BTL Tính Toán Thiết Kế Robot

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ HỌC ỨNG DỤNG
*****

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 1


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

MỤC LỤC

Chương I: Phân tích và lựa chọn cấu trúc..................................................................................................4
1.1.Phân tích mục đích ứng dụng robot..................................................................................................4
1.2.Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác..................................................................................................5
1.2.1.Đối tượng thao tác và dạng thao tác..........................................................................................5
1.2.2.Phân tích yêu cầu về vị trí.........................................................................................................7
1.2.3.Yêu cầu về hướng của khâu thao tác.........................................................................................9
1.2.4.Yêu cầu về vận tốc và gia tốc khi thao tác..............................................................................10
1.2.5.Yêu cầu về không gian thao tác...............................................................................................10
1.3 Xác định các đặc trưng kĩ thuật......................................................................................................12
1.3.1 Số bậc tự do cần thiết...............................................................................................................12

1.3.2

Vùng làm việc của robot..................................................................................................13

1.3.3

Yêu cầu về tải trọng..........................................................................................................14

1.4

Các phương án thiết kế.............................................................................................................15

CHƯƠNG 2: Thiết kế mô hình................................................................................................................19
2.1 Thiết kế 3D......................................................................................................................................19
2.2 Bản vẽ thiết kế 2D và bản vẽ lắp chi tiết........................................................................................22
2.2.1 Bản vẽ các khâu 2D.................................................................................................................22
2.2.2 Bản vẽ lắp................................................................................................................................23
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT................................................................................24
3.1. Cơ sở lý thuyết...............................................................................................................................24
3.2 Bài Toán động học thuận................................................................................................................28
3.3 Bài toán động học ngược...............................................................................................................36
3.4 Xác định miền làm việc của robot..................................................................................................38
3.5 Thiết kế quỹ đạo..............................................................................................................................39
3.5.1 Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động của robot.................................................................39
3.5.2 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp................................................................................41
3.5.3.

Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác.....................................................................45

CHƯƠNG 4: TĨNH HỌC ROBOT..........................................................................................................47

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 2


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

4.1 Cơ sở lý thuyết................................................................................................................................47
4.2 Giải bài toán cụ thể:........................................................................................................................47
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT........................................................................51
5.1 Cơ sở lý thuyết...............................................................................................................................51
5.2 Thiết lập phương trình động lực học..............................................................................................53
Chương 6: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT...................................................................................62
6.1. Thiết kế hệ dẫn động......................................................................................................................62
6.2. Chọn động cơ.................................................................................................................................63
6.3. Tính toán thiết kế hộp giảm tốc.....................................................................................................64
6.3.1. Thiết kế bộ truyền bánh răng..................................................................................................64
6.3.2. Tính toán thiết kế trục bánh răng lớn.....................................................................................71
6.3.3. Tính toán thiết kế trục bánh răng nhỏ....................................................................................74
6.3.4. Tính kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi...................................................................................76
6.3.5. Chọn ổ lăn...............................................................................................................................79
6.3.6. Khớp nối.................................................................................................................................81
6.3.7. Bôi trơn hộp giảm tốc.............................................................................................................82
6.3.8. Miền dung sai và dung sai lắp ghép.......................................................................................82
CHƯƠNG 7:THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN................................................................................84
7.1 Chọn luận điều khiển......................................................................................................................84
7.2 Mô phỏng bằng Matlab...................................................................................................................87
KẾT LUẬN...............................................................................................................................................96
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................................97

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 3


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

Chương I: Phân tích và lựa chọn cấu trúc
1.1.Phân tích mục đích ứng dụng robot
Hiện nay, hóa học là một ngành khoa học cơ bản đang rất cần thiết cho sự phát
triển của sản xuất cũng như đời sống. Do đó, ngành này đang khá được quan
tâm cả về nghiên cứu lí thuyết lẫn thực nghiệm. Vì thế mà các phòng thí nghiệm
hiện nay rất được chú trọng đầu tư và phát triển. Đặc biệt là trong cuộc cách
mạng 4.0 gần đây, các phòng thí nghiệm lớn trên khắp thế giới đều được trang bị
nhiều các máy móc hiện đại. Nổi bật trong số đó là sự xuất hiện của ROBOT
trong phòng thí nghiệm.
Vậy tại sao các phòng thí nghiệm cần trang bị thêm robot, điều này có giúp các
phòng thí nghiệm đạt hiệu quả vượt trội so với phòng thí nghiệm truyền thống
không?
Xét trên phương diện an toàn lao động, robot có thể đảm nhiệm một số thậm trí
là hầu hết các hoạt động của con người trong phòng thí nghiệm. Robot cũng có
thể sử dụng trong các tình huống bất ngờ như dò rỉ hóa chất, vỡ bình chứa, ống
nghiệm... Do vậy mà nó giúp con người tiếp xúc với hóa chất một cách hạn chế
nhất, đặc biệt là việc tiếp xúc với hóa chất độc hại.
Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 4


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

Xét trên phương diện kỹ thuật và năng suất thì ta thấy robot làm được những
điều thật tuyệt vời. Robot có thể thực hiện các thao tác một cách hết sức chuẩn
xác và lặp lại các chu trình một cách hoàn hảo. Robot có thể di chuyển thực hiện
chức năng vận chuyển, thực hiện di chuyển các ống nghiệm, đưa các ống
nghiệm lên giá cao và lấy xuống,… Robot cũng có thể làm việc trong các điều
kiện khắc nhiệt như làm việc trong môi trường độc hại, có nhiệt độ rất cao hoặc
rất thấp.
Từ đó, ta thấy được tầm quan trọng của robot trong các phòng thí nghiệm. Vì
vậy, ta cần ứng dụng nhiều hơn nữa các mô hình robot trong các phòng thí
nghiệm. Trong khung chương trình môn học, nhóm 18 chúng em xin đề xuất mô
hình robot ứng dụng di chuyển ống nghiệm trong phòng thí nghiệm.
1.2.Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác
1.2.1.Đối tượng thao tác và dạng thao tác
+)Đối tượng thao tác
Đối tượng thao tác là ống nghiệm có đặc điểm: làm bằng thủy tinh hoặc nhựa,
có dạng hình trụ, cao từ 12-15cm, miệng ống có bán kính 1.5cm, khối lượng của
ống là 50g, khi có hóa chất thì dao động trong khoảng 100-250g.

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 5


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

+)Dạng thao tác
Thao tác cơ bản là kẹp ống nghiệm di chuyển từ giá này sang giá khác, được cấu
thành từ các chuyển động đơn sau:
-Chuyển động quay của các khâu: khâu một và khâu hai

-Chuyển động tịnh tiến của các khâu: khâu ba được gắn cứng với tay kẹp
-Lực kẹp của tay kẹp: do tay kẹp thực hiện

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 6


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

1.2.2.Phân tích yêu cầu về vị trí
Yêu cầu về vị trí: di chuyển ống nghiệm từ giá thứ nhất sang giá thứ hai. Cả hai
giá ống nghiệm đều được đặt trên mặt phẳng bàn. Mỗi giá dài 400mm, rộng
40mm và cao 40mm. Lỗ trên giá ống nghiệm có đường kính 30mm, sâu 30mm.
Hai giá ống nghiệm được đặt song song với nhau cách nhau một khoảng
200mm.

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 7


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

Ta cần chọn ra hệ tọa độ phù hợp để có thể biểu diễn vị trí một cách chính xác
nhất. Với những yêu cầu về vị trí như trên ta chọn được hai hệ tọa độ có thể thỏa
mãn yêu cầu bài toán. Đó là hệ tọa độ Descartes và hệ tọa độ trụ.
Đối với hệ tọa độ Descartes, robot thực hiện chuyển động tịnh tiến theo các trục
tọa độ để gắp thả ống nghiệm.

Đối với hệ tọa độ trụ, robot có một hoặc nhiều chuyển động quay trong một mặt
phẳng và chuyển động tịnh tiến theo phương vuông góc với mặt phẳng đó.

