Đồ án Robot Công nghiệp

Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

Mục lục

SV: Nguyễn Công Tướng

1

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

Danh mục hình ảnh

Bảng biểu

Đồ thị

SV: Nguyễn Cơng Tướng

2

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Lời nói đầuLỜI NĨI ĐẦU

Khi nói vĨI ĐẦUoc502258276 \h Q2 theo đặói
vĨI ĐẦUoc50225827ộng học Robot, đhng lg học
Robotc502258276 \h QRobot. Đây là
nhbotc502258276 \h Q2 thhây là nhbotctrọng
trưlà nhbotc502258 Robot.
Nền công nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càng
cao, các hệ thống máy móc dây chuyền sản xuất được hiện đại hố,
chun mơn hố chức năng để thực hiện các nhiệm vụ và yêu cầu sản
xuất khác nhau. Các vấn đề tự động điều khiển và các thiết bị tự động hoá
được đặt lên hàng đầu trong quá trinh nghiên cứu cũng như ứng dụng
công nghệ mới vào trong sản xuất. Nó địi hỏi khả năng xử lý, mức độ
hồn hảo, sự chính xác của hệ thống ngày một cao hơn để có thể đáp ứng
được nhu cầu về số lượng, chất lượng, thẩm mỹ ngày càng cao của xa hội
và nhu cầu giải phóng sức lao động của con người nâng cao hiệu quả lao
động. Và đó là lý do robot công nghiệp được ra đời.
Với sự phát triển vũ bão của công nghệ thông tin như ngày nay, rất
nhiều lĩnh vực trong cơ khí đã tận dụng được sự phát triển này để tạo ra
sự nhảy vọt, trong đó có cơng nghiệp.Khi nói về Robot cơng nghiệp,
chúng ta đặt ra các bài toán: Động học, động lực học và điều khiển. Đây
là những bước cơ sở ban đầu hết sức quan trọng trước khi thiết kế chế tạo
ra một trong những máy tự động hay robot.
Trong đó rRobot cơng nghiệp là môn học xương sống của ngành cơ
điện tử, với đồ án môn học này nhiệm vụ banlúc đầu là làm quen với
việc thiết kế - kỹ năng cơ bản của người kỹ sư. Trong số rất nhiều các
sản phẩm robot ứng dụng trong cơng nghiệp thì rrobot cơng nghiệp là
thiết bị điển hình về mức độ tích hợp và được coi là một tế bào hệ thống
tự động linh hoạt. Trên quan điểm hệ thống điều khiển số nhiều trục đồng
thời, các hiểu biết về robot công nghiệp cũng đúng với các phẩm tử khác

như máy công cụ điều khiển số, trung tâm gia công.

SV: Nguyễn Công Tướng

3

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Vì sự quan trọng của robot trong cuộc sống nên nghiên cứu và phát
triển nó là một trong những nhiệm vụ khơng thể bỏ qua của ngành cơ
điên tử. Do đó mỗi sinh viên ngành cơ điện tử phải thực hiện làm đị án
Robot cơng nghiệp để tìm hiểu và thực hiện các tính tốn thiết kế cơ bản
về robot.
Để thực hiện được đồ án này, em xin chân thành cảm ơn cô Lê Thị Thu
Thủy và Bộ môn Cơ điện tử đã cho chúng em định hướng trong quá trình
thực hiện đồ án này.

SV: Nguyễn Công Tướng

4

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Chương 1:

TỞNG QUAN
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
1.1.
Giới thiệu chung về Robot.
Khái niệm robot ra đời đầu tiên vào năm gày 0/10/1922
tại NewYork, khi nhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen
Kapek đã tưởng tượng ra một cỗ máy hoạt động một cách
tự động. Và nóNó là niềểm mơ ước của con người lúc
đóấy.,
Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúc
con người. Đến năm 1948, tại phịng thí nghiệm quốc gia
Argonne, Goertz đã chế tạo thành công tay máy đôi
(Mmaster-Sslave Mmanipulator). Đến năm 1954, Goertz đã
chế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ Sservo và có thể
nhận biết được lực tác động lên khâu cuối.
Ngày nay Rô bô hoặc c Rôbốt, Rô-bốt (tiếng Anh:
Robot) được định nghĩa là một loại máy có thể thực hiện
những cơng việc một cách tự động bằng sự điều khiển của
máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot
được dùng trong nhiều công việc như y tế, giáo dục, dịch
vụ, vũ trụ, … nhưng đa số được sử dụng trong các ngành
công nghiệp (khoảng 80%).

SV: Nguyễn Công Tướng

5

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Hình 1: Robot Shakey thời kỳ đầu

Về mặt kỹ thuật, Robot công nghiệp ngày nay có nguồn
gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật: Cơ cấu điều khiển từ xa (trong
chiến tranh thế giới thứ II) và các máy công cụ điều khiển
số NC đáp ứng gia công các chi tiết máy bay (1949).
Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) được
đặt tên cho những dáng vấp và một vài chức năng như tay
người để thực hiện một số thao tác sản xuất.

