(TIỂU LUẬN) bài tập môn học TÍNH TOÁN THIẾT kế ROBOT NGÀNH cơ điện tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
──────── * ───────

BÀI TẬP MƠN HỌC
TÍNH TỐN THIẾT KẾ ROBOT
NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ
LỚP: NUT14
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Mạnh Tiến-20158374
Trần Hồng Minh-20158263

Nhóm 1

Page 0


Mục Lục

Chương 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC.

4

1.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot: (Robot hàn hồ quang)..........4
1.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác:...............................................4
a. Đối tượng thao tác, dạng thao tác..................................................4
b. Yêu cầu vị trí: Yêu cầu chính xác về vị trí.....................................4
c. Hướng của khâu thao tác:..............................................................4
d. Yêu cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác:.......................................4
e. Yêu cầu về không gian thao tác:....................................................4

1.3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật:....................................................4
a. Số bậc tự do cần thiết:....................................................................4
b. Vùng làm việc có thể với tới:.........................................................4
c. Yêu cầu về tải trọng:......................................................................5
1.4. Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp,
phân tích, chọn phương án thực hiện:...................................................5
1.5. Phân tích và thiết kế cấu trúc được chọn:.......................................6
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MƠ HÌNH ROBOT
2.1. Thiết kế 3D
2.2. Lập bản vẽ 2D
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG

8
8
16
17

3.1. Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược
17
3.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot theo mục đích ứng dụng 25
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI (TĨNH) YÊU CẦU
LỰC/MOMEN ĐỘNG CƠ LỚN NHẤT
30
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC
39
5.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot bằng các
phương pháp đã học............................................................................39
Nhóm 1

Page 1

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ DẪN ĐỘNG ROBOT

52

6.1. Thiết kế hệ dẫn động (cho 1 khớp)...............................................52
6.2. Chọn động cơ phù hợp.................................................................55
6.3. Tính chọn hộp giảm tốc................................................................57
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
59
7.1. Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mơ hình điều khiển……59
7.2. Mơ phỏng bằng Matlab…………………………………………60
7.3. Code trong các khối MATLAB Function………………………70
CHƯƠNG 8: KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC, ĐÁNH GIÁ ĐẶC
TÍNH KỸ THUẬT VÀ HIỆU CHỈNH THIẾT KẾ
80
8.1. Hệ số Kp, Kd của từng khâu…………………………………....80
8.2. Đồ thị biểu hiện biến và sai số………………………………….80
TÀI LIỆU THAM KHẢO
84

LỜI NÓI ĐẦU
Cơ điện tử là một trong 6 ngành công nghệ mũi nhọn của thế kỉ 21. Ở Việt
Nam trong vòng 10 năm trở lại đây, và đặc biệt là trong những năm tới, xuất hiện
nhu cầu lớn về đào tạo nhân lực cơ điện tử. Trong sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện
đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa có vai trị đặc biệt quan trọng.
Nhóm 1

Page 2

Nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả
năng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao năng suất lao
động, v.v…vấn đề được đặt ra là hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao.
Robot cơng nghiệp, đặc biệt là những tay máy robot là bộ phận quan trọng để tạo
ra những hệ thống đó.
Tay máy Robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước, ngày nay tay
máy Robot đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ những ưu điểm mà tay
máy Robot đó và đúc kết lại trong q trình sản xuất làm việc, tay máy có những
tính năng mà con người khơng thể có được, khả năng làm việc ổn định, có thể làm
việc trong mơi trường độc hại, v.v…Do đó việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo ra
những tay máy Robot phục vụ cho cơng cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết
cho hiện tại và tương lai.
Việc tìm hiểu nghiên cứu Robot trong khn khổ mơn học Robotic và tính
tốn thiết kế Robot sẽ là cơ sở để chúng em tính tốn, thiết kế cũng như điều khiển
các loại Robot trong công nghiệp phục vụ sản xuất. Cụ thể, ở đây chúng em chọn
đề tài tính tốn, thiết kế mơ hình Robot ứng dụng trong bốc xếp kho hàng.

Nhóm 1

Page 3


CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC
1.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot: (Robot bốc xếp kho hàng)
Robot bốc xếp kho hàng trong công nghiệp thay thế cho người lao động, tăng năng
suất lao động.
1.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác:
a. Đối tượng thao tác, dạng thao tác:

Đối tượng thao tác: thùng hang 40x25x30 (cm3), nặng 20kg
Dạng thao tác: kẹp chặt, di chuyển vị trí
b. Yêu cầu vị trí:
Yêu cầu chính xác về vị trí, phương và chiều (vì để gắp được vật cần chính xác về
vị trí, phương chiều khâu cuối tiếp xúc với vật gắp)
c. Hướng của khâu thao tác:
Khâu thao tác có hướng đảm bảo đầu kẹp di chuyển đến đúng vị trí cần gắp hàng
và thực hiện thao tác kẹp
d. Yêu cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác:
Tốc độ, gia tốc: tại điểm gắp và thả vật, vận tốc và gia tốc bằng 0, vận tốc, gia tốc
có thể thay đổi khi chuyển giữa các điểm cần hàn
e. Yêu cầu về không gian thao tác:
Robot di chuyển linh hoạt trong khơng gian thao tác để có thể đến được vị trí cần
gắp vật với phương chiều hợp lý và đến được vị trí cần thả vật với phương chiều
hợp lý
1.3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật:
a. Số bậc tự do cần thiết:
Robot có ít nhất 3 bậc tự do để có thể đến được vị trí gắp và thả vật, cần thêm một
khớp xoay nữa để đảm bảo lực kẹp chặt sẽ kẹp phương vng góc với mặt hộp
Nhóm 1

