CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC 1.1 Số bậc tự do cần thiết + Đề bài yêu cầu tính toán thiết kế Robot hàn đảm bảo thực hiện quỹ đạo parabol. Ta có thể lập luận rằng: + Để khâu thao tác có thể di chuyển quỹ đạo parabol kia yêu cầu ít nhất phải có 2 bậc tự do di chuyển. Tuy nhiên chỉ với 2 bậc tự do kia thì đối tượng sẽ phải di chuyển robot đến vị trí thích hợp mới có thể đảm bảo thực hiện được hàn hoặc gắp vật, như vậy yêu cầu tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận( hàn vật từ vị trí này đến vị trí khác, vào ra) thì yêu cầu thêm 1 bậc tự do nữa. Phải có ít nhất 3 bậc tự do cho mô hình thiết kế.
- Khâu 1 tịnh tiến theo Z1 - Khâu 2,3 quay quanh theo Z2,Z3 Số bấc tự do cần thiết : W = 3.P5 + P4 – Rth) – Wđp Trong đó : W : số bậc tự do n : số khâu động P5: số khớp loại 5 P4: số khớp loại 4 Rth : số ràng buộc thừa Wth : số bậc tự do thừa + Một robot sẽ linh hoạt hơn khi di chuyển và hoạt động trong một không gian bị hạn chế. Mặt khác, trong một số ứng dụng đặc biệt như trong việc lắp ráp trong một mặt phẳng thì chỉ cần ba bậc tự do. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.S Triệu Thị Minh Thu 1.2 Phân tích một số cấu trúc thỏa mãn và lựa chọn phương án thiết kế. Một số cấu trúc robot Robot để bàn : Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TRR).
Không gian làm việc của bàn tay trên mặt bàn làm việc Hình 1: Mô hình robot TRR gắn với bàn Robot treo trần : Không gian làm việc của bàn tay ở mặt bên phải và mặt dưới của trần. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.S Triệu Thị Minh Thu Hình 1.1: Mô hình robot TRR treo trần Robot gắn tường : Không gian làm việc của bàn tay ở mặt bên của tường.2: Mô hình robot TRR gắn tường Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.S Triệu Thị Minh Thu Phương án 1: robot trần Phương án 2: Robot treo tường Phương án 3: Robot để bàn ngang Lựa chọn phương án thiết kế robot là: Hình ảnh minh họa leo tường Hình 1.3: Robot 3 bậc tự do TRR Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.S Triệu Thị Minh Thu Với kết cấu 4,5,6 bậc tự do, Robot sẽ trở lên linh hoạt hơn tuy nhiên việc tính toán thiết kế và chế tạo cũng phức tạp hơn. Một phần nhu cầu của bài toán đặt ra các phương án trên sẽ làm phức tạp thêm nhiều tốn kém. Để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu của bài toán đặt ra, ta lựa chọn phương án thiết kế 3 bậc tự do (phương án hình 1.4) có 2 khâu quay xác định định vị trí và bao quát các điểm trên mặt cung tròn, một khâu chuyển động tịnh tiến để xác định tọa độ và điều chỉnh sự linh hoạt của mỏ hàn tránh va chạm trong môi trường làm việc.
Do đó việc lựa chọn phương án này hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu bài toán. Ưu điểm của phương án này so với các phương án khác thiết kế sẽ rất tối ưu với: +) Diện tích cho khâu thực hiện rất tiết kiệm. +) Xây dựng hệ thống điều khiển các khớp dễ dàng thuận tiện và gần như có thể độc lập. +) Kết cấu đơn giản đảm bảo tính linh hoạt.
Lựa chọn phương án thiết kế robot của chúng ta robot leo tường là : Hình 1.2 Hình vẽ phương án thiết kế robot leo tường trong solidwork Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong mặt phẳng, cơ cấu chấp hành của robot Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.S Triệu Thị Minh Thu phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức: w = 3 n - 2 p 5 ⇔ w = 3*3 – (2*3) = 3 Ở đây: n - Số khâu động; pi - Số khớp loại i (i = 1, 2.,5: Số bậc tự do bị hạn chế). Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến.
Với mô hình này: sẽ có 3 bậc tự do Khâu 1 chuyển động tịnh tiến dọc theo trục z Khâu 2 và khâu 3 chuyển động quay quanh trục z sẽ đảm khâu thao tác sẽ quét được hết các điểm trong mặt phẳng thao tác Hình 1.3 Mô hình robot thiết kế cơ bản Chú thích: Khớp quay: q2,q3 Khớp tịnh tiến: q1 Điểm thao tác cuối :Điểm E Chiều dài khâu 1: L1 Chiều dài khâu 2: L2 Chiều dài khâu 3: L3 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.S Triệu Thị Minh Thu CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC Hình 2.1 : Hệ Tọa Độ Robot TRR 2. Bài toán động học thuận Robot Hệ R0:{x0, y0. z0} gắn chặt vào giá + z0 nằm dọc theo trục khớp tịnh tiến. + Gốc O là giao điểm của 2 trục x0 và z0.
+ Trục y0 được xác định theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận. Hệ tọa độ O x 1 y 1 z 1 : + z 1 chọn dọc theo trục khớp động thứ 1 trùng với z0, do đây là khâu tịnh tiến nên có thể đặt ở đầu khâu hoặc cuối khâu tùy vào việc tính toán + x 1 lấy dọc trục khâu 1 hướng từ khớp 1 đến khớp 2 + y 1 được xác định theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận ,chọn sao cho O x 1 y 1 z 1 là hệ quy chiếu thuận Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.S Triệu Thị Minh Thu Hệ tọa độ O x 2 y 2 z 2 : + z 2 chọn dọc theo trục khớp động thứ 2, do đây là khâu quay nên ta phải đặt ở đầu khâu. + x 2 lấy dọc trục khâu 2 hướng từ khớp 2 đến khớp 3 + O 2 là giao điểm của x 2 và z 2 + y 2 chọn sao cho O x 2 y 2 z 2 là hệ quy chiếu thuận Hệ tọa độ O x 3 y 3 z 3 : + z 3 chọn dọc theo trục khớp động thứ 3, do đây là khâu quay nên ta phải đặt ở đầu khâu. + x 3 lấy dọc trục khớp 3 tới điểm thao tác cuối + O 3 là giao điểm của x 3 và z 3 + y 3 chọn sao cho O x 3 y 3 z 3 là hệ quy chiếu thuận + Các bước để tìm bảng tham số động học D-H-C, vẽ đồ thị quỹ đạo ,vận tốc ,gia tốc điểm E và vận tốc góc của các khâu + Bước 1 : Thiết kết robot có 3 khâu dạng robot TRR + Bước 2 : Gắn hệ trục tọa độ cho Robot để ta có thể xác định Bảng tham số động học D-H Craig của Robot.
+ Bước 3 : Ta xác định Các ma trận D-H Craig địa phương từ bảng tham số động học trên + Bước 4 : Các ma trận D-H Craig toàn cục Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.S Triệu Thị Minh Thu + Bước 5: Tọa độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định: => Tọa độ vị trí điểm thao tác E + Bước 6: Chọn quy luật chuyển động của các khâu ta thay vào Tọa độ vị trí điểm thao tác E => Ta tìm rọa độ điểm E theo biến t + Bước 7 : Vận tốc điểm thao tác cuối đạo hàm theo thời gian t toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được vận tốc điểm thao tác E + Bước 8 : Ta tìm Gia tốc điểm thao tác cuối ta đạo hàm theo thời gian t vận tốc điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được gia tốc điểm thao tác E: + Bước 9 : Ta các ma trận Craig ta có các ma trận cô sin chỉ hướng của các khâu so với hệ quy chiếu cố định ta tìm đc các vận tốc góc của các khâu. + Bước 10 : ta sử dụng phần mềm Matlap chay code để tìm ra các đồ thị để vẽ đồ thị quỹ đạo ,vận tốc ,gia tốc điểm E và vận tốc góc của các khâu Với không gian làm việc là 600x600x650(mm),ta chọn kích thước : l1= 120(mm) = 0,12 (m) l2= 180(mm) = 0,18(m) l3= 250(mm) = 0,25(m) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.S Triệu Thị Minh Thu Bảng tham số động học D-H Craig của Robot: Khâu 1 0 0 0 2 0 3 0 0 Trong đó: q 1 , q 2 , q 3 là các biến khớp ; l 1 ,l 2 là chiều dài khâu 1,2 Các ma trận D-H Craig địa phương: ; ; Các ma trận D-H Craig toàn cục: [ ] cos ( q 2 + q ₃ ) - sin ( q 2 + q ₃) 0 cos( q 2 )l ₂ + l ₁ 0 0 -1 0 C3 = C2 K 3 = sin ( q 2 + q ₃ ) cos ( q 2 - q ₃ ) 0 sin ( q 2 )l ₂ + q ₁ 0 0 0 1 Tọa độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.S Triệu Thị Minh Thu Tọa độ vị trí điểm thao tác E: ; Cho trước các quy luật chuyển động của các khâu, vẽ đồ thị quỹ đạo, vận tốc, gia tốc điểm thao tác robot. Chọn quy luật chuyển động của các khâu: Tọa độ điểm E theo biến t là : + Vận tốc điểm thao tác cuối: Đạo hàm theo thời gian t toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được vận tốc điểm thao tác E: + Gia tốc điểm thao tác cuối: Đạo hàm theo thời gian t vận tốc điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được gia tốc điểm thao tác E: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Minh- MSSV: 2051204443 Đồ án hệ thống Cơ điện tử GVHD: Th.