THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG, VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
************************************

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ
MÃ ĐỀ : VCK01-2
THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG, VÀ ĐIỀU KHIỂN
ROBOT SCARA
Sinh viên:

Nguyễn Đức Thịnh

Mã số sinh viên:

20166797

Lớp:

Cử nhân Cơ Điện Tử, K61

Người hướng dẫn: GVC.TS. Nguyễn Ngọc Thành
HÀ NỘI – 2020

1


MỤC LỤC

Trang
NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT …………………………………………………

…….

MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….. ……..
Chương 1- GIỚI THIỆU RÔ BỐT SCARA; NHIỆM VỤ ĐƯỢC GIAO …. ……..
1.1- Giới thiệu rô bốt Scara ………………………………………………………..

……..

1.1.1- Cấu trúc động học và kết cấu rô bốt Scara ……………………………. ……..
1.1.2- Ứng dụng rô bốt Scara trong sản xuất công nghiệp, và hoạt động dịch vụ ……..
a- Trong sản xuất công nghiệp ………………………………………… ……..
b- Trong hoạt động dịch vụ ……………………………………………. ……..
1.2- Nhiệm vụ được giao …………………………………………………….. ……..
1.2.1- Nhiệm vụ thiết kế được giao và số liệu cho trước
…………………..

……..
……..

1.2.2- Phân tích nội dung nhiệm vụ thiết kế ……………………………….
Chương 2- ĐỘNG HỌC; KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG; ĐỘNG LỰC
HỌC
HỆ TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA ………………………….
2.1- Động học rô bốt Scara 4 bậc tự do ………………………………………
2.1.1- Thiết lập các hệ tọa độ trên rô bốt Scara ……………………………
2.1.2- Bài toán động học thuận; ý nghĩa …………………………………..
2.1.3- Bài tốn động học ngược; ý nghĩa ………………………………….
2.2- Khơng gian hoạt động rô bốt Scara ………………………………………
2.2.1- Xác định không gian hoạt động rô bốt Scara ……………………….
a- Các điều kiện ràng buộc ………………………………………………

b- Xây dựng thuật xác định không gian hoạt động ………………………
c- Vẽ mô phỏng không gian hoạt động rô bốt Scara …………………….
2

……..
……..
……...
……..
……..
……..
……..
……..
……..
……..


2.2.2- Thiết kế quỹ đạo chuyển động của rô bốt …………………………. ……..
a- Chuyển động theo đoạn thẳng ………………………………………... ……..
b- Chuyển động theo đoạn cong (cung tròn, hoặc đường bậc 2 nào đó)

……..

… c- Chuyển động phức tạp (xen kẽ đoạn thẳng và đoạn cong)

……...

……………
d- Mô phỏng động học rô bốt Scara theo quỹ đạo chuyển động phức tạp ……...
.. (thực hiện nhiệm vụ công nghệ đề ra)

……..

………………………………..

……..

2.3- Động lực học rô bốt Scara 4 bậc tự do ………………………………….. ……..
2.3.1- Nội dung, mơ hình và giải bài tốn động lực học rơ bốt Scara ……. ……...
a- Nội dung, mục đích, ý nghĩa bài tốn động lực học rơ bốt Scara ……. ……..
b- Mơ hình động lực học rơ bốt Scara
……………………………………
c- Giải bài tốn động lực học rơ bốt Scara ………………………………
2.3.2- Xác định công suất truyền dẫn các động cơ ………………………..
a- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 1 …………………
b- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 2 …………………
c- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp tịnh tiến 3 ……………..
d- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 4 …………………
Chương 3- THIẾT KẾ KẾT CẤU TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA …….
3.1- Đặt vấn đề (mở đầu) ……………………………………………………..
3.2- Thiết kế kết cấu lắp ghép truyền dẫn rô bốt Scara ……………………….
3.2.1- Kết cấu lắp ghép khâu 0 (giá trụ cố định) với cụm khớp quay 1 …..
3.2.2- Kết cấu lắp ghép khâu 1 với cụm khớp quay 2 ……………………..
3.2.3- Kết cấu lắp ghép khâu 2 với cụm khớp tịnh tiến 3 …………………
3.2.4- Kết cấu lắp ghép khâu 3 với cụm khớp quay 4 (bàn tay kẹp) ………
3.2.5- Thiết kế bản vẽ kết cấu lắp chung rô bốt Scara …………………….

……..
……..
……..
……..

……..
……..
……..
……..
……..
……..
……...
……...
……..
……..
……..
……..

3


Chương 4- THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT SCARA
4.1- Nguyên lý, và sơ đồ điều khiển rô bốt Scara ………………………….
4.1.1- Xác định nguyên lý điều khiển (ĐK kín hay ĐK hở)
……………..

4


4.1.2- Xây dựng sơ đồ điều khiển (theo nguyên lý đã xác định) ……….. ……..
4.2- Phương trình điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4) …………..

……..

4.2.1- Cơ sở điều khiển động học rô bốt Scara ………………………….. ……..

4.2.2- Phương trình điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4) ………. ……..
4.3- Xây dựng thuật toán điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4) …..

……..

4.3.1- Mô tả thuật toán ………………………………………………….. ……..
4.3.2- Thiết lập lưu đồ thuật toán ……………………………………….. ……..
4.4- Thiết kế hệ điều khiển rô bốt Scara …………………………………..

……..

4.4.1- Lựa chọn bộ điều khiển, và các phần tử trong hệ điều khiển ……. ……..
4.4.2- Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển ………………………………….. ……..
……..
Chương 5- THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG RƠ BỐT SCARA ……. ……..
5.1- Mục đích, u cầu thiết kế; giới thiệu công cụ mô phỏng ………………. ……..
5.1.1- Mục đích, u cầu thiết kế mơ phỏng ……………………………… ……..
5.1.2- Giới thiệu công cụ mô phỏng ………………………………………. ……..
5.2- Thiết kế mô phỏng ………………………………………………………. ……..
5.2.1- Thiết kế mô phỏng các phần tử, bộ phận bàn chạy dao theo OX …. ……..
5.2.2- Thiết kế mô phỏng các phần tử, bộ phận bàn chạy dao theo OY …. ……..
5.2.3- Thiết kế mô phỏng động hoạt động chạy dao OX, OY khi phay …. ……..
KẾT LUẬN ………………………………………………………………. ……..
a- Những nội dung đã thực hiện và giải quyết đƣợc trong đồ án ………. ……..
b- Ưu, nhược điểm, và phương hướng khắc phục, hoàn thiện ………….

……..

LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………. ……..
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………….. ……..

5


NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT
C 1=cos θ1;

S1=sin θ 1

C 2=cos θ2 ;

S2=sinθ 2

C 4=cos θ4 ;

S4 =sin θ4

C 12= Cos(θ1 +θ2 ¿ ;

S12= Sin(θ1 +θ2 ¿

C 124= Cos(θ1 +θ2 −θ4 ¿ ;

S124 = Sin(θ1 +θ2 −θ4 ¿

{Chú ý:
- Chỉ những cụm tự lặp đi, lặp lại trong thuyết minh từ 3 lần trở lên thì mới
viết tắt;
- Để hẳn 01 trang dùng cho mục “NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT”}

6


MỞ ĐẦU
1.- Đặt vấn đề
Robot Scara ra đời vào năm 1979, đây là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt
được sử dụng nhiều trong các công việc lắp ráp. Nó thực hiện những cơng việc địi
hỏi độ chính xác cao. Robot Scara đã và đang được ứng dụng và phát triển rộng rãi
trên toàn thế giới, chúng được chế tạo và phát triển với quy mô lớn. Tuy nhiên, ở
Việt Nam việc nghiên cứu và phát triển vẫn còn hạn chế cả ở các viện nghiên cứu
và các trường đại học. Do nhu cầu thực tế và niềm say mê nghiên cứu dưới sự
hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Ngọc Thành đã giúp chúng em thực thiện đề
tài “ Thiết kế hệ truyền dẫn, điều khiển robot Scara 4 bậc tự do ”.
2.- Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích của đề tài trước hết là tìm hiểu làm quen với việc nghiên cứu khoa
học và áp dụng các kiến thức đã học vào thực tế. Trong quá trình nghiên cứu thực tế
đề tài đã giúp chúng em nâng cao kiến, tiếp cận những vấn đề mới của thực tế cũng
như làm nền tảng vững chắc cho kỹ sư cơ điện tử sau khi tốt nghiệp.
3.- Phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Tính tốn động học, động lực học dựa trên cơ sở đó lập trình để kiểm chứng
lý thuyết đã xây dựng.
- Thiết kế hệ điều khiển rô bốt Scara sử dụng động cơ servo và động cơ một
chiều để điều khiển chính xác vị trí của rơ bốt.
- Mơ phỏng hoạt động của robot SCARA.

7


Chương 1- GIỚI THIỆU RÔ BỐT SCARA; NHIỆM VỤ ĐƯỢC GIAO
1.1- Giới thiệu rô bốt Scara:

1.1.1- Cấu trúc động học và kết cấu rô bốt Scara:
Robot SCARA được cấu tạo bởi một chuỗi các thanh cứng liên kết với nhau
bởi các khớp. Truyền động cho hai khớp của tay máy là hai động cơ servo hoạt
động có phản hồi vị trí tạo thành vịng điều khiển kín. Robot SCARA có tất cả 3
khớp quay và một khớp tịnh tiến, nhưng tất cả đều có trục song song với nhau. Kết
cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng
vững theo phương được chọn , là phương ngang. Loại này chuyên dùng cho công
việc lắp ráp với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng.

Hình 1.1- Robot SCARA 4 bậc tự do của hãng Mitsubishi
Từ SCARA là viết tắt của “Selective Compliance Assembly Robot Arm” để
mô tả các đặc điểm trên. Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng,
như hình dưới:

Hình 1.2- Mơ phỏng không gian làm việc của robot SCARA
8


1.1.2- Ứng dụng rô bốt Scara trong sản xuất công nghiệp, và hoạt động
dịch vụ:
a- Trong sản xuất công nghiệp:
- Sử dụng trong các nhà máy lắp ráp chi tiết, hàn, gắp sản phẩm , phân loại sản
phẩm, v.v.
b- Trong hoạt động dịch vụ:
- Sử dụng trong các lĩnh vực pha chế đồ uống, v.v.
1.2- Nhiệm vụ được giao:
1.2.1- Nhiệm vụ thiết kế được giao và số liệu cho trước:
- Thiết kế truyền dẫn và điều khiển robot scara
- Kích thước và giới hạn các khâu:
Khâu 1: a 1= 120 mm

Khâu 2: a 2= 200 mm
Giới hạn các góc quay: θ1 = ±120° ; θ2 = ±90° ; θ 4 =±180 °
Giới hạn khoảng trượt : d 3= [0;150] mm
Chiều dài cần cố định : d 4 = 100 mm
1.2.2- Phân tích nội dung nhiệm vụ thiết kế
- Giải bài toán động học (thuận ngược) , động học robot Scara
- Xác định miền làm việc
- Mô phỏng hoạt động của robot trong không gian hoạt động
- Thiết kế kết cấu robot Scara
- Vẽ tách chi tiết của Robot
- Thiết kế hệ điều khiển robot Scara

9


Chương 2- ĐỘNG HỌC; KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG; ĐỘNG LỰC
HỌC HỆ TRUYỀN DẪN RƠ BỐT SCARA
2.1- Động học rơ bốt Scara 4 bậc tự do
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của 1 cơ cấu ( chuyển động quay hoặc
chuyển động tính tiến). Để dịch chuyển được vật thể trong không gian , cơ cấu chấp
hành của một số robot phải đạt được số bậc tự do.Nói chung cơ hệ của robot là một
cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó tính theo cơng thức :
k

f =λ ( n−k )+ ∑ f i + f c −f p

(2.1)

i =1

Trong đó:
f : số bậc tự do của cơ cấu.
λ : số bậc tự do của không gian trong đó tay máy thực hiện chuyển động ( λ = 6)

khi vùng làm việc trong không gian, λ = 3 khi vùng làm việc là mặt phẳng).
n : số khâu động của robot.
f i: số bậc tự do của khớp thứ i.

k : số khớp của cơ cấu.
f c: số ràng buộc trùng.
f p:số bậc tự do thừa.

