BÀI tập lớn môn học tính toán thiết kế robot đề tài đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong hàn di động

TRƯỜNG CƠ KHÍ
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN
Mơn học: Tính tốn thiết kế Robot
Đề tài: Đề xuất dự án và thực hiện tính tốn thiết kế mơ hình Robot ứng
dụng trong hàn di động.
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi
Sinh viên thực hiện Nhóm 10: Nguyễn Ngọc Toàn - 20187499
Hứa Văn Linh - 20187466
Trần Quang Anh - 20187412

HÀ NỘI …/2022
MỤC LỤC



LỜI NĨI ĐẦU
Có thể nói rằng Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới,
một cách trải nghiệm cuộc sống và đơi khi cịn là người bạn. Những hãng Robot
(RB) từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày một
khẳng định sự hiện diện của RB là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay
và tương lai của phía trước. Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô
cho tới vi mô và ngày một đa dạng.
Trong khn khổ mơn học Tính tốn thiết kế Robot với đề tài tài tính tốn
thiết kế robot trong ứng dụng hàn di động, nhóm tin tưởng rằng với những kết
quả có được từ việc tìm hiểu và tính tốn trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệm
quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về
tính tốn và thiết kế các loại Robot cơng nghiệp.
Với bố cục gồm hai phần chính:
1, Tổng quan về Robot

Phần này sẽ là cái nhìn sơ qua về Robot bao gồm lịch sử phát triển, phân loại
và ứng dụng hiện nay giúp chúng ta hình dung tính quan trọng cũng như sự hữu
dụng của nó tới cuộc sống.
2, Tính tốn thiết kế Robot trong ứng dụng hàn di động
Bao gồm các bước thiết kế cho đến việc mơ phỏng để kiểm chứng tính đúng
đắn của q trình thiết kế sẽ cung cấp các quá trình cơ bản để có thể xác định
cách có thể một sản phẩm Robot được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới PGS. TS. Phan Bùi Khôi, cảm ơn Thầy vì
những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao
đổi ở các buổi học. Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp nhóm tự
tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có
những sự chuẩn bị của nhóm hoặc cũng có thể kiến thức nhóm mang đến trong
bài tiểu luận này con sai sót và chưa đúng. Nhóm rất mong có được sự bổ sung,
sửa chữa đó, chúng em chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khoẻ!


CHƯƠNG 1: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ROBOT HÀN DI ĐỘNG
1.

Phân tích lựa chọn cấu trúc

1.1 Phân tích mục đích, ứng dụng của Robot
 Mục đích:
Mục tiêu ứng dụng robot cơng nghiệp
nhằm góp phần nâng cao năng suất
dây truyền cơng nghệ, giảm giá
thành, nâng cao chất lượng và khả
năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng
thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt
được các mục tiêu trên là nhờ vào

khả năng của robot như: làm việc
không biết mệt mỏi, làm việc được ở
các môi trường mà con người không
thể làm được…
 Ứng dụng:
+ Robot hàn di động dùng để thực hiện

các mối hàn có chiều dài lớn trong mặt
phẳng.
+Hệ thống Shifter dùng cho robot hàn
làm cho robot dễ dàng di chuyển đến vị trí
xa, tăng phạm vi chuyển động của robot
hàn.
1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác
a, Đối tượng thao tác
Robot thực hiện thao tác hàn trên những bề mặt kim loại phẳng, có thể
thực hiện thao tác hàn đường hoặc hàn điểm.
b, Phân tích yêu cầu về vị trí
Robot thao tác trong không gian đúng với quỹ đạo thao tác đặt ra, tới
đúng điểm cần hàn.


c, Phân tích yêu cầu về hướng của khâu thao tác
Bài toán đặt ra với yêu cầu hàn quỹ đạo là đường thẳng nằm tên mặt
phẳng ngang, yêu cầu hướng của mũi hàn ln nằm trên mặt phẳng vng
góc với mặt phẳng tại vị trí hàn.

Hình 1. Hướng của khâu thao tác
1.3 Đặc trưng kĩ thuật
a, Số bậc tự do cần thiết

Yêu cầu bài toán đặt ra là hàn đường trên mặt phẳng ngang, mũi hàn
ln vng góc với đường hàn.
Để khâu thao tác có thể di chuyển trên mặt phẳng ngang kia yêu cầu tối
thiểu 2 bậc tự do cho di chuyển. Tuy nhiên chỉ với 2 bậc tự do kia thì đối
tượng sẽ phải di chuyển robot tới vị trí thích hợp mới thực hiện được mối
hàn, như vậy yêu cầu tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận thì cần
thêm một bậc tự do nữa. Do đó cần ít nhất 3 bậc tự do cho mơ hình thiết
kế.
Dưới đây là một số cơ cấu có thể dùng để xác định các vị trí trong mặt
phẳng làm việc:
tiến

Cơ cấu robot tọa độ Đecac: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh
theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TTT). Khơng gian làm


việc của bàn tay có dạng khối chữ nhật

Hình 2. Cơ cấu tọa độ Đecac

Cơ cấu robot tọa độ trụ: Khơng gian làm việc của robot có dạng hình trụ
rỗng. Thường khớp thứ nhất là chuyển động quay

Hình 3. Cơ cấu tọa độ trụ
Cơ cấu robot tọa độ cầu: Không gian làm việc của robot có dạng hình cầu.

Hình 4. Cơ cấu tọa độ cầu
b, Vùng làm việc của robot
Mô phỏng không gian thao tác của robot trên phần mềm Matlab:

Hình 5. Khơng gian thao tác của robot
c, u cầu về tải trọng
Robot hàn nên tải trọng robot không đáng kể.
1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp,
phân tích, lựa chọn phương án thực hiện
 Phương án thiết kế:

Pa1. Robot 4 DOF TTRR

Pa2. Robot 3 DOF TTR

Pa3. Robot 3 DOF TRR
 Phân tích lựa chọn phương pháp thiết kế:
Với yêu cầu 4,5,6… bậc tự do, robot sẽ trở lên linh hoạt hơn, tuy
nhiên việc tính tốn và thiết kế chế tạo cũng phức tạp, tốn kém
hơn. Để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu của
bài toán đặt ra, ta lựa chọn phương án thiết kế robot 3 bậc tự do
(phương án 3) thỏa mãn yêu cầu bài toán khi cần thao tác trên mặt
phẳng với quỹ đạo và hướng thao tác như đặt ra.


1.5 Thông số kỹ thuật robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác
 Kết cấu 3D của robot được thể hiện như sau:

Hình 6. Mơ hình 3D robot
Khớp 1 là khớp tịnh tiến sẽ đi dọc chiều dài miền làm việc theo yêu cầu, khớp
2 là khớp tịnh tiến và sẽ đi ngang miền làm việc, như vậy với 2 khớp trên ta đủ
để xác định vị trí của một điểm trên mặt phẳng thao tác.
Khớp 3 là khớp quay để điều chỉnh độ cao của bút vẽ so với mặt bàn ngang.

Khâu 1 và khâu 2 sẽ dùng vít me ổ bi vì cùng là tịnh tiến
Khâu 3 dùng ổ bi.
Phần tính chọn vít me, ổ bi và các thông số chi tiết cho kết cấu sẽ được trình
bày kĩ trong phần thiết kế cơ khí và tính chọn vít me ổ bi bên dưới.
Với kết cấu như trên theo nhóm 4 là phù hợp với yêu cầu của đề bài.
Sau khi lựa chọn kết cấu và chọn sơ bộ các khâu, khớp thì sẽ tiến hành giải các
bài toán động học, động lực học, chọn động cơ, và mô phỏng.


CHƯƠNG 2
GIẢI BÀI TỐN ĐỘNG HỌC
2.1 Bài tốn động học thuận
Với mơ hình tính tốn bên trên ta đặt các hệ trục tọa độ theo quy tắc DenevitHatenberg và có sơ đồ như hình vẽ:

q3

Hình 2.1 Sơ đồ hệ trục robot
Sau khi có sơ đồ ta thiết lập bảng DH:
Bảng 2.1 Bảng tham số động học của robot
khâu
θi
di
ai
αi
1
0
d1
a1
90°
2

π
d2
0
90°
3
θ3
0
a3
0
Trong đó q1, q2, q3 là các biến khớp, còn a1, a2 là các hằng số
Các vector x = [ x 1 , x 2 x 3 ] T
biểu diễn vị trí của bàn kẹp trong
hệ cố định.
q = [ q1, q2, q3] là các góc quay và tịnh tiến của các biến khớp.
- Dạng tổng quát của ma trận Denavit-Hartenberg cho các khâu:


Ma trận Denavit-Hartenbergcủa khâu 1:

(2-1)

Ma trận Denavit-Hartenbergcủa khâu 2:

(2-2)

Ma trận Denavit-Hartenbergcủa khâu 3:

(2-3)

2.2 Thiết lập phương trình động học robot

Từ các ma trận (2.1) và (2.2) ta xác định được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất
của khâu 2 so với trục hệ tọa độ cố định 𝑂0𝑥0𝑦0𝑧0 là:

(2-4)

(2-5)


- Ta ký hiệu ma trận (2-5) thành
Sử dụng các góc Cardan xác địn hướng của vật rắn. Ta gọi
là giá trị mô tả giá trị trực tiếp hướng của
với hệ tọa độ

. Trong đó

so

là các tọa độ điểm E và

là các góc quay Cardan của
so với hệ tọa độ
.
Do đó tọa độ thao tác đều là hàn của thời gian. Nên ta có thể biểu diễn:

(2-6)

Với:

là ma trận Cardan mô tả hướng

so với hệ tọa độ

là vectơ mô tả vị trí của điểm tác động cuối trong hệ tọa độ

(2-7)

(2-8)

Từ đó phương trình động học Robot có dạng:
vì cơ cấu Robot có 3 khâu.
(2-9)

-

=

. Với

n=3

Từ các hệ thức (2.5), (2.6), (2.7), (2.8), (2.9) Ta xây dựng được hệ 6
phương trình độc lập như sau:

(2-10)

2.3 Bài tốn động học thuận
Bài tốn động học thuận, các thơng số đầu vào:


Thông số cần xác định: điểm tác động cuối

thao tác so với hệ tọa độ cơ sở.

và hướng của khâu

Ta có tọa độ của điểm tác động cuối:

(2-11)

Ta chọn quy luật chuyển động theo thời gian của robot như sau:

Và các thơng số hình học: a1=65 cm; a3=60 cm
Thay các giá trị q1(t), q2(t), q3(t) và các thơng số hình học a1, a3 vào biểu thức
xE, yE, zE ta có tọa độ điểm thao tác như sau:

Đồ thị của điểm thao tác cuối qua các tọa độ: với t=[0:0.1:10] Mô phỏng trên
Matlab ta được:


Hình 2.1 Đồ thị xE theo t


Hình 2.2 Đồ thị yE theo t


Hình 2.3 Đồ thị zE theo t
a) Vận tốc điểm tác động cuối E và vận tốc góc khâu thao tác
Vận tốc điểm tác động cuối của Robot
Từ phần trên ta đã xây dựng được quy luật chuyển cũng như tìm được tọa
độ của khâu thao tác cuối, các biến khớp và đạo hàm các cấp theo t đã
biết:

(2-13)

Suy ra:

(2-14)

Vận tốc khâu thao tác chính là đạo hàm vị trí theo thời gian:

(2-15)


Từ các phương trình về vị trí của điểm tác động cuối của Robot ta sẽ tính
được vận tốc của điểm cuối:


2.4 Đồ thị vận tốc điểm E
Đạo hàm các hàm vận tốc ta được đồ thị gia tốc của điểm E theo các phương:


ĐỒ THỊ GIA TỐC ĐIỂM E

200

ax
ay
az

150
100
50

0
-50
-100
-150

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2.5 Đồ thị gia tỗ điểm E
Các ma trận cosin chỉ hướng của các khâu:

(2-18)

(2-19)

(2-20)

Các vector vị trí của hệ tọa độ gắn với từng khâu khi đó là:

(2-21)

9

10


Đạo hàm các ma trận quay ta được:

(2-22)

(2-23)
Ө˙3 ¿ ¿

.[

(2-24)

Vận tốc góc khâu 1:

(2-25)

(2-26)

(2-27)

2.4 Khơng gian làm việc của robot

2.5 Bài tốn động học ngược
Từ bài tốn động học thuận ta có hệ phương trình:

(2-30)
Bài tốn u cầu: cho biết các tọa độ
khớp

và nhiệm vụ là tìm ra các biến

. Đã biết xE, yE, zE, a1, a3.


Giả sử chọn quỹ đạo của điểm tác động cuối theo phương trình sau:

(cm) (2-31)

(2-32)
Thay các giá trị (2-31) vào (2-32):

Tọa độ suy rộng phải thỏa mãn hệ phương trình (2-31) và ta có đồ thị các tọa độ
suy rộng như sau:


Đồ thị các biến khớp q1,q2,q3

70

q1
q2
q3

60

q1,q2[cm]

50
40
30
20
10
0
-10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

t

2.6 Bài toán tĩnh học
2.6.1 Cơ sở lý thuyết
- Phương pháp khảo sát

- Khai triển ta có:

{

{

{

⃗
R0 i=0
⃗
M 0i =0

⃗
R 0 i= ⃗
Fi , i−1−⃗
Fi +1 ,i + ⃗
Pi=0

⃗
M 0i =⃗
M i, i−1−⃗
M i+1 ,i −⃗r i × ⃗
Fi , i−1 + r⃗ ci × ⃗
P i=0
⃗
Fi , i−1=⃗
Fi +1 ,i− ⃗
Pi

=> ⃗
M i , i−1=⃗
M i+1 ,i + r⃗ i × ⃗
F i ,i−1−⃗r ci × ⃗
Pi
- Ma trận khảo sát trong hệ tọa độ khâu i
i

⃗
F i ,i−1=¿i ⃗
F i+1 ,i – i⃗
Pi

i

⃗
M i ,i−1= i⃗
M i+1 ,i + ir⃗ i × i⃗
F i ,i−1 - i r⃗ ci × i⃗

Pi

10


- Trong đó các ma trận sóng i~r i , i~r ci được xác định từ các vector r⃗i , ⃗r ci
0 F
0
0
i ,i−1=¿ F i+1 ,i – Pi
iM

i ,i−1

iM

=

i+1 ,i

+ ir i × i F i ,i−1 - i r ci × i Pi

- Trong đó các ma trận sóng 0 ~r i ,0 ~r ci được xác định từ các vector i r⃗ i , i r⃗ci
0
ri = 0Ri . 0ri
0
rci = 0Rci . 0rci
2.6.2 Tính tốn
- Khâu 3:
Ta có ma trận cơsin chỉ hướng :

[

−c 3 s 3 0
R3= −s 3 −c3 0
0
0 1

]

[ ]

oP =
3

−m3 g
0
0

3
2

Ta có:

[ ]

a3 c3
¿ a3 s 3
0

=>

=>

[ ]

−a3
3r = 0
0

=>




- Khâu 2:
Ma trận cosin chỉ hướng:

Có:

=>

=>

=>

=>


=>

- Khâu 1:
Ma trận cosin chỉ hướng:

=>

=>

=>

=>