Tính toán thiết kế cánh tay Robot 6 bậc tự do

Đồ án tốt nghiệp loại xuất sắc của sinh viên cơ điện tử trường đại học bách khoa hà nội năm 2021 Đồ án tốt nghiệp của nhóm em thực hiện thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do điều khiển qua App. Trong phạm vi đồ án, nhóm đặt ra mục tiêu là tính toán chính xác các phần động học, động lực học, mô hình hóa robot trên Matlab Simulink, thiết kế giao diện điều khiển và để robot chạy đến các tọa độ mong muốn

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chuyên ngành Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Đức An

HÀ NỘI, 6/2021

Chữ ký của GVHD

Trang 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHÍA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Năng Nam Hải MSSV: 20161301

Vũ Văn Hiệp MSSV: 20161459 Lớp: KT Cơ điện tử – K61

Bộ môn: Cơ Điện Tử

Viện: Cơ Khí

I/ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ

“Thiết kế và điều khiển cánh tay Robot 6 bậc tự do”

II/ CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU

- Cánh tay Robot 6 bậc

III/ NỘI DUNG THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN

- Tổng quan

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý và tính toán kết cấu phần cơ khí

- Xây dựng sơ đồ điều khiển và lựa chọn mạch điều khiển

IV/ CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ

- Bản vẽ lắp (A0)

- Bản vẽ kết cấu và bản vẽ mạch điện (A0)

- Bản vẽ sơ đồ điều khiển (A0)

V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Phạm Đức An

VI/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 15/03/2021

VII/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN: 28/06/2021

Hà Nội, ngày….tháng… năm 2021 Giảng viên hướng dẫn

Trang 5

Đánh giá của giảng viên hướng dẫn

………

Kết quả đánh giá Hà Nội, ngày….tháng… năm 2021 Giảng viên hướng dẫn Họ và tên Điểm

Nguyễn Năng Nam Hải

Vũ Văn Hiệp

Trang 7

Đánh giá của giảng viên phản biện

………

Kết quả đánh giá Hà Nội, ngày… tháng… năm 2021 Giảng viên phản biện Họ và tên Điểm

Nguyễn Năng Nam Hải

Vũ Văn Hiệp

Trang 9

Lời cảm ơn

Trải qua 5 năm học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi đã trang bị cho chúng em những kiến thức về chuyên môn cũng như đời sống để có được hành trang tốt nhất cho tương lai

Đồ án tốt nghiệp ngày hôm nay không chỉ là một phần trong chương trình học tập mà hơn hết đây là điều kiện để chúng em có thể áp dụng những kiến thức

đã học cũng như tự đánh giá lại những kiến thức của bản thân để có thể tạo tiền

đề cho những công việc tương lai Chính vì vậy nó là những kiến thức đã được tổng hợp đầy đủ nhất về sự tích lũy của chúng em Qua đây, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô trong viện Cơ khí, bộ môn Cơ điện tử và đặc biệt là thầy giáo TS.Phạm Đức An, người đã luôn sát cánh và giúp đỡ chúng

em trong kì học vừa qua.Chúng em xin chúc các thầy cô luôn mạnh khỏe, nhiệt huyết để dạy bảo, giúp đỡ các thế hệ sinh viên tiếp theo Cảm ơn gia đình đã luôn tin tưởng và hi vọng, là nguồn động lực lớn nhất cho chúng con

Trang 11

Tóm tắt nội dung đồ án

Đồ án tốt nghiệp của nhóm em thực hiện thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự

do điều khiển qua App Trong phạm vi đồ án, nhóm đặt ra mục tiêu là tính toán chính xác các phần động học, động lực học, mô hình hóa robot trên Matlab Simulink, thiết kế giao diện điều khiển và để robot chạy đến các tọa độ mong muốn

Về phần cứng, nhóm tiến hành xây dựng các chi tiết phần cứng bằng phương pháp in3d các khâu bằng nhựa, sử dụng phần đế bằng gỗ Các khâu được truyền động bằng động cơ bước qua 2 cơ cấu truyền động chính là puli - dây đai

và khớp nối mềm

Về phần mềm, nhóm dùng nguôn ngữ lập trình dạng kéo thả khối block trên trang web https://appinventor.mit.edu/ để viết giao diện app điều khiển Robot qua Bluetooth HC05 Dùng Matlab để tính toán lại các bài toán động học, động lực học để tính toán mô phỏng Robot Kết quả của đồ án bước đầu đạt được như yêu cầu đề ra Tuy nhiên để robot gắp được đa dạng vật và tăng độ chính xác thì phải cần nhiều thời gian để nghiên cứu Đây là một đề tài có tính ứng dụng thực tế cao trong công nghiệp 4.0, hứa hẹn là một đề tài có tính thiết thực đối với những sinh viên như chúng em Hy vọng sau đồ án này, các nhóm sau sẽ có nghiên cứu và phát triển thêm để đạt được mục tiêu đã đưa ra Qua đồ án này, chúng em học được nhiều kiến thức trong việc sử dụng các thiết bị điện tử và động cơ Ngoài ra, còn trau dồi cho bản thân được các kỹ năng về văn phòng cũng như lập trình

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

Trang 13

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT 1

1.1 Giới thiệu chung 1

Khái niệm 1

Xu hướng phát triển: 1

1.2 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp: 2

Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 2

Phân loại robot 4

1.3 Ứng dụng của robot 7

Robot công nghiệp 7

Robot y tế 8

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 9

2.1 Mô hình robot 9

2.2 Yêu cầu đặt ra 13

2.3 Tính toán động học 13

Bài toán động học thuận 13

Bài toán động học ngược 17

2.4 Tĩnh học 21

2.5 Động lực học 21

Xác định ma trận M 21

Xác định ma trận Coriolis 22

Xác định các ma trận thế năng 22

Xác định các lực suy rộng 23

2.6 Thiết kế quỹ đạo 24

Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp 24

2.7 Các thiết bị của robot: 31

Thiết bị dẫn động: 31

Khớp nối: 31

Puly, dây đai, trục: 32

Ổ lăn 33

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 34

3.1 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống 34

Cách chọn tham số cho bộ điều khiển số: 34

Trang 14

Xác định hệ số PID bằng mô phỏng Matlab 35

3.2 Các thành phần của hệ thống điều khiển 53

Bo mạch Arduino Mega 2560 53

Mạch điều khiển RAMPS 1.4 53

Mạch điều khiển động cơ bước DRV8825 54

Bluetooth HC05 55

Động cơ bước 56

Động cơ DC servo MG995 57

3.3 Phần mềm lập trình 57

Code nguồn nạp cho Arduino 57

Phần mềm điều khiển 57

3.4 Thuật toán điều khiển và sơ đồ kết nối 63

Thuật toán điều khiển 63

Sơ đồ kết nối các thiết bị điều khiển: 66

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 67

4.1 Mô hình thực nghiệm 67

4.2 Kết quả 69

Độ chính xác 69

Tốc độ Error! Bookmark not defined. Khả năng vận hành 70

KẾT LUẬN 71

1 Kết luận 71

2 Hướng phát triển của đồ án trong tương lai 71

PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 73

PHỤ LỤC 2: CODE TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG 87

PHỤ LỤC 3: CODE GIAO TIẾP MÁY TÍNH VỚI ARDUINO 119

Trang 15

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng thông số D-H 14

Bảng 2.2: Bảng thông số động cơ các khâu 31

Bảng 2.3: Bảng thông số bộ truyền 32

Bảng 2.4: Bảng thông số ổ lăn 33

Bảng 3.1: Các thông số của động cơ 38

Bảng 4.2: Kết quả đo độ chính xác của Robot 69

Trang 16

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Kết cấu chung của hệ thống robot 3

Hình 1.2: Robot kiểu tọa độ Descarte 4

Hình 1.3: Robot tọa độ trụ 4

Hình 1.4: Robot kiểu tọa độ cầu 4

Hình 1.5: Robot kiểu Scara 5

Hình 1.6: Robot kiểu tay người 5

Hình 1.7: Tay máy công nghiệp Dalmec 8

Hình 1.8: Robot phẫu thuật tại bênh viện nhi Trung Ương Việt Nam 8

Hình 2.1: Mô hình tổng thể Robot 9

Hình 2.2: Thông số nhựa ABS 10

Hình 2.3: Khâu đế và các thông số hình học của khâu 10

Hình 2.4: Khâu 1 và các thông số hình học của khâu 11

Hình 2.9: Cơ cấu tay kẹp 12

Hình 2.10: Quy tắc D-H 13

Hình 2.11: Hệ tọa độ cho các khâu 14

Hình 2.12: Tọa độ điểm C trong hệ Oxoyozo 19

Hình 2.13 Đồ thị quỹ đạo chuyển động, vận tốc, gia tốc khâu 2 28

Hình 2.16: Khớp nối mềm 32

Hình 2.17: Thông số hình học Puly, dây đai 32

Hình 2.18: Kích thước ổ lăn 33

Hình 3.1: Bộ điều khiển PID 34

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển có kết hợp chuyển đổi quỹ đạo từ không gian làm việc sang không gian khớp 36

Hình 3.3: Sơ đồ động cơ điện DC 37

Hình 3.4: Mô hình hóa hệ thống robot 39

Hình 3.5: Mô hình khối tính động học ngược 40

Hình 3.6: Mô hình chọn các thông số P, D 40

Hình 3.7: Mô hình bài toán tìm lực suy rộng 41

Hình 3.8: Mô hình bài toán động lực học thuận 41

Hình 3.9: Khối Intergration tính vận tốc các khâu 42

Trang 17

Hình 3.10: Khối Intergrator tìm góc quay các khâu 42

Hình 3.11 Đồ thị đáp ứng góc khớp 1 43

Hình 3.12 Đồ thị sai số góc quay khớp 1 43

Hình 3.13 Đồ thị đáp ứng vận tốc góc khớp 1 44

Hình 3.14 Đồ thị sai số vận tốc góc khớp 1 44

Hình 3.22 Đồ thị sai số vận tốc góp khớp 3 48

Hình 3.25 Đồ thị đáp ứng vận tốc góp khớp 4 50

Hình 3.30 Đồ thị sai số vận tốc góc khâu 5 52

Hình 3.31: Ardunio Mega 2560 53

Hình 3.32: Mạch điều khiển RAMPS 1.4 54

Hình 3.33: Mạch điều khiển động cơ bước DRV8825 54

Hình 3.34: Sơ đồ kết nối DRV8825 55

Hình 3.35: Module Blutooth HC05 55

Hình 3.36: Một số loại động cơ bước 56

Hình 3.37: Động cơ servo MG995 57

Hình 3.38: Giao diện phần điều khiển Robot 58

Hình 3.39: Khối Block kết nối Bluetooth với app 59

Hình 3.40: Khối block điều khiển các động cơ 60

Hình 3.41: Khối block thực hiện chức năng Save 61

Hình 3.42: Khối block thực hiện chức năng Run 62

Hình 3.43: Khối Block điều chỉnh tốc độ 62

Hình 3.44: Sơ đồ thuật toán tổng quát hệ thống điều khiển 63

Hình 3.45: Sơ đồ thuật toán hàm con khối thực thi 64

Hình 3.46: Sơ đồ kết nối các thành phần điều khiển 66

Trang 18

Hình 4.1: Một số góc nhìn về Robot 67 Hình 4.2: Một số góc nhìn của Robot 68 Hình 4.3: Một số góc nhìn của Robot 69

Trang 19

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT

1.1 Giới thiệu chung

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

Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Năm 1967, tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo Robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết Năm 1976, hãng General Motor đã chế tạo thành công cánh tay robot được sử dụng trên tàu Viking của cơ quan hàng không vũ trụ NASA nhằm lấy mẫu đất trên sao hỏa

Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm

đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy, Robot công nghiệp

đã có vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…

Xu hướng phát triển:

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

Trang 20

Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles) Với Robot phỏng sinh học, các nghiên cứu thời gian qua tập trung vào 2 loại chính là Robot đi (Walking robots) và Robot dáng người (Humanoid Robots) Bên cạnh

đó, các loại robot phỏng sinh học dưới nước như robot cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển Hiện nay các ứng dụng của robot đang có xu thế chuyển sang các ứng dụng thường nhật như Robot gia đình (home robots) và Robot cá nhân (Personal robots) Mặc dù về cấu trúc của các loại robot có khác nhau nhưng các nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong các môi trường tự nhiên Với sự phát triển của xã hội và quá trình hiện đại hóa ở các nước phát triển thì nhiều dịch vụ mới được hình thành làm thay đổi quan điểm về robot từ robot phục vụ công nghiệp sang robot phục vụ cho các nhu cầu

xã hội và nhu cầu cá nhân của con người

Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các robot địa hình và robot dịch vụ phát triển

1.2 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp:

Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

Kết cấu chung

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

Trang 21

Hình 1.1: Kết cấu chung của hệ thống robot

Kết cấu tay máy

Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của Robot

Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay Robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của Robot như: Tầm với (hay trường công tác),

số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của Robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp,

Các khâu của Robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:

- Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarte, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu

là T hoặc P

- Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy

có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp của Robot là robot kiểu toạ độ Descarte, toạ độ trụ, toạ độ cầu, Robot kiểu SCARA, kiểu tay người

Trang 22

Phân loại robot

Phân loại robot theo dạng không gian thao tác

a Tọa độ Descarte

Hình 1.2: Robot kiểu tọa độ Descarte

b Robot tọa độ trụ

Hình 1.3: Robot tọa độ trụ

c Robot tọa độ cầu

Hình 1.4: Robot kiểu tọa độ cầu

Trang 23

d Robot kiểu Scara

Hình 1.5: Robot kiểu Scara

e Robot kiểu tay người:

Hình 1.6: Robot kiểu tay người

Phân loại theo điều khiển

Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín

a Điều khiển hở

Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…)

mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

b Điều khiển kín (hay điều khiển servo)

Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour)

- Với kiểu điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh,…

Trang 24

- Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn

Phân loại theo thế hệ

- Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy

- Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước

- Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, panel điều khiển

- Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều khiện biên không được xác định trước Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot

Phân loại theo hệ thống truyền động

Có các dạng truyền động phổ biến là:

- Hệ truyền động điện: thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC: direct current) hoặc các động cơ bước (step motor) Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn

- Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển

- Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ này làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản

“nhấc lên - đặt xuống” (pick and place or point to point)

Trang 25

Phân loại theo ứng dụng

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v

1.3 Ứng dụng của robot

Robot công nghiệp

Tay máy công nghiệp được chế tạo, sử dụng từ những năm 1960 Giai đoạn đầu, tay máy được sử dụng nhiều trong công nghiệp chế tạo ô tô Nhu cầu thực tế của công nghiệp chế tạo ô tô đòi hỏi phải nghiên cứu các phương pháp chuẩn định để giảm sai số do tính bất định của mô hình động học robot gây nên Tiếp đến là các phương pháp thiết kế quỹ đạo và điều khiển chuyển động của tay máy Thiết kế quỹ đạo là tìm quy luật chuyển động của các khớp robot sao cho quỹ đạo của đầu tay nắm robot trong không gian 3D đi được từ điểm đầu đến điểm cuối tránh được các vật cản và không bị rơi vào các điểm kỳ dị Điều khiển chuyển động robot là một hướng nghiên cứu phát triển mạnh và ngày càng phong phú Robot có hệ động lực phi tuyến, nhiều đầu vào/ra, có nhiều tham số bất định như momen quán tính, ma sát, độ rơ của các khớp đòi hỏi các phương pháp điều khiển phải có tính bền vững cao Các thuật toán điều khiển robot liên tục được nghiên cứu và ứng dụng từ đơn giản như PD, PID đến phức tạp như các hệ tự thích nghi, hoặc các phương pháp điều khiển thông minh sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo, thuật gen và điều khiển mờ Nghiên cứu điều khiển lực/momen ở robot cũng rất được quan tâm do robot phải tham gia vào quá trình sản xuất, tiếp xúc với môi trường trong quá trình thực thi nhiệm vụ Có nhiều phương pháp điều khiển lực như điều khiển nhúng, điều khiển lai hoặc dùng các cơ cấu tay nắm có độ nhún nhất định cho các ứng dụng lắp ráp 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 Các phương pháp của trí tuệ nhân tạo được đưa vào robot như khả năng tự học, suy diễn và tự giải quyết vấn đề Ngoài ra việc áp dụng các cảm biến như thị giác máy, xúc giác và đo lực/momen làm tăng khả năng thích ứng với môi trường thay đổi của robot

Trang 26

Hình 1.7: Tay máy công nghiệp Dalmec

Robot y tế

Từ những năm 90 robot đã được nghiên cứu áp dụng vào lĩnh vực y tế không phải để thay thế các bác sỹ mà để hỗ trợ họ trong các thao tác đòi hỏi sự chính xác và tính chuyên nghiệp cao Nhiều lĩnh vực khác trong y tế cũng được robot hỗ trợ như các robot phục vụ ở các lab xét nghiệm y tế, robot mổ, robot dạy

mổ, robot điều trị và tư vấn từ xa, robot hỗ trợ người tàn tật và robot dịch vụ trong bệnh viện 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 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

Hình 1.8: Robot phẫu thuật tại bênh viện nhi Trung Ương Việt Nam

Trang 27

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

- Vùng làm việc, tầm với theo chiều ngang và chiều đứng

- Độ chính xác: là sai số vị trí và hướng đầu công tác

- Tính lặp lại, là sai số tối đa khi đầu công tác trở lại vị trí cũ

- Vận tốc chuyển động tối đa của các trục

- Khả năng ứng dụng trong sản xuất

Robot đã thiết kế là khung cánh tay 5 bậc tự do có đặc điểm sau:

- Khung cánh tay máy bao gồm chân đế được lắp trục quay cánh tay máy, trên trục quay có 4 khớp quay Cuối cánh tay máy là một mặt bích có thể xoáy lắp cơ cấu kẹp

Kích thước:

- Chiều cao (tính cả phần tay kẹp): 840 mm (không tính tay kẹp 720 mm)

- Chiều dài tay: 535 mm

- Độ rộng chân đế: 156 mm

Tổng thể cánh tay robot được miêu tả như hình vẽ:

Hình 2.1: Mô hình tổng thể Robot

Trang 28

Mô hình chi tiết và các thông số hình học:

- Vật liệu chế tạo Robot là loại nhựa ABS có các thông số sau

Hình 2.2: Thông số nhựa ABS

- Khâu đế

Hình 2.3: Khâu đế và các thông số hình học của khâu

Trang 30

- Khâu 4

Hình 2.7: Khâu 4 và các thông số hình học của khâu

- Khâu 5

Hình 2.8: Khâu 5 và các thông số hình học của khâu

- Cơ cấu tay kẹp:

Hình 2.9: Cơ cấu tay kẹp

Độ rộng tay kẹp: 80mm

Trang 31

2.2 Yêu cầu đặt ra

 Xây dựng mô hình thành công

 Điều khiển được các trục quay đúng góc, sai số cho phép  2

 Điều khiển cho robot đi qua được các điểm đã lưu

Bài toán động học thuận

Thiết lập hệ phương trình động học của robot:

Phương pháp Denavit – Hartenberg

Theo DH, tại mỗi khớp ta gắn một hệ trục toạ độ, quy ước về cách đặt hệ toạ độ này như sau:

Trục zi được liên kết với trục của khớp thứ i+1 Chiều của zi được chọn tùy ý

Trục xi được xác định là đường vuông góc chung giữa trục khớp i và khớp i+1, hướng từ điểm trục của khớp i tới khớp i+1 Nếu hai trục song song thì xi có thể chọn bất kỳ là đường vuông góc chung hai trục khớp Trong trường hợp hai

trục này cắt nhau, xi được xác định theo chiều của (zi x zi+1) ( hoặc quy tắc bàn tay phải)

Trục yi được xác định theo xi và zi theo quy tắc bàn tay phải

Hình 2.10: Quy tắc D-H

Trang 32

Ma trận Denavit – Hartenberg:

Các thông số động học Denavit – Hartenberg được xác định như sau:

di: khoảng cách Oi-1 và Oi theo trục zi-1.

i

 : góc giữa 2 đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1

chuyển đến trục xi theo qui tắc bàn tay phải

i

 : góc xoay đưa trục zi-1 về zi quanh xi theo quy tắc bàn tay phải

i

a : khoảng dịch chuyển giữa 2 trục khớp động kề nhau

Áp dụng phương pháp Denavit – Hartenberg ta xây dựng được hệ tọa độ,

và bảng thông số DH như hình (2.11) và bảng (2.1) dưới đây:

Hình 2.11: Hệ tọa độ cho các khâu

Trang 33

h3=128 (mm)

h4=96 (mm)

h5=130 (mm)

cosq -sinq cosα sinq sinα a cosq

sinq cosq cosα -cosq sinα a sinq

Tính các ma trận tọa độ biến đổi thuần nhất của khâu cuối so với gốc tọa độ và

viết phương trình động học robot:

4

5=A5

(2.7) (2.8) (2.9)

Trang 34

Từ các thành phần ma trận cột cuối của mỗi ma trận T50, T40, T30, T20, T10

đạo hàm tọa độ vị trí của điểm tác động cuối theo các biến khớp ta được vận tốc

y

.q q

z

.q q

v v v

Trang 35

Tính toán xác định vận tốc góc của khâu tác động cuối:

Từ các công thức (2.12) ta xác định được ma trận cô-sin chỉ hướng của điểm cuối

các khâu trong hệ cố định (với các giá trị thành phần được thể hiện ở trên):

(kết quả tính toán bài toán động học thuận có trong PHỤ LỤC 1)

Bài toán động học ngược

Bài toán động học ngược tổng quát: cho trước ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu cuối:

Trang 36

So sánh ma trận H với ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất được xác định từ bài toán động học thuận cho ta hệ hệ 12 phương trình

Do 9 phần tử của ma trận cosin chỉ hướng chỉ có ba phần tử đọc lập, nên

từ hệ 12 phương trình trên ta có thể viết ra được hệ 6 phương trình độc lập

Tuy nhiên, để giải hệ các phương trình đại số tuyến tính này là tương đối khó Bài toán có thể có một hoặc nhiều nghiệm, hoặc không có nghiệm, hoặc có vô số nghiệm

Có rất nhiều các phương pháp để giải quyết bài toán động học ngược như giải bằng các công thức giải tích, phương pháp hình học (sử dụng các công thức lượng giác), phương pháp tách vị trí và hướng (phương pháp các nhóm 3), phương pháp dựa trên ma trận Jacobi cho tay máy dư dẫn động

Với mô hình Robot 5 bậc tự do, ta sử dụng phương pháp các nhóm 3 để giải bài toán động học ngược là hợp lý và dễ dàng hơn so với các phương pháp còn lại

Phương pháp các nhóm 3 được trình bày như sau:

Từ hệ tọa độ gắn lên các khâu của robot (hình 2.4), ta xác định được tọa

độ điểm trung gian C≡O4 chỉ phụ thuộc vào góc quay của các biến khớp q1, q2, q3

Ta xác định được tọa độ của điểm trung gian C khi đã biết vị trí điểm tác động cuối E và ma trận cosin chỉ hướng khâu cuối:

r r

Trang 37

Hình 2.12: Tọa độ điểm C trong hệ Oxoyozo

Từ hệ tọa độ, ta dễ dàng xác định được theo công thức (2.1) xác định ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất:

cos q sin(q q ) sin q cos q cos(q q ) h cos q cos q

sin q sin(q q ) cos q sin q cos(q q ) h cos q sin q

cos(q q ) 0 sin(q q ) h h sin q

h cos(q q ).cos(q ) h cos(q ).cos(q )

h cos(q q ).sin(q ) h sin(q ).cos(q )

Trang 38

sin(q ) cos(q ) sin(q q ) sin(q ).sin(q q ).r cos(q q ).r

cos(q ) (sin(q ) cos(q ) )

sin(q = cos(q ).cos(q q ) sin(q ).cos(q q ).r sin(q q ).r

cos(q = cos(q ) cos(q q

q a tan 2(sin(q ),cos(q ))

Trang 39

- iMi,i 1  iMi 1,i  i ir Fi 1 i i,i 1 i ir PCi i là momen do khâu i-1 tác dụng lên khâu

i ở khớp thứ i trong hệ tọa độ gắn liền vật

- Pi    Px Py Pz T là trọng lực của khâu i trong hệ tọa độ gắn liền vật

- rii 1 là tọa độ tâm của hệ i trong hệ i-1

- rCii là tọa độ khối tâm C của khâu i trong hệ

Do điểm tác động cuối của robot ta thực hiện nâng gắp vật nên hệ sẽ chịu một lực

và momen từ vật sinh ra, như vậy:

T T

Trong đó:

n n ij

M(q)    m     là ma trận khối lượng suy rộng

n n ij

Trang 40

Trong đó:

- JTi là ma trận jacobi tịnh tiến của khối tâm khâu i

- JRi là ma trận jacobi quay của khối tâm khâu i

- mi là ma trận khối lượng khâu i cỡ 3x3

- Ii là ma trận quán tính khối tâm khâu I cỡ 3x3 được lấy từ SolidWorks

- 𝑅𝑖0 là ma trận quay của khối tâm khâu i so với hệ gốc

Ma trận vận jacobi quay của khối tâm từng khâu có dạng:

Định dạng
Số trang	147
Dung lượng	4,87 MB