Đồ án Tính toán thiết kế robot

Đồ án TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 1 Mục lục Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc. ..................................................................................... 1 1.Giới thiệu chung về Robot và nhu cầu thực tế hiện nay .................................................. 1 2.Phân tích đề bài và lựa chọn phương án thiết kế. ............................................................. 3 2.1.Phân tích đề bài.............................................................................................................. 3 2.2. Phân tích các phương án thiết kế................................................................................ 3 2.3.Mô hình nhóm thiết kế .................................................................................................. 5 Phần 2 : Giải bài toán động học. ................................................................................................. 8 1.Hệ tọa độ trục và bảng DH .................................................................................................. 8 1.1.Thiết lập hệ tọa độ trục. ................................................................................................ 8 1.2. Bảng Denavit – Hartenberg. ....................................................................................... 9 2.Tính toán các ma trận thuần nhất. ..................................................................................... 10 3.Giải bài toán động học thuận. ............................................................................................ 12 3.1 Xác định vận tốc điểm tác động cuối và vận tốc khâu thao tác............................. 12 3.2. Xây dựng quy luật chuyển động từng khâu từ đó vẽ quỹ đạo điểm E, vận tốc điểm E và vận tốc góc. ...................................................................................................... 13 4.Giải bài toán động học ngược............................................................................................ 20 Phần 3: Tính toán lực ................................................................................................................. 25 1.Tính toán tĩnh . .................................................................................................................... 25 2. Tính toán lực momen lớn nhất ở trạng thái tĩnh............................................................. 29 Phần 4: Tính toán dẫn động cho robot ..................................................................................... 34 1.Thiết kế hệ dẫn động cho một khớp. ................................................................................ 35 Thiết kế hệ dẫn động cho khâu thứ nhất ......................................................................... 36 2.Chọn động cơ....................................................................................................................... 36 3.Tính toán tỉ số truyền của hộp giảm tốc. .......................................................................... 38 Phần 5 : Tính toán động lực học. .............................................................................................. 38 1.Xây dựng cấu trúc động lực học và các thành phần cần thiết để viết phương trình động lực học............................................................................................................................ 38 2. Tính động năng, thế năng của robot ............................................................................... 40 2.1 Động năng, ma trân khối lượng M(q). ...................................................................... 40 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 2 2.2 Biểu thức thế năng của hệ. ........................................................................................ 