Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 6 bậc tự do

Hiện nay nhu cầu sử dụng robot để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc cũng như trong những môi trường khắc nghiệt ngày càng cấp thiết Ngành công nghiệp robot đang ngày càng phát triển theo nhiều hình thức và cách sử dụng khác nhau Để xây dựng lên một hệ thống dây chuyền sản xuất tự động không thể thiếu robot tự động Chính vì thế nhóm tác giả đã đi sâu nghiên cứu và giải quyết vấn đề này

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn: TS LÊ HOÀI NAM

Sinh viên thực hiện: TRẦN VĂN ĐỔ

NGUYỄN ĐÌNH DANH

Đà Nẵng, 12/2019

1 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo robot 6 bậc tự do

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đình Danh Lớp: 15CDT1 MSV: 101150159

Trần Văn Đổ Lớp: 15CDT1 MSV: 101150160 Giáo viên hướng dẫn: TS Lê Hoài Nam

2 Nhu cầu thực tế của đề tài

Hiện nay, nhu cầu sử dụng robot để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc, cũng như trong những môi trường khắc nghiệt ngày càng cấp thiết Ngành công nghiệp robot đang ngày càng phát triển theo nhiều hình thức và cách sử dụng khác nhau

Để xây dựng lên một hệ thống, dây chuyền sản xuất tự động, không thể thiếu robot tự động Chính vì thế, nhóm tác giả đã đi sâu nghiên cứu và giải quyết vấn đề này

3 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu hệ thống, thiết kế robot 6 bậc

- Điều khiển, thiết kế phần mềm và phần cứng cho robot 6 bậc

- Xây dựng mô hình điều khiển robot

4 Nội dung đề tài đã thực hiện

- Mô hình: 1

- Bản vẽ: 5 (A0)

- Thuyết minh gồm: 56 trang

5 Kết quả đạt được

- Tìm hiểu chung về các loại robot

- Giải động học thuận và nghịch của robot 6 bậc

- Nắm được phương pháp, thuật toán điều khiển

- Thiết lập điều khiển hoạt động robot

Sinh viên thực hiện

DUT.LRCC

Lớp: 15CDT1 Khoa: Cơ Khí Ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

1 Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Vùng làm việc của robot 6 bậc

Các kích thước thông số của robot

Các vật liệu: nhôm nguyên khối, nhựa, nhôm định hình

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Thiết kế cơ khí

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển robot

Chương 4: Kết luận

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

Bản vẽ tổng thể robot (1A0)

Bản vẽ sơ đồ động (1A0)

Bản vẽ sơ đồ mạch điện (1A0)

Bản vẽ lưu đồ thuật toán (1A0)

Bản vẽ các cụm chi tiết (1A0)

6 Họ tên người hướng dẫn: TS Lê Hoài Nam

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …/…/2019

8 Ngày hoàn thành đồ án: …/…/2019

Đà nẵng, ngày 16 tháng 12 năm 2019

TS Lê Hoài Nam

DUT.LRCC

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta

đã và đang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện

tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc

độ nhanh, tính tự động hóa cao, là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả

Có thể nói rằng robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, một cách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn Những hãng robot từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật Bản, Nga, Hoa Kỳ ngày một khẳng định sự hiện diện của robot là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phía trước

Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày một đa dạng Với xu thế phát triển của thời đại cũng những kiến thức quý báu được thầy cô truyền đạt qua 5 năm học tại trường Nhóm tác giả quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do”

Sau một thời gian học tập và rèn luyện, với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy

giáo TS Lê Hoài Nam, cùng sự trợ giúp của các quý thầy cô bộ môn và các tài liệu có

liên quan, mà em có thể hoàn thành xong đề tài

Đề tài đã hoàn thành xong, nhưng không thể tránh nhiều thiếu sót mong quý thầy cô giáo thông cảm và chỉ bảo thêm để đề tài có thể phát triển và ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các quý thầy cô!

DUT.LRCC

Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt các quy định về liêm chính học thuật: Không bịa đặt, đưa ra thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn

Không ngụy tạo số liệu trong quá trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập hoặc hoạt động học thuật khác

Không sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt động học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình

Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của người khác như thể là của mình, trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác mà không trích dẫn Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà không có trình dẫn hoặc phân mảnh thông tin về kết quả nghiên cứu của mình để công bố trên nhiều ấn phẩm

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đình Danh Trần Văn Đổ

DUT.LRCC

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Giới thiệu về cánh tay robot 2

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 2

1.1.2 Xu hướng phát triển 2

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 3

1.2 Ứng dụng của cánh tay robot 3

1.2.1 Ứng dụng trong nông nghiệp 3

1.2.2 Ứng dụng robot trong y tế 4

1.2.3 Ứng dụng robot trong công nghiêp 4

1.3 Mục tiêu của đề tài 5

1.3.1 Đặt vấn đề 5

1.3.2 Cấu trúc của dự án: 5

Chương 2: THIẾT KÊ CƠ KHÍ 7

2.1 Lựa chọn phương án 7

2.1.1 Yêu cầu công nghệ 7

2.1.2 Sức nâng tay máy 7

2.1.3 Số bậc tự do của phần công tác ( DOF: Degrees Of Freedom) 7

DUT.LRCC

2.2 Hệ thống dẫn động và sức bền kết cấu 9

2.2.1 Mô hình dẫn động và tỷ số truyền 9

2.2.2 Nguyên tắc chung tính chọn hệ dẫn động 11

2.2.3 Tính toán phương trình động lực học 11

2.2.4 Phân tích lực do trọng trường tác dụng lên trục 16

2.2.5 Chọn động cơ 18

2.3 Chế tạo mô hình 20

2.3.1 Tấm đế 20

2.3.2 Khâu 1 21

2.3.3 Khâu 2 21

2.3.4 Khâu 3 và khâu 4 22

2.3.5 Khâu 5 và khâu 6 23

2.3.6 Mô hình thiết kế tổng thể 23

2.4 Chọn tay kẹp 24

2.4.1 Giới thiệu về tay gắp mềm(soft grippers) 24

2.4.2 Thiết kế 25

2.4.3 Các bước chế tạo tay gắp mềm 26

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT 28

3.1 Các thành phần trong hệ thống 28

3.1.1 Bộ điều khiển 28

3.1.2 Driver điều khiển động cơ 30

3.1.3 Động cơ bước 38

3.2 Tính toán thuật toán điều khiển 39

3.2.1 Động học thuận robot 39

3.2.2 Động học ngược robot 42

Chương 4: KẾT LUẬN 46

4.1 Kết quả 46

DUT.LRCC

4.2.1 Phần cơ khí 47

4.2.2 Phần điện tử 47

4.2.3 Phần điều khiển 47

4.3 Kết luận 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH ARDUINO 49

PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH PYTHON 55

DUT.LRCC

Hình 1.1: Robot thu hoạch tự động 3

Hình 1.2: Cánh tay robot hỗ trợ trong y tế 4

Hình 1.3: Các cánh tay robot trong lắp ráp sản xuất ô tô 5

Hình 1.4: Các thành phần của hệ thống 5

Hình 2.1: Vùng làm việc của robot 9

Hình 2.2: Bộ truyền đai khâu 1 10

Hình 2.3: Bộ truyện xích khâu 3 10

Hình 2.4: Bộ truyền đai khâu 4 11

Hình 2.5 : Hình biểu diễn tính động học 12

Hình 2.6: Sơ đồ lực đặt vào đầu ra trục khớp 2 ở trạng thái giữ 17

Hình 2.7: Động cơ bước khâu 2 18

Hình 2.8: Động cơ bước khâu 1 19

Hình 2.9: Động cơ bước khâu 3 19

Hình 2.10: Động cơ bước khâu 4 19

Hình 2.11: Động cơ bước khâu 5 20

Hình 2.12: Động cơ bước khâu 6 20

Hình 2.13: Tấm đế 21

Hình 2.14: Khâu 1 21

Hình 2.15: Khâu 2 22

Hình 2.16: Khâu 3 & 4 22

Hình 2.17: Khâu 5 & 6 23

Hình 2.18: Mô hình hoàn chỉnh 23

Hình 2.19: Tay gắp mềm gắp đồ ăn của hãng Soft Robotics 24

Hình 2.20: Tay gắp mềm 25

Hình 2.21: Khuôn dưới ngón tay mềm 26

Hình 2.22: Khuôn trên tay gắp 26

Hình 2.23: Tay gắp mềm sau khí chế tạo 27

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý điều khiển 28

DUT.LRCC

Hình 3.3: Driver điều khiển động cơ 30

Hình 3.4: Các cổng kết nối của driver 31

Hình 3.5: Các kiểu kết nối trên Driver 33

Hình 3.6: Các công tắc cài đặt thông số cho Driver 33

Hình 3.7: Biểu đồ trình tự xung điều khiển 35

Hình 3.8: Các công tắc cài đặt thông số cho DM320T 36

Hình 3.9: Biểu đồ điều khiển Driver DM320T 38

Hình 3.10: Động cơ bước 38

Hình 3.11: Hệ tọa độ trên mô hình 39

Hình 3.12: Hình chiếu tính góc khớp 1 42

Hình 3.13: Hình chiếu tính góc thứ 3 43

Hình 3.14: Hình chiếu tính góc 2 44

Hình 4.1: Robot 6 bậc tự do 46

Bảng 2.1: Bảng thông số khâu 1,2 12

Bảng 2.2: Khối lượng sơ bộ các khâu 16

Bảng 3.1: Thống số kĩ thuật cơ bản của board Arduino Mega2560 29

Bảng 3.2: Bảng thông số kĩ thuật của Driver DM542T 31

Bảng 3.3: Cổng kêt nối tín hiệu 32

Bảng 3.4: Cổng kết nối nguồn và động cơ 32

Bảng 3.5: Bảng thiết lập thông số các công tắc 5,6,7,8 34

Bảng 3.6: Bảng thiết lập thông số ở các công tắc 1,2,3 35

Bảng 3.7: Bảng thông số kĩ thuật của Driver DM320T 36

Bảng 3.8: Bảng thiết lập thông số các công tắc 5,6,7 37

Bảng 3.9: Bảng thiết lập thông số ở các công tắc 1,2,3 37

Bảng 3.10: Bảng thông số D-H 40

Bảng 4.1:Bảng thông số cơ bản mô hình 46

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật tự động là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh mẽ robotics, là một trong những chuyên ngành kỹ thuật điều khiển tự động, đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đã thu hút được nhiều sự chú ý ở nước ta Để xây dựng nền sản xuất hiện đại, chúng ta cần nhanh chóng ứng dụng và phát triển tự động hóa, nổi bật là các sản phẩm Cơ điện tử như robot Vì thế đề tài nghiên cứu này xoay quanh vấn đề tìm hiểu tính toán và thiết kế cánh tay robot công nghiệp 6 bậc tự do nhằm mục đính nghiên cứu tiếp cận nghành công nghiệp mới này

Mục tiêu được đặt ra là thiết kế và xây dựng thành công mô hình cánh tay máy 6 bậc tự do hoạt động hiệu quả

Đối tượng được nghiên cứu chính ở đây là cánh tay máy AR2 với 6 khớp quay linh hoạt, bên cạnh đó mô hình robot 6 bậc KUKA KR60 của hãng KUKA cũng được tìm hiểu để nghiên cứu

Đồ án nghiên cứu gồm:

 Trình bày giới thiệu chung về cánh tay robot

 Phương pháp thiết kế cơ khí, điện tử

 Tính toán động học, động lực học

 Xây dựng mô hình cánh tay robot DUT.LRCC

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu về cánh tay robot

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’s Universal Robot” của Karel Capek Theo tiếng Czech thì robot là người làm tạp dịch Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển

từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ

Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo robot công nghiệp đầu tiên tại công ty Unimation

Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot Công Nghiệp: Anh – (1967), Thụy Điển – (1968), CHLB Đức – (1971), Pháp – (1972), Ý – (1973),…

Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF (American Machine and Foundry Company) của Mỹ Đến năm 1990 có hơn 40 công ty của Nhật, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã đưa

ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng

1.1.2 Xu hướng phát triển

Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại Do nhu cầu cần sử dụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh họat và thông minh hơn

Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay máy robot (Robot Manipulators), robot di động (Mobile Robots), robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots) và robot cá nhân (Personal Robots) Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles)

DUT.LRCC

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

Một robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:

- Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá bàn tay (End Effecr) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

- Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

- Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

- Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát vá điều khiển hoạt động của robot

1.2 Ứng dụng của cánh tay robot

1.2.1 Ứng dụng trong nông nghiệp

Tay máy công nghiệp được chế tạo, sử dụng từ những năm 1960 Đưa robot vào cánh đồng hoặc nhà kính có thể giúp giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến nông nghiệp Máy

có thể hoạt động liên tục, kể cả vào ban đêm với đủ ánh sáng Chúng có thể được điều chỉnh để chịu được nhiệt độ và độ ẩm mà không bị quá tải nhiệt Nhờ vậy, người nông dân có thể thu hoạch ớt, cà chua, … với chất lượng cao nhất

Hình 1.1: Robot thu hoạch tự động

DUT.LRCC

Từ năm 1990, ứng dụng của robot công nghiệp đã lan sang các lĩnh vực sản xuất ngoài ngành chế tạo máy như ứng dụng trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm Lúc này, độ linh hoạt của robot được nâng cao để đáp ứng sự thay đổi của môi trường sản xuất có nhiều bất định

1.2.2 Ứng dụng Robot trong y tế

Robot y tế có thể phân loại theo cấu trúc cơ khí, mức độ tự động, chức năng xử lý và môi trường hoạt động Các robot mổ hiện nay đã đạt được độ chính xác cỡ milimet Các nghiên cứu phát triển về robot y tế hiện nay nhằm bảo đảm độ an toàn cho bệnh nhân,

có độ chính xác cao với giá thành cạnh tranh Các vấn đề về tương tác người-máy, xử

lý ảnh động 3D y tế với độ phân giải cao, điều chỉnh lực và giao tiếp ngôn ngữ tự nhiên

là một số vấn đề robot y tế rất cần các nghiên cứu sâu

Hình 1.2: Cánh tay robot hỗ trợ trong y tế

Robot y tế được sử dụng ngày càng nhiều ở các bệnh viện Tuy nhiên còn nhiều rào cản xã hội và giải pháp kỹ thụât chưa hoàn hảo cản trở việc ứng dụng đại trà robot trong lĩnh vực y tế

1.2.3 Ứng dụng robot trong công nghiêp

Các cánh tay robot ngày càng được chú trọng đầu tư nghiên cứu và phát triển với tính ứng dụng ngày một cao hơn đặc biệt là trong công nghiệp tự động hóa ngày nay Bạn có thể dễ dàng bắt gặp các thiết bị này trong những môi trường sản xuất hiện đại, chúng đảm nhận nhiều nhiệm vụ khác nhau như: phân loại kích cỡ sản phẩm, gắp vật trên các băng tải bỏ vào khay đựng hay các công việc đòi hỏi sự chuẩn xác cao như hàn, sơn,

DUT.LRCC

Hình 1.3: Các cánh tay robot trong lắp ráp sản xuất ô tô

Với các nhiệm vụ nguy hiểm, và môi trường làm việc độc hại, rủi ro như khói bụi,

nhiệt, phóng xạ… Robot là sự thay thế hoàn hảo cho con người Rõ ràng, nhờ chúng,

chúng ta giảm thiểu được số vụ tai nạn lao động đáng kể

1.3 Mục tiêu của đề tài

1.3.1 Đặt vấn đề

Với những nhu cầu trong ngành công nghiệp hiện nay, nhóm đã thực hiện lựa chọn

đề tài thiêt kế chế tạo robot 6 bậc tự do cho đồ án tốt nghiệp năm nay, với mục đích xây

dựng thành công mô hình hoàn chỉnh, phục vụ cho nhu cầu nghiện cứu về lĩnh vực đang

rât nổi trội trong thời gian gần đây

Ở quy mô đồ án tốt nghiệp này, nhóm đã thiết kế một robot 6 bậc tự do kết hợp với

việc sử dụng tay gắp mềm để gắp các vật mà không gây hư tổn, hay gắp đồ ăn để phục

vụ đa dạng hơn trong việc sử dụng nâng gắp vật

Khâu chấp hành cuối

DUT.LRCC

Máy tính là công cụ điều khiển cũng như giao tiếp với các khối điều khiển để nhận

Chương 2: THIẾT KÊ CƠ KHÍ

2.1 Lựa chọn phương án

2.1.1 Yêu cầu công nghệ

Robot cần thiết kế là robot dùng trong lắp ráp các chi tiết cơ khí tương đối nhẹ, có thể đặt trong những môi trường khắc nghiệt khác nhau với các công việc khác nhau, các yêu cầu kỹ thuật cụ thể như sau:

2.1.2 Sức nâng tay máy

Đó là khối lượng lớn nhất của vật thể mà robot có thể nâng được (không kể khối lượng của các cơ cấu trong tay máy) trong điều kiện nhất định, ví dụ khi tốc độ dịch chuyển cao nhất hoặc khi tay với dài nhất Nếu robot có nhiều tay thì đó là tổng sức nâng của các cánh tay Thông số này quan trọng với các robot vận chuyển, xếp dỡ, lắp ráp,… Dải sức nâng của tay máy thay đổi rất rộng từ 0.1 đến hàng nghìn kilogram Các robot có sức nâng lớn thường dùng hệ truyền động thủy lực và điện, trong đó tỉ lệ dùng động cơ điện ngày càng tăng Truyền động khí nén cho đến nay vẫn dùng nhiều trong robot công nghiệp nhưng chủ yếu với các robot có sức nâng dưới 40kg

Với những yêu cầu đó, ta chọn sức nâng tay máy là 1kg

2.1.3 Số bậc tự do của phần công tác ( DOF: Degrees Of Freedom)

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 không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do

Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động Đối với cơ cấu hở, số bậctự

do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều, robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn Các robot hàn, sơn thường yêu cầu 6 bậc tự do Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6

Robot phải có xoay tay để xoay các đối tượng theo yêu cầu đặt ra Vì vật khớp phải

có là khớp xoay tay Khớp này được thiết kế là khớp quay

DUT.LRCC

Robot cần tiếp cận đối tượng nên cần 2 khớp loại 5 là khớp vai và khớp khuỷu tay Đồng thời để tránh chướng ngại, hoạt động linh hoạt, robot cần thêm khớp cổ tay bố trí sao cho khớp cổ tay song song với hai khớp vai và khuỷu tay

Vùng làm việc chỉ là một mặt phẳng, nên muốn tăng vùng làm việc robot, ta thiết kế một bậc tự do xoay quanh trục với trục vuông góc với mặt phẳng nằm ngang để biến vùng làm việc từ một mặt phẳng thành một phần của hình cầu Theo phân tích, ta dùng khớp loại 5

Vậy tổng số bậc tự do thiết kế là 6 Các khớp quay đó bao gồm:

và khả năng bám quỹ đạo của nó

Đối với thiết bị điều khiển số, độ chính xác định vị liên quan đến 2 thông số là độ phân giải điều khiển (control resolution) và độ lặp lại (respeatability)

Tùy theo yêu cầu công nghệ, người ta dùng các robot có độ chính xác định vị trong khoảng (0.05-5) mm Với khả năng của máy tính và các thiết bị điều khiển hiện nay thì việc giảm sai số định vị xuống 0.05 mm không gây vấn đề về kinh tế và kỹ thuật

Ở đây độ chính xác định vị cần thiết là 0.5 mm

2.1.5 Tốc độ dịch chuyển

Về năng suất, người ta mong muốn tốc độ dịch chuyển của phần công tác hoặc từng khâu càng cao càng tốt Tuy nhiên, xét về mặt cơ học, tốc độ cao sẽ gây dẫn đến các vấn

đề như giảm tính ổn định, lực quán tính lớn, sự hao mòn nhanh của các cơ cấu,…

Về điều khiển, với độ phân giải nhất định của bộ điều khiển, muốn tăng tốc độ dịch chuyển có thể làm giảm độ chính xác định vị Vì vậy, vấn đề chọn tốc độ dịch chuyển hợp lý luôn phải được đặt ra khi thiết kế cũng như lựa chọn robot

Vì vậy chọn vận tốc các khớp của robot tối đa 10 vòng/phút

DUT.LRCC

2.1.6 Xác định vùng làm việc của robot và phương án thiết kế về mặt động học

Hình dáng và thể tích vùng làm việc của robot là thông tin quan trọng khi lựa chọn ứng dụng vào các mục đích cụ thể Vì vậy để đáp ứng được yêu cầu làm việc trong một không gian làm việc mong muốn và nhu cầu về độ linh hoạt trong vùng làm việc đó ta đưa ra mô hình thiết kế robot 6 như hình vẽ và nó có vùng hoạt động như hình vẽ ( vùng giới hạn bao bởi nét đứt) Kết quả của bài toán này có thể ứng dụng vào quá trình thiết

kế robot nói chung

Hình 2.1: Vùng làm việc của robot

Thông qua các yêu cầu về vùng làm việc ta đưa ra phương án thiết kế động học, ta sẽ nói ở phần sau

Thiết kế các trục của các khâu khác nhau, tùy thuộc vào chức năng làm việc, đảm bảo

đủ độ cứng và khả năng làm việc lâu dài

Các bộ truyền không nhất thiết phải sử dụng các bộ truyền để giảm tốc vì đã có hộp giảm tốc riêng cho mỗi động cơ Các bộ truyền được chọn phải phù hợp với từng cơ cấu

- Khớp quay thứ nhất được dẫn động qua bộ truyền đai răng với tỉ số truyền 1:4

DUT.LRCC

Hình 2.2: Bộ truyền đai khâu 1

- Khớp quay thứ hai được dẫn động với tỉ số truyền 1:1

- Khớp quay thứ ba được dẫn động qua bộ truyền xích với tỉ số truyền 1:1

Hình 2.3: Bộ truyện xích khâu 3

- Khớp quay thứ tư được dẫn động qua bộ truyền đai răng với tỉ số truyền 1:3 và hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1:14

DUT.LRCC

Hình 2.4: Bộ truyền đai khâu 4

2.2.2 Nguyên tắc chung tính chọn hệ dẫn động

Thiết kế chi tiết từng khâu, khớp từ khớp trên cùng xuống khớp thấp nhất

Thiết kế chi tiết hệ dẫn động và kết cấu cho từng khâu, khớp theo các bước sau:

- Chọn vị trí nguy hiểm nhất, lực ma sát trên ổ trục sinh ra lớn nhất và momen sinh

ra do trọng lượng của khâu tiếp theo là lớn nhất Thông thường là vị trí cánh tay nằm ngang

- Vẽ sơ đồ phân bố lực và tính được momen sinh ra trên trục

- Chọn động cơ bước theo momen làm việc, tốc độ, độ phân giải, kích thước cánh tay…

- Phân phối lại tỉ số truyền nếu cần

- Thiết kế chi tiết trên phần mềm SolidWork, gán vật liệu tính khối lượng của khâu chứa trục khớp

2.2.3 Tính toán phương trình động lực học

Xét các khâu của robot ta thấy chỉ có khâu 2 và khâu 3 robot quay vuông góc với trục động cơ nên có cánh tay đòn lớn nhất và động lực học của 2 khâu nay là quan trọng nhất, chúng chịu lực nhiều nhất Khi đó, ta quy robot thành 2 khâu với khâu 1 chính là khâu thứ 2 của robot với độ dài khâu l1, khâu thứ 2 là sự tổng hợp của khâu 3, 4, 5, 6 với độ dài khâu là l2 Ta gắn hệ tọa độ như hình vẽ:

DUT.LRCC

]

DUT.LRCC

DUT.LRCC

Khâu 1: C1 = D111𝜃′12 + D112𝜃′1𝜃′2 + D121𝜃′1𝜃′2 + D122𝜃′22 = −1

2m2S2l12𝜃′22 – m2S2l12𝜃′1𝜃′2

-m2(-g, 0, 0, 0)[

−𝑆12 −𝐶12 0 −(𝑙1𝑆1 + 𝑙2𝑆12)𝐶12 −𝑆12 0 𝑙1𝐶1 + 𝑙2𝐶12

3m2l22 + 1

3m2l22 ] (

𝜃1𝜃2̈

DUT.LRCC

2.2.4 Phân tích lực do trọng trường tác dụng lên trục

Sau khi ta tính toán chọn cơ cấu phù hợp cho các trục khớp 3, 4, 5 và 6 ta thiết kế chi tiết các khâu này trên phần mềm SolidWork Gán vật liệu cho từng chi tiết sau đó tính toán được khối lượng các chi tiết theo bảng sau:

Bảng 2.2: Khối lượng sơ bộ các khâu

11 Trục 4, đai, giá đỡ động cơ 4 Nhôm, Thép 283

- Khối lượng khâu 2: m2 = 4829 g

- Khối lượng khâu 4: m3 = 1614 g

- Khối lượng khâu 5: m4 = 542 g

- Khối lượng khâu 6, tay kẹp và vật kẹp: m5 = 280 g

Chọn vị trí nguy hiểm nhất chính là khi các khâu 2, 3, 4, 5, 6 duỗi thẳng ở vị trí nằm ngang, lúc này momen tĩnh do trọng trường gây ra là lớn nhất:

Hình 2.6: Sơ đồ lực đặt vào đầu ra trục khớp 2 ở trạng thái giữ

2.2.5 Chọn động cơ

Tính mô men tĩnh tác dụng lên trục 2:

- Tổng mô men tĩnh do trọng lực gây ra trên trục O2:

 Mt2 = P2.0,152 + P4.0,416 + P5.0,546 + P6.0,596 + Pv.0,635 = 18,32 Nm Ngoài ra khi làm việc từ trạng thái ban đầu là đứng yên, lực quán tính sinh ra kết hợp với tải trọng tĩnh sẽ gây ra lực cản lớn nhất đặt lên trục khớp 2 Ở đây ta bỏ qua ma sát

ổ trục do sử dụng ổ bi có hiệu suất truyền động cao (hệ số ma sát thấp 0,0015 – 0.006) Tính mô men cản do quán tính của các bộ phận chuyển động:

- Để đơn giản trong việc tính toán ta xem các khâu là các thanh thẳng và vật nâng

là chất điểm trong quá trình tính mô men quán tính

- Mô men quán tính khâu 2 đối với trục O2: I2 = 4,83 0,3052/3 = 0,15 Nm2

 I4 = 1,61 0,2082/12 + 1,61.0,4162= 0,2844 Nm2.( định lí dời trục Huygens)

- Mô men cản trên trục 2: Mc2= Mt2 + Mqt2 = 18,32 + 0,12 ≈ 18440 Nmm

- Suy ra mô men yêu cầu trên trục động cơ:

 Mdcyc = 18440 Nmm

Ta chọn động cơ Step nema 23HS22-2804S-HG50 có các thông số kỹ thuật như sau:

- Động cơ bước khâu 2 : Nema 23 Stepper

Motor L=56mm Gear Ratio 50:1

- Mã : 23HS22-2804S-HG50

- Thông số kĩ thuật:

 Tỷ lệ bánh răng: 50: 1

 Dòng điện định mức / pha: 2.8A

 Mô-men xoắn cho phép: 40Nm

DUT.LRCC

Với tính toán tương tự ta cũng tính chọn được các động cơ khâu tiếp theo và chọn được động cơ bước phù hợp với yêu cấu như sau:

- Động cơ bước khâu 1 : Động cơ Nema 17

Stepper Motor L=39mm Gear Ratio 20:1

- Mã : 17HS15-1684S-HG20

- Thông số kĩ thuật:

 Tỷ lệ bánh răng: 20: 1

 Dòng điện định mức / pha: 1.68A

 Mô-men xoắn cho phép: 15Nm

- Động cơ bước khâu 3 : Nema 17 Stepper

Motor L=39mm Gear Ratio 50:1

- Mã : 17HS15-1684S-HG50

- Thông số kĩ thuật:

 Tỷ lệ bánh răng: 50: 1

 Dòng điện định mức / pha: 1.68A

 Mô-men xoắn cho phép: 15Nm

- Động cơ bước khâu 4 : Nema 11

Stepper Motor Bipolar L=51mm w/

Gear Ratio 14:1

- Mã : 11HS20-0674S-PG14

- Thông số kĩ thuật:

 Tỷ lệ bánh răng: 14: 1

 Dòng điện định mức / pha: 0.67A

 Mô-men xoắn cho phép: 3Nm

Hình 2.9: Động cơ bước khâu 3

Hình 2.10: Động cơ bước khâu 4 Hình 2.8: Động cơ bước khâu 1

DUT.LRCC

- Động cơ bước khâu 5 : Nema 17

External 48mm Stack 1.68A Lead

8mm/0.31496" Length 200mm

- Mã : 17LS19-1684E-200G

- Thông số kĩ thuật:

 Điện áp: 2.8V

 Dòng điện định mức / pha: 1.68A

 Mô-men xoắn cho phép: 44 Ncm

- Động cơ bước khâu 6 : Nema 14

Stepper Motor Bipolar L=33mm w/

Ngoài ra phần đế được mang bộ truyền đai thang và trụ có ổ bi đũa để truyền momen cho khâu 1 chuyển động Được thế kế chắc chắn, làm trọng tâm cho robot chuyển động đồng thời đảm bảo dễ dàng tháo lắm di chuyển

Hình 2.11: Động cơ bước khâu 5

Hình 2.12: Động cơ bước khâu 6

DUT.LRCC

Hình 2.15: Khâu 2

2.3.4 Khâu 3 và khâu 4

Khâu 3 gắn với khâu 4 giúp tạo tầm với cho robot tạo 2 chuyển động quay theo 2 mặt phẳng vông góc với nhau góp phần tạo chuyển động đã dạng cho mô hình DUT.LRCC