THUYẾT MINH ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ thiết kế robot scara

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC 1.1 Không gian làm việc của robot1.1.1 Phân tích yêu cầu bài toán về không gian làm việc Không gian làm việc là vùng giới hạn, tầm với mà cánh tay r

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC 2

1.1 Không gian làm việc của robot 2

1.1.1 Phân tích yêu cầu bài toán về không gian làm việc 2

1.1.2 Lựa chọn cấu trúc robot 3

1.2 Số bậc tự do cần thiết 3

1.2.1 Phân tích yêu cầu bài toán về số bậc tự do cần thiết cho cơ cấu robot 3

1.2.2 Lựa chọn số bậc tự do cần thiết cho cơ cấu robot 3

1.2.3 Công thức tính toán số bậc tự do 4

1.3 Phân tích cấu trúc và phương án thiết kế 5

1.3.1 Phương án 1: Cơ cấu Robot SCARA 5

1.3.2 Phương án 2: Cơ cấu Robot phẳng TRR 6

1.3.3 Phương án 3: Cơ cấu Robot không gian dạng TRR 7

1.3.4 Phương án 4: Cơ cấu Robot không gian dạng TRR có giá nằm ở phía trên .8 1.4 Phương án thiết kế 9

1.5 Tính toán số bậc tự do của cơ cấu Robot Scara 10

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 11

2.1 Bảng tham số động học D-H-C 11

2.1.1 Các bước D-H-C 11

2.1.2 Xây dựng các hệ tọa độ bằng phương pháp D-H-C 11

2.1.3 Bảng thông số động học 13

2.2 Bài toán động học thuận 13

2.2.1 Các ma trận Craig địa phương Ki 13

2.2.2 Các ma trận Craig toàn cục Ci 13

2.2.3 Đồ thị điểm thao tác E 15

PHỤ LỤC 18

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC 1.1 Không gian làm việc của robot

1.1.1 Phân tích yêu cầu bài toán về không gian làm việc

Không gian làm việc là vùng giới hạn, tầm với mà cánh tay robot có thể thực hiện cácthao tác vận hành Dưới đây là một số cơ cấu có thể dùng để xác định các vị trí trongmặt phẳng làm việc

 Cơ cấu robot tọa độ Đề các: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến

theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TTT) Không gian làm việc của taymáy có dạng khối chữ nhật

Hình 1.1.1.1.1.1: Cơ cấu tọa độ Đề các

 Cơ cấu robot tọa độ trụ: Không gian làm việc của robot có dạng hình trụ tròn.

Thường khớp thứ nhất là chuyển động quay

Hình 1.1.1.1.1.2: Cơ cấu tọa độ trụ

 Cơ cấu robot tọa độ cầu: Không gian làm việc của robot có dạng hình cầu.

Hình 1.1.1.1.1.3: Cơ cấu tọa độ cầu

1.1.2 Lựa chọn cấu trúc robot

Như vậy với yêu cầu tính toán Robot gắp vật bảo đảm thực hiên gắp vật với quỹ đạo

có dạng đường tròn Ta có thể lựa chọn cơ cấu robot tọa độ trụ vì robot tọa độ trụ cóthể vừa chuyển động tịnh tiến lên xuống, vừa xoay quanh trục cố định Khi làm việcrobot sẽ hoạt động theo quỹ đạo hình khối trụ tròn

1.2 Số bậc tự do cần thiết

Định nghĩa: Bậc tự do của tay máy bằng số thông độc lập cần thiết để xác định hoàntoàn vị trí của Robot = Khả năng chuyển động của Robot = Số khâu dẫn

1.2.1 Phân tích yêu cầu bài toán về số bậc tự do cần thiết cho cơ cấu robot

Để khâu thao tác có thể di chuyển được trên mặt phẳng quỹ đạo đã cho yêu cầu ít nhất

sẽ phải có 2 bậc tự do cho việc di chuyển Tuy nhiên quỹ đạo này là dạng đường tròn

và nếu chỉ với 2 bậc tự do kia thì robot sẽ phải di chuyển tới đối tượng ở vị trí thíchhợp mới có thể đảm bảo thực hiện việc gắp vật, như vậy yêu cầu tính linh hoạt củaRobot trong việc tiếp cận (việc vào/ra mặt phẳng làm việc) thì yêu cầu thêm 1 bậc tự

do nữa Nên phải có ít nhất 3 bậc tự do cho mô hình thiết kế

1.2.2 Lựa chọn số bậc tự do cần thiết cho cơ cấu robot

Với kết cấu 4, 5, 6 bậc tự do, Robot sẽ trở nên linh hoạt hơn tuy nhiên việc tính toánthiết kế và chế tạo cũng phức tạp hơn Một phần nhu cầu bài toán đặt ra không cần góc

nghiêng của tay gắp tới đối tượng do đó các phương án trên sẽ làm phức tạp thêmnhiều tốn kém Để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu củabài toán đặt ra, ta lựa chọn phương án thiết kế robot 3 bậc tự do có 3 khâu quay (tịnhtiến) xác định vị trí và bao quát các điểm trên mặt phẳng Do đó việc lựa chọn phương

án này hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu bài toán khi cần thao tác trên mặt phẳng với quỹđạo đường tròn trên mặt phẳng thẳng ngang làm nhiệm vụ gắp vật

1.3 Phân tích cấu trúc và phương án thiết kế

1.3.1 Phương án 1: Cơ cấu Robot SCARA

Hình 1.3.1.1.1.1: Phương án 1

Mô tả: Cơ cấu robot SCARA bao gồm 1 khớp tịnh tiến cho phép di chuyển lên xuống theo phương thẳng đứng và 2 khớp quay có trục quay song song với phương thẳng đứng Cấu trúc này cho phép robot hoạt động hiệu quả trong không gian 2D, với khả năng tiếp cận các điểm trên bề mặt phẳng mà không cần điều chỉnh độ cao quá nhiều

Ưu điểm:

 Không cần đối trọng: Với trục quay hướng theo phương thẳng đứng, robotSCARA không cần phải sử dụng đối trọng, giúp giảm thiểu yêu cầu về thiết kế và cân

bằng, điều này rất quan trọng trong việc tiết kiệm không gian và trọng lượng tổng thểcủa robot.

 Độ chính xác cao: Cấu trúc này cho phép robot thực hiện các chuyển độngnhanh chóng và chính xác, phù hợp cho các nhiệm vụ yêu cầu độ chính xác cao nhưlắp ráp điện tử

 Khả năng gắp vật nặng: Robot SCARA có thể xử lý tải trọng lớn mà không gặpvấn đề về ổn định, điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụngcần xử lý các bộ phận nặng hoặc cồng kềnh

Nhược điểm:

 Hạn chế không gian làm việc: Robot SCARA chủ yếu hoạt động trong mặtphẳng ngang, điều này có thể hạn chế khả năng thực hiện các tác vụ phức tạp hơntrong không gian 3D, như lắp ráp ở các độ cao khác nhau hoặc gắp vật thể từ nhiềugóc độ khác nhau

1.3.2 Phương án 2: Cơ cấu Robot phẳng TRR

Hình 1.3.2.1.1.1: Phương án 2

Mô tả: Cơ cấu robot phẳng TRR bao gồm 1 khớp tịnh tiến di chuyển lên xuống và 2 khớpquay có trục quay vuông góc với phương thẳng đứng Thiết kế này cho phép robot di chuyển

trong mặt phẳng nằm ngang, nhưng việc sử dụng trục quay nằm ngang giới hạn khả năng điềukhiển của robot.

