MỤC LỤC

MỤC LỤC...................................................................................................1

1. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC..............................................2

1.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot................................................2

1.2. Phân tích yêu cầu kĩ thuật khâu thao tác........................................2

1.2.1. Đối tượng thao tác , dạng thao tác...................................................2

1.2.2. Phân tích yêu cầu về vị trí................................................................3

1.2.3. Yêu cầu về hướng khâu thao tác.....................................................3

1.2.4. Yêu cầu về vận tốc , gia tốc khâu thao tác.......................................3

1.2.5. Yêu cầu về không gian thao tác.......................................................3

1.3. Xác định các đặc trưng kĩ thuật.......................................................3

1.3.1. Số bậc tự do cần thiết......................................................................3

1.3.2. Vùng làm việc có thể với tới của robot.............................................4

1.3.3. Yêu cầu về tải trọng.........................................................................4

1.4. Thông số kĩ thuật robot thiết kế, đối tượng...................................4

1.4.1. Thông số kĩ thuật robot....................................................................4

2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D ROBOT...........................................................4

2.1. Thiết kế 3D..........................................................................................5

2.2 Lập bản vẽ 2D.....................................................................................5

3. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG.................................................6

3.1. Khảo sát động học thuận , khảo sát động học ngược..................6

3.1.1. Khảo sát bài toán động học thuận....................................................6

3.1.2. Khảo sát bài toán động học ngược..................................................9

3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động robot theo mục đích ứng dụng...11

4. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC.............................................................15

4.1. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot.............15

5. THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT.....................................................24

5.1. Thiết kế hệ dẫn động.......................................................................25

5.2. Chọn động cơ phù hợp...................................................................25

6. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...................................................26

6.1. Chọn luật điều khiển phù hợp , thiết kế mô hình điều khiển......30

6.2. Mô phỏng bằng Matlab...................................................................30

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................33

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

1. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC

1.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot.

Robot được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất, cụ thể là trong băng truyền sản xuất. Robot sẽ đóng vai trò gắp hộp từ băng truyền này sang băng truyền khác để công nhân tiến hành lắp ráp hoặc đóng gói. Nhờ đó, ta có thể giảm bớt nhân công lao động, giảm sai sót trong quá trình vận chuyển hộp,... dẫn tới có thể làm giảm giá thành sản phẩm.

1.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác.

1.2.1. Đối tượng thao tác, dạng thao tác.

Đối tượng thao tác : dạng hình hộp , tối đa 2kg

Dạng thao tác : gắp , thả vật

1.2.2. Phân tích yêu cầu về vị trí.

Điểm cuối của băng truyền trước và điểm đầu của băng truyền sau đều phải nằm trong vùng làm việc của robot, cụ thể là không gian hình hộp chữ nhật với kích thước 1600x1200x1050mm. Vì robot điều khiển tự động nên vị trí của băng truyền được lắp đặt và xác định một cách chính xác. Vị trí của robot cần đặt gần nơi giao nhau giữa 2 băng truyền để đảm bảo gắp thả vật chính xác, tránh sai sót, đồng thời làm giảm thời gian trễ trong quá trình gắp thả vật. 

1.2.4. Yêu cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác.

Vận tốc và gia tốc cần phải đủ nhỏ để tránh trường hợp làm rơi vật khi thao tác, nhưng cũng phải đủ nhanh để không làm ảnh hưởng tiến độ sản xuất và phù hợp với nhịp làm việc của công nhân. Sau khi tính toán sơ bộ, bọn em đã ước lượng được vận tốc và gia tốc của khâu thao tác như sau:

v = 0.3 m/s

a = 1.96 m/s²

1.3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật.

1.3.1. Số bậc tự do cần thiết.

Robot gồm 3 bậc tự do (3 bậc tịnh tiến)

Tịnh tiến theo phương  X_G

Tịnh tiến theo phương  Y_G

Tịnh tiến theo phương  Z_G

1.3.2. Yêu cầu về tải trọng.

Hộp có khối lượng nhỏ hơn hoặc bằng 2kg

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

1.4.1. Thông số kĩ thuật robot

- Chiều cao thân robot: 1450mm

- Kích thước bậc tự do tịnh tiến theo Ox:

+ Giới hạn chuyển động: 500mm.

+ Chiều dài theo phương x: 1200 mm.

- Kích thước bậc tự do tịnh tiến theo Oy:

+ Chiều dài theo phương y: 1850 mm.

+ Giới hạn chuyển động trục y: 1600mm.

- Số bậc tự do: 3 bậc tự do.

+ 3 tịnh tiến theo các trục Ox, Oy, Oz.

2. THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT

2.1. Thiết kế 3D.

Mô hình robot 3d thể hiện như hình dưới.

2.2. Lập bản vẽ 2D

Robot được lắp ráp thể hiện như hình dưới.

3. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG

3.1. Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược.

3.1.1. Khảo sát bài toán động học thuận.

Xác định hệ tọa độ:

Ma trận biến đổi toạ độ thuần nhất tích hợp của các ma trận từ các phép biến đổi :

Ma trận chuyển đổi từ gốc tọa độ  về O₁ và O₀

* Thiết lập các phương trình động học của Robot:

Ma trận ⁰A₄ cho ta biết hướng và vị trí của khâu thao tác trong hệ toạ độ cố định hay là vị trí của điểm tác động cuối và hướng của hệ toạ độ gắn vào khâu tại điểm tác động cuối trong hệ toạ độ cố định vì thế nó còn được biểu diễn thông qua các khớp quay _i , i = 1 ÷ 3.

