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

Theo viện nghiên cứu Robot của Mỹ đề xuất định nghĩa: “Robot công nghiệp là tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn t

B Ộ 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 c ứu, thiết kế rô bốt Scara 3 bậc tự do

Giáo viên hướng dẫn: Ths LÊ NG ỌC DUY

ĐỖ ĐỨC HIẾU 2017600874 NGUY ỄN HUY HOÀNG 2017601597

Hà N ội – 2021

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀNỘI C ỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHI ẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

H ọ tên sinh viên:

1 Vũ Minh Đức MSSV: 2017600781 Lớp: CĐT1 Khóa: 12

2 Đỗ Đức Hiếu MSSV: 2017600874 Lớp: CĐT1 Khóa: 12

3 Nguyễn Huy Hoàng MSSV: 2017601597 Lớp: CĐT1 Khóa: 12

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế rô bốt Scara 3 bậc tự do

M ục tiêu đề tài :

 Phân tích, tổng hợp và đề xuất giải được pháp cho các vấn đề kỹ thuật liên quan đến quá trình điều khiển rô bốt Scara Vận dụng được các kiến thức về cơ khí, điện, điện tử, điều khiển và tích hợp để thiết kế, chế tạo một hệ thống tự động,

 Có khả năng tổng hợp, viết báo cáo, trình bày và phản biện khoa học

K ết quả dự kiến (Phần này liệt kê các nội dung, kết quả chính cần đạt được của ĐA/KLTN và phải bám sát mục tiêu đề tài)

 Thiết kế, chế tạo mô hình rô bốt Scara

 Lập trình thuật toán điều khiển theo điều khiển

Th ời gian thực hiện: từ 22/03/2021 đến 09/05/2021

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ h ọ tên)

TRƯỞNG KHOA

TS Nguy ễn Văn Thiện

NỘI DUNG THỰC HIỆN

1 Bố cục thuyết minh đề tài:

Chương 1: Tổng quan về rô bốt Scara

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài Nguyễn Huy Hoàng

Chương 2: Mô hình toán học rô bốt Scara

2.1 Tính toán lựa chọn phương pháp điều khiển Vũ Minh Đức

2.3 Mô hình toán học hệ thống điều khiển Nguyễn Huy Hoàng

Chương 3: Tính toán, thiết kế rô bốt Scara

3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí Đỗ Đức Hiếu

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điện, điện tử Nguyễn Huy Hoàng

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển Vũ Minh Đức

2 Bản vẽ:

1 Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí A0 1 Đỗ Đức Hiếu

2 Bản vẽ hệ thống điều khiển A1 1 Nguyễn Huy Hoàng

3 Lưu đồ thuật toán điều khiển A1 1 Vũ Minh Đức

3 Mô hình/ s ản phẩm (nếu có)

Trình bày ngắn gọn thông số kỹ thuật cơ bản của mô hình/ sản phẩm

 Chế tạo, lắp ráp hệ thống cơ khí Đỗ Đức Hiếu

 Lập trình hệ thống điều khiển Vũ Minh Đức

* Ghi chú: Nhiệm vụ của sinh viên trong đề tài có thể phân công theo chương hoặc theo các nội dung công việc