1.3.3 Phương án 3: Cơ cấu Robot không gian dạng TRR

Hình 1.3.3.1.1.1: Phương án 3

Mô tả: Cơ cấu TTR bao gồm 1 khớp tịnh tiến, 2 khớp quay có trục quay song song vớiphương thẳng đứng, cùng với một khớp quay có trục quay vuông góc với phương thẳng đứng.Cấu trúc này mang lại sự linh hoạt hơn trong việc thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trongkhông gian 3D

Ưu điểm:

 Tính linh hoạt cao hơn: Với khả năng thực hiện các động tác phức tạp, robotTTR có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, từ lắp ráp đến kiểm tra và xử lý vậtliệu, làm cho nó trở thành lựa chọn tốt cho các ứng dụng công nghiệp đa dạng

Nhược điểm:

 Cần đối trọng: Khớp quay thứ ba yêu cầu đối trọng, làm phức tạp thiết kế và cóthể gia tăng trọng lượng tổng thể của robot, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suấthoạt động

 Chi phí cao: Thiết kế phức tạp hơn có thể dẫn đến chi phí đầu tư và bảo trì caohơn, điều này cần được cân nhắc trong quá trình lập kế hoạch ngân sách cho dự án

1.3.4 Phương án 4: Cơ cấu Robot không gian dạng TRR có giá nằm ở phía trên

Hình 1.3.4.1.1.1: Phương án 4

Mô tả: Tương tự như phương án 3, nhưng với thiết kế phức tạp hơn có giá đỡ nằm ở phía trên,giúp mở rộng không gian làm việc và cho phép gắn thêm các thiết bị hỗ trợ khác

Ưu điểm:

 Tính linh hoạt cao: Giữ lại tất cả ưu điểm của phương án 3 và mở rộng khảnăng thực hiện các động tác phức tạp hơn, cho phép robot làm việc hiệu quả hơn trongnhiều tình huống và ứng dụng.

Lựa chọn phương án thiết kế: Robot Scara

 Kết cấu đơn giản đảm bảo tính linh hoạt

 Đã được các nước trên thế giới nghiên cứu, tính toán và chế tạo Dễ dàng tìmthấy tài liệu về robot Scara

 Nguyên lý hoạt động của robot Scara giống như cánh tay của con người

 Diện tích cho khâu đế thực sự tiết kiệm

 Xây dựng hệ thống điều khiển các khớp dễ dàng thuận tiện và gần như có thểđộc lập

 Kết cấu đơn giản đảm bảo tính linh hoạt

 Kết cấu của robot đơn giản đảm bảo tính tinh hoạt và yêu cầu kết cấu robot theo

đề bài (robot dạng RRT, 3 bậc tự do)

 Có thể dễ dàng xây dựng hệ thống điều khiển của các khớp

 Khi robot hoạt động khớp 1 tịnh tiến để khâu 2 và 3 đi đến vị trí làm việc

 Khớp 2 quay để chiều chỉnh vị trí của khâu 3 so với quỹ đạo làm việc

 Khớp 3 quay, kết hợp các khâu còn lại chuyển động tương đối với nhau thực hiện việc gắp vật và đưa vật đến vị trí được yêu cầu

1.5 Tính toán số bậc tự do của cơ cấu Robot Scara.

Hình 1.5.1.1.1.1: Robot Scara

 Số bậc tự do:

5 0

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 2.1 Bảng tham số động học D-H-C

2.1.1 Các bước D-H-C

 Bước 1: Đánh số thứ tự các khâu, từ khâu giá 0 đến khâu cuối n

 Bước 2: Đánh số thứ tự các khớp từ khớp 1 (khâu 0-1) đến khớp n

 Bước 3: xây dựng các hệ tọa độ khớp Ri, gắn chặt tại đầu khâu i

 Bước 4: Lập bảng thông số Craig

 Bước 5: Tính toán các ma trận Craig địa phương Ki

 Bước 6: Tính toán các ma trận Craig toàn cục Ci

 Bước 7: Tính toán vận tốc các khâu, vị trí và vận tốc của điểm thuộc khâu

2.1.2 Xây dựng các hệ tọa độ bằng phương pháp D-H-C

Hình 2.1.2.1.1.1: Hệ tọa độ gắn với robot Scara

Hệ tọa độ cố định R0(O0, X0, Y0, Z0)

 Hệ tọa độ (Oxyz)0, được gọi là hệ tọa độ gốc, hệ tọa độ gắn liền vào khâu đế

 Trục z0 được chọn trùng với trục của khớp đầu tiên

 Trục x0 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của 2 trụcz0 và z1 hướng đi

từ trục z0 tới z1

 Gốc tọa độ O0 được chọn tại giao điểm cuả trụcx0 và z0

 Trục y 0 được chọn sao cho hệ (Oxyz)0 là hệ quy chiếu thuận

Hệ tọa độ R1(O1,X1,Y1,Z1)

 Trục z1 được chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ 1

 Trục x1 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của 2 trụcz1 và z2 hướng đi

từ trục z1 tới z2

 Gốc tọa độ O1 được chọn tại giao điểm cuả trụcx1 và z1

 Trục y 1 được chọn sao cho hệ (Oxyz)1 là hệ quy chiếu thuận

Hệ tọa độ R2(O2,X2,Y2,Z2)

 Trục z2 được chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ 2

 Trục x2 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của 2 trụcz2 và z3 hướng đi

từ trục z2 tới z3

 Gốc tọa độ O2 được chọn tại giao điểm cuả trụcx2 và z2

 Trục y 2 được chọn sao cho hệ (Oxyz)2 là hệ quy chiếu thuận

Hệ tọa độ R3(O3,X3,Y3,Z3)

 Trục z3 được chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ 3

 Trục x3 được chọn dọc theo đường vuông góc của trụcz3 cùng hướng với x2

 Gốc tọa độ O3 được chọn tại giao điểm cuả trụcx3 và z3

 Trục y3 được chọn sao cho hệ (Oxyz)3 là hệ quy chiếu thuận

Hệ tọa độ RE(OE,XE,YE,ZE)

 Trục z E được chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ 3

 Trục x E được chọn dọc theo đường vuông góc của trụcz3 cùng hướng với x3

 Gốc tọa độ O E được chọn tại giao điểm cuả trụcx E và z E

 Trục y E được chọn sao cho hệ (Oxyz)E là hệ quy chiếu thuận

2.2 Bài toán động học thuận

2.2.1 Các ma trận Craig địa phương K i

 Vận tốc của điểm thao tác cuối:

Đạo hàm theo thời gian t toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được vận tốcđiểm thao tác E

Ez

v q

 Gia tốc của điểm thao tác cuối:

Đạo hàm theo thời gian t vận tốc điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được gia tốc điểm thao tác E

 Quy luật chuyển động cho các khâu

Khâu tịnh tiến: q1120 sin 0,1  t

 

2 3

 Đồ thị quỹ đạo điểm E

Hình 2.2.3.1.1.1: Đồ thị quỹ đạo điểm E

 Vận tốc điểm E

Hình 2.2.3.1.1.2: Đồ thị vận tốc góc điểm E

 Gia tốc điểm E

Hình 2.2.3.1.1.3: Đồ thị gia tốc điểm E

PHỤ LỤC

Chương trình Matlab bài toán động học thuận

%quy dao diem E

x_E(i) = l3*cos(q2+q3) + l1+l2*cos(q2);

y_E(i) = l3*sin(q2+q3) + l2*sin(q2);

z_E(i) = l4+l5+l6 + q1;

%van toc diem E

v_xE(i) = -l3*(dq2+dq3)*sin(q2+q3) - l2*dq2*sin(q2);

v_yE(i) = l3*(dq2+dq3)*cos(q2+q3) + l2*dq2*cos(q2);

figure(2)

figure(3)

figure(5);

figure(6);

figure(7);

figure(8);

figure(9);