1. Đầu đề thiết kế

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO KẾT CẤU CƠ KHÍ MÔ HÌNH ROBOT DẠY HỌC 6 BẬC TỰ DO BẰNG NHỰA ABS

Các số liệu ban đầu:

Cánh tay robot sáu bậc tự do

2. Nội dung thuyết minh và tính toán

• Chương 1: 1.Tổng quan về Robot Công nghiệp.
•                  2.Cơ sở lý thuyết tính toán động học.
• Chương 2: Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí mô hình robot dạy học 6 bậc tự do

 

• 1. Tính toán thiết kế, kiểm nghiệm bền cho robot.
• 2.Tính toán động học cho Robot.
• 3. Tính chọn động cơ, ổ bi, trục.

 

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP. 10

1.1.TỔNG QUAN CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP.10

1.1.1.Sơ lược lịch sử phát triển robot công nghiệp.12

1.1.2.Các đặc tính của robot công nghiệp.13

1.1.3.Hệ thống chuyển động robot.14

1.1.4.Hệ thống điều khiển robot.17

1.1.5.Ứng dụng điền hình của robot công nghiệp.18

1.2.1. Bài toán động học.21

1.2.1.1 Phương trình động học thuận robot.21

3.1.2.Phương trình động học ngược robot.26

3.2.Thiết kế quỹ đạo.27

3.2.1.Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp.27

3.3.2.Thiết kế quỹ đạo cho tay robot trong hệ tọa độ Đecac.32

3.3.Bài toán động lực học.40

3.3.1.Ma trận quán tính (Inertia Tensor).41

3.3.2.Ma trận đối xứng lệch.43

3.3.3.Vận tốc góc khâu thứ i.44

3.3.4.Phương trình Lagrange.46

3.4.Kết luận.49

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1. 52

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, KIỂM NGHIỆM BỀN CHO ROBOT TRÊN PHẦN MỀM... 52

2.1.Phần mềm sử dụng để thiết kế.52

2.2.Khối đế số 1.52

2.4.Khớp tay số 1.55

2.5.Khớp tay số 2.56

2.6.Khớp tay số 3.57

2.7.Khớp tay số 4.58

2.8.Khớp tay cuối ( tùy chỉnh theo chức năng, nhiệm vụ).59

2.9.Tổng kết quá trình thiết kế.60

2.10.Tính toán kiểm nghiệm bền khối đế số 1.60

2.11.Tính toán kiểm nghiệm bền khối đế số 2.62

2.12.Tính toán kiểm nghiệm bền khớp tay số 1.64

2.13.Tính toán kiểm nghiệm bền khớp tay số 2.66

2.14.Tính toán kiểm nghiệm bền khớp tay số 3.68

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CHO ROBOT.71

4.1. Mô hình cánh tay robot trên phần mềm solisworks.71

4.1.1. Thiết lập hệ tọa độ.72

4.2. Bài toán động học.73

4.2.1. Bài toán động học thuận cho cánh tay robot.73

-Phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg để tính bài toán thuận. Bảng tham số động học Denavit – Hartenberg:74

-Tiến hành. 74

Ma trận Denavit – Hartenberg địa phương:74

CHƯƠNG 5. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ, Ổ BI, TRỤC.. 77

5.1. Chọn động cơ.77

5.1.1. Động cơ servo RC 60kg.79

5.1.2. Động cơ servo digital RC 20kg.81

-Thông số kỹ thuật:82

5.1.3. Kết luận phần chọn động cơ.83

5.2. Tính chọn ổ bi.83

5.2.1. Tính toán theo tải trọng tĩnh C₀ (trường hợp đơn giản).83

5.2.2. Tính toán theo tải trọng động C.84

5.3. Tính toán thiết kế, chọn trục.87

CHƯƠNG 6. GIA CÔNG, LẮP ĐẶT ROBOT.. 88

6.1. Gia công các chi tiết cơ khí.88

6.1.1. Gia công bằng công nghệ in 3D.88

6.2. Thi công lắp ráp robot.89

6.3. Tổng kết quá trình gia công, lắp đặt robot.91

 

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1.TỔNG QUAN CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP.