40 3. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot ................................................ 41 Phần 6 :Luật điều khiển ............................................................................................................. 47 1. Hệ thống điều khiển trong không gian khớp. ................................................................ 47 Hệ thống điều khiển phản hồi không bù G(q) ............................................................... 47 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 1 Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc. 1.Giới thiệu chung về Robot và nhu cầu thực tế hiện nay Robot là máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ con người : - Có hình dạng giống người hoặc cánh tay người. - Có khả năng thao tác tự động. - Có khả năng bắt chước thao tác giống người. Cuộc sống ngày càng văn minh hiện đại, mức sống của người dân ngày càng được nâng cao, đòi hỏi phải nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm. Vì vậy càng phải ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá vào sản xuất nên càng tăng nhanh nhu cầu về ứng dụng Robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động và linh hoạt. Robot là máy, thiết bị cố định hoặc di động, được tích hợp từ nhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm: - Cơ cấu chấp hành. - Hệ thống dẫn động. - Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt. - Hệ thống thông tin giám sát. Trong những năm gần đây thì việc áp dụng các loại Robot vào các dây chuyền sản xuất ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các doanh nghiệp. Ví dụ như các loại Robot: Robot hàn, Robot phun sơn ở các công ty sản xuất và lắp ráp ô tô. Đặc biệt là ở các công ty sản xuất và lắp ráp các linh kiện điện tử. Đây là công việc đòi hỏi chính xác cao, và thường lặp lại nên dễ gây mệt mỏi cho người làm vì vậy sử dụng Robot ở các công ty này là rất phổ biến. Ngoài ra hiện nay ở các phân xưởng sản xuất sử dụng rất nhiều loại xe Robocar hoặc ở các công việc trong môi trường độc hại, thường xuyên tiếp xúc với hoá chất độc hại thì cũng sử dụng Robot làm thay con người. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 2 Hình 1.1 Một số hình ảnh về robot trong công nghiệp TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 3 2.Phân tích đề bài và lựa chọn phương án thiết kế. 2.1.Phân tích đề bài Yêu cầu đặt ra của để bài là thiết kế tính toán robot hàn hồ quang với quỹ đạo đường cong bất kỳ và có kích thước mối hàn là 40cm x 40 cm x 40cm - Để đảm bảo robot có khả năng đưa đầu hàn được tới mọi vị trí trong không gian làm việc thì robot cần từ 3 bậc tự do trở lên. - Để tiếp cận bề mặt chi tiết theo hướng cụ thể thì cần thêm ít nhất 2 bậc tự do, nếu chi tiết hàn có thể chuyển động theo các phương, hoặc chuyển động quay thì robot chỉ cần 4 bậc tự do. Từ những phân tích trên và dựa vào thực tế , do khả năng còn có hạn nên nhóm chúng em đã quyết định chọn thiết kế robot 3 bậc tự do. Với yêu cầu thêm là chi tiết cần hàn chỉ bị khống chế 4 bậc tự do, sẽ thực hiện 2 chuyển động quay hoặc tịnh tiến. 2.2. Phân tích các phương án thiết kế. Phương án 1 Phương án 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 4 Phương án 3 Ba phương án trên là dạng trong thực tế được ứng dụng rất nhiều. Đặc biệt là phương án 1 trong thực tế dùng rất phổ biến do kết cấu của nó đơn giản toàn khớp quay.Nên việc tính toán cũng như lập trình điều khiển cũng dễ dàng hơn so với 2 phương án 2 và 3. Ở 2 phương án 2 và 3 do có khớp tính tiến nên robot chỉ thực sự linh hoạt khi nó có thêm 1 bậc tự do ở cổ bàn tay nắm bắt công cụ, do đó nó thường là 4 bậc tự do. Theo yêu cầu của đề tài thiết kế mô hình cũng như khả năng của nhóm còn hạn chế nên 2 phương án này áp dụng vào đề tài sẽ khó đáp ứng được yêu cầu