đề tài thiết kế mô hình Robot ứng dụng trong lắp ráp trên dây chuyền tự động

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

BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ ROBOT
Giảng viên hướng dẫn:

PGS. Phan Bùi Khôi

Sinh viên thực hiện:
Họ và tên

MSSV

Lớp

Nguyễn Văn Chương

20170665

CK.CĐT.06 – K62

Đặng Bảo Kiên

20170795

CK.CĐT.06 – K62

Đào Trọng Thắng

20170901

CK.CĐT.06 – K62

Hà Nội, tháng 6 năm 2021



Phân công thực hiện đề tài và tự đánh giá xếp loại của nhóm
Nhóm: 07

TT
1

2

3

Mã số SV

Họ và tên

Nhiệm vụ chính được
phân cơng
20170665 Nguyễn Văn
- Thiết kế quỹ đạo
Chương
chuyển động
- Thiết kế dẫn động
Robot
20170795 Đặng Bảo Kiên

- Phân tích lựa
chọn cấu trúc
- Thiết kế hệ thống
điều khiển
20170901 Đào Trọng
- Thiết kế 3D mơ
Thắng
hình robot
- Phân tích trạng
thái (tĩnh) u
cầu lực momen
lớn nhất
- Tính tốn động
lực học

Xếp loại

Chữ ký

Khá

Chương

Khá

Kiên

Khá

Thắng

Mục Lục

Lời mở đầu....................................................................................................................................................3
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC...........................................................................4
1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot..............................................................................................4
1.2 Một số yêu cầu kĩ thuật thao tác..................................................................................................6
1.3 Xác định các đặc trưng kĩ thuật....................................................................................................7
1.4Các phương án cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện
7
1.5

Thơng số kĩ thuật...................................................................................................................13

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ 3D MƠ HÌNH.....................................................................................................14
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG............................................................................17
3.1. Khảo sát động học thuận, ngược.....................................................................................................18
a. động học thuận...............................................................................................................................18
b Động học ngược (Inverse Kinematics)............................................................................................24
3.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot.......................................................................................24
CHƯƠNG 4. TĨNH HỌC............................................................................................................................30
4.1. Bài tốn.......................................................................................................................................30
4.2. Phương trình khảo sát................................................................................................................30
4.3 Tính tốn cụ thể...........................................................................................................................31
CHƯƠNG 5. TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC...........................................................................................34
5.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot...............................................................34
5.2 Động lực học ngược.........................................................................................................................39
CHƯƠNG 6. THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT...................................................................................42
6.1 Thiết kế cơ cấu động học.............................................................................................................42

6.2.Tính tốn lựa chọn trục vít me bi................................................................................................42
6.2.1 Vít me – đai ốc bi......................................................................................................................42
6.2.2.Thơng số đầu vào:.....................................................................................................................43
6.2.3 Tính tốn lực dọc trục..............................................................................................................44
6.2.4 Tính tốn tốc độ vịng trung bình của động cơ........................................................................46
6.2.5 Chế độ làm việc của máy với các trục......................................................................................47
6.2.6 Tính tốn tải trọng động Ca......................................................................................................47
6.2.7 Chọn bán kính trục vít..............................................................................................................48
6.2.8 Chọn vít me bi...........................................................................................................................49
6.2.9 Kiểm tra sơ bộ...........................................................................................................................51
1


6.3.Tính tốn lựa chọn ổ bi....................................................................................................................52
6.3.1.Kiểm nghiệm độ bền với trục Z0...............................................................................................58
6.3.2. Kiểm nghiệm độ bền với trục Z1..............................................................................................60
6.3.3 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z2...............................................................................................61
6.4. Tính chọn động cơ..........................................................................................................................62
6.4.1. Thơng số kỹ thuật.....................................................................................................................62
6.4.2.Tính chọn động cơ.....................................................................................................................62
6.5. Tính chọn ray dẫn hướng...............................................................................................................65
6.5.1.Ray dẫn hướng (linear guide).....................................................................................................65
CHƯƠNG 7. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...........................................................................74
7.1 Chọn luật điều khiển.......................................................................................................................74
7.2 Mô phỏng bằng Matlab......................................................................................................................75
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................................................87

2

Lời mở đầu
Robot là một ngành kỹ thuật bao gồm thiết kế, chế tạo, vận hành, và ứng
dụng robot, cũng như các hệ thống máy tính để điều khiển, phản hồi tín hiệu cảm
biến, và xử lý thơng tin của chúng. Nhữn công nghệ này liên hệ với các máy móc tự
động dùng để thay thế con người trong những mơi trường độc hại hoặc trong các
q trình sản xuất.
Robot công nghiệp là lĩnh vực được nghiên cứu và phát triển mạnh trên thế
giới nhưng ở nước ta, lĩnh vực này cịn mới mẻ. Ngày nay trong q trình sản xuất
hiện đại, hầu hết các quy trình được thực hiện bằng máy chuyên dùng. Các phương
pháp này đã làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất các sản phẩm cơng nghiệp phù hợp với
đa số người tiêu dùng.
Đặc biệt trong cơng cuộc cơng nghiệp hóa hiện đại hóa, có thể nói rằng Robot
mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, một cách trải nghiệm cuộc
sống và đôi khi còn là người bạn. Những hãng Robot từ các nước nổi tiếng trên thế
giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày một khẳng định sự hiện diện của Robot là
phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phía trước. Nó xuất
hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày một đa dạng.
Trong khuôn khổ môn học Thiết kế Robot với đề tài thiết kế mơ hình Robot
ứng dụng trong lắp ráp trên dây chuyền tự động, nhóm tin tưởng rằng với những
kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính tốn trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệm
quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính
tốn và thiết kế các loại Robot cơng nghiệp.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới PGS. Phan Bùi Khơi vì đã ln tận tình giúp đỡ
và hướng dẫn chúng em trong quá trình trao đổi ở các buổi học. Những góp ý, sửa
chữa của thầy sẽ phần nào giúp nhóm tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền
công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị của nhóm hoặc cũng có
thể kiến thức nhóm mang đến trong bài tiểu luận này con sai sót và chưa đúng.
Nhóm rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa đó, chúng em chân thành cảm ơn và
chúc Thầy sức khoẻ!
Chúng em xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, tháng 6 năm 2021
3


CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC

1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot
Robot là một loại máy có thể thực hiện cơng việc một cách tự động bằng sự
điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot cơng nghiệp
được lập trình sẵn theo một trình tự nhất định và sử dụng phục vụ công việc lắp ráp,
sản xuất hoặc chế biến sả phẩm. Robot hỗ trợ rất nhiều cho con người. Đặc biệt là
trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại và nguy hiểm. Robot cơng nghiệp có
tính chính xác cao và hiệu quả vượt trội so với sản xuất thủ công.
Theo Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất:
Robot công nghiệp là tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thể
lập trình lại để hồn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau
trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, sản phẩm, dụng cụ
hoặc các thiết bị chuyên dùng khác.
Theo định nghĩa của GHOST 25686-85 như sau:
Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, bao gồm cơ cấu chấp
hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và hệ thống điều khiển theo
chương trình, có thể lập trình linh hoạt để thực hiện các thao tác trong q trình sản
xuất.
Vậy ta có thể định nghĩa tổng quát như sau:
Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, được tích hợp từ
nhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm:
- Cơ cấu chấp hành
- Hệ thống dẫn động
- Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt
- Hệ thống thơng tin giám sát

Nhờ vậy robot cơng nghiệp có khả năng thao tác tự động linh hoạt, bắt chước
được các chức năng lao động công nghiệp của con người.
4


Ứng dụng của Robot công nghiệp
Trên thế giới:
Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các
quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền
cơng nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh
của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot cơng nghiệp cần có
những khả năng thích ứng tốt và thơng minh hơn với những cấu trúc đơn giản và
linh hoạt.
Có thể kể đến một số ứng dụng điển hình của robot trên thế giới như:
Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB 660 Flex
Palletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker. Các robot này có thể gắp lần
lượt các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và đặt nó vào thùng gồm 20 hộp một cách
chính xác.
Robot dùng trong công nghệ ép phun nhựa: IRB 6650 của hãng ABB có thể
thao tác nhanh, dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khn ở vị trí tách khn, giám sát,
làm sạch, điều khiển chất lượng dựa trên camera
Tại Việt Nam:
Nước ta ứng dụng của robot công nghiệp rất đa đạng, tùy vào những nghành,
cơng việc khác nhau mà ta có thể áp dụng những robot công nghiệp riêng biệt. Dưới
đây là một số nghành trong hệ thống sản xuất mà áp dụng robot công nghiệp.
Công nghiệp đúc: robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khn, cắt
mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát.
Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm
nhiều cơng việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làm việc khá nặng nề, dễ gây
mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập.

Trong những năm gần đây thì việc áp dụng các loại robot vào dây chuyền sản
xuất ngày càng phổ biến. Ví dụ như các loại robot hàn, robot phun sơn, hay các
robot lắp ráp. Nhiều cơng việc địi hỏi độ chính xác cao vì vậy robot được sử dụng
một cách phổ biến. Trong các môi trường công việc độc hại, người ta sử dụng robot
để thay cho con người.
Ứng dụng của đề tài là thiết kế mơ hình robot lắp cánh quạt trong hệ thống lắp
ráp cánh quạt tự động nhằm mục đích robot dùng để lắp cánh quạt và đặt vào vị trí
khn đã được xác định sẵn để tiến hành lắp ráp thành quạt hoàn chỉnh đồng thời
thay thế cho sức người. Việc ứng dụng robot vào các công việc cần độ chi tiết cao,
chính xác cũng như tốc độ làm việc nhanh, liên tục, kéo dài,hạn chế tối đa sự xuất
5


hiện của những lỗi kĩ thuật,hiệu quả công việc cũng được tăng lên. Từ đó, làm giảm
chi phí, giảm thiểu sức lao động của con người.

Hình 1. Một số loại quạt tản nhiệt
1.2 Một số yêu cầu kĩ thuật thao tác
• Đối tượng thao tác, dạng thao tác
Cánh quạt tản nhiệt
• u cầu vị trí
Cánh quạt được giữ cố định trên khn
• u cầu về hướng khâu thao tác
Để lắp cánh quạt được chính xác và hiệu quả thì khâu thao tác có hướng
đầu gắp ln ln vng góc với bề mặt thao tác
• u cầu về khơng gian thao tác
Robot lắp cánh quạt có mặt phẳng ngang với hướng gắp tùy ý trong
không gian làm việc 1.5x1.5x1m

6

Hình 2. Cánh quạt tản nhiệt
(đối tượng thao tác)
1.3 Xác định các đặc trưng kĩ thuật
Tính tốn thiết kế Robot lắp cánh quạt trong không gian làm việc 1.5x1.5x1m.
Do Robot làm việc trong không gian 3 chiều nên số bậc tự do tối thiểu là 3: 2
bậc tự do để xác định tọa độ điểm trong mặt phẳng,1 bậc tụ do để xác định
chiều cao trong không gian.
Với kết cấu 4,5,6 bậc tự do việc tính tốn trở lên phức tạp, giá thành cao, tính
khả thi nhỏ hơn so với kết cấu 3 bậc tự do => chọn kết cấu 3 bậc tự do.
1.4Các phương án cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn
phương án thực hiện
 Lựa chọn cơ cấu robot
 Cơ cấu T-T-T
ưu điểm: kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, tận dụng được tối đa khơng
gian làm việc của robot, tính liên tục cao, đảm bảo tốt độ chính xác khi
thao tác, thích hợp thao tác với mặt phẳng nằm ngang.
nhược điểm: robot chiếm diện tích lớn.

7


Hình 3. Robot 3 bậc tự do T-T-T
 Cơ cấu T-T-R
ưu điểm: kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, tận dụng được tối đa không
gian làm việc của robot, thích hợp thao tác với đối tượng trên mặt cong.
nhược điểm: robot chiếm diện tích lớn.

Hình 4. Robot 3 bậc tự do T-T-R

8


 Cơ cấu R-R-R
ưu điểm: robot chiếm diện tích nhỏ, tính linh hoạt cao.
nhược điểm: sai số tích lũy lớn, không tận dụng tối đa không gian làm
việc của robot, khơng đảm bảo tính liên tục khi làm việc, độ cứng vững
cần phải đảm bảo, điều khiển từng khớp khó hơn.

Hình 5. Robot 3 bậc tự do R-R-R
 Cơ cấu T-R-R
ưu điểm: tính linh hoạt cao, thích hợp thao tác với đối tượng trên mặt
cong.
nhược điểm: sai số tích lũy lớn, không tận dụng tối đa không gian làm
việc của robot, khơng đảm bảo tính liên tục khi làm việc, cần đảm bảo độ
cứng vững.

9


Hình 6. Robot 3 bậc tự do T-R-R
Nhận thấy cơ cấu T-T-T có kết cấu đơn giản , linh hoạt trong khơng gian
3 chiều , đảm bảo an tồn về hướng và vị trí khâu thao tác qua đó đảm
bảo yêu cầu kĩ thuật.
Lựa chọn cơ cấu T-T-T và sử dụng đầu hút để có thể lắp ghép
quạt tản nhiệt.
 Lựa chọn cơ cấu tay ghắp
 Tay gắp chân không
Ưu điểm: có khả năng xử lý được nhiều vật phẩm khác nhau,chi phí lắp
đặt khá rẻ so với những loại tay gắp khác.

Nhược điểm: chi phí điện để vận hành máy bơm chân không cao.

10


• Tay gắp khí nén
Ưu điểm: giá thành rẻ, khả năng hoạt động trong không gian hẹp, thời
gian phản hồi nhanh.
Nhược điểm: lưc gắp lớn (không phù hợp với đề tài), điều khiển vị trí và
lực có giới hạn.

• Tay gắp thủy lực
Ưu điểm: công suất gắp vượt trội
11


Nhược điểm: phù hợp ứng dụng nặng, chi phí bảo dưỡng cao

• Tay gắp điện
Ưu điểm: dễ dành điều chỉnh tốc độ và lực ghắp, dễ dành xử lý nhiều bộ
phận khác nhau
Nhược điểm: công suất thấp hơn nhưng giá thành lại cao hơn các loại tay
gắp khác

12


Sau khi xem xét các ưu ( nhược ) điểm của các loại tay gắp, nhóm đã thống nhất
chọn tay gắp chân không.

1.5Thông số kĩ thuật

Khâu
Khâu 1
Khâu 2
Khâu 3

L
L1=1.5m
L2=1.5m
L3=1m

m
40 kg
30 kg
15 kg

13


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ 3D MƠ HÌNH

Mơ hình 3D của cánh quạt

Mơ hình 3D của khn đựng cánh quạt
14


Mơ hình 3D của sản phầm sau khi hồn tất q trình lắp gép

Mơ hình 3D sơ bộ của robot TTT
15


Mơ hình 3D của băng chuyền

16


CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG

Z1

X1
q1

X2

d0

q3
q0

Z2

X3
X0

Z3

Z0

Bảng D-H

17


3.1. Khảo sát động học thuận, ngược
a. động học thuận
Theo quy tắc Denavit-Hartenberg ta đã xây dựng được các hệ tọa độ và bảng tham
số DH . Tiếp theo, tiến hành thiết lập các ma trận chuyển DH.
Ma trận DH có dạng:

[ ]

0 0 10
−1 00−d 0
0
A1=
0−1 0 q1
0001

[ ]

0 0−1 0
−1 0 0 0
1
A 2= 0 10−q
2
0001

[ ]

1000
0100
2
A3= 0 0 1q
3
0001

Để tìm vị trí và hướng của khâu thao tác ta tính
(2.3)
Nhân lần lượt các ma trận theo thứ tự trên ta có:
18


[

01 0−q 2
0 0−1−q3 −d 0
0
A3=
−10 0−q 1
0001

]
. Đối chiếu các thành phần của 0A3

Như ta đã biết: 0An=

Ta có: Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác

0

[ ]

0 10
0
R3= 0−1
−1 00

Vector cột tọa độ điểm định vị rE:

[ ]

q2
r E= −q3 −d 0
q1

Từ đây ta tính được vận tốc góc của khâu thao tác và vận tốc điểm tác động cuối E;
Mà

{

x E=q 2
nên: y E =−q 3−d 0
z E =q1

* Vận tốc góc Khâu thao tác:
~ 0 R˙ 0 RT

❑= 3 3
19


~ ¿
❑=

0

R3

0

R˙ 3: Là đạo hàm của ma trận của cosin chỉ hướng

: Là ma trận cosin chỉ hướng của khâu 3

Ta có

0

0

[ ]

0 10
R3= 0 0−1
−1 00

0

[ ]

0 0−1
R = 10 0
0−1 0
T
3

[ ]

000
R˙ 3= 0 0 0
000

Vậy

Và dễ dàng suy ra được Gia tốc góc của khâu thao tác là:

0

e3=

=

* Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối E:
20


[ ]

[ ]

q
2
v E = q
3
q
1

qă 2
a E = qă3
qă 1

Cho quy lut chuyn ng ca cỏc khõu

Bin khớp

Giá trị

d1(t)

3t

d2(t)

5t

d3(t)

2t

Với t ∈ (0…5)
Tọa độ điểm E:

{

x E =5 t
y E =−150−2t
z E=3 t

21


Quỹ đạo x E

22