Page 4


b. Vùng làm việc có thể với tới:
Được xác định bởi thơng số hình học các khâu của Robot. Robot cần di chuyển
trong không gian, nhằm đưa đầu hàn đến vị trí cần thiết và thực hiện thao tác gắp
thả vật
c. Yêu cầu về tải trọng:
Robot có tải trọng phù hợp đảm bảo độ cứng vững khi thao tác, để thao tác được

chính xác.
1.4. Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích,
chọn phương án thực hiện:

Nhóm 1

Page 5


1.5. Thông số kỹ thuật: robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác:

Nhóm 1

Page 6


Sau khi phân tích, trong các cấu trúc đề xuất, ta thấy cấu trúc đầu mặc dù chỉ có 4
bậc tự do, nhưng kém linh hoạt, không tối gọn nhất trong việc bốc xếp kho hàng.
Tuy nhiên cấu trúc thứ 2 với 5 bậc tự do là linh hoạt, gọn hơn, tốt ít khơng gian
làm việc hơn. Chính vì thế nhóm lựa chọn cấu trúc thứ 2: Robot 5 bậc tự do, gồm 5
khớp quay để đảm bảo linh hoạt, tốn ít khơng gian thao tác trong lúc bốc xếp kho
hàng.
Khớp 1 là khớp quay nối giữa khâu 0 (bệ máy) và khâu 1
Khớp 2 là khớp quay nối giữa khâu 1 và khâu 2
Khớp 3 là khớp quay nối giữa khâu 2 và khâu 3
Khớp 4 là khớp quay nối giữa khâu 3 và khâu 4
Khớp 5 là khớp quay nối giữa khâu 4 và khâu 5 (khâu thao tác)
Khâu 1 dài 950 mm, nặng m1=199,366 kg
Khâu 2 dài 800 mm, nặng m2=31,744 kg
Khâu 3 dài 700 mm, nặng m3=29,766 kg

Khâu 4 dài 270 mm, nặng m4=6,256 kg
Khâu 5 dài 250 mm, nặng m5=2,892 kg

Nhóm 1

Page 7


Phần tính chọn động cơ và bánh răng truyền chuyển động và các thông số
chi tiết cho kết cấu sẽ được trình bày kĩ trong phần Chương 6
Sau khi lựa chọn kết cấu và chọn sơ bộ các khâu, khớp thì sẽ tiến hành giải
các bài tốn động học, động lực học, chọn động cơ, và mô phỏng.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MƠ HÌNH ROBOT
2.1. Thiết kế 3D
Robot bốc xếp kho hàng 5 bậc tự do

Nhóm 1

Page 8


Nhóm 1

Page 9


Khâu 0 (bệ máy)

Khâu 1

Nhóm 1

Page 10


Khâu 2

Khâu 3

Nhóm 1

Page 11


Khâu 4

Khâu 5

Nhóm 1

Page 12


Băng chuyền

Xe hàng

Nhóm 1

Page 13


Tay gắp 1

Tay gắp 2
Nhóm 1

Page 14


Khơng gian thao tác của robot

Nhóm 1

Page 15


2.2. Thiết kế 3D

Nhóm 1

Page 16


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
3.1. Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược
Nhóm 1

Page 17

3.1.1. Khảo sát động học thuận
Nhiệm vụ của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu thao tác, hay nói
cách khác là vị trí điểm tác động cuối và hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ
cố định với điều kiện các biến khớp đã biết. Ở đây ta sẽ xác định từ ma trận DH
của khâu thao tác
Ta có thể chuyển hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 sang hệ tọa độ (Oxyz) i bằng bốn phép
biến đổi cơ bản như sau:
- Quay quanh trục zi-1 một góc i .
- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di.
- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi một đoạn ai.

- Quay quanh trục xi một góc i .
Như vậy ma trận của phép biến đổi hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 sang hệ tọa độ (Oxyz)i
i-1
, kí hiệu là A i , là tích của 4 ma trận biến đổi cơ bản và có dạng như sau:
 cos i
 sin 
i
i-1
Ai = 
 0

 0
 cosi
 sin 
i

 0


 0

 sin i 0 0  1 0 0 0   1
cos i 0 0   0 1 0 0   0
0
1 0  0 0 1 di   0


0
0 1  0 0 0 1   0
-cos i sin i sin i sin i ai cosi 
cos  ico si -sini cosi ai sini 
sin i
cos i
di 

0
0
1 

0 0 ai   1
0
1 0 0   0 cos i
0 1 0   0 sin i

0 0 1  0
0

0

 sin i
cos i
0

0
0
0

1

 2.1

M
a trận được xác định bởi công thức (2.1) được gọi là ma trận Denavit – Hartenberg.
Nó cho ta biết thơng tin về vị trí của khâu thứ i của robot đối với hệ quy chiếu
(Oxyz)i-1.
Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi (2.1) đối với robot n khâu ta có:
0

 0 R n rE 
Tn  A A 2 ... A n  T
1 
 0
0

1
1

n 1

(2.2)

Trong đó:
rE  xE , yE , zE 
0

T

là véc tơ mơ tả vị trí điểm tác động cuối trong hệ tọa độ (Oxyz)0

R n là ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ (Oxyz)
0

Nhóm 1

Page 18


Sơ đồ động học
DH
1

950

0

90

2

0

800

0

3

0

700

0

4

0

0

90

5

470

0

0

Bảng 3.1. Các tham số Denavit – Hartenberg

Nhóm 1

Page 19


Tính các ma trận DH

Dạng tổng quát của ma trận T

Nhóm 1

Page 20


.
Xác định vị trí điểm tác động cuối:

Mà

rE  xE , yE , zE 

Xác định hướng khâu thao tác.

Nhóm 1

Page 21

T

,suy ra


Hướng của khâu thao tác so với hệ tọa độ (Oxyz)0 được xác định qua ma trận
. Ngồi ra cịn có thể xác định qua các góc α,β, η trong phép quay Cardan.
Chú thích: Phép quay Cardan là phép biến đổi hệ tọa độ cố định (Oxyz) i sang hệ
tọa độ động (Oxyz)i+3 bằng cách quay liên tiếp quanh các trục của hệ tọa độ động,
cụ thể là:
- Quay (Oxyz)i góc α quanh trục xi. Hệ (Oxyz)i (Oxyz)i+1
- Quay (Oxyz)i+1 góc β quanh trục yi+1. Hệ (Oxyz)i+1(Oxyz)i+2
- Quay (Oxyz)i+2 góc η quanh trục zi+2. Hệ (Oxyz)i+2 (Oxyz)i+3

zi

zi 1

zi 2 , zi 3

yi 3







O

x i , x i1

yi 1 , yi  2
yi




x i 2

x i 3

Hình 2.3. Các góc quay Cardan
Ma trận quay Cardan biểu diển hướng của hê tọa độ động (Oxyz)i+3 so với hệ
tọa độ cố định (Oxyz)I là tích của ba ma trận quay thành phần cơ bản, được tính
theo cơng thức sau:
Nhóm 1

Page 22


RCD

cos cosη
-cos  sin 
sin  


 sin sin  cos  +cos sin  -sin sin  sin +cos cos  -sin cos  



 -cos sin cos +sinsin cossin sin +sin cos  cos cos  
R

0

Như vậy bằng cách so sánh 2 ma trận quay CD và R 3 , ta có thể tìm được các
góc Cardan  ,  ,  biểu diễn hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định
(Oxyz)0.
0
R3 RCD
hay:
0

cos cosη
-cos sin 
sin 
 cos12  sin12 0  



R 3  sin12 cos12 0  sin sin cos +cos sin -sin sin sin +cos cos -sin cos 

 

 0
0
1   -cos sin cos +sin sin cos sin sin +sin cos cos co s  So

sánh các phầần t ửt ương ứng c ủa 2 ma tr ận, kếết hợ p hệ trụ c tọ a độ trong hình ta tnh đ ược:

 ,  ,

Tính vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối và vận tốc góc, gia tốc góc các khâu.
Sau khi đã biết các biến khớp q1 , q 2 , q3 và các vận tốc khớp, gia tốc khớp, ta sẽ đi
tính vận tốc góc, gia tốc góc các khâu cũng như vận tốc, gia tốc điểm tác động
cuối.
- Vận tốc, gia tốc điểm thao tác cuối v E :
v E r E  x E

a E v E  xE

y E

z E 

T

yE

zE 

T

(2.9)

- Vận tốc góc, gia tốc góc các khâu:
Tốn tử sóng của véc tơ vận tốc góc khâu i trong hệ tọa độ động (Oxyz) i được
tính theo cơng thức sau:
 ω 11 ω 12 ω 13 
i

0 T 0
 i  R i R i  ω 21 ω 22 ω 23 
ω


 ω 31 ω 32 ω 33 
(2.10)
Khi đó vận tốc góc của khâu i tính trong hệ tọa độ động (Oxyz)i là:
T
i
ωi  ω 32 ω 13 ω 21 
(2.11)
Tính vận tốc góc, gia tốc góc khâu cuối

Nhóm 1

Page 23

2.7 


Suy ra:

Như vậy vận tốc góc và gia tốc góc của khâu cuối tính trong hệ tọa độ động gắn
chặt với khâu là:

Tính vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối

Lần lượt đạo hàm rE theo thời gian, ta thu được vận tốc và gia tốc điểm tác cuối
là:

Nhóm 1

vE rE

Page 24