Đồ án Phân tích động học và mô phỏng đồ họa robot song song không gian 3rps

Trường Đại học bách khoa hà nội Khoa cơ khí Bộ môn cơ học ứng dụng ---------***--------- Đồ án tốt nghiệp phân tích động học và mô phỏng đồ họa robot song song không gian 3RPS Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện : Lớp : Hà Nội Bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam Trường đại học bách khoa hà nội Độc lập - tự do - hạnh phúc --------***------- ------------------- nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp Họ và tên : Khoá : Khoa: Cơ khí Ngành : Cơ tin kỹ thuật 1. Đầu đề thiết kế: Phân tích động học và mô phỏng đồ họa Robot song song không gian 3PRS 2. Các số liệu ban đầu: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Đồ án gồm 106 trang, gồm: Lời nói đầu. 3 chương cơ bản. Kết luận. Chương I: Tổng quan về robot có cấu trúc song song Giới thiệu những nét khái quát như lịch sử ra đời và phát triển của robot công nghiệp, định nghĩa phân loại, ưu nhược điểm của robot song song … Chương II: Cơ sở lý thuyết chung về phân tích động học vật rắn không gian. Trình bày cơ sở lý thuyết, các khái niệm cơ bản về phân tích động học vật rắn không gian như ma trận cosin chỉ hướng, các toạ độ thuần nhất, các phép quay cơ bản, vận tốc góc của vật rắn… Chương III: Phân tích động học Robot song song 3RPS áp dụng cơ sở lý thuyết động lực học hệ nhiều vật phân tích động học robot song song 3RPS cho trường hợp tổng quát và mô phỏng số của một robot cụ thể bằng 2 phần mềm: phần mềm Maple và phần mềm Pro/Engineer. So sánh kết quả mô phỏng của hai phần mềm này. Giới thiệu khái quát về phần mềm Maple và phần mển Po/Engineer, ứng dụng trong việc mô phỏng. Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội ------------------------------------- bản nhận xét tốt nghiệp Họ và tên sinh viên : Ngành : Cơ tin kỹ thuật Khoá: Cán bộ duyệt thiết kế : 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: Phân tích dộng học và mô phỏng đồ họa Robot song song không gian 3RPS 2. Nhận xét: a. Nhận xét của cán bộ hướng dẫn: …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… b. Nhận xét của cán bộ duyệt thiết kế: …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Lời cảm ơn Bản đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Cơ Tin với đề tài phân tích vị trí Robot song song 3RPS bằng chương trình Maple đã hoàn thành thành công theo đúng thời hạn. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Phong Điền người đẫ tận tình chỉ bảo, hướng dẫn chu đáo và giúp đỡ mọi mặt trong quá trình thực hiện đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong bộ môn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu công tác và học tập. lời nói đầu Cùng với sự phát triển lịch sử xã hội loài người từ thấp đến cao, công cụ lao động cũng được phát triển, sử dụng, thay đổi từ những viên đá thô sơ, đến đồ đồng, đồ sắt, từ đòn bẩy, ròng ròng đến máy hơi nước, máy nổ, đến những hệ thống máy móc ngày càng tinh vi hiện đại.... Kể từ khi nổ ra cuộc cách mạng công nghiệp, những đòi hỏi về nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm không ngừng tăng lên. Đầu tiên hầu hết các sản phẩm được hoàn thành một cách thủ công bởi những người công nhân. Chất lượng của những sản phẩm chủ yếu phụ thuộc vào những kỹ năng nghề nghiệp của những người thợ và giá thành cao đến mức khó có thể chấp nhận được. Đó chính là điều dễ thấy ở những sản phẩm làm bằng tay (manual production) . Vào những năm đầu thể kỷ XX đã xuất hiện khái niệm sản xuất mới, đó là khái niệm sản xuất khối hay sản xuất kiểu hàng khối (Mass production). Trong môi trường sản xuất kiểu khối, hầu hết các quá trình sản xuất được đảm nhiệm bằng các máy móc đặc biệt. Phương pháp sản xuất này làm giảm mạnh giá thành sản phẩm cho phép làm ra các loại sản phẩm công nghiệp khác nhau thoả mãn nhu cầu phần lớn của con người. Tuy nhiên, do mỗi lạo máy sản xuất được thiết kế để thực hiện một tác vụ, sản xuất một loại sản phẩm nên phải mất một khoảng thời gian dài mới có thể đưa ra một mẫu sản phẩm mới, hơn nữa toàn bộ dây chuyền sản xuất sẽ bị xuống cấp, lạc hậu và đòi hỏi phải trang bị lại. Việc trang bị lại dây chuyền sản xuất khi muốn thay đổi mẫu hàng mới, loại sản phẩm mới sẽ đòi hỏi chi phí rất lớn, đây chính là thời kỳ tự động cứng (Hard Automation). Những đặc điểm của kiểu sản xuất tự động cứng có liên quan tới giá thành cao của những sản phẩm đã làm này sinh một tư duy sản xuất đã hoàn toàn mới. Ngày nay cuộc cách mạng khoa học trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ bão, không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới, trong đó, có những thành tưu về tự động hoá sản xuất. Thời gian gần đây, các con Robot được sử dụng rất nhiều trong sản xuất công nghiệp để thực hiện một số tác vụ nào đó, như đóng gói vật liệu, hàn, phun sơn và lắp ráp ... Các Robot được điều khiển bằng các máy tính hoặc các bộ phận vi sử lý, chúng có thể dễ dàng lập trình để thực hiện các tác vụ khác nhau. Bên cạnh đó, các bộ phận được chế tạo dưới dạng mô đun hoá làm cho việc thay đổi mở rộng tính năng rất tiện lợi. Kể từ đây không cần thay đổi lại máy móc, dây chuyền sản xuất khi muốn thay đổi mẫu hàng, loại hàng mới. Đây chính là sự phát triển của tự động mềm và sản xuất linh hoạt (Flexible Automation). ở các nước có nền công nghiệp tiên tiến, việc tự động hoá các ngành kinh tế, kỹ thuật đã được thực hiện từ nhiều thập kỷ trước đây và hiện nay đang phát triển với tốc độ rất mạnh mẽ . Nước ta hiện nay đang trong thời kỳ thực hiện chiến lược công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế. Đòi hỏi sự cố gắng nỗ lực ở tất cả các ngành, các lĩnh vực để phát huy nội lực trên cơ cở nền tảng sẵn có và tiếp thu những tiến bộ khoa học trên thế giới. Bản đồ án tập trung nghiên cứu động học và mô phỏng Robot song song 3RPS để có thể góp phần vào công việc thiết kế chế tạo và đã được hoàn thành qua sự cố gắng nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn. Tuy nhiên, do thời gian và kiến thức có hạn nên không thể đề cập tới tất cả mọi vấn đề và điều chắc chắn là không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự ý kiến đóng góp của các thầy các cô trong bộ môn và tất cả các đồng nghiệp để cho đồ án được hoàn thiện và phong phú hơn. Mục lục Lời nói đầu 6 Chương 1: Tổng quan về robot có cấu trúc song song 10 1.1 Giới thiệu chung về Robot 10 1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển Robot 10 1.1.2 Robot có cấu trúc song song 1.2 Phân loại chung về Robot 15 1.3 Một số ứng dụng của robot công nghiệp 17 1.4 Cấu trúc robot song song 18 1.4.1 Cấu trúc cơ cấu 18 1.4.2 Khâu, khớp, chuỗi động và cơ cấu chấp hành của robot song song 18 1.4.3 Bậc tự do của robot cấu trúc song song 20 1.4.4 Các bài toán cơ bản về động học và động lực học của robot song song 23 1.5 Phân loại robot song song 24 1.5.1 Robot song song đối xứng 24 1.5.2 Các robot song song phẳng 25 1.5.3 Các robot song song cầu 26 1.5.4 Các robot song song không gian 27 1.6 Kết cấu của robot song song 3RPS 28 Chương 2: Cơ sở lý thuyết chung về phân tích động học của vật rắn trong không gian 30 2.1 Ma trận cosin chỉ hướng 30 2.1.1 Định nghĩa ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn 30 2.1.2 Một vài tính chất cơ bản của ma trận cosin chỉ hướng 31 2.1.3 ý nghĩa của ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn 32 2.2 Các ma trận quay cơ bản 33 2.3 Vận tốc góc của vật rắn 35 Chương 3: Phân tích động học Robot song song 3RPS 38 Bài toán phân tích vị trí 38 Các phương trình liên kết cho Robot song song 3RPS tổng 38 quát Bài toán động học thuận 42 Bài toán động học ngược 42 Tính toán vị trí cho một Robot song song 3RPS cụ thể 43 Bài toán phân tích Jacobi 46 Ma trận Jacobi của Robot song song trong không gian 46 Phân tích Jacobi Robot song song 3RPS tổng quát 47 Phân tích Jacobi cho một Robot song song 3RPS cụ thể 49 Mô phỏng số bằng phần mềm Maple và Pro/Engineer 53 Mô phỏng bằng phần mềm Maple 53 Mô phỏng bằng phần mềm Pro/Engineer 54 3.4 Kết quả tính toán và mô phỏng bằng Maple và Pro/Engineer 57 3.4.1 Bài toán động học thuận 57 3.4.2 Bài toán động học ngược 71 Kết luận 79 Phục lục 81 Tài liệu tham khảo 86