đồ án hệ thống cơ điện tử tính toán động lực học robot

Nguyễn Xuân Bình-61CĐT3Đồ án hệ thống cơ điện tửChương 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc robot1.1 Số bậc tự do cần thiết Để tính số bậc tự do cần thiết cho robot ta có công thức tổng quá

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢIKHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Th.s Nguyễn Hùng Anh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Bình Lớp: 61CĐT3

Năm học 2023 - 2024

1

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn tới GV Nguyễn Hùng Anh và thầy cô trong bộ môn Cơđiện tử, cảm ơn thầy cô vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướngdẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi học Những góp ý, sửa chữa của thầy cô sẽphần nào giúp nhóm tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiệnnay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị của em hoặc cũng có thể kiến thức nhómmang đến trong bài tiểu luận này con sai sót và chưa đúng Nhóm rất mong có đượcsự bổ sung, sửa chữa đó, chúng em chân thành cảm ơn và chúc thầy sức khoẻ!

2

Trang 3

Nguyễn Xuân Bình-61CĐT3Đồ án hệ thống cơ điện tử

LỜI NÓI ĐẦU

Nền khoa học kỹ thuật ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ, dẫn tới những thay đổilớn lao trong sản xuất Đó là sự thay đổi lực lượng sản xuất trong mọi nghành nghềbằng việc thay sức lao động của người bằng máy móc nhằm đảm bảo tăng năng suấtlao động, sản lượng cũng như chất lượng sản phẩm Do đó việc sử dụng các tay máyhay còn gọi là Robot công nghiệp vào trong sản xuất đang rất được ưa chuộng bởi vìchúng đáp ứng được các yêu cầu trên Như chúng ta đã biết Robot có rất nhiều ưuđiểm đặc biệt là chất lượng và độ chính xác, ngoài ra còn phải kể đến hiệu quả kinh tếcao, có thể làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được, cáccông việc yêu cầu cẩn thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng tinh tế đòi hỏitrình độ của thợ bậc cao, và quan trọng là Robot không bị căng thẳng như con ngườinên có thể làm việc suốt cả ngày.

Có thể nói rằng Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, mộtcách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn Những hãng Robot (RB) từcác nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày một khẳng định sựhiện diện của RB là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phíatrước Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày mộtđa dạng

Trong khuôn khổ môn học Đồ án Hệ thống Cơ điện tử với đề tài tài thiết kế Robot hànđường cong trên mặt phẳng với kích thước cho trước, em tin tưởng rằng với những kếtquả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệm quantrọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán vàthiết kế các loại Robot công nghiệp.

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Xuân Bình

3

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

Chương 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc robot 5

1.1 Số bậc tự do cần thiết 5

1.2 Phân tích một số cấu trúc thỏa mãn và lựa chọn phương án thiết kế 6

Chương 2: Bài toán động học robot 8

2.1 Bài toán động học thuận robot 8

2.2 Bài toán động học ngược robot 13

2.3 Thiết lập phương trình quỹ đạo theo yêu cầu 13

Chương 3: Thiết kế 3D robot

3.1 Bản vẽ lắp tổng thể chi tiết robot 22

3.2 Bản vẽ các chi tiết robot 23

Chương 4: Tính toán động lực học Robot 25

4.1 Xác định các tham số động lực học 25

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 25

Chương 5: Tính toán chọn động cơ và bộ truyền 31

5.1 Chọn động cơ 31

5.2 Chọn cơ cấu dầu mũi hàn 31

5.3 Tính toán động cơ khớp quay thứ 3 32

5.4 Tính toán động cơ khớp quay thứ 2 33

5.5 Tính toán động cơ khớp cho trục vít truyền động robot 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

Phụ Lục 38

Chương trình lập trình: 384

Trang 5

Chương 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc robot1.1 Số bậc tự do cần thiết

Để tính số bậc tự do cần thiết cho robot ta có công thức tổng quát : W= Wo - R

Trong đó : W : số bậc tự do

Wo : tổng số bậc tự do của các khâu động của cơ cấu khi để rời trong hệ quychiếu gắn liền với giá

R : tổng số ràng buộc do các khớp động trong cơ cấu

Để xác định công thức tính bậc tự do cho robot ta cần xác định cơ cấu robotlà không gian hay phẳng bằng cách xác định vị trí mặt phẳng làm việc củarobot.

1 Robot cơ cấu không gian (3D Robot )

Là loại robot có khả năng di chuyển và thực hiện các tác vụ trong khônggian ba chiều , bao gồm các phương hướng x,y,z

Robot có khả năng di chuyển và làm việc trong môi trường không gianphức tạp , yêu cầu độ linh hoạt , chính xác cao

Công thức xác định số bậc tự do cho cơ cấu không gian: W = 6n – (∑ 𝑗𝑃𝑗 − 𝑅𝑡𝑟 − 𝑅𝑡 ℎ) − 𝑊𝑡ℎ2 Robot cơ cấu phăng (2D robot)

Là loại robot hoạt động làm việc trong không gian hai chiều , chủ yếu trênbề mặt phẳng xy

Robot giới hạn các khâu quay theo 1 phương duy nhất và các khâu tịnh tiếntheo phương vuông góc với khâu quay

Công thức tính số bậc tự do cho cơ cấu phẳng:

Trang 6

Hình 1.1.1: Cơ cấu robot tọa độ Đề cácƯu điểm:

Khả năng tải trọng lớn : Cấu trúc robot tọa độ đề các có khả năng tải trọnglớn hơn so với các cấu trúc robot khác, giúp nó có thể xử lý các tác vụ nặnghơn và đa dạng hơn.

Khả năng làm việc trong không gian lớn: Cấu trúc này thường được sửdụng trong các ứng dụng có không gian làm việc lớn , như trong sản xuất ô tôhoặc máy bay

Độ chính xác cao : Cấu trúc robot tọa độ đề các có thể di chuyển chính xáctrong không gian 3 chiều , giúp tăng độ chính xác trong quá trình sản xuất Khả năng xử lý các tác vụ phức tạp : Cấu trúc robot tọa độ đề các có khảnăng xử lý các tác vụ phức tạp hơn so với các cấu trúc robot khác , nhờ khảnăng di chuyển trong không gian lớn và tải trọng lớn.

Nhược điểm :

Thiết kế phức tạp : Cấu trúc robot tọa độ đề các có thiết kế phức tạp hơn sovới các cấu trúc robot khác , gây khó khăn trong việc lắp đặt và bảo trì.Tốc độ di chuyển chậm hơn : Do cấu trúc robot tọa độ đề các có kích thức lớnhơn, nên tốc độ di chuyển của nó thường chậm hơn so với các cấu trúc robotkhác.

Chi phí đầu tư cao : Do thiết kế phức tạp và khả năng tải trọng lớn , nên chiphí đầu tư cho cấu trúc robot tọa độ đề các thường cao hơn so với các cấu trúcrobot khác.

Cơ cấu robot tọa độ trụ : khác với tay máy kiểu đề các ở khớp đầu tiên :dùng khớp quay thay cho khớp trượt Vùng làm việc của nó có dạng hình trụrỗng Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy thò được vào khoang rỗng nằmngang.

6

Trang 7

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

Thường khớp thứ nhất là chuyển động quay.

Hình 1.1.2: Cơ cấu robot tọa độ trụ Ưu điểm :

Tốc độ di chuyển nhanh : Cấu trúc robot tọa độ trụ có khả năng di chuyểnnhanh hơn so với các cấu trúc robot khác , giúp tăng năng suất sản xuất.

Khả năng làm việc trong không gian nhỏ : Cấu trúc này thường được sử dụngtrong các ứng dụng có không gian làm việc nhỏ , như trong sản xuất điện tử hoặc sảnxuất đồ gia dụng

Chi phí dầu tư thấp : Do thiết kế đơn giản và kích thước nhỏ hơn so với các cấutrúc robot khác , nên chi phí đầu tư cho cấu trúc robot tọa độ trụ thường thấp hơn Độ chính xác cao : Cấu trúc robot tọa độ trụ có khả năng di chuyển chính xáctrong không gian 2 chiều , giúp tăng độ chính xác trong quá trình sản xuất.

Nhược điểm :

Khả năng tải trọng thấp : Cấu trúc robot tọa độ trụ có khả năng tải trọng thấphơn so với các cấu trúc robot khác , giới hạn khả năng xử lý các tác vụ nặng hơn Khả năng xử lý các tác vụ phức tạp hạn chế : Do khả năng di chuyển trongkhông gian 2 chiều , nên cấu trúc robot tọa độ trụ có khả năng xử lý các tác vụ phứctạp hạn chế hơn so với các cấu trúc robot khác.

Khả năng làm việc trong không gian 3 chiều hạn chế : Cấu trúc robot tọa độ trụcó khả năng làm việc trong không gian 3 chiều hạn chế hơn so với các cấu trúc robotkhác , giới hạn khả năng ứng dụng của nó trong một số lĩnh vực sản xuất.

7

Trang 8

Cơ cấu robot tọa độ cầu: Không gian làm việc của robot có dạng hình

Khả năng xử lý các táp vụ phức tạp : Cấu trúc robot tọa độ cầu có khả năng xử lýcác tác vụ phức tạp hơn so với các cấu trúc robot khác , giúp tăng độ chính xác vànăng xuất.

Độ chính xác cao : Cấu trúc robot tọa độ cầu có khả năng di chuyển chính xáctrong không gian 3 chiều , giúp tăng độ chính xác trong quá trình sản xuất.

Nhược điểm :

Chi phí đầu tư cao : Do cấu trúc phức tạp và khả năng tải trọng cao , nên chi phíđầu tư cho cấu trúc robot tọa độ cầu thường cao hơn so với các cấu trúc robot khác Khả năng làm việc trong không gian nhỏ hạn chế : Cấu trúc robot tọa độ cầu cókích thước lớn hơn so với các cấu trúc robot khác , giới hạn khả năng làm việc trongkhông gian nhỏ.

Khả năng di chuyển chậm hơn : Do cấu trúc phức tạp và khả năng di chuyển trongkhông gian 3 chiều , nên cấu trúc robot tọa độ cầu có khả năng di chuyển chậm hơnso với các cấu trúc robot khác.

Lựa chọn phương án thiết kế

Vì bài toán yêu cầu robot làm việc trên một đoạn thẳng A(400,100,0) là điểm đầu và B(100,450,300) là điểm cuối nên đoạn thẳng không nằm trên cùng mặt phẳng Công thức số bậc tự do của robot là :

8

Trang 9

Nguyễn Xuân Bình-61CĐT3Đồ án hệ thống cơ điện tử 𝑊 = 6 − (∑𝑛 𝑗𝑃𝑗 − 𝑅𝑡𝑟 − 𝑅𝑡 ℎ) − 𝑊𝑡ℎ

Trong đó :

W : số bậc tự do trong robot n : số khâu động của cơ cấu bằng 3j : là loại khớp sử dụng trong cơ cấu bằng 5p : số khớp loại j trong cơ cấu bằng 3 Rtr : số rằng buộc trùng của cơ cấu bằng 0Rth : số rằng buộc thừa của cơ cấu bằng 0Wth số bậc tự do thừa băng 0

W = 6.3 – ( 5.3 - 0 - 0) – 0 = 3 (DOF)*Ưu điểm của phương án so với các phương án khác:Với phương án thiết kế này sẽ rất tối ưu với:

Thích hợp cho đối tượng có bề mặt cong dạng trụ hoặc cầu hơn so với mặt phẳng.- Xây dựng hệ thống điều khiển các khớp dễ dàng thuận tiện và gần như có thể độclập.

- Kết cấu đơn giản đảm bảo tính linh hoạt.

- Mô hình 3D sơ bộ của Robot được thiết kế như sau:

9

Trang 10

Chương 2: Bài toán động học robot2.1 Bài toán động học thuận robot

Với không gian làm việc là 500x500x500 (mm) chọn: = 120 mm = 0,12 m

= 300 mm = 0,3 m = 200 mm = 0,2 m

10

Trang 11

Ta có bảng tham số động học Denavit–Hartenberg Craig không gian ba bậc tự do:

Khâu

1 0 0

2 0 l1 0

Trang 12

Trong đó: là các biến khớp là chiều dài khâu 1, 2Các ma trận Craig địa phương:

Các ma trận Craig toàn thể:

+) Từ các ma trận Craig, ta tính tọa độ điểm thao tác E trong hệ quy chiếu cố định:

Toạ độ vị trí điểm thao tác E:

12

Trang 13

+) Cho trước các quy luật chuyển động của các khâu, vẽ đồ thị quỹ đạo, vận tốc, giatốc điểm thao tác robot.

Chọn quy luật chuyển động của các khâu:

Toạ độ điểm E theo biến t là:

Vận tốc của điểm thao tác cuối:

Đạo hàm theo thời gian t toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được vậntốc điểm thao tác E:

Gia tốc của điểm thao tác cuối:

Đạo hàm theo thời gian t vận tốc điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được giatốc điểm thao tác E:

13

Trang 38

Hình 4.1.1 khối lượng và mô men quán tính khâu 1

Hình 4.1.2 khối lượng và mô men quán tính khâu 2

38

Trang 39

Hình 4.1.3 Mô men và quán tính khâu 3

Bảng mô tả vị trí trọng tâm, khối lượng, momen quán tính khối của từng khâucủa robot:

Bảng 4.1.1: tham số động lực học của robot

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot.

Chọn các tọa độ suy rộng là: Các ma trận Craig địa phương:

39

Trang 40

;

Các ma trận Craig toàn thể:

Tọa độ khối tâm các khâu trong hệ quy chiếu cố định là

a1, a2, a3 là khoảng cách từ gốc tâm O(i) đến trọng tâm của khâu

40

Trang 41

Các ma trận Jacobi tịnh tiến của các khâu:

Từ các ma trận Craig ta có các ma trận cô sin chỉ hướng của các khâu so với hệ quychiếu cố định:

Vận tốc góc các khâu trong tọa độ cố định :

Ma trận Jacobi quay:

41

Trang 42

Thay các ma trận jacobi tịnh tiến và ma trận jacobi quay vào biểu thức 4.32 trang231 ,Động lực học hệ nhiều vật

Tenxơ quán tính khối của các khâu:

Ta nhận được ma trận khối lượng suy rộng của robot:

Trong đó:

Ma trận ly tâm và Coriolis được xác định theo công thức:

42

Trang 43

Sử dụng phần mềm Maple ta tính được:

Trong đó:

Thế năng của robot có dạng:

Từ biểu thức thế năng ta có:

43

Trang 44

Phương trình larange loại II:

Ta nhận được hệ phương trình vi phân robot ba khâu không gian Phương trình thứ 1:

Phương trình thứ 2:

Phương trình thứ 3:

44

Trang 45

45

Trang 46

Hình 5.1.1: Đầu mỏ hàn cong 60WThông số kỹ thuật của Đầu mỏ hàn cong 60W:

1 Thích hợp hầu hết các mỏ hàn 60W ~ 80W thông thường2 Đường kính: 5.4 mm

3 Đường kính mũi hàn: 1.2mm4 Chất liệu: sắt đặc

5 Trọng lượng: 13g

5.3 Tính toán động cơ khớp quay thứ 3

Khối lượng khâu 3 là ( theo tính toán của phần mềm solidworks, baogồm cả đầu mũi hàn)

Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 3 đến động cơ Mô men lớn nhất động cơ khâu 3 tính theo phần mềm matlab là:

Cần chọn loại động cơ có mô men lớn hơn hoặc bằng Ngoài ra loại động cơ nàycần có khối lượng nhỏ để giảm trọng lượng của cánh tay robot.

46

Trang 47

Hình 5.3.1: Động cơ bước step 42

Vì vậy lựa chọn 1 động cơ bước Step 42 để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, với một số ưuđiểm và thông số như sau:

Step motor 42-1705HS200A kết hợp với bộ truyền bánh răng đai răng giúp tăngmomen xoắn lên rất lớn phù hợp cho các loại robot công nghiệp, cơ cấu máy, các bộphận nhỏ những cần lực lớn Đối với motor bước thường xuyên phải đảo chiều quay,tăng giảm tốc độ hoặc dừng đột ngột nên bộ truyền hoặc hộp số phải là loại chính xácvà chiệu được momen lớn Trong một số trường hợp đặc biệt khi cần dừng đột ngộtthì phải sử dụng thêm phanh từ

Điện áp sử dụng 12VDC;Dòng hoạt động 3A;

Chiều dài 48mm;

1.8 độ/1 step (Độ sai số 5%);Khối lượng 550g.

Em sử dụng thêm hộp giảm tốc cho động cơ bước Step 42 để lực kéo lớn hơn và đểđảm bảo hệ số an toàn cao trong quá trình robot hoạt động Và lựa chọn của em làbộ truyền bánh răng đai răng có tỷ số truyền 3:1 Như vậy momen kéo của động cơ

47

Trang 48

5.4 Tính toán động cơ khớp quay thứ 2

Khối lượng khâu 3 là ( theo tính toán của phần mềm solidworks,bao gồm cả tay gắp)

Khối lượng khâu 2 là ( theo tính toán của phần mềm solidworks)Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 2 ,3 đến trục momen

Mô men lớn nhất động cơ khâu 3 tính theo phần mềm matlab là : Mô men nhỏ nhất của động cơ khâu 2:

Cần chọn loại động cơ có mô men lớn hơn hoặc bằng Ngoài ra loại động cơ nàycần có khối lượng nhỏ để giảm trọng lượng của cánh tay robot.

Hình 5.4.1: Động cơ bước Nema 34

Vì vậy lựa chọn 1 động cơ bước Step 42 để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, với một sốưu điểm và thông số như sau:

Nema34 – 86HS100 kết hợp với bộ truyền bánh răng đai răng giúp tăng momen xoắnlên rất lớn phù hợp cho các loại robot công nghiệp, cơ cấu máy, các bộ phận nhỏnhững cần lực lớn Đối với motor bước thường xuyên phải đảo chiều quay, tăng giảmtốc độ hoặc dừng đột ngột nên bộ truyền hoặc hộp số phải là loại chính xác và chiệu

48