Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành cơ điện tử đề tài nghiên cứu, thiết kế rô bốt scara 3 bậc tự do

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu, thiết kế rô bốt Scara bậc tự Giáo viên hướng dẫn: Ths LÊ NGỌC DUY Nhóm sinh viên thực hiện: VŨ MINH ĐỨC 2017600781 ĐỖ ĐỨC HIẾU 2017600874 NGUYỄN HUY HỒNG 2017601597 Hà Nội – 2021 BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Họ tên sinh viên: Vũ Minh Đức MSSV: 2017600781 Lớp: CĐT1 Khóa: 12 Đỗ Đức Hiếu MSSV: 2017600874 Lớp: CĐT1 Khóa: 12 Nguyễn Huy Hồng MSSV: 2017601597 Lớp: CĐT1 Khóa: 12 Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế rô bốt Scara bậc tự Mục tiêu đề tài:  Phân tích, tổng hợp đề xuất giải pháp cho vấn đề kỹ thuật liên quan đến q trình điều khiển rơ bốt Scara Vận dụng kiến thức khí, điện, điện tử, điều khiển tích hợp để thiết kế, chế tạo hệ thống tự động, hệ thống điện tử  Sử dụng phần mềm chuyên dụng để thiết kế mô hệ thống điện tử  Lựa chọn linh kiện, thiết bị lắp ráp hoàn chỉnh sản phẩm điện tử  Có khả tổng hợp, viết báo cáo, trình bày phản biện khoa học Kết dự kiến (Phần liệt kê nội dung, kết cần đạt ĐA/KLTN phải bám sát mục tiêu đề tài)  Thiết kế, chế tạo mô hình rơ bốt Scara  Lập trình thuật tốn điều khiển theo điều khiển Thời gian thực hiện: từ 22/03/2021 đến 09/05/2021 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TRƯỞNG KHOA (Ký ghi rõ họ tên) TS Nguyễn Văn Thiện NỘI DUNG THỰC HIỆN Bố cục thuyết minh đề tài: Nội dung nghiên cứu SV thực Chương 1: Tổng quan rô bốt Scara 1.1 Lịch sử nghiên cứu Vũ Minh Đức 1.2 Mục tiêu đề tài Đỗ Đức Hiếu 1.3 Phương pháp thực đề tài Nguyễn Huy Hồng Chương 2: Mơ hình tốn học rơ bốt Scara 2.1 Tính tốn lựa chọn phương pháp điều khiển Vũ Minh Đức 2.3 Mơ hình tốn học hệ thống điều khiển Nguyễn Huy Hồng Chương 3: Tính tốn, thiết kế rơ bốt Scara 3.1 Tính tốn, thiết kế hệ thống khí Đỗ Đức Hiếu 3.2 Tính tốn, thiết kế hệ thống điện, điện tử Nguyễn Huy Hoàng 3.2 Tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển Vũ Minh Đức Kết luận Đỗ Đức Hiếu Bản vẽ: TT Tên vẽ Khổ giấy Số lượng SV thực Bản vẽ lắp hệ thống khí A0 Đỗ Đức Hiếu Bản vẽ hệ thống điều khiển A1 Nguyễn Huy Hoàng Lưu đồ thuật toán điều khiển A1 Vũ Minh Đức Mơ hình/ sản phẩm (nếu có) Trình bày ngắn gọn thơng số kỹ thuật mơ hình/ sản phẩm SV thực Nội dung công việc  Chế tạo, lắp ráp hệ thống khí Vũ Minh Đức  Lắp ráp mạch điều khiển Đỗ Đức Hiếu  Lập trình hệ thống điều khiển Nguyễn Huy Hồng * Ghi chú: Nhiệm vụ sinh viên đề tài phân cơng theo chương theo nội dung công việc MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU .9 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 11 1.1 Lịch sử nghiên cứu 11 1.1.1 Sơ lược lịch sử q trình phát triển robot cơng nghiệp .11 1.1.2 Giới thiệu chung cánh tay robot 15 1.2 Mục tiêu đề tài 19 1.3 Phương pháp thực đề tài 20 CHƯƠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ROBOT SCARA .21 2.1 Tính tốn, lựa chọ phương pháp điều khiển 21 2.1.1 Phương pháp Denavit – Hartenberg(D-H) .21 2.1.2 Ma trận hệ trục tọa độ theo quy tắc D-H 22 2.2 Mơ hình tốn học hệ thống điều khiển 23 2.2.1 Phương trình động học thuận 23 2.2.2 Phương trình động học nghịch 25 CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ ROBOT SCARA .28 3.1 Tính tốn, thiết kế hệ thống khí 28 3.1.1 Yêu cầu thiết kế 28 3.1.2 Mơ hình thiết kế tay máy bậc tự 28 3.1.3 Tính tốn lực tác động, cơng suất cần thiết .29 3.1.4 Tính toán truyền đai 32 3.2 Tính tốn, thiết kế hệ thống điện, điện tử 35 3.2.1 Tính tốn lựa chọn vi điều khiển .35 3.2.2 Chọn động điều khiển 36 3.2.3 Driver điều khiển động 38 3.2.4 Cơng tắc hành trình 39 3.3 Tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển .40 3.3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển .40 3.3.2 Mơ hình hóa mơ 43 3.4 Tổng hợp tích hợp hệ thống 47 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI .53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Robot tay máy 11 Hình 1.2 Robot Scara 12 Hình 1.3 Robot công nghiệp hãng Tosy Robotics, Việt Nam .13 Hình 1.4 Xưởng hàn thân xe hãng xe VinFast 14 Hình 1.5 Robot tay máy bậc tự 16 Hình 1.6 Robot tay máy hàn ứng dụng công nghiệp 17 Hình 1.7 Cơ cấu hệ tọa độ trụ 18 Hình 1.8 Tay máy robot tọa độ cầu 18 Hình 1.9 Tay máy robot dạng Scara 18 Hình 1.10 Tay máy robot tọa độ Đề Các 19 Hình 2.1 Quy tắc đặt trục tọa độ 21 Hình 2.2 Đặt hệ trục tọa độ lên khâu cảu robot 23 Hình 2.3 Bài tốn động học nghịch 25 Hình 3.1 Mơ hình Robot tay máy Scara 29 Hình 3.2 Mơ hình thiết kế 29 Hình 3.3 Lực tác dụng khâu 30 Hình 3.4 Biểu đồ momen khâu .31 Hình 3.5 Puli chủ động 34 Hình 3.6 Puli bị động 34 Hình 3.7 Dây đai truyền động 35 Hình 3.5 Vi điều khiển STM32F103C8T6 35 Hình 3.6 Động bước điều khiển 37 Hình 3.7 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988 38 Hình 3.8 Cơng tắc hành trình 39 Hình 3.9 Tiếp điểm thường mở 40 Hình 3.10 Tiếp điểm thường đóng 40 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm .40 Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán điều khiển 42 Hình 3.13 Mơ hình thiết kế sơ 43 Hình 3.14 Mơ hình Simulink robot .44 Hình 3.15 Khối điều khiển chuyển động 44 Hình 3.16 Mơ hình Simulink tổng qt .45 Hình 3.17 Đồ thị quy luật chuyển động, vận tốc, gia tốc q0 46 Hình 3.18 Đồ thị quy luật chuyển động, vận tốc, gia tốc q2 46 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg 23 Bảng 3.1 Bảng tra mô đun chọn số cho bánh 33 10  Điều chỉnh dòng cho động  Ngắt bảo vệ nhiệt, áp dòng  Bảo vệ ngắn mạch Thông số kỹ thuật:  Điện áp hoạt động: 8V~35V  Dòng liên tục pha: 1A~2A  Điện áp logic: 3V-5.5V  Kích thước: 15,24 x 20,32cm 3.2.4 Cơng tắc hành trình Cơng tắc hành trình hay cịn gọi cơng tắc giới hạn hành trình dạng cơng tắc dùng để giới hạn hành trình phận chuyển động Nó có cấu tạo cơng tắc điện bình thường có thêm cần tác động phận chuyển động tác động vào làm thay đổi trạng thái tiếp điểm bên Cơng tắc hành trình loại khơng trì trạng thái, khơng cịn tác động trở vị trí ban đầu Cơng tắc hành trình dùng để đóng cắt mạch dùng lưới điện hạ áp Nó có tác dụng giống nút ấn động tác ấn tay thay động tác va chạm phận khí, làm cho q trình chuyển động khí thành tín hiệu điện Cơng tắc hành trình bao gồm cần gạt bên ngồi, bên có chân Reley đóng ngắt Chân trái: cấp nguồn; Chân giữa: thường đóng, mở nhấn nút; Chân phải: thường mở, đóng nhấn nút; 41 Hình 3.24 Cơng tắc hành trình Ký hiệu: Hình 3.25 Tiếp điểm thường mở Hình 3.26 Tiếp điểm thường đóng Cơng tắc hành trình dùng cho trường hợp cần độ xác hành trình cao từ 0,3mm đến 0.7mm Nó bao gồm vỏ bọc kim loại chịu va đập, gồm tiếp điểm tĩnh tiếp điểm động Tiếp điểm động gắn đầu lò xo (được làm kim loại thường nhơm có tính đàn hồi), bấm nút cơng tắc (nút gắn với trục gắn với lò xo lá) làm lò xo bị biến dạng bật xuống dưới, tiếp điểm động lò xo chạm vào tiếp điểm tĩnh thường đóng (cịn gọi chân dưới) làm mạch điện kín, thiết bị điện hoạt động Khi bng cơng tắc ra, lị xo nhờ tính đàn hồi nên trở vị trí ban đầu, tiếp điểm động gắn đầu lị xo nhờ mà trờ vị trí ban đầu dẫn đến mạch hở, thiết bị điện dừng điểm hành trình 42 3.3 Tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển 3.3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển Hình 3.27 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm Khối điều khiển trung tâm: Bao gồm vi xử lý có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ hệ thống cảm biến, xử lý liệu phát tín hiệu điều khiển đến khối điều khiển Hệ thống cảm biến gồm cảm biến thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác Các robot cần hệ thống cảm biến để nhận biết trạng thái thân cấu robot cảm biến để nhận biết trạng thái môi trường Hệ thống điều khiển (Controller) thường máy tính để giám sát điều khiển hoạt động robot 43 Hình 3.28 Lưu đồ thuật tốn điều khiển 44 3.3.2 Mơ hình hóa mơ  Mơ phỏng, so sánh vị trí góc xoay động học thuận động học nghịch Bước 1: Thiết kế sơ mơ hình robot bậc tự solidwork Hình 3.29 Mơ hình thiết kế sơ Thông số động học robot bao gồm: ; ; u cầu: mơ tính tốn tính thơng mối quan hệ phương trình động thuận với phương trình động học nghịch Từ phương trình động học thuận thay l0,l1,l2 vào ta được: Phương trình vị trí: (mm) Góc xoay theo phương trình động học nghịch: 45 Tiến hành mô tay máy Matlab Simulink để tính tốn, so sánh kết đưa kết luận tính thống mối quan hệ phương trình động học thuận phương trình dộng học nghịch tay máy Bước 2: Xây dựng mô hình Simulink Từ file CAD 3D robot bậc, ứng dụng phần mềm simmechanic link để xuất liệu sang Matlab thực tính tốn mơ động học Hình 3.30 Mơ hình Simulink robot Thiết lập khối Simulink điều khiển chuyển động xoay khớp Hình 3.31 Khối điều khiển chuyển động Mơ hình Simulink tổng quát mô tả chuyển động xoay robot bậc tự 46 Hình 3.32 Mơ hình Simulink tổng qt Bước 3: Tiến hành mơ  Bài tốn mô quy luật chuyển động biến khớp Di chuyển tay kẹp robot từ vị trí A đến vị trí B khoảng t=5s Biết A có: q1=q2=300 , B có: q1=450, q2=900 , Quy luật chuyển động biến khớp q0(t) 47 Hình 3.33 Đồ thị quy luật chuyển động, vận tốc, gia tốc q0 Quy luật chuyển động biến khớp q1(t) Hình 3.34 Đồ thị quy luật chuyển động, vận tốc, gia tốc q2 48 3.4 Tổng hợp tích hợp hệ thống ST T Chi tiết Hình ảnh Đế đỡ Robot Động điều khiển 49 Trục khâu bắt với đế Bộ truyền đai Mạch điện điều khiển 50 Bảng điều khiển Khâu tay máy Khâu khâu qua truyền đai 51 10 11 Tay kẹp Khâu tay máy 52 Mơ hình thiết kế 12 phần mềm Solidwork s Mơ hình 13 robot tay máy Scara 53 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI Những kết đạt được:  Dựa phần mềm Solidworks thiết kế phần khung, hình dáng robot tay máy Scara bậc tự  Tính tốn phương trình động học thuận động học ngược cho tay máy  Tìm mối liên hệ biến khớp với vị trí tọa độ điểm tác động cuối từ xây dựng quy đạo chuyển động thích hợp  Xây dựng tốn điều khiển mơ quỹ đạo chuyển động khâu công tác đáp ứng yêu cầu mong muốn với cơng cụ Simulink-SimMechanics tích hợp Matlab  Từ kết nghiên cứu, nhóm đồ án phát triển lên mơ hình cánh tay robot linh hoạt: cụ thể với đầy đủ công dụng gắp, thả phơi vị trí thành công việc điều khiển quỹ đạo di chuyển khâu công tác cuối, với việc điều khiển động bước, quay với tốc độ số vịng xác Hướng phát triển: Các kết có bước đệm cho tư thiết kế Robot tay máy ý tưởng nhóm tương lai cho sản phẩm Robot Scara hoàn thiện thực tế đáp ứng yêu cầu cần thiết 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Phan Bùi Khơi, Bài giảng tính tốn thiết kế robot, ĐH Bách Khóa Hà Nội [2] PGS.TS Phan Bùi Khôi, Bài giảng Robotics (2009), ĐH Bách Khoa Hà Nội [3] TS Phạm Đăng Phước, Giáo trình Robot cơng nghiệp, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [4] Khoa Cơ khí - Bộ môn Cơ Điện Tử, Robot công nghiệp, Đại học Công nghiệp Hà Nội, 2014 [5] GS.TSKH Nguyễn Văn Khang, Cơ sở Robot công nghiệp [6] GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp [7] GS.TSKH Nguyễn Văn Khang, Động lực học hệ nhiều vật [8] TS Nguyễn Quang Hoàng, Cơ sở matlab Simulink [9] Các website, forum trực tuyến www.mathwork.com, www.dientuvietnam.net, https://roboticsvietnam.vn/, … 55