Thiết kế và chế tạo robot scara phân loại sản phẩm

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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn: ThS NGUYỄN ĐẮC LỰC

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN BÌNH

NGUYỄN VĂN HOAN

Số thẻ sinh viên : 101140175

101140182

Lớp: 14CDT2

Đà Nẵng, 12/2019

mà các đối tượng này còn thích hợp với điều kiện sản xuất ở nước ta Với các phòng thí nghiệm, đây là một mô hình để sinh viên thực nghiệm và nghiên cứu, cho các bạn một cái nhìn cụ thể, thực tiễn hơn về robot

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng mô hình Robot Scara phân loại sản phẩm theo chiều cao Mà cụ thể ở đây

là điều khiển Robot Scara tự động dựa trên nền tảng 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 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về đề tài 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 nghiêp

Chương 2: Thiết kế cơ khí 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

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển Chương này giải quyết các vấn đề liên quan

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

Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển Chương này 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 5: Kết quả đạt được Chương này sẽ trình bày hình ảnh sản phẩm sau khi

hoàn thành, giao diện điều khiển hoạt động của hệ thống

Cuối cùng là đánh giá kết luận và rút ra hạn chế kinh nghiệm để có hướng phát triển

đề tài

1 Nguyễn Văn Hoan 101140182 14CDT2 Kĩ thuật Cơ Điện Tử

2 Nguyễn Văn Bình 101141175 14CDT2 Kĩ thuật Cơ Điện Tử

1 Tên đề tài đồ án:

THIẾT KẾ ROBOT SCARA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

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

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

1 Nguyễn Văn Hoan -Tổng quan đề tài

-Thiết kế cơ khí

2 Nguyễn Văn Bình

b Phần riêng:

1 Nguyễn Văn Hoan Thiết kế hệ thống điều khiển

2 Nguyễn Văn Bình Xây dựng chương trình điều khiển

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

a Phần chung:

1 Nguyễn Văn Hoan -Bản vẽ tổng thể Robot: giấy A0

-Bản vẽ sơ đồ động: giấy A0

2 Nguyễn Văn Bình

b Phần riêng:

1 Nguyễn Văn Hoan -Bản vẽ lưu đồ thuật toán: giấy A0

-Bản vẽ chi tiết các khâu: giấy A0

2 Nguyễn Văn Bình -Bản vẽ sơ đồ nối dây: giấy A0

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

ThS.Nguyễn Đắc Lực Hướng dẫn toàn bộ quá trình tính toán

thiết kế và chế tạo Robot

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …… /……./201…

7 Ngày hoàn thành đồ án: …… /……./201…

Đà Nẵng, ngày tháng năm 201

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, tăng chất lượng sản phẩm, và hơn nữa là cải thiện môi trường 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 gia đình 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 “Robot Scara phân loại sản phẩm” 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 cùng với thảm khảo một số tài liệu liên quan, chúng em đã hoàn thành đồ án đáp ứng nhiệm vụ được giao với nội dung chất lượng theo yêu cầu Nhưng với kiến thức có hạn cũng như chưa có 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

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

Em tên là : NGUYỄN VĂN HOAN MSSV:101140182

NGUYỄN VĂN BÌNH MSSV:101140175 Lớp : 14CDT2

Khoa: Cơ Khí

Đề tài: Thiết kế và chế tạo Robot Scara phân loại sản phẩm

Tôi 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

Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

TÓM TẮT

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ v

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1

1.1 Giới thiệu chung về robot Scara 1

1.1.1 Khái niệm cơ bản 1

1.1.2 Ứng dụng 1

1.2 Tổng quan về hệ thống 4

1.2.1 Các thành phần cơ bản của robot 4

1.2.2 Đặt vấn đề 5

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT 7

2.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc 7

2.1.1 Số bậc tự do cần thiết 7

2.1.2 Lựa chọn cấu trúc 7

2.1.3 Phương pháp truyền động động cơ 8

2.1.4 Cơ cấu kẹp 8

2.1.5 Các phương án thiết kế 9

2.1.6 Lựa chọn cấu trúc thiết kế 9

2.2 Bài toán động học 10

2.2.1 Các thông số ban đầu 10

2.2.2 Tĩnh học và động học 11

2.2.3 Động lực học tay máy 17

2.3 Thiết kế hệ dẫn động Robot 24

2.3.1 Giới thiệu một số hệ dẫn động hay dùng trong robot công nghiệp 24

2.3.2 Tính toán hệ dẫn động 28

2.3.3 Tính chọn động cơ 28

2.3.4 Tính chọn bộ truyền đai 29

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 30

3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển 30

3.2.1 Bộ điều khiển 30

3.2.2 Ramboard 1.4 31

3.2.3 Driver A4988 32

3.2.4 Step Motor 33

3.2.5 Nguồn 34

3.2.6 Servo Motor 35

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 37

4.1 Lý thuyết cảm biến vật cản hồng ngoại 37

4.1.1 Giới thiệu về cảm biến vật cản hồng ngoại IR-Infrared Obstacle Avoidance 37

4.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 39

4.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển 40

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 1.1: Robot kiểu SCARA 1

Hình 1.2: Delta SCARA Robot cho dây chuyền lắp ráp quạt 2

Hình 1.3: Yamaha SCARA Robot trong dây chuyền đóng gói sản phẩm tự động 2

Hình 1.4: Epson SCARA Robot trong phân loại sản phẩm 3

Hình 1.5: G20 SCARA Robot trong giải trí 3

Hình 1.6: Các thành phần chính liên quan đến hệ thống robot 4

Hình 2.1: Cơ cấu Robot Scara 4 bậc tự do 7

Hình 2.2: Cơ cấu kẹp 9

Hình 2.3: Mô hình 3D sơ bộ Robot Scara .10

Hình 2.4: Các thông số ban đầu của robot .10

Hình 2.5: Robot SCARA và các hệ tọa độ (vị trí ban đầu) .11

Bảng 2.1: Bảng thông số DH. 13

Hình 2.6: Một vị trí bất kỳ của robot .15

Bảng 2.2: Thông số của robot. 17

Hình 2.7: Bộ truyền bánh răng trụ .25

Hình 2.8: Bộ truyền hành tinh .25

Hình 2.9: Bộ truyền đai 26

Hình 2.10: Bộ truyền vít me – đai ốc .27

Hình 2.11: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E 28

Hình 2.12: Bộ truyền đai răng .29

Hình 3.1: Module Arduino Mega 2560 30

Bảng 3.1: Bảng thông số cơ bản của Arduino Mage 31

Hình 3.2: Ramps Board 1.4 .31

Hình 3.3: Driver A4988 .32

Bảng 3.2: Bảng thông số 5 chế độ của Driver A4988 33

Hình 3.4: Step Motor .34

Hình3.5: Nguồn tổ ong 12V-10A 35

Hình 3.6: Nguồn xung 12V DC-1A 35

Hình 3.7: Secvo motor 36

Hình 4.1 Cảm biến vật cản hồng ngoại IR 37

Hình 4.1 Cấu tạo cảm biến IR 38

Hình 4.2 Nguyên lý phát-thu tia hồng ngoại 39

Hình 4.3: Sơ đồ thuật toán điều khiển 40

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Giới thiệu chung về robot Scara

1.1.1 Khái niệm cơ bản

Robot Scara ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của quá trình sản xuất Tên gọi SCARA là viết tắt của “Selective Compliance Articulated Robot Arm”: Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt “Selective Compliance Assembly Robot Arm” SCARA là dạng phổ cập nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng các cơ cấu tác động quay như các động cơ điện, động cơ đầu ép, khí nén

Hình 1.1: Robot kiểu SCARA

1.1.2 Ứng dụng

Với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp 4.0, robot ngày càng được áp dụng nhiều trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp Với những ưu điểm vượt trội thì robot Scara đang rất được ưu chuộng trong công nghiệp lắp ráp, phân loại sản phẩm

Hình 1.2: Delta SCARA Robot cho dây chuyền lắp ráp quạt

Hình 1.3: Yamaha SCARA Robot trong dây chuyền đóng gói sản phẩm tự động

Hình 1.4: Epson SCARA Robot trong phân loại sản phẩm

Hình 1.5: G20 SCARA Robot trong giải trí

1.2 Tổng quan về hệ thống

1.2.1 Các thành phần cơ bản của robot

Hình 1.6: Các thành phần chính liên quan đến hệ thống robot

Hệ thống robot Scara được xây dựng từ các thành phần chính như: các khâu robot,

hệ thống dẫn động, máy tính, Dụng cụ thao tác… Mối liên hệ giữa các thành phần của robot được thể hiện như hình 1.6

Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ thao tác của robot

ở đây ta dùng tay kẹp để gắp và thả vật thể trên băng tải hoặc ở các khu vực khác do người điều khiển quy định

Các khâu robot là kết cấu cơ khí gồm 5 khâu: Khâu 0 là khâu cố định – để đặt cố định robot ở 1 vị trí; 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

Bộ Điều Khiển Hệ thống dẫn động Các khâu robot

Dụng cụ thao tác

Băng tải Cảm biến hồng

ngoại vật cản

hồi của các công tắc hành trình, nút nhấn để thực hiện các chức năng được đề ra cho 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 tín hiệu 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

1.2.2 Đặt vấn đề

Nếu chúng ta muốn xây dựng robot Scara ứng dụng trong công nghiệp Chúng ta cần phải xây dựng robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng cài đặt thông qua giao diện giao tiếp trên máy tính mà không cần can thiệp chỉnh sửa phần mềm Ngoài ra để năng cao thêm chức năng tự động phân loại hay tự động gắp vật thể trên băng tải, nhưng vật thể này là luôn di chuyển (tức băng tải không dừng) và nằm ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng thì chúng ta cần phải kết hợp với webcam Khi kết hợp với webcam chương trình máy tính tiến hành đếm số lượng, phân loại theo màu sắc và tìm tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải, từ đó tạo robot vẫn bắt được vật thể ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải không dừng, thông qua tọa độ điểm tìm được 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 => thiết lập động cơ ở đúng vị trí để chọn Quá trình xác định như vậy được biết đến như là phép tính ngược hay chính là giải động học ngược robot Và ở trường hợp hai, nếu chúng ta biết các góc của khâu chủ động (ví dụ, chúng ta đã đọc các giá trị của bộ mã hoá động cơ), 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, tìm được tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải thông qua phương trình bắt điểm bằng các tham số lấy từ webcam và robot như tọa độ ban đầu của robot, tọa độ ban đầu của vật thể trên băng tải, vận tốc tương đối của robot Từ đó robot vẫn bắt được vật thể ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải không dừng Giúp ta tăng tốc độ cho dây chuyền sản suất bằng cách tạo cho Robot và băng tải hoạt động song song nhau tức là robot vẫn bắt được vật thể trên băng tải dù băng tải đang hoạt động thông qua tọa độ điểm tìm được

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT

2.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc

Bậc tự do của Robot Scara: Vì các khâu được nối với nhau bằng khớp quay và tịnh tiến nên số bậc tự do bằng số khâu => W= 4

2.1.2 Lựa chọn cấu trúc

Hình 2.1: 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 phần:

2.1.3 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

2.1.4 Cơ cấu kẹp

Hình 2.2: Cơ cấu kẹp

Ở đây sử dụng cơ cấu kẹp được thiết kế thông qua động cơ servo để tạo lực kẹp

2.1.5 Các phương án thiết kế

• Phương án 1: Robot 4DOF RRTR;

• Phương án 2: Robot 4DOF TRRR

2.1.6 Lựa chọn cấu trúc thiết kế

Với kết cấu 5, 6 bậc tự do, Robot sẽ trở nên linh hoạt hơn tuy nhiên việc tính toán thiết kế và chế tạo cũng phức tạp hơn Một phần nhu cầu bài toán đặt ra không cần quá phức tạp nên để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu của bài toán đặt ra, ta lựa chon phương án thiết kế Robot 4 bậc tự do (phương án số 1) 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

Mô Hình 3D Tổng Quát Robot

Hình 2.3: Mô hình 3D sơ bộ Robot Scara

2.2 Bài toán động học

2.2.1 Các thông số ban đầu

Hình 2.4: Các thông số ban đầu của robot

Ðộ phân giải các khớp:

𝑃𝑔1 = 0,006° ; 𝑃𝑔2 = 0,006° ; 𝑃𝑔3 = 0,1𝑚𝑚 ; 𝑃𝑔4 = 0,15°

Kích thuớc phôi:

Động cơ sử dụng động cơ buớc

Thời gian vận chuyển phôi từ A-B: T=3,4s

2.2.2 Tĩnh học và động học

Hình 2.5: Robot SCARA và các hệ tọa độ (vị trí ban đầu)

2.2.2.1 Kích thước các khâu Robot

• Khâu số 4

Tay kẹp dùng để gắp phôi:

Phôi có kích thước: 14x50x14mm => độ rộng tối đa của tay kẹp ta chọn 20mm,

độ rộng tối thiểu của tay kẹp bằng kích thước phôi 14mm

Chiều dài ngón tay kẹp => độ cao của phôi =>chọn chiều dài là 15mm

• Khâu số 3 (khâu tịnh tiến)

Ví trí gắp và thả phôi có độ cao từ 60-260mm và chiều dài tay kẹp 15mm => ta chọn giới hạn làm việc của 𝑑3 = 50 ÷ 300𝑚𝑚

𝑎2𝑐1𝑐2− 𝑎2𝑠1𝑠2+𝑎1𝑐1

Ma trận vecto cuối 𝑇4 =

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:

𝑎2𝑠1𝑐2+ 𝑎2𝑠2𝑐1+𝑎1𝑠1

Hình 2.6: Một vị trí bất kỳ của robot

Ta bình phương 2 vế của pt (1) và (2) ta được:

𝑥𝑝2 = (𝑎2𝑐12+ 𝑎1𝑐1)2 = 𝑎22𝑐122 + 2𝑎1𝑎2𝑐1𝑐12+ 𝑎12𝑐12

𝑦𝑝2 = (𝑎2𝑠12+ 𝑎1𝑠1)2= 𝑎22𝑠122 + 2𝑎1𝑎2𝑠1𝑠12+ 𝑎12𝑠12Suy ra: 𝑥𝑝2+ 𝑦𝑝2 = 𝑎12 + 𝑎22+ 2𝑎1𝑎2𝑐2

Suy ra: 𝑐2 = 𝑥𝑝

2 +𝑦𝑝2−𝑎12−𝑎222𝑎1𝑎2 (*)

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+ 𝑎2𝑠2𝑐1𝑦𝑝Suy ra: 𝑥𝑝2+ 𝑦𝑝2 = 𝑐1[(𝑎2𝑐2+ 𝑎1)𝑥𝑝+ 𝑎2𝑠2𝑦𝑝] + 𝑠1[(𝑎2𝑐2+ 𝑎1)𝑦𝑝− 𝑎2𝑠2𝑥𝑝] Suy ra: 𝑐1[𝑐2+𝑎1)𝑥𝑝+𝑎2𝑠2𝑦𝑝]

𝑠2 = ±√1 − 𝑐22

𝜃2∗ = tan−1𝑠2

𝑐2

𝑑3∗ = −𝑧𝑝− 𝑑4cos( 𝜃1∗+ 𝜃2∗− 𝜃4∗) = 𝑛𝑥

sin(𝜃1∗+ 𝜃2∗− 𝜃4∗) = √1 − 𝑛𝑥2

𝜃4∗ = 𝜃1∗+ 𝜃2∗− tan−1√1 − 𝑛𝑥2

𝑛𝑥

2.2.2.3 Quy luật chuyển động của các khớp

• Giới hạn góc quay của các khâu:

• Quy luật chuyển động của khâu chấp hành

Tại vị trí điểm gắp phôi:

𝑥𝑝1= 0

𝑦 = 150

Bảng 2.2: Thông số của robot.

Chọn khối tâm các khâu nằm ở giữa các thanh Hệ quy chiếu gán với trục tọa độ

𝑂0𝑋0𝑌0𝑍0 trên khớp thứ nhất Khi đó mặt phẳng 𝑂0𝑋0𝑌0𝑍0 là mặp phẳng đẳng thế

Bằng việc sử dụng Solidwork thiết kế các khâu của roobot với vật liệu là thép chế tạo máy ta có được khối lượng các khâu của roobot như sau:

𝑚1= 314 gam

𝑚2= 111 gam

𝑚3= 146 gam

𝑚4= 12 gam Quy ước trọng lượng nằm ở giữa các thanh nên ta có chiều dài khối tâm của các khâu là:

Khâu 1: 𝑎𝑔1= 250 mm Khâu 2: 𝑎𝑔2=225 mm Khâu 3: 𝑎𝑔3= 150 mm

2.2.3.1 Lực tác động lên các khâu

• Khâu số 1:

Nối với trục máy và khâu số 2 Chuyển động của khâu số 1 là chuyển động quay Các lực tác động lên khâu số 1 bao gồm: Trọng lực của khâu, lực tác động với khâu trục (khâu số 0) và với khâu 2, 3, 4

Suy ra:

𝑥1̇ = −𝑎𝑔1 𝜃1∗̇ sin 𝜃1∗

𝑦1̇ = 𝑎𝑔1 𝜃1∗̇ cos 𝜃1∗

𝑧1̇ = 0 Suy ra:

𝑣12 = 𝑥1̇ 2+ 𝑦1̇ 2+ 𝑧1̇ 2 = (−𝑎𝑔1 𝜃1∗̇ sin 𝜃1∗)2+ (𝑎𝑔1 𝜃1∗̇ cos 𝜃1∗)2 = (𝑎𝑔1 𝜃1∗̇ )2Thế năng: 𝑃1= 0

𝑥2̇ = −𝑎1 𝜃1∗̇ cos 𝜃1∗− 𝑎𝑔2 (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) cos(𝜃1∗+ 𝜃2∗)

𝑦2̇ = 𝑎1 𝜃1∗̇ sin 𝜃1∗+ 𝑎𝑔2 (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) sin(𝜃1∗+ 𝜃2∗)

𝑧2̇ = 0 Suy ra: 𝑣22 = 𝑥2̇ 2+ 𝑦2̇ 2+ 𝑧2̇ 2 = (−𝑎1 𝜃1∗̇ cos 𝜃1∗− 𝑎𝑔2 (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) cos(𝜃1∗+

𝜃2∗))2+ (𝑎1 𝜃1∗̇ sin 𝜃1∗+ 𝑎𝑔2 (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) sin(𝜃1∗+ 𝜃2∗))2 = 𝑎12𝜃1∗̇ 2+ 𝑎𝑔22(𝜃1∗̇ +

𝜃2∗̇ )2+ 2𝑎1𝑎𝑔2𝜃1∗̇ (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) cos 𝜃2∗

Thế năng: 𝑃2 = 0

Động năng:

𝑥3̇ = −𝑎1 𝜃1∗̇ cos 𝜃1∗− 𝑎2 (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) cos(𝜃1∗+ 𝜃2∗)

𝑦3̇ = 𝑎1 𝜃1∗̇ sin 𝜃1∗+ 𝑎2 (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) sin(𝜃1∗+ 𝜃2∗)

𝑧3̇ = −𝑑3∗̇ Suy ra: 𝑣32 = 𝑥3̇ 2+ 𝑦3̇ 2+ 𝑧3̇ 2 = (−𝑎1 𝜃1∗̇ cos 𝜃1∗− 𝑎2 (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) cos(𝜃1∗+

𝑥4̇ = −𝑎1 𝜃1∗̇ cos 𝜃1∗− 𝑎2 (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) cos(𝜃1∗+ 𝜃2∗)

𝑦4̇ = 𝑎1 𝜃1∗̇ sin 𝜃1∗+ 𝑎2 (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) sin(𝜃1∗+ 𝜃2∗)

𝑧4̇ = −𝑑3∗̇

Suy ra: 𝑣42 = 𝑥4̇ 2+ 𝑦4̇ 2+ 𝑧4̇ 2 = (−𝑎1 𝜃1∗̇ cos 𝜃1∗− 𝑎2 (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) cos(𝜃1∗+

2𝑗4(𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ + 𝜃4∗̇ )2 Trọng tâm từng khâu đặt ở giữa các khâu nên: 𝑎1 = 2𝑎𝑔1; 𝑎2 = 𝑎𝑔2 nên tổng động năng của robot:

2(𝑚2+ 4𝑚3+ 4𝑚4)𝑎1𝑎2𝜃1∗̇ (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) cos 𝜃2∗+1

2(𝑚3+ 𝑚4)𝑑3∗̇ 2+1

2𝑗1 𝜃1∗̇ 2+1

2𝑗2(𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ )2+1

2𝑗4(𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ + 𝜃4∗̇ )2 Tổng thế năng của robot:

2𝑗2(𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ )2+1

2𝑗4(𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ + 𝜃4∗̇ )2+ (𝑚3+ 𝑚4) 𝑔 𝑑3∗ Các phần tử của động lực học:

2(𝑚2+ 4𝑚3+ 4𝑚4)𝑎1𝑎2𝜃2∗̈ cos 𝜃2∗−1

2(𝑚2+ 4𝑚3+ 4𝑚4)𝑎1𝑎2𝜃2∗̇ 2sin 𝜃2∗+(𝑗1 + 𝑗2 + 𝑗4) 𝜃1∗̈ + (𝑗2+ 𝑗4)𝜃2∗̈ + 𝑗4 𝜃4∗̈

𝜕𝐿

𝜕𝜃1 = 0

• Khâu 2:

𝐹2 = 𝑑𝑑𝑡

2(𝑚2+ 4𝑚3+ 4𝑚4)𝑎1𝑎2𝜃1∗̇ 𝜃2∗̇ sin 𝜃2∗+ (𝑗2+ 𝑗4) 𝜃1∗̈ +(𝑗2+ 𝑗4)𝜃2∗̈ + 𝑗4 𝜃4∗̈

𝜕𝐿

𝜕𝜃 2 = −1

2(𝑚2+ 4𝑚3+ 4𝑚4)𝑎1𝑎2𝜃1∗̇ 𝜃2∗̇ (𝜃1∗̇ + 𝜃2∗̇ ) sin 𝜃2∗