Áp dụng cơng thức(2.1), ta tính được số bậc tự do của Robot Scara:
f =6(4-4)+4+0+0=4(bậc tự do)

2.1.1- Thiết lập các hệ tọa độ trên rô bốt Scara:
Các khâu của robot được đánh
số từ 0 đến 4. Trong đó, khâu 0 là
khâu cố định, các khâu cịn lại của
robot đều là khâu động.
Hình 2.1- Sơ đồ động học của
10


robot SCARA 4 bậc tự do
Với: i là số khâu (i=0,1,2,3,4)

(i ' ) là số khớp (i’=1,2,3,4)

- Đối với hệ tọa độ cố đinh O0 X 0 Y 0 Z 0 gắn với khâu 0, gốc O0 thuộc đường tâm

trục khâu 0, trục O 0 Z 0 có chiều hướng từ dưới lên, trục O 0 X 0 có chiều hướng từ phía
bên trái qua bên phải, cịn trục O 0 Y 0 có chiều hướng từ phía ngồi hướng vào trong.
- Đối với hệ tọa độ cố đinh O 1 X 1 Y 1 Z 1 gắn với khâu 1, gốc O 1 thuộc đường tâm
trục của khớp 2, trục O1 Z 1 có chiều hướng từ dưới lên, trục O1 X 1 có chiều hướng từ
phía bên trái qua bên phải, cịn trục O1 Y 1 có chiều hướng từ phía ngồi hướng vào
trong.
- Đối với hệ tọa độ cố đinh O 2 X 2 Y 2 Z 2 gắn với khâu 2, gốc O0 thuộc đường tâm
trục khớp 3, trục O2 Z 2 có chiều hướng từ dưới lên, trục O 2 X 2 có chiều hướng từ phía
bên trái qua bên phải, cịn trục O 2 Y 2 có chiều hướng từ phía ngồi hướng vào trong.
- Đối với hệ tọa độ cố đinh O3 X 3 Y 3 Z3 gắn với khâu 3, gốc O0 thuộc đường tâm
trục khâu 3, trục O3 Z 3 có chiều hướng từ dưới lên, trục O 3 X 3 có chiều hướng từ phía
bên trái qua bên phải, cịn trục O 3 Y 3 có chiều hướng từ phía ngoài hướng vào trong.
- Đối với hệ tọa độ cố đinh O 4 X 4 Y 4 Z 4 gắn với khâu 4, gốc O4 thuộc đường tâm
trục khâu 3, trục O4 Z 4 có chiều hướng từ dưới lên, trục O4 X 4 có chiều hướng từ phía
bên trái qua bên phải, cịn trục O4 Y 4 có chiều hướng từ phía ngồi hướng vào trong.
2.1.2- Bài tốn động học thuận; ý nghĩa
Trong đại đa số các trường hợp, tay máy là một chuỗi động hở, được cấu tạo
bởi một số khâu, được nối với nhau nhờ các khớp. Một đầu của chuỗi nối với giá,
còn đầu kia nối với phần cơng tác. Mỗi khâu hình thành cùng với khớp phía trước
nó một cặp khâu – khớp. Tuỳ theo kết cấu của mình mà mỗi loại khớp đảm bảo cho
khâu nối sau nó các khả năng chuyển động nhất định. Giải bài tốn thuận là từ các
góc và thơng số đầu bài cho của các khâu ta tìm ra được tọa độ của điểm cuối của
bàn tay kẹp. điểm cuối của khâu là điểm đáng quan tâm nhất vì đó là điểm tác động
lên đối tác.
Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học:
11


+, Từ hệ tọa độ Denavit-Hartenberg và các tham số động học ta thiết lập được
ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất T i−1

i
cos θi −cos α i sin θi sin α i sin θi ai sinθ i
sin θi cos α i cos θi sin α i cos θi ai cos θi
T i−1
=
i
0 sin α i
cos α i di
0
0
0
1

[

]

(2.2)

Với T i−1
là ma trận biến đổi thuần nhất, cho ta biết hướng và vị trí của khâu i
i
đối với hệ quy chiếu gắn vào khâu i-1.
Như vậy khi biết được các đặc tính hình học của các khâu và quy luật chuyển
động của các khớp ta có thể xác định được vị trí và hướng của bàn tay kẹp. Từ đó
có thể xác định được vận tốc và gia tốc điểm tác động cuối theo công thức sau.
+ Tọa độ của điểm tác động cuối E:
r 0E =[ x E

yE

T

(2.3)

zE ]

+ Vận tốc điểm tác động cuối E:
x˙E
d
v E= r E = r˙E= y˙E = J TE.q˙
dt
z˙E

[]

(2.4)

+ Gia tốc điểm tỏc ng cui:
xă E
d
a E = v E= vE=răE= yă E
dt
ză E

[]

(2.5)

+ Võn tc gúc:

Ta cú:
C11 (q) C12 (q) C 13 (q)
A = C21 (q) C22 (q) C 23 (q)
C31 (q) C32 (q) C 33 (q)
0
i

[

]

(2.6)

Với A0i là ma trận cosin chỉ hướng của khâu i so với hệ tọa độ gốc
Như vậy, ma trận sóng của vector vận tốc góc khâu i là tích của A˙ 0i và ( A0i )T
0
−ω z ω y
T
~
˙
ω= A . A = ωz
0 −ω x
−ω y ω x
0

[

12

]

(2.7)


ωx
ω=
ωy
Suy ra vận tốc góc của khâu cuối:
ωz

[]

(2.8)

Áp dụng vào Robot Scara 4 bậc tự do, ta tiến hành giải bài tốn động học
thuận của Robot:
Bảng thơng số D-H (Denavit – Hartenberg) của tay máy 4 bậc tự do:
Khâu
1
2
3
4

θi
θ1
θ2
0
θ4

ai

a1
a2
0
0

di
0
0
d3
d4

αi
0
180°
0
0

Trong đó: d3, θ1, θ2, θ4 là biến khớp
θi: góc quay quanh trục Zi-1 để trục Xi-1 chuyển đến cùng hướng với trục Xi
ai: khoảng cách dịch chuyển tịnh tiến dọc trục Xi để điểm Oi’ chuyển đến điểm
Oi
di: khoảng cách dịch chuyển tịnh tiến dọc trục Zi-1 để gốc Oi-1 chuyển đến Oi
(giao điểm của trục Xi và trục Zi),
αi: góc quay quanh trục Xi sao cho trục Zi-1’ (Zi-1’ // Zi-1) chuyển đến trục
Zi.Theo quy tắc Danavit-Hartenberg ta có ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất từ
khâu i-1 sang khâu i như sau:
Từ bảng DH và công thức (2.2), ta có các ma trận:
C1
S
T 01 = 1

0
0

−S 1 0 a1 C 1
C 1 0 a1 S 1
0
1 0
0
0 1

[ ]
[ ]
[ ]

C2 S 2 0 a 2 C 2
S −C2 0 a2 S2
T 12 = 2
0 0
−1 0
0 0
0 1
1
0
T 23=
0
0

0 0
1 0
0 1

0 0

0
0
d3
1

(2.9)

(2.10)

(2.11)

13

h


C4
S
T 34= 4
0
0

[

−S 4 0
C4 0
1
0

0
0

0
0
d4
1

]

(2.12)

Nhân (2.9) và (2.10) tá có ma trận tọa độ thuần nhất khâu 2 so với hệ gốc
C12 S 12 0 a2 C 12+ a1 C 1
S
−C 12 0 a2 S 12+ a1 S 1
T 02= T 01.T 12= 12
0 0
−1 0
0 0
0 1

[

]

(2.13)

Nhân (2.13) và (2.11) tá có ma trận tọa độ thuần nhất khâu 3 so với hệ gốc
C12 S 12 0 a2 C 12+ a1 C 1

S
−C 12 0 a2 S 12+ a1 S 1
T 03= T 02.T 23= 12
−1 −d 3
0 0
0 0
0
1

[
[

]

(2.14)

Nhân (2.14) và (2.12) tá có ma trận tọa độ thuần nhất khâu 4 so với hệ gốc
C124 S 124 0 a2 C12 +a1 C1
S
−C 124 0 a2 S12 +a1 S 1
T 04= T 03.T 34= 124
−1 −d 3−d 4
0 0
0 0
0
1

]

Với C 12= Cos(θ1 +θ2 ¿

(2.15)

S12= Sin(θ1 +θ2 ¿

C 124= Cos(θ1 +θ2 −θ4 ¿

S124 = Sin(θ1 +θ2 −θ4 ¿

a) Vận tốc và ga tốc điểm tác động cuối:
*Xét khâu thứ 4:
Từ ma trận thuần nhất đã tính là T 04ở cơng thức (2.15), ta có:
A 04 ( 3 x 3 ) r 04 ( 3 x 1 )
T4 =
0
1

0

[

]

Trong đó:
A04 ( 3 x 3 )−M a trận Cosin chỉ hướng của khâu 4 so với hệ tọa độ gốc.
r 04 ( 3 x 1 ) - Ma trận biểu diễn vị trí (tâm bàn tay kẹp) khâu 4 so với hệ tọa độ gốc.

Như vậy:
14

Ma trận cosin chỉ hướng của khâu 4:
C124 S 124
0
A = S 124 −C 124 0
0
0
−1

[

0
4

]

Ma trận vị trí khâu 4:
a1 C1 +a2 C12
r E= a 1 S1 +a2 S 12
−d 3−d 4

[

]

Gọi E là điểm tác động cuối, ta có tọa độ điểm tác động cuối
Vị trí điểm tác động cuối E:
a1 C1 +a2 C12
r E=r = a 1 S1 +a2 S 12
−d 3−d 4

0
4

[

]

(2.16)

Từ (2.4), vận tốc điểm công tác cuối E là:
−a1 θ˙1 S1−a2 θ˙12 S 12
v E =r˙E = a 1 θ˙1 C1 +a 2 θ˙12 C 12
˙3
−d

[

]

(2.17)

Từ (2.5), gia tốc điểm tác động cuối E l:
xă E
a E =răE= yă E =
ză E

[]

[[a 2(ă 1 + ă 2 )S12 +( 1+ 2)2 C12 ]a1 (ă 1 S 1 21 C 1)[a 2( ă 1+ ă 2) C12( 1 + 2 )2 S12 ]+a1 (ă 1 C 1−θ˙ 21 S 1)¿−d
(2.18)

b) Vận tốc góc, gia tốc góc khâu thao tác
Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thứ 4:
C124 S 124
0
A = S 124 −C 124 0
0
0
−1
0
4

[

−( θ˙12−θ˙4 ) S 124
 A˙ = ( θ˙12−θ˙4 ) C 124
0
0
4

[

15

]

( θ˙12−θ˙4 ) C 124 0
( θ˙12−θ˙4 ) S124 0
0

0

]


C124 S 124
0
 A = S 124 −C 124 0
0
0
−1
0

T
4

[

]

Từ cơng thức (2.7), ta tính được tốn tử sóng của các vector vận tốc góc của
khâu 4:
T
4

[

0

−( θ˙12−θ˙4 ) 0

~
ω 4= A˙ 04.( 0 A ¿= ( θ˙12−θ˙4 )
0

0
0

0
0

]

(2.19)

Từ công thức (2.18) t suy ra vận tốc góc của khâu thao tác so với hệ tọa độ cơ
sở:
0
0
ω 4=
˙
( θ12−θ˙4 )

[ ]

(2.20)

Từ (2.19), gia tốc góc khâu thao tác là o hm ca vn tc gúc :
0
= 4= 0
( ă 12ă 4 )

[ ]

(2.21)

Xỏc nh 3 gúc Cardan l cỏc góc biểu diễn hướng của tâm bàn kẹp đối với hệ
quy chiếu của nó
Từ ban đầu trùng với hệ quy chiếu, thực hiện 3 phép quay liên tiếp quanh các
trục của hệ tọa độ động, ứng với các góc cardan, nhận đước các góc , β , γ lần lượt
là các góc quay quanh trục Ox, Oy và Oz. Ma trận tích hợp được gọi là ma trận
Cardan được trình bày như dưới đây: ( là tích của 3 ma trận quay quanh Ox với góc
, quay quanh Oy với góc  và quay quanh Oz với góc γ )
Sử dụng ma trận xác định hướng của EE là ma trận Cardan, ta có:

[

cos β cos γ
−cos β cos γ
sin β
cos α sin γ + sin α sin β cos γ cos α cos γ + sin α sin β cos γ −sin α cos β
sin α sin γ −cos α sin β cos γ sin α cos γ + cos α sin β sin γ cos α cos β
a11 a 12 a13 C124 S 124
0
= a21 a 22 a23 = S 124 −C 124 0
a31 a 32 a33
0
0
−1

[

][

16

]

]


Hệ phương trình xác định vị trí của khâu cuối:
−a 23
=0
cos β
a
cos α = 33 =±1
cos β

{

sin α =

sin β=a13

{

cos β=± √ 1−sin2 β=±1

{

với

a1 =120 mm
a2 =200 mm
θ1=[ −1 2 0° ;1 2 0° ]

{

θ2=[ −90° ; 9 0° ]
d3 =[ 0 ; 150 ] mm
d 4=100 mm

−a12 −S 124
=
cosβ cosβ
a
C
cos γ = 11 = 124
cosβ cosβ

sin γ =

Với ,  ,γ là các góc cardan chỉ hướng của khâu thao tác
2.1.3- Bài toán động học ngược; ý nghĩa
Bài toán động học ngược: Bài toán ngược nhằm xác định bộ thông số động
học để đảm bảo chuyển động cho trước của phần cơng tác. Các lời giải tìm được
cho lớp bài toán này hầu như chỉ cho trường hợp riêng còn đặc điểm động học riêng
biệt được vận dụng để thiết lập các quan hệ cần thiết khi lập lời giải.
Khi robot hoạt động thì ta đã xác định được vị trí của vật trong khơng gian làm
việc và u cầu đặt ra khi này là tính tốn để tìm các góc quay θ1 , θ2 , θ 4và khoảng

cách d 3 của Robot để tay gắp đến được tọa độ xác định. Đó mới là nhiệm vụ cần
thực hiện. Vì vậy chúng ta phải chọn giải bài tốn động học ngược, tức là : Cho
trước quy luật của tâm bàn tay kẹp của robotđể tìm ra quy luật của qij của các tọa độ
suy rộng qi (t)
Các bước giải bài toán:
Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học:
17


Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ khâu thao tác:
Phương trình động học Robot
Bài tốn động học ngược vị trí
Từ (2.16) ta có hệ phương trình xác định vị trí điểm tác động cuối E:
x E =a2 C12 + a1 C 1 (1)
y E=a2 S12 +a1 S 1 (2)
z E =−d 3−d 4 (3)
φ=θ124 =θ1 +θ2−θ 4 ( 4)

{

Từ (1) và (2) ta có
a 12 +a 22 +2 a1 a2 (C ¿ ¿ 1C 12+ S1 S 12)=a12+ a22 +2 a1 a2 C 2 ¿

¿

x2E + y 2E−a21−a 22
θ2= ± cos (
)
2 a1 a2

(2.22)

−1

Từ (1) và (2) ta có:

{

x E =a2 C 12 + a1 C 1
y E =a 2 S12 + a1 S 1

{



x E =(a 1+ a2 C 2) C1 −a2 S 1 S2
y E=(a1 +a 2 C 2) S 1+ a2 C1 S 2

(2.23)

Từ θ2 ở cơng thức (2.22) trước đó, ta thay vào (2.23) để tính θ1

{

C 1=
S 1=

a1 x E +a 2(x E C2 + y E S 2)

x 2E + y 2E

a1 y E +a 2 ( y E C 2−x E S2 )

(2.24)

x 2E + y 2E

Từ (3) ta lại có:
d 3= −z E −d 4

(2.25)

θ 4=θ1 +θ2 −φ

(2.26)

Từ (4) ta có:
Căn cứ vào các quy luật chuyển động của θ1 , θ2 , θ 4 , d3, sẽ thiết kế hệ
thống điều khiển chúng theo yêu cầu làm việc thực tế của robot.

