Thiết kế và chế tạo robot scara phân loại pin

Robot công nghiệp có vị trí rất quan trọng trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, robot công nghiệp là một trong những ứng dụng tiên tiến của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điều khi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Nhu cầu và tính cấp thiết

Đồ án tốt nghiệp là một trong những học phần bắt buộc của sinh viên ngành Cơ điện tử nói riêng cũng như sinh viên khối ngành kĩ thuật nói chung Để thiết kế thành công một cơ cấu, một cụm chi tiết máy hay một máy hoàn chỉnh thì đòi hỏi sinh viên phải có hiểu biết và nắm chắc các kiến thức về lĩnh vực cơ khí cũng như điện tử Đây là điều kiện thuận lợi cho chúng em để được ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế Robot công nghiệp có vị trí rất quan trọng trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, robot công nghiệp là một trong những ứng dụng tiên tiến của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiển tự động vào trong sản xuất Trong sản xuất tự động, robot công nghiệp đáp ứng các công việc lặp đi lặp lại nhiều lần như: lắp ráp, đóng gói, vận chuyển sản phẩm…; các công việc có độ chính xác rất cao như: lắp ráp các chi tiết máy nhỏ, mạch điện tử; các công việc nguy hiểm như: các thao tác trong nhà máy điện nguyên tử, các lò luyện kim loại, những nơi có nhiệt độ áp suất cao, dễ xảy ra cháy nổ… Nó có vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra những sản phẩm công nghiệp có năng suất cao, chất lượng tốt đáp ứng nhu cầu xã hội

Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng Robot vào trong sản xuất như Mỹ, Nhật, Pháp… Còn ở Việt Nam tuy đã bắt tay vào nghiên cứu nhưng vẫn còn mới mẻ

Do đó đây là một mô hình thích hợp, cấp thiết để sinh viên thực nghiệm và nghiên cứu cho ra cái nhìn cụ thể về robot

2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Trong đề tài này nhóm chúng em thiết kế hệ thống băng tải sản phẩm và nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh để phân loại pin một cách tối ưu nhất

- Tính toán thiết kế băng tải

- Tình toán thiết kế cánh tay robot SCARA

- Xử lý ảnh

DUT.LRCC

3 Nội dung đề tài đã thực hiện:

- Một bản báo cáo thuyết minh

- Thiết kế băng tải

- Thiết kế cánh tay robot SCARA

- Phần mềm xử lý ảnh và ứng dụng của xử lí ảnh

 Đã lựa chọn và thiết kế phần:

- Lựa chọn và đưa ra các phương án tối ưu để thiết kế băng tải

- Lựa chọn và đưa ra các phương án tối ưu để thiết kế cánh tay robot

 Thiết kế mô hình tổng thể

DUT.LRCC

1 Tên đề tài đồ án: “Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin”

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:

……… ……… …… ………

DUT.LRCC

b Phần riêng:

Bản vẽ sơ đồ mạch điện - 1 A0

Bản vẽ tổng thể hệ thống - 1 A0 Bản vẽ chi tiết hệ thống - 1 A0 Bản vẽ sơ đồ động -1 A0

6 Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đắc Lực đã tận tình hướng dẫn,

chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài này

Xin chân thành cảm ơn các bạn trong tập thể lớp 14CDT2 đã tham gia đóng góp ý kiến trong suốt quá trình thực hiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài này

Mặc dù được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Đắc Lực, nhưng do công

nghệ còn hạn chế, kinh nghiệm thiết kế chưa trau dồi nhiều, tài liệu phục vụ cho công việc thiết kế còn quá ít nên cũng không tránh khỏi những sai sót Sau thời gian 3 tháng làm đề tài này bằng chính nổ lực của nhóm và được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Đắc Lực, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác trong khoa chúng em đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian quy định Một lần nữa cho phép chúng em gửi đến quý thầy cô cùng các bạn lòng biết ơn sâu sắc nhất

Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2019 Sinh viên thực hiện

Phạm Văn Thương Nguyễn Bá Hoành DUT.LRCC

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành điều khiển và tự động hóa trong thời đại công nghệ 4.0 ngày nay có nhiều đột phá và phát triển nhanh chóng Quá trình đó góp phần không nhỏ vào việc tăng năng xuất lao động, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm, và hơn nữa là cải thiện điều kiện làm việc của con người Ngày nay khái niệm “dây chuyền sản xuất tự động’’ hay “robot” đã trở nên quen thuộc với mọi người, ở rất nhiều nước robot không những phát triển theo hướng phục vụ sản xuất công nghiệp mà còn theo hướng phục vụ trong sinh hoạt và giải trí Ở các nước có ngành công nghiệp phát triển thì đưa robot vào trong quá trình sản xuất trong các nhà máy để dần thay thế con người ở những nơi có môi trường độc hại, môi trường phóng xạ, đồng thời khắc phục tình trạng không đồng nhất

về chất lượng sản phẩm Đồng thời công cuộc tự động hóa dây chuyền sản xuất là chiến lược phát triển của các tập đoàn sản xuất trong tương lai Vậy nên có thể nói robot đem lại một cuộc sống mới và là một phần không thể thiếu trong sự đổi mới tương lai Vì

vậy, nhóm em quyết định chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo robot Scara phân loại pin”

để nghiên cứu và thiết kế

Sau những tháng làm đồ án với sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Đắc Lực và các thầy

bộ môn Cơ điện tử, chúng em đã hoàn thành đồ án Nhưng với kiến thức có hạn cũng như chưa có nhiều kinh nghiệm trong tính toán, thi công thực tế nên khó có thể tránh được những sai sót Chúng em kính mong tiếp tục được sự chỉ bảo của các thầy, cô để chúng em hoàn thiện kiến thức hơn nữa

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đặc biệt là thầy Nguyễn Đắc Lực cũng như các bạn cùng gia đình đã động viên và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ

án này

Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2019 Sinh viên thực hiện

Phạm Văn Thương Nguyễn Bá Hoành DUT.LRCC

CAM ĐOAN

Kính gửi: Ban Giám Hiệu Nhà Trường Đại Học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng

Khoa Cơ Khí - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng

NGUYỄN BÁ HOÀNH

Lớp: 14CDT2

Khoa: Cơ khí

Đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Scara phân loại pin

Em xin cam đoan:

 Không bịa đặt, đưa ra các 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 có trích dẫn

 Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà không có trích dẫn hoặc phân mảnh thông tin về kết quả nghiên cứu của mình để công bố trên nhiều ấn phẩm

