Tính toán, thiết kế và mô hình hóa mô phỏng động học robot delta

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT DELTA Sinh viên thực : NGUYỄN CẢNH NAM CAO Lớp : 54K2 KTĐK & TĐH Giảng viên hƣớng dẫn : ThS HỒ SỸ PHƢƠNG Nghệ An, 07-2018 TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT DELTA Sinh viên thực : NGUYỄN CẢNH NAM CAO Lớp : 54K2 KTĐK & TĐH Giảng viên hƣớng dẫn: ThS HỒ SỸ PHƢƠNG Cán phản biện : PGS.TS NGUYỄN HOA LƢ Nghệ An, 07-2018 MỞ ĐẦU Ngày nay, việc ứng dụng robot công nghiệp vào sản xuất phổ biến Những robot đƣợc gắn với dây chuyền sản xuất để thay ngƣời làm cơng việc mang tính lặp lặp lại nhàm chán với suất vƣợt trội độ tin cậy cao Robot công nghiệp đƣợc chia làm hai loại chủ yếu robot chuỗi hở robot song song Robot chuỗi hở có độ linh hoạt cao, khơng gian làm việc rộng nhƣng độ cứng vững không cao, động dẫn động thƣờng đƣợc gắn khâu động nên qn tính lớn thao tác với độ xác thấp Robot song song có khơng gian làm việc bị hạn chế xuất điểm kì dị làm cho robot thiếu thừa bậc tự nhƣng loại lại có điểm mạnh độ cứng vững cao ràng buộc khâu chuỗi động học kín, khớp truyền động cố định đặc biệt thực đƣợc chuyển động với vận tốc cao mà khơng sợ bị hạn chế mặt qn tính Để đáp ứng yêu cầu đặt ngày xã hội cần thiết sản phẩm, em thực nghiên cứu đề tài: “Tính tốn, thiết kế mơ hình hóa mơ động học robot Delta” Do kiến thức hạn chế thời gian hạn hẹp nên em khơng tránh khỏi sai sót q trình hồn thành đồ án Em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ Thầy (Cơ giáo) bạn để hiểu biết hồn thiện q trình làm việc sau Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, tháng 07 năm 2018 Ngƣời thực Nguyễn Cảnh Nam Cao MỤC LỤC MỞ ĐẦU……… DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT DELTA 1.1.Giới thiệu chung 1.2 Phân loại 15 1.2.1.Kiểu 3-PRPaR 15 1.2.2.Kiểu 3-RRPaR 16 1.2.3.Kiểu 3-P2S2S 17 1.2.4.Kiểu 3-R2S2S 18 CHƢƠNG 2: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC CHO DELTA ROBOT 20 2.1 Cấu trúc hình học Delta Robot 20 2.2.Cấu trúc nhánh Delta Robot 21 2.3.Bài tốn vị trí .22 2.3.1.Hình học cấu 22 2.3.2.Động học ngƣợc .22 2.3.3.Động học thuận 24 2.4.Các cấu hình đặc biệt 27 CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG ROBOT DELTA TRÊN SOLIDWORKS 33 3.1 Giới thiệu phần mềm Solidworks 33 3.1.1.Tính thiết kế phần mềm Solidworks 34 3.1.2 Tính lắp ráp chi tiết 34 3.1.3 Xuất vẽ phần mềm solidworks 34 3.1.4 Tính gia cơng Solidworks .35 3.1.5 Phân tích động lực học Solidworks 35 3.1.6 Ƣu điểm Solidworks .35 3.1.7 Một số chi tiết đƣợc vẽ phần mềm solidwork 36 3.2 Mô Delta Robot Solidworks 37 3.2.1 Các cụm chi tiết Robot Delta 37 3.2.2 Robot Delta sau mate hoàn chỉnh .39 3.2.3 Tiến hành mô 39 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42 Kết luận: .42 1.1 Kết đạt đƣợc 42 1.2 Vấn đề tồn 42 Kiến nghị: .42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ robot Delta (theo sáng chế Hoa Kỳ số 4,976,582) Hình 1.2 Robot Line-Placer hãng Demaurex dùng để đóng gói bánh quy 11 Hình 1.3 SurgiScope vận hành Surgical Robotics lab, Đại học Humboldt, Berlin 12 Hình 1.4 Robot Delta hãng Hitachi Seiki thực chức 13 nâng - đặt khoan 13 Hình 1.5 Hai ba robot SIG Pack Systems giới thiệu, C33 CE33 14 Hình 1.6.Cấu trúc kiểu 3-PRPaR 15 Hình 1.7 Cấu trúc kiểu 3-RRPaR .16 Hình 1.8 Cấu trúc kiểu 3-P2S2S 17 Hình 1.9 Cấu trúc kiểu 3-R2S2S 18 Hình 2.1 Cấu trúc hình học Delta Robot 20 Hình 2.2 Lược đồ hóa cấu trúc cấu Delta Robot 21 Hình 2.3 Cấu trúc nhánh Delta Robot .21 Hình 2.4 Hai nghiệm động học đảo nhánh 23 Hình 2.5.Cấu hình đặc biệt động học đảo 29 Hình 2.6.Cấu hình đặc biệt động học đảo 29 Hình 2.7.Cấu hình đặc biệt động học thuận liên kết nhánh phía mặt phẳng bệ di động 31 Hình 2.8.Cấu hình đặc biệt động học thuận hai liên kết nhánh song song với 32 Hình 3.1 Chi tiết khí 37 Hình 3.2 Mơ hình mô 37 Hình 3.3 Mơ hình khung 37 Hình 3.4 Cụm motor 38 Hình 3.5 Cụm gắp 38 Hình 3.6 Cụm tay giằng 39 Hình 3.7 Robot Delta .39 Hình 3.8 Trạng thái ban đầu 40 Hình 3.9 Tiến hành xác định gắp vật 40 Hình 3.10 Tiến hành nhả vật 41 Hình 3.11 Quay trạng thái chờ ban đầu 41 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Bậc tự (dof) cấu trúc kiểu 3-PRPaR .15 Bảng 1.2: Bậc tự (dof) cấu trúc kiểu 3-RRPaR 16 Bảng 1.3: Bậc tự (dof) cấu trúc kiểu 3-P2S2S 17 Bảng 1.4: Bậc tự (dof) cấu trúc kiểu 3-R2S2S .18 TĨM TẮT Ngành cơng nghiệp robot giới đƣa đƣợc sản phẩm robot công nghiệp để phục vụ sản xuất, chí phục vụ nhu cầu giải trí nhƣ chăm sóc ngƣời Với ngành cơng nghiệp Việt Nam robot chƣa đƣợc xuất nhiều dây truyền sản xuất Vì sản phẩm cịn q đắt thị trƣờng Việt Nam Nhằm nội địa hóa sản phẩm, nhƣ nghiên cứu chuyên sâu robot, em chọn đề tài “Tính tốn, thiết kế mơ hình hóa mơ động học robot Delta” Đề tài hƣớng tới tiến hành chế tạo cánh tay robot thực tế, xác định vật liệu nhƣ cấu truyền động bậc, tính tốn thời gian thực chu trình từ có phƣơng án kết hợp dây chuyền theo thời gian thực Với hình ảnh 3D giúp sinh viên hƣớng tới thiết kế loại robot khác nhau, ứng dụng dc phần mềm Solidwork tính tốn, thiết lập góc độ Mục đích đề tài nghiên cứu cấu tạo xây dựng giải pháp phần cứng robot song song ba bậc tự Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, áp dụng vào phịng thí nghiệm trƣờng cao đẳng, đại học nhƣ ứng dụng sản xuất công nghiệp PREFACE The robot industry in the world has brought the product is industrial robots to serve production, even serving the needs of entertainment as well as human care With the industry of Vietnam, the robot has not appeared much in the production line This product is too expensive for the Vietnamese market For localization of products, as well as in-depth research on robots, I chose the topic "Calculation, design and modeling of Delta robot dynamics." This topic aims to be able to construct the actual robot arm, define the material as well as the actuator of each stage, calculate the time to implement a cycle from which there is a plan to combine the chain in real time With 3D visualization, students will be able to design different types of robots, using Solidwork software in their calculations, setting angles The purpose of this thesis is to study the structure and construction of three-step parallel robot hardware solutions To be the master of robotics, it is possible to apply to laboratories of colleges and universities as well as applications in industrial production - Trạng thái đặc biệt động học thuận Trạng thái xảy det (Jx) = Tuy khó giải tất trạng thái đặc biệt khả dĩ, nhƣng nhiều trạng thái cấu thỏa mãn điều kiện đƣợc nhận diện theo cách sau Mỗi hàng Jp biểu thị vector đơn vị ji, có chiều theo hƣớng khâu kép BiCi cấu hình bình hành Jpcó trạng thái đặc biệt ba vector đơn vị trở nên phụ thuộc tuyến tính, nghĩa là: (2.20) vài giá trị thực µ1, µ2, µ3 , tất giá trị µ Cấu hình thứ thỏa mãn phƣơng trình (2.20) ba vector đơn vị ji (với i = 1, 2, 3) nằm mặt phẳng Ví dụ, ba cấu hình bình hành mặt phẳng song song với mặt phẳng xy, thành phần z phƣơng trình (2.20) Do đó, ln ln tìm đƣợc giá trị µ1, µ2, µ3 khác Trạng thái là: (2.21) Phƣơng trình (2.21) cho thấy cấu chấp hành trạng thái đặc biệt động học thuận tất nhánh bố trí theo điều kiện: π với i = 1, 2, Điều kiện π với i = 1, 2, π trạng thái động học đặc biệt hỗn hợp Sự diễn dịch hình học điều kiện cấu chấp hành có trạng thái đặc biệt động học thuận cấu hình bình hành ba nhánh thuộc mặt phẳng bệ di động Khi đó, tác động chịu lực tác dụng lên bệ di động theo chiều z Hình 2.7 minh họa kiểu cấu hình Cịn với kiểu cấu hình , điều xảy R + a + b = r 30 Hình 2.7.Cấu hình đặc biệt động học thuận liên kết nhánh phía mặt phẳng bệ di động Cấu hình thứ hai thỏa mãn phƣơng trình (2.20) hai liên kết nhánh hình bình hành song song với nhau, nghĩa là: ji = ± jk với i ≠ k (2.22) Hình 2.8 minh họa loại cấu hình đặc biệt này, cấu chấp hành chịu lực tác dụng lên mặt phẳng bệ di động Chú ý, ba liên kết nhánh phía song song với nhau, nhƣng cần hai số ba liên kết song song 31 C3 Bệ di động C1 r P b C2 B1 B3 a A3 A1 R B2 O Đế cố định A2 Hình 2.8.Cấu hình đặc biệt động học thuận hai liên kết nhánh song song với - Trạng thái đặc biệt hỗn hợp Trạng thái xảy đồng thời thỏa mãn hai điều kiện sau: (1) Dạng hình học bệ di động đồng với đế cố định (2) Cả ba khâu ngõ vào vng góc với đế cố định (AiBi ┴ OiAi với i = 1,2,3) Bệ di động lúc nhận thêm hai bậc tự khâu đầu vào hồn tồn bị khóa, điểm P đƣợc định vị bề mặt cầu có tâm cách phía tâm đế cố định đoạn a Mặt khác, bệ di động đứng yên, khâu đầu vào quay vi phân 32 CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG ROBOT DELTA TRÊN SOLIDWORKS 3.1 Giới thiệu phần mềm Solidworks Solidworks phần mềm thiết kế khí 3D, chạy hệ điều hành Windowns Solidworks đƣợc phát triển Dassault Systèmes Solidworks Corp, công ty Dassault Systèmes, SA (Vélizy, Pháp) Solidworks đƣợc sử dụng triệu kỹ sƣ nhà thiết kế mức 178.000 cơng ty tồn giới Solidworks đối thủ cạnh tranh trực tiếp với Autodesk Inventor Solid Edge Tổng công ty Solidworks đƣợc thành lập vào tháng 12/1993 Viện Công nghệ Massachusetts Jon Hirschtick Hirschtick sử dụng số tiền $1.000.000 ông kiếm đƣợc thành viên nhóm MIT Blackjack để thành lập cơng ty Ban đầu cơng ty có trụ sở Waltham, Massachusetts, Hoa Kỳ, Hirschtick tuyển dụng đội ngũ kỹ sƣ với mục tiêu xây dựng phần mềm CAD 3D mà dễ sử dụng, giá phải chăng, chạy Windows Hoạt động sau từ Concord, Massachusetts, Solidworks phát hành sản phẩm Solidworks 95 vào năm 1995 Năm 1997, Dassault tiếng với phần mềm CATIA CAD, mua lạiSolidworks với giá $ 310.000.000 Solidworks tiếp thị số phiên phần mềm Solidworks CAD ngồi eDrawings-một cơng cụ cộng tác DraftSight-một sản phẩm 2D CAD Solidworks đƣợc lãnh đạo John McEleney từ năm 2001 đến tháng năm 2007 Jeff Ray từ năm 2007 đến tháng năm 2011 Giám đốc điều hành Bertrand Sicot Hiện Solidworks đƣợc sử dụng phổ biến giới Ở Việt Nam phần mềm đƣợc sử dụng nhiều không lĩnh vực khí mà cịn đƣợc mở rộng lĩnh vực khác nhƣ: Điện, khoa học ứng dụng, mô phỏng, Phần mềm Solidworks cung cấp cho ngƣời dùng tính tuyệt vời thiết kế chi tiết khối 3D, lắp ráp chi tiết để hình thành nên nhƣng phận máy móc, xuất vẽ 2D chi tiết tính phổ biến phần mềm Solidworks, ngồi cịn có tính khác nhƣ: 33 Phân tích động học ( motion), phân tích động lực học (simulation) Bên cạnh phần mềm cong tích hợp modul Solidcam để phục vụ cho việc gia công CNC nhờ có phay Solidcam tiện Solidcam bạn gia cơng nhiều trục Solidcam, modul 3Dquickmold phục vụ cho việc thiết kế khuôn Việc tích hợp nhiều tính modul nhƣ Add-in phần mềm Solidworks giúp cho ngƣời sử dụng chun mơn hóa phần mềm Và khơng cần phải sử dụng nhiều phần mềm để thực công việc khác Để học phần mềm Solidworks bạn xem bạn tham gia khóa học thiết kế vói phần mềm Solidworks Nếu khơng có nhiều thời gian đến trung tâm học bạn tham khảo tài liệu hƣớng dẫn sử dụng Solidworks 3.1.1.Tính thiết kế phần mềm Solidworks Đây tính nỗi bật phần mềm solidworks Thông qua việc thiết kê các biến dạng 2D bạn dựng đƣợc khối 3D theo yêu cầu, tính dễ học thông qua tài liệu thiết kế solidworks Nhƣng vấn đề bạn cần phải làm thật nhiều tập để nhớ lâu nhƣ vận dụng linh hoạt lệnh 3.1.2 Tính lắp ráp chi tiết Đây tính mà hầu nhƣ phần mềm CAD/CAM có Các chi tiết 3D sau thiết kế xong lắp ráp lại với tạo thành phận máy máy hoàn chỉnh Xây dựng đƣờng dẫn thể quy trình lắp ghép Để hiểu rõ tính bạn xem tài liệu hƣớng dẫn lắp ráp solidworks 3.1.3 Xuất vẽ phần mềm solidworks Phần mềm Solidworks cho phép ta tạo hình chiếu vng góc chi tiết lắp với tỉ lệ vị trí ngƣời sử dụng quy định mà khơng ảnh hƣởng đến kích thƣớc Cơng cụ tạo kích thƣớc tự động kích thƣớc theo quy định ngƣời sử dụng Tạo thích cho lỗ cách nhanh chóng Chức ghi độ nhám bề mặt, dùng sai kích thƣớc hình học đƣợc sử dụng dễ dàng 34 3.1.4 Tính gia cơng Solidworks Để dùng đƣợc chức này, phải sử dụng modul solidworks Solidcam Đây modul Cam Solid, đƣợc tách để bán riêng có điều kiện tải dùng, chạy giao diện solidworks, việc sử dụng SolidCam thật vô thân thiện, dễ sử dụng 3.1.5 Phân tích động lực học Solidworks SolidWorks Simulation cung cấp công cụ mô để kiểm tra cải thiện chất lƣợng thiết kế bạn Các thuộc tính vật liệu, mối ghép, quan hệ hình học đƣợc định nghĩa suốt trình thiết kế đƣợc cập nhật đầy đủ mơ Các sản phẩm đƣợc kiểm tra độ bền, hệ số an tồn đƣợc phân tích động học đầy đủ Hơn nữa, tất dạng hình học đƣợc hỗ trợ để mơ tính tốn nhƣ thật với tính kết cấu, thành mỏng khối solid 3.1.6 Ƣu điểm Solidworks Phần mềm Solidworks phần mềm chuyên thiết kế 3D hãng Dassault Systemphát hành dành cho xí nghiệp vừa nhỏ, đáp ứng hầu hết nhu cầu thiết kế khí Solidworks đƣợc biết đến từ phiên Solidworks 1998 đƣợc du nhập vào nƣớc ta với phiên 2003 với phiên 2018 phần mềm phát triển đồ sộ thƣ viện khí phần mềm khơng dành cho xí nghiệp khí mà cịn dành cho ngành khác nhƣ: đƣờng ống, kiến trúc, trang trí nội thất, mỹ thuật … Một ứng dụng mô hình hóa 3D phổ biến đƣợc sử dụng ngành công nghiệp Solidworks Thực sự, solidworks có nhiều ƣu điểm mà nhiều ngƣời cần tìm kiếm Giao diện trực quan Phần mềm thiết kế có giao diện trực quan, hỗ trợ ngƣời thiết kế tiện dụng làm quen từ thao tác thứ Nếu ngƣời có sẵn tảng Cad 3d việc làm quen với solidworks hồn tồn khơng khó Xử lý nhanh Điều cịn tùy thuộc vào cấu hình máy tính bạn nhƣng lại nhƣ so sánh với số đối thủ trang lứa nhƣ inventor 20122015 theo cảm giác solidworks 2013 nhanh mƣợt mà Tuyệt vời việc thiết kế khuôn với solidworks, việc chia lõi khuôn, tách khuôn, hay lắp ráp mô khn khơng cịn vấn đề cần hỏi làm khó đƣợc 35 bạn Thậm chí, ngƣời biết làm xác quy trình có kinh nghiệm xử lý, ngƣời làm nhiều khn khác mà cần thao tác thay đổi nhỏ từ khuôn khác 3.1.7 Một số chi tiết đƣợc vẽ phần mềm solidwork Hình 3.1 Chi tiết khí 36 Hình 3.2 Mơ hình mơ Hình 3.3 Mơ hình khung 37 3.2 Mô Delta Robot Solidworks 3.2.1 Các cụm chi tiết Robot Delta Hình 3.4 Cụm motor Hình 3.5 Cụm gắp 38 Hình 3.6 Cụm tay giằng 3.2.2 Robot Delta sau mate hồn chỉnh Hình 3.7 Robot Delta 39 3.2.3 Tiến hành mơ Hình 3.8 Trạng thái ban đầu Hình 3.9 Tiến hành xác định gắp vật 40 Hình 3.10 Tiến hành nhả vật Hình 3.11 Quay trạng thái chờ ban đầu 41 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Trong suốt trình thực đề tài em cố gắng tìm hiểu , nghiên cứu làm việc Dƣới hƣớng dẫn Thầy giáo hƣớng dẫn, em hoàn thành xong đề tài, đảm bảo đƣợc yêu cầu nhiệm vụ đặt Qua trình làm việc, em rút đƣợc nhiều học, kinh nghiệm, kiến thức quý báu kỹ chuyên ngành cho thân Đây móng cho sau em vận dụng vào cơng việc thực tế Nhƣng trình nghiên cứu thực hiện, thời gian eo hẹp kiến thức hạn chế nên em khơng tránh khỏi sai sót Kính mong Thầy, Cơ giáo bạn góp ý để đề tài e hồn thiện Sau em xin đƣa kết đạt đƣợc vấn đề tồn đề tài: 1.1 Kết đạt *) Tính tốn động học robot *) Mô hoạt động robot 1.2 Vấn đề cịn tồn Chƣa lập trình điều khiển robot chạy tự động Kiến nghị: Do ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa đƣợc thành lập trƣờng Đại học Vinh việc học tập kinh nghiệm từ hệ trƣớc chƣa nhiều Các đề tài tốt nghiệp Robot tự động hay, phong phú niềm cảm hứng cho bạn sinh viên say mê nghiên cứu Tuy nhiên trang thiết bị, dụng cụ cho sinh viên thực hành thiếu thốn em mong Thầy, Cô giáo Nhà trƣờng tạo điều kiện thiết bị máy móc để bạn sinh viên tự gia công chi tiết sản phẩm Một lần em xin cảm ơn Thầy, Cô giáo Viện Kỹ thuật Cơng nghệ tận tình giúp đỡ em suốt thời gian học tập trƣờng nhƣ 42 trình thực đồ án tốt nghiệp Em xin cảm ơn Th.S Hồ Sỹ Phƣơng trực tiếp hƣớng dẫn để em hoàn thành đề tài Em xin chân thành cảm cảm ơn! 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Robert L Williams II, The Delta Parallel Robot: Kinematics Solutions, Mechanical Engineering, Ohio University, October 2016 [2] GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2014 [3] https://www.youtube.com/watch?v=xt7HtHjXo4s&t=1036s 44 ... Lược đồ hóa cấu trúc cấu Delta Robot 21 Hình 2.3 Cấu trúc nhánh Delta Robot .21 Hình 2.4 Hai nghiệm động học đảo nhánh 23 Hình 2.5.Cấu hình đặc biệt động học đảo 29 Hình 2.6.Cấu... 2.6.Cấu hình đặc biệt động học đảo 29 Hình 2.7.Cấu hình đặc biệt động học thuận liên kết nhánh phía mặt phẳng bệ di động 31 Hình 2.8.Cấu hình đặc biệt động học thuận hai liên kết nhánh...TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT DELTA Sinh viên thực : NGUYỄN CẢNH