Báo cáo kỹ thuật robot ROBOT SCARA IRB 910SC

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
----------

KỸ THUẬT ROBOT
Đề tài:
ROBOT SCARA IRB 910SC

GVHD: PSG. TS.
Nhóm thực hiện: nhóm 05

Hà Nội, 7/2023

1


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA.................................................5
1.

Định nghĩa Robot công nghiệp:..................................................................5

2.

Lịch sử ra đời của Robot Scara:..................................................................5

3.

Robot SCARA IRB 910SC của ABB.........................................................8
3.1. Tổng quan về dòng IRB 910SC:.............................................................8

3.2. Kết cấu cơ khí Robot Scara IRB 910SC:................................................9

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC THUẬN VỊ TRÍ ROBOT....................13
1.

Vấn đề đặt ra:............................................................................................13

2.

Bài tốn động học thuận vị trí:..................................................................14
2.1. Các phương pháp giải:..........................................................................14
2.2. Bài tốn động học thuận vị trí cho Robot Scada IRB 910SC:...............18

CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGHỊCH VỊ TRÍ CỦA ROBOT............21
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN MA TRẬN JACOBY................................................25
1.

Phương pháp trực tiếp:..............................................................................25

2.

Sử dụng ma trận

H

J.............................................................. 28

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO CÁC KHỚP NỐI
ROBOT THEO QUỸ ĐẠO DẠNG BẬC 3.....................................................................32
1.

Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp theo dạng đa thức

bậc 3 31


2. Viết chương trình thiết kế quỹ đạo trên Matlab........................................33
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ VÀ MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC
HỌC ROBOT................................................................................................................... 35
1.

Tính tốn và thiết kế.................................................................................35

2.

Mơ phỏng..................................................................................................40


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, các ngành cơng nghiệp sản xuất đang phát triển rất nhanh chóng và
mạnh mẽ nhờ có sự ứng dụng các trang thiết bị, công cụ hỗ trợ. Do dó năng suất cũng
như chất lượng sản phẩm đầu ra được nâng cao và đồng thời giảm được chi phí nhân
cơng. Trong đó, các loại robot đang được sử dụng với tần suất rất lớn trong các quá
trình sản xuất. Với mơn học Kỹ thuật Robot, nhóm 8 chúng em được giao Bài tập lớn
với đề tài: Tìm hiểu về robot Scara IRB 910SC do công ty ABB sản xuất, là một loại
robot rất phổ biến trong thực tế sản xuất cơng nghiệp. Vì vậy, đây là cơ hội để chúng
em vừa thực hành, ôn tập kiến thức đã học, vừa tìm hiểu thêm được những ứng dụng
thực tế của loại robot này.
Theo yêu cầu của cô giáo PGS.TS, nhóm chúng em đã tìm hiểu các bài tốn đối
với robot Scara: Động học thuận, động học nghịch, ma trận Jacobi, tính tốn quỹ đạo

chuyển động, thiết kế điều khiển chuyển động và xây dựng mơ hình động học. Đồng
thời chúng em cũng xây dựng được các chương trình tính tốn và mơ phỏng bằng phần
mềm Matlab. Mặc dù nhóm chúng em đã cố gắng làm việc nhóm với nhau đồng thời
học hỏi, tìm hiểu, đọc thêm tài liệu nhưng khơng thể tránh khỏi những thiếu sót.
Chúng em mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của cơ giáo để bài báo cáo
này được hồn thiện hơn.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA
1. Định nghĩa Robot công nghiệp:
Robot công nghiệp được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được
các chức năng lao động cơng nghiệp của con người. Nói đến thiết bị tự động linh hoạt
là nói đến khả năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều khiển trợ đông và lập trình
thay đổi được, cịn nói đến sự bắt chước các chức năng lao động công nghiệp của con
người là có ý nói đến sự khơng hạn chế từ các chức năng lao động chân tay đơn giản
đến trí khơn nhân tạo, tùy theo loại hình cơng việc lao động cần đến chức năng đó hay
ko. Đồng thời cũng nói đến mức độ cần thiết bắt chước được như con người hay
không.

2. Lịch sử ra đời của Robot Scara:
Robot SCARA được giới thiệu ở Nhật Bản vào năm 1979 và từ đó SCARA được
nhiều hãng chế tạo để phục vụ có nhiều mục đích khác nhau như hàn, lắp ráp, vận
chuyển, khoan, doa …Các hãng chuyên sản xuất Robot SCARA như General motor,
Hitachi, Mitsubishi, IBM, MOTOMAN, EPSON, PANASONIC, SONY,… Ngày nay,
các hãng tiếp tục hoàn thiện bộ điều khiển và kết cấu cơ khí để ngày càng được linh
hoạt hơn.
Đó là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm 3 khớp quay và 1 khớp trượt,
nhưng cả 4 khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững
hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững (Compliance) theo phương được
chọn (Selective), là phương ngang. Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp

(Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của
“Selective Compliance Assembly Robot Arm” để mơ tả các đặc điểm trên.
Tay máy SCARA có vùng khơng gian hoạt động có dạng hình trụ. Đây là loại cấu
hình dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho robot là dạng khớp nối bản lề và kế đó là
khớp trượt. Dạng này phổ biến nhất trong ứng dụng cơng nghiệp bởi vì chúng cho
phép


các nhà sản xuất robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng nhờ các khâu và khớp
hợp lại có nhiều ưu điểm:
 Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn .
 Tỉ lệ kích thước/tầm vươn được đánh giá cao .
 Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo
phương thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu gắp
đặt và đặt chi tiết theo phương thẳng. Trong trường hợp này bài toán tọa độ hoặc quỹ
đạo chuyển động đối với robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y còn lại bằng
cách phối hợp ba chuyển động quay quanh ba trục song song với trục z.

Hình 1.1 Cấu trúc chung của tay máy Scara

Một số dịng Robot Scara của các hãng:

Hình 1.2.Robot Scara của ABB


Hình 1.3.Robot Scara của EPSON

Hình 1.4.Robot Scara của TOSHIBA

Hình 1.5.Robot Scara của YAMAHA

3. Robot SCARA IRB 910SC của ABB
3.1.

Tổng quan về dòng IRB 910SC:

Hình 1.6.Robot SCARA IRB-910SC
IRB 910SC là robot SCARA thế hệ đầu tiên của ABB Robotics với 4 bậc tự do,
làm việc với các tải trọng định mức 3kg(tải trọng tối đa 6kg) .Robot IRB 910SC được
sản xuất với 3 version tương ứng với 3 kích cỡ khác nhau: IRB 910SC 3/0.45, IRB
910SC 3/0.55, IRB 910SC 3/0.65 ,được thiết kế đặc biệt cho các dây chuyền sản xuất
yêu cầu về tính linh hoạt của robot.

Hình 1.7.Các phiên bản IRB 910SC


Robot gồm 3 khớp quay và 1 khớp trượt, nhưng cả 4 khớp đều có trục song song
với nhau.

Hình 1.8.Các khớp A, B, C : quay, khớp D tịnh tiến

3.2.

Kết cấu cơ khí Robot Scara IRB 910SC:

Truyền động cho 2 khớp tay máy và cổ tay bằng bằng động cơ servo một chiều có
phản hồi vị trí tạo thành một vịng điều khiển kín. Chuyển động thẳng đứng được thực
hiện bằng piston khí nén.
Robot Scara IRB 910SC có thể được lập trình từ máy tính bằng cách đặt dữ liệu

cho mỗi trục. Hoặc điều khiển bằng tay sử dụng thiết bị lái điện (steering) cho tay máy
dùng các cuộn dây điện từ trong giá treo (pendant). Kết cấu robot bao gồm một chuỗi
các thanh cứng được liên kết với nhau bởi các khớp.
Robot Scara IRB 910SC gồm 3 khớp chuyển động quay và 1 khớp chuyển động
tịnh tiến. Gắn cho mỗi thanh nối một hệ trục toạ độ, ta có:





Khớp 1 quay quanh trục z0 góc θ1.
Khớp 2 quay quanh trục z1 góc θ2.
Khớp 3 chuyển động tịnh tiến theo trục z2 đoạn r3.
Khớp 4 quay quanh trục z3 góc θ4.


Hình 1.9.Hệ trục tọa độ Robot Scara IRB 910SC

3.3. Thơng số kĩ thuật của các phiên bản IRB 910SC

Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của Robot Scara IRB 910


Hình 1.10.Kích thước các trục của Robot Scara IRB 910SC 3/0.45

Hình 1.11. Kích thước các trục của Robot Scara IRB 910SC 3/0.55


Hình 1.12.Kích thước các trục của Robot Scara IRB 910SC 3/0.65

Bảng 1.2. Phạm vi làm việc các khớp của Robot IRB 910SC


CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC THUẬN VỊ
TRÍ ROBOT
1. Vấn đề đặt ra:
Cơ cấu chấp hành của robot thường là một cơ cấu hở, gồm một chuỗi các thanh nối
(links) nối với nhau bởi các khớp (joints). Các khớp động này có thể là khớp quay (R)
hoặc tịnh tiến (T). Thanh nối cuối cùng khâu tác động cuối (E) thường là bàn tay máy
hoặc là khâu gắn liền với dụng cụ làm việc. Để robot có thể thao tác linh hoạt, cơ cấu
chấp hành phải đảm bảo cấu tạo sao cho điểm tác động cuối của khâu cuối cùng đảm bảo
dễ dàng di chuyển theo một quỹ đạo nào đó, đồng thời khâu này phải có một định hướng
nhất định theo yêu cầu.
Điểm tác động cuối là điểm tác động của robot lên các đối tác vì vậy ta cần phải quan
tâm đến cả vị trí và hướng tác động của nó. Ta sẽ gắn vào mỗi thanh nối của robot một hệ
trục tọa độ kí hiệu từ 0 đến n. Tọa độ 0 gắn vào thanh nối thứ 0 cố định. Tọa độ n gắn vào
khâu tác động cuối. Khi khảo sát chuyển động của robot ta cần xác định được hướng và vị
trí của khâu tác động cuối tại mọi thời điểm. Nhiều khi cần phải biết cả vận tốc và gia tốc
của khâu tác động cuối cũng như các điểm khác trên robot. Để giải quyết các bài tốn trên
ta sử dụng các phương trình động học của robot.
Các đại lượng đặc trưng cho chuyển động:
+ Vị trí: Q, X
+ Tốc độ: Q, X
+ Gia tốc: Q, X
+ Đạo hàm bậc cao của vị trí.
Phân loại các bài toán động học:

- Bài toán động học thuận vị trí: Biết các biến khớp, xác định vị trí và hướng
13

của khâu tác động cuối Q 0

T

n

/X.

14


- Bài tốn động học ngược vị trí: Biết vị trí và hướng của khâu tác động cuối,
xác định các biến khớp 0T n/ X  Q .

2. Bài toán động học thuận vị trí:
2.1.

Các phương pháp giải:

- Đối với những robot có số bậc tự do nhỏ: Sử dụng các phương pháp hình học để
tính tốn trực tiếp.
- Đối với các robot có số bậc tự do >2 gây ra rất nhiều khó khăn trong việc tính tốn
trực tiếp  Sử dụng phương pháp Denavit – Hartenberg.
 Với robot Scada có số bậc tự do là 4. Nhóm em sử dụng phương pháp Denavit –
Hartenberg để giải quyết bài tốn động học thuận robot.
 Cách thực hiện phương pháp:

Hình 2.1.Robot n bậc tự do
- Đặt lên thanh nối  i  0  n  một hệ trục tọa độ  Oi X iYi Z i  .

- Xác định vị trí và hướng của trục i trong i 1 là i1T .i
- Xác định vị trí và hướng của hệ trục tọa độ n trong 0 là 0Tn .
 Bước 1: Xác định số khớp nối và số thanh đốt của robot
Robot có n bậc tự do thì có n khớp và n+1 thanh nối.
+ Khớp (1-n): quay hoặc tịnh tiến, khớp i nối giữa thanh nối (i-1) và i.
+ Thanh nối (0-n): Thanh nối 0 cố định, thanh nối n gắn với khâu tác động cuối.




Bước 2: Khai báo hệ trục tọa độ trên mỗi thanh nối  Oi X iYi Z i 

+ Xác định trục Z :
i

- Khớp i 1 tịnh tiến:

Zi

là trục mà theo nó khớp i 1 trượt.

- Khớp i 1 quay: Zi là trục mà xung quanh nó khớp i 1 quay.
- Z chọn trùng Zn1 .
n

+ Xác định trục

Xi :

- Trường hợp 1: Z và Z chéo nhau thì X là đường vng góc chung.

i
i1
i

- Trường hợp 2:

Nếu

Zi1 song song với Zi

Zi1  Zi  Xi1  Xi

- Trường hợp 3:

Zi1 cắt Zi thì X i vng góc với mặt phẳng  Z i , Z i1 


+ Tâm O0 : Có thể trọn ở vị trí bất kì trên đế hoặc điểm cố định trên thân robot.
+ Tâm On : Đặt tại khâu tác động cuối.
+ Nếu khớp i là khớp tịnh tiến, tâm Oi đặt ở điểm cuối thanh nối thứ i.
 Bước 3: Xác định dấu các biến khớp
+ Nếu i là khớp quay:

+ Nếu i là khớp tịnh tiến:

 Bước 4: Xác định các thông số của thanh nối:


Hình 2.2.Thơng số của thanh nối
+ an  const : độ dài đường vng góc chung (độ dài thanh nối).

+ dn : khoảng cách giữa 2 trục x.
+ i :
góc

Xn1 quay xung quanh Zn1 để cùng hướng với Xn

+ an 

: góc Zn1 quay xung quanh Xn để cùng hướng với Zn

const

Từ đó, ta lập được bảng D-H từ 4 tham số trên:
 Tổng qt, ta có vị trí của i trong i 1 :
i1

T A
Rot
i

i

z


Trans
i

z

d
Trans
i

cos i   cos  i  sin i
sin 
i

 0







cos cos 
i

sin  i

 

a 
x

Rot
i

x

i

sin i  sin  i





sin  cos

i

i

cos  i



i

ai cos i  




a sin  
i
i 


di





0

0

0

1

 Vị trí khâu tác động cuối:

nx
n
0
T  A A ........A n  y
h
12
n

ox
o

z

z

z

0

0

y

o


0

ax
a
a

px 
p
y
p 

y

z


1

2.2. Bài toán động học thuận vị trí cho Robot Scada IRB 910SC:

Hình 2.3.Đặt các hệ trục tọa độ cho robot
Từ hình vẽ, ta lập được bảng D-H như sau:

i

i

ai

i

di

1

0

a1

1

0

2

0

a2

2

0

3

1800

0

0

𝑟3





0

4

4

0

0

Với a , a , a , a : Chiều dài của các thanh nối;

1
2
3
4
Từ đó, ta có:

c1

s1

0 a1c1 

s
A 1

c

0 a s 
1
1
;

1

1

 0
0


0
0

1
0

0 
1


1
0 10 00 00 
;
A3  
0
 0 1 r3 
0 0 0 1



c2

s

s
A2  2

 0
0


c

cs4
4
A4  
 0
0


s4
c4

2

0

a2c2 

0

a s 
2
2

1
0

0 
1



2

0
0

0
0

0 0
0 0

1 0
0 1


 Vị trí và hướng của khâu tác động cuối:

c 12   4  s    
12
4
 s   
 c    
0

TAAAA
4

1

2 3

4




12

0
0

4

12

0
0

0
0

4

1
0

a1c1  a2 c12 


as  a s
1 1
2
12 

r3

1


 Cuối cùng, nhóm em thực hiện viết chương trình tính tốn trên phần mềm Matlab
và sử dụng cơng cụ GUI trong phần mềm để thiết kế giao diện: