Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành cơ điện tử đề tài nghiên cứu, thiết kế rô bốt scara 3 bậc tự do

Cánh tay robot công nghiệp, có thể bạn không phải là một người biết về kỹ thuật,nhưng chỉ cần nghe qua tên của nó, bạn cũng đoán được rằng để hoạt động được, nó sẽphải tuân thủ các cấu t

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu, thiết kế rô bốt Scara 3 bậc tự do.

Giáo viên hướng dẫn: Ths LÊ NGỌC DUY

Nhóm sinh viên thực hiện: VŨ MINH ĐỨC 2017600781

ĐỖ ĐỨC HIẾU 2017600874 NGUYỄN HUY HOÀNG 2017601597

3 Nguyễn Huy Hoàng MSSV: 2017601597 Lớp: CĐT1 Khóa: 12

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế rô bốt Scara 3 bậc tự do.

Mục tiêu đề tài:

 Phân tích, tổng hợp và đề xuất giải được pháp cho các vấn đề kỹ thuật liên quanđến quá trình điều khiển rô bốt Scara Vận dụng được các kiến thức về cơ khí,điện, điện tử, điều khiển và tích hợp để thiết kế, chế tạo một hệ thống tự động,

 Có khả năng tổng hợp, viết báo cáo, trình bày và phản biện khoa học

Kết quả dự kiến (Phần này liệt kê các nội dung, kết quả chính cần đạt được của

ĐA/KLTN và phải bám sát mục tiêu đề tài)

 Thiết kế, chế tạo mô hình rô bốt Scara

 Lập trình thuật toán điều khiển theo điều khiển

Thời gian thực hiện: từ 22/03/2021 đến 09/05/2021

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG KHOA

TS Nguyễn Văn Thiện

NỘI DUNG THỰC HIỆN

1 Bố cục thuyết minh đề tài:

Chương 1: Tổng quan về rô bốt Scara

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài Nguyễn Huy Hoàng

Chương 2: Mô hình toán học rô bốt Scara

2.1 Tính toán lựa chọn phương pháp điều khiển Vũ Minh Đức2.3 Mô hình toán học hệ thống điều khiển Nguyễn Huy Hoàng

Chương 3: Tính toán, thiết kế rô bốt Scara

3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí Đỗ Đức Hiếu

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điện, điện tử Nguyễn Huy Hoàng3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển Vũ Minh Đức

2 Bản vẽ:

1 Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí A0 1 Đỗ Đức Hiếu

2 Bản vẽ hệ thống điều khiển A1 1 Nguyễn Huy Hoàng

3 Lưu đồ thuật toán điều khiển A1 1 Vũ Minh Đức

3 Mô hình/ sản phẩm (nếu có)

Trình bày ngắn gọn thông số kỹ thuật cơ bản của mô hình/ sản phẩm.

 Chế tạo, lắp ráp hệ thống cơ khí Vũ Minh Đức

 Lập trình hệ thống điều khiển Nguyễn Huy Hoàng

* Ghi chú: Nhiệm vụ của sinh viên trong đề tài có thể phân công theo

chương hoặc theo các nội dung công việc.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 11

