Thiết kế và chế tạo robot scara phân loại sản phẩm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.33 MB, 65 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI:
Thiết kế và chế tạo Robot Scara phân
loại sản phẩm
Người hướng dẫn: ThS. NGUYỄN ĐẮC LỰC
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN BÌNH
NGUYỄN VĂN HOAN
Số thẻ sinh viên : 101140175
101140182
Lớp: 14CDT2
Đà Nẵng, 12/2019
TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SCARA PHÂN LOẠI SẢN
PHẨM
Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN HOAN
NGUYỄN VĂN BÌNH
MSSV: 101140182
MSSV: 101140175
Lớp: 14CDT2
1. Tính cấp thiết
Ngành công nghiệp trên thế giới đã đưa được sản phẩm Robot vào công nghiệp để
phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc con người. Với
ngành công nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiện nhiều trong các dây
chuyền sản xuất vì sản phẩm này còn quá đắt đối với thị trường Việt Nam. Nhằm nội
địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot, tôi chọn đề tài “Robot
scara phân loại sản phẩm”. Đề tài này hướng tới có thể thay thế các bộ điều khiển của
các công ty nước ngoài và xây dựng thuật điều khiển tối ưu cho các đối tượng sản xuất,
mà các đối tượng này còn thích hợp với điều kiện sản xuất ở nước ta. Với các phòng thí
nghiệm, đây là một mô hình để sinh viên thực nghiệm và nghiên cứu, cho các bạn một
cái nhìn cụ thể, thực tiễn hơn về robot.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng mô hình Robot Scara phân loại sản phẩm theo chiều cao. Mà cụ thể ở đây
là điều khiển Robot Scara tự động dựa trên nền tảng Arduino.
3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích đánh giá nội
dung liên quan đến đề tài.
Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung nghiên
cứu trong quá trình xây dựng mô hình Robot Scara phân loại sản phẩm. Đề xuất phương
án xây dựng, chế tạo hệ thống cho phù hợp.
4. Phạm vi nghiên cứu
Mô hình hệ thống Robot Scara phân loại sản phẩm thiết kế ra với phạm vi trong nhà
trường, ứng dụng trong giảng dạy để giúp các bạn sinh viên hiểu biết rõ hơn về robot
cũng như biết áp dụng các kiến thức đã học vào thực tế.
5. Bố cục đề tài
Đề tài gồm có 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về đề tài. Chương này chủ yếu cung cấp cho người đọc cái
nhìn ban đầu về Robot Scara, từ lịch sử phát triển, đến lợi thế của nó so với các robot
thông thường khác, các ứng dụng của nó trong đời sống và trong công nghiệp, đồng thời
cũng khái quát sơ đồ tổng quan về hệ thống, đặt ra vấn đề để xây dựng robot Scara ứng
dụng trong công nghiêp.
Chương 2: Thiết kế cơ khí. Chương này, ta sẽ phân tích cấu trúc lựa chọn phương án
thiết kế cũng như tính toán thiết kế dẫn động cho robot, và giải quyết các vấn đề cơ bản
nhất của động học Robot Scara như tính toán động học thuận, động học ngược trên cơ
sở các phương trình liên kết bằng phương pháp hình học.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển. Chương này giải quyết các vấn đề liên quan
đến việc chọn dòng vi điều khiển trung tâm và các modun thích hợp mạch điều khiển
cho robot cũng như thiết kế mạch điện điều khiển nhằm đảm bảo các chức năng cơ bản
của robot.
Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển. Chương này sẽ xây dựng nguyên lý
làm việc cho robot từ đó tạo ra sơ đồ thuật toán và áp dụng vào chương trình điều khiển
cho vi diều khiển cũng như xây dựng giao diện giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển
nhằm giúp robot thực hiện theo đúng theo nguyên lý, sơ đồ thuật toán hoạt động của
Robot Scara.
Chương 5: Kết quả đạt được. Chương này sẽ trình bày hình ảnh sản phẩm sau khi
hoàn thành, giao diện điều khiển hoạt động của hệ thống.
Cuối cùng là đánh giá kết luận và rút ra hạn chế kinh nghiệm để có hướng phát triển
đề tài.
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT
1
Họ tên sinh viên
Số thẻ SV
Nguyễn Văn Hoan
101140182
Ngành
Lớp
14CDT2 Kĩ thuật Cơ Điện Tử
2
Nguyễn Văn Bình
101141175 14CDT2 Kĩ thuật Cơ Điện Tử
1. Tên đề tài đồ án:
THIẾT KẾ ROBOT SCARA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
a. Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
1 Nguyễn Văn Hoan
-Tổng quan đề tài
-Thiết kế cơ khí
2 Nguyễn Văn Bình
Nội dung
b. Phần riêng:
TT
Họ tên sinh viên
1 Nguyễn Văn Hoan
2 Nguyễn Văn Bình
Nội dung
Thiết kế hệ thống điều khiển
Xây dựng chương trình điều khiển
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
Nội dung
1 Nguyễn Văn Hoan
-Bản vẽ tổng thể Robot: giấy A0
-Bản vẽ sơ đồ động: giấy A0
2 Nguyễn Văn Bình
b. Phần riêng:
TT
Họ tên sinh viên
1
Nguyễn Văn Hoan
2
Nguyễn Văn Bình
Nội dung
-Bản vẽ lưu đồ thuật toán: giấy A0
-Bản vẽ chi tiết các khâu: giấy A0
-Bản vẽ sơ đồ nối dây: giấy A0
5. Họ tên người hướng dẫn:
Phần/ Nội dung:
ThS.Nguyễn Đắc Lực
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
7. Ngày hoàn thành đồ án:
Hướng dẫn toàn bộ quá trình tính toán
thiết kế và chế tạo Robot.
……../……./201…..
……../……./201…..
Đà Nẵng, ngày
Trưởng Bộ môn……………………….
tháng
năm 201
Người hướng dẫn
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
LỜI NÓI ĐẦU
Ngành điều khiển và tự động hóa trong thời đại công nghệ 4.0 ngày nay có nhiều
đột phá và phát triển nhanh chóng. Quá trình đó góp phần không nhỏ vào việc tăng năng
xuất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng sản phẩm, và hơn nữa là cải thiện môi
trường làm việc của con người. Ngày nay khái niệm “dây chuyền sản xuất tự động’’ hay
“Robot” đã trở nên quen thuộc với mọi người, ở rất nhiều nước Robot không những phát
triển theo hướng phục vụ sản xuất công nghiệp mà còn theo hướng phục vụ trong sinh
hoạt và giải trí gia đình. Ở các nước có ngành công nghiệp phát triển thì đưa Robot vào
trong quá trình sản xuất trong các nhà máy để dần thay thế con người ở những nơi có môi
trường độc hại, môi trường phóng xạ, đồng thời khắc phục tình trạng không đồng nhất về
chất lượng sản phẩm. Đồng thời công cuộc tự động hóa dây chuyền sản xuất là chiến lược
phát triển của các tập đoàn sản xuất trong tương lai. Vậy nên có thể nói Robot đem lại
một cuộc sống mới và là một phần không thể thiếu trong sự đổi mới tương lai. Vì vậy,
nhóm em quyết định chọn đề tài “Robot Scara phân loại sản phẩm” để nghiên cứu và thiết
kế.
Sau những tháng làm đồ án với sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Đắc Lực và các thầy
bộ môn Cơ Điện Tử cùng với thảm khảo một số tài liệu liên quan, chúng em đã hoàn
thành đồ án đáp ứng nhiệm vụ được giao với nội dung chất lượng theo yêu cầu. Nhưng
với kiến thức có hạn cũng như chưa có kinh nghiệm trong tính toán, thi công thực tế nên
khó có thể tránh được những sai sót. Chúng em kính mong tiếp tục được sự chỉ bảo của
các thầy, cô để chúng em hoàn thiện kiến thức hơn nữa.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Cơ khí – Trường
Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đặc biệt là thầy Nguyễn Đắc Lực cũng như các
bạn cùng gia đình đã động viên và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án
này.
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
i
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
CAM ĐOAN
Kính gửi
-Ban Giám Hiệu Nhà Trường Đại Học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng
-Khoa Cơ Khí - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng
Em tên là
Lớp
: NGUYỄN VĂN HOAN
MSSV:101140182
NGUYỄN VĂN BÌNH
MSSV:101140175
: 14CDT2
Khoa: Cơ Khí
Đề tài: Thiết kế và chế tạo Robot Scara phân loại sản phẩm
Tôi xin Cam Đoan
•
Không bịa đặt, đưa ra các thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn;
•
Không ngụy tạo số liệu trong quá trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập
hoặc hoạt động học thuật khác;
•
Không sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt động
học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình;
•
Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của người khác như thể là của mình,
trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác mà không có trích dẫn;
•
Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà không có trích
dẫn hoặc phân mảnh thông tin về kết quả nghiên cứu của mình để công bố trên nhiều ấn
phẩm.
Nhóm sinh viên thực hiện
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
ii
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
MỤC LỤC
TÓM TẮT
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................... ..i
CAM ĐOAN ............................................................................................................. ..ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ .iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ..................................................................... v
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT ................................................................ 1
1.1.
Giới thiệu chung về robot Scara ...................................................................... 1
1.1.1.
Khái niệm cơ bản ..................................................................................... 1
1.1.2.
Ứng dụng ................................................................................................. 1
1.2.
Tổng quan về hệ thống.................................................................................... 4
1.2.1.
Các thành phần cơ bản của robot .............................................................. 4
1.2.2 Đặt vấn đề .................................................................................................... 5
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT ......................................................... 7
2.1.
Phân tích và lựa chọn cấu trúc ........................................................................ 7
2.1.1.
Số bậc tự do cần thiết ............................................................................... 7
2.1.2.
Lựa chọn cấu trúc..................................................................................... 7
2.1.3.
Phương pháp truyền động động cơ ........................................................... 8
2.1.4.
Cơ cấu kẹp ............................................................................................... 8
2.1.5.
Các phương án thiết kế............................................................................. 9
2.1.6.
Lựa chọn cấu trúc thiết kế ........................................................................ 9
2.2.
Bài toán động học ......................................................................................... 10
2.2.1.
Các thông số ban đầu ............................................................................. 10
2.2.2.
Tĩnh học và động học ............................................................................. 11
2.2.3.
Động lực học tay máy ............................................................................ 17
2.3.
Thiết kế hệ dẫn động Robot .......................................................................... 24
2.3.1.
Giới thiệu một số hệ dẫn động hay dùng trong robot công nghiệp ............. 24
2.3.2.
Tính toán hệ dẫn động ............................................................................ 28
2.3.3.
Tính chọn động cơ ................................................................................. 28
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
iii
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
2.3.4.
Tính chọn bộ truyền đai ......................................................................... 29
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .......................................... 30
3.1.
Cấu trúc hệ thống điều khiển ........................................................................ 30
3.2.1.
Bộ điều khiển ......................................................................................... 30
3.2.2.
Ramboard 1.4 ......................................................................................... 31
3.2.3.
Driver A4988 ......................................................................................... 32
3.2.4.
Step Motor ............................................................................................. 33
3.2.5.
Nguồn .................................................................................................... 34
3.2.6.
Servo Motor ........................................................................................... 35
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN.............................. 37
4.1.
4.1.1.
Lý thuyết cảm biến vật cản hồng ngoại ......................................................... 37
Giới thiệu về cảm biến vật cản hồng ngoại IR-Infrared Obstacle Avoidance.
.................................................................................................................. 37
4.2.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống ................................................................ 39
4.3.
Sơ đồ thuật toán điều khiển........................................................................... 40
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
iv
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 1.1: Robot kiểu SCARA. ............................................................................................... 1
Hình 1.2: Delta SCARA Robot cho dây chuyền lắp ráp quạt. ................................................. 2
Hình 1.3: Yamaha SCARA Robot trong dây chuyền đóng gói sản phẩm tự động.................... 2
Hình 1.4: Epson SCARA Robot trong phân loại sản phẩm. .................................................... 3
Hình 1.5: G20 SCARA Robot trong giải trí. ........................................................................... 3
Hình 1.6: Các thành phần chính liên quan đến hệ thống robot................................................ 4
Hình 2.1: Cơ cấu Robot Scara 4 bậc tự do. .............................................................................. 7
Hình 2.2: Cơ cấu kẹp ............................................................................................................. 9
Hình 2.3: Mô hình 3D sơ bộ Robot Scara. .............................................................................10
Hình 2.4: Các thông số ban đầu của robot. ............................................................................10
Hình 2.5: Robot SCARA và các hệ tọa độ (vị trí ban đầu). ....................................................11
Bảng 2.1: Bảng thông số DH. ............................................................................................13
Hình 2.6: Một vị trí bất kỳ của robot. ....................................................................................15
Bảng 2.2: Thông số của robot. ...........................................................................................17
Hình 2.7: Bộ truyền bánh răng trụ. ........................................................................................25
Hình 2.8: Bộ truyền hành tinh. ..............................................................................................25
Hình 2.9: Bộ truyền đai.........................................................................................................26
Hình 2.10: Bộ truyền vít me – đai ốc.....................................................................................27
Hình 2.11: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E...............................................28
Hình 2.12: Bộ truyền đai răng. ..............................................................................................29
Hình 3.1: Module Arduino Mega 2560..................................................................................30
Bảng 3.1: Bảng thông số cơ bản của Arduino Mage............................................................31
Hình 3.2: Ramps Board 1.4. ..................................................................................................31
Hình 3.3: Driver A4988. .......................................................................................................32
Bảng 3.2: Bảng thông số 5 chế độ của Driver A4988...........................................................33
Hình 3.4: Step Motor. ...........................................................................................................34
Hình3.5: Nguồn tổ ong 12V-10A ..........................................................................................35
Hình 3.6: Nguồn xung 12V DC-1A.......................................................................................35
Hình 3.7: Secvo motor ..........................................................................................................36
Hình 4.1 Cảm biến vật cản hồng ngoại IR .............................................................................37
Hình 4.1 Cấu tạo cảm biến IR ...............................................................................................38
Hình 4.2 Nguyên lý phát-thu tia hồng ngoại ..........................................................................39
Hình 4.3: Sơ đồ thuật toán điều khiển ...................................................................................40
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
v
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1. Giới thiệu chung về robot Scara
1.1.1. Khái niệm cơ bản
Robot Scara ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản) là một
kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của quá trình sản xuất. Tên gọi SCARA là viết
tắt của “Selective Compliance Articulated Robot Arm”: Loại robot này thường dùng
trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt “Selective
Compliance Assembly Robot Arm”. SCARA là dạng phổ cập nhất trong ứng dụng công
nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ
dàng các cơ cấu tác động quay như các động cơ điện, động cơ đầu ép, khí nén.
Ưu điểm:
(1) Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn. Tỷ lệ kích thước/tầm
vươn được đánh giá cao.
(2) 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
và đặt chi tiết theo phương thẳng đứng. 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: Robot kiểu SCARA.
1.1.2. Ứng dụng
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
1
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
Với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp 4.0, robot ngày càng được áp
dụng nhiều trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp. Với những ưu điểm vượt trội
thì robot Scara đang rất được ưu chuộng trong công nghiệp lắp ráp, phân loại sản phẩm
Hình 1.2: Delta SCARA Robot cho dây chuyền lắp ráp quạt.
Hình 1.3: Yamaha SCARA Robot trong dây chuyền đóng gói sản phẩm tự động.
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
2
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
Hình 1.4: Epson SCARA Robot trong phân loại sản phẩm.
Hình 1.5: G20 SCARA Robot trong giải trí.
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
3
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
1.2. Tổng quan về hệ thống
1.2.1. Các thành phần cơ bản của robot
Cảm biến hồng
ngoại vật cản
Bộ Điều Khiển
Hệ thống dẫn động
Các khâu robot
Dụng cụ thao tác
Băng tải
Hình 1.6: Các thành phần chính liên quan đến hệ thống robot.
Hệ thống robot Scara được xây dựng từ các thành phần chính như: các khâu robot,
hệ thống dẫn động, máy tính, Dụng cụ thao tác… Mối liên hệ giữa các thành phần của
robot được thể hiện như hình 1.6.
Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ thao tác của robot
ở đây ta dùng tay kẹp để gắp và thả vật thể trên băng tải hoặc ở các khu vực khác do
người điều khiển quy định.
Các khâu robot là kết cấu cơ khí gồm 5 khâu: Khâu 0 là khâu cố định – để đặt cố
định robot ở 1 vị trí; Khâu 1, 2, 3, 4 lần lượt là khâu RRTR – tạo nên không gian làm
việc của robot. Các khâu được nối với nhau bằng các khớp bản lề và các cơ cấu khác
tạo nên hình dáng và các chuyển động cơ bản của robot.
Hệ thống dẫn động là các động cơ bước và servo tạo nên sự chuyển động của robot
và dụng cụ thao tác.
Bộ cảm biến hồng ngoại vật cản thực hiện việc phát hiện sản phẩm và truyển tín hiệu
cho Bộ điều khiển.
Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính và giải mã
tín hiệu sau đó truyền tín hiệu điều khiển đến các driver điều khiển động cơ để thực hiện
điều khiển góc quay cho động cơ. Bộ điều khiển còn thực hiện nhận các tín hiện phản
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
4
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
hồi của các công tắc hành trình, nút nhấn để thực hiện các chức năng được đề ra cho bộ
điều khiển.
Chương trình giao tiếp và điều khiển được viết ra nhằm thực hiện tính toán các
phương trình, giao tiếp giữa người vận hành với hệ thống điều khiển và thực hiện các
nguyên lý đề ra. Chương trình giao tiếp và điều khiển bao gồm chương trình giao tiếp
trên máy tính (CPU) và chương trình điều khiển cho bộ điều khiển. Chương trình giao
tiếp trên máy tính (CPU) được tạo ra nhằm nhận truyền dữ liệu điều khiển, thực hiện xử
lý tín hiệu nhận về để tìm ra vật để robot thực hiện tự động bắt vật thể đang di chuyển ở
vị trí cố định trên băng tải đồng thời có thể đưa vật thể đến vị trí mà người vận hành quy
định. Chương trình điều khiển cho bộ điều khiển thực hiện giải mã các dữ liệu từ máy
tính (CPU) truyền qua để điều khiển hệ thống dẫn động để thực hiện các chức năng
nguyên lý đề ra cho robot.
1.2.2 Đặt vấn đề
Nếu chúng ta muốn xây dựng robot Scara ứng dụng trong công nghiệp. Chúng ta cần
phải xây dựng robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng cài đặt
thông qua giao diện giao tiếp trên máy tính mà không cần can thiệp chỉnh sửa phần mềm.
Ngoài ra để năng cao thêm chức năng tự động phân loại hay tự động gắp vật thể trên
băng tải, nhưng vật thể này là luôn di chuyển (tức băng tải không dừng) và nằm ở vị trí
bất kỳ trên băng tải rộng thì chúng ta cần phải kết hợp với webcam. Khi kết hợp với
webcam chương trình máy tính tiến hành đếm số lượng, phân loại theo màu sắc và tìm
tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải, từ đó tạo robot vẫn bắt được vật thể ở vị trí
bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải không dừng, thông qua tọa độ điểm tìm được. Để
có thể thực hiện các yêu cầu đề ra ta cần phải giải quyết các vấn đề sau:
• Thứ nhất, nếu chúng ta biết được vị trí mong muốn của cơ cấu chấp hành (ví dụ,
chúng ta muốn gắp vật ở điểm có tọa độ X, Y, Z), chúng ta cần phải xác định góc tương
ứng của mỗi khâu => thiết lập động cơ ở đúng vị trí để chọn. Quá trình xác định như
vậy được biết đến như là phép tính ngược hay chính là giải động học ngược robot. Và ở
trường hợp hai, nếu chúng ta biết các góc của khâu chủ động (ví dụ, chúng ta đã đọc các
giá trị của bộ mã hoá động cơ), chúng ta cần xác định vị trí của cơ cấu chấp hành, quá
trình xác định như vậy được biết giải động học thuận robot. Ở đây để robot có thể chạy
theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng cài đặt bằng bằng các mã đơn giản do hệ
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
5
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
thống quy định (tức là chạy theo tọa độ điểm đươc cài đặt trước), ta cần quá trình giải
động học ngược robot…
• Thứ hai, tìm được tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải thông qua phương
trình bắt điểm bằng các tham số lấy từ webcam và robot như tọa độ ban đầu của robot,
tọa độ ban đầu của vật thể trên băng tải, vận tốc tương đối của robot. Từ đó robot vẫn
bắt được vật thể ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải không dừng. Giúp ta tăng
tốc độ cho dây chuyền sản suất bằng cách tạo cho Robot và băng tải hoạt động song
song nhau tức là robot vẫn bắt được vật thể trên băng tải dù băng tải đang hoạt động
thông qua tọa độ điểm tìm được.
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
6
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT
2.1. Phân tích và lựa chọn cấu trúc
2.1.1. Số bậc tự do cần thiết
Bậc tự do: Bậc tự do (BTD) của cơ cấu là thông số độc lập cần thiết để xác định vị
trí của cơ cấu, nó cũng là số khả năng chuyển động tương đối độc lập của cơ cấu đó.
W = 6n–(⅀j𝑝𝑗 - 𝑅𝑡𝑟ù𝑛𝑔 - 𝑅𝑡ℎừ𝑎 ) - 𝑊𝑡ℎừ𝑎
Ở đây: n - Số khâu động.
pj - Số khớp loại j (i = 1, 2,...,5: Số bậc tự do bị hạn chế).
𝑅𝑡𝑟ù𝑛𝑔 số rằng buộc trùng.
𝑅𝑡ℎừ𝑎 số rằng buộc thừa.
𝑊𝑡ℎừ𝑎 số bậc tự do thừa.
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 với số khâu động... Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do
bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
Bậc tự do của Robot Scara: Vì các khâu được nối với nhau bằng khớp quay và tịnh
tiến nên số bậc tự do bằng số khâu => W= 4.
2.1.2. Lựa chọn cấu trúc
Hình 2.1: Cơ cấu Robot Scara 4 bậc tự do.
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
7
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
Để khâu thao tác có thể di chuyển được trên mặt phẳng thẳng đứng yêu cầu ít nhất
sẽ phải có 2 bậc tự do cho việc di chuyển. Tuy nhiên nếu chỉ với hai bậc tự do kia thì
đối tượng sẽ phải di chuyển đến vị trí thích hợp mới có thể đảm bảo thực hiện chức
năng, như vậy yêu cầu tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận (việc vào/ ra mặt
phẳng làm việc) thì yêu cầu thêm 2 bậc tự do nữa, nên ta chọn cấu trúc Robot Scara 4
bậc tự do.
Kết cấu của Robot Scara 4 bậc tự do bao gồm các phần:
• Khâu 0 là khâu cố định;
• Khâu 1, 2 là 2 khâu quay được truyền động bởi 2 động cơ, các động cơ này gắn
chặt với khâu cố định;
• Khâu 3 là khâu tịnh tiến lên xuống được truyền động bằng động cơ thông qua bộ
truyền vít me;
• Khâu 4 là khâu quay nối với cơ cấu chấy hành tay kẹp và được truyền động bằng
động cơ.
2.1.3. Phương pháp truyền động động cơ
Truyền động giữa động cơ và khớp quay ta có 2 phương án là truyền trực tiếp từ
động cơ hoặc gián tiếp thông qua các bộ truyền (như bộ truyền đai, bánh răng, xích...).
Với ưu điểm nhỏ gọn, êm, đảm bảo tỉ số truyền độ chính xác cao, giá thành hợp lý và
rất phổ biến thì bộ truyền đai là lựa chọn thích hợp trong việc thiết kế robot.
2.1.4. Cơ cấu kẹp
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
8
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
Hình 2.2: Cơ cấu kẹp
Ở đây sử dụng cơ cấu kẹp được thiết kế thông qua động cơ servo để tạo lực kẹp.
2.1.5. Các phương án thiết kế
• Phương án 1: Robot 4DOF RRTR;
• Phương án 2: Robot 4DOF TRRR.
2.1.6. Lựa chọn cấu trúc thiết kế
Với kết cấu 5, 6 bậc tự do, Robot sẽ trở nên linh hoạt hơn tuy nhiên việc tính toán
thiết kế và chế tạo cũng phức tạp hơn. Một phần nhu cầu bài toán đặt ra không cần quá
phức tạp nên để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu của bài
toán đặt ra, ta lựa chon phương án thiết kế Robot 4 bậc tự do (phương án số 1) có 2 khâu
quay xác định vị trí và bao quát các điểm trên mặt phẳng, một khâu chuyển động tịnh
tiến để xác định tọa độ theo chiều cao sản phẩm và khâu cuối xác định chiều hướng sản
phẩm để gắp.
Mô Hình 3D Tổng Quát Robot
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
9
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
Hình 2.3: Mô hình 3D sơ bộ Robot Scara.
2.2. Bài toán động học
2.2.1. Các thông số ban đầu
Hình 2.4: Các thông số ban đầu của robot.
Ðộ phân giải các khớp:
𝑃𝑔1 = 0,006° ; 𝑃𝑔2 = 0,006° ; 𝑃𝑔3 = 0,1𝑚𝑚 ; 𝑃𝑔4 = 0,15°.
Kích thuớc phôi:
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
10
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
𝑋𝑝 = 15𝑚𝑚; 𝑌𝑝 = 40𝑚𝑚; 𝑍𝑝 = 15𝑚𝑚.
Khối luợng: m=90g.
Khoảng cách từ tay kẹp đến băng tải: 𝑍1 = 60𝑚𝑚.
Khoảng cách từ tay kẹp đến hộp: 𝑍2 ≤ 260𝑚𝑚.
Tọa độ gắp phôi trên băng tải:
𝑋𝑝 =? 𝑚𝑚; 𝑌𝑝 =? 𝑚𝑚; 𝑍𝑝 =? 𝑚𝑚.
Tọa độ thả phôi vào hộp:
𝑋𝑝 =? 𝑚𝑚; 𝑌𝑝 =? 𝑚𝑚; 𝑍𝑝 =? 𝑚𝑚.
Động cơ sử dụng động cơ buớc .
Thời gian vận chuyển phôi từ A-B: T=3,4s.
2.2.2. Tĩnh học và động học
Hình 2.5: Robot SCARA và các hệ tọa độ (vị trí ban đầu).
2.2.2.1. Kích thước các khâu Robot
• Khâu số 4
Tay kẹp dùng để gắp phôi:
Phôi có kích thước: 14x50x14mm => độ rộng tối đa của tay kẹp ta chọn 20mm,
độ rộng tối thiểu của tay kẹp bằng kích thước phôi 14mm.
Chiều dài ngón tay kẹp => độ cao của phôi =>chọn chiều dài là 15mm.
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
11
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
• Khâu số 3 (khâu tịnh tiến)
Ví trí gắp và thả phôi có độ cao từ 60-260mm và chiều dài tay kẹp 15mm => ta
chọn giới hạn làm việc của 𝑑3 = 50 ÷ 300𝑚𝑚.
• Khâu số 2 và khâu số 1:
Tọa độ điểm đặt phôi trên băng tải:
𝑥𝑝1 = 0
𝑦𝑝1 = 150
Tọa độ điểm thả phôi:
𝑥𝑝1 = 350
𝑦𝑝1 = 0
=> 𝑎1 + 𝑎2 ≥ 350 𝑚𝑚
Ta chọn:
𝑎1 + 𝑎2 = 400 𝑚𝑚
𝑎1 = 𝑎2 = 200 𝑚𝑚
• Trục cố định tay máy (khâu số 0)
Chiều cao: 400mm
Chiều rộng: 100mm
Chiều dài: 200mm
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
12
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
2.2.2.2. Động học thuận Robot
Khâu
𝜃𝑖
∝𝑖
𝑎𝑖
𝑑𝑖
1
𝜃1∗
0
𝑎1
0
2
𝜃2∗
180°
𝑎2
0
3
0
0
0
𝑑3∗
4
𝜃4∗
0
0
𝑑4
Bảng 2.1: Bảng thông số DH.
Tìm ma trận biến đổi thuần nhất 𝐴𝑖 :
𝐴1 =
𝐴2 =
𝐴3 =
𝐴4 =
cos 𝜃1∗
−sin 𝜃1∗
0
𝑎1 cos 𝜃1∗
sin 𝜃1∗
cos 𝜃1∗
0
𝑎1 sin 𝜃1∗
0
0
1
0
0
0
0
1
cos 𝜃2∗
sin 𝜃2∗
0
𝑎2 cos 𝜃2∗
sin 𝜃2∗
−cos 𝜃2∗
0
𝑎2 sin 𝜃2∗
0
0
−1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
𝑑3∗
0
0
0
1
cos 𝜃4∗
−sin 𝜃4∗
0
0
sin 𝜃4∗
cos 𝜃4∗
0
0
0
0
1
𝑑4
0
0
0
1
𝑐1 𝑐2 𝑐4 − 𝑠1 𝑠2 𝑐4
+𝑠2 𝑠4 𝑐1 + 𝑠1 𝑠4 𝑐2
𝑠1 𝑠2 𝑠4 − 𝑠4 𝑐1 𝑐2
+𝑠2 𝑐1 𝑐4 + 𝑠1 𝑐2 𝑐4
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
13
0
𝑎2 𝑐1 𝑐2 − 𝑎2 𝑠1 𝑠2
+𝑎1 𝑐1
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
𝑠1 𝑐2 𝑐4 + 𝑠2 𝑐1 𝑐4
+𝑠1 𝑠2 𝑠4 − 𝑠4 𝑐1 𝑐2
−𝑠1 𝑠4 𝑐2 − 𝑠2 𝑠4 𝑐1
+𝑠1 𝑠2 𝑐4 − 𝑐1 𝑐2 𝑐4
0
𝑎2 𝑠1 𝑐2 + 𝑎2 𝑠2 𝑐1
+𝑎1 𝑠1
0
0
−1
−𝑑4 − 𝑑3∗
0
0
0
1
Ma trận vecto cuối 𝑇4 =
Với: 𝑐1 = cos 𝜃1∗ ; 𝑐2 = cos 𝜃2∗ ; 𝑐4 = cos 𝜃4∗
𝑠1 = sin 𝜃1∗ ; 𝑠2 = sin 𝜃2∗ ; 𝑠4 = sin 𝜃4∗ .
Hệ phương trình xác định vị trí của khâu chấp hành:
𝑥𝑝 = 𝑎2 𝑐1 𝑐2 − 𝑎2 𝑠1 𝑠2 + 𝑎1 𝑐1 = 𝑎2 𝑐12 + 𝑎1 𝑐1 (1)
𝑦𝑝 = 𝑎2 𝑠1 𝑐2 + 𝑎2 𝑠2 𝑐1 + 𝑎1 𝑠1 = 𝑎2 𝑠12 + 𝑎1 𝑠1 (2)
𝑧𝑝 = −𝑑4 − 𝑑3∗
(3)
Với: 𝑐12 = cos(𝜃1∗ + 𝜃2∗ ) = 𝑐1 𝑐2 − 𝑠1 𝑠2
𝑠12 = sin(𝜃1∗ + 𝜃2∗ ) = 𝑠1 𝑐2 + 𝑐1 𝑠2.
2.2.2.3 Động học ngược
cos 𝜃1∗
−sin 𝜃1∗
0
𝑎1 cos 𝜃1∗
sin 𝜃1∗
cos 𝜃1∗
0
𝑎1 sin 𝜃1∗
0
0
1
0
0
0
0
1
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
14
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Thiết kế Robot Scara phân loại sản phẩm
Hình 2.6: Một vị trí bất kỳ của robot.
Ta bình phương 2 vế của pt (1) và (2) ta được:
2
𝑥𝑝2 = (𝑎2 𝑐12 + 𝑎1 𝑐1 )2 = 𝑎22 𝑐12
+ 2𝑎1 𝑎2 𝑐1 𝑐12 + 𝑎12 𝑐12
2
𝑦𝑝2 = (𝑎2 𝑠12 + 𝑎1 𝑠1 )2 = 𝑎22 𝑠12
+ 2𝑎1 𝑎2 𝑠1 𝑠12 + 𝑎12 𝑠12
Suy ra: 𝑥𝑝2 + 𝑦𝑝2 = 𝑎12 + 𝑎22 + 2𝑎1 𝑎2 𝑐2
Suy ra: 𝑐2
=
2 +𝑦 2 −𝑎2 −𝑎2
𝑥𝑝
𝑝
1
2
2𝑎1 𝑎2
(*)
Ta nhân 2 vế của pt (1) với 𝑥𝑝 và nhân 2 vế của pt (2) với 𝑦𝑝 ta được:
𝑥𝑝2 = 𝑐1 (𝑎2 𝑐2 + 𝑎1 )𝑥𝑝 − 𝑎2 𝑠1 𝑠2 𝑥𝑝
𝑦𝑝2 = 𝑠1 (𝑎2 𝑐2 + 𝑎1 )𝑦𝑝 + 𝑎2 𝑠2 𝑐1𝑦𝑝
Suy ra: 𝑥𝑝2 + 𝑦𝑝2 = 𝑐1 [(𝑎2 𝑐2 + 𝑎1 )𝑥𝑝 + 𝑎2 𝑠2 𝑦𝑝 ] + 𝑠1 [(𝑎2 𝑐2 + 𝑎1 )𝑦𝑝 − 𝑎2 𝑠2 𝑥𝑝 ]
Suy ra: 𝑐1
Suy ra:
[𝑐2 +𝑎1 )𝑥𝑝 +𝑎2 𝑠2 𝑦𝑝 ]
𝑐1 =
𝑠1 =
𝑥𝑝2 +𝑦𝑝2
+ 𝑠1
[(𝑎2 𝑐2 +𝑎1 )𝑦𝑝 −𝑎2 𝑠2 𝑥𝑝 ]
𝑥𝑝2 +𝑦𝑝2
[𝑐2 +𝑎1 )𝑥𝑝 +𝑎2𝑠2 𝑦𝑝 ]
=1
(**)
2 +𝑦 2
𝑥𝑝
𝑝
[(𝑎2 𝑐2 + 𝑎1 )𝑦𝑝 − 𝑎2 𝑠2𝑥𝑝 ]
𝑥𝑝2 + 𝑦𝑝2
Theo ma trận 𝑇4 ta có:
SVTH: Nguyễn Văn Hoan-Nguyễn Văn Bình
15
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
