CHƯƠNG 1 Phân tích và lựa chọn kết cấu đề tài I. Tổng quan về đề tài. 1) Khái niệm và nguyên lý hoạt động của Robot Thuật ngữ “Robot” đã được sử dụng lần đầu tiên bởi Karel Capek trong vở kịch của ông Rosum’s Universal Robots được xuất bản vào năm 1921. Co lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về việc sáng chế nhưng cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động của con người.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) và các máy công cụ điều khiển số (NC-Numerially Controoled Machine Toll). Robot là thiết bị linh hoạt phục vụ con người – Có hình dạng (cơ cấu) gần giống tay người – Có khả năng thao tác tự động – Có khả năng bắt chước thao tác con người. Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung Các bộ phận chính của cánh tay robot – 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. • Tay máy hoạt động được nhờ các động cơ thông qua các bộ truyền như: hộp giảm tốc bánh răng, bánh răng - thanh răng, trục vít, khí nén, … • Kết cấu tay robot vững chắc, hoạt động tin cậy, dễ dàng đạt đến vị trí của vật thể được tác động.
2) Một số ứng dụng của robot - Lắp ráp và thử nghiệm các chi tiết khác nhau, lắp ráp các linh kiện điện tử - Kiểm tra bảng PC, tự động làm sạch các thành phần mạch - Đóng gói sản phẩm - Ứng dụng tự động trong y tế Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung II. PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ROBOT 1) Các thành phần kết cấu của Robot Các khâu chính Tay robot có 3 bậc tự do, thiết kế cơ khí dạng 3 khớp xoay. Thân robot: Là khâu cố định,đặt thẳng đứng giữ robot cố định khi làm việc, gắn với khâu động 1 qua khớp xoay 1 với trục z01 thẳng đứng Khâu 1: khâu dẫn động nằm ngang vuông góc với trục thẳng đứng trong suốt quá trình làm việc của robot,có khả năng quay xung quanh trục Z0 qua khớp xoay 1. Khâu 2: Khâu động có khả năng xoay trong mặt phẳng chứa trục Z0.
Khâu 3: Giống như khâu 2 , có khả năng quay trong mặt phẳng chứa trục Z0. Hệ dẫn động Khớp xoay 1 : hệ bánh răng(hộp giảm tốc), truyền động đai… Khớp xoay 2 , 3 : truyền động bánh răng vi sai ăn khớp. Động cơ truyền động : Servo , Step. Sử dụng hộp giảm tốc , biến tần hoặc PWM.
để điều khiển tốc độ. Hệ điều khiển Dùng biến tần kết nối với PLC. Dùng các mạch nguyên lý như mạch băm xung PMW. Dùng các Driver để điều khiển : WHD24.
2) Thông số kỹ thuật L1 = 240 mm. Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung L3 = 325 mm. Chọn: 3 - θ1=[0; ] - θ2=[0; ] - θ3=[0; ] Hình 2: Các thông số kỹ thuật của Robot 3 DOF RRR 3) Phân tích nguyên lý hoạt động. Mô hình 3D của robot : Khâu 0: Khâu cố định.
Khâu 1: Khâu động quay quanh trục thẳng đứng. Khâu 2: Khâu động quay quanh trục nằm ngang vuông góc với khâu 1. Khâu 3: Khâu thao tác quay quanh trục nằm ngang vuông góc khâu. Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung Mô hình 3D của robot Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung CHƯƠNG 2 Tính toán quỹ đạo chuyển động Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược 1) Bảng D-H Joint θi di ai αi 1 θ1 d1 0 90◦ 2 θ2 0 a2 0◦ 3 θ3 0 a3 0◦ Bảng 1: Các tham số Denavit-Hartenberg Trong đó : Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung θ1 , θ2 , θ3 là các biến , góc quay theo thời gian của các khớp.
d1 , a2 , a3 là các góa trị hằng số , là độ dài của các khâu đã chọn ở bên trên : d1 =240 mm (L1). Ta có dạng tổng quát của ma trận Denavit – Hartenberg cho các khâu : − i-1 − Ai = (2.0) 0 0 0 1 Ta có các ma trận DH: ⎡cθ1 0 sθ1 0 ⎤ ⎢ sθ 0 − cθ1 0 ⎥ 0 A1= ⎢ 1 ⎥ (2.3) 0 0 1 0 ⎥ ⎢ ⎣ 0 0 0 1 ⎦ Trong đó cθ1=cosθ1 ; sθ1=sinθ1 tương tự đối với các góc θ3. 2) Thiết lập các phương trình động học RoBot. Từ các ma trận (2.2) ta xác định được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của hệ Ox3y3z3 so với hệ cố định Ox0y0z0 là : Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 11 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung − s1 0 − − A2=0A1*1A2= (2.5) 0 + + 0T 1 0 0 0 1 Ma trận 0A3 cho ta biết hướng và vị trí khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định hay nói cách khác là vị trí của điểm tác động cuối và hướng của hệ tọa độ động gắn vào khâu tại điểm tác động cuối trong hệ cố định.
Vì thế nó còn được biểu diễn thông qua các biến khớp qi. Khi đó ma trận (2.8) được kí hiệu thành : 0A3(q). Sử dụng các góc Cardan xác định hướng của vật rắn. Gọi [xE ,yE ,zE , , , ] là giá trị mô tả trục tiếp vị trí và hướng của điểm tác động cuối E so với hệ cố định .Do các tọa độ đều là hàm của thời gian nên ta biểu diễn : 0 R 0r3 0 A3 = T3 (2.6) 0 1 Với : 0RE là ma trận Cardan .7) − + + 0 rE là vec tơ mô tả vị trí của điểm tác động cuối trong hệ tọa độ Ox0y0z0.
Dó đó ma trận 0 A4 (q) biểu diễn vị trí của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định thông qua biến khớp qi. Còn ma trận 0AE (t) cũng mô tả vị trí và hướng của khâu thao tác thông qua hệ tọa độ của khâu thao tác. Và ở đây ta chọn là các goác Cardan. Từ đó ta có phương trình động học Robot có dạng : Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 12 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung 0 A (q) = 0A (t) .9) 3 E Từ các hệ thức (2.10) ta xây dựng được hệ 6 phương trình độc lập như sau : = ( )[1,4] − ( )[1,4] = + − =0 ⎧ ⎪ = ( )[2,4] − ( )[2,4] = + − =0 ⎪ = ( )[3,4] − ( )[3,4] = a3 + a2s2 + − =0 ⎨ = ( )[1,1] − ( )[1,1] = −c ⋅s =0 ⎪ ⎪ = ( )[2,2] − ( )[2,2] = − + s ⋅ s.
Ta cần xác định tọa độ điểm tác động cuối E =[xE , yE , zE] và hướng của hệ cuối trong hệ cơ sở. Từ hệ các phương trình độc lập bên trên ta có điểm tác động cuối : = + = + = a3 + a2s2 + + 0 Suy ra rE(t) = + (2.10) a3 + a2s2 + Và : Ta có hướng của khâu thao tác cuối được biểu diễn bởi ma trận : − s1 0 RE = − − (2.11) 0 0 0 Từ đó ta có thể tính được vận tốc và gia tốc khâu thao tác : • Vận tốc điểm thao tác cuối : −( s1 + a1 ) ̇ − ( c1 + a1 ) ̇ − ̇ vE = 0 ̇ (t) = ( c1 + a1 ) ̇ − ( s1 + a1 ) ̇ − ̇ (2.12) (a3c23 + a2c2) ̇ + a3c23 ̇ Mà VE = JTE. ̇ nên ta có ma trận Jacobi tịnh tiến : Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 13 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung −( s1 + a1 ) −( c1 + a1 ) − JTE = ( c1 + a1 ) −( s1 + a1 ) − (2.13) 0 (a3c23 + a2c2) a3c23 • Gia tốc điểm thao tác cuối aE = 0 ̇ = J̇. ̈ Các biến khớp θ1,θ2, 3 là các biến phụ thuộc thời gian t.
Theo yêu cầu đề bài góc quay các khớp : 135˚ x 270˚ 270˚. Ta chọn quy luật chuyển động cho các khớp: 3 3 - θ1= ⇒ ̇ = - θ2=. ⇒ ̇ = ; Chọn: 3 - θ1=[0; ] - θ2=[0; ] - θ3=[0; ] Đơn vị của góc quay là rad và khoảng tịnh tiến là mm. Số liệu đề bài cho chiều dài các trục d1=240;a2=350;a3=325.
*Tính vận tốc góc các khâu trong hệ tọa độ cơ sở: Cần tìm được: Ma trận cosin chỉ hướng của từng khâu Ma trận chuyển vị của các khâu Đạo hàm của ma trận cosin chỉ hướng Tìm được ma trận sóng ω = Ṙ. R Từ các ma trận 0A1, 0A2, 0A3, 0A4 đã tìm được ta tìm được các ma trận cosin chỉ hướng sau: Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 14 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung 0 0 R1= 0 − (2.17) 0 Tính đạo hàm của các ma trận cosin chỉ hướng: − θ̇ 0 θ̇ 0 ̇ R =1 θ̇ 0 θ ̇ (2.20) ( ̇ + ̇ ) − ( ̇ + ̇ ) 0 Từ đó tìm được các ma trận sóng: 0 −θ ̇ 0 ω = R ̇ 0R T= 0 1 1 θ̇ 0 0 (2.22) ̇ − ̇ 0 0 −θ ̇ − ( ̇ + ̇ ) ω = θ̇ 0 ( ̇ + ̇ ) ( ̇ + ̇ ) − ( ̇ + ̇ ) 0 Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 15 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.