Khâu ai i
1 a0 0
2 a1 0
3 a2 0
Hình 3.1: Gắn hệ tọa độ cho Robot
Xác định các ma trận A: - Ma trận An có dạng: An = [ 0 0 − ] (3.1) 0 1
- Ma trận A1 mô tả quan hệ giữa khung tọa độ 1 với khung tọa độ gốc:
1 0
A1 = [0
1
0 0
0 0
- Ma trận A2 mô tả quan hệ giữa khung tọa độ 2 với khung tọa độ 1:
2 − 2 0 12
A2 = [ 2 2 0 12 ]
0 0 1 0
- Ma trận A3 mô tả quan hệ giữa khung tọa độ 3 với khung tọa độ 2:
3 − 3 0
A3 = [ 3 3 0
0 0 1
0 0 0
- Ma trận A mơ tả phương trình động học của Robot: (A = A1.A2.A3)
cos( 2 + 3) −sin( 2 + 3) 0 12 + 2cos( 2 + 3) + 0
A = [sin( 2+ 3) cos( 2 + 3) 0 12+ 2sin( 2+ 3) ] (3.2) 0 0 1 1 0 0 0 1 3.1.2 Động học ngược
Bài toán động học ngược dùng để xác định giá trị các biến liên kết khi vị trí và hướng của khâu tác động cuối được xác định trước. Để thuận tiện cho việc tính tốn, em lựa chọn phương pháp đại số để giải bài tốn được trình bày cụ thể như sau:
- Theo như bài toán động học thuận thì ta có được vị trí của khâu tác động cuối như sau:
xc = 12 + 2cos( 2 + 3)
yc = 12 + 2sin( 2 + 3)
zc = d1
- Ta có d1 = zc việc cịn lại là tìm 2 và 3. Với , , 1, 2 đã biết thì bình phương từng vế hai phương trình ta được:
2 = 2 cos2 ( ) + 2 cos( )cos( + ) + 2 cos2( + )
{ 1 2 1 2 2 2 3 2 2 3 (3.4) 2 = 2 2 ( ) + 2 sin( ) sin( + ) + 2 2 + ) sin 2 2 sin ( 1 2 1 2 2 3 2 3
- Cộng hai phương trình (3.4) với nhau và sau đó rút gọn ta được:
2 + 2 − 2 − 2 = 2 [cos( )cos( + ) + sin( ) sin( + )] (3.5)
1 2 1 2 2 2 3 2 2 3
Tương đương: 2 + 2 − 2 − 2 = 2 cos( ) (3.6)
1 2 1 2 3 2 + 2 − 2 − 2 sin( ) = ±√1 − cos2( )
Suy ra: cos( ) =
1 2 ; 3 2 1 2 3 3 ⇒ 3 = 2(cos( 3), sin( 3)) (3.7)
- Thay lại 3 vào phương trình (3.3) ta có:
∆= | 1 + 2 ( 3) − 2 ( 3) | = 2 + 2+2 () = 2 + 2 2 ( 3) 1 + 2 ( 3) 1 2 1 2 3 ∆ = | − 2 ( 3 ) | = + [ ( ) + ( )] 1 1 + 2 ( 3) 1 2 3 3 ∆ 2 = | 1 + 2 ( 3) | = + [ ( ) − ( )] 2 ( 3) 1 2 3 3 ( ) = ∆1 = 1 + 2[ ( 3) − ( 3)] ∆ 2 2+ 2 ( ) = ∆2 = 1 + 2[ ( 3) − ( 3)] ∆ 2 2 + 2 ⇒ 2 = 2(cos( 2), sin( 2) (3.9)
3.2 Thiết kế mơ hình cơ khí cho Robot3.2.1 Cơ sở thiết kế 3.2.1 Cơ sở thiết kế
Robot Scara được cấu tạo gồm một khớp tịnh tiến và hai khớp xoay. Theo đề tài yêu cầu là Robot gắp vật và phân loại sản phẩm thì theo dự tính ban đầu thì kích thước của từng khâu sẽ là: khâu xoay thứ nhất 200x60(mm), khâu xoay thứ hai 120x50(mm) chưa tính chiều dài tay gắp, khâu tịnh tiến sẽ có hành trình khoảng từ 200 đến 300mm.
Trong đề tài “Thiết kế và chế tạo mơ hình Robot Scara phân loại sản phẩm
theo màu sắc và hình dạng” em lựa chọn cơ cấu truyền động pully và dây đai cho
cả ba khớp của Robot với mục đích là thay đổi tốc độ đầu ra của hộp số động cơ từ đó thay đổi được tốc độ đáp ứng của từng khớp như mong muốn. Riêng khâu tịnh tiến ngồi bộ truyền pully và dây đai thì ta cịn kết hợp bộ truyền vít-me đai ốc với mục đích là tạo chuyển động tịnh tiến cho Robot.
Mơ hình Robot Scara sắp chế tạo cần đạt được các tiêu chí như sau:
- Đáp ứng được yêu cầu thiết kế (Robot gồm một khớp trượt và hai khớp quay). - Thiết kế đơn giản.
3.2.2 Bản vẽ thiết kế Robot trên Inventor
3.2.3 Chế tạo mơ hình cơ khí
3.2.3.1 Chọn vật liệu sử dụng cho từng khâu
Trong đề tài “Thiết kế và chế tạo mơ hình Robot SCARA phân loại sản phẩm
theo màu sắc và hình dạng” thì nhiệm vụ chính của Robot là di chuyển từ một vị trí
này sang một vị trí khác để thực hiện một nhiệm vụ được giao cụ thể là gắp sản phẩm hoặc là thả sản phẩm vào đúng vị trí đã quy định trước. Từ nhiệm vụ trên của Robot ta thấy Robot cần phải có độ cứng vững để có thể hoạt động một cách chính xác kèm với đó là độ linh hoạt của cánh tay để có thể nâng cao nâng suất gắp-thả vật.
Đầu tiên để cải thiện độ cứng vững thì phần quan trọng nhất là phần đế. Robot có hoạt động tốt hay khơng phụ thuộc rất nhiều vào phần đế của Robot bởi vì đây là bộ phận chịu tất cả tải trọng của Robot và dùng để lắp các cơ cấu khác của Robot. Chính vì vậy em xin lựa chọn vật liệu được sử dụng làm đế là sắt tấm và sắt ống hình chữ nhật. Khi sử dụng hai loại sắt trên để chế tạo Robot thì em nhận thấy độ cứng vững của Robot rất cao khi chịu tải trọng từ trên xuống.
Hình 3.2:Sắt tấm Hình 3.3: Sắt hộp
Tiếp theo là về độ linh hoạt của cánh tay thì em xin chọn vật liệu để chế tạo hai khâu quay là nhôm. Lý do là nhơm có khối lượng nhẹ nên cải thiện được độ linh hoạt cho cánh tay từ đó nâng cao tốc độ của Robot và nhơm cũng dễ dàng gia công.
3.2.3.2 Chọn động cơ
Với những nhiệm vụ và yêu cầu của đề tài cùng với những đặc điểm về cơ khí đã nói trên em xin đưa ra những u cầu về kỹ thuật đối với động cơ như sau: động cơ sử dụng trong mơ hình là loại động cơ có tốc độ khoảng 6000(vịng/phút) và có cơng suất lớn nhằm mục đích điều khiển chính xác vị trí mong muốn và đáp ứng được nhu cầu gắp vật có khối lượng lớn. Ưu điểm của loại động cơ này là tốc độ nhanh và có thể chịu lực khỏe. Bánh chủ động của bộ truyền được bố trí phía sau để tạo thêm sự vững chắc cho bánh bị động. Dùng đai để tăng tốc hoặc giảm tốc cho động cơ chính của từng khâu để đạt được vận tốc đầu ra mong muốn đối với khớp quay là từ
50 đến 60 (vòng/phút), còn khớp tịnh tiến là từ 300 đến 400 (mm/phút).
Từ những yêu cầu kỹ thuật trên cùng với những yếu tố khác như: kích thước, khối lượng, giá thành,... em đã lựa chọn động cơ M555 cho đề tài của mình.
Thơng số kĩ thuật của động cơ M555:
- Điện áp vận hành: 12 VDC - Công suất: 17W
- Khối lượng: 350 gam
- Tốc độ động cơ: 6000 (vòng/phút) - Tốc độ qua hộp số: 33 (vòng/phút) - Bộ giảm tốc hệ số: 180:1
Hình 3.5: Động cơ M555 - Encoded: Hall sensor 12 xung
Trong quá trình thực hiện đề tài do động cơ M555 dùng để khiển khâu quay thứ nhất có dấu hiệu bị rơ trục động cơ nên cần được thay thế. Nhận thấy động cơ thay thế cần phải có momen lớn để có thể xoay được cả khối lượng nặng đồng thời phải hạn chế được độ rơ của trục động cơ, từ đó em lựa chọn động cơ Planet. Ưu điểm của động cơ Planet là công suất lớn, sử dụng bánh răng hành tinh nên giảm tiếng ồn cho hộp số.
Thơng số kĩ thuật của động cơ Planet:
- Điện áp vận hành: 12 VDC - Công suất: 30W
- Khối lượng: 450gam
- Tốc độ động cơ: 5000 (vòng/phút) - Tốc độ qua hộp số: 250 (vòng/phút) - Bộ giảm tốc hệ số 19.2:1
- Encoder: Hall sensor 12xung
Hình 3.6: Động cơ Planet