Xuất phát từ nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, việc ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa trong sản suất ngày càng cần thiết. Xu hướng hiện nay là tạo ra các dây chuyền tự động có tính linh hoạt cao, thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng được một công việc nhất định trong khi thị trường luôn đòi hỏi nâng cao, thay đổi mặt hàng về chủng loại, kích cỡ, tính năng…v…v. Sự phát triển nhanh chóng của ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt là điều tất yếu. Hình 1.1 và Hình 1.2 là hình ảnh robot công nghiệp làm việc trong nhà máy VinFast [1].

Hình 1.1 Robot Hàn mạch trong dây chuyền tự động VinFast [1]

Hình 1.2 Robot ABB lắp ráp trong dây chuyền tự động VinFast [1]

Định nghĩa robot công nghiệp theo các tiêu chuẩn khác nhau như sau:

vTheo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp

Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lập lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả năng định vị, di chuyển các đối tượng vật chất, chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.

vTheo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD

Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình, chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp.

vTheo tiêu chuẩn GHOST 1980

Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người.

vBên cạnh đó, robot còn có khái niệm robotic khác

Robotics là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.

Robotics là một khoa học liên ngành gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Nó là sản phẩm đặc thù của nghành cơ điện tử (mechatronics).

1.1.1.Sơ lược lịch sử phát triển robot công nghiệp.

Thuật ngữ “robot” xuất hiện lần đầu tiên năm 1920 trong tác phầm “Rossm’s universal Robot” của Karel Capek.

Hơn 20 năm sau, ngay sau thế chiến thứ 2, tại Hoa Kỳ xuất hiện các tay máy điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ.

Vào những năm 50 của thế kỹ XIX, ngoài những tay may cơ khí đó, xuất hiện các loại tay máy thủy lực và điện từ, như máy Minitaur I, máy Handyman của Genaral electric. Năm 1954, Geogre C. Devol đã thiết kế một thiết bị là cơ cấu bản lề dùng để nâng chuyển hang theo chương trình. Năm 1956, Devol cùng Goseph F. Engelber một kỹ sư trẻ công nghiệp hàng không đã tạo ra robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 tại Unimation. Đến năm 1975 công ty Unimation đã bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này.

Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kỳ.

Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF. Đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Hatachi hay Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế 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. Tại trường đại học tổng hợp Ford người ta đã tạo loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy tính trên cơ sở sử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào thời gian này Công ty IBM đã chế tạo loại robot có những loại cảm biến xúc giác và cảm biến biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết.

Vào giai đoạn này ở nhiều nước khác cũng tiến hành các công trình nghiên cứu tương tự, tạo ra các loại robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và thiết bị ngoại tiếp người - máy.

Một lĩnh vực mà nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là việc chế tạo robot tự hành. Các công trình nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người và súc vật. Các robot này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nghiệp tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng được đưa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.

Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rêt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.

Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành 1 lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ bản động học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động…v…v

Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot, nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng robot lại là Nhật Bản.

Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như Bảng.  1.1 [2].

Bảng.  1.1 Số lượng robot sản xuất của một số nước phát triển

Nước SX	Năm 1984	Năm 1987
Nhật	30000	106000
Mỹ	15000	30000
Đức	6000	14900
ý	1500	6600
Pháp	2000	6600
Anh	2000	4300
Các khu vực khác	1500	-

1.1.2.Các đặc tính của robot công nghiệp.

• Tải trọng: Tải trọng là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một số đặc tính nào đó.
• Tầm với: Là khoảng cách lớn nhất robot có thể vươn tới trong phạm vi làm việc. Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải điều khiển và độ chính xác cơ khí.
• Độ phân giải không gian: Là lượng gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di chuyển trong không gian.
• Độ chính xác: Để đánh giá độ chính xác robot đạt được. Độ chính xác được định nghĩa theo đồ phân dải của cơ cấu chấp hành.
• Độ lặp lại: Độ lặp lại đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm trong nhiều lần hoạt động.
• Độ nhún: Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lực hoặc mômen tác dụng.

1.1.3.Hệ thống chuyển động robot.

Hệ thống chuyển động robot công nghiệp đảm bảo cho robot có thể thực hiện các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của thân, cánh tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước.

-        Bậc tự do của robot:

Là khả năng chuyển động của robot được đặc trưng bởi số khả năng chuyển động độc lập của các khâu.

Một robot công nghiệp điển hình có 6 bậc tự do như hình Hình 1.3.

• 3 bậc chuyển động cơ bản – định vị trí cơ bản.
• 3 bậc chuyển động bổ sung – định hướng chuyển động.

Hình 1.3 Robot sáu bậc tự do

-        Khớp robot:

Khớp là liên kết giưa hai thanh nối có chức năng truyền chuyển động để thực hiện di chuyển của robot. Theo khả năng chuyển động, khớp robot chia thành hai dạng cơ bản là: Khớp tịnh tiến và khớp quay. Hình 1.4 là một số kiểu khớp thường dùng trong robot.

Hình 1.4 Một số kiểu khớp động của robot

-        Cổ tay robot:

Cổ tay robot có nhiệm vụ định hướng chính xác bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) trong không gian làm việc Hình 1.5.

Hình 1.5 Cổ tay của robot

-        Bàn tay robot:

Bàn tay gắn lên cổ tay robot đảm bảo cho robot thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong không gian làm việc. Cơ cấu bàn tay có hai dạng khác nhau tùy theo chức năng của robot trong dây chuyền sản xuất: cơ cấu bàn kẹp (gripper) và cơ cấu dụng cụ (tool).

vCơ cấu kẹp

Cơ cấu kẹp được sử dung để cầm giữ một vật thể hoặc chi tiết ở các robot làm việc trong dây chuyền lắp ráp khi gắp một chi tiết và lắp ráp một bộ phận cả một máy, robot ở dây chuyền đóng gói hoăc robot có chức năng vận chyển như gắp môt chi tiết đặt lên một băng tải hoặc vận chuyển một chi tiết từ vị trí này sang vị trí khác…Hình 1.6 là cơ cấu tay kẹp thường dùng trong sản xuất.

Hình 1.6 Tay kẹp

vCơ cấu dụng cụ

Trong nhiều dây chuyền sản xuất, robot thực hiện nhiệm vụ như một dụng cụ để gia công kim loại hoặc một công nghệ đặc biệt như sơn, hàn… Để thực hiện các công nghệ đó, dụng cụ được gắn cố định trên cổ tay robot. Các dạng cu thể là: Mũi khoan, mũi cắt đá, bình sơn, cơ cấu hàn điểm, hàn hồ quang… Hình 1.7 cánh tay robot gắn đầu hàn thực hiện thao tác hàn.

Hình 1.7 Cơ cấu dụng cụ hàn

1.1.4.Hệ thống điều khiển robot.

Liên quan đến bài toán điều khiển robot có thể chia bài toán điều khiển robot thành hai loại là điều khiển thô và điều khiển tinh như Hình 1.8[3].

Bài toán điều khiển thô: xác định luât điều khiển thích hợp để tốc đô, vị trí do đó chuyển động của các khớp bám sát quỹ đạo thiết kế trong thời gian quá trình quá độ nhỏ nhất.

Bài toán điều khiển cả thô và tinh: Liên quan đến quá trình khi robot di chuyển tiếp xúc với môi trường làm việc như trường hợp của robot lắp ráp một chi tiết vào một thiết bị máy. Quá trình làm việc này yêu cần điểu khiển cả lực và vị trí.

Hình 1.8 Sơ đồ khối điều khiển chuyển động quỹ đạo Robot

Robot gồm n khớp và mỗi khớp sẽ truyền động bởi môt động cơ và một hệ thống truyền động riêng.

Bộ điều khiển vị trí (Bộ ĐKi) Hình 1.9 có chức năng điều khiển chuyển động robot. Khâu “Tạo quỹ đạo chuyển động” sẽ tính toán các quỹ đạo chuyển động mong muốn của từng khớp  (q_đi) từ quỹ đạo mong muốn của tay robot (x_đ,y_đ,z_đ). Quỹ đạo chuyển động mong muốn khớp (q_đi) là tín hiệu đặt vị trí của từng khớp là bộ điều khiển vị trí của từng khớp. 

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí

1.1.5.Ứng dụng điền hình của robot công nghiệp.

vỨng dụng robot trong vận chuyển, bốc đỡ vật liệu:

Hình 1.10 Robot vận chuyển, bốc dỡ hàng hóa

Khi vận chuyển, robot có nhiệm vụ di chuyển đối tượng từ vị trí này sang vị trí khác, thực hiện bởi các thao tác nhặt và đặt vật thể Hình 1.10.

Robot có khả năng bốc xếp và vận chuyển các chi tiết có hình dạng và kích thước khác nhau nhờ thông tin chuẩn về chi tiết trong bộ nhớ và sử dụng cảm biến để nhận dạng chi tiết thực.

Trong dây truyền sản xuất, robot được sử dụng để đưa chi tiết và lấy chi tiết ra khỏi một máy gia công kim loại, máy CNC, máy dập, máy ép nhựa hoặc dây chuyền đúc.

Trong công đoạn đóng gói, robot có nhiệm vụ xếp các vật liệu (dạng khối chữ nhật) lên giá (pallet) và đóng gói; bốc đỡ vật liệu khỏi pallet; xếp các sản phẩm vào một hộp caton hoặc nhặt các chi tiết ra khỏi hộp.

vỨng dụng robot trong lĩnh vực gia công vật liệu:

Trong công nghiệp gia công vật liệu, robot thực hiện nhiệm vụ như máy gia công. Tay robot sẽ được gắn một dụng cụ thay cho cơ cấu kẹp bao gồm các công nghệ sau: Hàn điểm, hàn hồ quang liên tục, sơn phủ, công nghệ gia công kim loại…

Việc ứng dụng robot trong công nghệ hàn điểm rất hiệu quả. Tay robot sẽ được gắn súng hàn điểm và lập trình để thực hiện trình tự hàn trên sản phẩm. Lợi ích của tự động hóa công nghệ hàn điểm sử dụng robot là nâng cao chất lượng sản phẩm, thao tác an toàn và điều khiển tốt hơn quá trình hàn như Hình 1.11.

Hai loại công nghệ hàn hồ quang sử dụng robot là hàn hồ quang khí – kim loai (GMAW hoặc MIG). Robot chỉ được sử dụng chủ yếu ở các dây chuyền sản xuất có sản lượng trung bình và lớn. Hệ thống hàn gồm 2 bộ phận: Robot hàn với que hàn, hê thống cấp dây hàn và bộ phận giữ chi tiết hàn có khả năng định vị và định hướng chi tiết hàn tương đối so với robot.

Sơn phủ bề mặt ngoài sử dụng robot đang phổ biến trong công nghiệp thay thế cho con người để cải thiện điều kiện làm việc. Một súng phun sơn được gắn trên tay robot. Điều khiển súng sơn đảm bảo yêu cầu chất lượng sản phẩm.

Robot còn được sử dụng trong các dây chuyền gia công kim loại như khoan, mài, đánh bóng, trong các nhà máy cắt tia lửa điện, cắt laze …

Hình 1.11 Robot hàn trong công nghiệp

vỨng dụng Robot trong lắp ráp và kiểm tra sản phẩm:

Robot đươc sử dụng trong dây chuyền lắp ráp thông thường ở bốn dạng sau: lắp chi tiết vào lỗ, lắp lỗ vào chi tiết, lắp chi tiết nhiều chân vào lỗ và lắp ngăn xếp.

Trong công nghiệp lắp ráp, robot có thể hoạt động đơn lẻ để lắp hoanfthieen một thiết bị hoặc làm việc trong một dây chuyền, trong đó mỗi robot sẽ có nhiệm vụ lắp môt chi tiết trong một thiết bị máy.

Robot cũng được sử dụng trong công đoạn thử nghiệm và kiểm tra. Một trong những ứng dụng của robot trong lĩnh vực đo và kiểm tra sản phẩm là các máy đo tọa độ (Coordinate Meansurement Machine – CMM).

1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC 

1.2.1. Bài toán động học.

1.2.1.1 Phương trình động học thuận robot.

Bài toán động học thuận là tính toán vị trí và hướng của tay robot dựa trên các tọa độ của các biến khớp đã cho.

vCác bước giải bài toán động học thuận:

• Bước 1: Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học

Để xây dựng ma trận trạng thái  khâu thao tác theo cấu trúc động học, ta gắn một khung tọa độ lên tay robot và tìm phép biến đổi biểu diễn hệ tọa độ tay trong hệ tọa độ gốc bằng phương pháp Danevit-Hartenberg (D-H) [4]. 

• Xây dựng hệ tọa độ Descarde vào mỗi khâu của robot theo phương pháp Danevit-Hartenberg (D-H) như sau:

-        Trục  được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1). Hướng của phép quay này và phép tịnh tiến được chọn tùy ý.

-        Trục  được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp động thứ i và (i+1), hướng từ khớp động thứ i tới trục (i+1).

-        Trục  được xác định theo qui tắc hệ tọa độ thuận (bàn tay phải).

-        Quy tắc bàn tay phải:

Dùng bàn tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay xòe 3 ngón: cái, trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc với nhau. Nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương chiều trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương chiều trục y như Hình 2.1.

-        Với 4 tham số động học D-H là:  

Hình 3.1 Quy tắc bàn thay phải

Trong đó:

-        : Là góc giữa 2 đường vuông góc chung. Là góc quay quanh trục  để trục  chuyển đến cùng phương trục  theo quy tắc bàn tay phải.

-        : Khoảng cách giữa hai đường vuông góc chung  và  với trục .

-        : Khoảng cách giữa hai trục của hai khớp động kề nhau, hay khoảng cách giữa trục  và .

-        : Góc lệch giữa các trục của 2 khớp động liền kề, là góc quay quanh trục  sao cho trục  chuyển đến cùng phương trục  theo qui tắc bàn tay phải.

• Một số trường hợp đặc biệt:

-        Hai trục  và  song song nhau,  có thể chọn là bất kì đường vuông góc chung của 2 trục.

-        Hai trục  cắt nhau, gốc hệ trục tọa độ được chọn tại giao điểm các trục này và hướng của trục  thường được xác định qua tích hữu hướng  hoặc có hướng ngược lại.

• Quan hệ giữa 2 hệ tọa độ (i-1) và i được xác định bằng các phép biến đổi theo thứ tự như sau:

-        Quay xung quanh trục  một góc  sao cho trục  trùng phương với trục .

-        Tịnh tiến dọc theo trục  một đoạn  để gốc hệ tọa độ mới trùng với chân pháp tuyến chung trục i và i-1.

-        Tịnh tiến dọc theo trục  một đoạn .

-        Quay xung quanh trục  một góc  sao cho trục  trùng với trục .

Do đó: Phép biến đổi tổng hợp được xác định như sau:

Trong đó:

 lần lượt là ký hiệu các phép biến đổi thuần nhất của phép quay và phép tịnh tiến theo một trục.

Từ Bàng DH, ta xác định được các ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-Hartenberg theo công thức cho từng khâu của tay Robot theo hệ tọa độ động.

Ký hiệu:  Đặt ,

Từ các ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất của từng khâu, ta thiết lập được ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất  biểu diễn trạng thái khâu chấp hành cuối EE (khâu gắn dụng cụ thao tác) theo hệ tọa độ cơ sở (ký hiệu là chỉ số 0).

 

Ta được, ma trận trạng thái của khâu thao tác theo cấu trúc động học như sau:

• Bước 2: Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ khâu thao tác.
• Dựa trên tọa độ khâu thao tác cuối E:Hướng của các khâu thao tác:

Hướng của các khâu thao tác được xác định bởi các ma trận quay cosin chỉ hướng lần lượt quanh các trục X,Y,Z với bộ 3 chỉ số góc độc lập. Một số bộ 3 góc độc lập như các góc Euler, các góc Cardan, các góc RPY…. Trong đồ án này, chúng em sử dụng các góc Cardan().

• Các phép biến đổi lần lượt theo các góc Cardan từ hệ tọa độ cố định  thành hệ tọa độ khảo sát.

-        Phép quay  quanh trục  một góc ta được hệ tọa độ .

-        Phép quay  quanh trục  một góc ta được hệ tọa độ .

-        Phép quay  quanh trục  một góc ta được hệ tọa độ khảo sát.

Tổng hợp 3 phép quay trên, ta được ma trận biểu diễn hướng của khâu thao tác đối với hệ quy chiếu gốc theo các góc Cardan.    

Ta được, hướng khâu thao tác sử dụng các góc Cardan():

Ta thu được ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ khâu thao tác:

• Bước 3: Phương trình động học Robot.

Hay:

Từ đó, ta có vị trí điểm tác động cuối E và hướng của khâu thao tác.

• Vị trí điểm tác động cuối E:

• Hướng của khâu chấp hành cuối: Xác định bằng cách so sánh hai ma trận. 

Thay phương trình (2.5) vào phương trình (2.11) ta được:

Từ đó, ta có các góc xác định hướng của điểm chấp hành cuối tính theo các góc Cardar như sau:

• Vận tốc và giá tốc của điểm tác động cuối biểu diễn trong hệ cố định.
• Vận tốc:  

• Gia tốc:       Với  được gọi mà ma trận Jacobi tinh tiến.

• Vận tốc góc và gia tốc góc của khâu chấp hành cuối biểu diễn trong hệ cố định.
• Vận tốc góc:

Từ

Suy ra: 

Ta được vận tốc góc của khâu chấp hành cuối EE: 

Trong đó, là vận tốc góc của khâu chấp hành cuối biểu diễn trong hệ cố định. được gọi là ma trận Jacobi quay của khâu chấp hành cuối biểu diễn trong hệ cố định.

• Gia tốc góc:

3.1.2.Phương trình động học ngược robot.

Bài toán động học ngược là xác định giá trị của các biến khớp khi biết vị trí của khâu thao tác. Động học ngược được đặc biệt quan tâm. Vì lời giải của bài toán là cơ sở chủ yếu đê xây dựng chương trình điều khiển chuyển động của robot bám theo quỹ đạo cho trước.

vCác bước giải bài toán động học ngược.

• Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học. Cách thức thiết lập tương tự bài toán động học thuận.
• Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác (Tương tự). 
• Xây dựng phương trình động học Robot (Tương tự).

Ta được, phương trình động học:        

(2.19)

Hay:

(2.20)

Với  là vị trí của điểm tác động cuối E và là bộ ba góc xác định theo phương pháp Cardan chỉ hướng của khâu thao tác EE (khâu thao tác).

Suy ra:

• Phương trình xác định vị trí của các khâu.Phương trình xác định hướng của các khâu.

Giải các phương trình (2.21) và phương trình (2.22) ta sẽ tìm được các giá trị của biến khớp .                                                          

Trên thực tế, bài toán động học ngược rất phức tạp, không có phương pháp giải tổng quát. Mà các lời giải tìm được hầu như chỉ cho các trường hợp đặc biệt. Các đặc điểm động học riêng biệt được tận dụng để thiết lập các quan hệ cần thiết khi thiết lập lời giải.

3.2.Thiết kế quỹ đạo.

3.2.1.Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp.

1.1.1.1.       Khái niệm

Phương pháp mô tả chuyển động trong không gian khớp, chuyển động của cơ cấu robot được xác định thông qua các giá trị biến khớp.

Đặc điểm của phương pháp này là đảm bảo được tay robot đạt đến vị trí đặt trước một cách chính xác, nhưng đường di chuyển giữa hai điểm không thể dự báo trước. Ứng dụng trong điều khiển tay robot chuyển động nhanh (thời gian chuyển động ít nhất) [5].

1.1.1.2.       Thiết kế dạng quỹ đạo

Xuất phát từ những yêu cầu làm việc thực tế của một Robot Hàn là ngoài thỏa mãn các yêu cầu điều kiện biên về vị trí và tốc độ các đoạn chuyển động, các điều kiện đầu và cuối về gia tốc chuyển động thì cũng phải có tốc độ khớp ở thời điểm đầu, thời điểm cuối của giai đoạn khởi động và hãm thay đổi êm, tạo chất lượng chuyển đông tốt. Chọn dạng quỹ đạo 4-1-4 sẽ đáp ứng các yêu cầu trên. Quỹ đạo chuyển động được xây dựng như Hình 2.2 phải thỏa mãn các điều kiện về vị trí, tốc độ và gia tốc của khớp:

(2.23)

Hình 3.2 Qũy đạo dạng 4-1-4

Để đơn giản cho việc tính toán, có thể chọn tham số t₀ bằng 1/2 khoảng thời gian gia tốc hoặc giảm tốc và tốc độ, gia tốc ban đầu và cuối bằng không. Ta cũng xác định các điểm phụ thuộc các điểm phụ của quỹ đạo chuyển động  và  tại và  là:  và                                     

Nối  và  bằng một đường thẳng và xác định điểm , tại  và .

Bằng cách chọn điểm phụ như trên, quỹ đạo đoạn cd là một đường thẳng với tốc đô không đổi, quỹ đạo đoạn ac và df có thể chọn là đa thức bậc 4 có dạng:Xác định giá trị và

Dựa vào đồ thi Hình 2.2 đường nối be là đường thằng. Giá trị và và giá trị cuối  dựa trên phương trình bậc nhất của đường thẳng be:

Trong đó:                                    

Hệ số góc của đường cd là tốc độ chuyển động khớp trong đoạn cd.

• Phương trình đoạn cd

Quỹ đạo đoạn cd là đường thẳng biểu diễn bởi phương trình:

Với  

Thay  vào phương trình (2.27) ta được:

Các hệ số  của phương trình đoạn cd được xác định như sau:

• Phương trình đoạn ac

Quỹ đạo đoạn ac biểu diễn bởi phương trình dạng đa thức bậc 4:Các hệ số của phương trình đoan ac là  được xác định từ điều kiện đầu và cuối:

tại t = 0:

tại t = 2t₀:

(2.32)

Lấy đạo hàm cấp 1 và 2 của phương trình (2.30), sử dụng hai phương trình (2.31) và phương trình (2.32), ta xác định được các hệ số như sau:

	(2.33)
	(2.34)

• Phương trình đoạn df

Quỹ đạo đoạn df biểu diễn bởi phương trình bậc bốn như quỹ đạo đoạn ac:

(2.35)

với  

Các điều kiên đầu và cuối dùng cho tính toán các hệ số là:

     

       

(2.36)

     

                      

Sử dụng điều kiện đầu và cuối của phương trình (2.36), tương tự như phương pháp tính phương trình đoạn ac, các hệ số của phương trình (2.35) được xác định như sau:

1.1.1.3.       Thiết lập quỹ đạo chuyển động qua một số điểm trung gian

Cần thiết xây dựng quỹ đạo của khớp từ vị trí ban đầu  qua các điểm và dừng ở vị trí cuối cùng  với hai trường hợp: quỹ đạo không qua chính xác các điểm trung gian và quỹ đạo qua chính xác các điểm.

a)    Trường hợp quỹ đạo không qua chính xác các điểm trung gian .

Tương tự như các phương pháp xây dựng quỹ đạo 4-1-4, lựa chọn các khoảng thời gian t₀ và các vi trí  như Hình 2.3. Các giá tri  được xác định như sau:  và .

Từ đó, xây dựng quỹ đạo giữa các vị trí  và  có dạng đa thức bậc 4; quỹ đạo giữa các vi trí  và  có dạng đa thức bậc 1. Các hệ số của các phương trình tương ứng với các đoạn được xác định theo phương pháp tương tự như trường hợp quỹ đạo

4-1-4.

Hình 3.3 Qũy đạo chuyển động lân cận qua các điểm trung gian

b)    Trường hợp khớp robot cần di chuyển chính xác qua các điểm  và .

Số điểm trung gian được chọn tăng lên như Hình 2.4. Phương pháp xác định vị trí trung gian  được minh họa trên Hình 2.5:  là điểm giữa của đoạn AB; điểm A là điểm cắt của đường  và đường thẳng nối 2 vị trí  và  và điểm B là điểm cắt của đường  và và đường thẳng nối 2 vị trí  và  ( khi i=1). Điểm  xác định theo phương pháp tương tự. Tương tự như trường hợp thứ nhất, quỹ đạo giữa các vị trí ;;; ….; có dạng đa thức bậc 4, quỹ đạo giữa các vị trí và có dạng đường thẳng.

Hình 3.4 Qũy đạo chính xác qua q1 và q2

Hình 3.5 Qũy đạo chuyển động chính xác qua điểm trung gian

3.3.2.Thiết kế quỹ đạo cho tay robot trong hệ tọa độ Đecac.

1.1.1.4.       Khái niệm

Mặc dù tọa độ khớp được sử dụng trực tiếp để điều khiển tay robot chuyển động trong không gian, tuy nhiên nó không thích hợp biểu diễn tay robot khi thực hiện nhiệm vụ trong môi trường làm việc vì không cho phép tách rời hướng và vị trí tay robot. Trong các trường hợp như vậy, quá trình làm việc của robot là di chuyển giữa các điểm đã được đặt trước trong môi trường làm việc với đường di chuyển giữa các điểm chủ yếu là đường thẳng.

Vị trí, tốc độ và gia tốc của tay khi di chuyển giữa các điểm dọc theo quỹ đạo được thiết kế cho điều khiển các khớp robot [5]. Một chu kỳ điều khiển có thế mô tả như sau:

• Tăng thời gian .
• Tính vị trí và hướng của tay dựa trên dạng quỹ đạo chuyển động của tay robot.
• Tính vị trí tương ứng của các khớp bằng sử dụng phương trình động học ngược.
• Gửi thông tin tới các bộ điều khiển vị trí các khớp robot.
• Quay lại bước đầu tiên.

Một cách tổng quát, để tay robot thực hiện chuyển động giữa điểm ban đầu tới điểm cuối cùng theo một đường thẳng, cần phải xác định phép biến đổi vị trí đầu đến cuối cùng và chia thành các đoạn nhỏ. Phép biến đổi tổng quát R giữa cấu hình của tay ở vị trí ban đầu  tới vị trí cuối cùng  là:

 hoặc .

Ba phương pháp khác nhau được sử dụng để biến đổi phép biến đổi tổng thành các đoạn nhỏ:

-        Chia đường chuyển động giữa hai điểm thành môt số lớn đoạn tương đương với số các chuyển động vi sai. Sử dụng các phương trình dịch chuyển vi sai đã đưa ra để xác định vị trí và hướng tay trong mỗi đoạn nhỏ thông qua ma trận Jacobi:

hoặc .

Với:  và

-        Phép biến đổi R có thế được thực hiện bằng một phép biến đổi tinh tiến và hai phép biến đổi quay. Phép tịnh tiến thực hiện dịch chuyển khung tọa độ tay từ vị trí ban đầu đến vị trí cuối cùng. Phép quay thứ nhất nhắm đặt khung tọa độ tay ở vị trí mong muốn và phép quay thứ hai xung quanh trục khung tọa độ tay để đạt được hướng cuối cùng của tay.

-        Phép biến đổi R được thực hiện bằng hai phép biến đổi: Phép biến đổi tịnh tiến để đưa khung tọa độ tay đến vị trí cuối cùng vè phép biến đổi quay xung quanh vector k nhằm đạt được mong muốn của tay.

Trong mục này, chúng em sẽ trình bày phương pháp xây dựng quỹ đạo chuyển động của robot khi thực hiện nhiệm vụ hàn tấm inox, tay robot cần phải di chuyển qua một số điểm. Trước hết phải xác định phép biến đổi biểu 

 

CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU

LỜI MỞ ĐẦU

Nền công nghiệp hiện nay đang thay thế dần con người bằng hệ thống dây chuyền tự động, máy tự động, đặc biệt là robot công nghiệp. Từ nhu cầu cấp thiết về sử dụng robot trong công nghiệp, nên việc nắm vững kiến thức robot cho lắp đặt, lắp đặt, sửa chữa và thiết kế robot là rất cần thiết. Do vậy, chúng em thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình robot 6 bậc tự do”.

Các nội dung của đồ án nhằm xây dựng, tính toán thiết kế nên mô hình robot 6 bậc tự do điều khiển bằng mạch vi điều khiển nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu trong học tập cho các bạn sinh viên khóa mới, robot được chế tạo bằng công nghệ in 3D, sử dụng mạch Arduino để lập trình điều khiển. Sử dụng phần mềm matlab để tiến hành thiết kế giao diện điều khiển cho robot.

Các nội dung đồ án được trình bày trong 6 chương:

Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp.

Chương 2: Tính toán thiết kế, kiểm nghiệm bền cho robot trên phần mềm.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán động học.

Chương 4: Tính toán động học cho Robot.

        Chương 5: Tính chọn động cơ, ổ bi, trục.

        Chương 6: Gia công, lắp đặt Robot.

          Đồ án đã đặt được yêu cầu đặt ra, là thiết kế, tính toán, chế tạo nên mô hình robot 6 bậc tự do, nhằm tìm hiều, nghiên cứu về cấu tạo cơ khí cũng như các kết cấu thiết bị điện, điện tử. Nhằm mang đến một mô hình robot hoàn thiện có thể làm công cụ trở giảng cho các sinh viên khóa dưới học tập và tìm hiểu.