Xem mẫu
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Mục lục
Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc. ..................................................................................... 1
1.Giới thiệu chung về Robot và nhu cầu thực tế hiện nay .................................................. 1
2.Phân tích đề bài và lựa chọn phương án thiết kế. ............................................................. 3
2.1.Phân tích đề bài.............................................................................................................. 3
2.2. Phân tích các phương án thiết kế................................................................................ 3
2.3.Mô hình nhóm thiết kế.................................................................................................. 5
Phần 2 : Giải bài toán động học. ................................................................................................. 8
1.Hệ tọa độ trục và bảng DH .................................................................................................. 8
1.1.Thiết lập hệ tọa độ trục. ................................................................................................ 8
1.2. Bảng Denavit – Hartenberg. ....................................................................................... 9
2.Tính toán các ma tr ận thuần nhất. ..................................................................................... 10
3.Giải bài toán động học thuận. ............................................................................................ 12
3.1 Xác định vận tốc điểm tác động cuối và vận tốc khâu thao tác............................. 12
3.2. Xây dựng quy luật chuyển động từng khâu từ đó vẽ quỹ đạo điểm E, vận tốc
điểm E và vận tốc góc. ...................................................................................................... 13
4.Giải bài toán động học ngược............................................................................................ 20
Phần 3: Tính toán lực ................................................................................................................. 25
1.Tính toán tĩnh . .................................................................................................................... 25
2. Tính toán lực momen lớn nhất ở trạng thái tĩnh............................................................. 29
Phần 4: Tính toán dẫn động cho robot ..................................................................................... 34
1.Thiết kế hệ dẫn động cho một khớp. ................................................................................ 35
Thiết kế hệ dẫn động cho khâu thứ nhất ......................................................................... 36
2.Chọn động cơ....................................................................................................................... 36
3.Tính toán tỉ số truyền của hộp giảm tốc. .......................................................................... 38
Phần 5 : Tính toán động lực học. .............................................................................................. 38
1.Xây dựng cấu trúc động lực học và các thành phần cần thiết để viết phương trình
động lực học............................................................................................................................ 38
2. Tính động năng, thế năng của robot ............................................................................... 40
2.1 Động năng, ma trân khối lượng M(q). ...................................................................... 40
Page 1
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
2.2 Biểu thức thế năng của hệ. ........................................................................................ 40
3. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot ................................................ 41
Phần 6 :Luật điều khiển ............................................................................................................. 47
1. Hệ thống điều khiển trong không gian khớp. ................................................................ 47
Hệ thống điều khiển phản hồi không bù G(q) ............................................................... 47
Page 2
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc.
1.Giới thiệu chung về Robot và nhu cầu thực tế hiện nay
Robot là máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ con người :
- Có hình dạng giống người hoặc cánh tay người.
- Có khả năng thao tác tự động.
- Có khả năng bắt chước thao tác giống người.
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 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 là máy, thiết bị cố định hoặc di động, được tích hợp từ nhiều bộ phận
trong đó các bộ phận chính bao gồm:
- Cơ cấu chấp hành.
- Hệ thống dẫn động.
- Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt.
- Hệ thống thông tin giám sát.
Trong những năm gần đây thì việc áp dụng các loại Robot vào các dây chuyền sản xuất
ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các doanh nghiệp. Ví dụ như các loại Robot: Robot
hàn, Robot phun sơn ở các công ty sản xuất và lắp ráp ô tô. Đặc biệt là ở các công ty sản
xuất và lắp ráp các linh kiện điện tử. Đây là công việc đòi hỏi chính xác cao, và thường
lặp lại nên dễ gây mệt mỏi cho người làm vì vậy sử dụng Robot ở các công ty này là rất
phổ biến. Ngoài ra hiện nay ở các phân xưởng sản xuất sử dụng rất nhiều loại xe Robocar
hoặc ở các công việc trong môi trường độc hại, thường xuyên tiếp xúc với hoá chất độc
hại thì cũng sử dụng Robot làm thay con người.
Page 1
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Hình 1.1 Một số hình ảnh về robot trong công nghiệp
Page 2
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
2.Phân tích đề bài và lựa chọn phương án thiết kế.
2.1.Phân tích đề bài
Yêu cầu đặt ra của để bài là thiết kế tính toán robot hàn hồ quang với quỹ đạo đường
cong bất kỳ và có kích thước mối hàn là 40cm x 40 cm x 40cm
- Để đảm bảo robot có khả năng đưa đầu hàn được tới mọi vị trí trong không gian làm
việc thì robot cần từ 3 bậc tự do trở lên.
- Để tiếp cận bề mặt chi tiết theo hướng cụ thể thì cần thêm ít nhất 2 bậc tự do, nếu chi
tiết hàn có thể chuyển động theo các phương, hoặc chuyển động quay thì robot chỉ
cần 4 bậc tự do.
Từ những phân tích trên và dựa vào thực tế , do khả năng còn có hạn nên nhóm
chúng em đã quyết định chọn thiết kế robot 3 bậc tự do. Với yêu cầu thêm là chi tiết cần
hàn chỉ bị khống chế 4 bậc tự do, sẽ thực hiện 2 chuyển động quay hoặc tịnh tiến.
2.2. Phân tích các phương án thiết kế.
Phương án 1 Phương án 2
Page 3
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Phương án 3
Ba phương án trên là dạng trong thực tế được ứng dụng rất nhiều. Đặc biệt là
phương án 1 trong thực tế dùng rất phổ biến do kết cấu của nó đơn giản toàn khớp
quay.Nên việc tính toán cũng như lập trình điều khiển cũng dễ dàng hơn so với 2 phương
án 2 và 3.
Ở 2 phương án 2 và 3 do có khớp tính tiến nên robot chỉ thực sự linh hoạt khi nó có
thêm 1 bậc tự do ở cổ bàn tay nắm bắt công cụ, do đó nó thường là 4 bậc tự do. Theo yêu
cầu của đề tài thiết kế mô hình cũng như khả năng của nhóm còn hạn chế nên 2 phương
án này áp dụng vào đề tài sẽ khó đáp ứng được yêu cầu của đề tài là hàn được đường cong
bất kì cũng như nhóm khó có khả năng thiết kế và tính toán được. Vì vậy nhóm đã đi đến
thống nhất chọn thiết kế theo phương án 1
Page 4
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
2.3.Mô hình nhóm thiết kế
Hình 1.2 Mô hình robot hàn
Page 5
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Hình 1.3 Khâu đế
Hình 1.4 Khâu 1
Page 6
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Hình 1.5 Khâu 2
Hình 1.6 Khâu 3
Page 7
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Phần 2 : Giải bài toán động học.
1.Hệ tọa độ trục và bảng DH
1.1.Thiết lập hệ tọa độ trục.
Khâu đế: ta chọn hệ tọa độ XoYoZo có trục Zo chọn trùng với khớp 1, trục
Xo chọn tùy ý sao cho phù hợp nhất như hình vẽ, trục Yo chọn theo quy tắc tam
diện thuận.
Khâu 1: ta chọn hệ tọa độ X1Y1Z1 có trục Z1 trùng với khớp 2, trục X1 ta
chọn theo hướng Z0 x Z1 , trục Y1 chọn theo quy tắc tam diện thuận.
Khâu 2: ta chọn hệ tọa độ X2Y2Z2 có trục Z2 trùng với khớp 3, trục X2 ta
chọn theo đường vuông góc chung Z1 và Z2 , trục Y2 chọn theo quy tắc tam diện
thuận.
Khâu 3: ta chọn hệ tọa độ X3Y3Z3 có trục Z3 song song Z2, X2 chọn theo
đường vuông góc chung Z2 và Z3, Y3 chọn theo quy tắc tam diện thuận.
Các biến khớp: q1 = θ1
q2 = θ2
q3 = θ3
Page 8
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Sơ đồ động học robot
1.2. Bảng Denavit – Hartenberg.
Từ việc chọn hệ tọa độ ta có bảng DH sau:
Khâu di Θi ai αi
1 d1 q1 a1 π/2
2 0 q2 a2 0
3 0 q3 a3 0
Trong đó các giá trị đã biết:
d1 = 0.13 m , a1 = 0.155 m, a2 = 0.5 m, a3 = 0.4 m.
Page 9
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Để tiện cho quá trình tính toán, ta sẽ giữ nguyên các ký hiệu của các độ dài, góc trong các
biểu thức, số liệu cụ thể sẽ được thay vào khi ta có kết quả cuối cùng.
2.Tính toán các ma trận thuần nhất.
Ta có : Dạng tổng quát của ma trận Denavit-Hartenberg cho các khâu
cosθ i sin θi cos αi sin θi sin αi a i cosθi
sin θ cosθi cos αi sin αi cosθi a i sin θi
i-1
Ai=
i
0 sin αi cos αi di
0 0 0 1
Ma trận Denavit-Hartenberg cho khâu 1:
cos(q1 ) 0 sin(q1 ) a1 cos(q1 )
sin(q ) 0 cos(q1 ) a1 sin( q1 )
0
A1 1
0 1 0 d1
0 1 0 1
:
Ma trận Denavit-Hartenberg cho khâu 2
cos(q2 ) sin( q2 ) 0 a2 cos( q2 )
sin(q ) cos(q ) 0 a2 sin( q2 )
1
A2 2 2
0 1 1 0
0 1 0 1
Ma trận truyền khâu 2 và 3 so với khâu 0:
C1C2 C1S2 S1 a2C1C2
S C S1S2 C1 a2 S1C2
A2 A1. A2 1 2
0 0 1
S2 C2 0 d1 a2 S2
0 0 0 1
Ma trận Denavit-Hartenberg cho khâu 3:
Page 10
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
cos(q3 ) sin(q3 ) 0 a3 cos(q3 )
sin(q ) cos(q ) 0 a3 sin( q3 )
2
A3 3 3
0 0 1 0
0 0 0 1
Ma trận tác động cuối:
C1C23 C1S23 S1 C1 (a3C23 a2C2 )
S C S1S23 C1 S1 (a3C23 a2C2 )
A3 (q) A1. A2 . A3 1 23
0 0 1 2
S23 C23 0 d1 a2 S2 a3 S23
0 0 0 1
Với C1=cos(q 1), S1=sin(q1), C2=cos(q 2), S2=sin(q2), S23=cos(q2+q3),
C23=cos(q2+q3), q=[q 1, q2, q3]T
Mặt khác ta lại mô tả được hướng và vị trí qua ma trận sau thông qua vector
p=[xE, yE, zE, α, β, η]T α, β, η là 3 góc Cardan
cos( )cos( ) cos( )sin( ) sin( ) xE
sin( )sin( )cos( ) cos( )sin( ) sin( )sin( )sin cos( )cos( ) sin( )cos( ) yE
A3 ( p)
0
cos( )sin( )cos( ) sin( )sin( ) cos( )sin( )sin( ) cos( )cos( ) cos( )cos( ) zE
0 0 0 1
So sánh hai ma trận 0A3(q), 0A3(p) trên ta thiết lập được hệ phương trình động học
sau:
f1 0 ( p)[1, 4] 0 (q)[1, 4] xE [a3 cos(q1 )cos(q2 q3 ) a2cos(q1 )cos(q2 ) a1 cos(q1 )] 0
A3 A3
f 2 A ( p)[2, 4] A (q)[2, 4] yE [a3 sin(q1 )cos(q2 q3 ) a2 sin(q1 )cos(q2 ) a1 sin(q1 )] 0
0 0
3 3
f3 A ( p)[3, 4] A (q)[3, 4] z E [d1 a3 sin(q2 q3 ) a2 sin(q2 )] 0
0 0
3 3
f 4 A3( p)[1,1] A3(q)[1,1] cos( )cos( ) cos( q1 )cos( q2 q3 ) 0
0 0
f5 A3( p)[2, 2] A3(q)[2, 2] sin( ) sin( ) sin( ) sin(q1 ) sin(q2 q3 ) 0
0 0
f 6 A3( p)[3,3] A3(q)[3,3] cos( )cos( ) 0
0 0
Page 11
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
3.Giải bài toán động học thuận.
3.1 Xác định vận tốc điểm tác động cuối và vận tốc khâu thao tác.
Ở trên ta rút ra ( với q=[q1, q2, q3]T )
xE cos(q1 )[a3 cos(q2 q3 ) a2 cos(q2 ) a1 ]
0
rE yE sin(q1 )[a3 cos(q2 q3 ) a2 cos(q2 ) a1 ]
zE
d1 a2 sin(q2 ) a3 sin(q2 q3 )
d (0 rE ) (0 rE ) . .
0 E q JE.q
dt q
Ma trận Jacobi J E
sin(q1 )[a 3cos(q2 q3 ) a2cos(q2 ) a1 ] cos(q1 )[a3 sin(q2 q3 ) a2 sin(q2 )] a3cos(q1 )sin(q2 q3 )
J E cos(q1 )[a 3cos(q2 q3 ) a2cos(q2 ) a1 ] sin(q1 )[a3 sin(q2 q3 ) a2 sin(q2 )] a3 sin(q1 )sin(q2 q3 )
0 a 3cos(q2 q3 ) a2cos(q2 ) a 3cos(q2 q3 )
Khi đó:
xE S1 (a3C23 a2C2 a1 )q1 C1 (a3 S23 a2 S 2 )q2 a3C1S 23q3
0
E yE C1 (a3C23 a2C2 a1 )q1 S1 (a3 S23 a2 S 2 )q2 a3S1S 23q3
zE
(a3C23 a2C2 )q2 a3C23q3
Từ ma trận 0 A3 ta rút ra ma trận cosin chỉ hướng
cos(q1 ) cos(q2 q3 ) cos(q1 )sin(q2 q3 ) sin(q1 )
0
R3 sin(q1 ) cos(q2 q3 ) sin(q1 )sin(q2 q3 ) cos(q1 )
sin(q2 q3 ) cos(q2 q3 ) 0
sin(q1 )(q2 q3 )
3 R3 R cos(q1 )(q2 q3 )
0 0
0 T
3
q1
Page 12
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
3.2. Xây dựng quy luật chuyển động từng khâu từ đó vẽ quỹ đạo điểm E, vận tốc
điểm E và vận tốc góc.
Để khảo sát kết quả trên ta xây dựng quy luật chuyển động của các biến khớp q như sau:
q1 2sin(3t )
q2 2 cos(2t )
q 1 sin(2t )
3
Sử dụng phần mềm Maple ta vẽ được đồ thị quỹ đạo khâu thao tác cuối, vận tốc điểm E
và vận tốc góc khâu thao tác cuối:
Hình 2.1 Đồ thị quỹ đạo điểm thao tác cuối E
Page 13
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Hình 2.2 Đồ thị vận tốc điểm thao tác cuối E Hình 2.3 Đồ thị vận tốc góc khâu thao tác cuối
Chương trình viết bằng maple:
>
>
>
>
>
>
>
Page 14
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
>
>
Page 15
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
>
>
>
>
>
>
Page 16
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
>
>
>
Page 17
- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
>
>
>
>
Page 18
nguon tai.lieu . vn