Tính toán động học, động lực học, chọn động cơ, mô phỏng cánh tay robot 4 bậc tự do và tìm miền làm việc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nhóm 2
Khoá:2007 - 2010
Khoa: Cơ khí
Ngành: Cơ điện tử
1. Đề tài đồ án:
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC,ĐỘNG LỰC HỌC,CHỌN ĐÔNG CƠ,MÔ PHỎNG
CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC TỰ DO VÀ TÌM MIỀN LÀM VIỆC
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
+ Chiều dài ,khối lượng ,góc quay cụ thể của từng khâu .
+ Kích thước, hình dáng của cánh tay robot.
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
+ Tính toán động học,động lực học,chọn động cơ và tìm mien làm việc.
+Mô phỏng cánh tay robot.
4. Các bản vẽ hình dáng robot và miền làm việc:
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: Trần Xuân Tiến
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………
7. Ngày hoàn thành đồ án……………………………………
Ngày……tháng……năm……
Giảng viên hướng dẫn

Trưởng Bộ Môn

Ngày hoàn thành … /… /2010
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

Hưng Yên , ngày 22 tháng 06 năm 2010
Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

Hưng Yên , ngày 22 tháng 06 năm 2010
Giáo viên phản biện

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp “Tính toán động học,động
lựchọc,chọn động cơ, mô phỏng cánh tay robot 4 bậc tự do và tìm miền làmviệc”
chúng em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu.
Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Xuân Tiến và
thầy Nguyễn Văn Diên, những người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ để
chúng em có thể hoàn thành đồ án một cách tốt nhất
Chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy (Cô) giáo giảng dạy của bộ môn
trong suốt 3 năm qua đã cung cấp cho chúng em những kiến thức cần thiết, tạo điều
kiện giúp chúng em hoàn thành được đồ án theo đúng yêu cầu và thời gian quy định.

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Cám ơn các bạn trong lớp CĐTK37 đã nhiệt tình tham gia đóng góp ý kiến trong
quá trình thực hiện đề tài.
Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Thầy (Cô) giáo và các
bạn đồng nghiệp, để có thêm những hiểu biết và hoàn thiện hơn trong quá trình làm
việc sau này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
Hưng Yên, ngày 22 tháng 06 năm 201
Nhóm 2

LỜI NÓI ĐẦU

Thế kỷ XXI thế kỷ của khoa học và công nghệ. Tất cả các ngành kỹ thuật đều có
những bước tiến vượt bậc và đạt được nhiều thành tựu to lớn. Với xu thế các ngành
công nghệ hướng tới kết hợp với nhau để tạo ra sản phẩm ngày càng hiện đại, tối ưu.
Sự kết hợp những công nghệ hiện đại đó đã cho ra đời ngành công nghệ “Cơ điện tử”.
Trước động lực là nhu cầu của tương lai và những khó khăn thử thách trước mắt
ngành “Cơ điện tử” đang phát triển mạnh mẽ. Ngành đã chế tạo ra những Robot có
nhiều tính năng ưu việt, khẳng định và kế thừa trong bước đầu tiên phong về công
nghệ. Ngày càng chứng tỏ “Cơ điện tử” là sự kết hợp hoàn hảo. Dù vậy nhưng việc
đào tạo trong các trường Đại học gặp rất nhiều khó khăn đặc biệt là trong công tác
giảng dạy của giáo viên. Trong đó có khoa Cơ khí của trường ĐHSPKT Hưng Yên do
trường không có đầy đủ cơ sở, vật chất, trang thiết bị thực hành phục vụ cho giảng
dạy.
Việc chế tạo ra một cánh tay Robot sẽ giúp ích rất nhiều cho công việc giảng dạy
của giáo viên khoa Cơ khí trường ĐHSPKT Hưng Yên, đồng thời thúc đẩy sự hứng
thú học tập, khả năng tuy duy sáng tạo kỹ thuật cho sinh viên. Sản phẩm thực sự hữu
ích cho phát triển của ngành trong tương lai.
GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Do thời gian có hạn đề tài không tránh khỏi những thiếu sót nhất định rất mong
các Thầy (Cô) giáo và các bạn góp ý thêm để đề tài hoàn thiện hơn.

HưngYên, ngày 22 tháng 06 năm 2010
Nhóm sinh viên thực hiện:
Phạm Văn Vấn
Nguyễn Thị Ngọc Hoa

MỤC LỤC

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN I . NỘI DUNG
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
I.1. Sự ra đời của rô bốt công nghiệp
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng
dụng rộng rãi cái phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây
chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết bị này
đang thay thế dần các máy tự động “ cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc
thị trường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và tính năng
v.v…Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản
xuất tự động linh hoạt.
Thuật ngữ “ robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s
Universal Robot” của Karel Capek. Teo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch.
Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy
gần giống như con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực.
Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép
hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.
GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

6

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Vào giữa những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện
các loại tay máy chép hình thủy lực và điện tử, như máy Minotaur I hoặc tay máy
Handyman của General Electric. Năm 1954 George C.Devol đã thiết kế một thiết bị
có tên là “ Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình”. Đến năm 1956
Devol cùng với Joseph F. Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hang không, đã tạo
ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở Công ty Unimation. Chỉ đến năm 1975
Công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận tử sản phẩm robot đầu tiên này.
Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, ở một nhà
máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jewsey Hoa Kỳ.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF
của Hoa Kỳ (American Machine and Foundry Company). Đến năm 1990 có hơn 40
công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Công ty Hitachi và Công
ty Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng.
Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều
đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Tại
trường Đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều
khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào
thời gian này Công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến
lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy tin gồm 20 cụm chi tiết.
Vào giai đoạn này ở nhiều nước khác cũng tiến hành các công trình nghiên cứu
tương tự, tạo ra các loại robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm
biến và thiết bị giao tiếp người – máy.
Một lĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành. Các công
trình nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người hoặc súc vật.
Các robot này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Tuy nhiên các loại xe
robot (robocar) lại nhanh chóng được đưa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất
tự động linh hoạt.
Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ

thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã ra tăng, giá
thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot công
nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại.
GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ngày nay chuyên nghành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh vực
rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề về cấu trúc cơ cấu động học, động lực học,
lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…Các vấn đề này sẽ
lần lượt được đề cập đến trong các chương của giáo trình này.
Trước khi bước vào nghiên cứu các nội dung này chúng ta cũng cần thống nhất
về thuật ngữ “ robot công nghiệp” (Industrial robot). Trong nhiều tài liệu khác nhau,
định nghĩa về robot công nghiệp cũng khác nhau. Khi “robot công nghiệp” đầu tiên ra
đời, Công ty AMF đã quảng cáo nó là một loại máy tự động vạn năng. Trong từ điển
Webster định nghĩa robot là những máy tự động có thể thực hiện được một số chức
năng của con người. Nhưng nếu vậy thì có nhiều loại máy khác nhau cũng có thể gọi
là robot. Viện kỹ thuật robot của Hoa Kỳ định nghĩa robot là loại tay máy nhiều chức
năng, với chương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực hiện một số thao tác sản
xuất. Có nhiều tài liệu khi định nghĩa robot rất lưu ý đến tiêu chí điều khiển bằng máy
tính. Nhưng trong phân loại robot công nghiệp theo tiêu chuẩn của Nhật Bản (JIS B
0134-1979) có cả nhóm tay máy điều khiển bằng tay.
Theo ISO ( International Standards Organization) thì :” robot công nghiệp là một
tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dẽ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng
để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác. Do chương trình thao tác có thể
thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng”. Tuy nhiên, robot công nghiệp được
định nghĩa như thế chưa hoàn toàn thỏa đáng.
Robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt

chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người. Nói đến thiết bị tự
động linh hoạt là nhấn mạnh đến kahr năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều
khiển trợ động và lập trình thay đổi được. Còn nói đến sự bắt chước các chức năng lao
động công nghiệp của con người là có ý nói đến sự không hạn chế từ các chức năng
lao động chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tùy theo loại hình công việc lao
động cần đến chức năng đó hay không. Đồng thời cũng nói đến mức độ cần thiết bắt
chước được như con người hay không.
I.2. Ứng dụng robot công nghiệp
I.2.1. Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp.
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng xuất dây
GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh cảu
sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm
cơ bản của robot, đã đúc kết lại qua bao nhiêu năm được ứng dụng ở nhiều nước.
Những ưu điểm cơ bản đó là:
1)

Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc

hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế robot
có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế,
robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu
mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu cảu thị trường cạnh tranh.
1)

Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là vì giảm được

đáng kể chi phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức lương cao về tiền
lương lao động, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội. Theo số liệu của Nhật
Bản thì nếu 1 robot làm việc thay thế cho một người thợ thì tiền mua robot chỉ bằng
tiền chi phí cho người thợ trong vòng 3 đến 5 năm, tùy theo robot làm việc mấy ca.
Còn ở Hoa Kỳ, trung bình trong 1 giờ làm việc robot có thể đem lại tiền lời là 13USD.
Ở nước ta những năm gần đây ở nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí lương bổng cũng
chiếm tỷ lệ cao trong giá thành sản phẩm.
1)

Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất day chuyền công nghệ. Sở

dĩ như vật vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay
thế con người bằng robot thì người thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi.
Theo số liệu của hang Fanuc, Nhật Bản, thì năng xuất có khi tăng lên đến 3 lần.
1)

Ứng dụng robot có thể cải thiện điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi

bật nhất mà chúng ta cần lưu tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao
động phải làm việc suốt buổi trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực hoặc ồn
ào quá mức cho phép nhiều lần. Thậm chí ở nhiều nơi người lao động còn phải làm
việc với môi trường độc hại nguy hiểm đến sức khỏe con người, dễ bị cụt tay chân, dễ
bị nhiễm hóa chất độc hại, nhiễm sóng điện từ và phóng xạ v.v…
I.2.2. Các bước ứng dụng robot.
Việc ưu tiên đầu tư trước hết phải nhằm để đồng bộ hóa cả hệ thống thiết bị, rồi
tự động hóa và robot hóa chúng khi cần thiết. Để quyết định đầu tư cho việc robot hóa
cho cả dây chuyền công nghệ hoặc chỉ ở một vài công đoạn, người ta thường xem xét
GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
các mặt sau:
1)

Nghiên cứu quá trình công nghệ được robot hóa và phân tích toàn bộ hệ

thống sản xuất của xí nghiệp.
Trong bước này cần xét đến đầy đủ các chi phí và nêu hiệu quả tính ra cho toàn
bộ hệ thống không thể hiện rõ thì việc đầu tư robot hóa là chưa nên.
2)

Xác định các đối tượng cần robot hóa

Khi xác định nên thay thế robot ở những nguyên công nào thì phải xem xét khả
năng liệu robot có thay thế được không và có hiệu quả hơn không. Thông thường
người ta ưu tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, bụi bặm, ồn ào, độc hại, căng
thẳng hoặc quá đơn điệu. Xu hướng thay thế hoàn toàn bằng robot thực tế không hiệu
quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà đòi hỏi sự khéo léo của con người.
3)

Xây dựng mô hình quá trình sản xuất đã được robot hóa.

Sau khi xác định được một sơ đồ tổng thể quá trình công nghệ, cần xác định rõ
dòng chuyển dịch nguyên liệu và dòng thành phẩm để đảm bảo sự nhịp nhàng đồng
bộ của toàn hệ thống. Có thế mới phát huy được hiệu quả đầu tư vốn.
4)

Chọn lựa mẫu robot thích hợp hoặc chế tạo robot chuyên dùng.

Đây là bước quan trọng, vì robot có rất nhiều loại với giá tiền rất khác nhau, nếu
không chọn đúng thì có thể không những đầu tư quá đắt mà còn không phát huy được,
như kiểu dùng người không đúng chỗ, việc này thường xảy ra khi mua robot của nước
ngoài. Có những chức năng của robot được trang bị nhưng không cần dùng cho công
việc cụ thể mà nó đảm nhiệm trên dây chuyền sản xuất. Vì thế mà đội giá lên rất cao,
chỉ có lợi cho nơi cung cấp thiết bị.
Cấu trúc robot hợp lí nhất là cấu trúc theo modun hóa. Như thế có thể hạ giá
thành sản xuất, đồng thời đáp ứng được nhu cầu phục vụ công việc đa dạng. Cấu trúc
càng đơn giản càng dễ thực hiện độ chính xác cao và hạ giá thành. Ngoài ra lại còn có
tự tạo dựng các robot thích hợp với công việc trên cơ sở mua nắp các modun chuẩn
hóa. Đó là hướng triển khai hợp lí đối với đại bộ phận xí nghiệp trong nước hiện nay
cũng như trong tương lai.
I.2.3. Các lĩnh vực ứng dụng robot công nghiệp.
1)

Một trong các lĩnh vực đó là kĩ nghệ đúc. Thường trong phân xưởng đúc

công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng bức, bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn
GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác. Việc tự động hóa toàn
phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng các dây chuyền tự động thông thường với các
máy tự động chuyên dụng đòi hỏi phải có các thiết bị phức tạp, đầu tư khá lớn. Ngày

nay ở nhiều nước trên thế giới robot được dùng rộng rãi để tự động hóa công nghệ
đúc, nhưng chủ yếu là để phục vụ các máy đúc áp lực. Robot có thể làm nhiều việc
như rót kim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật đúc ra khỏi khuôn, cắt mép thừa, làm
sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát v.v…Dùng robot phục vụ
các máy đúc áp lực có nhiều ưu điểm. Ví dụ, đảm bảo ổn định chế độ làm việc; chuẩn
hóa về thời gian thao tác, về nhiệt độ và điều kiện tháo vật đúc ra khỏi khuôn ép. Bởi
thế, chất lượng vật đúc tăng lên.
1)

Trong ngành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ

gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn đập nên đòi hỏi sớm áp dụng robot
công nghiệp. Trong phân xưởng rèn robot có thể thực hiện nhiều việc, ví dụ như đưa
phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung nóng ra khỏi lò, mang nó đến máy rèn,
chuyển lật phôi trong khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc thùng v.v…Sử dụng
các loại robot đơn giản nhất cũng có thể đưa năng xuất tăng 1,5 ÷ 2 lần và hoàn toàn
giảm nhẹ lao động của công nhân. So với các phương tiện có giới và tự động khác
phục các máy rèn dập thì dùng robot có ưu điểm là nhanh hơn, chính xác hơn và cơ
động hơn.
1)

Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc nặng

nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng kỹ thuật
robot công nghiệp.
1)

Robot được dùng khá rộng rãi trong gia công và lắp ráp. Thường thường

người ta sủ dụng robot chủ yếu vào các việc tháo nắp phôi và sản phẩm cho các máy

gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động v.v…Trên hình 1.8 là một ví dụ
ứng dụng robot phục vụ máy tiện bán tự động gia công các trục bé. Robot RBM -100
lần lượt lấy phôi đã được xếp thành dãy đưa vào mâm cặp chuyên dùng, kẹp chặt bằng
thủy lực. Rồi sau khi gia công xong lại tháo chi tiết xếp vào băng chuyền. Trên tay
máy lắp hai bàn kẹp, dùng cho phôi và dùng cho sản phẩm. Các con số trên hình vẽ
chỉ các vị trí liên tiếp của tay máy. Dưới thân máy có băng tải thoát phoi.
Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản
GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương trình đã
cho phép tìm được những phương thức mới mẻ để tạo nên các dây chuyền tự động
cho sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu, loại sản phẩm. Dây chuyền tự động “ cứng”
gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhiều thời gian để
thiết kế và chế tạo trong lúc quy trình công nghệ luôn luôn cải tiến, nhu cầu đối với
chất lượng và quy cách của sản phẩm luôn luôn thay đổi. Bởi vậy nhu cầu “mềm” hóa
hay là linh hoạt hóa dây chuyền sản xuất ngày càng tăng. Kỹ thuật robot công nghiệp
và máy vi tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động
linh hoạt.
I.2.4. Giới thiệu về cánh tay robot 4 bậc tự do.
Dưới đây là cánh tay robot 4 bậc tự do với 4 khớp quay R. Nó có tác dụng nâng hạ vật
từ nơi này đến nơi khác bằng tay kẹp, bộ khung cánh tay làm toàn bộ bằng nhôm, hệ
thống điều khiển cánh tay bằng điện và khí nén.
*) Đặc điểm các khâu:
- Khâu 1 cố định: được gắn vào đế của robot. Truyền chuyển động cho khâu 2
nhờ bộ bánh răng và góc quay của khâu 1 là 3600, điều khiển cho robot quay.
- Khâu 2: Được nối với khâu 1 bởi khớp quay R2, góc quay θ2* = 450, khâu 2 là

khâu chịu trọng lực lớn nhất, nó phải mang khối lượng của cả khâu 3 và khâu 4, khớp
quay R2 điều khiển cánh tay nâng lên hạ xuống.
- Khâu 3: Được nối với khâu 2 bởi khớp quay R3, góc quay θ3* = 1800, ngoài
khối lượng của bản thân nó phải mang theo khối lượng của khâu 4, khớp quay cũng có
tác dụng điều khiển cánh tay nâng lên hạ xuống.
- Khâu 4: được nối với khâu 3 bởi khớp quay R3, góc quay θ4* = 1800, là khâu
cuối cùng của cánh tay robot nó được gắn với tay kẹp của robot, khâu này chịu khối
lượng nhỏ nhất, khớp quay 4 cũng như 3 khớp quay trên có tác dụng nâng hạ vật.
- Tay kẹp của robot dùng để kẹp và nhả vật được điều khiển bằng hệ thống điện
và khí nén.

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG II: YÊU CẦU, NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
II.1 Tính toán động học, động lực học của cánh tay robot
1

Tính động học của robot
Thực hiện được hai bài toán động học thuận và động học ngược của robot

Trong bài toán động học thuận ta đã giải quyết được vị trí và hướng của robot
trong hệ tọ độ xyz, mục đích cuối cùng của bài toán thuận là đưa ra hệ phương trình
mô tả vị trí và hướng của robot. Trong hệ đó có ba phuơng trình Px, Py, Pz thể hiện
miền làm việc để cung cấp cho phần tìm miền làm việc của robot.

Trong bài toán ngược ta đã giải quyết được vấn đề về các góc quay

θ

,

θ θ θ
*

*

1

1

,

,

*
3

*
4

là cơ sở để tính toán động lực học cho cánh tay robot

2. Giải bài toán động lực học là ta đã giải quyết được vận tốc, gia tốc, động năng,
thế năng, lực đặt lên cánh tay robot khi nó làm việc qua đó để lấy số liệu và cơ sở làm
các phần tiếp theo.
II.2 Tính chọn động cơ

II.3 Mô phỏng miền làm việc
Từ những kết quả 4 góc quay tê ta, ta đã trực tiếp tìm được khi giải bài toán động lực
học ta đã có cơ sở để thực hiện việc tìm động cơ một cách khoa học. Tìm và mô
phỏng được miền làm việc của cánh tay.
II.3 Đánh giá độ bền kết cấu robot
Sau khi thực hiện xong các bài toán động học thuận, ngược, động lực học ta đã
đủ cơ sở để đánh giá được độ bền kết cấu của robot
II.4 Mô phỏng robot.
Cũng như phần làm việc phần này cũng được làm trên phần mềm số liệu được
lấy từ chiều dài cụ thể của các cánh tay robot, và các khối hình vuông, hình trụ thể
hiện cánh tay và động cơ của robot điều khiển cho robot làm việc trên phần mềm bằng
các chương trình lập trình.

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHUƠNG III: TÍNH TOÁN, CHỌN ĐỘNG CƠ

III.1 Bài toán động học thuận của robot
III.1.1.yêu cầu bài toán đặt ra:
1

Mô hình hóa cánh tay robot. Đặt hệ tọa độ cho cánh tay robot

x4

Z4 x 3

l7

Z3

F4

x2

l5
Z2

F

l4

l3
O1

Z1
l1

l6

l2

x1

Z0

F

1

O0
x0

2

Lập bảng DH

3
III.1.2.cơ cở lý thuyết
Ta có :

a

i

: độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp động thứ i+1 và i

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

14

F2

3

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

α

i

d

i

: là góc chéo giữa 2 trục khớp động thứ i+1 và thứ i
: là khoảng cách đo dọc trục khớp động thứ i tới đường vuông gọc chung giữa

khớp động thực i và trục khớp động thứ i-1

θ

i

: là góc giữa đường vuông góc chung nói trên

Mô hình biến đổi:
1 : quay quanh trục

z

z

2 : tịnh tiến dọc trục

3 : tịnh tiến dọc trục
4 : quay quanh trục

i −1

i −1

x

x

một góc

i

một quãng đường

i −1

i −1

θ

a

một đoạn

một góc

α

d

i

i

i

Vì vậy ta có bảng DH sau :
Bảng DH
Khâu

θi

di

ai

αi

1

θ

l1

0

90

R

2

θ

*

−l −l
2
4

l3

0

R

3

θ

*

l6

l5

0

R

4

θ

*

0

l7

0

R

Ta có Ma trận

A

i

*
1

2

3

4

được thính theo công thức tổng quát sau :

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

15

Khớp
0


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
A

i

R( z,θ i).T p (0,0,d i).T p (a i,0,0).R( x,α i)
=

Vì robot chỉ có các khớp soay nên chỉ có thành phần quay quanh trục Oz một góc

và quay quanh trục Ox một góc

α

Nên ta lại có các Ma trận sau :

θ
Quay quanh trục Oz một góc

R( z,θ )
=

cos(θ )


 sin(θ )


0


0


−sin(θ ) 0 0 

cos(θ ) 0 0 

0
1 0
0

Quay quanh trục Ox một góc

R( x,α )
=

1



0

0


0


0

α


1 

.

0
cos(α )

0
−sin(α )

0 

0

sin(α )

0

cos(α )
0

0

1 



Sau khi thực hiện phép nhân ta có kết quả của Ma trận tổng quát

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

16

A

i

như sau:

θ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

A=
i

cos( )
θi


 sin(θ i)


0


0


−sin(θ i) cos(α i)
cos(θ i) cos(α i)

sin(θ i) sin(α i)
−cos(θ i) sin(α i)

ai cos(θ i) 

a i sin(θ i) 

sin(α i)
0

cos(α i)
0

di
1







III.1.3. tính toán, trình bày:

Từ Ma trận tổng quát ta tìm được các Ma trận

A

1

A

2

A

3

=

=

=

 cos( *)

θ1

*
 sin(θ 1)

0


0


0
0
1
0

*

 cos(θ 2)

*
 sin(θ 2)


0

0



−sin(θ *2)
cos(θ *2)
0
0

0 l3 cos(θ *2) 

0 l3 sin(θ *2) 

1 −l 2 −l 4 

0
1


*

 cos(θ 3)

*
 sin(θ 3)

0


0


−sin(θ *3)
cos(θ *3)
0
0

0 l5 cos(θ *3) 

0 l5 sin(θ *3) 

l6
1


0
1


sin(θ 1*)
− cos(θ *)
1
0
0

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

A

sau:

0 


0

l
1 

(1)

1

17

( 2)

( 3)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

A

4

=

*

 cos(θ 4)

*

 sin(θ 4)

0


0


0 l7 cos(θ *4) 

0 l7 sin(θ *4) 

0
1


0
1


−sin(θ *4)
cos(θ *4)
0
0

Ta có các tích của các Ma trận

A

i

( 4)

được bắt đầu ở khâu thứ 4 chuyển về gốc tọa độ;

theo thứ tự sau:
Đặt :

cos(θ 1∗) = C1 cos(θ ∗2) = C2 cos(θ ∗3) = C3 cos(θ ∗4) = C4 cos(θ 1∗ +θ ∗2) = C12
;

;

;

;

;

cos(θ ∗2 + θ ∗3) = C23 cos(θ ∗3 + θ ∗4) = C34 cos(θ 1∗ −θ ∗2) = C12'
;
∗
∗
∗
cos(θ 1 + θ 2 + θ 3) = C123

;
∗
∗
cos(θ 2 + θ 3 + θ ∗4) = C234

;
∗
∗
∗
∗
cos(θ 1 +θ 2 +θ 3 +θ 4) = C1234

sin(θ ∗3) = S3

;

cos(−θ ∗3 + θ 1∗ −θ ∗2) = C123'

;
∗
∗
∗
cos(−θ 4 −θ 3 + θ 1 −θ ∗2) = C1234; '
;

sin(θ ∗4) = S 4

;

;
∗
∗
sin(θ 1 +θ 2) = S12

;
∗
sin(θ 2 + θ ∗3) = S23

;
∗
∗
∗
sin(θ 1 + θ 2 + θ 3) = S123

sin(θ ∗3 + θ ∗4) = S34 sin(θ 1∗ −θ ∗2) = S12'

;
∗
∗
sin(θ 2 + θ 3 + θ ∗4) = S 234

;
∗
∗
∗
sin( −θ 3 + θ 1 − θ 2) = S123'

;

3

Ta có các Ma trận T sau:

T

3

4

T

=

T

;

;
∗
∗
∗
∗
sin(θ 1 + θ 2 + θ 3 + θ 4) = S1234

;
∗
∗
∗
∗
sin( −θ 4 −θ 3 + θ 1 −θ 2) = S1234'

0

;

4

;

A4
=

2

;

T

4

A3 A4
=

A2 A3 A4

1

;

T

4

=

;

A1 A2 A3 A4

4

là Ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu thứ 4 so với khâu thứ 3 trong hệ tọa
độ cơ sở
GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3

2

T

T

4

=

C
 4

S
 4
 0

 0


− S 4 0 l 7C4
C4 0 l 7 S 4
0 1 0
0 0 1










( 5)

4

là Ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu thứ 4 so với khâu thứ 2 trong hệ tọa độ
cơ sở

2

T

A3 A4

4

=

=

C
 34
S
 34
 0

 0


− S34
C34
0
0

0 C34 + l 5 C3 
0 l 7 S34 +l 5 S3 

l6
1



0
1


( 6)

1

T

4

là Ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu thứ 4 so với khâu thứ 1 trong hệ tọa độ

cơ sở

A2 A3 A4

1

T

0

4

=

=

C
 234

 S 234

 0


0


− S 234
C234
0
0

0 l 7C234 +l 5C23 +l 3C2 

0 l 7 S 234 +l 5 S 23 +l 3 S 2 


1
−
−
l6 l2 l4


0
1



( 7)

T4
là vectơ mô tả vị trí và hướng của khâu thứ 4 hay khâu cuối cùng so với khâu thứ

0 hay khâu đầu tiên trong hệ trục tọa độ cơ sở

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

0

T4
=

T41 =

A1 A2 A3 A4

=


 T 41


 T 45

T
 49

T 413

T 42

T43

T 46

T47




T48 

T412 

T416 

T44

T 410 T411
T 414 T415

1 / 2C1234' +1 / 2C1234

T42 = 1 / 2S1234' −1 / 2S1234
T43 = S1

T44 = 1/ 2l7C1234' +1/ 2l7C1234 +1/ 2l5C123' +1/ 2l5C123 + l6 S1
+1/ 2l3C12' +1/ 2l3C12 − l2 S1 − l4 S1

T45 = 1 / 2S1234 +1 / 2S1234'

T46 = 1 / 2C1234 −1 / 2C1234'
T47 = −C1

T48 = 1/ 2l7 S1234 +1/ 2l7 S1234' +1/ 2l5 S123 +1/ 2l5 S123' − l6C1
+1/ 2l3 S12 + 1/ 2l3S12' + l2C1 + l4C1

T49 = S 234
T410 = C234
T411= 0

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

20

( 8)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
T412 = l7 S 234 +l5 S 23 +l3S 2 +l1
T413 = 0
T414 = 0

T415 = 0
T416 =

1

0

Mặt khác

T4
=

n
 x

n y

nz

 0

T

4

sx
sy
sz
0

T4
=

. Mà :

a x p x 
a y p y 

az pz 

0 1 

T4
Ta cân bằng các phần tử của 2 Ma trận
trình sau:

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

0

và

21

T

4

được một hệ thống các phương

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

 n x =1 / 2C1234' + 1 / 2C1234

 n y =1 / 2S1234 + 1 / 2S1234'

 =S
234
n z

 s x =1 / 2S1234' −1 / 2S1234

 s =1 / 2C
1234 −1 / 2C1234'
 y

 s z = C 234

a x = S
1


 a y = − C1

 =0
a z

 p x =1 / 2l 7 C1234' + 1 / 2l 7 C1234


 + 1 / 2l 5 C
123' + 1 / 2l 5C123 + l 6 S1


 + 1 / 2l 3C12' + 1 / 2l 3C12 − l 2 S1 − l 4 S1

 p y =1 / 2l 7 S1234 + 1 / 2l 7 S1234' + 1 / 2l 5 S123 + 1 / 2l 5 S123' − l 6C1


 + 1 / 2l 3 S12 + 1 / 2l 3 S12' + l 2C1 + l 4C1

 p z = l 7 S 234 + l 5 S 23 + l 3 S 2 + l 1


( 9)

III.2.Bài toán động học nguợc của robot
III.2.1.Cơ sở lý thuyết:
Xuất phát từ công thức bài toán thuận

T4
=

n
 x

n y

 nz


A1 A2 A3 A4  0

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

sx
sy
sz
0

a x p x 
a y p y 

az pz 

0 1 

(10)

22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ta có các công thức tổng quátt sau:

Tn

(11)

i

Ti Tn
=
−1

Ti
Nhân hai vế với

Ti −1Tn = T n

ta có :

Ti −1 = ( A1 A2..... Ai) −1 = Ai ..........
−1

i

;

...

−1

−1

2

1

A A

Ta có :

Ai .......... ... A A Tn = T n
−1

Kết hợp

i

(10)

−1

−1

2

1

với ta có:

T n = Ai .......... ... A A
−1

Từ biểu thức

(12)

i

(12 )

−1

−1

2

1

n
 x

n y

 nz

 0

sx
sy
sz
0

a x p x 
a y p y 

az pz 

0 1 

(13)

ứng với ( i ÷3 ; n =4 ) ta có:

Rôbôt co 4 bậc tự do ta có

(14)

1

−1

A T4
1

T

=

−1

−1

2

1

A A T4

2

=

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

T

4

(15)

4

23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
−1

A

3

−1

−1

2

1

3

A A T4

=

T

(16 )

4

III.2.2. tính toán trình bày

−1

A

1

=

C
 1

0

S

 1

 0

−1

A T4
1

=

−1

A T4
1

=

C
 1

0

S
 1

 0

S1

0

0 1
−C1 0
0

0

S1
0
−C1
0

C
 1 n x + S1 n y

n z

S
−C1 n y
 1nx

0




−l 1 

0 


1 

0

0 0 

1 −l 1 

0 0 

0 1 

.

n
 x

n y

nz

 0

sx
sy
sz
0

1

T4

=

C1 s x + S1 s y

C1 a x + S1 a y C1 p x + S1 p y 

sz
S1 s x −C1 s y

az
S1 a x −C1 a y

0

0

(18)

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

a x p x 
a y p y 

az pz 

0 1 

24




S1 p x −C1 p y 


1


(17 )

p z −l 1

1

T4

=


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Cho cân bằng các phần tử ở hàng 3 cột 4 của 2 Ma trận ở 2 vế của phương trình
ta có:

S1 p x −C1 p y

(19)

l 6 −l 2 −l 4
=

Đặt:

( 20)

Py = r sin φ

Px =r cos φ
và
Trong đó :

Px 2 + Py 2

( 21)

φ = arctag (Px , Py )

( 22)

r=

Thế

(17 )

±

vào

(16)

ta được:

− S1 cos φ +C1 sin φ =

Với:

−l 6 + l 2 + l 4
r

( 23)

l 4 + l 2 − l6
0<
≤1
r

Hay :

sin(φ −θ 1*) =

−l6 +l2 +l4
r

( 24)

Với :

GVHD :TRẤN XUÂN TIẾN

25

(18)

,