Đồ án thiết kế cơ điện tử Robot Scara 4dof

ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Mục Lục
Danh mục hình ảnh........................................................................................................................................ 3
Danh mục các cụm từ viết tắt.................................................................................................................... 4
LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................................................................... 5
PHẦN I: ĐIỀU KHIỂN ROBOT...................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.......................................................................................................... 6
1.1)Sơ lược về quá trình phát triển của robot công nghiệp................................................................6
1.2)Phân loại robot............................................................................................................................................... 7
1.3) Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp........................................................................................... 11

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT.........................13
2.1)Thiết kế mô hình robot............................................................................................................................ 13
2.2) Đặt hệ trục tọa độ DH............................................................................................................................ 16
2.3)Bậc tự do của robot.................................................................................................................................... 17
2.4) Phương trình động học của robot....................................................................................................... 18

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT..................................................................20
3.1) Cơ sở lý thuyết............................................................................................................................................ 20
3.2) Bài Toán động học thuận........................................................................................................................ 22
3.3) Bài toán động học ngược........................................................................................................................ 29
3.4) Xác định miền làm việc của robot....................................................................................................... 31

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT.........................................................33
4.1) Cơ sở lý thuyết............................................................................................................................................ 33
4.2) Thiết lập phương trình động lực học................................................................................................ 35

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG.........................................................43

5.1) Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động của robot.....................................................................43
5.2) Thiết kế quỹ đạo đa thức bậc ba......................................................................................................... 43
5.3) Ví dụ thiết kế quỹ đạo đa thức bậc 3 cho robot scara................................................................44

CHƯƠNG 6: THUẬT TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN...............................................46
6.1)Thiết kế bộ điều khiển............................................................................................................................ 46
6.2) Mô phỏng trên matlab.............................................................................................................................. 48

PHẦN II: KẾT CẤU ROBOT........................................................................................................................ 57
CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHÂU 3 VÀ KHÂU 4..............................................57
7.1) Tính toán thiết kế cơ cấu cặp vòi hút chân không.......................................................................57
7.2) Chọn trục dẫn hướng và động cơ xoay vật.....................................................................................61

Page 1


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

7.3) Tính toán thiết kế bộ truyền động vít me đai ốc.........................................................................65

CHƯƠNG 8. TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHỚP SỐ 2..............................................................72
8.1) Tính toán lựa chọn kết cấu trục số 2:............................................................................................... 72
8.2) Tính chọn then cho trục số 2................................................................................................................ 74
8.3)Tính chọn ổ bi đỡ chặn cho trục số 2................................................................................................. 75
8.4) Chọn đông cơ truyền động cho trục 2.............................................................................................. 76
8.5)Tính chọn bộ truyền động đai răng.................................................................................................... 78

CHƯƠNG 9. TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHỚP 1.....................................................................80

9.1) Tính toán lựa chọn kết cấu trục số 1................................................................................................ 80
9.2) Tính chọn then cho trục số 1................................................................................................................ 82
9.3) Tính chọn ổ bi đỡ chặn cho trục số 1................................................................................................ 83
9.4) Chọn động cơ điện truyền động cho trục số 1.............................................................................85
9.5) Chọn bộ truyền bánh răng cho trục số 1......................................................................................... 86

KẾT LUẬN........................................................................................................................................................ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................................ 91

Page 2


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Danh mục hình ảnh.
Hình 1.1 Robot kiểu tọa độ Đề các............................................................................................7
Hình 1.2 Robot kiểu tọa độ trụ...................................................................................................8
Hình 1.3 Robot kiểu tọa độ cầu..................................................................................................8
Hình 1.4 Robot SCARA.............................................................................................................9
Hình 1.5 Tay máy kiểu tay người...............................................................................................9
Hình 1.6 Một dạng Robot điều khiển servo.............................................................................10
Hình 1.7 Robot hàn..................................................................................................................11
Hình 1.8Robot dùng trong quân sự của Mỹ.............................................................................11
Hình 2.1: Mô hình robot scara.................................................................................................13
Hình 2.2: Khâu đế....................................................................................................................14
Hình 2.3: Khâu 1......................................................................................................................14
Hình 2.4: Khâu 2......................................................................................................................15
Hình 2.5: Khâu 3......................................................................................................................15

Hình 2.6: Khâu 4......................................................................................................................16
Hình 2.7: các hệ trục tọa độ.....................................................................................................16
Hình 2.8: Đặt hệ trục tọa độ.....................................................................................................20
Hình 2.9: Đồ thị tọa độ điểm thao tác cuối..............................................................................25
Hình 2.10: Đồ thị vận tốc điểm thao tác cuối..........................................................................25
Hình 2.11: Đồ thị gia tốc điểm thao tác cuối............................................................................26
Hình 2.12: mô phỏng quỹ đạo chuyển động trên matlab.........................................................27
Hình 2.13 : Hình chiếu đơn giản của robot trên mặt phẳng x0y..............................................30
Hình 2.14: miền làm việc của robot.........................................................................................32
Hình 4.1 : Các khối tâm robot scara.........................................................................................35
Hình 6.1: Sơ đồ điều khiển.......................................................................................................46
Hình 6.2: sơ đồ điều khiển vị trí...............................................................................................48
Hình 6.3: Sơ đồ robot sau khi chuyển sang từ solidwork bằng simechanics sau khi đã thêm
các khối Joint Actu... và Joint sensor và bộ điều khiển............................................................48
Hình 6.4: đầu vào bộ điều khiển..............................................................................................49
Hình 6.5: kết quả mô phỏng với luật điều khiển PID..............................................................49
Hình 6.6: kết quả mô phỏng với luật điều khiển PD................................................................50
Hình 6.7: kết quả mô phỏng với luật điều khiển PI.................................................................50
Hình 6.8: sơ đồ khối simulink..................................................................................................52
Hình 6.9: sơ đồ quỹ đạo đầu vào..............................................................................................53
Hình 6.10: sơ đồ điều khiển PD...............................................................................................53
Hình 6.11: đồ thị vị trí..............................................................................................................55
Hình 6.12: đồ thị vận tốc..........................................................................................................56
Hình 7.1. Vòi hút chân khôngđiều khiển được.......................................................................57
Hình 7.2. Sơ đồ tính toán lực cặp khi tải trọng Qz đặt lệch tâm...............................................57
Hình 7.3. Thông số kỹ thuật của bơm hút chân không............................................................58
Hình 7.4. Thông số hình học của vòi hút chân không..............................................................59
Hình 7.5. Cặp vòi hút chân không............................................................................................60
Hình 7.6. Kết đầu trục dẫn hướng............................................................................................62
Hình 7.7. Bạc dẫn hướng LMF 16...........................................................................................63

Hình 7.8. Động cơ bước 14HR08............................................................................................65
Hình 7.9. Sơ đồ truyền động của trục vít me...........................................................................65
Hình 7.10. Thông số hình học trục vít me SND 16x10R.........................................................67
Hình 7.11. Đầu trục kiểu 2A&4A............................................................................................68
Page 3


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Hình 7.12. Gối đỡ cố định........................................................................................................68
Hình 7.13. Gối đỡ tự lựa..........................................................................................................69
Hình 7.14. Động cơ bước dẫn động trục vít me.......................................................................71
Hình 8.1. Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 2..........................................73
Hình 8.2. Kích thước then bằng...............................................................................................74
Hình 8.3. Ổ bi đỡ chặn 1 dãy 46304........................................................................................76
Hình 8.4. Các thông số của động cơ AK-GB 42......................................................................77
Hình 9.1. Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 1..........................................81
Hình 9.2. Kích thước then bằng...............................................................................................82
Hình 9.3. Ổ bi đỡ chặn 1 dãy 46305........................................................................................84
Hình 9.4. Các thông sốcủa động cơ AK-GB 60.......................................................................85
Hình 9.5. Thông số của bánh răng SH.....................................................................................87

Danh mục các cụm từ viết tắt.
TTTKHDĐCK: Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí.
HTCĐT: Hệ thống cơ điện tử.

Page 4

ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa có vai trò
đặc biệt quan trọng.
Nhằm nâng cao nâng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng
cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao năng suất lao
động..đặt ra là hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao.Robot công nghiệp, đặc
biệt là những tay máy robot là bô phận quan trọng để tạo ra những hệ thống đó.
Tay máy Robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước, ngày nay tay máy Robot
đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ những ưu điểm mà tay máy Robot đó
và đúc kết lại trong quá trình sản xuất làm việc, tay máy có những tính năng mà con
người không thể có được, khả năng làm việc ổn định, có thể làm việc trong môi
trường độc hại…..Do đó việc đầu tư nghiêc cứu, chế tạo ra những loại tay máy Robot
phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiện tại và tương lai.
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ giúp chúng em làm quen và tìm hiểu
kĩ hơn với những vấn đề cốt lõi và cơ bản nhất về robot và rất có ích cho chúng em
sau này. Qua đó chúng em có thể tìm hiểu sâu hơn và tìm hiểu được cách tiếp cận và
giải quyết các vấn đề của môn học. Đồng thời qua làm đồ án cũng hình thành thêm
các kĩ năng làm việc,lập kế hoạch,viết báo cáo……rất có ích cho sau này. Trong quá
trình làm đồ án có rất nhiều vấn đề đặt ra mà trong phạm vi khả năng của chúng em
còn hạn chế chưa thể giải quyết triệt để được các vấn đề đặt ra.Vì vậy, chúng em rất
mong sự đóng góp sửa chữa và góp ý của quý thầy cô để em rút kinh nghiệm và bổ
sung kiến thức cho chính mình. Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn sự
hướng dẫn tâm huyết của thầy Phạm Minh Hải– Bộ môn Cơ Sở Thiết Kế Máy Và
Robot - Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp chúng em hoàn
thành đồ án này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Page 5


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

PHẦN I: ĐIỀU KHIỂN ROBOT
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1) Sơ lược về quá trình phát triển của robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” đã được sử dụng lần đầu tiên bởi Karel Capek trong v ở k ịch
của ông Rosum’s Universal Robots được xuất bản vào năm 1921. Co lẽ đó là m ột
gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về vi ệc sáng ch ế nhưng cơ c ấu, máy
móc bắt chước các hoạt động của con người.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn g ốc từ hai lĩnh
vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu đi ều khi ển từ xa (Teleoperator) và
các máy công cụ điều khiển số (NC-Numerially Controoled Machine Toll).
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát tri ển m ạnh
trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng x ạ
trong các viện nghiên cứu nguyên tử lực. Đó là những cơ cấu phỏng sinh h ọc bao
gồm những khau khớp và các dây chằng gắn liền với hệ đi ều hành chính là cánh
tay của người, thao tác thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí. C ụ th ể, nó g ồm
có mọt bộ kẹp ở bên trong và hai tay cầm ở bên ngoài. Cả hai, tay cầm và bộ kẹp,
được nối với nhau bằng một cơ câu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và h ướng
tùy ý cho tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu này dùng đ ể đi ều khi ển b ộ k ẹp theo
chuyển đọng của tay cầm. Chính vì vậy, mặc dù người thao tác được tách bi ệt
khỏi khu vực phóng xạ bởi mốt bức tường có một hoặc vài của quan sát, vân có
thể nhìn thấy và thực hiện các thao tác ở bên trong một cách bình th ường.

Vào khoảng năm 1949 các máy công cụ đi ều khi ển s ố ra đ ời nh ằm đ ạp ứng nhu
cầu gia công các chi tiết ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên th ực ch ất
là sự kết nối giữa các khâu cơ khí của cơ cấu đi ều khi ển từ xa v ới kh ả năng l ập
trình của máy công cụ điều khiển số.
Đầu thập kỹ 1960, công ty Mỹ AMF (America Machine and Foundry Company)
cho ra đời robot công nghiệp được đặt tên là Versatran, do Hary Johnson và
Veljko Milenkovic thiết kế.
Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Standford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot
hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận bi ết và định hướng bàn
kệp theo vị trí vật kệp nhờ các cảm biến. Năm 1974 công ty Mỹ Cincinnati đ ưa
ra loại robot điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot TTT (The Tomorrow Tool:
Công cụ của tương lai). Robot này có thể nâng được vật có khối lượng lên đến
45kg.
Những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng r ộng rãi các ti ến b ộ kỹ thu ật
về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng, giá thành
giảm đi rõ rệt, tính năng có những bước tiến mới.

Page 6


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh v ực
rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ c ấu đ ộng h ọc, đ ộng l ực
học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động…
Định nghĩa về robot công nghiệp do Viện nghiên cứu robot của Mỹ đ ề xu ất đ ược
sử dụng rộng rãi: “RBCN là tay máy vạn năng, hoạt đọng theo ch ương trình và có
thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhi ệm v ụ

khác nhau trong công nghiệp, như vận chuy ển nguyên vật li ệu, chi ti ết, d ụng c ụ
hoặc các thiết bị chuyên dùng khác.”
Ngoái các ý trên, định nghĩa trong 0CT 25686-85 còn bổ sung cho RBCN chức
năng điều khiển trong quá trính sản xuất: “RBCN là tay máy tự động được đặt
cố định hay di động bao gồm thiết bị dang thừa hành tay máy có m ột sô b ậc t ự
do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có th ể tái l ập trình đ ể
hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình s ản xuất.”
Chức năng vận động bao gồm các hoạt động “cơ bắp” như v ận chuy ển, đ ịnh
hướng, xếp đặt, gá kẹp, lắp ráp… đối tượng. Chức năng điều khiển ám chỉ vai trò
của robot như một phương tiện điều hành sản xuất, như cung cấp dịch vụ và
vật liệu, phân loại và phân phối sản phầm, duy trì s ản xuất và th ậm chí đi ều
khiển các thiết bị liên quan.
Với các đặc điểm có thể lập trình lại, RBCN là thi ết bị tự đ ộng hóa kh ả trình và
ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các tế bào ho ặc h ệ
thống sản xuất linh hoạt.

1.2)Phân loại robot.
1.2.1 Phân loại theo kết cấu.
* Tay máy kiểu tọa độ Descarte: là tay máy có 3 chuy ển động c ơ b ản tịnh ti ến
theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có
dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có đ ộ cứng v ững cao,
độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuy ển phôi li ệu,
lắp ráp, hàn rong mặt phẳng….

Page 7


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Hình 1.1 Robot kiểu tọa độ Đề các
* Tay máy kiểu tọa độ trụ: khác v ới ki ểu tay máy Descartes ở kh ớp đ ầu tiên,
dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình tr ụ
rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy thò được vào trong kho ảng n ằm
ngang. Độ cứng vững của tay máy trụ tốt, thích hợp v ới tải n ặng, nh ưng đ ộ
chính xác định vị trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.

Hình 1.2 Robot kiểu tọa độ trụ
* Tay máy kiểu tọa độ cầu: khác với ki ểu trụ do kh ớp th ứ hai (kh ớp tr ượt)
được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong
tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuy ển động và vùng
làm việc của nó là một khối trụ rỗng. Độ cứng vững của tay máy này th ấp h ơn
hai loại trên và độ chính xác phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có th ể
gắp được các vật dưới sàn.

Page 8


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Hình 1.3 Robot kiểu tọa độ cầu
* Tay máy SCARA: Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại tr ường đại h ọc
Yamanaski ( Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp. Đó là ki ểu tay máy đ ặc bi ệt
gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song
với nhau. Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững h ơn theo ph ương th ẳng đ ứng
nhưng kém cứng vững hơn theo phương được chọn, là phương ngang. Lo ại này
chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương th ẳng đứng.

Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective Compliance Articulated Robot Actuato”
để mô tả các đặc điểm trên. Vùng làm việc của SCARA là một ph ần c ủa hình tr ụ
rỗng.

Hình 1.4 Robot SCARA
* Tay máy ki ểu tay người: tất cả các kh ớp đ ều là kh ớp quay, trong đó tr ục
thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Do sự tương tự giữa tay người, kh ớp th ứ hai
được gọi là khớp vai (Shoulder joint), khớp thứ ba là khớp khủy (Elbow joint),

Page 9


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

nối cẳng tay với khủy tay. Tay máy làm việc rất khéo léo. Nhưng đ ộ chính xác
định vị phụ thuộc vị trí của vùng làm việc.

Hình 1.5 Tay máy kiểu tay người
Toàn bộ kết cấu ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công
tác. Muốn định vị nó, cần bổ sung cổ tay. Muốn định hướng tùy ý ph ần công tác,
cổ tay phải có ít nhất ba chuyển động quay quanh ba trục vuông góc v ới nhau.

1.2.2 Phân loại theo điều khiển.
Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở va điều khiển kín.
* Điều khiển hở: dùng truyền động bước (đ ộng c ơ điện ho ặc đ ộng c ơ th ủy
lực, khí nén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuy ển tỷ lệ v ới s ố sung đi ều
khiển. Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp.
* Điều khiển kín (hay điều khi ển servo): s ử d ụng tín hi ệu ph ản h ồi v ị trí

để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khi ển servo: đi ều khi ển đi ểmđiểm và điều khiển theo đường (contour).

Page 10


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Hình 1.6 Một dạng Robot điều khiển servo
* Với kiểu điều khiển điểm-đi ểm, phần công tác d ịch chuy ển t ừ đi ểm này
đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao. Nó chỉ làm vi ệc tại các đi ểm
dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn đi ểm, vận chuy ển, tán
đinh,…
* Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuy ển theo quỹ
đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khi ển được. Có th ể gặp ki ểu đi ều khi ển này
trên các robot hàn hồ quang, phun sơn.

Hình 1.7 Robot hàn

Page 11


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

1.2.3 Phân loại theo ứng dụng
Cách phân loại này dựa vào các ứng dụng của robot. Ví dụ, có robot công nghi ệp,
robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ tr ụ, robot

dùng trong quân sự, dân dụng…

Hình 1.8Robot dùng trong quân sự của Mỹ

1.3) Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp.
Một RBCN được cấu thành bởi các hệ thống sau:
+ Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, kh ớp. Chúng hình thành
cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên s ự khéo léo, linh ho ạt vá
bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Ngu ồn đ ộng l ực
của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: đi ện, thủy lực, khí nén hoặc k ết
hợp giữa chúng.
+ Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thi ết
khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận bi ết trạng thái của b ản thân
các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận bi ết tr ạng thái c ủa môi
trường.
+ Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính đ ể giám sát vá
điều khiển hoạt động của robot.

Page 12


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT
2.1)Thiết kế mô hình robot.
Ở đây em sử dụng phần mềm SolidWords để thiết kế mô hình các khâu và k ết
cấu của Robot

Mô hình ở đề tài này chỉ dừng ở tính tượng trưng, không đi sau vào thi ết k ế chi
tiết sản phẩm thật. Nên các khâu khớp được thiết kế đơn gi ản để việc tính toán
thiết kế được đơn giản hóa hơn. Còn thực tế các loại robot công nghi ệp thì các
kết cấu, liên kết giữa các khâu khớp phức tạp và cần phải tính toán nhi ều hơn...

Page 13


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

2.1.1 Mô hình chung

Hình 2.1: Mô hình robot scara
-Khâu 0 ( Khâu đế ) : Khâu cố định
-Khâu 1: Khâu động quay quanh trục thẳng đứng
-Khâu 2: Khâu động quay quanh trục thẳng đứng song song với trục của khâu c ố
định và ở phía cuối khâu 1
-Khâu 3: Khâu động tịnh tiến theo phương song song với trục khâu cố định và ở phía
cuối khâu 2
-Khâu 4: Khâu thao tác tịnh tiến và quay quanh trục của khâu 3

2.1.2 Kết cấu sơ bộ của các bộ phận

Page 14


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Hình 2.2: Khâu đế

Hình 2.3: Khâu 1

Page 15


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Hình 2.4: Khâu 2

Hình 2.5: Khâu 3

Page 16


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Hình 2.6: Khâu 4

2.2) Đặt hệ trục tọa độ DH.

Hình 2.7: các hệ trục tọa độ
Page 17

ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Hệ trục tọa độ theo quy tắc D-H:
Khâu 0: đế ta chọn hệ tọa độ XoYoZo có trục Zo có dọc theo trục của khâu 0, Xo
được chọn như trong hình vẽ, Yo được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Khâu 1: ta chọn hệ tọa độ X1Y1Z1 có trục Z1 dọc theo trục của khớp nối khâu 1
với khâu 2, X1 chọn song song theo khâu 1 có hướng về phía khâu 2, Y1 được xác
định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.
Khâu 2: ta chọn hệ tọa độ X2Y2Z2 có trục Z2 trùng trục của khâu 3 có hướng
xuống phía dưới, X2 chọn dọc theo trục của khâu 2 hướng về phía ra xa khâu 1,
Y2 được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Khâu 3: ta chọn hệ tọa độ X3Y3Z3 có trục Z3 cùng phương cùng chiều với trục Z2 ,
X3 chọn song song và cùng chiều với X2 , Y3 được xác định theo quy tắc bàn tay
phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.
Khâu 4: Ta chọn hệ XEYEZE có trục ZE cùng phương cùng chiều với trục Z2, XE
chọn song song và cùng chiều với X2 , YE được xác định theo quy tắc bàn tay phải,
có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.

2.3)Bậc tự do của robot.
Bậc tự do của Robot là khả năng làm việc tự do, độc lập của Robot.
Để tính số bậc tự do chuyển động ta sử dụng công thức:
k

f   (n  k )  �f i  f c  f p
i 1

Trong đó:
+ f : là số bậc tự do của cơ cấu

+  : Bậc tựdo của không gian trong đó tay máy thực hiện chuyển động
(  = 3 ứng với không gian làm việc trong mặt phẳng,
không gian làm việc trong không gian).
+ n: số khâu động của Robot
+ fi : là số bậc tự do của khớp thứ i
+ k : là số khớp của cơ cấu
+ fc : Số ràng buộc trùng
+ fp : Số bậc tự do thừa

 = 6 ứng với

Với Robot trong đồ án này em nghiên cứu sốbậc tự do là:
f = 6(3 - 3) + 4 + 0 + 0 = 4.
Vậy robot này có 4 bậc tự do.
Page 18


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Ta có bảng DH:

Joint
1
2
3

4
Các tham số động học:

di
0
0
d3
d4

i
1
2

0

ai
a1
a2
0
0

i

0
0
0

= q1(t), 2=q2(t), d3= q3(t), =q4(t)

1

2.4) Phương trình động học của robot
Robot có phương trình động học dạng cơ bản như sau:

nx
�
�
n
TE  �y
�
nz
�
�0

sx

ax

sy
sz
0

ay
az
0

px �
py �
�
pz �

�
1�

Ta có :

nx
�
�
ny
�
�
nz
�
�0


sx
sy

ax
ay

sz
0

az
0

px � �
C12C4  S12 S4

�
py �
S12C4  C12 S4
� �
pz � �
0
� �
1� �
0

S12C4  C12 S4
C12C4  S12 S 4

Hệ phương trình động học :

Page 19

0
0

a1C1  a2C12 �
a1S1  a2 S12 �
�
1
d3  d 4 �
�
0
1
�
0

0


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải
nx  C12C4  S12 S 4
�
�
n y  S12C4  C12 S 4
�
�
n 0
�z
�sx  S12C4  C12 S 4
�s  C C  S S
12 4
12 4
�y
�
�sz  0
�
ax  0
�
�
a 0
�y
az  1
�
�p  a C  a C

1 1
2 12
�x
�p y  a1S1  a2 S12
�
�pz  d 3  d 4

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT
3.1) Cơ sở lý thuyết
Bài toán động học bao gồm bài toán động học thu ận và vài toán đ ộng ng ược. Để
khảo sát bài toán động học, ta sử dụng phương pháp Denavit – Hartenberg.
Phương pháp này cho phép thiết lập phương trình động học của khâu thao tác
tương đối đơn giản nhưng lại rất hiệu quả.
Đặt hệ trục tọa độ:
Page 20


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Hình 2.8: Đặt hệ trục tọa độ
-Theo Denavit – Hartenberg (1955) đã quy ước hệ tọa độ Decard g ắn vào m ỗi
khâu của một tay máy Robot như sau:
* Trục zi được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1).
Hướng của phép quay và phép tịnh tiến được chọn tùy ý.
* Trục xi được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp
động thứ i và (i+ 1), hướng từ khớp động thứ i tới trục ( i+1).
* Trục yi được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
* Gốc O sẽ là giao của hai trục bất kì

Cách xác định các thông số của bảng D – H
-Vị trí của hệ tọa độ khớp (Oxyz)i đối với hệ tọa độ khớp (Oxyz) i-1được xác định
bởi 4 tham số θi, di, αi, ai như sau:
θi : góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 trùng với trục x'i (xi//x'i)
di : dịch chuyển tịnh tiế dọc trục zi-1 để gốc tọa độ Oi-1 chuyể đến O'i là giao
điểm của trục xi và trục zi-1
ai : dịch chuyển dọc trục xi để điểm O'i chuyển đến điểm Oi
: góc quay quanh trục xi sao cho trục z'i-1(z’i-1// zi-1) trùng với trục zi
Thiết lập bộ thông số động học theo Denavit-Hatenberg
Giả sử ta đã tìm ra được bảng giá trị tham số D –H của robot như sau :
Page 21


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Khâu thứ

d



a



i

di

i

ai

i

Khi đó, ta có ma trận hàm truyền của khâu thứ i đối v ới khâu th ứ i-1 đ ược
xác định như công thức sau:

i-1

Ai =

cosθ i
�
�
sinθ i
�
�0
�
�0

sin θ i cos α i
cosθ i cos α i
sinα i
0

sin θ i sin α i a i cosθ i �
sin α i cosθ i a isin θ i �

�
cos α i
di �
�
0
1 �

Từ đó ta có công thức xác định mối quan hệ giữa khâu thao tác v ới g ốc
như sau:

a11
�
�
a
 �21
n
�
a31
0
An  �i 1 Ai �
�0
1

a12

a13

a22

a23

a32

a33

0

0

a14 �
a24 �
�
a34 �
�
1 �

Từ đó rút ra ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác là:

a11
�
AR  �
a21
�
�
a31
�

a12
a22
a32

Tọa độ điểm cuối là:

Page 22

a13 �
a23 �
�
a33 �
�


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

xE � �
a14 �
�
�
� �
�
y
a
E
24
� � � �
�
zE �
a34 �

�
� �
�
�
3.2) Bài Toán động học thuận.
Bài toán động học thuận: Cho trước các tọa độ khớp là các hàm của th ời gian,
xác định vector tọa độ thao tác.
Dựa vào bảng DH đã thiết lập ở trên ta tính được ma trận biến đổi tọa độ thuần
nhất Denavit – Hertenberg của các khâu như sau:

Trong đó:

Ta

có

các

Phương trình động học cơ bản dạng ma trận của robot :
=
 Tọa độ tác động điểm cuối:
 Vận tốc điểm thao tác cuối:
 Gia tốc điểm thao tác cuối:
Page 23

ma

trận:

ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Chọn quy luật chuyển động trong thời gian 1s, các giá tr ị d, a và các góc theta.
Vì nên, miền làm việc của là từ nên vi ệc l ựa ch ọn quy luật chuy ển đ ộng cho
như ở trên là hoàn toàn hợp lí, tương tự như vậy ta cũng chọn được quy luật
chuyển động cho góc và .Đối với khâu 3 là khâu tịnh ti ến ta có kho ảng t ịnh ti ến
là từ

dựa trên tính chất của hàm sin ta suy ra được,nhân c ả 2 v ế v ới 125 ta

được 1 hàm số theo x có giá trị trong khoảng từ 0 đến 250. Do v ậy mà ta có th ể
chọn quy luật chuyển động của khâu 3 như trên.
Đơn vị của các góc quay là rad, và khoảng tịnh tiến của khâu 3 là mm.
Với giá trị chiều dài các khâu: ;đã cho ở đề bài và các quy lu ật chuy ển đ ộng ta
đặt cho các góc theta, giá trị d ở trên thay vào tọa đ ộ thao tác đi ểm cu ối, v ận t ốc
điểm thao tác cuối, gia tốc điểm thao tác cuối ta được các hàm bi ến đổi theo t.
Sử dụng maple ta vẽ được các đồ thị như sau:

Page 24


ĐỒ ÁN THIÊT KẾ HTCĐT

GVHD: TS. Phạm Minh Hải

Hình 2.9: Đồ thị tọa độ điểm thao tác cuối

Hình 2.10: Đồ thị vận tốc điểm thao tác cuối

Page 25