SV: Nguyễn Công Tướng

6

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Hình 2: Một số robot hiện đại ngày nay

Robot công nghiệp ngày nay được tạo ra theo những

dáng vấp và một vài chức năng như tay người để thực
hiện một số thao tác sản xuất. Và Scara là một trong
những robot công nghiệp đang được sử dụng rộng rãi.
1.2.

Giới thiệu về Robot ScaraScara:

Robot SCARA (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có
nghĩa là có thể lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay Robot.Từ khi mới
ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh
vực dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây
chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả
sản xuất tăng lên rõ rệt.

SV: Nguyễn Công Tướng

7

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

Trong các robot được sử dụng trong cơng việc sản xuất
thì SCARA Scara là robot được sử dụng tương đối rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Vì SCARAScara là robot chỉ
có 3 bậc tự do và chuyển động của Robot Scara đơn giản, dễ dàng
điều khiển nên nó được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. nên
thiết kế gọn và không gian làm việc cũng tương đối linh

hoạt.
Một robot SCARAScara có 3 trục và ba bậc tự do. Tất cả
các trục được thiết kế với chuỗi Kinematic, bắt đầu từ
một nguồn gốc của trục đầu tiên, các trục tiếp theo được
tính tốn với vị trí, phương của trục trước đó. Trong một
robot SCARAScara, các trục thứ nhất và thứ hai quay, trục
thứ ba là khớp trượt hay tịnh tiến. Tay kẹp được gắn trên
phần cuối của trục Z. SCARAScara có thể cho phép bán
kính hành động từ 100 mm đến 1.200 mm, với dung tích
tải từ 1 kg đến 200 kg:

Hình 3: Sơ đồ và hình dáng thực của robot ScaraScara

Loại robot này được phát triển đáp ứng với tốc độ cao
và tính lặp lại trong lắp ráp hàng loạt, chẳng hạn như Pickand-Place từ nơi này đến nơi khác. Điểm mạnh nằm ở lực
lượng xử lý cao dọc (đôi khi> 300N). Điểm tiêu cực là
chúng ta chỉ có thể làm việc trên một mặt phẳng nằm
ngang.
Ví dụ ứng dụng của robot ScaraScara:

SV: Nguyễn Công Tướng

8

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Hình 4: Ứng dụng robot Scara phân loại thuốc
Hình 5: Ứng dụng robot Scara phân loại thuốc

1.3.

Kết luận
Do Robot ScaraScara chỉ có 3 bậc tự do, cơ cấu thiết kế không quá
phức tạp nên việc nghiên cứu và chế tạo được ưu tiên đầu tiên trong các
lựa chon phù hợp với công việc địi hỏi các cơng việc đơn giản nhưng cần
tốc độ cao vì ưu điểm của ScaraScara làm làm việc linh hoạt. Ứng dụng
của robot ScaraScara khá rộng rãi. Việc ứng dụng được sử dụng rất nhiều
trong thực tế nhiều nhất là dùng để phân loại sản phẩm, di chuyển xếp đặt
vị trí sản phẩm theo u cầu.
Vì lý do đó nên chúng ta cần nghiên cứu sâu hơn về hoạt động của
Scara và ứng dụng của nó trong cơng nghiệp.
Ví dụ ứng dụng của robot Scara:

Hình 6: Ứng dụng robot Scara phân loại thuốc

SV: Nguyễn Công Tướng

9

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Vì lý do đó nên chúng ta cần nghiên cứu sâu hơn về hoạt động

của Scara và ứng dụng của nó trong công nghiệp.

SV: Nguyễn Công Tướng

10

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

SV: Nguyễn Công Tướng

11

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

Chương 2:
XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT
XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT
Động học robot nghiên cứu các đặc trưng của chuyển
động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng
như lực mà mô men. Khoa học động học nghiên cứu về vị
trí, vận tốc, gia tốc. Do đó, động học chỉ liên quan đến
hình học và thời gian thay đổi của chuyển dộng. Sự thay

đổi của các khâu của robot liên quan đến hướng và vị trí
của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các
khớp. Những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc
nghiên cứu động học robot. Việc nghiên cứu động học có
hai vấn đề: Phân tích động học và tổng hợp động học. Tuy
nhiên vấn đề phân tích động học và tổng hợp động học
luôn liên quan đến nhau.
Nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm ra
quan hệ chuyển động của các khâu gồm 2 bài toán là: Bài
toán động học thuận và bài toán động học ngược. Trong
việc lập trình cho robot điều cơ bản là đặt ra các yêu cầu
về vị trí của điểm tác động cuối và hướng của khâu cuối,
vân tốc và gia tốc của khâu bất kì trong khơng gian. Vấn
đề ở đâu là tìm tất cả các bộ thơng số có thể chấp nhận
được về sự thay đổi của các khâu hoạt động và các đạo
hàm tương ứng của chúng xảy ra ở khâu chấp hành cuối
cùng để đặt các yêu cầu về hướng và vị trí, đó chính là các
thơng số hoạt động (( bài toán động học thuận ) hay từ
yêu cầu vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối tìm ra
các thơng số tương ứng của các khâu trước đó ( bài tốn
động học ngược )

SV: Nguyễn Cơng Tướng

12

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công

nghiệp____________________________________________________

Tổng hợp động học chính là q trình ngược lại của
việc phân tích động học. Trong trường hợp này, nhà thiết
kế cần đặt ra được những robot hay máy mới, điều đó đòi
hỏi những thay đổi nhất định về mặt động học. Cụ thể, khi
có các thơng số vị trí và hướng (cùng vận tốc và gia tốc )
của khâu chấp hành cuối cùng, chúng ta cần xác định các
thay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình
học của robot.
2.1. Cơ sở xây dựng mơ hình động học trên

robot công nghiệp
2.1.1. Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H)
Xét hai khâu ii-11 và ii liên ki khâu tenberg khớp bản
lề, trục quay của khớp có phương bất kì và hai khâu khơng
nằm trong những mặt phẳng song song nhau.

Hình 7: Mối quan hệ giữa các khâu và hệ tọa độ

- Sau khi được thiết lập, vị trí của hệ Oixiyizi so với hệ Oi-1xi1yi-1zi-1 hoàn toàn được xác định nhờ 4 thông số:
+ ai : khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương xi .
+ di : khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương zi-1 .
+ αi : góc quay quanh trục xi giữa zi-1 và zi .
+ θi : góc quay quanh trục zi-1 giữa xi-1 và xi

SV: Nguyễn Công Tướng

13

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

-

-

Nếu khớp i là khớp quay :
θi là biến khớp
di , ai , αi là tham số do thiết kế tạo ra.
Nếu khớp i là khớp tịnh tiến :
di là biến khớp
θi , ai , αi : tham số phụ thuộc kết cấu.
Ma trận chuyển đổi giữa hệ trục i và i -1.
Để chuyển từ hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 sang hệ Oixiyizi là thực hiện
liên tiếp 4 phép biến đổi toạ độ :
Quay quanh zi-1một góc θi : Rz-1,θi
Tịnh tiến dọc zi-1 một đoạn di : Tz-1, di
Tịnh tiến dọc xi xi một đoạn ai: Tx, ai
Quay quanh xi một góc αi :
Rx,αi , Pi = Rz-1,θi . Tz-1,di. Tx, ai. Rx,αi . Pi-1

Ma trận biến hình tổng hợp của các phép quay trên :

=

=

Ma trận thể hiện hướng và vị trí của tay kẹp so với hệêi
trục tọa độ gốc 0x0y0z0 là:
=

SV: Nguyễn Công Tướng

14

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

2.1.2. Bài toán động học thuận
Cho các giá trị biến khớp q1, q2, q3, q4, q5, q6 tìm ma
trận toạ độ thực
Hệ phương trình động học thuận của robot:

2.1.3. Bài tốn động học ngược
Cho vị trí và hướng của tay kẹp tức là biết ma trân tọa
độ thực . Cần phải xác định các biến khớp theo vị trí và
hướng của tay kẹpho vốn động học ngượcc thuận của
robot, q5, q6 tìm ma trận to. C voán động học ngượcc
thuận củ theo vn động học ngượcc thuận
Mục đích của việc giải phương trình động học robot
cơng nghiệp: Đđể điều

khiển tay máy của robot cơng

nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác đđịnh thì
chúng ta phải tính tốn giá trị các biến khớp đã quay hoặc
tịnh tiến một lượng là bao nhiêu.
Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển
robot
=
+ Từ phương trình của bài tốn gốc:

- Giải hệ phương trình này ta nhận được các giá trị của
biến khớp
 Các phương pháp giải bài toán động học
ngược :
Trong các phương pháp giải bài toán động học ngược
đã được nghiên cứu thì người ta đã đưa ra 2 phương pháp
tối ưu nhất:

SV: Nguyễn Công Tướng

15

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

o

Phương pháp giải tích:

Sử dụng các phép tốn học giải tích để giải hệ phương
trình để tìm giá trị của các biến khớp.
o
Phương pháp số:
Trong các phương pháp sử dụng để giải bài tốn động
học ngược thì phương pháp số GRG Nonlinear là phương
pháp được sử dụng nhiều nhất bởi nó được tích hợp ngay
trên phần mềm Excell của hãng Microsoft. Phương pháp
này là tìm giá trị gần đúng nhất của biến khớp mà sai số
của nó nằm trong phạm vi cho phép.
- Viết lại phương trình tương đương:
=>
Ta thấy vế trái không âm nên giá trị nhỏ nhất bằng
không, tương đương với phương trình trên thỏa mãn. Đặt L
bằng vế trái:
L=(Sx -a12)2+(Ax-a13)2+(Ay-a23)2+(Px-a14)2+(Pya24)2+(Pz-a34)2
Ở đây ta dùng MathLabp và phương pháp GRG thực
hiện trên Excell để giải bài tốn.
2.2. Xây dựng mơ hình động học thuận cho robot
ScaraScara
2.2.1. Đặt bài toán
Biết giá trị các biến khớp , cần phải xác định vị trí và
hướng của
taybàn kẹp, tức là phải xác định ma trận TE:
=
Đặt các hệ trục tọa độ:

SV: Nguyễn Công Tướng

16

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Hình 8: Mơ hình hóa Robot ScaraScara

2.2.2. Bảng thơng số D-H:
Bảng 1: Bảng D-H

()

315

325

0

()

60

2175

0

0

2.2.3. Xác định vị trí và hướng và tay kẹp
Từ bảng D-H ta có :
=
Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ 0 sang hệ tọa độ 1 :

SV: Nguyễn Công Tướng

17

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

=
Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ 1 sang hệ tọa độ 2 :
=
Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ 2 sang hệ tọa độ 3 :
=
Ma trận D-H chuyển từ hệ tọa độ 0 sang hệ tọa độ 3 :
==

Sử dụng Mathlab để nhân ma trận: Đặt = q1; = q2; d3 = q3

Hình 9: Giao diện Mathlab

Nhập lệnh vào Command Window:
SV: Nguyễn Công Tướng

18

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Hình 10: Nhập ma trận vào Mathlab

Kết quả khi nhấn Enter:

Hình 11: Kết quả nhân ma trận

=
=

2.2.4. Hệ phương trình động học thuận của robot
ScaraScara :

SV: Nguyễn Công Tướng

19

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

2.3. Xây dựng mơ hình động học ngược cho robot
ScaraScara
2.3.1. Đặt bài toán
Biết ma trận tọa độ thực của tay kẹp TE, cần phải xác
định giá trị các biến khớp .
2.3.2. Sử dụng phương pháp số GRG Nonlinear để
giải bài toán:
Cân bằng các phần tử của hai ma trận tọa độ lý thuyết
và tọa độ thực ta có hệ phương trình:
Bài tốn cần giải động học ngược của cơ cấu là: cho
biết vị trí tay kẹp so với các khớp q1, q2, q3 … để xử lý bài
toàn ta cần xử dụng tới Excell. Với Scara 3 bậc tự do các
giá trị ta có các giá trị: a14, a24, a34 tương ứng với tọa độ
x, y, z thực tế.ó như sau.
Từ ma trận và ta được hệ phương trình động học
ngượchịch:

Chúng ta đi tìm Min (L) 0 với

L=

Với a11, a21, a31, a14, a24, a34 là các tọa độ thực đã
biết.
= -sin()
= cos(+)
=0
cos(+)
= sin(+)
=0
=0

=0
= -1

SV: Nguyễn Công Tướng

20

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

= a1*cos() + a2*cos(+)
= a1*sin() + a2*sin(
= d1 + d2 +- d3

SV: Nguyễn Công Tướng

21

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

2.3.3. Giải phương trình bằng excel:
a. Bước 1: Khai báo đợ dài các khâu, tọa độ lý thuyết, tọa độ thực
và khởi tạo giá trị các biến.

Hình 12: Khai báo tọa độ lý thuyết, tọa độ thực, kích thước các khâu

b. Bước 2: Tính các phần tử từ L1 cho tới L3 với:

SV: Nguyễn Công Tướng

22

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công
nghiệp____________________________________________________

Với các giá trị a14 a24 a34 là đầu ra của bài tốn thuận ta có được:

c. Bước 3: Ta tính tổng L bằng hàm “Sum(….)”:

Hình 13: Tính tổng L

SV: Nguyễn Cơng Tướng

23

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Hình 14: Tính tổng L
Bước 4. Khai báo điều kiện biên cho các biến theo khơng gian làm việc:

(…như hình vẽ…)

SV: Nguyễn Công Tướng

24

GVHD: Lê Thị Thu Thủy


Đồ án Robot cơng nghiệp Đồ án Robot cơng
nghiệp____________________________________________________

Hình 15: Không gian làm việc của robot (chiếu bằng)

+ Thực hiện lập điều kiện biên trên Excel:
+ Thực hiện trên Excell:

SV: Nguyễn Công Tướng

25

GVHD: Lê Thị Thu Thủy