Báo cáo môn học kỹ thuật robot (robot caro)

Tay máy Robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước, ngày nay taymáy Robot đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, từ những ưu điểm mà tay máy Robot hoạtđộng trong quá trình sản xuất, l

MỤC LỤC

Lời nói đầu 2

I Tổng quan 3

1 Lịch sử phát triển robot 3

2 Phân loại robot 4

3 Ứng dụng robot công nghiệp 4

4 Ưu điểm và nhược điểm 6

5 Cuộc thi “ Robot chơi CARO” 7

II Cơ sở thiết kế hệ thống cơ khí 8

1 Số bậc tự do robot: 8

2 So sánh các cơ cấu cánh tay robot hiện tại: 9

III Bài toán động học 11

1 Mô hình động học 11

2 Bài toán động học nghịch 11

3 Không gian làm việc của robot 13

4 Bài toán động học nghịch 14

5 Xác định góc Ɵ cho các vị trí bàn cờ 15

IV Điều khiển quỹ đạo di chuyển 17

1 Mạch điện 17

2 Mạch điều khiển 17

3 Code 19

V Thực nghiệm và kết quả 26

VI Kết luận 26

1 Về lý thuyết 26

2 Về thực nghiệm 27

3 Ưu điểm, nhược điểm 27

4 Hướng phát triển 27

Lời nói đầu

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa

có vai trò đặc biệt quan trọng

Nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khảnăng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao năng suất laođộng…vấn đề được đặt ra là hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao Robot côngnghiệp, đặc biệt là những tay máy robot là bô phận quan trọng để tạo ra những hệ thốngđó

Tay máy Robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước, ngày nay taymáy Robot đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, từ những ưu điểm mà tay máy Robot hoạtđộng trong quá trình sản xuất, làm việc, chúng ta có thể đúc rút ra những tính năng màcon người không thể có được : khả năng làm việc ổn định, có thể làm việc trong môitrường độc hại… Do đó việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo ra những tay máy Robot phục vụcho tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiện tại và tương lai

Môn học giúp đỡ chúng em bước đầu làm quen, tìm hiểu, học cách giải quyết bàitoán động học thuận và động học nghịch hay những bài toán tĩnh học, động lực học… đốivới những mô hình tay máy Robot công nghiệp cơ bản, giúp chung em mở rộng và củng

cố kiến thức phục vụ cho hoạt động học tập, nghiên cứu cũng như công việc sau này

Trong quá trình học còn nhiều điều chưa hiểu cặn kẽ cũng như những thiếuxót , mong thầy giúp đỡ chỉ bảo thêm

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn và chúc thầy nhiều sức khỏe, gia đình hạnhphúc!

I Tổng quan

1 Lịch sử phát triển robot.

- Vào năm 1921 Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech)

“Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong một vở kịch

- Năm 1950 ở Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên

- Đầu năm 1960 công ty AMF cho ra đời sản phẩm đầu tiên có tên gọi

là Versatran

- Từ năm 1967, ở Anh, người ta đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR

- Từ năm 1968, ở Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu những ứng dụng của IR,năm 1970, Robot đã được chú ý nhiều hơn và bắt đầu xuất hiện ở các nướcĐức, Ý, Pháp

- Nhất là vào những năm 1990 số lượng Robot công nghiệp đã gia tăng vớinhiều tính năng vượt bậc Chính vì vậy mà robot công nghiệp có vị trí quantrọng trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại như ngày nay

- Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR Trong đó

Mỹ và Nhật chiếm đa số

Hình 1.1:Sơ đồ phát triển robot công nghiệp theo thời gian

2 Phân loại robot

- Phân loại theo kết cấu

 Robot chuỗi: Là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế

và các khâu động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau.Mỗi khâu động được liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ cáckhớp liên kết

 Robot song song: Là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luônđược liên kết với ít nhất hai khâu khác

 Robot có khớp nối: Là robot có những khớp quay Robot có khớp có thể

có hai kết cấu nối với nhau rất đơn giản đến những hệ thống có tới hơn

10 kết cấu tương tác với nhau Chúng có thể dùng để nhấc các chi tiết

nhỏ với độ chính xác cực cao.

- Phân loại theo phương pháp điều khiển:

 Điều khiển hở: Dùng truyền động bước mà quãng đường hoặc góc dịch

chuyển tỷ lệ với xung điều khiển Kiểu này đơn giản nhưng cho độ chính

xác thấp.

 Điều khiển kín: Điều khiển kiểu servo, sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để

tăng độ chính xác điều khiển

- Phân loại theo ứng dụng

 Dựa vào những ứng dụng của robot trong sản xuất ta có những loại robotsau: robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi

3 Ứng dụng robot công nghiệp

- Trong Cách mạng công nghiệp 4.0 việc ứng dụng tự động hóa, trí tuệ nhântạo vào sản xuất, kinh doanh là một xu hướng tất yếu nhằm tạo ra năng suấtlao động cao Trên thế giới đã có nhiều nhà máy sử dụng toàn bộ hệ thốngdây chuyền sản xuất tự động hóa, đưa rô-bốt vào thay thế sức lao động củacon người, tạo ra các sản phẩm tốt, độ chính xác cao

- Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong cácquá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây

chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khảnăng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nênrobot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơnvới những cấu trúc đơn giản và linh hoạt.

- Có thể kể đến một số ứng dụng điển hình của robot trên thế giới như:

 Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB 660Flex Palletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker Các robot này

có thể gắp lần lượt các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và đặt nó vàothùng gồm 20 hộp một cách chính xác

 Robot sơn và phun sơn: Được ứng dụng khá nhiều trong sơn gỗ, sơn thép

 Robot dùng trong công nghệ ép phun nhựa: IRB 6650 của hãng ABB cóthể thao tác nhanh, dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở vị trí táchkhuôn, giám sát, làm sạch, điều khiển chất lượng dựa trên camera

 Robot gắp hàng, Robot bốc xếp hàng hóa hay Robot bốc dỡ hàng hóa:Đây là thiết bị Robot đa dạng nhất với điều khiển tự động

 Robot vận chuyển và đóng gói sản phẩm: Robot đóng gói và vận chuyểntrong phạm vi rộng các sản phẩm khác nhau: giường đóng gói phẳng vàngăn kéo

 Robot hàn công nghiệp hay robot hàn tự động: phục vụ cho ngành ô tô

xe máy, với tỷ lệ hơn 70% số robot đang hoạt động, phải kể đến là robothàn tự động Panasonic

 Ngoài ra, robot còn có nhiều lĩnh vực được nghiên cứu như robot dịch

vụ, robot dùng trong lĩnh vực quân sự, robot di động đồng thời kết hợpvới nhận dạng và điều khiển trên cơ sở xử lý những thông tin hình ảnh,đặc biệt là kết hợp với xử lý ngôn ngữ

4 Ưu điểm và nhược điểm

- Những ưu điểm chính của tự động hóa là:

 Tăng năng suất: Hệ thống tự động hóa có thể cho phép một nhà máyhọat động 24/7 trong một tuần, một tháng và thậm chí là cả năm Nhờvậy, năng suất sản xuất sẽ được cải thiện và nâng cao đáng kể.

 Tăng mức độ an toàn: hệ thống tự động hóa có thể thay thế con ngườitrong những môi trường nguy hiểm như ở dưới nước, khu vực có lửa, cơ

sở hạt nhân hay ngoài vũ trụ

 Cải thiện chất lượng sản phẩm: tự động hóa có khả năng giảm các saisót mà con người có thể gặp phải Hơn nữa, các sản phẩm được tạo nênbởi hệ thống tự động hóa sẽ có chất lượng đồng đều hơn

 Giảm chi phí vận hành: tự động hóa công nghiệp giúp giảm thiểu sốnhân công cần thiết để vận hành máy móc dẫn đến việc giảm được cácchi phí liên quan đến con người như tiền lương, tiền bảo hiểm y tế, tiềnlương nghỉ lễ, nghỉ ốm, tiền làm thêm giờ hay lương hưu

 Tăng tính linh hoạt: khi thêm một bước mới vào quy trình sản xuất, cácnhà quản lý sẽ thường phải hướng dẫn, đào tạo người lao động về bướcmới đó Tuy nhiên, robot và các hệ thống máy tính hoàn toàn có thểđược lập trình để thực hiện các thao tác mới mà không cần qua đào tạohay hướng dẫn, nhờ đó giúp quy trình sản xuất trở nên linh hoạt hơn

- Tuy nhiên, tự động hóa trong công nghiệp cũng có các hạn chế như:

 Các mối đe dọa an ninh: hệ thống tự động điều khiển bằng máy tính hayrobot hoàn toàn có nguy cơ bị hack Khi hệ thống tự động hóa bị tấncông hay xâm nhập, sản xuất của một nhà máy sẽ bị đình trệ và gây ranhững thiệt hại nghiêm trọng

 Chi phí đầu vào cao: việc chuyển từ sử dụng nhân công con người sangdây truyền sản xuất tự động đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu rất cao.Ngoài ra, cũng cần có chi phí cho việc đào tạo nhân công vận hành cácloại thiết bị, máy móc hiện đại và phức tạp

5 Cuộc thi “ Robot chơi CARO”

- Giới thiệu cuộc thi:

 Nhằm tạo sân chơi lành mạnh, phát triển khả năng tư duy sáng tạo củasinh viên, đồng thời giúp các bạn ứng dụng được những kiến thức cơbản đã học vào thực tế Với mong muốn sinh viên được tiếp cận gầnhơn với những công nghệ tiên tiến, phát triển ngành công nghiệp robotcủa nước nhà trong tương lai Đoàn khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy đã đứng

ra tổ chức cuộc thi “Thiết kế môhình Robot chơi cờ caro”

 Chơi cờ Caro một trò chơi kháquen thuộc với mỗi chúng ta Vớilối chơi đơn giản nhưng yếu tố trítuệ lại rất cao nên cờ Caro đượcrất nhiều người yêu thích đặc biệt

là các bạn học sinh, sinh viên

Cùng với thiết kế, chế tạo và điềukhiển robot chơi cờ Caro khôngchỉ mang tính chất nghệ thuật, kỹ thuật mà là một cuộc đấu trí vô cùnggay cấn dựa trên nền tảng trí tuệ nhân tạo nhằm thể hiện khả năng thiết

kế robot và đẳng cấp bộ điều khiển được thiết kế của sinh viên Sư phạm

Kỹ thuật

 Qua cuộc thi này, sinh viên sẽ có thêm những kiến thức và kỹ năngmềm như: tư duy thiết kế, kỹ năng giải quyết vấn đề, kỹ năng quản lýthời gian, tư duy sáng tạo, làm việc nhóm, thuyết trình Việc này sẽ gópphần nâng cao khả năng nghiên cứu, phác thảo ý tưởng và trình bày các

dự án khoa học của các bạn trẻ

- Thể lệ cuộc thi

 Kích thước robot và bàn cờ:

Hình 1.2: Sơ đồ bàn cờ và vị trí đặt robot

- Cách thức điều khiển robot:

 Điều khiển cho robot di chuyển đầu bút từ vị trí ban đầu đến ô trên bàn

cờ Khi đầu bút chạm vào màn hình ở ô nào thì coi như là đánh vào ô đó.Ban tổ chức sẽ cho hiển thị ô đã đánh (vì đầu bút không tác động vàomàn hình cảm ứng được) Với cờ 3x3, nếu robot bên nào đánh được 3 ôliên tiếp theo đường thẳng hoặc chéo là thắng

II Cơ sở thiết kế hệ thống cơ khí

1 Số bậc tự do robot:

- Để đáp ứng yêu cầu của cuộc thi, robot phải di chuyển được đầu bút đếncác ô và chạm vào các ô trên bàn cờ

- Vậy số bậc tự do tối thiểu của robot là 3 bậc:

 TH1: Tịnh tiến trục x, tịnh tiến trục y, tịnh tiến trục z (DECAC)

 TH2: 3 trục quay (DENTA)

 TH3: 2 quay, 1 tịnh tiến trục z (SCARA)

2 So sánh các cơ cấu cánh tay robot hiện tại:

Ưu điểm Nhược điểm Hình minh họa

Cơ cấu

DENTA

Di chuyển nhanh, độ chính xác cao

Phức tạp,khó điềukhiển

Cơ cấu

DECAC

Đơn giản hóa việc điều khiển

Chiếmkhông gianlớn, kém linhhoạt

Cơ cấu

SCARA

Không gian nhỏ, dễ điều khiển, sử dụng phổ biết, di chuyển linh hoạt

Kém vững bền theo phương ngang

 Dựa vào yêu cầu kích thước bàn cờ, vị trí đặt robot, mục tiêu nhỏ gọn dễthiết kế và điều khiển và chi phí thấp Nên chọn cơ cấu cánh tay robotSCARA Sử dụng 3 động cơ step

- Chọn kích thước cho cơ cấu

U T

3 Không gian làm việc của robot

Hình 3.2: Không gian làm việc 2D

Hình 3.3: Không gian làm việc 3D

 Thông qua tính toán ta được:

- Điện áp đầu vào: AC 100V-240V 50-60Hz

- Điện áp ra: DC 12V Cường độ dòng điện: 10A

- Chiều dài: 48 (mm)

- Đường kính trục 5mm Đầu trục vát phẳng,giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng khi hoạtđộng

- Cường độ định mức 1.5A, mô men giữ 0.55 Nm, góc quay mỗi bước 1.8

Thông số kỹ thuật:

- Chip điều khiển chính: ATmega328P

- Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

- Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắctròn DC

- Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader

để điều khiển các bước

- Driver cung cấp năm độ phân giải bước

khác nhau: bước đủ, ½ bước, ¼ bước, 1/8bước và 1/16 bước Ngoài ra, nó có mộtbiến trở để điều chỉnh đầu ra hiện tại, tắtkhi nhiệt độ quá cao và bảo vệ dòng điện chéo

- Nguồn vào của nó là từ 3 đến 5,5 V và dòng điện tối đa trên mỗi pha là 2Anếu được làm mát bổ sung tốt hoặc dòng điện liên tục 1A mỗi pha màkhông cần tản nhiệt hoặc làm mát.

- Mạch Arduino CNC Shield V3 GRBL được sử dụng kết hợp với mạchArduino Uno và Driver động cơ bước (A4988, DRV8825, ) giúp bạn cóthể dễ dàng điều khiển động cơ bước, công tắc hành trình để setup hệ thốngđiều khiển trong các ứng dụng CNC cỡ nhỏ 1 cách dễ dàng, mạch tươngthích với phần mềm điều khiển GRBL và có cách sử dụng đơn giản, chấtlượng gia công tốt, độ bền cao

3 Code #Include <math.h>

// để xài các hàm toán học thì thêm vào thư viện math.h // quy ước dựa trên skematic của shield cnc v3

// step 1, dùng để xoay

Const int steppin1 = 2; // trục x quy ước là pin 1Const int dirpin1 = 5;

// step 2, dùng cho khâu 2

Const int steppin2 = 3; // trục y quy ước là pin 2Const int dirpin2 = 6;

// step 3, dùng để di chuyển trục z lên xuống

Const int steppin3 = 4; // truc z quy uoc là pin 3Const int dirpin3 = 7;

// khai báo biến

Const float pi=3.14;

Void setup() {

//khoi tao serial

1 và step 2

t2=(atan2(s2,c2)*180)/3.14;

t1=(atan2(s1,c1)*180)/3.14;

t2=t2-90;

if(pulse1<0) {state=0;}

if(pulse2>0) {state2=1;}

if(pulse2<0)

if(state==0) digitalwrite(dirpin1,low);

if(state2==1) digitalwrite(dirpin2,low);

if(state2==0) {digitalwrite(dirpin2,high);}

digitalwrite(dirpin3,high);

delaymicroseconds(1000);

} delay(400);

//step 1 -> xoay

for(int i = 0; i < pulse1; i++) { digitalwrite(steppin1,high); //6000 là ok nếu ko micro delaymicroseconds(1800);

digitalwrite(steppin1,low);

delaymicroseconds(1800);

} delay(400);

//step 3 tịnh tiến

for(int i = 0; i < pulse3; i++) { digitalwrite(steppin3,high); //6000 là ok nếu ko micro delaymicroseconds(120);

if(state==1) digitalwrite(dirpin1,high);

if(state==0) digitalwrite(dirpin1,low);

if(state2==1) digitalwrite(dirpin2,low);

if(state2==0) digitalwrite(dirpin2,high);

V Thực nghiệm và kết quả

Hình 5.1 Mô hình hoàn thiện

VI Kết luận

1 Về lý thuyết

- Về cơ bản, chúng em đã hoàn thành việc lựa chọn cấu hình robot, cơ cấutruyền động, cơ cấu tác động Thiết kế được robot trên phần mềmSOLIDWORK.

- Giải được bài toán động học thuận, động học nghịch của robot

- Viết được code điều khiển chuyển động robot, điều khiển thông qua máytính

2 Về thực nghiệm

- Hoàn thành việc gia công các chi tiết và lắp ráp hoàn thiện robot

- Điều khiển được robot di chuyển đúng quỹ đạo mong muốn

- Robot chưa có khả năng tự động chơi, mà phải thông qua việc giao tiếpvới máy tính

3 Ưu điểm, nhược điểm

Đề tài có tính mở, có thể tiếp tục nghiên cứu phát triển để áp dụng vào thực

tế, ứng dụng trong các môn khác khó hơn như cờ tướng, cờ vua,

Có thể thiết kế gọn và đẹp hơn nữa

Có thể trang bị thêm cho robot các cảm biến, hệ thống quan sát, để robotchạy tự động Tối ưu hóa code điều khiển hoặc bộ vi xử lí, để robot hoạt độngnhanh nhạy và linh hoạt hơn