MỤC LỤC

MỤC LỤC 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 11

1.1 Lịch sử nghiên cứu 11

1.1.1 Sơ lược lịch sử quá trình phát triển của robot công nghiệp 11

1.1.2 Giới thiệu chung về cánh tay robot 14

1.2 Mục tiêu của đề tài 16

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài 17

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ROBOT SCARA 19

2.1 Tính toán, lựa chọ phương pháp điều khiển 19

2.1.1 Phương pháp Denavit – Hartenberg(D-H) 19

2.1.2 Ma trận thuần nhất của các hệ trục tọa độ theo quy tắc D-H 20

2.2 Mô hình toán học hệ thống điều khiển 21

2.2.1 Phương trình động học thuận 21

2.2.2 Phương trình động học nghịch 23

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ROBOT SCARA 26

3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí 26

3.1.1 Yêu cầu thiết kế 26

3.1.2 Mô hình thiết kế tay máy 3 bậc tự do 26

3.1.3 Tính toán lực tác động, công suất cần thiết 27

3.1.4 Tính toán bộ truyền đai 30

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điện, điện tử 33

3.2.1 Tính toán lựa chọn vi điều khiển 33

3.2.2 Chọn động cơ điều khiển 34

3.2.3 Driver điều khiển động cơ 36

3.2.4 Công tắc hành trình 37

3.3 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển 38

3.3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển 38

3.3.2 Mô hình hóa mô phỏng 40

3.3.3 Phần mềm lập trình 43

3.4 Tổng hợp và tích hợp hệ thống 45

KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 52

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Robot tay máy 11

Hình 1.2 Robot Scara 12

Hình 1.3 Robot công nghiệp của hãng Tosy Robotics, Việt Nam 13

Hình 1.4 Xưởng hàn thân xe của hãng xe VinFast 14

Hình 1.5 Robot tay máy 6 bậc tự do 15

Hình 1.6 Robot tay máy hàn ứng dụng trong công nghiệp 16

Hình 2.1 Quy tắc đặt các trục tọa độ 19

Hình 2.2 Đặt hệ trục tọa độ lên các khâu của robot 21

Hình 2.3 Bài toán động học nghịch 23

Hình 3.1 Mô hình Robot tay máy Scara 27

Hình 3.2 Mô hình thiết kế 27

Hình 3.3 Lực tác dụng khâu 2 28

Hình 3.4 Biểu đồ momen khâu 2 29

Hình 3.5 Puli chủ động 32

Hình 3.6 Puli bị động 32

Hình 3.7 Dây đai truyền động 33

Hình 3.8 Vi điều khiển STM32F103C8T6 33

Hình 3.9 Động cơ bước điều khiển 35

Hình 3.10 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988 36

Hình 3.11 Công tắc hành trình 37

Hình 3.12 Tiếp điểm thường mở 38

Hình 3.13 Tiếp điểm thường đóng 38

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm 38

Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán điều khiển 39

Hình 3.16 Mô hình thiết kế sơ bộ 40

Hình 3.17 Mô hình Simulink của robot 41

Hình 3.18 Khối điều khiển chuyển động 41

Hình 3.19 Mô hình Simulink tổng quát 42

Hình 3.20 Đồ thị quy luật chuyển động, vận tốc, gia tốc của q0 43

Hình 3.21 Đồ thị quy luật chuyển động, vận tốc, gia tốc của q2 43

Hình 3.22 Phần mềm STM32CubeMX 44 Hình 3.23 Phần mềm Keil C 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg 21 Bảng 3.1 Bảng tra mô đun chọn số răng cho bánh răng 31

L ỜI MỞ ĐẦU

Robot xuất hiện đã thực sự thay đổi cuộc sống của con người nói chung và nền công nghiệp nói riêng Với hầu hết mọi người, hiểu biết về robot chỉ dừng lại ở hình ảnh: những chú robot với trí thông minh nhân tạo, có thể giao tiếp, giúp đỡ việc nhà, bán hàng trong siêu thị, chăm sóc các cụ già hay trông trẻ… Nhưng họ không để ý đến vai trò đặc biệt quan trọng và sự xuất hiện ngày một nhiều của robot trong những ngành công nghiệp, chế tạo, lắp ráp và sản xuất hiện đại ở khắp các nhà máy, công xưởng trên thế giới Một trong những robot phổ biến nhất trong thế giới sản xuất là cánh tay robot Scara Cánh tay robot Scara trong hầu hết các trường hợp được lập trình

và sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể, phổ biến nhất cho sản xuất, chế tạo và các ứng dụng công nghiệp

Cánh tay robot công nghiệp, có thể bạn không phải là một người biết về kỹ thuật, nhưng chỉ cần nghe qua tên của nó, bạn cũng đoán được rằng để hoạt động được, nó sẽ phải tuân thủ các cấu tạo và nguyên tắc cử động giống như cánh tay của con người Thật vậy, đây là một thiết bị hoạt động theo cách tương tự như cánh tay người, với một số khớp có thể di chuyển dọc theo trục hoặc có thể xoay theo một số hướng nhất định Trên thực tế, một số cánh tay robot được cấu tạo và lập trình hoạt động với cách bắt chước các chuyển động chính xác của cánh tay con người

