Tính toán thiết kế hế tạo và phân tíh động lự họ ngượ robot song song phẳng 3rrr

Trang 1 TRƢỜNG ĐẠI H C BÁCH KHOA HÀ N IỌỘLUẬN VĂN THẠC SĨ Tính toán thiết kế chế tạo và phân tích động lực học ngƣợc Robot song song phẳng 3RRRTRẦN MINH TÚNGÀNH: Kỹ thuật Cơ điện tử Giản

NGÀNH: Kỹ thuật Cơ điện tử

Giảng viên hướng d n: GS.TSKH Nguyẫ ễ n Văn Khang

HÀ NỘI, 2020

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132031531000000

NGÀNH: Kỹ thuật Cơ điện tử

Giảng viên hướng d n: GS.TSKH Nguyẫ ễ n Văn Khang

HÀ NỘI, 2020

Chữ ký c GVHD ủa

L I C Ờ ẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin g i l i cử ờ ảm ơn sâu sắc đến người thầy đã hướng

d n tôi hoàn thành luẫ ận văn này: GS.TSKH Nguyễn Văn Khang Thầy

đã luôn tận tình ch b o và đ ng viên m i khi tôi g p khó kh n trong su t ỉ ả ộ ỗ ặ ă ốquá trình làm luận văn

Xin cảm ơn cán bộ, giảng viên nhà trường, gia đình và bạn bè, những người luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi trong lúc khó khăn

và cũng là nguồ ực đển l tôi c g ng hoàn thi n luố ắ ệ ận văn này

Hà N i ộ , ngày tháng năm 2020

H ọ c viên

Trầ n Minh Tú

i

MỤC LỤC

DANH M C CÁC HÌNH VỤ Ẽ iii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG PHẲNG 3RRR 2 1.1 Tổng quan về Robot song song ph ng 2ẳ 1.1.1 Sơ lược v quá trình phát tri n c a robot 2ề ể ủ 1.1.2 Khái ni m robotệ 7

1.1.3 Phân loại Robot 9

1.2 Các thi t b , linh kiế ị ện đi n, đi n tửệ ệ đư c sử ụợ d ng cho robot 3RRR 12

1.2.1 Động cơ Hybrid 12

1.2.2 Absolute Encoder 14

1.2.3 Bộ vi điều khiển 15

1.2.4 Mạch k t n i 17ế ố 1.3 Tính toán thiết kế cơ khí 19

1.3.1 Thiế ết k khâu li1 21

1.3.2 Thiế ết k khâu li2 24

1.3.3 Thiế ết k bàn máy đ ng 28ộ 1.3.4 Thiế ết k các chi ti t khác 30ế 1.4 Kết quả thiế ế t k các khâu: 32

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC : NGƯỢC ROBOT SONG PHẲNG 3RRR 34

2.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot song phẳng 3RRR 34

2.1.1 Chọn các t a đ suy r ng 34ọ ộ ộ 2.1.2 Thiế ật l p các phương trình liên k t 35ế 2.1.3 Sử ụ d ng phương pháp tách c u trúc thi t lấ ế ập các phương trình vi phân chuyển động c a robotủ 38

2.1.4 Kết luận 53

2.2 Bài toán động h c ngư c 56ọ ợ 2.2.1 Bài toán 56

2.2.2 Phương pháp giải 57

ii

2.2.3 Mô phỏng s bài toán đ ng h c ngư c s d ng Matlab 62ố ộ ọ ợ ử ụ2.3 Bài toán động l c họự c ngư c 68ợ2.3.1 Phương pháp giải 682.3.2 Mô ph ng sỏ ố bài toán đ ng lựộ c h c ngư c s d ng Matlab 72ọ ợ ử ụKẾT LUẬN 77TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bản vẽ đăng kí bằng sáng chế cánh tay robot đầu tiên c a Willard ủ

V.Pollard 3

Hình 1.2 Robot Elektro và Sparko 3

Hình 1.3 Cánh tay máy đôi của c a Goertz 4 ủ Hình 1.4 Robot 4 chân của hãng RS Mosher và hãng General Electric 5

Hình 1.5 Robot Shakey-Robot đầu tiên nhận dạng đ i tư ng bằng camera 5 ố ợ Hình 1.6 Tay Robot trên tàu thám hiểm Viking 1 6

Hình 1.7 Robot lập trình đư c đ u tiên do George Dovol thi t k 6 ợ ầ ế ế Hình 1.8 Kế ất c u Robot 7

Hình 1.9 Ví dụ ề v robot d ng chuạ ỗi (Cánh tay robot, SCARA và giàn thao tác)10 Hình 1.10 Ví dụ ề v robot song song (3RRR, robot Delta, robot Stewart Gough)10 -Hình 1.11 Các c u hình cấ ủa robot song song phẳng 11

Hình 1.12 Robot NaVaRo 12

Hình 1.13 Cấu hình sơ b ộrobot song song phẳng 3-RRR 12

Hình 1.14 Hình ảnh đ ng cơ Hybrid Servo 57HSE3N cùng driver HBS57 13 ộ Hình 1.15 Đường đ c tính moment xo n – tặ ắ ốc độ của đ ng cơ 13 ộ Hình 1.16 Đường đ c tính c a đ ng cơ khi ch y ởặ ủ ộ ạ 2 ch không ph n hồi và có ế độ ả phản hồi 14

Hình 1.17 Hình ảnh Absolute Encoder Autonic EP50S-8-1024-3-R-P- 24 15

Hình 1.18 Biểu đ ồxung tín hi u 10ệ -bit Graycode 15

Hình 1.19 Hình ảnh và chức năng các chân KIT STM32F4 16

Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý kh i k t n i gi a Encoder và vi xử lý 18 ố ế ố ữ Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý kh i k t n i gi a Encoder và Driver 18 ố ế ố ữ Hình 1.22 Thang điểm đo chuy n vị theo độ dày xương cá 20 ể Hình 1.23 Thiế ết k khâu li1 dưới dạng 3D 21

Hình 1.24 Thiế ết k chi ti t khâu lế i,1 21

Hình 1.25 Mô ph ng chuy n v khi nhỏ ể ị ận chịu khối lư ng c ng dợ ộ ồn của các khâu tiếp theo khi duổi th ng tác đẳ ộng lên khâu li,1 22

Hình 1.26 Mô phỏng chuy n v khi ch u moment c c đ i c a các khâu ti p theo ể ị ị ự ạ ủ ế ở v ịtrí nằm vuông góc 90o tác động lên khâu li,1 22

Hình 1.27 Mô ph ng phân phỏ ối ứng suất khi t i v trí các khâu duạ ị ối thẳng tác động lên khâu li,1 23

Hình 1.28 Mô ph ng phân phỏ ối ứng suất khi ch u moment cị ực đại c a các khâu ủ tiếp theo ở ị v trí n m vuông góc 90ằ o tác động lên khâu li 23

Hình 1.29 Mô ph ng phân phỏ ố ệ ối h s an toàn khâu li,1 24

iv

Hình 1.30 Thiế ết k khâu li2dưới dạng 3D 24

Hình 1.31 Thiế ết k chi ti t khâu lế i,2 25

Hình 1.32 Mô ph ng chuy n v khi nhỏ ể ị ận chịu khối lư ng c ng dợ ộ ồn của các khâu tiếp theo khi duổi th ng tác đẳ ộng lên khâu li,2 25

Hình 1.33 Mô phỏng chuy n v khi ch u moment c c đ i c a các khâu ti p theo ể ị ị ự ạ ủ ế ở v ịtrí nằm vuông góc 90o tác động lên khâu li,2 26

Hình 1.34 Mô ph ng phân phỏ ối ứng suất khi t i v trí các khâu duạ ị ối thẳng tác động lên khâu li,2 26

Hình 1.35 Mô ph ng phân phỏ ối ứng suất khi ch u moment cị ực đại c a các khâu ủ tiếp theo ở ị v trí n m vuông góc 90ằ o tác động lên khâu li2 27

Hình 1.36 Mô ph ng hỏ ệ số an toàn khâu li,2 27

Hình 1.37 Hình ảnh bàn máy đ ng dư i d ng 3D 28 ộ ớ ạ Hình 1.38 Thiế ết k chi ti t bàn máy động 28 ế Hình 1.39 Mô phỏng chuyển vị trong trư ng hợờ p gá khâu làm việc có trọng lượng 1kg 29

Hình 1.40 Mô phỏng ứng suất trong trường hợp gá khâu làm việc có trọng lư ng ợ 1kg 29

Hình 1.41 Mô phỏng hệ ố s an toàn trong trường h p gá khâu làm viợ ệc có trọng lượng 1kg 30

Hình 1.42 Thiế ết k chi ti t v trí gế ị ắn đ ng cơ và absolute encoder 31 ộ Hình 1.43 Thiế ế ổt k t ng thể ặ m t bích 31

Hình 1.44 Thiế ết k chi ti t liên k t gi a các khâuế ế ữ 31

Hình 1.45 Hình ảnh kết qu thiết kế robot đượả c render b ng ph n m m 33 ằ ầ ề Hình 1.46 Hình ảnh robot th c t 33 ự ế Hình 2.1 Robot song phẳng 3RRR 34

Hình 2.2 vị trí góc  + 30o34T 35

Hình 2.3 Vị trí góc 30o  34T 36

Hình 2.4 Vị trí góc 90o  34T 37

Hình 2.5 Cấu trúc hân th nh t 38 ứ ấ Hình 2.6 Cấu trúc chân th 2 38 ứ Hình 2.7 Cấu trúc chân thứ 39 3 Hình 2.8 Cấu trúc bàn máy đ ng 39 ộ Hình 2.9 Cấu trúc chân th 1 40 ứ Hình 2.10 Cấu trúc chân thứ 44 2 Hình 2.11 Cấu trúc chân th 3 48 ứ Hình 2.12 Cấu trúc bàn máy đ ng 53 ộ Hình 2.13 Vị trí ban đ u cầ ủa robot theo b s liộ ố ệu Hannover 59

v

Hình 2.14 V ị trí ban đầu của robot theo bộ ố liệu chế ạ 59 s t o

Hình 2.15 Đồ ị ủ th c a θ θ θ1, , 1 1 62

Hình 2.16 Đồ ị ủ th c a ψ ψ ψ1, , 1 1 63

Hình 2.17 Đồ ị ủ th c a θ θ θ2, ,2 2 63

Hình 2.18 Đồ ị ủ th c a ψ ψ ψ2, 2,2 64

Hình 2.19 Đồ ị ủ th c a θ θ θ3, ,3 3 64

Hình 2.20 Đồ ị ủ th c a ψ ψ ψ3, ,3 3 65

Hình 2.21 Đồ ị ủ th c a θ θ θ1, , 1 1 65

Hình 2.22 Đồ ị ủ th c a ψ ψ ψ1, , 1 1 66

Hình 2.23 Đồ ị ủ th c a θ θ θ2, ,2 2 66

Hình 2.24 Đồ ị ủ th c a ψ ψ ψ2, 2,2 67

Hình 2.25 Đồ ị ủ th c a θ θ θ3, ,3 3 67

Hình 2.26 Đồ ị ủ th c a ψ ψ ψ3, ,3 3 68

Hình 2.27 Phản lực liên k t t i Bế ạ 1 72

Hình 2.28 Phản lực liên k t t i Bế ạ 2 72

Hình 2.29 Phản lực liên k t t i Bế ạ 3 73

Hình 2.30 Đồ ị th mômen đ ng cơ 73 ộ Hình 2.31 Đồ ị th công su t các đ ng cơ 74 ấ ộ Hình 2.32 Phản lực liên k t t i Bế ạ 1 74

Hình 2.33 Phản lực liên k t t i Bế ạ 2 75

Hình 2.34 Phản lực liên k t t i Bế ạ 3 75 Hình 2.35 Đồ ị th mômen đ ng cơ 76 ộ Hình 2.36 Đồ ị th công su t các đ ng cơ 76 ấ ộ

1

LỜ I NÓI Đ ẦU

Robot song song là robot có cấu trúc vòng kín trong đó các khâu đư c nối ợvới nhau bằng các khớp đ ng Trong robot song song, khâu thao tác đượộ c n i v i ố ớgiá cố đị nh bởi m t sộ ố m ch đ ng họạ ộ c, t c là nứ ối song song với nhau và cũng hoạ ột đ ng song song với nhau

Robot song song có nhiều ưu đi m như kh năng chịu tải trọng lớể ả n, độcứng vững cao do kết cấu hình học c a chúng, có thủ ể thực hi n các thao tác phệ ức

tạp và hoạt động với đ chính xác cao Vì nhữộ ng ưu đi m đó, robot song song ể

đượ ức ng d ng trong nhiềụ u lĩnh v c c a công nghiự ủ ệp đặc bi t là trong lĩnh v c ệ ự

cơ khí - t ự động hóa [1, 2]

Mục tiêu của đề tài là chế ạ t o m t ộ robot song song phẳng 3RRR nhỏ ọn g

có thể quay toàn vòng ph c vụ trong công tác nghiên cụ ứu và gi ảng dạy chuyên sâu về robot song song ph ng Việc t c hiẳ hự ện mô phỏng s ố theo bộ ố s liệu ết thi

k ế cho thấy đư c sự phù hợp củ phương pháp tính toán động học và động học ợ a ngược robot song song phẳng

Đề tài này gồ chương Chương I trình bày sơ lược về robot nói chung cũng như robot song song nói riêng, ý tưởng thiế ết k phương pháp cũng như số

liệu thiết kế ộ m robot song song ph ng 3RRRt ẳ Chương II trình bày việc thi t lế ập

h ệ phương trình vi phân đại số ủa robot song phẳng 3RRR, tính toán và mô - c

phỏng số ảgi i bài toán đ ng lộ ực học ngược sử ụ d ng phần mềm MATLAB theo ộ b

s ố liệu robot đã ch ạo và ộ ố liệu tham khảế t b s o c a Hannover ủ

Trong quá trình hoàn thành đề stài ẽkhông thể tránh kh i nhữỏ ng thi u sótế ,

vì vậy em rất mong nhận đư c những ý kiếợ n tham gia, góp ý đ đề tài được hoàn ể thiện hơn

2

CHƯƠNG 1

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG PH NG 3RRRẲ

Chương này trình bày sơ lược v s phát tri n của robot nói chung và ề ự ểrobot song song nói riêng Sau đó trình bày ý tưởng thi t k và tính toán robot ế ếsong song mà tác giả thi t kế chế ạế t o nhằm mục tiêu ph c vụ ụ cho gi ng d y và ả ạnghiên cứu robot song song ở trư ng đ i h c ờ ạ ọ

1.1 Tổng quan về Robot song song phẳng

1.1.1 Sơ lược về quá trình phát tri n c a robot ể ủ

Thuật ngữ Robot được sinh ra từ trên sân khấu, không ph i trong phân ả

xưởng s n xuấả t [1] Vào nh ững năm 1900, L Frank Baum giới thiệu đồng thời công nghệ vào tuyển tập những câu truyện thiếu nhi Oz Trong cuốn “phù thủy

k ỳ diệu của Oz” (1900), Baum đã kể câu chuyện về người nửa ngư i nửa máy ờTin Woodman hay cuốn Ozma của Oz (1907), Baum mô t ngư i đàn ông đ ng ả ờ ồ

h bồ ằng đ ng Tik Tok, v.v Vào thập niên 1910, ồ - một số loại vũ khí điều khi n tể ừ

xa xuất hiện và được sử ụ d ng nhờ công trình nghiên c u cứ ủa Nikola Tesla về

điều khiển tàu điện từ xa nh ờ sóng radio Nh ng robot bữ ằng hình ảnh xuất hiện

đầu tiên New York vào ngày 25/01/19ở 21 trong vở “Rossum’s Universal Robot”

của nhà soạn kịch ngư i Tiệp Karen Kapek viếờ t năm 1921, nh ng bộ phim khoa ữ

học viễn tư ng đưa ra ý tư ng và sự tưởở ở ng tư ng củở a con ngư i về robot liên tục ờđược ra m t trong nh ng thậắ ữ p niên 1920 này Robot là cách g i t t c a Robota – ọ ắ ủtheo tiếng Tiệp có nghĩa là “công việc lao d ch”, hay trong hị ệ ngôn ng X-la-vơ ữ

là thu t ngậ ữ chỉ người lao công

Thiết kế đầu tiên của robot công nghiệp đã đư c đưa vào s n xuất tại Hoa ợ ả

Kỳ, những khâu thao tác đư c mô phỏợ ng theo đ ng lực củộ a cánh tay con ngư i ờ

để tái t o l i các chuy n đ ng như kéo, đ y, n, nâng Chuy n đ ng có th đư c ạ ạ ể ộ ẩ ấ ể ộ ể ợkiểm soát thông qua cam và l p trình nút nhấn ậ

3

Hình 1.1 B ản vẽ đăng kí b ng sáng ch cánh tay robot đ u tiên ằ ế ầ

của Willard V.Pollard

Năm 1938, Willard V.Pollard đã nộp đơn xin c p b ng sáng ch u tiên ấ ằ ế đầcho một cánh tay máy như v y, “thi t bậ ế ị ề đi u khiển vị trí” v i bộ ềớ đi u khiển đi n ệ

tử, xi lanh khí nén và đ ng cơ cung c p 6 trục chuyểộ ấ n đ ng Nhưng t i thờộ ạ i đi m ể

đó các bộ nh ớ chưa phát triển trong khi b nh ộ ớ Drum có kích thước lớn khi n ếviệ ậc l p trình tr nên khó khăn và mấở t th i gian ờ

Hình 1.2 Robot Elektro và Sparko

Cho tới năm 1939, robot hình ngư i đư c g i là Elektro ờ ợ ọ cùng chú chó Sparko xuất hiện tại hội chợ thế ới, cao 2,1 m nặn 265 kg gi có thể đi bộ ằ b ng khẩu lệnh, nói ho ng 700 tả ừ ử ụ (s d ng máy thu âm 78 rpm), mô phỏng hút thuốc

Những lý thuyết về robot được phát triển mạnh mẽ trong thập niên 1940, nhưng những robot thực sự có ích được nghiên cứu đ đưa vào nhể ững ng dụng ứtrong công nghiệp lại là những cánh tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu ch t o loạế ạ i tay máy đôi điều khi n t ể ừ xa đầu tiên và cùng năm đó hãng General Mills chế ạ t o tay máy gần tương tự ử ụ s d ng cơ cấu tác

động là nh ng đ ng cơ đi n k t h p v i các c hành trình Đ n năm 1954, ữ ộ ệ ế ợ ớ ữ ếGoertz tiếp tục chế ạ t o một dạng tay máy đôi s d ng đ ng cơ servo và có th ử ụ ộ ểnhận biết lực tác đ ng ộ lên khâu cuối Sử ụ d ng thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc kh o sát đáy bi n ả ể

Hình 1.3 Cánh tay máy đôi củ ủ a c a Goertz

Năm 1968 R.S.Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế ạ t o m t thi t ộ ế

b ị biết đi có 4 chân, chi u dài hơn 3m, n ng 1400 kg, sử ụề ặ d ng đ ng cơ đ t trong ộ ố

có công suất 100 mã lực

động tinh vi hơn đ th c hi n thí nghi m v điều khiểể ự ệ ệ ề n s d ng h th ng thu ử ụ ệ ốnhận hình ảnh nh n dậ ạng đ i tư ng ố ợ

Hình 1.5 Robot Shakey Robot đầ - u tiên nh n d ng đ i tư ng ậ ạ ố ợ

bằng camera

6

Năm 1976 cánh tay robot đ u tiên trong không gian đã đưầ ợc s d ng trên ử ụtàu thám hiểm Viking của cơ quan không gian NASA (Hoa K ) đ l y mẫỳ ể ấ u đ t ấsét trên sao Hỏa

Hình 1.6 Tay Robot trên tàu thám hiểm Viking 1

Dưới hình trình bày một Robot là một cánh tay cơ khí khác xa v i ớRobot R2D2, nhưng đố ớ ải v i s n xuất nó mang l i l i ích to l n ạ ợ ớ

Hình 1.7 Robot lập trình đượ ầ c đ u tiên do George Dovol thi t ế

kế

T ừ đó Robot đã có rất nhiều ứng ụng trong thực tế đặc biệt trong các dngành kinh tế tài chính l n các ngành công nghiệẫ p như sơn, hàn, máy công c , ụv.v Trong hoạt đ ng sản xuất, đa sốộ nh ng Robot công nghiệữ p có hình d ng ạ

của “cánh tay cơ khí”, cũng chính vì v y mà đôi khi ta g p th ật ngữ người máy, ậ ặ utay máy trong nh ng tài liữ ệu tham khảo và giáo trình về Robot

Robot tiếp tục phát triển ngày càng hoàn thiện và đi sâu vào nhi u lĩnh ề

vực trong đ i sống, các hoạờ t đ ng sản xuất, y tế, và cả lĩnh vực giải trí với kỹộthuật công nghệ cao

7

1.1.2 Khái niệm robot

Theo Viện Robot Hoa Kỳ, robot là một nền tảng điều khiển đa chức năng,

có thể ậ l p trình lại được thi t kế ế để di chuyển vật li u, bệ ộ ph n, công cụậ ho c ặthiết bị chuyên dụng thông qua các chuyển đ ng đư c lậộ ợ p trình khác nhau đ ểthực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau (1985) Định nghĩa robot được Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đ u trong lĩnh vầ ực robot, mở ộ r ng hơn như sau: “Robot công nghiệp là những máy, thiết bị ổ t ng hợp hoạ ột đ ng theo chương trình có những đ c đi m nhất ặ ể định tương t như con ngư i” Địự ờ nh nghĩa của M.P.Groover về robot không ch d ng lại ở ỉ ừ cánh tay máy mà còn mở ộ r ng ra cho nhiều đối tượng khác có đặc tính tương t ự con người như là suy nghĩ, có khả năng đưa ra quyế ịt đ nh và có th nhìn th y cảể ấ m nh n đư c đ c đi m c a v t hay ậ ợ ặ ể ủ ậ

đối tư ng mà nó ph i thao tác ho c x ợ ả ặ ửlý

Theo Artobolevski I.I., Vorobiov M.V và các nhà nghiên cứu thuộc trường phái kh i Liên Xô c ố ũtrư c đây thì phát biớ ểu r ng: “Robot công nghiệp là ằnhững máy hoạt đ ng t ộ ự động được đi u khiển theo ề chương trình để thực hiện việc thay đ i v trí c a nhổ ị ủ ững đ i tư ng khác nhau nhố ợ ằm mục đích t ự động hóa quá trình sản xuất”

Hình 1.8 K ế ấ t c u Robot

Mỗi đ nh nghĩa đều có một góc nhìn khác nhau vể robot nhưng đều có ịđiểm chung v “đi u khiển theo chương trình” Đề ề ặc đi m này cể ủa robot được thực hiện nhờ ự s ra đời c a nhủ ững bộ vi x lý và các vi m ch tích hử ạ ợp chuyên dùng trong những năm 1970 Không lâu sau khi xuất hiện robot được đi u khiển ềtheo chương trình, ngư i ta đã thờ ực hiện đư c nh ng robot t hành Hơn n a, với ợ ữ ự ữ

8

những bước phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin h c, hiọ ện nay người ta đã sáng t o nhi u robot cảạ ề m xúc và có kh năng x ả ửlý thông tin Do đó

định nghĩa robot cũng có nh ng thay đ i b sung Nh t B n hi n nay là nư c có ữ ổ ổ ậ ả ệ ớ

s ố lượng robot dùng trong sản xuất công nghi p nhiệ ều nh t th gi i, kho ng hơn ấ ế ớ ả70% trong t ng sổ ố ch ng 300.000 robot công nghiệp trên toàn thế giớừ i Ngư i ờNhật có quan niệm dễ dãi hơn v robot: theo h “robot là b t cề ọ ấ ứ thiết b nào có ị thể thay thế cho lao động của con ngư i”ờ Trong công nghiệp Nhật Bản, những robot hay tay máy được đi u khiển bằề ng cam cũng được liệt vào hàng ngũ robot Theo đó, Hiệp Hội robot Công nghi p Nh t B n (JIRA - Japan Industrial Robot ệ ậ ảAssociation) đã phân loại robot thành sáu hạng, t nh ng tay máy do con ngư i ừ ữ ờtrực tiếp đi u khi n tề ể ừng động tác đ n nh ng robot thông minh đư c trang b trí ế ữ ợ ịtuệ nhân t o (theo Schlussel, 1985) Những robot hay tay máy dùng các cơ cấu ạcam trong hệ thống đi u khiểề n có đư c thừa nh n hay không là không quan ợ ậtrọng, điều quan trọng là chúng đã đóng vai trò đáng kể trong vi c t ng hoá ệ ự độ

sản xuất ở các nhà máy Những robot, tay máy nói trên còn đư c gọi một cách ợ

hình tượng là “tự động hoá cứng”, ngư c lại với “tự động hoá linh hoạợ t”, mà đ i ạdiện của chúng là những robot công nghiệp đư c điợ ều khi n bể ằng chương trình, thay đ i đưổ ợc nhi m v ệ ụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng Một số nhà khoa

học hàng đ u trong lĩnh ực robot của Nhật Bảầ v n đưa ra nh ng đ nh nghĩa về ữ ịrobot dưới dạng những yêu c u ầ

Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot công nghi p phệ ải tho mãn y u tố sau: ả ế

- Có khả năng thay đ i chuy n đ ng ổ ể ộ

- Có khả năng c m nh n đư c đ i tư ng thao tác ả ậ ợ ố ợ

- Có số ậ b c chuy n đ ng (b c t ể ộ ậ ựdo) cao

- Có khả năng thích nghi v i môi trư ng ho t đ ng ớ ờ ạ ộ

- Có khả năng ho t đ ng tương h v i đ i tư ng bên ngoài ạ ộ ỗ ớ ố ợ

Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải có các đ c đi m sau: ặ ể

- Có kh ả năng thay đổi chuyển đ ngộ

- Có khả năng x lý thông tin (biết suy nghĩ) ử

- Có tính vạn năng

- Có những đ c điặ ểm của người và máy

T ừ những khác biệt trong đ nh nghĩa v robot, căn cứ vào tính linh hoạt của ị ềnhững hệ ố th ng sản xuất có áp d ng robot P.J.McKerrow,ụ một nhà nghiên c u vứ ề robot của Úc đã đưa ra m t đ nh nghĩa m t góc đ khác Theo ông, robot là ộ ị ở ộ ộ

một loại máy có thể ậ l p trình đ thực hiện những công việể c đa d ng tương t như ạ ự

9

một máy tính, là một mạch đi n tử có thể ậệ l p trình đ thực hiện những công việc ể

đa dạng Các robot đóng góp vào s phát tri n công nghiệự ể p dư i nhi u d ng khác ớ ề ạnhau; tiết kiệm sức ngư i, tăng năng su t lao đ ng, nâng cao chấờ ấ ộ t lư ng s n ợ ảphẩm và an toàn lao đ ng và giải phóng con người khỏi những công việc cực ộ

nhọc và tẻ ạt Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề ảnh n y sinh khi robot ngày càng thay thế các ho t đ ng củạ ộ a con ngư i, nhưng trong vi c đem l i lợi ích ờ ệ ạcho con ngư i, khám phá vũ trờ ụ, và khai thác các ngu n lợ ạồ i đ i dương, robot đã thực s làm cho cuự ộc sống của chúng ta tốt đ p hơn Trư c khi đi vào phân tích ẹ ớ

những nội dung tiếp theo, để ạ b n đ c có sự ận dạng một cách thống nhất trong ọ nhquá trình khảo sát, dư i đây s trình bày mộ ốớ ẽ t s phương pháp phân loại robot sử dụng trong công nghiệp

Việc sử ụng từ robot phát sinh đầu tiên từ ịch bản sân khấu năm 1921 R.U.R (Rô bốt vũ tr Rossum) đư c viếụ ợ t bởi nhà viết kịch người Séc Karel Capek Bây giờ, chưa đ y 100 năm sau, robot là mầ ột phần không thể thiếu trong

nền kinh tế hiện đ i Chúng đư c sử ụng trong các nhà máy công nghiệp, trong ạ ợ dquân đội, trong thám hiểm không gian và đ i dương, trong y hạ ọc và m t s ng ộ ố ứ

dụng trong lĩnh v c tiêu dùng Trong tương lai, robot s tiếp tục trở thành một ự ẽphần lớn hơn và l n hơn trong trớ ải nghiệm của con người, giúp cuộc sống của con người an toàn và d ễdàng hơn

1.1.3 Phân loại Robot

Có nhiều cách phân loại robot theo cách tiếp cận như phân lo i theo dạng ạhình học của không gian hoạt động, phân loại theo ngu n d n đ ng, phân loại ồ ẫ ộtheo bộ ề đi u khiển, phân loại theo thế ệ h , phân loại theo số ậ b c tự do, v.v

Đối với cách phân loại theo cấu trúc đ ng học, các robot thườộ ng đư c chia ợthành hai loại chính: nố ếp và song song Trong một robot n i ti p, v trí c a bi ti ố ế ị ủ ộ

ph n ậ thao tác, một phần của robot tương tác v i môi trư ng, đượớ ờ c xác đ nh b i ị ởmột loạt các liên kết tạo nên cấu trúc hoạ ột đ ng của con ngư i (giống như cánh ờtay) Hình 1 cho thấy một vài ví dụ ề v các trình thao tác n i tiố ếp

10

Hình 1.9 Ví dụ ề robot dạ v ng chu i (Cánh tay robot, SCARA ỗ

và giàn thao tác)

Trong các robot song song, vị trí c a bủ ộ ph n đậ ầu cuối đư c xác đ nh bởi ợ ị

nhiều cánh tay làm việc cùng một lúc (song song) Hình 1.10 cho thấy một vài ví

d v ụ ề các trình thao tác song song

Hình 1.10 Ví dụ ề robot song song (3RRR, robot Delta, robot v

Stewart-Gough)

Robot song song là robot có cấu trúc vòng kín trong đó các khâu đư c nối ợ

với nhau bằng các khớp đ ng Trong robot song song, khâu thao tác đượộ c n i v i ố ớ

giá cố đị nh bởi m t sộ ố m ch đ ng họạ ộ c, t c là nứ ối song song với nhau và cũng

hoạt đ ng song song với nhau liên k t v i các nguộ ế ớ ồn lực phát động dạng quay

hoặc tịnh ti n So vế ới các robot có dạng nố ếi ti p, robot song song có đ chính xác ộ

động h c cao hơn, tr ng lư ng nh hơn, đ c ng v ng ch u t i l n hơn, kh ọ ọ ợ ẹ ộ ứ ữ ị ả ớ ả

năng n đổ ịnh tốt hơn Tuy nhiên robot song song cũng có mộ ố ạt s h n ch ế như

giới hạn không gian làm việc và tồn t i nhiạ ều điểm kì dị ph c tạứ p là hai như c ợ

điểm chính c a các cơ ch robot song song nói chung và song song ph ng nói ủ ế ẳ

riêng Trong nhiều thập kỷ ầ g n đây, Robot song song đã nh n đư c nhiềậ ợ u sự chú

11

ý từ các nhà nghiên c u trong công nghiệp bởứ i tính ưu vi t của nó đố ớệ i v i m t s ộ ố

ứng d ng đang phát tri n Đ c bi t đ i v i Robot Steward Gough đã nh n đư c ụ ể ặ ệ ố ớ ậ ợ

s ự chú ý lớn và đư c ứng dụng trong nhiềợ u lĩnh v c đự ặc biệt là mô phỏng bay trong ngành hàng không

Robot song song phẳng (Planar Parallel Manipulator PPM) sử ụng

khớp (revolute joint - R) quay hoặc tịnh tiến (prismatic joint - P) hoặc kết hợp quay và tịnh tiến t o ra nhi u c u hình cạ ề ấ ủa robot song song phẳng RRR, RPR, RRP, RPP, PRR, PPR, PRP và PPP, phổ biến nhất là RRR và PPP

Hình 1.11 Các cấu hình c ủ a robot song song ph ẳ ng

Dù ở các cấu hình nào thì robot song song phẳng cũng có 1 bàn máy động,

3 chân liên kết và mặt bích gá toàn bộ robot Số ậc tự do (DOF) của robot tính btoán theo phương trình Gruebler:

12

Hình 1.12 Robot NaVaRo

T cừ ấu trúc robot, số vòng l p không đặ ộc l p (loop) theo các khậ ớp và số liên

k cết ủa cơ c u như sau: ấ

l = J – N +1 = 9 – 8 + 1 = 2

Hình 1.13 C ấu hình sơ bộ robot song song ph ng 3- ẳ RRR

Như vậy s có 3 chu i liên k t đư c mô t như hình 1.13 bao gồm loop-1, ẽ ỗ ế ợ ảloop-2, loop- 3

1.2 Các thiết b , linh ki ị ệ n đi n, điệ ử ệ n t đư c s d ng cho robot 3RRR ợ ử ụ

1.2.1 Động cơ Hybrid

Động cơ Servo thư ng là đ ng cơ AC hoặờ ộ c DC cùng b ph n h i v trí có ộ ả ồ ị

thể ho t động trực tiếp hoặc qua bộ ảạ gi m tốc đ tăng moment đ u ra Cơ cể ầ ấu hồi

13

tiếp của đ ng cơ Servo là bộ ộ mã hóa vị trí, cũng có nhiêu loại Servo đơn gi n sử ả

dụng chiết áp đ phản hồể i góc quay nhưng như c đi m của dòng Servo sử ụợ ể d ng chiết áp là không thể quay toàn vòng

Động cơ Hybrid Servo th c ch t là đ ng cơ bư c và tín hi u ph n h i c a ự ấ ộ ớ ệ ả ồ ủencoder (incremental encoder) thường đư c bố trí ởợ ph n đuôi đ ng cơ đ ph n ầ ộ ể ả

hồi vị trí vòng kín đảm bảo đư c đ u ra đ t đư c hiệu quả mong muốợ ầ ạ ợ n Đ ng cơ ộbước (Step Motor) là m t lo i đ ng cơ đồộ ạ ộ ng b đư c đi u khi n b ng tín hi u ộ ợ ề ể ằ ệxung rời r c liên tiạ ếp nhau đ tể ạo thành chuyển đ ng quay Sốộ bư c cần thiế ểớ t đ hoàn thành 1 vòng quay của đ ng cơ bư c phụ thuộộ ớ c vào số răng, s cố ặp cực, và cách thức điêu khi n củể a đ ng cơ Tuy đ ng cơ bư c có khảộ ộ ớ năng quay v i đ ớ ộchính xác cao nhưng cũng có những như c đi m nh t đ nh Đ ng cơ Hybrid ợ ể ấ ị ộServo v a từ ận dụng đư c ưu đi m củợ ể a đ ng cơ bư c cũng như ưu đi m củộ ớ ể a đ ng ộ

cơ Servo, có khả năng quay vớ ội đ chính xác cao, có b phản hồ ề ịộ i v v trí, t c đ , ố ộkhả năng bù xung cho các trư ng hợờ p có sai s v trí do trư t bư c ố ị ợ ớ

Hình 1.14 Hình ảnh đ ng cơ Hybrid Servo 57HSE3N cùng ộ

driver HBS57

Hình 1.15 Đườ ng đ c tính moment xo n – ặ ắ tố ộ c đ củ ộ a đ ng cơ

14

Động cơ sử ụ d ng cho robot song song ph ng 3-RRR trong đ tài này s ẳ ề ử

dụng đ ng sơ Hybrid Servo 57HSE3N có tr c 8mm, moment xoắn lớn nhất ộ ụ3N.m, cùng bộ ề đi u khiển (Driver) Leadshine HSB57 với công nghệ ỹ k thu t số ậDSP 32bit mới giúp cho đ ng cơ ho t đ ng tốộ ạ ộ c đ , đ ộ ộchính xác cao và ti ng ồn ếthấp hơn 40% so v i mạớ ch đi u khiểề n thông thư ng, vi bước điểu khiển có thể ờcài đặt từ 800 51200 bư c, tín hiệ– ớ u xung s d ng optocoupler gi a bộử ụ ữ đi u ềkhiển và tín hiệu đầu vào nên có thể nhận tín hi u 3,3V/5V/12V không cệ ần đi n ệtrở

Hình 1.16 Đườ ng đ c tính c a đ ng cơ khi ch y 2 chế độ ặ ủ ộ ạ ở

không ph ả n h ồ i và có ph ả n h ồi

Bằng số liệu đo th c tế có thể thấự y đi u khiển phản hồi vòng kín cho ềmoment lớn hơn và có s n đ nh hơn Khi ti n hành cho robot chạy thự ổ ị ế ử ộ m t số

quỹ đạ o với đi u khiển phảể n hồi vòng kín, robot có độ bám qu ỹ đạo tốt và ổn

định hơn Đ i v i m t s trư ng h p k d gây gi ng co gi a các khâu gây trư t ố ớ ộ ố ờ ợ ỳ ị ằ ữ ợ

bước, driver cho phép h th ng ngắệ ố t truyền động ngay mà không cần interupt từ

vi xử lý

1.2.2 Absolute Encoder

Mặc dù có động cơ Hybrid Servo đã có Encoder nhưng đây là Incremental Encoder vì vậy không thể biết đư c vị ợ trí chính xác khi không có vị trí ban đ u ầtrong các trường h p robot khợ ởi động khi bàn máy không v trí g c (do mất ở ị ốđiện, va ch m, tác đ ng c a con ngư i, v.v) Vì v y Absolute Encoder đư c b ạ ộ ủ ờ ậ ợ ổsung cho mô hình robot song song phẳng 3-RRR này nhằm xác định vị trí tuy t ệ

đối hi n t i nh m đưa v trí bàn máy v t a đ g c, ho c ti p t c ti n trình b ệ ạ ằ ị ề ọ ộ ố ặ ế ụ ế ịngắt

V Thiết bị có 13đầu ra gồm VCC, 0V, GND và 10 output cho 10 bit thay vì sử

dụng các phương th c truyền dữ liệu khác như SPI, RS 485, v.v, vì vậy vi xử lý ứ

-có thể nh n đưậ ợc tín hiệu đ u vào tứầ c thời

Hình 1.18 Bi ể u đ ồ xung tín hi ệu 10-bit Grayco de

vAbsolute Encoder quay đồng bộ ớ ội đ ng cơ qua b truyềộ n đ ng đai răng ộ

có tỷ ố s truyền 1:1 Với 10 bit, Encoder có đ phân giộ ải 360 / 210 = 0.3515o ± 15’

1.2.3 B vộ i điều khi n ể

Kit STM32F4 DISCOVERY được s d ng cho robot do tính chất phổ ử ụbiến, sự ỗ h trợ ủ c a hãng, cộng đ ng v thư vi n, ph m m m, v.v cũng như đ ồ ề ệ ầ ề ể

đảm b o s lư ng chân kế ố ớả ố ợ t n i v i các Driver và Encoder

Dòng ARM Cortex KIT STM32F4 DISCOVERY là một bộ ử x lí thế ệ h

mới đua ra m t kiến trúc chuẩn cho nhu cầộ u đa d ng v công ngh Không gi ng ạ ề ệ ốnhu các chip ARM khác, dòng Cortex là m t lõi xộ ử lí hoàn thiện, dua ra một chuẩn CPU và kiến trúc hệ thống chung

16

Hình 1.19 Hình ảnh và ch c năng các c ứ hân KIT STM32F4

Dòng Cortex KIT STM32F4 DISCOVERY g m có 3 phân nhánh chính: ồdòng A dành cho các ứng dụng cao cấp, dòng R dành cho các ứng dụng thời gian thực như các đầu đ c và dòng M dành cho các ứng dụọ ng vi đi u khi n và chi phí ề ểthấp STM32 đu c thiết kợ ế ự d a trên dòng Cortex-M3, dòng Cortex M3 hi- ệu suất

h ệ thống, kết hợp với tiêu thụ nang luợng thấp, CortexM3 đu c thiết kế trên nền ợ

kiến trúc mới, do đó chi phí sản xuấ ủ ất đ th p để ạ c nh tranh với các dòng vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống Các chip ARM7 và ARM9 đu c các nhà sản xuất ợbán dẫn thiế ế ớt k v i gi i pháp riêng cả ủa mình, đ c biệt là phầặ n xử lí các các ng t ắ

đặc bi t (exception) và các ng t thông thu ng (interrupt) Cortex-M3 đưa ra m t ệ ắ ờ ộlõi vi điều khi n chu n nh m cung c p phần t ng quát, quan trể ẩ ằ ấ ổ ọng nhất của một

vi điều khiển, bao gồm hệ thống ngắt (interrupt system), SysTick timer (đu c ợthiết kế cho hệ đi u hành thời gian thựề c), hệ ống kiểm lỗi (debug system) và thmemory map Không gian địa ch 4Gbyte của Cortex-M3 đuợc chia thành các ỉvùng cho mã chương trình, SRAM, ngoại vi và ngoại vi hệ ố th ng Không gi ng ốvới ARM7 đuợc thi t k theo ki n trúc Von Neumann (b nh chương trình và ế ế ế ộ ớ

b ộ nhớ ữ liệu chung với nhau), Cortex M3 đuợc thiết kế ựa theo kiến trúc d - dHarvard (bộ nh chươớ ng trình và bộ nh d liớ ữ ệu tách bi t vệ ới nhau), và có nhiều bus cho phép thực hiện các thao tác song song với nhau, do đó làm t ng hiệu suất ăcủa chip Không giống v i các ki n trúc ARM tru c đó, dòng Cortex cho phép ớ ế ớtruy cập dữ liệu không xếp hàng (unaligned data, vì chip ARM là kiến trúc 32bit,

do đó tấ ảt c các d li u hoặữ ệ c mã chương trình đều đuợ ắc s p x p khít với vùng bộ ếnhớ là b i sộ ố ủ c a 4byte) Ðặc đi m này cho phép sử dể ụng hiệu quả SRAM nội Dòng Cortex còn hỗ ợ ệ tr vi c đặt và xoá các bit bên trong hai vùng 1Mbyte của

17

b ộ nhớ ằng phương pháp gọi là bit banding Ðặ b c đi m này cho phép truy cập ểhiệu quả ớ t i các thanh ghi ngo i vi và các cạ ờ đuợc dùng trên bộ nh SRAM mà ớkhông c n mầ ộ ột b x ử lí lu n lí (Boolean processor).â

Kit STM32F4 DISCOVERY được trang b ị chip 32 bit ARM Cortext v i - ớnhân FTU, 1MB bộ nh ớ Flash, 192Kb RAM trong gói LQFP100 ST-LINK/V2 được tích h p tr c ti p trên board thu n ti n cho việợ ự ế ậ ệ c n p code và truy n thông ạ ềvới máy tính Nguồn cung cấp cho board: thông qua cáp USB hoặc nguồn 5V Nguồn đi n có thểệ cung c p cho các ấ ứng d ng bên ngoài: 5V hoụ ặc 3V LIS302DL hoặc LIS3DSH ST MEMS 3-axis gia tốc kế Có cảm ứng âm thanh

với microphone kỹ thuật số omni directional CS43L22 audio DAC với bộ điều khiển loa class D đư c tích hợ ợ p

• USB OTG FS vớ ổi c ng k t n i Micro AB ế ố

• Các chân I/O mở ộ r ng đ k t n i nhanh nh m m c đích t o các ể ế ố ằ ụ ạ

bảng mạch1.2.4 Mạch kết nối

Nguồn sử ụ d ng cho Encoder, Driver và đ ng cơ ộ Hybrid là 24 V vì vậy các output sẽ có điện áp lớn gây nhiễu ho c h ng vi x lý, vì v y m ch ghép đư c ặ ỏ ử ậ ạ ợthiết kế để ế k t n i các thi t bố ế ị ớ v i vi xử lý M ch trung gian bao g m các khạ ồ ố i:

- Khối nguồn phân phối ngu n cho Encoder, Driver và ngu n t Driver cho ồ ồ ừ

động cơ có đi n áp 24V, ngu n 5V cho các IC ch c năng khác và MCU ệ ồ ứ

- Khối cách ly MCU tới Driver (PUL, DIR , EN)

- Khối cách ly MCU tới Encoder qua Opto coupler HCPL 2631 để ảo vệ- - b

vi xử lý khỏi tín hiệu có đi n áp cao ệ

18

-

Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý khố ế ố i k t n i gi a Encoder và vi x ữ ử

lý

Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý khố ế ố i k t n i gi a Encoder và Driver ữ

Tín hiệu phản hồi từ Servo có 2 kênh Kênh 1 từ Encoder tương

đối ph i h i v Driver, đây là tín hi u cho đi u khi n vòng kín của Driver ả ồ ề ệ ề ểNgoài ra kênh 1 cũng phản h i v MCU, do Encoder tương đ i có đ phân ồ ề ố ộgiải cao hơn Encoder tuyệ ốt đ i, 4000 xung / vòng tức 0.09o/ xung Kênh 2 từ Encoder tuyệ ốt đ i, kênh này giúp vi xử lý xác đ nh đư c góc hiện tại khi vừa ị ợkhở ội đ ng robot, hoặc g p các bi n cặ ế ố làm m t dấ ấu vị trí c a robot ủ

Phản h ồ ừ i t Incremental Encoder

PC MCU DRIVER SERVO

Phản hồ ừ i t Absolute Encoder

19

Tín hiệu phản hồi từ Servo có 2kênh Kênh 1 từ Encoder tương đối ph n ả

hồi về Driver, đây là tín hiệu cho đi u khiển vòng kín của Driver Ngoài ra ềkênh 1 cũng phản hồi v ề MCU, do Encoder tương đối có độ phân giải cao hơn Encoder tuyệ ốt đ i, 4000 xung / vòng, tức 0.09o/ xung Kênh 2 từ Encoder tuyệt đối, kênh này giúp vi xử lý xác đ nh đưị ợc góc hiện t i khi v a kh i ạ ừ ởđộng robot, hoặc g p các biặ ến cố làm m t d u vịấ ấ trí c a robot ủ

1.3 Tính toán thiế ế t k cơ khí

Trong cơ chế ủ c a robot song song ph ng 3-RRR, có 9 kh p quay và 8 liên ẳ ớ

kết ( 6 liên kết khâu, 1 bàn máy đ ng và 1 mặt bích cố định) Mỗi chuỗộ i đư c ợphát động bởi 1 đ ng cơ M1, M2, M3, phộ ản h i 2 kênh qua 2 encoder ồ

Để đáp ng đư c các nghiên c u chuyên sâu vềứ ợ ứ robot 3 RRR, robot đư c - ợthiết kế quay toàn vòng, loại bỏ trường h p kợ ỳ ị d do 1 chân bị va ch m gậạ p do thiết kế cùng t ng, kết hợp việầ c lo i bạ ỏ ớ b t kì dị ả x y ra khi tay máy du i thỗ ẳng và

loại bỏ ự ạ s h n chế ề v vùng làm việc vì vậy l1 có chiều dài lớn hơn so v l2, kếới t cấu xếp tầng tránh các đi m kỳ ị ạể d h n ch kh p quay do va ch m ế ớ ạ

Các cơ cấu, chi ti t đư c thiết kế ằế ợ b ng ph n m m Autodesk Inventor, là ầ ềmột phần mềm thiết kế, tính toán, mô phỏng 3D trong hệ sinh thái ph n mầ ềm của Autodesk Ngoài thi t kế ế 3D, chuyển đổi bản vẽ ừ t 3D sang 2D, Autodesk Inventor có khả năng tính toán chi tiết máy khoa học, xác định các thông số ậ v t

lý, cơ học của các chi tiết được thi t kếế , mô ph ng tĩnh hỏ ọc, động học và động

lực học

Các cơ cấu li1, li2 được thiết kế ạ d ng xương cá, lo i bỏạ một phần khối

lượng đ gi m khể ả ối lượng của cơ cấu mà vẫn đ m b o đ c ng v ng V t liệả ả ộ ứ ữ ậ u s ử

dụng là nhôm mác 6061 có tỷ trọng 2,7 g/cm3, chế ạ t o bằng phương pháp gia công phay đố ới v i m t bích, khâu thao tác, khâu liặ 1, khâu li2, tiện đối v i tr c nớ ụ ối các khâu thao tác

Bằng phép lặp với X là đ dày củộ a xương cá, Y là thang đi m 10 scale ể

bằng 10 lần hàm scale(MAX,MIN) ủa mứ c c đ chuyển vị khi mô phỏng cùng 1 ộ

lực tác đ ng vào đ u cuối chi tiết thể hiện bằng hàm f(x) do Autodesk Inventor ộ ầtính toán đ đánh giá để ộ ứ c ng v ng ữ

20

Hình 1.22 Thang điể m đo chuy n vị ể theo đ dày xương cá ộ

Theo kết quả tính toán th hiệể n trên bi u đ , t i X = 2 ể ồ ạ mm

Theo cấu hình sơ bộ, thì các chi ti t cế ần được thi t k gia công như sau: ế ế

Bảng 1.1 ố lượng các chi tiết cần gia công s STT Tên chi tiết S ố lượng

Để thu n ti n cho vi c gia công d a theo kích thư c t i đa c a máy gia ậ ệ ệ ự ớ ố ủcông cùng các yếu tố khác, ta chọn đư ng kính bố trí 3 động cơ dẫờ n đ ng D = ộ

600 mm, từ đó ch n bộ lọ i1 = 150 mm, li2 = 200 mm, đường kính bàn máy đ ng d ộ

= 180 mm để kích thước gia công phù hợp và không gian làm việc cũng như góc quay của bàn máy đ ng là lớn nhất có th Các chi tiộ ể ết được thiết kế có các kích thước hình học phải phù hợp các tiêu chí như:

• Phù hợp v i các kích thư c linh ki n đư c ch t o theo tiêu chu n như ớ ớ ệ ợ ế ạ ẩpulley, vòng bi, v.v

21

• Kích thước hình h c đ m b o t i ưu cho v t li u, kh i lư ng, v.v nhưng ọ ả ả ố ậ ệ ố ợđáp ứng đ b n, đ c ng v ng, chuy n vị nhỏủ độ ề ộ ứ ứ ể , v.v để giảm sai s trong quá ốtrình điều khi n ể

1.3.1 Thiết kế khâu li1

Các kích thước ph thu c của khâu lụ ộ i1 bao gồ , các góc fillet theo đường mkính dao có kích thước 2mm, pulley đai n i đ ng cơ tới aố ộ bsolute ncoder có eđường kính ngoài 16mm cùng phần dư c a trụủ c có đư ng kính 8mm, đư ng kính ờ ờngoài vòng bi cho tr c liên k t vụ ế ới khâu li2 có kích thước 16 mm và chiều dài lựa chọn sơ bộ V i các kích thư c như trên và tr i quá quá trình đi u ch nh thi t k ớ ớ ả ề ỉ ế ế

ta có k t quế ả cuối cùng như sau:

Hình 1.23 Thiế ế t k khâu l i1 dướ ạ i d ng 3D

Hình 1.24 Thiế ế t k chi ti t khâu l ế i1

Khâu li1 được mô phỏng tĩnh h c với các lực lớn nhất có thể tác động lên ọ

c ụ thể có khối lư ng của các vòng bi, khốợ i lư ng các trục liên kết, khốợ i lư ng ợcủa khâu li2, 1/3 khối lư ng củợ a bàn máy đ ng và dụng cụ ộ làm vi c có khệ ối

22

lượng 1kg (đ u khầ ắc laser, các cơ cấu liên quan tới khí nén, các cơ cấ ịu t nh ti n, ếv.v), ta có k t quế ả mô phỏng như sau:

Hình 1.25 Mô phỏ ng chuy n vị ể khi nh n ch u kh i lư ng c ng ậ ị ố ợ ộ

dồ n c a các khâu ti p theo khi du i th ng tác đ ng lên khâu ủ ế ỗ ẳ ộ l i1

Hình 1.26 Mô phỏ ng chuy n vị ể khi ch u moment c c đ i c a ị ự ạ ủ

các khâu ti p theo ế ở ị v trí n m vuông góc 90 ằ o tác đ ng lên ộ khâu

l i1

23

Hình 1.27 Mô phỏng phân phối ứ ng su ất khi t i v trí các khâu ạ ị

duỗ i th ng tác đ ng lên khâu ẳ ộ l i1

Hình 1.28 Mô phỏng phân ph ố ứ i ng su ấ t khi ch u moment c c ị ự

đạ ủ i c a các khâu ti p theo v trí n m vuông góc 90 ế ở ị ằ o tác động

lên khâu l i1

24

Hình 1.29 Mô phỏng phân phố ệ số i h an toàn khâu l i1

Như vậy kết quả mô phỏng cho thấy khâu li1đảm bảo độ bền, có chuyển

v lị ớn nhất là 0.01289 mm Kết quả thiết kế được trình bày tại bảng thông số các khâu chính tại cu i m c 4ố ụ chương 1

1.3.2 Thiế ết k khâu li2

Các kích thước ph thu c của khâu lụ ộ i2 bao gồm, các góc fillet theo đư ng ờkính dao có kích thước 2mm, đư ng kính ngoài vòng bi cho trục liên kết với ờkhâu li1 và bàn máy động có kích thư c 16 mm và chiều dài l a chớ ự ọn sơ bộ V i ớcác kích thư c như trên và trớ ải quá quá trình đi u chỉề nh thi t kếế ta có k t quả ếcuối cùng như sau:

Hình 1.30 Thiế ế t k khâu l i2 dướ ạ i d ng 3D

25

Hình 1.31 Thiế ế t k chi ti t khâu l ế i2

Khâu li2 được mô phỏng tĩnh h c với các lực lớn nhất có thể tác động lên ọ

c ụ thể có khối lư ng của các vòng bi, khốợ i lư ng các trục liên kết, 1/3 khối ợ

lượng của bàn máy động và d ng c làm vi c có khốụ ụ ệ i lư ng 1kg (đ u kh c ợ ầ ắlaser, các cơ cấu liên quan tới khí nén, các cơ cấ ịu t nh ti n, v.v), ta có kếế t qu ả

mô phỏng như sau:

Hình 1.32 Mô phỏ ng chuy n vị ể khi nh n ch u kh i lư ng c ng ậ ị ố ợ ộ

dồ n c a các khâu ti p theo khi du i th ng tác đ ng lên khâu l ủ ế ỗ ẳ ộ i2

26

Hình 1.33 Mô phỏ ng chuy n vị ể khi ch u moment c c đ i c a ị ự ạ ủ

các khâu ti p theo ế ở ị v trí n m vuông góc 90 ằ o tác đ ng lên khâu ộ

l i2

Hình 1.34 Mô phỏng phân ph ố ứ i ng su ấ t khi t i v trí các khâu ạ ị

duỗ i th ng tác ng lên khâu l ẳ độ i2

27

Hình 1.35 Mô phỏng phân ph ố ứ i ng su ấ t khi ch u moment c c ị ự

đạ ủ i c a các khâu ti p theo v trí n m vuông góc 90 ế ở ị ằ o tác động

lên khâu l i2

Hình 1.36 Mô phỏ ng h số an toàn khâu l ệ i2

Như vậy k t qu mô ph ng cho th y khâu lế ả ỏ ấ i2 đảm bảo độ bền, có chuyển vị

lớn nhất là 0.01495 mm Kết quả thiết kế được trình bày tại bảng thông số các khâu chính tại cu i m c 4ố ụ chương 1

28

1.3.3 Thiết kế bàn máy động

Các kích thước phụ thuộc của bàn máy đ ng bao gồm, đường kính ngoài ộvòng bi cho trục liên k t vế ới khâu li2 và đường kính lựa chọn sơ bộ V i các kích ớthư c như trên và trớ ải quá quá trình đi u chỉề nh thi t kếế ta có k t quả cuối cùng ếnhư sau:

Hình 1.37 Hình ảnh bàn máy độ ng dư i d ng 3D ớ ạ

Hình 1.38 Thiế ế t k chi ti t bàn máy đ ế ộng

Bàn máy động đư c mô ph ng tĩnh h c v i các l c l n nh t có th tác ợ ỏ ọ ớ ự ớ ấ ể

động lên c th kh i lư ng c a bàn máy đ ng và d ng c làm vi c có kh i ụ ể ố ợ ủ ộ ụ ụ ệ ố

lượng 1kg (đ u khầ ắc laser, các cơ cấu liên quan tới khí nén, các cơ cấu tịnh tiến, v.v), ta có kết qu mô phả ỏng như sau:

30

Hình 1.41 Mô phỏ ng h số an toàn trong trườ ệ ng h p gá khâu ợ

làm vi c có tr ng lư ệ ọ ợng 1kg

Như vậy k t qu mô ph ng cho th y khâu lế ả ỏ ấ i1 đảm bảo độ bền, có chuyển vị

lớn nhất là 0.00006788 mm Kết quả thiết kế được trình bày tại bảng thông số các khâu chính tại cu i mố ục 4 chương 1

1.3.4 Thiế ết k các chi ti t khác ế

Các chi tiết khác bao gồm trục liên k t, mế ặt bích gá đ ng cơ và absolute ộencoder, trục liên kết, bộ truyền đ ng pulley đai răng gi a động cơ và absolute ộ ữencoder, vòng bi, vòng chà bi, ốc siết, phương pháp bôi trơn và ch ng tháo lỏng ố

ốc si t ế

B ộ truyền đ ng giữộ a đ ng cơ và absolute encoder sộ ử dụng pulley dai răng

t s ỷ ố truyền u = 1, dây đai T2.5 dày B = 6mm, kho ng cách tâm a giữa 2 pulley a ả

= 8mm, pulley có đường kính trong d = 8 mm phù hợp vơi tr c đ ng cơ và ụ ộabsolute encoder, đường kính ngoài D = 16mm, có 20 răng ăn kh p vớ ới đai răng

Dựa vào kích thư c hình học của độớ ng cơ và absolute encoder ta có k t quả thiết ế

k mế ặt bích gá robot như sau:

Ố ụ c l c giác M8

Ổ chà bi

Ổ bi