Tính Toán Thiết kế robot

Cơ cấu chấp hành cũng như cánh tay chân con người, hệ dẫn động chính là các cơ bắp và được trái tim con người tương ứng với động cơ đặt trong robot vận hành, hệ thống điều khiển là bộ nã

Trang 1

GVHD: ĐINH KHẮC TOẢN Page 1

MỤC LỤC

1 Phân tích lựa chọn cấu trúc 2

a Khái quát về robot 2 b Cấu trúc động học robot 4 c Các phương án thiết kế cấu trúc phù hợp cho các khâu khớp 7

d Phân tích, chọn, thiết kế cấu trúc được chọn 8 2 Giải bài toán động học 12

a Cho 1 quy luật chuyển động của các khâu robot 14

b Tính vận tốc điểm tác động cuối E, vận tốc góc khâu thao tác 15

c Đồ thị theo t 16

d Xây dựng một quy luật chuyển động thao tác của robot 18

e Khảo sát bài toán động lực học ngược 19

3 Tính toán lực 20

4 Tính toán động lực học 21

5 Thiết kế hệ dẫn động cho khớp thứ nhất 22

6 Thiết kế hệ thống điều khiển 23

a Chọn luật điều khiển phù hợp 24

b Sử dụng thư viện SimMechanis với mô hình robot Robot được xuất ra 25

từ solidwork

Trang 2

1 Phân tích lựa chọn cấu trúc

a Khái quát về robot

Cùng với sự phát triển không ngừng của các nghành khoa học kỹ thuật đặc

biệt là lĩnh vực cơ khí, điện tử điều khiển và tin học đã làm cho robot ngày càng có

những chức năng gần giống như con người nhiều hơn, trong robot có các bộ phận

như cơ cấu chấp hành, hệ dẫn động và hệ thống điều khiển Cơ cấu chấp hành cũng

như cánh tay chân con người, hệ dẫn động chính là các cơ bắp và được trái tim con

người tương ứng với động cơ đặt trong robot vận hành, hệ thống điều khiển là bộ

não điểu khiển mọi hoạt động của robot

Cuộc sống ngày càng văn minh hiện đại, mức sống của người dân ngày càng được

nâng cao, đòi hỏi phải nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm Vì vậy càng

Não ( hệ thống điều khiển)

Bắp thịt, huyết quản (Các bộ truyền chuyển động) Trái tim( Động cơ)

Xương ( Khung robot)

Khớp (Các khớp động robot)

Trang 3

phải ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá vào sản xuất nên càng tăng nhanh nhu cầu về ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động và linh hoạt.Robot có những đặc điểm nổi trội đó là:

 Có thể thực hiện công việc một cách bền bỉ, không biết mệt mỏi nên chất lượng sản phẩm được giữ ổn định Giá thành sản phẩm hạ do giảm được chi phí cho người lao động Ở nước ta trong những năm gần đây ở nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí về lương bổng cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong giá thành sản phẩm, càng cần phải ứng dụng công nghệ robot vào dây chuyền sản xuất

 Nhất là ở nhiều nơi hiện nay cũng cần ứng dụng công nghệ robot để cải thiện điều kiện lao động vì trong thực tế sản xuất người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, ồn ào…quá mức cho phép nhiều lần Thậm chí phải làm việc trong môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con người

 Mặt khác, khi áp dụng công nghệ robot vào sản xuất ta cũng cần lưu ý và phân tích

kỹ toàn bộ hệ thống sản xuất sao cho phù hợp với các nguyên công và phù hợp với tình hình sản xuất của nhà máy Cần xét đến đầy đủ các chi phí phụ và hiệu quả mang lại cho toàn bộ hệ thống Khi xác định đưa robot vào hệ thống sản xuất thì cũng cần phải xét xem khả năng liệu robot có thay thế được hay không và có hiệu quả hơn không Vì trong thực tế sản xuất cho thấy xu hướng thay thế hoàn toàn bằng robot nhiều khi không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà cần phải có sự khéo léo của con người

 Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản xuất Mà trong đó kĩ thuật robot và máy vi tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt.Vì vậy trong những năm gần đây

không những chỉ các nhà khoa học mà cả các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất linh hoạt

So với lúc mới ra đời, ngày nay công nghệ robot đã có những bước phát triển vượt bậc Đặc biệt là vào những năm 60 của thế kỉ trước, với sự góp mặt của máy tính Ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện những công việc phức tạp Ngày càng có những cải tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng

Trang 4

độ tin cậy của các bộ phận điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình Tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot Trong tương lai số lượng lao động được thay thế ngày càng nhiều vì một mặt giá thành robot ngày càng giảm do mặt hàng vi điện tử liên tục giảm giá đồng thời chất lượng liên tục tăng Mặt khác chi phí về lương và các khoản phụ cấp cho người lao động ngày càng tăng Robot ngày càng vạn năng hơn

để có thể làm được nhiều việc trên các dây chuyền

Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây chuyền Công việc lại đòi hỏi phải cẩn thận, nhẹ nhàng tinh tế và chính xác Nên nếu là công nhân thì cần phải thợ có tay nghề cao và làm việc đơn điệu, căng thẳng Robot đã có mặt nhiều trên các công đoạn lắp ráp phức tạp do được thừa hưởng kĩ thuật cảm biến, kĩ thuật tin học với những ngôn ngữ lập trình bậc cao

Robot tự hành cũng sẽ phát triển mạnh trong tương lai, có thể đi được bằng chân để thích hợp với mọi địa hình ví dụ như có thể tự leo bậc thang… Việc tạo ra các cơ cấu chấp hành cơ khí vừa bền vững, nhẹ nhàng chính xác và linh hoạt như chân tay người là đối tượng nghiên cứu chủ yếu.Kỹ thuật robot cũng từng bước áp dụng các kết quả nghiên cứu về trí khôn nhân tạo và đưa vào ứng dụng trong công

nghiệp Cải tiến và bổ xung các modul cảm biến và các modul phần mềm phù hợp

có thể cải tiến và thông minh hoá nhiều loại robot Điều quan trọng là các cơ cấu chấp hành của robot phải hoạt động chính xác

b Cấu trúc động học robot

Ta có thể khái quát định nghĩa robot theo cách nhìn của cơ học là một chuỗi động, mỗi khâu được ghép với nhau bởi các khớp nối, hoạt động linh hoạt nhờ hệ dẫn động và được điều khiển bằng hệ thống điều khiển.Dưới đây là một số hình robot liên tục được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực:

 Trong gia công cơ khí: thường sử dụng trong các máy hàn tự động, máy khoan, trong các dây truyền lắp ráp, v…v…

Trang 5

 Trong dây truyền sản xuất: Tham gia vào một số dây truyền sản xuất như gia công, phun sơn, đóng gói bao bì, v…v…

 Trong vận tải thường dùng để bốc xếp hàng hóa

Hình 1.4 robot Kuka

Hình 1.5 Laser Robotic Hình 1.2 Robot Hipo

Trong bài tập lớn này em xin chọn mô hình robot Scara 4 bậc tự do RRTR

SCARA là viết tắt của Selectively Compliance Assembly Robot Arm Như cái tên của nó, robot tuân thủ chỉ hướng dẫn cụ thể (X và Y) và có độ cao theo hướng khác (Z), và do đó, đã được thiết kế chủ yếu cho tự động hóa của công trình lắp ráp Hiện nay, nó được sử dụng trong các nghành sản xuất khác nhau như là một robot đó là rất hiệu quả không chỉ trong việc lắp ráp các công trình nhưng cũng có trong thành phần mang công trình (chọn & đặt các tác phẩm) vì tốc độ xuất sắc của nó Thông

Hình 1.3 Robot Puma

Trang 6

thường robot scara loại RRTR được thực hiện dẫn động bởi động cơ bước,các khớp động thường song song nhau

Robot scara G10 của hãng espon

1.2 Bậc tự do của robot

Cơ cấu tay của robot phải được cấu tạo sao cho khâu cuối phải có vị trí và theo một hướng nhất định nào đó và dễ dàng di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc Muốn vậy cơ cấu tay của robot phải đạt được một số bậc tự do chuyển động

Để tính số bậc tự do của robot thì ta có nhiều cách tính dưới đây ta đưa ra cách tính

dựa vào định lý Gruebler Theo Gruebler thì bậc tự do f được tính theo công thức:

0 1

g

i i



Trong đó :

 f : Là số bậc tự do của cơ cấu

 : Bậc tự do của một vật rắn không chụi liên kết trong không gian làm việc của robot ( = 3 ứng với không gian làm việc trong mặt phẳng,  = 6 ứng với không gian làm việc trong không gian)

 n : Số khâu ( kể cả giá cố định)

 fi : Số bậc tự do của khớp thứ i

 g: Tổng số khớp của cơ cấu

 f0: Số bậc tự do thừa

Trang 7

Thông thường robot 3 bậc tự do đảm bảo được yêu cầu về không gian thao tác Theo yêu cầu đặt ra của bài toán, robot có hướng kẹp vật tùy ý nên ta tăng thêm

1 bậc tự do để đảm bảo độ linh hoạt về hướng thao tác của robot cho phù hợp với đặc điểm làm việc của robot vận chuyển

c Các phương án thiết kế cấu trúc phù hợp cho các khâu khớp

Theo yêu cầu đầu bài, robot vận chuyển có hướng thao tác tùy ý nên ta chọn 4 bậc để đảm bảo độ linh hoạt khi hoạt động

Sau đây là một số cấu trúc robot đề ra

Hình 1.1 Cấu trúc 1

Trang 8

d Phân tích, chọn, thiết kế cấu trúc được chọn

Ta lựa chọn sử dụng cấu trúc 4 do cấu trúc này có khâu 3 chuyển động tịnh tiến đảm bảo độ linh hoạt về phương chiều hoạt động, khâu 4 chuyển động quay quanh trục khâu 3 nên tay kẹp robot có độ kinh hoạt về hướng tác động khi cầm nắm vận chuyển

Trang 9

Khâu để

Khâu 1

Trang 10

Khâu 2

Khâu 3

Trang 11

Khâu 4 và tây kẹp

Tổng Thể robot

Trang 12

2 Giải bài toán động học

a Cho 1 quy luật chuyển động của các khâu robot

Trang 13

Quy ước viết tắt :

Trang 14

 Ma trận chuyển vị thuần nhất mô tả hướng và vị trí của các khâu:

 Khâu 1 so với khâu cơ sở:

1 1

0 0

Trang 15

Trang 17

Trang 19

Trang 21

Trang 23

c Đồ thị theo t

Đồ thị tọa độ điểm tác động cuối xE(t), yE(t),zE(t):

Đồ thị xE(t):

Đồ thị yE(t):

Trang 24

Đồ thị zE(t):

Trang 25

d Xây dựng một quy luật chuyển động thao tác của robot

Vấn đề thiết kế quỹ đạo chuyển động liên quan mật thiết đến bài toán điều khiển robot di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong không gian làm việc Đường

đi và quỹ đạo được thiết kế là các lượng đặt cho hệ thống điều khiển vị trí của robot Do đó độ chính xác của quỹ đạo sẽ ảnh hưởng đến chất lượng di chuyển của

robot

Thông thường, quỹ đạo ở dạng đa thức bậc cao sẽ đáp ứng được các yêu cầu về vị trí, tốc độ, gia tốc ở mỗi điểm giữa 2 đoạn di chuyển

Yêu cầu của thiết kế quỹ đạo là :

- Khâu chấp hành phải đảm bảo đi qua lần lượt các điểm trong không gian làm việc hoặc di chuyển theo một quỹ đạo xác định

- Quỹ đạo của robot phải là đường cong đảm bảo tính liên tục về vị trí trong một khoảng nhất định

- Không có bước nhảy về vận tốc, gia tốc

- Quỹ đạo thường là đường cong thông thường

Trên thực tế hiên nay có nhiều quỹ đạo là dạng đường cong dạng :

- Đa thức bậc 2 :x(t)=a+bt+ct2

- Đa thức bậc 3 : x(t)=a+bt+ct2+dt3

- Đa thức bậc cao : x(t)=a+bt+…… ktn

Trong bài tập lớn này em sử dụng dạng quỹ đạo là đa thức bậc 3 có dạng:

X(t)=a+bt+ct2+dt3

Thiết kế quỹ đạo đa thức bậc 3

Từ vị trí ban đầu và hướng của tay robot, sử dụng phương trình động học ngược ta xác định các giá trị biến khớp tương ứng Bài toán thiết kế quỹ đạo cho khớp là xác định đường biểu diễn của vị trí khớp (góc quay của khớp quay hoặc khoảng tịnh tiến của khớp tịnh tiến) theo thời gian khi di chuyển từ vị trí ban đầu qođến vị trí cuối cùng qc trong thời gian tc với q là biến khớp tổng quát Quỹ đạo di chuyển của khớp giữa 2 vị trí sẽ thỏa mãn 4 điều kiện: vị trí ban đầu và vị trí cuối

Trang 26

cùng, tốc độ tại vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng Do đó đa thức bậc 3 sẽ thích hợp cho quỹ đạo chuyển động của khớp robot:

(Với i là biến khớp, i=1,2,3)

Trong thực tế, tốc độ tại vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng của khớp bằng không:

Trang 27

Ví dụ:

Bài toán: Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot RRTR từ vị trí A đến vị trí

B trong khoảng thời gian 4s Với điểm: A (45, 0 ,-20) điểm :

0 0 0 0

Trang 29

Trang 30

e Khảo sát bài toán động lực học ngược

Đầu vào của bài toán: xE=-30, yE=-30, zE=-20

Trang 31

3 Tính toán lực

Các thông số vật lý của robot:

Chiều dài các khâu:

Tọa độ trọng tâm của các khâu:

Thiết kế trên phần mềm solidworks Ta xuất ra được tọa độ trọng tâm của chi tiết Viết theo hệ tọa độ khớp i của khâu thứ i ta được:

Trang 32

Do tính toán trong trường hợp tĩnh, mô hình robot gắp vật nặng 30 kg, lực tác động theo mô hình trên chỉ có trọng lực của vật, có phương theo phương Z

]

]=[

]

0 ̃c4=[

Trang 33

Trang 34

]

Trang 35

0r2= 0R2. 2r2 [

] [ ] [ ]

0 ̃c2=[

]

0 ̃2=[

Trang 36

0r1= 0R1. 1r1 [

] [ ] [ ]

0 ̃c1=[

]

0 ̃1=[

]

Trang 37

Thay vào hệ tổng quát:

]

M1,0=[

]

Trang 38

Giá trị của Momen tại khớp 1:

M1= √ = √

Nhận thấy giá trị của momen tại khớp 1 là một hàm số theo biến khớp θ1,θ2 Dễ dàng thấy được giá trị lớn nhất của hàm số trên đạt được khi θ1=θ2 Hay nói cách khác , cấu hình của robot lúc đó góc giữa khâu 1 và khâu 2 đang bằng 180 độ, cánh tay đang vươn ra xa nhất Giá trị momen lúc đó sẽ là :

M1= √ =365327,3985 (N/m)

Trang 39

Momen quán tính khối từng khâu

z2,z3,z4 x4

x3 x2

x1

z1 Zo

Trang 40

0 0

3 4

0 0

Trang 41

Đạo hàm biểu thức trên theo thời gian ở trong hệ quy chiếu cố định ta được vận tốc

Trang 42

Vị trí khối tâm của khâu thứ 3:

Trang 43

Ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu thứ 4:

Từ các ma trận Ti ta suy ra được các ma trận cosin chỉ hướng của các khâu là:

Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thứ nhất:

0 0

Trang 45

Toán tử sóng của véc-tơ vận tốc góc khâu thứ 3:

Trang 46

Các ma trận momen quán tính của các khâu, tính đối với các hệ tọa độ đi qua khối tâm tương ứng và có các trục song song với các trục của hệ tọa độ Ri

Đối với khâu thứ nhất:

Trang 47

Trang 48

Đạo hàm biểu thức Фtheo q i ta sẽ thu được các lực cản nhớt (là thành phần lực

không thế) như sau:

Gọi i là các lực (nếu đặt tại khớp tịnh tiến ) hoặc ngẫu lực (nếu nó đặt tại khớp

quay) trực tiếp làm cho khớp chuyển động Như vậy ta ký hiệu véc tơ lực động cơ tạo nên dịch chuyển ở các khớp động là :

1 2 3 4

m q m q m q m q 2(m L a sinq m a a sinq m a a sinq ) q

(m L a sinq m a a sinq m a a sinq ) q

m q m q m q m q (m L a sinq m a a sinq m a a sin

Trang 49

M q q C q q q g q L L (3.33)

Mô phỏng một số bài toán đông lực học bằng phần mềm maple

Bài toán thuận

Cho biết i( )t , các thông số động học của robot đã biết trước, ta cần tìm các quy

luật chuyển động của các khớp tương ứng

Giải hệ phương trình (*) phía trên bằng Maple với các thông số đầu vào như sau:

T t

T T

q q

Trang 51

Trang 53

Bài toán ngược

Cho quy luật của X(t) như sau, xét trong khoảng thời gian T = 4s

3 2 sin

2 3

50.4 0.15cos

650.35 0.05sin

6( )

0.415 0.1sin

2

p p p

t

t x

t y

53auk hi giải bài toán động lực học ngược, ta sẽ tìm được q(t),dạo hàm q(t) theo t ta

sẽ tìm được vận tốc, gia tốc tương ứng của biến khớp Thay vào phương trình vi phân chuyển động (3.33) ta sẽ tìm được Lt Tiến hành mô phỏng số ta được:

Trang 55

Trang 57

Trang 59

Trang 60

5 Thiết kế hệ dẫn động cho khớp thứ nhất

Thông số đầu vào

Mô men lớn nhất Mmax = 365,32 Nm = 365320 Nmm

Vận tốc góc khâu 1 lớn nhất wmax = 30 vòng/ phút = π (rad/s)

Tính toán

Tính sơ bộ công suất

Công suất của khâu 1

 ), 3 cặp ổ lăn (hiệu suất 2), Ta tra bảng 2.3[1], ta được:

Động cơ

Hộp giảm tốc

Khâu 1

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	3,14 MB