Thiết kế robot

Bài tập lớn Robot Công nghiệp
Nhiệm vụ thiết kế
Thiết kế Robot có sơ đồ nh hình vẽ để di chuyển một vật hình trụ rỗng bằng
đồng có khối lợng m = 20 kg từ vị trí A đến vị trí B.
SVTH: Cù Thu Yến
1
18
5
3
4
23
21
22
20
19
2
7
6
17
16
14
15
13
11
12
10
9
2
1
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
Nội dung thiết kế

Chơng I : Giới thiệu tổng quan về Robót
Chơng II : Chọn sơ đồ nguyên lý và kết cấu của Robot
Chơng III : Chọn sơ đồ và tính toán hệ thống truyền động cơ khí để quay thân
Robot một góc

.
Chơng IV : Chọn sơ đồ và tính toán hệ truyền dẫn thuỷ lực theo phơng Z và đẩy
tay máy theo phơng R trong hệ toạ độ trụ M (r,

, z).
Chơng V : Chọn sơ đồ và tính toán hệ truyền động khí nén để điều khiển kẹp
nhà tay máy.
Chơng VI : Tính lực momen quán tính các khâu của tay máy.
Chơng VII : Lập và giải bài toán thuận nghịch để tính vị trí và chuyển vị của tay
máy.
Chơng VIII: Thiết kế hệ thống điều khiển.
SVTH: Cù Thu Yến
2
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
Chơng I
Giới thiệu chung về robot
I. Lịch sử phát triển của Robot.
Năm 1921 trên sân khấu múa rối của Tiệp Khắc xuất hiện con rối thực hiện
các động tác của con ngời gọi là Robota. Từ đây khái niệm về Robot đợc hình
thành.
Trớc những năm 1945, ngời Đức phát minh ra máy điều khiển từ xa mang
tên: Teleoprater để thực hiện phóng tên lửa từ Đức sang Anh. Lần đầu tiên Robot
xuất hiện trong thực tế.
Do Robot có thể thay thế con ngời hoạt động trong nhiều lĩnh vực khác
nhau. Đặc biệt có các đặc điểm nổi bật nh: Đơn giản hoá các dây chuyền phức tạp.

Dễ dàng thay đổi chơng trình làm việc. Có khả năng tạo ra các dây chuyền tự động
hoá hoàn toàn. Giá thành đầu t thấp, giảm thời gian sản xuất, hiệu quả kinh tế cao.
Do đó nó đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác của đời sống xã hội nh:
Văn phòng, sinh hoạt, công nghiệp, khai thác đại dơng, thám hiểm vũ trụ...
Trong công nghiệp Robot có ba hớng ứng dụng chủ yếu là: Thay thế con
ngời làm việc ở những nơi nguy hiểm, độc hại. Cơ khí hoá các công việc nặng
nhọc, phục vụ máy móc và làm những công việc đơn điệu, buồn tẻ. Tự động từng
phần hoặc toàn phần quá trình sản xuất....Ngoài ra Robot còn đợc ứng dụng rộng
rãi trong khai thác biển, lắp đặt đờng dây, thiết bị dới đáy biển.
Với những u việt trên Robot đã có những bớc tiến đáng kể. Đến năm 1950.
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điểu khiển. Đã xuất hiện những cơ cấu điều
phối mới và sensor nh: meami-Cumputer. Tiếp sau đó là các thế hệ Robot của các
nớc nh Mĩ (UNIMATE) năm 1961, Nga (YM1) năm 1968. Năm 1969, Nhật đầu t
6,3 triệu Mĩ kim vào Robot. Chỉ sau 15 năm Nhật đã cho ra đời 3000 Robot
Unimate. Từ 1971 đến 1974 cả thế giới đổ xô vào nghiên cứu Robot nh: A, Pháp
(1974), Đức, Thuỵ Sỹ. Theo thống kê năm 2000 cả thế giới đã có khoảng 200 công
ty sản xuất Robot. Trong đó Nhật chiếm 80 công ty, Tây Âu khoản 90, Mĩ 30.
II. Khái niệm về Robot.
SVTH: Cù Thu Yến
3
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
1. Định nghĩa cơ bản.
a. Tay máy.
Tay máy là một thiết bị kỹ thuật dùng để lặp lại một số chức năng thay ng-
ời. Nó đợc điều khiển bằng nhiều loại khác nhau nh: tay gạt khớp tỳ, rơle, chơng
trình điều khiển số và các loại chơng trình khác...
b. Máy điều khiển từ xa Teleoperater.
Là thiết bị có sự điều khiển từ xa của con ngời để thực hiện một số công
việc nhất định từ nơi này sang nơi khác. Thiết bị tự động làm việc theo một chơng
trình có suy nghĩ và t duy của con ngời để thực hiện một số công việc không có

tham gia của con ngời. Tuy nhiên mỗi quốc gia định nghĩa Robot theo một cách
khác nhau nhng bản chất giông nhau.
*Theo ngời Pháp: Robot là cơ cấu chuyển đổi tự động có chơng trình hoá có khả
năng định vị định hớng, di chuyển vật chất.
* Theo ngời Nga: Robot là một máy tự động.
2. Yêu cầu đối với kết cấu ca Robot
Để thực hiện chức năng theo định nghĩa của Robot thì Robot có các yêu cầu
sau:
- Phải có hệ thống điều khiển lập trình đợc hoặc kết hợp với máy tính có trí
tuệ. Điều khiển một hoặc một nhóm Robot.
- Cơ cấu chấp hành có thể bằng thuỷ lực, khí nén để thực hiện so cơ cấu
điều khiển phát ra...
- Phải có cảm biến liên hệ giữa cơ cấu chấp hành về trung tâm điều khiển.
III. Các thế hệ robot.
1. Thế hệ một.
Robot làm việc theo chơng trình cứng định sẵn của những năm 60 chơng
trình có thể thay đổi nhu cầu công việc đợc ghi trên tang trống, đĩa từ, phim....
Robot ghi bằng bộ nhớ chơng trình. Nó cha có các bộ phận có giác quan của con
ngời. Cha có khả năng thu nhận thông tin của môi trờng. Phần lớn Robot thế hệ
SVTH: Cù Thu Yến
4
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
một sử dụng chơng trình số Robot nhớ và có khả năng thực hiện chơng trình trong
chu kỳ nhất định.
Thế hệ một có các loại UNIMATE, UNIMATION, YM 1.
2. Thế hệ 2 (1960 - 1970).
Đợc gắn một số cảm biến để thực hiện một số chức năng đơn giản của con
ngời do đó thu nhận thông tin nhiều hơn, gắn vào tay Robot có các cảm biến hình
thành một mối liên hệ phản hồi về trung tâm điều khiển.
Các đặc điểm của Robot thế hệ này là.

- Hệ điều khiển có sử dụng máy tính
- Sau khi nhận thông tin Robot có khả năng phân tích để tự thích nghi với môi tr-
ờng.
- Chơng trình dùng cho Robot thế hệ 2 bao gồm cả phơng án dự tính trớc khi gặp
các trờng hợp do cảm biến báo về.
Có các loại Robot tiêu biến của thế hệ hai: UNIMATE 2 (Mĩ),
YHUBCPCAL (Nga), XUMAT (Nhật).
3. Thế hệ 3 (1980 - 1990).
Robot thế hệ 3 có các giác quan hoàn hảo hơn thế hệ 2 có các khả năng
nghe nhìn, nhận biết và tích luỹ kinh nghiệm có khả năng thông tin cao hơn và có
trí thông minh và có khả năng tự hành động, có hoạt tính và độ chính xác vị trí
cao hơn.
Đặc điểm: Năng lực thu nhận nhiều loại thông tin có khả năng phân tích
phán xét và tự thích nghi với môi trờng khi điều kiện làm việc thay đổi thì Robot
tự thay đổi thích nghi và có Robot có khối lợng từ 40 60 kg.
4. Robot thế hệ sau năm 1990.
Đợc gọi là Robot có trí tuệ có khả năng thông tin cao hơn có hiệu quả thu
nạp thông tin cao hơn, có chơng trình hoá cao hơn và đợc trang bị nhiều cảm biến
hơn.
Không gian hoạt động tăng đặc tính động học và động lực học đều tăng độ
chính xác cao hơn.
* So sánh tay ngời và Robot
SVTH: Cù Thu Yến
5
m
(1)
40 60 80
80
160
(2)

(3)
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
- Khả năng mang vác tay ngời m = 10kg
- Tay ngời mang vật m = 1kg
- Tay Robot mang vật 40 50kg.
* Khả năng di chuyển tốc độ
+ 1 tay máy
+ 2 Robot
+ 3 Tự động hoá khác .
IV. Phân loại Robot
1. Phân loại theo giá trị sử dụng
a. Nghiên cứu khoa học
- Nghiên cứu vũ trụ.
- Nghiên cứu đại dơng
- Nghiên cứu lòng đất.
b. Robot công nghiệp
- Luyện kim
- Đúc
- Hàn.
- Gia công áp lực di chuyển phôi tháo gỡ chi tiêu.
- Lắp ráp, bao gói sản phẩm.
c. Robot phục vụ.
Hoạt động trong các văn phòng, bệnh viện, gia đình, cứu hoả, cứu nạn, vv
SVTH: Cù Thu Yến
6
1
vt
k1
2
3

2
2
2
2
t
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
2. Theo mức độ vạn năng:
a. Robot vạn năng
Là loại Robot làm rất nhiều việc có nhiều bậc tự do điều chỉnh chiều dài tay
máy chức năng. Loại này có thế thay đổi công việc có khả năng thay đổi chơng
trình.
b.Robot chuyên dùng.
Là loại Robot dùng trong một số công việc thờng có 1-3 bậc tự do và làm
theo chơng trình thực hiện theo một số nguyên công đơn giản.
SVTH: Cù Thu Yến
7
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
c. Robot chuyên môn hoá.
Chỉ làm một việc và chỉ có một hoặc hai bậc tự do và ứng dụng hạn chế
trong điều kiện và không gian nhất định.
SVTH: Cù Thu Yến
8
Kiu chuyn lc
Robot
Cụng nghip Phc vNC khoa hc
chuyờn mụn hoỏ
Chuyờn dựngVn nng
Trung bỡnh
5kg<m< 40kg
Ln m > 40kgNh m <5kg

Thu lc Khớ nộn C in t Tng hp
iu khin
chng trỡnh
theo chu k
iu khin
chng trỡnh
s
iu khin
chng trỡnh
bng mỏy
tớnh cú cm
bin
iu khin
bng PC
tng thớch
hon ton
iu khin
theo v trớ
iu khin
theo ng
vin
iu khin
t hp theo
v trớ v
n vin
iu khin
s NC
iu khin
tng t
AC

iu khin
AC +NC
Theo giỏ tr
Mc vn nng
Theo sc nõng
Theo h K
Theo c tớnh K
Cu trỳc h H
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
3. Phân loại theo các thông số về động học.
a. Phân loại theo số bậc tự do: Thông thờng có từ 2 đến 6 bậc tự do.
b. Theo thông số hình học: Làm việc theo toạ độ đề các trụ, cầu.
c. Theo khả năng tải.
+ Loại < 5kg
+ Loại từ 5 40 kg
+ Loại > 40kg
4. Theo hệ thống năng lợng.
a. Cơ cấu chấp hành chủ yếu là thuỷ lực (lực lớn)
b. Cơ cấu chấp hành chủ yếu là khí nén (tác động nhanh)
c. Cơ cấu chấp hành chủ yếu là điện tử
d. Tổ hợp thuỷ khí cơ điện từ.
5. Phân loại theo hệ truyền động.
a. Hệ truyền động gián tiếp.
Có sử dụng bộ truyền trung gian nh xích, đai ốc, bánh răng, vít. Hệ này tuy
đơn giản, dễ sử dụng nhng có các nhợc điểm lớn sau:
+ Tính phi tuyến cao
+ Lực trễ lớn, tạo nên quán tính lớn
+ Kém chính xác, chóng mòn, hiệu suất thấp.
b. Hệ truyền động trực tiếp.
Cơ cấu chấp hành đợc nối trực tiếp với nguồn lực. Nó khắc phục đợc nhợc

điểm của hệ truyền động gián tiếp nhng nó khó chế tạo và khó điều khiển tốc độ
trên một dải rộng.
6. Phân loại theo hệ điều khiển
a. Điều khiển theo chơng trình cứng.
Chơng trình điều khiển có thể là theo chu kỳ, số, NC... Loại này đơn giản
nhng không linh hoạt, chỉ phù hợp với những công việc nhất định và đơn giản.
SVTH: Cù Thu Yến
9
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
b. Theo chơng trình mềm.
Đợc điều khiển bằng máy tính PC. Loại này dễ dàng thay đổi chơng trình,
dễ dàng ghép nối cảm biến, có khả năng xử lý lợng thông tin cao. Linh hoạt với
nhiều hoạt động phức tạp. Phù hợp cho các công việc vạn năng.
SVTH: Cù Thu Yến
10
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
Chơng II.
Chọn sơ đồ nguyên lý và kết cấu Robot
Sơ đồ nguyên lý của Robot phải phù hợp với các yêu cầu sau:
* Thể hiện đầy đủ các chức năng, bộ phận của Robot và các đặc điểm của từng
loại.
* Thân Robot có kết cấu phù hợp với chức năng làm việc của Robot. Kết cấu đủ
vững chắc để đảm bảo công suất làm việc của Robot bao gồm, sức nâng thân
Robot và lực nâng chi tiết khi thao tác. Lực và momen quán tính ở tay máy.
* Có hệ thống điều khiển.
* Hệ truyền động khí nến đối với truyền động kẹp nhả tay máy.
* Hệ truyền động thuỷ lực để truyền động theo phơng z và đẩy tay máy theo ph-
ơng r trong hệ toạ độ M (r,

, z) ..

* Sơ đồ hệ thống cơ khí đối với truyền động quay thân Robot.
Phân tích với yêu cầu của đề bài:
* Robot làm việc trọng hệ toạ độ trụ M (r,

, z) nên làm việc rất khoẻ nhng nhợc
điểm là khó làm việc với những vị trí sát chân và tính cơ học không cao.
* Với cơ cấu truyền động nh sơ đồ đã cho, ta thấy rằng Robot có thể tham gia
cùng lúc 2 chuyển động chính là chuyển động tịnh tiến đồng thời quay quanh trục
z của thân Robot và chuyển động tịnh tiến đồng thời quay theo phơng r của tay
máy để thực hiện việc gắp nhả vật từ vị trí A sang vị trí B.
* Thiết kế Robot nhấc vật nặng đòi hỏi độ cứng vững nhất định, hệ truyền động
phải tạo ra áp lực đủ lớn để nâng và di rời vật. Do đó khi thiết kế cần hợp lý hoá 1
số thông số kỹ thuật để đảm bảo yêu cầu của bài toán
SVTH: Cù Thu Yến
11
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
I. Sơ đồ nguyên lý.
18
5
3
4
23
21
22
20
19
2
7
6
17

16
14
15
13
11
12
10
9
2
1
SVTH: Cù Thu Yến
12
1. Động cơ 13. Bơm dầu
2. Nối trục 14.áp kế
3. Hộp giảm tốc 15. Van an toàn
4. Bánh răng côn 16. Van điều khiển
5. Thân Robot 17. Van điều khiển
6. Tay Robot 18.Nguồn khí nén
7. Bàn tay Robot 19.Lọc khí
8. Ngón tay 20. Điều chỉnh
9. Bể dầu 21.áp kế
10. Lọc dầu 22.Tách ấm
11. Động cơ 23.Van điều khiển
12. Nối trục
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
II. Nguyên lý hoạt động của thân Robot
- Hệ truyền động quay thân Robot đợc thực hiện bởi hệ thống truyền dẫn cơ khí.
Thông qua hộp tốc độ (3) truyền dẫn chuyển dộng quay tự động cơ (1) đến thân
Robot.
- Cơ cấu truyền dẫn thuỷ lực (5) đảm nhận chuyển động lên xuống của thân Robot

theo phơng z và chuyển động di chuyển tiếp xúc với vật theo phơng r
3
1
2
6
4
5
III. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển thân
Robot bằng thuỷ lực.
- Động cơ (11) truyền động qua khớp nối (12) thực hiện quay bơm. Dầu từ bể (9)
đợc lọc qua bộ lọc (10) và bơm qua bơm (13), đến van điều khiển (16), tới van
điều chỉnh lu lợng (17) để ổn định áp suất. Sau đó đi vào bên trái xilanh (6) đẩy
pitton ra thực hiện chuyển động tay máy. Dầu từ buồng phải của xilanh qua van,
xả về bể. áp xuất dầu bơm đợc thể hiện qua áp kế (14).
SVTH: Cù Thu Yến
13
Bài tập lớn Robot Công nghiệp
9
10
12
11
13
15
14
16
17
6
IV. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điêu khiển tay
kẹp Robot bằng khí nén.
- Khí nén đợc cấp từ nguồn cấp (18) vào bộ lọc (19) để lọc bụi bẩn. Sau đó khí đi

qua van điều chỉnh áp suất (20). Tại đây áp suất khí nén đợc điều chỉnh không đổi
để đa đến bộ phận tách ẩm (22).
- Sau khi loại bỏ hơi nớc trong khí nén, khi tiếp tục đi vào van điều khiển (23). Tại
đây khí đợc đẩy vào buồng trái của xilanh (7) để đẩy pitton đi ra.
- Chuyển động đi vào đợc thực hiện nhờ lò xo nén. Khí thừa đợc thải.
SVTH: Cù Thu Yến
14