Điều khiển cánh tay robot

Mục Lục


Đặt vấn đề
Sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin ngày nay, rất nhiều lĩnh
vực trong đó cơ khí đã tận dụng được sự phát triển này để tạo ra sự nhảy vọt, trong
đó có robot công nghiệp.
Robot công nghiệp là xương sống của ngành Cơ điện tử, trong dó có rất
nhiều sản phẩm robot công nghiệp ứng dụng trong công nghiệp. Robot là thiết bị
rất điển hình về mức độ tích hợp và được coi là một tế bào của hệ thống tự dộng
linh hoạt. Trên quan điểm hệ thống điều khiển số nhiều trục đồng thời, các hiểu biết
về robot công nghiệp cũng đúng với các phần tử khác như máy công cụ điều khiển
số, trung tâm gia công…
Loại robot xuất hiện khá thường xuyên trong các dây chuyền sản xuất tự
động đó là robot kiểu tay máy. Sự xuất hiện của các robot này giúp giải phóng sức
lao động của con người khỏi những công việc vất vả và độc hại, giúp nâng cao
năng suất lao động, chất lượng sản phẩm, qua đó giúp giảm chi phí sản xuất, giảm
giá thành sản phẩm, tạo ra tính cạnh tranh cho các sản phẩm gia công trên thị
trường.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu, sản xuất, cải tiến robot tay máy là nhiệm vụ
vô cùng quan trọng và cũng rất khó khăn, đòi hỏi đầu tư rất nhiều thời gian,công
sức và tiền bạc.
Robot kiểu tay máy có đặc điểm chung về kết cấu dó là các khâu được nối
với nhau bằng các khớp để hình thành một chuổi động học hở tính từ thân đến phần
công tác. Các khớp được dung phổ biến là các khớp trượt và khớp quay, tùy theo số
lượng và cách bố trí khớp mà có thể tạo ra các kiểu tay máy khác nhau. Vì thế khi
xét về robot kiểu tay máy chúng ta đặt ra các bài toán: động học robot, động lực
học robot. Đây là những bước cơ sở ban đầu hết sức quan trọng trước khi thiết kế
robot nói chung và robot kiểu tay máy nói riêng.

Nhận thức được điều đó chúng em đã chọn đề tài: Nghiên cứu ứng dụng
phần mềm Siemens NX trong mô phỏng động học và động lực học của robot
Scorbot ER4U làm đồ án tốt nghiệp. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy
Nguyễn Hải Nam, thầy Tạ Đức Hải, và các thầy trong bộ môn đã định hướng và
giúp đỡ chúng em rất nhiệt tình trong quá trình làm đồ án này.
Mục đích đề tài
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Siemens NX trong mô phỏng động
học và động lực học của robot Scorbot ER4U nhằm nghiên cứu tầm quan trọng của
bài toán động học và động lực học robot, ở đây đó là một đối tượng thực tế, cơ bản,
phổ biến. Hiểu biết về động học và động lực học của Scorbot ER4U giúp chúng ta
có cái nhìn trực quan và rõ ràng hơn về động học và động lực học của robot cánh
tay máy, cách giải quyết bài toán động học và động lực học robot như thế nào.
Đồng thời. sử dụng phần mềm Siemens NX trong mô phỏng giúp hiểu thêm về một
công cụ hỗ trợ, nâng cao kiến thức về phần mềm, qua đó hỗ trợ quá trình học tập,
nghiên cứu, và làm việc sau này.
Phạm vi đề tài
Scorbot Er4u là 1 tay máy robot linh hoạt và đáng tin cậy được hoạt động
trong hệ thống CIM, phục vụ cho quá trình sản xuất công nghiệp cũng như phục vụ
cho giáo dục người máy công nghiệp. Scorbot er4u có thể được gắn trên mặt bàn
hoặc trên một đường trượt(trục thứ 7). Trong trường hợp hệ thống CIM tại phòng
thí nghiệm, Scorbot dược gắn trên 1 đường chạy điều khiển được.
Tốc độ của robot chậm và lặp lại làm cho nó rất phù hợp cho cả hai hoạt
động độc lập và sử dụng tích hợp trong các ứng dụng workcell tự động như robot
hàn, máy tầm nhìn, máy CNC và các hoạt động chăm sóc FMS khác.
Robot được hỗ trợ bởi phần mềm lập trình và điều khiển robot SCORBASE.
Tùy chọn phần mềm đồ họa 3D Robocell cho phép sinh viên thiết kế, tạo ra và điều


khiển mô phỏng workcell công nghiệp, và cung cấp các mô phỏng động của các
thiết bị robot và workcell trong vị trí giảng dạy và thực thi chương trình.

Các robot được thiết kế để cho phép quan sát các bộ phận cơ khí làm việc
của mình trong khi đảm bảo một môi trường an toàn cho người dung ( học tập,
nghiên cứu hoặc lập trình sản xuất). Trong hệ thống CIM tại phòng thí nghiệm,
Scorbot er4u đảm nhiệm thao tác di chuyển phôi hoặc chi tiết giữa 2 trạm gia công
tiện, gia công phay và giữa các trạm này với khay chứa chạy trên dây chuyền vòng
của hệ thống lớn.
Trong hệ thống CIM tại phòng thí nghiệm, Scorbot Er4u đảm nhiệm tao tác
di chuyển phôi hoặc chi tiết giữa 2 trạm gia công tiện, gia công phay và giữa các
trạm này với khay chứa chạy trên dây chuyền vòng của hệ thống lớn.


Nội dung của đồ án gồm 4 chương:
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC
HỌC CƠ CẤU MÁY
1.1.
1.2.

Mô phỏng động học cơ cấu máy
Mô phỏng động lực học cơ cấu máy

CHƯƠNG II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT
SCORBOT ER4U
2.1. Cấu tạo của robot Scorbot ER4U
2.2. Nguyên lý hoạt động của robot Scorbot ER4U
CHƯƠNG III. MÔ HÌNH HÓA ROBOT SCORBOT ER4U TRÊN PHẦN
MỀM SIEMENS NX
3.1. Mô hình hóa robot SCORBOT ER4U
3.2. Mô phỏng quá trình lắp ráp robot SCORBOT ER4U
CHƯƠNG IV. MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA
SCORBOT ER4U TRÊN PHẦN MỀM SIEMEN NX

4.1. Mô phỏng động học hoạt động của robot Scorbot ER4U
4.2. Mô phỏng động lực học hoạt động của robot Scorbot ER4U


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC
HỌC CƠ CẤU MÁY
Mô phỏng động học và mô phỏng động lực học cơ cấu máy chính là mô
phỏng chuyển động của cơ cấu máy dựa trên các thông số đầu vào đã biết trước, từ
đó đưa ra những thông số mong muốn.
Mô phỏng động học và động lực học cơ cấu máy là kiểu phân tích phổ biến
trong kỹ thuật, cho phép nhà thiết kế có thể kiểm soát được chuyển động của cơ
cấu máy, xác định được các thông số cần thiết như vị trí, vận tốc, gia tốc (động
học) hay các phản lực liên kết, mối quan hệ giữa lực, momen, năng lượng… với
các thông số chuyển động của nó (động lực học).
Trên cơ sở kết quả mô phỏng, nhà thiết kế có thể điều chỉnh hình dạng, kích
thước, vật liệu… để tối ưu hóa cơ cấu hoặc thiết kế quỹ đạo di chuyển của robot để
phù hợp với yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra.
Theo quan điểm động học, một tay máy (robot công nghiệp) có thể được
biểu diễn bằng một chuỗi động học hở, gồm các khâu liên kết với nhau bằng các
khớp. Một đầu của của chuỗi được gắn lên thân , còn đầu kia nối với phần công tác.
Thao tác trong quá trình làm việc đòi hỏi phần công tác phải được định vị và định
hướng chính xác trong không gian. Vì vậy, việc mô phỏng động học giúp giải
quyết các bài toán:
- Căn cứ vào các biến khớp để xác định vùng làm việc của phần công tác
và mô tả chuyển động của phần công tác trong vùng làm việc của nó ( Bài
toán thuận).
- Xác định các biến khớp để đảm bảo chuyển động cho trước của phần
công tác (Bài toán ngược).
Mô phỏng động lực học giải quyết các bài toán:

- Khảo sát, thử nghiệm quá trình làm việc của cơ cấu máy mà không phải
dùng cơ cấu máy thật.
- Phân tích, tính toán, kết cấu của cơ cấu máy.
- Phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển tay máy.
Để mô phỏng động học và động lực học cơ cấu máy, ở đây cụ thể là tay máy
( robot công nghiệp), phải nắm chắc các lý thuyết về:
- Bậc tự do và các tọa độ suy rộng
- Động học
- Động lực học
1.1. Bậc tự do và các tọa độ suy rộng
1.1.1. Bậc tự do (DOF: degrees of freedom)
Robot công nghiệp là loại thiết bị tự động nhiều công dụng. Cơ cấu tay máy
của chúng phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật theo một hướng nhất định nào
đó và di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc. Muốn vậy cơ cấu tay máy phải đạt
được một số bậc tự do chuyển động.
Thông thường các khâu của tay máy được ghép nối với nhau bằng các khớp
động.
Có thể tính được số bậc tự do theo công thức thông dụng trong “Nguyên lý
máy”:
5

W = 6n − ∑ ipi
i =1

Trong đó:

n: số khâu động.
pi : số khớp loại i.

Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh
tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số
bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không
gian 3 chiều, Robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự
do để định hướng.
Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp…có thể yêu cầu số bậc tự do ít
hơn. Các robot hàn, sơn…thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp
cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hóa quỹ đạo,…người ta dùng
robot với số bậc tự do lớn hơn 6.

Hình 1.1. Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp
1.1.2. Tọa độ suy rộng
Các cấu hình khác nhau của cơ cấu tay máy trong từng thời điểm được xác
định bằng các độ dịch chuyển góc hoặc các độ dịch chuyển dài của các khớp động
hoặc các khớp tịnh tiến.
Các độ dịch chuyển tức thời đó, so với giá trị ban đầu nào đó lấy làm mốc
tính toán được gọi là các tọa độ suy rộng (generalized joint coordinates) trong


nhiều tài liệu về robot công nghiệp. Ở đây còn gọi chúng là các giá trị biến khớp
(joint variable)

Hình 1.2. Các tọa độ suy rộng của Robot
Trong trường hợp chung ta gọi qi, i=1,…,n là các biến khớp của cơ cấu tay
máy và biểu thị bằng
qi = δ iθi + (1 − δ i ) Si

Với

δi = 1
δi = 0

θi

(1.2)

đối với khớp quay
đối với khớp tịnh tiến

độ dịch góc của khớp quay
Si độ dịch chuyển khớp tịnh tiến của khớp tịnh tiến.
1.1.3. Vùng làm việc
Vùng làm việc của robot là khoảng không gian mà nó có thể thao tác được

Hình 1.3. Vùng làm việc công tác


Loại hình cơ cấu tay máy này có các ưu điểm sau
• Có thể bố trí nguồn động lực gắn với thân tay máy nhưng vẫn đảm bảo
chuyển động độc lập của các khâu chấp hành.
• Đảm bảo đơn giản về kết cấu, linh hoạt về cấu trúc và nhỏ gọn về kích thước.
• Dễ dàng giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau và ít tiêu hao năng lượng.
• Dễ tính toán điều khiển do có thể thực hiện dễ dàng các chuyển dịch các con
trượt riêng rẽ và do các bài toán động học đều có thể đưa về bài toán phẳng.
1.2. Động học
Động học là một nhánh của cơ học cổ điển, có mục đích mô tả chuyển
động của các điểm, vật thể và hệ vật trong khi bỏ qua nguyên nhân dẫn đến các
chuyển động đó.

Động học robot nghiên cứu chuyển động của các khâu của robot về phương
diện hình học, không quan tâm đến các lực và momen gây ra chuyển động. Động
học robot là bài toán quan trọng phục vụ tính toán và thiết kế robot. Nhiệm vụ chủ
yếu của bài toán động học thuận là xác định vị trí và hướng của bàn kẹp dưới dạng
các hàm của biến khớp.
Vị trí mỗi khâu trong không gian được xác định bởi vị trí một điểm định vị
và hướng của khâu đó đối với một hệ quy chiếu đã chọn. Điểm định vị là một điểm
xác định nào đó của khâu, thông thường trong động lực học ta hay lấy khối tâm của
khâu đó làm điểm định vị. Hướng của khâu được xác định bằng mà trận cosin chỉ
hướng hoặc bằng các tọa độ suy rộng xác định vị trí của vật rắn quay quanh một
điểm.
Các phương pháp ma trận 4x4 và cá phương pháp mà trận 3x3 hay được sử
dụng trong phân tích động học robot. Hai phương pháp ma trận 4x4 phổ biến là
phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg và phương pháp ma trận Craig. Trong
báo cáo này trình bày và áp dụng phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg để
tính toán động học robot.


1.2.1. Phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H)
Một robot nhiều khâu cấu thành từ các khâu nối tiếp nhau thông qua các
khớp động. Gốc chuẩn (Base) của một robot là khâu số 0 và không tính vào các
khâu. Khâu 1 nối với khâu chuẩn bởi khớp chuẩn bởi khớp 1 và không có khớp ở
đầu mút của khâu cuối cùng. Bất kỳ khâu nào cũng được đặc trưng bởi hai kích
thước:
• Độ dài pháp tuyến chung: an
• Góc giữa các trục trong mặt phẳng vuông góc với an: αn

Hình 1.4. Chiều dài và góc xoắn của một khâu.
Thông thường, người ta gọi an là chiều dài và αn là góc xoắn của khâu (Hình
1.4 ). Phổ biến là hai khâu liên kết với nhau ở chính trục của khớp (Hình 1.6).

Hình 1.5. Các thông số của khâu: θ, d, a và α.
Mỗi trục sẽ có hai pháp tuyến với nó, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu
(trước và sau một khớp). Vị trí tương đối của hai khâu liên kết như thế được xác


định bởi dn là khoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp thứ n và θ n là
góc giữa các pháptuyến đo trong mặt phăng vuông góc với trục.
dn và θn thường được gọi là khoảng cách và góc giữa các khâu.
Để mô tả mối quan hệ giữa các khâu ta gắn vào mỗi khâu một hệ tọa độ.
Nguyên tắc chung để gắn hệ tọa độ lên các khâu như sau:
• Đặt trục tọa độ zi dọc theo trục của khớp sau (thứ i+1).
• Đặt gốc tọa độ Oi tại giao điểm giữa zi và pháp tuyến chung của trục zi và zi-1.
• Đặt trục tọa độ xi theo phương pháp tuyến chung giữa zi-1 và zi, hướng từ
khớp thứ i đến khớp thứ i + 1.
• Trục yi vuông góc với xi và zi theo quy tắc bàn tay phải.
• Đối với quy tắc Denavit-Hartenberg, có một số trường hợp đặc biệt, cho
phép đơn giản hóa thủ tục tính toán:
• Đối với hệ tọa độ gốc chỉ có phương của trục z 0 là xác định. Gốc O0 và trục
x0 có thể chọn tùy ý.
• Đối với hệ thứ n, chỉ có phương của trục x n là xác định. Trục zn có thể chọn
tùy ý.
• Khi hai khớp liền nhau có trục song song, vị trí của pháp tuyến chung có thể
lấy bất kỳ.
• Khi khớp thứ i là khớp trượt thì chỉ có phương của trục zi-1 là xác định.
Các tham số động học Denavit – Hartenberg
Vị trí của hệ tọa độ khớp đối với hệ tọa độ khớp được 4 tham số Denavit –
Hartenberg , , , như sau: dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục để gốc tọa độ chuyển
đến giao điểm của trục và trục .
: góc quay quanh trục để trục chuyển đến trục ( ).

: dịch chuyển tịnh tiến theo dọc trục để điểm chuyển đến điểm .
: góc quay quanh trục sao cho trục ( // ). Chuyển đến trục .
Do hệ trục tọa độ gắn liền với khâu thứ i-1, còn hệ trục tọa độ gắn liền vào
khâu thứ i, cho nên vị trí của khâu thứ i đối với khâu thứ i-1, được xác định bởi 4
tham số Denavit – Hartenberg.


Trong 4 tham số trên, các tham số và luôn luôn là các hằng số, độ lơn của
chúng phụ thuộc vào hình dáng và sự ghép nối các khâu thứ i-1 và thứ i. Hai tham
số còn lại và một là hằng số, một là biến số phụ thuộc vào khớp thứ i là khớp quay
hay khớp tịnh tiến. Khi khớp i là khớp quay thì là biến, còn là hằng số. Khi khớp i
là khớp tịnh tiến thì là biến, còn là hằng số.
Chú ý về việc xác định hệ tọa độ khớp tại khớp tịnh tiến. Trong trường hợp
khớp i là khớp tịnh tiến, về nguyên tắc ta có thể chọn trục một cách tùy ý, do đó
việc xác định các tham số Denavit – Hartenberg phục thuộc vào việc chọn hệ trục
tọa độ.
Ma trận của phép biến đổi, ký hiệu là , là tích của 4 ma trận biến đổi cơ bản,
và có dạng như sau:
(1.3)
Ma trận được xác định bởi công thức (1.3) được gọi là ma trận Denavit –
Hartenberg (D-H) địa phương.
Xét mô hình cơ học của robot n khâu động như hình vẽ:

Hình 1.6. Robot n khâu
Theo nguyên tắc nêu trên, ta thiết lập được hệ trục tọa độ gắn liền với giá cố
định và tọa độ gắn liền với các vật. Gọi là hệ quy chiếu gắn liền với giá cố định,
hệ quy chiếu = gắn liền với khâu thứ i. Ma trận cho ta biết vị trí và hướng của
khâu i đối với hệ quy chiếu gắn vào khâu thứ i-1.

Từ đó suy ra ma trân D-H cho biết vị trí và hệ quy chiếu = đối với hệ quy
chiếu = . Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi đối với robot n khâu, ta có:
=

(1.4)
=

(1.5)

Ma trận cho biết vị trí của điểm tác động cuối E và hướng của khâu thao tác
(bàn kẹp) của robot đối với hệ quy chiếu cố định .

Hình 1.7. Mô hình robot Scorbot ER4U dưới dạng khâu khớp

1
2

0
0

π/2
0


3

0

0

4

0

0

Bảng 1.1. Bảng tham số D-H

1.2.2. Bài toán động học thuận
Khi biết được các đặc tính hình học của các khâu và quy luật chuyển động
của các khớp là ta có thể xác định được vị trí và hướng của bàn kẹp.
Xác định vận tốc góc, gia tốc điểm tác động cuối và vận tốc góc, gia tốc góc
các khâu của robot bằng phương pháp trực tiếp.
Vị trí của điểm thao tác:

Vận tốc và gia tốc dài của bàn kẹp có thể dễ dàng suy ra từ đạo hàm vector
tọa độ .
Vận tốc điểm thao tác:
, hay =
Gia tốc điểm thao tác:
, hay =
Ta có thể tính trực tiếp vận tốc góc khâu thứ i của robot dựa trên công thức tính vận
tốc góc vật rắn thông qua ma trận cosin chỉ hướng như sau:


Từ (1.6) suy ra biểu thức vận tốc góc khâu thứ i của robot.
Áp dụng định nghĩa gia tốc góc của vật rắn, khi biết vận tốc góc của các khâu của
robot ta có thể tính gia tốc góc các khâu của robot theo công thức sau:

1.2.3. Bài toán động học ngược

Bài toán động học ngược có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong lập trình và
điều khiển của robot. Bởi lẽ, trong thực tế thường phải điều khiển robot sao cho bàn
kẹp di chuyển tới các vị trí nhất định trong không gian thao tác theo một quy luật
nào đó. Ta cần xác định các giá trị biến khớp tương ứng với vị trí và hướng của
robot theo yêu cầu đó. Đây cũng chính là nội dung của bài toán động học ngược.
Từ bài toán thuận ta biết phương trình xác định vị trí bàn kẹp bây giờ giả sử
x đã biết, cần tìm q theo một cách thức như sau:

Trong đó:
là vecto tọa độ suy rộng biến khớp
là vecto tọa độ suy rộng của khâu thao tác (bàn kẹp).
Với n là số tọa độ suy rộng (số bậc tự do của robot), m là số tọa độ suy rộng
của bàn kẹp (m=6)
Có 3 trường hợp xảy ra:


- Khi m = n, robot có cấu trúc động học cân bằng hay cấu trúc chuẩn.
Phương trình có nghiệm duy nhất phụ thuộc vào cấu trúc của robot.
- Khi m < n, robot có cấu trúc dư dẫn động. Số tọa độ suy rộng khớp lớn hơn
số tọa độ suy rộng khâu thao tác cần xác định. Bài toán có nhiều nghiệm, để giải
bài toán có thể đưa thêm và các điều kiện phụ như là: điều kiện về công nghệ, điều
kiện về cơ học, các điều kiện về toán học,… để đưa bài toán về bài toán cấu trúc
động học cân bằng, giải bài toán bằng phương pháo ma trận nghịch đảo, trong đó
số phương trình nhỏ hơn số ẩn.
- Khi m > n, robot có số tọa độ suy rộng khớp ít hơn số tọa độ suy rộng khâu
thao tác, phương trình không giải được. Để bài toán có nghiệm, ta cần đưa thêm
vào các điều kiện ràng buộc, tuy nhiên đây là bài toán không có nhiều ý nghĩa trong
thực tế.
Việc đi tìm nghiệm của bài toán động học ngược có ý nghĩa rất quan trọng
trong lập trình và điều khiển robot. Tuy nhiện, việc này khá khó khan và hiện chưa

có phương pháp tổng quát nào để giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả. Có các
phương pháp hay được sử dụng là:
- Phương pháp giải tích
- Phương pháp số
- Phương pháp hình học
Trong đồ án này sẽ sử dụng phương pháp hình học để giải bài toán động học ngược
tay máy.
1.2.3.1. Giải bài toán động học ngược bằng phương pháp hình học
Từ mô hình robot Scorbot ER4U dưới dạng khâu khớp như hình 1.7, để giải
quyết bài toán động học ngược, ta phải đi tìm các biến khớp , .
Ta có:


= , = , = , = , E’()
= arctan(),

= - 90º =

=
=
=
= - .cos()

Tính
S=
Xét tam giác ta suy ra được

Xét tam giác ta suy ra được

Xét tam giác ta tính được

Suy ra

Tìm được , .


1.1.3. Động lực học
Động lực học là một ngành trong cơ học chuyên nghiên cứu chuyển
động của các vật thể và mối liên hệ giữa chúng với tương tác giữa các vật. Động
lực học quan tâm đến nguyên nhân sinh ra chuyển động của các vật, đó chính
là lực.
Theo quan điểm động lực học, động lực học tay máy nghiên cứu mối quan hệ
giữa lực, momen, năng lượng…với các thông số chuyển động của nó.
Khác với phần động học tay máy, ở phần động lực học tay máy này ta tim
mối liên hệ giữa lực và chuyển động của tay máy. Giới hạn phạm vi khảo sát: chỉ
xét chuỗi động học hở, hay còn được gọi là cơ cấu chấp hành nối tiếp.
Việc khảo sát động lực học nhằm:
• Cho phép xác định các phản lực khớp để tính toán thiết kế cơ cấu chấp hành.
• Kết quả khảo sát động lực học tay máy dùng để khai triển các chế độ điều
khiển chế độ vận hành tối ưu với vận tốc cao dựa trên kết quả tính toán các
moment ngẫu lực hoặc lực tập trung tác động lên các khớp quay và tịnh tiến
theo thời gian.
• Mô hình động lực học được dùng để mô phỏng hệ thống robot trên máy tính:
Bằng cách khảo sát sự hoạt động của mô hình trong những điều kiện vận
hành khác nhau, có thể tiên đoán được tình trạng làm việc của robot mà
không cần phải khảo sát trên hệ thống thực.
Hai vấn đề liên quan tới động lực học tay máy:
• Động lực học thuận: với các lực và moment tác động vào các khớp đã cho,
phải xác định chuyển động của cơ cấu theo thời gian.
• Động lực học ngược: tìm moment và lực tác động vào tất cả các khớp để tạo

ra hành trình theo cơ cấu theo yêu cầu.
Có nhiều phương pháp khảo sát động lực học tay máy:
• Phương pháp thứ nhất: sử dụng các phương trình Newton và Euler.
• Phương pháp thư hai: sử dụng nguyên lý d’Alembert và Hamilton.
• Phương pháp thư ba: sử dụng các phương trình chuyển động Lagrange.


Trong thực tế, việc giải bài toán động lực học là vô cùng khó khăn, đòi hỏi
nhiều thời gian và công sức nghiên cứu. Trong nội dung của đồ án này, bài toán đặt
ra là bài toán động lực học ngược do không biết được đầu vào, cụ thể là lực và
momen tác động vào các khâu, khớp là bao nhiêu, mà chỉ biết được quỹ đạo
chuyển động của robot, nên ta sẽ tìm lực và momen tác động vào tất cả các khớp để
tạo ra hành trình của cơ cấu theo yêu cầu.

CHƯƠNG II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT
SCORBOT ER4U
2.1. Cấu tạo của robot Scorbot ER4U
Trong hệ thống CIM tại phòng thí nghiệm, robot Scorbot ER4U được cấu tạo
từ các phần như sau:
- Phần cơ khí
- Thiết bị dạy học
- Phần mềm lập trình điều khiển
2.1.1. Cấu tạo phần cơ khí
Cấu tạo cơ khí của robot Scorbot ER4U gồm các phần chính như trong Bảng
2.1:


Đế robot

Vai robot

Cằng tay

Khuỷu tay


Tay kẹp

Bảng 2.1. Các bộ phận chính của robot Scorbot ER4U
Các bộ phận chính của robot được ghép nối với nhau qua các trục, truyền
chuyển động qua các bộ bánh răng và các bộ truyền đai. Phần tạo chuyển động
quay là các động cơ DC. Sau khi lắp ghép, ta được robot hoàn chỉnh. Để thuận tiện
ta quy các chi tiết của robot thành các khâu như như trên Hình 2.1, trong đó đế của
robot là khâu 1, vai là khâu 2, khuỷu tay là khâu 3, cẳng tay là khâu 4, cổ tay xoay
là khâu 5, tay kẹp được coi là khâu 6.

Hình 2.1. Robot Scorbot Er4u


Các khâu của robot được nối với nhau bằng khớp xoay. Scorbot ER4U có 5
khớp xoay và 1 tay gắp.
Sự chuyển động linh hoạt của các khâu, khớp này cho phép robot đưa tay
gắp đến bất kỳ vị trí nào trong vùng làm việc và sau đó, tay gắp có thể thực hiện
nhiệm vụ của nó đối với phôi gia công.
Ngoài ra, trong hệ thống CIM tại phòng thí nghiệm, Scorbot ER4U còn được
gắn trên một đường chạy điều khiển được.

Hình 2.2. Scorbot ER4U trong phòng thí nghiệm
Scorbot ER4U có các thông số như trong Bảng 2.2 [1]:
Cơ cấu

Cân nặng
Bán kính vùng hoạt động tối đa
Khối lượng mang
Khẩu độ mở tay gắp
Độ lặp lại tại các thành phần chính
Số lượng động cơ truyền động
Truyền dẫn
Số trục

Khớp nối theo chiều dọc
Khoảng 10,8kg
Khoảng 610mm (24 inch);
từ 1kg( tốc độ tối đa)
-2,5kg( với giảm tốc);
Từ 75mm( Nếu không có miếng
đệm) và 65mm( nếu có miếng
đệm);
± 0,18mm
7
bằng bánh răng, dây đai mặt
răng và vít chì
5 trục quay, 1 trục kẹp, 1 trục
giá đỡ di chuyển ngang(trục 7)


Góc xoay tối đa

Khớp 1
Khớp 2
Khớp 3

Khớp 4
Khớp 5

310º
158º
260º
260º
Không giới hạn về cơ, và ±
570º về điện

Bảng 2.2. Các thông số cơ bản của robot Scorbot ER4U
2.1.2. Thiết bị dạy – học (teach pendant)
ẢNH (HÌNH VẼ)
Thiết bị dạy học là một thiết bị di động có thể thao tác và điều khiển các trục
và được nối với bộ điều khiển. Thiết bị dạy học được gắn một nút EMERGENCY
STOP và nút vặn DEADMAN. Thiết bị dạy học có thể được cầm tay hoặc là gắn
vào chỗ bị cố định ngoài vỏ làm việc của robot. Khi thiết bị dạy học được dùng ở
chế độ cầm tay thì núm vặn không thể điều khiển được.
2.2. Nguyên lý hoạt động của Scorbot ER4U
Rô bốt hoạt động nhờ phần mềm lập trình SCORBASE ER4U
2.2.1. Phần mềm lập trình điều khiển SCORBASE ER4U
Phần mềm SCORBASE là phần mềm mà Intelitek phát triển để sử dụng cho
dạy và lập trình sản xuất trên tay máy robot của hang, trong đó SCORBASE for
ER4u dùng cho Scorbot Er4u.
Phần mềm được cài đặt trên máy tính thuộc trạm gia công tiện, kèm theo 1
bộ thiết bị dạy học ( Teach pendant) cho phép đưa ra các địa điểm khả dụng trong
không gian, record vị trí đó làm các vị trí làm việc hoặc vị trí trung gian trong quá
trình hoạt động. Các vị trí này đảm bảo việc di chuyển trong không gian của đầu
kẹp (Gripper) không bị va đập vào các thiết bị khác gây hỏng hóc mất an toàn,
đồng thời tạo được quỹ đạo di chuyển tối ưu nhất tiết kiệm thời gian di chuyển giữa

2 điểm làm việc mong muốn.


2.2.2. Nguyên lý hoạt động
Trình tự làm việc của Scorbot ER4U:
- Quy chuẩn Home
- Lập trình điều khiển các động cơ DC ở các khớp
2.2.2.1. Quy chuẩn các trục (Homing)

Hình 2.2. Vị trí home của robot Scobot ER4U
Do robot yêu cầu một điểm tham chiếu cố định để có thể lặp lại một cách
chính xác các chương trình và các chuyển động của mình nên các trục của robot
phải được đưa về trạng thái quy chuẩn(vị trí home) khi bắt đầu mỗi nhiệm vụ mới.
Vị trí home của robot đã được định trước theo nhà sản xuất. Robot tìm vị trí home
bằng cách sử dụng các bộ vi chuyển mạch được gắn với mỗi khớp và được kiểm
soát bởi bộ điều khiển. Thủ tục đưa về home di chuyển mỗi trục và phần mềm sẽ
hiển thị ra trục đó đã về vị trí home hay chưa. Vị trí home của mỗi trục là vị trí mà
tại đó bộ vi chuyển mạch sẽ chuyển từ trạng thái ON sang OFF. Hình sau mô tả vị
trí home của robot Scorbot ER4U.
2.2.2.2. Lập trình điều khiển các động cơ DC
Từ vị trí Home đã được cài đặt sẵn, ta điều khiển các động cơ DC ở các khớp
tạo ra các chuyển động: Chuyển động tịnh tiến trên bàn trượt (trục thứ 7), chuyển
động quay ở các khớp số 2( vai), khớp số 3( khuỷu tay), khớp số 4( cẳng tay), khớp