của đề tài là hàn được đường cong bất kì cũng như nhóm khó có khả năng thiết kế và tính toán được. Vì vậy nhóm đã đi đến thống nhất chọn thiết kế theo phương án 1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 5 2.3.Mô hình nhóm thiết kế Hình 1.2 Mô hình robot hàn TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 6 Hình 1.3 Khâu đế Hình 1.4 Khâu 1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 7 Hình 1.5 Khâu 2 Hình 1.6 Khâu 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 8 Phần 2 : Giải bài toán động học. 1.Hệ tọa độ trục và bảng DH 1.1.Thiết lập hệ tọa độ trục. Khâu đế: ta chọn hệ tọa độ XoYoZo có trục Zo chọn trùng với khớp 1, trục Xo chọn tùy ý sao cho phù hợp nhất như hình vẽ, trục Yo chọn theo quy tắc tam diện thuận. Khâu 1: ta chọn hệ tọa độ X1Y1Z1 có trục Z1 trùng với khớp 2, trục X1 ta chọn theo hướng Z0 x Z1 , trục Y1 chọn theo quy tắc tam diện thuận. Khâu 2: ta chọn hệ tọa độ X2Y2Z2 có trục Z2 trùng với khớp 3, trục X2 ta chọn theo đường vuông góc chung Z1 và Z2 , trục Y2 chọn theo quy tắc tam diện thuận. Khâu 3: ta chọn hệ tọa độ X3Y3Z3 có trục Z3 song song Z2, X2 chọn theo đường vuông góc chung Z2 và Z3, Y3 chọn theo quy tắc tam diện thuận. Các biến khớp: q1 = θ1 q2 = θ2 q3 = θ3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 9 Sơ đồ động học robot 1.2. Bảng Denavit – Hartenberg. Từ việc chọn hệ tọa độ ta có bảng DH sau: Khâu di Θi ai αi 1 d1 q1 a1 π/2 2 0 q2 a2 0 3 0 q3 a3 0 Trong đó các giá trị đã biết: d1 = 0.13 m , a1 = 0.155 m, a2 = 0.5 m, a3 = 0.4 m. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 10 Để tiện cho quá trình tính toán, ta sẽ giữ nguyên các ký hiệu của các độ dài, góc trong các biểu thức, số liệu cụ thể sẽ được thay vào khi ta có kết quả cuối cùng. 2.Tính toán các ma trận thuần nhất. Ta có : Dạng tổng quát của ma trận Denavit-Hartenberg cho các khâu i-1 Ai= i i i i i i i i i i i i i i i i i cosθ sinθ cosα sinθ sinα a cosθ sinθ cosθ cosα sinα cosθ a sinθ 0 sinα cosα d 0 0 0 1             Ma trận Denavit-Hartenberg cho khâu 1: 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 cos( ) 0 sin( ) cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) 0 1 0 0 1 0 1 q q a q q q a q A d             Ma trận Denavit-Hartenberg cho khâu 2 : 2 2 2 2 2 2 2 21 2 cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( ) 0 1 1 0 0 1 0 1 q q a q q q a q A             Ma trận truyền khâu 2 và 3 so với khâu 0: 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 20 0 1 2 1 2 2 2 1 2 2 . 0 0 0 0 1 C C C S S a C C S C S S C a S C A A A S C d a S                Ma trận Denavit-Hartenberg cho khâu 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 11 3 3 3 3 3 3 3 32 3 cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( ) 0 0 1 0 0 0 0 1 q q a q q q a q A             Ma trận tác động cuối: 1 23 1 23 1 1 3 23 2 2 1 23 1 23 1 1 3 23 2 20 0 1 2 3 1 2 3 23 23 1 2 2 3 23 ( ) ( ) ( ) . . 0 0 0 0 1 C C C S S C a C a C S C S S C S a C a C A q A A A S C d a S a S                   Với C1=cos(q1), S1=sin(q1), C2=cos(q2), S2=sin(q2), S23=cos(q2+q3), C23=cos(q2+q3), q=[q1, q2, q3] T Mặt khác ta lại mô tả được hướng và vị trí qua ma trận sau thông qua vector p=[xE, yE, zE, α, β, η] T α, β, η là 3 góc Cardan 0 3 cos( )cos( ) cos( )sin( ) sin( ) sin( )sin( )cos( ) cos( )sin( ) sin( )sin( )sin cos( )cos( ) sin( )cos( ) ( ) cos( )sin( )cos( ) sin( )sin( ) cos( )sin( )sin( ) cos( )cos( ) cos( )cos( ) 0 0 0 1 E E E x y A p z                                                   So sánh hai ma trận 0 A3(q), 0 A3(p) trên ta thiết lập được hệ phương trình động học sau: 0 0 1 3 1 2 3 2 1 2 1 13 3 0 0 2 3 1 2 3 2 1 2 1 13 3 0 0 3 1 33 3 ( )[1,4] )[1,4] [ cos( ) os( ) os ) os( ) cos( )] 0 ( )[2,4] ( )[2,4] [ sin( ) os( ) sin( ) os( ) sin( )] 0 ( )[3,4] ( )[3,4] [d sin( E E E f p q x a q c q q a c q c q a q f p q y a q c q q a q c q a q f p q z a A A A A A A                      2 3 2 2 0 0 4 1 2 33 3 0 0 5 1 2 33 3 0 0 6 3 3 ) sin( )] 0 ( )[1,1] ( )[1,1] os( ) os( ) os( ) os( ) 0 ( )[2,2] ( )[2,2] sin( )sin( )sin( ) sin( )sin( ) 0 ( )[3,3] ( )[3,3] os( ) os( ) 0 q q a q f p q c c c q c q q f p q q q q f p q c c A A A A A A                                    TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 12 3.Giải bài toán động học thuận. 