp Đó là ki u tay máy đ c bi tậ ả ệ ắ ể ặ ệ

g m hai kh p quay và m t kh p trồ ớ ộ ớ ượt, nh ng c ba kh p đ u có tr c song songư ả ớ ề ụ

v i nhau K t c u này làm cho tay máy c ng v ng h n theo phớ ế ấ ứ ữ ơ ương th ng đ ngẳ ứ

nh ng kém c ng v ng h n theo phư ứ ữ ơ ương được ch n, là phọ ương ngang Lo i nàyạchuyên dùng trong công vi c l p ráp v i t i tr ng nh theo phệ ắ ớ ả ọ ỏ ương th ng đ ng.ẳ ứ

T SCARA là vi t t t c a ch “Selective Compliance Articulated Robot Actuato”ừ ế ắ ủ ữ

đ mô t các đ c đi m trên Vùng làm vi c c a SCARA là m t ph n c a hình trể ả ặ ể ệ ủ ộ ầ ủ ụ

r ng.ỗ

Hình 1.4 Robot SCARA

* Tay máy ki u tay ngể ườ ấ ải: t t c các kh p đ u là kh p quay, trong đó tr cớ ề ớ ụ

th nh t vuông góc v i hai tr c kia Do s tứ ấ ớ ụ ự ương t gi a tay ngự ữ ười, kh p th haiớ ứ

được g i là kh p vai (Shoulder joint), kh p th ba là kh p kh y (Elbow joint),ọ ớ ớ ứ ớ ủ

Hình 1.5 Tay máy ki u tay ng ể ườ i

Toàn b k t c u trên m i ch liên quan đ n kh năng đ nh v c a ph n côngộ ế ấ ở ớ ỉ ế ả ị ị ủ ầtác Mu n đ nh v nó, c n b sung c tay Mu n đ nh hố ị ị ầ ổ ổ ố ị ướng tùy ý ph n công tác,ầ

c tay ph i có ít nh t ba chuy n đ ng quay quanh ba tr c vuông góc v i nhau.ổ ả ấ ể ộ ụ ớ

1.2.2 Phân lo i theo đi u khi n ạ ề ể

Có 2 lo i đi u khi n robot: đi u khi n h va đi u khi n kín.ạ ề ể ề ể ở ề ể

* Đi u khi n h : dùng truy n đ ng bề ể ở ề ộ ước (đ ng c đi n ho c đ ng c th yộ ơ ệ ặ ộ ơ ủ

l c, khí nén…) mà quãng đự ường ho c góc d ch chuy n t l v i s sung đi uặ ị ể ỷ ệ ớ ố ềkhi n Ki u đi u khi n này đ n gi n, nh ng đ t đ chính xác th p.ể ể ề ể ơ ả ư ạ ộ ấ

* Đi u khi n kín (hay đi u khi n servo): s d ng tín hi u ph n h i v tríề ể ề ể ử ụ ệ ả ồ ị

đ tăng đ chính xác đi u khi n Có 2 ki u đi u khi n servo: đi u khi n đi m-ể ộ ề ể ể ề ể ề ể ể

đi m và đi u khi n theo để ề ể ường (contour)

Hình 1.6 M t d ng Robot đi u khi n servo ộ ạ ề ể

* V i ki u đi u khi n đi m-đi m, ph n công tác d ch chuy n t đi m nàyớ ể ề ể ể ể ầ ị ể ừ ể

đ n đi m kia theo đế ể ường th ng v i t c đ cao Nó ch làm vi c t i các đi mẳ ớ ố ộ ỉ ệ ạ ể

d ng Ki u đi u khi n này đừ ể ề ể ược dùng trên các robot hàn đi m, v n chuy n, tánể ậ ểđinh,…

* Đi u khi n contour đ m b o cho ph n công tác d ch chuy n theo quỹề ể ả ả ầ ị ể

đ o b t kỳ, v i t c đ có th đi u khi n đạ ấ ớ ố ộ ể ề ể ược Có th g p ki u đi u khi n nàyể ặ ể ề ểtrên các robot hàn h quang, phun s n.ồ ơ

Hình 1.7 Robot hàn

robot dùng trong nghiên c u khoa h c, robot dùng trong kỹ thu t vũ tr , robotứ ọ ậ ụdùng trong quân s , dân d ng…ự ụ

Hình 1.8Robot dùng trong quân s c a Mỹ ự ủ

1.3) Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp.

M t RBCN độ ượ ấc c u thành b i các h th ng sau:ở ệ ố

+ Tay máy (Manipulator) là c c u c khí g m các khâu, kh p Chúng hình thànhơ ấ ơ ồ ớcánh tay đ t o các chuy n đ ng c b n, c tay t o lên s khéo léo, linh ho t váể ạ ể ộ ơ ả ổ ạ ự ạbàn tay (End Effector) đ tr c ti p hoàn thành các thao tác trên đ i tể ự ế ố ượng

+ C c u ch p hành t o chuy n đ ng cho các khâu c a tay máy Ngu n đ ng l cơ ấ ấ ạ ể ộ ủ ồ ộ ự

c a các c c u ch p hành là đ ng c các lo i: đi n, th y l c, khí nén ho c k tủ ơ ấ ấ ộ ơ ạ ệ ủ ự ặ ế

h p gi a chúng.ợ ữ

+ H th ng c m bi n g m các sensor và thi t b chuy n đ i tín hi u c n thi tệ ố ả ế ồ ế ị ể ổ ệ ầ ế

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT 2.1)Thiết kế mô hình robot.

đây em s d ng ph n m m SolidWords đ thi t k mô hình các khâu và k t

c u c a Robotấ ủ

Mô hình đ tài này ch d ng tính tở ề ỉ ừ ở ượng tr ng, không đi sau vào thi t k chiư ế ế

ti t s n ph m th t Nên các khâu kh p đế ả ẩ ậ ớ ược thi t k đ n gi n đ vi c tính toánế ế ơ ả ể ệthi t k đế ế ược đ n gi n hóa h n Còn th c t các lo i robot công nghi p thì cácơ ả ơ ự ế ạ ệ

k t c u, liên k t gi a các khâu kh p ph c t p và c n ph i tính toán nhi u h n ế ấ ế ữ ớ ứ ạ ầ ả ề ơ

Hình 2.1: Mô hình robot scara

-Khâu 0 ( Khâu đ ) : Khâu c đ nh ế ố ị

-Khâu 1: Khâu đ ng quay quanh tr c th ng đ ng ộ ụ ẳ ứ

-Khâu 2: Khâu đ ng quay quanh tr c th ng đ ng song song v i tr c c a khâu cộ ụ ẳ ứ ớ ụ ủ ố

đ nh và phía cu i khâu 1ị ở ố

-Khâu 3: Khâu đ ng t nh ti n theo phộ ị ế ương song song v i tr c khâu c đ nh và phíaớ ụ ố ị ở

cu i khâu 2ố

Hình 2.2: Khâu đế

Hình 2.3: Khâu 1

Hình 2.4: Khâu 2

Hình 2.6: Khâu 4

2.2) Đặt hệ trục tọa độ DH.

Khâu 0: đ ta ch n h t a đ XoYoZo có tr c Zo có d c theo tr c c a khâu 0, Xo ế ọ ệ ọ ộ ụ ọ ụ ủ

được ch n nh trong hình vẽ, Yo đọ ư ược xác đ nh theo quy t c bàn tay ph i.ị ắ ả

Khâu 1: ta ch n h t a đ Xọ ệ ọ ộ 1Y1Z1 có tr c Zụ 1 d c theo tr c c a kh p n i khâu 1 ọ ụ ủ ớ ố

v i khâu 2, Xớ 1 ch n song song theo khâu 1 có họ ướng v phía khâu 2, Yề 1 được xác

đ nh theo quy t c bàn tay ph i, có g c t a đ đ t nh hình vẽ.ị ắ ả ố ọ ộ ặ ư

Khâu 2: ta ch n h t a đ Xọ ệ ọ ộ 2Y2Z2 có tr c Zụ 2 trùng tr c c a khâu 3 có hụ ủ ướng

xu ng phía dố ưới, X2 ch n d c theo tr c c a khâu 2 họ ọ ụ ủ ướng v phía ra xa khâu 1, ềY2 được xác đ nh theo quy t c bàn tay ph i.ị ắ ả

Khâu 3: ta ch n h t a đ Xọ ệ ọ ộ 3Y3Z3 có tr c Zụ 3 cùng phương cùng chi u v i tr c Zề ớ ụ 2 , X3 ch n song song và cùng chi u v i Xọ ề ớ 2 , Y3 được xác đ nh theo quy t c bàn tay ị ắ

ph i, có g c t a đ đ t nh hình vẽ.ả ố ọ ộ ặ ư

Khâu 4: Ta ch n h Xọ ệ EYEZE có tr c Zụ E cùng phương cùng chi u v i tr c Zề ớ ụ 2, XE

ch n song song và cùng chi u v i Xọ ề ớ 2 , YE được xác đ nh theo quy t c bàn tay ph i, ị ắ ả

+ n: s khâu đ ng c a Robotố ộ ủ

2.4) Phương trình động học của robot

Robot có phương trình đ ng h c d ng c b n nh sau:ộ ọ ạ ơ ả ư

z x y z x y z x y z

n

s a a a

Hình 2.8: Đ t h tr c t a đ ặ ệ ụ ọ ộ

-Theo Denavit – Hartenberg (1955) đã quy ước h t a đ Decard g n vào m iệ ọ ộ ắ ỗkhâu c a m t tay máy Robot nh sau:ủ ộ ư

* Tr c zụ i được ch n d c theo tr c c a kh p th (i+1) ọ ọ ụ ủ ớ ứ

Hướng c a phép quay và phép t nh ti n đủ ị ế ược ch n tùy ý.ọ

* Tr c xụ i được xác đ nh d c theo đị ọ ường vuông góc chung gi a tr c kh pữ ụ ớ

đ ng th i và (i+ 1), hộ ứ ướng t kh p đ ng th i t i tr c ( i+1).ừ ớ ộ ứ ớ ụ

* Tr c yụ i được xác đ nh theo quy t c bàn tay ph i ị ắ ả

* G c O sẽ là giao c a hai tr c b t kìố ủ ụ ấ

Cách xác đ nh các thông s c a b ng D – H ị ố ủ ả

-V trí c a h t a đ kh p (Oxyz)ị ủ ệ ọ ộ ớ i đ i v i h t a đ kh p (Oxyz)ố ớ ệ ọ ộ ớ i-1được xác đ nhị

b i 4 tham s ở ố θi, di, αi, ai nh sau:ư

θi : góc quay quanh tr c zụ i-1 đ tr c xể ụ i-1 trùng v i tr c x'ớ ụ i (xi//x'i)

di : d ch chuy n t nh ti d c tr c zị ể ị ế ọ ụ i-1 đ g c t a đ Oể ố ọ ộ i-1 chuy đ n O'ể ế i là giao

đi m c a tr c xể ủ ụ i và tr c zụ i-1

ai : d ch chuy n d c tr c xị ể ọ ụ i đ đi m O'ể ể i chuy n đ n đi m Oể ế ể i

: góc quay quanh tr c xụ i sao cho tr c z'ụ i-1(z’i-1// zi-1) trùng v i tr c zớ ụ i

Thi t l p b thông s đ ng h c theo Denavit-Hatenberg ế ậ ộ ố ộ ọ

cosθ sin θ cosα sin θ sin α a cosθ

sinθ cosθ cos α sin α cosθ a sin θ

3.2) Bài Toán động học thuận.

Bài toán đ ng h c thu n: Cho trộ ọ ậ ước các t a đ kh p là các hàm c a th i gian,ọ ộ ớ ủ ờxác đ nh vector t a đ thao tác.ị ọ ộ

D a vào b ng DH đã thi t l p trên ta ự ả ế ậ ở tính được ma tr n bi n đ i t a đ thu nậ ế ổ ọ ộ ầ

nh t Denavit – Hertenberg c a các khâu nh sau:ấ ủ ư

Ch n quy lu t chuy n đ ng trong th i gian 1s, các giá tr d, a và các góc theta.ọ ậ ể ộ ờ ị

-Vì nên, mi n làm vi c c a là t nên vi c l a ch n quy lu t chuy n đ ng choề ệ ủ ừ ệ ự ọ ậ ể ộ

nh trên là hoàn toàn h p lí, tư ở ợ ương t nh v y ta cũng ch n đự ư ậ ọ ược quy lu tậchuy n đ ng cho góc và Đ i v i khâu 3 là khâu t nh ti n ta có kho ng t nh ti nể ộ ố ớ ị ế ả ị ế

là t d a trên tính ch t c a hàm sin ta suy ra đừ ự ấ ủ ược,nhân c 2 v v i 125 taả ế ớ

được 1 hàm s theo x có giá tr trong kho ng t 0 đ n 250 Do v y mà ta có thố ị ả ừ ế ậ ể

ch n quy lu t chuy n đ ng c a khâu 3 nh trên.ọ ậ ể ộ ủ ư

Đ n v c a các góc quay là rad, và kho ng t nh ti n c a khâu 3 là mm.ơ ị ủ ả ị ế ủ

V i giá tr chi u dài các khâu: ;đã cho đ bài và các quy lu t chuy n đ ng taớ ị ề ở ề ậ ể ộ

đ t cho các góc theta, giá tr d trên thay vào t a đ thao tác đi m cu i, v n t cặ ị ở ọ ộ ể ố ậ ố

đi m thao tác cu i, gia t c đi m thao tác cu i ta để ố ố ể ố ược các hàm bi n đ i theo t.ế ổ

S d ng maple ta vẽ đử ụ ược các đ th nh sau:ồ ị ư

Hình 2.9: Đ th t a đ đi m thao tác cu i ồ ị ọ ộ ể ố

Hình 2.10: Đ th v n t c đi m thao tác cu i ồ ị ậ ố ể ố

Hình 2.11: Đ th gia t c đi m thao tác cu i ồ ị ố ể ố

Hình 2.12: mô ph ng quỹ đ o chuy n đ ng trên matlab ỏ ạ ể ộ

Tính v n t c góc các khâu ậ ố

Đ tìm để ược v n t c góc c a khâu ta làm các bậ ố ủ ước nh sau:ư

-Tìm ma tr n cosin ch hậ ỉ ướng c a t ng khâuủ ừ

Tính đ o hàm c a ma tr n cosin ch hạ ủ ậ ỉ ướng.

Theo công th c tính v n t c góc trên thì tính đứ ậ ố ở ược:

V y ta ậ được v n t c góc tuy t đ i c a t ng khâu nh sau:ậ ố ệ ố ủ ừ ư

bài toán đ ng h c ng c này thì đã bi t tr c t a đ c a khâu thao tác, yêu

c u xác đ nh vector t a đ kh p Trong th c t ta thầ ị ọ ộ ớ ự ế ường hay g p lo i bài toánặ ạnày, vì khi yêu c u Robot làm 1 vi c gì đó có t a đ trong không gian trong 1ầ ệ ọ ộ

mi n làm vi c nh t đ nh Nhi m v c a ngề ệ ấ ị ệ ụ ủ ười thi t k robot là tính toán thi tế ế ế

k cách chuy n đ ng c a robot đ nó làm vi c đúng yêu c u.ế ể ộ ủ ể ệ ầ

Có 2 phương pháp đ gi i quy t bài toán là:ể ả ế

- Gi i b ng phả ằ ương pháp số

- Gi i b ng phả ằ ương pháp gi i tíchả

Sau đây em xin gi i b ng phả ằ ương pháp gi i tíchả

Nghi m c a bài toán đ ng h c ngệ ủ ộ ọ ược c a robot Scara là nghi m c a phủ ệ ủ ươngtrình :

(*)

V i ớ ;

Ta có ma tr n R là ma tr n bi u di n phép quay c a h t a đ ậ ậ ể ễ ủ ệ ọ ộ v h t a đ ,ề ệ ọ ộphép bi n đ i ch quay quanh tr c z, tr c ngế ổ ỉ ụ ụ ược chi u nhau do h t a đ đãề ệ ọ ộ

3.4) Xác định miền làm việc của robot

D a vào các thông s các khâu, xác đ nh đự ố ị ược mi n làm vi c c a robotề ệ ủ

Hình 2.14: mi n làm vi c c a robot ề ệ ủ

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

4.1) Cơ sở lý thuyết

Đ ng l c h c robot nghiên c u chuy n đ ng c a robot dộ ự ọ ứ ể ộ ủ ưới tác d ng c aụ ủ

l c và (ho c) momen đi u khi n (g i chung là l c đi u khi n) đ th c hi nự ặ ề ể ọ ự ề ể ể ự ệthao tác theo m c đích công ngh ho c ph c v ụ ệ ặ ụ ụ

Đ ng l c h c thu n (dyrect dynamics): kh o sát tính toán các đ i lộ ự ọ ậ ả ạ ượng

đ c tr ng cho chuy n đ ng dặ ư ể ộ ưới tác d ng c a l c đã xác đ nh.ụ ủ ự ị

Đ ng l c h c ngộ ự ọ ược (inverse dynamics): kh o sát tính toán các l c d nả ự ẫ

đ ng đ robot th c hi n độ ể ự ệ ược chuy n đ ng thao tác theo quy lu t đã xácể ộ ậ

đ nh.ị

đ nh b i vector xác đ nh v trí kh i tâm và ma tr n cosin ch hị ở ị ị ố ậ ỉ ướng c a v tủ ậ

r n:ắ

rCi = rCi(q), Ri = Ri(q) (4.1)

Tr ng thái v n t c c a v t r n Bạ ậ ố ủ ậ ắ i được xác đ nh b i v n t c kh i tâm vàị ở ậ ố ố

c a nó trong h quy chi u c đ nh.ủ ở ệ ế ố ị

4 0 0 -L4 M4 I4x I4y I4z 0 0 0

Chú ý: Ta coi các khâu là đ i x ng và đ ng ch t nên các Iố ứ ồ ấ xy, Ixz, Iyz c a các khâu làủ

 

1

00

00

Theo công th c (ứ 4.14), xác đ nh đị ược các ma tr n quay (ma tr n cosin chậ ậ ỉ

hướng) c a khâu th i là Rủ ứ i=Ri(q) và bán kính đ nh v kh i tâm tị ị ố ương ngứrCi=rCi(q)

Xét khâu 1:

o c

  & & & 

=>ma tr n Jacobian quay ậ J R4

( 2 cos ) ( 2 cos ) 4( 2 cos )

( cos ) ( cos ) ( cos )

12