18


2.2- Không gian hoạt động rô bốt Scara
2.2.1- Xác định không gian hoạt động rô bốt Scara
a- Các điều kiện ràng buộc thông số khâu, khớp
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
b- Xây dựng thuật tốn xác định khơng gian hoạt động
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
c- Vẽ mơ phỏng khơng gian hoạt động rô bốt Scara
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

2.2.2- Thiết kế quỹ đạo chuyển động của rô bốt
a- Chuyển động theo đoạn thẳng
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
b- Chuyển động theo đoạn cong (cung tròn, hoặc đường bậc 2 nào đó)
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
c- Chuyển động phức tạp (xen kẽ đoạn thẳng và đoạn cong)
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
d- Mô phỏng động học rô bốt Scara theo quỹ đạo chuyển động phức tạp
(thực hiện nhiệm vụ công nghệ đề ra)
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
2.3- Động lực học rô bốt Scara 4 bậc tự do
2.3.1- Nội dung, mơ hình và giải bài tốn động lực học rơ bốt Scara
a- Nội dung, mục đích, ý nghĩa bài tốn động lực học rơ bốt Scara
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
b- Mơ hình động lực học rơ bốt Scara
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
c- Giải bài tốn động lực học rô bốt Scara
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
2.3.2- Xác định công suất truyền dẫn các động cơ
a- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 1
19


{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
b- Xác định cơng suất động cơ truyền dẫn khớp quay 2
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
c- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp tịnh tiến 3
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
d- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 4
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

Chương 3- THIẾT KẾ KẾT CẤU TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA
3.1- Đặt vấn đề
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
3.2- Thiết kế kết cấu lắp ghép truyền dẫn rô bốt Scara
3.2.1- Kết cấu lắp ghép khâu 0 (giá trụ cố định) với cụm khớp quay 1
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
3.2.2- Kết cấu lắp ghép khâu 1 với cụm khớp quay 2
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
3.2.3- Kết cấu lắp ghép khâu 2 với cụm khớp tịnh tiến 3
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
3.2.4- Kết cấu lắp ghép khâu 3 với cụm khớp quay 4 (bàn tay kẹp)
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
3.2.5- Thiết kế bản vẽ kết cấu lắp chung rô bốt Scara
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
Chương 4- THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT SCARA
4.1- Nguyên lý, và sơ đồ điều khiển rô bốt Scara
4.1.1- Xác định nguyên lý điều khiển (ĐK kín hay ĐK hở)
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
4.1.2- Xây dựng sơ đồ điều khiển (theo nguyên lý đã xác định)
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
20


4.2- Phương trình điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4)
4.2.1- Cơ sở điều khiển động học rô bốt Scara
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
4.2.2- Phương trình điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4)
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
4.3- Xây dựng thuật toán điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4)
4.3.1- Mô tả thuật tốn

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
4.3.2- Thiết lập lưu đồ thuật toán
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
4.4- Thiết kế hệ điều khiển rô bốt Scara
4.4.1- Lựa chọn bộ điều khiển, và các phần tử trong hệ điều khiển
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
4.4.2- Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
Chương 5- THIẾT KẾ MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG RƠ BỐT SCARA
5.1- Mục đích, u cầu thiết kế; giới thiệu cơng cụ mơ phỏng
5.1.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế mô phỏng
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
5.1.2- Giới thiệu công cụ mô phỏng
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
5.2- Thiết kế mô phỏng rô bốt Scara
5.2.1- Thiết kế mô phỏng các phần tử rô bốt Scara
5.2.2- Thiết kế mô phỏng hoạt động rô bốt Scara trong không gian hoạt
động
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
KẾT LUẬN
a- Những nội dung đã thực hiện và giải quyết được trong đồ án
21


{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
b- Ưu, nhược điểm, và phương hướng khắc phục, hoàn thiện
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}
LỜI CẢM ƠN
{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

22