3.1 Xác định vận tốc điểm tác động cuối và vận tốc khâu thao tác. Ở trên ta rút ra ( với q=[q1, q2, q3] T ) 1 3 2 3 2 2 1 0 1 3 2 3 2 2 1 1 2 2 3 2 3 cos( )[ cos( ) cos( ) ] sin( )[ cos( ) cos( ) ] sin( ) sin( ) E E E E x q a q q a q a r y q a q q a q a z d a q a q q                            0 0 . . 0 ( ) ( ) .E EE E d r r q J q dt q       Ma trận Jacobi JE 1 3 2 3 2 2 1 1 3 2 3 2 2 3 1 2 3 1 3 2 3 2 2 1 1 3 2 3 2 2 3 1 2 3 3 2 3 2 2 sin( )[a os( ) os( ) ] os( )[ sin( ) sin( )] os( )sin( ) os( )[a os( ) os( ) ] sin( )[ sin( ) sin( )] sin( )sin( ) 0 a os( ) os( ) a E q c q q a c q a c q a q q a q a c q q q J c q c q q a c q a q a q q a q a q q q c q q a c q                     3 2 3os( )c q q        Khi đó: 1 3 23 2 2 1 1 1 3 23 2 2 2 3 1 23 3 0 1 3 23 2 2 1 1 1 3 23 2 2 2 3 1 23 3 3 23 2 2 2 3 23 3 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) E E E E x S a C a C a q C a S a S q a C S q y C a C a C a q S a S a S q a S S q z a C a C q a C q                                 Từ ma trận 0A3 ta rút ra ma trận cosin chỉ hướng 1 2 3 1 2 3 1 0 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 2 3 cos( )cos( ) cos( )sin( ) sin( ) sin( )cos( ) sin( )sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) 0 q q q q q q q R q q q q q q q q q q q                 1 2 3 0 0 0 3 3 3 1 2 3 1 sin( )( ) cos( )( )T q q q R R q q q q                TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 13 3.2. Xây dựng quy luật chuyển động từng khâu từ đó vẽ quỹ đạo điểm E, vận tốc điểm E và vận tốc góc. Để khảo sát kết quả trên ta xây dựng quy luật chuyển động của các biến khớp q như sau: 1 2 3 2sin(3 ) 2cos(2 ) 1 sin(2 ) q t q t q t       Sử dụng phần mềm Maple ta vẽ được đồ thị quỹ đạo khâu thao tác cuối, vận tốc điểm E và vận tốc góc khâu thao tác cuối: Hình 2.1 Đồ thị quỹ đạo điểm thao tác cuối E TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 14 Hình 2.2 Đồ thị vận tốc điểm thao tác cuối E Hình 2.3 Đồ thị vận tốc góc khâu thao tác cuối  Chương trình viết bằng maple: > > > > > > > TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 15 > > TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 16 > > > > > > TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 17 > > > TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 18 > > > > TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 19 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 20 > > > 4.Giải bài toán động học ngược. Để giải bài toán động học thuận ta có thể sử dụng phương pháp giải tích, Newton –Raphson, với phương pháp giải tích khi áp dụng cho robot có bậc tự do ít (3 bậc trở lại) thì việc tính toán có thể thực hiện được, nhưng áp dụng cho robot có nhiều bậc (4 bậc trở lên) thì việc tính toán, giải hệ phương trình rất phức tạp. Trong bài tiểu luận này nhóm em giải theo phương pháp Newton-Raphson Xét hệ:       1 1 3 2 3 2 2 1 2 1 3 2 3 2 2 1 3 1 2 2 3 2 3 1 2 3 os( ) os( ) os( ) 0 sin( ) os( ) os( ) 0 sin( ) sin( ) 0 0 E E E f x c q a c q q a c q a f y q a c q q a c q a f z d a q a q q f F f f                                 Bài toán khi biết được xE(t), yE(t), zE(t) tại mỗi thời điểm t ta sẽ tìm được vector q=[q1, q2, q3] T tại mỗi thời điểm đó. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 21 Ta lấy giá trị sát giá trị đầu để tiến hành quá trình lặp Newton-Raphson Quá trình lặp dừng lại khi sai số ở lần k+1 với lần k nhỏ hơn giá trị cho phép. Ta đi tìm vector q=[q1, q2, q3] T để quỹ đạo điểm tác động cuối E có phương trình: 0.2 0.1cos(5 ) 0.2 0.1sin(5 ) 0.5 E E E x t y t z        Sử dụng phần mềm maple, lập trình động học ngược ta thu được các kết quả sau: Hình 2.4 Quỹ đạo Elip trong không gian Hình 2.5 Đồ thị q1(t) TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 22 Hình 2.6 Quỹ đạo q2 (t) Hình 2.7 Quỹ đạo q3( t)  Chương trình viết bằng maple: > > > > > > > TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 23 > > TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 24 > > > > > > > > > > TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 25 > > > Phần 3: Tính toán lực 1.Tính toán tĩnh . Lực tác dụng vào khâu cuối coi như bằng không vì robot thiết kế là robot hàn điểm 0 0 3 3[0,0,0] ; [0,0,0] T T E EF M  Từ phần động học ta xác định được các ma trận cosin chỉ hướng sau: 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 C S R S C           1 2 1 2 1 0 2 1 2 1 2 1 2 2 0 C C C S S R S C S S C S C            1 23 1 23 1 0 3 1 23 1 23 1 23 23 0 C C C S S R S C S S C S C            Gọi  1 1, ,0c cx y ,  2 ,0,0cx ,  3,0,0cx lần lượt là khoảng cách từ gốc tọa độ của khâu 1, 2, 3 đến khối tâm của từng khâu 1, 2, 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 26  Xét khâu 3: 3 1 23 00 3 3 3 3 1 233 3 3 23 03 3 333 3 1 233 3 00 3 3 3 3 1 233 3 23 a C C . a S C a S[ a ,0,0] , à [ 0,0, g] x C C[ x ,0,0] . x S C x S T c T T cc c c c c r r r v m r r r R P R                                    3 23 3 1 23 3 3 23 3 1 23 3 1 23 3 1 23 0 a S a S C a S 0 a C C a S C a C C 0 r           3 23 3 1 23 3 3 23 3 1 231 3 1 23 3 1 23 0 x S x S C x S 0 x C C x S C x C C 0 c c c c c c c r           Thay vào công thức đã được đã được thiết lập trong bài giảng robot 0 0 032 3 3 0 0 0 0 0 0 32 3 3 32 3 3 E E c F F P M M r F r P        Ta tính được 0 21 3 2 1 3 3 1 23 3 2 1 2 3 2 2 1 2 2 2 3 1 1 1 1 1 1 0 32 3 3 1 23 3 2 1 2 3 2 2 1 2 2 2 3 1 1 1 1 1 1 0 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 c c c c c c F m m m g a x S C m g a S C m g a x S C m g m m a S g m a x S g M a x C C m g a C C m g a x C C m g m m a S g m a x S g                                           Xét khâu 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 27 2 1 2 00 2 2 2 2 1 22 2 2 2 02 2 222 2 1 22 2 00 2 2 2 2 1 22 2 2 a C C . a S C a S[ a ,0,0] , à [ 0,0, g] x C C[ a ,0,0] . x S C x S T T T cc c c c c r r r v m r r r R P R                                    2 2 2 1 2 2 2 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 0 a S a S C a S 0 a C C a S C a C C 0 r           2 2 2 1 2 2 2 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 0 x S x S C x S 0 x C C x S C x C C 0 c c c c c c c r           Thay vào công thức: 0 0 0 21 32 2 0 0 0 0 0 0 21 32 2 21 2 2c F F P M M r F r P        2 1 2 0 0 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 02 2 2 22 2 2 2 1 2 0 0 2 2 2 2 2 1 2 2 2 . [ ,0,0] , [0,0, ] [ ,0,0] . c c c c T c Tc c T x C C r R r x S C x Sr x P m g r a a C C r R r a S C a S                                    Thay vào công thức: 0 0 0 21 32 2 0 0 0 0 0 0 21 32 2 21 2 2c F F P M M r F r P        TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT Page 28 Ta tính được: 0 21 3 2 3 3 1 23 3 2 1 2 3 2 2 1 2 2 0 32 3 3 1 23 3 2 1 2 3 2 2 1 2 2 0 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 c c c c F m m g a x S C m g a S C m g a x S C m g M a x C C m g a C C m g a x C C m g                                  Xét khâu 1: 1 1 00 1 1 1 1 11 1 1 01 1 1 111 1 11 1 1 00 1 1 1 1 11 1 a C . a S d[ a , ,0] , à [ 0,0, g] C x[ x , ,0] . S x y T T T cc c c c c c c r r r d v m r y r r R P R                                     1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 d a S d 0 a C a S a C 0 r        