Do ma trận ⁰A₃ biểu diễn vị trí và hướng của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định thông qua biến khớp d_i (Ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học). Còn ma trận  cũng mô tả vị trí và hướng của khâu thao tác thông qua hệ tọa độ khâu thao tác. Ở đây ta lựa chọn cách biểu diễn thông qua các góc Cardan.

Bài toán động học thuận Robot:     

+ Bài toán động học thuận cho các thông số đầu vào: a₁, a₂, a₃, d_1, d₂, d₃

+ Thông số cần xác định: điểm tác động cuối  và hướng của khâu cuối so với hệ toạ độ cơ sở

3.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot theo mục đích ứng dụng.

Chọn quy luật chuyển động của các khớp như sau :

d₁ = 0.3t; d₂ = 0.3t; d₃ = 0.3t

Và các thông số hình học cho trước :

a₁ = 0.4m; a₂ = 0.4m; a₃ = 0.4m

* Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp:

Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp là xác định đường biểu diễn của vị trí góc khớp (góc quay của khớp với khớp quay và độ di chuyển của khớp đối với khớp tịnh tiến) theo thời gian khi di chuyển từ vị trí ban đầu  tới vị trí cuối  trong thời gian  với  là biến khớp tổng quát. Quỹ đạo di chuyển của khớp giữa hai vị trí sẽ thoả mãn 4 điều kiện: vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng, tốc độ tại vị trí ban đầu và tốc độ tại vị trí cuối cùng. 

* Bài toán cụ thể:

Robot: a₁ = 0.4m; a₂ = 0.4m; a₃ = 0.4m

Cho các điểm:

A(0;0;0)

B(0;-0.3;0)

C(0.4,-0.3,0.8)

D(0.4,0,0.8)

4. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

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

Phương trình vi phân chuyển động của Robot

Ta có:

I_c2xy = I_c2yx = 0

I_c2yz = I_c2zy = 0

I_c2zx = I_c2xz = 0

+) Khâu 3:

+ Tensor quán tính khâu 3:

I_c3xy = I_c3yx = 0

I_c3yz = I_c3zy = 0

I_c3zx = I_c3xz = 0

* Tính lực quán tính coriolis và quán tính li tâm:

c₁ = 0

c₂ = 0

c₃ = 0

5. THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT

5.1. Thiết kế hệ dẫn động. (1 khớp)

Bậc tự do tịnh tiến theo Z_G sử dụng piston xilanh để dẫn động:

Thông số đầu vào:

- Áp suất khí nén vào xilanh là p = 0,3 Mpa

- Khối lượng tịnh tiến: m_Z = 4 kg , m = 2kg

- M = m_z + m + m_R = 4 + 2 +1= 7 kg

- Gia tốc max: a_max = 1,96 (m/s²)

Từ bảng catalog hãng SMC, chọn xilanh CM2B25- 500Z thỏa mãn yêu cầu.

Thông số kỹ thuật:

- Chuyển động hai chiều.

- Hành trình: 500 mm.

- Đường kính: Ø = 25 mm.

5.2. Chọn động cơ phù hợp.

* Tính toán tốc độ quay:

Ta có các thông số đầu vào như sau:

- Vận tốc của bậc tự do tịnh tiến: V

- Bánh răng: Z = 30, m = 2 => d = m.Z = 2.30 = 60 (mm)

- Hộp giảm tốc có tỷ số truyền là 1:10

- Khối lượng bậc tự do : m_Y = 12 kg , m = 2kg

=> M = m_Y + m= 12 + 2 = 14 kg

Mà hộp giảm tốc có tỷ số truyền là 1:10 như vậy tốc độ thực tế của động cơ là: n = 1000 vòng/phút.

Vì động cơ thay đổi tốc độ theo tần số nên ta chọn loại có tốc độ khoảng 1500 vòng/phút.

* Tính toán công suất của động cơ:

Thông số đầu vào của bậc tự do:

- Vận tốc max: V = 0,3 (m/s)

- Gia tốc max: a = 0,2g = 1,96 (m/s²)

 Từ catalog hãng MITSUBISHI chọn động cơ: AC Servo MELSERVO-J4 HG-KR 7-1M-B

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp cung cấp: 200 VAC.

- Công suất: 750 W.

- Tốc độ quay: 1500 vòng/phút.

- Mô men xoắn MAX: 0,64 Nm.

6. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

6.1. Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển.

* Mô hình điều khiển Robot: PD và Lực:

Mô hình điều khiển Robot: PD và Lực thể hiện như hình dưới.

6.2. Mô phỏng bằng Matlab.

- Lập trình mô phỏng bằng Simulink:

- Sơ đồ nối dây đầu vào:

- Khối phần tử phi tuyến, tính lực điều khiển:

- Khối chấp hành:

- Các phần tử khối PD:

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. PGS.TS. Phan Bùi Khôi, Bài giảng Tính toán thiết kế robot, ĐH Bách khoa Hà nội

[2]. PGS.TS. Phan Bùi Khôi, Bài giảng Robotics (2009), ĐH Bách khoa Hà nội

[3]. GS.TSKH. Nguyễn Văn Khang, Cơ sở Robot công nghiệp

[4]. GS.TSKH. Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp

[5]. GS. TSKH. Nguyễn Văn Khang, Động lực học hệ nhiều vật

[6]. TS. Nguyễn Quang Hoàng, Cơ sở mát lab và Simulink

[7]. Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tụ động

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"