DUT.LRCC

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

LỜI CẢM ƠN v

LỜI NÓI ĐẦU vi

CAM ĐOAN vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 3

1.1 Giới thiệu về hệ thống 3

1.1.1 Cấu trúc 3

1.1.2 Nguyên lý 4

1.1.3 Yêu cầu 4

1.2 Đặt vấn đề và hướng giải quyết 5

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BĂNG TẢI 6

2.1 Thiết kế băng tải 6

2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật 6

2.1.2 Phương án thiết kế 6

2.1.3 Phương án truyền động 7

2.1.4 Tính toán và lựa chọn động cơ 7

2.2 Hệ thống chiếu sáng 8

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT 10

3.1 Định nghĩa và phân loại Robot 10

3.2 Giới thiệu robot SCARA 14

3.3 Thiết kế robot SCARA 18

3.3.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc 18

3.3.2 Bài toán động học 21

3.3.3 Thiết kế hệ thống dẫn động robot 36

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 38

4.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển 38

4.1.1 Sơ đồ kết nối mạch điện 39

DUT.LRCC

4.2 Các thành phần chính trong hệ thống 39

4.2.1 Bộ điều khiển 39

4.2.2 Ramps 1.4 41

4.2.3 Driver A4988 41

4.2.4 Step Motor 43

4.2.5 Servor Motor 44

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 46

5.1 Xây dựng chương trình xử lý ảnh 46

5.1.1 Giới thiệu về xử lý ảnh 46

5.1.2 Các công đoạn xử lý ảnh 46

5.1.3 Một số khái niệm trong xử lý ảnh 48

5.1.4 Quy trình xử lý ảnh trong đồ án 50

5.2 Xây dựng chương trình điều khiển 51

5.2.1 Nguyên lý hoạt động 51

5.2.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển 52

CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ 53

6.1 Đánh giá đề tài 53

6.2 Kết quả và hướng phát triển đề tài 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC 2

DUT.LRCC

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3 1: Bảng thông số DH 23

Bảng 3 2: Thông số D-H của robot 29

Bảng 4 1: Bảng giá trị chân của vi điều khiển 40

Hình 1 1: Sơ đồ khối hệ thống 3

Hình 2 1: Băng tải 6

Hình 2 2: Động cơ DC 8

Hình 2 3: Hệ thống chiếu sáng 8

Hình 3 1: Phân loại robot 10

Hình 3 2: Robot 6 bậc tự do 11

Hình 3 3: Hệ thống truyền động cho robot 11

Hình 3 4: Robot có tọa độ Decac 12

Hình 3 5: Robot dạng tọa độ trụ 12

Hình 3 6: Robot dạng tọa độ cầu 13

Hình 3 7: Robot dạng khớp nối 13

Hình 3 8: Robot có cấu trúc động học vòng hở 14

Hình 3 9: Robot có cấu trúc động học vòng kín 14

Hình 3 10: Robot kiểu SCARA 15

Hình 3 11: Robot SCARA trong kỹ thuật tạo mẫu in 3D 16

Hình 3 12: Robot SCARA siết chặt vít 16

Hình 3 13: Robot SCARA lắp ráp ở vị trí ngược 17

Hình 3 14: Robot SCARA gắp nhiều sản phẩm 17

Hình 3 15: Robot SCARA đóng nắp cho sản phẩm cao 18

Hình 3 16: Cơ cấu Robot Scara 4 bậc tự do 19

Hình 3 17: Cơ cấu kẹp 20

Hình 3 18: Mô hình 3D hệ thống Robot Scara 21

Hình 3 19: Các thông số ban đầu của robot 22

Hình 3 20: Đặt hệ quy chiếu theo phương pháp D-H 23

Hình 3 21: Một vị trí bất kỳ của robot 26

Hình 3 22: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E 36

Hình 3 23: Bộ truyền đai răng 37

Hình 4 1: Sơ đồ kết nối hệ thống 38

Hình 4 2: Sơ đồ kết nối mạch điện 39

Hình 4 3: Sơ đồ chân của bo mạch Arduino Mega 2560 39

Hình 4 4: Ramps Board 1.4 41

Hình 4 5: Driver A4988 42

Hình 4 6: Thông số 5 chế độ của Driver A4988 43

Hình 4 7: Step Motor 43

Hình 4 8: Servo Motor 44

DUT.LRCC

Hình 4 9: Động cơ Servo MG966R 44

Hình 5 1: Ảnh xám 49

Hình 5 2: Ảnh nhị phân 49

Hình 5 3: Ảnh màu 49

Hình 5 4: Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh 50

Hình 5 5: Lưu đồ thuật toán điều khiển 52

Hình 6 1: Hình ảnh thực tế của hệ thống 53

Hình 6 2: Giao diện ứng dụng xử lý ảnh trên Windows 54

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu đề tài

- Để tốt nghiệp đại học

- Xây dựng được mô hình tự động có thể áp dụng trong công nghiệp

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng mô hình Robot Scara phân loại sản phẩm kết hợp xử lí ảnh (trí tuệ nhân tạo) Cụ thể ở đây là điều khiển Robot Scara tự động dựa trên nền tảng ngôn ngữ lập trình Arduino

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích đánh giá nội dung liên quan đến đề tài

Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung nghiên cứu trong quá trình xây dựng mô hình Robot Scara phân loại sản phẩm Đề xuất phương án xây dựng, chế tạo hệ thống cho phù hợp

4 Phạm vi nghiên cứu

Mô hình hệ thống Robot Scara phân loại sản phẩm thiết kế ra với phạm vi trong nhà trường, ứng dụng trong giảng dạy để giúp các bạn sinh viên hiểu biết rõ hơn về robot cũng như biết áp dụng các kiến thức đã học vào thực tế

5 Bố cục đề tài

Đề tài gồm có 6 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống Chương này chủ yếu cung cấp cho người đọc

cái nhìn ban đầu về Robot Scara, từ lịch sử phát triển, đến lợi thế của nó so với các robot thông thường khác, các ứng dụng của nó trong đời sống và trong công nghiệp, đồng thời cũng khái quát sơ đồ tổng quan về hệ thống, đặt ra vấn đề để xây dựng robot Scara ứng dụng trong công nghiệp

Chương 2: Thiết kế hệ thống băng tải Chương này, ta sẽ phân tích lựa chọn

phương án thiết kế cũng như tính toán thiết kế dẫn động cho băng tải

Chương 3: Thiết kế chế tạo robot Chương này, ta sẽ phân tích cấu trúc lựa chọn

phương án thiết kế cũng như tính toán thiết kế dẫn động cho robot và giải quyết các vấn

đề cơ bản nhất của động học Robot Scara như tính toán động học thuận, động học ngược trên cơ sở các phương trình liên kết bằng phương pháp hình học

DUT.LRCC

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển Chương này giải quyết các vấn đề liên

quan đến việc chọn vi diều khiển trung tâm và các modun thích hợp cho robot cũng như thiết kế mạch điện điều khiển nhằm đảm bảo các chức năng cơ bản của robot

Chương 5: Xây dựng chương trình điều khiển Chương này giới thiệu các lý thuyết

cơ bản về xử lý ảnh nói chung cũng như các bước chính trong xử lý ảnh nói riêng Chương này cũng sẽ xây dựng nguyên lý làm việc cho robot, từ đó tạo ra sơ đồ thuật toán và áp dụng vào chương trình điều khiển cho vi diều khiển cũng như xây dựng giao diện giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển nhằm giúp robot thực hiện theo đúng theo nguyên lý, sơ đồ thuật toán hoạt động của Robot Scara

Chương 6: Đánh giá và kết quả Chương này sẽ trình bày hình ảnh sản phẩm sau

khi hoàn thành, giao diện điều khiển hoạt động của hệ thống Và đánh giá kết luận và rút ra hạn chế kinh nghiệm để có hướng phát triển đề tài

DUT.LRCC

do người điều khiển quy định

- Các khâu robot là kết cấu cơ khí gồm 4 khâu: khâu 1, 2, 3, 4 lần lượt là khâu RRTR – tạo nên không gian làm việc của robot Các khâu được nối với nhau bằng các khớp bản lề và các cơ cấu khác tạo nên hình dáng và các chuyển động cơ bản của robot

- Hệ thống dẫn động là các động cơ bước và Servo tạo nên sự chuyển động của robot và dụng cụ thao tác

- Các công tắt hành trình phản hồi tín hiệu để bộ điều khiển xử lý xác lập vị trí ban đầu cho robot

Bộ xử lý gồm có bộ điều khiển, máy tính, chương trình giao tiếp

- Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính

và giải mã tín hiệu sau đó truyền tín hiệu điều khiển đến các driver điều khiển động cơ

để thực hiện điều khiển góc quay cho động cơ Bộ điều khiển còn thực hiện nhận các tín

DUT.LRCC

hiện phản hồi của các công tắc hành trình, nút nhấn để thực hiện các chức năng được đề

ra cho bộ điều khiển

- Máy tính (CPU) tiến hành nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ webcam để tiến hành xử lý ảnh tìm ra vật thể sau đó lại truyền tín hiệu về bộ điều khiển

- Chương trình giao tiếp và điều khiển được viết ra nhằm thực hiện tính toán các phương trình, giao tiếp giữa người vận hành với hệ thống điều khiển và thực hiện các nguyên lý đề ra Chương trình giao tiếp và điều khiển bao gồm chương trình giao tiếp trên máy tính (CPU) và chương trình điều khiển cho bộ điều khiển Chương trình giao tiếp trên máy tính (CPU) được tạo ra nhằm nhận truyền dữ liệu điều khiển, thực hiện xử lý ảnh từ dữ liệu ảnh nhận về để tìm ra vật để robot thực hiện tự động bắt vật thể đang di chuyển ở vị trí cố định trên băng tải đồng thời có thể đưa vật thể đến vị trí

mà người vận hành quy định Chương trình điều khiển cho bộ điều khiển thực hiện giải

mã các dữ liệu từ máy tính (CPU) truyền qua để điều khiển hệ thống dẫn động để thực hiện các chức năng nguyên lý đề ra cho robot

Hệ thống băng tải gồm có băng tải và hộp camera

- Hộp camera gồm dãy đèn led dùng để cân bằng ánh sáng chống nhiễu và camera thực hiện chụp hình ảnh của các vật thể trên băng tải và gửi về hệ thống máy tính để tiến hành nhận dạng vật thể thông qua diện tích và chiều rộng của nó

- Băng tải dùng để vận chuyển vật thể

1.1.2 Nguyên lý

Khi hoạt động, pin cấp vào băng tải => pin được băng tải vận chuyển đi qua camera Sau quá trình xử lý và phân loại thì bộ điều khiển gửi tín hiệu cho robot để thực hiện quá trình gắp thả từng loại pin vào hộp tương ứng Sau đó robot trở về vị trí ban đầu => hoàn thành 1 chu trình Chu trình cứ lặp lại như vậy đến khi dừng hệ thống

1.1.3 Yêu cầu

- Năng suất trung bình 1 phút hệ thống hoàn thành 1 hộp gồm 4 pin

- Thời gian vận chuyển phôi từ vị trí cấp phôi đến gắp phôi: T = 5.5 s

- Thời gian gắp thả của robot khi hoàn thành 1 chu trình: T = 11s

- Vận tốc băng tải: v = 74 mm/s

- Hệ thống có độ cứng vững, làm việc êm hoạt động ổn định

- Có tính thẩm mỹ và chi phí thấp

DUT.LRCC

5

1.2 Đặt vấn đề và hướng giải quyết

Để có thể thực hiện các yêu cầu đề ra ta cần phải giải quyết các vấn đề sau:

 Thứ nhất, nếu chúng ta biết được vị trí mong muốn của cơ cấu chấp hành (ví

dụ, chúng ta muốn gắp vật ở điểm có tọa độ X, Y, Z), chúng ta cần phải xác định góc tương ứng của mỗi khâu Quá trình xác định như vậy được biết đến như là phép tính ngược hay chính là giải động học ngược robot Ở trường hợp hai, nếu chúng ta biết các góc của các khâu, chúng ta cần xác định vị trí của cơ cấu chấp hành, quá trình xác định như vậy được biết giải động học thuận robot Ở đây để robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng cài đặt bằng bằng các mã đơn giản do hệ thống quy định (tức là chạy theo tọa độ điểm đươc cài đặt trước), ta cần quá trình giải động học ngược robot

 Thứ hai: Robot và băng tải hoạt động song song để đáp ứng năng suất

DUT.LRCC

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BĂNG TẢI

2.1 Thiết kế băng tải

Hình 2 1: Băng tải

2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật

- Thời gian vận chuyển phôi từ vị trí cấp phôi đến gắp phôi: T = 5.5 s

- Vận tốc băng tải: 74 mm/s

- Chiều rộng băng tải 100mm

- Chiều dài băng tải 600mm

- Băng tải có bộ phận căng đai

- Băng tải làm việc êm

- Chịu được hóa chất tốt

- Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau

- Kết cấu và vận hành đơn giãn

tốc độ quay của tang: 𝑛𝑡

 Tốc độ quay của tang được tính như sau:

𝑛𝑡 =60𝑣

𝜋𝑑 =60×74

Trong đó: v = 74 mm/s là vận tốc băng tải

d = 42 mm là đường kính ngoài của tang

Với các thông số tính toán trên và thuận tiện cho việc điều khiển ta chọn động cơ giảm tốc Mini JGB37-520

DUT.LRCC

9

Trong điều kiện làm việc ánh sáng thay đổi không đồng đều, sự xuất hiện của nhiễu

do lóa là không tránh khỏi Vì vậy ta giải quyết vấn đề này bằng hộp che và chiếu sáng bằng hệ thống led Hệ thống led sử dụng các led siêu sáng màu trắng để tạo nên vòng chiếu sáng Vì chi tiết pin cần xử lý có tính chất đối xứng nên ta bố trí các led thành dãy hình vuông sẽ dễ thực hiện nhất và đảm bảo được ánh sáng đồng đều cho chi tiết

DUT.LRCC

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT

3.1 Định nghĩa và phân loại Robot

3.1.1 Phân loại robot

Thế giới robot hiện nay đã rất phong phú và đa dạng, vì vậy phân loại chúng không đơn giản Có rất nhiều quan điểm phân loại khác nhau Mỗi quan điểm phục vụ một mục đích riêng Tuy nhiên, có thể nêu ra đây 4 cách phân loại cơ bản: theo số bậc tự do, theo cấu trúc động học, theo dạng hình học và theo hệ thống truyền động

Hình 3 1: Phân loại robot

1 Phân loại theo số bậc tự do:

Tùy theo chức năng và yêu cầu thiết kế mà người ta chế tạo cánh tay robot theo nhiều bậc tự do khác nhau (thường thì từ 3 - 6)

DUT.LRCC

3 Phân loại theo dạng hình học

- Dạng Decac:

Sử dụng 3 đường trượt vuông góc nhau trong không gian là các trục tọa độ X,Y,Z Robot chuyển động theo 3 trục tọa độ Sử dụng các khớp tịnh tiến, phạm vi làm việc của Robot được mở rộng theo hình trữ nhật

Hình 3 4: Robot có tọa độ Decac

13

- Dạng hình cầu:

Sử dụng các khớp lồng vào nhau giúp cho Robot có khả năng chuyển động lên hoặc xuống theo chiều ngang của trục quay Dạng đa khớp nối cho phép robot mở rộng khoảng không gian làm việc theo hình cầu

Hình 3 6: Robot dạng tọa độ cầu

DUT.LRCC

DUT.LRCC

15

Hình 3 10: Robot kiểu SCARA

3.2.2 Ưu điểm và nhược điểm

3.2.3 Ứng dụng của robot SCARA trong công nghiệp

Robot SCARA có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp (chủ yếu), quy trình sản xuất, trong y khoa hoặc lĩnh vực hàng không vũ trụ Dưới đây là một số ứng dụng thực

tể của Robot SCARA:

- Robot SCARA trong kỹ thuật tạo mẫu in 3D, cắt laser, cnc Có chức năng tạo mẫu nhanh các chi tiết thiết kế CAD trên máy tính Về chi tiết, sản phẩm có thể in ra vật thể bằng nhựa PLA từ các bản thiết kế trên các phần mềm mô phỏng và thiết kế 3D

DUT.LRCC

Hình 3 11: Robot SCARA trong kỹ thuật tạo mẫu in 3D

- Công việc siết chặt vít bằng hệ thống robot SCARA

Hình 3 12: Robot SCARA siết chặt vít

DUT.LRCC

17

- Lắp ráp sản phẩm với vị trí ngược

Hình 3 13: Robot SCARA lắp ráp ở vị trí ngược

- Gắp nhiều sản phẩm trong dây truyền

Hình 3 14: Robot SCARA gắp nhiều sản phẩm

DUT.LRCC

- Đóng nắp cho sản phẩm cao

Hình 3 15: Robot SCARA đóng nắp cho sản phẩm cao

3.3 Thiết kế robot SCARA

3.3.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc

BTD của robot SCARA:

Ta có: Tổng số khâu động là n = 4

Tổng số khớp động loại 5 là p5 = 4

 W = 6x4 – 5x4 = 4

DUT.LRCC

19

Lựa chọn cấu trúc

Hình 3 16: Cơ cấu Robot Scara 4 bậc tự do

Để khâu thao tác có thể di chuyển được trên mặt phẳng thẳng đứng yêu cầu ít nhất

sẽ phải có 2 bậc tự do cho việc di chuyển Tuy nhiên nếu chỉ với hai bậc tự do kia thì đối tượng sẽ phải di chuyển đến vị trí thích hợp mới có thể đảm bảo thực hiện chức năng, như vậy yêu cầu tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận (việc vào/ra mặt phẳng làm việc) thì yêu cầu thêm 2 bậc tự do nữa, nên ta chọn cấu trúc robot SCARA 4 bậc tự

do

Kết cấu của robot SCARA 4 bậc tự do bao gồm các khâu:

 Khâu 1, 2 là 2 khâu quay được truyền động bằng 2 động cơ bước thông qua bộ truyền đai răng

 Khâu 3 là khâu tịnh tiến lên xuống được truyền động bằng động cơ bước thông qua bộ truyền vít me

 Khâu 4 là khâu quay được truyền động trực tiếp bằng động cơ Servo và được nối với cơ cấu chấp hành cuối

Phương pháp truyền động động cơ

Truyền động giữa động cơ và khớp quay ta có 2 phương án là truyền trực tiếp từ động cơ hoặc gián tiếp thông qua các bộ truyền (như bộ truyền đai, bánh răng, xích ) Với ưu điểm nhỏ gọn, êm, đảm bảo tỉ số truyền độ chính xác cao, giá thành hợp lý và rất phổ biến thì bộ truyền đai là lựa chọn thích hợp trong việc thiết kế robot

DUT.LRCC

 Phương án 1: Robot 3DOF: RRT

 Phương án 2: Robot 4DOF: RRT , RRT

 Phương án 3: Robot 5DOF: RRT , RRT , RRT

 Phương án 4: Robot 6DOF…

Lựa chọn cấu trúc thiết kế

Với robot có số lượng bậc tự do càng lớn thì tính linh hoạt càng lớn => robot càng linh hoạt, có thể lựa chọn được quỹ đạo dịch chuyển tối ưu song phức tạp hơn, chi phí chế tạo và giá thành cao hơn, lập trình điều khiển càng phức tạp hơn Với yêu cầu của

đề tài: không cần quá phức tạp, tiết kiệm về mặt kinh tế, hoạt động ổn định nên ta lựa chon phương án thiết kế robot 4 bậc tự do (phương án số 2) có 2 khâu quay xác định vị trí và bao quát các điểm trên mặt phẳng, một khâu chuyển động tịnh tiến để xác định tọa

độ theo chiều cao sản phẩm và khâu cuối xác định chiều hướng sản phẩm để gắp

DUT.LRCC

21

Mô hình 3D tổng quát robot

Hình 3 18: Mô hình 3D hệ thống Robot Scara

Hình 3 19: Các thông số ban đầu của robot

 Khâu số 3 (khâu tịnh tiến)

Ví trí gắp và thả phôi có độ cao từ 35-50 mm và chiều cao tay kẹp 60 mm => ta chọn giới hạn làm việc của 𝑑3 = 100 ÷ 200 𝑚𝑚

 Khâu số 2 và khâu số 1:

Tọa độ điểm đặt phôi trên băng tải:

{xp1 = 260

yp1 = 0Tọa độ điểm thả phôi:

23

 Trục cố định tay máy (khâu số 0)

Chiều cao: 400mm Chiều rộng: 100mm Chiều dài: 222mm

3.3.2.3 Động học

1 Động học thuận

 Gắn hệ tọa độ lên các khâu

Hình 3 20: Đặt hệ quy chiếu theo phương pháp D-H

𝑎2𝑐1𝑐2− 𝑎2𝑠1𝑠2+𝑎1𝑐1

𝑠1𝑐2𝑐4+ 𝑠2𝑐1𝑐4

+𝑠1𝑠2𝑠4− 𝑠4𝑐1𝑐2

−𝑠1𝑠4𝑐2− 𝑠2𝑠4𝑐1+𝑠1𝑠2𝑐4− 𝑐1𝑐2𝑐4 0

𝑎2𝑠1𝑐2+ 𝑎2𝑠2𝑐1+𝑎1𝑠1

DUT.LRCC

Với: 𝑐1 = cos 𝜃1∗; 𝑐2 = cos 𝜃2∗; 𝑐4 = cos 𝜃4∗

𝑠1 = sin 𝜃1∗; 𝑠2 = sin 𝜃2∗; 𝑠4 = sin 𝜃4∗

Hệ phương trình xác định vị trí của khâu chấp hành:

Ta nhân 2 vế của pt (1) với 𝑥𝑝 và nhân 2 vế của pt (2) với 𝑦𝑝 ta được:

𝑥𝑝2 = 𝑐1(𝑎2𝑐2+ 𝑎1)𝑥𝑝 − 𝑎2𝑠1𝑠2𝑥𝑝

𝑦𝑝2 = 𝑠1(𝑎2𝑐2+ 𝑎1)𝑦𝑝 + 𝑎2𝑠2𝑐1𝑦𝑝 => 𝑥𝑝2 + 𝑦𝑝2 = 𝑐1[(𝑎2𝑐2+ 𝑎1)𝑥𝑝 + 𝑎2𝑠2𝑦𝑝] + 𝑠1[(𝑎2𝑐2+ 𝑎1)𝑦𝑝 − 𝑎2𝑠2𝑥𝑝]

=> 𝑐1[𝑐2𝑎2+𝑎1)𝑥𝑝+𝑎2𝑠2𝑦𝑝]

𝑥𝑝2+𝑦𝑝2 + 𝑠1[(𝑎2𝑐2+𝑎1)𝑦𝑝−𝑎2𝑠2𝑥𝑝]

𝑥𝑝2+𝑦𝑝2 = 1

DUT.LRCC

sin(𝜃1∗+ 𝜃2∗− 𝜃4∗) = √1 − 𝑛𝑥2

𝜃4∗ = 𝜃1∗+ 𝜃2∗− tan−1√1 − 𝑛𝑥2

𝑛𝑥

3.3.2.4 Quy luật chuyển động của các khớp

 Giới hạn góc quay của các khâu:

𝜃1 = −110° ÷ 110°

𝜃2 = −110° ÷ 110°

DUT.LRCC

𝜃4 = 0° ÷ 180°

Đặt: 𝜃1∗(𝑡) = 𝑏3𝑡3+ 𝑏2𝑡2+ 𝑏1𝑡 + 𝑏0

𝜃1∗̇ (t) = 3𝑏3𝑡2+ 2𝑏2𝑡 + 𝑏1

𝜃1∗̈ (t) = 6𝑏3𝑡 + 2𝑏2

 Quy luật chuyển động của khâu chấp hành

Tại vị trí điểm gắp phôi:

𝑥𝑝1 = 262

𝑦𝑝1 = 0

𝑧𝑝1 = −35

𝑎1 = 𝑎2 = 131 Theo hệ phương trình động học ngược của robot ta có: