Chế tạo cánh tay robot trong công nghiệp gấp và xếp vật

Qua đó nhóm chọn thiết kế “ Thiết kế cánh tay robot trong công nghiệp gắp và xếp vật”, một cánh tay robot công nghiệp dùng PLC điều khiển servo AC để có thể nâng cao năng suất cho hệ th

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP

GẮP VÀ XẾP VẬT

GVHD: LÊ HOÀNG LÂM SVTH: NGUYỄN TUẤN DUY MSSV: 15151015

SVTH: TRẦN VÕ MINH TÂM MSSV: 15151073

SKL 0 0 5 9 5 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Tuấn Duy MSSV: 15151015

Trần Võ Minh Tâm 15151073 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Lớp: 15151CLC1 Tên đề tài: Chế tạo cánh tay robot trong công nghiệp gắp và xếp vật

Họ và tên Giáo viên phản biện: TS Đặng Xuân Ba

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

- Nội dung đồ án chưa đạt yêu cầu, ở mức yếu

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

- Được bảo vệ nhưng cần chỉnh sửa nhiều

5 Đánh giá loại:

- Đồ án trình bày chưa đạt yêu cầu, ở mức yếu

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019

Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv

MỤC LỤC vi

LỜI CẢM ƠN ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xii

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Tổng quan hệ thống 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Đối tượng nghiên cứu 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁNH TAY ROBOT 4

2.1 Cơ sở lý thuyết về Robot 4

2.2 Cấu trúc và phân loại robot trong công nghiệp 5

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của robot trong công nghiệp 5

2.2.2 Phân loại robot 6

2.3 Một số khái niệm về robot 10

2.3.1 Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom) 10

2.3.2 Trường công tác của robot (Workspace) 11

2.4 Động học robot 12

2.4.1 Động học thuận 12

2.4.2 Động học nghịch 14

Chương 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 15

3.1 Thiết kế phần cơ khí 15

3.1.1 Khung đỡ mô hình và chứa tủ điện 15

3.1.2 Bàn đỡ mô hình 16

3.1.3 Chân đặt cánh tay robot 16

3.1.4 Bàn đặt vật 17

3.1.5 Băng tải 18

3.1.6 Cánh tay robot 19

3.2 Thiết kế mạch điều khiển 25

3.2.1 Thiết bị sử dụng 25

3.2.2 Mạch điều khiển 65

3.2.3 Mạch động lực 67

3.2.4 Mạng SSCNET III/H 68

Chương 4: GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 70

4.1 Tính động học thuận và động học nghịch 70

4.1.1 Tính động học thuận 70

4.1.2 Tính động học nghịch 74

4.2 Thiết kế màn hình HMI 76

4.3 Phương pháp thực hiện 78

4.3.1 Lưu đồ khối 78

4.3.2 Lập trình và thiết lập các thông số 81

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85

5.1 Kết quả 85

5.1.1 Về PLC 85

5.1.2 Về thiết bị điện 85

5.1.3 Về Driver Servo 85

5.1.4 Về phần cơ khí 85

5.1.5 Khả năng tìm kiếm tài liệu và cách làm việc 86

5.2 Kết quả thực nghiệm 86

5.3 Hướng phát triển đề tài 88

5.3.1 Nâng cấp trục vít me 88

5.3.2 Thêm băng tải chuyển Pallet 88

5.3.3 Thêm xử lý ảnh hoặc cảm biến phát hiện người trong khu vực làm việc của cánh tay 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

Em cũng xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô giáo trong Trường đại học Sư Phạm Kĩ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và các thầy cô giáo trong bộ môn Công nghệ kĩ thuật điều khiển và tự động hóa đã dạy những kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp nhóm có những cơ sở lý thuyết vững vàng

Quý các thầy cô đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức về chuyên môn và giúp

chúng em định hướng theo sự hiểu biết và khả năng để chúng em thực hiện đồ án “CHẾ TẠO

CÁNH TAY ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP GẮP VÀ XẾP VẬT”

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Đào tạo Chất lượng cao Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi để nhóm em hoàn thành đồ án này

Nhóm xin chân thành cảm ơn tất cả!

Nhóm Thực Hiện: Nguyễn Tuấn Duy

Trần Võ Minh Tâm

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CPU: Central Processing Unit

PLC: Programmable Logic Controller

SCARA: Selective Compliance Assembly Robot Arm

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Chú thích module Q06H CPU

Bảng 3.2: Động có tương thích với Driver Servo

Bảng 3.3: Chú thích cho module MR-J4-B

Bảng 3.4: Thông số kĩ thuật module MR-J4-B

Bảng 3.5: Thông số kĩ thuật động cơ HG-KR

Bảng 3.6: Thông số kĩ thuật bộ lọc nhiễu MC

Bảng 3.7: Ưu điểm SSCNET III so với SSCNET I/II

-

Bảng 4.1: Bảng thông số D-H

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Cấu trúc chung của hệ robot

Hình 2.2: Robot hệ tọa độ Descarte

Hình 3.6: Puly nối với băng tải

Hình 3.7: Chiều dài của đế

Hình 3.8: Bề ngang của đế

Hình 3.9: Bánh răng puly động cơ

Hình 3.10: Bánh răng puly trung gian

Hình 3.11: Banh răng puly dưới

Hình 3.12: Bánh răng puly trục xoay robot

Hình 3.13: Thân robot

Hình 3.14: Tỷ số truyền của puly

Hình 3.15: Khớp tay thứ nhất

Hình 3.16: Mặt trên của cánh tay 1

Hình 3.17: Mặt dưới của cánh tay 1

Hình 3.31: Các loại MR-J4-B theo công suất

Hình 3.32: Chi tiết driver MR-J4-B

Hình 3.33: Kết nối với driver servo MR-J4-B

Hình 3.43: Handy GOT GT1155HS-QSBD

Hình 3.44: Kết nối tổng quát HMI

Hình 3.45: Kết nối các nút nhấn cơ trên HMI

Hình 3.46: Kết nối 37 chân trên HMI

Hình 3.47: Cảm biến quang OMRON E3Z-D61

Hình 4.9: Set Parameter cho điểm HOME

Hình 4.10: Quy ước chiều quay servo

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan hệ thống

“Robot trong công nghiệp” là một cụm từ đã quá quen thuộc đối với thời đại công nghiệp hóa – hiện đại hóa ngày nay Do nhu cầu về chất lượng và năng suất của sản phẩm ngày càng tăng Do đó các doanh nghiệp ngày nay luôn phải cải tiến các dây chuyền của mình một cách hiện đại và tối ưu nhất Và những cánh tay robot đóng một vai trò cực kì quan trọng trong công cuộc đổi mới này

Hiện nay các doanh nghiệp lớn đang gặp phải những vấn đề lớn do thiếu nhân lực,

để triển khai công việc hiệu quả và hạn chế nhân công bỏ việc, hay nghỉ ốm giữa chừng Các công ty lớn đang dần chuyển sang sử dụng các cánh tay robot công nghiệp

để sản xuất, nhằm thay thế con người giúp tiết kiệm thời gian, tăng năng suất lao động Các cánh tay robot giúp tối ưu hóa chi phí, linh hoạt, an toàn và dễ sử dụng, là tấm

vé để bạn kiểm soát doanh nghiệp tốt hơn Bạn không phải lo lắng về việc một cobot (robot cộng tác) bị bệnh hoặc bỏ việc mà không báo trước, có tâm trạng chán nản hoặc

bị chấn thương, hoặc phải mất quá nhiều thời gian để học một quy trình mới

Cánh tay robot có trọng lượng nhẹ, tiết kiệm không gian và dễ tái triển khai cho nhiều ứng dụng mà không làm thay đổi bố cục sản xuất Việc di chuyển cobot để dùng cho các quá trình mới rất nhanh chóng và dễ dàng, tạo cho bạn sự linh hoạt khi tự động hóa bất kỳ nhiệm vụ thủ công nào, bao gồm các hoạt động sản xuất quy mô nhỏ hoặc những hoạt động thay đổi nhanh Cobot có thể tái sử dụng các chương trình cho các tác

vụ định kỳ

Các cánh tay robot có thể giúp bạn giải phóng những công việc dơ bẩn, nguy hiểm

và tẻ nhạt nhằm giảm chấn thương và căng thẳng do làm việc lặp đi lặp lại 80% trong

số hàng nghìn robot UR trên toàn thế giới có thể hoạt động mà không cần được bảo vệ

an toàn (sau khi đánh giá rủi ro), ngay bên cạnh các nhà vận hành máy

Phát triển robot cộng tác công nghiệp để tự động hoá và sắp xếp các quy trình công nghiệp lặp lại Cách tiếp cận này cho phép các bộ phận sản xuất có thể phân công nhân

sự làm những công việc thú vị hơn – để họ phát triển năng lực trong những công việc

có nhiều thách thức mới, từ đó tăng giá trị cho công ty

Các robot cộng tác đang giúp lấp đầy khoảng trống kỹ năng trong hoạt động sản xuất từ các công ty vừa và nhỏ đến các công ty đa quốc gia khổng lồ

Qua đó nhóm chọn thiết kế “ Thiết kế cánh tay robot trong công nghiệp gắp và

xếp vật”, một cánh tay robot công nghiệp dùng PLC điều khiển servo AC để có thể

nâng cao năng suất cho hệ thống dây chuyền trong các nhà máy

Trong thực tế có rất nhiều phương án để áp dụng cho đề tài này: PLC, vi điều khiển,…

 PLC: được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp trong các hệ thống lớn vì tính chính xác, ổn định, độ bền rất cao, công suất lớn hơn, giảm đáng kể số lượng dây nối, relay, timer, Tuy nhiên diện tích lớn hơn rất nhiều so với vi điều khiển và giá thành cũng đắt hơn rất nhiều

 Vi điều khiển: nhỏ gọn, tiện lợi, thông dụng, giá thành rất rẻ có thể dễ dàng tìm kiếm Nhưng đôi khi vẫn tính ổn định vẫn chưa cao, dễ hư hỏng Chỉ thường dùng để điều khiển các loại servo DC, tần số đóng cắt thấp ( khoảng 16000 – 20000Hz)

 Nhóm quyết định dùng PLC để áp dụng cho đề tài lần này, vì những ưu điểm trên và để phù hợp với hệ thống trong công nghiệp Cùng với đó là để áp dụng những kiến thức đã học về tự động hóa, về PLC vào đồ án tốt nghiệp lần này

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Cánh tay robot có thể xác định chính xác tọa độ của vật Gắp được vật và sắp xếp chúng theo đúng tọa độ mà người lập trình mong muốn Cánh tay robot phải hoạt động một cách nhanh chóng và trơn chu

1.3 Nội dung nghiên cứu

Vẽ được mô hình trên Solid Work, chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do, băng tải vận chuyển vật, tủ điện Tính toán động học thuận, động học nghịch để dùng các dữ liệu đó lập trình cho PLC điều khiển động cơ servo AC thông qua Driver Từ đó có thể điều khiển các góc khớp của cánh tay robot

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về cánh tay robot

Chương 3: Thiết kế phần cứng

Chương 4: Thiết kế phần mềm

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để có thể thực hiện được đề tài này, nhóm đã tìm hiểu các mô hình cánh tay được đưa vào ứng dụng trong công nghiệp Dựa vào những tham khảo đó và đặc biệt là những góp ý tận tình cũng như những hệ thống có sẵn của giáo viên hướng dẫn Nhóm

đã có được định hướng cũng như phương pháp để thực hiện đề tài của mình

 Hướng giải quyết đề tài:

 Tìm hiểu cách thức hoạt động của cánh tay SCARA

 Nghiên cứu các giải pháp có thể thực hiện của mô hình

 Nghiên cứu cách kết nối và điều khiển phối hợp các động cơ servo AC

 Nghiên cứu về động học thuận, động học nghịch của cánh tay robot

 Tìm hiểu các thiết bị điện liên quan cần thiết cho mô hình (Relay, biến áp,

CB, cảm biến,…)

 Thiết kế phần cơ khí cho hệ thống

 Thiết kế tủ điện cho hệ thống

 Nghiên cứu lập trình trên phần mềm của Mitsubishi

 Thiết kế và lập trình giao hiện HMI

 Chạy thử, kiểm tra và chỉnh sửa chương trình, các thông số cho phù hợp

1.5 Đối tượng nghiên cứu

 Các đối tượng điều khiển:

 Bộ điều khiển PLC dòng Q Mitsubishi

 Bộ điều khiển Motion

 Module ngõ vào/ra QX QY

 Màn hình HMI Handy GOT

 Bộ phát xung tay (Handy Pulser)

 Bộ điều khiển Driver J4 và động cơ Servo

 Cảm biến quang Omron

 Các đối tượng cơ khí:

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁNH TAY ROBOT 2.1 Cơ sở lý thuyết về Robot

Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Positron,do chính con người lập trình Asimov cũng đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics,trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:

- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người

- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra Các quy tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất

- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trước

Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot dùng để thay thế con người trong một số công việc xác định Để robot có thể đảm nhiệm yêu cầu đó, robot cần có khả năng cảm nhận được trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người

Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh "Hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin Việc chế tạo ra robot là mục đích của việc tạo ra thiết bị có thể thay thế mình ở những công việc không phù hợp như:

- Các công việc thao tác có tính tuần hoàn lặp đi lặp lại, gây nhàm chán, nặng nhọc: quét dọn, di chuyển vật,

- Làm việc ở những nơi ảnh hưởng đến sức khỏe con người như: ngoài khoảng không vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng

xạ, nhiệt độ cao,

- Những việc đòi hỏi độ chính xác cao, như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch,…

2.2 Cấu trúc và phân loại robot trong công nghiệp

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của robot trong công nghiệp

2.2.1.1 Cấu tạo chung

Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các thành phần 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 và 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 Thường sử dụng các loại động cơ: 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 và điều khiển hoạt động của robot

Hình 2.3: Cấu trúc chung của hệ robot

2.2.1.2 Kết cấu tay máy

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

2.2.2 Phân loại robot

2.2.2.1 Phân loại theo không gian hoạt động

a Tọa độ Descarte

Tay máy kiểu tọa độ Descarte (còn gọi là robot tuyến tính) là tay máy chuyển động tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ Trường công tác có dạng khối chữ nhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác

cơ khí đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng Robot tọa độ Descartes kiểu cầu trục công nghiệp được ứng dụng trên dây chuyền sản xuất máy tiện CNC để bốc dỡ các bộ phận liên tục Nó thực hiện chuyển động tuyến tính 3 trục (X, Y và Z) ở tốc độ cao để tiết kiệm số lượng toán

tử Ngoài ra, robot có thể xử lý các tải trọng lớn về các quy trình nạp và chọn các

bộ phận có độ chính xác định vị cao Một số yêu cầu đặc biệt có thể là tiếng ồn thấp và bảng cung cấp tùy chỉnh, được thực hiện theo số lượng lưu trữ Được ứng dụng nhiều nhất là trên máy CNC và các giàn trên không như cẩu gắp

Hình 4.2: Robot hệ tọa độ Descarte

b Robot tọa độ trụ

Khác với kiểu tay máy Descarte, Robot tọa độ trụ có khớp đầu tiên là khớp xoay thay cho khớp trượt Độ cứng của trụ tốt nên tay máy có thể phù hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác sẽ giảm khi tầm với tăng

Hình 2.3: Robot tọa độ trụ

c Robot tọa độ địa cầu

Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc

của nó là một khối cầu rỗng Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác phụ thuộc vào tầm với Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn

Hình 2.4: Robot tọa độ địa cầu

d Robot kiểu SCARA

Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp, Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo phương được chọn, là phương ngang Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Từ SCARA là viết tắt của chữ

“Selective Compliance Articulated Robot Actuator” để mô tả các đặc điểm trên

Hình 2.5: Robot SCARA

e Robot khớp tay người

Tay máy loại này tất cả các khớp đều là khớp xoay, nhưng có một khớp đầu tiên là khớp xoay vuông góc với hai khớp còn lại Tay máy loại này làm việc rất khéo léo nhưng sự chính xác vẫn tùy theo từng vùng làm việc

Hình 2.6: Robot khớp tay người

2.2.2.2 Phân loại theo điều khiển

Thông thường có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín

a Điều khiển hở

Đây là phương phép điều khiển trong môi trường không cần độ chính xác cao

Do không có phản hồi về trạng thái cũng như môi trường làm việc của tay máy công nghiệp Thường sử dụng trong công việc vận chuyển hàng hóa,… Do đó những động cơ được sử dụng trong phương pháp điều khiển này thường là động

cơ bước, động cơ điện thường không có phản hồi về

b Điều khiển kín

Với phương pháp điều khiển này thì tay máy sẽ làm việc chính xác hơn rất nhiều, do phương pháp này điều khiển theo vòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường mà tay máy đang hoạt động Nhưng bên cạnh đó điều khiển theo phương pháp này sẽ phức tạp do phải trang bị hệ thống để

đo được các giá trị trạng thái của tay máy như: moment, vị trí, vận tốc và các thông

số khác

Phương pháp này có độ chính xác rất cao, nên ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các loại tay máy trong công nghiệp

2.2.2.3 Phân loại theo ứng dụng

Tùy theo chức năng và ứng dụng của robot như: robot gắp vật, robot lắp ráp, robot y tế,…

 Dựa vào những khả năng có thể, nhóm chọn chế tạo cánh tay máy SCARA 4 bậc

tự do, phương pháp điều khiển kín do tất cả các khớp nối đều sử dụng động cơ servo AC, được ứng dụng để gắp vật

2.3 Một số khái niệm về robot

2.3.1 Bậc tự do của robot (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 Nhìn chung cơ hệ của robot thường là một cơ cấu hở

Do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:

2.3.1 Hệ tọa độ (Coordinate frames)

Một robot sẽ bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints) Tạo thành một chuyển động xuất phát từ điểm bắt đầu (gọi là khâu cơ bản) Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn) Đối với các hệ toạ

độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng Tất cả các hệ toạ

độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải

Hình 2.7: Hệ tọa độ robot

2.3.2 Trường công tác của robot (Workspace)

Còn gọi là vùng làm việc của cánh tay robot Toàn bộ thể tích lớn nhất được quét bởi khâu cuối cùng của robot khi thực hiện các chuyển động có thể Trường công tác bị giới hạn bởi một số góc khớp (do thiết kế cơ khí) Ta có thể mô tả trường công tác của tay máy theo hai hình chiếu

2.4 Động học robot

2.4.1 Động học thuận

Bài toán động học thuận sử dụng phương pháp do Denavit – Hartenberg đề xuất Phương pháp đó được sử dụng để biểu thị mối quan hệ giữa 2 khâu với nhau

 Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D-H:

Một cách tổng quát tay máy coi là có n khâu, trong đó khâu thứ i liên kết khớp (i) với khớp (i+1) như hình vẽ Theo quy tắc D-H các hệ tọa độ được xác định theo quy ước sau:

- Trục tọa độ 𝑧𝑖 cùng hướng với hướng của trục khớp i+1

- 𝑥𝑖 cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục 𝑧𝑖−1và trục 𝑧𝑖

- Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của truc z và trục x đã xác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theo quy tắc bàn tay phải

- Hệ tọa độ gốc: 𝑥0 được chọn tùy ý vuông góc với 𝑧0

 Quy tắc rời trục tọa độ theo Denavit-Hartenberg:

- Tịnh tiến một đoạn di theo trục 𝑧𝑖−1 để 𝑥𝑖−1 nằm trên mặt phẳng pháp tuyến của 𝑧𝑖−1 chứa 𝑥𝑖

- Quay một góc 𝜃𝑖quanh trục 𝑧𝑖−1 để 𝑥𝑖−1 cùng phương với 𝑥𝑖

- Tịnh tiến một đoạn ai theo trục 𝑥𝑖−1 để 𝑥𝑖−1 trùng với 𝑥𝑖

- Quay một góc α𝑖 quanh trục 𝑥𝑖−1 (trùng với 𝑥𝑖) để 𝑧𝑖−1trùng với 𝑧𝑖

Hình 2.8: Trường công tác của robot

 Ma trận biến đổi thuần nhất các hệ trục tọa độ theo D-H

Tương ứng với các phép tịnh tiến và phép quay trên ta có các ma trận biến đổi

thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ liên tiếp theo quy tắc D-H là các ma trận H i i-1

2.4.2.2 Mục đích của bài toán động học ngược tay máy

Để điều khiển tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì chúng ta phải tính toán giá trị các biến khớp phải quay hoặc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot

 Có 2 phương pháp chính để tính động học nghịch cho cánh tay robot:

- Phương pháp đại số: nhược điểm của phương pháp này là tính toán phức tạp, khó khi áp dụng cho robot có số bậc tự do lớn (>5) Đối với phương pháp này thì ưu điểm là khi có được kết quả việc thay giá trị để tính toán trở nên dễ dàng

- Phương pháp hình học: đối với robot có số bậc tự do lớn thì bài toán sẽ trở nên dễ dàng hơn so với phương pháp đại số Tuy nhiên các bước ban đầu khi xác định hình học sẽ khó khăn hơn

Chương 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Yêu cầu thiết kế: chế tạo cánh tay robot dạng SCARA có 4 bậc tự do, có thể gắp vật từ trên băng tải và xếp trên bàn để vật

3.1 Thiết kế phần cơ khí

3.1.1 Khung đỡ mô hình và chứa tủ điện

 Sử dụng khung nhôm định hình với kích thước:

- Chiều cao: 100 cm (trong đó 10cm là chiều cao bánh xe)

- Chiều dài: 90 cm

- Chiều rộng: 55cm

Có bốn bánh xe để có thể dễ dàng di chuyển

Hình 3.1: Khung đỡ mô hình

3.1.3 Chân đặt cánh tay robot

Với mục đích giúp cho cánh tay robot có thể gắp vật cao hơn, do chiều cao của băng tải và giúp cho cánh tay robot cố định chắc chắn

 Chân đỡ được thiết kế:

- Năm chân đỡ với chiều cao mỗi chân là 14 cm

- Mặt nhôm với độ dày 1 cm

- Chiều dài: 31 cm

- Chiều rộng: 21 cm

Hình 3.3:Chân đặt cánh tay robot

3.1.4 Bàn đặt vật

Bàn đặt vật là nơi để robot xếp vật khi đã gắp từ băng tải

 Bàn đặt vật được thiết kế:

- Có 2 chân đỡ với chiều cao 32 cm

- Mặt bàn bằng nhôm với chiều dày 0.8 cm

- Chiều dài: 30 cm

- Chiều rộng: 30 cm

Hình 3.4: Bàn đặt vật

3.1.5 Băng tải

 Kích thước băng tải:

- Chiều cao: 27cm

- Chiều dài khung: 92 cm

- Chiều dài băng tải: 82 cm

- Độ rộng khung:14.5 cm

- Độ rộng băng tải: 10 cm

Hình 3.5: Băng tải

 Cơ cấu truyền động của băng tải:

Hình 3.6: Puly nối với băng tải

Hình 3.7: Chiều dài của đế Hình 3.8: Bề ngang của đế

 Tỉ số truyền của các bánh răng dây đai:

3.1.6.2 Thân robot (trục vít me)

Thân robot giúp cho cánh tay có thể di chuyển lên xuống Cơ cấu chuyển động sử dụng vít me

 Kích thước cánh tay:

- Chiều cao: 58 cm

- Đường kính: 16 cm

Hình 3.13: Thân robot

 Thông số vít me:

- Bước ren di chuyển: 10mm/vòng

- Đường kính: 1.55 cm

- Chiều dài: 51 cm

 Cơ cấu truyền động qua trục vít me:

Hình 3.14: Tỷ số truyền của puly

- Chiều dài: 32.5 cm

- Độ dày: 12 cm

Hình 3.15: Khớp tay thứ nhất

Cơ cấu truyền động trong cánh tay 1, đây là cơ cấu để làm di chuyển cánh tay 2:

Hình 3.16: Mặt trên của cánh tay 1