Đồ án truyền động cơ khí tính toán, thiết kế scara robot gắp sản phẩm

Tính linh hoạt và độ chính xác cực cao của cánh tay Robot đãđược sử dụng rộng rãi ở các quốc gia để thay thế con người làm việc trong môi trườngnguy hiểm hoặc làm viêc với độ chính xác –

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

HOÀNG ĐỨC TRỌNG MSSV: 19146285 PHẠM TIẾN TRỌNG MSSV: 19146286 LIÊU THANH TRƯỜNG MSSV: 19146291 Khóa: 2019-2023

Ngành: CNKT CƠ ĐIỆN TỬ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ

Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Quang Huy

Sinh viên thực hiện:

Hoàng Đức Trọng MSSV: 19146285 Điện thoại: 0334954044

Phạm Tiến Trọng MSSV: 19146286 Điện thoại: 0327545952

Liêu Thanh Trường MSSV: 19146291 Điện thoại: 0965791339

1 Tên đề tài

- Tính toán, thiết kế Scara Robot phân loại linh kiện linh hoạt

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu

- Phân tích động học, động lực học, quỹ đạo chuyển động cho Scara Robot

3 Nội dung chính của đồ án

- Tính toán và thiết kế mô hình Scara Robot

- Phân tích động lực học, động học, quỹ đạo chuyển động cho Scara Robot

- Dùng thị giác máy để nhận diện linh kiện cho Scara Robot

- Điều khiển và mô phỏng hoạt động của Scara Robot

4 Các sản phẩm dự kiến

- Mô hình Scara Robot

- Quyển báo cáo và slide trình chiếu

5 Ngày giao đồ án:

6 Ngày nộp đồ án:

7 Ngôn ngữ trình bày:

TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

STT NHIỆM VỤ THỰC HIỆN HOÀN THÀNH

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN.

NỘI DUNG ĐỒ ÁN.

Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ.

Ngày tháng năm 2022

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chận thành gửi lời cảm ơn đến thầy Vũ Quang Huy đã tận tìnhhướng dẫn, cung cấp nhiều tài liệu cần thiết, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu trongsuốt quá trình chúng em thực hiện đề tài

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy, cô ở Khoa cơ khí Chế tạo máy đãtruyền đạt vốn kiến thức nền tảng cho chúng em trong suốt thời gian học tập tạitrường Nhờ có những lời hướng dẫn, dạy bảo của các thầy, cô nên đề tài nghiên cứucủa chúng em mới có thể hoàn thiện tốt đẹp

Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn sự hỗ trợ của bạn bè trong thời gian học tập vàhoàn thành đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, nền công nghiệp cũngphát triển như vũ bão Để tăng năng suất, nâng cao chất lượng, hạ giá thành sản phẩmthì việc ứng dụng máy móc hiện đại vào sản xuất là yêu cầu tất yếu đối với các nhàmáy

Đồng thời, công nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng, đặc biệt là ởcác nước phát triển, đáp ứng nhu cầu sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng, an ninh, …Robot có thể thực hiện những nhiệm vụ khó, thậm chí là không thể đối với con ngườinhư: làm công việc đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm(như lò phản ứng hạt nhân, quét mìn trong quân đội), thám hiểm không gian

Trong họ Robot phải kể đến Robot công nghiệp với những chức năng mà các loạiRobot khác không có Tính linh hoạt và độ chính xác cực cao của cánh tay Robot đãđược sử dụng rộng rãi ở các quốc gia để thay thế con người làm việc trong môi trườngnguy hiểm hoặc làm viêc với độ chính xác – năng suất vượt xa những gì con người cóthể làm bằng tay

Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu và tham khảo, em đã hoàn thành đề tài

“Tính toán, thiết kế Scara Robot phân loại linh kiện linh hoạt”, bài làm này còn nhiều

lý thuyết nên em sẽ tiếp tục hoàn thiện để ứng dụng vào thực tiễn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 6

LỜI NÓI ĐẦU 7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 10

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ 11

MỤC LỤC BẢNG 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung về robot 1

1.2 Đặt vấn đề 3

1.3 Giới hạn đề tài 4

1.4 Nội dung sẽ trình bày trong các chương tiếp theo 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 6

2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA 6

2.2 ĐỘNG HỌC ROBOT 7

2.2.1 Lý thuyết về bài toán động học Robot 7

2.2.2 Tính toán động học Robot 10

2.3 ĐỘNG HỌC VẬN TỐC 13

2.3.1 Cơ sở lý thuyết về động học vận tốc và động lực học robot 13

2.4 LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG 15

2.4.1 Chọn động cơ 15

2.4.2 Cơ cấu truyền động đai 17

2.4.3 Cơ cấu truyền động vít-me 20

2.5 MẠCH ĐIỀU KHIỂN 20

2.6 THỊ GIÁC MÁY TÍNH 22

2.7 KHÔNG GIAN LÀM VIỆC CỦA ROBOT SCARA 23

2.7.1 cơ sở lí thuyết 23

2.7.2 Sử dụng phương pháp hình học 24

2.8 QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG VẬN TỐC CỦA ROBOT 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ MẠCH ĐIỆN 28

3.1 Thiết kế cơ khí 28

3.1.1 Phân tính phương án thiết kế 28

3.1.2 Thiết kế mô hình 28

3.1.3 Kiểm tra độ uốn của các khâu 32

3.1.4 Lựa chọn động cơ 33

3.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN (ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ) 33

CHƯƠNG 4: THI CÔNG, THỰC NGHIỆM, TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH (ĐỒ ÁN CƠ ĐIỂN TỬ) 34

4.1 THI CÔNG MÔ HÌNH 34

4.2 THỰC NGHIỆM 34

4.3 TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 34

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 35

5.1 KẾT QUẢ THU ĐƯỢC 35

5.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 35

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 36

6.1 KẾT LUẬN 36

6.1.1 Những việc đã thực hiện được 36

6.1.2 Những điểm chưa thực hiện được 36

6.1.3 Giải pháp 36

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 36

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1: Mối liên hệ giữa kỹ thuật robot và các ngành khoa học khác 1

Hình 1.2 Ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất ô-tô 2

Hình 1.3 Ứng dụng của Robot cộng nghiệp trong đóng gói 2

Hình 1.4 Ứng dụng của Robot dịch vụ trong phục vụ nhà hang 3

Hình 1.5 Ứng dụng của Robot dịch vụ trong giao hàng 3

Hình 2.1: Robot Scara của YASKAWA 6

Hình 2.2: Mô hình hóa khâu và khớp theo D-H 7

Hình 2.3: Mô hình robot và hệ trục gắn lên robot ba bậc tự do 10

Hình 2.4: Động cơ bước 15

Hình 2.5: Động cơ DC SERVO 16

Hình 2.6: Bộ truyền đai 17

Hình 2.7: Mạch điều khiển động cơ dùng STM32 và A4988………

21 Hình 2.8: STM32 21

Hình 2.9: Mạch điều khiển động cơ bước A4988 22

Hình 2.10: Ứng dụng thị giác máy tính trong người máy 23

Hình 2.11: Không gian hoạt động của robot scara nhìn từ trên xuống 24

Hình 2.12: không gian hoạt động tổng quát của scara 25

Hình 2.13: Quy luật chuyển động hình thang 25

Hình 3.1: Thiết kế mô hình robot Scara bằng phần mềm solidWorks 29

Hình 3.2: Cấu trúc bên trong của robot scara 29

Hình 3.3: Phần Chân đế 30

Hình 3.4: Cụm cánh tay 1 30

Hình 3.5: Cụm cánh tay 2 31

Hình 3.6: Cụm đầu công tác 31

Hình 3.7: Ứng suất trên chân đế 32

Hình 3.8: Ứng suất uốn trên khâu 1 32

Hình 3.9: Ứng suất uốn trên khâu 2 33

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng D – H 8Bảng 2.2: Bảng tham số D – H của robot scara 3 bậc tự do 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về robot.

 Sơ lược về lịch sử hình thành

Những công trình vĩ đại của con người đều bắt đầu từ những ý tưởng mộng mơ

có thể nói là viễn tưởng, trong đó có giấc mơ về robot, một thứ mô phỏng đặc tính vàhành động giống con người và có thể giúp con người làm việc Từ giấc mơ đó mà kể

từ vài thế kỉ trước robot bắt đầu được phát minh ra và ngày càng cải thiện Năm 1738,con vịt biết di chuyển, bơi, tiêu hóa, năm 1774 robot chấm viết bằng lông ngỗng …nhưng thuật ngữ “robot” được sử dụng lần tiên vào nhóm 1921 bởi nhà viết kịch ngườiCzechoslovakian_Karel Capek để chỉ một máy với hình dạng người trong vở kịch củaông Tuy nhiên mãi đến năm 1945 thì thời đại robot mới thực sự bắt đầu với sự suấthiện của tay máy đầu tiên với bộ nhớ chương trình được chế tạo bởi George Devol,thiết bị này có thể di chuyển lặp đi lặp lại từ điểm này đến điểm khác

Ngày nay robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều nghành nghề từ đơn giảnđến phức tạp Kỹ thuật robot là ngành khoa học đa ngành dựa trên sự phát triển và ứngdụng nâng cao cảu nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ (mối quan hệ “cộng sinh”)

Hình 1.1: Mối liên hệ giữa kỹ thuật robot và các ngành khoa học khác

 Phân loại robot: robot ngày nay dựa vào chức năng được thiết kế và nhu cầu thịtrường mà được chia làm hai loại chính là: robot công nghiệp và robot dịch vụ

1

o Robot công nghiệp: theo tiêu chuẩn ISO 8373 thì robot là một tay máy cóthể hoạt động đa mục đích có thể điều khiển hoàn toàn tự động dựa trênviệc lập trình và phải có ít nhất là ba trục Được ứng dụng rộng rãi trongcác lĩnh vực như lắp ráp, đóng gói, quản lí kho….

Hình 1.2 Ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất Ô tô

Hình 1.3 Ứng dụng của Robot cộng nghiệp trong đóng gói

o Robot dịch vụ: được định nghĩa là các robot có kahr năng vận hành tự độnghoặc bán tự động để thực việc công việc hữu ích cho máy móc cũng nhưlàm cho cuốc sống con người tiện nghi, phong phú hơn, không bao gồm

2

hoạt động vận hành sản xuất Nếu Robot công nghiệp cũng được xem làRobot dịch vụ nếu không phục vụ cho hoạt động sản xuất.

Hình 1.4 Ứng dụng của Robot dịch vụ trong phục vụ nhà hàng

Hình 1.5 Ứng dụng của Robot dịch vụ trong giao hàng

1.2 Đặt vấn đề.

Với sự phát triển không ngừng của khoa học Robot hiện nay thì ở Việt Nam nóiriêng và thế giới nói chung, tất cả đang hướng theo xu thế là hướng tới tự động hóaquá trình sản xuất một cách nhiều nhất có thể để tiết kiệm chi phí và nâng cao sảnlượng với các ưu điểm như khả năng làm việc ổn định không ngừng nghỉ, làm việctrong môi trường độc hại, có độ nguy hiểm cao… Tuy nhiên mức độ lớn nhỏ của công

ty là khác nhau nên nhu cầu về thiết bị tự động là khác nhau vì vậy quy mô và chi phí

3

của dây chuyền tự động là rất quan trọng Vì lí do đó chúng em hướng tới nghiên cứucánh tay robot Scara hướng tới tối ưu chi phí và quy mô cho các dây chuyền tự động.

1.3 Giới hạn đề tài.

Đề tài của chúng em hướng đến muc tiêu là mô phỏng một Scara Robot sử dụngtrong dây truyền phân loại sản phẩm, có khả năng phối hợp nhịp nhàng, chuyển độngtrong một khu vực cố định, khéo léo giống như tay người vậy nên cánh tay sẽ phải cốđịnh, không thể di chuyển xung quanh Nhưng bù lại là khả năng linh hoạt, sự cơ độngđến từ cánh tay Nó sẽ giúp chúng ta hoàn thành công việc một cách nhanh chóng màkhông cần sự can thiệp của con người Vì kinh nghiệm và điều kiện thực tế hạn chếnên nhóm hướng đến mục tiêu thực hiện một số nôi dung sau:

 Xây dựng mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do

 Tính toán các bài toán động học và mô phỏng không gian làm việc

 Lâp trình điều khiển robot hoạt động theo mục đích đề ra

1.4 Nội dung sẽ trình bày trong các chương tiếp theo.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

 Tổng quan về Robot Scara

 Không gian làm việc của Robot Scara

Chương 3: Thiết kế cơ khí và mạch điện

 Thiết kế cơ khí

 Thiết kế mạch điện

Chương 4: Thi công, thực nghiệm, tổng hợp và phân tích

 Thi công mô hình

 Thực nghiệm

4

 Tổng hợp và phân tích kết quả Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá.

 Kết quả thu được

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Trong chương này sẽ trình bày các nội dung lí thuyết về đặc điểm của Robot scara,tính toán cơ khí, bài toán động học, liên quan đến việc tính toán và thiết kế theo mụctiêu ban đầu cảu đề tài Xác định không gian làm việc từ đó xây dựng thuật toán chorobot

2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA.

- Đây là loại robot thường được biết đến là loại có hai khớp xoay và một khớp tịnhtiến (nếu tính thêm tay gắp là có bốn bậc tự do) và tất cả các khớp đều song song vớinhau Thường thì tay gắp hoặc cơ cấu chấp hành cuối thường di chuyển vuông góc mặtđất Vì vậy hai khớp đầu tiên không bi tác động của trong lực và tải trọng Có thể dễdàng tích hợp với các bộ điều khiển và các bô phân ngoại vi để tạo thành các máy trạmrobot tích hợp cao, được dùng phổ biến trong nghành cộng nghiệp như: điện/ điện tử,điện tử tiêu dùng…

Hình 2.1: Robot Scara của YASKAWA

- Một số đặc trưng như:

+ Tốc độ, độ tuyến tính, độ thẳng đứng và độ lặp lại cao

+ Đơn giản và dễ vận hành với các phương pháp điều khiển linh hoạt

+ Tích hợp dễ dàng với các hệ thống thị giác máy để gia công / kiểm tra sản phẩm và cải thiện chất lượng

6

- Nhược điểm:

+ Không gian làm việc phụ thuộc vào khích thước robot

+ Chưa có khả năng đáp ứng các trường hợp khẩn cấp

+ Giá thành còn cao, nhân viên bảo trì, sửa chữa còn hạn chế

2.2 ĐỘNG HỌC ROBOT

2.2.1 Lý thuyết về bài toán động học Robot

- Robot là một thiết bị máy móc có thể thực hiện công việc trong không gian dướidưới sự điều khiển của máy tính thông qua việc kích hoạt chuyển động của các khớp.Các cảm biến khớp đo góc quay với khớp quay và khoảng cách trượt của khớp tịnhtiến (bài toán động học thuận, nghịch theo phương pháp D-H) từ đó cho phép bộ điềukhiển tính toán giá trị diều khiển một cách chính xác để điều khiển các cơ cấu chấphành Thực hiện việc di chuyển một vật hoặc tự di chuyển chính bản thân nó để thựchiện công việc yêu cầu Mỗi khâu của robot được gắn với một hệ trục tham chiếunhằm bám theo vi trí và hướng của khâu và mô hình hóa toàn bộ hệ thống robot

- Lý thuyết về phương pháp Denavit - Hartenberg (D-H): là phương pháp được sửdụng chung cho robot cho phép thiết lập phương trình động học của khâu thao táctương đối đơn giản nhưng lại rất hiệu quả Ngoài ra chúng ta còn có thể sử dụng kếtquả của nó cho các bài toán khác như bài toán Jacobi, phân tích lực, độ cứng,

Hình 2.2: Mô hình hóa khâu và khớp theo D-H

7

+ Một số quy ước về quy tắc D-H:

 Các khâu đánh số từ 0 tới n với n là số khâu của robnot Bệ robot sẽđược đánh số 0

 Mỗi hệ trục gắn ở mỗi khâu phải luôn tuân theo quy tắc bàn tay phải hayquy tắt tam diện thuận

 Hệ trục toạ độ gắn trên khâu của Robot được gắn tại khớp xa hơn so với

bệ của mỗi khâu

 Gốc của hệ trục toạ độ đặt tại giao điểm của đường vuông góc chung củacác trục khớp với nhau Nếu các trục khớp song song với nhau thì vị trícủa gốc của hệ trục toạ độ được lựa chọn sao cho khoảng cách giữa cáckhâu bằng 0 hoặc nhỏ nhất nếu có một khoảng dịch chuyển giữa cáckhâu Nếu các trục khớp giao nhau thì gốc toạ độ sẽ đặt tại điểm giaonhau của các trục

 Trục z trùng với trục khớp Nếu khớp tịnh tiến thì hướng trục z sẽ làhướng di chuyển đi ra xa Nếu là khớp trụ, hướng trục z xác định làhướng dương theo hướng quay trục z hoặc theo hướng lựa chọn sao chogóc xoắn nhỏ nhất

 xcác khâu Nếu các trục giao nhau không có đường vuông góc chung thìtrục x sẽ là tích vector của hai vector zn-1 và zn Trong nhiều trường hợptrục x sẽ có hướng như trục x của khâu trước

 Sau khi đã đặt được hệ trục toạ độ vào các khâu ta lập được bảng D – Hnhư sau:

+ Cách xác định thông số của bảng D – H:

 θ i: góc quay từ trục x i−1tới x i xung quanh trục z i−1

dọc theo trục x i

 α i: góc quay của trục z i−1 tới z i xung quanh trục x i

theo trục z i−1.+ Sau khi đã gắn được hệ trục và tìm được các thông số của bảng D – H ta cóthể tính toán vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối qua việc giải bài toánđộng học thuận với các giá trị biến khớp đã cho trước

+ Ta xác định được ma trận vị trí và hướng tại từng khâu theo phương trìnhtổng quát như sau:

i -1Ai =

[

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

sin

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

 Giải bài toán động học thuận liên hệ với vị trí và hướng của cơ cấuchấp hành cuối giả sử như đã biết các biến khớp.

 Lập các phương trình từ bài toán động học thuận và xem xét để xácđịnh có biến nào có thể tính toán được từ các phương trình này haykhông Tuỳ vào độ khó của phương trình mà ta chọn giải bằngphương pháp số hoặc phương pháp giải tích

2.2.2 Tính toán động học Robot

Hình 2.3: Mô hình robot và hệ trục gắn lên robot ba bậc tự do

10

 Bài toán động học thuận:

0T1 =

[

(

)

(

)

(

)

sin

(

)

(

)

(

)

1T2 =

[

(

)

(

)

(

)

sin

(

)

(

)

(

)

Theo công thức (2.2) ta được:

0T3 =

[

(

)

(

)

(

)

(

)

Từ (2.2), (2.4), (2.5) và (2.6) ta được vị trí đầu công tác:

Thay θ2 vào (2.7 ¿ ta được:

{

(

)