1.1 Lịch sử nghiên cứu 11

1.1.1 Sơ lược lịch sử quá trình phát triển của robot công nghiệp 11

1.1.2 Giới thiệu chung về cánh tay robot 15

1.2 Mục tiêu của đề tài 19

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài 20

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ROBOT SCARA 21

2.1 Tính toán, lựa chọ phương pháp điều khiển 21

2.1.1 Phương pháp Denavit – Hartenberg(D-H) 21

2.1.2 Ma trận thuần nhất của các hệ trục tọa độ theo quy tắc D-H 22

2.2 Mô hình toán học hệ thống điều khiển 23

2.2.1 Phương trình động học thuận 23

2.2.2 Phương trình động học nghịch 25

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ROBOT SCARA 28

3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí 28

3.1.1 Yêu cầu thiết kế 28

3.1.2 Mô hình thiết kế tay máy 3 bậc tự do 28

3.1.3 Tính toán lực tác động, công suất cần thiết 29

3.1.4 Tính toán bộ truyền đai 32

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điện, điện tử 35

3.2.1 Tính toán lựa chọn vi điều khiển 35

3.2.2 Chọn động cơ điều khiển 36

3.2.3 Driver điều khiển động cơ 38

3.2.4 Công tắc hành trình 39

3.3 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển 40

3.3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển 40

3.3.2 Mô hình hóa mô phỏng 43

3.4 Tổng hợp và tích hợp hệ thống 47 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Robot tay máy 11

Hình 1.2 Robot Scara 12

Hình 1.3 Robot công nghiệp của hãng Tosy Robotics, Việt Nam 13

Hình 1.4 Xưởng hàn thân xe của hãng xe VinFast 14

Hình 1.5 Robot tay máy 6 bậc tự do 16

Hình 1.6 Robot tay máy hàn ứng dụng trong công nghiệp 17

Hình 1.7 Cơ cấu hệ tọa độ trụ 18

Hình 1.8 Tay máy robot tọa độ cầu 18

Hình 1.9 Tay máy robot dạng Scara 18

Hình 1.10 Tay máy robot tọa độ Đề Các 19

Hình 2.1 Quy tắc đặt các trục tọa độ 21

Hình 2.2 Đặt hệ trục tọa độ lên các khâu cảu robot 23

Hình 2.3 Bài toán động học nghịch 25

Hình 3.1 Mô hình Robot tay máy Scara 29

Hình 3.2 Mô hình thiết kế 29

Hình 3.3 Lực tác dụng khâu 2 30

Hình 3.4 Biểu đồ momen khâu 2 31

Hình 3.5 Puli chủ động 34

Hình 3.6 Puli bị động 34

Hình 3.7 Dây đai truyền động 35

Hình 3.5 Vi điều khiển STM32F103C8T6 35

Hình 3.6 Động cơ bước điều khiển 37

Hình 3.7 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988 38

Hình 3.8 Công tắc hành trình 39

Hình 3.9 Tiếp điểm thường mở 40

Hình 3.10 Tiếp điểm thường đóng 40

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm 40

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán điều khiển 42

Hình 3.13 Mô hình thiết kế sơ bộ 43

Hình 3.14 Mô hình Simulink của robot 44

Hình 3.15 Khối điều khiển chuyển động 44

Hình 3.16 Mô hình Simulink tổng quát 45

Hình 3.17 Đồ thị quy luật chuyển động, vận tốc, gia tốc của q0 46

Hình 3.18 Đồ thị quy luật chuyển động, vận tốc, gia tốc của q2 46

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg 23

Bảng 3.1 Bảng tra mô đun chọn số răng cho bánh răng 33

LỜI MỞ ĐẦU

Robot xuất hiện đã thực sự thay đổi cuộc sống của con người nói chung và nềncông nghiệp nói riêng Với hầu hết mọi người, hiểu biết về robot chỉ dừng lại ở hìnhảnh: những chú robot với trí thông minh nhân tạo, có thể giao tiếp, giúp đỡ việc nhà,bán hàng trong siêu thị, chăm sóc các cụ già hay trông trẻ… Nhưng họ không để ý đếnvai trò đặc biệt quan trọng và sự xuất hiện ngày một nhiều của robot trong nhữngngành công nghiệp, chế tạo, lắp ráp và sản xuất hiện đại ở khắp các nhà máy, côngxưởng trên thế giới Một trong những robot phổ biến nhất trong thế giới sản xuất làcánh tay robot Scara Cánh tay robot Scara trong hầu hết các trường hợp được lập trình

và sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể, phổ biến nhất cho sản xuất, chế tạo vàcác ứng dụng công nghiệp

Cánh tay robot công nghiệp, có thể bạn không phải là một người biết về kỹ thuật,nhưng chỉ cần nghe qua tên của nó, bạn cũng đoán được rằng để hoạt động được, nó sẽphải tuân thủ các cấu tạo và nguyên tắc cử động giống như cánh tay của con người.Thật vậy, đây là một thiết bị hoạt động theo cách tương tự như cánh tay người,với một số khớp có thể di chuyển dọc theo trục hoặc có thể xoay theo một số hướngnhất định Trên thực tế, một số cánh tay robot được cấu tạo và lập trình hoạt động vớicách bắt chước các chuyển động chính xác của cánh tay con người

Trong suốt quá trình nghiên cứu và thiết kế được sự hướng dẫn, góp ý tận tìnhcủa giảng viên, Ths Lê Ngọc Duy cùng với sự nỗ lực của cả nhóm, đến nay chúng em

cơ bản đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế rô bốt Scara 3bậc tự do” Do khả năng và tầm nhận thức còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế chưanhiều, với khối lượng công việc đòi hỏi có sự tổng hợp cao nên thiết kế của chúng emkhông tránh khỏi những thiếu sót Chúng em mong các thầy tiếp tục chỉ bảo và giúp

đỡ để chúng em chỉnh sửa thêm và vận dụng vào công việc thực tế

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Lịch sử nghiên cứu

1.1.1 Sơ lược lịch sử quá trình phát triển của robot công nghiệp

Thuật ngữ robot xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là côngviệc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm

1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máygần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho cácnhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp củacon người Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and FoundryCompany) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy côngnghiệp” (Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hayrobot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tayngười được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.Theo viện nghiên cứu Robot của Mỹ đề xuất định nghĩa: “Robot công nghiệp

là tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành

và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp

Hình 1.1 Robot tay máy

Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹthuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giáthành giảm đi rõ rêt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot côngnghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.

Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot ‘robotics’ đã trở thành 1 lĩnh vựcrộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cáu trúc cơ bản động học, lập trình quỹ đạo,cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v v

Hình 1.2 Robot Scara

 Tình hình nghiên cứu và phát triển robot ở Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong

25 năm vừa qua Các nghiên cứu về robot ở nước ta liên quan nhiều đến vấn đề vềđộng học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành,điều khiển và phát triển trí thông minh Đặc biệt, trong lĩnh vực điều khiển robot,ngoài các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men,phương pháp điều khiển trượt thì các phương pháp điều khiển thông minh như điềukhiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tựthích nghi cũng đã được đề cập nghiên cứu và áp dụng tại các tổ chức KH&CN Bêncạnh đó còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chếttạo robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế

Các nghiên cứu cơ bản về Robot của Việt Nam đã được công bố nhiều trên cácHội Nghị và tạp chí quốc tế Việc phối hợp với các nước như Nhật, Mỹ, Singapore,Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt nam liên quan đến robot như RESCCE’98,

RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM 2009 là một chuỗihoạt động khoa học liên tục của cộng đồng Robotics Việt nam hòa nhập vào các hoạtđộng nghiên cứu khoa học với các nước khu vực và tiên tiến trên thế giới.

Hình 1.3 Robot công nghiệp của hãng Tosy Robotics, Việt NamSong song với chế tạo robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về robotđược công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướngnghiên cứu của thế giới Các nghiên cứu về động học và động lực học rô bốt được cáckhoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chếtạo máy, cơ khí quan tâm cả trong dân sự và quân sự Ngoài việc tìm các phương phápgiải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại rô bốt nối tiếp, song song, di động,thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển

để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế robot Lĩnh vực điều khiển robotrất phong phú, từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháptính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thôngminh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương phápđiều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho robot, các hệ visual servoing….Lĩnh vực robot di động với nhiều cảm biến dẫn đường và camera đang được nhiều đơn

vị trong nước quan tâm nghiên cứu Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa cảmbiến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho rô bốt diđộng đã có nhiều công bố trong các Hội nghị cơ điện tử toàn quốc năm 2004, 2006,

2008 và 2010 Các nghiên cứu về thị giác robot được quan tâm cả ở robot công nghiệp

và robot di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển robot trên cơ sở thông tinhình ảnh Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nóitiêng Việt bắt đầu được chú ý cho các loại robot dịch vụ

Hình 1.4 Xưởng hàn thân xe của hãng xe VinFastVới xu thế toàn cầu hóa, sự phân công lao động trong chuỗi cung sản phẩm vàdịch vụ trên thế giới đã không còn giới hạn địa lý Cơ hội cho mỗi cá nhân, tổ chức cóthể tham gia vào các công việc trên thế giới là bình đẳng cho mọi người, mọi dân tộc

và mọi quốc gia Vì vậy, với bối cảnh robot sẽ là trung tâm của cuộc cách mạng côngnghệ kế tiếp sau PC- Internet của thế giới trong vòng 20 năm nữa, Việt Nam không thể

bỏ lỡ cơ hội này như với máy vi tính PC 30 năm trước

Để đạt được điều này, chúng ta phải có những định hướng ngay từ bây giờ như:

 Về đào tạo: Tập trung phát triển đông đảo nguồn nhân lực có kiến thức toàndiện từ sử dụng đến nghiên cứu phát triển các rô bốt và các ứng dụng liên quan

 Về nghiên cứu: Tập trung cho phát triển trí tuệ của rô bốt từ mức thấp với khảnăng giải quyết một vài việc cụ thể đến mức cao với khả năng nhận thức, suydiễn và ra quyết định để rô bốt có thể thích ứng với môi trường tự nhiên vàtham gia vào xã hội loài người

 Về sản xuất: Tập trung thiết kế và chế tạo các loại rô bốt dịch vụ Việt Nam cótính thực dụng cao, giá rẻ, đơn giản và chuyên dụng cho các công việc cụ thể.Tham gia vào chuỗi cung toàn cầu của các sản phẩm, hệ thống rô bốt từ các côngviệc tay chân như lắp ráp, gia công đến các công việc trí óc như thiết kế, nghiên cứu vàđào tạo Chuẩn bị nguồn lực cho các nhu cầu của một xã hội có sự hiện hữu phổ biếncủa robot trong đời sống hàng ngày.

Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam cần có chiến lược dài hạn cho phát triểncác nghiên cứu về robot, phát huy vai trò đầu tàu về nghiên cứu cơ bản trong phát triểnrobot ở Việt Nam, một lĩnh vực trung tâm của cuộc cách mạng công nghệ lớn tiếptheo, có tầm ảnh hưởng đến toàn xã hội loài người trong thời gian 15-20 năm tới

Để có thể hội nhập và phát triển trong xu thế toàn cầu hóa hiện nay Việt Nam cần

có một cộng đồng rộng lớn các chuyên gia tâm huyết, có môi trường học tập và nghiêncứu lành mạnh và một chính sách vĩ mô hỗ trợ tri thức phát triển thích nghi được vớiquá trình “phẳng” hóa thế giới hiện nay

 Các đặc diểm chung của robot:

 Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường làm việc

 Có khả năng tự học, tự thích ứng với môi trường xung quanh

 Có thể chuyển động linh hoạt trong môi trường làm việc

 Có khả năng điều khiển được các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầucủa người sử dụng

 Có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiểnmột cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước

1.1.2 Giới thiệu chung về cánh tay robot

 Lợi ích tuyệt vời khi sử dụng cánh tay robot công nghiệp trong sản xuất

Cánh tay robot công nghiệp, tuy nhiên lại có thể di chuyển nhanh hơn nhiều sovới cánh tay của con người Một cánh tay robot công nghiệp làm tăng tốc độ của quátrình sản xuất và độ chính xác Những cánh tay robot hoạt động trơn tru giúp cắt giảmgần như tối đa các lỗi trong quá trình sản xuất do người công nhân gây ra và giúp giảmđược rất nhiều chi phí lao động

Hình 1.5 Robot tay máy 6 bậc tự do

 Cánh tay robot thao tác nhanh và tiết kiệm thời gian hơn con người

Mỗi cử động của robot, bao gồm quay, tịnh tiến, cầm nắm, nhấc, dịch chuyển,quay, lật có tải, tiến hành thao tác hàn, lắp ráp…của tay robot đều được con ngườikiểm soát Nó được lập trình mô phỏng trong không gian ảo của phần mềm để lườngtrước những rủi ro về va chạm, quá tải hay bất hợp lý trong chuyển động

Vì vậy, mỗi chuyển động thực tế của robot trong quá trình làm việc sẽ đều là mộtchuyển động chính xác, trơn tru và không có động tác dư thừa Bởi trong sản xuất,Cycle Time được tính tối ưu tới đơn vị hàng phần chục hoặc phần trăm giây

Ngoài ra, chất lượng của sản phẩm có thể bắt đầu được cải thiện do con người cảithiện khả năng Robot Ví dụ, cắt chính xác xuống các cạnh, tạo ra các mối hàn cứnghơn hoặc khoan các lỗ chính xác Điều này liên tục được người lập trình điều chỉnhthiết lập tới khi đạt trạng thái hoàn hảo Từ đó dê dàng cải tiến sản phẩm theo thờigian, đồng thời cải thiện tính toàn vẹn của thương hiệu

Hình 1.6 Robot tay máy hàn ứng dụng trong công nghiệp

 Các chuyển động là chính xác và lặp lại hoàn toàn giống nhau

Các chuyển động chính xác đem lại kết quả chính xác trên sản phẩm theo đúngyêu cầu kỹ thuật từ đó đảm bảo không có sản phẩm NG do những bất cẩn hoặc thaotác sai trong quá trình làm việc giống như con người

Bởi con người chúng ta, trong quá trình làm việc, bộ não rất thường xuyên bịđánh mất sự tập trung do các yếu tố chủ quan và khách quan bên ngoài tác động vào.Các yếu tố đó bao gồm sức khỏe trong ca làm việc, tinh thần và sự tập trung, thái độnghiêm túc trong công việc, tính kỷ luật của bản thân cũng như nhóm, tổ đội trong dâychuyền khi làm việc (nói chuyện, cười đùa…)

Chính vì các yếu tố đó, với cùng một công việc, tuy là lặp lại nhưng chất lượngcủa mỗi sản phẩm hay một công đoạn lại thường bị phụ thuộc và phó mặc vào cảm xúc

và sự hứng thú của người công nhân thao tác nó Điều này thực sự nguy hiểm vớinhững công việc hay mặt hàng đòi hỏi độ chính xác cao trong thao tác và sự tập trungcao độ

Dựa vào kết cấu của tay máy người ta phân robot công nghiệp ra thành các loại sau :

Robot tọa độ trụ: Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp: 1 khớp

quay và 2 khớp tịnh tiến (RTT) Không gian làm việc trong thể tích một hình trụ.Chiều cao của hình trụ phụ thuộc lượng tịnh tiến của khớp thứ 2, độ rộng của hình trụphụ thuộc lượng tịnh tiến của khớp thứ 3

Hình 1.7 Cơ cấu hệ tọa độ trụ

Robot tọa độ cầu: Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp:3

khớp quay (RRR) hoặc 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến (RRT) Không gian làm việctrong thể tích 1 hình cầu Bán kính hình cầu phụ thuộc vào góc quay, lượng tịnh tiến vàkích thước của 2 khâu cuối

Hình 1.8 Tay máy robot tọa độ cầu

SCARA robot: đây là loại robot có hai khớp quay song song hoạt động trên một

mặt phẳng, được ứng dụng nhiều trong các hoạt động lắp ráp và xử lý chi tiết máy…

Hình 1.9 Tay máy robot dạng Scara

Robot tọa độ Đề Các: Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp

tịnh tiến, không gian làm việc trong thể tích của 1 hình hộp chữ nhật Kích thước của

hình hộp chữ nhật phụ thuộc vào lượng dịch chuyển của các khâu trên tay máy Robot

có tọa đề các thường sử dụng để làm việc với các đối tượng thuộc các mặt phẳngvuông góc trong không gian

Hình 1.10 Tay máy robot tọa độ Đề Các

Robot dạng phỏng sinh: Cánh tay robot dạng phỏng sinh 6 bậc tự do RRRRRR

đang được sử dụng rất nhiều trong thực tế Với cánh tay robot dạnh này cho phép điềukhiển được cả vị trí và hướng tác động cuối

1.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu khảo sát các công trình mà các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu

về loại cánh tay robot 3 bậc tự do, đồ án này sẽ đi vào nghiên cứu những vấn đề sau:

 Phân tích, tổng hợp và đề xuất giải được pháp cho các vấn đề kỹ thuật liên quanđến quá trình điều khiển rô bốt Scara Vận dụng được các kiến thức về cơ khí,điện, điện tử, điều khiển và tích hợp để thiết kế, chế tạo một hệ thống tự động,

 Có khả năng tổng hợp, viết báo cáo, trình bày và phản biện khoa học

Hầu hết các nghiên cứu cánh tay robot 3 bậc tự do ở nước ta hiện nay liên quanchủ yếu đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tincảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển

Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của cácloại robot thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng vàphát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích thiết kế robot

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài

 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

 Thu thập, tìm kiếm thông tin tài liệu về robot Scara

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, quy trình công nghệ, các hệ thống có trong cánhtay robot như hệ thống cơ khí, hệ thống điều khiển, hệ thống cảm biến, cơ cấuchấp hành Từ đó tính toán, lựa chọn hệ thống cơ khí và điều khiển

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, quy trình công nghệ, các hệ thống có trong cánhtay robot như hệ thống cơ khí, hệ thống điều khiển, hệ thống cảm biến, cơ cấuchấp hành Từ đó tính toán, lựa chọn hệ thống cơ khí và điều khiển

 Lựa chọn các linh kiện phù hợp trong lắp ráp mô hình

 Nghiên cứu và ứng dụng các phần gia công cơ khí để chế tạo cánh tay robot

 Nghiên cứu về các phương trình động học của robot để ứng dụng điều khiểnrobot

 Lập trình thuật toán điều khiển theo điều khiển

 Nghiên cứu thực nghiệm:

Tham khảo các mẫu mô hình cánh tay robot trên thực tế, từ đó có những tínhtoán trong việc thiết kế cánh tay robot phù hợp, thử nghiệm lắp rắp, vận hành khắcphục những lỗi xảy ra

Thiết lập phương trình vi phân chuyển động theo phương pháp Newton-Euler,xây dựng sơ đồ động học, chọn hệ tọa độ suy rộng, thiết lập bảng tham số động học,động lực học robot Xác định các ma trận truyền D-H, từ đó xác định ma trận quaytương ứng Tách robot thành từng vật, khảo sát hệ lực trên từng vật Tìm các thuộc tínhcho từng vật rắn: vị trí, vận tốc, gia tốc,… Thiết lập phương trình vi phân

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ROBOT SCARA

2.1 Tính toán, lựa chọ phương pháp điều khiển

2.1.1 Phương pháp Denavit – Hartenberg(D-H)

Phương trình động học robot công nghiệp là phương trình mô tả quy luật thayđổi hướng và vị trí của khâu tác động cuối so với các biến khớp

Trên tay máy robot công nghiệp có 2 dạng khớp là: Khớp tịnh tiến và khớp quay.Biến khớp chính là các góc quay và các lượng tịnh tiến của các khớp quay và khớptịnh tiến

Khi cho biết trước giá trị của các khớp quay và các lượng tịnh tiến này, thay vàophương trình động học robot công nghiệp ta sẽ có hướng và vị trí các khâu công tác

 Phép biến đổi thuần nhất các hệ toa độ theo quy tắc D-H

Quy tắc đặt các trục tọa độ

 cùng hướng với hướng của trục khớp i+1

 cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục và trục

 Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x

đã được xác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướngcủa trục z, x theo quy tắc bàn tay phải

 Hệ tọa độ gốc: được chọ tùy ý vuông góc với

Hình 2.11 Quy tắc đặt các trục tọa độ

 Quy tắc rời trục tọa độ theo Denavit – Hartenberg

 Tịnh tiến một đọa theo trục để nằm trên mặt phẳng pháp tuyếncủa chứa

 Quay một góc quanh trục để cùng phương với

 Tịnh tiến 1 đoạn theo trục để

 Quay 1 góc quanh trục ( ) để

2.1.2 Ma trận thuần nhất của các hệ trục tọa độ theo quy tắc D-H

Tương ứng với các phép tịnh tiến và phép quay trên ta có các ma trận biến đổithuần nhất Ta quy ước gọi ma trận biến đổi thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ liên tiếpnhau theo quy tắc D-H là các ma trận

Trong đó:

Phương trình động học robot công nghiệp:

2.2 Mô hình toán học hệ thống điều khiển

2.2.1 Phương trình động học thuận

Các bước lập phương trình động học robot công nghiệp theo quy tắc Hartenberg

Denavit-Bước 1: Đặt các hệ trục tọa độ lên các khâu khớp theo quy tắc.

Hình 2.12 Đặt hệ trục tọa độ lên các khâu cảu robot

Bước 4: Thiết lập phương trình động học robot công nghiệp.

Phương trình xác định vị trí:

2.2.2 Phương trình động học nghịch

Hình 2.13 Bài toán động học nghịchKhi giải bài toán động học thuận người ta xác định được quan hệ:

Từ phương trình trên ta suy ra:

Khi m=n ta quy ước gọi là robot có cấu trúc không dư hoặc robot chuẩn Khim<n ta quy ước gọi là robot có cấu trúc dư hoặc robot dư dẫn động Khi m>n bài toánnày ít gặp trong kĩ thuật nên ta không xét

Như vậy, bài toán động học ngược tay máy là cho trước không gian thao tác củakhâu công tác tìm không gian cấu hình tương ứng

Đây là bài toán có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc điều khiển chuyển độngcủa tay máy robot công nghiệp

Các phương pháp giải:

Từ phương trình (với ) giải ra khi cho biết

là bài toán không đơn giản, nhất là khi m<n

Các phương pháp để giải bài toán động học ngược được phân thành 2 nhóm:Phương pháp giải tích, phương pháp số

Phương pháp giải tích có nhược điểm là tính toán phức tạp, không mang tính

toàn diện cho mọi robot, tùy vào từng robot khác nhau mà việc chọn và giải cácphương trình cũng khác nhau, khó áp dụng với các robot có số bậc tự do lớn (>=6).Tuy nhiên ưu điểm của phương pháp này là khi tìm được kết quả thì việc thay giá trị

để tính toán lại trở nên đơn giản

Phương pháp số có các phương pháp điển hình sau đây:

- Phương pháp lạo trừ thẩm tách Sylvester

- Phương pháp dựa trên khai triển chuỗi Taylor

- Phương pháp RAGHAVAN và ROTH

- Phương pháp Tsai-Morgan

- Phương pháp Newton-Rapson

Phương pháp giải tích

Cơ sở lý thuyết

Khi giải bài toán động học thuận bằng phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg ta có

ma trận biến đổi xác đinh vị trí của khâu cuối là:

Mặt khác từ nhiệm vụ công nghệ của robot ta có ma trận cấu hình của khâu thao tác(ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác và véc tơ xác định vị trí điểm thao tác)dưới dạng hàm của các tọa độ thao tác: