Tiểu Luận Về Tính Toán Thiết Kế Robot Trong Ngành Cơ Điện Tử

Khám phá tiểu luận bài tập môn học tính toán thiết kế robot ngành cơ điện tử, cung cấp kiến thức và ứng dụng trong lĩnh vực cơ điện tử.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Tiến
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Bài Tập Tính Toán Thiết Kế Robot Ngành Cơ Điện Tử
• Loại tài liệu: Bài tập môn học
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC
• 1.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot: (Robot hàn hồ quang)
• 1.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác
• 1.2.1. Đối tượng thao tác, dạng thao tác
• 1.2.2. Yêu cầu vị trí: Yêu cầu chính xác về vị trí
• 1.2.3. Hướng của khâu thao tác
• 1.2.4. Yêu cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác
• 1.2.5. Yêu cầu về không gian thao tác
• 1.3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật
• 1.3.1. Số bậc tự do cần thiết
• 1.3.2. Vùng làm việc có thể với tới
• 1.3.3. Yêu cầu về tải trọng
• 1.4. Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện
• 1.5. Phân tích và thiết kế cấu trúc được chọn
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT
• 2.1. Thiết kế 3D Robot bốc xếp kho hàng 5 bậc tự do
• 2.2. Lập bản vẽ 2D
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
• 3.1. Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược
• 3.1.1. Khảo sát động học thuận
• 3.1.2. Khảo sát bài toán động học ngược
• 3.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot theo mục đích ứng dụng
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI (TĨNH) YÊU CẦU LỰC/MOMEN ĐỘNG CƠ LỚN NHẤT
• 4.1. Cơ sở lý thuyết
• 4.2. Bài toán tĩnh học đối với khâu 5
• 4.3. Bài toán tĩnh học đối với khâu 4
• 4.4. Bài toán tĩnh học đối với khâu 3
• 4.5. Bài toán tĩnh học đối với khâu 2
• 4.6. Bài toán tĩnh học đối với khâu 1
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
• 5.1. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot bằng các phương pháp đã học
• 5.1.1. Phương trình Lagrange dạng ma trận
• 5.1.2. Ma trận khối lượng M(q)
• 5.1.3. Ma trận jacobian tịnh tiến JTi
• 5.1.4. Ma trận jacobian quay JRi
• 5.1.5. Tensor quán tính
• 5.1.6. Ma trận chứa các lực Coriolis và lực li tâm
• 5.1.7. Ma trận chứa lực có thế gây ra bởi lực trọng trường của các thanh G(q)
• 5.1.8. Ma trận ngoại lực không thế. Các lực và moment quán tính
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ DẪN ĐỘNG ROBOT
• 6.1. Thiết kế hệ dẫn động (cho 1 khớp). Chọn động cơ phù hợp. Tính chọn hộp giảm tốc
• 7. CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 7.1. Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển
• 7.2. Mô phỏng bằng Matlab
• 7.3. Code trong các khối MATLAB Function
• 8. CHƯƠNG 8: KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC, ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ HIỆU CHỈNH THIẾT KẾ
• 8.1. Hệ số Kp, Kd của từng khâu
• 8.2. Đồ thị biểu hiện biến và sai số
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Phân Tích và Lựa Chọn Cấu Trúc

Phân tích mục đích ứng dụng robot là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế. Robot cơ điện tử được sử dụng để thay thế con người trong các công việc nặng nhọc, như bốc xếp hàng hóa. Việc xác định yêu cầu kỹ thuật thao tác là rất quan trọng. Đối tượng thao tác, như thùng hàng có kích thước 40x25x30 cm và trọng lượng 20 kg, cần được phân tích kỹ lưỡng. Yêu cầu về vị trí và hướng của khâu thao tác cũng cần được xác định rõ ràng để đảm bảo chính xác trong quá trình gắp hàng. Các yêu cầu về vận tốc và gia tốc cũng cần được xem xét để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả. Đặc trưng kỹ thuật như số bậc tự do và vùng làm việc cũng cần được xác định để thiết kế robot phù hợp. Cuối cùng, việc phân tích và lựa chọn cấu trúc robot là rất quan trọng để đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả trong quá trình bốc xếp hàng.

1.1. Phân Tích Mục Đích Ứng Dụng Robot

Mục đích chính của việc thiết kế robot cơ điện tử là nhằm nâng cao năng suất lao động trong các nhà kho. Robot bốc xếp kho hàng có khả năng thay thế con người trong các công việc nặng nhọc, giúp tiết kiệm thời gian và giảm thiểu rủi ro cho người lao động. Việc phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác là rất cần thiết để đảm bảo robot có thể thực hiện các nhiệm vụ một cách chính xác và hiệu quả. Các yêu cầu về vị trí, phương và chiều của khâu thao tác cần được xác định rõ ràng để đảm bảo robot có thể gắp và thả hàng hóa một cách chính xác.

1.2. Yêu Cầu Kỹ Thuật Thao Tác

Yêu cầu kỹ thuật thao tác bao gồm nhiều yếu tố như đối tượng thao tác, yêu cầu về vị trí, hướng của khâu thao tác, và yêu cầu về vận tốc, gia tốc. Đối tượng thao tác cần được xác định rõ ràng, bao gồm kích thước và trọng lượng. Yêu cầu về vị trí và hướng của khâu thao tác cũng cần được xem xét để đảm bảo robot có thể thực hiện các thao tác một cách chính xác. Các yêu cầu về vận tốc và gia tốc cũng cần được phân tích để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả trong không gian thao tác.

II. Thiết Kế 3D Mô Hình Robot

Thiết kế 3D mô hình robot là bước quan trọng trong quá trình phát triển robot cơ điện tử. Việc lập bản vẽ 2D và 3D giúp hình dung rõ hơn về cấu trúc và hoạt động của robot. Mô hình 3D cho phép kiểm tra tính khả thi của thiết kế trước khi tiến hành chế tạo. Các khâu của robot cần được thiết kế sao cho đảm bảo tính linh hoạt và khả năng thao tác trong không gian làm việc. Việc sử dụng phần mềm thiết kế 3D giúp tối ưu hóa cấu trúc robot, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc. Mô hình 3D cũng giúp trong việc mô phỏng các thao tác của robot, từ đó có thể điều chỉnh thiết kế cho phù hợp với yêu cầu thực tế.

2.1. Thiết Kế Mô Hình 3D

Thiết kế mô hình 3D cho robot bốc xếp kho hàng là một phần quan trọng trong quá trình phát triển. Mô hình 3D giúp hình dung rõ hơn về cấu trúc và hoạt động của robot. Việc sử dụng phần mềm thiết kế 3D cho phép tạo ra các mô hình chi tiết, từ đó có thể kiểm tra tính khả thi của thiết kế. Mô hình 3D cũng giúp trong việc mô phỏng các thao tác của robot, từ đó có thể điều chỉnh thiết kế cho phù hợp với yêu cầu thực tế.

2.2. Lập Bản Vẽ 2D

Lập bản vẽ 2D là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế robot cơ điện tử. Bản vẽ 2D giúp xác định các kích thước và hình dạng của các khâu trong robot. Việc lập bản vẽ 2D cũng giúp trong việc tính toán các thông số kỹ thuật cần thiết cho robot. Bản vẽ 2D cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo tính khả thi của thiết kế. Sau khi hoàn thành bản vẽ 2D, có thể tiến hành chuyển sang thiết kế 3D để kiểm tra tính khả thi của mô hình.

III. Tính Toán Động Lực Học

Tính toán động lực học là một phần quan trọng trong quá trình thiết kế robot cơ điện tử. Việc thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot giúp hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các khâu trong cơ cấu robot. Phương trình Lagrange được sử dụng để biểu diễn các mối quan hệ giữa các lực tác động lên robot. Các yếu tố như ma trận khối lượng, lực Coriolis và lực li tâm cần được xem xét để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả. Tính toán động lực học cũng giúp xác định các thông số kỹ thuật cần thiết cho robot, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc.

3.1. Thiết Lập Phương Trình Vi Phân Chuyển Động

Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot bốc xếp kho hàng là bước quan trọng trong quá trình tính toán động lực học. Phương trình Lagrange được sử dụng để biểu diễn các mối quan hệ giữa các lực tác động lên robot. Việc xác định ma trận khối lượng và các lực Coriolis là rất cần thiết để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả. Các yếu tố này cần được tính toán một cách chính xác để đảm bảo tính khả thi của thiết kế.

3.2. Tính Toán Các Lực và Mô Men

Tính toán các lực và mô men trong robot cơ điện tử là rất quan trọng để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả. Việc xác định các lực tác động lên từng khâu của robot giúp hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các khâu. Các lực và mô men cần được tính toán một cách chính xác để đảm bảo tính khả thi của thiết kế. Việc sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình thiết kế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC 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. 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.

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. 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. 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. 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.

Thiết kế 3D Nhóm 1 Page 16 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 3. Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược Nhóm 1 Page 17 3. 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 0 0  1 0 0 0   1 0 0 ai   1 0 0 0  sin  cos i 0 0   0 1 0 0   0 1 0 0   0 cos i  sin i 0 i-1 Ai =  i  0 0 1 0  0 0 1 di   0 0 1 0   0 sin i cos i 0       0 0 0 1  0 0 0 1   0 0 0 1  0 0 0 1  cosi -cos i sin i sin i sin i ai cosi   sin  cos  ico si -sini cosi ai sini    0 i  2.1 sin i cos i di     0 0 0 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 1  0 R n rE  n 1 Tn  A A 2 .2) Trong đó: rE  xE , yE , zE  T là véc tơ mô tả vị trí điểm tác động cuối trong hệ tọa độ (Oxyz)0 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. 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: rE  xE , yE , zE  T Mà ,suy ra Xác định hướng khâu thao tác.

Nhóm 1 Page 21 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    yi 1 , yi  2  O yi x i , x i1   x i 2 x i 3 Hình 2. 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  cos cosη -cos  sin  sin   RCD  sin sin  cos  +cos sin  -sin sin  sin +cos cos  -sin cos    2.7     -cos sin cos +sinsin cossin sin +sin cos  cos cos   0 R 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:  cos12  sin12 0   cos cosη -cos sin  sin  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 z E  T y E (2.9) a E v E  xE zE  T yE - 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  i  R i R i  ω 21 ω 22 ω 23  ω 0 T 0    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: ωi  ω 32 ω 13 ω 21  i T (2.11) Tính vận tốc góc, gia tốc góc khâu cuối Nhóm 1 Page 23 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: vE rE Nhóm 1 Page 24 a E = v E 3.