Trong suốt quá trình nghiên cứu và thiết kế được sự hướng dẫn, góp ý tận tình của giảng viên, Ths Lê Ngọc Duy cùng với sự nỗ lực của cả nhóm, đến nay chúng em

cơ bản đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế rô bốt Scara 3 bậc tự do” Do khả năng và tầm nhận thức còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, với khối lượng công việc đòi hỏi có sự tổng hợp cao nên thiết kế của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em mong các thầy tiếp tục chỉ bảo và giúp đỡ

để chúng em chỉnh sửa thêm và vận dụng vào công việc thực tế

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Lịch sử nghiên cứu

1.1.1 Sơ lược lịch sử quá trình phát triển của robot công nghiệp

Thuật ngữ robot xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm

1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất Theo viện nghiên cứu Robot của Mỹ đề xuất định nghĩa: “Robot công nghiệp

là tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành

và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp

Hình 1.1 Robot tay máy

Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rêt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot ‘robotics’ đã trở thành 1 lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cáu trúc cơ bản động học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v v

Hình 1.2 Robot Scara

 Tình hình nghiên cứu và phát triển robot ở Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong

25 năm vừa qua Các nghiên cứu về robot ở nước ta liên quan nhiều đến vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh Đặc biệt, trong lĩnh vực điều khiển robot, ngoài các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt thì các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi cũng đã được đề cập nghiên cứu và áp dụng tại các tổ chức KH&CN Bên cạnh đó còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chết tạo robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế

Các nghiên cứu cơ bản về Robot của Việt Nam đã được công bố nhiều trên các Hội Nghị và tạp chí quốc tế Việc phối hợp với các nước như Nhật, Mỹ, Singapore, Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt nam liên quan đến robot như RESCCE’98,

RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM 2009 là một chuỗi hoạt động khoa học liên tục của cộng đồng Robotics Việt nam hòa nhập vào các hoạt động nghiên cứu khoa học với các nước khu vực và tiên tiến trên thế giới

Hình 1.3 Robot công nghiệp của hãng Tosy Robotics, Việt Nam Song song với chế tạo robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về robot được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới Các nghiên cứu về động học và động lực học rô bốt được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, cơ khí quan tâm cả trong dân sự và quân sự Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại rô bốt nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển

để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế robot Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú, từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho robot, các hệ visual servoing… Lĩnh vực robot di động với nhiều cảm biến dẫn đường và camera đang được nhiều đơn

vị trong nước quan tâm nghiên cứu Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa cảm biến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho rô bốt di động đã có nhiều công bố trong các Hội nghị cơ điện tử toàn quốc năm 2004, 2006,

2008 và 2010 Các nghiên cứu về thị giác robot được quan tâm cả ở robot công nghiệp

và robot di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển robot trên cơ sở thông tin hình ảnh Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nói tiêng Việt bắt đầu được chú ý cho các loại robot dịch vụ

Hình 1.4 Xưởng hàn thân xe của hãng xe VinFast

1.1.2 Giới thiệu chung về cánh tay robot

 Lợi ích tuyệt vời khi sử dụng cánh tay robot công nghiệp trong sản xuất

Cánh tay robot công nghiệp, tuy nhiên lại có thể di chuyển nhanh hơn nhiều so với cánh tay của con người Một cánh tay robot công nghiệp làm tăng tốc độ của quá trình sản xuất và độ chính xác Những cánh tay robot hoạt động trơn tru giúp cắt giảm gần như tối đa các lỗi trong quá trình sản xuất do người công nhân gây ra và giúp giảm được rất nhiều chi phí lao động

Hình 1.5 Robot tay máy 6 bậc tự do

 Cánh tay robot thao tác nhanh và tiết kiệm thời gian hơn con người

Mỗi cử động của robot, bao gồm quay, tịnh tiến, cầm nắm, nhấc, dịch chuyển, quay, lật có tải, tiến hành thao tác hàn, lắp ráp…của tay robot đều được con người kiểm soát Nó được lập trình mô phỏng trong không gian ảo của phần mềm để lường trước những rủi ro về va chạm, quá tải hay bất hợp lý trong chuyển động

Vì vậy, mỗi chuyển động thực tế của robot trong quá trình làm việc sẽ đều là một chuyển động chính xác, trơn tru và không có động tác dư thừa Bởi trong sản xuất, Cycle Time được tính tối ưu tới đơn vị hàng phần chục hoặc phần trăm giây

Ngoài ra, chất lượng của sản phẩm có thể bắt đầu được cải thiện do con người cải thiện khả năng Robot Ví dụ, cắt chính xác xuống các cạnh, tạo ra các mối hàn cứng hơn hoặc khoan các lỗ chính xác Điều này liên tục được người lập trình điều chỉnh thiết lập tới khi đạt trạng thái hoàn hảo Từ đó dê dàng cải tiến sản phẩm theo thời gian, đồng thời cải thiện tính toàn vẹn của thương hiệu

Hình 1.6 Robot tay máy hàn ứng dụng trong công nghiệp

 Các chuyển động là chính xác và lặp lại hoàn toàn giống nhau

Các chuyển động chính xác đem lại kết quả chính xác trên sản phẩm theo đúng yêu cầu kỹ thuật từ đó đảm bảo không có sản phẩm NG do những bất cẩn hoặc thao tác sai trong quá trình làm việc giống như con người

Bởi con người chúng ta, trong quá trình làm việc, bộ não rất thường xuyên bị đánh mất sự tập trung do các yếu tố chủ quan và khách quan bên ngoài tác động vào Các yếu tố đó bao gồm sức khỏe trong ca làm việc, tinh thần và sự tập trung, thái độ nghiêm túc trong công việc, tính kỷ luật của bản thân cũng như nhóm, tổ đội trong dây chuyền khi làm việc (nói chuyện, cười đùa…)

Chính vì các yếu tố đó, với cùng một công việc, tuy là lặp lại nhưng chất lượng của mỗi sản phẩm hay một công đoạn lại thường bị phụ thuộc và phó mặc vào cảm xúc

và sự hứng thú của người công nhân thao tác nó Điều này thực sự nguy hiểm với những công việc hay mặt hàng đòi hỏi độ chính xác cao trong thao tác và sự tập trung cao độ

1.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu khảo sát các công trình mà các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu

về loại cánh tay robot 3 bậc tự do, đồ án này sẽ đi vào nghiên cứu những vấn đề sau:

 Phân tích, tổng hợp và đề xuất giải được pháp cho các vấn đề kỹ thuật liên quan đến quá trình điều khiển rô bốt Scara Vận dụng được các kiến thức về cơ khí, điện, điện tử, điều khiển và tích hợp để thiết kế, chế tạo một hệ thống tự động,

 Có khả năng tổng hợp, viết báo cáo, trình bày và phản biện khoa học

Hầu hết các nghiên cứu cánh tay robot 3 bậc tự do ở nước ta hiện nay liên quan chủ yếu đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển

Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại robot thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích thiết kế robot

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài

 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

 Thu thập, tìm kiếm thông tin tài liệu về robot Scara

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, quy trình công nghệ, các hệ thống có trong cánh tay robot như hệ thống cơ khí, hệ thống điều khiển, hệ thống cảm biến, cơ cấu

chấp hành Từ đó tính toán, lựa chọn hệ thống cơ khí và điều khiển

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, quy trình công nghệ, các hệ thống có trong cánh tay robot như hệ thống cơ khí, hệ thống điều khiển, hệ thống cảm biến, cơ cấu chấp hành Từ đó tính toán, lựa chọn hệ thống cơ khí và điều khiển

 Lựa chọn các linh kiện phù hợp trong lắp ráp mô hình

 Nghiên cứu và ứng dụng các phần gia công cơ khí để chế tạo cánh tay robot

 Nghiên cứu về các phương trình động học của robot để ứng dụng điều khiển robot

 Lập trình thuật toán điều khiển theo điều khiển

 Nghiên cứu thực nghiệm:

Tham khảo các mẫu mô hình cánh tay robot trên thực tế, từ đó có những tính toán trong việc thiết kế cánh tay robot phù hợp, thử nghiệm lắp rắp, vận hành khắc phục những lỗi xảy ra

Thiết lập phương trình vi phân chuyển động theo phương pháp Newton-Euler, xây dựng sơ đồ động học, chọn hệ tọa độ suy rộng, thiết lập bảng tham số động học, động lực học robot Xác định các ma trận truyền D-H, từ đó xác định ma trận quay tương ứng Tách robot thành từng vật, khảo sát hệ lực trên từng vật Tìm các thuộc tính cho từng vật rắn: vị trí, vận tốc, gia tốc,… Thiết lập phương trình vi phân

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ROBOT SCARA

2.1 Tính toán, lựa chọ phương pháp điều khiển

2.1.1 Phương pháp Denavit – Hartenberg(D-H)

Phương trình động học robot công nghiệp là phương trình mô tả quy luật thay đổi hướng và vị trí của khâu tác động cuối so với các biến khớp

Trên tay máy robot công nghiệp có 2 dạng khớp là: Khớp tịnh tiến và khớp quay Biến khớp chính là các góc quay và các lượng tịnh tiến của các khớp quay và khớp tịnh tiến

Khi cho biết trước giá trị của các khớp quay và các lượng tịnh tiến này, thay vào phương trình động học robot công nghiệp ta sẽ có hướng và vị trí các khâu công tác

 Phép biến đổi thuần nhất các hệ toa độ theo quy tắc D-H

Quy tắc đặt các trục tọa độ

 Z i cùng hướng với hướng của trục khớp i+1

 X i cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục Z i1và trục Z i

 Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x

đã được xác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng

của trục z, x theo quy tắc bàn tay phải

 Hệ tọa độ gốc: X0 được chọ tùy ý vuông góc với Z0

Hình 2.1 Quy tắc đặt các trục tọa độ

 Quy tắc rời trục tọa độ theo Denavit – Hartenberg

 Tịnh tiến một đọa d i theo trục Z i1để X i1nằm trên mặt phẳng pháp tuyến của Z i1chứa X i

 Quay một góc i quanh trục Z i1để X i1cùng phương với X i

 Tịnh tiến 1 đoạn a i theo trục X i1để X i1X i

 Quay 1 góc i quanh trục X i1 ( X i ) để Z i1Z i

2.1.2 Ma trận thuần nhất của các hệ trục tọa độ theo quy tắc D-H

Tương ứng với các phép tịnh tiến và phép quay trên ta có các ma trận biến đổi thuần nhất Ta quy ước gọi ma trận biến đổi thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ liên tiếp nhau theo quy tắc D-H là các ma trận i 1

2.2 Mô hình toán học hệ thống điều khiển

2.2.1 Phương trình động học thuận

Các bước lập phương trình động học robot công nghiệp theo quy tắc Hartenberg

Denavit-Bước 1: Đặt các hệ trục tọa độ lên các khâu khớp theo quy tắc

Hình 2.2 Đặt hệ trục tọa độ lên các khâu của robot

a a H

0 0 0 0

0 1

E E

2.2.2 Phương trình động học nghịch

Hình 2.3 Bài toán động học nghịch Khi giải bài toán động học thuận người ta xác định được quan hệ:

Như vậy, bài toán động học ngược tay máy là cho trước không gian thao tác của khâu công tác tìm không gian cấu hình tương ứng

Đây là bài toán có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc điều khiển chuyển động của tay máy robot công nghiệp

Các phương pháp giải:

Từ phương trình x f q( ) (với m, n

x q ) giải ra qq t( )khi cho biết ( )

xx t là bài toán không đơn giản, nhất là khi m<n

Các phương pháp để giải bài toán động học ngược được phân thành 2 nhóm: Phương pháp giải tích, phương pháp số

Ph ương pháp giải tích có nhược điểm là tính toán phức tạp, không mang tính

toàn diện cho mọi robot, tùy vào từng robot khác nhau mà việc chọn và giải các phương trình cũng khác nhau, khó áp dụng với các robot có số bậc tự do lớn (>=6) Tuy nhiên ưu điểm của phương pháp này là khi tìm được kết quả thì việc thay giá trị

để tính toán lại trở nên đơn giản

Phương pháp số có các phương pháp điển hình sau đây:

- Phương pháp lạo trừ thẩm tách Sylvester

- Phương pháp dựa trên khai triển chuỗi Taylor

- Phương pháp RAGHAVAN và ROTH

- Phương pháp Tsai-Morgan

- Phương pháp Newton-Rapson

Phương pháp giải tích

Cơ sở lý thuyết

Khi giải bài toán động học thuận bằng phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg ta có

ma trận biến đổi xác đinh vị trí của khâu cuối là :

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ROBOT SCARA

3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí

3.1.1 Yêu cầu thiết kế

Tay máy cần được chế tạo giống như những cánh tay với khả năng chuyển động

cơ bản, bao gồm các chi tiết: cổ tay khéo léo, cử động dễ dàng; bàn tay thực hiện các thao tác, trực tiếp hoàn thành các công việc Các chi tiết được nối với nhau bằng khớp trượt và khớp quay, giúp cánh tay robot vừa chắc chắn, vừa linh hoạt

Dựa trên các yêu cầu về cơ khí, thiết kế phù hợp với các yêu cầu của công việc, chúng ta đưa ra các yêu cầu như sau:

- Tải trọng:

 Cơ cấu yêu cầu phải có khả năng chịu tải trọng, dễ dàng lắp ráp với các module mạch của tay máy robot Có khả năng nâng được 0.3(kg)

- Hành trình di chuyển:

 Đáp ứng được tốc độ mong muốn trong quá trình vận hành

 Thân vỏ phải thiết kế sao cho các module mạch, cảm biến có thể dễ dàng gắn chắc chắn lên khung máy

 Các viền cạnh phải được bo để tránh gây ra thương tích khi vận hành máy

 Đế phải được cố định chắc chắn để giúp cơ cấu hoạt động ổn định

- Độ chính xác

 Độ chính xác trong thiết kế cơ khí đóng vai trò rất quan trọng bởi lẽ thiết cần phải kiểm tra tỉ mỉ để khi điều khiển không dẫn đến sai số

3.1.2 Mô hình thiết kế tay máy 3 bậc tự do

Từ những yêu cầu đặt ra nhóm sinh viên nghiên cứu đưa ra mô hình thiết kế trên phần mềm Solidwork

Hình 3.1 Mô hình Robot tay máy Scara

Hình 3.2 Mô hình thiết kế

3.1.3 Tính toán lực tác động, công suất cần thiết

Tính toán thi ếu kế trục:

Xác định momen max tác dụng liên tục

Giả sử tay kẹp nâng vật nặng 100(g) Trục nặng 200(g) được thay thế bằng lực tương đương tại trọng tâm

Hình 3.3 Lực tác dụng khâu 2

Gọi là momen cánh tay tác dụng lên trục

là momen động cơ cần thiết tác dụng lên trục

Ta có:

Trục sẽ chịu lực max nhất khi cánh tay ở vị trí cao nhất

Trọng lực tại khâu đang xét:

Gọi là 2 phản lực cắt cánh tay tác dụng:

Khi đó là 2 phản lực tác động ngược trở lại

Điều kiện cân bằng lực

Biểu đồ momen:

Hình 3.4 Biểu đồ momen khâu 2 Xác định tiết diện ở điểm nguy hiểm: dựa vào biểu đồ nội lực ta thấy điểm đặt lực là nguy hiểm nhất, ta có momen tác dụng dưới đây:

: Momen tương đương tại mặt cắt C (N.mm)

: ứng suất xoắn cho phép, Mpa, với vật liệu trục là thép CT5, thép C45

=15 80Mpa, lấy trị số nhỏ đối với trục vào của hộp giảm tốc, trị số lớn đối với trục ra

 Bởi vậy ta tính được đường kính trục như sau:



Vì vậy sử dụng trục có đường kính là 10 (mm)

3.1.4 Tính toán bộ truyền đai

Chọ tỉ số truyền của bộ truyền đai răng là k=1,5

Tốc độ góc của động cơ :

15( d / )/ 2 10 / 2

n



Ta có bảng tra thông số của các mô đun m của bộ truyền đai răng như sau:

Bảng 3.1 Bảng tra mô đun chọn số răng cho bánh răng

Miền giá trị số răng z dđai 40…160

Để phù hợp với 2 loại puli vừa chọn, nhóm đồ án sử dụng đai răng GT2 bước răng 2 mm, chiều rộng đai 6 mm để truyền động cho hệ thống

Hình 3.7 Dây đai truyền động

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điện, điện tử

3.2.1 Tính toán lựa chọn vi điều khiển

 Giới thiệu vi điều khiển STM 32F103C8T6

STM32 là một trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều họ thông dụng như F0,F1,F2,F3,F4… Stm32f103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3 STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz Giá thành cũng khá rẻ so với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá đa dạng và dễ sử dụng

Mạch STM32F103C8T6 nhỏ gọn, kit ra đầy đủ các chân của vi điều khiển, có cổng giao tiếp USB và cổng nạp SWD, thích hợp cho các bạn mới nghiên cứu về dòng

vi điều khiển ARM

Hình 3.8 Vi điều khiển STM32F103C8T6

 1 cổng Mini USB dùng để cấp nguồn, nạp cũng như debug

 2 MCU bao gồm 1 MCU nạp và 1 MCU dùng để lập trình

 Có chân Output riêng cho các chân mạch nạp trên MCU1

 Có chân Output đầy đủ cho các chân MCU2

 Chân cấp nguồn ngoài riêng cho MCU2 nếu không sử dụng nguồn từ USB

 Thạch anh 32,768khz dùng cho RTC và Backup

 Chân nạp dùng cho chế độ nạp boot loader

 Nút Reset ngoài và 1 led hiển thị trên chân PB9, 1 led báo nguồn cho MCU2

3.2.2 Chọn động cơ điều khiển

Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động

của rôto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết

Động cơ bước được sử dụng trong rất nhiều các máy móc tự động, hệ thống cơ khí và rất nhiều ứng dụng khác Loại động cơ này sẽ hoạt động khi cấp xung điện vào các cuộn dây, góc quay trên mỗi xung sẽ được quyết định dựa trên gốc độ (0.9, 1.8), thường được sử dụng nhất là loại động cơ bước 1.8 độ (với mỗi xung động cơ sẽ quay được 1.8 độ, điều này đồng nghĩa với việc để quay 360 độ cần phải đến 200 xung) Nếu gốc bước càng nhỏ thì động cơ quay càng mượt và cần nhiều xung hơn

Động cơ bước không có chổi than, Roto được làm từ nam châm vĩnh cứu nên nó rất bền

Hình 3.9 Động cơ bước điều khiển Thông số kĩ thuật:

 Chịu tải: 3A, moment xoắn 3Nm, 4 dây

 Động cơ chạy êm, ổn định, tiếng ồn thấp

 Động cơ chạy không bị nóng, tuổi thọ cao

 Điều khiển chính xác góc quay

 Động cơ bước 57, Nema 23

 Động cơ bước của nhà máy sản xuất có chất lượng tốt, hoạt động ổn định, chính xácChiều dài trục: 23mm

 Dây động cơ sử dụng đồng nguyên chất, bố trí dây đồng đều, chống ăn mòn, dẫn nhiệt tốt, dẫn điện mạnh

 Chất lượng tốt chịu lực, thép cứng, độ chính xác cao, bền

Đặc điểm của động cơ:

 Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ

 Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước

 Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây

3.2.3 Driver điều khiển động cơ

Mạch điều khiển động cơ bước A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ

nhỏ gọn, hổ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tự động ngắt điện khi quá nóng Mạch điều khiển A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, 1/2, 1/4 , 1/8 và 1/16

Hình 3.10 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988

 Dễ dàng điều khiển hướng quay và số bước quay

 5 chế độ điều khiển: full step, haft step, 1/4, 1/8, 1/16

 Giao tiếp và điều khiển đơn giản

 Điều chỉnh được dòng ra cho động cơ

 Ngắt bảo vệ khi quá nhiệt, quá áp và quá dòng

 Bảo vệ ngắn mạch