ĐATN Phần cơ khí Cánh tay RObot 6 bậc tự do

TĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁNH TAY ROBOT 6 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GẮP SẢN PHẨM SVTH Nguyễn Văn Trào Mã SV 11018124 GVHD Th S Trịnh Thanh Nga Hưng Yên, tháng 6 năm 2022 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã cho phép thực hiện đề tài này Cảm ơn Khoa Cơ khí và Bộ môn Cơ điện tử đã luôn tạo điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình thực hiện đề tài Cảm ơn Th.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ – BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MƠ HÌNH CÁNH TAY ROBOT BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GẮP SẢN PHẨM SVTH : Nguyễn Văn Trào Mã SV: 11018124 GVHD: Th.S Trịnh Thanh Nga Hưng Yên, tháng năm 2022 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên cho phép thực đề tài Cảm ơn Khoa Cơ khí Bộ mơn Cơ điện tử ln tạo điều kiện tốt suốt q trình thực đề tài Cảm ơn Th.S Trịnh Thanh Nga tận tình hướng dẫn chun mơn để nhóm thực hoàn thành đề tài nghiên cứu Em xin cảm ơn gia đình bạn bè giúp đỡ, động viên, hộ trợ em thời gian qua Tuy nhiên thời gian thực đồ án em cịn vài thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp nhiệt tình q thầy Sau em xin kính chúc tất thầy cô Khoa sức khỏe dồi để tiếp tục dìu dắt hệ học trị tới thành công Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nguyễn Văn Trào CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 12 1.1 Tính cấp thiết đề tài 12 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 13 1.3 Phạm vi nghiên cứu 13 1.4 Phương pháp nghiên cứu 13 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 13 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT 14 2.1 Khái niệm cấu trúc chung 14 2.1.1 Khái niệm 14 2.1.2 Cấu trúc chung 15 2.2 Tính tốn .17 2.3 Thiết kế cánh tay 23 2.3.1 Tổng quan cánh tay robot 23 2.3.2 Lắp ráp cánh tay 25 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN .33 3.1 Tính tốn 33 3.1.1 Tĩnh học 33 3.1.2 Động lực học robot 34 3.1.3 Ma trận khối lượng 37 3.1.4 Lực quán tính Coriolis quán tính li tâm 39 3.1.5 Thế năng, lực .39 3.1.6 Lực suy rộng lực không 40 3.2 Chọn sản phẩm 40 3.2.1 Các động sevor 40 3.2.2 Arduino Uno R3 .43 3.2.3 Các nguồn 46 3.2.4 Băng tải .47 3.3 Nguyên lý hoạt động .49 3.3.1 Sơ đồ khối 49 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý 50 3.3.3 Mạch điện hoàn chỉnh 51 3.3.4 Sản phẩm hoàn thiện 52 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 53 4.1 Kết luận 53 4.2 Hướng phát triển đề tài 54 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Các loại tự động hóa 13 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chung 15 Hình 2.3 Mơ hình hóa cánh tay robot bậc tự 16 Hình 2.4 Khung cánh tay robot giá lắp động 23 Hình 2.5 Khớp quay cánh tay máy 23 Hình 2.6 Tay gắp Robot 24 Hình 2.7 Chân đế cánh tay robot 25 Hình 2.8 Lắp vòng bi vào giá lắp động .25 Hình 2.9 Ráp khung cánh tay vào vòng bi lắp đặt giá lắp động 26 Hình 2.14 Tiếp tục lắp cánh tay động vào đế quay 28 Hình 2.15 Lắp ráp khung cánh tay robot 29 Hình 2.16 Lắp ráp cánh tay động .29 Hình 2.17 Khớp cuối cánh tay 30 Hình 2.18 Lắp khớp cuối động vào cánh tay 30 Hình 2.19 Trục xoay robot 31 Hình 2.20 Lắp động vào tay kẹp 31 Hình 2.21 Cánh tay hoàn chỉnh 32 Hình 3.2 Mơ hình Robot 35 Hình 3.3 Động sevor MG 90S .40 Hình 3.4 Động sevor MG 966R 41 Hình 3.5 Động sevor TD – 8120 43 Hình 3.6: Các chân arduino 44 Hình 3.7 Nguồn tổ ong 5V-12A .46 Hình 3.8 Nguồn tổ ong 5V-10A .47 Hình 3.9 Mơ hình băng tải .48 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý 50 Hình 3.10 Mạch điện hoàn chỉnh .51 Hình 3.14 Sản phẩm hồn thiện .52 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các tham số động học .28 Bảng 3.2 Chiều dài momen quán tính khâu 31 Bảng 3.2 Dây kết nối MG 90S 35 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật Arduino R3 40 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết đề tài Thế giới trình cách mạng cơng nghiệp 4.0, mang đến cho nhận loại hội để thay đổi mặt kinh tế Cùng với hứa hẹn ‘đổi đời’ doanh nghiệp Việt Nam Tự động hóa robot xu hướng quan trọng tương lai cơng nghiệp Tự động hóa đem lại mức độ xác xuất cao Cơng nghệ chí hoạt động tốt số môi trường làm việc khắc nhiệt khơng an tồn với người Ngành cơng nghiệp robot giới phát triển mạnh mẽ với nhiều hãng sản xuất robot công nghiệp khác Có nhiều quốc gia giới nghiên lĩnh vực : Nhật Bản, Mỹ, Úc, Nga Và kết đạt khiến người không ngạc nhiên Các sản phẩm robot công nghiệp ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau, robot ứng dụng môi trường đa dạng cơng xưởng, ngồi vũ trụ, biển hay chí đường ống nước thải Mục đích để phục vụ sản xuất, chí phục vụ nhu cầu giải trí chăm sóc người Hiện nước ta doanh nghiệp trường đại học quan tâm đến thi công nghệ Sáng tạo robot Việt nam-Robocon, robottics quốc tế Trên thị trường có nhiều mơ hình robot phục vụ học tập nghiên cứu với giá thành hợp lý Với phát triển mạnh mẽ cơng nghiệp máy tính cách mạng công nghiệp 4.0 giới nước ta Cơng nghiệp tự động hóa robot phát triển nở rộ kèm theo nhu cầu nguồn lao động có trình độ làm chủ công nghệ Do em chọn đề tài ‘NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO MƠ HÌNH CÁNH TAY ROBOT BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM’, để nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động robot vận dụng kiến thức học 1.2 Mục tiêu nghiên cứu  Nghiên cứu tổng quan cánh tay robot tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động robot  Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý ứng dụng Arduino sử dụng để điều khiển cánh tay robot  Vận dụng kiến thức học tìm hiểu xây dựng mơ hình cánh tay robot hoạt động lập trình 1.3 Phạm vi nghiên cứu  Cánh tay robot hoạt động với công suất 68W  Trọng lượng vật gắp không vượt 20kg  Cánh tay robot bậc tự ứng dụng phịng thực hành thí nghiệm 1.4 Phương pháp nghiên cứu – Nghiên cứu sở khoa học thực tiễn chế tạo, điều khiển robot – Nghiên cứu phương trình động học ngược robot – Nghiên cứu ứng dụng phần gia cơng khí để chế tạo cánh tay robot – Nghiên cứu ứng dụng mạch Arduino để điều khiển cánh tay robot 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Kết nghiên cứu đề tài ứng dụng xây dựng cánh tay robot tự động gắp phân loại sản phẩm dựa theo màu sắc, dựa theo hình dáng, hay chia sản phẩm từ băng truyền xếp vào thùng/khay Ngoài cánh tay máy cịn ứng dụng vào hàn, cắt hay đơn giản nâng vật nặng Mơ hình kết đề tài làm thiết bị thí nghiệm thực hành tốt trực quan cho sinh viên chuyên ngành Cơ Điện Tử CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT 2.1 Khái niệm cấu trúc chung 2.1.1 Khái niệm  Mặc dù, định nghĩa chung Robot nêu, giới hạn phạm vi ứng dụng Robot, có thực tế hầu hết Robot có dùng cơng nghiệp Chúng có đặc điểm riêng kết cấu, chức thống hóa, thương mại hóa rộng rãi  Kỹ thuật tự động hóa cơng nghiệp đạt tới trình độ cao: Khơng tự động hóa trình vật lý mà trình xử lý thơng tin Vì vậy, tự động hóa cơng nghiệp tích hợp cơng nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động có tự động hóa nhờ máy tính Hình 2.1 Các loại tự động hóa Robot có đặc trưng bản:  Là thiết bị vạn năng, tự động hóa theo chương trình lập trình lại để đáp ứng cách linh hoạt, khéo léo nhiệm vụ khác  Được ứng dụng trường hợp mang tính cơng nghiệp đặc trưng vận chuyển xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường,…  Do thể đặc trưng Robot công nghiệp, định nghĩa sau Robot công nghiệp viện nghiên cứu Robot Mỹ đề xuất sử dụng rộng rãi: Robot công nghiệp tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình cót hể lập trình lại để hồn thành nâng cao hiệu hoàn thành nhiệm vụ khác công nghiệp, vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng khác Hiện nhu cầu sử dụng Robot công nghiệp ngày tăng, loại Robot chế tạo ngày đa dạng , độ xác cao hơn, linh hoạt hơn, giá phù hợp hơn, suất tuổi thọ cao Mặc dù dải ứng dụng Robot ngày mở rộng, theo thống kê vào năm 2000 Mỹ , lượng Robot hàn xử lý phôi chiếm khoảng 78% tổng số lượng Robot cơng nghiệp sử dụng thời điểm đó.Số lượng Robot lắp ráp chiếm khoảng 10% , phần lại loại Robot công nghiệp khác 2.1.2 Cấu trúc chung Mọi Robot cấu thành hệ thống sau:  Tay máy (manipulator) cấu khí gồm khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo chuyển động bản, cổ tay tạonênsựkhéoléo, linh hoạt bàn tay (end effector) để trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng  Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho khâu tay máy Nguồn động lực cấu chấp hành động loại: điện, thủy lực, khí nén kết hợp chúng 3.1.6 Lực suy rộng lực không Qj = ) 3.2 Chọn sản phẩm 3.2.1 Các động sevor MG 90S  MG90S động servo siêu nhỏ với bánh kim loại Servo nhỏ nhẹ có cơng suất đầu cao, lý tưởng cho máy bay điều khiển, Fly-cam (Quadcopter) cánh tay Robot Hình 3.3 Động sevor MG 90S  Mơ tả dây kết nối MG 90S Số dây Màu dây Mô tả Màu nâu Dây nối đất hệ thống Màu đỏ Dây cấp nguồn 5V Màu cam Tín hiệu PWM đưa vào qua dây để điều khiển động Bảng 3.2 Dây kết nối MG 90S 34  Các thông số MG 90S  Điện áp hoạt động: 4,8V đến 6V (Thường 5V)  Momen xoắn: 1,8 kg / cm (4,8V)  Momen xoắn cực đại: 2,2 kg / cm (6V)  Tốc độ hoạt động 0,1s / 60 ° (4,8V)  Loại bánh răng: Kim loại  Góc xoay: ° -180 °  Trọng lượng động cơ: 13,4gm  Package gồm bánh ốc vít MG 966R  Động RC Servo MG996 loại thường sử dụng nhiều thiết kế Robot dẫn hướng xe Động RC Servo MG996 có lực kéo mạnh, khớp bánh làm hồn tồn kim loại nên có độ bền cao, động tích hợp sẵn driver điều khiển động bên theo chế phát xung - quay góc nên dễ sử dụng 35 Hình 3.4 Động sevor MG 966R  Thông số kỹ thuật:  Chủng loại: Analog RC Servo  Điện áp hoạt động: 4.8~6.6VDC  Lực kéo: o 3.5 kg-cm (180.5 ozin) at 4.8V-1.5A o 5.5 kg-cm (208.3 ozin) at 6V-1.5A Tốc độ quay:  o 0.17sec / 60 degrees (4.8V no load) o 0.13sec / 60 degrees (6.0V no load)  Kích thước: 40mm x 20mm x 43mm  Trọng lượng: 55g TD – 8120  Các đặc điểm TD – 8120  Được làm chất liệu cao cấp, chắn, bền hiệu suất tốt 36  Bề mặt Anodized để tản nhiệt tốt, tăng cường độ cứng vỏ, đảm bảo động servo hoạt động tốt  Nhiều lớp chống thấm nước phù hợp với điều kiện hoạt động khác Sử dụng ổ lăn nhập bánh kim loại, độ xác cao, tiếng ồn thấp quay trơn tru  Chiết áp nhập tích hợp (Tuổi thọ triệu lần quay), nội địa hóa xác  Máy chủ IC sử dụng ASIC tiên tiến để xử lý tín hiệu, với độ phân giải cao hơn, phản hồi nhanh, mơ-men xoắn mạnh góc quay mượt mà Hình 3.5 Động sevor TD – 8120  Các thông số kĩ thuật:  Điện áp hoạt động: 4.8V – 6.6V  Mô- men xoắn: 18,5kg-cm - 21,8kg-cm 37  Tốc độ: 0,18ces / 60° - 0,14ce / 60°  Kích thước: 40mm x 20mm x 40,5mm  Trọng lượng: 65G 3.2.2 Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 sử dụng vi điều khiển ATmega328, tương thích với hầu hết loại Arduino Shield thị trường, gắn thêm module mở rộng để thực thêm chức điều khiển motor, kết nối wifi hay chức khác Sử dụng ngơn ngữ lập trình C,C++ Arudino, ngơn ngữ bắt nguồn từ C,C++ phần mềm riêng cho lập trình Arduino IDE Hình 3.6: Các chân arduino 38 Các chân nguồn: Arduino Uno R3 cấp nguồn 5V qua cáp usb cấp nguồn ngồi thơng qua Adaptor chuyển đổi , với điện áp khuyên dùng khoảng 6-9V Có thể cấp nguồn từ máy tính qua cổng usb Các chân 5V, 3.3V chân dùng để cấp nguồn đầu cho thiết bị chân cấp nguồn vào Vin(Voltage Input): Dùng để cấp nguồn cho Arduino Uno, nối dương cực vào chân nà cực âm vào chân GND GND(Ground): Cực âm nguồn điện cấp cho Arduino Uno Khi sử dụng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt phải nối chân IOREF: Điện áp hoạt động Arduino, có mức điện áp 5V Khơng sử dụng để lấy nguồn từ chân RESET: Việc nhấn nút RESET mạch arduino tương tự nối chân RESET với GND qua điện trở 10KΩ Các chân vào/ra Arduino Uno R3: Arduino Uno R3 có 14 chân digital dùng để đọc ghi liệu Chúng hoạt động mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40 mA Thông số kỹ thuật Vi điều khiển ATmega328 Điện áp hoạt động 5V(cấp qua cổng usb) Điện áp khuyến nghị 6-9V Số chân digital I/O 14 chân( chân PWM) Số chân analog chân Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500mA Dòng tối đa(3.3V) 50mA Bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328) với 0.5 KB dùng 39 bootloader SRAM KB(ATmega328) EEPROM KB(ATmega328) Giao động thạch anh 16 MHz Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật Arduino R3 3.2.3 Các nguồn Nguồn 5V - 12A  Các đặc điểm:  Sử dụng cho mạch công suất  Biến đối điện áp xoay AC chiều thành điện áp chiều DC  Thường sử dụng cho hệ thống tủ điều khiển tự động, mạch led hệ thống camera … Hình 3.7 Nguồn tổ ong 5V-12A 40  Thông số kỹ thuật:  Điện áp vào: AC 110-240V (50-60HZ)  Điện áp ra: DC 5V - 12A Nguồn 5V – 10A  Nguồn tổ ong 5V 10A thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 180VAC-240VAC thành nguồn chiều 5VDC Nguồn tổ ong nguồn sử dụng rộng rải thiết bị điện dân dụng cơng nghiệp Hình 3.8 Nguồn tổ ong 5V-10A  Thông số Nguồn tổ ong 5V 10A:     Cơng suất: 50W Dịng đầu tối đa: 10A Nhiệt độ làm việc: -10 ~ 60 độ C Kích thước: 160 x 48 x 42mm 41 3.2.4 Băng tải Do mơ hình phịng thí nghiệm nên ta cần chọn nhỏ để mô gắp vật Ta chọn băng tải với kích thước 60×50mm động tải 48rmp 24v Hình 3.9 Mơ hình băng tải 42 3.3 Ngun lý hoạt động 3.3.1 Sơ đồ khối Sơ đồ: Cảm biến Arduino Nguồn điện Dừng khẩn cấp Nút nhấn Start Stop Băng tải 43 Động servo 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý  Mạch hoạt động theo nguyên lý: Sau ấn Start, băng tải chạy cảm biến phát có vật đến dừng, cánh tay robot gắp sản phẩm vào khay đựng trở vị trí ban đầu, sau băng tải tiếp tục chạy Khi ấn stop, cánh tay trình gắp sản phẩm hệ thống dừng sau cánh tay hồn thành xong việc gắp, thả sản phẩm trở vị trí ban đầu 44 3.3.3 Mạch điện hồn chỉnh Hình 3.10 Mạch điện hồn chỉnh 45 3.3.4 Sản phẩm hồn thiện Hình 3.14 Sản phẩm hồn thiện 46 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 4.1 Kết luận Sau khoảng thời gian tháng nghiên cứu, đồ án đạt số nội dung sau: Về mặt sản phẩm : Ưu điểm: - Hoàn thiện xong mơ hình Robot - Thiết kế cánh tay Robot mô cử người - Các khớp, khuỷu Robot chạy yêu góc yêu cầu Nhược điểm: - Thiết kế tạo hình Robot chưa đạt tính thẩm mĩ cao thiếu kinh phí thực đề tài - Lúc ấn khởi động cánh tay gắp vật dung lắc nhẹ - Do kết cấu khí chưa đạt độ cứng vứng nên q trình chuyển động cịn rung lắc Về mặt kiến thức:  Xây dựng thành công mô hình cánh tay Robot bậc tự ứng dụng phịng thực hành, phịng thí nghiệm  Kết nối thành công để cánh tay Robot bậc tự hoạt động trơn tru  Viết chương trình điều khiển Robot bậc tự  Điều khiển nhiều động Servo lúc 47 4.2 Hướng phát triển đề tài Do hạn chế mặt thời gian nên chưa phát triển đề tài nhiều Nhưng với thiết bị có sẵn em xin đề số hướng phát triển cho đề tài sau:  Ứng dụng tốn lập trình thực hành  Cải thiện cách tay Robot gắp vập xác trơn tru  Phát triển mơ hình thành sản phẩm thực tế làm việc chất lượng 48 ... cánh tay 2.3.1 Tổng quan cánh tay robot Khung cánh tay máy bao gồm chân đế lắp trục quay cánh tay máy,trên trục quay cánh tay với khớp quay Cuối cánh tay máy mặt bích xoay lắp cấu gắp, kẹp 16. .. tự phần cơng tác Ngồi để định vị định hướng phần công tác cách tùy ý không gian chiều cần có bậc tự do, bậc tự để định vị trí, bậc tự để định hướng 2.2 Tính tốn Hình 2.3 Mơ hình hóa cánh tay robot. .. Lắp ráp khung cánh tay robot 22 Hình 2.13 Tiếp tục lắp cánh tay động vào đế quay Hình 2.14 Lắp ráp khung cánh tay robot 23 Hình 2.15 Lắp ráp cánh tay động Hình 2. 16 Khớp cuối cánh tay Hình 2.17