Tính toán thiết kế Robot sơn tường (thầy Phan Bùi Khôi)

Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong sơn tường.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

LỜI NÓI ĐẦU

Cơ điện tử đang trở thành một trong những ngành mũi nhọn trong những năm gần đây Việc phát triển và mở rộng quy mô đào tạo cơ điện tử đang dần cung cấp nguồn nhân lực dồi dào, nâng cao chất lượng tự động hóa các quá trình sản xuất Mà đây lại là một đòi hỏi vô cùng quan trọng của sự nghiệp CNH-HDH mà chúng ta đang hướng tới

Xuất phát từ yêu cầu đó, các tay máy Robot ra đời để đảm bảo sự tự động hóa trong quá trình chế tạo, làm việc Hơn thế, Robot ra đời còn giúp con người làm việc trong các môi trường độc hại mà con người không thể tiếp xúc trực tiếp được

Trong khuôn khổ học phần Tính toán thiết kế Robot, sau khi được trang bị các kiến thức cụ thể

về việc thiết kế một Robot hoàn chỉnh Đây là cơ sở để tính toán, thiết kế cũng như điều khiển các loại Robot trong công nghiệp phục vụ sản xuất sau này

Cụ thể nhóm quyết định lựa chọn đề tài Tính toán thiết kế Robot ứng dụng trong sơn tường

Tính toán thiết kế robot

Nội dung:

Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong sơn tường

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 chọn phương

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

4 Phân tích trạng thái (tĩnh) yêu cầu lực/momen động cơ lớn nhất

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

1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc

1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot

Robot sơn tường có nhiều ứng dụng trong đời sống, mục đích của robot là sơn tường theonhững hình dạng phức tạp, hình dạng đòi hỏi phức tạp có độ chính xác cao

Hình 1 Minh họa kết quả làm việc của robot

1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác

a Đối tượng thao tác, dạng thao tác

Nhiệm vụ của robot là sơn tường và vẽ hình trên tường ( tường có 1000 x 1000 mm ) do

đó :

- Đối tượng thao tác là bề mặt tường phẳng

- Dạng thao tác chuyển động được theo các cung cong và thằng

b Phân tích yêu cầu về vị trí.

Phải di chuyển được mọi vị trí trên bề mặt tường để phun sơn được toàn bộ mặt phẳng

c Yêu cầu về hướng: Đối tượng là mặt phẳng nên hướng thao tác là hướng vuông góc với

bề mặt của tường do đó hướng cố định và không thay đổi trong quá trình làm việc

Về vận tốc thì Robot phải đáp ứng phun sơn với vận tốc ổn định để quá trình làm việc không bị gián đoạn Không có yêu cầu về gia tốc.

1.3 Xác định các đặc trưng kỹ thuật

a Số bậc tự do cần thiết

Do quỹ đạo sơn bao gồm đường cong và đường thẳng trong mặt phẳng, để bảo đảm vị trí chính xác của khâu thao tác, robot cần tối thiểu 2 bậc tự do Nếu robot có nhiều hơn 2 bậc tự do (3,4,5,hoặc 6 bậc tự do), chuyển động của robot sẽ linh hoạt hơn Tuy nhiên việc có quá nhiều bậc tự

do sẽ khiến việc tính toán trở nên khó khăn, không thực sự cần thiết với yêu cầu đặt ra Do đó, nhóm đã quyết định lựa chọn số bậc tự do cần thiết cho robot là 2

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

Hình 2: Phương án thiết kế robot 2 bậc tự do

Để đảm bảo yêu cầu về các dạng thao tác và không gian thao tác thuận tiện thì phương ánrobot 2 bậc tự do vừa đơn giản trong quá trình tính toán vừa dễ dàng trong quá trình thiết kế và chế tạo

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

Hình 3: Mô hình hóa robot

0 1 0 0 0 1 0 0 sin / 2 cos / 2 0 0

0 0 0 1 0 0 0 1

cos / 2 sin / 2 0 cos / 2

sin / 2 cos / 2 0 sin / 2

1

1 0 0 cos / 2 sin / 2 0 cos / 2

0 1 0 0 sin / 2 cos / 2 0 sin / 2

0 0 1 0

0 0 0 1

cos / 2 sin / 2 0 cos / 2 cos / 2

sin / 2 cos / 2 0 sin / 2 sin / 2

q a

 Bài toán động học thuận robot

Nhiệm vụ của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu thao tác, hay nói cách khác là vị trí điểm tác động cuối và hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định vớiđiều kiện các biến khớp đã biết Ở đây ta sẽ xác định từ ma trận DH của khâu thao tác

2 0

( , , ) ( , , ) ( , , ) ( , , ) ( , , ) ( , , ) ( )

( , , ) ( , , ) ( , , )

E E E

- Bài toán động học thuận về vị trí của robot

Như ta đã biết để xác định hướng và vị trí của vật rắn ta có thể sử dụng rất nhiều phương pháp như: các góc Euler, các góc Cardan, các góc RPY

Như trên đã trình bài ta có thể xác định ma trận biểu diễn vị trí và hướng của điểm tác động cuối bằng phương pháp Denavit-Hartenberg như sau:

Trong trường hợp này ta dung các góc Cardan để biểu diễn hướng của khâu cuối robot ta

có phương trình động học dạng ma trận:

cos cos -cos sin sin sin sin cos +cos sin -sin sin sin +cos cos -sin cos

-cos sin cos +sin sin cos sin sin +sin cos cos cos

E E E

X Y Z

0 250

E E

0 250

=> Hướng của khâu thao tác:

Sử dụng ma trận Cardan để xác định hướng của khâu thao tác ta có:

Tức là :

cos cosη -cos sin sin sin sin cos +cos sin -sin sin sin +cos cos -sin cos -cos sin cos +sin sin cos sin sin +sin cos c s s

Vì do các khâu là khâu tịnh tiến

�

- Tính gia tốc điểm tác động cuối Tính gia tốc góc khâu thao tác:

 Gia tốc điểm tác động cuối E:

2 1

1 1

0

250 250

E

E E

E E

Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác

Trong trường hợp chuyển động liên tục trên đường dịch chuyển, kỹ thuật thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác hay được sử dụng

Đối với Robot này, ta chọn bài toán thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác sao cho quỹ đạo của điểm tác động cuối là đường thẳng từ điểm A đến điểm B (bất kì trong

vùng làm việc) do khi sơn ta cần vận tốc phải giữ ổn định trong suốt quá trình nên ta áp dụng quy luật vận tốc hình thang.

Quy luật vận tốc hình thang gồm có 3 giai đoạn:

- Giai đoạn I: Vận tốc tăng từ 0 đến giá trị ổn định làm việc, gia tốc a 1 =a 0

- Giai đoạn II: Vận tốc không đổi trong quá trình thao tác, a 2 =0.

- Giai đoạn III: Vận tốc giảm dần về 0, gia tốc a 3 =a e

plot3(pts1(:,1), pts1(:,2), pts1(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

plot3(pts2(:,1), pts2(:,2), pts2(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

plot3(pts3(:,1), pts3(:,2), pts3(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

plot3(pts4(:,1), pts4(:,2), pts4(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

plot3(pts5(:,1), pts5(:,2), pts5(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

plot3(pts6(:,1), pts6(:,2), pts6(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

plot3(pts7(:,1), pts7(:,2), pts7(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

plot3(pts8(:,1), pts8(:,2), pts8(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

plot3(pts9(:,1), pts9(:,2), pts9(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

plot3(pts10(:,1), pts10(:,2), pts10(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

plot3(pts11(:,1), pts11(:,2), pts11(:,3), 'r','linewidth',3);hold on;

tB  4( ) s t2  3.8( ) s

2 0

plot(t1, s1, 'r-', 'LineWidth', 2); hold on;

plot(t1, v1, 'g-', 'LineWidth', 2);hold on;

plot(t1, a1, 'b-', 'LineWidth', 2);hold on;

t2=(0.2:0.02:3.8);

s2=s_0+a_0/2*t_1^2+a_0.*t_1*(t2-t_1);

v2=a_0.*t_1+0.*(t2-t_1);

a2=0+0*t2.^2;

plot(t2, s2, 'r-', 'LineWidth', 2); hold on;

plot(t2, v2, 'g-', 'LineWidth', 2); hold on;

plot(t2, a2, 'b-', 'LineWidth', 2); hold on;

t3=(3.8:0.02:4);

s3=s_0+a_0/2*t_1^2+a_0.*t_1*(t_2-t_1)+a_e/2*(t3-t_2).^2+(a_0.*t_1).*(t3-t_2);v3=a_0.*t_1+a_e*(t3-t_2);

Đồ thị quỹ đạo, vận tốc, gia tốc AB

- Quỹ đạo của điểm tác động cuối theo đường thẳng từ B đến C trong te=0.8s

tC  4.8( ) s t2  4.6( ) s

2 0

v1=a_0.*t1;

a1=a_0+0*t1.^2;

plot(t1, s1, 'r-', 'LineWidth', 2); hold on;

plot(t1, v1, 'g-', 'LineWidth', 2);hold on;

plot(t1, a1, 'b-', 'LineWidth', 2);hold on;

t2=(4.2:0.02:4.6);

s2=s_0+a_0/2*t_1^2+a_0.*t_1*(t2-t_1);

v2=a_0.*t_1+0.*(t2-t_1);

a2=0+0*t2.^2;

plot(t2, s2, 'r-', 'LineWidth', 2); hold on;

plot(t2, v2, 'g-', 'LineWidth', 2); hold on;

plot(t2, a2, 'b-', 'LineWidth', 2); hold on;

r và 0 2

2

r trong hệ cơ sở:

…

Với: T- động năng của Robot.

 - thế năng của Robot.

Q*- véctơ lực suy rộng không thế

n- số bậc tự do của Robot

4.1.2 Động năng của Robot

Động năng của Robot được tính theo CT sau:

mi – khối lượng khâu i

vci – vận tốc dài của khối tâm khâu i trong hệ tọa độ cố định

iωi – vận tốc góc khâu i tính trong hệ tọa độ động

Ii – ma trận tenxơ quán tính của khâu i đối với khối tâm của nó trong hệ tọa độ động.+) Đặt rCi là véc tơ xác định vị trí khối tâm của khâu i trong hệ tọa độ cố địnhrCi tính

là véc tơ xác định vị trí khối tâm của khâu i trong hệ tọa độ (Oxyz)i

Khi đó vận tốc dài của khối tâm khâu i :

1 1

.

Ci Ci Ci

n Ci

Ci Ci Ci

n Ci

& & & &

& & & &

Với i =1,2,…,n

Quy ước :

Ci Ti

r J

JTi – ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu i

JRi – ma trận Jacobi quay của khâu i

( )2

n

Ti i Ti Ri i Ri i

M(q) là ma trận khối lượng suy rộng

4.1.3 Thế năng của Robot

0 1

n

T

i Ci i

( ) 2

M q q C q q q g q &&  & &    Q  t

4.2 Thiết lập phương trình động lực học cho Robot

 Vị trí khối tâm khâu 1, 2 trong hệ tọa độ cố định:

1 1

 Ma trận cosin chỉ hướng của các khâu

 Vận tốc khối tâm các khâu

 Ma trận Jacobi tịnh tiến

 Ma trận Jacobi quay