DESIGN AND CALCULATIONS FOR INDUSTRIAL ROBOTIC ARM - Full 10 điểm

PHENIKAA UNIVERSITY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING AND MECHATRONICS PROJECT OF MECHATRONICS SYSTEMS DESIGN "DESIGN AND CALCULATIONS FOR INDUSTRIAL ROBOTIC ARM " STUDENTS: STUDENTS 1: 19010184 NGUYỄN VĂN KHÁNH CHIẾN STUDENTS 2: 19010194 BÙI NHẬT MINH STUDENTS 3: 19010200 PHAN XUÂN TẦN ADVISOR: KHỔNG MINH THÁNG 6 NĂM 2023 Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 2 PROJECT OF MECHATRONICS SYSTEM DESIGN REPORT Team Nguyễn Văn Khánh Chiến - 19010184 Bùi Nhật Minh - 19010194 Phan Xuân Tần – 19010200 Advisor Khổng Minh Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 3 Tóm tắt nội dung Th ờ i đ ạ i 4 0 hi ệ n nay , công ngh ệ robot đã phát tri ể n và t ạ o ra nh ữ ng thay đ ổ i l ớ n trong cu ộ c s ố ng c ủ a con ngư ờ i Trong lĩnh v ự c đóng gói s ả n ph ẩ m công nghi ệ p, máy t ự đ ộ ng đã và đang đư ợ c s ử d ụ ng đ ể thay th ế s ứ c con ngư ờ i trong các công vi ệ c đơn gi ả n và l ặ p đi l ặ p l ạ i V i ệ c s ử d ụ ng robot trong các công vi ệ c nhàm chán không ch ỉ có l ợ i ích trong lĩnh v ự c kinh t ế mà còn mang l ạ i nhi ề u l ợ i ích v ề s ứ c kh ỏ e và an toàn lao đ ộ ng cho con ngư ờ i V ớ i s ự phát tri ể n c ủ a tay máy robot, chúng ta có th ể s ử d ụ ng nh ữ ng thi ế t b ị này trong các công vi ệ c nhàm chán như lau chùi, quét d ọ n, v ệ sinh và th ậ m chí là tr ồ ng cây Các tay máy robot có kh ả năng th ự c hi ệ n các nhi ệ m v ụ chính xác và hi ệ u qu ả hơn con ngư ờ i, giúp ti ế t ki ệ m th ờ i gian và năng lư ợ ng Nó cũng giúp gi ả m thi ể u nguy c ơ ch ấ n thương lao đ ộ ng cho con ngư ờ i trong quá trình th ự c hi ệ n các công vi ệ c nhàm chán Đ ặ c bi ệ t, vi ệ c s ử d ụ ng robot trong các công vi ệ c nhàm chán còn giúp cho con ngư ờ i có th ể t ậ p trung vào nh ữ ng công vi ệ c ph ứ c t ạ p và yêu c ầ u nhi ề u trí óc hơn Tuy nhiên, vi ệ c áp d ụ ng robot trong các công vi ệ c nhàm chán cũng g ặ p ph ả i m ộ t s ố thách th ứ c nh ấ t đ ị nh Đó là vi ệ c ph ả i thi ế t k ế và l ậ p trình các tay máy robot sao cho phù h ợ p v ớ i t ừ ng công vi ệ c c ụ th ể và đ ả m b ả o tính an toàn cho con ngư ờ i Đ ồ ng th ờ i, vi ệ c gi ả m thi ể u chi phí đ ầ u tư và v ậ n hành c ủ a robot cũng là m ộ t v ấ n đ ề c ầ n đư ợ c gi ả i quy ế t Nh ậ n th ấ y nh ữ ng thi ế u sót trên nhóm đã quy ế t đ ị nh l ấ y ý tư ở ng v ề tay máy robot công nghi ệ p đ ề làm đ ề tài cho môn h ọ c này C ụ th ể là tính toán và thi ế t k ế mô ph ỏ ng l ự c trên cánh ta y robot dành cho công vi ệ c g ắ p hoa qu ả vào thùng đóng gói Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 4 Abstract "In the current era of Industry 4 0, robotic technology has advanced and brought about significant changes in human life In the field of industrial product packaging, automated machines h ave been and are being used to replace human labor in simple and repetitive tasks The use of robots in monotonous jobs not only brings economic benefits but also provides numerous advantages in terms of human health and safety With the development of rob otic arms, we can employ these devices in mundane tasks such as cleaning, sweeping, sanitation, and even gardening Robotic arms possess the capability to execute tasks with greater accuracy and efficiency than humans, saving time and energy They also hel p minimize the risk of occupational injuries for humans during the process of performing monotonous tasks Moreover, utilizing robots in monotonous jobs allows humans to focus on complex tasks that require greater mental engagement However, the applicatio n of robots in monotonous jobs also encounters certain challenges It involves designing and programming robotic arms to suit specific tasks while ensuring safety for humans Simultaneously, reducing the investment and operational costs of robots is anothe r issue that needs to be addressed Realizing the shortcomings, our team has decided to choose the idea of an industrial robot arm as the topic for this course project Specifically, it involves the computation and design simulation of the force on the rob ot arm for the task of picking fruits and pla cing them into packaging boxes Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 5 Mục lục TÓM TẮT NỘI DUNG 3 ABSTRACT 4 MỤC LỤC 5 DANH SÁCH HÌNH ẢNH 7 DANH SÁCH BẢNG 8 1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ 9 1 1 Đ Ặ T V Ấ N Đ Ề 9 1 2 X ÁC Đ Ị NH V Ấ N Đ Ề 10 2 KHẢO SÁT THÔNG TI N 11 2 1 G I Ả I PHÁP / S Ả N PH Ẩ M ĐANG CÓ TRÊN TH Ị TRƯ Ờ NG 11 2 2 T Ư LI Ệ U KHOA H Ọ C 11 3 M Ụ C TIÊU 12 3 1 M Ụ C TIÊU T Ổ NG QUÁT 12 3 2 M Ụ C TIÊU CHI TI Ế T 12 4 GI Ả I PHÁP Đ Ề XU Ấ T 13 4 1 M Ô T Ả GI Ả I PHÁP / THI Ế T K Ế 13 4 1 1 Sơ đ ồ kh ố i 13 4 1 2 Mô t ả ch ứ c năng 15 4 1 3 C ụ m chi ti ế t và thi ế t b ị 15 4 2 G I Ớ I H Ạ N C Ủ A GI Ả I PHÁP / S Ả N PH Ẩ M 17 4 3 P HƯƠNG PHÁP TI Ế P C Ậ N VÀ PHƯƠNG TH Ứ C TRI Ể N KHAI 17 5 PHÂN TÍCH CÁC TÁC Đ Ộ NG/ Ả NH HƯ Ở NG 18 5 1 T ÍNH KH Ả THI V Ề CÔNG NGH Ệ 18 5 2 T ÍNH KH Ả THI V Ề KINH T Ế 18 5 3 T ÁC Đ Ộ NG XÃ H Ộ I 18 5 4 T ÁC Đ Ộ NG V Ề HO Ạ T Đ Ộ NG 19 5 5 T ÁC Đ Ộ NG V Ề MÔI TRƯ Ờ NG 19 5 6 T IÊU CHU Ẩ N Đ Ạ O Đ Ứ C 19 6 K Ế HO Ạ CH TH Ự C HI Ệ N HÀNG TU Ầ N 20 6 1 T HÀNH VIÊN 20 6 2 K Ế HO Ạ CH VÀ TI Ế N TRÌNH 21 7 TI Ế N TRÌNH D Ự ÁN 22 Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 6 7 1 L Ị CH S Ử HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRI Ể N R OBOT 22 7 1 1 B ậ c t ự do c ủ a Robot 24 7 1 2 C ấ u trúc cơ b ả n c ủ a Robot công nghi ệ p 26 7 1 3 K ế t c ấ u c ủ a tay máy 27 7 1 4 Phân lo ạ i Robot công nghi ệ p 27 7 1 5 Các ứ ng d ụ ng c ủ a Robot 28 7 2 Đ Ộ NG H Ọ C THU Ậ N , Đ Ộ NG H Ọ C NGƯ Ợ C 29 7 2 1 Phương trình đ ộ ng h ọ c thu ậ n 29 7 3 T ÍNH TOÁN / PHÂN TÍCH / THI Ế T K Ế 43 7 3 1 Sơ đ ồ l ự c tác d ụ ng lên các tr ụ c 50 7 3 2 Sơ đ ồ l ự c tác d ụ ng lên t ừ ng tr ụ c 51 7 3 3 Giá tr ị l ự c t ừ các chi ti ế t, b ộ truy ề n tác d ụ ng lên tr ụ c 51 7 4 T HI Ế T K Ế SƠ B Ộ TR Ụ C 52 7 4 1 Ch ọ n v ậ t li ệ u ch ế t ạ o tr ụ c 52 7 4 2 Tính sơ b ộ đư ờ ng kính tr ụ c I và II 52 7 5 C H Ỉ TIÊU TÍNH TOÁN TR Ụ C 53 7 6 T ÍNH VÀ CH Ọ N ĐƯ Ờ NG KÍNH CÁC ĐO Ạ N TR Ụ C TRÊN CÁC TR Ụ C 54 7 6 1 Tính thi ế t k ế tr ụ c I 54 7 6 2 Tính thi ế t k ế tr ụ c II 61 7 7 T Ạ I THI Ế T DI Ệ N L Ắ P PULI : 68 7 8 Q UY Ế T Đ Ị NH L Ạ I L Ầ N CU Ố I CÁC TI Ế T DI Ệ N TR Ụ C VÀ V Ẽ K Ế T C Ấ U TR Ụ C 69 7 8 1 Đ ố i v ớ i tr ụ c I 69 7 8 2 Đ ố i v ớ i tr ụ c II 69 7 9 TÍNH CH Ọ N Ổ LĂN 70 7 9 1 C H Ỉ TIÊU TÍNH TOÁN Ổ LĂN 70 7 9 2 C H Ọ N LO Ạ I Ổ LĂN CHO TR Ụ C I VÀ II 70 8 K Ế T QU Ả VÀ TH Ả O LU Ậ N 98 9 PHÂN TÍCH R Ủ I RO 101 10 BÁO CÁO V Ề TÀI CHÍNH VÀ KINH T Ế 105 11 K Ế T LU Ậ N 105 12 TIÊU CHU Ẩ N 105 13 TÀI LI Ệ U THAM KH Ả O 105 14 PH Ụ L Ụ C 106 Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 7 Danh sách hình ảnh Hình 1: Sơ đ ồ kh ố i thành ph ầ n cánh tay robot 13 Hình 2: H ệ th ố ng x ế p qu ả 14 Hình 3: C ụ m chi ti ế t 15 Hình 4: Đ ộ ng cơ bư ớ c 16 Hình 5: Ổ bi 16 Hình 6: Đai răng 16 Hình 7: Vòng phanh 16 Hình 8: Xilanh 16 Hình 9: Gripper 16 Hình 10: H ệ t ọ a đ ộ tay máy 25 Hình 11: Quy t ắ c bàn tay ph ả i 25 Hình 12: Bi ể n di ễ n thao tác c ủ a robot 26 Hình 13: C ấ u trúc cơ b ả n c ủ a robot công nghi ệ p 27 Hình 14: Xây d ự ng h ệ t ọ a đ ộ thanh n ố i 29 Hình 15: H ệ tr ụ c t ọ a đ ộ 32 Hình 16: Đ ộ ng h ọ c ngư ợ c tay máy Scara 34 Hình 17: H ình 3D tr ụ c I và tr ụ c II 50 Hình 18: Bi ể u di ễ n l ự c trên tr ụ c I và tr ụ c II 50 Hình 19: Bi ể u di ễ n l ự c trên tr ụ c I 51 Hình 20: Bi ể u di ễ n l ự c trên tr ụ c II 51 Hình 21: Tính thi ế t k ế tr ụ c I 54 Hình 22: Bi ể u đ ồ Momen và k ế t c ấ u tr ụ c I 55 Hình 23: Tính thi ế t k ế tr ụ c II 62 Hình 24: Bi ể u đ ồ Momen và k ế t c ấ u tr ụ c II 63 Hình 25: D ạ ng ổ lăn 70 Hình 26: Qu ỹ đ ạ o chuy ể n đ ộ ng c ủ a đi ể m cu ố i 75 Hình 27: Đ ồ th ị v ậ n t ố c đi ể m cu ố i 76 Hình 28: Đ ồ th ị gia t ố c đi ể m cu ố i 77 Hình 29: Quy lu ậ t chuy ể n đ ộ ng c ủ a khâu tác đ ộ ng cu ố i 78 Hình 30: Quy lu ậ t chuy ể n đ ộ ng c ủ a các khâu 79 Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 8 Danh sách bảng B ả ng 1: Thông tin thành viên 20 B ả ng 2: K ế ho ạ ch và ti ế n trình th ự c hi ệ n 21 B ả ng 3: B ả ng s ố li ệ u s ố lư ợ ng robot ở m ộ t vài nư ớ c công nghi ệ p phát tr i ể n 23 B ả ng 4: B ả ng thông s ố DH 32 B ả ng 5: Các đi ể m cho trư ớ c và k ế t qu ả c ủ a bài toán đ ộ ng h ọ c ngư ợ c 35 B ả ng 6: C ấ p chính xác ổ lăn 70 B ả ng 7: Thông s ố ổ l ăn tr ụ c I 71 Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 9 1 Đặt vấn đề và xác định vấn đề 1 1 Đặt vấn đề Từ thời xa xưa tổ tiên ông cha ta luôn luôn muốn các công việc trở nên đơn gian và hạn chế can thiệt bởi tác động của con người Chính vì thế các cuộc cách mạng khoa học c ông nghệ đã nổ ra rất sớm từ cuối thế kỉ XVIII với sản phẩm đầu tiên là đầu máy hoiw nước T iếp đó các cuộc cách mạng 2 0 3 0 4 0 lần lượt nổ ra điển hình là các sản phẩm máy in, động cơ đốt trong, kĩ thuật số và cuối cùng là sản xuất thông minh Hiệ n nay thời công nghệ 4 0 đang phát triển rầm rộ, cùng với đó robot cũng không kép cạnh xâm lấn ngà y một nhiều và đặc biệt trong các ngành công nghiệp hiện đại Trong các nhà máy và xư ở ng s ả n xu ấ t th ự c ph ẩ m, vi ệ c x ế p hoa qu ả trên băng chuy ề n vào thùng là m ộ t trong nh ữ ng công vi ệ c đơn gi ả n và ph ả i l ặ p l ạ i trong su ố t qu ả trình làm vi ệ c quá trình làm vi ệ c Đ ể th ự c hi ệ n công vi ệ c này, nhân viên ph ả i đ ứ ng ở m ộ t v ị trí c ố đ ị nh và liên t ụ c x ế p các lo ạ i hoa qu ả vào t ừ ng thùng Công vi ệ c này đòi h ỏ i s ự t ậ p trung cao và s ự chính xác, vì vi ệ c đưa nh ữ ng lo ạ i hoa qu ả sai vào thùng s ẽ ả nh hư ở ng đ ế n ch ấ t lư ợ ng s ả n ph ẩ m Tuy nhiên, công vi ệ c này cũng có nh ữ ng h ạ n ch ế và như ợ c đi ể m Trong m ộ t s ố trư ờ ng h ợ p, vi ệ c x ế p hoa qu ả này có th ể gây m ệ t m ỏ i và căng th ẳ ng cho nhân viên Đ ặ c bi ệ t là khi công vi ệ c đư ợ c th ự c hi ệ n trong môi trư ờ ng ồ n ào và nhi ề u b ụ i b ẩ n, có th ể gây h ạ i cho s ứ c kh ỏ e c ủ a nhân viên trong th ờ i gian dài C ộ ng v ớ i vi ệ c l ặ p l ạ i cùng m ộ t đ ộ ng tác nhi ề u l ầ n, công vi ệ c này có th ể gây ra các v ấ n đ ề v ề cơ xương kh ớ p cho nhân viên Hơn n ữ a, vi ệ c làm vi ệ c v ớ i các băng chuy ề n cũng có nguy cơ tai n ạ n lao đ ộ ng N ế u không có quy trình an toàn và các bi ệ n pháp b ả o v ệ t ố t, nhân viên có th ể b ị thương t ậ t ho ặ c th ậ m chí là t ử vong Các v ậ t th ể c ứ ng, s ắ c nh ọ n có th ể rơi vào tay ho ặ c chân c ủ a nhân viên trong khi h ọ đang làm vi ệ c, gây ra ch ấ n thương ho ặ c thương tích Đ ặ t v ấ n đ ề : T hi ế t k ế tay máy robot đ ể g ắ p táo và đưa đ ế n v ị trí quy đ ị nh Mô t ả v ấ n đ ề : Trong quy trình s ả n xu ấ t và đóng gói táo, vi ệ c g ắ p và đưa táo đ ế n v ị trí quy đ ị nh là m ộ t công đo ạ n quan tr ọ ng Quá trình này đòi h ỏ i tay máy robot ph ả i có kh ả năng chính xác và nh ẹ nhàng đ ể g ắ p và v ậ n chuy ể n táo m ộ t cách an toàn và hi ệ u qu ả Đ ồ ng th ờ i, tay máy robot c ầ n có kh ả năng đ ị nh v ị và đưa táo đ ế n v ị trí quy đ ị nh trong quy trình đóng gói V ấ n đ ề c ầ n gi ả i quy ế t: V ấ n đ ề c ầ n gi ả i quy ế t là thi ế t k ế m ộ t tay máy robot đáng tin c ậ y đ ể g ắ p táo và đưa chúng đ ế n v ị trí quy đ ị nh trong quy trình đóng gói C ầ n tìm ra m ộ t c ấ u trúc và h ệ th ố ng đi ề u khi ể n cho tay máy robot sao cho nó có th ể : 1 G ắ p táo: Tay máy robot c ầ n có kh ả năng g ắ p táo m ộ t cách chính xác và nh ẹ nhàng đ ể tránh làm h ỏ ng s ả n ph ẩ m Có th ể s ử d ụ ng các công ngh ệ c ả m bi ế n hình d ạ ng và l ự c đ ể xác đ ị nh v ị trí và đ ộ bám ch ắ c ch ắ n khi g ắ p táo Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 10 2 V ậ n chuy ể n táo: Tay máy robot c ầ n có kh ả năng v ậ n chuy ể n táo t ừ ngu ồ n cung c ấ p đ ế n v ị trí quy đ ị nh m ộ t cách chính xác và nh ẹ nhàng đ ể tránh t ổ n h ạ i táo Đi ề u này có th ể đòi h ỏ i s ử d ụ ng các h ệ th ố ng truy ề n đ ộ ng và c ả m bi ế n v ậ n t ố c đ ể đi ề u khi ể n t ố c đ ộ và đ ộ chính xác c ủ a vi ệ c v ậ n chuy ể n 3 Đ ị nh v ị và đưa đ ế n v ị trí quy đ ị nh: Tay máy robot c ầ n có kh ả năng đ ị nh v ị và đưa táo đ ế n v ị trí quy đ ị nh trong quy trình đóng gói Có th ể s ử d ụ ng h ệ th ố ng đ ị nh v ị và đi ề u khi ể n chính xác đ ể đ ả m b ả o táo đư ợ c đ ặ t đúng v ị trí trong h ộ p ho ặ c băng chuy ề n 4 Đ ả m b ả o an toàn: Tay máy robot c ầ n đư ợ c thi ế t k ế v ớ i các bi ệ n pháp an toàn như c ả m bi ế n va ch ạ m đ ể tránh v a ch ạ m v ớ i con ngư ờ i ho ặ c các v ậ t th ể khác trong quá trình làm vi ệ c 5 D ễ dàng tích h ợ p và v ậ n hành: Tay máy robot c ầ n đư ợ c thi ế t k ế đ ể d ễ dàng tích h ợ p vào h ệ th ố ng s ả n xu ấ t hi ệ n có và có th ể đư ợ c đi ề u khi ể n và v ậ n hành m ộ t cách d ễ dàng V ấ n đ ề này có th ể đư ợ c gi ả i quy ế t b ằ ng cách nghiên c ứ u và áp d ụ ng các công ngh ệ tiên ti ế n như h ọ c máy, th ị giác máy tính, h ệ th ố ng đi ề u khi ể n linh ho ạ t và k ỹ thu ậ t đ ị nh v ị C ầ n đ ả m b ả o r ằ ng tay máy robot có đ ộ nh ạ y c ả m và đ ộ chính xác cao đ ể đáp ứ ng yêu c ầ u đ ặ t táo vào v ị trí quy đ ị nh m ộ t cách chính xác và nh ấ t quán 1 2 Xác định vấn đề Đ ố i v ớ i m ộ t công vi ệ c như x ế p hoa qu ả trên băng chuy ề n, vi ệ c th ự c hi ệ n công vi ệ c này liên t ụ c trong m ộ t kho ả ng th ờ i gian dài có th ể gây ra s ự m ệ t m ỏ i và nhàm chán đ ố i v ớ i nhân viên Ngoài ra, vi ệ c làm vi ệ c liên t ụ c trong m ộ t môi trư ờ ng đ ầ y nguy hi ể m có th ể d ẫ n đ ế n các tai n ạ n lao đ ộ ng nghiêm tr ọ ng Vì v ậ y, vi ệ c tìm gi ả i pháp cho các công vi ệ c nhàm chán và nguy hi ể m như v ậ y là vô cùng quan tr ọ ng V ấ n đ ề quan tr ọ ng nh ấ t là ph ả i t ạ o ra các h ệ t h ố ng máy móc đ ể thay th ế hoàn toàn con ngư ờ i Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 11 2 Khảo sát thông tin 2 1 Giải pháp/sản phẩm đang có trên thị trường Đ ể gi ả i quy ế t nh ữ ng v ấ n đ ề này, nhi ề u nhà s ả n xu ấ t và k ỹ sư đã nghiên c ứ u và phát tri ể n các gi ả i pháp t ự đ ộ ng hóa đ ể thay th ế con ngư ờ i tron g công vi ệ c x ế p hoa qu ả trên băng chuy ề n Thay vì ph ả i có nhân viên đ ứ ng và làm vi ệ c trong m ộ t th ờ i gian dài, các thi ế t b ị t ự đ ộ ng hóa có th ể th ự c hi ệ n công vi ệ c này m ộ t cách nhanh chóng và chính xác hơn Các máy móc này có th ể đư ợ c l ắ p đ ặ t trên băng chuy ề n đ ể giúp x ế p hoa qu ả vào thùng m ộ t cách chính xác và nhanh hơn Đi ề u này không ch ỉ gi ả m b ớ t s ự nhàm chán và m ệ t m ỏ i cho nhân viên, mà còn tăng hi ệ u su ấ t s ả n xu ấ t và đ ả m b ả o ch ấ t lư ợ ng s ả n ph ẩ m Bên c ạ nh đó, vi ệ c s ử d ụ ng các thi ế t b ị t ự đ ộ ng hóa còn gi ả m t hi ể u nguy cơ tai n ạ n lao đ ộ ng V ớ i các c ả m bi ế n và h ệ th ố ng an toàn đư ợ c tích h ợ p trong thi ế t b ị , các tai n ạ n có th ể đư ợ c tránh đư ợ c ho ặ c gi ả m thi ể u đáng k ể Đi ề u này cũng giúp tăng cư ờ ng s ự an toàn và b ả o v ệ cho nhân viên trong quá trình s ả n xu ấ t Tuy nhi ên, vi ệ c áp d ụ ng các cơ c ấ u t ự đ ộ ng đòi h ỏ i m ộ t s ố chi phí đ ầ u tư ban đ ầ u đ ể mua thi ế t b ị và đào t ạ o nhân viên s ử d ụ ng Ngoài ra, c ầ n có s ự nghiên c ứ u và thi ế t k ế k ỹ lư ỡ ng đ ể đ ả m b ả o thi ế t b ị ho ạ t đ ộ ng t ố t và đáp ứ ng đư ợ c yêu c ầ u c ủ a công vi ệ c Đ ồ ng th ờ i, vi ệ c thay th ế con ngư ờ i b ằ ng máy móc cũng có th ể gây tác đ ộ ng đ ế n vi ệ c t ạ o ra vi ệ c làm cho ngư ờ i lao đ ộ ng, đ ặ c bi ệ t là đ ố i v ớ i nh ữ ng ngư ờ i làm công vi ệ c x ế p hoa qu ả trên băng chuy ề n 2 2 Tư liệu khoa học Theo thống kê, năm 2022 trên cả nước có hơn 7700 vụ tai nạn lao động liên quan đến sản xuất [1] Con s ố này bao g ồ m c ả khu v ự c có quan h ệ lao đ ộ ng và khu v ự c ngư ờ i lao đ ộ ng làm vi ệ c không theo h ợ p đ ồ ng lao đ ộ ng C ụ th ể , s ố v ụ tai n ạ n lao đ ộ ng ch ế t ngư ờ i là 720 v ụ , gi ả m 29 v ụ tương ứ ng 3,87% so năm 2021 S ố ngư ờ i ch ế t vì tai n ạ n lao đ ộ ng là 754 ngư ờ i, gi ả m 32 ngư ờ i Tuy nhiên, s ố ngư ờ i b ị thương n ặ ng do tai n ạ n lao đ ộ ng l ạ i tăng 162 ngư ờ i, lên t ớ i 1 647 ngư ờ i, tăng 10,9% so năm 2021 Thi ệ t h ạ i do tai n ạ n lao đ ộ ng gây ra là 14000 t ỉ đ ồ ng [2] Theo T ổ ch ứ c Lao đ ộ ng Qu ố c t ế (ILO), m ỗ i năm trên toàn th ế gi ớ i có kho ả ng 2,78 tri ệ u ngư ờ i ch ế t ho ặ c b ị thương tích n ặ ng do tai n ạ n lao đ ộ ng Trong s ố đó, kho ả ng 340 tri ệ u trư ờ ng h ợ p tai n ạ n lao đ ộ ng d ẫ n đ ế n ngh ỉ làm vi ệ c ít nh ấ t 4 ngày ho ặ c nhi ề u hơn [3] Tính đ ế n năm 2020, ILO cho bi ế t chi phí tai n ạ n lao đ ộ ng trên toàn th ế gi ớ i đ ạ t kho ả ng 3,94% GDP th ế gi ớ i, tương đương v ớ i 7,5 nghìn t ỷ USD S ố ti ề n này bao g ồ m các chi phí liên quan đ ế n chi phí y t ế , b ả o hi ể m, ph ụ c h ồ i và th ấ t thu năng su ấ t c ủ a ngư ờ i lao đ ộ ng [4] Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 12 3 M ụ c ti êu 3 1 Mục tiêu tổng quát Phân tích đi ề u ki ệ n làm vi ệ c c ủ a robot Nghiên c ứ u các bài toán cơ h ọ c và đi ề u khi ể n robot Nghiên c ứ u h ệ th ố ng đi ề u khi ể n (gi ớ i h ạ n driver đ ộ ng cơ,encoder) Thi ế t k ế giao di ệ n đi ề u khi ể n trên matlab Vi ế t chương trình đi ề u khi ể n robot và xây d ự ng giao di ệ n đi ề u khi ể n trên matlab Ch ế t ạ o và tích h ợ p h ệ th ố ng(dành cho đ ồ án t ố t nghi ệ p ) 3 2 Mục tiêu chi tiết  Tính toán và thi ế t k ế tay máy robot SCARA trong h ệ th ố ng Picking - Packing cho dây chuy ề n x ế p hoa qu ả  Áp d ụ ng ki ế n th ứ c đã đư ợ c h ọ c vào môn h ọ c đ ồ án thi ế t k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử  Thi ế t k ế và mô ph ỏ ng ho ạ t đ ộ ng robot SCARA 3 b ậ c t ự do  Áp dụng kiến thức khoa học kỹ thuật cơ bản để phân tích, thiết kế hệ thống cơ điện tử  Thực hiện được quy trình tính toán, thiết kế, mô phỏng và điều khiển các hệ cơ điện tử  Áp dụng kiến thức khoa học kỹ thuật cơ bản để thiết lập, phân tích và tính toán hệ thống cơ điện tử  Vận dụng kiến thức cơ sở ngành để xây dựng hệ điều khiển và cơ khí cho hệ thống cơ điện tử  Phân tích kết quả tính toán, mô phỏng, điều khiển và đo lường hệ thống cơ điện tử  Thực hiện được quy trình thiết lập bài toán thiết kế hệ thống cơ điện tử  Tham gia tích cực vào hoạt động của nhóm thực hiện đồ án và thể hiện đóng góp của cá nhân trong quá trình thực hiện đồ án môn học  Xây dựng quy trình triển khai thiết kế, chế tạo hệ thống cơ điện tử phù hợp với yêu cầu đồ án Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 13 4 Gi ả i pháp đ ề xu ấ t 4 1 Mô tả giải pháp/thiết kế S ử d ụ ng tay máy thay th ế con ngư ờ i là m ộ t gi ả i pháp tiên ti ế n đ ể gi ả m thi ể u tình tr ạ ng s ử d ụ ng lao đ ộ ng trong môi trư ờ ng đ ộ c h ạ i M ộ t gi ả i pháp đư ợ c nhóm đưa ra là s ử d ụ ng tay may robot k ế t h ợ p v ớ i các h ệ th ố ng băng chuy ề n t ạ o thành m ộ t h ệ th ố ng săp x ế p t ự đ ộ ng t ừ đó gi ả i quy ế t cong vi ệ c mà không c ầ n s ự can thi ệ p c ủ a con ngư ờ i Gi ả i pháp đư ợ c nhóm đưa ra là thi ế t k ế m ộ t h ệ th ố ng g ồ m 2 băng chuy ề n k ế t h ợ p v ớ i m ộ t tay máy robot scara Nhi ệ m v ụ c ủ a băng chuy ề n 1 là v ậ n chu ể n s ả n ph ẩ m t ừ thùng ch ứ a đ ế n tay máy theo m ộ t hàng đư ợ c s ắ p x ế p ,nhi ệ m v ụ băng chu ề n 2 là v ậ n chuy ể n h ộ p đóng gói đ ế n v ị trí đ ặ t và đưa đ ế n máy đ óng gói ,Nhi ệ m v ụ c ủ a tay máy Scara là khi có tín hi ệ u có s ả n ph ẩ m và h ộ p thì th ự c hi ệ n g ắ p s ả n ph ẩ m t ừ t ừ băng chuy ề n 1 và s ắ p x ế p vào 6 v ị trí c ủ a h ộ p 4 1 1 Sơ đồ khối Dưới đây là sơ đồ khối đơn giản mô tả các thành phần cơ bản của một cánh tay robot 3 bậc tự do hộ trợ gắp táo vào đúng vị trí quy định: Hình 1 : Sơ đ ồ kh ố i thành ph ầ n cánh tay robot Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 14 Giải thích sơ đồ khối: - Robotic Arm: Đây là phần chính của cánh tay robot, bao gồm các khớp và liên kết giữa chúng để tạo ra 3 bậc tự do Nó điều khiển chuyển động của cánh tay và định vị vị trí của nó trong không gian 3D - Gripper: Đây là phần chịu trách nhiệm gắp táo Nó có thể là một cơ cấu kẹp hoặc công cụ đặc biệt được thiết kế để nắm chặt táo một cách an toàn và đồng thời duy trì độ nhạy cảm - Actuators: Đây là các bộ truyền động hoặc động cơ điều khiển chuyển động của cánh tay robot Chúng cung cấp sức mạnh và động lực cho cánh tay robot di chuyển và thực hiện các hành động như gắp và đặt - Controllers: Đây là các bộ điều khiển và vi xử lý màu sắc hướng dẫn hoạt động của cánh tay robot Chúng có thể bao gồm các vi xử lý nhúng hoặc máy tính để điều khiển chính xác chuyển động và hành vi của cánh tay robot dựa trên các tín hiệu từ cảm biến và lệnh điều khiển Mô hình phác thảo hệ thống xếp hoa quả Hình 2 : H ệ th ố ng x ế p qu ả Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 15 4 1 2 Mô tả chức năng Giải thích mô hình hệ thống: - Supply Source: Đây là nguồn cung cấp hoa quả, có thể là một hệ thống chuyền tải hoặc một vị trí cố định chứa các loại hoa quả cần xếp g ói - Conveyor: Đây là băng chuyền để vận chuyển hoa quả từ nguồn cung cấp đến vị trí xếp gói Nó có thể được thiết kế để di chuyển liên tục hoặc dừng lại tại một số vị trí cụ thể - Robotic Arm: Đây là cánh tay robot 3 bậc tự do được sử dụng để gắp hoa qu ả từ băng chuyền và đặt chúng vào vị trí xếp gói - Gripper: Đây là phần cuối cùng của cánh tay robot, có chức năng gắp và giữ hoa quả một cách an toàn trong quá trình xếp gói - Packaging Station: Đây là vị trí nơi hoa quả được xếp gói vào các hộp hoặc ba o bì khác Có thể có các thiết bị và công cụ hỗ trợ để thực hiện quá trình xếp gói Chức năng của hệ thống xếp hoa quả là thay thế 1 công nhân đảm nhiệm chức năng xếp hoa quả vào thùng 4 1 3 Cụm chi tiết và thiết bị Hình 3 : C ụ m chi ti ế t Hình 4 : Đ ộ ng cơ bư ớ c Hình 5 : Ổ bi Hình 6 : Đai răng Hình 7 : Vòng phanh Hình 8 : Xilanh Hình 9 : Gripper 4 2 Giới hạn của giải pháp/sản phẩm Có các giới hạn sau: 1, Không gắp được sản phẩm quá lớn hoặc quá bé 2, Giới hạn không gian làm việc 3, Không sắp xếp được đều về các mặt của sản phẩm 4, Độ chính xác của tay máy ảnh hưởng đến quá trình gắp quả 4 3 Phương pháp tiếp cận và phương th ức triển khai // Mô tả sơ bộ về cách thức thiết kế và phương pháp tiếp cận VD: Giai đoạn 1: Thực hiện tạo nhóm là lên ý tưởng của bài toán tìm giảng viên hướng dẫn Giai đoạn 2: Liên hệ giảng viên phù hợp với ý tưởng chon ban đầu Giai đoạn 3: Phân tích c ác nhiệm vụ vần thiết, phân chia nhiệm vụ Giai đoạn 4: Nghiên cứu các bài toán liên quan đến đề tài Giai đoạn 5: Thực hiện báo cáo và tham khảo thêm ý kiến giảng viên hướng dẫn Giai đoạn 6: Tổng hợp các báo cáo thành viên trong nhóm và viết báo cáo lớn Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 18 5 Phân tích các tác đ ộ ng/ ả nh hư ở ng 5 1 Tính khả thi về công nghệ Giảng viên hưỡng dẫn đã và đang dạy một số môn và cũng có hướng dẫn đề tài có liên qua Các thành viên đã từng học qua một số môn liên quan đến sản phẩm như Kí thuật robot công nghiệp, Lập trìn h mô phỏng robot và các hệ cơ điện tử 5 2 Tính khả thi về kinh tế  Chi phí v ậ t li ệ u: Ch ọ n v ậ t li ệ u phù h ợ p cho các thành ph ầ n cơ khí c ủ a tay máy robot có th ể ả nh hư ở ng đ ế n chi phí V ậ t li ệ u có s ẵ n và ph ổ bi ế n như thép, nhôm, có th ể có chi phí th ấ p hơn so v ớ i các v ậ t li ệ u đ ặ c bi ệ t  Chi phí linh ki ệ n và đ ộ ng cơ: Có s ự l ự a ch ọ n t ừ các nhà s ả n xu ấ t và nhà cung c ấ p khác nhau, v ớ i m ứ c giá và hi ệ u su ấ t khác nhau  Chi phí gia công: Đ ố i v ớ i m ộ t s ố thành ph ầ n ph ứ c t ạ p, c ầ n ph ả i s ử d ụ ng các quy trình gia công đ ặ c bi ệ t ho ặ c d ị ch v ụ gia công t ừ bên th ứ ba, đi ề u này có th ể tăng chi phí s ả n xu ấ t  Chi phí đi ề u khi ể n và đi ệ n t ử : Các b ộ vi x ử lý, bo m ạ ch, b ộ đi ề u khi ể n và các linh ki ệ n đi ệ n t ử khác có th ể có giá thành khác nhau  Chi phí ph ầ n m ề m: N ế u có yêu c ầ u ph ầ n m ề m ph ứ c t ạ p đ ể đi ề u khi ể n tay máy robot, chi phí phát tri ể n và tri ể n khai ph ầ n m ề m cũng c ầ n đư ợ c xem xét  Chi phí b ả o trì và s ử a ch ữ a: Đ ả m b ả o r ằ ng tay máy robot d ễ b ả o trì và có s ẵ n các linh ki ệ n thay th ế có th ể giúp gi ả m chi phí sau này  Chi phí v ậ n hành: Năng lư ợ ng tiêu th ụ và lao đ ộ ng, cũng là m ộ t y ế u t ố chi phí quan tr ọ ng c ầ n xem xét C ả i thi ệ n hi ệ u su ấ t năng lư ợ ng và đơn gi ả n hoá qua trình v ậ n hành có th ể giúp gi ả m chi phí v ậ n hành 5 3 Tác động xã hội Thiết kế cánh tay robot có ảnh hưởng lớn đến xã hội từ nhiều khía cạnh khác nhau: 1 Tạo việc làm: Thiết kế và sử dụng cánh tay robot trong các ngành công nghiệp có thể tạo ra cơ hội việc làm mới trong lĩnh vực này Đồng thời, cánh tay robot có thể giúp nâng cao hiệu suất và năng suất làm việc, giảm sự phụ thu ộc vào lao động người và mở ra cơ hội cho các công việc khác phù hợp với khả năng và kỹ năng của con người 2 Nâng cao hiệu suất và chất lượng: Cánh tay robot có khả năng thực hiện các tác vụ một cách chính xác, liên tục và không mệt mỏi Điều này giúp tă ng cường hiệu suất và chất lượng sản xuất trong các ngành công nghiệp, từ đó tạo ra sản phẩm tốt hơn và đáp ứng nhu cầu của xã hội Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 19 3 Giảm nguy cơ làm việc nguy hiểm: Trong các môi trường công nghiệp nguy hiểm, việc sử dụng cánh tay robot có thể giảm nguy cơ làm việc cho con người Cánh tay robot có thể thực hiện các tác vụ nguy hiểm, như làm việc với chất độc, vật nặng, nhiệt độ cao hay các tác vụ mà có thể gây nguy hiểm đến sức khỏe và an toàn của con người 4 Tiết kiệm tài nguyên: Cánh tay robot có thể được thiết kế để làm việc hiệu quả hơn và tiết kiệm tài nguyên như năng lượng, nguyên liệu và không gian làm việc Điều này đóng góp vào bảo vệ môi trường và tài nguyên thiên nhiên, giúp xã hội tiến bộ hướng đến sự phát triển bền vững 5 Thay đổi trong c ông việc: Sự phổ biến của cánh tay robot có thể tạo ra những thay đổi trong công việc và yêu cầu của lao động Một số công việc truyền thống có thể bị thay thế hoặc thay đổi để phù hợp với sự tự động hóa, trong khi những công việc mới xuất hiện trong lĩnh vực robot hỗ trợ 5 4 Tác động về hoạt động Cánh tay robot có vai trò quan tr ọ ng trong quy trình đóng gói th ự c ph ẩ m nói chung và hoa qu ả nói riêng Nó v ừ a làm tăng năng xu ấ t v ừ a làm tăng đ ọ chính xác c ủ a dây truy ề n đóng gói th ự c ph ẩ m 5 5 T ác động về môi tr ường  Tiêu th ụ năng lư ợ ng: Tay máy robot c ầ n tiêu th ụ năng lư ợ ng đ ể ho ạ t đ ộ ng Năng lư ợ ng tiêu th ụ có th ể góp ph ầ n vào tiêu th ụ tài nguyên và khí th ả i nhà kính Thi ế t k ế tay máy robot hi ệ u qu ả v ề năng lư ợ ng và s ử d ụ ng các công ngh ệ ti ế t ki ệ m năng lư ợ ng có t h ể gi ả m tác đ ộ ng tiêu c ự c lên môi trư ờ ng  Tác đ ộ ng đ ế n vi ệ c làm: S ự t ự đ ộ ng hóa và s ử d ụ ng tay máy robot có th ể ả nh hư ở ng đ ế n vi ệ c làm và công vi ệ c c ủ a con ngư ờ i M ộ t ph ầ n công nhân có th ể b ị thay th ế b ở i tay máy robot, d ẫ n đ ế n m ấ t vi ệ c làm  Tác đ ộ ng xã h ộ i: S ự phát tri ể n và s ử d ụ ng tay máy robot có th ể t ạ o ra các tác đ ộ ng xã h ộ i, bao g ồ m thay đ ổ i trong phân ph ố i công vi ệ c, phân t ầ ng xã h ộ i và kinh t ế , cũng như tác đ ộ ng đ ế n an ninh vi ệ c làm và tình hình kinh t ế  Tương tác con ngư ờ i - robot: S ử d ụ ng tay máy robot có th ể tác đ ộ ng đ ế n tương tác gi ữ a con ngư ờ i và robot trong môi trư ờ ng lao đ ộ ng và xã h ộ i 5 6 Tiêu chuẩn đạo đức Đạo đức kỹ thuật là một phần quan trọng trong giáo dục kỹ thuật và cũng như trong các hoạt động nghề chuyên nghiệp khác Để trở thành k ỹ sư Cơ điện tử với kiến thức chuyên môn cũng như thỏa mãn tiêu chuẩn nghề nghiệp về đạo đức, nhóm đề tài đã tham khảo các tiêu chuẩn đạo đức theo Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ (The American Society of Mechanical Engineers) Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 20 6 K ế ho ạ ch th ự c hi ệ n hàng tu ầ n 6 1 Thành viên // Vai trò của các thành viên trong việc THỰC HIỆN và VIẾT báo cáo B ả ng 1 : Thông tin thành viên Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 21 6 2 Kế hoạch và tiến trình B ả ng 2 : K ế ho ạ ch và ti ế n trình th ự c hi ệ n Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 22 7 Ti ế n trình d ự án 7 1 Lịch sử hình thành và phát triển Robot Thu ậ t ng ữ “Robot” xu ấ t phát t ừ ti ế ng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công vi ệ c t ạ p d ị ch trong v ở k ị ch Rossum’s Universal Robots c ủ a Karel Capek, vào năm 1921 Trong v ở k ị ch n ầ y, Rossum và con trai c ủ a ông ta đã c h ế t ạ o ra nh ữ ng chi ế c máy g ầ n gi ố ng v ớ i con ngư ờ i đ ể ph ụ c v ụ con ngư ờ i Có l ẽ đó là m ộ t g ợ i ý ban đ ầ u cho các nhà sáng ch ế k ỹ thu ậ t v ề nh ữ ng cơ c ấ u, máy móc b ắ t chư ớ c các ho ạ t đ ộ ng cơ b ắ p c ủ a con ngư ờ i Đ ầ u th ậ p k ỷ 60, công ty M ỹ AMF (American Machine and Foundry Company) qu ả ng cáo m ộ t lo ạ i máy t ự đ ộ ng v ạ n năng và g ọ i là “Ngư ờ i máy công nghi ệ p” (Industrial Robot) Ngày nay ngư ờ i ta đ ặ t tên ngư ờ i máy công nghi ệ p (hay robot công nghi ệ p) cho nh ữ ng lo ạ i thi ế t b ị có dáng d ấ p và m ộ t vài ch ứ c năng như tay ngư ờ i đư ợ c đi ề u khi ể n t ự đ ộ ng đ ể th ự c hi ệ n m ộ t s ố thao tác s ả n xu ấ t V ề m ặ t k ỹ thu ậ t, nh ữ ng robot công nghi ệ p ngày nay, có ngu ồ n g ố c t ừ hai lĩnh v ự c k ỹ thu ậ t ra đ ờ i s ớ m hơn đó là các cơ c ấ u đi ề u khi ể n t ừ xa (Teleoperators) và các máy công c ụ đi ề u khi ể n s ố (NC - Nu merically Controlled machine tool) Các cơ c ấ u đi ề u khi ể n t ừ xa (hay các thi ế t b ị ki ể u ch ủ - t ớ ) đã phát tri ể n m ạ nh trong chi ế n tranh th ế gi ớ i l ầ n th ứ hai nh ằ m nghiên c ứ u các v ậ t li ệ u phóng x ạ Ngư ờ i thao tác đư ợ c tách bi ệ t kh ỏ i khu v ự c phóng x ạ b ở i m ộ t b ứ c tư ờ ng có m ộ t ho ặ c vài c ử a quan sát đ ể có th ể nhìn th ấ y đư ợ c công vi ệ c bên trong Các cơ c ấ u đi ề u khi ể n t ừ xa thay th ế cho cánh tay c ủ a ngư ờ i thao tác; nó g ồ m có m ộ t b ộ k ẹ p ở bên trong (t ớ ) và hai tay c ầ m ở bên ngoài (ch ủ ) C ả hai, tay c ầ m và b ộ k ẹ p, đư ợ c n ố i v ớ i nhau b ằ ng m ộ t cơ c ấ u sáu b ậ c t ự do đ ể t ạ o ra các v ị trí và hư ớ ng tu ỳ ý c ủ a Tay c ầ m và b ộ k ẹ p Cơ c ấ u dùng đ ể đi ề u khi ể n b ộ k ẹ p theo chuy ể n đ ộ ng c ủ a tay c ầ m Vào kho ả ng năm 1949, các máy công c ụ đi ề u khi ể n s ố ra đ ờ i, nh ằ m đáp ứ ng yêu c ầ u gia công các chi ti ế t trong ngành ch ế t ạ o máy bay Nh ữ ng robot đ ầ u tiên th ự c ch ấ t là s ự n ố i k ế t gi ữ a các khâu cơ khí c ủ a cơ c ấ u đi ề u khi ể n t ừ xa v ớ i kh ả năng l ậ p trình c ủ a máy công c ụ đi ề u khi ể n s ố Dư ớ i đây chúng ta s ẽ đi ể m qua m ộ t s ố th ờ i đi ể m l ị ch s ử phát tri ể n c ủ a ngư ờ i máy công nghi ệ p M ộ t trong nh ữ ng robot công nghi ệ p đ ầ u tiên đư ợ c ch ế t ạ o là robot Versatran c ủ a công ty AMF, M ỹ Cũng vào kho ả ng th ờ i gian n ầ y ở M ỹ xu ấ t hi ệ n lo ạ i robot Unimate ư1900 đư ợ c dùng đ ầ u tiên trong k ỹ ngh ệ ôtô Ti ế p theo M ỹ , các nư ớ c khác b ắ t đ ầ u s ả n xu ấ t robot công nghi ệ p: Anh 1967, Th ụ y Đi ể n và Nh ậ t 1968 theo b ả n quy ề n c ủ a M ỹ ; CHLB Đ ứ c - 1971; Pháp - 1972; ở Ý - 1973 Tính năng làm vi ệ c c ủ a robot ngày càng đư ợ c nâng cao, nh ấ t là kh ả năng nh ậ n bi ế t và x ử lý Năm 1967 ở trư ờ ng Đ ạ i h ọ c t ổ ng h ợ p Stanford (M ỹ ) đã ch ế t ạ o ra m ẫ u robot ho ạ t đ ộ ng theo mô hình “m ắ t - tay”, có kh ả năng nh ậ n bi ế t và đ ị nh hư ớ ng bàn k ẹ p theo v ị trí v ậ t k ẹ p nh ờ các c ả m bi ế n Năm 1974 Công ty M ỹ Cincinnati đưa ra lo ạ i robot đư ợ c đi ề u khi ể n Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 23 b ằ ng máy vi tính, g ọ i là robot T 3 (The Tomorrow Tool: Công c ụ c ủ a tương lai) Robot n ầ y có th ể nâng đư ợ c v ậ t có kh ố i lư ợ ng đ ế n 40 KG Có th ể nói, Robot là s ự t ổ h ợ p kh ả năng ho ạ t đ ộ ng linh ho ạ t c ủ a các cơ c ấ u đi ề u khi ể n t ừ xa v