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 8


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

1.2.3.Yêu cầu về hướng của khâu thao tác
Đối tượng thao tác là ống nghiệm có dạng trụ với các đặc điểm như đã nêu trong
phần đối tượng thao tác. Vì vậy mà cần có những yêu cầu phù hợp về hướng của
khâu tác.
Trong quá trình di chuyển ống nghiêm, yêu cầu khắt khe nhất là không để hóa
chất trong ống nghiệm rơi ra ngoài vì điều này rất nguy hiểm. Vì vậy mà trong
quá trình di chuyển, trục của ống nghiệm phải luôn đảm bảo được giữ theo
phương thẳng đứng. Để thuận tiện trong quá trình di chuyển, ta chia quá trình
thành hai ba giai đoạn:
- Giai đoạn 1: nhấc ống nghiệm lên khỏi giá thứ nhất. Lúc này ống nghiệm di
chuyển từ thấp lên cao tức là di chuyển theo phương thẳng đứng. Để đảm
bảo trục ổng nghiệm được giữ theo phương thẳng đứng ta chọn khâu tịnh
tiến.
- Giai đoạn 2: di chuyển ống nghiệm từ vùng giá ống nghiệm thứ nhất sang
vùng giá ống nghiệm thứ hai. Để đảm bảo trục ống luôn nghiệm thẳng đứng
tốt nhất lên di chuyển ống nghiệm trên một mặt phẳng ngang song song với
mặt bàn. Mặt phẳng này có thể tạo ra bởi hai chuyển động tịnh tiến theo hai
phương của hai trục hoặc của hai chuyển động quay. Trên thực tế, phương

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 9


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

án hai cuyển động quay sẽ được lựa chọn nhiều hơn vì nó khá thông dụng
và dễ tiêu chuẩn hóa.
- Giai đoạn 3: hạ ống nghiệm từ khâu thao tác xuống giá ống nghiệm thứ hai.
Đây là chuyển động theo phương thẳng đứng giống giai đoạn một.
Qua phân tích nhóm chúng em lựa chọn cơ cấu robot ba bậc tự do với 3 khâu
động:
-Khâu 0: khâu cố định gắn với bàn, không thực hiện chuyển động
-Khâu 1: quay quanh giá cố định
-Khâu 2: quay quanh khớp nối giữa khâu một và khâu hai
-Khâu 3: thực hiện chuyển động tịnh tiến theo trục Z
-Tay kẹp: được gắn cứng với khâu ba, tay kẹp kết hợp các khâu tạo chuyển động
từ trên xuống để kẹp đúng ống nghiệm cần di chuyển.
1.2.4.Yêu cầu về vận tốc và gia tốc khi thao tác
Đối với mỗi di chuyển có hướng ta cần có thông số về vận tốc và gia tốc
để xác định được các tham biến. Đối với việc di chuyển một ống nghiệm thì vận
tốc và gia tốc không cần quá lớn nhưng yêu cầu phải ổn định và đặc biệt chính
xác. Tính chính xác và ổn định của vận tốc và gia tốc có tính quyết định tới việc
ống nghiệm có thể di chuyển chính xác tới đích đến và đảm bảo hóa chất không
bị rơi ra ngoài trong quá trình di chuyển.
1.2.5.Yêu cầu về không gian thao tác
Đối với mỗi robot đều cần có một không gian xác định để hoạt động.
Không gian này được xác định dựa trên vùng không gian cần di chuyển ống
nghiệm từ giá thứ nhất sang giá thứ hai. Để đơn giản, ta dựng lên một “hộp kích
thước” dạng hình trụ là vùng không gian chứa tất cả giới hạn mà robot có thể

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 10


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

vươn tới. Chiếu lên hệ tọa ta có vùng kích thước của “hộp kích thước” là khối
trụ có bán kính đáy là 500mm và cao 300mm.
Do chiều cao tối đa là 300mm trong khi ống nghiệm cao tới 150mm nên
chiều dài tối thiểu của khâu thao tác thứ ba (khâu động ba và tay kẹp) cần có
chiều dài tối thiểu là 160mm để có thể gắp thả ống nghiệm, còn chiều dài tối đa
không hạn chế nhưng nên chọn trong khoảng 200mm để phù hợp với kết cấu và
mô hình tổng quan. Đối với khâu một và khâu hai, chúng cùng thực hiện chuyển
động quay trên mặt phẳng vuông góc với trục Z đã quét một vùng diện tích tạo
thành đáy trụ. Bán kính đáy trụ lớn nhất và nhỏ nhất chính là giới hạn độ dài hai
khâu này có thể với tới. Từ vùng làm việc giới hạn, ta có được giới hạn max là
250mm, tức là L1 +L2 >= 250mm. Còn giới hạn min là |L 1 –L2|<=50mm. Giới
hạn góc quay cho hai khớp quay là 240o.
1.3 Xác định các đặc trưng kĩ thuật
1.3.1 Số bậc tự do cần thiết
Bậc tự do của Robot là khả năng làm việc tự do, độc lập của Robot.
Để tính số bậc tự do chuyển động ta sử dụng công thức:
k

f   ( n  k )  �fi  f c  f p
i 1

Trong đó:
+ f : là số bậc tự do của cơ cấu

+  : Bậc tựdo của không gian trong đó tay máy thực hiện chuyển động
(  = 3 ứng với không gian làm việc trong mặt phẳng,  = 6 ứng với
không gian làm việc trong không gian).
+ n: số khâu động của Robot
+ fi : là số bậc tự do của khớp thứ i
+ k : là số khớp của cơ cấu
+ fc : Số ràng buộc trùng
+ fp : Số bậc tự do thừa

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 11


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

Với Robot trong BTL này em nghiên cứu số bậc tự do là:
f = 6(3 - 3) + 3 + 0 + 0 = 3.
Vậy robot này có 3 bậc tự do.
1.3.2 Vùng làm việc của robot
 Phân tích không gian mô hình 3D

• Phân tích không gian làm việc

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 12

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

1.3.3 Yêu cầu về tải trọng
Đối tượng thao tác là ống nghiệm có đặc điểm: làm bằng thủy tinh hoặc
nhựa, có dạng hình trụ, cao từ 12-15cm, miệng ống có bán kính 1.5cm,
khối lượng của ống là 50g, khi có hóa chất thì dao động trong khoảng
100-250g, với khổi lượng rất nhỏ như vậy nên không yêu cầu nhiều về tải
trọng
Các phương án thiết kế mô hình và đề xuất mô hình
Đề xuất mô hình

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 13


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

Giả thiết không gian làm việc như hình vẽ
• Robot phải cần 2bặc tự do để có thể đạt được vị trí tùy ý trên mặt phẳng
bàn
• Cần 1 bặc tự do nữa để dạt được vị trí theo phương z => robot có 3 bậc tự
do
• Khâu thao tác phải có hướng thẳng đứng vuôngng góc với mặt phẳng bàn
và không đổi trong quá trình thao tác
1.4 Các phương án thiết kế
a. Robot 3 bậc tự do tịnh tiến

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 14


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

• Ưu điểm: cấu trúc robot cứng vững, các khớp đều là tính tiến đễ chế tạo
• Nhược điểm: robot công kềnh phức tạp không phù hơp với không gian
làm việc trên bàn thí nghiệm
b. Robot có không gian thao tác là hệ tọa độ Trụ, 2 khớp tịnh tiến 1 khớp
quay

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 15


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

• Ưu điểm: cấu trúc robot gọn, tọa độ trụ phù hợp với không gian trên bàn
thí nghiệm
• Nhược điểm: chế tạo khó khăn, cấu trúc không được cứng vững, trong
không gian hẹp có thể không phù hợp vì có 1 trục tịnh tiến ngang
c. Robot có không gian thao tác là hệ tọa độ Trụ, 2 khớp quay, 1 khớp
tịnh tiến

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 16

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

• Ưu điểm: cấu trúc robot gọn, tọa độ trụ phù hợp với không gian trên bàn
thí nghiệm, phù hợp với cả điều kiện chật hẹp
• Nhược điểm: chế tạo khó khăn, cấu trúc không được cứng vững.
 Từ những phân tích lựa chọn cấu trúc tọa độ trụ gồm 2 khớp xoay và 1
tịnh tiến

CHƯƠNG 2: Thiết kế mô hình
2.1 Thiết kế 3D
Từ những yêu cầu đặt ra chúng em xin đưa ra mô hình thiết kế 3D

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 17


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

 Khâu 0: Có L0=300mm
Khâu 0 được gắn cố định vào nền và có động cơ secvo để điều khiển hớp
quay 1

 Khâu 1: Có L1=400mm
Khâu 1 được nối với khâu 0 thông qua 1 khớp quay, và có gắm động cơ để điều
khiển khớp 2

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 18

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

 Khâu 2: Có L2=350mm
Khâu 2 được nối với khâu 1 thông qua 1 khớp quay.

 Khâu 3: Có L3=200mm
Khâu 3 được nối với khâu 1 thông qua truc vít me đai ốc và có gắn tay kẹp

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 19


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

2.2 Bản vẽ thiết kế 2D và bản vẽ lắp chi tiết
2.2.1 Bản vẽ các khâu 2D
 Khâu 1:

 Khâu 2:

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 20


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

Khâu 3 :

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 21


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

2.2.2 Bản vẽ lắp

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT
3.1. Cơ sở lý thuyết
Bài toán động học bao gồm bài toán động học thuận và vài toán động ngược.Để
khảo sát bài toán động học, ta sử dụng phương pháp Denavit – Hartenberg.
Phương pháp này cho phép thiết lập phương trình động học của khâu thao tác
tương đối đơn giản nhưng lại rất hiệu quả.
Đặt hệ trục tọa độ:

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 22


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

Hình 2.8: Đặt hệ trục tọa độ
-Theo Denavit – Hartenberg (1955) đã quy ước hệ tọa độ Decard gắn vào mỗi
khâu của một tay máy Robot như sau:
* Trục zi được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1).

Hướng của phép quay và phép tịnh tiến được chọn tùy ý.
* Trục xi được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp
động thứ i và (i+ 1), hướng từ khớp động thứ i tới trục ( i+1).
* Trục yi được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
* Gốc O sẽ là giao của hai trục bất kì
Cách xác định các thông số của bảng D – H
-Vị trí của hệ tọa độ khớp (Oxyz)i đối với hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1được xác định
bởi 4 tham số θi, di, αi, ai như sau:
θi : góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 trùng với trục x'i (xi//x'i)
di : dịch chuyển tịnh tiế dọc trục zi-1 để gốc tọa độ Oi-1 chuyể đến O'i là giao điểm
của trục xi và trục zi-1
ai : dịch chuyển dọc trục xi để điểm O'i chuyển đến điểm Oi
Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 23


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

: góc quay quanh trục xi sao cho trục z'i-1(z’i-1// zi-1) trùng với trục zi
Thiết lập bộ thông số động học theo Denavit-Hatenberg
Giả sử ta đã tìm ra được bảng giá trị tham số D –H của robot như sau :
Khâu thứ

d



a



i

di

i

ai

i

Khi đó, ta có ma trận hàm truyền của khâu thứ i đối với khâu thứ i-1 được
xác định như công thức sau:

i-1

Ai=

cosθ i
�
�
sinθ i
�
�0
�
�0

sin θ i cos α i
cosθ i cos α i

sinα i
0

sin θ i sin α i a i cosθ i �
sin α i cosθ i a isin θ i �
�
cos α i
di �
�
0
1 �

Đặt hệ trục tọa độ DH.

Z1

Z0

X1

X0

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 24

X2


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

Z2

X3

Z3

Hệ trục tọa độ theo quy tắc D-H:
Khâu 0: đế ta chọn hệ tọa độ XoYoZo có trục Zo có dọc theo trục của khâu 0,
Xo được chọn như trong hình vẽ, Yo được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Khâu 1: ta chọn hệ tọa độ X1Y1Z1 có trục Z1 dọc theo trục của khớp nối khâu 1
với khâu 2, X1 chọn song song theo khâu 1 có hướng về phía khâu 2, Y1 được
xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.
Khâu 2: ta chọn hệ tọa độ X2Y2Z2 có trục Z2 trùng trục của khâu 3 có hướng
xuống phía dưới, X2 chọn dọc theo trục của khâu 2 hướng về phía ra xa khâu 1,
Y2 được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Khâu 3: ta chọn hệ tọa độ X3Y3Z3 có trục Z3 cùng phương cùng chiều với trục
Z2 , X3 chọn song song và cùng chiều với X2 , Y3 được xác định theo quy tắc bàn
tay phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.
Ta có bảng DH:

Nhóm sinh viên CĐT K59

Page 25