Báo cáo Robotic hoàn thiện PDF

Preview

Summary

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN CƠ KHÍ──────── * ───────BÀI TẬP MÔN HỌCTÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOTNGÀNH CƠ ĐIỆN TỬLỚP: NUTGiáo viên hướng dẫn: PGS Phan Bùi Khôi Sinh viên thực hiện: Nguyễn Mạnh Tiến- Trần Hoàng Minh-Mục Lụcnhu cầu lớn về đào tạo nhân lực cơ điện tử. Trong sự nghiệp công nghiệp hóa,...

Description

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

BÀI TẬP MÔN HỌC TÍNH TOÁN 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 Hoàng 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 MÔ 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 TOÁN 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 mô hình điều khiển……59 7.2. Mô 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 công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa có vai trò 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 công 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 quá trình sản xuất làm việc, tay máy có những tính năng mà con người không thể có được, khả năng làm việc ổn định, có thể làm việc trong môi trường độc hại, v.v…Do đó việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo ra những tay máy Robot phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiện tại và tương lai. Việc tìm hiểu nghiên cứu Robot trong khuôn khổ môn học Robotic và tính toán thiết kế Robot sẽ là cơ sở để chúng em tính toán, 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 toán, thiết kế mô 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 không 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 vuông góc với mặt hộp Nhóm 1

Page 4

b. Vùng làm việc có thể với tới: Được xác định bởi thông 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 không 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 không 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 toán động học, động lực học, chọn động cơ, và mô phỏng.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MÔ 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

Không 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 thông 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 mô 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 . Ngoài ra còn 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 công 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: Toán tử sóng của véc tơ vận tốc góc khâu i trong hệ tọa độ động (Oxyz) i được tính theo công 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

a E = v E

3.1.2 Khảo sát bài toán động học ngược Nhiệm vụ của bài toán động học ngược là tìm các biến khớp với điều kiện tọa độ và hướng khâu thao tác đã biết. Cụ thể trong bài toán này, bài toán động học ngược có nhiệm vụ tìm với điều kiện xE , yE , zE đã biết Sử dụng phương pháp hình học, ta có:

Nhóm 1

Page 25

Như vậy đã giải quyết xong bài toán động học ngược. 3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot theo mục đích ứng dụng

Quỹỹ đạo robot qua 4 điểm Khầu thao tác cuốếi sẽỹ đi t đi ừ mể 1 (sau khi th cựhi nệthao tác hàn) sẽỹ đi chuỹ nể đếến đi ểm trung gian 2 và 3 rốầi di chuỹ n tếếp ể đếến đi ểm sốế 4 Tọa độ các điểm như bảng sau:

Điểm 1 Nhóm 1

X(mm)

Y(mm)

Z(mm)

-500

1200

1000

Page 26

Điểm 2

-500

1000

1200

Điểm 3

1300

0

1200

Điểm 4

1300

0

200

Ta xét t ừđi ểm 2 đếến điểm 3:

1

 2 (radian)

(radian)

(radian)

(radian)

(radian)

Điểm 2 -1.107148718 1.019406954 -0.9642904716 -0.0551164824 -1.107148718 Điểm 3

0.

1.487227808 -0.2734048063 -1.213823002

0

Quỹ đạo biến khớp dạng như sau:

qi (t ) ai  bit  cit 2  d it 3

( i là hệ số biến khớp)

Robot đi từ điểm đầu (1) đến điểm cuối (2) trong t giây, vận tốc tại (1) và (2) đều phải bằng 0 nên có hệ pt:

 qi (0) ai qi (1)  2 3  qi (t )  ai  bi t  ci t  di t  qi (2)   q i (0) bi 0  q (t ) b t  2c t  3d t2 0 i i i  i Giải hệ ta được các hệ số: ai qi (1) b 0  i  3( q (2)  q (1)) c i  i 2 i t   2(q (1)  q (2)) d i  i 3 i t 

Robot đi từ điểm 2 đến điểm 3 trong 2 giây: Kết quả sau khi thay số liệu:

Nhóm 1

Page 27

Khầu1

Nhóm 1

Page 28

Khầu 2

Khầu 3

Nhóm 1

Page 29

Khầu 4

Khầu 5

Đồ thị quỹ đạo vận tốc gia tốc các biến khớp đi từ 1-5 Tọa độ điểm cuối: bậc 3, vận tốc: bậc 2, gia tốc: bậc 1 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH, YÊU CẦU LỰC/MOMEN ĐỘNG CƠ LỚN NHẤT Nhóm 1

Page 30

Cơ sở lý thuyết Xem các khâu của Robot là các vật rắn tuyệt đối cứng. Việc tính toán được thực hiện khi ta tách riêng từng khâu của Robot. Theo nguyên lý giải phóng liên kết Lagrange, ta phá vỡ liên kết tại các khớp của Robot và đặt vào đó các phản lực liên kết bao gồm lực và mô men phản lực (tùy thuộc vào loại khớp bị phá vỡ). Giả sử các khâu là thanh đồng chất, tiết diện ngang không đáng kể, khối lượng các khâu lần lượt là m1,m2,m3,m4,m5 . Ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men của khâu i:

Fi,i-1 = Fi+1,i - Pi   i  i  M i,i-1 = M i+1,i - ri-1.Fi,i-1 - rci.P i

(3.1)

Trong đó: -

Fi,i-1

là lực do khâu i-1 tác dụng lên khâu i.

-

Fi+1,i

là lực do khâu i tác dụng lên khâu i+1.

-

Pi là trọng lực của khâu i.

-

Mi,i-1

là mô men do khâu i-1 tác dụng lên khâu i.

-

M i+1,i

là mô men do khâu i tác dụng lên khâu i+1.

-

i ri-1 là vecto có điểm gốc tại Oi và điểm mút tại Oi-1.

-

rcii là vecto có điểm gốc tại O và điểm mút tại trọng tâm của khâu i là C . i i

Chiếu công thức (3.1) lên hệ tọa độ khâu i, ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men trong hệ tọa độ khâu i:  i Fi,i-1 = i Fi+1,i - i Pi  i i i . Fi,i-1 - i rcii .i P  M i,i-1 = i M i+1,i - i ri-1 i (3.2) Chiếu (3.1) lên hệ tọa độ cơ sở, ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men trong hệ tọa độ cơ sở:  0 Fi,i-1 = 0 Fi+1,i - 0 Pi  0 i 0 . Fi,i-1 - 0 rcii . 0 P  Mi,i-1 = 0 Mi+1,i - 0 ri-1 i (3.3) Để chuyển đổi các véc tơ giữa các hệ tọa độ khâu với nhau và với hệ tọa độ cơ sở, ta sử dụng các ma trận quay. Các ma trận quay có thể dễ dàng lấy từ các ma Nhóm 1

Page 31

trận biến đổi tọa độ thuần nhất đã xác định được từ phần động học. Theo như tính toán bên trên ta có:

Bài toán tĩnh học đối với khâu 5 Giả sử lực và mô men từ môi trường tác dụng lên khâu 5 (khâu tác động cuối) có dạng:

Theo định luật III Newton, ta dễ dàng suy ra được lực và mô men khâu 3 (khâu Nhóm 1

Page 32

tác động cuối) tác dụng lên môi trường có dạng: Sử dụng công thức (3.3), ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men khâu 3 trong hệ tọa độ cơ sở:

(3.6) Trong đó:



=



Và:

Nhóm 1

Page 33



=



0  0      0 gi  0   0Pi mi .0 gi  0    g    mi g 



=

Thay tất cả vào (3.6), ta có:

Nhóm 1

Page 34

Bài toán tĩnh học đối với khâu 4 Sử dụng công thức (3.3), ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men khâu 4 trong hệ tọa độ cơ sở:

(3.7) Trong đó:





Và:





;

Thay tất cả vào (3.7) ta có:

Nhóm 1

Page 35

Bài toán tĩnh học đối với khâu 3 Sử dụng công thức (3.3), ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men khâu 3 trong hệ tọa độ cơ sở:

(3.8) Trong đó:





Và:







;

Thay tất cả vào (3.8) ta có:

Nhóm 1

Page 36

Bài toán tĩnh học đối với khâu 2 Sử dụng công thức (3.3), ta có hệ phương trình cân bằng lực và mô men khâu 2 trong hệ tọa độ cơ sở:

 0 F2,1 = 0 F3,2 - 0 P2  0 2 0 . P  M 2,1 =...