ớ i m ứ c đ ộ “tri th ứ c” ngày càng phong phú c ủ a h ệ th ố ng đi ề u kh i ể n theo chương trình s ố cũng như k ỹ thu ậ t ch ế t ạ o các b ộ c ả m bi ế n, công ngh ệ l ậ p trình và các phát tri ể n c ủ a trí khôn nhân t ạ o, h ệ chuyên gia… Trong nh ữ ng năm sau n ầ y, vi ệ c nâng cao tính năng ho ạ t đ ộ ng c ủ a robot không ng ừ ng phát tri ể n Các robot đư ợ c tran g b ị thêm các lo ạ i c ả m bi ế n khác nhau đ ể nh ậ n bi ế t môi trư ờ ng chung quanh, cùng v ớ i nh ữ ng thành t ự u to l ớ n trong lĩnh v ự c Tin h ọ c - Đi ệ n t ử đã t ạ o ra các th ế h ệ robot v ớ i nhi ề u tính năng đăc bi ệ t, S ố lư ợ ng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng gi ả m Nh ờ v ậ y, robot công nghi ệ p đã có v ị trí quan tr ọ ng trong các dây chuy ề n s ả n xu ấ t hi ệ n đ ạ i B ả ng 3 : B ả ng s ố li ệ u s ố lư ợ ng robot ở m ộ t vài nư ớ c công nghi ệ p phát tri ể n Nư ớ c SX Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998 Nh ậ t 66 118 29 756 67000 M ỹ 4 237 7 634 11000 Đ ứ c 5 845 5 125 8 600 Ý 2 500 2 408 4000 Pháp 1 448 1 197 2000 Anh 510 1086 1500 Hàn Qu ố c 1000 1200 M ỹ là nư ớ c đ ầ u tiên phát minh ra Robot nhưng nư ớ c phát tri ể n cao nh ấ t trong lĩnh v ự c nghiên c ứ u ch ế t ạ o s ử d ụ ng l ạ i là Nh ậ t B ả n M ộ t s ố đ ị nh nghĩa và phân lo ạ i Robot công nghi ệ p Đ ị nh nghĩa Robot Công nghi ệ p Đ ị nh nghĩa theo tiêu chu ẩ n AFNOR (Pháp): Robot công nghi ệ p là m ộ t cơ c ấ u chuy ể n đ ộ ng t ự đ ộ ng có th ể l ậ p trình, l ặ p l ạ i các chương trình, t ổ ng h ợ p các chương trình đ ặ t ra trên cá c tr ụ c to ạ đ ộ ; có kh ả năng đ ị nh v ị , đ ị nh hư ớ ng, di chuy ể n các đ ố i tư ợ ng v ậ t ch ấ t: Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 24 chi ti ế t, dao c ụ , gá l ắ p theo nh ữ ng hành trình thay đ ổ i đã chương trình hoá nh ằ m th ự c hi ệ n các nhi ệ m v ụ công ngh ệ khác nhau Đ ị nh nghĩa theo RIA (Robot institute of Am erica): Robot là m ộ t tay máy v ạ n năng có th ể l ặ p l ạ i các chương trình đư ợ c thi ế t k ế đ ể di chuy ể n v ậ t li ệ u, chi ti ế t, d ụ ng c ụ ho ặ c các thi ế t b ị chuyên dùng thông qua các chương trình chuy ể n đ ộ ng có th ể thay đ ổ i đ ể hoàn thành các nhi ệ m v ụ khác nhau Đ ị nh ngh ĩ a theo GOCT 25686 - 85 (Nga): Robot công nghi ệ p là m ộ t máy t ự đ ộ ng, đư ợ c đ ặ t c ố đ ị nh ho ặ c di đ ộ ng đư ợ c, liên k ế t gi ữ a m ộ t tay máy và m ộ t h ệ th ố ng đi ề u khi ể n theo chương trình, có th ể l ậ p trình l ạ i đ ể hoàn thành các ch ứ c năng v ậ n đ ộ ng và đi ề u khi ể n trong quá trình s ả n xu ấ t Có th ể nói Robot công nghi ệ p là m ộ t máy t ự đ ộ ng linh ho ạ t thay th ế t ừ ng ph ầ n ho ặ c toàn b ộ các ho ạ t đ ộ ng cơ b ắ p và ho ạ t đ ộ ng trí tu ệ c ủ a con ngư ờ i trong nhi ề u kh ả năng thích nghi khác nhau Robot công nghi ệ p có kh ả năng chương trình hoá lin h ho ạ t trên nhi ề u tr ụ c chuy ể n đ ộ ng, bi ể u th ị cho s ố b ậ c t ự do c ủ a chúng Robot công nghi ệ p đư ợ c trang b ị nh ữ ng bàn tay máy ho ặ c các cơ c ấ u ch ấ p hành, gi ả i quy ế t nh ữ ng nhi ệ m v ụ xác đ ị nh trong các quá trình công ngh ệ : ho ặ c tr ự c ti ế p tham gia th ự c hi ệ n các n guyên công (sơn, hàn, phun ph ủ , rót kim lo ạ i vào khuôn đúc, l ắ p ráp máy ) ho ặ c ph ụ c v ụ các quá trình công ngh ệ (tháo l ắ p chi ti ế t gia công, dao c ụ , đ ồ gá ) v ớ i nh ữ ng thao tác c ầ m n ắ m, v ậ n chuy ể n và trao đ ổ i các đ ố i tư ợ ng v ớ i các tr ạ m công ngh ệ , t rong m ộ t h ệ th ố ng máy t ự đ ộ ng linh ho ạ t, đư ợ c g ọ i là “H ệ th ố ng t ự đ ộ ng linh ho ạ t robot hoá” cho phép thích ứ ng nhanh và thao tác đơn gi ả n khi nhi ệ m v ụ s ả n xu ấ t thay đ ổ i 7 1 1 Bậc tự do của Robot B ậ c t ự do là s ố kh ả năng chuy ể n đ ộ ng c ủ a m ộ t cơ c ấ u (chuy ể n đ ộ ng quay ho ặ c t ị nh ti ế n) Đ ể d ị ch chuy ể n đư ợ c m ộ t v ậ t th ể trong không gian, cơ c ấ u ch ấ p hành c ủ a robot ph ả i đ ạ t đư ợ c m ộ t s ố b ậ c t ự do Nói chung cơ h ệ c ủ a robot là m ộ t cơ c ấ u h ở , do đó b ậ c t ự do c ủ a nó có th ể tính theo công th ứ c: 5 1 w 6 i i n ip     Ở đây: n - S ố khâu đ ộ ng; p i - S ố kh ớ p lo ạ i i (i = 1, 2, ,5 : S ố b ậ c t ự do b ị h ạ n ch ế ) Đ ố i v ớ i các cơ c ấ u có các khâu đư ợ c n ố i v ớ i nhau b ằ ng kh ớ p quay ho ặ c t ị nh ti ế n (kh ớ p đ ộ ng lo ạ i 5) thì s ố b ậ c t ự do b ằ ng v ớ i s ố khâu đ ộ ng Đ ố i v ớ i cơ c ấ u h ở , s ố b ậ c t ự do b ằ ng t ổ ng s ố b ậ c t ự do c ủ a các kh ớ p đ ộ ng Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 25 Đ ể đ ị nh v ị và đ ị nh hư ớ ng khâu ch ấ p hành cu ố i m ộ t cách tu ỳ ý trong không gian 3 chi ề u robot c ầ n có 6 b ậ c t ự do, trong đó 3 b ậ c t ự do đ ể đ ị nh v ị và 3 b ậ c t ự do đ ể đ ị nh hư ớ ng M ộ t s ố công vi ệ c đơn gi ả n nâng h ạ , s ắ p x ế p có th ể yêu c ầ u s ố b ậ c t ự do ít hơn Các robot hàn, sơn thư ờ ng yêu c ầ u 6 b ậ c t ự do Trong m ộ t s ố trư ờ ng h ợ p c ầ n s ự khéo léo, linh ho ạ t ho ặ c khi c ầ n ph ả i t ố i ưu hoá qu ỹ đ ạ o ngư ờ i ta dùng robot v ớ i s ố b ậ c t ự do l ớ n hơn 6 H ệ to ạ đ ộ (Coordina te frames) M ỗ i robot thư ờ ng bao g ồ m nhi ề u khâu (links) liên k ế t v ớ i nhau qua các kh ớ p (joints), t ạ o thành m ộ t xích đ ộ ng h ọ c xu ấ t phát t ừ m ộ t khâu cơ b ả n (base) đ ứ ng yên H ệ to ạ đ ộ g ắ n v ớ i khâu cơ b ả n g ọ i là h ệ to ạ đ ộ cơ b ả n (hay h ệ to ạ đ ộ chu ẩ n) Các h ệ to ạ đ ộ trung gian khác g ắ n v ớ i các khâu đ ộ ng g ọ i là h ệ to ạ đ ộ suy r ộ ng Trong t ừ ng th ờ i đi ể m ho ạ t đ ộ ng, các to ạ đ ộ suy r ộ ng xác đ ị nh c ấ u hình c ủ a robot b ằ ng các chuy ể n d ị ch dài ho ặ c các chuy ể n d ị ch góc c ủ a các kh ớ p t ị nh ti ế n ho ặ c kh ớ p quay Các to ạ đ ộ suy r ộ ng còn đư ợ c g ọ i là bi ế n kh ớ p Các h ệ to ạ đ ộ g ắ n trên các khâu c ủ a robot ph ả i tuân theo qui t ắ c bàn tay ph ả i: Dùng tay ph ả i, n ắ m hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón: cái, tr ỏ và gi ữ a theo 3 phương vuông góc nhau, n ế u ch ọ n ngón cái là phương và chi ề u c ủ a tr ụ c z, thì ngón tr ỏ ch ỉ phương, chi ề u c ủ a tr ụ c x và ngón gi ữ a s ẽ bi ể u th ị phương, chi ề u c ủ a tr ụ c y Trong robot ta thư ờ ng dùng ch ữ O và ch ỉ s ố n đ ể ch ỉ h ệ to ạ đ ộ g ắ n trên khâu th ứ n Như v ậ y h ệ to ạ đ ộ cơ b ả n (H ệ to ạ đ ộ g ắ n v ớ i khâu c ố đ ị nh) s ẽ đư ợ c ký hi ệ u là O 0 ; h ệ to ạ đ ộ g ắ n trên các khâu trung gian tương ứ ng s ẽ là O 1 , O 2 , , On - 1, H ệ to ạ đ ộ g ắ n trên khâu ch ấ p hành cu ố i ký hi ệ u là On Hình 10 : H ệ t ọ a đ ộ tay máy Hình 11 : Quy t ắ c bàn tay ph ả i Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 26 Trư ờ ng công tác c ủ a robot (Workspace or Range of motion) Trư ờ ng công tác (hay vùng làm vi ệ c, không gian công tác) c ủ a robot là toàn b ộ th ể tích đư ợ c quét b ở i khâu ch ấ p hành cu ố i khi robot th ự c hi ệ n t ấ t c ả các chuy ể n đ ộ ng có th ể Trư ờ ng công tác b ị ràng bu ộ c b ở i các thông s ố hình h ọ c c ủ a robot cũng như các ràng bu ộ c cơ h ọ c c ủ a các kh ớ p; ví d ụ , m ộ t kh ớ p quay có chuy ể n đ ộ ng nh ỏ hơn m ộ t góc 360 0 Ngư ờ i ta thư ờ ng dùng hai hình chi ế u đ ể mô t ả trư ờ ng công tác c ủ a m ộ t robot ( hình 1 3) Hình 12 : Bi ể n di ễ n thao tác c ủ a robot 7 1 2 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp Các thành ph ầ n chính c ủ a Robot công nghi ệ p M ộ t robot công nghi ệ p thư ờ ng bao g ồ m các thành ph ầ n chính như : cánh tay robot, ngu ồ n đ ộ ng l ự c, d ụ ng c ụ g ắ n lên khâu ch ấ p hàn h cu ố i, các c ả m bi ế n, b ộ đi ề u khi ể n, thi ế t b ị d ạ y h ọ c, máy tính các ph ầ n m ề m l ậ p trình cũng nên đư ợ c coi là m ộ t thành ph ầ n c ủ a h ệ th ố ng robot Cánh tay robot (tay máy) là k ế t c ấ u cơ khí g ồ m các khâu liên k ế t v ớ i nhau b ằ ng các kh ớ p đ ộ ng đ ể có th ể t ạ o nê n nh ữ ng chuy ể n đ ộ ng cơ b ả n c ủ a robot Ngu ồ n đ ộ ng l ự c là các đ ộ ng cơ đi ệ n (m ộ t chi ề u ho ặ c đ ộ ng cơ bư ớ c), các h ệ th ố ng xy lanh khí nén, thu ỷ l ự c đ ể t ạ o đ ộ ng l ự c cho tay máy ho ạ t đ ộ ng D ụ ng c ụ thao tác đư ợ c g ắ n trên khâu cu ố i c ủ a robot, d ụ ng c ụ c ủ a robot có t h ể có nhi ề u ki ể u khác nhau như: d ạ ng bàn tay đ ể n ắ m b ắ t đ ố i tư ợ ng ho ặ c các công c ụ làm vi ệ c như m ỏ hàn, đá mài, đ ầ u phun sơn Thi ế t b ị d ạ y - hoc (Teach - Pendant) dùng đ ể d ạ y cho robot các thao tác c ầ n thi ế t theo yêu c ầ u c ủ a quá trình làm vi ệ c, sau đó robot t ự l ặ p l ạ i các đ ộ ng tác đã đư ợ c d ạ y đ ể làm vi ệ c (phương pháp l ậ p trình ki ể u d ạ y h ọ c) Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 27 Các ph ầ n m ề m đ ể l ậ p trình và các chương trình đi ề u khi ể n robot đư ợ c cài đ ặ t trên máy tính, dùng đi ề u khi ể n robot thông qua b ộ đi ề u khi ể n (Controller) B ộ đi ề u khi ể n còn đư ợ c g ọ i là Mođun đi ề u khi ể n (hay Unit, Driver), nó thư ờ ng đư ợ c k ế t n ố i v ớ i máy tính M ộ t mođun đi ề u khi ể n có th ể còn có các c ổ ng Vào - Ra (I/O port) đ ể làm vi ệ c v ớ i nhi ề u thi ế t b ị khác nhau như các c ả m bi ế n giúp robot nh ậ n bi ế t tr ạ ng thái c ủ a b ả n thân, xá c đ ị nh v ị trí c ủ a đ ố i tư ợ ng làm vi ệ c ho ặ c các dò tìm khác; đi ề u khi ể n các băng t ả i ho ặ c cơ c ấ u c ấ p phôi ho ạ t đ ộ ng ph ố i h ợ p v ớ i robot 7 1 3 Kết cấu của tay máy Như đã nói trên, tay máy là thành ph ầ n quan tr ọ ng, nó quy ế t đ ị nh kh ả năng làm vi ệ c c ủ a robot Các k ế t c ấ u c ủ a nhi ề u tay máy đư ợ c ph ỏ ng theo c ấ u t ạ o và ch ứ c năng c ủ a tay ngư ờ i; tuy nhiên ngày nay, tay máy đư ợ c thi ế t k ế r ấ t đa d ạ ng, nhi ề u cánh tay robot có hình dáng r ấ t khác xa cánh tay ngư ờ i Trong thi ế t k ế và s ử d ụ ng tay máy, chúng ta c ầ n quan tâ m đ ế n các thông s ố hình - đ ộ ng h ọ c, là nh ữ ng thông s ố liên quan đ ế n kh ả năng làm vi ệ c c ủ a robot như: t ầ m v ớ i (hay trư ờ ng công tác), s ố b ậ c t ự do (th ể hi ệ n s ự khéo léo linh ho ạ t c ủ a robot), đ ộ c ứ ng v ữ ng, t ả i tr ọ ng v ậ t nâng, l ự c k ẹ p Các khâu c ủ a robot thư ờ ng th ự c hi ệ n hai chuy ể n đ ộ ng cơ b ả n: Chuy ể n đ ộ ng t ị nh ti ế n theo hư ớ ng x, y, z trong không gian Descarde, thông thư ờ ng t ạ o nên các hình kh ố i Chuy ể n đ ộ ng xoay theo các tr ụ c x, y, z trong không gian Các chuy ể n đ ộ ng này thư ờ ng ký hi ệ u là T (Translation) h o ặ c P (Prismatic) 7 1 4 Phân loại Robot công nghiệp Robot công nghi ệ p r ấ t phong phú đa d ạ ng, có th ể đư ợ c phân lo ạ i theo các cách sau: Phân lo ạ i theo k ế t c ấ u Theo k ế t c ấ u c ủ a tay máy ngư ờ i ta phân thành robot ki ể u to ạ đ ộ Đ ề các, Ki ể u to ạ đ ộ tr ụ , ki ể u to ạ đ ộ c ầ u, ki ể u to ạ đ ộ góc, robot ki ể u SCARA như đã trình bày ở trên Hình 13 : C ấ u trúc cơ b ả n c ủ a robot công nghi ệ p Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 28 Phân lo ạ i theo h ệ th ố ng truy ề n đ ộ ng Có các d ạ ng truy ề n đ ộ ng ph ổ bi ế n là: H ệ truy ề n đ ộ ng đi ệ n: Thư ờ ng dùng các đ ộ ng cơ đi ệ n 1 chi ề u (DC: Direct Current) ho ặ c các đ ộ ng cơ bư ớ c (step motor) Lo ạ i truy ề n đ ộ ng n ầ y d ễ đi ề u khi ể n, k ế t c ấ u g ọ n H ệ truy ề n đ ộ ng thu ỷ l ự c: có th ể đ ạ t đư ợ c công su ấ t cao, đáp ứ n nh ữ ng đi ề u ki ệ n làm vi ệ c n ặ ng Tuy nhiên h ệ th ố ng thu ỷ l ự c thư ờ ng có k ế t c ấ u c ồ ng k ề nh, t ồ n t ạ i đ ộ phi tuy ế n l ớ n khó x ử lý khi đi ề u khi ể n H ệ tr uy ề n đ ộ ng khí nén: có k ế t c ấ u g ọ n nh ẹ hơn do không c ầ n d ẫ n ngư ợ c nhưng l ạ i ph ả i g ắ n li ề n v ớ i trung tâm t ạ o ra khí nén H ệ n ầ y làm vi ệ c v ớ i công su ấ t trung bình và nh ỏ , kém chính xác, thư ờ ng ch ỉ thích h ợ p v ớ i cácrobot ho ạ t đ ộ ng theo chương trình đ ị nh s ẳ n v ớ i các thao tác đơn gi ả n “nh ấ c lên - đ ặ t xu ố ng” (Pick and Place or PTP: Point To Point) Phân lo ạ i theo ứ ng d ụ ng D ự a vào ứ ng d ụ ng c ủ a robot trong s ả n xu ấ t có Robot sơn, robot hàn, robot l ắ p ráp, robot chuy ể n phôi v v Phân lo ạ i theo cách th ứ c và đ ặ c trưn g c ủ a phương pháp đi ề u khi ể n Robot đi ề u khi ể n kín (hay đi ề u khi ể n servo): s ử d ụ ng c ả m bi ế n, m ạ ch ph ả n h ồ i đ ể tăng đ ộ chính xác và m ứ c đ ộ linh ho ạ t khi đi ề u khi ể n 7 1 5 Các ứng dụng của Robot T ừ khi m ớ i ra đ ờ i robot công nghi ệ p đư ợ c áp d ụ ng trong nhi ề u lĩn h v ự c dư ớ i góc đ ộ thay th ế s ứ c ngư ờ i Nh ờ v ậ y các dây chuy ề n s ả n xu ấ t đư ợ c t ổ ch ứ c l ạ i, năng su ấ t và hi ệ u qu ả s ả n xu ấ t tăng lên rõ r ệ t M ụ c tiêu ứ ng d ụ ng robot công nghi ệ p nh ằ m góp ph ầ n nâng cao năng su ấ t dây chuy ề n công ngh ệ , gi ả m giá thành, nâng cao ch ấ t lư ợ ng và kh ả năng c ạ nh tranh c ủ a s ả n ph ẩ m đ ồ ng th ờ i c ả i thi ệ n đi ề u ki ệ n lao đ ộ ng Đ ạ t đư ợ c các m ụ c tiêu trên là nh ờ vào nh ữ ng kh ả năng to l ớ n c ủ a robot như: làm vi ệ c không bi ế t m ệ t m ỏ i, r ấ t d ễ dàng chuy ể n ngh ề m ộ t cách thành th ạ o, ch ị u đư ợ c phóng x ạ và cá c môi trư ờ ng làm vi ệ c đ ộ c h ạ i, nhi ệ t đ ộ cao, “c ả m th ấ y” đư ợ c c ả t ừ trư ờ ng và “nghe” đư ợ c c ả siêu âm Robot đư ợ c dùng thay th ế con ngư ờ i trong các trư ờ ng h ợ p trên ho ặ c th ự c hi ệ n các công vi ệ c tuy không n ặ ng nh ọ c nhưng đơn đi ệ u, d ễ gây m ệ t mõi, nh ầ m l ẫ n Trong ngành cơ khí, robot đư ợ c s ử d ụ ng nhi ề u trong công ngh ệ đúc, công ngh ệ hàn, c ắ t kim lo ạ i, sơn, phun ph ủ kim lo ạ i, tháo l ắ p v ậ n chuy ể n phôi, l ắ p ráp s ả n ph ẩ m Ngày nay đã xu ấ t hi ệ n nhi ề u dây chuy ề n s ả n xu ấ t t ự đ ộ ng g ồ m các máy CNC v ớ i Robot công ng hi ệ p, các dây chuy ề n đó đ ạ t m ứ c t ự đ ộ ng hoá cao, m ứ c đ ộ linh ho ạ t cao ở đây các máy và robot đư ợ c đi ề u khi ể n b ằ ng cùng m ộ t h ệ th ố ng chương trình Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 29 Ngoài các phân xư ở ng, nhà máy, k ỹ thu ậ t robot cũng đư ợ c s ử d ụ ng trong vi ệ c khai thác th ề m l ụ c đ ị a và đ ạ i dương, trong y h ọ c, s ử d ụ ng trong qu ố c phòng, trong chinh ph ụ c vũ tr ụ , trong công nghi ệ p nguyên t ử , trong các lĩnh v ự c xã h ộ i Rõ ràng là kh ả năng làm vi ệ c c ủ a robot trong m ộ t s ố đi ề u ki ệ n vư ợ t hơn kh ả năng c ủ a con ngư ờ i; do đó nó là phương ti ệ n h ữ u h i ệ u đ ể t ự đ ộ ng hoá, nâng cao năng su ấ t lao đ ộ ng, gi ả m nh ẹ cho con ngư ờ i nh ữ ng công vi ệ c n ặ ng nh ọ c và đ ộ c h ạ i Như ợ c đi ể m l ớ n nh ấ t c ủ a robot là chưa linh ho ạ t như con ngư ờ i, trong dây chuy ề n t ự đ ộ ng, n ế u có m ộ t robot b ị h ỏ ng có th ể làm ng ừ ng ho ạ t đ ộ ng c ủ a c ả dây chuy ề n, cho nên robot v ẫ n luôn ho ạ t đ ộ ng dư ớ i s ự giám sát c ủ a con ngư ờ i 7 2 Động học thuận, động học ngược 7 2 1 Phương trình đ ộ ng h ọ c thu ậ n Đ ộ ng h ọ c robot là bài toán nghiên c ứ u chuy ể n đ ộ ng c ủ a robot mà không quan tâm đ ế n tính ch ấ t v ề l ự c tương tác cũng như v ề kh ố i lư ợ ng mà ch ỉ xét đ ế n c ấ u trúc hình h ọ c c ủ a robot M ụ c đích c ủ a bài toán đ ộ ng h ọ c thu ậ n là xác đ ị nh v ị trí c ủ a khâu tác đ ộ ng cu ố i c ủ a Robot khi bi ế t các bi ế n kh ớ p c ủ a Robot Các bư ớ c th ự c hi ệ n bài toán đ ộ ng h ọ c thu ậ n cho tay máy: Bư ớ c 1: Xá c đ ị nh s ố kh ớ p và s ố thanh n ố i Bư ớ c 2: G ắ n lên các thanh n ố i t ừ 0 đ ế n n các h ệ tr ụ c t ọ a đ ộ Ví d ụ : Thanh n ố i i (i = 0 ÷ n) g ắ n h ệ tr ụ c i i i i O , X , Y , Z Hình 14 : Xây d ự ng h ệ t ọ a đ ộ thanh n ố i i q : là g óc quay c ủ a thanh n ố i th ứ i, Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 30 i d : là đ ộ l ệ ch khâu, i a : là đ ộ dài đư ờ ng vuông góc chung gi ữ a i 1 Z  và i Z , i  : là góc v ặ n c ủ a thanh n ố i Cách xá c đ ị nh tr ụ c i Z : là tr ụ c mà xung quanh nó kh ớ p th ứ i+1 quay ho ặ c d ọ c theo nó kh ớ p (i = 1÷ n - 1) t ị nh ti ế n 0 Z : tr ụ c mà xung quanh nó kh ớ p 1quay, 0 O : tâm h ệ tr ụ c t ọ a đ ộ quy chi ế u, ch ọ n m ộ t đi ể m c ố đ ị nh trên đ ế Robot, 1 Z : tr ụ c mà xung quanh nó kh ớ p 2 quay ho ặ c kh ớ p t ị nh ti ế n, n 1 Z  : tr ụ c mà xung quanh nó kh ớ p n quay, n Z : trùng phương v ớ i n 1 Z  Cách xác đ ị nh tr ụ c X i : Tr ụ c X thư ờ ng đư ợ c đ ặ t d ọ c theo pháp tuy ế n chung và hư ớ ng t ừ kh ớ p i đ ế n i+1 Trong trư ờ ng h ợ p các tr ụ c kh ớ p c ắ t nhau thì tr ụ c X ch ọ n theo tích vectơ Z i - 1 x Z i Cách xác đ ị nh tr ụ c Y i : Xác đ ị nh theo quy t ắ c bàn tay ph ả i Bư ớ c 3: Xác đ ị nh các bi ế n kh ớ p Kh ớ p quay tương ứ ng v ớ i bi ế n kh ớ p quay q, Kh ớ p t ị nh ti ế n tương ứ ng v ớ i bi ế n kh ớ p t ị nh ti ế n d Bư ớ c 4: Xác đ ị nh quan h ệ gi ữ a hai khung t ọ a đ ộ i và i - 1 H ệ tr ụ c t ọ a đ ộ i và h ệ tr ụ c t ọ a đ ộ i - 1 gi ữ a hai khâu n ố i ti ế p nhau có quan h ệ v ớ i nhau b ằ ng p hép bi ế n đ ổ i đ ồ ng nh ấ t, theo trình t ự sau: - Quay xung quanh tr ụ c Z i - 1 m ộ t góc  i sao cho tr ụ c X i - 1 trùng v ớ i phương c ủ a tr ụ c X i , - T ị nh ti ế n d ọ c theo tr ụ c Z i - 1 m ộ t đo ạ n d i đ ể g ố c khung t ọ a đ ộ m ớ i trùng chân pháp tuy ế n chung tr ụ c i - 1 và i, (X i - 1  X i ), - T ị nh ti ế n d ọ c theo tr ụ c X i - 1 m ộ t đo ạ n a i , (O i - 1  O i ), - Quay xung quanh tr ụ c X i - 1 m ộ t góc α i sao cho tr ụ c Z i - 1 trùng v ớ i tr ụ c Z i Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 31 Các phép bi ế n đ ổ i trên đư ợ c th ự c hi ệ n so v ớ i khung t ọ a đ ộ hi ệ n t ạ i, do đó phép bi ế n đ ổ i t ổ ng h ợ p đư ợ c xác đ ị nh như sau : z z x x Rot (q ans (d) ans (a)Rot ( )Tr Tr α ) i A = ( 2 14) i z z x x i 1 i i i i i i i i i i A Rot ( )Trans (d)Trans (a)Rot ( ) c s 0 0 1 0 0 0 1 0 0 a 1 0 0 0 s c 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 c s 0 0 0 1 0 0 0 1 d 0 0 1 0 0 s c 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 cos sin cos sin sin a co                                                                       s sin cos cos cos sin a sin 0 sin cos d 0 0 0 1                       ( 2 15 ) Denavit J & Hartenberg R S đã g ọ i bi ế n đ ổ i đ ồ ng nh ấ t là ma tr ậ n A, mô t ả b ở i phép quay và phép t ị nh ti ế n tương đ ố i gi ữ a h ệ t ọ a đ ộ c ủ a hai khâu liên ti ế p Denavit J & Hartenberg R S đ ề xu ấ t dùng ma tr ậ n thu ầ n nh ấ t 4x4 đ ể mô t ả quan h ệ gi ữ a 2 khâu liên ti ế p trong cơ c ấ u không gian Pieper D L đã dùng ma tr ậ n thu ầ n nh ấ t 4x4 trong nghiên c ứ u Robot Trong bài toán đ ộ ng h ọ c Robot đ ị nh lu ậ t Denavi t Hartenber đóng vai trò r ấ t quan tr ọ ng Đ ị nh lu ậ t này cho chúng ta cách xác đ ị nh các h ệ tr ụ c to ạ đ ộ đ ặ t lên các kh ớ p và t ừ đó xác đ ị nh đư ợ c v ị trí c ủ a các thanh n ố i và khâu tác đ ộ ng cu ố i trong các h ệ tr ụ c to ạ đ ộ Bư ớ c 5: Xác đ ị nh phương trình đ ộ ng h ọ c th u ậ n cho tay máy Ma tr ậ n đ ồ ng nh ấ t mô t ả hư ớ ng và v ị trí c ủ a Robot trong h ệ t ọ a đ ộ {O} n x x x x y y y y o 0 1 2 n 1 1 2 3 n z z z z T n o a p n o a p A A A A n o a p 0 0 0 1                  Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics 32 Đ ể gi ả i bài toán: Hình 15 : H ệ tr ụ c t ọ a đ ộ G ọ i các Joint 1, Joint 2, Joint 3 l ầ n lư ợ t là các bi ế n t ọ a đ ộ suy r ộ ng q 1 , q 2 , q 3 B ả ng 4 : B ả ng thông s ố DH Khâu

DESIGN AND CALCULATIONS FOR INDUSTRIAL ROBOTIC ARM - Full 10 điểm

Thông tin tài liệu

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan